KR101016357B1

KR101016357B1 - 발광 물질을 함유한 발광 소자

Info

Publication number: KR101016357B1
Application number: KR1020057014972A
Authority: KR
Inventors: 제럴드 에이치. 니글리
Original assignee: 크리 인코포레이티드
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2011-02-21
Also published as: KR20050105214A; WO2004075308A2; US20040214358A1; DE602004027001D1; CN1748326B; ATE467235T1; JP2006518111A; WO2004075308A3; US20040159849A1; CA2515647A1; JP4791351B2; EP1593165B1; CN1748326A; EP1593165A2; US7042020B2; US6967116B2

Abstract

발광 소자는, 발광 다이오드와 같은 여기 방사선의 소스를 사용하여 가시 광선 소스를 제공하는 광발광 물질을 여기시킨다. 광발광 물질은, 여기 방사선의 소스와 인접한 크세로겔 또는 에어로젤과 같은 저밀도 물질로 로딩된다.

발광, 다이오드, LED, 조명, 졸 겔, 백색광, 반도체

Description

발광 물질을 함유한 발광 소자{LIGHT EMITTING DEVICE INCORPORATING A LUMINESCENT MATERIAL}

본 발명은 발광 소자, 특히 발광 다이오드에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은, 반도체 소자에 인접한 물질에 광발광(photoluminescence)을 일으키기 위하여, 전기적으로 구동되는 발광 반도체 소자로부터의 발광을 이용하는 발광 소자에 관한 것이다.

고체 상태의 광 소자는 빛의 양자인, 광양자(photon)를 이용하는 소자의 일종이다. 광 소자는 흔히 3개의 카테고리로 분류된다: 광 소스(발광 다이오드, 레이저, 다이오드 레이저 등), 광 디텍터(광 전도체, 광 다이오드 등), 및 에너지 전환 소자(광 전지).

보다 상세하게는, 발광 다이오드(LED)는 p-n 접합 구조에 전압이 인가되면 빛(자외선, 가시 광선 및 적외선 포함)을 방출하는 반도체 소자이다. 발광 다이오드와 이와 관련된 많은 구조를 제조하는 방법은 아주 다양하지만, 대체로 잘 알려져 있으며, 본 발명은 이들 대부분 또는 모두에 적용되는 것이다. 그러므로, 본 발명을 설명하는데 필요한 부분 이외의 것은 자세하게 언급하지 않을 것이다. 예를 들면, LED를 포함한 다양한 광소자가, Sze , Physics of Semiconductor Devices (2d Ed. 1981)의 12-14장 및 Sze , Modern Semiconductor Device Physics (1998)의 7장에 잘 설명되어 있으며, 본 발명은 이들로 인하여 한정되지 않는다.

본원에서 사용되는 LED라는 용어는 기본적인 반도체 다이오드 구조체를 의미한다. 전자 부품 가게에서 판매되는(예를 들면), 통상적으로 인지되며, 상업적으로 사용 가능한 "발광 다이오드"는 많은 부품으로 구성되는 "실장된(packaged)" 소자를 나타낸다. 일반적으로, 이러한 실장된 소자는 미국 특허 4,918,487; 5,631,190 및 5,912,477에 개시된 것과 같은 반도체 기반의 LED, 여러 가지의 배선 접속 및 LED를 캡슐화 및 보호하는 패키지로 구성된다.

상업적으로 사용되는 많은 구현예에서, 이러한 패키지는 경질 고분자 캡슐화 물질을 포함하는데, 이 물질은 소자에 높은 기계적 안정성을 부여한다. 이와 같은 패키지는 색상, 형태(예를 들면, 렌징) 및 굴절 인덱스와 같은 바람직한 광학적 특성도 제공할 수 있다. 오랫동안 많은 제조 업자들이 여러 가지 고분자를 캡슐화 물질로 성공적으로 사용해 왔다. 종래에 적절히 사용된 고분자는 시클로아라파틱(cycloalaphatic), 폴리메틸 메타아크릴레이트(PMMA), 에폭시 및 폴리우레탄이 포함된다.

LED의 발전이 여러 방면에서 광 산업을 혁신시켜왔지만, LED의 일부 특성으로 인하여 그 잠재성이 충분히 상업화되지 못했다. 예를 들면, LED의 방출 스펙트럼은 전형적으로, LED의 조성 및 구조에 따라 결정되는 파장(피크 파장)에서, 단순하면서, 다소 좁은 피크를 나타낸다. 물론 이것은 여러 경우에서 장점이 되기도 하며, 특정 파장의 전자기 방사선(예를 들면, 청색 광)의 방출을 위하여 물질을 정 확하게 조합하는 방법이 개시된 특허 기술에서 많이 사용된다. 예를 들면, 공지된 일부 소자는 다이오드의 활성층(즉, 발광층)으로 인듐 갈륨 니트라이드(InGaN)를 사용한다. InGaN 소자는 활성층의 In의 몰분율을 변경하면 파장이 다른 빛이 방출된다. 기타 LED는 특정한 결정 구조를 가진 반도체 물질이나, 특정한 원소가 특정한 농도로 도핑된 활성층에 기초한 것이며, 이는 모두, 가시 스펙트럼에 위치하거나 위치하지 않을 수도 있는, 특정 파장의 방출 방사선(radiation)을 얻기 위한 것이다.

발광 특이성이, 많은 LED 응용 장치에 있어서 장점이 되고 있지만, 많은 다른 상업적으로 매력있는 LED 응용 장치는 LED 특유의 발광 특이성을 필요로 하지 않는다. 따라서, 연구자들은 LED 응용 장치의 영역을 확대하기 위한 방법을 연구중이다.

LED를 확장시킬 수 있는 하나의 영역이 조명, 즉 필요한 정도의 강도를 얻을 수 있으며, 물체의 실제 컬러를 재현할 수 있는 인공(일광과 반대되는 개념) 조명 분야이다. 강도는 주어진 영역에서 생산되는 빛의 양과 관련된 것이며 Lumens나 Candelas와 같은 단위로 측정된다. 컬러의 재현은, 특정한 램프에 노출된 물체의 표면 컬러의 이동을 상대적으로 측정한 값인 컬러 랜더링 인덱스(Color Rendering Index; CRI)를 사용하여 측정하는 것이 일반적이다.

일광이 가장 큰 CRI 값(100)을 가지며, 백열등은 이에 상대적으로 가까운 약 95이며, 형광 조명은 정확하지는 않지만 약 70-85의 값을 가진다. 특수한 용도에 사용되는 특정 형태의 조명은 상대적으로 낮은 CRI 값을 가진다(예를 들면, 수은 증기 또는 나트륨의 CRI 값은 둘 다 약 25이다).

LED는 특정한 파장에서 발광하므로, 강도와 상관없이 단독으로 조명 수준의 CRI 값을 제공하지 못하는 경향이 있다. 게다가, 빛과 컬러의 특성상, 일부 컬러(백색광을 포함해서)는 2개 이상의 "기본" 컬러를 조합해야만 재현될 수 있으므로, 개별적인, 실장되지 않은 반도체 다이오드로는 재현될 수 없다.

