KR101232507B1 - 표면발광소자 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제 1 유전체층과 상기 제 1 유전체층 상부에 형성된 제 2 유전체층을 포함하고, 상기 제 2 유전체층의 표면에 2차원 격자 상의 다수의 에어 홀이 형성된 2차원 슬라브형 광결정 구조, 상기 제 2 유전체층의 내벽에 형성된 발광물질층 및 상기 광결정 구조의 측면으로 광을 조사하는 광 펌핑 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광결정을 이용하는 표면발광소자 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 표면발광소자는 발광 효율이 향상되고 보다 단색광에 가까운 광을 방출하는 이점을 가지므로 표면발광 레이저 등으로 가공될 수 있다.
표면발광소자, 광결정, 양자점, 발광물질, 제 1 유전체층, 제 2 유전체층, 광 펌핑

Description

표면발광소자 및 그의 제조방법 {SURFACE EMITTING DEVICE AND PREPARATION METHOD THEREOF}
도 1a는 본 발명의 일실시예에 의한 표면발광소자의 평면도이다.
도 1b는 본 발명의 일실시예에 의한 표면발광소자의 단면개략도이다.
도 1c는 본 발명의 일실시예에 의한 표면발광소자의 사시도이다.
도 2a-d는 본 발명의 일실시예에 의한 표면발광소자의 광결정 구조의 격자 패턴을 도시한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 의한 표면발광소자에서의 발광 메커니즘을 설명하는 모식도이다.
도 3b는 본 발명의 일실시예에 의한 표면발광소자에서의 광밴드갭 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 표면발광소자의 제조방법을 설명하는 공정 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 표면발광레이저의 단면개략도이다.
도 6a-6c는 실시예에서 수득된 표면발광소자들의 컬러 튜닝을 설명하는 모식도이다.
도 7a-7c는 실시예의 표면발광소자에서 에어 홀의 직경(r) 변화에 따른 발광 특성 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8a-8c는 본 발명의 표면발광소자에서 슬라브 두께(t)의 변화에 따른 발광 특성 변화를 나타낸 그래프이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10: 제 1 유전체층 20: 제 2 유전체층 30: 발광물질층
본 발명은 광결정(photonic crystal)을 이용한 표면발광소자 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2차원 슬라브 구조의 광결정 구조를 포함하고, 광결정 구조의 에어 홀(air holes) 내벽에 양자점이 형성되며 이러한 양자점의 여기에 의해 발광하는 표면발광 소자 및 그의 제조방법에 관계한다.
광결정(photonic crystal)은 굴절률 또는 유전율이 서로 다른 두 가지 이상의 물질이 격자구조의 형태로 규칙적으로 배열되는 것을 특징으로 한다. 이러한 서로 다른 굴절률을 갖는 물질들의 규칙적 배열은 특정 주파수 또는 파장을 갖는 전자기파가 광결정 내부로 전파하는 것을 막는 광밴드 갭(photonic bandgap)을 형성할 수 있다.　　 예를 들어, 광결정의 광밴드 갭이 가시광 영역에 형성되어 있고 광결정으로 입사하는 빛의 주파수 또는 파장이 광밴드 갭에 해당하는 경우, 이론적 으로 99% 이상의 입사광이 광결정에서 반사된다. 반대로 광밴드 갭 이외의 주파수 또는 파장을 갖는 입사광은 대부분 광결정을 투과하게 된다.　　 이와 같이 광결정은 광의 제어를 현저하게 높일 것이라는 기대 속에서, 차세대의 광학 장치로서 활발하게 연구되고 있다.
광결정 내부에 공간(cavity)을 만든 뒤, 특정 파장의 빛을 발생시켜 주면 주위를 둘러싼 광결정 벽에 부딪쳐 끊임없이 반사하게 되므로 광을 그 안에 가둘 수 있다. 이렇게 작은 공간에 구속된 빛을 증폭하여 외부로 출사시키면 레이저가 되고, 광결정 내부에 여러 갈래의 도파로를 형성하면 광이 그 통로를 따라 이동하는 광집적회로를 만들 수도 있다.
