살균이나 오염물질의 분해 특성을 갖는 에너지의 기능성 광자(빛의 입자) 및 광촉매를 이용 가능
생활용품이나 치료 및 진단 목적의 생명과학 응용 기기 등에 다양하게 적용 가능
단순한 광촉매 결합이 아닌 광원일체의 광집적도 및 지향각 관련 다양한 특허를 활용한 첨단 기술
**SETi: 미국의 단파장 자외선(Deep UV)전문기업
바이오레즈(violeds) 는 인류에게 안전하고 깨끗한 환경을 선사합니다.
violeds 기술의 우수성
violeds 기술은 차세대 UV 시장을 주도하는 혁신적인 기술입니다.
violeds 기술 응용 분야
violeds Technology는 살균, 탈취, 경화, 포충 등 다양한 분야에 응용이 가능합니다.
수직형 LED 칩 (Vertical LED chip) 이란?
전극을 수직 구조로 배치한 수직형(Vertical) LED 칩은 전극을 수평 배치한 구조인 기존의 수평형(lateral) LED 칩에 비해 고전류에서 우수한 장점을 보이는 제품입니다. 광효율, 고출력, 작동전압하강, 열특성의 면에서 우수한 다양한 장점을 갖고 있습니다.
이 LED칩은
전기적 , 열적 도전체를 이용한 2차 기판의 접착
1차 기판의 분리
전극의 형성과 chip 분리
의 공정으로 만들어 지고 우리 회사는 세계 최고의 기술력을 갖추고 있습니다. 주로 적용되는 제품은 거리 및 실내 조명, 플래쉬, 자동차 전조등, 신호등 입니다.
Vertical LED
Lateral LED
수직형 LED의 장점
구조적 광손실 개선
LED 칩 내부의 광추출은 표면 방출이 약 8%, 기판이 약 20%, 칩 내부에서 가이드 되는 양이 약 72% 정도가 되므로 사파이어 기판을 제거하여 소자를 형성하므로 기판으로 나가는 약 20% 빛의 손실을 개선할 수가 있습니다.
열특성 개선
LED의 큰 문제점 중의 하나인 열 문제는 LED의 신뢰성 저하에 큰 영향을 주는데, 열전도성이 나쁜 사파이어 기판을 제거하고 열전도도가 좋은 금속 기판을 접합하여 LED 열 문제도 개선됩니다. 또한 긴수명을 보장하게 됩니다.
전기적 장점
수평형 LED 칩은 p-GaN의 낮은 전기 전도 특성으로 전류 집중 현상 문제가 크지만, 이에 비해 수직형 LED 칩은 p-GaN 전면에 부착되는 반사 금속에 의해 균일한 전류 퍼짐 및 발광 특성을 나타냅니다. 같은 전류에서도 약 20% 정도 우수한 방사속(radiant flux)을 보입니다.
Violeds (바이오레즈)서울바이오시스와 SETi사가 공동 개발한 UV LED 청정기술로 물, 공기, 표면 등의 살균 및 정화, 탈취를 위한 응용제품에 활용 가능합니다. 생활용품이나 치료 및 진단 목적의 생명과학 응용기기 등에도 다양하게 적용 가능하며, 단순한 광촉매 결합이 아닌 광원일체의 광집적도, 지향각 관련 특허를 활용한 첨단 기술입니다. 바이오레즈는 인류에게 안전하고 깨끗한 환경을 선사합니다. UV(자외선) LEDBLU, 조명, 자동차 등의 분야에서 가시광 LED 사용이 급격히 증가하고 있으며 자외선(UV)영역의 LED 역시 고효율화, 고출력화에 따라 기존의 수은, 메탈할라이드를 이용하는 자외선 램프를 대체해 나가며 사용이 확대되고 있습니다.UV의 발견1801년 독일의 화학자 J.W.리터가 눈에 보이지 않는 극히 짧은 파장의 빛 입자가 사진 필름을 감광시키는 것을 보고 보라색 보다 더 짧은 파장의 빛 입자도 있다는 것을 발견하게 되었습니다.UV의 어원보라색 (紫色: Violet) 보다 훨씬 짧은 파장의 빛(전자기파)으로 보라색 밖에 있는 선이라는 뜻으로 자외선이라 부릅니다. 영어로는 “극단적인, 극도로, 초(超)”의 뜻을 가진 “Ultra” 라는 접두사를 자색(Violet)앞에 붙여서 보라색보다 극히 짧은 자색 밖의 선(紫色 外線: Ultra Violet) 즉 자외선이라고 부르게 된 것이 자외선(紫外線: Ultra Violet) 및 줄여서 UV라고 나타냅니다.UV의 기능
파장에 따른 UV LED 응용분야
UV LED는 스팩트럼에 따라 많은 방법으로 분류됩니다. 이 중 태양광에 대한 ISO 분류 기준 ISO-DIS-21348에 따른 분류법을 소개하면 UVA(400~315nm), UVB(315~280nm), UVC(280~100nm)로 나눌 수 있습니다.
