KR101535852B1 - 나노구조체 전사를 이용한 발광다이오드 제조방법과 그 발광다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발광다이오드 제조방법과 그 발광다이오드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 구 모양의 나노구조체 전사를 통해 넓은 면적에 균일하게 나노구조체를 코팅하고 이를 통해 광추출 효율이 극대화된 발광다이오드를 제조하는 방법과 이 방법에 의해 제조된 광추출 효율이 우수한 발광다이오드에 관한 것이다.
본 발명은 제1반도체층, 활성층 및 제2반도체층이 형성된 발광다이오드 제조방법에 있어서,
제1기판 상에 구 모양의 나노구조체를 코팅하는 단계와, 상기 나노구조체가 코팅된 제1기판에서 제2기판으로 나노구조체를 전사하는 단계와, 상기 제2기판에 전사된 나노구조체를 제2반도체층에 전사하는 단계, 및 상기 제2반도체층에 전사된 나노구조체를 마스크로 이용하여 제2반도체층을 건식 에칭하여 요철부를 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.
본 발명은 제1반도체층, 활성층 및 제2반도체층이 형성된 발광다이오드 제조방법에 있어서,
제1기판 상에 구 모양의 나노구조체를 코팅하는 단계와, 상기 나노구조체가 코팅된 제1기판에서 제2기판으로 나노구조체를 전사하는 단계와, 상기 제2기판에 전사된 나노구조체를 제2반도체층에 전사하는 단계, 및 상기 제2반도체층에 전사된 나노구조체를 마스크로 이용하여 제2반도체층을 건식 에칭하여 요철부를 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.
Description
본 발명은 발광다이오드 제조방법과 그 발광다이오드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 구 모양의 나노구조체 전사를 통해 넓은 면적에 균일하게 나노구조체를 코팅하고 이를 통해 광추출 효율이 극대화된 발광다이오드를 제조하는 방법과 이 방법에 의해 제조된 광추출 효율이 우수한 발광다이오드에 관한 것이다.
백색광원 질화갈륨계 발광다이오드는 에너지 변환 효율이 높고, 수명이 길며, 빛의 지향성이 높고, 저전압 구동이 가능하며, 예열 시간과 복잡한 구동회로가 필요하지 않고, 충격 및 진동에 강하기 때문에 다양한 형태의 고품격 조명 시스템의 구현이 가능해, 가까운 미래에 백열등, 형광등, 수은등과 같은 기존의 광원을 대체할 고체 조명(solid-state lighting) 광원으로 기대되고 있다.
질화갈륨계 발광다이오드가 기존의 수은등이나 형광등을 대체하여 백색광원으로서 쓰이기 위해서는 열적 안정성이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 낮은 소비 전력에서도 고출력 빛을 발할 수 있어야 한다.
현재 백색광원으로 널리 이용되고 있는 수평구조의 질화갈륨계 발광다이오드는 상대적으로 제조단가가 낮고 제작 공정이 간단하다는 장점이 있으나, 인가전류가 높고 면적이 큰 고출력의 광원으로 쓰이기에는 부적절하다는 단점이 있다.
이러한 수평구조 발광다이오드의 단점을 극복하고 대면적의 고출력 발광다이오드 적용이 용이한 소자가 수직구조 발광다이오드이며, 수직구조 발광다이오드는 기존의 수평구조 소자와 비교하여 여러 가지 장점이 있다.
예를 들어 수직구조 발광다이오드에서는 전류 확산 저항이 작아 매우 균일한 전류 확산을 얻을 수 있어, 더 낮은 작동 전압과 큰 광출력을 얻을 수 있으며, 열전도성이 좋은 금속 또는 반도체 기판을 통해 원활한 열방출이 가능하기 때문에 보다 긴 소자 수명과 월등히 향상된 고출력 작동이 가능하다.
이러한 수직구조 발광다이오드에서는 최대 인가전류가 수평구조 발광다이오드에 비해 증가하므로 조명용 백색광원으로 널리 이용될 것으로 전망된다.
질화갈륨계 수직형 발광다이오드의 제조에 있어 소자의 광출력을 크게 향상시킬 수 있는 부분은 소자 상부의 n형 반도체층이다.
