KR20170123531A - Method for fabricating substrate for optical use - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 나노 프린팅 또는 나노 임프린트 공정을 이용하여 SiO2, Si3N4 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 볼록부를 포함하면서 광추출효율을 높일 수 있는 광학용 기판의 제조방법에 관한 것이다.The present invention is based on the discovery that SiO 2 , Si 3 N 4 And a method of manufacturing a substrate for an optical device including a convex portion including any one selected from the group consisting of a combination of these.
발광 다이오드는 기존의 형광등, 백열등 등의 조명 장치에 비해서 수명이 길고 전력소모가 적으며 친환경적인 장점이 있어 미래의 조명용 광원으로 주목받고 있으며 현재는 다양한 분야에서 광원으로 쓰이고 있다. 특히, 넓은 밴드갭을 가지는 질화물계 발광 다이오드는 녹색에서 청색, 근자외선 영역대의 빛을 발광할 수 있는 장점이 있어 LCD 및 휴대폰 백라이트, 자동차용 조명, 교통신호등, 일반 조명 등 그 응용 분야가 크게 확대되고 있는 추세에 있다. 하지만 이러한 수요를 충족시킬 만큼 질화물계 발광 다이오드는 충분한 성능의 개선이 이루어지지 못하고 있다.The light emitting diode has a longer lifetime, less power consumption, and environmental friendliness than conventional fluorescent lamps and incandescent lamps, and has been attracting attention as a future illumination light source and is now being used as a light source in various fields. In particular, a nitride-based light emitting diode having a wide bandgap has the advantage of emitting light in the range of green, blue, and near-ultraviolet rays, and the application fields of LCD and cellular backlight, automobile lighting, . However, the nitride-based light emitting diode has not been sufficiently improved to meet such a demand.
발광다이오드의 성능은 크게 주입된 전자가 얼마나 많은 광자를 생성하는 지에 따른 내부 양자효율과 생성된 광자가 얼마나 많이 발광다이오드 소자 외부로 방출될 수 있는 지에 따른 광추출효율에 따라 결정된다.The performance of the light emitting diode depends largely on the internal quantum efficiency depending on how many photons are generated by the injected electrons and on the light extraction efficiency depending on how much the generated photons can be emitted to the outside of the light emitting diode.
최근 질화물 계 발광다이오드는 에피성장기술의 발전으로 인하여 내부양자효율이 크게 향상되었으나 광추출효율은 이에 비해서 매우 낮은 상황이다. 발광 다이오드의 활성층(발광층)인 MQW 영역 (multi quantum well region)에서 생성된 광이 방출될 경우, 발광 다이오드 소자와 외부 공기, 외부 봉지재인 에폭시, 사파이어 기판 등과의 경계에서 전반사가 발생한다. 공기(nair=1), epoxy(nepoxy=1.5), sapphire(nsap.=1.77)에 비해서 GaN의 경우 굴절률이 약 2.5정도로 큰 값을 가지기 때문에 MQW에서 생성된 광이 소자외부로 빠져 나갈 수 있는 임계각은 각각 θGAN /air=23° θGAN /epoxy=37° θGAN /sap.=45° 으로 매우 한정된 영역이다. 따라서, 임계각 범위를 벗어나 소자 외부 방향으로 입사하는 광은 외부로 진행하지 못하고 소자 내부에서 흡수될 때까지 계속 전반사 되어 광추출효율은 불과 수 %로 매우 낮다. 또한 이는 소자의 발열로 연결되는 문제를 야기시킨다.In recent years, nitride semiconductor light emitting diodes have greatly improved internal quantum efficiency due to the development of epitaxial growth technology, but the light extraction efficiency is very low compared to the conventional methods. When light generated in a multi quantum well region (MQW region), which is an active layer (light emitting layer) of a light emitting diode, is emitted, total reflection occurs at a boundary between the light emitting diode device and external air, an epoxy or sapphire substrate as an external encapsulating material. Compared to air (n air = 1), epoxy (n epoxy = 1.5) and sapphire (n sap. = 1.77), the refractive index of GaN is about 2.5, The possible critical angles are θ GAN / air = 23 ° θ GAN / epoxy = 37 ° θ GAN / sap. = 45 [deg.]. Therefore, the light incident outside the device deviates from the critical angle range can not proceed to the outside, and continues to be totally reflected until it is absorbed inside the device, so that the light extraction efficiency is as low as only a few percent. This also causes problems that lead to the heat generation of the device.
