기존 백색 LED는 황색 형광체를 사용하거나
여러색의 LED 칩 조합하여 단가비용 높아

카이스트(KAIST) 연구팀이 백색 LED 제조 기술을 개발했다. 이 기술은 형광체를 사용하지 않은 백색 LED 제조 기술이여서 차세대 조명과 디스플레이 기술 발전에 기여할 것으로 전망된다. 

현재 대부분 백색 LED는 RGB중 청색 LED에 황색 형광체를 사용하거나 여러색의 LED 칩을 조합하는 형식이었다. 그러나 여러 색의 LED 칩을 병렬 조합하는 방식이 단가 비용이 높아지는 단점이 있으며 황색 형광체는 희토류물질로 수입의존도가 높으며 낮은 연색성, 변색 등의 한계점이 있다. 

이에 카이스트 물리학과 조용훈 교수 연구팀은 형광체를 사용하지 않고 단 하나의 반도체 칩으로 백색 LED를 제작하기 위한 방법을 고안했다. 동심원 모양으로 꼭대기 부분을 잘라낸 피라미드 구조가 제작되도록 마이크로 복합 구조체를 설계한 것이다. 


형광체를 사용하지 않은 마이크로 크기의 끝이 잘린 피라미드 형태의 복합 구조체에서 전류 주입으로 백색광을 내는 개념도
(그림 : 카이스트 제공)

삼차원 구조체 면적 조절 변화 통해
하나의 칩으로 백색 LED 시연

이 마이크로 크기 삼차원 구조체는 각 면마다 다른 조건의 양자우물이 형성돼 각 면에서 다른 색의 빛을 낼 수 있다. 결국 기존의 여러 LED 색을 조합할 필요 없이 한 구조체에서도 다양한 색을 혼합할 수 있게 된다. 삼차원 구조체를 만드는 시간과 조건을 조절해 각 결정면의 면적을 변화시킴으로써 다양하게 혼합된 색의 LED가 제작 가능하다.

연구팀은 각 결정면의 면적을 조절해 하나의 LED 칩으로 무형광체 백색 LED를 시연했다. 또한 LED에 인가하는 전류를 변화시켜도 색이 거의 변하지 않았다. 이는 무형광체 백색 LED의 초기단계로 미래의 무형광체 백색광원의 방향성을 제시했다는 의의를 갖는다.

 조 교수는 “향후 3차원 반도체 공정개발을 통해 효율이 개선된다면 형광체 없이도 값싸고 색 재현성이 좋은 단일 칩 백색 광원으로 활용될 수 있을 것이다”고 말했다. 한편 이번 연구는 네이처가 발행하는 학술지 ‘빛 : 과학과 응용 (Light : Science & Applications)’ 12일자 온라인 판에 게재됐고, 그 중요성을 인정받아 인쇄본의 표지 논문으로 선정되기도 했다.