발광다이오드물리학

Light-emitting diode physics

발광 다이오드 물리학에서, 반도체에서 전자와 전자 홀의 재조합은 "전기 발광"이라고 불리는 과정인 빛(또는 적외선 복사)을 생성한다. 생성되는 빛의 파장은 사용되는 반도체의 에너지 대역 갭에 따라 달라진다. 이들 물질은 굴절률이 높기 때문에 빛을 효율적으로 발산하기 위해서는 특수 광학 코팅, 다이 형상과 같은 장치의 설계 특징이 필요하다. LED는 오래 지속되는 광원이지만 특정 메커니즘은 장치의 효율이 저하되거나 갑자기 고장날 수 있다. 방출되는 빛의 파장은 사용되는 반도체 물질의 밴드 갭의 함수로서 갈륨 비소 등 다양한 미량 도핑 원소를 가진 재료가 사용되어 다른 색상의 빛을 내는 것이다. 또 다른 형태의 LED는 크기에 따라 그 특성과 파장을 조절할 수 있는 양자점을 사용한다. 발광 다이오드는 표시기와 디스플레이 기능에 널리 사용되며, 흰색 LED는 일반적인 조명 목적을 위해 다른 기술을 대체하고 있다.

전기 발광

회로(상단) 및 밴드 다이어그램(하단)을 표시하는 LED의 내부 작업

모든 직 대역 갭 재료의 p-n 접합부는 전류가 통과할 때 빛을 방출한다. 이것은 전기 발광이다. 전자는 n-region에서 교차하여 p-region에 존재하는 구멍과 재결합한다. 자유 전자는 에너지 수준의 전도 대역에 있는 반면, 구멍은 발란스 에너지 대역에 있다. 따라서 구멍의 에너지 수준은 전자의 에너지 수준보다 낮다. 에너지의 일부는 전자와 구멍을 재결합시키기 위해 소멸되어야 한다. 이 에너지는 열과 빛의 형태로 방출된다.

간접 대역 갭 물질로서 전자는 결정 실리콘과 게르마늄 다이오드 내의 열의 형태로 에너지를 발산하지만 갈륨 비소 인산염(GaAsP)과 갈륨 인산염(GaP) 반도체에서는 전자가 광자를 방출하여 에너지를 발산한다. 반도체가 반투명하면 접합부가 광원이 돼 발광 다이오드가 된다.

다이오드의 I-V 다이어그램 LED는 전진 방향으로 2 또는 3V 이상 가하면 빛을 방출하기 시작한다. 역 바이어스 영역은 전방 바이어스 영역과 다른 수직 스케일을 사용하여 누출 전류가 고장이 발생할 때까지 전압과 거의 일정하다는 것을 보여준다. 전방 바이어스에서는 전류는 작지만 전압에 따라 기하급수적으로 증가한다.

방출되는 빛의 파장과 그 색상은 p-n 접합부를 형성하는 재료의 밴드 갭 에너지에 따라 달라진다. 실리콘이나 게르마늄 다이오드에서 전자와 구멍은 대개 비방사성 전환에 의해 재결합되는데, 이는 광학 방출이 발생하지 않는데, 이는 간접 대역 갭 물질이기 때문이다. LED에 사용되는 재료는 근적외선, 가시광선 또는 근적외선에 해당하는 에너지와 직접 대역 간격이 있다.

발광다이오드(LED) 개발은 갈륨 비소로 만든 적외선과 적색 기기로 시작됐다. 재료 과학의 발전은 다양한 색상의 빛을 발산하면서 파장을 늘씬하게 하는 장치를 만드는 것을 가능하게 했다.

LED는 대개 n형 기판 위에 제작되며, 표면에 p형 층에 전극을 부착한다. P형 기판도 흔하지는 않지만 발생한다. 많은 상용 LED, 특히 GaN/InGaN도 사파이어 기판을 사용한다.

