KR20070011041A - 광추출 효율을 높인 발광다이오드 소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

광추출 효율을 높인 발광다이오드 소자 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 (a) 발광다이오드부; 및 (b) 상기 발광다이오드부의 발광면 상에 투광성 조절 입자가 정렬된 조절층을 구비하는 것이 특징인 발광다이오드 소자 및 이의 제조방법, 상기 발광다이오드 소자를 포함하는 발광 장치를 제공한다.
본 발명은 복수 개의 투광성 조절 입자로 발광다이오드부 표면 구조를 조절함으로써, 발광다이오드부 표면의 광추출 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
발광다이오드, 금속산화물, 입자, 광추출

Description

광추출 효율을 높인 발광다이오드 소자 및 이의 제조방법{LIGHT EMITTING DIODE DEVICE HAVING ADVANCED LIGHT EXTRACTION EFFICIENCY AND PREPARATION METHOD THEREOF}
도 1은 저출력용 질화 갈륨계 발광다이오드 소자의 단면 구조도이다.
도 2는 고출력용 플립칩 질화 갈륨계 발광다이오드 소자의 단면 구조도이다.
도 3는 레이저 리프트 오프에 의한 질화 갈륨계 발광다이오드 소자의 제작 과정을 나타낸 개략도이다.
도 4는 종래 레이저 리프트 오프된 LED의 발광면에서 광 경로를 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명에 따라 발광다이오드부의 발광면 상에 투광성 조절 입자가 정렬된 층을 형성시킨 경우 광 경로를 나타낸 도로서, 도 5a는 구형의 투광성 조절 입자가 사용된 경우이고, 도 5b는 삼각뿔 또는 원뿔 형태의 투광성 조절 입자가 사용된 경우이다.
본 발명은 광추출 효율을 향상시킬 수 있는 발광다이오드 소자 및 그 제조방 법에 관한 것이다.
발광다이오드(light emitting diode ; LED) 소자는 PN접합에 순방향으로 전류를 흐르게 함으로써 빛을 발생시키는 반도체 소자이다.
반도체를 이용한 발광다이오드 소자는 전기 에너지를 빛 에너지로 변환하는 효율이 높고 수명이 5~10년 이상으로 길며 전력 소모와 유지 보수 비용을 크게 절감할 수 있는 장점이 있어서 차세대 조명 기기 응용 분야에서 주목 받고 있다.
일반적으로 LED는 사파이어 기판 상에 n형층, 활성층(일명 발광층), p형층을 차례로 성장시켜 형성한다. 이때, 상기 n형층, 활성층, p형층은 당업계에 알려진 통상적인 III-V족 화합물, 예컨대 GaAs, GaP, GaN, InP, InAs, GaAIN, InGaN, InAlGaN 또는 이들의 혼합물 등을 사용하여 형성시킬 수 있다.
이와 같이, LED 제조를 위한 III-V족 화합물 반도체의 성장에는 주로 사파이어 기판이 이용된다. 사파이어 기판은 절연체이므로 LED의 양극과 음극 전극은 웨이퍼의 전면에 형성된다.
일반적으로 저출력 질화 갈륨계 LED는 결정 구조가 성장된 사파이어 기판을 리드프레임에 올린 후 두개의 전극을 상부에 연결하는 방식으로 제작된다(도 1 참조). 이때 열 방출 효율을 개선하기 위하여 사파이어 기판을 약 100 마이크론 이하의 두께로 얇게 하여 리드프레임에 붙이게 된다. 사파이어 기판의 열전도도는 약 50 W/m·K으로 두께를 100 마이크론 정도로 하더라도 열저항이 매우 크다.
