백색 LED 제작 방법

[이정표[부천]모범독서실]

백색 LED 연구개발 동향

일본과 미국을 포함한 일부 선진국가에서는 청색 발광소자가 상업화된 단계지만, 국내에서는 제품의 생산성과 신뢰성 및 고휘도 청색 발광소자 제작의 안정성 등 기술적으로 낙후되어 있으며, 특히 기판으로 사용되는 사파이어와 GaN 사이의 격자 불일치로 인한 성장중의 결정결함에 따라 소자의 발광효율 및 안정성이 크게 저하되어 있으며, 또한 낮은 정공농도의 p형 GaN은 낮은 저항의 금속 Ohmin 형성을 어렵게 하여 소자의 신뢰성과 휘도를 떨어뜨리며, 기존 패키징 방법에서의 낮은 외부양자효율과 더불어 소자의 발광효율 저하를 일으키는 문제점을 안고 있다.

따라서 homoepitaxy와 새로운 핵 생성층 도임 침 laser lift-off 방법을 사용한 색발광소자 에피구조의 결정결함 억제, 표면개질과 laser annealing 방법을 통한 p형 GaN의 정공농도 증가 및 신뢰성 있는 금속 Ohmic 접합, 그리고 외부양자효율을 증가시킬 수 있는 패키징 구조 및 형광체 개발 등 핵심기술을 통한 고휘도 청색 발광소자 개발이 중요하다.

LED의 외부양자효율을 증가시키는 것 이외도 다수의 고휘도 LED를 광학적으로 배치하고 효과적인 배광을 달성할 수 있도록 접합한 렌즈 및 반사판 설계 기술이 요구되며, LED는 전류 구동형이므로 안정된 특성을 얻기 위해서는 주위 온도 등 외부 요인 변화에 따른 전류제어가 가능한 구동장치 설계를 비롯하여 다양한 조명환경 효과를 낼 수 있는 가변색 시스템 제어기술 등이 요구된다.

백색 LED 제작 방법

백색 LED 연구 개발 동향 파악에 앞서 반도체 LED를 사용하여 백색광원을 창출 할 수 있는 방안을 조사해 보면 아래와 같이 세가지 정도의 방법이 있음을 알 수 있다.

1. 적, 녹, 청색의 LED를 조합한 형태의 백색 LED

현재까지 반도체 LED를 사용하여 제작할 수 있는 가시광선 내의 파장은 다음과 같다. GaN를 기반으로 한 질화물 반도체의 경우 파장이 400 ~ 580nm(자색 ~ 녹색)의 범위 내에서 빛을 발하는 것이 가능하며, (Al, Ga, In)P를 축으로 하는 반도체는 590 ~ 670nm(녹색~적색)의 파장을 갖는 빛을 구현할 수 있다. 결국 가시광선 내의 모든 파장을 반도체를 이용하여 구현할 수 있다.

태양광의 스팩트럼을 분석해 놓은 자료를 살펴보면 태양광의 경우 세기의 차이는 존재하지만 전 가시광선 영역에 걸쳐서 고르게 빛이 발산하는 것을 알 수 있다. 반도체 LED를 통해 제작할 수 있는 광의 경우도 가시광선 전 영역을 포함하는 것이고 또한 각 반도체 LED에서 나오는 주 스펙트럼도 수십 nm 정도의 반치폭을 갖기 때문에 각 영역에서 빛을 발하는 반도체를 조합하여 LED를 제작하면 준연속적인 스펙트럼을 갖는 태양광 비슷한 백색 LED를 제작하는 것이 가능하리라는 것은 당연하게 생각할 수 있다.

그러나 상기 방법의 경우 제작상의 복잡성 등의 문제점을 내포하고 있기 때문에 현실적으로 보다 가능한 구조는 적색, 녹색, 청색의 세 가지색을 갖는 반도체 LED를 조합하여 백색 LED를 제작하는 것이 된다. 빛의 삼원색은 적색, 녹색, 청색이며 이 색들을 모두 합했을 경우에 백색이 나온다는 것은 과학적으로 알려진 사실이며, 실제로 현재 시판되고 있는 3파장의 형광등 램프의 경우 적색, 녹색, 청색의 빛의 삼원색을 이용하여 백색광을 발하는 방식을 채택하고 있다. 반도체 LED를 사용한 경우도 460(청색)nm, 540nm(녹색), 620nm(적색)의 빛을 발하는 반도체 LED 세 개를 조합하여 백색 LED를 제작하는 것이 가능한 것으로 판명되었으며, 세 개의 반도체 LED를 조합한 백색 손전등 등의 제품이 판매되고 있다.

2. 형광체와 청색 LED를 접목한 형태의 백색 LED

백색광을 구현하기 위해서는 빛의 삼원색인 적색, 녹색, 청색의 세 가지 색의 적절한 혼합이 필요함은 이미 설명한 바 있다. 청색 LED와 형광체를 접목한 백색 LED의 구동 원리는 다음과 같다. 청색 LED에서 나오는 청색광이 형광체에 일부 흡수되어 형광체를 여기 시키고, 여기 된 형광체는 황색 계통의 넓은 파장대의 빛을 발하게 된다. 여기에 일부 형광체에 흡수되지 않은 청색광이 합해져 백색광을 구현하게 된다. 빛의 삼원색 중에서 적색과 녹색을 더했을 경우의 색이 황색이라는 것을 생각한다면 청색 LED와 형광체의 여기광인 황색을 결합하여 백색광을 얻을 수 있다는 것은 쉽게 이해할 수가 있다.

