LED의 발광효율을 증가시키기 위한 나노기술
Ⅰ. 개 요
1. LED와 나노기술
2. LED의 발광효율과 나노표면 구조
Ⅱ. 동향 분석
1. 국내 동향
2. 해외 동향
Ⅲ. 향후 전망
Ⅰ. 개 요
1. LED와 나노기술
나노기술은 약 100nm 이하 나노스케일의 물질을 만들거나 나노물질의 새로운 특성을 연구하고 이용하는 기술이다. 재료, 전자, 정보·통신, 환경, 에너지, 생명공학, 신약개발, 의료 등, 다양한 분야에서 나노기술과 융합된 연구가 기존 기술의 한계를 극복하고 획기적인 기술 혁신을 초래할 것으로 기대되어 진행되고 있다. 이러한 나노기술은 친환경적이고 에너지 절감이라는 두 가지를 만족하는 녹색기술로서 디스플레이 산업분야에서 많은 주목을 받고 있는 발광다이오드(LED, Light Emitting Diode)의 효율을 높이는 기술로 활용될 수 있다. LED는 화합물 반도체를 빛의 광원으로 사용하는 초경량소자로 구동전력이 적게 들어 전력절감이 탁월하며 유리전극, 필라멘트, 수은 등을 사용하지 않아 환경을 오염시키지 않는 광원으로 각광을 받고 있다. 그러나 제조비용과 발광 효율 면에서 아직도 해결해야 할 문제들이 많이 남아있다.
2. LED의 발광효율과 나노표면 구조
LED의 효율을 나타내는 외부양자 발광효율은 내부양자 효율과 광 추출 효율로 결정된다. 내부양자 효율은 기판의 특성에 의존하며 단위 시간당 공급되는 전자의 개수 중 발광하는 전자의 개수, 즉 광자(photon)로 바뀌는 전자의 개수의 비로 나타낸다. 광 추출 효율은 LED의 내부에서 생성된 광자들 중에서 LED의 표면으로 방출된 광자의 개수로 정의된다. LED 내부에서 발생한 빛이 외부로 방출될 때, 반도체 물질과 공기와의 굴절률 차이로 인해 빛이 방출될 수 있는 임계각이 감소하여 내부 전반사에 의해 빛이 밖으로 빠져 나오지 못하고 내부에서 소멸되어 LED의 광추출 효율이 낮아지게 되고 광추출 효율을 감소시키는 결정적인 원인을 제공한다[1].
광 추출 효율을 높이기 위하여 소자를 에칭하여 빛이 방출되기 쉬운 구조를 만들거나 LED칩 구조를 바꾸거나 반사판을 제거하거나 LED 칩의 표면을 가공하는 등 여러 기술들이 연구 개발되고 있다[2].
그 중에서도 광추출 효율을 향상하는 기술로 PSS(Patterned Sapphire Substrate) 표면가공기술, p-GaN Roughess 성장기술, PBG(photonic Band Gap) 기술과 같이 LED 표면을 가공하여 광추출 효율을 높이는 기술이 있다. LED 표면을 레이저나 나노 구조물을 이용한 건식 식각방법이나 습식 식각방법을 이용하여 기판 위에 나노패턴을 형성하는 다양한 연구가 진행되고 있다[3-11].
<그림 1> 광자가 LED로부터 표면의 불균일도에 따라 밖으로 나오는 모식도[3]
LED의 표면에 나노패턴이나 거칠기 등의 구조를 형성하면 광 추출 효율이 증가된다. 즉, 표면의 거칠기를 인위적으로 증가시켜서 빛의 입사각을 줄여주면 좀 더 많은 양의 빛이 표면 밖으로 빠져 나갈 수 있다[3]. <그림 1>은 광자가 LED로부터 균일한 표면의 외부로 방출되는 경우와 불균일한 표면의 외부로 방출되는 경우를 비교한 모식도이다. LED로부터 공기로 방출되는 빛의 확률이 불균일한 표면의 경우 더 높은 것을 볼 수 있다. 본 보고서에서는 외부로 빛을 방출하는 광 추출 효율을 증가시키기 위하여 LED의 표면에 나노패턴을 형성하고 빛의 이동경로를 변화시켜 기존의 LED와 비교하여 광 추출 효율이 높은 LED를 개발할 수 있는 표면 가공기술 중에서 나노 크기의 마스크를 형성하는 방법과 나노패턴 형성기술과 같은 나노기술에 대하여 서술하였다.