반면, 고출력 질화 갈륨계 LED의 경우는 열방출 특성을 보다 개선하기 위하여 플립칩 본딩 방식이 주로 사용되는 추세이다. 플립칩 본딩 방식은 LED 구조가 만들어진 칩을 열전도도가 우수한 실리콘 웨이퍼(150 W/mK)나 AlN 세라믹(약 180 W/mK) 기판 등의 서브마운트에 뒤집어 붙이는 것이다(도 2 참조). 플립칩 구조의 경우 서브마운트 기판을 통하여 열이 방출되므로 사파이어 기판을 통하여 열을 방출하는 경우보다는 열방출 효율이 개선된다. 그러나, 플립칩 본딩 공정으로도 열방출 문제를 완전히 해결하지는 못하고 제조 공정이 복잡한 문제점이 있다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여 레이저 리프트 오프에 의한 LED 제작이 주목 받고 있다. 레이저 리프트 오프에 의한 LED 제작은 레이저를 LED 구조가 성장된 사파이어 기판에 조사하여 GaN LED 결정구조로부터 사파이어 기판을 제거한 후 패키징하는 기술로서(도 3 참조), 열방출 효율이 가장 우수한 구조로 알려져 있으며 제작 공정이 획기적으로 줄어들고 발광 면적이 칩의 크기와 같으므로 (플립칩의 경우는 발광면적이 칩 크기의 약 60% 정도임) 보다 우수한 특성의 LED를 제작할 수 있다.
그러나, 레이저 리프트 오프에 의해 제작된 LED는 기존 기술을 이용한 LED에 비해 낮은 광추출 효율을 보이는데 그 이유는 다음과 같다. 사파이어 기판이 레이저 리프트 오프된 LED 구조에 에폭시와 같은 몰딩재 또는 형광체가 혼합된 몰딩재를 씌워서 발광다이오드 제작이 완료되는데, 이때, GaN 와 몰딩재 간의 큰 굴절률 차에 의하여 LED 구조에서 발생된 빛의 상당 부분이 외부로 방출되지 않고 전반사 되어 다시 LED 구조쪽으로 진행하여 소멸하게 된다. GaN의 경우 굴절률을 약 2.6, 몰딩재의 굴절률을 약 1.5 정도로 가정할 경우 두 물질의 접합면에서 전반사 되는 빛의 양은 약 91% 정도로 광추출 효율의 많은 개선이 요구된다.
이를 해결하기 위해서 레이저로 사파이어 기판을 제거하고 전극 배선을 형성하기 전 혹은 후의 단계에서 노출된 n-형 GaN 층의 표면에 요철을 주는 방법에 대한 연구가 수행되고 있다. n-형 GaN의 표면에 요철을 주는 구체적인 방법으로는 습식 식각에 의하여 n-형 GaN 표면을 원뿔 모양으로 형성시키는 것이다 (T. Fujii et al. Appl. phys. Lett., 2004, 84, 855, Y. Gao et al. Jap. J. Appl. Phys., 2004, 43, L637 참조). 이 경우 광추출 효율이 2 배 정도 향상되는 것이 확인되었다.
도 4는 종래 레이저 리프트 오프된 LED에서 발생한 광의 경로를 나타낸 것으로, 도 4a는 레이저 리프트 오프된 LED의 표면에서 발생하는 전반사에 의해 광 중 일부만 LED를 빠져 나오는 것을 나타낸 개략도이고, 도 4b는 레이저 리프트 오프 후 표면을 거칠게 하여 LED의 광추출 효율을 증가시키는 것을 나타낸 개략도이다.
그러나, 이와 같이 표면에 요철을 주는 공정은 추가적인 습식 식각 과정이 요구되며, 요철의 깊이는 n-형 GaN 두께에 한정되는 단점이 있다.
본 발명은 LED의 낮은 광추출 효율을 증가시키고 요철 깊이 한계가 있는 습식 식각에 의한 요철 형성의 단점을 해결하는 것을 목적으로 한다.
