KR100792823B1 - 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR100792823B1
KR100792823B1 KR1020060100871A KR20060100871A KR100792823B1 KR 100792823 B1 KR100792823 B1 KR 100792823B1 KR 1020060100871 A KR1020060100871 A KR 1020060100871A KR 20060100871 A KR20060100871 A KR 20060100871A KR 100792823 B1 KR100792823 B1 KR 100792823B1
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김태환
정재훈
김영호
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따르면, 반도체 기판; 반도체 기판 상에 위치하고, 내부에 금속 산화물 나노 입자가 분포된 발광층; 발광층 상에 위치하고, 발광층으로부터 방출된 빛을 투과시킬 수 있는 투명 전극; 및 투명 전극 상에 위치하고, 투명 전극을 투과하는 빛의 양을 증가시키기 위한 소정의 결정 구조를 갖는 광결정 구조체를 포함하는 발광 소자가 제공된다. 본 발명에 의하면, 발광 소자의 열화 및 수명 단축을 방지할 수 있고, 광 손실을 최소화하여 발광 효율을 극대화할 수 있다.
발광 소자, 광결정 구조, 다공성 알루미나, 전자 정공 결합.

Description

발광 소자 및 그 제조 방법{Light emitting device and manufacturing method thereof}
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 도시된 발광 소자의 전체 제조 공정을 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 도 1에 도시된 발광 소자에서의 발광층을 형성하기 위한 제조 공정도.
도 4는 도 1에 도시된 발광 소자에서의 다공성 알루미나층을 형성하기 위한 제조 공정도.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 발광 소자에서의 발광층 내에 형성된 Cu2O 나노 입자를 전자 현미경으로 찍은 평면도 및 단면도.
도 5c 및 도 5d는 본 발명에 따른 발광 소자에서의 발광층 내에 형성된 ZnO 나노 입자를 전자 현미경으로 찍은 평면도 및 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 발광 소자에서의 양극 산화 공정에 의해 형성된 다공성 알루미나층의 표면을 전자 현미경으로 찍은 도면.
도 7a는 본 발명에 따른 발광 소자에 인가되는 교류 전압의 일 예시도.
도 7b는 본 발명에 따른 발광 소자에서의 발광 원리를 설명하기 위한 도면.
도 7c는 본 발명에 따른 발광 소자에서의 발광 효율을 설명하기 위한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110 : 반도체 기판 120 : 발광층
125 : 금속 산화물 나노 입자 130 : 투명 전극
140 : 다공성 알루미나층 145 : 광투과층
150 : 광결정 구조체
본 발명은 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고분자 박막 안에 형성된 금속 산화물 나노 입자에 의한 전하 포획 및 결합을 이용한 발광 구조에 다공성 알루미나층을 포함하는 광 결정 구조를 결합한 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 발광 소자는 전기 신호를 빛으로 변환하는 소자를 말하는 것으로서, 대표적인 것으로 발광 다이오드(LED : Light Emitting Diode)가 있다.
이러한 발광 소자는 Si 나노 입자를 사용하여 제작하는 것이 일반적이나, 종래의 Si 나노 입자를 사용한 발광 소자는 절연막인 SiO2 박막 안에 Si 나노 입자를 형성해야 하기 때문에 고가의 이온 주입 장비 및 열처리 장비가 필요하였다. 또한, 이와 같은 이온 주입 장비 및 열처리 장비를 이용한 나노 입자의 주입 및 열처리 공정 때문에 원하는 밀도 및 크기의 Si 나노 입자를 얻기 어려우며, 발광 소자의 제조 공정이 복잡해지고 제조 비용이 증가하는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 발광 소자에서는 열전자에 의한 충돌 이온화에 의해 발광이 이루어지기 때문에 시간이 지남에 따라 Si 나노 입자 및 절연막인 SiO2 박막의 물질 특성의 열화로 인하여 소자의 발광 효율이 저하되며, 소자의 수명이 단축되는 문제점이 있었다. 아울러 열전자에 의한 충돌 이온화에 의해 발광이 이루어지므로 발광을 위해 고전압을 인가하여야 하였으며, 고전압을 인가하여도 소자의 발광 효율이 매우 낮아 상용화에 일정한 한계가 있었다.
