국내연구팀이 그래핀을 이용해 LED 열熱을 잡는데 성공했다. '그래핀패터닝공정'을 활용해 사파이어 기판 위에 그래핀을 포함한 LED 소자 제작에 성공했다. 그래핀의 열전도율은 구리의 10배 이상으로 소자 내에서 발생하는 열을 골고루 방출, 분산시켜 반도체칩 온도를 낮춤으로써 안정성을 확보할 수 있다. 이렇게 개발된 기술을 통해 열발생이 많은 수평형 LED에서도 높은 전류 구동이 가능해 고출력 LED를 구현할 수 있게 됐다. LED 뿐 아니라 전기 자동차에 활용되는 전력 소자나 태양전지 등에도 적용 가능한 이 기술은 무엇보다 연구팀이 독자적으로 개발한 그래핀 패터닝 공정으로 대량 생산과 손쉽게 제조 가능해 머지않아 상용화가 이뤄질 것으로 기대된다.
LED소자 내에 발생하는 방열 문제를 획기적으로 개선한 새로운 연구가 성공을 거뒀다. 전북대학교 반도체과학기술학과 홍창희 교수팀이 세계 학계에서 가장 주목받고 있는 신소재인‘그래핀Graphene’을 적용해 세계 최초로 LED 소자 내에 발생하는 방열 문제를 획기적으로개선했다. 그동안 LED에서 사용한 사파이어 소재 기판은 열전도율이 낮은 특성으로 고출력으로 작동할 경우 발생되는 열을 제대로 방출하고 분산시키지 못해 반도체 칩이 망가지는 등 신뢰성 확보에 어려움이 많았다.
이에 홍 교수팀은 독자적인 방법인‘그래핀 패터닝 공정’을 이용해 기존 사파이어 기판 위에 그래핀을 내재시킨‘질화갈륨(GaN) 박막’을 만들어 이 위에 반도체 칩을 올렸다. 패터닝 공정이란 반도체 기판 위에 원하는 반복적 미세 무늬를 제작하는 것을 말한다.
그래핀은 여타의 금속(구리 등)에 비해 10배 이상 뛰어난 열전도율을 가지는 소재다. 따라서 그래핀을 입힌 기판은 발생하는 열을 골고루 방출하고 분산시켜 반도체칩의 온도를 획기적으로 낮춰 안정성을 확보하게 된다. 쉽게 말해 얇은 층 형태로 구성된 그래핀을 갈아 사파이어 기판 위에 스프레이 방식으로 분사시켜 열전도율이 높은 기판을 만들어낸 것. 이렇게 개발된 기술을 통해 열 발생이 많은 수평형 LED에서도 높은 전류 구동이 가능해 고출력 LED를 구현할 수 있다. 이 기술은 LED 뿐 아니라 전기 자동차에 활용되는 전력 소자나 태양전지, 유기 발광소자(OLED), LED TV 등 가전제품의 다양한 분야에 활용할 것으로 기대되고 있다.
쉽고 대량 생산 가능한 그래핀패터닝 공정
홍 교수팀이 독자적으로 개발한‘그래핀을 사파이어 기판에 스프레이로 분사시키는 방식’은 기판의 크기 및 형태에 국한되지 않아 곧바로 대량 생산이 가능하고, 고온 열처리를 통해 쉽게 제작이 가능해 빠른 시일 내에 상용화할 것으로 전망된다. 이 기술은 현재 국내 특허 출원이 완료됐고, 미국 등 해외 특허 출원도 진행 중에 있다.
홍창희 교수는“이번 연구는 꿈의 신소재로 세계 학계의 주목을 받고 있는 그래핀을 광소자에 적용한 세계 첫 번째 사례로 큰 의미가 있다”며“빠른 시일 내에 이 연구 성과가 상용화될 수 있도록 노력 하겠다”고 말했다. 한국 연구재단의 기초과학연구(BRL) 및 중점연 구소 프로그램 지원으로 이뤄진 이 연구는 ‘Improved heat dissipation in gallium nitride light-emitting diodes with embedded graphene oxide pattern(그래핀 산화물 패턴을 내재시킨 질화갈륨 LED의 열방출 개선 연구)’라는 제목으로 세계 최고 저널 네이처 자매지인 ≪네이처 커뮤니케이션즈Nature Communications≫ 최근호에 게재됐다.
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그래핀은 영국 맨체스터대학교의 안드레이 가임교수와 연구원 콘스탄틴 노보셀로프 박사가 세계 최초로 분리해 2010년 노벨물리학상을 받은 신소재다. 두께 0.7나노미터(100억분의 7m), 강도는 강철의 100배, 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체 실리콘보다 100배 이상 빠르게 전자를 이동시킬 수 있어 꿈의 신소재로 세계 학계의 가장 큰 주목을 받고 있다.
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