초록 ▼

< 3단계 연구 목표>
실용화를 위한 백색발광소자 제조 및 실용화 공정 개발 : 발광효율 100lm/W, 연색지수 85, 수명 10,000시간 이상인 전계발광소자 제조
<주요 연구결과>
◦ 무독성 반도체 발광 나노입자 합성 및 LED 적용
- 높은 양자 효율의 CdSe (65-75%) 및 무독성 ZnCuInS2 (55-60%) 발광 나노입자 합성
- 녹색/적색 CdSe/ZnSe 발광나노입자와 청색 LED 결합 시, 29.2 lm/W, 연색지수 84 백색 LED 구현
- ZnCuInS2 발광 나노입자

< 3단계 연구 목표>
실용화를 위한 백색발광소자 제조 및 실용화 공정 개발 : 발광효율 100lm/W, 연색지수 85, 수명 10,000시간 이상인 전계발광소자 제조
<주요 연구결과>
◦ 무독성 반도체 발광 나노입자 합성 및 LED 적용
- 높은 양자 효율의 CdSe (65-75%) 및 무독성 ZnCuInS2 (55-60%) 발광 나노입자 합성
- 녹색/적색 CdSe/ZnSe 발광나노입자와 청색 LED 결합 시, 29.2 lm/W, 연색지수 84 백색 LED 구현
- ZnCuInS2 발광 나노입자 적용 시, 연색지수 85이상, 색온도 5000K이하의 따뜻한 백색광 구현
- 상용 YAG 형광체에 적색 CdSe/ZnSe 및 ZnCuInS2 발광나노입자 첨가형광체 적용 시, 90이상 연색지수 달성
◦ 초음파 분무 열분해 공정을 이용한 형광체 제조
- 구형의 500-800nm 크기를 가지는 균일한 형광체 제조, 고온 고상법 대비 발광세기 1.8배, 소자효율 1.4배 증가
- 낮은 온도에서 결정성이 우수한 560-610nm 발광의 셀레나이드 계열 형광체 제조
◦ 패터닝을 통한 LED 광추출 효율 증대
- 실리카 나노입자 마스크를 이용하여 오목, 볼록, 바늘형태 패터닝
- GaN LED 표면 및 Ag 반사판 패터닝 시, PL기준으로 청색 영역에서 각각 최대 35.3%, 33% 광추출 효율 향상
- BCB GRIN 다층구조 패턴을 형성하여 38.1% 광추출 효율 증대
- 사파이어 패터닝을 통해 375n, UV 영역에서 EL기준 22% 광추출 효율 향상
- 습식 및 건식식각을 이용한 무극성 LED 패터닝으로 168% 광추출 효율 증대
◦ 패터닝 LED와 나노형광체 결합
- 패터닝 LED와 고효율 나노 형광체 결합, 최대 118 lm/W, 연색지수 92.3의 고효율 고연색 백색 LED 달성

Abstract ▼

Global warming and climate change caused by rapidly increasing carbon dioxide and other greenhouse gases are critical problems facing the world today. To solve this global challenge, it is necessary to increase the existing energy efficiency as well as to develop the renewable energy. Currently, 40%

Global warming and climate change caused by rapidly increasing carbon dioxide and other greenhouse gases are critical problems facing the world today. To solve this global challenge, it is necessary to increase the existing energy efficiency as well as to develop the renewable energy. Currently, 40% of total energy is consumed by electricity, and of that, 22% is consumed for lighting, which is considerable portion of total world energy consumption. As an alternative to traditional incandescent bulbs or fluorescent lamps, white LED is regarded as promising next generation lighting source due to their high efficiency, long life time, and environmental friendly.
Generally, white LED consists of UV or blue LED chip and phosphor material which absorbs LED light and converts into short wavelength. Therefore, exploring efficient novel phosphor and enhancing LED chip efficiency have been scientific issues recently to create high quality white light.
The objective of this work is to achieve over 100lm/W of high efficacy with excellent color rendering index white LED for general illumination application. This goal is accomplished by developing phosphor materials and LED light extractionefficiency. The micron size and uniform spherical phosphors were prepared at low temperature via ultrasonic spray pyrolysis method. This process provided higher crystallinity and photoluminescence intensity compared to commercial solid statereaction. Futhermore, below 5nm size of high quantum yield Cd free non-toxic semiconductor nanocrystals were synthesized and employed on additive phosphor. The semiconductor nanocrystals played an important role in improving and adjusting white light properties. The white emission spectrum was broadened and high color rendering and warm color temperature white light could be realized by addition of semiconductor nanocrystals. We also introduced simple and low cost process to improve the light extraction efficiency of blue or UV LED chip. Instead of etching on substrate surfaces, arrays of silica nanoparticles were used as mask and the various structure of patterns including convex, concave, and pyramid, was fabricated. This process was applied to GaN LED surface, Ag reflector, sapphire and non-polar LED patterning, and the light extraction efficiency was largely enhanced. As a result, over 100 lm/W and 90 color rendering index of high efficacy and brightness white LED was successfully fabricated by combining these techniques.

