KR101324233B1 - 발광 장치 및 발광 시스템 - Google Patents

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KR101324233B1
KR101324233B1 KR1020120050342A KR20120050342A KR101324233B1 KR 101324233 B1 KR101324233 B1 KR 101324233B1 KR 1020120050342 A KR1020120050342 A KR 1020120050342A KR 20120050342 A KR20120050342 A KR 20120050342A KR 101324233 B1 KR101324233 B1 KR 101324233B1
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김영주
신민호
홍현국
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

광추출율이 향상된 발광 장치 및 발광 시스템이 제공된다. 상기 발광 장치는 내부에 슬롯을 포함하는 패키지 바디, 상기 슬롯 내에 형성되고, 제1 광을 생성하는 발광 소자, 상기 슬롯 내에 형성되고, 상기 발광 소자의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성되고, 횡방향 길이보다 종방향 길이가 긴 렌즈, 상기 발광 소자 상에 형성되고, 상기 제1 광을 파장 변환하여 제2 광을 생성하는 제1 양자점 형광층, 및 상기 슬롯 내에 형성되고, 상기 렌즈와 상기 제1 양자점 형광층 사이에 배치된 에어갭(air-gap)을 포함한다.

Description

발광 장치 및 발광 시스템{Light emitting device and system}
본 발명은 발광 장치 및 발광 시스템에 관한 것이다.
LED(Light Emitting Diode)와 같은 발광 소자는, 전자와 홀의 결합에 의해 광을 발산한다. 이러한 발광 소자는 소비 전력이 적고, 수명이 길고, 협소한 공간에서도 설치 가능하며, 진동에 강한 특성을 지닌다.
발광 장치는 제조 방법에 따라 여러가지 파장의 광을 발생시킬 수 있는데, 예를 들어, 청색광, UV광, 백색광 등을 발생시킬 수 있다.
예를 들어, 백색광을 발생시킬 수 있는 백색 발광 장치의 제조 방법을 예로 들면 다음과 같다. 청색광을 발생시키는 청색 발광 소자에 황색 형광체를 도포하여 백색광을 발생시키는 백색 발광 장치를 만들 수 있다. 또는, 황색 형광체뿐만 아니라 적색 형광체를 추가로 이용하여, 백색광을 발생시킬 수도 있다.
그런데, 형광체는 발광 소자에서 생성된 광을 흡수하여, 파장 변환하여 방출한다. 그런데, 형광체는 특정한 방향으로 광을 방출하지 않고, 전방향(全方向)으로 방출할 수 있다. 따라서, 뒷쪽으로 방출되는 광은 손실되기 쉽고, 이에 따라 광추출율이 떨어질 수 있다.
또한, 발광 소자에서 생성된 광은, 패키지의 내부 측벽에 흡수되어 손실될 수 있다. 또한, 발광 소자에서 생성된 광이 패키지의 내부 측벽에 반사되더라도, 광 경로가 길어져, 광추출율이 떨어질 수 있다.
관련 선행 기술로는 국내공개특허공보 제10-2011-0074705호(멀티-스택 패키지 ＬＥＤ)가 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는, 광추출율이 향상된 발광 장치를 제공하는 것이다.
