최근의 에너지 위기로 인해서 차세대 고효율 조명기기로 각광받기 시작한 LED (light emitting diode)는 기본적으로 외부에서 가해준 전기에너지를 빛에너지로 전환해주는 장치이다.
1960년대 미국의 GE(General Electrics Co.)에 의해 처음 개발된 이후 2000년 초 GaN계 질화물 반도체 광원을 이용한 LED개발로 관련 산업은 크게 팽창하면서 일반 기존의 적색, 녹색 LED와의 조합을 통해 백색광의 방출이 가능하게 되었다. 초기에 표시등 수준에 머물렀던 LED의 휘도 및 출력이 기술이 발전되면서 크게 향상되어 휴대폰, 자동차, 신호등, 전광판 같은 고휘도가 요구되는 영역으로 응용되기 시작되었다. 상대적으로 적용이 용이한 핸드폰, 노트북 등의 중소형급 기기의 액정에는 이미 LCD BLU(back light unit)가 적용되어 조명으로써 사용되고 있으며 40인치 이상의 대형제품에도 2009년부터 기존의 CCFL BLU를 대체하여 LCD BLU를 적용한 제품이 출시되고 있다. 자동차의 경우 계기판, 전조등 등에 LED가 이미 적용되고 있으며 UV LED의 기술개발이 향상되면서 살균, 정화, DNA센서 등 의료/바이오 제품으로의 적용가능성도 점차 높아지고 있다.



LED의 작동원리는 음극과 양극을 통해 주입된 전자와 정공이 발광층 내에서 결합해 광자를 생성하여 빛을 방출하게 된다. LED의 발광층에서 전자와 정공이 만나 광자를 만드는 과정에서 20~30% 의 에너지는 빛으로 생성되지만 나머지 70~80%의 에너지는 열로 소산되게 되고, 발생된 열은 LED의 발광효율을 저하시킨다.




LED가 조명시장에서 가격대비 경쟁력에서 형광등에 우위를 점하기 위해서는 현재 70∼80 lm/W 수준에 머물러 있는 발광효율을 형광등의 최대 효율인 150 lm/W 정도까지 끌어올려할 것으로 예상된다. 이를 위해서는 이미 발생한 열을 효과적으로 제거하는 방법을 강구하는 기존의 연구로는 근본적인 효율향상은 기대하기 어렵다. LED의 효율을 향상시키기 위해서는 전기에너지가 열로 소산되는 원인 및 과정에 대한 정량적인 계측과 분석이 필요불가결하다.
LED가 고출력화 되면서 주입전류를 증가시키면 LED의 발광효율이 떨어지는 efficiency droop 현상이 LED의 고효율화에 있어 가장 문제가 되고 있으며, efficiency droop 원인으로는 Joule heating, 전자와 정공의 비 발광 재결합, Polarization mismatch, Auger 재결합, Leakage current 등이 거론되고 있으나 아직 정확하게 규명된 바는 없다.





Efficiency droop 현상의 원인을 정확히 알기 위해서는 활성층에서 발광 재결합과 비발광 재결합이 일어나며 빛이 방출되기 때문에 활성층 근처에서의 전달자의 거동과 상호작용을 계측하는 것이 매우 중요하다. 현재 LED에 양자우물 구조의 사용으로 실제로 빛이 나오는 활성층의 두께는 수십∼수백 nm수준에 불과하다. 따라서 efficiency droop 현상의 원인을 분석하기 위해서는 LED 내부의 온도, 전계, 캐리어분포를10 nm에 근접하는 해상도로 계측하여야 한다.

본 연구진이 보유하고 있는 10nm급의 공간해상도를 갖는 SThM용 나노 열전 탐침과 다이아몬드 탐침을 활용해 LED 내부구조의 온도, 전위, 캐리어 분포를 계측하여 LED 내부의 전기에너지의 빛에너지로의 전환 및 열에너지로의 소산 메커니즘을 분석한다. 이를 통해 LED 내부 국소 에너지 전환 효율 지도 작성함으로써 LED 고효율 설계에 대한 근거 자료를 제공한다. 이는 고출력 조명용 LED의 효율 제고에 핵심적인 역할을 할 것이다.