KR20090106946A - Thin-film fluorescent material having complex structure and method of manufacture thereof - Google Patents

Thin-film fluorescent material having complex structure and method of manufacture thereof Download PDF

Info

Publication number
KR20090106946A
KR20090106946A KR1020080032367A KR20080032367A KR20090106946A KR 20090106946 A KR20090106946 A KR 20090106946A KR 1020080032367 A KR1020080032367 A KR 1020080032367A KR 20080032367 A KR20080032367 A KR 20080032367A KR 20090106946 A KR20090106946 A KR 20090106946A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
phosphor
thin film
substrate
photonic crystal
roughness
Prior art date
Application number
KR1020080032367A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR100988887B1 (en
Inventor
도영락
Original Assignee
국민대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 국민대학교산학협력단 filed Critical 국민대학교산학협력단
Priority to KR1020080032367A priority Critical patent/KR100988887B1/en
Publication of KR20090106946A publication Critical patent/KR20090106946A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100988887B1 publication Critical patent/KR100988887B1/en

Links

Images

Classifications

    • Y02B20/181

Landscapes

  • Luminescent Compositions (AREA)

Abstract

PURPOSE: A thin-film fluorescent material with a complex structure is provided to ensure high luminous efficiency and excellent optical efficiency, and to reduce costs by not using slurry while using a fluorescent substance. CONSTITUTION: A thin-film fluorescent material with a complex structure comprises a substrate and a two dimensional photonic crystal structure(9). A fluorescent substance is coated on the substrate. The two dimensional photonic crystal structure is formed on the substrate. The surface of the substrate is a non-planar surface with roughness.

Description

복합 구조를 갖는 박막형광체 및 그 제조방법 {Thin-film fluorescent material having complex structure and method of manufacture thereof}Thin-film fluorescent material having complex structure and method of manufacture

본 발명은 복합 구조를 갖는 박막형광체에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 종래의 형광막에 비해 발광효율이 우수하고, 형광체를 적게 사용하면서 슬러리를 사용하지 않는 박막 형광체에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thin film phosphor having a composite structure, and more particularly, to a thin film phosphor having excellent luminous efficiency compared to a conventional fluorescent film and using less phosphor while using a slurry.

형광체는 형광을 내는 물질로서 석유·납유리·시안화백금 등 여러 가지가 있는데 실용적인 목적에 사용되는 대표적인 것은 황화아연(ZnS) 또는 황화아연과 황화카드뮴의 혼합물에 미량의 부활제를 가하여 1,000℃ 정도로 소성하여 제조하며 이것을 ZnS:Cu 라고 기재한다. 이들 황화아연계는 주로 브라운관 ·X선 ·전자현미경 등에 쓰이고, 형광등에는 인산염계(Ca2(PO4)2·CaF2:Sb 등)·규산염계, 또는 순수형인 텅스텐산염계(CaWO4나 MgWO4) 등을 사용한다.Phosphors are fluorescing materials such as petroleum, lead glass, platinum cyanide, etc. Typical examples of practical use include zinc sulfide (ZnS) or a mixture of zinc sulfide and cadmium sulfide, followed by firing at about 1,000 ° C. And ZnS: Cu. These zinc sulfides are mainly used for CRT, X-ray, electron microscope, etc., and fluorescent lamps include phosphates (Ca 2 (PO4) 2 , CaF 2 : Sb, etc.), silicates, or pure tungstates (CaWO 4 or MgWO 4). ) And the like.

한편, 형광체는 백색 LED를 구현하기 위한 필수적 요소가 되며 지금까지는 백색LED용 형광체로서 청색 LED에 여기되는 YAG:Ce 파우더 형광체가 광범위하게 사용되어왔다. 도 1은 YAG:Ce 파우더 형광체를 사용한 종래의 백색 LED의 단면도이 다. 도 1에 도시된 바대로, 백색 LED는 파우더형 YAG:Ce 황색 형광체를 LED 소자위에 도포하여 제조되는 것이다. 이와 같이 파우더형 형광체를 사용할 경우 투과되는 청색 빛과 LED에 여기 되어 발생하는 황색 빛 모두 산란 되거나 소실될 확률이 커지는 광학적 문제를 야기시킬 수 있다. On the other hand, the phosphor is an essential element for implementing a white LED, and so far YAG: Ce powder phosphor excited to a blue LED as a phosphor for white LED has been widely used. 1 is a cross-sectional view of a conventional white LED using a YAG: Ce powder phosphor. As shown in FIG. 1, a white LED is manufactured by applying a powdery YAG: Ce yellow phosphor onto an LED device. As such, when the powder-type phosphor is used, both the transmitted blue light and the yellow light generated by being excited by the LED may cause an optical problem in which the probability of scattering or disappearing increases.

이에, 백색 LED의 연색 지수의 개선을 위하여 청색 LED와 황색 형광체의 조합물 대신에 자외선/보라색 LED와 청색, 녹색 및 적색의 삼색 형광체를 사용하는 백색 LED가 개발되었다. 도 2는 보라색 LED 또는 자외선 LED에 청색, 녹색 및 적색의 삼색 파우더 형 형광체를 도포한 백색 LED의 단면도이다. 도 2에 도시된 바대로, 삼색 파우더형 형광체를 420nm 이하의 보라색 또는 자외선 발광 LED로 여기 시켜 백색을 구현하므로 연색 지수가 크게 개선될 뿐만 아니라 형광체의 비율이 조절되므로 색 온도를 쉽게 조절할 수 있다. 그러나 삼색 파우더형 형광체를 사용할 경우 역시 보라색 빛과 LED에 여기 되어 발생하는 청색, 녹색 및 적색의 삼색 빛 모두가 산란 되거나 소실될 확률이 커지는 광학적 문제가 있다.Thus, in order to improve the color rendering index of white LEDs, white LEDs using ultraviolet / violet LEDs and three color phosphors of blue, green, and red instead of a combination of blue LEDs and yellow phosphors have been developed. 2 is a cross-sectional view of a white LED coated with blue, green, and red tricolor powder type phosphors on a purple LED or an ultraviolet LED. As shown in FIG. 2, since the trichromatic powder-type phosphor is excited by a purple or ultraviolet light emitting LED of 420 nm or less to realize white color, color rendering index is not only greatly improved, but the ratio of the phosphor is controlled, so that the color temperature can be easily adjusted. However, when using the three-color powder-type phosphor, there is also an optical problem that the probability of both the blue, green, and red tricolor light generated by being excited by the purple light and the LED is scattered or lost.

이러한 파우더형 형광체의 단점을 극복하고자 고안된 것이 박막 형광체이다. 박막 형광체는 열적으로 안정하고, 물리적 및 화학적으로 균일하고, 기판에로의 접착성이 강하고, 가스 발생이 최소화되며, 비표면적이 적다는 장점이 있다. 그러나, 이러한 다양한 장점에도 불구하고 파우더형 형광체에 비해 효율이 낮기 때문에 최근까지 실제 LED디바이스에 잘 활용되지 못하고 있는 실정이다. 박막 형광체의 효율이 낮은 원리는 하기 수학식 1을 통해 설명이 가능하다. 박막 형광체에서 발생한 빛의 방출 경로를 보면, 상당한 양의 빛이 형광 면과 공기의 계면으로부터 전반사 되어서 박막 형광체 내에 가둬지거나 결점 영역에서 사라지게 된다. 이를 정량적으로 설명하기 위하여, 고전 광학의 원리를 박막 형광체에서 LED전면으로 방출되는 빛의 양을 계산하는 데에 적용할 수 있다. 빛의 방출 효율은 굴절률에 비례하는 고전광학의 계산법을 사용하여 계산된다. 하기 수학식 1은 고전 광학 법칙에 의해서 익히 알려진 식으로서 박막 형광체로부터 빠져나오는 빛을 Lambertian 형태의 빛으로 가정할 경우 성립되는 식이다. 하기 수학식 1에서 기판 방향으로 방출되는 빛은 반사되지 않는다고 가정한다.Thin film phosphors are designed to overcome the disadvantages of such powdery phosphors. Thin film phosphors have the advantages of being thermally stable, physically and chemically uniform, having strong adhesion to a substrate, minimizing gas generation, and having a low specific surface area. However, in spite of these various advantages, since the efficiency is lower than that of the powder-type phosphor, it has not been well utilized in actual LED devices until recently. The principle of low efficiency of the thin film phosphor can be explained through Equation 1 below. In the light emission path of the thin film phosphor, a considerable amount of light is totally reflected from the interface between the fluorescent surface and the air to be trapped in the thin film phosphor or disappear from the defect region. To explain this quantitatively, the principle of classical optics can be applied to calculate the amount of light emitted from a thin film phosphor to the front of the LED. The emission efficiency of light is calculated using classical optical calculations that are proportional to the refractive index. Equation 1 is well known by classical optical law, and it is an equation established when a light emitted from a thin film phosphor is assumed to be Lambertian type light. In Equation 1, it is assumed that light emitted toward the substrate is not reflected.

Figure 112008025099850-PAT00001
Figure 112008025099850-PAT00001

(상기 식 중, η외광은 외광효율이고, n형광체는 형광체의 굴절률임)Where η external light is external light efficiency and n phosphor is the refractive index of the phosphor.

상기 수학식 1에 의하면 외광 효율은 박막 형광체의 굴절률에 의존하며, 굴절률 값이 커지면 발광 효율은 크게 감소하게 된다. 대부분의 박막 형광체는 유리의 굴절률 값인 1.5 이상의 값을 갖게 된다. 이중 대표적인 황화물계 형광체인 ZnS의 경우 굴절률 값이 2.4 이고, 질화물인 GaN계는 2.1 이고 산화물 계인 Y2O3의 경우 1.8이다. 따라서 박막 형광체의 경우 전면으로 방출되는 빛의 양은 물질 굴절률에 따라서 4 내지 11.1% 정도의 수준이며 나머지는 박막에 갇히거나 박막 내에서 사라지게 된다. 이와 같은 고전 광학적 이유에 의해서 박막 형광체의 광 방출 효율이 크게 떨어지게 되고, 이로 인하여 박막 형광체의 여러 가지 우수한 물리적 화학 적 특성에도 불구하고 실제 LED 소자등과 같은 소자에 적용하지 못하는 난점이 있다.According to Equation 1, the external light efficiency depends on the refractive index of the thin film phosphor, and as the refractive index value increases, the light emission efficiency greatly decreases. Most thin film phosphors have a value of 1.5 or more, which is a refractive index value of glass. Among the representative sulfide-based phosphors, ZnS, the refractive index value is 2.4, the nitride GaN-based is 2.1 and the oxide-based Y 2 O 3 is 1.8. Therefore, in the case of the thin film phosphor, the amount of light emitted to the front surface is about 4 to 11.1% depending on the refractive index of the material, and the rest is trapped in the thin film or disappears in the thin film. Due to the classical optical reasons, the light emission efficiency of the thin film phosphor is greatly reduced, and thus, despite the excellent physical and chemical properties of the thin film phosphor, there is a difficulty in applying it to a device such as an LED device.

