KR101325323B1 - 광결정 구조체, 이를 포함하는 발광 다이오드 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
광결정 구조체, 이를 포함하는 발광 다이오드 및 이의 제조방법이 제공된다. 광결정 구조체는 상부에 형성된 나노 패턴 내부에 색변환 나노입자 및 광산란 나노입자를 함께 함유하며, 광산란 나노입자는 색변환 나노입자들 사이에 분포되어, 색변환 나노입자들 간의 밀집을 억제할 수 있다. 또한, 광결정 구조체를 포함하는 발광 다이오드는 규칙적으로 형성되는 나노 패턴 내부에 색변환 나노입자와 광산란 나노입자를 함유하는 광결정 구조체를 구비하며, 광산란 나노입자는 색변환 나노입자들 사이에 분포되어, 파장변환된 광이 진행하는 통로로서의 역할을 수행할 수 있어 발광 효율이 향상된다. 또한, 광결정의 제조방법은 역 나노 임프린트 리소그래피 공정을 이용하여 간단하고 용이하게 발광 다이오드 상에 직접 광결정 구조체를 형성할 수 있다.
Description
본 발명은 광결정 구조체, 이를 포함하는 발광 다이오드 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노 패턴 내에 색변환 나노입자와 광산란 나노입자를 함유하는 광결정 구조체, 이를 포함하는 발광 다이오드 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)가 차세대 광원으로 주목됨에 따라 상기 발광 다이오드를 광원으로 이용하는 조명 시장이 급성장하고 있다.
상기 발광 다이오드는 기판의 상면에 n형 반도체층, 양자 우물층, p형 반도체층 및 투명 전극층이 순차 적층된 구조를 가진다. 상기 발광 다이오드에 순방향의 전압이 인가되면, n형 반도체층으로부터 공급되는 전자와, 상기 p형 반도체층으로부터 공급되는 정공이 양자 우물층에서 재결합한다. 이 때, 상기 양자 우물층의 여기 준위 또는 에너지 밴드갭 차이에 해당하는 에너지의 광이 방출된다.
그러나, 발광 다이오드와 외부와의 높은 굴절률 차에 의한 전반사로 인해 광이 외부로 방출되기 어려워, 발광 효율이 저하되는 문제점이 있다.
한편, 발광 다이오드 중에서도, 백색 발광 다이오드는 긴 수명과 낮은 소비 전력을 가지는 등의 이점을 가져, 차세대 발광 다이오드 중 하나로서 연구가 진행되고 있다.
백색광을 구현하는 방식에는, 청색 발광 다이오드를 광원으로 사용하고, 황색 형광체를 여기시키는 방식과, 자외선 광을 방출하는 발광 다이오드를 광원으로 사용하고, 적색, 녹색 및 청색의 형광체를 여기시키는 방식이 있다. 즉, 백색광을 구현하기 위해서는 형광체가 필수적으로 요구된다.
그러나, 상기 발광 다이오드로부터 방출된 광이 상기 형광체를 투과함에 따라, 상기 형광체가 여기되어 파장 변환되는 광의 약 60%는 후면으로 방출된다. 상기 후면 방출되는 광의 상당 부분은 발광 다이오드로 흡수되거나, 산란되면서 소실된다. 그 결과, 발광 효율이 저하되며, 소자가 열화되는 등 소자 특성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 나노 패턴을 가지는 광결정 구조체 내에 색변환 나노입자와 광산란 나노입자를 포함하여 향상된 발광 효율을 가지는 광결정 구조체 및 이를 포함하는 발광 다이오드를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 역 나노 임프린트 리소그래피 공정을 이용하여 간단하고 용이하게 발광 다이오드 상에 직접 광결정 구조체를 제조하는 방법을 제공함에 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 광결정 구조체를 제공한다. 상기 광결정 구조체는 상부에 형성된 나노 패턴; 상기 나노 패턴 내부에 함유되는 색변환 나노입자 및 광산란 나노입자를 포함한다.
상기 광산란 나노입자는 상기 색변환 나노입자들 사이에 분포하여 상기 색변환 나노입자들 간의 밀집을 억제할 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 발광 다이오드를 제공한다. 상기 발광 다이오드는 화합물 반도체층을 가지는 발광 다이오드; 및 상기 발광 다이오드의 상부에 형성되는 광결정 구조체를 포함하되, 상기 광결정 구조체는 상기 광결정 구조체의 상부에 나노 패턴을 가지며, 상기 나노 패턴 내부에 색변환 나노입자와 광산란 나노입자를 함유한다.
