전류 흐르는 유리투명전극, 고효율 자외선 LED 개발성공

김태근 교수연구팀 AIN/ITO 개발 … 95% 이상의 고투과도·고전도 확보 살균·위폐감지 등 각종 분야에 사용 … 1~2년내 광·전소자 효율확대 전망

▲ 김태근 고려대 교수

국내 연구진이 부도체인 유리에 전류가 흐르는 유리투명전극을 만들고, 이를 고효율 자외선(UV) 발광다이오드(LED)에 적용하는데 성공했다.

한국연구재단은 김태근 고려대 교수 연구팀이 질화알루미늄/인듐주석산화물(AlN/ITO)로 구성된 '유리투명전극'을 이용해 자외선 영역에서 투과율이 높고, 우수한 전기적 특성을 확보해 고효율의 자외선 LED 개발했다고 5일 밝혔다.

AIN은 금속 알루미늄의 질화물로 큰 밴드갭을 가져 자외선 광전 소자에 잠재적인 응용 물질로 알려졌으며, ITO는 산화 인듐과 산화 주석의 혼합물로 얇은 박막은 높은 전기 전도도와 광학적 투명성을 동시에 가지고 있어 일반적인 투명전극으로 많이 사용된다.

▲ 질화 알루미늄/인듐 주석 산화물(AlN/ITO)로 구성된 유리 투명전극을 이용한 LED 모식도. [고려대 제공]

기존의 투명전극 기술은 차세대 조명과 디스플레이 광원으로 LED, 유기발광다이오드(OLED), 태양전지와 등 광전소자의 효율 향상을 위해 활발히 연구 중이다. 그러나 ITO를 포함한 현재 개발 중인 대부분 종류의 물질은 전기전도도를 높이면 투과도가 낮아지거나, 투과도를 높이면 전기도가 낮아지는 한계가 있었다.

특히 자외선 LED처럼 가시광 아래 파장을 이용하는 소자에서 더욱 문제가 된다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하고자 연구팀에서 개발한 고투과성 특성과 고전도 특성을 가지는 유리투명전극 기술을 자외선 LED에 적용하는 연구를 수행했다.

자외선 광원은 가시광보다 파장이 짧은 파장대역 전자기파로, 정수·살균·위폐 감지·의료기기 등 다양한 분야에 사용된다.

그러나 기존 자외선램프는 수명이 짧고 카드뮴이나 수은 같은 유해물질을 배출한다는 문제가 있어 친환경적이고 고효율의 자외선 LED 개발이 필요한 실정이었다.

이에 연구팀은 10nm(나노미터·10억분의 1m) 이하의 ITO박막을 버퍼층으로 도입해 AlN/ITO 형태로 근자외선 영역에서 95% 이상의 고투과도와 고전도 특성을 모두 확보해냈다.

ITO 박막의 전도성과 투과도 가장 적절한 지점을 10nm 두께로 선정해 AlN 기반 투명전극에 적용했다.

연구팀이 개발한 AlN/ITO 전극을 적용한 365㎚ LED는 같은 파장에서 최적화된 ITO LED보다 동작전압이 0.2V(볼트) 감소했고, 광 출력이 8.6% 향상된 결과를 보였다.

이는 개발된 AlN/ITO 투명전극이 기존의 ITO보다 전기·광학적 특성이 모두 우수함을 의미한다.

또 지금까지 유리투명전극 기술은 외부에서 전압을 인가해 부도체 내부에 전도성 채널을 형성하는 과정을 포함하고 있어 질화물 반도체 표면에 직접 적용할 경우, 전기적 충격으로 소자의 균질성 저하 등의 문제가 발생했다.

연구팀은 이에 대한 하나의 해결방안으로 10nm이하의 ITO박막을 버퍼층으로 도입했다.

즉, AlN/ITO 형태로 근자외선 영역에서 95%이상의 고투과도와 고전도 특성을 함께 확보하게 된 것이다.

이 연구 결과는 기존의 오믹형성 조건 영향을 받는 형식이 아닌 새로운 '전도성 필라멘트 방식'의 오믹형성 기술을 활용해 같은 주입전류에서 균일한 발광분포와 상대적으로 높일 수 있다.

연구진은 이미 국내외 산업체와의 기술교류를 진행하고 있으며, 향후 AlN 기반의 투명전극을 심자외선 LED, 마이크로 LED 등에 적용해 우수한 특성을 확보할 것이라고 설명했다.

이 방법은 앞으로 다양한 형태의 광·전소자에 적용이 가능해 SiO₂(이산화규소)나 AlN와 같은 풍부한 물질을 사용해 비용절감 등 경제성도 확보할 수 있을 것으로 기대된다.

김태근 고려대 교수는 “이 연구는 AlN/ITO으로 구성된 유리투명전극을 이용하여 근자외선 LED의 효율을 향상시킨 결과”라면서 “앞으로 1~2년 내에는 심자외선 LED, 마이크로 LED, 유기 LED, 태양전지 등 다양한 광·전 소자에 적용돼 효율 향상에 기여할 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다.

이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단 기초연구사업의 지원으로 수행됐으며, 최근 재료공학·화학분야의 국제적 학술지인 '에이씨에스 어플라이드 머티리얼즈 & 인터페이스지(ACS Applied Materials&Interfaces)'에 게재됐다.

최소망 기자