KR100867970B1 - 발광 장치 및 그것을 이용한 조명 기구 또는 액정표시장치 - Google Patents

발광 장치 및 그것을 이용한 조명 기구 또는 액정표시장치 Download PDF

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Abstract

발광 장치(11)는 질화알루미늄 동시-소성 기판(13)과, 플립-칩 방법을 통하여 동시-소성 기판(13)의 표면 상에 탑재되는 적어도 하나의 발광 소자(15)와, 발광 소자(15)로부터 정면측 방향으로 광을 반사하는 경사면(14)을 갖는 반사체(16)를 포함한다. 반사체(16)는 발광 소자(15)의 주위를 둘러싸도록 질화알루미늄 동시-소성 기판(13)의 표면에 접합된다. 이 구조에 따르면, 장치를 제조하는 공정을 단순화할 수 있고, 방열성이 우수하고, 더 큰 전류가 흐르게 할 수 있고, 발광 효율이 높은 휘도를 크게 증가시킬 수 있는 발광 장치를 제공할 수 있다.
스루홀, 반사체, 세라믹 패키지, 히트싱크, 표면 거칠기(Ra)

Description

발광 장치 및 그것을 이용한 조명 기구 또는 액정표시장치{LIGHT EMITTING DEVICE, LIGHTING EQUIPMENT, OR LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE USING SUCH LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 절연 기판 표면에 탑재한 발광 다이오드(LED:Light Emitting Diode)나 반도체 레이저 등의 발광 소자를 포함하는 발광 장치 및 조명 기구(실내 조명) 또는 액정 표시장치에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은 간소한 공정을 통해 제조될 수 있고, 소형화될 수 있고, 방열성이 우수하고, 더 큰 전류를 흐르게 할 수 있고, 발광 효율이 높은 휘도를 크게 증가시킬 수 있는 발광 장치 및 그것을 이용한 조명 기구 또는 액정 표시장치에 관한 것이다.
발광 다이오드(이하, LED 칩이라 함)는 전압을 인가하면 광원으로서 작용하고, 두개의 반도체 사이에 접촉면(pn-접합) 부근에서의 전자와 정공의 재결합의 결과에 의해서 발광하는 광을 이용한 발광 장치(발광 소자)이다. 이 발광 소자는 소형이고 전기 에너지의 광으로의 변환 효율이 높아서, 가전제품, 조명 기구, 조광식 조작 스위치(lighted operation switch), LED 표시기(LED 표시장치)로서 널리 이용되고 있다.
또한, 필라멘트를 이용하는 전구와는 다르게, 발광 다이오드는 반도체 소자 여서 파열(blowout)이 없고 초기 구동 특성이 우수하고 심지어 진동이나 반복된 온/오프(ON/OFF) 조작하에서도 우수한 내구성을 가진다. 따라서, 발광 다이오드는 자동차 대시보드용 표시기의 백라이트 또는 표시장치에 이용된다. 특히, 발광 다이오드는 태양광의 영향을 받지 않고 높은 채도로 선명한 색깔의 발광을 얻을 수 있기 때문에, 실외에 설치되는 표시장치, 교통용 표시장치나 신호기기 등으로도 그 용도가 확대되는 상황이다.
상술한 LED 칩과 같은 발광 소자를 탑재한 종래의 발광 장치로서는, 예를 들면 도 2에 나타난 발광 장치가 제안되고 있다(예를 들면, 특허 문헌1(일본국 공개 특허 공보 제3,316,838호) 참조). 이 발광 장치(1)는 세라믹 패키지(3), 발광 소자로서의 LED 칩(5), 제 1 금속층(6), 제 2 금속층(7) 및 수지 몰드(resin molding)(8)를 구비하여 구성된다. 세라믹 패키지(3)는 도전성 상호 접속부(도체 배선)(2)를 포함하고, 세라믹 패키지에 일체로 형성된 다수의 오목 개구부를 갖는다. 이 오목 개구부에 있어서 LED 칩(5)은 본딩 와이어(bonding wire)(4)를 통해서 도체 배선(2)과 전기적으로 접속된다. 제 1 금속층(6)과 제 2 금속층(7)은 오목 개구부의 측벽에 설치된다. 수지 몰드(8)는 오목 개구부를 밀봉한다.
특허 문헌은, 종래의 발광 장치에 따르면, 오목 개구부 내에 설치된 제 1 금속층(6)에 의해 세라믹 패키지(3)와의 밀착성이 높아지는 동시에, LED 칩(5)으로부터의 광이 제 2 금속층(7)에 의해 반사되어 광 손실이 줄어들어서, 표시장치 등의 콘트라스트(contrast)가 통상적으로 향상될 수 있다고 기술한다.
