KR20120029269A - 그래핀을 포함하는 적층 구조물 및 이를 채용한 발광 소자 - Google Patents

그래핀을 포함하는 적층 구조물 및 이를 채용한 발광 소자 Download PDF

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KR20120029269A
KR20120029269A KR1020100091258A KR20100091258A KR20120029269A KR 20120029269 A KR20120029269 A KR 20120029269A KR 1020100091258 A KR1020100091258 A KR 1020100091258A KR 20100091258 A KR20100091258 A KR 20100091258A KR 20120029269 A KR20120029269 A KR 20120029269A
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고형덕
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삼성엘이디 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 적층 구조물은 적어도 하나의 그래핀과 적어도 하나의 유전체층을 포함하며, 상기 그래핀과 상기 유전체층이 적어도 1회 적층되고, 복수 개의 홀이 주기적으로 형성될 수 있다. 그리고, 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자는 발광 유닛 상에 마련되고, 적어도 하나의 그래핀과 적어도 하나의 유전체층을 포함하며, 복수 개의 홀이 형성된 적층 구조물을 구비할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자는 발광 유닛 상에 마련되고, 적어도 하나의 그래핀과 적어도 하나의 유전체층을 포함하는 적층 구조인 복수 개의 나노 구조물을 구비할 수 있다.

Description

그래핀을 포함하는 적층 구조물 및 이를 채용한 발광 소자{Stack structure including graphene and light emitting device employing the same}
그래핀을 포함하는 적층 구조물 및 이를 채용한 발광 소자에 관한 것이다. 좀 더 상세하게는 그래핀 적층 구조물을 채용하여 광 추출 효율이 향상된 발광 소자에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light emitting diode, LED)와 같은 발광 소자는 반도체의 pn 접합에서 전자와 정공의 재결합을 통해서 발광원을 구성하여, 다양한 색의 빛을 구현할 수 있는 반도체 소자를 말한다. 이와 같은 발광 소자는 수명이 길고, 소형화 및 경량화가 가능하며, 빛의 지향성이 우수하여 저전압 구동이 가능하다. 또한, 이러한 발광 소자는 충격 및 진동에 강하고, 예열 시간과 복잡한 구동이 필요하지 않으며, 다양한 형태로 패키징할 수 있어 다양한 용도로 적용이 가능하다.
그러나, 반도체 발광 소자 특히, 질화물 반도체 발광 소자는 낮은 광 추출 효율은 보이는데, 이는 질화 갈륨(굴절률 약 2,4)과 빛이 방출되는 공기(굴절률 약 1.0) 사이의 큰 굴절률 차이에 의해서, 발광 소자에서 발생된 빛의 상당 부분이 외부로 방출되지 않고 전반사되어 소멸되기 때문이다. 따라서, 발광 소자의 광 추출 효율을 높이기 위한 연구가 진행되고 있다.
그래핀 적층 구조를 채용하여 광 추출 효율이 향상된 발광 소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 적층 구조물은
적어도 하나의 그래핀과 적어도 하나의 유전체층을 포함하며, 상기 그래핀과 상기 유전체층이 적어도 1회 적층되고, 복수 개의 홀이 주기적으로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자는
발광 유닛; 및
상기 발광 유닛 상에 마련되고, 적어도 하나의 그래핀과 적어도 하나의 유전체층을 포함하며, 복수 개의 홀이 형성된 적층 구조물;을 구비할 수 있다.
상기 적층 구조물은 상기 그래핀과 상기 유전체층이 적어도 2회 적층된 구조물일 수 있다.
상기 적층 구조물은 순차로 적층된 제1그래핀, 유전체층 및 제2그래핀을 포함할 수 있다.
상기 홀의 단면은 다각형 또는 원일 수 있다.
상기 발광 유닛 및 상기 적층 구조물 사이에 마련된 형광체층을 더 포함할 수 있다.
상기 적층 구조물 상에 마련된 형광체층을 더 포함할 수 있다.
상기 적층 구조물은 음의 굴절률을 가질 수 있다.
상기 발광 유닛은 기판;
상기 기판 상에 마련된 제1도전형 반도체층;
상기 제1도전형 반도체층 상에 마련된 활성층;
상기 활성층 상에 마련된 제2도전형 반도체층;
상기 제1도전형 반도체층 상에 상기 활성층 및 상기 제2도전형 반도체층과 이격되어 마련된 제1전극; 및
상기 제2도전형 반도체층 상에 마련된 제2전극;을 포함할 수 있다.
상기 발광 유닛은 기판;
상기 기판 상에 마련된 제1전극;
상기 제1전극 상에 마련된 제1도전형 반도체층;
상기 제1도전형 반도체층 상에 마련된 활성층;
상기 활성층 상에 마련된 제2도전형 반도체층; 및
상기 제2도전형 반도체층 상에 마련된 제2전극;을 포함할 수 있다.
