[더팩트 | 구미=정창구 기자] 국립금오공과대학교와 전북대학교 공동연구팀이 차세대 VR·AR·XR 디스플레이 구현에 활용될 수 있는 초소형 나노-레이저 반도체 구조체를 개발해 학계의 주목을 받고 있다.

국립금오공과대학교는 첨단산업융합학부 반도체공학전공 엄대영 교수 연구팀이 전북대학교 신소재공학부 정보소재공학전공 라용호 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 상온에서 저임계 레이저 발진이 가능한 3족-질화물(InGaN/GaN) 반도체 기반 나노와이어 공진 구조체 개발에 성공했다고 17일 밝혔다.

연구팀은 기존 박막 구조보다 광·전기적 특성이 뛰어난 나노와이어 구조체를 활용해 마이크로-LED 광원을 대체할 수 있는 초소형 나노-레이저 광원 기술을 제시했다.

이 기술은 가상현실(VR), 증강현실(AR), 확장현실(XR) 등 메타버스 기반 차세대 마이크로-디스플레이뿐 아니라 AI 산업 분야에도 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.

3족-질화물 반도체는 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등 3족 원소와 질소가 결합한 반도체로, 자외선부터 가시광, 적외선까지 다양한 파장의 빛을 구현할 수 있어 발광소자의 핵심 소재로 주목받아 왔다.

그러나 기존 박막 구조 기반 반도체는 높은 결정 결함 밀도와 제한적인 광 이득 공진 구조로 인해 저전력에서 작동하는 초소형 레이저 광원 구현에 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 기술적 한계를 극복하기 위해 반도체 박막 성장 공정인 MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) 공정을 활용한 독자적인 에피택시 성장 기술을 개발했다.

이를 통해 n-Si 기판 위에 고품질의 n-GaN 나노와이어 구조체를 성장시키고, 나노와이어 측면의 무분극 표면에 발광 활성층인 InGaN/GaN 다중양자우물(MQW) 구조층과 p-GaN 층을 형성해 core-shell 형태의 나노와이어 광 공진 구조체를 구현했다.

이 구조는 기존 박막 구조보다 넓은 발광 활성 표면적을 확보해 내부에서 생성된 광자가 효과적으로 공진할 수 있는 환경을 제공하며, 이를 통해 레이저 발진에 유리한 광 이득 특성을 확보했다.

실험 결과 단일 나노와이어에서 상온 연속파(CW) 조건에서도 낮은 임계값으로 안정적인 청색 레이저 발진이 구현됐다. 높은 색 순도와 단일 방향성 방출 특성을 동시에 달성했다.

연구팀은 시뮬레이션 분석을 통해 나노와이어 내부에서 형성되는 광 구속 모드와 방열 특성을 규명함으로써 저임계 레이저 발진의 원리를 이론적으로도 확인했다.

이번 연구는 기존 광원 기술 대비 높은 색 순도와 우수한 방향성을 갖는 나노-레이저 광원 픽셀 기술 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다.

향후 초고해상도 근안 디스플레이용 광원 픽셀 기술뿐 아니라 나노-포토닉스 기반 광전자 집적 소자로의 확장 가능성도 기대된다.

연구를 주도한 엄대영 교수와 라용호 교수는 "이번 연구 성과는 차세대 VR·AR·XR용 초고집적 나노-레이저 광원 픽셀 구현을 위한 원천기술이자 광자-전자 융합 반도체 집적회로(OEIC) 기반 AI 시스템 구현을 위한 핵심 기반 기술이 될 것"이라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 나노과학·에너지 분야 세계적 학술지인 'Nano Energy'(IF 17.2)**에 ‘Directionally-emitting single-nanowire CW lasing pixel for ultra-high resolution near-eye displays’라는 제목으로 지난달 게재됐다.

연구는 한국연구재단이 지원하는 Post-Doc 성장형 공동연구 사업, 우수신진연구 사업, 나노·소재기술개발사업, 중견연구자지원사업, G-램프(LAMP) 사업 등의 지원을 받아 수행됐다.

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