KR101270968B1 - 발광다이오드 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광다이오드 칩을 밀봉하는 발광층에 양자점과 광발광 물질을 혼합 첨가하여 광 특성을 개선할 수 있는 발광다이오드 소자에 관한 것으로, 광원; 및 양자점(Quantum Dot)과 상기 양자점이 흡수하는 파장과 중첩되는 영역의 파장을 방출하는 공중합체(Co-Polymer) 물질이 매질 내에 혼합 첨가되어, 상기 광원으로부터의 빛에 의하여 발광하는 발광층;을 포함한다.

Description

발광다이오드 소자{LED}
본 발명은 발광다이오드 패키지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발광다이오드 칩을 밀봉하는 발광층에 양자점과 광발광 물질을 혼합 첨가하여 광 특성을 개선할 수 있는 발광다이오드 소자에 관한 것이다.
발광다이오드(Light Emitting Diode, 이하 'LED'라 함)는 화합물 반도체 재료의 변경을 통해 발광원을 구성함으로써, 다양한 색상의 빛을 구현할 수 있는 반도체 소자를 말한다. 질화갈륨(GaN)계 Ⅲ-Ⅴ족 혼합물의 연구 개발에 힘입어, 청색 및 자외선 광을 발광하는 소자가 상용화됨으로써 표시장치, 광원용 장치, 환경 응용장치 등의 소자로 널리 이용되고 있다. 백색 발광의 LED를 구현하기 위하여 청색 또는 자외선 광을 발하는 소자에 파장 변환층을 결합하는 구조가 널리 이용되고 있으며, 최근에는 등록특허공보 제10-0991904호(참고문헌1) 등에서 RGB 양자점을 이용한 백색광 LED가 제안되고 있다.
일반적으로 양자점은 이 물질의 밴드 갭 보다 큰 에너지를 가지는 빛을 흡수하면 여기가 가능한 특성이 있다. 즉, 양자점은 물질의 광 특성이 나노 영역에서는 양자 국한 현상으로 인하여 물질의 크기 조절에 의하여 밴드 갭 조절이 가능하여 벌크 밴드 갭 보다 더 큰 밴드 갭을 구현하는 것이 가능하다. 또한, 물질의 교환 없이 크기만을 조율하여 높은 발광 효율로 색순도가 뛰어난 전 가시광 영역의 빛을 방출하는 물질로 알려져 있다. 이러한 특성을 이용하여 다양한 크기의 양자점과 단파장 광원을 결합함으로써, 백색 발광 소자를 만들 수 있게 된다. 구체적으로는, 양자점의 대략적인 크기가 5.5~6.5nm인 경우 적색계열, 4.0~5.0nm인 경우 녹색계열, 2.0~3.5nm인 경우 청색계열의 빛을 발하며, 적색과 녹색을 발하는 중간 정도의 크기에서 황색을 발하는 것으로 알려져 있다. 이러한 양자점은 Ⅱ-Ⅵ 족 또는 Ⅲ-Ⅴ족의 반도체 화합물로서, 코어(Core) 단독 구조, 코어-쉘(Core-Shell) 구조 또는 코어-멀티 쉘(Core-Multi Shell) 구조를 이룬다.
도 1은 종래의 기술에 따른 양자점을 이용한 백색광 LED 소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 양자점을 이용한 백색광 LED는 청색 또는 자외선 영역의 빛을 발하는 광원(10)이 배치되고, RGB 양자점(21)이 분산 담체된 봉지재가 광원을 밀봉하여 발광층(20)을 형성하는 구조를 이룬다. 각 양자점(21)은 광원(10)으로부터 청색 또는 자외선 영역의 단파장의 파장을 흡수하여 R,G,B의 광을 방출하게 되며, R,G,B 광의 혼합에 의하여 전체 발광층(20)에서는 백색광으로 발광하게 된다. 이러한 양자점을 이용한 백색광 LED는 RGB 양자점(21)을 동시에 여기 시키는 단파장 광원을 결합하여 제조되기 때문에 에너지 효율이 높고, 자연광에 가까운 백색광을 방출할 수 있는 장점을 나타낸다.
