이달의 과학기술자상 10월 수상자 박용조 박사 선정
405nm 파장의 청자색 LD는 차세대 광기록 기기의 광원으로서, 광기록 밀도를 650nm 파장의 적색 LD를 사용하는 기존 DVD(저장용량 4.7GB)에 비해 저장용량을 25GB까지 5배 이상 증가시킬 수 있는 핵심부품이다. 405 nm 파장의 LD를 사용한 차세대 광기록 기기는 HD급 방송 4시간 이상 분량을 기록할 수 있어 앞으로 도래할 멀티미디어 시대에 필수적인 저장매체로 인식되고 있으며, 그 시장규모는 2008년경 370억 달러 크기의 시장을 형성할 것으로 예상된다. 하지만 국내 CD, DVD 등 광기록 기기 제조업체들이 현재 세계시장에서 40% 정도의 시장 점유율과 큰 매출을 기록하여도 지금까지는 이에 필요한 핵심광원인 780 nm, 650 nm10) 파장의 LD를 거의 전량 외국에서 수입함으로써 이들 사업의 대외 의존성을 벗어날 수가 없었다. 따라서 이번 405 nm 파장의 차세대 광기록 기기용 고출력 LD 조기 개발은 향후 국내 광기록 기기 사업의 부품 국산화를 촉진할 뿐만 아니라, 차세대 광기록 기기 시장 선점에도 크게 기여할 것으로 기대된다.
이번에 개발한 GaN LD 기술은 특히 최근에 폭발적으로 각광을 받고 있는 백색 LED 개발에도 크게 기여하여 40 lm/W급(백열전구의 3배 수준) 효율11)을 갖는 백색 LED도 개발하였다. 백색 LED는 현재는 휴대폰용 Keypad 및 수인치 이내의 LCD 백라이트용으로 주로 사용되지만 광효율과 전체 광량이 향상되면, 중대형 LCD의 백라이트, 자동차용 표시등 및 궁극적으로는 일반 조명으로까지 응용범위가 확대 가능하여 그 시장 규모가 막대할 것으로 예상된다.
삼성종합기술원은 박용조 박사의 세계적 수준의 연구성과와 자질을 인정하여 2002년 연구원의 최고명예인 SAIT Master(기술장인)로 선임한 바 있다. 삼성종합기술원 박용조 박사팀의 이번 개발성과는 원천특허와 독자기술 확보가 무엇보다 강조되는 시점에 차세대 광기록 기기 부품 분야에서 독자적인 기술로 선진업체들과 대등하게 겨룰 수 있는 계기를 마련한 것으로 평가할 수 있다.
【 붙임 】수상업적
□ 수상업적 : GaN 화합물반도체를 사용한 고출력 청자색 LD 및 고효율
백색 LED 개발
□ 업적요지
GaN를 기초로 한 화합물반도체는 UV 영역의 단파장뿐만 아니라 가시광선 영역의 빛을 발광할 수 있는 꿈의 재료로 인식되어 왔으나, 이종성장에 따른 양질의 박막성장 곤란 및 고온 성장에 따른 문제점 등이 있어, 그동안 이를 이용한 광소자의 상용화에 많은 어려움을 가지고 있었음. 이번 연구에서는 독자적으로 여러 가지 기술적 난제를 해결하여 세계적으로 1~2개 극소수 업체만이 최근에서야 상용화 수준의 시편 개발에 성공한 405 nm 파장대의 청자색 LD 개발에 성공하였음. 405nm 파장의 청자색 LD는 차세대 광기록 기기의 광원으로서, 광기록 밀도를 650nm 파장의 적색 LD를 사용하는 기존 DVD의 저장용량 4.7Gb를 25Gb까지 5배 이상 증가시킬 수 있는 핵심부품임.
고품위 광소자를 개발하기 위해서는 여러 가지 기술적 문제점을 해결해야하며, 그동안 박막 성장조건의 최적화를 통한 10⁶ cm-2 이하로의 결함밀도 감소, 전류 및 광 Confinement를 극대화하기 위한 소자 설계, 안정된 금속전극 개발 등을 통해 45mW급 고출력 청자색LD 개발에 성공하였으며, 연말까지는 120mW급 LD의 시편을 제공할 수 있을 것으로 예상하고 있다. 또한, 평가 결과 경쟁사의 제품에 비해 동등 수준 이상의 특성을 갖고, 특히 레이저 빔의 Aspect Ratio, RF 특성 등에서 보다 우수한 특성을 갖는 것으로 평가되어, 시스템 Maker의 시편 승인을 받음으로써 상용화 수준의 신뢰성을 확보한 것으로 판단됨. 그동안 광기록 기기용 LD는 거의 전량 일본으로부터 수입에 의존하여 왔으나, 이번의 고출력 청자색 LD의 조기 개발로 향후 국내에서 독자적인 광기록용 LD 생산 및 공급이 가능해질 것으로 판단됨.
