KR101843183B1 - 발광다이오드 패키지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 패키지는 광을 방출하는 발광다이오드 및 상기 발광다이오드를 덮으며 양자점이 결합된 봉지재를 포함하는 발광다이오드 패키지에 있어서, 상기 양자점은, 코어, 상기 코어를 둘러싸는 쉘 및 상기 쉘과 상기 봉지재 사이에 화학결합된 리간드를 포함하며, 상기 리간드는 하기 화학식 1 또는 2로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
-X-Y-(Si-H)n
[화학식 2]
-X-Y-(CH=CH2)n
[화학식 1]
-X-Y-(Si-H)n
[화학식 2]
-X-Y-(CH=CH2)n
Description
본 발명은 발광다이오드 패키지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 양자점을 균일하게 분산시켜, 발광다이오드의 효율 및 색져현율을 향상시킬 수 있는 발광다이오드 패키지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
양자점(quantum dot)은 나노크기의 II-VI, III-V, I-III-VI, IV-VI 반도체 입자가 코어(core)를 이루는 입자를 말하며, 코어를 보호하기 위한 쉘(shell)과 분산을 돕기 위한 유기결합체(ligand)로 구분된다.
양자점은 일반적 염료에 비해 흡광계수(extinction coefficient)가 100∼1000배 크고 양자효율(quantum yield)도 높으므로 매우 센 형광을 발생하며, 양자점의 크기를 조절하면 원하는 파장의 가시광선 영역의 빛을 모두 낼 수 있다. 또한 여러 크기의 양자점이 함께 있을 때 하나의 파장으로 빛을 발하게 만들면 여러 가지 색을 한번에 낼 수도 있어 발광다이오드(LED), 액정표시장치의 광원, 디스플레이 발광소자 재료 등에 사용되고 있다.
특히, 발광다이오드 패키지 내에 양자점을 사용하는 경우, 봉지재 내에 양자점을 분산시키면 양자점이 균일하게 분산되지 않고 서로 뭉쳐버린다. 이러한 결과로 발광다이오드에서 나오는 광원을 화이트 파장으로 효율적으로 변환시키지 못하고 뭉쳐진 양자점에 의해 광이 막히거나 산란되어 발광다이오드의 효율 및 색재현율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 양자점을 균일하게 분산시켜, 발광다이오드의 효율 및 색져현율을 향상시킬 수 있는 발광다이오드 패키지 및 그 제조방법를 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 패키지는 광을 방출하는 발광다이오드 및 상기 발광다이오드를 덮으며 양자점이 결합된 봉지재를 포함하는 발광다이오드 패키지에 있어서, 상기 양자점은, 코어, 상기 코어를 둘러싸는 쉘 및 상기 쉘과 상기 봉지재 사이에 화학결합된 리간드를 포함하며, 상기 리간드는 하기 화학식 1 또는 2로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
-X-Y-(Si-H)n
[화학식 2]
-X-Y-(CH=CH2)n
상기 X는 산(acid), 아민(amine), 티올(thiol) 및 포스핀 옥사이드(phosphine oxide)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 Y는 지방족 화합물(aliphatic), 방향족 화합물(aromatic) 및 실록세인(siloxane)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 n은 1 내지 20의 정수일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 패키지의 제조방법은 광을 방출하는 발광다이오드 및 상기 발광다이오드를 덮으며 양자점이 결합된 봉지재를 포함하는 발광다이오드 패키지의 제조방법에 있어서, 코어를 둘러싸는 쉘에 리간드를 결합시켜 양자점을 제조하는 단계, 상기 리간드의 말단을 이중결합의 리간드로 교환하는 단계 및 상기 봉지재와 상기 양자점을 하이드로실릴화 반응시켜, 상기 쉘과 상기 봉지재 사이에 화학결합된 상기 리간드가 하기 화학식 1 또는 2로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
-X-Y-(Si-H)n
[화학식 2]
-X-Y-(CH=CH2)n
상기 X는 산(acid), 아민(amine), 티올(thiol) 및 포스핀 옥사이드(phosphine oxide)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 Y는 지방족 화합물(aliphatic), 방향족 화합물(aromatic) 및 실록세인(siloxane)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 n은 1 내지 20의 정수일 수 있다.
