WO2016125934A1 - 발광소자 및 발광소자의 제조방법 - Google Patents

발광소자 및 발광소자의 제조방법 Download PDF

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light emitting
thin film
emitting device
photonic crystal
film structure
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PCT/KR2015/001209
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전헌수
민경택
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서울대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a light emitting device and a method for manufacturing the light emitting device, and more particularly to a light emitting device and a method for manufacturing a light emitting device comprising a photonic crystal fluorescent structure.
  • Fluorescence is a phenomenon in which a luminescent material absorbs energy of an excitation photon and emits photons having energy lower than that absorbed. This photoconversion phenomenon is applied to various optical devices such as light emitting devices, optical sensors, lasers and the lighting industry, and the case of being actively applied in real life is a method of manufacturing white LED.
  • fluorescence is used in a dichroic white LED fabricated by forming a layer of light emitting material emitting yellow light on an electrically driven light-emitting diode (LED) emitting blue light.
  • LED electrically driven light-emitting diode
  • Some of the blue light emitted from the blue LEDs excites the fluorescent material layer to emit yellow light, resulting in white LEDs emitting white light over a wide range of visible wavelength wavelengths.
  • Ultraviolet LEDs are used as excitation light sources to excite fluorescent materials emitting red, green, and blue light corresponding to the three primary colors to realize white color.
  • the development direction of the prior art for increasing the light conversion efficiency of the fluorescent material focuses only on changing the chemical properties of the fluorescent material itself.
  • the present invention is to solve various problems including the above problems, and relates to a light emitting device and a method of manufacturing the light emitting device that can improve the light conversion efficiency.
  • these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereby.
  • a light emitting device is a substrate; And a photonic crystal thin film structure in which a phosphor and a dielectric having a different refractive index than that of the phosphor are periodically arranged in the transverse direction of the substrate.
  • the lateral period of the photonic crystal thin film structure may be 1 micron or less.
  • the photonic crystal thin film structure has an optical band gap with respect to at least one specific crystal direction, and the direction of the wave vector of the photonic band-edge corresponding to the boundary of the optical band gap wavelength band
  • the photonic crystal thin film structure may be perpendicular to the traveling direction of photons emitted from an external excitation source perpendicular to the surface of the photonic crystal thin film structure.
  • the external excitation source may include a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD) that emits light in the ultraviolet or blue light wavelength range.
  • LED light emitting diode
  • LD laser diode
  • the absorption rate in the optical band edge wavelength band of the photonic crystal thin film structure may be higher than that of the thin film structure having a single layer structure.
  • the substrate may include at least one of, and transparent to the ultraviolet and visible light wavelength band, quartz (quarts), silicon dioxide (SiO 2), and sapphire (Al 2 O 3).
  • the phosphor may include at least one of a quantum dot, a ceramic material phosphor, and an organic dye.
  • the quantum dot is a 0-dimensional semiconductor nanoparticle, and may include at least one of cadmium selenide (CdSe), cadmium selenide / zinc sulfide (CdSe / ZnS), cadmium telluride (CdTe), and cadmium sulfide (CdS). have.
  • the ceramic material phosphor may include yag doped with cerium (Ce).
  • the organic dye may include rhodamine or fluorescein.
  • the dielectric may comprise nitride or oxide.
  • the nitride may include silicon nitride (Si 3 N 4 ) or gallium nitride (GaN).
  • the oxide may include at least one of titanium oxide (TiO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), and yttrium oxide (Y 2 O 3 ).
  • the light emitting element is an excitation source; And a photonic crystal thin film structure in which phosphors and dielectrics having different refractive indices different from the phosphors are alternately arranged at regular intervals on the excitation source, wherein the photonic crystal thin film structures are disposed in at least one specific crystal direction.
  • the excitation source is perpendicular to the surface of the photonic crystal thin film structure having an optical band gap with respect to the wavelength of the photonic band-edge corresponding to the boundary of the optical band gap wavelength band. May coincide with the direction of travel of the photons emitted from it.
  • a method of manufacturing a light emitting device includes forming a dielectric layer on a substrate; Etching the dielectric layer to form a dielectric layer pattern at regular intervals; And forming a phosphor layer between the dielectric layer patterns.
  • the etching may use a photo lithography method.
  • the phosphor layer may be formed using dispensing or spray coating.
  • FIG. 1 is a view schematically showing the structure of a light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view schematically showing the structure of a light emitting device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a process flowchart schematically showing a method of manufacturing a light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the results of computer simulation of an optical band structure on the basis of a unit cell of a light emitting device according to an experimental example and a comparative example of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing the intensity of an electromagnetic field in the photonic crystal region of the light emitting device according to the experimental example shown in (a) of FIG.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an absorption spectrum analysis result of a light emitting device according to Experimental Example and Comparative Example shown in FIG. 4.
  • first, second, etc. are used herein to describe various members, parts, regions, layers, and / or parts, these members, parts, regions, layers, and / or parts are defined by these terms. It is obvious that not. These terms are only used to distinguish one member, part, region, layer or portion from another region, layer or portion. Thus, the first member, part, region, layer or portion, which will be discussed below, may refer to the second member, component, region, layer or portion without departing from the teachings of the present invention.
  • top or “above” and “bottom” or “bottom” may be used herein to describe the relationship of certain elements to other elements as illustrated in the figures. It may be understood that relative terms are intended to include other directions of the device in addition to the direction depicted in the figures. For example, if the device is turned over in the figures, elements depicted as present on the face of the top of the other elements are oriented on the face of the bottom of the other elements. Thus, the exemplary term “top” may include both “bottom” and “top” directions depending on the particular direction of the figure. If the device faces in the other direction (rotated 90 degrees relative to the other direction), the relative descriptions used herein can be interpreted accordingly.
  • FIG. 1 is a view schematically showing the structure of a light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • the light emitting device 100 may form a photonic crystal thin film structure 20 on a substrate 11.
