국내 연구진이 유리와 같은 부도체에 전류를 흐르게 하는 유리투명 전극 기술을 조명용 발광다이오드(LED)에 적용하는데 성공했다. 향후 차세대 조명 및 디스플레이용 광원의 효율 향상에 기술적 돌파구를 제공할 것으로 기대된다.

▲ 김태근 고려대학교 차세대반도체연구실 교수

고려대학교 차세대반도체연구실의 김태근 교수팀이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 중견연구자지원사업 등의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 네이처 자매지 사이언티픽 리포트지에 게재되었다.

차세대 조명 및 디스플레이 광원의 효율 향상시켜
김태근 교수팀이 이번에 개발한 유리투명 전극 기술을 조명용 발광다이오드에 적용한 기술은 전극을 위아래로 배치한 대면적 수직형 LED의 효율향상을 위해서는 효과적인 전류의 주입과 분산이 관건이다. 금속전극과 반도체가 직접 접촉하는 기존 전류주입방식은 대면적화할 경우소자의 발광특성이 떨어지는 단점이 있었다.

이를 해결하기 위해 반도체와 금속패드 사이에 산화인듐전극(ITO)나 그래핀과 같은 전도성 투명물질을 삽입하여 효과적인 전류분산을 시도했으나 투명물질에 의한 광흡수와 전기적 특성저하로 큰 성과를 거두지 못하였다. 이에 김태근 교수팀은 가시영역에서 98%의 투과도를 갖는 질화규소(SiNx) 박막을 수직형 LED의 질화물 반도체 표면에 증착하고 외부전압을 주어 전도성 채널을 형성하는 방식으로 고효율 LED를 구현하였고, 금속 전극을 사용한 종래의 수직형 LED보다 우수한 특성을 구현했다.

유리 투명전극을 적용한 경우 금속전극을 사용한 LED에 비해 동작전압이 감소했고, 같은 전류를 흘려주었을 때 광출력이 9% 향상됐다. 누설전류 등 신뢰성 테스트에서도 매우 양호하게 나타났다. 김 교수는 “최근 개발된 유리 투명전극을 실제 소자에 적용하여 그 우수성을 입증한 첫 사례로 다양한 형태의 광전자소자의 효율향상에 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

김태근 교수가 이끌고 있는 고려대 차세대반도체연구실은 광소자 분야에서 지난 2000년 세계 최초로 반도체 나노와이어 레이저의 기저준위 상온발진에 성공해 국제무대에서 주목을 받았다. 이후 2001년 반도체 양자선 레이저의 초고속 광 스위치 개발, 2002-2005년 양자선 이득커플형 DFB레이저 개발 등 나노와이어 레이저 기술을 선도하였다. 2005년 이후에는 질화물반도체 기반의 HEMT와 LED의 양자효율향상을 위한 전극개발과 나노패턴을 적용한 광결정 LED 개발에 주력하였고, 최근에는 세계 최초로 박막형광체가 집적된 GaN기반 일체형 백색 LED를 개발하고, 세계 최초 광 결정 개념의 투명전극을 개발하는 등 LED 핵심기술을 선도하고 있다.

이 외에도 연구실은 투명 메모리 소자 제작기술과 유리 같은 부도체에 전도성 채널을 만들어 전류를 흐르게 하는 기술도 개발해 세간의 이목을 한 몸에 받았다. 김태근 교수는 “투명 메모리 소자 제작기술의 경우 환원 그래핀 산화물의 우수한 전기 광학적 특성을 살려 가시광선을 80%이상 투과시키는 투명노트북 같은 대용량의 정보저장이 필요한 미래형 전자소자의 핵심기술로 활용가능하다”고 설명했다. 이어 “유리 같은 부도체에 전도성 채널을 만들어 전류를 흐르게 하는 기술은 가시광 LED, OLED, 태양전지, LCD패널 등 고체조명 및 디스플레이 분야에 폭넓게 적용되어 위폐감별, 살균, 수질정화 등에 쓰일 수 있는 자외선 LED 및 센서와 같은 자외선 영역의 신규시장 개척에도 기여할 수 있다”고 덧붙였다.

차세대 비휘발성 메모리와 LED에 대한 연구 수행

▲ 김태근 교수가 이끌고 있는 고려대 차세대반도체연구실은 국제무대에서 주목을 받았다.

차세대반도체연구실을 이끌고 있는 김태근 교수는 고려대학교에서 학사, 석사, 박사학위를 받은 국내 토종박사다. 대학원 석·박사 전문인력 양성은 물론 정규적인 산학강좌와 기업체 강연 및 기술교류를 통한 현장인력 교육, 미취업 연수생을 대상으로 하는 실무교육 등을 통해 산업인력양성에도 힘쓰고 있는 김 교수는 2년 연속 ‘석탑강의상’을 수상한 바 있다. 또한 이러한 노력과 열정, 그리고 연구 성과를 기반으로 지난 2008년 ‘과학의날’ 과학기술진흥유공자로 대통령 표창을 수상하기도 했다.

김태근 교수는 학위과정부터 반도체 나노구조를 적용한 전기, 광소자 분야에서 탁월한 연구역량을 발휘해왔다. 박사과정 중 IEEE 주관의 전국학생 논문콘테스트에서 최우수상을 수상하였고, 삼성전자 주관 휴먼테크 논문대상 은상을 수상한 바 있다.
졸업 후에는 미국 University of California, San Diego에서 박사후연구원으로 재직했으며, 일본 최고 권위의 NEDO fellowship을 받아 국책연구기관인 Electrotechnical Laboratory에서 3년간 근무하였고 CREST라는 창연과제를 주도해 세계 최초로 나노와이어 레이저의 기저준위 상온발진에 성공, IEEE Journal of Selective Topics on Quantum Electronics, ETL 뉴스 등에 소개되었다.

이후 삼성종합기술원, 광운대학교, 고려대학교에 재직하면서 차세대 비휘발성 메모리와 질화물반도체 기반 LED에 대한 연구를 수행해왔다. 한편 사회봉사 및 산업체 인력양성에도 남다른 노력을 경주하고 있는 김태근 교수는 국가 R&D 예산배분 전문위원, 지경부 산업원천기술 기획위원, 신기술 인증위원, 산업체 기술자문 및 국내외 학술단체 임원 및 조직위원장, 주요 저널리뷰어 등으로 활동하며 활발한 대외활동을 통해 대한민국 산업발전에 기여하고 있다. NM