광기술 해외기술정보
차세대 백색 LED재료 개발
(주)KRI는 무기계 배위에 의해 희토류 원소를 중심에 배치한 나노크러스터를 발광 중심으로 한 광(光) 여기발광 가능한 유기무기 하이브리드 광학 재료의 개발에 성공했다. 이 재료를 이용하면 RGB발광형 차세대 백색LED의 실용화가 가능함과 동시에 저가로 고성능 플라스틱 베이스의 신규 광학부품과 광디바이스에 대한 보급도 가속될 것이라고 생각된다. KRI는 이 성과를 바탕으로 화학소재, LED관련, 광학부품 메이커와 공동으로 2008년도 상품화를 위한 멀티 클라이언트 프로젝트를 실시한다.
종래 타입의 백색 LED용 봉지재(封止材)는 희토류 원소를 포함하는 무기형광체 입자를 유기재료 속에 개어 넣어 조제해 왔다. 형광체 제조에 고온 가열, 분쇄·해쇄(解碎)처리가 필요하며, 얻을 수 있는 형광체 입자 사이즈가 몇 ㎛으로 크게 산란에 의한 유기재료의 투명성을 저해하는 등의 문제점이 있었다. 한편, 희토류 원소 함유 유기 착체를 유기재료에 직접 첨가하는 방법도 보고되었으나 유기배위기의 영향에 의한 소광현상을 억제하기 위해서 유기배위기 속의 수소원자를 고가인 불소나 중수소치환할 필요가 있어 재료 원가가 비싸진다는 문제가 있었다.
이번에 희토류 원소 주위에 〔AlO4〕유닛을 배치함과 동시에 외주부에 유기치환기를 도입한 1~2nm의 나노크러스터를 합성함으로써 (1)희토류 원소를 유기재료 속에 고농도 직접 첨가, (2)소광현상의 억제 양립에 성공했다. Eu(빨강), Tb(녹색), Ce(청색)을 함유하는 나노크러스터의 유기 매질 속에서의 자외광 여기발광을 확인했다. 또 적색발광이 가능한 5중량% Eu 함유 유기무기 하이브리드 투명체의 작성이 가능하게 되었다.
이번에 개발한 광학재료는 화학 프로세스에 의한 저온형성이 가능하며, 발광색도(色度)·성형의 자유도가 높아 종래 타입의 재료에 비해 높은 코스트 퍼포먼스가 가능하게 되리라 생각한다. 또 이번에 형성된 나노크러스터를 적용함으로써 백색LED 봉지재 이외에도 높은 투명성이 요구되는 광 증폭소자, 파장선택 필터 등의 각종 광학용도에 대한 응용이 기대된다.
           (CJ)

백색LED용 녹색형광체 개발 자연광의 재현 가능
질화규소·알루미늄 등 분말 혼합하여 성공
태양광에 가까운 선명한 자연색을 내는 형광체의 개발은 슈퍼나 상점의 상품조명, 식탁 등의 실내조명으로서 기대되고 있다. 그러나 백색발광다이오드(LED)용 기본색 3종류 가운데, 적색, 황색은 이미 개발되어 있으나 녹색에 대해서는 내구성의 문제로 개발이 진행되지 못했다. 물질 . 재료연구기구 물질연구소 비산화물 소결체 그룹의 廣崎尙登 주임연구원은 질화규소, 질화알루미늄, 산화유로퓸(브라운관이나 형광등용 형광체에 사용된다)분말을 혼합시켜서 내구성이 있는 녹색형광체의 개발에 성공했다. 형광등에 비해서 LED는 ‘소비전력 30% 절약’ ‘수은을 사용하지 않는다’등의 이점이 있어 화학 메이커와 연대하여 2년 후에 실용화하기 위해 노력하고 있다.
화합물 반도체인 청색 LED칩과 황색형광체(이트륨과 일루미늄을 포함하는 산화물에 시륨을 첨가)를 조합시킨 백색LED의 실용화는 시작되었다. 백색LED의 밝기는 전구와 비슷한 수준에 달해 있고, 또한 수은을 포함하지 않는 형광등을 대신할 조명이라는 이점에서 멘터넌스 프리의 광원으로서 휴대전화의 백라이트용에 수요가 늘어나고 있다.
그러나 현행 제품은 청색과 황색의 빛을 섞어서 흰색을 합성한 것이기 때문에 녹색이나 적색의 성분이 적어서 창백하고 부자연스런 빛밖에 발하지 못하는 것이 실정이다. 녹색과 적색 성분을 보충하지 않으면 자연색을 내기는 어려워 녹색, 적색 형광체의 개발이 필요불가결한 문제로 부상해 있었다.