  • the substrate 11 may include a transparent base material in the UV and visible light wavelength band, the substrate 11 is, for example, quartz (quarts), silicon dioxide (SiO 2), and sapphire (Al 2 O 3) It may include at least one of.
  • the photonic crystal thin film structure 20 may include a phosphor 12 and a dielectric 13.
  • the dielectric 13 may have a different refractive index than the phosphor 12.
  • the phosphor 12 and the dielectric 13 may be alternately arranged periodically in the transverse direction of the substrate 11.
  • the lateral direction means a direction perpendicular to the thickness direction of the substrate 11.
  • the phosphor 12 may include, for example, at least one of a quantum dot, a ceramic material phosphor, and an organic dye.
  • the quantum dots are, for example, zero-dimensional semiconductor nanoparticles, and include at least one of cadmium selenide (CdSe), cadmium selenide / zinc sulfide (CdSe / ZnS), cadmium telluride (CdTe), and cadmium sulfide (CdS). It may include.
  • the ceramic material phosphor may include, for example, yag doped with cerium (Ce).
  • the organic dye may include, for example, rhodamine or fluorescein.
  • the dielectric 13 may include, for example, nitride or oxide.
  • the nitride may include, for example, silicon nitride (Si 3 N 4 ) or gallium nitride (GaN).
  • the oxide may include, for example, at least one of titanium oxide (TiO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), and yttrium oxide (Y 2 O 3 ).
  • the photonic crystal refers to a structure in which two or more materials having different refractive indices are arranged with periodicity. According to the direction of the periodicity, there are three kinds of photonic crystal structures of one, two, and three dimensions.
  • the photonic crystal has a unique photonic band structure that indicates a dispersion relation between the photon frequency and the wave vector, depending on the refractive index and the period of the constituent material.
  • the optical band structure for a specific photonic crystal structure there may be a photonic band-gap wavelength band in which photons having a wavelength of a specific band do not travel in at least one specific crystal direction.
  • the optical bandgap characteristic of the photonic crystal may be used in the construction of an ultra-compact optical device such as an optical cavity and an optical waveguide.
  • the group velocity of photons passing through the inside of the photonic crystal structure approaches zero, There is an optical band edge effect characteristic that the interaction of the material constituting the photonic crystal structure is increased.
  • the above two optical properties can be applied to the development of various optical devices.
  • the photonic crystal thin film structure 20 may have a unique optical band structure along a periodic direction, and in particular, the photonic crystal thin film structure 20 may have an optical band gap with respect to at least one specific crystal direction. have. That is, the photonic crystal thin film structure 20 may have optical band gap and optical band edge characteristics in a specific wavelength band.
  • the wavelength band of the optical band gap and the optical band edge is determined by the thickness of the photonic crystal thin film structure 20, the period of the photonic crystal, and the refractive indices of the respective materials (the base material 11, the phosphor 12, and the dielectric 13). Is determined.
  • the group velocity of the excitation photon is changed by the optical band thin film structure 20 due to the optical band edge effect. It can be close to zero internally. In this case, energy may be more effectively transmitted to the dielectric 13 and the phosphor 12 constituting the photonic crystal thin film structure 20.
  • the photons may be emitted from an external excitation source of the light emitting device 100, and the external excitation source may include a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD) that emits light in the ultraviolet or blue light wavelength range. can do.
  • the incidence direction of the excitation photon (P_ext) is not limited to the direction depicted in FIG. 1, and may be incident in the opposite direction to that depicted.
  • the absolute value of the electromagnetic wave function representing the distribution probability of the excitation photons may be significantly higher in the region in which the photonic crystal thin film structure 20 is present. More specifically, for efficient coupling between the optical band edge mode of the photonic crystal thin film structure 20 and the excitation photons, the wave vectors of the optical band edge mode and the traveling direction of the excitation photons should coincide with each other.
  • the direction of the waveguide vector of the optical band edge mode is perpendicular to the photonic crystal thin film structure 20.
  • the optical band edge mode which should be the phosphorus longitudinal direction (the thickness direction of the substrate 11) and satisfying the above conditions is a gamma point optical band edge mode ( ⁇ -point PBE mode) in which a transverse component does not exist in the wavenumber vector.
  • the transverse periodicity may be, for example, about 1 micron or less.
  • the light emitting device 100 includes the photonic crystal thin film structure 20 so that the absorption rate in the optical band edge wavelength band of the thin film structure is formed by the photonic crystal thin film structure 20. It is relatively higher than the absorption rate can obtain the effect of improving the luminous efficiency of the light emitting device (100).
  • FIG. 2 is a view schematically showing the structure of a light emitting device according to another embodiment of the present invention.
  • the light emitting device 200 may have the same structure as the light emitting device 100 described above with reference to FIG. 1.
  • the light emitting device 200 includes an excitation source 21 and a photonic crystal thin film structure 20 in which the phosphor 12 and the dielectric 13 are alternately disposed at regular intervals on the excitation source 21. can do.
  • the excitation source 21 may be used in place of the substrate 11 of the light emitting device 100 described above with reference to FIG. 1, for example, the same as the excitation source of the above-described embodiment may be used. That is, it may include a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD) for emitting light in the ultraviolet or blue light wavelength range. White light may be emitted to the outside by exciting the photonic crystal thin film structure 20 by photons emitted from the excitation source 21 of the light emitting device 200.
  • a light emitting diode LED
  • LD laser diode
  • White light may be emitted to the outside by exciting the photonic crystal thin film structure 20 by photons emitted from the excitation source 21 of the light emitting device 200.
  • Detailed descriptions of the phosphor 12 and the dielectric 13 are the same as those described above with reference to FIG.
