▒향후 blue-green LED 개발시, 우수한 백색 광선 구현이 가능한 고급 LED 제공이 가능할 것으로 기대

100년의 수명을 유지하며 화려한 분위기로 방안을 채울 전구가 곧 국립 재생 연구소(NREL)의 발견으로 현실이 될 것이다. NREL의 과학자들은 에디슨의 전구 이후로 조명의 가장 큰 향상이 될지도 모르는 녹색과 적색의 까다로운 조합을 생성하는 방법을 찾았다. 녹색은 단지 환경주의의 상징이 아니라 실제 색상이며 연구진에게는 오늘날 집이나 거리 그리고 빌딩에 불을 밝히는 방법을 찾기 위해 필요한 색이다.

LED (발광 다이오드)는 텅스텐 전구나 형광 전구와는 다르게 대부분의 그들 에너지를 빛을 내는 데 사용하기 때문에 미래의 유망한 기술이 될 수 있다. 게다가 그것들은 위험한 수은을 포함하지 않아 LED의 시대가 빠르게 다가오고 있다. 미국 에너지부는 4년 이내에 텅스텐 전구를 그리고 10년 이내에 소형 형광등을 단계적으로 없앨 계획이다. 그래서 사실상 LED가 100% 시장을 차지할 것이다.

백색광 LED를 만들기 위해서는 최소한 빨강, 녹색 그리고 청색의 색이 필요하다. 태양의 하얀 빛은 사실 무지개색의 모든 색상이다. 적색과 녹색 그리고 청색이 없는 스펙트럼으로는 집이나 사무실에서 사용하는 조명장치를 만들 수 없다. 적색은 15년 전에 쉽게 생성되었고 청색은 일본 과학자들에 의해서 생성되었기 때문에 흰빛의 스펙트럼으로부터 주요 두 색을 제공할 수 있다.

그러나 녹색은 어려웠다. 사실, 사람들이 시장에서 사는 10달러짜리 LED는 인광체에 청색 빛을 쏘면 이것이 녹색을 방출하면서 흰색처럼 보이게 만들어졌다. 이러한 거추장스러운 과정은 빛의 효율성을 크게 떨어뜨린다.

※ 지금까지는녹색 LED를 만들기 위해 청색 LED에 1개 이상의 인광체를 사용했으며, 이로 인해 광도(光度)가 20% 가량 저하되었음.

Green light: This gallium-indium phosphide LED was fabricated by researchers

at the National Renewable Energy Laboratory. Credit: NREL


태양 전지 기술의 특허를 보유한 NREL의 과학자인 Angelo Mascarenhas는 LED가 태양 전지의 반대 경우라는 것을 깨달았다. 하나는 전기를 받아서 빛을 만들고 다른 하나는 햇빛을 받아서 그것을 전기로 만든다. “우리는 30년 동안 태양 전지를 연구했다. 우리가 태양 전지를 만들었던 과정을 거꾸로 한다면 과연 몇 가지의 소자를 더 찾을 수 있을까?”라고 Mascarenhas가 말했다.

○ aluminum gallium indium phosphide와 gallium arsenide를 결합해 황녹색 LED를 제조


실제로 그는 그것을 찾았다. NREL은 최적의 태양 에너지를 갖기 위하여 각기 다른 격자 크기 층을 결합하여 만든 역변형 태양 전지를 개발함으로써 주요 과학상을 수상했다. 사실, NREL이 생산하는 IMM 전지는 흡수한 햇빛의 40%를 전기로 변환함으로써 세계 기록을 만들었다.

“우리는 이미 녹색 스펙트럼 영역에서 태양빛을 포획하는 몇몇 비법을 개발했다.”라고 Mascarenhas가 말했다. 태양 전지는 녹색이 필요하지 않지만, 녹색을 얻는 방법을 이해하기 시작했다.

10년 동안, LED를 연구하는 연구진은 인듐을 갈륨 질화물에 넣는 방법으로 안정되고 효율적인 녹색 빛을 얻기 위하여 노력과 실패를 반복했다. “모든 징후가 난국을 나타내고 있다. 장애을 만나게 되면, 머리를 벽에 부딪히지 마라. 대신, 벽을 피해서 다른 길을 찾아라.”라고 Mascarenhas가 말했다.

