KR100669950B1

KR100669950B1 - 2차원 나노주기구조를 갖는 박막형광체를 포함하는 ｌｅｄ구조체

Info

Publication number: KR100669950B1
Application number: KR20050066844A
Authority: KR
Inventors: 도영락
Original assignee: 도영락
Priority date: 2004-07-24
Filing date: 2005-07-22
Publication date: 2007-01-17
Also published as: KR20060046707A

Abstract

LED 구조체가 제공된다.

본 발명에 따른 LED 구조체는 LED 소자; 및 기판의 상부에 박막형광체가 적층되어 있고 상기 박막형광체의 전면방향으로 2차원 나노주기구조가 형성되어 있는 박막형광체/기판 적층체를 포함하며, 상기 박막형광체의 소멸계수(extinction coefficient)가 10^-3 이하인 것을 특징으로 하는데, 종래의 LED 소자에 비해 발광효율 및 휘도가 매우 우수하고, 형광체를 적게 사용하면서 슬러리를 사용하지 않으므로, 광학적인 균일성과 원가 절감이라는 효과를 가진다.

LED 구조체, 나노주기 박막형광체

Description

2차원 나노주기구조를 갖는 박막형광체를 포함하는 ＬＥＤ 구조체{LED device comprising thin-film phosphor having 2 dimensional nano periodic structures}

도 1은 청색 LED 소자에 YAG:Ce 파우더 형 형광체를 도포한 종래의 백색 LED구조체의 단면도이다.

도 2는 보라색 LED 또는 자외선 LED 소자에 청색, 녹색 및 적색의 삼색 파우더 형 형광체를 도포한 종래의 백색 LED 구조체의 단면도이다.

도 3은 평면 박막형광체에서 발생하는 발광의 빛방출 경로를 도시하는 개략도이다.

도 4(a)는 본 발명에 사용되는 2차원 나노주기구조를 갖는 박막형광체의 발광 추출 원리를 도시하는 단면도이다.

도 4(b)는 본 발명에 사용되는 2차원 나노주기구조를 갖는 박막형광체의 평면도이다.

도 5는 FDTD 전사모사를 위한 2차원 나노주기구조를 갖는 박막형광체의 계산 변수 및 구조체의 개략도이다.

도 6 (a) 내지 (c)는 본 발명의 일 실시예에 의해, 청색 LED 소자에 2차원 나노주기구조를 갖는 황색 박막형광체를 부착한 백색 LED구조체의 단면도이다.

도 7 (a) 내지 (c)는 본 발명의 일 실시예에 의해, UV LED 소자에 2차원 나노주기구조를 갖는 청색, 녹색, 적색 박막형광체를 부착한 백색 LED구조체의 단면도이다.

도 8은 본 발명에 사용되는 2차원 나노주기구조를 갖는 박막형광체의 제조 공정을 나타내는 흐름도이다.

도 9(a)는 박막형광체를 식각하여 2차원 나노주기구조를 형성한 박막형광체의 개략도이다.

도 9(b)는 별도의 재질로 2차원 나노주기구조를 형성시킨 박막형광체의 개략도이다.

도 10은 2차원 나노주기구조의 주기에 따른 FDTD 전산모사의 결과로 추출되는 광량비를 도시하는 그래프이다.

도 11(a)는 2차원 나노주기구조를 갖는 석영 기판의 평면 SEM 사진이다.

도 11(b)는 2차원 나노주기구조를 갖는 석영 기판의 단면 SEM 사진이다.

도 12(a)는 비교예 1에 따라 제조된 박막형광체의 평면 SEM 사진이다.

도 12(b)는 비교예 1에 따라 제조된 박막형광체의 단면 SEM 사진이다.

도 12(c)는 실시예 5에 따라 제조된 박막형광체의 평면 SEM 사진이다.

도 12(d)는 실시예 5에 따라 박막형광체의 단면 SEM 사진이다.

도 13은 실시예 4, 5 및 비교예 1에 따라 제조된 박막형광체의 자외선 여기 발광 스펙트럼이다.

도 14는 실시예 9 및 비교예 2에서 제조된 백색 LED 구조체의 발광스펙트럼 이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1...황색 형광체 2...반사판

3...에폭시 접착제 4...청색 LED 소자

5...R,G,B의 삼색 형광체 6...보라색 또는 자외선 LED 소자

7...공기 8...박막형광체,

9...기판 10...나노주기 박막형광체

10'...나노주기 박막형광체/기판 적층체

11...완전 반사체 12...제 1 검출면

13...제 2 검출면 14...나노주기 황색박막형광체

15...나노주기 R,G,B 박막형광체

16...석영기판 17...Si 박막

18...포토레지스트 박막 19...나노주기 포토레지스트박막

20...나노주기 Si 박막 21...나노주기 기판

22...별도 재질의 2차원 나노주기구조

본 발명은 LED구조체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 발광효율 및 휘도가 우수한 LED 구조체에 관한 것이다.

1990년도 중반에 접어들면서 질화물 반도체 InGaN를 이용한 LED가 개발된 이후에 등장한 백색 LED는 반도체 조명의 시대를 열게 하였다. 이러한 백색 LED는 백열 전구(보급형 60W)에 비해 수명이 길고, 소형화가 가능하며, 저전압으로 구동이 가능하다는 특징 때문에 가정용 형광등, 총천연색 디스플레이(LCD 백라이트)를 포함하여 광범위한 분야로의 응용이 본격화 되고 있다.

상기 백색 LED를 제조하는 방법으로는 삼색(적색, 녹색, 청색) 발광 다이오드를 모두 사용하는 방법이 있으나, 제조비용이 고가이고, 구동회로가 복잡하기 때문에 제품의 크기가 커지며, 세가지 발광다이오드의 온도특성이 서로 다르기 때문에 제품의 광학적 특성 및 신뢰성에 악영향을 미칠 수 있다는 단점이 있다.

따라서, 450nm의 파장을 가지는 InGaN계 청색 LED에 황색 형광체 또는 녹색과 적색 혼합 형광체를 조합하여 백색을 구현하는 방법이 개발되었는데, 이는 청색 LED에서 발생하는 청색광의 일부가 상기 형광체를 여기시켜 황록색의 형광을 발생시키게 되며, 상기 청색과 황록색이 합성되어 백색을 발광시키는 원리로 이루어져 있다. 도 1에는 YAG:Ce 파우더 형광체를 사용한 종래의 백색 LED에 대한 개략적인 단면도를 도시하였다. 상기 도 1에 도시된 바대로, 상기 백색 LED는 파우더형 YAG:Ce 황색 형광체를 LED 소자 위에 도포하여 제조되는데, 색연색지수(color rendering index: CRI)가 낮기 때문에 태양광에 가까운 백색광을 얻기 어렵다는 단점이 있지만, 발광효율이 비교적 우수하다는 장점이 있다.

