KR101542805B1 - 광터널링에 의한 광추출효율이 향상된 발광다이오드 - Google Patents
광터널링에 의한 광추출효율이 향상된 발광다이오드 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명에 따른 광터널링에 의한 광추출효율이 향상된 발광다이오드는, 발광다이오드, 발광다이오드 상에 광터널링이 가능한 소정의 두께를 가지는 투명전극, 및 투명전극 상에 적층되며, 굴절률이 반도체와 같거나 높은 비반사 구조체를 포함하되, 투명전극의 두께는 50nm 미만이고, 비반사구조체는 두께가 10nm 내지 1μm이고, 길이가 100nm 내지 10μm인 막대 구조이거나, 50um~1000um 크기의 구멍을 가지는 다공성 구조이거나, 투명전극 위에 각각 상이한 굴절율을 가지는 다층의 물질이 적층된 구조로 이루어져, 광터널링 효과에 의한 발광다이오드의 광추출 효과가 있고, 또한 부도체로 구성된 비반사 구조를 사용하여도 소자의 전기적 특성저하를 막을 수 있으며 발광특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 광터널링에 의한 광추출효율이 향상된 발광다이오드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 소멸파(Evanescent wave) 효과를 통한 광터널링과 나노로드 혹은 비반사구조를 이용한 광터널링에 의한 광추출효율이 향상된 발광다이오드에 관한 것이다.
발광 다이오드는 기본적으로 P형 반도체와 N형 반도체의 접합인 PN 접합 다이오드이다.
상기 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합한 뒤, 상기 P형 반도체와 N형 반도체에 전압을 인가하여 전류를 흘려주면, 상기 P형 반도체의 정공은 상기 N형 반도체 쪽으로 이동하고, 이와는 반대로 상기 N형 반도체의 전자는 상기 P형 반도체 쪽으로 이동하여 상기 전자 및 정공은 상기 PN 접합부로 이동하게 된다.
상기 PN 접합부로 이동된 전자는 전도대(conduction band)에서 가전대(valence band)로 떨어지면서 정공과 결합하게 된다. 이때, 상기 전도대와 가전대의 높이 차이 즉, 에너지 차이에 해당하는 만큼의 에너지를 발산하는데, 상기 에너지가 광의 형태로 방출된다.
이러한 발광 다이오드는 에너지 변환 효율이 높고, 수명이 길며, 광의 지향성이 높고, 저전압 구동이 가능하며, 예열 시간과 복잡한 구동회로가 필요하지 않고, 충격 및 진동에 강하기 때문에 다양한 형태의 고품격 조명 시스템에의 적용이 가능하여, 가까운 미래에 백열등, 형광등, 수은등과 같은 기존의 광원을 대체할 고체조명(solid-state lighting)용 광원으로 사용될 것으로 기대되고 있다.
발광 다이오드의 가장 큰 장점이자 이슈는 효율에 관한 것이다. 발광 다이오드의 효율은 크게 전류주입효율, 내부양자효율, 광추출효율로 나뉘며 총 외부양자 효율은 상기의 효율들의 곱으로 계산할 수 있다. 전류주입효율을 높이는 방법으로 전극과 발광다이오드를 구성하는 n형, p형 반도체와의 ohmic 특성향상과 전극의 형태에 의한 전류분배율 향상 등이 있으며 내부양자효율을 향상하는 방법으로는 양자우물의 디자인, 반도체 결정품질 향상, 응력제어 구조 등이 있다. 마지막으로 광추출효울 향상 방법으로는 투명전극의 투과율 향상, 표면 혹은 내부에 난반사구조 형성, 표면에 비반사 구조형성 등이 있다.
여기서 광추출효율은 일반적인 발광다이오드의 경우 20% 미만으로 전체 효율성분중 가장 낮은 비율을 가진다. 그 이유는 전반사효과에 의한 것으로 반도체와(n=2.4~2.5) 봉지제의(n=1.5) 굴절률차이로 인한 내부 전반사효과에 의해 반도체내에 빛이 소자 밖으로 빠져나가지 못하는 형상 때문이다. 내부 전반사효과는 굴절이 높은 물질에서 낮은 물질로 진행할 때 나타나는 현상으로 스넬의 법칙에 의해 설명되며 전반사가 일어나는 빛의 입사각을 임계각이라 한다. 굴절률이 다른 물질이 만나는 경계면에서 투과와 반사의 비율은 프레넬의 방정식을 따르며 빛의 입사각이 증가함에 따라 빛의 투과율이 점차적으로 감소하다가 임계각 근처에서 투과율이 급속도로 감소하며 임계각이 도달하면 전반사효과로 인해 빛이 전혀 투과하지 못하고 반사한다. 이로 인해 협소한 방향에서만이 빛이 투과하게 되며 굴절률차이가 크면 클수록 빛이 투과할 수 있는 방향은 제한된다.
