현재, 발광다이오드는 전자기기 표시등, 대형 디스플레이 스크린, 액정 디스플레이 백라이트, 일반 조명, 자동차 조명, 가시광 통신 등 우리 생활 속의 다양한 분야에 응용되고 있다. 이는 기존의 광원보다 뛰어난 발광다이오드의 많은 장점에 기인한 것이다. 즉, 낮은 에너지 소비, 친환경적, 긴 수명, 높은 견고성, 작은 크기, 높은 ...
현재, 발광다이오드는 전자기기 표시등, 대형 디스플레이 스크린, 액정 디스플레이 백라이트, 일반 조명, 자동차 조명, 가시광 통신 등 우리 생활 속의 다양한 분야에 응용되고 있다. 이는 기존의 광원보다 뛰어난 발광다이오드의 많은 장점에 기인한 것이다. 즉, 낮은 에너지 소비, 친환경적, 긴 수명, 높은 견고성, 작은 크기, 높은 연색성 및 쉬운 제어 등이다. 그러나 발광다이오드를 지속적으로 더 많은 분야에 광범위하게 적용하기 위해서는, 이의 효율을 향상시킬 필요가 있다. 발광다이오드의 여러 가지 효율 중, 광추출 효율은 여전히 매우 낮다. 그 이유는 발광다이오드를 구성하는 반도체 물질이 외부 물질 보다 굴절률 차이가 상대적으로 매우 큼으로써, 내부전반사에 의해 외부로 빛을 많이 방출하지 못하기 때문이다.
따라서, 본 논문에서는 광추출 효율을 개선하기 위한 방법들 중 패턴된 사파이어 기판을 이용한 기술, 즉 산란 및 다중 반사에 의한 칩 내부에 갇힌 빛들의 내부전반사 조건을 깨는 사파이어 패턴구조에 대해 집중하여, 이를 통한 발광다이오드의 광추출 효율 향상에 연구 초점을 맞추었다. 다양한 패턴구조를 가지는 사파이어 기판들을 평면형 및 플립칩형 발광다이오드에 적용하여 광학적 시뮬레이션 방법 및 제작 등을 통해 연구를 진행하였다. 다양한 다각형 피라미드 패턴구조를 가지는 사파이어 기판을 이용한 발광다이오드의 광추출 효율 분석을 위해, 광선추적 방법을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 평면형 발광다이오드의 경우, 돌출된 원형 바닥모양을 가지는 구조가 가장 높은 광추출 효율 가졌으며, 그에 상응한 최적의 구조 파라미터를 도출하였다. 이를 실험적으로 검증하기 위하여 실제 발광다이오드 소자를 제작하였으며, 특성분석을 통하여 최적의 패턴 구조가 시뮬레이션 결과와 일치함을 확인하였다. 플립칩 발광다이오드의 경우에 대해서도 광추출 효율 분석을 통하여 최적화된 패턴 모양을 조사하였다. 플립칩 발광다이오드에 적용한 여러 가지 다각뿔 패턴과 돌출 단면 및 파인 단면을 가지는 다양한 모양 중에서, 파인 단면을 가지는 삼각 피라미드 패턴이 가장 높은 광추출 효율을 나타냄을 확인하였다. 또한, 유한차분 시간영역 알고리즘을 이용한 광학 시뮬레이션 방법을 이용하여, 마이크로 크기부터 나노 크기의 패턴구조들을 변화하면서, GaN 기반 발광다이오드의 패턴된 사파이어 기판에 대해 수치적 분석을 진행하였다. 이를 통해, 광추출 효율 향상을 위한 기하학적 매개 변수의 최적화된 값을 도출하였다. 광학적 시점으로 국한하여 분석해 보면, 마이크로 크기의 사파이어 패턴구조를 가지는 발광다이오드가 나노 크기의 사파이어 패턴구조를 가지는 발광다이오드보다 광추출 효율 향상 면에서는 더 큰 효과가 있는 것으로 보인다.
일반적으로 p-n 형 에피층 성장 전에 사파이어 패턴은 버퍼층의 추가로 평탄하게 할 필요가 있다. 따라서, 패턴 높이가 높으면 불가피하게 두꺼운 버퍼 에피층을 필요로 한다. 에피층의 성장이 전체 발광다이오드 제조에 있어서 비용의 상당 부분을 차지하기 때문에 단가비용의 증가를 초래한다. 이에 본 연구에서 제시한 결과를 토대로 실제 상업적인 제조 과정에서 높은 광추출 효율을 가지며, 단가비용을 낮추는 최적의 패턴된 사파이어 기판을 이용한 발광다이오드에 적용할 수 있을 것으로 기대하는 바이다.