상기 발광 유닛은
제1도전형 반도체층;
제2도전형 반도체층;
상기 제1도전형 반도체층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 마련된 활성층;
상기 제2도전형 반도체층 하부에 마련되고, 상기 제1도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1전극; 및
상기 제2도전형 반도체층 하면에 마련되고, 상기 제2도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 제2전극;을 포함할 수 있다.
상기 발광 유닛은
제1도전형 반도체층;
제2도전형 반도체층;
상기 제1도전형 반도체층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 마련된 활성층;
상기 제2도전형 반도체층 하부에 마련되고, 상기 제1도전형 반도체층 및 상기 제2도전형 반도체층 각각에 전기적으로 연결되는 제1전극 및 제2전극을 포함하는 도전성 기판;
상기 제1전극과 상기 제2전극 사이의 경계 영역에 마련된 절연 격벽;을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자는
발광 유닛; 및
상기 발광 유닛 상에 마련되고, 적어도 하나의 그래핀과 적어도 하나의 유전체층을 포함하는 적층 구조인 복수 개의 나노 구조물;을 구비할 수 있다.
상기 적층 구조는 상기 그래핀과 상기 유전체층이 적어도 2회 적층된 구조일 수 있다.
상기 적층 구조는 순차로 적층된 제1그래핀, 유전체층 및 제2그래핀을 포함할 수 있다.
상기 나노 구조물의 형태는 다각형 기둥 또는 원기둥일 수 있다.
상기 발광 유닛 및 상기 나노 구조물 사이에 마련된 형광체층을 더 포함할 수 있다.
상기 나노 구조물 상에 마련된 형광체층을 더 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 나노 구조물은 음의 굴절률을 가질 수 있다.
상기 발광 유닛은 기판;
상기 기판 상에 마련된 제1도전형 반도체층;
상기 제1도전형 반도체층 상에 마련된 활성층;
상기 활성층 상에 마련된 제2도전형 반도체층;
상기 제1도전형 반도체층 상에 상기 활성층 및 상기 제2도전형 반도체층과 이격되어 마련된 제1전극; 및
상기 제2도전형 반도체층 상에 마련된 제2전극;을 포함할 수 있다.
상기 발광 유닛은 기판;
상기 기판 상에 마련된 제1전극;
상기 제1전극 상에 마련된 제1도전형 반도체층;
상기 제1도전형 반도체층 상에 마련된 활성층;
상기 활성층 상에 마련된 제2도전형 반도체층; 및
상기 제2도전형 반도체층 상에 마련된 제2전극;을 포함할 수 있다.
상기 발광 유닛은
제1도전형 반도체층;
제2도전형 반도체층;
상기 제1도전형 반도체층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 마련된 활성층;
상기 제2도전형 반도체층 하부에 마련되고, 상기 제1도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1전극; 및
상기 제2도전형 반도체층 하면에 마련되고, 상기 제2도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 제2전극;을 포함할 수 있다.
상기 발광 유닛은
제1도전형 반도체층;
제2도전형 반도체층;
상기 제1도전형 반도체층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 마련된 활성층;
상기 제2도전형 반도체층 하부에 마련되고, 상기 제1도전형 반도체층 및 상기 제2도전형 반도체층 각각에 전기적으로 연결되는 제1전극 및 제2전극을 포함하는 도전성 기판;
상기 제1전극과 상기 제2전극 사이의 경계 영역에 마련된 절연 격벽;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적층 구조물은 음의 굴절률과 광 투과 현상을 보일 수 있는 완벽한 렌즈(prefect lens)가 될 수 있으므로, 이를 구비한 발광 소자는 별도의 광학 렌즈가 필요 없으며, 종래의 광학 렌즈를 구비한 발광 소자보다 더 얇고, 광 추출 효율이 우수한 발광 소자를 구현할 수 있다.
그리고, 금속으로 형성된 메타물질은 음의 굴절률을 가질 수 있으나, 금속은 본래 광 투과도가 낮기 때문에 상기 메타물질의 광 투과도 역시 낮게 된다. 하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 구조물은 금속보다 광 투과도가 우수한 그래핀을 사용하기 때문에, 금속으로 형성된 메타물질보다 높은 광 투과도를 가질 수 있다.
또한, 이렇게 음의 굴절률을 갖는 적층 구조물을 구비한 발광 소자는 종래에 반도체층에 요철 구조를 형성하거나, 광 결정(photonic crystal)을 형성하여 전반사를 줄이는 경우보다 더 효율적으로 전반사를 방지하여, 발광 소자의 광 추출 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 평면도이다.
도 2는 도 1의 발광 소자를 AA'에서 바라본 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 평면도이다.
도 4는 도 3의 발광 소자를 BB'에서 바라본 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 평면도이다.
도 6은 도 5의 발광 소자를 CC'에서 바라본 개략적인 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 평면도이다.
