KR100807015B1

KR100807015B1 - 발광 장치

Info

Publication number: KR100807015B1
Application number: KR20060076932A
Authority: KR
Inventors: 나오따다 오까다
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2005-08-16
Filing date: 2006-08-16
Publication date: 2008-02-25
Also published as: KR20070021064A

Abstract

본 발명의 발광 장치는 LED 기판(20) 및 LED 기판(20)을 밀봉하는 밀봉 수지부(30)를 포함하고, 밀봉 수지부(30)는 굴절률 n₁을 갖는 형광 물질(32)과 굴절률n₂를 갖는 미세 입자(33)가 첨가된 굴절률 n₃를 갖는 실리콘 수지(31)를 갖는다. 발광 장치에서, 굴절률 n₁ 내지 n₃는 n₂ > n₁ > n₃의 관계를 갖고, 미세 입자(33)의 입경은 LED 기판(20)으로부터 방출되는 빛의 파장의 1/10 이하이다.

발광 장치, LED 기판, 밀봉 수지부, 형광 물질, 미세 입자

Description

발광 장치 {LIGHT EMITTING DEVICE}

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 램프를 개략적으로 도시하는 종단면도.

도2는 산란률 및 입경 사이의 관계를 나타내는 도면.

도3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 LED 램프를 개략적으로 도시하는 종단면도.

도4는 종래의 LED 램프를 개략적으로 도시하는 종단면도.

도5는 종래의 LED 램프를 개략적으로 도시하는 종단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : LED 램프

20 : LED 기판(발광 소자 기판)

30 : 밀봉 수지부

31 : 실리콘 수지

32 : 형광 물질

본 발명은 다양한 조명 광원으로서 이용될 수 있는 발광 장치에 관한 것으로, 특히 광 취출 효율(light extraction efficiency)이 향상된 발광 장치에 관한 것이다.

LED(발광 다이오드)가 이용되는 LED 램프(발광 장치)는 양호한 전력 효율로 소형으로 형성될 수 있고 LED 램프는 긴 수명으로 밝은 색상 빛을 낸다. 더욱이, LED 램프는 내진 특성을 갖고 턴 온/오프의 반복에 대하여 강하다. 따라서, LED 램프는 다양한 조명 광원으로 자주 이용된다(예를 들면, 일본특허출원공개 제2005-196642호 참조).

도4는 종래의 LED 램프를 도시한다. LED 램프(100)는 발광 소자로서 작용하는 LED 기판(101) 및 LED 기판(101)을 밀봉하기 위한 실리콘 등으로 이루어진 밀봉 수지(102)를 포함한다. 형광 물질(103)이 밀봉 수지(102)와 혼합되어, 다양한 색상이 LED 기판(101)의 색상과 형광 물질(103)의 색상의 조합으로 만들어질 수 있다.

종래의 LED 램프에는, 다음의 문제가 있다. 백색 LED에 사용되는 형광 물질(103)은 1.7 내지 1.8 범위의 굴절률(n)을 갖는다. 한편, 형광 물질(103)이 분산되는 밀봉 수지(102)는 1.4 내지 1.5 범위의 굴절률(n)을 갖는다. 이 때문에, 발광된 광은 형광 물질(103)에 의해 산란되어, 광은 패키지의 벽면 또는 형광 물질(103) 자체에 여러번 충돌하여, 광의 세기가 감쇄되어, 광 취출 효율의 저하를 유발한다.

형광 물질(103)의 산란을 억제하기 위하여, 50 ㎚ 이하의 입경(particle size)을 갖는 형광 물질을 형성하는 방법이 있다. 이는 형광 물질(103)이 50 ㎚ 이하의 입경으로 형성된 때 굴절률의 차이가 발생되는 경우에도 산란이 거의 발생되지 않기 때문이다. 또한 실리콘 대신에 높은 굴절률을 갖는 에폭시와 같은 수지로서 밀봉 수지와 형광 물질 사이의 굴절률의 차이를 감소시켜 산란을 억제하는 방법이 있다. 또한 수지를 사용하지 않고 형광 물질을 소결함으로써 형광 물질이 이용되는 방법이 있다.

그러나, 상기 방법에는 다음의 문제가 있다. 즉, 작은 입경을 갖는 높은 효율의 형광 물질은 거의 생산되지 않고, 에폭시 수지는 실리콘에 비해 열 또는 자외선에 의해서 쉽게 열화되고, 소결된 몸체는 Sr₂SiO₄ 재료로 거의 실현되지 않는다.

한편, 도5에 도시된 종래의 LED 램프(110)에서 통상 LED 기판(111)의 굴절률은 밀봉 수지(112)의 것보다 높다. 결과적으로, LED 기판(111)의 활성층으로부터 방출된 빛에서는, LED 기판(111)과 밀봉 수지(112) 사이의 경계면에서 전반사(total reflection)가 일어나서, 빛이 LED 기판(111) 내에 가두어져서 광 취출 효율을 저하시키는 문제를 유발한다.

