전자 디스플레이 산업은 와이어리스 브로드밴드를 배경으로 새로운 응용제품 시장이 확대되고 있다. 대형 분야는 슬림형 TV에 있어서 액정 및 PDP TV 시장이 본격적으로 형성되고 있으며 중소형은 모바일 기기를 중심으로 응용이 확대되고 있다. 이와 관련, 젊은 기술자들과 신입 연구원들이 전자디스플레이의 현황을 정확히 이해할 수 있도록 현재 전자 디스플레이 산업의 위치와 액정 디스플레이, 유기EL, LED의 기초에 대해 자세히 알아본다.
LED(발광 다이오드)의 기초 , 와세다대학 이공학부 물질개발공학과 교수
질화물을 이용한 자색, 녹색 발광 다이오드(LED)와 레이 저(LD)의 기술개발은 최근 10년 동안 급격한 진전을 보였 다. 21세기에는 이러한 소자를 베이스로 하여 새로운 시장을 개척해야 한다고 생각된다. 지금처럼 LED를 여러 분야에서 사용할 수 있게 된 것은 우수한 특성을 많이 갖고 있기 때문이다. 즉, 백열전구나 형 광등 등의 다른 광원과 비교할 때 LED는 소형으로 진동에 강하고 견고하여 안정적이며 발열이 적어 수명이 길다. 또 구 동용 전원이 간단하다는 특징도 갖고 있다. 실용화된 초기에 는 효율이 0.1lm/W 이하로 극히 낮고 발광색도 적색으로 한 정되어 있었지만 최근 급속히 다색화가 진행되어 거의 가시 전역에 걸쳐 실용화되었다. 또 효율에 관해서도 새로운 재료 가 등장함에 따라 백열전구의 15lm/W에 필적하는 발광효율 이 거의 달성되어 더욱 상승되는 추세를 보여주고 있다.1) 여기서는 LED의 동작원리를 간단하게 해설하고 LED 관 련재료로서 발광재료, 기판재료에 관하여 기술하며 디바이스 로서의 백색 LED의 동향에 관하여 소개한다.
LED의 동작원리
LED는 반도체의 pn 접합에 순방향 바이어스를 인가했을 때 주입된 소수 캐리어의 재결합에 의해 발광(자연방사)하는 소자이다. 그림 1에 LED 구조의 개념도를, 그림 2에 동작원리를 표현하는 에너지 밴드 구조를 나타낸다.
그림 2(a)에 나타난 바이어스 전압이 제로인 경우(열평형인 경우), 소량 캐리어 주입이 일어나지 않아 발광도 없다.
그림 2(b)와 같이 pn 접합이 순방향으로 바이어스되어 있 으면 공핍층을 통해 전자는 n형 영역에서 p형 영역으로, 정공 은 p형 영역에서 n형 영역으로 주입된다. 이 과정은 소수 캐 리어 주입이라 불린다. 여기서, n형 영역에서 p형 영역으로 전자가 주입되는 경우 를 살펴본다. n형 영역에 있어서 전자는 다수 캐리어이고 p형 영역에서는 소수 캐리어이다. p형으로 유입된(주입된) 전자, 즉 열평형 상태보다 과잉된 전자(과잉 소수 캐리어)는 다수 캐리어인 정공과 재결합하여 소멸된다. 이 때, 밴드 갭 에너 지와 같은 에너지를 가진 광자를 그림 1과 같이 방출한다. 한편, 정공에 관해서는 이 반대로 생각하면 된다. pn 접합 에 순방향 바이어스를 인가했을 때 흐르는 전류는 소수 캐리 어의 주입에 따르므로 LED의 광출력은 그림 3과 같이 전류에 거의 비례한다.