  • FIG. 3 is a process flowchart schematically showing a method of manufacturing a light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • a method of manufacturing a light emitting device includes forming a dielectric layer on a substrate (S100), etching the dielectric layer to form a dielectric layer pattern at regular intervals (S200), and a dielectric layer. Forming a phosphor layer between the patterns may include a step (S300).
  • the dielectric layer After depositing a dielectric layer having a thickness of micron or sub-micron units on a substrate, the dielectric layer may be etched to form a dielectric layer pattern.
  • the etching method may use a photo lithography method.
  • the photolithography etching method is a well known technique, and a detailed description thereof will be omitted.
  • a phosphor layer may be formed between the dielectric layer patterns.
  • the composition of the phosphor should basically conform to stoichiometry, and each element may be substituted with another element in each group on the periodic table.
  • strontium (Sr) is barium (Ba), calcium (Ca), or magnesium (Mg) of alkali group (II), and yttrium (Y) is lanthanum terbium (Tb), ruthenium (Lu), Substitution is possible with scandium (Sc) or gadolinium (Gd).
  • Eu which is an activator
  • Ce cerium
  • Tb terbium
  • Pr preseodymium
  • Er erbium
  • Yb ytterbium
  • the coating method of the phosphor may be one of a method of spraying on a large LED chip or a light emitting device, a method of covering in a film form, or a method of attaching a sheet form such as a film or a ceramic phosphor.
  • the dispensing method includes a pneumatic method and a mechanical method such as a screw and a linear type. It is also possible to control the dotting amount through the micro-discharge and the color coordinate control through the jetting method.
  • the method of collectively applying the phosphor on the wafer level or the head substrate in a spray manner may facilitate productivity and thickness control.
  • the method of directly covering the light emitting device or the LED chip in the form of a film may be applied by electrophoresis, screen printing, or molding of a phosphor, and may have a difference in a corresponding method depending on necessity of application of the side of the LED chip.
  • two or more kinds of phosphor layers having different emission wavelengths can be distinguished in order to control the efficiency of long-wavelength phosphors that reabsorb light emitted from short wavelengths.
  • a DBR layer may be included between each layer to minimize absorption and interference.
  • the phosphor may be formed in a film or ceramic form, and then attached to the LED chip or the light emitting device.
  • the light conversion material may be positioned in a remote type, and the light conversion material may be located together with a light-transmitting polymer, glass, etc. according to durability and heat resistance.
  • the thickness and the period of the one-dimensional or two-dimensional photonic crystal thin film structure in the transverse direction of the substrate or the excitation source can be easily determined according to the wavelength band of the constituent material and the excitation light source to be optimized.
  • the thickness of the photonic crystal is about 50 nm, the period may be about 300 nm is appropriate.
  • FIG. 4 is a diagram showing the results of computer simulation of the optical band structure on the basis of the unit cell of the light emitting device according to the experimental and comparative examples of the present invention.
  • the unit cell of the light emitting device shown in FIGS. 4A and 4B is an experimental example of the present invention
  • the unit cell of the light emitting device shown in FIG. 4C. (unit cell) is a comparative example of the present invention.
  • quartz or silicon dioxide (SiO 2 ) was used as a base material, and a thin film having a thickness of about 50 nm was formed on the base material.
  • the excitation photons of all the unit cells were excited using a blue-based excitation light source having a center wavelength of about 440 nm.
  • the experimental example of the present invention relates to a unit cell 100a of a light emitting device in which a phosphor and a dielectric having different refractive indices different from the phosphor are alternately disposed on the base material at regular intervals to form a photonic crystal thin film structure.
  • the comparative example of the present invention relates to a unit cell 100b of a light emitting device in which phosphors are formed in a single layer thin film on the base material.
  • the unit cell (100b) of the light emitting device according to the comparative example of the present invention is a single layer structure consisting of only the phosphor 12, the light emitting device according to the experimental example of the present invention Unlike the case of the unit cell 100a, the optical band gap is not shown.
  • FIG. 5 is a view showing the intensity of the electromagnetic field in the photonic crystal region of the light emitting device according to the experimental example shown in (a) of Figure 4
  • Figure 6 is a view of the light emitting device according to the experimental example and comparative example shown in FIG. It is a figure which shows the result of an absorption spectrum analysis.
  • the results of the computer simulation of the electromagnetic field intensity in the gamma point optical band edge wavelength band of the unit cell 100a of the light emitting device according to the experimental example of the present invention show a region of 1D photonic crystal thin film structure. It can be seen from the strong electromagnetic field strength. More specifically, the characteristics of the gamma point optical band edge mode can be quantified by a well-known calculation method and a standardized Q-factor. The lower the value of the cue index, the more the photons outside the structure and the inside of the structure. It is advantageous for the coupling of electromagnetic field modes. Therefore, in the structure of the present example, the PBE2 mode, which appears at a relatively high frequency or short wavelength band, has a lower cue index value than the PBE1 mode, and is more advantageous to excite the phosphor.
  • the unit cell 100b of the light emitting device illustrated in (c) of FIG. 4 that is, a case in which a fluorescent material is not formed but simply coated in a single layer thin film form
  • FIG. In the case of including the one-dimensional photonic crystal thin film structure in the transverse direction of the base cell 11, that is, the base material 11 of the light emitting device shown in (a) of FIG. You can check.
  • Absorption rate in the optical band edge wavelength band of the unit cell 100a of the light emitting device shown in FIG. 4A is absorbance in the single layer structure of the unit cell 100b of the light emitting device shown in FIG. It can be seen that more than several times higher. Referring to FIG.
  • the optical band edge wavelength bands optimized by the excitation photons are about 426 nm, 440 nm, It corresponds to 454 nm and 468 nm.
  • a result of calculating the absorption amount due to the imaginary refractive index or the absorption coefficient of the fluorescent material on a scale representing the degree of efficient excitation of the fluorescent material is determined using a finite difference time domain (FDTD). It is presented by computer simulation.