상기 광산란 나노입자는 상기 색변환 나노입자들 사이에 분포하여 상기 색변환 나노입자들 간의 밀집을 억제할 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 광결정 구조체의 제조방법을 제공한다. 상기 광결정 구조체의 제조방법은 스탬프 상에 색변환 나노입자와 광산란 나노입자가 분산된 졸 솔루션을 형성하는 단계; 기판 상에 코팅막을 형성하는 단계; 상기 기판 상에, 상기 졸 솔루션이 상기 기판과 접촉하도록 상기 스탬프를 배치하는 단계; 상기 기판과 상기 스탬프를 접촉시키고, 가열 및 가압하는 단계; 및 상기 스탬프를 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 광결정 구조체는 그 내부에 색변환 나노입자가 함유되어 경제적일 수 있다. 나아가, 발광 다이오드는 상면에 색변환 나노입자와 광산란 나노입자를 함유하는 광결정 구조체를 구비하여, 상기 색변환 나노입자에서 방출되는 광이 광산란 나노입자를 용이하게 투과하여 발광 효율이 증가될 수 있다. 또한, 다양한 종류의 색변환 나노입자를 다양한 조성비를 가지도록 배합할 수 있어 컬러 렌더링(color rendering)이 용이할 수 있다.
나아가, 역 나노 임프린트 리소그래피 공정을 이용하여 간단하고 용이하게 발광 다이오드 상에 직접 광결정 구조체를 형성할 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른 광결정 구조체의 제조방법을 나타낸 공정도들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 나타낸 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 백색 발광 원리를 나타낸 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광결정 구조체의 단면을 나타낸 SEM 이미지들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 EDX 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 색좌표를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 나타낸 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 백색 발광 원리를 나타낸 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광결정 구조체의 단면을 나타낸 SEM 이미지들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 EDX 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 색좌표를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한, 본 명세서에서 위쪽, 상(부), 상면 등의 방향적인 표현은 그 기준에 따라 아래쪽, 하(부), 하면 등의 의미로 이해될 수 있다. 즉, 공간적인 방향의 표현은 상대적인 방향으로 이해되어야 하며 절대적인 방향을 의미하는 것으로 한정 해석되어서는 안 된다.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장 또는 생략된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 광결정 구조체의 제조방법을 나타낸 공정도들이다.
도 1a를 참조하면, 나노 패턴이 형성된 스탬프(300) 상에 졸 솔루션(400)을 형성할 수 있다. 상기 나노 패턴은 도트(dot) 또는 홀(hole) 패턴일 수 있다. 상기 졸 솔루션(400)은 용매에 분산된 색변환 나노입자들과 광산란 나노입자들을 포함할 수 있다. 상기 용매는 이소프로필 알코올(IPA), 에탄올 또는 물 등일 수 있다. 이 때, 상기 광산란 나노입자는 상기 색변환 나노입자들 사이에 고루 분산시키는 것이 바람직하다.
상기 색변환 나노입자는 양자점 또는 형광체일 수 있다. 상기 광산란 나노입자는 금속 산화물 나노입자일 수 있다. 상기 졸 솔루션(400)은 상기 용매에 색변환 나노입자와 광산란 나노입자가 분산된 용액일 수 있다.
상기 스탬프(300)는 소프트 스탬프일 수 있다. 일 예로, 상기 소프트 스탬프는 고분자 재질로 이루어진 스탬프일 수 있다. 예컨대, 상기 소프트 스탬프는PDMS(polymethylsiloxane), PVC(poly vinyl chloride), PC(poly carbonate) 또는 PVA(poly vinyl acrylate)로 이루어진 스탬프일 수 있다. 또한, 상기 스탬프(300)는 하드 스탬프일 수 있다. 예컨대, 상기 하드 스탬프는 글래스(glass) 또는 유리로 이루어진 스탬프일 수 있다.
상기 스탬프(300)는 표면에 반대 패턴이 형성된 마스터 스탬프(미도시)로부터 복제된 스탬프일 수 있다. 이 때, 상기 마스터 스탬프의 표면에 이형층(미도시)이 위치할 수 있다. 일 예로, 상기 이형층은 PPT (pentaerythritol propoxylate triacrylate) 또는 PUA(Polyurethane acrylate) 등으로 구성될 수 있다. 이는 복제 스탬프와 마스터 스탬프의 분리를 용이하게 할 수 있다.
