LED의 '동작원리-종류-특징-제조공정' 및 기술동향

[22통김석천]

- LED성능을 판별하는 주요평가요소는 발광효율(lm/W)
- 10년마다 발광효율은 30배 증가, 가격은 10분의 1로 하락
- 2012년까지 공공기관 조명의 30%를 LED조명으로 대체

1. LED의 동작원리

LED, 즉 발광다이오드(Light Emitting Diode)는 기본적으로 반도체 PN 접합 다이오드이다. 실리콘 PN 접합이 전자정보 혁명의 주역이었다면 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체의 PN 접합은 빛 혁명의 주역이다. Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는 원소 주기율표 상에서 Ⅲ족과 Ⅴ족의 원소가 화합하여 만들어진 것으로 발광효율이 거의 100%에 가깝다는 장점이 있다.

이는 실리콘보다 약 1만 배 정도 높은 효율로 물질개발 초기부터 LED가 다이오드 레이저 등 발광소자에 널리 응용되어 광통신 혁명의 주역이 되었다. 또 전자의 이동속도가 높고 고온 동작이 가능하여 고속·고전력 전자소자에도 널리 사용되고 있다. 특히 Ⅲ족과 Ⅴ족의 여러 원소가 혼합함으로써 매우 다양한 물질 조성과 특성의 반도체를 만들어 낼 수 있다.

발광다이오드의 기본적인 특성으로 가시광선 영역의 발광다이오드에서는 광도[단위 : 칸델라(Candela, cd)]가 사용된다. 광도는 단위 입체각당의 광속으로 표시되며, 휘도는 단위 면적당의 광도로서 표시되는데 이런 광도를 측정하기 위해서는 광도계가 사용된다. 방사속은 LED에서 모든 파장에 대해 방사되는 전출력을 나타내며, 단위 시간당 방사되는 에너지로 표시된다. 방사속은 적분구나 반사경 등을 이용하여 전체 광출력을 측정하여 얻어진다. 방사 강도는 단위 입체각당 방사속으로 나타내는데, 이는 발광체에서 방사되는 빛의 각도의 함수이지만 일반적으로 발광면과 수직인 주축 방향의 값으로 나타낸다.

가시광선 LED 성능을 판별하는 주된 평가요소는 바로 발광 효율(Luminous Efficiency)로서, 와트 당 Lumens(lm/W)로 표시된다. 이는 사람의 눈의 시감도를 고려한 Wall-Plug 효율(광출력/입력 전기 파워양)에 해당한다. 또한 LED의 발광 효율은 내부 양자 효율(Internal Quantum Efficiency), 적출 효율(Extraction Efficiency), 동작 전압(Operating Voltage) 등의 세 가지 요소에 의해 주로 결정된다.

2. LED의 종류와 특징

① GaP:ZnO 적색 LEDGaP 적색 LED는 1970년경부터 생산되어 LED의 주축이 되었고 현재의 가시 LED 램프에서 GaP가 차지하는 비율은 매우 높다. 이 LED는 고전류 밀도영역에서의 발광효율에 한계가 있고 저전류에서의 사용에 적합하기 때문에 표시소자는 포터블 타입을 비롯해 옥내용 각종 기기에 많이 이용되고 있다.

② GaP:N 녹색 LEDZnO 적색 LED와 마찬가지로 GaP이며, GaP 기판 결정 위에 LPE법을 이용해 p-n접합을 형성하여 제작하는 LED로 옥외용 디스플레이로도 사용되고 있다.

③ GaAsP계 적색 LEDGaAsP 결정은 GaAs1-XPX의 성분비 x를 바꿈으로써 적외선(x=0)부터 녹색(x=1)까지 발광한다.

④ GaAsP계 등황색.황색 LEDGaAsP의 등황색 LED는 기판결정에 GaP를 이용하여 VPE법에 의해 발광용 p-n접합을 형성한다. GaAs1-XPX의 조성비 x를 적색 LED보다 크게 취함으로써 단파장화한다. x값이 0.65 및 0.75에서는 각각의 발광 피크파장이 630㎚ 및 610㎚의 등황색 LED로 된다.