상기 기술들은 LD외에도 같은 파장대의 LED 개발에도 활용되어 현재 20 mW급 UV LED와 이를 사용한 40 lm/W급 (백열전구의 3배 수준) 고효율 백색 LED 개발에 성공하였음. 기존의 방법인 청색 LED 위에 노란색 형광체를 도포하는 방법과는 차별화된 공정으로 405 nm 파장대 UV 영역의 LED 위에 적/청/녹색의 형광체를 도포하는 방법을 사용하여 백색광을 얻는 공정을 개발하였음. 이 방법은 노란색 형광체 하나를 사용하는 기존의 방법에 비해 적/청/녹색 형광체의 혼합 양을 조절함으로써 색 구현 능력이 뛰어나고 색 온도를 보다 자유롭게 조절할 수 있는 장점이 있음.
□ 업적내용
가. 연구목적 및 배경
이 연구의 목적은 차세대 광기록 기기의 핵심 부품인 405 nm 파장의 고출력 청자색 LD를 개발하는 것임. 405 nm 파장의 LD를 사용함으로써 650 nm 파장의 LD를 사용하는 기존의 DVD에 비해 기록밀도를 4.7 Gb에서 25Gb (복층의 저장매질을 사용하면 50Gb)까지 5배 이상 획기적으로 증가시킬 수 있음.
향후 디지털 방송이 본격화되고 HD-TV가 보편화 되면 최근에 각광을 받는 DVD 방법조차도 기록할 수 있는 용량이 30분 미만에 불과해 앞으로 도래할 이러한 멀티미디어 시대에 대비하여 고기록 밀도의 저장매체 개발은 필수적임. 405 nm 파장의 LD를 사용한 차세대 광기록 기기는 HD급 방송 2시간 이상 분량 (복층의 저장매질을 사용할 경우 4시간 이상)을 기록할 수있어 현재의 가정용 VTR이나 DVD를 교체할 수 있으며, 나아가 컴퓨터에 사용되는 저장매체 및 PDA, 캠코더 등 이동 기기에도 저장매체로써 적용할 수 있어 그 시장은 막대할 것으로 예상됨. 본 연구에서는 그동안 질화물반도체의 이종성장에 따른 고결함 밀도, 근본적인 작은 Band Offset, 1000˚C 이상의 고온 성장 등 기술적 문제점을 극복하고 405 nm 파장의 45 mW급 청자색 LD를 상용화 수준으로 개발하였으며, 연말까지는 120 mW급 LD 시편을 제공할 수 있을 것으로 예상하고 있다.
나. 연구내용
청자색 LD 제조기술은 박막성장, 소자제조, 소자설계 및 특성 평가 등으로 구별되며, 각 단계는 다시 수많은 단위 공정으로 분류되는데, 각 단위 공정 최적화는 결과적인 LD의 특성에 중요한 영향을 미치게 됨.
박막성장에서는 1000˚C 이상의 고온성장, 이종박막 성장에 따른 고결함 밀도 및 박막이 두꺼워지는 경우 발생하는 휨 현상이 중요한 문제임. 이를 해결하기 위해 Epitaxially Laterally Overgrowth (ELOG) 방법에서 6 μm 이하의 얇은 두께에서 매끈한 표면을 얻는데 성공하였으며, 결함밀도를 10⁶ cm-2 이하로 감소시키는 박막성장 공정을 개발하였음.
청자색 LD의 특성은 결함밀도에 민감하게 영향을 받는데, 이러한 기록적인 결함밀도 감소는 LD 특성 향상에 지대한 공헌을 하였음. 또한 발광층의 품질을 향상시키기 위한 MOCVD 성장조건 최적화 뿐만 아니라 p형 물질로부터 Dopant 확산침투를 막기 위한 Diffusion Barrier의 삽입을 고안하여 LD 특성을 획기적으로 향상시켰음.
LD의 성능을 향상시키기 위해 주입전류 및 발생광의 효과적인 Confinement가 중요하며
이를 위해 여러 가지 공정이 시도되었음. 발광층 위의 전자 차단층은 n형으로부터의 전자가 발광 전에 p형으로의 전이를 막아 발광 효율을 향상시키는 방법이며, 이를 Multi Quantum Barrier로 제조함으로써 LD 특성을 크게 향상시킬 수 있었음. 또한 박막 성장 후 깊은 에칭과 이중 LD Ridge 설계는 주입 전류의 확산 방지와 광의 Confinement를 향상시켜 LD 특성 향상에 기여하였음.
