KR20120119162A - 광추출 효율이 향상된 2차원 광결정 구조체 및 이의 제조방법 - Google Patents

광추출 효율이 향상된 2차원 광결정 구조체 및 이의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20120119162A
KR20120119162A KR1020110036951A KR20110036951A KR20120119162A KR 20120119162 A KR20120119162 A KR 20120119162A KR 1020110036951 A KR1020110036951 A KR 1020110036951A KR 20110036951 A KR20110036951 A KR 20110036951A KR 20120119162 A KR20120119162 A KR 20120119162A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
photonic crystal
substrate
dielectric film
crystal structure
nano
Prior art date
Application number
KR1020110036951A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101299359B1 (ko
Inventor
안진호
고기영
최윤식
Original Assignee
한양대학교 산학협력단
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 한양대학교 산학협력단 filed Critical 한양대학교 산학협력단
Priority to KR1020110036951A priority Critical patent/KR101299359B1/ko
Publication of KR20120119162A publication Critical patent/KR20120119162A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101299359B1 publication Critical patent/KR101299359B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/0002—Lithographic processes using patterning methods other than those involving the exposure to radiation, e.g. by stamping
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B3/0009—Forming specific nanostructures
    • B82B3/0038—Manufacturing processes for forming specific nanostructures not provided for in groups B82B3/0014 - B82B3/0033
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

광추출 효율이 향상된 2차원 광결정 구조체 및 이의 제조방법이 개시된다. 본 발명에 의한 광추출 효율이 향상된 2차원 광결정 구조체는 역 나노 임프린트 리소그래피 공정을 통하여 형성된 나노 패턴 상에 지지체 역할을 하는 유전막을 형성함으로써 견고한 구조를 가지며, 굴절율이 높은 물질을 유전막으로 사용하여 광추출 효율이 향상된다. 또한 본 발명에 의한 2차원 광결정 구조체의 제조방법은 원자층 증착 공정 또는 화학 기상 증착 공정 등의 증착 공정을 사용하여 유전막을 증착시킴으로써 공정시 증착 두께를 나노 단위로 조절할 수 있으며, 컨포멀한 코팅이 가능하고, 증착되는 유전막의 균일도가 우수하다.

