형광염료를 형광체로 이용한 LED 개발
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형광염료를 형광체로 이용한 LED 개발
  • 정진훈 기자
  • 승인 2012.02.28 03:17
  • 댓글 0
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[신소재공학과 배병수 교수팀] 하이브리머 봉지재와 결합해 형광염료의 열 안정성 높여

우리 학교 신소재공학과 배병수 교수팀이 형광염료를 이용해 기존의 조명용 LED의 한계를 극복했다. 이번 연구 결과는 재료 분야의 세계적 학술지인 <어드밴스드 머터리얼스> 12월호 표지논문으로 선정되었다.

새로운 조명장치로 주목받는 LED

LED는 현재 가장 많이 사용되는 형광등보다 고효율의 빛을 발생시킬 수 있고 수명이 길어, 차세대 친환경 조명으로 주목받고 있다.
하지만 현재로서는 백색광을 내는 LED가 없어서 여러 가지 색의 빛을 만들어 혼합하는 방법으로 백색광을 만든다. 일반적으로 파란색 빛을 내는 LED에 붉은빛과 초록빛을 섞거나, 노란빛을 섞어 백색광을 낸다. 이때 짧은 파장의 파란색 빛을 긴 파장의 다른 색 빛으로 바꿔줄 수 있는 ‘형광체’가 쓰이는데 지금까지 대부분의 LED에는 무기형광체 입자를 사용했다.

연색지수로 태양 빛에 가까운지 나타내

그런데 기존의 LED 형광체는 흡수, 방출하는 스펙트럼의 범위가 좁아, 같은 백색광이라 하더라도 LED의 빛으로 보는 색과 태양 빛으로 보는 색이 차이가 난다. 태양 빛은 거의 모든 스펙트럼의 빛이 나오는 반면, LED는 좁은 범위의 단색광 몇 가지를 섞어서 사용하기 때문이다. 이때, 태양 빛에서 보는 실제 색과 조명 아래서 보는 빛이 얼마나 비슷한지를 말해주는 척도를 연색지수라고 한다. 태양 빛의 연색지수는 100이며, 형광등은 100에 가까운 연색지수를, 기존 LED는 70 정도의 연색지수를 가진다.

형광염료에서 가능성을 찾다

배 교수팀은 형광염료가 무기형광체보다 흡수, 방출하는 빛의 스펙트럼 범위가 넓고 가격이 저렴하다는 점에 착안해 LED의 형광 물질로 형광염료를 사용했다. 지금까지는 형광염료가 열에 취약해 LED에 사용하면 쉽게 변색되기 때문에 사용이 불가능하다고 여겨졌다. 하지만 배 교수팀은 형광염료를 봉지재와 결합해 이 난점을 극복했다.

봉지재로 LED를 보호해

봉지재는 LED의 반도체 부분을 보호하기 위해 표면에 씌우는 물질로서, 굴절률이 높고 반응성이 작은 투명한 물질을 이용한다. 기존에는 실리콘이나 유리를 사용했다. 투명한 플라스틱은 열 안정성이 낮아, 열을 받거나 빛을 쬐면 누렇게 변하는 황변현상이 있어 잘 사용하지 않았다. 투명도가 높은 플라스틱일수록 황변현상이 심하다.

봉지재로 적격인 하이브리머

하이브리머(hybrimer)란 유기적 결합과 무기적 결합을 동시에 갖는 소재로, 이종 결합을 뜻하는 하이브리드(hybrid)와 중합체라는 의미인 폴리머(polymer)의 합성어다. 하이브리머를 만드는 방법으로 솔-젤 공정이 있다. 주로 고온의 공정이 필요한 유리나 세라믹을 저온에서 화학적으로 제조하는 방법으로, 재료가 되는 단위체를 중합시켜 졸(sol)에서 겔(gel) 상태로 만드는 것이다. 배 교수팀은 작년에 소재를 하이브리머로 대체해 더 싸고, 열 안정성과 굴절률이 높은 봉지재를 만드는 연구를 수행한 바 있다.

배병수 교수 제공

봉지재와 형광체가 결합한 신소재

배 교수팀은 여기에서 더 나아가, 하이브리머를 만드는 과정에서 하이브리머에 형광염료를 결합해 봉지재를 생산했다. 형광염료를 설계, 합성한 뒤, 솔-젤 반응을 할 수 있도록 단일체를 구성한다. 그 후, 축합반응을 통해 중합체 수지를 만들고, 열 경화나 광 경화로 굳히면 봉지재가 완성된다. 기존에는 형광체 입자를 봉지재에 골고루 섞어서 사용했다면, 이 연구에서는 봉지재 자체가 형광체의 역할을 수행하는 것이다. 형광염료를 사용한 덕에 기존의 LED보다 좋은 연색지수(최대 89)를 가진다. 이 봉지재는 형광염료가 결합해 단일체가 규칙적으로 결합한 중합체이므로, 기존의 형광체와는 달리 형광염료를 잘 분산시키기 위해 섞는 과정을 생략해도 되며 열에도 잘 분해되지 않는다. 또한, 하이브리머 봉지재의 특징인 봉지재 자체의 열 내구성이나 굴절률 등의 장점을 그대로 갖고 있다.

이번 연구는 기존의 백색 LED를 위한 형광체가 모두 외국의 특허에 묶여있었다는 점을 고려할 때 특허 종속을 벗어날 좋은 기회다. 배병수 교수는 “염료를 실제로 LED에 사용한 성공 사례는 이 연구가 최초다”라며, “앞으로 이 LED의 상용화를 위해 노력할 것이다”라고 말했다.


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