질화물 반도체를 이용한 LED전구의 원리

[이노베이션]

1. 개요

LED (발광 다이오드; Light-Emitting Diode)는 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화 된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 지금까지 정보·통신기기를 비롯한 전자장치의 표시·화상용 광원으로 이용되어 왔다. 90년대 중반 이후, 질화갈륨 (GaN) 청색 LED가 개발되면서 LED를 이용한 총천연색 display가 가능하게 되었으며, LED는 우리 생활 곳곳에 자리 잡기 시작했다. 가장 대표적인 예로, 핸드폰의 액정표시소자 (LCD)와 key pad용 back-light를 들 수 있으며, 이외에도 LED를 이용한 display는 2002 월드컵에서 볼 수 있었던 옥외용 총천연색 대형 전광판, 그리고, 교통 신호등, 자동차 계기판, 항만, 공항, 고층 빌딩의 경고 및 유도등과 같은 다양한 곳에서 사용되고 있다. (그림 1) 또한, LED는 반도체의 빠른 처리 속도와 낮은 전력 소모 등의 장점과 함께, 환경 친화적이면서도 에너지 절약 효과가 높아서 차세대 국가 전략 품목으로 꼽히고 있다.

조명기기	⇒	일반조명등, 건물 장식등, Mood등, 차량등
Display	⇒	교통신호등, 지하철 행선 안내등
	⇒	전광판(실내, 옥외) 유도등, 경고등
보안기기	⇒	원거리 CCD, 각종 보안장비 광원
유전공학 생명공학	⇒	성장 에너지 광원, 살균, 소독 광원

그림 1. LED의 응용분야

최근 질화물 반도체 계열의 청색 및 녹색 LED와 InGaAlP를 이용한 적색 및 호박색 LED의 발광 효율이 급속히 증가되면서 기존의 display 위주의 사용 범위를 뛰어 넘어 조명으로 사용하고자 하는 노력이 전세계적으로 급속히 확산되고 있는 추세이다. LED 광원은 기존의 광원에 비해 극소형이며, 소비 전력이 적고 (1/10), 수명이 기존의 전구에 비해 10배 이상이며, 빠른 반응속도 (기존의 1000배)로 기존의 광원에 비해 매우 우수한 특성을 나타낸다. 이와 더불어 자외선과 같은 유해파 방출이 없고, 수은 및 기타 방전용 가스를 사용하지 않는 환경 친화적인 광원이다. 특히 지구의 온난화를 방지하기 위해 1997년 12월 채택된 교토 의정서를 통해 이산화 탄소 가스 방출량을 2010년까지는 1990년 수준으로 줄이자는 노력이 전 세계적으로 확산됨에 따라, 일본과 미국을 포함한 각국들이 에너지 절약에 심혈을 기울이고 있다. 이러한 분위기에서 LED가 차세대 광원으로 서서히 두각을 나타내면서 LED기반의 차세대 조명시장이 급성장하고 있다. 본 기사에서는 차세대 조명으로 주목 받고 있는 조명용 백색 LED 기술과 그와 관련된 국내외 연구 및 시장 동향에 대해 다루고자 한다.

2. LED의 원리 및 LED용 반도체 재료

LED는 기본적으로 p형과 n형 반도체의 접합으로 이루어져 있으며, 전압을 가하면 전자와 정공의 결합으로 반도체의 밴드갭 (bandgap)에 해당하는 에너지를 빛의 형태로 방출하는 일종의 광전자 소자 (optoelectronic device)이다. 아래 그림 2에서 보는 바와 같이, p-n접합에 순방향으로 전압을 인가하면 n형 반도체의 전자 및 p형 반도체의 정공은 각각 p쪽, n쪽에 주입되어 소수 운반자 (carrier)로서 확산된다. 이들의 소수 운반자는 확산과정에서 다수 운반자와 재결합하며, 결합하는 전자와 정공의 에너지 차에 해당하는 빛을 방출한다.

