KR20110124545A - 고휘도 마이크로 어레이 발광 다이오드 소자 - Google Patents

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Abstract

발광 다이오드 소자가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자는 기판 및 상기 기판 상에 배치된 삼각형 형상을 가지는 복수의 마이크로 어레이를 포함하되, 상기 마이크로 어레이의 한 변은 대향한 다른 마이크로 어레이의 한 변과 평행하다.

Description

고휘도 마이크로 어레이 발광 다이오드 소자{HIGH BRIGHTNESS MICRO-ARRAY LIGHT-EMITTING DIODES}
본 발명은 발광 다이오드(Light Emitting Diodes) 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 마이크로 어레이 구조의 고휘도 발광 다이오드 소자에 관한 것이다.
질화물 반도체 발광 다이오드(이하, GaN-LED라 칭함)가 상용화 된 이래, 반도체 박막 기술, 공정 기술, 디바이스 기술의 지속적인 발전에 힘입어 GaN-LED는 성능 및 신뢰성에 비약적인 향상을 가져왔고, 휴대폰 산업의 급성장과 지속적인 고휘도, 고출력 응용 제품 출시로 발광 다이오드(Light Emitting Diodes, 이하 LED라 칭함)의 수요는 폭발적으로 증가하고 있다.
또한, GaN-LED는 종래의 백열 전구나 형광등과 같은 조명과는 달리 초소형, 저소비 전력, 고효율, 친환경 등의 많은 장점을 보유하고 있어, 최근에는 대형 LCD-TV 용 백라이트 등 중대형 디스플레이에 적용되기 시작하였고, 자동차 용 조명뿐만 아니라 일반 조명 시장으로까지 그 영역을 넓혀 나가고 있는 추세이다.
그러나, 현재까지 개발된 GaN-LED는 발광 효율, 광 출력 및 가격면에서 더욱 많은 개선이 필요하며, 특히, GaN-LED가 일반 조명으로 응용을 확대하기 위해서는 발광 효율의 개선을 통한 고휘도의 달성이 최우선 과제로 꼽히고 있다.
즉, GaN-LED 내부에서 생성된 빛이 반도체와 공기와의 굴절율 차이로 인한 내부 전반사를 발생시켜 광 추출 효율을 높이는데 문제점으로 작용하고 있으며, 이러한 문제점은 결과적으로 GaN-LED 고휘도화에 걸림돌이 되어왔다.
이에, 높은 광 추출 효율을 얻기 위하여, 기하학적으로 전반사를 깨드려 소자 내부에 트랩되거나 열로 바뀌는 광자를 최소화할 마이크로 어레이 방식의 LED 소자 구조에 대해서 최적화가 요구되는 실정이다.
상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 질화물 반도체 발광 다이오드(GaN-LED) 내부에서 발생하는 내부 전반사를 깨뜨리기 위한 마이크로 어레이의 구체적인 구조 및 데이터를 제공한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 발광 다이오드 소자는 기판 및 상기 기판 상에 배치된 삼각형 형상을 가지는 복수의 마이크로 어레이를 포함하되, 상기 마이크로 어레이의 한 변은 대향한 다른 마이크로 어레이의 한 변과 평행하다.
상기 목적을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술된 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
전술한 본 발명의 발광 다이오드 소자의 과제 해결 수단 중 하나에 의하면,
마이크로 어레이 구조의 질화물 반도체 발광 다이오드(GaN-LED) 소자에 있어서 발광 부위를 표면뿐 아니라 측면까지로 확장하여 입체적인 광 방출이 가능하다.
또한, 단위 소자(마이크로 어레이)의 크기, 모양, 간격, 식각 각도 및 식각 깊이를 최적화하여 광 추출 효율을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고휘도 마이크로 어레이 발광 다이오드 소자의 단면을 도시한 도면이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 서로 다른 모양을 가지는 마이크로 어레이를 도시한 도면이다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 어레이의 모양에 대한 광 추출 효율을 일반적인 LED와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 서로 다른 크기를 가지는 마이크로 어레이를 도시한 도면이다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 어레이의 크기에 대한 광 추출 효율을 일반적인 LED와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 서로 다른 간격을 가지는 마이크로 어레이를 도시한 도면이다.
