KR20150069776A - 다층의 나노입자층을 가진 발광 다이오드 - Google Patents

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KR20150069776A
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김동우
이호섭
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일진엘이디(주)
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Abstract

기존의 표면 상태를 변경하는 것에 비해 개선된 광추출 효과를 갖고, 필 팩터를 증가시키며, 내부로 트랩되는 광을 효과적으로 추출할 수 있는 다층의 나노입자층을 가진 발광 다이오드를 제시한다. 그 다이오드는 기판의 일면에 형성되며, 서로 다른 굴절율을 가진 복수의 나노입자층을 포함하고, 기판의 일부 또는 본딩 영역을 제외한 상기 발광 다이오드의 전면을 덮을 수 있으며, 복수의 나노입자층 중 일부는 양자점으로 형성될 수 있다.

Description

다층의 나노입자층을 가진 발광 다이오드{Light emitting diode having multi-layer of nano particles}
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노입자로 이루어진 층을 다층으로 배열함으로써, 반사 방지 및 광방출 패턴을 개선한 발광 다이오드에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED)는 전기 에너지를 광으로 변환시키는 소자이며, 일반적으로 반대 극성을 가진 불순물로 도핑된 층들 사이에 있는 적어도 하나의 활성층에서 광이 생성된다. 즉, 활성층의 양측에 바이어스가 인가되면, 활성층 내로 정공 및 전자가 주입되어 재결합함으로써 광이 생성된다. 상기 활성층의 양측은 n형 반도체층 및 p형 반도체층이 위치하여 발광 구조체를 이룬다. 한편, 발광 구조체에서 발생하는 광의 많은 양은 다이오드 내부에 트랩(trap)되고, 그 일부만이 광 출사면을 통하여 외부로 빠져나간다. 이에 따라, 발광 다이오드의 광추출 효율을 높이기 위해 다양한 방법들이 시도되고 있다.
미국등록특허 제7,915,622호는 광 출사면에 텍스쳐링(texturing)된 클래드층을 제시하고 있다. 상기 특허와 같이, 종래의 발광 다이오드는 전반사를 줄이기 위해, 텍스쳐링이나 표면 거칠기 등과 같은 요철을 통한 상기 출사면의 표면 상태를 바꾸는 데 집중해왔다. 마찬가지로, 플립 타입의 발광 다이오드는 기판의 출사면에 요철을 형성하는 방식으로 전반사에 대한 임계각을 증가시키고 있다. 하지만, 상기 요철은 이를 형성하는 데 구조적으로 어려움이 있고, 실질적으로 광추출 효과를 개선하는 데에는 한계가 있다. 또한, 종래의 발광 다이오드는 광 출사면의 표면 상태를 변경시키는 데에 국한되고 있으므로, 다이오드 크기에 대한 표면 활성 발광영역을 나타내는 필 팩터(fill factor)를 높이기가 쉽지 않다. 나아가, 내부로 반사되어 트랩되는 광을 보다 효과적으로 추출하기 위한 새로운 방식이 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 과제는 기존의 표면 상태를 변경하는 것에 비해 개선된 광추출 효과를 갖고, 필 팩터를 증가시키며, 내부로 트랩되는 광을 효과적으로 추출할 수 있는 다층의 나노입자층을 가진 발광 다이오드를 제공하는 데 있다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 다층의 나노입자 층을 가진 발광 다이오드는 기판 상에 형성되며, 각 층이 서로 다른 굴절율을 가진 나노입자가 배열된 다층으로 이루어진다.
본 발명에 있어서, 상기 기판의 타면에 제1 반도체층, 활성층 및 제2 반도체층으로 구성된 발광구조체를 더 포함할 수 있고, 상기 발광 다이오드는 상기 제1 반도체층 상에 형성된 제1 본딩패드, 상기 제2 반도체층 상에 형성된 반사층 및 상기 반사층 상에 형성된 제2 본딩패드를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 복수의 나노입자층과 상기 기판 사이에 형성된 요철을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다이오드에 있어서, 상기 나노입자층은 공극을 포함할 수 있고, 상기 공극의 부피는 상기 나노입자 한 층의 전체 부피에 대하여, 10% 내지 50%이 바람직하다. 상기 공극의 부피는 상기 나노입자 한 층의 전체 부피에 대하여, 30% 이하가 바람직하다. 또한, 상기 나노입자의 평균입경은 5nm 내지 700nm가 좋으며, 바람직하게는 10nm 내지 500nm가 더욱 좋다. 나아가, 상기 복수의 나노입자층의 굴절율은 상기 기판에서 멀어질수록 작아질 수 있다.
