광주과학기술원(GIST·원장 선우중호) 부설 발광다이오드(LED) 연구센터(센터장 박성주)는 지난 2006년 5월 삼성LED(옛 삼성전기)와 공동으로 설립한 LED 전문 연구소다. 산학 협동으로 세계 최고 수준의 고효율·고성능 LED 연구개발(R&D)에 주력한다.
센터는 공식 설립 이전인 지난 2003년부터 실질적인 산학 협력으로 LED를 연구해 왔다. LED R&D 분야에서는 비교적 선두 연구그룹에 속한다.
일찌감치 LED가 기존 조명을 대체할 것으로 예상해 온 센터는 정부가 최근 LED를 저탄소 녹색성장 산업으로 집중 투자하고 있어 고무적인 분위기다.
LED 연구는 이미 전 세계적으로 활발하게 이뤄져왔다. 특히 미국·일본·유럽 등 해외 선진국이 LED 특허와 시장을 선점해 국내 기업들의 시장 진입에는 많은 어려움이 따르는 상황이다.
센터는 철저한 산학 협동을 기반으로 신개념 고효율 LED를 개발해 원천 특허를 확보함으로써 해외 선두그룹과 특허분쟁으로 빚어지는 불필요한 손실을 줄이는 데 초점을 맞췄다. 아울러 국내외를 대표하는 고효율 LED 개발을 주도하는 핵심연구 기관으로 성장하는 것을 최종 목표로 삼고 있다.
LED의 효율은 기존의 광원들보다 우위를 점했지만 가격이 비싼 게 흠이다. 기존 조명제품에 비해 시장 경쟁력이 떨어진다. 이를 해소하기 위해 연구센터는 LED 효율 향상으로 효율 대비 가격을 낮추는 게 시급하다고 판단하고 이 부문 연구에 주력하고 있다. 전 세계적으로 LED 효율을 높이기 위한 연구가 활발하게 이뤄지고 있는 것도 같은 맥락에서다.
센터는 나노 크기의 은(Ag)의 표면에 있는 플라즈몬(plasmon)을 이용한 LED 연구로 효율을 높이는 연구 성과를 거뒀다. 금속에 존재하는 자유전자의 집단진동에 따라 형성되는 준입자(Quasi-particle)인 표면 플라즈몬과 LED 활성층 간의 상호결합으로 LED 내부에 존재하는 운반자들의 재결합 속도를 향상시키고, 내부양자효율을 극대화할 수 있는 기술이다. 금속 나노입자를 LED 활성층 가까이에 삽입함으로써 LED 광효율을 30% 이상 향상시키는 LED 내부양자 효율 및 광출력 연구 결과를 세계 최초로 해외저널과 학회에 보고했다. 또 원천 특허를 확보해 삼성LED에 기술 이전하기 위한 공동연구를 진행하고 있다.
센터는 또 광결정을 이용한 LED 연구에도 박차를 가했다. 주기적인 굴절률 차이를 이용한 광결정을 제작, 광 밴드갭을 형성하고 LED 내부에 갇히는 빛의 모드를 밖으로 방출할 수 있도록 변경해 LED 광 추출효율을 극대화하는 연구다.
광결정 연구는 지금까지 많이 진행돼 왔다. 하지만 광결정 형성을 위한 공정 중 발생하는 p형 질화갈륨 층 손상에 따른 전기적 특성 저하 등의 문제를 해결하는 게 과제였다. 센터는 LED 질화갈륨층 내부에 삽입된 광결정 구조나 전류확산층에 형성한 광결정의 연구 등 많은 성과를 거둬 역시 해외저널 및 학회에 발표했다.
이 밖에 금속 마스크를 이용한 고품위 질화갈륨 성장 기술, 산화아연층을 이용한 LED 전기적 특성 개선, 삼각형 LED, 나방의 눈(moth-eye) 구조를 이용한 LED 광추출 효율 개선 등 연구를 진행하고 있다. 나노 실리콘 LED에도 표면 플라즈몬 기술을 적용해 기존의 나노 실리콘 LED보다 4배 이상의 획기적인 양자효율 향상기술도 개발했다. 이러한 기술은 LED 광 효율을 향상시킬 수 있는 새로운 원천 핵심기술이다. 국내 LED 산업이 국제 경쟁력을 확보할 수 있는 데 크게 기여할 것으로 평가받았다.
연구센터는 오는 10월 제주도에서 세계 최대 규모의 국제질화물반도체심포지엄(ICNS-8)을 개최할 예정이다. 이를 성공적으로 치러 국내 대학과 연구소, 기업들의 LED 기술 수준이 한 단계 더 도약하는 계기를 마련할 방침이다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.co.kr