KR20130121279A - 발광소자 - Google Patents

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Abstract

실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 관한 것이다.
실시예에 따른 발광소자는 기판; 상기 기판 상에 복수로 이격된 전도성 유전체 나노막대; 상기 각각의 전도성 유전체 나노막대 상에 각각 형성된 발광구조물; 및 상기 발광구조물 상에 형성된 탄소나노 전극층;을 포함할 수 있다.

Description

발광소자{LIGHT EMITTING DEVICE}
실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 관한 것이다.
발광소자(Light Emitting Device)는 전기에너지가 빛 에너지로 변환되는 특성의 소자이며, 예를 들어 화합물 반도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상구현이 가능하다.
종래기술에 의하면, N형 GaN층, 활성층 및 P형 GaN층으로 이루어지는 발광구조물 상에 투명 오믹층이 형성된다.
종래기술에 따른 발광소자에 사용되는 투명 오믹층은 ITO 기반 산화물 등이 주로 사용되며, 이러한 금속산화물들은 투명하면서 동시에 전기전도성이 상대적으로 우수하여 발광소자의 전극 접촉층으로 사용된다.
최근 질화물 반도체 발광소자에서는 고휘도의 LED을 만들기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다. 하지만 기존에 많이 사용하는 ITO 전극은 주재료인 인듐(In)의 가격 상승 및 고갈 가능성으로 인해 제조 비용이 높아지고 있으며 유연성이 없기 때문에 휘어지는 소자에 적용하는데 문제가 있다.
또한, 발광소자에 사용되는 투명 오믹층의 요구조건은 우수한 광 투명도 및 높은 면방향 전기전도도인데, 종래기술에 의하면, 두께가 얇으면서 동시에 면방향 전기전도도를 증대시킬 수 있는 최적의 투명 오믹층이 부재한 상태이다.
종래기술에 따른 질화물 반도체 발광소자는 최적의 투명 오믹층의 부재에 따라 전류주입 불균일성의 문제점, 낮은 열방출 효율의 문제점 및 낮은 광추출효율 문제 등이 있다.
또한, 종래 기술에 의하면 고출력 발광소자를 구현하기 위해 발광소자의 발광효율과 신뢰성을 개선할 필요가 있다. 예를 들어, 종래기술에 의하면 빛을 발광하는 발광구조물에 대한 구조 개선의 노력은 있으나 만족할만한 개선의 효과가 이루어지지 못하고 있다.
실시예는 투명 오믹층의 개선을 통해 광도를 향상시킬 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 발광구조물의 구조 개선을 통해 발광효율과 신뢰성을 개선하여 고성능의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 발광소자는 기판(105); 상기 기판(105) 상에 복수로 이격된 전도성 유전체 나노막대(130); 상기 각각의 전도성 유전체 나노막대(130) 상에 각각 형성된 발광구조물(140); 및 상기 발광구조물(140) 상에 형성된 탄소나노 전극층(150);을 포함할 수 있다.
실시예에 의하면 투명 오믹층의 개선을 통해 광도를 향상시킬 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 발광구조물의 구조를 개선하여 발광효율과 신뢰성을 개선하여 고성능의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 열전도도와 전기전도도가 탁월하고 투명도가 우수한 탄소나노층을 질화물 반도체 발광소자의 투광성 전극층에 채용함과 아울러 코액시얼(coaxial) 나노막대 구조의 발광구조물을 채용함으로써 전극으로 흡수되어 버리는 광손실을 줄이고 광추출을 할 수 있는 표면적이 증가하기 때문에 광추출이 증가하는 효과가 있다.
또한, 실시예에 의하면 탄소 나노층과 코액시얼(coaxial) 나노막대 구조의 발광구조물이 하이브리드(hybrid)되면 기계적으로 우수한 휘어지는 소자 구조의 실현이 가능하다.
도 1은 제1 실시예에 따른 발광소자의 단면도.
도 2는 실시예에 따른 발광소자의 부분 단면도.
도 3은 제2 실시예에 따른 발광소자의 단면도.
도 4 내지 도 13은 실시예에 따른 발광소자 제조방법의 공정 단면도.
도 14는 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도.
도 15는 실시예에 따른 조명 유닛의 사시도.
도 16은 실시예에 따른 백라이트 유닛의 사시도.
실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on/over)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on/over)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
(실시예)
도 1은 실시예에 따른 발광소자(100)의 단면도이다. 도 1은 수평형 발광소자에 대해 도시하고 있으나, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 도 2는 실시예에 따른 발광소자(100)의 나노 막대 형태의 발광구조물(140)과 전도성 유전체 나노막대(130)의 부분 수평 단면도이다.