그럼에도 불구하고, 매년 미국에서 생산되는 전기의 약 1/3이 조명에 사용되기 때문에, LED의 효율성은 이론적으로 전망이 밝다. 백열등이 에너지 측면에서 매우 비효율적인 광원인 것으로, 오랫동안 연구자들 사이에 알려져 왔는데, 즉 백열등이 사용하는 약 90퍼센트의 전기는 빛이 아닌 열로서 방출된다. 형광등은 백열등보다는 효율적이지만(약 1/4), 고체 상태의 LED에 비하면 여전히 에너지 비효율적이다. 게다가, 반도체를 기초로 하는 소자의 통상적인 사용 수명과 비교하면 백열등의 사용 수명은 상대적으로 짧다(약 750-1000시간). 이와 대조적으로 LED의 사용 수명은 종종 수십 년으로 측정되기도 한다. 형광등은 사용 수명이 더 길지만(10-20,000시간), CRI 값이 좋지 않다. 따라서, 연구자들은 백열등 및 형광등을 보다 효율적인 LED로 대체하는 방법을 연구중이다.

"백색광" LED를 개발 및 사용함으로써, 백열등과 형광등이 주도했던 분야에서, LED 응용 장치의 영역이 확대되었다. 백색으로 인지되는 빛은 실질적으로 2개 이상의 컬러가 혼합된 것이므로, "백색" 광양자는 존재하지 않으며, LED가 개별적으로 백색 광양자 또는 백색광을 생산하지는 않는다. 따라서, 백색광 LED라는 일반적인 용어는 적, 녹 및 청 LED로 형성된 LED 픽셀이거나, 또는 코팅되지 않은 LED에서 방출된 특정한 파장에 반응하는 백색광(또는 백색광을 생성하기 위하여 혼합된 컬러)을 방출하는 발광 물질(형광체; phosphor)을 포함하는 LED이다.

발광 물질은 종종 실장 물질과 혼합된다. 형광체는 실장 물질과 혼합되는 통상적인 발광 물질이다. 형광체는 여기 방사선 소스에 의해서 여기되면, 반응 방사선(예를 들면, 가시 광선)을 방출하는 발광성 물질이다. 많은 예에서, 반응 방사선은 여기 방사선과 상이한, 즉 조명을 위해서는 더욱 바람직한, 파장(주파수)을 가진다. 형광체는 예를 들면, 음극선관(텔레비전 튜브가 전형적인 예)에서 사용된다. 전자빔이 부딪혀서 형광층을 여기시키면, 형광체 입자가 발광한다. 형광 물질의 다른 예로는 자외선 발광에 의하여 가시 스펙트럼을 발하는 형광등, 대기광(day glow) 테이프 및 잉크를 들 수 있다.

많은 예에서, 형광체는 여기 방사선 소스보다 스펙트럼이 넓고, 파장이 긴 빛을 발광한다. 예를 들면, 일부 백색광 LED는 청색광을 방출하는 활성층을 가진 LED에 기초한다. 이와 같은 청색-발광 LED는 형광체, 예를 들면(본 발명이 여기에 한정되지 않음) 형광체를 함유하는 투명 물질의 박막 코팅을 포함한다. 형광체-함유 물질은 "전환 매체(conversion-medium)"로도 언급될 수 있다. 청색광이 형광체-함유 물질을 통과할 경우, 일부 청색광은 황색광을 순차적으로 방출하는 형광체를 여기시킨다(황색광은 청색광보다 파장이 길다). 이 청색광이 활성층에 잔류하는 청색광과 혼합되어 청백색광이 된다. 형광체 코팅을 적당히 변경하면, 백색광의 틴트(tint)를 청백색 내지 황백색으로 바꿀 수 있다. 다른 형광체도 기타의 LED와 결합하여 다양한 톤, 컬러 또는 효과를 낼 수 있다.

주요 컬러를 기타 컬러와 조합하기 위하여 혼합하는 것은 당업계 및 기타 여러 분야에서 대체로 잘 알려져 있다. 일반적으로, CIE 색도 다이어그램(1931년에 제정된 주요 컬러에 대한 국제 표준)은, 3개의 정해진 주요 컬러의 계량된 합계로 컬러를 유용하게 정의할 수 있게 해준다.

현재, LED계 소자에 발광 물질을 넣기 위해서는, 발광 물질을 위에서 언급한 플라스틱 캡슐화 물질을 블랜딩 또는 코팅 등의 공정으로 추가함으로써 행해진다. 따라서, 실장 단계는 완성된 LED의 컬러 특성 및 품질의 일관성 유지에 아주 중요하다.

예로써 형광체를 사용하면, 만약 전환 매체가 너무 두껍거나 층에서의 형광체 함량이 너무 크면, "자기-흡수(self-absorption)"가 발생할 수 있다. 자기-흡수는, 실장층에서의 발광이 실장층 내부에 머물러서 다른 형광체 입자를 여기시키고, 결국에는 LED 구조체에 다시 흡수되거나 또는 소자의 여기를 방해하는 경우에 발생하며, 성능(강도) 및 효율을 떨어뜨린다. 또한, 형광체의 입자 크기는 여기 소스(LED 광) 및 형광체에서 생성된 광을, 둘 다 원하지 않게 산란시킴으로써 문제가 될 수 있다.

전자기 스펙트럼의 자외선(UV) 영역에서 광양자를 방출할 수 있는 LED에 사용되는 갈륨 니트라이드 및 기타 광-밴드갭(wide-bandgap) 반도체를 많이 사용하게 됨으로써, 실장에서 새로운 문제가 발생하는데 왜냐하면, 자외선은 LED의 실장에 통상적으로 사용되는 많은 고분자의 성능을 떨어뜨리기 때문이다. 게다가, 현재 시장에 막 출시된, 출력이 높은(GaN) 소자는 고출력을 견딜 수 있는 실장 기술을 필요로 한다. 예를 들면, 일부 최신 LED의 복사속(radiation flux)은 햇빛의 몇 배 또는 그와 동일한 강도의 값을 가진다.

따라서, 종래의 발광 기술에서 발견된 자기-흡수 및 광 산란 문제를 감소 또는 제거하고, LED의 발광을 강화하는 실장 기술이 필요하다. 이와 유사하게 고분자 실장 물질 자체의 성능 저하 문제를 감소 또는 제거하는 새로운 실장 물질에 대한 요구도 존재한다.

배경 기술에 대한 논의에 따라서, 본 발명의 목적은 성능 저하에 효과적으로 견딜 수 있는 실장 물질을 포함한 발광 소자를 제공하는 것이다. 본 발명의 추가적인 목적은 자기-흡수 및 광 산란과 같은 종래의 발광 소자와 관련된 문제점을 감소 또는 제거하는 발광 소자를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 목적을 수행하는 발광 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.

발명의 요약

상기한 목적은 본 발명의 청구항에 의하여 충족되는데, 구체적인 실시예의 한 형태는 자외선, 적외선 또는 가시 전자기 스펙트럼 형태의 빛과 같은 여기 방사선을 방출하는 발광 다이오드를 포함하는 발광 소자이다. 다공성 매트릭스는 발광 다이오드의 최소한의 일부를 커버한다(다이오드와 직접 접촉할 필요는 없다). 다공성 매트릭스는 다이오드에서 방출되는 방사선과 상호 작용하여, 반응 방사선, 특히 가시 광선을 방출하는 물질로 차례로 로딩된다.