본 발명의 바람직한 다이오드에 있어서, 상기 복수의 나노입자층 각각은 이를 구성하는 나노입자가 적층되어 두께를 형성될 수 있다. 이때, 상기 복수의 나노입자층 중 적어도 한 층에 Au, Ag, Cu, Al 중에 선택된 적어도 어느 하나의 물질 또는 그들의 화합물로 이루어진 나노입자의 반사물질을 더 포함할 수 있다. 상기 반사물질의 부피는 상기 한 층의 부피에 대하여, 5% 내지 10%일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 복수의 나노입자층은 상기 기판의 일부를 덮을 수 있고, 본딩 영역을 제외한 상기 발광 다이오드의 전면을 덮을 수 있다. 또한, 상기 복수의 나노입자층 중 일부는 양자점으로 형성될 수 있으며, 상기 양자점의 전체 부피는 상기 복수의 나노입자층의 전체 부피에 대하여, 10% 내지 20%가 바람직하다.
본 발명의 나노입자 다층을 가진 발광 다이오드에 의하면, 굴절율이 서로 다른 나노입자 층을 다층으로 형성함으로써, 기존의 표면 상태를 변경하는 것에 비해 개선된 광추출 효과를 갖고, 필 팩터를 증가시키며, 내부로 트랩되는 광을 효과적으로 추출할 수 있다. 나노입자 다층은 광 퍼짐성을 증대시켜 지향각을 넓히므로, 종래의 발광 다이오드에 적용되는 렌즈를 사용하지 않을 수 있다. 또한, 양자점 층을 도입하여, 양자점 효과를 부가할 수 있어서, 광추출 효과를 보다 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 나노입자 다층을 가진 제1 발광 다이오드를 나타내는 단면도이다.
도 2a는 본 발명에 적용된 나노입자 다층에 의한 반사방지 효과를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2b는 본 발명에 적용된 나노입자 다층에 의한 광방출 패턴 변화를 보여주는 단면도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 의한 제1 발광 다이오드가 변형된 발광 다이오드들을 나타내는 단면도들이다.
도 6은 본 발명에 의한 나노입자 다층을 가진 제2 발광 다이오드를 나타내는 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
본 발명의 실시예는 굴절율이 서로 다른 나노입자 층을 다층으로 형성함으로써, 기존의 표면 상태를 변경하는 것에 비해 개선된 광추출 효과를 갖고, 필 팩터를 증가시키며, 내부로 트랩되는 광을 효과적으로 추출할 수 있는 다층의 나노입자층을 가진 발광 다이오드를 제시한다. 이를 위해, 굴절율이 서로 다른 나노입자 층이 다층(이하, 나노입자 다층)으로 형성된 발광 다이오드의 광학적 특성이 개선되는 과정을 상세하게 살펴보고, 본 발명의 실시예에 의한 나노입자 다층이 적용되는 다양한 예를 구체적으로 알아보기로 한다. 또한, 나노입자 다층에 양자점 층을 부가하여, 그에 따른 광학적 특성 변화에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 나노입자 다층을 가진 제1 발광 다이오드(100)를 나타내는 단면도이다. 여기서, 발광 다이오드는 플립(flip) 형태를 사례로 제시하였으나, 본 발명의 범주 내에서 다른 형태의 다이오드에도 적용될 수 있으나, 상기 플립 형태가 보다 바람직하다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 발광 다이오드(100)는 기판(110) 및 기판(110)의 일측에 위치하는 제1 반도체층(112), 활성층(113) 및 제2 반도체층(114)으로 이루어진 발광 구조체(115)를 포함한다. 경우에 따라, 제1 반도체층(112)은 메사(mesa) 식각되어 추후에 전류를 공급받는 부분을 위해 노출될 수 있다. 기판(110)의 타측에는 본 발명의 실시예에 의한 나노입자 다층(10)이 형성되어 있다. 기판(110)은 사파이어(Al2O3), 실리콘 탄화물(SiC), 갈륨 질화물(GaN), 갈륨 비소(GaAs), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 아연 산화물(ZnO), 마그네슘 산화물(MgO), 알루미늄 질화물(AlN), 붕산 질화물(BN), 갈륨 인화물(GaP), 인듐 인화물(InP), 리튬-알루미늄 산화물(LiAl2O3) 중 어느 하나일 수 있다.