이에, 본 발명은 복수개의 투광성 조절 입자로 발광다이오드부 표면 구조를 조절함으로써, 광추출 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있는 발광다이오드 소자 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 (a) 발광다이오드부; 및 (b) 상기 발광다이오드부의 발광면 상에 투광성 조절 입자가 정렬된 조절층을 구비한 것이 특징인 발광다이오드 소자 및 상기 발광다이오드 소자를 포함하는 발광 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 (a) 용매에 투광성 조절 입자를 분산시킨 용액; 또는 투광성 조절 입자와 바인더를 용매에 분산시킨 페이스트를 준비하는 단계; (b) 상기 용액 또는 페이스트를 발광다이오드부의 발광면 상에 도포하는 단계; 및 (c) 상기 용매 또는 용매와 바인더를 제거하는 단계를 포함하여, 발광다이오드부의 발광면 상에 투광성 조절 입자가 정렬된 조절층을 구비된 발광다이오드 소자의 제조 방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 자세히 설명한다.
본 발명은 복수개의 투광성 조절 입자로 발광다이오드부 표면 구조를 조절함으로써, 발광다이오드부로부터 광추출 효율을 효과적으로 향상시키는 것이 특징이다.
굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 빛이 입사할 때 굴절각은 입사각보다 크며, 어떤 입사각에서는 굴절각이 90°가 된다. 이때의 입사각을 임계각이라 하며, 입사각이 임계각을 넘게 되면 빛은 그 경계면에서 전부 반사하게 된다. 그리고 굴절률 차가 클수록 상기 임계값이 작아져 전반사되는 빛의 양이 증대된다.
따라서, 본 발명은 발광다이오드부의 표면부와 상기 발광다이오드부의 주변부, 예컨대 몰딩부와의 큰 굴절률 차에 의해 외부로 방출되는 대신 내부로 전반사되는 빛의 양을 감소시키기 위해, 발광다이오드부 표면에 복수 개의 투광성 조절 입자가 정렬된 조절층을 형성시킴으로써, 상기 발광다이오드부의 표면을 개질하는 것이다.
종래 발광다이오드부의 발광면이 평평한(flat)한 경우 발광다이오드부, 예컨대 GaN(굴절률: 2.6)과 몰딩재(예, 에폭시의 굴절률: 1.5)의 큰 굴절률 차이에 의하여 LED 구조로부터 발생된 빛의 약 91% 정도가 외부로 방출되지 못하고 내부로 전반사되었다(도 4a 참조). 이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래 발광다이오드부의 표면에 습식 식각법을 수행하여 요철을 형성하려는 시도가 있었으나 실제로 요철 형성 공정 이후 전극을 구성하는 금속이 부식되어 없어지거나 또는 전극의 표면 상태의 변화가 발생하여 성능 저하가 초래될 뿐만 아니라, 요철의 깊이가 n형 GaN의 두께에 한정되는 문제점이 발생하였다.
이에 비해, 본 발명에서는 내부로 전반사되는 빛의 양을 줄이기 위해서, 종래 평평한 발광면 대신 발광다이오드부의 발광면 상에 요철 형상의 조절층을 도입함으로써 발광다이오드부로부터 발생하는 빛의 추출 효율 향상을 도모할 수 있다. 특히, 발광 파장의 1/2(λ/2) 보다 큰 크기, 예컨대 마이크로 단위의 투광성 조절 입자로 구성된 단층(single layer)의 조절층을 도입할 경우 산란(scattering)에 의해 외부로 방출되는 빛의 효율을 상승시킬 수 있다.
또한, 요철 형성을 위해 전극의 물리적 및 화학적 변화를 초래하는 식각 공정을 수행하는 대신, 일정 형태를 갖는 투광성 조절 입자를 도입함으로써 식각 공정에 의해 발생하는 종래 문제점을 근본적으로 해결할 수 있다.
추가적으로, 요철 깊이의 한계가 없어 원하고자 하는 광추출 효율 증대를 최 적화할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따라 발광다이오드부의 발광면 상에 투광성 조절 입자가 정렬된 조절층을 형성시킨 경우 광 경로를 보여주고 있다.