이러한 질화물 계 발광다이오드의 한계를 극복하기 위해서 소자 표면의 p-GAN 층 또는 투명전극 층에 패턴을 삽입하여 광의 난반사를 통하여 전반사를 효과적으로 줄이려는 연구가 진행되어 왔다. 특히, 일정한 크기의 패턴이 규칙적으로 조밀하게 배열되어 있는 서브 마이크론 (sub-micron) 급의 광결정 패턴을 발광다이오드 제조공정에 도입할 경우 광추출효율이 크게 증가하는 것으로 알려져 있다. 하지만 패터닝 후 p-type 전극 형성, 패키징 공정 등의 발광 다이오드의 제작 공정과 생산수율, 경제성 등을 고려했을 때 p-GaN 층 및 투명전극 층의 패터닝 공정은 실제로 상용화하기에는 무리가 있다. 이에 대한 대안으로 PSS (patterned sapphire substrate)에 에피층을 성장시킬 경우, 마찬가지의 광의 난반사효과로 인하여 광추출효율을 효과적으로 개선시킬 수 있다. In order to overcome the limitations of such a nitride-based light emitting diode, research has been conducted to insert a pattern into the p-GAN layer or the transparent electrode layer on the device surface to effectively reduce total reflection through diffused reflection of light. Particularly, it is known that a light extraction efficiency is greatly increased when a sub-micron-order photonic crystal pattern in which patterns of regular size are regularly and densely arranged is introduced into a light emitting diode manufacturing process. However, considering the manufacturing process of the light emitting diode such as the formation of the p-type electrode and the packaging process after the patterning, the production yield, the economical efficiency, etc., the patterning process of the p-GaN layer and the transparent electrode layer is hardly commercialized. As an alternative to this, when the epilayer is grown on the patterned sapphire substrate (PSS), the light extraction efficiency can be effectively improved due to the diffused reflection effect of the same light.
PSS의 경우 본래, 사파이어 (sapphire) 기판과 GaN 에피층과의 격자 불일치 (lattice mismatch)로 인한 threading dislocation density를 감소시켜 내부양자효율을 증가시키는 것을 목적으로 개발된 기술이나 광추출효율 역시 탁월하게 향상시킬 수 있으며 발광 다이오드의 제작 공정에 바로 적용 가능한 장점이 있다. 현재 국내외 발광 다이오드의 제조 업체에서는 이미 PSS를 적용한 제품의 양산 단계에 이르고 있다.In the case of PSS, originally developed for the purpose of increasing the internal quantum efficiency by reducing the threading dislocation density due to lattice mismatch between the sapphire substrate and the GaN epilayer, And there is an advantage that it can be directly applied to a manufacturing process of a light emitting diode. Currently, domestic and overseas light emitting diode manufacturers are already in the process of mass-producing products using PSS.
현재 PSS의 경우, 주로 포토 리소그래피 공정과 건식 및 습식 식각 공정을 통하여 제작되고, 광의 난반사에 의한 발광다이오드의 광추출효율 향상은 패턴의 크기 및 형상, 주기 등에 따라서 그 향상치가 크게 달라진다. At present, PSS is mainly manufactured through photolithography process and dry and wet etching process, and improvement of light extraction efficiency of light emitting diode due to irregular reflection of light is greatly improved depending on pattern size, shape, cycle, and the like.
그러나 PSS 제작을 위해 사용되는 패터닝 기술인 포토리소그래피는 공정비용이 고가인데다가 나노 급 패턴을 적용하기에는 제품의 제조 단가가 비싸지고 경제성이 현저히 떨어지므로, 현재의 방법으로는 PSS를 통해서 더 이상의 광추출효율 향상은 기대하기 어렵다. 따라서 발광다이오드의 추가적인 효율 향상을 위해 고가의 포토리소그래피를 대신할 나노 급 패턴을 경제적으로 제작할 수 있는 패터닝 기술이 필요하다.However, since photolithography, which is a patterning technique used for manufacturing PSS, is expensive, and manufacturing cost of a nano-grade pattern is high, the economical efficiency is significantly lowered. Thus, in the present method, Improvement is difficult to expect. Accordingly, in order to further improve the efficiency of the light emitting diode, there is a need for a patterning technology that can economically fabricate a nano-scale pattern to replace expensive photolithography.
한편, 기판 내의 전반사를 줄이고, 발광 효율을 향상시키기 위해 나노 급의 패턴을 사파이어 기판 등에 입히는데, 격자결함이 적은 갈륨질화막을 입힐 수 있는 공정이 요청된다.On the other hand, a process is required in which a gallium nitride film having less lattice defects is applied in order to reduce the total internal reflection in the substrate and coat the nano-level pattern on the sapphire substrate or the like in order to improve the luminous efficiency.
따라서, 본 발명의 일실시예를 통해 결정질(Crystal) 기판에 비정질(Amorphous) 재료를 이용하여 마이크로 혹은 나노 급 패턴을 형성한 광학용 기판을 제조함에 있어서 비정질 재료의 단점을 커버할 수 있는 TCM(Topology control Method) 공법을 적용한 광학용 기판의 제조방법을 제공하고자 한다.Therefore, in an embodiment of the present invention, in manufacturing an optical substrate on which a micro or nano-level pattern is formed using an amorphous material on a crystalline substrate, a TCM Topology control method) optical method.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 기판의 일면(一面)에, SiO2, Si3N4 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하거나, 광경화 또는 열경화 방식의 나노임프린트용 고분자 화합물 수지를 포함하는 볼록부를 형성하는 볼록부 형성단계, 볼록부를 포함하는 기판을 열처리 또는 광처리하여 나노 패턴의 볼록부를 결정화하는 결정화단계, 그리고 결정화된 볼록부를 포함하는 기판의 상면에 금속, 금속산화물, 질화물, 탄화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 코팅층을 형성하는 코팅층 형성단계를 포함하는 광학용 기판의 제조방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a nanoimprint lithographic printing plate, which comprises one of a substrate made of SiO 2 , Si 3 N 4, and a combination thereof, or a photocurable or thermosetting nanoimprint polymer A crystallization step of crystallizing convex portions of the nanopattern by heat treating or light processing the substrate including the convex portions to form convex portions including the compound resin, and a step of crystallizing the convex portions of the metal, metal oxide, And forming a coating layer including any one selected from the group consisting of a nitride, a carbide, and a combination thereof. The present invention also provides a method of manufacturing an optical substrate.