한편, 최근에는 백색 LED의 연색 지수의 개선을 위하여 청색 LED와 황색 형광체의 조합물 대신에 자외선/보라색 LED와 청색, 녹색 및 적색의 삼색 형광체를 모두 조합하여 태양광에 가까운 백색을 발광할 수 있는 백색 LED의 개발하려는 노력이 활발히 전개되고 있는데, 도 2에는 삼색 파우더형 형광체를 이용한 백색 LED의 개략적인 단면도를 도시하였다. 상기 도 2를 참조하면, 삼색 파우더형 형광체를 420nm 이하의 보라색 또는 자외선 발광 LED로 여기 시켜 백색을 구현하므로 연색 지수가 크게 개선될 뿐만 아니라 형광체의 비율이 조절되므로 색 온도를 쉽게 조절할 수 있는 장점이 있다.

상기와 같이 백색 LED를 구현하기 위해서는 청색 또는 자외선/보라색 LED에 여기되는 형광체가 필수적으로 요구되는데, 종래기술에서 사용되어오던 상기 형광체는 모두 파우더형이기 때문에 조사되는 여기광원과 이에 의해 형광체가 여기되어 발생하는 빛이 상기 파우더에 의해 산란되거나 소실되는 비율이 커지며, 이에 의해 휘도가 낮아진다는 문제점이 있었다. 또한, 상기 파우더형 형광체를 LED 소자에 적용하기 위해서는 슬러리 형태로 사용해야 하는데, 이러한 슬러리는 물리적, 화학적인 균일성이 떨어질 뿐만 아니라, 형광체가 발광할 때 일부는 발광에 참여하지만 또다른 일부는 산란과 가리움 효과(screen effect)에 의해서 발광에 참여하지 못하게 된다는 문제가 있으며, 형광체의 사용량이 많아지기 때문에 제조단가가 상승한다는 단점이 있었다.

한편, 상기 형광체를 박막형태로 제조하게 되면 물리/화학적으로 균일하며, 기판에의 접착력이 우수하고, 가스 발생이 최소화되며, 형광체의 사용량이 줄어든다는 장점이 있지만, 박막형광체 내부에서 발생한 빛의 대부분이 전반사(total internal reflection) 효과 또는 광 도파로 효과 (light piping effect)에 의해서 밖으로 빠져 나오지 못하기 때문에 광효율 및 휘도가 열악하다는 치명적인 단점이 있으며, 형광체를 박막형태로 제조시 결정성 내지 투명도가 떨어지는 경우에는 상기 전반사 또는 광 도파로 효과 이외에도 추가적으로 빛이 박막형광체의 내부에서 소실되기 때문에 실제 발광효율은 더 떨어지게 된다는 문제점이 있으므로 종래에는 LED 구조체에 박막형태의 형광체를 사용한 예가 전무하였었다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 물리적, 화학적인 균일성이 뛰어난 박막형광체를 사용하면서도 종래의 LED 구조체보다 발광효율 및 휘도가 매우 우수한 LED 구조체를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여,

LED 소자(4,6); 및
기판(9)의 상부에 박막형광체가 적층되어 있고 상기 박막형광체의 전면방향으로 주기가 200nm 내지 5000nm이고, 높이가 10nm 내지 5000nm이며 구형, 원통형, 직육면체형, 또는 삼각 기둥형으로 음각 내지 양각되어 있는 형상의 2차원 나노주기구조가 형성되어 있는 박막형광체/기판 적층체(10')를 포함하며, 상기 박막형광체/기판 적층체가 상기 LED소자의 발광면에 직접부착되거나, 상기 LED 소자의 상부에 구비되어 있는 반사컵 위에 부착되고, 상기 박막형광체의 소멸계수(extinction coefficient)가 10^-3 이하인 것을 특징으로 하는 LED 구조체를 제공한다.

삭제

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 LED 구조체의 2차원 나노주기구조를 갖는 박막형광체(이하,나노주기 박막형광체라 한다; 10)는 빛을 전면방향으로 추출하기에 적합한 굴절, 산란 및 반사면을 가지기 때문에 여기광 또는 발생광이 박막형광체 내부에서 소실되는 비율을 대폭 감소시키는 한편, 추가적으로 박막형광체의 소멸계수를 낮춤으로써, 전체적으로 휘도 및 발광효율을 대폭 증가시킬 수 있다는 것을 특징으로 한다.

도 3에는 평면 박막형광체에서 발생하는 발광 빛의 방출 경로를 도시하였다. 대부분의 박막형광체는 광학적 굴절률(refractive index) 값이 높기 때문에 박막형광체 내부에서 발생한 빛의 대부분이 전반사(total internal reflection) 효과 또는 광 도파로 효과 (light piping effect)에 의해서 박막형광체 내부에 갇혀서 밖으로 빠져 나오지 못하게 된다. 따라서, 도 3에 도시한 바와 같이 상당한 양의 빛이 박막형광체의 면과 공기의 계면으로부터 전반사 되어서 박막형광체 내에 가둬지거나 박막형광체를 구성하는 물질에 흡수되어 사라지게 된다.

이를 정량적으로 설명하기 위하여, 고전 광학의 원리를 박막형광체에서 LED전면으로 방출되는 빛의 양을 계산하는 데에 적용할 수 있다. 하기 수학식 1은 고전 광학 법칙에 의해 알려진 식으로서 평면 박막형광체로부터 빠져 나오는 빛을 람버시안(Lambertian) 형태의 빛으로 가정하고 기판(9) 방향으로 방출되는 빛은 반사되지 않는다고 가정할 때에 성립하는 식이다.

(상기 식 중, η_외광은 외광 효율이고, n_형광체는 형광체의 굴절률임)

상기 외광 효율은 박막형광체에서 방출되는 빛 중, 공기 중으로 빠져 나오는 빛의 양(%)을 의미하는데, 상기 수학식 1에 의하면 외광 효율은 박막형광체의 굴절률에 반비례하며, 결과적으로 굴절률 값이 커지면 발광 효율은 크게 감소하게 된다는 것을 알 수 있다.

대부분의 박막형광체는 유리의 굴절률 값인 1.5 이상의 값을 갖는데, 이중 대표적인 황화물계 형광체인 ZnS의 경우 굴절률 값이 2.4 이고, 질화물계인 GaN는 2.1 이며 산화물계인 Y₂O₃의 경우 1.8이고, YAG계의 경우는 1.817이다.

하기 표 1에는 상기 수학식 1을 이용하여 박막형광체의 굴절률에 따른 외광 효율을 나타내었다.

굴절률	2.5	2.4	2.3	2.2	2.1	2.0	1.9	1.8	1.7	1.6	1.5
외광 효율(%)	4	4.3	4.7	5.2	5.7	6.3	6.9	7.7	8.7	9.8	11.1

상기 표 1을 참조하면, 평면 박막형광체의 경우, 전면으로 방출되는 빛의 양은 물질에 따라서 4∼11.1% 정도의 수준이므로 나머지 대부분의 박막에 갇히거나 박막 내에서 사라지게 되어 광방출 효율이 매우 낮을 수 밖에 없다.