그러나, 종래의 기술에서와 같이 발광층을 구성하는 봉지재에 양자점만을 첨가하는 경우 양자점 상호 간에 에너지의 간섭이 발생할 수 있고, 양자점의 뭉침 현상으로 인하여 광 특성을 충분히 개선시키기 못하는 문제점이 있다. 또한, 광 효율에 있어서도 양자점 자체에 의해서만 효율 개선이 의존되므로, 광 효율에 한계를 나타낸다. 또한, 양자점은 발광을 위하여 청색 영역의 단파장(520nm 내외)도 흡수하는데, 이는 방출하고자 하는 청색 영역의 파장과 중첩되어 LED의 연색성이나 광속을 저하시키는 요인이 되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 양자점을 게스트 물질로 하고 공중합체를 호스트 물질로 하여, 양자점의 발광 특성을 개선시킬 수 있는 발광다이오드 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 양자점의 발광 특성과 공중합체의 발광 특성을 중첩시킴으로서, 광속 특성을 개선할 수 있는 발광다이오드 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 양자점과 공중합체를 혼합하여 발광층을 제작함으로써, 양자점의 사용량을 줄일 수 있으며, 양자점의 분산도를 증가시킬 수 있는 발광다이오드 소자를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 발광다이오드는, 광원; 및 양자점(Quantum Dot)과 상기 양자점이 흡수하는 파장과 중첩되는 영역의 파장을 방출하는 공중합체(Co-Polymer) 물질이 매질 내에 혼합 첨가되어, 상기 광원으로부터의 빛에 의하여 발광하는 발광층;을 포함한다.
여기서, 상기 공중합체는 플루오렌계 공중합체(Fluorene Co-Polymer)인 것을 특징으로 하며, 상기 양자점과 공중합체는 1:0.9 내지 1:1.1의 중량비 중량비로 매질에 혼합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광원은 300nm 내지 620nm 파장 범위 내의 빛을 방출하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성의 본 발명은, 양자점을 게스트 물질로 하고 공중합체를 호스트 물질로 혼합함으로써, 양자점의 발광 특성이 크게 향상된다.
또한, 본 발명은 양자점의 발광 특성에 공중합체의 발광 특성이 중첩되어, 광속 특성이 개선된다.
또한, 본 발명은 공중합체가 일부의 양자점을 대체하여 양자점의 사용량을 줄일 수 있으며, 양자점 사이에 공중합체가 개입되어 양자점의 분산도를 증가시킬 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 양자점을 이용한 백색광 LED 소자를 나타낸 종단면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LED 소자를 나타낸 종단면도,
도 3은 도 2의 주요부인 게스트 물질과 호스트 물질의 에너지 전달과정을 보인 개념도,
도 4는 도 2에서 호스트 물질로 사용되는 공중합체의 흡수파장과 발광파장을 나타낸 그래프,
도 5는 양자점의 흡수파장과 공중합체의 발광파장을 비교한 그래프,
도 6은 본 발명의 실험예에 따른 공중합체의 농도에 따른 발광 특성을 나타낸 그래프, 및
도 7은 본 발명의 실험예에 따른 양자점과 공중합체의 혼합형에 대한 광 특성을 나타낸 그래프이다.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 바람직한 실시예들에 의해 명확해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LED 소자를 나타낸 종단면도이고, 도 3은 도 2의 주요부인 게스트 물질과 호스트 물질의 에너지 전달과정을 보인 개념도이며, 도 4는 도 2에서 호스트 물질로 사용되는 공중합체의 흡수파장과 발광파장을 나타낸 그래프이고, 도 5는 양자점의 흡수파장과 공중합체의 발광파장을 비교한 그래프이다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 LED 소자는 광원인 LED 칩(100)을 발광층(200)이 몰딩하는 구조를 이루며, 특히 발광층(200)에는 발광원으로 양자점(210, Quantum Dot)과 공중합체(220, Co-Polymer)가 혼합(mixing)된다.
여기서, LED 칩(100)은 양자점(210)과 공중합체(220)가 흡수하는 파장 영역의 빛을 방출하여, 양자점(210)과 공중합체(220)를 여기시키기 위한 여기 광원이다. 이를 위하여 LED 칩(100)은 자외선 내지 청색 영역인 300nm 내지 620nm 범위 내의 파장의 빛을 방출하는 광원으로 구성되는 것이 바람직하다.
양자점(210)은 LED 칩(100)에서 방출되는 단파장의 빛을 흡수하여 가시광 영역의 빛을 방출하기 위한 발광원으로, 각각 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)으로 발광하는 다수의 양자점(210)이 발광층(200)의 매질 내에 첨가된다. 또한, 경우에 따라서는 황색(Y) 발광의 양자점이 더 첨가될 수 있으며, 사용자의 의도에 따라 다양한 범위의 가시광으로 발광하는 양자점을 선택적으로 첨가할 수 있다. 이러한 양자점(210)은 가시광에 대한 우수한 광 투과성을 가지는 물질의 매질에 혼합되어 발광층을 구성하며, 일 예로 톨루엔 등을 용매로 하여 첨가될 수 있다.