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본 발명이 해결하려는 다른 과제는, 상기 발광 장치를 포함한 발광 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 발광 장치의 일 태양(aspect)은 내부에 슬롯을 포함하는 패키지 바디, 상기 슬롯 내에 형성되고, 제1 광을 생성하는 발광 소자, 상기 슬롯 내에 형성되고, 상기 발광 소자의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성되고, 횡방향 길이보다 종방향 길이가 긴 렌즈, 상기 발광 소자 상에 형성되고, 상기 제1 광을 파장 변환하여 제2 광을 생성하는 제1 양자점 형광층, 및 상기 슬롯 내에 형성되고, 상기 렌즈와 상기 제1 양자점 형광층 사이에 배치된 에어갭(air-gap)을 포함한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 발광 장치의 다른 태양은 내부에 슬롯을 포함하는 패키지 바디, 상기 슬롯 내에 형성되고, 제1 광을 생성하는 발광 소자, 상기 슬롯 내에 형성되고, 상기 발광 소자의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성되고, 횡방향 길이보다 종방향 길이가 긴 렌즈, 상기 발광 소자 상에 형성되고, 상기 제1 광을 파장 변환하여 제2 광을 생성하는 제1 양자점 형광층, 상기 슬롯 내에 형성되고, 상기 렌즈와 상기 제1 양자점 형광층 사이에 배치된 에어갭(air-gap), 상기 에어갭와 상기 제1 양자점 형광층 사이에 순차적으로 적층된 제1 내지 제n 층을 포함하고, 상기 제1 층에서 제n 층(단, n은 2이상의 자연수)으로 올라갈수록 각 층의 굴절율은 점차적으로 작아지는 제1 추출율 향상층, 상기 제1 양자점 형광층 상에 형성되고, 상기 제1 광 또는 제2 광을 파장 변환하여 제3 광을 생성하는 제2 양자점 형광층, 상기 제1 양자점 형광층과 상기 제2 양자점 형광층 사이에 순차적으로 적층된 제n+1 내지 제n+m 층(단, m은 2이상의 자연수)을 포함하고, 상기 제n+1 층에서 제n+m 층으로 올라갈수록 각 층의 굴절율은 점차적으로 작아지는 제2 추출율 향상층을 포함한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 발광 장치의 또 다른 태양은 내부에 슬롯을 포함하는 패키지 바디, 상기 슬롯 내에 형성되고, 제1 광을 생성하는 발광 소자, 상기 슬롯 내에 형성되고, 상기 발광 소자의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성되고, 횡방향 길이보다 종방향 길이가 긴 렌즈, 상기 발광 소자 상에 형성되고, 상기 제1 광을 파장 변환하여 제2 광을 생성하는 양자점 형광층, 상기 슬롯 내에 형성되고, 상기 렌즈와 상기 양자점 형광층 사이에 배치된 에어갭(air-gap), 및 상기 에어갭과 제1 양자점 형광층 사이에 배치되고, 상기 발광소자 쪽에서 양자점 형광층 쪽으로 갈수록 굴절율이 연속적으로 작아지는 추출율 향상층을 포함한다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 발광 장치의 동작 및 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 발광 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 발광 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 발광 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 발광 장치의 사시도이다.
도 8 내지 도 10은 도 7의 A-A'를 따라 절단한 예시적 단면도들이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 12 내지 도 15는 본 발명의 제2 내지 제5 실시예에 따른 발광 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
하나의 소자(elements)가 다른 소자와 "접속된(connected to)" 또는 "커플링된(coupled to)" 이라고 지칭되는 것은, 다른 소자와 직접 연결 또는 커플링된 경우 또는 중간에 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 하나의 소자가 다른 소자와 "직접 접속된(directly connected to)" 또는 "직접 커플링된(directly coupled to)"으로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자를 개재하지 않은 것을 나타낸다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 장치를 설명하기 위한 단면도이다. 도 1은 설명의 편의를 위해서 주요 부분만을 단순화 또는 강조하여 도시한 것이다. 도 2a 및 도 2b는 도 1의 발광 장치의 동작 및 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 장치(1)는 패키지 바디(10), 발광 소자(20), 렌즈(25), 서브 마운트(30), 에어갭(air-gap)(50), 제1 양자점 형광층(60), 제1 추출율 향상층(80)를 포함할 수 있다.
발광 소자(20)는 패키지 바디(10) 상에 배치될 수 있다. 구체적으로, 패키지 바디(10)는 내부에 슬롯(slot)(12)을 포함할 수 있고, 발광 소자(20)는 슬롯(12) 내에 형성 및 연결될 수 있다. 특히, 슬롯(12)은 측벽이 경사져 있을 수 있다.
또한, 도면에서는 발광 소자(20)가 서브 마운트(30)와 연결되어 있고, 서브 마운트(30)와 연결된 발광 소자(20)가 패키지 바디(10)의 슬롯(12) 내에 배치된 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 서브 마운트(30)를 사용하지 않고, 발광 소자(20)를 직접 패키지 바디(10) 상에 설치할 수도 있다.
발광 소자(20)는 제1 광을 생성한다. 이러한 발광 소자(20)는 LED(Light Emitting Diode)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 명확하게 도시하지 않았으나, 발광 소자(20)는 제1 도전형(예를 들어, n형)의 제1 도전층, 제2 도전형(예를 들어, p형)의 제2 도전층, 상기 제1 도전층 및 상기 제2 도전층 사이에 배치된 발광층, 제1 도전층과 연결된 제1 전극, 제2 도전층과 연결된 제2 전극을 포함할 수 있다. 발광 소자(20)에 순방향의 구동 바이어스가 인가되면, 발광층에서 제1 도전층의 캐리어(즉, 전자)와 제2 도전층의 캐리어(즉, 홀)가 만나 결합하면서 광이 발생된다. 이러한 제1 도전층, 제2 도전층, 발광층은 InxAlyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1)로 이루어질 수 있다.
