고온에도 빛이 줄지 않는 LED 형광체 최초 개발

전조등, 조명 등 백색 LED 분야 적용 기대

자료제공 : 미래창조과학부

미래창조과학부가 최근 백색 LED가 작동할 때 발생하는 열에 의하여 빛의 세기가 감소하지 않는 신개념 형광체를 개발했다고 밝혔다. 대부분의 형광체는 온도가 높아지면 빛의 세기가 감소하여 효율이 저하된다. 하지만 임원빈 교수 연구팀은 온도가 증가할 때 능동적으로 상변화를 수행하여 고온에도 빛이 줄지 않아 효율 저하가 없는‘스마트 자가 치유 형광체’를 개발하였다.
형광체는 한 세기가 넘게 형광등, CRT(cathode-ray tube), FED(field emission display), PDP(plasma display panel), LCD(liquid crystal display), 백색 LED 등 조명과 디스플레이용으로 인간의 문명이 발전함에 따라 적용 범위를 넓히며 개발되어온 핵심소재이다.
고출력용으로 응용 범위가 확대됨에 따라 형광체의 안정성은 관련 업계 및 연구계의 중요 이슈로 떠오르고 있다. 하지만 대부분의 형광체는 온도가 올라감에 따라 발광강도가 떨어지는 열적 소광 현상을 보이며 이를 개선하기 위한 많은 연구가 보고되었지만, 기존에 보고된 방법으로는 특성 개선에 한계가 있다는 것에 임원빈 교수 연구팀은 주목했다.

연구의 필요성
백색 LED는 근자외선 또는 청색 LED와 형광체를 혼합하는 방식으로 제작한다. 이 방식으로 제작한 백색 LED는 장시간 구동 시 내부에서 발생하는 열과 외부 수분에 의하여 발광 세기가 변하는 문제점이 있는데, 이는 LED를 구성하는 형광체가 가진 특성 때문이다.
형광체는 LED의 빛을 받아 가시광선 영역대로 빛을 내는 색변환 소재인데, 현재 LED 제작에 사용되는 대부분의 형광체는 온도가 올라감에 따라 발광강도가 떨어지는 열적 소광 현상을 보인다. 따라서 LED의 발광 세기를 일정하게 유지하기 위해서는 형광체가 LED 구동 시 발생하는 열과 외부 수분에 대해 안정적이어야 한다. 특히 고출력용으로 응용 범위가 확대됨에 따라 형광체의 열적 안정성은 관련 업계 및 연구계의 중요 이슈로 떠오르고 있고 이를 개선하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다.
일반적으로 가장 낮은 열적 소광을 보이는 상용 형광체는 200℃에서 상온 대비  12-20% 정도 빛의 세기가 감소한다. 이러한 발광저하를 극복하기 위하여 형광체 표면에 코팅을 하거나 형광체를 유리 소재와 결합하여 플레이트(plate) 형식으로 제작하기도 하지만, 제안된 방법들은 새로운 공정을 추가함에도 불구하고 열적 소광의 정도를 감소시킬 뿐 열적 소광 현상을 근본적으로 해결하지 못하는 한계가 있다.

연구 내용
연구팀은 형광체의 열적 소광 현상에 대해서 고민하던 중 사람의 세포가 스스로 상처를 치유하는 점에서 아이디어를 착안하여 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 탐색하였다.
연구팀이 개발한 스마트 자가 치유 형광체는 인산염(phosphate) 기반의 나시콘(NASICON) 구조를 가지고 있다. 이 구조는 온도가 증가할 때 나트륨(Na+) 이온이 이동하여 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 이용하여 밝혀낸 형광체의 구조적 특성을 형광체의 광학적 특성과 연관 지어 분석하였다. 분석 결과 연구팀은 온도의 변화에 따른 형광체의 상변화 특성이 고온에서의 형광체의 발광과 연관이 되어 있다는 것을 밝혀냈다.
분석 결과들을 종합하여 연구팀은 온도 상승 시 열적 소광 현상을 보이지 않는 새로운 ‘스마트 자가 치유 형광체’를 개발하였다. 또한 기존에 알려지지 않은 새로운 형광체 모델을 학계에 보고하였으며, 관련 특허를 국내외에 출원/등록하여 백색  LED 원천기술을 확보하였다.

연구 성과   
이 연구는 새로운 스마트 자가치유(self-healing) 형광체 모델을 제시함으로써 형광체 연구에서 난제라고 여겨졌던 형광체의 열적 안정성 부분을 획기적으로 개선하였다. 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 되었다. 이번 연구로 국내 LED 산업계의 기술경쟁력을 제고 할 수 있는 원천기술을 확보하여, 향후 우리나라의 LED 산업의 경쟁력이 높아질 것으로 기대된다.

기대효과
이 연구는 새로운 스마트 자가 치유(self-healing) 형광체 모델을 제시함으로써 기존 형광체의 열적 안정성 부분을 획기적으로 개선한 형광체의 새로운 모델을 제안하였다. 이 모델을 기반으로 무기 발광 물질 소재/소자의 열적 특성을 획기적으로 개선시킬 수 있을 뿐만 아니라 기존에 존재하는 열적으로 불안정한 많은 물질을 형광체로 개발할 수 있는 가능성을 보인 것에 의의가 있다.
또한 개발된 형광체는 고출력 백색 LED 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 이번에 확보된 원천기술로 국내 LED 산업계의 기술경쟁력을 제고 할 수 있으며 향후 우리나라의 LED 시장 지배력이 강화될 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 해결하였다. 자동차 전조등, 조명 등 고출력 백색 LED 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.”고 연구의 의의를 설명했다.
임원빈 교수 연구팀(전남대)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구) 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 세계적인 학술지 네이처 머터리얼즈(Nature Materials) 2월 14일자에 게재되었다.