그러나, 상기 종래의 반도체 장치에 있어서는, LED 칩을 탑재한 세라믹 패키 지가 주로 약 15 W/mㆍK 내지 20 W/mㆍK의 낮은 열 전도율을 가지는 알루미나(Al2O3)를 주체로 하여 이루어진 세라믹재로 구성되고 LED 칩을 밀봉하기 위한 몰드 수지가 역시 낮은 열 전도율을 가지기 때문에, 종래의 발광 장치는 방열성이 매우 나쁜 치명적인 결점이 있다. LED 칩은 고 전압 및 고 전류를 인가하면, 발열에 인해 파괴되기도 한다. 따라서, LED 칩에 인가될 수 있는 최대 전압이 낮아지고 전류값도 수십 밀리암페어(mA) 정도로 제한되기 때문에, 종래의 발광 장치는 발광 휘도가 낮다는 문제점이 제기되고 있다.
또, 상술한 종래의 LED 칩을 사용한 발광 장치에서는, 기술적으로 요구되는 발광 휘도가 낮았기 때문에, 종래의 발광 장치에서의 상술한 통전량에서도 큰 장해가 없이 실질적으로 사용되어 왔다. 그러나, LED 발광 소자의 최근 확대되고 있는 특정 용도(응용 분야)에서는, 더 높은 출력에서 통전량을 대략 수 암페어로 증가시킬 수 있어서 휘도를 향상시킬 수 있는 구조를 이루기 위한 기술적 요구가 있다.
또, 이 종래의 발광 장치에서는, 발광 소자를 수용하기 위한 다수의 오목 개구부와 일체로 형성된 세라믹 패키지가 이용되기 때문에, 이 발광 장치를 제조하는 공정이 복잡해지고, 이 장치를 구성하는 부품의 최종 정밀도가 낮아져 충분한 방출 특성(발광 특성)을 얻을 수 없는 문제가 제기되어 왔다. 즉, 다수의 오목 개구부를 단단하고 깨지기 쉬운 세라믹재에 일체로 형성하기 위한 가공 조업이 매우 어려워서, 많은 작업 비용과 처리 비용이 요구되었다.
한편, 연질의 세라믹 성형체 단계에서 드릴 작업(drilling work)에 의해 다 수의 오목 개구부를 세라믹 부재에 일체로 형성한 후 성형체를 소결(燒結)한 경우에, 재료 조성에 있어 수축 오차와 불균일성 때문에 오목 개구부의 치수 정밀도, 최종 정밀도 및 표면 거칠기의 분포가 불리하게 저하되어서 소정의 광 반사 특성을 얻을 수 없다는 문제가 제기되었다.
상술한 발광 소자를 수용하기 위한 오목 개구부의 측면은 발광을 반사하기 위한 반사체로서 기능하지만, 이 반사체가 세라믹 기판에 일체로 형성되기 때문에, 반사체의 내측 벽면의 표면 거칠기(Ra)가 약 0.5 ㎛로 거칠어져서 광의 산란과 분산이 일어나기 쉽다는 문제가 역시 제기되었다.
더욱이, 광의 반사 방향을 제어하기 위해 소정의 경사 각도를 반사체의 내벽에 부여하려 하여도, 경사 각도의 변동과 분산이 커서 소정의 경사 각도를 안정하게 부여하는 것이 어려웠다. 여하간에, 오목 개구부의 형상 정밀도를 정확하게 제어하는 것이 어려웠다. 또한, 소정의 최종 정밀도를 실현하도록 작업자가 반사체를 조정 가공하여도, 단단하고 깨지기 쉬운 세락믹재를 매끄럽게 가공하기 어려워서 가공에 요하는 인시(man-hour)가 크게 증가하는 문제가 역시 제기되었다.
또한, 도 2에 나타난 바와 같은 종래의 발광 장치에 있어, LED 칩과 도전성 상호 접속부가 와이어 본딩 공정에 의해 전기적으로 접속되기 때문에, LED 칩 상에 설치된 와이어나 전극 패드가 발광을 부분적으로 막거나 차단하여서 광 취출(light-extraction) 효율이 저하되는 문제가 역시 제기되었다.
또한, 본딩 와이어가 기립한 부분이 장치의 두께 방향으로 돌출하게 되고, 본딩 와이어의 가장자리를 접속하기 위한 큰 전극 영역이 불리하게 요구되므로 상 호 접속부 구조를 포함하는 LED 패키지가 대형화되는 문제가 제기되어 왔다.
또한, 본 장치의 두께 방향으로 돌출되는 본딩 와이어의 악영향을 피하도록 LED 칩이 도 2에 나타난 바와 같이 오목 개구부 내에 탑재되어 수용될 때, LED 칩으로부터의 발광이 오목 개구부의 내벽에 흡수되어서, 광 손실이 증가하여 발광 효율이 저하되었다. 그리하여, 종래의 기술에 따르면, 광을 반사하는 두 금속층이 각각의 오목 개구부의 내벽에 설치되어 광 흡수 손실을 줄이고 있다.
그러나, 곡면형 내벽을 가지는 오목 개구부 내에 그러한 반사 금속층을 균일하게 형성하는 것은 매우 어려워서, 발광이 내벽에 의해 부분적으로 흡수되어 광 손실을 유도한다. 게다가, 오목 개구부의 내벽 자체가 광의 이동과 전송을 방해하는 구조여서 휘도가 저하되는 또 다른 문제가 역시 제기되었다.