또한, 종래의 발광 소자는 발광 소자에서 발광되는 빛이 투과되지 못하고 소자 내부로 반사됨으로써 발생하는 광 손실에 의해 소자의 발광 효율이 저하되는 문제점이 있었다. 이러한 발광 효율의 저하를 개선하기 위한 방법으로는 발광 소자의 상부에 광결정 구조를 결합하는 방법이 있다. 그러나, 종래의 광결정 구조의 제작은 고가의 레이저 장비를 이용하여 직접 깎아내는 방법이 이용되었기 때문에 많은 비용과 시간이 요구되었으며, 그 생산성도 낮은 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 고분자 박막 안에 자발 형성된 금속 산화물 나노 입자들을 이용하여 발광 소자를 제작함으로써, 발광 소자의 제조 비용의 절감 및 제조 공정의 간소화가 가능한 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 금속 산화물 나노 입자들의 전자, 정공의 포획 및 결합에 의해 발광이 이루어지도록 함으로써, 발광 소자의 열화 및 수명 단축을 방지할 수 있는 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 공정 조건에 따라 발광 매개체인 금속 산화물 나노 입자의 밀도 및 크기의 조절이 가능한 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 금속 산화물 나노 입자의 밀도 및 크기를 조절함으로써, 금속 산화물 나노 입자에 포획 및 결합되는 전자 및 정공의 개수 및 결합률을 조절할 수 있고, 발광 소자의 발광 세기를 조절할 수 있는 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 다공성 알루미나층을 포함하는 광결정 구조를 결합함으로써, 광 손실을 최소화하여 발광 효율을 극대화할 수 있는 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 광결정 구조를 형성하는 다공성 알루미나층을 양극 산화 공정에 의해 제작함으로써, 광결정 구조의 제작에 있어 제조 비용의 절감 및 제조 공정의 간소화가 가능한 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 반도체 기판; 반도체 기판 상에 위치하고, 내부에 금속 산화물 나노 입자가 분포된 발광층; 발광층 상에 위치하고, 발광층으로부터 방출된 빛을 투과시킬 수 있는 투명 전극; 및 투명 전극 상에 위치하고, 투명 전극을 투과하는 빛의 양을 증가시키기 위한 소정의 결정 구조를 갖는 광결정 구조체를 포함하는 발광 소자가 제공될 수 있다.
여기서, 발광층은 폴리이미드로 형성된 고분자 박막일 수 있고, 금속 산화물 나노 입자는 Cu2O, ZnO 및 SnO2 중 어느 하나일 수 있으며, 투명 전극은 ITO 전극일 수 있다. 또한, 광결정 구조체는 다공성 알루미나층; 및 다공성 알루미나층 상에 형성된 광투과층을 포함할 수 있다.
여기서, 광투과층을 형성하는 물질은 SiO2, Si3N4, TiO2, ZnO, Cu2O, SnO2 및 In2O3 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 따른 발광 소자는 인가된 교류 전압에 따라 반도체 기판에 축적된 전자 및 정공이 발광층 내에 분포된 금속 산화물 나노 입자에 포획되어 결합함에 의해 발광이 이루어질 수 있다. 이때, 소정 주기의 교류 전압은 반도체 기판과 투명 전극 간에 인가된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, (a) 반도체 기판 상에 내부에 금속 산화물 나노 입자가 분포된 발광층을 형성하는 단계; (b) 발광층 상에 투명 전극을 형성하는 단계; 및 (c) 투명 전극 상에 소정의 결정 구조를 갖는 광 결정 구조체를 형성하는 단계를 포함하는 발광 소자의 제조 방법이 제공될 수 있다.
여기서, 단계 (a)는 (a1) 반도체 기판 상에 금속 재료를 증착시키는 단계; (a2) 증착된 금속 재료 상에 고분자 박막의 전구체를 용매에 녹여 스핀 코팅하는 단계; (a3) 용매를 제거하는 단계; 및 (a4) 열 경화 공정을 통하여 고분자 박막 및 고분자 박막의 내부에 균일하게 분포된 금속 산화물 나노 입자를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 단계 (a2)의 고분자 박막의 전구체는 비페닐테트라카르복실릭 디안하이드라이드-피-페닐렌디아민(BPDA-PDA) 형의 폴리아믹산이고, 용매는 엔-메틸-2-필롤리돈(NMP)이 이용될 수 있다.
또한, 단계 (a1)의 금속 재료는 구리(Cu), 아연(Zn) 및 주석(Sn) 중 어느 하나인 경우, 단계 (a4)에서 형성되는 금속 산화물 나노 입자는 단계 (a1)에서 증착되는 금속 재료에 상응하여 Cu2O 나노 입자, ZnO 나노 입자 및 SnO2 나노 입자 중 어느 하나일 수 있다.
