본 연구에서는 $TiO_2$나노입자를 LED패키지의 봉지재인 실리콘에 분산시키고, 이에 따른 굴절률, 투과율 및 광효율 변화를 평가하였다. $TiO_2$ 나노입자는 LED 봉지재의 굴절율을 증가시켜 LED 패키지의 광추출 효율을 향상시키기 위해 봉지재에 적용되었다. $TiO_2$는 수열합성법을 통해 합성되었고, 합성된 $TiO_2$ 입자에 긴 체인구조의 vinyl silane을 코팅하여 분산시켰다. 분산 처리를 실시한 후에는 대부분의 $TiO_2$ 나노입자가 10~40 nm 이하로 분산되었으나, 100 nm 이상의 긴 입자도 관찰되었다. 실리콘 봉지재에 $TiO_2$ 나노입자 양이 증가할수록 굴절율은 증가하였으나, 투과율은 감소하였다. $TiO_2$ 나노입자가 포함된 실리콘 봉지재로 LED 패키지를 제조하였고, $TiO_2$ 나노입자가 분산된 LED가 $TiO_2$ 나노입자가 없는 LED패키지에 비해 약 13% 이상 광효율이 향상되었다.
본 연구에서는 $TiO_2$ 나노입자를 LED패키지의 봉지재인 실리콘에 분산시키고, 이에 따른 굴절률, 투과율 및 광효율 변화를 평가하였다. $TiO_2$ 나노입자는 LED 봉지재의 굴절율을 증가시켜 LED 패키지의 광추출 효율을 향상시키기 위해 봉지재에 적용되었다. $TiO_2$는 수열합성법을 통해 합성되었고, 합성된 $TiO_2$ 입자에 긴 체인구조의 vinyl silane을 코팅하여 분산시켰다. 분산 처리를 실시한 후에는 대부분의 $TiO_2$ 나노입자가 10~40 nm 이하로 분산되었으나, 100 nm 이상의 긴 입자도 관찰되었다. 실리콘 봉지재에 $TiO_2$ 나노입자 양이 증가할수록 굴절율은 증가하였으나, 투과율은 감소하였다. $TiO_2$ 나노입자가 포함된 실리콘 봉지재로 LED 패키지를 제조하였고, $TiO_2$ 나노입자가 분산된 LED가 $TiO_2$ 나노입자가 없는 LED패키지에 비해 약 13% 이상 광효율이 향상되었다.
$TiO_2$-nanoparticle-dispersed silicone was applied to a LED package and the light efficiency of the LED package was evaluated in this study. The addition of $TiO_2$ nanoparticles in silicone increased refractive index, which improved the light efficiency of the LED package. Th...
$TiO_2$-nanoparticle-dispersed silicone was applied to a LED package and the light efficiency of the LED package was evaluated in this study. The addition of $TiO_2$ nanoparticles in silicone increased refractive index, which improved the light efficiency of the LED package. The $TiO_2$ nanoparticles were fabricated by hydrothermal synthesis and were dispsersed by a vinyl silane coating treatment. After the silane treatment, the $TiO_2$ nanoparticles dispersed with diameters of 10~40 nm but rod-shape $TiO_2$ nanoparticles with lengths of 100 nm were also observed. The refractive index increased with the $TiO_2$ concentration in silicone, while the transmittance decreased with the $TiO_2$ concentration. The light efficient of the LED package with $TiO_2$+silicone encapsulant was higher than that of the LED package with no $TiO_2$ in silicone encapsulant.
$TiO_2$-nanoparticle-dispersed silicone was applied to a LED package and the light efficiency of the LED package was evaluated in this study. The addition of $TiO_2$ nanoparticles in silicone increased refractive index, which improved the light efficiency of the LED package. The $TiO_2$ nanoparticles were fabricated by hydrothermal synthesis and were dispsersed by a vinyl silane coating treatment. After the silane treatment, the $TiO_2$ nanoparticles dispersed with diameters of 10~40 nm but rod-shape $TiO_2$ nanoparticles with lengths of 100 nm were also observed. The refractive index increased with the $TiO_2$ concentration in silicone, while the transmittance decreased with the $TiO_2$ concentration. The light efficient of the LED package with $TiO_2$+silicone encapsulant was higher than that of the LED package with no $TiO_2$ in silicone encapsulant.
