KR100826411B1 - 파장변환형 발광소자 패키지 - Google Patents

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손종락
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Abstract

본 발명은 파장변환형 발광소자 패키지에 관한 것으로서, 저면과 상부로 향해 경사진 내부측벽으로 이루어진 홈부가 제공되며, 상기 홈부의 내부측벽 상단에 상기 홈부의 개방구가 확장되도록 단차가 형성된 패키지 구조물과, 상기 홈부의 저면에 노출되도록 상기 패키지 구조물에 형성된 제1 및 제2 배선구조와, 상기 제1 및 제2 배선구조에 전기적으로 접속되도록 상기 홈부의 저면에 실장된 반도체 발광다이오드 칩과, 상기 발광다이오드 칩을 둘러싸도록 상기 홈부의 단차로 인해 확장된 영역까지 형성된 투명수지포장부와, 상기 투명수지포장부 상면에 형성되어 상기 발광다이오드 칩으로부터 방출되는 광의 파장을 변환시키는 형광체막을 포함하는 파장변환형 발광소자 패키지를 제공한다.
형광체(phosphor), 백색 발광다이오드(white light emitting diode), 패키지(package)

Description

파장변환형 발광소자 패키지{WAVELENGTH-CONVERTED LIGHT EMITTING DEVICE PACKAGE}
도1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 파장변환형 발광소자 패키지를 나타내는 측단면도이다.
도2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 파장변환형 발광소자 패키지를 나타내는 측단면도이다.
도3a 및 도3b는 각각 본 발명에 따른 실시예와 비교예1의 휘도를 나타내는 그래프이다.
도4a 및 도4b는 각각 본 발명에 따른 실시예와 비교예2의 색산포 개선를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
10,20: 발광소자 패키지 11,21: 패키지구조물
12a,12b: 제1 및 제2 리드프레임 22a,22b: 제1 및 제2 접속패드
23a,23b: 제1 및 제2 도전성 비아홀 24a,24b: 제1 및 제2 외부패드
15,25: 발광다이오드 칩 17,27: 투명수지포장부
18,28: 형광체막 29: 수지층
본 발명은 파장변환형 발광소자 패키지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 휘도가 향상되도록 패키지구조를 변경한 파장변환형 발광소자 패키지에 관한 것이다.
일반적으로, 파장변환형 발광다이오드는 형광체를 이용하여 고유 발광색의 파장을 변환시켜 원하는 발광색을 얻는 광원을 말한다. 특히, 백색 구현을 위한 파장변환형 발광다이오드는, 조명장치 또는 디스플레이 장치의 백라이트를 대체할 수 있는 고출력, 고효율 광원으로서 적극적으로 연구 개발되고 있다.
통상적으로, 파장변환형 발광소자 패키지는 주로 투명 액상포장재와 형광체를 균일하게 혼합하여 디스펜스(dispense), 액상 몰드, 스크린프린터 혹은 트랜스퍼 몰드(transfer mold)공정을 이용하여 LED 칩이 실장된 영역에 파장변환을 위한 수지포장부를 제공하는 방식으로 제조되어 왔다.
이러한 공정은 수지포장부의 내부에서 형광체의 침전에 의한 색좌표 적중률이 감소할 뿐만 아니라, 수지 포장부 내에 분산된 형광체 입자로 인한 산란현상으 로 인해 수지포장부의 내부에서 광손실이 야기되어 심지어 휘도가 저하되는 문제점이 있다.
이러한 발광 소자 패키지는 다양한 외부환경에 대해 내구성 및 방열특성 뿐만 아니라, 발광소자의 고휘도를 보장할 수 있는 구조가 요구된다. 이러한 요구를 만족하기 위해서, 발광소자의 실장공간을 컵구조로 형성하여 그 측면에 반사층과 같은 반사구조를 사용하거나 특정방향의 지향성을 높이기 위해서 렌즈구조를 채용하는 것과 같이 다양한 방안이 고려되고 있다.
상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명의 목적은 수지포장부를 채용하는 형태에서 휘도를 보다 향상시키기 위해서 패키지 구조를 개량한 파장변환형 발광다이오드 패키지를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은
저면과 상부로 향해 경사진 내부측벽으로 이루어진 홈부가 제공되며, 상기 홈부의 내부측벽 상단에 상기 홈부의 개방구가 확장되도록 단차가 형성된 패키지 구조물과, 상기 홈부의 저면에 노출되도록 상기 패키지 구조물에 형성된 제1 및 제2 배선구조와, 상기 제1 및 제2 배선구조에 전기적으로 접속되도록 상기 홈부의 저 면에 실장된 반도체 발광다이오드 칩과, 상기 발광다이오드 칩을 둘러싸도록 상기 홈부의 단차로 인해 확장된 영역까지 형성된 투명수지포장부와, 상기 투명수지포장부 상면에 형성되어 상기 발광다이오드 칩으로부터 방출되는 광의 파장을 변환시키는 형광체막을 포함하는 파장변환형 발광소자 패키지를 제공한다.
