고가의 희토류 사용하지 않는 색재현 높은 형광체 물질 개발
<사이언티픽 리포트> 5월 20일자 논문 게재

전자전파공학과 유재수 교수가 희토류(rare-earth) 없는 근자외선(near-UV) LED 기반 고효율 황색 형광체를 개발하고, 기존 청색 형광체와 함께 사용해 백색 LED 구현 가능성을 나타냈다. 희토류는 액정디스플레이(LCD), 발광다이오드(LED), 휴대전화, 컴퓨터, 카메라, 전기차, 반도체 등에 활용되는 필수 자원이나, 중국이 세계 생산량의 95%를 독점하고 있고, 가격이 비싸다. 유재수 교수는 희토류를 사용하지 않으면서 기존 LED 조명 광원보다 자연광(태양광)에 가까운 빛을 낼 수 있는 근자외선 발광 황색 형광체 물질을 개발했다. 연구 결과는 네이처 자매지 <사이언티픽 리포트(Scientific Reports)> 5월 20일자에 게재됐다. 논문 제목은 ‘Novel rare-earth-free yellow Ca₅Zn_3.92In_0.08(V_0.99Ta_0.01O₄)₆ phosphors for dazzling white light-emitting diodes’다.

“높은 색재현이 가능하고 양자효율도 기존 대비 높아”
백색 LED는 기존 광원에 비해 소비 전력이 적고, 수명이 반영구적인 친환경 조명 광원으로 평가받고 있다. 일반적으로 백색 LED는 보색인 청색 LED에 희토류가 첨가된 황색 형광체를 이용해 만드는데, 자연색과 유사한 색재현 수준을 나타내는 연색지수(CRI)가 낮다는 단점이 있다. 또한 희토류의 가격이 비싸기 때문에 백색 LED의 가격도 올라간다. 따라서 전 세계적으로 색재현도를 개선하면서 희토류를 사용하지 않는 저렴한 가격의 새로운 황색 형광체 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

유재수 교수는 칼슘(Ca), 아연(Zn), 바나듐(V)에 인듐(In)과 탄탈럼(Ta)을 도핑한 물질(CZIVT)을 이용, 희토류를 사용하지 않는 근자외선 발광 황색 형광체를 만들어 근자외선 LED 기반 백색 LED를 구현해냈다. 이 백색 LED는 색재현도도 높다. 유 교수는 “근자외선 LED와 같은 360-420nm 파장대의 여기를 통해 CZIVT를 황색 형광체로 활용했다”면서 “CZIVT에 근자외선을 조사했을 때, 양자효율이 기존보다 높은 40.8%를 나타냈다”고 설명했다. CZIVT 구조도 이론적으로 밝혀낸 그는 이 형광체를 활용한 근자외선 LED 패키지, 형광체 발광효율 등 상용화를 위한 후속 연구도 진행하고 있다.

“기초 지식 잘 쌓을 때, 문제해결력 갖춘 인재로 성장할 수 있다”
형광체는 조명 외에도 디스플레이, 의료기기 등 다양한 분야에 활용될 수 있다. 유재수 교수는 의학과의 융합으로 바이오이미징에 형광체를 활용하는 방법을 연구 중이다. 암세포와 같은 악성 종양이 있는 곳에서 빛을 내게 해 질병을 진단하는 데 형광체를 활용하는 것이다. 더 나아가 형광체에 직접 약물을 넣어 약물을 투여할 수 있게 하는 방법을 개발할 계획이다.  

이 같은 응용 연구를 위해 이론적 지식이 탄탄하게 뒷받침돼야 한다는 생각을 전한 유 교수는 학생들에게도 기초 이론의 중요성을 강조하고 있다. “학생들이 대학에서 배운 기초 전공 지식과 실제 산업 현장에서 사용하는 지식이 다르다고 생각하는 경우가 많은데, 그렇지 않다”며 “특히 공학은 기초적인 지식을 잘 쌓을 때 새로운 기술을 만들어낼 수 있고, 문제해결력을 갖춘 인재로 성장할 수 있다”고 말했다.