한국연구재단, 차세대 '듀얼 적외선' LED 소개

[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 두 가지 파장의 적외선을 칩 하나로 동시 구현할 수 있는 다기능 발광 다이오드(LED)를 개발했다.

한국연구재단은 한국표준과학연구원 이상준 박사 연구팀이 미국 스탠퍼드대학교, 독일 헬름홀츠 연구소 대학과 공동으로 화합물 반도체의 내부 원자 배열을 정밀하게 제어해 단일 칩으로 단파장 및 중파장 적외선 동시 방출이 가능한 LED를 개발했다고 3일 밝혔다.

이번 연구성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 차세대화합물반도체핵심기술개발사업의 지원으로 수행됐으며 재료공학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’에 13일 온라인 게재됐다.

LED는 뛰어난 효율성과 긴 수명으로 다양한 산업에서 폭넓게 활용되고 있다. 그러나 기존의 적외선 LED는 일반적으로 단일 적외선 대역에서만 빛을 방출한다는 한계가 있다.

이는 반도체 물질들이 서로 다른 파장 대역을 동시에 발광하며 기판 위에서 함께 성장할 때 발생하는 격자 불일치와 결정질 결함 때문이다.

이러한 결함은 양자 효율을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 반도체 소재의 균열을 유발하는 등 LED의 효율을 떨어뜨리는 원인이 된다.

따라서 단파장(1–3μm)과 중파장(3–5μm) 적외선 대역에서 동시에 발광하는 단일 집적형 다중 대역 LED를 개발하는 것은 큰 도전 과제로 남아 있다.

연구팀은 중파장 적외선 방출에 주로 사용되는 인듐-비소-안티모니(InAsSb) 소재에 다중 양자 우물(multiple quantum wells) 구조를 채택, 여기에 양자 장벽 및 응력 공학을 적용함으로써 혁신적인 다중 대역 LED를 구현했다.

연구팀은 다중 양자 우물 LED의 동시 발광 원리를 원자 분해능 투과전자현미경과 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.

이로 인해 양자 구속 효과가 강화돼 단일 LED에서 단파장과 중파장 적외선의 동시 발광이 가능하다는 사실을 규명했다.

이번 연구 성과로 하나의 LED에서 복수 파장 방출이 가능해짐에 따라 장비 소형화, 에너지 효율성 향상, 비용 절감 등의 긍정적 효과가 기대된다. 또 고품질 화합물 반도체 개발을 통해 차세대 고성능 광전자 기기 분야에 새로운 가능성도 제기되고 있다.

전병선 책임연구원은 “단일 LED에서 여러 파장이 동시 발광되기 위해서는 각 파장에 대한 발광 세기와 품질을 정밀하게 제어할 수 있는 기술이 필요하다”며 “특히, 고출력과 높은 효율을 동시에 달성하는 기술적 문제가 남아 있다”고 설명했다.