바람직하게, 상기 형광체막은 1 입자층 두께이상이며 200㎛이하인 범위의 두께를 가지며, 보다 바람직하게, 10∼50㎛의 두께를 갖는다.
상기 홈부의 단차는 그 확장영역에 해당하는 상기 투명수지포장부의 높이가 상기 투명수지포장부 전체 높이의 5∼15%범위에 해당하도록 형성하는 것이 바람직하다. 다른 측면에서 상기 홈부의 단차로 인해 확장된 폭은 50∼300㎛인 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시형태에서는, 상기 홈부의 내부측벽에 형성된 고반사층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 형광체막 상에 형성되며 투명수지로 이루어진 수지층을 더 포함할 수 있다. 이 경우에, 형광체막의 부착강도를 증진시킬 수 있다는 측면에서 유익하다. 이러한 수지층은 상기 투명수지포장부와 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 보다 상세하게 설명한 다.
도1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 파장변환형 발광소자 패키지를 나타내는 측단면도이다.
도1에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 따른 발광소자 패키지(10)는, 저면과 내부측면을 갖는 홈부가 제공된 패키지 구조물(11)과 상기 홈부의 저면에 실장된 발광다이오드 칩(15)을 포함한다.
상기 패키지 구조물(11)은 상기 홈부의 저면에 노출되도록 형성된 제1 및 제2 리드프레임(12a,12b)과 같은 배선구조를 포함할 수 있다. 상기 홈부 저면에 실장된 발광다이오드 칩(15)은 상기 제1 및 제2 리드프레임(12a,12b)의 노출된 영역에 와이어와 같은 수단을 통해 각각 연결될 수 있다.
본 실시형태에 채용된 패키지 구조물(11)은 제1 및 제2 리드 프레임(12a,12b)이 적절히 배열된 상태에서 사출 성형하여 얻어진 구조일 수 있다. 상기 패키지 구조물(11)이 자체적으로 적절한 반사성 물질로 이루어질 경우에, 별도의 반사층 없이도 도1과 같이 상기 홈부의 내부측벽은 상부로 향해 경사진 면을 갖도록 형성함으로써 집광을 위한 원하는 반사효과를 얻을 수 있다.
또한, 투명수지포장부(17)는 발광다이오드 칩을 둘러싸도록 홈부영역에 형성된다. 상기 홈부의 내부측벽은 도1에 도시된 바와 같이 그 상단에 개방구가 확장되도록 형성된 단차부(S)를 갖는다. 보다 구체적으로, 상기 단차부(S)는 내부측벽의 경사각도보다 큰 각도로 형성되며, 바람직하게는 거의 수평방향으로 소정의 폭(d)이 확장된 형태를 갖는다. 이러한 확장폭(d)은 이에 한정되지는 않으나 실장영역의 크기와 단차영역에 따른 효과를 고려하여 50∼300㎛범위로 설계하는 것이 바람직하다.
본 실시형태에서, 상기 투명수지포장부(17)는 상기 홈부의 단차부(S)로 인해 확장된 영역까지 형성된다. 즉, 상기 투명수지포장부(17)는 상단부가 수평방향으로 확장된 부분을 갖는다. 본 발명에서 채용된 단차부(S)를 갖는 반사면과 그 영역까지 형성된 투명수지포장부(17)는 광추출효과를 향상시키는 작용을 한다.
이러한 현상은 최종 광추출위치에 가까운 영역에서 일정한 반사면과 다른 불규칙한 반사면을 제공함으로써 광속효율을 증가시키는 결과로 이해할 수 있다.
상기 단차부(S)로 인해 확장된 투명수지포장부 부분의 높이(h2)는, 투명수지포장부(17) 전체 높이(h)의 5∼15%범위에 해당하도록 단차부(S)와 투명수지포장부(17)의 높이(h)를 적절히 설정하는 것이 바람직하다.
상기 단차부(S)로 인해 확장된 투명수지포장부 부분의 높이(h2)가 투명수지포장부(17) 전체 높이(h)의 5% 미만인 경우에는 단차부(S)로 인한 충분한 광속효율개선효과를 기대하기 어려우며, 15%를 초과할 경우에는 원하는 집광을 위한 경사면 을 갖는 반사측벽 높이가 상대적으로 작아지는 문제가 있을 수 있다.
