KR101554988B1 - 음전하를 가지는 산화 그래핀을 이용한 전하 농도가 증가된 발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 음전하를 가지는 산화 그래핀을 이용한 전하 농도가 증가된 발광소자에 관한 것으로, 기판과; 상기 기판 위에 형성된 n형 반도체층과; 상기 n형 반도체층 위에 형성되어 빛을 발생시키는 활성층과; 상기 활성층 위에 형성된 p형 반도체층과; 상기 p형 반도체층 위에 형성된 투명 전극층; 그리고, 음전하를 가지는 산화그래핀을 상기 투명전극층의 상면 또는 하면에 도포하여 형성되고, 상기 p형 반도체층에 산화그래핀에 의한 이중극장(dipole field)을 형성시켜 활성층으로 이동되는 정공 농도를 증가시키는 이중극장 형성층;을 포함하여 형성되는 음전하를 가지는 산화 그래핀을 이용한 전하 농도가 증가된 발광소자를 기술적 요지로 한다. 이에 따라, p형 도펀트(dopant)로서 산화그래핀을 도입하여 고출력 발광소자를 제작하는 것이 가능하며, 기존의 발광소자의 p형 반도체 층에 형성되어 있는 에너지 밴드의 휘어짐에 의한 정공(hole)의 고립을 산화그래핀의 이중극장(dipole field) 형성을 통해 와해시킴으로써, 평평한 에너지 밴드의 복귀를 유도시킬 수 있다. 이를 통하여 p형 반도체 층의 정공농도를 증가 시킴으로서 발광이 형성되는 활성층인 다중양자샘(multi quantum well) 층에서 전자(electron)와 정공의 방사 재결합(radiative recombination)을 촉진시켜 발광 시 고출력을 형성시킬 수 있는 이점이 있다.
Description
본 발명은 음전하를 가지는 산화 그래핀을 이용한 전하 농도가 증가된 발광소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 음전하를 가지는 산화그래핀을 발광소자의 상층부에 도포하는 방법으로 이중극장(dipole field)를 형성시킴에 의해, 발광소자의 p형 반도체 층에 형성되어 있는 에너지 밴드를 산화그래핀의 이중극장을 통하여 평평하게 유도시켜 고립되어 있는 정공을 활성화시킴에 의해 p형 반도체 층의 정공농도를 증가시킴으로써 발광이 형성되는 활성층에서 전자와 정공의 방사 재결합을 촉진시켜 고출력 발광을 형성시키는 음전하를 가지는 산화 그래핀을 이용한 전하 농도가 증가된 발광소자에 관한 것이다.
일반적으로 LED(light emitting diode) 또는 LD(laser diode)와 같은 반도체 발광소자는 전기발광(electroluminescence)현상, 즉, 전류 또는 전압의 인가에 의해 물질(반도체)에서 빛이 방출되는 현상을 이용한다. 반도체 발광소자의 활성층(또는 발광층)에서 전자와 정공이 결합하면서 활성층의 에너지 밴드갭(band gap)에 해당하는 만큼의 에너지가 빛의 형태로 방출될 수 있다. 활성층의 에너지 밴드갭(band gap)의 크기에 따라 발광소자에서 발생되는 빛의 파장이 달라질 수 있다.
특히, 발광소자(light emitting diode)는 갈륨나이트라이드(GaN)를 기반소재로 사용하고 있으며, 지난 수 십년 동안 조명, 반도체, 디스플레이, 바이오 센서, 광 소자 등과 같은 다양하고 필수적인 요소에 응용되어 졌다. 또한 자외선(UV)영역 부터 근적외선(NIR)까지 넓은 파장의 범위를 지니고 있고 에너지 절감효과도 크기 때문에 파급효과가 매우 큰 재료이다.
이러한 발광소자의 대표적인 예가 GaN 기반의 발광소자이며, GaN 기반 발광소자는 기판 상에 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층을 순차적으로 적층되며, n형 반도체층과 p형 반도체 층 각각에 외부로 부터 전원을 공급받기 위한 n형 전극패드와 p형 전극패드가 설치되었다. 이때, p형 반도체의 저항 성분이 매우 크기 때문에 p형 반도체 상부 표면에 균일하게 전압을 인가할 수 있는 판 형상의 투명전극이 형성된다.
