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25% 늘려도 그대로인 스트레처블 디스플레이 개발
스트레처블 디스플레이는 공간 활용성, 디자인 자유도, 신체와 유사한 유연성 등의 장점으로 인해 차세대 디스플레이로 각광받고 있다. 한국 연구진이 25%까지 늘릴 수 있으며, 이미지 왜곡 없이 선명한 화질을 유지하고 15% 비율로 5,000회 늘렸다 펴도 성능이 안정적으로 유지되는 무변형(음의 푸아송비*) 스트레처블 디스플레이를 국내 최초로 개발해 화제다.
*음의 푸아송 비 (Poisson’s ratio of -1): 가로 세로가 같은 비율로 늘어나는 비율로 음(-)의 값으로 표현. 일반적인 물질에서와 같이 가로로 늘릴 때 세로로 수축하는 것을 양(+)의 값으로 표현한다.
우리 대학 신소재공학과 배병수 교수(웨어러블 플랫폼 소재 기술센터장) 연구팀이 한국기계연구원(원장 류석현)과 공동연구를 통해, 신축 시 이미지 왜곡을 억제하는 전방향 신축성을 갖는 스트레처블 디스플레이용 기판 소재를 개발했다고 20일 밝혔다.
현재 스트레처블 디스플레이 기술은 대부분 신축성이 뛰어난 엘라스토머* 소재를 기반으로 제작되고 있지만 해당 소재들은 양의 푸아송비를 가져 디스플레이를 늘릴 때 이미지의 왜곡이 불가피하다.
*엘라스토머 (elastomer) : 고무와 같은 탄성을 가지는 고분자 소재
이를 해결하기 위해 옥세틱* 메타 구조의 도입이 각광받고 있다. 옥세틱 구조는 일반적인 재료와 달리, 한 방향으로 늘려도 전 방향으로 함께 늘어나는 ‘음의 푸아송비’를 갖는 독특한 구조다. 그러나 전통적인 옥세틱 구조는 패턴으로 형성된 빈 공간이 많아서 안정성과 공간 활용도가 떨어져 기판에서는 활용이 매우 제한적이다.
*옥세틱 구조 (Auxetic structure): 음(-)의 푸아송비를 나타내는 특수한 기하학적 구조
배병수 교수 연구팀은 먼저 이미지 왜곡의 문제를 해결하기 위해 음의 푸아송 비를 갖는 옥세틱메타 구조의 최대 난제인 다공성의 표면을 이음매 없이 매끈하게 하면서도 –1의 푸아송비(가장 이상적인 음의 푸아송비) 한계치를 구현하는 기술을 개발했다.
두 번째 탄성률*의 문제를 해결하기 위해 옥세틱 구조를 이루는 부분에 머리카락 두께의 4분의 1 수준인 25마이크로미터 직경의 유리 섬유 다발로 만든 직물을 엘라스토머 소재 내에 삽입했다. 여기에 동일한 엘라스토머 소재로 빈 공간을 채워넣어 빈 공간이 없는 편평하고 안정적인 일체형 필름을 제작했다.
*탄성률: 재료에 힘을 가했을 때 변형되는 정도를 나타내는 비율. 탄성률이 높으면 변형이 잘 일어나지 않는 재료임을 의미한다.
연구팀은 옥세틱 구조와 빈 공간의 엘라스토머 소재 간의 탄성률 차이가 음의 푸아송비에 직접적인 영향을 주는 것을 이론적으로 규명했으며, 23만 배 이상의 탄성률 차이를 구현해 이론적 한계값인 –1의 푸아송비를 나타내는 필름을 최초로 개발했다.
연구를 주도한 배병수 교수는 “스트레처블 디스플레이에 옥세틱 구조를 활용한 이미지 왜곡 방지는 핵심적인 기술임에도 불구하고 표면에 빈 공간이 많아 기판으로 활용하는 데에는 어려움을 겪고 있었다”며, “이번 연구 결과를 통해서 표면 전체를 활용한 왜곡 없는 고해상도 스트레처블 디스플레이 응용을 통해 상용화를 크게 앞당길 것으로 기대하고 있다”고 말했다.