여기서, 금속산화물, 질화물, 탄화물의 일예로는 Al2O3, AlN, SiC 등이 있을 수 있으며, 금속의 일예로는 Ag, Au, Pt, Cu 등이 있을 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.Examples of the metal oxide, nitride, and carbide include Al 2 O 3 , AlN, SiC, and the like. Examples of the metal include, but are not limited to, Ag, Au, Pt, and Cu.
그리고, 볼록부 형성단계는 기판에 SiO2의 전구체, Si3N4의 전구체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 용액이나 상기 광경화 또는 열경화 방식의 나노임프린트용 고분자 화합물 수지로 패턴물질층을 형성하는 제1단계, 그리고 패턴물질층에 몰드를 위치시키고 가압하여 상기 볼록부를 형성하는 제2단계를 포함하는 임프린팅 방법을 포함할 수 있다.The convex portion forming step may be a step of forming a convex portion on the substrate by using any one solution selected from the group consisting of a precursor of SiO 2 , a precursor of Si 3 N 4 and a combination thereof, or a polymer resin compound for the nanoimprint of the photo- A first step of forming a layer of material, and a second step of positioning and pressing the mold in the pattern material layer to form the convex portion.
또한, 볼록부 형성단계는 몰드의 일면(一面)에, SiO2의 전구체, Si3N4의 전구체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 용액이나 광경화 또는 열경화 방식의 나노임프린트용 고분자 화합물 수지로 패턴물질층을 형성하는 제3단계, 그리고 패턴물질층이 형성된 몰드를 기판에 위치시키고 가압하여 볼록부를 형성하는 제4단계를 포함하는 프린팅 방법을 포함할 수 있다.The convex part forming step may be performed by using any one selected from the group consisting of a precursor of SiO 2 , a precursor of Si 3 N 4 , and a combination thereof on one surface of the mold or a solution of a solution selected from the group consisting of a photocurable or thermosetting nanoimprint A third step of forming a pattern material layer with a polymer compound resin, and a fourth step of forming a convex portion by positioning and pressing the mold having the pattern material layer formed thereon on the substrate.
코팅층 형성단계는, 화학기상증착(CVD: Chemiacal Vapor Deposition), 원자층증착(ALD: Atomic Layer Deposition), 펄스레이저증착법(PLD: Pulsed Laser Deposition), 전자빔증착(E-beam evaporation), 열증착(Thermal evaporation) 및 레이저분자빔증착(L-MBE: Laser Molecular Beam Epitaxy) 중 어느 하나의 방법으로 코팅층을 형성하는 단계일 수 있다.The coating layer forming step may be performed by any one of chemical vapor deposition (CVD), atomic layer deposition (ALD), pulsed laser deposition (PLD), electron beam evaporation (E-beam evaporation) Thermal evaporation and L-MBE (Laser Molecular Beam Epitaxy) to form a coating layer.
나노 패턴은, 기판의 바닥부와 볼록부가 교대로 반복적으로 형성된 것이고,The nano pattern is a structure in which a bottom portion and a convex portion of the substrate are alternately and repeatedly formed,
볼록부의 제1 볼록부로부터 제1 볼록부에 이웃하는 제2 볼록부에 이르는 제1 바닥부까지 거리는 0.01 ㎛ ~ 5 ㎛ 이며, 제1 볼록부의 직경과 제1 바닥부의 거리는 1:1 ~ 1:2의 길이비를 가지는 것일 수 있다.The distance from the first convex portion of the convex portion to the first bottom portion leading to the second convex portion adjacent to the first convex portion is from 0.01 mu m to 5 mu m and the distance between the diameter of the first convex portion and the first bottom portion is from 1: 2. ≪ / RTI >
여기서, 코팅층은 두께가 1 ~ 200 nm 일 수 있다.Here, the coating layer may have a thickness of 1 to 200 nm.
본 발명에서는 경제적인 비광학적 패터닝 기술인 나노 프린트 (또는 임프린트) 리소그래피 기술을 이용하여 기판에 나노 급 패턴을 제작하는 방법을 제시한다. 나노 프린트 (또는 임프린트) 기술은 고가의 노광 장비과 필요없어 경제적이며 간단한 공정으로 대면적에 패턴을 전사할 수 있기 때문에 생산 수율이 높은 이점이 있다. In the present invention, a method of fabricating a nano-scale pattern on a substrate using a nano-print (or imprint) lithography technique, which is an economical non-optical patterning technique, is presented. Nano-print (or imprint) technology is advantageous in production yield because it can transfer patterns to a large area with economical and simple process because expensive exposing equipment is unnecessary.