이러한 발광소자의 발광효율을 증가시키려는 노력이 계속되고 있는 실정이다.
종래기술로는 대한민국특허청 등록특허공보 등록번호 10-1332686호(공고일자 2013년 11월 25일)에 "투명 전극을 구비하는 발광소자 및 그 제조 방법"이 소개되어 있다.
상기 종래기술은 물질의 저항상태가 고저항 상태에서 저저항 상태로 변화되는 저항변화 물질로 발광소자의 투명 전극을 형성함으로써, 발광소자에서 발생하는 가시광선 영역의 빛뿐만 아니라 자외선 영역(특히, 340nm~280nm 파장 영역 및 280nm 이하의 파장 영역의 자외선)의 빛에 대해서도 높은 광투과율을 나타낼 뿐만 아니라, 투명 전극의 전도도가 높아, 반도체층과 양호한 오믹 접촉이 이루어지게 하여 발광특성을 개선시켜려는 내용이다.
다른 종래기술로는 대한민국특허청 등록특허공보 등록번호 10-1281686호(공고일자 2013년 07월 03일)에 "표면 플라즈몬 공명을 이용하여 발광 특성이 향상된 발광소자"가 소개되어 있다.
상기 종래기술은 투명전극으로서 상부 표면이 요철처리된 제1 투명전극층과 그래핀을 포함하는 제2 투명전극층을 포함함으로써, 제1 투명전극층과 제2 투명전극층 사이의 계면에서 플라즈몬 공명 형상을 유도하여 발광효율 및 광추출효율을 향상시키려는 내용이다.
발광특성을 향상시키려는 또 다른 시도는, GaN기반 발광소자에서 p형GaN 층의 경우 p++로서 정공의 농도를 증가시키기 위한 도핑을 유도하나, 이와 같은 도핑을 통한 정공의 증가는 한계가 있다.
이는 p형GaN층에서 형성되는 에너지 밴드의 휨현상으로 인한 정공의 고립 때문이다. 위와 같은 휨 현상은 p형GaN의 소재에서 형성되는 이중극장(dipole field)에 의해 밴드의 왜곡이 일어나기 때문에 고립 되어진 정공은 더 이상 활성층으로 전이될 수 없게 되어 발광소자의 효율 및 출력 저하가 야기되는 문제점이 있다.
따라서, p형GaN의 소재에서 밴드의 왜곡에 의해 나타나는 정공의 고립을 해소하여 활성층으로 이동하는 정공의 양을 증가시킴에 의해 전자와 정공의 방사 재결합을 촉진시켜 발광소자의 효율 및 출력을 향상시키려는 노력은 전무한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술들의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 음전하를 가지는 산화그래핀을 발광소자의 상층부에 도포하는 방법으로 이중극장(dipole field)를 형성시킴에 의해, 발광소자의 p형 반도체 층에 형성되어 있는 에너지 밴드를 산화그래핀의 이중극장을 통하여 평평하게 유도시켜 고립되어 있는 정공을 활성화시킴에 의해 p형 반도체 층의 정공농도를 증가시킴으로써 발광이 형성되는 활성층에서 전자와 정공의 방사 재결합을 촉진시켜 고출력 발광을 형성시키는 음전하를 가지는 산화 그래핀을 이용한 전하 농도가 증가된 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판과; 상기 기판 위에 형성된 n형 반도체층과; 상기 n형 반도체층 위에 형성되어 빛을 발생시키는 활성층과; 상기 활성층 위에 형성된 p형 반도체층과; 상기 p형 반도체층 위에 형성된 투명 전극층; 그리고, 음전하를 가지는 산화그래핀을 상기 투명전극층의 상면 또는 하면에 형성시키고, 상기 p형 반도체층에 산화그래핀에 의한 이중극장(dipole field)을 형성시켜 활성층으로 이동되는 정공 농도를 증가시키는 이중극장 형성층;을 포함하여 형성되는 음전하를 가지는 산화 그래핀을 이용한 전하 농도가 증가된 발광소자를 기술적 요지로 한다.