광결정을 이용한 광밴드갭 구조 물질은 특히 마이크로레이저(microlaser), 필터, 고효율 LED, 광스위치, 저손실 웨이브가이드(waveguide) 등 다양한 광전자 소자(optoelectronic devices)로 응용가능성이 매우 높아 전 세계적으로 활발하게 연구되고 있다.
일례로 미국공개특허 제 2005-111805호는 광을 가두는 가이드부, 광섬유 내의 다수의 기공들 및 홀 안의 다수의 양자점을 포함하는 광섬유를 개시하고 있다. 이러한 광섬유에서는 홀 안의 양자점을 여기시키는 여기 광도 광섬유 안에 갇히게 되어 양자점으로부터 발광되는 발광파와 동일한 방향으로 출사되므로 표면발광은 불가능하다.
한편, 국내특허공개 제2000-018855호는 양자점을 포함하는 양자섬층, 양자섬층과는 밴드갭이 다른 물질을 번갈아가며 형성하여 양자섬층이 하나 이상 포함되는 광흡수층, 광흡수층에서 여기된 캐리어가 모여서 수평 방향의 전도가 일어나도록 하는 전도통로층, 불순물층 및 광흡수층에서 여기된 빛을 받아 여기된 캐리어가 채널에 모이면 이를 수평 방향으로 전도시키기 위해서 형성된 두 개 이상의 검출전극을 포함하는 양자섬을 이용한 광감지 소자를 개시하고 있다. 이러한 광 감지 소자는 양자섬층이 빛을 감지하여 그에 대응하는 캐리어를 방출하므로 발광다이오드 또는 레이저 다이오드 등으로 사용할 수 있다.
이상의 선행 기술들은 광이 소자의 표면으로 출사되는 표면발광소자를 개시하고 있지 않다. 광이 소자의 표면으로 출사되고 단색광에 가까운 광을 발광하도록 제어할 수 있는 표면발광소자의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 본 발명이 속하는 기술 분야의 기술적 요구에 부응하는 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 표면 발광효율이 우수하고 발광 파장을 단색광에 가깝게 제어할 수 있는 표면발광소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 광이 소자의 표면으로 출사되고 단색광으로 예리하게 발광하는 표면발광소자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 표면발광소자를 이용하는 광전자소자를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은
제 1 유전체층과 상기 제 1 유전체층 상부에 형성된 제 2 유전체층을 포함하고, 상기 제 2 유전체층의 표면에 2차원 격자 상의 다수의 에어 홀이 형성된 2차원 슬라브형 광결정 구조;
상기 제 2 유전체층의 내벽에 형성된 발광물질층; 및
상기 광결정 구조의 측면으로 광을 조사하는 광 펌핑 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면발광소자에 관계한다.
본 발명에서 상기 광결정 구조의 제 1 유전체층의 유전율은 상기 제 2 유전체층의 유전율 보다 낮다. 또한 제 2 유전체층 내의 에어홀의 크기 및 기하학은 광결정의 광밴드갭(optical bandgap)이 발광 재료의 발광 파장과 일치하도록 조정되어야 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은
기판 상에 제 1 유전체층을 형성하는 단계;
상기 제 1 유전체층 상에 광결정 구조가 패터닝된 제 2 유전체층을 형성하는 단계 ;
광결정이 패터닝된 위에 고분자전해질을 코팅하는 단계; 및
고분자 전해질층 위에 발광물질을 코팅하여 발광물질층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면발광소자의 제조방법에 관계한다.
본 발명의 또 다른 양상은 본 발명의 표면발광소자를 포함하는 광전자소자에 관계한다.
이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명에 관하여 더욱 상세하게 설명한다.
하나의 양상에서 본 발명의 표면발광소자는 제 1 유전체층과 평면 상의 슬라브에 다수의 에어 홀이 형성된 제 2 유전체층을 포함하고, 상기 제 2 유전체층의 내벽에 발광물질층이 형성된 것을 특징으로 한다.