  • FDTD finite difference time domain
  • the photonic crystal thin film structure proposed in the present invention by comparing the absorption spectrum of the photonic crystal thin film structure proposed in the present invention with the case of coating in the form of a thin film of a simple uniform single layer made of only a fluorescent material using conventional techniques, the photonic crystal thin film structure The increase in the excitation photon absorption and the photoconversion efficiency of the phosphor due to the optical band edge effect can be predicted.
  • efficient excitation can occur when the direction of the wave vector in the optical band edge mode coincides with the traveling direction of the external excitation photons perpendicular to the surface of the thin film.
  • the light emitting device implemented by the above-described method can be utilized in various industrial fields used as a combination of a light source and a fluorescent material, such as the LED lighting industry and the display industry.

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Abstract

본 발명은 기판; 및 상기 기판 상에 형광체 및 상기 형광체와 상이한 굴절률을 가진 유전체가 상기 기판의 횡방향으로 주기적으로 배열된 광자결정(photonic crystal) 박막구조체;를 포함하거나 여기원; 및 상기 여기원 상에 형광체 및 상기 형광체와 상이한 굴절률을 가진 유전체가 일정한 간격으로 서로 번갈아 배치된 광자결정(photonic crystal) 박막구조체;를 포함하고, 상기 광자결정 박막구조체는 적어도 하나 이상의 특정 결정 방향에 대해 광밴드갭을 가지고, 상기 광밴드갭 파장 대역의 경계에 해당하는 광밴드에지(photonic band-edge)의 파수벡터(wave vector)의 방향이 상기 광자결정 박막구조체의 표면에 수직하여 상기 여기원으로부터 방출된 광자의 진행방향과 일치하는, 발광소자 및 기판 상에 유전체층을 형성하는 단계; 상기 유전체층을 식각하여 일정한 간격의 유전체층 패턴(pattern)을 형성하는 단계; 및 상기 유전체층 패턴 사이에 형광체층을 형성하는 단계;를 포함하는, 발광소자의 제조방법을 제공한다.

Description

발광소자 및 발광소자의 제조방법
본 발명은 발광소자 및 발광소자의 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 광자결정 형광 구조체를 포함하는 발광소자 및 발광소자의 제조방법에 관한 것이다.
형광(fluorescence)이란 발광 물질이 여기 광자의 에너지를 흡수하여 흡수한 에너지보다 낮은 에너지를 가지는 광자를 방출하는 현상이다. 이러한 광변환 현상은 발광소자, 광센서, 레이저 등 다양한 광소자 및 조명 산업 분야에 응용되고 있으며, 실생활에서 활발하게 적용되는 경우로는 백색 LED의 제작 방법이 대표적이다.
특히, 청색광을 방출하는 전기 구동 LED(Light-emitting diode) 위에 황색광을 방출하는 발광 물질 층을 형성하여 제작된 2색성 백색 LED에 형광 현상이 이용된다. 청색 LED에서 방출된 청색광 일부가 형광 물질 층을 여기 시켜 황색광을 방출하게 되고, 그 결과 광범위한 가시광선 파장 대역에서 백색광을 방출하는 백색 LED를 제작할 수 있다. 자외선을 방출하는 LED를 여기 광원으로 사용하여 삼원색에 해당하는 적색, 녹색, 청색의 빛을 방출하는 형광 물질을 여기 시켜 백색을 구현하는 방법도 형광 현상에 기반한 3색성 백색 LED 제작에 사용된다. 형광 물질의 광변환 효율을 증가시키기 위한 종래 기술의 발전 방향은 형광 물질 자체의 화학적 물성을 변화시키는 데에만 초점을 맞추고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 광변환 효율을 개선할 수 있는 발광소자 및 발광소자의 제조방법에 관한 것이다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 발광소자를 제공한다. 상기 발광소자는 기판; 및 상기 기판 상에 형광체 및 상기 형광체와 상이한 굴절률을 가진 유전체가 상기 기판의 횡방향으로 주기적으로 배열된 광자결정(photonic crystal) 박막구조체;를 포함할 수 있다.
상기 광자결정 박막구조체의 횡방향 주기가 1 마이크론(micron) 이하일 수 있다.
상기 광자결정 박막구조체는 적어도 하나 이상의 특정 결정 방향에 대해 광밴드갭을 가지고, 상기 광밴드갭 파장 대역의 경계에 해당하는 광밴드에지(photonic band-edge)의 파수벡터(wave vector)의 방향이 상기 광자결정 박막구조체의 표면에 수직하여 외부 여기원으로부터 방출된 광자의 진행방향과 일치할 수 있다.
상기 외부 여기원은 자외선 또는 청색광 파장 대역의 범위에서 빛을 방출하는 발광다이오드(LED) 또는 레이저다이오드(LD)를 포함할 수 있다.
상기 광자결정 박막구조체의 상기 광밴드에지 파장 대역에서의 흡수율이 단층구조로 이루어진 박막구조체의 흡수율보다 더 높을 수 있다.
상기 기판은 자외선 및 가시광선 파장 대역에서 투명하며, 쿼츠(quarts), 이산화규소(SiO2) 및 사파이어(Al2O3) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 형광체는 양자점(quantum dot), 세라믹 소재 형광체 및 유기염료 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 양자점은 0차원의 반도체 나노입자로서, 카드뮴셀레나이드(CdSe), 카드뮴셀레나이드/황화아연(CdSe/ZnS), 카드뮴텔루라이드(CdTe) 및 황화카드뮴(CdS) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 세라믹 소재 형광체는 세륨(Ce)이 도핑된 야그(YAG)를 포함할 수 있다.
상기 유기염료는 로다민(rhodamine) 또는 플루오레신(fluorescein)을 포함할 수 있다.
상기 유전체는 질화물 또는 산화물을 포함할 수 있다.