발광 소자(20)는 제1 전극과 제2 전극 사이에 걸리는 구동 바이어스에 의해 동작될 수 있다. 제1 전극에 인가되는 제1 바이어스와 제2 전극에 인가되는 제2 바이어스의 차이의 절대값이, 구동 바이어스에 해당한다. 여기서, 구동 바이어스는 DC 전원일 수도 있고, AC 전원일 수도 있다.
명확하게 도시하지 않았으나, 발광 소자(20)는 플립칩 타입 LED(flip chip type LED), 래터럴 타입 LED(lateral type LED) 또는 버티컬 타입 LED(vertical type LED)일 수 있다.
또한, 발광 소자(20)는 청색(blue) 광(즉, 청색 파장의 광)을 발생시키는 청색 발광 소자(20)일 수도 있고, UV 광을 발생시키는 UV 발광 소자(20)일 수도 있다.
패키지 바디(10)의 슬롯(12) 내에 발광 소자(20)가 배치되는데, 슬롯(12)은 발광 소자(20)보다 크다. 또한, 발광 소자(20)가 슬롯(12)의 가운데에 놓이는 것이 좋다. 발광 소자(20)와 측벽까지의 거리가 동일하게 되면, 색도(色度)의 불균일을 방지하기 쉽다.
이러한 패키지 바디(10)는 내광성이 뛰어난 실리콘 수지, 에폭시수지, 아크릴 수지, 유리어수지, 불소수지, 이미드 수지 등의 유기물질이나 유리, 실리카겔 등의 내광성이 뛰어난 무기물질을 이용할 수 있다. 또한, 제조공정시의 열로 수지가 용융되지 않도록, 열강화성수지를 사용할 수 있다. 또한 수지의 열응력을 완화시키기 위해, 질화 알루미늄, 산화 알루미늄 및 그러한 복합 혼합물 등의 각종 필러를 혼입해도 좋다. 또한, 패키지 바디(10)는 수지에 한정되지 않는다. 패키지 바디(10)의 일부(예를 들어, 측벽), 또는 전부에 금속 재료나 세라믹스 재료를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 패키지 바디(10) 전부를 금속 재료를 사용할 경우, 발광 소자(20)에서 발생된 열을 외부로 방출하기 용이하다.
렌즈(25)는 슬롯(12) 내에 형성되고, 발광 소자(20)의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 렌즈(25)는 예를 들어, 폴리머(polymer)를 이용하여 제조될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 도시된 것과 같이, 렌즈(25)는 횡방향 길이(즉, 좌우 길이)보다 종방향 길이(즉, 상하 길이)가 더 길 수 있다.
에어갭(50)은 슬롯(12) 내에 형성되고, 렌즈(25)와 제1 양자점 형광층(60) 사이에 배치될 수 있다.
발광 장치(1)가 이러한 렌즈(25)와 에어갭(50)을 구비함으로써, 발광 소자(20)에서 생성된 제1 광이 전방향(全方向)으로 확산되지 않고, 앞쪽으로 나아갈 수 있다. 구체적으로, 렌즈(25)의 횡방향 길이보다 종방향 길이가 더 길고 렌즈(25)와 에어갭(50)의 굴절율 차이로 인해서, 렌즈(25)와 에어갭(50) 사이의 경계(도 2a의 d 참조)에서 제1 광이 앞쪽 방향으로 나아갈 수 있다(도 2a의 c 참조).
즉, 제1 광이 앞쪽으로 나아갈 수 있기 때문에, 제1 광이 패키지 바디(10)의 내부 측벽에 맞을 확률을 최소화할 수 있다. 즉, 패키지 바디(10)의 내부 측벽에 맞음으로써 발생할 수 있는 손실(loss)를 최소화할 수 있다. 발광 소자(20)에서 생성된 제1 광의 출사각을 조절하여 광추출 효율을 높일 수 있다.
또한, 발광 소자(20)와 에어갭(50)이 직접 닿아 있는 경우, 발광 소자(20)의 추출 효율이 떨어질 수 있다. 그런데, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 장치(1)에서, 발광 소자(20)는 렌즈(25)와 직접 닿아 있기 때문에, 발광 소자(20)가 에어갭(50)과 직접 닿아 있는 경우에 비해서 추출 효율이 높을 수 있다. 렌즈(25) 설계를 통해서, Fresnel loss를 최소화할 수 있다.