Ⅱ. 동향 분석
1. 국내 동향
가. 레이저를 이용한 표면가공기술
우리나라에서 발표되었던 광 추출 효율을 향상시키기 위하여 LED 표면을 가공하는 나노기술에 대하여 살펴보면, 광 결정을 이용한 외부 양자효율을 높이는 많은 연구가 반도체 발광소자의 발광효율을 높이기 위해서 진행되고 있다. 광 밴드갭을 갖는 광 결정이란 두 가지 이상의 유전체가 서로 주기적으로 배열되어 있는 격자구조로서, 빛이 광 결정을 지나면서 회절하며 보강간섭이나 상쇄간섭을 일으켜 빛의 세기가 달라진다.
주기적인 광 결정을 이용한 외부 양자효율을 높이는 많은 연구가 반도체 발광소자의 발광효율을 높이기 위해서 진행되고 있다. 주기적인 광자의 이상적인 광 결정 구조는 3차원의 주기적인 배열에 의해 형성되지만, 발광소자로의 활용면에서는 2차원의 광 결정 구조의 사용으로도 수평면에서 빛의 전하를 소거하기에 충분하다. 이러한 목적을 위해 3각형 배열의 구멍(triangular arrays of holes)이 반도체 물질에 형성되었다. 이러한 광 결정을 제작하기 위해 2005년 서울대학교 연구팀은 p-GaN 표면에 E-beam 노광과 ICP-RIE 식각 공정을 통해 주기적인 나노형상의 광밴드갭(photonic band gap)을 형성하여 광 추출이 높은 LED 개발에 응용하였다[5].
<그림 2> LED의 표면에 광 밴드 갭 구조 및 광 추출효율[4]
<그림 2>는 레이저 간섭에 의한 홀로그픽 방법에 의해 광 식각 나노홀 패턴을 형성하고 건식 식각으로 p-GaN 표면에 300nm, 500nm, 700nm의 주기 패턴을 형성시켜 약 500nm의 광밴드갭 주기패턴을 갖는 LED에서 2배의 빛 추출효율이 증가됨을 보고하였다[4].
나. 나노 다공성 알루미나 마스크를 이용한 표면가공 기술
E-beam 리소그래피와 같은 패턴기술은 비용과 효율 면에서 나노 크기의 패턴을 형성하는데 많은 제한이 있다. 이러한 식각 패턴 방식을 보완하기 위해 나노 다공성 알루미나(nanoporous alumina) 마스크를 이용하여 30nm 이하의 나노 홀을 제조하려는 연구가 2007년 KIST 연구팀에 의해 시도되었다[5].
(a) 형성된 나노 다공성 알루미나, (b) 나노 다공성 알루미나 마스크
<그림 3> 나노 다공성 알루미나의 제조 방법과 양극산화 모식도
나노 다공성의 알루미나는 육각형 밀집배열 구조로 육각형 원기둥 모양의 셀 (cell) 중심에 알루미늄 기판과 수직을 이루는 동공을 갖고 있는 나노채널을 갖고 있다. <그림 3>은 나노 다공성 알루미나의 제조 방법과 구조를 나타내는 모식도이다. 황산이나 옥살산, 인산 등의 전해질에 따른 적정한 전압을 일정하게 가하는 아노다이징(anodizing)방법을 적용하면 양극산화 알루미늄(AAO, anodized aluminum oxide) 피막을 얻을 수 있다. 알루미늄 금속기판과 배리어(barrier) 층을 용해, 제거시키면 나노동공을 사용하여 나노 홀(nanohole)[5]과 나노 닷(nanodot)[12]과 같은 다양한 나노물질을 갖고 있는 알루미나 마스크를 얻을 수 있다.
