LED(Light Emitting Diode)는 지금으로부터 120여 년 전에 GaAs 계의 적외 LED의 판매가 시작되었습니다. 그때가 1962년이었습니다. 당시 파장대는 870nm, 가격은 $130(US) 였었고, 에피 장비는 기상 성장인 ‘VPE'( Vapor- Phase Epitaxy)나 액상 성장 LPE( Liquid-Phase Epitaxy)를 이용하였기 때문에, 양자구조( Quantum Structure)를 만들어도 양질의 Quality가 아니어서 광 효율이 낮은 편이었습니다. 그 후 양질의 PN 접합 결정성장이 이루어지면서 고품질의 GaAs계 ‘빨간색'(RED) LED가 실현되었습니다. 오늘은 LED 색깔 별 파장을 다르게 하기 위해 어떤 재료가 들어가는지 설명과 전체 구조에 대해 간단히 설명드리겠습니다.
1. LED( Light Emitting Diode)의 개요
a) 화합물 반도체의 기본 이해
반도체는, Si와 Ge등과 같이 단일원소로 되어있는 Simple한 단일 반도체와 2개 이상의 원소가 합쳐져 ‘컴파운드'(Compound) 된 화합물 반도체로 나누어질 수 있습니다. 여러 화합물 반도체 중에서 원소 주기율 표상에 표기되어 있는 III족인 Al(알루미늄), Ga(갈륨), In(인듐)과 V족인 N(질소)에 대한, III, V족 화합물 반도체에 대해 설명을 하겠습니다.
b) 최초의 LED와 LED 양산 시기
1981년 산업혁명 당시 연마재로 쓰던 실리콘 카바이드(SiC)에 전류를 흘리면 푸른빛이 나오는 현상에 대해 주목은 했었지만 당시에는 그렇게 뜨겁지 않은 푸른빛이 방출되는 원리에 대해서는 잘 이해하지 못했었습니다. 그럼에도 불구하고 일렉트리컬 월드(Electrical World) 저널에 현상에 대한내용만 투고를 하였고 1907년에 논문의 발표를 하였습니다. 푸른빛 방출의 원리는 이해하지 못했지만 최초의 LED구현이라는 점에서 매우 의미가 큽니다. 그 후 1962년 GE 제너럴 일렉트릭의 ‘닉 홀로니악'( Nick Holonyak)에 의해 RED LED 양산의 기본을 갖추어 양산 판매를 시작했고, 그로부터 30여 년 후인 1990년 후반에 청색 LED의 상업화가 이루어지게 됩니다.
2. ‘에너지 밴드 갭'( Energy Band Gap)과 LED 파장
a) LED로 빛의 3 원색을 생산
앞에서 설명했듯이 1990년 후반에 Blue LED를 양산하게 되면서 빛의 3 원색인 ‘빨강'(Red), ‘녹색'(Green), ‘파랑색'(Blue),을 모두 양산하게 되면서 가시광으로 표현할 수 있는 무지개색 7개의 빛의 파장을 모두 만들 수 있게 되었습니다. LED색깔은 각 파장대의 에너지 밴드갭에 해당되는 화합물 반도체를 선택하여 양자구조를 만들면 해당 파장대의 LED를 만들 수가 있습니다. 이때 에너지 밴드 갭이 크면 파장은 짧고, 에너지 밴드 갭이 작으면 파장은 길어지는 반비례 관계에 있습니다. 화합물 반도체 재료로 설명드리면 파란색 계열을 표현하고 싶으면 GaN, InGaN계열의 Epi 성장을 시키고, 빨간색 계열을 표현하고 싶으면 GaAs, AlGaAs 계열을 선택하여 성장시켜 LED구조를 만듭니다.
b) 에너지 밴드 갭 ( Energy Band Gap)과 격자 상수 (Lattice Constant)
격자 정수란, 결정 구조에서 결정 변의 길이를 나타내며 원자와 원자 간의 중심거리를 의미합니다. 공유 결합을 이루고 있는 화합물 반도체의 격자정수가 좁아질수록 에너지 벤드갭은 커지게 됩니다. 쉽게 말해서 격자 정수의 사이가 좁아질수록 전자를 끊기 위해서는 에너지 밴드갭보다 큰 에너지를 주어야하기 때문입니다. 큰 에너지를 받아 여기 된 전자는 정공과 결합하면서 에너지 밴드갭에 해당되는 빛의 파장을 방출하게 됩니다. 물질이 다르면 격자 정수의 차이도 달라지면서 방출되는 LED 색깔도 달라집니다.
3. Summary
이상으로 ‘LED의 개요’를 설명하면서 화합물 반도체의 기본 구조와 최초의 LED와 양산화 시기에 대해 이야기하였습니다. 그리고 화합물 반도체의 ‘에너지 밴드 갭과 LED파장’과의 관계에 대해 설명드리면서 에너지 밴드 갭과 격자 상수에 대해 설명드렸습니다. 다음시간에는 에너지 밴드 갭과 LED 빛의 생성 원리에 대해 설명드리겠습니다.