상기 하이드로실릴화 반응에 백금(pt) 계열의 촉매를 사용할 수 있다.
본 발명의 발광다이오드 패키지 및 그 제조방법은 양자점과 봉지재 사이에 리간드를 화학결합시켜, 양자점이 봉지재 내에 균일하게 분산시킬 수 있는 이점이 있다. 따라서, 발광다이오드의 효율 및 색져현율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 패키지를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점의 제조방법을 나타낸 도면.
도 4a는 양자점의 리간드의 치환을 모식화한 도면이고, 도 4b는 양자점과 봉지재의 하이드로실릴화 반응을 모식화한 도면이며, 도 4c는 봉지재 내에 양자점이 결합되어 분산된 것을 모식화한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점의 제조방법을 나타낸 도면.
도 4a는 양자점의 리간드의 치환을 모식화한 도면이고, 도 4b는 양자점과 봉지재의 하이드로실릴화 반응을 모식화한 도면이며, 도 4c는 봉지재 내에 양자점이 결합되어 분산된 것을 모식화한 도면.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예들을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 패키지를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발광의 일 실시예에 따른 발광다이오드 패키지(100)는 광을 발산하는 적어도 하나의 발광다이오드(120), 상기 발광다이오드(120)를 봉지하는 봉지재(130), 상기 봉지재(130) 내에 분포된 양자점(Quantum Dot, QD)(140)을 포함한다.
상기 발광다이오드(120), 봉지재(130) 및 양자점(140)은 상기 발광다이오드(120), 봉지재(130) 및 양자점(140)을 수용하는 하우징(110) 내에 수용된다. 상기 하우징(110)은 상기 발광다이오드(120), 봉지재(130) 및 양자점(140)이 내부에 수용될 수 있도록 내부에 공간을 가지며 일측이 개방된 형태로 마련된다.
상기 하우징(110)은 상기 발광다이오드(120)가 실장될 수 있는 바닥부(110a)가 형성되어 있으며, 상기 바닥부(110a)에는 상기 바닥부(110a)에서 연장되어 형성된 측면부(110b)가 연결되어 있다. 상기 하우징(110)은 플라스틱과 같은 절연성 고분자로 형성될 수 있다. 예를 들어, 폴리프탈아미드(Polyphthalamide, PPA) 내지 세라믹과 같은 물질로 형성이 가능하다. 상기 바닥부(110a)와 측면부(110b)는 하우징(110) 제조시 몰딩 방법을 이용하여 일체로 형성될 수 있다.
상기 발광다이오드(120)는 광을 발산하는 역할을 하며, 상기 하우징(110)의 바닥부(110a) 상에 실장된다. 상기 발광 다이오드(120)는 와이어(122)를 통해 전원(미도시)에 연결된다. 상기 와이어(122)는 상기 하우징(110)을 관통하여 외부의 전원과 연결될 수 있다. 상기 전원은 상기 발광다이오드(120)를 구동할 수 있도록 전압을 인가하는 역할을 한다. 그리고, 도시하지는 않았지만 상기 발광다이오드(120)의 하부에는 상기 발광다이오드(120)에서 발생한 열을 방출시키기 위한 방열 패드 또는 방열판이 구비될 수 있다.
상기 발광다이오드(120) 상에는 봉지재(130)가 상기 발광다이오드(120)를 봉지하며 위치한다. 봉지재(130)는 고분자 수지로 이루어지며, 실록세인(Siloxane) 계열로 이루어질 수 있다. 상기 봉지재(130) 내에는 복수의 양자점(142)들이 분산되어 배치된다.