다. 연구결과
위의 여러 가지 방법들을 종합하여 그동안 405 nm 파장의 상용화가 가능한 45 mW급 청자색 LD를 개발하였는데, 개발된 LD의 특성은 표1에 보였음. 개발된 LD는 실제 시스템에 적용하여 특성평가가 이뤄졌으며, 45 mW급 출력에서 ODP, I-P, RIN 특성, 재생 특성 모두 타사 LD에 비해 동등 수준 이상으로 양호함을 보였고, I-cut LD의 특성도 열화없이 Mobile Pick-up에 가능한 것으로 평가되었다. 특히 전체적으로 레이저 빔의 Aspect Ratio (이 연구:2.5 이하, 타사:2.5 이상)와 RF(Jitter) 특성(이 연구:6.5% 이하, 타사:7.0% 이상)에서는 보다 우수한 특성을 보여 향후 405 nm 파장 청자색 LD 시장에서 유리한 위치를 확보할 수 있을 것으로 판단됨. 레이저 빔의 작은 Aspect Ratio는 시스템 설계시 광 손실을 줄일 수 있다는 것으로 향후 광 Pick-Up의 Optic 설계 등에서 유리할 것임.
동시에 개발된 같은 파장대의 UV LED 칩의 수준은 입력 전류 20mA, 전압 3.1V에서 20 mW 이상의 높은 광추출 결과를 보여주고 있음. 이는 결정내의 빛을 가능한 많이 외부로 추출해내기 위해 빛을 산란시키는 구조를 사용하여 달성하였으며, 이 UV LED를 사용하여 40 lm/W급(백열전구의 3배 수준) 효율을 갖는 백색 LED를 개발하였음.
라. 파급효과
이번 연구개발의 결과는 크게 경제적인 면과 후속 연구개발에 미치는 기술적 효과로 구분할 수 있음.
현재 급속하게 팽창하고 있는 DVD 시장의 후속으로 차세대 광기록 기기의 시장은 2006년경에 형성되기 시작하여 2008년경 370억 달러 크기의 시장 (2003년 ODD 시장 150억달러)을 형성할 것으로 예상됨. 2003년 ODD 사업의 국내업체 시장 점유율이 40%임을 고려하면 향후 광기록 기기 사업은 거대한 매출이 기대되는 시장임. 더욱이 컴퓨터나 캠코더, PDA 등 이동기기에서의 시장을 고려하면 그 시장 규모는 훨씬 더 커질 것으로 예상됨. 하지만 국내 CD, DVD 등 광기록 기기 제조업체들이 세계시장에서 큰 매출 및 시장 점유율을 기록하여도 지금까지는 이에 필요한 핵심 광원인 780 nm, 650 nm 파장의 LD를 거의 전량 외국에서 수입함으로써 이들 사업의 대외 의존성을 벗어날 수가 없었음. 더욱이 기록 및 배속 증가를 위한 고출력 LD의 경우에는 대외 의존도 및 기술 격차가 훨씬 심각하여, 국내 광기록 기기 사업의 체질개선과 부가가치 제고를 위해서는 신속한 고출력 LD 개발은 더욱 더 절실하다 하겠음. 이런 면에서 이번 405 nm 파장의 차세대 광기록 기기용 고출력 LD 조기 개발은 향후 국내 광기록 기기 사업의 부품 국산화를 촉진할 뿐만 아니라, 현재 전 세계적으로 극소수의 업체만이 상용화 수준의 LD를 만들 수 있다는 관점에서 차세대 광기록 기기 시장 선점에도 크게 기여할 것으로 기대됨.
GaN를 기초로 한 화합물반도체는 405 nm 파장뿐만 아니라 가시광 및 UV 영역 등 광대역광원 개발에도 사용될 수 있음. 디스플레이용 청/녹색 LD 및 백색 광원용 UV LED는 향후 응용 가능성이 높아 시장에서의 개발 요구가 많은 소자들로 이번 연구에서 개발된 단위 공정들은 앞으로 이들 소자 개발에 유용하게 사용되어 개발 기간을 획기적으로 단축시킬 수 있을 것으로 기대됨. 특히 최근에 폭발적으로 각광을 받고 있는 백색 LED 개발에서는 이번 405nm LD 개발 중 확립한 MOCVD 성장조건 최적화, 안정된 금속 전극 등이 활용되어 성능 및 신뢰성 향상에 크게 기여할 것으로 예상됨. 백색 LED는 고부가가치 부품으로써 양산이 이루어지면 그동안 일본 업체로부터 거의 전량 수입하던 휴대폰용 백색 LED를 수입 대체할 수 있을 뿐만 아니라, 수출도 가능하여 국내 LED 업체의 수익성 향상에도 크게 기여할 것으로 기대됨. 백색 LED는 현재는 휴대폰용 Keypad 및 수인치 이내의 LCD 백라이트용으로 주로 사용되지만 광효율과 전체 광량이 향상되면, 그 시장이 중대형 LCD의 백라이트, 자동차용 표시등 및 일반 조명으로까지 응용범위가 확대 가능하여 그 시장 규모가 막대할 것으로 예상됨.