도 8은 도 7의 발광 소자를 DD'에서 바라본 개략적인 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀을 포함하는 적층 구조물 및 이를 채용한 발광 소자에 대해서 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서, 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자(100)의 개략적인 평면도이고, 도 2는 도 1의 발광 소자(100)를 AA'에서 바라본 개략적인 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자(100)는 발광 유닛(10), 발광 유닛(10) 상에 마련된 적층 구조물(50)을 구비할 수 있다. 적층 구조물(50)은 적어도 하나의 그래핀(30)과 적어도 하나의 유전체층(40)을 포함하며, 복수 개의 홀(60)이 형성되어 있다. 또한, 본 실시예에 따른 발광 소자(100)는 발광 유닛(10) 및 적층 구조물(50) 사이에 마련된 형광체층(20)을 더 포함할 수 있다.
발광 유닛(10)은 빛을 방출 하는 유닛으로, 발광 다이오드(light emitting diode, LED), 반도체 레이저, 무기 발광 소자(electroluminescence, EL), 유기 발광 소자(organic light emitting diode), 플라즈마 디스플레이 패널, 형광 디스플레이 등을 포함할 수 있다. 발광 유닛(10)은 예를 들어, 화합물 반도체 발광 다이오드를 포함할 수 있으며, 그 중에서도 질화물 반도체 발광 다이오드일 수 있다. 또한, 발광 유닛(10)은 칩 형태로 마련될 수 있는데, 예를 들어 LED 칩일 수 있다.
형광체층(20)은 발광 유닛(10) 상에 마련될 수 있으며, 자외선 영역의 광을 흡수하여, 가시광선 영역의 광을 출사할 수 있다. 또한, 형광체층(20)은 발광 유닛(10)에서 출사하는 광의 휘도, 균일성 등의 특성을 제어하여, 발광 소자(100)의 효율, 수명, 연색성, 색재현성 등의 특성을 결정할 수 있다. 형광체층(20)은 적색 형광체, 청색 형광체 및 녹색 형광체 중에서 적어도 하나의 형광체를 포함할 수 있다.
그래핀(graphene)(30)은 형광체층(20) 상에 마련될 수 있다. 그래핀(30)은 탄소원자들이 2차원 상에서 벌집 모양의 배열을 이루면서 원자 한 층의 두께를 가지는 전도성 물질이다. 그래핀(30)은 구조적, 화학적으로 매우 안정적이며, 우수한 전도체로서 실리콘보다 약 100배 정도 빠른 전하 이동도를 가지고, 구리보다 약 100배 정도 많은 전류를 흐르게 할 수 있다. 또한, 그래핀(30)은 투명도가 우수한데, 종래에 투명 전극으로 사용되던 ITO(indium tin oxide)보다 높은 투명도를 갖는다. 그래핀(30)은 발광 유닛(10) 상에 화학 증기 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 기계적 또는 화학적 박리법, 에피택시(epitaxy) 성장법 등으로 형성할 수 있다. 그래핀(30)의 두께는 약 0.34nm일 수 있다. 한편, 그래핀(30)은 복수 개의 그래핀이 적층된 구조일 수 있다.
그리고, 유전체층(40)이 그래핀(30) 상에 마련될 수 있다. 유전체층(40)은 TiO2, MgFe2, SiO2 등으로 형성될 수 있으며, 유전체층(40)의 두께는 약 100nm 이하일 수 있다.
적층 구조물(50)은 그래핀(30)과 유전체층(40)을 포함하는 구조물일 수 있다. 도 2에는 적층 구조물(50)이 형광체층(20) 상에 순차로 그래핀(30)과 유전체층(40)이 적층된 구조물로 도시되어 있으나, 역으로 형광체층(30) 상에 순차로 유전체층(40)과 그래핀(30)이 적층된 구조물일 수 있다. 적층 구조물(50)은 주기적으로 배열된 복수 개의 홀(60)을 포함할 수 있다. 따라서, 적층 구조물(50)은 도 1에 도시된 바와 같이, 그물망(fishnet) 형태를 포함할 수 있다. 여기에서, 배열된 홀(60)의 주기는 수백 nm 이하일 수 있다. 도 1에는 홀(60)의 단면이 정사각형으로 도시되어 있으나 이는 예시적인 것이며, 홀(60)의 단면은 다각형 또는 원일 수 있다. 또한, 홀(60)의 단면은 더 복잡한 형태일 수 있다. 예를 들어, 홀(60)의 단면은 SRR(split ring resonator)의 분할된 고리 형태일 수 있다. 한편, 홀(60)의 크기와 깊이는 100nm 이하일 수 있다. 예를 들어, 홀(60)이 정사각형인 경우, 그 한 변의 길이가 100nm 이하일 수 있다. 또한, 적층 구조물(50)에 형성된 복수 개의 홀(60)은 그 하부에 마련된 형광체층(20)을 노출시킬 수 있다.
