KR101619475B1 - 표면 플라즈몬 공명을 이용한 발광소자구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면 플라즈몬 공명을 이용한 발광소자구조에 관한 것으로, 발광다이오드 칩과; 상기 발광다이오드 칩 상에 형성되는 스페이서와; 상기 스페이서 상에 형성되어 상기 발광다이오드 칩에서 방출되는 빛에 의해 여기되어 발광하는 형광체를 포함하는 형광층과; 상기 스페이서의 내부에 매몰되어 있고, 나노 사이즈를 가지며, 구 형상으로 형성된 복수의 금속 나노입자들을 포함하는 금속 나노입자층;을 구비하고, 상기 스페이서는 상기 금속 나노입자들에 의한 표면 플라즈몬 공명이 상기 형광층에 미치도록 상기 금속 나노입자층과 상기 형광층 사이의 간격을 조절할 수 있도록 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 발광소자구조는 발광다이오드에 금속 나노입자와 형광체 및 스페이서를 결합하고, 형광체를 플라즈몬 공명(국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR, Localized Surface Plasmon Resonance))이 미루어질 수 있는 거리에 위치하도록 스페이서의 두께를 조절함으로써 형광체의 발광 특성과 효율을 향상시킴과 더불어 발광 효율이 높고, 연색 특성이 우수한 장점을 가진다.

Description

표면 플라즈몬 공명을 이용한 발광소자구조{Light emitting element structure using the surface plasmon resonance}

본 발명은 표면 플라즈몬 공명을 이용한 발광소자구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발광다이오드에 금속 나노입자와 형광체 및 스페이서를 결합하고, 형광체를 플라즈몬 공명(국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR, Localized Surface Plasmon Resonance))이 미루어질 수 있는 거리에 위치하도록 스페이서의 두께를 조절함으로써 형광체의 발광 특성을 향상시킨 표면 플라즈몬 공명을 이용한 발광소자구조에 관한 것이다.

백색 발광다이오드(White Light Emitting Diode)는 종래의 일반 조명을 대체할 수 있는 차세대 발광 소자 중 가장 각광을 받고 있는 조명용 광원이다. 조명 광원으로 사용되고 있는 백열등 및 형광등과 비교하여 백색 발광다이오드는 소비전력이 종래의 광원보다 매우 작으며 발광 효율이 높고 고휘도를 나타내며, 수명이긴 장점이 있다.

상술한 바와 같은 발광다이오드는 백열등과 달리 발광 밴드의 폭이 좁으며 발광다이오드를 구성하는 물질의 밴드갭 에너지에 해당하는 단색광을 방출하기 때문에 단독의 발광다이오드 칩으로는 백색광을 구현하기 어렵다.

이를 극복하기 위하여 백색 발광다이오드를 제조하는 전형적인 방법으로는 하기와 같은 세 가지 방법이 있다.

첫째는 고휘도의 청색, 녹색 및 적색 발광다이오드를 혼합하여 사용하는 방법이고, 둘째는 장파장 자외선 발광다이오드 위에 청색, 녹색 및 적색 발광 형광체를 코팅하는 방법이며, 셋째는 청색 발광다이오드 위에 황색 발광 형광체를 코팅하는 방법이다.

이 중 첫 번째 방법인 청색, 녹색, 적색 발광다이오드 칩을 하나의 패키지 구조에 구성하여 백색광을 구현하는 경우에는, 고휘도와 고연색지수를 얻을 수는 있으나 각 발광다이오드 칩의 최적 구동전류가 다르기 때문에 회로의 구성이 복잡해지고 가격이 매우 높은 단점이 있어, 조명용으로의 응용보다는 디스플레이 등의 특수용도에 더 많이 응용된다.

두 번째 방법인 장파장 자외선 발광다이오드 위에 청색, 녹색 및 적색 발광 형광체를 코팅하는 기술은 자외선을 삼원색 형광 물질에 투과시켜 삼파장 백색광을 만들어 내는 가장 이상적인 방법이다.

세 번째 방법인 청색 발광다이오드 위에 황색 발광 형광체를 코팅하여 백색 발광다이오드를 제조하는 기술은 현재 가장 널리 연구되고 있다. 이 방법은 그 구조가 간단하여 제조가 용이하고 고휘도의 백색광을 얻을 수 있는 장점이 있으나, 세 번째 방법에서 널리 사용되는 YAG계의 발광 형광체는 적색 스펙트럼 영역의 발광 강도가 상대적으로 약해 우수한 연색(color rendering) 특성을 얻기가 어려우며 색재현 범위가 낮기 때문에 조명 및 액정 디스플레이 장치 배경 광원으로는 적합하지 않다는 문제가 있다.

