KR100794866B1 - 발광 다이오드 장치 - Google Patents

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Abstract

청녹의 컬러에 해당하는 485 내지 515나노미터(㎚) 범위의 파장의 1차 광을 방출하는 백색 발광 다이오드(LED)가 제공된다. 1차 광의 일부는 대략 600에서 620㎚까지의 파장의 범위에 있는 적색 컬러의 광으로 변환된다. 변환된 광의 적어도 일부는 1차 광의 변환되지 않은 부분과 조합되어 백색광을 생성한다. 다수의 인광체 변환 요소들(phosphor-converting element)은 LED에 사용하기에 적합하며, 인광체 분말과 혼합된 수지와, 인광체 분말과 혼합된 에폭시와, 유기 발광 염료와, 인광체 변환 박막 및 인광체 변환 기판을 포함하고 있다. 바람직하게는 인광체 변환 요소는, 수지에 충돌하는 1차 광의 일부가 적색 컬러의 광으로 변환되고 1차 광의 일부가 변환되지 않고 수지를 관통하도록 하는 방식으로, 인광체 분말과 혼합된 수지이다. 변환되지 않은 1차 광과 인광체 변환된 적색 컬러의 광은 백색광을 발생시키도록 결합된다. LED는 인광체 변환 수지가 충진되어 있는 반사기 컵(reflector cup) 내에 장착된다. LED는 반사기 컵 내에서 수직(normal) 혹은 플립칩(flip-chip) 구조로 장착될 수도 있다.

Description

발광 다이오드 장치{A LIGHT EMITTING DIODE DEVICE THAT EMITS WHITE LIGHT}
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따라, 인광체 변환 수지가 충진되어 있는 반사기 컵 내에 배치되어 있는 LED를 사시도,
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따라, 인광체 변환 수지가 충진되어 있는 반사기 컵 내에 LED가 플립칩 구조로 배치되어 있는 LED를 도시한 사시도,
도 3은 본래 확산성이 있어 시그널링 및 디스플레이 목적으로 적합한 발광 장치를 제공하도록, 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명의 백색광 발광 LED와 함께 사용될 수 있는 확산 소자를 도시한 평면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 발광 다이오드 2 : 발광 구조체
16 : 반사기 컵 17 : 인 변환 수지
본 발명은 발광 다이오드 장치에 관한 것으로, 특히 1차 청녹광(primary bluish-green light)과 인광체 변환된 적색광(phosphor-converted reddish light)을 조합함으로써 백색광을 발생시키는 발광 다이오드 장치에 관한 것이다.
녹색 교통 신호등에 이용되는 발광 다이오드 장치(LED)는 대략 485 내지 515나노미터(㎚)의 범위의 파장의 청녹광을 방출한다. 파장의 방출 범위는 법으로 규정되며 이 범위의 매우 협소한 서브세트이다. 이러한 LED들이 생산될 때, 이들은 방출된 광이 합법적으로 규정된 범위 내에 있는지의 여부를 결정하기 위해 테스트된다. 만약 LED들이 이러한 규정을 충족시키지 못한다면 이들은 대체로 폐기된다.
450 내지 520나노미터의 스펙트럼 범위에서 발광하는 효율적인 LED를 개발함에 따라, LED의 1차 방출의 일부를 보다 긴 파장으로의 인광체 변환을 통해 백색광을 발생시키는 LED를 제조할 수 있게 되었다. 1차 방출의 변환되지 않은 부분은 보다 긴 파장의 광과 조합되어 백색광을 발생시킨다. LED가 조명 목적으로 유용한(즉, 우수한 컬러 렌더링 기능을 갖는) 백색광을 생성하기 위해서는, 1차 방출은 가령 480나노미터 미만의 파장을 가져야만 한다. 그러나, 만약 LED가 시그널링 또는 디스플레이 목적으로만 사용될 경우에는 1차 방출은 480나노미터를 초과하는 파장을 가질 수도 있다. 480나노미터를 초과하는 파장에서 1차 광의 인광체 변환은 광이 부딪히는 확산 스크린을 통하여 관측되거나 혹은 직접 관측될 때 백색으로 나타나는 광을 발생시킬 것이다. 그러한 LED는 다양한 타입의 디스플레이 및 시그널링 환경(가령, 보행자용 교통 신호등)용으로 적합할 것이지만, 일반적으로는 빈약한 컬러 렌더링 특성으로 인해 조명 목적으로는 적합하지가 않을 것이다.