Description

광추출 효율이 향상된 2차원 광결정 구조체 및 이의 제조방법{2D Photonic crystal structure having improved light extraction efficiency and Method of manufacturing the same}
본 발명은 광추출 효율이 향상된 2차원 광결정 구조체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 역(reverse) 나노 임프린트 리소그래피 공정을 이용하여 형성된 광결정 나노 패턴 상에 증착 공정을 이용하여 높은 굴절율을 가지는 유전막을 컨포멀(conformal)하게 형성함으로써 광추출 효율이 향상된 2차원 광결정 구조체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
광결정은 유전율이 다른 두 종류의 물질이 주기적으로 배열되어 특정 파장의 빛을 100% 반사하거나 흡수하는 성질을 가지는 물질이다. 한편 광결정에 의해 빛이 전달되지 않는 파장 대역을 광 밴드갭(Optical bandgap)이라 한다. 상기와 같은 광 밴드갭은 반도체에서의 전자 밴드갭(electronic band gap)과 유사한 개념으로, 광결정을 이용한 광 밴드갭 구조의 물질은 필터, 고효율 LED, 광 스위치, 저손실 광도파로, 공진기, 고반사율 미러(mirror) 등 다양한 분야에서 응용가능성이 매우 높다.
상기의 광결정은 크게 1차원, 2차원 및 3차원 구조로 나눌 수 있는 바, 상기의 광결정 중에서도 2차원 광결정은 웨이퍼 상의 박막을 가공하는 반도체 공정 기술에 의하여 제작할 수 있기 때문에 광결정 관련 연구의 대부분을 차지하고 있다.
한편, 최근 나노 임프린트 리소그래피 공정 기술을 응용한 다양한 기능성 물질의 직접 나노 패터닝 기술이 개발되고 있는 가운데, 보다 간단한 공정을 통하여 기능성 나노 패턴을 형성하기 위해 고분자로 형성된 몰드와 나노 파티클 용액을 이용하여 2차원 광결정을 원하는 기판 상에 제조하는 기술이 개발되었다. 상기 기술은 원하는 기판 상에 나노 파티클을 포함하는 졸 솔루션을 도포하고 고분자로 형성된 몰드를 상부에 정렬한 후 임프린팅 공정을 통하여 나노 패턴을 형성하는 기술이다.
상기의 임프린팅 공정과 관련하여 대한민국 공개특허 10-2010-0133136호에 나노 임프린트 리소그래피 공정에 의한 나노 패턴이 형성된 2차원 광결정의 제조방법이 개시되어 있다. 나노 임프린트 리소그래피 공정은 원하는 기판 상에 직접 나노 패턴이 형성된 2차원 광결정을 간단하고 용이하게 제조할 수 있는 기술로서, 저가의 비용으로 제조할 수 있는 이점이 있다.
상기의 나노 임프린트 리소그래피 공정은 원하는 기판 상에 전구체를 포함하는 졸 솔루션을 도포하고, 표면에 나노 패턴이 형성된 몰드를 이용하여 상기 몰드에 형성된 패턴을 기판 상의 졸 솔루션에 전사하면서 졸 솔루션을 겔 솔루션으로 변화시킨 후 겔 솔루션을 어닐링하는 단계를 포함한다. 이 때, 졸 솔루션에 포함되는 나노 파티클이 몰드의 패턴 내부로 이동하여 패턴을 형성하기 위하여서는 기판 상에 도포된 졸 솔루션이 유동성을 유지하기 위하여 충분한 양의 유기 용매를 함유하여야 하며, 상기의 유기 용매는 어닐링 공정에 의하여 완전히 제거되게 된다.
상기의 과정을 통하여 제조된 나노 패턴을 구비한 광결정은 기판 상에 수십 나노 미터(nm)의 직경을 가지는 개개의 나노 파티클이 결합되어 수백 나노 미터의 직경을 가지는 도트(dot) 형태 등 다양한 형상의 나노 패턴을 형성한다. 그러나 상기의 나노 패턴을 형성하는 나노 파티클은 특별한 매개체 없이 플로팅(floating)된 채로 결합되어 있어 각 나노 파티클 사이의 결합력이 약하기 때문에 쉽게 분리되어 나노 패턴 구조가 무너져 내릴 수 있는 문제점이 있다.
이에 본 발명의 제 1 목적은 역 나노 임프린트 리소그래피 공정을 이용하여 형성된 광결정 나노 패턴 상에 유전막을 형성함으로써 견고한 구조를 가지며, 굴절율이 높은 물질을 유전막으로 사용하여 광추출 효율이 향상된 2차원 광결정 구조체를 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 제 2 목적은 원자층 증착 공정(Atomic Layer Deposition, ALD) 또는 화학 기상 증착 공정(Chemical Vapor Deposition, CVD) 등의 증착 공정을 이용하여 광결정 나노 패턴 상에 컨포멀하게 유전막을 형성함으로써 유전막의 균일도가 우수한 2차원 광결정 구조체의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기의 제 1 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기판, 