초록 ▼

본 연구의 궁극적인 목표는 질화물 반도체 양자구조를 이용한 고효율 청색 발광다이오드와 유기형광체를 조합하여 고효율 백색 LED를 구현하는 것이다. 양자효율이 높은 유기형광체 물질의 합성과 여기광원인 LED의 파장 최적화 및 고효율화, 장수명의 신뢰성을 확보하기 위한 기초연구를 수행하므로써 유기형광체 및 백색 LED 관련 원천 기술을 개발하고자 하였다.
당초 연구계획에 따라 연구책임자와 2인의 공동연구원들은 4가지의 세부 연구내용을 분담하여 수행하였으며 연구결과 내용을 요약하면 다음과 같다.
(1) 고품위 InAlGaN/G

본 연구의 궁극적인 목표는 질화물 반도체 양자구조를 이용한 고효율 청색 발광다이오드와 유기형광체를 조합하여 고효율 백색 LED를 구현하는 것이다. 양자효율이 높은 유기형광체 물질의 합성과 여기광원인 LED의 파장 최적화 및 고효율화, 장수명의 신뢰성을 확보하기 위한 기초연구를 수행하므로써 유기형광체 및 백색 LED 관련 원천 기술을 개발하고자 하였다.
당초 연구계획에 따라 연구책임자와 2인의 공동연구원들은 4가지의 세부 연구내용을 분담하여 수행하였으며 연구결과 내용을 요약하면 다음과 같다.
(1) 고품위 InAlGaN/GaN 양자구조의 에피성장과 LED 구조 특성개선
- LED 특성 개선을 위해 InGaN/GaN 양자구조의 우물층 모양을 변조하고 p-GaN 층에 In을 소량 첨가하여 전기적 특성이 개선됨을 보임으로써 LED 구조의 전기특성이 개선될 수 있음을 확인하였다. 또한 InGaN에 Al을 적절히 첨가하여, In-rich InAlGaN/GaN 이종접합구조로부터
백색발광을 관측하였다.
(2) 광 출력을 높이기 위한 연구
- 사파이어 기판을 습식식각을 통하여 patterning을 하여 저 전위 밀도의 GaN thick layer를 형성하고 그 위에 LED를 제작한 결과 광출력이 2.6배 이상 증가 하였다. 또한, 사파이어에 일정한 SiO2 dot patterning을 통하여 micro-hole을 형성 하여 광 출력 개선효과를 보았다. 이는 micro-hole이 deflector의 역할을 하며 또한 동시에 threading dislocation을 모아서 가두는 효과를 주기 때문인 것으로 분석되었다. 또한 GaN 기판과 사파이어기판위에 InGaN/GaN MQWs을
성장하여 비교하였다. 사파이어 기판위에 성장한 MQW는 스트레인으로 인하여 불균일한 In-cluster의 분포와 V-defect를 생성시켰다. NSOM 측정을 통하여 분석한 결과 In cluster의 크기나 In 농도의 변화 특성 때문에 emission wavelength가 변화함을 볼 수 있었다. 반대로, GaN기판위에 성장한 MQWs의 경우 emission wavelength의 변화가 없다는 것을 확인하였다.
(3) LED 신뢰성 평가기술 확보
- LED의 신뢰성 확보를 위해 패키징 된 기존의 LED sample을 중심으로 광특성및 열특성을 측정하였다. LED의 접합온도 측정을 위해 전기적인 방법을 이용하여 접합 양극사이의 전압차를 이용하였으며 이를 바탕으로 다양한 패키지를 한 LED의 열적특성을 연구하였다. LED의
I-V curve, series resistance, K-factor는 칩에 관련된 특성으로서 칩 자체의 성질을 나타내고 이에 따라 열적 특성에 많은 관계가 있음을 알 수 있었다. 또한 접합저항과 열저항은 패키지의 특성으로서 LED의 열적 특성과 많은 관계가 있음을 알 수 있었다.
(4) 4가지 부류의 신규 유기형광체들을 합성
- (1) fluorescein salt, (2) fluorescein-containing polymers 및 polymers-ZnO hybrid, (3) 비닐기에 CN group을 갖는 phenylenevinylene 유도체 나노입자, (4) 1,8-naphthalimide 유도체 (DBN) 및 DBN-containing polymers를 합성하고 합성된 물질들의 광학적 특성, 내열성 및 내광성 등을 측정하였으며, 청색 LED와 유기형광체로부터 LUCO LED를 제작하고 특성을 고찰하였다. 또한 유기형광체의 광변성을 촉진시키는 산소와 수분을 차단하기 위하여 화학적인 방법과 물리적인 encapsulation을 시도하여 안정성이 크게 향상된 LUCO LED 시스템을 개발하였다.
(1) 고품위 InAlGaN/GaN 양자구조의 에피성장과 LED 구조 특성개선을 통해 In-rich InAlGaN/GaN 이종접합구조로부터 백색발광을 관측하였다.
(2) 사파이어 기판을 습식식각을 통하여 patterning을 하여 전위밀도가 낮은 GaN를 형성하고 LED를 제작한 결과 광출력이 2.6배 이상 증가시키는 성과를 이루어냈다.
(3) LED 열적 특성에서 칩 자체특성 뿐만 아니라 접합저항과 열저항은 패키지의 특성으로서 LED의 열적 특성과 많은 관계가 있음을 알 수 있었다.
(4)고효율의 유기형광체를 성공적으로 합성하여 청색 LED와 결합시킴으로써, 백색 LUCO LED를 제작함으로서 유기형광체를 이용한 LUCO LED의 상업화 가능성은 충분하다는 결론을 얻었다.