도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 어레이 간의 간격에 대한 광 추출 효율을 일반적인 LED와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 서로 다른 식각 깊이를 가지는 마이크로 어레이를 도시한 도면이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 어레이의 식각 깊이에 대한 광 추출 효율을 일반적인 LED와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 서로 다른 식각 각도를 가지는 마이크로 어레이를 도시한 도면이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 어레이의 식각 각도에 대한 광 추출 효율을 일반적인 LED와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 인가에 대한 광 출력을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 인가에 대한 광 출력 밀도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전류 인가에 대한 광 출력 밀도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 어레이 LED와 일반적인 LED에서 추출되는 빛의 방향성을 비교한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 소자 종류에 대한 광속(Luminous Flux)을 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
참고로, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 첨부된 구성도 또는 처리 흐름도를 참고하여, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고휘도 마이크로 어레이 발광 다이오드 소자의 단면을 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고휘도 마이크로 어레이 발광 다이오드(이하, ‘마이크로 어레이’라 칭함) 소자는 P-Pad와 N-Pad의 전극 구성을 가지고 있는데, P 전극은 메사(Mesa) 패턴의 각 픽셀 상단부로부터 금속 층을 이루며, N 전극은 SiO2의 Passivation 층을 기준으로 식각을 통해 형성된 N-GaN 층과 연결되어 있다.
더 구체적으로 설명하면 약 400 ㎛의 사파이어(sapphire) 기판 위에 4 ㎛의 N-type 질화갈륨(GaN)을 성장하고, 그 위에 활성화막(Active Layer)으로써 인듐갈륨나이트라이드(InGaN) 또는 질화갈륨(GaN)으로 MQW(Multi-Quantum Well)을 구성하였으며, 그 상부에 0.15 ㎛의 P-type 질화 갈륨(GaN)을 성장 하였다.
여기에 메사(mesa) 식각 공정, 충진재 이산화규소(SiO2) 충진 및 상면 평탄화 공정, 투명 전극 증착 공정, 투명 전극 N-Pad 식각 공정, 충진재 N-Pad 식각 공정, P/N-Pad 메탈 증착 및 리프트 오프(lift-off) 공정, 패시베이션(passivation) 및 P/N-Pad 오프닝 공정을 통해, 도 1에 도시된 바와 같은, 삼각형의 마이크로 어레이 형태, 대략 8 ㎛ 크기의 마이크로 어레이, 대략 2 ㎛의 마이크로 어레이 간의 간격, 대략 3 ㎛의 식각 깊이, 대략 60°의 식각 각도의 구조를 가지는 마이크로 어레이 소자를 제작하여 광 추출 효율을 높일 수 있다.
이하, 도 2a 내지 도 6b를 참조하여, 도 1에 도시된 마이크로 어레이 소자를 이용한 최적의 광 추출 효율을 보이는 마이크로 어레이 소자의 구조를 상세히 설명하도록 한다.
참고로, 도 2a 내지 도 6b는 금형 및 포토 타입(photo type)의 제품을 만들기 전에 미리 실제품의 특성 등을 파악할 수 있는 조명 광학 전용 설계 시뮬레이터(simulator)를 사용한 것이다.
또한, 시뮬레이션 시 전극 부분은 무시하였으며, 마이크로 어레이의 모양, 크기, 간격, 식각 각도 및 식각 깊이를 변화시키면서 일반적인 발광 다이오드(Light Emitting Diodes, 이하 LED라 칭함)와 비교하였다.
시뮬레이션의 세부 조건으로 마이크로 어레이의 모양은 원, 삼각형, 사각형 및 육각형으로 하였으며, 크기는 대략 4 ㎛, 8 ㎛, 12 ㎛, 16 ㎛ 및 20 ㎛, 마이크로 어레이 간의 간격은 대략 2 ㎛, 3 ㎛, 4 ㎛ 및 5 ㎛, 식각 각도는 대략 60° ～ 90°, 그리고 식각 깊이는 대략 1 ㎛, 2 ㎛ 및 3 ㎛로 시뮬레이션을 수행하였다.
이때, 소자 크기는 실제 소자 크기와 같은 300 ㎛ × 300 ㎛ 으로 하였으며, 소자 내부 경계면에서의 프레넬 반사(Fresnel reflection)에 의한 손실(loss)을 고려하였다.