도 1a는 본 발명의 일실시예에 의한 표면발광소자의 평면도이고, 도 1b는 본 발명의 일실시예에 의한 표면발광소자의 측단면도이다.
도 1a 및 1b를 참고하면, 본 발명의 표면발광소자는 제 1 유전체층(10))과 상기 제 1 유전체층 상부에 형성된 제 2 유전체층(20)을 포함하고, 상기 제 2 유전체층(20)의 표면에 2차원 격자 상의 다수의 에어 홀이 형성된 2차원 슬라브형 광결정 구조, 상기 제 2 유전체층의 내벽에 형성된 발광물질층(30) 및 상기 광결정 구조의 측면으로 광을 조사하는 광 펌핑 수단(도시하지 않음)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 광결정 구조의 제 1 유전체층(10)의 유전율은 상기 제 2 유전체층(20)의 유전율 보다 낮다.
도 1c는 본 발명의 일실시예에 의한 표면발광소자의 광결정 구조를 나타내는 사시도이다. 광결정 구조는 제 1 유전체층(10)과 제 2 유전체층(20)을 포함하고, 이러한 광결정 구조는 2차원 주기 구조를 갖추고 있다.
본 발명의 표면 발광 소자에서 상기 제 2 유전체층(20)의 에어 홀의 크기 및 기하학(에어 홀의 형상 및 배치 등)은 광결정의 광밴드갭(optical bandgap)이 발광 재료의 발광 파장과 일치되도록 조정되어야 한다.
제 1 유전체층 위에 형성되는 제 2 유전체층(20)은 2차원 주기 구조를 가지 는데, 예를 들어 원통형의 기공이거나 정방 격자 또는 삼각격자 상으로 배열될 수 있고, 에어 홀의 형태도 원주상이 아닌 직방체상으로 할 수도 있다.
도 2a-2d는 제 2 유전체층 내에 형성된 에어 홀의 배열을 도시한 것이다. 에어 홀들은 (a)와 같이 정사각형 격자 모양으로 배열되거나, (b)와 같이 삼각 격자 모양으로 배열되거나, (c)와 같이 벌집 모양으로 배열되거나 (d)와 같이 램덤하게 분포될 수 있다.
제 1 유전체층(10) 또는 제 2 유전체층(20)은 세라믹, 고분자 재료, 광경화수지, 유전체 세라믹 등 임의의 재료로 구성될 수 있으나, 바람직하게는 세라믹이다.
광결정 구조의 제 1 유전체층(10)의 재료는 비유전율이 낮은 세라믹 재료 또는 유리 합성 재료, 또는 플라스틱 재료 등을 사용한다. 예를 들어, SiO2계 세라믹, 파이렉스 유리, 석영 유리, 아크릴 등을 사용할 수 있다. 제 1 유전체층 재료로서는 비유전율이 7 이하로 낮은 물질이 바람직하다.
제 2 유전체층(20)를 구성하는 제 2 유전체층 세라믹으로는 비유전율이 높은 세라믹 재료나 유리 합성 재료 등을 사용한다. 구체적으로, 제 2 유전체층은 BaO－Nd2O3－ TiO2－B2O3－ZnO2－CuO계 세라믹, Al2O3－ TiO2계 세라믹, TiO2계 세라믹, BaO－Bi2O3－Nd2O3－TiO2계 세라믹, BaO－Bi2O3－Nd2O3－TiO2－SrTiO3계 세라믹, BaO－PbO－Nd2O3－TiO2계 세라믹, Ba(Zn, Nb)O3계 세라믹, BaTi4O9계 세라믹, (Zr, Sn)TiO4계 세라믹, Ba(Zn, Ta)O3계 세라믹, Ba(Mg, Ta)O3계 세라믹, MgTiO3－CaTiO3계 세라믹으로 구성되는 군에서 선택되는 재료로 구성될 수 있으나, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다. 제 2 유전체층 재료로는 비유전율이 20 이상인 물질이 바람직하다.
