KR100946035B1 - 단일지향성 반사기의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단일 지향성 반사기의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시 형태는, 플레이트 형상의 광 반사층의 반사면에 투광성 및 전기전도성을 갖고 상기 반사층에 대하여 기울어진 복수의 도전성 나노로드를 구비하되, 상기 복수의 도전성 나노로드 사이 공간은 공기로 채워져 상기 복수의 도전성 나노로드보다 작은 굴절률을 갖는 투명 전도성 저굴절층을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 복수의 도전성 나노로드는 상기 반사면에 대하여 경사진 방향으로부터 증착되되, 상기 증착 과정에서, 초기 랜덤하게 증착된 물질에 의해 이후 증착되는 물질이 더 이상 닿을 수 없는 자기 그늘 영역이 형성되는 것을 특징으로 하는 단일지향성 반사기의 제조방법을 제공한다.

ODR, 반사기, 발광소자, 나노로드, 경사증착

Description

단일지향성 반사기의 제조방법 {Manufacturing method of Omni-directional reflector}

본 발명은 일 방향 지향성, 즉, 단일지향성 반사기의 제조방법에 관한 것이다.

LED와 같은 발광소자에 사용되는 반사기(reflector)는 높은 반사율(high reflectivity) 뿐 아니라 양호한 통전성을 가져야 한다. 기존의 단일 금속 반사기로 Ag 혹은 Al 등이 고반사 금속 전극이 사용되어 왔으나, 이와 같은 금속 반사기는 금속 자체 특성의 소멸계수 때문에 일정 한계 이상의 반사도(Reflectivity)를 얻을 수 없다. (물리적 한계치, Ag:86%, Al:92%) 이러한 금속 반사도의 한계를 극복하기 위해 도 1에 도시된 바와 같이 단일지향성 반사기(Omni-directional reflector, ODR)가 제안되었다. 이 반사기의 구조는 이 반도체물질층 위에 저굴절층과 Ag 또는 Al 등의 금속층이 순차 적층된 구조를 가진다. 고반사율의 ODR을 얻기 위해서 저굴절층의 두께(th)는 파장(λ)의 1/4n (n: 굴절율)이어야 한다(th=λ/4n). 저굴절층은 반사율이 낮은 SiO₂ 또는 Si₃N₄ 등의 물질로 형성된다. 그리고 금 속층은 소멸계수(extinction coefficient)가 높은 물질 예를 들어 Ag 또는 Al 등의 금속으로 형성된다. 그러나 이러한 종래 ODR구조는 저굴절층의 물질이 일반적으로 부도체이므로 전류를 주입하는 능동소자로 만들 수 없는 결점을 가진다.

미국특허 US6,784,462는 광추출효율이 높은 발광소자를 제안한다. 반사기는 기판과 발광부의 사이에 위치하며 SiO₂, Si₃N₄, MgO 등의 저굴절물질로 형성된 투명층과 Ag 또는 Al 등으로 형성된 반사층을 포함한다. 이러한 발광소자의 특징은 반사기의 투명층에 마이크로 오믹 컨택을 다수 어레이 형태로 형성되어 전류를 주입할 수 있는 구조로 개선했다는 점이다. 투명층은 SiO₂, Si₃N₄, MgO 등의 저굴절물질로 형성되고, 반사층은 Ag 또는 Al 등으로 형성된다. 하지만 '462에 개시된 발광소자는 제한된 면적의 마이크로 오믹 컨택을 사용하므로 여전히 접촉저항이 크고, 따라서 동작 전압이 높은 단점을 가진다. 또한 저굴절물질의 투명층을 마이크로 크기로 뚫어 내는 공정은 대량 생산에 용이하지 않으며 매우 정교한 패터닝 공정과 에칭 공정을 요구하게 된다.

양질의 ODR을 얻기 위해서는 저굴절층의 굴절율의 최소화하는 것이 필요하며, 굴절률이 낮을수록 반사율이 증대된다. 도 1a 및 도 1b는 저굴절층의 굴절률 변화에 따른 Ag ODR과 Al ODR의 반사률 변화를 보인다. Ag ODR은 2,000Å 두께의 Ag 반사층을 가지며, Al ODR은 같은 두께의 Al 반사층을 가진다.

