KR101383097B1 - 광추출 효율을 높인 질화갈륨계 발광다이오드 소자, 광추출 효율을 높인 유기 발광다이오드 소자의 제조방법 - Google Patents
광추출 효율을 높인 질화갈륨계 발광다이오드 소자, 광추출 효율을 높인 유기 발광다이오드 소자의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 질화갈륨계 발광다이오드 소자 또는 유기 발광다이오드 소자의 기판에 자가 정렬 나노 구조체를 이용하여 나노 패턴으로 이루어지는 산화막을 형성토록 함으로써 내부에서 전반사의 가능성을 줄이고, 그에 따른 광추출 효율을 높일 수 있도록 한 광추출 효율을 높인 질화갈륨계 발광다이오드 소자, 광추출 효율을 높인 유기 발광다이오드 소자의 제조방법에 관한 것으로서, 이에 따른 발광다이오드 소자 제조방법의 특징은, (a) 기판상에 나노 구조체를 도포하는 단계; (b) 나노 구조체가 도포된 기판상에 기판 굴절률보다 작은 굴절률 값을 갖는 산화막을 증착하는 단계; (c) 산화막 증착 후 도포된 나노 구조체를 제거하여 기판에 나노 패터닝된 산화막을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
이에 따르면, 기판 표면에 자가 정렬 나노 구조체를 도포하고, 나노 구조체들 사이를 통해 산화막을 증착한 후 나노 구조체를 제거하는 방법으로 기판 표면에 나노 크기의 산화막이 패턴으로 형성되어 광결정을 이루도록 함으로써 광추출 효율을 향상시키는 효과가 있다.
이에 따르면, 기판 표면에 자가 정렬 나노 구조체를 도포하고, 나노 구조체들 사이를 통해 산화막을 증착한 후 나노 구조체를 제거하는 방법으로 기판 표면에 나노 크기의 산화막이 패턴으로 형성되어 광결정을 이루도록 함으로써 광추출 효율을 향상시키는 효과가 있다.
Description
본 발명은 광추출 효율을 높인 질화갈륨계 발광다이오드 소자, 광추출 효율을 높인 유기 발광다이오드 소자의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 질화갈륨계 발광다이오드 소자 또는 유기 발광다이오드 소자의 기판에 자가 정렬 나노 구조체를 이용하여 나노 패턴으로 이루어지는 산화막을 형성토록 함으로써 내부에서 전반사의 가능성을 줄이고, 그에 따른 광추출 효율을 높일 수 있도록 한 광추출 효율을 높인 질화갈륨계 발광다이오드 소자, 광추출 효율을 높인 유기 발광다이오드 소자의 제조방법에 관한 것이다.
최근 백생광원으로서 각광받고 있는 질화갈륨계 발광다이오드는 에너지 변환 효율이 높고, 수명이 길며, 빛의 지향성이 높고, 저전압 구동이 가능하며, 예열 시간과 복잡한 구동회로가 필요하지 않고, 충격 또는 진동에 강한 특성 및 다양한 형태의 고품격 조명시스템 구현이 가능하다는 이유로 인하여 향후 5년 이내에 백열등, 형광등, 수은등과 같은 기존의 광원을 대체할 고체 조명(solid-state lighting) 광원으로 기대되고 있다.
질화갈륨계 발광다이오드가 기존의 수은등이나 형광등을 대체하여 백색광원으로서 쓰이기 위해서는 열적 안정성이 뛰어나야 할 뿐 아니라 낮은 소비 전력에서도 고출력의 빛을 발할 수 있어야 한다.
또한, 질화갈륨계 발광다이오드와 함께 차세대 조명용 광원으로 기대되고 있는 광소자로서 유기 발광다이오드는 구부릴 수 있는 기판을 사용하여 플랙서블한 소자를 만들 수 있고, 면발광을 한다는 장점을 갖는다.
하지만, 유기 발광다이오드는 고출력 조명용으로 사용되기 위해서는 아직 부족한 실정이다.
이와 같이, 질화갈륨계 발광다이오드 또는 유기 발광다이오드에서 광 추출 효율을 향상시키기 위해서는 활성층에서 발생한 빛이 온전히 방출될 수 있도록 내부에서 전반사가 일어나지 않도록 함이 요구된다.
이를 위한 연구와 노력 중에는 빛이 방출되는 부위 즉, 전반사가 일어나는 부위에 전반사에 의한 빛의 손실을 방지하도록 그 표면 부위에 구조적인 패턴을 형성하는 방법이 주지되어 있다.