구체적으로 이를 살펴보면, Y₂O₃:Eu 평면 박막형광체의 경우, 파우더 형광체에 대비하여 발광량이 37% 수준인 것으로 알려져 있는데, 상기 Y₂O₃:Eu 평면 박막형광체의 굴절률은 1.8이며, 상기 표 1을 참조하면, 상기 Y₂O₃:Eu 평면 박막형광체의 외광 효율은 약 7.7%임을 알 수 있다. 즉, 이는 상기 평면 박막형광체에서 발생한 빛 가운데 단지 7.7% 가량의 빛만이 외부로 방출되며, 나머지 90% 이상의 빛은 여러 원인에 의해 소실된다는 것을 의미한다. 결국, 평면 박막형광체는 그 발광 효율을 10배 이상까지도 향상시킬 수 있는 여지가 있으며, 만일, 상기 평면 박막형광체의 발광 효율을 3배 이상으로만 증가시킬 수 있다면 기존의 파우더 형광체의 발광 효율보다 우수한 박막형광체를 제조할 수 있다는 것을 알 수 있다.

본 발명에 사용되는 상기 나노주기 박막형광체의 소멸계수는(extinction coefficient)는 10^-3 이하인 것이 바람직한데, 상기 소멸계수란 박막형광체의 투명도를 결정하는 변수로서, 물질의 흡광도와 관계되며, 상기 박막의 결정성 또는 상(phase)에 따라 달라질 수 있다. 상기 소멸계수가 10^-3을 초과하는 때에는 박막형광체의 투명도가 떨어지고 박막 내부의 빛이 박막형광체를 구성하는 물질에 의해 흡수되는 양이 늘어나기 때문에, 전반사 효과 또는 광 도파로 효과에 의한 소멸 이외에 추가적으로 빛이 더 소멸되게 되므로 바람직하지 않다.

본 발명에서 상기 소멸계수와 유전상수(dielectric constant)와의 관계는 하기 수학식 2로 나타낼 수 있다.

(상기 식 중, ε는 유전상수이고, n은 굴절률이며, k는 소멸계수임)

상기 소멸계수가 커질수록 박막형광체 내에서 소멸되는 빛의 양이 증가하며, 상기 소멸계수가 0인 이상적인 경우에는 박막형광체가 완전히 투명하다고 할 수 있다. 이러한 소멸계수는 박막의 제조조건에 따라 변화시킬 수 있는데, 일반적으로 박막을 형성한 후에 후처리 온도를 조절하는 것에 의해 변화시킬 수 있다. 상기 후처리는 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면, 급속 열 어닐링(Rapid Thermal Anealing)을 이용할 수 있는데, 통상적으로 어닐링의 온도가 높을수록 결정성이 좋아지기 때문에 소멸계수를 낮출 수 있다. 상기 어닐링의 온도는 500∼800℃인 것이 바람직한데, 상기 온도범위에서 어닐링을 해야 박막형광체의 소멸계수를 10^-3 이하 로 조절할 수가 있으며, 800℃를 초과하게 되면, 소멸계수가 감소하는 양이 거의 포화되는데 비해, 온도가 너무 높기 때문에 바람직하지 않다.

본 발명에 따른 LED 구조체에 사용되는 나노주기 박막형광체(10)는 빛을 전면방향으로 추출하기에 적합한 굴절, 산란 및 반사면을 가지며, 평면 박막형광체 내부에 갇혀서 소실되는 여기광 또는 발생광을, 브래그 산란모드를 통하여 전면으로 방출될 수 있도록 한다. 따라서 이를 LED 소자에 전면방향으로 부착하게 되면 전반사 효과 또는 광 도파로 효과에 의한 광손실을 억제하여 파우더 형광체를 사용한 LED보다 높은 휘도 및 발광 효율을 갖는 LED 구조체를 제공할 수 있다.

도 4(a)에는 본 발명에 사용되는 나노주기 박막형광체(10)가 그 내부에 갇힌 빛을 전면으로 추출하는 원리를 도시하였으며, 도 4(b)에는 상기 나노주기 박막형광체(10)의 평면도를 도시하였다. 상기 도 4를 참조하면, 상기 나노주기 박막형 광체(10) 내부에서 발생한 빛은, 박막형광체와 공기면 사이에 형성되어 있는 가시광선 파장 범위의 2차원 나노주기구조 의해서 강한 브래그(Bragg) 산란 현상이 발생하며, 이에 의해 전면방향으로 추출된다. 본 발명에서 상기 2차원 나노주기구조는 일종의 격자(grating) 역할을 하는 것이다.

본 발명에서, 상기 2차원 나노주기구조에 의한 브래그 산란에 기인하는 빛 추출의 메커니즘은 나노구조의 형상보다는 나노구조의 높이나 주기에 의존하게 된다. 즉, 나노구조의 높이 또는 주기가 가시광선의 파장 영역 근처일 경우 가시광선의 추출 효과가 극대화될 수 있는데, 이는 상기 파장 영역의 나노구조가 가시광선에 대하여 격자의 역할을 할 수 있게 되기 때문이다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 2차원 나노주기구조의 주기는 200nm 내지 5000nm의 범위일 수 있는데, 더욱 바람직하게는 200nm 내지 1000nm의 범위 내이다. 상기 주기가 200nm 미만인 때에는 브래그 산란에 의한 광추출 효과가 미약하고, 5000nm를 초과하는 때에는 가시광선 주기의 5배가 넘기 때문에, 상기 나노구조가 상기 가시광선에 대하여 격자(grating) 역할을 할 수가 없어서 브래그 산란에 의한 광추출 효과를 얻기 어렵다. 이처럼 본 발명에서 브래그 산란에 의한 광추출 효과가 상기 주기에 의존한다는 것은 Finite-Difference Time-Domain (FDTD) 전산 모사 법을 사용하여 확인할 수 있는데, 상기 FDTD 전산 모사법은 맥스웰(Maxwell) 방정식을 시간의 함수로 풀어주는 방법으로서, 구조체 내에서 발생한 빛이 박막 구조체에서 빠져나올 수 있는 양을 계산할 수 있는 정확한 예측 법이다. 상기 결과에 따르면 주기가 200nm인 때부터 광추출효과가 발생하며, 500nm까지 광추출 효과가 증가하다가, 500nm 이상에서는 광추출효과가 포화되고, 3000nm 근방에서 점차 감소하여 5000nm를 초과하게 되면 광추출효과가 거의 없어지는 것으로 나타났다.

한편, 상기 2차원 나노주기구조의 높이는 10nm 내지 5000nm일 수 있는데, 상기 높이가 10nm 미만인 때에는 브래그 산란에 의한 광추출 효과가 미약하고, 5000nm를 초과하는 때에는 제조가 매우 어려운 반면에 이러한 높이 변수에 따른 광추출 효과가 거의 없기 때문에 바람직하지 않다. 이러한 나노주기구조의 높이에 따른 광추출 효과의 변화는 상기 FDTD 전산모사를 통해 실험적으로 확인할 수 있다.

본 발명에 따른 상기 2차원 나노주기구조의 형상은 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면, 구형, 원통형, 직육면체형 또는 삼각 기둥형으로서 음각 내지 양각된 3차원 입체구조일 수 있다.