이하, 상기 봉지재(130) 내에 분산된 복수의 양자점(142)에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 양자점(142)의 형광은 전도대(conduction band)에서 가전자대 (valence band)로 들뜬 상태의 전자가 내려오면서 발생하는 빛이다. 양자점(142)은 같은 물질의 코어로 구성되더라도 입자의 크기에 따라 형광파장이 달라지며 입자의 크기가 적어질수록 짧은 파장의 형광을 내며, 크기를 조절하여 원하는 파장의 가시광선영역 형광을 대부분 낼 수 있다. 또한 일반적인 유기형광화합물과 달리, 발광파장(excitation wavelength)을 임의로 선택해도 형광을 얻을 수 있으므로, 여러 가지 양자점이 공존할 때 하나의 파장으로 발광시킬 경우 여러 가지 색의 형광을 한꺼번에 관찰할 수 있다.
양자점(142)은 코어(145), 코어(145)를 둘러싸는 쉘(146) 및 쉘(146)에 결합된 리간드(147)를 포함한다.
코어(core)(145)는 주기율표상의 Ⅱ-Ⅵ족 또는 Ⅲ-Ⅴ족으로 구성되는 반도체 특성의 나노결정(nanocrystal)으로 형성되며, 조성 및 크기에 따라 특정 밴드갭(bandgap)을 가져 빛을 흡수하여 고유의 파장으로 방출하게 된다. 예를 들어, 코어는 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, GaAs, GaP, GaAs, GaSb, HgS, HgSe, HgTe, InAs, InP, InSb, AlAs, AlP, AlSb 등의 화합물 또는 상기 원소들을 이용한 3~4종의 화합물을 사용한다.
상기 쉘(146)은 코어(145)의 화학적 변성을 방지하여 반도체 특성을 유지하기 위한 패시베이션막(passivation layer)의 역할과, 양자점(142)에 전기영동(electrophoresis) 특성을 부여하기 위한 챠징막(charging layer)의 역할을 한다. 쉘(146)은 코어(145)의 성분과 절연 특성을 가지는 SiO2, Al2O3, TiO2, ZnO, MnO, Mn2O3, CuO, FeO, Fe2O3, Fe3O4, Mn3O4,CoO, Co3O4, NiO, MgAl2O4, CoFe2O4, NiFe2O4, CoMn2O4 중 어느 하나 또는 둘 이상의 산소를 포함한 금속화합물(metal compound)을 사용한다.
쉘(146)은 상술한 바와 같이 단층 혹은 다중층으로 이루어질 수도 있고, 코어와 보호막 간의 다른 성분 구성으로 인한 래티스 미스매치(lattice mismatch)효과를 최소화하기 위해 코어의 성분과 보호막 간의 성분들이 점진적인 농도로 형성되도록 구성한다.
상기 리간드(147)는 상기 양자점들(142) 간의 응집을 방지하고, 차징(charging) 특성을 부여하는 유기층으로 쉘(146)의 표면과 결합되고, 지용성(hydophobic), 수용성(hydrophilic), 불소계(fluoride), 실리콘계(silicon) 유기결합체 중 어느 하나 또는 둘 이상으로 이루어진다.
본 발명에서는 전술한 봉지재(130) 내에 양자점(142)을 화학반응시켜 화학적으로 결합을 이룬다. 보다 자세하게는 봉지재(130)와 양자점(142)을 혼합하여 하이드로실릴화(hydrosilylation) 반응시켜 이들을 서로 결합한다. 이때, 양자점(142)의 리간드(147)는 봉지재(130)와 화학결합하여 쉘(146) 및 봉지재(130) 사이에 결합된다.
