두 가지 서로 다른 파장의 적외선을 칩 하나로 동시 구현할 수 있는 다기능 발광 다이오드(LED)가 개발됐다.
한국연구재단은 이상준 한국표준과학연구원 책임연구원 연구팀이 미국 스탠퍼드대학교, 독일 헬름홀츠 연구소 대학과 공동으로 화합물 반도체 내부 원자 배열을 정밀하게 제어하는 방법으로 단파장 및 중파장 적외선 동시 방출이 가능한 LED를 개발했다고 3밝혔다.
연구성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 차세대화합물반도체핵심기술개발사업의 일환으로 수행됐다. 재료공학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 온라인으로 게재됐다.
LED는 뛰어난 효율성과 긴 수명으로 다양한 산업에서 폭넓게 활용되고 있다. 그러나 기존 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.
이상준 책임연구원은 "단파장(1–3μm)과 중파장(3–5μm) 적외선 대역에서 동시에 발광하는 단일 집적형 다중 대역 LED를 개발하는 것이 그동안 이분야 도전 과제로 남아 있었다"고 말했다.
연구팀은 중파장 적외선 방출에 주로 사용되는 인듐-비소-안티모니(InAsSb) 소재에 다중 양자 우물 구조를 채택하고, 여기에 양자 장벽 및 응력 공학을 적용함으로써 혁신적인 다중 대역 LED를 구현했다.
다중 양자 우물(MQW) 구조는 서로 다른 밴드갭을 가진 얇은 반도체 층들을 교대로 쌓아 올려, 전자와 정공을 특정 영역에 가두는 나노 구조를 말한다.
연구팀은 다중 양자 우물 LED의 동시 발광 원리를 원자 분해능 투과전자현미경과 AI 기반 인공 신경망 전위 계산을 통해 분석했다. 이어 다중 양자 우물 내 안티모니 도핑을 통해 원자 결합 각도와 결합 길이를 미세하게 조정, 국소 응력 에너지를 낮추고 격자 뒤틀림이 완화되는 효과를 확인했다.
이상준 책임연구원은 "이로 인해 양자 구속 효과가 강화됐다. 단일 LED에서 단파장과 중파장 적외선의 동시 발광이 가능하다는 사실을 규명했다"고 설명했다.
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이번 연구 성과로 하나의 LED에서 복수 파장 방출이 가능해짐에 따라 장비 소형화, 에너지 효율성 향상, 비용 절감 등의 효과가 기대된다. 또한, 고품질 화합물 반도체 개발을 통해 차세대 고성능 광전자 기기 분야에 새로운 가능성도 제기됐다.
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.
