△마이크로 LED 측벽에서 나타나는 응력 완화 현상. LED의 측벽에서는 InGaN과 GaN층이 각각 본래의 격자 구조로 회복되려는 경향을 보이며, 이에 따라 전단 응력이 생성됨을 실험으로 입증하였다. 탄성학 이론 모델을 통한 해석 결과, 마이크로 LED의 측벽 근처에서 독특한 비단조적(nonmonotonic) 응력 변조 현상이 발생하며, 이 과정에서 전단 응력이 생성됨을 확인하였다.

한국에너지공과대학교(박진호 총장직무대행, 이하 KENTECH)는 오상호 교수 연구팀이 KAIST 유승화 교수 연구팀과 협력하여 인듐갈륨질화물(InGaN)/갈륨질화물(GaN) 기반 마이크로 LED의 탄성 응력 완화 현상을 정밀 분석했다고 밝혔다. 연구팀은 고해상도 투과전자현미경(STEM, Scanning Transmission Electron Microscope) 변형 맵핑 기법과 유한요소해석(FEM, Finite Element Method)을 활용해 마이크로 LED의 측벽에서 발생하는 응력 완화 메커니즘을 규명했다. 특히, 측벽에서 InGaN과 GaN층이 탄성적으로 변형되면서 반대 방향의 전단 응력이 형성되고, 이를 통해 기계적 평형이 유지되는 독특한 응력 완화 메커니즘을 발견했다.

최근 초고해상도 디스플레이 기술의 핵심으로 마이크로 LED(μLED)가 주목받고 있다. 특히, InGaN/GaN 다중 양자우물(MQW, Multi Quantum Well) 기반 마이크로 LED는 높은 발광 효율과 신뢰성을 갖추고 있지만, 나노 및 마이크로 스케일에서의 응력 분포와 탄성 완화 현상에 대한 이해는 아직 부족한 상황이다. 이에 KENTECH과 KAIST 공동연구팀은 마이크로 LED의 측벽에서 발생하는 응력 완화 메커니즘을 규명하여, 향후 초소형 광전자 소자의 성능 개선에 기여할 수 있는 가능성을 제시했다.

연구팀은 마이크로 LED 중심부에서는 InGaN층이 압축 응력을 받고, GaN층이 인장 응력을 받으며 서로 균형을 이루는 구조임을 확인했다. 그러나 LED 측벽에서는 각 층이 본래 격자 구조로 돌아가려는 경향 때문에 전단 응력이 생성됨을 실험적으로 입증했다.

이를 위해 STEM 변형 맵핑 기법으로 마이크로 LED 내부의 3차원 변형장(strain field) 분포를 시각화했으며, FEM을 활용해 실험 결과를 정량적으로 검증했다. 그 결과, 마이크로 LED의 측벽 근처에서 독특한 비단조적(nonmonotonic) 응력 변조 현상이 발생함을 밝혔으며, 이는 탄성학 이론 모델을 통해 설명될 수 있음을 밝혔다.

이번 연구는 마이크로 LED의 변형장 분포가 광효율 및 발광 특성에 미치는 영향을 이해하는 데 중요한 기초 연구로 평가된다. 특히 이러한 응력 완화 현상이 압전 분극(piezoelectric polarization)을 변화시켜 발광 파장의 이동 및 스펙트럼 변화를 일으킬 수 있음을 확인했다.

KENTECH 오상호 교수는 “이번 연구를 통해 마이크로 LED에서 발생하는 복합적인 응력 완화 현상을 정밀 분석함으로써, 향후 LED 소자의 효율 개선 및 발광 파장 제어 기술 개발에 기여할 것으로 기대된다”라고 말했다.

KAIST 유승화 교수는 “마이크로 및 나노 구조에서의 탄성 변형과 응력 완화 메커니즘을 이해하는 것은 차세대 광전자 소자의 성능 최적화를 위한 필수적인 과정”이라며, “이번 연구가 소형 광전자 소자의 디자인 최적화와 제조 공정 개선에 중요한 기초 자료로 활용되기를 기대한다”라고 강조했다.

이번 연구는 김종일 박사와 여진욱 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 오상호 교수와 유승화 교수가 교신 저자로서 연구를 주도했다.

연구 결과는 세계적인 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 2025년 2월 26일자로 게재됐다. (논문 제목: Elastic Relaxation of Coherent InGaN/GaN Interfaces at the Microwire LED Sidewall)

본 연구는 과학기술정보통신부 미래소재디스커버리 사업, 한국연구재단 중견연구자 지원사업, 산업통상자원부 및 한국산업기술기획평가원의 지원으로 수행됐다.