쉘(146) 및 봉지재(130) 사이에 결합된 상기 리간드(147)는 하기 화학식 1 또는 2로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
-X-Y-(Si-H)n
[화학식 2]
-X-Y-(CH=CH2)n
여기서, 상기 X는 산(acid), 아민(amine), 티올(thiol) 및 포스핀 옥사이드(phosphine oxide)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이고, 상기 Y는 지방족 화합물(aliphatic), 방향족 화합물(aromatic) 및 실록세인(siloxane)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이며, 상기 n은 1 내지 20의 정수일 수 있다.
본 발명에서는 상기 양자점(142)과 봉지재(130) 사이에서 리간드(147)가 화학결합되어, 양자점(142)이 봉지재(130) 내에 균일하게 분산될 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 발광다이오드 패키지(100)는 발광다이오드의 효율 및 색져현율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
이하, 전술한 본 발명의 광을 방출하는 발광다이오드 및 상기 발광다이오드를 덮으며 양자점이 결합된 봉지재를 포함하는 발광다이오드 패키지의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점의 제조방법을 나타낸 도면이고, 도 4a는 양자점의 리간드의 치환을 모식화한 도면이고, 도 4b는 양자점과 봉지재의 하이드로실릴화 반응을 모식화한 도면이며, 도 4c는 봉지재 내에 양자점이 결합되어 분산된 것을 모식화한 도면이다.
먼저, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점(142)은 유기금속화학증착(MOCVD), 분자선 에피택시(MBE) 또는 화학적습식방법 등을 통해 제조할 수 있다. 하기에서는 화학적 습식 방법을 예로 설명한다.
먼저, 용매에 코어를 이루고자 하는 전구체를 투입하여 코어(145)를 형성한다. 이때, 용매는 알킬 포스핀(alkyl phosphine), 알킬 포스핀 옥사이드(alkyl phosphine oxide), 및 알킬 아민(alkyl amine)을 포함하며, 1-티오글리세롤, 다이글리세롤, 티오글리코익 에시드, 엘-사이스 타임 등이 사용될 수 있으며, 상기 용매는 단독으로 또는 두 가지 이상의 조합으로 사용할 수 있다. 그리고, 코어(145)를 형성하는 전구체는 전술한 금속 화합물로 금속 전구체(metal precursor)를 사용하여 열 분해시키는 방법을 사용할 수 있다.
원하는 코어(145)가 형성되면, 코어의 결정 성장을 멈추도록 하고, 원심분리를 통하여 용매로부터 코어(145)를 분리해 낸다. 코어(145)는 반응 조건에 따라 여러 가지 형태를 얻을 수 있는데, 구형(sphere), 봉형(rod), 스타모양(star shape) 등을 얻을 수 있다.
이어, 코어(145)를 용매에 넣고, 쉘(146)을 이루고자 하는 전구체에 투입하여 쉘(146)을 형성한다. 이때, 상기 전구체는 전술한 금속 산화물 전구체를 사용하며, 원하는 두께의 쉘(146)이 형성될때까지 성장시킨다.
다음, 얻어진 양자점(142)은 앞서 사용된 용매로 표면이 배위되어 있고, 용액 내에서 안정하게 분산되어 존재하는 양자점(142)의 표면을 원하는 리간드(147)로 치환한다. 즉, 원하는 리간드(147)를 포함하는 용액에 양자점(142)을 분산하고, 상기 분산액을 25 내지 100℃의 온도에서 환류시킨 후, 원심 분리과정을 거쳐 치환된 양자점을 분리하게 한다. 상기 과정은 대부분의 양자점(142) 표면이 치환될 때까지 반복하며, 바람직하게는 1 내지 5회 반복하여 본 발명의 양자점을 제조한다.
이어, 도 4a를 참조하면, 상기 제조된 양자점(QD)(142)을 봉지재(130)와 화학결합시키기 위해, 상기 양자점(142)의 리간드(147)의 말단을 이중결합의 리간드로 교환(ligand exchange)시킨다.