매끄러운 평면으로 이루어진 n형 반도체층의 굴절률과 대기의 굴절률에 큰 차이가 있기 때문에, 대기/반도체층 계면에서 일어나는 전반사가 발생하여 활성층에서 발생된 빛의 상당부분이 외부로 빠져나올 수 없기 때문에 높은 광출력을 기대할 수 없다.
따라서 n형 반도체층 표면에 대기/반도체층 계면에서 나노구조물을 인위적으로 형성하여 전반사가 일어나는 것을 방지하여 최소한의 손실로 빛을 외부로 빠져나오게 하는 것이 필요하다.
이에 따라 종래에는 n형 반도체 표면을 KOH, NaOH와 같은 염기성 용액을 이용한 습식 식각을 통해 n형 반도체 표면에 피라미드 형태의 나노 구조물을 형성함으로써, 발광다이오드의 광추출을 크게 개선하고 있다.
그런데 습식 식각을 이용한 피라미드 구조물 형성 방법의 경우, 습식 에칭 과정 중에 n형 전극, 전도성 기판, 발광다이오드 메사 구조 등이 손상되는 것을 방지하기 위한 보호막의 형성이 요구될 뿐 아니라, 습식에칭 과정을 통해서는 기술적으로 대면적의 나노구조물을 균일하게 형성하기 어려운 문제점이 있었다.
다른 방법으로는 원형의 나노구조체를 n형 반도체 표면에 코팅 후 건식 식각을 통해 원뿔 형태의 나노 구조물을 형성함으로써 발광다이오드의 광추출을 크게 개선하고 있다.
그런데 원형의 나노구조물을 코팅하는 방법은 넓은 면적에 균일하게 단층으로 코팅하기 어렵고 반복적으로 나노구조물을 형성하기 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 구형의 나노구조체를 발광다이오드 표면에 넓게 단층으로 코팅할 수 있는 나노구조체 전사를 이용한 발광다이오드 제조방법과 그 발광다이오드를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 코팅된 나노구조체를 이용하여 광추출에 매우 효과적인 패턴을 형성할 수 있는 나노구조체 전사를 이용한 발광다이오드 제조방법과 그 발광다이오드를 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 나노구조체 전사를 이용한 발광다이오드 제조방법은 제1반도체층, 활성층 및 제2반도체층이 형성된 발광다이오드 제조방법에 있어서,
(a) 제1기판 상에 구 모양의 나노구조체를 코팅하는 단계;
(b) 상기 나노구조체가 코팅된 제1기판에서 제2기판으로 나노구조체를 전사하는 단계;
(c) 상기 제2기판에 전사된 나노구조체를 제2반도체층에 전사하는 단계; 및
(d) 상기 제2반도체층에 전사된 나노구조체를 마스크로 이용하여 제2반도체층을 건식 에칭하여 요철부를 형성하는 단계; 를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 구 모양의 나노구조체는 SiO2, ZnO, Al203, MgO, TiO2, SnO2, TiO2, In2O3, CuO 중 적어도 어느 하나의 산화물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구 모양의 나노구조체는 폴리스티렌(polystyrene), PMMA(Polymethyl Methacryl), PVA(Polyvinyl alcohol) 중 적어도 어느 하나의 유기화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구 모양의 나노구조체의 직경은 100nm ~ 3㎛인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구 모양의 나노구조체는 서로 다른 직경을 갖는 2 종 이상의 것이 혼합된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (a)단계 전에 상기 제1기판을 표면 처리하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1기판의 표면처리는 피라나(piranah), 산소 플라즈마, 자외선 오존 처리 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2기판은 PDMS(polydimethylsiloxane), PMMA, 폴리이미드, 폴리카보네이트 중 적어도 어느 하나의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (b)단계와 (c)단계에서 압력을 가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (b)단계와 (c)단계에서 80 ~ 150℃의 온도를 가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 요철부는 원뿔형인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광다이오드는 상술한 어느 하나에 의해 제조된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 발광다이오드는 제1반도체층 상에 활성층 및 제2반도체층이 순차적으로 형성되는 수직 발광다이오드인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1반도체층과 제2반도체층은 질화갈륨으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제2반도체층이 N-face를 갖는 n형인 것을 특징으로 한다.