pn 접합은 p형 반도체와 n형 반도체의 접합면으로 이루어 져 있다. 이 경우 2종류의 접합, 즉 호모 접합과 헤테로 접합 이 있다. 전자는 동종의 반도체를, 후자는 이종의 반도체를 접합하고 있다. 헤테로 접합에서는 p, n 영역의 밴드 갭 에너 지가 다르고 높은 장벽이 형성되기 때문에 캐리어 주입은 거 의 일어나지 않는다. 즉, 헤테로 접합을 이용함으로써 주입하 는 캐리어를 제어할 수 있다. 이 캐리어 제어는 LED 개발 시 중요한 과제이다. 최근 LED 개발에 있어서는 휘도나 효율을 올리기 위해 더 블 헤테로 구조가 이용되고 있다. 여기서는 실제로 실용화되 어 있는 GaAs계 LED로 설명한다. 그림 4에 n-GaAlAs/GaAs/p-GaAlAs 더블 헤테로 구조의 개념도를, 그림 5에 그 에너지 밴드 구조를 나타낸다.
그림 4와 같이 헤테로 접합을 2개 조합시켜 이용하고 있다. 그림 5(a)는 전압이 인가되지 않는 경우이다. 좌측은 n-Ga1- xAlxAs이며 그 에너지갭 Eg는 혼정비 x에도 의하지만 2eV 정 도이다. 또 중간은 GaAs이고 Eg는 1.4eV이다. 우측은 p- Ga1-xAlxAs이며 Eg는 2eV 정도이다. 즉, 중간의 GaAs는 Eg 가 작아 에너지 밴드에서 보면 우물로 되어 있으므로 우물층 이라 불리고 있다. 발광은 주로 이 GaAs층에서 발생하므로 활성층이라고도 불린다. 이에 대해 양측의 n-Ga1-xAlxAs층은 에너지 갭이 크기 때 문에 중간의 우물층에서 보면 장벽으로 되어 있다. 그래서 이 들은 장벽층이라 불리고 있다. 그림 5(b)는 더블 헤테로 구조에 외부로부터 전 압(순방향 바이어스 전압)을 인가한 상태이다. 중 간의 우물층에는 좌측의 n-GaAlAs에서 전자가 이 동하여 그곳에 모이게 된다. 한편, 우측의 p- GaAlAs에서는 정공이 이동하여 그곳에 모인다. 즉, 우물층에는 전자와 정공이 모이게 된다. 이와 같이 모인 전자와 정공은 재결합이 일어나기 쉽다. 오늘날 실용화되고 있는 고휘도 LED는 이 더블헤테로 구조의 원리에 따르고 있다. 발광파장(hv)은 활성층의 금지대 폭(Eg)을 이용하여 거의 1.24/Eg(㎛)로 주어진다. 또 LED의 발광효율 ηo는 다음과 같은 식으로 주어진다. ηo=ηvηiηe 여기서, ηv는 전압효율, ηi는 내부 양자효율, ηe는 광 인출 효율이다. 일반적으로 이용되고 있는 외부 양자효율은 ηi와 ηe 의 곱(ηiηe)이지만 전류 의존성을 나타낸다.
LED 관련 재료
1. 발광재료 LED에 사용되는 재료는 모두 화합물 반도체이다. 화합물 반도체에는 Ⅲ-Ⅳ족 GaAs, GaP, GaAsP, GaAlAs, AlInGaP, GaN 및 Ⅱ-Ⅳ족 ZnS, ZnSe, ZnCdSe, Ⅳ-Ⅳ족 SiC 등 많은 종류가 있다. 단, 현재 실용화되어 시판되고 있 는 것은 Ⅲ-Ⅳ족 뿐이라고 봐도 된다. 가시광 LED는 GaAs, GaP, GaN계 화합물 및 혼합 반도 체로 제작되어 있다. 제품으로서는 고효율 적색\호박색, 녹색 \청색 및 근자외 LED가 있다. 표 1에 현재 제품화되어 있는 가시광 각 파장의 LED 특성 을 나타낸다.3)