특히 발광 다이오드를 위한 패터닝은 정확한 얼라인먼트(alignment)가 필요없기 때문에 직접 패턴 전사 방식인 나노 프린트 (또는 임프린트) 공정이 적용되기에 적절하며, 서브 마이크론(sub-micron) 급 패턴을 쉽게 형성 가능하다. 따라서 PSS를 제작하기 위한 기존의 포토리소그래피 공정에 비하여 나노 프린트 (또는 임프린트) 기술을 PSS 공정에 적용할 경우 제품의 성능을 더욱 향상시키는 동시에 경제성을 갖추게 되며 고효율 PSS 발광 다이오드의 양산화가 가능하다.Particularly, since patterning for a light emitting diode does not require precise alignment, a nano-print (or imprint) process which is a direct pattern transfer method is suitable to be applied, and a sub-micron class pattern can be easily formed. Therefore, when the nano-print (or imprint) technology is applied to the PSS process in comparison with the conventional photolithography process for fabricating the PSS, the performance of the product can be further improved, and the economical efficiency can be obtained and mass production of the highly efficient PSS light-
나아가, 사파이어 등의 기판 상에 SiO2, Si3N4 등의 볼록부를 포함하는 발광 다이오드용 기판은 여기에 형성되는 갈륨질화물 등을 결정 결함이 현저히 적도록 형성되게 할 수 있어서, 발광 소자 내에서 발광되는 빛이 산란되어 내부 전반사되는 확률을 현저히 줄여줄 수 있고, 소자의 발광 성능을 현저하게 개선시킬 수 있다. 또한, 기존의 top emitting 구조의 발광 다이오드, flip-chip 발광 다이오드, 그리고 수직형 발광다이오드에도 적용이 가능하다. Furthermore, a substrate for a light-emitting diode including convex portions such as SiO 2 and Si 3 N 4 on a substrate such as sapphire can be formed such that gallium nitride or the like to be formed thereon is formed so that crystal defects are remarkably small, It is possible to remarkably reduce the probability that the emitted light is scattered and totally internalized, and the light emitting performance of the device can be remarkably improved. In addition, it can be applied to a conventional top-emitting structure light emitting diode, a flip-chip light emitting diode, and a vertical light emitting diode.
아울러, 비정질의 볼록부는 경화에 강하고, 그 상면에 Al2O3 등의 코팅층을 형성함으로써 광추출효율 및 에피층 성장에서 비정질 재료가 가지는 단점을 보완할 수도 있다. 더욱이, 본 발명의 TCM 공법은 전술한 PSS에서의 격자결함을 줄이는 것 이외에, 코팅층 물질의 종류에 따라 굴절률을 조절할 수 있으므로 광학적 성질의 개질이 가능하다.In addition, the amorphous convex portion is resistant to hardening, and by forming a coating layer of Al 2 O 3 or the like on the upper surface, the light extraction efficiency and the disadvantage of the amorphous material in epitaxial layer growth can be compensated. Further, the TCM method of the present invention can modulate the optical properties of the PSS because it can control the refractive index according to the kind of the coating layer material, in addition to reducing the lattice defects in the PSS described above.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학용 기판의 제조방법을 나타낸 개략도,
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 광학용 기판의 제조방법을 나타낸 개략도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 적용할 수 있는 다양한 패턴의 예를 나타내는 개념도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 발광 다이오드용 기판을 포함하는 발광 다이오드의 개념도이다.1 is a schematic view showing a method of manufacturing an optical substrate according to an embodiment of the present invention,
2 is a schematic view showing a method of manufacturing an optical substrate according to another embodiment of the present invention,
3 is a conceptual diagram showing an example of various patterns that can be applied to an embodiment of the present invention,
4 is a conceptual diagram of a light emitting diode including a substrate for a light emitting diode manufactured according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 한편, 본 명세서 상에 개시하고 있는 나노 패턴은 주로 나노미터 수준이지만, 본 명세서에서는 수 마이크로미터를 포함하는 개념으로 사용하였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. On the other hand, although the nanopattern disclosed in this specification is mainly at the nanometer level, it is used in this specification as a concept including several micrometers.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학용 기판의 제조방법을 나타낸 개략도, 도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 광학용 기판의 제조방법을 나타낸 개략도, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 적용할 수 있는 다양한 패턴의 예를 나타내는 개념도, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 발광 다이오드용 기판을 포함하는 발광 다이오드의 개념도이다.FIG. 1 is a schematic view showing a method of manufacturing an optical substrate according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic view showing a method of manufacturing an optical substrate according to another embodiment of the present invention, FIG. FIG. 4 is a conceptual diagram of a light emitting diode including a substrate for a light emitting diode manufactured according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a conceptual view illustrating an example of various patterns applicable to the embodiment.
