KR100601949B1 - 나노와이어 발광소자 - Google Patents
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Abstract
나노와이어 발광소자가 개시된다. 개시된 나노와이어 발광소자는, 기판 상의 제1전도층과, 상기 제1전도층 상에 수직으로 형성되어 있으며, 각각은 p 도핑부분과 n 도핑부분이 양측에 서로 구분되게 형성된 다수의 나노와이어와, 상기 나노와이어 상에 형성된 제2전도층과, 상기 나노와이어 사이를 채운 발광물질이 박힌 절연성 폴리머를 구비한다. 상기 발광소자로부터의 발광색은 상기 발광물질에 따라 달라진다.
Description
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노와이어 발광소자를 개략적으로 보인 단면도이다.
도 2는 발광물질인 형광물질, 염료 또는 퀀텀 도트가 절연성 폴리머 사이에 임베드된 것을 설명하는 도면이다.
도 3은 퀀텀 도트에 유기분자 체인이 붙어 있는 콜로이덜 퀀텀 도트(colloidal quantum dot)를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 나노와이어 발광소자를 개략적으로 보인 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 기판 110: 제1전도층
112: 반사막 120,120': 나노와이어
122: p형 도핑부분 124: 인트린식 부분
126: n형 도핑부분 128: 발광층
130: 절연성 폴리머 140: 제2전도층
본 발명은 나노와이어 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노와이어에 의한 광을 변환하는 발광물질이 내부에 형성된 나노와이어 발광소자에 관한 것이다.
발광소자로는 질화갈륨(GaN)계 화합물 반도체를 이용한 발광소자(light emitting diode: LED)가 많이 연구되어 왔다. 질화갈륨(GaN)계 화합물 반도체 발광소자는 발광효율은 높으나 기판과의 부정합(mismatch) 문제로 대면적 소자의 생산이 어렵다.
발광소자(light emitting device)로서 나노구조, 예컨대 나노와이어를 사용하는 기술이 개발되고 있다. 일본특허공보 H10-326,888호에는 실리콘 재질의 나노와이어를 구비한 발광소자와 이 발광소자를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 상기 나노와이어는 기판에 촉매층, 예컨대 금을 증착한 후, 반응로에 사염화규소(SiCl4) 개스를 흘러보내서 상기 촉매층으로부터 실리콘 나노와이어를 성장시키는 방법이다. 상기 특허공보에서는 나노와이어의 직경을 조절함으로써 발광되는 색을 조절하였다.
그러나, 상기 실리콘 나노와이어 발광소자는 제조비용이 저렴하지만 발광효율이 낮은 것으로 알려져 있다.
한편, 미국공개특허 2003/0168964호에는 나노와이어를 p-n 다이오드 구조로 형성하였다. 즉, 나노와이어의 하부는 n-type 나노와이어, 그 상부는 p-type 나노 와이어로 형성하고 그들 사이의 접합부로부터 발광을 시키는 구조이다. 상기 p-n 접합구조의 나노와이어를 제조하기 위해서 VLS(vapor phase-liquid phase-solid phase) 방법을 사용하여 다른 조성(components)을 첨가하였다. 상기 미국특허에서는 가시광선의 발광색을 얻기 위해서 투명한 기판에 원하는 형광물질을 배치하였다.
상기 p-n 접합구조의 나노와이어는 촉매층에서 성장되면서 n-type 나노와이어 및 p-type 나노와이어를 순차적으로 형성하기 때문에 양질의 p-n 접합구조를 얻기가 어렵다.
본 발명은 상기한 바와 같은 점들을 감안하여 안출된 것으로, 발광소자의 내부에 특정 색을 발광하는 물질을 채움으로써 원하는 색을 발광시키는 나노와이어 발광소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노와이어 발광소자는,
기판;
상기 기판 상의 제1전도층;
상기 제1전도층 상에 수직으로 형성되어 있으며, 각각은 p 도핑부분과 n 도핑부분이 양측에 서로 구분되게 형성된 다수의 나노와이어;
상기 나노와이어 상에 형성된 제2전도층; 및
상기 나노와이어 사이를 채운 발광물질이 박힌 절연성 폴리머;를 구비하며,
상기 발광소자로부터의 발광색은 상기 발광물질에 따라 달라지는 것을 특징으로 한다.
