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제목 ​CES를 활용한 LED 효율의 획기적 향상
작성자 관리자 작성일 2017-06-07 15:01:44 조회수 149
현재 GaN를 기반으로 하는 백색 발광 다이오드 (Light Emitting Diode, LED)는 높은 에너지 효율과 긴 수명으로 백열전구, 형광등 등 기존의 조명 방법을 대체하면서 조명 혁명을 주도하고 있다.  이와 같은 추세를 지속하고 보다 신속한 시장 확장을 위해서 전세계적으로 LED의 효율을 더욱 향상시키는 연구가 계속되고 있다. LED 효율을 증가시키기 위해 국내외 모든 LED 칩 생산 업체에서는 사파이어 기판의 표면에 돔 형태의 패턴 (Patterned Sapphire Substrate, PSS)을 만들어 그 위에 LED 구조 박막을 증착하는 공정을 사용하고 있다. 에너지반도체 센터에서는 이러한 형태의 표면 패턴을 그림 1과 같이 빈 구조 (Cavity-Engineered Sapphire Substrate, CES)로 만들어 효율을 획기적으로 향상시키는 연구를 계속하고 있다.

CES는 빈 패턴 내부에 공기를 포함하고 있어 PSS 패턴의 사파이어에 비해 GaN와의 굴절율 차이가 훨씬 크기 때문에(공기: 1, 사파이어: 1.6, GaN: 2.4) 그림 2에 보이는 바와 같이 발광층으로부터 생성된 빛이 보다 쉽게 외부로 방출되어 결과적으로 LED의 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있다.  이러한 Cavity 패턴은 그림 3에 보이는 모식도와 같이 사파이어 기판 위에 용이하게 성형할 수 있으며, 결과적으로 LED 칩 생산 라인에 쉽게 적용할 수있다. 먼저 photoresist (PR) 패턴을 사파이어 기판 위에 형성시키고 thermal reflow 공정을 통해 반구 형태로 만들어 준다. 그 다음 atomic layer deposition을 통해 비정질 Al2O3 박막을 PR 패턴된 사파이어 기판 위에 증착 시킨다. 그 후 산소분위기에서 열처리를 하게 되면 PR이 산화되어 제거되고 그를 둘러싸고 있던 Al2O3 박막만 남게 되어 PR 패턴과 동일한 형상의 air-cavity 패턴이 기판 표면에 형성되게 된다. 또한, 열처리 중에 비정질 Al2O3가 사파이어기판과 같은 상으로 결정화되어 GaN 박막 성장이 가능하게 된다. 이러한 CES 위에 증착한 LED는 그림 4에 보이는 것과 같이 기존의 PSS 위에 증착한 LED에 비해 효율이 20% 이상 획기적으로 향상하였음을 확인하였다.  이러한 결과는 Nano Letter 16, p. 3301 (2016)와 Compound Semiconductor 22, p. 40 (July 2016)에 출간되었고 국내 언론 (매일경제, 2016. 4. 18 등)에도 LED 제조의 획기적인 기술로 소개되었다.



센터명 : 에너지반도체 연구센터
작성자 : 박용조/센터장
Email:  yp0520@snu.ac.kr

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