[논문]광학 시뮬레이션을 이용한 Patterned Sapphire Substrate에 따른 Flip Chip LED의 광 추출 효율 변화에 대한 연구

박현정; 이동규; 곽준섭

doi:10.4313/jkem.2015.28.10.676

[국내논문] 광학 시뮬레이션을 이용한 Patterned Sapphire Substrate에 따른 Flip Chip LED의 광 추출 효율 변화에 대한 연구
A Study on Improvement of the Light Emitting Efficiency on Flip Chip LED with Patterned Sapphire Substrate by the Optical Simulation 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.28 no.10, 2015년, pp.676 - 681

박현정 (순천대학교 인쇄전자공학과) , 이동규 (순천대학교 인쇄전자공학과) , 곽준섭 (순천대학교 인쇄전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently many studies being carried out to increase the light efficiency of LED. The external quantum efficiency of LED, generally the light efficiency, is determined by the internal quantum efficiency and the light extraction efficiency. The internal quantum efficiency of LED was already reached to more than 90%, but the light extraction efficiency is still insufficient compared with the internal quantum efficiency because the total internal reflection is generated in the interface between the LED chip and air. Thus, we studied about flip chip LED with PSS and performed the optical simulation which find more optimized PSS for flip chip LED to increase the light extraction efficiency. Decreasing of the total internal reflection and effect of diffused reflection according to PSS improved the light extraction efficiency. To get more higher the efficiency, we simulated flip chip with PSS that the parameters are arrangement, edge spacing, radius, height and shape of PSS.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

이며 450 nm 파장의 blue chip으로 설계되었다. PSS의 기본 형상은 hemisphere이며 단계적으로 광 추출 효율을 높여가는 과정에서 PSS의 arrangement, edge spacing, radius, height 및 shape에 따른 효율 향상 과정을 살펴보았다. Flip chip을 이루는 세부적인 층에 대해서 표 1에 나타내었다.
본 연구에서는 PSS를 갖는 flip chip이 PSS의 여러가지 변수 조건에 따라 광 추출 효율이 어떻게 변해가며 최종적으로 얼마나 향상되는지 미국 Synopsys 사의 광학설계 프로그램인 LightTools 시뮬레이션을 통해 확인해보았다.

대상 데이터

Flip chip의 size는 1,000×1,000 μm²이며 450 nm 파장의 blue chip으로 설계되었다. PSS의 기본 형상은 hemisphere이며 단계적으로 광 추출 효율을 높여가는 과정에서 PSS의 arrangement, edge spacing, radius, height 및 shape에 따른 효율 향상 과정을 살펴보았다.

이론/모형

설계 및 시뮬레이션은 미국 Synopsys 사의 광학 설계 프로그램인 LightTools를 사용하여 진행하였다. Flip chip LED에서 PSS arrangement의 영향을 알아보기 위해 그림 2와 같이 PSS rectangular arrangement와 hexagonal arrangement를 적용하여 그 영향을 알아보았다.

성능/효과

1%p 상승하는 것을 확인할 수 있었고, PSS가 존재함으로써 광이 n-GaN에서 sapphire쪽으로 많이 투과되고 난반사 효율에 의해 광 추출 효율이 대폭 향상되는 것을 확인할 수 있었다. Edge spacing 0.5 μm, radius 2.0 μm를 적용하여 53.9%에서 54.2%로 0.3%p 상승하였으며, edge spacing이 작을수록 효율이 높아지는데 1.0 μm 이하에서는 큰 차이가 없음을 확인하였다. Height 1.
0 μm 이하에서는 큰 차이가 없음을 확인하였다. Height 1.2 μm aspherical 형상을 적용하여 54.2%에서 56.3%로 2.1%p 상승하는 것을 확인하였다. 결론적으로 LightTools 시뮬레이션 시 flip chip에 PSS 적용으로 인해 광 추출 효율을 39.
PSS의 arrangement, edge spacing, radius,height 및 shape 변화에 따른 광 추출 효율 변화 과정을 살펴보았을 때, PSS가 없는 reference에서 hexagonal arrangement 적용함으로써 16.8%에서 53.9%로 37.1%p 상승하는 것을 확인할 수 있었고, PSS가 존재함으로써 광이 n-GaN에서 sapphire쪽으로 많이 투과되고 난반사 효율에 의해 광 추출 효율이 대폭 향상되는 것을 확인할 수 있었다. Edge spacing 0.
1%p 상승하는 것을 확인하였다. 결론적으로 LightTools 시뮬레이션 시 flip chip에 PSS 적용으로 인해 광 추출 효율을 39.5%p 증가시킬 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED의 장점은?	LED (light emitting diode)는 낮은 소비전력, 빠른 반응속도, 작은 크기, 환경 보존적 광원이라는 장점을 가지며 현재 기존의 광원을 대체하여 여러 적용 분야에 사용되고 있다. 대표적인 분야로는 실내외등, 공장 등, 가로등 등 조명기기와 UV-LED를 이용한 다양한 응용제품, 차량 헤드램프 등이 있다.
	내부양자 효율이란?	LED의 광 효율인 외부 양자효율은 내부 양자효율과 광 추출 효율에 의해서 결정된다 [1-4]. 내부양자 효율은 전기적 에너지가 빛 에너지로 변환되는 효율을 의미하며, 외부 양자효율은 생성된 빛 에너지가 물질 외부로 실제로 탈출하는 효율을 의미한다. 내부 양자효율은 이미 90% 이상의 효율에 도달한 반면 광 추출 효율은 그에 비해 아직 미흡하다.
	내부 양자효율은 이미 90% 이상의 효율에 도달한 반면 광 추출 효율은 그에 비해 아직 미흡한 이유는?	내부 양자효율은 이미 90% 이상의 효율에 도달한 반면 광 추출 효율은 그에 비해 아직 미흡하다. 그 이유는 광이 chip 외부로 탈출하기 위해서는 chip과 외부 ambient 사이의 임계각 이하의 각도로 입사해야 하며 만약 임계각 보다 큰 각도로 입사하게 되면 내부전반사에 의해서 광이 외부로 탈출하지 못하고 다시 chip 내부를 향해 이동하기 때문이다. 이러한 과정에서 광 손실이 발생하게 되고 결국 광 추출 효율은 감소하게 된다 [5,6]. 최근 광 추출 효율을 높이기 위해 chip shaping, chip structure (flip chip, vertical chip 등), surface texturing, PSS(patterned sapphire substrate), photonic crystal, anti-reflection layer 등에 대한 연구가 진행되고 있다 [7-12].

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