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1

2008.10.29.

전 연 원

황 민

LED(Light Emitting Diode)LED(Light Emitting Diode) 필필주주 술술 동향동향

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2

LED 필1

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3

현현 추추 COCO2 2 출출 계계 경경 ,,

--향후향후 100100년년 이내에이내에 5.85.8도도 상승상승 -- 체체 생명체의생명체의 70% 70% 멸종멸종

-- 재앙재앙 국국 래래

--에 지에 지 약약((효 화효 화)) 가가 최 의최 의 건임건임

현 CO2 농

50년후 CO2 농

((출처출처::다큐다큐 ““ 편한편한 실실”” 엘엘 고어고어 미미 전전 ))

는는 600600만년만년 동안동안 단단 한한 COCO22 농농 300ppm 300ppm 한한 적적 없다없다.!.!

에 지에 지, , 환경환경(1)(1)

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4

2007년 아시아-태평양 정 회담 제 1 제: “ 난화”

21 , 미 제 1주적 러 , 전 아닌 “ 후” 다. 미 비 보고

-2004년 紙 폭 (한계 신문 4월 22 )

LEDLED는 , 조 , 태양전 등과 같

GEF(Green Energy Family) 활동 환 .

에 지에 지, , 환경환경(2)(2)

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5

원 image 조/ 원 특 특 징

열전

Incandescent lamp

스 필 트 + 공

• 15 lm/W, 1 khr

§ 1879년 스 에 슨

§ 저 한 비 다양한 해, 적 원 뿐만 아니 식

널

할 겐 프

Halogen lamp

스 필 트 +

할 겐 가스§ 20-30 lm/W

§ 열등에 비해 정한 , 수 ,

컴팩트 한 규격

전 프

Discharge lamp

전극 전 전 +

충전물 + 안정

(전 제한/점등)

§150 lm/W (고압나트 lamp]

§ 50 lm/W [수lamp]

§ 극히 높 효

§ 극히 수

§ 가 경제적 원 : 채 현 가능한 조 가 경제 높

( 특징 고압 나트 프 경 )

형 등 프

Fluorescent lamp

저압 전 프 +

형 체 물

§ 80 lm/W, 10 khr

§ 1938년 최초 개

§ 열 프 비 7∼8 , 수 10

§ 적 열 생, 저전

§ 드러 감과 다양한 조 가능

다 드

LED

체 다드 + 형 체

§ 100 lm/W

( 효 300 lm/W

가능)

§ 규격, 내 충격

§ 높 효 , 수 (최 10만 시간)

§ 접조 능

§ free

자료출처: http://www.osram.co.kr/, http://wooree.co.kr

실제, 빛 향 문에 형 등 80lm/W LED 60lm/W가 같 수

에 지에 지, , 환경환경(3)(3)

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6

LED 주 야 시 특2

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7

Current Markets New markets Expected markets

Cellular

Notebook

Navigation

LCD TV

Display

Signage

Flash

Store lighting

Spectacle lighting

General lighting

Traffic signal

Instrument backlight

Car interior

Head light

LED LED 용용 분야들분야들

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8

q InxGa1-xN : (UV~Blue~Green) §Direct bandgap emission over entire visible spectrum§No lattice-matched substrate(dislocations)

q (AlxGa1-x)0.5In0.5P : (Red)§Direct bandgap from 650 to ~ 560nm§Lattice-matched to GaAs (absorbing)

LED LED 재료들재료들

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9

LED LED 난이도난이도, , 색색 LEDLED를를 만드는만드는 법법

Blue LED + Yellow Phosphor

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10

1879년 열등

New Digital Lighting !!!에 지/환경 최우 차 원

2012년 LED 조명1938년 등

Channel letter Transport interior desk lamp Decoration General lighting

Halogen 체30~35 lm/W

등 체 시작70~120 lm/W

실외 조명까지 확150 lm/W 이상

20062006 20072007 20082008 20092009 20102010 20112011 20122012

General LightingGeneral Lighting

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11

미래의 조명은 LED를 이용한 Color의 조명에 의한 다양한 분위기 연출

조명조명

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12

• 실효 전

전(lm)