또한, 설계 된 각 층 물질의 굴절률은 청색 파장을 기준으로 GaN은 2.4, SiO2는 1.5, 사파이어(sapphire)는 1.78 그리고 공기(air)는 1로 가정하였다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 서로 다른 모양을 가지는 마이크로 어레이를 도시한 도면이다.
도 2a 및 2b에서 마이크로 어레이의 식각 각도는 대략 60°, 크기는 대략 8 ㎛, 마이크로 어레이 간의 간격은 대략 5 ㎛, 깊이는 대략 1 ㎛이며, 마이크로 어레이의 모양을 원, 삼각형, 사각형, 육각형으로 하여 시뮬레이션을 수행하였다.
참고로, 마이크로 어레이의 크기는 마이크로 어레이의 직경을 의미하며, 마이크로 어레이의 모양이 삼각형, 사각형, 및 육각형인 경우, 해당 마이크로 어레이의 외접원의 직경이 그 크기가 된다.
또한, 마이크로 어레이의 모양이 서로 다르기 때문에 300 ㎛ × 300 ㎛ 크기의 칩에 배치되는 마이크로 어레이의 개수는 서로 다를 수 있다.
또한, 시뮬레이션 조건으로 ray수는 각 어레이 당 1080개, Hit수는 100회, Ray-trace 모드(mode)는 Split Rays(Reflected and Transmitted) 모드 그리고 광학적 속성(optical property)는 프레넬 반사(Fresnel reflection)에 의한 손실(loss)을 고려하였으며, 전극 부분은 무시하였다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 어레이의 모양에 대한 광 추출 효율을 일반적인 LED와 비교하여 나타낸 그래프이다.
시뮬레이션에서 마이크로 어레이의 모양을 원, 삼각형, 사각형 및 육각형으로 하고 Far-Field Receiver를 적용하여 광 추출 효율을 측정한 결과, 도 2c에 도시된 바와 같이, 마이크로 어레이의 모양이 삼각형일 때 광 추출 효율이 가장 높다는 것을 알 수 있으며, 마이크로 어레이의 모양이 삼각형인 LED 구조에서 일반적인 LED 구조일 때 보다 최소 1.44배 이상의 높은 광 추출 효율이 측정되었다.
이는, 다른 모양의 마이크로 어레이에서는 전반사 현상으로 인해 마이크로 어레이 내부에서 갇히는 광자(photon)들이 존재하지만, 삼각형 모양에서는 마이크로 어레이 내부에서 전반사로 인해 갇히는 광자를 제거함으로써, 광자가 마이크로 어레이 밖으로 추출 되는 효과를 발생시킨 것이다.
참고로, 여기에서 삼각형은 정삼각형 또는 이등변 삼각형 등을 포함할 수 있으며, 소자에 배치되는 마이크로 어레이의 모양은 하나의 동일한 삼각형으로 일치시키는 것이 바람직하다(즉, 정삼각형과 이등변 삼각형을 혼합하여 배치하지 않는다).
또한, 도 2a에 도시된 바와 같이, 삼각형 모양의 마이크로 어레이 복수개가 각각 육각형 모양을 이루도록 배치될 수도 있다.
물론, 이 경우에도 마이크로 어레이의 식각 각도는 대략 60°, 크기는 대략 8 ㎛, 마이크로 어레이 간의 간격은 대략 5 ㎛, 깊이는 대략 1 ㎛로 시뮬레이션 조건은 동일하다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 서로 다른 크기를 가지는 마이크로 어레이를 도시한 도면이다.
이때, 마이크로 어레이의 모양은 원 모양, 식각 각도는 대략 60°, 식각 깊이는 대략 1 ㎛, 마이크로 어레이 간의 간격은 대략 5 ㎛이며, 마이크로 어레이의 크기를 대략 4 ㎛, 8 ㎛, 12 ㎛, 16 ㎛ 및 20 ㎛로 하여 시뮬레이션을 수행하였다.
참고로, 마이크로 어레이의 크기가 서로 다르기 때문에 300 ㎛ × 300 ㎛ 크기의 칩에 배치되는 마이크로 어레이의 개수는 각각 다를 수 있다.
