본 논문에서는 통상적인 LED 구조 위에 추가적으로 상부 층을 형성하여 LED의 광 추출 효율을 개선하였다. 상부 층의 두께 및 굴절률 변화에 따른 LED의 광 방출 특성을 전산모사하였고 광 추출 효율이 개선되는 조건을 분석하였다. 약 1.05~1.40의 굴절률 범위에서 LED의 광방출이 증가하였다. 또한, 이 범위에서 두께가 증가할수록 광방출이 증가하였다. 굴절률이 1.30@589.3 nm인 인덱스 매칭 액체를 실제 LED의 상부 층으로 형성하여 LED의 광 추출 효율이 약 22% 정도 향상됨을 실험적으로 보였다. 이렇게 LED 위에 상부 층을 형성하는 개념은 간단하게 LED의 광 추출 효율을 개선할 수 있을 것으로 기대된다.
본 논문에서는 통상적인 LED 구조 위에 추가적으로 상부 층을 형성하여 LED의 광 추출 효율을 개선하였다. 상부 층의 두께 및 굴절률 변화에 따른 LED의 광 방출 특성을 전산모사하였고 광 추출 효율이 개선되는 조건을 분석하였다. 약 1.05~1.40의 굴절률 범위에서 LED의 광방출이 증가하였다. 또한, 이 범위에서 두께가 증가할수록 광방출이 증가하였다. 굴절률이 1.30@589.3 nm인 인덱스 매칭 액체를 실제 LED의 상부 층으로 형성하여 LED의 광 추출 효율이 약 22% 정도 향상됨을 실험적으로 보였다. 이렇게 LED 위에 상부 층을 형성하는 개념은 간단하게 LED의 광 추출 효율을 개선할 수 있을 것으로 기대된다.
In this paper, we improved the light extraction efficiency by considering an additional upper layer on the top surface of a conventional LED. We simulated the LED's light emission as functions of the thickness and the refractive index of the upper layer, and analyzed how the condition improved the l...
In this paper, we improved the light extraction efficiency by considering an additional upper layer on the top surface of a conventional LED. We simulated the LED's light emission as functions of the thickness and the refractive index of the upper layer, and analyzed how the condition improved the light efficiency. When the refractive index's range was from 1.05 to 1.40, the LED emission increased. For that case, the emission also increased as the thickness increased. We experimentally showed that the light extraction efficiency was improved about 22% by forming the upper layer on the top surface of an LED using material with refractive index 1.30 at 589.3 nm. It is expected that forming the upper layer on an LED can easily improve the extraction efficiency.
In this paper, we improved the light extraction efficiency by considering an additional upper layer on the top surface of a conventional LED. We simulated the LED's light emission as functions of the thickness and the refractive index of the upper layer, and analyzed how the condition improved the light efficiency. When the refractive index's range was from 1.05 to 1.40, the LED emission increased. For that case, the emission also increased as the thickness increased. We experimentally showed that the light extraction efficiency was improved about 22% by forming the upper layer on the top surface of an LED using material with refractive index 1.30 at 589.3 nm. It is expected that forming the upper layer on an LED can easily improve the extraction efficiency.
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문제 정의
이와 관련하여 상부 층의 두께나 굴절률 값에 따른 광방출 특성의 변화를 알아보도록 하자. 우선 그림 5 (a), (b), (c)는 각각의 상부 층 두께에 대해 중심에서 방출된 35개 광선의 광 경로를 나타낸 것으로써 이를 통해 두께 변화에 대한 광 방출 특성을 개략적으로 알아보고자 한다. 그림 5 (a)는 상부 층의 두께가 얇은 경우로써, 측면으로 방출되는 빛이 상대적으로 많으며 그 중 전방향이 아닌 뒷방향으로 방출되는 빛이 다수 존재한다.
본 논문에서는 통상적인 LED 구조 위의 상부 층을 형성하여 그 특성을 고찰하였다. 상부 층의 두께나 굴절률에 따라 광방출 효율이 변화하였다.
