KR101370367B1 - 장력 완화를 갖는 발광 장치 - Google Patents

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Abstract

250℃ 미만의 유리 전이 온도 Tg를 가지는 인산 유리 또는 산화 유리를 포함하는 접합 재료(12)에 의해 발광면(11)이 광학 소자(13)에 접합되는, 발광 다이오드(10)를 포함하는 발광 장치가 제공된다. 발광 장치의 동작 중의 온도가 접합 재료의 Tg 에 근접하거나 접합 재료의 Tg 를 초과할 때, 접합 재료는 유체성이 되어, 발광 소자와 광학 소자 간의 임의의 열적 초래 응력을 완화시킬 수 있다.
발광 다이오드(LED), 광학 소자, 중합체, 루멘 전력

Description

장력 완화를 갖는 발광 장치{LIGHT EMITTING DEVICE WITH TENSION RELAXATION}
본 발명은 적어도 하나의 발광 다이오드와, 이 적어도 하나의 발광 다이오드의 발광면에 접합 재료에 의해 접합되는 적어도 하나의 광학 소자를 포함하는 발광 장치에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED)들은 현재 여러 상이한 응용 분야의 광원들로서 기대를 모으고 있으며, 발광 다이오드들의 사용이 향후 수년 내에 증가할 것으로 예상된다.
일반적으로 발광 다이오드는 능동의 광 발생 층들을 포함하는 실제 LED 칩과 이러한 LED 칩 상에 배치된 광 추출 광학체를 가지는 패키지에 포함된다. 패키지의 칩들과 광학체들 간의 광 추출 효율은 LED들이 직면한 주된 관심사이다.
이러한 상황에서의 종래의 접근법은 제1 추출 광학체, 예컨대 LED 칩들 상에 제공되는 광학 돔들(domes)을 사용하는 것을 포함하며, 이러한 광학 돔들은 이들의 굴절 특성에 기초하여 광을 추출한다. 이러한 광학 돔들의 재료는 종종 실리콘들 및 중합체들(PMMA 와 같은)에 기초한다. 그러나, 이들 광학 돔들은 광열 안정성(photo-thermal stability)이 제한적이며, 이는 사용된 LED 칩들의 전력을 제한 시켜 발광 장치의 루멘(lumen) 전력을 제한시킨다.
이를 해결하기 위한 접근법은 LED 칩들로부터의 광 추출을 위한 무기(inorganic) 광학 소자들을 사용하는 것이다. 이러한 광학 소자들의 재료는, 예컨대 다결정 세라믹 재료 또는 유리일 수 있다. 이러한 무기 광학 소자들은 휠씬 높은 광열 안정성을 가지며, 이는 발광 장치들이 높은 루멘 전력과 출력을 갖도록 한다.
그러나, 고 전력 LED들은 상당한 양의 열을 방산(dissipate)시킬 수 있으며, 방사(radiation)가 강해질 수 있다. 이러한 상황에서, LED 칩으로부터의 광을 추출 광학체에 결합시키며 추출 광학체를 LED 칩에 물리적으로 접합시키는 접합부(junction)를 이루는, LED 칩과 추출 광학체 사이의 접합(bond)은 그 자체로서 높은 광열 안정성을 가져야 하기 때문에, 이는 발광 장치에서의 제한 인자가 아니며, 그래서 무기 추출 광학체의 높은 광열 안정성으로 인하여 이로울 수 있다.
그러나, 고 전력 LED들은 동작 중에 많은 열이 방산될 수 있기 때문에, LED 칩, 접합 재료 및 추출 광학체들의 열 팽창 계수들 간의 약간의 차이는 패키지에서 열 유발성 장력(heat induced tensions)을 형성하여, 마침내는 패키지의 파손으로 이어진다. 그래서, LED 칩과 추출 광학체 사이의 접합부가, 처해진 하중과 응력을 이겨낼 수 있는 발광 장치가 요구된다.