본 발명의 표면발광소자의 광결정 구조의 에어 홀 내벽에 형성되는 발광물질층(30)은 양자점 또는 기타의 발광물질로 형성될 수 있는데, 바람직하게는 양자점으로 형성된다. 양자점으로는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물, Ⅱ-Ⅴ족 화합물, Ⅲ-Ⅵ족 화합물, Ⅲ-Ⅴ족 화합물, Ⅳ-Ⅵ족 화합물, I-Ⅲ-Ⅵ족 화합물, Ⅱ-Ⅳ-Ⅵ족 화합물 또는 Ⅱ-Ⅳ-Ⅴ족 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 이러한 양자점의 구체적인 예들은 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, InP, InAs, InSb, SiC, Fe, Pt, Ni, Co, Al, Ag, Au, Cu, FePt, Fe2O3, Fe3O4, Si, Ge를 포함하나, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 양자점은 상기 코어 위에 오버코팅을 포함하는 코어-쉘 구조일 수도 있는데, 이러한 오버코팅은 ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, HgTe, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, GaSe, InN, InP, InAs, InSb, TlN, TlP, TlAs, TlSb, PbS, PbSe 및 PbTe로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 양자점의 표면을 멀캅토아세트산(mercapto acetic acid : MAA)등의 분산제로 코팅하여, 그 표면을 음으로 하전시켜 수용액 내에 분산시킨다.
본 발명의 표면발광소자에서 광 펌핑 수단은 에어 홀의 내벽에 발광물질층이 형성된 광결정 구조에 대해 인-플레인 (in-plane) 방향으로 광을 조사해서 양자점을 여기시키는데, 이러한 펌핑 수단으로는 발광다이오드 또는 레이저 다이오드를 사용할 수 있다.
다음으로 본 발명의 표면발광소자의 동작에 대해서 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 표면발광소자에서는 광 펌핑 수단에 의해 2차원 슬라브 구조의 광결정의 인-플레인(in-plane) 방향으로 펌핑 광(여기 광)이 입사된다. 입사되는 여기 광은 광결정 슬라브에 의해 가이드되어 슬라브의 인-플레인 방향으로 진행하고, 이 여기광에 의해 양자점에서 발광되는 광이 광결정에 의해 슬라브의 수직방향으로 진행되어, 발광소자의 표면으로 출사된다.
도 3a를 참고하면, 광결정 내에 진행되는 펌핑 광(여기광)의 일부가 에어 홀과의 표면에서 새어 나와 표면에 부착된 양자점을 여기시켜 발광시킨다. 양자점에서 발광되는 빛 중에 광결정으로의 입사광(즉 측면 입사광)중 그 파장이 광결정의 뱁드갭의 파장에 해당되는 빛은 광결정 내로 진행할 수 없으므로 반사되어 표면 발광 방향으로 에어 홀을 통해 출사된다.
도 3에서 a 부분은 그 파장이 광결정의 뱁드갭의 파장에 해당되는 빛이어서 광결정 내로 진행할 수 없고, b 부분은 발광하나 측면을 통해 그 일부가 광결정 내부로 침투하여 사라진다.
본 발명에서, 2-차원 광결정 슬라브에 형성하는 홀(hole)의 크기, 홀과 홀의 사이 거리, 그 구조, 제 2 유전체층 물질의 굴절율 등을 조절함으로써, 광결정이 가두는 광의 파장(optical bandgap)을 변화시켜, 양자점에서 발광되는 빛의 일부 혹은 전부를 슬라브의 수직 방향으로 발광하도록 조절할 수 있다.
다른 양상에서 본 발명은 표면발광소자의 제조방법에 관계한다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 표면발광소자의 제조방법의 공정흐름도이다. 도 4를 참고하면, 먼저 기판 위에 제 1 유전체층 물질을 증착하여 제 1 유전체층을 형성한다. 이어서 제 1 유전체층 상에 광결정 구조가 패터닝된 제 2 유전체층을 형성하고, 광결정이 패터닝된 위에 고분자전해질을 코팅한다. 이어서 고분자 전해질층 위에 발광물질을 코팅한다. 선택적으로 발광물질층 위에는 SiO2 또는 폴리메틸메타크릴레이트 등으로 보호층을 형성할 수 있다.
