‘그래핀’으로 저비용·고효율 LED제작 길 열었다

전북대 김진수 교수팀, 그래핀 전극 에너지전달 메커니즘 규명

아주경제 최규온 기자 =전북대학교 김진수 교수(공대 신소재공학부)가 꿈의 신소재로 세계적 주목을 받고 있는 그래핀(Graphene)을 이용해 저렴하면서도 효율을 크게 높일 수 있는 발광다이오드(LED) 개발 연구를 수행, 학계의 비상한 관심을 모으고 있다.

현재 LED는 ‘인듐주석산화물’을 투명전극 물질로 주로 사용하고 있으나 단파장 영역으로 갈수록 투과도가 저하되고 경제적 비용이 상승하며 딱딱한 성질로 인해 유연성 있는 반도체 광전소자를 제작하는 데 한계가 있는 단점이 있다.

최근 이를 극복하기 위한 대안 중 하나로 그래핀을 전극으로 사용하는 LED 연구가 세계적으로 진행되고 있다. 그래핀은 높은 전기전도성과 가시광선 파장대역에서 90% 이상의 우수한 투과율을 갖기 때문에 디스플레이에 응용할 수 있는 적색, 녹색, 청색 LED 제작에 적합한 신소재 물질로 여기진다.

2009년 그래핀을 이용해 휘어지는 투명전도 필름으로 사용할 수 있는 가능성을 보인 이후 그래핀을 투명전극으로 사용한 광전소자 제작 연구가 활발하게 진행되고 있다.

그러나 그래핀을 LED의 투명전극으로 사용하는 가능성은 증명됐지만 이에 대한 물리적 증명 및 이론적 해석은 거의 진행되지 않고 있다. 이와 같은 상황을 극복하기 위해 김진수 교수팀은 한국전자통신연구원, 미국 조지아공대 등과 공동연구를 통해 그래핀 전극을 갖는 LED를 제작하고, 기존에 설명이 제한적이었던 투명전극과 광이 형성되는 활성층 사이의 에너지 전달 메커니즘에 대한 실험적 근거와 해석을 진행했다.

전북대 김진수 교수

연구팀은 청색 빛을 방출하는 InGaN/GaN 활성층을 갖는 LED 구조 위에 일반적인 화학기상증착법 (Chemical Vapor Deposition)을 통해 이용해 단일층 (Single), 이중층 (Double), 삼중층 (Triple), 사중층 (Quadruple)을 갖는 그래핀을 제작했다. 이를 전기, 구조 및 광학적 특성평가 방법을 통해 InGaN/GaN 활성층에서 광이 방출되는 과정에서 그래핀층 사이에 에너지 변환과정을 규명했다. 연구결과는 세계저명학술지인 'Nano Letters' 논문집에 2015년 2월호에 게재됐다.

기존 연구들에서 LED에 그래핀을 전극으로 사용했을 경우 효율이 높아질 것이라는 전제는 있었지만 이를 실제 실험을 통해 과정들을 규명한 것은 이번이 처음이다.

이를 통해 그래핀 전극을 갖는 LED와 레이저다이오드와 같은 발광소자의 물리적 특성을 제대로 이해하고 특성을 개선하는 연구에 널리 활용될 수 있을 것으로 학계에서는 내다보고 있다.

김진수 교수는 “이번 연구는 그래핀을 LED 전극으로 사용해 효율이 크게 향상되는 과정을 처음으로 실험을 통해 밝힌 것”이라며 “저비용으로 고효율의 LED를 제작하는 데 기여할 수 있는 연구가 될 것”이라고 말했다.