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제안 방법
LED 패키지의 칩 및 기판의 구조는 이전 연구와 같은 방식으로 제조하였다.18) LED칩과 기판의 접합은 Au-Sn 열 압착 본딩을 통해 접합을 실시하였다. 이때 칩의 접합온도는 300oC 이었다.
)으로 관찰하였고, 파장범위는 300~900 nm였다. LED 단면 미세구조는 scanning electron microscope (SEM, Inspect F FEI)으로 관찰하였다.
LED 패키지 제조를 위해 TiO2 나노입자가 분산된 용액의 용매를 에탄올에서 톨루엔으로 바꾸고, 5 wt%의 TiO2 나노입자가 분산된 톨루엔을 실리콘 레진에 혼합하고, 진공상태에서 톨루엔을 증발시켰다. 그 후 TiO2 나노입자가 혼합된 실리콘 레진은 다시 경화제와 혼합하였다.
LED 패키지에 TiO2 나노입자가 분산한 봉지재를 적용하였고, LED의 광학적 특성을 평가하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 수열합성 후의 TiO2 나노입자는 큰 입자로 응집되어 있었으며, 이를 vinyl silane으로 코팅하면, 입자 크기가 10~40 nm으로 분산됨을 알 수 있었다.
이때, TiO2가 혼합된 에탄올 및 trimethoxysilane, DI water의 질량비는 95:1:5이었다. Silane 코팅처리 후 원심분리를 통해 큰 입자를 제거하였고, 그 후 초음파 처리를 통해 분산을 실시하였다. 합성된 TiO2 나노입자는 scanning transmission electron microscope (STEM, JEM-ARM 200F)으로 입자 크기와 분산된 정도를 분석하였다.
TTIP는 HCl과 DI water가 1:1로 혼합된 용액에 한 방울씩 떨어뜨려 혼합하였는데, TTIP:HCl:DI water의 부피비는 3:10:10이었다. TTIP, HCl, DI water 혼합용액을 압력용기에 투입하고, 120oC, 6시간 동안 수열합성을 실시하여 TiO2 나노입자를 제조하였다. 수열합성 후 5번의 원심분리를 통해 큰 입자를 제거하여 미세한 입자만 걸러내었다.
5 V으로 구동하였다. 굴절율은 Si wafer 위에 TiO2 나노입자가 포함된 실리콘을 스핀 코팅하여 Ellipsometer (Woollam M2000)로 평가하였다. 투과율은 마찬가지로 유리 기판에 스핀 코팅하여 UV-Vis spectrophotometer (UV-2450 Shimadzu Co.
를 분산시켰다. 그 후 분산된 TiO2 나노입자는 실리콘 봉지재와 혼합한 후, LED칩 위에 디스펜싱하여 LED패키지를 제조하였고, TiO2 나노입자 유무에 따른 LED의 광효율 변화를 관찰하였다.
수열합성 후 5번의 원심분리를 통해 큰 입자를 제거하여 미세한 입자만 걸러내었다. 그 후 분산을 위해, 위의 TiO2 나노입자가 혼합된 에탄올 용액을 긴 체인구조를 갖는 trimethoxy(7-octen-1- yl)silane으로 혼합한 후, 100oC에서 24시간 동안 환류냉각기를 이용하여 silane 코팅을 실시하였다. 이때, TiO2가 혼합된 에탄올 및 trimethoxysilane, DI water의 질량비는 95:1:5이었다.
본 연구에서는 봉지재의 굴절율을 위한 소재로 TiO2 나노입자를 수열합성법으로 합성하였고, 빛의 산란을 억제하기 위해 긴 체인구조를 갖는 vinyl silane을 코팅하여 TiO2를 분산시켰다. 그 후 분산된 TiO2 나노입자는 실리콘 봉지재와 혼합한 후, LED칩 위에 디스펜싱하여 LED패키지를 제조하였고, TiO2 나노입자 유무에 따른 LED의 광효율 변화를 관찰하였다.
