청·백색 LED 발광효율 저하 새 원인 규명

기초지원연 방준혁 박사 "LED 발광효율·성능 향상 기대"

한국과 미국 공동연구진이 조명에 널리 쓰이는발광다이오드(LED)의 효율을 떨어뜨리는 새로운 원인을 규명, LED 성능향상 가능성을 제시했다.

한국기초과학지원연구원(KBSI)은 26일 연구장비개발사업단 스핀공학물리연구팀방준혁 박사팀이 공주대 송정훈 교수, 미국 렌셀러폴리테크닉대(RPI) 생바이 장 교수와 함께 청·백색 LED에서 발광효율을 떨어뜨리는 새로운 비발광 재결합 현상을발견했다고 밝혔다.

에너지의 15% 정도를 빛으로 전환하는 LED는 5%만 빛으로 전환하는 백열전구보다 효율이 높지만 에너지의 85% 정도가 여전히 열 발생으로 손실돼 효율을 더 높이는 것이 과제가 돼 왔다.

LED는 소자 동작을 위해 반도체 내로 주입된 전자와 정공이 재결합할 때 일부에너지를 빛이나 열로 방출한다. 빛을 내는 재결합을 '발광 재결합', 빛 대신 다른에너지를 방출하는 재결합을 '비발광 재결합'이라고 하며 발광효율을 떨어뜨리는 비발광 재결합에는 'SHR 재결합, 오제(Auger) 재결합' 등이 있다.

연구진은 이 연구에서 청·백색 LED 물질로 사용되는 질화갈륨(GaN) 반도체 물질 안에서 새로운 비발광 재결합 현상을 발견하고 이것이 LED 발광효율 저하 원인임을 밝혀냈다.

질화갈륨 반도체 물질에 전자와 정공을 공급하면 인듐(In)과 질소 간 결합이 주입된 전자의 영향으로 끊기는 결함이 생기고, 전자와 정공이 이 결함을 매개로 비발광 재결합을 일으켜 에너지 손실이 발생할 수 있다는 것이다.

빛을 내는 발광 재결합에 사용돼야 할 에너지가 반도체 물질에 구조적 결함을일으키고 이 결함이 비발광 재결합을 매개해 발광효율을 떨어뜨리는 것이다.

연구진은 이 비발광 재결합 과정은 다른 물질에서도 발생할 수 있는 일반적인현상이라며 앞으로 다른 광전소자 물질 내 비발광 재결합 과정을 추가로 연구해 광전소자 성능을 향상하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대했다.

방 박사는 "이 연구는 청·백색 LED 성능향상 연구에 새 영역을 개척한 것에 비유할 수 있다"며 "발광효율을 떨어뜨리는 새 이론적 모델을 발견, 향상된 공정 개발기반을 마련해 LED 성능향상에 기여할 것"이라고 말했다.

이 연구결과는 국제학술지 '사이언티픽 리포트'(Scientific reports, 4월 14일자) 온라인판에 게재됐다.

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