공중합체(220)는 LED 칩(100)에서 방출되는 단파장의 빛을 흡수하여, 양자점(210)이 흡수하는 영역의 파장으로 발광하는 발광원으로 기능함과 동시에 양자점의 발광을 위한 에너지를 제공하는 에너지원으로 기능한다. 즉, 양자점(210)과 공중합체(220)가 혼합 참가되는 경우 페르스터 에너지 전달(Forster Energy Transfer) 이론에 따라 공중합체(220)의 여기 에너지가 양자점(210)의 발광에 기여하게 된다. 또한, 공중합체(220)는 양자점(210) 사이에서 양자점이 효율적으로 분산되도록 한다.
페르스터 에너지 전달은 형광 발광 공명 에너지 전달(Fluorescence Resonance Energy Transfer, FRET) 과정으로, 호스트(Host)의 여기 상태에서 기저 상태로의 천이 쌍극자와 게스트(Guest)의 기저 상태에서 천이 상태로의 천이 쌍극자가 공명하여 에너지 이동이 일어나는 현상으로, 호스트 내에 게스트 물질을 도핑하면 호스트 분자의 여기 에너지가 게스트 분자로 이동하여 형광 양자 수율이 높은 게스트에서 발광이 일어나는 현상이다. 이때, 전자(Electron)의 주입을 원활하게 하기 위하여 호스트의 컨덕션 밴드(Conduction Band)는 게스트의 컨덕션 밴드보다 낮아야 하며, 정공(Hole)의 주입을 원활하게 하기 위하여 호스트의 밸런스 밴드(Valance Band)는 게스트의 밸런스 밴드보다 높아야 한다.
이러한 페르스터 에너지 전달 이론에 따라 본 발명에서는 양자점(210)은 게스트(Guest) 물질이 되고 공중합체(220)는 호스트(Host) 물질이 되어, 도 3에 도시된 바와 같이, 공중합체(220)의 여기 에너지가 양자점(210)으로 이동하여 양자점(210)의 발광에 기여하게 되는 것이다.
한편, 공중합체(220)도 LED 칩(100)으로부터 단파장의 빛을 흡수하여 발광한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 공중합체(220)는 약 480nm의 파장을 최고점으로 하는 대략 500nm 이하 영역의 단파장을 흡수하고, 530nm의 파장을 최고점으로 하는 청색 영역의 파장으로 발광한다. 공중합체(220)에서 방출하는 청색 영역의 파장은 LED 소자의 발광 특성에 직접 기여할 뿐만 아니라 양자점(210)의 발광에 기여하게 된다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 양자점(210)이 흡수하는 파장은 대략 500nm 이하의 단파장 뿐만 아니라 약 520nm의 파장 범위에서도 많은 양을 흡수하고, 공중합체(220)는 530nm 범위에서 많은 양의 파장을 방출하면서 발광한다. 도면에서도 알 수 있는 바와 같이, 양자점(210)의 흡수 파장과 공중합체(220)의 발광 파장이 대략 520nm 내지 530nm의 범위에서 중첩되므로, 양자점(210)이 흡수하는 청색 영역의 파장은 공중합체(220)로부터 전달받게 되므로, 에너지의 손실이 없이 발광 효율을 향상시킬 수 있는 것이다. 뿐만 아니라, 공중합체(220)에서 발생하는 청색 영역의 파장 중 일부는 에너지 전이 형태로 양자점(210)에 제공되지만, 전이 후의 나머지 파장은 직접 LED 소자의 발광원으로 사용되어 LED 소자의 휘도 향상에 기여하게 된다.
한편, 양자점과 공중합체가 혼합된 구조의 발광층은, 도 2에 도시된 바와 같이 LED 칩을 밀봉하면서 형성될 수도 있으나 반드시 이에 한정되는 것을 아니며, 다른 예로, LED 칩 상면에 직접 도포되거나 필름 형태로 제작되어 LED 칩 상면에 적층됨으로써, 백색 발광의 LED 소자를 구현하는 것도 가능하다.
[ 실험예1 ]
본 발명의 실험1에 있어서, 양자점으로는 청색 영역의 파장을 방출하기 위하여 대략 2.5nm 크기의 Cd-Se의 코어-쉘 구조의 양자점을 사용하였고, 공중합체로는 광발광(Photoluminance) 특성을 나타내는 아래와 같은 화학식1 구조를 가지는 플루오렌계 공중합체(Fluorene Co-Polymer)를 사용하였다.
