벨기에 나무르 (Namur) 대학 연구원들은 갈륨 질화물 (GaN) 발광 다이오드 (LED)에서 광을 추출하기 위해 최적의 표면 텍스처를 얻을 수 있는 방법을 유전학 알고리듬으로 해결했다 [Journal of Optics, vol17, p025002, 2015].

GaN LED들은 소자 뒷쪽으로 반사되면서 공기와의 굴절률에서 큰 대조 때문에 낮은 광추출을 나타낸다. 평평한 GaN 표면의 경우 얻어진 3.7%의 추출 효율(η)과 비교하여 연구원들은 세 가지 개선 요인 중 하나로 11.1% 효율을 가진 최적 텍스쳐링(그림1, 표1) 조건을 발견하였다. 

또한, 연구팀은 일반적인 포토레지스트 (2.763)의 샘플들에 대한 유전 상수를 맞추는 것과 같이 제한된 파라미터들로 샘플들에 대해 유전 알고리듬을 적용하였다. GaN (6.34)과 같은 유전 상수를 가지는 텍스처된 층은 더 좋은 성능을 가진다는 것을 발견하였다.

유전 알고리듬들은 자연적인 선택 프로세스에 의한 연구 기술들이다. 최적화되기 위한 파라미터들은 ‘DNA’로서 인코드되고, 다양한 DNA 프로파일들을 가지는 샘플은 변화와 크로스-오버(cross-over) 프로세스들의 영향을 받는다. 동시에 프로세스가 최적의 출력에 집중되어야만 하는 동안, 변화 및 크로스-오버의 비율은 파라미터 공간이 정확하게 검사되도록 선택되어야만 한다. 

연구팀의 애닉 베이(Annick Bay)는 반딧불의 생물 발광 장기들로부터 광추출을 이전에 연구하였다. 연구원들은 “이러한 연구는 반딧불의 외피 표면이 들쭉날쭉한 크기들을 나타내고 있다는 것을 보였다. 이 크기들은 평평한 표면에 대한 비교에서 확연히 광추출이 증가하는 것으로 나타났다”고 말했다. 

연구원들은 이러한 연구에 영감을 받아 GaN LED를 위한 비슷한 결과들을 얻기 위하여 활발한 연구를 진행하고 있다. 연구팀은 삼각 텍스처링을 가지는 텍스처된 층들의 추출 효율을 계산하기 위하여 2차원으로 엄격히 커플된 파장 분석을 사용하였다. 이때 타깃 파장은 425nm였다. 삼각형들의 주기 (P)와 높이 (H)는 중앙 (C)의 위치를 따라 다양했다. 또한 삼각형들의 오른쪽 측면들과 왼쪽 측면들은 전력 법칙 지수(power-law exponent; α)를 사용하여 오목 혹은 볼록하게 구부려질 수 있었다. 텍스처된 층들의 굴절률을 조절하는 유전 상수(ε)도 잠재적으로 다양하다.

안정된 단계들을 가지는 여섯 가지 파라미터들의 전체 변화는 50조 가지 사례들을 테스트해야만 한다. 유전 알고리듬은 60 세대들을 넘어 2235 번의 20 시간 적합성 평가들을 요구하였다. 연구팀은 적합성 평가들이 동등하게 수행될 수 있는 ‘타이어(tier) 1’ 수퍼 컴퓨터를 사용하였다. 전체 프로세스는 2100시간(3개월, 45,000 cpu 시간들)이 걸렸다.  

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』