KIST, 질화갈륨 대체할 청색 LED 소자 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 한국과학기술연구원(KIST)이 기존 질화갈륨 반도체를 대체할 수 있는 새로운 소재의 청색 LED를 개발했다고 발표했다.

8일 KIST 차세대반도체연구소 송진동 책임연구원, 장준연 소장팀은 페타룩스 안도열 대표(서울시립대 석좌교수)와 공동으로 기존의 청색광 LED 반도체에 사용했던 질화갈륨을 대체할 수 있는 새로운 화합물 반도체 기술개발에 성공했다고 밝혔다.

연구진은 구리(Cu)와 요오드(I)를 합성한 요오드화 구리를 소재로 청색빛을 내는 소자를 만들었다. 연구진은 이 기술이 기존의 실리콘 반도체 공정에 그대로 적용가능하며, 기존의 질화갈륨기반 소자에 비해 10배 이상 강한 청색광 밝기, 향상된 광전효율 특성, 장기적 소자 안정성을 가진다는 것을 확인했다고 밝혔다.

질화갈륨 기반 청색 발광소자(블루 LED)의 발명은 2014년 일본 과학자 3명에게 노벨 물리학상을 가져다 준 기술이다. 빛을 완전히 구현하기 위해서는 적·녹·청 소자가 모두 필요하지만 적·녹과 달리 청색 LED의 구현은 오랫동안 꿈의 기술이었다. 전자업계의 숙원과도 같았던 풀컬러 LED의 구현은 1990년대 일본이 질화갈륨(GaN)을 소재로 한 청색 LED를 개발함으로써 실현돼, 이후 전자산업의 LED시대를 열었다.

연구진이 개발한 요오드화 구리(CuI) 반도체는 현재 상용화 되어 있는 대면적 실리콘 기판(300mm)을 그대로 사용할 수 있는 것이 장점이다. 실리콘 기반 CMOS소자 공정과 유사한 온도(300도 이하)에서 열화없이 박막을 성장시킬 수 있다.

연구진은 2016년 이론적으로 구리할로겐 화합물의 높은 광결합 특성을 예측한 연구결과를 발표했지만 그동안 단결정 박막성장을 실제로 구현하지 못해 이를 입증하지 못했다. 이번에 실리콘 및 사파이어 기판위에서 요오드화 구리의 단결정 성장이 가능한 방법을 발견, 이를 통해 LED소자를 제작, 자외선(청색)영역을 발광시키는 데 성공한 것이다.

연구진은 이번 연구가 세계 최초로 구리할로겐계 화합물을 실리콘 기판 위에 성장, 고효율의 청색 발광을 구현해 냈다는 데 큰 의의가 있다고 밝혔다. 원소주기율표 상의 1족 금속(구리, 금, 은 등)과 7족 할로겐 물질(불소, 염소, 브롬, 요오드등)을 결합한 1-7족 물질들은 반도체로 사용하기 어렵다는 것이 학계에 정설이었다.

연구진은 그 동안의 연구를 통해 요오드화 구리(CuI) 반도체 재료의 원천기술을 보유하고 있으며 미국을 비롯한 국내외 10여편의 특허를 확보하고 있다. 이번 연구로 질화갈륨 소재의 대체 가능성이 확인됨에 따라 상업용 수준으로 끌어올리기 위한 고품질화, 공정 최적화, 관련 장비 개발 등 후속 연구를 추진할 계획이다.

안도현 페타룩스 대표는 “2016년 구리할로겐계 반도체의 우수성에 대한 이론적 예측을 최초로 보고하고 원천기술을 확보한 데 이어 이번 연구성과를 바탕으로 새로운 청색 및 자외선 광원의 상업적 생산이 가능할 것"으로 기대했다

장준연 소장은 “기존의 LED에 비해 많은 장점을 가지므로 일본이 독점하고 있는 질화갈륨을 대체하는 새로운 발광반도체용 소재로 큰 기대를 하고 있다"고 밝혔다. .

이 연구결과를 담은 논문은 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 온라인에 게재됐다.

◇논문명 : Intrinsically p-type cuprous iodide semiconductor for hybrid light emitting diodes ◇저자 : 안도열 페타룩스 대표(제1저자, 교신저자), 송진동 KIST 책임연구원(제2저자, 교신저자), 장준연 KIST 책임연구원 (교신저자)