일 예로, 상기의 스탬프(300) 상에 졸 솔루션(400)을 형성하기 위해 스핀 코팅법이 이용될 수 있다. 이 경우, 스탬프(300)의 패턴 내부까지 졸 솔루션(400)이 충분히 코팅될 수 있다. 또한, 상기 스핀 코팅 후 러빙(rubbing) 공정을 수행할 수 있다. 상기 러빙 공정을 통해 상기 졸 솔루션(400)이 상기 스탬프(300)에 균일하게 도포될 수 있다.
도 1b를 참조하면, 기판(100)의 상면에 코팅막(120)을 형성할 수 있다. 일 예로, 상기 기판(100)은 발광 다이오드의 상면일 수 있다. 이 경우, 상기 기판(100)은 p형 반도체층일 수 있다. 또한, 상기 p형 반도체층 상에 투명 전극층을 형성한 경우에, 상기 기판(100)은 상기 투명 전극층일 수 있다.
일 예로, 상기 코팅막(120)은 수막일 수 있다. 상기 수막은 물(water)을 스핀 코팅한 후, 열처리하여 형성할 수 있다. 이 경우, 기판(100)의 상면에 수분이 유지되어 상기 기판(100) 상에 용이하게 졸 솔루션(400)을 전사할 수 있다.
도 1c를 참조하면, 기판(100) 상에 스탬프(300)를 배치한다. 이 때, 상기 스탬프(300)는 졸 솔루션(400)이 상기 기판(100)을 바라보도록 배치할 수 있다. 따라서, 상기 졸 솔루션(400)이 상기 기판(100)과 접촉할 수 있다.
도 1d를 참조하면, 스탬프(300)와 기판(100)을 접촉시키고, 가열 및 가압하여 졸 솔루션(400)을 기판(100) 상에 전사시킨다. 상기 가열 및 가압은 진공 상태에서 수행될 수 있다. 상기 가열 온도는 100℃ ∼ 200℃ 일 수 있다. 또한, 가압시의 압력은 1 atm ∼ 20 atm일 수 있다. 그 결과, 졸 솔루션(400)에 포함된 용매가 제거되어 겔 솔루션으로 변화할 수 있다. 상기 용매가 제거되면서 상기 겔 솔루션은 상기 기판(100)과 강한 접착력을 가질 수 있다.
도 1e를 참조하면, 접촉된 기판(100)과 스탬프(300)를 분리할 수 있다. 일 예로, 온도를 천천히 낮추면서 상기 기판(100)과 스탬프(300)를 분리할 수 있다. 그 결과, 상기 기판(100) 상에는, 상부에 규칙적인 나노 패턴을 가지고, 색변환 나노입자와 광산란 나노입자를 함유하는 광결정 구조체(200)가 형성될 수 있다.
상기 도 1a 내지 도 1e의 공정을 복수회 수행할 수 있다. 이 때, 마지막으로 수행되는 공정 이외의 공정에서는, 나노 패턴이 포함되지 않은 평탄한 스탬프를 사용할 수 있다. 이 경우, 상기 광결정 구조체(200) 내에 함유된 색변환 나노입자와 광산란 나노입자의 함량이 증가될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 나타낸 개략적인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 발광 다이오드(100) 상에 광결정 구조체(200)가 구비될 수 있다.
상기 광결정 구조체(200)는 복수개의 색변환 나노입자(210)와 복수개의 광산란 나노입자(220)를 함유할 수 있다.
상기 발광 다이오드(100)는 기판(10) 상에 n형 반도체층(20), 활성층(30), p형 반도체층(40) 및 투명 전극층(50)이 순차 적층된 구조를 가질 수 있다.
일 예로, 상기 발광 다이오드(100)는 청색광을 방출하는 발광 다이오드일 수 있다. 예컨대, 상기 발광 다이오드(100)는 GaN계 발광 다이오드일 수 있다. 상기 GaN계 발광소자는 사파이어 기판 상에 n-GaN층, 활성층 및 p-GaN층이 순차적으로 적층된 구조로 이루어질 수 있다. 상기 활성층은 AlGaN/GaN/AlGaN, InAlGaN/InAlGaN/InAlGaN 등의 단일 양자우물 또는 다중 양자우물 구조를 가질 수 있다.