이와 같이 발광다이오부의 발광면 상에 조절층이 형성되면 발광다이오드부 표면 근처의 주변부(예, 몰딩부)는 상기 투광성 조절 입자에 의해 그 유효 굴절률이 높아지게 되며 공간적으로 상기 입자의 분포에 따라 유효 굴절률의 분포가 발생하게 된다. 이 유효 굴절률의 분포에 의해 발광다이오드부에서 나온 빛이 투광성 조절 입자를 포함하는 주변부(예, 몰딩재)와의 계면에서 난굴절을 일으키며 이로 인해 굴절각의 산포가 발생하게 된다. 또한, 이러한 유효 굴절률의 변화는 발광다이오드부의 표면부와 주변부(예, 몰딩재) 사이의 굴절률 차이에서 발생하는 내부 반사를 줄여주어 광추출 증가효과가 발생한다. 특히, 투광성 조절 입자가 발광다이오드부와 접촉한 부분이나 투광성 조절 입자가 서로 접촉한 부분에서는 굴절률 차이가 매우 작으므로 전반사가 거의 일어나지 않아 광추출 효과가 더욱 높다.
일반적으로 발광다이오드 소자의 주변부(예, 몰딩재)의 굴절률이 발광다이오드부 표면보다 굴절률이 많이 낮은 편이므로, 상기 조절층 내 투광성 조절 입자의 굴절률은 주변부, 예컨대 몰딩재의 굴절률 보다 큰 것이 광추출을 증진시키는데 바람직하며, 특히 발광다이오드 소자 중 몰딩부의 굴절율 < I ≤ 발광다이오드부의 굴절율 ± 0.8 범위인 것이 더욱 바람직하다.
특히, 질화갈륨계 발광다이오드의 경우 2.4 정도로 매우 높은 굴절률을 가지고 있으므로 광추출을 효과적으로 높이기 위해 사용 가능한 투광성 조절 입자는 굴 절률이 2.0 에서 2.4 정도의 굴절률 범위를 가지는 것이 바람직하다. 예를 들어 산화 티타늄은 2.4의 굴절률을 가지므로 질화갈륨계 발광다이오드에 적당한 투광성 입자로 사용될 수 있다.
상기 조절층은 투광성 조절 입자들이 일정한 형태를 가지면서 정렬 배치된 하나 이상의 층을 형성하는 것이 바람직하다. 특히, 발광 파장의 1/2(λ/2) 보다 큰 크기, 예컨대 마이크로 단위의 투광성 조절 입자들에 의해 형성된 하나의 층(single layer)인 것이 더욱 바람직하다.
조절층의 광추출 효율 증가 특성은 조절층 두께에 영향을 받으며 두께가 너무 얇을 경우 유효 굴절률을 증가시키는 효과가 부족하며 두께가 너무 두꺼울 경우 광추출 효율은 높아지나 투광성 입자에 의해 발생하는 광산란에 의해 광이 감쇄되는 효과가 있다. 예컨대, 상기 조절층은 500 내지 10,000nm 두께로 조절될 수 있다.
상기 조절층을 구성하는 투광성 조절 입자의 크기는 특별한 제한이 없으나, 가능하면 10nm 내지 100㎛ 범위인 것이 바람직하다. 특히, 산란을 통해 방출광의 효율을 높일 수 있도록, 발광 파장의 1/2(λ/2) 보다 큰 것, 예컨대 마이크로 단위의 크기를 갖는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 투광성 조절 입자는 구형, 원뿔 또는 사면체(삼각뿔) 이상의 다면체 형태일 수 있으며, 특히 삼각뿔이나 원뿔의 경우 발광다이오드부에 부착되는 부분이 넓어 광추출 효율이 더 높을 수 있다.
상기 투광성 조절 입자는 금속산화물인 것이 바람직하며, 금속산화물의 비제 한적인 예로는 타이타늄, 텡스텐, 아연, 알루미늄, 인듐 및 주석계 등의 산화물이 있다. 또한, 입자로 상기 금속산화물 대신 청색, 녹색, 황색 혹은 적색 형광체(phosphor)를 1종 이상 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 조절층은 투광성 조절 입자와 몰딩재를 혼합하여 형성된 것일 수 있으며, 이때 상기 몰딩재는 에폭시계 고분자, 실리콘계 고분자, 아크릴계 고분자 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 또한, 상기 조절층 상에 몰딩재를 추가 구비할 수 있다.