효(%)

실효전(lm)

× =

l 스에 빛흡수 문에, 실효전 전 보다

아 다

HID 램프 LED의 등 구 효 비교

Floor Light

Table StandFloor Stand

Chandelier Ceiling LightPendant Light

Down LightSpot Light

Bracket Light

Foot Light

GardenLight

실효실효 속속

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13

LED Backlight Unit CCFL (EEFL) Backlight Unit

• 존 CCFL보다 1.2 전

• 가격 CCFL에 비해 1.5 고가

• Color Rendering 뛰어남

• CCFL(EEFL)에 들어 는 수 없

• High Voltage Invertor 필

• Backlight Unit 필 제거 가능

(RGB LED 각 동할 경 )

점 단점

LCD Back lightLCD Back light

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14

[Display 화면] [기존 BLU] [Local dimming BLU]

LED 디스플레이 분야에서 소비전력을 줄일 수

있는 기술은 ?

- 항상 최대로 켜져 있음: 소비 전력 196W

- 필요한 부분만 밝힘: 소비 전력 162W

Local DimmingLocal Dimming

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15

Lumileds pocket ProjectorLumileds LED 탑

Zeiss Pocket ProjectorOsram LED 탑

LED (R/G/B)

LED Projection System

Color Wheel

UHP Lamp + Color wheel

DMD

DMD

DLP Projection System

LED TV/ProjectorLED TV/Projector

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16

▷단수 : 5000~8000Hr

▷ 형화 한계

▷ 현 (NTSC 70%)

▷ 비전 /Mobile 한계

▷NTSC 105%

GGRR

BB

q PTV / Data Pj

q Sony, SEC, 미츠비시,

시 , LG, Panasonic ..

q PTV / Pj 개

q Sony, SEC, 미츠비시….

현 술 신 술

Lamp/CCFL LED

`

Projector

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17

자동차용자동차용 LEDLED

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18

개 : 해 균 제거하 하여 Hg lamp 하는 균시스

RoHs 만족시키는 deep UV LED 하여 sterilizer 개 함.

** 존 Hg lamp 하는 균시 체, 신규시 창출

Sterilizer/PurificationSterilizer/Purification

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19

원

- 식물 특정 파 역 함.

파 현황

- Red(90%) + Blue(10%) : Red 파 식물 합 하여 촉 시킴.Blue 파 조합시키 높 에 비해 넓고 크게 만듬.

- Green : 녹 엽 에 흡수가 적어, 합 억제 고 가늘고 게 .- Blue : 억제 고 넓고 크게

Red(90%) + Blue(10%) Green Blue

식 재식 재

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20

원

- 닷물 빛 흡수 청 에 가 낮- 50m 정 물 에 는 아 Blue LED 탈할 드 프가 비슷한 보- 징어가가 식하는 빛 파 역 Blue 역 .

존 원 비 비

Blue LED Blue LED 집어등집어등

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21

시장시장 추이추이

야야 別別

패키패키 別別

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22

야야 別別

시장시장 분할분할

제제 別別

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23

시장시장 흐름흐름

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24

3 Technical Issue

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25

화합화합 도체도체 사업사업 역역 분류분류

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26

Epitaxy + Process(공정)Epitaxy + Process(공정)

Lighting,Display,

Backlight

MOCVDEpi Wafer 소자 Process

전자소자 Process

LD

LED

HEMT

HBT

차세대Internet통신

디스크용 LD

GSMCDMA

IMT-2000

Al, Ga, In As, P, N, Sb

EPITAXIALLAYERS

OutdoorDisplay

Wafer ( 투입기판)Wafer ( 투입기판)

Substrates

MOCVD technology

Technology ofhigh purity chemical process

Material characterization and device design technology

E p i t a x y

응용분야응용분야

화합화합 도체도체 분류분류

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27

Ecological ChainEcological Chain

술적술적 난난 시시 규규

존존 체체

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28

LED(Light Emitting Diode)LED(Light Emitting Diode)

