이종람 교수, 백색광원용 고출력 LED 양산화 성공
우리대학 신소재공학과 이종람(사진) 교수 연구팀은 과학기술부 국가지정연구실 사업 지원으로 세계 최초로 금속박막 수직형 청색 발광다이오드 기술을 개발하는데 성공하고, 이어 청색 LED칩 제조회사인 (주)서울옵토디바이스(대표이사 이정훈) 연구팀과 공동연구를 통해 빛의 밝기와 제조 원가를 획기적으로 개선시킬 수 있는 백색광원용 고출력 발광다이오드의 양산화 공정을 세계 최초로 개발했다.
현재 사용되고 있는 청색 발광다이오드는 사파이어 기판 위에 n형 갈륨질화물, 다층구조 인듐갈륨질화물(발광층), p형 갈륨질화물 층을 순차적으로 성장시키고, 그 위에 p형(+) 전극과 p형 갈륨질화물을 깍아낸 한 부분에 n형(-) 전극을 형성하여 제작한다.
이 수평형 발광다이오드는 소비전력이 낮고 수명이 길다는 장점으로 대형 컬러전광판이나 휴대폰 화면 등에 이미 사용되고 있다. 그러나 일본의 니치아사가 원천 특허를 독점하고 있어, 세계 주요 갈륨질화물 발광다이오드 메이커들이 모두 특허 분쟁에 휘말려 있는 상황이다.
그러나 수평형 발광다이오드는 사파이어 기판 위에 제작되므로 소자가 동작 시 발생하는 열을 방출시키기 어렵기 때문에 고출력에서 작동될 때 밝기가 떨어지고 수명이 줄어드는 단점을 갖고 있다. 또한 한 평면 위에 (+)와 (-)극이 배치됨으로써 100V 정도의 정전기에도 칩이 파괴되는 문제가 있다. 이로 인해 기존 백열등·형광등·수은등을 대체하는 일반 조명기구로 이용하기에는 어려움이 있었고, 높은 순간정전기가 요구되는 차량용 램프 등에 적용하기에는 한계가 있었다.
연구팀은 레이저 기술을 이용하여 3~4마이크론(10-6m) 두께의 갈륨질화물 박막을 사파이어 기판으로부터 떼어내고, 박막의 아래와 윗면에 금속 전극 층을 형성하는 수직형 발광다이오드를 개발했다. 고반사율 p형 전극과 빛 방출 기술을 개발하여 수직형 발광다이오드에 적용함으로써 광 출력특성을 종래의 수평형 발광다이오드에 비해 2배 이상 향상시키는 개가를 올렸다. 또한 열 방출 특성이 나쁜 사파이어 기판을 금속 기판으로 대체함으로써 전류를 수평형에 비해 3배 이상 주입할 수 있어, 고출력 발광특성을 나타내게 했다.
연구팀은 1998년부터 청색 발광다이오드 연구를 시작, 지금까지 50여편의 논문을 ‘어플라이드 피직스 레터스’ 등 반도체 분야 유명 저널에 발표했고, 이 기술과 관련한 특허를 10여건 보유하고 있다.
특히 수직형 발광다이오드의 구조 및 제조공정에 관한 국내특허와 국제특허 4건을 출원했다. 이로써 우리나라는 고출력 수직형 발광다이오드의 원천기술을 확보하게 됐다.
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