KR100714630B1 - 압력인가에 의한 파장변환형 발광 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파장 변환형 발광소자에 관한 것으로서, 탄성력을 갖는 지지 기판 및 상기 지지 기판의 일영역에 형성되며, 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층이 순차적으로 적층 되어 이루어진 발광 소자를 포함하되, 상기 지지 기판의 휨에 의해 상기 활성층에 압력이 인가되어 그 에너지밴드갭이 변환되는 것을 특징으로 하는 파장 변환형 발광 소자를 제공한다.

발광다이오드(light emitting diode), 에너지밴드갭(energy band gap), 파장변환(wavelength tuning)

Description

압력인가에 의한 파장변환형 발광 소자{WAVELENGTH TUNING LIGHT EMITTING SOURCE BY APPLYING PRESSURE}

도1은 종래기술에 의한 파장변환형 발광장치를 나타내는 개략도이다.

도2는 본 발명에 의한 파장변환형 발광소자를 나타내는 개략도이다.

도3a 및 도3b는 본 발명의 일실시형태에 대한 개략도이다.

도4는 본 발명의 일실시형태에 따른 파장변환형 발광소자의 휘어진 기판의 곡률반경과 활성층에 인가되는 압력과의 관계를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 파장변환형 발광 다이오드(LED)에 관한 것으로서, 특히 인가 압력에 의해 발광 다이오드의 활성층의 에너지밴드갭를 변화시켜 발광 다이오드에서 발생되는 빛의 파장을 조절할 수 있는 파장변환형 발광 소자에 관한 것이다.

일반적으로 하나의 발광다이오드는 정해진 특정 파장광을 방출할 수 밖에 없다. 따라서, 다양한 색을 구현하기 위해서는, 서로 다른 색의 발광다이오드, 즉 빨 강(R), 초록(G), 파랑(G)을 발광하는 여러 반도체 발광다이오드를 조합하여 사용하는 것으로 인식되어 왔다. 하지만 여러 다른 반도체 발광다이오드를 조합하는 경우에는 복잡한 구동회로가 요구될 뿐만 아니라, 색의 혼합으로 인한 손실을 감수해야 한다.

최근에는, 특정 파장광의 발광다이오드를 일정한 조건에서 원하는 다른 파장광으로 변환시키는 연구가 진행되고 있다. 이러한 일 방안으로서 대한민국 특허출원 2005-0016518호(출원일: 2005.02.28)에는, 도1에 도시된 바와 같이, 특정 파장광의 발광다이오드(11)에 압전체층(15)을 이용한 압력을 적용하여 활성층(11b)의 에너지 밴드갭을 조정함으로써 그 파장광을 가변시킬 수 있는 파장 변환형 발광다이오드가 제안된 바 있다.

여기서는 발광 다이오드의 활성층의 격자상수를 변화시키기 위해서 발광 다이오드의 활성층(11b)면에 수직인 압력을 가하는데, 상기 반도체 발광다이오드(11)의 제1 및 제2 도전형 클래드층(11a,11c)의 외측면에 압전체층(15)을 배치하고, 상기 압전체(15)층을 둘러싸는 강성프레임(16)으로 구성되어 있다. 상기 압전체층(15)에 전압을 인가하면 압전체층(15)의 두께가 증가하여 상기 발광 다이오드(11)에 압력이 가해지고, 활성층(11b)의 에너지밴드갭이 늘어나게 되어서 그에 따라 발광 다이오드의 파장은 압력이 가해지기 전보다 단파장의 빛이 발생한다.