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29

pkgphQDophoWPEewhitee TWlmWlm hhhehe ´´´´= )()/()/( ..

elexiWPE hhhh ´´=Notation:ewhite: luminous efficiencyhWPE: wall plug efficiency of chipeph: luminous efficacyhQD: quantum deficithph: phosphor efficiencyhpkg: package losshi: internal quantum efficiencyhex: extraction efficiencyhel: electrical efficiency

Notation:ewhite: luminous efficiencyhWPE: wall plug efficiency of chipeph: luminous efficacyhQD: quantum deficithph: phosphor efficiencyhpkg: package losshi: internal quantum efficiencyhex: extraction efficiencyhel: electrical efficiency

White LED:White LED:

LED Chip:LED Chip:

ü 높은 광출력(Pout)

(1) 높은 내부 양자 효율(IQE) : Epi

(2) 높은 광추출 효율(LEE) : Chip

ü 낮은 구동 전압(Vf) : Epi/Chip

ü 높은 내정전 전압(ESD) : Epi/Chip

주요주요 라미라미

** 현 , 시스 효 57%

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30

■ MQW 개 (Quality 향 )

■ P-Contact 층 Doping개

■ P-GaN Hall 농 개

■ EBL Layer 개

■ Morphology 개

n-GaN

u-GaN

퍼층

p-GaN

p-AlGaN

p-GaN

활 층

Sapphire PSS

■ buffer층 개

에피탁시에피탁시 이슈이슈(1)(1)

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31

ü Dislocation density* 108 – 1010 Cm-2

ü MQW design

ü Piezoelectric field* ~ 106 V/Cm

ü Carrier overflow

Dislocation

Electron overflow

Hole overflow

Piezo. field

* MQW : Multi Quantum Well

에피탁시에피탁시 이슈이슈(2)(2)--내부양자효내부양자효

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32

리리 한계한계

250 300 350 400 450 500

0.1

1

10

Ex

tern

al Q

uan

tum

Eff

cie

ncy

(%

)

Wavelength (nm)

Yale NTT Nichia Lumileds SET/lumileds Cree Mitsubishi A.Khan Meijo Uni. Sandia Texas Tech. U.Tokusima Boston Uni. Northwestern Kansas Uni. RIKEN

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33

Polar

( 극)

Semi-polar

( 극)

Non-polar

(무 극)

<무 극 에피 점>

• 극 양 효 가

• 고농 p-type 가능 (~ 7x1018/cm3)

• 편 빔 출

à LCD BLU에 효빔 40~70% 가

• 출 에 파 화 없

결정격 에 GaN 극 포

Ø 무 극 또는 극 판 한 에피 특

스플 녹 체 저핵심 술 함.

NonNon--Polar Polar 의의 사용사용(1)(1)

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34

• 안정한 결정 해 에피 저하

- 3차원 에피 형

- Stacking fault 생

- Dislocation 다 생

• 해결 한 현 술적 접근

- 조건 튜닝 (고 )

- ELOG 등, 스크 한 수평

- Textured 한 수평

Rough surface of non polar GaN

Ø 현 술 문제 해결 안

술 개 시, 단히 큰 파 효과!!

NonNon--Polar Polar 의의 사용사용(2)(2)

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35

FWHM of X-ray rocking curve

결정 (arcsec)

KETI(2008) 420

Cambridge Univ.(2008)

540

National Chiao Tung Univ.(2007)

665

UCSB(2007) 670

National Taiwan Univ.(2008)

679

Virginia commonwealth

Univ.(2006)

1044

a-plane GaN growth by MOCVD on r-plane sapphire

비

KETI

Cambridge Univ.

AFM

현미경 AFM: RMS 0.68nmAFM: RMS 0.68nm

Tohoku Univ. Yale Univ. 전 ,경희샘플 한 호

NonNon--Polar Polar 장장 결과결과: KETI: KETI

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36

추출효추출효

PSS, PPSS, P--GaN roughening, Photonic CrystalGaN roughening, Photonic Crystal……..

