<시리즈> 알면 재미있는 부품상식 (4)

<화합물 반도체 청색 발광 왜 어렵나>

화합물 반도체를 이용하여 전기에너지를 光에너지로 변환, 빛을 발생시킬 경우 대략 3백∼2천5백 나노미터(nm)정도의 파장이 발생한다. 이중 인간이 육안으로 확인할 수 있는 가시광선 대역은 3백50∼9백50nm정도이며 각 파장대별로 고유한 색깔을 띠게 된다. 예를 들어 적색은 6백50~7백, 황색 5백90~6백30, 녹색 5백55~5백65, 청색 4백80~4백90nm 등이다.

화합물 반도체를 활용하여 인공광을 내기 위해서는 해당 파장을 낼 수 있는 재료를 우선 확보해야 한다. 흔히 이용되는 화합물 반도체 재료로는 갈륨인(GaP), 질화갈륨(GaN), 갈륨아세나이드(GaAs) 등 주기율표의 Ⅲ~Ⅳ족 화합물이다. 그러나 청색을 내기 위해서는 적색과 녹색과는 다른 화합물 반도체가 필요하다. Ⅱ∼Ⅴ족 화합물 반도체 계열인 징크세레나이드(ZnSe), Ⅳ∼Ⅵ족인 실리콘카바이드(SiC), Ⅲ∼Ⅴ족인 갈륨질소(GaN)가 그것이다.

그러나 청색 발광에 필요한 이들 화합물 반도체는 화학적으로 단결정이 불안정하거나 결정 성정이 어렵다는 단점을 안고 있다. 즉 빛을 내기 위해서는 P와 N등 두개의 전극단자가 유기적으로 결합해야 하는 데 아직 특성이 서로 비슷한 재료를 발견하지 못하고 있는 것이다. ZnSe의 경우 대개 GaAs기판을 이용하고 있지만 원소의 증기압이 너무 높아 성장자체가 어려우며 SiC는 결정은 화학적으로 안정돼 있지만 실용화하기에는 수명과 휘도가 낮다는 문제가 있다. 그리고 현재 가장 유력한 GaN도 P형 반도체로 사파이어 기판을 사용하지만 결정 형성이 어렵고 사파이어가 GaN에 정확하게 부합되지 않아 불안정하다는 단점이 있다.

지난 23년에 최초로 빛을 발하는 발광다이오드(LED)가 개발된 이후 세계적으로도 작년에야 청색LED가 출현하고, 국내에서는 LG전자가 최근에야 세계 3번째, 국내서는 처음으로 실용 가능한 고휘도(1칸델라 이상)의 청색LED를 개발한 것은 청색을 구현하기가 어려움을 역설적으로 말해주는 것이다.

<강병준 기자>