김태근 교수팀, 전기적·광학적 효율 동시에 높인 고효율 마이크로 LED 개발

유기물 기반의 발광소자, 태양전지 등 다양한 산업 분야 적용 기대
 

▲ 공과대학 전기전자공학부 김태근 교수

국내 연구진이 차세대 광원으로 주목받는 마이크로 LED의 전기적· 광학적 효율을 동시에 높이는 방법을 찾았다. 김태근 교수(고려대) 연구팀이 금속 이온의 전기화학적 도핑 방법으로 마이크로 LED의 전기, 광 효율을 높인 고효율 투명전극을 개발했다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 밝혔다.

마이크로 LED는 대형화가 쉽고 수명이 길어 미래형 디스플레이의 발전을 이끌 차세대 광원으로 주목받고 있다. 하지만 고해상도 마이크로 LED 디스플레이 구현을 위해서는 작고 제한된 픽셀(pixel) 면적에 효과적으로 전류를 주입해 빛의 추출을 극대화해야 한다.  이처럼 광학적·전기적 특성을 동시에 높이는 마이크로 LED 광원 제작 기술이 요구되지만, 지금까지 진행된 연구는 광원의 구조적인 측면에서 접근해 전기적 특성보다는 광학적 특성을 높이는데 주력했다.

연구팀은 투과도가 98% 이상으로 매우 높은 밴드 갭(band-gap)*을 갖는 물질에 선택적 금속이온 도핑이 가능하다는 것을 확인하고, 밴드 갭 물질 내부에 나노 스케일의 전류주입 경로를 형성했다. 그 결과 높은 투과도를 유지하며 효과적으로 전류주입이 가능한 새로운 방식의 투명전극 구현에 성공했다.
   * 밴드 갭(band-gap) : 전자가 지닐 수 있는 에너지 대역의 차이. 물질의 전도대(conduction band)와 가전대(valence band) 사이의 에너지 차이로, 밴드 갭의 크기로 물질의 전기 전도성 정도가 결정됨.

마이크로 LED는 일반적인 대면적 LED와 비교해 불투명한 p-금속전극에 가려지는 면적이 상대적으로 많아 활성층에서 생성된 빛이 외부로 나가지 못하고 내부에서 재흡수되거나 손실이 발생한다. 연구팀은 가시광 영역에서 투과도가 매우 높은 질화알루미늄(AlN) 물질 내부에 인듐(In)과 주석(Sn) 금속 기반의 전류주입 경로를 형성시켜 높은 투과도는 유지한 채 효과적인 전류주입이 가능한 새로운 방식의 투명전극을 구현하는 데 성공했다.

특히, 연구팀이 개발한 투명전극이 적용된 마이크로 LED는 기존에 사용돼 온 인듐주석산화물(ITO) 투명전극 기반의 마이크로 LED보다 전류밀도는 13%, 광출력은 5% 향상된 특성을 보였다. 

김태근 교수는 “이 연구는 다양한 유기‧무기 반도체를 고효율 광전소자로 활용할 수 있는 범용의 전류주입 기술을 개발한 것”이라며 “질화물 반도체 기반의 발광소자뿐 아니라 유기물 기반의 발광소자, 태양전지 등 다양한 산업 분야로 적용할 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(리더연구)의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 나노 및 마이크로 과학 분야 국제학술지 스몰(Small) 10월 4일 자에 게재됐다.

- 논문명 : Nitride-based micro-light-emitting diodes using AlN thin-film-electrodes with nanoscale indium/tin conducting filaments
- 저    자 : 김태근 교수(교신저자, 고려대학교), 손경락(제1저자, 고려대학교), 이태호(고려대학교), 이병룡(고려대학교), 임현식 교수(동국대학교)

[ 그 림 설 명 ]

(그림1) 마이크로 LED 구조 및 금속 나노 전류주입 경로 형성의 모식도와 실제 이미지
(a) 12 x 15 어레이 형태의 마이크로 LED 및 단위 픽셀에서의 금속 나노 전류주입 경로 형성의 모식도
(b) 질화알루미늄 내부에서의 금속(ex. 인듐, 주석) 나노 전류주입 경로 형성과정 모식도
(c) 질화알루미늄 내부 형성된 인듐, 주석기반 나노 전류주입 경로의 투과전자현미경 사진
(d, e) 인듐, 주석기반 나노 전류주입 경로의 전도성 확인을 위한 푸리에 변환 분석 사진

(그림2) 인듐주석산화물 기반의 마이크로 LED와의 소자 성능 비교
(a) 주입전류 10mA(낮은 수준의 주입전류)에서의 전기발광 특성 그래프
(b) 주입전류 300mA(높은 수준의 주입전류)에서의 전기발광 특성 그래프
(c) 3가지 형태의 마이크로 LED 광출력-전류밀도-전압 특성 그래프
(d) 눈으로도 비교할 수 있는 3가지 형태의 마이크로 LED 발광 분포도 사진

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)