추가적인 실시예로서, 본 발명의 청구항은 발광 소자의 제조 방법에 관한 것이다. 이러한 제조 방법은 여기 방사선과 상호 작용하여 반응 방사선을 방출하는 물질을 졸(sol)로 로딩하는 것을 포함한다. 졸의 성분은 크세로겔(xerogel) 또는 에어로젤(aerogel)과 같이 졸-겔 반응을 수행하여 다공성 매트릭스를 형성할 수 있어야 한다. 상기 반응은 상기 다공성 매트릭스를 여기 방사선의 소스인 발광 다이오드에 인접하게(직접 접촉할 필요는 없음) 위치시키는 단계도 포함한다.

발광 다이오드

본 발명에 따른 발광 소자는, 다이오드에서 방출된 여기 방사선에 의해 여기되어 반응 방사선을 방출하는 물질이 로딩된 다공성 매트릭스에 의하여 적어도 일부가 커버된 발광 다이오드를 포함한다. "커버된다(covered)"라는 용어는 넓은 의미로 사용되며, 다공성 매트릭스가 LED 또는 발광층과 직접 접촉할 필요가 없다는 의미로 이해되어야 할 것이다. 기타의 중간에 개재되는 층도 포함될 수 있는데, 구조 또는 굴절 인덱스와 같은 인자들의 관점에서, 빛이 전환층이나 전환 매체로 들어가기 전에 다이오드로부터 추출되는 빛을 증가시키는 층을 포함할 수 있다.

본 발명의 발광 다이오드는 어떠한 형태로의 상업적인 발광 다이오드로도 활용될 수 있을 것이다. 그러나, 바람직한 일 실시예에서, 본 발명의 발광 다이오드는, 제3족 니트라이드(nitride) 활성층 및 실리콘 카바이드 기재를 가지는 다이오드이다. 적절한 제3족 니트라이드 활성층은 갈륨 니트라이드(GaN), 인듐 갈륨 니트라이드(InGaN), 알루미늄 갈륨 니트라이드(AlGaN) 및 인듐 알루미늄 갈륨 니트라이드(InAlGaN)를 포함한다. 북 캐롤라이나의 더햄에 소재한 Cree Inc.에서 제조된 발광 다이오드, 특히 Cree Inc.에서 제조된 청색 발광 소자는 본 발명을 실행하기에 바람직한 형태이다. 활성층 또는 부분은 동종 접합체, 단일 이종 접합체, 이중 이종 접합체, 양자 우물(quantum well), 다중 양자 우물 및 규칙 격자(superlattice) 구조가 포함될 수 있다. 예시적인 소자가 미국 특허 번호 4,918,497; 5,724,062; 5,912,477; 6,120,600; 6,201,262; 및 6,373,007호에 기재되어 있으며, 등록 상표 ULTRABRIGHT^TM 및 MEGABRIGHT^TM로 시판 중이다. 바람직한 실시예에 있어서 이러한 다이오드의 복사속(radiant flux)은 1.7밀리와트(mW) 이상이다.

본 발명이 주로 광 추출과 관련되므로, 보다 폭넓은 사용이 가능해짐에 따라서, 사파이어(sapphire) 또는 벌크(bulk)성 갈륨 니트라이드와 같은 기타의 적당한 물질도 기재로서 포함될 수 있다.

본 명세서에서 사용된 "여기 방사선"이라는 용어는 발광 다이오드에서 방출될 수 있는 모든 형태의 전자기 방사선을 의미한다. 이러한 방사선으로는, 가시 광선, 자외선 및 적외선이 포함된다. 당업자는 가시 광선, 자외선 및 적외선이라는 용어는 전자기 스펙트럼의 일부를 의미하는 것임을 알 것이며, 이러한 전자기 스펙트럼의 경계는 당 업계 및 기타 분야에서 잘 알려져 있다. 따라서, 본원 출원인이 여기 방사선을 설명하기 위해서 이러한 용어를 사용하는 것은 당업자 사이에서 잘 알려져 있고, 받아들여지는 것이며, 여기 방사선을 명확하게 규정짓고, 당업자가 불필요한 실험 없이 본 발명을 실행할 수 있도록 하는 것이다.

졸-겔 기술

본 발명은 발광 소자의 성능을 향상시키기 위하여 나노 다공성 재료(nanoporous material) 기술을 사용한다. 넓은 관점에서 본 발명은, 다이오드를 실장할 때 발광 물질이 로딩된 건조 나노 다공성 겔을 사용한다. 다이오드는, 반응 방사선(예를 들면, 가시 광선)을 교대로 방출하는, 발광 물질과 상호 작용하여 여기 방사선을 방출한다. 바람직한 실시예에서, 건조 나노 다공성 겔은 에어로젤 또는 크세로겔과 같은 극세 다공성 매트릭스이다.

본 발명에서 사용된 나노 다공성 물질은 일반적으로 졸 겔 물질로 설명될 수 있다. 어떤 의미에 있어서, 졸 겔이라는 용어는 제품 그 자체를 의미하지 않고, 보다 정확하게는 반응 메커니즘을 의미하는 것인데, 이러한 반응 메커니즘은 액체 중에 고체 입자가 존재하는 콜로이드 현탁액(colloidal suspension)인 졸이, 고체 입자간의 성장 및 상호 작용으로 겔(콜로이드 상태이지만, 졸보다는 더 고체의 형태임)로 변화하는 것이다.

그러나 본 명세서(또는 다른 곳)에서 사용된, 졸 겔이라는 용어는 졸 겔 반응 메커니즘에 의하여 형성된 다공성 매트릭스를 의미하며, 액체가 제거되면 저-밀도, 미세 다공성 고체 구조가 된다.

졸 겔 반응의 정확한 메커니즘은 아직 알려지지 않았지만, 졸 겔 연구자들이 수행한 한 첨단 이론에 따르면, 졸 상태에서의 연속적인 반응을 통하여, 하나 이상의 분자가 마침내 육안 관찰 가능한 크기(macroscopic dimension)로 도달해서, 전체 졸로 실질적으로 확장되는 고체 네트워크를 형성한다는 것이다. 이러한 포인트 (겔 포인트로 지칭됨)에서, 이 물질은 겔로 지칭된다. 만약 상기와 같은 정의를 사용하면, 겔은 연속적인 액상을 에워싼 연속적인 고체 골격(skeleton)을 포함하는 물질이다. 겔 형성에 대하여 이와 유사하거나 이를 대체할 수 있는 이론의 보다 자세한 논의는 Wright & N. Sommerdijk , Sol-Gel Materials: Chemistry and Applications(2001)의 제2장 및 J. Brinker & G. Scherer , Sol-Gel Science(1990)의 제5장에 기재되어 있다.

상기에서 언급했듯이, 졸 겔 물질의 제조는 당업자에게 잘 알려져 있으며, 문헌에도 잘 제시되어 있다. 그러나, 독자의 이해를 돕기 위하여 간단한 논의 결과를 제공한다. 아래는 단지 일반적인 것이며, 졸-겔 물질을 형성하는 특별한 방법은 상황에 따라서 바뀔 수 있음을 알아야 한다. 졸-겔 제조 방법의 변경에 대한 추가적인 정보는 상기에 언급한 텍스트에 기재되어 있다.