본 발명의 일 실시예에 다른 광학용 기판의 제조방법은, 기판의 일면(一面)에 SiO2, Si3N4 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 볼록부를 형성하는 볼록부 형성단계와, 볼록부를 포함하는 기판을 열처리하여 나노 패턴의 볼록부를 결정화하는 결정화단계, 그리고 상기 결정화된 볼록부를 포함하는 기판의 상면에 Al2O3(aluminium Oxide), AlN(Aluminium nitride), SiC(Silicon Carbide) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 코팅층을 형성하는 코팅층 형성단계를 포함한다. 여기서, 볼록부 형성단계는 이와 달리, 기판의 일면(一面)에, 광경화 또는 열경화 방식의 나노임프린트용 고분자 화합물 수지를 포함하는 볼록부를 형성하는 것일 수 있다. 그리고, 코팅층 형성단계에서 결정화된 볼록부를 포함하는 기판의 상면에 형성되는 코팅층은 금속, 금속산화물, 질화물, 탄화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 여기서, 금속산화물, 질화물, 탄화물의 일예로는 Al2O3, AlN, SiC 등이 있을 수 있으며, 금속의 일예로는 Ag, Au, Pt, Cu 등이 있을 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.A method of manufacturing an optical substrate according to an embodiment of the present invention includes the steps of forming convex portions on one surface of a substrate, the convex portions including any one selected from the group consisting of SiO 2 , Si 3 N 4 , (Al 2 O 3 ), AlN (AlN), SiC (Al 2 O 3 ), or the like is formed on the upper surface of the substrate including the crystallized convex portions, and a crystallization step of crystallizing the convex portions of the nanopattern by heat- (Silicon Carbide), and a combination thereof. The method for forming a coating layer includes the steps of: Here, the convex portion forming step may alternatively be to form convex portions including a polymer compound resin for nanoimprinting in a photocurable or thermosetting manner on one surface of the substrate. The coating layer formed on the substrate including the convex portions crystallized in the coating layer forming step may be any one selected from the group consisting of a metal, a metal oxide, a nitride, a carbide, and a combination thereof. Examples of the metal oxide, nitride, and carbide include Al 2 O 3 , AlN, SiC, and the like. Examples of the metal include, but are not limited to, Ag, Au, Pt, and Cu.
상기 볼록부 형성단계는, 상기 기판에 SiO2의 전구체, Si3N4의 전구체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 용액으로 패턴물질층을 형성하는 제1단계, 그리고 상기 패턴물질층에 몰드를 위치시키고 가압하여 상기 볼록부를 형성하는 제2단계를 포함하는 임프린팅 공정을 포함할 수 있다. 그러나 제1단계는 이와 달리 광경화 또는 열경화 방식의 나노임프린트용 고분자 화합물 수지로 패턴물질층을 형성하는 단계일 수 있다.The convex portion forming step may include a first step of forming a pattern material layer on the substrate with a solution selected from the group consisting of a precursor of SiO 2 , a precursor of Si 3 N 4 , and a combination thereof, And a second step of positioning and pressing the mold to form the convex portion. However, the first step may be a step of forming a pattern material layer with a polymer compound resin for a nanoimprint in a photocurable or thermosetting manner.
상기 패턴물질층을 형성하기 전에, 상기 기판은 UV 오존처리, 피라나(piranha) 용액처리, O2 처리, 또는 플라즈마 처리를 하여 상기 볼록부를 형성하기 위한 패턴물질층과 기판과의 접착력을 향상시킬 수 있다.Before forming the pattern material layer, the substrate is subjected to UV ozone treatment, piranha solution treatment, O 2 treatment, or plasma treatment to improve adhesion between the pattern material layer for forming the convex portion and the substrate .
상기 SiO2의 전구체 또는 Si3N4의 전구체로는 실리콘 산화물과 폴리머의 혼합체, 또는 실리콘 질화물과 폴리머의 혼합체를 적용할 수 있고, 상기 기판에 상기 패턴물질층을 형성할 수 있는 것이라면 적용될 수 있다. 상기 SiO2의 전구체의 구체적인 예로는 HSQ(Hydrogen silsesquioxane) 등이 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 용액에 적용되는 용매는 에탄올, 메탄올, DMF(dimethylformamide) 등과 같은 유기 용매가 적용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.As the precursor of SiO 2 or the precursor of Si 3 N 4 , a mixture of silicon oxide and polymer or a mixture of silicon nitride and polymer can be applied, and any material capable of forming the pattern material layer on the substrate can be used . Specific examples of the precursor of SiO 2 include HSQ (Hydrogen silsesquioxane) and the like, but are not limited thereto. The solvent to be used in the solution may be an organic solvent such as ethanol, methanol, dimethylformamide (DMF) or the like, but is not limited thereto.
아울러, 상기 볼록부 형성단계는 몰드의 일면(一面)에, SiO2의 전구체, Si3N4의 전구체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 용액으로 패턴물질층을 형성하는 제3단계, 그리고 상기 패턴물질층이 형성된 몰드를 상기 기판에 위치시키고 가압하여 상기 볼록부를 형성하는 제4단계를 포함하는 프린팅 공정을 포함할 수 있다. 그러나 제3단계는 이와 달리 광경화 또는 열경화 방식의 나노임프린트용 고분자 화합물 수지로 패턴물질층을 형성하는 단계일 수 있다.The step of forming the convex portion may include a step of forming a pattern material layer on one surface of the mold with any one solution selected from the group consisting of a precursor of SiO 2 , a precursor of Si 3 N 4 , And a fourth step of forming the convex portion by positioning and pressing the mold on which the pattern material layer is formed on the substrate. Alternatively, the third step may be a step of forming a pattern material layer with a polymer compound resin for a nanoimprint in a photocuring or thermosetting manner.
