분자 첨가제가 다음을 향상시킵니다.

저렴한 LED 조명 구성을 수정하여 밝기와 효율성을 높였지만 새 조명은 몇 분만 지속되었습니다.

스탠포드 대학교 공과대학

이미지: Congreve 연구실에 있는 8개의 녹색 페로브스카이트 LED 기판은 연구원들이 자외선을 비추면 빛을 발합니다.더보기

크레딧: Sebastian Fernández / 스탠포드 대학교

일반적으로 LED라고 알려진 발광 다이오드 덕분에 여러분이 읽고 있는 화면이 빛을 낼 가능성이 있습니다. 널리 보급된 이 기술은 에너지 효율적인 실내 조명을 제공하고 컴퓨터 모니터, TV 및 스마트폰 화면을 점점 더 밝게 비춥니다. 불행하게도 상대적으로 힘들고 비용이 많이 드는 제조 공정이 필요합니다.

이러한 단점을 해결하기 위해 스탠포드 연구원들은 더 저렴하고 만들기 쉬운 대안인 페로브스카이트 LED(PeLED)의 밝기와 효율성을 높이는 방법을 테스트했습니다. 그러나 향상된 기능으로 인해 조명이 몇 분 안에 흐릿해지면서 이 종류의 재료를 발전시키기 위해 이해해야 하는 신중한 절충안이 입증되었습니다.

“우리는 그것이 왜 저하되는지 이해하기 위해 몇 가지 큰 조치를 취했습니다. 문제는 효율성을 유지하면서 이를 완화할 수 있는 방법을 찾을 수 있느냐는 것입니다.” 8월 1일 Device에 게재된 논문의 수석 저자이자 전기 공학 조교수인 Dan Congreve는 말합니다. "만약 그렇게 할 수 있다면 실제로 실행 가능한 상용 솔루션을 향한 작업을 시작할 수 있다고 생각합니다."

가장 간단한 용어로, LED는 적용된 전기장으로 빛을 방출하는 결정질 물질 층인 반도체를 통해 전류를 통과시켜 전기 에너지를 빛으로 변환합니다. 그러나 이러한 반도체를 만드는 것은 백열등이나 형광등과 같이 에너지 효율성이 떨어지는 조명에 비해 복잡하고 비용이 많이 듭니다.

Congreve 연구실의 박사과정 학생이자 논문의 주요 저자인 Sebastian Fernández는 “이러한 물질 중 상당수는 4인치 사파이어 기판과 같은 고가의 표면에서 성장합니다.”라고 말했습니다. "이 기판을 구입하는 데만 수백 달러가 듭니다."

PeLED는 다양한 요소가 혼합된 금속 할로겐화물 페로브스카이트라고 알려진 반도체를 사용합니다. 엔지니어는 유리 기판에 페로브스카이트 결정을 성장시켜 일반 LED에 비해 상당한 비용을 절약할 수 있습니다. 또한 페로브스카이트를 용액에 용해시키고 이를 유리 위에 "페인트"하여 발광층을 생성할 수 있는데, 이는 일반 LED가 요구하는 것보다 간단한 생산 공정입니다.

이러한 장점은 더 많은 건축 환경에서 에너지 효율적인 실내 조명을 실현할 수 있게 하여 에너지 수요를 줄일 수 있습니다. PeLED는 스마트폰과 TV 디스플레이의 색상 순도를 향상시킬 수도 있습니다. Congreve는 "녹색은 더 녹색이고 파란색은 더 파란색입니다"라고 말합니다. "말 그대로 장치에서 더 많은 색상을 볼 수 있습니다."

그러나 오늘날 대부분의 PeLED는 단 몇 시간만 지나면 꺼집니다. 그리고 결함으로 알려진 페로브스카이트 원자 구조의 무작위 간격으로 인해 표준 LED의 에너지 효율과 일치하지 않는 경우가 많습니다. Congreve는 “여기에 원자가 있어야 하는데 원자가 없습니다.”라고 설명합니다. "에너지가 들어가지만 빛이 나오지 않아 장치의 전반적인 효율성에 해를 끼칩니다."

이러한 문제를 완화하기 위해 Fernández는 Congreve와 Mississippi 주립 대학의 화학 조교수이자 논문의 공동 저자인 Mahesh Gangishetty가 처음 선보인 기술을 기반으로 했습니다. 페로브스카이트에서 에너지를 낭비하는 많은 격차는 납 원자가 있어야 할 곳에서 발생합니다. 페로브스카이트 납의 30%를 망간 원자로 대체함으로써 이러한 공백을 메우는 데 도움이 되었으며, 팀은 PeLED의 밝기를 두 배 이상, 효율성을 거의 세 배로 늘리고 조명 수명을 1분 미만에서 37분으로 연장했습니다.

이 기술은 또한 건강 위험에 대한 바늘을 움직일 가능성이 있습니다. Fernández는 "납은 이 물질 내에서 빛을 방출하는 데 매우 중요하지만 동시에 독성이 있는 것으로 알려져 있습니다."라고 말했습니다. 이 유형의 납은 수용성이기도 합니다. 즉, 깨진 스마트폰 화면을 통해 누출될 수 있습니다. "사람들은 독성이 있는 상업 기술에 회의적이어서 다른 재료도 고려하게 되었습니다."