폭넓게 이야기해서, 졸 겔 물질은 금속 산화물, 알콕사이드 및 알콜레이트와 같은 무기 금속 이온 및 산소 이온을 포함하는 성분을 중합함으로써 제조된다. 금속 황화물도 사용될 수 있다. 중합으로 형성된 겔에는, 중합된 물질 및 액체가 2개의 연속적인 상으로 포함되어 있다. 저속 건조 또는 초임계 건조(supercritical drying)에 의하여 액체 분산 매체를 제거하여, 거의 수축하지 않거나 전혀 수축하지 않는 중합된 물질의 기본 구조를 제조할 수 있다. 이렇게 하여, 미세 다공성, 낮은 밀도 및 높은 표면적으로 가지는 건조 다공성 매트릭스를 제조한다.

만약 다공성 매트릭스가 매우 미세한 다공성(즉, 약 90부피% 이상)을 가지면, 통상 에어로젤이라고 할 수 있다. 이러한 물질이, 다공성이 70% 이하이면, 크 세로겔로 불리울 수도 있다. 언급되는 상황에 따라서 다르지만, 70% 내지 90%의 다공성을 가지는 물질은 통상적으로 에어로젤로 취급된다. 겔, 에어로젤 및 크세로겔의 차이 및 다공성의 분류는, 다소 자의적이기는 하지만, 본 명세서에서 이러한 용어를 사용할 때는, 문맥에 따라서, 당업자에게 용이하게 이해될 수 있을 것이다.

위에서 언급한 바와 같이, 다공성 매트릭스(즉, 크세로겔 또는 에어로젤)의 제조 방법은 당업계에서 일반적으로 잘 알려져 있다. 이러한 제조 방법은 무기 입자의 현택액에서 출발하며, 무기 입자는 반응을 통하여, 실질적으로 전체 졸로 퍼지는 네트워크를 형성하게 된다.

졸 겔 물질의 형성에 사용되는 물질로서는 실리콘, 알루미늄, 붕소, 티타늄, 지르코늄, 바나듐, 이트륨, 마그네슘, 몰리브덴, 철 등과 같은 원소의 산화물을 사용할 수 있다. 출발 물질의 적절한 예로서는, SiO₂, Si(OCH₃)₄, Si(OC₂H₅)₄, AlOOH, Al(OC₄H₉)₃, B(OC₄H₉)₃, Ti(OC₃H₇)₄, Zr(OC₃H₇)₄, TiO₂, ZrO₂ 및 이들의 혼합물을 들 수 있다.

졸 겔 기술의 발전에 따라서, 다른 출발 물질도 이 산업에 등장하기 시작했다. 예를 들면, 본 명세서에서 전반적으로 원용된, 미국 특허 출원 공보 20010041025에는 메타아크릴옥시프로필트리메톡시실란(MAPTMS) 및 광억제제를 포함하는 프리하이롤라이즈드(prehydrolyzed) 실리카계 졸 겔을 이용하는 졸 겔 제조 방법이 개시되어 있다. 공보 20010041025에 개시된, 이와 같은 졸 겔 물질 및 제 조 방법은 본 발명에 특별히 적용할 수 있으며, 아래에 보다 자세하게 언급될 것이다.

본 발명의 바람직한 한 실시예에 있어서, 졸 겔 물질은 실리카 화합물을 포함한다. 크세로겔 및 에어로젤을 형성하는 가장 흔한 2개의 출발 물질은 Si(OCH₃)₄(테트라메틸오르토실리케이트 또는 TMOS) 및 Si(OC₂H₅)₄(테트라에틸오르토실리케이트 또는 TEOS)이다. TEOS가 TMOS에 비하여 독성이 낮으므로 더 자주 선호된다. TMOS 및 TEOS와 관련된 에어로젤의 제조 방법은 당업계에서 잘 알려져 있으며, 인용된 텍스트에도 기재되어 있고, 여기에서 특별하게 언급되지는 않을 것이다. 그러나, 독자의 이해를 돕기 위하여, 예시적인 TEOS 프로세스를 아래에 나타낸다.

졸 겔 모액(stock solution)을 준비한다. 모액에는 통상적으로 TEOS 및 용매가 특정한 비로 포함되어 있다. TEOS는 수용성이 아니므로, TEOS 프로세스는 일반적으로 물과 알코올의 2성분계 용매 시스템을 사용한다. TEOS계 겔이 아닌 모액의 제조와 관련한 세부 사항은 J. Brinker & G. Scherer , Sol-Gel Science(1990)의 제3장에 기재되어 있다. 만약, 첨가제(예를 들면, 형광체)가 필요하면, 모액에 혼합되는 것이 일반적이다.

졸 겔 다공성 매트릭스를 제조하는 한 방법은, 용액 내에서 다작용성 단량체를 생성시켜서 상대적으로 크고 높은 분지(branched) 입자로 중합시키는 가수 분해 및 축합 반응을 통하는 것이다. 예를 들면, TEOS 단량체는 물 속에서 다음 반응과 같이 부분적으로 가수 분해될 수 있다.

Si(OEt)₄ + H₂O -> HO-Si(OEt)₃ + EtOH

반응 조건은 평균적으로, 각 단량체가 필요한 수준으로 가수 분해 반응을 일으켜서 부분적으로 또는 전체적으로 가수 분해되도록 조절될 수 있다. TEOS는 완전히 가수 분해되어서 Si(OEt)₄가 된다. 일단, 하나의 분자가 부분적으로 가수 분해되면, 2개의 분자가 아래와 같은 축합 반응으로 상호 결합하여, 올리고머(oligomer)를 형성하며, 물 및 에탄올 분자를 유리시킨다.

Si(OEt)₃-OH + HO-Si(OEt)₃-> (OEt)₃Si-O-Si(OH)₃ + H₂O

또는

(OEt)₃Si-OEt + HO-Si(OEt)₃ -> (OEt)₃Si-O-Si(OH)₃ + EtOH

이러한 반응을 통하여 형성된 올리고머 내에서의 Si-O-Si 구조에는 각 말단에 추가적인 가수 분해 및 축합이 가능한 3개의 위치가 존재한다. 따라서, 이러한 분자에 추가적인 단량체 및 올리고머가 다소 랜덤한 방식으로 첨가되어서, 수많은 단량체로부터 분지도가 높은 고분자를 생성할 수 있다.

분자의 네트워크 형성이 계속되는 특정한 지점에서, 연속적인 액상을 에워싼 연속적인 고체 골격(skeleton)이 형성된다. 이 때, 졸이 겔화되었다고 본다.

겔화된 이후, 본 발명에서 사용하기에 적합한 다공성 매트릭스를 제조하기 위하여 몇몇 추가적인 단계가 수행되어야 한다. 예를 들면, 겔은 반드시 숙성되어야 한다. 숙성에는 올리고머의 계속적인 가교 결합과 고분자 네트워크의 증강이 포함된다. 겔 형성에 사용되는 용매 및 물질에 따라서, 숙성에는 수 초 내지 수 분 또는 몇 시간 내지 며칠이 소요될 수도 있다.