상기 산화 그래핀은, 분말상태의 그래파이트 플레이크(flake)를 산처리하여 분말상태의 산화 그래파이트 플레이크를 합성시키는 제 1단계와; 상기 제 1단계의 산화그래파이트 플레이크를 용매 내에 분산 및 박리 시킴으로서 산화그래핀을 형성시키는 제 2단계와; 상기 2단계의 산화그래핀의 크기를 조절하기 위해 원심분리시키는 제3단계;를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기 제3단계를 통하여 형성된 산화그래핀의 크기는 10nm~10um 인 것이 바람직하다.
상기 도포는 스프레이(spray), 디핑(dipping), 스핀코팅(spin coating), 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 패드 프린팅, 나이프 코팅, 키스 코팅, 그라비아 코팅 중에서 선택된 하나의 방법이 이용되는 것이 바람직하다.
상기 투명 전극층은, ITO, FTO, CNT, 그래핀, 은나노와이어, 은나노입자 중 하나가 되는 것이 바람직하다.
이에 따라, p형 도펀트(dopant)로서 산화그래핀을 도입하여 고출력 발광소자를 제작하는 것이 가능하며, 기존의 발광소자의 p형 반도체 층에 형성되어 있는 에너지 밴드의 휘어짐에 의한 정공(hole)의 고립을 산화그래핀의 이중극장(dipole field) 형성을 통해 와해시킴으로써, 평평한 에너지 밴드의 복귀를 유도시킬 수 있다. 이를 통하여 p형 반도체 층의 정공농도를 증가 시킴으로서 발광이 형성되는 활성층인 다중양자샘(multi quantum well) 층에서 전자(electron)와 정공의 방사 재결합(radiative recombination)을 촉진시켜 발광 시 고출력을 형성시킬 수 있는 이점이 있다.
상기의 구성에 의한 본 발명은, p형 도펀트(dopant)로서 산화그래핀을 도입하여 고출력 발광소자를 제작하는 것이 가능하며, 기존의 발광소자의 p형 반도체 층에 형성되어 있는 에너지 밴드의 휘어짐에 의한 정공(hole)의 고립을 산화그래핀의 이중극장(dipole field) 형성을 통해 와해시킴으로써, 평평한 에너지 밴드의 복귀를 유도시킬 수 있다. 이를 통하여 p형 반도체 층의 정공농도를 증가 시킴으로서 발광이 형성되는 활성층인 다중양자샘(multi quantum well) 층에서 전자(electron)와 정공의 방사 재결합(radiative recombination)을 촉진시켜 발광 시 고출력을 형성시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 음전하를 가지는 산화 그래핀을 이용한 전하 농도가 증가된 발광소자의 개략도이고,
도 2는 본 발명의 실시예(a) 및 비교예에 따른 발광소자의 구조를 나타낸 도이고,
도 3은 본 발명의 비교예에 따른 p형 GaN층에 형성되는 이중극장에 의해휘어진 에너지 밴드를 나타내는 도이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 p형 GaN층 위에 산화그래핀의 도포에 의한 이중극장의 형성(a) 및 이에 의해 평평하게 형성되는 에너지 밴드(b)를 나타내는 도이고,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 ITO표면에 산화그래핀이 도포된 경우 형성되는 전하의 이동방향 및 X-ray photoelectron spectroscopy를 측정하여 산화그래핀의 유무에 따른 비교예를 통한 표면의 히드록실그룹(hydroxyl group)의 증가를 나타내는 결과 및 Raman spectra를 통한 산화그래핀의 유무를 확인하는 측정 데이터를 나타내는 도이고,
도 6는 본 발명의 실시예에 및 비교예에 따른 산화그래핀의 도포 유무에 따른 발광소자의 광학적 투과도 및 일함수의 비교를 나타내는 도이고,
도 7은 본 발명의 실시예에 및 비교예에 따른 산화그래핀의 도포 유무에 따라 발광소자의 p-GaN층에 형성되는 정량적 정공밀도를 측정하기 위한 테라헤르츠(THz) spectroscopy를 나타내는 도이고,
도 8은 본 발명의 실시예에 및 비교예에 따른 산화그래핀의 도포유무에 따른 발광소자의 출력효율 및 발광정도를 측정한 데이터를 제시하는 도이고,
도 9는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 산화그래핀의 도포유무에 따른 발광소자의 활성층 영역의 방사재결합의 정도를 측정하기 위한 Electroluminescence(EL) 측정 및 이에 따른 에너지 밴드의 변화를 제시하는 도이고,
도 10은 본 발명의 실시예에 및 비교예에 따른 산화그래핀의 도포 유무에 따른 발광소자의 발광효율 및 정공밀도의 증가에 대하여 EL mapping을 통해 이미지화하여 결과를 나타내는 도이다.