본 실시형태와 같이, 단차부(S)로 인한 구조개선은, 후술되는 바와 같이, 상기 발광다이오드 칩(15)으로부터 방출되는 광의 파장을 변환시키기 위한 형광체막(18)에 의한 효과를 증가시킬 수 있다.
도1에 도시된 바와 같이, 상기 형광체막(18)은 상기 투명수지포장부(17) 상면에 형성된다. 본 발명에서는 형광체 분말을 투명한 액상수지에 혼합하여 투명수지포장부를 형성하는 방식과 달리, 본 발명에서 채용된 투명 수지포장부(17) 상면에 형광체막(18)을 별도로 제공함으로써 형광체의 불균일한 침전에 따른 문제를 방지할 수 있다.
또한, 상기 투명 수지포장부(17) 상면에 별도로 제공되는 형광체막(18) 두께(t)를 비교적 정확히 제어가능하다는 장점을 제공한다. 이러한 효과는 측벽구조의 개선을 통한 휘도의 증진효과를 위해서 형광체막(18)의 두께(t)를 적절히 제한하는 것이 바람직하다.
본 발명자의 실험결과에 따르면, 상기 형광체막(18)의 두께(t)는 1 입자층 두께이상이며 200㎛ 이하인 범위로 하는 것이 바람직하며, 10∼50㎛ 범위를 갖는 것이 보다 바람직하다. 형광체막(18)의 두께(t)가 지나치게 두꺼울 경우에는 전체영역에서 불가피하게 존재하는 두께의 균일성을 확보하는데 어려울 뿐만 아니라, 형광체로 인한 전체 휘도 저하가 발생될 수 있으며, 반면에 지나치게 얇은 경우에는 적절한 파장변환효율을 기대하기 어렵기 때문이다.
상술된 실시형태는 리드프레임구조를 갖는 패키지 구조물을 예로서 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 다른 형태의 공지된 패키지구조이더라도 발광소자가 실장되는 영역이 측벽구조로 둘러싸인 홈구조를 갖는다면, 본 발명에서 제안한 단차구조의 도입이 가능하며, 이 경우에도 역시 본 발명은 휘도증진을 위해서 유익하게 적용될 수 있다.
도2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 파장변환형 발광소자 패키지(20)를 나타내는 측단면도이다.
도2에 도시된 실시형태에 따른 발광소자 패키지(20)는, 저면과 내부측면을 갖는 홈부가 제공된 패키지 구조물(21)과 상기 홈부의 저면에 실장된 발광다이오드 칩(25)을 포함한다.
상기 패키지 구조물(21)은 도1의 실시형태와 달리 홈부구조는 배선구조가 형성된 하부기판(21a)과 캐비티가 형성된 상부기판(21b)의 결합에 의해 실현된다. 상기 배선구조는 다양한 형태로 구현될 수 있으나, 본 실시형태에서는 상기 하부기판(21a) 상면에 형성된 제1 및 제2 접속패드(22a,22b)와, 상기 하부기판(21a) 하면에 형성된 제1 및 제2 외부패드(24a,24b)와, 상기 제1 및 제2 접속패드(22a,22b) 및 제1 및 제2 외부패드(24a,24b)를 각각 연결하도록 상기 하부기판(21a)을 관통하는 제1 및 제2 도전성 비아홀(23a,23b)로 형성될 수 있다. 이러한 배선구조에서, 상기 실장된 발광다이오드 칩(25)은 상기 제1 및 제2 접속패드(22a,22b)의 노출된 영역에 와이어에 의해 각각 연결될 수 있다.
상기 패키지 구조물(21)의 홈부 내부측벽, 즉 상부기판(21b)의 캐비티 내부측벽은 상부를 향해 경사진 면을 갖는다. 본 실시형태에서는, 이러한 경사면에 별도의 물질을 이용하여 고반사층(26)을 제공한 형태를 예시한다. 이러한 고반사층(26)은 유전체 DBR 미러층 또는 고반사성 금속층일 수 있으며, 통상적인 도금 또는 증착공정을 통해서 형성될 수 있다.
도2에 도시된 바와 같이, 투명수지포장부(27)는 발광다이오드 칩(25)을 둘러싸도록 홈부영역에 형성된다. 상기 홈부의 내부측벽은 도1에 도시된 실시형태와 유사하게 그 상단에 개방구가 소정의 폭(d)으로 확장되도록 형성된 단차부(S)를 갖는다. 단차부로 인한 확장폭(d)은 패키지 크기에 따라 다소 차이가 있으나, 50∼300㎛ 범위가 적절할 수 있다.