상기 질화물은 질화규소(Si3N4) 또는 질화갈륨(GaN)을 포함할 수 있다.
상기 산화물은 산화티타늄(TiO2), 산화지르코늄(ZrO2) 및 산화이트륨(Y2O3) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 상기 발광소자는 여기원; 및 상기 여기원 상에 형광체 및 상기 형광체와 상이한 굴절률을 가진 유전체가 일정한 간격으로 서로 번갈아 배치된 광자결정(photonic crystal) 박막구조체;를 포함하고, 상기 광자결정 박막구조체는 적어도 하나 이상의 특정 결정 방향에 대해 광밴드갭을 가지고, 상기 광밴드갭 파장 대역의 경계에 해당하는 광밴드에지(photonic band-edge)의 파수벡터(wave vector)의 방향이 상기 광자결정 박막구조체의 표면에 수직하여 상기 여기원으로부터 방출된 광자의 진행방향과 일치할 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 발광소자의 제조방법을 제공한다. 상기 발광소자의 제조방법은 기판 상에 유전체층을 형성하는 단계; 상기 유전체층을 식각하여 일정한 간격의 유전체층 패턴(pattern)을 형성하는 단계; 및 상기 유전체층 패턴 사이에 형광체층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 식각은 포토리소그라피(photo lithography) 방법을 이용할 수 있다.
상기 형광체층은 디스펜싱 또는 스프레이 코팅을 이용하여 형성할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광자결정의 광밴드에지 효과에 의한 여기 광자 흡수율 및 형광체의 광변환 효율을 개선할 수 있는 발광소자 및 발광소자의 제조방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 개략적으로 도시한 공정순서도이다.
도 4는 본 발명의 실험예 및 비교예에 따른 발광소자의 단위셀을 기준으로 광밴드구조를 전산모사한 결과를 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 (a)에 도시된 실험예에 따른 발광소자의 광자결정 영역에서 전자기장의 세기를 도시한 도면이다.
도 6은 도 4에 도시된 실험예 및 비교예에 따른 발광소자의 흡수 스펙트럼 분석 결과를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 접합하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에", "직접 연결되어", 또는 "직접 커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 소자가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자(100)는 기판(11) 상에 광자결정(photonic crystal) 박막구조체(20)를 형성할 수 있다. 기판(11)은 자외선 및 가시광선 파장 대역에서 투명한 기저물질을 포함할 수 있으며, 상기 기판(11)은 예를 들면, 쿼츠(quarts), 이산화규소(SiO2) 및 사파이어(Al2O3) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
광자결정 박막구조체(20)는 형광체(12)와 유전체(13)를 포함할 수 있다. 유전체(13)는 형광체(12)와 상이한 굴절률을 가질 수 있다. 형광체(12)와 유전체(13)는 기판(11)의 횡방향으로 주기적으로 번갈아 배열될 수 있다. 여기서, 횡방향이라 함은 기판(11)의 두께 방향과 수직한 방향을 뜻한다. 형광체(12)는 예를 들면, 양자점(quantum dot), 세라믹 소재 형광체 및 유기염료 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 양자점은 예를 들면, 0차원의 반도체 나노입자로서, 카드뮴셀레나이드(CdSe), 카드뮴셀레나이드/황화아연(CdSe/ZnS), 카드뮴텔루라이드(CdTe) 및 황화카드뮴(CdS) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 세라믹 소재 형광체는 예를 들면, 세륨(Ce)이 도핑된 야그(YAG)를 포함할 수 있다. 상기 유기염료는 예를 들면, 로다민(rhodamine) 또는 플루오레신(fluorescein)을 포함할 수 있다.
한편, 유전체(13)는 예를 들면, 질화물 또는 산화물을 포함할 수 있다. 상기 질화물은 예를 들면, 질화규소(Si3N4) 또는 질화갈륨(GaN)을 포함할 수 있다. 상기 산화물은 예를 들면, 산화티타늄(TiO2), 산화지르코늄(ZrO2) 및 산화이트륨(Y2O3) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 광자결정(photonic crystal)이란, 굴절률이 서로 다른 두 가지 이상의 물질이 주기성을 가지고 배열된 구조를 의미한다. 상기 주기성의 방향에 따라서 1차원, 2차원 및 3차원의 세가지 종류의 광자결정 구조가 존재한다. 상기 광자결정은 구성 물질의 굴절률 및 주기에 따라서 광자의 주파수(ω)와 파수벡터(wave vector) 사이의 분산 관계(dispersion relation)를 나타내는 고유의 광밴드구조(photonic band structure)를 가지고 있다.
또한, 특정 광자결정 구조에 대한 광밴드구조 내부에서는 적어도 하나 이상의 특정 결정 방향으로 특정 대역의 파장을 가진 광자가 진행하지 못하는 광밴드갭(photonic band-gap) 파장 대역이 존재할 수 있다. 상기 광자결정의 광밴드갭 특성은 광공진기(optical cavity), 광도파로(optical waveguide) 등의 초소형 광소자 구성에 이용될 수 있다.
한편, 상기 광밴드갭 파장 대역의 경계에 해당하는 광밴드에지(photonic band-edge) 파장 대역에서는 광자결정 구조의 내부를 통과하는 광자의 그룹속도(group velocity)가 0에 가까워지면서, 상기 광자와 상기 광자결정 구조를 이루는 물질의 상호 작용이 증가하는 광밴드에지 효과 특성이 있다. 상술한 두 가지 광학 특성은 다양한 광소자의 개발에 응용될 수 있다.
따라서 상술한 바와 같이, 광자결정 박막구조체(20)는 주기방향을 따라 고유의 광밴드구조가 나타나며, 특히, 광자결정 박막구조체(20)는 적어도 하나 이상의 특정 결정 방향에 대해 광밴드갭을 가질 수 있다. 즉, 광자결정 박막구조체(20)는 특정 파장 대역에서 광밴드갭 및 광밴드에지 특성이 존재할 수 있다. 상기 광밴드갭 및 광밴드에지의 파장 대역은 광자결정 박막구조체(20)의 두께, 광자결정의 주기 및 각 물질(기저물질(11), 형광체(12) 및 유전체(13))의 굴절률에 의해 결정된다.