실시예에 따른 발광소자(100)는 기판(105)과, 상기 기판(105) 상에 복수로 이격된 전도성 유전체 나노막대(130)와, 상기 각각의 전도성 유전체 나노막대(130) 상에 각각 형성된 발광구조물(140) 및 상기 발광구조물(140) 상에 형성된 탄소나노 전극층(150)을 포함할 수 있다.
실시예에서 상기 발광구조물(140)은 코액시얼(coaxial) 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 발광구조물(140)은 상기 각각의 전도성 유전체 나노막대(130)를 감싸는 구조로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 발광구조물(140)은 상기 각각의 전도성 유전체 나노막대(130)를 감싸는 제1 도전형 반도체층(142)과, 상기 제1 도전형 반도체층(142) 상에 활성층(144) 및 상기 활성층(144) 상에 제2 도전형 반도체층(146)을 포함할 수 있다.
상기 활성층(144)은 상기 제1 도전형 반도체층(142)을 감싸고, 상기 제2 도전형 반도체층(146)은 상기 활성층(144)을 감싸는 구조일 수 있다.
이를 통해, 상기 제1 도전형 반도체층(142), 상기 활성층(144) 및 상기 제2 도전형 반도체층(146)은 코액시얼(coaxial) 구조로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(142), 상기 활성층(144) 및 상기 제2 도전형 반도체층(146)은 상기 전도성 유전체 나노막대(130)를 같은 축으로(coaxial)로 형성될 수 있다.
실시예에 의하면 코액시얼(coaxial) 구조의 발광구조물을 형성함으로써 내부양자효율을 현저히 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 실시예에 따른 발광구조물은 도 1에와 같이 각각의 나노 라드형태의 전도성 유전체 나노막대(130)의 하부에서 상부까지 전체 표면에 대응하는 부분에 형성됨으로써 활성층(144)의 면적이 현저히 증대되고, 이러한 현저히 증대된 발광면적을 포함하는 나노 라드 형태의 발광구조물이 다수 배치됨으로써 통상의 발광소자에 비해 내부 양자효율을 현저히 증대시킬 수 있다.
또한, 종래기술에서 라드형태의 발광구조물을 채용한 예가 있으나 종래기술은 n-GaN, 활성층, p-GaN이 수직방향으로 적층된 라드형태의 발광구조물로서 본 실시예에 비해 활성층의 면적은 비교하기 어려운 수준으로 좁은 발광면적으로 구비하게 된다. 반면, 실시예에 따른 발광소자는 발광면적이 현저히 증대되어 발광효율이 극대화될 수 있다.
실시예에서 상기 전도성 유전체 나노막대(130)는 산화아연 나노막대(130)(ZnO nano rod)를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 의하면 발광구조물(140)의 코액시얼 센터로 전도성 유전체 나노막대(130)를 개재하여 빛의 산란 효과 및 투과도를 향상시킬 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 전도성 유전체 나노막대(130)의 우수한 전기 전도성을 통해 발광구조물(140)의 제1 도전형 반도체층(142)과 전기적인 오믹접촉에 의해 발광구조물에 효율적으로 캐리어를 주입하여 발광효율을 극대화시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 코액시얼 구조의 발광구조물에서 발광효율이 극대화되기 위해 충분한 캐리어의 주입이 전제되어야하는데, 코액시얼의 센터 역할을 하는 전도성 유전체 나노막대(130)가 우수한 전기전도성으로 인해 전류주입효율이 극대화됨으로써 발광구조물에 충분한 캐리어 공급으로 발광효율이 증대될 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 코액시얼(coaxial) 나노막대 구조의 발광구조물을 채용함으로써 광추출을 할 수 있는 표면적이 증가하기 때문에 광추출효율이 증가하는 효과가 있다.
실시예는 상기 기판(105)과 상기 전도성 유전체 나노막대(130) 사이에 질화물 반도체층(110)을 더 포함하여, 상기 전도성 유전체 나노막대(130)와 질화물 반도체층(110)이 전기적으로 연결됨으로써 발광소자의 전기적인 구동이 가능하며, 질화물 반도체층(110) 상에 크랙 등의 디펙트가 없는 양질의 전도성 유전체 나노막대(130)를 형성함으로써 발광소자의 발광효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 상기 각각의 전도성 유전체 나노막대(130) 사이에 개재된 절연층 패턴(120)을 포함하여 발광구조물 간의 전기적인 쇼트를 방지할 수 있다. 상기 절연층 패턴(120)은 전도성 유전체 나노막대(130)가 형성되기 위한 패턴된 절연층으로서 전도성 유전체 나노막대(130)가 형성될 영역의 상기 질화물 반도체층(110)을 노출시킴으로써 균일하게 전도성 유전체 나노막대(130)가 형성될 수 있다.