상기한 단차부(S)로 인해, 상기 투명수지포장부(27)는 상단이 수평방향으로 확장된 형태로 형성될 수 있으며, 그 확장영역 내로 진행되는 빛은 불규칙한 반사면을 통해 투명수지포장부(27)로부터 추출되는 광을 증가시킬 수 있다.
본 실시형태에 채용된 형광체막(28)은 상기 투명수지포장부(27) 상면에 형성된다. 본 발명에서는 형광체 분말을 투명한 액상수지에 혼합하여 투명수지포장부(27)를 형성하는 방식과 달리, 본 발명에서 채용된 투명 수지포장부(27) 상면에 형광체막(28)을 별도로 제공함으로써 형광체의 불균일한 침전에 따른 문제를 방지할 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 추가적으로 형광체막(28) 상에 투명수지로 이루어진 수지층(29)을 제공한다. 상기 수지층(29)은 수지포장부(27) 표면에 형광체막(28)을 보다 견고하게 고정시킬 수 있다. 이러한 수지층(29)은 수지포장부(27)와 동일한 투명수지로 이루어질 수 있다.
본 실시형태에 채용된 단차부와 관련하여, 상기 단차부(S)로 인해 확장된 투명수지포장부 부분의 높이(h2)는, 앞서 설명된 실시형태와 같이 투명수지포장부(27) 전체 높이(h)의 5∼15%범위에 해당하도록 단차부(S)와 수지포장부(27)의 높이(h)를 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 투명 수지포장부(27) 상면에 별도로 제공되는 형광체막(28) 두께(t)도 1 입자층 두께이상이며 200㎛ 이하인 범위로 하는 것이 바람직하며, 10∼50㎛ 범위를 갖는 것이 보다 바람직하다.
본 발명에 따른 휘도 개선효과를 확인하기 위해서 아래와 같은 테스트를 실시하였다.
( 실시예1 )
도1에 도시된 형태와 유사한 구조를 갖는 발광소자 패키지를 제조하였다. 패 키지구조물의 재료로는 자체적으로 소정의 반사율을 갖는 물질을 사용하였으며, 패키지구조는 상단에 폭(d)이 100㎛이며 높이가 200㎛의 L자형 단차부를 갖도록 제조되었다.
실리콘 수지를 이용하여 수지포장부의 높이(h)를 약 1㎜ 두께로, 즉 단차부에 위치한 수지포장부영역의 높이(h2)가 약 60㎛가 되도록 형성하였다. 상기 수지포장부 상면에 YAG 형광체분말을 이용하여 약 30㎛의 형광체막을 형성하였다.
( 실시예2 )
실시예1과 유사하게 도1에 도시된 구조를 갖는 발광소자 패키지를 제조하였다. 즉, 패키지구조물의 재료로는 자체적으로 소정의 반사율을 갖는 물질을 사용하였으며, 패키지구조는 상단에 폭(d)이 100㎛이며 높이가 200㎛의 L자형 단차부를 갖도록 제조되었다.
실리콘 수지를 이용하여 수지포장부의 높이(h)를 약 1㎜ 두께로, 즉 단차부에 위치한 수지포장부영역의 높이(h2)가 약 60㎛가 되도록 형성하였다. 상기 수지포장부 상면에 YAG 형광체분말을 이용하여 약 30㎛의 형광체막을 형성한 후에, 상기 형광체막에 추가적으로 실리콘 수지층을 약 40㎛ 두께를 갖도록 도포하였다.
( 비교예1 )
본 비교예에서는, 앞선 실시예와 유사하게 상단에 폭(d)이 100㎛이며 높이가 200㎛의 L자형 단차부를 갖는 발광소자 패키지를 제조하였다.
다만, 형광체막을 실리콘 수지로 이루어진 수지포장부 상에 별도로 형성하지 않고, 종래의 방식에 따라 실리콘 수지에 형광체 분말을 혼합한 상태에서 단차부를 지나 그 상단까지 이르도록 수지포장부를 형성하였다.
( 비교예2 )
본 비교예에서는, 형광체막의 적절한 위치를 확인하기 위해서 실시되었다.
보다 구체적으로, 비교예1과 유사하게 상단에 폭(d)이 100㎛이며 높이가 200㎛의 L자형 단차부를 갖는 발광소자 패키지를 제조하여 수지포장부를 형성하되, 1차적으로 단차부에 의해 확장된 영역에 이르기 전까지의 높이만으로 형성하였다.
