LED 방열목차 문제제기 발열원인 분류 패키지 기판 칩 향후계획 공냉식 수냉식 열전소자 히트싱크 히트파이프 플립칩 수직형LED 발열 원인 N 층과 P 층의 저항 및 반도체와 금속의 접촉저항 주입 캐리어의 비발광성 결합에 의한 격자진동 발생된 빛이 외부로 빠져 나가지 못하고 반사되어 LED 내부에 흡수공냉식 정의 및 원리 공기와 접촉하여 냉각이 이루어지는 방열기술 소재 히트싱크 절연층 구리 알루미늄 흑연 폴리아미드 알루미나 에폭시 코팅 세라믹 코팅공정 공냉식 절연막 도전패턴 패키징정의 및 원리 수냉식수냉 식 냉매 전해질에 의한 부식 증류 탈 이온화 물 결 빙 글리코겔공정 수냉식 실리콘 레이어 추가 레이어 연결 냉매 순환정의 및 원리 열전소자공정 열전소자 동판 및 기판 부착 단자 연결 P-N 형 소자 접합 구리판 부착 적층정의 및 원리 기판의 후면에 금속판을 부착 , 열을 외부로 방출시키는 방법 소재 열전도도가 높은 구리 , 알루미늄 마그네슘 , 아연을 주로 사용 기판 - 히트싱크공정 기판 - 히트싱크 Raw Material Die Casting De-gating De-burring기판 - 히트파이프 정의 및 원리 휘발성기체인 작동유체를 이용 , 유체의 상변태를 이용하여 파이프의 양단 사이에 열을 전달하는 장치소재 열전도도가 높은 구리와 알루미늄이 주로 사용 작동유체는 용기의 재질과 반응하지 않고 작동온도가 유체의 용해점 이상 비등점 이하인 소재를 사용 작동유체 명 칭 Ammonia Freon 11 Freon 113 Acetone Methanol 적용범위 -160 -160 -110 0-120 10-130 명 칭 Flutec pp2 Ethanol Water Flutec pp9 Thermex 적용범위 10-160 0-130 30-200 0-225 150-395 기판 - 히트파이프기판 - 히트파이프 공정 동파이프 절단 동파이프 코너 가공 초음파 세척 축관 진공 작동유체 주입 압착 , 커팅 마감관 설치 납땜몰딩정의 및 원리 칩을 뒤집어서 기판인 사파이어를 통해 빛이 방출되도록 설계된 칩 칩 - 플립칩공정 칩 - 플립칩칩 - 수직형 정의 및 원리 기판을 제거한 LED 칩 박막층부에 Si 기판이나 금속기판을 접착 후 사파이어 기판을 제거 , 수직방향으로 전류가 흐름공정 칩 - 수직형향후 계획 기술 선정 추가 조사 및 자료 수집 발전 가능성 조사 설계{nameOfApplication=Show}
Light Emitting Diode와 광효율 개선목 차1.초 록 ··············································································· p.12.서 론 ··············································································· p.1가.제안의 배경 ·································································· p.1나.개발의 필요성 ······························································· p.23.본 론가.기술 정의 및 특징1)LED의 정의 ································································ p.22)LED의 특징 ································································ p.33)LED의 사용분야 ···························································· p.4나.구조 및 동작원리1)LED의 구조 ······························································· p.52)LED의 동작원리 ··························································· p.5다.