이에 대해 物材機構는 2004년 8월에 적색형광체의 개발에 성공했다. 그러나 녹색형광체의 개발은 곤란을 면치 못했다. 지금까지 녹색형광체로서는 브라운관에 사용되고 있는 아연과 규소의 산화물을 모체로 하는 물질이 알려져 있다. 이것은 전자선이나 자외선에서는 빛을 잘 발하지만 가시광에는 거의 빛을 발하지 않는다. 또 백색 LED에 사용되는 형광체는 고휘도의 여기광에 장시간 조사되기 때문에 높은 내구성이 요구된다. 현행의 형광체는 산화물이나 황화물의 호스트 결정에 희토류 이온을 고용(固溶)시킨 것으로 결정의 안정성이 그다지 높지 않아 사용 중에 열화되어 휘도가 떨어지는 문제가 있었다.
개발한 녹색형광체는 질화물을 호스트로 하는 형광체에 관한 일련의 연구 중에 발견한 것으로 540나노미터의 녹색광을 발한다. 질화규소, 질화알루미늄, 산화유로퓸 분말을 혼합하고 질화붕소제 도가니에 넣어서 10기압의 질소 속에서 1900℃의 고열반응을 통해서 제작했다. 합성한 분말은 유로퓸을 포함하는 β-사이아론 결정으로 화학적 안정성, 내구성이 우수하다.
적색형광체, 황색형광체와 함께 녹색형광체를 사용한 결과, 청, 녹, 황, 적 등 4가지 색을 골고루 포함하는 태양광에 가까운 자연스런 백색의 빛을 발할 수 있게 되었다. 색 재현성의 지표인 연색성 평가수는 일반 형광등이 60전후, 높은 연색성의 형광등은 90전후를 상회하여 90을 넘는 자연스런 조명장치를 시작하는데 성공했다.
녹색형광체를 적색 및 황색형광체와 조합시킴으로써 형광등과 동등한 연색성을 갖는 백색 LED나 전구LED의 조명기구를 만들 수 있다. 현재 사용되고 있는 형광등 등의 조명기구는 에너지 소비효율과 라이프사이클의 환경 면에서 앞으로는 모두 백색LED로 교환된다.
LED시장은 2010년에는 1조 엔 시장이 된다고 하며 또한 컴퓨터용 표시소자와 텔레비전도 플랫패널로 바뀌며, 그 시장규모는 세계적으로 10조 엔으로 예상된다. 이들 용도에는 반드시 고휘도 긴 수명의 형광체가 사용될 것이어서 내구성이 우수한 형광체의 사회에 대한 공헌은 클 것이다.
여기 광원으로 사용되는 청색LED나 청색 레이저의 개발은 일본이 앞서고 있다. 개발한 형광체를 이용함으로써 발색성이 보다 우수한 광원을 실현하면 백색LED나 차세대 디스플레이 분야에서도 국제적으로 우위가 된다.
녹색 형광체는 재료로서의 평가 및 LED와 조합시킨 발광특성결과를 얻었다. 신뢰성의 평가와 양산기술의 확립이 앞으로의 과제로 2년 후의 실용화가 기대된다.                    (NK)

액정에서 광다이오드 실현 레이저발진에도 성공
東京工業大學의 竹添秀男 교수 등은 액정에서 최초로 광다이오드를 실현하는데 성공했다. 빛의 정류작용으로 순방향으로 빛을 통과하고, 역방향으로는 통과하지 않는다. 게다가 전장(電場)으로 변조(變調)할 수 있다. 색소를 1% 정도 섞어서 레이저발진에도 성공했다. 액정디스플레이의 액정은 빛의 투과성에 방향성을 갖지 않지만, 원래 액정이 포토닉 결정구조를 형성하는 성질을 이용함으로써 액정디스플레이 이외의 응용을 전망할 수 있을 것 같다.
천연 투구벌레 가운데에는 액정분자와 같은 구조의 날개를 가진 것이 있고, 좌원(左圓) 편광만을 반사하거나 좌우 어느 쪽 원의 편광이든 반사하는 것이 있다고 한다. 이 투구벌레의 액정구조에 주목, 코레스테릭 액정으로 네마틱 액정을 기운 헤테로 구조액정을 만들어 빛의 다이오드를 실현했다. 투과에 이방성이 있는데 이 기능을 자연광으로 실현하게 되면 이 헤테로 액정 막을 자동차 창유리에 붙임으로써 밖에서는 보이지 않고 안에서는 밖을 볼 수 있는 액정 필터와 같은 것으로도 이어질 것이라고 한다.
