LED (Light Emitting Diode) 평가기술 2012. 06. 26(화) 유연인터페이스연구팀 임 상 철 proprietary
Outline 1. LED 평가기술 2. LED 소개 및 원리 3. LED 제조공정 4. LED 평가 항목 5. 색온도 & 색좌표 6. LED 응용분야 2
LED 평가기술 기본적인 평가 광학적 평가 구조적 평가 색도 평가 LED 전기적 특성 수명, 효율 방열특성 평가 3
LED란? u LED (Light-Emitting Diode) - p-n접합 다이오드의 일종 - 순방향으로 전압이 걸릴 때 단파장광(monochro-matic light)이 방출 되는 현상인 전기발광효과 (electroluminescence)를 이용한 반도체 소자 - 순방향 전압 인가시 n층의 전자와 p층의 정공(hole)이 결합 - 전도대(CB)와 가전자대(VB)의 높이차이(에너지 갭)에 해당하는 만큼의 에너 지를 발산 - 이 에너지는 주로 열이나 빛의 형태로 방출되며, - 빛의 형태로 발산 되면 LED 4
LED란? u LED (Light-Emitting Diode) - 발광다이오드의 약자로 화합물반도체의 특성을 이용해 전기신호를 적외 선 또는 빛으로 변환시켜 신호를 보내고 받는데 사용되는 반도체소자를 말하며 전자제품류와 가정용 가전제품, 리모컨, 자동차 계기판, 전광판, 각 종 자동화 기기 등에 사용된다 5
LED의 동작원리 u LED (Light-Emitting Diode) 6
LED의 분류 7
LED 8
LED의 분류 LED는 방출하는 빛의 종류에 따라 1)가시광선 LED, 2)적외선 LED, 3)자외선 LED로 구분 된다. 가시광선 LED는 전체 LED 시장의 90~95%를 차지하고 있으며 적색, 녹 색, 청색, 백색 LED 등이 있다. 적외선 LED는 리모콘, 적외선 통신(IrDA) 등에 사용되고 있으며, 시장규 모는 전체 LED시장의 5% 수준 자외선 LED는 살균, 피부치료 등 생물, 보건분야에 사용되고 있으며, 시 장규모는 2% 미만이다. 9
LED의 특징 u LED의 특징 1. 발광효율이 높고 저 전류에서 고출력을 얻을 수 있다 2. 응답속도가 빠르고 펄스동작 고주파에 의한 변조가 가능하다 3. 광출력을 전류제어로 용이하게 변화시킬 수 있다 4. 직 교류 어떤 것으로도 동작 가능하다 5. 소형경량, 장수명이며, 소비전력이 적다 u LED에 적합한 재료 1. 발광파장이 가시( 可 視 ) 또는 근적외영역( 近 赤 外 領 域 )에 존재할 것, 2. 발광효율이 높을 것, 3. p-n접합의 제작이 가능할 것 등의 조건을 만족시키는 것으로서 주로 비소화갈륨(GaAs), GaN, 인화갈륨(GaP), 갈륨-비소-인(GaAs1-x Px), 갈륨-알루미늄-비소 (Ga1-xAlxAs), 인화인듐 (InP), 인듐-갈륨-인(ln1-xGaxP) 등 3B 및 5B족인 2원소 또는 3원소 화합물 반도체가 사용되고 있다. 10
LED 제조공정 u LED (Light-Emitting Diode) l LED 제조공정 : 에피(Epi) 웨이퍼 제조 -> 칩 생산 -> 패키징 -> 모듈 등 으로 진행된다 11
LED 제조공정 12
LED 제조공정 l GaN Epi-Wafer 제조 공정 13
LED 제조공정 l GaN Epi-Wafer 제조 공정 14
LED 제조공정 l Chip 공정(GaN LED Fab. Process 개략도 1. 전극/절연막 증착 LED 구조 기판 SiO 2 (절연막) Metal(투명전극) 4. Oxide etching (RIE) LED 구조 기판 2. 노광 (photolithography) 5. PR 제거 후 GaN etching (ICP) 고주파 유도결합 플라즈마 PR Mask LED 구조 기판 LED 구조 기판 3. Development LED 구조 기판 절연막 제거후 RTA LED 구조 기판 15
LED 제조공정 l Chip 공정(GaN LED Fab. Process 개략도 6. PR coating 8. Metallization 기판 기판 7. 노광 (photolithography) 9. Lift-off 기판 기판 10. Lapping/Polishing 기판 기판 11. Scribing/Breaking 16
LED 제조공정(LED chip Nitride) (+) 투명전극 (금속박막 또는 금속산화물) p-gan (0.2 um) QW s (-) n-gan (3 um) GaN buffer Sapphire Substrate Chip dimension = 0.3 x 0.3 x 0.1 mm 3 17