상기 나노 프린팅 또는 나노 임프린팅은 100 내지 250 ℃에서 1 내지 30 바로 가압이 이루어지는 것일 수 있다. 상기 온도와 압력의 범위에서 나노 프린팅 또는 나노 임프린팅이 효과적으로 이루어질 수 있다.The nanoprinting or nanoimprinting may be performed at a pressure of 1 to 30 bar at 100 to 250 ° C. Nano-printing or nanoimprinting can be effectively performed in the range of the temperature and the pressure.
상기 몰드는 상기 기판에 나노 패턴을 전사할 수 있는 것으로, 유연 고분자 복제 몰드일 수 있고, PDMS, h-PDMS, PVC 등과 같은 고분자 소재로 이루어진 것일 수 있다. The mold can transfer the nanopattern to the substrate. The mold may be a replica mold of a flexible polymer, or may be made of a polymer material such as PDMS, h-PDMS, PVC, or the like.
상기 몰드는 상기 패턴물질층을 형성하는 용액의 용매를 효과적으로 흡수할 수 있는 소재로 이루어질 수 있다. 이러한 경우에는 패턴물질층을 이용한 볼록부 형성이 용이할 수 있다. 상기 소재는 PDMS, PVA, PDMS 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 고분자를 포함할 수 있다. 이러한 경우에는 상기 몰드가 유연성 고분자 몰드로 이루어져서, 나노 프린팅 또는 나노 임프린팅 공정이 용이하게 이루어질 수 있다. 또한 상기 몰드의 소재가 PDMS인 경우에는 고투습성으로 인하여 상기 패턴물질층을 형성하는 용액의 용매 흡수 능력이 향상될 수 있다.The mold may be made of a material capable of effectively absorbing the solvent of the solution forming the pattern material layer. In this case, formation of convex portions using the pattern material layer can be facilitated. The material may include any one selected from the group consisting of PDMS, PVA, PDMS, and combinations thereof. In this case, the mold is made of a flexible polymer mold, so that a nano-printing or nano-imprinting process can be easily performed. Also, when the material of the mold is PDMS, the ability to absorb the solvent of the solution for forming the pattern material layer can be improved due to the high moisture permeability.
상기 기판은 LED 기판으로 주로 활용되고 있는 사파이어 기판, 실리콘 기판, 쿼츠 기판일 수 있고, 바람직하게 사파이어 기판일 수 있다. 상기 기판은 Al2O3, SiC, Si, SiO2, 쿼츠 (Quartz), AlN, GaN, Si3N4 및 MgO로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.The substrate may be a sapphire substrate, a silicon substrate, or a quartz substrate which is mainly used as an LED substrate, and may preferably be a sapphire substrate. The substrate may include any one selected from the group consisting of Al 2 O 3 , SiC, Si, SiO 2 , Quartz, AlN, GaN, Si 3 N 4 and MgO.
상기 볼록부 형성단계와 상기 결정화 단계 사이에는 식각 단계가 더 포함될 수 있고, 상기 식각 단계는 건식 식각 또는 습식 식각일 수 있다. 상기 식각은 플라즈마 식각일 수 있다. 상기 식각 단계는 상기 볼록부 형성단계에서 남아있는 패턴물질층의 잔여물을 제거할 수 있다.An etching step may be further included between the convex forming step and the crystallization step, and the etching step may be dry etching or wet etching. The etching may be plasma etching. The etching step may remove residues of the pattern material layer remaining in the convex forming step.
상기 볼록부를 포함하는 기판을 열처리하여 나노 패턴의 볼록부를 결정화하는 결정화단계에서 상기 열처리는 100 내지 900 ℃에서 이루어질 수 있다. 한편 상기 볼록부의 결정화 단계에는 열처리 이외에도 광처리(UV 등)를 포함할 수 있다.The heat treatment may be performed at a temperature of 100 to 900 DEG C in a crystallization step of heat-treating the substrate including the convex portion to crystallize convex portions of the nano pattern. On the other hand, the crystallization step of the convex portion may include a light treatment (UV or the like) in addition to the heat treatment.
상기 나노 패턴은 상기 기판의 바닥부와 상기 볼록부가 교대로 반복적으로 형성된 것이고, 상기 볼록부의 제1 볼록부로부터 상기 제1 볼록부에 이웃하는 제2 볼록부에 이르는 제1 바닥부까지 거리는 0.01 ㎛ ~ 5 ㎛ 이며, 상기 제1 볼록부의 직경과 상기 제1 바닥부의 거리는 1:1 ~ 1:2의 길이비를 가질 수 있다.The distance from the first convex portion of the convex portion to the first convex portion adjacent to the first convex portion to the first convex portion is preferably 0.01 占 퐉 To 5 탆, and the diameter of the first convex portion and the distance from the first bottom portion may have a length ratio of 1: 1 to 1: 2.
상기 나노 패턴은 상기 도 3에 예시된 것처럼, 상기 나노 패턴은 반구형, 삼각뿔형, 사각뿔형, 육각뿔형, 원뿔형 및 잘린구형으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 반복적으로 포함하는 것일 수 있고, 이러한 패턴은 상기 나노 프린팅 또는 임프린팅을 이용하여 제조하기 때문에, 마스터 템플레이트에 따라서 원하는 형상의 패턴을 제작하여 적용할 수 있다.As shown in FIG. 3, the nanopattern may include any one selected from the group consisting of hemispheres, triangular pyramids, quadrangular pyramids, hexagons, cones, and truncated spheres, Because it is manufactured using the nano-printing or imprinting, it is possible to manufacture and apply a pattern having a desired shape according to the master template.