AlInGaP 4원 혼정 반도체에서는 610nm 주황색 LED에서 발광효율 100lm/W 이상인 것이 개발되어 있 다. 또 InGaN을 이용한 청색\녹색 LED가 상품화되어 풀 컬 러 표시가 가능해졌다. 상기와 같이 여러 종류의 반도체 개발에 의해 폭넓은 파장 영역을 커버하는 발광디바이스가 실현되고 있지만, 최근 단 파장 자외역으로의 확장이 활발히 시도되고 있다. 자외영역 의 단파장광 디바이스는 광 메모리의 고밀도화, 형광체 여기 용 광원, 의료응용, 환경 센서 등 다양한 분야에서 요구되고 있어 차세대 광 정보기술에 반드시 필요한 디바이스이다. 현재 사용되고 있는 광원으로는 할로겐\중수소 램프, 엑시 머 레이저, Nd : YAG 레이저 등의 고조파 발생을 들 수 있지 만 위험\대형\고가격\저효율 등의 결점이 있다. 따라서 자외 선을 직접 발생시키는 반도체 발광소자에 거는 기대가 크다. 최근 InAlGaN계 발광 다이오드는 비약적으로 발전되어 파장 300nm 정도까지 실현 가능하다고 볼 수 있다. 그러나 InAlGaN계는 단파장화를 위해 고Al 조성비로 할 경우, p형 전도성·발광효율이 저하되기 때문에 양질의 디바이스가 얻 어지지 않는다. 일반적으로 와이드 갭 반도체에서는 양질결정의 성장과 전 도성 제어에 있어서 큰 과제를 내포하고 있으므로 프로세스 개선, 새로운 재료 개발이 요구되고 있다.4)
2. 기판재료 종래의 GaN계에서는 기판재료에 사파이어나 SiC가 사용되고 또한 GaN 발광층을 에피택시얼 성장시키고 있었지만 AlGaN과의 격자 부정합이 커 이종재료를 사용하고 있으므 로 전위라 불리는 결정결함이 대량 발생하여 문제가 많았다. 당연히 GaN의 단결정 기판이 요구되고 있다. 최근 일본 메 이커에서 2인치 레벨의 GaN 단결정 기판이 잇따라 발표되 고 있다.5) 먼저 스미토모전기공업은 GaAs, InP 등 화합물 반도체의 결정성장 기술이나 가공기술을 응용함으로써 청자색 레이저 용 GaN 기판을 개발했다. GaN 기판의 제조방법은 별도의 단결정 기판 상에 GaN층 막을 기상(氣相)성장시켜 후막으로 한 후, 기본 기판을 제거하여 GaN 기판으로 하고 있다. 이 GaN 기판은 전위밀도가 1cm3 당 105 이하로 저전위를 실현 하고 있다. 또 히타치전선도 청자색 레이저용으로 2인치 지름의 GaN 단결정 기판을 개발하고 있다. 이 GaN 기판의 제법은 사파이 어의 기본 기판 위에 TiN 박막을 성장시키고 그 위에 수소화 물 기상성정법 등에 의해 GaN 단결정을 성장시키며 200∼ 300㎛ 후막을 만들어 기본 기판의 사파이어 기판을 제거하여 작성하는 것이다. 이 제법은 보이드 형성 박리법(Void-Assisted Separation Method : VAS법)이라는 신기술을 개발하여 2인치의 저결 함 기판 개발에 성공한 것이다. VAS법은 사파이어 기판과 GaN 성장층 사이에 메시 구조를 가진 TiN의 박막을 끼워 결 정성장을 실행하는 것이다. 이 제법에서는 TiN막 계면에 미 크론 오더의 미소한 보이드를 다수 형성하고 GaN 결정에 손 상을 입히지 않고 대면적의 GaN 결정을 간단히 박리할 수 있 다. 이 기술은 2인치 지름 GaN 기판의 제법으로 재현성이 매 우 좋아 장래 대형화도 가능하다. 상기와 같이, GaN 단결정 기판이 일본에서 잇따라 개발되 고 있지만 기술적으로 상당히 어려워 양산화에는 프로세스적 인 브레이크 스루가 필요하다고 생각된다. 한편, 그림 6에서 알 수 있는 바와 같이, GaN에 있어서 격자상수와 열팽창계수 근처의 것에는 AlN과 LiGaO2가 있지만 미국에서는 AlN 단결정 기판 개발이 진행되고 있다. AlN 단결정 기판은 투광성을 갖고 있으며 Al 함유량에 관계없이 AlGaN과 격자의 부정합이 없는 이상적인 기판이라 할 수 있다.
