Update2024.06.03 (월)
국내 연구진이 LED 조명의 핵심 소자인 청색 LED의 효율을 높이는 신기술을 개발하여 LED 전문기업에 기술 이전했다.
서울대 공대(학장 이건우)는 지난18일 서울대 재료공학부 윤의준 교수 연구팀과 경희대 응용물리학과 김선경 교수 연구팀이 청색 LED 효율을 획기적으로 향상시키는 빈 공간이 규칙적으로 배열된 사파이어 기판 기술을 개발하였다고 밝혔다.
기존 LED 내 발생된 빛의 대부분은 반도체 표면에서 반사되어 실제로 밖에 나가는 양이 적었다. 이에 LED 효율을 높이기 위해 구조적인 해결책이 요구되고 있어 LED기업들이 마이크로미터 크기의 돌기 패턴이 있는 사파이어 기판으로 돌기에 의해 빛이 여러 방향으로 산란되어 반도체 밖으로 빠져나가는 확률을 높이는 전략을 취했다.
이에 연구팀은 이러한 돌기 안에 반도체와 물성 차이가 가장 큰 빈 공간을 인위적으로 넣어 빛을 더욱 효율적으로 뽑아낼 수 있도록 새로운 사파이어 기판을 만들었다.
새롭게 제시된 기판 구조는 공기와 반도체 물질 간의 굴절률 차이로 빛을 앞 방향으로 퍼뜨리는 성능이 우수하며, 반도체 LED 외에도 광효율 향상이 필요한 OLED, 태양전지, 광검출기 등 다양한 광학 반도체 분야에도 확대 적용 가능하다는 장점이 있다.
연구진은 해당 연구가 새로운 개념의 회절 기판을 개발하여 빛을 획기적으로 뽑아내는 돌파구를 만들었다는 점에서 학문적·산업적 의의를 가진고 밝혔다.
빈 공간이 들어 있는 사파이어 기판 제조에 대한 기술은 ㈜헥사솔루션으로 이전되었고, LED 전문기업인 ㈜세미콘라이트에서 청색 LED를 시험 제작하여 기존 돌기 패턴 사파이어 기판 위에 제작한 청색 LED에 비해 효율이 획기적으로 향상됨을 보고하였다.
이번 신기술 개발에 서울대 재료공학부 윤의준 교수 연구팀은 효율적인 사파이어 기판 구조와 제조공정 전반을 설계했으며, 경희대 응용물리학과 김선경 교수 연구팀은 규칙적으로 배열된 빈 공간이 강한 회절현상을 발생시킨다는 사실의 정량적 측정 및 관련 이론을 규명하였다.
서울대 재료공학부 윤의준 교수는 "새로운 기술의 핵심은 나노미터 두께의 비정질 산화알루미늄에 열처리를 함으로써 규칙적인 빈 공간을 만듦과 동시에 이를 결정화하여 사파이어로 전환하는 것"이라며 "이 기술이 많은 광학 반도체 분야로 확대되어 기존 LED 효율을 높일 수 있길 바란다"고 말했다.
경희대 응용물리학과 김선경 교수는 "이미 구조가 정해져 있는 청색 LED 구조에서 광효율을 향상시키는 것은 매우 어렵지만 LED 내부에 빈 공간을 인위적으로 포함시킬 수 있는 신기술로 회절현상을 극대화하여 이를 개선할 수 있었다"고 밝혔다.
한편, 해당 연구에는 서울대와 경희대 외 차세대융합기술연구원, ㈜헥사솔루션, ㈜세미콘라이트가 참여하였으며, 미래창조과학부와 한국연구재단의 신진연구자 지원사업, 산업통상자원부 산업핵심기술개발사업과 수요자연계형기술개발사업, 교육부 BK21 플러스사업 등의 지원으로 수행되었다. 연구 결과는 나노 과학기술 관련 권위지인 '나노 레터(Nano Letters)'에 4월 11일자로 온라인 게재되었다.