신소재공학과 이융 박사와 한국기계연구원 장봉균 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)’ 에 8월 20일 출판됐다. (논문명: A seamless auxetic substrate with a negative Poisson's ratio of –1)
이번 연구는 한국연구재단의 선도연구센터 웨어러블 플랫폼소재 기술센터와 한국기계연구원, LG디스플레이의 지원을 받아 수행됐다.
2024.09.20 조회수 2521 -
부드러운 웨어러블 마이크로니들 센서 플랫폼 기술 개발
우리 대학 웨어러블 플랫폼소재 기술센터 배병수 교수(교신저자)가 KIST 이원령 박사(제1 저자, 교신저자), 서울대학교병원 정승환 박사 (공동 제1 저자)와 공동으로 유연한 기판상에 기계적으로 안정적인 마이크로니들이 접합돼 말초동맥질환 진단에 응용할 수 있는 메디컬 센서 플랫폼 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.
연구팀은 이번 기술을 통해 일반적인 웨어러블 진단 기기의 한계점이던 바이오 체액의 접근 제한성을 마이크로니들을 이용해 최소 침습으로 해결했고, 이는 생화학적 질병 진단을 가능하게 했다. 이번 연구에서는 웨어러블 마이크로니들 센서를 활용해 말초동맥질환 모델의 pH(산성, 알칼리성의 정도) 분포도를 측정해 진단 가능성을 확인했다.
이번 연구 결과는 국제학술지 `사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 온라인으로 출시됐다. (논문명: Conformable Microneedle pH Sensors via the Integration of two Different Siloxane Polymers for Mapping Peripheral Artery Disease)
웨어러블 진단 기기는 부드러운 기판 소재 위에 얇은 막 형태의 센서를 제작해 생체 전기신호(심전도, 근전도, 뇌파 등)와 생화학 신호(포도당, 젖산, pH 등)를 측정해 심장질환, 뇌 질환, 당뇨병, 대사질환 등 다양한 질병의 진단에 활용이 기대되어 의료기기용 소자로서 주목을 받고 있다. 하지만, 접근할 수 있는 체액이 땀, 눈물 등으로 제한됨에 따라 상시 모니터링에 대한 제한점이 있었다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 자체적으로 개발한 솔-젤(Sol-Gel) 합성공정을 통해 만들어진 실록산(Si-O-Si)골조 기반의 폴리머를 마이크로니들 소재로 활용해 웨어러블 디바이스 플랫폼에 적용하고, 마이크로니들을 통해 상시 체액 모니터링이 가능한 웨어러블 마이크로니들 생화학 센싱 플랫폼을 완성했다.
연구팀은 웨어러블 마이크로니들 생화학센싱 플랫폼의 유용성을 보여주기 위해 마이크로니들에 pH에 대해 표면에너지의 변화를 보이는 폴리어날린 을 증착해 독립적인 pH 센서 어레이로 응용 가능한 것을 보였다. 폴리어날린을 이용한 마이크로니들 pH 센서는, 돼지 피부 1000번 삽입 실험, 1.5 mm의 굽힘 변형 실험 후에도 80% 이상의 센서 감도를 유지하는 높은 기계적 안정성을 보여주었다.
연구팀은 웨어러블 마이크로니들 pH 센서를 활용해, 말초동맥질환 모델의 피부 근접 체액의 pH 분포도를 측정해 질병 진단기기로서의 유용성을 검증했다. 경증 또는 만성 말초동맥질환이 있는 환자 대부분은 질병의 발생이나 진행을 인지할 수 있는 임상 증상을 나타내지 않는다. 그러나 pH 변화를 모니터링하면 저산소증으로 인한 젖산증을 감지할 수 있고, 결과적으로 허혈성 손상으로 인한 조직 손상을 적절히 감지할 수 있다.