상기 2차원 나노주기구조는 레이저 홀로그램 방식의 노광법을 이용하여 제작할 수 있고, 그 이외에도 일반적인 노광법을 사용하여 제작가능하며, 마스크의 종류에 따라서 구형, 원통형, 직육면체형, 삼각 기둥형 등을 포함하여 여하한 형태의 3차원의 입체구조의 제작이 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 나노주기 박막형광체(10)를 위에서 내려다 보았을 때의 양각 부분의 면적과 음각 부분의 면적 비율이 중요한 요소가 되는데, 이는 2차원 나노주기구조가 형성되었음을 나타내는 척도가 되는 것으로서, 상기 2차원 나노주기구조의 양각 부분의 평면 면적비율은 음각 부분의 평면 면적의 10 내지 90% 범위 내에 있어야 광학적으로 유효한데, 상기 면적 비율이 10% 미만이거나 90%를 초과하는 때에는 상기 2차원 나노주기구조의 나노주기성이 거의 상실되며, 상기 가시 광선에 대하여 격자(grating) 역할을 할 수가 없어서 브래그 산란에 의한 광추출 효과를 얻기 어렵다.

또한, 고전광학이론에 따르면 2차원 나노주기구조를 갖지 않는 박막형광체(평면 박막형광체)와 공기의 계면에서, 광가이드 효과에 의해 상기 박막형광체의 표면과 평행하게 진행하는 빛의 웨이브벡터(wave vector) k_phosphor와 공기중으로 방출되는 빛의 웨이브벡터(wave vector) k_air는 하기 수학식 3으로 나타낼 수 있다.

(상기 식에서, n_phosphor는 평면 박막형광체의 굴절률이고, n_air는 공기의 굴절률이며, λ는 빛의 파장임)

한편, 본 발명에 사용되는 나노주기 박막형광체(10)의 경우에 광가이드효과에 의한 빛의 웨이브벡터 k_eff 및 이 경우에 발생하는 브래그 산란은 하기 수학식 4에 의해 나타낼 수 있다.

(상기 식 중, m, n은 정수이고, Λ_x, Λ_y는 각각 x축 및 y축 상의 나노주기구조의 주기임)

상기 수학식 4를 참조하면, 가이드 되는 빛의 웨이브 벡터가 공기중으로 방출되는 빛의 웨이브 벡터보다 작은 경우에야 비로소 상기 가이드 되는 빛을 공기중으로 추출할 수 있다는 것을 알 수 있으며, 이러한 효과를 얻기 위해서는 상기 n_eff와 Λ값이 적절한 범위에 있어야 하는데, 상기 n_eff값은 상기 2차원 나노주기구조의 양각 부분에 대한 음각 부분의 평면 면적 비율에 의존하는 값으로서, 상기 양각부분과 음각 부분이 각각 50%인 경우가 가장 바람직하며, 이 경우에는 n_eff는 공기의 굴절률(n_air)와 박막형광체의 굴절률(n_phosphor)의 중간값을 갖게 될 것이다.

본 발명의 2차원 나노주기구조에 의한 효율 향상 폭의 정확한 값을 예측하기 위하여 FDTD 전산 모사를 위한 개략적인 구조체를 도 5에 도시하였다.

도 5를 참조하면, 나노주기 박막형광체(10)와 공기층 계면 위에 제 1검출면(12)을 두고, 이에 대향하는 기판(9) 아래에 제 2 검출면(13)을 두어서, 이 두 개의 검출면을 통과하는 모든 빛의 양을 시간에 따라서 누진적으로 계산하였다. 컴퓨터 용량에 의해서 계산할 수 있는 3차원 구조의 치수를 제한하고 전후좌우 4개의 면에는 완전 반사체가 있다고 가정하였다. FDTD 전산 모사법에 의해서 평면 박막형광체에서 검출면으로 빠져 나오는 빛의 양을 1로 가정하고, 본 발명에 사용되는 나노주기 박막형광체(10)에서 추출된 빛의 양을 상대적으로 계산하였다.

상술한 바대로, 굴절률 값이 높으면 높을수록 박막형광체에 갇힌 빛의 양이 많아지므로 본 발명에서는 굴절률 값이 최소인 형광체들 중의 하나인 Y₂O₃형광체를 모델로서 사용하였다. Y₂O₃:Eu 박막형광체의 굴절률 값은 1.8이다. 특히 백색 LED용 형광체로 광범위하게 사용되는 황색 YAG:Ce 형광체나 실리케이트(Silicate)류 형광체 또는 적색, 녹색 및 청색의 삼색 형광체의 거의 대부분이 상기 Y₂O₃:Eu 형광체보다 굴절률 값이 더 크다. 이처럼 굴절률이 큰 경우에는 이미 언급한 바와 같이 발광효율이 더 떨어지게 되며 본 발명에 따른 나노주기 박막형광체(10)를 사용할 필요성이 더 늘어나게 된다.

이하에서는 상기 나노주기 박막형광체(10)를 LED소자(4, 6)에 적용함으로써 LED 구조체를 제조하는 방법에 대하여 설명한다. 본 발명에 따른 LED 구조체는 UV LED소자를 여기광원으로 사용하고 적색, 청색 또는 녹색 형광체를 각각 박막형광체로 사용하는 적색, 청색 또는 녹색 LED 구조체뿐만 아니라, 청색 LED소자와 YAG 박막형광체 또는 적색 및 녹색 박막형광체를 사용하는 백색 LED 구조체는 물론, RGB 박막형광체를 모두 사용하는 백색 LED 구조체도 포함한다.

즉, 본 발명에 따른 LED 구조체는 420∼480nm 파장대역의 InGaN 청색 LED 소자와 450∼800nm 파장대역의 발광스펙트럼을 갖는 황색형광체로 이루어진 나노주기 박막형광체(14)를 포함하는 백색 LED 구조체일 수 있는데, 상기 황색형광체는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것인 한 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 YAG:Ce 계열, Ca-a-SiAlON:Eu 계열, 또는 Sr₂SiO₄:Eu 계열일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 LED 구조체는 420∼480nm 파장대역의 InGaN 청색 LED 소자와 450∼650nm 파장대의 발광 스펙트럼을 갖는 녹색 형광체로 이루어진 나노주기 박막형광체와, 550∼800nm 파장대의 발광 스펙트럼을 갖는 적색 형광체로 이루어진 나노주기 박막형광체를 포함하는 백색 LED 구조체일 수 있는데, 이 경우에는 단순히 황색형광체를 사용한 경우보다 연색지수를 개선시킬 수 있다. 상기 형광체 역시 당업계에서 통상적으로 사용되는 것인 한 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 상기 녹색형광체는 SrGa₂S₄:Eu 계열이고, 상기 적색형광체는 SrS:Eu 계열 또는 Sr₂Si₅N₈:Eu 계열일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 LED 구조체는 350∼420nm 파장대역의 UV LED 소자와, 400∼600nm 파장대역의 발광 스펙트럼을 갖는 청색형광체로 이루어진 나노주기 박막형광체와, 450∼650nm 파장대의 발광 스펙트럼을 갖는 녹색 형광체로 이루어진 나노주기 박막형광체 및 550∼800nm 파장대의 발광 스펙트럼을 갖는 적색 형광체로 이루어진 나노주기 박막형광체를 포함하는 백색 LED 구조체일 수 있는데, 상기 RGB 형광체 역시 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 상 기 형광체의 예를 들면, 상기 청색형광체는 ZnS:Ag 계열, BAM:Eu 계열, 또는 ㅎ호홀로포스페이트(Holophosphate):Eu 계열일 수 있고, 상기 녹색형광체는 ZnS:CuAl 계열, Zn₂GeO₄:Mn 계열, LaPO4:Eu 계열 또는 CeMgAl₁₁O₁₉:Tb 계열일 수 있으며, 상기 적색형광체는 Gd₂O₂S:Eu 계열 또는 Y₂O₂S:Eu 계열일 수 있다.