발광 구조체(115)는 복수의 도전형 반도체층이 기판(110)을 기준으로 np 접합 구조, pn 접합 구조, npn 접합 구조, pnp 접합 구조 중 어느 하나를 가질 수 있다. 예를 들어, np 접합 구조인 경우, 제1 반도체층(112)은 n형 반도체층이고, 제2 반도체층(114)은 p형 반도체층을 지칭한다. 발광 구조체(115)가 np 접합 구조인 경우, 제1 반도체층(112)은 n형 불순물이 도핑된 n형 AlxInyGazN(0≤x, y, z ≤1, x+y+z=1), n형 GaN 등을 포함할 수 있다. 이때, 상기 n형 불순물은 Si, Ge, Sn, Se 및 Te 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 제2 반도체층(17)은 p형 불순물이 도핑된 p형 AlxInyGazN(0≤x, y, z ≤1, x+y+z=1), p형 GaN 등을 사용할 수 있다. 상기 p형 불순물은 Mg, Zn, Ca, Sr, Be, 및 Ba 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
한편, 기판(110)과 접하는 제1 반도체층(112)은 텍스쳐링(texturing)과 같은 요철을 가질 수 있다. 요철을 가진 광 출사면에 빛을 조사하면, 빛은 기하광학적인 거동을 따른다. 구체적으로, 빛의 파장과 동일하거나 수배 정도 주기의 요철을 형성하면, 빛은 회절한다. 빛의 파장에 비해 충분히 작은 주기의 요철을 형성하면, 빛의 파장 정도의 범위에서, 기판(110)의 내부에서 외부를 향하여 평균 굴절율이 연속적으로 변화한다. 이 때문에, 임계각 이내의 프레넬(Fresnel) 반사가 감소한다. 본 발명의 나노입자 다층(10)은 종래의 요철에 의한 광학적인 거동의 한계를 개선하기 위한 것이다.
활성층(113)은 제1 및 제2 반도체층(112, 114)에 비하여 낮은 에너지 밴드갭을 가지므로 발광을 활성화할 수 있다. 활성층(113)은 다양한 파장의 광을 방출할 수 있으며, 예를 들어 적외선, 가시광선, 또는 자외선을 방출할 수 있다. 활성층(113)은 Ⅲ족-V족 화합물 물질을 포함할 수 있고, AlxInyGazN (0≤x, y, z ≤1, x+y+z=1), InGaN 또는 AlGaN을 포함할 수 있다. 또한, 활성층(113)은 단일양자우물(Single Quantum Well, SQW) 또는 다중양자우물(Multi Quantum Well, MQW)일 수 있다. 나아가, 활성층(113)은 양자 우물층과 양자 장벽층의 적층 구조를 가질 수 있고, 상기 양자 우물층과 상기 양자 장벽층의 개수는 필요에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 활성층(113)은, 예컨대 GaN/InGaN/GaN MQW 구조 또는 GaN/AlGaN/GaN MQW 구조를 이룰 수 있다. 그러나 이는 예시적이며, 활성층(113)은 구성 물질에 따라 방출되는 광의 파장이 달라진다.
