HNN사회 - 국내 순수 원천기술로 박막형 형광체가 집적된 단일칩 백색 LED 개발

사회

2010-Sep-13

2010.09.13 12:31:24

부제 :	사회

[어니스트뉴스=손시훈기자] 색의 따뜻하고 차가운 느낌(색온도)을 제어할 수 있고, 태양광과 같은 자연광에 더욱 근접하여(연색성 지수) 눈에 피로도도 줄일 수 있는 백색 LED(발광다이오드)가 국내 연구진의 순수 원천기술에 의해 처음으로 개발되었다.

고려대 김태근 교수가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 박찬모)이 추진하는 중견연구자지원사업(핵심 연구)과 글로벌연구네트워크지원사업의 지원을 받아 수행되었고, 연구 결과는 전기전자분야 최고 권위의 학술지인 ‘세계 전기전자학회지(IEEE Journal of Quantum Electronics)’ 9-10월호 표지논문(9월 1일)에 선정되었다.

김태근 교수팀은 박막형(필름형) 형광체가 집적된 단일칩 백색 LED 개발에 성공하였다. 특히 이 LED는 기존의 높은 효율은 유지하면서도, 지금까지 효율을 높이지 못했던 적색의 형광체 효율을 높여 따뜻한 느낌의 백색광을 연출하고, 자연광과 유사한 빛을 내어 눈의 피로도도 크게 줄일 수 있다는 점이 특징이다.

백색 LED는 백열등과 형광등으로 대표되는 기존의 조명기술에 비해 낮은 전력과 긴 수명의 장점으로 차세대 조명기술로 각광받고 있다. 또한 휴대폰, 노트북, LED TV와 같은 디스플레이 백라이팅(Back Lighting)의 모든 색깔을 그대로 구현하는 데에도 매우 중요하다.

(a) 기준 샘플과 (b) 유로피움 실리케이트 박막형 형광체가 집적된 샘플에 대한

LED 소자 구조 및 발광 특성 결과: 박막형 형광체가 집적된 샘플에서의 발광 특성 결과에서 보는 바와 같이

기준 샘플에서 관찰되지 않은 중심파장 560 nm 영역에서 피크가 관찰됨.

기준 샘플과 유로피움 실리케이트 박막형 형광체가 집적된 샘플 백색 LED에 대한

CIE 1931 색도 다이어그램 비교 결과: 박막형 형광체가 집적된 백색 LED의 경우

색온도가 5606K으로 기준 샘플에서 측정된 특성(색온도=8467K)에 비해 크게 개선되었음.

지금까지 백색 LED는 일본, 독일 등이 특허권을 소유한 청색 LED에 분말형태의 형광체를 도포하는 방식으로 제작되어, 세계적으로 이 기술에 대한 특허분쟁이 고조되고 있고, 우리나라도 자유롭지 못한 상황이다. 그러나 이 방식은 효율(낮은 전력, 긴 수명)은 높지만, 적색의 형광체 효율이 낮아 차세대 감성조명 개발에 필요한 따뜻하고 균일도가 높은 백색광을 얻는데 한계가 있었다.

김 교수팀은 기존의 백색 LED와 같이 효율이 높고 전기광학적 특성은 저해하지 않으면서도, 분말형태의 형광체 없이도 하나의 칩으로 따뜻하고 차가운 백색 빛을 연출할 수 있는 백색 LED 개발에 성공하였다.

이번 연구결과는 우리 자체 기술로 차세대 감성조명을 개발하여 세계 조명시장을 선도할 수 있는 가능성을 열었다.

김 교수팀의 이번 연구결과로 ‘감성조명’이라 불리는 차세대 조명을 우리 자체 기술로 개발하여, 2015년 5조원 규모에 달하는 세계 조명시장을 선도할 수 있는 원천기술을 확보하게 되었다.

김태근 교수는 “현재 일본, 독일의 소수 기업만이 발광효율이 우수한 형광체 제조 특허를 확보하고 있는 상황에서, 우리 자체기술로 독창적인 원천기술특허를 확보하고 백색 LED를 개발한 것은 매우 의미 있는 일이다. 이번 연구결과로, 차세대 조명인 감성조명을 개발하는 토대를 마련하여, 우리나라가 세계 조명시장을 선도할 수 있는 가능성을 열었다”라고 연구의의를 밝혔다.

고효율 백색 LED(light-emitting diode)는 백열등 및 형광등으로 대표되는 기존의 조명기술에 비해 저 전력, 장수명의 장점을 앞세워 차세대 조명기술로 각광받고 있다. 현재 상용되고 있는 백색 LED는 주로 청색 LED에 황색의 YAG(yttrium aluminum garnet) 형광체를 접목시킨 형태로, 차가운 성질을 지녀, 대부분 색온도(correlated color temperatures, CCT)가 6000~8000K정도이고, 연색성 지수(color rendering index, CRI)가 80 이하이기 때문에, 주로 LCD나 핸드폰 등 소형 디스플레이장치의 백라이트에 응용되고 있다. 그러나 백색 LED가 차세대 조명으로 사용되기 위해서는 시감도를 고려하여 색온도 6000K 이하, 연색성 지수 80 이상의 특성을 확보해야 하기 때문에 황색/적색 영역에서의 형광체 효율 향상이 매우 중요하다. 그러나 현재 사용되고 있는 파우더 형태의 YAG 형광체는 600 nm 파장영역에서 낮은 변환효율을 가지며, 에폭시 수지 사용으로 인해 황색 및 적색 영역에서의 변환효율이 작다. 또한, 파우더 재료 특성상 색 제어 및 균일도 확보의 어려움과 여기광이나 열에 의한 열화현상 등의 문제점이 있다.

김태근 교수팀에서는 이러한 문제점을 해결하고자, 먼저, 유로피움 실리케이트 기반의 박막형 형광체 제조방법에 대한 원천특허(한국특허등록: 10-799859)를 확보하고, 이 물질을 청색 LED칩에 성공적으로 집적함으로써, 연색성 지수 및 색온도 특성 제어가 용이한 백색 LED 개발에 성공하였다. 우선, 560 nm 영역에 중심파장을 갖는 유로퓸 실리케이트 박막형 형광체를 청색 LED에 집적하여 백색 LED를 만들었을 때 색온도=5606K, 연색성 지수=77.6로, 기준 샘플에서 측정된 특성 (색온도=8467, 연색성 지수=66.52)에 비해 크게 개선됨을 확인하였다.

형광체 분야에는 많은 특허가 출원/등록되어있으며, 니치아(YAG), 오스람(TAG), 도요타고세이(실리케이트/BOSE), 인터메틱스(실리케이트/BOSE2), 미츠비시 화학(실리케이트/BOSS) 등의 소수 기업만이 발광효율이 우수한 형광체의 특허를 확보하고 있는 실정이어서 기술진입 장벽이 높다. 따라서 본 연구와 같은 형태의 독창적인 원천기술 연구가 기존 선진 그룹에서의 특허 이슈를 회피할 수 있고, 상업화를 위한 산업재산권 확보 측면에서 매우 중요한 의미를 갖는다.

이번 연구 결과의 자세한 내용은 전기전자 광소자 분야 최고의 권위지인 IEEE JQE(journal of quantum electronics) 9월호에 게재되었으며, 9-10월호 표지논문으로 선정되었다.

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