KR100974629B1 - 백색 ｌｅｄ 소자 - Google Patents

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Abstract

백색 LED 소자가 제공된다.
본 발명에 따른 백색 LED 소자는 제 1 파장 영역의 빛을 발광하는 LED 소자, 및 상기 LED 소자의 상부에 위치하며, 상기 LED 소자로부터 제 1 파장 영역의 빛을 수신하여 여기된 후, 제 2 파장 영역의 빛을 발광하는 형광체를 포함하는 백색 LED 발광 소자에 있어서, 상기 LED 소자 및 형광체 사이에 구비된 광결정층을 포함하며, 상기 광 결정층은 상기 LED 소자로부터 발광하는 제 1 파장 영역의 빛은 투과시키면서, 상기 형광체로부터 반사되는 제 2 파장 영역의 빛은 반사시키는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 포토닉 밴드갭 조절이 용이한 광결정을 기반으로 하여, 형광체의 빛 중 후면으로 방출어서 손실되는 빛을 다시 전면으로 반사시키므로 백색 LED의 효율을 증가시킬 수 있는 새로운 개념의 백색 LED를 제공할 수 있다. 즉, 본 발명에 의한 백색 LED는 형광체의 빛 중에서 후면으로 방출되어 손실되는 빛을 선택적으로 전면 반사시키므로 기존의 형광체 활용 백색 LED의 효율을 20% 이상 향상 시킬 수 있으므로 기존의 형광체를 이용한 백색 LED의 보다 고효율 백색 LED 구조를 실현할 수 있다.

Description

백색 ＬＥＤ 소자{White LED device}
본 발명은 백색 LED 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 증가된 효율과 함께 경제적인 백색 LED 소자에 관한 것이다.
1990년도 중반에 접어들면서 질화물 반도체 InGaN를 이용한 녹색 및 청색 LED의 조명 효율 (luminous efficiency)이 백열 전구 수준을 능가하게 되어 총천연색 디스플레이를 포함하여 광범위한 분야로의 LED의 응용이 본격화 되었다. 특히 1996년 InGaN 청색 LED에 형광 물질을 도포시켜서 구현한 고휘도 백색 LED의 등장으로 인해 이른바 반도체 조명의 시대가 시작되었다.
형광체를 이용하여 백색 LED를 구현하는 종래 방법은 크게 두 가지로 나뉘어 진다. 첫째로는, 청색 LED를 광원으로 사용, 황색 형광체 또는 녹색 과 적색 혼합 형광체를 여기시킴으로써 백색을 구현하는 방법이 있는데, 이 방법은 발광 효율은 우수하나, 색 연색 지수 (color rendering index: CRI)가 낮으며, 전류 밀도에 따라 CRI가 변하는 특징이 있기 때문에 태양광에 가까운 백색광을 얻기 위해서는 많은 연구가 필요하다. 둘째로는, 자외선 발광 LED를 광원으로 이용하여 삼원색 형광체를 여기 시켜 백색을 만드는 방법이 있는데, 이 방법은 고전류 하에서의 사용이 가능하며 색감이 우수하여 활발하게 연구가 진행 중에 있다.
이와 같이 백색 LED를 구현하기 위해서는 청색 또는 자외선/보라색 LED에 여기되는 형광체가 필수적으로 요구되는데, 지금까지는 백색LED용 형광체로서 청색 LED에 여기되는 YAG:Ce 파우더 형광체가 광범위하게 사용되어왔다.
도 1은 YAG:Ce 파우더 형광체를 사용한 종래의 백색 LED의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 파우더형 YAG:Ce 황색 형광체(130)를 청색 LED 소자(140)상에 적층시킴으로써 백색 LED가 제조된다. 하지만, 이 경우 LED 소자로부터의 청색 빛이 형광체를 투과함에 따라 발생하는 황색 빛 중 40%는 전면으로 방출하고 나머지 60%는 후면으로 방출되며, 이때 후면으로 방출되는 빛의 상당 부분이 LED에 의해서 흡수되거나 산란되어 소실될 확률이 커지게 되고, 그 결과 광 효율을 비롯한 다양한 문제를 야기시킬 수 있다는 것이 알려져 있다.
