신호 손실 없는 차세대 스핀 전자소자 개발...“포스트 실리콘 시대의 첫 걸음”
기존 전자소자의 물리적 한계 극복
현재 사용하고 있는 전자소자는 실리콘을 기본으로 하여 괄목할 만한 발전을 하고 있는데 물리적으로 스케일링의 한계에 가까워져 새로운 패러다임의 소자가 필요하게 되었다. 스핀트로닉스 소자는 전자의 전기적 특성과 자기적 특성을 모두 이용하는 차세대 전자소자로, 실리콘 이후 차세대 반도체 소자분야에서 가장 주목받는 후보이다.
스핀이 시계 방향으로 돌면 ‘0’, 반대방향으로 돌면 ‘1’로 인식하여 전자 하나가 1비트가 되는 것인데, 전자의 스핀은 제어하기 어려운 특성이 있어 스핀 정보를 전압으로 제어하고 전기신호로 바꾸는 것이 스핀트로닉스 소자의 활용 여부를 가늠하는 핵심이 된다.
신호 손실이 없는 스핀-전기 전환 소자 개발
한국과학기술연구원 스핀융합연구단은 2000년대 초반부터 차세대 반도체 소자에 응용하기 위해 스핀을 제어하고 전기신호로 바꾸는 스핀트랜지스터, 스핀 홀 소자, 스핀논리소자, 스핀메모리 분야에 대한 연구를 시작해 세계적인 성과를 창출하였다. 기존 반도체 스핀소자는 스핀 정보가 전기신호로 바뀌는 과정에서 전자 간에 충돌이 발생하였는데 본 연구에서는 전자 간 충돌전에 원하는 전기신호로 바꾸고 이를 외부에서 제어하는 방법을 이용하여 전자소자를 구현하였다.
일반적인 홀 효과는 전기가 흐르는 채널에서 자기장으로 전자의 방향을 측면 방향으로 이동시켜 측면전압을 측정하는 방법이다. 이와 달리 스핀 홀 현상은 전자의 스핀 방향에 따라 이동하는 방향이 달라지고 이 전자의 이동을 전압으로 측정하는 방법이다. 예를 들어 업-스핀은 왼쪽으로, 다운-스핀은 오른쪽으로 이동한다. 이때 일반적인 스핀 홀 현상은 전자 간 충돌을 일으키면서 왼쪽 또는 오른쪽으로 이동하게 되는데, 탄동(무손실) 스핀 홀 현상은 이러한 충돌이 없이 초고속 반도체 채널의 원천적인 에너지 구조에 의해 업-스핀과 다운-스핀이 측면으로 이동하는 현상이다.
본 연구의 핵심은 스핀 홀 효과를 관찰하고 이를 전기적으로 제어하여 손실이 없는 스핀 홀 소자를 개발한 것이다. 스핀 홀 효과는 스핀을 전기신호로 바꾸는 것으로 기존에 발표된 스핀 홀 소자는 빛을 이용하거나 전자의 충돌을 이용하여 실제 소자에 응용할 수가 없었다. 본 연구에서는 전자 간 충돌이 없는 초고속 인듐비소(InAs) 반도체 채널을 사용하고, 전기적으로 외부에서 조절하여 스핀의 방향을 물론 스핀의 이동 방향까지 제어함으로써 스핀 홀 트랜지스터나 스핀로직소자에 적용할 수 있음을 세계 최초로 입증하였다. 이러한 연구 결과를 2015년 세계적인 저널인 ‘Nature Nanotechnology’에 게재하였다.
▲ 저 차원 채널을 이용한 스핀 전달 소자의 전자 현미경
▲ 스핀홀 소자의 주요 부분 구조 및 사진
새로운 패러다임 적용한 정보소자 분야 저전력 솔루션
새로운 물질과 신개념 소자에서 발현되는 물리현상의 발견과 연구를 통해 세계 선도 수준의 학문적 성과를 창출할 수 있으며 융합연구를 통해 여러 분야로의 파급효과가 지대할 것으로 전망된다. 특히 기존 기술의 개량이 아닌 나노사이즈에서 일어나는 스핀 현상을 이용하여 과학적·학문적 영향력이 매우 크다. 또한 스핀 전자소자는 부팅이 필요 없는 컴퓨터와 장기간 충전이 필요 없는 모바일 기기의 핵심부품을 제공할 것으로도 기대된다.