상술한 점에 비추어, 본 발명은 목적은 형광 물질에 의한 광 산란이 억제되는 동시에 발광 소자 기판으로부터 수지로 광이 출력될 때 전반사가 억제되어 광 취출 효율이 향상될 수 있는 발광 장치를 제공하는 것이다.

상기 문제들을 해결하고 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 발광 장치 는 다음과 같이 구성된다.

본 발명의 일 태양에 따른 발광 장치는, 발광 소자 기판과, 발광 소자 기판을 밀봉하는 밀봉 수지부를 포함하고, 밀봉 수지부는 굴절률 n₁을 갖는 형광 물질 및 굴절률 n₂를 갖는 미세 입자가 첨가되는 굴절률 n₃를 갖는 수지를 구비하고, 상기 굴절률 n₁ 내지 n₃는 n₂ > n₁ > n₃의 관계를 갖고, 상기 미세 입자의 입경은 상기 발광 소자 기판으로부터 방출되는 광의 파장의 1/10 이하이다.

본 발명의 다른 태양에 따른 발광 장치는, 굴절률 n₄를 갖는 발광 소자 기판과, 발광 소자 기판을 밀봉하는 밀봉 수지부를 포함하고, 밀봉 수지부는 굴절률 n₅를 갖는 미세 입자가 첨가되는 굴절률 n₆를 갖는 수지를 구비하고, 굴절률 n₅ 및 n₆은 n₅ > n₆ 의 관계를 갖고, 상기 수지에 대한 상기 미세 입자의 체적비 a는 n₄ ² = a·n₅ ² + (1-a)·n₆ ²를 만족한다.

본 발명에 따르면, 형광 물질에 의한 광 산란이 억제되는 동시에 발광 소자 기판으로부터 수지로 출력되는 광이 출력될 때 전반사가 억제된다. 따라서, 광 취출 효율이 향상될 수 있다.

본 발명의 이점이 후속하는 상세한 설명에서 설명될 것이고 부분적으로 상세한 설명으로부터 명백해질 것이고, 또는 본 발명의 실시함에 의해서 학습될 수 있을 것이다. 본 발명의 이점은 이하에서 특히 설명된 수단 및 조합에 의해서 실현 및 획득될 수도 있을 것이다.

명세서의 일부에 포함되어 일부분을 구성하는 첨부된 도면은 본 발명의 실시예들을 예시하고, 위에서 주어진 전체적인 설명 및 아래에 주어진 실시예들의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 램프(발광 장치)(10)를 도시한다. LED 램프(10)는 LED 기판(발광 소자 기판)(20) 및 LED 기판(20)을 밀봉하는 밀봉 수지부(30)를 포함한다. LED 기판(20)은 사파이어 기판(굴절률 1.77)에 의해서 형성된다. LED 기판(20)에서, InGaN 활성층은 460 내지 480 ㎚의 파장을 갖는 청색광 또는 360 내지 400 ㎚의 파장을 갖는 자외선을 방출한다. 밀봉 수지부(30)는 실리콘 수지(31), 형광 물질(32) 및 미세 입자(33)에 의해 형성된다. 형광 물질(32)은 실리콘 수지(31)에 첨가된다.

형광 물질(32)은 1 내지 10 ㎛의 직경을 갖는 Eu:Sr₂SiO₄ 또는 Ce:YAG 형광 물질을 포함하고, 미세 입자(33)는 30 ㎚의 직경을 갖는 TiO₂(산화 티탄)을 포함한다. 형광 물질(32)의 굴절률(n₁)은 대략 1.7 내지 1.8이며, LED(발광 소자)를 밀봉하는 데 이용되는 실리콘 수지의 굴절률(n₃)의 굴절률은 통상 대략 1.4 내지 1.5이다.

광 산란을 제거하여 백색 LED의 광 취출 효율을 향상시키기 위하여, 미세 입자(33)는 밀봉 수지부(30)의 굴절률이 형광 물질(32)의 굴절률에 근접하게 되게 하 는데 이용된다. 즉, 수지 자체의 굴절률이 증가되어 형광 물질(32)의 굴절률에 가까워지지 않기 때문에, 낮은 굴절률을 갖는 실리콘 수지(31) 내에 높은 굴절률을 갖는 미세 입자(33)를 분산시킴에 의해서 실질적인 굴절률이 증가된다.

그 내부에 분산된 미세 입자(33)를 갖는 밀봉 수지부(30)의 굴절률(n₀)이 n₀ ²=a·n₂ ²+(1-a)·n₃ ²로 표시되며, 여기서 a는 실리콘 수지(31)에 대한 미세 입자(33)의 체적비이고, n₂는 미세 입자의 굴절률이고, n₃는 실리콘 수지(31)의 굴절률이다.

