KR100754936B1 - 발광다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 하부 기판 상에 활성 층과 투명 전극 층이 순차 적층된 발광 다이오드에 있어서, 상기 활성 층과 투명 전극 층 사이에 나노 크기의 초상유전 금속 점 배열 층이 추가 형성된 발광다이오드 및 그 제조방법에 대한 것이다.

이에 따라, 본 발명은 나노미터 크기의 금속 점이 강유전 클러스터를 형성하여 초상유전 효과에 의한 높은 굴절률을 나타내도록 하여 기존의 활성 층에 남아 도파되는 빛들의 구속중심을 상향 이동시킬 수 있게 되므로 원하는 방향으로의 발광 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

발광다이오드, 유기발광다이오드, 활성 층, 초상유전

Description

발광다이오드 및 그 제조방법{Light Emitting Diode and Manufacturing Method Thereof}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초상유전 금속 점 배열 층이 형성된 발광다이오드를 개략적으로 나타낸 수직 단면도; 및

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초상유전 금속 점 배열 층을 개략적으로 나타낸 평면도.

본 발명은 발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다. 특히, 활성 층에 남아 도파되는 빛들의 구속중심을 상향 이동시켜 원하는 방향으로의 발광 효율을 더욱 크게 향상시킬 수 있도록 설계한 발광다이오드 및 그 제조방법에 대한 것이다.

발광다이오드(Light Emitting Diode; LED)는 반도체에 전압을 가할 때 생기 는 발광현상을 이용한 반도체 소자를 일컫는다. 이러한 발광다이오드는 1923년 탄화규소 결정의 발광 관측에서 비롯되었다. 또한, 1923년에 비소화갈륨(GaAs) p-n 접합에서의 고 발광 효율이 발견되면서부터 그 연구가 활발하게 진행되었다. 1960년대 말에는 이들이 실용화되기에 이르러 각종 전자기기의 표시용 램프, 숫자표시 장치나 계산기의 카드 판독기 등에 널리 쓰여 왔다. 최근에는 유비쿼터스(ubiquitous)의 실현을 위한 각종 응용 분야, 신호등, 실외 풀 칼라 디스플레이, LCD(Liquid Crystal Display)의 백라이트 유닛(backlight units) 등 더욱 많은 분야에 응용될 것으로 기대되고 있다.

이에 따라, 앞으로는 적은 전력 소비로 더 높은 발광 효율을 가지는 발광 다이오드가 요구된다. 그러나, 기존의 발광다이오드에는 구조적인 특성상 원하지 않는 방향으로의 발광이 존재한다. 이는 원하는 방향으로의 발광 효율을 저하시키는 원인이 된다.

발광다이오드의 활성 영역에서 발생되는 빛은 크게 세 가지 형태의 모드로 전이된다. 외부로의 직접적인 발광 모드, 외부 물질과의 경계에서 발생하는 전반사(TIR-Total Internal Reflection) 모드, ITO(Indium-Tin-Oxide) 등의 투명 전극 층/활성 층/하부 기판 층 도파(waveguide) 모드 등이 그것이다.

실제로, 직접적인 발광 모드는 전체 발광 에너지의 약 20% 정도밖에 되지 않는다. 나머지 약 80%의 빛은 손실되어 발광 효율을 저하시키게 된다. 이러한 발광다이오드의 구조적인 한계를 극복하고자 활성 층을 일정한 패턴 형태의 하판 위에 적층시킨 방식뿐만 아니라, 발광다이오드의 상판에 광자 결정 패턴을 형성한 방 식(광자결정 효과; Photonic Crystal effect), 활성 층과 전극 층 사이에 얇은 금속 층을 형성한 방식(표면 플라즈몬 효과; Surface Plasmon effect) 등의 많은 노력이 경주되어 왔다.

이들은 박막으로만 구성된 기존의 발광다이오드에 인위적인 구조적 변형을 주어, 반사되거나 발광다이오드 내에 존재하여 원하지 않는 방향으로 발광되는 빛들의 일부를 원하는 방향으로 방출시킬 수 있었고, 결과적으로 발광 효율을 높이는 효과를 가져왔다.

따라서, 본 발명은 활성 층에 남아 도파되는 빛들의 구속중심을 상향 이동시켜 원하는 방향으로의 발광 효율을 더욱 크게 향상시킬 수 있도록 설계한 발광다이오드 및 그 제조방법을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 하부 기판 상에 활성 층과 투명 전극 층이 순차 적층된 발광 다이오드에 있어서, 상기 활성 층과 투명 전극 층 사이에 나노 크기의 초상유전 금속 점 배열 층이 추가 형성된 발광다이오드를 제공한다.

