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지난 10 년 동안 LED 기술, 즉 발광 다이오드 기술은 내구성, 효율성 및 긴 수명과 같은 기능을 제공하여 조명 산업을 휩쓸었다. 현재 프린스턴 대학 공학 연구원들은 매장 선반에서 발견되는 LED에 사용되는 재료보다 효율적이고 잠재적으로 값싼 대안인 페로브스카이트로 알려진 크리스탈 소재로 만들어진 광원을 정제함으로써 LED 기술에 대한 또 다른 방법을 찾고 있다. 연구진은 보다 효율적이고 안정적이며 내구성이 우수한 페로브스카이트 기반의 LED를 제작하기 위해 자체 조립된 나노 크기의 페로브스카이트 입자를 개발했다. 최근 네이쳐 포토닉스 (Nature Photonics)에 발표된 이 결과는 조명, 레이저, 텔레비전 및 컴퓨터 스크린과 같은 상용 응용 분야에서 페로브스카이트 기술의 사용을 가속화할 수 있다. '태양 전지에서 페로브스카이트의 성능은 최근 몇 년 간 LED에 많은 가능성을 제공할 잠재력을 가지고 있지만, 균일하고 밝은 나노 입자 페로브스카이트 필름을 만들 수 없기 때문에 가능성은 제한적이다'라고 프린스턴 대학 안들린거 (Andlinger) 에너지 및 환경 센터의 전기 공학 부교수인 배드 랜드 (Barry Rand) 박사가 전했다. '우리의 신기술은 이러한 나노 입자가 초 미세 입자 필름으로 스스로 조립될 수 있게 하며 기존 기술의 대안으로 페로브스카이트 LED를 기대하고 있다'라고 연구원은 덧붙였다. LED는 전압이 LED에 가해질 때 빛을 낸다. 빛이 켜지면, 전류는 전자를 음극 측에서 다이오드의 양극 측으로 향하게 한다. 그것은 빛의 형태로 에너지를 방출한다. LED는 이 전류를 엄격하게 제어 할 수 있을 때 가장 잘 작동한다. 랜드 박사의 소자에 있는 얇은 나노 입자 기반의 필름은 이것을 허용했다. LED는 백열 전구보다 수명이 길고, 크기가 작으며, 에너지 효율이 좋고 열이 적게 나는 장점을 가지고 있다. 실내 형광등보다 여전히 비싸지만, 에너지 효율이 높고, 조명이 빠르고, 폐기 측면에서 환경 친화적이다. 랜드 박사와 다른 연구자들은 질화 갈륨 (GaN) 및 LED 제조에 사용되는 기타 재료에 대한 잠재적인 저비용 대안으로 페로브스카이트를 연구하고 있다. 저비용 LED는 전구 사용을 가속화하여 에너지 사용 및 환경 영향을 줄일 것이다. 페로브스카이트는 원래 러시아 광물 학자 레브 페로브스키의 이름으로 명명되고 1800 년대 중반 러시아에서 발견되었다. '페로브스카이트'라는 용어는 페로브스키 (Perovski) 광물의 결정 구조를 공유하고 입방체와 다이아몬드 형태의 독특한 조합이다. 페로브스카이트는 구조에 따라 초전도 또는 반전도성이 될 수 있는 여러 가지 흥미로운 특성을 가지고 있어 전기 장치에 사용하기에 유망한 소재이다. 최근 몇 년 동안 그들은 태양 전지판에서 실리콘을 대체할 수 있는 가능성을 제시해 왔다. 제조 원가가 낮지만 일부 실리콘 기반 태양 전지와 동일한 효율을 가지고 있다. 하이브리드 유기-무기 페로브스카이트 층은 금속 할라이드 및 유기 암모늄 할라이드를 함유하는 용액에 페로브스카이트 전구체를 용해시킴으로써 제조된다. 실리콘 및 기타 재료를 기반으로 한 LED에 비해 저렴한 대안을 제공할 수 있는 비교적 저렴하고 간단한 공정이다. 그러나, 생성된 반도체 막이 선명한 색으로 발광할 수 있지만, 막의 분자 구조를 형성하는 결정이 너무 커서 비효율적이지 않고 불안정하다. 랜드 박사와 그의 동료 연구진은 생산 과정에서 페로브스카이트 용액에 유기 할로겐화 암모늄, 특히 긴체인 암모늄 할라이드의 추가 유형을 사용하면 필름의 결정이 급속히 형성되는 것을 제한한다고 보고 했다. 생성된 미세 결정질은 이전 방법에서 생성된 것 보다 훨씬 작았고 (약 5-10 나노 미터), 할라이드 페로브스카이트막은 훨씬 더 얇고 부드럽다. 이것은 외부 양자 효율을 향상시킨. 즉, LED는 소자로 들어가는 전자의 수에 따라 더 많은 광자를 방출한다. 이 필름은 다른 방법으로 만든 필름보다 안정적이다. 미네소타 대학 (University of Minnesota)의 재료 과학 및 공학 교수인 러셀 홈즈 (Russell Holmes) 박사는 프린스턴 연구를 통해 페로브스카이트 기반 LED를 상용화에 더 가깝게 만들 것이라고 말했다. '연구팀은 페로브스카이트의 가공을 제어할 수 있는 능력으로 고효율 디바이스에 적합한 초박형 나노 결정 박막이 생성되었다고 연구에 관여하지 않았던 홈즈 박사가 말했다. '이 계획은 다른 페로브스카이트 활성 물질 및 장치 플랫폼에 널리 적용될 것'이라고 말했다. 저가 LED 개발을 위한 시도는 향후 조명 등의 가격 경쟁력을 높일 것으로 기대된다. 참고 자료: Efficient perovskite light-emitting diodes featuring nanometre-sized crystallites, Nature Photonics, nature.com/articles/doi:10.1038/nphoton.2016.269 |