이를 극복하기 위하여, 박막 형광체의 막질에는 여타의 영향을 주지 않으면서 광학적으로 박막 내에 갇힌 빛을 추출하는 방법으로서 2차원 광결정(photonic crystal)과 같은 구조를 갖는 2차원 구조를 코팅한 박막 형광체를 제조하여 이를 LED 소자등과 같은 소자에 전면방향으로 부착함으로써 효율을 높인 백색 LED 구조체가 고안되었으며 2차원 구조의 경우 두 가지 형태로 박막 형광체에 적용되었다. 도 3은 2차원 광결정 구조가 박막 형광체 내부로 삽입된 경우이고 도 4는 박막 형광체 표면에 2차원 광결정 구조를 박막 형광체 위에 부착하는 경우이다. 두 가지 방법 모두 박막 형광체 내부에 가두어진 발광 빛을 효과적으로 빼내는 방법으로 알려져 있다. 그렇지만 도 3의 구조의 경우에는 박막 형광체 내부에 굴절률이 다른 2차원 나노 구조가 삽입되므로 박막 형광체 제조시 2차원 나노 구조물의 물질이 혼합되어 발광 특성을 저하시키는 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 도 4에 보인 구조처럼 박막 형광체를 제조한 후 2차원 나노 구조를 설치할 수 있으나 이 경우 2차원 나노구조가 박막 형광체의 광 특성을 저하시키지는 않지만 박막 형광체에 가두어진 모든 빛을 빼내지는 못하는 한계점이 있다. 따라서 도 4의 2차원 나노 구조의 광 추출 효율을 향상시키기 위해서는 새로운 부가적이고 보완적인 광 추출 모드를 도입하는 것이 필요하다. 이러한 형광체의 개발은 막대한 자본과 시간을 필요로 하며, 양자역학을 기본으로 하는 물리학적인 지식과 세라믹 프로세싱을 기본으로 하는 재료공학적 지식을 동시에 필요로 하는 과제이다.In order to overcome this problem, a thin film phosphor coated with a two-dimensional structure having a structure similar to a two-dimensional photonic crystal as a method of optically extracting light trapped in the thin film without affecting the film quality of the thin film phosphor is produced. The white LED structure with high efficiency was devised by attaching it to the device such as LED device in the front direction, and two-dimensional structure was applied to the thin film phosphor in two forms. 3 illustrates a case in which a two-dimensional photonic crystal structure is inserted into a thin film phosphor, and FIG. 4 illustrates a case in which a two-dimensional photonic crystal structure is attached to a thin film phosphor on a surface of the thin film phosphor. Both methods are known to effectively extract the emitted light trapped inside the thin film phosphor. However, in the case of the structure of FIG. 3, since the two-dimensional nanostructures having different refractive indices are inserted into the thin film phosphor, the materials of the two-dimensional nanostructure are mixed when the thin film phosphor is manufactured. In order to solve this problem, as shown in FIG. 4, a thin film phosphor may be manufactured and then two-dimensional nanostructures may be installed, but in this case, the two-dimensional nanostructure does not degrade the optical properties of the thin film phosphor, There is a limit that cannot be extracted. Therefore, in order to improve the light extraction efficiency of the two-dimensional nanostructure of Figure 4 it is necessary to introduce a new additional and complementary light extraction mode. The development of such phosphors requires enormous capital and time, and it is a task that requires both physical knowledge based on quantum mechanics and material engineering based on ceramic processing.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫번째 과제는 발광효율이 높고 광학적 균일성이 우수한 박막형광체를 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art, the first problem to be solved by the present invention is to provide a thin film phosphor having high luminous efficiency and excellent optical uniformity.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 두번째 과제는 발광효율이 높고 광학적 균일성이 우수한 박막형광체 제조방법을 제공하는 것이다.In addition, a second problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing a thin film phosphor having high luminous efficiency and excellent optical uniformity.

본 발명은 상기 첫번째 과제를 달성하기 위해서,The present invention to achieve the first object,

형광체가 코팅된 기판 및 상기 기판상에 형성된 2차원 광결정 구조를 포함하는 박막형광체에 있어서, 상기 기판의 표면은 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 비평탄면인 것을 특징으로 하는 박막형광체를 제공한다.A thin film phosphor comprising a substrate coated with a phosphor and a two-dimensional photonic crystal structure formed on the substrate, wherein the surface of the substrate is a non-planar surface having a nano size roughness.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 기판에 코팅된 형광체 내부에서 발생한 빛이 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 비평탄면에서 산란에 의해서 기판 외부로 추출될 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, light generated inside the phosphor coated on the substrate may be extracted to the outside of the substrate by scattering on a non-flat surface having a roughness of nano size.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 상기 기판 외부로 추출되는 빛 이외의 빛이 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 비평탄면에서 확산 반사에 의해 기판 내부로 되돌아갈 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, light other than the light extracted to the outside of the substrate may be returned to the inside of the substrate by diffuse reflection on the non-flat surface having a nano-size roughness.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 기판에 코팅된 형광체 내부에서 발생한 빛이 상기 2차원 광결정 구조를 통과하면 산란 될 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, light generated inside the phosphor coated on the substrate may be scattered when passing through the two-dimensional photonic crystal structure.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 형광체의 거칠기는 상기 기판상에 적층된 나노 입자에 의하여 달성되며, 상기 나노 입자의 크기는 20 내지 300nm일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the roughness of the phosphor is achieved by nanoparticles stacked on the substrate, the size of the nanoparticles may be 20 to 300nm.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 2차원 광결정 구조의 높이는 10nm 내지 5000nm임이 바람직하다.According to another preferred embodiment of the present invention, the height of the two-dimensional photonic crystal structure is preferably 10nm to 5000nm.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 박막 형광체의 소멸계수(extinction coefficient)는 10-2 이하일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the extinction coefficient of the thin film phosphor may be 10 −2 or less.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 형광체는 박막 형광체로 제조 가능한 산화물, 황화물 또는 질화물 등 가시영역의 빛을 방출하는 무기발광물질로 구성된 군 중에서 선택된 어느 하나를 사용하여 제조할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the phosphor may be prepared using any one selected from the group consisting of inorganic light emitting materials emitting light in the visible region, such as oxides, sulfides or nitrides that can be produced as a thin film phosphor.

또한, 본 발명은 상기 두번째 과제를 달성하기 위해서,In addition, the present invention to achieve the second object,

기판 위에 형광체를 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 비평탄면으로 형성하는 공정 및 2차원 광결정 구조를 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형광체의 제조방법을 제공한다.Provided is a method for manufacturing a thin film phosphor, comprising the step of forming a phosphor on a non-flat surface having a roughness of nano size on a substrate and forming a two-dimensional photonic crystal structure.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 기판 위에 형광체를 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 비평탄면으로 형성하는 공정은, 졸-젤법으로 졸형태의 형광체를 제조하는 단계; 및 상기 졸형태의 형광체를 기판에 스핀코팅하는 단계를 포함할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the step of forming the phosphor on the non-flat surface having a nano-size roughness on the substrate, preparing a sol-type phosphor by the sol-gel method; And spin-coating the sol-type phosphor on a substrate.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 상기 졸-젤법은 형광체로 제조될 전구체를 용매에 용해한 후 시트릭 산을 첨가하여 졸형태의 형광체를 형성될 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the sol-gel method may form a sol-type phosphor by dissolving a precursor to be produced as a phosphor in a solvent and then adding citric acid.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 형광체로 제조될 전구체는 산화물, 황화물 및 질화물로 구성된 군 중에서 어느 하나가 될 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the precursor to be made of the phosphor may be any one of the group consisting of oxides, sulfides and nitrides.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 용매에 융제를 첨가하여 박막 형광체의 거칠기를 조절할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the roughness of the thin film phosphor may be adjusted by adding a flux to the solvent.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 융제는 Li2CO3일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the flux may be Li 2 CO 3 .

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 형광체의 거칠기는 상기 기판상에 적층된 나노 입자에 의하여 달성되며, 상기 나노입자의 크기를 20 내지 300nm로 증가시킬 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the roughness of the phosphor is achieved by the nanoparticles stacked on the substrate, the size of the nanoparticles can be increased to 20 to 300nm.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 2차원 광결정 나노구조를 형성하는 공정은 기판 위에 광결정 박막을 증착하는 단계; 상기 광결정 박막 위에 마스크로 사용할 크롬을 증착하는 단계; 상기 크롬 박막 위에 포토레지스트를 코팅하는 단계; 상기 포토레지스트를 노광 및 현상하는 단계; 제 1차 식각을 통해 상기 크롬 박막을 식각하여 이차원 나노구조의 크롬 마스크를 패터닝하는 단계 및 노출된 상기 광결정 박막을 제 2차 식각하여 2차원 광결정 구조를 형상하는 단계를 포함 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the process of forming the two-dimensional photonic crystal nanostructure comprises the steps of depositing a photonic crystal thin film on a substrate; Depositing chromium to be used as a mask on the photonic crystal thin film; Coating a photoresist on the chromium thin film; Exposing and developing the photoresist; Etching the chromium thin film through primary etching to pattern a chromium mask having a two-dimensional nanostructure, and forming a two-dimensional photonic crystal structure by secondly etching the exposed photonic crystal thin film.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 기판은 박막 형광체가 코팅된 석영 또는 사파이어 기판을 사용할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the substrate may use a quartz or sapphire substrate coated with a thin film phosphor.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 크롬을 증착하는 단계는 열증착방법으로 하며, 증착 두께는 20 내지 100nm로 함이 바람직하다.According to another preferred embodiment of the present invention, the step of depositing chromium is a thermal deposition method, the deposition thickness is preferably 20 to 100nm.

