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나노 광학 구조에 의해 발광효율을....

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글쓴이 최고관리자 등록일 15-04-29 11:53
조회 434
     
    일본의 독립연구개발법인(정보통신연구기구, NICT)은 주식회사 토쿠야마와 공동으로 심자외 파장 대역에서 세계 최고의 출력인 90mW 이상의 심자외 LED의 개발에 성공했다.

    나노 광학 구조 기술에 의해 심자외 LED의 광 추출 효율을 대폭 향상시키는 것으로, 소형·고출력 심자외 LED 광원을 실현했다. 이번에 개발한 심자외 LED는 가장 살균성이 높은 파장 265nm, 실온 연속 동작으로 광 출력 90mW를 달성한 지금까지는 없었던 실용 상으로 요구되는 수준을 충분히 상회하는 것이다.

    약품을 사용하지 않는 깨끗한 살균 시스템의 실현과 기존 수은 램프의 대체, 신규 시장 창출 등 대규모 수요가 전망되며, 살균에서 의료, 산업, 환경, ICT에 이르기까지 폭 넓은 분야의 산업, 생활·사회 인프라에 획기적인 혁신을 가져올 것으로 기대되고 있다.

    심자외 파장대(200~300nm)에서 발광하는 반도체 발광 다이오드(LED)는 바이러스의 살균이나 음료수 · 공기 정화, 광 가공, 수지 경화, 환경 오염 물질의 분해, 식품 유통 분야, 병원 내 감염 예방, 광선 외과 치료, 각종 의료 기기, ICT 활용 등 다양한 분야에서의 응용이 기대되고 있다. 지금까지 기존의 심자외 광원으로는 주로 수은 램프 등의 가스 광원이 이용되고 있었다. 

    그러나, 가스 광원은 수명이 짧고 발광 파장이 가스의 휘선만으로 한정되는 데다 수은 등 인체 및 환경에 유해한 물질을 포함한다. 또한 광원의 크기, 소비 전력도 매우 크기 때문에 그 이용 범위는 제한되어 있으며, 대체 기술 실현에 대한 요구가 높아지고 있다. 이러한 배경 하에 수은-free, 낮은 환경 부하로 소형, 고출력의 심자외 LED의 개발이 강하게 요구되고 있다. 

    최근 질화물계 반도체(AlGaN : 질화 알루미늄 갈륨)를 이용한 심자외 LED의 개발이 세계적으로 활발히 진행되고 있지만, 심자외 LED는 광 추출 효율이 매우 낮다는 문제를 안고 있으며, 고출력화가 어려운 상황에서 소형이면서 고출력의 심자외 LED를 실현하기 위해서는 이 문제를 해결하는 새로운 기술의 개발이 필요했다.

    이번에 새롭게 개발한 나노 광학 구조 기술을 구사하여 심자외 LED의 광 추출 효율을 크게 향상시키는 것으로, 심자외 파장 대역에서 세계 최고 출력의 심자외 LED를 입증하는데 성공했다. 살균 효과가 가장 높은 발광 파장인 265nm, 전극 메사 면적 0.1mm2, 실온 연속 동작에서 90mW를 달성해 실용상 요구되는 수준을 충분히 만족시키는 전례없는 소형 고출력 심자외 LED를 실현했다.

    이번에 개발한 AlGaN계 심자외 LED는 결정 결함의 발생을 저감할 수 있는 질화 알루미늄 (AlN) 기판 위에 제작되었는데, AlN 기판은 일반적으로 사용되는 사파이어(Al2O3) 기판에 비해 굴절률이 높아 그동안은 기판 표면에서 전반사에 의해 매우 작은 양의 빛만이 외부로 나올 수 있었다. 이 문제를 해결하는 새로운 기술로서 이론 · 실험적 연구에 의해, 기존에는 없었던 새로운 광 추출 구조를 개발했다. 광 추출면이 되는 AlN 기판 표면에 2차원 광결정과 서브 파장 나노 구조를 조합한 하이브리드 광 추출 구조를 제작하여 전반사를 억제하여 광 추출 효율 향상률 196%를 달성했다 . 실용 상 중요한 장치 성능 지표인 광 출력 밀도로 90W/cm2 (발광 파장 265nm, 실온 연속 동작)를 실현하고, 타 연구 기관을 훨씬 상회하는 고출력 동작에 성공했다. 이번에 새롭게 얻어진 소형, 고출력의 심자외 LED는 지금까지 적합한 광원이 없고, 실현이 어려웠던 다양한 새로운 심자외선을 이용한 응용 프로그램 개발의 가능성을 넓힐 수 있을 것으로 기대된다.

    이번에 심자외 파장에서 세계 최고인 90mW 이상의 소형, 고출력 심자외 LED 개발에 성공해 실용상 요구되는 수준을 충족시키는 성능을 입증함으로써, 향후 심자외 LED의 본격적 보급, 응용 제품군의 실현을 향해 큰 진전이 기대된다. 소형의 휴대용 고출력 심자외 LED의 실현은 기존 광원 시장의 대체뿐만 아니라 휴대 가능한 바이러스 살균 시스템과 포인트 오브 케어형 의료 진단 · 분석 등 지금까지 없었던 다양한 신규 시장 창출도 기대된다. 연구팀은 심자외 영역에서의 광 추출 기술을 더욱 심화시키는 것으로, 가시 LED에 필적하는 성능을 제공할 수 있도록 앞으로도 노력하는 동시에 새로운 심자외광 기술을 통한 새로운 산업의 창출, 안심, 안전하고 지속 가능한 사회 만들기에 공헌하는 것을 목표로 하고 있다.

    [논문정보]
    1) 저널명 : Applied Physics Letters
    2) URL : http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl
    3) 논문명: Light extraction enhancement of 265 nm deep-ultraviolet light-emitting diodes with over 90 mW output power via an AlN hybrid nanostructure
    4) 저자명 : Shin-ichiro Inoue, Tamari Naoki, Toru Kinoshita, Toshiyuki Obata, Hiroyuki Yanagi

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