다아라 매거진 _ 2018.01

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[Technical News]국내 연구진, 광자결정을 이용한 고효율 백색광 구현

형광체 구조화 통한 색변환 효율 개선으로 경제성·효율성 잡아

국내연구팀이 광자결정 구조를 형광체에 도입해 효율을 가시적으로 향상시키는 새로운 접근법을 활용해 경제성과 효율성을 높인 백색광을 개발해 화제다.

현대 조명 및 디스플레이 산업 분야에 필수적인 요소인 형광체는 여기광원의 빛을 흡수해 다른 파장의 빛으로 방출하는 물질이다.
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광자결정 형광체를 이용한 백색광 구현

백색 발광 소자의 구성에서 색변환을 유도하는 형광체의 역할이 매우 중요하다. 특히 외부로부터 짧은 파장의 가시광이나 자외선을 흡수해 긴 파장의 가시광선을 방출하는 형광체는 이제 차세대 조명 및 디스플레이 산업에서 필수요소로 응용되고 있다.

이런 형광체에 대한 지금까지의 연구 방향은 주로 형광체 자체의 물성을 개선하는데 초점이 맞춰져 왔고, 관련 연구의 완성도가 매우 높아졌다. 하지만 역설적으로 이런 재료 연구 일변도의 상황 때문에, 재료·화학적인 측면에서의 형광체 효율 개선은 급격히 한계점에 이르고 있어 연구 패러디암의 전환이 절실히 필요한 시점이다. 또 디스플레이 산업 전반이 복잡한 수요로 다양한 발광 소자가 필요해지고 있다. TV나 모니터는 대형화되는 추세로 화질과 분해능이 우수한 디스플레이가 요구되면서 더 밝고 선명한 가시광 영역의 광원이 개발되고 있다. 반면 이동통신기기와 웨어러블 기기는 갈수록 소형화된 발광 소자의 수요가 늘고있다.

이에 한국연구재단(이사장 조무제)은 전헌수 교수(서울대학교) 연구팀은 “형광체를 광자결정(굴절률이 빛의 파장 크기 수준에서 주기적으로 변하는 광학적 구조)형태로 구조화해 색변환 효율을 개선함으로써, 경제적·효율적으로 백색광을 구현했다”고 밝혔다.

연구팀은 광자결정 구조를 형광체에 도입해 효율을 가시적으로 향상시키는 새로운 접근법을 활용했다. 광자결정 구조는 빛이 구조 내부에서 공진현상을 나타내는 광밴드엣지 효과를 일으켜 형광체의 빛 흡수율을 높여 발광량을 증가시킨다.

또 광자결정 형광체의 구현을 위해, 투명한 유리 기판 위에 생성된 질화규소 격자 구조 위에 양자점(차세대 형광 물질의 일종으로 크기가 수 나노미터에 불과한 미세 반도체 입자) 용액을 회전하는 기판 위에 균일한 두께의 박막으로 제작하기 위해 스핀코팅 공정 방법을 시행했다. 이로써, 광자결정의 형태로 구성된 적색·녹색의 양자점 박막과 청색 여기광 사이의 광밴드엣지 공진 현상이 일어나도록 했다.

연구 결과, 적색과 녹색의 광자결정 형광체를 청색 파장의 직진광으로 여기시키는 경우, 구조가 없는 비교 형광체 대비 각각 5배와 3배 이상의 색변환 효율 증가가 나타나는 것을 관측했다. 광자결정 형광체를 사용해 우수한 색감의 백색광을 구현하는 경우, 구조가 없는 비교 형광체와 비교했을 때 양자점의 양이 33% 절감됐으며, 백색광의 세기는 8% 이상 증가했다.

전헌수 교수는 “광학적 구조 특성에 기반한 새로운 접근 방법으로 형광체의 색변환 효율을 획기적으로 개선시켰다”며, “LED 및 디스플레이 소자에 직접 적용돼 발광 소자의 효율 향상을 기대한다”고 전했다.

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