상술한 과제의 해결 수단에 의하면, 종래의 평편한 n형 반도체 표면을 가지는 수직 발광다이오드에 비해 광출력을 3 배 이상 증가할 수 있고, 종래 광추출에 가장 효과적으로 알려진 습식 식각과 동일한 광추출 결과를 나타내기 때문에, 고출력 발광다이오드에 적합하게 사용될 수 있다.
또한, 현재 널리 사용되고 있는 질화갈륨계 발광다이오드의 제조공정에 즉시 적용할 수 있고, 수직형뿐만 아니라 수평형 발광다이오드 구조에도 적용할 수 있다.
또한, 제조단가가 높고 대면적 웨이퍼 공정에의 적용이 어려운 전자선 리소그라피 패터닝을 사용하지 않고, 건식 에칭 조건 변화에 의해 다양한 형태의 나노구조물을 형성할 수 있어, 대면적 적용, 제조단가의 절감, 공정시간 단축 등의 효과를 얻을 수 있다,
도 1은 본 발명에 따른 나노구조체 전사를 이용한 발광다이오드 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 2 내지 도 9는 도 1에 나타낸 발광다이오드 제조공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 1에 의해 제2반도체층에 코팅된 구 모양의 나노구조체의 직경에 따른 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 11은 도 10에 나타낸 직경이 다른 구 모양의 나노구조체를 건식에칭을 통해 형성한 나노구조물을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 2 내지 도 9는 도 1에 나타낸 발광다이오드 제조공정을 설명하기 위한 도면이다.
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도 11은 도 10에 나타낸 직경이 다른 구 모양의 나노구조체를 건식에칭을 통해 형성한 나노구조물을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예에 기초하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예에 불과한 것으로 이에 의해 본 발명의 권리범위가 축소 및 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, '구(sphere) 모양'이란 한 점에서 같은 거리에 있는 모든 점으로 이루어진 입체 모양이라는 수학적 정의의 구뿐 아니라, 외견상 둥글게 생긴 형상의 것을 모두 포괄하는 의미로 사용한다.
도 1은 본 발명에 따른 나노구조체 전사를 이용한 발광다이오드 제조방법을 나타내는 순서도이고, 도 2 내지 도 9는 도 1에 나타낸 발광다이오드 제조공정을 설명하기 위한 도면이다.
먼저 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 예를 들어 스핀 코터(spin coater)를 이용하여 구 모양의 나노구조체(20)를 제1기판(10) 표면에 떨어뜨려 놓은 후 스핀 코팅을 한다(S104).
이때 구 모양의 나노구조체(20)는 산화물 예를 들어 실리카(SiO2), ZnO, Al203, MgO, TiO2, SnO2, TiO2, In2O3, CuO으로 이루어질 수도 있다.
또한, 구 모양의 나누구조체(20)는 폴리스티렌(polystyrene), PMMA(Polymethyl Methacryl), PVA(Polyvinyl alcohol) 등의 유기화합물로 이루어질 수도 있다.
또한, 구 모양의 나노구조체(20) 직경은 100㎚ ~ 3㎛인 것이 바람직하다.
상기 구 모양의 나노구조체(20) 직경이 100㎚ 미만인 경우 나노구조체 사이의 응집력이 강해져서 형성하기 힘들고, 반대로 3㎛ 이상인 경우 이후 공정인 건식에칭을 행한 후 패턴의 크기가 너무 커서 제2반도체층이 반도체로서의 기능을 상실할 수 있다.
또한, 상기 구 모양의 나노구조체(20)는 서로 다른 직경을 갖는 2종 이상의 것이 혼합될 수도 있다.
또한, 상기 제1기판(10)에 구 모양의 나노구조체(20)를 코팅하기 전에, 제1기판(10)의 표면을 친수성 개질로 균일하게 만들어 구 모양의 나노구조체(20)가 균일하게 코팅되도록 하기 위해 제1기판(10)을 표면 처리할 수도 있다(S102).
