KR101039100B1 - Ｌｅｎｓ 및 ｍｉｒｒｏｒ를 구비한 ｌｅｄ 패키지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 렌즈 및 미러를 구비한 LED 패키지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 LED 상부와 측면에 각각 렌즈 및 미러를 구성하여 LED의 광 추출효율 및 광의 직진성 또는 집광성을 향상시키는 렌즈 및 미러를 구비한 LED 패키지에 관한 것이다.

본 발명에 따르는 렌즈 및 미러를 구비한 LED 패키지는, 기판상에 액티브 메사층과 전극을 구비한 LED; 상기 LED 상부에 접착된 렌즈; 상기 LED 측면에 구성되는 미러를 포함하고, 상기 미러는 상기 액티브 메사층의 측면에서 방출된 광을 상기 렌즈 방향으로 반사하는 것을 구성적 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따르는 렌즈 및 미러를 구비한 LED 패키지는, 기판상에 액티브 메사층과 전극을 구비한 LED; 상기 LED의 액티브 메사층 상부 및 측면을 모두 감싸도록 접착된 렌즈; 상기 렌즈의 측면에 구성되는 미러를 포함하고, 상기 미러는 상기 액티브 메사층의 측면에서 방출되어 상기 렌즈의 측면에 입사된 광을 상기 렌즈 방향으로 반사하는 것을 구성적 특징으로 한다.

렌즈, PVD, CVD, 미러, 액티브 메사

Description

ＬＥＮＳ 및 ＭＩＲＲＯＲ를 구비한 ＬＥＤ 패키지{LED Package with Lens and Mirror}

본 발명은 렌즈 및 미러를 구비한 LED 패키지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 LED 상부와 측면에 각각 렌즈 및 미러를 구성하여 LED의 광 추출효율 및 광의 직진성 또는 집광성을 향상시키는 렌즈 및 미러를 구비한 LED 패키지에 관한 것이다.

최근 다양한 분야에서 사용되고 있는 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드. 광변조기와 같은 광원소자의 제조 공정에 널리 사용되는 제조공정은 매몰 헤테로우 구조(buried hetero suructure)법으로, 매몰 헤테로우 구조는 반도체 기판에 제1 클래드층, 멀티 퀀텀 웰 액티브 층(multi quantum wall active layer), 제2 클래드층, 콘택트 버퍼 층을 포함하는 베이스 구조를 형성하고 식각마스크를 이용하여 깊은 메사(MESA)를 형성한 후, 다시 식각 마스크를 사용하여 식각된 영역을 커패시턴스를 낮출 수 있는 물질로 재성장시켜 매몰함으로써 형성한 구조로, 도1에 도시된 바와 같으며, 이를 개선하는 제조법은 공개특허 제1998-072425호에 개시되어 있다.

발광 다이오드(LED)에서 광 추출효율은 LED 내부양자 효율에 대한 LED 외부 양자 효율의 비로 규정된다. 일반적으로 LED의 광 추출효율은 1보다 작은데, 이는 LED의 액티브 영역에서 생성된 광 중의 상당한 양이 외부에 도달하지 못한다는 것을 의미한다.

광 추출효율은 LED와 주변환경 사이의 인터페이스에서의 총 내부 반사와 LED내에서 총 내부 반사 광을 재흡수함으로써 감소한다. 총 내부 반사로 인한 부가적인 손실은 에폭시/공기 인터페이스에서 발생할 수 있다. 결과적으로 에폭시로 둘러싸인 효율적인 통상의 구조인 투명 기판 AlInGaP LED는 거의 100%의 내부 양자 효율을 갖지만 외부 양자 효율은 예를 들면 40% 이하이다.

광 추출효율을 개선하기 위한 하나의 방법으로, LED의 형상을 반구형으로 연마하는 방법이 있다. 반구형 LED의 액티브 영역에서 방출되는 광은 거의 수직에 가깝게 반구형 인터페이스를 가로질러 입사하기 때문에 총 내부 반사는 감소하는 결과를 얻을 수 있지만 LED를 연마하는 공정 중에 발생하는 LED 표면상의 흠이 LED의 신뢰도 및 성능을 떨어뜨릴 수 있을 뿐만 아니라 상당한 재료를 낭비하게 된다.

