KR100708937B1 - 고휘도 발광 다이오드 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고휘도 발광 다이오드 소자에 관한 것으로서, 한 쌍의 리드 단자로 형성된 리드프레임과, 상기 리드프레임의 일부를 내측에 수용하고, 빛이 방사되도록 오픈된 방사창을 가지도록 형성된 패키지와, 상기 패키지 내부의 리드프레임 상에 실장된 LED 칩과, 상기 LED 칩과 상기 리드프레임의 통전을 위한 통전 와이어와, 상기 패키지 내부에 충진되어 상기 LED 칩과 상기 통전 와이어를 보호하는 몰딩재 및 상기 방사창을 통해 노출된 몰딩재 상에 굴절률이 진공보다 크고 상기 몰딩재보다 작은 매질로 형성된 굴절률 완충층을 포함하는 고휘도 발광 다이오드 소자에 관한 것이다.
발광다이오드, 패키지, 몰딩재, 굴절률, 전반사, 휘도

Description

고휘도 발광 다이오드 소자{HIGH BRIGHTNESS LIGHT EMITTING DIODE}
도 1은 종래 기술에 따른 표면실장형 발광 다이오드 소자의 구조를 나타낸 개략도.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 잘라 도시한 단면도.
도 3은 종래 몰딩재와 진공과의 경계면에서 내부전반사에 의한 소자의 휘도 저하를 설명하기 위한 개념도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고휘도 표면실장형 발광 다이오드 소자의 구조를 나타낸 개략도.
도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ'선을 따라 잘라 도시한 단면도.
도 6은 본 발명이 적용되는 스넬의 법칙을 설명하기 위한 개념도.
도 7은 본 발명에 따른 굴절률 완충층의 작용을 보여주기 위한 개념도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 인쇄회로기판 20 : 패키지
50 : 리드프레임 60 : LED 칩
70 : 통전 와이어 80 : 몰딩재
90 : 굴절률 완충층
본 발명은 발광 다이오드 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 패키지의 방사창을 통해 노출된 몰딩재의 끈적임을 방지하는 동시에 몰딩재의 광 흡수 및 산란을 방지하여 광 효율을 향상시킬 수 있는 고휘도 발광 다이오드 소자에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode, 이하, LED라 한다)는 GaAs, AlGaAs, GaN, InGaInP 등의 화합물 반도체(compound semiconductor) 재료의 변경을 통해 발광원을 구성함으로서, 다양한 색의 빛을 구현할 수 있는 반도체 소자를 말한다.
최근 LED 소자는 비약적인 반도체 기술의 발전에 힘입어, 저휘도의 범용제품에서 탈피하여, 고휘도, 고품질의 제품 생산이 가능해졌다. 또한, 고특성의 청색(blue)과 백색(white) 다이오드의 구현이 현실화됨에 따라서, LED 소자는 디스플레이, 차세대 조명원 등으로 그 응용가치가 확대되고 있다. 일예로서, 표면실장(Surface mounting device) 형태의 LED 소자가 제품화되고 있다.
그러면, 이하 도 1 및 도 2를 참조하여 종래 기술에 따른 표면실장형 LED 소자에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
우선, 도 1은 종래 기술에 따른 표면실장형 LED 소자의 구조를 나타낸 개략도로서, 종래 기술에 따른 표면실장형 LED 소자는, 몰딩 에폭시 수지로 이루어진 패키지(20)를 가지며, 상기 패키지(20)의 소정면은 빛이 방사되기 용이하도록 오픈된 방사창이 형성되고, 다른 면에는 인쇄회로기판(10)에 장착되도록 리드프레임을 형성하는 한쌍의 전극(50)이 돌출되어 있다. 또한, 상기와 같이 구성된 패키지(20)의 내부에는 LED 칩(도시하지 않음)이 그 발광면이 상기 방사창을 향하도록 배치되며, 와이어(도시하지 않음)에 의해 상기 한쌍의 전극(50)과 LED 칩이 연결되어 있다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 잘라 도시한 단면도로서, 종래 기술에 따른 표면실장형 LED 소자의 구조를 상세히 나타낸 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 표면실장형 LED 소자는, 한쌍의 전극(50)과, 상기 전극(50)의 일부를 내측에 수용하도록 합성수지재로 형성된 패키지(20)와, 상기 패키지(20) 내부의 전극(50) 상에 실장된 LED 칩(60)과, 상기 LED 칩(60)과 상기 전극(50)의 통전을 위한 통전 와이어(70)와, 상기 패키지(20) 내부에 충진되어 LED 칩(60) 및 와이어(70)를 보호하는 몰딩재(80)로 이루어진다.
