기존의 비효율적인 백열등 및 형광등 기술에 비해, LED 전구는 이론상으로는 100%의 효율 수준으로 작동할 수 있다. 그러나 현재의 LED 광 기술은 이 이론치에 한참 뒤처져 있다. 

여기에는 몇 가지 이유가 있다. 첫째, 현재의 LED 램프는 청색광을 녹색광 및 적색광으로 변환하기 위해 인(phosphor)을 사용하고 있다. 이런 하향변환(down-conversion) 프로세스는 거의 30% 이상의 에너지 손실을 가져온다. 

둘째, GaN 기반 LED의 성능은, p-GaN의 비효율적인 전류 전도성에 의해 제약을 받고 있다. p-GaN은 n-GaN의 경우보다 저항이 약 100배 정도 더 높기 때문에 전류의 전파가 방해를 받고, 효율이 저하되고, efficiency droop 현상이 발생한다. LED의 경우 수 십 mA 정도의 낮은 전류에서 가장 높은 효율을 보이지만, 전류가 증가하게 되면 efficiency droop으로 알려진 현상에 의해 효율이 감소한다. 

셋째, 기존의 전구와는 달리 LED는 저전압 기기이며 교류 전압(alternating current voltage)을 사용하지 못한다. 결과적으로, 전기회로는 교류 전력을 저전압 직류 전력으로 변환시켜 사용해야 한다. 이런 드라이버는 장치의 복잡성을 증가시키고, 비용, 효율성 감소 등의 부가적인 문제점을 야기시킨다. 

위에서 언급한 문제점들은 현재의 나노와이어 LED 구조에서 터널 접합(tunnel junction)이라는 방법을 통해 상당 부분 해결되었다. 

캐나다 맥길 대학(McGill University) 연구팀은 저항이 큰 p-GaN 접촉층을 사용하지 않는 터널 접합 나노와이어 LED를 개발함으로써, 전압 손실을 감소시키고 정공 주입(hole injection)을 향상시켰다. 게다가, 터널 접합에 의한 상호연결을 통해 광 밀도를 크게 향상시킨 MAR(multiple-active-region) 나노와이어 LED를 구현할 수 있었다. 본 연구결과는 Nano Letters ("Alternating-Current InGaN/GaN Tunnel Junction Nanowire White-Light Emitting Diodes")지에 게재되었다. 

본 연구의 제1저자이자 박사과정 학생인 Sharif Sadaf는 실리콘 플랫폼 상에서 교류로 구동되는 나노와이어 LED를 제작함으로써, 인가된 전압의 (+) 및 (-) 모두에서 효율적으로 구동될 수 있도록 하였다고 밝혔다. 기존의 양자우물 LED와 비교해 볼 때, 개발된 터널 접합 나노와이어 LED 기술은 인을 사용하지 않는 백색발광을 가능하게 하고 efficiency droop 현상을 감소시켰다. 게다가, 가동전압에 대한 기기의 유연성을 제공함으로써 기존의 LED 조명 기술에서 필요로 하던 교류/직류 변환기의 사용을 완벽히 제거하였다. 고로 비용절감과 더불어 추가적인 효율 향상을 기대해 볼 수 있다. 

p-GaN 접촉저항은 기존의 질화물 기반의 LED의 성능 향상에 오랫동안 장애물로 작용해 왔다. 이에 연구팀은 기본적인 설계 변경부터 고려하게 되었던 것이다. 

분극을 이용한 터널 접합은 p-GaN 접촉저항을 제거하기 위한 독특한 기회를 제공하고 있다. 게다가, 터널 접합 기법을 사용함으로써 잠재적으로 `efficiency droop` 문제를 회피할 수 있는 MAR 나노와이어 LED를 개발하였다고 Sadaf는 설명하였다. 

일반적으로 다중 양자우물/양자점을 평면 구조로 적층하는 것은, 저전류, 고전압 구동을 실현하기에 적절하지 않는 방법이다. 왜냐하면 변위 및 결함의 밀도를 상당히 증가시키기 때문이다. 이런 문제점들은 터널 접합 나노와이어 LED 구조를 활용함으로써 근본적으로 해결할 수 있었다. 게다가 이와 같은 MAR 터널 접합 나노와이어 LED는 넓은 파장 범위에서 구동될 수 있도록 설계할 수 있어서, 인을 사용하지 않고도 백색광을 생성할 수 있게 된다. 

본 연구의 독특한 결과는 단일 활성 영역(single active region) LED에 비해 광 밀도를 크게 개선시켰다. 연구팀은 이런 개선의 원인이 각 터널 접합에서 운반자의 재형성이 크게 향상되고, 각 활성 영역에서 균일하고 낮은 이동도의 정공 주입이 가능했기 때문이라고 설명하였다. 

본 연구는 낮은 동력의 LED를 활용하기 위한 방법을 제공해 준다. Sadaf에 따르면, 나노와이어 구조에 더 많은 활성 영역을 집적함으로써 단일 칩에서 더 많은 광 출력을 달성할 수 있을 것이다. 게다가, 단일 나노와이어 상에 다른 파장의 색상을 조합함으로써 백색 광 방출도 구현할 수 있게 될 것이다. 

이론적으로, 본 개념은 반극성(semi polar) 혹은 무극성(non polar) III-V 나노와이어 기반의 기기로 확대될 수 있을 것이다. 연구팀은 이미 레이저, UV-LED 및 광검출기와 같은 다른 나노와이어 기반의 광전자기기에 대해 연구를 수행하고 있다. 

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』