고체 상태에서의 발광

편집부(외신)

고체 상태의 발광은 형광성이고, 백열광을 내는 발광 에너지의 효율을 보다 우수하게 하는 잠재력을 지니고 있다.
Sandia National Lab에서 발표한 ‘고체 상태의 발광 연구 개발’ 보고서에 따르면, 발광은 미국 에너지 소비의 20% 정도를 차지하고 있으며 발광으로 소비되는 에너지의 대부분은 형광성 전구와 백열광을 내는 전구이다. 좋은 조도를 얻기 위하여 발광 소자(LED)를 사용하는 고체 상태의 발광은 형광성이고 백열광을 내는 발광의 에너지 효율을 현격히 증가시킬 수 있는 잠재능력을 지니고 있다. 보도에 따르면 백열광을 내는 전구는 소비된 에너지의 5%만을 가시 광으로 전환시키는 반면 형광성 전구는 25%만을 가시광으로 전환시킨다.
Sandia의 보고서에 의하면, 1990년대에 새로운 반도체 물질인 갈륨 질화물(GaN)의 개발은 파랑색과 녹색 범위에서의 첫 번째 발광 소자(LED)를 가능하게 하였다. 이것은 흰색 광을 만드는데 중요한 역할을 하였다. 이때, 흰색 광은 복합 발광 소자(LED)로부터 다른 파장 광의 혼합 또는 인광 물질을 사용하여 파란색 광을 더 긴 파장의 다른 색으로 하향 변환 시켜서 얻는다. 오늘날, 에너지 효율적인 발광 소자(LED)는 신호등과 같은 단색을 적용하기 위한 이론적으로 유일한 방법이다. 현재 적용되고 있는 또 다른 예는 비상구와 빌딩의 윤곽을 나타내는 발광이지만 목표는 일반적 조도를 위한 풀 스펙트럼 흰색 광이다.

기술 개발을 위한 지원
미국 에너지 국(DOE)은 보편적인 조도의 실현을 위하여 고체상태 발광의 개발뿐 아니라 상업화를 위한 장기적인 위원회를 보유하고 있다. 2005년 8월 조지 워싱턴 부시 대통령에 의하여 서명 날인된 에너지 정책 결의서(EPACT 2005)는 차세대 발광 주도(NGLI)를 수행하기 위하여 에너지 산업에 장관을 배당하였다. 차세대 발광 주도(NGLI)를 기반으로 경쟁적으로 선택된 재정 환경에서 고체 상태의 발광을 위한 개발, 연구, 논증, 상업적 적용활동 등을 지지할 수 있다.
에너지 정책 결의서(EPACT 2005)에 의하면 차세대 발광 주도(NGLI)에 2007년부터 2009년까지 각 회계연도마다 5000만 달러를 지원하고, 2010년부터 2013까지 각 회계연도 동안은 5000만 달러를 분할하여 추가지급 한다.
2006년 2월 미국 에너지 국(DOE)에 실린 ‘고체 상태의 발광 프로그램 상업화 경로’에 따르면, 국가 기술 개발 투자는 발광이 총 전기 사용의 20%를 차지하는 건축물 분야에서의 기술을 성공적으로 상업화하기 위한 궁극적 목표를 제공한다. 만약 고체 상태의 발광 기술이 계획된 가격과 원하는 수행 단계까지 성취된다면 그 잠재 이윤은 막대할 것이다.
쪾2025년 까지 고체 상태의 발광은 형광성 램프와 백열광을 내는 램프와 같은 보편적 조도 광 자원으로 대체될 수 있을 것이다. 이것은 발광을 위한 국가 에너지 소비를 매년 0.45쿼즈까지 감소시키며, 이렇게 절약된 에너지는 오늘날 2000만 가구를 발광하는데 요구되는 충분한 에너지이다.
쪾2005년부터 2025년까지 누적되는 에너지 소비량 절감은 250억 달러 이상의 가치로 전환될 것이다.
쪾2005년부터 2025년까지 누적되는 에너지 소비량 절감은 1.5쿼즈보다 크게 나타날 것이다.
2025년까지 모든 약속을 성사시키기 위하여, 주요 연구 과제가 본격적으로 착수되어야 한다. 미국 에너지 국(DOE) 보고서에 따르면, 이러한 과제들의 빠른 진행을 위하여 미국 에너지 국(DOE)은 에너지 효율을 향상시키기 위하여 특정 연구 개발 분야에 투자하고 고체 상태의 발광 기술이 시장에 빠른 시일 내에 안착 되도록 도울 것이다.
이 프로젝트는 산업체, 연구 기간과 학회 기관, 국가 실험실들과 협력하여 발전된 종합적인 기술 개발 계획과 함께 진행되었다. 미국 에너지 국(DOE)은 발광 서비스를 향상시키고 확장하는 동안 발광 에너지의 사용을 감소시키기 위하여 고체 상태의 발광 기술의 상업화를 위한 궁극적 목표에 초점을 맞춰 연구를 계속하여 나갈 것이다.