특히, 상기 LED 칩을 보호하기 위한 몰딩재(80)는 구현하려는 LED 칩의 색상에 따라 투명 재료나 형광체가 포함되어 있는 투광성 수지로 이루어져 있다.
한편, 일반적으로 LED 칩의 특성을 결정하는 일반적인 기준은 색(color), 휘도, 휘도의 세기 범위 등이며, 이러한 LED 칩의 특성은 1차적으로 LED 칩에 사용되는 화합물 반도체의 재료에 의해 결정되지만, 부수적으로 LED 칩을 실장하기 위한 패키지의 구조 및 그에 채워진 몰딩재에 영향을 받는다. 특히, 이러한 LED 패키지 구조의 내부에 충진되어 LED 칩을 보호하는 몰딩재는 휘도와 휘도의 각 분포에 큰 영향을 미치게 된다.
그런데, 상술한 종래의 표면실장형 LED 소자의 몰딩재는, 빛이 방사되기 용이하도록 오픈된 방사창을 통해 공기 중에 직접적으로 노출되어 있으므로, 노출된 몰딩재의 끈적임을 통해 몰딩재의 표면에 주변 이물질이 부착되어 오염되는 바, 소자의 특성 및 신뢰성이 낮아지는 문제가 있다.
또한, 상기 LED 칩 상태에서 발광하는 광이 LED 칩을 보호하기 위한 몰딩재를 통과하면서 몰딩재로 흡수 또는 산란되거나, 도 3에 도시한 바와 같이, 몰딩재와 대기 즉, 진공과의 경계면에서 두 매질의 큰 굴절률 차이로 인해 내부전반사되는 바, 몰딩재 없이 LED 칩 상태에서 발광하는 광도에 비하여 발광하는 광도가 낮아져 광효율이 떨어지게 되는 문제가 있다.
여기서, 도 3은 종래 몰딩재와 진공과의 경계면에서 내부전반사에 의한 소자의 휘도 저하를 설명하기 위한 개념도이다.
따라서, 최근 몰딩재를 이용하는 표면실장형 LED 소자의 경우에, 몰딩재에 의한 광의 흡수와 산란 및 내부전반사를 최소화하여 LED 칩의 발광 광도를 증가시키기 위한 방법으로, 패키지 내부 전체가 아닌 LED 칩이 실장되는 최소 영역에만 몰딩재를 충진하는 방법 등이 연구 개발되고 있다.
이에 따라, 미국 특허 제 6638780호에는 LED 칩이 실장되는 패키지의 최소 영역에만 몰딩재를 도포할 수 있는 발광 다이오드 소자의 제조방법을 개재하고 있다.
그런데, 상기 미국 특허 제 6638780호에 개재된 기술에서는 LED 칩이 실장되 는 패키지의 최소 영역에만 몰딩재를 구비함으로써, 몰딩재 내부로 흡수되거나 산란되어 소멸되는 광을 확보하고, 광경로를 조절하여 광효율 및 방열 효과를 증가시킬 수 있다는 이점은 있으나, 이와 같이, LED 칩이 실장되는 패키지의 최소 영역에만 선택적으로 몰딩재를 도포하기 위해선, 기존의 몰딩재 도포 공정을 이용할 수 없으므로, 별도의 공정 및 도포 장치를 필요로 하는 문제가 있다.