또 다른 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 LED 구조체는 350∼420nm 파장대역의 UV LED 소자와 400∼600nm 파장대역의 빛과 500∼700nm 파장대의 빛을 동시에 방출하는 백색형광체로 이루어진 나노주기 박막형광체를 포함하는 백색 LED 구조체일 수 있으며, 상기 백색형광체는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것인 한 특별히 제한되지 않는데, 예컨대, Sr₃MgSi₂O₈:Eu,Mn 계열일 수 있다.

본 발명에 사용되는 나노주기 박막형광체/기판 적층체(이하 적층체라 한다; 10')를 LED소자에 부착하는 형태는 LED 구조체의 광효율에 많은 영향을 미친다. 도 6(a)에 도시한 바와 같이 상기 적층체를 LED 소자의 상부에 직부착시킬 수 있으며, 더 많은 빛을 전면방향으로 전환시키기 위하여 도 6(b)에 도시한 바대로, 상기 적층체를 반사판 부분까지 연장하여 형성할 수도 있다. 또 다른 구조로써, 도 6(c)처럼 상기 적층체를 반사 컵 위에 부착할 수도 있다. 상기 구조중에 도 6(a) 및 도 6(b)의 직부착구조의 경우에 발광효율이 더 우수한데, 그 이유는 도 6(c)에서처럼 LED 소자와 상기 적층체가 이격되어 있게 되면, LED소자의 계면은 공기와 접촉하기 때문에 전반사 효과 및 광 도파로 효과가 더욱 커지게 되는 반면, 도 6(a) 및 도 6(b)의 직부착구조에서는 LED 소자와 상기 적층체를 접착시키기 위하여 유/무기바인더를 사용할 수 있는데, 이 경우 사용되는 바인더의 굴절률을 하부의 LED소자의 굴절률과 일치시키게 되면 굴절률차이에 의한 전반사 효과 및 광 도파로 효과가 사라지게 되기 때문이다. 따라서, 도 6(c)와 같이 계면이 공기인 경우보다 발광효율을 상승시킬 수 있다. 현재 사용되고 있는 LED 청색, 보라색 소자는 GaN 계 재료이므로 굴절이 대개 2.0 이상의 값을 갖는다. 따라서 LED 소자에서 발생하는 빛의 상당량은 전반사 효과와 광 도파로 효과에 의해서 박막형광체와 마찬 가지로 소자 내부에 갇히게 되므로, 상기 바인더의 굴절률이 상기 LED소자의 굴절률과 유사하도록 조절하는 것이 필요하다. 이 경우 사용되는 바인더는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것인한, 여하한 유/무기 바인더라도 사용가능하지만 굴절률이 높은 무기바인더인 것이 바람직한데, 이러한 무기바인더는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것으로서 자외선 또는 청색 가시광선의 흡수율이 매우 낮은 한, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, TiO₂ 졸(굴절률 2.3) 또는 ITO졸(굴절률 2.0)을 상기 LED소자 상에 나노단위의 박막형태로 코팅한 후 상기 적층체를 상기 LED 소자에 적층시킨 다음, 500℃ 이하의 온도에서 가볍게 소결시킴으로써 상기 적층체 하부의 기판과 LED소자를 부착시킬 수 있다. 상기 ITO 졸의 경우에 자외선을 약간 흡수하기는 하지만, 나노단위의 박막으로 형성하였을 경우에는 그 흡수율이 무시할 수 있을 정도이므로 바인더로 사용하는데 아무런 문제가 없다.

본 발명에 따른 LED 구조체의 장점은 평면 박막형태의 형광체를 사용하는 경우의 문제점뿐만 아니라, LED 소자 자체의 제작시 별도의 추가적인 공정을 사용 하지 않고도 상기 LED 소자 자체에서 발생할 수 있는 빛 손실 문제를 해결할 수 있다는데 있다. 상기 도 6(a)와 도 6(b)에 도시된 바와 같은 구조를 채택하는 경우에 가장 중요한 것은 LED소자(4, 6)의 굴절률과, 2차원 나노주기구조를 갖는 박막형광체(10)가 적층되어 있는 기판(9)의 굴절률 및 상기 LED소자와 상기 기판 사이에 개재되는 바인더의 굴절률을 되도록 일치시키는 것이다. 이들의 굴절률 차이는 0.4이하인 것이 바람직한데, 상기 기판(9)으로 사용되는 재질은 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 굴절률이 높고, 소멸계수를 낮추기 위하여 500℃ 이상으로 가열할 때에 상기 온도를 견디기 위하여 사파이어 기판(굴절률 1.76)을 사용하는 것이 바람직하며, 되도록 상기 기판 하부의 LED소자 및 바인더의 굴절률과 동일하거나 높은 굴절률을 갖는 재료를 사용하는 것이 가장 바람직하다. 따라서, 본 발명에 사용되는 상기 바인더 및 상기 기판의 굴절률은 1.4 이상이며, LED소자의 굴절률, 바인더의 굴절률 및 기판의 굴절률이 서로 일치되도록 조절하는 것이 바람직하다.

도 7에는 본 발명의 일 실시예에 따라 2차원 나노주기구조를 갖는 청색, 녹색 및 적색(이하 RGB라 한다)의 삼파장 박막형광체(15)를 각각 적층하여 제작한 백색 LED의 단면도를 도시하였다. 상기 RGB를 이용한 삼파장의 백색 LED 구조체는 각 칼라의 박막형광체의 두께를 조절함으로써 고연색 지수를 실현할 수 있으며, 상기 RGB 박막 각각의 두께를 합하여 약 300 내지 8000nm가 되도록 조절하는 것이 바람직하다. 상기 RGB 박막의 적층순서는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 각 박막 형광체의 흡수 스펙트럼과 발광 스펙트럼을 고려할 때에 청색 형광체박막을 제일 밑에 적층하고, 그 다음에 녹색 형광체 박막을 적층한 다음, 맨 위에 적색 형광체박막를 적층하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 RGB 박막형광체 각각은 굴절률에 차이가 있을 수 있으나, 각각의 굴절률을 일치시키는 것이 바람직하며, 굴절률에 차이가 있는 경우라면 맨 아래에 적층된 박막형광체의 굴절률이 가장 낮고, 그 위로 갈수록 굴절률이 높아지도록 조절하는 것이 전반사효과 및 광 도파로를 억제하기 위하여 바람직하다.