제2 반도체층(114) 상에는 반사층(116) 및 제1 본딩패드(118a)가 형성되어 있고, 제1 반도체층(112) 상에는 제2 본딩패드(118b)가 형성되어 있다. 반사층(116)은 각각 도전층으로서의 기능에 더하여, 출력광을 반사시키는 기능도 이룰 수 있다. 반사층(116)은 Al, Cu, Au, Pt, Pd, Rh, Ni, W, Mo, Cr, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나의 층 또는 그들의 복합층일 수 있다. 적합하게는, Ag 또는 Al 중의 어느 하나 또는 Ag 합금 또는 Al 합금으로 한다. 제1 및 제2 본딩 패드(118a, 118b)는 도전성 물질로서, 예를 들어 Au, Ag, Al, Pd, Ti, Cr, Ni, Sn, Cr, Pt, W, Co, Ir, Rh, Ru, Zn, Mg 등 및 이들의 합금을 포함할 수 있다. 본딩 패드(118a, 118b)는 단일층으로 구성되거나 또는 다중층으로 구성될 수 있고, 예를 들어 Ti/Al, Cr/Au, Ti/Au, Au/Sn과 같은 다중층으로 구성될 수 있다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 적용된 나노입자 다층에 의한 반사방지 효과를 설명하기 위한 단면도이고, 도 2b는 상기 나노입자 다층에 의한 광방출 패턴 변화를 보여주는 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 나노입자 다층(10)은 유전체이며 굴절율이 n1인 제1 나노입자층(10a), 굴절율이 n2인 제2 나노입자층(10b), 굴절율이 n3인 제3 나노입자층(10c) 및 굴절율이 n4인 제4 나노입자층(10d)를 포함하여 이루어진다. 도면에서는 각층(10a~10d)은 나노입자가 하나의 두께를 가진 것으로 표현되었으나, 실질적으로 나노입자 여러 개가 쌓인 두께를 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 나노입자 다층(10)은 상기 n1~n4의 층보다 많은 층을 이룰 수 있다. 즉, 본 발명의 나노입자 다층(10)은 굴절율 값으로 구분된 것이며, 층의 두께로 정의된 것은 아니다. 도면에서는 편의상, 나노입자가 하나의 두께를 가진 것으로 표현한 것에 불과하다.
나노입자의 굴절율이 1.1 미만이면 외부 공기와의 굴절율 차이가 미미하여 광의 투과나 반사에 영향을 주지 않을 수 있고, 3.0을 초과하면 광의 흡수율이 증가하여 광의 손실이 커질 수 있다. 본 발명에서는 굴절율 1.5 이하의 나노입자를 저굴절율 나노입자, 굴절율이 1.5보다 크고 2.3 이하이면 중굴절율 나노입자 및 굴절율 2.3보다 크면 고굴절율 나노입자로 구분할 수 있다. 이때, 저굴절율 나노입자는 SiO2, MgF2 등이 있고, 중굴절율 나노입자는 Al2O3, ZrO2, MgO, Ta2O5, SnO2, In2O3, ITO, ZnO, B2O3, Li2O, SrO, HfO2, SiONx, BaO, CeO2, WO3 등이 있으며, 고굴절율 나노입자는 TiO2 등이 있다. 본 발명의 실시예의 나노입자는 저굴절율, 중굴절율 및 고굴절율 중에서 각각 선정될 수 있고, 예를 들어 중굴절율 나노입자 중에서 굴절율이 서로 다른 나노입자를 포함하도록 사용할 수도 있다.
한편, 본 발명의 나노입자 다층(10)은 반사방지를 위하여, 기판(110)으로부터 멀어지는 층일수록 나노입자의 굴절율이 점차로 작아지는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 굴절율이 작은 나노입자에서 굴절율이 큰 나노입자로 빛이 입사되면, 전반사가 일어나기 때문이다. 이에 따라, 상기 전반사가 일어나는 것을 방지하기 위하여, 굴절율이 점점 감소하는 것이 좋다. 예를 들어, 제1 나노입자층은 TiO2 나노입자, 제2 나노입자층은 Ta2O5 나노입자, 제3 나노입자층은 In2O3 나노입자, 제4 나노입자층은 Al2O3 나노입자로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 굴절율을 조절하여 나노입자 다층(10)을 형성하면, 빛의 투과율을 높여 반사방지 효과를 개선할 수 있다. 또한, 빛이 나노입자 다층(10)을 지나가면서, 각층마다 굴절각에 의한 광 퍼짐성이 생겨, 지향각이 확대된다.
본 발명의 나노입자 다층(10)은 나노입자(10p) 및 공기가 채워진 공극(10v)으로 이루어진다. 공극(10v)은 나노입자(10p)와는 굴절율이 다르므로, 전반사를 포함한 다양한 형태의 빛의 경로를 야기한다. 본 발명에서 반사방지라고 하는 것은 빛이 공극(10v)을 거치지 않고 나노입자(10p)를 거친 광경로(P1)에 의해 유도되는 것을 말한다. 전반사는 임계각(θc)을 가지며, 전반사가 일어나지 않으려면 빛의 입사가 임계각(θc)보다 작아야 한다. 빛의 입사각이 임계각(θc)보다 작고, 나노입자 다층(10)의 굴절율이 점점 감소함에 따라, 반사방지의 효과가 향상된다. 한편, 공극(10v) 및 나노입자(10p)의 배열을 적절하게 하면, 반사방지 효과는 나노입자 다층(10)의 전 영역에서 일어난다.