이에 따른 종래 기술 중 하나로 대한민국 등록특허 제1043247호("나노결정이 산화막에 임베딩된 발광다이오드 소자 및 그의 제조방법", 이하 '선행기술'이라 함)이 개시된 바 있다.
상술한 선행기술의 기술 사상은, p형 실리콘 기판상에 CdSe/ZnS, CdS, PbS 나노결정으로 코팅하고, 표면 활성제를 플라즈마 처리로 제거한 후 산화막을 증착하는 것으로 나노결정이 산화막층 상에 임베딩되어 빛의 전반사를 방지토록 한다는 것이다.
이러한 선행기술에 따르면, 종래의 Si CMOS 공정을 활용하여 반도체 나노결정을 산화물에 임베딩시킨 발광소자를 경제적으로 생산할 수 있도록 한다는 이점을 갖고 있으나, 산화막 증착 후 포토 리소그래피 공정 및 식각 공정을 추가적으로 수행하여 지름이 0.5㎛ 크기인 메사구조로 형성한다는 점과 임베딩된 나노결정의 광투과성 또는 발광특성이 광 추출 효율을 낮추는 요인으로 작용할 수 있고, 또 오랜 시간의 발광과 그 열로 인해 광학적 성능이 떨어질 수 있는 문제를 안고 있다.
그 밖의 종래 기술에는 반도체 기판 또는 유리 표면에 포토 리소그래피 공정을 통해 수백 ㎚ ~ 수 ㎛ 크기의 기공 또는 돌기를 주기적으로 배열하여 광결정(photonic crystal)을 형성하거나, 표면층에 피라미드 형태의 육각뿔을 형성하여 소자 외부로의 광 추출 효율을 증가시키기 위한 연구와 노력이 시도되어 왔다.
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본 발명의 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 발광이 이루어지는 내부에서 전반사가 일어나는 것을 저감토록 하여 광추출 효율을 높이도록 하고, 현재 제작되는 제조공정에 추가 적용이 용이하도록 하는 광추출 효율을 높인 질화갈륨계 발광다이오드 소자, 광추출 효율을 높인 유기 발광다이오드 소자의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광추출 효율을 높인 발광다이오드 소자의 제조방법은, (a) 기판상에 나노 구조체를 도포하는 단계; (b) 나노 구조체가 도포된 기판상에 기판 굴절률보다 작은 굴절률 값을 갖는 산화막을 증착하는 단계; (c) 산화막 증착 후 도포된 나노 구조체를 제거하여 기판에 나노 패터닝된 산화막을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
또한, 상기 (b) 단계에서 기판상에 증착되는 산화막은 굴절률 값이 각기 다른 물질이 복수의 층을 이루도록 복수의 증착공정을 순차적으로 진행하여 형성토록 함이 바람직하다.
그리고, 상기 기판은 상기 나노구조체가 도포되는 기판 물질이 p형 질화갈륨계 물질 또는 n형 질화갈륨계 물질이거나 유리, PET, PES, poly-imid, SU-8, PDMS, poly-carbonate 중 어느 하나의 소재로 이루어진 물질로 이루어질 수 있다.
더불어, 상기 나노 구조체는 Polystyrene, Polyethylene, SiO2, Glass 계열 물질 중 어느 하나의 물질로 이루어진 구 형상의 것을 사용함이 바람직하다.
특히, 상기 나노 구조체가 Polystyrene 또는 Polyethylene 물질로 된 구 형상의 것일 때, 기판상에 도포된 상태에서 플라즈마를 이용하여 구조체의 크기 및 상기 나노 구조체들 간의 간격을 조절하는 단계를 더 구비토록 함이 바람직하다.
그리고, 상기 나노 구조체는 지름이 100㎚~3㎛ 크기의 지름을 갖는 구 형상의 것으로 할 수 있고, 상기 나노 구조체는 서로 다른 크기의 지름을 갖는 둘 이상의 것이 혼합된 것을 사용토록 할 수 있다.
또한, 상기 (a) 단계는 기판상에 산화막으로 표면처리 한 후 시행될 수 있고, 상기 (b) 단계의 산화막 증착은 전자선 증착법, 스퍼터 증착법, 열 증착법 중 어느 하나의 방법에 의해 이루어질 수 있다.