보행자용 교통 신호등은 LED를 사용하지 않는 현재의 유일한 교통 신호등이다. 보행자용 교통 신호등은 일반적으로 시그널링을 위해 백열 전구를 사용하고 있다. 이러한 전구는 비교적 급속하게 단선되며 비교적 자주 대체되어야 한다. 이러한 목적과 기타 시그널링 및 디스플레이 목적으로 적합한 백색광을 발생시키는 LED를 제공하는 것이 바람직할 것이다. LED는 백열 전구보다는 에너지를 덜 소모하며 통상적으로 백열 전구보다 긴 수명을 갖는다. 결과적으로, LED는 이러한 환경들의 백열 전구보다는 유지비가 덜 요구되며 잠재적으로도 경제적으로 우수한 해법을 제공할 수가 있다.
따라서, 시그널링 및 디스플레이 목적으로 적합한 백색광 방출 LED를 제공할 필요가 있다.
본 발명은 청녹색에 해당하는 대략 485 나노미터 내지 515 나노미터 범위의 파장에서 1차 광을 방출하는 백색 발광 다이오드(LED)를 제공한다. 1차 광의 일부는 대략 600 내지 620 나노미터의 파장의 범위에 있는 적색광으로 변환된다. 변환된 광의 적어도 일부는 1차 광의 변환되지 않은 부분과 조합되어 백색광을 발생시킨다. LED는 기판과 이 기판의 표면상에 배치된 발광 구조체를 포함한다. 발광 구조체는 인광체 변환 요소상에 충돌하는 1차 광을 방출하여 적색광을 발생시키며, 이 적색광은 청녹색의 광과 조합하여 백색광을 발생시킨다.
다수의 인광체 변환 요소는 본 발명의 LED에 사용되기에 적합하며, 인광체 분말과 혼합된 수지와, 인광체 분말과 혼합되는 에폭시와, 유기 발광 염료와, 인광체 변환 박막과 인광체 변환 기판을 포함하고 있다. 바람직하게도, 인광체 변환 요소는, 수지에 충돌하는 1차 광의 일부가 적색광으로 변환되고 1차 광의 일부가 변환되지 않고 수지를 관통하도록 하는 방식으로 인광체 분말과 혼합된 수지이다. 변환되지 않은 1차 광과 인광체 변환된 적색광은 백색광을 발생시키도록 결합된다. 이러한 본 실시예에 따르면, LED는 인광체 변환 수지가 충진되어 있는 반사기 컵 내에 장착된다. LED는 반사기 컵 내에서 수직 구조 혹은 플립칩 구조로 장착될 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 효과와 그의 변형은 아래의 상세한 설명과 도면 및 특허청구범위로부터 명백할 것이다.
도 1은 본 실시예에 따라, 반사기 컵 내에 장착되어 있는 본 발명의 발광 다이오드(LED)(1)의 사시도이다. 본 발명의 LED(1)는, 일반적으로 청녹색이며 대략 485 내지 515 나노미터의 파장의 범위를 갖는 광을 방출할 수 있다는 것을 제외하고는, 임의의 특정 LED의 설계에 국한되지 않는다. 전술한 바와 같이, 녹색 교통 신호등으로 사용되도록 설계되는 LED는 청녹색 광을 발생시킨다. 바람직하게도, 그러한 LED는 본 발명에 따라 사용되는데, 그 이유는 전술한 사양을 충족하지 못하는 특정 목적용으로 설계된 LED가 폐기되기 때문이다. 본 발명은 시그널링 및 디스플레이 목적용으로 적합한 백색 발광 LED를 제조하는데 그 LED를 이용할 수 있지만, 일반적으로는 조명용의 산업 표준을 충족하도록 설계되지 않고 있다.
LED(1)는 가령, 두 개의 n-GaN층(3,4), SQW 혹은 MQW GaInN 층(5), p-AlGaN 층(6) 및 p-GaN 층(7)을 포함하는 발광 구조체(2)를 포함한다. 이 발광 구조체(2)는 또한 n 전극의 결합 패드(8)와, n 전극(3)과, p 전극의 결합 패드(11)와, p 전극(12)을 포함한다. n 전극(3)은 GaN으로 구성된다. 전극 결합 패드(8, 11)는, 전원(도시되어 있지 않음)에 접속될 때, LED(1)가 대략 485 내지 515 나노미터의 파장의 범위에 있는 청녹색의 1차 광을 방출하도록 야기하는 바이어싱 전류를 제공한다.
