Light Emitting Diode의 이해

LED(Light Emitting Diode, 발광다이오드)는 p-n 접합 다이오드의 일종으로 순방향으로 전압이 걸릴 때 단파장광(Monochromatic Light)이 방출되는 현상인 전계발광(Electroluminescence) 효과를 이용한 반도체 소자이다. 양과 음의 전기적 성질을 가진 p-n 두 화합물이 접합해 전기가 흐르면 빛이 발생되는 원리로 접합하는 화합물의 종류에 따라 빛의 색을 조절할 수 있어 적외선, 자외선뿐만 아니라 가시광선도 빨강에서 보라색까지 모든 색의 표현이 가능하다.

 LED는 광색 제어, 에너지 절감, 친환경 측면에서도 이상적인 광원으로 반도체 소자의 디지털 제어 성능과 고효율, 장수명 등의 장점을 기반으로 조명, 가전, 차량, 의료용 등 다양한 분야에 활용이 가능하다. 특히 기존 광원을 대체하면서 조명 산업 전반에 영향을 미칠 것으로 예상된다.

LED는 백열등이나 형광등으로 대표되는 기존 광원에 비해 고효율, 장수명, 무수은 등의 강점이 있다. LED는 필라멘트를 광원으로 사용해 빛을 내는 구조인 백열등, 형광등, 고압방전 램프, 할로겐 램프, 무전극 램프와는 달리 필라멘트를 사용하지 않는 독특한 구조로 만들어져 있다. 필라멘트를 사용하는 기존의 램프들은 필라멘트에 전류를 흘려 2000℃까지 달구면 에너지의 90%는 열로 발산되고, 나머지 10%의 에너지가 빛으로 이용된다.

따라서 백열등의 빛 효율은 10%에 불과하다. 반면 LED는 필라멘트가 없는 구조로 광 반도체에 전기 에너지를 주입하면 바로 빛으로 전환되기 때문에 이론적으로는 100%의 효율을 가지며 실제 효율은 약 90%에 이를 것으로 보고 있다. 또한 2~4V의 저전압에서 동작하기 때문에 일반 전구에 비해 전기 소비량이 5~10배 정도 절감돼 에너지를 절약할 수도 있다.

그리고 일반전구처럼 필라멘트가 단락되는 일이 없으며 전구별 수명을 살펴보면 백열등이 1,000~1,500시간대, 할로겐램프가 3,000시간대, 형광등이 2,400~1만시간대인데 비해 LED는 6~10만시간대 정도로 월등히 길다. 따라서 램프유지와 보수에 들어가는 비용 절감에 따른 경제적 효과를 얻을 수 있다.

LED는 칩 부분을 에폭시로 패키징해서 고열로 장시간 경화시키기 때문에 강한 충격에도 손상을 입지 않으며 반도체라는 특성으로 인해 형광등과 달리 전류를 인가(印加)하면 바로 불이 들어온다. 기존 조명을 LED 조명으로 20% 교체하였을 때 연간 1조원의 전기료 절감이 가능하고 원자력/화력 발전소 건설비, 유지관리비의 절감에 따른 화석연료 소모 및 이산화탄소 배출량도 감소된다. 전통 조명과는 성질이 다른 반도체 광원을 사용한 조명이기 때문에 특성평가 방법의 표준화가 진행되고 있으며 광반도체 기술과 바이오, 의료, 수송 및 통신기술의 융복합화로 지능·감성조명을 구현하기 쉽다.

LED의 가장 큰 장점은 적색, 청색, 녹색, 백색 등 다양한 빛을 자유자재로 낼 수 있다는 점에 있다. 적색, 녹색, 청색의 LED 하나하나가 256가지의 컬러를 구현하기 때문에 3색의 LED를 조합하면 256×256×256=1670만 가지의 컬러를 낼 수 있어 건물의 파사드를 비롯한 옥외 경관조명, 사인조명과 같은 곳에서 먼저 사용됐다. 하지만 LED 산업은 높은 기술력과 특허, 장비 등이 요구되는 산업 특성 때문에 대기업 위주의 구조로 형성돼 있으며 기술개발 정도, 경제성 등을 고려할 때 현재 산업이 초기 단계이므로 투자가 더욱 요구된다고 할 수 있다. 그러므로 기술개발, 인력양성, 산업생태계 구축 등에 공공부문의 지원이 요구되며 지역 내 다양한 관련 기관의 참여가 필요한 것으로 보인다.