상기 산화막 중 어느 한 층의 증착 두께는 10Å~10,000Å 범위에서 형성토록 하고, 상기 (c) 단계에서 나노 구조체를 제거하는 방법은 산화막이 증착된 기판을 톨루엔(Toluene) 또는 BOE 수용액에 침전시키는 습식 식각으로 제거토록 함이 바람직하다.
그리고, 상기 기판은 수직형 층 구조로 표면에 산화막이 형성되는 층이 질화갈륨계인 것으로 하여 상기 기술을 적용토록 하고, 이때 상기 나노 패터닝된 산화막을 형성한 후 KOH 또는 NaOH를 포함한 수용액에 침전시키는 습식 식각으로 나노 패턴을 피라미드 형태를 갖도록 함이 바람직하며, 상기 습식 식각의 수용액 농도는 1M~8M 범위에서 선택하고, 상기 습식 식각의 시간은 5~60분 범위 내에서 진행토록 함이 바람직하다.
더불어 상기 기판은 수평형 구조를 갖는 질화갈륨계 기판에 적용될 수 있으며, 상기 기판에 증착 형성되는 산화막은 ITO, IGO, IZO, ZnOx, ZrOx, WOx MgOx, AlOx, SiOx, GaOx, VOx, TiOx 중 어느 하나의 물질로 형성토록 함이 바람직하다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광추출 효율을 높인 발광다이오드 소자는, 위의 방법 중 어느 하나의 방법에 의해 제작되되, 상기 기판의 물질이 질화갈륨계인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광추출 효율을 높인 발광다이오드 소자는, 위의 방법 중 어느 하나의 방법에 의해 제작되되, 는 것을 특징으로 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면, 기판 표면에 자가 정렬 나노 구조체를 도포하고, 나노 구조체들 사이를 통해 산화막을 증착한 후 나노 구조체를 제거하는 방법으로 기판 표면에 나노 크기의 산화막이 패턴으로 형성되어 광결정을 이루도록 함으로써 광추출 효율을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 기판 표면에 형성된 산화막은 굴절률이 조절된 복수의 층으로 이루어짐에 따라 기판과 대기 사이의 굴절률 차이를 줄임으로써 광추출 효율을 더욱 높이는 효과를 갖는다.
그리고, 산화막 패턴의 크기와 형상 및 분포도는 기판 표면에 도포되는 나노 구조체의 종류와 그 크기 조절하는 단순한 공정으로 소망하는 수준으로 구현할 수 있고, 이러한 나노 구조체의 사용에 따라 포토 리소그래피 공정과 포토 리소그래피를 마스크로 한 식각 공정 및 포토 리소그래피 제거 공정 등의 과정을 사용하지 않고, 현행 질화갈륨계 발광다이오드 소자 또는 유기 발광다이오드 소자 제조과정에서 단순히 위의 공정을 추가하여 그대로 적용할 수 있어 종래 기술에 비교하여 공정이 단순하고, 비용 절감 및 제조시간 단축 등으로 제조비용을 절감하는 등의 효과가 있다.
도 1은 본 발명에서 형성한 굴절률이 조절된 복수 층 산화막 패턴을 통한 발광다이오드의 광추출 효율 관계를 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 2a와 도 2b는 본 발명의 나노 구조체와 이를 통한 산화막을 이용한 굴절률 조절 나노패턴을 기판에 형성하는 과정을 설명하기 위한 도면이고,
도 3은 본 발명에서 적용한 나노 구조체의 도포 후, 산화막에 패턴을 형성하는 과정과 나노 구조체의 크기를 플라즈마를 이용하여 조절한 후 패턴을 형성하는 과정 및 나노 구조체 도포로부터 산화막 패터닝 형성 후의 형상을 보여주는 주사 전자 현미경(SEM) 사진이고,
도 4a와 도 4b는 질화갈륨계 수직형 발광다이오드 표면에 본 발명의 기술을 적용하여 제작하는 과정을 나타낸 도면이고,
도 5a와 도 5b는 질화갈륨계 수평형 발광다이오드의 p형 질화갈륨계 기판 표면에 본 발명의 기술을 적용한 관계와 유기 발광다이오드의 기판으로 사용되는 유리에 본 발명의 기술을 적용한 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a와 도 2b는 본 발명의 나노 구조체와 이를 통한 산화막을 이용한 굴절률 조절 나노패턴을 기판에 형성하는 과정을 설명하기 위한 도면이고,
도 3은 본 발명에서 적용한 나노 구조체의 도포 후, 산화막에 패턴을 형성하는 과정과 나노 구조체의 크기를 플라즈마를 이용하여 조절한 후 패턴을 형성하는 과정 및 나노 구조체 도포로부터 산화막 패터닝 형성 후의 형상을 보여주는 주사 전자 현미경(SEM) 사진이고,
도 4a와 도 4b는 질화갈륨계 수직형 발광다이오드 표면에 본 발명의 기술을 적용하여 제작하는 과정을 나타낸 도면이고,
도 5a와 도 5b는 질화갈륨계 수평형 발광다이오드의 p형 질화갈륨계 기판 표면에 본 발명의 기술을 적용한 관계와 유기 발광다이오드의 기판으로 사용되는 유리에 본 발명의 기술을 적용한 관계를 설명하기 위한 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용하는 용어나 단어는, 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석될 것이 아니라, '발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다'는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
또한, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시한 구성은, 본 발명의 바람직한 실시 예에 불과한 것일 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해해야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 살펴보기로 한다.