또한 405 nm 파장대의 단파장 Vertical Cavity Surface Emitting Laser(VCSEL)은 차세대 레이저 프린터의 해상도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 소자로 주목을 받고 있는데, 이번 LD 개발에서 개발된 양질의 405 nm 파장용 Multi Quantum Well은 이 소자에 그대로 적용될 수 있음. 이미 GaN를 사용한 VCSEL의 구조가 고안되었으며, 이 구조를 사용하면 GaN 박막을 성장하기 위해 사파이어를 기판으로 사용하는 결점을 극복하고 양질의 Single-Mode 레이저 빔을 얻을 수 있을 것으로 기대됨. 결과적으로 이번 연구결과는 405 nm 파장대의 VCSEL 개발에 기술적 우위를 점하여 국내 레이저 프린터 사업 일류화에 크게 기여할 것으로 기대됨.
[붙임] 용어설명
1) 질소화합물반도체: 주기율표에서 Si(4족원소)을 중심으로 양쪽(3족 원소와 5족 원소)를 결합한 것을 Iii-V족 화합물반도체라 하는데, 이때 5족인 질소(N)을 포함한 화합물반도체를 말함. 예를들면 3족원소인 Ga, Al이 질소와 결합한 GaN, AlN 등을 일컬음.
2) Laser Diode(LD): 레이저 빔을 만드는 p-n junction. p와 n 두 전극을 사용하므로 diode라함. 아래 Light Emitting Diode와 다르게 빛이 한 방향으로 직진으로 나옴. 예를 들면 포인터로 사용되는 적색 LD.
3) Light Emitting Diode(LED): 구조는 LD와 비슷하나 간단하며 빛이 LD와 다르게 사방으로 방사됨. 작은 전구같은 형태. 백색 LED는 외견상 백색을 발하는 LED를 말함.
4) 자외선 영역의 단파장뿐만 아니라 가시광선 영역의 빛을 발광할 수 있는 꿈의 재료: 빛은 파장에 따라 색이 달라짐. 예를 들면 적색은 650 nm (6500 Å), 청색은 470 nm, 녹색은 535 nm로 이들 3색은 빛의 3원소로 이들 혼합된 상태에서 각 색의 세기에 따라 우리가 보는 색이 달라짐. 질소화합물반도체가 없을 때는 GaAs를 사용한 적색만이 가능했으나, 질소화합물반도체를 사용하여 청, 녹색이 만들어져 full color(총천연색)가 가능해졌음. 또한 질소화합물반도체는 재료특징 (Bandgap이 큼) 때문에 자색보다 짧은 파장(자외선)도 가능하게 하였음.
5) 이종성장에 따른 양질의 박막성장 곤란 및 고온 성장에 따른 문제점 : 질소화합물반도체는 Si 등과는 다르게 같은 종류의 웨이퍼가 없으며, 결국 다른 재료위에 박막을 성장(이종성장)해야 하는데 양질의 박막을 얻기가 어렵고, 양질의 박막을 얻기 위해서는 1000oC 이상의 고온에서 박막을 성장해야 함.
6) 405 nm 파장: 광기록 기기의 변천을 보면 CD, DVD가 현재 사용중이며, 정보를 기록하기 위해 각각 780 nm, 650 nm 파장의 레이저를 사용하여 디스크의 표면에 dot을 만듬. 파장이 작으면 dot의 크기가 작으며, 결과적으로 보다 많은 정보 기록이 가능한데, 이러한 이유 때문에 단파장 레이저의 개발이 추진되었고 405 nm 파장의 레이저를 사용하는 시스템을 차세대 광기록 기기라 부름.
7) 청자색 LD: 405nm 파장의 빛이 청자색으로 보여 붙인 이름임.
8) 45 mW급, 120 mW급 : LD의 출력을 말하며 높을 수록 광기록 기기의 배속(기록하는 속도)을 높일 수 있음.
9) 잡음 특성: 레이저를 사용하는 정보의 기록 및 읽기에서 시그널 대 잡음의 비를 말함
10) 780 nm, 650 nm 파장의 LD: 현재 시판되는 CD, DVD에 사용되는 레이저의 파장이 각각 780nm, 650 nm임.
11 ) 40 lm/W 효율: LED의 효율을 나타내는 단위로 1 W의 입력에너지(예를 들면, 백열전구에서 20W 전구라 하면 입력에너지가 20W임)로 만들어 낼 수 있는 밝기를 나타냄.(lm은 표면에 비취는 광속의 단위임) 예를 들면 백열전구의 효율은 약 13 lm/W이고 형광등은 80-100lm/W임.
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