파란색 LED는 실제로 얼마나 효율적입니까? LED는 궁극적인 광원입니다.

저온에서 인듐 갈륨 질화물(InGaN) 기반 청색 발광 다이오드(LED)의 절대 내부 양자 효율(IQE)은 종종 100%로 가정됩니다. 그러나 University of Illinois Urbana-Champaign Electrical and Computer Engineering 연구원들의 새로운 연구에 따르면 항상 완벽한 IQE라는 가정은 잘못된 것입니다. LED의 IQE는 27.5%까지 낮을 수 있습니다.

이 새로운 연구 “InGaN 기반 발광 다이오드의 저온 절대 내부 양자 효율”은 최근에 발표되었습니다. 응용 물리학 편지.

ECE 부교수인 Can Bayram이 말했듯이 LED는 궁극적인 광원입니다. 발명 이후 에너지 효율성과 비용 효율성으로 인해 점점 더 대중화되었습니다.

LED는 전류가 장치를 통해 흐를 때 빛을 방출하는 반도체입니다. 전자와 정공(캐리어)의 재결합을 통해 광자를 생성하고 광자 형태로 에너지를 방출합니다. 방출되는 빛의 색상은 광자의 에너지에 해당합니다.

InGaN 기반 청색 LED는 밝고 에너지 절약적인 백색 조명을 가능하게 합니다. 고체 광원으로의 전환으로 에너지 수요와 온실 가스 배출량이 크게 감소했지만 장기적으로 에너지 절약 목표를 달성하려면 지속적인 효율성 개선이 필요합니다. 미국 에너지부의 2035년 로드맵에서는 청색 LED 효율성을 70%에서 90%로 높이고 에너지를 450테라와트시(TWh) 및 CO2까지 절감할 것을 요구합니다.₂ 1억 5천만 미터톤의 배출량 절감.

Bayram은 “문제는 이 궁극의 광원을 어떻게 더 발전시킬 수 있느냐는 것입니다. 답은 상대 효율성이 아니라 절대 효율성을 이해하는 것입니다.”라고 말합니다. 상대 효율성은 장치 자체를 벤치마킹하는 반면 절대 효율성은 일반적으로 공유되는 척도에서 효율성을 측정하여 여러 장치 간에 비교할 수 있습니다.

IQE는 반도체의 활성 영역에서 주입된 전자에 대한 생성된 광자의 비율로 정의되며 LED의 성능을 정량화하는 중요한 지표입니다. IQE를 정량화하기 위해 가장 널리 사용되는 방법은 온도 의존 광발광입니다. 이러한 분석에서는 저온(4, 10 또는 77Kelvin)에서 100% 복사 재결합(광자 생성을 의미)이 있다고 가정했습니다. 실온에서는 과도한 에너지를 광자가 아닌 열로 방출하는 비방사 메커니즘으로 인해 효율이 상당히 낮습니다. 2개의 광발광 강도의 비율은 LED의 상대적 효율을 제공합니다.

원래의 가정은 낮은 온도에서 비방사 재결합이 없으며 모든 손실 메커니즘이 “동결”된다는 것입니다. 그러나 Bayram과 대학원생 Yu-Chieh Chiu는 비복사 효과가 실제로 저온에서 완전히 동결되지 않을 수 있기 때문에 이 가정이 잘못되었을 수 있다고 주장합니다.

그들의 논문에서 Bayram과 Chiu는 InGaN 기반 LED의 저온 절대 IQE를 밝히는 다른 방법을 보여줍니다. “채널 기반” 재결합 모델을 사용하여 그들은 놀라운 결과를 보고합니다. 전통적인 사파이어 및 실리콘 기판에서 LED의 절대 IQE는 각각 27.5% 및 71.1%로 표준 가정보다 훨씬 낮습니다.

이러한 예상치 못한 결과를 설명하기 위해 Chiu는 채널 기반 재결합 모델이 LED의 활성층 내부에서 일어나는 일과 한 채널에서의 재결합이 다른 채널에 미치는 영향에 대해 생각하는 방법 중 하나라고 말합니다. 채널은 캐리어가 방사적으로 또는 비방사적으로 재결합하기 위해 취할 수 있는 경로입니다.

“청색 LED의 효율성을 결정하기 위해 일반적으로 청색 방출만 고려됩니다.”라고 Chiu는 말합니다. “그러나 그것은 장치 내부에서 일어나는 다른 모든 것, 특히 비방사성 및 결함 발광 채널의 영향을 무시합니다. 우리의 접근 방식은 장치에 대한 보다 전체적인 관점을 얻고 파란색 채널에서 재결합이 있는지 결정하는 것입니다. 두 번째 및 세 번째 채널(들)의 영향을 받습니까?”

LED에 대한 연구가 계속 진행됨에 따라 상대 효율보다는 절대 효율을 아는 것이 중요하다. Bayram은 “각 그룹이 자신의 효율성을 향상시키는 것보다 모든 사람이 서로의 지식을 기반으로 구축할 수 있도록 현장에서 절대적인 효율성이 매우 중요합니다. 우리는 상대적인 측정이 아니라 절대적인 측정이 필요합니다.”라고 강조합니다.

DOE에서 정한 효율성 표준을 충족하려면 LED의 효율성을 적절하게 정량화하는 것이 점점 더 중요해질 것입니다. 효율성이 1%만 증가해도 매년 엄청난 양의 이산화탄소를 절약할 수 있습니다. Chiu는 “상대 효율 대신 절대 효율을 이해함으로써 보다 정확한 그림을 제공하고 장치를 서로 비교할 수 있게 함으로써 장치를 더욱 개선할 수 있습니다.”라고 말합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/05/230526183206.htm