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title: "광자 재활용은 흡수된 빛을 어떻게 다시 살릴까"
author: "브레이브브라우저쓰자"
published_at: "2026-10-12T09:12:03.638Z"
updated_at: "2026-10-06T00:12:08.269Z"
tags: ["광자 재활용"]
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# 광자 재활용은 흡수된 빛을 어떻게 다시 살릴까

이 글은 AI가 활용됐습니다.

[원문](https://ariser.io/@writer_a9817d5a8de0/%EA%B4%91%EC%9E%90-%EC%9E%AC%ED%99%9C%EC%9A%A9%EC%9D%80-%ED%9D%A1%EC%88%98%EB%90%9C-%EB%B9%9B%EC%9D%84-%EC%96%B4%EB%96%BB%EA%B2%8C-%EB%8B%A4%EC%8B%9C-%EC%82%B4%EB%A6%B4%EA%B9%8C)

LED가 방출한 빛을 자기 활성층이 다시 흡수했다. 이때 광자는 사라지지만 에너지가 반드시 바로 열로 끝나는 것은 아니다. 흡수가 전자·정공 쌍을 만들고, 그 쌍이 다시 빛을 방출하면 새로운 광자가 탈출을 시도할 수 있다. **광자 재활용은 재흡수와 재방출을 통해 갇힌 빛에 추가 탈출 기회를 주는 과정**이다.

## 반사와 재활용은 다른 과정이다

거울 반사에서는 광자가 광학 경계에서 방향을 바꾼다. 광자 재활용에서는 활성 재료가 빛을 흡수해 캐리어를 만들고, 방사 재결합으로 다시 빛을 낸다. 새 광자는 이전과 다른 방향으로 방출될 수 있어, 전반사나 도파 모드에 갇혔던 에너지가 외부로 나올 길을 얻는다.

반면 금속 전극이나 발광하지 않는 층에 흡수되면 같은 기회를 기대하기 어렵다. 이 기생 흡수와 활성층의 재흡수를 구분해야 한다. Cho 등의 2020년 원 연구는 공간적으로 분리한 발광 측정과 광학 모델로 페로브스카이트 LED의 재활용을 조사하고, 방사 효율이 충분히 높을 때 추출에 도움이 되지만 전극 흡수가 제한을 만든다고 설명했다. [원 연구, 초록·Results](https://www.nature.com/articles/s41467-020-14401-1)

재흡수했다는 사실만으로 새 광자가 나오는 것도 아니다. 새로 생긴 캐리어가 비방사 재결합하면 그 시도는 끝난다. 따라서 광자 재활용에는 높은 내부 방사 효율과 낮은 기생 흡수가 함께 필요하다.

## 같은 과정을 반복하는 확률 계산

각 내부 광자가 바깥으로 나갈 확률을 p, 활성층에 재흡수될 확률을 r, 기생 흡수로 사라질 확률을 a라고 두자. p+r+a=1이다. 캐리어 쌍이 광자를 만들 확률은 η다. 주입한 쌍 하나가 처음부터 올바른 활성 영역에 들어간다고 가정하면, 바로 나오는 광자의 기대값은 ηp다.

한 번 재활용한 뒤 나오는 항은 ηp·rη, 두 번 뒤에는 ηp·(rη)²다. 모든 시도를 합하면 외부 광자 수는 ηp/(1−rη)가 된다. 각각의 흡수·방출 때 확률이 같고 rη가 1보다 작은 단순 모델이다. 원 연구의 식 (1)도 직접 추출, 활성층 재흡수와 기생 흡수의 비율이 반복 동안 일정하다는 조건에서 같은 기하급수를 사용한다. [Cho 외, 식 (1)·(2)](https://www.nature.com/articles/s41467-020-14401-1)

가상으로 p=0.05, r=0.90, a=0.05, η=0.90을 넣자. 첫 시도만 세면 외부 광자는 쌍당 0.045개다. 반복을 포함하면 약 0.237개다. 방출된 광자 하나를 기준으로 한 최종 추출 확률은 p/(1−rη)≈0.263이다. 캐리어 쌍과 이미 생성된 광자 중 무엇을 분모로 삼는지에 따라 효율의 의미가 달라진다.

## 반복 횟수가 많다고 손실을 이기는 것은 아니다

같은 광학 확률에서 방사 효율 η가 0.50으로 낮아지면 외부 광자는 약 0.0455개다. 첫 시도의 0.025개보다 여전히 많지만, 높은 방사 효율의 경우와는 큰 차이가 있다. 매번 재방출에 실패할 가능성이 커져 긴 재활용 경로가 유지되지 못하기 때문이다.

η가 완벽한 1이라도 위 구조의 외부 광자 수는 p/(1−r)=p/(p+a)=0.50이다. 기생 흡수가 남아 있으므로 100%에 이르지 못한다. 같은 구조에서 활성층의 발광 품질만 올리다가 개선이 멈춘다면, 전극과 다른 흡수층을 살펴야 한다는 계산이다.

재흡수를 늘리는 변경도 무조건 유리하지 않다. 새로운 구조에서 p가 0.02, r이 0.93, a가 0.05로 바뀌고 η는 0.90이라고 하자. 재흡수 확률은 커졌지만 외부 광자는 약 0.110개로, 앞의 0.237개보다 적다. 직접 탈출 확률을 너무 잃은 비용이 더 크다. 이는 같은 p와 r에서 재활용 항을 추가하면 출력이 줄어든다는 주장이 아니라, 구조를 바꾸면 여러 확률이 함께 달라진다는 반례다.

## 어디에서 나온 빛까지 세는가

실제 확률은 파장, 위치, 방향과 캐리어 밀도에 따라 달라질 수 있다. 활성층을 두껍게 만들면 흡수뿐 아니라 광학 모드도 바뀐다. 재활용 중 생긴 캐리어가 원래 발광 위치와 다른 곳에서 빛을 내면, 검출 면적과 수광 범위도 결과에 영향을 준다. 원 연구는 발광 픽셀 밖까지 퍼진 빛 때문에 전체 추출 효율의 평가가 소자 형상과 기판에 의존할 수 있다고 지적했다. [원 연구, 공간 분해 발광 실험](https://www.nature.com/articles/s41467-020-14401-1)

광자 재활용은 에너지를 새로 만드는 과정이 아니다. 흡수된 에너지가 빛으로 다시 돌아오는 동안 탈출과 손실이 경쟁한다. 그 이점을 판단하려면 재흡수 횟수보다 방사 효율, 직접 탈출 확률과 기생 흡수를 함께 계산해야 한다. 자기 빛을 흡수하는 일을 손실로만 보지 않되, 재방출 가능성이 얼마나 높은지까지 확인하는 것이 핵심이다.