전기발광

3. 메커니즘

전기발광은 일반적으로 반도체 내에서 전자와 정공의 복사 재결합의 결과이다. 여기된 전자는 에너지를 광자(빛) 형태로 방출한다. 재결합 전에 전자와 정공은 재료에 도핑하여 p-n 접합을 형성하거나( 발광 다이오드와 같은 반도체 전기발광 소자에서), 강한 전기장에 의해 가속된 고에너지 전자의 충격으로 여기되어 분리될 수 있다(전기발광 디스플레이의 인광체에서와 같이).

최근 태양 전지의 광전 효율(개방 회로 전압 향상)이 향상됨에 따라 전기-광(EL) 효율도 향상된다는 것이 밝혀졌다.^[1]

4. 특징

전기발광 기술은 네온이나 형광등과 같은 다른 조명 기술에 비해 전력 소비량이 적다. 이러한 특징과 얇은 두께 덕분에 전기발광 기술은 광고 업계에서 유용하게 활용된다. 전기발광 광고판, 간판 등이 대표적인 예시이다. 전기발광 제조업체는 전기발광 시트의 발광 영역과 시점을 정밀하게 제어하여 역동적인 광고 제작을 지원한다.

EL 필름은 람베르트 방사체이다. 네온등, 필라멘트등 또는 LED와 달리 표면의 밝기는 모든 시야각에서 동일하게 보인다. 전기발광은 방향성이 없다. 표면에서 방출되는 빛은 균일하고 먼 거리에서도 잘 보인다. EL 필름은 매우 좁은 대역폭을 가지는 단일 주파수(단색) 빛을 생성한다.

EL 램프는 원칙적으로 어떤 색상이든 구현 가능하지만, 일반적으로 사용되는 녹색은 인간 시각의 최대 감도와 거의 일치하여 가장 적은 전력으로 가장 큰 가시광 출력을 생성한다. 네온등과 형광등과 달리 EL 램프는 음의 저항 소자가 아니므로 전류량 조절을 위한 추가 회로가 필요하다. 최근에는 구동 주파수에 따라 600~400nm의 빛을 방출하는 다중 스펙트럼 형광체 기반 기술이 개발되어 색상 변화 효과를 구현한다.

5. 전계 발광 재료

전계 발광 소자는 유기 또는 무기 전계 발광 재료를 사용하여 제작된다. 활성 재료는 빛 방출을 허용할 만큼 충분히 넓은 대역폭을 가진 반도체가 주로 사용된다.^[1]

5. 1. 무기 박막 전계 발광 (TFEL)

• 무기 EL

5. 2. 기타 전계 발광 재료 (예시)

• 구리(녹색 빛 생성) 또는 은(밝은 청색 빛 생성)으로 도핑된 분말 황화아연^[2]
• 망간으로 도핑된 박막 황화아연(오렌지색-적색 생성)^[2]
• 도핑제 역할을 하는 미량의 붕소를 포함하는 자연 청색 다이아몬드^[2]
• 인듐 인화물(InP), 갈륨 비소(GaAs), 갈륨 질화물(GaN)(발광 다이오드)와 같이 III족 및 V족 원소를 포함하는 반도체^[2]
• bpy가 2,2'-bipyridine인 [Ru(bpy)₃]²⁺(PF₆⁻)₂와 같은 특정 유기 반도체^[2]
• 테르븀 산화물(황록색 빛)^[2]

6. 실제 구현

일반적으로 전기발광(EL) 소자는 분말(주로 조명 분야에 사용됨) 또는 박막 (정보 디스플레이용) 형태로 구현된다.

6. 1. 발광 커패시터 (LEC)

6. 2. 나이트라이트

6. 3. 디스플레이 백라이팅

분말 형광체 기반 전계발광 패널은 액정 디스플레이의 백라이트로 자주 사용된다. 이는 디스플레이 전체에 부드럽고 고른 조명을 제공하면서 비교적 적은 전력을 소모하여, 페이저, 손목시계, 컴퓨터 제어 온도 조절기와 같은 배터리 작동 장치에 편리하다. 부드러운 청록색 광채는 기술 세계에서 흔히 볼 수 있다.

EL 백라이트는 비교적 높은 전압(60~600V)이 필요하다.^[5] 배터리 작동 장치의 경우, 장치 내의 승압 컨버터 회로를 통해 이 전압을 생성한다. 이 컨버터는 백라이트가 활성화되는 동안 미세하게 들리는 윙윙거리는 소리나 사이렌 소리를 내는 경우가 많다. 상용 전압으로 작동하는 장치는 전력선에서 직접 활성화될 수 있으며, 일부 전계발광 야간등이 이 방식으로 작동한다. 단위 면적당 밝기는 전압과 주파수가 증가함에 따라 증가한다.^[5]

박막 형광체 전계발광은 1980년대 일본 샤프(Sharp Corporation), 핀란드 핀룩스(Finlux)(Oy Lohja Ab), 미국 플래너 시스템즈(Planar Systems)에 의해 처음 상용화되었다. 이러한 장치에서는 박막 황색 발광 망간 도핑 황화아연 재료에서 밝고 수명이 긴 발광이 달성된다. 이 기술을 사용하는 디스플레이는 견고성과 넓은 시야각이 중요하고 액정 디스플레이가 잘 개발되지 않은 의료 및 차량용으로 제조되었다. 1992년 타임엑스는 일부 시계에 인디글로(Indiglo) EL 디스플레이를 도입했다.