도 2는 본 발명의 실시예(a) 및 비교예에 따른 발광소자의 구조를 나타낸 도이고,
도 3은 본 발명의 비교예에 따른 p형 GaN층에 형성되는 이중극장에 의해휘어진 에너지 밴드를 나타내는 도이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 p형 GaN층 위에 산화그래핀의 도포에 의한 이중극장의 형성(a) 및 이에 의해 평평하게 형성되는 에너지 밴드(b)를 나타내는 도이고,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 ITO표면에 산화그래핀이 도포된 경우 형성되는 전하의 이동방향 및 X-ray photoelectron spectroscopy를 측정하여 산화그래핀의 유무에 따른 비교예를 통한 표면의 히드록실그룹(hydroxyl group)의 증가를 나타내는 결과 및 Raman spectra를 통한 산화그래핀의 유무를 확인하는 측정 데이터를 나타내는 도이고,
도 6는 본 발명의 실시예에 및 비교예에 따른 산화그래핀의 도포 유무에 따른 발광소자의 광학적 투과도 및 일함수의 비교를 나타내는 도이고,
도 7은 본 발명의 실시예에 및 비교예에 따른 산화그래핀의 도포 유무에 따라 발광소자의 p-GaN층에 형성되는 정량적 정공밀도를 측정하기 위한 테라헤르츠(THz) spectroscopy를 나타내는 도이고,
도 8은 본 발명의 실시예에 및 비교예에 따른 산화그래핀의 도포유무에 따른 발광소자의 출력효율 및 발광정도를 측정한 데이터를 제시하는 도이고,
도 9는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 산화그래핀의 도포유무에 따른 발광소자의 활성층 영역의 방사재결합의 정도를 측정하기 위한 Electroluminescence(EL) 측정 및 이에 따른 에너지 밴드의 변화를 제시하는 도이고,
도 10은 본 발명의 실시예에 및 비교예에 따른 산화그래핀의 도포 유무에 따른 발광소자의 발광효율 및 정공밀도의 증가에 대하여 EL mapping을 통해 이미지화하여 결과를 나타내는 도이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 음전하를 가지는 산화 그래핀을 이용한 전하 농도가 증가된 발광소자는 도 1에 도시된 바와 같이, 크게 기판(100)과; n형 반도체층(110)과; 활성층(120)과; p형 반도체층(130)과; 투명 전극층(140); 그리고, 이중극장 형성층(150)으로 구성된다.
그리고 상기 이중극장(dipole field) 형성층(150)은 도 1의 (a)와 같이 투명 전극층(140) 위에 형성시키거나, 도 1의 (b)와 같이 투명 전극층(140) 아래에 형성시킬 수 있다.
상기 기판(100)은 일반적인 반도체소자 공정에서 사용되는 다양한 기판 중 어느 하나를 사용할 수 있는바, 사파이어(Al2O3) 기판, Si 기판, SiC 기판, 비정질 AlN 기판 및 Si-Al 등이 사용 가능하다. 또한, 경우에 따라 기판은 발광소자가 완성된 후 제거될 수도 있다.
n형 반도체층(110)은 기판(100)상에 형성되고, n형 불순물로 도핑된 질화물 반도체로 형성될 수 있다. n형 반도체층은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 반도체 재료를 n형 불순물로 도핑하여 형성되며, GaN, AlGaN, InGaN 등이 사용된다.
