▲ 방준혁 기초지원(연) 선임연구원.

국내 연구진이 LED의 발광효율을 저하시키는 새로운 원인을 규명함에 따라, 향후 LED 성능 향상을 위한 새로운 연구기반이 마련될 전망이다.

한국기초과학지원연구원(원장 이광식, 이하 기초지원연)은 지난26일 연구장비개발사업단 스핀공학물리연구팀 방준혁 박사는 공주대학교 송정훈 교수, 미국 렌셀러 폴리테크닉 대학교의 생바이 장(Shengbai Zhang) 교수와의 공동연구를 통해, 청·백색 LED 발광 효율 저하에 대한 새로운 원인을 규명했다고 밝혔다.

방준혁 박사와 공동연구팀은 청·백색 LED 물질로 사용되는 질화갈륨(GaN) 반도체 물질 내 새로운 ‘비발광 재결합’ 과정을 발견했으며, 이로 인해 LED 발광 효율이 저하되는 것을 밝혀냈다.

LED가 작동하기 위해서는 반도체 내에 주입된 전자와 정공이 만나 결합하며 이 에너지만큼을 빛이나 열로 방출한다. 이때 빛을 방출하며 재결합하면 ‘발광재결합’ 빛 방출없이 다른 에너지로 방출하며 재결합하면 ‘비발광 재결합’이라 부른다.

LED는 에너지의 15% 정도만을 빛으로 전환하고, 나머지 85%는 열 발생으로 손실된다. LED 자체는 냉광소자이지만, 사용된 칩의 결정결함으로 인하여 발열현상이 나타나는 것으로 알려져 있다.

이러한 ‘비발광 재결합’의 주된 요인으로 알려진 오제(Auger) 재결합, 전자 넘침 (carrier overflow) 등을 줄이기 위해 질화갈륨(GaN) 반도체 막질 특성을 향상시키거나 소자 설계를 수정하는 방향으로 연구가 진행되어 왔다.

질화갈륨(GaN) 반도체 LED 연구의 주된 방향은 효율, 즉, 주입된 전류 대비 나오는 빛의 양을 향상시키는 것으로, 주로 효율을 저하시키는 원인들을 제거하거나 최대한 줄임으로서 효율을 향상시켜왔다.

본 연구에서는, 정상적인 상태에서 인듐(In)과 결합되어 있던 질소(N)가, 주입된 전자의 영향으로 인듐과의 결합을 끊으며 결함을 생성시키고, 전자와 정공은 새로 생성된 결함을 매개로 비발광 재결합을 일으켜 에너지 손실이 발생할 수 있음을 밝혔다.

이번 연구로 질화갈륨(GaN) 반도체 LED 소자 성능 향상을 위한 새로운 가능성이 열리게 되었다.

새로 발견된 비발광 재결합 과정은 다른 물질에서도 발생될 수 있는 일반적인 현상으로 앞으로 다른 광전소자 물질 내 비발광 재결합 과정에 대한 추가 연구를 통해 광전소자의 성능을 향상시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다.

기초지원(연) 방준혁 박사는 “청·백색 LED 성능향상 연구 개발에 있어 새로운 영역을 개척한 것에 비유할 수 있다”라며, “발광 효율을 저하시키는 새로운 이론적 모델을 발견하여 더욱 향상된 공정 개발의 기반을 마련하여 LED 성능 향상에 기여할 것으로 기대된다”라고 밝혔다.

한편, 본 연구결과는 사이언티픽 리포츠(Scientific reports)’ 온라인판에 14일 게재되었다.