LED 소자 발열(發熱) 문제를 획기적으로 개선할 수 있는 기술이 전북대학교(총장 서거석) 교수진에 의해 세계 최초로 개발됐다.

이 대학 반도체과학기술학과 홍창희 교수팀은 꿈의 신소재로 주목받고 있는 ‘그래핀(Graphene)’을 이용해 LED 소자의 발열 문제를 획기적으로 개선했다고 밝혔다.

한국 연구재단의 기초 연구실 육성사업(BRL) 및 중점연구소 프로그램 지원으로 이뤄진 이 연구는 ‘그래핀 산화물 패턴을 내재시킨 질화갈륨 LED의 열방출 개선 연구(Improved heat dissipation in gallium nitride light-emitting diodes with embedded graphene oxide pattern)’라는 제목으로 세계 최고 저널 네이처 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 최근호(2월 5일자)에 게재됐다.

그동안의 LED 기판에 주로 사용된 사파이어 소재는 열전도율이 낮아 고출력으로 작동했을 때 발생되는 열을 제대로 방출 및 분산시키지 못해 반도체 칩이 망가지는 등 신뢰성 확보에 어려움이 많았다.

그러나 홍 교수팀은 독자적으로 개발한 ‘그래핀 패터닝 공정’을 이용해 사파이어 기판 위에 그래핀을 포함한 ‘질화갈륨(GaN) 박막’을 만들어 LED 소자제작에 성공했다.

(패터닝 공정: 기판위에 원하는 반복적 미세무늬를 제작하는 공정)

구리에 비해 10배 이상 뛰어난 열전도율을 가지는 그래핀은 소자 내에서 발생되는 열을 골고루 방출하고 분산시켜 획기적으로 반도체칩의 온도를 낮춰 안정성을 확보할 수 있는 것이다.

이렇게 개발된 기술을 통해 열 발생이 많은 수평형 LED에서도 높은 전류 구동이 가능해 고출력 LED를 구현할 수 있다. 이 기술은 LED뿐 아니라 전기 자동차에 활용되는 전력소자나 태양전지, 유기 발광소자(OLED), LED TV 등 가전제품 등 다양한 분야에 활용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

특히 홍 교수팀이 독자적으로 개발한 ‘그래핀 패터닝 공정’은 기판의 크기 및 형태에 국한되지 않아 곧바로 대량생산이 가능하고, 고온 열처리를 통해 쉽게 제작이 가능해 빠른 시일 내에 상용화를 기대할 수 있다.

이 기술은 현재 국내 특허 출원이 완료됐고, 미국 등 해외 특허 출원도 진행 중에 있다.

홍 교수는 “이번 연구는 꿈의 신소재로 세계 학계의 주목을 받고 있는 그래핀을 광소자에 적용한 세계 첫 번째 사례로 큰 의미가 있다”며 “빠른 시일 내에 이 연구 성과가 상용화될 수 있도록 노력하겠다”고 말했다.

한편 ‘그래핀’은 영국 맨체스터대학교의 안드레이 가임 교수와 연구원 콘스탄틴 노보셀로프 박사가 세계 최초로 분리해 해 2010년 노벨물리학상을 받은 신소재다. 두께 0.7나노미터(100억분의 7m), 강도는 강철의 100배, 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체 실리콘보다 100배 이상 빠르게 전자를 이동시킬 수 있어 꿈의 신소재로 세계 학계의 가장 큰 주목을 받고 있다.

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