따라서, 현재 백색 LED의 연색 지수의 개선을 위하여 청색 LED와 황색 형광체의 조합물 대신에 청색 LED와 녹색/적색 두가지 색 형광체를 사용하거나, 자외선/보라색 LED와 청색, 녹색 및 적색의 세가지 색 형광체를 사용하는 백색 LED의 개발이 진행되고 있다.
도 2는 상술한 삼색 파우더형 형광체를 이용한 백색 LED 소자의 구조를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 삼색 파우더형 형광체(230)를 420nm 이하의 보라색 또는 자외선 발광 LED(240)로 여기 시켜 백색을 구현하는 백색 LED 소자가 개시되며, 상기 백색 LED 소자는 연색 지수가 크게 개선될 뿐만 아니라 형광체의 비율이 조절되므 로 색 온도를 쉽게 조절할 수 있는 장점이 있다. 하지만, 상기 도 2에 개시된 백색 LED 소자는 상기 도 1에서 전술한 바와 동일한 이유로 보라색/자외선 빛 또는 청색 LED에 여기 되어 발생하는 청색, 녹색 및 적색의 삼색 또는 녹색, 적색의 빛 중 상당 비율이 후면으로 방출되어 LED에 의해서 흡수되거나 산란되어 소실되므로, 종래 기술이 갖는 문제를 여전히 가지고 있다.
지금까지 알려진 바에 의하면 형광막 후면으로 방출되는 빛을 재 활용하기 위하여 시도된 구조는 최근에 Rensseler polytechnic Institute (Phys. Stat. Sol. (a) 202, R60 (2005), Appl. Phys. Lett. 86, 243505 (2005))에서 제안한 구조(이하 종래기술 3)이다.
도 3은 종래기술 3에서 도시된 백색 LED 소자의 구조를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 종래기술 3의 백색 LED 소자는 형광막을 LED 소자에서 멀리 떼어놓고 그 후면에 광학적으로 반사체를 코팅된 컵 형태의 구조체 삽입한 구조이며, 실험 결과에 따르면 후면으로 방출되는 황색 형광체의 빛을 15.4% 향상(즉, 감소)시키는 결과를 얻을 수 있다.
보다 최신 기술로는 University of Cincinnati (Applied Physics Letters, 92, 143309 (2008)) 에서 더욱 효율이 향상된 백색 LED 구조(이하 종래기술 4)가 개시된다.
도 4는 종래기술 4의 백색 LED 소자의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 상기 종래기술 4는 형광막을 반구형 기판에 코팅하여 LED 소자에서 멀리 떼어놓고 그 후면에 광학적으로 평면 반사체를 코팅된 형태의 구조 체를 통하여 손실된 빛 중에서 많은 양의 빛을 다시 전면으로 반사시켜서 추출하는 구조를 제안하고 있다. 그렇지만 종래기술 4는 기존의 방법과 달리 LED 칩 주위의 반사컵과 형광막을 LED 소자에서 멀리 떨어지게 하여 코팅된 구조체를 결합한 기술로서, 제조 가격 상승과 더불어 공정비용이 상승하는 문제가 있다. 또한 LED 크기가 과도하게 커지는 문제가 예상된다.
따라서, 상기 개시된 종래 기술들은 모두 광 효율의 향상, 경제성 제고, 소자 크기의 최소화 등의 측면에서 기술적 한계를 가지고 있으며, 이러한 문제를 모두 개선시킬 수 있는 기술은 그 필요성에도 불구하고 현재 개시되지 않은 실정이다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 후면으로 방출되는 빛을 효과적으로 재사용함으로써 개선된 광효율을 가지며, 제조 및 공정 비용이 상대적으로 적게 드는 백색 LED 소자를 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 제 1 파장 영역의 빛을 발광하는 LED 소자, 및 상기 LED 소자의 상부에 위치하며, 상기 LED 소자로부터 제 1 파장 영역의 빛을 수신하여 여기된 후, 제 2 파장 영역의 빛을 발광하는 형광체를 포함하는 백색 LED 발광 소자에 있어서, 상기 LED 소자 및 형광체 사이에 구비된 광결정층을 포함하며, 상기 광 결정층은 상기 LED 소자로부터 발광하는 제 1 파장 영역의 빛을 투과하면서, 상기 형광체로부터 반사되는 제 2 파장 영역의 빛은 반사하는 것을 특징으로 하는 백색 LED 소자를 제공한다.