여기서, 단계 (c)는 (c1) 다공성 알루미나층을 형성하는 단계; (c2) 투명 전극 상에 다공성 알루미나층을 부착하는 단계; 및 (c3) 다공성 알루미나층 상에 광투과층을 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 광투과층을 형성하는 물질은 SiO2, Si3N4, TiO2, ZnO, Cu2O, SnO2 및 In2O3 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 단계 (c1)은 (c4) 알루미늄(Al)을 소정의 전해질 용액 내에서 제1 양극 산화하는 단계; (c5) 알루미늄의 표면에 형성된 제1 다공성 알루미나(Al2O3)를 제거하는 단계; (c6) 알루미늄을 전해질 용액 내에서 제2 양극 산화하는 단계; 및 (c7) 알루미늄의 표면에 재형성된 제2 다공성 알루미나만을 남기고 알루미늄을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 전해질 용액은 옥살산 또는 황산 용액일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법을 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 발광 소자(100)는 반도체 기판(110), 내부에 금속 산화물 나노 입자(125)가 형성되어 있는 발광층(120), 투명 전극(130) 및 광결정 구조체(150)를 포함하며, 광결정 구조체(150)는 다공성 알루미나층(140) 및 광투과층(145)을 포함할 수 있다. 여기서, 반도체 기판(110), 내부에 금속 나노 입자가 형성된 발광층(120) 및 투명 전극(130)은 본 발명의 발광 소자(100)의 발광을 위한 발광 구조를 구성하고, 다공성 알루미나층(140) 및 광투과층(145)을 포함하는 광결정 구조체(150)는 발광층(120)으로부터 방출되어 투명 전극(130)을 투과하는 빛의 양을 증가시키기 위한 소정의 결정 구조를 갖는 광결정 구조를 구성한다.
반도체 기판(110)은 일반적으로 사용되는 반도체 소자용 기판(예를 들어, 실리콘(Si) 기판 등)이며, 투명 전극(130)으로는 발광층(120)으로부터 방출된 빛을 투과시킬 수 있는 전극 재료라면 제한 없이 이용될 수 있다. 예를 들어, 투명 전극(130)은 ITO(Indium-Tin-Oxide) 전극일 수 있다.
발광층(120)은 고분자 박막으로 형성되며, 내부에는 금속 산화물 나노 입자(125)가 균일하게 분포되어 있다. 이때, 금속 산화물 나노 입자(125)는 발광 매개체로서 이용된다. 즉, 반도체 기판(110)과 투명 전극(130) 간에 인가된 교류 전압에 따라 반도체 기판(110)의 소정 영역에 축적되는 전자 및 정공은 발광층(120) 안에 분포된 금속 산화물 나노 입자(125)에 의해 포획되며, 포획된 전자와 정공이 결합함에 의해 본 발명의 발광 소자(100)는 발광하게 된다. 발광층(120)을 형성하는 고분자 박막으로는 폴리이미드가 이용될 수 있고, 발광층(120) 안에 분포되는 금속 산화물 나노 입자(125)로는 Cu2O, ZnO 및 SnO2 중 어느 하나가 이용될 수 있다.
다공성 알루미나층(140)은 소정 패턴의 다공성 격자 구조로 이루어지며, 소정의 전해질 용액(예를 들어, 옥살산 또는 황산 용액) 내에서 1회 이상 양극 산화하는 공정에 의해 제작될 수 있다. 광결정 구조체(150)는 양극 산화 공정에 의해 제작된 다공성 알루미나층(140) 상에 광투과층(145)을 증착시킴으로써 완성된다. 다공성 알루미나층(140) 상에 증착되는 광투과층(145)으로는 예를 들어 SiO2, Si3N4, TiO2, ZnO, Cu2O, SnO2, In2O3 등이 이용될 수 있으며, 이외에도 굴절률이 크고 빛을 투과할 수 있는 물질이면 제한없이 이용 가능하다. 이러한 광결정 구조체(150)는 발광층(120)으로부터 방출되어 투명 전극(130)을 투과하지 못하고 반사됨으로써 손실되는 빛의 양을 감소시켜 발광 소자(100)의 발광 효율을 극대화하는 역할을 한다.
도 2는 도 1에 도시된 발광 소자의 전체 제조 공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2의 단계 (a)를 참조하면, 반도체 기판(110) 상에 내부에 금속 산화물 나노 입자(125)가 분포되어 있는 발광층(120)을 형성한다. 발광층(120)은 폴리이미드로 형성된 고분자 박막일 수 있고, 금속 산화물 나노 입자(125)는 Cu2O, ZnO 및 SnO2 중 어느 하나일 수 있다. 내부에 금속 산화물 나노 입자(125)가 분포된 발광층(120)을 형성하는 방법에 대해서는 이하 도 3에서 상세히 설명한다.
도 2의 단계 (b)를 참조하면, 발광층(120) 상에 투명 전극(130)을 증착한다. 이때, 투명 전극(130)은 ITO(Indium-Tin-Oxide) 전극일 수 있다. 이와 같이 도 2의 단계 (a) 및 단계 (b)를 통하여 본 발명에 따른 발광 소자(100)에서의 발광을 위한 발광 구조가 완성된다.
이어서, 본 발명의 발광 소자(100)에서의 발광 효율 개선을 위한 광결정 구조를 제작하는 방법을 도 2의 단계 (c) 및 도 2의 단계 (d)를 참조하여 설명한다.