또한, 상기와 같이 별도의 몰딩재 도포 공정 및 도포 장치가 필요하게 되면, 발광 다이오드 소자의 제조 공정이 복잡해지고 그에 따라, 전체 제조 공정의 경제성이 저하되어 발광 다이오드 소자의 제조 수율 또한 감소하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 패키지의 반사창을 통해 노출된 몰딩재 표면에 굴절률 완충층을 코팅하여 몰딩재의 끈적임을 방지하고, 몰딩재에 의한 광의 흡수 및 산란을 최소화하여 광 효율 향상시킬 수 있는 고휘도 발광 다이오드 소자에 관한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 한 쌍의 리드 단자로 형성된 리드프레임과, 상기 리드프레임의 일부를 내측에 수용하고, 빛이 방사되도록 오픈된 방사창을 가지도록 형성된 패키지와, 상기 패키지 내부의 리드프레임 상에 실장된 LED 칩과, 상기 LED 칩과 상기 리드프레임의 통전을 위한 통전 와이어와, 상기 패 키지 내부에 충진되어 상기 LED 칩과 상기 통전 와이어를 보호하는 몰딩재 및 상기 방사창을 통해 노출된 몰딩재 상에 굴절률이 진공보다 크고 상기 몰딩재보다 작은 매질로 형성된 굴절률 완충층을 포함하는 고휘도 발광 다이오드 소자를 제공한다.
또한, 상기 본 발명의 고휘도 발광 다이오드 소자에서, 상기 굴절률 완충층은, 진공의 굴절률보다 크고 상기 몰딩재의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 매질층이 서로 다른 굴절률을 가지고 2층 이상 적층된 다층 구조로 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 상기 본 발명의 고휘도 발광 다이오드 소자에서, 상기 굴절률 완충층은, 소자의 우수한 투과도를 확보하기 위하여, 상기 LED 칩에서 방출되는 빛의 파장의 1/4과 동일한 두께로 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 본 발명의 고휘도 발광 다이오드 소자에서, 상기 굴절률 완충층은, 코팅 공정을 통해 형성되는 것이 바람직하며, 상기 코팅 공정은, 증착 방법 또는 전자빔 방법을 이용한다.
또한, 상기 본 발명의 고휘도 발광 다이오드 소자에서, 상기 몰딩재는 상기 제1 패키지에 실장된 LED 칩 및 통전 와이어를 보호하는 동시에 LED 칩에서 발광하는 광을 외부로 투과시키기 위해 투명 에폭시, 실리콘 또는 형광체 혼합물 중 선택된 어느 하나로 이루어짐이 바람직하다.
이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설 명한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 병기하였다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 고휘도 발광 다이오드 소자에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 4 및 도 5를 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고휘도 발광 다이오드 소자에 대하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고휘도 표면실장형 발광 다이오드 소자의 구조를 나타낸 개략도이고, 도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ'선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면실장형 LED 소자는, 투명 합성수지재 또는 불투명 합성수지재 둘 중 어느 하나로 이루어진 패키지(20)를 가지며, 상기 패키지(20)의 소정면은 빛이 방사되기 용이하도록 오픈된 방사창이 형성되고, 다른 면에는 인쇄회로기판(도시하지 않음)에 장착되도록 리드프레임을 형성하는 한쌍의 리드 단자(50)의 일부분이 돌출되어 있다.
그리고, 상기와 같이 구성된 패키지(20)의 내부에는 LED 칩(60)이 그 발광면이 상기 방사창을 향하도록 배치되며, 통전 와이어(70)에 의해 상기 리드 단자(50)와 LED 칩(60)이 연결되어 있다.
상기 LED 칩(60)은 리드프레임 상에 실장되어 있으며, 상기 LED 칩(60)이 실 장된 패키지(20) 내부에는 LED 칩(60)을 보호하는 몰딩재(80)가 충진되어 있다.
또한, 상기 패키지(20)의 방사창을 통해 노출된 몰딩재(80)의 표면에는 굴절률이 진공보다 크고 상기 몰딩재(80)보다 작은 매질로 이루어진 굴절률 완충층(90)이 형성되어 있다.
