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상식

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양자점 백색 LED로 기록적인 효율성 달성

<KISTI의 과학향기> 제3190호

연구원들은 와트 당 105 루멘의 발광 효율을 나타내는 나노 물질 기반의 백색 발광 다이오드 (LED)를 시연했다. 발광 효율은 광원이 빛을 생성하는데 얼마나 많은 에너지를 사용하는지를 나타내는 척도이다. 추가 개발을 통해 새로운 LED는 와트 당 200 루멘 이상의 효율을 달성할 수 있어 주택, 사무실 및 텔레비전을 위한 유망한 에너지 효율적인 조명의 원천이 될 것이다.
 
효율적인 LED는 에너지를 절약하고 환경을 보호할 수 있는 잠재력이 강하다. 종래의 조명 원천을 와트 당 200 루멘의 효율로 LED로 대체하면 조명에 소비되는 전 세계 전기가 절반 이상 감소할 것이고, 그 감소는 전형적인 500 메가 와트 230개의 석탄 발전소에 의해 생성된 전기와 같으며 2 억 톤 정도 온실 가스 배출을 감소시킬 것이다.
 
연구원들은 고효율 백색 LED를 어떻게 만드는지를 광학회 저널인 옵티카 (Optica, "Quantum dot white LEDs with high luminous efficiency")에 발표했다. 새로운 LED는 양자점이라고 불리는 나노 크기의 반도체 입자 용액으로 채워진 유연 렌즈와 결합된 상업적으로 이용 가능한 청색 LED를 사용한다. 청색 LED의 빛은 양자점이 녹색과 적색을 방출하게 하여 청색 광과 결합하여 백색광을 생성한다.
 
연구팀의 새로운 LED는 다른 양자점 기반 백색 LED보다 높은 효율 수준에 도달했다. 양자점과 새로운 LED를 만들기 위한 합성 및 제조 방법은 쉽고, 저렴하며 대량 생산에 적용 가능하다.
 
오늘날의 LED로 백색광을 생성하기 위해서는 파란색 LED에 황색 형광체 기반의 코팅을 추가하여 파란색과 노란색 빛이 결합된다. 인광체는 청색에서 적색까지 넓은 방출 범위를 가지므로 생성된 백색광의 특성을 민감하게 조율하는 것은 어렵다.
 
인광체와 달리 양자점은 스펙트럼의 좁은 부분에서만 방출하기 때문에 순수한 색상을 생성한다. 이 좁은 방출은 청색 LED와 다른 색을 생성하는 양자점을 결합하여 정확한 색온도와 광학 특성을 가진 고품질의 백색광을 생성할 수 있다. 양자점은 쉽게 만들 수 있다는 이점을 가져다 주며, 반도체 입자의 크기를 증가시킴으로써 방출의 색을 쉽게 바꿀 수 있다. 더욱이, 양자점은 통합된 양자점의 농도를 변화시킴으로써 일반적인 형광 램프와 같은 백열 전구 또는 차가운 백색 광원과 같은 따뜻한 백색 광원을 생성하는데 유리하게 사용될 수 있다.
 
필름에 포함된 양자점이 현재 LED 텔레비전에 사용되고 있지만, 이 조명 방식은 일반적인 조명 애플리케이션에서 널리 사용하기에는 적합하지 않다. 양자점을 액체로 옮기면 나노 물질이 고체 고분자에 묻혀 있을 때 발생하는 문제가 되는 효율 저하를 극복할 수 있었다.
 
효율적인 백색 LED를 만들기 위해서는 청색광을 적색 또는 녹색으로 효율적으로 변환하는 양자점이 필요하다. 연구팀은 반응의 온도와 시간과 같은 최상의 조건을 확인하기 위해 300 가지 이상의 합성 반응을 수행하여 최적의 효율을 보였으면서 다른 색상으로 방출되는 양자점을 만들었다.
 
백색광을 생성하려면 적정량의 양자점을 통합해야 하며, 그것이 성취된다 할지라도 무한한 수의 청색, 녹색 및 적색 조합이 백색으로 이어질 수 있다. 최근에 보고된 이론적 접근법을 기반으로 한 시뮬레이션을 개발했으며 효율적인 백색광 생성을 위한 양자점 색상의 적절한 양과 최적의 조합을 결정하는데 사용했다.
 
새로운 LED를 만들기 위해 연구팀은 고분자 렌즈와 LED 칩 사이의 공간을 고온에서 카드뮴, 셀레늄, 아연 및 황을 혼합하여 합성된 양자점 솔루션으로 채웠다. 연구팀은 실리콘의 탄성을 이용하여 용액을 렌즈에 주입할 수 있었고, 용액의 투명성이 필요한 빛 투과를 가능하게 하기 때문에 렌즈를 만드는데 실리콘을 사용했다.
 
연구팀은 액체 기반의 백색 LED가 고체 필름에 양자점을 통합한 LED의 두 배의 효율을 달성할 수 있음을 보여 주었다. 그들은 7 인치 디스플레이를 밝히기 위해 백색 LED를 사용하여 시연했다.
 
양자점은 효율적인 조명 애플리케이션에 큰 가능성을 제시하고 있다. 조명 개발에 보다 효율적인 접근법을 고안할 수 있는 기술 개발 여지는 여전히 상당하다.
 
다음 단계로 연구팀은 LED의 효율을 높이기 위해 노력하고 있으며 카드뮴 및 납을 사용하지 않는 환경 친화적인 재료를 사용하여 고효율 수준에 도달하고자 한다. 그들은 다른 조건 하에서 액체 LED를 연구할 계획이다.

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