We expect that our obtained technologies contribute to energy saving and reduction of carbon dioxide emission. If white LED completely displaced current lighting system, the amount of electricity used for lighting would be decreased by 70% and total energy consumption would be decreased by more than 15%, which is approximately 12.2 million ton of carbon dioxide reduction effect. Also, our technologies can expand to various area such as solar cell, flexible display, and bio application.

목차 Contents

• 제출문 ... 1
• 보고서 초록 ... 2
• 요약문 ... 3
• SUMMARY ... 7
• CONTENTS ... 9
• 목차 ... 11
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 13
• 제 1 절 연구개발의 목표 ... 13
• 제 2 절 연구개발의 필요성 ... 14
• 1. 기술적 측면 ... 14
• 2. 경제.산업적 측면 ... 18
• 3. 사회.문화적 측면 ... 19
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 20
• 제 1 절 고효율 형광체 개발 ... 20
• 1. LED 용 무기형광체 개발 현황 ... 21
• 2. 무기형광체 제조 방법 개발 ... 23
• 3. 반도체 발광 나노입자 형광체 개발 ... 23
• 가. 반도체 발광 나노입자 합성 ... 23
• 나. 반도체 발광 나노입자 형광체 기반 백색 LED ... 26
• 제 2 절 광추출 효율 증대 기술 ... 26
• 1. PSS (Patterned Sapphire Substrate) 표면 가공 기술 ... 26
• 2. p-GaN 요철(roughness) 성장 기술 ... 28
• 3. n-GaN 요철(roughness) 기술 ... 28
• 4. 광결정 (Photonic Crystals) 구조를 이용하는 방법 ... 28
• 5. 표면 플라즈몬 (surface plasmon) 기술 ... 28
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 31
• 제 1 절 발광 나노입자 LED 형광체 적용 ... 31
• 1. CdSe나 발광 나노입자 합성 및 특성 ... 31
• 2. CdSe 발광 나노입자 LED 형광체 적용 ... 36
• 3. CdSe 발광 나노입자 첨가 형광체 적용 ... 42
• 가. 형광고분자/발광 나노입자 첨가 형광체 ... 42
• 나 . 무기형광체/ 발광나노입자 첨가 형광체 ... 51
• 4. 무독성 발광 나노입자 합성 및 특성 분석 ... 62
• 5. 무독성 발광 나노입자의 LED 형광체 적용 ... 67
• 가. ZnCuInS2 발광 나노입자를 이용한 백색 LED 구현 ... 67
• 나. ZnCuInS2 발광나노입자 첨가 형광체 적용 ... 69
• 제 2 절 초음파 분무 열부해 공정을 통한 형광체 제조 ... 71
• 1. 초음파 분무 열분해 장비 제작 ... 71
• 2. 형광체 제조 및 특성 분석 ... 73
• 가. 초음파 분무 열분해 공정으로 통한 Y A G 형광체 특성 향상 ... 73
• 나. 알칼리 토금속 알루미네이트 (alkaline earth aluminate) 형광체 제조 ... 78
• 다. 알칼리 토금속 셀레나이드(alkaline earth selenide) 형광체 제조 ... 82
• 제 3 절 패터닝을 통한 LED 광추출 효율 증대 ... 90
• 1. 실리카 나노입자 배열 연구 ... 90
• 2. 실리카 나노입자를 이용한 패너닝 ... 94
• 가. LED 표면 패터닝 ... 94
• 나. LED Ag 반사판 패터닝 ... 97
• 다. BCB GRIN을 이용한 광추출 효율 향상 ... 99
• 라. Patterned Sapphire Substrates (PSS) 공정 ... 102
• 3. 무극성(non-polar) LED 광추출 효율 향상 ... 105
• 4. 패터닝 기술과 그래핀 조합을 통한 LED 특성 향상 ... 110
• 제 4 절 패턴된 LED와 형광체 결합 ... 115
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 120
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 125
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 126
• 제 1 절 기술 동향 ... 126
• 제 2 절 세계 시장 및 정부 정책 동향 ... 128
• 제 7 장 참 고 문 헌 ... 130