또한, 시뮬레이션 조건으로 ray수는 각 마이크로 어레이 당 1080개, Hit수는 100회, Ray-trace 모드는 Split Rays(Reflected and Transmitted) 모드 그리고 광학적 속성(optical property)은 프레넬 반사(Fresnel reflection)에 의한 손실(loss)을 고려하였으며, 전극 부분은 무시하였다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 어레이의 크기에 대한 광 추출 효율을 일반적인 LED와 비교하여 나타낸 그래프이다.
시뮬레이션에서 마이크로 어레이의 크기를 대략 4 ㎛, 8 ㎛, 12 ㎛, 16 ㎛ 및 20 ㎛로 하고 Far-Field Receiver를 적용하여 광 추출 효율을 측정한 결과, 도 3c에 도시된 바와 같이, 마이크로 어레이의 크기가 대략 8㎛일 때 광 추출 효율이 가장 높다는 것을 알 수 있으며, 마이크로 어레이의 크기가 대략 8㎛인 LED 구조에서 일반적인 LED 구조 일 때 보다 최소 1.65배 이상의 높은 광 추출 효율이 측정되었다.
참고로, 시뮬레이션 결과, 마이크로 어레이 구조에서 마이크로 어레이의 크기가 대략 4 ㎛ 일 때, 8 ㎛ 일 때 보다 넓은 질화갈륨(GaN)과 이산화규소(SiO2) 사이의 경계면이 생긴다는 것을 확인 할 수 있었다.
따라서, 마이크로 어레이의 크기가 대략 8㎛에서 가장 높은 광 추출 효율이 나타나는 이유로, 질화갈륨(GaN)과 이산화규소(SiO2) 사이의 경계면에서의 표면 재결합(Surface Recombination)이란 광학적인 현상을 고려할 수 있다.
여기에서 표면 재결합 현상은 물질 사이의 표면에서 재결합으로 인한 광자의 소멸 및 열 변환을 나타내는 것으로서, 마이크로 어레이의 개수가 가장 많은 4㎛ 크기에서 더 많은 손실이 생겨 8㎛의 크기보다 작은 광 추출 효율이 나타난다고 할 수 있다.
이에, 본 발명의 실시예에서는 이러한 표면 재결합 현상을 적용하기 위해 질화갈륨(GaN)과 이산화규소(SiO2) 경계면에 흡수율 변화를 주면서 시뮬레이션을 실행하였다.
그 결과, 경계면의 흡수율이 약 2% 정도 까지는 대략 8 ㎛ 크기에서 가장 높은 추출 효율이 측정 되었고, 약 5% 정도 까지는 대략 12 ㎛ 크기에서 가장 높은 추출 효율이 측정 되었으며, 흡수율이 약 10% 정도 까지는 대략 16 ㎛ 크기에서 가장 높은 추출 효율이 측정 되었다.
실제 소자의 결과에 비추어 볼 때 질화갈륨(GaN)과 이산화규소(SiO2) 경계면에서 일어나는 표면 재결합 현상은 약 2% 정도의 흡수율을 가지는다고 추측 할 수 있으므로, 본 발명의 실시예에서는 질화갈륨(GaN)과 이산화규소(SiO2) 경계면의 흡수율을 2%로 하여 시뮬레이션을 수행하였다. 결국, 마이크로 어레이의 크기가 대략 8 ㎛ 일 때, 광 추출 효율이 최대가 됨을 알 수 있다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 서로 다른 간격을 가지는 마이크로 어레이를 도시한 도면이다.
도 4a 및 4b에서는, 마이크로 어레이의 모양은 원 모양, 식각 각도는 대략 60°, 식각 깊이는 대략 1 ㎛, 크기는 대략 8 ㎛이며, 마이크로 어레이 간의 간격을 대략 2 ㎛, 3 ㎛, 4 ㎛ 및 5 ㎛로 하여 시뮬레이션을 수행하였다.
도 4a 및 4b에 나타나 있듯이, 마이크로 어레이의 한 변은 대향한 다른 마이크로 어레이의 한 변과 서로 평행이다.
참고로, 마이크로 어레이 간의 간격이 서로 다르기 때문에 300 ㎛ × 300 ㎛ 크기의 칩에 배치되는 마이크로 어레이의 개수는 각각 다를 수 있다.
