LED의 효율 드룹의 원인
LED (Light-Emitting Diode)는 1960 년대에 발명된 이래로 자동차 후미등에서 전자 장치에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 백열전구를 서서히 대체해 왔다.
백열전구의 필라멘트와 형광등의 수은 증기를 없애고 대신 LED는 반도체에 전압을 가함으로써 빛을 발생시킨다. 전자는 홀 (전자가 존재할 수는 있지만 존재할 수 없는 결정 구조 내의 장소)과 결합하여, 전자가 광자 입자의 방출로 이어진다.
대부분의 LED는 질화 갈륨 (GaN)이라는 물질로 만들어진 반도체를 사용한다. 이 GaN LED는 신뢰성이 높고 안전하지만, 전압이 증가함에 따라 비효율적으로 되는 단점이 있다. 이는 "효율 드룹 (efficiency droop)"현상이다.
미국에서 생산된 전기의 10 % 이상이 상업 및 주거 부문의 조명에 사용된다. LED 조명을 광범위하게 사용하면 극적인 에너지 절감 효과를 얻을 수 있지만 효율 드룹은 주요한 문제이다. 연구팀의 효율 드룹에 대한 연구 결과가 나노 레터스 ("Ultrafast Hot Carrier Dynamics in GaN and its Impact on the Efficiency Droop")에 최근 보고되었다.
효율 드룹은 여기된 전자가 GaN에서 나노 미터 깊이의 양자 우물을 초과할 때 발생한다. 우물은 전자를 홀과 결합되도록 가두어 놓는다. 전자가 우물에 갇히기에 너무 큰 에너지를 가질 때, 빛을 방출하지 않고 LED 장치 밖으로 누설된다.
이 전자 누설을 설명하기 위해 여러 모델이 제안되었지만 실험적 증거를 정당화하기 위해 직감을 이용하는 정성 분석에 집중하는 경향이 있었다.
연구팀은 Caltech에서 개발된 새로운 계산 방법을 사용하여 GaN을 원자 수준에서 연구했으며 물질 내 고체 전자의 원자 열 운동의 배경 "험 (hum)"인 격자 진동이 어떻게 물질에 영향을 끼치는지를 연구했다. 이 험은 전자와 홀의 에너지를 소모하는 것으로 알려져 있다. 그러나 연구팀은 전자보다 홀에 대해 더 빨리 사라진다는 것을 발견했다. 이는 전자가 양자 우물을 오버 슈트 (overshoot) 시키며 홀과 결합하지 않고 GaN을 빠져 나가는 불일치이다.
연구팀의 연구는 격자 진동을 가진 전자들 사이의 항상 존재하는 상호 작용이 왜 흥분된 전자가 활성층 밖으로 새어 나와 GaN LED의 비 효율성을 설명할 수 있는지를 최초로 보여주었다.
연구팀은 GaN에서의 드룹을 아직 조사하지 않았다. 다음으로 그들은 온도 및 기타 재료 특성에 따른 드룹을 연구할 계획이다.