흰색 발광 소자의 개발
기존의 광 자원을 보편적 조도를 위한 발광 소자로 대체할 때 가장 중요한 과제 중 하나는 빛의 가용량을 확보하는 것이다. 이 문제를 풀기 위한 Lamina 회사의 접근은 다중의 고 휘도 발광 소자를 어레이 즉, 광 엔진으로 클러스터화 하는 것이다. Lamina 엔지니어의 말에 따르면, 이러한 효과적인 방법을 통하여 개별적 발광 소자의 생산이 증가될 것이고 특히, 발광 소자의 적용에 있어서 완벽히 새로운 시대를 여는 고 광속을 실현할 수 있을 것이다.
상업지역과 거주지역의 범주에서 발광 소자의 발광이 다수의 꾸준히 발전하는 내부와 외부 애플리케이션으로 개발되는 동안, 특질상 흰색 발광 소자로 만들어진 한색의 빛은 거실과 다른 휴식을 위한 공간에서 눈에 피로를 느끼게 한다.
2005년 11월, Lamina 회사는 조명의 부드럽고 강한 정도가 현재 많이 사용되는 할로겐 백열등, 텅스텐 백열등과 비슷한 특징을 가지는 매우 밝고 고 전력의 새로운 발광 소자 조명 엔진의 개발과 함께 고체 상태 발광의 중대한 성과를 발표했다.
 Lamina 회사의 사장이자 CEO인 Taylor Adair는 “Lamina에서 개발한 3000K의 색온도를 가지는 BL-4000 난색의 흰색 발광소자 조명 엔진은 우리의 생산 라인에서 중요한 역할을 하고 고체 상태의 발광분야의 또 다른 현격한 발전을 나타낸다”고 하였다. 또한 “한 낮의 태양빛과 관련 있는 한색의 흰색 빛은 근무 환경과 태스크 조명에서 많이 사용된다”고 설명하였다.
Taylor Adair는 “그러나 연구를 통하여 살펴보면 우리는 지난 수천 년 동안 우리의 생활환경에서 일몰시와 화재장소에서 나타나는 빛 또는 촛불의 빛과 같은 난색의 빛에 많이 적응되어왔다”는 사실에 주목했다. 그가 말하는 난색의 흰색 빛은 친밀하고 편안한 환경이며 이것은 나무나 가구의 외양을 더욱 돋보이게 한다.
Taylor Adair는 BL-4000 난색의 흰색 발광소자는 국내의 거주용 발광 디자이너와 상업용 발광 디자이너에게 힘을 실어 줄 것이며 고체 상태의 발광을 기존의 할로겐, 텅스텐 발광 디자인과 함께 혼합하여 디자인할 것이라고 하였다.
상업적으로 가능한 다른 난색의 흰색 발광 소자 어레이보다 3배 이상 밝은 BL-4000 난색의 흰색 발광소자는 단지 5.3W의 전기를 소모하는 동안 95루멘을 이동한다. 기존 밝기의 50%에서 측정된 이 발광 소자의 가용 수명은 수명이 가장 오래 유지되는 할로겐보다 3~4배 이상 길다. 이것은 Lamina 회사의 BL-4000 시리즈인 RGB+(red-green-blue)와 한색의 흰색 모델이 5센트짜리 미화보다 작은 것과 마찬가지로 BL-4000 난색의 흰색 발광소자도 5센트짜리 미화보다 작다.
Lamina 회사의 독점적인 팩키징 기술의 이용과 다층의 저온 소성 세라믹 기판(LTCC-M)을 사용하여 산업을 이끄는 발광 소자 기술자들은 고휘도 발광 소자를 결합하여 Lamina 회사의 발광 소자 조명 엔진을 만든다. 저온 소성 세라믹 기판(LTCC-M)은 발광 소자의 수명과 신뢰도를 결정하는 중요한 요소인 발광 소자 팩키징 기술의 중요한 요소인 열효율에 있어서 매우 큰 성과이다.  
Lamina 회사의 발광 소자 팩키징 기술은 최대로 높아진 열의 추출과 TCE 미스매치의 최소화를 통하여 보다 향상된 열처리 능력을 제공한다. Lamina 회사의 팩키징에서, 발광 소자는 니켈 금속판과 구리-몰리브덴-구리 복합 재료로 이루어진 가공된 금속 기판에 바로 고정된다. 이렇게 만들어진 금속 기판은 아주 높은 열 이동도와 내구성을 확보한다.
팩키지 상호연결성과 관련 있는 열효율은 특히 아주 작은 공간에서의 높은 광도를 얻기 위한 다층의 발광 소자를 고집적으로 클러스터화 하기 위하여 Lamina 회사의 공정을 따른다. Lamina 회사의 다른 발광조명 엔진은 흰색에서 적용이 가능하고, RGB(red-green-blue)와 100W까지의 단색화가 가능하며 기존 팩키지의 1000W까지의 적용이 가능하다.
지난 해 동안, Lamina 회사는 세계에서 첫 번째로 13,300과 28,000루멘에서 이전에 생산된 상대적으로 휘도가 가장 좋은 RGB(red-green-blue)와 흰색에서의 Aterion 발광소자 조명 엔진의 휘도에서 두 가지의 놀라운 성과를 이루어 냈다. 
2001년 개발된 Lamina 회사의 팩키징 기술은 Sarnoff 회사에서 적어도 12년 전에 개발되었지만 Lamina 회사의 고 휘도 발광소자 어레이의 팩키징 기술에 의하여 더욱 발전되었다.