굴절률

단일 점원 방출 구역에 대한 단순 사각형 반도체에서 광원 원뿔의 이상적인 예. 왼쪽 그림은 반투명 웨이퍼용이고 오른쪽 그림은 아래쪽 층이 불투명할 때 형성된 반콘을 보여준다. 이 빛은 점원으로부터 모든 방향으로 균등하게 발산되지만 원뿔 모양으로 도해된 수직의 몇 도 내에서만 반도체 표면을 빠져나갈 수 있다. 임계 각도를 초과하면 광자가 내부에 반사된다. 원뿔 사이의 영역은 열로 낭비되는 갇힌 빛 에너지를 나타낸다.[1]

실리콘과 같은 코팅되지 않은 반도체는 공기에 비해 굴절률이 매우 높다. 수직에 너무 큰 각도로 표면에 접근하는 광자는 전체 내부 반사를 경험한다. 이 특성은 LED의 발광 효율과 광전지의 발광 효율 모두에 영향을 미친다. 실리콘의 굴절률은 3.96(590nm)[2]인 반면 공기의 굴절률은 1.0002926이다.[3]

일반적으로 평평한 표면의 코팅되지 않은 LED 반도체 칩은 반도체 표면에 거의 수직으로 도달하는 빛만을 광원뿔, 빛의 원뿔 [4]또는 이스케이프 원뿔이라고 하는 원뿔 모양으로 방출한다.[1] 발생 각도가 임계 각도를 초과하여 표면에 더 비스듬하게 도달하는 광자는 전체 내부 반사를 거치고 표면이 거울인 것처럼 반도체 결정 내부로 되돌아간다.[1]

발생 각도가 충분히 낮고 결정체가 충분히 투명하여 광자 방출량을 재흡수하지 않으면 내부 반사가 다른 결정면을 통해 빠져나갈 수 있다. 그러나 모든 면에서 90도 각도의 표면을 가진 단순한 사각형 LED의 경우, 면은 모두 동일한 각도 미러 역할을 한다. 이 경우 대부분의 빛이 빠져나가지 못하고 수정의 폐열로 손실된다.[1]

보석이나 프레스넬 렌즈와 유사한 각진 면이 있는 복잡한 칩 표면은 광자 방출 지점의 측면에 수직으로 빛을 분산시켜 광 출력을 높일 수 있다.[5]

최대 광 출력이 있는 반도체의 이상적인 형태는 광자 방출이 정확한 중심에서 발생하는 마이크로스피어일 것이며, 전극은 방출 지점에 닿기 위해 중앙으로 침투한다. 중심에서 방출되는 모든 광선은 구의 전체 표면에 수직이 되어 내부 반사를 일으키지 않을 것이다. 반구형 반도체도 작동하는데, 평평한 백 표면은 백스케이팅을 한 광자의 거울 역할을 한다.[6]

전환 코팅

웨이퍼를 도핑한 후에는 대개 개별 다이(die)로 절단된다. 각각의 주사위는 보통 칩이라고 불린다.

많은 LED 반도체 칩은 투명 또는 색상으로 성형된 고체 플라스틱으로 캡슐화되거나 화분에 담겨져 있다. 플라스틱 캡슐화에는 세 가지 목적이 있다.

  1. 반도체 칩을 장치에 장착하는 것은 더 쉽다.
  2. 깨지기 쉬운 아주 작은 전기 배선은 물리적으로 지지되고 손상으로부터 보호된다.
  3. 플라스틱은 상대적으로 지수가 높은 반도체와 낮은 지수의 야외 공기 사이에서 굴절 매개 역할을 한다.[7]

세 번째 특징은 라이트콘 내 광자의 프레스넬 반사를 줄여 반도체에서 발생하는 빛의 방출량을 증가시키는 데 도움을 준다. 평탄한 코팅은 반도체에서 라이트 콘의 크기를 직접적으로 증가시키지 않으며, 코팅에서 중간 더 넓은 콘 각도를 제공하지만, 반도체와 코팅 너머의 공기에서 광선 사이의 임계 각도는 변하지 않는다. 그러나 곡선 코팅이나 캡슐화를 통해 효율을 더욱 높일 수 있다.

효율성 및 운영 매개 변수

대표적인 표시등 LED는 30~60밀리와트(mW) 이하의 전력으로 작동하도록 설계되어 있다. 1999년경 필립스 루마일즈는 1와트에서 연속 사용이 가능한 파워 LED를 선보였다. 이 LED들은 큰 전력 투입을 처리하기 위해 훨씬 더 큰 반도체 다이 사이즈를 사용했다. 또한, 반도체 다이는 LED 다이의 열 방출을 증가시키기 위해 금속 슬러그에 장착되었다.