본 발명에서 광결정 구조의 제조방법은 특별히 제한되지 않고, 본 발명이 속하는 기술 분야에 알려진 임의의 기술을 이용할 수 있다. 일반적으로 광결정은 유전율이 다른 2 종류 이상의 물질을 이용해서 제작할 수 있다. 통상 2차원 슬라브형 광결정의 경우 슬라브를 구성하는 제 1 유전체층의 유전율(ε1)은 제 2 유전체층의 유전율(ε2) 보다 낮다. 광결정의 제조와 관련해서는 일본특허공개 제 2001－237616호, 일본특허공개 제 2001－237617호 등의 내용을 참조할 수 있다.
기판 위에 제 1 유전체층을 증착하는 단계는 졸-겔법, 화학기상증착법, 스퍼터링법 등을 이용할 수 있다.
기판 위에 제 1 유전체층을 형성한 후에는 광결정 구조가 패터닝된 제 2 유전체층을 형성한다. 광결정 패터닝 단계는 전자선 리소그래피(e-beam lithography), 레이저 간섭 리소그래피(laser interference lithography), 또는 자외선 포토리소그래피 (deep UV photolithography) 등의 방법을 이용하여 행할 수 있다.
구체적으로 광결정 패터닝 시에는 제 1 유전체층의 전면에 감광막을 도포한 후, 상기 감광막을 노광 및 현상하여 감광막 패턴을 수득한다. 이어서 이러한 감광막 패턴을 마스크로 하여 화학적 에칭에 의해 광결정 구조를 형성한다. 2차원 슬라브 형태의 광결정 구조는 원통형 기공, 삼각 격자 등의 정방 격자 상으로 에어 홀을 패터닝한다. 이러한 화학적 에칭은 습식 에칭 또는 건식 에칭에 의해서 행할 수 있다.
습식 에칭방법은 초산수용액, 불화수소산, 인산수용액 등의 에천트를 사용하여 에칭하는 방법이고, 건식 에칭방법은 기체(gas), 플라즈마(plasma), 이온빔(ion beam) 등을 이용하여 에칭하는 방법이다. 건식 에칭으로는 플라즈마 상태에서 반응성가스를 활성화시켜 에칭시키고자 하는 물질과 화학반응을 일으켜 휘발성물질로 만들어 에칭하는 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching:RIE ) 또는 유도 결합 플라즈마 (Inductive Coupled Plasma:ICP)를 활성원으로 하는 반응성 이온 에칭 방법(ICP-RIE)을 사용할 수 있다.
발광물질 코팅 단계에서는 양자점 또는 기타의 발광 물질의 분산 용액을 드롭캐스팅(drop casting), 스핀코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 분무코팅(spray coating), 흐름코팅(flow coating), 스크린 인쇄(screen printing) 또는 잉크젯 인쇄 (Inkjet Printing) 등의 방법에 의해 코팅한다.
본 발명에서 사용가능한 양자점 이외의 발광물질로는 코마린(Coumarin) 혹은 로다민(Rhodamine) 계열의 저분자 유기 발광 재료 혹은 고분자 인광 물질 혹은 유기 E L재료 등의 발광재료를 사용할 수 있다.
고분자 전해질 코팅 단계는 양전하 또는 음전하로 구성되는 고분자전해질 및 그 염의 형태군(양전하고분자 전해질: 폴리알릴아민; 폴리에틸렌 이민, 음전하전해질: 폴리아크릴산; 폴리술폰산)에서 선택되는 고분자전해질을 드롭캐스팅, 스핀 코팅, 딥코팅 등의 방법에 의해 코팅한다. 고분자 전해질을 코팅하여 제 2 유전층의 표면에 양전하를 띄게 한다.