또한, 본 발명은 하부 기판 상에 활성 층과 투명 전극 층이 순차 적층된 발광 다이오드의 제조방법에 있어서, 상기 활성 층과 투명 전극 층 사이에 나노 크기 의 초상유전 금속 점 배열 층을 추가 형성하는 단계를 포함하는 발광다이오드의 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 발광다이오드는 금속 또는 합금 등으로 구성되는 하부 기판과, 광을 발생시키는 활성 층(active layer), 및 ITO(Indium-Tin-Oxide), IZO(Indium-Zinc-Oxide)와 같은 투명 전극 층으로 구성된 유기발광다이오드(OLED) 및 발광다이오드(LED) 등을 포함하는 발광소자에 있어서, 상기 활성 층과 투명 전극 층 사이에 나노미터 크기의 초상유전 금속 점 배열층(Super-Paraelectric metal dot array layer)을 얇은 막으로 형성하여 줌으로써 구현된다.

상기 활성 층은 광을 발생시키는 층으로서 본 발명분야에서 통상적으로 사용되는 반도체 물질이나 유기 반도체 물질 등을 반복하여 성장시킨 박막 구조이다.

일반적인 발광다이오드의 활성 층은 예를 들면, 비소화갈륨(GaAs), 인화갈륨(GaP), 갈륨-비소-인(GaAs_1-xP_x), 갈륨-알루미늄-비소(Ga_1-xAl_xAs), 인화인듐(InP), 인듐-갈륨-인(In_1-xGa_xP) 등 3, 5족 원소 또는 3원소 화합물 반도체를 알맞은 두께의 박막으로 적층하여 구성된 다중 양자우물층(multiple-quantum-well; MQW layer) 또는 에피층(epilayer)으로 형성될 수 있다. 즉, 크게 보면 p-n 접합 구조의 다이오드로 형성될 수 있다.

또한, 유기발광다이오드(OLED)의 활성 층은 발광다이오드의 무기 반도체 대 신 고분자 물질의 유기화합물(유기 반도체)을 적층시켜 구성될 수 있다.

상기 활성 층 상에 ITO와 같은 투명 전극 층을 입히기 전에 크롬, 구리, 금, 알루미늄 등과 같은 금속 물질을 나노 크기의 미세 점 형태로 배열한 초상유전 금속 점 배열 층을 형성한다.

이와 같은 금속 점의 패턴화는 i) 마스크를 이용한 포토리쏘그래피법과 건식 및 습식을 포함한 에칭 방법을 사용하거나, ⅱ) 금속박막 필름을 펀칭하여 개구시킨 후, 활성 층과의 라미네이션을 통하여 형성할 수 있다. ⅲ) 선택적으로는, 활성 층에 전도성 금속박막을 롤 코팅, 그라비아 코팅, 바 코팅, 나이프 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅 등과 같은 코팅법이나, 마스크를 이용한 열증착 또는 스퍼터링 등과 같은 증착법으로 적층 형성한 후 선택적으로 식각하는 방법을 이용할 수도 있고, 소정의 패턴화가 완성된 전도성 필름을 상기 활성 층 상에 부착 형성한 후 상기 필름에 금속 점 패턴을 형성할 수도 있으며, 상기 활성 층 상에 상기 금속 점 배열층을 패턴화하면서 코팅하는 방법 등 여러 가지 방법으로 형성할 수 있다. 바람직하게는 마스크를 이용한 스퍼터링(sputtering) 방법이나, 포토리쏘그래피법 및 건식 또는 습식을 포함한 에칭(dry- or wet-etching) 방법으로 손쉽게 구현할 수 있다.

상기 미세 금속 점은 일정한 크기를 갖는 삼각, 사각, 원형 등의 단독 형상 혹은 혼합 형상일 수 있다. 또한, 이들은 이웃하는 점들과 일정한 주기적 혹은 준 주기적 패턴을 가진 형태의 배열로 형성할 수 있다. 예를 들면, 주기적 또는 준 주기적 패턴을 가진 삼각, 사각 또는 이들의 혼성 격자 점 형태의 배열, 규칙이 없 는 격자 점 형태의 무정형 배열, 주기적 또는 준 주기적 패턴을 가진 삼각, 사각 또는 이들을 혼성한 것으로 점이 아닌 구멍 형태의 배열 등으로 형성할 수 있다.