하지만, 종래 기술에 의하면 발광 다이오드의 파장 변환을 위해 압전체, 상기 압전체에 전압을 인가하기 위한 전압원, 상기 압전체의 부피증가에 의한 압력을 발광 다이오드에 전하기 위한 강성프레임 등 부수적인 부품들이 사용되어 그 구성 이 복잡해진다. 또한, 강성프레임이 발광 다이오드의 많은 면적을 둘러싸므로 이에 의한 발광효율이 감소 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 기판의 휨에 의해 반도체 발광다이오드에 적용되는 압력을 이용하여 그 활성층의 에너지밴드갭을 조정함으로써 파장광을 가변시킬 수 있는 파장변환형 발광다이오드를 제공하는 데 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 탄성력을 갖는 지지 기판 및 상기 지지 기판의 일영역에 형성되며, 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층이 순차적으로 적층 되어 이루어진 발광 소자를 포함하되, 상기 지지 기판의 휨에 의해 상기 활성층에 압력이 인가되어 그 에너지밴드갭이 변화하는 것을 특징으로 하는 파장 변환형 발광 소자를 제공한다.

상기 지지 기판은, 실리콘, GaAs, GaN 및 사파이어로 이루어진 그룹 중에서 선택된 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 또는 상기 지지 기판은 금속판일 수 있다.

상기 지지 기판의 하부에는 상기 지지기판의 취성을 보완하기 위해 금속판이 더 포함된 것을 사용할 수 있다.

상기 지지 기판의 일단은 타단에 작용하는 힘에 의해 휨이 발생하도록 지지대에 고정되어 있는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도2는 본 발명에 따른 파장변환형 발광소자를 나타내는 개략도이다.

도2를 참조하면, 본 발명에 따른 파장 변환형 발광소자(20)는 기판(22)과 상기 기판의 일면에 형성된 반도체 발광 다이오드칩(21)을 포함한다.

상기 기판(22)은 외부에서 인가되는 물리적인 힘에 의해 휘어질 정도의 탄력성을 갖고 있다. 바람직하게는, 상기 기판(22)은 활성층(21b)에 압력을 잘 전달할 수 있도록 충분한 강도를 갖는 강체로 형성된다. 또한 상기기판(22)은 일단 휘어진 후에는 외부의 다른 힘이 가해지지 않는 이상 휘어진 형태를 유지할 수 있는 정도의 강체가 바람직하다.

기판(22)의 휘어짐에 의한 압력이 상기 활성층(21b)에 전달되려면 상기 발광 다이오드칩(21)은 상기 기판(22)과 강하게 접합 되어 있어야 한다. 그래야 상기 기판(22)이 휘어질 때 상기 발광 다이오드칩(21)이 상기 기판(22)과 분리되지 않기 때문이다. 바람직하게는 상기 기판(22)상에 상기 발광 다이오드칩(21)을 성장시켜서 일체로 형성할 수 있다.

예를 들어, 상기 지지 기판(22)으로는, 실리콘 기판, GaAs 기판, GaN 기판, 사파이어 기판과 같이 발광 다이오드 성장용 기판을 사용할 수 있다. 실리콘 기판, GaAs 기판, GaN 기판 또는 사파이어 기판만을 사용할 경우에는 휘어짐에 대한 충분한 강도를 얻지 못하여 취성이 나타날 수 있으므로 상기 기판의 하부에 금속판을 덧붙이는 방법도 고려할 수 있다.

상기 기판(22)에 압력을 가하는 방법으로는, 상기 기판(22)의 일단을 지지대에 고정시키고 타단의 윗부분 또는 아랫부분에서 상기 활성층(21b)면에 수직 하도록 힘을 가함으로써 휘어지게 할 수 있다. 이때 상기 기판(22)의 일단에 압력을 가하더라도 기판 전체가 균일한 원 형태를 이루면서 굴절되지는 않을 것이다. 다만 상기 기판(22)의 중간 부분에서만 원 형태를 이루며 굴절될 것이다. 따라서 기판(22)의 중앙부분을 양 측면보다 얇게 제작하여 굴절 특성을 높일수 있다. 이때, 발광 다이오드(21)를 상기 기판(22)의 휘어지는 중앙부위 상면에 배치하여 기판굴절에 의한 영향을 최대로 받게 하는 것이 바람직하다.

