국내연구진이 차세대 조명 광원인 InGaN* 청색 LED의 발광 효율을 최고 30%이상 증가시킨 원천기술을 개발하였다.

* InGaN(인듐갈륨나이트라이드) : 백색·청색·녹색·자외선 LED의 활성층을 구성하는데 필수적인 물질

정건영 교수(광주과기원 신소재공학부)와 정문석 책임연구원 (광주과기원 고등광기술연구소)의 주도하에, △김기석 박사과정생 (제1저자) △정현 연구원 △김상묵 박사과정생(한국광기술원)이 참여 한 이번 연구는 교육과학 기술부(장관 안병만)와 한국연구재단 (이사장 박찬모)이 추진하는 일반연구자지원사업(신진연구)과 나노원천기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다.

연구 결과는 재료공학분야에서 세계적으로 권위 있는 과학 저널인 “어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF = 6.808)”誌 4월 9일자에 주목할 만한 논문으로 선정되어 표지논문 (frontispiece) 으로 게재되었다.

이번에 개발된 기술은 기존의 LED에 비해 전기적인 특성은 저하 시키지 않고, 산화아연 나노막대의 광도파로* 현상에 의해 30% 이상 발광효율을 증가시켰다.

* 광도파로(optical waveguide, 光導波路) : 빛이 지나가는 길

연구팀은 먼저, InGaN 청색 LED(발광 다이오드)의 ITO 전극층 위에 저온 수열 합성법 (hydrothermal method)으로 산화아연(ZnO) 막대를 성장시켰다. 이어, 자체 개발한 공초점 전계발광 마이크로 현미경을 이용하여 산화아연 막대가 LED에서 발생한 빛을 받아들여 효과적 으로 방출하는지 여부 등의 특성을 조사하였다. 이 결과, LED 발광 시, 산화아연 막대를 통해 전달된 빛이 막대 끝 부분으로 효과적으로 추출하는 것을 관찰하였다. 이것은, 산화아연 막대가 빛이 지나가는 관으로 역할하며, LED구조의 발광 효율이 증가한다는 것을 실험을 통해 입증한 것이다.

* ITO(인듐틴옥사이드) 전극 층 : 산화주석 막으로 전기도 통하면서 빛도 투과시킴(원래 물리적으로 두 특성은 공존하기 힘듦)으로써, 전기적 신호를 인가하는 동시에 빛을 통과시키는 투명전극 재료로 LED 구조의 전극 층으로 이용된다.

차세대 조명광원으로 각광 받고 있는 LED는 에너지 고효율과 친환경적인 장점을 지닌 ‘저탄소 녹색성장’을 이끄는 그린 에너지 중 하나이다.

LED는 백열등, 형광등과 같은 재래식 조명과는 달리, 전기 에너지를 빛(光) 에너지로 전환하는 효율이 높아 최고 90%까지 에너지를 절감할 수 있다.

또한 2015년까지 국내 조명의 30%를 LED 조명으로 교체할 경우, 매년 160억 kWh의 전력(100만 kW급 원자력 발전소 2기의 전력 생산량)을 절감시키고, 680만 톤의 이산화탄소 배출량도 감소하는 효과를 얻을 수 있다.

정건영 교수는 “이번 연구 성과는 재료비나 공정비 측면에서도 비교적 쉽게 광도파관 역할을 하는 산화아연(ZnO) 막대를, 저온에서 LED 전극 구조에 영향을 주지 않고 성장시켜, 발광 효율을 획기적으로 향상시킨 원천기술로서, 후속 연구인 ”대면적 적용을 위한 리소 그라피법을 이용한 산화아연 로드의 수직 정렬 연구“ 등의 나노 기술과 융합하면 2015년에 1,100억 달러에 이를 것으로 예상되는 세계 LED 조명시장에 우리나라가 우위를 선점할 수 있을 것으로 기대한다” 라고 밝혔다.