Abstract ▼

The ultimate purpose of this study is to establish the basic technology to realize the high efficiency white light emitting diodes (LEDs) by using organic luminescence conversion (LUCO) materials aided blue LEDs. It involves the synthesis of organic LUCO materials exhibiting high conversion efficien

The ultimate purpose of this study is to establish the basic technology to realize the high efficiency white light emitting diodes (LEDs) by using organic luminescence conversion (LUCO) materials aided blue LEDs. It involves the synthesis of organic LUCO materials exhibiting high conversion efficiency, the optimization of the emitting wavelength and efficiency of blue LEDs, and insurance of the stability and reliability of resulting white LEDs.
Four major parts of the research are carried out by the principal investigator and two coworkers to achieve the high power and high reliability white LEDs.
(1) The epitaxial growth of high quality InAlGaN/GaN quantum structures and the optimization of the LED device structures - The modificatin of the shape of the InGaN/GaN quantum wells, small amount of In incorporation in the p-GaN layer was adopted to improve the electrical and structural quality, which directly influence the operating voltage and light output power of the device.
(2) Light extraction and output improvement - Thick GaN layer with low dislocation density was grown on the wet etched patterened sapphire substrate. The LED structure grown on those low dislocation density GaN gives more than
2.6 times higher light output power. Micro-holes formed on sapphire substrate using SiO2 dot patterning greatly enhances the light output power because the micro-hole plays a role of a light deflector as well as a collector of the dislocations.
(3) The reliability and stability evaluation technique for the LED packaging - The optical and thermal characteristics are evaluated for LEDs with various packaging including those with organic LUCO materials. The junctin temperature and thermal resistence are closely related to the packaging technique and materials.
(4) The synthesis of new organic LUCO materials and their application to LED package - Four kinds of organic LUCO materials, (i) fluorescein salt, (ii) fluorescein-containing polymers and polymers-ZnO hybrid, (iii) nano particles of phenylenevinylene derivaties, (iv) 1,8-naphthalimide DBN and DBN-containing polymers, are synthesized. The hybride LED using 1,8-naphthalimide derivative as a luminescence conversion material exhibited very high efficiency and nearly pure white light with much more improved stability compared to other materials.
(1) White light emission is obtained from high quality epigrowth and optimized device structure using InAlGaN/GaN quantum well structures.
(2) Low dislocation density GaN epilayer growth on the wet etched patterned sapphire substrate enables us to greatly enhance the light output power.
(3) The reliability and stability evaluation technique for the LED package has been established.
(4) High efficiency white LUCO LED was obtained and suggested the possibility of commercialization of organic LUCO LED.

목차 Contents

• Ⅰ. 연구계획 요약문...3
• 1. 국문요약문 ...3
• Ⅱ. 연구결과 요약문...4
• 1. 국문요약문 ...4
• 2. 영문요약문 ...5
• Ⅲ. 연구내용...6
• 1. 서론 ...6
• 2. 연구방법 및 이론 ...9
• 3. 결과 및 고찰 ...12
• 4. 결론 ...46
• 5. 인용문헌 ...47