광 추출효율을 개선하기 위한 또 다른 방법으로, LED를 돔 형 또는 반구형 표면을 갖는 재료로 둘러싸는 방법이 있다. 그러나, 예를 들어 에폭시 인캡슐런트를 돔형으로 만들어 LED를 둘러싸는 경우 총 내부 반사로 인한 손실은 줄일 수도 있으나, LED 인캡슐런트의 열팽창계수가 LED 내의 반도체 재료의 열팽창계수와 일치하지 않기 때문에 LED의 냉각 및 가열시 LED에 기계적인 스트레스를 가하여 LED에 손상을 줄 수도 있다. 또한 LED는 돔형의 높은 굴절률의 유리로 둘러싸이는데, 이는 반도체/입캡슐런트 인터페이스에 대한 임계각도 증가시켜 유리에서의 광 흡수가 증가하여 LED의 성능을 열화시킨다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 LED의 상부 및 측면에 각각 렌즈 및 미러를 구성하여 광 추출효율을 증가시키는 것이다.

본 발명의 목적은 LED의 상부 및 측면에 각각 렌즈 및 미러를 구성하여 광의 직진성을 증가시키는 것이다.

본 발명의 목적은 LED의 상부 및 측면에 각각 렌즈 및 미러를 구성하여 광의 집광성을 증가시키는 것이다.

본 발명의 목적은 상부 및 측면에 각각 렌즈 및 미러가 구성된 LED를 포함하는 모든 발광소자의 광 추출효율, 직진성 및 집광성을 증가시키는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 렌즈 및 미러를 구비한 LED 패키지는, 기판상에 액티브 메사층과 전극을 구비한 LED; 상기 LED 상부에 접착된 렌즈; 상기 LED 측면에 구성되는 미러;를 포함하고, 상기 미러는 상기 액티브 메사층의 측면에서 방출된 광을 상기 렌즈 방향으로 반사하는 것을 구성적 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예를 따르는 렌즈 및 미러를 구비한 LED 패키지는, 기판상에 액티브 메사층과 전극을 구비한 LED; 상기 LED의 액티브 메사층 상부 및 측면을 모두 감싸도록 접착된 렌즈; 상기 렌즈의 측면에 구성되는 미러;를 포함하고, 상기 미러는 상기 액티브 메사층의 측면에서 방출되어 상기 렌즈의 측면에 입사된 광을 상기 렌즈 방향으로 반사하는 것을 구성적 특징으로 한다.

본 발명에 따르는 렌즈 및 미러를 구비한 LED 패키지는 LED의 상부 및 측면에 각각 렌즈 및 미러를 구성함으로써 광 추출효율, 광 직진성, 집광성을 개선할 수 있다.

본 발명에 따르는 렌지 및 미러를 구비한 LED 패키지 구정 방법은 발광 다이오드를 포함하는 모든 발광소자의 경우에 사용할 수 있어 발광 소자의 광 추출효율, 광 직진성, 집광성을 개선할 수 있다.

도2는 본 발명에 따르는 LED 패키지의 구조를 나타낸 도면이고, 도3은 본 발명에 따르는 LED 패키지 어레이를 나타낸 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 LED 패키지 구조는 반도체 기판상에 액 티브 메사층과 전극을 구비한 LED; 상기 LED 상부에 접착된 렌즈; 상기 LED 측면에 구성되는 미러를 포함하고, 상기 미러는 상기 엑티브 메사층의 측면에서 방출된 광을 다시 렌즈 방향으로 반사하는 것을 구성적 특징으로 하며, 이러한 구성은 광원에서 방출된 광의 손실을 막아준다.

전극 양측에 적절한 전압을 인가할 때 광을 방출하는 액티브 메사층이 상부에 구성되는 기판은 반도체 기판 또는 서브마운트 기판일 수 있으며, 사용되는 LED는 다양한 종류의 광원 소자일 수 있으며, 특히 레이저 다이오드를 사용할 경우에는 레이저 다이오드에서 발생하는 열을 흡수, 방출시킬 수 있는 서브 마운트 기판을 사용할 수도 있다.