상기 p 도핑부분 및 상기 n 도핑부분은 각각 상기 나노와이어의 성장시 도판트 원자로 도핑시키거나, 또는 상기 나노와이어의 외주에 유기물 분자를 흡착시켜서 형성된다.
본 발명의 한 유형에 따르면,
상기 p 도핑부분과 상기 n 도핑부분 사이의 경계면이 발광층이다.
본 발명의 다른 유형에 따르면,
상기 p 도핑부분과 상기 n 도핑부분 사이에는 도핑되지 않은 인트린식(intrinsic) 부분으로 된 발광층이 형성되어 있다.
상기 발광물질은, 형광물질이다.
상기 발광물질은, 염료가 될 수 있다.
상기 발광물질은, 퀀텀 도트일 수 있다.
상기 발광물질이 박힌 절연성 폴리머는, 콜로이덜 퀀텀 도트일 수 있다.
상기 나노와이어로부터 방출된 광을 반사시키는 반사막;을 더 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 하나의 유형에 따르면, 상기 반사막은, 상기 제1전도층 하부에 배치되며,
상기 기판 및 상기 제1전극층은 광투과 물질이다.
본 발명의 다른 유형에 따르면, 상기 반사막은 상기 제2전도층 상부에 배치 되며,
상기 제2전도층은 투명전극이다.
상기 p 도핑부분은 상기 나노와이어의 외주에 전기친화도가 큰 불소함유 분자가 흡착된다.
상기 n 도핑부분은 상기 나노와이어의 외주에 이온화 전위가 낮은 분자로 흡착된다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서, 본 발명에 따른 나노와이어 발광소자를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노와이어 발광소자를 개략적으로 보인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(100) 상에 전도층(제1전극층)(110)이 형성되어 있으며, 전도층(110) 상에는 다수의 나노와이어(120)가 대체적으로 수직으로 형성되어 있다. 상기 나노와이어(120) 사이에는 발광물질이 박힌 절연성 폴리머(130)가 채워져 있으며, 상기 나노와이어(120) 상에는 전극층(제2전극층)(140)이 형성되어 있다.
상기 나노와이어(120)는 p-type 도핑 부분(122), n-type 도핑 부분(126)과, 이들 p-type 도핑부분(122) 및 n-type 도핑부분(126) 사이의 발광층(light emitting layer)인 인트린식(intrinsic) 부분(124)이 형성되어 있다. 이 인트린식 부분(124)은 도핑되지 않은 영역이다.
상기 기판(100)은 실리콘 웨이퍼, 사파이어 웨이퍼 또는 평탄한 금속박막이 사용될 수 있다. 상기 기판(100) 쪽으로 광이 투과하는 경우, 상기 기판(100)은 투명 기판이 사용된다. 예컨대, 사파이어, 석영 또는 유리 기판 등이 사용될 수 있다.
상기 제1전극층(110)은 투명전극층, 예컨대 ITO 층으로 형성될 수 있다. 상기 제2전극층(140)은 알루미늄, 금, 마그네슘 등으로 증착될 수 있다. 상기 제2 전극층(140)으로 광이 투과하는 경우에는 상기 제2전극층(140)이 ITO 와 같은 투명전극을 증착하여 사용할 수 있다.
상기 나노와이어(120)는 자외선광 또는 청색광을 방출하는 것이 바람직하다. 상기 나노와이어(120)이 ZnO 로 제조된 경우 자외선이 방출되며, Si 인 경우 적외선이 발광되며, GaN 인 경우 자외선 또는 청색광이 방출되며, InGaN 인 경우 청색광이 방출될 수 있다. 상기 나노와이어(120)는 그 직경이 대략 20~100 nm 이며, 그 길이는 대략 1 ㎛ 로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 나노와이어는 p 도핑부분(122), n 도핑부분(126)과 인트린식 부분(124)로 이루어진 p-i-n 접합구조이다.
상기 p-type 도핑부분(122)은 나노와이어(120)의 외주에 p-type 도핑물질이 흡착된 부분이다. 상기 p-type 도핑물질로는 전기 친화도(electron affinity)가 큰 분자, 예컨대 organic electron acceptor 분자인 F4-TCNQ(tetrafluoro-tetracyano-quinodimethane)을 사용할 수 있다. 상기 p-type 도핑물질은 해당 나노와이어(120) 표면에서 전자를 뺏으므로, p-type 도핑물질이 흡착된 부분은 그 표면 에 정공들이 생성되며 따라서 p-type 도핑 부분(122)이 된다. 상기 p-type 도핑부분(122)은 나노와이어(120) 내부에 전자 acceptor 원자가 함유되어 있을 수도 있다.