본 발명에 따르면 복합 구조를 갖는 박막 형광체를 제공하여 종래의 파우더형 형광체가 광 산란에 기인하여 내재하고 있는 광 균일도 저하 및 효율 저하문제를 해결한다. 본 발명의 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 비평탄면인 기판과 2차원 광결정 구조를 포함하는 박막형광체를 LED등과 같은 광원 및 디스플레이어 장치에 사용할 경우 기존의 2차원 나노구조 박막 형광체 대비 2배 이상의 효율 향상을 예측할 수 있다. 본 발명에 의해 설계된 복합구조 나노 박막 형광체의 효율은 2차원 나노구조의 변수와 박막 형광체의 나노 입자의 크기를 조절하므로 보다 향상시킬 수 있는 장점이 있고, 복합 나노 구조형 박막 형광체는 파우더 형 형광체보다 균일도가 우수하므로 복합 나노 구조형 박막 형광체를 사용한 백색 LED등과 같은 소자의 발광 균일도 역시 개선된다. 또한, 본원 발명의 박막 형광체를 채용할 경우 종래의 파우더형 형광체를 사용할 때보다 형광체를 적게 사용하면서도 슬러리 역시 사용하지 않으므로 원가 절감과 공정의 단순화시키는 장점을 가질 수 있어서 양산이 용이해진다.According to the present invention by providing a thin film phosphor having a complex structure solves the problem of light uniformity degradation and efficiency degradation inherent in the conventional powder-type phosphor due to light scattering. When a thin film phosphor including a non-planar surface having a nano-sized roughness of the present invention and a two-dimensional photonic crystal structure is used in a light source and a display device such as an LED lamp, the efficiency improvement is more than twice that of the conventional two-dimensional nanostructure thin film phosphor. It can be predicted. The efficiency of the composite structured nano thin film phosphor designed by the present invention has an advantage that it can be further improved by controlling the parameters of the two-dimensional nano structure and the size of the nano particles of the thin film phosphor, and the composite nano structured thin film phosphor is more uniform than the powder type phosphor. Because of the excellent luminous uniformity of the device such as a white LED lamp using a composite nano-structured thin film phosphor is also improved. In addition, when the thin film phosphor of the present invention is employed, since it uses less phosphor than when using a conventional powder-type phosphor, it does not use a slurry, so it can have advantages of cost reduction and simplification of the process, thereby facilitating mass production.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 형광체가 코팅된 기판 및 상기 기판상에 형성된 2차원 광결정 구조를 포함하는 박막형광체에 있어서, 상기 기판의 표면은 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 비평탄면인 것을 특징으로 하는 박막형광체를 제공한다. 상기 거칠기는 가공된 박막 표면에 작은 간격으로 나타나는 미세 굴곡을 의미한다. 도 5에 본원 발명의 구조와 발광한 빛의 경로를 간략하게 그림으로 도시하였다. 본원 발명은 도 5에 도시한 바와 같이 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 비평탄면인 박막 형광체 표면에서 일어나는 나노 사이즈의 거칠기에 의한 산란과 2차원 광결정 구조에 의한 Bragg산란의 복합화 및 이들의 시너지 효과에 의해서 박막 형광체 내부에 갇혀진 있는 대부분의 발광 빛을 추출할 수 있는 새로운 메커니즘에 근거를 두고 있다.The present invention provides a thin film phosphor comprising a substrate coated with a phosphor and a two-dimensional photonic crystal structure formed on the substrate, wherein the surface of the substrate is a non-planar surface having a nano size roughness. The roughness refers to fine bending appearing at small intervals on the surface of the processed thin film. Figure 5 is a simplified illustration of the structure of the present invention and the path of the emitted light. According to the present invention, as shown in FIG. 5, the thin film is formed by the combination of scattering caused by nano-sized roughness and the Bragg scattering by the two-dimensional photonic crystal structure and synergistic effects thereof. It is based on a new mechanism that can extract most of the emitted light trapped inside the phosphor.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 기판에 코팅된 형광체 내부에서 발생한 빛이 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 비평탄면에서 산란에 의해서 기판 외부로 추출될 수 있다. 즉 일차적으로 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 표면에서 갇혀진 빛의 일부가 산란 모드 즉 확산 투과모드에 의해서 추출된다.According to an exemplary embodiment of the present invention, light generated inside the phosphor coated on the substrate may be extracted to the outside of the substrate by scattering on a non-flat surface having a roughness of nano size. That is, a part of the light trapped at the surface having the roughness of nano size is extracted by the scattering mode, that is, the diffusion transmission mode.

한편, 상기 과정에도 불구하고 기판 외부로 추출되지 않고 남은 빛은 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 비평탄면에서 확산 반사에 의해 기판 내부로 되돌아갈 수 있다. 이를 통해 상기 기판 내의 남은 빛의 추출이 일어나 박막형광체의 효율이 향상된다. 즉, 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 표면에서 갇혀진 빛의 일부가 산란모드 (확산 투과모드)에 의해서 추출되고 남아 있는 빛은 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 비평탄면에서 확산 반사된다. 확산 반사는 매끈하지 않은 표면에서 일어나며 이러한 표면은 여러 방향으로 향한 오톨도톨한 작은 면의 집합체로 여길 수 있기 때문 에 한 방향에서 입사한 빛이 그 작은 면을 각각 2차적인 새 광원으로 삼아 여러 방향으로 반사하여 흩어지는 현상을 일으킨다. 형광체에서 추출되고 남은 빛이 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 비평탄면에서 확산 반사에 의해서 내부로 반사되어가는 과정에서 경로가 바뀌게 된다. 이에 비하여 박막 형광체가 매끈한 표면을 갖는 종래 기술의 경우, 입사한 빛은 정반대 방향으로만 고르게 반사하므로 정반사를 하여 추출되지 않는 대부분의 가이딩되는 빛은 내부로 반사되므로 기판 내에 머물러 있게 된다. 따라서 도 4에서처럼 2차원 광결정 구조는 전반사 될 수 있는 빛의 일부만 영향을 미친다. 본 발명에서 나노 크기의 거칠기를 갖는 박막 형광체에 2차원 광 결정 구조가 코팅되면 확산 반사에 의해서 경로가 바뀐 대부분의 가이딩 되는 빛은 광결정 구조에 의해서 Leaky 모드의 빛으로 바뀌어 기판 외부로 추출되므로, 종래 매끈한 표면을 갖는 박막 형광체를 사용하는 경우 박막 형광체 내부에 가두어진 빛의 일 부분만 밖으로 추출되어 비록 2차원 구조를 부착할 경우라도 2차원 구조에 의해서 박막 형광체 내부에 갇혀진 빛에 영향을 미치는 범위는 제한적이라는 단점을 해소하였다. On the other hand, in spite of the above process, the light remaining without being extracted to the outside of the substrate may be returned to the inside of the substrate by diffuse reflection on a non-flat surface having a nano-sized roughness. As a result, the remaining light in the substrate is extracted, thereby improving the efficiency of the thin film phosphor. That is, a part of the light trapped on the surface having the nano-sized roughness is extracted by the scattering mode (diffusion transmission mode) and the remaining light is diffusely reflected on the non-flat surface having the nano-sized roughness. Diffuse reflection takes place on a non-smooth surface, which can be thought of as a collection of small planes that are oriented in multiple directions, so that light incident from one direction uses the small side as a secondary new light source, This causes reflections and scattering. The light is extracted from the phosphor and the path is changed in the process of being reflected inside by the diffuse reflection on the non-flat surface having a nano-sized roughness. On the other hand, in the prior art in which the thin film phosphor has a smooth surface, the incident light is reflected evenly in the opposite direction, so most of the guiding light which is not extracted by the specular reflection is reflected inside and remains in the substrate. Therefore, as shown in FIG. 4, the two-dimensional photonic crystal structure only affects a part of the light that can be totally reflected. In the present invention, when the two-dimensional photonic crystal structure is coated on the nano-sized roughness phosphor, most of the guiding light whose path is changed by the diffusion reflection is extracted into the light of the Leaky mode by the photonic crystal structure and extracted outside the substrate. In the case of using a thin film phosphor having a smooth surface, only a part of the light trapped inside the thin film phosphor is extracted outside, and even if a two-dimensional structure is attached, the two-dimensional structure affects the light trapped inside the thin film phosphor. It solves the disadvantage of limited scope.

본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 기판에 코팅된 형광체 내부에서 발생한 빛이 상기 2차원 광결정 구조를 통과하면 산란될 수 있다. 박막 형광체 내부에서 발생한 빛은 박막 형광체와 공기면 사이에 형성된 2차원 나노 구조의 주기적 구조에 의해서 전면방향으로 추출된다. 즉 굴절률의 주기적인 구조에 의한 발생한 강한Bragg 산란 현상에 의해서 전면방향으로 추출되는 것이다. 또한, 비 주기적 나노 구조물 역시 빛이 추출되는데, 가시광 파장 크기의 입체 구조가 형광체 표면에 형 성될 때 강한 산란 현상에 의해서 빛이 추출되는 것으로 상기 주기적 나노 구조물의 경우와 원리가 동일하다. 이러한 원리에 의해서 파우더 형광체를 대체하기 위해서 2차원 나노 구조를 박막 형광체에 코팅하는 경우 기존의 박막 형광체 대비 3배 이상의 효율 향상을 보이는 효과가 있다. 도 7에 2차원 광결정에 의한 박막형광체의 효율향상, 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 박막 표면에 의한 박막형광체의 효율향상 및 상기 두가지 효과에 의한 복합적 효율향상 효과를 나타낸 그래프를 도시하였다. 도 7에서 보는 바와 같이 상기 기술한 원리에 따라 종래의 박막형광체에 비해 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 박막 표면에 의해 형광체의 발광 효율이 최대 6배 이상 증가하며, 2차원 광결정에 의해 최대 4배 이상의 효율향상이 있다. 이에 더하여, 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 박막과 2차원 광결정 구조가 복합된 구조를 갖는 박막형광체의 경우 발광 효율의 상승폭이 각각의 상승효과의 합을 넘어서 10배 가까운 향상효과를 얻는다. 이러한 두가지 구조의 시너지효과에 의해 최적의 발광 효율을 갖는 박막형광체를 제공하는 것이 본 발명의 핵심되는 사항이다.According to an embodiment of the present invention, light generated inside the phosphor coated on the substrate may be scattered when passing through the two-dimensional photonic crystal structure. Light generated inside the thin film phosphor is extracted in the front direction by the periodic structure of the two-dimensional nanostructure formed between the thin film phosphor and the air plane. That is, it is extracted in the front direction by the strong Bragg scattering phenomenon generated by the periodic structure of the refractive index. In addition, light is also extracted from the non-periodic nanostructure, and the light is extracted by the strong scattering phenomenon when the three-dimensional structure of the visible wavelength is formed on the surface of the phosphor is the same principle as the case of the periodic nanostructure. According to this principle, when the two-dimensional nanostructure is coated on the thin film phosphor to replace the powder phosphor, there is an effect of more than three times the efficiency improvement compared to the conventional thin film phosphor. FIG. 7 is a graph showing the improvement of the efficiency of the thin film phosphor by the two-dimensional photonic crystal, the efficiency of the thin film phosphor by the surface of the thin film having nano size roughness, and the composite efficiency improvement effect by the two effects. As shown in FIG. 7, the luminous efficiency of the phosphor is increased up to 6 times or more by the surface of the nano-film having a roughness compared to the conventional thin film phosphor, and up to 4 times or more by the two-dimensional photonic crystal. There is an improvement. In addition, in the case of a thin film phosphor having a structure in which a nano-sized roughness and a two-dimensional photonic crystal structure are combined, an increase in luminous efficiency exceeds 10 times the sum of the respective synergistic effects, thereby obtaining an improvement effect. It is a key point of the present invention to provide a thin film phosphor having an optimal luminous efficiency by synergistic effects of the two structures.