예를 들어, 상기 광밴드에지 파장 대역을 가진 여기 광자로 형광체(12)를 여기시키는 경우, 상기 광밴드에지 효과에 의하여 상기 여기 광자의 그룹속도(group velocity)가 광자결정 박막구조체(20)의 내부에서 0에 가까워질 수 있다. 이 때, 광자결정 박막구조체(20)를 이루는 유전체(13) 및 형광체(12)에 보다 효과적으로 에너지를 전달할 수 있다. 여기서 상기 광자는 발광소자(100)의 외부 여기원으로부터 방출된 것일 수 있으며, 상기 외부 여기원은 자외선 또는 청색광 파장 대역의 범위에서 빛을 방출하는 발광다이오드(LED) 또는 레이저다이오드(LD)를 포함할 수 있다. 단, 상기 여기 광자의 입사 방향은(P_ext) 도 1에 묘사된 방향에 한정되지 않으며, 묘사된 것과 반대 방향에서 입사하여도 무방하다.
또한, 상기 여기 광자의 분포 확률을 나타내는 전자기파 파동 함수의 절대값이, 광자결정 박막구조체(20)가 존재하는 영역에서 현저히 높게 나타날 수 있다. 좀 더 구체적으로, 광자결정 박막구조체(20)의 광밴드에지 모드와 여기 광자와의 효율적인 커플링(coupling)을 위해서는 광밴드에지 모드의 파수벡터와 여기 광자의 진행 방향이 일치하여야 한다.
한편, 횡방향 주기성을 가진 광자결정 박막구조체(20)의 광밴드에지 모드의 파수 벡터와 여기 광자의 진행 방향이 일치하려면 광밴드에지 모드의 파수 벡터의 방향은 광자결정 박막구조체(20)에 수직인 종방향(상기 기판(11)의 두께 방향)이어야 하며, 상기 조건을 만족하는 광밴드에지 모드는 파수 벡터에 횡방향 성분이 존재하지 않는 감마 포인트 광밴드에지 모드(Γ-point PBE mode)이다. 여기서, 상기 횡방향 주기성은 예를 들어, 약 1 마이크론(micron) 이하일 수 있다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자(100)는 광자결정 박막구조체(20)를 포함함으로써 광자결정 박막구조체(20)에 의해 광밴드에지 파장 대역에서의 흡수율이 단층구조로 이루어진 박막구조체의 흡수율보다 상대적으로 더 높아 발광소자(100)의 발광효율이 개선된 효과를 얻을 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자(200)는 도 1을 참조하여 상술한 발광소자(100)와 동일한 구조를 가질 수 있다. 발광소자(200)는 여기원(21) 및 상기 여기원(21) 상에 형광체(12) 및 유전체(13)가 일정한 간격으로 서로 번갈아 배치된 광자결정(photonic crystal) 박막구조체(20)를 포함할 수 있다.
또한, 여기원(21)은 도 1을 참조하여 상술한 발광소자(100)의 기판(11)을 대체하여 사용가능하며, 예를 들면, 전술한 일 실시예의 여기원과 동일한 것을 사용할 수 있다. 즉, 자외선 또는 청색광 파장 대역의 범위에서 빛을 방출하는 발광다이오드(LED) 또는 레이저다이오드(LD)를 포함할 수 있다. 발광소자(200)의 여기원(21)에서 방출되는 광자에 의해서 광자결정 박막구조체(20)를 여기시킴으로써 외부로 백색 광을 방출할 수 있다. 형광체(12) 및 유전체(13)에 대한 상세한 설명은 도 1을 참조하여 상술한 내용과 동일하므로 생략한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 개략적으로 도시한 공정순서도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자의 제조방법은 기판 상에 유전체층을 형성하는 단계(S100), 유전체층을 식각하여 일정한 간격으로 유전체층 패턴을 형성하는 단계(S200) 및 유전체층 패턴 사이에 형광체층을 형성하는 단계(S300)를 포함할 수 있다.
기판 상에 마이크론(micron) 또는 서브마이크론(sub-micron) 단위의 두께로 유전체층을 증착한 후 상기 유전체층을 식각하여 유전체층 패턴(pattern)을 형성할 수 있다. 상기 식각 방법은 포토리소그라피(photo lithography) 방법을 이용할 수 있다. 상기 포토리소그라피 식각 방법은 널리 공지된 기술로써 상세한 설명은 생략한다.
상기 유전체층 패턴 사이에 형광체층을 형성할 수 있다. 여기서, 상기 형광체의 조성은 기본적으로 화학양론(Stoichiometry)에 부합하여야 하며, 각 원소들은 주기율표상 각 족들 내 다른 원소로 치환이 가능하다. 예를 들어 스트론튬(Sr)은 알카리토류(II)족의 바륨(Ba), 칼슘(Ca) 또는 마그네슘(Mg) 등으로, 이트륨(Y)은 란탄계열의 터븀(Tb), 루테늄(Lu), 스칸듐(Sc) 또는 가돌리늄(Gd) 등으로 치환이 가능하다. 또한 활성제인 Eu 등은 원하는 에너지 준위에 따라 세륨(Ce), 터븀(Tb), 프리세오디뮴(Pr), 어븀(Er) 또는 이터븀(Yb) 등으로 치환이 가능하며, 활성제 단독 또는 특성 변형을 위해 부활성제등이 추가로 적용될 수 있다.
또한, 상기 형광체의 도포 방식은 크게 LED 칩 또는 발광소자에 뿌리는 방식, 또는 막 형태로 덮는 방식, 필름 또는 세라믹 형광체 등의 시트 형태를 부착하는 방식 중 하나를 사용 할 수 있다.