도 2b를 참조하면, 앞에서 설명한 나노입자 다층(10)은 각층마다 반사방지뿐 아니라 광방출 패턴을 변경시킬 수 있다. 빛의 입사각이 임계각(θc)보다 크면, 빛은 회절 및 산란이 일어난다. 이러한 회절 및 산란은 광경로(P2)와 같이, 빛이 방출되는 방향을 굽어지게 하는 것으로 다중 산란이라고도 한다. 구체적으로, 기판(110)을 거친 빛이 공극(10v)에 다다르면, 임계각(θc)보다 커져서 굴절율 차이에 의한 전반사를 일으킬 수 있다. 이러한 전반사는 빛의 다중 산란을 일으키는 요인이 된다. 공극(10v)을 지난 빛이 공기보다 굴절율이 큰 나노입자(10p)를 만나면, 빛은 반사방지에서 설명한 바와 같이, 다시 발광 다이오드의 외부로 방출된다. 이와 같이, 빛의 다중 산란 및 투과를 모두 고려한 광경로(P2)를 이루게 된다. 나노입자 다층(10)에서 일어나는 반사방지 효과는 나노입자(10p)의 굴절율 차이가 주된 요인이고, 광방출 패턴 변화 효과는 공극(10v)의 존재가 필요하다고 하겠다.
한편, 빛의 다중 산란에 의한 광방출 패턴의 변화를 보다 높이기 위하여, Au, Ag, Cu, Al 중에 선택된 적어도 어느 하나의 물질 또는 그들의 화합물과 같은 반사물질을 추가할 수 있다. 상기 반사물질은 빛의 흡수는 거의 일어나지 않고, 대부분의 빛을 산란시키기 때문에, 상기 광방출 패턴의 변화를 더욱 극대화시킬 수 있다. 이때, 상기 반사물질이 차지하는 부피는 다층의 적어도 한 층에 포함되며, 각 나노입자 층에 대하여, 3% 내지 10% 만큼 포함될 수 있다. 3%보다 작으면 빛의 산란효과가 뚜렷하게 일어나지 않고, 10%보다 크면 나노입자 다층(10)에서 기판(110)으로 향하는 빛이 너무 많아진다. 상기 반사물질은 공극(10v)에 의한 반사와 유사한 기능을 다른 측면에서 기여하는 것이다. 다중 산란에 기인하는 광방출 패턴 변화는 광 퍼짐성을 크게 하여 지향각을 넓히는 역할을 한다.
본 발명의 나노입자 다층(10)에서 일어나는 반사방지 및 광방출 패턴 변화는 상호 혼합되어 일어난다. 도 2a에서는 반사방지 효과, 도 2b에서는 광방출 패턴 변화 효과만 있는 것을 전제하고 설명하였으나, 실질적으로는 두 가지 효과가 혼합되어 일어난다. 즉, 광경로(P1)에서는 반사방지 효과만 있는 것이 아니고, 일정 부분은 광방출 패턴 변화 효과도 존재한다. 또한, 광경로(P2)에서는 광방출 패턴 변화 효과만 있는 것이 아니고, 일정 부분은 반사방지 효과도 있다. 따라서 본 발명의 나노입자 다층(10)은 전 영역에 걸쳐, 반사방지 효과와 광방출 패턴 변화 효과가 혼재되어 있다고 할 수 있다. 더군다나, 제1 반도체층(112)의 표면에 요철을 두면, 나노입자 다층(10)의 입사되는 빛의 각도는 매우 다양하게 변하므로, 상기 효과들은 더욱 복합적으로 일어날 수 있다.
본 발명의 나노입자 다층은 스핀(spin) 코팅이나 롤(roll) 코팅을 통하여 구현할 수 있으며, 평균입경은 5nm 내지 700nm가 바람직하며, 보다 바람직하게는 10nm 내지 500nm가 좋다. 평균입경이 5nm보다 작으면 나노입자의 크기가 너무 작아 이를 형성하는 데 어려움이 있고, 평균입경이 700nm보다 크면 원하는 정도의 공극(10v)을 구현 및 빛의 산란효과를 기대하기 어려워 반사방지 및 광방출 패턴 변화를 용이하게 조절하기 힘들다. 또한, 나노입자 층(10a~10d)의 각 층에서 공극(10v)이 차지하는 부피는 하나의 층 전체 부피의 10%~50%가 좋으며, 30% 이하가 더욱 바람직하다. 부피가 10%보다 작으면 공극(10v)이 지나치게 적어 광방출 패턴 변화가 적고, 50%보다 크면 공극(10v)이 너무 많아져서 반사방지 효과가 감소한다.
