사파이어 라이트가이드 층 두께 최적화로 UV-LED 광추출 효율 향상

요약

소재 가공성과 격자 부정합을 고려해 사파이어를 자외선-C 발광다이오드(UV-C LED) 기판으로 흔히 사용하지만, 높은 굴절률로 인해 전반사(TIR)가 발생해 일부 빛이 흡수되어 광추출 효율(LEE)이 저하됩니다. 본 연구에서는 1차 광학 설계를 통해 사파이어 기판 라이트가이드 층 두께를 최적화하는 방법을 제안하며, 광학 시뮬레이션 소프트웨어 Ansys SPEOS로 광추출 효율을 시뮬레이션 및 평가했습니다. 라이트가이드 층 두께 150~700μm인 AlGaN UV-C LED 웨이퍼를 사용했습니다. 중심 파장 275nm에서 시뮬레이션을 진행해 라이트가이드 층 최적 두께 설계를 결정했습니다. 실험 결과 초기 라이트가이드 층 두께 150μm에서 기준 출력 13.53mW, 두께를 600μm로 증가시켰을 때 출력 20.58mW로 나타났습니다. 라이트가이드 층 두께 최적화를 통해 LEE를 1.52배 향상시킬 수 있었습니다. 본 연구는 1차 광학 설계를 통한 사파이어 기판 라이트가이드 층 두께 최적화 방법을 제안하며, AlGaN UV-C LED 웨이퍼에 라이트가이드 층 두께 150~700μm를 적용했습니다. 최종적으로 실험 결과 라이트가이드 층 두께 최적화를 통해 LEE를 1.52배 향상시킬 수 있음을 입증했습니다.

서론

COVID-19 팬데믹으로 전 세계 사망률이 증가했습니다. 기존 자외선(UV)-C 수은램프로 살균 가능하지만, 수은 함유, 분산된 스펙트럼 파장, 부피 크기, 짧은 수명이 적용성을 제한합니다. UV-C LED는 환경친화적, 무수은, 무오염입니다. 살균 파장이 260~280nm 사이에 집중되어 있습니다. 광원이 작고 수명이 길어 점차 UV-C 수은램프를 대체해 주요 살균 광원이 되고 있습니다. UV 광은 세균 DNA나 RNA 구조를 파괴해 표면, 공기, 물 오염 제거에 널리 사용됩니다. 260~280nm UV-C 파장대에서 살균 효과가 가장 커 미생물 세포 재생을 방지해 소독 및 살균을 달성합니다[1,2,3]. UV-C LED가 의료 광선요법, 물·식품·의약품 소독 살균에 널리 사용됨이 문헌에 기록되어 있습니다[4,5,6,7]. 기존 수은 UV램프는 긴 예열시간, 짧은 수명, 폭발 위험, 환경오염 단점이 있으나 UV-C LED는 이 모든 면에서 우수합니다[8,9,10]. UV-C 파장 범위는 100~280nm, UV-C LED 파장은 260~280nm 사이입니다. LED 방출 파장이 더 집중되어 살균 효율과 장기 신뢰성도 수은 UV램프보다 우수합니다[11,12]. 그러나 UV-C LED의 낮은 외부 양자 효율(EQE)과 광추출 효율(LEE)은 개선되어야 합니다. AlGaN 기반 UV-C LED의 낮은 EQE와 LEE는 전자 누설과 전반사(TIR)에 기인하며, 이로 인해 광자가 사파이어 기판과 p-GaN 콘택트 층 물질에 흡수됩니다[13,14,15].

LEE 개선 접근법으로 나노패턴 사파이어 기판을 UV-C LED 제조 기판으로 사용하는 방법이 있습니다. Wen Cheng Ke 등은 미세 및 나노 스케일 혼합 패턴 사파이어 기판에서 InGaN 기반 LED 성장을 제안해 LED가 마이크로패턴 사파이어 기판에 나노홀을 내장해 광전 특성을 개선했습니다[16]. Phillip Manley 등은 심자외선(DUV) LED에 나노패턴 사파이어 기판을 사용해 이러한 나노패턴 구조가 사파이어 LEE에 미치는 영향을 검증했습니다[17].

Shao Hua Huang 등은 플립칩 구조 습식 식각으로 사파이어 기판을 수정해 경사 텍스처를 부여해 질화물 LED LEE를 개선했습니다[18]. Dong Yeong Kim은 Al 코팅 경사 장벽을 가진 n형 GaN 마이크로미러를 사이드월 방출 강화 DUV LED로 제안해 횡자기 편광 LEE를 개선했습니다[19].

