KAIST 조용훈 교수팀, 네이처 학술지 온라인판에 게재
기존 황색 형광체, LED칩 병렬제조 방식 문제점 개선 기대
형광체를 덧칠하지 않고도 백색의 빛을 내뿜을 수 있는 LED제조 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
한국과학기술원(KAIST) 물리학과의 조용훈 교수 연구팀은 형광체를 사용하지 않은 백색 LED 제조 기술을 개발했다고 발표했다.
이번 연구 결과는 네이처가 발행하는 학술지 ‘빛 : 과학과 응용 (Light : Science & Applications)’ 12일자 온라인 판에 게재됐고, 그 중요성을 인정받아 인쇄본의 표지 논문으로 선정됐다.
기존의 백색 LED는 대부분 청색 LED에 황색 형광체를 덧칠하거나 여러 색의 LED칩을 병렬로 조합해 만들어졌다.
그러나 황색 형광체는 희토류 물질이라 수입의존도가 높고, 낮은 연색성, 변색 등의 문제점을 안고 있었다. 또 여러 색의 LED 칩을 병렬 조합하는 방식은 단가가 높아진다는 단점이 있다.
조 교수 연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 형광체를 사용하지 않고 하나의 반도체 칩으로 백색 LED를 제작하기 위한 방법을 고안했다. 동심원 모양으로 꼭대기 부분을 잘라낸 피라미드 구조가 만들어지도록 마이크로 복합 구조체를 설계한 것이다.
마이크로 크기의 삼차원 구조체는 각 면마다 다른 조건의 양자우물이 형성돼 각 면에서 다른 색의 빛을 낼 수 있다. 결국 기존의 여러 LED 색을 조합할 필요 없이 한 구조체에서도 다양한 색을 혼합할 수 있게 된 것이다.
삼차원 구조체를 만드는 시간과 조건을 조절해 각 결정면의 면적을 변화시킴으로써 다양하게 혼합된 색상의 LED제작이 가능해졌다.
연구팀은 이를 통해 각 결정면의 면적을 조절해 하나의 LED칩으로 무형광체 백색 LED를 시연했다.
아울러 LED에 인가하는 전류를 변화시켜도 색이 거의 변하지 않는다는 사실을 확인했다.
이는 무형광체 백색 LED의 초기단계로, 미래의 무형광체 백색광원의 방향성을 제시했다는 의미가 있다고 연구팀은 강조했다.
연구팀은 이번에 개발한 무형광체 LED 기술이 향후 차세대 조명과 디스플레이 기술발전에 기여할 것으로 전망했다.
연구팀은 이밖에도 고배율 대물렌즈를 사용해 3차원 구조체 내부에서 전류주입의 정도를 측정하는 방법을 소개했다.
이를 통해 전류를 효율적으로 주입시키는 방안을 개발한다면 LED 소자의 효율과 색재현성을 조절할 수 있을 것으로 연구팀은 전망했다.
조 교수는 “향후 3차원 반도체 공정개발을 통해 효율이 개선된다면 형광체 없이도 값싸고 색 재현성이 좋은 단일 칩의 백색 광원으로 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
임승혁 박사과정 학생이 1저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 KAIST 기후변화연구 허브사업의 지원을 받아 수행됐다.