상기 광결정층은 투명 유전물질로 구성된 3차원 구조를 가질 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서 상기 광결정층은 오팔 또는 역-오팔 구조이며, 포토닉 밴드갭이 380 내지 780nm일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서 상기 LED 소자는 청색 LED 발광 소자이며, 상기 형광체는 황색 형광체이며, 이때 상기 광결정층의 반사 스펙트럼 중심(λmax)이 상기 형광체의 발광 스페트럼 파장대 내에 하나 이상 존재하는 백색 LED 소자가 제공된다. 본 발명의 또 다른 일 실시예에서 상기 LED 소자는 청색 LED 발광 소자이며, 상기 형광체는 녹색, 적색 형광체로 이루어진 2종 형광체이며, 이때 상기 광결정층의 반사 스펙트럼 중심(λmax)이 상기 2종 형광체의 발광 스펙트럼 파장대 내에 하나 이상 존재하는 것을 특징으로 하는 백색 LED 소자가 제공된다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서 상기 LED 소자는 UV/자색 발광 소자이며, 상기 형광체는 청색, 녹색, 적색 형광체로 이루어진 3종 형광체이며, 이때 상기 광결정층의 반사 스펙트럼 중심(λmax)이 상기 3종 형광체의 발광 스펙트럼 파장대 내에 하나 이상 존재하는 것을 특징으로 하는 백색 LED 소자가 제공된다.
상기 광결정층과 형광체는 상기 LED 소자에 순차적으로 적층되거나, 상기 LED 소자로부터 이격되어 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 백색 LED소자는 포토닉 밴드갭 조절이 용이한 광결정을 기반으로 하여, 형광체의 빛 중 후면으로 조사되어 손실되는 빛을 다시 전면으로 반사시키므로 백색 LED의 효율을 증가시킬 수 있는 새로운 개념의 백색 LED를 제공할 수 있다. 즉, 본 발명에 의한 백색 LED는 형광체의 빛 중에서 후면으로 방출되어 손실되는 빛을 선택적으로 전면 반사시키므로 기존의 형광체 활용 백색 LED의 효율을 20% 이상 향상 시킬 수 있으므로 기존의 형광체를 이용한 백색 LED의 보다 고효율 백색 LED 구조를 실현할 수 있다.
더 나아가, 본 발명에 따른 백색 LED 소자는 광결정을 LED 소자 상에 직접 적 층하거나, 광결정을 독립적으로 제조하여 LED 소자와 형광막 사이에 삽입하는 것이 모두 가능하므로, 광결정의 제조가 용이할 뿐만 아니라 제조 공정이 매우 간단하며, 또한 공간 활용도도 상당히 우수하다.
또한, 광결정 파장의 중심 (λmax)이 형광막에서 발광하는 발광 스펙트럼의 파장의 중심 (λmax)과 일치하는 경우 뿐만 아니라 파장의 중심 (λmax)과는 약간 다르지만 발광 스펙트럼의 파장 범위 내에서 광결정 파장 중심을 조절하는 경우, 백색 LED의 효율 향상과 더불어 백색 LED의 연색 지수와 색온도를 용이하게 조절할 수 있다.
