삼성전자, 세계 최초 유리기판 GaN LED 구현 성공

[재경일보 김상고 기자] 삼성전자는 10일 세계 최초로 비정질 유리기판 위에 단결정 수준의 질화갈륨(GaN, Gallium Nitride)을 성장시켜, 유리기판상에 질화갈륨 발광다이오드(GaN LED)를 구현하는 데 성공했다고 발표했다.

이번 연구결과는 세계적 권위의 국제 학술지인 '네이처 포토닉스(Nature Photonics)' 인터넷판(10일자)에 게재됐다.

새 공법을 활용하면 기존 사파이어 기판을 사용할 때에 비해 10배 크기의 GaN LED 생산이 가능해진다.

회사측은 이번 구현을 통해 앞으로 GaN LED가 멀티 광원을 활용한 대형 조명과 디스플레이용 컬러표시소자 등 옵토 일렉트로닉스 분야에 확대 적용되는 기반이 될 것으로 전망했다.

GaN LED는 질화갈륨을 발광물질로 사용하는 LED로, 현재 사용되는 대부분 LED가 GaN LED다.

유리기판은 대형 면적으로 만들기 쉽고 가격도 저렴하다는 점에서 이상적인 기판 재료로 꼽혀왔지만, 원자의 배열이 비규칙적인 비정질이기 때문에 지금까지 유리기판 상에 단결정 수준의 GaN LED를 구현하지 못했었다. 단결정은 결정 전체가 일정한 결정축을 따라 규칙적으로 생성된 고체 물질을 의미하며, 반도체 소자를 만드는 기초가 된다.

그래서 이제까지 단결정 GaN LED는 사파이어와 같은 단결정 기판 위에 결정체의 층을 성장시키는 에피택셜(Epitaxial)성장법으로만 구현 가능하다는 것이 과학계와 업계의 상식이였다.

삼성전자는 이러한 상식을 뛰어넘어 GaN과 결정 특성 및 구조가 유사한 티타늄과 저온 GaN의 이중박막을 유리기판 위에 도입함으로써 비정질 유리기판에 결정성을 부여해 저온 GaN박막을 다결정 구조로 만들고, 그 위에 SiO2 hole 마스크를 형성했다. 이를 통해 GaN을 고온에서 성장시켜 유리기판에 단결정 수준의 GaN을 미세한 피라미드 형태로 성장시키는데 성공했다.

이렇게 유리기판 상에 GaN을 성장시켜 GaN LED를 구현한 삼성전자는 5mm×5mm 영역에서 안정적인 EL(Electro Luminescence) 특성을 확인했다.

이번 연구는 단결정 구조의 GaN 성장이 사파이어와 같은 단결정기판 상에서만 가능하다는 상식을 극복하고, 비정질의 유리기판 상에서 GaN LED의 구현이 가능하다는 것을 세계 처음으로 증명했다는 의미가 있다.

회사 관계자는 "70년대 사파이어기판에 GaN LED를 구현하는 기술이 성공한 이후 3,4인치 규모의 GaN LED가 일반적으로 양산돼 왔다"며 "최근 실리콘 기판 위에 10인치 초반까지 LED를 만드는 것이 성공했지만 아직 상용화되지 않았고, 이번 기술 개발로 기준보다 10배 정도 크기의 GaN LED 생산이 가능해진 것"이라고 설명했다.

업계 관계자는 "기판 물질에 따라 발광 효과와 생산성이 많이 좌지우지되기 때문에 기판에 대한 연구가 많이 진행되고 있다"며 "이번 연구는 업계 내부에서 굉장히 센세이션한 기술 개발이고, 상용화될 경우 원가와 생산성 측면 모두에서 질적 전환을 가져올 수 있을 것"이라고 평가했다.