▲ 투명한 유리기판 위에 제작한 질화규소 격자 구조 위에 양자점 박막을 코팅해 광자결정 형광체를 구성, 청색 LED 위에 적색 및 녹색 광자결정 형광체를 적층 및 집적하여 백색광을 구현했다..

국내연구진이 형광체의 구조화를 통해 색변환 효율 개선해 고효율의 백색광을 구현했다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 전헌수 교수(서울대학교) 연구팀이 형광체를 광자결정 형태로 구조화해 색변환 효율을 개선했으며, 경제적·효율적으로 백색광을 구현하는데 성공했다고 지난 29일 밝혔다.

형광체는 브라운관이나 형광등의 내벽에 도포되는 발광소재로서, 외부로부터 짧은 파장의 가시광 혹은 자외선을 흡수해 긴 파장의 가시광선을 방출하는 소재로 차세대 조명 및 디스플레이 산업에서 필수 요소로 응용되고 있다.

지금까지의 연구 방향은 주로 형광체 자체의 물성을 개선하는데 초점이 맞추어져 관련 연구의 완성도가 매우 높아졌다. 이런 상황으로 재료·화학적인 측면에서의 형광체 효율 개선은 급격히 한계점에 이르고 있다.

이에 연구팀은 굴절률이 빛의 파장 크기 수준에서 주기적으로 변하는 광학적 구조인 ‘광자결정’구조를 형광체에 도입해 효율을 가시적으로 향상시키는 새로운 접근법을 활용했다.

광자결정 구조는 빛이 구조 내부에서 빛의 진행이 불가한 파장(광밴드갭)대역에서 빛의 진행속도가 0이 되는 ‘광밴드엣지 효과’를 일으키면서 형광체의 빛 흡수량이 증가되고, 이는 결국 발광량 증가로 이어진다.

연구팀은 광자결정 형광체의 구현을 위하여, 투명한 유리 기판 위에 생성된 질화규소 격자 구조 위에 양자점 용액을 스핀코팅하였다. 광자결정의 형태로 구성된 적색·녹색의 양자점 박막과 청색 여기광 사이의 광밴드엣지 공진 현상이 일어나도록 하였다.

연구 결과, 적색과 녹색의 광자결정 형광체를 청색 파장의 직진광으로 여기시키는 경우, 구조가 없는 비교 형광체 대비 각각 5배와 3배 이상의 색변환 효율 증가가 나타나는 것을 관측하였다.

연구팀은 적색과 녹색의 광자결정 형광체를 청색 LED 위에 집적하여 효율적으로 3색성의 백색광을 구현해내는데 성공했다.

광자결정 형광체를 사용해 우수한 색감의 백색광을 구현하는 경우, 구조가 없는 비교 형광체 대비 양자점의 양이 33% 절감됐으며, 그럼에도 불구하고 백색광의 세기는 8% 이상 증가했다.

전헌수 교수는 “이 연구를 통해 광학적 구조 특성에 기반 한 새로운 접근 방법으로 형광체의 색변환 효율을 획기적으로 개선시켰다”며, “LED 및 디스플레이 소자에 직접 적용되어 발광 소자의 효율 향상을 기대한다”고 연구의 의의를 설명했다.

한편, 해당 연구 성과는 서울대·아주대·삼성전자와의 공동연구 및 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구)의 지원으로 수행됐다. 응용물리 및 재료과학 분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 11월30일 게재됐다