일부 학자들은 2차 렌즈 설계를 통해 광경로를 변경해 LEE를 개선할 것을 제안했습니다. 예를 들어 Renli Liang 등은 리소그래피와 습식 식각 기술로 나노렌즈 어레이를 사용해 DUV LED LEE를 향상시켰습니다. Bin Xie 등은 자유형 렌즈와 휘도 향상 필름으로 직접 조명 LED 백라이트 전반적 성능을 향상시켰습니다[20,21]. UV-C LED와 유기 물질 흡수 관련 특성이 패키징 소재 선택에 영향을 미칩니다. Nagasawa와 Hirano는 AlGaN 기판에서 삼불화메틸 말단 구조를 가진 p-부틸 비닐 에테르를 봉지 재료로 사용해 LEE를 개선할 것을 제안했습니다[22]. 장기 DUV 조사 하에서 유기 물질은 심각한 분자 해리와 파괴를 겪습니다. 더 효율적이고 신뢰성 있는 광추출을 위해 UV 광에 높은 내성을 가진 물질이나 무기 물질이 필요합니다. 패키지 기밀성도 패키징 능력 평가 핵심 요소입니다[23,24]. 높은 투과율과 장기 신뢰성을 모두 고려해 석영 유리가 UV LED 패키징 소재로 자주 사용됩니다. 캐비티가 비어 있으면 높은 계면 반사로 LEE가 감소하며, 낮은 굴절률 액체나 유기 접착제로 채워 LEE를 개선할 수 있습니다. 이 점에서 Chieh-Yu Kang은 새로운 DUV LED 액체 패키징 구조로 LEE 개선을 달성할 것을 제안했습니다. Chien Chun Lu는 석영 기반 밀봉 패키지 UV-C LED의 더 높고 신뢰성 있는 LEE를 입증했습니다[25,26].

SiO₂ 나노입자 도핑 폴리디메틸실록산(PDMS) 유체 등 다양한 패키징 소재로 UV LED LEE를 개선할 수 있습니다. Zhi Ting Ye는 나노입자 도핑 PDMS 유체가 AlGaN 기반 DUV LED 광학 성능을 향상시킴을 제안했습니다[27]. Yang Peng은 알루미늄 질화물 기판에서 플루오로폴리머 도핑 봉지 재료로 칩온보드 봉지 구조 LEE를 향상시켰습니다[28]. Joosun Yun과 Hideki Hirayama는 6가지 플립칩 구조 비교 연구로 AlGaN 메타표면을 제안해 LEE를 개선했습니다[29].

광자 관리가 광 추출과 수확에 효율적임이 입증되어 광검출기, 광전화학전지[30,31,32,33], 태양전지[34,35], 디스플레이 기술 마이크로 LED[36] 등 다양한 광전자 소자에 널리 사용됩니다.

UV-C LED 개선 연구에서 아직 라이트가이드 층 두께가 LEE에 미치는 영향을 조사하지 않았습니다. 사파이어를 라이트가이드 층 소재로 사용할 때 일반적인 청색 파장대 450nm에서는 흡수율이 상대적으로 낮지만 UV-C LED 260~280nm 파장대에서는 상대적으로 높아 두께가 LEE에 미치는 영향을 보여줍니다. 따라서 본 논문에서는 UV-C LED LEE를 위한 라이트가이드 층 최적 두께 값을 제안합니다.

실험 방법

라이트가이드 층 내 TIR 현상

TIR은 빛이 다른 매질에 들어갈 때 굴절률 변화로 인한 광학 현상입니다. 입사각이 임계각보다 작으면 빛은 반사부와 굴절부로 나뉩니다. 반대로 입사각이 임계각보다 크면 모든 빛이 굴절 없이 내부 전반사됩니다. 내부 매질 굴절률을 n₁, 외부 매질 굴절률을 n₂라 할 때, 임계각 θ_c는 식 (1)로 계산할 수 있습니다. n₁=1.788일 때 TIR 임계각 θ_c는 34.136°입니다(그림 1). 빨간 삼각뿔은 라이트가이드 층을 투과해 나갈 수 있는 비전반사 영역이고, 나머지 청색 영역은 TIR 영역으로 빛이 반사되며 물질에 흡수돼 LEE를 감소시킵니다.

라이트가이드 층 길이 L과 폭 W가 고정되면 라이트가이드 층 두께 H_LG가 TIR 영역에 영향을 줍니다. 그림 2와 같이 빛이 발광층에서 라이트가이드 층으로 나가므로 주황색 영역에서는 TIR 현상이 발생하지 않습니다. 입사각이 이 영역을 초과하면 그림 2 청색 영역에서 TIR이 발생합니다. 이 영역 폭을 T_W로 정의하면 식 (2)와 같이 표현됩니다.

T_W = tan(sin⁻¹(n₂/n₁)) × H_LG

UV-C LED LEE 향상을 위한 라이트가이드 층 두께 시뮬레이션 및 최적화

SolidWorks 3D 설계 소프트웨어와 Ansys SPEOS 광학 시뮬레이션 소프트웨어로 광학 시스템을 구축하고 1차 광학 설계를 사용해 라이트가이드 층 두께가 LEE에 미치는 영향을 시뮬레이션 및 최적화했습니다. Al₂O₃를 라이트가이드 층 소재로 사용해 두께를 수정함으로써 TIR로 인한 흡수 문제를 줄였습니다.