이를 극복하기 위하여 적색 발광 형광체가 황색 발광 형광체와 함께 도포되어 백색광을 구현하는 연구가 진행되고 있으나, 적색 발광 물질로 주로 사용되는 황화물계 형광체는 불안정하고 옥사이드계 형광체는 효율이 낮으며 질화물계 형광체는 합성 수율이 낮고 제조 단가가 고가이다.

따라서, 형광체가 아닌 새로운 발광 물질로 CdSe와 같은 양자점을 적용하여 백색 발광다이오드를 구현하고자 한 시도가 이루어졌으나 양자점만을 청색 발광다이오드에 도포하여 백색발광다이오드를 제조하는 경우 형광체를 이용하여 백색 발광다이오드를 제조하는 경우와 비교하여 발광 효율이 낮은 특성을 보이게 되는데, 그 이유는 양자점이 용액에 분산된 상태에서는 높은 발광 효율을 나타내지만 백색 발광다이오드에 도포되기 위해 봉지제에 혼합되면 용매 매질의 변화로 발광 효율이 감소되고 혼합시 뭉침 및 응집 등의 현상으로 발광 강도가 더욱 낮아지기 때문이다.

또한, 양자점이 잘 분산된 액상 용매인 경우에도 발광다이오드의 광변환을 위해 필요한 농도 수준의 고농도의 양자점이 포함되는 경우는 자체 소광(selfquenching) 효과에 의해 낮은 양자 효율을 보인다.

따라서, 이미 상용화되어 있는 고상의 녹색 및 황색 발광 무기 형광체와 비교하여 그 발광 강도가 낮아 백색 발광다이오드의 전광속을 떨어뜨리게 되므로, 형광체와 양자점의 장점을 조합하여 높은 휘도를 가지며 연색성도 우수한 백색 발광다이오드의 개발이 절실히 요구된다.

이때, 단순히 황색, 혹은 녹색 발광 형광체를 적색 발광 양자점과 혼합하여 도포하는 경우 형광체로부터 변환되는 광이 양자점의 흡수에 의한 손실로 인해 백색 발광다이오드의 전광속이 감소하게 되므로 발광효율을 최대화할 수 있도록 하는 발광 재료들의 패키지 구조가 절실히 요구된다.

KR 10-0788041 B1 KR 10-0605211 B1 KR 10-1144754 B1

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 발광다이오드에 금속 나노입자와 형광체 및 스페이서를 결합하고, 형광체를 플라즈몬 공명(국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR, Localized Surface Plasmon Resonance))이 미루어질 수 있는 거리에 위치하도록 스페이서의 두께를 조절함으로써 형광체의 발광 특성을 향상시키며, 발광 효율이 높고, 연색 특성이 우수한 표면 플라즈몬 공명을 이용한 발광소자구조를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 발광소자구조는 발광다이오드 칩과; 상기 다이오드 칩 상에 형성되는 스페이서와; 상기 스페이서 상에 형성되어 상기 발광다이오드 칩에서 방출되는 빛에 의해 여기되어 발광하는 형광체를 포함하는 형광층과; 상기 스페이서의 내부에 매몰되어 있고, 나노 사이즈를 가지며, 구 형상으로 형성된 복수의 금속 나노입자들을 포함하는 금속 나노입자층;을 구비하고, 상기 스페이서는 상기 금속 나노입자들에 의한 표면 플라즈몬 공명이 상기 형광층에 미치도록 상기 금속 나노입자층과 상기 형광층 사이의 간격을 조절할 수 있도록 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 스페이서는 상기 발광다이오드 칩의 상부 표면에 증착되고 상부에는 상기 금속 나노입자들이 도포되는 제1스페이서와, 상기 금속 나노입자들에 의해 형성되는 금속 나노입자층의 상부를 감싸도록 상기 금속 나노입자층의 상부에 형성되는 제2스페이서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 금속 나노입자는 금, 은, 구리, 알루미늄, 크롬 중 선택된 어느 하나를 포함하고, 상기 스페이서는 산화규소, 산화인듐주석, 이산화티타늄 중 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 발광소자구조는 발광다이오드에 금속 나노입자와 형광체 및 스페이서를 결합하고, 형광체를 플라즈몬 공명(국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR, Localized Surface Plasmon Resonance))이 미루어질 수 있는 거리에 위치하도록 스페이서의 두께를 조절함으로써 형광체의 발광 특성과 효율을 향상시킴과 더불어 발광 효율이 높고, 연색 특성이 우수한 장점을 가진다.