특히, 도시하지는 않았지만, 상기 굴절률 완충층(90)은, 투과율을 향상시키기 위해 진공의 굴절률보다 크고 상기 몰딩재(80)의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 매질층이 서로 다른 굴절률을 가지고 2층 이상 적층된 다층 구조로 형성되는 바람직하다. 이때, 상기 굴절률 완충층(90)의 두께는 상기 LED 칩(60)에서 방출되는 빛의 파장(λ)의 1/4과 동일한 두께로 형성된 것이 바람직하며, 상기 굴절률 완충층(90)의 투과도를 최적화시키기 위함이다.
또한, 상기 굴절률 완충층은, 별도의 렌즈가 아닌 코팅 공정을 통해 상기 몰딩재(80)와 접하도록 형성되는 것이 바람직하며, 상기 코팅 공정은, 증착 방법 또는 전자빔 방법을 이용한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 표면실장형 LED 소자는, 상기 굴절률 완충층(90)을 통해 종래 LED 칩(60)에서 발광하는 광 중 몰딩재(80)와 진공 사이의 큰 굴절률 차이로 인해 몰딩재(80)와 진공의 경계면에서 내부전반사 되던 광을 진공으로 투과시킴으로써, LED 소자의 광효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 굴절률 완충층(90)은, 반사창을 통해 노출된 몰딩재(80)가 주변환경과 접촉되는 것을 차단하고 있기 때문에 몰딩재(80)의 끈적임으로 인해 몰딩재의 표면에 주변 이물질이 부착되어 소자의 특성 및 신뢰성이 불안정해지는 문제를 해결할 수 있다.
그러면, 이하, 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 굴절률 완충층에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
우선, 굴절은, 빛이 투명한 다른 재질에 입사할 때 똑바로 들어가지 못하고 꺾이 후에 다시 똑바로 나아가는 현상을 말한다. 또한, 굴절할 때 꺾이는 정도를 굴절률이라 하며, 진공을 기준으로 정한 굴절률을 절대 굴절률이라 하는데, 흔히 굴절률이라 한다.
예를 들어, 진공에서 빛의 속도를 C, 매질 내에서의 빛의 속도를 V라 하면, 굴절률은 하기 수학식 1과 같이 나타난다.
<수학식 1>
굴절률 n = C/V
<표 1>
매질 진공 공기(STP)b 물 아세톤 보통유리 사파이어 고밀도유리 다이아몬드
굴절률a 1.00 1.00029 1.33 1.36 1.52 1.77 1.89 2.42
a : 파장 598nm 빛(나트륨 등의 노란색 빛)에 대한 수치.
b : STP (표준상태, 0℃이고, 1기압인 상태)
따라서, 굴절률은 위의 표 1에 나타낸 바와 같이 항상 1보다 크게 나타난다.
굴절률이 크다는 것은 밀한 매질이라는 뜻이며, 빛의 속도가 느리다는 의미이다. 그 반대를 소한 매질이라 하는데, 이는 항상 상대적으로 사용하는 말이다.
그리고, 어떤 매질에서의 굴절은 입사각과 굴절각 사이에 일정한 규칙이 성립하는데 이를 스넬(Snell)의 법칙이라 한다.
도 6은 본 발명이 적용되는 스넬의 법칙을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6을 참고하면, 소한 매질(n1)에서 밀한 매질(n2)로 빛이 입사하는 경우 밀한 매질(n2)에서의 속도가 느려지기 때문에 빛의 진행 방향은 수직선 쪽으로 꺽이게 된다.
한편, 종래 기술과 같이, 굴절률이 큰 매질인 밀한 매질에서 굴절률이 작은 매질인 소한 매질로 빛이 입사하는 경우, 어떤 일정 각도 이상으로 입사한 빛은 스넬의 법칙을 충족할 수 없으므로 굴절되지 못하고 반사된다(도 3 참조). 이 경계각을 임계각이라 하고, 이러한 현상을 전반사라 한다. 이때, 두 매질의 굴절률 차이가 클수록 임계각은 작아지며, 그로 인해 입사하는 빛의 전반사도 커지게 된다.
