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LED 연구에서 청색광이 마지막에 정복되는 이유는

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LED 연구에서 청색광이 마지막에 정복되는 이유는

2020.10.15 01:01
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삼성전자가 푸른 빛을 스스로 내는 양자점(퀀텀닷) 발광다이오드(QLED)를 개발하는 데 성공했다고 이달 15일 국제학술지 '네이처'에 발표했다. LED 개발에서 푸른 빛을 내는 것은 마지막 난제로 꼽힌다. 푸른 빛이 다른 빛에 비해 에너지가 크다 보니 이를 내는 소재를 개발하기가 가장 어려워서다. 오랜 기간 큰 에너지를 받으며 견디는 소재를 만드는 것도 관건이다.

 

빛을 내는 반도체인 LED는 양의 전기적 성질을 가진 p형 반도체와 음의 전기적 성질을 가진 n형 반도체가 붙은 구조다. 전자가 많은 n형 반도체와 전자의 반대인 정공이 많은 p형 반도체가 맞닿아 있다. 여기에 전기를 가하면 n층의 전자가 p층으로 이동해 정공과 결합하면서 에너지를 낸다. 에너지는 열이나 빛의 형태로 나오는데 원하는 파장의 빛을 내도록 만들면 LED가 된다.

 

이때 에너지 차이(밴드갭)가 얼마나 나는지에 따라 LED 색이 달라진다. 밴드갭은 소자의 특성에 따라 달라진다. 청색광은 이중 밴드갭이 가장 크다. 빛의 3원색인 적색과 녹색, 청색 중 청색이 가장 파장이 짧다. 파장이 짧을수록 에너지가 크다. 밴드갭이 크면 정공에 전자를 효율적으로 주입하는 것이 점점 어려워진다. 청색광을 만들기 어려운 이유다. 2014년 일본 연구자들에게 노벨상을 안겨준 청색 LED가 가장 늦게 개발된 것도 이와 무관치 않다.

 

퀀텀닷은 청색광 개발이 더욱 어렵다. 퀀텀닷은 크기가 작을수록 밴드갭이 커지는 특성이 있기 때문이다. 파란색을 내려면 크기가 가장 작은 퀀텀닷을 결함 없이 깨끗하게 만들어야 한다. 양지웅 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학전공 교수는 “크기가 작아질수록 표면적은 넓어지면서 결함이 더욱 드러나기 때문에 높은 효율을 내는 퀀텀닷을 만들기 어렵다”며 “밝은 빛을 내는 청색 퀀텀닷을 만들기 어려운 이유”라고 말했다. 퀀텀닷 중심(코어)를 덮는 껍질인 쉘을 만드는 것도 코어가 작을수록 난이도가 높아진다.

 

청색광 LED는 수명 또한 문제다. 소재 자체에 많은 에너지를 주고 소재 또한 에너지가 큰 빛을 내기 때문이다. 소재가 큰 에너지를 견디지 못하고 빨리 닳으면서 다른 색의 LED에 비해 수명이 빠르게 줄어든다. 배완기 성균관대 나노공학부 교수는 “LED 디스플레이가 시간이 지나면 색이 변하는 것은 청색 소자가 약하기 때문”이라고 말했다.

 

청색광은 난이도가 가장 큰 대신 활용도도 높다. 에너지가 크기 때문에 상대적으로 에너지가 작은 다른 빛을 내는 광원으로 활용할 수 있다. 배 교수는 “청색은 에너지가 세기 때문에 녹색이나 적색으로 변환하는 기저 광원으로 쓸 수 있다”고 말했다.

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