LED의 출력을 향상시키는 조밀 육방정 구조

 

 

그림 1. 포토닉스 결정 어레이를 가진 LED

 

그림 2. 패턴 이동: 효율적인 에칭 마스크로 사용될 수 있는

           실리카 마이크로스피어 단일층 조밀 육방정 어레이.

 

홍콩연구진은 저렴하면서도 효율적인 마이크로스피어 리소그래피기술을 개발하였다.

 

조밀 육방정 마이크로스피어(hexagonal-close-packed microsphere) 사이에 존재하는

 

공기구멍은 광추출 포토닉스 결정 어레이(light-extracting photonic crystal array)를

 

에칭하기 위한 효율적인 템플릿(template)으로 사용될 수 있다고 홍콩대학(University

 

of Hong Kong) 연구진은 주장했다.

 

또한 이 장치의 표면 위에 나노패턴을 결합시켰을 때 LED 광방출 강도가 3배 향상된다는

 

사실도 발견했다.

 

기존의 소자에서도 계면 특성이 중요하지만 나노기술에서의 이것은 매우 중요한

 

역할을 한다.

 

많은 경우에 마이크로 및 매크로 시스템의 기계적, 화학적, 전기적, 생물학적 특성이

 

계면에 따라서 좌우된다.

 

따라서 나노기술을 연구할 때, 이러한 계면 특성을 파악하는 것이 매우 중요한데,

 

요즘과 같은 다양한 분야의 기술이 접목될 때는 더욱 더 이 특성에 유의해야 한다.

 

LED는 반도체 실리콘 층과 절연 이산화규소(silicon dioxide) 층으로 되어 있다.

 

이 때 전자들의 흐름을 차단하는 100 나노미터 두께의 장벽이 형성되고 희토류 금속인

 

유로퓸(Europium)이 이산화규소 속으로 주입된다.

 

이산화규소 장벽을 가로질러 전압이 되면 터널링(tunnelling)이라는 약자역학 작용을

 

통해서 전자들이 장벽을 넘을 수 있다.

 

실리콘을 터널링하는 동안 전자들은 때때로 유로퓸 원자들과 부딪쳐서 원자들이 높은

 

에너지 상태가 된다.

 

이 원자들이 다시 원래의 상태로 떨어질 때 빛이 방출된다.

 

실리콘이 LED에 적용되기 시작한 것은 1990년에 다공성 실리콘이 빛을 방출할 수

 

있는 사실을 발견한 후이다.

 

그 이후부터 과학자들은 실리콘 나노결정의 광발광 기원을 밝히는 연구를 진행하여서

 

실리콘으로부터 효율적인 LED를 만들 수 있는 기반을 만들었다.

 

GaN계 화합물 반도체를 이용한 LED의 개발이 현재 활발하게 이루어지고 있는데 향후

 

본격적인 양산을 하기 위해서 소자의 발광 효율 및 신뢰성 향상 그리고 소자의 수명

 

연장에 관한 연구개발이 진행되고 있다.

 

이런 기술들이 개발되면 GaN계 LED의 응용성 및 응용분야는 크게 확장될 것으로

 

기대된다.

 

여기에 사용되는 물질은 단지 1% 실리카 마이크로스피어 현탁액 5ml인데, 이것은 2 인치

 

웨이퍼를 코팅하는데 매우 저렴한 10 달러의 비용만 든다고 홍콩대학 전기전자공학부의

 

Anthony H W Choi는 말했다.

 

기존의 전자빔 가공기(e-beam writer)가 막대한 투자비와 높은 유지비용 그리고 비싼

 

전기절연도료가 사용되어야 하는데 반해 이 마이크로스피어 리소그래피는 저렴하면서

 

실용적인 나노기술이다.

 

LED 웨이퍼(wafer)를 패터닝하기 위해서 연구진은 탈이온수에서 평균 지름이 500 nm인

 

실리카 마이크로스피어를 분산시킨 후에 이 용액을 GaN 기판 위에 스핀 코팅(spin coating)으로

 

입힌다.

 

이 입자는 에칭 마스크(etching mask)의 효율을 두 배로 증가시키면서 단일층 조밀육방정

 

어레이 속에서 자발적으로 자기 조립된다.

 

연구진은 LED 웨이퍼 위에 존재하는 공기구멍 패턴을 변형시키기 위해서 건식에칭과정

 

(dry etching process)을 사용하였다.

 

그 후 실리카 입자는 반도체 표면 위에 삼각형 모양의 빈 공간 어레이가 290 nm의 일정한

 

간격으로 드러나도록 초음파로 제거되었다.

 

연구진은 LED 표면 위에 포토닉스 결정 구조의 도입은 반도체로부터 도파관 모드(waveguided

 

mode)를 회절시켜서 광추출을 향상시킬 수 있다고 설명했다.

 

어레이 없이 만들어진 LED는 장치 속에서 이리저리 광을 되튕기게 하는 원인이 되는 간섭

 

효과를 나타내었다고 연구진은 진술했다.

 

이 연구결과는 Nanotechnology에 게재되었다(Photonic crystal light-emitting diodes

 

fabricated by microsphere lithography, W N Ng et al 2008 Nanotechnology

 

19 255302 (5pp) doi: 10.1088/0957-4484/19/25/255302).