이때 제1기판(10)의 표면처리는 예를 들어 피라나(piranah) 처리, 산소 플라즈마 처리, 자외선 오존 처리 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
다음 도 1 및 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 전사용 제2기판(30)을 구 모양의 나노구조체(20)가 코팅된 제1기판(10) 상에 위치하고 소정의 온도를 가해주면서 0.1 x 105 ~ 1 x 105pa의 압력을 가해 나노구조체(20)를 다른 제2기판(30)에 전사한다(S106).
상기 제2기판(20)은 제1기판(10)보다 소프트(soft)한 재질 예를 들어, PDMS(polydimethylsiloxane), PMMA, 폴리이미드(Polyimide), 폴리카보네이트(polycarbonate) 중 적어도 하나 이상의 화합물로 이루어질 수 있다.
상기 소정의 온도는 80 ~ 150℃인 것이 바람직하다.
즉, 80℃ 미만인 경우에는 구 모양의 나노구조체(20)와 제1기판(10) 사이에 결합을 끊기가 어려워 부분적인 구 모양의 나노구조체(20) 전사가 원활히 이루어지지 않고, 150℃ 이상인 경우에는 PDMS 등 플라스틱 재질로 이루어진 제2기판(30)의 변형이 야기될 수 있다.
이와 같은 전사에 의해 구 모양의 나노구조체(20)는 단층으로 제2기판(20)에 균일하게 형성할 수 있다.
다음 도 1 및 도 6 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 구 모양의 나노구조체(20)가 전사된 제2기판(30)을 예를 들어 수직 발광다이오드(50)의 제2반도체층(58) 상에 위치하여 소정의 온도를 가해주면서 0.1 x 105 ~ 1 x 105pa의 압력을 가해 나노구조체(20)를 제2반도체층(58)에 전사한다(S108).
상기 수직 발광다이오드(50)는 전도성 기판(52) 상에, 제1반도체층(54), 활성층(56) 및 제2반도체층(58)이 순차적으로 형성되어 이루어진다.
또한, 상기 제1반도체층(54)과 제2반도체층(58)은 질화갈륨(GaN)으로 이루어질 수 있다.
상기 전사시 소정의 온도는 전술한 바와 같이 80 ~ 150℃인 것이 바람직하다.
이와 같은 전사에 의해 구 모양의 나노구조체(20)는 질화갈륨으로 이루어진 제2반도체층(58)에 단층으로 균일하게 형성된다.
도 10은 도 1에 의해 제2반도체층에 코팅된 구 모양의 나노구조체의 직경에 따른 주사전자현미경(SEM) 사진으로, 직경이 150nm, 300nm, 400nm, 500nm, 1㎛인 나노구조체가 균일하게 형성됨을 알 수 있다.
이상에서는 수직 발광다이오드(50)의 제2반도체층(58)에 나노구조체(20)를 전사하는 것을 예를 들어 설명하였으나, 수평 발광다이오드의 반도체층에도 전사할 수 있음은 물론이다.
다음 도 1 및 도 8 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 제2반도체층(58)에 코팅된 구 모양의 나노구조체(20)를 마스크로 이용하여 제2반도체층(58) 표면을 건식 에칭하여 요철부를 갖도록 한다(S110).
즉, 구 모양의 나노구조체(20)가 코팅된 질화물반도체 표면 즉 제2반도체층(58) 표면을 ICP(Inductive Coupled Plasma) 식각장비를 이용하여 건식 에칭을 통해 요철부, 예를 들어 원뿔 모양의 나노구조물(60)을 형성한다.
도 11은 도 10에 나타낸 직경이 다른 구 모양의 나노구조체를 건식에칭을 통해 형성한 나노구조물을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진으로, 원뿔형태의 나노구조물(60)이 형성된 것을 알 수 있다.
<실시예>
먼저, 구형의 나노구조체(20)를 코팅할 제1기판(10)으로 ITO가 코팅된 유리를 사용한다.
이때 구형의 나노구조체(20)가 코팅이 잘되고 UVO(자외선 오존) 처리를 통해 친수성을 가질 수 있도록 제1기판(10)을 표면 처리한다(S102).
상기 제1기판(10) 상에 실리카(SiO2)로 이루어진 구 모양의 나노구조체를 스핀코팅 방법을 이용하여 코팅하고(S104), PDMS로 이루어진 제2기판(30) 상에 압력과 온도를 가하면서 구 모양의 나노구조체(20)를 전사한다(S106).