GaAs 반도체 기판 위에 알루미나 마스크를 붙인 시료를 ICP-RIE(inductively coupled plasma reactive ion etching) 장비 안의 음극 기판 위에 놓고 건식 식각 한다. 15초 동안 건식 식각 후, 알루미나 마스크를 수산화나트륨용액에서 녹여낸 후 GaAs 기판 위에 약 20nm의 얇은 구멍이 형성되어 있는 것을 볼 수 있다. 150초 동안 건식 식각을 실시하면 GaAs 기판 위에 바닥의 형태가 약간 원추 모양인 평균 깊이 160nm의 나노 홀이 형성되는 것을 볼 수 있다[5].
2007년 전북대학교와 KIST 연구팀은 p-GaN 반도체 기판 위에 알루미나 마스크를 이용하여 건식 식각하여 나노 홀(nanohole) 구조를 형성한 후, 발광특성(PL, photoluminescence) 을 연구하였다[6]. <그림 5>에서 보여준 것처럼 p-GaN 반도체 기판 위에 나노 홀 구조가 있는 시료와 없는 시료의 PL 세기를 비교한 결과, 나노 홀 구조가 있는 시료가 450㎚에서 약 2배 가까이 PL의 발광 세기가 증가하였다.
15초의 건식 식각 후 GaAs 기판의 표면과 단면 (a),(b)
150초의 건식 식각 후 GaAs 기판의 표면과 단면 (c),(d)
<그림 4> 건식식각의 시간에 따른 GaAs 기판의 나노홀 형태[5]
<그림 5> p-GaN 기판위에 나노 홀이 있는 경우와 나노 홀이 없는 경우의 발광특성(PL)[6]
다. 표면 플라즈몬 형성기술
표면 플라즈몬(surface plasmon)은 나노 금속박막 표면에서 일어나는 전자들의 집단적 진동을 지칭한다[2]. 2009년 인하대학교 연구팀은 LED 표면 위에 형성된 골드 나노입자들이 표면 플라즈몬 공명을 통해 광 추출효율을 증가시키는 것을 입증하였다[7]. 얇은 골드박막을 LED표면위에 스퍼터링(sputtering) 방법에 의하여 증착시킨 후, 300℃에서 1시간 열처리(annealing) 과정을 통하여 열처리 온도와 시간을 조절하여 골드 나노입자의 크기를 조절하였다. <그림 6>에서 표면 플라즈몬은 기준 LED 시료보다 표면에 골드 나노입자가 있는 시료가 약 1.8배 가까이 PL의 발광세기가 증가함을 볼 수 있었다. 국소화(localized)된 표면 플라즈몬은 골드 나노입자와 유전체 경계면에서 전도전자의 진동을 모으는, 즉 기판에 갇혀진 빛을 잡아내는 역할을 하여 광 추출 효율을 증가시킨다[7].
(a)표면 플라즈몬 공명 LED의 모식도, (b)LED 표면에 골드가 2 nm 증착된 후, (c)4 nm 증착된 후 열처리한 시료, (d)기준 LED시료와 LED 표면에 골드가 형성된 시료의 PL 강도 비교
<그림 6> LED 기판 위에 형성된 골드 나노입자에 의한 광 추출의 모식도 및 시료[7]
2. 해외 동향
가. 레이저를 이용한 표면가공 기술
해외에서 발표되었던 광 추출 효율을 향상시키기 위하여 LED 표면을 가공하는 기술에 대하여 살펴보면, 2004년 미국의 캘리포니아 대학의 T.Fujii는 레이저를 이용하여 표면에 거칠기(roughness)를 형성하여 발광소자의 발광효율을 높이는 논문을 발표하였다[8].
<그림 7> 표면 거칠기가 있는 LED의 단면 모식도, 표면, 전류주입에 따른 EL 출력 파워[8]
전형적인 GaN LED 구조는 p-GaN/활성층/n-GaN/사파이어 기판으로 구성되어 있다. KrF 레이저(248nm)를 조사하여 n-GaN와 사파이어 사이의 경계에서 GaN의 국부적인 분해를 발생시켜 사파이어 기판을 떼어내고 n-GaN의 표면에 남아있는 Ga 방울들을 염산(HCl)에서 녹여 낸다. 수산화칼륨(KOH)을 전해질로 사용하고, Xe램프를 빛의 소스로 사용하여 포토 전기 화학 에칭(photo electrochemical etching)에 의해 GaN의 표면을 식각하였다. <그림 7>은 표면의 거칠기를 갖는 GaN 표면의 SEM 사진과 직류전류 주입에 따른 EL 출력파워를 나타내고 표면의 거칠기가 클수록 출력파워가 높게 나타남을 보여준다[8].