뿌리는 방식으로는 디스펜싱, 스프레이 코팅 등이 일반적이며 디스펜싱은 공압방식과 스크류(Screw), 리니어 타입(Linear type) 등의 기계적 방식을 포함한다. 제팅(Jetting) 방식으로 미량 토출을 통한 도팅량 제어 및 이를 통한 색좌표 제어도 가능하다. 웨이퍼 레벨 또는 헤드 기판상에 스프레이 방식으로 형광체를 일괄 도포하는 방식은 생산성 및 두께 제어가 용이할 수 있다.
발광소자 또는 LED 칩 위에 막 형태로 직접 덮는 방식은 전기영동, 스크린 프린팅 또는 형광체의 몰딩 방식으로 적용될 수 있으며 LED 칩 측면의 도포 유무 필요에 따라 해당 방식의 차이점을 가질 수 있다.
발광 파장이 다른 2종 이상의 형광체 중 단파장에서 발광하는 광을 재 흡수하는 장파장 발광 형광체의 효율을 제어하기 위하여 발광 파장이 다른 2종 이상의 형광체층을 구분할 수 있으며, LED 칩과 형광체 2종 이상의 파장 재흡수 및 간섭을 최소화하기 위하여 각 층 사이에 DBR층을 포함 할 수 있다.
균일 도포막을 형성하기 위하여 형광체를 필름 또는 세라믹 형태로 제작 후 LED 칩 또는 발광소자 위에 부착할 수 있다. 광 효율, 배광 특성에 차이점을 주기 위하여 리모트 형식으로 광변환 물질을 위치할 수 있으며, 이 때 광변환 물질은 내구성, 내열성에 따라 투광성 고분자, 유리등의 물질 등과 함께 위치할 수 있다.
또한, 상기 기판 또는 여기원의 횡방향으로 1차원적 또는 2차원적 광자결정 박막구조체의 두께 및 주기는 구성물질 및 최적화를 원하는 여기 광원의 파장 대역에 따라 용이하게 결정될 수 있다. 예를 들면, 여기광자의 중심 파장이 약 440㎚ 대역에 해당하는 청색 계열의 여기 광원을 사용하여 쿼츠 기판 위에 양자점 및 질화규소를 횡방향 1차원 광자결정 형광구조체를 여기시키는 경우, 광자결정의 두께는 약 50㎚, 주기는 약 300㎚가 적절할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 상술한 기술적 사상을 적용한 실험예를 설명한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예에 의해서 한정되는 것은 아니다.
도 4는 본 발명의 실험예 및 비교예에 따른 발광소자의 단위셀을 기준으로 광밴드구조를 전산모사한 결과를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 도 4의 (a) 및 (b)에 도시된 발광소자의 단위셀(unit cell)은 본 발명의 실험예이며, 도 4의 (c)에 도시된 발광소자의 단위셀(unit cell)은 본 발명의 비교예이다. 모든 단위셀들에서 기저물질로 쿼츠(quarts) 또는 이산화규소(SiO2)를 사용하고, 상기 기저물질 상에 두께 약 50㎚ 크기의 박막을 형성하였다. 또, 모든 단위셀들에서 여기 광자의 중심 파장이 약 440㎚ 대역에 해당하는 청색 계열의 여기 광원을 사용하여 여기시켰다.
구체적으로, 본 발명의 실험예는 상기 기저물질 상에 형광체 및 상기 형광체와 상이한 굴절률을 가지는 유전체를 일정한 간격으로 서로 번갈아 배치시켜 광자결정 박막구조체를 형성한 발광소자의 단위셀(100a)에 관한 것이며, 본 발명의 비교예는 상기 기저물질 상에 형광체를 단층(single layer)의 박막 형태로 형성한 발광소자의 단위셀(100b)에 관한 것이다.
도 4의 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 발명의 실험예에 의한 광자결정 박막구조체를 포함하는 단위셀(100a)을 기준으로 광밴드구조를 전산모사(simulation)하였을 때, 파수 벡터 k의 횡방향 성분(kx)이 0인 감마 포인트 광밴드에지 모드에 해당하는 파장(PBE1, PBE2)을 용이하게 알 수 있다.
한편, 도 4의 (c)를 참조하면, 본 발명의 비교예에 의한 발광소자의 단위셀(100b)의 경우는 형광체(12)만으로 이루어진 단일층 구조로서, 본 발명의 실험예에 의한 발광소자의 단위셀(100a)의 경우와 다르게 광밴드갭 특성을 보이지 않는다.
도 5는 도 4의 (a)에 도시된 실험예에 따른 발광소자의 광자결정 영역에서 전자기장의 세기를 도시한 도면이고, 도 6은 도 4에 도시된 실험예 및 비교예에 따른 발광소자의 흡수 스펙트럼 분석 결과를 도시한 도면이다.