숙성이 완료되면 겔을 건조시킨다. 다른 단계와 마찬가지로, 건조 단계도 최종적인 겔의 요구 특성에 따라서 많은 변경이 가능하다. 예를 들면, 겔은 대기 조건에서 건조될 수도 있고, 초임계 조건에서 건조될 수도 있다. 통상적인 조건에서 증발에 의하여 건조시키면, 모세관압(capillary pressure)을 상승시키는데, 이 모세관압은 겔 네트워크가 크세로겔을 형성하여 수축되도록 한다. 이러한 건조 방법은 종종, 원래의 습윤 상태의 겔에 비하여, 겔의 부피를 5 내지 10 정도 축소시킨다.

만약 습윤 상태의 겔을 가압 용기(autoclave)에 넣고 초임계 조건에서 건조하면, 액체와 증기의 구별이 없으므로, 모세관압이 형성되지 않아서 상대적으로 수축이 거의 일어나지 않는다. 이러한 방법은 임계 건조로 일컬어지며, 일반적으로 에어로젤을 생성한다. 에어로젤은 고체 분율이 약 1% 이하인, 대체로 공기이다.

이와 유사하게, 건조에 앞서서 겔이 용매 교환(solvent exchange)될 수도 있다. 이와 같은 용매 교환의 예는 주요 겔 용매(예를 들면, 에탄올)가 가압 챔버(chamber)에서 액상 CO₂로 대체될 경우이다. 용매 교환은 겔에서의 모세관압을 축소시켜서 건조시의 겔의 실질적인 붕괴를 방지한다. 겔 건조에 대해서는 J. Brinker & G. Scherer , Sol-Gel Science(1990)의 제8장에 매우 자세하게 기재되어 있다.

박막 건조 무기 겔을 제조하는 최신 방법이 미국 특허 6,380,105에 개시되어 있다. 이러한 방법은 위에서 언급한 종래의 방법을 향상시키기 위한 것이며, 특히 미세 다공성 에어로젤인 경우에 바람직하다. 이와 같은 방법은 종래의 에탄올계 용매 시스템이 아닌, 보다 휘발이 적은 용매 시스템이다. 이러한 용매 시스템의 바람직한 예는 글리세롤 시스템이다. 글리세롤을 사용하면, 에어로젤에 필요한 높은 수준의 다공성을 유지하면서도, 초임계 조건이 아닌 상황에서 겔을 건조할 수 있다. 글리세롤을 사용하는 방법의 다른 장점은 TEOS/용매의 비를 변경하여 다공성을 조절할 수 있으며, 겔화 시간이 짧으며, 숙성이 간단하며, 광학적 투명성이 높은 것 등이다.

건조 공정 이후로, 건조된 겔은 요구되는 최종 목적을 달성하는데 필요한 추가적인 처리가 행해질 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 크세로겔 및 에어로젤의 제조에 있어서는 많은 변경이 있을 수 있다. 예를 들면, 미국 특허 5,078,919의 칼럼 13 및 14는 이와 같은 변경(예를 들면, 겔에서의 형광체 함유량을 변화시키는 것) 및 이러한 변경에 대한 보다 자세한 정보를 제공하는 인용 참조가 개시되어 있다. 결국, 당업자라면 크세로겔 또는 에어로젤과 같은 다공성 매트릭스의 제조에 수반되는 단계는 어느 정도 자발적으로 진행되는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 위에서 기재한 것은 엄격하게 순차적인 수행 방법이 아니라, 서로 중복되거나 부분적으로 일치될 수도 있는 일련의 단계이다.

위에서 언급한 방법은 벌크 겔 또는 박형 겔의 제조에 사용될 수 있다. 다시 한번 말하지만, 벌크 겔 또는 박형 겔의 제조에 필요한 변형된 방법은 당업자에 게 알려져 있다. 만약, 본 발명의 용도로 벌크 겔이 형성되면, 적절한 형태로 만들어져서, 특정한 방법(예를 들면, 에폭시를 사용하여)으로 다이오드에 물리적으로 부착될 것이다. 이러한 두 방법을 수행하는 것은 당업자에게 알려져 있다. 비록 벌크 겔을 다이오드에 물리적으로 부착할 수 있지만, 본 발명의 발광 소자의 형성에서 더 바람직한 방법은 다이오드 상에서 무기 겔을 건조시키는 것이다. 위에서 언급한 바와 같이, "다이오드 상에서"라는 문구는 전체 다이오드 구조의 일부인 추가적인 개입 구조 또는 층 상에 겔을 형성하는 것을 포함할 수 있다.

이러한 겔 용액은 몇몇 방법으로 다이오드에 적용될 수 있다. 스프레이 코팅, 스핀 코팅 및 딥 코팅은 기재에 박막 또는 코팅을 적용하는 잘 알려진 방법이며, 이 3가지 방법 모두 본 발명에서 사용될 수 있다. 스핀 코팅은 공보 20010041025의 MAPTMS 방법을 사용할 경우에, 박막을 증착하는 바람직한 방법이다. 공보 20010041025는 이와 같은 스핀 코팅을 수행하는 방법의 몇몇 예도 제시하고 있다. 당업자는 원하는 목적에 가장 바람직한 적용 방법을 용이하게 인식할 수 있을 것이다.

예를 들면, 스핀 코팅 방법에서 필름은 일반적인 방법으로 증착되어서 몇 초 동안 건조되는 반면에, 딥 코팅의 경우에는 필름이 1분당 수 센티미터의 속도로 적용되는 것이 일반적이다. 결과적으로 딥 코팅은, 스핀 코팅에 비하여 고분자의 분자가 쉽게 정렬되도록 하며, 밀도가 더 높고, 필름의 조활도가 낮출 수 있는 것이 일반적이다. 그러나, 두 방법 모두 필름의 두께와 밀도가 반비례하는 것이 일반적인데, 즉 박막 필름이 통상적으로 두꺼운 필름보다 밀도가 높다. Wright와 Sommerdijk 역시 스핀 코팅이 더욱 균일한 코팅을 제공하는 것이 일반적이지만, 매우 두꺼운 필름을 증착하는 데는 대체로 적합하지 않으며, 넓은 면적의 비대칭적인 기재를 코팅하기는 불편하다고 언급하고 있다. 한편, 딥 코팅은 기재의 가장자리 근처를 코팅할 때 균일성의 유지에 주의를 기울여야 하지만, 이러한 과제에 아주 적당한 방법이다.

게다가, 적용되는 졸의 조성이 코팅의 특성을 결정짓는데 중요한 것이 명백하다. Wright & N. Sommerdijk , Sol-Gel Materials: Chemistry and Applications(2001)의 제6장에는 다공성 졸 겔 매트릭스를 형성할 경우 반드시 고려되어야 할 사항으로서 아래와 같은 일반적인 원칙을 제시하고 있다.

- 저급 알킬 알콕사이드로는 산소 함량이 높고, 밀도 높은 필름이 제조된다.

- 동공의 크기 및 표면적은 용매와 밀접한 관련이 있다.

- 희석 용액에서의 가수 분해 축합은 입자의 크기를 줄이므로 구조를 더욱 미세하게 하고 다공성을 높인다.

- 가수 분해시 물의 함량을 높이면 필름의 밀도가 커진다.

- 증착 전 입자의 응집은 필름의 다공성을 높인다.

