미 연구팀, 저가의 고성능 LED 개발 Researchers create cheaper, high performing LED
플로리다 주립 대학 재료 연구팀
유기-무기 하이브리드 이용
Assistant Professor of Physics Hanwei Gao, left, and Associate Professor of Chemical Engineering Biwu Ma, right, look at their new LED. Credit: Bruce Palmer/Florida State University
source m.phys.org
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플로리다 주립 대학 재료 연구팀은 미래에 더 싸고 더 밝으며 대량 생산된 조명과 디스플레이를 이끌 수 있는 유기-무기 하이브리드를 이용하여 새로운 종류의 발광 다이오드 (LED)를 개발했다.
물리학과 조교수 한웨이 가오 박사와 화학공학과 부교수 비우 마 박사는 매우 기능화된 LED를 개발하기 위해 유기금속 할라이드 페로브스카이트로 불리는 종류의 물질을 이용하고 있다. 그들의 발견은 현재 어드밴스드 머터리얼스 지에서 자세히 볼 수 있다.
초기 연구는 페로브스카이트들이 LED를 만드는데 유망한 물질이 될 것이라고 제안했지만 성능은 그들의 잠재성 만큼 높지 않았다고 가오 박사가 전했다. 연구원들은 이 연구에 대한 개선의 여지가 매우 많다고 믿고 있었다.
페로브스카이트는 칼슘 타이타늄 산화물과 같은 결정 구조를 가진 물질이다. 다른 연구원들은 과거 LED를 만드는데 페로브스카이트로 시험했지만 특별히 효과적인 소자들들 만드는데 실패했다. 가오 박사와 마 박사는 만약 이 공식이 적당하게 수정될 수 있다면 유기-무기 하이브리드가 더 좋은 성능을 발휘할 것으로 기대했다.
이런 종류의 물질에 대해 생각했을 때, 이 보다 더 좋은 성능을 발휘할 것을 예측하고 몇 가지 주요한 문제들을 해결하고 고성능 LED를 얻기 위해 새로운 접근방법을 고안했다고 마 박사가 전했다.
물질 특성을 미세하게 조절하기 위해 합성 화학을 이용한 실험들과 소자 구조들을 조절하기 위한 소자 공학의 수 개월 후, 그들은 기대한 것보다 훨씬 더 훌륭한 성능을 보인 LED를 최종적으로 개발했다.
이는 밝기에 대한 측정 단위인 캔델라로 12V 구동 전압에서 평방미터 당 10,000캔델라 정도로 측정되었다. 비교를 위해, 평방미터 당 400캔델라 정도에서 빛나는 LED가 컴퓨터 스크린을 충분히 밝힐 수 있다.
이런 훌륭한 밝기는 표면 쳐리된 매우 결정화된 나노물질의 고유한 높은 밝기 효율에 의한 것이라고 가오 박사가 말했다.
연구원들은 실험실에서 약 한 시간 내 재료를 만들 수 있고 한 나절 동안에 전체 소자를 만들고 시험할 수 있었다.
또한, 보통 하이브리드 페로브스카이트는 습기가 높은 공기 내에서 불안정한 경향을 보이지만, 나노구조 페로브스카이트는 적당하게 디자인된 표면 화학으로 인해 대기 환경에서 매우 안정하다. 이런 화학 안정성은 새로운 형태의 LED를 제작하는 복잡한 인프라구조 요구를 줄이고 미래 가격 효율적인 제조에 큰 혜택을 줄 것이다.
이 연구는 국가의 전기 소비를 줄이기 위한 통로가 빠르게 되고 있는 LED 기술의 진보에 중요하다. LED 조명이 이미 가게에서 팔리고 있지만, 광범위한 채택은 물질과 품질에 관련된 가격으로 인해 느리게 진행되고 있다.
미국 에너지부에 따르면 가정 LED 조명이 일반적인 백열 조명에 비해 적어도 75퍼센트 더 적인 에너지를 소비한다.
저가이면서 높은 성능의 LED를 만들 수 있다면 모든 사람들은 이를 이용할 것이다. 산업의 경우, 연구원들의 접근법이 매장량이 풍부한 물질들이 제품들을 만드는데 경제적인 방법에서 처리될 수 있는 큰 장점을 가지고 있다고 기대하고 있다.