제1 양자점 형광층(60)은 발광 소자(20) 상에 형성되고, 발광 소자(20)가 생성한 제1 광을 파장 변환하여 제2 광을 생성한다.
제1 양자점 형광층(60)는 양자점 형광체를 이용한다. 양자점 형광체의 예시적 구성은 다음과 같다. 양자점 형광체는 2-10 nm 크기의 Ⅱ-Ⅳ, Ⅲ-Ⅴ족 등의 반도체 입자(CdSe, CdTe, InP 등)로 이루어진 중심과, 주로 ZnS 등의 껍질로 구성될 수 있다. 또한, 외부가 무기물(SiO2) 혹은 고분자 등으로 약 10~15 nm 두께로 코팅될 수 있다. 양자점 형광체는 일반적인 형광체와 동일하게 외부로부터 짧은 파장의 빛을 흡수하여 긴 파장의 빛을 방출한다. 하지만, 양자점 형광체는 (일반적인 형광체와 동일한 조성으로 이루어졌다 하더라도) 양자 구속 효과(quantum confinement effect) 때문에, 입자의 크기에 따라서 청색광부터 적색광까지 방출할 수 있다. 양자점의 크기를 적당히 조절할 경우(또는 조합할 경우), 높은 연색성을 가진 백색 LED 구현에 용이하다. 또한, 양자점 형광체는 나노(nano) 입자이기 때문에, 장수명 동작이 가능하며, 광적 안정성 및 열적 안정성이 뛰어나다.
백색광을 구현하는 데 사용할 수 있는 양자점 형광체로는 ZnSe, CdSe, InGaP 등을 예로 들수 있다. 주로 가시광선 영역을 다 포함하는 CdSe 양자점이 많이 연구되고 있다. 예를 들어, CdSe 녹색의 경우는 청색과 자색 LED에서 70-80% 효율을 보이며, CdSe 자주색의 경우는 자색 LED에서 70%의 효율을 보이고, InGaP 자주색의 경우에는 자색 LED에서 50%의 효율을 보이고 있다.
양자점 형광체는 일반적인 형광체에 비해서, 반치폭이 좁고 파장의 선택폭이 넓다. 적은 양의 양자점 형광체를 이용하더라도, 일반적인 형광체를 보완할 수 있다. 예를 들어, 적은 양의 양자점 적색 형광체를 YAG 형광체와 혼용하여, 백색 LED의 색온도와 연색지수를 조절할 수 있다.
제1 추출율 향상층(80)은 발광 소자(20)와 제1 양자점 형광층(60) 사이에 배치된다. 제1 추출율 향상층(80)은 선택적으로 형성될 수 있다. 제1 추출율 향상층(80)은 순차적으로 적층된 제1 층 내지 제n 층(80_1~80_n)(단, n은 2이상의 자연수)을 포함할 수 있다.
제1 층(80_1)의 굴절율(refractive index)과 제n 층(80_n)의 굴절율은 서로 다를 수 있다.
구체적으로, 제1 층(80_1)의 굴절율은 제n 층(80_n)의 굴절율보다 클 수 있다. 또는, 제1 층(80_1)에서 제n 층(80_n)으로 올라갈수록, 각 층의 굴절율은 점차적으로 작아질 수 있다. 즉, 제1 층(80_1), 제2 층(80_2),… 제n 층(80_n)의 굴절율은 각각, n1, n2, …, nn 이라 할 때, n1>n2> …>nn 일 수 있다.
또한, 제1 양자점 형광층(60)의 굴절율은 제n 층(80_n)의 굴절율보다 클 수 있다. 제1 양자점 형광층(60)의 굴절율은 제1 층(80_1)의 굴절율보다 클 수 있다. 뿐만 아니라, 에어갭(50)의 굴절율은 제1 층(80_1)의 굴절율보다 클 수 있다. 또한, 제1 양자점 형광층(60)의 굴절율은 에어갭(50)의 굴절율과 실질적으로 동일할 수 있다.