본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 제 1 파장 영역의 빛을 발광하는 LED 소자, 및 상기 LED 소자의 상부에 위치하며, 상기 LED 소자로부터 제 1 파장대의 빛을 수신하여 여기된 후, 제 2 파장 영역의 빛을 발광하는 형광체를 포함하는 백색 LED 발광 소자에 있어서, 상기 LED 소자 및 형광체 사이에 구비된 광결정층을 포함하며, 상기 광 결정층은 상기 LED 소자로부터 발광하는 제 1 파장 영역의 빛은 투과함과 동시에, 상기 형광체로부터 반사되는 제 2 파장 영역의 빛은 반사하는 것을 특징으로 하는 백색 LED 소자가 제공된다.
즉, 본 발명의 상기 광결정층은 상기 LED 소자로부터의 빛은 투과시키면서도 상기 형광체로부터의 발광하는 빛을 반사시키는 기능을 수행한다. 이를 위하여 상기 광결정은 형광체로부터 발광하는 빛에 대응하는 밴드갭을 구비하며, 그 결과 형 광체로부터 후면으로 조사되는 빛을 반사하여, 전면으로 재반사시키는 역할을 수행한다.
특히 본 발명의 백색 LED 소자의 광결정이 갖는 밴드갭의 파장 중심 (λmax)은 상기 형광막에서 발광하는 발광 스펙트럼의 파장 범위 내에 존재하여 형광막에서 후면으로 방출되는 빛을 반사하는 것을 특징으로 한다. 이 경우 형광막의 발광 스펙트럼의 파장 중심과 광결정의 파장 중심이 일치하는 경우 반사 효과가 극대화되는데, 만약 일치하지 않는 경우라도, 광 결정이 갖는 밴드갭의 파장 중심 (λmax)이 상기 형광막에서 발광하는 발광 스펙트럼의 파장 범위 내에 존재하는 한 반사 효과가 발생하면서, 동시에 연색 지수가 향상된다. 따라서, 백색 LED 소자가 적용되는 조건에 따라 광결정의 파장 조건을 다양하게 선택함으로써, 원하는 효과를 극대화시킬 수 있는데, 이하 이를 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 광결정의 포토닉 밴드갭 파장의 중심 (λmax)을 형광체에서 발광하는 발광 스펙트럼의 파장의 중심 (λmax)과 일치시킬 경우는 형광체로부터 조사되는 빛을 모두 반사시키게 되는데 이는 상술한 바와 같다. 하지만, 두 파장의 중심 (λmax)이 약간 다르지만, 밴드갭 파장 중심이 발광 스펙트럼의 파장 범위 안에서 조절할 수도 있으며, 이 경우 연색 지수가 향상된다. 즉, 종래 기술, 예를 들면 YAG:Ce 황색 형광체를 사용하는 백색 LED의 경우 형광체의 발광 스펙트럼의 파장의 중심은 550nm 이므로 적색 부분의 발광이 약해서 warm white 쪽의 색온도를 구현하 는데 한계가 있다. 하지만, 본 발명에서는 광결정의 파장의 중심 (λmax)을 580nm 근처로 이동시키면 YAG:Ce 황색 형광체에 발광하는 빛 중에서 580nm 근처의 빛이 더 많이 반사되어서 최종적으로 발광하는 백색 LED의 색온도를 warm white 쪽으로 조절 가능하다는 놀라운 효과를 갖는다.
또한 본 발명에서 상기 설명한 청색 LED와 황색 형광체를 사용하는 경우 이외에도 청색 LED와 녹색, 적색 형광체를 사용하는 백색 LED 경우라면 녹색 형광체 발광 스펙트럼의 파장 범위 안에서 반사 스펙트럼을 갖는 광결정 및 적색 형광체 발광 스펙트럼의 파장 범위 안에서 반사스펙트럼을 갖는 광결정층을 모두 적층하여 백색 LED의 발광 효율을 향상 시킬 수 있다. 그밖에 UV/자색 LED와 청색, 녹색, 적색 형광체를 사용하는 백색 LED의 경우에는 청색 형광체 발광 스펙트럼의 파장 범위 안에서 반사스펙트럼을 갖는 광결정, 녹색 형광체 발광 스펙트럼의 파장 범위 안에서 반사스펙트럼을 갖는 광결정층, 및 적색 형광체 발광 스펙트럼의 파장 범위 안에서 반사스펙트럼을 갖는 광결정층을 적층하여 세 종류의 형광체에 대한 후면 방출 손실을 각각 줄여주므로 백색 LED의 발광 효율을 향상 시킬 수 있다.