도 2의 단계 (c)를 참조하면, 투명 전극(130) 상에 다공성 알루미나층(140)을 부착한다. 여기서, 다공성 알루미나층(140)은 투명 전극(130) 상에서 직접 제작될 수도 있지만, 제작 공정의 편의 및 제작된 다공성 알루미나층(140)의 균일성 등을 고려할 때 본 발명의 발광 구조(즉, 반도체 기판(110), 발광층(120) 및 투명 전극(130))와는 별도로 제작된 후 투명 전극(130) 상에 부착되는 것이 바람직하다. 이때, 투명 전극(130)과 다공성 알루미나층(140)의 부착을 위해 투명 전극(130) 상에는 메탄올이 얇게 도포될 수 있다. 다공성 알루미나층(140)의 제작 방법에 대해서는 이하 도 4에서 상세히 설명한다.
도 2의 단계 (d)를 참조하면, 다공성 알루미나층(140) 상에 광투과층(145)을 소정의 두께(예를 들어, 500 nm)로 증착한다. 이를 통해 다공성 알루미나층(140) 및 광투과층(145)을 포함하는 광결정 구조체(150)가 형성되며, 본 발명에 따른 발광 소자(100)의 발광 효율의 개선을 위한 소정의 결정 구조를 갖는 광결정 구조가 완성된다. 이때, 광투과층(145)은 제작된 발광 소자(100)를 외부 환경으로부터 보호하는 역할도 수행한다.
도 3은 도 1에 도시된 발광 소자에서의 발광층을 형성하기 위한 제조 공정도이고, 도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 발광 소자에서의 발광층 내에 형성된 Cu2O 나노 입자를 전자 현미경으로 찍은 평면도 및 단면도이며, 도 5c 및 도 5d는 본 발명에 따른 발광 소자에서의 발광층 내에 형성된 ZnO 나노 입자를 전자 현미경으로 찍은 평면도 및 단면도이다. 여기서, 도 3은 도 2의 단계 (a)를 보다 세분화하여 나타낸 것이다.
도 3의 단계 (a)를 참조하면, 반도체 기판(110) 상에 금속 박막(115)을 소정 두께(예를 들어, 5 nm)로 증착한다. 금속 박막(115)은 구리(Cu), 아연(Zn), 주석(Sn) 등의 금속 재료들 중 어느 하나일 수 있다. 이때, 금속 박막(115)의 증착 방법으로는 열 증착법(thermal evaporation) 또는 DC 스퍼터링(DC sputtering) 증착법 등이 이용될 수 있다.
도 3의 단계 (b)를 참조하면, 추후의 공정(도 3의 단계 (d))을 통해 최종적으로 형성하고자 하는 고분자 박막을 기준으로 하였을 때, 그 고분자 박막의 전구체에 해당하는 물질을 소정의 용매와 함께 금속 박막(115) 상에 스핀 코팅하여 고 분자 전구체 박막(116)을 형성한다.
예를 들어, 반도체 기판(110) 상에 형성하고자 하는 고분자 박막이 폴리이미드인 경우에는 엔-메틸-2-피롤리돈(NMP : N-Methyl-2-Pyrrolidone)을 용매로 하여 비페닐테트라카르복실릭 디안하이드라이드-피-페닐렌디아민(BPDA-PDA : Biphenyltetracarboxylic Dianhydride-p-Phenylenediamine) 형의 폴리아믹산(이는 폴리이미드의 산성 전구체임)을 금속 박막(115) 상에 스핀 코팅한다.
도 3의 단계 (c)를 참조하면, 금속 박막(115)은 스핀 코팅된 고분자 전구체 박막(116)에 의해 녹아 들어가 금속 이온이 되며, 이때 사용된 용매의 제거를 위해 135 ℃에서 30분 동안 열을 가하는 공정을 진행함으로써 금속 이온과 고분자 전구체 박막(116)이 합쳐진 단일 박막(이하, 결합막(118)이라 함)이 형성된다.
도 3의 단계 (d)를 참조하면, 용매가 제거된 후 형성된 결합막(118)을 N2 환경 하에서 350 ℃에서 2시간 동안 열을 가하는 경화 공정을 통하여 고분자 박막이 형성되며, 이와 동시에 고분자 박막 안에는 고분자 박막의 전구체와 금속 이온의 이온 결합에 의해 금속 산화물 나노 입자(125)가 자발 형성된다.
이때, 고분자 박막 안에 자발 형성되는 금속 산화물 나노 입자(125)는 도 3의 단계 (a)의 금속 박막(115)을 형성하는 금속 재료의 종류에 따라 상이해질 수 있다. 예를 들어, 금속 재료로서 구리(Cu)를 이용한 경우에는 Cu2O 나노 입자, 아연(Zn)을 이용한 경우에는 ZnO 나노 입자, 주석(Sn)을 이용한 경우에는 SnO2 나노 입자가 형성될 수 있다. 이와 같이 고분자 박막 안에 자발 형성되는 금속 산화물 나노 입자(125)의 예로서 도 5a 및 도 5b에는 Cu2O 나노 입자가, 도 5c 및 도 5d에 는 ZnO 나노 입자가 도시되고 있다. 도 5a 내지 도 5d에 도시된 바와 같이 본 발명에서의 자발 형성된 Cu2O 나노 입자 또는 ZnO 나노 입자는 고분자 박막 내부에 분산된 형태로 균일하게 분포하고 있으며, 나노 입자간 상호 응집 작용이 없음을 알 수 있다.