현재, 발광다이오드는 전자기기 표시등, 대형 디스플레이 스크린, 액정 디스플레이 백라이트, 일반 조명, 자동차 조명, 가시광 통신 등 우리 생활 속의 다양한 분야에 응용되고 있다. 이는 기존의 광원보다 뛰어난 발광다이오드의 많은 장점에 기인한 것이다. 즉, 낮은 에너지 소비, 친환경적, 긴 수명, 높은 견고성, 작은 크기, 높은 연색성 및 쉬운 제어 등이다. 그러나 발광다이오드를 지속적으로 더 많은 분야에 광범위하게 적용하기 위해서는, 이의 효율을 향상시킬 필요가 있다. 발광다이오드의 여러 가지 효율 중, 광추출 효율은 여전히 매우 낮다. 그 이유는 발광다이오드를 구성하는 반도체 물질이 외부 물질 보다 굴절률 차이가 상대적으로 매우 큼으로써, 내부전반사에 의해 외부로 빛을 많이 방출하지 못하기 때문이다.
따라서, 본 논문에서는 광추출 효율을 개선하기 위한 방법들 중 패턴된 사파이어 기판을 이용한 기술, 즉 산란 및 다중 반사에 의한 칩 내부에 갇힌 빛들의 내부전반사 조건을 깨는 사파이어 패턴구조에 대해 집중하여, 이를 통한 발광다이오드의 광추출 효율 향상에 연구 초점을 맞추었다. 다양한 패턴구조를 가지는 사파이어 기판들을 평면형 및 플립칩형 발광다이오드에 적용하여 광학적 시뮬레이션 방법 및 제작 등을 통해 연구를 진행하였다. 다양한 다각형 피라미드 패턴구조를 가지는 사파이어 기판을 이용한 발광다이오드의 광추출 효율 분석을 위해, 광선추적 방법을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 평면형 발광다이오드의 경우, 돌출된 원형 바닥모양을 가지는 구조가 가장 높은 광추출 효율 가졌으며, 그에 상응한 최적의 구조 파라미터를 도출하였다. 이를 실험적으로 검증하기 위하여 실제 발광다이오드 소자를 제작하였으며, 특성분석을 통하여 최적의 패턴 구조가 시뮬레이션 결과와 일치함을 확인하였다. 플립칩 발광다이오드의 경우에 대해서도 광추출 효율 분석을 통하여 최적화된 패턴 모양을 조사하였다. 플립칩 발광다이오드에 적용한 여러 가지 다각뿔 패턴과 돌출 단면 및 파인 단면을 가지는 다양한 모양 중에서, 파인 단면을 가지는 삼각 피라미드 패턴이 가장 높은 광추출 효율을 나타냄을 확인하였다. 또한, 유한차분 시간영역 알고리즘을 이용한 광학 시뮬레이션 방법을 이용하여, 마이크로 크기부터 나노 크기의 패턴구조들을 변화하면서, GaN 기반 발광다이오드의 패턴된 사파이어 기판에 대해 수치적 분석을 진행하였다. 이를 통해, 광추출 효율 향상을 위한 기하학적 매개 변수의 최적화된 값을 도출하였다. 광학적 시점으로 국한하여 분석해 보면, 마이크로 크기의 사파이어 패턴구조를 가지는 발광다이오드가 나노 크기의 사파이어 패턴구조를 가지는 발광다이오드보다 광추출 효율 향상 면에서는 더 큰 효과가 있는 것으로 보인다.
일반적으로 p-n 형 에피층 성장 전에 사파이어 패턴은 버퍼층의 추가로 평탄하게 할 필요가 있다. 따라서, 패턴 높이가 높으면 불가피하게 두꺼운 버퍼 에피층을 필요로 한다. 에피층의 성장이 전체 발광다이오드 제조에 있어서 비용의 상당 부분을 차지하기 때문에 단가비용의 증가를 초래한다. 이에 본 연구에서 제시한 결과를 토대로 실제 상업적인 제조 과정에서 높은 광추출 효율을 가지며, 단가비용을 낮추는 최적의 패턴된 사파이어 기판을 이용한 발광다이오드에 적용할 수 있을 것으로 기대하는 바이다.
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