자연광에 가까운 LED

□ 실내 형광램프가 3파장, 5파장, 7파장 등 다중파장으로 진화하고 있습니다.

다중 파장을 가진 조명일수록 보다 자연의 색에 가깝게 사물을 볼 수 있기 때문입니다.

게다가 최근들어서는 실내조명이 긴 수명, 저 전압 구동, 높은 발광 효율 등 녹색성장에 부합하는 환경 친화적인 특성을 지닌 LED로 바뀌고 있습니다.

이에 따라 LED 분야에서도 태양빛에 유사한 빛을 만들기 위한 노력들이 세계적으로 계속되고 있습니다.

□ KAIST 신소재공학과 배병수 교수팀이 신소재 형광염료를 이용해 보다 태양빛에 가까워지면서, 형광체 가격은 기존 1/5수준으로 저렴한 백색 LED를 개발했습니다.

현재 상용화되고 있는 백색 LED는 황색 또는 적녹색 혼합 형광체를 봉지재에 분산한 후, LED칩 위에 도포할 때 나오는 청색광과, 형광체에서 나오는 황색 또는 적녹색광이 혼합되어 백색 빛을 냅니다.

형광체 물질로는 산화물 또는 산화질화물 등 무기형광체 입자들이 사용되는데 높은 온도에서 복잡한 공정으로 제조하기 때문에 가격이 비쌀 뿐만 아니라 핵심기술을 일본과 미국 등 해외 선진업체들이 선점하고 있어 국내 LED산업 발전의 걸림돌이 되고 있습니다.

특히 무기형광체는 빛을 흡수하고 발광하는 스펙트럼이 좁아 백열등과 같이 자연색에 가까운 빛을 만드는 데는 어려움이 많았습니다.

이 같은 단점을 개선하고 자연광에 가까운 LED 조명을 만들기 위해 배병수 교수팀은 새로운 형광체 물질로 무기형광체 입자가 아닌 형광염료를 선택했습니다.

형광염료는 섬유 등에 착색제로 사용되며 가격이 저렴하고 다양한 색들을 낼 수 있는 물질입니다.

또 빛을 흡수하고 방출하는 스펙트럼이 넓어 LED 형광체로 사용하면 자연광에 가까운 백색광을 만들 수 있고, 색온도를 비롯한 다양한 특성들을 자유자재로 조절할 수 있는 장점을 갖고 있습니다.

그러나 염료는 열에 의해 쉽게 분해돼 고온의 열을 방출하는 LED에 적합하지 않아 형광체로 적용이 어려웠습니다.

배 교수팀이 개발한 적색 및 녹색 형광 나노하이브리드소재의 제조 방법 개요

형광 나노하이브리드소재를 이용한 백색 LED의 단면 모식도

□ 이와 함께 배 교수팀은 자체개발한 솔-젤 공정으로 제조된 고내열성 고굴절률 하이브리드소재에 형광염료를 화학적으로 결합해 염료분자가 안정하고 균일하게 분포되어 열에 강하고 효율이 높은 나노하이브리드 형광체 소재를 개발했습니다.

이를 적용해 나노하이브리드 형광체 소재 내의 적색 및 녹색 염료의 비율과 농도를 조절해 이를 봉지재로 사용, 다양한 색온도를 갖는 백색 LED를 만들었습니다. 

적색 및 녹색 형광 나노하이브리드소재의 화학구조 및 형광특성

개발한 염료 나노하이브리드소재 기반의 백색 LED는 자연광에 가까운 정도를 나타내는 연색지수가 최대 89로 기존에 사용하는 3파장 램프 수준까지 높아졌습니다.

태양빛의 연색지수는 100, 상용화중인 백색 LED의 연색지수는 70 정도입니다.

또 형광체의 내열성도 뛰어나 120도의 고온에서도 1200시간 이상 성능이 변하지 않는 특성을 보였습니다.

형광 나노하이브리드소재는 가격이 저렴할 뿐 아니라 별도로 형광체를 분산시키지 않고 봉지재 자체가 형광체 역할을 함께하는 형광체-봉지재 일체형 소재로 매우 간단하게 백색 LED를 제조할 수 있어 가격 및 기술 경쟁력이 매우 높은 신기술로 평가받고 있습니다.

이번 연구결과는 '어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)' 12월호 표지논문으로 게재됐습니다. 

