절대 효율성과 상대 효율성: 얼마나 효율적인가요?

LED는 최고의 조명 소스입니다. 발명 이후 에너지 효율성과 비용 효율성으로 인해 점점 인기를 얻었습니다.

Beckman 첨단 과학 기술 연구소

이미지: 가능한 재조합 경로의 대표적인 다이어그램. (MQW: 다중양자우물, RL: 적색발광, YL: 황색발광)더보기

신용: Chiu et al.

저온에서 InGaN(인듐 갈륨 질화물) 기반 청색 발광 다이오드(LED)의 절대 내부 양자 효율(IQE)은 100%로 가정되는 경우가 많습니다. 그러나 일리노이 대학 어바나-샴페인 전기 및 컴퓨터 공학 연구원의 새로운 연구에 따르면 항상 완벽한 IQE라는 가정은 잘못된 것으로 나타났습니다. LED의 IQE는 27.5%까지 낮을 수 있습니다.

이 새로운 연구 "InGaN 기반 발광 다이오드의 저온 절대 내부 양자 효율"은 최근 Applied Physics Letters에 게재되었습니다.

ECE 부교수인 Can Bayram이 말했듯이 LED는 최고의 조명 소스입니다. 발명 이후 에너지 효율성과 비용 효율성으로 인해 점점 더 대중화되었습니다.

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

InGaN 기반의 청색 LED는 밝고 에너지 절약형 백색 조명을 가능하게 합니다. 고체 조명 소스로의 전환으로 에너지 수요와 온실가스 배출량이 크게 감소했지만, 장기적으로 에너지 절약 목표를 달성하려면 지속적인 효율성 개선이 필요합니다. 미국 에너지부의 2035년 로드맵에서는 청색 LED 효율을 70%에서 90%로 높이고, 에너지를 450TWh(테라와트시) 더 절약하고, CO2 배출량을 1억 5천만 미터톤만큼 절감할 것을 요구하고 있습니다.

Bayram은 "문제는 이 궁극적인 광원을 어떻게 더 발전시킬 수 있느냐는 것입니다. 대답은 상대 효율성이 아니라 절대 효율성을 이해하는 것입니다."라고 말합니다. 상대 효율성은 장치 자체를 벤치마킹하는 반면, 절대 효율성은 일반적으로 공유되는 규모로 효율성을 측정하여 여러 장치 간의 비교를 허용합니다.

IQE는 생성된 광자와 반도체의 활성 영역에 주입된 전자의 비율로 정의되며 LED 성능을 정량화하는 중요한 지표입니다. IQE를 정량화하는 데 가장 널리 사용되는 방법은 온도 의존형 광발광을 이용하는 것입니다. 이러한 분석에서는 저온(4, 10, 심지어 77 켈빈)에서는 100% 복사 재결합, 즉 광자를 생성한다고 가정했습니다. 실온에서는 광자가 아닌 과도한 에너지를 열로 방출하는 비방사 메커니즘으로 인해 효율성이 상당히 낮습니다. 두 광발광 강도의 비율은 LED의 상대적 효율을 제공합니다.

원래의 가정은 저온에서는 비방사성 재결합이 없으며 모든 손실 메커니즘이 "동결"되어 있다는 것입니다. 그러나 Bayram과 대학원생 Yu-Chieh Chiu는 비방사 효과가 실제로 저온에서 완전히 동결되지 않을 수 있기 때문에 이 가정이 틀릴 수 있다고 주장합니다.

Bayram과 Chiu는 논문에서 InGaN 기반 LED의 저온 절대 IQE를 드러내는 다른 방법을 보여줍니다. 그들은 "채널 기반" 재결합 모델을 사용하여 놀라운 결과를 보고했습니다. 기존 사파이어와 실리콘 기판에서 LED의 절대 IQE는 각각 27.5%와 71.1%로 표준 가정보다 크게 낮습니다.

이러한 예상치 못한 결과를 설명하기 위해 Chiu는 채널 기반 재결합 모델이 LED의 활성층 내부에서 일어나는 일과 한 채널의 재결합이 다른 채널에 어떤 영향을 미치는지 생각하는 방법 중 하나라고 말합니다. 채널은 캐리어가 방사성 또는 비방사성 재결합을 위해 취할 수 있는 경로입니다.