졸 겔 매트릭스의 동공의 크기는 약 1nm 내지 약 500nm의 범위인 것이 일반적이며, 약 1nm 내지 약 200nm의 범위인 것이 바람직하며, 약 1nm 내지 약 100nm의 범위 것이 특히 바람직하다. 다공성 매트릭스의 표면적은 약 100m²/g 이상인 것이 일반적이며, 500m²/g 이상인 것이 바람직하며, 1000m²/g 이상인 것이 특히 바람직하 며, 1200m²/g 이상인 것이 특별히 매우 바람직하다.

다공성 매트릭스의 밀도는 다를 수 있다. 그러나, 매트릭스에 의한 원치 않는 여기 방사선의 흡수를 최소화시키기 위해 저밀도 물질이 바람직하다. 다공성 매트릭스의 밀도는 약 0.01g/cm³ 내지 1.6g/cm³ 이어야 한다.

크세로겔 및 에어로젤의 광학적 특성도 본 발명의 수행과 연관이 있다. 본 발명의 수행에 사용되는 다공성 매트릭스는, 다이오드의 활성층에서 방출되는 전자기 방사선과 같은 여기 방사선 소스에 투명해야 한다. 바람직한 실시예에 있어서, 다공성 매트릭스는 에어로젤이며, 자외선 및/또는 적외선 및/또는 가시 광선을 상당히 또는 완전히 투과해야 한다. 여기 방사선에 대한 다공성 매트릭스의 투명도는 100%가 될 필요는 없지만, 요구되는 광 생성 목적을 만족시키기에는 충분해야 한다. 마찬가지로, 다공성 물질은 발광 물질에서 생성되는 빛의 최소한의 일부를 투과해야하며, 발광 물질에서 생성되는 모든 빛을 투과하는 것이 바람직하다.

졸 겔 물질의 박막 및 코팅은 기재의 광학 특성(예를 들면, 반사, 통과, 굴절 및 흡수)을 변경하기 위하여 오랫동안 사용되어 왔다. 이산화티타늄/납(TiO₂/Pb) 박막으로 코팅된 농업용 유리는 이러한 용도로 잘 알려져 있다. TiO₂는 반사도를 조절하며, 납의 함량은 필요한 흡수율을 조절할 수 있다.

당업자는, 다공성과 마찬가지로, 졸 겔 물질이 제조 방법에 따라서 다양한 광학 특성을 가질 수 있음을 알 것이다. 예를 들면, 특정한 장치에 사용되는 졸 겔의 광학적 특성(예를 들면, 굴절 인덱스)은 겔의 다공성, 두께, 화학 양론적 양 등을 조절함으로써 제어될 수 있다. 마찬가지로, 다공성, 밀도 및 두께와 같은 변수는 건조 방법, 적용 방법(예를 들면, 스핀 코팅과 딥 코팅) 및 반응 조건과 같은 기타 변수에 의하여 조절되며 영향을 받는다.

본 발명은 졸 겔 커버링에 있어서, MAPTMS/광 억제제 방법을 포함하는 일 측면이 있다. 이러한 측면에서, 졸 겔 물질은 발광 다이오드 상에 스핀되어, 광학적 특성과 같은 특정한 물리적 특성(예를 들면, 다공성)을 가지는 개별적인 층을 형성한다. 다른 한편, 졸 겔 물질은 다공성, 두께, 밀도 등이 다른 복수의 별개의 층에 스핀될 수도 있다. 이러한 층(들)은 포토리소그래피 방법으로 형성될 수 있다. 이러한 방법으로, 졸 겔 물질의 단일층으로부터 렌즈가 형성될 수 있다. 유사하게, 굴절 인덱스가 다른 몇몇 물질의 층이 결합하여 요구되는 광학 특성을 가지는 렌즈를 형성할 수도 있다. 예를 들면, 이러한 방법은 생산되는 다이오드 패키지의 성능을 현저하게 강화하기 위하여, 발광 다이오드 상에 프레스넬 렌즈(Fresnel lens)를 형성하기 위하여 사용될 수 있다.

간단히 말해서, 당업자는 요구되는 광학적 특성을 달성하기 위하여 무수히 많은 변형들을 조합해낼 수 있으며, 본 발명은 이러한 변형들을 포함하고 있는 것으로 해석되어야 한다. 졸-겔 물질의 광학적 특성에 대한 보다 자세한 기재는 J. Brinker & G. Scherer , Sol-Gel Science(1990)의 제14장에서 찾아볼 수 있다.

본 발명에 따른 건조 겔에는 여기 방사선과 상호 작용하여 방출 방사선을 방출하는 양만큼의 물질이 로딩된다. 여기에서 사용되는 "로딩(loading)"이라는 용어는 단어를 가장 폭넓은 의미로 사용하기 위해서 의도된 것이다. 그러므로, 로딩 된다는 것은 직접 또는 간접적으로 결합 또는 접촉되는 어떤 형태를 의미하며, 결과적으로 복합적인 조성을 형성해서, 이들의 성분이 여기 방사선과 상호 작용하여 반응 방사선을 방출하는 것과 같은 의도된 기능을 수행할 수 있다. 따라서, 로딩된다는 것은 예를 들면, 흡수, 흡착, 화학 흡착(chemisorption), 공유 결합 등과 같은 결합의 형태뿐만 아니라, 캡슐화, 봉입(embedding), 포착(entrapment) 등과 같은 편입(incorporation)도 포함된다.

한 실시예에 있어서, 여기 방사선과 상호 작용하여 반응 방사선을 방출하는 물질은 건조 겔로 로딩될 수 있는 발광 물질이다. 광발광 물질이 특히 바람직하다.

적절한 발광 물질로는 발광 유리, 형광체 및 이들의 혼합물을 예를 들 수 있지만, 본 발명이 여기에 한정되지 않는다.

당업자에게 잘 알려지고, 잘 이해되고 있듯이, 형광체는 본질적으로 "도펀트(dopant)" 또는 "활물질(activator)"로 일컬어지는 적절한 첨가제가 소량 도핑된 고순도 무기 물질로 이루어진다. 활물질의 농도는 주 격자(host lattice)에 대하여 수 ppm 내지 1∼2%의 정도이다. 일부 형광체는 하나 이상의 활물질이 사용되기도 하는데, 이들에 대하여 "공동-활물질(co-activator)"이라는 용어를 사용한다.

황화아연과 같이 잘 알려진 발광 화합물에서 방출되는 빛의 컬러는 주로 활물질에 따라 달라진다. 이것이 실험과 컬러 체계에 따른 여러 가지 군의 형광체의 발전을 이끌었으며, 특히 특별한 장치(예를 들면, 텔레비전)를 발전시켰다.

통상적으로, 디스플레이 형광체는, 이들이 사용되는 장치에 따라서 특별한 데, 왜냐하면 형광체의 특성이, 방출 방사선의 자극 및 파장의 형태에 따라서 조절되어야 하기 때문이다.