본 발명을 설명하기에 앞서, 일반적인 발광다이오드 소자에 있어서, 기판과 공기 사이의 굴절률 관계를 살펴보면, 공기의 굴절률이 1이라 할 때 활성층에서 방출된 광이 통과하는 기판 층의 굴절률은 1을 초과하게 되므로 큰 굴절률 차이를 갖는다.
즉, 공기와 접하는 기판의 계면에서는 임계각이 작고, 이것은 활성층에서 발생한 대부분의 빛이 밖으로 빠져나오지 못하며, 전반사 또는 반사된 빛은 결국 기판 내부에서 소멸 과정을 갖는다.
이러한 문제를 개선하는 방법으로는, 도 1에 도시한 바와 같이, 기판과 공기와의 굴절률 차이를 줄이는 방향으로 산화막을 복수 층으로 증착 형성하면 임계각을 더욱 확대시키게 됨에 따라 기판 내부에서의 전반사 가능성을 줄이게 되고, 이것은 결국 광추출 효율을 높이는 효과를 창출하게 된다.
이러한 기술 사상을 기초한 본 발명에 따른 산화막이 나노 패턴으로 형성된 발광다이오드의 제조방법은, (a) 기판상에 나노 구조체를 도포하는 단계; (b) 나노 구조체가 도포된 기판상에 기판 굴절률보다 작은 굴절률 값을 갖는 산화막을 증착하는 단계; (c) 산화막 증착 후 도포된 나노 구조체를 제거하여 기판에 나노 패터닝된 산화막을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
위의 과정 중 (a) 단계는, 도 2a와 도 2b에 도시한 바와 같이, 광소자에 사용되는 기판을 아세톤, IPA(Iso-propanol alcohol) 그리고 탈이온수를 이용하여 세척 후 질소로 건조하는 과정을 실시한다.
그리고, 산화막을 증착 형성하기 위한 기판의 물질층은, 본발명이 질화갈륨계 발광다이오드 소자에 적용될 경우에 수직형 또는 수평형 구조의 p형 질화갈륨계 물질 또는 n형 질화갈륨계 물질로 이루어진 기질에 해당하고, 유기 발광다이오드 소자인 경우에는 유리, PET, PES, poly-imid, SU-8, PDMS, poly-carbonate 중 어느 하나의 물질로 이루어진 기질에 해당한다.
이후의 과정 중 도 2a에 도시한 과정을 살펴보면, 기판 표면에 나노 구조체를 균일하게 도포하고, 그 상측으로부터 전사선 증착법, 열 기상 증착법 또는 스퍼터링 증착법 등의 방법 중 선택 적용하여 기판의 굴절률(n0)과 공기의 굴절률(n=1) 사이의 굴절률(n1 or n2)을 갖는 적어도 하나 이상의 산화막을 증착 형성하는 (b) 단계를 실시한다.
이때 기판상에 증착되는 산화막은, 기판의 물질을 포함하여 굴절률 값이 각기 다른 적어도 하나 이상의 층으로 증착되며, 이들 각 산화막 물질들의 층은, 도 1에서 참조하는 바와 같이, 기판으로부터 굴절률 값이 작은 순(n0 > n1 > n2 > …> 1)의 층 배열을 이루도록 각 산화막 물질에 대한 증착 공정을 순차적으로 진행하여 얻어진다.