이와 같은 제1 양자점 형광층(60), 에어갭(50), 제1 추출율 향상층(80)의 구성으로 인해서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 장치(1)의 광추출율은 향상될 수 있다. 도 2b를 이용하여 설명하면, 제1 양자점 형광층(60)은 발광 소자(20)에서 발생한 제1 광을 흡수하고, 파장 변환하여 제2 광으로 방출한다. 제2 광은 전방향으로 방출될 수 있다. 따라서, 제2 광은 도면부호 b 와 같이 뒷쪽으로 방출될 수 있다. 그런데, 전술한 것과 같이, 제1 양자점 형광층(60)의 굴절율과 제n 층(80_n)의 굴절율의 차이는 크기 때문에, 도면부호 b와 같이 제1 양자점 형광층(60)과 제n 층(80_n)의 계면에서 전반사가 발생할 수 있다. 따라서, 제1 양자점 형광층(60)으로부터 발광 소자(20) 방향으로 나아가는 광(즉, 뒷쪽으로 나아가는 광)을 줄일 수 있으므로, 광추출율을 향상시킬 수 있다.
또한, n1>n2> …>nn 이고, n1 내지 nn 순서로 점차적으로 작아지기 때문에, 발광 소자(20)에서 발생한 제1 광은 도면부호 a와 같이, 제1 추출율 향상층(80)을 용이하게 통과할 수 있다.
시뮬레이션을 통해서 다음과 같은 구성일 때 광추출율이 높음을 알 수 있었다. 예를 들어, 제1 양자점 형광층(60)의 농도는 5mg/ml이고, 제1 추출율 향상층(80)은 14개층을 포함할 수 있다. 제n 층(80_n)의 굴절율은 1.40이고, 제1 층(80_1)의 굴절율은 1.53일 수 있다. 또한, 제1 층(80_1)에서 제n 층(80_n)으로 올라갈수록, 각 층의 굴절율은 0.01씩 점차적으로 작아질 수 있다. 즉, 제1 층 내지 제n 층(80_n)의 굴절율은 각각, 1.53, 1.52, 1.51, 1.50, 1.49, 1.48, 1.47, 1.46, 1.45, 1.44, 1.43, 1.42, 1.41, 1.40일 수 있다. 이러한 구성일 경우, 광추출율은 79% 이상일 수 있다. 하지만, 조건에 따라서, 제1 층(80_1) 내지 제n 층(80_n)의 적절한 굴절율은 변경될 수도 있다.
정리하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 장치(1)는 렌즈(25), 에어갭(50), 제1 양자점 형광층(60) 및 제1 추출율 향상층(80)을 구비하여, 발광 소자(20)에서 발생된 광이 앞쪽으로 향하도록 할 수 있고, 제1 양자점 형광층(60)으로부터 발광 소자(20) 방향으로 나아가는 광(즉, 뒷쪽으로 나아가는 광)을 줄일 수 있으므로, 광추출율을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 장치를 설명하기 위한 단면도이다. 이하에서는 설명의 편의상, 제1 실시예와 다른 점을 위주로 설명한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 장치(2)는 제2 양자점 형광층(70), 제2 추출율 향상층(90)을 더 포함한다.
제2 양자점 형광층(70)은 제1 양자점 형광층(60) 상에 형성된다. 제2 양자점 형광층(70)은 발광 소자(20)로부터 생성된 제1 광 또는 제1 양자점 형광층(60)으로부터 생성된 제2 광을 파장 변환하여 제3 광을 생성한다.
제2 추출율 향상층(90)은 제1 양자점 형광층(60)과 제2 양자점 형광층(70) 사이에 배치된다.
이러한 제2 추출율 향상층(90)은 서로 다른 굴절율을 갖는 m개 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 추출율 향상층(90)은 제n+1 층(90_1) 내지 제n+m 층(90_m)(단, m은 2이상의 자연수)을 포함할 수 있다. 제n+1 층(90_1)에서 제n+m 층(90_m)으로 올라갈수록, 각 층의 굴절율은 점차적으로 작아질 수 있다. 즉, 제n+1 층(90_1) 내지 제n+m 층(90_m)의 굴절율을 각각 nn+1, nn+2, …, nn+m 라고 할 때, nn+1>nn+2> …>nn+m 이 될 수 있다.
전술한 것과 유사하게, 제n+1 층(90_1)의 굴절율은 제n+m 층(90_m)의 굴절율보다 크다. 제2 양자점 형광층(70)의 굴절율은 상기 제n+m 층의 굴절율보다 크다. 제2 양자점 형광층(70)의 굴절율은 상기 제n+1 층의 굴절율보다도 크다.
또한, 제2 추출율 향상층(90)도 14개의 층을 포함할 수 있고, 제n+m 층(90_m)의 굴절율은 1.40이고, 제n+1 층(90_1)의 굴절율은 1.53일 수 있다. 또한, 제n+1 층(90_1)에서 제n+m 층(90_m)으로 올라갈수록, 각 층의 굴절율은 0.01씩 점차적으로 작아질 수 있다. 즉, 제n+1 층(90_1) 내지 제n+m 층(90_m)의 굴절율은 각각 1.53, 1.52, 1.51, 1.50, 1.49, 1.48, 1.47, 1.46, 1.45, 1.44, 1.43, 1.42, 1.41, 1.40 일 수 있다.