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37

Patterned Sapphire SubstratePatterned Sapphire Substrate

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38

Metal-bonding type

n-GaN

p-GaN

Sapphire

Conducting Si or mtetal

n-GaN

(Thick optical window layer)

Flip-chip bonding type

Conventional LED

The bonding types for high-power LEDs

Chip Issue: Large Area ChipChip Issue: Large Area Chip

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39

P or N GaN Surface RoughnessP or N GaN Surface Roughness

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40

주요 영향

- 소자 발광 효율 (WPE)

- 소자 발열

- 구동 회로 설계

20mA

Vf(V)

향향 구동구동 압압(Vf)(Vf)-- Electrical EfficiencyElectrical Efficiency

ü N & P contact 저항

ü Sheet resistance of

N-GaN & P-GaN

ü Electron and hole

quantum barrier

N-contact &series 저항

N-GaN 저항

Quantum barriers

P-GaN 저항

P-contact &Series 저항

주 슈

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41

N & P metal 저항

1. Optimize metal layers

2. Optimize metal annealing

3. Optimize contact layer

Sheet resistance of N & P-gaN

1. High conductivity (이동도, 농도)

2. Thickness control

3. Optimize device structure

Electron & hole quantum barrier

1. Quantum barrier doping

2. Quantum barrier thickness

3. Minimize piezo-field

Vf Vf 개개 사항사항-- Electrical EfficiencyElectrical Efficiency

üWorld’s best R&D 수준 : 2.8 – 2.9V @ 20mA (NICHIA)

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42

내 압내 압(ESD)(ESD)-- 신신

내정전압(Electrostatic Discharge (ESD))

정의 : 인위적 정전기 발생 장비를 이용한 발광소자 최대 정전압 측정.

ü Crystal quality

ü Field spreading

ü Protection device

DefectsField crowding

Al2O3

ESD damage 흔적

주 슈

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43

ü Crystal Quality

1. 성장 조건 최적화

2. 동질 기판

(freestanding GaN)

3. Thick GaN template

ü Field spreading

1. Vertical structure

2. Improve n-GaN

3. Improve P-GaN

4. Device metal layout

) freestanding GaN ) Vertical device

ü Protection Device

) reverse Zener diode

ESD

1. Reverse

Si-Zener diode

2. Integrated

a reverse diode

3. Shunt capacitor

ESD ESD 개개 사항사항-- 신신

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44

색색 LEDLED를를 만드는만드는 법법

1. Blue LED + Yellow 1. Blue LED + Yellow 형 체형 체 2. UV LED + R,G,B 2. UV LED + R,G,B 형 체형 체 3. Red + Green + Blue 3 chip LED3. Red + Green + Blue 3 chip LED

에…..

4. Monolithic White LED 10년 후에는 가능할 듯…..

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45

LED Technology InnovationLED Technology Innovation

료제공: 전

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46

One Chip, One bulbOne Chip, One bulb

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47

Big 5Big 5업체간업체간 호호 특허특허 공공 (Cross License)(Cross License)

특허특허 IssueIssue

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48

PKG

Phosphor

Chip

Lens

■ Chip 조, 전극

Lumileds (US 6,486,499B1 2002): Large area LED

pattern 전극

UC Berkeley (US 6,071,795 1998): laser 한

■ 활 역 조

1. Mitsubishi Cable (JP1999-354839 1999)

2. RIKEN (JP3415068 1999)

3. Nichia Chemical (JP2002-84045 2002)

4. Showa Denko (US5,886,367 1999)

■ Package

Lumileds (US6,274,924B1 2001, US6,590,235 2003):

Metal pkg.+Silicon encapsulant

■ 형 체 료

Nichia (US 5,998,925): YAG 형 체

■ 철 판 조

1. Mitsubishi Cable (JP2000-331937)

■ 충층 조 판 료

1. Toyoda Gosei (JP 1991-335255)

2. Nagoya Univ. (US4,855,249)

주요주요 특허특허

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49

감 사 합 니 다