KAIST 신소재공학과 배병수 교수 연구팀이 나노하이브리드소재를 이용해 제조한 염료기반 백색 LED.
또 최근 들어서는 긴 수명, 저 전압 구동, 높은 발광 효율 등의 장점을 지닌 LED로 바뀌고 있고 태양빛에 유사한 빛을 만들기 위한 노력들이 세계적으로 계속되고 있다.
이러한 가운데 국내 연구진이 태양빛에 가깝고 비용도 저렴한 LED를 개발하는데 성공해 주목받고 있다.
KAIST(총장 서남표) 신소재공학과 배병수 교수 연구팀은 신소재 형광염료를 이용해 보다 태양빛에 가까워지면서, 형광체 가격은 기존보다 5분의 1 수준으로 저렴한 백색 LED를 개발하는데 성공했다고 26일 밝혔다.
현재 상용화된 백색 LED는 황색 또는 적·녹색 혼합 형광체를 봉지재에 분산한 후 LED칩 위에 도포하면 LED칩에서 나오는 청색광과 형광체에서 나오는 황색 또는 적·녹색광과 혼합돼 백색 빛을 내게 된다.
형광체 물질로는 산화물 또는 산화질화물 등 무기형광체 입자들이 사용되는데 높은 온도에서 복잡한 공정으로 제조되기 때문에 가격도 비싸고, 또 핵심기술을 일본과 미국 등 해외 선진업체들이 선점하고 있어 국내 LED 산업 발전의 걸림돌이 되고있다.
특히 무기형광체는 빛을 흡수하고 발광하는 스펙트럼이 좁아 백열등과 같이 자연색에 가까운 빛을 만드는 데는 어려움이 많았다.
이 같은 단점을 개선하고 자연광에 가까운 LED 조명을 만들기 위해 배병수 교수 연구팀은 새로운 형광체 물질로 무기형광체 입자가 아닌 형광염료를 선택했다.
형광염료는 섬유 등에 착색제로 사용되며 가격이 저렴하고 다양한 색들을 낼 수 있는 물질. 빛을 흡수하고 방출하는 스펙트럼이 넓어 LED 형광체로 사용하면 자연광에 가까운 백색광을 만들 수 있고, 색온도를 비롯한 다양한 특성들을 자유자재로 조절할 수 있는 장점이 있다.
그러나 형광염료는 열에 의해 쉽게 분해돼 고온의 열을 방출하는 LED에 적합하지 않아 형광체로 적용이 어려웠다.
배 교수 연구팀은 자체개발한 솔-젤 공정으로 제조된 고내열성 고굴절률 하이브리드소재에 형광염료를 화학적으로 결합해 염료분자가 안정하고 균일하게 분포되어 열에 강하고 효율이 높은 나노하이브리드 형광체 소재를 개발했다.
아울러 나노하이브리드 형광체 소재 내의 적색 및 녹색 염료의 비율과 농도를 조절해 이를 봉지재로 사용, 다양한 색온도를 갖는 백색 LED 제조에 성공했다.
연구팀이 개발한 염료 나노하이브리드소재 기반 백색 LED는 자연광에 가까운 정도를 나타내는 연색지수가 최대 89로 기존에 사용되던 3파장 램프 수준까지 높아졌다.
태양빛의 연색지수는 100, 상용화된 백색 LED의 연색지수는 70 정도다. 또 형광체의 내열성도 뛰어나 120도의 고온에서도 1200시간 이상 성능이 변화하지 않는다.
이에 따라 형광 나노하이브리드소재는 가격이 저렴하고 별도로 형광체를 분산시키지 않고 봉지재 자체가 형광체 역할을 함께하는 형광체-봉지재 일체형 소재로 매우 간단하게 백색 LED를 제조할 수 있어 가격과 기술 경쟁력이 매우 높은 신기술로 평가받을 전망이다.
배병수 교수는 "최근 세계 주요 소재업체들이 형광체 원천기술을 확보하고 있는 시점에서 원천소재를 개발해 조명 및 백라이트유닛 분야에서 성장하고 있는 국내 백색 LED산업의 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다"며 "이번 연구성과를 바탕으로 형광염료의 안정성과 형광봉지재의 신뢰성을 향상시켜 염료기반 백색 LED 상용화에 주력할 계획"이라고 말했다.
한편, 이번 연구성과는 재료분야 세계적 학술지인 '어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)' 12월호(22일자) 표지논문으로 게재됐으며, KAIST는 관련 특허를 국내외에 출원 중이다.
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