실시예는 상기 전도성 유전체 나노막대(130) 상의 상기 각각의 발광구조물(140) 사이에 형성된 절연층(122)을 더 포함하여 발광구조물(140) 사이의 전기적인 쇼트를 방지할 수 있다.
실시예에서 상기 탄소나노 전극층(150)은 그래핀층을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 탄소나노 전극층(150)으로 채용하는 그래핀(Graphene)은 단일 원자두께의 카본(carbon) 박막으로서 투명도가 높으면서, 열전도도와 전기전도도가 매우 높을 물질이다. 예를 들어, 실시예에서 채용하는 그래핀(Graphene)은 빛의 약 2.3%만을 흡수할 정도로 투명도가 높으며, 열전도도가 약 5300 W/mK이고, 전기전도도가 약 15000~200000 cm2/Vs일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 실시예에서 채용하는 그래핀 탄소나노 전극층(150)은 상온에서도 2차원의 특성이 있으며 은(Ag)보다 열전도성이 높고, 그래핀 탄소나노 전극층(150)에서는 전자가 마치 질량이 0인 것처럼 움직여 기존 반도체보다 전기의 흐름이 최소 100만배 이상 빨라 질 수 있고, 구리보다 전류밀도가 약 100만배 높고 극저온에서만 관측되는 양자홀효과(특정조건에서 홀 저항이 물질에 무관한 일정값을 가지게 되는 현상)를 상온에서 보이는 특성도 있다.
또한, 실시예에서 탄소나노 전극층(150)으로 채용하는 그래핀(Graphene)은 강도가 매우 높으며, 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적이 성질을 잃지 않을 수 있다.
실시예에서의 상기 탄소나노 전극층(150)은 단일 원자층 그래핀층 또는 다중 원자층 그래핀층으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 탄소나노 전극층(150)은 단일막 형태, 또는 다공성 형태 또는 일정 패턴을 갖는 스트라이프 망 형태 등으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
전기 전도 및 열전도의 향상을 위하여 상기 탄소나노 전극층(150)의 두께는 0.1nm ~ 100nm일 수 있다. 상기 탄소나노 전극층(150)의 두께가 100nm보다 큰 경우에는 상기 탄소나노 전극층(150)의 광 흡수가 증가하여 발광 소자(100)의 특성을 저하시킬 수 있기 때문이다.
또한, 상기 탄소나노 전극층(150)은 형성을 용이하게 하고, 높은 전기 전도 및 투광성을 갖도록 약 0.2nm~0.325nm의 두께로 형성될 수 있다.
실시예에 의하면 열전도도와 전기전도도가 탁월하고 투명도가 우수한 탄소나노층을 질화물 반도체 발광소자의 투광성 전극층에 채용하여 전극으로 흡수되는 광손실을 줄여 광추출이 증가하는 효과가 있다.
또한, 실시예에 의하면 열전도도와 전기전도도가 탁월한 탄소나노층을 전극층으로 채용함으로써 발광면적인 현저히 증대된 코액시얼 구조의 발광구조물에 캐리어의 주입효율을 증대시켜 발광효율 개선효과를 극대화시킬 수 있다.
실시예에 의하면 투명 오믹층의 개선을 통해 광도를 향상시킬 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 발광효율과 신뢰성을 개선하여 고성능의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 탄소 나노층과 코액시얼(coaxial) 나노막대 구조의 발광구조물이 하이브리드(hybrid)되면 기계적으로 우수한 휘어지는 소자 구조의 실현이 가능하다.
도 3은 제2 실시예에 따른 발광소자(102)의 단면도이다.
제2 실시예에 따른 발광소자(102)는 제1 실시예의 기술적인 특징을 채용할 수 있다.
제2 실시예에 따른 발광소자(102)는 상기 제2 도전형 반도체층(146) 측면에 형성된 전극층(155)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전극층(155)은 상기 제2 도전형 반도체층(146)의 측면을 둘러싸는 형태로 형성될 수 있다.
상기 전극층(155)은 상기 탄소나노 전극층(150)과 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 전극층(155)은 상기 제2 도전형 반도체층(146)의 측면 뿐만아니라 상기 제2 도전형 반도체층(146)의 상면에도 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 실시예에 의하면 발광구조물의 외측면에 전극층(155)이 형성됨으로써 발광구조물에 캐리어의 공급효율이 증대되어 발광효율을 증대시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 코액시얼 구조의 발광구조물(140)에서 발광효율이 극대화되기 위해 충분한 캐리어의 주입이 전제되어야하는데, 코액시얼의 센터 역할을 하는 전도성 유전체 나노막대(130)가 우수한 전기전도성으로 인해 전류주입효율이 극대화됨과 아울러, 우수한 전기전도성을 지닌 탄소나노 전극층(150)을 통해 주입된 캐리어가 제2 도전형 반도체층(146)과 접촉면적을 극대화한 전극층(155)에 의해 발광구조물에 충분한 캐리어 공급으로 발광효율이 극대화될 수 있다.