상기 기판 상에 형성되는 형광층, 상기 형광층 상에 형성되는 광결정 나노 패턴 및 상기 광결정 나노 패턴을 지지하기 위하여 상기 광결정 나노 패턴을 따라 컨포멀하게 형성되는 유전막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기의 제 2 목적을 달성하기 위한 본 발명은 나노 패턴이 형성된 몰드 상에 금속 산화물 나노 파티클이 포함된 졸 솔루션을 형성하는 단계, 기판 상에 수막을 형성하는 단계, 상기 수막이 형성된 기판 상에 상기 졸 솔루션을 전사하여 광결정 나노 패턴을 형성하는 단계, 상기 광결정 나노 패턴이 형성된 상기 기판으로부터 상기 몰드를 제거하는 단계 및 상기 광결정 나노 패턴을 따라 유전막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 광추출 효율이 향상된 2차원 광결정 구조체는 광결정 나노 패턴 상에 지지체 역할을 하는 유전막을 형성함으로써 견고한 구조를 가지며, 굴절율이 높은 물질을 유전막으로 사용하여 광추출 효율이 약 20% 내지 30% 향상되는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의한 2차원 광결정 구조체의 제조방법은 원자층 증착 공정 또는 화학 기상 증착 공정 등의 증착 공정을 사용하여 유전막을 증착시킴으로써 공정시 증착 두께를 나노 단위로 조절할 수 있으며, 컨포멀한 코팅이 가능하고, 증착되는 유전막의 균일도가 우수한 효과가 있다.
도 1a 내지 도 1d는 역 나노 임프린트 리소그래피 공정을 이용하여 기판 상에 광결정 나노 패턴을 형성하는 방법을 도시하는 공정도들이다.
도 2a 내지 도 2d는 역 나노 임프린트 리소그래피 공정을 이용하여 형성한 광결정 나노 패턴을 나타내는 SEM 이미지들이다.
도 3은 광결정 나노 패턴 상에 유전막을 형성한 상태를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 4a는 비교예로서 기판 상에 광결정 나노 패턴을 형성한 상태를 나타내는 평면 SEM 이미지이다.
도 4b는 기판 상에 형성된 광결정 나노 패턴을 따라 유전막을 형성한 상태를 나타내는 평면 SEM 이미지이다.
도 5a는 비교예로서 기판 상에 형광층을 형성한 상태를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 5b는 비교예로서 형광층이 형성된 기판 상에 도트 형태의 광결정 나노 패턴이 형성된 상태를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 의한 2차원 광결정 구조체를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 6은 도 5a 내지 도 5c에서 각 구조의 발광 스펙트럼을 도시하는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1a 내지 도 1d는 역 나노 임프린트 리소그래피 공정을 이용하여 기판 상에 광결정 나노 패턴을 형성하는 방법을 도시하는 공정도들이다.
도 1a를 참조하면, 먼저 나노 패턴이 형성된 몰드(30) 상에 나노 파티클을 포함하는 졸 솔루션(40a, sol solution)을 형성한다. 상기 졸 솔루션(40a)은 금속 산화물로 구성된 나노 파티클이 포함된 졸 솔루션(40a)일 수 있다.
상기 나노 파티클은 기판(10)의 굴절율보다 큰 굴절율을 가지며, 그 직경이 10nm 내지 80nm인 금속 산화물일 수 있으며, 상기 금속 산화물은 SiO2, TiO2, ZnO, Al2O3, Ta2O5, HfO2 및 ZrO2 중에서 적어도 하나 선택될 수 있다.
상기 몰드(30)는 예컨대, PDMS(polymethylsiloxane)와 같은 고분자 재질로 이루어진 소프트 몰드일 수 있다. 상기 PDMS 몰드는 Si-O 결합의 특징으로 고온에 잘 견디며, 무독성이고 탄성이 좋은 이점을 가진다. 또한, 상기 몰드(30)는 예컨대, 글래스, Si 등으로 이루어진 하드 몰드일 수 있다. 상기 소프트 몰드 또는 하드 몰드는 표면에 반대 패턴이 형성된 마스터 몰드로부터 복제된 리플리카(replica) 몰드일 수 있다. 이 때, 상기 마스터 몰드의 표면에 이형층을 형성할 수 있으며, 상기의 이형층은 예컨대, PPT(pentaerythritol propoxylate triacrylate) 또는 PUA(Polyurethane acrylate)으로 구성될 수 있다. 이는 리플리카 몰드와 마스터 몰드의 분리를 용이하게 하는 역할을 수행한다. 상기 몰드(30)에 형성되는 나노 패턴은 양각 또는 음각의 패턴을 가질 수 있다. 양각의 패턴이 형성되는 경우 상기의 패턴이 전사되는 기판(10)은 홀(hole) 타입의 광결정 나노 패턴을 가질 수 있으며, 음각의 패턴이 형성되는 경우 상기의 패턴이 전사되는 기판(10)은 도트(dot) 타입의 광결정 나노 패턴을 가질 수 있다.