본 발명의 나노입자 다층(10)은 공극(10v)을 포함하고 굴절율이 서로 다른 나노입자(10p)로 이루어진 복수개의 층을 구성하며, 이로 인한 반사방지 효과 및 광방출 패턴 변경 효과에 의해 종래의 표면 상태를 변경하는 것에 비해 보다 개선된 광추출 효과를 가져올 수 있다. 또한, 다이오드 크기에 대한 표면 활성 발광영역이 실질적으로 증가되므로 필 팩터(fill factor)는 높아진다. 이러한 표면 활성 발광영역의 확대는 본 발명의 반사방지 및 광방출 패턴 변화로 야기되는 것이다. 나아가, 나노입자 다층(10)은 광 퍼짐성을 증가시켜 지향각을 넓히므로, 종래의 발광 다이오드에 적용되는 렌즈가 필요하지 않을 수 있다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 의한 제1 발광 다이오드(100)가 변형된 발광 다이오드(100a~100c)들을 나타내는 단면도들이다. 이때, 변형된 발광 다이오드(100a~100c)를 덮는 나노입자 다층(12, 14, 16) 각각의 구조 및 특성은 제1 발광 다이오드(100)의 나노입자 다층(10)과 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 3 내지 도 5에 의하면, 변형된 발광 다이오드(100a)의 나노입자 다층(12)은 기판(110) 광출사면의 일부를 덮는다. 나노입자 다층(12)은 발광 다이오드(100a)의 형상에 부응하여 형성되는 것으로, 나노입자 다층(12)은 나노입자 다층(10)에서와 같이 반사방지 효과 및 광방출 패턴 변화 효과를 충분하게 나타낼 수 있다. 또한, 변형된 발광 다이오드(100b)는 기판(100)의 광출사면 및 제1 및 제2 본딩패드(118a, 118b)가 형성된 면을 제외한 발광 다이오드(100b) 측면을 덮는 나노입자 다층(14)을 구비한다. 즉, 나노입자 다층(14)은 제1 및 제2 본딩패드(118a, 118b)가 형성된 면을 제외하고 발광 다이오드(100b)의 전면을 커버한다. 여기서, 제1 및 제2 본딩패드(118a, 118b)가 형성된 영역을 본딩 영역이라고 한다. 이와 같이, 상기 측면을 나노입자 다층(14)이 덮으면, 발광 다이오드(100b)의 내부에서 산란되어 외부로 방출되는 빛의 광추출 효율을 높일 수 있다.
나아가, 변형된 발광 다이오드(100c)는 기판(110)에 형성된 요철 상에 나노입자 다층(16)이 있다. 이렇게 되면, 기판(110)의 요철에 의한 광추출 효과의 개선과 더불어 본 발명의 나노입자층(16)에 의한 광학적 특성이 부가되어 보다 높은 광추출 효과를 얻을 수 있다. 기판(110)의 요철은 표면 거칠기나 텍스쳐링 등을 통하여 구현되나, 이를 실제 공정에서 원하는 요철 형태로 만드는 것은 곤란한 점이 있다. 다시 말해, 요철 효과가 제대로 발휘되지 않을 수 있다. 그런데, 본 발명의 나노입자 다층(16)을 상기 요철 상에 형성하면, 광추출 효과를 보완하는 기능도 수행할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 나노입자 다층을 가진 제2 발광 다이오드(200)를 나타내는 단면도이다. 이때, 제2 발광 다이오드(200)의 나노입자 다층(20)은 양자점으로 이루어진 층이 부가되는 것을 제외하고, 제1 발광 다이오드(100)의 나노입자 다층(10)과 개념적으로 동일하다. 여기서는, 나노입자 다층(20)의 광학적 특성 중에서, 특히 광방출 패턴 변화를 중심으로 설명하기로 한다.
