한국과학기술원(KAIST) 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 형광체를 사용하지 않은 백색 LED 제조 기술을 개발했다. 이 기술은 차세대 조명 및 디스플레이 기술 발전에 기여할 것으로 기대된다.

이번 연구 결과는 네이처가 발행하는 학술지 ‘빛 : 과학과 응용(Light : Science & Applications)’ 온라인 판에 게재됐고, 그 중요성을 인정받아 인쇄본의 표지 논문으로 선정됐다.

현재 대부분의 백색 LED는 청색 LED에 황색 형광체를 사용하거나 여러 색의 LED 칩을 병렬 조합해서 만드는 방식이다. 그러나 황색 형광체는 희토류물질로 수입의존도가 높고, 낮은 연색성과 변색 등의 문제점을 갖고 있다. 또 여러 색의 LED 칩을 병렬 조합하는 방식은 단가가 매우 높아진다는 단점이 있다.

연구팀은 문제 해결을 위해 형광체를 사용하지 않고 하나의 반도체 칩으로 백색 LED를 제작하기 위한 방법을 고안했다. 동심원 모양으로 꼭대기 부분을 잘라낸 피라미드 구조가 제작되도록 마이크로 복합 구조체를 설계한 것이다.

이 마이크로 크기 삼차원 구조체는 각 면마다 다른 조건의 양자우물이 형성돼 각 면에서 다른 색의 빛을 낼 수 있다. 결국 기존의 여러 LED 색을 조합할 필요 없이 한 구조체에서도 다양한 색을 혼합할 수 있게 된다. 삼차원 구조체를 만드는 시간과 조건을 조절해 각 결정면의 면적을 변화시킴으로써 다양하게 혼합된 색의 LED 제작이 가능하다.

연구팀은 각 결정면의 면적을 조절해 하나의 LED 칩으로 무형광체 백색 LED를 시연했다. 또한 LED에 인가하는 전류를 변화시켜도 색이 거의 변하지 않았다. 이는 무형광체 백색 LED의 초기단계로 미래의 무형광체 백색광원의 방향성을 제시했다는 의의를 갖는다.

이 밖에도 연구팀은 고배율 대물렌즈를 사용해 3차원 구조체 내부에서 전류주입의 정도를 측정하는 방법을 소개했다. 이를 통해 전류를 효율적으로 주입시키는 방안을 개발한다면 LED 소자의 효율과 색재현성을 조절할 수 있을 것으로 전망했다.

조용훈 교수는 “향후 3차원 반도체 공정개발을 통해 효율이 개선된다면 형광체 없이도 값 싸고 색 재현성이 좋은 단일 칩 백색 광원으로 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

한편 임승혁 박사과정 학생이 1저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 KAIST 기후변화연구 허브사업의 지원을 받아 수행됐다.