⑤ GaAlAs계 LEDGaAlAs는 x<0.35의 범위(직접천이영역)에서 Al과 As의 조성비를 바꿈으로써 발광파장을 640㎚부터 900㎚까지 변화시킬 수 있다. 차재용 high mount stop lamp나 도로표시판, 광고간판등 각종 옥외용 표시소자로 응용이 확대되고 있다.

⑥ InGaAIP계 등황색.황색 LEDInGaAIP는 혼합결정재료인데 직접 천이형 BAND 구조를 가져 등황색.황색 LED의 휘도 향상이 가능하다. 이 InGaAIP를 이용해 고휘도(광도 1000mcd이상) 등황색(약 620㎚)의 LED가 개발되고 있다.

⑦ GaN계 청색 LED고휘도 청색 LED의 출현에 의해 옥외에서의 LED 디스플레이의 풀컬러화가 촉진될 것이다. 또한 청녹색 LED는 백열전구를 대신하는 신호기의 광원으로 유명하다.

⑧ SiC 청색 LEDSiC는 일찍 시판된 청색 LED의 재료인데 이유는 다른 재료와 달리 P형 결정을 비교적 용이하게 얻을 수 있기 때문이다. 최근 오프 기판결정을 이용해 1700℃ 전후에서 p-n접합을 형성해서 결정성을 향상시키고 질소 도너와 Al 억셉터에 의한 D.A 페어 발광중심을 제어성이 좋게 형성함으로써 신뢰성의 향상과 함께 발광효율을 비약적으로 개선하여 30mcd(20mA)의 고휘도를 달성하고 있다.

⑨ II-VI족 청색 LEDⅡ-Ⅵ족 화합물 반도체인 ZnSe, ZnS는 각각 실온에서 2.7eV 및 3.7eV의 밴드 갭을 가지며 직접 천이형 재료이므로 고발광 효율의 청색 LED재료로서 유망해 최근 현저한 진보를 볼 수 있다.

⑩ 풀 컬러 LED풀 컬러 LED에 의한 디스플레이는 이제까지의 SiC 혹은 GaN 청색 LED와 다른 재료에 의한 적.녹색 LED를 조합시킨 하이브리드형의 풀 컬러 LED 램프를 제작하고 있는데 앞에서 기술한 높은 발광효율의 SiC청색 LED와 GaP 적색 및 녹색 LED를 램프화하여 순백색 발광을 포함한 다수 발광이 가능한 풀 컬러 LED가 제작되었다.

⑪ 적외 LED적외선 LED의 재료는 주로 GaAs로 양성불순물인 Si를 이용하여 LPE결정 성장조건으로 그 치환위치(Ga 또는 As원자)를 제어함으로써 p-n접합을 형성한다. 일반적인 포토 커플러, 포토 아이솔레이터등의 복합광소자로서 가장 많이 이용된다. 최근에는 카메라의 오토 포커스등 고출력을 요하는 것이나 장거리 리모트 컨트롤용 광원으로서 GaAlAs에 의한 DH 구조의 고출력 타입 적외선 LED가 이용되고 있다.

3. LED의 제조공정

① Front 공정Die Attach공정은 낱개의 CHIP을 LEAD FRAME에 장착시키는 공정으로 전기도전성 접착제를 lead frame에 dotting후 chip mount하며, Wire Bond공정은 Die attach가 완료된 제품을 lead frame간의 전기적 연결이 되도록 금선을 사용하여 부착하는 공정이다.

② back-end 공정mold공정으로 wire bonding이 완료된 제품의 기계적, 환경적 보호 및 USER의 사용이 가능토록 제품의 외관을 EPOXY RESIN으로 ENCAPSULATE 시키는 공정이다.

③ FINAL 공정
TEST공정은 조립과 분리가 끝난 완성된 제품의 전기적 광학적 특성을 검사하는 공정이며, FORMING/ TAPING공정은 사용자의 PCB 실장을 용이하게 하기 위해 용도에 맞게 LEAD를 구부려 정렬시키고 TAPE를 붙이는 공정이다.