상기 광결정 구조체(200)는 상부에 규칙적인 나노 패턴을 가질 수 있다. 상기 나노 패턴은 상기 광결정 구조체(200) 외부와의 굴절율 차이로 인해 상기 발광 다이오드(100)에서 방출되는 광을 전반사시킬 수 있다. 따라서, 전면으로 방출되는 광량을 증가시킬 수 있다.
상기 색변환 나노입자(210)는 양자점, 형광체 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 양자점은 양자 제한 효과(quantum confinement effect)를 가지는 나노입자일 수 있다. 상기 양자점은 직경의 변화에 따라 흡수 또는 방출하는 광의 색상을 변화시킬 수 있다. 상기 직경은 1nm ∼ 10nm일 수 있다.
상기 양자점은 동일한 물질로 구성되더라도, 직경이 다른 경우 서로 다른 에너지 밴드갭을 가진다. 따라서, 상기 양자점의 직경을 변화시켜 다양한 파장의 광을 얻을 수 있다.
예컨대, 상기 양자점은 II-VI족 반도체 화합물 양자점 또는 III-V 족 반도체 화합물 양자점일 수 있다.
일 예로, 상기 양자점은 Zn1 - xCdxS1 - ySey(0≤x≤1, 0≤y≤1)일 수 있다. 이 때,상기 양자점은 코어-쉘 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 상기 코어는 CdSe, CdS, ZnSe 또는 ZnS일 수 있으며, 상기 쉘은 CdSe, CdS, ZnSe 또는 ZnS일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 복수개의 색변환 나노입자(210)는 형광체일 수 있다. 일 예로, 상기 형광체는 무기 형광체일 수 있다. 상기 무기 형광체는 적색 무기 형광체, 녹색 무기 형광체 또는 청색 무기 형광체, 및 이들의 조합일 수 있다.
예컨대, 상기 적색 무기 형광체는 (Sr,Ca,Ba,Mg)P2O7:Eu2 +,Mn2 +,;CaLa2S4:Ce3 +; SrY2S4:Eu2 +;(Ca,Sr)S:Eu2 +;SrS:Eu2 +;Y2O3:Eu3 +,Bi3 +;YVO4:Eu3 +,Bi3 +;Y2O2S:Eu3 +,Bi3 +;Y2O2S:Eu3+으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 녹색 무기 형광체는 YBO3:Ce3 +,Tb3 +; BaMgAl10O17:Eu2 +,Mn2 +;(Sr,Ca,Ba)(Al,Ga)2S4:Eu2 +;ZnS:Cu,Al;Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Eu2 +,Mn2 +;Ba2SiO4:Eu2 +;(Ba,Sr)2SiO4:Eu2 +;Ba2(Mg,Zn)Si2O7:Eu2 +;(Ba,Sr)Al2O4:Eu2 +;Sr2Si3O8.2SrCl2:Eu2+으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 청색 무기형광체는 (Sr,Mg,Ca)10(PO4)6Cl2:Eu2 +; BaMgAl10O17:Eu2 +; BaMg2Al16O27:Eu2+으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 무기 형광체의 직경은 10nm ∼ 80nm 일 수 있다.
상기 색변환 나노입자(210)는 양자점과 형광체의 혼합일 수 있다. 일 예로, 상기 색변환 나노입자(210)는 적색 무기 형광체 및 녹색 양자점, 또는 녹색 무기 형광체 및 적색 양자점의 조합일 수 있다. 이 경우, 상기 청색광을 방출하는 발광 다이오드(100)를 사용하여 백색광을 구현할 수 있다.
상기 색변환 나노입자(210)는 사용되는 나노입자의 종류 또는 조성비에 따라 다양한 파장의 광을 방출할 수 있어, 컬러 렌더링이 용이한 이점이 있다.
상기 광산란 나노입자(220)는 2.5 이상의 고굴절율을 가지는 나노입자일 수 있다. 따라서, 상기 광산란 나노입자(220)는 상기 발광 다이오드(100)로부터 방출되는 광 중 외부로 직접 투과되는 광을 산란시켜 전면으로 방출되는 광량을 증가시킬 수 있다.
