나노기술제품(LED,GMR)

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목차: LED 개요
1. LED 동작원리 및 재료
2. 조명 LED

본문내용: LED

LED는 화합물 반도체 단자에 전류를 흘려서 p-n접합 부근 혹은 활성층에서 전자와 홀의 결합에 의해 빛을 방출하는 소자를 말한다. 에너지 효율이 높아 조명을 필요로 하는 가전기기, 자동차, 건축, 의료기기 등 산업 전반에 걸쳐 응용되고 있다. LED 산업은 고가의 장비와 전문 인력을 필요로 하고, 초기 시설투자비가 높고 장기간의 기술 축적이 필요한 기술 집약 산업이다. 각국은 전략산업으로 지원ㆍ보호하고 있으며, 2004년 LED 세계 시장은 37억 달러로 전년대비 47% 증가하였다. 국내 시장은 7,280억 정도로 추산되며 세계 시장의 18% 이상을 차지할 정도로 큰 시장이며, 국내 LED의 수요는 대부분 휴대폰의 keypad, 액정화면 및 플래시 모듈이다. 일본의 니치아社가 세계 시장의 1/4을 차지할 정도로 강세를 보이고 있으며, 니치아, 도요다고세, 오스람, 루미레드, 크리社 등 빅5가 전체 시장의 절반을 차지하고 있다. 생산되는 LED의 85%가 아시아에서 소비되고 있을 정도로 지역적 편차 또한 심하다. 국내에도 삼성전기, LG이노텍 등의 대기업에서부터 에피플러스, 에피밸리 등의 벤처업체들까지 시장에 참여하고 있다. 향후, 잠재 시장인 가정용 및 사무실 조명을 감안한다면 LED는 메모리 반도체를 능가하는 거대한 부품소재 시장을 형성할 것으로 기대되고 있다.

LED 개요

LED(Lighting Emitting Diode)는 반도체 p-n 접합소자로 전기 에너지를 빛 에너지로 바꾸어 주는 발광 반도체이다. 실리콘 반도체와 달리 빛을 낼 수 있는 화합물 반도체로 1962년 Holonyak이 GaAsP 적색 LED를 처음 개발하였다.

그 후, 주로 단순 표시기로 사용되었던 저휘도 LED는 반도체 공정 기술의 발달로 휘도가 매 18~ 24개월마다 2배씩 증가되어 마침내 반도체 조명으로 거듭나고 있다. 특히, 1993년 말 가시광선 LED 중 가장 구현하기 힘든 고휘도 청색 GaN LED가 일본 니치아 화학의 나카무라에 의해 구현되었다. 1996년 청색 LED에 YAG 형광체를 결합하여 만든 백색 LED가 개발되어 향후 엄청난 시장 창출이 기대되고 있다.

1. LED 동작원리 및 재료

일반적인 LED의 동작원리를 살펴보면, 단자간에 전압을 가하면 전류가 흘러 p-n접합 부근 혹은 활성층에서 전자와 홀의 결합에 의해 빛을 방출하는 것이 원리인데, 반도체의 고유특성인 에너지 밴드갭의 변화에 따라 다양한 색(파장)의 구현이 가능하다.

일반적인 LED의 재료는 집적천이형(direct transition)과 간접천이형(indirect transition) 반도체로 구별된다.

간접천이형은 열과 진동으로 수평천이가 포함되어 있어, 효율 좋은 발광 천이를 이루기에는 부적당하고, 직접천이형은 모두 발광으로 이루어지기 때문에 LED재료로써 좋은 재료라 할 수 있다. 수직천이가 일어나는 에너지 폭은 반도체 결정 구조의 고유한 특성인 에너지갭(Eg)에 따라 결정된다. 일반적으로 다음과 같은 관계식을 사용하여 에너지갭과 발광 파장과의 관계를 표현한다.

λ= hc/Eg≈1240/Eg(nm)

단, λ는 발광 파장(nm), h는 Plank 상수, c는 광속도, Eg는 반도체의 에너지갭(eV)이다. 발광시키고자 하는 영역에서 직접천이형 반도체 결정이 존재하지 않았던 LED 발전 초창기에는 간접천이형 반도체에 특별한 불순물을 첨가하여 발광 파장을 어느 정도 변화시켜 발광 영역을 맞추어 왔다. 그러나, 고휘도 LED를 구현하기 위해서는 직접천이형 반도체의 사용이 필수적이며 III-V족, II-VI족 화합물 반도체가 이에 해당된다.

또한, 빛의 삼원색인 R(적색), G(녹색), B(청색)를 발광시킬 경우, 적색 LED에서는 GaAlAs와 같은 3원계, 혹은 InGaAlP와 같은 4원계 조성의 화합물 반도체 박막성장이 필요하며, 녹색 LED의 경우 처음에는 GaP에 불순물을 주입하여 구현하였으나, 이는 간접천이형 재료로써 실용적인 순녹색 발광이 얻어지지 않았다. 그러나 이후 InGaN의 박막성장이 성공하게 됨에 따라 고휘도 청색 및 녹색 LED의 구현이 가능하게 되었다.

GaN은 에너지 밴드갭이 3.4eV로 AlN은 6.2eV, InN은 현재 약 0.7eV 사이로 알려졌다. 이러한 물질을 3원계 혹은 4원계 물질을 성장시켜 활성층으로 사용한다면, deep UV에서 가시광선은 물론 적외선까지도 구현이 가능하다. 그러나, 현재 고휘도 적색 및 등황색 LED의 경우, InGaAlP 양자 우물 구조의 활성층을 사용하고, 청색 및 녹색 LED의 경우, InGaN 양자 우물 구조의 활성층을 사용하게 된다. II-IV족에서는 ZnSe기판을 이용하여 ZnTe, CdS 등과의 다원계 박막성장을 통해 청색 및 녹색 LED를 구현하고 있으나 모재의 신뢰성이 떨어져 고출력 LED 실용화에는 다소 문제점이 있다.

2. 조명 LED

LED를 이용한 반도체 조명이 새롭게 부각되고 있는 이유는 고휘도 백색 LED 성능 지수가 실험실 수준이긴 하나 100lm/W로 이미 백열전구, 할로겐 램프 수준을 완전히 넘었고, 일반 형광등 수준에 비해 높은 성능을 보이고 있기 때문이다. 이밖에 기존의 조명기기보다 저전력소비, 10만 시간의 장수명, 그리고 뛰어난 내구성과 견고성, 나아가서는 다양한 집적화 및 정교한 디자인이 가능하다는 점이다.

또한, 수은을 사용하지 않는 친환경적 특성으로 인한 차세대 조명 광원으로 급부상하고 있는데, 2006년 7월 1일부터 EU의 RoHS에 의해 수은 등 6개의 중금속을 포함한 물질의 수입이 규제되며, 2011년 7월 1일부터는 형광등과 같이 수은이 들어가는 광원의 사용을 규제하기로 잠정 협의되었다. 그런데 수은을 사용하지 않는 여러 대체 광원 중 LED가 가장 현실적으로 접근 가능한 광원이다.

그리고, 2020년까지 반도체 LED 조명이 대체 광원으로 50% 정도가 대체된다면 세계 총소비 전력의 25% 정도가 절약될 것으로 예상된다.

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