1. LED 종류

LED는 재료의 종류에 따라 전자가 올라갔다 내려가는 준위의 차이가 나타난다. 높은 에너지 준위에서 만들어지는 빛은 짧은 파장을 가지고 있어 청색으로 나타나는 반면, 낮은 에너지 준위에서 만들어지는 빛은 긴 파장을 가지고 있어 적색으로 나타난다. 이러한 원리로 3원 3색인 적·녹·청 소자를 조합해 컬러를 구현하는 것이다. LED는 방출하는 빛의 종류에 따라 가시광선 LED(Visible LED, 400~700㎚), 적외선 LED(Infra Red LED, 700~1,000,000㎚), 자외선 LED(Ultra Violet LED, 100~400㎚) 등으로 구분되며 파장에 따라 그 응용범위가 다르다.

LED는 파장별로 개발이 가능하며 가시광선 LED가 전체 LED 시장의 93%를 선점하고 있고 적외선 LED는 전체의 5% 수준이며 자외선 LED는 2% 미만의 규모를 차지하고 있다. 가시광선 LED는 현재 가장 많이 개발된 소자로써 디스플레이 표시 소자로 널리 이용되고 있으며 응용분야를 빠르게 확대하고 있다.

가시광선 LED
가시광선 LED 중에서 적색 LED가 가장 먼저 개발됐고 이후 녹색, 백색 LED 등이 개발돼 총천연색 구현이 가능하게 됐다. 특히 2000년 이후로 RGB 및 백색 LED의 효율과 출력이 빠른 속도로 증가하면서 다양한 분야로 응용 분야가 확대되는 것이다.

적외선 LED는 LED 파장대가 증가하면서 광통신 검출기, 자동개폐기, 적외선 사진기, 감정, 위조, 근육치료, 농산품건조기, 공기정화, 탈취 등 다양한 수요시장이 생성 가능해졌으며 특히 근거리 광통신용 IR LED는 적은 비용의 장점으로 활용도가 높을 것으로 보인다.

자외선 LED
자외선 LED는 파장대가 과거의 405㎚에서 현재 200~405㎚로 확대돼 응용시장 또한 넓어지고 있다. 아직은 초기 단계에 있지만 향후 살균, 물, 공기, 폐수처리, 탈취, 의료용, 피부병 치료, 위폐감별, 조명, 섬유/화학산업, 환경 센서 등에 응용될 것으로 예상된다.

BLU용 LED
BLU용 LED는 색상 구현 방식에서 RGB LED와 백색 LED 제품으로 구분되며, RGB LED는 빨강(R), 녹색(G), 파랑(B)의 3원 3색을 켜서 색을 구현하는 방식이다. 사람의 눈으로 보는 것처럼 선명한 화질을 구현할 수 있으나 화질의 우수성에도 불구하고 낮은 신뢰성과 복잡한 설계로 인해 생산수율이 낮은 단점이 있다.

백색 LED
백색 LED는 파랑색 LED를 켜놓고 빨강과 녹색의 형광체를 덮는 방식으로 가격 경쟁력이 높고 설계가 비교적 단순하여 BLU뿐만 아니라 가장 큰 응용분야인 내부 조명으로 쓰일 수 있을 것으로 전망된다. 그에 따라 더 효과적인 백색 LED 구현이 LED 산업의 이슈가 되고 있다.

2. LED 구조

LED는 p-n접합 다이오드의 일종으로 순방향으로 전압이 걸릴 때 단파장광(Monochro-Matic Light)이 방출되는 현상인 전계발광효과(Electroluminescence)를 이용한 반도체 소자다. 즉 순방향 전압 인가시 n층의 전자와 p층의 정공(Hole)이 결합하면서 전도대(Conduction Band)와 가전자대(Valance Band)의 높이차이(Energy Gap)에 해당하는 만큼의 에너지를 발산한다. 이 때 발생하는 에너지는 주로 열이나 빛의 형태로 방출되는데 빛의 형태로 발산하면 LED가 되는 것이다.

p-n 호모접합
전자는 p-타입 영역에 주입되고 양공은 n-타입 영역에 주입되는데 p-n 접합을 함으로써 빛이 발생하게 되며 전자와 정공의 에너지 차에 의해 빛의 파장과 색이 결정된다. 이렇게 단순한 타입의 LED는 효율이 매우 낮아 현재는 사용하지 않고 있다.

헤테로 구조체
LED의 여러 가지 에피택셜형(Epitaxial) 구조를 응용하여 LED 제작에서의 주요 목표인 빛의 발생을 최대화할 수 있다. 헤테로 구조체는 화학적 성분이 다르고 밴드갭이 상이한 다른 반도체 물질로 구성돼 있으며 현재 높은 조명도를 갖는 LED 제작은 헤테로 구조체 기반이다.