굴절율은 Si wafer 위에 TiO2 나노입자가 포함된 실리콘을 스핀 코팅하여 Ellipsometer (Woollam M2000)로 평가하였다. 투과율은 마찬가지로 유리 기판에 스핀 코팅하여 UV-Vis spectrophotometer (UV-2450 Shimadzu Co.)으로 관찰하였고, 파장범위는 300~900 nm였다. LED 단면 미세구조는 scanning electron microscope (SEM, Inspect F FEI)으로 관찰하였다.
Silane 코팅처리 후 원심분리를 통해 큰 입자를 제거하였고, 그 후 초음파 처리를 통해 분산을 실시하였다. 합성된 TiO2 나노입자는 scanning transmission electron microscope (STEM, JEM-ARM 200F)으로 입자 크기와 분산된 정도를 분석하였다. TiO2 나노입자의 상(phase)은 Cu Kα source의 x-ray diffraction (XRD, X’PertPro MPD)분석으로 판단하였다.
대상 데이터
나노입자는 수열합성법을 사용하여 제조되어졌다. TiO2의 전구체로 Alpha Aesar사의 C12H28O4Ti 화학구조를 갖는 Titanium(IV) isopropoxide (TTIP)를 사용하였다. TTIP는 HCl과 DI water가 1:1로 혼합된 용액에 한 방울씩 떨어뜨려 혼합하였는데, TTIP:HCl:DI water의 부피비는 3:10:10이었다.
광효율은 형광체와 실리콘 층이 분리되어 있는 다층 봉지재 구조를 갖는 것이 광효율 향상에 도움이 되는 것을 확인하였다. TiO2 나노입자 봉지재를 적용하면, 광효율이 13% 이상 향상됨을 확인하였다.
4에 나타내었다. TiO2가 혼합된 실리콘은 분율이 증가할수록 굴절률이 증가하였는데, 450 nm파장에서 순수한 실리콘은 1.56이었고, TiO2가 5 wt% 혼합된 실리콘은 굴절율이 1.63, 10 wt%가 혼합된 실리콘은 굴절율이 1.67이었다. 반면, 투과율은 TiO2의 분율이 증가함에 따라 감소하는데, 그 이유는 Fig.
여기서 봉지재 구조에 따라 광효율이 크게 다른 것을 확인 할 수 있었다. Type A와 B의 경우 형광체 분포 형태에 따른 LED 패키지의 광효율 변화를 비교하기 위함이었고, Type B와 같이 형광체 층과 실리콘 층이 분리되어있는 경우가 Type A의 형광체와 실리콘이 같이 혼합되어있는 경우보다 약 11% 광효율이 높은 111.5 lm/W 인 것을 확인 할 수 있었다. Type C의 경우 Type B처럼 순수실리콘 층과 형광체 층을 나누어 광효율 향상을 꾀하였고, 형광체 층 밑에 LED와 봉지재간 계면에 TiO2 나노입자 층을 삽입하여, 굴절율 차를 줄여 광추출효율을 늘리고자 하였다.
실리콘내의 TiO2 나노입자의 분율이 증가함에 따라 굴절률은 증가하지만, 동시에 투과율은 감소하였다. 광효율은 형광체와 실리콘 층이 분리되어 있는 다층 봉지재 구조를 갖는 것이 광효율 향상에 도움이 되는 것을 확인하였다. TiO2 나노입자 봉지재를 적용하면, 광효율이 13% 이상 향상됨을 확인하였다.
6 lm/W 으로 TiO2 나노입자를 적용하지 않았던 Type B보다 약 13% 향상을 보였다. 따라서, 봉지재 내에 TiO2 나노입자의 분산은 굴절율을 향상시켜 LED 광효율을 향상시키며, 더 작은 입자로 분산시킬 수 있다면 더 높은 굴절율 및 투과율을 갖을 수 있음을 예상할 수 있었다.
나노입자가 분산한 봉지재를 적용하였고, LED의 광학적 특성을 평가하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 수열합성 후의 TiO2 나노입자는 큰 입자로 응집되어 있었으며, 이를 vinyl silane으로 코팅하면, 입자 크기가 10~40 nm으로 분산됨을 알 수 있었다. 실리콘내의 TiO2 나노입자의 분율이 증가함에 따라 굴절률은 증가하지만, 동시에 투과율은 감소하였다.