이어, 1차 형성된 수지포장부 상에 형광체막을 형성하고, 추가적으로 단차부로 확장된 영역이 덮히도록 수지포장부를 형성하였다.
( 비교예3 )
본 비교예에서는, 종래의 구조와 유사하게 단차부 없이 경사진 반사면을 갖는 패키지 구조물을 마련하였다.
이어, 실리콘 수지를 이용하여 수지포장부의 높이(h)를 약 1㎜ 두께로 형성하고, 상기 수지포장부 상면에 YAG 형광체분말을 이용하여 약 30㎛의 형광체막을 형성하였다.
상기한 실시예1 내지 2 및 비교예1 내지 3에 따른 백색 발광다이오드 패키지 에 대한 휘도를 도3에 도시된 다른 색온도영역(A: cool zone, B: warm zone)에서 측정하였다. 그 휘도측정결과를 비교예1을 기준으로 하여 상대휘도(%)로 환산하여 아래 표1로 나타내었다.
상대휘도 실시예1 실시예2 비교예1 비교예2 비교예3
A(%) 112 110 100 102 103
B(%) 133 131 100 85 88
실시예1 및 2는 A영역에서는 비교예1과 대비하여 각각 12%, 10%로, B영역에서는 33%, 31%로, 휘도 향상 효과가 나타났다. 하지만, 비교예3에서는 형광체막을 채용하더라도 단차부를 형성하지 않은 종래의 형태에서는 오히려 부분적으로 휘도가 저하되는 결과가 나타났으며, 단차부 구조를 갖는 패키지 구조를 채용하더라도 비교예2와 같이, 형광체막을 단차부로 인해 확장영역에 위치시키지 않은 경우에는 단차부로 인한 반사효과를 나타나지 않으므로, 실질적으로 비교예2와 유사한 결과가 나타났다.
이와 같이, 패키지 구조의 측벽 상단에 단차부를 형성하고, 단차부로 인해 확장된 영역까지 형성된 투명수지포장부를 형성한 후에 형광체막을 제공함으로써, 형광체분말의 침전으로 인한 문제를 해결하는 동시에, 단차부로 인한 반사효과의 증진을 통해 휘도를 크게 향상시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 파장변환형 발광소자 패키지에 따르면, 패키지 구조의 홈부 상단에 단차를 도입하고 형광체막을 채용하여 측벽 단차영역에서 투명수지포장부가 수평방향으로 확장된 형태로 형성될 수 있으며, 이러한 확장영역 내로 진행되는 빛을 불규칙하게 반사시킬 수 있다. 결과적으로, 패키지로부터 추출되는 광량을 증가시킴으로써 발광소자 패키지의 전체 휘도를 크게 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

  1. 저면과 상부로 향해 경사진 내부측벽으로 이루어진 홈부가 제공되며, 상기 홈부의 내부측벽 상단에 상기 홈부의 개방구가 확장되도록 단차가 형성된 패키지 구조물;
    상기 홈부의 저면에 노출되도록 상기 패키지 구조물에 형성된 제1 및 제2 배선구조;
    상기 제1 및 제2 배선구조에 전기적으로 접속되도록 상기 홈부의 저면에 실장된 반도체 발광다이오드 칩;
    상기 발광다이오드 칩을 둘러싸도록 상기 홈부의 단차로 인해 확장된 영역까지 형성된 투명수지포장부; 및
    상기 투명수지포장부 상면에 형성되어 상기 발광다이오드 칩으로부터 방출되는 광의 파장을 변환시키는 형광체막을 포함하며,
    상기 형광체막은 1 입자층 두께 이상이며, 200㎛ 이하인 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 파장변환형 발광소자 패키지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 형광체막은 10∼50㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 파장변환형 발광소자 패키지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 홈부의 단차로 인한 확장영역에 해당하는 상기 투명수지포장부의 높이는 상기 투명수지포장부 전체 높이의 5∼15%범위에 해당하는 것을 특징으로 하는 파장변환형 발광소자 패키지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 홈부의 단차로 인해 확장된 폭은 50∼300㎛인 것을 특징으로 하는 파장변환형 발광소자 패키지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 홈부의 내부측벽에 형성된 고반사층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장변환형 발광소자 패키지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 형광체막 상에 형성되며 투명수지로 이루어진 수지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장변환형 발광소자 패키지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 수지층은 상기 투명수지포장부와 동일한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 파장변환형 발광소자 패키지.
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