고온에도 빛이 줄지 않는 LED 형광체 최초 개발 전조등, 조명 등 백색 LED 분야 적용 기대 허령 기자입력 2017-04-29 13:45:57

조과학부는 “백색 LED가 작동할 때 발생하는 열에 의해 빛의 세기가 감소하지 않는 신개념 형광체를 개발했다”고 밝혔다.
형광체는 LED의 빛을 받아 색을 변환하는 물질로 백색 LED 구현을 위해 가장 중요한 핵심소재이다. 하지만 대부분의 형광체는 온도가 높아지면 빛의 세기가 감소해 효율이 저하된다. 연구팀은 온도가 증가할 때 능동적으로 상변화를 수행해 고온에도 빛이 줄지 않아 효율 저하가 없는 ‘스마트 자가 치유 형광체’를 개발했다.
임원빈 교수는 “이 연구는 온도가 올라가더라도 형광체 빛의 세기가 줄어들지 않는 원천기술을 처음으로 개발한 것이다. 선행연구들은 형광체 외부에서 물리적인 방법으로 문제점을 해결하려고 했던 것에 비해, 이 연구는 형광체 내부의 특성을 이용해 자체적으로 문제를 해결했다. 자동차 전조등, 조명 등 고출력 백색 LED 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.”고 연구의 의의를 설명했다.
전남대학교 임원빈 교수 연구팀은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구) 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 세계적인 학술지 네이처 머터리얼즈(Nature Materials) 2월 14일 자에 게재되었다.

★ 용 어 설 명 ★

※ 발광천이(Radiative Transition)
-> 전자가 천이할 때 발광을 수반하는 현상이다.

※ 비발광천이(Non-radiative Transition)
-> 전자가 천이할 때 발광을 수반하지 않는 현상으로, 주요 요인은 불순물이나 격자 결함이라고 보고되고 있으며, 온도가 높아지면 모체의 포논 운동에 의해 더욱 증가하게 된다.

 

LED.jpg

고출력 LED의 적용
(a)365㎚ UV LED를 100~1,000mA 범위에서 전류를 증가시켰을 때 UV LED와 상용 청색 형광체(Commercial SMS:Eu2+), 자가치유 형광체(NSPO:Eu2+)의 상대적인 빛의 세기를 비교했다. UV LED와 사용 청색 형광체는 600~800㎃ 범위에서 빛의 세기가 감소하지만, 자가 치유 형광체는 고출력 조건(800㎃ 이상)에서도 빛의 세기가 유지되는 것을 확인했다. UV LED와 형광체를 함께 조합해 백색 LED를 만들었을 때도 동일하게 상대적인 빛의 세기 변화 특성을 확인할 수 있었다(b). 자가 치유 형광체로 제작한 백색 LED의 전류에 따른 스펙트럼(c)과 색 좌표(d) 역시 변화가 적음을 알 수 있다. 제작한 백색 LED의 구동 전(e)과 구동 후(f)의 실제 이미지를 나타낸다.

 

★ 연구 이야기 ★

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.
A. 형광체는 한 세기가 넘게 형광등, CRT(Cathode-ray Tube), FED(Field Emission Display), PDP(Plasma Display Panel), LCD(Liquid Crystal Display), 백색 LED 등 조명과 디스플레이용으로 인간의 문명이 발전함에 따라 적용 범위를 넓히며 개발되어온 핵심소재이다. 고출력용으로 응용 범위가 확대됨에 따라 형광체의 안정성은 관련 업계 및 연구계의 중요 이슈로 떠오르고 있다. 하지만 대부분의 형광체는 온도가 올라감에 따라 발광 강도가 떨어지는 열적 소광 현상을 보이며 이를 개선하기 위한 많은 연구가 보고되었지만, 기존에 보고된 방법으로는 특성 개선에 한계가 있다는 것에 주목하고 연구를 시작했다.

Q. 연구 전개 과정에 대한 소개.
A. 형광체의 열적 소광 과정에 대해서 고민하던 중 사람의 세포가 스스로 치유하는 점에 착안해 상처(비발광천이)를 치료할 수 있는 치유센터(발광천이)가 형광체 내부에 있다면, 열적 특성을 개선시킬 수 있다는 가정하에 여러 재료를 탐색했다. 재료들을 탐색하던 중 나시콘 구조의 온도에 따른 구조변화와 이온 전도 특성으로 인한 결함이 모체 내부에 생성되는 것에 주목했다. 이렇게 개발된 자가 치유 형광체는 온도가 변화함에 따라 구조와 이온 전도성에서 큰 변화를 보였는데, 다양한 분석을 통해 구조변화, 결함 형성과 자가 치유 현상의 관계를 고찰했다.

Q. 연구하면서 어떤 장애요소가 있었고, 어떻게 극복(해결)했는지.
A. 연구팀이 제안한 모델은 현재까지 존재하지 않았던 현상을 증명하는 것으로, 증명하는 과정에서 다양한 분석들을 해야 했으나 국내에 없는 장비들이 필요해 많은 어려움이 있었다. 하지만 기존 장비에서 아이디어를 얻어 직접 장비를 제작해 실험했고, 장비를 직접 제작하면서 분석 이론에 대해 더 깊게 이해할 수 있어 현상 증명에 많은 도움이 되었다.

Q. 이번 성과, 무엇이 다른가.
A. 이번 성과는 순수 국내 연구진이 최초로 제안한 형광체 모델이라는 점에 큰 의의가 있다. 또한, 기존에 고정관념처럼 여겨지던 내용을 타파해 형광체 연구의 새로운 패러다임을 제시한 것이 다른 점이라고 할 수 있다. 국내 형광체 소재 연구는 추격자 전략으로 서구권과 일본에서 선행되어온 연구를 따라가는 것에 급급한 한계가 있었지만, 국내에서 최초로 개발한 본 연구 성과를 바탕으로 형광체 소재 연구를 확장한다면 이러한 한계를 뛰어넘어 선도자로서 포지션을 변경할 수 있을 것이다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은.
A. 새로운 물질을 탐색하고 그 물질에 새로운 기능을 부여해 유용한 물질을 만들어 내는 연구에 관심을 갖고 연구를 수행하고 있다. 이러한 과정 중에 본 연구의 자가 치유 형광체 기술을 개발하게 되었다. 단기적으로는 새로운 자가 치유 형광체 모델을 확립하고 상용화할 계획이다. 최종적으로는 다양한 재료를 설계하고 특성을 예측할 수 있는 재료 디자인 센터를 만들어 보고 싶다.

Q. 기타 특별한 에피소드가 있었다면.
A. 처음 현상을 발견했을 때 측정 오류로 판단돼 수십 차례 다시 측정했는데 측정 결과가 모두 같아서 매우 놀랐던 기억이 난다. 또한, 이 연구를 다른 이들에게 설명하고 납득시키는데 오랜 시간이 걸렸던 것이 기억난다. 새로운 현상을 발견하고 증명하는 과정을 통해 연구에 대해서 새롭게 배우는 시간이었다. 다른 연구자들이 발견하지 못한 현상을 처음으로 찾아내고 밝혀가는 과정의 즐거움을 다시 한 번 느끼게 한 소중한 경험이었다.

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