상기 n-type 도핑부분(126)은 나노와이어(120)의 외주에 n-type 도핑물질이 흡착된 부분이다. 상기 n-type 도핑물질로는 이온화 전위(ionization potential)가 낮은 분자, 예컨대 리티움, 구리, 아연 중 어느 하나를 포함하는 분자 또는 organic electron donor 분자를 사용할 수 있다. 예컨대 CuPc(copper phtalocyanine), ZnPc(zinc phtalocyanine), 펜타센(pentacene), BEDT-TTF(bis(ethylenddithio)tetrathiafulvalene)를 사용할 수 있다. 상기 n-type 도핑물질은 해당 나노와이어(120) 표면에 전자를 제공하며 따라서 n-type 도핑물질이 흡착된 부분은 그 표면에 자유전자가 생기며 따라서 n-type 도핑 부분(126)이 된다. 상기 n-type 도핑부분(126)은 나노와이어(120)의 내부에 전자 donor 원자가 함유되어 있을 수도 있다.
상기 절연성 폴리머(130)는 나노와이어(120) 사이의 전기적 연결을 방지한다. 또한, 절연성 폴리머(130)는 나노와이어(120)로부터 방출되는 자외선을 흡수하여 특정한 가시광선을 발광하도록 그 내부에 형광물질이 임베디드(enbeded)되어 있다. 또한, 상기 폴리머(130)는 염료(dye) 또는 퀀텀 도트(quantum dot)가 임베디드된 절연성 폴리머일 수도 있다. 상기 퀀텀 도트로는 ZnS, CdS, ZnSe, CdSe, InP 등의 대부분의 반도체 화합물이 사용될 수 있다. 상기 형광물질, 염료 또는 퀀텀 도트가 포함된 절연성 폴리머로는 포토레지스트가 사용될 수 있다.
상기 나노와이어(120)로부터 방출된 자외선은 절연성 폴리머(130)에 임베디드된 형광물질, 염료 또는 퀀텀 도트에 의해서 자외선이 흡수된다. 상기 자외선을 흡수한 발광물질인 형광물질, 염료 또는 퀀텀 도트는 고유의 색을 발광한다.
상기 형광물질, 염료 또는 퀀텀 도트로부터 발광되는 가시광은 형광물질, 염료의 색 또는 퀀텀 도트의 사이즈에 따라 달라진다.
도 2는 발광물질인 형광물질, 염료 또는 퀀텀 도트가 절연성 폴리머 사이에 임베드된 것을 설명하는 도면이다. 절연성 폴리머(200)에 다수의 퀀텀 도트(202)가 임베드되어 있다.
도 3은 퀀텀 도트(300)에 유기분자 체인(302)이 붙어 있는 콜로이덜 퀀텀 도트(colloidal quantum dot)를 보여주는 도면이다. 상기 형광물질, 염료 또는 퀀텀 도트가 임베디드된 폴리머 대신에 도 3의 콜로이덜 퀀텀 도트를 나노와이어들(120) 사이에 스태킹하여 사용할 수도 있다. 상기 유기분자 체인(302)으로는 TOPO(trioctylphospine oxide) 또는 HDT(1.6-hexanedithiol)와 같은 물질로 이루어질 수 있다.
한편, 기판(100) 및 제1전극층(110) 사이에 반사막(112)이 더 배치될 수 있다. 상기 반사막(112)은 장파장 투과필터(long-wave pass filter)가 사용될 수 있다. 상기 반사막(112)은 그 두께가 나노와이어(120)에서 발광되는 광의 파장, 예컨대 자외선 파장 두께로 형성되면, 나노와이어(120)의 인트린식 부분(124)에서 방출되는 자외선을 발광소자 내부로 재반사시키며, 가시광선만 외부로 방출되게 한다. 따라서, 나노와이어(120)로부터의 자외선들을 모두 가시광의 발광에 기여하게 하 며, 이는 발광효과를 증대시키는 역할을 하게 된다.