본 논문에서는 일반적인 LED 표면에 추가적으로 상부 층을 고려함으로써 공기와의 굴절률 차이를 감소시켜 LED 내부의 빛이 외부로 좀 더 방출될 수 있게 하였다. 이와 관련 하여 상부 층의 두께나 굴절률 변화에 따른 LED의 광방출 특성을 고찰하였다. 상부 층의 두께나 굴절률에 따라 LED의 광방출 특성이 변화하였으며 특히, 다소 낮은 굴절률 범위에서 상부 층의 두께가 증가할수록 광 추출 효율은 증가하였다.
앞서 상부 층이 적절한 두께나 굴절률 값으로 형성되면 LED의 광방출이 증가하였다. 이와 관련하여 상부 층의 두께나 굴절률 값에 따른 광방출 특성의 변화를 알아보도록 하자. 우선 그림 5 (a), (b), (c)는 각각의 상부 층 두께에 대해 중심에서 방출된 35개 광선의 광 경로를 나타낸 것으로써 이를 통해 두께 변화에 대한 광 방출 특성을 개략적으로 알아보고자 한다.
이제 앞서 언급된 결과에 대해 실험을 통해 그 특성을 파악하고자 한다. 통상적인 GaN 기반의 청색 LED (C-LED)와 그 표면 위에 상대적으로 낮은 굴절률의 물질이 올라가 있는 LED (I-LED)의 전기광학적 특성을 비교하고자 한다.
이제 앞서 언급된 결과에 대해 실험을 통해 그 특성을 파악하고자 한다. 통상적인 GaN 기반의 청색 LED (C-LED)와 그 표면 위에 상대적으로 낮은 굴절률의 물질이 올라가 있는 LED (I-LED)의 전기광학적 특성을 비교하고자 한다. 여기서 사용된 LED의 중심파장은 450 nm 이며 LED와 디텍터 사이의 거리는 20 mm이다.
가설 설정
7. (a) Current as a function of operating voltage and (b) light output power as a function of operating current are compared with the conventional LED.
제안 방법
먼저 C-LED의 I-V와 L-I 특성을 측정하였다. 그 후 측정한 LED를 인덱스 매칭 액체에 담겨 마찬가지로 I-LED의 I-V와 L-I 특성을 측정하였다. 측정한 결과를 그림 7 (a)와 (b)에 나타내었다.
003정도 증가한다. 먼저 C-LED의 I-V와 L-I 특성을 측정하였다. 그 후 측정한 LED를 인덱스 매칭 액체에 담겨 마찬가지로 I-LED의 I-V와 L-I 특성을 측정하였다.
본 논문에서는 일반적인 LED 표면에 추가적으로 상부 층을 고려함으로써 공기와의 굴절률 차이를 감소시켜 LED 내부의 빛이 외부로 좀 더 방출될 수 있게 하였다. 이와 관련 하여 상부 층의 두께나 굴절률 변화에 따른 LED의 광방출 특성을 고찰하였다.
일반적인 GaN 기반의 청색 LED 구조에서 투명 전극인 Indium tin oxide (ITO) 위에 추가로 상부 층을 설정하였다. 이때 상부 층의 두께 및 굴절률을 각각 변화시키면서 LED의 광방출 특성을 고찰하였다.
각각의 수광각도에 따른 최대 및 최소 광파워 변화를 나타내었으며 최소 광파워는 상부 층이 없는 통상적인 LED의 광파워이다. 이를 바탕으로 이에 대한 광 추출 효율 변화를 함께 나타내었다. 이때 최대 광파워를 보이는 상부 층의 두께는 100 µm이며 굴절률은 θ=14°일 때 1.
각 층의 두께 및 굴절률을 그림 1에 각각 표시 하였다. 일반적인 GaN 기반의 청색 LED 구조에서 투명 전극인 Indium tin oxide (ITO) 위에 추가로 상부 층을 설정하였다. 이때 상부 층의 두께 및 굴절률을 각각 변화시키면서 LED의 광방출 특성을 고찰하였다.
대상 데이터
본 실험에서 사용한 액체는 LED 위에 균일하게 코팅이 되지 않아 액체 속에 담겨 실험을 진행하였다. 또한, 본 실험에서 사용한 인덱스 매칭 액체는 파장변화에 대한 굴절률 변화가 미미하여 450 nm로 파장이 감소하여도 굴절률은 0.002에서 0.003정도 증가한다. 먼저 C-LED의 I-V와 L-I 특성을 측정하였다.