수천억 달러 규모로 예상되는 반도체 시장 진출 가능
본 연구에서 얻은 원천핵심기술의 추가적인 연구를 통해 상업화 가능성을 보여준다면 세계적인 반도체 기업에 기술이전이나 사업화가 가능할 것으로 전망된다. 또한 비휘발성, 초고속, 초소형, 초저전력, 장수명의 특성을 갖는 소자로서 기존 DRAM 시장 대체, 모바일 기기 및 극한환경용 등으로 활용 가능할 것으로 기대된다. 2016년 기준 3,900억 달러로 전망되는 반도체 시장규모에서 향후 10%를 대체한다고 할 경우, 약 400억 달러에 이르는 거대시장 진출이 가능하다.
광-회선-패킷 통합 스위치 기술 개발
“초연결 사회 진입에 따른 ICT 네트워크 인프라 장비 고도화 ”
트래픽 폭증과 네트워크 인프라 효율성 강화 요구
멀티미디어 서비스의 확산으로 인터넷 데이터 트래픽 양상은 가히 폭발적인 증가 상태이다. 2020년경에는 광전송기술 발전이 트래픽증가 속도(7년간 10배)를 따라가지 못하는‘전송용량 부족’(capacity crunch) 상황도 예상된다.
이러한 데이터 트래픽의 폭증은 통신사업자의 설비 증설을 계속적으로 요구하고 있으나 수익은 정체 내지 감소하는 상황이어서 ‘트래픽 증가 대비 수익의 탈동조화 현상’이 발생하고 있다. 또한 통신사업자의 현 전달망은 광 전송망, 회선 망, 패킷 망이 계층별로 개별적으로 설치, 운용되고 있어, 망 관리가 복잡하고, 장비를 설치하는 상면적이 커서 시설 확장이 용이하지 않으며 네트워크 장비의 소비 전력도 해마다 증가하는 문제점을 내포하고 있다. 이러한 당면 현안들에 대한 솔루션으로 광-회선-패킷 통합 전달망 장비가 필요하다.
▲ 시스템 연동시험
▲ 광-회선-패킷 다계층 통합 시험
초연결 ICT 네트워크 인프라 장비 핵심기술 확보
본 우수 성과인 광-회선-패킷 통합 스위치는 광, 회선, 패킷의 개별 전송 계층을 하나로 통합·제어하고, 최적경로를 자동으로 구축하여 네트워크의 단순화, 지능화 및 광대역화를 구현하는 테라급 광-회선-패킷 통합 스위치 장비다. 기존 네트워크 대비 라우터 부하 80%, 전력 소비 65%, 상면적 68%를 감소시키며 망 구축 및 운용비용도 60% 이상 절감된다. 이번 국산화에 성공한 장비는 3.2테라 패킷처리 용량과 1.6테라 회선처리 용량 그리고 100기가/80채널 파장 스위칭 용량을 처리할 수 있는 장비로, 2012년부터 코위버·우리넷·텔레필드 등 국내 장비 산업체와 공동으로 개발해왔다.
2015년 하반기 공동연구 산업체가 테라급 상용시스템을 제작해 2016년 1월 국가연구개발시험망인 KOREN에 직접 적용한 바 있으며, 2014년 8월 KT 인프라연구소 주관 시험에서는 본 장비가 글로벌 벤더와의 기술 경쟁력에서 우위를 차지하고 있고, 통신사업자 망에 적합한 기능을 갖고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 핵심기술 지식재산권 확보를 위해 2015년에 국내 특허 33건, 국제 특허 14건을 출원하였고(누계 국내특허 131건, 국제 특허 43건), 조기 상용화를 위해 기업체에 기술이전 6건(착수료 315백만원, 누계 19건 및 1,580백만원)을 추진하였다.
네트워크 고도화로 지능정보사회의 건강한 대동맥 구축
광-회선-패킷 통합 스위치 기술 개발을 통해 ICBM (IoT, Cloud, Big-Data, Mobile)이라는 인터넷 신조류를 가능하게 하는 인프라의 인프라 대동맥이 구축되고, 실시간 처리를 필요로 하는 대용량의 트래픽 및 다양한 기기를 수용할 수 있는 핵심 인프라로서 초연결 사회를 견인하게 된다. 이와 함께 금융, 교통, 의료, 에너지 등 전 산업 IT 융합을 위한 신성장 동력의 필수 인프라의 역할을 하게 될 것이다.