상기의 몰드(30) 상에 졸 솔루션(40a)을 형성하는 방법에는 예컨대, 스핀 코팅법이 이용될 수 있다. 이를 통하여 몰드(30)의 나노 패턴 내부까지 졸 솔루션(40a)이 충분히 도포될 수 있다. 또한 상기 스핀 코팅 후 러빙(rubbing)을 행하여 상기 졸 솔루션(40a)이 상기 몰드(30) 상에 균일하게 도포되도록 한다.
도 1b를 참조하면, 기판(10)의 상면에 수막(20)을 형성한다. 상기 기판(10)은 투명 기판일 수 있으며, 유리, 사파이어 및 석영(quartz) 중에서 선택될 수 있다.
수막(20)은 예컨대, 물(water)을 스핀 코팅 후, 열처리하여 형성할 수 있다. 기판(10) 상에 상기와 같은 처리 없이 직접 졸 솔루션(40a)을 전사하는 경우 몰드(30)의 나노 패턴 내부까지 침투하여 있던 나노 파티클들을 방출하는 것에 제약이 있다. 그러므로 상기의 과정을 통하여 기판(10)의 상면에 수분을 유지시킴으로써 상기 몰드(30)로부터 기판(10) 상에 용이하게 졸 솔루션(40a)을 전사할 수 있다.
도 1c를 참조하면, 상기와 같이 졸 솔루션(40a)이 형성된 몰드(30)와 기판(10)을 접촉시키고, 가열 및 가압 공정을 통하여 상기 졸 솔루션(40a)을 기판(10) 상에 전사한다. 이 때, 상기 가열 온도는 100℃ 내지 200℃ 의 범위 내일 수 있으며, 가압 조건은 1 atm 내지 20 atm의 범위 내일 수 있다. 이 때, 졸 솔루션(40a)에 포함된 에탄올 또는 물과 같은 용매가 제거되어 겔 솔루션으로 변화함으로써 기판(10) 상에 금속 산화물 나노 파티클로 구성된 광결정 나노 패턴(40b)이 형성된다. 이는 진공 상태에서 수행될 수 있다.
도 1d를 참조하면, 온도를 낮춤으로써 상기와 같이 접촉되어 있는 기판(10)과 몰드(30)를 분리하여 기판(10) 상에 2차원 광결정 나노 패턴(40b)을 형성할 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 역 나노 임프린트 리소그래피 공정을 이용하여 형성한 광결정 나노 패턴을 나타내는 SEM 이미지들이다.
도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 상기의 역 나노 임프린트 리소그래피 공정을 통하여 형성된 광결정 나노 패턴은 비교적 매끈한 표면을 가지며, 도트(dot)형태로 균일하게 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
도 3은 광결정 나노 패턴 상에 유전막을 형성한 상태를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기의 역 나노 임프린트 리소그래피 공정을 통하여 형성된 광결정 나노 패턴(40b) 상에 상기 광결정 나노 패턴을 지지하기 위하여 상기의 광결정 나노 패턴(40b)을 따라 컨포멀하게 유전막(50)을 형성한다.
상기의 유전막(50)은 광추출 효율을 극대화하기 위하여 기판(10)의 굴절율보다 큰 굴절율을 가지는 물질로 형성할 수 있으며, 예컨대 Al2O3, TiO2, ZnO, HfO2, ZrO2, Ta2O5, SiO2 및 Y2O3 중에서 적어도 하나 선택되는 나노 파티클일 수 있다.
상기 유전막(50)의 형성은 원자층 증착 공정(ALD)으로 수행할 수 있다. 이 때, 원자층 증착 공정의 컨포멀 성장(Conformal growth)원리에 의하여 유전막(50)을 상기 기판(10) 상에 형성된 광결정 나노 패턴(40b)에 코팅시킨다.
상기 원자층 증착 공정은 표면 조절 공정(surface controlled process)으로서 원자층을 형성하는 각 반응 물질들을 개별적으로 분리하여 펄스 형태로 챔버에 공급하며, 이 때 원자들이 서로 배척하는 성질을 이용하여 기판 표면에 상기 반응물질의 표면 포화 반응(saturated surface reaction)에 의한 화학적 흡착을 일으키는 원리로서 수행된다.
상기 원자층 증착 공정은 유전막(50)을 형성하는 원자층이 표면 물질을 둘러싸고 수직과 수평방향으로 일정하게 성장하므로 반응 원료들이 표면에서만 반응하는 특성을 나타내게 된다. 따라서 유전막(50)은 광결정 나노 패턴(40b)이 형성된 기판(10)의 표면을 따라 컨포멀하게 형성된다. 상기 공정은 형성하고자 하는 유전막(50)의 두께를 나노 단위로 미세하게 조절이 가능하며, 다양한 물질을 균일하게 증착할 수 있는 이점이 있다.