LED의 구조-High power LED (HP LED) 18
LED의 종류-Package Surface Mounting Device 표면실장 소자 19
LED 제조 공정별 분야 20
LED 제조 공정별 주요 제품 21
LED 제조공정 (성장방법) u LED (Light-Emitting Diode) 1. LPE : Liquid Phase Epitaxy(액상증착법) 결정재료가 녹아 있는 포화용액을 기판과 접촉시켜 결정을 성장 1963년 Nelson에 의해 최초로 구현 Si, GaAs, AlGaAs, GaP 에피텍시 성장에 이용 2. VPE : Vapor Phase Epitaxy(기상증착법) 결정재료가 포함된 반응가스를 기판위로 흘리면서 열에 의한 분해 와 반응을 통해 결정을 성장 반응가스의 형태에 따라 HVPE, MOVPE 등으로 분류 22
LED 제조공정 (성장방법) u LED (Light-Emitting Diode) 3. MOCVD : Metal Organic Chemical Vapor Deposition(유기금속화학기상증착법) 메틸이나 에틸 등 알킬기를 갖는 유기금속 화합물을 원료로 사용 3-5족 화합물 반도체로는 1960년에 InP성장이 최초 반응가스 종류를 달리해서 물질의 조성을 쉽게 바꿀 수 있으므로 GaAs나 InP와 같은 2원계 화합물뿐만 아니라 3원계(InGaN, GaAsP), 4원계(AlGaInP, InGaAsP)화합물 반도체성장에도 많이 사용 4. MBE : Molecular Beam Epitaxy(분자선증착법) 조고진공 반응관에서 증발된 결정재료가 분자나 원자형태로 빔을 형성 하면서 기판위에 도달한 후 기판표면과 반응하여 결정성장 물리증착방식(Physical Vapor Deposition, PVD)을 발전시킨 방법 23
LED 제조공정 (성장방법) u MOCVD * 에피탁시 (Epitaxy) : 결정방위가 유사한 분자구조를 기판 위에 화학적(MOCVD) 또는 물리적 (MBE) 방법으로 p-n 접합층을 형성. 그리이스어로 on (epi) + arrangement (taxy)를 의미 (CH 3 ) 3 Ga (CH 3 ) 3 In n형 dopant (Si 2 H 6 ) NH 3 p형 dopant (Cp 2 Mg) 기판 ~ 1080 o C p-gan n-gan 기판 QW InGaN (CH 3 ) 3 Ga + NH 3 = GaN + 3CH 4 (byproduct) MO gas MOCVD 방법에 의한 박막성장 24
LED 재료 Al N III B IV C V N VI O F He Ne Ga Si P Cu II Zn Al Ga Si P S Cl Ar Ge As Se Br Kr In As Ag Au Cd Hg In Sn Sb Te I Xe Tl Pb Bi Po At Rn 현재 상용화된 LED 재료는 모두 화합물반도체 대부분 III-V족, III-III-V족, III-III-III-V족 또는 III-III-V-V족 결합 적색 LED : AlGaAs, InGaAlP 녹색 LED : InGaN 청색 LED : InGaN UV LED : GaN, InAlGaN IR LED : GaAs, InGaAs, InGaAsN 25
LED 재료 u LED (Light-Emitting Diode) LED 재료 발광색 AlGaAS GaAsP InGaN/GaN/AlGaN GaP:N ZnSe AlGaInP C (다이아몬드) ZnO GaN, SiC 적외선, 빨간색 빨간색, 오렌지색, 노란색 오렌지색, 노란색, 녹색, 파란색, 보라색, 자외선 빨간색, 노란색, 녹색 녹색, 파란색 오렌지색, 노란색, 녹색 자외선 근 자외선 (개발중) 파란색 26
LED 기판 u LED (Light-Emitting Diode) SiC Sapphire(Al2O3) Si 27
LED 미래 방향 28
LED 성능지표 LED 성능지표 1)발광효율(lm/W), 2)내부 양자효율(%), 3)외부 양자효율(%), 4)추출효율(%) 등은 LED의 성능을 나타내는 중요한 파라메터이다. 29