인프라 기술독립국 실현, IT강국 위한 질적 고도화
본 연구는 수입유발형 장비산업 구조를 수출주도형 장비산업 구조로 바꿀 수 있는 절호의 기회가 되어 ICT 산업 내실화에 기여할 것이다. 기술이전을 통해 중소기업 기술 경쟁력을 강화시켜 중견기업 육성을 견인하고 나아가 창조경제 및 기업상생 기반 구축에 이바지할 수 있다. 또한, 국산 토종 에너지 저감형광 인프라 구축을 확산시키는 기회가 된다.
분당 700매 속도 양면 이미지 스캔 및 전송이 가능한 위조지폐 감별기 개발
“신뢰받는 금융환경의 지킴이”
인쇄기술 발달에 따른 위조지폐의 다양화·정밀화
인쇄기술과 디지털기술의 비약적인 발전으로 인해 더욱 정교해지고 다양해진 위조지폐의 범람은 가계 및 국가의 손실뿐만 아니라 국가 신임도의 하락을 초래할 수 있는 심각한 사회적 이슈로 대두되고 있다. 이러한 위조지폐의 확산방지 대안으로 대부분의 국가에서 막대한 경제적 손실을 감수하며 위조방지 요소를 강화한 신권을 지속적으로 발행함과 동시에, 고성능 위조지폐의 감식 능력을 갖춘 위조지폐 감별기의 도입을 의무화하고 있다. 그러나 최근 위조지폐 수준을 감안하면 현존 위조지폐 감별기의 대폭적인 성능 향상이 필요한 실정이다.
실시간 양면 이미지 전송이 가능한 다기능 위폐 감별기
전 세계에는 국가별로 다양한 지폐가 존재할 뿐만 아니라 수표, 상품권, 쿠폰 등 수많은 유가증권이 널리 유통되고 있다. 이들의 가치와 맞물려 다양한 위변조 유가증권이 나오고 있는데, 이미지와 각종 센서를 통한 권종 판별 및 위변조 감별 기술과 IT 기술을 접목시켜 위변조 유가증권의 재유통을 원천적으로 차단하고 있다.
본 개발은 지폐에 대한 진위 여부를 판별하는 기술의 한계를 극복하기 위해 수행되었다. 핵심 센서들의 독자 개발을 통해 안정적이면서 향후 유통 될 수 있는 초정밀 위폐 감별 능력에 유연성을 확보하고, 특성이 다른 다양한 국가의 위조 감식을 위해 지폐의 전 영역을 검사할 수 있는 다양한 센서의 배치, 정밀 측정을 위한 노이즈 저감 기술을 통해 고속의 운용 환경을 지원함으로써 기술적 차별화를 이룰 수 있는 능동적 감별 시스템을 구현해 냈다. 특히 분당 1,500매의 위조지폐 판별 속도는 동종 업계 최고 수준이며, 분당 700매의 양면 이미지 스캔 및 전송이 가능한 기기는 동종 기계에서는 최초다.
또한 접힘, 낙서, 테이프 부착 등의 훼손도 체크를 통한 훼손권 검출이 가능하며, 일련번호, 바코드, MICR 등의 정확한 인식 및 전송, DB 구축 등의 기술을 적용함으로써 지폐보다 위조방지 기술의 수준이 떨어질 수밖에 없는 상품권이나 쿠폰 등의 위변조 여부도 판별할 수 있다.
▲ 개발개념도
다양한 분야로의 확대 가능한 집약적 기술
본 개발은 빠르고 정밀한 센싱 및 처리와 안정적인 기구기술이 집약되어 있다. 고속 이미지 스캔 기능은 현존 복사기나 스캐너의 처리속도를 획기적으로 증가시키는데 사용할 수 있으며, 독자적으로 발전시킨 위변조 감지 기술은 공문서와 같은 중요한 문서들의 위조 판별이나 여러 가지 보안 솔루션으로의 확장이 가능하다. 고속 인식 및 이미지 전송 기술은 자동개표기나 출판물의 오타 검증기기, 물류검사기 등 다른 산업으로의 확장 역시 가능할 것으로 기대한다.