또 다른 양상에서 본 발명은 본 발명의 표면발광소자를 포함하는 광전자소자에 관계한다. 본 발명의 표면발광소자는 마이크로레이저(microlaser), 필터, 고효율 LED, 광스위치, 저손실 웨이브가이드(waveguide) 등 다양한 광전자 소자(optoelectronic devices)로 용도 전개가 가능하다.
특히 본 발명의 표면발광소자는 표면발광 레이저로 제작될 수 있는데, 일실시예의 표면발광소자를 도 5에 도시하였다. 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 양상에 의한 표면발광 레이저는 한 쌍의 미러로 이루어진 외부 공진기 안에 본 발명의 표면발광소자를 포함한다.
이러한 표면발광 레이저 장치에서는 공진 현상에 따라서 광을 증폭시킴으로써 레이저를 방출한다. 본 발명의 표면발광 레이저에서는 제 2 유전체층 이외의 부분에 컷오프 필터를 형성할 수 있다.
실시예 1-5
SiO2 기판 상에 TiO2 를 화학기상증착법에 의해 증착하여 제 1 유전체층을 형성하였다. 상기 제 1 유전체층 위에 포토레지스트 조성물을 도포한 후 소성하여 감광막을 형성하고, 이러한 감광막을 노광하여 감광막 패턴을 수득하였다. 수득된 감광막 패턴을 마스크로 이용하고 HCl:H2O(4:1) 용액을 에천트로 이용하여 화학적 에칭에 의해 광결정 구조를 패터닝하였다. 이때 제 2 유전체층의 에어 홀의 크기 및 기하학을 하기 표 1에 기재된 바와 같이 달리하여 실시하였다.
다음으로 고분자 전해질로서 PAH (Polyallylamine hydrochloride)의 10 mM 수용액)을 스핀 코팅에 의해 코팅하고, 고분자 전해질층 위에 MAA (mercaptoacetic acid)로 캡핑된 CdSe 나노입자를 도포하여 CdSe 나노입자를 단일층으로 배열하였다.
이어서 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 Methylene chloride 에 용해시킨 코팅액을 도포하고 건조하여 표면발광소자를 제작하였다. 펌핑 수단으로는 450-460 nm 레이져 다이오드를 이용하여 펌핑하였다.
ε1 ε2 a r t
실시예 1 3.9 25 136 nm 53 nm 82 nm
실시예 2 3.9 50 103 nm 40 nm 62 nm
실시예 3 3.9 80 82 nm 32 nm 49 nm
실시예 4 3.9 25 155 nm 60 nm 93 nm
실시예 5 3.9 25 117 nm 46 nm 70 nm
실험예
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 광결정 구조의 기하학을 다양하게 변형시키면서 표면발광소자를 제조하고 각각에 대해 특성을 평가하였다.
1. 컬러 튜닝
실시예 1, 실시예 4 및 실시예 5의 표면발광소자의 밴드갭 대역을 측정하여 도 6a 내지 도 6c에 나타내었다. 도 6a를 참고하면, 광결정 구조의 에어 홀 표면에 부착된 양자점에서 발광되는 스펙트럼의 전체 영역을 반사시켜 표출되도록 할 수 있다. 한편, 도 6b에 도시된 실시예 4의 경우에는 양자점에서 발광되는 스펙트럼의 상부 절반 부분만 반사시켜 표출되고, 도 6c에 도시된 실시예 5의 경우는 양자점에서 발광되는 스펙트럼의 하부 절반 부분만 반사시켜 표출하도록 하는 경우이다. 상기 도 6a 내지 도 6c를 통해서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 표면발광소자에서는 광결정 구조의 격자 상수를 조정함으로써 발광 대역을 원하는 발광 파장대역으로 조율할 수 있다.
2. 에어 홀의 기하학의 변화에 따른 발광특성 변화
제 1 유전체의 유전율이 최대인 경우(ε1 = 3.9, ε2 = 80)와 유전율이 최저인 경우 (ε1 = 3.9, ε2 = 25)에 슬라브의 두께는 고정한 채, 에어 홀의 직경을 변화시켜 실시하고, 각 경우에 대해 최대 발광폭(Emitted Peak width)을 하기 수학식 1에 의해 산출하여 하기 표 2 및 도 7a-7c에 나타내었다.
