고온에도 소광 현상 없는 LED 형광체 국내 연구팀 개발

[산업일보]
백색 LED는 근자외선 또는 청색 LED와 형광체를 혼합하는 방식으로 제작한다. 이 방식으로 제작한 백색 LED는 장시간 구동 시 내부에서 발생하는 열과 외부 수분에 의해 발광 세기가 변하는 문제점이 있다. 이는 LED를 구성하는 형광체가 가진 특성 때문이다. 형광체는 LED의 빛을 받아 가시광선 영역대로 빛을 내는 색변환 소재다. 현재 LED 제작에 사용되는 대부분의 형광체는 온도가 올라감에 따라 발광강도가 떨어지는 열적 소광 현상을 보인다. 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 위해 형광체 표면에 코팅을 하거나 형광체를 유리 소재와 결합해 플레이트(plate) 형식으로 제작하기도 하지만, 제안된 방법들은 새로운 공정을 추가함에도 불구하고 열적 소광의 정도를 감소시킬 뿐 열적 소광 현상을 근본적으로 해결하지 못하는 한계가 있다.

미래창조과학부는 백색 LED가 작동할 때 발생하는 열에 의해 빛의 세기가 감소하지 않는 신개념 형광체를 개발했다고 3일 밝혔다.

형광체는 LED의 빛을 받아 색을 변환하는 물질로 백색 LED 구현을 위해 가장 중요한 핵심소재지만 대부분의 형광체는 온도가 높아지면 빛의 세기가 감소해 효율이 저하될 수 밖에 없다. 연구팀은 온도가 증가할 때 능동적으로 상변화를 수행해 고온에도 빛이 줄지 않아 효율 저하가 없는 ‘스마트 자가치유 형광체’를 개발한 것이라고 설명했다.

연구팀은 형광체의 열적 소광 현상에 대해서 고민하던 중 사람의 세포가 스스로 상처를 치유하는 점에서 아이디어를 착안해 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 탐색했다.

연구팀이 개발한 스마트 자가치유 형광체는 인산염(phosphate) 기반의 나시콘(NASICON) 구조를 가지고 있다. 이 구조는 온도가 증가할 때 나트륨(Na+) 이온이 이동해 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 이용해 밝혀낸 형광체의 구조적 특성을 형광체의 광학적 특성과 연관 지어 분석했다. 분석 결과 연구팀은 온도의 변화에 따른 형광체의 상변화 특성이 고온에서의 형광체의 발광과 연관이 돼 있다는 것을 밝혀냈다.

임원빈 교수는 “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 해결했다. 자동차 전조등, 조명 등 고출력 백색 LED 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.