▲ CuI를 p-형 접합으로 사용한 p-CuI/n-AlGaN UV LED 동작 사진

국내 연구진이 일본이 독점하고 있는 청색광 LED를 새로운 소재를 사용해 개발하는데 성공했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 차세대반도체연구소 송진동 책임연구원, 장준연 소장팀은 (주)페타룩스 안도열 대표(서울시립대학교 석좌교수)와의 공동연구를 통해 기존의 청색광 LED 반도체에 사용했던 질화갈륨을 대체 할 수 있는 새로운 화합물 반도체 기술개발에 성공했다고 8일 밝혔다.

반도체를 이용한 LED는 백색광 구현을 위해 적·녹·청색의 LED가 필요하다. 이중 가장 늦게 개발된 청색광 LED는 1990년대 일본의 과학자들에 의해 질화갈륨(GaN)을 고품질로 만드는 기법을 개발, 상용화에 성공했다. 지난 2014년에는 청색광 발광소자(LED) 발명자인 일본 과학자 3명이 노벨 물리학상의 영예를 안은바 있다.

GaN는 청색광 반도체를 최초로 실현한 소재로 스마트폰, 디스플레이, 전자제품 및 고주파장치에 핵심소재로 널리 사용되고 있으며 초고속 통신용소자, 자동차용 전력반도체 등으로 활용 범위가 급속도로 확대되고 있다. 그러나 10여년전부터 대면적 성장 및 Si과 결합하려는 시도중에 물질 고유 특성에서 오는 단점이 부각돼 왔다.

이에 공동연구진은 GaN 단점을 극복할 수 있는 새로운 물질을 계산을 통해 찾아왔고 지난 2016년 경 구리할로겐 물질을 발견한데 이어 구리(Cu)와 요오드(I)를 합성한 요오드화 구리(CuI) 1-7족 화합물 반도체를 소재로 사용하여 고효율로 청색광을 발광하는 소자 기술을 세계최초로 개발하는데 성공했다. 그간 원소주기율표에 1-7족 물질들은 강한 전기적 상호작용으로 인해 원자간 결합강도가 높아 반도체로 사용하기 어렵다는 것이 학계에 정설이었으나 연구진은 단결정 박막 성장법을 찾아내 극복한 것이다.

연구진이 개발한 요오드화 구리(CuI) 반도체는 저렴한 실리콘(Si) 기판에 적은 결함으로 성장이 가능하여 현재 상용화 되어 있는 대면적 실리콘 기판(300mm)을 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있다. 또한 CuI 박막 성장온도가 실리콘 기반 CMOS소자 공정에 사용되는 온도(300도 이하)와 유사해 열화없이 CuI 박막을 증착, 저렴하고 손쉬운 실리콘 반도체 공정에 적용이 가능하다.

공동연구진은 CuI 반도체가 질화갈륨기반 소자에 비해 10배 이상 강한 청색광 밝기 및 향상된 광전효율 특성과 장기적 소자 안정성을 가진다는 것을 확인했다. 이번 연구결과는 고품질 구리할로겐계 단결정 CuI를 실리콘 기판 상에 성장, 고효율의 청색 발광을 구현해 세계 최초로 구리할로겐계 화합물을 이용한 새로운 반도체 소재 기술을 실증했다는 것에 큰 의의가 있다. 공동 연구진은 그간의 연구를 통해 새로운 CuI 반도체 재료의 원천기술을 이미 보유하고 있다.

공동연구진은 이번 연구결과가 상용화로 이어지기 위해선 CuI 박막의 고품질화, 대량생산을 위한 공정 최적화 및 관련 장비 개발 등 아직 해결해야 할 일이 많지만 GaN보다 특성이 우수하기 때문에 집중적으로 인력과 연구비를 투입하면 조기에 상용화가 가능할 것으로 예상했다.

KIST 장준연 소장은 “기존의 LED에 비해 많은 장점을 가지므로 일본이 독점하고 있는 질화갈륨을 대체하는 새로운 발광반도체용 소재로 큰 기대를 모을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

페타룩스 안도열 대표는 “2016년 구리할로겐계 반도체의 우수성에 대한 이론적 예측을 최초로 보고하고 원천기술을 보유하고 있으며 이번 연구성과가 새로운 청색 및 자외선 광원으로 상업적 생산이 가능할 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업인 차세대반도체연구소 플래그십 과제로 진행되었으며, ㈜페타룩스는 연구개발비를 투자해 공동연구를 수행했다. 연구결과는 네이처 자매지인 ‘Scientific Reports’ 최신호에 온라인 게재됐다.