LED가 방출하는 빛의 양은 다이오드 전류에 비례하여 커지게 된다

따라서, 고휘도를 요구하는 조명용 LED가 높은 전류 (~1 A)하에서 작동하게 되는 이유가 바로 여기에 있다. LED용 반도체 재료는 크게 직접천이형(direct transition)과 간접천이형(indirect transition)으로 구별할 수 있다. 반도체의 에너지 구조에서 전도대의 전자가 가전자대의 정공과 결합할 때 에너지가 방출하게 된다. 규소 (Si) 등 간접천이형 반도체 내에서는 이 에너지는 주로 열과 진동으로 소모되어 발광 효율이 크게 저하되는 반면, 질화갈륨 (GaN) 등 직접천이형 반도체에서는 전자와 정공의 재결합시 발생하는 에너지가 모두 발광 형태로 나타나기 때문에 LED를 구성하기 위한 적합한 재료라고 볼 수 있다. 이러한, 직접천이로부터 발생하는 빛의 파장은 반도체의 고유한 특성인 에너지 밴드갭 (E_g)에 따라 결정되며, 빛의 에너지와 발광파장은 다음과 같은 관계가 있다.

3. 고휘도 질화물 반도체 청색, 녹색, 백색 LED

1990년도 중반에 접어들면서 적색 LED 뿐만 아니라, 질화물 반도체 InGaN를 이용한 녹색 및 청색 LED의 조명 효율 (luminous efficiency)이 백열 전구 수준을 능가하게 되어 고휘도 총천연색 디스플레이를 비롯한 광범위한 분야로의 LED의 응용이 본격화 되었다. 1962년부터 시작된 적색 LED의 발전사와 비교해 볼 때, 질화물 반도체 LED의 이러한 급성장은 혁명에 가까운 발전이라고 해도 과언이 아닐 수 없으며, 1996년 InGaN 청색 LED에 형광 물질을 결합시켜서 구현한 고휘도 백색 LED의 등장은 마침내 반도체 조명의 시대를 열기에 이르렀다.

질화물 반도체는 1986년 일본의 아카사키 교수가 AlN 버퍼층을 이용하여 고품위 GaN 결정을 성장하여 1987년에는 이를 이용하여 최초로 MIS 구조의 발광을 보고하면서 그 발전의 계기를 마련하였다. 그 후 동연구인에 의해 그때까지 p-n 접합방식의 발광소자에 가장 큰 걸림돌이 되고 있던 GaN의 p-도핑법을 Mg 도핑 및 LEEBI (low-energy electron beam irradiation) 후처리를 이용하여 2×10¹⁶cm^-3의 정공 농도를 얻었고 이 연구결과를 바탕으로 1991년에 p-n 접합식의 GaN LED를 발표하였다. 1994년에는 니치아 화학공업주식회사의 나카무라 슈지가 저온 성장된 GaN 버퍼를 사용하여 양질의 질화갈륨 박막을 성장하고, 고효율의 GaN p-n 접합 LED 및 LD를 발표하였다. 그 후 LED는 양질의 InGaN/GaN 양자 우물 구조를 활성층으로 고휘도 청색 LED가 개발되면서 LED 연구가 급속도로 활성화 되었다. 1995년에는 고휘도 녹색 LED가 개발 됨에 따라 빛의 삼원색인 적색, 청색, 녹색 LED가 이용 가능하게 되었으며, 1996년에는 청색 LED에 형광물질을 결합 시켜서 구현한 백색 LED가 개발되기에 이르렀다.

4. 조명용 백색 LED 구조와 제작방법

(1) 백색 LED 구현 방법

일반 조명으로의 응용을 위해서는 우선 LED를 이용한 백색광을 얻어야 한다. 백색 LED를 구현하는 방법은 크게 3가지로 나뉘어 진다. 첫째로 빛의 삼원색인 적색, 녹색, 청색을 내는 3개의 LED를 조합하여 백색을 구현하는 방법이다. 이 방법은 하나의 백색광원을 만드는데 3개의 LED를 사용해야 하며, 각각의 LED를 제어해야 하는 기술이 개발되어야 한다. 둘째는 청색 LED를 광원으로 사용하여 황색 형광체를 여기 시킴으로써 백색을 구현하는 방법을 들 수 있는데, 이 방법은 발광 효율이 우수한 반면, color rendering index (CRI)가 낮으며, 전류 밀도에 따라 CRI가 변하는 특징이 있기 때문에 태양광에 가까운 백색광을 얻기 위해서는 많은 연구가 필요하다. 마지막으로 자외선 발광 LED를 광원으로 이용하여 삼원색 형광체를 여기 시켜 백색을 만드는 방법이다. 이 방법은 고전류 하에서의 사용이 가능하며, 색감이 우수하여 가장 활발하게 연구가 진행 중이다. 