상기 반사막(112)은 반드시 제1전극층(110)의 하부에 배치되어야 하는 것은 아니다. 즉, 반사막(112)이 전도성이 있으면, 제1전극층(110) 상부에 배치되어도 된다. 또한, 본 발명에 따른 발광소자의 광이 제2전극층(140)을 향해서 방출되는 경우, 제2전극층(140)은 투명전극으로 형성되고, 상기 반사막(120)은 제2전극층(140)의 상부에 배치될 수 있다.
상기 구조의 발광소자의 작용을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저 나노와이어(120)의 p-type 도핑부분(122)과 연결된 제1전극층(110)에 +전압, 나노와이어(120)의 n-type 도핑부분(126)과 연결된 제2전극층(140)에 - 전압을 인가하면, p-type 도핑부분(122)의 정공(hole)과 n-type 도핑부분(126)의 전자가 인트린식 영역(124)에서 재결합을 한다. 이때 자외선광이 방출된다. 인트린식 영역(124)에서 방출된 자외선광은 사방으로 퍼져나간다. 상기 자외선광 중 절연성 폴리머(130)에 임베드된 인접한 형광물질과 만난 광은 해당 형광물질을 여기시키며, 따라서 가시광선이 방출된다. 상기 가시광선은 투명한 제1전극층(110), 반사막(112) 및 투명 기판(100)을 투과한다.
한편, 나노와이어(120)로부터 방출된 자외선 중, 제2전극층(140)을 향한 자외선은 상기 제2전극층(140)에서 반사되어서 발광소자 내부로 들어가고, 상기 형광물질을 만나서 가시광선을 발광시킨다. 또한, 나노와이어(120)로부터 방출된 자외선 중, 제1전극층(110)을 향한 가시광선은 반사막(112)에서 반사되어서 형광물질이 포함된 폴리머(130)로 돌아가며, 상기 형광물질을 여기시킨다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 나노와이어 발광소자를 개략적으로 보인 단면도이며, 제1 실시예의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 2를 참조하면, 기판(100) 상에 전도층(제1전극층)(110)이 형성되어 있으며, 전도층(110) 상에는 다수의 나노와이어(120')가 대체적으로 수직으로 형성되어 있다. 상기 나노와이어(120') 사이에는 발광물질이 박힌 절연성 폴리머(130)가 채워져 있으며, 상기 나노와이어(120') 상에는 전극층(제2전극층)(140)이 형성되어 있다.
상기 기판(100) 및 제1전극층(110) 사이에 반사막(112)이 더 배치되어 있다. 상기 반사막(112)은 장파장 투과필터(long-wave pass filter)가 사용될 수 있다. 상기 반사막(112)은 나노와이어(120)의 인트린식 부분(124)에서 방출되는 자외선을 발광소자 내부로 재반사시키며, 가시광선만 외부로 방출되게 한다. 따라서, 나노와이어(120)로부터의 자외선들을 모두 가시광의 발광에 기여하게 하며, 이는 발광효과를 증대시키는 역할을 하게 된다.
상기 나노와이어(120')는 p-type 도핑 부분(122), n-type 도핑 부분(126)이 서로 접촉되게 형성되며, 이들 접촉영역은 발광층(light emitting layer)(128)을 형성한다. 이러한 발광구조는 제1 실시예의 pin 접합구조와 비교하여 pn 접합구조를 이룬다.
상기 절연성 폴리머(130)는 나노와이어(120') 사이의 전기적 연결을 방지한다. 또한, 절연성 폴리머(130)는 나노와이어(120')로부터 방출되는 자외선을 흡수 하여 특정한 가시광선을 발광하도록 그 내부에 형광물질이 임베디드(enbeded)되어 있다. 또한, 상기 폴리머(130)는 염료(dye) 또는 퀀텀 도트(quantum dot)가 임베디드된 절연성 폴리머일 수도 있다. 상기 퀀텀 도트로는 ZnS, CdS, ZnSe, CdSe, InP 등의 대부분의 반도체 화합물이 사용될 수 있다. 상기 형광물질, 염료 또는 퀀텀 도트가 포함된 절연성 폴리머(130)로는 포토레지스트가 사용될 수 있다.
