질화물 반도체 이용한 태양전지 등 차세대 기술력에도 도전장

세계 3대 인명사전 등재 등 야심찬 과학자로 세계가 주목

‘꿈의 광원’으로 불리며 차세대 녹색산업의 성장동력으로 각광받고 있는 LED 소자에 대한 기술적 관심이 집중되고 있다. 특히 LED소자에 대한 빠른 기술적 발전과 응용분야에 대한 급속한 확대로 거대한 시장으로 부상한 LED 분야에서 한국의 젊은 과학자가 주목을 받고 있다. 현재 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과제를 진행 중인 한국산업기술대학교 나노광공학과 이성남 교수는 요즘 젊은 연구진과 함께 LED분야 세계 최고의 연구그룹을 목표로 연구에 박차를 가하고 있다. 최근 세계3대 인명사전에 등재되고 SCI학술지에도 게재되는 등 촉망받는 과학자로 기대를 모으고 있는 이성남 교수를 비롯한 연구팀의 연구분야를 집중 조명한다.

연구팀, 세계 최고 수준의 반극성 GaN계 고출력 LED 개발에 도전
전 세계적으로 수은, 할로겐 등의 유해물질 규제가 본격화되고 있는 상황에서 인체에 무해하고 유해파 방출이 없는 LED는 기존의 조명을 대체할 수 있는 가장 유력한 후보다. 이렇듯 ‘차세대 광원’으로 각광받고 있는 LED 소자는 높은 에너지 효율, 고시인성, 고속 응답성과 함께 장수명으로 파장의 선택성 등도 뛰어나 청색·녹색 및 백색 LED를 필두로 개발되고 있다.

또한 백색 LED의 고출력화와 저가격화가 진행돼 LED 시장은 향후 LED LCD BLU 보급, 나아가서는 백열등과 형광등을 대체하는 차세대 조명등의 새로운 분야로의 확대가 기대되고 있다.

최근 LED 산업에서는 기존의 극성 c축 질화물계를 이용한 고효율, 고출력 LED 개발이 진행되고 있다. 하지만 이는 기존의 선진업체에서 개발된 내용을 기반으로 기술개발이 진행되고 있는 상태로 모든 국내 업체는 현재까지 세계 최고 수준의 업체와는 약간의 기술력 차이를 나타내고 있다.

또한 지적재산권 측면에서도 많은 도전을 받고 있는 상태이다. 하지만 반극성 질화물 반도체를 이용한 GaN(질화갈륨)계 LED소자는 결함 발생 및 결정학적 이방성의 문제가 발생해 선진 연구그룹에서도 좀처럼 이를 극복하지 못하고 있는 실정이다.

이 교수를 비롯한 젊은 연구팀은 바로 이러한 기술적 난제를 해결해 세계 최초로 반극성 GaN계 고출력 녹색 LED를 개발해 기존의 기술을 능가하는 독자적인 기술개발을 목표로 연구에 박차를 가하고 있다.

이 교수는 “이 반극성 GaN계 LED 소자는 이 전기 분극현상이 나타나는 c-축 배향이 아닌 다른 결정학적 배향면을 갖는 결정면을 이용해 반극성 GaN 박막 및 LED구조를 성장하는 연구가 진행되고 있다”면서 “현재 한국연구재단에서 진행하고 있는 핵심연구에서는 1차년도 고품질 반극성 GaN 박막성장 기술 개발, 2차년도 고효율 반극성 GaN계 녹색 LED 구조성장 기술 개발, 3차년도 고출력 반극성 GaN계 녹색 LED 개발이 그 목표”라고 밝혔다.

따라서 이번 연구 과제가 성공적으로 개발, 완료되면 기존의 LED의 출력을 능가할 수 있는 기반 기술을 확보할 뿐 아니라 차세대 LED 개발에 있어서도 세계의 기술을 선도할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 세계 LED 업계가 이 교수를 주목하는 이유다.

15년간 LED소자만 연구한 이 교수
“난 억세게 운좋은 사나이”
이 교수는 최근 자신의 연구분야에 대한 소개를 부탁하자 “반극성 GaN계 녹색 LED 개발에 있어서 가장 중요한 것은 결함 감소기술”이라며 “기존의 극성 GaN 박막의 결함 감소 기술인‘에피텍셜 측면성장법(ELO)’법을 반극성 GaN 박막에 적용해 최근 결함 밀도를 부분적으로나마 기존의 저결함 극성 GaN 기판 수준보다 낮은 5.5×105/㎠ 의 낮은 결함 밀도를 얻었다”고 밝혔다. 이같은 연구결과는 최근 SCI학술지인 미국 전기화학회지에 게재됐다고 이 교수는 덧붙였다.