내부전반사효과를 감소하는 방법은 상기에 언급했던 내용중 난반사구조와 비반사구조 형성이 있다. 난반사구조가 광추출효율을 증가하는 원리는 경계면에서 반사한 빛이 난반사 구조에 의해 전반사각 이외의 각으로 전환될 확률을 가지게 되어 외부로 빛이 나갈 수 있어 광추출효율이 향상되며 대표적인 난반사구조를 형성하는 방법으로 반도체가 성장될 기판에 패턴을 형성하는 patterned sapphire substrate(PSS), p-GaN roughening 등이 있다. 그리고 비반사 구조는 반도체와 봉지제 중간의 굴절률을 가지는 물질들로 반도체에서 봉지제 방향으로 굴절률이 감소하는 형태로 순차적으로 특정두께로 증착하여 반사율과 전반사효과를 최소화 하는 방법이다. 현재 일반적으로 사용한는 방법은 PSS기판을 사용한 난반사층을 LED안에 형성하는 방법이지만 전반사자체를 줄여주는 효과는 없다. 또한 비반사층을 이용한 방법은 다층의 박막을 형성하는 공정의 복잡성과 실제 제작하였을 때 효율의 문제와 굴절률 2.5와 2사이의 물질의 부재로 인한 제한된 물성으로 인해 고효율의 비반사구조는 제작이 어렵다. 현실적으로 사용되는 광추출 효율을 올리기 위한 구조들은 GaN에 거친 표면 혹은 접합면을 형성하여 광추출효율을 올리는 구조가 대부분이다. 반도체에 거친표면을 만드는 기술들은 광추출 효율면을 올리는 효과가 있지만 일부 기술들은 반도체 특성에 악영향을 미쳐 실제로 사용되지 못하고 있으며 PSS를 제외한 기술들은 거의 사용되지 않고 있다.
이러한 이유로 광추출효율향상은 고효율 발광다이오드 제작에 있어 필수적이며 광학구조에 크게 의존하며 전반사효과를 감소시키는 구조의 디자인과 제작방법이 핵심기술이라 할 수 있다. 하지만 제작비용 증가와 소자특성 저하로 인해 특정기술들을 제외하고는 사용되지 않고 있다.
따라서 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 소멸파(Evanescent wave) 효과를 통한 광터널링과 나노로드 혹은 비반사구조를 이용한 광터널링에 의한 광추출효율이 향상된 발광다이오드을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 광터널링에 의한 광추출효율이 향상된 발광다이오드는, 발광다이오드, 발광다이오드 상에 광터널링이 가능한 소정의 두께를 가지는 투명전극, 및 투명전극 상에 적층되며, 굴절률이 반도체와 같거나 높은 비반사 구조체를 포함하되, 투명전극의 두께는 50nm 미만이고, 비반사구조체는 두께가 10nm 내지 1μm이고, 길이가 100nm 내지 10μm인 막대 구조이거나, 50um~1000um 크기의 구멍을 가지는 다공성 구조이거나, 투명전극 위에 각각 상이한 굴절율을 가지는 다층의 물질이 적층된 구조인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 광터널링에 의한 광추출효율이 향상된 발광다이오드은 광터널링 효과에 의한 발광다이오드의 광추출 효과가 있고, 또한 부도체로 구성된 비반사구조에서 소자의 전기적 특성저하를 막을 수 있으며 발광특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 임계각(θ)으로 입사된 빛의 전반사와 소멸파에 의한 광터널에 의한 투과현상의 모식도,
도 2는 일반적인 발광다이오드의 구조와 본 발명이 제안하는 구조의 광추출효율에 대한 계산결과도 및
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 광터널링에 의한 광추출효율이 향상된 발광다이오드의 상이한 실시예를 가진 구조도 이다.
도 2는 일반적인 발광다이오드의 구조와 본 발명이 제안하는 구조의 광추출효율에 대한 계산결과도 및
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 광터널링에 의한 광추출효율이 향상된 발광다이오드의 상이한 실시예를 가진 구조도 이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 도 1을 참조하여 소멸파 효과에 대하여 간단히 설명한다.
참고로, 도 1은 임계각(θ)으로 입사된 빛의 전반사와 소멸파에 의한 광터널에 의한 투과현상의 모식도이다.
소멸파 효과는 파동함수로 표현할 수 있는 모든 입자에 대해 나타나는 현상으로 포텐셜이 높은 벽을 만났을 때 입자가 존재 할 수 없는 영역임에도 불구하고 파동함수의 연속성으로 인해 파동이 감쇄하는 형태로 파동의 일부가 존재하는 현상이다.
여기서 벽의 두께가 소멸파가 있는 영역보다 얇아지게 되면 입자가 투과하게 되며 빛, 소리, 진동, 전자 등의 터널링효과로 알려져 있다.
두 개의 고굴절률 박막 사이에 저굴절 박막이 있을 때 소멸파보다 보다 두꺼운 저굴절률층이 있을 경우 빛은 전반사 하지만 소멸파보다 얇아 투과할 수 있는 두께의 낮은 굴절률을 가지는 층이 있다면 빛이 투과하여 반대편의 고굴절률층으로 진행한다.