이렇게 나노 패턴이 규칙성을 가진 입체 형상으로 구성되는 경우에는 질화물계 발광다이오드용 기판에 적용하면 기판에 형성되는 GaN층 등이 바닥부로부터 형성되어 자라나게 되고, 상기한 나노 패턴에 의하여 격자 불일치 (lattice mismatch)가 감소된 막이 형성될 수 있으며, 이로 인한 treading dislocation density를 감소시켜 내부양자효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 패턴의 형상에 따라서 광추출 효율 향상치가 각각 다소 나타날 수 있으나, 이로 인하여 다이오드 내부의 난반사에 의하여 낮은 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.When the nano-pattern is formed in a three-dimensional shape having regularity, a GaN layer or the like formed on the substrate is formed and grown from the bottom when applied to a substrate for a nitride-based LED, and the lattice mismatch lattice mismatch) can be formed and the internal quantum efficiency can be increased by reducing the treading dislocation density. Further, although the light extraction efficiency improvement values may be somewhat different depending on the shape of the pattern, low light extraction efficiency can be improved by diffused reflection inside the diode.
또한, 상기 결정화된 볼록부를 포함하는 기판의 상면에 금속, 금속산화물, 질화물, 탄화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 코팅층을 형성하는 코팅층 형성단계는, 비정질의 상기 볼록부가 이후 상면에 행하여지는 에피층 형성을 저해하는 요소를 차단함으로써 에피층 성장 결함을 많은 부분 제거하는 작용을 한다. The forming of the coating layer for forming the coating layer including any one selected from the group consisting of metal, metal oxide, nitride, carbide, and combinations thereof on the upper surface of the substrate including the crystallized convex portion may include forming the convex portion of amorphous And functions to remove much of the growth defect of the epi layer by blocking the element which inhibits the formation of the epi layer to be formed on the upper surface.
여기서, 금속산화물, 질화물, 탄화물의 일예로는 Al2O3, AlN, SiC 등이 있을 수 있으며, 금속의 일예로는 Ag, Au, Pt, Cu 등이 있을 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.Examples of the metal oxide, nitride, and carbide include Al 2 O 3 , AlN, SiC, and the like. Examples of the metal include, but are not limited to, Ag, Au, Pt, and Cu.
이러한 코팅층 형성단계는 화학기상증착(CVD: Chemiacal Vapor Deposition), 원자층증착(ALD: Atomic Layer Deposition), 펄스레이저증착법(PLD: Pulsed Laser Deposition), 전자빔증착(E-beam evaporation), 열증착(Thermal evaporation) 및 레이저분자빔증착(L-MBE: Laser Molecular Beam Epitaxy) 중 어느 하나의 방법으로 상기 코팅층을 형성하는 것일 수 있다.Such a coating layer forming step may be carried out by using chemical vapor deposition (CVD), atomic layer deposition (ALD), pulsed laser deposition (PLD), electron beam evaporation (E-beam evaporation) Thermal evaporation and L-MBE (Laser Molecular Beam Epitaxy) to form the coating layer.
그리고, 상기 코팅층은 두께가 1 ~ 200 nm 일 수 있는데 이는 코팅층이 200 nm보다 두꺼운 경우 에피층 형성에 있어 격자결함을 줄이기 위한 나노 패턴을 유지하기 위함이다.The coating layer may have a thickness of 1 to 200 nm to maintain a nanopattern for reducing lattice defects in the formation of an epi layer when the coating layer is thicker than 200 nm.
상기 기판이 발광다이오드용 기판으로 제조되는 경우, 코팅층 형성 단계 이후에, 상기 코팅층이 형성된 기판에 GaN층 등으로 이루어진 버퍼층을 더 형성하는 버퍼층 형성단계를 더 포함할 수 있다. 상기 버퍼층은 GaN가 코팅층 상에 형성되면서 일반적인 경우에 기판 상에 GaN가 형성될 때에 발생하는 격자 불일치 (lattice mismatch)를 감소시킬 수 있으며, 동시에 나노 패턴으로 더욱 정교하게 격자 불일치를 감소시킬 수 있다. 아울러, 본 발명의 TCM을 통해 굴절률 조절이 가능하게 된다.When the substrate is fabricated as a substrate for a light emitting diode, a buffer layer may be formed on the substrate on which the coating layer is formed, followed by forming a buffer layer made of a GaN layer or the like. The buffer layer may reduce the lattice mismatch occurring when GaN is formed on the substrate in general, while the GaN is formed on the coating layer, and may further reduce the lattice mismatch with the nano pattern. In addition, the refractive index can be controlled through the TCM of the present invention.