저차원 구조(Low-Dimensional Structures)
양자정(Quantum Wells, QW)과 양자도트(Quantum Dots, QD)와 같은 저차원 구조를 만들어 헤테로에피택셜(Heteroepitaxial) 충돌에서 방사성을 재결합해 효율을 더욱 향상시킨다. 전자와 정공의 파동함수를 겹치게 하여 증가시키며 저차원 구조에서 밴드갭에 인접한 상태의 전자밀도가 3차원 물질에 비해 높기 때문에 저차원 구조를 도입함으로써 발광다이오드의 효율이 증대된다.

3. 혁신적인 새로운 LED 구조

인장 및 압축 변형된 LED
이 구조는 새로운 인장 변형을 방지하는 피복(TSBC) 구조를 도입했고 효과적으로 잠재적 방지능력을 증가시키고 AlGaInP(알루미늄-갈륨-인듐 인화물) 황-녹색 LED 전류의 누수를 줄일 수 있다.

터널접합
p+/n+ 터널접합(Tunnel Junction) 구조를 가진 LED가 p-타입 Mg-GaN(마그네슘-질화갈륨) 억류층의 톱에 형성되는데 이 터널접합은 횡 방향 전류를 발산하게 하고 반투명전극 및 저항이 큰 p-타입 AlGaN(알루미늄-갈륨 질화물)의 필요성을 없앤다. 터널접합을 택하면 LED 구조 내에서 두 개의 n-전극을 형성하게 하고 터널접합 LED의 빛 발산 강도는 기존 LED에 비해 두 배 정도 높아지게 된다.

역 p-다운 LED(Inverted p-down LED)
최근에 p-다운 구조와 n+/p+ 터널접합을 가진 InGaN/Ga㎚QW(Multiple Quantum Well) LED가 개발됐는데 기존 LED에 비해 20mA에서 작동하였을 때 광 출력이 거의 2배에 달하였고 외부양자효율은 기존 LED가 9.5%인데 비해 17%로 높아졌다.

전자 저장층을 가진 LED
n-GaN(n타입 질화갈륨) 피복층과 다중 양자 우물구조(Multiple Quantum Well, MQW)층 사이에 전자 저장층을 도입함으로써 MQW LED층의 방사효율 증대를 가져온다.

양자도트 LED
양자점(Quantum Dot, QD)에서는 전자상태가 공간적으로 국한되고 에너지는 완전히 양자화돼 QD 구조는 열적 혼란에서 보다 안정적이다. 또한 전자의 분산을 크게 줄이고 비방사성의 재결합률을 줄일 수 있다.

플립칩 구조를 가진 LED
플립칩 구조는 기판재료로부터 빛 추출을 제공하기 때문에 반투명 금속전극에 의한 빛의 감소가 없고 높은 반사 금속화 채택에 의해 빛의 흡수를 최소화한다. 또한 기존 LED의 얇은 전류전파층에 비해 높은 전류밀도를 갖고 작동하게 하며 장치 위의 와이어본드를 제거하기 때문에 빛의 어둡게 함을 크게 줄여 생성된 열을 반도체로부터 발산하도록 해줄 수 있다.

공진 공동 및 포토닉스 수정체 LED
포토닉스 수정 방사체는 장치 내에 InGaAsP/InP(인듐갈륨비소인/인듐인) 미세기둥의 벌집모양 배열을 구성함으로써 평면 웨이퍼에 비해 10배가 넘는 광 발광을 나타냈으며 최근에는 녹, 청 및 자외선 발광체를 개발할 목적으로 Ⅲ-질소화물 포토닉스 수정체 연구가 수행됐다.
4. LED 기술의 범위

LED 에피·칩·패키지·장비
LED는 기존 반도체와 유사한 공정으로 소자를 제작하며 제조 공정은 기판 위에 단결정의 얇은 막을 성장시키는 에피텍시(Epitaxy) 웨이퍼 제작 공정이다. 에피텍시 웨이퍼에 전극을 형성시키고 각각 소자로 분리하는 칩 공정으로 습기 충격 등 외부로부터 칩을 보호하는 패키징 공정 등으로 나눌 수 있으며 각각 제조 공정에 따라 다양한 세부 기술이 요구된다. LED 생산을 위한 에피텍시 웨이퍼 제작을 위해 MOCVD 등의 장비를 이용한다.

LED 모듈 소재
LED 모듈 소재는 화합물 반도체 특성을 이용해 전기 에너지를 빛 에너지로 전환하는 최적의 효율로 안정적인 방출이 가능하도록 만드는 소재로 정의된다. 기판 소재, 형광체 소재, 봉지 소재, 고방열 소재 및 혼성 복합 소재로 구분한다.

