우리나라 연구팀이 빈 공간이 규칙적으로 배열된 사파이어 기판 기술을 개발했다고 18일 밝혔다. 이 기술은 청색 LED 효율을 획기적으로 향상시킨다.
윤의준 서울대 재료공학부 교수 연구팀과 김선경 경희대 응용물리학과 교수 연구팀은 LED 조명의 핵심 소자인 청색 LED 효율을 높이는 기술을 개발해 LED 전문기업에 기술 이전했다.
윤 교수 연구팀은 사파이어 기판 구조와 제조공정 전반을 설계했다. 김 교수 연구팀은 규칙적으로 배열된 빈 공간이 강한 회절현상을 발생시킨다는 사실의 정량적 측정과 관련 이론을 밝혀냈다.
기존 LED 내 발생된 빛의 대부분은 반도체 표면에서 반사되면서 실제 빛을 밖으로 잘 뽑아내지 못해 LED 효율 향상에 걸림돌이 됐다. 이런 상황에서 빛을 많이 뽑아내기 위해 LED 업계는 마이크로미터 크기의 돌기 패턴이 있는 사파이어 기판을 사용했다. 돌기로 빛이 여러 방향으로 산란돼 반도체 밖으로 빠져나가는 확률을 높이는 전략이다.
이번에 개발된 기술은 돌기 안에 반도체와 물성 차이가 가장 큰 빈 공간을 인위적으로 넣어 빛을 효율적으로 뽑아낼 수 있도록 새로운 사파이어 기판을 만드는 방식이다. 빈 공간이 들어 있는 사파이어 기판 제조 기술은 헥사솔루션으로 이전됐다.
윤 교수는 “나노미터 두께의 비정질 산화알루미늄에 열처리를 해 규칙적인 빈 공간을 만듦과 동시에 이를 결정화해 사파이어로 전환하는 것”이라며 “이 기술이 많은 광학 반도체 분야로 확대돼 기존 LED 효율을 높일 수 있길 바란다”고 말했다.
김선경 교수는 “이미 구조가 정해져 있는 청색 LED 구조에서 광효율을 향상시키는 것은 매우 어렵지만 LED 내부에 빈 공간을 인위적으로 포함시킬 수 있는 신기술로 회절현상을 극대화해 이를 개선할 수 있었다”고 전했다.
새롭게 제시된 기판 구조는 공기와 반도체 물질 간 굴절률 차이로 빛을 앞 방향으로 퍼뜨리는 성능이 우수하다. 반도체 LED 외에도 광효율 향상이 필요한 OLED, 태양전지, 광검출기 등 다양한 광학 반도체 분야에도 적용 가능하다.
연구 결과는 나노 과학기술 전문지 `나노 레터(Nano Letters)`에 11일자로 온라인 게재됐다.
송혜영기자 hybrid@etnews.com