본 발명에 따라 발광다이오드부 표면에 투광성 입자로 된 조절층을 형성하는 방법은 당 업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 수행 가능하나, 이의 바람직한 일 실시예를 들면, (a) 용매에 투광성 조절 입자를 분산시킨 용액; 또는 투광성 조절 입자와 바인더를 용매에 분산시킨 페이스트를 준비하는 단계; (b) 상기 용액 또는 페이스트를 발광다이오드부의 발광면 상에 도포하는 단계; 및 (c) 상기 용매 또는 용매와 바인더를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 단계 (b) 이후, 용매와 바인더의 제거 단계(c)를 수행하지 않고, (d) 상기 페이스트 중 투광성 조절 입자가 발광다이오드부의 발광면 상에 가라앉은 후 건조하는 단계를 수행할 수도 있다.
상기 용매의 비제한적인 예로는 메탄올, 에탄올, 물 등이 있다. 상기 용매는 투광성 조절 입자의 분산특성이 좋고 발광다이오드부 표면에 도포가 용이하며 낮은 온도에서 제거가 용이한 특성을 갖는 것이 바람직하다.
용매를 사용한 경우 용매의 끓는점 이상으로 온도를 높여 용매를 제거할 수 있다. 특히 휘발성이 강한 용매의 경우 끓는점 이하의 온도에서도 증발이 가능하므로 낮은 온도에서 제거가 가능하다.
상기 바인더의 예로는 셀룰로우즈, 폴리 우레탄, 아크릴 등이 있다.
바인더를 사용하는 경우 바인더의 열분해 온도 이상 온도를 높여 바인더를 제거할 수 있다. 일반적으로 이러한 바인더들은 200도 이상의 온도에서 제거가 가능하다. 그러나 전술한 바와 같이 용매와 바인더를 제거하지 않을 수도 있다.
상기 금속산화물 등의 투광성 조절 입자를 발광다이오드 몰딩재와 혼합하여 발광다이오드부 표면에 도포하고 몰딩재를 중합하여, 투광성 조절 입자 조절층을 포함한 몰딩재를 발광다이오드부의 발광면에 형성시킬 수 있다.
본 발명에 따라 발광다이오드부의 발광면 상에 투광성 조절 입자가 정렬된 조절층을 구비한 발광다이오드 소자는, 저출력용, 고출력 플립형, 레이저 리프트-오프 방식 또는 그 외 발광다이오드에 제한 없이 적용 가능하며, 특히 레이저 리프트-오프형이 바람직하다.
본 발명에 따라 발광다이오드부의 발광면 상에 투광성 조절 입자가 정렬된 조절층을 구비한 발광다이오드 소자는, 발광다이오드부 표면에 투광성 조절 입자로 된 조절층을 형성하는 것을 제외하고는, 당 업계에서 알려진 방법에 따라 제조될 수 있다. 이의 일 실시예 형태로 레이저 리프트 오프 방식을 사용한 경우에 대해 자세히 설명하고자 한다(도 3 참조). 상기 레이저 리프트 오프 방식의 발광다이오드 소자의 제조방법은 하기 단계를 포함할 수 있다.
(1) 사파이어 기판 상 발광다이오드부 성장 단계
금속유기화학기상증착법(metal organic chemical vapor deposition: MOCVD), 액상에피텍셀법(LPE), 분자빔에피텍셜법(MBE) 등의 방법을 사용하여 사파이어 기판 상에 n형층, 발광 활성층, p형층을 차례로 성장시켜 발광다이오드부를 형성한다. 이때, 상기 n형층, 활성층, p형층은 당업계에 알려진 통상적인 질화갈륨계 화합물, 예컨대 GaN, GaAIN, InGaN, InAlGaN 또는 이들의 혼합물 등을 사용하여 형성시킬 수 있다. 또한, 활성층은 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물구조(multiple quantum well: MQW)일 수 있다. 전술한 p형층, 활성층, n형층 이외에 다른 버퍼층을 포함할 수도 있다. 상기 III-V족 화합물의 성분을 조절함으로써 장파장에서부터 단파장까지의 발광다이오드를 자유롭게 제작할 수 있으며, 이를 통해 460nm를 갖는 청색 질화물계 발광다이오드에 국한되지 않고 모든 발광다이오드에 적용할 수 있다.
