이성남 산기대 교수, '그린갭 극복' 녹색발광기술 세계 최초 개발

(a)일렬로 배열돼 있는 탄소나노튜브 템플릿 구조 (b)질화인듐갈륨 삼원계 나노 결정 구조체가 형성된 전자현미경 모습, (c)(b)를 확대한 나노 결정 구조체 (d)탄소나노튜브 하부에 형성된 질화갈륨 이원계 육각 형태의 결정체의 형상 [사진=한국연구재단 제공]

아주경제 최서윤 기자 = 국내 연구진이 탄소나노튜브를 이용해 질화물계 나노 결정을 성장시키는 방법으로 고효율 녹색 LED 제작의 기반 기술을 개발했다고 한국연구재단이 8일 밝혔다. 반도체 발광소자의 그린갭(green gap)을 해결할 수 있는 녹색 발광 기술이 세계 최초로 개발된 것이다.

일반적으로 반도체 발광소자의 경우 500나노미터 이상과 600나노미터 이하의 파장대에서 양자효율이 급격히 감소하는데 고효율의 발광소자를 얻기 어려운 영역을 그린갭이라고 한다. 녹색 발광 기술은 그린갭 파장영역의 녹색과 적색 사이 파장의 빛을 만들 수 있는 나노결정 기술이다.

질화물 반도체는 현재 자외선 영역에서 가시광 영역을 포함한 발광다이오드로 상업화 단계까지 왔다. 특히 질화물계 백색 발광 다이오드는 조명용 광원으로 매우 큰 응용 시장으로 확대되고 있다. 또 탄소나노튜브는 나노구조의 우수한 전기적 특성으로 가스 센서, 배터리 전극 및 전계발광 디스플레이 재료로 각광받고 있다.

관련 분야에서는 나노구조의 탄소나노튜브를 하부 템플릿으로 사용해 탄화물 및 질화물계 나노 막대 및 나노와이어를 개발하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 탄소나노튜브와 질화물계 반도체를 이용한 융합 연구는 LED소자의 광추출효율을 증대하기 위한 전류퍼짐층 형성 연구와 이원계 질화물 반도체 나노구조 형성에 대한 연구만이 보고되고 있다. 

질화물 반도체를 이용한 자외선 및 가시광 영역의 발광을 얻기 위해서는 반드시 균일한 삼원계 질화물 반도체 나노구조 형성 및 제어기술이 필수적이나 현재까지 이에 대한 연구는 전무한 실정이다.

이성남 한국산업기술대 교수 연구팀은 가시광 영역, 특히 500~600 나노미터(nm)영역의 그린갭을 극복할 수 있는 융합 나노구조를 탄소나노튜브를 이용해 삼원계 질화물계 반도체 나노 구조 성장법을 개발하는 데 성공했다. 질화물계는 주기율표상 5족인 질소 원자와 3족인 알루미늄, 갈륨 및 인듐 원자가 결합하여 만든 물질을 말한다. 족은 주기율표에서 세로줄을 말한다. 족의 숫자는 최외각 전자(가장 바깥쪽의 전자껍질 궤도에 속해있는 전자) 개수다.

연구팀은 실리콘 기판위에 탄소나노튜브를 수직으로 성장시킨 후 금속유기화학증착 장치 반응로 속에 두고 탄소나노튜브 상부에 갈륨 원자와 질소 원자를 주입했다. 주입한 원자는 탄소나노튜브를 따라 내려가 아래쪽에 육각형 모양의 질화갈륨 층을 만들었고(사진·d) 이후 인듐-갈륨-질소를 주입해 질화인듐갈륨 삼원계 나노 결정을 탄소나노튜브 끝자락에 형성했다.(사진·b와c).

탄소나노튜브 끝자락에 형성된 질화인듐갈륨 나노 결정 구조는 전자현미경 및 X-선을 이용해 균일성을 확인했으며, 포토루미네선스 분석을 통해 녹색 파장 영역인 500~600nm에서 강하게 빛을 발한다는 사실을 확인했다.

한국연구재단은 학문적으로 물성이 우수한 탄소나노튜브와 삼원계 질화물 반도체의 융합 나노구조 형성 기술을 세계 최초로 보고한 것으로 광학·전기적 물성 향상·새로운 융합 광전소자 구조 개발에 대한 새로운 토대를 마련했다고 설명했다. 

국제 저명학술지 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에  지난해 11월 실렸다.

 

탄소나노튜브 하부에 질화갈륨 이원계 육각형태의 씨앗 결정이 형성되고 이후 탄소나노튜브 끝단에 질화인듐갈륨 삼원계 나노결정구조가 형성되는 순서다. 이때 하부에 성장된 씨앗 갈륨-질소 결정이 서로 합체하여 더욱 증가된 육각형태의 질화갈륨 결정을 형성한다. [그림=한국연구재단 제공]

☞ 탄소나노튜브 (Carbon nanotube)
탄소 6개로 이루어진 육각형들이 연결돼 관 형태를 보이는 신소재를 말한다. 지름 1나노미터(1나노미터는 10억분의 1m) 크기의 미세한 분자다. 전기전도도는 구리와 유사하고 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같다. 강도는 철강보다 1000배나 우수하다. 차세대 첨단 소재로 주목 받고 있다.

☞ 질화물 반도체
주기표의 III족 원소인 알루미늄, 갈륨 및 인듐과 V족인 질소가 결합한 질화알루미늄, 질화갈륨, 질화인듐 형태의 반도체다. 200nm 의 자외선 영역부터 가시광을 포함한 약 2060나노미터 영역의 적외선 영역까지를 포함하는 반도체로 현재 청색 및 백색 발광 다이오드의 기본 반도체 재료다.

☞ 금속유기화학증착법 (MOCVD·Metalorganic Chemical Deposition)
증기압이 높은 금속의 유기화학 증기를 통해 기판에 화학 반응을 형성하고 고품질의 박막을 형성하는 방법으로 현재 발광 다이오드 (LED·Light-emitting diode)의 기본 박막을 제작하는 장치다.

☞ 이원계 및 삼원계
두 가지의 원소로 구성된 물질을 이원계라고 하고 세 가지의 원소로 구성된 물질을 삼원계라고 한다.