<그림 8> 균일한 표면과 나노 거칠기의 LED 표면 AFM 사진, 빛의 세기 분포도와 EL 세기[9]
2005년 중국의 챠오퉁 대학의 H.W. Huang는 레이저를 이용하여 p-GaN 표면에 나노거칠기(roughness)를 형성하여 발광소자의 발광효율을 높이는 논문을 발표하였다. p-GaN 표면에 5nm의 Ni을 증착한 후 RTA(rapid thermal annealing)를 실시하여 Ni 나노마스크가 되도록 한 후, KrF 레이저(248nm)를 조사하였다. 표면에 남아있는 Ga들을 염산(HCl)에서 녹여 내고, 질산(HNO3) 용액에서 남아있는 Ni를 제거하여 p-GaN 표면에 나노 거칠기를 형성하였다[9]. <그림8>은 20mA 전류에서 EL을 측정한 결과, 출력파워 분포와 그래프를 보여준다. <그림 8>에서 보여준 바와 같이 나노 거칠기가 있는 시료가 높은 파워를 보여준다[9].
나. 나노 구 리소그래피를 이용한 표면가공 기술
2008년 대만의 대만 국립 대학의 M.Y. Hsieh는 SiO2 나노 구(nanosphere)를 마스크로 이용하여 건식 식각하여 LED의 발광효율을 높이는 연구결과를 발표하였다[10].
<그림 9> 나노 구를 패턴 마스크로 이용하여 LED 표면에 나노패턴을 형성하는 모식도(a), 단분자층으로 형성된 SEM 사진과 광 출력 파워와 EL세기(b)[10]
100nm의 크기를 갖는 SiO2 나노 구(nanosphere)가 들어있는 용액을 p-GaN 표면에 스핀 코팅한 후 자기배열(self-aligned) 특성에 의해 단분자층(monolayer)을 형성한 후, 나노 구를 패턴마스크로 이용하여 건식 식각 하여 나노 구 틈 사이를 통해 p-GaN 표면을 식각하여 나노패턴을 형성하도록 하였다. <그림 9>는 나노 구를 패턴 마스크로 이용하여 LED 표면에 나노패턴을 형성하는 모식도와 단분자층(monolayer)으로 형성된 나노 구의 SEM 사진 및 20mA전류에서 EL을 측정한 결과로 나노패턴이 형성된 LED가 37% 출력파워가 높게 나타난 것을 보여준다[10]. 나노패턴이 형성된 p-GaN LED의 전류흐름과 저항은 패턴이 없는 LED와 거의 비슷하게 나타났고 오직 출력 파워만 증가되어 나타났다[10].
다. 골드 입자 배열을 이용한 표면가공 기술
2010년 중국 산동대학의 H. Gong이 Mg가 도핑된 GaN 표면 위에 골드(Gold)를 7nm 에서 9nm 증착 후 열처리하여 골드 입자들(Au particles)을 형성한 후, 건식 식각하여 LED의 표면에 나노아일랜드를 형성시켜 발광효율을 높이는 연구결과를 발표하였다[11]. <그림 10>은 LED 표면에 나노패턴을 형성하는 모식도와 거친 GaN 표면의 AFM 이미지와 PL의 강도를 보여준다. p-GaN LED 표면 위에 골드입자를 마스크로 건식 식각한 시료가 표면처리를 하지 않은 p-GaN LED에 비해 강한 PL 세기의 출력을 보여 나노아일랜드 패턴이 형성된 p-GaN LED의 광 추출 효율이 높음을 보여준다 [11].