또한, 시뮬레이션 조건으로 ray수는 각 어레이 당 1080개, Hit수는 100회, Ray-trace 모드는 Split Rays(Reflected and Transmitted) 모드 그리고 광학적 속성(optical property)는 프레넬 반사(Fresnel reflection)에 의한 손실(loss)을 고려하였으며, 전극 부분은 무시하였다.
도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 어레이 간의 간격에 대한 광 추출 효율을 일반적인 LED와 비교하여 나타낸 그래프이다.
시뮬레이션에서 마이크로 어레이 간의 간격을 대략 2 ㎛, 3 ㎛, 4 ㎛ 및 5 ㎛로 하고 Far-Field Receiver를 적용하여 광 추출 효율을 측정한 결과, 도 4c에 도시된 바와 같이, 마이크로 어레이 간의 간격이 대략 2 ㎛일 때 광 추출 효율이 가장 높다는 것을 알 수 있으며, 마이크로 어레이 간의 간격이 대략 2 ㎛인 LED 구조에서 일반적인 LED 구조 일 때 보다 최소 1.7배 이상의 높은 광 추출 효율이 측정되었다.
또한, 마이크로 어레이 간의 간격이 좁으면 좁을수록 더 좋은 광 추출 효율이 측정되었는데, 이는 활성층 면적의 증가로 인해 나타난 결과이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 서로 다른 식각 깊이를 가지는 마이크로 어레이를 도시한 도면이다.
도 5a에서, 마이크로 어레이의 모양은 원 모양, 식각 각도는 대략 60°, 크기는 대략 8 ㎛, 마이크로 어레이 간의 간격은 대략 5 ㎛이며, 마이크로 어레이의 식각 깊이를 대략 1 ㎛, 2 ㎛ 및 3 ㎛로 하여 시뮬레이션을 수행하였다.
참고로, 마이크로 어레이의 식각 깊이는 서로 다르지만, 그 크기는 같기 때문에 300 ㎛ × 300 ㎛ 크기의 칩에 배치되는 마이크로 어레이의 개수는 일정하다.
또한, 시뮬레이션 조건으로 ray수는 각 어레이 당 1080개, Hit수는 100회, Ray-trace 모드(mode)는 Split Rays(Reflected and Transmitted) 모드 그리고 광학적 속성(optical property)는 프레넬(Fresnel reflection)에 의한 손실(loss)을 고려하였으며, 전극 부분은 무시하였다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 어레이의 식각 깊이에 대한 광 추출 효율을 일반적인 LED와 비교하여 나타낸 그래프이다.
시뮬레이션에서 마이크로 어레이의 식각 깊이를 대략 1 ㎛, 2 ㎛ 및 3 ㎛로 하고 Far-Field Receiver를 적용하여 광 추출 효율을 측정한 결과, 도 5b에 도시된 바와 같이, 마이크로 어레이의 식각 깊이가 대략 3 ㎛일 때 광 추출 효율이 가장 높다는 것을 알 수 있으며, 마이크로 어레이의 식각 깊이가 대략 3 ㎛인 LED 구조에서 일반적인 LED 구조일 때 보다 최소 1.7배 이상의 높은 광 추출 효율이 측정되었다.
또한, 마이크로 어레이의 식각 깊이가 깊으면 깊을 수록 더 좋은 광 추출 효율이 측정되었는데, 이는 활성층을 나온 빛이 더 넓어진 옆 계면으로 인해 전반사가 깨져 보다 좋은 효과가 나타난 것이다.
또한, 마이크로 어레이의 식각 깊이가 깊으면 깊을수록, 충진재(SiO2)충진 후 수행되는 상면 평탄화 공정을 용이하게 수행함으로써 더 좋은 광 추출 효율을 낼 수 있다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 서로 다른 식각 각도를 가지는 마이크로 어레이를 도시한 도면이다.
도 6a에서 마이크로 어레이의 모양은 원 모양, 크기는 대략 8 ㎛, 간격은 대략 5 ㎛, 깊이는 대략 1 ㎛이며, 마이크로 어레이의 식각 각도를 대략 60°～90°로 하여 시뮬레이션을 수행하였다.