(2) p-형 오믹 접촉 금속 형성 단계
사파이어 기판에 발광다이오드 구조(예, 질화갈륨계)가 성장된 웨이퍼를 초기 세정한 후 웨이퍼의 상부 p-형 표면(예, p-형 GaN)에 진공 증착으로 p-형 오믹 접촉 금속을 형성시킨 후 열처리를 수행하여 p-형 오믹 접촉을 완성한다.
(3) 사파이어 기판면의 폴리싱 단계
일반적으로 발광다이오드의 결정 구조는 430 마이크론 정도의 두께를 지니는 사파이어 기판에 성장된다. 그것을 소자로 만들기 위해서 랩핑(lapping) /폴리싱(polishing) 공정을 통하여 사파이어 기판의 두께를 약 80-100 마이크론 정도로 얇게 만든다.
(4) 서브마운트 기판 접합 단계
필요한 경우, 예컨대 고출력 발광다이오드의 경우, 열방출 효율을 향상시키기 위해 서브마운트 기판을 사용할 수 있다. 즉, 폴리싱 처리된 사파이어 기판을 서브마운트 기판에 폴리싱 처리된 사파이어 기판이 위로 올라오도록 뒤집고, 접합재를 사용하여 발광다이오드의 p-형 오믹 접촉 금속면을 서브마운트 기판에 접합시킨다.
(5) 단위칩 형성 단계
필요한 경우, 서브마운트 기판과 발광다이오드 결정 구조를 단위 발광다이오드 칩으로 자를 수 있다(dicing).
(6) 리드 프레임 접합 단계
상기 단위칩을 리드 프레임에 붙인다. 이때, 서브마운트 기판 접합 단계 및/또는 단위칩 형성 단계를 생략하고, AuSn과 같은 접합재를 사용하여 발광다이오드의 p-형 오믹 접촉 금속면을 리트 프레임에 접합시킬 수도 있다.
(7) 레이저 조사 단계
사파이어 기판을 제거하기 위하여 엑시머 등의 레이저를 조사한다. 이때, 레이저광의 파장은 365nm 이하인 것이 바람직하다. 예컨대, 사파이어 기판을 투과한 레이저 빛이 질화갈륨에 흡수되어 사파이어와 질화갈륨의 계면 영역의 질화갈륨이 분해되어 금속 갈륨과 질소 가스가 생성됨으로써 사파이어 기판은 발광다이오드 결정 구조와 분리된다.
(8) n-형 오믹 접촉 금속 형성 단계
필요할 경우 사파이어 기판이 제거되면서 드러난 n-형 표면(예, n-형 GaN)에 n-형 오믹접촉 금속을 증착시킨다.
(9) 와이어 본딩 단계
n-형 표면 및/또는 p-형 표면에 금(gold) 와이어 본딩을 수행한다.
(10) 본 발명에 따른 발광다이오드부 표면 상 조절층 형성 단계
앞서 설명한 방법에 따라, 본 발명에 따라 발광다이오드부의 발광면상에 투광성 입자로 된 조절층을 형성한다.