도 4 내지 도 13은 실시예에 따른 발광소자 제조방법의 공정 단면도이다.
우선, 도 4와 같이 기판(105)과, 상기 기판(105) 상에 질화물 반도체층(110)을 형성한다.
상기 기판(105)은 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함할 수 있다. 예컨대 상기 기판(105)은 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, and Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 예를 들어, 실시예에서는 상기 기판(105)이 사파이어 기판과 같은 절연성 기판을 예로 들고 있으나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예는 상기 기판(105) 상에 질화물 반도체층(110)을 형성하여 이후 형성되는 전도성 유전체 나노막대(130)의 균일한 성장을 유도할 수 있다.
예를 들어, 상기 질화물 반도체층(110)은 질화갈륨(GaN) 계열 반도체층일 수 있으며, 질화갈륨 계열의 질화물 반도체층과 이후 형성되는 전도성 유전체 나노막대(130)의 전기적, 물리적인 성질의 유사성으로 인해 균일한 전도성 유전체 나노막대(130)가 형성될 수 있고, 소자 작동시에도 신뢰성이 향상될 수 있다.
실시예에서 상기 질화물 반도체층(110)은 약 1 ㎛ 이하로 형성됨으로써 이후 형성되는 전도성 유전체 나노막대(130)가 크랙 등의 디펙트 없이 균일하게 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 전도성 유전체 나노막대(130)가 형성될 영역을 노출하는 절연체 패턴(120)이 질화물 반도체층(110) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 절연체층(미도시)을 형성한 후 소정의 식각마스크(미도시)를 형성한 후 절연체층을 패터닝하여 절연체 패턴(120)을 형성할 수 있다. 이러한 절연체 패턴(120)의 형성공정에 의해 향후 형성될 전도성 유전체 나노막대(130)의 분포, 배치 등을 제어할 수 있다. 상기 절연체 패턴(120)은 산화막, 질화막 등의 패턴일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 도 5와 같이 상기 절연체 패턴(120)에 의해 노출되는 질화물 반도체층(110) 상에 전도성 유전체 나노막대(130)를 형성한다. 실시예에서 상기 전도성 유전체 나노막대(130)는 산화아연 나노막대(130)(ZnO nano rod)를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 산화아연 나노 막대는 상기 질화물 반도체층(110) 상에 수열합성법에 의해 성장될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 코팅(coating) 방식으로 도포 된 ZnO 시드층(seed layer)을 형성한다.
이후, 질산아연 6수화물(Zinc nitrate hexahydrate)과 헥사메틸렌테트라민(Hexamethylenetetramin)을 열에 의해 초순수(DI)에 용해하여 각각 Zn2 +와 OH- 으로 이온화시킨 후 서로 결합하여 상기 ZnO 시드층(seed layer) 상에 산화아연 나노 막대가 성장할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서의 산화아연 나노막대(130) 성장 방법은 수열 방식으로 약 90℃의 저온에서 성장하게 되며 성장 시간 및 농도에 따라서 나노막대의 밀도와 길이를 조절 할 수 있다.
실시예에 의하면 산화아연 나노막대(130)를 저온에서 성장함으로써 소자자체에 대미지(damage)를 최소화하여 발광소자의 동작전압을 감소시킬 수 있다.
실시예에 의하면 코액시얼 구조의 발광구조물에서 발광효율이 극대화되기 위해 충분한 캐리어의 주입이 전제되어야하는데, 코액시얼의 센터 역할을 하는 전도성 유전체 나노막대(130)가 우수한 전기전도성으로 인해 전류주입효율이 극대화됨으로써 발광구조물에 충분한 캐리어 공급으로 발광효율이 증대될 수 있다.
다음으로 도 6 내지 도 8과 같이 상기 각각의 전도성 유전체 나노막대(130) 상에 코액시얼(coaxial) 구조로 발광구조물(140)을 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 발광구조물(140)은 상기 각각의 전도성 유전체 나노막대(130)를 감싸는 구조로 형성될 수 있다.