또한 상기의 유전막(50) 형성은 화학 기상 증착 공정(CVD)으로 수행할 수 있다. 상기의 화학 기상 증착 공정(CVD)의 경우, 상기 유전막(50)의 증착은 금속이나 고분자의 표면 처리에 있어서 공정의 미세화, 저온화에 적합한 플라즈마 강화 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD) 공정을 통해 형성하는 것이 보다 바람직하다.
도 4a는 비교예로서 기판 상에 광결정 나노 패턴을 형성한 상태를 나타내는 평면 SEM 이미지이다.
도 4b는 기판 상에 형성된 광결정 나노 패턴을 따라 유전막을 형성한 상태를 나타내는 평면 SEM 이미지이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 기판(100) 상에 약 230nm의 직경을 가지며, 약 500nm의 주기를 가지고 반복적으로 형성된 광결정 나노 패턴(140)에 약 20nm의 두께를 가지는 유전막(150)을 형성하는 경우, 상기 광결정 나노 패턴(140)은 270nm의 직경을 가지게 되며, 동일한 주기를 가지고 반복적으로 형성된다.
따라서 상기의 유전막(150) 증착을 통하여 보다 큰 직경을 가지는 광결정 나노 패턴(140)이 형성됨을 확인할 수 있다. 이 때, 상기 유전막(150)을 구성하는 물질은 상기 광결정 나노 패턴(140)을 구성하는 물질과 동일할 수 있다. 그러나 상기와 같이 양자의 구성 물질이 동일한 경우에도 서로 다른 공정 방법 및 조건에서 수행되므로, SEM 이미지 상에서 구별이 가능하다.
도 5a는 비교예로서 기판 상에 형광층을 형성한 상태를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 5a를 참조하면, 기판(100) 상에 형광층(120)을 형성한다. 상기 기판(100)은 유리, 사파이어 및 석영(quartz) 중에서 선택되는 투명 기판일 수 있다. 또한 상기 형광층(120)은 유기 또는 무기 형광체로 구성될 수 있으며, 예컨대 Y2O3:Eu, Y2O3:Tb, SrGa2S4:Eu, YAG:Ce, ZnS:Mn, CMS:Eu, BAM:Eu, ZnS:AgAl, ZnS:CuAl 및 GaN 중에서 적어도 하나 선택될 수 있다.
본 실험에서는 투명 기판인 석영(quartz)을 사용하였으며, 형광층을 구성하는 물질은 Y2O3:Eu 적색 형광체를 사용하였다. 상기 형광층(120) 형성은 졸-겔 법을 통한 스핀 코팅으로 수행하였으며, 한 층당 약 70nm의 두께로 5층을 증착하여 약 350nm의 두께를 가지는 형광층(120)을 형성하였다.
도 5b는 비교예로서 형광층이 형성된 기판 상에 도트 형태의 광결정 나노 패턴이 형성된 상태를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 5b를 참조하면, 기판(100) 상에 형성된 형광층(120) 상에 광결정 나노 패턴(140)을 형성한다. 상기 기판(100)은 유리, 사파이어 및 석영(quartz) 중에서 선택되는 투명 기판일 수 있다. 또한 상기 형광층(120)은 유기 또는 무기 형광체로 구성될 수 있으며, 예컨대 Y2O3:Eu, Y2O3:Tb, SrGa2S4:Eu, YAG:Ce, ZnS:Mn, CMS:Eu, BAM:Eu, ZnS:AgAl, ZnS:CuAl 및 GaN 중에서 적어도 하나 선택될 수 있다.
상기 형광층(120) 상에 형성되는 광결정 나노 패턴(140)은 SiO2, TiO2, ZnO, Al2O3, Ta2O5, HfO2 및 ZrO2 중에서 선택되는 적어도 하나의 금속 산화물 나노 파티클일 수 있다.
본 실험에서는 기판(100)은 투명 기판인 석영(quartz)을 사용하였으며, 형광층(120)을 구성하는 물질은 Y2O3:Eu 적색 형광체를 사용하였다. 상기 형광층(120) 형성은 졸-겔 법을 통한 스핀 코팅으로 수행하였으며, 한 층당 약 70nm의 두께로 5층을 증착하여 약 350nm의 두께를 가지도록 형성하였다. 상기의 형광층(120) 상에 광결정 나노 패턴(140)을 형성하였다. 상기의 광결정 나노 패턴(140)은 TiO2 나노 파티클을 사용하여 역 나노 임프린트 공정을 통해 형성하였으며, 상기의 공정 수행시 음각의 PDMS 리플리카 몰드를 사용하여 도트 형태로 형성하였다. 상기의 광결정 나노 패턴(140)은 약 200nm의 직경 및 약 620nm의 주기를 가지도록 반복적으로 배열되었다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 의한 2차원 광결정 구조체를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 5c를 참조하면, 기판(100) 상에 형성된 형광층(120) 상에 광결정 나노 패턴(140)을 형성하고, 이후 상기의 광결정 나노 패턴(140)을 지지하기 위하여 상기 광결정 나노 패턴(140)을 따라 컨포멀하게 유전막(150)을 형성한다.