도 8에는 본 발명에 따른 LED 구조체의 제조 순서의 개략도를 도시하였다.도 8을 참조하여 본 발명에 따른 LED 구조체의 제조방법을 살펴보면 이하와 같다.

우선, 석영 기판 또는 사파이어 기판(9)에 마스크로 사용할 Si 박막을 PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) 방법을 통해 약 20∼100nm의 두께로 증착한 다음, 상기 Si 박막 상에 포지티브 포토레지스트를 스핀 코팅한다. 그 다음, 포토레지스트를 레이저 간섭 노광 방법으로 90°회전하면서 2회 노광시키면 2차원 나노구조의 패턴이 만들어 지고, 이 패턴을 용매로 현상하면 포토레지스트의 불필요한 부분을 제거할 수 있다. 다음으로 상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 하는 건식식각을 통해 상기 Si 마스크를 식각하여 2차원 나노주기체를 형성하고, 마지막으로 상기 2차원 나노주기체로 형성된 Si 마스크를 마스크로 사용하여 건식식각함으로써 기판 상에 2차원 나노주기체를 형성한다. 만일, 상기 제조과정 중, 포토레지스트의 종류를 네거티브 형으로 바꿀 경우에는 2차원 주기의 음각 나노홀 구조체를 제조할 수 있는데, 상기 양각 또는 음각 구조체 모두 2차원 나노주기구조를 이룰 경우 광 추출에 사용될 수 있다. 마지막으로 상기 2차원 나노구조체 가 형성된 기판 상에 형광체를 증착하여 2차원 나노주기구조를 갖는 박막형광체를 제조한다. 이 단계에서는 2차원 나노 기판 위에 다양한 종류의 형광막을 다양한 박막 제조 방법으로 제조할 수 있다.

예를 들어, 황화물계 형광박막의 경우 스퍼터링 증착 (Sputtering deposition) 방법과 원자 증착법 (Atomic Layer Deposition) 을 사용하여 쉽게 2차원 박막을 제작할 수 있고, 산화물계인 경우에는 레이저 빔 증착법 (Laser ablation deposition) 또는 전자 빔 증착법 (e-beam deposition) 등으로 제작할 수 있으며, 질화물계인 경우에는 화학적 증기 증착법 (chemical vapor deposition) 등의 방법으로 증착할 수 있다. 이처럼 형광체를 증착하는 경우에는 상기 기판 상에 형성되어 있는 나노주기 구조체가 음각 또는 양각인지에 무관하게 그 주기가 200nm 이상이면 그 위에 성장시킬 나노주기 박막형광체의 주기 또한 200nm 이상으로 얻을 수 있다.

한편, 상기의 제조방법에서와 달리, 본 발명에 사용되는 나노주기 박막형광체(10)의 하부면은 평면일 수 있는데 이 경우에는 단순히 형광체를 평면의 박막으로 제조한 다음에 상기 박막형광체를 식각함으로써 2차원 나노구조를 형성하거나, 상기 박막형광체의 상부에 별도의 재질로 된 2차원 나노주기구조(22)를 형성함으로써 브래그산란을 일으키도록 조절할 수도 있다. 도 9(a)에는 박막형광체를 식각하여 2차원 나노주기구조를 형성시킨 박막형광체를 도시하였고, 도 9(b)에는 별도의 재질로 2차원 나노주기구조(22)를 형성시킨 박막형광체를 도시하였다. 상기 나노주기 박막형광체(10)의 하부면이 평면인 형태는 박막형광체를 적층하는 기판의 굴절 률이 박막형광체의 굴절률보다 낮은 경우에 유용한데, 그 이유는 상기 나노주기 박막형광체의 하부면과 기판의 계면이 평면이고, 상기 기판의 굴절률이 상기 나노주기 박막형광체의 굴절률보다 낮은 경우에는 본 발명에 따른 LED 구조체의 후면방향(즉, 기판 방향)으로 진행하는 빛이 굴절률 차이에 의해 전반사됨으로써 다시 전면방향으로 방출될 수 있으므로 발광효율이 더욱 향상되기 때문이다. 상기 별도의 2차원 나노주기구조(22)의 재질은 가시광선에 대하여 투명한 재질인한 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면, TiO₂, ITO 또는 SiNx를 사용하여 평면 박막을 형성한 후에 마스크를 이용하여 습식 또는 건식 식각함으로써 2차원 나노주기구조를 형성할 수 있다. 상기 재질은 굴절률이, 하부의 박막형광체의 굴절률과 동일하거나 높은 것을 사용하는 것이 전반사효과 및 광 도파로 효과를 제거하기 위하여 바람직한데, 구체적으로는 굴절률 1.8 내지 2.5인 것이 바람직하다.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.

실시예 1

1-(1) 2차원 나노주기형 박막형광체의 제조

두께 5mm의 석영기판에 마스크로 사용할 Si 박막을 PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) 방법을 통해 약 20nm로 증착하였다. 다음으로 상기 Si 박막 위에 포지티브 포토레지스트로서 SPR508-A(Shipley사 제조)를 스핀코팅하여 두께 90nm의 포토레지스트 막을 성막한 후, 상기 포토레지스트 막을 Cd-He레이저를 사용한 간섭 노광 방법으로 90°회전하면서 2회 노광시켜 주기가 200nm인 2차원 나노주기의 패턴을 제조하였다. 이어서, 현상액으로서 AZ 301(Shipley사 제조)를 사용하여 상기 패턴을 현상함으로써, 포토레지스트 막의 불필요한 부분을 제거한 다음, 염소 가스를 이용한 건식식각을 통해, 상기 Si 박막을 식각하여, 주기가 200nm인 2차원 나노주기의 Si 마스크를 형성하였다. 다음으로 CF 가스를 이용하여 석영 기판을 건식식각하고 염소 가스를 이용하여 상부의 Si 마스크를 제거함으로써 석영기판 상부에 주기가 200nm이고 높이가 약 200nm인 2차원 나노주기체를 형성하였다. 그 다음, 248nm KrF 엑시머 레이저의 에너지를 1.3J/cm²로 Y₂O₃:Eu 샘플에 조사하는 레이저 어블레이션법을 이용하여, 상기 2차원 나노주기를 갖는 석영기판 상에 박막형광체를 형성하였다. 상기 박막형광체의 증착두께는 약 800nm이었고 높이(h₂)는 약 200nm이었는데, 상기 2차원 나노주기를 갖는 박막형광체의 높이(h₂)는 상기 석영기판의 2차원 나노주기의 높이(h₁)와 일치하였다. 다음으로, 급속 열 어닐링(Rapid Thermal Anealing)법을 이용하여 질소분위기 하, 500℃의 온도에서 2분간 어닐링을 하였다.

1-(2) 적색 LED 구조체의 제조

350∼420nm 파장대역의 UV LED 소자 위에 상기에서 제조된 2차원 나노주기구조를 구비하는 박막형광체가 적층되어 있는 기판을 반사판 부분까지 연장하여 직부착함으로써 적색 LED 구조체를 제조하였다. 상기 부착시 바인더로는 굴절률 1.5인 아크릴계 바인더를 사용하였다.