다시 말해, 전반사를 방지하기 위해 임계각을 크게 해주어야 한다.
따라서, 본 발명에서는 도 7에 도시한 바와 같이, 밀한 매질(몰딩재)에서 소한 매질(진공)로 빛이 입사 할 때 두 매질 사이의 경계면에 굴절률 완충층을 구비하여 두 매질 간의 굴절률 차이를 감소시키므로, 임계각을 크게 하여 전반사의 확률을 최소화하고 있다.
여기서, 도 7은 본 발명에 따른 굴절률 완충층의 작용을 보여주기 위한 개념도이다.
즉, 본 발명의 제1 실시예에 따른 고휘도 발광 다이오드 소자는 LED 칩을 실장하는 패키지(20)가 LED 칩이 실장된 최소 영역에만 몰딩재를 충진할 수 있는 몰 딩재 충진 공간을 정의하는 제1 패키지(21)와 광 경로 조절 공간을 정의하는 제2 패키지(22)를 포함하여 이루어져 있으므로, LED 칩에서 발광하는 광이 상기 몰딩재에 의해 흡수 또는 산란되어 손실되는 종래 기술의 문제점을 방지하는 동시에, 광 경로를 조절하여 패키지 내부로 흡수 또는 산란되어 손실되는 광을 확보하여 발광 다이오드 소자의 광효율을 증가시킬 수 있다.
한편, 상술한 본 실시예에서는 상기 패키지의 방사창을 통해 노출된 몰딩재 표면에 굴절률 완충층을 구비하여 LED 칩으로부터 발광하는 광이 몰딩재 내부로 전반사되어 손실되는 광을 확보하고, 몰딩재의 끈적임으로 인해 주변 이물질이 부착되는 오염을 방지하는 본 발명의 기술적 사상을 사이드 뷰(side view) 형의 발광 다이오드 소자에 적용하였으나, 이를 탑 뷰(top view) 형의 발광 다이오드 소자에 적용하는 것도 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 패키지의 방사창을 통해 노출된 몰딩재 표면에 굴절률 완충층을 코팅하여 몰딩재의 끈적임을 방지하여, 몰딩재의 표면에 주변 이물질이 부착되는 것을 차단할 수 있으므로 소자의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 몰딩재와 진공 사이의 경계면에 위치하는 굴절률 완충층을 통해 몰딩재와 진공의 큰 굴절률 차이로 인해 몰딩재 내부로 전반사되는 광을 투과시켜 소자의 광 효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. 한 쌍의 리드 단자로 형성된 리드프레임;
    상기 리드프레임의 일부를 내측에 수용하고, 빛이 방사되도록 오픈된 방사창을 가지도록 형성된 패키지;
    상기 패키지 내부의 리드프레임 상에 실장된 LED 칩;
    상기 LED 칩과 상기 리드프레임의 통전을 위한 통전 와이어;
    상기 패키지 내부에 충진되어 상기 LED 칩과 상기 통전 와이어를 보호하는 몰딩재; 및
    상기 방사창을 통해 노출된 몰딩재가 주변환경과 접촉되는 것을 차단하도록 상기 몰딩재 표면에 굴절률이 진공보다 크고 상기 몰딩재보다 작은 매질로 형성된 굴절률 완충층;
    을 포함하는 고휘도 발광 다이오드 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 굴절률 완충층은 진공의 굴절률보다 크고 상기 몰딩재의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 매질층이 서로 다른 굴절률을 가지고 2층 이상 적층된 다층 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 고휘도 발광 다이오드 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 굴절률 완충층은 상기 LED 칩에서 방출되는 빛의 파장의 1/4과 동일한 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 고휘도 발광 다이오드 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 굴절률 완충층은 코팅 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 고휘도 발광 다이오드 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 코팅 공정은 증착 방법 또는 전자빔 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 고휘도 발광 다이오드 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 몰딩재는 투명 에폭시, 실리콘 또는 형광체 혼합물 중 선택된 어느 하나로 이루어짐을 특징으로 하는 고휘도 발광 다이오드 소자.
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