나노하이브리드소재를 이용하여 제조한 염료기반 백색 LED

 용  어  설  명

색온도 :
광원의 빛을 수치적으로 표시하는 방법이다. 어떤 물체가 빛을 띄고 있을 때, 이 빛과 같은 빛을 띄는 흑체의 온도를 이용하여 물체의 색온도를 결정한다. 보통 실제 온도보다 약간 높은 값을 가진다. 색온도가 높을수록 차가운 광색을 갖게 되고 색온도가 낮을수록 따뜻한 광색을 갖게 된다. 전구색(Warm White)을 가진 백열 램프의 색온도는 약 2700K 이며 주광색으로 흔히 표현되는 형광램프의 색온도는 약 6000K 이다.

염료 :
염료란 색을 가진 화합물로 어떤 물체의 색깔이 나타나도록 해 주는 성분을 말한다. 이 중에 형광염료란 짧은 파장의 빛을 흡수하여 긴 파장의 빛을 방출하는 유기물이다.

형광체 :
형광체는 외부 에너지를 흡수하여 가시광선 영역의 빛을 방출하는 물질을 말하며, 형광체가 가시광을 방출하는 현상을 발광(luminescence)이라고 한다.

LED 봉지재 :
LED 봉지재는 백색 빛을 내는 형광체를 포함하고 있으며, LED 칩을 둘러싸 외부 충격과 환경 등으로부터 LED 칩을 보호하는 LED를 구성하는 핵심소재다. LED 봉지재는 외부 노출에 견디는 내후성 이외에도 LED칩에서 발산되는 열을 견디는 내열성이 매우 중요하다.

솔-젤 공정 :
솔-젤 공정은 세 :라믹 또는 유리를 높은 온도에서 원료를 소성 또는 용융하여 만들지 않고 화학물질의 반응을 통해서 낮은 온도에서 만드는 공정을 말한다.

고굴절률 :
굴절률은 서로 다른 매질의 경계면을 통과하는 파동이 굴절되는 정도 또는 투명한 매질로 빛이 진행할 때, 빛의 속도(광속)가 줄어드는 비율이다. LED 봉지재의 굴절률이 높으면 LED의 빛이 칩 내부에서 공기 중으로 쉽게 나올 수 있기 때문에 LED의 효율을 높이는데 중요한 요소이다.

연색지수 :
연색성이란 조명된 사물의 색재현 충실도를 나타내는 광원의 성질을 말하며 연색지수란 자연광에서 본 사물의 색과 특정 조명에서의 경우 어느 정도 유사한가를 수치로 나타낸 것이다. 지수가 100에 가까울수록 연색성이 좋은 것을 의미하며 지수가 낮을수록 색재현도가 떨어진다. 일반적으로 평균 연색지수가 80을 넘는 광원은 연색성이 좋다고 할 수 있다.