LED 상부에 부착되는 렌즈의 형상은 반구, 반구보다 작은 구의 일부, 타원

및 타원의 일부일 수도 있다.

LED 상부에 부착되는 렌즈는 프레넬 렌즈(Fresnel Lens), 마이크로 렌즈 또는 비구면렌즈(Aspheric Lens)등의 다양한 종류 중에서 선택하여 사용할 수 도 있다.

상기 렌즈는 광학 유리, Ⅲ족-Ⅴ족 반도체, Ⅱ족-Ⅵ족 반도체, Ⅳ족 반도체화합물, 금속 산화물, 금속 플루오르화물, 다이아몬드, 이트륨 알루미늄 가닛 지르코늄 화합물, 사파이어 또는 그 조합들 중에서 선택된 재료로 구성되고, 상기 렌즈의 굴절률은 사용되는 렌즈의 재료에 따라 다양한 값을 가질 수 있다.

LED 상부에 렌즈를 접착하기 위해 LED 상부에 접착제를 도포하는 방법은 스피닝(spinning), 스퍼터링(sputtering), 증발(evaporation), 화학기상증착(CVD)을 포함하는 방법을 사용할 수 있고, 재료 성장의 일부인 금속 유기 기상 증착(metal-organic chemical vapor de position, MOCVD), 기상 에피텍시(vapor phase epitaxy, VEP), 액상 에피텍시(liquid phase epitaxy, LPE) 또는 분자 빔 에피텍시(molecular beam epitaxy, MBE)를 사용할 수 있지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

투명 접착층은 예를 들어 포토리소그래피 및 에칭 기술로 선택적으로 패터닝되어 접착재료가 전극을 덮지 않도록 하고, 전극이 렌즈상의 임의의 금속화물층과 전기적으로 접속하도록 한다. 금속화물층은 인듐 주석 산화물과 같은 금속 또는 투명 도전체로 형성한다.

투명 접착층은 액티브 메사 영역에 의해 방출된 빛을 다른 파장으로 변환하는 발광재료를 포함하는데, 발광재료는 인광 입자, 유기 반도체, Ⅱ-Ⅵ 또는 Ⅲ-Ⅴ반도체, Ⅱ-Ⅵ 또는 Ⅲ-Ⅴ반도체 양자 도트 또는 나노 크리스털 염료, 폴리머 및 그 결합의 중심으로부터 발광하는 GaN과 같은 재료를 포함한다.

상기 투명 접착층은 광학유리, 칼코겐화 유리, Ⅲ족-Ⅴ족 반도체, Ⅱ족-Ⅵ족 반도체, Ⅳ족 반도체, 유기적 반도체, 금속, 금속 산화물, 금속 플루오르화물, 이트륨 알루미늄 가닛, 인화물, 비화물, 안티몬화물, 질화물 및 그 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 구성된다.

상기 액티부 메사층의 측면에 형성되는 미러는 LED의 수평 및 후면으로 방출되는 빛을 반사시키는 기능을 한다. 즉 측면방향으로 방출되는 빛을 반사하여 상부 방향으로 진행하여 렌즈를 통과하여 직진하도록 함으로써 광 추출 효율을 증가시킬 수 있다.

LED의 측면에 형성되는 미러가 전도성이 있는 미러일 경우에는 미러층 밑에

안정적인 절연막을 먼저 형성해야 한다.

미러는 금속, 유전체 또는 반도체 물질 등을 이용하여 스퍼터링(sputtering), 전자빔 증착(e-beam evaporation), 화학증착법(chemical vapor deposition, CVD)등을 공정을 통해서 다양한 형태로 제작될 수 있다.

도4는 본 발명에 따르는 또 다른 LED 패키지의 구조를 나타낸 도면이고, 도5는 본 발명에 따르는 또 다른 LED 패키지 어레이를 나타낸 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 LED 패키지 구조는, 기판상에 액티브 메사층과 전극을 구비한 LED; 상기 LED의 액티브 메사층 상부 및 측면을 모두 감싸 도록 접착된 렌즈; 상기 렌즈의 측면에 구성되는 미러를 포함하고, 상기 미러는 상기 액티브 메사층의 측면에서 방출되어 상기 렌즈의 측면에 입사된 광을 상기 렌즈 방향으로 반사하는 것을 구성적 특징으로 한다.