또한 열전도율은 ∼320W/m·K로 전력용 LED에 적합하다. Al의 함유량을 증가시킴으로써 300nm 이하의 LED도 가능해질 것이다. 현재, 그림 7과 같은 구조에서 360nm 부근에 피크를 가진 자외 LED가 얻어지고 있다.6)
LiGaO2는 그림 6에서 알 수 있듯이, GaN과 격자의 매칭도 좋고 열팽창계수도 별로 다르 지 않으므로 기판재료로서 유망하다. LiGaO2 단결정은 초크 랄스키(CZ : Czochralski)법으로 만들어지고 있어 롬빅 (rhombic) [001] 방위의 결정은 종종 구조적인 쌍정(twin) 을 포함하고 있다. 한편, [110] 방위의 결정은 쌍정이 없고 투명하며 이 결정 상에 MBE법으로 GaN을 에피택시얼로 성장시킬 수 있다. 유감스럽게도 고온에서 GaN의 MOVPE 성장일 때, H2/ NH3에 의해 기판표면이 침해되고 막질(膜質)이 떨어진다는 문제가 있다.7)
백색 LED
1. 백색 LED의 종류 백색 LED는 차세대의 에너지 절감 조명광원으로 기대되 고 있으며 가까운 장래에 백열전구, 형광등 등을 대신할 것이 라 예상된다. 백색 LED의 광 방사는 기본적으로 반도체 및 형광체 고유 의 성질에 의한 것이며 열이나 방전의 빛은 아니다. 따라서 당연히 수명도 길어질 것이라 생각한다. 또 파괴되기 쉬운 유 리는 필요 없으며 수은이나 유기물질 등 유해한 물질이 포함 되어 있지 않으므로 지구환경에 친화적인 조명용 광원이라 할 수 있을 것이다. 현재, 일본 및 해외 메이커가 고효율 백색 LED의 실용화 를 추진하고 있으며 발광효율은 30lm/W 정도까지 도달하고 있다. 또한 고효율, 고연색성(高演色性) LED를 개발하기 위해 세계 각국에서의 개발경쟁이 격렬해지고 있다. 참고로 오슬 람사에서의 외부 양자효율 목표값은 60%이다. LED를 이용하여 고연색성의 백색을 얻는 데에는 표 2와 같이 크게 3종류의 방식으로 분류된다.8)
이하 각각에 대해 간단히 소개한다. (1) 멀티칩형 멀티칩형은 그림 8과 같이 빛의 3원색인 청(B), 녹(G), 적(R)의 각 색 튜브를 구비하고 균형적으로 발광시켜 백색을 얻는 방법이다.
이 방식에서는 디바이스에 3원색의 칩을 준비 하기 때문에 백색광의 순도가 높으며 대광량을 얻을 수 있다. 그러나 원하는 백색광을 얻기 위해서는 3색의 밸런스를 컨 트롤하기 위한 드라이브 회로가 필요하다. 특히 복수의 디바 이스를 집합하여 사용하는 경우에는 개개의 디바이스에 대해 색조를 조정해야 하므로 복수의 제어회로가 코스트를 높이는 원인이 되고 있다. 반대로 제어회로까지 있다면 색 온도를 포함하여 색조를 임의로 결정할 수 있다는 이점도 있어 각 칩의 광출력이 열화 해도 항상 일정한 색조를 유지하도록 피드백을 걸 수도 있다. 상기와 같은 특징에서 풀 컬러의 디스플레이 디바이스 등 고 연색성이 요구되는 용도로 발전하고 있다. (2) 원칩형 원칩형에는 2종류가 있으며 그림 9와 같이 청색 혹은 자외 의 빛을 방사하는 LED를 여기용 광원으로 이용하여 형광체 를 여기하는 방식이다.