또는 상기 기판(22)의 양단에서 중앙쪽으로 수평하게 힘을 가해 상기 기판(22)이 휘어지게 하는 방법도 이용할 수 있다. 이 경우에는 기판의 중앙부분에서 기판의 윗방향 또는 아랫방향으로 수직 되게 제 3의 힘을 가하여 기판의 휘어지는 방향을 결정할 수 있다.

일반적으로 반도체 물질의 에너지밴드갭은 3~6 meV/Kbar 정도의 압력의존성을 갖는다. 따라서, 약 100 Kbar를 적용할 경우에는 약 100 ~ 300 nm의 파장변환을 유도할 수 있으며, 다양한 색의 가시광선을 구현할 수 있다.

이러한 에너지밴드갭의 압력의존성은 일반적인 반도체물질의 경우에는 압력의 증가에 따라 에너지밴드갭이 증가하는 경향을 갖는다. 따라서, 압력증가에 의해 발광다이오드의 발광파장은 단파장화되는 경향을 갖는다. 그러므로 압력이 인가되지 않은 상태에서 발광다이오드의 파장광은 약 500nm ~ 약 800nm의 파장광을 갖는 것이 풀컬러 구현에 바람직하다.

도3a 및 도3b는 본 발명의 일 실시형태에 따라 기판에 압력을 가하여 휨을 일으키는 형태에 대한 개략도이다.

도3a는 기판(32)의 일단을 지지대(33)에 고정시키고, 타단의 아랫부분에서 힘(F)을 가함으로써 발광 다이오드칩(31)이 상기 휘어진 기판(32)의 안쪽에 위치하도록 한 실시 형태이다.

도3a와 같이 기판이 휘어짐으로 인해, 기판(32)의 안쪽에 위치하는 발광 다이오드칩(31)의 활성층(31b)에는 수평방향(활성층 면에 평행한 방향)으로 압축력이 작용하게 되고 이에 따라 활성층(31b)의 에너지밴드갭이 넓어져서 단파장의 빛이 방출된다.

도3b는 기판(32)의 일단을 지지대(33)에 고정시키고, 타단의 윗부분에서 힘(F)을 가함으로써 발광 다이오드칩(31)이 상기 휘어진 기판(32)의 바깥쪽에 위치하 도록 한 실시 형태이다.

도3b와 같이 기판(32)이 휘어짐으로 인해, 기판(32)의 바깥쪽에 위치하는 발광 다이오드칩(31)의 활성층(31b)에는 수평방향(활성층 면에 평행한 방향)으로 인장력이 작용하게 되고 이에 따라 활성층(31b)의 에너지밴드갭이 좁아져서 장파장의 빛이 방출된다.

도3a 및 도3b에서 볼 수 있듯이 발광 다이오드칩(31)의 활성층(31b)에 압력을 주는 것은 상기 발광 다이오드칩(31)과 접해 있는 기판 부분의 휘어짐이다. 따라서 상기 발광 다이오드칩(31)이 성장되지 않은 부분과 상기 발광 다이오드칩(31)이 성장된 부분의 두께를 달리하여 상기 기판(32)의 휘어짐의 정도를 달리할 수도 있다.

활성층(31b)에 인가되는 압력에 따른 발광 파장의 변화 거동은 그 활성층(31b)에 인가된 전계(또는 발광 다이오드칩(31)에 인가된 바이어스 전압)에 따라 다를 수 있다. 예를 들어, 특정 바이어스 전압에서는 압력 증가에 따라 파장이 감소하지만, 다른 바이어스 전압에서는 압력 증가에 따라 파장이 증가 될 수 있다.

도3과 같은 구성을 갖는 파장변환형 발광소자의 샘플을 제작하여, 인가압력에 따른 파장광의 변화를 측정할 수도 있을 것이다. 본 실시형태와 유사한 종래기술에 의하면, 상기 활성층(31b)에 인가되는 압력(σ)은 상기 휘어진 기판(32)의 곡 률(R) 측정에 의해 계산되는데, 인가압력(σ)과 곡률(R) 간의 관계식은 아래와 같다.