상기 발광구조물(140)은 전도성 유전체 나노막대(130) 상에 유기금속 기상 성장법(metal-organic vapor-phase epitaxy: MOVPE), 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시 (MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 발광구조물(140)은 상기 각각의 전도성 유전체 나노막대(130)를 감싸는 제1 도전형 반도체층(142)을 형성할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(142)은 제1 도전형 도펀트가 도핑된 3족-5족 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 상기 제1 도전형 반도체층(142)이 N형 반도체층인 경우, 상기 제1도전형 도펀트는 N형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 제1 도전형 반도체층(142)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(142)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN,AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
실시예에서 제1 도전형 반도체층(142)이 질화갈륨(GaN) 계열 반도체층인 경우 전도성 유전체 나노막대(130)의 전기적, 물리적인 성질의 유사성으로 인해 균일한 제1 도전형 반도체층(142)을 형성할 수 있다.
이후, 도 7과 같이 상기 제1 도전형 반도체층(142)을 감싸는 활성층(144)을 형성할 수 있다. 상기 활성층(144)은 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well), 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 활성층(144)의 우물층/장벽층은 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
다음으로, 도 8과 같이 상기 활성층(144)을 감싸는 제2 도전형 반도체층(146)을 형성할 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(146)은 제2 도전형 도펀트가 도핑된 3-족-5족 화합물 반도체 예컨대, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(146)이 P형 반도체층인 경우, 상기 제2도전형 도펀트는 P형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
이를 통해, 상기 제1 도전형 반도체층(142), 상기 활성층(144) 및 상기 제2 도전형 반도체층(146)은 코액시얼(coaxial) 구조로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(142), 상기 활성층(144) 및 상기 제2 도전형 반도체층(146)은 상기 전도성 유전체 나노막대(130)를 같은 축으로(coaxial)로 형성될 수 있다.
실시예에 의하면 코액시얼(coaxial) 구조의 발광구조물을 형성함으로써 내부양자효율을 현저히 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 실시예에 따른 발광구조물은 도 1에와 같이 각각의 나노 라드형태의 전도성 유전체 나노막대(130)의 하부에서 상부까지 전체 표면에 대응하는 부분에 형성됨으로써 활성층(144)의 면적이 현저히 증대되고, 이러한 현저히 증대된 발광면적을 포함하는 나노 라드 형태의 발광구조물이 다수 배치됨으로써 통상의 발광소자에 비해 내부 양자효율을 현저히 증대시킬 수 있다.
실시예는 상기 전도성 유전체 나노막대(130) 상의 상기 각각의 제2 도전형 반도체층(146) 사이에 형성된 절연층(122)을 더 포함하여 발광구조물(140) 사이의 전기적인 쇼트를 방지할 수 있다. 예를 들어, 상기 절연층(122)은 SOG(Spin On Grass) 등일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 의하면 발광구조물(140)의 코액시얼 센터로 전도성 유전체 나노막대(130)를 개재하여 빛의 산란 효과 및 투과도를 향상시킬 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 전도성 유전체 나노막대(130)의 우수한 전기 전도성을 통해 발광구조물(140)의 제1 도전형 반도체층(142)과 전기적인 오믹접촉에 의해 발광구조물에 효율적으로 캐리어를 주입하여 발광효율을 극대화시킬 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 코액시얼(coaxial) 나노막대 구조의 발광구조물을 채용함으로써 전극으로 흡수되어 버리는 광손실을 줄이고 광추출을 할 수 있는 표면적이 증가하기 때문에 광추출이 증가하는 효과가 있다.
다음으로, 도 9와 같이 상기 발광구조물(140) 상에 탄소나노 전극층(150)을 형성한다.
예를 들어, 상기 발광구조물(140) 상에 탄소나노 전극층(150)을 배치시킨 후 약 340℃~약 350℃의 온도에서 약 15분 내지 25분 정도 급속열처리(RTA)를 통해 상기 발광구조물(140) 상에 탄소나노 전극층(150)을 형성시킬 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 상기 탄소나노 전극층(150)은 그래핀층을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서의 상기 탄소나노 전극층(150)은 단일 원자층 그래핀층 또는 다중 원자층 그래핀층으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 탄소나노 전극층(150)은 단일막 형태, 또는 다공성 형태 또는 일정 패턴을 갖는 스트라이프 망 형태 등으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
전기 전도 및 열전도의 향상을 위하여 상기 탄소나노 전극층(150)의 두께는 0.1nm ~ 100nm일 수 있다. 상기 탄소나노 전극층(150)의 두께가 100nm보다 큰 경우에는 상기 탄소나노 전극층(150)의 광 흡수가 증가하여 발광 소자(100)의 특성을 저하시킬 수 있기 때문이다.
또한, 상기 탄소나노 전극층(150)은 형성을 용이하게 하고, 높은 전기 전도 및 투광성을 갖도록 약 0.2nm~0.325nm의 두께로 형성될 수 있다.