도 2a 및 도 2b를 참조하며, 굴절률이 낮을수록 반사율이 증가하며, 400nmA 파장에서는 Al ODR이 Ag ODR에 비해 반사률 특성이 월등히 좋음을 알 수 있다. ODR 구조에서 사용가능한 굴절률 범위 1.1~1.5 내에서 92% 이상의 높은 반사률을 얻을 수 있다. 즉, 양질의 ODR을 얻기 위해서는 저굴절층의 굴절률을 최소화하는 것이 필요하며, 나아가서는 높은 투명도 및 전도성을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명의 목적은 우수한 전기적 특성을 가지면서도 매우 낮은 굴절율을 가지는 저굴절층의 적용으로 매우 우수한 전기적 특성 및 광추출효율을 가지는 단일지향성 반사기의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 실현하기 위해서, 본 발명의 일 실시 형태는,

플레이트 형상의 광 반사층의 반사면에 투광성 및 전기전도성을 갖고 상기 반사층에 대하여 기울어진 복수의 도전성 나노로드를 구비하되, 상기 복수의 도전성 나노로드 사이 공간은 공기로 채워져 상기 복수의 도전성 나노로드보다 작은 굴절률을 갖는 투명 전도성 저굴절층을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 복수의 도전성 나노로드는 상기 반사면에 대하여 경사진 방향으로부터 증착되되, 상기 증착 과정에서, 초기 랜덤하게 증착된 물질에 의해 이후 증착되는 물질이 더 이상 닿을 수 없는 자기 그늘 영역이 형성되는 것을 특징으로 하는 단일지향성 반사기의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 증착 과정에서, 증착 플럭스의 입사각은 상기 투명 도전성 나노로드가 상기 반사층에 대하여 기울어진 각도와 다른 것일 수 있다.

이 경우, 상기 반사면에 대한 법선을 기준으로 할 때, 상기 증착 플럭스의 입사각은 상기 투명 도전성 나노로드가 상기 반사면에 대하여 기울어진 각도보다 큰 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 투명 도전성 나노로드는 하나의 굴절율을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 투명 도전성 나노로드는 TCO 또는 TCN 물질로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 투명 전도성 저굴절층의 두께는 광의 1/4 파장에 비례할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 증착 과정은 스퍼터링 또는 전자빔을 이용하여 실행될 수 있다.

상기와 같이 본 발명의 제조방법에 따라 얻어진 단일지향성 반사기는 우수한 통전성과 반사율을 가진다. 이러한 특징에 따르면 종래의 발광소자에 비해 매우 높은 광추출효과를 갖는 높은 휘도의 발광소자를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 경우, 경사 증착 및 자기 그늘 영역을 이용하여 도전성 나노로드를 구비하는 저굴절층을 효율적으로 얻을 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다.

그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 3a은 본 발명에 따른 ODR 를 갖춘 발광소자의 개략적 단면도이며, 도 3b는 도 3a의 A 부분에 대응하는 실제 제작 ODR의 단면 SEM 이미지이다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 투명성 사파이어 기판(10) 상에 하부 반도체물질층(21), 활성층(22), 상부반도체물질층(23)을 갖춘 발광부(20)가 마련되고 발광부(20)의 일측 반도체물질층, 본 실시예에서는 상부반도체물질층(23)을 한 구성요소로 포함하는 ODR(30)이 발광부(20) 위에 형성된다. ODR(30)은 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 상부 반도체물질층(23)과 이 위에 순차적으로 형성되는 도전성 나노로드에 의한 저굴절층(31)과 이 위의 금속성 반사층(32)을 포함한다.

상기 도전성 나노로드는 바람직하게 TCO(transparent conducting oxide) 또는 TCN(transparent conducting nitride)으로 형성된다.

TCO는 In, Sn 또는 Zn 산화물로 여기에 도펀트가 선택적으로 포함될 수 있다. 사용가능한 도펀트에는 Ga, Cd, Mg, Be, Ag, Mo, V, Cu, Ir,Rh, Ru, W, Co, Ni, Mn, Pd, Pt 또는 La 가 있다.

TCN은 타이타늄(Ti)과 질소(Ni)를 함유하며, 구체적으로 TiN, TiON 또는 InSnON 으로 형성된다.

상기 저굴절층의 두께는 상기 발광부의 피크 파장의 1/4에 비례한다. 금속성 반사층은 Ag, Ag₂O, Al, Zn, Ti,Rh, Mg, Pd, Ru, Pt, Ir 등으로 형성된다.