구분파장 (nm)내용
Near UV
UV-A
315-400
폴리머나 프린트 잉크의 경화, 가스 측정, 질소요소 측정, 집충기, 조명, 광학 센스, 이미지 색조 측정 ID,위폐 감지 등
UV-B
280-315
UV 경화, 광학 치료, 광학센스, 이미지 색조 측정, 범죄 분석, 단백질 분석, DNA 스쿼엔싱, 약 개발 등
Deep UV
UV-C
100-280
살균, 오존 탐지, 표면이나 물 오염 제거, 단백질 분석, DNA스쿼엔싱, 약 개발, 광학 센스,이미지 색조 측정 등
UV LED의 장점
기존 UV Lamp의 경우는 복사열로 인한 조사면의 온도가 상승되는 문제가 발생하여 UV Lamp와 조사면 간 일정 거리 이상을 두거나 조사면 온도에 대한 조절이 필요하였습니다. UV LED의 경우는 복사열이 적어 광원과의 거리를 가깝게 하는것이 가능합니다.
UV LED는 수은을 포함한 전통 UV램프와 비교하여 많은 장점을 가지고 있습니다. UV LED는 대부분 상용 전원을 그대로 쓸 수 있고 에너지 소비를 절대적으로 감소시킵니다. 그리고 순간적으로 on/off가 가능하여, 수은 UV 램프처럼 가동을 위해 사용하지 않을때도 켜놓을 필요가 없습니다. 수은 램프는 또한 오존을 발생시켜, 이를 제거하지 않으면 안됩니다. 이는 UV램프를 이용하는 장비의 주변에서 일하는 사람에서 심각한 호흡기 문제를 발생시키기 때문에 반드시 제거하는 장치를 설치해야 합니다. 이 때문에 공기 정화 환기구 등 많은 추가 비용과 에너지 소비를 발생시킵니다.
이에 비해 LED는 오존을 발생시키지 않습니다. 수은 램프의 수명은 일반적으로 2,000시간 내외입니다. 그러나 LED는 하루에 8시간 계속 on/off해서 사용한다고 할때 10년 이상 사용이 가능합니다. 또한 LED는 Small form factor라는 강한 장점을 가지고 있습니다. UV LED는 기존 수은 UV램프보다 훨씬 작기 때문에 모든 UV 어플리케이션을 디자인 하는데 있어서 다양성과 유연성을 부여합니다.
UV LED vs 수은램프
UV LED는 수은이 사용되지 않아 친환경적이며 장수명, 에너지절약, 적은 열 손실 등의 장점이 있습니다.
서울바이오시스는 모든 파장대(255nm~405nm)의 UV LED 제품 개발 및 생산체계를 갖춘 유일한 LED 기업입니다.
세계 최초의 255~340nm 파장대 Deep UV LED 개발
Stategic partnetship with LED Comapny (SETi, USA)
UV LED 시장전망
UV LED는 소형, 적은 유지 비용, 그리고 환경친화성으로 인해 전통적으로 수은램프가 사용되고 있는 응용 제품을 대체하기 시작하였고, UV LED로의 대체가 지속될 것으로 보이며 휴대용 제품 등의 새로운 제품 시장을 개척할 것으로 Yole development 사는 최신 보고서에서 예상하고 있습니다. UV LED 시장은 2016년 1억5,190달러에서 2021년에는 11억1,780달러로 급격히 시장이 커질 것으로 보여지며 기존 UV 램프 시장에서의 점유율은 2011년 10.4%에서 28.1 %로 17.7%증가할 것으로 보고 있습니다.