상기 형광체의 거칠기는 상기 기판상에 적층된 나노 입자에 의하여 달성되며, 상기 나노입자의 크기는 20 내지 300nm인 것이 바람직하다. 20nm 미만일 경우에는 복합 구조가 형성되지 않으므로 기존의 매끈한 표면을 갖는 박막 형광체의 경우와 효과상의 차이가 없으며, 300nm를 초과할 경우 나노 입자의 산란 효과는 커지는 정도에 비해 2차원 광결정의 효과가 더 크게 줄어들어 결과적으로 복합 구조체에 의한 발광효율은 감소하게 되어 바람직하지 않다. 더욱 바람직하게는 상기 형광체 입자의 크기는 41 내지 45nm인 것이 바람직하며, 이는 본 발명의 박막형광체의 발광효율을 최적화한 조건이다. 도 7에 도시한 바와 같이 형광체 입자의 크기는 발광효율 상승폭과 밀접한 관계가 있으며, 이는 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 박막과 2차원 광결정에 각각 상이한 영향을 미친다. 즉, 형광체 입자의 크기가 커질수록 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 박막의 상대발광효율이 일정하게 줄어들며, 2차원 광결정에 의한 상대발광효율은 일정하게 증가한다. 따라서 본 발명에서는 이러한 상반되는 경향을 고려하여 발광효율을 최대로 향상시키는 최적의 형광체 입자의 크기를 제안하며, 약 41 내지 45nm 크기의 형광체 입자를 갖는 박막 형광체의 경우가 복합 구조의 시너지 효과로 인해 발광효율이 10배를 넘어서 형광체의 효율을 향상시키는 최적의 조건이 된다. 다만 이는 바람직한 실시예일뿐 본 발명은 이에 한정되지 않는다.Roughness of the phosphor is achieved by nanoparticles stacked on the substrate, the size of the nanoparticles is preferably 20 to 300nm. If the thickness is less than 20 nm, the composite structure is not formed, and thus there is no difference in effect from the case of the thin film phosphor having a smooth surface. If the thickness is greater than 300 nm, the effect of the two-dimensional photonic crystal is greater than that of the nanoparticles. As a result, the luminous efficiency by the composite structure is reduced, which is undesirable. More preferably, the size of the phosphor particles is 41 to 45 nm, which is a condition for optimizing the luminous efficiency of the thin film phosphor of the present invention. As shown in FIG. 7, the size of the phosphor particles is closely related to the increase in luminous efficiency, which affects the thin film and the two-dimensional photonic crystal having a roughness of nano size, respectively. That is, as the size of the phosphor particles increases, the relative luminous efficiency of the thin film having nano size roughness is constantly reduced, and the relative luminous efficiency by the two-dimensional photonic crystal is constantly increased. Therefore, the present invention proposes an optimal size of phosphor particles to maximize luminous efficiency in consideration of these opposite tendencies, and thin film phosphors having phosphor particles of about 41 to 45 nm are due to the synergistic effect of the composite structure. The luminous efficiency exceeds 10 times, which is an optimal condition for improving the efficiency of the phosphor. However, this is only a preferred embodiment and the present invention is not limited thereto.

상기 2차원 광결정 구조의 높이는 10nm 내지 5000nm인 것이 바람직하다. 높이가 10nm 미만일 때는 광결정의 효과가 저하되고, 5000nm를 초과할 경우 빛이 수직방향으로 여러번의 광결정 효과를 경험해야 하므로 특성이 급격히 저하되는 문제가 있다.The height of the two-dimensional photonic crystal structure is preferably 10nm to 5000nm. When the height is less than 10nm, the effect of the photonic crystal is lowered, and when it exceeds 5000nm, since the light must experience several times the photonic crystal effect in the vertical direction, there is a problem that the characteristic is sharply lowered.

한편, 상기 2차원 광결정 구조의 형상은 구형, 원통형, 직육면체형, 또는 삼각 기둥형으로 음각 내지 양각된 3차원 입체구조인 것이 바람직하나 이는 일 실시예일 뿐 이에 한정됨 없이 주기성만 있다면 어떤 형태도 상관없이 빛의 산란이 일어난다.Meanwhile, the shape of the two-dimensional photonic crystal structure is preferably a three-dimensional solid structure engraved or embossed into a spherical shape, a cylindrical shape, a cuboid shape, or a triangular column shape. However, the present invention is not limited thereto. Light scattering occurs.

또한, 상기 박막 형광체의 소멸계수(extinction coefficient)는 10-2 이하일 수 있다. 소멸계수가 10-2를 초과할 경우 빛이 박막 내에서 횡단할 때 2차원 광결정에 도달하기 전에 박막에 흡수되어 소멸 되므로 광결정의 효과를 얻을 수 없다.In addition, the extinction coefficient of the thin film phosphor may be 10 −2 or less. Extinction coefficient exceeds 10 -2 When light traverses in the thin film, the light is absorbed and extinguished before the two-dimensional photonic crystal is reached, so the effect of the photonic crystal cannot be obtained.

상기 형광체는 박막 형광체로 제조 가능한 산화물, 황화물, 질화물 등 가시영역의 빛을 방출하는 무기발광물질을 사용하여 제조할 수 있다. 본 발명은 박막 형광체 내에 발생한 빛이 박막 형광에서 빠져나올 수 있도록 광 추출에 관한 복합구조에 관한 것으로 본 발명의 기본 개념인 나노복합구조는 산화물, 황화물, 질화물등 모든 종류의 박막 형광체에 적용할 수 있다. The phosphor may be prepared using an inorganic light emitting material that emits light in the visible region, such as an oxide, a sulfide, or a nitride, which may be manufactured as a thin film phosphor. The present invention relates to a complex structure related to light extraction so that light generated in the thin film phosphor can escape from the thin film fluorescence. The nanocomposite structure of the present invention can be applied to all kinds of thin film phosphors such as oxides, sulfides and nitrides. have.

한편 본 발명은 기판 위에 형광체를 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 비평탄면으로 형성하는 공정 및 2차원 광결정 구조를 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형광체의 제조방법을 제공한다. 본 발명에서는 상기 두 가지 공정을 거쳐 박막형광체를 제조하는 것이 특징이며, 두 공정 중 어느 한 공정을 반드시 먼저 시행해야 하는 것은 아니다.On the other hand, the present invention provides a method for producing a thin film phosphor, comprising the step of forming a phosphor on a non-flat surface having a roughness of nano-size on the substrate and the step of forming a two-dimensional photonic crystal structure. In the present invention, a thin film phosphor is manufactured through the above two processes, and one of the two processes is not necessarily performed first.

상기 기판 위에 형광체를 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 비평탄면으로 형성하는 공정은, 졸-젤법으로 졸형태의 형광체를 제조하는 단계; 및 상기 졸형태의 형광체를 기판에 스핀코팅하는 단계를 포함한다. 형광체로 제조될 하나 이상의 전구체를 용매에 용해한 후 시트릭 산을 첨가하여 졸형태의 혼합물을 형성한다. 상기 졸형태의 혼합물을 박막에 스핀 코팅하며, 상기 박막은 석영 또는 사파이어 기판일 수 있다. 본 발명의 박막형광체 제조과정은 1000℃내외의 고온의 공정과정이 포함되므로 비교적 용해점이 높은 석영기판을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 사파이 어는 빛의 투과성이 우수하며 세라믹 재료중에서는 드물게 금속과 유사한 열전도도를 지닐 뿐 아니라 극저온에서 초고온까지 상변태가 없이 매우 안정하고, 우수한 기계적 성질을 가지고 있으며, 화학적 안정성이 뛰어나 본 발명의 실시에 적합하다. 다만 이는 일 실시예일뿐 이에 한정되지 않고 당업계에서 형광체 제조에 사용하는 기판을 사용할 수 있다. 박막 제조 공정은 스핀 코팅의 횟수에 따라서 박막 형광체의 두께를 조절할 수 있고 최종적으로 900 내지 1100℃로 소성하여 박막형광체를 제조한다. 본 발명의 일 실시예로 형광체로 제조될 전구체로써 Y(NO3)3 와 Eu(NO3)3를 사용하여 용매로 2-메톡시에탄올에 용해시킨 후 졸을 만들어서 사파이어 기판에 스핀 코팅하는 과정을 거쳐 Y2O3:Eu 형광체가 코팅된 기판을 제조하는 공정을 도 9에 도시하였다.Forming a phosphor on the substrate to a non-flat surface having a roughness of nano-size, comprising: preparing a sol-type phosphor by the sol-gel method; And spin-coating the sol-type phosphor on a substrate. At least one precursor to be prepared as a phosphor is dissolved in a solvent and then citric acid is added to form a sol-like mixture. Spin coating the sol-like mixture on a thin film, the thin film It may be a quartz or sapphire substrate. Since the thin film phosphor manufacturing process of the present invention includes a high temperature process of about 1000 ℃, it is preferable to use a quartz substrate having a relatively high melting point. In addition, sapphire is excellent in light transmission and rarely in the ceramic material has a thermal conductivity similar to that of metal, very stable without phase transformation from cryogenic to ultra-high temperature, has excellent mechanical properties and excellent chemical stability in the practice of the present invention Suitable. However, this is not only an example but may be a substrate used in the art for manufacturing phosphors. In the thin film manufacturing process, the thickness of the thin film phosphor may be adjusted according to the number of spin coating, and finally, the thin film phosphor is manufactured by firing at 900 to 1100 ° C. In one embodiment of the present invention by using Y (NO 3 ) 3 and Eu (NO 3 ) 3 as a precursor to be prepared as a phosphor to dissolve in 2-methoxyethanol as a solvent and then making a sol spin coating on a sapphire substrate A process of manufacturing a substrate coated with Y 2 O 3 : Eu phosphor is shown in FIG. 9.

상기 형광체로 제조될 전구체는 산화물, 황화물 및 질화물로 구성된 군 중에서 어느 하나일 수 있으며, 이는 본 발명의 박막 형광체의 표면은 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 비평탄면을 갖도록 하여 2차원 광결정 나노구조와 결합하므로 박막 형광체를 고 효율화는 것은 박막 형광체 내에 발생한 빛이 박막 형광에서 빠져나올 수 있도록 광 추출에 관한 복합구조에 의한 것이므로 본 발명의 기본 개념인 나노복합구조는 산화물, 황화물, 질화물등 모든 종류의 박막 형광체에 적용할 수 있다. The precursor to be made of the phosphor may be any one of a group consisting of oxides, sulfides, and nitrides, which is combined with two-dimensional photonic crystal nanostructures so that the surface of the thin film phosphor of the present invention has a non-planar surface having nano size roughness. The high efficiency of thin film phosphors is due to the complex structure of light extraction so that the light generated in the thin film phosphors can escape from the thin film fluorescence. Thus, the nanocomposite structure, which is the basic concept of the present invention, has all kinds of thin film phosphors such as oxides, sulfides and nitrides. Applicable to