여기서, 기판(100)과 n형 반도체층(110)의 재질에 따라, n형 반도체층(110)과 기판(100) 사이에 필요시 Un-doped GaN 등으로 형성되는 버퍼층을 형성시킬 수도 있다.
상기 활성층(120)은 n형 반도체층(110)과 후술하는 p형 반도체층(130) 사이에 형성되고, 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 빛을 방출한다. 활성층은 알루미늄 함량에 따라 밴드갭 에너지의 조절이 가능한 AlXGa1 - XN(0≤x≤1), 인듐 함량에 따라 밴드갭 에너지의 조절이 가능한 InXGa1 - XN(0≤x≤1) 등의 반도체 재료로 형성될 수 있다. 또한, 활성층(120)은 양자 장벽층과 양자 우물층이 서로 교대로 적층된 다중 양자 우물(multiquantumnwell, MQW)층일 수 있다.
p형 반도체층(130)은 활성층(120) 상부에 형성되고, p형 불순물로 도핑된 질화물 반도체 등으로 형성되는바, p형 반도체층(130)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 반도체 재료를 p형 불순물로 도핑하여 형성되며, GaN, AlGaN, InGaN 등이 사용되거나, ZnO, GaAs, InP, InGaAsP, GaAsP, AlGaInP 등이 사용될 수 있다.
상기 p형 반도체층(130) 상에는 ITO나 FTO 등의 투명 전극층(140)이 형성된다.
그리고 상기 투명 전극층(140)의 상면 또는 하면에는 음전하를 가지는 산화그래핀을 이용한 이중극장 형성층(150)이 형성되어 본 발명의 발광소자가 형성된다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
앞에서도 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 발광소자는 기본적으로 기판(100)과; n형 반도체층(110)과; 활성층(130)과; p형 반도체층(130)과; 투명 전극층(140); 및 이중극장 형성층(150)을 포함하여 구성된다.
도2의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 발광소자는 사파이어를 기판(100)으로 사용하고, 기판 상면에는 버퍼층(200)인 undoped GaN층이 형성되고, 그 위에 n형 반도체층(110)인 n형 GaN층이 형성된다. 그리고 그 상면에 버퍼층(210)인 p형 AlGaN층이 형성되고, 그 상면에 활성층(120)인 InGaN/GaN층이 형성되며, 그 상면에 버퍼층(220)인 p형 AlGaN층을 형성시킨다.
그리고 그 상면에 p형 반도체층(130)인 p형 GaN층을 형성시키고, 그 상면에 p형 GaN층에 정공을 도핑하기 위한 정공도핑층(230)인 GaN 정공도핑층을 형성시키고, 상면에 투명전극층(140)인 ITO 전극층을 형성시키고, 그 상면에 본 발명의 핵심인 이중극장 형성층(150)을 형성하여 발광소자를 형성시킨다.
그리고 이의 비교예로써, 도2의 (b)와 같이, 기판(100), 버퍼층(200)인 undoped GaN층, n형 반도체층(110)인 n형 GaN층, 버퍼층(210)인 p형 AlGaN층, 활성층(120)인 InGaN/GaN층, 버퍼층(220)인 p형 AlGaN층, p형 반도체층(130)인 p형 GaN층, 정공도핑층(230)인 GaN 정공도핑층, 및 투명전극층(140)인 ITO 전극층이 차례로 적층되어 형성된 발광소자를 비교예로써 형성시킨다.
비교예의 발광소자인 경우, 도 3과 같이, p형 반도체 층인 p형 GaN층에서 형성되는 에너지 밴드의 휨현상으로 인하여 정공의 고립 현상이 발생한다. 이와 같은 에너지 밴드의 휨 현상은 p형 GaN 층에서 형성되는 이중극장(dipole field)인 Psp에 의해 밴드의 왜곡이 일어나기 때문에 고립 되어진 정공은 더 이상 활성층으로 전이될 수 없게 되어 발광소자의 효율 및 출력 저하가 야기된다.
