자료코드: R59300400 / 2017년 6월 6일 발행 / A4 58p
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◆엑스퍼트 시리즈란?
야노경제연구소는 2016년부터 일선에서 물러난 시니어를 「사외 마이스터」로 등록하여 현역시절의 다양한 경험, 지견, 인맥 등을 야노경제연구소의 사업활동을 통하여 사회에 환원하는 새로운 조직을 신설하였습니다.
엑스퍼트 시리즈는 사외 마이스터가 집필한 새로운 관점으로 본 오리지널 리포트입니다. 오랜 세월을 통해 기른 경험·지견에 의한 기술 및 개발, 시장에 대한 날카로운 분석으로 기존의 시장조사자료와는 다른 정보를제공합니다.
본 리포트는 야노경제연구소의 우카이 야스히로(鵜飼育弘) 사외 마이스터가 정리했습니다.
◆조사개요
조사취지：심자외 LED의 주요 용도는 살균 등이며, 이 용도로 수은 램프를 널리 이용해 왔다. 그러나 2013년 10월 「수은에 관한 미나마타 조약」이 채결되어, 수은 등의 인체·환경에 유해한 물질의 삭감·폐절을 위해서 2020년 이후 수은을 포함한 제품의 수출입이 원칙적으로 금지된다. 따라서 무수은 심자외 LED의 대체기술 실현에 대한 요청이 높아지고 있다.
본 리포트에서는 디바이스의 구조, 프로세스, 장치, 성능 및 응용 분야의 최신 동향에 대해서 기초기술부터 응용기술까지를 망라한다.
조사방법：연구원의 직접면담·전화·메일·웹·문헌조사 병용
조사기간：2017년 3월~2017년 4월
■게재내용
1. 머리말
2. 심자외선(DUV)과 심자외 LED란?
(그림1) 자외선과 심자외 LED
3. 질화 알루미늄 단결정 기판상 심자외 LED 특성과 응용
3.1 질화 알루미늄(AlN) 단결정
(1) AlN 기판 UV 흡수율
(그림2) AlN 기판의 UV 흡수율(아사히카세이일렉트로닉스 자료)
(2) AlN 기판의 결정 품질
(그림3) AlN 기판의 결정 품질(아사히카세이일렉트로닉스 자료)
(3) 2인치 AlN 단결정 기판의 특성
3.2 질화 알루미늄(AlN) 단결정상 UVC-LED
(1) CIS AlN 기판의 우위성
(그림4) 사파이어 기판상 AlN(AlN/Sapphire)와 AlN 기판상 AlN(AlN/AlN substrate)의 비교
(아사히카세이일렉트로닉스 자료)
(그림5) AlN 기판상 UVC-LED의 구조와 사파이어 기판상과의 단면 TEM
(아사히카세이일렉트로닉스 자료)
(그림6) 표면 평탄성의 비교(아사히카세이일렉트로닉스 자료)
(2) CIS UVC-LED 제품
(그림7) CIS UVC-LED 제품 라인업(아사히카세이일렉트로닉스 자료)
(표1) 수은 램프와 UVC-LED의 비교(아사히카세이일렉트로닉스 자료)
3.3 UVC-LED의 응용 분야
(그림8) UVC-LED의 응용 분야(아사히카세이일렉트로닉스 자료)
(1) UVC-LED의 살균 효과
(그림9) 발광 파장과 DNA의 흡수 스펙트럼(아사히카세이일렉트로닉스 자료)
(그림10) UV광에 의한 살균 효과와 파장 의존성(아사히카세이일렉트로닉스 자료)
(그림11) 고초균으로의 UVC 조사 효과(아사히카세이일렉트로닉스 자료)
(2) UVC-LED를 이용한 살균모듈 개발
(그림12) 용도개발용의 모듈 예(아사히카세이일렉트로닉스 자료)
(그림13) 생활 속에서의 UVC-LED 이용(아사히카세이일렉트로닉스 자료)
3.4 정리
4. 나노 광 구조를 구사한 심자외 LED의 고성능화
4.1 AlGaN계 심자외 LED의 디바이스 구조
(그림14) AlGaN계 심자외 LED 디바이스 구조(NICT 자료)
4.2 나노 광 취출 구조의 디자인
