유리투명 전극기술, 고효율 LED 구현 성공

[산업일보]
고효율 조명용 광원뿐 아니라 2017년 3억 달러 규모 시장이 될 것으로 예상되는 자외선 LED 소자 효율향상을 둘러싼 기술적 돌파구를 찾았다.

국내 연구진이 유리와 같은 부도체에 전류를 흐르게하는 유리투명전극 기술을 이를 조명용 발광다이오드(LED)에 적용하는데 성공했다. 향후 차세대 조명 및 디스플레이용 광원의 효율 향상에 기술적 돌파구를 제공할 것으로 기대된다.

고려대 전기전자공학부 김태근 교수가 주도하고 김수진 박사과정연구원(제 1저자) 등이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 중견연구자지원사업(도약) 등의 지원으로 수행됐고, 연구결과는 네이처 자매지 사이언티픽 리포트지(Scientific Reports)에 게재됐다.

전극을 위아래로 배치한 대면적 수직형 LED의 효율향상을 위해서는 효과적인 전류의 주입과 분산이 관건인데 금속전극과 반도체(n형 질화물 반도체, n-GaN)가 직접 접촉하는 기존 전류주입 방식은 대면적화할 경우 소자의 발광특성이 떨어지는 단점이 있었다.

이를 해결하기 위해 반도체와 금속패드사이에 산화인듐전극(ITO)나 그래핀과 같은 전도성 투명물질을 삽입해 효과적인 전류분산을 시도했지만 투명물질에 의한 광흡수와 전기적 특성저하로 큰 성과를 거두지 못했다.

연구팀은 가시영역에서 98%의 투과도를 갖는 질화규소(SiNx) 박막을 수직형 LED의 질화물 반도체 표면에 증착하고 외부전압을 주어 전도성 채널을 형성하는 방식으로 고효율 LED를 구현했고, 금속 전극을 사용한 종래의 수직형 LED보다 우수한 특성을 구현했다.

유리 투명전극을 적용한 경우 금속전극을 사용한 LED에 비해 동작전압이 감소(0.5볼트) 했고 같은 전류(1 암페어)를 흘려주었을 때 광출력이 9% 향상됐다. 누설전류 등 신뢰성 테스트에서도 매우 양호하게 나타났다.

전도성 채널이 전극에서 반도체로 전류를 효과적으로 주입하고 분산시키는 역할을 하기 때문이다. 뿐만 아니라 얇은 박막이 전류를 효과적으로 분산시켜 비교적 균일한 발광특성을 나타낸다는 설명이다.

김 교수는“최근 개발된 유리 투명전극을 실제 소자에 적용해 그 우수성을 입증한 첫 사례로, 향후 질화물 반도체 LED 뿐만 아니라 유기발광다이오드, 태양전지 등 다양한 형태의 광전소자의 효율향상에 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.