연구팀은 우측 다리로 이어지는 고관절에 위치한 동맥혈을 수술용 실로 조인 다음 혈류를 인공적으로 악화시켜 말초동맥질환 모델을 만들었다. 이후 마이크로니들을 통해 피하 체액의 pH를 측정한 결과 말단으로 갈수록, 산성화된 결과를 보여줌으로써, 웨어러블 마이크로니들 센서의 활용성을 증명했다.
연구를 주도한 배병수 교수는“딱딱한 마이크로니들을 부드러운 유연한 기재에 접합시킨 질병 진단 마이크로 니들 필름을 피부에 부착해서 말초동맥질환은 물론 당뇨병, 대사질환 등에 생화학 진단을 하는 웨어러블 디바이스로 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 이번 연구의 의의를 설명했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단의 선도연구센터 웨어러블 플랫폼 소재 기술센터의 지원을 받아 수행됐다.
2021.12.03 조회수 9814 -
물과 고온·고습 환경에서도 안정적인 페로브스카이트 나노 입자 수지 개발
우리 대학 신소재공학과 배병수 교수 연구팀이 서울대학교 재료공학부 이태우 교수팀과 공동연구를 통해 물과 고온‧고습 환경 및 각종 화학물질에서도 매우 안정된 차세대 디스플레이용 색 변환 소재인 *페로브스카이트 나노 입자 발광 수지를 개발했다고 24일 밝혔다.
☞ 페로브스카이트(perovskite): 1839년 러시아 우랄산맥에서 새로 발견된 광물로 차세대 태양전지의 소재로 꼽히나 수분에 취약한 구조로 알려져 있음.
공동연구팀은 이번 연구를 통해 그동안 페로브스카이트 나노 입자의 가장 큰 난제였던 수분, 고온 및 다양한 화학적 환경에서 안정성을 담보할 수 없었던 기존 약점을 크게 개선했다. 따라서 배 교수팀의 연구는 페로브스카이트 나노 입자를 차세대 초고화질 디스플레이의 색 변환 소재로 활용할 수 있는 길을 연 것으로 학계는 평가하고 있다.
이번 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)에 12월 4일 字 온라인으로 게재됐으며 연구의 우수성을 인정받아 내부 표지논문(Inside Cover Article)으로도 선정됐다.(논문명: Extremely Stable Luminescent Crosslinked Perovskite Nanoparticles under Harsh Environments over 1.5 Years)
페로브스카이트는 유기 원소, 금속 그리고 할로겐원소로 구성돼있는 특별한 구조를 지닌 소재로 다양한 광전자소자와 태양전지 등에 사용되고 있다. 또 원료의 값이 싸며, 발광 효율이 높은 게 특징이다.
특히 매우 좁은 발광 파장 폭 때문에 현재 디스플레이에 사용되고 있는 퀀텀닷이나 유기 발광체와 대비해 폭넓은 색 재현율을 구현할 수 있어 기존 퀀텀닷을 대체하는 차세대 디스플레이의 색 변환 소재로 주목받고 있다. 이와 함께 페로브스카이트 발광체는 현존하는 발광체 중에서 유일하게 새로운 디스플레이의 색 표준인 REC. 2020을 만족하는 소재다.
다만 빛이나 수분 및 고온에 취약해서 대기 중에서 짧은 시간 내에 성능이 급격히 떨어지는 문제 때문에 실제 사용은 거의 불가능하다. 이런 문제해결을 위해 그동안 학계나 기업들은 페로브스카이트 물질을 유기 결합체가 둘러싸고 있는 나노 단위의 입자의 형태로(1 나노미터는 10억분의 1 미터) 제조해 수분이나 산소의 침투를 막거나, 나노 입자에 무기물 코팅, 복합구조 제작 및 고분자 수지로 제작하는 등 다양한 연구를 진행해왔다.
하지만 대부분 외부로부터 수분을 물리적으로 막는 방법들이며 제조공정이 매우 복잡하고 대기에서 매우 제한적인 안정성을 나타낸다. 게다가 강산, 강염기, 극성용매 및 고온 고습 환경에서 안정성을 담보하는 페로브스카이트 나노 입자 색 변환 소재는 지금까지 개발된 적이 없다.
