집집마다 있는 LED의 발명

LED(Light Emitting Diode, LED)는 반도체 소자의 일종으로 전압이 인가되면 빛을 발생시킬 수 있다. LED는 조명, 디스플레이 및 통신을 포함한 광범위한 응용 분야에서 점점 더 중요해지고 있다. LED 기술의 한 가지 과제는 백색광 생산에 중요한 밝은 청색 LED의 개발이었다.

1990년대 초, 일본 니치아사의 연구원들은 질화 갈륨(GaN)이라는 새로운 형태의 반도체 물질을 개발함으로써 청색 LED 기술에 획기적인 발전을 이루었다. GaN은 넓은 밴드갭과 높은 열적 안정성 등 블루 LED 생산에 적합한 독특한 특성을 가지고 있다.

그러나, GaN 기반의 LED의 개발에도 불구하고, 높은 전류 밀도에서 LED의 효율이 감소하는 효율 드루프(Efficiency Droop)라는 현상으로 인해 청색 LED의 효율은 상대적으로 낮게 유지되었다. 이 문제를 극복하기 위해 연구자들은 LED 재료의 설계를 최적화하는 분자 공학 기술로 눈을 돌렸다.

청색 LED의 효율을 높일 수 있는 방법?

LED 기술에서 분자 공학에 대한 한 가지 핵심 접근법은 LED 구조의 다른 층들 사이의 인터페이스를 최적화하는 것이었다. 청색 방출을 담당하는 질화인듐 갈륨(InGaN) 층과 GaN 층 사이의 계면은 특히 연구의 초점이 되어왔다. 연구진은 InGaN 층의 조성과 두께를 세심하게 조절해 청색 LED의 효율을 높일 수 있었다.

청색 LED 기술에서 분자 공학에 대한 또 다른 접근법은 향상된 특성을 가진 새로운 재료를 개발하는 것이었다. 예를 들어, 연구자들은 블루 LED의 효율을 향상시킬 수 있는 더 높은 인듐 함량을 가진 새로운 종류의 InGaN 합금을 개발했다.

이러한 분자 공학적 접근법은 고효율의 밝은 청색 LED의 개발과 함께 청색 LED 기술의 상당한 개선으로 이어졌다. 2014년에는 청색 LED 기술 개발에 핵심적인 기여를 한 연구자들에게 노벨 물리학상이 수여되었으며, 이 기술이 과학과 실용 모두에 중요하다는 것을 강조했다.