실시예 2

박막형광체의 2차원 나노주기구조의 주기가 300nm인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 적색 LED 구조체를 제조하였다.

실시예 3

박막형광체의 2차원 나노주기구조의 주기가 400nm인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 적색 LED 구조체를 제조하였다.

실시예 4

박막형광체의 2차원 나노주기구조의 주기가 500nm인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 적색 LED 구조체를 제조하였다.

실시예 5

박막형광체의 2차원 나노주기구조의 주기가 600nm인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 적색 LED 구조체를 제조하였다.

실시예 6

박막형광체의 2차원 나노주기구조의 주기가 700nm인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 적색 LED 구조체를 제조하였다.

실시예 7

어닐링 온도를 600℃로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 적색 LED 구조체를 제조하였다.

실시예 8

어닐링 온도를 700℃로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 적색 LED 구조체를 제조하였다.

비교예 1

석영기판 상에 2차원 나노주기구조를 형성하지 않았으며, 어닐링을 하지 않을 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 적색 LED 구조체를 제조하였다.

시험예 1

소멸계수의 측정

소멸계수는 K-MAC model SpectraThick 2000을 사용하여 측정하였으며, 실시예 1, 7, 8 및 비교예 1에 의해 제조된 박막형광체/기판 적층체에 대하여, 박막형광체와 공기 계면 및 박막형광체와 기판의 계면에서 반사되는 두개의 빔에 대한 간섭효과를 포함하는 반사 스펙트럼을 분석하여 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

	실시예 1	실시예 7	실시예 8	비교예 1
소멸계수	1.2x10^-3	6.8 x 10^-3	9.6 x 10^-3	1 x 10^-2

상기 표 2를 참조하면, 비교예 1의 경우에는 소멸계수가 1 x 10^-2으로서 상당히 큰 값을 갖는데 비하여, 본 발명의 실시예에 의하면 소멸계수가 10^-3 이하이므로 박막형광체 내에서 흡수에 의해 소멸되는 양을 대폭 감소시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있다.

시험예 2

FDTD 전자모사 테스트

상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1에 의해 제조된 박막형광체를 구비하는 기판에 대하여 나노구조의 주기 변화에 따라 박막형광체의 전면(제1 검출면) 및 기판면(제2 검출면)으로 광이 추출되는 비율을, 도 5에 도시한 바와 같은 구조체에 대한 FDTD 전산모사를 사용하여 측정하고 비교예 1을 기준으로 하여 그 배수값으로서 도 10에 나타내었으며, 그 전면방향으로의 방출량에 대한 값을 하기 표 2에 나타내었으다. 이때 사용된 계산 변수는 다음과 같다.

기판의 나노주기구조의 높이 (h₁) : 200nm,

나노주기 박막형광체의 두께 (T) : 800nm,

나노주기구조의 주기 (Λ) : 200, 300, 400, 500, 600, 700nm,

기판의 나노주기구조의 직경 (d₁) : 0.3 L,

나노주기 박막형광체의 나노주기구조의 직경 (d₂) : 0.6 L,

나노주기 박막형광체의 나노주기구조의 높이 (h₂) : 200nm

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	실시예 6	비교예 1
효율향상비	1.8	4.9	5.5	6.5	6.4	6.5	1

상기 표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 사용되는 나노주기 박막형광체의 발광효율은 비교예 1에 비하여 최고 6.5배까지 상승한다.

시험예 3

전자현미경 관찰

상기 실시예 4에서 제조된 2차원 나노주기체가 형성된 기판에 대한 SEM 사진을 도 11에 도시하였다. 도 11(a)는 평면사진이고 도 11(b)는 측면사진인데, 상기 도 11을 참조하면 매우 균일하고 주기적으로 양각진 나노원통형 구조가 기판 상부에 형성되어 있다는 것을 확인할 수 있다. 다음으로, 상기 실시예 4 및 비교예 1에 의해 제조된 나노주기 박막형광체에 대한 SEM 사진을 도 12에 도시하였다. 도 12(a) 및 (b)는 비교예 1에 따른 박막형광체의 평면사진 및 측면사진이고, 도 12(c) 및 (d)는 실시예 1에 따른 나노주기 박막형광체/기판 적층체의 평면사진 및 측면사진이다. 도 12를 참조하면, 실제 형성되어 있는 2차원 나노주기구조가 도 4에서 개략적으로 도시한 구조와 거의 일치된다는 것을 확인할 수 있다.

시험예 4

발광스펙트럼의 측정

상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1에 의해 제조된 박막형광체를 구비하는 기판에 대하여 자외선 (254nm)을 여기광원으로 사용하여 발광스펙트럼을 측정하였으며, 상기 발광스펙트럼의 면적을 비교예 1을 기준으로 하여 측정하여 발광효율을 테스트하고, 그 값을 비교예 1에 대한 배수로써 하기 표 3에 나타내었다. 한편, 도 13에는 상기 실시예 4, 5 및 비교예 1에서 제조된 박막형광체를 구비하는 기판에 대한 발광스펙트럼을 도시하였다. 이와 같이 얻어진 2차원 나노구조형 박막형광체의 경우, 평면 박막형광체에 비해 발광 효율이 약 6배 이상 향상되고, 이러한 실험치는 FDTD 전산 모사법에서 예측한 이론치와 거의 일치한다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	실시예 6	비교예 1
효율향상비	1.7	4.2	5.0	6.2	5.7	5.9	1

실시예 9

1-(1) 2차원 나노주기형 박막형광체의 제조

두께 5mm이고 굴절률이 1.76인 사파이어 기판에 248nm KrF 엑시머 레이저의 에너지를 1.3J/cm²로 YAG:Ce 샘플에 조사하는 레이저 어블레이션법을 이용하여, 증착두께 약 5000nm의 박막형광체를 형성하였다. 다음으로, 상기 박막형광체 상에 굴절률 2.05인 SiNx 박막을 PECVD법에 의하여 500nm로 형성한 다음, 상기 박막형광체/SiNx 박막위에 마스크로 사용할 Si 박막을 PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) 방법을 통해 약 20nm로 증착하였다. 다음으로 상기 Si 박막 위에 포지티브 포토레지스트로서 SPR508-A(Shipley사 제조)를 스핀코팅하여 두께 90nm의 포토레지스트 막을 성막한 후, 상기 포토레지스트 막을 Cd-He레이저를 사용한 간섭 노광 방법으로 90°회전하면서 2회 노광시켜 주기가 600nm인 2차원 나노주기의 패턴을 제조하였다. 이어서, 현상액으로서 AZ 301(Shipley사 제조)를 사용하여 상기 패턴을 현상함으로써, 포토레지스트 막의 불필요한 부분을 제거한 다음, 염소 가스를 이용한 건식식각을 통해, 상기 Si 박막을 식각하여, 주기가 600nm인 2차원 나노주기의 Si 마스크를 형성하였다. 마지막으로 CF₄ 가스를 이용하여 SiNx 기판을 건식식각하고 염소 가스를 이용하여 상부의 Si 마스크를 제거함으로써 SiNx기판 상부에 주기가 600nm이고 높이가 약 400nm인 2차원 나노주기구조를 형성하므로 SiNx 2차원 나노주기구조/박막형광체/기판 적층체를 제조하였다.