공동연구팀은 우선 자체 개발한 솔-젤(Sol-Gel) 합성공정을 이용해 실록산(실리콘 기반의 고분자) 분자구조와 페로브스카이트 나노 입자를 한꺼번에 둘러싸는 캡슐화된 복합체 수지를 개발했다.
연구팀은 이 기술로 열에 강한 실록산 분자구조에 의해 페로브스카이트 나노 입자를 화학적으로 보호하고 별도의 차단층 없이도 페로브스카이트 나노 입자의 발광 안정성을 크게 향상하는 데 성공했다. 연구팀은 새로운 기술을 퀀텀닷에도 똑같이 적용하는 한편 고온‧고습 환경에도 안정된 실록산 캡슐화 퀀텀닷 수지를 개발하는 데 성공했다.
실록산으로 캡슐화된 페로브스카이트 나노 입자 수지는 제조과정 중 자외선 경화에 의해 발광 효율이 낮게 나타났지만 이후 다양한 화학적 환경 과 고온‧고습 환경(85℃/85%)에서도 원래의 높은 값(> 70%)으로 회복되는 특이한 현상을 보였다. 또 물속에서도 600일 이상 유지되는 등 매우 우수한 발광 안정성을 보였다. 연구팀은 화학적 캡슐화 작업과 함께 페로브스카이트 나노 입자 복합체가 물에 의해 안정화되는 현상을 광‧물리학적으로 분석했으며, 이론적으로 그 메커니즘을 규명했다.
공동연구팀은 마지막으로 디스플레이의 색 변환 층으로 성능을 확인한 결과 양자효율 및 색 재현율이 기존 퀀텀닷 대비 향상됐음을 밝혔다. 또한, 실록산 캡슐화를 통해 페로브스카이트 나노 입자 내의 납 (Pb)의 독성을 막아줌으로써 생체친화적인 특성도 나타내 상용화를 추진하는데도 문제가 없음을 확인했다.
이번 연구를 주도한 신소재공학과 배병수 교수는 "페로브스카이트 나노 입자가 차세대 디스플레이 색 표준을 맞출 수 있는 유일한 발광체이자 가격도 싼 편이지만 수분에 취약하다는 약점 때문에 대기 중에서 사용할 수 없어 디스플레이 색 변환 소재로 상용화하는 데는 매우 회의적이었다ˮ고 말했다.
배 교수는 이어 "연구팀이 개발한 신기술은 페로브스카이트 나노 입자가 기존 퀀텀닷을 대체하는 새로운 디스플레이 색 변환 소재로 활용하는 연구개발을 촉진하는 계기가 될 것이며 결과적으로 조기 상용화도 기대된다ˮ고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단의 선도연구센터 웨어러블 플랫폼 소재 기술센터와 리더연구과제 (창의연구) 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
2020.12.28 조회수 51075 -
배병수, 이도창 교수, 고온 및 고습 견딜 수 있는 퀀텀닷 기술 개발
우리 대학 신소재공학과 배병수 교수와 생명화학공학과 이도창 교수 연구팀이 차세대 디스플레이 발광 소재인 퀀텀닷을 고온, 고습 환경에서도 안정적으로 보호할 수 있는 퀀텀닷 실록산 수지(실리콘 기반의 고분자)를 개발했다.
이 기술을 통해 퀀텀닷을 차세대 고화질 디스플레이 제품에 다양하게 응용할 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구 결과는 화학 분야 학술지인 ‘美 화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS)’ 의 2016년 12월 21일자 최신호에 게재됐다.
퀀텀닷은 수 나노미터 크기의 반도체 나노 결정이다. 크기 변화에 따라 발광 파장을 쉽게 조절할 수 있고 넓은 색 표현 범위를 갖고 있어 초고화질의 디스플레이를 구현할 수 있다.
이러한 특성 덕분에 퀀텀닷은 고분자 수지에 분산된 형태로 필름에 코팅되거나 LED 광원에 도포돼 차세대 디스플레이 핵심 소재로 떠오르고 있다.
