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직렬구조의 백색광 유기 LED.... Inven.Discov.Tech.

[그림] 저렴한 유기 재료를 사용한 LED 조명

중국과학원 (Chinese Academy of Science)의 연구팀이 single active layer 구조로 독서용 조명으로 사용 가능한 유기 LED를 개발했다. 전세계 전기에너지 중 약 20%가 가정, 사무실, 공공장소 등의 조명으로 사용된다. 많은 에너지가 사용되기는 하지만, 조명 효율을 조금이라도 높이면 엄청난 양의 전기가 절약되기 때문에 큰 절약기회가 될 수도 있다. 중국과학원 연구팀이 저렴한 플라스틱 같은 유기물질로부터 새로운 형태의 LED (light emitting diode)를 개발해 이 목표에 한 발 다가섰다. 이 LED는 단순한 직렬 (tandem) 구조로 되어있으며, 일반 조명에 필요한 백색광을 포함하여 보통 LED에 비해 두 배 밝은 빛을 낼 수 있다.

중국과학원 장춘응용화학연구소 (Changchun Institute of Applied Chemistry) 의 연구팀을 지휘한 Dongge Ma는 직렬구조에 의해 비교적 고효율의 백색광을 실현한 것에 연구의 중요성이 있다고 한다. 브레이크 등에서 컴퓨터 디스플레이에 이르기까지 다양한 종류의 제품에 사용되는 LED는 다른 조명기구보다 환경친화적이고 효율적이다. 백열등은 뜨겁게 가열되는 얇은 금속 필라멘트에 전기를 보내 빛을 발생시키는데, 사용되는 전기의 5% 만이 빛으로 변환되고 나머지는 열로 버려진다. 콤팩트 형광등 (compact fluorescent bulbs)은 전기를 튜브 안의 가스를 통해 빛으로 전환시키는데 보통 20% 이상의 효율을 나타낸다. 하지만 콤팩트 형광등은 환경유해물질인 수은 증기를 소량 포함하고 있다. 반면에 LED는 전극이 붙은 얇은 웨이퍼로 만들어져 있는데 입력되는 에너지의 20 ~ 50% 이상을 빛으로 바꾸어 준다. 또 LED는 많은 양의 빛을 좁은 공간에 집적시켜 줄 수 도 있다.

하지만 일반적인 전구에 비하여 생산비용과 효율을 높이는 것과 소비자들이 가정에서 사용하고 싶은 조명을 만드는 것과는 별개의 일이다. LED의 확산에 주된 장애요인 중의 하나는 바로 빛인데, 예를 들어 적색과 같이 한가지 색을 내는 LED는 쉽게 만들 수 있다. 그러나 실내 조명은 자연 백색광을 필요로 하며, 이 특성은 광원이 빛이 비추어지는 물체의 진짜 색상을 재현해내는 능력을 평가하는 CRI (color-rendering index) 값에 의해 측정된다. 독서용 조명으로는 70이상의 CRI 값이 적당하다. LED는 파랑, 녹색, 빨강 색의 혼합에 의해 백색광을 내거나, 또는 유색광을 필터 또는 인광물질의 박막을 통과시킴으로써 백색광을 낼 수 있다. 하지만 이런 방법은 생산 비용을 증가시키기 때문에, 보다 큰 시장에 접근하기 위해서 자발적으로 백색광을 내는 저렴한 LED가 연구되어 왔다.

중국과학원 연구팀은 이 목표를 향한 중요한 진보를 보고하고 있다. 첫째, 이들은 비싸고 복잡한 제조공정이 필요한 갈륨과 같은 반도체 소재가 아니라 플라스틱과 같은 탄소 기반의 유기 물질로 LED를 만들었다. 둘째, 이들은 최초로 여러 층으로 복잡하게 이루어진 구조가 아니라 하나의 활성층 (active layer)으로 이루어진 유기 백색광 LED를 보여주었다. 또한 이 단층 LED를 직렬 유닛으로 결합함으로써 한층 높은 효율을 달성했다. 저자들은 이 LED가 거의 독서용으로 적합한 70 부근의 값을 달성했다고 보고했다. 이 분야의 발전은 유기 LED 가격의 하락을 예고한다.