상기 미세 금속 점은 그 크기(너비 혹은 직경)가 수십 내지 수백 나노미터, 구체적으로는 10 nm 내지 600 nm 크기로 형성되며, 전체 활성 층 면적에 대하여 약 45 내지 70%의 면적 비율 혹은 개구율로 형성하여 주는 것이 바람직한 바, 상기한 범위에서 금속 점 배열 층의 초상유전 효과로 인해 고효율의 발광 특성을 보일 수 있기 때문이다.

상기 활성 층 상에 형성된 미세 금속 점 배열 층에 있어서, 그 높이는 수 나노미터 내지 수십 나노미터, 바람직하게는 10 nm 내지 200 nm인 것이 바람직한 바, 이는 상기한 범위에서 금속 점들이 도체가 아닌 일종의 강유전 클러스터(ferro-electric clusters)의 역할을 수행할 수 있기 때문이다.

이에 따라, 나노미터 크기의 상기 금속 점들이 강유전 클러스터(ferro-electric clusters)를 형성하는 이른바, 초상유전 효과에 의해 금속 층은 활성 층 보다 높은 굴절률을 나타낸다. 이러한 금속 층의 국부적 고 광 굴절률은 활성 층에 남아 도파되는 빛들의 구속중심(optical confinement center)을 상향 이동시키는 결과를 가져오며, 원하는 방향으로의 발광 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

본 발명의 유기발광소자 혹은 발광소자는 상기와 같은 초상유전 금속 점 배열 층을 투명 전극 층과 활성 층 사이에 구비하는 것을 제외하고는 본 발명분야의 공지된 방법으로 상기 투명 전극 층 및 활성 층을 공지의 재료에 의해 형성할 수 있다. 그 일예가 도 1에 도시되어 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초상유전 금속 점 배열 층이 구비된 발광 다이오드의 수직 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 금속 기판이 그 하부에 형성된 활성 층 상에 스퍼터링이나 열증착 등의 방법으로 미세 금속 점 배열 층을 형성한다. 그 위에 ITO(Indium Tin Oxide)를 비롯한 투명한 전극 물질을 증착시켜 발광소자를 제조한다. 이때, 상/하부 두 전극(상부 ITO 전극/하부 금속 기판) 층 사이에 일정한 전압을 인가해 주면, 그에 따른 전류에 의해 반도체 내에서는 소수 캐리어(전자; electron, 또는 정공; hole)가 발생하여 활성 층에 주입되고, 이들 정공과 전자는 활성 층에서 재결합(recombination)하여 엑시톤(exciton)을 형성하며, 이 엑시톤이 다시 바닥상태로 떨어질 때 그 전자 밴드갭 에너지에 해당하는 파장의 빛이 방출된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초상유전 금속 점 배열 층의 평면을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하여 설명하면, 21은 활성 층 상에 사각 격자 점 배열(square lattice dot array)을 주기적으로 형성한 것이고, 22는 활성 층 상에 삼각 격자 점 배열(triangular lattice dot array)을 주기적으로 형성한 것이며, 23은 활성 층 상에 사각 격자 구멍 배열(square lattice hole array)을 주기적으로 형성한 것이며, 24는 활성 층 상에 삼각 격자 구멍 배열(triangular lattice hole array)을 주기적으로 형성한 것이며, 또한 25는 활성 층 상에 점 배열을 무정형(amorphous dot array)으로 형성한 것이다.

본 발명의 발광다이오드 및 그 제조방법은 이하의 실시예에 의하여 더욱 구체적으로 설명된다.　 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

하부 사파이어(Al₂O₃) 금속 기판 위에 InGaN으로 형성한 활성 층을 에피택시로 성장시켰다. 그 위에 구리(Cu) 금속 박막을 약 50 nm 두께로 통상의 스퍼터링법에 의하여 형성하였다. 이후, 식각 마스크가 될 레지스트 층을 스핀 코팅의 방법으로 형성한 후 리쏘그래피법 (포토리쏘그래피법, 전자빔리쏘그래피법, 임프린트리쏘그래피법 등)에 의하여 미세 점 패턴의 레지스트 식각 마스크를 형성하였다. 이후, 레지스트층으로 덮여 있지 않은 부분의 구리 금속박막을 구리 제거용 염화암모늄(NH₄Cl) 에칭 용액에 40초 동안 침지시켜 에칭(습식식각)하거나, ICP(Inductively Coupled Plasma) 에칭 시스템을 이용한 Cl₂ 플라즈마에 의한 에칭(건식식각)으로 미세 금속 점 층을 패터닝한 후, 탈이온수로 세척하여 상기 레지스트층을 제거함으로써 미세 금속 점 배열층을 50 nm 두께로 형성하였다. 그 다음, 상기 구리 금속 점 배열층 상에 정공주입전극으로 투명한 ITO 전극을 통상의 스퍼터링법에 의하여 150nm의 두께로 형성하여 발광소자의 제조를 완료하였다.