LED 기반 조명의 주요 장점 중 하나는 높은 발광 효율이다. 백색 LED는 표준 백열 조명 시스템의 효능을 빠르게 일치시켜 추월했다. 2002년에 Lumileds는 와트당 18-22 루멘의 발광 효율로 5와트 LED를 사용 가능하도록 만들었다(lm/W). 비교를 위해 60~100와트의 기존 백열 전구는 약 15lm/W의 전구를 방출하고, 표준 형광등은 최대 100l/W의 전류를 방출한다.

2012년 현재 필립스는 색상별로 다음과 같은 효능을 달성했다.[8] 효율 값은 물리학을 나타낸다. – 전력 공급 당 광출력. 루멘-퍼-와트 효능 값은 인간의 눈의 특성을 포함하며, 발광도 기능을 사용하여 도출된다.

색 파장 범위(nm) 대표적인 효율계수 대표적인 효능(lm/W)
빨간색 620 < λ < 645 0.39 72
레드오렌지 610 < λ < 620 0.29 98
녹색 520 < λ < 550 0.15 93
청록 490 < λ < 520 0.26 75
파랑 460 < λ < 490 0.35 37

2003년 9월, 새로운 형태의 파란색 LED가 크리에 의해 시연되었다. 이것은 20 mA에서 65 lm/W를 제공하는 상업적으로 포장된 백색 빛을 생산하여 당시 상용 가능한 가장 밝은 백색 LED가 되었으며, 표준 백열등보다 4배 이상 효율이 높다. 2006년에는 20mA에서 기록적인 화이트 LED 발광 효율이 131lm/W인 시제품을 시연했다. 니치아코퍼레이션은 20mA의 전진 전류에서 150lm/W의 발광 효과를 가진 흰색 LED를 개발했다.[9] 2011년 상용화된 크리 XLamp XM-L LED는 10W의 풀 파워로 100lm/W, 약 2W의 입력 전력에서 최대 160lm/W의 전력을 생산한다. 2012년 크리사는 흰색 LED가 254lm/W,[10] 2014년 3월 303lm/W를 제공한다고 발표했다.[11] 실용적인 일반 조명은 1와트 이상의 고출력 LED가 필요하다. 그러한 장치의 일반적인 작동 전류는 350mA에서 시작한다.

이러한 효율성은 실험실 내 저온에서 유지되는 발광 다이오드 전용이다. 실제 설비에 설치된 LED는 더 높은 온도에서 작동하고 운전자 손실이 발생하기 때문에 실제 효율성이 훨씬 낮다. 미국 에너지부(DOE)가 백열등이나 CFL을 대체하도록 설계된 상용 LED 램프를 시험한 결과 2009년 평균 효능은 여전히 46lm/W(시험된 성능은 17lm/W에서 79lm/W까지)인 것으로 나타났다.[12]

효율 저하

효율 저하란 전류가 증가함에 따라 LED의 발광 효율이 감소하는 것을 말한다.

이 효과는 처음에는 기온 상승과 관련이 있다고 생각되었다. 과학자들은 LED의 수명은 짧아지지만 높은 온도에서 효율 저하 현상이 덜 심하다는 사실을 증명했다.[13] 효율 저하를 초래하는 메커니즘은 2007년에 오거 재조합으로 확인되었다.[14][15]

높은 전류에서 LED를 작동하면 효율이 떨어질 뿐만 아니라 더 많은 열이 발생하므로 LED 수명이 손상될 수 있다. 고휘도 LED는 광출력, 효율, 수명을 절충하는 350mA에서 작동하는 경우가 많다.[14]

전류 레벨을 증가시키는 대신, 휘도는 보통 하나의 전구에 여러 개의 LED를 결합하여 증가한다. 효율 저하 문제를 해결하면 가정용 LED 전구가 덜 필요하게 되어 비용이 크게 절감된다.