그리고, 기판상에 증착되는 어느 한 층의 산화막은, ITO, IGO, IZO, ZnOx, ZrOx, Wox MgOx, AlOx, SiOx, GaOx, VOx, TiOx 중 어느 하나 물질의 것으로 선택된다.
위의 과정에서 기판 표면에는 구 형상의 나노 구조체가 분포된 상태에서 이들 나노 구조체들 사이는 물론 나노 구조체의 상부까지 산화막이 증착된 상태로 존재한다.
여기서, 상술한 나노 구조체는 Polystyrene, Polyethylene, SiO2, Glass 계열 물질 중 어느 하나의 물질로 이루어진 구 형상의 것으로 이루어지며, 나노 구조체의 지름은 약 100㎚~3㎛ 범위 내에서 서로 다른 크기의 지름을 갖는 둘 이상의 것이 혼합된 것이 사용될 수 있다.
또한 나노 구조체 물질이 Polystyrene 또는 Polyethylene인 경우에는 기판상에 도포된 상태에서 플라즈마 처리 정도를 조절하여 그 크기의 확대 정도를 조절할 수 있다.
따라서, 상호 이웃하는 나노 구조체들 사이 또는 상호 접하는 세 개의 나노 구조체들 사이의 틈새는 나노 구조체의 크기 또는 상술한 플라즈마 처리에 정도에 따라 결정되는 관계에 있다.
더불어 이들 틈새를 통해 기판상에 최초로 증착되는 산화막의 두께는 나노 구조체의 반지름 이하로 형성함이 바람직하다.
그리고, 최종적으로 증착되는 산화막은 그 하부 위치가 기판 표면으로부터 나노 구조체의 반지름 높이 이하에 있도록 그 이전에 증착되는 산화막 증착 두께의 조절을 필요로 한다.
바람직하기로는 상술한 나노 구조체의 지름이 약 100㎚~3㎛ 범위에 있는 것으로 할 때, 어느 하나의 산화막 증착 두께는 10Å~10,000Å 범위에 있도록 함이 바람직하다.
이후의 과정은 상술한 나노 구조체들 사이의 틈새를 통해 기판상에 증착된 산화막만 남기고, 나노 구조체 상부에 증착된 산화막과 나노 구조체까지 제거하는 (c) 단계가 진행된다.
이를 구현하기 위한 방법으로는, 나노 구조체와 상술한 증착 공정을 통해 증착된 산화막을 식각하는 용액에 나노 구조체들 사이로 증착된 복수 층의 산화막만 남는 정도로 담가 제거하는 습식 식각하는 방법이 있을 수 있다.
이때 사용되는 식각액은 톨루엔(Toluene) 또는 BOE 수용액을 사용함이 바람직하다.
그리고, 나노 구조체는 상술한 증착 공정을 통해 증착되는 산화막 물질들보다 식각 레이트가 빠른 물질의 것을 선택 적용함이 바람직하다.
또 다른 구현 방법으로는, CMP(chemical-mechanical polishing)법으로 기판의 표면으로부터 나노 구조체의 반지름 높이 이상에 있는 산화막과 나노 구조체 상부를 제거하고, 나노 구조체만 제거하는 용액으로 식각하거나 나노 구조체를 이루는 물질이 산화막들 보다 식각 레이트가 빠른 물질로 이루어진 것을 선택 적용하는 것으로 이루어질 수 있다.
여기서 사용되는 식각액 또한 위에서 언급한 톨루엔(Toluene) 또는 BOE 수용액을 사용함이 바람직하다.
만약, 상술한 산화막이 형성되는 기판의 표층이 수직형 층 구조에서 질화갈륨계 물질로 이루어진 경우에는, 산화막 형성 후 사용되는 식각액은 KOH 또는 NaOH 수용액을 사용하여 습식 식각을 수행토록 함이 바람직하고, 이를 통해 나노 패턴의 산화막 구조를 피라미드, 삼각뿔, 원뿔 등 첨예한 형태를 갖도록 형성한다.
이때 사용되는 KOH 또는 NaOH 수용액의 농도는 1M~8M 범위에 있는 것을 사용하도록 하고, 습식 식각의 시간은 5~60분 정도로 함이 바람직하다.
이상의 과정을 통해 상술한 기판상에는 나노 구조체들 사이로 증착된 적어도 하나 이상의 층을 이루는 나노 크기의 산화막이 패턴을 이루며 남게 된다.
