Boron nitride nanotubes as a heat sinking and stress-relaxation layer for high performance light-emitting diodes

1. 서지정보

Seo, T. H., Lee, G. H., Park, A. H., Cho, H., Kim, J.-H., Chandramohan, S., Jeon, S.-R., Jang, S. G., Kim, M. J., & Suh, E.-K. (2017). Boron nitride nanotubes as a heat sinking and stress-relaxation layer for high performance light-emitting diodes. Nanoscale. https://doi.org/10.1039/c7nr04508e

2. 연구문제

GaN(질화갈륨) LED를 사파이어 기판 위에 키울 때 격자·열팽창계수 차이 때문에 관통전위(threading dislocation)와 압축 잔류응력이 생기고, 이것이 소자 성능을 갉아먹는다. 여기에 더해 고전류 구동 시 사파이어의 낮은 열전도도 때문에 발열이 빠져나가지 못해 발광 효율이 떨어지고 수명이 줄어든다. 기존 ELOG(에피택셜 측면 과성장, epitaxial lateral overgrowth) 공정은 전위·응력은 줄이지만 대개 열전도도가 낮은 절연막을 마스크로 쓰거나 리소그래피 같은 추가 공정이 필요했다. 이 논문은 “BNNT(질화붕소 나노튜브)를 별도 공정 없이 스프레이 코팅만으로 사파이어 위에 뿌려서, 전위·응력 감소와 방열을 동시에 잡을 수 있는가”를 묻는다.

3. 방법

BNNT 합성: 고압 레이저 어블레이션(vapor condenser method). 14 bar N2 분위기 챔버에서 CO2 레이저로 붕소 타깃을 4000 K 이상으로 가열해 붕소 증기를 만들고, 열해리된 N2와 반응시켜 콜렉터에서 BNNT를 얻었다.
정제·분산: 650 °C 6시간 열처리 → 메탄올 초음파 세정(B2O3 제거) → 0.2 μm 막 필터링 → CTAB(계면활성제) 첨가 후 초음파 분산 → 원심분리로 미분산 클러스터 제거.
BNNT/사파이어 기판 제작: 분산된 BNNT 수용액을 사파이어 기판에 스프레이 코팅(기존 스핀 코팅 대비 균일·조밀한 코팅이 장점).
GaN 성장: MOCVD(유기금속화학기상증착) 반응기에서 저온 버퍼층(560 °C, 20 nm) 후 고온 언도프 GaN층(1140 °C, 2 μm)을 성장.
LED 구조 제작: Si 도핑 n-GaN / In0.04Ga0.96N-GaN 5쌍 MQW(다중양자우물) / Mg 도핑 p-GaN 순으로 성장, 포토리소그래피·ICP 건식식각으로 350×350 μm² 칩 제작, ITO 투명전극과 Cr/Au 금속전극 증착.
특성분석 장비: FESEM(전계방출주사전자현미경), AFM(원자힘현미경), HRTEM(고분해능투과전자현미경)·EELS(전자에너지손실분광법, BNNT 구조 확인용), XPS(X선광전자분광법), PL(광발광분광, He-Cd 325 nm), XRD(X선회절, HR-XRD ω-scan), 라만분광(Ar-ion 514 nm), I-V·EL(전계발광) 측정, 적외선 열화상 카메라.

4. 데이터

BNNT 원료: 레이저 어블레이션으로 직접 합성한 시료(3~~4겹 벽, 직경 2.0~~2.8 nm).
비교군 2종: BNNT 없이 GaN을 키운 사파이어 기판(SS, conventional Sapphire Substrate)과 BNNT를 스프레이 코팅한 사파이어 기판(BSS, BNNT-coated Sapphire Substrate) — 두 조건 모두 동일한 MOCVD 공정으로 GaN·LED를 성장시켜 직접 비교.
LED 칩 크기: 350 × 350 μm².