한편, 광 산란은 미세 입자(33)의 입경이 커짐에 따라 증가된다. 이 이유 때문에, 미세 입자(33)는 400 내지 800 ㎚의 빛 파장과 비교될 때 충분히 더 작은 입경으로 형성되는 것이 필요하다. 구체적으로, 미세 입자(33)의 입경은 50 ㎚ 이하, 바람직하게는 10 내지 20 ㎚의 범위로 형성된다. 이는 도2에 도시된 것과 같이 실리콘 수지(굴절률 n₃) 내에 분산된 미세 입자(굴절률 n₂)의 크기가 50 ㎚미만일 때, 가시광에 대한 산란이 밀봉 수지부(30)의 입자 경계에서 제거되고 밀봉 수지부(30)는 명백하게 벌크 수지 및 미세 입자(33)가 혼합된 벌크(bulk) 재료로서의 특징을 나타내기 때문이다. 도2에서, 밀봉 수지부(30)의 두께는 600 ㎚ 이고, 빛 파장은 500 ㎚ 이고, 체적비 a가 0.1 내지 0.4인 범위인 경우에서 데이터가 얻어졌다.

이 경우, 벌크 재료, 즉 밀봉 수지부(30)의 전체의 굴절률 n₀은 n₀ = √(a· n₂ ²+ (1-a)·n₃ ²)이 되고, 여기서 a는 실리콘 수지(31)에 대한 미세 입자(33)의 체적비이다. 벌크 재료의 굴절률(n₀)이 형광 물질(32)의 굴절률(n₁)과 동일하게 될 때, 광 취출 효율은 산란이 발생되지 않기 때문에 향상된다. 따라서, 광 취출 효율을 향상시키기 위하여, n₁ ² = a·n₂ ² + (1-a)·n₃ ² 및 n₂ > n₁ > n₃ 의 양 조건을 만족시키는 것이 필요하다.

실리콘(굴절률 n₃ =1.44)이 수지로 사용되는 동시에 TiO₂(굴절률 n₂ = 2.7)가 미세 입자(33)로 사용되는 경우, a = 0.22에 대한 n_x = 1.8 이다. Ce = YAG (n₁ = 1.8)이 형광 물질(32)로 사용되는 경우, 형광 물질(32)에 의한 산란은 최소로 억제될 수 있다.

더욱이, LED 기판(20)(굴절률 1.77)과 밀봉 수지부(30)(굴절률 1.8) 사이의 굴절률의 차이가 작아서, LED 기판(20)과 밀봉 수지부(30) 사이에서 발생되는 반사가 또한 최소로 억제될 수 있다.

따라서, 제1 실시예의 LED 램프(10)에 따르면, 형광 물질(32)에 의해 유발되는 산란이 밀봉 수지부(30)에서 최소로 억제될 수 있고, LED 기판(20)과 밀봉 수지부(30) 사이에서 발생되는 반사가 또한 최소로 억제될 수 있다. 결과적으로, LED 기판(20)으로부터 외부로의 광 취출 효율이 증가될 수 있다. 더욱이, 굴절률이 수지에 미세 입자를 첨가함에 의해서 조정되기 때문에, 생산 비용이 낮고 기술적인 어려움이 또한 낮다.

도3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 LED 램프(40)를 개략적으로 도시하는 종단면도이다. LED 램프(40)는 LED 기판(50) 및 LED 기판(50)을 밀봉하는 밀봉 수지부(60)를 포함한다. LED 기판(50)은 사파이어 기판(굴절률 n₄ = 1.77)에 의해 형성된다. LED 기판(50)에서, InGaN 활성층은 460 내지 480 ㎚의 파장을 갖는 청색광 또는 360 내지 400 ㎚의 파장을 갖는 자외선을 방출한다. 밀봉 수지부(60)는 실리콘 수지(61), 형광 물질(62) 및 미세 입자(63)에 의해 형성된다. 형광 물질(62)은 실리콘 수지(61)에 첨가된다. 미세 입자(62)는 30 ㎚의 직경을 갖는 TiO₂로 만들어진다.

실리콘 수지(61)(굴절률 n₆) 내에 분산된 미세 물질(62)(굴절률 n₅)의 크기가 50 ㎚ 이하일 때, 가시광에 대한 산란이 입자 경계부에서 제거되고, 밀봉 수지부(60)는 명백하게 벌크 수지 및 미세 입자가 혼합된 벌크 재료로서의 특징을 나타낸다. 이 경우, 벌크 재료의 굴절률 n_y는 n_y ² = ( a·n₅ ² + (1-a)·n₆ ² )이고, 여기서 a는 체적비이다.

