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고출력 백색 LED는 너무 많은 사람들이 좁은 공간에 있는 경기 당일 경기장 안과 같은 문제에 직면해 있다. LED 안에는 많은 전자가 서로를 피하고 충돌을 최소화하여 LED 효율을 높게 유지해야 한다. 미시간 대 (University of Michigan)의 연구원들은 NERSC 컴퓨팅 시설에서 예상 원자량 계산과 고성능 슈퍼 컴퓨터를 사용하여 널리 사용되는 InGaN (인듐 갈륨 질화물) 소재에 붕소 원소를 첨가하면 전자가 LED를 사용하여 재료를 보다 효율적으로 만들 수 있다고 밝혔다 (Applied Physics Letters, 'BInGaN alloys nearly lattice-matched to GaN for high-power high-efficiency visible LEDs'). 현대의 LED는 서로 다른 반도체 재료로 이루어진 층으로 만들어진다. 가장 간단한 LED는 세 개의 층을 가지고 있다. 첫 번째 층은 여분의 전자가 재료에 들어간 상태로 만들어진다. 다른 층은 전자가 너무 적은 전자로 만들어 지는데, 전자가 있을 빈 공간을 홀이라고 한다. 그런 다음 LED에 의해 방출되는 빛의 파장을 결정하는 다른 두 개 사이에 끼워진 얇은 중간층이 있다. 전류가 가해지면 전자와 홀은 중간 층으로 이동하여 함께 결합하고 빛을 생성한다. 그러나 LED에서 나오는 빛의 양을 늘리기 위해 중간층에 너무 많은 전자를 집어 넣으면 홀과 결합해 빛을 생성하는 대신 전자가 서로 충돌할 수 있다. 이러한 충돌은 오제 재결합 (Auger recombination) 과정에서 전자 에너지를 열로 변환시키고 LED의 효율을 낮춘다. 이 문제를 해결하는 방법은 전자 (및 홀)가 움직일 수 있도록 중간층에 더 많은 공간을 확보하는 것이다. 두꺼운 층은 넓은 공간에 전자를 퍼지기 때문에 서로를 피하고 충돌로 인한 에너지 손실을 줄이는 것이 더 쉬워진다. 그러나 이 중간 LED 층을 두껍게 만드는 것은 소리가 나는 것처럼 간단하지 않다. LED 반도체 재료는 결정이기 때문에 그들을 구성하는 원자는 서로 일정한 간격으로 배치되어야 한다. 결정에서 원자의 규칙적인 간격은 격자 매개 변수라 불린다. 결정질 물질이 서로 위에 겹쳐서 성장할 때, 원자의 규칙적인 배열이 물질이 결합되는 곳과 일치하도록 격자 매개 변수가 유사해야 한다. 그렇지 않으면 재료가 그 아래의 레이어와 일치하도록 변형됩니다. 작은 변형은 문제가 되지 않지만, 상단 재질이 너무 두껍게 되어 변형이 너무 강하면 원자가 너무 많이 정렬되어 LED 효율이 저하된다. 오늘날 청색 및 백색 LED에 가장 많이 사용되는 재료는 GaN 층으로 둘러싸인 InGaN이다. 불행하게도, InGaN의 격자 파라미터는 GaN과 일치하지 않다. 이것은 두꺼운 InGaN 층을 성장시켜 전자 충돌을 감소시킨다. 연구팀은 이 중간 InGaN 층에 붕소를 포함시킴으로써 그 격자 파라미터가 GaN과 훨씬 더 유사 해져 일부 붕소 농도에서도 정확히 동일해지는 것을 발견했다. 또한, 완전히 새로운 원소가 물질에 포함되어 있더라도, BInGaN 물질에 의해 방출되는 빛의 파장은 InGaN의 파장에 매우 가깝고 가시 스펙트럼 전반에 걸쳐 다른 색상으로 조정될 수 있다. 이것은 BInGaN이 더 두꺼운 층에서 성장할 수 있게 하여 전자 충돌을 줄이고 가시 LED의 효율을 증가시킨다. 이 물질은보다 효율적인 LED를 생산할 것으로 기대되지만 실험실에서 실현될 수 있는 것이 중요하다. 연구팀은 BInGaN이 기존의 InGaN 성장 기술을 사용하여 GaN 위에 성장할 수 있다는 것을 보여 주었고, 이 물질을 LED에 신속하게 테스트하고 사용할 수 있게 했다. 그럼에도 불구하고, 이 연구를 적용하는 주요 과제는 InGaN에 충분히 많은 양으로 붕소를 넣는 최선의 방법을 세밀하게 조정하는 것이다. 그러나 이 연구는 실험자들이 동시에 강력하면서도 효율적이며 저렴한 새로운 LED를 개발할 수 있는 흥미 진진한 길을 제시하고 있다. |