상기 기판(100)은 유리, 사파이어 및 석영(quartz) 중에서 선택되는 투명 기판일 수 있다. 또한 상기 형광층(120)은 유기 또는 무기 형광체로 구성될 수 있으며, 예컨대 Y2O3:Eu, Y2O3:Tb, SrGa2S4:Eu, YAG:Ce, ZnS:Mn, CMS:Eu, BAM:Eu, ZnS:AgAl, ZnS:CuAl 및 GaN 중에서 적어도 하나 선택될 수 있다.
또한 상기 기판(100)과 상기 형광층(120) 사이에 발광층부(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 이 때, 상기 발광층부는 예컨대, n형 클래드층, 활성층 및 p형 클래드층을 포함하는 발광 소자일 수 있다. 상기 발광 소자는 질화물계 발광 소자일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 활성층을 통하여 빛을 발생시키는 소자라면 어느 것이든 가능하다.
상기 형광층(120) 상에 형성되는 광결정 나노 패턴(140)은 SiO2, TiO2, ZnO, Al2O3, Ta2O5, HfO2 및 ZrO2 중에서 선택되는 적어도 하나의 금속 산화물 나노 파티클일 수 있다.
또한 상기의 광결정 나노 패턴(140)을 따라 컨포멀하게 형성되는 상기의 유전막(150)은 광추출 효율을 극대화하기 위하여 기판(100)의 굴절율보다 큰 굴절율을 가지는 물질로 형성할 수 있으며, 예컨대 Al2O3, TiO2, ZnO, HfO2, ZrO2, Ta2O5, SiO2 및 Y2O3 중에서 적어도 하나 선택되는 나노 파티클일 수 있다.
본 실험에서는 기판(100)은 투명 기판인 석영(quartz)을 사용하였으며, 형광층(120)을 구성하는 물질은 Y2O3:Eu 적색 형광체를 사용하였다. 상기 형광층(120) 형성은 졸-겔 법을 통한 스핀 코팅으로 수행하였으며, 한 층당 약 70nm의 두께로 5층을 증착하여 약 350nm의 두께를 가지도록 형성하였다. 상기의 형광층(120) 상에 광결정 나노 패턴(140)을 형성하였다. 상기의 광결정 나노 패턴(140)은 TiO2 나노 파티클을 사용하여 역 나노 임프린트 공정을 통해 형성하였으며, 상기의 공정 수행시 음각의 PDMS 리플리카 몰드를 사용하여 도트 형태로 형성하였다. 상기의 광결정 나노 패턴(140)은 약 200nm의 직경 및 약 620nm의 주기를 가지도록 반복적으로 배열되었다. 이후, 원자층 증착 공정(ALD)를 통하여 고굴절율을 가지는 유전막(150)으로 Al2O3 막을 상기의 광결정 나노 패턴(140)을 따라 약 40nm의 두께로 컨포멀하게 형성하였다.
도 6은 도 5a 내지 도 5c에서 각 구조의 발광 스펙트럼을 도시하는 그래프이다.
도 6을 참조하면, Y2O3:Eu 적색 형광체는 611nm에서 최대방출세기를 보이는 발광 피크(emission peak)를 가지며, 도 5a, 도 5b 및 도 5c의 각 구조의 발광 피크 상대 강도(relative intensity)는 형광층(Y2O3:Eu)만을 형성한 도 5a 구조의 경우 3329.9(A.U.), 형광층(Y2O3:Eu) 상에 TiO2를 이용한 광결정 나노 패턴을 형성한 도 5b 구조의 경우 4193.4(A.U.) 및 형광층(Y2O3:Eu) 상에 TiO2를 이용하여 광결정 나노 패턴을 형성한 후 Al2O3 유전막을 증착한 본 발명의 일 실시예에 의한 도 5c 구조의 경우 5143.0(A.U.)를 나타내었다.
상기의 그래프를 통하여 PL(photoluminescence) 효율을 계산한 결과, 도 5a 구조에 비하여 광결정 나노 패턴이 형성된 도 5b의 구조는 26%가 상승하였으며, 본 발명의 일 실시예에 의한 도 5c 구조의 경우 도 5b의 구조에 비하여 23%, 도 5a의 구조에 비하여 54%가 향상하였음을 알 수 있다.
본 발명에 의한 광추출 효율이 향상된 2차원 광결정 구조체 및 이의 제조방법은 역 나노 임프린트 리소그래피 공정을 통하여 기판 상에 형성된 형광층 상에 금속 산화물 나노 파티클로 구성된 규칙적인 광결정 나노 패턴을 형성하며, 이후 상기의 광결정 나노 패턴을 따라 높은 굴절율을 가지는 유전막을 원자층 증착 공정(ALD) 또는 화학 기상 증착 공정(CVD) 등의 증착 공정을 통하여 형성한다. 이로 인하여 광결정 나노 패턴 구조를 견고하게 지지할 수 있으며, 규칙적인 배열의 광결정 나노 패턴에 의한 효과에 굴절율이 높은 물질에 의한 표면 거칠기 향상 효과가 더해져 광추출 효율이 크게 향상된다.
10, 100: 기판 20: 수막
30: 몰드 40a: 졸 솔루션
120: 형광층 40b, 140: 광결정 나노 패턴 50, 150: 유전막

