녹색 LED의 저효율 현상을 미시영역에서 처음으로 관측하고 분석한 연구 결과가 나왔다. 앞으로 마이크로 LED와 같은 미시 구조 소자를 성공적으로 개발하는 기반이 될 전망이다. 

녹색 파장영역에서 효율이 높은 LED 물질을 찾지 못한 상황을 '그린갭(green gap)'이라 한다. 그린갭은 일반적인 반도체 발광소자에서 양자 효율이 급격히 감소해 고효율을 얻기 어려운 영역(530㎚~570㎚의 파장)을 일컫는다. 질화 인듐 갈륨(InGaN) 화합물의 인듐 조성을 높여 얻은 녹색 LED의 효율 저하에 대해서는 그동안 많은 연구가 진행돼 왔다. 

하지만 기존 연구는 대부분 거시적 관점에서 녹색 LED의 낮은 효율에 대한 다양한 가능성을 제안했으나 성과가 명확하지 않았고 주요 요인에 대한 논쟁은 여전히 진행 중이다. 아울러 InGaN 화합물에는 결정성장 특성으로 인해 국소 영역에서 밝은 빛을 내는 미세 발광센터가 형성되는데 이를 낮은 광 효율을 극복하는 방편으로 사용하자는 의견이 지속적으로 제기돼 왔지만, 미시영역에서 해당 미세 발광센터가 얼마나 효율적인지를 밝힌 연구결과는 아직까지 나오지 않았다.

이런 가운데 광주과학기술원(GIST) 고등광기술연구소 임상엽 박사팀이 녹색 LED의 저효율 요인을 마이크로 형광 이미징 기법을 이용해 미시영역에서 관측해 미세 발광센터들이 오히려 오제(Auger) 결합 프로세스에 의한 비발광 손실을 심화한다는 사실을 최근 밝혔다. 

광자가 흡수되면 전자-정공 쌍이 생성된다. 전하운반자의 밀도가 매우 높을 경우 세 번째 전하운반자가 상호작용하면서 에너지를 잃게 되는 현상이 발생할 수 있는데, 이를 'Auger 결합 프로세스(Auger Recombination Process)'라 한다.

21일 GIST에 따르면, 임 박사팀은 InGaN 반도체 양자우물 구조를 연구 대상으로 삼고, 미시영역에서 광 특성을 측정·분석하기 위해 마이크로 형광 이미징 기법을 적용했다. 이 기법은 현미경에 형광 스펙트럼 획득장치를 연동함으로써 영상화하는 영역의 공간정보와 함께 스펙트럼 정보를 획득할 수 있도록 한다. 형광 스펙트럼의 세기와 파장 정보 등을 추출해 재구성함으로써, 여기광원에 의해 발생한 전하운반자가 미시영역에서 어떤 방식으로 행동하는지를 면밀히 관찰할 수 있으며, 특히 여기광원의 세기가 증가함에 따른 광 특성 변화 추이를 관측함으로써 미시영역에서 광 효율에 관한 기초자료를 획득할 수 있었다. 여기광원이란 매질을 여기(광펌핑)하기 위한 광원으로, 매질 내 여기된 전하운반자는 빛이나 열을 방출하면서 에너지를 소모한다.

측정 결과 낮은 여기광 세기에서는 서브마이크로미터 크기의 발광센터가 매우 밝은 빛을 발생시키지만 여기광 세기가 증가함에 따라 광 효율이 급격히 떨어지고 대신 수 마이크로미터 크기의 발광 영역의 광 효율이 높아지는 것으로 확인됐다.

연구팀은 서브마이크로미터 발광센터에서는 좁은 영역 내 고밀도의 전하운반자가 한정돼 비발광 Auger 결합 현상이 극심하게 발현된다는 사실을 직접적으로 보였다. 뿐만 아니라 이 같은 서브마이크로미터 발광센터의 형성은 LED의 유효 발광영역의 전체 부피를 감소시킨다는 것을 새롭게 확인했다.

임상엽 박사는 이번 연구 결과에 대해 "녹색 LED의 저효율에 관해 미시영역에서 처음으로 관측하고 분석했다는 데 큰 의의가 있다"며 "앞으로 마이크로 LED와 같은 미시 구조 소자를 성공적으로 개발하기 위한 초석으로 사용되길 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 이공학개인기초연구지원사업과 GIST 고등광기술연구소의 나노바이오광기술 연구과제의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 광학 분야 국제학술지 'ACS 포토닉스(ACS Photonics)' 1월 8일자 온라인판에 실렸다.

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr

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