상기 PDMS로 이루어진 제2기판(30)에 전사된 나노구조체(20)를 압력과 온도를 가하면서 수직 발광다이오드(50)의 제2반도체층(58) 상에 전사하고(S108), 전사된 구 모양의 나노구조체(20)를 마스크로 하여 ICP 식각장비를 이용해 건식 에칭을 진행하여 원뿔 형태의 나노구조물(60)을 형성한다(S110).
본 발명에서 상기 제2반도체층은 N면(face)을 갖는 n형이다.
마지막으로 전극형성 공정(S112)은 공지의 리소그라피 방법을 이용하여 패턴을 형성한 이후 Cr/Au을 전자선 증착법으로 사용하여 n형 전극을 형성한다.
종래 매끈한 표면의 반도체 기판의 경우, 질화갈륨 반도체 기판의 굴절률(n~2.5)과 대기의 굴절률(n=1)이 크게 다르기 때문에 전반사에 대한 임계각이 23.5°에 불과하다.
이에 따라 반도체 내부에서 발생한 빛이 외부로 빠져나오지 못하고, 내부에서 소멸하여 광추출 효율이 낮은 문제점이 있다.
반면에 본 발명에 의하면, 제2반도체층(58) 표면에 원뿔 형태의 나노구조물(60)이 형성되어 내부에서 발생한 빛이 대기 중으로 방출될 확률이 급격하게 증가하여 수직 발광다이오드(50)의 광추출 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
10: 제1기판 20: 나노구조체
30: 제2기판 50: 발광다이오드
60: 나노구조물
30: 제2기판 50: 발광다이오드
60: 나노구조물
Claims (15)
- 제1반도체층, 활성층 및 제2반도체층이 형성된 발광다이오드 제조방법에 있어서,
(a) 제1기판 상에 구 모양의 나노구조체를 코팅하는 단계;
(b) 상기 나노구조체가 코팅된 제1기판에서 제2기판으로 나노구조체를 전사하는 단계;
(c) 상기 제2기판에 전사된 나노구조체를 제2반도체층에 전사하는 단계; 및
(d) 상기 제2반도체층에 전사된 나노구조체를 마스크로 이용하여 제2반도체층을 건식 에칭하여 요철부를 형성하는 단계; 를 포함하는 나노구조체 전사를 이용한 발광다이오드 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 구 모양의 나노구조체는 SiO2, ZnO, Al203, MgO, TiO2, SnO2, TiO2, In2O3, CuO 중 적어도 어느 하나의 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조체 전사를 이용한 발광다이오드 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 구 모양의 나노구조체는 폴리스티렌(polystyrene), PMMA(Polymethyl Methacryl), PVA(Polyvinyl alcohol) 중 적어도 어느 하나의 유기화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조체 전사를 이용한 발광다이오드 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 구 모양의 나노구조체의 직경은 100nm ~ 3㎛인 것을 특징으로 하는 나노구조체 전사를 이용한 발광다이오드 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 구 모양의 나노구조체는 서로 다른 직경을 갖는 2 종 이상의 것이 혼합된 것을 특징으로 하는 나노구조체 전사를 이용한 발광다이오드 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 (a)단계 전에 상기 제1기판을 표면 처리하는 것을 특징으로 하는 나노구조체 전사를 이용한 발광다이오드 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 제1기판의 표면처리는 피라나(piranah), 산소 플라즈마, 자외선 오존 처리 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조체 전사를 이용한 발광다이오드 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 제2기판은 PDMS(polydimethylsiloxane), PMMA, 폴리이미드, 폴리카보네이트 중 적어도 어느 하나의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조체 전사를 이용한 발광다이오드 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 (b)단계와 (c)단계에서 압력을 가하는 것을 특징으로 하는 나노구조체 전사를 이용한 발광다이오드 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 (b)단계와 (c)단계에서 80 ~ 150℃의 온도를 가하는 것을 특징으로 하는 나노구조체 전사를 이용한 발광다이오드 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 요철부는 원뿔형인 것을 특징으로 하는 나노구조체 전사를 이용한 발광다이오드 제조방법. - 삭제
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