대부분의 UV LED는 UVA/B(365-400nm) 파장대의 제품이 판매되었으며, 이중 90% 이상은 UV 경화기, 위폐검사기, 의학 분야, 장비 부속 제품이었고, UVC 파장대의 경우 주로 연구나 과학 장비 목적으로 판매되었습니다. 하지만 이미 UVC 파장대의 UV LED를 사용한 물/공기 살균/정화 시스템이 상용화 되었고, 점점 적용이 확대될 것입니다. 그리고, UV LED 디바이스 시장에 일본, 대만, 중국의 가시광 LED 업체도 진입할 것으로 보여 경쟁이 치열할 것입니다.
UV LED 파장별 응용
자외선(UV) 영역의 LED도 고효율화, 고출력화가 진전되고 이의 산업이용도 확산되는 추세입니다. 자외선 LED는 발광 파장에 따라 응용군이 각각 다르며, UVA 315~400nm는 주로 산업용 경화기, 위폐감별기, 포충기 등에 사용되며, UVB 280~315nm는 의료/바이오 분야에서의 치료기 및 분석기기, 비타민 D 합성 등에 주로 이용되며, UVC 280~200nm는 살균/정화/정수 등에 많이 사용되고 있습니다.
하지만 이처럼 많은 응용 및 잠재시장이 있음에도 불구하고 현재 자외선 LED 광원은 AlN 계 물질사용에 따른 고품질 박막성장의 어려움, 소자제작 공정기술 미개발 및 자외선 LED용 패키지 소재 부재, 자외선 LED 소자의 낮은 광출력 등으로 인하여 시장진입에 어려움이 있었습니다. 이에 대한 기술적 극복을 통해 시장은 더욱 확대될 것으로 보입니다.
UV 적용제품
가전제품 응용 (Sterilization)
255~280㎚:소독 (Disinfection) / 정수 (Water purifier) / 공기정화 (Air purifer)
265~385㎚:탈취 (Deodorization)
의학 및 과학적 응용 (Medical & Scientific application)
265~340㎚: 의학 및 과학적 응용 분광기 (Spectroscopy for Medical & Scientific application)
310~340㎚: 광선치료법 (Phototherapy) - 건선, 진균증, 진균증종양, 습진 등을 치료
에피성장은 어떤 결정의 기판 위에 같은 재료나 다른 재료의 결정을 특정 방향으로 성장시키는 것을 의미하며, LED 의 핵심 공정중의 하나입니다. 기판으로 사용된 웨이퍼 위에 유사한 결정 격자 구조 및 방위를 갖는 반도체 결정을 성장시키는 것으로 기판 물질의 녹는점보다 (훨씬) 낮은 온도에서 성장합니다.
LED 공정은 에피공정, Fab공정과 패키지 공정으로 분류할 수 있습니다. 그림은 LED 에서 사용되는 사파이어(Al2O3) 위에 질화갈륨(GaN)을 에피 성장했을 때의 이미지 입니다. GaN계 화합물반도체는 기판 (substrate) 형성이 어렵고 가격 또한 고가임으로 주로 사파이어(Al2O3) 기판을 사용합니다. 사파이어 기판위에 순차적으로 GaN계 화합물 반도체를 연속적으로 쌓아 성장시키게 되는데 각각의 층은 아래 층의 결정성을 이어받아 성장됩니다.
결정 내부에 생기는 결함은 빛을 발생시키는 전자와 정공의 재결합과정(electron-hole recombination process)에서 비발광 센터(nonradiative center)로 작용하기 때문에 LED 소자에서는 각 층을 형성하는 결정들의 결정성이 소자효율에 결정적인 영향을 미치게 됩니다. 따라서, 에피성장 공정은 LED 효율의 주된 특성을 결정짓는 중요한 공정입니다.