미국 해군 연구소의 연구원들은 효율성 저하를 줄일 수 있는 방법을 발견했다. 그들은 침하가 주입된 운반체의 비방사성 오거 재조합으로부터 발생한다는 것을 발견했다. 그들은 비방사성 오거 공정을 줄이기 위해 연성 구속 잠재력을 가진 양자 우물을 만들었다.[16]

대만 중앙대학교와 에피스타사의 연구원들은 상업적으로 사용되는 사파이어보다 열전도성이 높은 세라믹 알루미늄 질화질소(AlN) 기판을 사용하여 효율 저하 현상을 줄이는 방법을 개발하고 있다. 열전도율이 높을수록 자가 난방 효과가 줄어든다.[17]

수명 및 실패

주요 기사: LED 고장 모드 목록

LED와 같은 솔리드 스테이트 장치는 낮은 전류와 낮은 온도에서 작동할 경우 매우 제한적인 마모 및 파괴를 겪는다. 일반적으로 인용되는 수명은 25,000~10만 시간이지만 열과 전류 설정은 이 시간을 크게 연장하거나 단축할 수 있다.[18] 이러한 투영은 LED 고장을 유발할 수 있는 모든 잠재적 메커니즘을 가속하지 않을 수 있는 표준 시험에 기초한다는 점에 유의해야 한다.[19]

LED 고장의 가장 흔한 증상은 광 출력의 점진적인 하강이다. 비록 드물기는 하지만 갑작스러운 실패도 일어날 수 있다. 초기 적색 LED는 짧은 사용 수명으로 눈에 띄었다. 고출력 LED의 개발로, 이 장치는 기존 장치보다 높은 접속 온도와 높은 전류 밀도를 받는다. 이는 재료에 대한 스트레스를 유발하며 조기 광출력 저하를 초래할 수 있다. LED의 수명은 초기 출력의 70% 또는 50%에 대한 가동 시간으로 지정할 수 있다.[20]

LED는 연소등이나 백열등과 달리 충분히 냉각된 상태에서만 작동한다. 제조자는 일반적으로 최대 접점 온도를 125 °C 또는 150 °C로 지정하며, 장수를 위해 낮은 온도를 권장한다. 이러한 온도에서는 방사선에 의해 상대적으로 적은 열이 손실되며, 이는 LED에 의해 생성된 광선이 냉각된다는 것을 의미한다.

고출력 LED의 폐열은 기기를 통해 열제거원으로 진행되며, 열제거원은 주변 공기로 열을 방출한다. LED의 최대 작동 온도는 제한되므로 패키지, 열제거원 및 인터페이스의 열저항을 계산해야 한다. 중전원 LED는 열전도성 금속층을 포함하는 인쇄 회로 기판에 직접 납땜하도록 설계되는 경우가 많다. 고출력 LED는 열 그리스 등을 이용해 금속 열제거원에 부착해 열을 전도하는 대형 세라믹 패키지로 포장돼 있다.

LED 램프의 공기 순환이 자유롭지 않으면 LED가 과열되어 수명이 단축되거나 조기 고장의 원인이 될 수 있다. 시스템의 열 설계는 램프를 둘러싼 주변 온도를 허용해야 한다. 냉동실의 램프는 화창한 기후에서 광고판의 램프보다 낮은 주변 온도를 경험한다.[21]

자재

LED는 다양한 무기 반도체 재료로 만들어진다. 다음 표에는 파장 범위, 전압 강하 및 재료가 있는 사용 가능한 색상이 나와 있다.

색 파장 [nm] 전압 강하 [ΔV] 반도체 소재
적외선 λ > 760 ΔV < 1.63 비소 갈륨(GaAs)
비소 알루미늄 갈륨(AlGaAs)
빨간색 610 < λ < 760 1.63 < ΔV < 2.03 비소 알루미늄 갈륨(AlGaAs)
비소인산 갈륨(GaAsP)
알루미늄 갈륨 인듐 인산염(AlGaInP)
갈륨(III) 인산염(GaP)
오렌지 590 < λ < 610 2.03 < ΔV < 2.10 비소인산 갈륨(GaAsP)
알루미늄 갈륨 인듐 인산염(AlGaInP)
갈륨(III) 인산염(GaP)
노란색 570 < λ < 590 2.10 < ΔV < 2.18 비소인산 갈륨(GaAsP)
알루미늄 갈륨 인듐 인산염(AlGaInP)
갈륨(III) 인산염(GaP)
녹색 500 < λ < 570 1.9[22] < ΔV < 4.0 기존 녹색:
갈륨(III) 인산염(GaP)
알루미늄 갈륨 인듐 인산염(AlGaInP)
알루미늄 갈륨 인산염(AlGaP)
순수 녹색:
질화인듐 갈륨(InGaN) / 질화인 갈륨(III)
파랑 450 < λ < 500 2.48 < ΔV < 3.7 셀레니드 아연(ZnSe)
질화 인듐 갈륨(InGaN)
합성 사파이어, 실리콘 카바이드(SiC)가 상피 유무 기질,
실리콘 (Si) 기질—개발 중인 (실리콘의 epitaxy는 제어하기 어려움)
바이올렛 400 < λ < 450 2.76 < ΔV < 4.0 질화 인듐 갈륨(InGaN)
자외선 λ < 400 3 < ΔV < 4.1> 질화인듐 갈륨(InGaN)(385-400nm)

