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고려대학교 전기전자공학부 김태근 교수_디스플레이의 미래 이끌 차세대 광원, 새로 개발된 투명전극으로 한 걸음 더 진화하다

입력 : 2018.11.09 02:06

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[첨단 헬로티]

 

전기적·광학적 효율 동시에 높인 고효율 마이크로 LED 개발


국내 연구진이 차세대 광원으로 주목받는 마이크로 LED의 전기적· 광학적 효율을 동시에 높이는 방법을 찾았다. 고려대학교 김태근 교수 연구팀은 최근 금속 이온의 전기화학적 도핑 방법으로 마이크로 LED의 전기, 광 효율을 높인 고효율 투명전극을 개발했다고 밝혔다. 마이크로 LED는 대형화가 쉽고 수명이 길어 미래형 디스플레이의 발전을 이끌 차세대 광원으로 주목받는 기술이다.


지난 10월 15일, 한국연구재단은 고려대학교 김태근 교수 연구팀이 금속 이온의 전기화학적 도핑 방법으로 마이크로 LED의 전기, 광 효율을 높인 고효율 투명전극을 개발했다고 밝혔다.


▲ 고려대학교 전기전자공학부

김태근 교수


마이크로 LED는 대형화가 쉽고 수명이 길어 미래형 디스플레이의 발전을 이끌 차세대 광원으로 주목받아왔다. 하지만 고해상도 마이크로 LED 디스플레이 구현을 위해서는 작고 제한된 픽셀(pixel) 면적에 효과적으로 전류를 주입해 빛의 추출을 극대화해야 하는 어려움이 있었다.


따라서 광학적·전기적 특성을 동시에 높이는 마이크로 LED 광원 제작 기술이 요구되었지만, 지금까지 진행된 연구는 광원의 구조적인 측면에서 접근해 전기적 특성보다는 광학적 특성을 높이는 데 치중해있던 게 사실이다.


김태근 교수 연구팀은 투과도가 98% 이상으로 매우 높은 밴드 갭(band-gap)을 갖는 물질에 선택적 금속 이온 도핑이 가능하다는 것을 확인하고, 밴드 갭 물질 내부에 나노 스케일의 전류주입 경로를 형성했다. 여기서 밴드 갭이란 전자가 지닐 수 있는 에너지 대역의 차이를 의미한다. 밴드갭은 물질의 전도대(conduction band)와 가전대(valence band) 사이의 에너지 차이로, 밴드 갭의 크기로 물질의 전기 전도성 정도가 결정되는 특징이 있다. 김 교수 연구팀이 밴드 갭 물질 내부에 나노 스케일의 전류주입경로를 형성한 결과 높은 투과도를 유지하며 효과적으로 전류주입이 가능한 새로운 방식의 투명전극을 구현해낼 수 있었다.


마이크로 LED는 일반적인 대면적 LED와 비교해 불투명한 p-금속전극에 가려지는 면적이 상대적으로 많아 활성층에서 생성된 빛이 외부로 나가지 못하고 내부에서 재흡수되거나 손실이 발생하는 한계가 꾸준히 지적돼왔다. 김 교수 연구팀은 이러한 한계를 이겨내고자 연구를 진행했고, 가시광 영역에서 투과도가 매우 높은 질화알루미늄(AlN) 물질 내부에 인듐(In)과 주석(Sn) 금속 기반의 전류주입 경로를 형성시켜 높은 투과도는 유지한 채 효과적인 전류주입이 가능한 새로운 방식의 투명전극을 구현하는 데 성공한 것이다. 특히 연구팀이 개발한 투명전극이 적용된 마이크로 LED는 기존에 사용돼 온 인듐주석산화물(ITO) 투명전극 기반의 마이크로 LED보다 전류밀도는 13%, 광출력은 5% 향상된 특성을 보였다.


김태근 교수는 “이 연구는 다양한 유기·무기 반도체를 고효율 광전소자로 활용할 수 있는 범용의 전류주입 기술을 개발한 것”이라며 “질화물 반도체 기반의 발광소자뿐 아니라 유기물 기반의 발광소자, 태양전지 등 다양한 산업 분야로 적용할 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다. 