본 발명에서 형광막의 효율 저하 원인과 그를 극복하기 위한 본 발명의 원리를 자세히 소개하면 다음과 같다.
도 5 및 6은 종래 기술에 관한 효율 저하를 나타내기 위한 모식도 및 스펙트럼 그래프이다.
도 5 및 6을 참조하면 LED 소자에서 방출하는 빛을 여기원으로 하여 상기 형 광체(막)에서 발광하는 빛은 상술한 바와 같이 형광면에서 전면 뿐만 아니라 후면 방향으로 산란된다. 그 결과 형광체에서 발광하는 빛의 상당량의 빛이 LED 소자나 칩의 측면으로 향하게 되어서 LED소자 또는 다른 구조체에 흡수되어 손실된다(도 5). 또한 450nm 여기원에 의해서 황색 YAG:Ce 형광체가 발광할 때 전면으로 발광하는 것과 후면으로 발광하는 빛의 스펙트럼을 비교한 도면으로 전면 발광의 빛의 세기나 후면 발광 빛의 세기의 차이가 크지 않고 많은 양의 빛이 LED 후면으로 향하고 있다(도 6). 따라서, 본 발명은 도 5 및 6에서 나타난 문제를 해결하기 위한 것으로, 도 7은 본 발명에 따른 LED 구조체를 도시하고 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 LED 소자의 모식도이다.
도 7을 참조하면, 청색 LED 소자 상에 광결정층(12)이 적층되어 있다. 상기 광결정층에 의한 효과를 극대화시키기 위하여, 상기 청색 LED 소자의 상부 및 측면, 즉 빛이 발광하는 모든 소자 표면 상에 광결정층이 도포, 적층된다.
상기 청색 LED 소자로부터 청색 빛(13)이 발광된다. 상기 청색 빛(13)은 광결정층(12)으로 조사되는데, 본 발명은 상기 광결정층(12)이 조사되는 상기 청색 빛(13)을 투과시키는 특성을 갖는다. 이후 투과된 상기 청색 빛(13)은 상기 광결정층(12) 상에 적층된 형광체(10)로 조사되어, 형광체(10)를 여기시켜, 황색 빛(15)을 발광시키게 된다. 하지만, 이때 상기 형광체(10)로부터의 황색 빛의 일부(16)는 다시 형광체 후면, 즉 LED 소자 방향으로 조사되게 된다. 본 발명은 상기 적층된 광결정의 포토닉 밴드갭의 파장 중심을 상기 황색 빛의 파장 영역 내에 설정함으로써, 상기 황색 빛(16)을 형광체 전면으로 반사시키게 된다. 이로써, 본 발명에 따 른 백색 LED 소자에서 형광체로부터 발광하는 황색 빛은 결국 투과되는 빛(16)과 광결정층(12)에 의하여 반사되는 황색 빛(17)의 총합으로 나타나며, 이는 백색 LED 소자의 효율 향상으로 이어지게 된다.
즉, 본 발명은 광결정층을 투과반사형 필터-미러로 사용하여, LED에서 방출하는 빛의 투과는 용이하게 하고, 형광체의 후면으로 방출되는 빛은 광결정에서 반사시키므로, 후면으로 향하는 빛을 회수하여 형광체에서 발생하는 빛 상당량을 손실 없이 전면으로 향하게 할 수 있다. 또한 상기 구조는 효율 향상을 위하여 별도의 돔 구조를 만드는 종래 기술과 달리 최소한의 공간만을 필요로 하는 광결정층만을 사용하므로, 공간 효율적이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 LED 소자의 모식도이다.