도 2b에 도시된 과정은 도 2a의 과정 중 (a) 단계 이전에 기판에 대하여 n1의 굴절률 값을 갖는 산화막을 먼저 증착하고, 그 위에 적합한 표면 처리 후 구 형상을 갖는 나노 구조체를 균일하게 도포한다.
이어서 n1의 굴절률 값을 갖는 산화막 표면에는 나노 구조체들 사이의 틈새를 통해 n2의 굴절률 값을 갖는 산화막이 n1의 굴절률 값을 갖는 산화막 표면으로부터 연속된 층을 이루도록 증착되고, 이후에는 나노 구조체들 사이의 틈새를 통해 n2의 굴절률 값을 갖는 산화막과 나노 구조체를 제거하는 과정으로 진행된다.
여기서, 상술한 n1의 굴절률은 기판의 굴절률 값 n0보다는 작고, 이후에 증착되는 산화막의 굴절률 값 n2보다는 큰 관계를 이룬다(n0 > n1 > n2).
이러한 산화막의 굴절률 차이는, 앞서 언급한 바와 같이, 활성층으로부터 발산되는 빛의 임계각을 더욱 확대하게 되므로 전반사 가능성을 줄이며, 또 빛이 매질의 두꺼운 방향으로 쏠리는 볼록렌즈 효과를 야기하여 광추출 효율을 증대시키는 결과를 얻을 수 있다.
이상의 공정으로부터 나노 패턴의 산화막으로 형성되는 과정은, 도 3에서 표현되는 바와 같다.
도 3a는 기판상에 폴리머 계열의 나노 구조체를 도포 후 플라즈마 처리를 통하여 나노 구조체의 크기를 조절하는 것으로 나노 구조체들 사이의 간극을 조절하는 관계를 평면적으로 도식화하여 나타낸 것이고, 도 3b는 그 위에 복수 층으로 산화막을 증착한 상태를 평면적으로 도식화하여 나타낸 것이며, 도3c는 나노 구조체가 기판상에 도포 상태의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이며, 도3d는 기판상에 나노 패터닝된 산화막을 보여주는 주사 전자 현미경 사진이다.
도 4a는 질화물갈륨계 수직형 발광다이오드에 적용하여 나노 패턴의 산화막을 형성하는 과정을 설명하는 도면이다. KrF 레이저(248nm)를 이용하여 사파이어를 제거하고 u-GaN을 에칭하여 n-GaN을 드러낸 후 그 위의 표면을 일정 형식으로 처리한 후 나노 구조체를 균일하게 도포한다.
이렇게 나노 구조체가 도포된 기판상에는 GaN 보다 작은 굴절률 순으로 복수 층의 산화막을 전자선 증착법, 열 기상증착법, 스퍼터 증착법 중 어느 하나의 방법을 이용하여 형성시킨다.
이때 각 산화막의 굴절률은, 앞서 언급한 바와 같이, 기판에서부터의 굴절률이 (n0=2.5 > n1 > n2 > … > 1)에 있도록 한다.
이 후 나노 구조체를 제거할 수 있는 일정 용액을 사용하여 구조체 위에 증착된 산화막도 함께 제거하여 n형 질화갈륨계 기판상에 나노 패턴을 갖는 산화막을 형성하고, 이어서 n형 전극을 형성하여 발광 다이오드를 제작한 것이다.
도 4b는 도 2b에서와 같은 방법으로 기판상에 박막 산화막을 형성하고 그 위에 나노 패턴의 산화막을 형성한 후, n형 전극을 형성하여 발광 다이오드를 제작한 것을 나타낸다.
이렇게 굴절률이 낮은 순으로 복수 산화막층을 형성 것은, 임계각의 증가와 일정한 주기의 나노 패턴 구조에 의해 광결정 효과를 창출하고, 이에 따라 광추출 효율이 향상되는 결과를 얻을 수 있다.
도 5a는 본 발명의 기술이 적용된 수평형 질화물갈륨계 발광 다이오드의 구조를 나타낸 것이고, 도 5b는 본 발명의 기술이 적용된 유기 발광 다이오드의 구조를 나타낸 것이다. 도 5a와 같은 수평형 질화물갈륨계 발광 다이오드에서는 p형 질화갈륨계 표층에 바로 접합하는 산화막을 투명 전도성 산화막으로 적용하여야 하며 p형 질화물 갈륨 표면에 박막 형태의 전도성 산화막 형성 후 구조체를 도포하고 산화막 패턴을 형성하여 전류 퍼짐(current spreading)을 유발시켜야 한다.
