배병수 KAIST 교수 연구팀이 개발해 특허출원 중인 새 소재 LED.

[아시아경제 이영철 기자] 형광등에서 LED(발광다이오드)로 바뀌는 조명의 진화가 눈부시다.

형광램프가 보다 자연의색에 가깝게 사물을 볼 수 있게 3파장, 5파장, 7파장 등 다중파장으로 발전한 데 이어 최근 긴 수명, 저 전압 구동, 높은 발광 효율 등 녹색성장에 부합하는 환경친화적 특성을 지닌 LED로 바뀌고 있다.

이에 따라 LED 분야에서도 태양빛에 비슷한 빛을 만들기 위한 노력들이 세계적으로 이어지고 있다.

KAIST에서도 LED의 새 기술을 선 보였다. 배병수 신소재공학과 교수 연구팀이 새 소재 형광염료를 이용, 보다 태양빛에 가까워지면서 형광체 값은 1/5수준으로 값을 내린 백색LED를 개발했다.

지금 쓰고 있는 백색 LED는 황색이나 적·녹색 혼합형광체를 봉지재에 나눈 뒤 LED칩 위에 바르면 LED칩에서 나오는 청색광과 형광체에서 나오는 황색 또는 적·녹색광과 섞여 백색 빛을 낸다.

형광체물질로는 산화물이나 산화질화물 등 무기형광체입자들이 쓰이는데 높은 온도에서 복잡한 공정으로 만들므로 값도 비싸고 핵심기술을 일본, 미국 등 외국선진업체들이 선점하고 있어 국내 LED산업발전의 걸림돌이 되고 있다.

배병수 KAIST 신소재공학과 교수.

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

이런 단점을 개선하고 자연광에 가까운 LED조명을 만들기위해 배 교수 연구팀은 새 형광체물질로 무기형광체 입자가 아닌 형광염료를 택했다.

형광염료는 섬유 등에 착색제로 쓰이며 값이 싸고 여러 색들을 낼 수 있는 물질이다. 또 빛을 흡수하고 내보내는 스펙트럼이 넓어 LED형광체로 쓰면 자연광에 가까운 백색광을 만들 수 있고 색온도를 비롯한 여러 특성들을 자유자재로 조절할 수 있는 장점을 갖고 있다.

그러나 염료는 열에 의해 쉽게 분해돼 고온의 열을 내는 LED에 맞지 않아 형광체로 적용이 어려웠다.

배 교수 연구팀은 자체개발한 솔-젤공정으로 만들어진 고내열성 고굴절률 하이브리드에 형광염료를 화학적으로 결합, 염료분자가 안정하고 고르게 있어 열에 강하고 효율이 높은 나노하이브리드 형광체소재를 개발했다.

또 나노하이브리드 형광체소재 안의 적색 및 녹색염료비율과 농도를 조절, 이를 봉지재로 써서 여러 색온도를 갖는 백색 LED 만들기에 성공했다.

배교수 연구팀이 개발한 적색 및 녹색 형광 나노하이브리드소재의 제조방법 개요.

개발한 염료 나노하이브리드소재 바탕의 백색LED는 자연광에 가까운 정도를 나타내는 연색지수가 최대 89로 기존에 쓰는 3파장 램프수준까지 높아졌다.

태양빛의 연색지수는 100, 상용화중인 백색LED의 연색지수는 70 정도다. 또 형광체의 내열성도 뛰어나 120도의 고온에서도 1200시간 이상 성능이 달라지지 않았다.

형광 나노하이브리드소재는 값이 싸고 별도형광체를 분산시키지 않고 봉지재 자체가 형광체역할을 함께하는 형광체-봉지재 일체형 소재로 매우 간단하게 백색LED를 만들 수 있어 값과 기술경쟁력이 매우 높은 새 기술로 평가받고 있다.

한편 이번 연구성과는 재료분야 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 12월호(22일자) 표지논문으로 실렸으며 관련특허를 국내·외에 출원 중이다.

이영철 기자 panpanyz@
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