본 발명은 상술한 종래의 문제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 본 발명의 목적은 간단한 공정을 통하여 제조될 수 있고, 방열성이 우수하고, 보다 큰 전류를 흐르게 할 수 있고, 발광 효율이 높은 휘도를 현저히 증가시킬 수 있는 발광 장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 이루기 위해서, 본 발명은 질화알루미늄 동시-소성(co-fired) 기판과, 플립-칩(flip-chip) 방법을 통하여 동시-소성 기판의 표면 상에 탑재되는 적어도 하나의 발광 소자와, 발광 소자로부터 방출된 광을 정면측 방향으로 반사하는 경사면을 가지고 이 발광 소자의 주위를 둘러싸도록 질화알루미늄 동시-소성 기판의 표면에 접합되는 반사체(광 반사체)를 포함하는 발광 장치를 제공한다.
상술한 발광 장치에서, 질화알루미늄 동시-소성 기판의 이면에 인쇄 배선 기판을 배치하고, 인쇄 배선 기판의 배선이 질화알루미늄 동시-소성 기판의 이면의 외주부(outer peripheral portion)에 설치된 전극에 접속되어, 전류(구동 전력)가 인쇄 배선 기판으로부터 질화알루미늄 동시-소성 기판에 형성된 내부 배선층을 통하여 발광 소자로 공급되도록 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발광 장치에서, 인쇄 배선 기판은 질화알루미늄 동시-소성 기판의 직하부에 스루홀(through hole)을 포함하고, 스루홀에 끼워 맞춰지는 볼록부를 가지는 히트싱크(heat sink)가 질화알루미늄 동시-소성 기판의 이면에 밀착 접합되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발광 장치에서, 발광 소자가 탑재되는 질화알루미늄 동시-소성 기판 표면은 0.3 ㎛이하의 표면 거칠기(Ra)를 가지도록 경면-연마되는(mirror-polished) 것이 바람직하다.
또한, 본 발광 장치에서, 반사체의 경사면에 알루미늄(Al) 또는 은(Ag)으로 이루어지는 금속막을 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 조명 기구는 기구 본체, 기구 본체에 설치된 상술한 발광 장치, 조명 기구를 턴-온(turning-on) 또는 턴-오프(turning-off)하기 위하여 기구 본체에 설치되는 턴-온 장치를 포함한다.
본 발명의 액정 표시장치는 액정 표시장치 본체와, 액정 표시장치 본체에 설치된 상술한 발광 장치를 포함한다.
구체적으로는, 본 발명에 따른 발광 장치는 LED 칩을 탑재하는 세라믹 기판(LED 패키지)으로서 높은 열 전도율을 가지는 질화알루미늄(AlN) 동시-소성 기판 또는 금속화 AlN 기판을 사용한다. 이 동시-소성 질화알루미늄(AlN) 기판에 내부 배선층이 형성된다. 이 동시-소성 AlN 기판으로서, 170 W/mㆍK 이상의 높은 열 전도율을 가지는 AlN 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
특히, 높은 열 전도율을 가지는 질화알루미늄을 사용함으로써, 발광 장치의 방열성이 크게 높아지고, 발광 소자의 임계 전류량이 커져서, 큰 전류가 흐르게 할 수 있고, 그로 인하여 크게 높아진 휘도를 가질 수 있다.
전술한 반사체(광 반사체)는 발광 소자로부터 방출된 광을 정면측 방향으로 반사하는 경사면으로 형성되고 코바르(Kovar) 합금, 구리(Cu) 등과 같은 금속재 또는 ABS 수지 등과 같은 수지재로 형성된다. 이 반사체는 AlN 기판 본체와 일체로 형성되지 않고 독립 부품으로서 금속 또는 수지재로부터 개별적으로 형성된다. 그 후, 독립 부품으로서의 이 반사체는 발광 소자의 주위를 둘러싸도록 질화알루미늄 기판의 표면에 접합된다.
따라서, 반사체의 최종 표면의 거친 정도 치수(크기) 및 광 반사면 경사각도 등을 높은 정밀도로 정밀하게 제어할 수 있어서, 광 반사 특성이 우수한 반사체가 간단한 제조 공정을 통해 대량 생산될 수 있다. 특히, 반사체의 내벽면(경사면)을 쉽게 경면-연마할 수 있어서, 경사면의 경사각도 역시 높은 정밀도로 제어할 수 있다.
또한, 질화알루미늄 기판의 이면에 인쇄 배선 기판을 설치하고, 인쇄 배선 기판의 배선을 질화알루미늄 기판의 이면의 외주부에 설치된 전극 패드에 접속하여, 전류가 인쇄 배선 기판으로부터 질화알루미늄 기판에 형성된 내부 배선층을 통해 발광 소자에 공급된다. 상술한 구조에 의해, 배선층과 전극이 발광 소자의 표면측(광 조사 방향)에 설치되지 않아서, 광 차단이 제거되어 휘도가 향상된다.
또한, 본 장치는 발광 소자가 플립-칩(flip-chip) 방법을 사용하여 질화알루미늄으로 이루어진 동시-소성 기판의 표면상에 탑재되고, 발광 소자에 통전 조작은 질화알루미늄 기판의 이면측에 형성된 전극단자로부터 내부 배선층을 통하여 기판의 표면측에 설치된 발광소자로 수행된다.