적층 구조물(50)은 복수 개의 나노 크기의 홀(60)이 형성된 규칙적인 구조에 의해서, 음의 굴절률(negative refractive index, n < 0)을 가질 수 있다. 자연계의 광학 매질은 양의 굴절률(positive refractive index, n > 0)을 갖는데, 본 실시예의 적층 구조물(50)은 이와 달리, 음의 굴절률을 갖을 수 있다. 굴절률은 유전율(permittivity)과 투자율(permeability)의 곱에 대한 제곱근으로, 자연계의 일반적인 물질은 보통 양의 값을 갖는다. 메타물질(metamaterial)은 일반적인 물질에 상응하는 개념으로, 음의 유전율, 음의 투자율 및 음의 굴절률을 가질수 있다. 일반적으로 굴절률은 빛의 파장에 따라서 변하는데, 메타물질의 경우, 특정 파장 영역에서 음의 굴절률을 가질 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 적층 구조물(50)은 메타물질일 수 있으며, 예를 들어, 가시광선, 자외선 또는 적외선 영역 등에서 음의 굴절률을 가질 수 있다.
또한, 적층 구조물(50)은 특이 광 투과(extraordianry optical transmission) 현상을 일으킬 수 있다. 특이 광 투과 현상이란, 규칙적으로 반복되는 주기적인 구조물에서, 빛이 그 파장 이하의 개구를 통해서 투과하면서 강화되는 현상이며, 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonances)과 보강 간섭 등에 의한 것이다. 따라서, 본 실시예에 따른 적층 구조물(50)은 거기에 규칙적으로 주기를 갖고 형성된 홀(60)에 의해서 특이한 광 투과 현상을 일으킬 수 있다.
음의 굴절률과 특이 광 투과 현상을 갖는 렌즈는 소멸파(evanescent wave)의 감쇠(decay)를 보상하여, 회절 한계를 넘어서는 해상도를 달성할 수 있는 완벽한 렌즈(perfect lens)가 될 수 있다. 또한, 완벽한 렌즈는 렌즈를 투과하는 빛을 흡수하지 않을 수 있다. 따라서, 음의 굴절률과 특이 광 투과 현상을 보이는 적층 구조물(50)은 완벽한 렌즈(prefect lens)가 될 수 있다. 그러므로, 본 실시예에 따른 적층 구조물(50)을 구비한 발광 소자(100)는 별도의 광학 렌즈가 필요 없으며, 종래의 광학 렌즈를 구비한 발광 소자보다 더 얇고, 광 추출 효율이 우수한 발광 소자를 구현할 수 있다. 그리고, 금속으로 형성된 메타물질은 음의 굴절률을 가질 수 있으나, 금속은 본래 광 투과도가 낮기 때문에 상기 메타물질의 광 투과도 역시 낮게 된다. 하지만, 본 실시예의 적층 구조물(50)은 금속보다 광 투과도가 우수한 그래핀(30)을 사용하기 때문에, 금속으로 형성된 메타물질보다 높은 광 투과도를 가질 수 있다. 또한, 이렇게 음의 굴절률을 갖는 적층 구조물(50)을 구비한 발광 소자(100)는 종래에 반도체층에 요철 구조를 형성하거나, 광 결정(photonic crystal)을 형성하여 전반사를 줄이는 경우보다 더 효율적으로 전반사를 방지하여, 발광 소자의 광 추출 효율을 높일 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자(110)의 개략적인 평면도이며, 도 4는 도 3의 발광 소자(110)를 BB'에서 바라본 개략적인 단면도이다. 앞에서 설명한 발광 소자(100)와의 차이점을 위주로 상세하게 설명하기로 한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 소자(110)는 발광 유닛(10)과 그 위에 마련된 적층 구조물(55)을 포함할 수 있다. 적층 구조물(55)은 적어도 하나의 그래핀(30)과 적어도 하나의 유전체층(40)을 포함할 수 있으며, 적층 구조물(55)에는 복수 개의 홀이 주기적으로 형성되어 있다. 그리고, 적층 구조물(55)은 그래핀(30)과 유전체층(40)이 교대로 적어도 2회 적층되어 있다. 또한, 발광 소자(110)는 적층 구조물(55) 상에 형광체층(20)을 더 포함할 수 있다.
적층 구조물(55)은 그래핀(30)과 유전체(40)이 교대하여 2회 이상 적층된 구조물일 수 있다. 도 4에는 적층 구조물(55)이 발광 유닛(10) 상에 순차로 그래핀(30)과 유전체층(40)이 교대하여 적층된 구조물로 도시되어 있으나, 역으로 발광 유닛(10) 상에 순차로 유전체층(40)과 그래핀(30)이 교대하여 적층된 구조물일 수 있다. 그리고, 적층 구조물(55)은 규칙적으로 배열된 복수 개의 홀(65)을 포함할 수 있다. 도 3에는 홀(65)의 단면이 원으로 도시되어 있으나 이는 예시적인 것이며, 홀(65)의 단면은 다각형일 수 있다. 또한, 홀(65)의 단면은 더 복잡한 형태일 수 있다. 예를 들어, 홀(65)의 단면은 SRR(split ring resonator)의 분할된 고리 형태일 수 있다. 한편, 홀(65)의 크기는 100nm 이하일 수 있다. 예를 들어, 홀(65)이 원인 경우, 그 지름이 100nm 이하일 수 있다.