3(b)의 긴 나노입자처럼, TiO2 분율이 증가하면서 빛의 산란을 일으키는 큰 입자들이 더 많이 포함되기 때문이다. 실리콘 내의 TiO2 나노입자의 분율이 증가하면서 굴절률이 증가하는데, 혼합 법칙 (rule of mixture)을 적용하여 100%까지 외삽하여 보면, TiO2분율이 100%에 가까워지면 굴절율은 2.6정도가 될 것으로 예상되었다. Fig.
수열합성 후의 TiO2 나노입자는 큰 입자로 응집되어 있었으며, 이를 vinyl silane으로 코팅하면, 입자 크기가 10~40 nm으로 분산됨을 알 수 있었다. 실리콘내의 TiO2 나노입자의 분율이 증가함에 따라 굴절률은 증가하지만, 동시에 투과율은 감소하였다. 광효율은 형광체와 실리콘 층이 분리되어 있는 다층 봉지재 구조를 갖는 것이 광효율 향상에 도움이 되는 것을 확인하였다.
Type C의 경우 Type B처럼 순수실리콘 층과 형광체 층을 나누어 광효율 향상을 꾀하였고, 형광체 층 밑에 LED와 봉지재간 계면에 TiO2 나노입자 층을 삽입하여, 굴절율 차를 줄여 광추출효율을 늘리고자 하였다. 측정 결과 Type C의 경우 광효율 128.6 lm/W 으로 TiO2 나노입자를 적용하지 않았던 Type B보다 약 13% 향상을 보였다. 따라서, 봉지재 내에 TiO2 나노입자의 분산은 굴절율을 향상시켜 LED 광효율을 향상시키며, 더 작은 입자로 분산시킬 수 있다면 더 높은 굴절율 및 투과율을 갖을 수 있음을 예상할 수 있었다.
후속연구
19) 또한, Ida 등은 TiO2 나노입자 합성시 주어지는 온도와 압력에 따라서 anatase, rutile상 생성에 영향을 준다고 보고하였다.20)본 연구에서는 HCl의 몰비가 6M이상이었으나, 실제 anatase상이 rutile보다 많은 것으로 판단되었고, 향후에는 압력 변수 조절을 통해 rutile상을 증가시켜야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
TiO2의 특징은 무엇인가?
봉지재의 굴절율을 높이기 위해, 봉지재 소재에 높은 굴절율을 갖는 ZnO 등 무기계나노입자를 혼합하여 봉지재의 굴절율을 높이는 연구가 많이 진행되었다.4,11) 무기 나노 입자 중 TiO2는 anatase상의 경우 굴절율이 2.5, rutile 상의 경우 굴절율이 2.9로서 높은 굴절율과 가시광선 영역에서 낮은 광흡수율을 가지고 있다.12-14) 따라서, 높은 굴절율을 갖는 TiO2 나노입자를 LED 봉지재와 혼합하게 되면, 봉지재의 굴절율을 효과적으로 높일 수 있고, 이에 따라 LED의 광추출효율을 향상시킬 수 있다.
무엇이 줄어들수록 LED의 광추출효율이 증가하는가?
이러한 고출력 LED 패키지는 저출력 LED 패키지에 비해 광효율이 낮은 편이므로 광효율의 개선이 지속적으로 요구되어지고 있다. LED의 광효율을 향상시키기 위해서는 빛이 LED칩에서 외부로 빛이 추출되는 효율인 광추출효율을 향상시켜야 하는데, 광추출효율은 LED칩과 봉지재 간 굴절율 차이가 줄어들수록 증가하게 된다.3-4) GaN LED칩의 굴절율은 2.
실외등, 인테리어 및 특수 조명과 같은 고출력 LED 패키지의 특징은 무엇인가?
1,2) 특히, 실외등, 인테리어 및 특수 조명 등에 사용되고 있는 고출력 LED 패키지 시장의 성장 속도가 점점 가속화되고 있는 추세이다. 이러한 고출력 LED 패키지는 저출력 LED 패키지에 비해 광효율이 낮은 편이므로 광효율의 개선이 지속적으로 요구되어지고 있다. LED의 광효율을 향상시키기 위해서는 빛이 LED칩에서 외부로 빛이 추출되는 효율인 광추출효율을 향상시켜야 하는데, 광추출효율은 LED칩과 봉지재 간 굴절율 차이가 줄어들수록 증가하게 된다.
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