아울러, 본 실시예의 광학용 기판은 발광다이오드용 기판으로 활용된 예를 들었지만 이외에도 비정질의 패턴을 형성한 PSS(patterned sapphire substrate) 기판이 활용될 수 있는 광학용 기판에 모두 적용될 수 있음은 자명하다.In addition, although the optical substrate of the present embodiment has been exemplified as a substrate for a light emitting diode, it is obvious that the present invention can be applied to any optical substrate on which a patterned sapphire substrate (PSS) formed with an amorphous pattern can be utilized.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당 업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, As will be understood by those skilled in the art. It is therefore to be understood that the embodiments described above are to be considered in all respects only as illustrative and not restrictive. In addition, the scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the above detailed description. Also, all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included within the scope of the present invention.
Claims (6)
상기 볼록부를 포함하는 기판을 열처리 또는 광처리하여 나노 패턴의 볼록부를 결정화하는 결정화단계, 그리고
상기 결정화된 볼록부를 포함하는 기판의 상면에 금속, 금속산화물, 질화물, 탄화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 코팅층을 형성하는 코팅층 형성단계
를 포함하는 광학용 기판의 제조방법.
Forming a convex portion including one selected from the group consisting of SiO 2 , Si 3 N 4, and a combination thereof, or a polymer compound resin for nanoimprinting in a photocurable or thermosetting manner on one surface of the substrate The convex portion forming step,
A crystallization step of crystallizing the convex portion of the nano pattern by heat treatment or light treatment of the substrate including the convex portion, and
Forming a coating layer on the upper surface of the substrate including the crystallized convex portion, the coating layer including any one selected from the group consisting of metal, metal oxide, nitride, carbide, and combinations thereof;
And an optical substrate.
상기 볼록부 형성단계는
상기 기판에 SiO2의 전구체, Si3N4의 전구체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 용액이나 상기 광경화 또는 열경화 방식의 나노임프린트용 고분자 화합물 수지로 패턴물질층을 형성하는 제1단계, 그리고
상기 패턴물질층에 몰드를 위치시키고 가압하여 상기 볼록부를 형성하는 제2단계
를 포함하는 임프린팅 방법을 포함하는 것인 광학용 기판의 제조방법.
The method according to claim 1,
The convex forming step
The substrate may be coated with a solution of any one selected from the group consisting of a precursor of SiO 2 , a precursor of Si 3 N 4 , and a combination thereof, or a solution of a polymer material for forming a pattern material layer using the photocurable or thermosetting polymeric compound for nanoimprint Step 1, and
A second step of forming the convex portion by positioning and pressing the mold on the pattern material layer,
And an imprinting method comprising the steps of:
상기 볼록부 형성단계는
몰드의 일면(一面)에, SiO2의 전구체, Si3N4의 전구체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 용액이나 상기 광경화 또는 열경화 방식의 나노임프린트용 고분자 화합물 수지로 패턴물질층을 형성하는 제3단계, 그리고
상기 패턴물질층이 형성된 몰드를 상기 기판에 위치시키고 가압하여 상기 볼록부를 형성하는 제4단계
를 포함하는 프린팅 방법을 포함하는 것인 광학용 기판의 제조방법.
The method according to claim 1,
The convex forming step
A solution of any one selected from the group consisting of a precursor of SiO 2 , a precursor of Si 3 N 4 , and a combination thereof, or a solution of a pattern material A third step of forming a layer, and
A fourth step of forming the convex portion by placing a mold having the pattern material layer on the substrate and pressing the mold,
≪ / RTI > wherein the method comprises a printing method comprising:
상기 코팅층 형성단계는
화학기상증착(CVD: Chemiacal Vapor Deposition), 원자층증착(ALD: Atomic Layer Deposition), 펄스레이저증착법(PLD: Pulsed Laser Deposition), 전자빔증착(E-beam evaporation), 열증착(Thermal evaporation) 및 레이저분자빔증착(L-MBE: Laser Molecular Beam Epitaxy) 중 어느 하나의 방법으로 상기 코팅층을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 광학용 기판의 제조방법.
The method according to claim 1,
The coating layer forming step
(CVD), atomic layer deposition (ALD), pulsed laser deposition (PLD), electron beam evaporation (E-beam evaporation), thermal evaporation and laser And forming the coating layer by any one of L-Molecular Beam Epitaxy (L-MBE).
상기 나노 패턴은
상기 기판의 바닥부와 상기 볼록부가 교대로 반복적으로 형성된 것이고,
상기 볼록부의 제1 볼록부로부터 상기 제1 볼록부에 이웃하는 제2 볼록부에 이르는 제1 바닥부까지 거리는 0.01 ㎛ ~ 5 ㎛ 이며,
상기 제1 볼록부의 직경과 상기 제1 바닥부의 거리는 1:1 ~ 1:2의 길이비를 가지는 것을 특징으로 하는 광학용 기판의 제조방법.
The method according to claim 1,
The nanopattern
The bottom portion and the convex portion of the substrate are alternately and repeatedly formed,
The distance from the first convex portion of the convex portion to the first bottom portion reaching the second convex portion adjacent to the first convex portion is from 0.01 mu m to 5 mu m,
Wherein a diameter of the first convex portion and a distance of the first bottom portion have a length ratio of 1: 1 to 1: 2.
상기 코팅층은 두께가 1 ~ 200 nm 인 것을 특징으로 하는 광학용 기판의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the coating layer has a thickness of 1 to 200 nm.
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