적층 구조물(55)은 복수 개의 나노 크기의 홀(65)이 형성된 규칙적인 구조에 의해서, 음의 굴절률(negative refractive index, n < 0)을 가질 수 있다. 또한, 적층 구조물(55)은 특이 광 투과(extraordianry optical transmission) 현상을 일으킬 수 있다. 따라서, 음의 굴절률과 특이 광 투과 현상을 갖는 적층 구조물(50)은 완벽한 렌즈(prefect lens)가 될 수 있다. 그러므로, 본 실시예에 따른 적층 구조물(55)을 구비한 발광 소자(110)는 별도의 광학 렌즈가 필요 없으며, 종래의 광학 렌즈를 구비한 발광 소자보다 더 얇고, 광 추출 효율이 우수한 발광 소자를 구현할 수 있다. 그리고, 본 실시예에 따른 적층 구조물(55)은 금속으로 형성된 메타물질보다 높은 광 투과도를 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자(120)의 개략적인 평면도이고, 도 6은 도 5의 발광 소자(120)를 CC'에서 바라본 개략적인 단면도이다. 앞에서 설명한 발광 소자(100, 110)와의 차이점을 위주로 상세하게 설명하기로 한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 소자(120)는 발광 유닛(10)과 그 위에 규칙적으로 마련된 복수 개의 나노 구조물(80)을 포함할 수 있다. 여기에서, 나노 구조물(80)은 적어도 하나의 그래핀(30)과 적어도 하나의 유전체층(40)을 포함하는 적층 구조일 수 있다. 또한, 발광 소자(120)는 발광 유닛(10)과 나노 구조물(80) 사이에 마련된 형광체층(20)을 더 포함할 수 있다.
복수 개의 나노 구조물(80)은 제1그래핀(30), 유전체층(40) 및 제2그래핀(70)이 순차로 적층된 구조를 포함할 수 있다. 여기에서, 제1그래핀(30)과 제2그래핀(70)은 서로 같은 그래핀일 수 있으며, 그 마련된 위치가 다를 수 있다. 도 6에 도시된 것과 달리, 복수 개의 나노 구조물(80)은 제1유전체층(40), 그래핀(30) 및 제2유전체층(40)이 순차로 적층된 구조일 수도 있다. 복수 개의 나노 구조물(80)은 형광체층(20) 상에 주기적으로 배열될 수 있으며, 그 주기는 수백 nm 이하일 수 있다. 또한, 나노 구조물(80)은 도 5에 도시된 바와 같이 정사각기둥일 수 있으나, 이는 예시적인 것이며 나노 구조물(80)은 다각형 기둥 또는 원기둥일 수 있다. 또한, 나노 구조물(80)은 더 복잡한 형태의 구조물일 수 있다. 예를 들어, 나노 구조물(80)의 단면은 SRR(split ring resonator)의 분할된 고리 형태일 수 있다. 한편, 나노 구조물(80)의 크기 및 높이 약 100 nm 이하일 수 있다.
복수 개의 나노 구조물(80)은 규칙적으로 배열된 구조에 의해서, 음의 굴절률(negative refractive index, n < 0)을 가질 수 있다. 또한, 복수 개의 나노 구조물(80)은 특이 광 투과(extraordianry optical transmission) 현상을 일으킬 수 있다. 따라서, 음의 굴절률과 특이 광 투과 현상을 갖는 복수 개의 나노 구조물(80)은 완벽한 렌즈(prefect lens)가 될 수 있다. 그러므로, 본 실시예에 따른 복수 개의 나노 구조물(80)을 구비한 발광 소자(120)는 별도의 광학 렌즈가 필요 없으며, 종래의 광학 렌즈를 구비한 발광 소자보다 더 얇고, 광 추출 효율이 우수한 발광 소자를 구현할 수 있다. 그리고, 본 실시예에 따른 복수 개의 나노 구조물(80)은 금속으로 형성된 메타물질보다 높은 광 투과도를 가질 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자(!30)의 개략적인 평면도이며, 도 8은 도 7의 발광 소자(13)를 DD'에서 바라본 개략적인 단면도이다. 앞에서 설명한 발광 소자(100, 110, 120)와의 차이점을 위주로 상세하게 설명하기로 한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 소자(130)는 발광 유닛(10)과 그 위에 규칙적으로 마련된 복수 개의 나노 구조물(85)을 포함할 수 있다. 여기에서, 나노 구조물(85)은 적어도 하나의 그래핀(30)과 적어도 하나의 유전체층(40)을 포함하며, 그래핀(30)과 유전체층(40)이 교대로 적어도 2회 적층된 적층 구조일 수 있다. 또한, 발광 소자(130)는 나노 구조물(85) 상에 마련된 형광체층(20)을 더 포함할 수 있다.