(그림15) 나노 광 취출 구조의 디자인(NICT 자료)
(그림16) SEM 사진(NICT 자료)
(그림17) 나노 임프린트법에 의한 나노 미세 패터닝 기술(NICT 자료)
(그림18) 심자외 LED의 원방계 방사 패턴의 평가(NICT 자료)
4.3 나노 구조를 구사한 심자외 LED의 고성능화
(그림19) 265nm대 심자외 LED 나노 광 취출 구조로 했을 경우의 광 취출 효율의 향상률(좌)과
주입 전류에 대한 광 출력과 외부 양자 효율(우)(NICT 자료)
(그림20) 살균 효과(대장균)의 실증(NICT 자료)
(그림21) 심자외 LED(부스에서 직접 촬영)
4.4 150mW초(발광 파장 265nm) 세계 최고 출력의 심자외 LED의 개발에 성공(2017.4.4 프레스 릴리스)
(1) 이번 성과
(그림22) 이번에 개발한 심자외 LED의 모식도와 나노 임프린트 기술 공정
(a) 메사 형성 및 p, n전극 형성 후의 심자외 LED
(b) 폴리머 희생층, SiO2층, 임프린트 수지의 형성
(c) 소프트 UV 임프린트 공정
(d) 드라이 에칭 공정
(e) Ni 하드 마스크 리프트 오프 공정
(f) 드라이＆웨트 에칭 공정(NICT 자료)
(그림23)(a) 소프트 UV 임프린트 후의 수지 패턴
(b) AlN 표면상의 Ni 리프트 오프 패턴
(c) 심자외 LED 광 취출면상의 전면에 형성된
AlN 나노 광·나노 핀 구조의 주사 전자현미경 사진(NICT 자료)
(그림24) 마운트에 대한 플립칩 접합 후의 심자외 LED의 외관(NICT 자료)
광의 간섭을 일으키는 나노 구조가 칩 전면에 형성되어 있는 것을 알 수 있다.
(그림25) 심자외 LED의 주입 전류에 대한 (a) 광 출력과 엔핸스멘트 및
(b) 외부 양자 효율 개발품(나노 광·나노 핀 구조)과 기존품(플랫 표면)과의 비교(NICT 자료)
(그림26) 심자외 LED의 각 주입 전류치에 대한 EL 스펙트럼 개발품
(나노 광·나노 핀 구조)과 기존품(플랫 표면)과의 비교(NICT 자료)
(그림27) 심자외 LED의 3차원 원방계 방사 패턴
(a) 기존품(플랫 표면)
(b) 개발품(나노 광·나노 핀 구조 첨부)의 비교(NICT 자료)
(그림28) 심자외 LED의 근방계 광 출력 패턴
(a) 기존품(플랫 표면) 및 (b) 개발품(나노 광·나노 핀 구조)의 비교(NICT 자료)
(2) 향후 전망
4.5 정리
5. 심자외광원의 핵심이 되는 AlN 템플릿의 제작
5.1 심자외광 디바이스를 위한 기판
(1) 심자외 발광 LED
(2) 심자외 LED의 디바이스 구조
(그림29) 심자외 LED의 구조(미에대학 자료)
(그림30) AlGaN의 전이밀도와 발광 효율(미에대학 자료)
5.2 AlN 완충층의 N2-CO 어닐
(그림31) AlN 완충층의 N2-CO 어닐(미에대학 자료)
(그림32) AlN막 어닐 후의 X선 로킹 커브에 의한 평가(미에대학 자료)
5.3 스팩터법에 의한 사파이어상 AlN 박막 어닐
(그림33) 자외 발광 디바이스에 요구되는 전이밀도와 AlN막 제작법의 관계(미에대학 자료)
(그림34) AlN의 스패터링 조건과 장치(미에대학 자료)
(그림35) 사파이어상 AlN 성장과 어닐의 필요성(미에대학 자료)
(그림36) AlN막 어닐 전후의 AFM상(측정 범위 1μm×1μm)(미에대학 자료)
(그림37) AlN 어닐 전후의 X선 로킹커브 평가(1700℃ 어닐품)(미에대학 자료)
(그림38) 스팩터 AlN의 어닐 후 TEM 사진(미에대학 자료)
(그림39) AlN/Sapphire의 어닐에 의한 결정성 향상과 장치(미에대학 자료)
