광기술원·전북대, ‘퀀텀 가이저’ 현상 첫 규명…국산 나노로드LED로 XR 혁신

한국광기술원(원장 신용진) 광반도체연구센터 김자연 박사팀과 전북대학교 라용호 교수팀이 세계 최초로 InGaN 기반 나노로드 어레이 LED의 혁신적 광발광 현상인 ‘퀀텀 가이저 현상(Quantum Geyser Effect)’을 실험적으로 규명했다.

업계에 따르면 XR기기 등 디스플레이 디바이스 발전으로 초고해상도·초고휘도 구현을 위한 고효율 청색 직진광원 개발이 필수 요소로 떠올랐지만 기존의 LED구조는 광 발산각과 효율의 한계로 시장의 요구를 충족하기 어려웠다.

나노 단위로 정밀 패터닝된 나노로드 어레이 구조가 대안으로 부상했지만 이론적 모델과 실험적 검증의 복잡성이 도전과제로 남아 있었다.

연구진은 마이크로 LED 난제 중 하나였던 측면 광손실 문제를 인접 나노로드가 누설광을 재흡수·재방출하는 연쇄반응 매커니즘으로 밝혀냈다. 

이처럼 빛이 내부에 흡수됐다가 증폭돼 강하게 방출되는 모습이 간헐천(Geyser)을 떠올리게 한다는 점에서 퀀텀 가이저 현상(Quantum Geyser Effect)이라 명명하게 됐다.

연구 핵심은 나노미터급 패터닝 공정을 이용한 수직형 나노로드 어레이 마이크로 LED 구조 제작이다.

광기술원 연구팀은 구조 설계부터 나노 패턴 형성, 정밀 어레이 제작, 공정 최적화, 물리·광학적 측정까지 전 과정을 주도하며 광원의 확산이 거의 없는 초정밀 직진형 LED 구조를 구현에 성공했다.

전북대 연구팀은 유한 차분 시간 영역법(FDTD) 시뮬레이션을 통해 구조별 광추출 효율을 예측하고, 마이크로 광발광(PL) 및 시간분해 광발광 실험으로 나노로드 간의 광 교환과 집단적 광자 재활용 메커니즘을 최초로 밝혀냈다. 이를 통해 기존 평판형 구조 대비 최대 11배의 발광 효율 향상을 확인하며 퀀텀 가이저 효과의 근본 원리를 입증했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 Materials Today(IF 22.0) 에 게재됐으며 퀀텀 가이저 현상의 직진성과 고효율 특성은 차세대 XR 디스플레이에 필수적인 초고해상도·초고휘도 구현, 공간 간섭 억제, 에너지 효율 및 신뢰성 향상 등에서 혁신 가치를 지닌 기술로 평가받았다.

광기술원과 전북대는 현재 이론적·광학적 메커니즘 규명에 이어 나노로드 어레이 마이크로 LED를 실제 디바이스화해 전기발광(EL) 특성 검증을 마무리하는 단계에 있다.

양 기관은 “앞으로 시스템적 실증평가를 통해 퀀텀 가이저 현상의 실용화 가능성 입증해 향후 초고해상도 디스플레이, 차세대 투명 XR·AR 글래스 등 첨단 디스플레이 시장을 이끌 핵심 원천기술로 발전시킬 것”이라고 강조했다.