그러나 퀀텀닷은 우수한 발광특성에도 불구하고 고온이나 고습 환경에서 쉽게 산화돼 고유의 발광특성(양자효율)이 급격히 저하되는 문제가 있다.
현재 상용화된 퀀텀닷 디스플레이 제품은 고온의 원인인 LED 광원과 거리를 둘 수 있는 퀀텀닷 필름을 사용한다. 그리고 퀀텀닷의 산화를 방지하기 위해 산소, 수분을 차단시키는 별도의 차단 필름으로 퀀텀닷 필름을 감싸서 사용한다.
하지만 차단 필름의 높은 단가는 퀀텀닷 디스플레이 제품의 금액을 상승시켜 시장에서의 가격 경쟁력을 떨어트린다.
연구팀은 문제 해결을 위해 자체적으로 개발한 솔-젤 합성공정을 이용했다. 이 기술을 통해 퀀텀닷이 열에 강한 실록산 분자구조에 의해 보호돼 별도의 산소, 수분 차단 필름 없이도 퀀텀닷의 성능을 유지할 수 있다.
화학적으로 균일하게 분산된 퀀텀닷 실록산 수지를 사용해 제작된 퀀텀닷 실록산 재료는 85℃의 고온, 85℃/85%의 고온고습 뿐 아니라 강산성과 강염기성의 환경에서도 발광특성이 저하되지 않았다. 또한 오히려 고습 환경에서는 발광특성이 상승하는 현상을 발견했다.
연구팀의 퀀텀닷 실록산 수지를 이용하면 별도의 차단필름 없이도 안정적인 퀀텀닷 필름을 제작해 가격을 낮출 수 있다. 향후 LED 광원에 직접 도포해 퀀텀닷의 사용량을 줄이는 동시에 성능을 높일 수 있는 퀀텀닷 디스플레이의 개발이 가능할 것으로 기대된다.
배 교수는 “퀀텀닷이 차세대 디스플레이 소재로 나아가는 시점에서 퀀텀닷의 한계를 극복하고 널리 활용될 수 있는 방안을 제시했다”며 “원천소재를 기반으로 하는 국내 디스플레이 산업의 발전에 크게 기여할 수 있을 것이다”고 말했다.
또한 “현재는 기술의 가능성을 제시한 수준으로서 향후 국내외 업체들과 협력해 퀀텀닷의 신뢰성을 향상시켜 상용화에 주력할 계획이다”고 말했다.
연구팀은 관련 특허를 국내외에 출원 중이고, KAIST 교원창업기업인 ㈜솔잎기술에 이전해 사업화를 추진할 계획이다.
□ 그림 설명
그림1. 끓는 물속에도 안정성을 보이는 퀀텀닷 실록산 재료
그림2. 균일한 분산을 갖는 퀀텀닷 실록산 수지와 기존 퀀텀닷 상용고분자 수지 비교
그림3. 본 연구에서 개발된 퀀텀닷 실록산 수지 및 퀀텀닷 실록산 재료 개념도
2017.01.10 조회수 15507 -
배병수 교수, 오징어 폐기물로 플렉서블 전자소자 제작용 투명종이 개발
〈 배 병 수 교수 〉
우리 대학 신소재공학과 배병수 교수와 울산대학교 첨단소재공학부 진정수 교수 공동 연구팀이 오징어의 폐기물을 재료로 플렉서블 기기의 기판으로 사용 가능한 투명종이를 개발했다.
이번 연구 성과는 재료분야 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’7월 7일자 표지논문으로 선정됐다.
식물의 주성분인 셀룰로오스로 이뤄진 종이는 기존의 일상적인 용도에서 벗어나 최근 다양한 미래 친환경 플렉시블 전자소자의 기판소재로서 주목을 받고 있다.
하지만 기존의 일반적인 종이는 마이크로(10-6)미터 크기의 굵은 셀룰로오스 섬유로 이루어져 가시광의 산란을 일으켜 불투명할 뿐만 아니라 쉽게 찢어지는 문제가 있었다.
