역 나노임프린트 공정에 의한 양면 산화물 금속 이차원 광결정 형성 및 백색 발광 다이오드에서의 응용

Abstract

오늘날의 문명 발달은 반도체의 발달과 함께 이뤄졌다고 해도 과언이 아니다. 반도체 소자의 발달은 직접적으로 여러 가지 장비들의 발달을 가져왔기 때문이다. 그 반도체 소자는 수십만 개가 모여 하나의 집적회로를 형성 하게 되는데, 만약 이 집적 회로를 기존의 소자들을 이용하여 설계한다면 그 회로의 부피는 매우 커질 것이다. 20세기에서의 기술발전의 가장 큰 이슈는 반도체 소자의 소형화 및 고 집적화를 하는 것이 있다. 이러한 미세 구조물 제작을 위해 사용되는 기술이 리소그래피(lithography) 기술이다. 오늘날 많은 리소그래피 기술들이 고 집적화를 위해 연구되어지고 있고 사용되고 있다. 현제 높은 해상도(resolution)를 위해 연구되어지는 리소그래피 방식으로는 극자외선 리소그래피 (Extreme ultraviolet lithography: EUVL), 나노 임프린트 리소그래피, 마스크리스 리소그래피 방식 등이 있다. 그중에서 나노 임프린트 리소그래피(Nano-imprint lithography : NIL) 방식은 실현 가능성이 높게 평가 되어 연구가 활발히 진행 중이다. 나노 임프린트 리소그래피 공정은 적은비용으로 다양한 재료의 나노 구조물 형성을 가능하게 하고, 공정 과정이 비교적 간단하며 반복적인 복제가 가능한 장점을 갖추고 있기 때문에, 고비용과 낮은 생산성을 지닌 광학 리소그래피를 보안할 기술로 주목 받고 있다. 본 실험에서는 나노 임프린트 리소그래피 공정을 사용하여 이차원 광결정 형성을 진행하게 된다. 한편 현재 또 다른 이슈로는, 다양한 정보를 시각화 하여 인간에게 전달하는 장치인 디스플레이(display)장치가 있다. 디스플레이는 TV, 컴퓨터, 조명 산업 등에 힘입어 CRT, PDP, LCD, LED, OLED등으로 빠르게 변화하며 발전하고 있다. 본 논문에서는 BLU(Back Light Unit)로 사용되는 발광 다이오드(Light Emitting Diode:LED)에 대하여 다루고 있다. LED는 낮은 소비 전력, 고속응답, 긴수명 등의 여러 장점이 있으면서, 동시에 현대 사회에서 중요시 되고 있는 친 환경 적인 발광소자라는 관점에서 많은 관심을 받고 있다. 또한 백색 LED는 친환경, 에너지 절약, 감성 조명 실현 등 여러 가지 장점을 통해“조명의 혁명”이라고 불리며 조명 시장에서도 많은 연구가 진행 중에 있다. 본 논문에서는 powder 타입의 yellow 형광체가 사용되는 white LED 의 구동시에 좋지 못한 방열문제를 개선하기 위하여 plate 타입의 형광체를 사용하였다. 하지만 film 이나 plate 타입의 형광체는 스넬의 법칙에 의해 형광체 내부에서 생성된 빛의 매우 적은 비율만이 외부로 빠져나가게 된다는 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하고자 나노 임프린트 리소그래피 공정을 통해, white LED 에 사용되는 yellow 색을 띄는 YAG:Ce plate 형광체의 뒷면, 앞면 그리고 양면에 이차원 광결정(Two-dimensional photonic crystal : 2D PC)을 형성하고, 구현된 이차원 광결정의 위치에 따른 LED 의 효율증가를 보고자 하였다. 실험 과정은 이차원 광결정 구조의 SiO2 마스터 몰드를 제작하고, PDMS(polydimethylsiloxane)와 TPT(Trimetatvlolpropane Propoxylate Triacrylate) 혹은 ERM 과 같은 UV 경화성 재료를 사용하여 복제 몰드(replica stamp)를 만든다. PDMS의 유연한 특성과 TPT 가 UV 에 의해 경화 되었을 때의 강한 정도는, 나노 임프린트 공정을 통한 넓은 면적에 깔끔한 광결정을 제작하기 유리하다. 실험 공정은 패턴의 최적화를 위해 역임프린트 공정으로 진행되었고 높이, 지름과 같은 변수들을 조절하여 패턴 크기를 최적화 하였다. 그리고 이차원 광결정을 제조하기 위한 resin으로 ZrO2 나노 입자를 사용하였다. 형성된 이차원 광결정은 고굴절 물질인 ZrO2로 구성되어 있으며, 패턴이 형성된 위치에 따라 빛의 흡수와 추출의 역할을 하여 white LED 의 효율을 증가 시켰다.