(2) 질화물 반도체 청색, UV LED 성장

위에서 소개한 바와 같이, 백색 LED를 구현하기 위해서는 형광 물질을 여기시키는 청색 또는 UV LED가 반드시 필요하다. 이 부분에서는 질화물 반도체 청색 및 UV LED의 성장에 관해 소개하고자 한다.

질화물계 반도체를 이용한 LED 구조는 주로 유기금속 화학 기상 증착법 (metalorganic chemical vapor depoon, MOCVD)을 사용하여 성장한다. GaN의 경우에는 동종 기판이 없기 때문에 주로 사파이어나 SiC 위에 성장된다. 우선 기판 위에 약 20-30nm 정도의 버퍼를 성장하고 그 위에 2-4μm 정도의 n형 GaN (n-GaN)를 성장한다. n-GaN 성장시 도너로서 Si을 도핑한다. 빛을 발산하는 활성층 (active layer)은 InGaN층을 우물(well)로 하고, 벽층 (barrier layer)으로 (Al)GaN 층을 성장함으로써 이루어 진다. 청색 LED에서는 InGaN/GaN 다중 양자 우물 구조, UV LED에서는 GaN/AlGaN, InAlGaN/InAlGaN, InGaN/AlGaN 다중 양자 우물 구조가 사용되고 있는데, 이러한 활성층에 대한 연구 중, In 또는 Al의 조성비율을 변화시킴으로써 빛의 파장을 조절하거나, 활성층 내의 양자 우물의 깊이, 활성층의 수, 두께를 변화시킴으로써 LED의 내부 양자 효율 (h_i)을 향상시키고자 하는 연구가 활발히 진행 중이다. 특히, UV LED 개발에 있어서 375 nm 이하의 UV 파장에서는 LED의 효율이 급격히 감소하는 데, 이를 위해 활성층에 대한 응력 및 전위 밀도를 감소시키는 것이 크게 요구되고 있는 실정이다. 활성층을 중심으로 위, 아래에 캐리어 구속 효과 (carrier confinement)를 증가시키기 위해 n 형, p 형 AlGaN/GaN 초격자층 (superlattice)을 삽입한다. AlGaN/GaN 초격자층위에는 억셉터 역할을 하는 Mg을 도핑하여 p형 GaN 층이 형성된다.

(3) LED 소자 제작 공정

MOCVD 방법 성장된 wafer를 이용한 실제 LED 소자를 구현하는 소자 제작 공정을 살펴 보고자 한다. 

가장 먼저, photolithography 법을 이용하여 wafer 위에 소자 영역을 정의한다. 그 후, 단위 발광소자를 전기적으로 절연 시키기 위하여 단위 소자와 단위 소자 사이를 기판까지 식각한다. 에칭 공정이 끝난 후 p형 GaN 박막의 Mg acceptor를 전기적으로 활성화시키기 위하여 850℃에서 열처리를 실시한다. 이 열처리를 통하여 농도가 2~3ⅹ10¹⁷cm³인 p형 박막을 얻는다. 측면 전류 주입 방식으로 제작되는 LED 구조의 두 전극 중 n형 전극을 형성시키기 위하여 dry 에칭 방법을 사용하여 소자 구조 중 가장 위쪽에 있는 p형 GaN에서부터 n-GaN층의 일부분까지 식각한다. 식각이 끝난 후 photolithography를 이용하여 패턴을 형성하고 전자빔 증착법을 사용하여 Ti/Al을 증착하여 n형 전극을 형성한다. p형 전극 형성 전단계로서 Ni/Au 투명전극을 형성한 후 와이어 접촉용 전극을 형성한다. 전극으로 사용할 금속들의 증착이 끝난 후 금속과 반도체간의 계면 특성 및 전기적 특성을 향상시키기 위해 급속 열처리 공정 (Rapid thermal annealing process)를 이용하여 500℃에서 열처리를 실시한다.

