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title: "광추출 효율은 생성된 빛의 행방을 묻는다"
author: "브레이브브라우저쓰자"
published_at: "2026-10-12T06:48:01.408Z"
updated_at: "2026-10-06T00:08:50.861Z"
tags: ["광추출 효율"]
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# 광추출 효율은 생성된 빛의 행방을 묻는다

이 글은 AI가 활용됐습니다.

[원문](https://ariser.io/@writer_a9817d5a8de0/%EA%B4%91%EC%B6%94%EC%B6%9C-%ED%9A%A8%EC%9C%A8%EC%9D%80-%EC%83%9D%EC%84%B1%EB%90%9C-%EB%B9%9B%EC%9D%98-%ED%96%89%EB%B0%A9%EC%9D%84-%EB%AC%BB%EB%8A%94%EB%8B%A4)

LED 내부에서 광자가 많이 만들어졌는데 밖으로 측정한 빛은 약할 수 있다. 재결합 과정이 나쁘다는 설명만으로는 충분하지 않다. 만들어진 광자가 계면에서 되돌아오거나 다른 층에 흡수되고, 금속 접촉에 가려지면 외부 출력이 줄어든다. 광추출 효율은 **이미 생성된 광자 가운데 소자 밖으로 나오는 비율**을 묻는다.

## 내부 생성과 외부 출력을 분리한다

단순한 LED 모델에서는 전류가 원하는 활성 영역으로 들어가는 효율, 그 영역에서 방사 재결합하는 효율, 만들어진 빛이 빠져나오는 효율을 곱해 외부 광자 수를 설명할 수 있다. 앞의 두 과정이 좋아도 마지막 과정이 작으면 외부 출력이 제한된다. MIT 강의는 이 세 효율을 분리해 쓰고, 광추출의 제한으로 전반사·내부 재흡수·접촉에 의한 가림을 명시한다. [MIT 6.772, Lecture 18, 슬라이드 8·12](https://ocw.mit.edu/courses/6-772-compound-semiconductor-devices-spring-2003/resources/lecture18v2/)

이 구분은 원인을 찾는 데 유용하다. 전류를 올렸는데 빛이 거의 늘지 않는다면 내부 재결합 변화와 추출 경로 변화를 각각 확인해야 한다. 광추출 구조가 좋아졌다는 결과도 재료의 방사 재결합률이 높아졌다는 뜻과 같지 않다.

## 평평한 표면의 탈출 원뿔

굴절률이 높은 반도체에서 낮은 굴절률의 바깥으로 나갈 때, 입사각이 임계각보다 크면 전반사가 일어난다. 임계각은 sinθᶜ=n밖/n안이다. 내부 굴절률 3.5, 바깥을 공기 1.0으로 잡으면 약 16.6°다. 표면의 법선에 가까운 좁은 방향 범위만 바로 탈출할 수 있다.

등방적으로 방출된 광자 하나의 방향을 구면 전체에서 균일하게 고르는 모델을 생각하자. 한쪽 평면으로 향하는 탈출 원뿔의 입체각 비율은 (1−cosθᶜ)/2로 약 2.08%다. 반사가 전혀 없고 원뿔 안의 광자는 모두 통과한다는 첫 시도의 기하학 값이다. 작은 각도 근사 1/(4n²)로 계산하면 약 2.04%가 되어 비슷하다. 강의에서도 굴절률 3.5의 평면 경계에서 약 2%라는 규모를 제시한다. [MIT Lecture 18, 슬라이드 12](https://ocw.mit.edu/courses/6-772-compound-semiconductor-devices-spring-2003/resources/lecture18v2/)

이 비율을 소자의 최종 추출 효율로 확정하면 안 된다. 원뿔 안에서도 계면 반사가 있고, 처음에 갇힌 빛도 다른 표면이나 방향 변경을 거쳐 나올 수 있다. 표면에 도달하는 빛의 플럭스 분포와 전체 광자의 방출 방향 분포도 같은 정의가 아니다. “몇 %가 탈출한다”는 숫자에는 어떤 표면과 어떤 시도를 세었는지가 필요하다.

## 밖의 굴절률과 모양을 바꾸는 효과

반도체 바로 바깥의 굴절률을 1.5로 바꾸면 임계각은 약 25.4°로 넓어진다. 같은 한쪽 원뿔 모델의 비율은 약 4.82%다. 하지만 평평한 포장층을 덧붙이기만 하면 포장층과 공기 사이에서 다시 전반사가 생길 수 있다. 반도체·포장 경계를 통과한 것과 최종적으로 공기까지 나온 것은 다르다.

돔 모양 포장은 빛이 바깥 경계에 더 작은 입사각으로 도달하도록 도울 수 있다. 거친 표면은 빛의 진행 방향을 바꾸어 탈출 기회를 늘리고, 투명한 기판은 아래쪽이나 옆면의 경로도 활용할 수 있게 한다. 다만 효과는 흡수, 실제 형상과 위치에 의존한다. 강의의 돔 포장·투명 기판·표면 거칠기 예는 이런 경로를 설명한다. [MIT Lecture 18, 슬라이드 13·14](https://ocw.mit.edu/courses/6-772-compound-semiconductor-devices-spring-2003/resources/lecture18v2/)

## 같은 전류에서 달라지는 빛

가상 LED에서 활성 영역으로 들어가는 효율이 0.9, 방사 재결합 효율이 0.8, 추출 효율이 0.03이라고 하자. 외부 광자는 주입 전자당 0.0216개다. 내부 두 효율은 그대로 두고 추출만 0.15로 높이면 0.108개로 다섯 배가 된다.

전류 20mA, 방출 파장 630nm로 단순화하면 두 경우의 외부 광출력은 약 0.85mW와 4.25mW다. 전류당 외부 광자 수와 광자 에너지로 계산한 값이며, 실제 스펙트럼이나 제품 측정값이 아니다. 내부 재결합을 바꾸지 않아도 빛의 경로가 출력에 큰 차이를 만들 수 있음을 보여 준다.

광추출 효율을 높이는 설계는 탈출 원뿔만 넓히는 일로 끝나지 않는다. 갇힌 빛의 방향, 흡수와 금속 접촉, 최종 외부 경계를 함께 다뤄야 한다. 내부 생성 효율과 같은 기준으로 구분해 측정하면, 빛을 더 만들어야 할지 이미 만든 빛을 더 잘 꺼내야 할지 판단할 수 있다.