LED 용어정리 발광효율(lm/W(루멘/와트)), 내부 양자효율, 외부 양자효율 1)광원의 전기에너지를 빛에너지로 변환하는 에너지 효율을 발광효율 이라고 하며, 광변환 효율 이라고 한다. 광원으로부터 방출되는 빛의 양인 루멘(Lumen)을 소비 전력(Watt)으로 나눈 값으로, 이 값이 높을수록 에너지 효율이 높다. 2)빛이나 전자선으로 여기 하여 얻어진 빛 에너지의 일부는 외부로 나오기 전에 다시 물질에 흡수되거나 표면에서 산란된다. 그래서 빛 에너지로 변환되는 비율을 내부 효율이라 하고, 물질의 외부로 나오는 빛 에너지의 비율을 외부 효율 이라고 한다. 3)이들의 비율을 광(양)자 수로 환산하여 나타냈을 때는 각각 내부 양자효율, 외부 양자효율 이라고 한다. 30
LED 용어정리 u 추출효율 LED에 주입된 전자와 LED 밖으로 방출되는 광자의 비에 의하여 결정되며 추출효율이 높 을수록 밝은 LED를 의미한다. LED의 추출효율은 칩의 모양이나 표면 형태, 칩의 구조, 패키징 형태에 의하여 많은 영향 을 받기 때문에 LED를 설계할 때 세심한 주의가 필요하다. LED의 활성층에서 생성된 빛은 칩의 6개의 면으로부터 방출되고, 광추출 효율은 일반적 으로 광의 임계각에 의하여 결정되며 LED 내부에서 생성된 빛은 대부분 내부 반사에 의 하여 밖으로 방출되지 못한채 LED 내부에서 소멸된다. 미국의 Cree사는 SiC 기판 위에 성장된 GaN-LED를 생산하고 있으며, SiC 기판에 각을 형 성하여(inversed truncate pyramid) 임계각을 변화시켜 줌으로서 25%에서 60%로 광추 출 효율을 개선시켰다. 31
LED 용어 정리 u 루멘 (Lumen, 광속) 기호는 lm으로 나타내며, 국제단위계에 속한다. 1 cd의 균일한 광도의 광원으로부터 단위입체각의 부분에 방출되는 광속을 1 lm으로 한다. 전구면( 全 球 面 )의 중심에 대한 입체각은 4 π이므로, 1 cd의 점광원( 點 光 源 )에서 방출 되는 전광속( 全 光 束 )은 4 πlm이 된다. 32
LED 용어정리 u 형광물질(Fluorescent Material) 형광을 내는 물질로서 석유 납유리 시안화백금 등이 있는데, 실용적인 것으로는 ZnS:Cu 라 고 기재하는 것으로 주로 브라운관이나 전자현미경 등에 쓰인다. 원료물질과 첨가해주는 부활제의 조합에 따라 다양하여 목적에 맞게 제조하여 색을 낼 수 있다. 백색 LED 구현을 위해 청색 LED에 노란색 형광물질(YAG,Yttrium Aluminum Garnet)을 첨가하는 방법이 있다. 33
LED 용어정리 u 백색 LED BLU 액정표시장치(LCD)의 광원으로 사용되는 부품을 BLU(Back Light Unit)라고 하는데, 이는 광원이 LCD 패널의 뒤에 장착됨으로써 유래되었다. BLU는 크게 도광판형(Edge light type)과 직하형 (Direct type)으로 나눌 수 있다. 그림은 전형적인 도광판 방식의 BLU 구성을 보여준다. 이때 BLU 광원으로 백색 LED가 사용되는 BLU를 백색 LED BLU 라 부르고 있으며, 현재 핸드폰 등 소형 모 바일기기의 대부분에 적용 되고 있고, 노트북 등 중형 LCD의 BLU에도 적용되기 시작하고 있어 BLU 의 새로운 대안으로 떠오르고 있다. 34
LED 용어정리(도광판) u 도광판(LGP, Light Guide Plate) 램프에서 발생하는 선형의 광을 2차원의 면광원으로 변환 시키기 위해 반사체가 필요하다. 빛은 반사체가 있어야 진행 경로가 바뀌기 때문이다. 이러한 역할을 해주는 것이 도광판이다. 35
LED 용어정리(도광판) 직하형 전체 화면 면적만큼 LED소자를 넣는 방식 엣지형 LED를 상하좌우 측면에만 넣고 화면 영역에는 도광판을 이용해 반사시켜 주는 방식 36
LED 용어정리 u LED Driver 입력전압변동이 심하고, 낮은 전압으로 부터 안정된 밝기 및 높은 효율로 LED를 켜주는 IC를 말한다. LED가 현재 휴대폰의 적용에서 조명용, 네온사인 등으로 활용범위가 넓어져 LED Driver IC의 수요는 고성장할 것으로 전망된다. 37
LED 용어정리 u 휘도 (Brightness) 일정한 넓이를 가진 광원 또는 빛의 반사체 표면의 밝기를 나타내는 양을 말하며 스틸브(stilb. 기호는 sb) 또는 니트(nit. 기호는nt)라는 단위를 쓴다. 1 m2당 104 cd(칸델라)를 1 sb로 계산한다. 예를 들면, 태양면의 휘도는 1만 5,000 sb, 월면의 휘도는 0.25sb, 전구 필라멘트 의 휘도는 150 200 sb 정도이다. 단, 같은 광원에서도 촛불과 같이 부분적으로 휘도의 차가 있는 것도 있으며, 때로 는 관찰 각도에 따라 그 값이 달라지는 것도 있다. 38