상기 광산란 나노입자(220)는 투명한 나노입자일 수 있다. 또한, 상기 광산란 나노입자(220)는 상기 광결정 구조체(200) 내에 상기 색변환 나노입자(210)와 함께 함유되어 상기 색변환 나노입자(220)의 분포를 분산시킬 수 있다. 즉, 상기 광산란 나노입자(220)는 상기 색변환 나노입자(210)들 사이에 분포되어, 상기 색변환 나노입자(210)들 간의 밀집을 억제할 수 있다. 이 경우, 상기 발광 다이오드(100)로부터 방출되어 상기 색변환 나노입자(210)을 통해 파장변환된 광은 상기 광산란 나노입자(220)를 투과하여 방출될 수 있다. 즉, 상기 광산란 나노입자(220)는 상기 색변환 나노입자(210)을 통해 파장변환된 광이 진행하는 통로가 될 수 있다. 따라서, 발광 효율이 증가될 수 있다.
일 예로, 상기 광산란 나노입자는 금속 산화물 나노입자일 수 있다. 예컨대, 상기 금속 산화물 나노입자는 SiO2, TiO2, ZnO, Al2O3, Ta2O5, HfO2 및 ZrO2 중에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 색변환 나노입자(210)는 10 중량% ∼ 50 중량%, 상기 광산란 나노입자(220)는 50 중량% ∼ 90중량%가 함유될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 백색 발광 원리를 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 일 예로, 발광 다이오드(100)는 청색 발광 다이오드일 수 있고, 광결정 구조체(200)는 적색 및 녹색으로 발광하는 색변환 나노입자(210)를 함유할 수 있다.
상기 발광 다이오드(100)에서 방출되는 청색광에 의하여 상기 색변환 나노입자(210)가 여기되어 적색광 및 녹색광을 방출하고, 상기 적색광 및 녹색광이 조합되어 백색광을 구현할 수 있다.
상기 발광 다이오드(100)의 청색광의 파장은 백색광의 파장을 구성할 수 있다. 상기 색변환 나노입자(210)는 청색 발광 다이오드에서 방출되는 청색광의 파장을 일부만 흡수하여 적색광을 방출할 수 있다. 또한, 상기 색변환 나노입자(210)는 청색 발광 다이오드에서 방출되는 청색 파장을 일부만 흡수하여 녹색광을 방출할 수 있다. 또한, 상기 색변환 나노입자(210)는 적색광의 파장을 다시 일부 흡수하여 녹색광을 방출할 수 있다. 상기 적색광의 파장과 상기 녹색광의 파장은 백색광의 파장을 구성할 수 있다.
즉, 상기 발광 다이오드(100)가 방출하는 청색광의 파장은 백색광의 파장을 구성하고, 상기 색변환 나노입자(210)는 청색광으로 여기된 광원의 일부만을 전환하여 사용할 수 있다. 그 결과, 상기 색변환 나노입자(210)의 수명이 향상될 수 있다.
이 때, 상기 광결정 구조체(200)에 광산란 나노입자(220)는 상기 발광 다이오드(100)가 방출하는 청색광 중 외부로 직접 투과되는 광을 산란시켜 전면으로 방출되는 광량을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 광산란 나노입자(220)는 상기 발광 다이오드(100)로부터 방출되어 상기 색변환 나노입자(210)를 통해 파장변환된 적색광 및 녹색광을 투과할 수 있다.
실험예
PDMS 스탬프에 졸 솔루션을 스핀 코팅하였다. 이 때, 졸 솔루션은 이소프로필 알콜(IPA) 용액에 30 ∼ 50nm의 직경을 가지는 TiO2 나노입자와, 10nm 이하의 직경을 가지는 녹색-발광 양자점인 ZnCdSSe를 분산시켜 얻었다. 상기 ZnCdSSe 양자점은 ZnS 코어- CdSe 쉘 구조를 가지며, Zn과 S의 원자비는 4:4, Cd와 Se의 원자비는 0.4:0.4이다. 한편, 발광 다이오드 상에 물을 스핀 코팅하여 수막을 형성하였다. 상기 발광 다이오드는 미국 cree®사의 청색 발광 다이오드를 사용하였다. 이후, 상기 졸 솔루션이 발광 다이오드의 상면과 접촉하도록 PDMS 스탬프를 배치시키고, 10atm, 100℃의 조건에서 약 30분간 열처리하였다(실험예1).
