LED 소자 발열(發熱) 문제를 획기적으로 개선할 수 있는 기술이 전북대 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 작동했을때 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 성공하였다.

(*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.

홍창희 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.