KR101552205B1 - 발광소자의 유효 내부 광출력, 내부 양자효율 및 열저항 산출 방법 - Google Patents

발광소자의 유효 내부 광출력, 내부 양자효율 및 열저항 산출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발광소자의 유효 내부 광출력, 내부 양자효율 및 열저항 산출방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 발광소자의 유효 내부 광출력을 추정하는 방법과 이를 이용햐 내부 양자 효율 및 열저항을 산출하는 방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명의 외부로부터 공급받은 전력을 이용하여 발광하는 발광 소자의 유효 내부 광출력, 내부 양자효율 및 열저항을 산출하는 방법은, 서로 다른 두 외부 또는 내부 동작 조건에서 외부로부터 상기 발광 소자로 공급되는 동작 전류와 동작 전압을 산출하는 단계, 외부 광출력을 측정하는 단계, 동작 전류에 의한 정션에서의 온도 변화를 측정하는 단계, 그리고 발광소자의 패키지 구성요소가 갖는 열의 구배를 고려한 시뮬레이션 단계를 포함한다.

Description

발광소자의 유효 내부 광출력, 내부 양자효율 및 열저항 산출 방법{Method for calculated thermal resistance of LED}
본 발명은 발광소자의 유효 내부 광출력, 내부 양자효율 및 열저항 산출방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 발광소자의 유효 내부 광출력을 추정하여 내부 양자효율 및 열저항을 산출하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 LED 제조 공정에서 LED는 웨이퍼 단위로 제작된다. 즉, 수천 내지 수십만 개의 LED가 포함된 웨이퍼 단위로 LED가 제작되고, 이 웨이퍼를 개별 LED chip 단위로 절단한다. 그리고 절단된 각각의 LED chip에 대한 광출력을 측정하는데 종래의 광출력 측정장치는 한국공개특허 2010-0045105 등에 나타나 있다.
도 1은 종래의 광출력 측정장치의 개략적인 구성도이다. 도 1을 참조하여 광출력 측정과정을 설명하면, 스테이지(4) 위에 발광소자 즉 LED(1)가 배열된 웨이퍼(w)가 놓이고 probe pin이 LED 위의 전극에 접촉되도록 스테이지가 수평 및 수직 방향으로 이동된다. 그리고, probe pin이 LED 위의 전극과 접촉되면 전류-전압 source가 일정 전류 또는 전압을 인가하여 LED를 구동한다. 이때 구동 전류, 구동 전압 등을 측정한다. 그리고, LED에서 발광된 빛을 수광부(2)가 수광하고, 광출력 측정부가 광출력을 측정한다. 한편, 발광된 빛의 일부는 광섬유(3)를 통해 스펙트럼 측정부로 전달되고, 스펙트럼 측정부는 발광된 빛의 스펙트럼을 측정한다. 측정된 전기적 특성 및 광학적 특성 데이터는 데이터 수집 장치로 전송되어 저장된다.
그리고, 하나의 LED에 대해 측정이 완료되면 제어장치는 스테이지를 이동시켜 다음 LED에 probe pin이 접촉되도록 하고 측정을 반복한다. 이와 같은 과정을 웨이퍼 상의 모든 LED에 대해 반복 수행한다.
이외에도 한국공개특허 제2013-0008987호(발명의 명칭: 발광소자의 광출력 측정장치 및 측정방법)는 발광소자의 광특성을 측정하는 과정 중 실시간으로 프루브 핀에 결함이 발생하였는지 여부를 확인할 수 있는 발광소자의 광출력 측정장치를 제안하고 있다.
한편 한국공개특허 2010-0045105호(발명의 명칭: 반도체 발광소자의 광출력 측정장치)는 발광소자가 놓이는 받침대, 발광소자에서 발생된 빛을 감지하는 센서, 받침대와 발광소자 사이에 위치하여, 발광소자에서 발생하여 받침대 측으로 향하는 빛을 센서 측으로 반사시키는 반사부재를 포함하는 반도체 발광소자의 광출력 측정장치를 제안하고 있다.
이와 같이 종래의 발광소자의 광출력 측정장치는 발광소자 외부의 광출력을 측정하는 방안들을 제안하고 있다. 하지만, 발광소자의 내부 양자효율, 열저항 등 정확한 내부 성능을 측정하기 위해서는 발광소자의 외부가 아닌 발광소자 내부에서 출력되는 광이 측정되어야 한다.