3 nm의 굴절률(공급자 제공 수치)을 가지는 인덱스 매칭 액체를 사용하였다. 본 실험에서 사용한 액체는 LED 위에 균일하게 코팅이 되지 않아 액체 속에 담겨 실험을 진행하였다. 또한, 본 실험에서 사용한 인덱스 매칭 액체는 파장변화에 대한 굴절률 변화가 미미하여 450 nm로 파장이 감소하여도 굴절률은 0.
통상적인 GaN 기반의 청색 LED (C-LED)와 그 표면 위에 상대적으로 낮은 굴절률의 물질이 올라가 있는 LED (I-LED)의 전기광학적 특성을 비교하고자 한다. 여기서 사용된 LED의 중심파장은 450 nm 이며 LED와 디텍터 사이의 거리는 20 mm이다. 앞선 결과에서 LED의 광방출은 1.
4이하의 낮은 굴절률에서 개선되었다. 이를 위해 본 논문에서는 1.30@589.3 nm의 굴절률(공급자 제공 수치)을 가지는 인덱스 매칭 액체를 사용하였다. 본 실험에서 사용한 액체는 LED 위에 균일하게 코팅이 되지 않아 액체 속에 담겨 실험을 진행하였다.
이론/모형
이를 위해 그림 2와 같이 전산모사용 LED 측정 셋업을 설정하였으며, 전산모사는 잘 알려진 광선추적 법(ray tracing)을 이용하였다. 그림 1의 LED 상부 층 위쪽 방향으로 디텍터가 위치하여 각각의 발산각도(지향각)에 맞게 디텍터의 수광조건을 변화시켰다.
성능/효과
LED 위에 올라간 물질이 전류 흐름에 있어 미세한 영향을 미치는 것으로 보인다. 그림 7 (b)에서 L-I 특성은 I-LED가 우수한 특성을 보였으며 20 mA 기준에서 광 추출 효율은 약 22%정도 향상되었다. 여기서 I-LED는 액체에 넣어져 2 ~ 3 mm 정도의 다소 높은 두께가 상부 층으로 형성되므로 앞서 계산한 두께 범위 보다는 상당히 높기 때문에 좀 더 많이 광 추출 효율이 개선된 것으로 사료된다.
100 µm는 본 논문에서 코팅을 고려한 최대 두께이지만, 만약 상부 층의 두께가 이보다 증가하면 최대 광파워는 더욱 더 증가할 것으로 예상된다.
그림 3에서 디텍터의 수광 각도에 따라 최대의 광방출을 보이는 조건이 있으며 이러한 특성을 그림 4에 정리하였다. 각각의 수광각도에 따른 최대 및 최소 광파워 변화를 나타내었으며 최소 광파워는 상부 층이 없는 통상적인 LED의 광파워이다. 이를 바탕으로 이에 대한 광 추출 효율 변화를 함께 나타내었다.
광 추출 효율은 거의 모든 영역을 수광하는 90°근방을 제외하고는 상대적으로 많이 개선되었으며 특히 45°근방에서 광 추출 효율은 약 22%만큼 개선되었다.
상부 층의 굴절률이 적절하지 않으면 LED와 상부 층의 경계 면이나 상부 층과 공기와의 경계 면에서 어느 한쪽만을 보상할 수 밖에 없으므로 양쪽 모두를 적절히 보상할 수 있는 중간 굴절률 범위에서 광방출이 증가하였다. 또한, 인덱스 매칭 액체를 사용하여 LED의 광방출 특성을 실험하였으며 20 mA에서 약 22 % 정도의 광방출 효율을 개선할 수 있었다. LED 위에 적절한 굴절률의 물질을 두꺼운 두께로 추가함으로써 보다 많은 양의 빛을 외부로 방출함과 동시에 LED의 발산각을 좁혀 줄 수 있으므로 이러한 특성은 LED 칩 설계나 패키지에 있어서 널리 응용될 것으로 기대된다.
이와 관련 하여 상부 층의 두께나 굴절률 변화에 따른 LED의 광방출 특성을 고찰하였다. 상부 층의 두께나 굴절률에 따라 LED의 광방출 특성이 변화하였으며 특히, 다소 낮은 굴절률 범위에서 상부 층의 두께가 증가할수록 광 추출 효율은 증가하였다.