이들의 연구에는 2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline:Li/MoO3가 전하생성층 (charge generation layer)으로 사용되었으며 (CGL) 최대 전방 전류 효율 (maximum forward viewing current efficiency)이 110.9 cd/A, 외부 양자 효율이 1 μA/cm2에서43.3% (1 μA/cm2) 이다. Dongge Ma 연구팀의 연구는 Chinese Academy of Sciences 의 Hundreds Talents Program 을 포함한 여러기관의 자금지원으로 이루어졌다.

 

==============================이하 원문==============================

 

Cheap And Efficient White Light LEDs With New Design

ScienceDaily (Apr. 9, 2009) — Roughly 20 percent of the electricity consumed worldwide is used to light homes, businesses, and other private and public spaces. Though this consumption represents a large drain on resources, it also presents a tremendous opportunity for savings. Improving the efficiency of commercially available light bulbs -- even a little -- could translate into dramatically lower energy usage if implemented widely.

           Light produced by a new type of light emitting diode (LED) made from inexpensive, plastic-like organic materials. (Credit: Photo by Ma Dongge)

 
A group of scientists at the Chinese Academy of Sciences is reporting an important step towards that goal with their development of a new type of light emitting diode (LED) made from inexpensive, plastic like organic materials. Designed with a simplified "tandem" structure, it can produce twice as much light as a normal LED -- including the white light desired for home and office lighting.

"This work is important because it is the realization of rather high efficiency white emission by a tandem structure," says Dongge Ma (.cn), who led the research with his colleagues at the Changchun Institute of Applied Chemistry at the Chinese Academy of Sciences.

Found in everything from brake lights to computer displays, LEDs are more environmentally friendly and much more efficient than other types of light bulbs. Incandescent bulbs produce light by sending electricity through a thin metal filament that glows red hot. Only about five percent of the energy is turned into light, however. The rest is wasted as heat. Compact fluorescent bulbs, which send electricity through a gas inside a tube, tend to do much better. They typically turn 20 percent or more of the electricity pumped through them into light. But compact fluorescents also contain small amounts of mercury vapor, an environmental toxin.

LEDs on the other hand, are made from thin wafers of material flanked by electrodes. When an electric current is sent through the wafers, it liberates electrons from the atoms therein, leaving behind vacancies or "holes." When some of the wandering electrons and holes recombine, they create a parcel of light, or photon. These photons emerge from the side of the wafer as visible light. This turns 20 to 50 percent, or even more, of the input energy into light. LEDs also concentrate a lot of light in a small space.

Producing LEDs that can compete with traditional light bulbs for cost and efficiency is one thing. Making LEDs that consumers want to use to light their homes is quite another. One of the main barriers to the widespread use of LED lights is the light itself. LEDs can easily be manufactured to produce light of a single color -- like red -- with applications such as traffic lights and auto brake lights. Indoor lighting though, requires "natural" white light. This quality is measured by the color-rendering index (CRI), which assigns a value based on the light source's ability to reproduce the true color of the object being lit. For reading light, a CRI value of 70 or more is optimal. LEDs can produce white light by combining a mixture of blue, green, and red light, or by sending colored light through a filter or a thin layer of phosphors -- chemicals that glow with several colors when excited. However, these solutions increase costs. To reach a larger market, scientists would like to make inexpensive LEDs that can produce white light on their own.

The authors of this paper report important advances towards this goal. First, they built LEDs from organic, carbon-based materials, like plastic, rather than from more expensive semiconducting materials such as gallium, which also require more complicated manufacturing processes. Second, they demonstrated, for the first time, an organic white-light LED operating within only a single active layer, rather than several sophisticated layers. Moreover, by putting two of these single-layer LEDs together in a tandem unit, even higher efficiency is achieved. The authors report that their LED was able to achieve a CRI rating of nearly 70 -- almost good enough to read by. Progress in this area promises further reduction in the price of organic LEDs.

The work of Dongge Ma and colleagues was funded by the Hundreds Talents program of Chinese Academy of Sciences, the National Science Fund for Distinguished Young Scholars of China, the Foundation of Jilin Research Council, Foundation of Changchun Research Council, Science Fund for Creative Research Groups of NSFC, and the Ministry of Science and Technology of China.


Journal reference:

  1. Qi Wang et al. A high-performance tandem white organic LED combining highly effective white units and their interconnection layer. Journal of Applied Physics, April 6, 2009; 105, 076101 (2009) DOI: 10.1063/1.3106051

 

 

 

 





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