▲ 그림 1. 마이크로 LED 구조 및 금속 나노 전류주입 경로 형성의 모식도와 실제 이미지

(a) 12 x 15 어레이 형태의 마이크로 LED 및 단위 픽셀에서의 금속 나노 전류주입 경로 형성의 모식도

(b) 질화알루미늄 내부에서의 금속(ex. 인듐, 주석) 나노 전류주입 경로 형성과정 모식도

(c) 질화알루미늄 내부 형성된 인듐, 주석기반 나노 전류주입 경로의 투과전자현미경 사진

(d, e) 인듐, 주석기반 나노 전류주입 경로의 전도성 확인을 위한 푸리에 변환 분석 사진


▲ 그림 2. 인듐주석산화물 기반의 마이크로 LED와의 소자 성능 비교

(a) 주입전류 10mA(낮은 수준의 주입전류)에서의 전기발광 특성 그래프

(b) 주입전류 300mA(높은 수준의 주입전류)에서의 전기발광 특성 그래프

(c) 3가지 형태의 마이크로 LED 광출력-전류밀도-전압 특성 그래프

(d) 눈으로도 비교할 수 있는 3가지 형태의 마이크로 LED 발광 분포도 사진


다음은 연구내용에 대한 일문일답


Q. 연구를 시작하신 계기는 무엇입니까.

마이크로 LED에서 광원 자체의 효율을 개선하고자 하는 시도는 전사공정, RGB 구현방법과 비교하면 활발히 진행되고 있지는 않습니다. 지금까지는 마이크로 LED 제작 과정에서 크기와 모양의 변형 및 어레이 형태로 구성되었을 때의 구동 시 발생하는 열의 방출을 위한 최적의 어레이 구조를 설계하는 시도가 있었지만, 광원의 전기적인 특성 혹은 광학적인 특성만 일부 향상시키는 것이 한계라고 생각했습니다. 이점에 주목하여, 전기적/광학적 특성을 동시에 향상시켜 줌으로써 고효율의 마이크로 LED 광원을 제작하고자 연구를 진행했습니다.


Q. ‌이번 연구성과는 무엇이라고 보십니까.

마이크로 LED의 효율 향상 연구는 앞서 언급한 대로 크기와 모양을 변형시키거나 어레이 형태의 최적화 등의 구조적인 측면에서만 접근을 해왔었습니다. 이 연구에서는 활성층에서 생긴 빛을 더 많이 칩 외부로 추출시키려는 구조적인 측면에서뿐만 아니라 마이크로 LED 활성층 내부에 효과적으로 전류를 주입 시킬 반도체 접합 면에서의 전류주입 원리 측면도 고려했습니다. 또한, 이 기술의 핵심인 금속 이온 도핑기술로 인한 부도체 박막 내 존재하는 나노 전류주입 경로의 형성과 그 분포 정도의 차이에 관해서도 규명하여 이전 기보고된 유리투명전극 연구와는 차별성을 갖는다고 생각합니다.


Q. 연구성과는 앞으로 어떻게 활용될 수 있을까요?

고해상도의 마이크로 LED 디스플레이를 구현하기 위해서는 수 마이크로미터(μm) 이하의 광원 크기를 요구합니다. 따라서 향후 가상현실을 위한 머리에 장착하는 디스플레이 및 사물/사람을 인식해야 하는 차량용 헤드램프용 광원으로서 효율저하를 최소화하여 적용할 수 있습니다.


또한, 기술적인 측면에서 연구팀이 개발한 전극기술은 넓은 파장대역에서 높은 투과도를 가지면서 동시에 다양한 유/무기반도체와의 오믹컨택(전류주입)이 가능해 질화물 반도체 기반의 발광소자뿐만 아니라 유기물 기반의 발광소자, 태양전지 등 다양한 산업 분야로의 적용을 기대합니다. 

/김동원 기자(eltred@hellot.net)

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