가오 박사와 마 박사는 차세대 에너지 지속가능 기술을 위한 첨단 물질들을 생산하는 미션으로 에너지와 재료 전략 계회의 일부분으로 FSU에 왔다. 의외로, 그들은 서로 이웃인 사무실을 가지고 함께 협력하고 있다. 또한 그들은 LED 기술 연구에 집중하고 있는 산업 및 제조 공학 조교수인 지빈 유 박사와 현재 논문의 공동 저자인 화학과 조교수 케네쓰 한슨 박사와 함께 연구하고 있다.
그림 설명: 물리학과 조교수인 한웨이 가오 박사 (왼쪽)와 화학 공학과 부교수인 비우 마 박사 (오른쪽)가 그들의 새로운 LED를 바라보고 있다.
출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』
A team of Florida State University materials researchers has developed a new type of light-emitting diode, or LED, using an organic-inorganic hybrid that could lead to cheaper, brighter and mass produced lights and displays in the future.
Assistant Professor of Physics Hanwei Gao and Associate Professor of Chemical Engineering Biwu Ma are using a class of materials called organometal halide perovskites to build a highly functioning LED. They lay out their findings in the journal Advanced Materials.
"Early work suggested perovskites could be a promising material to build LEDs," Gao said. "But, the performance was not up to their potential. We believed there was significant room for improvement."
Perovskites are any materials with the same type of crystal structure as calcium titanium oxide. Other researchers experimented with perovskites to build LEDs in the past but could not build particularly effective ones. Gao and Ma believed this organic-inorganic hybrid could perform better, if the formula could be appropriately tweaked.
"When we thought about this class of material, we knew it should perform better than this," Ma said. "We came up with our novel approach to solve some critical problems and get a high-performance LED."
After months of experiments using synthetic chemistry to fine-tune the material properties and device engineering to control the device architectures, they ultimately created an LED that performed even better than expected.
The material glowed exceptionally bright.
It is measured at about 10,000 candelas per square meter at a driving voltage of 12V—candelas are the unit of measurement for luminescence. As a benchmark, LEDs glowing at about 400 candelas per square meter are sufficiently bright for computer screens.
"Such exceptional brightness is, to a large extent, owing to the inherent high luminescent efficiency of this surface-treated, highly crystalline nanomaterial," Gao said.
It was also quick and easy to produce.
Gao and Ma can produce the material in about an hour in the lab and have a full device created and tested in about half a day.
Additionally, while bare hybrid perovskites tend to be unstable in humid air, the nanostructured perovskites exhibit remarkable stability in ambient environment because of the purposely designed surface chemistry.
Such chemical stability largely reduces the requirement of sophisticated infrastructure to produce this new type of LEDs and could be of huge benefit for cost-effective manufacturing in the future.
The research is crucial to the advance of LED technology, which is fast becoming an avenue to reduce the country's electric consumption. LED lighting is already sold in stores, but widespread adoption has been slow because of the costs associated with the material and the quality.
But, LED lights do save energy.
According to the U.S. Department of Energy, residential LED lighting uses at least 75 percent less energy than regular incandescent lighting.
"If you can get a low cost, high performing LED, everyone will go for it," Ma said. "For industry, our approach has a big advantage in that earth abundant materials can be processed in an economic way to make the products."
Gao and Ma came to FSU as part of the Energy and Materials Strategic Initiative with the mission of producing high tech materials for new generation, energy sustainable technology. By chance, they wound up with offices next to each other and began collaborating.
They also work with Assistant Professor of Industrial and Manufacturing Engineering Zhibin Yu, who also focuses on LED technology research, as well as Assistant Professor of Chemistry Kenneth Hanson, who is a co-author on this current paper.
"Gao and Ma, as well as Ken Hanson, are members of a cohort of 11 new faculty hires in the Energy and Materials Strategic Hiring Initiative," said Associate Vice President for Research W. Ross Ellington. "The present work, as well as other recent, joint publications, indicates that the desired synergies are being achieved in this effort."
In addition to Gao and Ma, other FSU researchers involved with the experiments are Hanson, post-doctoral research associates Yichuan Ling and Zhao Yuan, and graduate students Yu Tian, Xi Wang and Jamie C. Wang.
Provided by: Florida State University
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