복수 개의 나노 구조물(85)은 그래핀(30)과 유전체층(40)이 교대로 적어도 2회 적층된 적층 구조일 수 있다. 복수 개의 나노 구조물(85)은 발광 유닛(10) 상에 주기적으로 배열될 수 있으며, 그 주기는 수백 nm 이하일 수 있다. 또한, 나노 구조물(85)은 도 7에 도시된 바와 같이 원기둥일 수 있으나, 이는 예시적인 것이며 나노 구조물(85)은 다각형 기둥일 수 있다. 또한, 나노 구조물(85)은 더 복잡한 형태의 구조물일 수 있다. 예를 들어, 나노 구조물(85)의 단면은 SRR(split ring resonator)의 분할된 고리 형태일 수 있다. 한편, 나노 구조물(85)의 크기 및 높이 약 100 nm 이하일 수 있다.
복수 개의 나노 구조물(85)은 규칙적으로 배열된 구조에 의해서, 음의 굴절률(negative refractive index, n < 0)을 가질 수 있다. 또한, 복수 개의 나노 구조물(85)은 특이 광 투과(extraordianry optical transmission) 현상을 일으킬 수 있다. 따라서, 음의 굴절률과 특이 광 투과 현상을 갖는 복수 개의 나노 구조물(85)은 완벽한 렌즈(prefect lens)가 될 수 있다. 그러므로, 본 실시예에 따른 복수 개의 나노 구조물(85)을 구비한 발광 소자(130)는 별도의 광학 렌즈가 필요 없으며, 종래의 광학 렌즈를 구비한 발광 소자보다 더 얇고, 광 추출 효율이 우수한 발광 소자를 구현할 수 있다. 그리고, 본 실시예에 따른 복수 개의 나노 구조물(85)은 금속으로 형성된 메타물질보다 높은 광 투과도를 가질 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자(11)의 개략적인 단면도이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 소자(11)는 도 2에 도시된 발광 소자(100)를 구체적으로 개시하고 있다. 발광 소자(11)는 제2도전형 반도체층(4) 상에 마련된 형광체층(20) 및 형광층(20) 상에 마련된 도 1 및 도 2에 도시된 적층 구조물(50)을 포함할 수 있다. 형광층(20) 및 적층 구조물(50)의 위치는 서로 바뀔 수 있다. 한편, 발광 소자(11)는 도 1 및 도 2에 도시된 적층 구조물(50) 대신에, 도 3 및 도 4에 도시된 적층 구조물(55), 또는 도 5 내지 도 8에 도시된 복수 개의 나노 구조물(80, 85)을 포함할 수 있다. 여기에서, 발광 소자(11)는 기판(1), 기판(1) 상에 마련된 제1도전형 반도체층(2), 제1도전형 반도체층(2) 상에 마련된 활성층(3), 활성층(3) 상에 마련된 제2도전형 반도체층(4), 제1도전형 반도체층(2) 상에 활성층(3) 및 제2도전형 반도체층(4)과 이격되어 마련된 제1전극(5) 및 제2도전형 반도체층(4) 상에 마련된 제2전극(6)을 포함하는 수평형 발광 소자일 수 있다. 한편, 제1도전형 반도체층(2)은 n형 반도체층일 수 있으며, 제2도전형 반도체층(4)은 p형 반도체층일 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자(13)의 개략적인 단면도이다.
도 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 소자(13)는 도 4에 도시된 발광 소자(110)를 구체적으로 개시하고 있다. 발광 소자(13)는 제2전극(6) 상에 마련된 도 3 및 도 4에 도시된 적층 구조물(55) 및 적층 구조물(55) 상에 마련된 형광체층(20)을 포함할 수 있다. 형광층(20) 및 적층 구조물(55)의 위치는 서로 바뀔 수 있다. 한편, 발광 소자(13)는 도 3 및 도 4에 도시된 적층 구조물(55) 대신에, 도 1 및 도 2에 도시된 적층 구조물(50), 또는 도 5 내지 도 8에 도시된 복수 개의 나노 구조물(80, 85)을 포함할 수 있다. 여기에서, 발광 소자(13)는 기판(1), 기판(1) 상에 마련된 제1전극(5), 제1전극(5) 상에 마련된 제1도전형 반도체층(2), 제1도전형 반도체층(2) 상에 마련된 활성층(3), 활성층(3) 상에 마련된 제2도전형 반도체층(4), 제2도전형 반도체층(4) 상에 마련된 제2전극(6)을 포함하는 수직형 발광 소자일 수 있다. 한편, 제1도전형 반도체층(2)은 n형 반도체층일 수 있으며, 제2도전형 반도체층(4)은 p형 반도체층일 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자(15)의 개략적인 단면도이다.