조명용어 39
측정표준과 국제단위계 40
LED s Properties and Measurement 1. Electrical properties 2. Optical Power(Quantity) properties 3. Optical Spectral properties 4. Thermal properties 41
DC Test DC Test Vf : Forward voltage If : Forward current Vr : Reverse voltage Ir : Reverse current P : Power dissipation ( P = Vf * If ) Thyristor Test Response time Test Tr : rise time Tf : fall time Surge current Test ESD Cp : Capacitance 42
LED 광도 측정 43
Optical characteristic of LEDs 44
Optical characteristic of LEDs 45
LED 발광파장 / 조명 효율 반도체 물질에 따른 발광파장과 LED 효율 46
백색 LED 구현방법 u 백색 LED (White Light-Emitting Diode) 47
백색 LED 구현방법 u 백색 LED (White Light-Emitting Diode) 48
백색 LED 파장 / 좌표영역 u 백색 LED (White Light-Emitting Diode) 49
백색 LED 파장 / 좌표영역 u 백색 LED (White Light-Emitting Diode) 50
LED와 전구의 비교 저전력 소모 반영구적 長 수명 빠른 응답속도 고순도 色 재현 환경 유해물질 극소 전력소비 수명 응답속도 51
LED의 변화 52
광 Spectrum 감마선 ß X선 ß UV 적외선 à 장파 Material Color Peak W/L GaP GaAsP AlGaInP GaAlAs AlGaInP InGaN Red Green Amber Orange Yellow Red Green Bluish Green Blue 700nm 570nm 557nm 630nm 615nm 585nm 660nm 525nm 505nm 470nm 53
Photopic vision(주간시감도) 시감도 곡선 시감도(Luminous efficiency) : 인간의 눈의 반응 54
Photopic vision(주간시감도) 55
LED CCT (Correlated Color Temperature) 색온도란 광원으로부터 방사되는 빛의 색을 온도로 표시한 것. 광원 자체의 온도는 아니며, 절대 온도(K)로 표시한다. 색 온도가 낮으면 붉은 색의 비율이 높아지고, 온도가 높아질수록 푸른색의 비율이 높아진다. 색 온도에 따라서 스팩트럼처럼 보이게 되는데 물리학에서는광선의 파장을 비교 측 정하는 기준에 쓰이며, 캠코더에서는 컬러밸런스를 조절하는 기본적인 규격으로 쓰 인다 56
LED CCT (Correlated Color Temperature) RGB의 휘도 비율이라고 할 수 있는데, 이들 3색 중 어느 하나 이상의 밝기가 높아 지거나 같은 백색이면서도 더 불그스름 하거나 푸르스름한 느낌을 주게 된다. 2차원 공간에 표시된 color triangle (색재현폭)이 같다고 하더라도 Red의 휘도 비 율이 높아질 수록 백색의 좌표가 Red쪽으로 이동, 반대의 경우 Blue 쪽으로 색좌표 가 움직인다. 57
색좌표(Colors of Light Emitted from LED Chips) 1931 Commission Internationale de l'eclairage Color Model(CIE Color Models) 국제조명위원회에서 정한 등색함수에 따른 3색을 표시한 좌표 (1)색 혼합 공간 내부에 임의의 두 점(A,B)을 가정하면, A와 B를 잇는 선분상의 색 상은 A점의 색과 B점의 색을 일정 비율로 혼합하여 만들 수 있다. (2) 보색 공간 내부의 임의의 두 점(A,B)를 잇는 선분이 중앙의 백색영역을 통 과한다면, 두 점은 서로 보색이다. 즉, 보색이란 두 색상을 혼합하여 백색이 되는 경우를 말한다. (3) 색 영역 기본색(원색)의 조합으로 만들어낼 수 있는 색 영역을 나타낼 수 있다. 예를 들어 RGB 삼원색의 위치를 알면, 이 세 가지 색의 조합으로 만들 어낼 수 있는 색의 집합을 계산할 수 있다. (4) 한계 인간의 가시영역에 속하는 모든 색을 표현할 수 있는 방법은 아직 없다. 58