이미 학계에서는 대학원 석사과정 때부터 LED소자만 연구해온 전문가로 알려진 이성남 교수는 이번 인터뷰를 통해 구체적으로 석사, 박사 및 산업체의 근무 기간 전체에 걸쳐 지속적으로 질화물 반도체 LED 소자에 대한 연구를 진행해 왔다고 털어놓았다. 무려 15년간 질화물계 LED 소자에 대한 연구를 진행해온 셈이다.

“물론 LED 소자에 대한 연구를 15년 동안 지속적으로 진행함에 있어서 국내의 연구 현실은 어렵습니다. 예를 들어 국내에서는 연구비가 핵심 기술영역으로 집중되는 현실이 존재하며 이에 따라 연구자들의 연구 분야도 지속적으로 변화하고 있습니다. 이러한 현실은 한 분야에서 오랫동안 연구를 진행할 수 없도록 만듭니다.” 이는 한 분야에서 최고의 기술적 경력을 가진 연구원이 다른 분야에서 기본적인 연구부터 진행해야 하는 인력 손실을 야기하는 것이나 마찬가지라는 얘기다.

하지만 이 교수는 운이 좋게도 연구의 지속성을 유지할 수 있어서 현재까지 이 분야에서 연구를 지속하고 있다며 웃는다.

이 교수는 특히“질화물계 반도체 LED 소자의 개발은 많은 연구비가 들어가는 과제로서 많은 훌륭하신 분들이 연구비가 적게 들어가는 연구 분야로 전환하고 있다”며 “이런 현실 속에서 연구재단의 핵심 연구과제의 선정은 저를 질화물계 LED소자의 연구를 지속하게 해주는 단비와 같은 존재”라면서 환한 표정을 지었다.

“내 목표는 LED분야의 세계 최고의 연구그룹이 되는 것”
이 교수는 이를 기반으로 지속적인 연구개발을 진행해 우수한 연구성과를 기반으로 세계 최고의 기술력을 확보하겠다는 포부도 밝혔다.

보다 구체적으로 연구실과 연구 목표에 대해 이 교수는“세계 최초로 질화물계 LED 소자를 개발한 미국 캘리포니아 산타바바라대학(UCSB)의 나카무라 교수의 연구팀을 능가하는 것”이라며 “물론 그분께서도 우수한 성과를 지속적으로 내고 있지만 그 차이를 좁혀 LED 분야에서 세계 최고의 연구그룹이 되는 것”이라고 잘라 말했다.

이 교수는 또 이를 기반으로 질화물 반도체를 이용한 태양전지 및 에너지 관련 나노 소자를 개발해 LED 이외의 차세대 기술력 확보에도 도전하는 것이 두 번째 목표라고 말했다.

LED 분야에서 손꼽히는 전문가로 평가받는 이성남 교수는 성균관대 금속공학과 출신으로 광주과학기술원 신소재공학과에서 석사학위를 받은 뒤 서울대 재료공학부에서 박사학위를 취득했다. 그동안 주요 경력으로는 아남반도체 기술연구소 연구원(1999), 삼성종합기술원 포토닉스랩 전문연구원(2000), 삼성전기 중앙연구소 책임연구원(2007)을 거쳐 2009년부터 한국산업기술대학교 나노광공학과 조교수로 재직하고 있다. 이 교수는 세계 3대 인명사전 중 하나인 미국인명정보기관(ABI) 2011년판에 ‘2000명의 탁월한 지식인’에 등재될 만큼 장래가 기대되는 젊은 과학자로 세계의 주목을 받고 있다.

이 교수는 연구실 밖에서도 ICMOVPE 2010, 2012 위원, 한국광전자학회 이사 및 LED분과 부위원장, LED 반도체조명학회 편집위원 및 2011하계 학술대회 프로그램 위원장, 한국결정성장학회 회원, 한국재료학회 회원 등 학회와 협회의 여러 분야에서 활발한 활동을 펼치고 있다.

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