(4) Die design

일반 조명용을 위한 고출력 백색 LED 발광소자를 얻기 위해서는 높은 발광 효율, 소자 크기, 낮은 열 저항 등을 고려하여 소자를 제작해야 한다.  위의 조건을 고려하여 등장한 새로운 방식의 발광소자가 플립칩(flip-chip)방식을 이용한 발광소자이다. 그림 10에서 보듯이 플립칩 방식을 이용한 발광소자는 기판인 사파이어를 통해 빛이 나오게 된다.

빛의 추출 효율(extraction efficiency)을 살펴보면 기존 발광소자의 위쪽으로 빛을 내는 방식은 빛이 발광층에서 위쪽으로 나오는 동안 투명 금속이나 결합 패드(bonding pad), 전극 연결부에 의해 흡수되어 빛의 손실이 크다. 따라서, 고출력의 발광소자를 만들기 위해서는 소자의 크기가 커져야 하지만, 위쪽으로 빛을 내는 방식에서는 p쪽 투명전극부의 높은 저항으로 인해 전류 퍼짐이 좋지 않아서 소자 전체가 발광에 기여하지 못하게 되므로 소자의 크기에 한계가 존재한다. 그러나 플립칩 방식에서는 사파이어 쪽으로 빛을 나오게 함으로써 금속 접촉부나 결합 패드, 전극 연결부에서의 손실을 최대한 줄일 수 있다. 또한 두꺼운 p쪽 금속을 사용하여 전류퍼짐 현상이 좋아지게 되어 낮은 순방향 전압을 제공하고 또한  p쪽 위에 반사율이 좋은 금속을 삽입함으로써 아래쪽으로 진행하는 빛을 사파이어 쪽으로 대부분 반사시켜 빛의 추출효율을 좋게 한다.

고출력 발광 소자의 경우 주입 전류가 커질 때 많은 열이 발생하므로 이 또한 고려해 주어야 한다. 기존의 위쪽으로 빛을 내는 방식의 발광소자에서는 열저항이 300℃/W에 비해 플립칩 구조에서는 두꺼운 p쪽 금속을 이용하고 또한 실리콘 서브마운트에 칩이 연결되어 있으므로 열을 잘 제거해 수 있게 되고, 따라서 저항이 크게 감소되므로 20배 작은 15℃/W가 된다. 그러므로 현재 1W의 입력 전력으로 25 lm를 내는 기존 백색 발광소자에 비해 플립칩을 이용한 구조는 20배의 전력을 더 인가할 수 있고 따라서 0.5 klm 이상의 빛을 낼 수가 있다. 따라서 플립칩의 경우 높은 빛의 추출 효율과 높은 전력인가, 낮은 열저항의 우수한 특성 때문에 현재 백색 발광소자는 주로 플립칩 형태로 연구되고 있다. 따라서 고출력, 고효율 백색 발광소자를 구현하기 위해서 소자의 구조, 방열, 패키지 구조, 형광물질의 효율 등 다양한 측면에서 활발히 연구되고 있다.

5. LED 특성 평가

백색 LED가 조명으로 사용되기 위해서는  수천 lm (lm: 1 칸델라의 광원에서 발하는 단위 입체각당 방출하는 광속)이상의 광출력, 즉, 고휘도, 고효율과 같은 특성 뿐만 아니라, 백색광의 질적 향상이 필요하다. 이러한 항목들을 조절하고 향상시키기 위한 백색 LED의 특성 분석법에 대해 알아 보고자 한다.

(1) 발광 효율의 측정

LED의 성능을 평가하는 요소 중의 하나가 효율이다. 여기서 효율이라 함은 제작된 소자에 전기적 에너지를 공급해 주었을 때 광에너지로 변환해 주는 정도를 나타낸다.

