삼성 지원사업으로 LED 고휘도 '양자 효율 저하' 해결책 제시

기사내용 요약
삼성미래기술육성사업 지원으로 성균관대 에너지과학과 김정용 교수 연구팀, 미국 미네소타 대학 토니 로우 교수, 서강대학교 장준익 교수 등과 수년간의 공동 연구

[서울=뉴시스] 엑시톤 평균 수명 측정 실험 결과(자료=성균관대 제공) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]김광주 인턴 기자 = 성균관대학교(총장 신동렬)는 에너지과학과 김정용 교수 연구팀이 공동 연구를 통해 '엑시톤 간 상호작용을 억제해 발광 반도체의 고휘도 양자 효율을 획기적으로 향상했다"는 연구 결과를 발표했다고 8일 밝혔다.

LED와 같은 반도체 발광 소자는 광여기(光勵起)하거나 전기적으로 주입된 전자(-)와 정공(+)들이 만나 엑시톤을 이루고, 이 엑시톤들이 다시 광자로 변하면서 빛을 발하는 원리로 작동한다.

다만 높은 밝기를 얻기 위해 엑시톤의 밀도를 증가시키면, 엑시톤이 광자로 변하기 전에 서로 충돌해 소멸되어(엑시톤이 갖는 에너지는 열로 소비됨) 고휘도에서의 LED 양자 효율이 급격히 줄어드는 문제가 있다.

이는 엑시톤이 광자로 변하기 위해 보통 수 나노(10억분의 1)초의 시간이 걸리는데, 이보다 먼저 충돌하면서 소멸되기 때문이다. 따라서 엑시톤의 평균수명도 밀도가 높아짐에 따라 10배 이하로 급격히 줄어든다고 알려져 있다.

연구진은 '양자가둠' 효과가 큰 2차원 반도체에서 이러한 문제가 더욱 심화된다는 점에 착안해, 엑시톤들이 무작위가 아닌 전기장에 의한 상호 인력에 의해 충돌이 가속된다고 가정했다.

이에 '전기장 차폐 성질'이 있는 금속 박막을 2차원 반도체에 근접시키고 고휘도에서 양자 효율을 측정한 결과 금속 박막이 없을 때보다 최고 16배 증가시킬 수 있었다.

또 2차원 반도체와 금속 박막 사이 간격을 최소 7나노미터로 줄인 결과 엑시톤 농도가 1만 배 늘어나도 본래의 엑시톤 평균 수명인 나노 초 이하로 거의 줄어들지 않는 것으로 측정됐다. 2차원 반도체와 인접 금속판과의 간격 변화에 따른 엑시톤 간 충돌 확률을 양자 역학 기반으로 계산한 결과가 실험 결과와 완벽히 일치해 연구진이 세운 가설의 효용성이 확인된 것이다.

김정용 교수는 "엑시톤 간 상호작용을 제어하는 방식으로 반도체의 비발광 엑시톤 충돌 현상을 줄일 수 있다는 것을 최초로 증명하고, 반도체 LED의 고휘도 양자 효율 저하 문제의 해결책을 제시했다는 데 의미가 있다"고 말했다.

이번 연구 결과는 삼성미래기술육성사업 지원으로 미국 미네소타 대학 토니 로우 교수, 서강대학교 장준익 교수 등과 수년간의 공동 연구를 통해 일군 성과이다.

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