반면 투명 종이는 나노(10-9)미터 크기의 나노섬유로 제작해 기존의 종이에 비해 매우 높은 투명성과 우수한 기계적 특성을 나타낼 수 있다. 차세대 플렉시블 디스플레이나 생체친화적인 기능성 전자소자의 기판소재로 국제적으로 활발한 연구가 진행 중이다.
현재까지 보고된 투명종이의 원료는 대부분 식물의 성분인 셀룰로오스 나노섬유에 집중돼 있었다. 그러나 연구팀은 게와 새우 껍질 및 오징어 내골격의 주성분이면서 셀룰로오스보다 생체친화성이 뛰어난 키틴 나노섬유를 이용해 투명종이 개발에 성공했다.
키틴은 셀룰로오스와 함께 지구상에 가장 많이 존재하는 천연고분자로서 ‘바다의 셀룰로오스’라고 불린다. 기계적으로 매우 강하면서도 생분해성과 생체친화성이 뛰어나 미래 친환경 소재로 각광받고 있다.
그러나 이 같은 장점에도 불구하고 수소결합에 의한 키틴 특유의 불용성(용매에 녹지 않는 성질)과 필름 제작 시 생기는 수축현상으로 인해 키틴 나노섬유를 이용한 투명종이 개발에는 상당한 어려움이 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 용해성이 상대적으로 높은 오징어 내골격 유래 키틴과 수소결합을 효과적으로 끊을 수 있는 용매를 사용했다.
동시에 필름 제작 시 생기는 수축 현상을 원심력을 이용해 억제할 수 있는 새로운 필름 제작 공정을 설계했다. 이를 통해 균일하면서도 매우 투명한 키틴 나노섬유 투명종이를 개발하는 데 성공하였다.
특히 연구팀이 개발한 키틴 나노섬유 투명종이는 기존의 종이처럼 접을 수 있고 인쇄도 가능할 뿐만 아니라, 대표적인 고성능 합성 플라스틱 필름들과 견주어도 전혀 손색이 없는 성능을 보였다.
또한 연구팀은 이번에 개발한 키틴 나노섬유 투명종이를 기판으로 사용해 최초로 플렉서블 유기발광다이오드(OLED) 디스플레이 소자를 제작하는 데 성공함으로써 나노섬유 투명종이의 응용 가능성을 검증하였다.
연구팀은 “버려지는 오징어 폐기물을 원료로 개발한 키틴 나노섬유 투명종이는 친환경 소재의 중요성과 수요 증대와 발맞춰 향후 플렉시블 디스플레이뿐만 아니라 다양한 미래 친환경 전자소자의 플랫폼으로도 이용될 수 있을 것이라고 기대된다.”라고 밝혔다.
이번 연구는 산업통상자원부 및 민간기업의 협력 투자로 발족된 '미래 디스플레이 핵심 원천기술 개발(KDRC)' 사업의 일환으로 진행됐다.
□ 사진 설명
사진 1. 휘어지는 유기발광다이오드 사진
사진2. 제작된 키틴 나노 섬유 투명 종이는 기존의 종이처럼 접을 수 있고 그를 이용한 인쇄도 가능함
2016.07.11 조회수 14704 -
보다 태양빛에 가까운 LED 개발
- KAIST 배병수 교수 연구팀, 봉지재가 형광체 역할을 하는 일체형 형광 나노하이브리드 봉지재 개발 -- 어드밴스드 머터리얼스 12월호 표지논문 게재 -
실내 형광램프가 3파장, 5파장, 7파장 등 다중파장으로 진화하고 있다. 다중 파장을 가진 조명일수록 보다 자연의 색에 가깝게 사물을 볼 수 있기 때문이다.
게다가 최근들어서는 실내조명이 긴 수명, 저 전압 구동, 높은 발광 효율 등 녹색성장에 부합하는 환경 친화적인 특성을 지닌 LED로 바뀌고 있다. 이에 따라 LED 분야에서도 태양빛에 유사한 빛을 만들기 위한 노력들이 세계적으로 계속되고 있다.