Colors of Light Emitted from LED Chips White InGaN/ GaN Green W = White (GaN) (x=0.32/y=0.31) W = White (InGaN) (x=0.32/y=0.31) InGaAlP Yellow V = VerdeGreen 505nm Y = Yellow (InGaAlP) 587nm T = TrueGreen (InGaN) 525nm Orange P = PureGreen (InGaAlP) 560nm O = Orange (InGaAlP) 605nm G = Green (InGaAlP) 570nm Orange Red B = Blue (InGaN) Blue 470nm A = Org. Red (InGaAlP) Red 617nm B = Blue (GaN) 466nm S = Super-Red (InGaAlP) 630nm H = Hyper-Red (GaAlAs) 645nm 59
CIE 색좌표 & 색온도 60
How Does LED Generate White Light? Tri-Color Colorimetry Red/ Green/ Blue primary colors White mixture of 3 primary colors White LED Approaches RGB- Chips + + 400 500 600 700nm Blue Chip + 1 Phosphor 400 500 600 700nm UV- Chip + + 3 Phosphors 400 500 600 700nm Blue Chip + Yellow Chip White = Red + Green + Blue 400 500 600 700nm Emission Wavelength 61
Relative Spectral Power (%) Spectrum of White LEDs Blue InGaN chip + Phosphor = White LED InGaN LED Single-Chip White, LW W5AM YAG Phosphor Wavelength (nm) Phosphors Wavelength (nm) 62
Correlated Color Temperature (CCT) Correlated Color Temperature (CCT) is used as a method of quantifying varying shades of white light and is correlated to the Planckian Locus (or Black Body curve) 63
LED System Optical Solutions LED Component Thermal Solutions Electronic Solutions 64
LED Intensity of high power SMT LEDs Viewing Angle (50% Iv) +/- 60 (120 ) Viewing Angle (50% Iv) +/- 80.5 (170 ) Viewing Angle (120 x 80 ) Viewing Angle (50% Iv) +/- 45 (90 ) 65
Managing the LED Thermal System Configuration Leads Bond Wire Die Attach Die Solder Molding Compound R th JS T Junction COMPONENT Dielectric Solder Pads T Solder Point Aluminium Plate R th SB R th BA T Board SUBSTRATE TECHNOLOGY COOLING SYSTEM T Ambient Heat Sink Thermal System Configuration Thermal Resistor Network 66
Interface Materials Interface materials Thermal interface materials (e.g. film or thermal grease) improve heat dissipation and electrical isolation. 67
Heat sinks Heatsink engineering & manufacturing Heat sinks dissipate heat to the ambient environment. 68
Heat sinks 방열 설계 69
