한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 차세대반도체연구소 송진동 책임연구원, 장준연 소장팀은 페타룩스 안도열 대표(서울시립대 석좌교수)와 공동연구를 통해 기존의 청색광 LED 반도체에 사용했던 질화갈륨을 대체 할 수 있는 새로운 화합물 반도체 기술개발에 성공했다고 8일 발표했다.

연구팀은 구리(Cu)와 요오드(I)를 합성한 요오드화 구리(CuI) 1-7족 화합물 반도체를 소재로 사용해 고효율로 청색광을 발광하는 소자 기술을 선보였다. 원소주기율표에 1-7족 물질들은 강한 전기적 상호작용으로 원자간 결합 강도가 높아 반도체로 사용하기 어렵다는 것이 학계의 정설이었다. 이번 기술개발로 반도체 소재 기술에 새로운 지평을 열었다는 평가를 받고 있다.

2014년 에너지 절약형 빛 혁명을 이끈 청색광 발광소자(LED) 발명자인 일본 과학자 3명은 노벨 물리학상 영예를 안았다. 반도체를 이용한 LED는 백색광 구현을 위해 적·녹·청색의 LED가 필요하다.

이중 가장 늦게 개발된 청색광 LED는 1990년대 일본의 과학자들에 의해 질화갈륨(GaN)을 고품질로 만드는 기법을 개발, 상용화에 성공했다. 질화갈륨은 전등뿐 아니라 스마트폰, 디스플레이, 전자제품 및 고주파 장치에 핵심소재로 우리 실생활에 널리 쓰이고 있다. 초고속 통신용 소자, 자동차용 전력반도체, 그리고 극한에서 사용 가능한 극한 환경용 반도체로 그 활용 범위가 급속도로 확대되고 있다.

국내 연구팀이 개발한 요오드화 구리(CuI) 반도체는 저렴한 실리콘(Si) 기판에 적은 결함으로 성장할 수 있어 현재 상용화돼 있는 대면적 실리콘 기판(300mm)을 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있다. 요오드화 구리(CuI) 박막 성장온도가 실리콘 기반 CMOS소자 공정에 사용되는 온도(300도 이하)와 유사해 열화 없이 요오드화 구리(CuI) 박막을 증착, 저렴하고 손쉬운 실리콘 반도체 공정에 적용할 수 있다.

공동연구팀은 요오드화 구리(CuI) 반도체가 질화갈륨기반 소자보다 10배 이상 강한 청색광 밝기와 향상된 관전 효율 특성과 장기적 소자 안정성을 가진다는 것을 확인했다. 이번 연구결과는 고품질 구리할로겐계 단결정 요오드화 구리(CuI)를 실리콘 기판 상에 성장, 고효율의 청색 발광을 구현해 세계최초로 구리할로겐계 화합물을 이용한 새로운 반도체 소재 기술을 실증했다는 것에 큰 의의가 있다. 공동연구팀은 그동안의 연구를 통해 새로운 요오드화 구리(CuI) 반도체 재료의 원천기술을 이미 보유하고 있다.

송진동 단장은 “기존의 p-형 질화갈륨을 대체해 높은 생산 효율의 청색(자외선) 발광에 성공했고 성능개선 연구를 지속해서 수행할 것”이라고 말했다. 장준연 소장은 “기존의 LED에 비교해 많은 장점이 있어 일본이 독점하고 있는 질화갈륨을 대체하는 새로운 발광반도체용 소재로 큰 기대를 모을 것으로 기대한다”고 설명했다. 안도열 페타룩스 안도열 대표는 “2016년 구리할로겐계 반도체의 우수성에 대한 이론적 예측을 최초로 보고하고 원천기술을 보유하고 있다”며 “이번 연구성과가 새로운 청색과 자외선 광원으로 상업적 생산이 가능할 것으로 기대한다”고 말했다.

연구결과는 네이처 자매지인 ‘Scientific Reports’ 최신호 온라인에(논문명:Intrinsically p-type cuprous iodide semiconductor for hybrid light emitting diodes) 실렸다.