본 발명이 해결하려는 과제는 발광소자의 내부에서 존재하는 유효 내부 광출력, 내부 양자 효율 및 열저항을 측정하는 방안을 제안함에 있다. 여기서 유효 내부 광출력은 발광소자에 외부로부터 인가된 총 전력중에서 발광소자의 발광부인 정션(junction)의 온도변화에 영향을 주지 않는 부분을 의미하며 이 값은 근사적으로는 내부 광출력과 동일하다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는 발광소자의 열저항을 측정하는 방안을 제안함에 있다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 발광소자의 내부 양자효율을 측정하는 방안을 제안함에 있다.
이를 위해 본 발명의 외부로부터 공급받은 전력을 이용하여 발광하는 발광 소자의 유효 내부 광출력, 내부 양자효율 및 열저항을 산출하는 방법은, 서로 다른 두 외부 또는 내부 동작 조건에서 외부로부터 상기 발광 소자로 공급되는 동작 전류와 동작 전압을 산출하는 단계, 외부 광출력을 측정하는 단계, 동작 전류에 의한 정션에서의 온도 변화를 측정하는 단계, 그리고 발광소자의 패키지 구성요소가 갖는 열의 구배를 고려한 시뮬레이션 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 발광소자의 광출력 측정 방법은 발광소자 외부에서 출력되는 광출력이 아닌 발광소자의 내부에서 출력되는 유효 내부 광출력을 추정하는 방안을 제안함으로써 발광소자의 실제 내부 양자효율 및 열저항을 측정할 수 있다.
도 1은 종래 발광소자의 외부 광출력을 산출하기 위한 구성을 도시하고 있다.
도2는 본 발명에서 제안하는 상수 k를 산출하기 위해 진행된 컴퓨터 시뮬레이션을 예를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 정션(junction) 온도를 산출하기 위한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 시간에 정션 온도를 산출하기 위한 전류 스위칭에 따른 전압의 시간에 따른 동적변화를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 다른 두 외부 조건에서의 외부 광출력과 정션 온도를 도시하고 있다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 이러한 실시 예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 발광소자의 내부 양자효율 및 열저항을 산출하기 위한 함수로 유효 내부 광출력을 이용한다.
하기 수학식 1은 LED 등의 발광 소자의 Wall-plug 효율을 나타내고 있다.
[수학식 1]
Figure 112013091957234-pat00001
ηwall - plug: wall-plug 효율
I: 동작 전류, V: 동작 전압
ηvol: 전압 효율
ηinj: 인젝션 효율
ηrad: 방사 효율
ηextr: 광추출 효율
Pin : 유효 내부 광출력
Pout : 외부 광출력
수학식 1에 의하면, wall-plug 효율은 플러그를 통해 입력되는 입력 전력(IV)에 대한 외부 광출력(Pout)의 비로 표현되며, 달리 표현하면, 전압 효율(voltage efficiency), 인젝션 효율(injection efficiency), 방사 효율(radiation efficiency) 및 광추출 효율(extraction efficiency)의 곱으로 표현된다.
하기 수학식 2는 유효 내부 광출력을 산출하기 위한 함수인 열저항을 나타내고 있다.
[수학식 2]
Figure 112013091957234-pat00002
Rth : 열저항(K/W)
Ptotal: 총 전력
Poptical: 광 전력
ΔT: 전류인가로 발생하는 정션에서의 온도차
Pin: 유효 내부 광출력
여기서 k를
Figure 112013091957234-pat00003
라 가정하면, 이를 수학식 2에 적용하면,
P는 하기 [수학식 3]과 같이 표현된다.
[수학식 3]
Figure 112013091957234-pat00004

