한국기초과학지원연구원(원장 이광식)은 방준혁 연구장비개발사업단 스핀공학물리연구팀 박사가 송정훈 공주대 교수, 생바이 장 미국 렌셀러 폴리테크닉대 교수와 공동으로 청·백색 LED 발광 효율 저하시키는 비발광 재결합 현상을 발견했다고 26일 밝혔다. 

LED는 백열전구보다 효율이 높지만 에너지의 15% 정도만 빛으로 전환, 나머지 85%는 열 발생으로 손실된다. 

LED 자체는 냉광소자지만 사용된 칩의 결정결함으로 인해 발열현상이 나타난다. 빛을 내는 재결합을 '발광 재결합', 빛 대신 다른 에너지를 방출하는 재결합을 '비발광 재결합'이라고 한다. 발광효율을 떨어뜨리는 비발광 재결합에는 'SHR 재결합, 오제(Auger) 재결합' 등이 있다. 

연구팀은 LED가 작동하기 위해 주입된 전류에 의해 질화갈륨(GaN) 반도체 내에서 지속적으로 결함의 생성-소멸 과정을 일으킬 수 있으며, 이 과정에서 비발광 재결합을 일으켜 효율이 떨어질 수 있음을 밝혔다.  

연구팀은 정상적인 상태에서 인듐(In)과 결합돼 있던 질소(N)가 주입된 전자의 영향으로 인듐과의 결합을 끊으며 결함을 생성시키고, 전자와 정공은 새로 생성된 결함을 매개로 비발광 재결합을 일으켜 에너지 손실이 발생한다고 설명했다. 

빛을 내는 발광 재결합에 사용돼야 할 에너지가 반도체 물질에 구조적 결함을 일으키고, 이 결함이 비발광 재결합을 매개해 발광효율을 떨어뜨리는 것. 

연구팀은 비발광 재결합 과정은 다른 물질에서도 발생할 수 있는 일반적인 현상으로 앞으로 다른 광전소자 물질 내 비발광 재결합 과정에 대한 추가 연구를 통해 광전소자의 성능을 높이는 데 기여할 수 있을 것으로 기대했다. 

방준혁 박사는 "이번 연구는 청·백색 LED 성능향상 연구 개발에 있어 새로운 영역을 개척한 것에 비유할 수 있다"며 "발광 효율을 저하시키는 새로운 이론적 모델을 발견, 공정 개발의 기반을 마련해 LED 성능 향상에 기여할 것"이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구 결과는 국제학술지 '사이언티픽 리포츠'(Scientific reports) 온라인판에 14일 게재됐다.