다음, 도 4b를 참조하면, 상기 양자점(142)과 봉지재(130)를 혼합하여 하이드로실릴화(hydrosilylation) 반응을 수행한다. 하이드로실릴화 반응은 실리콘 하이드라이드를 불포화 탄화수소에 가하여 규소-탄소 결합을 형성함을 포함하는 반응으로 공지된 백금(Pt) 촉매를 이용하여 공지된 다양한 하이드로실릴화 반응으로 수행될 수 있다.
상기 하이드로실릴화 반응에 의해, 상기 양자점(142)의 리간드(147)의 탄소와 봉지재(130)의 규소가 공유 결합을 형성하여 화학적으로 결합하게 된다. 즉, 전술한 바와 같이, 쉘 및 봉지재 사이에 결합된 상기 리간드(147)는 하기 화학식 1 또는 2로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
-X-Y-(Si-H)n
[화학식 2]
-X-Y-(CH=CH2)n
여기서, 상기 X는 산(acid), 아민(amine), 티올(thiol) 및 포스핀 옥사이드(phosphine oxide)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이고, 상기 Y는 지방족 화합물(aliphatic), 방향족 화합물(aromatic) 및 실록세인(siloxane)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이며, 상기 n은 1 내지 20의 정수일 수 있다.
따라서, 도 4c에 도시된 바와 같이, 봉지재(130)와 양자점(142) 사이에 양자점(142)의 리간드(147)가 화학결합한 상태로 존재하게 된다.
상기와 같이, 본 발명에서는 상기 양자점(142)과 봉지재(130) 사이에서 리간드(147)가 화학결합되어, 양자점(142)이 봉지재(130) 내에 균일하게 분산될 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 발광다이오드 패키지(100)는 발광다이오드의 효율 및 색져현율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (9)
- 광을 방출하는 발광다이오드 및 상기 발광다이오드를 덮으며 양자점이 결합된 봉지재를 포함하는 발광다이오드 패키지에 있어서,
상기 양자점은,
코어;
상기 코어를 둘러싸는 쉘; 및
일단이 상기 쉘에 화학결합되고 타단이 상기 봉지재에 화학결합된 리간드를 포함하며,
상기 리간드는 하기 화학식 1로 표시되는 발광다이오드 패키지.
[화학식 1]
-X-Y-(Si-H)n
상기 화학식 1에서,
상기 X는 산(acid), 아민(amine), 티올(thiol) 및 포스핀 옥사이드(phosphine oxide)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이고,
상기 Y는 지방족 화합물(aliphatic), 방향족 화합물(aromatic) 및 실록세인(siloxane)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이며,
상기 n은 1 내지 20의 정수이다.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 광을 방출하는 발광다이오드 및 상기 발광다이오드를 덮는 봉지재를 포함하는 발광다이오드 패키지의 제조방법에 있어서,
코어를 둘러싸는 쉘에 리간드의 일단을 결합시켜 양자점을 제조하는 단계;
상기 리간드의 타단을 탄소 이중결합으로 교환하여 하기 화학식 2로 표시되는 리간드를 형성하는 단계; 및
상기 봉지재와 상기 양자점을 하이드로실릴화 반응시켜, 상기 봉지재의 규소와 상기 리간드의 탄소 이중결합을 공유결합시키는 단계;를 포함하며,
상기 쉘에 결합된 리간드는 하기 화학식 1로 표시되는 발광다이오드 패키지의 제조방법.
[화학식 1]
-X-Y-(Si-H)n
[화학식 2]
-X-Y-(CH=CH2)n
상기 화학식 1 또는 2에서,
상기 X는 산(acid), 아민(amine), 티올(thiol) 및 포스핀 옥사이드(phosphine oxide)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이고,
상기 Y는 지방족 화합물(aliphatic), 방향족 화합물(aromatic) 및 실록세인(siloxane)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이며,
상기 n은 1 내지 20의 정수이다.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제5 항에 있어서,
상기 하이드로실릴화 반응에 백금(pt) 계열의 촉매를 사용하는 발광다이오드 패키지의 제조방법.
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