한편, 제1 양자점 형광층(60)은 레드 형광체를 포함하고, 제2 양자점 형광층(70)은 그린 형광체를 포함할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제3 및 제4 실시예에 따른 발광 장치를 설명하기 위한 단면도이다. 이하에서는 설명의 편의상, 제2 실시예와 다른 점을 위주로 설명한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 발광 장치(3)는 제1 추출율 향상층(80)은 포함하지 않고, 제2 추출율 향상층(90)만 포함할 수 있다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 발광 장치(4)는 제2 추출율 향상층(90)은 포함하지 않고, 제1 추출율 향상층(80)만 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 발광 장치를 설명하기 위한 단면도이다. 이하에서는 설명의 편의상, 제1 실시예와 다른 점을 위주로 설명한다.
도 6를 참조하면, 본 발명의 제5 실시예에 따른 발광 장치(5)에서, 제1 추출율 향상층(80)은 서로 굴절율이 구분되는 다수의 층을 포함하지 않는다. 제1 추출율 향상층(80)의 굴절율은, 발광 소자(20) 쪽에서 제1 양자점 형광층(60) 쪽으로 갈수록 점차적으로 작아진다. 즉, 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 장치(1)에서 사용되는 제1 추출율 향상층(80)의 굴절율은 불연속적으로 변화되나, 본 발명의 제5 실시예에 따른 발광 장치(5)에서 사용되는 제1 추출율 향상층(80)은 연속적으로 변화된다. 이와 같이 연속적으로 변화될 경우, 광추출율이 더 높아질 수 있다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 발광 장치를 패키지로 구현한 예시적 도면들이다. 도 7은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 발광 장치의 사시도이고, 도 8 내지 도 10은 도 7의 A-A'를 따라 절단한 예시적 단면도들이다.
우선, 도 7 및 도 8을 참조하면, 발광 소자(20)는 서브 마운트(30) 상에 마운팅되어 있을 수 있다. 또한, 서브 마운트(30)는 패키지 바디(10) 상에 배치될 수 있다. 또한, 패키지 바디(10)에는 발광 소자(20)와 전기적으로 연결된 리드(14a, 14b)가 설치된다. 발광 소자(20)는 서브 마운트(30)와 전기적으로 연결되고, 서브 마운트(30)와 리드(14a, 14b)는 예를 들어, 와이어(16a, 16b)를 통해서 연결될 수 있다. 한편, 리드(14a, 14b)는 열전도성이 높은 물질을 사용하는 것이 좋다. 발광 소자(20)에서 발생된 열이 리드(14a, 14b)를 통해서 직접 외부로 방출될 수 있기 때문이다.
한편, 도 9에 도시된 발광 장치가, 도 8에 도시된 발광 장치와 다른 점은, 서브 마운트(30)와 리드(14a, 14b)가 와이어(도 8의 16a, 16b)를 통해서 연결되지 않고, 서브 마운트(30) 내에 설치된 비아(via)(32)를 통해서 연결된다는 점이다.
또한, 도 10에 도시된 발광 장치가, 도 8에 도시된 발광 장치와 다른 점은, 서브 마운트(30)와 리드(14a, 14b)가 와이어(도 8의 16a, 16b)를 통해서 연결되지 않고, 서브 마운트(30)의 상면, 측면, 배면을 따라 설치된 배선(interconnection)(34)를 통해서 연결된다는 점이다.
도 9의 발광 장치와 도 10의 발광 장치는 와이어를 이용하지 않기 때문에, 발광 장치의 크기를 줄일 수 있다.
이하에서는 전술한 발광 장치(1~5)를 이용하여 제조한 발광 시스템을 설명하기로 한다. 이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 장치(1)를 예를 들어 설명하나, 다른 몇몇 실시예에 따른 발광 장치(2~4)가 적용될 수 있음은 자명하다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 11에 도시된 것은, 본 발명의 발광 장치(예를 들어, 1)가 적용된 예시적인 시스템(최종 제품, end product)이다. 발광 시스템은 조명 장치, 표시 장치, 모바일 장치(휴대폰, MP3 플레이어, 내비게이션(Navigation) 등)과 같은 여러 가지 장치에 적용될 수 있다. 도 11에 도시된 예시적 장치는 액정 표시 장치(LCD)에서 사용하는 에지형(edge type) 백라이트 유닛(Back Light Unit; BLU)이다. 액정 표시 장치는 자체 광원이 없기 때문에, 백라이트 유닛이 광원으로 사용되고, 백라이트 유닛은 주로 액정 패널의 후방에서 조명하게 된다.