LED(1)를 생성하는데 사용되는 물질은 도 1과 관련하여 설명한 물질에 국한되지 않는다는 것을 주목할 필요가 있다. 당업자는, LED(1)가 다양한 타입의 물질로 구성될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 전술한 바와 같이, LED(1)는 대략 485 내지 515 나노미터의 파장의 범위의 청녹색인 1차 광을 방출한다는 것을 제외하고는 임의의 특정 타입의 LED에 국한되지 않는다. 당업자는 전술한 목적용으로 적합한 다양한 LED가 알려져 있음을 알 수 있을 것이다.
바람직하게도 1차 광을 발생시키는 발광 구조체(2)는, 1차 방출을 투과시키는 사파이어(Al2O3) 혹은 실리콘 카바이드(SiC) 기판(13) 상에 에피택셜로 성장된다. 도 1에 도시된 실시예에 따라, LED(1)는 "수직" 장착 구조로서 통상적으로 지칭되는 구조로 반사기 컵(16) 내에 장착된다. 반사기 컵에는 바람직하게 인광체 변환 수지(17)가 충진된다. 이와 달리, 반사기 컵(16)에는 에폭시 혹은 발광 염료가 충진된다. 동작중에, LED(1)가 구동될 때, LED(1)에 의해 방출되는 1차 광은 인광체 변환 수지(17)상에 충돌한다. 이 수지(17) 상에서 충돌하는 1차 광의 일부는 수지(17)에 의해 적색광으로 변환된다. 적색광은 대략 600 내지 620 나노미터의 파장의 범위에 있다. 1차 광의 변환되지 않은 부분은 수지를 관통하여 적색광과 조합하여 백색광을 발생시킨다.
도 2는 다른 실시예에 따라 플립칩 장착 구조로 반사기 컵(16) 내에 장착되는 본 발명의 LED(1)를 도시한 사시도이다. 따라서, LED(1)의 다양한 구성요소들은 반복되지 않을 것이다. 플립칩 장착 구조에서, p 전극 결합 패드(11)는 도전성 소자(도시되지 않음)에 의해 도전성 물질로 구성된 반사기 컵(16) 내의 내부면에 전기적으로 접속된다. 도 1에 도시된 실시예에 따라, 반사기 컵(16)에는 바람직하게도 인광체 변환 수지(17)가 충진된다. 이와는 달리, 반사기 컵에는 인광체 변환 에폭시 혹은 인광체 변환 염료가 충진될 수도 있다. 기판(13)은 투명하며 p 전극(12)은 반사성을 가져, 발광 구조체에 의해 발생된 1차 광이 p 전극(12)으로부터 반사되어 기판(13)을 관통하여 수지(17) 내로 전달된다. 도 1에 도시된 실시예에 따르면, 기판(13)은 1차 광을 투과시키는 사파이어 및 실리콘 카바이드를 포함하는 다양한 물질로 구성될 수도 있다. 그러나, 도 2에 도시된 실시예의 경우의 p 전극(12)은 반사성인 반면, 도 1에 도시된 실시예의 경우의 p 전극(12)은 투광성을 갖는다.
1차 광은 하나 이상의 파장을 갖는 광을 포함한다는 것을 주목할 필요가 있다. 유사하게, 1차 광에 의한 여기에 응답하여 인광체 변환 요소에 의해 방출되는 광은 하나 이상의 파장의 광을 포함할 수도 있다. 가령, 발광 구조체(2)에 의해 방출된 1차 광은 스펙트럼 밴드를 구성하는 다수의 파장에 해당할 수 있다. 마찬가지로, 수지(17)에 의해 방출된 적색광은 스펙트럼 밴드를 구성하는 다수의 파장에 해당할 수도 있다. 이러한 스펙트럼 밴드 내의 파장들은 백색광을 생성하도록 조합될 수도 있다. 따라서, 본 발명의 개념과 원리를 설명할 목적으로 개개의 파장들이 논의되고 있지만, 당업자는 본 명세서에서 논의되고 있는 여기가 다수의 파장의 광 혹은 스펙트럼 밴드의 광에 의해 발생할 수 있으며 다수의 파장의 광 혹은 스펙트럼 밴드의 광을 생성할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서, 스펙트럼 밴드라는 용어는 적어도 하나의 파장 및 잠재적인 수많은 파장들의 밴드를 의미하도록 의도된다. 파장이라는 용어는 스펙트럼 밴드의 피크치 크기의 파장을 나타내도록 의도된다.