5. 결과

Raman E2(high) 모드 FWHM: SS 2.75 cm⁻¹ → BSS 2.6 cm⁻¹(결정질 향상). 봉우리 위치는 SS 대비 BSS에서 0.8 cm⁻¹ 적색편이 — 압축응력 완화의 증거. 계산된 이축응력은 SS 0.66 GPa, BSS 0.31 GPa로 절반 이하로 감소.
HR-XRD (102)면 FWHM: 563 → 474 arcsec로 감소(순수 edge dislocation 감소). (002)면 FWHM은 BNNT 유무와 무관하게 거의 동일(screw dislocation 밀도는 변화 없음).
AFM 기반 etch-pit density(전위 밀도 추정치): SS 1.2×10⁹ cm⁻² → BSS 6×10⁸ cm⁻²로 절반 감소. RMS 거칠기는 0.24 → 0.17 nm로 감소.
12 K PL 강도: BSS가 SS 대비 약 60% 증가. NBE(근접 밴드-엣지) 피크가 8 meV 적색편이(응력 완화와 일치, 0.36 GPa 상당).
IQE(내부양자효율): SS 50% → BSS 59%.
EL 강도: BSS가 SS 대비 70% 증가. 순방향 전압(20 mA 기준): SS 3.3 V → BSS 3.1 V로 감소.
EQE droop(효율 저하율): SS 43% → BSS 26%로 개선.
칩 표면 온도(100 mA 연속 구동, 적외선 열화상): SS 53.4 °C → BSS 45.1 °C, 약 8 °C 낮음.

6. 한계

저자가 밝힌 한계: HRTEM으로 관찰한 BNNT 표면이 “질소와 반응하지 않은 비정질 붕소로 부분적으로 덮여 있는 것으로 보인다”고 명시했다(합성 순도의 한계). 또한 스프레이 코팅된 BNNT가 완전히 균일하지 않아 일부 다발(bundle) 형태로 뭉친 부분이 소자 성능에 영향을 줄 수 있다고 지적했고, EL 이미지에서 이 불균일성이 관찰됐다고 서술했다. GaN-BNNT 계면에는 크기가 제각각인 공극(air void)이 형성되는데, 이는 BNNT 밀도의 공간적 편차(단일 BNNT부터 다발까지)에서 비롯된 부작용으로 저자들도 이를 결과로 보고했다(장점인 광산란 효과와 동시에 구조적 불균일성이기도 하다). 소자 측면에서는 250 mA를 넘으면 칩 크기가 작아 큰 전압강하로 EQE를 측정하지 못했다고 명시했다.

읽으면서 느낀 한계:

모든 정량 비교가 SS 대 BSS라는 두 조건, 사실상 단일 샘플 쌍의 비교로 이뤄져 있다. 반복 재현성이나 오차범위(표준편차)가 본문에 제시되지 않아, 60%·70%·8 °C 같은 향상 수치가 얼마나 안정적으로 재현되는지는 이 논문만으로는 판단하기 어렵다.
BNNT 밀도·두께를 정량적으로 통제하는 변수로 다루지 않았다. “단일 BNNT부터 다발까지” 밀도가 들쭉날쭉했다고 스스로 인정했음에도, 이 편차가 성능 향상 폭에 구체적으로 어떤 영향을 주는지에 대한 정량 분석은 없다.
장기 신뢰성(수명, 반복 열사이클 후 성능 저하) 데이터가 없다. 8 °C 낮은 표면온도와 EQE droop 개선이 실제 소자 수명 연장으로 이어지는지는 별도로 검증되지 않았다.
HRTEM은 BNNT 원료 자체의 구조 확인(벽 수·직경·결정성)에만 쓰였고, GaN 성장 후 BNNT/GaN 계면이나 소자 완성 후 단면을 TEM으로 직접 관찰하지는 않았다 — 계면 결함·공극 형성 메커니즘은 SEM·AFM·XRD 등 간접적인 증거로만 뒷받침된다.

7. 원문 인용

High-density threading dislocations, the presence of biaxial compressive strain, and heat generation are the major limitations obstructing the performance and reliability of light emitting diodes (LEDs). — Abstract

GaN LEDs fabricated using this approach showed a significant enhancement in the internal quantum efficiency and electroluminescence intensity compared to conventional LEDs grown on sapphire. — Abstract

The HRTEM observations indicate that the BNNTs synthesized in this work principally form cylindrical structures with three or four walls, as shown in Fig. 1(a) and (b). They have small diameters of 2.8 nm or 2.0 nm, respectively. However, the tubes seem to be partially covered with some amorphous boron which did not react with nitrogen during the synthesis. — Section 3, Results and discussion

The EL intensity of LEDs grown on the BSS is significantly enhanced, by 70%, compared to that of the conventional LEDs, as shown in Fig. 5(b). — Section 3, Results and discussion

The LED on the BSS exhibits an approximately 8 °C lower surface temperature compared to the conventional LED on the SS. These results indicate that BNNTs act as a thermal conducting layer, which effectively spreads the generated and accumulated heat, owing to its excellent in-plane thermal conductivity. — Section 3, Results and discussion