발광 최대폭(%) = 반치전폭(FWHM: Full Width at Half Maximum)/양자점의 발광 스펙트럼 *100
ε1 = 3.9, ε2 = 80 ε1 = 3.9, ε2 = 25
r/a 0.30 0.35 0.40 0.30 0.35 0.40
Up 0.139 0.154 0.184 1.178 0.189 0.259
Down 0.103 0.109 0.122 0.170 0.179 0.239
Width 29.7% 34.2% 40.5% 4.6% 5.4% 8.0%
상기 표 2 및 도 7a-7c를 통해서 확인되는 바와 같이, 슬라브의 두께가 고정된 상태에서 에어 홀의 직경을 증가시키면, TM 밴드갭 폭이 증가하고, TE 및 TM 갭 사이의 거리도 증가한다.
한편, 에어 홀의 직경을 고정하고 슬라브의 두께(t)를 변화시키면서 동일하게 실험하여 그 결과를 하기 표 3 및 도 8a-8c에 나타내었다.
r/a 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 0.40 0.41 0.42 0.43 0.45
Up 0.230 0.230 0.230 0.238 0.252 0.261 0.261 0.261 0.262 0.262
Down 0.183 0.186 0.189 0.192 0.195 0.200 0.205 0.210 0.217 0.233
Width 22.7% 21.1% 19.5% 21.4% 25.5% 26.5% 24.0% 21.6% 18.8% 11.7%
상기 표 3의 결과를 살펴보면, t/a=0.6이고, r/a=0.40인 경우에 최대 TE 갭(26.5%)을 수득할 수 있다.
본 발명의 표면발광소자는 표면발광효율이 향상되고, 양자점 발광 파장을 보 다 더 단색광에 가깝게 조절할 수 있다. 또한 광결정 구조의 격자 상수를 조정함으로써 특정 대역만 반사시켜 표출시키는 구조를 얻을 수 있다.
본 발명의 표면발광소자를 포함하는 표면발광 레이저는 표면발광효율이 우수하고 빛이 생성되는 공간을 매우 작게 만들 수 있기 때문에 매우 적은 에너지만으로도 작동할 수 있어, 초고속, 고효율의 광통신과 광컴퓨터 등 광전자 기반 기술에 폭넓게 활용될 수 있다.

Claims (24)

  1. 제 1 유전체층과 상기 제 1 유전체층 상부에 형성된 제 2 유전체층을 포함하고, 상기 제 2 유전체층의 표면에 2차원 격자 상의 다수의 에어 홀이 형성된 2차원 슬라브형 광결정 구조;
    상기 제 2 유전체층의 내벽에 형성된 발광물질층; 및
    상기 광결정 구조의 측면으로 광을 조사하는 광 펌핑 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면발광소자.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 광결정 구조의 제 1 유전체층의 유전율이 상기 제 2 유전체층의 유전율 보다 낮은 것을 특징으로 하는 표면발광소자.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 유전체층의 크기 및 기하학이 광결정의 광밴드갭(optical bandgap)이 발광물질층의 발광 재료의 발광 파장과 일치하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 표면발광소자.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 유전체층의 에어 홀이 삼각 격자, 사각 격자, 육각 격자 또는 램덤한 패턴으로 배열된 것을 특징으로 하는 표면발광소자.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 유전체층이 SiO2계 세라믹, 파이렉스 유리, 석영 유리, 아크릴로 구성되는 군에서 선택되는 재료로 구성된 것을 특징으로 하는 표면발광소자.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 유전체층이 비유전율이 7 이하인 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 표면발광소자.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 유전체층이 BaO－Nd2O3－ TiO2－B2O3－ZnO2－CuO계 세라믹, Al2O3－TiO2계 세라믹, TiO2계 세라믹, BaO－Bi2O3－Nd2O3－TiO2계 세라믹, BaO－Bi2O3－Nd2O3－ TiO2－SrTiO3계 세라믹, BaO－PbO－Nd2O3－TiO2계 세라믹, Ba(Zn, Nb)O3계 세라믹, BaTi4O9계 세라믹, (Zr, Sn)TiO4계 세라믹, Ba(Zn, Ta)O3계 세라믹, Ba(Mg, Ta)O3계 세라믹, MgTiO3－CaTiO3계 세라믹으로 구성되는 군에서 선택되는 재료로 구성된 것을 특징으로 하는 표면발광소자.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 유전체층이 비유전율이 20 이상인 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 표면발광소자.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 발광물질층이 양자점을 포함하는 것을 특징으로 하는