참고로, 마이크로 어레이의 식각 각도가 서로 다르지만, 그 크기는 같기 때문에 300 ㎛ × 300 ㎛ 크기의 칩에 배치되는 마이크로 어레이의 개수는 일정하다.
또한, 시뮬레이션 조건으로 ray수는 각 어레이 당 1080개, Hit수는 100회, Ray-trace 모드(mode)는 Split Rays(Reflected and Transmitted) 모드 그리고 광학적 속성(optical property)은 프레넬 반사(Fresnel reflection)에 의한 손실(loss)을 고려하였으며, 전극 부분은 무시하였다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 어레이의 식각 각도에 대한 광 추출 효율을 일반적인 LED와 비교하여 나타낸 그래프이다.
시뮬레이션에서 마이크로 어레이의 식각 각도를 대략 60°～90°로 하고 Far-Field Receiver를 적용하여 광 추출 효율을 측정한 결과, 도 6b에 도시된 바와 같이, 마이크로 어레이의 식각 각도가 대략 60°일 때 광 추출 효율이 가장 높다는 것을 알 수 있으며, 마이크로 어레이의 식각 각도가 대략 60°인 LED 구조에서 일반적인 LED 구조일 때 보다 최소 1.3배 이상의 높은 광 추출 효율이 측정되었다.
참고로, 도 6b에서, 식각 각도가 대략 75°인 경우 deep 현상이 나타나는 것을 볼 수 있는데, 이는 활성층에서 방출 된 광자(photon)들이 전반사에 의해서 아래로 이동한 후 다시 마이크로 어레이 내부로 유입 되는 경우, 기하학적인 현상에 의해서 광자들이 소자 내부에 갇히는 현상이 일어난다고 추측 할 수 있다.
따라서, 실제 소자 제작 시 마이크로 어레이의 식각 각도에 있어서 대략 75° 전후는 피하는 것이 바람직하다.
이하, 도 7 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 어레이 LED를 LED 광/전기적 특성 측정 시스템을 이용하여 측정한 결과를 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 인가에 대한 광 출력을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7의 그래프는, LED 제작 시 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴을 형상화 한 LED와, 패턴을 형상화하지 않은 일반적인 LED의 전류 인가에 대한 광 출력(Optical Power)을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 7에서 보는 것과 같이, 패턴이 형상화 된 LED가 패턴 없이 제작된 일반적인 LED와 입력 전류 40 ㎃ 이하에서는 출력이 거의 비슷함을 알 수 있다.
이는, 저전류를 인가할 시, 전류가 흐르는 마이크로 어레이 구조의 활성층의 유효 면적이 크지 않기 때문이다.
그러나, 인가되는 전류가 증가하면서 훨씬 더 넓은 범위에 전류를 효과적으로 인가시키게 되고, 100 ㎃에서는 패턴이 형상화 된 LED가 패턴이 없는 일반적인 LED 보다 약 1.5배의 높은 광 출력을 보임을 알 수 있다.
이때, 전류가 증가함에도 불구하고 마이크로 어레이 LED의 광 출력은 선형적으로 증가함을 알 수 있으며, 높은 전류 인가에서도 광 출력이 저하되지 않음을 알 수 있다.
즉, 패턴이 형상화 되지 않은 일반적인 LED 칩 보다는 패턴을 형상화시킨 마이크로 어레이 LED 칩이 전반사 조건을 완화시켜 추출 각을 높임으로써 적출 효율(Extraction Efficiency)을 높일 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 인가에 대한 광 출력 밀도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8의 그래프는 일반적인 구조의 LED 칩과, 마이크로 어레이의 직경이 대략 4 ㎛, 8 ㎛, 16 ㎛, 20 ㎛인 구조를 이루는 LED 칩에서 전류 인가에 대한 광 출력 밀도(Optical power density) [mW/㎟]를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 8의 그래프에서, 마이크로 어레이의 직경이 대략 8 ㎛ 일 때 100 mA 전류 인가 시 광 출력 밀도가 대략 187 mW/㎟ 으로 가장 높음을 알 수 있다.