사파이어 C-PLANE
EPI에 의한 LED색상 결정
LED에서 방출하는 빛의 색깔은 발광층 MQW의 원소 배합에 의해 적절한 에너지 밴드갭을 선택하여 이에 해당하는 파장을 만듭니다. 현재 LED에 주로 사용하는 InGaN 칩에서는 near UV, 청색과 녹색을 만들 수 있고, AlGaInP 칩에서는 Amber부터 적색까지의 색상을 낼 수 있습니다. 일반적으로 백색 LED 의 경우 청색칩에 다양한 형광체를 사용하여 만듭니다. 가시광선 스펙트럼은 각각의 색깔에 해당하는 파장을 모두 포함하고 있고, 보라색에 가까울수록 파장이 짧고, 적색에 가까울수록 파장이 깁니다. 파장이 짧을수록 좀더 많은 에너지를 갖습니다.
색상파장 (nm)색상파장 (nm)
Violet
400~430
Amber
590~595
Blue
430~480
Orange
600~615
Green
490~530
Orange-Red
620~640
Yellow
550~580
Red
645~700
에피공정
LED을 만들기 위한 에피공정은 일반적으로 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)를 이용합니다. 주로 메틸이나 에틸 등 알킬기를 갖는 유기 금속 화합물을 원료로 사용합니다. 이를 통해 GaN, P/N-GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN, AlGaInP 등의 2, 3, 4 원계의 여러 화합물 반도체를 성장하게 됩니다.
아래는 GaN 을 형성시키는 반응의 과정을 나타내는 그림입니다.
GaN 을 형성시키는 반응의 과정
LED의 GaN EPI layer 성장 순서
고온으로 가열하여 사파이어 표면을 cleaning 합니다.
사파이어와 GaN의 격자불일치를 최소화하기 위해 buffer layer를 성장시킵니다.
GaN 층과 전자 주입을 위한 n-GaN 층을 성장시킵니다.
발광층인 활성층(Multi Quantum Wells)를 성장시킵니다. (예: InGaN/GaN 을 여러층 형성)
전자의 이동을 막기 위한 AlGaN을 성장합니다.
활성층으로 정공을 주입하기 위해 p-GaN을 성장시킵니다.
아래 그림은 GaN 초기 성장시 온도와 가스의 주입의 예를 나타냅니다.
GaN 초기 성장시 온도와 가스의 주입의 예
극성/비극성 결정면
GaN는 Wurtzite 구조를 갖는다. 결정면에 따라 Ga와 N의 배열이 달라지는데 현재 주로 이용되는 LED는 극성(polar)인 c-면의 사파이어를 사용하여 GaN 에피를 성장 한다. c-축을 따라 성장한 결정의 비대칭성은 MQW에서 위로는 Ga원자, 아래쪽은 N원자로 된 Ga face의 경우 자발분극(spontaneous polarization) 현상이 생기고, 격자 상수의 차이에 의한 스트레인(strain) 발생으로 압전분극(piezoelectric polarization)도 함께 생기게 됩니다.
두 개의 분극으로 MQW의 양자우물(Quantum welll) 에너지 밴드 구조가 휘게 되고, 전자와 정공의 결합을 어렵게 합니다. 그 결과, 내부양자 효율이 감소하고, 파장의 적색 편이(red shift) 현상 및 높은 문턱 전압 현상이 나타나 LED로서는 바람직하지 않은 현상을 보이게 됩니다.
이러한 문제를 해결하기 위한 방편으로 비극성(nonpolar) LED의 기술이 있습니다. 이것을 사용하면 두 가지 분극 현상에 대한 해결이 가능하게 되고, 높은 전류밀도에서의 효율 저하 특성이 줄어들게 됩니다. 특히 조명시장에서 요구되는 고전력 LED 소자, 장파장 LED 응용에 비극성 LED의 사용이 기대됩니다. 서울바이오시스는 이 분야에서 많은 기술력을 확보하고 있습니다.