4. 백색 LED의 기술동향

현재 전세계적으로 활발하게 진행되고 있는 GaN 백색 LED의 제작 방법은 모두 네 가지로 나눌 수 있다. 단일 칩 형태의 방법으로 청색이나 혹은 UV LED 칩 위에 형광물질을 결합하여 백색을 얻는 각각의 방법과 멀티 칩 형태로 두 개나 혹은 세 개의 LED 칩을 서로 조합하여 백색을 얻는 두 가지 방법으로 각각 나뉘게 된다.

하나의 칩에 형광체를 접목시키는 방법은 1993년 후반에 들어 고휘도 청색 LED의 상용화가 이뤄짐에 따라 청색 LED를 여기 광원으로 사용하고, 여기광을 YAG(Yttrium Aluminum Garnet)의 노란색(560㎚)을 내는 형광물질을 통과시키는 형태의 백색 LED가 처음으로 등장하게 되었다. 백색 LED는 청색과 노란색의 파장 간격이 넓어서 색 분리로 인한 섬광효과를 일으키기 쉽다.

따라서 색 좌표가 동일한 백색 LED의 양산이 어려우며, 조명 광원에서 중요한 색온도와 연색성 평가지수(Color Rendering Index: CRI)의 조절도 매우 어렵다. 또한 주변온도에 따라 색 변환 현상이 치명적인 단점으로 되어 있다. 이에 따라 적색을 내는 형광물질을 첨가하여 발광 스펙트럼을 넓혀서 이러한 단점을 보완하고자 하는 시도도 있었으나 UV LED가 여기 광원으로 사용됨에 따라 단일 칩 방법으로 조명용 백색 LED 구현에 있어서 새로운 전기를 맞이하게 되었다.

이와 같은 방법은 전극 방전에 의해 254㎚ 혹은 185㎚의 자외선으로 형광등 램프의 구현하는 방법과 매우 비슷한 것으로서 UV LED 위에 RGB의 다층 형광물질을 도포하면, 백열전구와 같은 아주 넓은 파장 스펙트럼을 갖게 된다. 따라서 우수한 색 안정성을 확보할 수 있으며 색 온도와 연색성 평가지수를 어느 정도 마음대로 조절할 수 있어 조명용 LED 광원 구현을 위한 가장 우수한 방법으로 대두되고 있다.

멀티 칩으로 백색 LED를 구현하는 방법으로 처음 시도된 것은 RGB의 3개 칩을 조합하여 제작하는 것이다. 그러나 각각 칩마다 동작 전압의 불균일성, 주변 온도에 따라 각각의 칩의 출력이 변해 색 좌표가 달라지는 현상 등의 문제점을 보이고 있다. 따라서 백색 LED의 구현보다는 회로 구성을 통해 각각의 LED 밝기를 조절하여 다양한 색상의 연출을 필요로 하는 특수 조명 목적에 적합한 것으로 판단된다.

색 좌표란 1931년 국제조명위원회(CIE)에서 정한 등색함수에 따른 3색을 표시한 좌표로서 색광 혼합량으로 시료의 색을 표시할 수 있으므로 산업계에 광범위하게 보급되어 색을 표시하는 기준으로 사용하고 있다. CIE에서 표시된 백색 영역은 때로 사용 목적에 따라 좁게 표시되는 경우가 있다. 한 예로 미국 자동차 엔지니어협회(SAE)에서는 규정서 J578에서 자동차에 쓰이는 백색의 범위를 좁게 정의하고 있다.

최근에는 보색 관계를 갖는 2개의 LED를 결합하여 만드는 BCW(Binary Complementary) LED가 출현했다. 주황색과 청녹색을 4대 1의 비율로 섞으면 백색광이 되는데 주황색에서 적색까지의 발광색을 조절할 수 있는 InGaAIP LED의 경우 성능 지수가 100㏐/W를 초과함에 따라 현재 조합된 백색 LED의 조명 효율이 형광등과 가까운 정도이다. LED의 조명 효율이 빠른 속도로 높아지고 있는 추세에 비추어 몇년 후면 형광등보다 높은 LED 조명등이 출현할 것이라 전망된다.