(11) 몰딩재 처리 단계
에폭시와 같은 몰딩재 또는 형광체가 혼합된 몰딩재를 씌워서 발광다이오드 제작을 완료한다. 이때 상기 몰딩재로는 에폭시계 고분자, 실리콘계 고분자 및 아크릴계 고분자 등이 있으며 일반적으로 에폭시계 고분자가 몰딩재로 널리 사용되고 있다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 구조 또는 상기와 같은 방법에 따라 제조되는 발광다이오드 소자를 구비하는 발광 장치를 제공한다. 상기 발광 장치는 발광다이오드 소자를 구비하는 모든 발광 장치를 포함하며, 일례로 조명 장치, 표시부, 살균 램프, 디스플레이부 등이 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 들어 상세히 설명하기로 하나, 본 발명이 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
GaN 계 LED 구조가 성장된 사파이어 기판을 초기 세정한 후 p-형 GaN 표면에 니켈과 은을 전자빔 증착하여 오믹 접촉 금속을 형성하였다. 급속 열처리 공정을 실시하여 증착된 금속이 오믹 접촉을 형성하도록 하였다. 레이저 리프트 오프를 위해 사파이어 기판을 100 마이크론 두께로 lapping 후 polishing 하였다. 이렇게 준비된 기판을 1 mm x 1 mm 크기로 잘라서 은 페이스트를 이용하여 리드 프레임에 붙였다. 이어서, KrF 레이저를 이용하여 248 nm 파장의 빛을 600 mJ/cm2의 세기로 조사하여, LED에서 사파이어 기판을 제거하고, 사파이어 기판이 제거되어 노출된 GaN 표면에 금 와이어를 본딩하였다. 이렇게 제작된 LED의 300 mA의 전류에서의 밝기를 측정하였으며 측정된 결과는 26.1 mW 였다.
측정이 끝난 후 같은 LED를 이용하여 금 와이어를 본딩한 후 노출되어 있는 GaN 표면 전면에 메탄올에 30%의 아나타제(anatase) 상을 가지는 직경 50 nm 정도의 산화티타늄 입자가 분산되어 있는 용액을 도포하고 용매를 제거하여 1,000 nm 두께의 입자 도포층을 형성하였다. 이렇게 제작된 LED 역시 300 mA의 전류에서 밝기를 측정하였으며 측정된 결과는 32.4 mW로 산화티타늄 입자 막을 형성하지 않았을 때의 26.1 mW 보다 약 25% 향상된 것을 확인하였다.
상기 실시예 1의 경우 몰딩재가 없는 경우이나, 공기의 굴절률(즉, 1) 을 갖는 몰딩재가 존재한다고 가정할 수 있다. 즉, 실시예 1의 결과로부터 몰딩재가 존재하는 경우에도 입자 조절층에 의한 광추출 효율이 증가됨을 유추할 수 있다.
실시예 2
산화티타늄을 메탄올에 분산된 형태 대신 셀룰로오즈 페이스트에 혼합된 형 태로 도포한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 LED를 제작하였다. 30%의 아나타제(anatase)상을 가지는 직경 50 nm 정도의 산화티타늄 입자가 분산되어 있는 셀룰로오즈 페이스트를 레이저 리프트 오프 후 금 와이어 본딩까지 끝난 LED 표면에 도포하고 페이스트를 300도에서 제거하여 1,000 nm 두께의 입자 도포층을 형성하였다. 제작된 LED의 산화티타늄 입자 막 형성 전의 300 mA의 전류에서의 밝기는 26.3 mW 였으며 산화티타늄 입자 막 형성 후의 300 mA의 전류에서 밝기는 34.6 mW로 산화티타늄 입자 막을 형성하지 않았을 때의 26.3 mW 보다 약 32% 향상된 것을 확인하였다.
실시예 3
산화티타늄 입자 대신 직경 50 nm 정도의 산화텅스텐 입자를 사용한 페이스트를 레이저 리프트 오프된 LED 위에 도포한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 LED를 제작하였다. 30%의 산화텅스텐 입자가 분산되어 있는 셀룰로오즈 페이스트를 레이저 리프트 오프 후 금 와이어 본딩까지 끝난 LED 표면에 도포하고 셀룰로우즈를 300도에서 제거하여 1,000 nm 두께의 입자 도포층을 형성하였다. 제작된 LED의 산화티타늄 입자막 형성 전의 300 mA의 전류에서의 밝기는 26.1 mW 였으며 산화티타늄 입자막 형성 후의 300 mA의 전류에서 밝기는 31.8 mW로 산화티타늄 입자 막을 형성하지 않았을 때의 26.1 mW 보다 18% 향상된 것을 확인하였다.
앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 복수 개의 투광성 입자로 발광다이오드부 표면 구조를 조절함으로써, 발광다이오드부 표면의 광추출 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.

