국내 연구진, '마이크로 LED' 고효율 투명전극 개발

기존 제품 대비 전기 밀도 13%·광 출력 5% ↑

국내 연구진이 전기, 광 효율을 높인 투명전극을 개발, 차세대 광원으로 주목받는 마이크로 LED 성능을 향상시켰다.

한국연구재단은 김태근 고려대학교 교수 연구팀이 금속 이온의 전기화학적 도핑 방법으로 마이크로 LED의 고효율 투명전극을 개발했다고 14일 밝혔다.

마이크로 LED는 대형화가 쉽고 수명이 길어 미래형 디스플레이의 발전을 이끌 차세대 광원으로 주목받고 있다. 하지만 고해상도 마이크로 LED 디스플레이 구현을 위해서는 작고 제한된 픽셀 면적에 효과적으로 전류를 주입해 빛의 추출을 극대화해야 한다.

이처럼 광학적, 전기적 특성을 동시에 높이는 마이크로 LED 광원 제작 기술이 요구돼왔다. 그러나 광원의 구조적 측면에서 접근한 연구가 많아 전기적 특성보다는 광학적 특성을 높이는데 주력해온 상황이다.

연구팀은 투과도가 98% 이상으로 매우 높은 밴드 갭을 갖는 물질에 선택적 금속 이온 도핑이 가능하다는 것을 확인했다. 밴드 갭은 전자가 지닐 수 있는 에너지 대역의 차이로, 이 크기에 따라 물질의 전기 전도성 정도가 결정된다.

밴드 갭 물질 내부에 나노 스케일의 전류 주입 경로를 형성한 결과 높은 투과도를 유지하며 효과적으로 전류 주입이 가능한 새로운 방식의 투명전극 구현에 성공했다.

마이크로 LED 구조 및 금속 나노 전류주입 경로 형성의 모식도와 실제 이미지. (a) 12 x 15 배열 형태의 마이크로 LED와 단위 픽셀에서의 금속 나노 전류주입 경로 모식도. (b) 질화알루미늄 내부에서의 금속 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.

마이크로 LED는 일반적인 대면적 LED와 비교해 불투명한 p-금속전극에 가려지는 면적이 상대적으로 많아 활성층에서 생성된 빛이 외부로 나가지 못하고 내부에서 재흡수되거나 손실이 발생한다.

연구팀은 가시광 영역에서 투과도가 매우 높은 질화알루미늄 물질 내부에 인듐과 주석 금속 기반의 전류 주입 경로를 형성했다. 이를 통해 높은 투과도는 유지한 채 효과적인 전류 주입이 가능한 새로운 방식의 투명전극을 구현하는 데 성공했다.

특히 연구팀이 개발한 투명전극이 적용된 마이크로 LED는 기존에 사용돼 온 인듐주석산화물 투명전극 기반의 마이크로 LED보다 전류 밀도는 13%, 광 출력은 5% 향상된 특성을 보였다.

김태근 교수는 “이 연구는 다양한 유기, 무기 반도체를 고효율 광전소자로 활용할 수 있는 범용의 전류 주입 기술을 개발한 것”이라며 “질화물 반도체 기반의 발광 소자뿐 아니라 유기물 기반의 발광 소자, 태양전지 등 다양한 산업 분야에 적용될 것으로 기대된다”라고 설명했다.

이번 연구 성과는 나노, 마이크로 과학 분야 국제 학술지 '스몰' 10월4일자에 게재됐다.