최근에는 긴 수명과 풀 컬러 전계발광 디스플레이의 가능성을 제공하는 청색, 적색 및 녹색 발광 박막 전계발광 재료가 개발되었다.

EL 재료는 두 개의 전극 사이에 배치해야 하며, 생성된 빛이 빠져나가도록 최소 하나의 전극은 투명해야 한다. 산화인듐주석으로 코팅된 유리는 일반적으로 전면(투명) 전극으로 사용되는 반면, 후면 전극은 반사 금속으로 코팅된다. 또한, 탄소 나노튜브 코팅 또는 PEDOT과 같은 다른 투명 전도성 물질을 전면 전극으로 사용할 수 있다.

6. 4. 후막 유전체 전계 발광 기술 (TDEL)

후막 유전체 전계 발광(TDEL) 기술은 캐나다 기업 iFire Technology Corp.이 개발한 인광체 기반 평판 디스플레이 기술이다.^[8] TDEL은 후막 및 박막 공정을 결합한 무기 전계 발광(IEL) 기술을 기반으로 하며, 유리 또는 기타 기판과 두 세트의 전극 사이에 후막 유전체 층과 박막 인광체 층이 끼워져 픽셀 매트릭스를 생성한다. 교류 전기장이 존재할 때 이 매트릭스 내의 무기 인광체가 빛을 방출한다.

6. 4. 1. 컬러 바이 블루 (Color By Blue)

컬러 바이 블루(CBB)는 2003년에 개발되었다.^[9] 이 공정은 이전의 삼원색 패턴 공정보다 더 높은 휘도와 성능을 제공하며, 대비, 회색조 재현 및 패널 전체의 색상 균일성이 향상되었다. 컬러 바이 블루는 광발광 원리를 기반으로 한다. 고휘도 무기질 청색 형광체와 특수 색 변환 재료를 함께 사용하여 청색광을 흡수하고 적색 또는 녹색광을 재방출하여 다른 색상을 생성한다.

7. 새로운 응용 분야

전기발광 조명은 차량 지붕에 영문자와 숫자를 표시하여 항공 관점에서 명확하게 식별할 수 있도록 하는 공공 안전 식별 응용 분야에 사용되고 있다.^[10]

전기발광 조명, 특히 전기발광 와이어(EL wire)는 많은 디자이너들이 이 기술을 엔터테인먼트 및 나이트라이프 산업에 도입하면서 의류에도 사용되고 있다.^[11] 2006년부터 오디오 이퀄라이저를 형상화한 전기발광 패널이 부착된 티셔츠인 T-Qualizer가 잠시 유행했다.^[12]

엔지니어들은 빛을 방출하면서도 원래 크기의 6배 이상 늘어날 수 있는 전기발광 "피부"를 개발했다. 이 초탄성 발광 커패시터(HLEC)는 이전에 테스트된 신축성 디스플레이보다 두 배 이상의 변형을 견딜 수 있다. 이것은 투명한 하이드로젤 전극층이 절연 엘라스토머 시트를 끼운 구조로 되어 있다. 엘라스토머는 늘어나거나, 구부리거나, 다른 방식으로 변형될 때 휘도와 정전용량이 변한다. 원래 크기의 480% 이상의 변형 하에서도 빛을 방출할 수 있는 능력 외에도, HLEC는 소프트 로봇 시스템에 통합될 수 있는 것으로 나타났다. 세 개의 6층 HLEC 패널을 결합하여 기어 다니는 소프트 로봇을 만들었는데, 상위 4층은 발광 피부를, 하위 2층은 공압 액추에이터를 구성한다. 이 발견은 의료, 운송, 전자 통신 및 기타 분야에서 상당한 발전으로 이어질 수 있다.^[13]

참조

_[1] 논문 Correlation of Electroluminescence with Open-CIrcuit Voltage from Thin-Film CdTe Solar Cells 2015-04-15
_[2] 웹사이트 Terbium Oxide Used as Electroluminescent Materials https://www.stanford[...] 2024-09-03
_[3] 간행물 Proceedings of the National Electronics Conference, Volume 17 National Engineering Conference, Inc. 1961
_[4] 서적 Revolution in lamps: a chronicle of 50 years of progress, 2nd ed. The Fairmont Press, Inc. 2001
_[5] 서적 Standard Handbook for Electrical Engineers, Eleventh Edition McGraw-Hill 1978
_[6] 간행물 High-Resolution Active Matrix Electroluminescent Display Society for Information Display Digest 1994
_[7] 웹사이트 Active Matrix Electroluminescence (AMEL) http://www.planar.co[...]
_[8] 뉴스 The next big (flat) thing https://www.theglobe[...] 2006-03-17
_[9] 웹사이트 iFire: Sparking a New Revolution in Flat Panel Technology http://www.ifire.com[...]
_[10] 웹사이트 air-el http://www.Air-EL.co[...] Federal Signal 2016-07-23
_[11] 서적 Fashion Geek: Clothes Accessories Tech https://books.google[...] 2009
_[12] 웹사이트 T-Qualizer: The beat goes on https://www.cnet.com[...] 2022-12-08
_[13] 뉴스 Super elastic electroluminescent 'skin' will soon create mood robots https://www.scienced[...] Science Daily 2016-03-03