상술한 구조에 의해, 와이어 본딩 방법을 사용하여 AlN 기판의 표면측에 배선을 접속할 필요가 없어서, 배선 구조가 단순화될 수 있다. 더욱이, 두께 방향으로 본딩 와이어의 돌출부가 전혀 형성되지 않아서, 발광 장치는 소형으로 콤팩트하게 형성할 수 있다.
또한, 인쇄 배선 기판이 질화알루미늄 기판의 직하부에 스루홀을 포함하고, 스루홀에 끼워 맞춰지는 볼록부를 가지는 히트싱크가 질화알루미늄 이면에 밀착하여 접합된다.
상술에 구조에 의해, 발광 소자로부터 발생된 열은 질화알루미늄 기판을 통해 히트싱크로 빠르게 전달되어 방출된다. 따라서, 높은 열 전도율을 가지는 ALN 기판의 열 전도 효과 및 히트싱크의 기능이 발광 장치의 방열성을 크게 향상시키도록 상승적으로 작용한다.
또한, 발광 소자를 탑재하는 AlN 기판의 표면이 경면-연마될 때, 경면-연마면의 반사율이 향상되어 발광 소자의 접합면으로부터 방출된 광이 AlN 기판의 정면측으로 효과적으로 반사될 수 있어서 발광 강도(휘도)는 실질적으로 향상될 수 있다. 경면-연마면의 표면 거칠기는 일본공업규격(JIS B 0601)에 규정된 산술평균거칠기(arithmetic average roughness)(Ra) 기준에서 0.3 ㎛로 규정되어 있다. 0.3 ㎛ Ra를 초과하는 표면 거칠기를 갖도록 표면이 거칠어진다면, 연마면 상에서 방출된 광의 난반사 및 흡수가 일어나는 경향이 있어, 발광 강도가 저하되는 경향이 있다. 따라서 경면-연마면의 표면 거칠기를 0.3 ㎛Ra 이하로 설정한다. 표면 거칠기를 0.1 ㎛Ra 이하로 설정함으로써, 방출된 광의 반사율이 더욱 향상될 수 있다.
더욱이, 발광 소자로부터 방출된 광을 반사하는 반사체의 경사면에 알루미늄(Al) 또는 은(Ag)으로 이루어지는 금속막을 증착법 또는 도금법에 의해 형성함으로써, 발광 장치의 정면측 방향으로의 발광 강도가 향상될 수 있다.
특히, 발광 소자로부터 방출된 광에 대해서 90% 이상의 반사율을 가지는 증착 금속막을 경사면에 형성함으로써, 발광 소자에 측면으로부터 방출된 광이 증착 금속막에 의해 효과적으로 반사되어 기판의 표면측으로 반전될 수 있어서 AlN 기판의 정면측으로의 발광 강도(휘도)는 더욱 향상될 수 있다.
90%이상의 반사율을 가지는 증착 금속막으로서, 알루미늄(Al) 또는 은(Ag)으로 이루어지는 금속막이 바람직하게 사용된다. 이 증착 금속막은 통상적으로 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition:CVD)법 또는 스퍼터링(sputtering)법에 의해 약 1 ㎛ 내지 5 ㎛, 바람직하게는 1 ㎛ 내지 3 ㎛ 의 두께를 갖도록 형성된다. 상기 반사율은 입사광의 발광 강도에 대한 반사광의 발광 강도의 비로써 정의된다.
또한, 상술한 발광 장치에, 기판의 이면으로부터 발광 소자에 전기적인 접속을 확보하도록 발광 소자를 탑재하는 표면으로부터 이면까지 질화알루미늄 기판을 관통하는 내부 배선층 또는 비아홀(via hole)을 형성함으로써, 플립-칩 방법을 사용하여 발광 소자를 질화알루미늄 기판 상에 탑재하는 것이 가능하게 된다. 상술한 바와 같이, 발광 소자가 플립-칩 방법에 의해 질화알루미늄 기판에 탑재되어 접속됨으로써, 전극판 등이 제거될 수 있어서, 발광 장치의 이면 전체로부터 광을 취출할 수 있다. 더욱이, 인접 발광 소자 사이의 공간 피치가 협소해질 수 있어서, 발광 소자의 탑재 밀도는 향상될 수 있고 발광 장치가 두께와 크기에 있어 소형화될 수 있다.
더 구체적으로, 상호 접속(배선)은, 솔더 범프(solder bump)와 같은 금속 범프가 LED 칩과 같은 발광 소자의 접속 단부(접속 단자) 상에 형성되고, 이 범프가 상호 접속 도체의 단부 상에 설치된 랜드(land) 및 비아홀을 통해 기판의 이면에 설치된 통전(energizing) 상호 접속부에 접속되는 페이스 다운 시스템(face down system)에 따라 행해진다. 페이스 다운 시스템 방법에 의한 상기 상호 접속 구조에 따르면, 발광 소자의 표면의 임의의 위치로부터 전극을 취출할 수 있다. 이 구조는 발광소자와 상호 접속 도체 사이의 최단 거리 접속을 가능하게 하여, 발광 소자로서의 LED 칩이 심지어 증가한 수의 전극에서도 대형화되는 것을 막고, 매우 작은 두께로 LED 칩이 탑재될 수 있게 한다.