σ = Yh/2R

상기 수학식에서, Y는 영계수(Young's modulus)이고, h는 기판의 두께를 나타낸다.

상기 수학식에서 알 수 있듯이 활성층에 인가되는 압력은 휘어지는 기판의 곡률반경에 반비례하고 기판의 두께에 비례한다. 그러므로, 활성층에 인가되는 압력은 기판의 곡률반경이 작을수록, 그리고 기판의 두께가 두꺼울수록 증가한다. 상기 기판의 두께 및 곡률반경은 실제 제작되는 발광소자의 이용 분야를 고려하여 조절함이 적당하다.

도4는 곡률반경에 따라 활성층에 가해지는 압축력을 나타낸 그래프이다.

여기서는 0.5 ㎜ 두께의 기판을 사용한 것으로서, 약 2 ㎜의 곡률 반지름에서 20GPa의 압력을 얻을 수 있고 이는 약 200 ㎚의 파장의 변환 효과가 있다. 참고로, 1MPa = 10bar의 관계에 있다.

곡률 반경에 따른 압력의 변화는 선형적(linear)으로 일어나지 않고 특히 곡률반경이 2 mm ~22 mm 사이에서 크게 일어나는 것을 볼 수 있다. 즉, 기판의 곡률반경이 2 mm일 때 인가되는 압력이 약 20MPa 이었는데, 곡률반경이 22 mm일 때는 인가압력이 2GPa로 급격히 감소한다. 그러나 그 이후에는 곡률반경이 배수로 증가 하더라도 이에 따른 인가압력은 크게 감소 하지 않는다.

또한 상기 기판을 반대 방향으로 휘도록 한 경우에는 동일한 크기의 인장력이 작용할 것이다.

이와 같이 곡률 반지름의 변화에 따라 상기 활성층에 가해지는 압력이 민감하게 변화하므로 곡률 반지름의 크기를 기계적으로 조절함으로써 발광다이오드의 광파장을 조절할 수 있다.

이와 같은 곡률반경과 압축력과의 관계는 기판의 두께뿐만이 아니라 상기 발광 다이오드칩에 가해지는 바이어스 전압의 차이에 의해서도 다르게 나타날 수 있다.

본 발명에서는 기판의 두께에 따른 곡률 반지름과 인가 압력, 에너지밴드갭의 변화 및 파장의 변화와의 관계를 구체적으로 개시하지는 않았으나, 이는 해당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 필요한 데이터를 얻을 수 있을 것이다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 완성된 단일 발광 다이오드의 특정광을 기판의 휨에 의해 변경시키는 것이 가능하며, 풀컬러용 디스플레이에 적용할 경우에, 다양한 색 구현을 위해 휘어지는 기판의 곡률 반지름을 기계적으로 조절함으로써 구현할 수 있다.

또한, 파장 변환형 발광소자를 제작하기 위해 구성되는 부품이 간략해지고, 또한 발광 효율을 높일 수 있다.

Claims (5)

1. 탄성력을 갖는 지지 기판; 및

   상기 지지 기판의 일영역에 형성되며, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층이 순차적으로 적층되어 이루어진 발광 소자를 포함하되,

   상기 지지 기판의 휨에 의해 상기 활성층에 압력이 인가되어 그 에너지밴드갭이 변화하는 것을 특징으로 하는 파장 변환형 발광 소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 지지 기판은, 실리콘, GaAs, GaN 및 사파이어로 이루어진 그룹 중에서 선택된 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 파장 변환형 발광 소자.
3. 제2항에 있어서,

   상기 지지 기판의 하부에 금속판이 더 포함된 것을 특징으로 하는 파장 변환형 발광 소자.
4. 제1항에 있어서,

   상기 지지 기판은 금속판인 것을 특징으로 하는 파장 변환형 발광 소자.
5. 제1항에 있어서,

   상기 지지 기판의 일단은 타단에 작용하는 힘에 의해 휨이 발생하도록 지지대에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 파장 변환형 발광 소자.

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