가 되며, 1, 2는 각각 제1 상태, 제2 상태를 의미한다.
수학식 3을 적용하면, 발광 소자의 내부 양자효율은 수학식 4와 같이 표현된다.
[수학식 4]
Figure 112013091957234-pat00005
여기서,
q: 전하
h: 프랭크 상수
υ: 광자(photon)의 주파수
이하에서는 수학식 3의 함수 중에서
Figure 112013091957234-pat00006
, ΔT, k를 알아보기로 한다.
일반적으로
Figure 112013091957234-pat00007
는 수학식 5와 같이 표현된다.
[수학식 5]
Figure 112013091957234-pat00008
즉, 발광 소자의 유효 내부 광출력은 직접 측정할 수 없으나, 유효 내부 광출력의 비는 외부 광출력의 비와 거의 같기 때문에 외부 광출력의 비를 측정하여 유효 내부 광출력의 비를 추정할 수 있다. 외부 광출력의 비를 측정할 때 절대적 값이 아닌 상대적 값의 측정으로 가능하다.
이하에서는 상수 k에 대해 알아보기로 한다.
도 2는 본 발명에서 제안하는 상수 k를 산출하기 위한 컴퓨터 시뮬레이션을 예를 도시하고 있다. 특히 도 2는 상수 k를 산출하기 위해 주변 온도를 25°C, 55°C의 두 상태에서 상수 k를 산출하고 있다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과 상수 k는 0.997임을 알 수 있다. 이 값은 주위의 환경변수에 따라 또 열전도도의 비선형성에 따라 약간 변할 수 있다. 또한 측정하는 주변 온도 역시 실험 조건에 따라 달라질 수 있다.
이하에서는 ΔT를 산출하기 위해 정션(junction) 온도를 측정하는 과정에 대해 알아보기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 정션 온도를 산출하기 위한 회로도이다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 광소자와 병렬로 전압을 측정하기 위한 회로를 구성하며, 구동 전류를 공급하는 전류원과 광소자의 전압을 측정하기 위한 센싱 전류를 인가하는 회로 사이에는 릴레이 스위치를 형성한다.
일반적으로 도 3의 회로를 이용하여 전류원에 전압을 공급하는 경우 릴레이 스위치의 온/오프 동작에 따라 도 4와 같은 동작 전압이 측정된다. 도 4에 의하면, 전류원에서 1㎃로 센싱 전류를 공급한 후 일정 시간 경과되면 350㎃로 구동전류를 공급하고 또 열평형이 이루어질만큼 긴 시간이 지난 후에 다시 1 mA 센싱 전류로 스위칭한 경우를 도시하고 있다. 이 경우 측정되는 동적인 전압특성은 도 4에 도시된 바와 같은 패턴을 갖는다. 동적으로 변한 전압값을 발광소자의 온도에 따른 동작전압의 변화량으로 나눈 값이 350mA 구동하였을 때 정션에서의 온도 변화량이 된다.
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 외부 광출력과 전술한 방법에 따라 구한 정션 온도를 도시하고 있다.
또한 상술한 바와 같이 주변 온도가 25°C, 55°C인 두 상태에서 외부 광출력과 정션 온도를 도시하고 있다.
따라서 도 2에 의해 산출된 상수 k와 도 4, 도 5로부터 산출된 ΔT, 동작 전류, 동작 전압 및 외부 광출력을 이용하여 유효 내부 광출력, 내부양자 효율을 산출할 수 있다. 물론 상술한 바와 같이 열저항 역시 산출할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

Claims (4)

  1. 외부로부터 공급받은 전력을 이용하여 발광하는 발광 소자의 유효 내부 광출력, 내부 양자효율 및 열저항을 산출하는 방법에 있어서,
    외부로부터 상기 발광 소자로 공급되는 동작 전류와 동작 전압을 산출하는 단계;
    외부 광출력 및 동작 전류에 의한 정션 온도의 변화량을 산출하는 단계;
    서로 다른 온도에서 발광소자의 열구배를 시뮬레이션하여 열저항의 비를 구하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 유효 내부 광출력, 내부 양자효율 및 열저항을 산출하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 열저항은 유효 내부 광출력을 적용한 하기 수학식을 이용하여 산출함을 특징하는 유효 내부 광출력, 내부 양자효율 및 열저항을 산출하는 방법.
    [수학식]
    Figure 112013091957234-pat00009

    Rth : 열저항(K/W)
    Ptotal: 총 전력
    Poptical: 광 전력
    ΔT: 동작 전류에 의한 정션 온도의 변화량
    Pin: 유효 내부 광출력
  3. 제 2항에 있어서, 상기 유효 내부 광출력은 하기 수학식에 의해 산출됨을 특징으로 하는 유효 내부 광출력, 내부 양자효율 및 열저항을 산출하는 방법.
    [수학식]
    Figure 112013091957234-pat00010

    1, 2: 각각 제1상태 및 제2상태
  4. 제 2항에 있어서, 상기 발광소자의 내부 양자효율은 하기 수학식에 의해 산출됨을 특징으로 하는 유효 내부 광출력, 내부 양자효율 및 열저항을 산출하는 방법.
    [수학식]
    Figure 112013091957234-pat00011

    여기서,
    q: 전하
    h: 프랭크 상수
    υ: 광자(photon)의 주파수
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