상술한 구조를 갖는 발광 장치에 따르면, 높은 열 전도율을 가지는 질화알루미늄(AlN) 동시-소성 기판이 LED 칩을 탑재하기 위한 기판(LED 패키지)으로서 사용되기 때문에, 이 장치는 방열성이 현전히 높아지고 임계 전류가 증가할 수 있어서 큰 전류를 흐르게 할 수 있고, 휘도를 크게 증가 시킬수 있다.
또한, 본 발명에 사용된 반사체는 AlN 기판 본체와 일체로 형성되지 않고 독립 부품으로서 금속 또는 수지재로부터 개별적으로 형성된다. 그 후, 반사체는 질화알루미늄 기판의 표면에 접합된다. 따라서, 이 부품은 부품 단계에서 쉽게 가공될 수 있어서, 반사체의 최종 거친 정도, 치수(크기), 반사면의 경사각도 등을 높은 정밀도로 정확하게 제어할 수 있고, 이로 인하여 광 반사 특성이 우수한 반사체를 얻을 수 있고 광 취출 효율을 높일 수 있다.
또한, 발광 소자는 플립 칩 방법에 의해 AlN 기판에 탑재되어 접속되어서, 발광 소자의 이면 전체에서 광을 취출할 수 있다. 또한, 인접 발광 소자 사이의 공간 피치를 협소하게 할 수 있어서, 발광 소자의 탑재 밀도가 증가될 수 있고, 그로 인하여 발광 장치는 두께와 크기에 있어 소형화된다.
도 1은 본 발명에 따른 발광 장치의 일 실시예를 나타낸 단면도.
도 2는 종래의 발광 장치의 구조의 일례를 나타낸 단면도.
이하, 본 발명에 따른 발광 장치에 실시예를 첨부된 도면 및 이하의 예를 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
[예 1]
도 1은 본 발명에 따른 발광 장치의 일 실시예를 나타내는 단면도이다. 즉, 발광 장치(11)의 실시예는 질화알루미늄 동시-소성 기판(AlN 다층 기판)(13)과, 플립 칩 방법을 통하여 동시-소성 AlN 기판의 표면에 탑재된 발광 소자로서의 3개의 LED 칩(15)과, 발광 소자로서의 LED 칩(15)으로부터 방출된 광을 정면측 방향으로 반사하기 위한 경사면(14)을 갖고 LED 칩(15)의 주위를 둘러싸도록 질화알루미늄 동시-소성 기판(13)의 표면에 솔더-본딩된 반사체(16)를 포함하도록 구성된다.
상술한 동시-소성 기판(AlN 다층 기판)(13)으로서, 200 W/mㆍK의 높은 열 전도율과 2층 구조이고 5mm-길이×5mm-폭×0.5mm-두께의 사이즈를 가지는 동시-소성 AlN 다층 기판을 사용하였다.
또한, 질화알루미늄 기판(13)의 이면에 인쇄 배선 기판(19)을 배치하고, 인쇄 배선 기판(19)의 배선은 질화알루미늄 기판(13)의 이면의 외주부에 설치된 전극 패드(17)에 접속된다. 플립-칩 접속을 위한 전극 패드는 질화알루미늄 기판(13)의 정면측에 형성된다. 이 전극 패드는 비아홀을 통하여 질화알루미늄 기판(13)의 내부 배선층(12)에 전기적으로 접속된다.
내부 배선층(12)은 AlN 기판(13)의 중앙부에 형성된 전극 패드로부터 AlN 기판(13)의 외주부까지 이어져 있다. 인쇄 배선 기판(19)을 접속하기 위한 전극 패드(17)가 AlN 기판(13)의 이면의 외주부에 형성된다. 질화알루미늄 기판(13)의 표면 상에 설치된 플립-칩 접속을 위한 전극 패드 상에, Au, Al 또는 솔더로 이루어지는 범프가 형성된다. LED 칩은 이 범프를 통하여 AlN 기판(13) 상에 접합된다.
인쇄 배선 기판(19)에는 AlN 기판(13)의 이면의 외주부에 형성된 전극 단자의 위치에 대응하는 부분에 배선이 형성되고, 이 배선은 AlN 기판(13)의 전극 부분 에 솔더-본딩 된다. 그리하여, 본 장치는 전력이 인쇄 배선 기판(19)으로부터, 비아홀, 및 내부 배선층(12)을 통하여 LED 칩(15)까지 공급되도록 구성된다.