Cree 회사의 흰색 발광소자
2005년 9월, 영국 더럼 주에 위치한 Cree 회사는 표준 흰색 XLampTM 7090 동력 발광소자의 개발을 통하여 얻은 중요한 수행 결과를 발표하였다. Cree 회사에서 개발된 흰색 XLampTM 7090 발광소자는 최대 광속이 86루멘이고 350㎃에서 와트당 70루멘의 광속을 갖는다. 이것은 현재 생산되고 있는 흰색 XLamp 7090 동력 발광소자의 최대 광속과 비교하여 볼 때 휘도가 43% 증가된 것이다.
2006년 2월 16일, Cree 회사는 구동전류가 350㎃이고 기본 빛의 출력이 57루멘인 상태에서 기본 효능이 와트당 47루멘인 흰색 XLamp 7090 발광 소자 팩키지의 일반적 가능성을 발표하였다. Cree 회사는 또한 최근 생겨난 시장으로 진출하기 위하여 거주용 발광의 적용을 위한 난색인 흰색(2700-4500K)에서의 XLamp 7090의 효능을 발표하였다.
Cree 회사의 부사장이자 총지배인인 Norbert Hiller는 “Cree 회사는 모든 일반적인 조도 애플리케이션의 기존 발광을 가격측면에서 효율적 대체물인 발광소자의 채택을 촉진하기 위하여 급속도로 성장하는 발광소자의 성과에 초점을 맞추었다”고 하였다. 2006년 3월 8일, Cree 회사는 새로운 EZBrightTM 발광소자 칩 플랫폼을 개발하였다. 발광소자 칩 기술의 일반적 발전 성향과 비교하여 보면, Cree 회사의 EZBright 발광소자는 새로운 easy-to-die-attach 칩에서 최고의 휘도 수준을 나타낸다. 이 새로운 플랫폼을 기본으로 한 첫 번째 상품은 현재 상업용 애플리케이션에서 녹색과 파란색 모두 사용가능한 EZBright290TM이다.
EZBright290은 핸드폰, 개인 휴대용 정보 단말기(PDA), 텔레비전, 모니터, 발광소자의 내부와 외부 화면 표시 장치, 카메라 플래시, 비디오 게임과 신호 표시기 애플리케이션 등의 액정 표시 장치(LCD) 화면에서 흰색 역광 조명 애플리케이션을 목표로 하고 있다. Cree 회사는 반도체와 고체 상태의 발광, 동력, 통신 기계의 가치를 향상시키는 장치의 제조회사인 동시에 시장을 이끌어 가는 혁신자이다. Cree 회사의 엔지니어는 “회사의 시장 경쟁력의 원동력은 칩과 팩키지 된 장치를 위한 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN) 물질의 세계 정상의 전문기술력이다”고 말한다.

미국 에너지 국(DOE)의 전망
미국 에너지 국(DOE)의 최신 보고서에 따르면, 고체 상태 발광 기술의 독특한 특징은 실용적인 연구를 포함한 장기적이고 조화된 접근과 전략적 기술 상업화의 중요성을 강조는 것이다.
“고체상태의 발광기술을 효과적으로 시장에 도입하기 위하여 현재 진행 중인 실용적인 연구와 조화를 이루어서 진행되어야만 한다. 연구개발 공정으로서 고체상태의 발광기술은 다양한 애플리케이션을 위하여 적절하고 많은 장점이 나타나도록 하기 위한 목표 성과를 달성할 것이다. 현재 신호등, 비상구, 비행기와 택시의 길 안내 표시등과 같이 다양한 분야의 애플리케이션에 발광소자의 적용 시 단색 발광소자를 선택해야만 하는 이유는 좋은 에너지 효율과 수명 때문이다.”
최근 자동차, 비행기 내부, 몇몇의 디스플레이 애플리케이션에서 흰색 빛의 발광소자를 사용하는 것은 적절하다. 하지만 현재의 흰색 발광소자는 대부분의 일반적 조도 애플리케이션을 대체할 수는 없다.  (Ceramic Bulletin)

 

Lamina 회사의 BL-4000 난색의 흰색 발광소자 어레이는 95루멘의 속도를 가지며 5.3W의 전기만을 소모한다.
Lamaina 회사의 저온 소성 세라믹 기판(LTCC-M) 팩키징을 통하여 다양한 종류의 새로운 애플리케이션을 위한 발광소자 어레이를 더욱 밝고 조밀하게 디자인할 수 있게 되었다.

Cree 회사의 흰색 XLampTM 7090 동력 발광소자 팩키지는 350㎃의 구동 전류에서 47루멘/W의 효율을 나타낸다.