상술한 과정을 통하여 고분자 박막으로 이루어진 발광층(120)이 형성되며, 그 내부에는 금속 산화물 나노 입자(125)가 분포하게 된다.
이때, 발광층(120) 안에 형성되는 금속 산화물 나노 입자(125)의 크기 및 밀도는 나노 입자를 형성할 금속 재료의 종류, 초기 증착된 고분자 박막의 두께, 고분자 박막의 전구체와 용매의 혼합 비율 및 경화 공정의 조건들에 따라 적절히 조절될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 발광 소자(100)는 발광층(120) 안에 형성되는 금속 산화물 나노 입자(125)의 크기 및 밀도를 조절함으로써, 인가되는 외부 교류 전압의 크기에 따라 금속 산화물 나노 입자(125)에 의해 포획되어 결합하게 되는 전자와 정공의 개수를 조절할 수 있으며, 이를 통해 발광 소자(100)의 발광 세기를 조절할 수 있게 된다(후술할 도 7b의 설명 참조).
도 4는 도 1에 도시된 발광 소자에서의 다공성 알루미나층을 형성하기 위한 제조 공정도이고, 도 6은 본 발명에 따른 발광 소자에서의 양극 산화 공정에 의해 형성된 다공성 알루미나층의 표면을 전자 현미경으로 찍은 도면이다.
여기서, 다공성 알루미나층(140)은 도 2의 단계 (c)에서 설명한 것과 같이 본 발명의 발광 구조(즉, 반도체 기판(110), 발광층(120) 및 투명 전극(130))와는 별도로 제조된 후 투명 전극(130) 상에 부착되며, 도 4는 다공성 알루미나층(140)의 별도 제조 공정을 세부적으로 도시하고 있다.
도 4의 단계 (a)를 참조하면, 소정 두께(예를 들어, 100 ㎛)의 알루미늄(Al) 기판(141)을 양극, 백금 또는 탄소 전극을 음극으로 하고, 옥살산 또는 황산 전해질 용액 내에 소정의 조건(예를 들어, 10 ℃ 이하, 20 ~ 80 V에서 4 ~ 8 시간 동안) 하에서 알루미늄 기판(141)을 양극 산화한다. 이하, 이를 제1 양극 산화 공정이라 한다.
이러한 제1 양극 산화 공정을 통해 알루미늄 기판(141)의 표면에는 불규칙한 형태(구조)의 다공성 알루미나(Al2O3)(이하, 이를 제1 다공성 알루미나(142)라 함)가 형성된다(도 4의 단계 (b) 참조).
도 4의 단계 (c)를 참조하면, 알루미늄 기판(141) 상에 형성된 불규칙한 구조의 제1 다공성 알루미나(142)를 제거한다. 이처럼 제거하는 이유는 제1 양극 산화 공정을 통해 형성된 제1 다공성 알루미나(142)는 본 발명에 따른 발광 효율 개선을 위한 광결정 구조로서 기능할 수 없기 때문이다. 제1 다공성 알루미나(142)의 제거에는 0.4 M의 인산과 0.2 M의 크롬산을 혼합한 에칭 용액이 이용될 수 있으며, 상기 에칭 용액에 제1 다공성 알루미나(142)를 60 ℃에서 1 ~ 3 시간 동안 담가두는 방법으로 제거할 수 있다.
도 4의 단계 (d)를 참조하면, 제1 다공성 알루미나(142)를 제거한 후에는 다 시 제1 양극 산화 공정과 동일한 조건으로 5 ~ 10 분 동안 알루미늄(Al) 기판(142)을 양극 산화한다. 이하, 이를 제2 양극 산화 공정이라 한다. 제2 양극 산화 공정을 통해 알루미늄 기판(141)의 표면에는 제1 양극 산화 공정과는 달리 규칙적인 구조의 다공성 알루미나(이하, 이를 제2 다공성 알루미나(140a)라 함)가 형성된다.
도 4의 단계 (e)를 참조하면, 염화수은 용액 등을 이용하여 제2 다공성 알루미나(140a)만을 남기고 알루미늄 기판(141)을 제거한 후, 제2 다공성 알루미나(140a)의 하면을 표면 처리함으로써 본 발명에 따른 다공성 알루미나층(140)이 제작된다.
