LED 외부양자효율 (LED External Quantum Efficiency)
쉽게 풀면
LED에 전류를 흘리면 반도체 내부에서 전자와 정공이 만나 빛을 만들어내는데, 이렇게 만들어진 빛이 전부 소자 밖으로 나가는 것은 아닙니다. 일부는 반도체 안에서 다시 흡수되거나 표면에서 반사되어 빠져나오지 못하고 사라집니다. 외부양자효율은 주입한 전자 개수에 비해 실제로 소자 바깥으로 방출된 빛 알갱이, 즉 광자의 개수가 얼마나 되는지를 비율로 나타낸 것입니다. 즉 만들어진 빛이 얼마나 잘 세상 밖으로 나오는지를 보여주는 지표입니다.
왜 중요한가
조명이나 디스플레이용 LED는 결국 같은 전력으로 더 많은 빛을 밖으로 내보내야 경제적이고 에너지 효율적이므로, 외부양자효율은 LED 소자의 성능을 평가하는 가장 기본적인 지표 중 하나입니다. 이 값이 낮으면 내부에서 만들어진 빛의 상당 부분이 그대로 열로 낭비되는 셈이 됩니다. 그래서 LED 제조업체와 연구자들은 이 효율을 높이기 위해 소자 구조와 표면 처리 방식을 지속적으로 개선하고 있습니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
표면 가공을 통해 빛의 방출 효율을 개선하는 연구 사례입니다.
내부 효율과 외부양자효율이 서로 다른 개념임을 보여주는 문맥입니다.
조금 더 깊게 보면
외부양자효율은 흔히 전자와 정공이 실제로 빛으로 변환되는 비율을 나타내는 내부양자효율과, 그렇게 만들어진 빛이 소자 밖으로 빠져나오는 비율을 나타내는 광추출효율의 곱으로 설명됩니다. 광추출효율이 낮아지는 주된 원인으로는 반도체와 공기 사이의 굴절률 차이로 인한 전반사 현상이 알려져 있으며, 이를 줄이기 위해 표면 요철 처리나 특수 렌즈 구조가 활용됩니다. 따라서 외부양자효율을 높이려면 발광 효율 자체와 빛이 빠져나가는 경로 양쪽을 모두 개선해야 합니다. 외부양자효율(EQE)은 내부에서 생성된 광자가 전자-정공 재결합 대비 얼마나 효율적으로 만들어지는지를 나타내는 내부양자효율(IQE)과, 그렇게 생성된 광자가 소자 밖으로 실제로 빠져나오는 비율인 광추출효율(light extraction efficiency)의 곱으로 결정됩니다.
주의할 점
외부양자효율은 내부양자효율과 다른 개념이므로, 두 용어를 같은 의미로 혼용하지 않도록 주의해야 합니다. 반도체 내부 굴절률이 공기보다 훨씬 높아 임계각을 넘는 빛 대부분이 전반사로 갇히므로, 표면 거칠기 처리나 패턴화된 기판, 마이크로렌즈 등으로 광추출효율을 높이는 것이 EQE 개선의 핵심 과제입니다.