상기 렌즈의 측면에 구성되는 미러는 하나 또는 다수의 반사면을 갖도록 구성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르는 LED 패키지는 기판상에 액티브 메사층과 전극을 구비한 LED를 구성하는 단계; 상기 LED 상부에 접착제를 도포하는 단계; 도포된 상기 접착제 상에 렌즈를 접착하는 단계; 상기 렌즈가 접착된 상기 LED 측면에 미러를 구성하는 단계에 의해 구성된다.

LED 상부에 렌즈를 접착하는 것은 LED와 렌즈 사이에 접착제를 도포하고 열과 압력을 동시에 가하여 접착하는 방법이 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

LED 측면의 미러는 물리 증착법(PVD), 화학증착법(CVD) 등의 다양한 방법을 이용하여 다양한 형태로 구성할 수 있는데, 미러가 전도성일 경우에는 미러의 하부에 절연막을 미리 형성하여야 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상술한 바와 같이 LED 상부에만 렌즈를 부 착하는 구성과 달리 LED의 상부 및 측면 전체를 감싸도록 렌즈를 부착할 수도 있다.

즉, 본 발명에 따르는 다른 실시예에 따르는 LED 패키지는 기판상에 액티브 메사층과 전극을 구비한 LED를 구성하는 단계; 상기 LED의 상부와 측면에 접착제를 도포하는 단계; 도포된 상기 접착제 상에 렌즈가 상기 LED의 상부와 측면을 둘러싸도록 접착하는 단계 및 상기 렌즈의 측면에 미러를 구성하는 단계에 의해 구성된다.

LED 상부 및 측면를 감싸도록 렌즈를 접착하는 방법에는 상술한 바와 같이 LED와 렌즈 사이에 접착제를 도포하여 열과 압력을 가하여 접착하는 방법이 있으나 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.

렌즈 측면에 형성되는 미러는 물리 증착법(PVD), 화학증착법(CVD) 등을 이용하여 다양한 형태로 구성할 수 있는데, 미러가 전도성일 경우에는 미러의 하부에 절연막을 미리 형성하여야 한다.

본 발명에 따르는 렌즈 및 미러를 구비한 LED 패키지는 광 추출효율, 광 직진성, 집광성이 기존의 LED 패키지에 비해 현저하게 향상된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사항을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라 서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도1은 종래의 LED 패키지의 구조를 나타낸 도면이다.

도2는 본 발명에 따르는 LED 패키지의 구조를 나타낸 도면이다.

도3은 본 발명에 따르는 LED 패키지 어레이를 나타낸 도면이다.

도4는 본 발명에 따르는 또 다른 LED 패키지의 구조를 나타낸 도면이다.

도5는 본 발명에 따르는 또 다른 LED 패키지 어레이를 나타낸 도면이다.

Claims (18)

1. 기판상에 액티브 메사층과 전극을 구비한 LED;

   상기 LED 상부에 접착된 렌즈;

   상기 LED 측면에 구성되는 미러;를 포함하고,

   상기 미러는 상기 액티브 메사층의 측면에서 방출된 광을 상기 렌즈 방향으로 반사하는 것을 특징으로 하는

   LED 패키지.
2. 제1항에 있어서,

   상기 기판은 반도체 기판 또는 서브마운트 기판일 수 있는 것을 특징으로 하는

   LED 패키지.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 렌즈는 프레넬 렌즈, 마이크로 렌즈 또는 비구면렌즈(Aspheric Lens)인 것을 특징으로 하는

   LED 패키지.
5. 제1항에 있어서,

   상기 렌즈는, 광학 유리 재료, Ⅲ족-Ⅴ족 반도체 재료, Ⅱ족-Ⅵ족 반도체 재료, Ⅳ족 반도체 화합물 재료, 금속 산화물 재료, 금속 플루오르화물 재료, 다이아몬드 재료, 사파이어 재료, 지르코늄 화합물 재료, 또는 이트륨 알루미늄 가닛 재료로 구성된 그룹에서 선택한 하나의 재료로 구성되거나, 상기 그룹에서 선택한 둘 이상의 재료의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는