도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 소자(15)는 도 6에 도시된 발광 소자(120)를 구체적으로 개시하고 있다. 발광 소자(15)는 제1도전형 반도체층(2) 상에 마련된 형광체층(20) 및 형광체층(20) 상에 마련된 도 5 및 도 6에 도시된 복수 개의 나노 구조물(80)을 포함할 수 있다. 형광체층(20) 및 나노 구조물(80)의 위치는 서로 바뀔 수 있다. 한편, 발광 소자(15)는 도 5 및 도 6에 도시된 나노 구조물(80) 대신에, 도 1 내지 도 4에 도시된 적층 구조물(50, 55), 또는 도 7 및 도 8에 도시된 복수 개의 나노 구조물(85)을 포함할 수 있다.
여기에서, 발광 소자(15)는 제1도전형 반도체층(2), 제2도전형 반도체층(4), 제1도전형 반도체층(2)과 제2도전형 반도체층(4) 사이에 마련된 활성층(3), 제2도전형 반도체층(4) 하부에 마련되고, 제1도전형 반도체층(2)과 전기적으로 연결되는 제1전극(5) 및 제2도전형 반도체층(4) 하면에 마련되고, 제2도전형 반도체층(4)과 전기적으로 연결되는 제2전극(6)을 포함할 수 있다. 제1도전형 반도체층(2)은 제2도전형 반도체층(4), 활성층(3) 및 제1도전형 반도체층(2)의 일부까지 형성된 적어도 하나의 비아홀에 채워진 도전체(5`)를 통해서 제1전극(5)에 연결될 수 있다. 그리고, 절연층(8)이 제2도전형 반도체층(4) 하부 및 도전체(5`) 상에 마련될 수 있다. 제2전극(6) 상에는 제2전극 패드(6`)가 마련될 수 있다. 제1전극(5)은 도전성 기판일 수 있다. 한편, 제1도전형 반도체층(2)은 n형 반도체층일 수 있으며, 제2도전형 반도체층(4)은 p형 반도체층일 수 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
도 12를 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 소자(17)는 도 8에 도시된 발광 소자(130)를 구체적으로 개시하고 있다. 발광 소자(17)는 제1도전형 반도체층(2) 상에 마련된 도 7 및 도 8에 도시된 복수 개의 나노 구조물(85) 및 나노 구조물(85) 상에 마련된 형광체층(20)을 포함할 수 있다. 형광체층(20) 및 나노 구조물(85)의 위치는 서로 바뀔 수 있다. 한편, 발광 소자(17)는 도 7 및 도 8에 도시된 나노 구조물(85) 대신에, 도 1 내지 도 4에 도시된 적층 구조물(50, 55), 또는 도 5 및 도 6에 도시된 복수 개의 나노 구조물(80)을 포함할 수 있다.
여기에서, 발광 소자(17)는 제1도전형 반도체층(2), 제2도전형 반도체층(4), 제1도전형 반도체층(2)과 제2도전형 반도체층(4) 사이에 마련된 활성층(3), 제2도전형 반도체층(4) 하부에 마련되고, 제1도전형 반도체층(2) 및 제2도전형 반도체층(4) 각각에 전기적으로 연결되는 제1전극(5) 및 제2전극(6)을 포함하는 도전성 기판 및 제1전극(5)과 제2전극(6) 사이의 경계 영역에 마련된 절연 격벽(7)을 포함할 수 있다. 제1도전형 반도체층(2)은 제2도전형 반도체층(4), 활성층(3) 및 제1도전형 반도체층(2)의 일부까지 형성된 적어도 하나의 비아홀에 채워진 도전체(5`)를 통해서 제1전극(5)에 연결될 수 있다. 그리고, 절연층(8)이 제2도전형 반도체층(4) 하부 및 도전체(5`) 상에 마련될 수 있다. 절연 격벽(7)은 상기 도전성 기판을 관통하여 형성된 비아홀에 절연체를 채워서 형성할 수 있으며, 제1전극(5) 및 제2전극(6)을 절연시킬 수 있다. 한편, 제1도전형 반도체층(2)은 n형 반도체층일 수 있으며, 제2도전형 반도체층(4)은 p형 반도체층일 수 있다.
이러한 본 발명인 그래핀을 포함하는 적층 구조물 및 이를 채용한 발광 소자는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 발광 유닛 20: 형광체층
30: 그래핀 40: 유전체층
50, 55: 적층 구조물 60, 65: 홀
70: 그래핀 80, 85: 나노 구조물
100, 110, 120, 130: 발광 소자

Claims (23)

  1. 적어도 하나의 그래핀과 적어도 하나의 유전체층을 포함하며, 상기 그래핀과 상기 유전체층이 적어도 1회 적층되고, 복수 개의 홀이 주기적으로 형성된 적층 구조물.