이는 마이크로 어레이의 크기에 따른 활성층의 발광 유효 면적의 변화에 따른 광 출력의 변화와, 질화갈륨(GaN)과 이산화규소(SiO2)사이에서 발생하는 표면 재 결합(Surface Recombination) 현상으로 인한 광자(Photon)의 손실이 적용 된 실제 측정값을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전류 인가에 대한 광 출력 밀도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9의 그래프는 일반적인 구조의 LED 칩과, 크기가 8 ㎛ 인 원 형태의 마이크로 어레이, 한 변이 8 ㎛인 삼각형, 사각형 및 육각형 형태를 이루는 각 마이크로 어레이 구조에서, 전류 인가에 대한 광 출력 밀도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
참고로, 마이크로 어레이의 크기는 마이크로 어레이의 직경을 의미하며, 마이크로 어레이의 모양이 삼각형, 사각형, 및 육각형인 경우, 해당 마이크로 어레이의 외접원의 직경이 그 크기가 된다.
측정 결과, 100 mA의 전류인가 시, 삼각형 형태의 마이크로 어레이 구조가 가장 높은 광 출력 밀도(273 mW/㎟)를 가지며, 그 다음으로 육각형 형태(225 mW/㎟), 원 형태(187 mW/㎟) 및 사각형 형태(92 mW/㎟) 순으로 광 출력 밀도를 가짐으로써, 일반적인 구조의 LED 칩의 광 출력 밀도(19 mW/㎟)보다 광 추출 효율이 높음을 알 수 있다.
결론적으로 위 측정 결과들로부터, 마이크로 어레이의 패턴을 형상화 시켰을 때, 일반적인 LED 보다 더 높은 광 출력을 낼 수 있고, 또한 직경(한 변의 길이)이 대략 8 ㎛인 삼각형, 육각형, 원형 및 사각형 형태를 가지는 마이크로 어레이 구조의 LED에서, 광자의 재흡수 및 손실을 줄이고 전반사 조건을 완화시켜 광 추출 효율을 높임으로써 높은 출력을 낼 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 어레이 LED와 일반적인 LED에서 추출되는 빛의 방향성을 비교한 도면이다.
도 10는 마이크로 어레이 LED와 일반적인 LED의 빛 추출 모양을 나타낸 것으로서, 일반적인 LED의 경우 보통 빛의 방사각이 대략 120° 정도로 빛이 퍼지는 현상이 나타나지만, 마이크로 어레이 LED의 경우, 대략 100° 정도의 방향성을 가지는 방사각이 나타난다.
이러한 마이크로 어레이 구조의 특징을 이용해 디스플레이에 적용 한다면 일반적인 LED의 경우 보다 좋은 효과를 기대할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 소자 종류에 대한 광속(Luminous Flux)을 나타낸 그래프이다.
도 11에서는, 일반적인 LED 칩과 마이크로 어레이 LED 칩 주변에 일반적으로 쓰이는 황색 형광체(Yellow phosphor)를 도포하여 백색(White) LED를 제작하였으며, 일반적인 LED와 마이크로 어레이 LED의 광속을 비교하였다.
시뮬레이션 결과, 일반적인 LED를 이용한 백색 LED의 경우 대략 106.92 Lumen 정도의 광속이 측정 되었으며, 마이크로 어레이 LED를 이용한 백색 LED의 경우 대략 131.4 Lumen 정도의 광속이 측정 되었다.
또한, 광도(Luminous Intensity)의 경우도 일반적인 LED와 마이크로 어레이 LED에서 각각 8.51 candela, 10.41 candela가 측정 되었다.
이는, 마이크로 어레이 LED가 일반적인 LED 보다 약 23% 정도 증가한, 보다 좋은 휘도를 갖는다는 것을 나타낸다.
이상 전술한 바와 같이, 시뮬레이션을 통해서 여러 가지 방법으로 조건들을 변화시켜가며 마이크로 어레이의 광 추출 효율성을 측정하였다.
다시 정리하면, 첫 번째로, 마이크로 어레이의 크기에 따른 광 추출 효율 비교에서, 마이크로 어레이의 크기가 대략 8 ㎛일 때 대략 56.1%의 가장 높은 추출 효율을 보였으며, 이는 소자 내부에서 일어날 수 있는 표면 재결합(Surface Recombination) 현상으로 흡수율 2%를 적용하여 나타난 결과이다.