한편 상기 용매에 융제를 첨가하여 박막 형광체의 거칠기를 조절할 수 있다. 융제는 용해를 촉진하기 위하여 섞는 물질을 의미하며, 박막 형광체의 표면 거칠기를 조절하기 위해서 Li2CO3를 첨가할 경우 이것이 융제 작용을 하여 박막 형광체의 표면의 거칠기를 조절할 수 있게 된다. 즉, 나노 사이즈의 거칠기는 기판상에 적층된 나노 입자에 의한 것이며, 이러한 나노 입자의 크기가 커지면 박막 표면이 거칠기가 커지고 나노 입자의 크기가 작아지면 거칠기가 작아진다. 또한 상기 나노 입자의 크기는 융제의 첨가량에 따라 20 내지 300nm 범위 내에서 조절이 가능하다. 바람직한 일 실시예에 따르면, Li2CO3의 양을 몰비율로 각각 10, 20, 30%를 첨가할 경우 박막 형광체의 입자 사이즈를 23nm에서 각각 43, 53, 56nm로 증가시킬 수 있다. 따라서 최대 발광효율을 가지는 박막형광체를 제조하기 위해 상기 기재한 바대로 형광체의 입자 사이즈를 41 내지 45nm로 함이 바람직하며, 이 경우 상기 Li2CO3는 기판에 코팅되는 총 형광체 대비 9 내지 11 몰% 를 첨가는 것이 바람직하다. 기판에 코팅되는 총 형광체 대비 9몰% 미만의 Li2CO3를 융제로 첨가할 경우 나노 입자의 지름이 41nm 미만이 되며, 11몰 %를 초과하여 첨가하는 경우에는 나노 입자의 지름이 45nm보다 커지므로 원하는 사이즈의 나노 입자를 얻을 수 없게 된다. 융제 또는 박막 형광체 소성 온도 등의 제조 조건을 변화시키므로 박막 형광체의 표면 거칠기를 조절할 수 있는 것이 본 발명의 장점이다. Meanwhile, a flux may be added to the solvent to adjust the roughness of the thin film phosphor. A flux means a material mixed to promote dissolution, and when Li 2 CO 3 is added to control the surface roughness of the thin film phosphor, the flux acts as a flux to control the roughness of the surface of the thin film phosphor. That is, the nano-size roughness is due to the nanoparticles stacked on the substrate, and as the size of such nanoparticles increases, the surface of the thin film becomes larger, and when the size of the nanoparticles becomes smaller, the roughness becomes smaller. In addition, the size of the nanoparticles can be adjusted within the range of 20 to 300nm depending on the amount of the flux added. According to one preferred embodiment, when the amount of Li 2 CO 3 is added in 10, 20, 30% of the molar ratio, respectively, the particle size of the thin film phosphor can be increased from 23nm to 43, 53, 56nm respectively. Therefore, in order to manufacture a thin film phosphor having a maximum luminous efficiency, as described above, the particle size of the phosphor is preferably 41 to 45 nm, in which case the Li 2 CO 3 is 9 to 11 moles relative to the total phosphor coated on the substrate. It is preferable to add%. If less than 9 mol% of Li 2 CO 3 is added as a flux to the total phosphor coated on the substrate, the diameter of the nanoparticles is less than 41 nm, and if more than 11 mol% is added, the diameter of the nanoparticles is larger than 45 nm. Therefore, nanoparticles of a desired size cannot be obtained. It is an advantage of the present invention that the surface roughness of the thin film phosphor can be adjusted because the manufacturing conditions such as flux or the thin film phosphor firing temperature are changed.

2차원 광결정 나노구조의 제조 공정 순서는 도 8에 도시되어 있다. 상기 2차원 광결정 나노구조를 형성하는 공정은 기판 위에 광결정 박막을 증착하는 단계; 상기 광결정 박막 위에 마스크로 사용할 크롬을 증착하는 단계; 상기 크롬 박막 위에 포토레지스트를 코팅하는 단계; 상기 포토레지스트를 노광 및 현상하는 단계; 제 1차 식각을 통해 상기 크롬 박막을 식각하여 이차원 나노구조의 크롬 마스크를 패터닝하는 단계; 노출된 상기 광결정 박막을 제 2차 식각하여 2차원 광결정 구조를 형상하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.A manufacturing process sequence of the two-dimensional photonic crystal nanostructure is shown in FIG. 8. The process of forming the two-dimensional photonic crystal nanostructure includes depositing a photonic crystal thin film on a substrate; Depositing chromium to be used as a mask on the photonic crystal thin film; Coating a photoresist on the chromium thin film; Exposing and developing the photoresist; Etching the chromium thin film through first etching to pattern a chromium mask having a two-dimensional nanostructure; And secondly etching the exposed photonic crystal thin film to form a two-dimensional photonic crystal structure.

상기 기판은 박막 형광체가 코팅된 석영 또는 사파이어 기판을 사용할 수 있다. 본 발명의 박막형광체 제조과정은 1000℃내외의 고온의 공정과정이 포함되므로 비교적 용해점이 높은 석영기판을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 사파이어는 빛의 투과성이 우수하며 세라믹 재료중에서는 드물게 금속과 유사한 열전도도를 지닌다. 또한 극저온에서 초고온까지 상변태가 없이 매우 안정하고, 우수한 기계적 성질을 가지고 있으며, 화학적 안정성이 뛰어나 바람직하다. 다만 이는 일 실시예일뿐 이에 한정되지 않고 당업계에서 형광체 제조에 사용하는 기판을 사용할 수 있다. The substrate may be a quartz or sapphire substrate coated with a thin film phosphor. Since the thin film phosphor manufacturing process of the present invention includes a high temperature process of about 1000 ℃, it is preferable to use a quartz substrate having a relatively high melting point. In addition, sapphire has excellent light transmittance, and has a thermal conductivity similar to that of metal, which is rare in ceramic materials. In addition, cryogenic to ultra-high temperature is very stable without phase transformation, has excellent mechanical properties, and excellent chemical stability is preferred. However, this is not only an example but may be a substrate used in the art for manufacturing phosphors.

상기 크롬을 증착하는 단계는 열증착 벙법으로 하며, 증착 두께는 20 내지 100nm로 함이 바람직하다. 증착 두께가 20nm 미만일 경우 마스크층으로 기능 하기 어렵고 불균일한 박막층을 형성할 우려가 있으며, 100nm 을 초과하는 경우 비경제적이고 식각시 과도한 공정시간이 소요되어 바람직하지 않다.The step of depositing chromium is a thermal deposition method, the deposition thickness is preferably set to 20 to 100nm. If the deposition thickness is less than 20nm, it is difficult to function as a mask layer and there is a risk of forming a non-uniform thin film layer, and if it exceeds 100nm is uneconomical and excessive process time during etching is not preferable.

한편, 크롬 박막 위에 포지티브 또는 네가티브 포토레지스트를 스핀 코팅으로 코팅할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 포지티브 포토레지스트를 코팅할 경우 포토레지스트를 레이저 간섭 노광 방법으로 90도 회전하면서 2회 노광시키면 이차원 나노 구조의 패턴이 만들어지고, 이 패턴을 용매로 현상하면 포토레지스트의 불필요한 부분이 제거된다. 도 8의 4번째 건식 식각 단계에서 크롬 마스크를 2차원 나노 구조체로 제작한다. 포토레지스트 대신에 크롬을 마스크로 사용하여 박 막 형광체 기판 위에 2차원 나노 구조체를 제작할 수 있다. 상기 과정에 의해 제작된 2차원 나노 구조체의 사진은 도 6에 도시하였다. 상술한 방법에 의해서 제작된 2차원 나노 구조체는 도 6에 도시된 바대로 아주 균일하고 주기적으로 양각진 원통형 구조를 갖는다. 포토레지스트의 종류를 네거티브 형으로 바꿀 경우에는 2차원 주기의 음각 나노홀 구조체가 만들어진다. 양각 또는 음각 구조체 모두 2차원 나노구를 이룰 경우 광 추출에 사용될 수 있다. 더 나아가 본 발명의 상기 2차원 광결정 구조의 형상은 구형, 원통형, 직육면체형, 또는 삼각 기둥형으로 음각 내지 양각된 3차원 입체구조인 것이 바람직하나 이는 일 실시예일 뿐 이에 한정되지 않고 주기성만 있다면 어떤 형태도 상관없이 빛의 산란이 일어나며, 구형, 직육면체형 또는 삼각 기둥형 등의 구조체 제조방법은 당업자에게 자명하다.Meanwhile, a positive or negative photoresist may be coated by spin coating on the chromium thin film. According to an embodiment of the present invention, when the positive photoresist is coated, the photoresist is exposed twice while rotating by 90 degrees with a laser interference exposure method to create a two-dimensional nanostructured pattern, and when the pattern is developed with a solvent, the photoresist is developed. Unnecessary parts of are removed. In the fourth dry etching step of FIG. 8, a chromium mask is manufactured as a two-dimensional nanostructure. Instead of photoresist, chromium can be used as a mask to fabricate two-dimensional nanostructures on thin phosphor substrates. The photo of the two-dimensional nanostructure produced by the above process is shown in FIG. 6. The two-dimensional nanostructures fabricated by the method described above have a very uniform and periodically embossed cylindrical structure as shown in FIG. 6. When the type of photoresist is changed to negative type, a two-dimensional intaglio nanohole structure is created. Both embossed or engraved structures can be used for light extraction if they form two-dimensional nanospheres. Furthermore, the shape of the two-dimensional photonic crystal structure of the present invention is preferably a three-dimensional solid structure engraved or embossed in a spherical shape, a cylindrical shape, a cuboid shape, or a triangular column shape, but the present invention is not limited thereto. Light scattering occurs regardless of the shape, and a method of manufacturing a structure such as a spherical shape, a cuboid shape, or a triangular column shape is apparent to those skilled in the art.

음각 또는 양각에 무관하게 나노 원통들의 주기가 200nm 이상이면 그 위에 성장 시킬 나노 구조형 형광막의 주기 또한 200nm 이상이 되고, 이로써 박막 형광체의 효율이 향상될 수 있다. 상기 기재한 바대로, 레이저 간섭 노광방식으로 200nm 이상의 주기를 갖는 2차원 광결정 나노 구조를 박막 형광체 위에 제작할 수 있으며 이는 당업자에게 자명하다.Regardless of the intaglio or embossment, if the period of the nano cylinders is 200 nm or more, the period of the nanostructured fluorescent film to be grown thereon is also 200 nm or more, thereby improving the efficiency of the thin film phosphor. As described above, a two-dimensional photonic crystal nanostructure having a period of 200 nm or more can be fabricated on the thin film phosphor by a laser interference exposure method, which is obvious to those skilled in the art.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the following Examples are not intended to limit the scope of the present invention, which will be construed as to help the understanding of the present invention.

비교예Comparative example 1. One.