형광체로서는, 산화물계 형광체(예를 들면, Ga₂O₃:Mn 및 이와 유사한 화합물), 황화아연(ZnS), 구리-활성 ZnS, 구리 및 알루미늄-활성 ZnS, 마그네슘-도핑 ZnS, 황화카드늄, 이트륨 알루미늄 가넷("YAG")을 예를 들 수 있다. YAG는 유용하게 사용될 수 있는데, 청색 발광 LED를 보상하여 백색광을 생성시킬 수 있는, 황색 발광 형광체를 형성할 수 있기 때문이다. 저밀도의 나노 다공성 에어로젤 매트릭스에 포착된 ZnS 형광체 입자는, 본 발명에 따라서 로딩된 다공성 매트릭의 일례이다. 형광체가 전자기 스펙트럼의 UV 범위에서 광자에 의하여 여기되면, 이들 형광체는 시료의 순도, 물질의 결정 구조, 및 도핑의 특성에 따라서 상이한 방사선 스펙트럼을 방출한다. 당업계에는 기타 많은 발광 화합물이 있으며, 이들은 본 발명에 포함된다. 예를 들면, 세륨으로 도핑된 리튬이 풍부한 실리카 유리와 같은 발광 유리는 파우더 형태로 분쇄되어서 에어로젤과 같은 건조 무기 겔에 분산된다.

발광 입자는 전체 다공성 매트릭스에 분산되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 용해성 또는 불용성 형광체 입자가 졸 분산계에 첨가되어, 겔화된 후 건조되어 다공성 매트릭스를 형성할 수 있다. 물이 분산매일 경우, 탈륨(thallium) 활성 요오드화세슘이나 탈륨 활성 요오드화칼륨과 같은 수용성 형광체가 사용되는 것이 유리하다. 이와 같은 경우에서 수용성 형광체를 사용하면 제조되는 도핑 에어로젤의 투명성을 향상시킬 수 있다.

발광 물질의 입자 크기는 넓은 범위, 예를 들면 0.001 내지 20미크론의 범위에서 변경될 수 있다. 광산란이 입자의 크기에 직 비례하므로, 입자의 크기는 1 내지 2미크론이나 그 이하가 바람직하다. 더 작은 크기의 입자, 예를 들면 0.01 내지 0.4미크론의 입자를 사용하면 다공성 매트릭스의 투명도를 향상시킬 수 있으며, 따라서 발광 소자의 광학적 깊이(optical depth) 및 광 강도를 증가시킨다.

형광체는, 과도하게 로딩되어 다공성 매트릭스에 구조적인 불이익을 발생시키지 않으면서, 바람직한 여기 방사선(예를 들면, LED의 복사속) 수준에서 충분한 방출이 가능한 농도로 다공성 매트릭스에 로딩된다. 사용되는 형광체의 종류에 따라서 실제적으로 로딩되는 양도 변경될 수 있다. 예를 들면, 고체 ZnS를 형광체로 사용하면, 형광체 파우더의 양은, 졸 모액(모액 1cc에 대하여 약 0.005 내지 약 1.0g 범위의 형광체를 로딩) 10ml에 대하여 약 0.05g 내지 약 10g 범위로 로딩되는 것이 일반적이다. 대부분의 상황에서, 형광체는 모액에 혼합되어 졸로 로딩된다.

본 발명은 레이저 다이오드에 도입될 수도 있다. 이 방면에서 알려진 바와 같이, 레이저 다이오드는 일부 기본적인 작동 원리가 LED와 같은데, 예를 들면 전자 및 홀의 재조합에 의하여 생성되는 이벤트에 기초하여 광양자가 방출된다. 그렇지만, 레이저 다이오드는 단색(레이저 효과 때문에) 및 일관된 방사선을 생성하기 위하여, 하나의 특정 방향으로만 발광하도록 고안 및 제조된다. 반도체 레이저에 대한 적당한 논의는 위에서 언급한 Sze의 참조 문헌, 특히 Physics of Semiconductor Devices의 12.4 및 12.5섹션 및 Modern Semiconductor Physics의 제7.2, 7.3 및 7.4섹션에서 찾아볼 수 있다.

배경 설명 부분에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 한 목적은 조명 장치에서 LED의 영역을 확장하는 것이다. 따라서, 본 발명의 발광 소자를 사용하는 많은 장치도 본 발명에 포함된다. 예를 들면, 백색광 LED가 이미 상당히 개발되어 있는 분야가 캠핑 및 하이킹 장비 분야이다. 현재 백색광 LED는 플래시(flashlight) 및 캠핑용 랜턴에서 찾아 볼 수 있다. 가정용 램프에 사용되는 백색광 LED도 시장에서 찾아 볼 수 있다. 교통 신호 및 기타 실외용 조명 장치에서 다른 형태의 LED를 찾아 볼 수 있다. Hunt에게 양도된 미국 특허 5,724,062에 기재된 바와 같은 평면 패널에 사용되는 픽셀을 형성하기 위하여 사용되는 LED도 있다. 본 발명의 발광 소자가 현재 및 미래의 LED 장치에 사용될 수 있으며, 사용될 것으로 계획되고 있다.

도면과 명세서를 통하여 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내었으며, 이들을 설명하기 위하여 특정한 용어가 사용되었지만, 이는 일반적이고 묘사적인 의미로 사용된 것이며, 본 발명은 여기에 한정되지는 않고, 청구의 범위에 의해서 한정된다.

자기-흡수 및 광 산란 문제를 감소 또는 제거할 수 있으며, LED의 발광을 강화하여, LED의 사용 영역을 인공 조명 등을 포함한, 많은 분야로 확대시킬 수 있다.

Claims

여기 방사선(exciting radiation)을 방출하는 발광 다이오드;

상기 발광 다이오드의 적어도 일부분을 커버하는(covering) 다공성 매트릭스; 및

상기 다공성 매트릭스에 로딩(loading), 상기 다이오드에서 방출된 여기 방사선과 상호 작용하여 반응 방사선(responsive radiation)을 방출하는 물질

을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 반응 방사선을 방출하는 물질이 형광체(phosphor)인 것을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
제2항에 있어서,

상기 형광체는, 상기 다이오드로부터의 여기 방사선에 반응하여 스펙트럼의 가시 영역의 빛을 방출하는 것을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
제1항에 있어서,

상기 발광 다이오드는, 실리콘 카바이드 기재 및 하나 이상의 제3족 니트라이드(nitride)를 함유하는 활성층을 포함하며;

상기 반응 방사선을 방출하는 물질은, 상기 다공성 매트릭스에 로딩되어, 상기 다이오드에서 방출된 여기 방사선과 상호 작용하여 가시 광선을 방출하는 광발광(photoluminescent) 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
제1항 또는 제4항에 있어서,

상기 다이오드는, 자외선, 가시 광선 및 적외선 전자기 스펙트럼으로 이루어지는 군에서 선택되는 주파수의 전자기 방사선을 방출하는 것을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
제1항 또는 제4항에 있어서,

상기 다공성 매트릭스는, 상기 여기 방사선, 반응 방사선 및 가시 광선을 실질적으로 투과하는 것을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
제1항 또는 제4항에 있어서,

상기 다공성 매트릭스는, 졸 겔(sol gel) 물질인 것을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
제4항에 있어서,

상기 광발광 물질은 형광체인 것을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
제1항에 있어서,

여기 방사선을 방출하며, 실리콘 카바이드 기재 및 하나 이상의 제3족 니트라이드(nitride)를 함유하는 활성층을 포함하는 레이저 다이오드;