사용되는 소재들에 대한 조사1)기판에 사용되는 소재 ···················································· p.62)발광색상에 따른 소재 ·················································· p.113)패키지 소재 ··························································17[그림 20]열저항 감소를 위한 COB기술p.17[그림 21]LED 외부 양자효율의 파장의존성p.29[그림 22]발광층과 공기의 굴절률 차이로 인한 효율 감소p.30[그림 23]JIS에 규정되어 있는 색온도와 명칭의 정의p.31[그림 24]청색 LED와 황색 형광체를 사용한 백색 LED의 구조도p.31[그림 25]대표적인 GaN계 LED와 이상적인 LED 외부 양자효율의 전류밀도의존성p.32[그림 26]AlGaN/GaN 저온완충층p.35[그림 27]PSS LEDp.37[그림 28]Normal surface LED와 p-GaN roughened surface LEDp.38[그림 29]PBC(photonic bandgap crystal) 적용예p.39[그림 30]양자점의 재료와 크기에 따른 방출 파장 비교p.40Light Emitting Diode의 광효율 개선--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------신소재설계입문 3조1. 초 록LED(Light Emitting Diode)의 정의와 LED의 광효율에 관련된 이론과 수식을 알아보고 장, 단점을 포함한 특징을 정리하였다. LED의 형태적 구조와 이로부터 발생하는 밴드갭 차이를 이용한 동작 원리를 살펴보았다. 사파이어 기판과 ZnO 기판, GaN 기판 및 SiC 기판의 소재와 특징에 대해서 알아보고 형광체 및 에피 웨이퍼에서 각기 다른 방출 파장을 내는 소재들에 대하여 알아보았다. LED가 사용되고 있는 분야를 조사해보고 각 연도별, 조명 분야와 Back Light Unit, Mobile의 분야별 국내외 시장 동향 및 전망을 보았다. LED에 핵심적으로 사용되는 종류별 소재와 기판, 박막 성장부터 빛이 달아날 확률을 감소시킨다.추출효율(extraction efficiency)은 다음과 같이 정의된다.P는 자유 공간으로 방출되는 광 출력이다.외부 양자 효율(external quantum efficiency)은로 정의된다.외부 양자 효율은 유용한 빛의 입자의 수대 주입된 전하 입자의 수의 비율을 제시한다.출력 효율(power efficiency)은으로 정의되고, IV는 LED에 제공된 전기적 출력이다. 약식으로(informally), 출력 효율은또한 콘센트 효율(wallplug efficiency)라고 불린다.2) LED의 특징가) 장 점첫째, 고효율 광원이다. 소비전력은 백열등의 1/7수준이나 수명은 5만 시간 이상으로 백열등의 100배, 형광등의 10배가 넘는다. 기존 광원과 비교하여 전력비가 적게 들고 교체 횟수가 적어 유지비 절감도 가능하다.둘째, 친환경 광원이다. 형광등과 달리 수은 등 유해물질이 전혀 없어 환경을 오염시키지 않고 별도의 폐기 비용도 발생하지 않는다. 또한 백열등 대비 CO2 배출량도 1/7 수준에 불과하다.셋째, 사용자 친화적 광원이다. 점조명이기 때문에 다양한 형태와 크기를 구현할 수 있어 디자인 자유도가 높다. Red, Green, Blue LED의 조합으로 1,670만 색을 표현할 수 있다. 구동전압이 낮고 충격에 강하여 안전사고가 발생할 확률이 낮다.넷째, 디지털 광원이다. 반응속도가 백열등의 10만분의 1수준으로 디지털 제어가 가능하고 밝기의 색온도 변환이 용이하다. 센서, 통신 등 통합적인 시스템 기능과 감성조명 구현이 가능하다.이러한 특징을 가지고 있는 LED는 다른 광원과 비교하면 그 장점이 더욱 부각된다.Table. 1. 여러 가지 광원들의 에너지효율 비교나) 단 점첫째, 고가의 가격을 들 수 있다. GaAs와 AlGaAs 등의 기본 재료의 가격이 고가이다 보니 LED의 가격이 비쌀 수밖에 없다. 하지만 그에 비해 영구적 수명의 장점으로 장기적으로 봤을 경우에는 감안할 수 있는 부분이다.