광자결정 이용 '고효율 백색광' 구현

전헌수 서울대 교수 "형광체 구조화해 색변환 효율 개선"
광자결정 형광체를 이용한 백색광 구현.<사진=한국연구재단 제공>광자결정 형광체를 이용한 백색광 구현.<사진=한국연구재단 제공>

국내 연구팀이 광자결정을 이용해 고효율 백색광 구현에 성공했다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 전헌수 서울대 교수 연구팀이 형광체를 광자결정 형태로 구조화해 색변환 효율을 개선함으로써 경제적·효율적인 백색광을 구현했다고 28일 밝혔다.

형광체는 브라운관이나 형광등의 내벽에 도포되는 발광소재다. 에너지가 높은 전자나 빛을 흡수한 후 에너지가 낮은 상태의 빛을 방출하는 물질이다.

광자결정이란 굴절률이 빛의 파장 크기 수준에서 주기적으로 변하는 광학적 구조를 말한다.

최근까지 형광체 연구는 형광체의 재료적·물질적인 측면에 치중해 왔다. 이러한 연구 패턴은 급격한 한계점에 이르고 있다.

연구팀은 광자결정 구조를 형광체에 도입해 효율을 가시적으로 향상시키는 새로운 접근법을 활용했다.

광자결정 구조는 빛이 구조 내부에서 공진현상을 나타내는 광밴드엣지 효과(빛과 물질간의 상호작용이 활성화되는 공진 효과)를 일으키면서 형광체의 빛 흡수량이 증가돼 발광량 증가로 이어진다.
 
광자결정 형광체의 구현을 위해 투명한 유리 기판 위에 생성된 질화규소 격자 구조 위에 양자점(차세대 형광 물질의 일종) 용액을 스핀코팅(회전하는 기판 위에 균일한 두께의 박막을 제작하는 공정 방법)했다.

또 광자결정의 형태로 구성된 적색·녹색의 양자점 박막과 청색 여기광 사이의 광밴드엣지 공진 현상이 일어나도록 했다.
 
연구결과 적색과 녹색의 광자결정 형광체를 청색 파장의 직진광으로 여기시키는 경우 구조가 없는 비교 형광체 대비 각각 5배와 3배 이상의 색변환 효율 증가가 나타나는 것을 관측했다.

적색과 녹색의 광자결정 형광체를 청색 LED 위에 집적해 효율적으로 3색성의 백색광을 구현하는데 성공했다.

광자결정 형광체를 사용해 우수한 색감의 백색광을 구현하는 경우 구조가 없는 비교 형광체 대비 양자점의 양이 33% 절감됐으며 백색광의 세기는 8% 이상 증가했다.

전헌수 교수는 "이번 연구를 통해 형광체 색변환 효율을 획기적으로 개선시켰다"라며 "LED와 디스플레이 소자에 직접 적용돼 발광 소자의 효율 향상을 기대한다"고 말했다.

한편 이번 연구 성과는 응용물리 및 재료과학 분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 지난달 30일자로 게재됐다.
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