따라서, 상기 p형 반도체 층인 p형 GaN층에서 형성되는 Psp를 감쇄시키는 방법이 필요할 것이라 생각되며 이를 감쇄시키는 방법으로 Psp와 반대방향의 이중극장을 형성시키는 방법인 것이다.
이러한 역할을 하는 소재가 음전하를 가지는 산화그래핀이며 상기 음전하를 가지는 산화 그래핀이 상기 투명전극층상에 이중극장 형성층으로써 도포됨에 의해 상기 Psp를 감쇄시키게 되며 이하 이에 대해 살펴보기로 한다.
산화그래핀은 다양한 산소관능기에 의해서 강한 전기적 분극을 형성한다. 이 때문에, 친수성으로서 물과 같은 극성용매에 잘 분산이 되는 장점이 있다. 본 발명의 실시예와 같이 투명전극으로 사용되는 금속산화물인 주석이 도핑된 산화인듐막(In2O3-Sn, ITO)층 위에 균일하게 음전하를 가지는 산화 그래핀을 도포함으로서 p형 GaN층의 이중극장을 감소시킬 수 있다.
이는, 도4(a)에 나타난 바와 같이, 이중극장 형성층을 구성하는 산화그래핀의 산소관능기에 의하여 산화그래핀은 음전하를 띄게 되고, 이 음전하에 의해 투명전극층인 ITO 내부에 이중극장이 형성되고, 상기 ITO 내부에 형성된 이중극장에 의해 상기 p형 GaN층 내부에도 이중극장인 PGO가 형성된다.
상기에서 형성된 이중극장인 PGO는 Psp 와는 방향이 반대가 되는 이중극장으로 도4의 (b)와 같이, 상기 p형 반도체 층에 형성된 이중극장인 Psp를 감쇄시키는 역할을 한다. 이와 같이, 이중극장인 Psp의 감쇄에 의해 p형 GaN층의 에너지밴드를 평평하게 유도 함으로서 고립 되어져 있는 정공의 활성화를 유도할 수 있으며, 이에 따라서 발광효율이 크게 향상되게 된다.
다음은 음전하를 가지는 산화 그래핀의 제조방법에 대해 설명한다.
음전하를 띄는 산화 그래핀은, 분말상태의 그래파이트 플레이크(flake)를 산처리하여 분말상태의 산화 그래파이트 플레이크를 합성시키는 제 1단계와; 상기 제 1단계의 산화그래파이트 플레이크를 용매 내에 분산 및 박리시킴으로서 산화그래핀을 형성시키는 제 2단계와; 상기 2단계의 산화그래핀의 크기를 조절하기 위해 원심분리시키는 제3단계;를 거쳐 형성된다.
이러한 산화 그래핀 수득과정은 기존의 습식 공정법인 휴머스법(W. Hummers 외 1명, J. Am. Chem. Soc., 80, 1339, 1958), 브로디법(B. C. Brodie, Ann. Chim. Phys., 59, 466-472, 1860), 스타우덴마이어법(L. Staudenmaier, Ber. Dtsch. Chem. Ges., 31, 1481-1499, 1898) 등을 이용한 산화흑연 형태로부터 얻어지고, 산화흑연 형성 후 산화그래핀은 초음파 분쇄 및 호모게나이저와 같은 박리를 통하여 형성된다. 이후 산처리 및 초음파분쇄과정을 거치는바, 이러한 처리에 의해 산화그래핀에는 다양한 결함이 형성됨과 동시에 산소를 함유한 작용기들이 그래핀의 표면에 존재하기 때문에 부도체 성질을 가지며 음전하를 띄게 되어 강한 이중극장을 형성하게 된다.
이렇게 형성된 산화 그래핀은 투명전극층상에 도포되는바, 스프레이(spray), 디핑(dipping), 스핀코팅(spin coating), 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 패드 프린팅, 나이프 코팅, 키스 코팅, 그라비아 코팅 중에서 선택된 하나의 방법을 이용하는 도포된다.
