디스플레이 광원, 전광판 등에 쓰이는 질화물 반도체 기반 발광다이오드(LED)는 실내외 일반 조명으로까지 응용 범위가 넓어지고 있다. 특히 고효율, 고출력 특성을 가지는 대면적 수직형 LED가 차세대 조명용 광원으로 주목받고 있다.

 <질화규소(SiNx) 투명전극을 적용한 LED(오른쪽 끝)가 기존 금속전극 LED(왼쪽 끝)에 비해 균일하고 효과적인 발광 특성을 보였다.>

수직형 LED는 전극을 위아래 수직 구조로 배치한 것이다. 효과적인 전류의 주입과 분산이 대면적화의 관건으로 꼽힌다. 기존 금속전극과 질화물 반도체가 직접 접촉하는 방식으로는 면적이 커질수록 전류가 효과적으로 분산·전달되지 않아 발광 특성이 떨어진다. 발광 분포가 불균일해지고 고전력 작동 시 발열로 인한 수명 단축 우려도 있다.

이를 해결하고자 반도체와 금속패드 사이에 높은 빛 투과율과 전기전도성을 가진 물질을 삽입해 전류 분산·주입 효율을 개선하는 아이디어가 제시됐다.

이른바 ‘투명전극’ 기술이다. 대표적인 투명전극 물질로는 그래핀21과 인듐주석산화물(ITO)이 꼽힌다. 그러나 그래핀 적용 시 금속전극에 비해 전기적 특성이 저하됐고 ITO는 투명도(92~93%)에서 한계를 보였다.

김태근 고려대 전기전자공학부 교수팀은 투명도가 높지만 전기가 통하지 않는 부도체 물질로 투명전극 기술을 구현하는 데 성공했다. 연구팀은 가시영역에서 98%의 빛 투과도를 가진 질화규소(SiNx)박막을 이용해 고효율 LED 기술을 개발했다. 이 기술을 적용해 금속전극 LED에 비해 작동에 필요한 전압은 0.5볼트(V) 감소했고, 1암페어 전류 기준 광출력이 9% 향상됐다. 1와트(W)급 고전력에서도 정상적으로 작동했다.

부도체를 전류 전달 물질로 이용할 수 있었던 것은 인공적으로 만든 ‘전류 통로’ 덕분이다. 연구팀은 질화규소 박막을 질화물 반도체 표면에 증착하고 외부에서 전압을 가해 전도성 채널을 만들었다.

전도성 채널은 전류를 효과적으로 분산·주입해 균일한 발광특성을 나타냈다. 전압을 계속 가하지 않아도 전도성 채널은 유지됐다.

유리 투명전극 기술을 실제 LED 소자에 적용한 것은 김 교수팀이 처음이다. LED뿐만 아니라 반도체에 전류를 흘려 사용하는 다양한 광전소자에 활용할 수 있다. 양산기술과 신뢰성 확보에는 3~5년이 걸릴 것으로 보인다.

김 교수는 “유기발광다이오드176, 태양전지 등 다양한 형태의 광전소자 효율 향상에 기여할 것”이라고 기대했다.

질화규소 박막은 가시광뿐만 아니라 자외선 영역에서도 92%의 높은 빛 투과도를 보여 자외선 영역 활용 가능성도 열었다. 기존 투명전극 물질은 자외선 영역에서는 투과도가 떨어지는 문제점이 있었다.

이 같은 연구 결과는 ‘네이처’ 자매지인 ‘사이언티픽 리포트’ 7월 25일자에 실렸다. 연구는 미래창조과학부 중견연구자지원사업 지원으로 수행됐다.