본 발명의 목적은 이러한 문제점을 해결하고자 하는 것이며, 또한 상기 언급된 열 유발성 장력들을 완화시키는, 첨부된 청구항들에 따른 발광 장치를 제공하려는 것이다.
본 발명자들은, 동작 중에 LED 패키지에서 도달하는 온도와 대략 동일하거나 이보다 낮은 유리 전이 온도(Tg)를 가지는 유리 재료를 접합 재료로 사용하여 광학 소자들을 LED 패키지의 발광 다이오드들에 접합시키는 것이 이롭다는 것을 발견하였다. LED의 동작 동안에, LED 패키지의 온도는 주위 온도로부터 작동 온도로 점차 증가되며, 여기서, LED 칩과 광학 소자 간의 열 팽창 계수의 차이는 패키지의 파손을 초래할 수 있다. 그러나, 작동 온도에 근접하고, 또한 접합 재료의 Tg에 근접함에 따라, 접합 재료는 마침내 유체성(fluidic)이 되며, 어떠한 열 유발성 장력도 장력 버퍼(완충부)로 작용하는 이러한 유체성 층에 의해 완화된다.
그래서, 제1 양태에서 본 발명은 적어도 하나의 발광 다이오드와, 이 적어도 하나의 발광 다이오드의 발광면에 접합 재료에 의해 접합되는 적어도 하나의 광학 소자를 포함하는 발광 장치에 관한 것이며, 상기 접합 재료는 인산 유리 및 산화 유리로 이루어지며 250℃까지의 Tg를 가지는 군으로부터 선택되는 유리 물질을 포함한다. 산화 유리는 텡스텐/텔루르 산화 유리, 나트륨/아연/텔루르 산화 유리, 바륨/아연/텔루르 산화 유리 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다.
이러한 공지된 인산 유리들은 앞서 발광 다이오드들과 관련되어 사용되었다. 예컨대, 미국 특허 출원 제2002/0179919 A1에는 링 형상의 상부를 LED의 리드 프레임들 및 본체에 접합시키기 위해서 인산 유리들을 사용하는 것이 설명되어 있다.
LED 칩들과 광학 소자들 간의 접합 재료가 도포될 때, 이러한 재료는 LED 칩과 광학 소자 간의 물리적 및 광학 접합을 얻기 위한 접합 재료로서 우수한 특성을 보이며, 열적으로 초래된 장력을 완화시킬 수 있어, LED 칩들과 이 LED 칩들 상에 직접 배치된 광학 소자들 간의 접합 재료로서 매우 적합할 수 있다는 부가적인 효과가 있다.
적합한 인산 유리의 예로는 주석 인산 유리, 리튬 인산 유리, 나트륨 인산 유리, 포타슘 인산 유리, 세슘 인산 유리, 텔루르(tellurium) 인산 유리 및 이들의 혼합물이 있으나, 이들로 제한되는 것은 아니다.
삭제
본 발명의 실시형태들에서, LED는 애노드 및 캐소드가 발광면의 동일측에 배치되는 플립 칩 형태이다. 이러한 형태의 LED는 광학 소자와 직접 접합 가능한 발광면을 제공한다.
바람직한 실시형태들에서, 광학 소자는 무기 재료로 이루이진다. 제안된 접합 재료의 이점을 완전히 취하기 위해서는, 광학 소자가 광 및 열적으로 안정적이어서, 발광 다이오드에 의해 방출된 광 및 광 방출 다이오드로부터 방산된 열이 광학 소자를 열화시키지 않음으로써, 장치의 기능을 성립되게 하는 것이 이롭다. 다결정 세라믹 재료와 특정 유리 재료와 같은 무기 재료는 희망하는 특성을 가지는 재료중의 하나이다.