(a)골드증착, (b)열처리하여 나노입자 형성 후, (c) 건식 식각하여 LED 표면에 패턴을 형성하는 모식도, (d) 패턴이 형성된 AFM, (e) 골드박막의 증착 두께에 따른 PL의 세기
<그림10> 골드 박막을 이용한 패턴 형성[11]
Ⅲ. 향후 전망
친환경, 낮은 소비전력, 저전압 구동, 고 신뢰성, 장수명의 LED(light emitting diode) 개발은 지식경제부가 발표한 그린에너지 산업 발전 전략에서 저가, 고효율화 전략을 통해 가격 경쟁력을 확보하려는 기술로 국가적으로 연구하여야 할 10대 유망 미래기술 중의 하나이다. LED 융·복합 기술은 다양한 분야에서 응용되고 있다. 의료분야에서 LED 기반의 광 치료 및 환자의 생체리듬에 부합하는 조명, 수술용 내시경 조명, 환경 분야에서의 공기와 물의 살균, 탈취, 폐수 처리 등에 LED를 적용하여 대기오염 방지, 수질 및 미생물 살균, 농ㆍ생명 분야에서 LED 광원을 이용한 식물생장, 해충방재, 수산 및 조류생산, 축사환경 개선, 혈액순환 촉진, 수산 바이오 인공양식 융·복합 조명, 자동차와 통신 분야에서 센서 및 통신 기술을 이용한 인지ㆍ복합형 LED 전구 제조, 국방 분야의 표적을 탐지/식별/추적하는 실시간 네트워크 시스템, 근거리 통신, 세균 및 바이러스 측정, 산업용 LED융·복합 기술로 반도체 노광기, 프린터기 등 의료, 농수산, 환경, 통신 및 자동차 등의 다양한 분야에서 LED가 융합된 기술개발이 진행되고 있다. 나노기술을 활용한 LED의 광 추출 효율을 높이기 위하여 레이저를 이용하거나 나노 다공성 알루미나와 나노 구와 같은 나노물질을 나노패턴 마스크로 사용하여 리소그래피법을 이용해 LED의 표면 위에 나노 패턴을 형성하는 기술은 에너지 효율을 높이기 위한 중요한 방법으로 활용될 수 있으리라 사료된다. LED용 원천 핵심 기술개발 전략의 일환으로 LED 소자 개발을 위한 다양한 기술개발에 나노기술과 접목된 연구가 진행되어야 할 것이다.
<참고문헌>
1. 박성주, “LED 광추출기술”, 물리학과 첨단기술 11, 2008. 13.
2. 김종배, “LED의 이슈 및 기술동향”, 전자통신 동향분석 24(6), 2007. 61.
3. C. Huh et al., "Improved light-output and electrical performance of InGaN-based light-emitting diode by microroughening of the p-GaN surface", J. Appl. Phys. 93, 2003.9383.
4. D.-H. Kim et al.,"Enhanced light extraction from GaN-based light emitting diodes with holographically generated two-dimensional photonic crystal patterns", Appl. Phys. Lett. 87, 2005.203508.
5. M. Jung et al., "Nanohole arrays with sub-30nm diameter formed on GaAs using nanoporous alumina mask", Jpn. J. Appl. Phys. 46, 2007. 4410.
6. K. Kim et al., "Enhanced light extraction from nanoporous surfaces of InGaN/GaN-based light emitting diodes" Jpn. J. Appl. Phys. 46, 2007. 6682.
7. J.-H. Sung al., "Enhanced luminescence of GaN-based light-emitting diode with a localized surface plasmon resonance", Microelectronic Engineering 86 (2009) 1120.
8. T. Fujii et al.,"Increase in the extraction efficiency of GaN-based light emitting diodes via surface roughening", Appl. Phys. Lett., 84, 2004.855.
9. H.-W. Huang et al., "Enhanced light output of an InGaN/GaN light emitting diode with a nano-roughened p-GaN surface", Nanotechnology 16, 2005. 1844.
10. M.-Y. Hsieh et al., "Improvement of external extraction efficiency in GaN-based LEDs by SiO2 nanosphere lithography", IEEE Electron Devices Lett. 29, 2008. 658.
11. H. Gong et al.,"Enhanced light extraction from InGaN/GaN-based light emitting diodes epistructure with ICP-etched nanoisland GaN:Mg surface", Eur. Phys. J. Appl. Phys. 50, 2010.10301.
12. M. Jung et al., "Long-range-ordered CdTe/GaAs nanodot arrays grown as replicas of nanoporous alumina masks", Appl. Phys. Lett., 88, 2006. 133121.
한국과학기술연구원 정 미, 우덕하 박사
Source : gtnet.
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