▲ 제품 ST-150N
세계 금융기기 선도기업으로의 도약
위조지폐 감별기는 수출 비중이 99% 이상을 차지하고 있으며 전세계 거의 모든 국가에서 사용하고 있다. RBR 보고서에 따르면 연간 95억 달러 규모에 달하는 글로벌 지폐 처리기 시장은 지난 10년동안 매년 30%의 성장률을 보이고 있다. 지속적인 신제품 개발과 라인업 확장을 통해 향후 5년 이내에 글로벌 시장의 5%의 점유율 확보로 수출 시장 확대에 기여할 수 있을 것으로 전망한다. 또한 위변조폐의 정밀한 감별을 통해 소비자의 피해 감소 뿐만 아니라 신권의 발행을 늦춤으로써 국가적 경제적 손실을 줄일 수 있으며, 훼손권의 정확한 감별로 재유통가능권의 폐기를 줄여 새 화폐로 대체하는 연간 520억 원에 달하는 사회적 비용 중 많은 부분의 감소가 가능할 것으로 전망한다.
점자스마트 기기용 저전력·고효율 다중 액츄에이터 모듈 개발
“소외된 사람들에게도 스마트한 기술의 혜택을”
전자식 점자 단말기의 핵심인 액츄에이터 모듈
시각장애인에게 점자는 교육과 직업 활동을 위한 필수적인 도구이며, 점자의 활용은 2000년대 중반 전자식 점자 단말기가 출시되면서 좀 더 다양한 정보를 점자를 통해 접하게 됐다. 하지만 전자식 점자 단말기의 핵심부품인 액츄에이터의 기술적, 가격적인 문제로 현재의 전자식 점자 단말기는 다중열 배열이 불가능하고 크기가 크며 높은 가격에 판매되고 있어 전 세계적으로 5% 미만의 시각장애인들만이 그 혜택을 누리고 있는 실정이다.
소형화 고효율 구동방식의 저가형 액츄에이터 모듈
당사의 원천특허를 바탕으로 한 액츄에이터 기술에 한국과학기술원의 전자계, 구조해석기술을 융합해 최적화 개발을 진행하고 있는 점자 스마트 기기용 액츄에이터는 Electromagnetic 기술을 활용한 제품이다. 이 제품은 기존 전자식 점자 단말기에 적용되고 있는 액츄에이터에 비해 크기는 1/20, 가격은 1/10로 구현됐고 또한 점자 변환 시에만 전력을 소모해 저전력 구동이 가능한 것이 특징이다. 이를 활용하면 기존의 전자식 점자단말기의 소형화 및 저가화가 가능하고, 또한 현재 당사가 개발진행중인 워치 형태의 소형휴대기기 및 다중 열로 구성된 점자패드에도 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
이외에도 고정식 점자정보인 촉지도 및 다양한 공공점자에도 적용이 가능해, 시각장애인의 유동적인 정보로의 정보접근성이 향상될 것으로 기대한다.
다양한 점자기기는 물론 햅틱디바이스로 기술 확대
스마트기기의 빠른 발전에도 불구하고, 점자기기는 기술적 한계로 인해 혁신적인 발전이 불가능했다. 하지만 본 연구를 통해 개발한 당사의 액츄에이터 모듈은 소형화·초박형과 동시에 저전력 구동이 가능한 모듈로, 기존의 점자기기가 가진 한계를 뛰어넘어 다양한 점자 스마트기기의 개발을 가능하게 할 것으로 예상되고 있다. 또한 액츄에이터 모듈의 핵심기술은 햅틱기술과 융합, 확대되어 웨어러블 디바이스, 가상현실 악세사리 등 다양한 연계 비즈니스 개발로 확대될 것으로 기대된다.