상기 도 2(a)와 같은 본 발명의 실시예에 의한 발광소자와, 도 2(b) 같은 비교예의 발광소자를 이용하여 물성측정을 하였다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 ITO표면에 산화그래핀이 도포된 경우 형성되는 전하의 이동방향 및 X-ray photoelectron spectroscopy(XPS)를 측정하여 산화그래핀의 유무에 따른 비교예를 통한 표면의 히드록실그룹(hydroxyl group)의 증가를 나타내는 결과 및 Raman spectra를 통한 산화그래핀의 유무를 확인하는 측정 데이터를 나타내는 도이다. 제일 왼쪽의 XPS 데이타에서 내부에 그려진 도면이 비교예이고, 외부에 그려진 도면이 본 발명의 실시예의 자료로써, 이를 비교하면, 실시예에서 O3피크가 증가함을 알 수 있으며, 이는 히드록실그룹(OH)이 증가함을 의미한다. 이는 중간 도면에 나타낸 바와 같이, 산화 그래핀에 히드록실그룹(OH)이 붙어 있음을 의미하고, 제일 우측 자료는 Raman spectra로써, ITO는 비교예이고, ITO/h-GO는 실시예인바, 실시예에서 D, G, 2D피크는 산화그래핀 피크로써 산화 그래핀 층이 형성되어 있음을 의미한다. 즉, 도 5의 자료로써 실시예에서는 음전하를 가지는 산화그래핀이 투명전극층상에 잘 형성되어 있음을 알 수 있다.
도 6는 본 발명의 실시예에 및 비교예에 따른 산화그래핀의 도포 유무에 따른 발광소자의 광학적 투과도 및 일함수의 비교를 나타내는 도로써, ITO는 비교예이고, ITO/h-GO는 실시예이다.
좌측도면에서 광학적 투과도는 비교예나 실시예에서 거의 차이가 없음을 알 수 있다. 우측 도면에서 일함수가 우측으로 이동되었으며, 이는 정공의 농도가 증가함을 의미한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 및 비교예에 따른 산화그래핀의 도포 유무에 따라 발광소자의 p-GaN층에 형성되는 정량적 정공밀도를 측정하기 위한 테라헤르츠(THz) spectroscopy를 나타내는 도로써, 비교예인 ITO에 비해 실시예인 ITO/h-GO의 정공밀도가 증가함을 의미한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 및 비교예에 따른 산화그래핀의 도포유무에 따른 발광소자의 출력효율을 측정한 데이터를 제시하는 도로써, ITO는 비교예이고, ITO/h-GO는 실시예이다.
도8에서 인젝션 전류가 약 20mA인 경우 실시예의 출력효율이 비교예에 비해 약 60% 정도 증가함을 알 수 있으며, 인젝션 전류가 약 200mA이상인 경우 비교예는 출력효율이 급격이 감소하는 반면 실시예는 감소가 거의 없는바, 이는 실시예에서는 반응에 기여하는 충분한 정공을 가지고 있다는 것을 의미한다.
도 9는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 산화그래핀의 도포유무에 따른 발광소자의 활성층 영역의 방사재결합의 정도를 측정하기 위한 Electroluminescence(EL) 측정 및 이에 따른 에너지 밴드의 변화를 제시하는 도로써, conventional UV-LED는 비교예이고 이고, UV-LED/h-GO는 실시예이다.
도9(a)에서 방사정도가 실시예가 비교예에 비해 큼을 알 수 있으며, 도9(b)에서 피크 파장이 실시예가 비교예에 비해 작은 값을 갖는바, 실시예의 발광에너지가 비교예에 비해 크다는 것을 의미한다. 그리고 도9(c)에서 실시예의 정공농도가비교예에 비해 크다는 것을 의미한다
도 10은 본 발명의 실시예에 및 비교예에 따른 산화그래핀의 도포 유무에 따른 발광소자의 발광효율 및 정공밀도의 증가에 대하여 EL mapping을 통해 이미지화하여 결과를 나타내는 도로써, conventional UV-LED는 비교예이고, UV-LED/h-GO는 실시예이다.