도 8을 참조하면, 상기 광결정층은 LED 소자에 직접 적층된 구조가 아닌, 이격된 구조를 갖는다. 이 경우, 조건에 따라 제 2의 광결정층을 그 사이에 삽입하여 LED 소자 특성을 자유로이 변화시킬 수 있다.
본 발명에서 상기 광결정은 상술한 바와 같이 형광면에서 발광하는 발광 스펙트럼과 거의 일치하는 밴드갭을 가져야 하는데, 이를 실현할 수 있는 한 어떠한 구조의 광결정도 가능한데, 본 발명의 일 실시예에서는 오팔 또는 역-오팔 구조의 3차원 광결정을 이용하였다.
도 9 및 10은 오팔(오팔) 구조와 역 오팔(역 오팔) 구조의 3차원 광결정에 대한 모식도이다. 본 발명에서는 공지된 제조 방법에 따라 3차원 오팔 및 역 오팔 광결정 구조를 제조하였는데, 하기 실시 예에서는 청색 LED 와 황색 형광체를 이용한 백색 LED에 적합한 황색 영역에 밴드갭을 갖는 3차원 광결정 구조체를 제조하였다.
본 발명에 따른 오팔 구조의 광결정 제조방법은 다음과 같다.
본 발명에서는 폴리스티렌 나노스피어 수용액을 유리 기판 위에 얇게 도포하여 액체 필름을 제조한 후, 폴리스티렌 나노스피어 수용액 위에 실리콘(실리콘) 액체를 도포한 후 실리콘 표면을 통해서 물이 증발하도록 건조하였다. 이후, 물이 증발할 때 모세관 현상에 의해서 밀집 구조가 형성되며, 이에 따라 오팔 구조의 3차원 광 결정 구조를 만들 수 있다. 이후 폴리스티렌 나노스피어 3차원 밀집 구조 결정이 제조된 후 실리콘 액체를 닦아내고, 다시 PDMS 전구체 혼합액을 오팔 구조 사이에 침투시킨 후에 큐어링(curing) 한 후 열처리한다.
이렇게 얻어진 3차원 오팔 광결정 막의 반사 스펙트럼은 도11 에 보이듯이 폴리스티렌 나노스피어의 사이즈에 따라 밴드갭을 조절하여, 반사스펙트럼의 파장을 가시광 영역에서 조절할 수 있다.
역 오팔 구조의 광결정층을 제조하기 위하여 폴리스티렌 나노스피어 수용액을 유리 기판 위에 얇게 도포하여 액체 필름을 제조한 후, 폴리스티렌 나노스피어 수용액 위에 실리콘 액체를 도포한 후 실리콘 표면을 통해서 물이 증발하도록 건조한 후, 물이 증발할 때 모세관 현상에 의해서 밀집 구조를 형성하므로 오팔 구조의 3차원 광 결정 구조를 만들었다. 이후 Atomic Layer Deposition (ALD) 공정으로 TiO2를 상기 오팔 구조 사이의 빈 공간에 증착시킨 후 폴리스티렌 나노스피어를 제거하면 TiO2의 역 오팔 구조체를 제조할 였으며, 이렇게 얻어진 3차원 TiO2 역 오 팔 광결정 막의 반사 스펙트럼은 도 12에 나타나 듯이 에어-쉘(air-shell)의 사이즈에 따라서 밴드갭을 조절하여 반사스펙트럼의 파장을 가시광 영역에서 조절할 수 있다.
이하, 바람직한 광결정 제조 및 상기 광결정층을 삽입한 백색 LED에 관한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
오팔 구조의 광결정 제조
실시예 1-1
150-250 nm 사이즈의 폴리스티렌 나노스피어 수용액을 ~0.5mL을 유리 기판 위에 얇게 도포하여 액체 필름을 제조한 후, 폴리스티렌 나노스피어 수용액 위에 실리콘 액체로 도포하고, 다시 실리콘 표면을 통해서 물이 증발하도록 건조하였다. 이때 물이 증발할 때 모세관 현상에 의해서 밀집 구조를 형성하므로 오팔 구조의 3차원 광 결정 막 구조가 만들어졌으며, 상기 폴리스티렌 나노스피어 3차원 밀집 구조 결정을 제조한 후 실리콘 액체를 닦아내고, PDMS 전구체 혼합액을 오팔 구조 사이에 침투시킨 후에 하루 동안 큐어링하였다.이후 60℃ 6시간 동안 열처리하는 방식으로 광결정을 제조하였다. 이러한 방식으로 나노스피어 크기를 달리하여 폴리스티렌 나노스피어/PDMS 3차원 광결정의 반사 스펙트럼의 위치가 다른 다양한 반사체를 제조할 수있다.