<연 구 개 요> 배병수 교수 긴 수명, 저전압 구동, 높은 발광 효율, 녹색 성장에 부합하는 환경 친화적인 특성을 지니는 백색 LED는 차세대 디스플레이, 미래의 조명기술의 핵심으로 LED 산업의 규모는 점차 커질 것으로 예상되고 있다. 차세대 디스플레이용, 조명용 고효율 백색 LED를 개발하기 위해 최적의 열 방출 설계, 광학설계, 고효율/고신뢰성의 형광체, 고신뢰성의 LED 봉지재가 요구된다. 최근 백색 LED 광원의 품질과 광효율을 극대화하기 위해 LED 패키지의 형광체와 봉지재에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 현재 백색 LED를 구현하는 방법으로 많이 사용되고 있는 방식은 단일 칩 형태의 방법으로 무기형광체 (red+green or yellow)가 분산된 봉지재를 청색 LED 칩 위에 봉지하는 방식이다. 하나의 칩을 이용하여 백색광을 얻을 수 있어 제조단가를 절감할 수 있고, 발광효율이 우수하여 현재 주로 연구되고 있다. 그러나 무기형광체의 경우, 400nm 이상의 근자외선 및 청색 영역에서 여기되어 발광하는 신조성 형광체의 개발이 제한적이며, 현재 주목받고 있는 질화물 형광체의 경우 고온 고압의 공정이 필요하여 형광체 단가가 아주 비싸다는 단점이 있다. 형광염료는 무기형광체에 비해 일반적으로 흡수계수가 우수하고 흡수 및 방출 스펙트럼이 넓으며 양자효율이 좋다. 또한 생화학적인 친화도가 높고 가격이 저렴한 장점을 갖는다. 반면 형광염료는 무기형광체 대비 열에 대한 안정성과 광에 대한 안정성이 떨어진다는 단점을 가지고 있고 형광염료의 농도가 높아짐에 따라 회합을 이루거나 덩어리가 지게 되는 분산 안정성이 떨어지는 문제가 있다. 회합이나 덩어리를 이루게 되면 형광강도가 감소하거나 색 특성이 바뀌게 되며 광투과도가 감소하게 된다. 이러한 형광염료를 사용한 연구는 기초단계로써 앞으로 연구 및 개발되어야 하는 영역이다. 본 연구에서는 백색 LED를 만드는 방식인 무기형광체가 분산된 봉지재를 LED 칩 위에 봉지하는 방식을 벗어나, 형광염료를 봉지재 물질로 고내열성 솔-젤 하이브리드 재료와 화학적으로 결합시킴으로써 내부 양자 효율 및 안정성을 향상시켜, 최종적으로 높은 외부양자효율을 유도함과 동시에 높은 연색지수를 갖는 LED용 고내열성 형광체-봉지재 일체형 형광 나노하이브리드소재를 제조하였다. 또한 형광 나노하이브리드소재를 도입함으로써 형광염료의 취약점인 열안정성과 광안정성을 향상시키고 높은 사용수명을 얻었다. 형광 나노하이브리드소재의 제조를 위한 첫 번째 단계로써 수산화기, 아민기 등의 관능기를 포함하는 형광염료를 합성하고 이를 알콕시실란과 반응하여 형광색소가 결합된 형광 알콕시실란을 제조한다. 형광 알콕시실란은 솔-젤 반응에 참여할 수 있는 알콕시기를 가지고 있기 때문에 솔-젤 올리고실록산에 화학적으로 결합을 할 수 있게 된다. 형광 알콕시실란을 유기실란디올 및 열경화 또는 자외선 경화 가능한 작용기를 포함하는 비닐 및 에폭시기가 치환된 유기 알콕시실란 사이의 비가수 축합반응을 통해 형광색소와 실록산이 하이브리드된 형광 솔-젤 올리고실록산 수지를 합성한다. 최종적으로 올리고실록산 수지를 열경화 혹은 광경화를 통해 굳히면 형광 나노하이브리드소재를 제조한다. 제조된 형광 나노하이브리드소재는 염료의 종류에 따라 다른 색의 형광특성을 보이고 높은 열안정성을 보인다. 상용 염료를 에폭시에 분산하였을 경우 120℃에서 600시간 동안 열처리 한 경우 형광세기가 초기값 대비 절반으로 줄어드는 반면 형광 나노하이브리드소재는 형광세기가 변하지 않았다. 또한 형광 나노하이브리드소재는 염료가 하이브리머 망목구조에 화학적으로 결합되어 염료가 균일하게 분포되어 있어서 농도 증가에 따른 형광세기 감소 없이 지속적으로 증가하였다. 따라서 형광 나노하이브리드소재는 염료 농도의 증가에 따른 고효율 형광특성과 함께 높은 열안정성을 구현할 수 있어서 저가격 고성능 형광체로 응용할 수 있다. 적색/녹색 또는 황색 형광 나노하이브리드소재를 청색 LED칩에 봉지하여 LED칩으로부터 발생되는 청색광이 형광봉지재의 염료를 여기하여 발생되는 적색/녹색 또는 황색과 혼합되어 조명용으로 사용되는 백색 LED를 제조하였다. 적색 및 녹색 형광 나노하이브리드소재의 혼합 조성비를 조절하여 연색지수와 색온도를 용이하게 조절할 수 있어서 용도에 적합한 백색 LED를 개발할 수 있었다. 제조된 형광 나노하이브리드소재 기반 백색 LED는 120℃에서 1200시간 열처리에도 LED 스펙트럼 및 색지수 변화가 없어서 우수한 내열성을 가진다. 따라서 형광 나노하이브리드소재 기반 백색 LED의 상용화 가능성을 보인다. 이러한 LED용 고내열성 형광체-봉지재 일체형 형광 나노하이브리드소재는 LED의 적용분야인 일반 및 특수 조명, 디스플레이, 휴대용 디스플레이, 자동차 조명 등의 다양한 분야에서 형광체와 봉지재를 대체하는 LED의 패키징 재료로 사용될 것으로 예상된다. 본 연구에서 채택한 방법은 현재 LED 제작에 산업적으로 진행된 사례가 없으므로 새로운 조성 개발 및 특허 확보가 용이할 것으로 예상되고 LED제작 공정 면에서도 용액공정을 통해 저렴하고 신속하게 패키징을 할 수 있어 LED 제조 단가를 낮출 것으로 예상된다.