    표면발광소자.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 양자점이 Ⅱ-Ⅵ족 화합물, Ⅱ-Ⅴ족 화합물, Ⅲ-Ⅵ족 화합물, Ⅲ-Ⅴ족 화합물, Ⅳ-Ⅵ족 화합물, Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 화합물, Ⅱ-Ⅳ-Ⅵ족 화합물 및 Ⅱ-Ⅳ-Ⅴ족 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 표면발광소자.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 양자점이 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, InP, InAs, InSb, SiC, Fe, Pt, Ni, Co, Al, Ag, Au, Cu, FePt, Fe2O3, Fe3O4, Si, 및 Ge로 이루어진 군에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 표면발광소자.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 양자점이 제10항의 양자점 위에 오버코팅을 포함하는 코어-쉘 구조이고, 상기 오버코팅이 ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, HgTe, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, GaSe, InN, InP, InAs, InSb, TlN, TlP, TlAs, TlSb, PbS, PbSe 및 PbTe로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면발광소자.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 광 펌핑 수단이 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드 인 것을 특징으로 하는 표면발광소자.
  14. 기판 상에 제 1 유전체층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 유전체층 상에 광결정 구조가 패터닝된 제 2 유전체층을 형성하는 단계;
    광결정이 패터닝된 위에 고분자전해질을 코팅하는 단계; 및
    고분자 전해질층 위에 발광물질을 코팅하는 단계를 포함하는 표면발광소자의 제조방법.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 제 1 유전체층 증착 단계가 졸-겔법, 화학기상증착법, 스퍼터링법에 의해 진행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 광결정 패터닝 단계가 전자선 리소그래피(e-beam lithography), 레이저 간섭 리소그래피(laser interference lithography), 또는 자외선 포토리소그래피 (deep UV photolithography)에 의해 진행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 14항에 있어서, 상기 광결정 패터닝 단계가
    상기 제 1 유전체층 위에 감광막을 도포하는 단계;
    상기 감광막을 노광 및 현상하여 감광막 패턴을 수득하는 단계; 및
    상기 감광막 패턴을 마스크로 하여 화학적 에칭에 의해 광결정 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 화학적 에칭이 습식 에칭 또는 건식 에칭인 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 14항에 있어서, 상기 고분자 전해질 코팅 단계가 양 또는 음전하로 구성되는 고분자전해질 및 그 염에서 선택되는 고분자전해질을 코팅하는 단계인 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 양전하 고분자 전해질이 폴리알릴아민 또는 폴리에틸렌이민이고, 상기 음전하 고분자 전해질이 폴리아크릴산 또는 폴리술폰산인 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 14항에 있어서, 상기 발광물질 코팅 단계가 양자점 분산 용액을 드롭캐스팅(drop casting), 스핀코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 분무코팅(spray coating), 흐름코팅(flow coating), 스크린 인쇄(screen printing) 및 잉크젯 인쇄 (Inkjet Printing)로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 코팅하는 단계임을 특징으로 하는 방법.
  22. 한 쌍의 미러로 이루어진 외부 공진기 안에 제 1항 내지 제 13항 중 어느 하나의 표면발광소자를 포함하는 광전자 소자.
  23. 제 22항에 있어서, 상기 광전자 소자가 표면발광 레이저인 광전자소자.
  24. 제 23항에 있어서, 상기 표면발광 레이저가 표면발광소자의 에어 홀 이외의 부분에 형성된 컷오프 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자소자.
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