우리 학교 신소재공학과 배병수 교수 연구팀이 신소재 형광염료를 이용해 보다 태양빛에 가까워지면서, 형광체 가격은 1/5수준으로 저렴한 백색 LED를 개발하는데 성공했다.
현재 상용화되고 있는 백색 LED는 황색 또는 적‧녹색 혼합 형광체를 봉지재에 분산한 후 LED칩 위에 도포하면 LED칩에서 나오는 청색광과 형광체에서 나오는 황색 또는 적‧녹색광과 혼합돼 백색 빛을 내게 된다.
형광체 물질로는 산화물 또는 산화질화물 등 무기형광체 입자들이 사용되는데 높은 온도에서 복잡한 공정으로 제조하기 때문에 가격도 비싸고, 또 핵심기술을 일본과 미국 등 해외 선진업체들이 선점하고 있어 국내 LED산업 발전의 걸림돌이 되고 있다.
특히 무기형광체는 빛을 흡수하고 발광하는 스펙트럼이 좁아 백열등과 같이 자연색에 가까운 빛을 만드는 데는 어려움이 많았다.
이 같은 단점을 개선하고 자연광에 가까운 LED 조명을 만들기 위해 배병수 교수 연구팀은 새로운 형광체 물질로 무기형광체 입자가 아닌 형광염료를 선택했다.
형광염료는 섬유 등에 착색제로 사용되며 가격이 저렴하고 다양한 색들을 낼 수 있는 물질이다. 더불어 빛을 흡수하고 방출하는 스펙트럼이 넓어 LED 형광체로 사용하면 자연광에 가까운 백색광을 만들 수 있고, 색온도를 비롯한 다양한 특성들을 자유자재로 조절할 수 있는 장점을 갖고 있다.
그러나 염료는 열에 의해 쉽게 분해돼 고온의 열을 방출하는 LED에 적합하지 않아 형광체로 적용이 어려웠다.
배 교수 연구팀은 자체개발한 솔-젤 공정으로 제조된 고내열성 고굴절률 하이브리드소재에 형광염료를 화학적으로 결합해 염료분자가 안정하고 균일하게 분포되어 열에 강하고 효율이 높은 나노하이브리드 형광체 소재를 개발했다.
이와 함께 나노하이브리드 형광체 소재 내의 적색 및 녹색 염료의 비율과 농도를 조절해 이를 봉지재로 사용, 다양한 색온도를 갖는 백색 LED 제조에 성공했다.
개발한 염료 나노하이브리드소재 기반의 백색 LED는 자연광에 가까운 정도를 나타내는 연색지수가 최대 89로 기존에 사용하는 3파장 램프 수준까지 높아졌다. 태양빛의 연색지수는 100, 상용화중인 백색 LED의 연색지수는 70 정도다. 또 형광체의 내열성도 뛰어나 120도의 고온에서도 1200시간 이상 성능이 변화하지 않았다.
형광 나노하이브리드소재는 가격이 저렴할 뿐 아니라 별도로 형광체를 분산시키지 않고 봉지재 자체가 형광체 역할을 함께하는 형광체-봉지재 일체형 소재로 매우 간단하게 백색 LED를 제조할 수 있어 가격 및 기술 경쟁력이 매우 높은 신기술로 평가받고 있다.
배병수 교수는 “최근 세계 주요 소재업체들이 형광체 원천기술을 확보하고 있는 시점에서 원천소재를 개발해 조명 및 백라이트유닛 분야에서 성장하고 있는 국내 백색 LED산업의 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다”며 “이번 연구성과를 바탕으로 형광염료의 안정성과 형광봉지재의 신뢰성을 향상시켜 염료기반 백색 LED 상용화에 주력할 계획”이라고 말했다.
한편, 이번 연구성과는 재료분야 세계적 학술지인 `어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)" 12월호(22일자) 표지논문으로 게재됐으며, 관련 특허를 국내외에 출원 중이다.