둘째, 강전에 약한 부생기게 된다. 전자와 hole은 같이 합치려는 경향이 있고, 모든 물질은 낮은 상태의 에너지를 선호하기 때문에 위의 energy band에서 돌아다니던 전자는 아래로 내려와 hole과 합치는데, 이때 전자의 에너지 준위가 변하기 때문에 전자는 에너지를 방출하게 된다. 이때 방출된 에너지 차이는 바뀌게 되는데 그 중 한 방법이 바로 빛을 내보내는 것이다.여기서 나오는 빛은 백열전구의 필라멘트처럼 뜨거운 물체에서 나오는 백열과는 달리, 전자가 가지고 있던 에너지가 빛으로 변환되는 것뿐이므로, 뜨거워지지 않고도 나오는 냉광이다. 또한 백열은 아주 넓은 파장 대역의 빛이 동시에 나오는 데 비하여, LED 빛은 전도대와 가전대 사이의 에너지 차이에 해당하는 좁은 파장 영역의 빛만 나온다.또한 그 빛의 색은 적색, 녹색, 청색 등으로 여러 가지가 있다. 반도체의 전자가 뛰어내린 높이 즉, 밴드 갭의 크기를 조절하면 발생하는 빛의 파장이 바뀌게 되는데 빛의 파장이 바뀜에 따라 방출되는 빛의 색깔이 바뀌는 것이다. 물질의 밴드 갭 에너지는 물질의 고유성질이므로, LED에서 나오는 빛의 색을 바꾸는 가장 손쉬운 방법은 반도체 물질의 종류를 바꾸는 것이다.발광파장은 3원 화합물 또는 4원 화합물로 조성을 제어하여 결정할 수 있는데 기판과의 격자상수와 비슷한 범위에서 조절해야 한다는 한계가 있다. 기본적으로 LED의 성능은 발광층을 구성하는 재료의 발광효율에 결정적으로 좌우되기 때문에 고품위 재료의 성장과 구조설계가 매우 중요하다. 이를 위해 격자구조가 비슷한 기판을 LED구조의 성장용으로 사용하게 되는데 아쉽게도 대표적인 반도체 물질인 4족의 실리콘과 게르마늄은 빛을 낼 수 없다. 그 대신 4족 양옆에 있는 3족의 알루미늄, 갈륨, 인듐과 5족의 질소, 인, 비소, 안티몬을 조합해 만든 반도체 물질은 빛을 낼 수 있다. 대표적인 물질로 비소화갈륨, 인화갈륨, 질화갈륨, 질화인듐, 비소화인듐, 인화인듐 등이 있다. 이같이 두 가지 이상의 원소가 만나 만들어진 반도체 물질을 화합물cal vapor transport) 등의 방법으로 단결정을 성장하는데 수열법이 품질이나 생산성에서 가장 우수한 방법으로 알려져 있다.수열법의 기본원리는 물에서 소금 결정을 성장하는 것과 같다. 초등학교 과학실험에서 뜨거운 물에 소금을 포화시킨 후 서서히 냉각하면 그릇 바닥에 소금 결정이 성장되는 것을 여러분들은 다들 보신 경험이 있을 것이다. 즉, 온도 구배로 발생한 용해도차를 이용하여 결정을 성장하는 원리가 수열법의 기본 원리이다. 그런데 물로 산화물 단결정을 성장하지 못하는 가장 큰 이유는 용해도 문제이다. 상압에서 물을 아무리 가열하여도 대부분의 산화물은 ppm 정도만이 녹을 뿐 결정을 성장할 수 있을 정도의 충분한 용해도가 확보되지 않기 때문에 결정을 성장할 수 없다. 그러나 용해를 밀폐한 후 물을 가열하면 물은 100°C 이상에서도 액상이 유지되며 이러한 상태를 수열 상태(hydrothermal state)라고 하며 300°C정도의 수열 상태가 되면 수백 기압의 높은 압력으로 대부분의 산화물이 결정을 성장할 수 있을 정도의 충분한 용해도를 갖게 된다. [Figure. 5]는 수열 결정 성장 장치인 autoclave의 모식도이다.Figure. 5. 수열 결정 성장 장치이 장치로 ZnO 단결정을 성장하는 방법은 먼저 원료 물질인 ZnO 분말을 펠렛 형태로 가공하여 1000°C 정도로 소결한 후 autoclave의 바닥에 채운다. 다음 대류조절을 위해 10% 정도의 개공도를 가진 배플(baffle)을 중앙에 설치한 후 얇게 절단한 ZnO 종자결정을 autoclave의 상단 부에 매단 후 6 몰의 KOH 용액을 autoclave 내부에 80% 정도 채우고 뚜껑을 닫은 후 하단부의 온도를 370°C, 상단부의 온도를 350°C로 가열하면 하단부에서 녹은 ZnO가 온도차로 발생한 대류에 인해 상단부로 이동하고 20°C의 온도차만큼 발생한 용해도차에 의해 종자 결정에 석출되어 결정이 성장하게 된다.현재 ZnO를 생산·판매하는 곳은 세계적으로 2~3 곳이며 ZnO