도 6에 따르면, 제2 발광 다이오드(200)의 나노입자 다층(20)은 굴절율이 n1인 제1 나노입자층(20a), 굴절율이 n2인 제2 나노입자층(20b), 굴절율이 n3인 제3 나노입자층(20d) 및 굴절율이 n4인 제4 나노입자층(20e)를 포함하고, 나노입자 다층(20)의 최외곽층이 아닌 중간층에 도시된 바와 같이 양자점으로 이루어진 양자점 층(20c)이 게재된다. 이때, 양자점 층(20c)의 위치는 중간층의 임의의 곳으로 정해질 수 있으며, 양자점 층(20c)을 수용하기 위하여, 나머지 층(20a, 20b, 20d, 20e)의 나노입자의 크기를 적절하게 조절할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예는 제1 나노입자층(20a)의 나노입자 크기보다 제2, 제3 및 제4 나노입자 층(20b, 20d. 20e)의 나노입자 크기를 작게 설정하였다. 경우에 따라, 양자점 층(20c)을 제외한 나머지 층(20a, 20b, 20d, 20e)의 나노입자 크기를 동일하게 할 수 있다. 양자점 층(20c)을 제외한 나머지 층(20a, 20b, 20d, 20e)는 각각 제1 다이오드(100)의 나노입자 다층(10a, 10b, 10c, 10d)와 동일한 광학적 특성을 가진다. 다시 말해, 이에 대한 반사방지 효과 및 광방출 패턴 변화 효과는 앞에서 설명한 바와 같다.
양자점(Quantum Dot; QD)은 반도체 나노입자이다. 직경이 나노미터 크기의 양자점은 불안정한 상태의 전자가 전도대에서 가전자대로 내려오면서 발광하는데, 양자점의 입자가 작을수록 짧은 파장의 빛이 발생하고, 입자가 클수록 긴 파장의 빛이 발생한다. 이는 기존의 반도체 물질과 다른 독특한 전기적이며 광학적인 특성이다. 따라서 양자점의 크기를 조절하면 원하는 파장의 빛을 표현하고, 여러 크기의 양자점과 양자점 성분을 달리하여 다양한 색상을 동시에 구현할 수 있다.
양자점은 빛을 내는 역할을 하는 코어를 감싸도록 상기 코어의 표면에 형성되어 상기 코어를 보호하는 쉘(shell) 및 상기 쉘에 연결되어 양자점이 용매에 잘 분산되도록 하는 리간드(ligand)를 포함한다. 본 발명의 양자점 층(20c)을 이루는 상기 코어 또는 쉘은 카드뮴셀레나이드(CdSe), 카드뮴설파이드(CdS), 카드뮴텔레라이드(CdTe), 징크셀레나이드(ZnSe), 징크텔레라이드(ZsTe), 징크설파이드(ZnS), 머큐리텔레라이드(HgTe) 등으로부터 선택되는 화합물로 이루어진다. 그리고, 상기 리간드는 트리옥틸 포스핀(Trioctylphosphine; TOP), 트리옥틸포스핀 산화물(Trioctylphosphine Oxide; TOPO), 올레산(Oleic Acid), 아민(Amine) 등에서 선택되어 이루어진 유기 물질이다.
양자점 층(20c)은 발광을 하는 특성을 가지므로, 기판(110)으로부터 전달되는 빛과 간섭현상을 일으킬 수 있다. 구체적으로, 양자점 층(20c)을 지나지 않고 공극(20v)을 거쳐 나노입자(20p)를 지나는 광경로(P4)는 제1 다이오드(100)의 나노입자 다층(10)에서 설명한 광경로(P2)와 유사하다. 그런데, 양자점 층(20c)에 빛이 입사되면, 두 가지의 광경로가 일어난다. 하나는 양자점 층(20c) 양자점의 발광에 의한 광경로(P5) 및 다른 하나는 양자점 층(20c)에서 다중 산란이 일어나는 광경로(P6)이다. 광경로(P5)의 빛은 본 발명의 나노입자 다층(20)에 의한 광학적 거동의 변화를 야기하고, 광경로(P6)는 광경로(P5)의 빛과 간섭을 일으킬 수 있다. 이에 따라, 양자점 층(20c)은 발광 및 간섭으로 제2 발광 다이오드(200)에 다중 파장을 부여할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 나노입자 다층(20)은 양자점 층(20c)를 포함함으로써, 다중 파장의 부가와 함께 다양한 반사방지 및 광방출 패턴 변화를 구현할 수 있다. 나노입자 다층(20)을 제1 발광 다이오드(100)와 그 변형 발광 다이오드(100a, 100b, 100c)에 적용하면, 발광 다이오드에 있어서의 광추출 효과는 보다 개선될 수 있다. 양자점 층(20c)이 차지하는 부피는 전체 나노입자 다층(20)의 부피에 대하여 10%~20%가 바람직하다. 부피가 10%보다 작으면 양자점 층(20c)을 구현하기 어려워서 양자점 효과를 충분하게 발휘할 수 없고, 20%보다 크면 양자점 층(20c)을 형성하는 비용이 크게 늘어난다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10, 12, 14, 16, 20; 나노입자 다층