실시예 1-2
200 nm 사이즈의 폴리스티렌 나노스피어 수용액을 ~0.5mL을 유리 기판 위에 얇게 도포하여 액체 필름을 제조한 후, 폴리스티렌 나노스피어 수용액 위에 실리콘 액체로 도포하고, 실리콘 표면을 통해서 물이 증발하도록 건조하였다. 이때 물이 증발할 때 모세관 현상에 의해서 밀집 구조를 형성하므로 오팔 구조의 3차원 광 결정 막 구조가 만들어지며, 폴리스티렌 나노스피어 3차원 밀집 구조 결정이 제조한 후 실리콘 액체를 닦아낸 후에 PDMS 전구체 혼합액을 오팔 구조 사이에 침투시킨 후에 하루동안 큐어링하였다.이후, 60℃ 6시간 동안 열처리하였는데, 이때 3차원 광결정 막을 2-프로판올 용매에 담구어서 PDMS를 팽윤시키므로 폴리스티렌 나노스피어 /PDMS 3차원 광결정의 반사 스펙트럼의 위치를 이동시킬 수 있다.
실시예 2
역 오팔 구조의 광결정 제조
250-500 nm 사이즈의 폴리스티렌 나노스피어 수용액을 ~0.5mL을 유리 기판 위에 얇게 도포하여 액체 필름을 제조한 후, 폴리스티렌 나노스피어 수용액 위에 실리콘 액체로 도포하고, 실리콘 표면을 통해서 물이 증발하도록 건조하였다. 이때 물이 증발할 때 모세관 현상에 의해서 밀집 구조를 형성하므로 오팔 구조의 3차원 광 결정 막 구조가 만들어졌다. 이후 상기 폴리스티렌 나노스피어 3차원 밀집 구조 결정이 제조한 후 원자층 증착(Atomic layer deposition,ALD))로 TiO2를 공극속에 채웠는데, 상기 ALD 공정은 60℃에서 티나늄이소프로포시드(Titaniumisopropoxide)를 2초간 흘리고, 5초간 Ar으로 반응하지 않은 티나늄이소프로포시드(Titaniumisopropoxide)를 제거하고, H2O를 10초가 흘려준후 10초간 Ar을 흘려줌으로써 TiO2 단층막을 제조하였다. 이후, 상기 공정을 여러 번 반복하므로 TiO2 박막을 폴리스티렌 나노스피어 3차원 밀집 구조사이에 공극에 채웠고, 상기 공극을 TiO2 로 채운후 폴리스티렌 나노스피어를 500℃ 열처리로 제거함으로써 TiO2 역 오팔 구조를 제조하였다. 이러한 방식으로 나노스피어 크기만을 달리하여 TiO2 역 오팔 3차원 광결정의 반사 스펙트럼의 위치가 다른 다양한 반사체를 제조할 수 있다.
실시예 3
백색 LED 제조
청색 발광 (λmax = 450nm) LED 소자 위에 반사 스펙트럼의 λmax 가 550nm 인 실시예 1-1의 폴리스티렌 나노스피어/PDMS 광결정 투과반사형 필터-미러필름을 부착한후 YAG:Ce 형광체를 포함하는 형광체 슬러리를 도포하여 형광막을 제조한 후 백색 LED를 제조하였다. 폴리스티렌 나노스피어/PDMS 광결정 투과반사형 필터-미러필름 부착하지 않은 백색 LED를 기준 LED소자로 함께 제조한다.