▲ 다양한 점자기기 및 햅틱 디바이스
▲ 닷 점자 스마트워치
▲ 다중 열로 구성된 닷 점자패드
적용 시장의 기술 선점 및 국가 이미지 제고에 기여
전 세계 시각장애인 수는 2억 8,500만 명(2012년 WTO 통계 기준)이며 전자정보공학 보조기기의 연간 시장규모는 약 3,000억 원 규모에 이른다. 활용성과 가격 접근성이 확대되어 5%에 머무르고 있는 점자기기의 보급률이 확대되면 점자기기 시장규모는 예상보다 크게 확대될 것으로 추정된다. 또한 공공 점자시장은 전 세계적으로 30조 원 규모의 잠재시장으로 이러한 상황에서 핵심기술의 원천특허 확보에 따른 기술선점효과는 파급력이 클 것으로 보인다. 또한 당사의 액츄에이터 모듈을 햅틱 기술로 확대시킨다면 Global ICT 4사(Google, Apple, Amazon, Facebook)가 현재 주력 중인 비즈니스와의 다양한 연계 개발 가능성이 있어 경제적인 파급효과는 더 클 것으로 예상된다.
2012년 국내 등록 시각장애인의 수는 25만 1,258명이지만, 해외의 복지선진국들에 비해 장애인에 대한 배려가 미흡한 상황이다. 가장 큰 이유 중 하나는 적은 예산으로 인한 고가의 점자기기의 보급의 어려움이다. 하지만 시각장애인을 위한 핵심 원천기술을 확보할 수 있다는 점은 적은 예산으로 점자기기의 보급률을 높일 수 있어 국가의 이미지 제고에도 많은 기여를 할 것으로 기대된다.
이동통신 트래픽 처리용량 증대를 위한 원천기술 4건 확보 성공
“5G 이동통신 도래 대비 든든한 토대 마련”
트래픽 데이터 처리 위한 무선 액세스망 원천기술 확보 필요
4세대 LTE 상용서비스에 따라 데이터 요금제가 생겨나고, 각종 매체에서 고품질의 동영상 서비스 등 큰 용량의 콘텐츠가 범람하면서 이동통신망에서 처리해야할 데이터가 폭증하는 추세에 있다. 이동통신은 주파수를 사용해 통신을 하는데, 주파수는 유한한 자원이므로 폭증하는 트래픽을 감당하기에는 벅찬 현실이다. 또한 무선망에서 처리 가능한 데이터도 제한되어 있기 때문에 트래픽 데이터 처리 능력을 증대시키기 위한 원천기술이 필요하다.
무선망에서 데이터 처리능력 높이는 원천기술 확보
무선망에서 데이터 처리능력을 높이는 네 가지 원천기술 확보에 성공했다.
첫 번째, 주파수 이용환경의 변화에 따른 채널 모델링 기술이다. 예전에 빌딩의 옥탑에 설치되던 기지국이 미래에는 소형 셀 등과 같이 우리의 눈높이에 설치될 예정이다. 전파의 전달 모델이 달라지기 때문에 이에 대한 모델링을 통해 주파수를 효율적으로 활용하는 방안을 제시할 수 있다. 본 연구에서는 이에 대한 연구결과를 국제표준화기구인 ITU-R에 세계 최초로 기고해 승인됐다.
두 번째, 전파는 수직과 수평방향의 극성을 갖는데 현재까지 이러한 특성을 잘 활용하지 않아왔다. 연구에서는 이러한 전파의 편파를 활용해 주파수 효율을 4배까지 증대시킴으로써 무선 구간에서의 데이터 전송효율을 증대시키는 원천기술을 확보했다.
세 번째, 미래에는 셀 커버리지가 작아질 것이어서 이를 활용한 새로운 지역특성화된 서비스를 창출하고, 네트워크의 트래픽처리 부담을 절감하기 위해 데이터 오프로딩이라고 하는 방안에 대해 연구했다. 또한 자주 방문하는 홈페이지의 자료를 미리 다운받아 둠으로써 네트워크의 부하를 감소시킬 수 있는 로컬캐쉬라는 기술을 지능적으로 처리하는 기술을 확보했고 이를 통해 네트워크 부하를 30%이상 감소시킬 수 있음을 증명했다.
마지막으로는 기지국 Fronthaul의 광케이블 상에서 전달되는 데이터를 절감하기 위한 기술로, 간단한 계산량으로 전송데이터를 절반으로 감축하는 기술을 개발해 광케이블의 자원을 두 배 가량 증대해 업체에 기술을 이전했다. 이러한 기술은 광케이블 포설이 열악한 환경에서 더 많은 데이터를 전송할 수 있기 때문에 광케이블 인프라가 열악한 외국의 경우 광케이블 포설 비용을 절반으로 절감할 수 있다.