실시예에 의하면 열전도도와 전기전도도가 탁월한 탄소나노층을 전극층으로 채용함으로써 발광면적인 현저히 증대된 코액시얼 구조의 발광구조물에 캐리어의 주입효율을 증대시켜 발광효율 개선효과를 극대화시킬 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 열전도도와 전기전도도가 탁월하고 투명도가 우수한 탄소나노층을 질화물 반도체 발광소자의 투광성 전극층에 채용하여 전극으로 흡수되는 광손실을 줄여 광추출이 증가하는 효과가 있다.
이하, 도 10 내지 도 12는 그래핀 탄소나노 전극층(150)의 준비공정을 설명하는 공정 단면도이나 이에 한정되는 것은 아니다.
우선, 도 10과 같이 실리콘 기판(210) 상에 실리콘 산화물(220)을 형성 후 소정의 금속층(230)을 형성한다. 상기 금속층(230)은 Ni 금속층일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이후, 상기 금속층(230) 상에 그래핀 탄소나노 금속층(230)을 성장한다. 상기 그래핀 탄소나노 금속층(230)은 CVD 방법에 의해 메탄가스와 Ar 가스 등을 주입하여 성장할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 탄소나노 전극층(150)은 형성을 용이하게 하고, 높은 전지 전도 및 투광성을 갖도록 약 0.2nm~0.325nm의 두께로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이후, 상기 그래핀 탄소나노 전극층(150) 상에 제2 전극(미도시)을 형성할 수 있다. 상기 제2 전극은 Cr, Al, Ni, Au 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 도 12와 같이 상기 금속층(230)으로부터 그래핀 탄소나노 전극층(150)을 분리한다. 예를 들어, Ni 식각액을 이용하여 그래핀 탄소나노 전극층(150)을 분리해낼 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이후, 상기 발광구조물(140) 상에 탄소나노 전극층(150)을 배치시킨 후 급속열처리(RTA)를 통해 상기 발광구조물(140) 상에 탄소나노 전극층(150)을 형성시킬 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 도 13과 같이 탄소나노 전극층(150) 상에 제1 패드(162)를 형성할 수 있고, 제2 패드(164)가 형성될 영역의 절연막 패턴(120)을 제거한 후 노출된 질화물 반도체층(110) 상에 제2 패드(164)를 형성할 수 있다.
한편, 제2 실시예는 도 3과 같이 상기 제2 도전형 반도체층(146) 측면에 형성된 전극층(155)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전극층(155)은 상기 제2 도전형 반도체층(146)의 측면을 둘러싸는 형태로 형성될 수 있다.
상기 전극층(155)은 투명전극층을 채용하여 광추출 효율에 기여할 수 있으며 상기 탄소나노 전극층(150)과 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 전극층(155)은 상기 제2 도전형 반도체층(146)의 측면 뿐만아니라 상기 제2 도전형 반도체층(146)의 상면에도 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 실시예에 의하면 발광구조물의 외측면에 전극층(155)이 형성됨으로써 발광구조물에 캐리어의 공급효율이 증대되어 발광효율을 증대시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 코액시얼 구조의 발광구조물(140)에서 발광효율이 극대화되기 위해 충분한 캐리어의 주입이 전제되어야하는데, 코액시얼의 센터 역할을 하는 전도성 유전체 나노막대(130)가 우수한 전기전도성으로 인해 전류주입효율이 극대화됨과 아울러, 우수한 전기전도성을 지닌 탄소나노 전극층(150)을 통해 주입된 캐리어가 제2 도전형 반도체층(146)과 접촉면적을 극대화한 전극층(155)에 의해 발광구조물에 충분한 전류공급으로 발광효율이 극대화될 수 있다.
실시예에 의하면 투명 오믹층의 개선을 통해 광도를 향상시킬 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 발광효율과 신뢰성을 개선하여 고성능의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 탄소 나노층과 코액시얼(coaxial) 나노막대 구조의 발광구조물이 하이브리드(hybrid)되면 기계적으로 우수한 휘어지는 소자 구조의 실현이 가능하다.
도 14는 실시예들에 따른 발광소자가 설치된 발광소자 패키지(200)를 설명하는 도면이다.
실시예에 따른 발광 소자 패키지(200)는 패키지 몸체부(205)와, 상기 패키지 몸체부(205)에 설치된 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)과, 상기 패키지 몸체부(205)에 설치되어 상기 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)과 전기적으로 연결되는 발광 소자(100)와, 상기 발광 소자(100)를 포위하는 몰딩부재(230)가 포함된다.
상기 패키지 몸체부(205)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 발광 소자(100)의 주위에 경사면이 형성될 수 있다.