형광 나노하이브리드소재를 이용한 백색 LED의 단면 모식도
적색 및 녹색 형광 나노하이브리드소재의 화학구조 및 형광특성
나노하이브리드소재를 이용하여 제조한 염료기반 백색 LED
2011.12.26 조회수 13826 -
배병수교수팀, 새로운 LED봉지재 개발
신소재공학과 배병수 교수연구팀이 고휘도 LED 개발에 필수적인 고굴절률 고내열성 하이브리드소재 LED 봉지재를 개발했다. LED 봉지재는 백색 빛을 내는 형광체를 포함해 LED 칩을 둘러싸서 외부 충격과 환경 등으로 부터 LED 칩을 보호하는 핵심 소재다. LED의 빛은 결국 봉지재를 통해 나오기 때문에 빛의 흡수, 산란, 굴절을 최소화한 고휘도 LED 구현을 위해 고굴절률 투명 봉지재 소재의 개발이 필요하다.
또, 봉지재는 외부 노출에 견디는 내후성 외에 LED칩에서 발산되는 열을 견디는 내열성이 매우 중요하다. 특히, 향후 상용화하게 될 고출력 조명에서는 매우 높은 열이 발생될 것으로 예상되기 때문에 이를 상용화하기 위해서는 고내열성 봉지재 소재의 개발이 필수적이다.
기존 에폭시 봉지재는 최근 고내열성의 요구로 실리콘소재로 대체되고 있으며, 현재 해외 주요 실리콘업체들이 국내에 독점 공급한다. 일반적으로 굴절률이 낮은 메틸 실리콘소재에 비해 굴절률이 높은 페닐 실리콘소재가 사용된다. 그러나 고온에서 쉽게 노란색으로 변색(황변)되어 전 세계 업체들은 굴절률을 높이면서 내열성이 우수한 소재를 개발하기 위해 노력하고 있다.
배교수 연구팀은 기존 LED 봉지재 소재인 실리콘소재의 제조방법과 달리, 실리카 유리 제조에 사용하는 솔-젤 공정과 함께 실리콘 제조공정인 하이드로실릴레이션(Hydrosilylation) 반응을 함께 사용해 다량의 페닐기를 포함하고 치밀한 네트워크 분자구조를 갖는 투명 하이브리드소재를 개발했다. 이번에 개발된 하이브리드재료는 1.56이상의 고굴절률을 가지면서 200도 이상의 고온에서도 황변이 일어나지 않는 고내열성을 보인다. 현재까지 전 세계적으로 1.53이상의 고굴절률 투명소재가 200도 온도에서 황변이 일어나지 않는 고내열성은 아직 보고되지 않았다.
이와 함께 하이브리드소재는 기존 실리콘소재에 비해 기체투과성이 낮으며, 경도가 높아 장기 안정성 높은 고휘도 LED 봉지재로 매우 유리하다. 이번에 개발된 하이브리드소재 봉지재를 사용하는 LED 제품은 일반 조명용 제품은 불론 LED TV용 백라이트 광원용 제품에 널리 활용될 수 있다. LED 산업의 성장과 함께 최근 세계 주요 소재업체들이 줄이어 고성능 봉지재 소재들을 출시하고 있는 시점에, 국내에서 세계 최초로 봉지재 원천소재를 개발한 것은 국내 LED산업의 발전은 물론 소재산업 위상 제공에 기여할 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구결과는 미국화학회에서 발간하는 재료화학(Chemistry of Materials)저널 최근호에 게재됐으며, 관련 원천소재 특허 3건을 국내외에 출원했다. 연구팀은 현재 국내 실리콘 제조업체인 (주)KCC와 이번에 개발된 봉지재가 실제 LED칩에 실장되는 생산 공정에 적합하도록 최적화하고 굴절률을 더 높여 해외 선진사 제품 대비 경쟁력 높은 제품으로 상용화할 계획이다.
<사진설명>배교수 연구팀이 개발한 하이브리드소재 LED 봉지재와 해외 선진사 상용 실리콘 LED봉지재의 250도 내열성 비교평가결과. 상용 제품은 황변이 일어난 반면, 개발 제품은 투명하고 굴절률이 높다.
2010.06.16 조회수 18526