Influencing factors on reliability humidity temperature chemicals LED Reliability current and voltage light mechanical forces 70
열에 의한 LED 특성변화 71
열저항 72
고출력 LED 패키징 73
LED 관련 측정량 u LED 평균광도 (ALI, averaged LED intensity) cd 단위, 단위 입체각으로 발산하는 광선속 양 저출력, 램프타입, 사이드뷰타입, 특수용도 LED u 전광선속 (TLF, total luminous flux) lm 단위, 4π 입체각으로 발산하는 전체 광선속의 양 고출력, SMD 타입, 일반조명용도 LED u 색좌표 외 분광특성 CIE 1931 (x, y) 색좌표, CIE 1960 (u, v) 색좌표 등 상관색온도 (correlated color temperature): 백색 LED 만 연색지수 (color rendering index): 백색 LED 만 첨두파장 (peak wavelength) 무게중심파장 (centroid wavelength) 반치전폭 (FWHM, full width at half maximum) 74
LED 관련 측정량 u 광도, luminous intensity [cd or lm/sr] 광원에서 단위 입체각으로 얼마나 많은 양의 빛이 나오고 있는가 u 전광선속, total luminous flux [lm] 광원에서 전체 입체각으로 얼마나 많은 양의 빛이 나오고 있는가 u 광휘도, luminance [cd/m2 or lm/sr m2] 광원에서 단위 면적당 단위 입체각으로 얼마나 많은 양의 빛이 나오고 있는가 u 광조도, illuminance [cd or lm/m2] 단위 면적에 얼마나 많은 빛이 들어오고 있는가 u 색좌표, color coordinate (CIE 1931, CIE 1960, CIE 1976 등) 빛의 색이 얼마의 R, G, B 자극을 갖는가 u 상관색온도, correlated color temperature 빛의 색좌표가 몇 K의 백열광의 색좌표와 비슷한가 u 연색지수, color rendering index 빛이 얼마나 주광(daylight) 혹은 흑체(blackbody)에 가깝께 색을 재현해 내는가. 75
측정장치 u 광검출기 필터식 광조도계 (illuminance meter) ü 기본적으로 광조도를 측정. 색특성 측정 불가. 분광복사계 (spectroradiometer) ü 기본적으로 분광복사조도를 측정. 색특성 측정 가능. u 그 외 구성장치 배럴 (barrel) 혹은 광학벤치: LED 평균광도 측정 적분구 (integrating sphere): 전광선속 측정 고니오미터 (goniometer): 각도에 따른 광도분포 측정 u 표준 LED LED 평균광도, 전광선속, 색좌표가 매겨져 있고, 광특성의 안정성및 온도의존성이 평가되어 있는 LED. 76
광조도계 77
분광복사계 (분광복사 조도계) 78
측정장비 79
측정장비 80
측정장비 81
LED 응용분야 82
LED 응용분야 83
LED 조명을 이용한 색심리치료 84
LED 조명을 이용한 식물재배 85
LED 조명을 이용한 식물재배 86
UV LED의 적용 87
LED TV LED Light Emitting Diode 수명 : 50,000hr proprietary Flexible Display Team 88
LED TV proprietary Flexible Display Team 89
LED TV 8.8 mm 두께 proprietary Flexible Display Team 90
LED TV 6 mm 두께 proprietary Flexible Display Team 91
LED TV 75 인치 72 인치 proprietary Flexible Display Team 92
Market size (억$) LED 시장 140 * LED 조명 10% 대치 * 효율 100lm/W 달성 120 100 80 60 40 20 백색 LED 조명 상용화 백색조명 LED 고휘도 LED 0 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 중저휘도 LED Year 근거: OIDA 백서(2002), Strategies unlimited (2003), 넓은띠간격반도체연구회(2003) proprietary Flexible Display Team 93
proprietary 임상철 lsc@etri.re.kr