[국내①] 나노 피라미드 반도체에서 복합 에너지 구조 형성, 형광체 없는 단일 칩 다중 파장 LED 개발 길 열어

KAIST 물리학과 조용훈 교수팀이 나노미터 크기의 육각 피라미드구조를 적용한 LED 소자에서 다양한 색깔의 빛을 낼 수 있는 현상을 규명했다. 이 현상을 이용하면 형광체를 사용하지 않는 단일칩백색 LED와 함께 신개념의 나노광원을 개발하는 데 응용할 수 있을 것으로 보인다.

전류 구동에 의해 발광하는 나노 피라미드 LED 개념도와 LED 발광 사진(上).
나노 피라미드의 위치에 따라 서로 다른 차원을 갖는 양자 구조에서
다른 파장의 빛이 방출됨을보이는 고해상도발광이미지(下).

연구자 사진과 복합 양자 구조를 가진 나노 피라미드 LED가 전류 구동으로
발광되는 개념도(《Advanced Materials》표지 논문 그림).

빛의 혁명을 주도하는 LED(발광다이오드)는 반도체에 전류를 흘려주면 빛을 내는 성질을 이용한 반도체 발광 소자로 조명, TV, 각종 표시 장치 등에 널리 쓰인다. 일반적으로 조명에 주로 사용하는 백색 LED는 청색 LED 칩 위에 노란색 형광체를 도포하거나, 복잡한 회로를 이용해 여러 개의 LED칩을 동시에 구동해야 백색 빛을 낼 수 있다.
KAIST 물리학과 조용훈 교수 연구팀은 반도체에 매우 작은 육각 피라미드 구조를 만들고 LED 소자를 구현해 전류를 흘려주면, 육각 피라미드의 면, 모서리, 꼭짓점에서 각각 다른 에너지 크기를 갖는 복합 구조가 형성되는 현상을 발견했다. 위치에 따른 에너지 차이로 말미암아 피라미드의 면, 모서리, 꼭짓점에서 각각 청록색, 노란색, 주황색 빛이 발생했는데, 이러한 특성은 백색 LED뿐만 아니라 다양한 빛을 낼 수 있는 가능성을 보여준 것이다.
따라서 LED에 나노 피라미드 구조를 적용하면, 일반적인 넓은 파장 대역을 갖는 발광이 전류 구동만을 통해서도 가능해지기에 형광체를 사용하지 않으면서도 단일 LED 칩에서 다양한 색상의 빛을 내는 새로운 개념의 발광 소자를 개발할 수 있을 것으로 보인다. 또한, 기존 LED는 다양한 색을 내기 위해 형광체를 칩 위에 도포하는 구조적 특성으로 말미암아 빛의 에너지 효율에 제약이 따랐으나, 형광체가 필요 없는 나노 피라미드 구조는 이러한 단점을 극복해 더욱 밝은 빛을 낼 것으로 보인다.
조용훈 교수는 "나노미터 크기의 피라미드 반도체 안에서 위치에 따라 서로 다른 에너지를 갖는 흥미로운 현상을 이용하면, 형광체를 사용하지 않는 단일 칩 백색 LED와 함께 신개념 나노 광원을 개발하는 데 응용할 수 있을 것이다"라고 말했다. 연구결과는 재료 분야 세계적 학술지인《어드밴스드 머티리얼즈Advanced Materials》12월호 표지 논문으로 선정됐다. KAIST 물리학과의 고영호(1저자)와 김제형(2저자) 박사 과정 학생이 주도적으로 참여한 이 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 WCU(세계수준의 연구중심대학) 육성 사업 등의 지원을 받아 수행했다.