Claims (12)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되는 형광층;
    상기 형광층 상에 형성되는 광결정 나노 패턴; 및
    상기 광결정 나노 패턴을 지지하기 위하여 상기 광결정 나노 패턴을 따라 컨포멀하게 형성되는 유전막을 포함하는 2차원 광결정 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 형광층 사이에 발광층부를 더 포함하며, 상기 발광층부는 n형 클래드층, 활성층 및 p형 클래드층을 포함하는 발광 소자인 것을 특징으로 하는 2차원 광결정 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 유리, 사파이어 및 석영 중에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 2차원 광결정 구조체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 형광층은 Y2O3:Eu, Y2O3:Tb, SrGa2S4:Eu, YAG:Ce, ZnS:Mn, CMS:Eu, BAM:Eu, ZnS:AgAl, ZnS:CuAl 및 GaN의 유기 형광체 또는 무기 형광체 중에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 2차원 광결정 구조체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광결정 나노 패턴은 SiO2, TiO2, ZnO, Al2O3, Ta2O5, HfO2 및 ZrO2 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 금속 산화물 나노 파티클을 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 광결정 구조체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유전막은 상기 기판보다 큰 굴절율을 가지고, 상기 유전막은 Al2O3, TiO2, ZnO, HfO2, ZrO2, Ta2O5, SiO2 및 Y2O3 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 나노 파티클을 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 광결정 구조체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유전막은 원자층 증착 공정(ALD) 또는 화학 기상 증착 공정(CVD)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 2차원 광결정 구조체.
  8. 나노 패턴이 형성된 몰드 상에 금속 산화물 나노 파티클이 포함된 졸 솔루션을 형성하는 단계;
    기판 상에 수막을 형성하는 단계;
    상기 수막이 형성된 기판 상에 상기 졸 솔루션을 전사하여 광결정 나노 패턴을 형성하는 단계;
    상기 광결정 나노 패턴이 형성된 상기 기판으로부터 상기 몰드를 제거하는 단계; 및
    상기 광결정 나노 패턴을 따라 유전막을 형성하는 단계를 포함하는 2차원 광결정 구조체의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 몰드는 PDMS, 글래스 및 Si 중에서 선택되는 적어도 어느 하나이며, 마스터 스탬프로부터 복제된 스탬프인 것을 특징으로 하는 2차원 광결정 구조체의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 수막은 스핀 코팅법으로 증착되는 것을 특징으로 하는 2차원 광결정 구조체의 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 유전막은 원자층 증착 공정(ALD) 또는 화학 기상 증착 공정(CVD)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 2차원 광결정 구조체의 제조방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 유전막은 상기 기판보다 큰 굴절율을 가지고, 상기 유전막은 Al2O3, TiO2, ZnO, HfO2, ZrO2, Ta2O5, SiO2 및 Y2O3 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 나노 파티클을 포함하는 특징으로 하는 2차원 광결정 구조체의 제조방법.

