샌디아 국립 연구소 전자공학자 크리스 칼렌 박사는 고성능 발광 다이오드(LED) 등이 포함된 손전등에 대해 많은 관심을 가졌을 때 그는 비용이 큰 일반적인 광원들을 능가하는 광성능을 보이는 새로운 고속 LED 드라이버의 개발을 이끌 것이라고 기대하지 않았다. 

샌디아 LED 펄서는 과학적, 산업적 혹은 상용 이용을 위해 고휘도, 빠른 펄스, 다중색 광을 제공한다. 때때로, LED 펄스는 더 비싼 레이저를 대체할 수 있다. 

칼렌 박사는 만약 손전등 안에 고성능 다중 색깔 LED들이 10나노초 펄스 레이저나 LED 상에서 1나노초로 작동하는 것과 비슷한 짧은 광 펄스를 만들기 위해 전자 회로에 의해 빠르게 전원을 켜고 끌 수 있다면 어떨지 수 년 전에 생각했다고 전했다. 

그는 이 아이디어는 초기에 많은 호기심을 자극했지만 이후 때때로 실험실 내에서 이용하고 있는 광원이 작동하지 않을 때 꽤 잘 구동하고 있던 LED를 펄스하기 위해 즉석 프로토타입을 만들려고 결정했다 

LED 펄서는 훨씬 더 비싼 레이저나 전자 아크에 의해 광이 발생되는 아크 램프 광을 일반적으로 요구하는 다양한 기술 응용들에서 사용될 수 있다. 샌디아 공학자들은 이미 지역 공기 품질과 공공 보건을 개선하고 기후 변화의 영향을 줄일 수 있는 더 청정하고 더 효율적인 엔진들을 디자인하고 최적화하기 위해 요구된 과학 기본을 개발할 목적의 여러 연구에서 이를 사용했다. 

이 연구들 중 하나인 고속 백릿 (backlit) 스프레이 현미경 응용에서 이 LED 펄서가 액체 방울들의 움직임을 포획하는 200킬로헤르츠에서 50나노초 펄스들을 발생시켰다. 이는 고압 디젤 연료 스프레이 내 미립자화의 고분해능 이미지들을 포획할 수 있게 해 주었다. 스프레이 미립자화와 혼합은 더 높은 효율과 감소된 방출을 초래하도록 스파크 점화와 디젤 엔진 내 연소에 깊이 영향을 끼친다. 

또한 LED 펄서는 고속 숯 소멸 이미징 응용에서 이용되었다. 2마이크로초의 카메라 노출 동안 일치된 고강도 펄스들을 발생시켜 어떻게 디젤 농도가 진화되는지 정량적으로 평가할 수 있었다. 

연소 발생 광에 연계된 강한 펄스 세기는 숯 형성과 산화 과정들을 예측하기 위해 필요한 정보를 제공하도록 높은 프레임 속도로 전체적인 숯 이미징을 가능케 했다. 

자체 전자 회로를 이용하여 LED 펄스는 상용 규격 LED 드라이버에서 가능한 것보다 더 짧은 지속, 더 높은 반복 주파수, 더 높은 강도를 가진 광 펄스를 고출력 LED가 발생하게 구동하고 있다. 고강도와 짧은 펄스 지속을 결합하는 이 소자의 성능은 연속적으로 출력된 LED가 펄스 당 발생시키는 광 에너지를 줄여 같은 세기를 유지하지만 펄스 지속을 쉽게 줄이는데 중요하다. 

짧은 펄스들을 가진 세기를 증가시키는 것은 많은 응용들에 기본적인 발생된 광에너지 수준을 유지한다. LED 펄서는 몇 가지 응용들에서 레이저에 대한 매우 경제적인 대체소자가 될 수 있다. 

단일 소자는 거의 같은 영역에서 독립적인 펄스 타이밍으로 네 가지 다른 색깔들을 방출할 수 있다. 이는 새로운 광학 응용 영역을 확장하고 새로운 이미징 기술을 이끌 것이다. 

또한 이 소자의 낮은 가격은 중요한 물리 과정들을 이해하고 예측하는 능력을 개발하는 더 빠른 진행을 이끌어 과학과 공학계를 통해 진단 기술 이용을 훨씬 더 넓힐 것이다. 칼렌 박사는 LED 펄스를 개선하는데 요구되는 몇 가지 기술적인 문제들을 해결하는데 집중하고 있다. 

그는 여전히 이 소자를 더 훌륭하게 만드는데 수반되는 몇 가지 문제들이 있으며 매우 짧은 시간 내 매우 높은 전류를 다룰 때 더 특이한 기술들이 필요하다고 말했다. 

LED 펄서가 가능한 많은 출력을 발생시키기 위해 디자인되었기 때문에, 회로가 LED를 파괴 직전까지 구동시킬 수 있다. 이 소자의 상용화를 위해, 칼렌 박사는 고출력에서도 낮은 실패율을 얻거나 용인되는 실패율을 얻는 수준으로 발생된 출력을 줄이도록 디자인을 개선해야 한다는 것을 확인했다. 

칼렌 박사는 크기가 10평방인치이며 사용된 LED에 따라 약 150와트 피트 광출력을 위해 240암페어 구동 전류를 발생시킬 수 있는 LED 펄서를 연구하고 있다. 펄스에 관해 흥미로운 것은 전력 밀도, 즉, 얼마나 많은 전력이 크기에 비교하여 이동할 수 있는가이다. 

또한 그는 더 빠른 드라이버 회로를 만들려고 한다. 드라이버 기판과 LED 사이 연결을 개선하여 10나노초 이하의 펄스 지속을 얻고자 하고 있다. 이 소자의 상용화에 대한 또 다른 문제는 LED 파괴를 줄이는 보호 회로를 디자인하는 것이다.  

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』