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색조절 그래핀 기반 LED

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현재, 모든 발광 다이오드(LED)는 제조 도중 미리 정해진 한 색의 광을 방출한다. 지금까지, 단일 LED에 의해 발생된 광의 색을 조절하는 것은 수많은 시도에도 불구하고 실현되지 못했다.

그래서 새로운 연구에서 이러한 결과는 흥미로운 것으로 과학자들이 서로 다른 빛의 색깔들을 방출하도록 조절시킬 수 있으며 짙은 청색에서 보라색을 제외한 청색(450 nm 파장)에서 적색(750 nm 파장)까지 거의 전체 가시광을 발생시킬 수 있는 LED를 시현했다.

색조절 LED의 성공 원인은 배터리에서 태양 전지, 반도체에 이르기까지 수많은 영역들에서 놀라운 성과를 이루고 있는 연구를 이끈 물질인 그래핀으로 만들어졌다는 것이다. 이 영역들의 그래핀 성공에도 불구하고 그래핀 기반 LED는 지금까지 실현되지 않았다. 

새로운 LED의 응용들은 TV와 휴대 소자, 색조절 LED 광 소자를 위한 고품질, 색조절 LED 디스플레이와 다양한 미래 그래핀 기반 포토닉 소자들에 잠재성을 가지고 있다.

베이징 칭화 대학 티안-린 렌 교수가 이끈 연구원들은 두 가지 다른 그래핀 형태들의 계면으로 발광 물질을 만들었다. 이 형태는 저가 그라파이트에서 제작된 그래핀 산화물(GO)과 GO에서 더 정재된 형태인 환원된 그래핀 산화물(rGO)이다.

GO와 rGO의 계면에 속하는 것은 GO와 rGO 사이 특정 부위에 있는 광학, 물리학, 화학 특성들을 가진 특별한 형태에서 부분적으로 환원된 GO이다. 가장 중요한 이 계면층의 혼합된 특성은 많은 다른 에너지나 색깔들에서 광 방출을 궁극적으로 할 수 있는 일연의 불연속 에너지 수준을 가진다는 것이다.

이 특성 형성은 GO나 rGO (물질 측면에서 그래핀의 알려진 형태)가 아닌 전혀 다른 광을 방출할 수 있기 때문에 매우 흥미롭다. 이는 두 물질 모두가 전자가 전기를 전도하기 위해 가로질러 점프해야 할 혹은 빛을 방출해야 할 두 에너지 밴드 사이 갭인 정당한 크기의 밴드갭을 가지고 있지 않기 때문이다. GO는 매우 큰 밴드갭을 가지고 있지만, rGO는 밴드갭이 없다.

GO와 rGO 사이 특정 밴드갭을 가지는 대신, 부분적으로 환원된 계면 GO는 부드러운 전이가 아닌 GO층 내 포함된 rGO 나노클러스터의 형태로 어떻게 혼합되어 있는지에 따라 많은 중간 단계 밴드갭들을 가지게 된다. 이런 rGO 나노클러스터들은 계면에서 온도 변화에 따라 환원되기 때문에, 이 물질은 그들의 에너지 수준들을 변화시키고 이에 따라 방출되는 빛의 색깔이 변화된다. 이 에너지 수준들은 단일 색깔의 발광과 LED 색의 조절가능성을 선택적으로 자극하는 인가 전압 변화나 화학적인 도핑에 의해 쉽게 변조될 수 있다.

연구원들은 GO와 rGO의 결합이 전도성과 넓은 밴드갭 물질을 만들 수 있다는 것을 발견했으며 그래핀이 일반적으로 밴드갭을 가지고 있지 않다고 알려졌기 때문에 GO/rGO 계면(그래핀 기반 시스템)이 사실상 발광할 수 있다는 것에 놀라워했다고 렌 박사가 전했다.

이 연구가 그래핀 기반 시스템에서 최초의 발광 관찰이라는 사실은 미래 그래핀 기반 포토닉 소자들에서 광원으로 그래핀을 이용하는 방법을 개발할 수 있는 계기를 마련할 것이다. 또한 색조절 LED는 고품질 LED 디스플레이와 조명을 위해 매우 필요하다. 색이 특성 화학물질들에 반응하여 변하기 때문에, 이 소자는 센싱 응용에도 사용될 수 있을 것이다.

그래핀 기반 색조절 LED는 전체 가시 스펙트럼을 포함할 수 있는 플렉서블 디스플레이 기술 실현을 가능케 할 것이다. 일반적인 LED들은 고정된 광 파장만을 방출하기 때문에 디스플레이 기술은 적색, 녹색, 청색 LED들의 혼합을 요구한다. 만약 그래핀 기반 색조절 LED가 이용된다면, 천연색 플렉서블 디스프레이는 간단한 방법으로 실현될 수 있다. 광범위 소비자 전자제품과 의료 전자소자들이 이런 기술로 혜택을 얻을 수 있다.

연구원들은 20개의 그래핀 기반 LED들을 디자인, 제작, 시험했다. 소자들은 좋은 밝기를 보였지만 개선될 계획인 효율은 높지 않았다. 현재 프로토타입의 또 하나의 단점은 대기 조건에서 수 분 이하와 진공 중 2시간의 매우 짧은 발광 수명이다. 연구원들은 공기 중 산화가 짧은 수명을 야기하고 있으며 보호 코팅이 이 단점을 개선할 것으로 기대하고 있다.

개선의 여지가 있음에도 불구하고 연구원들은 정확한 색조절성, 미세 구조, 단순한 제작방법 등 많은 장점들로 인해 상업적인 측면에서 좋은 결과를 기대하고 있다.

그래핀 LED의 효율은 더 개선될 수 있으며 한 가지 개선 방법은 그래핀과 결합된 n-형(반도체) 물질을 이용하는 것이다. 짧은 수명는 진공 봉합으로 개선될 수 있을 것이다. 상용화는 제작 방법이 단순하고 저가이기 때문에 수 년 내 가능할 것이다. 어떤 다른 기술도 연구실에서 개발되면 문제들을 동반한다. 그러나 연구원들은 이 문제들이 가까운 미래 해결될 것으로 믿고 있다. 또한 그래핀 기반 색조절 LED가 플렉서블 디스플레이를 위한 유망한 기술이 될 것으로 기대하고 있다.

그림 1: 그래핀 기반 LED의 색깔은 인가된 전압에 의해 변한다. 적색과 청색 개략도는 다른 광자 에너지와 일치하고 이로 인해 다른 광 방출 색깔들을 야기시키는 다른 에너지 수준들로 여기된 전자들을 보여준다.

그림 2: (위) 발광층은 그래핀 산화물 (GO)와 환원된 그래핀 산화물 (rGO) 사이 계면에 있다. (아래) 단일 그래핀 기반 LED의 일반적인 전계발광 스펙트럼들.

참고 자료: Xiaomu Wang, et al. "A spectrally tunable all-graphene-based flexible field-effect light-emitting device." Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms8767

출처 KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

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