LED의 어두운 비밀

목차

제 1 장 서 론
1.1 LED 전구로의 변화가 필요한 이유
1.1.1 LED 전구의 효율
1.1.2 LED의 역사
1.1.3 Well 이란?
1.2 질화물 LED
1.2.1 질화물 LED의 소개
1.2.2 LED의 드룹 현상

제 2 장 본 론
2.1 LED의 구성
2.2 DROOP 현상에 관한 이론 소개
2.2.1 누출 감소
2.2.2 HUMPHREYS‘S Theory
2.2.3 KRAMES'S Theory
2.3 Auger recombination
2.3.1 Jorg Hader's Theory
2.3.2 Chris van de walle's Theory
2.3.3 Polytechnic Institute's another Theory
2.4 Schubert's Well

제 3 장 결 론

본문내용

부과한 값이 일부 학술 논문에 제시된 값과 근본적으로 다르다고 지적한다. 이 논문에 있는 값의 적용은 Auger recombination의 규모에 대한 모든 측정치에 심층적인 영향을 미치게 될 것이다. 헤이더와 반 데 왈레의 결론들은 Droop현상에 대한 이론가들의 견해가 일치하지 못하고 있지 못하다는 점을 극명하게 드러내준다.
2.3.3 Polytechnic Institute's another Theory
뉴욕 트로이에 있는 렌슬레어 폴리텍 연구소의 한 그룹은(프레드 슈베르트 E. Fred Schubert가 이끄는) 또 다른 이론을 제시했다. 그의 팀은 삼성과 공동으로 연구하여 Droop현상이 양자우물로부터 너무 많은 전자가 새나가기 때문에 발생한다고 주장했다. 흥미롭게도 슈베르트의 팀은 루미레즈의 연구자들과 마찬가지로 빛을 질화물 구조에 퍼부은 뒤 그 구조가 반작용으로 방사하는 빛을 관찰하여 결론을 이끌어냈다. 그러나 슈베르트와 삼성은 전체 LED구조를 조사했으며, 빛을 쏟아 부어 얻은 결과와 전압이 가해졌을 때 발생하는 빛(정상적기능시와 마찬가지로)을 비교해 보았다. 예상했던 대로 소자에 전력을 가했을 때 Droop이 발생했다. 그러나 연구자들은 광 루미네슨스 데이터 상에서는 Droop을 나타내는 어떤 신호도 보지 못했다.
2.4 Schubert's Well
그 뒤 이들은 델 뉴어크(Del Newark)에 있는 장치 시뮬레이션 컨설턴트 기관인 NUSOD 연구소 출신 이론가 요아힘 피펙(Joachim Piprek)을 초청했다. 그는 컴퓨터모델을 사용하여 청색 LED의 작용을 시뮬레이션 해본 뒤 질화물에 특징적으로 나타나는 강력한 내부 장이 양자 우물 밖으로 전자를 새나가게 한다는 사실을 발견했다.
이제 슈베르트와 동료들은 전자 유출에 대한 자신들의 견해를 직접적으로 뒷받침할 증거를 얻었다. 그들은 LED와 모든 회로의 연결을 끊은 뒤 LED를 양자 우물만이 흡수할 수 있는 405nm 파장의 빛으로 가열했다. 연구자들은 전압이 다이오드를 가로지르는 것을 탐지해 냈다. 이는 담채가 우물을 빠져나간다는 사실을 암시하는 것으로서 루미레즈의 이론과는 상반된다. 슈베르트의 팀은 LED를 재 디자인하여 전자 방출을 통제하려고 노력해왔다. 활성영역의 물질들을 주의 깊게 선택함으로써(기존의 갈륨 질화물 배리어를 알루미늄 갈륨 인듐 질화물로 교체하여) 개개의 결정 층들이 만날 때마다 형성되었던 전하를 제거할 수 있었다. 그들은 이 같은 “분극 조화”가 지속적으로 Droop을 감소시켜 고 전류에서 전력 방출을 25％ 높인다고 말한다.