40의 범위에서 광방출 효율이 증가하였으며 이 범위에서 두께가 증가할수록 광방출 효율이 증가하는 특성을 보였다. 상부 층이 LED 위에 형성되면 통상적인 LED 표면에서 방출된 빛이 상부 층의 측면에서 반사가 이루어져 상부 층 표면으로 방출될 수 있는 기회를 증가시킬 수 있어 광방출이 증가하였다. 상부 층의 굴절률이 적절하지 않으면 LED와 상부 층의 경계 면이나 상부 층과 공기와의 경계 면에서 어느 한쪽만을 보상할 수 밖에 없으므로 양쪽 모두를 적절히 보상할 수 있는 중간 굴절률 범위에서 광방출이 증가하였다.
여기서 사용된 LED의 중심파장은 450 nm 이며 LED와 디텍터 사이의 거리는 20 mm이다. 앞선 결과에서 LED의 광방출은 1.4이하의 낮은 굴절률에서 개선되었다. 이를 위해 본 논문에서는 1.
4까지 변화시켰으며 두께는 LED 위에 형성할 수 있는 코팅 두께를 고려하여 100 µm까지 증가시켰다. 이때 각각의 수광각도에 대해 수광파워는 굴절률 1.05 ~ 1.40 범위에서 증가하였으며 특히 이 굴절률 범위에서는 두께가 증가할수록 증가하였다. 그 외 굴절률 범위에서는 상부 층의 두께가 증가하여도 수광파워는 크게 증가하지 않았다.
상부 층의 두께나 굴절률에 따라 광방출 효율이 변화하였다. 특히, 상부 층의 굴절률이 1.05 ~1.40의 범위에서 광방출 효율이 증가하였으며 이 범위에서 두께가 증가할수록 광방출 효율이 증가하는 특성을 보였다. 상부 층이 LED 위에 형성되면 통상적인 LED 표면에서 방출된 빛이 상부 층의 측면에서 반사가 이루어져 상부 층 표면으로 방출될 수 있는 기회를 증가시킬 수 있어 광방출이 증가하였다.
후속연구
또한, 인덱스 매칭 액체를 사용하여 LED의 광방출 특성을 실험하였으며 20 mA에서 약 22 % 정도의 광방출 효율을 개선할 수 있었다. LED 위에 적절한 굴절률의 물질을 두꺼운 두께로 추가함으로써 보다 많은 양의 빛을 외부로 방출함과 동시에 LED의 발산각을 좁혀 줄 수 있으므로 이러한 특성은 LED 칩 설계나 패키지에 있어서 널리 응용될 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LED에서 방출되는 빛은 어디에서 생성되는가?
이렇게 다양한 응용으로 인해 최근 들어 LED에 대한 관심이 늘어나고 있으며 활발히 연구되고 있다[1, 2]. LED에서 방출되는 빛은 LED 내부의 활성층(active layer)에서 생성된다. 활성층에서 생성된 빛은 LED 내부의 여러 층을 지나 LED 외부로 방출된다.
발광 다이오드가 현재 이용되고 있는 분야는 무엇인가?
발광 다이오드(LED)는 기존의 여러 광원들을 대체할 차세대 광원으로써, 조명, 자동차, 의료, 디스플레이, 통신 등 최첨단 산업에 널리 사용되고 있으며 점차 응용분야가 확대되고 있는 추세다. 이렇게 다양한 응용으로 인해 최근 들어 LED에 대한 관심이 늘어나고 있으며 활발히 연구되고 있다[1, 2].
LED 내부 디텍터의 수광각도가 넓어짐에 따라 디텍터에 도달하는 광파워가 증가하는 이유는?
수광각도가 넓어짐에 따라 디텍터에 도달하는 광파워가 증가하고 있다. 그 이유는 LED에서 방출되는 빛은 임의의 각도 범위 내에서 발산하므로 수광각도가 증가하면 수광영역이 넓어져 수광되는 광파워가 증가하기 때문이다. 또한, 90°근방에서는 최대 파워와 최소 파워의 차이가 거의 없는 것을 알 수 있다.
참고문헌 (7)
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