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[국내] 저비용 LED 램프 가능한 새로운 나노 구조, 반딧불이의 발광 기관에서 착안
2013년 1월 4일 (금) 12:25:14 |   지면 발행 ( 2012년 12월호 - 전체 보기 )



미래형 고효율 조명기술로 각광받는 LED의 효율을 한층 높이는 기술을 국내연구진이 원천기술을 확보해 눈길을 끈다. KAIST 정기훈교수가 이끄는 연구팀은 반딧불이의 발광기관에서 영감을 얻어 기존 LED 기술에 비해 더 저렴하고 효율이 높은 LED 제조가 가능한 기술을 개발했다. 앞으로 스마트폰 · 텔레비전 · 자동차 · 실내외조명 등에 널리 적용될 것으로 보인다.

LED(Light Emitting Diode, 발광다이오드)램프가 에너지 효율을 상당히 높여준다는 사실을 익히 알고 있음에도 파격적으로 보급되지 못하는 원인 중 하나는 가격 때문이다. 그런데 LED램프 가격을 낮출 뿐 아니라 LED 효율을 한 층 더 높이는 기술이 개발됐다. KAIST 바이오 및 뇌공학과 정기훈 교수팀은 반딧불이의 발광 기관 구조에서 영감을 얻어 더 저렴하고 더 향상된 LED 제조기술 개발에 성공했다. 이 연구 결과는 스마트폰 · 텔레비전 · 자동차 · 의료기기 · 실내외 조명 등 LED를 적용하는 장치에 유용하게 적용할 것으로 기대된다.
'무반사 구조(Antireflective structures)'로 불리는 이 신규 기술로 LED 램프를 만들면 렌즈에서 발생하는 빛 반사를 98%까지 줄일 수 있어 밝기의 효율을 향상시킬 수 있다. 무반사 구조는 밝기 효율을 향상하는 대표적인 방법으로 알려져 있으나 곡면형태에는 제작이 쉽지 않았으며 렌즈에 따로 반사방지 코팅 처리를 해야 해 이에 따른 비용이 많이 들었다. 반딧불이는 짝과 먹이를 끌어들이기 위해 아랫배에서 빛을 내는데 빛을 내는 부분에 세로로 된 골이 있어 빛의 반사를 방지한다. 정 교수 연구팀은 여기서 영감을 얻어 나노 구조의 표면 형성에 적용했다.

핵안전특위 1차 조사 결과, 미검증품으로 밝혀진 계전기(계약번호 Y100772010)의 경우, 입찰 공고에 일반규격품 품질검증 수행을 조건으로 했으며, 구매시방서에 제출 서류로 Certificate of Conformance(C of C)와 Test Report가 명시돼 있다. 당시 납품 대리점(W사)은 일반규격품 품질검증절차서와 품질검증 계획서를 한수원에게 승인받지도 않은 상태에서 품질검증서(C of C)가 붙은 부품을 납품했다. 따라서 한수원이 계전기 부품을 인수할 당시 품질검증 절차서에 따라 납품업체에 제출한 서류를 해당 기관에 한 번만 조회했더라면 미검증품임을 알 수 있었던 셈이다.
핵안전특위 김제남 · 정진후 의원은 "원자력안전법상의 규칙과 지침, 이에 따른 한수원의 품질보증 절차서에 구매 관리에서부터 인수 및 검사까지 품질보증에 대한 상세한 규정이 명시되어 있고, 무엇보다 품질 서류의 진위 여부를 확인하는 방법까지 상세히 기술돼 있는데도 이를 제대로 이행하지 않은 한수원은 명백한 직무 유기"라고 질타했다.

3개 층으로 구성된 이 발광 기관 외피의 구조를 복제, '3차원 미세 몰딩 기법'이라는 정밀 제조 기법을 활용해 LED용 렌즈를 만들었다. 기존 비용이 많이 드는 구성 요소를 없애면서 기존의 LED 램프와 발광 효율은 비슷하게 만들 수 있게 됐다. 즉, 비용 상승요소인 LED 광원의 반사 방지 코팅을 대체할 수 있다. 렌즈 값을 최소화할 수 있는 대체 렌즈는 굴곡을 가지면서 기존 반사 방지 코팅과도 매우 유사한 형태를 띤다.

연구진은 LED 칩 위에 5개의 서로 다른 LED 렌즈를 위치시켰다. 비교를 위해서, 부드러운 표면을 가진 LED 렌즈는 왼쪽 끝에 위치시켰다. 다른 렌즈들은 80㎚에서 150㎚까지 서로 다른 높이의 굴곡을 가진 나노 구조로 구성됐다. 연구진은 렌즈 표면의 광 반사를 비교했더니, 120㎚의 높이를 가진 생체 모방한 LED 렌즈는 부드러운 표면의 LED 렌즈 또는 서로 다른 높이의 나노 구조를 가진 LED 렌즈와 비교했을 때 최소한의 반사를 가졌다.
일정한 패턴을 형성하는 패턴성(Patternability)은 PDMS(Polydimethylsiloxane) 예비 중합체(Prepolymer)의 열 전단 유동화(Shear thinning)*를 통해 달성했다. PDMS는 매우 밀집한 생체 모방 나노 구조를 만들기에 나노 템플릿일 때 낮은 패턴성을 가진다. 이런 패턴성은 PDMS 예비 중합체의 점성과 젖음성(퍼짐성)에 달려 있다. 이 연구에서, PDMS 예비 중합체를 나노 템플릿 위에 스핀 코팅했고 그 후에 점도를 감소시키기 위해 상대적으로 고온인 150℃로 가열했다.
PDMS 복제의 형성을 촉진하기 위해 아주 얇은 플루오르 탄소(Fluorocarbon) 박막을 나노 구조위에 증착시켰다. 플루오르 탄소 박막은 PDMS 예비 중합체의 젖음성에 영향을 끼치지 않기에 결과적으로, PDMS의 성공적인 패턴 형성은 일정한 젖음성 하의 가열과 함께 점도를 감소시킴으로써 달성했다.
한편 이 연구 결과는 미국 국립과학원회보(PNAS)에'Biologically inspired LED lens from cuticular nanostructures of firefly lantern'이라는 제목으로 게재됐다.

* 전단 유동화(Shear thinning): 비뉴톤 유체에 있어 전단응력과 전단속도의 비를 겉보기 점도(Apparent viscosity)라고 한다. 대부분의 비뉴톤 유체에서는 속도가 증가함에 따라 겉보기 점도가 감소한다. 이 현상을 전단 유동화(Shear thinning)라고 한다.
* 점도(Vviscosity): 점성계수, 점성률. 흐름의 각 점에서 유체의 속도가 다를 경우 분자끼리의 충돌이나 분자 간의 상호작용으로 운동량의 흐름이 빠른 부분에서 느린 부분으로 이동하여 속도가 같아지고자 한다. 이 에너지 손실을 수반하는 과정이 점성이다.

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