두 번째로, 마이크로 어레이 간의 간격에 따른 추출 효율 비교에서, 마이크로 어레이 간의 간격이 대략 2 ㎛일 때 대략 63.8%의 가장 높은 추출 효율을 보였으며, 이는 활성층의 면적이 증가하여 보다 좋은 효과가 나타난 결과이다.
세 번째로, 마이크로 어레이의 식각 깊이에 따른 추출 효율 비교에서, 마이크로 어레이의 식각 깊이가 대략 3 ㎛일 때 대략 70.6%의 가장 높은 추출 효율을 보였으며, 이는 활성층을 나온 빛이 더 넓어진 옆 계면으로 인해 전반사가 깨져서 보다 좋은 효과가 나타난 결과이다.
네 번째로, 마이크로 어레이 모양에 따른 추출 효율 비교에서, 마이크로 어레이의 모양이 삼각형 일 때 대략 58.7%의 가장 높은 추출 효율을 보였으며, 이는 다른 모양의 마이크로 어레이에서는 전반사 현상으로 인해 내부에서 갇히는 광자(photon)들이 존재하지만, 삼각형 모양에서는 내부에서 전반사로 인해 갇히는 광자를 제거함으로써, 광자가 마이크로 어레이 밖으로 추출 되는 효과를 증가 시켰기 때문이다.
다섯 번째로, 마이크로 어레이 식각 각도에 따른 추출 효율 비교에서, 마이크로 어레이의 식각 각도가 대략 60°일 때 대략 56.1%의 가장 높은 추출 효율을 보였다.
그리고, 일반적인 LED와 마이크로 어레이 LED의 빛 추출 방향성의 비교에서, 마이크로 어레이 LED가 대략 100°의 방향성을 가지며, 이를 디스플레이에 적용 한다면 보다 좋은 효과를 보일 수 있을 것이라는 예상을 할 수 있었다.
마지막으로, 백색 LED의 시뮬레이션을 수행한 결과, 일반적인 LED 칩을 사용한 것 보다 마이크로 어레이 LED 칩을 사용한 경우, 대략 23% 정도 향상된 광속(Luminous Flux)과 광도(Luminous Intensity)가 측정 된 것을 확인 하였다.
결과적으로, 시뮬레이션을 통해서, 광 추출 효율을 향상시키는 본 발명의 실시예에 따른 최적의 마이크로 어레이 LED 구조를 확인할 수 있었으며, 최적의 마이크로 어레이 LED 구조는 대략 8 ㎛ 크기의 마이크로 어레이, 대략 2 ㎛의 마이크로 어레이 간의 간격, 대략 3 ㎛의 식각 깊이, 대략 60°의 식각 각도, 그리고 삼각형의 마이크로 어레이 형태를 포함한다.
여기에서 마이크로 어레이의 크기는 삼각형의 외접원의 직경을 의미한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110 : 마이크로 어레이 형태
120 : 마이크로 어레이 크기
130 : 마이크로 어레이 간의 간격
140 : 마이크로 어레이의 식각 깊이
150 : 마이크로 어레이의 식각 각도

Claims (6)

  1. 발광 다이오드(LIGHT EMITTING DIODES;LED) 소자에 있어서,
    기판 및
    상기 기판 상에 배치된 삼각형 형상을 가지는 복수의 마이크로 어레이
    를 포함하되,
    상기 마이크로 어레이의 한 변은 대향한 다른 마이크로 어레이의 한 변과 평행한 것인, 발광 다이오드 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로 어레이의 외접원 직경은 7 ㎛ 내지 9 ㎛인 것인, 발광 다이오드 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 마이크로 어레이의 외접원 직경은, 상기 기판의 GaN와 충진재 SiO2 사이의 경계면에서 표면 재결합(Surface Recombination) 현상을 고려하여 결정된 것인, 발광 다이오드 소자.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 마이크로 어레이의 한 변과 상기 대향하는 다른 마이크로 어레이의 한 변의 간격은 1.5 ㎛ 내지 2.5 ㎛인 것인, 발광 다이오드 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 마이크로 어레이의 식각 깊이는 2.5 ㎛ 내지 3.5 ㎛인 것인, 발광 다이오드 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 마이크로 어레이의 식각 각도는 60°인 것인, 발광 다이오드 소자.
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