형광체 없이 반도체칩 하나로 백색 LED 만든다

KAIST 조용훈 교수 "미래 무형광체 백색광원 방향성 제시"

형광체를 사용하지 않은 마이크로 크기의 끝이 잘린 피라미드 형태의 복합 구조체에서 전류 주입으로 백색광을 내는 개념도. 각 작은 국소 결정면에서 다른 색상의 빛이 발광되면서 전체적으로 백색광을 낸다. <<KAIST 제공>>

형광체를 사용하지 않은 마이크로 크기의 끝이 잘린 피라미드 형태의 전자현미경사진과 백색광의 전계발광 스펙트럼. 안쪽 사진은 실제 백색광을 발광하는 LED를 찍은 것이다. <<KAIST 제공>>

한국과학기술원(KAIST) 물리학과 조용훈 교수

KAIST 조용훈 교수 "미래 무형광체 백색광원 방향성 제시"

(대전=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 형광체를 사용하지 않고 특수한 구조의 3차원 반도체 하나로 백색광을 내는 LED(발광다이오드)를 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 23일 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 청색 LED에 황색 형광체를 사용하거나 여러 색의 LED를 병렬 조합하는 기존 백색 LED와 달리 꼭대기 부분을 잘라낸 피라미드 구조의 마이크로 복합 구조 반도체칩으로 백색광을 내는 LED를 개발했다고 밝혔다.

백색 LED는 대부분 청색 LED에 황색 형광체를 사용하거나 여러 색의 LED칩을 병렬 조합해서 만든다.

그러나 청색이나 자외선을 흡수해 녹색, 황색, 적색 등 형광을 방출하는 희토류 물질인 형광체는 수입의존도가 높고 낮은 연색성, 변색 등 문제가 있으며, 여러 색의 LED 칩을 병렬 조합하는 방식은 단가가 높아지는 단점이 있다.

연구진은 마이크로 크기의 삼차원 반도체를 동심원 모양으로 꼭대기 부분을 잘라낸 피라미드 구조가 되도록 설계, 삼차원 구조체 내 변화에 따라 여러 색을 낼 수 있도록 해 기존 방식 LED의 문제점을 해결했다.

이 마이크로 크기 삼차원 구조체는 면마다 LED 소자에서 빛을 내는 핵심 구조인 양자우물이 다르게 형성돼 각 면에서 다른 색의 빛을 낼 수 있다. 여러 LED 색을 조합할 필요 없이 이 삼차원 구조 반도체 칩 하나로 다양한 색을 혼합할 수 있게 된 것이다.

연구진은 삼차원 구조체를 만드는 시간과 조건을 조절해 각 결정면의 면적을 변화시키면 다양하게 혼합된 색의 LED를 제작할 수 있다고 설명했다.

연구진은 각 결정면의 면적을 조절해 하나의 LED 칩으로 무형광체 백색 LED를 만들었으며 이 LED는 전류를 변화시켜도 색이 거의 변하지 않는 것으로 확인됐다.

조 교수는 이 연구는 무형광체 백색 LED의 초기 단계로 미래의 무형광체 백색광원의 방향성을 제시한 것이라며 "앞으로 3차원 반도체 공정개발을 통해 효율을 개선하면 값싸고 색 재현성이 좋은 무형광체 단일칩 백색광원으로 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

한국연구재단 중견연구자 지원사업과 KAIST 기후변화연구 허브사업 지원으로 수행된 이 연구는 국제저널 '빛 : 과학과 응용'(Light : Science & Applications, 2월 12일자) 온라인판에 게재됐다.

scitech@yna.co.kr

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