5.4 정리
6. 무수은 자외광원의 개발
6.1 수은 대체 가돌리늄(Gd)을 포함한 형광체
(1) 수은 대체 재료
(2) AlGdN 박막의 제작
(그림40) AlGdN 성막 장치와 성막 조건 및 단면 SEM 사진(고베대학 자료)
(그림41) AlGdN의 전형적인 UV 발광 스펙트럼(고베대학 자료)
(3) AlGdN 박막을 이용한 전자선 여기형 심자외광원 디바이스
(그림42) 개발한 UV-LED의 구조와 특성(고베대학 자료)
(그림43) 시작한 UV-LED와 발광 패턴(고베대학 자료)
(그림44) UV-FED의 특성(고베대학 자료)
(그림45) 고에너지 전자에 의한 다중여기 과정(고베대학 자료)
(4) 내로우 밴드 UV 광원의 응용
(그림46) 시판 UV-LED와 UV-FED의 비교(고베대학 자료)
6.2 UV튜브를 이용한 의료용 시트형 자외광원의 개발과 응용
(1) 필름형 자외광원
(그림47) UV 튜브를 이용한 의료용 시트형 자외광원의 개발(고베대학 자료)
(표2) 개발한 자외광원의 성능 비교(고베대학 자료)
(2) 오더 메이드 피부 치료기
(그림48) 에리어 선택형 자외선 치료기(고베대학 자료)
(3) 정리
7. 초와이드갭 산화물 반도체의 성장과 기능
7.1 산화물 반도체와 미스트 CVD
(1) 산화물 반도체
(그림49) 심자외 발광재료 후보와 물성(교토대학 자료)
(그림50) 심자외 발광이 가능하다고 생각되는 구조(교토대학 자료)
(2) 미스트 CVD
(표3) 반도체와 성장법(교토대학 자료)
(그림51) 미스트 발생부(원료 공급부)의 개략(교토대학 자료)
(그림52) 단결정 ZnO의 호모에피택셜 성장(교토대학 자료)
7.2 사파이어 기판상의α-(Al,Ga) 2O3
(1) 사파이어 기판상의α-(Al,Ga) 2O3
(그림53) Ga2O3의 결정형(교토대학 자료)
(그림54) 사파이어 기판상α-(Al,Ga) 2 O3의 성장(교토대학 자료)
(그림55)α-(Al,Ga) 2O3/α-Ga2O3계면의 구조(교토대학 자료)
(그림56) 2차원 성장의 실현(교토대학 자료)
(2) p형 산화물에의 도전
(그림57) p형 산화물에 대한 도전(FLOSFIA 프레스 릴리스에서 전재)
7.3 MgO 기판상의 암염 구조 RS(rocksalt) -MgZnO
(그림58) MgO 기판을 이용한 MgZnO의 성장(1)(교토대학 자료)
(그림59) MgO 기판을 이용한 MgZnO의 성장(2)(교토대학 자료)
7.4 정리
8. 시간적·공간적 차이에 따른 미스트류를 이용한 신반응 제어 기술의 개발
8.1 각종 성막법과 미스트 CVD법
(1) 각종 성막법
(그림60) 각종 성막법(고치공과대학 자료)
(2) 미스트 CVD
(그림61) 미스트 CVD의 장치 구성(고치공과대학 자료)
(그림62) 성막의 포인트(고치공과대학 자료)
(그림63) IGZO-TFT의 제작(고치공과대학 자료)
(그림64) 다중 양자 우물의 제작(고치공과대학 자료)
8.2 미스트의 특징과 미스트 CVD의 가능성
(그림65) 미스트의 평균 자유 행정(고치공과대학 자료)
(그림66) 미스트 CVD에 의한 조성 제어(고치공과대학 자료)
(그림67) 미스트 CVD의 가능성(고치공과대학 자료)
8.3 세대별 결과
(그림68) 미스트 CVD로 제작한 각종 기능막의 성막 속도 및 조성비(고치공과대학 자료)
(그림69) 다원계 재료(AlGaO)의 조성 제어(고치공과대학 자료)
8.4 정리
9. 맺음말
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