도 11을 참조하면, 백라이트 유닛은 발광 장치(1), 도광판(410), 반사판(412), 확산 시트(414), 한쌍의 프리즘 시트(416)를 포함한다.
발광 장치(1)는 광을 제공하는 역할을 한다. 전술한 것과 같이, 발광 장치(1)는 제1 양자점 형광층(60), 제1 추출율 향상층(80) 등을 포함할 수 있다.
도광판(410)은 액정 패널(450)로 제공되는 광을 안내하는 역할을 한다. 도광판(410)은 아크릴과 같은 플라스틱 계열의 투명한 물질의 패널로 형성되어, 발광 장치(1)로부터 발생한 광을 도광판(410) 상부에 배치된 액정 패널(450) 쪽으로 진행하게 한다. 따라서, 도광판(410)의 배면에는 도광판(410) 내부로 입사한 광의 진행 방향을 액정 패널(450) 쪽으로 변환시키기 위한 각종 패턴(412a)이 인쇄되어 있다.
반사판(412)은 도광판(410)의 하부면에 설치되어 도광판(410)의 하부로 방출되는 빛을 상부로 반사한다. 반사판(412)은 도광판(410) 배면의 각종 패턴(412a)에 의해 반사되지 않은 광을 다시 도광판(410)의 출사면 쪽으로 반사시킨다. 이와 같이 함으로써, 광손실을 줄임과 동시에 도광판(410)의 출사면으로 투과되는 광의 균일도를 향상시킨다.
확산 시트(414)는 도광판(410)에서 나온 광을 분산시킴으로써 광이 부분적으로 밀집되는 것을 방지한다.
프리즘 시트(416) 상부면에 삼각기둥 모양의 프리즘이 일정한 배열을 갖고 형성되어 있으며, 통상 2장의 시트로 구성되어 각각의 프리즘 배열이 서로 소정의 각도로 엇갈리도록 배치되어 확산 시트(414)에서 확산된 광을 액정 패널(450)에 수직한 방향으로 진행하도록 한다.
도 12 내지 도 15는 본 발명의 제2 내지 제5 실시예에 따른 발광 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 프로젝터를, 도 13은 자동차의 헤드라이트를, 도 14는 가로등을, 도 15는 조명등을 도시하였다. 도 10을 참고하면, 광원(410)에서 나온 광은 콘덴싱 렌즈(condensing lens)(420), 컬러 필터(430), 샤핑 렌즈(sharping lens)(440)을 통과하여 DMD(digital micromirror device)(450)에 반사되어, 프로젝션 렌즈(projection lens)(480)을 통과하여 스크린(490)에 도달한다. 광원(410) 내에는 본원 발명의 발광 장치가 장착되어 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 패키지 바디 20: 발광 소자
25: 렌즈 30: 서브 마운트
50: 에어갭 60: 제1 양자점 형광층
70: 제2 양자점 형광층 80: 제1 추출율 향상층
90: 제2 추출율 향상층

Claims (15)

  1. 내부에 슬롯을 포함하는 패키지 바디;
    상기 슬롯 내에 형성되고, 제1 광을 생성하는 발광 소자;
    상기 슬롯 내에 형성되고, 상기 발광 소자의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성되고, 횡방향 길이보다 종방향 길이가 긴 렌즈;
    상기 발광 소자 상에 형성되고, 상기 제1 광을 파장 변환하여 제2 광을 생성하는 제1 양자점 형광층; 및
    상기 슬롯 내에 형성되고, 상기 렌즈와 상기 제1 양자점 형광층 사이에 배치된 에어갭(air-gap)을 포함하는 발광 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 렌즈는 폴리머를 포함하는 발광 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 에어갭과 상기 제1 양자점 형광층 사이에 배치되고, 상기 발광소자 쪽으로 배치된 제1 층과 상기 제1 양자점 형광층 쪽으로 배치된 제n 층(단, n은 2이상의 자연수)을 포함하고, 상기 제1 층의 굴절율(refractive index)과 상기 제n 층의 굴절율은 서로 다른 제1 추출율 향상층을 포함하는 발광 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1 층의 굴절율은 상기 제n 층의 굴절율보다 큰 발광 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1 양자점 형광층의 굴절율은 상기 제n 층의 굴절율보다 큰 발광 장치.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 제1 추출율 향상층은 상기 제1 층과 상기 제n 층 사이에 순차적으로 적층된 제2 내지 제n-1 층을 더 포함하고,