이러한 다공성 알루미나층(140)은 도 6을 통해 볼 수 있듯이 소정 패턴의 다공성 격자 구조가 균일하게 분포되어 형성되고 있다. 즉, 다공성 알루미나층(140)은 표면 및 내부에 다수 형성된 미세한 빈 공간이 반복적으로(규칙적으로) 배열되어 있는 다공성의 결정 격자(혹은 공간 격자, space lattice)를 가지고 있다. 이러한 다공성 알루미나층(140)은 그 상부에 증착되는 광투과층(145)과 함께 본 발명의 광결정 구조를 형성한다. 상술한 바와 같이 본 발명은 종래에 광결정 구조를 제작함에 있어 고가의 레이저 장비를 이용함으로써 많은 비용과 복잡한 공정이 요구되었던 것을 대신하여 간단한 양극 산화 공정 및 증착 공정에 의해 광결정 구조를 제작함으로써 소자 제조 공정을 간소화하고 제조 비용을 절감할 수 있다.
이하, 도 7a 내지 도 7c를 참조하여 본 발명에 따른 발광 소자(100)의 발광 원리 및 발광 효율의 개선 원리에 대하여 설명하기로 한다.
도 7a는 본 발명에 따른 발광 소자에 인가되는 교류 전압의 일 예시도이고, 도 7b는 본 발명에 따른 발광 소자에서의 발광 원리를 설명하기 위한 도면이며, 도 7c는 본 발명에 따른 발광 소자에서의 발광 효율을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 7a 및 도 7b를 참조하여 본 발명에 따른 발광 소자(100)의 발광 원리를 설명한다. 여기서, 교류 전압은 도 7a와 같이 소정의 주기(△t)를 가지는 교류 구형파 전압인 것으로 가정하며, 발광 소자(100)의 반도체 기판(110)과 투명 전극(130) 간에 인가되게 된다.
도 7a의 △t1에 대응하여 도 7b의 (a)를 참조하면, 교류 구형파 전원(160)은 반도체 기판(110)에 (+)극, 투명 전극(130)에 (-)극이 되도록 연결되고 있다. 이와 같은 전압이 발광 소자(100)에 인가되면, 반도체 기판(110)의 소정 영역에는 정공(111)의 축적층(110a)이 형성된다. 또한, 반도체 기판(110)과 투명 전극(130) 사이에는 투명 전극(130) 쪽을 향하는 전계(E)가 형성된다.
이때, 축적층(110a)에 축적된 정공(111)은 형성된 전계(E)와 동일한 방향으로 인력을 받게 되며, 인가된 전압이 소정 크기 이상이 되면 반도체 기판(110)을 투과(즉, 터널링(tunneling))하여 발광층(120) 안으로 주입된다(도 7b의 (a)의 X 참조). 주입된 정공(111)은 발광층(120) 내에 형성된 금속 산화물 나노 입자(125)에 의해 포획되게 된다.
즉, 도 7b의 과정 (a)에서는 정공(111)의 터널링과 금속 산화물 나노 입자(125)에 의한 정공(111) 포획 과정만 있을 뿐, 아직 발광 소자(100)의 발광은 없는 상태이다.
도 7a의 △t2에 대응하여 도 7b의 과정 (b)를 참조하면, 교류 구형파 전원(160)은 구형파의 반주기가 지나면서 반도체 기판(110)에 (-)극, 투명 전극(130)에 (+)극이 되도록 연결되고 있다. 이와 같은 전압이 발광 소자(100)에 인가되면, 반도체 기판(110)의 소정 영역에는 전자(112)의 반전층(110b)이 형성된다. 또한, 반도체 기판(110)과 투명 전극(130) 사이에는 반도체 기판(110) 쪽을 향하는 전계(E)가 형성된다.
이때, 반전층(110b)에 축적된 전자(112)는 형성된 전계(E)와 반대 방향으로 인력을 받게 되며, 인가된 전압이 소정 크기 이상이 되면 반도체 기판(110)을 터널링하여 발광층(120) 내에 형성된 금속 산화물 나노 입자(125)에 의해 포획되게 된다(도 7b의 (b)의 X 참조).
금속 산화물 나노 입자(125)에 의해 포획된 전자(112)는 이전에 포획되었던 정공(111)과 서로 결합(이하,'전자 정공 결합(113)'이라 함)한다. 포획된 전자(112) 및 정공(111)은 전자 전공 결합(113)을 통해 소멸하게 되며, 소멸에 의해 방출되는 에너지는 빛으로 변환됨으로써 발광 소자(100)가 발광을 하게 된다.
이러한 발광 소자(100)에서의 발광은 도 7b의 과정 (a)에서 포획된 정공(111)이 전자 정공 결합(113)에 의해 모두 없어질 때까지 계속된다. 전자 정공 결합(113)에 의해 포획되었던 정공(111)이 모두 없어진 이후에는 더 이상 발광이 이루어지지 않으며, 결국 금속 산화물 나노 입자(125)에는 포획된 후 결합이 이루어지지 못한 전자(112)만이 남게 된다.