인광체 변환 수지(17)는 바람직하게 화학적으로 (Sr, Ca, Ba)S:Eu2+로서 식별되는 인광체 계열로부터 선택되는 인광체을 포함하는 수지이다. 이러한 계열로부터 선택되는 하나의 인광체는 유러퓸이 도핑된 스트론튬 황화물로서, 화학적으로 SrS:Eu2+로서 정의되며, 610 나노미터에서 피크치의 방출을 갖는다. 그러나, 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 인광체 변환 수지(17)를 생성하는데 수지에 다른 인광체가 혼합될 수도 있다. 인광체 변환 수지, 염료 혹은 에폭시를 사용하는 것 대신에, 인광체 변환 박막, 인광체 변환 기판, 혹은 이들 소자의 조합을 포함하는 다른 타입의 인광체 변환 요소가 사용될 수도 있다. 이러한 목적용으로 적합한 인광체 변환 박막 및 인광체 변환 기판들은 공동 계류중에 있는 1999년 9월 27일 출원의 미국 특허 출원 제 09/407,231, 09/407,228, 09/405,938호에 개시되고 있으며, 이들은 본 출원인에 양도되었으며 또한 본 명세서에서 참조로 인용되고 있다.
이러한 출원들은 또한 인광체 변환 요소가 인광체 변환을 수행하도록 이용되는 방법을 개시하고 있다. LED에 의해 방출되는 1차 청녹색 광의 일부를 적색 광으로 변환시키고 이 적색 광을 1차 청녹색 광의 변환되지 않은 부분과 결합하여 백색광을 생성하도록 본 발명의 LED에 따라 다양한 타입의 인광체 변환 요소들을 사용하는 방식은 당업자에 의해 이해될 수 있을 것이다. 따라서, 이러한 인광체 변환 요소들을 본 발명에 따라 사용하는 방식은 본 명세서에서 논의되지 않을 것이다.
본 발명의 LED는 시그널링 및 디스플레이 목적용으로 적합한 백색광을 생성할 것이지만, 일반적으로는 조명용으로는 적합하지 않다. 본 발명의 하나 이상의 LED가 도 3에 도시된 확산 소자(25)와 같은 확산 소자와 연계하여 사용될 경우, 확산 소자(25)의 하드 마스크(26)에 의해 표현될 확산 소자의 거칠기 특성으로 인해 백색광은 확산되거나 퍼져나가게 될 것이다. 확산 소자(25)는 가령, 보행자의 "보행" 교통 신호등의 무광 확산판(frosted diffuser plate)을 나타낼 것이다. 당업자라면 유용한 기능을 제공하기 위해 본 발명의 LED가 다양한 타입의 확산기와 함께 사용되는 방식을 이해할 수 있을 것이다. 확산기는 단지 LED를 덮고 있는 수지돔의 전면일 수 있다는 것을 주목할 필요가 있다.
본 발명은 본 발명의 개념과 원리를 설명하기 위해 다양한 실시예와 관련하여 기술되었음을 주목할 필요가 있다. 그러나, 본 발명은 이러한 실시예에 국한되는 것은 아니다. 당해 기술 분야의 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 내에서 기술된 실시예에 여러 변형을 가할 수 있을 것이라는 것을 분명히 알 수 있다. 가령, 본 발명이 소정의 물질을 포함하는 LED와 관련하여 기술되었지만, 당업자라면 본 발명이 그러한 물질을 포함하는 LED에 국한되지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한 본 발명이 도 1 및 도 2에 도시된 반사기 컵 장착 구조와 관련하여 상세하게 기술되었지만, 당업자라면 본 발명이 이러한 특정의 장착 구조에 국한되지 않을 것이라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 마찬가지로, 본 발명은 전술한 인광체 변환 요소에 국한되지 않는다. 당업자라면 본 발명의 영역 내에서 전술한 실시예의 모든 측면에 대해 다양한 변형을 가할 수 있을 것이라는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 시그널링 및 디스플레이 목적으로 적합한 백색광을 발생시키는 LED를 제공할 수 있어서 기존의 백열 전구보다는 에너지를 덜 소모하며 통상적으로 백열 전구보다 긴 수명을 가지며, 또한 백열 전구보다는 유지비가 요구되면 잠재적으로도 경제적으로 우수한 해법을 제공할 수가 있는 효과가 있다.

