[디스플레이] Light Emitting Diode(LED; 발광 다이오드)

 

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안녕하세요.

디스플레이는 LED -> LCD -> OLED 순으로 계속 발전하고 있습니다.

LED(발광 다이오드)는 전기가 흐를 때 발광하는 반도체 소자입니다. 이는 전통적인 백열 전구나 형광등과는 다르게 열을 방출하지 않고 빛을 방출하는데, 이로 인해 에너지를 덜 소모하고 수명이 길어집니다.

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※1. 배경

▶1. (정류)다이오드

 

ᐧ 정의 : 한 방향으로만 전도하는 반도체 다이오드

ᐧ 재료 : Si(실리콘), 게르마늄(Ge)

ᐧ 용도 : 정류기, 전원공급기, 보호단자, 신호처리기 등

- 다이오드는 양방향 전류를 허용하지 않고 단방향 전류만 통과시킬 수 있는 소자이다.

- 다이오드는 PN 접합이라 불리는 P형 반도체와 N형 반도체의 결합으로 구성된다.

- 주로 전류의 방향을 제어하기 위해 사용되며, 전기 회로에서 정류기로서 기능한다.

 

▶2. 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)

ᐧ 정의 : 전기장에 놓였을 때 빛을 발산하는 다이오드

ᐧ 재료 : GaAs(비화갈륨) 및 Gap

ᐧ 용도 : 조명, 디스플레이, 표시등, 광통신 등

- 발광 다이오드는 PN 접합 구조를 가지고 전기 에너지를 빛으로 변환하여 발광하는 소자이다.

- 전류가 다이오드를 통과할 때 전자들이 결합 상태에서 이동하면서 에너지를 방출하고, 이로 인해 빛이 발생한다.

- 소형, 저 전력, 장수명 등의 장점으로 인해 조명, 표시 등 다양한 용도로 사용된다.

 

▶3. LED의 특징

1. 에너지 효율성: LED는 전통적인 조명 시스템보다 훨씬 적은 전력을 소비합니다. 이는 에너지 비용을 절감하고 환경에 미치는 영향을 줄이는 데 도움이 됩니다.
2. 장수명: LED는 일반적으로 긴 수명을 가지고 있습니다. 일반적으로 50,000시간 이상의 수명을 가집니다. 이는 전통적인 조명 소스에 비해 훨씬 오래 지속됩니다.
3. 소형화 및 다양성: LED는 작고 소형화된 디자인으로 제작할 수 있습니다. 이러한 소형 LED는 전구, 텔레비전, 모니터, 자동차 조명, 전자기기 등 다양한 분야에 사용됩니다.
4. 색상 선택성: LED는 다양한 색상과 효과를 제공할 수 있습니다. 이는 다양한 조명 요구에 대응할 수 있도록 해줍니다.
5. 환경 친화성: LED는 수은이나 다른 유해 물질을 포함하지 않습니다. 또한 에너지를 효율적으로 사용하여 친환경적인 조명 솔루션으로 인식됩니다.
6. 조명 응용 분야: LED는 건물 조명, 가정 조명, 거리 조명, 자동차 조명, 표지판, 디스플레이 등 다양한 분야에 사용됩니다. 또한 LED는 조명 외에도 통신, 의료 기기, 가전제품, 식물 조명 등의 다양한 응용 분야에서도 사용됩니다.

 

 

※2. LED 구조

: LED(Light Emitting Diode)는 반도체 PN접합 다이오드로 주로 3족과 5족의 원소가 화합하여 만들어진 발광체이다. 순방향 전압을 인가하면 전위가 높은 n층의 전자가 전위가 낮은 p층의 정공으로 이동해 전자와 정공이 결합하면서 밴드갭 만큼의 빛이 방출된다. 구조에 따른 특성은 아래와 같다.