또한, 인쇄 배선 기판(19)은 질화알루미늄 기판(13)의 직하부에 스루홀(20)을 구비하여 질화알루미늄 기판(13)의 이면이 스루홀(20)에 노출된다. 스루홀(20)에 끼워 맞춰지는 볼록부(21a)를 가지는 구리로 만들어진 히트싱크(21)가 방열 그리스(grease) 또는 솔더를 통하여 질화알루미늄 기판(13)의 이면에 밀착 접합된다. 형광재(형광체)(22) 와 몰드 수지(18)가 반사체(16)의 내부 공간과 LED 칩(15)의 윗 공간에 충전된다. 형광재(22)는 LED 칩(15)으로부터 방출된 광을 흡수시 특정한 파장을 가지는 광을 방출한다.
상술한 바와 같이 구성되는 된 발광 장치에서, 인쇄 배선 기판(19)으로부터 전극 패드(17), 비아홀 및 내부 배선층(12)를 통하여 LED 칩(15)까지 전력이 공급되면, LED 칩(15)은 발광한다. 그 후, 이 광은 형광체(22)에 조사되어서, 특정한 파장을 가지는 광을 방출한다.
이 때, LED 칩(15)의 일 측면에서 방출된 광은 반사체(16)의 경사면(14)에서 반사된다. 그 후, 반사광은 정면측 방향으로 방사된다.
LED 칩(15)이 탑재되는 질화알루미늄 기판(13)의 표면이 경면-연마되어 0.3 ㎛ 이하의 표면 거칠기(Ra)를 가지는 경우에, LED 칩(15)의 이면측 방향으로 방출된 광은 질화알루미늄 기판(13)에서 반사된다. 그 결과적로써, 발광 장치(11)의 정면측 방향으로 방사된 광의 휘도를 증가시킬 수 있다.
한편, 발열한 LED 칩(15)으로부터 방출된 열은 질화알루미늄 기판(13)을 통 해서 히트싱크(21)에 빠르게 전도 및 전달될 수 있다. 따라서, 높은 열 전도율을 가지는 AlN 기판(13)의 열 전도 효과와 상승하여 발광 장치(11)의 방열성이 향상된다.
이런 맥락에서, 본 실시예에서, 반사체(16)가 코바르 합금으로 형성되기 때문에, 경사면(14)이 매우 매끄럽게 형성될 수 있어서, 경사면(14)은 충분한 광-반사 기능을 가진다. 그러나, 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)으로 이루어지는 금속막을 화학적 기상 증착법 등에 의해서 이 경사면(14)에 형성하는 경우, 반사체(16)에서의 광 반사 특성은 더 향상될 수 있다.
이 실시예의 발광 장치(11)에 따르면, 높은 열 전도율을 가지는 질화알루미늄(AlN) 동시-소성 기판(13)을 LED 칩(15)을 탑재하기 위한 기판(LED 패키지)으로 사용하므로, 본 장치(11)는 크게 높아진 방열성과 증대한 임계 전류(인가할 수 있는 최대 전류량)를 가질 수 있어서, 큰 전류가 흐르게 허용하고, 높아진 향상된 휘도를 가질 수 있다.
또한, 반사체(16)는 AlN 기판 본체와 일체로 형성되지 않고, 독립 부품으로 개별적으로 형성된다. 그 후, 반사체(16)는 질화알루미늄 기판(13)의 표면에 접합된다. 따라서, 부품은 부품 단계에서 쉽게 가공될 수 있어서, 반사체(16)의 최종 표면의 거친 정도, 치수(크기), 경사면(광 반사면)(14)의 경사각도 등을 높은 정밀도로 정확하게 제어 가능하게 되어서, 광 반사 특성이 우수한 반사체(16)가 얻어지고, 광 취출 효율이 높아질 수 있다.
또한, 발광 소자로서 LED 칩(15)은 플립 칩 방법에 의해서 AlN 기판(13)에 탑재되어 접속되므로, 광이 LED 칩(15)의 이면 전체로부터 취출될 수 있다. 또한, 인접 LED 칩(15) 사이에 공간 피치를 협소하게 할 수 있어서, LED 칩(15)의 탑재 밀도가 향상되어 발광 장치(11)가 두께와 크기에 있어 소형화될 수 있다.
또한, 질화알루미늄 기판(13)의 이면에 인쇄 배선 기판(19)을 배치하고, 인쇄 배선 기판(19)의 배선이 질화알루미늄 기판(13)의 이면의 외주부에 설치된 전극 패드(17)에 접속되고, 전원이 내부 배선층(12)을 통하여 인쇄 배선 기판(19)으로부터 LED 칩(15)까지 공급되는 구성에 의해, 배선층과 전극이 LED 칩(15)의 표면측 부분에 설치되지 않는다. 따라서, 배선층과 전극에 의한 광의 차단이 제거될 수 있어서, 발광의 휘도가 높아질 수 있다.
또한, 본 장치(11)는 LED 칩(15)이 플립 칩 방법을 사용하여 질화알루미늄 으로 이루어지는 동시-소성 기판(13)의 표면 상에 탑재되고, LED 칩(15)으로의 통전(전력 공급) 조작은 내부 배선층(12)을 통하여 질화알루미늄 기판(13)의 이면측에 형성된 전극 패드(17)로부터 기판(13)의 표면측에 설치된 LED 칩(15)으로 수행되는 구조를 가지고 있다.