비교예Comparative example 1-1. 형광체의 선정 1-1. Selection of phosphor

본 발명에 의한 형광체의 효율을 실험하기 위해 저 굴절률 형광체 중 대표적인 형광체인 Y2O3:Eu(굴절률 1.85) 형광체를 선택하여 2차원 나노구조형 박막 형광체를 제조하고, 이의 자외선 여기 발광 효율을 측정하였다. 굴절률 값이 높으면 높을수록 박막 형광체에 갇힌 빛의 양이 많아지므로 본 발명에서는 굴절률 값이 최소인 형광체들 중의 하나인 Y2O3형광체를 모델로서 사용하였다. 비록 이 형광체가 청색 여기에 발광하는 백색 LED 형광체는 아니지만 자외선 여기용 적색 형광체로 자외선 여기시에 백색 LED로 사용될 수 있고 굴절률 값이 작기 때문에 기준(standard) 형광체로 사용할 수 있다. 특히 백색 LED용 형광체로 광범위하게 사용되는 황색 YAG:Ce 형광체나 Silicate류 형광체 또는 적색, 녹색 및 청색의 삼색 형광체로 쓰이는 산화물, 황화물, 질화물 형광체의 거의 대부분이 상기Y2O3:Eu 형광체보다 굴절률 값이 더 크다. 대부분의 형광체의 굴절률이 1.5 내지 3.0 범위 내에 있으므로 2차원 광결정 물질의 굴절률 역시도 1.5 이상이고 투명하여야 하므로 본원 발명에서는 SiNx(굴절률 1.95)를 사용하여 2차원 광결정 구조에 의한 추출 효과를 확인하기 위한 기본 물질로 사용하였다. In order to test the efficiency of the phosphor according to the present invention, a two-dimensional nanostructured thin film phosphor was prepared by selecting a Y 2 O 3 : Eu (refractive index 1.85) phosphor, which is a representative phosphor among low refractive index phosphors, and measured its UV-excited emission efficiency. . The higher the refractive index value, the greater the amount of light trapped in the thin film phosphor, and thus, the Y 2 O 3 phosphor, which is one of the phosphors having the smallest refractive index value, was used as a model. Although this phosphor is not a white LED phosphor emitting blue excitation, it can be used as a white LED for ultraviolet excitation as a red phosphor for ultraviolet excitation and a standard phosphor because of its small refractive index value. Particularly, most of the oxide, sulfide and nitride phosphors used as yellow YAG: Ce or Silicate phosphors or red, green and blue tricolor phosphors widely used as phosphors for white LEDs have a refractive index higher than that of the Y 2 O 3 : Eu phosphors. The value is larger. Since the refractive index of most phosphors is in the range of 1.5 to 3.0, the refractive index of the two-dimensional photonic crystal material must also be 1.5 or more and transparent. Therefore, in the present invention, the basis for confirming the extraction effect by the two-dimensional photonic crystal structure using SiN x (refractive index 1.95) Used as a material.

비교예Comparative example 1-2. 나노 사이즈의 거칠기가 없는 형광체의 제조 1-2. Preparation of Nanoscale Roughness-Free Phosphors

졸-젤법과 스핀 코팅법에 의하여 사파이어 기판에 Y2O3:Eu 박막를 제조하였 다. 95% Y(NO3)3 와 5% Eu(NO3)3를 2-메톡시에탄올에 용해시킨 후 시트릭산를 첨가한 후 졸을 만들어서 스핀 코팅 방법으로 사파이어 기판에 코팅하였다. 코팅후 100℃에서 5분 건조하고 600℃에서 5분간 열분해 시켜서 불필요한 탄소화합물을 제거하고 UV/Ozone을 조사하여 박막 형광체의 표면을 친수성으로 개질하여 두번째 졸을 코팅하였다. 상기 코팅과정을 반복하므로 박막 형광체의 두께를 조절하였고 본 비교 예와 실시 예에서는 5층의 박막 형광체를 코팅하였다. 최종적으로 코팅된 박막을 1000℃ 시간 소성 하므로 Y2O3:Eu 박막 형광체를 결정화하여 제조하였다. A Y 2 O 3 : Eu thin film was prepared on a sapphire substrate by a sol-gel method and a spin coating method. 95% Y (NO 3 ) 3 and 5% Eu (NO 3 ) 3 were dissolved in 2-methoxyethanol, citric acid was added, and then a sol was formed and coated on the sapphire substrate by spin coating. After coating was dried at 100 ℃ for 5 minutes and pyrolyzed at 600 ℃ for 5 minutes to remove unnecessary carbon compounds and UV / ozone irradiation to modify the surface of the thin film phosphor to hydrophilic coating the second sol. Since the coating process was repeated, the thickness of the thin film phosphor was controlled, and in the present comparative example and the example, five layers of the thin film phosphor were coated. Finally, the coated thin film was calcined for 1000 ° C., and thus crystallized Y 2 O 3 : Eu thin film phosphor.

비교예Comparative example 1-3. 나노 사이즈의 거칠기가 없는 박막에 2차원  1-3. 2D in nano-sized thin film 광결정구조Photonic crystal structure 제조 Produce

졸-젤법과 스핀 코팅법에 의하여 상기 비교예 1-2에서 제조한 Y2O3:Eu 박막 형광체 위에 2차원 SiNx 광결정 구조를 제조하였다. Y2O3:Eu 박막 형광체가 코팅된 사파이어기판에 2차원 광결정으로 사용할 SiNx 박막을 PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) 방법을 통해 약 200nm로 증착하였다. 그 위에 마스크로 사용할 크롬을 50nm의 두께로 열 증착 하였다. 다음으로 상기 크롬 박막 위에 포지티브 포토레지스트로서 (SPR508-A, Shipley)를 스핀코팅하여 두께 (90)nm의 포토레지스트 막을 성막한 후, 상기 포토레지스트 막을 (Cd-He)레이저(를 사용한 간섭 노광 방법으로 90도 회전하면서 2회 노광시켜 주기가 200nm인 2차원 나노 구조의 패턴을 제조하였다. 이어서, 상기 패턴을 (AZ 301, Shipley) 를 사용하여 현상함으로써 포토레지스트 막의 불필요한 부분을 제거한 다음, 건식식각(O2/Cl2 gas)을 통해, 상기 크롬 박막을 식각함으로써 주기가 580nm인 2차원 나노구조의 크롬 마스크를 형성하였다. 다음으로 다시 건식식각을 통하여 SiNx박막을 CF4 gas로 식각하고 상부의 크롬 마스크를 제거함으로써(Cl2 gas로 ashing하여) 박막 형광체기판 상부에 주기가 580nm이고 높이가 약 200nm인 2차원 광결정 구조체를 형성하였다.A two-dimensional SiNx photonic crystal structure was prepared on the Y 2 O 3 : Eu thin film phosphor prepared in Comparative Example 1-2 by the sol-gel method and the spin coating method. A SiN x thin film to be used as a two-dimensional photonic crystal on a Y 2 O 3 : Eu thin film phosphor coated sapphire substrate was deposited at about 200 nm by a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method. On it, chromium to be used as a mask was thermally deposited to a thickness of 50 nm. Next, (SPR508-A, Shipley) was spin-coated as a positive photoresist on the chromium thin film to form a photoresist film having a thickness of 90 nm, and then the photoresist film was subjected to an interference exposure method using a (Cd-He) laser. A two-dimensional nanostructured pattern having a period of 200 nm was prepared by two exposures while rotating at 90 ° C. Then, the pattern was developed using (AZ 301, Shipley) to remove unnecessary portions of the photoresist film, followed by dry etching. By etching the chromium thin film through (O 2 / Cl 2 gas), a two-dimensional nanostructured chromium mask having a period of 580 nm was formed Next, through etching again, the SiN x thin film was etched with CF 4 gas and By removing the chrome mask (ashing with Cl 2 gas), a two-dimensional photonic crystal structure having a period of 580 nm and a height of about 200 nm was formed on the thin film phosphor substrate.

실시예Example 1. One.

실시예Example 1-1. 나노 사이즈 거칠기를 갖는 박막의 제조(43 1-1. Preparation of Thin Films with Nanoscale Roughness (43 nmnm 의 입자사이즈)Particle size)

본 발명은 박막 형광체 제조 방법에 있어서, 용매에 융제를 첨가함으로 나노 사이즈의 입자를 형성하여 거칠기를 갖는 박막을 형성하는 방법을 제공하며, 상기 거칠기는 상기 융제의 농도에 따라 조절할 수 있다. 이에 비교예 1-2에서 용매에 융제 를 Li2CO3로 첨가하되, Y2O3:Eu 대비 10몰 %의 Li2CO3 첨가한 졸-젤 용액을 사용하여 나노 입자의 크기가 43nm인 Y2O3:Eu 박막 형광체를 제조하였다.The present invention provides a method for forming a thin film having a roughness by forming a nano-sized particles by adding a flux to a solvent in the method for manufacturing a thin film phosphor, wherein the roughness can be adjusted according to the concentration of the flux. In Comparative Example 1-2, a flux was added to the solvent as Li 2 CO 3 , but the size of the nanoparticles was 43 nm using a sol-gel solution containing 10 mol% of Li 2 CO 3 compared to Y 2 O 3 : Eu. A Y 2 O 3 : Eu thin film phosphor was prepared.

실시예Example 1-2. 2차원  1-2. 2D 광결정구조의Photonic crystal structure 제조 Produce

졸-젤법과 스핀 코팅법에 의하여 상기 실시예 1-1에서 제조한 나노 입자의 크기가 43nm인 Y2O3:Eu 박막 형광체 위에 2차원 SiNx 광결정 구조를 비교예 1-3의 방법을 사용하여 비교예 1-3 에서와 같은 구조로 제조하였다.The two-dimensional SiN x photonic crystal structure was used on the Y 2 O 3 : Eu thin film phosphor having a size of 43 nm by the sol-gel method and the spin coating method, using the method of Comparative Example 1-3. It was prepared in the same structure as in Comparative Example 1-3.

실시예Example 2. 2.

실시예Example 2-1. 나노 사이즈 거칠기를 갖는 박막의 제조(53 2-1. Preparation of Thin Films with Nano-size Roughness (53 nmnm 의 입자사이즈)Particle size)

실시예 1-1과 같은 방법으로 나노사이즈 거칠기를 갖는 박막을 제조하였다. 다만, Y2O3:Eu 대비 20몰 %의 Li2CO3 을 첨가하여 나노 입자의 크기가 53nm인 Y2O3:Eu 박막 형광체를 제조하였다.In the same manner as in Example 1-1, a thin film having nanoscale roughness was prepared. However, Y 2 O 3: Eu is added to a 20% molar compared to Li 2 CO 3 by the size of the nanoparticles 53nm Y 2 O 3: Eu was prepared in a thin film phosphor.

실시예Example 2-2. 2차원  2-2. 2D 광결정구조의Photonic crystal structure 제조 Produce

상기 실시예 2-1에서 제조한 나노 입자의 크기가 53nm인 Y2O3:Eu 박막 형광체 위에 2차원 SiNx 광결정 구조를 비교예 1-3의 방법으로 비교예 1-3에서와 같은 구조로 제조하였다.The two-dimensional SiN x photonic crystal structure on the Y 2 O 3 : Eu thin film phosphor having the size of the nanoparticles prepared in Example 2-1 was 53 nm was the same as that of Comparative Example 1-3 by the method of Comparative Example 1-3. Prepared.

실시예Example 3. 3.

실시예Example 3-1. 나노 사이즈 거칠기를 갖는 박막의 제조(56 3-1. Preparation of Thin Films with Nano-size Roughness (56 nmnm 의 입자사이즈)Particle size)

실시예 1-1과 같은 방법으로 나노사이즈 거칠기를 갖는 박막을 제조하였다. 다만, Y2O3:Eu 대비 20몰 %의 Li2CO3 을 첨가하여 나노 입자의 크기가 56nm인 Y2O3:Eu 박막 형광체를 제조하였다.In the same manner as in Example 1-1, a thin film having nanoscale roughness was prepared. However, Y 2 O 3: Eu is added to a 20% molar compared to Li 2 CO 3 by the size of the nanoparticles 56nm Y 2 O 3: Eu was prepared in a thin film phosphor.