상기 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광 소자(100)에 전원을 제공하는 역할을 한다. 또한, 상기 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)은 상기 발광 소자(100)에서 발생된 빛을 반사시켜 광 효율을 증가시키는 역할을 할 수 있으며, 상기 발광 소자(100)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
상기 발광 소자(100)는 도 1, 도 3에 예시된 수평형 타입의 발광 소자(100)가 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 수직형, 플립칩형 발광소자(미도시)에도 적용될 수 있다.
상기 발광 소자(100)는 상기 패키지 몸체부(205) 상에 설치되거나 상기 제3 전극층(213) 또는 제4 전극층(214) 상에 설치될 수 있다.
상기 발광 소자(100)는 상기 제3 전극층(213) 및/또는 제4 전극층(214)과 와이어 방식, 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다. 실시예에서는 상기 발광 소자(100)가 상기 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)과 와이어를 통해 전기적으로 연결된 것이 예시되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 몰딩부재(230)는 상기 발광 소자(100)를 포위하여 상기 발광 소자(100)를 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부재(230)에는 형광체(232)가 포함되어 상기 발광 소자(100)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
실시예에 따른 발광소자 패키지는 복수개가 기판 상에 어레이되며, 상기 발광 소자 패키지에서 방출되는 광의 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트, 형광 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광 소자 패키지, 기판, 광학 부재는 백라이트 유닛으로 기능하거나 조명 유닛으로 기능할 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 백라이트 유닛, 조명 유닛, 지시 장치, 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
도 15는 실시예에 따른 조명 유닛의 사시도(1100)이다. 다만, 도 15의 조명 유닛(1100)은 조명 시스템의 한 예이며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시예에서 상기 조명 유닛(1100)은 케이스몸체(1110)와, 상기 케이스몸체(1110)에 설치된 발광모듈부(1130)과, 상기 케이스몸체(1110)에 설치되며 외부 전원으로부터 전원을 제공받는 연결 단자(1120)를 포함할 수 있다.
상기 케이스몸체(1110)는 방열 특성이 양호한 재질로 형성되는 것이 바람직하며, 예를 들어 금속 재질 또는 수지 재질로 형성될 수 있다.
상기 발광모듈부(1130)은 기판(1132)과, 상기 기판(1132)에 탑재되는 적어도 하나의 발광소자 패키지(200)를 포함할 수 있다.
상기 기판(1132)은 절연체에 회로 패턴이 인쇄된 것일 수 있으며, 예를 들어, 일반 인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board), 메탈 코아(Metal Core) PCB, 연성(Flexible) PCB, 세라믹 PCB 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 기판(1132)은 빛을 효율적으로 반사하는 재질로 형성되거나, 표면이 빛이 효율적으로 반사되는 컬러, 예를 들어 백색, 은색 등으로 형성될 수 있다.
상기 기판(1132) 상에는 상기 적어도 하나의 발광소자 패키지(200)가 탑재될 수 있다. 상기 발광소자 패키지(200) 각각은 적어도 하나의 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode)(100)를 포함할 수 있다. 상기 발광 다이오드(100)는 적색, 녹색, 청색 또는 백색의 유색 빛을 각각 발광하는 유색 발광 다이오드 및 자외선(UV, UltraViolet)을 발광하는 UV 발광 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 발광모듈부(1130)는 색감 및 휘도를 얻기 위해 다양한 발광소자 패키지(200)의 조합을 가지도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 고 연색성(CRI)을 확보하기 위해 백색 발광 다이오드, 적색 발광 다이오드 및 녹색 발광 다이오드를 조합하여 배치할 수 있다.
상기 연결 단자(1120)는 상기 발광모듈부(1130)와 전기적으로 연결되어 전원을 공급할 수 있다. 실시예에서 상기 연결 단자(1120)는 소켓 방식으로 외부 전원에 돌려 끼워져 결합되지만, 이에 대해 한정하지는 않는다. 예를 들어, 상기 연결 단자(1120)는 핀(pin) 형태로 형성되어 외부 전원에 삽입되거나, 배선에 의해 외부 전원에 연결될 수도 있는 것이다.
도 16은 실시예에 따른 백라이트 유닛의 분해 사시도(1200)이다. 다만, 도 16의 백라트 유닛(1200)은 조명 시스템의 한 예이며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시예에 따른 백라이트 유닛(1200)은 도광판(1210)과, 상기 도광판(1210)에 빛을 제공하는 발광모듈부(1240)와, 상기 도광판(1210) 아래에 반사 부재(1220)와, 상기 도광판(1210), 발광모듈부(1240) 및 반사 부재(1220)를 수납하는 바텀 커버(1230)를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 도광판(1210)은 빛을 확산시켜 면광원화 시키는 역할을 한다. 상기 도광판(1210)은 투명한 재질로 이루어지며, 예를 들어, PMMA(polymethyl metaacrylate)와 같은 아크릴 수지 계열, PET(polyethylene terephthlate), PC(poly carbonate), COC(cycloolefin copolymer) 및 PEN(polyethylene naphthalate) 수지 중 하나를 포함할 수 있다.