 

▶1. 일반형(Mesa) LED 구조

  식각을 통해 메사 형태로 만든 LED를 말한다. 만든 빛을 발광하는 하나의 활성층과 이를 둘러싼 두 개의 양쪽 클래딩 층으로 이루어진 기본 형태로 구성된다. 각 클래딩층에 전압이 인가되면 n도핑된 클래딩층에는 전자, p도핑된 클래딩 층에는 전공이 공급되면서 이들이 활성층에서 결합하여 빛을 발광한다. 다만 해당 구조는 투명전극과 전극 패드에서 흡수되는 빛의 손실이 크다.

 

▶2. 플립칩 방식 LED 구조 (Flip Chip)

: 일반형 구조의 높은 빛 손실 문제를 보안하기 위해 고안된 구조로 일반형 LED를 거꾸로 뒤집어 실리콘 서브마운트(칩 지지대, 전기적 연결, 열관리)위에 stud bump를 통하여 고정한 형태이다. 발광의 기본 구조는 일반형 LED와 동일하다.

 

▶3. 수직형 구조 (vertical structure)

  식각에 의해 적층된 일부분을 제거하지 않은 원래의 형태를 유지하고 위부분의 클래딩 층에 bonding/reflector와 receptor 기판을 차례로 부착한 후, 전극을 형성하고 반대편의 기판을 분리하여 구성한다. LED의 활성층에서 발광된 빛은 아래 면의 반사판에서 반사되어 위 부분으로 방출한다.

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  일반형 구조(수평형) LED가 플립칩 방식 LED나 수직형 구조 LED에 비해 층간 반사, 발광 영역 감소의 이유로 인해 빛 손실에 따른 낮은 효율을 갖지만 일반형 구조 LED는 저렴한 생산 비용과 다양한 적용분야, 다양한 색상 표현의 이점 때문에 아직 가장 많이 사용하는 구조이다.

 

 

 

※3. 일반형 LED 웨이퍼 제조과정과 특징

  청색 LED와 노란색 형광체로 백색을 구현하는 것이 가능한데 청색 LED를 만드는 재료로 초기에는 GaN을 사용하였으나 GaN은 단결정 성장이 어렵고 생산단가가 비교적 고가이기에 사파이어가 재료로 대체되었다. 단결정 사파이어는 열전도도와 체적 저항률, 경도와 내마모성, 사용온도가 높으면 밴드갭이 10[eV]정도의 투명한 물질이다. LED 제조과정은 크게 전극 절연층 형성과정과 전극형성, 기판 래핑(Lapping), 폴리싱(Polishing)의 과정을 걸치고 칩 단위로 소잉(Sawing)하게 된다.

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  다음의 구조에서 사파이어는 공정과정에서 기반으로 쓰일 뿐만 아니라 PN접합체가 극도로 얇음에 따라 외부 환경으로부터 물리적으로 보호하는 지지대 역할을 한다. 메탈(금속)의 경우는 PN접합체를 전기적으로 연결하여 전류가 흐를 수 있도록 해준다. 이렇게 전극이 연결되면, 전압이 인가될 때 전자와 홀이 결합하면서 에너지가 방출되어 밴드갭 만큼의 에너지가 빛으로 방출되어 LED가 발광한다.

 

  사파이어 웨이퍼에 PN접합을 형성하는 방법에는 확산(Diffusion), 이온주입(Ion Implantation), 애피택시(Epitaxy) 방법 등이 있으며 해당 실습에 사용한 LED의 경우 (사파이어)기판에 추가적인 반도체 재료를 증착하여 PN접합을 형성하는 공정으로 정교한 PN접합을 형성할 수 있는 에피택시를 통해 PN접합을 형성시켰으며 이에 과정에서 두께가 일부 두꺼워지며 PN접합이 형성되면서 사파이어 웨이퍼의 표면의 광학적 특성이 변화되어 반사와 흡수 스펙트럼이 변화(투과율 감소)게 됨에 따라 투명했던 기판이 황색으로 바뀌게 되었다.

 

또한 LED 웨이퍼에 전극이 달리면서 전극이 웨이퍼의 표면에 접촉하는 영역에서 빛이 차폐됨에 따라 해당 영역이 어둡게 보이게 되면서 전체 웨이퍼 또한 어두운 색깔로 변하게 된다.