    상기 제1 층에서 상기 제n 층으로 올라갈수록, 각 층의 굴절율은 점차적으로 작아지는 발광 장치.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 제1 양자점 형광층 상에 형성되고, 상기 제1 광 또는 상기 제2 광을 파장 변환하여 제3 광을 생성하는 제2 양자점 형광층을 더 포함하는 발광 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 양자점 형광층과 상기 제2 양자점 형광층 사이에 배치되고, 상기 제1 양자점 형광층 쪽으로 배치된 제n+1 층과 상기 제2 양자점 형광층 쪽으로 배치된 제n+m 층(단, m은 2이상의 자연수)을 포함하고, 상기 제n+1 층의 굴절율과 상기 제n+m 층의 굴절율은 서로 다른 제2 추출율 향상층을 포함하는 발광 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제n+1 층의 굴절율은 상기 제n+m 층의 굴절율보다 큰 발광 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제2 양자점 형광층의 굴절율은 상기 제n+m 층의 굴절율보다 큰 발광 장치.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 제2 추출율 향상층은 상기 제n+1 층과 상기 제n+m 층 사이에 순차적으로 적층된 제n+2 내지 제n+m-1 층을 더 포함하고,
    상기 제n+1 층에서 상기 제n+m 층으로 올라갈수록, 각 층의 굴절율은 점차적으로 작아지는 발광 장치.
  12. 내부에 슬롯을 포함하는 패키지 바디;
    상기 슬롯 내에 형성되고, 제1 광을 생성하는 발광 소자;
    상기 슬롯 내에 형성되고, 상기 발광 소자의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성되고, 횡방향 길이보다 종방향 길이가 긴 렌즈;
    상기 발광 소자 상에 형성되고, 상기 제1 광을 파장 변환하여 제2 광을 생성하는 제1 양자점 형광층;
    상기 슬롯 내에 형성되고, 상기 렌즈와 상기 제1 양자점 형광층 사이에 배치된 에어갭(air-gap);
    상기 에어갭와 상기 제1 양자점 형광층 사이에 순차적으로 적층된 제1 내지 제n 층을 포함하고, 상기 제1 층에서 제n 층(단, n은 2이상의 자연수)으로 올라갈수록 각 층의 굴절율은 점차적으로 작아지는 제1 추출율 향상층;
    상기 제1 양자점 형광층 상에 형성되고, 상기 제1 광 또는 제2 광을 파장 변환하여 제3 광을 생성하는 제2 양자점 형광층;
    상기 제1 양자점 형광층과 상기 제2 양자점 형광층 사이에 순차적으로 적층된 제n+1 내지 제n+m 층(단, m은 2이상의 자연수)을 포함하고, 상기 제n+1 층에서 제n+m 층으로 올라갈수록 각 층의 굴절율은 점차적으로 작아지는 제2 추출율 향상층을 포함하는 발광 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제1 양자점 형광층은 레드 형광체를 포함하고, 상기 제2 양자점 형광층은 그린 형광체를 포함하는 발광 장치.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 제1 양자점 형광층의 굴절율은 상기 제1 층 및 제n 층의 굴절율보다 크고,
    상기 제2 양자점 형광층의 굴절율은 상기 제n+1 층 및 제n+m 층의 굴절율보다 큰 발광 장치.
  15. 내부에 슬롯을 포함하는 패키지 바디;
    상기 슬롯 내에 형성되고, 제1 광을 생성하는 발광 소자;
    상기 슬롯 내에 형성되고, 상기 발광 소자의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성되고, 횡방향 길이보다 종방향 길이가 긴 렌즈;
    상기 발광 소자 상에 형성되고, 상기 제1 광을 파장 변환하여 제2 광을 생성하는 양자점 형광층;
    상기 슬롯 내에 형성되고, 상기 렌즈와 상기 양자점 형광층 사이에 배치된 에어갭(air-gap); 및
    상기 에어갭과 제1 양자점 형광층 사이에 배치되고, 상기 발광소자 쪽에서 양자점 형광층 쪽으로 갈수록 굴절율이 연속적으로 작아지는 추출율 향상층을 포함하는 발광 장치.
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