LED 효율성을 향상시키는 광결정
(LEDs for high-efficiency solid-state lighting)
산타 바바라 소재의 캘리포니아 대학(University of California, Santa Barbara)의 연구진은 광결정을 삽입시켜서 LED의 효율을 향상시켰다.
고효율 LED는 전기에너지를 빛으로 변환시킬 수 있는 효율이 높아서 차세대 발광소자로 인정받고 있다. 이러한 고효율 LED는 GaN 반도체의 개발로 더욱 빛을 발하고 있다. 광결정(photonic crystals)에 관한 최근의 연구결과들은 이러한 LED의 효율성을 한층 더 높일 것으로 기대되고 있다.
이번 연구진은 이러한 광결정을 통해서 높은 효율성을 가진 광 소자를 만들 수 있는 기술을 개발했다. 이번 연구진은 그동안 여러 기술적 한계로 어려움을 겪고 있었는데, 3차원 광결정에 대한 새로운 디자인을 도입해서 LED의 효율성을 한층 더 향상시킬 수 있는 계기를 마련하였다.
광추출을 위한 더 새로운 디자인은 광결정을 기반으로 한다. 초기에, 광결정은 고효율 광원에 도달하기 위한 방법으로 제안되었다. 전방향성(omnidirectional) 3차원 포토닉스 밴드갭(photonic band gap, PBG)에 의해서 발광이 제어되는 초기 개념은 실용성에서의 문제 때문에 제한적인 성공을 가졌지만, 2차원-광결정 사용을 사용해서 어느 정도 문제를 해결할 수 있었다. 2차원 광결정은 LED 구조 내에 트랩된 광을 위한 표면 회절 소자로서 많이 사용되었다. 그러나 광결정 사용에 의한 LED의 추출 효율(extraction efficiency)을 향상시키기 위해서는 LED 속의 유도 광학 모드 간의 상호작용을 최적화시키는 구조 설계가 필요했다.
Journal of Physics D: Applied Physics에 제출된 최근 연구에서, 다음과 같은 3 가지 방법이 추출 효율을 향상시킨다고 제안되었다: AlGaN 광 구속 층(optical confining layer)의 도입, 박막 LED의 사용, 삽입된 광결정의 사용. 후자의 접근방법에서, 광 모드와 삽입된 광결정 사이의 더 높은 상호작용은 이러한 장치의 단일 추출 효율을 향상시켰다.
3 가지 서로 다른 접근방법의 조사 및 최적화를 위한 광결정 추출 변수의 실험적인 평가하기 위해서 고해상도 각-분해 측정 방법이 사용되었는데, 이것은 이론적 모델을 확증하고 LED 흡수 및 추출 현상 사이의 관계를 정량화하는데 필수적인 방법이었다.
이 연구는 산타 바바라 소재의 캘리포니아 대학의 연구진에 의해서 수행되었고 UCSB, 미 에너지부의 에너지 프론티어 연구센터(Energy Frontier Research Center), 국방부 과학 사무소(Office of Science), 기초 에너지 과학국(Office of Basic Energy Sciences)에 의해서 자금이 지원되었다.
그림 1. LED 속에 삽입된 광결정의 SEM 사진.
그림 2. 연구진들.
LEDs for high-efficiency solid-state lighting
High-efficiency LEDs are considered the best choice for future lighting due to their remarkable efficiency in transforming electricity into light. High-efficiency LEDs have only recently been demonstrated thanks to improvements in semiconducting GaN quality leading to better internal quantum efficiency, and to the implementation of high-efficiency light extraction concepts. The latter are made necessary by the fact that light is normally trapped inside the semiconductor by total internal reflection when it attempts to escape the LED. Recent advances in photonic crystals (PhCs) show that they could become the best technique to yield high-efficiency LEDs.
To obtain high light extraction in LEDs, a number of schemes have been investigated, such as the use of patterned substrates, or shaped, flip-chip, and thin-film rough-surface LEDs. While these schemes can offer high extraction efficiency, they provide little control over the direction of the light emission in the device.
Newer designs for light extraction rely on PhCs. From the beginning, PhCs have been suggested as a way to achieve high-efficiency light sources. While the early concept of controlling light emission by an omnidirectional 3D photonic band gap (PBG) has had limited success due to practical difficulties, such as achieving highly ordered 3D-PhCs, a more successful approach has been based on the use of 2D-PhCs, most often used as surface diffractive elements for the light trapped within the LED structure.
Claude Weisbuch and Elison Matioli
The enhancement of the extraction efficiency in LEDs through the use of PhCs, however, requires a structure design that optimizes their interaction with the guided optical modes in the LED.
In a recent study published in Journal of Physics D: Applied Physics, three approaches are described to increase this interaction: introduction of an AlGaN optical confining layer, use of thin-film LEDs and use of embedded PhCs. In the latter approach, the higher interaction between optical modes and the embedded PhCs yielded close to unity extraction efficiency for such devices.
The investigation and optimization of these three different approaches made use of high-resolution angle-resolved measurements to experimentally determine the PhC extraction parameters, which was an essential tool for corroborating the theoretical models and quantifying the competition between absorption and extraction phenomena in LEDs.
About the author
The work was performed at University of California, Santa Barbara and partially supported by the 'Center for Energy Efficient Materials' at UCSB, an Energy Frontier Research Center funded by the US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences under Award Number DESC0001009. Dr Matioli is a post-doctoral researcher in Professor Weisbuch's group, in the Materials Department at University of California, Santa Barbara.
