LED의 효율저하 원인을 밝히다

LED 드룹 현상 규명 … UCSB 연구 그룹
캘리포니아 주립대학 산타 바바라 연구팀이 LED 분야에 한 획을 그을 발견을 했다. LED 분야의 과제 중 하나였던 ‘오제’의 재결합을 두 눈으로 확인한 것. 연구팀은 LED 드룹 현상의 원인을 명확히 규명함으로써 일반 조명을 LED로 대체하기 위한 커다란 난제를 해결하는 혁혁한 공을 세웠다. 이제 LED 활용을 더욱 활발히 할 수 있는 새 길이 열렸다.
자료제공 | University of California, Santa Barbara(www.ucsb.edu)

캘리포니아 주립대학 산타 바바라의 연구 그룹이 프랑스 에꼴 뽈리테크닉(E、cole Polytechnique)의 연구 팀과 협력해 LED가 높은 구동 전류에서 효율 저하 메커니즘으로 인한 오제(원자가 전자 포획이나 전환에 의해 내각에 빈 구멍을 만들 때 튕겨져 나오는 전자, 편집자 주)의 재결합을 확인 및 규명했다.

지금까지 연구자들은 LED 드룹 현상이 일어나는 원인을 이론적으로만 정립하는 단계에 머물러 있었다. 이 현상은 전류를 높일 때 빛의 출력이 저하하는 현상을 일컫는다. 이 현상은 LED의 루멘 당 비용이 높아지는 원인으로 꼽혀왔다. 때문에 LED로 백열등 등 일반 조명을 대체하기 위해서는 이 현상을 규명하고 극복해야 한다.

UCSB의 에너지 효율성 자료원의 연구원인 제임스 스펙(James Speck)과 클라우드 웨이스부흐(Claude Weisbuch)는 “LED 효율 저하의 원인을 설명할 수 있다면 지금까지의 상황을 바꿀 수 있다”고 말했다.

연구팀은 이 연구를 통해 얻은 결과가 현재에 비해 발광 효율이 월등히 높은 LED 조명을 설계하는 데 새로운 방향을 제시할 것이라고 전망하고 있다. LED 조명은 주거·상업·산업 애플리케이션 등의 분야에서 긴 수명과 고품질 조명을 구현할 수 있다. 이 효율은 현존하는 조명 가운데 가장 높다. 미국 에너지부(DOE)는 최근 발표를 통해 백열등이나 형광등을 LED로 대체했을 때 1GW 발전소 50대 분량의 에너지를 절약할 수 있을 것이라고 밝힌 바 있다.

지난 2011년, UCSB의 크리스 반 데 왈레(Chris van de Walle) 교수와 그의 연구팀은 오제 재결합으로 알려진 복잡한 무방사과정(無放射過程)이 질화 반도체 LED 드룹(출력 저하)의 원인이라고 이론화한 바 있다.

왈레 교수팀의 이론에 따르면, 주입 전자가 빛을 내지 않고 다른 전자와 부딪힐 때 에너지가 열로 변환하고 곧 손실하게 된다. 스펙 교수와 웨이스부흐 교수의 연구팀은 LED의 오제 재결합을 계산하는 데 성공함으로써 이 이론을 증명하게 되었다.

이번 연구는 특별한 LED을 통해 이루어졌다. 이 LED는 방출되는 전자의 에너지 스펙트럼을 연구자가 직접 측정할 수 있도록 만들어졌는데, 이를 통해 연구팀은 오제 재결합을 완벽히 측정할 수 있었다.

이 결과는 오제 과정에 의해 생성되는 에너지 전자의 특성을 분명하게 보여주고 있다. 자세한 사항은 Physical Review Letters의 2013년 4월 25일자에서 확인할 수 있다.