상기 실험예1의 공정을 2회 수행하였다. 이 때, 1차 공정에서는 평탄한 PDMS 스탬프를 사용하여 광결정층을 형성하고, 상기 광결정층 상에 상기 실험예1과 동일한 공정을 수행하였다(실험예2).
비교예
미국 cree® 사의 청색 발광 다이오드를 준비하였다(비교예1). 상기 청색 발광 다이오드 상에 TiO2만을 함유하는 광결정 구조체를 형성하였다(비교예2).
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광결정 구조체의 단면을 나타낸 SEM 이미지들이다. 상기 광결정 구조체는 실험예1에서 제조한 광결정 구조체이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, TiO2와 ZnCdSSe를 함유하는 광결정 구조체는 그 상부에 일정한 나노 패턴이 균일하게 형성되며, 상기 나노 패턴 내부에 나노입자들이 밀집되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이 때, 상기 나노 패턴은 도트 패턴(도 4a)과 홀 패턴(도 4b)임을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 EDX 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
| Element | Weight% | Atomic% |
| O K | 28.87 | 56.35 |
| S K | 3.02 | 2.94 |
| Ti K | 52.29 | 34.08 |
| Cu K | 0.05 | 0.03 |
| Zn K | 5.35 | 2.55 |
| Se L | 9.83 | 3.89 |
| Cd L | 0.07 | 0.02 |
| In L | 0.51 | 0.14 |
| Totals | 100.00 | - |
표 1 및 도 5를 참조하면, 광결정 구조체 내에는 TiO2와 ZnCdSSe를 구성하는 원소들이 모두 존재하는 것을 확인할 수 있다. 상기 광결정 구조체 내에 TiO2는 약 80 중량%, ZnCdSSe는 약 20 중량% 함유되어 있다. 또한, 미량의 In 피크도 관찰됨을 확인할 수 있다. 상기 In은 발광 다이오드의 투명 전극층에 함유된 원소임을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 비교예1, 비교예2, 실험예1 및 실험예2는 청색 파장 영역인 약 450nm에서 최대 발광 피크를 가진다. 이 때, 비교예2는 비교예1에 비해 다소 높은 발광 피크를 가짐을 확인할 수 있다. 이는, 상기 광결정 구조체 상부의 나노 패턴과 상기 광결정 구조체 내에 함유된 TiO2의 광산란 효과에 기인하는 것으로 풀이된다.
실험예1과 실험예2의 경우, 비교예1 및 비교예2에 비해 약 450nm에서 최대 발광 피크 강도가 감소하고, 약 500nm ∼ 600nm의 발광 피크 강도가 증가한다. 즉, 청색 파장 영역의 발광 피크 강도는 감소하고, 녹색 파장 영역의 발광 피크 강도는 증가함을 확인할 수 있다. 이 때, 실험예2는 실험예1에 비해 청색 파장 영역의 발광 피크는 보다 감소하고, 녹색 영역의 발광 피크는 보다 증가한 것을 확인할 수 있다. 이는 광결정 구조체 내에 함유된 TiO2와 ZnCdSSe의 함량 차이에 기인하는 것으로 풀이된다. 즉, 실험예2의 경우, 2회의 역 나노 임프린트 리소그래피 공정을 수행하였으므로, 실험예1과 비교하여, 보다 많은 TiO2와 ZnCdSSe를 가질 수 있다. 따라서, 광결정 구조체 내에 함유되는 색변환 나노입자와 광산란 나노입자의 함량을 증가시켜 연색성을 향상시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 색좌표를 나타낸 도면이다.
| CIEx | CIEx | lm | W | lm/W | |
| 비교예1 | 0.156 | 0.0257 | 2.18 | 0.2004 | 10.89 |
| 비교예2 | 0.1545 | 0.0276 | 2.52 | 0.192 | 13.11 |
| 실험예1 | 0.1582 | 0.0383 | 3.15 | 0.1914 | 16.47 |
| 실험예2 | 0.1706 | 0.0695 | 3.95 | 0.1956 | 20.21 |
표 2 및 도 7을 참조하면, 비교예1, 비교예2, 실험예1, 실험예2로 갈수록 색좌표가 이동하여 백색광에 가까운 청색광을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 따라서, 광결정 구조체 내에 함유되는 TiO2와 ZnCdSSe의 함량을 증가시켜 백색광을 구현할 수 있다.