도 4는 비교샘플로서 저굴절층이 없이 상부 반도체 물질층 위에 Ag 반사층(32)이 직접 형성되어 있는 구조의 단순 발광소자를 보인다.

도 5a는 도 3a 및 도 4에 도시된 본 발명에 따른 발광소자 및 비교 샘플의 I-V 특성 그래프이다. 도 5a를 참조하면, 본 발명에 따른 발광소자는 비교 샘플에 에 비해 상대적으로 낮은 전압에서 매우 높은 전류를 보이며, 특히 3~4V의 범위 내에서 매우 큰 전류의 증가를 보인다. 그러나, 종래 발광소자는 상당히 높은 구동전압을 요구하고 특히 높은 전류를 얻기 위하여 더 높은 구동 전압을 요구한다. 이러한 그래프를 통해 본 발명에 따른 발광소자는 낮은 전압에서 매우 높은 전류를 보임과 동시에 전류 변화에 비해 전압 변동폭이 좁은 특징을 가진다는 점을 알 수 있다.

도 5b는 도 3a 및 도 4에 도시된 본 발명에 따른 발광소자 및 비교 샘플의 전류 변화에 따른 발광 강도를 측정한 것으로 포토 디텍터의 출력 전압의 변화를 보인다. 도 5b는 도 5a의 결과를 통해 예견된 결과를 보인다. 즉, 본 발명에 따른 발광소자는 비교샘플에 비해 같은 전류 하에서 매우 높은 발광강도를 나타내 보인 다.

도 6은 실제 제작된 도전성 저굴절층의 SEM 이미지로서, 하부는 단면을 보이고 상부 박스 내는 저굴절층의 표면을 보인다.

도 6에 도시된 저굴절층은 경사증착법에 의해 형성된 SiO₂ 나노로드로서 실리콘 위에 형성된 것이다. 이러한 저굴절층은 도 7에 도시된 바와 같이 기판(substrate)에 대해 85도 경사진 방향으로 증착물질 플럭스(flux)를 입사시킴으로써 상기와 같은 SiO₂ 나노로드를 형성할 수 있다. 이러한 경사증착에 의하면 기판에 대해 소정 각도(45도) 경사지게 기울어진 나노로드를 형성하게 되며 이때에 자기 그늘 영역(self-shadowing region)이 형성된다. 자기 그늘 영역이란 초기 랜덤하게 증착된 증착물질에 의해 이후 증착되는 물질이 일정 부분에는 더 이상 닿을 수 없게 되는 현상이다.

도 8은 경사 증착시 플러스의 입사각(θ)과 이에 의해 형성되는 SiO₂ 나노로드의 경사각(θt)을 보인다. 도 7은 플럭스의 입사각이 85°일 때 형성된 나노로드의 경사각이 45°인 결과를 보인다.

도 9는 실리콘 기판 위에 150.8nm 의 두께로 형성된 SiO₂ 나노로드에 의한 저굴절층의 파장-굴절율 변화를 보인다. 굴절률은 일립소메트리를 사용하여 측정하였다. 도 10를 참조하면, 400nm 의 파장 대역에서도 무려 1.090 전후의 반사율을 보이는데, SiO₂ 가 가지는 원래의 반사율인 1.4를 고려할 때 매우 획기적인 결과이 다.

위와 같은 경사 증착 방법을 마찬가지로 적용하여, 도 10a는 ITO 나노로드에 의한 저굴절층을 보이는 SEM 이미지이며, 도 10b는 그 평면을 보이는 AFM 이미지이다. 그리고 도 11a는 CIO(CuInO) 나노로드에 의한 저굴절층을 보이는 SEM 이미지이며, 도 11b는 그 평면을 보이는 AFM 이미지이다.

ITO 나노로드에 의한 저굴절층의 표면 거칠기(roughness)는 6.1 nm / rms (root means square) 이며, CIO 나노로드에 의한 저굴절층의 표면 거칠기는 6.4nm/rms를 나타내 보였다.