LED 조명 응용
응용 분야에 따라서 일반 조명과 더불어 디스플레이, 수송 조명, 의료, 해양수산과 같은 LED-IT/NT/BT 융복합 기술을 활용한 특수조명과 이에 대한 특성·신뢰성 평가 분야로 분류된다.

융합 광기술
융합 광기술은 LED/LD/PD/수동광 소자 등 광 부품의 고유 특성을 이용해 새로운 산업과 융합하는 응용 기술로 정의하며 나노 광 응용기술, 정보통신용 광소자, 차세대 광 응용기술 분야로 분류한다.
나노 광 응용 기술은 기존 광통신 부품기술의 고도화 및 차세대 컴퓨터, 디스플레이, 태양광, 센서 분야에 활용 가능한 융합 응용기술이다. 정보통신용 광소자 기술은 광가입자용 부품 기술과 대용량 정보 전송 부품 기술, 유무선 통합 시스템용 광 부품 기술이며 차세대 광 응용 기술은 광인터커넥션 기술, 광센서 기술, 광학식 터치, 입출력 패널 기술로 구분된다.

LED 제조 공정
LED 제조 공정 기술은 기본적으로 에피(Epi) 웨이퍼 성장 → 칩공정 → 패키지 → 모듈 → 시스템 단계로 구성되어 있다.
기판
기판 위에 성장되는 박막층의 품질은 박막과 기판의 격자 불일치 정도와 기판의 품질에 의해 결정되므로 격자 불일치가 작고 성장하는 방법이 가장 우수한 박막을 얻을 수 있다. 현재 상용화된 LED 에피웨이퍼는 사파이어와 SiC 기판에서 성장해 제작되고 있으며 고휘도 LED를 만들기 위해서 GaN이나 ZnO를 기판으로 사용해 LED를 만드는 연구가 활발하게 진행 중이다.

에피 성장 기술
에피란 단결정 기판 위에 금속 유기 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD) 장비를 사용해 화합물 반도체를 성장시켜 에피 웨이퍼를 제조하는 과정을 말한다.
예를 들어 청색 LED의 경우 청색을 내는 반도체 재료로 GaN가 있으며 Sapphire(Al203)나 SiC 기판 상에 n형 반도체(n-GaN)와 활성층(InGaN), p형 반도체(p-GaN)가 MOCVD로 차례로 증착된다. 그 윗면에는 전압을 걸어 주기 위한 (+)전극이 형성되어 있으며 (-)전극 정보분석을 절연체인 기판 상에 형성될 수 없으므로 Dry 에칭방식으로 가장 위쪽에서 n-GaN의 일부분까지 식각한 후 (-)전극(Ti/Al)을 형성한다.

칩생산
칩생산 공정은 전극을 형성하고 개별 칩으로 절단하는 단계이다. 고출력 LED 필요성이 증가함에 따라 칩사이즈도 대형화되는데 칩의 면적 증가는 광효율 및 생산을 저하시키는 요인이 된다.
LED 칩은 성장된 에피웨이퍼를 가지고 제작하며 전 공정과 후 공정으로 나뉜다. 전 공정은 p-n 전극형성 공정, 식각 공정, 보호막 형성 공정이 있으며 후 공정은 기판을 얇게 연마하는 랩핑공정, 칩을 분리시키는 스크라이빙 공정, 전기적·광학적 전수측정, 등급분류, 외판검사가 있다.

LED 칩의 제작공정은 InGaAlP/GaAs 계열의 공정과 InGa(Al)N/GaN 계열의 공정으로 분류한다. InGaAlP/GaAs 계열은 n+-GaAs 기판을 사용하고 그 위에 n형 반도체와 MQW 구조의 활성층 및 P형 반도체와 콘덱층의 에피층으로 구성되며 p+GaAs 기판을 사용하는 경우 p형 반도체와 MQW 구조의 활성층 및 n형 반도체와 콘덱층의 에피층으로 구성된다. 대부분이 SiC 또는 사파이어 기판을 사용한다.

패키징 및 모듈 공정
LED 산업의 중심축은 과거 Epi-Chip 중심이었으나 패키징 및 모듈 중심으로 이동하고 있다. 패키징 공정은 제조된 칩과 리드(lead)를 연결하고 빛이 최대한 외부로 방출되도록 패키징하는 단계이며 모듈공정은 패키징이 완료된 LED를 이용해 일정한 프레임에 LED를 부착시키는 단계이다.