실시예Example 3-2. 2차원  3-2. 2D 광결정구조의Photonic crystal structure 제조 Produce

상기 실시예 3-1에서 제조한 나노 입자의 크기가 56nm인 Y2O3:Eu 박막 형광체 위에 2차원 SiNx 광결정 구조를 비교예 1-3의 방법으로 비교예 1-3에서와 같은 구조로 제조하였다.The two-dimensional SiN x photonic crystal structure on the Y 2 O 3 : Eu thin film phosphor having a size of 56 nm of the nanoparticles prepared in Example 3-1 was prepared in the same manner as in Comparative Example 1-3. Prepared.

상기 비교예1-3, 실시예1-2, 실시예2-2 및 실시예3-2에서 제조한 복합 구조를 갖는 박막형광체를 도 6에 전자 현미경으로 도시하였다. 도 6에서 도시한 바대로, 2차원 광결정 구조가 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 박막 형광체 위에 코팅된 구조는 도 5에서 예측한 바와 구조가 거의 합치되고 있다. The thin film phosphors having the composite structures prepared in Comparative Examples 1-3, Example 1-2, Example 2-2, and Example 3-2 are shown in FIG. 6 by an electron microscope. As shown in FIG. 6, the structure in which the two-dimensional photonic crystal structure is coated on the thin film phosphor having nano size roughness is almost in agreement with that predicted in FIG. 5.

실험예Experimental Example 1 One

상기 실시예1 내지 실시예3 및 비교예 1에 의해 제조된 박막형광체에 대하여 자외선 (254nm)을 여기광원으로 사용하여 발광스펙트럼을 측정하였다. 상기 발광스펙트럼의 면적을 비교예1-2를 기준으로 상대적으로 측정하여 발광효율을 테스트하였으며, 그 값을 비교예1-2의 발광량을 1.0으로 기준으로 하여 상대적으로 측정한 결과를 도 7에 나타내었다. The light emission spectrum of the thin film phosphors prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 was measured using ultraviolet (254 nm) as an excitation light source. The light emission efficiency was tested by measuring the area of the light emission spectrum relative to Comparative Example 1-2, and the results of the relative measurement based on the light emission amount of Comparative Example 1-2 as reference are shown in FIG. It was.

결과의 평가Evaluation of the result

실시예1-2, 실시예2-2 및 실시예3-2를 통해 얻어진 복합 나노 구조형 박막 형광체의 경우 종래의 평평한 박막 형광체위에 2차원 나노구조를 코팅한 구조체인 비교예1-3를 통해 얻어진 형광체에 비하여 발광 효율이 약 2.4배 이상 향상됨을 확인하였다. 좀더 자세히 박막 형광체의 나노 사이즈의 거칠기에 따른 효과가 2차원 나노구조 형광체와 어떤 영향이 있는가를 확인하기 위하여 일정한 크기의 2차원 광결정을 거칠기가 다른 박막 형광체에 코팅할 때 광효율 향상을 평가하였다. 도 6에서 도시한 바대로 거칠기가 다른 표면에 동일한 사이즈의 2차원 광결정 구조가 균 일하게 코팅되어있고 각각의 거칠기가 다른 곳에서 2차원 광결정이 코팅되므로 증가되는 발광 휘도는 도 7에 도시하였다. 거칠기의 정도를 표시하는 나노 입자의 크기가 20 nm미만일 경우에는 복합 구조가 형성되지 않으므로 기존의 2차원 나노구조의 효과만 나타나므로 휘도 증가가 약 4.2배가 나타났으나 나노 입자의 크기가 20nm 이상이 될 경우에는 복합 구조의 효과가 나타나서 총 효율 향상이 커진다. 도 7에 도시한 바에 의하면 기존의 박막 형광체 대비 거칠기가 커지면서 2차원 광결정의 효과는 줄어들지만 나노 입자의 산란 효과는 커져서 실시예1-2에 의해 제조된 형광체의 경우 복합 구조체에 의한 효율 향상은 거의 10배 이상의 값을 갖게 된다. 이는 본 발명의 핵심 아이디어인 거칠기를 갖는 박막 형광체를 2차원 구조와 결합하므로 박막 형광체를 고 효율화하는 개념을 잘 보여주고 있다. In the case of the composite nanostructured thin film phosphor obtained through Examples 1-2, Example 2-2 and Example 2-3, the structure obtained by coating a two-dimensional nanostructure on a conventional flat thin film phosphor was obtained through Comparative Example 1-3. It was confirmed that the luminous efficiency was improved by about 2.4 times or more as compared with the phosphor. In order to examine the effect of the nano-size roughness effect of the thin film phosphor on the two-dimensional nanostructure phosphor, the improvement of the light efficiency was evaluated when the two-dimensional photonic crystal of uniform size was coated on the thin film phosphor having different roughness. As shown in FIG. 6, since the two-dimensional photonic crystal structure of the same size is uniformly coated on the surface having different roughness, and the two-dimensional photonic crystal is coated in each of the roughness, the increased luminance is shown in FIG. 7. If the size of the nanoparticles indicating the degree of roughness is less than 20 nm, the composite structure is not formed, so only the effect of the existing two-dimensional nanostructures is shown, resulting in about 4.2 times the brightness increase, but the size of the nanoparticles is greater than 20 nm. In this case, the effect of the composite structure is shown, thereby increasing the total efficiency. As shown in FIG. 7, the effect of the two-dimensional photonic crystal is reduced while the roughness of the thin film phosphor is increased, but the scattering effect of the nanoparticles is increased, so that the efficiency of the phosphor manufactured by Example 1-2 is almost improved. It will have a value of 10 times or more. This shows a concept of high efficiency of the thin film phosphor because the thin film phosphor having the roughness, which is the core idea of the present invention, is combined with the two-dimensional structure.

도 1은 YAG:Ce 파우더 형광체를 사용한 종래의 백색 LED의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a conventional white LED using a YAG: Ce powder phosphor.

도 2는 보라색 LED 또는 자외선 LED에 청색, 녹색 및 적색의 삼색 파우더 형 형광체를 도포한 종래 백색 LED의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a conventional white LED coated with blue, green and red tricolor powder type phosphors on a purple LED or an ultraviolet LED.

도 3은 종래 2차원 광결정 구조 위에 박막 형광체가 코팅된 구조체 및 이 형광체에서 발생하는 발광 빛의 방출 경로를 도시하는 개략도이다.3 is a schematic diagram showing a structure in which a thin film phosphor is coated on a conventional two-dimensional photonic crystal structure and an emission path of emitted light generated in the phosphor.

도 4 종래 박막 형광체위에 2차원 광결정 나노구조가 코팅된 구조체 및 이 형광체에서 발생하는 발광 빛의 방출 경로를 도시하는 개략도이다.4 is a schematic diagram showing a structure in which a two-dimensional photonic crystal nanostructure is coated on a conventional thin film phosphor and an emission path of emitted light generated in the phosphor.

도 5는 본원 발명인 복합 구조를 갖는 박막형광체의 평면도 및 이 구조체에서 발광하는 빛의 방출 경로를 도시하는 개략도이다.Fig. 5 is a schematic view showing a plan view of a thin film phosphor having a composite structure of the present invention and an emission path of light emitted from the structure.

도 6(a)는 종래의 Y2O3:Eu 박막 형광체 위에 580nm 주기의 2차원 광결정 구조를 코팅한 2차원 광결정 박막 형광체의 전자 현미경(SEM) 평면 사진이다.FIG. 6 (a) is an electron microscope (SEM) plan view of a two-dimensional photonic crystal thin film phosphor coated with a two-dimensional photonic crystal structure having a 580 nm period on a conventional Y 2 O 3 : Eu thin film phosphor.

도 6(b) 내지 6(d)는 각각 43, 53, 56nm 사이즈의 나노 입자를 갖는 Y2O3:Eu 박막 형광체 위에 580nm 주기의 2차원 광결정 구조를 코팅한 복합 구조 나노박막 형광체의 전자 현미경(SEM) 평면 사진 이다.6 (b) to 6 (d) are electron microscopes of the composite structured nano thin film phosphors coated with a 580 nm period two-dimensional photonic crystal structure on Y 2 O 3 : Eu thin film phosphors having 43, 53, and 56 nm nanoparticles, respectively. (SEM) is a flat photo.

도 7은 종래의 Y2O3:Eu 박막 형광체와 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 Y2O3:Eu 박막 형광체위에 2차원 광결정 구조를 코팅한 나노복합구조 박막 형광체의 발광 스펙트럼의 발광효율을 상대 비교한 그래프도이다.Figure 7 2 O conventional Y 3: comparison of efficiency of light emission of the light emission spectrum of the Eu coated with a two-dimensional photonic crystal structure on the thin film phosphor nanocomposite structure thin film phosphor relative: Eu thin film phosphor and nano-size Y 2 O 3 having a roughness of It is a graph.

도 8는 2차원 광결정 구조를 레이저 간섭 노광기술을 이용하여 박막 형광체 위에 제조하는 공정을 나타내는 흐름도이다. 8 is a flowchart illustrating a process of manufacturing a two-dimensional photonic crystal structure on a thin film phosphor using a laser interference exposure technique.

도 9는 졸-젤법에 의한 Y2O3:Eu 박막 형광체를 제조하는 흐름도이다.9 is a flowchart for preparing a Y 2 O 3 : Eu thin film phosphor by a sol-gel method.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

1. 황색 형광체 1. Yellow phosphor

2. 반사판 2. Reflector

3. 에폭시 접착제 3. epoxy adhesive

4. 청색LED 소자4. Blue LED Device

5. R,G,B의 삼색 형광체5. R, G, B, tricolor phosphor

6. 보라색 또는 자외선 LED 소자6. Purple or UV LED Element

7. 박막 형광체7. Thin film phosphor

8. 저굴절 2차원 광결정 구조, 8. low refractive two-dimensional photonic crystal structure,

9. 고굴절 2차원 광결정 구조9. High refractive two-dimensional photonic crystal structure

10. SiNx 박막 10.SiN x thin film

11. 크롬 박막 11. Chrome thin film

12. 포토레지스트박막 12. Photoresist Thin Film

13. 레이전 간섭 노광에 의한 노광면13. Exposure surface by ray interference exposure

14. 사파이어 기판14. Sapphire Substrate

15. 2차원 나노 구조의 포토레지스트박막 15. Photoresist thin film of 2D nano structure

16. 2차원 나노 구조의 크롬 박막 16. Two-dimensional nanostructured chromium thin film

17. SiNx 2차원 광결정 구조17. SiN x 2D Photonic Crystal Structure

Claims (18)