다이아몬드(235nm)[23]
질화 붕소(215 nm)[24][25]
질화알루미늄(AlN)(210nm)[26]
질화알루미늄 갈륨(AlGaN)
질화 알루미늄 갈륨 인듐(AlGaInN)—210nm까지[27] 감소

핑크 다중유형 ΔV ≈3.3[28] 파란색 인광 층이 하나 또는 두 개 있고
노란색, 빨간색, 주황색 또는 분홍색 인광 첨가 후,

분홍색 플라스틱으로 된 흰색,
또는 위에 분홍색 색소 또는 염료가 있는 흰색 인광.[29]

보라색 다중유형 2.48 < ΔV < 3.7 이중 파란색/빨간색 LED,
붉은 인광을 발한 파랑,
또는 보라색 플라스틱이 있는 흰색
흰색 광폭스펙트럼 2.8 < ΔV < 4.2 냉각/순백색: 황색 인광기가 있는 청색/UV 다이오드
따뜻한 흰색: 주황색 인광기가 있는 파란색 다이오드

양자점 LED

참고 항목: 양자점 표시

양자점(QD)은 광학 특성을 가진 반도체 나노크리스탈로서, 방출 색상이 가시광선으로부터 적외선 스펙트럼으로 조정되도록 한다.[30][31] 이를 통해 양자점 LED가 CIE 다이어그램에 거의 모든 색상을 생성할 수 있다. 이는 방출 스펙트럼이 훨씬 좁기 때문에 흰색 LED보다 더 많은 색상 옵션과 우수한 색상 렌더링을 제공한다.

QD 흥분제에는 두 가지 유형이 있다. 1차 광원 LED(일반적으로 파란색 또는 UV LED가 사용됨)로 사진 소화를 사용한다. 다른 하나는 알리비사토스 등이 처음 입증한 직접 전기적 흥분이다.[32]

내슈빌 소재 밴더빌트 대학교의 마이클 바우어스가 개발한 방법은 LED의 푸른 빛에 반응하여 흰색으로 빛나는 양자점 LED를 파란색 LED로 코팅하는 방법이다. 이 방법은 백열등과 비슷하게 따뜻하고 황백색의 빛을 발한다.[33] 양자점은 액정표시장치(LCD) 텔레비전에서 백색 발광 다이오드에 사용하기 위해 고려되고 있다.[34]

2011년 2월 PlasmaChembH의 과학자들은 LED 응용을 위한 양자점을 합성하고 그 기반으로 빛 변환기를 구축할 수 있었는데, 이것은 수백 시간 동안 청색에서 다른 색으로 빛을 효율적으로 변환할 수 있었다.[35] 그러한 QD는 더 짧은 파장을 가진 빛에 의해 흥분되는 어떤 파장의 가시적 또는 근적외선을 방출하는 데 사용될 수 있다.

전기-흥분 설계에 사용되는 QD-LED 구조는 OLED의 기본 설계와 유사하며, 전자-전송 재료와 홀-전송 재료의 층 사이에 양자점 층이 끼어 있다. 적용된 전기장은 전자와 구멍을 양자점층으로 이동시키고 QD를 흥분시키는 흥분제를 형성하는 재결합시킨다. 이 계획은 일반적으로 양자점 표시에 대해 연구된다. 방출 파장의 조절 가능성과 좁은 대역폭은 형광 영상을 위한 흥분 소스로도 유용하다. 통합 QD-LED를 활용한 형광 근거리 현장 스캐닝 광학 현미경(NSOM)이 시연됐다.[36]

2008년 2월, 나노크리스탈을 사용하여 방사선 와트당 가시광선 300루멘(전기 와트당 광선 제외)과 온난광 방출의 발광 효과를 달성했다.[37]

참조

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외부 링크