태양 전지를 연구하는 그와 동료는 갈륨 인듐 질화물을 이용하여 태양 전지를 구축하기 위하여 노력하면서 또한 문제를 해결하려고 했다. 갈륨 질화물에서 녹색을 만들 때 생기는 문제는 인듐의 상태가 분리되고 균열하는 것이다. “분자 가스에 의해서 생성되는 격자가 아래 격자 층과 일치하지 않으면 잘 성장하지 못하고 효율성 또한 매우 떨어진다.”라고 Mascarenhas가 말했다. NREL의 태양 전지 전문가들은 이에 관한 방법을 찾았다. 그들은 셀 층의 일치하지 않는 격자 사이의 간격을 점차 이어줄 여분 층을 집어넣었다. “이 접근 방식은 격자 사이에 다른 재료를 넣어서 이를 성장시키는 것이다.”라고 Mascarenhas가 말했다.

연구진은 층 아래에 원자의 격자 패턴과 비슷한 층을 넣었다. 크기에 있어서 조그만 차이를 물질의 “탄성 한계”라고 하며 이것은 결합한 격자가 서로 충분히 가까워짐에 따라 불순물을 비켜갈 수 있다. 다음에 세 번째 층을 정확한 “탄성 한계” 아래쪽에 추가했다. 약 7마이크론 층이 되고 강한 결합과 불순물이 거의 없는 태양 전지가 되었다.

갈륨 질화물과 인듐을 사용한 안정된 녹색 LED를 만들기 위하여 이와 같은 과정을 거꾸로 하면 되지 않을까? 놀랍게도, 이러한 개념이 일단 이해되자 Mascarenhas의 연구진은 최초의 시도로 밝게 빛나는 녹색을 생산해 낼 수 있었다. 지금의 목표는 흰빛을 더욱 희게 하기 위한 4번째 색을 생산해 내는 것이다.

NREL은 이 기술을 바탕으로 갈륨 질화물을 사용하여 만든 청색과 진한 녹색을 진한 빨강, 그리고 레몬 녹색과 결합시킬 계획을 하고 있다. “3년 안에, NREL은 연색 지수(color-rendering index, 현재 지수는 70 수준) 90 이상을 가진 순수한 LED를 생산할 수 있는 청색과 진한 녹색을 결합한 두 색상 소자를 만들 계획이다. 그 소자는 가장 좋은 연색성 흰빛을 가질 것이며 제조 비용 또한 증가하지 않을 것이다.”라고 Mascarenhas 가 말했다.

“우리는 이러한 두 가지 색을 하나의 소자로 업계에 제공할 수 있는 특허를 가지고 있다. 그것들은 모자이크 같은 파리의 눈처럼 청색과 진한 녹색이 번갈아 패턴을 이루어 하나의 단위가 될 것이다. 멀리서 보면 흰색처럼 보인다. 당신은 모자이크 구조에서 개별 색상을 볼 수는 없을 것이다. 우리는 이것이 실현될 것이라는 자신감을 느끼고 있다. 기술적인 문제는 해결될 것이다. 이것은 그림의 떡 같은 이야기가 아니라 실용적인 과학이다.”라고 Mascarenhas가 말했다.

“이러한백색광 LED는 지능적일 것이다. 우리는 전기적으로 램프의 색을 조정할 수 있을 것이다. 우리는 전자 회로에서 이 네 가지 색깔 조합의 농도를 다양화시킬 수 있다. 청색을 약간 증가시키면 일광에 더욱더 적합한 빛이 될 수 있다. 청색을 줄이고 붉은 노란색을 증가시키면 빛이 좀 더 부드러워지고 밤에 적합한 색이 될 수 있다.”라고 Mascarenhas가 말했다.

에너지부가 예상한 바로는, 우리가 모두 LED로 사용하면 수천만 톤의 온실 가스는 말할 것도 없고 지금부터 2030년 사이에 1200억불을 절약할 수 있다. “이것은 현실이며 곧 일어날 일이다.”라고 Mascarenhas가 말했다.

NREL의 태양 에너지 연구 시설은 LED를 만들기 위하여

갈륨 인듐 인화물의 합금의 빛 방출 특성을 레이저로 연구하여 실험하는 곳이다.

URL : http://www.physorg.com/news189703243.html

http://www.technologyreview.com/energy/25028/?a=f

<출처>NDSL, 2010-04-08

Posted by TopARA

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