KR1020110036951A 2011-04-20 2011-04-20 광추출 효율이 향상된 2차원 광결정 구조체 및 이의 제조방법 KR101299359B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110036951A KR101299359B1 (ko) 2011-04-20 2011-04-20 광추출 효율이 향상된 2차원 광결정 구조체 및 이의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110036951A KR101299359B1 (ko) 2011-04-20 2011-04-20 광추출 효율이 향상된 2차원 광결정 구조체 및 이의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120119162A true KR20120119162A (ko) 2012-10-30
KR101299359B1 KR101299359B1 (ko) 2013-08-22

Family

ID=47286464

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110036951A KR101299359B1 (ko) 2011-04-20 2011-04-20 광추출 효율이 향상된 2차원 광결정 구조체 및 이의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101299359B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106058023A (zh) * 2015-04-08 2016-10-26 韩国科学技术研究院 纳米结构混合颗粒、其制造方法和包括其的装置
CN113985501A (zh) * 2021-10-27 2022-01-28 北京工业大学 一种利用热压印制备大面积纳米金属光子晶体的方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210325777A1 (en) * 2020-04-20 2021-10-21 Applied Materials, Inc. Methods for increasing the refractive index of high-index nanoimprint lithography films

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04342129A (ja) 1991-05-17 1992-11-27 Sony Corp 層間絶縁膜の平坦化方法
KR101221598B1 (ko) * 2007-12-18 2013-01-14 삼성전자주식회사 유전막 패턴 형성 방법 및 이를 이용한 비휘발성 메모리소자 제조방법.
KR100988888B1 (ko) * 2008-04-07 2010-10-20 국민대학교산학협력단 나노스피어를 이용한 2차원 광결정 제조방법 및 이에 의해제조된 발광 소자
KR101076520B1 (ko) * 2009-06-11 2011-10-24 고려대학교 산학협력단 나노 임프린트 리소그래피 공정을 이용한 광전자 소자 제조 방법

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106058023A (zh) * 2015-04-08 2016-10-26 韩国科学技术研究院 纳米结构混合颗粒、其制造方法和包括其的装置
US9842962B2 (en) 2015-04-08 2017-12-12 Korea Institute Of Science And Technology Nanostructured hybrid particle, manufacturing method thereof, and device including the nanostructured hybrid particle
CN113985501A (zh) * 2021-10-27 2022-01-28 北京工业大学 一种利用热压印制备大面积纳米金属光子晶体的方法
CN113985501B (zh) * 2021-10-27 2023-09-01 北京工业大学 一种利用热压印制备大面积纳米金属光子晶体的方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR101299359B1 (ko) 2013-08-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108241185B (zh) 微纳米结构光学元件及其制备方法与应用
JP5141506B2 (ja) プラズモニック結晶面発光体、画像表示装置及び照明装置
CN104170056B (zh) 模具、抗蚀剂积层体及其制造方法以及凹凸结构体
CN103219476B (zh) 一种有机电致发光二极管及其制作方法
CN102157642A (zh) 一种基于纳米压印的高出光效率led的制备方法
JP2010526648A (ja) ゾル−ゲル層を有する製品の表面構造化の方法、構造化されたゾル−ゲル層を有する製品
KR101235360B1 (ko) 미세 패턴을 가지는 세라믹 템플릿의 제조 방법
JP2019504464A (ja) インプリント用インク組成物、インプリント方法、光学エレメント、照明装置、光センサ及び光起電力装置
KR101828293B1 (ko) 진공증착에 의한 나노구조체 패턴 형성방법, 이를 이용한 센서 소자의 제조방법 및 이에 의해 제조된 센서 소자
WO2011134857A1 (en) Method of fabricating semiconductor quantum dots using nanoimprint lithography
KR101563231B1 (ko) 나노시트-무기물 적층 다공성 나노구조체 및 이의 제조 방법
KR101299359B1 (ko) 광추출 효율이 향상된 2차원 광결정 구조체 및 이의 제조방법
Zhang et al. Epitaxial patterning of thin-films: conventional lithographies and beyond
TW200906712A (en) Stamp having nanometer scale structure and applications thereof in light-emitting device
US9456501B2 (en) Nanowire grid structure having grid patterns and a sacrificial layer
CN103863999B (zh) 一种金属纳米结构的制备方法
CN108528078B (zh) 纳米结构转印方法及利用堆栈方法制备多层纳米结构的方法
JP2012028067A (ja) 有機発光ダイオード素子、画像表示装置及び照明装置
KR101886056B1 (ko) 진공증착에 의한 나노구조체 패턴 형성방법 및 이를 이용한 센서 소자
CN101487974B (zh) 一种纳米级印模结构及其在发光元件上的应用
JP2005331910A (ja) 反射防止膜およびその製造方法
KR101076520B1 (ko) 나노 임프린트 리소그래피 공정을 이용한 광전자 소자 제조 방법
KR101198482B1 (ko) 플래쉬 램프를 이용한 그래핀 제조장치, 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 그래핀
WO2007031929A1 (en) Method for manufacturing led wafer with light extracting layer
Sun et al. Photonic crystal structures on nonflat surfaces fabricated by dry lift-off soft UV nanoimprint lithography

Legal Events

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

Payment date: 20160705

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180702

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190624

Year of fee payment: 7