두 가지 파장의 적외선을 칩 하나로 동시 구현할 수 있는 다기능 발광 다이오드(LED)가 개발됐다.
한국연구재단은 이상준 한국표준과학연구원 박사 연구팀이 미국 스탠퍼드대, 독일 헬름홀츠 연구소 대학과 공동으로 화합물 반도체 내부 원자 배열을 정밀하게 제어해 단일 칩으로 단파장 및 중파장 적외선 동시 방출이 가능한 LED를 개발했다고 3일 밝혔다.
기존 적외선 LED는 일반적으로 단일 적외선 대역에서만 빛을 방출한다는 한계가 있다. 이러한 결함은 양자 효율을 떨어뜨리며, 반도체 소재 균열을 유발하는 등 LED 효율을 떨어뜨리는 원인이 된다. 이에 따라 1~3마이크로미터(㎛) 단파장과 3~5㎛ 중파장 적외선 대역에서 동시에 발광하는 단일 집적형 다중 대역 LED 개발이 큰 큰 도전 과제로 남아 있다.
연구팀은 중파장 적외선 방출에 주로 사용되는 인듐-비소-안티모니(InAsSb) 소재에 다중 양자 우물 구조를 채택, 여기에 양자 장벽 및 응력 공학을 적용함으로써 혁신적인 다중 대역 LED를 구현했다.
다중 양자 우물 LED 동시 발광 원리를 원자 분해능 투과전자현미경과 인공지능(AI) 기반 인공 신경망 전위 계산을 통해 분석했다.
그 결과 다중 양자 우물 내 안티모니 도핑을 통해 원자 결합 각도와 결합 길이를 미세하게 조정함으로써, 국소 응력 에너지를 낮추고 격자 뒤틀림이 완화되는 효과를 확인했다.
또 양자 구속 효과가 강화돼 단일 LED에서 단파장과 중파장 적외선의 동시 발광이 가능하다는 사실을 규명했다.
연구팀은 이번 연구로 하나의 LED에서 복수 파장 방출이 가능해짐에 따라 장비 소형화, 에너지 효율성 향상, 비용 절감 등 효과가 기대된다고 설명했다.
이와 함께 고품질 화합물 반도체 개발을 통해 차세대 고성능 광전자 기기 분야에 새로운 가능성도 제기되고 있다.
전병선 표준연 책임연구원은 “단일 LED에서 여러 파장이 동시 발광하기 위해 각 파장에 대한 발광 세기와 품질을 정밀하게 제어할 수 있는 기술이 필요하다”며 “고출력과 높은 효율을 동시에 달성하는 기술적 문제가 남아 있다”고 말했다.
이번 연구 성과는 재료공학 분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)'에 지난 1월 13일 온라인 게재됐다.
이인희 기자 leeih@etnews.com
