고려대 김태근 교수팀, 고효율 자외선 LED 개발

신일영 기자
입력 2017.03.01 00:00

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 이용

전기·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.