  2. 발광 유닛; 및
    상기 발광 유닛 상에 마련되고, 적어도 하나의 그래핀과 적어도 하나의 유전체층을 포함하며, 복수 개의 홀이 형성된 적층 구조물;을 구비하는 발광 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적층 구조물은 상기 그래핀과 상기 유전체층이 적어도 2회 적층된 구조물인 발광 소자.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 적층 구조물은 순차로 적층된 제1그래핀, 유전체층 및 제2그래핀을 포함하는 발광 소자.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 홀의 단면은 다각형 또는 원인 발광 소자.
  6. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광 유닛 및 상기 적층 구조물 사이에 마련된 형광체층을 더 포함하는 발광 소자.
  7. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적층 구조물 상에 마련된 형광체층을 더 포함하는 발광 소자.
  8. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적층 구조물은 음의 굴절률을 갖는 발광 소자.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 발광 유닛은 기판;
    상기 기판 상에 마련된 제1도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층 상에 마련된 활성층;
    상기 활성층 상에 마련된 제2도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층 상에 상기 활성층 및 상기 제2도전형 반도체층과 이격되어 마련된 제1전극; 및
    상기 제2도전형 반도체층 상에 마련된 제2전극;을 포함하는 발광 소자.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 발광 유닛은 기판;
    상기 기판 상에 마련된 제1전극;
    상기 제1전극 상에 마련된 제1도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층 상에 마련된 활성층;
    상기 활성층 상에 마련된 제2도전형 반도체층; 및
    상기 제2도전형 반도체층 상에 마련된 제2전극;을 포함하는 발광 소자.
  11. 제 2 항에 있어서,
    상기 발광 유닛은
    제1도전형 반도체층;
    제2도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 마련된 활성층;
    상기 제2도전형 반도체층 하부에 마련되고, 상기 제1도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1전극; 및
    상기 제2도전형 반도체층 하면에 마련되고, 상기 제2도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 제2전극;을 포함하는 발광 소자.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 발광 유닛은
    제1도전형 반도체층;
    제2도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 마련된 활성층;
    상기 제2도전형 반도체층 하부에 마련되고, 상기 제1도전형 반도체층 및 상기 제2도전형 반도체층 각각에 전기적으로 연결되는 제1전극 및 제2전극을 포함하는 도전성 기판;
    상기 제1전극과 상기 제2전극 사이의 경계 영역에 마련된 절연 격벽;을 포함하는 발광소자.
  13. 발광 유닛; 및
    상기 발광 유닛 상에 마련되고, 적어도 하나의 그래핀과 적어도 하나의 유전체층을 포함하는 적층 구조인 복수 개의 나노 구조물;을 구비하는 발광 소자.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 적층 구조는 상기 그래핀과 상기 유전체층이 적어도 2회 적층된 구조인 발광 소자.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 적층 구조는 순차로 적층된 제1그래핀, 유전체층 및 제2그래핀을 포함하는 발광 소자.
  16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노 구조물의 형태는 다각형 기둥 또는 원기둥인 발광 소자.
  17. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광 유닛 및 상기 나노 구조물 사이에 마련된 형광체층을 더 포함하는 발광 소자.
  18. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노 구조물 상에 마련된 형광체층을 더 포함하는 발광 소자.
  19. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수 개의 나노 구조물은 음의 굴절률을 갖는 발광 소자.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 발광 유닛은 기판;
    상기 기판 상에 마련된 제1도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층 상에 마련된 활성층;
    상기 활성층 상에 마련된 제2도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층 상에 상기 활성층 및 상기 제2도전형 반도체층과 이격되어 마련된 제1전극; 및
    상기 제2도전형 반도체층 상에 마련된 제2전극;을 포함하는 발광 소자.
  21. 제 13 항에 있어서,
    상기 발광 유닛은 기판;
    상기 기판 상에 마련된 제1전극;
    상기 제1전극 상에 마련된 제1도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층 상에 마련된 활성층;
    상기 활성층 상에 마련된 제2도전형 반도체층; 및
    상기 제2도전형 반도체층 상에 마련된 제2전극;을 포함하는 발광 소자.
  22. 제 13 항에 있어서,
    상기 발광 유닛은
    제1도전형 반도체층;
    제2도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 마련된 활성층;
    상기 제2도전형 반도체층 하부에 마련되고, 상기 제1도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1전극; 및
    상기 제2도전형 반도체층 하면에 마련되고, 상기 제2도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 제2전극;을 포함하는 발광 소자.
  23. 제 13 항에 있어서,
    상기 발광 유닛은
    제1도전형 반도체층;
    제2도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 마련된 활성층;
    상기 제2도전형 반도체층 하부에 마련되고, 상기 제1도전형 반도체층 및 상기 제2도전형 반도체층 각각에 전기적으로 연결되는 제1전극 및 제2전극을 포함하는 도전성 기판;
    상기 제1전극과 상기 제2전극 사이의 경계 영역에 마련된 절연 격벽;을 포함하는 발광소자.
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