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LED를 능가하는 새로운 탄소 나노튜....

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글쓴이 최고관리자 등록일 14-10-22 20:32
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    발광 다이오드(LEDs)가 오늘날의 가장 중요하고도 파열적인 에너지 효율적 광 솔루션으로 추앙받고 있을지라도, 전 세계의 과학자들은 좀 더 나은 전구 개발을 위해 늦추지 않는 노력을 계속하고 있다. 탄소 기반(특히, 탄소 나노튜브, CNTs)의 전자 장비는 반도체 물질을 만들기 위한 실리콘의 대를 잇는 후보자로서 관심을 받고 있다. 그것들은 또한 좀 더 밝고, 저렴한 새로운 차세대 광 장비로서의 가능성을 인정받고 있으며, 미래에는 발광 다이오드(LEDs)의 지배에 도전장을 내밀고, 친환경 전구의 요구에 대한 사회의 갈망에 부응할 수 있는 잠재력 또한 있다. 일본 토호쿠 대학(Tohoku University) 과학자들이 탄소 나노튜브에 기반을 둔 새로운 유형의 에너지 효율적인 평면 광원을 개발했다. 이것은 매시간 작동 전력이 0.1와트 정도로 매우 낮은 에너지 소모를 가지며, 이는 LED와 비교해볼 때, 약 100배가 더 낮은 것이다. 

    Review of Scientific Instruments에 발표된 이 논문에서, 연구진은 이 장비의 상세한 제조와 최적화를 설명하였다. 이 장비는 형광면과 다이오드 구조의 전극으로 단일 벽 탄소 나노튜브에 그 기반을 두고 있다. 이것을 텅스텐 필라멘트가 미세한 비율로 축소된 것으로 생각할 수 있다. 연구진은 고도로 결정화된 단일 벽 탄소 나노튜브를 담은 혼합 액체에서 이 장비를 조립했다. 이것은 유기 용매 내에 비누와 같은 계면활성제 화학물질과 혼합되어 분산되었다. 그리고서 연구진은 이 혼합물을 양전극 또는 음극에 “인쇄”하고, 낮은 에너지 소비를 한 대량의 안정되고 균일한 방출을 생성하는 광 패널을 형성하기 위하여, 표면을 사포로 긁었다. “우리의 간단한 ‘다이오드’ 패널은 와트당 60루멘의 높은 밝기 효율성을 갖고 있으며, 이는 낮은 전력 소모와 함께 광 장비로서의 엄청난 잠재력을 제시한다”고 토호쿠 대학의 환경학부 조교수이자, 이 연구를 이끌고 있는 Norihiro Shimoi가 말했다. 밝기 효율성은 단위당 소모되는 전력량으로 광원이 얼마만큼의 빛을 생성하는지를 말하며, 이는 다른 광 장비의 에너지 효율성과 비교하는 중요한 지표라고 Shimoi가 말했다. 예를 들어, LEDs는 와트당 100루멘(Lumen)을 그리고 OLEDs(유기 LEDs)는 약 40루멘을 생성한다. 비록 이 장비가 다이오드와 같은 구조로 되어 있지만, 이것의 발광 시스템은 도체와 절연체 사이의 교차로와 같은 역할을 하면서, 도펀트라고 불리는 불순물의 첨가에 의해 전기적 속성을 제어하는 반도체층으로 구성된 다이오드 시스템에 기반을 두고 있지는 않다. 

    이 새로운 장비의 발광 시스템은 마치 음극 선관(cathode ray tubes)과 같이 기능하며, 음극의 역할을 하는 탄소 나노튜브와 양극의 역할을 하는 진공 캐비티 내에 형광면을 지니고 있다. 강한 자기장 하에서, 이 음극은 뾰족한 나노튜브 팁을 통해, 빽빽한 초고속 전자빔을 방출하는데, 이러한 현상을 전계 방출(field emission)이라고 부른다. 그리고 전자는 캐비티 내의 진공을 통해 이동하면서, 형광면과 부딪히면 빛을 발하게 된다. “우리가 개발한 이 도구는 깜박임 없는 전계 방출과 훌륭한 밝기 균질성을 가진 다이오드 구조로서, 고도로 결정화된 단일 벽 탄소 나노튜브의 음극과 향상된 형광면을 가진 양극을 포함하고 있다”고 Shimoi가 말했다. 전계 방출 전자 소스는 그것이 제공하는 강렬한 전자빔으로 말미암아, 과학자들의 관심을 끌고 있다. 이는 기존의 열음금(백열 전구의 필라멘트와 같은)보다 천 배나 더 촘촘하다. 전계 방출 소스는 작동할 때 훨씬 낮은 전력이 들며, 더 나은 지향성을 산출하고, 전자의 흐름을 제어하기가 쉽다.

    최근 몇 년 동안, 탄소 나노튜브는 그들이 가진 나노 규모의 바늘 모양과 화학적 안전성이라는 특별한 속성, 열 전도성, 그리고 기계적 강도 등으로 말미암아, 전자계 방출기 물질로서 강한 잠재력을 보이고 있다. 고도로 결정화된 단일 벽 탄소 나노튜브(HCSWCNT)는 표면의 탄소 네트워크에서 거의 무결점을 보이고 있다고 Shimoi가 설명했다. “고도로 결정화된 단일 벽 탄소 나노튜브를 가진 음극 저항은 매우 낮다. 따라서 이 새로운 평면 장비는 다른 기존의 광 장비에 비해 낮은 에너지 손실을 주며, 이는 낮은 전력 소모의 에너지 효율적인 음극을 만드는데 사용될 수 있다”고 그는 말했다. “많은 연구진이 전계 방출기로서의 탄소 나노튜브를 이용한 광원을 구축하려고 시도했었다. 그러나 그 누구도 이에 상응하는 간단한 광 장비를 개발하지 못했다”고 Shimoi가 말했다. 장비 제조를 위한 단계를 고려한다면, 이 습식 코팅 과정은 비용이 적게 들면서도, 대규모의 균일한 박막을 제조하는 안정된 과정을 제공할 수 있다. 이 평면 방출 장비는 사람들의 생활 습관에서, 조명에 대해 새로운 관점을 제시하며, 이산화탄소 방출을 줄일 수 있는 잠재력을 제시한다고 Shimoi가 말했다. 

    (그림1) 이 영상은 일본 토호쿠 대학 연구진이 개발한 평면 광원 장비의 앞모습(좌)과 뒷모습(우)이다. 

    (그림2) 이것은 ND 필터(neutral density filter)를 통한 평면 광원 장비의 균질한 광 영상이다. 

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