5G 이동통신 기술 선도
전 세계는 지금 5G이동통신 기술을 선점하기 위한 기술전쟁이 한창이다. ITU에서는 5G 이동통신의 비전으로 고품질 서비스, 다수 단말기의 수용, 그리고 초저지연 서비스의 제공을 목표로 하고 있으며 이를 실현하기 위해서는 관련 원천기술이 필요하다.
본 연구의 결과는 5G 이동통신을 위한 채널 모델링을 통해 5G 이동통신의 주파수를 효율적으로 활용할 수 있는 기반을 확보했으며, 편파라는 새로운 무선자원의 활용 가능성을 증명해 5G 이동통신의 무선자원 활용도를 증대할 수 있음을 보여줬다. 또한 5G 이동통신이 소형 셀 위주로 서비스가 개시될 것을 예측하고 이에 필요한 원천기술을 확보했으며, 네트워크의 부하부담을 절감해 더 많은 데이터를 수용가능하게 했다. 이러한 네 가지 원천기술 확보를 통해 5G 이동통신에서 데이터 트래픽이 폭증할 경우 이를 해결하는데 많은 도움을 줄 것으로 기대한다.
▲ CPRI 데이터 압축 테스트베드
▲ 스몰존 서비스 플랫폼 테스트베드
▲ 편파기술 실험
5G 이동통신을 통한 정보통신 강국 유지
현재의 LTE보다 약 1,000배 정도 빠른 데이터를 수용하는 5G 이동통신은 가까운 미래에 다가올 예정으로, 원천기술의 확보는 우리나라의 기술경쟁력을 높일 수 있다. 또한 고용량·고밀도 단말 환경에서의 새로운 미래형 서비스를 창출하고 새로운 산업으로의 발전을 촉진할 수 있다. 5G 이동통신 산업은 향후 5년 내에 국가적 차원에서 경제적 파급효과가 큰 산업으로 예측된다. 따라서 관련 원천기술의 확보는 이러한 이동통신 분야에서 미래의 사회 경제적인 우위를 선점하는 효과를 가지며, 정보통신 강국으로의 위상을 유지할 수 있게 한다.
전력변환효율 75%급 LED 광소자 공정 테스트베드 및 평가표준 기술개발
“끝없는 LED 효율 경쟁에서 앞서 나가다”
LED 제품 성능을 1차로 결정짓는 핵심 광소자 기술
LED 제품은 에피, 칩, 패키지 등의 단계별 제조공정을 거쳐 조명 등기구나 디스플레이 패널 등으로 최종 완성된다. LED 제품의 경쟁력은 가격대비 성능에 의해 결정되는데, 성능을 결정하는 1차적인 공정은 에피, 칩을 포함하는 광소자 공정이다. LED 시장 초기단계에서는 광소자 효율이 높은 LED가 경쟁력을 가질 수밖에 없었기 때문에 글로벌 효율 경쟁이 치열했다. 최근에는 가격 요소가 더해지면서 성능경쟁과 가격경쟁이 동시에 이루어지고 있다. 전통적인 강국이었던 일본, 미국을 쫓아 중국, 대만 등 후발국들이 치열한 기술개발과 투자를 한 결과, 성능 평준화가 이뤄지고 있다. 이러한 상황에서 가격과 기술을 모두 잡는 핵심 기술개발이 필요하다.
원료물질을 절감한 3D 구조의 고효율 에피
일반적인 LED 에피는 얇은 반도체 층이 교대로 쌓인 샌드위치 구조를 갖는데, 두께와 조성 및 결함을 어떻게 제어하는가에 따라 효율이 결정된다. 조명용으로 가장 많이 쓰이는 청색 LED는 기본적으로 에피를 구성하는 조성이 알루미늄, 인듐, 갈륨 등의 원료 물질과 암모니아를 화학적으로 결합해 (Al)InGaN와 같은 화합물 반도체를 이루는데, 이번 기술개발을 통해서 알루미늄을 첨가하지 않은 (In)GaN만의 구조로 고효율 청색 LED 에피를 달성했다.