또한, 발광 효율을 나타내는 지표인 단위 면적(1W)당 방출되는 광량(lm/W)을 비교한 결과, 비교예1, 비교예2, 실험예1, 실험예2의 순서로 발광 효율이 증가되는 것을 확인할 수 있다. 이는 TiO2가 발광 다이오드에서 방출되는 광을 산란시키고, 광결정 구조체 내에 함유된 ZnCdSSe를 통해 색변환된 광을 용이하게 투과시키기 때문인 것으로 풀이된다.
100: 발광 다이오드 120: 코팅막
200: 발광 구조체 210: 색변환 나노입자
220: 광산란 나노입자 300: 스탬프
400: 졸 솔루션
200: 발광 구조체 210: 색변환 나노입자
220: 광산란 나노입자 300: 스탬프
400: 졸 솔루션
Claims (20)
- 상부에 형성된 나노 패턴;
상기 나노 패턴 내부에 함유되는 복수개의 색변환 나노입자 및 상기 색변환 나노입자들 사이에 분포하여 상기 색변환 나노입자들 간의 밀집을 억제하는 복수개의 광산란 나노입자를 포함하는 광결정 구조체. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 색변환 나노입자는 10 중량% ∼ 50 중량%, 상기 광산란 나노입자는 50 중량% ∼ 90중량%가 함유된 광결정 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 색변환 나노입자는 양자점인 광결정 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 광산란 나노입자는 금속 산화물 나노입자인 광결정 구조체. - 화합물 반도체층을 가지는 발광 다이오드; 및
상기 발광 다이오드의 상부에 형성되는 광결정 구조체를 포함하되,
상기 광결정 구조체는 상부에 나노 패턴을 가지며, 상기 나노 패턴 내부에 복수개의 색변환 나노입자와 상기 색변환 나노입자들 사이에 분포하여 상기 색변환 나노입자들 간의 밀집을 억제하는 복수개의 광산란 나노입자를 함유하는 발광 다이오드. - 삭제
- 제6항에 있어서,
상기 색변환 나노입자는 10 중량% ∼ 50 중량%, 상기 광결정은 50 중량% ∼ 90중량%가 함유된 발광 다이오드. - 제6항에 있어서,
상기 색변환 나노입자는 양자점인 발광 다이오드. - 제9항에 있어서,
상기 양자점은 II-VI족 반도체 화합물 양자점 또는 III-V 족 반도체 화합물 양자점인 발광 다이오드. - 제6항에 있어서,
상기 색변환 나노입자는 형광체이고,
상기 형광체는 적색 무기 형광체, 녹색 무기 형광체 또는 청색 무기 형광체, 및 이들의 조합인 발광 다이오드. - 제6항에 있어서,
상기 광산란 나노입자는 금속 산화물 나노입자인 발광 다이오드. - 제12항에 있어서,
상기 금속 산화물 나노입자는 SiO2, TiO2, ZnO, Al2O3, Ta2O5, HfO2 및 ZrO2 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 함유하는 발광 다이오드. - 제6항에 있어서,
상기 발광 다이오드는 청색광을 방출하는 발광 다이오드이며, 상기 색변환 나노입자는 Zn1 - xCdxS1 - ySey (0≤x≤1, 0≤y≤1)이고, 상기 광산란 나노입자는 TiO2인 발광 다이오드. - 스탬프 상에 색변환 나노입자와 광산란 나노입자가 분산된 졸 솔루션을 형성하는 단계;
기판 상에 코팅막을 형성하는 단계;
상기 기판 상에, 상기 졸 솔루션이 상기 기판과 접촉하도록 상기 스탬프를 배치하는 단계;
상기 기판과 상기 스탬프를 접촉시키고, 가열 및 가압하는 단계; 및
상기 스탬프를 제거하는 단계를 포함하는 광결정 구조체의 제조방법. - 제15항에 있어서,
상기 코팅막은 물을 스핀 코팅하여 형성되는 광결정 구조체의 제조방법. - 제15항에 있어서,
상기 기판은 발광 다이오드인 광결정 구조체의 제조방법. - 제15항에 있어서,
상기 가열 온도는 100℃ 내지 200℃인 광결정 구조체의 제조방법. - 제15항에 있어서,
상기 가압시의 압력은 1 atm ∼ 20 atm인 광결정 구조체의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 색변환 나노입자는 형광체인 광결정 구조체.
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