상술한 구조 때문에, 와이어 본딩 방법을 사용하여서 AlN 기판(13)의 표면측에 배선을 접속할 필요가 없어서, 배선 구조가 단순화될 수 있다. 또한, 두께 방향으로 본딩 와이어의 돌출부가 전혀 형성되지 않아서, 발광 장치(11)는 작은 두께와 크기로 밀집하여 형성될 수 있다.
또한, 인쇄 배선 기판(19)은 질화알루미늄 기판(13)의 직하부에 스루홀(20)을 구비하고, 스루홀(20)에 끼워 맞춰지는 볼록부를 가지는 히트싱크(21)가 질화알 루미늄 기판(13)의 이면에 밀착 접합된다.
상술한 구조에 의해, LED 칩(15)으로부터 발생한 열이 질화알루미늄 기판(13)을 통해 히트싱크(21)쪽으로 빠르게 전도 및 전달될 수 있다. 따라서, 높은 열 전도율을 가지는 AlN 기판(13)의 열 전도 효과와 히트싱크(21)의 기능은 발광 장치(11)의 방열성을 크게 높이는데 상승적으로 작용한다.
[예 2]
도 1에 도시한 반사체(16)의 경사면(14) 상에 은(Ag)으로 이루어지고 2 ㎛의 두께를 가지는 금속막(23)이 형성되는 것 이외에는, 예 1에서와 동일한 제조 공정을 반복하여 예 2의 발광 장치를 준비하였다.
[예 3]
도 1에 도시한 히트싱크(21)가 장착되지 않은 점 이외에는, 예 1에서와 동일한 제조 공정을 반복하여 예 3의 발광 장치를 준비하였다.
[예 4]
도 1에 도시한 볼록부(21a)가 없는 판형(plate-shaped)의 히트싱크(21)가 스루홀이 없는 인쇄 배선 기판을 통해서 AlN 기판(13)에 접합된 것 이외에는 예 1에 에서와 동일한 제조 공정을 반복하여 예 4의 발광 장치를 준비하였다.
상술한 각각의 예 1 내지 예 4의 각각에 따른 10개의 장치에 대해서, 각각의 LED 칩에 인가되는 전류량이 점차 증가하는 동안 LED 칩이 파손되지 않고 안정하게 발광하는 범위 내에서 열 저항과 LED 최대 전류량이 결정하고, 각각의 발광 장치의 열 저항, 최대 전류량 및 휘도를 측정하였다.
이하, 테이블 1에 평균값의 결과를 나타낸다.
[테이블 1]
샘플 번호. 열 저항 (℃/w) LED 인가 가능 최대 전류량(mA) 휘도(Lm)
예 1 1.1 1100 9.8
예 2 (금속막 존재) 1.1 1100 11.5
예 3 (히트싱크 생략) 20 98 0.9
예 4 (간단한 적층 타입) 19 112 1.2
테이블 1에 나타난 결과로부터 명백한 바와 같이, 은(Ag)으로 이루어진 금속막(23)이 반사체(16)의 경사면(14) 상에 형성된 예 2의 발광 장치에 따르면, 경사면(14)에서의 광 반사율(반사도)이 향상되었다. 결과적으로, 예 1의 장치와 비교하여 휘도가 10 % 내지 20 %로 향상된 것이 증명되었다.
또한, 히트싱크(21)가 장착되지 않은 예 3의 발광 장치의 경우에, 열 저항값이 예 1 및 예 2의 것보다 18배 이상 불리하게 상승하여, LED 최대 전류량과 발광 휘도가 상대적으로 낮아졌다.
한편, 볼록부(21a)가 없는 판형 히트싱크(21)가 스루홀이 없는 판형 인쇄 배선 기판을 통하여 AlN 기판에 적층된 예 4의 발광 장치에 따르면, 히크싱크가 AlN 기판(13)에 직접 접촉되지 않아서, 열 저항이 크게 증가하였고 휘도는 상대적으로 낮아졌다.
[예 5]
예 1 및 예 2의 각각의 발광 장치를 조명 기구 본체에 조립한 후, 조명 기구를 턴-온 또는 턴-오프 하기 위한 턴-온 장치를 이 기구 본체에 설치하여, 예 5의 각각의 조명 기구를 준비하였다. 각각의 조명 기구는 우수한 방열성을 갖고, 큰 전류(LED 최대 전류량)를 본 기구에 인가하는 것이 가능하게 되었다. 발광 효율이 높은 휘도를 크게 증가시킬 수 있는 것이 확인되었다.
이런 맥락에서, 도 1에 나타난 복수의 발광 장치는 종 방향이나 횡 방향으로 열(列) 형상으로 배치하는 경우 선형-발광원이 얻어질 수 있었다. 한편, 복수의 발광 장치를 모든 방향으로 배치하여 2차원 배열을 형성하는 경우, 면(area)-발광 광원이 효과적으로 얻어질 수 있었다.