도 1은 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 발광소자구조의 제1실시 예를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 발광소자구조의 제2실시 예를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 발광소자구조의 제3실시 예를 나타낸 단면도.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 발광소자구조에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1 내지 도 3에는 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 발광소자구조가 도시되어 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 발광소자구조는 발광다이오드 칩(100)과; 상기 발광다이오드 칩(100) 상에 형성되는 스페이서(200)와; 상기 스페이서(200) 상에 형성되어 상기 발광다이오드 칩(100)에서 방출되는 빛에 의해 여기되어 발광하는 형광체(301)를 포함하는 형광층(300)과; 상기 스페이서(200)의 내부에 매몰되어 있고, 나노 사이즈를 가지며, 구 형상으로 형성된 복수의 금속 나노입자(401)들을 포함하는 금속 나노입자층(410);을 구비한다.

상기 발광다이오드 칩(100)은 청색광을 방출하도록 된 것으로서, 사파이어 기판 상에 성장되는 버퍼레이어(미도시)와, 전자 주입층으로서 상기 버퍼레이어 상에 성장되는 제1반도체층(110)과, 제1반도체층(110) 상에 성장되는 활성층(130)과, 정공 주입층으로서 활성층(130) 상에 적측되는 제2반도체층(120)을 포함한다.

상기 버퍼레이어는 AIN 또는 GaN, 상기 제1반도체층(110)은 n-GaN, 제2반도체층(120)은 p-GaN, 상기 활성층(130)은 MQW(Multi Quantum Wells)로서 InGaN/GaN 또는 InGaN/GaN을 적용하였다.

도면에 도시되어 있지 않지만, 상기 버퍼레이어와 상기 제1반도체층(110) 사이에는 GaN으로 이루어진 제3반도체층이 더 개재되며, 상기 활성층(130)과 상기 제2반도체층(120) 사이에는 AlGaN으로 이루어진 EBL(Electron Blocking Layer)이 더 개재되어 있다.

상기 스페이서(200)는 상기 발광다이오드 칩(100) 상에 형성되어 있고, 상기 금속 나노입자(401)들에 의한 표면 플라즈몬 공명 현상이 상기 형광층(300)에 미치도록 상기 금속 나노입자층(410)과 상기 형광층(300) 사이의 간격을 조절할 수 있도록 형성되어 있다. 상기 스페이서(200)는 상기 산화규소(SiO₂), 산화인듐주석(ITO), 이산화티타늄(TIO₂) 중 선택된 어느 하나를 포함하여 이루어져 있다.

상기 스페이서(200)는 상기 발광다이오드 칩(100)의 상부 표면에 증착되고 상부에는 상기 금속 나노입자(401)들이 도포되는 제1스페이서(210)와, 상기 금속 나노입자(401)들에 의해 형성되는 금속 나노입자층(410)의 상부를 감싸도록 상기 금속 나노입자층(410)의 상부에 형성되는 제2스페이서(220)를 포함한다.

상기 스페이서(200)는 발광다이오드 칩(100) 상에 먼저 제1스페이서(210)를 증착 형성한 뒤 제1스페이서(210) 상에 후술하는 금속 나노입자층(410)을 도포하며, 금속 나노입자층(410)이 제1스페이서(210) 상에 형성된 후에 금속 나노입자층(410)을 덮어 밀봉시키도록 금속 나노입자층(410)의 상부에 소정 두께로 증착된다. 상기 스페이서(200)는 제2스페이서(220)의 증착 두께를 조절함으로써 후술하는 금속 나노입자층(410)과 형광층(300) 사이의 간격을 조절하며, 이러한 스페이서(200)의 두께 조절을 통해 금속 나노입자층(410)에 의한 표면 플라즈몬 공명 현상이 미치는 영역에 형광층(300)을 위치시킬 수 있다.