그리고 461nm 파장의 광에 대한 굴절율은 ITO 나노로드 저굴절층이 461nm의 파장에서 1.34, CIO 나노로드 저굴절층은 1.52로 나타났다. 치밀한 조직을 가지는 ITO 박막 및 CIO 각각의 굴절율 2.05, 1.88 인 점을 고려할 때 이와 같은 나노로드 저굴절층의 낮은 굴절율은 획기적이라 할 수 있다. 경사증착에 의해 만들어낸 이러한 ITO 혹은 CIO의 나노로드 저굴절층은 매우 낮은 굴절률을 가지면서도, 전기적으로도 매우 높은 전기적 통전성을 가지기 때문에 종래의 마이크로 콘택층과 같은 별도의 통전수단이 필요없이 ODR 구조의 저굴절층으로 효과적으로 할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이며, 이 또한 첨부 된 청구범위에 기재된 기술적 사상에 속한다 할 것이다.

도 1은 일반적인 단일지향성반사기(ODR)의 적층구조를 보인다.

도 2a, 2b는 ODR의 저굴절층의 굴절율 변화에 따른 ODR의 반사율의 변화를 보인다.

도 3a는 본 발명에 따른 발광소자의 적층 구조를 보인다.

도 3b는 도 3a의 A 부분에 대응하는 실제 샘플의 SEM 이미지이다.

도 4는 단순 금속 반사기가 적용된 종래 발광소자의 적층 구조를 보인다.

도 5a는 도 3a와 도 4에 도시된 본 발명에 따른 발광소자와 종래 발광소자의 I-V 특성 그래프이다.

도 5b는 도 3a와 도 4에 도시된 본 발명에 따른 발광소자와 종래 발광소자의 전류-광출기의 출력전압V 특성 그래프이다.

6은 본 발명에 따른 단일지향성반사기에서 실제 제작된 나노로드 저굴절층의 SEM 이미지이다.

도 7은 경사증착법에 의해 본 발명에 따른 나노로드 저굴절층의 형성방법을 설명하는 도면이다.

도 8은 경사증착시 플럭스 입사각과 이에 의해 형성되는 나노로드의 경사각을 보이는 실제 제작 샘플의 SEM 이미지이다.

도 9는 실리콘 기판 위에 150.8nm 의 두께로 형성된 SiO₂ 나노로드에 의한 저굴절층의 파장-굴절율 변화를 보인다.

도 10a는 ITO 나노로드 저굴절층을 보이는 SEM 이미지이다.

도 10b는 ITO 나노로드 저굴절층의 AFM 이미지이다.

도 11a는 CIO(CuInO) 나노로드 저굴절층을 보이는 SEM 이미지이다.

도 11b는 CIO 나노로드 저굴절층의 평면을 보이는 AFM 이미지이다.

Claims (7)

1. 플레이트 형상의 광 반사층의 반사면에 투광성 및 전기전도성을 갖고 상기 반사면에 대하여 기울어진 복수의 도전성 나노로드를 구비하되, 상기 복수의 도전성 나노로드 사이 공간은 공기로 채워져 상기 복수의 도전성 나노로드보다 작은 굴절률을 갖는 투명 전도성 저굴절층을 형성하는 단계;를 포함하며,

   상기 복수의 도전성 나노로드는 상기 반사면에 대하여 경사진 방향으로부터 증착되되, 상기 증착 과정에서, 초기 랜덤하게 증착된 물질에 의해 이후 증착되는 물질이 더 이상 닿을 수 없는 자기 그늘 영역이 형성되는 것을 특징으로 하는 단일지향성 반사기의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 증착 과정에서, 증착 플럭스의 입사각은 상기 투명 도전성 나노로드가 상기 반사면에 대하여 기울어진 각도와 다른 것을 특징으로 하는 단일 지향성 반사기의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 반사면에 대한 법선을 기준으로 할 때, 상기 증착 플럭스의 입사각은 상기 투명 도전성 나노로드가 상기 반사면에 대하여 기울어진 각도보다 큰 것을 특징으로 하는 단일 지향성 반사기의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 투명 도전성 나노로드는 하나의 굴절율을 갖는 것을 특징으로 하는 단일 지향성 반사기의 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 투명 도전성 나노로드는 TCO 또는 TCN 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 단일 지향성 반사기의 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 투명 전도성 저굴절층의 두께는 광의 1/4 파장에 비례하는 것을 특징으로 하는 단일 지향성 반사기의 제조방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 증착 과정은 스퍼터링 또는 전자빔을 이용하여 실행되는 것을 특징으로 하는 단일 지향성 반사기의 제조방법.

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