LED 새소식/LED NEWS

양자점 LED

朴昌鎬 2011. 9. 16. 18:45

에디슨의 백열 전구인지 아니면 좀 더 에너지 효율적인 소형 형광등인지에 관한 미국의 미래 광원 선택 논쟁을 해결하는 데 플로리다 주립 대학의 연구진의 연구가 도움이 될 것이다. 이들의 결론은 둘 다 아니다라는 것이다. 대신, 미국의 미래 광원은 발광 다이오드 또는 LED에 의해서 제공될 것이며, 이것은 보이지 않는 양자점의 세계에서 만들어 질 것이다. 최근 Nature Photonics 온라인판에 게재된 논문에 의하면, 플로리다 주립 대학 재료 과학 및 공학부의 두 연구팀이 개발한 새로운 제조 공정 덕분에 양자점 LED가 실험실에서 시장으로 옮겨올 수 있는 밑거름이 마련되었다.

 

“우리의 연구는 양자점을 기반으로 한 저렴한 LED 제조를 효과적이고 안정적으로 할 수 있는 길을 열었다. 만약 우리가 대규모로 전면 컬러 평면 표시 장비나 광원으로써 기존의 백열등이나 형광등을 대체하여 LED를 광범위하게사용하고자 한다면, 이 연구는 매우 중요하다. 제조 비용은 기존의 반도체 LED 장비를 만드는 것과 비교해 볼 때 상당히 절감될 것이다.”라고 재료 과학 및 공학부 조교수이자 이 연구를 이끌고 있는 Jiangeng Xue이 말했다. 이 연구의 상당한 부분은 기존의 유기 LED 향상에 초점을 맞춘 Xue의 연구진에 의해서 수행되었다. 이들 반도체는 컴퓨터 모니터나 TV, MP3 플레이어, 휴대 전화, 시계 그리고 다른 휴대용 전자 장비등의 화면에 빛을 주어 밝게 하는 데 사용되는 고분자 플라스틱과 같은 얇은 유기 물질로 이루어진 복잡한 구조를 띠고 있다. 유기 LED는 또한 제조업체들에게 인기가 있다. 왜냐하면 그것들이 기존 LCD (액정 화면)에 비해서 적은 전력과 더 밝은 영상을 제공하기 때문이다. 매우 얇은 유기 LED 패널은 또한 전통적인 전구의 대체물로써 사용될 수도 있으며 3차원 영상물에서도 그 역할을 할 것이다.

 

Xue의 연구진과 함께, 플로리다 주립 대학 재료과의 교수인 Paul Holloway가 이끄는 또 다른 연구진은 양자점(QDs)에 관하여 심층적으로 연구하였다. 이들 나노 입자는 황이나 아연, 셀레늄 그리고 카드뮴 원자의 결합으로 구성된 불과 몇 나노미터 넓이의 아주 작은 결정체이다. 전기로 자극하면, 양자점은 색이 있는 빛의 배열을 방출한다. 각 색은 점의 크기에 따라서 달라진다. 색을 조정하고 “바로 잡는 것”은 합성 과정에서 양자점의 크기를 제어함으로써 얻을 수 있다. 두 팀의 연구를 통합하여, 연구진은 유기와 양자점을 기반으로 한 층들로 구성된 고성능 하이브리드 LED를 만들었다. 그러나 지금까지는 상업적 개발을 방해하는 제조적 문제가 플로리다 주립 대학의 연구진이나 다른 이들을 성가시게 했다. 진공 증착으로 알려진 제조 과정은 전기를 양자점에 전달하기 위하여 필요한 유기 분자들을 한 곳에 모아놓는 일반적인 방법이었다. 그러나 스핀 코팅이라고 하는 다른 제조 과정은 매우 얇은 층의 양자점을 만드는 데 사용되었다. 이러한 두 개의 공정 과정을 거치는 것은 생산을 더디게 하고 제조 비용을 상승시켰다.