<비교예 1>

초상유전 금속 점 배열 층이 형성되지 않은 점을 제외하고는 실시예 1과 동 일한 방식에 의해 발광소자를 제조하였다.

<실험예 1> 휘도 특성

휘도는 Photo-Research사 PR650 colorimeter/radiometer로 전류 변화(10mA/㎠ ~ 100mA/㎠)에 따른 휘도를 측정하였고, 삼중과학사 방사각 측정장치(LED Spectral/Angular Analyzer)로 방사각(0°에서의 광도가 1/2이 되는 좌우 방사각)을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

구분	휘도(cd/㎡)	방사각(°)	수명(시간)
실시예 1	10,077	45~60	1400
비교예 1	3,400	25~30	700

상기 표 1의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1에 따른 발광소자의 휘도 특성이 비교예 1에 비하여 대략 3 배, 방사각은 대략 2배, 수명은 대략 2배 이상 향상되었음을 알 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 활성 층과 투명 전극 층 사이에 금속 점 배열 층을 형성하여 줌으로써 국소적 표면 플라즈몬(surface plamon) 효과, 및 광자결정(photonic crystal) 효과를 달성할 수 있고, 아울러 초상유전(super-para-electric) 효과를 유발시켜 발광다이오드, 유기발광다이오드 등의 발광 효율을 높일 수 있다. 이에 따라, 나노미터 크기의 금속 점이 강유전 클러스터(ferro-electric clusters)를 형성하여 초상유전 효과에 의한 높은 굴절률을 나타내도록 할 수 있다. 이러한 초상유전 효과로 인한 광 굴절률을 높여 활성 층에 남아 도파되는 빛들의 구속중심(optical confinement center)을 상향 이동시킬 수 있게 되어 원하는 방향으로의 발광 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

1. 하부 기판 상에 활성 층과 투명 전극 층이 순차 적층된 발광 다이오드에 있어서, 상기 활성 층과 투명 전극 층 사이에 그 크기가 10㎚ ~ 600㎚ 이고, 그 높이는 10㎚ ~ 200㎚ 인 나노 크기의 초상유전 금속 점 배열 층이 추가로 형성되고, 상기 금속 점은 전체 활성 층에 대하여 45~70％의 면적비율 또는 개구율로 형성된 발광다이오드.
2. 제1항에 있어서, 상기 금속은 Cr, Cu, Au 및 Al으로 이루어진 군 중에서 1종 이상이 선택되는 것인 발광다이오드.
3. 제1항에 있어서, 상기 금속 점이 주기적 또는 준 주기적인 삼각, 사각, 또는 이들의 혼합 격자 점 배열방식으로 패턴화된 발광다이오드.
4. 제1항에 있어서, 상기 금속 점이 주기적 또는 준 주기적인 삼각, 사각, 또는 이들의 혼합 격자 구멍 배열방식으로 패턴화된 발광다이오드.
5. 제1항에 있어서, 상기 금속 점이 무정형 점 배열방식으로 형성된 발광다이오 드.
6. 삭제
7. 하부 기판 상에 활성 층과 투명 전극 층이 순차 적층된 발광 다이오드의 제조방법에 있어서, 상기 활성층과 투명 전극 층 사이에 그 크기가 10㎚ ~ 600㎚ 이고, 그 높이는 10㎚ ~ 200㎚ 인 나노 크기의 초상유전 금속 점을 전체 활성층에 대하여 45~70％의 면적비율 또는 개구율로 배열한 층을 추가 형성하는 단계를 포함하는 발광다이오드의 제조방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 초상유전 금속 점 배열 층은 마스크를 이용한 스퍼터링 방법, 또는 마스크를 이용한 포토리쏘그래피법 및 에칭 방법으로 구현된 것인 발광다이오드의 제조방법.

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