[예 6]
백라이트로서 예 1 및 예 2의 각각의 발광 장치를 액정 표시장치(LCD) 본체에 설치하여, 예 6의 각각의 액정 표시장치를 조립하였다. 그와 같이 준비한, 예 6의 각각의 액정 표시장치는 발광 장치를 구성하는 기판으로서 방열성이 우수한 질화알루미늄(AlN)을 구조적으로 포함하여서, 더 큰 전류(LED 최대 전류량)를 본 장치에 인가할 수 있다. 발광 장치 효율이 높은 액정 표시장치의 휘도를 크게 증가시킬 수 있는 것이 확인되었다.
이런 맥락에서, 본 발명은 200 W/mㆍK의 열 전도율을 갖는 다층 AlN 기판이 사용된 예를 들어서 설명하였지만, 본 발명은 그것에 한정되지 않는다. 170 W/mㆍK 또는 230 W/mㆍK의 열 전도율을 가지는 AlN 기판을 사용하는 경우에도, 우수한 방열성과 우수한 발광 특성을 역시 얻을 수 있었다. 구체적으로, 170 W/mㆍK의 열 전도율을 가지는 AlN 기판이 이용된 경우와 비교하여, 200 W/mㆍK 또는 230 W/mㆍK의 열 전도율을 갖는 AlN 기판을 이용했을 때, 열 저항은 20-30% 까지 감소하였고, 임계 전류(최대 흐를 수 있는 전류 또는 인가할 수 최대 전류량)와 휘도가 20-30% 까지 증가 될 수 있었다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 발광 장치에 따르면, LED 칩을 탑재하기 위한 기판(LED 패키지)으로서 높은 열 전도율을 가지는 질화알루미늄(AlN) 동시-소성 기판을 사용하므로, 발광 장치의 발열성이 크게 높아져서, 임계 전류(인가할 수 있는 최대 전류량)가 증가하고, 그로 인하여 큰 전류가 LED 칩을 통해서 흐르게 할 수 있고 휘도가 크게 높아질 수 있다.
또한, 본 발명에 사용된 반사체는 AlN 기판 본체와 일체로 형성되지 않고 독립 부품으로써 개별적으로 형성된다. 그 후, 본 반사체는 질화알루미늄 기판에 접합된다. 따라서, 본 부품이 부품 단계에서 쉽게 가공될 수 있어서, 반사체의 최종 표면의 거친 정도, 치수(크기), 광 반사면의 경사각도 등을 높은 정밀도로 정확하게 제어가능하게 되어서, 광 반사 특성이 우수한 반사체를 얻을 수 있고, 발광 효율이 크게 높아질 수 있다.
또한, 플립 칩 방법에 의하여 본 발광 소자가 AlN 기판에 탑재되어 접속되어서, 광이 발광 소자의 이면 전체로부터 취출될 수 있다. 또한, 인접 발광 소자 사이에 공간 피치를 협소하게 할 수 있어서, 발광 소자의 탑재 밀도가 높아질 수 있고, 그로 인하여 발광 장치는 두께와 크기에 있어 소형화될 수 있다.

Claims (7)

  1. 내부에 배선층을 갖는 질화알루미늄 동시-소성(co-fired) 기판과,
    플립-칩(flip-chip) 방법을 통하여 상기 동시-소성 기판의 표면 상에 탑재되는 적어도 하나의 발광 소자와,
    상기 발광 소자로부터 정면측 방향으로 광을 반사하는 경사면을 갖는 반사체 - 여기서, 상기 반사체는 상기 발광 소자의 둘레를 감싸도록 상기 질화알루미늄 동시-소성 기판의 표면에 접합됨 - 를 포함하고,
    상기 반사체의 상기 경사면에 알루미늄 또는 은으로 이루어진 금속막을 형성한 발광 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 질화알루미늄 동시-소성 기판의 이면에 인쇄 배선 기판을 배치하고, 상기 인쇄 배선 기판의 배선을 상기 질화알루미늄 동시-소성 기판의 상기 이면의 외주부(outer peripheral portion)에 설치된 전극에 접속하여서, 전류를 상기 인쇄 기판으로부터 상기 질화 알루미늄 동시-소성 기판에 형성된 내부 배선층을 통하여 상기 발광 소자에 공급하는 발광 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 인쇄 배선 기판은 상기 질화알루미늄 동시-소성 기판의 직하부에 스루홀(through hole)을 구비하고, 상기 스루홀에 끼워 맞춰지는 볼록부를 가지는 히트싱크(heat sink)가 상기 질화알루미늄 동시-소성 기판의 상기 이면에 밀착하여 접 합되는 발광 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 소자가 탑재되는 상기 질화알루미늄 동시-소성 기판의 표면이 경면-연마(mirror-polished)되어, 0.3 ㎛ 이하의 표면 거칠기(Ra)를 갖는 발광 장치.
  5. 삭제
  6. 조명 기구 본체와,
    상기 조명 기구 본체에 설치되는 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 발광 장치와,
    상기 조명 기구를 턴-온(turning-on) 또는 턴-오프(turning-off)하기 위하여 상기 조명 기구에 설치되는 턴-온 장치를 포함하는 조명 기구.
  7. 액정 표시장치 본체와,
    상기 액정 표시장치 본체에 설치되는 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 발광 장치를 포함하는 액정 표시장치.
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