UV LED의 파장과 열

UV LED는 Epitaxy의 설계에 따라 다르지만 원하는 파장만 방사되는 점이 uv램프와 비교할 때 가장 큰 장점이다.
UV LED를 산업용 uv LED 경화기로 사용하기 위해서는 UV LED에서 방사되는 uv 효율과 UV LED 칩의 비용이다. 2000년대 중반까지만 해도 전력 1W입력당 365nm UV 방사량이 20mW/W에 불과했으나 GaN 칩 설계기술의 발전에 따라 2009년 말 기준으로 수율이 0.1-0.8%로 매우 낮기는 하지만 110mW/W 수준의 고효율 UV칩이 생산되기도 한다.
(그러나 uv 효율이 100mW/W 급 칩은 생산 수율이 매우 낮으므로 칩 1개의 가격이 2백-3백 달러를 상회하므로 칩이 수백개가 들어가는 UV LED 경화기를 만드는 것은 비용면에서 많은 비용을 지불해야 한다.
사이즈 10 X200mm uv LED 경화기인 경우 설계방법에 따라 다르기는 하지만, 가로*세로가 4.5mm인 칩이 88개가 필요하며, 1개당 300$인 경우 300$X88개=3100만원의 칩값이 소요되므로 UV LED 경화기의 가격이 수천만원으로 비쌀수 밖에 없다. 이처럼 UV LED 경화기를 만들기 위한 칩 가격이 매우 고가이므로 UV LED 경화기도 필름 폭이 1m인 경우 3억원을 호가할 수 밖에 없다.)

1). UV LED의 기본
P, N 반도체를 아래그림같이 붙여 놓고 전압을 가해 주면, P형 반도체의 정공은 N형 반도체 쪽으로 가서 가운데층으로 모인다. 이와는 반대로 N형 반도체의 전자는 P형 반도체 쪽으로 가서 전도대(conduction band)의 가장 낮은 곳인 가운데층으로 모인다. 이 전자들은 가전대(valence band)의 빈자리(정공)로 자연스럽게 떨어지며, 이 때 전도대와 가전대의 높이 차이 즉 에너지 갭(energy gap)에 해당하는 만큼의 에너지를 발산하는데, 이 에너지가
빛의 형태로 방출되면 LED로 사용되고, 빛의 파장이 uv 대역이면 UV LED가 된다.


2). LED의 일반적인 장점
- 제품의 소형화, 슬림화 가능 : 칩사이즈 0.3-1mm로 매우 작으므로 빛을 집적화하기 쉽다.
- 고속응답 : 백열등의 on-off 스위칭 시간이 0.15초인데 비해 LED는 on-off 스위칭 시간이 10-9 -10-8초로 매우 짧다.
- 장수명 : 출력이 50%로 줄어드는 시간이 10만-100만 시간이다.
- 고효율 : Up to 55% 외부양자 효율이 매우 높다.
- 저전력 소자 : 방전 램프 대비 15% 소비전력으로 수십배로 더 높은 UV강도를 얻는다.
- Cold light : No Infrared radiation

3). UV LED의 핵심 문제점
UV LED가 기존의 램프 방식에 비하여 원하는 파장만 나오고, uv강도가 높은 장점이 있지만, 기술적으로 극복해야 하는 중요한 문제는 junction의 열 제거이다.

보통 LED에서 입력 electrical power 대비 UV 출력은 약 0.1-8%가 되고, 70%가 컨버터 손실, 20% 이상이 heat로 변환된다. 이에 따라 소자의 junction에서 발생되는 열을 어떻게 잘 방출시느냐가 가장 중요하다. 즉 junction에서 발생된 열을 잘 제거해야 칩의 온도 상승을 막을수 있고, 칩의 온도가 45도 이하로 낮게 유지 되어야 원래 설계된 대로 UV를 잘 방사하므로 열을 잘 방출하기 위한 소재의 선택, 방열 기구의 설계가 LED 설계에서 가장 중요하다.

Led는 고온이 되면 아래 그림처럼 에서 몇 가지 특성변화를 볼 수 있다.
칩 온도가 상승하면 밴드갭이 작아지기 때문에 방출파장이 길어짐을 관찰할 수 있다. 이러한 현상은 열에너지에 의한 캐리어의 산란손실과 활성층에서의 overflow 현상 때문이며 질화물 반도체보다는 InGaAlP 계 LED에서 심각하여 junction온도가 80도가 되면 출력이 50% 정도 감소되는 결과를 가져오기도 한다.

칩의 온도상승은 칩의 수명과 패키징 재료의 내구성에 영향을 미칠 뿐만 아니라, uv 방사효율을 급격히 떨어트리고, 수명을 단축시킨다.
한편 칩의 온도상승은 sub mount의 열전도성, 에폭시 레진의 내열성, 내자외성 등을 고려한 다각적인 패키징 설계가 필요하다.
칩의 방열이 충분치 않으면 LED 칩의 온도가 너무 높아져 칩 자체 혹은 패키징 수지가 열화하게 된다. 팩킹한 수지의 열화는 발광 효율의 저하와 칩의 단수명화를 직접적으로 초래하게 된다. LED의 가장 큰 특징인 장수명(長壽命)을 손해보지 않기 위해서는, 칩의 열을 외부로 방사시키는 것이 핵심이며, 각 메이커는 열 확산 제거에 심혈을 기울이고 있다..

열을 잘 제거하기 위해 플립칩 구조에서는 두꺼운 p형 금속을 이용하고 실리콘 서브마운트에 칩이 연결되어 있으므로 열을 잘 빼줄 수 있어 열저항 이 기존의 것보다 20배로 작은 15도/W가 된다.
플립칩의 경우 높은 빛의 추출 효율과 높은 전력인가, 낮은 열저항의 우수한 특성 덕분에 현재 조명용 백색 발광소자는 물론 파워 uv led 소자에 적용되고 있다.

4) 광추출효율 개선 기술(optical extraction efficiency)
LED 성능은 내부양자효율과 외부양자효율이 결합에 의해서 결정되는데, 향후 LED 응용시장의 확대에 따른 요구 성능을 만족시키기 위해서는 LED 자체의 내부양자효율 개선과 더불어 외부양자효율 개선이 필수적으로 요구 되고 있는 실정이다. 2000년 이후 LED의 외부양자효율을 향상시키기 위한 기술로서 사파이어기판 표면에 일정한 형태로 패터닝(Patterning)하는 식각방
법이 등장해 전반사되는 빛을 사파이어의 굴절률을 이용하여 광추출효율(Optical Extraction Efficiency)을 획기적으로 개선하였다.
2002년에 Nichia의 경우 20%, 미쯔비시 전선에서는 최대 40% 이상의 광추출효율 개선 효과를 보고하였다