즉, 이러한 광터널링 현상은 극히 일부에서 사용되고 있으며 그 예로 프리즘커플러, 일부 도파로, Total internal reflection fluorescence microscope(TIRFM) 등에 사용된다.
소멸파는 고굴절률박막과 저굴절률박막의 경계면에서 멀어질수록 지수함수적으로 감소하며 저굴절률 층의 두께가 얇아질수록 투과율이 증가하다.
즉, 저굴절률박막의 두께가 충분히 얇아진다면 임계각임에도 불구하고 반사는 일어나지 않는다.
도 2는 일반적인 발광다이오드의 구조와 본 발명이 제안하는 구조의 광추출효율에 대한 계산결과이다.
투명전극의 두께(d)에 따라 각각 달라지는 광추출효율을 보여주며 d가 50 nm 미만에서는 광추출 효율이 상승함을 보여주지만 50 nm 이상에서는 광추출효율이 오히려 기존의 구조에 비해 감소하는 것을 보여준다.
즉 광터널링 현상이 광추출효율에 기여할 수 있는 두께는 50 nm 미만이며 이를 이용하면 광추출효율을 상승시킬 수 있다는 점을 계산을 통해서 알 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광터널링에 의한 광추출효율이 향상된 발광다이오드의 구체적인 구조는 기존에 발광다이오드에 적용된 보고가 없는 발광다이오드 상에 광터널링이 가능한 50 nm 이하의 두께를 가지는 투명전극과 굴절률이 반도체와 같거나 높은 물질로 구성된 비반사 구조체이다.
이하에서, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 보다 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
먼저, 도 3의 경우 50 nm 이하 두께의 투명전극(102) 위에 10 nm에서 1 μm 두께의 100 nm ~10 μm 길이의 막대 형태의 구조의 비반사구조체(101)를 형성한 형태이다.
상기 비반사구조체(101)는 막대구조로 TiO2, WO3, GaN, GaP, 등의 물질로 구성될 수 있고, 상기 투명전극(102)은 ITO, FTO, Au, Ni, Pt 등의 물질로 구성될 수 있으며, 상기 투명전극(102)하부의 발광다이오드(103)는 GaN, InGaN, AlGaN, GaP, InGaP, InGaPAs로 구성될 수 있다.
도 4를 참조하여 다른 실시예에 대하여 설명하면, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 비반사구조체(101)는 광터널링현상이 나타날 수 있는 50nm이하 두께의 상기 투명전극(102)상에 50um~1000um크기의 구멍을 가지는 다공성 구조로 실시할 수 있다.
상기 실시예에서와 마찬가지로, 상기 비반사구조체(101)는 TiO2, WO3, GaN, GaP, 등의 물질로 구성되고, 상기 투명전극(102)은 ITO, FTO, Au, Ni, Pt 등의 물질로 구성된다.
도 5를 참조하여 또 다른 실시예에 대하여 설명하면, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서의 상기 비반사구조체(101)는 상기 투명전극(102) 위에 각각 다른 굴절율을 가지는 다층의 물질이 적층된 구조이다.
한편, 그 구성물질은 상술한 실시예들과 동일하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 하기에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
101 : 비반사구조체
102 : 투명전극
103 : 발광다이오드
102 : 투명전극
103 : 발광다이오드
Claims (6)
- 발광다이오드(103);
상기 발광다이오드(103) 상에 광터널링이 가능한 소정의 두께를 가지는 투명전극(102); 및
상기 투명전극(102)상에 적층되며, 굴절률이 반도체와 같거나 높은 비반사 구조체(101);를 포함하되,
반도체와 상기 비반사 구조체(101) 사이에 개재되는 상기 투명전극(102)의 두께는 50nm 미만이고,
상기 비반사구조체(101)는
두께가 10nm 내지 1μm이고, 길이가 100nm 내지 10μm인 막대들이 불규칙적으로 배열된 형태의 구조인 것을 특징으로 하는 광터널링에 의한 광추출효율이 향상된 발광다이오드.
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- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 비반사구조체(101)는
50um~1000um 크기의 구멍을 가지는 다공성 구조인 것을 특징으로 하는 광터널링에 의한 광추출효율이 향상된 발광다이오드.
- 제 1항에 있어서,
상기 비반사구조체(101)는
상기 투명전극(102) 위에 각각 상이한 굴절율을 가지는 다층의 물질이 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 광터널링에 의한 광추출효율이 향상된 발광다이오드.
- 제 1항 및 제 4항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 비반사구조체(101)는 TiO2, WO3, GaN 및 GaP 물질로 구성되고, 상기 투명전극(102)은 ITO, FTO, Au, Ni 및 Pt 물질로 구성되며, 상기 발광다이오드(103)는 GaN, InGaN, AlGaN, GaP, InGaP 및 InGaPAs 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 광터널링에 의한 광추출효율이 향상된 발광다이오드.
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Non-Patent Citations (1)
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| Joong-Yeon Cho et al. "Formation of TiO2 Nano Pattern on GaN-Based Light-Emitting Diodes for Light Extraction Efficiency". JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 49 (2010.10)* |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20180711 Year of fee payment: 4 |