100; 제1 발광 다이오드 200; 제2 발광 다이오드
110; 기판 115; 발광 구조체
116; 반사층
118a, 118b; 제1 및 제2 본딩패드

Claims (17)

  1. 기판; 및
    기판의 일면에 형성되며, 서로 다른 굴절율을 가진 복수의 나노입자층을 포함하는 다층의 나노입자층을 가진 발광 다이오드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 나노입자층과 상기 기판 사이에 형성된 요철을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다층의 나노입자층을 가진 발광 다이오드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기판의 타면에 제1 반도체층, 활성층 및 제2 반도체층으로 구성된 발광구조체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다층의 나노입자층을 가진 발광 다이오드.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 반도체층 상에 형성된 제1 본딩패드;
    상기 제2 반도체층 상에 형성된 반사층; 및
    상기 반사층 상에 형성된 제2 본딩패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다층의 나노입자층을 가진 발광 다이오드.
  5. 제1항에 있어서, 상기 나노입자층은 공극을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층의 나노입자층을 가진 발광 다이오드.
  6. 제5항에 있어서, 상기 공극의 부피는 상기 나노입자 한 층의 전체 부피에 대하여, 10% 내지 50%인 것을 특징으로 하는 다층의 나노입자층을 가진 발광 다이오드.
  7. 제6항에 있어서, 상기 공극의 부피는 상기 나노입자 한 층의 전체 부피에 대하여, 30% 이하인 것을 특징으로 하는 다층의 나노입자층을 가진 발광 다이오드.
  8. 제1항에 있어서, 상기 나노입자의 평균입경은 5nm 내지 700nm인 것을 특징으로 하는 다층의 나노입자층을 가진 발광 다이오드.
  9. 제1항에 있어서, 상기 나노입자의 평균입경은 10nm 내지 500nm인 것을 특징으로 하는 다층의 나노입자층을 가진 발광 다이오드.
  10. 제1항에 있어서, 상기 복수의 나노입자층의 굴절율은 상기 기판에서 멀어질수록 작아지는 것을 특징으로 하는 다층의 나노입자층을 가진 발광 다이오드.
  11. 제1항에 있어서, 상기 복수의 나노입자층 각각은 이를 구성하는 나노입자가 적층되어 두께를 형성하는 것을 특징으로 하는 다층의 나노입자층을 가진 발광 다이오드.
  12. 제1항에 있어서, 상기 복수의 나노입자층 중 적어도 한 층에 Au, Ag, Cu, Al 중에 선택된 적어도 어느 하나의 물질 또는 그들의 화합물로 이루어진 나노입자의 반사물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다층의 나노입자층을 가진 발광 다이오드.
  13. 제12항에 있어서, 상기 반사물질의 부피는 상기 한 층의 부피에 대하여, 5% 내지 10%인 것을 특징으로 하는 다층의 나노입자층을 가진 발광 다이오드.
  14. 제1항에 있어서, 상기 복수의 나노입자층은 상기 기판의 일부를 덮는 것을 특징으로 하는 다층의 나노입자층을 가진 발광 다이오드.
  15. 제1항에 있어서, 상기 복수의 나노입자층은 본딩 영역을 제외한 상기 발광 다이오드의 전면을 덮는 것을 특징으로 하는 다층의 나노입자층을 가진 발광 다이오드.
  16. 제1항에 있어서, 상기 복수의 나노입자층 중 일부는 양자점으로 형성된 것을 특징으로 하는 다층의 나노입자층을 가진 발광 다이오드.
  17. 제16항에 있어서, 상기 양자점의 전체 부피는 상기 복수의 나노입자층의 전체 부피에 대하여, 10% 내지 20%인 것을 특징으로 하는 다층의 나노입자층을 가진 발광 다이오드.
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