   LED 패키지.
6. 제1항에 있어서,

   상기 미러는 금속, 유전체 또는 반도체 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는

   LED 패키지.
7. 제1항에 있어서,

   상기 미러는 스퍼터링, 전자빔 증착, 화학증착법 중 하나에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는

   LED 패키지.
8. 제1항에 있어서,

   상기 LED와 상기 렌즈 사이에는 투명 접착층을 더 포함하고,

   상기 투명 접착층은 상기 렌즈를 상기 LED에 접착시키는 것을 특징으로 하는

   LED 패키지.
9. 제8항에 있어서,

   상기 투명 접착층은 광학 유리 재료, 칼코겐화 유리 재료, Ⅲ족-Ⅴ족 반도체 재료, Ⅱ족-Ⅵ족 반도체 재료, Ⅳ족 반도체 재료, 유기적 반도체 재료, 금속 재료, 금속 산화물 재료, 금속 플루오르화물 재료, 이트륨 알루미늄 가닛 재료, 인화물 재료, 비화물 재료, 안티몬화물 재료, 또는 질화물 재료로 구성된 그룹에서 선택한 하나의 재료로 구성되거나, 상기 그룹에서 선택한 둘 이상의 재료의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는

   LED 패키지.
10. 기판상에 액티브 메사층과 전극을 구비한 LED;

    상기 LED의 액티브 메사층 상부 및 측면을 모두 감싸도록 접착된 렌즈;

    상기 렌즈의 측면에 구성되는 미러;를 포함하고,

    상기 미러는 상기 액티브 메사층의 측면에서 방출되어 상기 렌즈의 측면에 입사된 광을 상기 렌즈 방향으로 반사하는 것을 특징으로 하는

    LED 패키지.
11. 기판상에 액티브 메사층과 전극을 구비한 LED를 구성하는 단계;

    상기 LED 상부에 접착제를 도포하는 단계;

    도포된 상기 접착제 상에 렌즈를 접착하는 단계;

    상기 렌즈가 접착된 상기 LED 측면에 미러를 구성하는 단계를 포함하는

    LED 패키지 제조 방법.
12. 제11항에 있어서,

    상기 렌즈를 접착하는 단계는,

    상기 접착제의 온도를 상승시키는 단계; 및

    상기 렌즈 및 상기 LED에 압력을 가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하 는

    LED 패키지 제조 방법.
13. 제11항에 있어서,

    상기 LED 측면에 미러를 구성하는 단계는,

    물리증착법(PVD), 화학증착법(CVD) 중 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는

    LED 패키지 제조 방법.
14. 제11항에 있어서,

    상기 미러가 전도성 미러일 경우,

    상기 미러의 하부에 절연막을 미리 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는

    LED 패키지 제조 방법.
15. 기판상에 액티브 메사층과 전극을 구비한 LED를 구성하는 단계;

    상기 LED의 상부와 측면에 접착제를 도포하는 단계;

    도포된 상기 접착제 상에 렌즈가 상기 LED의 상부와 측면을 둘러싸도록 접착 하는 단계;

    상기 렌즈의 측면에 미러를 구성하는 단계를 포함하는

    LED 패키지 제조 방법.
16. 제15항에 있어서,

    도포된 상기 접착제 상에 렌즈가 상기 LED의 상부와 측면을 둘러싸도록 접착하는 단계는,

    상기 접착제의 온도를 상승시키는 단계; 및

    상기 렌즈 및 상기 LED에 압력을 가하여 상기 렌즈를 상기 LED에 접착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는

    LED 패키지 제조 방법.
17. 제15항에 있어서,

    상기 렌즈 측면에 미러를 구성하는 단계는,

    물리증착법(PVD), 화학증착법(CVD) 중 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는

    LED 패키지 제조 방법.
18. 제15항에 있어서,

    상기 미러가 전도성 미러일 경우,

    상기 미러의 하부에 절연막을 미리 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는

    LED 패키지 제조 방법.

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