이후, 다시 구형파의 반주기가 지나 도 7a의 △t3에서와 같은 교류 구형파 전압이 인가되면, 도 7b의 과정 (a)에서와 유사한 과정이 반복된다. 즉, 투명 전극(130) 쪽으로 형성된 전계(E)에 따라 축적층(110a)에 축적된 정공(111)이 반도체 기판(110)을 터널링하여 금속 산화물 나노 입자(125)에 의해 포획되게 되는 것이다. 그러나 도 7b의 과정 (a)에서와는 달리, 금속 산화물 나노 입자(125)에는 도 7b의 과정 (b)를 통해 이미 포획된 전자(112)들이 존재하므로 포획된 전자(112)와 정공(111) 간의 재결합이 이루어지며, 이에 따라 발광 소자(100)는 다시 발광을 하게 된다.
상술한 과정은 인가되는 교류 전압의 극성이 바뀔 때마다 동일하게 반복되며, 이에 의하여 본 발명에 따른 발광 소자(100)는 상술한 전자(112)와 정공(111)의 포획 및 결합(재결합)을 통하여 발광이 이루어진다.
여기서, 금속 산화물 나노 입자(125)에 의해 포획되는 전자(112) 및 정공(111)의 개수는 금속 산화물 나노 입자(125)의 밀도 및 크기는 물론 외부에서 인가되는 교류 전압의 크기에 따라 조절할 수 있다. 결국, 본 발명에 따른 발광 소자(100)는 인가 전압의 크기를 조절함으로써 전자 정공 결합률에 따른 소자의 발광 세기를 조절할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 금속 산화물 나노 입자(125)에 의한 전자(112) 및 정공(111)의 포획 그리고 전자 정공 결합(113)에 의해 발광이 이루어지도록 함으로써, 발광 소자(100)의 열화 및 수명 단축을 방지할 수 있다.
이하, 도 7c를 참조하여 본 발명에 따른 발광 소자(100)에서의 발광 효율의 개선 원리를 설명한다.
도 7c를 참조하면, 반도체 기판(110), 금속 산화물 나노 입자(125)가 형성된 발광층(120) 및 투명 전극(130)을 포함하는 발광 구조와 다공성 알루미나층(140) 및 광투과층(145)을 포함하는 광결정 구조체(150)에 의한 광결정 구조가 결합된 본 발명에 따른 발광 소자(100)는 상술한 바와 같이 금속 산화물 나노 입자(125)에 포획된 전자 정공 결합(113)에 의해 발광이 이루어지고 있다.
이러한 전자 정공 결합(113)에 의한 발광은 일정한 지향성이 없이 모든 방향으로 이루어지며, 이때 투명 전극(130)을 투과하지 못한 빛은 모두 손실된다. 또한, 빛의 방출 방향이 투명 전극(130) 쪽을 향하는 경우에도 그 중 일부 빛은 투명 전극(130)과 투명 전극(130)의 상부에 형성되는 물질 간의 굴절률 차이로 인해 투과되지 못하고 반사됨으로써 다시 소자 내부로 들어와 손실되게 된다(도 7c의 R 참조). 결국, 이러한 반사율이 높을수록 투명 전극(130)을 투과하지 못한 빛의 양이 많아져 소자의 발광 효율은 낮아지게 되는 것이다. 따라서, 소자의 발광 효율을 개선하기 위해서는 반사율을 줄여 투명 전극(130)을 투과하여 소자 외부로 방출되는 빛의 양(즉, 광투과율)을 증가시키는 것이 필요하다(도 7c의 P 참조). 본 발명의 발광 소자(100)에서는 광결정 구조체(150)가 이러한 역할을 수행한다. 즉, 투명 전극(130) 상에 다공성 알루미나층(140)과 광투과층(145)으로 이루어진 소정의 결정 구조를 갖는 광결정 구조를 형성하는 경우, 반사에 의한 빛의 손실은 감소되고 소자의 발광 효율은 개선된다. 이러한 광결정 구조에 의한 발광 효율의 개선 원리는 다음과 같다.