형광체와 청색 LED를 접목한 형태의 백색 LED의 발광효율을 상승시키기 위해서는 청색 LED로서는 형재까지 반도체를 사용하여 개발된 청색 LED 중 가장 높은 발광효율을 갖는 질화물 반도체를 이용한 청색 LED가 사용되는 것이 일반적이며, 형광체로서는 YAG계열이 대부분 사용되고 있다. 그러나 YAG 형광체의 광변환효율이 아직 만족할 만한 수준이 되지 못하기 때문에 광변환효휼 향상을 위한 각종 첨가제 및 제조 방법에 관한 연구가 계속되고 있다.

형광체와 청색 LED를 결합한 형태의 백색 LED 개발은 주로 세계 3대 조명기구 회사인 GE, Osram, Philips에 의해서 주도되고 있으며, 질화물 반도체를 이용한 청색 LED 개발의 선두업체인 니찌아 화학공업과 질화물 반도체 전문 연구 개발회사인 Nitres도 많은 관심을 가지고 이 방식의 실용화에 매진하고 있다.

3. ZnSe계 백색 LED

ZnSe를 이용한 백색 LED의 구성은 ZnSe 단결정 기판과 활성층인 ZnSe를 이용하는 것으로 형광체와 청색 LED를 접목하여 백색 LED를 제작하는 것과 비슷한 원리를 이용한다. 즉 ZnSe 활성층에서 나온 청색광을 ZnSe 단결정 기판이 흡수하여 황색계통의 빛을 방사하는 것을 이용하여 백색광을 얻어내는 방식이다.

형광체와 청색 LED를 접목한 형태의 백색 LED와 ZnSe계 백색 LED의 발광효율을 향상시키기 위해서는 여기광으로 사용되는 형광체 및 ZnSe 단결정 기판의 광변환효율이 매우 중요하게 된다. ZnSe 단결정 기판의 경우 일반적으로 형광체보다 광변환효율이 높은 것으로 알려져 있기 때문에 ZnSe계 청색 LED의 발광효율이 질화물 반도체를 이용한 청색 LED에 비하여 낮지만 ZnSe 단결정 기판과 결합하여 백색 LED를 제작할 경우 상당부분 발광효율의 상승을 기대할 수 있다.

또한 청색 LED를 이용하는 경우 니찌아 화학공업에서 보유하고 있는 특허권을 피하기 위한 많은 연구와 노력이 요구되지만 ZnSe를 이용하는 경우는 이러한 특허권 문제에서 다소나마 해방될 수 있는 장점이 있다.

그러나 ZnSe계 백색 LED의 경우 아직 발광효율이 질화물 반도체를 이용한 청색 LED와 YAG 형광체를 접목한 형태의 백색 LED의 절반 정도 밖에 되지 못하고, 수명이 비교적 짧기 때문에 백색 LED의 가장 큰 장점 중 하나인 긴 수명시간을 보장하지 못함으로 해서 조명기구 업체로서는 실수요자의 관심을 고조시키는데 어려움이 있다고 할 수 있다.

본 방식을 이용한 백색 LED 제작의 선두 업체는 일본의 Sumitomo로서 계속적인 꾸준한 연구가 진행되고 있다.

4. 기타 백색 LED 제작 방법

형광체와 LED를 접목한 구조의 백색 LED의 경우 진술한 바와 같이 청색 LED와 형광체를 결합한 형태 이외에 자외선 LED와 형광체를 결합한 형태도 생각할 수 있다. 청색 LED에 형광체를 접목한 구조의 경우 상기에 설명한 바와 같이 청색 LED의 청색광과 형광체가 청색광을 일부 흡수하여 황색계열의 광을 방사하여 전체적으로 백색의 LED를 완성하는 기술이다. 한편, 자외선 LED를 사용하는 경우는 자외선 LED에서 나오는 자외선을 모두 형광체가 흡수하여 가시광선 전 파장대의 빛을 발하여 백색광을 만드는 것을 원리로 하게 된다. 자외선 LED를 사용하는 경우 기존의 청색 LED를 사용하는 경우의 YAG 형광체에 비하면 형광등에 사용되고 있는 할로겐산 칼슘 등의 광변환효율이 매우 우수하다고 판명된 형광체를 사용할 수 있는 장점이 있다.

그러나 현재까지 연구되고 있거나 개발된, 반도체를 이용한 자외선 LED의 경우 광효율이 높은 것이 없고, 또한 자외선을 사용하는 경우 LED의 마감재로 사용되는 애폭시의 퇴화에도 영향을 줄 것이 분명하기 때문에 상용화를 위해서는 보다 많은 연구 개발이 뒤따라야 한다.