효율 개선을 위해 평면적인 에피 구조에 인위적인 결함 합체를 유도했고, 3D 구조를 갖는 피트(pit) 형상을 양자우물 구조를 중심으로 위아래에 이중으로 형성되도록 했다. 측면에서 보면 역피라미드 구조가 이중으로 중첩된 모양을 갖는다. 이러한 입체구조의 경우 기존에는 에피 성장 중단 후 2차 실험을 통해서 식각방법으로 구현했으나, 이번 기술개발의 결과로 중단하지 않고 연속적으로 성장할 수 있는 모노리틱 성장기법을 개발했다.
이 결과로, 미궁에 빠졌던 에피의 비발광 원인을 밝혀내 고효율 에피 성장 노하우를 축적했으며, 결정 결함의 거동을 설명할 수 있는 모델을 정립했다. 이를 실제 실험을 통해 증명함으로서, 에피 성장 가이드라인을 마련할 수 있었다. 관련 노하우는 SCI 논문 출간 및 특허 등록을 통해서 검증을 받았으며, 기업들이 어려움을 겪고 있는 에피 성장 장비(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD) 간의 레시피 호환을 가능하게 했다.
기술개발 과정에서 요소기술들도 동시에 개발됐는데, 자성층을 이용한 고효율 에피와 ZnO 하이브리드 구조 등 에피의 효율을 개선하는 핵심기술들이 동시에 개발됐다. 고차원의 분석기구들도 자체개발 됐는데, 전계반사 측정장치와 고출력 칩 펄스측정 장치 등은 국산화되어 시장에 출시되기도 했다. 또한 에피 내부에 발생된 미세한 스트레인은 효율을 감소시키는 요인으로 작용하는데, 이를 전자 현미경을 이용해 정량적으로 수치화시켜 간편하게 에피를 분석할 수 있는 기법도 개발됐다.
▲ 선진사 대비 IQE 성능수준 현황
LED 에피 효율개선 위한 근본적인 원리 규명
LED를 포함한 반도체 광원의 효율은 나노구조에서 일어나는 현상을 규명해 실제 실험에 적용해 발광효율을 개선하기 위해 활용한다. 그 과정에서 발생되는 고유의 기술은 노하우로 축적될 뿐 거의 공개되지 않는 경향이 있다. 이번 기술개발을 통해 이중 피트 구조를 갖는 3D구조의 에피를 통해 에피 효율이 개선됐고, 그 현상을 이론적으로 모델링해 검증을 받아 청색 LED 뿐만 아니라 녹색, 자외선, 보라색 등 GaN(질화갈륨) 기반의 모든 에피에 적용을 할 수 있을 것으로 전망된다. 특히, RGB 삼원색 중 기술적으로 가장 뒤쳐진 녹색(green) LED에도 적용 가능해 삼파장 기술의 완성을 기대해 볼 수 있다.
▲ Double-pit 에피를 갖는 LED 구조
▲ 개발한 칩으로 제작된 LED 벌브
LED 광원 강국으로의 지위 유지
우리나라는 강점을 갖는 IT, 디스플레이 산업을 기반으로 LED산업 주도국으로 부상한 바 있다. 그러나 LED 조명시대에 접어들면서 고품질 LED 광원 시장에서는 뒤처지는 경향이 있었는데, 이는 기술과 가격에서 어느 것도 앞서지 못한 상황에 있었기 때문이었다. 특히, 청색 뿐만 아니라. 녹색, 자외선 등 특수 파장에서의 광원산업은 전량 수입에 의존할 정도로 산업기반이 약하다. 이번 기술개발을 바탕으로 에피 기술의 효율개선 가이드라인을 마련했고, 청색 LED를 비롯한 GaN 기반 광범위 파장을 활용하는 LED광원산업 활성화에 기여할 것으로 전망된다.
고품질 광원 측정분석 기법 또한 충분한 노하우를 축적했으며, 관련 측정장비가 국산화 됐고, 특수한 파장의 광원제조에 필요한 에피는 파운드리 서비스를 통해 공급할 수 있게 됐다. LED 광원산업은 대규모 장치산업 뿐만 아니라 소량 다품종의 특수한 광원산업이 공존하고 있는데 미래 융합산업에 대비해 특수한 기능의 광원을 기반으로 하는 중소기업의 사업 제품군 포트폴리오 확대에도 기여할 것으로 보인다.