UV-C LED 칩 파장은 275nm, 길이 L 1.524mm, 폭 W 1.524mm였습니다(그림 3).

라이트가이드 층은 Al₂O₃로 구성되며 굴절률 N_LGL은 1.782, 라이트가이드 층 두께(H_LG) 간격은 150~700μm였습니다. 발광층(LEL) 두께 H_LE는 1.5μm, 상부 표면은 발광면, 하부 표면은 부분 흡수 및 부분 반사층, UV-C LED 전극 두께 H_pd는 1.5μm로 소재를 부분 흡수 및 부분 반사로 설정했습니다. 그림 3a는 UV-C LED 칩 구조, 3b는 칩 시뮬레이션 단순화 파라미터 다이어그램입니다. 파라미터 설정은 표 1에 나열되어 있습니다.

그림 4a는 UV-C LED 3차원 구조 개략도, 4b는 시뮬레이션 발광면 광추적 개략도입니다.

본 연구는 150~700μm 라이트가이드 두께가 LEE에 미치는 영향을 분석했습니다. 시뮬레이션 입력 복사 플럭스는 1W였으며, 결과는 그림 5에 제시되었습니다. 라이트가이드 두께 150μm에서 상대 복사 플럭스 0.41W였고, 두께 증가에 따라 LEE가 차례로 증가했습니다. 600μm 두께에서 복사 플럭스 0.62W로 1.512배 증가했습니다. 시뮬레이션 결과에 따르면 두께를 더 증가시키면 LEE가 포화에 가까워져 더 이상 증가하지 않습니다. 700μm 두께에서 효율은 600μm 대비 2.2%만 높았습니다(그림 5).

표 2는 시뮬레이션 입력 복사 플럭스 1W일 때 상대 복사 플럭스 출력과 배율을 보여줍니다. 600μm 두께 라이트가이드 층이 최적 LEE, 배율, 가공 안정성을 달성했습니다. 그러나 700μm에서는 가공 및 절단 어려움으로 수율 감소가 발생합니다.

나노패턴 사파이어 기판 법과 비교해 본 연구가 제안하는 라이트가이드 층 두께 최적화 방법은 식각 및 엠보싱 공정이 필요 없다는 장점이 있습니다.

결과 및 논의

그림 6은 다양한 라이트가이드 층 두께(H_LG)를 가진 UV-C LED 시제품입니다. 그림 6a는 H_LG 150μm로 업계에서 흔히 사용하는 두께 파라미터로 본 실험 기준 측정이었습니다. 그림 6e는 H_LG 600μm로 LEE 향상 최적 두께입니다. 산업 제조 공정에서 라이트가이드 층 두께 증가는 절단 어려움과 분할 문제를 야기합니다. 라이트가이드 층 두께 600μm일 때 업계 가공 한계 두께에 도달했습니다.

표 3은 다양한 라이트가이드 층 두께(H_LG)별 상대 복사 플럭스를 나열합니다. H_LG 600μm에서 복사 플럭스가 150μm 대비 1.52배 높았습니다. 그림 7은 다양한 라이트가이드 층 두께(150~700μm)에 따른 UV-C LED 시제품 시뮬레이션 및 실측 LEE 증가 추이를 보여줍니다. H_LG 700μm에서 증가율이 더 이상 뚜렷하지 않고 포화에 접근했습니다. 시뮬레이션 결과가 실제 시편 테스트와 유사했습니다.

표 4는 다양한 라이트가이드 층 두께에서 시뮬레이션된 UV-C LED LEE 영향을 상세히 보여줍니다. 라이트가이드 두께 150μm에서 상대 복사 플럭스 13.53mW였고, 두께 증가에 따라 LEE가 차례로 증가했습니다. 600μm 두께에서 복사 플럭스 20.58mW로 1.521배 증가했습니다. 시뮬레이션과 측정 차이 비교 결과 실제 시편 테스트와 유사했습니다.

결론

본 논문에서는 Al₂O₃ 소재를 라이트가이드 층으로 사용하는 1차 광학 설계를 제안해 TIR로 인한 흡수를 줄이고 UV-C LED LEE를 최적화했습니다. SPEOS 광학 시뮬레이션 소프트웨어로 다양한 두께 라이트가이드 층이 UV-C LED LEE에 미치는 영향을 시뮬레이션 및 분석했습니다. 표준 층 두께 150μm 대비 최적 두께 600μm에서 LEE가 1.52배 증가했습니다. 이 개선된 UV-C LED LEE는 살균 시스템 및 기타 미래 응용 분야에서 UV-C LED 활용에 유익합니다.