한국광기술원(원장 신용진)은 김자연 광반도체연구센터 박사팀과 라용호 전북대학교 교수팀이 질화갈륨(InGaN) 기반 나노로드 어레이 발광다이오드(LED)의 혁신적 광발광 현상인 '퀀텀 가이저 현상'을 실험적으로 규명했다고 17일 밝혔다.
확장현실(XR)기기 등 디스플레이 디바이스의 발전에 따라 초고해상도·초고휘도 구현을 위한 고효율 청색 직진광원 개발이 필수적이다. 기존의 LED구조는 광 발산각 및 효율 등의 한계로 시장의 요구를 충족하기 어려웠다. 이에 나노 단위로 정밀 패터닝된 나노로드 어레이 구조가 대안으로 부상했지만 이론적 모델과 실험적 검증의 복잡성이 도전과제로 남아 있었다.
연구팀은 마이크로 LED의 난제 가운데 하나인 측면 광손실 문제를 인접 나노로드가 누설광을 재흡수·재방출하는 연쇄반응 매커니즘으로 밝혀냈다. 밝기와 직진성을 동시에 향상시키는 기술을 구현해 이를 해결했다. 빛이 내부에 흡수됐다가 증폭돼 강하게 방출되는 모습이 간헐천을 떠올리게 한다는 점에서 퀀텀 가이저 현상이라 명명했다.
연구 핵심은 나노미터급 패터닝 공정을 이용한 수직형 나노로드 어레이 마이크로 LED 구조 제작이다.
김자연 박사팀은 구조 설계부터 나노 패턴 형성, 정밀 어레이 제작, 공정 최적화, 물리·광학적 측정까지 전 과정을 주도하며 광원의 확산이 거의 없는 초정밀 직진형 LED 구조를 구현에 성공했다.
라용호 교수팀은 고성능 광학 분석 기술을 기반으로 유한 차분 시간 영역법(FDTD) 시뮬레이션으로 구조별 광추출 효율을 예측하고 마이크로 광발광(PL) 및 시간분해 광발광 실험으로 나노로드 간의 광 교환과 집단적 광자 재활용 메커니즘을 세계 최초로 규명했다. 기존 평판형 구조 대비 최대 11배의 발광 효율 향상을 확인하며, '퀀텀 가이저 효과'의 근본 원리를 입증했다.
연구 성과는 세계적인 학술지 '머티리얼 투데이'에 게재돼 국내·외 반도체 및 디스플레이 업계의 큰 주목을 받고 있다. 퀀텀 가이저 현상의 직진성과 고효율 특성은 차세대 XR 디스플레이에 필수적인 초고해상도·초고휘도 구현, 공간 간섭 억제, 에너지 효율 및 신뢰성 향상 등에서 혁신적 가치를 지닌 기술로 평가된다.
연구팀은 현재 이론적·광학적 메커니즘 규명에 이어 나노로드 어레이 마이크로 LED를 실제 디바이스화해 전기발광(EL) 특성 검증을 마무리하는 단계다. 향후 시스템적 실증평가로 퀀텀 가이저 현상의 실용화 가능성 입증해 향후 초고해상도 디스플레이, 차세대 투명 XR·증강현실(AR) 글래스 등 첨단 디스플레이 시장을 이끌 핵심 원천기술로 발전시킬 예정이다.
광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