A. 외부양자효율 (External quantum efficiency, h_ext)

외부양자효율은 주입된 전하당 발광되는 photon의 수를 나타낸다. 여기서 photon은 자외선 (UV), 가시광선 (visible), 적외선 (IR) 영역에 상관없이 LED에서 방출되는 모든 photon을 포함한다. LED의 외부양자효율을 결정하기 위해서는 아래의 계산식을 따르며, I-L 측정시 주입전류 (I, amphere)와 발광강도 (S, amphere)를 측정해야 한다. 여기서 W는 solid angle (»p), S는 photodiode의 signal (A), R(l)는 빛의 파장에서 photodiode의 responsivity (A/W), E_ph는 광자 에너지 (eV), I는 주입전류 (A), q는 단위 전하량이다. 현재 질화갈륨 LED의 경우, 외부양자효율이 10% 내외에 머물고 있으나 조명용 LED구현을 위해서는 더 높은 외부 양자 효율이 필요하다. 외부양자효율이 내부양자효율과 추출효율로 이루어져 있으므로 (h_ext = h_inth_extr), 높은 외부양자효율을 얻기 위해서 질화물 반도체 내의 응력, 전위밀도, 활성층에 관한 연구를 통해 내부양자효율을 증가시키려는 시도와 효과적인 전류주입, 기판 및 금속 전극의 patterning을 통한 광추출효율의 향상 등 외부양자효율을 증가시키기 위한 노력이 병행되고 있다.

B. 조명 효율

인간의 눈은 가시광 영역 (380-760nm)의 빛만 감지할 수 있고, 그 중에서도 파장이 555nm인 녹색을 가장 잘 느끼며 청색이나 적색에 대하여는 상대적으로 민감도가 떨어진다. 따라서, UV나 IR 영역의 빛을 발광하는 LED의 경우 외부양자효율이 매우 높음에도 불구하고 인간의 눈으로 느끼는 빛의 세기는 낮게 인식된다. 이와 같이 가해준 전기적 에너지당 발광되는 임의의 photons에 대해 visible effect를 고려해 준 것이 조명 효율이다. 조명용 백색 LED의 경우 100 lm/W 이상의 조명 효율을 요구한다. 조명 효율은 다음과 같이 계산한다.

(2) 백색광의 특성 분석

A. Color Rendering Index (CRI)

CRI는 태양광을 사물에 조사했을 때와 기타 인공적으로 제작한 조명을 조사했을 때 사물의 색깔이 달라지는 정도를 나타내며, 사물의 색깔이 태양광에서와 같을 때 CRI값을 100으로 정의한다. 따라서, CRI란 인공 조명하에서 사물의 색상이 태양광을 조사했을 때와의 색상과 얼마나 근접한지를 나타내는 지수로서 0 이상 100 까지의 수치를 갖는다. 다시 말해서, CRI가 100에 접근하는 백색 광원일수록 태양광 아래서 인간의 눈이 인식하는 사물의 색상과 별반 차이가 없는 색상을 느끼게 되는 것이다. CRI가 높은 백색광을 만들기 위해서 형광 물질에 대한 연구가 전세계적으로 활발히 진행 중이다.

B. Correlated Color Temperature (CCT)

이상적인 흑체 (blackbody)가 방출하는 빛의 색은 플랑크의 복사법칙에 의해 온도에 의해서만 정해진다. 물체가 가시광선을 내며 빛나고 있을 때 그 색이 어떤 온도의 흑체가 복사하는 색과 같아 보일 경우, 그 흑체의 온도와 물체의 온도가 같다고 보고 그 온도를 물체의 색온도라고 한다. 즉, 물체의 색온도는 같은 색광의 흑체의 온도(절대온도 K)로 표시된다. 가령 전구의 빛은 2,800K, 형광등의 빛은4,500∼6,500K, 정오의 태양빛은 5,400K, 흐린 날의 낮빛은 6500∼7000K, 맑은 날의 푸른 하늘 빛은 1만 2000∼1만 8000K 정도의 색온도이다. (그림 11) 즉, 같은 백색광이라도 CCT가 다른 것을 알 수 있다. 어떤 색의 CCT가 낮다는 것은 그 색이 좀 더 따뜻하게 느껴진다는 것을 의미이고 (warmer light, more yellow/red), CCT가 높다는 것은 차게 느껴지는 색 (colder light, more blue)을 의미한다. 따라서, CCT를 조절함으로써 다양한 색감을 요구하는 특수 조명의 특성까지도 만족시킬 수 있게 되는 것이다. 또한, 소비자들에게 보다 친근하게 다가서기 위해서는 백색 LED의 CCT를 조절할 수 있는 제작 기술이 필요하게 된다. 색온도의 측정법은 국제적으로 정해져 있으며, 적당한 색유리 필터와 표준광원을 써서 측정한다.

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[Bebop]

LED 가 참 다양하네요.

[하카나이]

그냥 신기하네요 ㅎㅎ

[하카나이]

잘보고갑니다

[pjh9100]

잘봤습니다