슈베르트는 우물에서 새나가는 전자들이 p-type 구역의 홀들과 재결합한다고 믿고 있다. 그가 이 재결합을 탐지해 낼 수 있다면 분명 그의 설명에 무게를 더해줄 것이다. 슈베르트는 말한다. “저희는 그 루미네슨스를 찾아보았지만 아직 발견하지 못했습니다.” 그래도 그는 놀라지 않는다. p-type 갈륨 질화물은 매우 비효율적인 빛 방출기이며 LED의 표면이 근처에 있기 때문이다. 윗면에서 접촉하여 표면 재결합이 일어날 수도 있는 것이다.
그러나 표준 LED구조를 수정하여 p-type 구역에서 전자를 탐지할 수도 있다. UCSB의 연구자들이 수행한 작업이 바로 이것이다. Steven DenBaars와 나카무라가 이끄는 이 팀은 p-type 구역을 추가적인 양자우물(주 LED의 색과 다른 색 빛을 방사하는)에 맞추는 작업을 했다. 2008년 가을 스위스 몽트뢰(Montreux)에서 열린 한 워크샵에서 이 그룹은 바로 이런 종류의 빛 방사를 탐지했다고 보고했다.
이 실험은 전자가 p-type 구역으로 흘러 들어간다는 사실을 입증하긴 했으나 그 전자들이 어디서 오는지는 말해주지 못한다. 그리고 전자 누출에 관한 슈베르트의 이론이 그 결과를 설명해 줄 수 있기는 하지만 다른 식으로 설명해낼 수 있는 여지도 충분히 있다. 우리는 Auger recombination이 지배적인 역할을 할 가능성조차 배제할 수 없다. p-type 구역으로 흘러들어가는 전자의 비율이 아직 측정되지 않았기 때문이다.
제 3 장 결 론(풀리지 않는 DROOP 현상)
각 이론마다 챔피언이 있다. 마르부르크 필리프스 대학교의 이론가들은 Droop의 주요 원인이 Auger recombination(주로 포논 보조형태)이라는 이론을 지지한다. 리치몬드에 있는 장치 모델링회사인 반도체 기술 연구소(Semiconductor Technology Research)도 Auger recombination을 지지한다. 반면, 버지니아 연방 대학의 Hadis Morkoc 그룹은 슈베르트의 전자유출(홀이 양자우물에 비효율적으로 주입되는 데서 기인하는 것으로 여겨지는) 이론을 지지한다.
혼란스러운가? 이 논쟁이 갑작스레 급격한 진보를 이뤄내고 있는 분야에서 기대할 수 있는 바로 그것이라는 점을 인식하게 될 것이다. 비록 Droop을 설명하는 이론에 대한 보편적인 동의를 이끌어내지는 못하고 있으나 우리는 그것에 대항할 입증된 무기들을 증대시키고 있다. 이 무기에는 홀의 주입을 증대시키는 디자인 뿐 아니라 슈베르트의 분극 조화 소자, 루미레즈의 넓은 양자우물구조 등이 있다. 아직 우리가 이들이 작용하는 방식에 대해 동의를 이끌어내지 못하고 있다는 점이 안타까울 따름이다.
LED산업은 진보할 것이다. LED는 이제 막 백열등 뿐 아니라 형광등도 대체하기시작한 상태다. 머지않아 백열등 필라멘트가 수십 기가와트를 불필요한 열로 바꾸기를 그치는 날이 올 것이다. 공장 굴뚝은 대기로 더 적은 이산화탄소를 방출하게 될 것이다. 그리고 우리는 오늘날 빈번히 그러듯 사다리를 타고 올라가 끊어진 전구를 교체할 필요도 없게 될 것이다. 그리고 우리가 LED 등 아래 이 잡지를 읽게 될 때 쯤 되면 아마도 이론가들은 위 실험 결과들에 대한 빈틈없는 설명을 해낼 것이다. 그러면 우리는 Droop을 일으키는 원인에 대한 도저히 해결되지 않는 의문의 답을 알게 될 것이다.
참고문헌
http://www.spectrum.ieee.org/semiconductors/optoelectronics/the-leds-dark-secret

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