[화학식1]
Figure 112011103163594-pat00001
또한, 양자점과 공중합체는 톨루엔 솔벤트에 첨가하였으며, 양자점 1 중량%에 대하여 공중합체는 0.2 내지 2.0 중량%로 가변하면서 실험하였다.
도 6은 본 발명의 실험예에 따른 공중합체의 농도에 따른 발광 특성을 나타낸 그래프이고, 도 7은 본 발명의 실험예에 따른 양자점과 공중합체의 혼합형에 대한 광 특성을 나타낸 그래프이다.
먼저, 도 6에 도시된 바와 같이, 1 중량%의 양자점에 대하여 공중합체의 중량이 증가할수록 광효율도 함께 증가하지만, 대략 1중량% 이상이 혼합되었을 때는 광효율은 오히려 감소함을 확인할 수 있다. 즉, 양자점과 공중합체는 1:0.8 내지 1:1.2의 중량비로 혼합되었을 때 우수한 발광효율을 나타내며, 바람직하게는 1:0.9 내지 1:1.1의 중량비로 혼합되었을 때 매우 우수한 발광효율을 나타내고 있다. 이러한 결과에 따라 양자점과 공중합체가 거의 동일한 중량비로 혼합되었을 때 가장 우수한 효율로 발광됨을 알 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 양자점이 단독으로 사용된 경우보다 공중합체가 함께 혼합되었을 경우에 약 2배 이상의 광도를 나타냄을 확인할 수 있다.
한편, 양자점과 함께 혼합되는 공중합체는 광발광 특성을 가지는 물질이어야 한다. 특히, 플루오렌계 물질은 Polycyclic aromatic hydrocarbon 물질로 Naphthalene과 유사한 구조를 가지며, 단일결합구조에 중합되는 물질의 특성에 의하여 광발광 물질 및 광흡수 물질로 사용될 수 있다. 이러한 특성으로 인하여 아래의 화학식2 구조를 포함하는 다양한 종류의 플루오렌계 공중합체가 본 발명의 공중합체에 적용될 수 있다.
[화학식2]
Figure 112011103163594-pat00002
즉, 실험예1에서는 화학식2의 구조에서 R1과 R2에는 C8H17이 결합되었으나, R1 및 R2에는 C1 내지 C15의 알킬기가 직쇄 또는 측쇄로 결합될 수 있으며, R1 및 R2에는 서로 동일한 구조의 물질이 결합되는 것이 일반적이다.
[ 실험예2 ]
본 발명의 실험예2에서는, 형광체가 첨가된 발광층, 양자점이 첨가된 발광층 및 양자점과 공중합체가 혼합 첨가된 발광층을 구비하는 LED 소자에 대한 광 특성을 비교하였다.
구분 광속(lm) 색좌표 CRI 효율(lm/W)
형광체 LED 6.69 0.33, 0.34 75 94
양자점 LED 5.53 0.31, 0.34 64 42
혼합형 LED 7.056 0.34, 0.36 77 108
표 1에서와 같이 양자점과 공중합체를 혼합한 LED 소자에서 가장 우수한 광 특성이 나타나고 있음을 확인할 수 있다. 특히 양자점만을 사용한 경우에는 에너지 전달 및 양자점 특성의 의하여 형광체를 이용한 경우보다 낮은 광 특성을 나타내는데, 공중합체가 혼합되는 경우 형광체를 이용한 경우보다 높은 광 특성을 나타내고 있다. 이는 공중합체가 양자점의 발광 효율에 기여하기 때문이다.
이상에서 본 발명에 있어서 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100 : LED 칩 200 : 발광층
210 : 양자점 220 : 공중합체

Claims (4)

  1. 광원; 및
    투명 매질 내에 양자점(Quantum Dot)과 상기 양자점 사이에 첨가되는 플루오렌계 공중합체(Fluorene Co-Polymer) 물질이 1:0.9 내지 1:1.1의 중량비로 혼합되어, 상기 광원으로부터의 빛에 의하여 발광하는 발광층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 플루오렌계 공중합체(Fluorene Co-Polymer)는,
    하기의 화학식을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자.
    [화학식]
    Figure 112013007874824-pat00003

    (여기서, R1 및 R2는 C1 내지 C15의 직쇄 또는 측쇄 알킬기이며, 서로 동일한 구조를 가질 수 있다.)
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광원은,
    300nm 내지 620nm 파장 범위 내의 빛을 방출하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자.

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