굴절률이 서로 다른 물질이 규칙적으로 반복되어 소정의 결정 구조를 갖는 광결정 구조가 형성되면, 이러한 규칙적 결정 구조를 거치는 빛(즉, 광자)은 소정 범위의 에너지 대역도를 가지는 전자처럼 짧은 시간동안 공간 상에 포획이 가능한 성질을 지니게 된다. 따라서 이러한 원리를 이용하면, 발광 소자에서 방출된 광자를 일정 시간동안 광결정 구조에 포획할 수 있게 된다. 이때, 광결정 구조에 포획할 수 있는 광자의 수는 한정되어 있으며, 광결정 구조 안이 포획된 광자로 꽉 차게 되면 광결정 구조의 전면(즉, 소자의 외부)으로 광자를 방출하게 된다. 이처럼 광자를 일정 시간 모았다가 내보내는 것을 광펌핑(optical pumping)이라 한다. 따라서, 이와 같은 광결정 구조를 이용하면 소자 내부로 반사되는 빛까지 포획하여 소자 외부로 내보낼 수 있게 되어 반사로 인한 빛의 손실을 줄일 수 있고, 이를 통해 소자의 발광 효율을 약 1.5 ~ 2배 정도 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 발광 소자(100)도 굴절률이 서로 다른 물질인 다공성 알루미나층(140)과 광투과층(145)을 포함하는 광결정 구조체(150)에 의한 소정의 결정 구조를 갖는 광결정 구조를 이용함으로써 소자의 발광 효율을 높일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 발광 소자 및 그 제조방법에 의하면, 고분자 박막 안에 자발 형성된 금속 산화물 나노 입자들을 이용하여 발광 소자를 제작함으로써, 발광 소자의 제조 비용의 절감 및 제조 공정의 간소화가 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 금속 산화물 나노 입자들의 전자, 정공의 포획 및 결합에 의해 발광이 이루어지도록 함으로써, 발광 소자의 열화 및 수명 단축을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 공정 조건에 따라 발광 매개체인 금속 산화물 나노 입자의 밀도 및 크기의 조절이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 금속 산화물 나노 입자의 밀도 및 크기를 조절함으로써 금속 산화물 나노 입자에 포획 및 결합되는 전자 및 정공의 개수 및 결합률을 조절할 수 있으며, 발광 소자의 발광 세기를 조절할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 다공성 알루미나층을 포함하는 광결정 구조를 결합함으로써, 광 손실을 최소화하여 발광 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 광결정 구조를 형성하는 다공성 알루미나층을 양극 산화 공정에 의해 제작함으로써, 광결정 구조의 제작에 있어 제조 비용의 절감 및 제조 공정의 간소화가 가능한 효과가 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 상에 위치하고, 고분자 박막의 내부에 금속 산화물 나노 입자가 발광 매개체로서 분포되어 있는 발광층;
    상기 발광층 상에 위치하고, 상기 발광층으로부터 방출된 빛을 투과시킬 수 있는 투명 전극;
    상기 투명 전극 상에 위치하는 다공성 알루미나층; 및
    상기 다공성 알루미나층 상에 위치하는 광투과층
    을 포함하는 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고분자는 폴리이미드인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 산화물 나노 입자는 Cu2O, ZnO 및 SnO2 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 투명 전극은 ITO 전극인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광투과층을 형성하는 물질은 SiO2, Si3N4, TiO2, ZnO, Cu2O, SnO2 및 In2O3 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 기판과 상기 투명 전극 간에 교류 전압이 인가되되,
    상기 인가된 교류 전압에 따라 상기 반도체 기판에 축적된 전자 및 정공이 상기 발광층 내에 분포된 상기 금속 산화물 나노 입자에 포획되어 결합함에 의해 발광이 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  8. (a) 반도체 기판 상에 금속 재료를 증착시키는 단계;
    (b) 상기 증착된 금속 재료 상에 고분자 박막의 전구체를 용매에 녹여 스핀 코팅하는 단계;
    (c) 상기 용매를 제거하는 단계;
    (d) 열 경화 공정을 통하여 상기 고분자 박막의 내부에 금속 산화물 나노 입자가 분포된 발광층을 형성하는 단계;
    (e) 상기 발광층 상에 투명 전극을 형성하는 단계;
    (f) 상기 투명 전극 상에 다공성 알루미나층을 형성하는 단계; 및
    (g) 상기 다공성 알루미나층 상에 광투과층을 형성하는 단계
    를 포함하는 발광 소자의 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 단계 (b)의 상기 고분자 박막의 전구체는 비페닐테트라카르복실릭 디안하이드라이드-피-페닐렌디아민(BPDA-PDA) 형의 폴리아믹산이고, 상기 용매는 엔-메틸-2-피롤리돈(NMP)인 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 단계 (a)의 상기 금속 재료는 구리(Cu), 아연(Zn) 및 주석(Sn) 중 어느 하나이되,
    상기 단계 (d)에서 형성되는 상기 금속 산화물 나노 입자는 상기 단계 (a)에서 증착되는 상기 금속 재료에 상응하여 Cu2O 나노 입자, ZnO 나노 입자 및 SnO2 나노 입자 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
  12. 삭제
  13. 제8항에 있어서,
    상기 단계 (f)는
    (f1) 알루미늄을 전해질 용액 내에서 제1 양극 산화하는 단계;
    (f2) 상기 제1 양극 산화를 통해 상기 알루미늄의 표면에 형성된 다공성 알루미나를 제거하는 단계;
    (f3) 상기 알루미늄을 상기 전해질 용액 내에서 제2 양극 산화하는 단계;
    (f4) 상기 제2 양극 산화를 통해 상기 알루미늄의 표면에 재형성된 다공성 알루미나만을 남기고 상기 알루미늄을 제거하는 단계; 및
    (f5) 상기 투명 전극 상에 상기 다공성 알루미나를 부착하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전해질 용액은 옥살산 또는 황산 용액인 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 광투과층을 형성하는 물질은 SiO2, Si3N4, TiO2, ZnO, Cu2O, SnO2 및 In2O3 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
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