또 코레스테릭 액정에 색소를 도프함으로써 레이저 발진에 성공했다. 코레스테릭 액정 자체가 공진기의 역할을 한다고 한다.            (일경산업)

포토닉 결정을 도입, LED의 발광효율 5배로 향상시키는 기본원리 실증
京都대학 대학원 공학연구과 전자공학 전공의 野田進 교수 등은 발광소자의 발광효율을 비약적으로 향상시키는 기본원리를 실증했다. 주기적인 굴절률 분포를 기다리는 포토닉 결정구조를 발광다이오드(LED)에 형성함으로써 ‘불필요한 발광’을 일체 금지하여 발광효율을 5배로 높이는데 성공했다. 발광한 빛의 대부분이 발광체 속에 갇혀 외부로 나오지 못하고 최종적으로는 열이 되어 버린다는 결점을 해소했다. 성과는 LED에 한정하지 않고 레이저 다이오드나 유기발광소자 등 발광소자 전반의 효율화를 위해서도 기대된다. 과학기술진흥기구(JST)의 전략적 창조연구추진사업의 연구테마로 성공한 것이다.
LED는 일반적으로 80%의 발광을 낭비한다고 한다. 이것은 발광체의 굴절률이 높고 빛이 굴절률이 높은 곳에 갇히기 쉽다는 성질에 의한다. 따라서 아주 조금의 빛밖에 발광체 밖으로 나오지 못하여 유효한 발광을 충분히 얻지 못하고 있다. 불필요한 발광은 발광체 면 안쪽 방향으로 향한다.
따라서 특정한 파장역(밴드갭 파장역) 빛의 존재를 금지하는 성질이 있어 2차원적인 주기구조를 갖는 포토닉 결정을 도입하여 불필요한 발광을 일체 금지, 또 에너지를 재분배한다는 것을 실증했다. 이로써 발광수명이 연장되며 발광강도도 증가했다.
LED는 백열등이나 형광등에 대시한 차세대 고체조명으로 주목되고 있어 이번의 성공으로 실용화에 한 걸음 다가섰다.                          (NK)

레이저 마킹 청자색의 발색에 성공, 색의 3원색 갖춰 
埼玉대학의 池野順一 조교수, 山田翠 대학원생 등은 레이저 조사한 금 스팩터 막의 조사부분을 청자색으로 발색시키는데 성공했다. 레이저광을 조사하여 임의의 크기로 된 금 나노입자를 만들어 발색시킨다.
지금까지 빨강, 금색을 발색했는데, 청색계열은 불가능했다. 금색은 황색으로 간주할 수 있으므로 이번의 성공으로 색의 3원색이 갖춰졌다. 이로써 1종류의 레이저 조사만으로 다채로운 색의 레이저 마킹이 가능하게 된다.
레이저 컬러 마킹은 시계의 문자판 등의 장식품에 사용되는 외에 자동차의 차체나 휴대전화에도 좋아하는 색으로 모양을 그릴 수 있다. 또 ID카드를 비롯한 보안제품, 광컴퓨터의 메모리 등 넓은 분야에서 응용이 기대된다.
금나노입자의 경우 10나노~20나노미터의 크기에서 빨강색, 100나노미터 이상에서 금색으로 발색한다. 그러나 이 둘 사이의 크기를 정밀하게 제어하기가 어려워 70나노미터 정도에서 발색하는 청색은 지금까지 실현되지 않았다. 같은 70나노미터 정도에서도 입자가 밀집해 있으면 검은색으로 발색한다고 한다. 이 기술은 유리 위에 스팩터로 금의 막을 만들고, 거기에 레이저광을 조사하면 열을 흡수하여 금나노입자가 응집하여 만들어지는 구조이다.
이번에 파장 532나노미터의 연속발진 레이저를 종래의 100분의 1~1만 분의 1이라는 늦은 속도로 주사한다. 주사속도에 따라서 금 나노입자의 크기를 임의로 바꿀 수 있도록 했다.
주사속도가 매초 25밀리미터일 때는 작은 입자, 매초 0.25밀리미터일 때는 커다란 입자가 생겼고 각각의 크기는 일정했다. 매초 25밀리미터일 때 생긴 입자는 적자색으로 발색했는데, 매초 0.25밀리미터일 때 생긴 입자는 청자색으로 발색했다.
스팩터 막에서 레이저 조사로 나노입자를 만드는 기술은 레이저 컬러 마킹만이 아니라 다른 여러 가지 분야에서도 응용을 기대할 수 있을 것 같다.
(일경산업)