상기 제2스페이서(220)의 두께는 상기 금속 나노입자(401)의 입도, 밀도, 재질, 모양에 따라 표면 플라즈몬 공명 위치가 다르게 나타날 수 있으므로, 금속 나노입자(401)의 물성 및 형상에 따라 다양하게 변경하는 것이 바람직하다.

상기 형광층(300)은 청색광을 황색(노란색)광으로 변환시키는 형광체(301)로 구성되거나, 녹색광 및 적색광으로 변환하여주는 복수의 형광체(301)들로 구성될 수 있다. 형광체(301)는 기본적으로는 발광다이오드 칩(100)에서 방출되는 청색광에 의해서 여기 상태로 들뜨게 되며, 다시 안정한 바닥상태로 돌아감에 따라 다른 파장의 빛을 발생하게 된다. 상기 청색광과 다른 파장의 빛을 포함하는 두 파장 이상의 빛들을 혼합함에 따라 백색 광원을 구현할 수 있다.

상기 금속 나노입자층(410)은 상기 스페이서(200) 내부에 금속 나노입자(401)들이 불규칙하게 분산되어 있다. 상기 금속 나노입자층(410)을 이루는 금속 나노입자(401)는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 크롬(Cr) 중 선택된 어느 하나를 포함하여 구성되어 있다.

상기 금속 나노입자(401)는 수nm 내지 수백nm의 크기로 형성될 수 있는데, 열 증착 방식이나 전자빔 증착 방식으로 제1스페이서(210) 상에 위치시킬 수 있다. 이러한 경우 나노입자(401)의 모양이 클러스터 형상을 갖는 것으로 나타나며, 입자(401) 합성을 통해 형성될 경우 금속 나노입자(401)의 형태는 원자단위가 모여있는 클러스터부터 구형, 4면체, 6면체, 8면체 및 막대 기둥 등 다양한 형상으로 이루어질 수 있으며, 온도 조절을 통해 금속 나노입자(401)의 크기를 조절할 수 있다.

또한, 상기 금속 나노입자(401)는 서로 동일한 입도를 갖는 것을 적용할 수도 있으나 서로 다른 크기의 입도를 갖는 것들을 적용할 수 있음은 물론이다.

본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 발광소자구조의 금속 나노입자층(410)을 이루는 금속 나노입자(401)는 특정 파장을 갖는 빛에 의해 표면 플라즈몬 공명을 유도하여 형광층(300)에 전기장을 형성하는 것에 의해 형광체(301)의 발광 효율을 증가시키도록 되어 있다.

언급된 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)은 나노 사이즈의 금속 입자가 가시광선 대역 또는 적외선 대역의 특정 파장을 갖는 빛과 공명하여 입자의 표면 플라즈몬이 집단으로 진동하는 현상으로서, 금속 박막 표면의 가까운 거리에서 발생하는 형광이 표면 플라즈몬에 의해 강화되는 현상이며, 표면 플라즈몬 공명이 발생하는 경우 나노 입자는 공명 파장의 빛을 흡수하여 그 보색의 선명한 빛을 방출한다.

상기의 표면 플라즈몬은 유사 입자로서 금속 박막 표면에서 일어나는 자유 전자들의 집단적인 진동을 의미한다. 평평한 금속 박막의 표면에서 여기되는 플라즈몬은 금속 표면에서 전파하기 때문에 표면 플라즈몬(surfaceplasmon)이라 부르지만, 나노 입자화된 금속의 경우에는 여기된 플라즈몬이 전파하지 않고 나노 입자(401)의 근접장 내에 귀속되기 때문에 국부화된 표면 플라즈몬(Localized surface plasmon)이라 부른다.

상술한 바와 같은 표면 플라즈몬 공명은 국소적으로 매우 증가된 전기장을 발생시키고, 이 전기장은 빛 에너지가 표면 플라즈몬으로 변환되어 금속 나노입자(401) 표면에 축적된 상태를 의미한다. 금속 나노입자(401)들은 입사 광에 응답하여 표면 플라즈몬 공명이 이루어지며, 그 결과, 국부적으로 강한 전기장이 금속 나노입자(401)들 주위에 유도된다. 이때, 유도된 전기장은 금속 나노입자(401) 주변에 위치하는 형광층(300) 세부적으로는 형광층(300)에 포함된 형광체(301)의 광 흡수 및 발광 세기를 강화시키고 최종적으로 본 발명에 따른 발광소자의 발광 효율을 증가시킨다.