실험예 1
효율 개선 효과
도 13은 실시예 3에 따라 제조된 백색 LED 소자와 종래 기술의 백색 LED 소자의 발광 세기를 측정한 그래프이다.
도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 백색 LED 소자의 발광 세기(적색)는 종래의 백색 LED 소자에 비하여 그 효율이 20% 이상 향상된 것을 알 수 있다.
도 1은 YAG:Ce 파우더 형광체를 사용한 종래의 백색 LED의 단면도이다.
도 2는 삼색 파우더형 형광체를 이용한 백색 LED 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 종래기술 3에서 도시된 백색 LED 소자의 구조의 단면도이다.
도 4는 종래기술 4에서 도시된 백색 LED 소자의 구조의 단면도이다.
도 5 및 6은 종래 기술에 관한 효율 저하를 나타내기 위한 모식도 및 스펙트럼 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 LED 소자의 모식도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 LED 소자의 모식도이다.
도 9 및 10은 오팔(오팔) 구조와 역 오팔(역 오팔) 구조의 3차원 광결정에 대한 모식도이다.
도 11은 폴리스티렌 나노스피어의 사이즈에 따라 밴드갭을 조절하여 반사스펙트럼의 파장을 가시광 영역에서 조절할 수 있음을 보여주는 그래프이다.
도 12는 에어-쉘(air-shell)의 사이즈에 따라서 밴드갭을 조절하여 반사스펙트럼의 파장을 가시광 영역에서 조절할 수 있음을 보여주는 그래프이다.
도 13은 실시예 3에 따라 제조된 백색 LED 소자와 종래 기술의 백색 LED 소자의 발광 세기를 측정한 그래프이다.

Claims (8)

  1. 제 1 파장 영역의 빛을 발광하는 LED 소자, 및 상기 LED 소자의 상부에 위치하며, 상기 LED 소자로부터 제 1 파장 영역의 빛을 수신하여 여기된 후, 제 2 파장 영역의 빛을 발광하는 형광체를 포함하는 백색 LED 발광 소자에 있어서,
    상기 LED 소자 및 형광체 사이에 구비된 광결정층을 포함하며, 상기 광 결정층은 상기 LED 소자로부터 발광하는 제 1 파장 영역의 빛은 투과하면서, 상기 형광체로부터 반사되는 제 2 파장 영역의 빛은 반사하는 것을 특징으로 하는 백색 LED 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광결정층은 투명 유전물질로 구성된 3차원 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 백색 LED 소자.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 광결정층은 오팔 또는 역-오팔 구조를 포함하는 3차원 광결정층이며, 상기 광결정층의 포토닉 밴드갭은 380 내지 780nm인 것을 특징으로 하는 백색 LED 소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 LED 소자는 청색 LED 발광 소자이며, 상기 형광체는 황색 형광체이며, 이때 상기 광결정층의 반사 스펙트럼 중심(λmax)이 상기 형광체의 발광 스펙트럼 파장대 내에 하나 이상 존재하는 것을 특징으로 하는 백색 LED 소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 LED 소자는 청색 LED 발광 소자이며, 상기 형광체는 녹색, 적색 형광체로 이루어진 2종 형광체이며, 이때 상기 광결정층의 반사 스펙트럼 중심(λmax)이 상기 2종 형광체의 발광 스펙트럼 파장대 내에 하나 이상 존재하는 것을 특징으로 하는 백색 LED 소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 LED 소자는 UV/자색 발광 소자이며, 상기 형광체는 청색, 녹색, 적색 형광체로 이루어진 3종 형광체이며, 이때 상기 광결정층의 반사 스펙트럼 중심(λmax)이 상기 3종 형광체의 발광 스펙트럼 파장대 내에 하나 이상 존재하는 것을 특징으로 하는 백색 LED 소자.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 광결정층과 형광체는 상기 LED 소자에 순차적으로 적층된 것을 특징으로 하는 백색 LED 소자.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 광결정층과 형광체는 상기 LED 소자로부터 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 백색 LED 소자.
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