Claims (22)

  1. 백색광을 생성하기 위한 발광 다이오드(LED) 장치로서,
    구동될 때 485 내지 515 나노미터(nm)의 범위의 적어도 하나의 파장을 갖는 1차 광을 발광시키는 발광 장치와,
    상기 발광 장치에 의해 생성된 1차 광을 수신하기 위해 배치된 인광체 변환 요소(phosphor-converting element)를 포함하며,
    상기 1차 광은 상기 인광체 변환 요소상에 충돌하며, 상기 인광체 변환 요소에 의해 수신되는 상기 1차 광의 제 1 부분은 인광체 변환 요소를 관통하여 변환되지 않은 채로 유지되며, 상기 인광체 변환 요소에 의해 수신되는 상기 1차 광의 제 2 부분은 1차 광보다 긴 파장을 갖는 광으로 변환되고, 상기 1차 광의 제 1 부분과 상기 보다 긴 파장의 광이 조합되어 백색광을 발생시키는
    발광 다이오드 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보다 긴 파장의 광은 600 내지 620 나노미터의 범위의 적어도 하나의 파장을 포함하는 발광 다이오드 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    반사기 컵을 더 포함하되, 기판과, 상기 발광 장치와, 상기 인광체 변환 요소는 상기 반사기 컵 내에 배치되며, 상기 반사기 컵은 상기 발광 다이오드 장치에 의해 생성된 백색광이 통과하는 개구부를 갖는 발광 다이오드 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 인광체 변환 요소는 인광체와 혼합된 수지를 포함하며, 상기 반사기 컵에는 상기 기판과 상기 발광 장치가 실질적으로 수지 혼합체 내에 완전히 잠길 정도로 상기 수지 혼합체가 충진되어 있는 발광 다이오드 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드 장치가 시그널링 목적으로 사용되는 발광 다이오드 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    디스플레이 목적용으로 사용될 확산 스크린을 더 포함하는 발광 다이오드 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 기판은 1차 광을 투과시키며, 상기 발광 다이오드 장치는 반사기 컵 내에서 플립칩 장착 구조로 장착되는 발광 다이오드 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 기판은 1차 광에 대해 불투과성을 가지며, 상기 발광 다이오드 장치는 상기 반사기 컵 내에서 수직 장착 구조로 장착되는 발광 다이오드 장치.
  9. 제 4 항에 있어서,
    수지는 화학적으로 (Sr, Ca, Ba)S:Eu2+로서 식별되는 인광체 계열로부터 선택되는 인광체과 혼합되어 있는 발광 다이오드 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 인광체는 유러퓸이 도핑된 스트론튬 황화물로서, 화학적으로는 SrS:Eu2+로서 정의되는 발광 다이오드 장치.
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 인광체 변환 요소는 인광체가 혼합된 에폭시이며, 상기 반사기 컵에는 상기 기판과 상기 발광 장치가 실질적으로 에폭시 혼합체 내에 완전히 잠길 정도로 상기 에폭시 혼합체가 충진되어 있는 발광 다이오드 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드 장치는 시그널링 목적으로 사용되는 발광 다이오드 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    디스플레이 목적용으로 사용되는 확산 스크린을 더 포함하는 발광 다이오드 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판은 1차 광을 투과시키며, 상기 발광 다이오드 장치는 상기 반사기 컵 내에서 플립칩 장착 구조로 장착되는 발광 다이오드 장치.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판은 1차 광에 대해 불투과성을 가지며, 상기 발광 다이오드 장치는 상기 반사기 컵 내에서 수직 장착 구조로 장착되는 발광 다이오드 장치.
  16. 제 3 항에 있어서,
    상기 인광체 변환 요소는 유기 발광 염료이며, 상기 반사기 컵 내에는 상기 기판과 발광 구조체가 실질적으로 상기 염료 내에 잠길 정도로 상기 염료가 충진되어 있는 발광 다이오드 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드 장치는 시그널링 목적용으로 사용되는 발광 다이오드 장치.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드 장치는 디스플레이 목적용으로 사용되는 확산 스크린과 연계하여 사용되는 발광 다이오드 장치.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 기판은 1차 광을 투과시키며, 상기 발광 다이오드 장치는 반사기 컵 내에서 플립칩 장착 구조로 장착되는 발광 다이오드 장치.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 기판은 1차 광에 대해 불투명하며, 상기 발광 다이오드 장치는 반사기 컵 내에서 수직 장착 구조로 장착되는 발광 다이오드 장치.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 인광체 변환 요소는 인광체 변환 박막인 발광 다이오드 장치.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 인광체 변환 요소는 인광체 변환 기판이며, 상기 발광 장치는 상기 인광체 변환 기판상에 배치되는 발광 다이오드 장치.
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