상기 발광모듈부(1240)은 상기 도광판(1210)의 적어도 일 측면에 빛을 제공하며, 궁극적으로는 상기 백라이트 유닛이 설치되는 디스플레이 장치의 광원으로써 작용하게 된다.
상기 발광모듈부(1240)은 상기 도광판(1210)과 접할 수 있으나 이에 한정되지 않는). 구체적으로는, 상기 발광모듈부(1240)은 기판(1242)과, 상기 기판(1242)에 탑재된 다수의 발광소자 패키지(200)를 포함하는데, 상기 기판(1242)이 상기 도광판(1210)과 접할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 기판(1242)은 회로패턴(미도시)을 포함하는 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board)일 수 있다. 다만, 상기 기판(1242)은 일반 PCB 뿐 아니라, 메탈 코어 PCB(MCPCB, Metal Core PCB), 연성 PCB(FPCB, Flexible PCB) 등을 포함할 수도 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
그리고, 상기 다수의 발광소자 패키지(200)는 상기 기판(1242) 상에 빛이 방출되는 발광면이 상기 도광판(1210)과 소정 거리 이격되도록 탑재될 수 있다.
상기 도광판(1210) 아래에는 상기 반사 부재(1220)가 형성될 수 있다. 상기 반사 부재(1220)는 상기 도광판(1210)의 하면으로 입사된 빛을 반사시켜 위로 향하게 함으로써, 상기 백라이트 유닛의 휘도를 향상시킬 수 있다. 상기 반사 부재(1220)는 예를 들어, PET, PC, PVC 레진 등으로 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 바텀 커버(1230)는 상기 도광판(1210), 발광모듈부(1240) 및 반사 부재(1220) 등을 수납할 수 있다. 이를 위해, 상기 바텀 커버(1230)는 상면이 개구된 박스(box) 형상으로 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 바텀 커버(1230)는 금속 재질 또는 수지 재질로 형성될 수 있으며, 프레스 성형 또는 압출 성형 등의 공정을 이용하여 제조될 수 있다.
실시예에 의하면 투명 오믹층의 개선을 통해 광도를 향상시킬 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 발광효율과 신뢰성을 개선하여 고성능의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 탄소 나노층과 코액시얼(coaxial) 나노막대 구조의 발광구조물이 하이브리드(hybrid)되면 기계적으로 우수한 휘어지는 소자 구조의 실현이 가능하다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다.
예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
105: 기판, 130: 전도성 유전체 나노막대
140: 발광구조물, 142: 제1 도전형 반도체층,
144: 활성층, 146: 제2 도전형 반도체층
150: 탄소나노 전극층

Claims (12)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 복수로 이격된 전도성 유전체 나노막대;
    상기 각각의 전도성 유전체 나노막대 상에 각각 형성된 발광구조물; 및
    상기 발광구조물 상에 형성된 탄소나노 전극층;을 포함하며,
    상기 발광구조물은 상기 각각의 전도성 유전체 나노막대를 감싸는 구조로 형성된 발광소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 발광구조물은,
    코액시얼(coaxial) 구조로 형성된 발광소자.
  3. 제1 항 또는 제2 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 발광구조물은
    상기 각각의 전도성 유전체 나노막대를 감싸는 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 활성층; 및
    상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층;을 포함하는 발광소자.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 활성층은 상기 제1 도전형 반도체층을 감싸고,
    상기 제2 도전형 반도체층은 상기 활성층을 감싸는 발광소자.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층, 상기 활성층 및 상기 제2 도전형 반도체층은 상기 전도성 유전체 나노막대를 같은 축으로(coaxial)로 형성된 발광소자.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 기판과 상기 전도성 유전체 나노막대 사이에 질화물 반도체층을 더 포함하는 발광소자.
  7. 제3 항에 있어서,
    상기 각각의 전도성 유전체 나노막대 사이에 개재된 절연층 패턴을 더 포함하는 발광소자.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 전도성 유전체 나노막대 상의 상기 각각의 발광구조물 사이에 형성된 절연층을 더 포함하는 발광소자.
  9. 제3 항에 있어서,
    상기 전도성 유전체 나노막대는
    산화아연 나노막대(ZnO nano rod)를 포함하는 발광소자.
  10. 제3 항에 있어서,
    상기 탄소나노 전극층은
    그래핀층을 포함하는 발광소자.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층 측면에 형성된 전극층을 더 포함하는 발광소자.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 전극층은
    상기 제2 도전형 반도체층의 측면을 감싸는 발광소자.
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