먼저 전자의 청색 LED를 광원에 이 용하는 방식에서는 이트륨 알루미늄 가닛(garnet)(YAG) 등 황색의 발광 특성을 가진 형광체를 조합하여 백색을 얻는 방 법이다. 디바이스 그 자체가 백색광을 방사하며 전류만 컨트롤하면 되므로 제어가 비교적 간단하고 저가의 백색광을 얻을 수 있 다. 이 특징을 활용, 현재 백색 LED에서 가장 많이 이용되고 있다. 그러나 제어회로에서는 컨트롤할 수 없는 색 차를 갖고 있 기 때문에 여러 개의 디바이스를 집합하여 설치하는 경우, 디 바이스 레벨에서 색 선별이 필요하다. 그 색 차의 주요 원인 은 다음과 같은 3가지이다. ① 청색칩의 색 차에 의한 분산. ② 청색 칩에 대한 황색 형광체 두께의 분산이나 발광각도에 의한 색 차 분산. ③ 발광에 의한 칩 온도상승과 황색 형광체의 온도에 의한 발광 특성변화가 복합된데 따른 색조의 복잡한 변화. 또 형광체의 특성상, 발광색에는 적색성분이 포함되어 있지 않으므로 다른 방식에 비해 연색성이 떨어진다는 것이 결점이다. 한편, 후자는 자∼자외의 칩을 B, G, R 3색 형광체의 여기 원으로 하여 백색광을 얻는 방법이다. 형광 램프와 비슷한 원 리에 의해 비교적 간단히 높은 연색성의 백색계를 얻을 수 있 다는 점에서 앞으로 백색 LED의 주류를 이루게 될 것이라 생각되지만, 전자의 경우와 마찬가지로 실용화를 위해서는 색 분류가 필요하다. 현재는 보라색 칩의 발광효율이 불충분하고 또한 자∼자외 칩의 발광파장에서 충분한 여기효율을 가진 형광체가 없는 것이 실상이다.
2. 백색 LED의 신뢰성 백색 LED는 상기와 같이 전구나 형광등을 대신하는 조명 으로 기대되고 있지만 신뢰성에 관한 데이터는 거의 찾아볼 수 없다. 일본 공업신문9)에 의하면 산업기술 종합연구소가 백색 LED의 가속 전통시험을 시행하고 자연환경에 있어서는 열악 한 40℃, 습도 90%에서 발광출력 반감수명 15,000시간이라 는 예측값을 내고 있다. 실험에서는 일본의 청색 칩+형광체 방식인 것을 이용하여 상기와 같은 환경조건에서 권장전류 20mmA에 대해, 72, 54, 36mmA의 가속전전시험을 시행하 고 있다. 그림 10의 출력 경시열화 패턴에서 권장전류 20mmA로 사용했을 경우, 15,000시간이라는 값이 얻어진다.
실험에서 이용한 환경조건은 상당히 열악한 것으로, 실제 가정에서 사 용할 때의 수명에 관해서는 다시 검토하여 예측해야 하지만, 가정이나 사무실에서의 토털 코스트 계산의 기준이 된다고 할 수 있다. 또 열화 현상에 관해서도 새로운 의견이 나오고 있다. 청색 LED에서의 수명은 2∼4만 시간임에 대해 백색 LED에서는 청색 LED와 형광체 각각의 열화를 고려해야 하므로 그 상승 (相乘)효과에 따라 15,000시간으로 짧아졌다고 보고 있다. 이번 제품에서는 여기용 청색 LED의 열화가 앞서 시작되 고, 다음에 형광체가 열화되고 있는 것 같으며 조정에 의해 수명을 더욱 늘릴 수 있다.
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GaN을 비롯한 질화물 반도체 개발에 의해 자외 영역에서 청색 영역의 넓은 파장 영역으로 발광파장 영역이 확대돼 간 다. 최단파장은 354.7nm, 최장파장은 480nm라 보고되고 있지만 발광효율은 개선의 여지가 남아 있다. 그 성능향상에 는 저결함 GaN 기판의 이용, 나아가 Al(Ga)N 기판이나 LiGaO2 기판 등 새로운 기판도 개발돼야 한다. 한편, 백색 LED의 응용으로, 조명에 대한 적용에서의 포 인트는 발광효율 향상, 연색성 향상, 패키지, 실장상의 연구 가 필요하다. LED의 특징을 활용한 조명은 아직 적다. 단순히 전구나 형광등의 대체가 아니라 기존 광원에는 없었던 용도나 응용 의 가능성이 기대된다.