GaN 을 형성시키는 반응의 과정
※ Wurtzite 구조 : 황화아연 ZnS의 고온형인 우르짜이트광에 의해 대표되는 AB형 화합물의 결정 구조형의 하나. AB 각각의 주위에는 사면체형 사배위로 형성된 육방 격자이다. 이 때 A3과 B3이 형성하는 정삼각형의 중첩이 60°엇갈려 있는 섬아연광형 구조에 대해, 이 구조에서는 중첩되어 있는 것이 특징이다. ZnO, CdS 등이 이 구조를 취한다.
Fab 공정이란?
LED 칩의 제작 공정은 크게 나누어 Epi공정과 Fab공정으로 분류할 수 있습니다.
Fab공정은 성장된 에피층 위에 LED의 사용목적에 맞게 칩의 크기와 모양을 만들고, +, - 전극 등을 형성하는 반도체 공정입니다. Fab 공정기술의 핵심은 MQW에서 생성된 빛을 최대한 많이 칩 밖으로 추출하는 것입니다. 저희 회사는 오믹(ohmic) 전극 기술, 칩 shaping, 투명전극기술, 포토리소그래피 기술, 에칭기술, 금속 전극 형성기술, 연마기술, 칩 절단 및 분리 기술 등의 하이테크 기술을 보유하고 있습니다. Fab공정이 완료되면 테스트를 통하여 불량품과 양품 선별 및 특성 등급을 결정하고 패키지를 위한 공정단계로 넘어갑니다.
LED칩의 성능은 주입된 전기 에너지 대비 방출되는 광에너지의 비로 평가되며 이러한 광자비를 높이기 위해 재료에 대한 연구, 전극의 형태, 광학적인 디자인과 칩 디자인에 대한 연구 개발이 진행되고 있습니다.
Vertical Chip
응용분야
일반조명
가로등
공장등
핸드폰
자동차 조명
손전등
특징
다양한 조명 제품 적용과 설계가능
SMT 가능
RoHS 인증
Lateral Chip
응용분야
LED Lighting : 일반 & 데코레이션 & 실내/외 건축 조명
LED Backlight : 휴대폰, 디지털카메라, PDA 등 중소형 LCD BLU Monitor, 노트북, TV
LED (Light Emitting Diode) 는 빛을 방출하는 반도체인 발광다이오드의 약자입니다. 다이오드는 P형, N형 반도체를 접합시켜 전기를 한쪽 방향으로 흐르게 만든 반도체 소자입니다. 이 LED가 빛을 내는 원리는 전기 에너지가 반도체 결정 안에서 직접 빛으로 전환되는 것입니다.
LED의 구조는 사파이어와 같은 재료를 이용한 기판, 다이오드인 반도체소자와 전극으로 구성되며, 빛을 내는데 가장 중요한 다이오드 소자는 전극, 전자와 정공을 균일하게 퍼지게 하는 P형 GaN 과 N형 GaN, 그리고 다중양자우물 (MQW) 로 이루어져 있습니다. P형, N형 GaN 반도체를 접합한 다이오드에 순방향 전압을 인가하게 되면 전자(electron) 와 정공(hole)이 발광층에서 재결합하면서 빛을 방출하게 됩니다. 방출되는 빛의 파장은 MQW의 에너지 밴드갭 (energy bandgap) 에 따라 변화하며, 이 밴드갭은 반도체의 조성, 구조에 의해서 결정됩니다.
우리는 이러한 파장이 변화되는 원리를 이용하여 여러 색 또는 파장을 띄는 LED칩을 제작하여 사용할 수 있게 됩니다. LED 칩의 제작 공정은 크게 나누어 에피공정과 Fab공정으로 분류할 수 있습니다.
LED 장점
전기적으로 높은 효율
50,000시간 이상의 긴 수명
램프에 비해 작은 크기와 튼튼한 구조
환경친화적이며 적은 유지비
빠른 점등과 소등
백색 LED
가장 일반적으로 활용이 많이 되는 것은 백색LED로 청색의 LED에 형광체를 사용하여 자연색에 가까운 백색을 구현합니다.
일반적으로 백색LED의 성능은 효율, 자연광, 연색성, 정확한 색표현 등의 인자들로 평가됩니다. 백색 LED의 형성방법은 하기의 여러 가지 방법이 있습니다.