유기 발광 다이오드에서는, 도 5b에서와 같이, 하부 발광 구조에 적용이 가능하며 전극 및 활성층 형성 전에 본 발명의 기술을 적용하여 기판을 제작한다.
이상의 방법은 제작단가가 높고 대면적 공정에 적용이 어려운 전자선 리소그래피(e-beam lithography) 패터닝을 사용하지 않고, 일반적인 나노구조물 형성방법에 비하여 단시간 내에 형성할 수 있는 특징이 있고, 대면적 적용, 제작 단가 절감의 효과를 얻을 수 있다.
Claims (20)
- (a) 기판상에 나노 구조체를 도포하는 단계;
(b) 나노 구조체가 도포된 기판상에 기판 굴절률보다 작은 굴절률 값을 갖는 산화막을 증착하는 단계;
(c) 산화막 증착 후 도포된 나노 구조체를 제거하여 기판에 나노 패터닝된 산화막을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지며,
상기 (c) 단계에서 나노 구조체를 제거하는 방법은 산화막이 증착된 기판을 톨루엔(Toluene) 또는 BOE 수용액에 침전시키는 습식 식각으로 이루어짐을 특징으로 하는 발광다이오드 소자 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 기판상에 증착되는 산화막 증착은 굴절률 값이 각기 다른 산화막 물질이 복수 층을 이루며 증착되도록 각 산화막 물질의 층 배열에 따라 해당 층의 산화막 물질에 대응하는 증착 공정을 순차적인 실시로 이루어지고,
상기 복수 층을 이루는 각 산화막 물질은 상기 기판에서부터 굴절률 값이 점차 작아지는 순서의 배열로 층을 이루는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 기판은 p형 질화갈륨계 물질 또는 n형 질화갈륨계 물질인 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 기판은 유리, PET, PES, poly-imid, SU-8, PDMS, poly-carbonate 중 어느 하나의 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 나노 구조체는 Polystyrene, Polyethylene, SiO2, Glass 계열 물질 중 어느 하나의 물질로 이루어진 구 형상의 것임을 특징으로 하는 발광다이오드 소자 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,
상기 나노 구조체는 Polystyrene 또는 Polyethylene 물질로 된 구 형상의 것이고, 상기 (a) 단계 이후에 플라즈마 처리로 나노 구조체의 크기를 조절하는 단계를 더 구비하여 이루어짐을 특징으로 하는 발광다이오드 소자 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 나노 구조체는 지름이 100㎚~3㎛ 크기의 지름을 갖는 구 형상의 것임을 특징으로 하는 발광다이오드 소자 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 나노 구조체는 서로 다른 크기의 지름을 갖는 둘 이상의 것이 혼합된 것으로 이루어짐을 특징으로 하는 발광다이오드 소자 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 (a) 단계는 기판상에 산화막으로 표면처리 한 후 시행되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 (b) 단계의 산화막 증착은 전자선 증착법, 스퍼터 증착법, 열 증착법 중 어느 하나의 방법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자 제조방법.
- 제 2 항에 있어서,
상기 산화막 중 어느 한 층의 증착 두께는 10Å~10,000Å인 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자 제조방법.
- 삭제
- 제 3 항에 있어서,
상기 기판은 수직형 층 구조로 표면에 산화막이 형성되는 층이 질화갈륨계인 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자 제조방법.
- 제 13 항에 있어서,
상기 나노 패터닝된 산화막을 형성한 후 KOH 또는 NaOH를 포함한 수용액에 침전시키는 습식 식각으로 나노 패턴을 피라미드 형태를 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자 제조방법.
- 제 14 항에 있어서,
상기 습식 식각의 수용액 농도는 1M~8M인 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자 제조방법.
- 제 14 항에 있어서,
상기 습식 식각의 시간은 5~60분인 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자 제조방법.
- 제 3 항에 있어서,
상기 기판은 수평형 구조를 갖는 질화갈륨계 기판임을 특징으로 하는 발광다이오드 소자 제조방법.
- 제 1 항 내지 제 11 항, 제 13 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판에 증착 형성되는 산화막은 ITO, IGO, IZO, ZnOx, ZrOx, WOx MgOx, AlOx, SiOx, GaOx, VOx, TiOx 중 어느 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자 제조방법.
- 삭제
- 삭제
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