국내 연구팀, LED 효율 향상시키는 원천기술 개발

↑ 2인치 빈 공간이 배열된 새로운 사파이어 기판(왼쪽)과 돌기 패턴이 적용된 기존의 사파이어 기판 <사진 = 서울대학교>

국내 연구팀이 L청색 LED 효율을 획기적으로 향상시키는 원천기술 개발에 성공하고 해당 기술을 관련 중소기업에 이전했다.
서울대 재료공학부 윤의준 교수, 경희대 응용물리학과 김선경 교수 공동 연구팀은 청색 LED 효율을 획기적으로 향상시키는 빈 공간이 규칙적으로 배열된 사파이어 기판 기술을 개발했다고 18일 밝혔다. 연구성과는 나노 과학기술 관련 권위지인 ‘나노 레터스’ 온라인판에 11일 게재됐다.
기존 LED 내 발생된 빛의 대부분은 반도체 표면에서 반사돼 실제 빛을 밖으로 잘 뽑아내지 못했다. 이 점이 LED 효율 향상의 큰 걸림돌이었다. 빛을 많이 뽑아내기 위해 LED 업계에선 마이크로미터 크기의 돌기 패턴이 있는 사파이어 기판을 사용했다. 돌기에 의해 빛이 여러 방향으로 산란되면서 반도체 밖으로 빠져나가는 확률을 높이는 전략이다.
서울대와 경희대 공동연구팀이 개발한 기술은 돌기 안에 반도체와 물성 차이가 큰 빈 공간을 인위적으로 넣어 빛을 더욱 효율적으로 뽑아낼 수 있는 새로운 사파이어 기판을 만드는 방식이다. 윤 교수 연구팀은 효율적인 사파이어 기판 구조와 제조공정 전반을 설계했다. 김 교수 연구팀은 규칙적으로 배열된 빈 공간이 강한 회절현상을 발생시킨다는 사실의 정량적 측정 및 관련 이론을 규명했다.
빈 공간이 들어있는 사파이어 기판 제조에 대한 기술은 헥사솔루션으로 이전됐다. 연구팀은 LED 전문기업인 세미콘라이트에서 청색 LED를 시험제작해 비교실험을 한 결과 새로운 기술이 적용된 사파이어 기판이 기존 돌기 패턴 사파이어 기판 위에 제작한 청색 LED에 비해 효율이 획기적으로 향상됐다는 것을 확인할 수 있었다. 연구팀이 새롭게 제시한 기판 구조는 공기와 반도체 물질 간의 굴절률 차이로 빛을 앞 방향으로 퍼뜨리는 성질이 우수하다. 반도체 LED 외에도 광효율 향상이 필요한 OLED, 태양전지, 광검출기 등 다양한 광학 반도체 분야에도 확대 적용 가능하다는 장점이 있다.
윤 교수는 “이 기술이 많은 광학 반도체 분야로 확대돼 기존 LED 효율을 높일 수 있길 바란다”고 말했다. 김 교수는 “이미 구조가 정해져 있는 청색 LED에서 광효율을 향상시키기 어려웠지만 LED 내부에 빈 공간을 인위적으로 포함시킬 수 있는 신기술로 회절현상을 극대화해 이를 개선할 수 있었다”고 밝혔다.
[이영욱 기자]