 

Nature Photonics에 따르면, 플로리다 주립 대학의 연구진은 스핀 코팅을 이용하여 LED를 만드는 데 필요한 모든 입자와 분자를 처리하는 것이 가능한 특허 등록된 장비 구조를 이용하여 이러한 문제를 극복했다. 이들 장비 구조는 이전의 양자점을 기반으로 한 LED 장비에 비해서 그 효율성이나 수명을상당히 향상시켰다. 그러나 스핀 코팅이 마지막 제조 공정의 해결책이 아닐 것이다. “실제 제품 제조라는 면에서, 큰 화면이나 조명 장비를 제조하는 데 사용되는 코팅 과정이나 “롤 투 롤” 프린팅등과 같이 아직 통과해야 할 문제가 많다. 이러한 것들은 추후 연구를 통해서 해결할 것이며, 제조적 문제를 기회로 삼아서 새로운 기술을 개발하고 이미 등록된 기술을 갖고 있는 나노포토닉스라는 회사를 통해서 이러한 문제들을 해결할 것이다.”라고 Xue가 말했다.

<원문>

Manufacturing Method Paves Way for Commercially Viable Quantum Dot-Based LEDs

ScienceDaily (Sep. 6, 2011) — University of Florida researchers may help resolve the public debate over our future light source of choice: Edison's incandescent bulb or the more energy efficient compact fluorescent lamp.


It could be neither.

Instead, our future lighting needs may be supplied by a new breed of light emitting diode, or LED, that conjures light from the invisible world of quantum dots. According to an article in the current online issue of the journal Nature Photonics, moving a QD LED from the lab to market is a step closer to reality thanks to a new manufacturing process pioneered by two research teams in UF's department of materials science and engineering.

"Our work paves the way to manufacture efficient and stable quantum dot-based LEDs with really low cost, which is very important if we want to see wide-spread commercial use of these LEDs in large-area, full-color flat-panel displays or as solid-state lighting sources to replace the existing incandescent and fluorescent lights," said Jiangeng Xue, the research leader and an associate professor of material science and engineering "Manufacturing costs will be significantly reduced for these solution-processed devices, compared to the conventional way of making semiconductor LED devices."

A significant part of the research carried out by Xue's team focused on improving existing organic LEDs. These semiconductors are multilayered structures made up of paper thin organic materials, such as polymer plastics, used to light up display systems in computer monitors, television screens, as well as smaller devices such as MP3 players, mobile phones, watches, and other handheld electronic devices. OLEDs are also becoming more popular with manufacturers because they use less power and generate crisper, brighter images than those produced by conventional LCDs (liquid crystal displays). Ultra-thin OLED panels are also used as replacements for traditional light bulbs and may be the next big thing in 3-D imaging.

Complementing Xue's team is another headed by Paul Holloway, distinguished professor of materials science and engineering at UF, which delved into quantum dots, or QDs. These nano-particles are tiny crystals just a few nanometers (billionths of a meter) wide, composed of a combination of sulfur, zinc, selenium and cadmium atoms. When excited by electricity, QDs emit an array of colored light. The individual colors vary depending on the size of the dots. Tuning, or "adjusting," the colors is achieved by controlling the size of the QDs during the synthetic process.

By integrating the work of both teams, researchers created a high-performance hybrid LED, composed of both organic and QD-based layers. Until recently, however, engineers at UF and elsewhere have been vexed by a manufacturing problem that hindered commercial development. An industrial process known as vacuum deposition is the common way to put the necessary organic molecules in place to carry electricity into the QDs. However, a different manufacturing process called spin-coating, is used to create a very thin layer of QDs. Having to use two separate processes slows down production and drives up manufacturing costs.

According to the Nature Photonics article, UF researchers overcame this obstacle with a patented device structure that allows for depositing all the particles and molecules needed onto the LED entirely with spin-coating. Such a device structure also yields significantly improved device efficiency and lifetime compared to previously reported QD-based LED devices.

Spin-coating may not be the final manufacturing solution, however.

"In terms of actual product manufacturing, there are many other high through-put, continuous "roll-to-roll" printing or coating processes that we could use to fabricate large area displays or lighting devices," Xue said. "That will remain as a future research and development topic for the university and a start-up company, NanoPhotonica, that has licensed the technology and is in the midst of a technology development program to capitalize on the manufacturing breakthrough."

Other co-authors of this article are Lei Qian and Ying Zheng, two postdoctoral fellows who worked with the professors on this research. The UF research teams received funding from the Army Research Office, the U.S. Department of Energy, and the Florida Energy Systems Consortium.