1-(2) 백색 LED 구조체의 제조

470nm 파장대역의 청색 LED 소자 위에 상기에서 제조된 SiNx 2차원 나노주기구조/박막형광체/기판 적층체를 반사판 부분까지 연장하여 직부착함으로써 백색 LED 구조체를 제조하였다. 상기 부착시 바인더로는 굴절률 1.5인 아크릴계 바인더를 사용하였다.

비교예 2

고상 합성법으로 합성한 YAG:Ce 파우더 형광체를 아크릴계 바인더에 슬러리 형태로 분산시킨 후, 470nm 파장대역의 청색 LED 소자 상부에 도포함으로써 도 1에 도시된 바와 같은 파우더형 백색 LED 구조체를 제조하였다.

시험예 5

상기 실시예 9 및 비교예 2에서 제조된 백색 LED 구조체의 발광특성을 동일한 구동전압 및 전류(3.5V, 500mA)하에서 비교하였으며 상기 발광스펙트럼을 도 14에 도시하였다. 한편, 하기 표 5에는 총발광량의 상대적인 크기를 나타내었다. 도 14 및 하기 표 5를 참조하면 본 발명에 따라 제조된 백식 LED 구조체의 발광세기가 비교예 2에 의해 제조된 파우더를 이용한 백색 LED 구조체의 발광세기보다 현저히 우수하다는 것을 확인할 수 있다.

	총 발광량의 상대적인 크기(%)
실시예 9	130
비교예 2	100

상기에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 LED 구조체는 종래의 LED 구조체에 비하여 발광효율 및 휘도가 매우 우수하며, 종래의 파우더형 형광체보다 균일도가 우수하므로 발광 균일도 역시 개선되고, 종래의 파우더형 형광체를 사용하는 경우보다 형광체를 적게 사용하면서도 슬러리를 사용하지 않으므로 제조원가를 절감할 수 있다.

Claims

LED 소자; 및

기판의 상부에 박막형광체가 적층되어 있고 상기 박막형광체의 전면방향으로 주기가 200nm 내지 5000nm이고, 높이가 10nm 내지 5000nm이며 구형, 원통형, 직육면체형, 또는 삼각 기둥형으로 음각 내지 양각되어 있는 형상의 2차원 나노주기구조가 형성되어 있는 박막형광체/기판 적층체를 포함하며, 상기 박막형광체/기판 적층체가 상기 LED소자의 발광면에 직접부착되거나, 상기 LED 소자의 상부에 구비되어 있는 반사컵 위에 부착되고, 상기 박막형광체의 소멸계수(extinction coefficient)가 10^-3 이하인 것을 특징으로 하는 LED 구조체.
삭제
삭제
삭제
제 1항에 있어서, 상기 2차원 나노주기구조의 양각 부분의 평면 면적비율은 음각 부분의 평면 면적의 10 내지 90%인 것을 특징으로 하는 LED 구조체.
제 1항에 있어서, 상기 박막형광체의 하부면은 평면인 것을 특징으로 하는 LED 구조체.
제 1항 또는 제 6항에 있어서, 상기 2차원 나노주기구조의 굴절률은 1.8 내지 2.5로서 상기 박막형광체의 굴절률과 동일하거나 높은 굴절률의 투명재료로 이루어져 있으며, 상기 박막형광체의 상부에 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 LED 구조체.
제 1항에 있어서, 상기 LED 소자는 420∼480nm 파장대역의 InGaN 청색 LED 소자이고, 상기 박막형광체는 450∼800nm 파장대역의 발광스펙트럼을 갖는 황색형광체로 이루어지며, 상기 LED 구조체의 방출광은 백색인 것을 특징으로 하는 LED 구조체.
제 8항에 있어서, 상기 황색형광체는 YAG:Ce 계열, Ca-a-SiAlON:Eu 계열, 또는 Sr₂SiO₄:Eu 계열 인 것을 특징으로 하는 LED 구조체.
제 1항에 있어서, 상기 LED 소자는 420∼480nm 파장대역의 InGaN 청색 LED 소자이고, 상기 박막형광체는 450∼650nm 파장대의 발광 스펙트럼을 갖는 녹색 형광체로 이루어진 2차원 나노주기를 구비하는 박막과, 550∼800nm 파장대의 발광 스펙트럼을 갖는 적색 형광체로 이루어진 2차원 나노주기를 구비하는 박막이 적층되어 있으며, 상기 LED 구조체의 방출광은 백색인 것을 특징으로 하는 LED 구조체.
제 10항에 있어서, 상기 녹색형광체는 SrGa₂S₄:Eu 계열이고, 상기 적색형광체는 SrS:Eu 계열 또는 Sr₂Si₅N₈:Eu 계열인 것을 특징으로 하는 LED 구조체.
제 1항에 있어서, 상기 LED 소자는 350∼420nm 파장대역의 UV LED 소자이고, 상기 박막형광체는 400∼600nm 파장대역의 청색형광체로 이루어진 2차원 나노주기를 구비하는 박막과, 450∼650nm 파장대의 발광 스펙트럼을 갖는 녹색 형광체로 이루어진 2차원 나노주기를 구비하는 박막과, 550∼800nm 파장대의 발광 스펙트럼을 갖는 적색 형광체로 이루어진 2차원 나노주기를 구비하는 박막이 적층되어 있으며, 상기 LED 구조체의 방출광은 백색인 것을 특징으로 하는 LED 구조체.
제 12항에 있어서, 상기 청색형광체는 ZnS:Ag 계열, BAM:Eu 계열, 또는 Holophosphate:Eu 계열이고, 상기 녹색형광체는 ZnS:CuAl 계열, Zn₂GeO₄:Mn 계열, LaPO4:Eu 계열 또는 CeMgAl₁₁O₁₉:Tb 계열이며, 상기 적색형광체는 Gd₂O₂S:Eu 계열 또 는 Y₂O₂S:Eu 계열인 것을 특징으로 하는 LED 구조체.
제 1항에 있어서, 상기 LED 소자는 350∼420nm 파장대역의 UV LED 소자이고, 상기 박막형광체는 400∼600nm 파장대역의 청색과 500∼700nm 파장대를 동시에 방출하는 백색형광체로 이루어진 2차원 나노주기를 구비하는 박막이 적층되어 있으며, 상기 LED 구조체의 방출광은 백색인 것을 특징으로 하는 LED 구조체.
제 14항에 있어서, 상기 백색 형광체는 Sr₃MgSi₂O₈:Eu,Mn 계열인 것을 특징으로 하는 LED 구조체.
제 1항 있어서, 1.4 이상의 굴절률을 갖는 투명 바인더를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 LED 구조체.
제 1항에 있어서, 상기 LED 소자의 굴절률과, 상기 기판의 굴절률 및 상기 2차원 나노주기구조를 갖는 박막형광체 각각의 굴절률 차이가 0.4 이하인 것을 특징으로 하는 LED 구조체.