탁월한 엔지니어링: LED 생산을 위한 플랫폼으로서의 HPA 사파이어

고순도 알루미나(HPA)는 들어본 적도 없는 소재이지만, 우리 일상생활 곳곳에서 중요한 요소입니다. 이는 개인 장치부터 도시까지 모든 것을 밝히는 작은 광원인 발광 다이오드(LED)의 기본이 되는 사파이어 크리스탈 생산의 주요 성분입니다.

HPA 수요는 LED 산업에 따른 사파이어 수요 증가로 꾸준히 증가하고 있다. LED 생산용 재료로서 사파이어의 가치는 다음 네 가지 주요 이유로 요약될 수 있습니다.

첫째, 사파이어는 고휘도 파란색 및 흰색 LED를 만드는 데 사용되는 주요 재료인 질화갈륨(GaN)과 유사한 결정 격자 치수를 공유합니다. 이러한 격자 호환성으로 인해 구조적 결함이 줄어들어 LED 생산 효율성이 향상됩니다.1

마찬가지로, 투명성도 또 다른 중요한 특징입니다. 생성된 빛이 LED 밑면을 가리지 않도록 보장하여 사파이어가 LED 기판인 실리콘보다 유리하다는 점을 보여줍니다.

또한, 사파이어의 높은 열전도율은 작동 중에 열을 발생시키는 LED에 필수적입니다. LED 구조의 손상을 방지하고 수명과 효율을 유지하려면 효율적인 방열이 필요합니다.

마지막으로, 사파이어의 뛰어난 전기 절연 특성으로 인해 LED의 활성 부분을 다른 구성 요소로부터 효과적으로 절연하여 전기 단락의 위험을 줄일 수 있습니다.

고순도 알루미나에서 LED로의 여정은 종종 국경을 넘어 화학, 엔지니어링 및 정밀 제조의 혼합을 포함하여 복잡하고 매력적입니다.

생산 체인은 순도에 중점을 두고 생산된 우수한 등급의 산화알루미늄(Al2O3) 분말인 HPA로 시작됩니다. 4N HPA(99.99% 순도)는 일반적으로 LED 응용 분야에 사용되는 반면, 훨씬 더 순수한 변형인 5N HPA(99.999% 순도)는 광학 장치에 사용됩니다.

HPA의 순도는 단순한 숫자가 아닙니다. 성공적인 LED 생산의 초석입니다. 아주 작은 불순물이라도 최종 제품에 결함을 유발하여 LED의 성능과 효율성에 영향을 미칠 수 있습니다.

예를 들어, LED 생산은 LAGB(Low Angle Grain Boundaries)(주 웨이퍼 부피에 비해 잘못 정렬된 사파이어 웨이퍼의 작은 결정 입자)의 영향에 매우 민감합니다. 이는 접착력을 감소시키고 사파이어 웨이퍼에 증착된 에피택셜 층의 구조적 품질을 손상시켜 LED 장치 성능을 저하시킵니다. HPA의 순도는 이러한 결함 발생에 직접적인 영향을 미칩니다.

HPA 사용자에게 점점 더 중요해지고 있는 또 다른 요소는 탄소 배출이 없는 친환경 공급망을 유지하는 것입니다.

고순도 및 환경 친화적인 고순도 알루미나를 찾는 과정에서 캐나다 퀘벡주 Cap-Chat에 본사를 둔 Advanced Energy Minerals(그림 1)와 같은 회사가 선두를 달리고 있습니다. 이 회사는 수력 발전에서만 원자재를 공급받으며 2023년 3분기부터 녹색 에너지로만 구동되는 100% 녹색 HPA 생산에 전념하고 있습니다.

HPA 분말 또는 단일체로부터 '보울'로 알려진 합성 사파이어 크리스탈을 생산하는 것은 크기가 중요한 복잡한 공정입니다.

사파이어 보울은 나중에 생산 과정에서 LED 기판이 되는 얇은 웨이퍼(250~150μm)의 출발 물질 역할을 합니다. 완성된 LED 웨이퍼의 직경은 부울의 크기에 따라 결정됩니다. 이 직경의 범위는 2인치(현재는 거의 사용되지 않음), 6-8인치(현재 일반적), 12인치(미래 표준)입니다.

경쟁을 위해서는 더 큰 부울을 키워야 하는데, 이는 경제적으로 더 실용적입니다.

맥락에 따라 8인치 코어 직경을 수용하는 90kg 보울은 바닥 직경이 30cm이고 높이가 45cm입니다. 이 글을 쓰는 시점에 생산된 가장 큰 사파이어 부울은 800kg이고 높이는 70-80cm입니다. 이는 중국에서 제조되었습니다(그림 2).

이러한 부울을 키우려면 정확성, 전문성 및 시간이 필요합니다. LED 사파이어는 최고 품질의 가장 큰 결정을 생산할 수 있는 Kyropoulos 성장 방법을 사용하여 생산되는 경우가 많습니다.