상기 나노와이어(120')로부터 방출된 자외선은 절연성 폴리머(130)에 임베디드된 형광물질, 염료 또는 퀀텀 도트에 의해서 자외선이 흡수된다. 상기 자외선을 흡수한 형광물질, 염료 또는 퀀텀 도트는 고유의 색을 발광한다.
이러한 구조의 발광소자에서는 나노와이어(120')의 양단에 직류전압을 인가하면 발광층(128)에서 자외선광이 방출된다. 이 자외선광은 폴리머(130)의 형광물질 등을 여기시켜서 소정의 가시광선을 방출한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 나노와이어 발광소자는 절연성 폴리머 속의 형광물질, 염료, 퀀텀 도트의 종류 또는 크기를 조절함으로써 소정영역에서 방출되는 가시광선의 색을 조절할 수 있다. 또한, 발광소자 내에 색을 조절하는 물질을 삽입시킴으로써 발색 효율이 향상된다.
본 발명은 도면을 참조하여 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.
Claims (17)
- 기판;상기 기판 상의 제1전도층;상기 제1전도층 상에 수직으로 형성되어 있으며, 각각은 p 도핑부분과 n 도핑부분이 양측에 서로 구분되게 형성된 다수의 나노와이어;상기 나노와이어 상에 형성된 제2전도층; 및상기 나노와이어 사이를 채운 발광물질이 박힌 절연성 폴리머;를 구비하며,상기 발광소자로부터의 발광색은 상기 발광물질에 따라 달라지는 것을 특징으로 하는 나노와이어 발광소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 p 도핑부분 및 상기 n 도핑부분은 각각 상기 나노와이어의 성장시 도판트 원자로 도핑시키거나, 또는 상기 나노와이어의 외주에 유기물 분자를 흡착시켜서 형성된 것을 특징으로 하는 나노와이어 발광소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 p 도핑부분과 상기 n 도핑부분 사이의 경계면이 발광층인 것을 특징으로 하는 나노와이어 발광소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 p 도핑부분과 상기 n 도핑부분 사이에는 도핑되지 않은 인트린식(intrinsic) 부분으로 된 발광층이 형성된 것을 특징으로 하는 나노와이어 발광소자.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,상기 발광물질은, 형광물질인 것을 특징으로 하는 나노와이어 발광소자.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,상기 발광물질은, 염료인 것을 특징으로 하는 나노와이어 발광소자.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,상기 발광물질은, 퀀텀 도트인 것을 특징으로 하는 나노와이어 발광소자.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,상기 발광물질이 박힌 절연성 폴리머는, 콜로이덜 퀀텀 도트인 것을 특징으로 하는 나노와이어 발광소자.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,상기 나노와이어로부터 방출된 광을 반사시키는 반사막;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 발광소자.
- 제 9 항에 있어서,상기 반사막은, 상기 제1전도층 하부에 배치되며,상기 기판 및 상기 제1전극층은 광투과 물질인 것을 특징으로 하는 나노와이어 발광소자.
- 제 9 항에 있어서,상기 반사막은 상기 제2전도층 상부에 배치되며,상기 제2전도층은 투명전극인 것을 특징으로 하는 나노와이어 발광소자.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,상기 p 도핑부분은 상기 나노와이어의 외주에 전기친화도가 큰 분자가 흡착된 것을 특징으로 하는 나노와이어 발광소자.
- 제 12 항에 있어서,상기 p 도핑부분은 불소함유 분자로 흡착된 것을 특징으로 하는 나노와이어 발광소자.
- 제 13 항에 있어서,상기 불소함유 분자는 F4-TCNQ 분자인 것을 특징으로 하는 나노와이어 발광소자.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,상기 n 도핑부분은 상기 나노와이어의 외주에 이온화 전위가 낮은 분자가 흡착된 것을 특징으로 하는 나노와이어 발광소자.
- 제 15 항에 있어서,상기 n 도핑부분은 리티움, 구리, 아연 중 적어도 어느 하나의 금속을 포함하는 분자 또는 유기 분자로 흡착된 것을 특징으로 하는 나노와이어 발광소자.
- 제 6 항에 있어서,상기 n 도핑부분은 CuPc, ZnPc, 펜타센(pentacene), BEDT-TTF(bis(ethylenddithio)tetrathiafulvalene)BEDT-TTF 중 선택된 적어도 어느 하나로 흡착된 것을 특징으로 하는 나노와이어 발광소자.
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