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고려대 김태근 교수팀, 고효율 자외선 LED 개발 다양한 광·전자 소자에 효율 샹상 기대 국내 연구진이 유리투명전극을 이용해 고효율 자외선 발광다이오드(LED)를 개발했다. 고려대학교 공과대학 전기전자공학부 김태근 교수팀은 전기가 흐르지 않는 부도체인 유리에 전류를 균일하게 흐르게 할 수 있는 유리투명전극을 적용하여 고효율 자외선 발광 다이오드(LED)를 개발했다고 밝혔다.
김태군 교수
AlN/ITO 유리투명전극 이용전기·광학적 특성 우수 자외선 광원은 정수, 살균, 위폐 감지, 의료기기 등 다양한 분야에 사용된다. 하지만 기존의 자외선램프는 수명이 짧을 뿐만 아니라, 카드뮴, 수은 등 유해물질 문제로 효율성이 떨어져 친환경적이고 효율이 높은자외선 LED 개발이 필요했다. 이에 연구팀은 질화알루미늄/인듐주석산화물(AlN/ITO)로 구성된 유리투명전극을 이용하여 자외선 영역에서 투과율이 높고, 우수한 전기적 특성을 확보함으로써 고효율의 자외선 LED 개발에 성공했다. AlN/ITO 전극을 적용한 365nm LED의 경우, 동일 파장에서 최적화된 ITO를 적용한 LED에 비해 동작전압이 0.2볼트 감소했고, 광 출력이 8.6% 향상된 결과를 보였다. 이는 개발된 AlN/ITO 투명전극이 기존의 ITO보다 전기·광학적으로 특성이 우수함을 의미한다. 김태근 교수는 “이 연구는 AlN/ITO으로 구성된 유리투명전극을 이용하여 근자외선 LED의 효율을 향상시킨 결과다. 앞으로 1~2년 내에는 심자외선 LED, 마이크로 LED, 유기 LED, 태양전지 등 다양한 광·전 소자에 적용되어 효율향상에 기여할 것으로 기대된다”고 연구 의의를 밝혔다.
[그림 1] 질화알루미늄/인듐 주석 산화물(AlN/ITO)로 구성된 유리 투명전극을 이용한 LED 모식도 (왼쪽) 사파이어 기판 위에 성장된 알루미늄 질화갈륨(AlGaN) 기반의 수평형 LED 구조 및 ITO와 Cr/Ni을 통해 인가된 전압에 의해 완성된 소자의 모식도. (오른쪽) 인가된 전압에 의해 유리투명전극 내부에 전도성 채널이 형성되고, 그를 통해 전류가 주입·분산되는 과정을 보여준다.
[그림 2] 제안된 질화알루미늄/인듐 주석 산화물(AlN/ITO)로 형성된 유리투명전극과 레퍼런스 투명전극이 적용된 소자특성 비교(a) 36nm 중심 파장을 갖는 p-Al0.1GaN terminated LED 웨이퍼에 AlN/ITO(10/20nm) 투명전극과 레퍼런스 ITO 투명전극(100, 10nm)을 적용한 UV LED의 광출력 파워-전류-전압 그래프 (b) 파장에 따른 전계 발광 그래프 및 전류에 따른 발광 이미지를 통해 전도성 채널을 가지는 AlN/ITO 투명전극의 경우, 기존 ITO 투명전극이 적용된 UV LED와 비교해 균일한 전류 주입과 효과적인 전류분산으로 발광 세기가 증가함을 보여준다.
이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단 기초연구사업(개인연구)의 지원으로 수행됐고, 재료공학·화학분야의 국제적 학술지인 에이씨에스 어플라이드 머티리얼즈 & 인터페이스(ACS Applied Materials &Interfaces)지에 지난해 12월 28일 게재됐다. 논문명은 Glass-Based Transparent Conductive Electrode: Its Application to Visible-to-Ultraviolet Light-Emitting Diodes 저자정보 김태근(교신저자, 고려대학교 전기전자공학부), 이태호(제1저자, 고려대학교 전기전자공학과), 김경헌, 이병룡, 박주현, 에드만 프레드 슈베르트(렌셀러 폴리테크닉대학교)
<용어설명> 1. 에이씨에스 어플라이드 머티리얼스 & 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces) : 미국에서 발행되는 재료공학(공학), 화학(자연과학) 분야의 국제 저명 학술지로, 2015/2016년 JCR 기준 영향지수(impact factor)는 7.145이다. 2. 유리투명전극(Glass-based Transparent Conductive Electrode, Glass-Electrode) : 높은 투과도 특성을 나타내는 유리와 같은 산화물, 질화물 기반의 부도체물질에 전도성 채널을 형성시켜 줌으로써, 부도체이지만 전기적인 특성을 가지고 있는 투명전극이다. 일반적으로 투명전극은 높은 빛 투과율(85% 이상)과 높은 전기전도성(1000 S/cm 이상)을 가져야 하며, 인듐주석산화물전극(IT O)이 그 대표적인 물질이다. 하지만 기존 투명전극은 투과도와 전도도 측면에서 한 가지 특성이 좋아지면, 다른 특성이 나빠지는 ‘전도도와 투과도의 trade-off 관계’에 제한되어 있어 자외선 (ultraviolet)영역, 투명한 전기소자로의 적용이 극히 제한되어 왔다. 반면 유리투명전극은 모든 빛 영역에 대해서도 높은 투과도 특성을 가지고 있는 동시에, 전도성 채널 개념의 전기적인 특성을 보여주고 있기 때문에 투명전극의 활용도를 극대화 할 수 있다. 3. 자외선 발광다이오드(Ultraviolet Light-Emitting-Diodes, UV-LED) : 자외선 발광다이오드란 자외선을 방출하는 LED로 기존 UV 수은 램프에 비해 효율이 좋고 수명이 길며, 친환경이 특징이다. LED란 반도체의 p-n 접합 구조를 이용하여 소수캐리어(전자 또는 정공)를 주입하고, 이들의 재결합에 의하여 발광시키는 것을 의미한다. LED는 아래 위에 전극을 붙인 전도물질에 전류가 통과하면서 전자와 정공 입자가 이 두 전극 중앙에서 결합해 광자(빛)를 발산하는 구조로 이루어져 있는데, 발산되는 빛의 색깔은 물질의 특성에 따라 달라진다. 그 중 자외선은 파장에 따라 일반적으로 UV-A(315~400nm)는 경화, 위폐감별, 살균 등에 사용한다. 또한, UV-B(280~315nm)는 의료용 기기, UV-C(200~280nm)는 정화, 정수, 살균 등에 활용된다. 4. 질화알루미늄 : 금속 알루미늄의 질화물로 큰 밴드갭(6.05 e V)를 가져 자외선 광전 소자에 잠재적인 응용 물질로 알려져 있다. 5. 인듐주석산화물 : 산화 인듐과 산화주석의 혼합물로 얇은 박막은 높은 전기 전도도와 광학적 투명성을 동시에 지녀 일반적인 투명전극으로 많이 쓰이고 있다. <Energy News>
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