먼저, 도 5를 참조하면, 본 발명의 실험예에 의한 발광소자의 단위셀(100a)에 상기 감마 포인트 광밴드에지 파장 대역에서의 전자기장 세기의 전산모사 결과를 살펴보면, 1차원 광자결정 박막구조체 영역에서 전자기장 세기가 강하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 좀 더 구체적으로, 감마 포인트 광밴드에지 모드의 특성은 계산 방법이 널리 알려져 있고 표준화된 큐 지수(Q-factor)로 수치화할 수 있는데, 상기 큐 지수의 값이 낮을수록 구조 외부의 광자와 구조 내부의 전자기장 모드의 커플링에 유리하다. 따라서 본 실험예에서 제시한 구조의 경우 상대적으로 높은 주파수, 혹은 짧은 파장 대역에서 나타나는 PBE2 모드가 PBE1 모드에 비해 상대적으로 큐 지수의 값이 낮고, 형광체를 여기시키는데 더욱 유리하다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 도 4의 (c)에 도시된 발광소자의 단위셀(100b), 즉, 형광 물질을 구조화하지 않고 단순히 단층(single layer)의 박막 형태로 도포한 경우와 도 4의 (a)에 도시된 발광소자의 단위셀(100a), 즉, 기저물질(11)의 횡방향으로 1차원 광자결정 박막구조체를 포함할 경우, 각각의 흡수 스펙트럼을 비교하면 다음과 같은 결과를 확인할 수 있다. 도 4의 (a)에 도시된 발광소자의 단위셀(100a)의 광밴드에지 파장 대역에서의 흡수율이 도 4의 (c)에 도시된 발광소자의 단위셀(100b)의 단층 구조에서의 흡수율보다 수 배 이상 높아지는 것을 확인할 수 있다. 도 4의 (b)를 다시 참조하면, 광자결정의 주기가 약 290㎚, 300㎚, 310㎚, 320㎚의 경우 여기 광자에 의해 최적화된 광밴드에지 파장 대역은 각각 약 426㎚, 440㎚, 454㎚, 468㎚에 해당한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 형광 물질의 효율적인 여기 정도를 나타내는 척도로 형광 물질의 허수 굴절률 혹은 흡수계수에 의한 흡수량(absorbance) 계산 결과를 시간영역 유한차분법(Finite Difference Time Domain;FDTD)으로 전산모사(simulation)하여 제시한다.
한편, 종래의 기술을 이용하여 형광 물질만으로 이루어진 단순 균일한 단층(single layer)의 박막 형태로 도포한 경우와 본 발명에서 제안된 광자결정 박막 구조 각각의 흡수 스펙트럼을 비교함으로써, 광자결정 박막구조체의 광밴드에지 효과에 의한 여기 광자 흡수율 및 형광체의 광변환 효율의 증가를 예측할 수 있다.
특히, 광밴드에지 모드(mode)의 파수벡터(wave vector)의 방향이 박막의 표면에 수직하여 외부 여기 광자의 진행 방향과 일치하는 경우에 효율적인 여기가 일어날 수 있다. 상술한 방법으로 구현된 발광소자는 LED 조명 산업 분야, 디스플레이 산업 분야 등 광원과 형광 물질의 조합으로 이용되는 다양한 산업 분야에 활용이 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (17)

  1. 기판; 및
    상기 기판 상에 형광체 및 상기 형광체와 상이한 굴절률을 가진 유전체가 상기 기판의 횡방향으로 주기적으로 배열된 광자결정(photonic crystal) 박막구조체;
    를 포함하는, 발광소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광자결정 박막구조체의 횡방향 주기가 1 마이크론(micron) 이하인, 발광소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광자결정 박막구조체는 적어도 하나 이상의 특정 결정 방향에 대해 광밴드갭을 가지고, 상기 광밴드갭 파장 대역의 경계에 해당하는 광밴드에지(photonic band-edge)의 파수벡터(wave vector)의 방향이 상기 광자결정 박막구조체의 표면에 수직하여 외부 여기원으로부터 방출된 광자의 진행방향과 일치하는,
    발광소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 외부 여기원은 자외선 또는 청색광 파장 대역의 범위에서 빛을 방출하는 발광다이오드(LED) 또는 레이저다이오드(LD)를 포함하는, 발광소자.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 광자결정 박막구조체의 상기 광밴드에지 파장 대역에서의 흡수율이 단층구조로 이루어진 박막구조체의 흡수율보다 더 높은, 발광소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 자외선 및 가시광선 파장 대역에서 투명하며, 쿼츠(quarts), 이산화규소(SiO2) 및 사파이어(Al2O3) 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 발광소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 형광체는 양자점(quantum dot), 세라믹 소재 형광체 및 유기염료 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 발광소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 양자점은 0차원의 반도체 나노입자로서, 카드뮴셀레나이드(CdSe), 카드뮴셀레나이드/황화아연(CdSe/ZnS), 카드뮴텔루라이드(CdTe) 및 황화카드뮴(CdS) 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 발광소자.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 세라믹 소재 형광체는 세륨(Ce)이 도핑된 야그(YAG)를 포함하는, 발광소자.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 유기염료는 로다민(rhodamine) 또는 플루오레신(fluorescein)을 포함하는, 발광소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체는 질화물 또는 산화물을 포함하는, 발광소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 질화물은 질화규소(Si3N4) 또는 질화갈륨(GaN)을 포함하는, 발광소자.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 산화물은 산화티타늄(TiO2), 산화지르코늄(ZrO2) 및 산화이트륨(Y2O3) 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 발광소자.
  14. 여기원; 및
    상기 여기원 상에 형광체 및 상기 형광체와 상이한 굴절률을 가진 유전체가 일정한 간격으로 서로 번갈아 배치된 광자결정(photonic crystal) 박막구조체;
    를 포함하고,
    상기 광자결정 박막구조체는 적어도 하나 이상의 특정 결정 방향에 대해 광밴드갭을 가지고, 상기 광밴드갭 파장 대역의 경계에 해당하는 광밴드에지(photonic band-edge)의 파수벡터(wave vector)의 방향이 상기 광자결정 박막구조체의 표면에 수직하여 상기 여기원으로부터 방출된 광자의 진행방향과 일치하는,
    발광소자.
  15. 기판 상에 유전체층을 형성하는 단계;
    상기 유전체층을 식각하여 일정한 간격의 유전체층 패턴(pattern)을 형성하는 단계; 및
    상기 유전체층 패턴 사이에 형광체층을 형성하는 단계;
    를 포함하는,
    발광소자의 제조방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 식각은 포토리소그라피(photo lithography) 방법을 이용하는, 발광소자의 제조방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 형광체층은 디스펜싱 또는 스프레이 코팅을 이용하여 형성하는, 발광소자의 제조방법.
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