벌크 재료, 즉 밀봉 수지부(60)의 굴절률 n_y이 LED 기판(50)의 굴절률 n₄(=1.77)에 접근될 때, LED 기판(50)으로부터 밀봉 수지부(60)로의 광 취출 효율은, 전반사가 LED 기판(50)과 밀봉 수지부(60) 사이의 경계면에서 제거되기 때문에 향상된다. 따라서, 광 취출 효율을 향상시키기 위하여, n₄ ² = a·n₅ ² + (1-a)·n₆ ² 및 n₅ > n₆의 양 조건을 만족할 필요가 있다.

실리콘(굴절률 n₆ = 1.44)이 수지로 사용되는 동시에 30 ㎚의 입경을 갖는 TiO₂(굴절률 n₅ = 2.7)가 미세 입자(62)로 사용되는 경우, 밀봉 수지부(60)의 굴절률 n_y은 미세 입자(62)의 체적 밀도를 20 ％(a=0.2)로 설정함에 의해서 1.77로 설정될 수 있다. 따라서, 밀봉 수지부(60)의 굴절률(n_y = 1.77)이 LED 기판(50)의 굴절률(n₄)에 접근된다.

따라서, 제2 실시예의 LED 램프(40)에 따르면, LED 기판(50)(굴절률 1.77)과 밀봉 수지부(60)(굴절률 1.8) 사이의 굴절률의 차이를 감소시킴에 의해서 LED 기판(50)과 밀봉 수지부(60) 사이에서 발생되는 반사가 최소로 억제될 수 있다. 더욱이, 수지에 미세 입자를 첨가함에 의해서 굴절률이 조정되기 때문에, 생산 비용이 낮고 기술적인 어려움이 또한 낮다.

상술한 실시예에서, TiO₂가 미세 입자(33, 62)로서 사용되었다. 그러나, 2.0의 굴절률을 갖는 ZrO₂(산화 지르코늄), ZnO(산화 아연) 및 HfO₂(산화 하프늄)과, 1.7의 굴절률을 갖는 Al₂O₃(산화 알루미늄)이 미세 입자(33, 62)로서 사용될 수도 있다.

본 발명은 상기 실시예로 제한되지 않으며, 다양한 변경이 본 발명의 범위 및 기술 사상을 벗어나지 않고 이뤄질 수 있다. 다양한 변경 및 수정이 실시예에 개시된 복수의 구성요소를 적절하게 조합함에 의해서 이뤄질 수도 있다. 예를 들면, 일부 구성요소는 실시예에 도시된 모든 구성요소로부터 제거될 수 있다. 실시예의 구성요소는 적절하게 조합될 수도 있다.

추가적인 이점 및 변경이 당업자에게는 명백할 것이다. 따라서, 더 넓은 태양의 본 발명이 본 명세서에 도시되고 기재된 특정 세부 및 대표적인 실시예로 제한되지 않는다. 따라서, 다양한 변경이 첨부된 청구범위에 의해 한정된 일반적인 발명 개념의 기술 사상 또는 범위 및 그들의 등가물을 벗어나지 않고 이뤄질 수도 있다.

Claims

삭제
발광 소자 기판과,

상기 발광 소자 기판을 밀봉하는 밀봉 수지부를 포함하고,

상기 밀봉 수지부는 굴절률 n₁을 갖는 형광 물질 및 굴절률 n₂를 갖는 미세 입자가 첨가되는 굴절률 n₃를 갖는 수지를 구비하고,

상기 굴절률 n₁ 내지 n₃는 n₂ > n₁ > n₃의 관계를 갖고,

상기 미세 입자의 입경은 상기 발광 소자 기판으로부터 방출되는 광의 파장의 1/10 이하이고,

상기 수지에 대한 상기 미세 입자의 체적비 a는 n₁ ² = a·n₂ ²+ (1-a)·n₃ ²를 만족하는 발광 장치.
제2항에 있어서, 상기 미세 입자는 금속 산화물로 이루어진 발광 장치.
제3항에 있어서, 상기 금속 산화물은 산화 티탄, 산화 지르코늄, 산화 아연, 산화 하프늄 및 산화 알루미늄 중 적어도 하나인 발광 장치.
굴절률 n₄를 갖는 발광 소자 기판과,

상기 발광 소자 기판을 밀봉하는 밀봉 수지부를 포함하고,

상기 밀봉 수지부는 굴절률 n₅를 갖는 미세 입자가 첨가되는 굴절률 n₆를 갖는 수지를 구비하고,

상기 굴절률 n₅ 및 n₆은 n₅ > n₆ 의 관계를 갖고,

상기 수지에 대한 상기 미세 입자의 체적비 a는 n₄ ² = a·n₅ ² + (1-a)·n₆ ²를 만족하는 발광 장치.