형광체가 코팅된 기판 및 상기 기판상에 형성된 2차원 광결정 구조를 포함하는 박막형광체에 있어서, 상기 기판의 표면은 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 비평탄면인 것을 특징으로 하는 박막형광체.A thin film phosphor comprising a substrate coated with a phosphor and a two-dimensional photonic crystal structure formed on the substrate, wherein the surface of the substrate is a non-planar surface having a nano size roughness. 제 1항에 있어서, 상기 기판에 코팅된 형광체 내부에서 발생한 빛이 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 비평탄면에서 산란에 의해서 기판 외부로 추출되는 것을 특징으로 하는 박막 형광체.The thin film phosphor of claim 1, wherein light generated inside the phosphor coated on the substrate is extracted to the outside of the substrate by scattering on a non-planar surface having nano size roughness. 제 2항에 있어서, 상기 기판 외부로 추출되는 빛 이외의 빛이 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 비평탄면에서 확산 반사에 의해 기판 내부로 되돌아가는 것을 특징으로 하는 박막형광체.   3. The thin film phosphor according to claim 2, wherein light other than the light extracted outside of the substrate is returned to the inside of the substrate by diffusion reflection on a non-planar surface having a nano-sized roughness. 제 1항에 있어서, 상기 기판에 코팅된 형광체 내부에서 발생한 빛이 상기 2차원 광결정 구조를 통과하면 산란됨을 특징으로 하는 박막형광체.The thin film phosphor of claim 1, wherein light generated in the phosphor coated on the substrate is scattered when passing through the two-dimensional photonic crystal structure. 제 1항에 있어서, 상기 나노 사이즈의 거칠기는 상기 기판상에 적층된 나노 입자에 의하여 달성되며, 상기 나노 입자의 크기는 20 내지 300nm인 것을 특징으로 하는 박막 형광체.The thin film phosphor of claim 1, wherein roughness of the nano size is achieved by nano particles stacked on the substrate, and the size of the nano particles is 20 to 300 nm. 제 1항에 있어서, 상기 2차원 광결정 구조의 높이는 10nm 내지 5000nm인 것을 특징으로 하는 박막 형광체.The thin film phosphor according to claim 1, wherein the two-dimensional photonic crystal structure has a height of 10 nm to 5000 nm. 제 1항에 있어서, 상기 박막 형광체의 소멸계수(extinction coefficient)는 10-2 이하인 것을 특징으로 하는 박막형광체.The thin film phosphor according to claim 1, wherein an extinction coefficient of the thin film phosphor is 10 −2 or less. 제 1항에 있어서, 상기 형광체는 박막 형광체로 제조 가능한 산화물, 황화물 또는 질화물 등 가시영역의 빛을 방출하는 무기발광물질로 구성된 군 중에서 선택된 어느하나를 사용하여 제조함을 특징으로 하는 박막 형광체. The thin film phosphor of claim 1, wherein the phosphor is manufactured by using any one selected from the group consisting of inorganic light emitting materials emitting light in a visible region, such as oxides, sulfides, or nitrides, which may be prepared as thin film phosphors. 기판 위에 형광체를 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 비평탄면으로 형성하는 공정 및 2차원 광결정 구조를 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형광체의 제조방법.And forming a two-dimensional photonic crystal structure on the substrate and forming a phosphor on a non-flat surface having a roughness of nano size. 제 9항에 있어서, 상기 기판 위에 형광체를 나노 사이즈의 거칠기를 갖는 비평탄면으로 형성하는 공정은, 졸-젤법으로 졸형태의 형광체를 제조하는 단계; 및 상기 졸형태의 형광체를 기판에 스핀코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형광체의 제조방법.The method of claim 9, wherein the forming of the phosphor on the substrate as a non-planar surface having nano size roughness comprises: preparing a sol-type phosphor by a sol-gel method; And spin-coating the sol-type phosphor on a substrate. 제 10항에 있어서, 상기 졸-젤법은 형광체로 제조될 전구체를 용매에 용해한 후 시트릭 산을 첨가하여 졸형태의 형광체를 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 형광체의 제조방법.The method of claim 10, wherein in the sol-gel method, a precursor to be prepared as a phosphor is dissolved in a solvent, and then a citric acid is added to form a sol-type phosphor. 제 11항에 있어서, 상기 형광체로 제조될 전구체는 산화물, 황화물 및 질화물로 구성된 군 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막 형광체의 제조방법.12. The method of claim 11, wherein the precursor to be made of the phosphor is any one of a group consisting of an oxide, a sulfide and a nitride. 제 11항에 있어서, 상기 용매에 융제를 첨가하여 박막 형광체의 거칠기를 조절함을 특징으로 하는 박막 형광체의 제조방법.12. The method of claim 11, wherein a roughness of the thin film phosphor is controlled by adding a flux to the solvent. 제 13항에 있어서, 상기 융제는 Li2CO3임을 특징으로 하는 박막 형광체의 제조방법.The method of claim 13, wherein the flux is Li 2 CO 3 . 제 13항에 있어서, 상기 형광체의 거칠기는 상기 기판상에 적층된 나노 입자에 의하여 달성되며, 상기 나노입자의 크기를 20 내지 300nm로 증가시키는 것을 특징으로 하는 박막 형광체의 제조방법.The method of claim 13, wherein roughness of the phosphor is achieved by nanoparticles stacked on the substrate, and the size of the nanoparticles is increased to 20 to 300 nm. 제 9항에 있어서, 상기 2차원 광결정 나노구조를 형성하는 공정은 기판 위에 광결정 박막을 증착하는 단계;The method of claim 9, wherein the forming of the two-dimensional photonic crystal nanostructure comprises: depositing a photonic crystal thin film on a substrate; 상기 광결정 박막 위에 마스크로 사용할 크롬을 증착하는 단계;Depositing chromium to be used as a mask on the photonic crystal thin film; 상기 크롬 박막 위에 포토레지스트를 코팅하는 단계;Coating a photoresist on the chromium thin film; 상기 포토레지스트를 노광 및 현상하는 단계;Exposing and developing the photoresist; 제 1차 식각을 통해 상기 크롬 박막을 식각하여 이차원 나노구조의 크롬 마스크를 패터닝하는 단계; 및Etching the chromium thin film through first etching to pattern a chromium mask having a two-dimensional nanostructure; And 노출된 상기 광결정 박막을 제 2차 식각하여 2차원 광결정 구조를 형상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형광체의 제조방법.Forming a two-dimensional photonic crystal structure by second etching the exposed photonic crystal thin film. 제 16항에 있어서, 상기 기판은 박막 형광체가 코팅된 석영 또는 사파이어 기판을 사용함을 특징으로 하는 박막형광체의 제조방법.17. The method of claim 16, wherein the substrate is a quartz or sapphire substrate coated with a thin film phosphor. 제 16항에 있어서, 상기 크롬을 증착하는 단계는 열증착방법으로 하며, 증착 두께는 20 내지 100nm로 함을 특징으로 하는 박막형광체의 제조방법.The method of claim 16, wherein the depositing of chromium is performed by a thermal deposition method, and the deposition thickness is 20 to 100 nm.
KR1020080032367A 2008-04-07 2008-04-07 Thin-film fluorescent material having complex structure and method of manufacture thereof KR100988887B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080032367A KR100988887B1 (en) 2008-04-07 2008-04-07 Thin-film fluorescent material having complex structure and method of manufacture thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080032367A KR100988887B1 (en) 2008-04-07 2008-04-07 Thin-film fluorescent material having complex structure and method of manufacture thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20090106946A true KR20090106946A (en) 2009-10-12
KR100988887B1 KR100988887B1 (en) 2010-10-20

Family

ID=41536797

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020080032367A KR100988887B1 (en) 2008-04-07 2008-04-07 Thin-film fluorescent material having complex structure and method of manufacture thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100988887B1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101039880B1 (en) * 2010-04-28 2011-06-09 엘지이노텍 주식회사 Light emitting device, method for fabricating the same and light emitting device package
KR20160006716A (en) * 2013-05-08 2016-01-19 오스람 옵토 세미컨덕터스 게엠베하 Method for the production of a wavelength conversion element, wavelength conversion element, and component comprising the wavelength conversion element

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102339914B (en) * 2011-09-28 2013-07-24 广东昭信灯具有限公司 Preparation method for light-emitting diode provided with white light photonic crystals

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001234163A (en) 2000-02-25 2001-08-28 Sony Corp Luminous crystalline particle, luminous crystalline particle composition, display panel and flat-surface display device
KR100669950B1 (en) * 2004-07-24 2007-01-17 도영락 LED device comprising thin-film phosphor having 2 dimensional nano periodic structures
JP2006332036A (en) 2005-04-25 2006-12-07 Showa Denko Kk Method for manufacturing display device

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101039880B1 (en) * 2010-04-28 2011-06-09 엘지이노텍 주식회사 Light emitting device, method for fabricating the same and light emitting device package
US8969893B2 (en) 2010-04-28 2015-03-03 Lg Innotek Co., Ltd. Light emitting device, light emitting device package, and lighting system
KR20160006716A (en) * 2013-05-08 2016-01-19 오스람 옵토 세미컨덕터스 게엠베하 Method for the production of a wavelength conversion element, wavelength conversion element, and component comprising the wavelength conversion element

Also Published As

Publication number Publication date
KR100988887B1 (en) 2010-10-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7943947B2 (en) LED device comprising thin-film phosphor having two dimensional nano periodic structures
TWI596750B (en) Organic light emitting diode and method for producing the same, image display device and lighting device
KR100988888B1 (en) A method for manufacturing 2-d phothonic crystal and lumimous elements manufactured by the same using nanosphere
US8247962B2 (en) Organic light emitting device and manufacturing method thereof
JP6768880B2 (en) Structures and methods of nanostructured materials
KR101602418B1 (en) Substrate for oled with enhanced light extraction efficiency, method for fabricating thereof and oled having the same
Ding et al. Stamping colloidal photonic crystals: a facile way towards complex pixel colour patterns for sensing and displays
JP2011524064A (en) Solid state lighting device containing quantum confined semiconductor nanoparticles
KR100669950B1 (en) LED device comprising thin-film phosphor having 2 dimensional nano periodic structures
US20130299792A1 (en) Porous Glass Substrate For Displays And Method Of Manufacturing The Same
US11287551B2 (en) Method of forming nano-patterns on a substrate
CN105280832A (en) Nanostructure material methods and devices
JP2009239217A (en) Light-emitting diode element
KR100988887B1 (en) Thin-film fluorescent material having complex structure and method of manufacture thereof
Zhang et al. Panchromatic plasmonic color patterns: from embedded Ag nanohole arrays to elevated Ag nanohole arrays
Oh et al. Wafer-scale colloidal lithography based on self-assembly of polystyrene nanospheres and atomic layer deposition
KR20140090070A (en) Organic Light Emitting Diodes(OLED) improved quantum efficiency with stochastic nanostructure and method of manufacturing this
Nyalosaso et al. Enhancement of light extraction in Y3Al5O12: Tb3+ thin films through nanopatterning
Abdellaoui et al. Luminescence enhancement of a self-organised Y 2 O 3: Eu 3+ thin film-coated porous alumina membrane
JP5482188B2 (en) Method for producing nanoimprint mold for optical element production
KR20230110917A (en) Optical device including photonic crystal structure, manufacturing method thereof, and method for improving light absorption and light conversion efficiency of optical device
KR101602470B1 (en) Porous glass substrate for displays and method of fabricating thereof
MURAI et al. Fabrication of Flexible Sticker of Si Metasurfaces by a Transfer Process
Ren et al. Photoluminescence of Si from Si nanocrystal-doped SiO2/Si multilayered sample
Hyon et al. Enhancement of reflectance and color gamut of quasi-amorphous photonic solution by surface modification of SiO2 nanoparticles with polydopamine

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20131010

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140929

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151007

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161007

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171019

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181015

Year of fee payment: 9