상기 레이저 다이오드의 적어도 일부분을 커버하는 다공성 매트릭스; 및

상기 다공성 매트릭스에 로딩되어, 상기 레이저 다이오드에서 방출된 여기 방사선과 상호 작용하여 반응 방사선을 방출하는 광발광 물질

을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제9항에 있어서,

상기 레이저 다이오드는 갈륨 니트라이드, 인듐 갈륨 니트라이드, 및 인듐 알루미늄 갈륨 니트라이드로 이루어진 군에서 선택되는 활성층을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제9항에 있어서,

상기 다공성 매트릭스는 상기 여기 방사선 및 가시 광선을 실질적으로 투과하는 졸 겔인 것을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
제7항에 있어서,

상기 졸 겔이 에어로젤(aerogel) 및 크세로겔(xerogel)로 이루어진 군에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항에 있어서,

상기 발광 다이오드는 단결정 실리콘 카바이드 기재를 포함하며;

상기 다이오드 상의 상기 다공성 매트릭스는 에어로젤 및 크세로겔로 이루어진 군에서 선택되며;

상기 반응 방사선을 방출하는 물질은 상기 매트릭스에 로딩된 형광체이며, 상기 다이오드의 발광에 대하여 상이한 파장의 제2 발광으로 반응하는 것을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
제1항, 제4항, 제9항 또는 제13항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 다공성 매트릭스는 상기 다이오드 상에 직접 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
제1항 또는 제13항에 있어서,

상기 매트릭스는 50부피% 이상의 다공성을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
제1항 또는 제13항에 있어서,

상기 매트릭스는 90부피% 이상의 다공성을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제13항에 있어서,

상기 형광체는, 상기 매트릭스 1cm³당 1mg∼1g 존재하는 것을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제13항에 있어서,

상기 다공성 매트릭스는, 상기 여기 방사선 및 상기 반응 방사선을 실질적으로 투과하는 것을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
제1항 또는 제13항에 있어서,

상기 다공성 매트릭스는, 실리카 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
제7항에 있어서,

상기 졸 겔 물질은, 밀도가 0.01g/cm³∼1.6g/cm³이며, 세공의 크기 분포가 1nm∼500nm이며, 표면적이 100m²/g 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
제19항에 있어서,

상기 실리카 화합물은 메타아크릴옥시프로필트리메톡시실란을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
제2항 또는 제13항에 있어서,

상기 형광체는, 상기 매트릭스 내에 0.001미크론 내지 20미크론의 입자의 형태로 존재하는 것을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
제8항에 있어서,

상기 형광체는, 실리콘, 알루미늄, 붕소, 티타늄, 지르코늄, 바나듐, 이트륨, 마그네슘, 몰리브덴 및 철의 산화물; SiO₂, Si(OCH₃)₄, Si(OC₂H₅)₄, AlOOH, Al(OC₄H₉)₃, B(OC₄H₉)₃, Ti(OC₃H₇)₄, Zr(OC₃H₇)₄, TiO₂, 및 ZrO₂, YAG, 가넷계(garnet-based) 형광체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
청구항 24은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항 또는 제13항에 있어서,

상기 다이오드는, 동종 접합체, 단일 이종 접합체 및 이중 이종 접합체로 이루어진 군에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
제1항 또는 제13항에 있어서,

상기 다이오드는, 양자 우물(quantum well), 다중 양자 우물 및 규칙 격자(superlattice) 구조로 이루어진 군에서 선택되는 특성을 가진 것을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
제1항, 제4항 또는 제13항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 발광 다이오는, 갈륨 니트라이드, 인듐 갈륨 니트라이드, 및 인듐 알루미늄 갈륨 니트라이드로 이루어진 군에서 선택되는 활성층을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
여기 방사선과 상호 작용하여 반응 방사선을 방출하는 물질을 졸(sol)에 로딩하는 단계;

상기 로딩된 졸로 다공성 매트릭스를 형성하는 단계; 및

상기 다공성 매트릭스를 여기 방사선의 소스인 발광 다이오드에 인접하게 위치시키는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제27항에 있어서,

상기 다공성 매트릭스는 상기 다이오드 상에 직접 위치하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제27항에 있어서,

상기 졸은 실리카 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
청구항 30은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제27항에 있어서,

메타아크릴옥시프로필트리옥시실란을 졸에 로딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
청구항 31은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제27항에 있어서,

상기 다공성 매트릭스를 형성하는 단계는, 크세로겔 또는 에어로젤을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제27항에 있어서,

상기 졸을 로딩하는 단계는, 용매로서 알코올을 포함하는 졸을 로딩하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제27항에 있어서,

상기 다공성 매트릭스를 발광 소자에 인접하게 위치시키는 단계는, 상기 발광 다이오드 상에, 상기 졸을 몰딩하거나 또는 캐스팅하는 방법으로 행해지는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제27항에 있어서,

상기 다공성 매트릭스를 상기 다이오드에 인접하게 위치시키는 단계는, 상기 졸을 상기 발광 다이오드 상에 스핀 코팅하는 방법, 상기 졸을 상기 발광 다이오드 상에 스프레이 코팅하는 방법 및 상기 졸을 상기 발광 다이오드 상에 딥 코팅하는 방법으로 이루어진 군에서 선택되는 방법으로 행해지는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제27항에 있어서,

상기 다공성 매트릭스를 형성하는 단계는 초임계 조건(supercritical condition)에서 상기 졸을 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제27항에 있어서,

형광체를 상기 졸로 로딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
청구항 37은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제36항에 있어서,

0.001미크론 내지 20미크론의 입자의 형태인 형광체를 상기 졸로 로딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
청구항 38은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제36항에 있어서,

실리콘, 알루미늄, 붕소, 티타늄, 지르코늄, 바나듐, 이트륨, 마그네슘, 몰리브덴 및 철의 산화물; SiO₂, Si(OCH₃)₄, Si(OC₂H₅)₄, AlOOH, Al(OC₄H₉)₃, B(OC₄H₉)₃, Ti(OC₃H₇)₄, Zr(OC₃H₇)₄, TiO₂, 및 ZrO₂, YAG, 가넷계 형광체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 형광체를 상기 졸에 로딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
제27항에 있어서,

상기 다공성 매트릭스를 발광 다이오드에 인접하게 위치시키는 단계는, 상기 다이오드로부터 이격시켜 상기 다공성 매트릭스를 형성한 후, 상기 다공성 매트릭스를 상기 발광 다이오드에 인접하게 기계적으로 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
청구항 40은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제13항에 있어서,

상기 형광체는, 실리콘, 알루미늄, 붕소, 티타늄, 지르코늄, 바나듐, 이트륨, 마그네슘, 몰리브덴 및 철의 산화물; SiO₂, Si(OCH₃)₄, Si(OC₂H₅)₄, AlOOH, Al(OC₄H₉)₃, B(OC₄H₉)₃, Ti(OC₃H₇)₄, Zr(OC₃H₇)₄, TiO₂, 및 ZrO₂, YAG, 가넷계(garnet-based) 형광체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.
청구항 41은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제11항에 있어서,

상기 졸 겔이 에어로젤(aerogel) 및 크세로겔(xerogel)로 이루어진 군에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 반도체 기재의 발광 소자.