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양자점을 이용한 적외선 LED

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글쓴이 김대웅 등록일 12-09-19 11:35
조회 1,651
    미국 연구진은 통신에서 군대의 야시경까지 다양한 분야에서 사용되는 적외선 방출 다이오드, LED의 성능과 제조 능력을 향상시킬 수 있는 새로운 기술을 개발했다. 

    볼링 그린 주립 대학(Bowling Green State University)의 연구진은 용액 속의 나노결정을 사용해서 적외선 LED를 만들 수 있는 새로운 방법을 개발했는데, 이것은 매우 저렴한 가격으로 높은 휘도와 더 나은 성능을 가진 LED를 만들 수 있게 하였다. 이 연구는 최근에 저널 Nature Nanotechnology에 게재되었고, 미국 국립 과학 기금에서 자금 지원을 받았다. 

    적외선 방출 다이오드는 에피택시 방법을 사용해서 직접-갭(direct-gap) 반도체로 제조되었는데, 이것은 다른 물질과의 결합을 어렵게 하고 많은 비용이 든다. 반대로 콜로이드 반도체 양자점을 기반으로 하는 광발광 다이오드는 저렴한 가격으로 용해-처리될 수 있고, 실리콘과 직접적으로 결합될 수 있다. 이번 연구진은 8배 더 높은 빛(6.4 W sr-1m-2)과 이전에 보고된 가장 높은 수치보다 2배 더 높은 외부 양자 효율(2.0%)을 가진 적외선 파장에서 작동하는 박막 양자점 광발광 다이오드를 제조했다. 

    이 방법에 사용된 구성요소는 지구상에서 가장 작은 것 중 하나인 용액 속의 양자점(나노결정)이다. 양자점은 나노과학을 위한 새로운 재료이다: 광자를 방출하는 매우 작은 반도체 입자(이번 경우는 황화납)는 들뜬 상태가 될 때 빛을 발하기 때문에 적외선 카메라에 적용될 수 있다. 이 나노결정은 양자 역학에 의해 지배되는 새로운 광학적 성질을 가졌다. 나노결정이 방출하는 빛의 색상은 이것의 파장에 의해 결정된다. 이것은 서로 다른 파장에서 광범위하게 조절될 수 있다. 연구진은 적외선 파장으로 실험을 했는데, 이것은 육안으로는 보이지 않지만 많은 분야에 적용될 수 있다. 

    보이지 않은 적외선 LED는 원거리 제어 장치, 노트북 컴퓨터 데이터 포트, 야시경 등에 적용될 수 있다. 또는 적외선 LED는 광섬유 시스템을 이용하는 통신에 중요한 역할을 한다. 광섬유 통신에 적외선을 사용하는 이유는 매우 효율적이기 때문이다. 적외선은 최소한의 손실로 수천 킬로미터를 이동할 수 있다. 

    플라스크 속에 두 개의 선구물질을 혼합하고 이것을 가열함으로써, 연구진은 더 큰 결정을 얻을 수 있었다. 혼합물을 가열하는 온도와 시간을 변화시킴으로써, 연구진은 서로 다른 목적을 위한 서로 다른 크기의 결정을 얻을 수 있었다. 더 작은 나노결정은 더 짧은 파장의 빛을 방출하지만 더 큰 나노결정은 더 긴 파장의 빛을 방출한다. 이번 연구에서, 연구진은 2.7nm에서 6.5nm까지의 황화납(PbS) 나노결정의 크기를 변화시킴으로써 800nm에서 1800nm까지의 방출 파장을 변화시킬 수 있었다. 특히, 휘도는 이전의 나노결정 장치의 것보다 더 높았다. 

    크기에서는 큰 이득을 가지지만, 이것은 매우 작은 부분을 차지한다. 1나노미터는 1미터의 10억분의 1이다. 양자점은 인간 세포보다 훨씬 더 작다. 이 세포는 지름이 1마이크론 이상이다. 양자점은 1마이크론의 1천분의 1의 크기를 가진다. 각 LED는 수백만 개의 양자점을 포함한다. 

    고온과 높은 진공 환경의 반도체 산업에서 사용되는 기존의 LED 제조 프로세스와는 대조적으로, 이번 연구진에 의해 개발된 이 방법은 더 저렴하고, 진공 환경을 필요로 하지 않으며, 서로 다른 목적을 만족하기 위해서 더 큰 파장의 조절을 가능하게 한다. 이 연구는 5년 전에 진행되었다. 이런 성공은 지난 2년 동안에 있었다. 이것은 나노과학 커뮤니터에 큰 영향을 끼치는 흥미로운 업적이다. 이 연구는 저널 Nature Nanotechnology에 "Bright infrared quantum-dot light-emitting diodes through inter-dot spacing control"이라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nnano.2012.63). 

    그림 1. LED의 물리적 및 전자 구조. 
    그림 2. 4.5nm의 지름을 가진 MOA 코팅된 양자점으로 만들어진 장치의 전류 밀도-전압 특성. 
    그림 3. LED의 방출 스펙트럼과 적외선 이미지. [이 게시물은 최고관리자님에 의해 2013-04-04 22:11:34 Free Board에서 이동 됨]

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