높은 온도에도 빛이 줄지 않는 LED형광체 최초 개발

[산업일보]
미래창조과학부(장관 최양희)는 “백색 LED가 작동할 때 발생하는 열에 의하여 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 자가치유 형광체’를 개발했다.

연구팀은 형광체의 열적 소광 현상에 대해서 고민하던 중 사람의 세포가 스스로 상처를 치유하는 점에서 아이디어를 착안해 상처(열적 소광)를 치료할 수 있는 치유센터(빛으로 전환될 수 있는 광자 또는 전자)가 형광체 내부에 있다면, 형광체의 열적 안정성을 개선할 수 있다고 가정하고 여러 재료들을 탐색했다.

연구팀이 개발한 스마트 자가치유 형광체는 인산염(phosphate) 기반의 나시콘(NASICON) 구조를 가지고 있다. 이 구조는 온도가 증가할 때 나트륨(Na+) 이온이 이동해 형광체 모체 내 일정한 위치에 LED의 빛을 흡수할 수 있는 결함의 에너지 준위를 생성한다.

이 결함 준위는 에너지를 가둬놓는 역할을 하게 되며, 가둬진 에너지는 온도가 증가할 때 활성제의 발광 중심으로 이동한다. 연구팀은 온도 변화에 따른 형광체의 엑스레이 회절 패턴과 직접 제작한 시분해 형광 장치를 이용해 밝혀낸 형광체의 구조적 특성을 형광체의 광학적 특성과 연관 지어 분석했다. 분석 결과 연구팀은 온도의 변화에 따른 형광체의 상변화 특성이 고온에서의 형광체의 발광과 연관돼 있다는 것을 밝혀냈다.

분석 결과들을 종합해 연구팀은 온도 상승 시 열적 소광 현상을 보이지 않는 새로운 ‘스마트 자가치유 형광체’를 개발했다. 또한 기존에 알려지지 않은 새로운 형광체 모델을 학계에 보고하였으며, 관련 특허를 국내외에 출원/등록해 백색 LED 원천기술을 확보했다.

이 연구는 새로운 스마트 자가치유(self-healing) 형광체 모델을 제시함으로써 형광체 연구에서 난제라고 여겨졌던 형광체의 열적 안정성 부분을 획기적으로 개선했다. 이 모델을 기반으로 무기 발광 물질 소재/소자의 열적 안정성을 개선할 수 있을 뿐만 아니라 기존에 존재하는 열적으로 불안정한 다양한 물질을 형광체로 개발할 수 있게 됐다.

이번 연구로 국내 LED 산업계의 기술경쟁력을 제고 할 수 있는 원천기술을 확보해, 향후 우리나라의 LED 산업의 경쟁력이 높아질 것으로 기대된다.

임원빈 교수는 “이 연구는 온도가 올라가더라도 형광체 빛의 세기가 줄어들지 않는 원천기술을 처음으로 개발한 것이다. 선행연구들은 형광체의 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”라고 연구의 의의를 설명했다.