상기의 표면 플라즈몬 공명 특성은 금속 나노입자(401)의 표면으로부터 수십 나노미터까지 영향을 줄 수 있는데, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 발광소자구조는 금속 나노입자(401) 층이 위치하는 지점으로부터 형광층(300)이 위치하는 지점의 간격을 조절 즉, 제2스페이서(220)의 두께를 조절함으로써 표면 플라즈몬 공명이 일어나는 영향권 안에 형광층(300)을 위치시켜 형광층(300)의 광 밀도 증가와 보다 높은 발광 세기를 갖도록 할 수 있다.

일 예로, 도 1에 도시된 바와 같이 제1사이즈를 갖는 금속 나노입자(401)들로 이루어진 금속 나노입자층(410)과 형광층(300) 사이의 거리가 제1거리이고, 이 제1거리가 표면 플라즈몬 공명이 이루어질 수 있는 최적의 거리라고 한다면, 제1사이즈보다 작은 제2사이즈를 갖는 금속 나노입자(402)들로 금속 나노입자층(420)을 형성하는 경우에는, 금속 나노입자(402)의 크기가 작아짐에 따라 표면 플라즈몬 공명이 일어나는 영향권이 좁아지게 되는데, 이때에는 도 2에 도시된 바와 같이 제2스페이서(220)의 두께를 감소시킴으로써 형광층(300)에 최적의 표면 플라즈몬 공명이 이루어지도록 할 수 있다.

한편, 이와 반대로 도 3에 도시된 바와 같이 제1사이즈보다 큰 제3사이즈를 갖는 금속 나노입자(403)들로 금속 나노입자층(430)을 형성하는 경우에는 금속 나노입자(403)의 크기가 커짐에 따라 표면 플라즈몬 공명이 일어나는 영향권이 확장되며, 이때에는 도 3에 도시된 바와 같이 제2스페이서(220)의 두께를 증가시킴으로써 형광층(300)에 최적 표면 플라즈몬 공명이 이루어질 수 있도록 할 수 있는 것이다.

즉, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 발광소자구조는 금속 나노입자(401, 402, 403)의 크기에 따라 제2스페이서(220)의 두께를 조절하여 금속 나노입자층(410, 420, 430)과 형광층(300) 사이의 간격을 최적의 표면 플라즈몬 공명이 이루어질 수 있는 간격으로 조절함으로써 형광층(300)의 발광 효율을 증진시킬 수 있는 장점을 가지는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 발광소자구조는 도면에 도시된 일 예를 참조하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호의 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100 : 발광다이오드 칩
110 : 제1반도체층
120 : 제2반도체층
130 : 활성층
200 : 스페이서
210 : 제1스페이서
220 : 제2스페이서
300 : 형광층
301 : 형광체
401, 402, 403 : 나노 급속 입자
410, 420, 430 : 금속 나노입자층

Claims (3)

1. 발광다이오드 칩과;
   상기 발광다이오드 칩 상에 형성되는 스페이서와;
   상기 스페이서 상에 형성되어 상기 발광다이오드 칩에서 방출되는 빛에 의해 여기되어 발광하는 형광체를 포함하는 형광층과;
   상기 스페이서의 내부에 매몰되고, 나노 사이즈를 가지며, 구 형상으로 형성된 복수의 금속 나노입자들을 포함하는 금속 나노입자층;을 구비하고,
   상기 스페이서는 상기 발광다이오드 칩의 상부 표면에 증착되고 상부에는 상기 금속 나노입자들이 도포되는 제1스페이서와, 상기 금속 나노입자들에 의해 형성되는 금속 나노입자층의 상부를 감싸도록 상기 금속 나노입자층의 상부에 형성되고 상기 금속 나노입자들에 의한 표면 플라즈몬 공명이 상기 형광층에 미치도록 상기 금속 나노입자층과 상기 형광층 사이의 간격을 조절할 수 있게 형성된 제2스페이서를 포함하며,
   상기 제2스페이서는 상기 금속 나노입자의 입도, 밀도, 재질에 따라 두께를 다르게 형성하고,
   상기 스페이서는 산화규소, 산화인듐주석, 이산화티타늄 중 선택된 어느 하나를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 발광소자구조.
   
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