마이크로 LED의 광효율 향상 및 발광 파장 제어 기대

한국에너지공과대학교(KENTECH, 총장직무대행 박진호) 오상호 교수 연구팀이 한국과학기술원(KAIST) 유승화 교수 연구팀과 협력하여 인듐갈륨질화물(InGaN)/갈륨질화물(GaN) 기반 마이크로 LED의 응력 완화 현상을 정밀 분석하는 데 성공했다. 연구팀은 고해상도 투과전자현미경(STEM) 변형 맵핑 기법과 유한요소해석(FEM)을 활용해 LED 측벽에서 발생하는 독특한 응력 완화 메커니즘을 규명했다.

이번 연구는 마이크로 LED의 광효율 향상과 발광 파장 제어 기술 발전에 중요한 기초 자료로 평가받고 있으며, 연구 결과는 국제 학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 게재되었다.

마이크로 LED의 응력 완화 메커니즘 분석

최근 초고해상도 디스플레이 기술이 발전하면서 마이크로 LED(μLED)가 차세대 광원으로 주목받고 있다. 특히 InGaN/GaN 다중 양자우물(MQW) 구조를 기반으로 한 마이크로 LED는 높은 발광 효율과 신뢰성을 갖추고 있지만, 나노 및 마이크로 스케일에서의 응력 분포와 탄성 완화 현상에 대한 이해는 아직 부족한 상황이었다.

이에 KENTECH-KAIST 공동 연구팀은 마이크로 LED의 측벽에서 발생하는 응력 완화 메커니즘을 정밀 분석했다. 연구팀은 STEM 변형 맵핑 기법을 활용해 마이크로 LED 내부의 3차원 변형장 분포를 시각화하고, FEM 기법으로 실험 결과를 정량적으로 검증했다. 그 결과, 마이크로 LED 측벽 근처에서 비단조적인 응력 변조 현상이 발생하며, InGaN과 GaN층이 본래의 격자 구조로 돌아가려는 과정에서 반대 방향의 전단 응력이 형성됨을 확인했다.

광효율 개선 및 발광 파장 제어 가능성 제시

이번 연구는 마이크로 LED의 응력 완화 현상이 광효율과 발광 특성에 미치는 영향을 이해하는 데 중요한 기초 자료가 될 것으로 평가된다. 연구팀은 응력 완화가 압전 분극(piezoelectric polarization)을 변화시키며, 이로 인해 발광 파장의 이동과 스펙트럼 변화가 발생할 수 있음을 실험적으로 입증했다.

KENTECH 오상호 교수는 “이번 연구를 통해 마이크로 LED에서 발생하는 복합적인 응력 완화 현상을 정밀 분석함으로써 향후 LED 소자의 효율 개선 및 발광 파장 제어 기술 개발에 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

KAIST 유승화 교수 역시 “마이크로 및 나노 구조에서의 탄성 변형과 응력 완화 메커니즘을 이해하는 것은 차세대 광전자 소자의 성능 최적화를 위한 필수적인 과정”이라며, “이번 연구가 소형 광전자 소자의 디자인 최적화와 제조 공정 개선에 중요한 기초 자료로 활용되기를 기대한다”고 강조했다.

이번 연구는 김종일 박사와 여진욱 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 오상호 교수와 유승화 교수가 교신 저자로 연구를 주도했다. 연구 결과는 2025년 2월 26일 국제 학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 게재되었다.

논문 제목: Elastic Relaxation of Coherent InGaN/GaN Interfaces at the Microwire LED Sidewall
DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202408736

이번 연구는 과학기술정보통신부 미래소재디스커버리 사업, 한국연구재단 중견연구자 지원사업, 산업통상자원부 및 한국산업기술기획평가원의 지원을 받아 수행되었다.

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