도10에서 실시예가 비교예에 비해 발광효율이 우수함을 알수 있다.
상기에서는 이중극장형성층(150)을 형성하는 경우, 산화그래핀을 미리 형성하고 이를 도포하는 형태로 구성하였으나, 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD) 등을 이용하여 그래핀을 성장시킨 후 이를 산화시킴으로서 산화그래핀을 제조할 수도 있다.
이렇게 제도된 산화그래핀을 투명전극층(140) 상하면에 전사시킴으로서 이중극장형성층(150)을 형성시킬 수 있다.
이때, 화학기상증착법은 열, 플라즈마(DC, AC, microwave, ICP 등)등을 에너지원으로 이용하여 Cu, Ni, Fe 등의 촉매 기판 위에 그래핀을 성장시킨다.
성장된 그래핀은 O2 plasma, UVO, 및 산처리를 통한 케미칼옥시데이션(chemical oxidation) 등과 같은 방법으로 산화시킬 수 있다.
이와 같이, 산화된 CVD에 의해 성장된 그래핀을 투명전극 위에 전사 시킴으로서 위와 같은 효과를 얻을 수 있다.
이때, 전사 전 후와 관계없이 산화 처리가 가능하다.
100 : 기판 110 : n형 반도체층
120 : 활성층 130 : p형 반도체층
140 : 투명전극층 150 : 이중극장 형성층
200,210,220 : 버퍼층 230 : 정공 도핑층
120 : 활성층 130 : p형 반도체층
140 : 투명전극층 150 : 이중극장 형성층
200,210,220 : 버퍼층 230 : 정공 도핑층
Claims (5)
- 기판과;
상기 기판 위에 형성된 n형 반도체층과;
상기 n형 반도체층 위에 형성되어 빛을 발생시키는 활성층과;
상기 활성층 위에 형성된 p형 반도체층과;
상기 p형 반도체층 위에 형성된 투명 전극층; 그리고,
상기 p형 반도체층에 산화그래핀에 의한 이중극장(dipole field)을 형성시켜 활성층으로 이동되는 정공 농도를 증가시키도록 음전하를 가지는 산화그래핀을 이용하여 상기 투명전극층의 상면 또는 하면에 도포 형성되는 이중극장 형성층;을 포함하여 형성됨을 특징으로 하는 음전하를 가지는 산화 그래핀을 이용한 전하 농도가 증가된 발광소자. - 제1항에 있어서, 상기 산화 그래핀은,
분말상태의 그래파이트 플레이크(flake)를 산처리하여 분말상태의 산화 그래파이트 플레이크를 합성시키는 제 1단계와;
상기 제 1단계의 산화그래파이트 플레이크를 용매 내에 분산 및 박리 시킴으로서 산화그래핀을 형성시키는 제 2단계와;
상기 2단계의 산화그래핀의 크기를 조절하기 위해 원심분리시키는 제3단계;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 음전하를 가지는 산화 그래핀을 이용한 전하 농도가 증가된 발광소자. - 제2항에 있어서, 상기 제3단계를 통하여 형성된 산화그래핀의 크기는 10nm~10um 임을 특징으로 하는 음전하를 가지는 산화 그래핀을 이용한 전하 농도가 증가된 발광소자.
- 제1항에 있어서, 상기 도포는 스프레이(spray), 디핑(dipping), 스핀코팅(spin coating), 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 패드 프린팅, 나이프 코팅, 키스 코팅, 그라비아 코팅 중에서 선택된 하나의 방법이 이용됨을 특징으로 하는 음전하를 가지는 산화 그래핀을 이용한 전하 농도가 증가된 발광소자.
- 제1항에 있어서, 상기 투명 전극층은, ITO, FTO, CNT, 그래핀, 은나노와이어, 은나노입자 중 하나가 됨을 특징으로 하는 음전하를 가지는 산화 그래핀을 이용한 전하 농도가 증가된 발광소자.
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| CN109188821A (zh) * | 2018-09-17 | 2019-01-11 | 南京中电熊猫平板显示科技有限公司 | 一种显示面板、制造方法、显示装置及其控制方法 |
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2014
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