Claims (21)

  1. (a) 발광다이오드부; 및
    (b) 상기 발광다이오드부의 발광면 상에 투광성 조절 입자가 정렬된 조절층
    을 구비하는 것이 특징인 발광다이오드 소자.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 투광성 조절 입자의 크기는 10nm 내지 100㎛ 범위인 발광다이오드 소자.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 투광성 조절 입자의 크기는 발광 파장의 1/2(λ/2) 보다 큰 것인 발광다이오드 소자.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 조절층을 구성하는 투광성 조절 입자는 구형, 원뿔 또는 사면체(삼각뿔) 이상의 다면체 형태인 것이 특징인 발광다이오드 소자.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 투광성 조절 입자는 타이타늄, 텡스텐, 아연, 알루미늄, 인듐, 주석계 산화물로 구성된 군에서 1종 이상 선택된 금속 산화물인 것이 특징인 발광다이오드 소자.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 투광성 조절 입자는 청색, 녹색, 황색 및 적색 형광 물질로 구성된 군에서 1종 이상 선택된 것이 특징인 발광다이오드 소자.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 조절층은 투광성 조절 입자와 몰딩재를 혼합하여 형성된 것인 발광다이오드 소자.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 몰딩재는 에폭시계 고분자, 실리콘계 고분자 및 아크릴계 고분자로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 재료로 형성된 것이 특징인 발광다이오드 소자.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 조절층의 굴절율(reflective index)은 발광다이오드 소자 중 몰딩부의 굴절율 보다 큰 것이 특징인 발광다이오드 소자.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 조절층의 굴절율(I)은 발광다이오드 소자 중 몰딩부의 굴절율 < I ≤ 발광다이오드부의 굴절율 ± 0.8 범위인 발광다이오드 소자.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 조절층은 투광성 조절 입자들이 일정 형태를 가지면서 정렬 배치된 하나 이상의 층을 형성하는 것이 특징인 발광다이오드 소자.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 조절층은 발광 파장의 1/2(λ/2) 보다 큰 크기의 투광성 조절 입자들에 의해 형성된 하나의 층(single layer)인 것이 특징인 발광다이 오드 소자.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 조절층은 500 내지 10,000nm 두께 범위를 갖는 것이 특징인 발광다이오드 소자.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 조절층 상에 몰딩재를 추가 구비하는 것이 특징인 발광다이오드 소자.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 발광다이오드부는 질화갈륨계 화합물을 포함하는 것인 발광다이오드 소자.
  16. 제 1항에 있어서, 상기 발광다이오드부는 레이저 리프트-오프(Laser Lift-Off) 방식에 의해 형성된 것인 발광다이오드 소자.
  17. 제 1항에 있어서, 상기 발광다이오드부는 p형층, 발광층, n형층을 포함하고, 상기 조절층이 n형층 상부에 형성된 것이 특징인 발광다이오드 소자.
  18. 제 1항 내지 제 17항 중 어느 한 항의 발광다이오드 소자를 구비하는 발광 장치.
  19. (a) 용매에 투광성 조절 입자를 분산시킨 용액; 또는 투광성 조절 입자와 바인더를 용매에 분산시킨 페이스트를 준비하는 단계;
    (b) 상기 용액 또는 페이스트를 발광다이오드부의 발광면 상에 도포하는 단계; 및
    (c) 상기 용매 또는 용매와 바인더를 제거하는 단계
    를 포함하는 제 1항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 기재된 발광다이오드 소자의 제조 방법.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 단계 (b) 이후, 용매와 바인더의 제거 단계(c)를 수행하지 않고, (d) 상기 페이스트 중 투광성 조절 입자가 발광다이오드부의 발광면 상에 가라앉은 후 건조하는 단계를 수행하는 것이 특징인 제조방법.
  21. 제 19항에 있어서, 상기 단계 (b)에서 발광 파장의 1/2(λ/2) 보다 큰 투광성 조절 입자를 발광다이오드부의 발광면 상에 한 층(single layer)으로 도포하는 것이 특징인 제조방법.
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