▲ 일반적인 LED와 PlaCSH LED의 작동원리 비교 .

프린스턴 대학 연구원들은 조명과 스마트폰과 휴대용 전자소자들에서 널리 사용되는 LED의 밝기, 효율, 선명성을 증가시키는 새로운 방법을 개발했다.

전기 공학과 스티븐 조 교수와 그의 연구팀은 Advanced Functional Materials지의 8월19일자 온라인판 기사를 통해 PlaCSH (plasmonic cavity with subwavelength hole-array)라 불리는 나노기술 구조의 발명으로 인한 LED 성능 개선 효과에 대해 밝혔다.

이 연구방법은 유기 물질들(플렉서블 탄소 기반 시트들)로 구성된 LED의 밝기와 효율을 57%까지 증가시킬 뿐만 아니라, 가장 많이 쓰이는 무기(실리콘 기반) 물질들로 구성된 LED에게도 비슷한 성과를 냈다. 또한 LED 디스플레이들의 사진 선명도를 400% 개선했다.

현재 LED에서 가장 중요한 것은 LED 구조 내부에 갇힌 광량을 줄이는 것이다. 가장 기본적인 LED는 생성되는 빛의 약 2~4%만을 방출한다. 가둬진 광은 흐린 LED와 에너지 비효율을 만들고, 가둬진 광의 열기로 LED의 수명을 크게 감소시킨다.

이전까지는 렌즈 혹은 다른 구조의 금속 반사기를 하이엔드 유기 LED에 첨가해 약 38% 광 추출을 증가시켰다. 그러나, 이러한 광 추출 기술들은 디스플레이의 은은한 광을 반사시켜, 명암비를 감소시켜 이미지가 흐릿해진다. 은은한 광의 반사를 방지하기 위해, 엔지니어들은 현재 디스플레이에 광흡수 물질을 첨가했다.

하지만 이러한 물질은 LED로부터의 광을 흡수해 효율과 밝기를 감소시키기 때문에 연구팀은 새로운 해결책을 제시했다.

연구팀은 PlaCSH라 불리는 나노기술 구조를 발명해 PlaCSH가 60%까지 광 추출의 효율을 증가시켰다고 발표했다. 이는 일반적인 고성능 유기 LED보다 57% 더 높다. 동시에 연구팀은 PlaCSH가 400%까지 명암비를 증가시켰다고 발표했다. 또한, 표준 LED에서 가둬진 광에 의해 야기된 가열 문제를 완화시켰다.

처음 조 교수는 광을 전기로 변환시키는 태양 전지들에서 PlaCSH 구조를 사용하였다. 2012년 논문에서 조 교수는 어떻게 PlaCSH의 응용이 전지의 효율을 175%까지 증가시켰으며, 태양 전지 표면을 치는 광의 96%만큼 흡수하게 했는지를 설명했다.

PlaCSH는 얇은 금속 필름으로 만들어진 한쪽 표면을 가진 공동 내부에 위치된 100나노미터 두께의 발광 물질의 층을 가지고 있다. 다른 공동 표면은 놀랍게도 15나노미터 두께의 작은 크기를 가진 금속 메쉬로 만들어진다. 각 와이어는 약 20나노미터 너비와 200나노미터 상호 간격을 가진다.

PlaCSH LED는 옷에 엮일 만큼 유연해 투명전극을 대체하기도 좋으며 변형시키기 쉽다. 그리고 가격이 저렴하다. PlaCSH 유기 LED는 신문을 만드는 인쇄 프레스와 비슷한 방법으로 나노구조를 만드는 1995년 조 교수가 개발한 기술인 ‘나노임프린트’에 의해 만들어진다. 이 방법은 저가이며 매우 쉽다.

조 교수는 “이 새로운 나노기술은 우리가 광을 조절하는 방법들의 규칙들을 바꿀 것이다”며, “우리는 전례 없는 성능을 가진 소자들을 만드는데 이를 사용할 수 있을 것”이라고 말했다.

한편, 프린스턴 대학은 PlaCSH를 이용한 모든 유기 및 무기 LED에 대해 특허 출원했다. 현재 연구원들은 적색과 청색 유기·무기 LED안의 PlaCSH를 입증하는 실험중이며 녹색 LED 역시 함께 실험중이다.