본 발명의 실시형태들에서, 발광 다이오드와 광학 소자 사이에 배치되는 접합 재료 및/또는 광학 소자는 발광 조성물을 포함할 수 있다. 특정 응용에서, 발광 다이오드로부터 방출되는 광의 적어도 부분적인 색 변환이 바람직하다. 예컨대, 청색 광의 일부가 황색으로 변환되도록 황색 방출 형광 합성물을 이용하여 청색 발광 다이오드로부터 백색 광을 생성할 수 있다.
본 발명의 제2 양태는 발광 장치의 제조 방법에 관한 것으로서, 적어도 하나의 발광 다이오드와 적어도 하나의 광학 소자를 제공하는 단계와; 상기 적어도 하나의 발광 다이오드의 발광면 및 상기 적어도 하나의 광학 소자의 표면 중 적어도 하나 위에 250℃까지의 Tg 를 가지는 인산 유리 및 산화 유리를 포함하는 접합 재료를 배치하는 단계 - 상기 산화 유리는 텡스텐/텔루르 산화 유리, 나트륨/아연/텔루르 산화 유리, 바륨/아연/텔루르 산화 유리 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택됨 - 와; 상기 적어도 하나의 발광 다이오드의 상기 발광면 상에 상기 접합 재료를 개재하여, 상기 적어도 하나의 광학 소자를 배치하여 조립체를 형성하는 단계; 및 Tg 이상의 온도에서 상기 접합 재료를 가열하여, 상기 적어도 하나의 광학 소자를 상기 적어도 하나의 발광 다이오드에 접합시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시형태들에서, 접합을 위한 가열은 상기 조립체를 가압하면서 수행될 수 있다.
본 발명의 이러한 및 다른 양태들은 본 발명의 현재의 바람직한 실시형태를 나타내는 첨부된 도면들을 참조로 하여 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광 장치의 단면을 나타내는 단면도.
본 발명의 일 양태는 LED 칩과, LED 패키지의 동작 온도 아래의 유리 전이 온도를 가지는 유리 재료의 사용에 기초한 결합 재료에 의해 상기 LED 칩의 발광면에 접합되는 광학 소자를 포함하는 발광 장치에 관한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같은 이러한 발광 장치(1)의 일 실시형태는 발광면(11), 즉 발생된 광이 LED를 빠져나오는 면을 가지는 발광 다이오드(LED)(10)를 포함한다.
광학 소자(13)는 LED(10)의 발광면(11) 상에 배치되며, 접합 재료를 포함하는 접합부(12)에 의해 접합된다.
접합 재료는 250℃까지의 유리 전이 온도(Tg)를 가지는 유리 재료로 주로 구성된다.
접합 재료의 위치는 LED의 발광면 상에만 배치되는 것으로 제한되는 것이 아니라, 발광 다이오드와 광학 소자 간의 다른 계면들 상에도 위치될 수 있다.
접합 재료는, 그 유리 전이 온도가, 장치가 동작 중에 도달하는 온도 이하이도록 선택되는 것이 바람직하다.
본 명세서에 사용되는 "발광 다이오드(LED로 축약함)"라는 용어는 당업자에게 알려진 모든 형태의 발광 다이오드들을 가르키며, 무기 기반 발광 다이오드들에 한정되지 않으며, 폴리(poly)LED들 및 OLED들과 같은 유기 기반 발광 다이오드들을 포함하며, 또한 레이저 다이오드들을 가르킨다. 본 발명의 내용에서, "광(light)"은 자외선 복사선에서 적외선 복사선으로의 파장 범위를 포함하며, 특히 가시선 영역 및 가시선 근방 영역을 포함한다.
본 출원의 장치는 고전력 LED들, 예컨대 동작 동안에 250℃ 이상의 온도에 도달할 수 있는 이러한 LED들과 함께 사용되는 용도에 특히 적합하나, 이러한 용도로만 제한되지 않는다. 또한, 발광면의 동일 측에 캐소드와 애노드 모두를 가지는 소위 플립 칩(flip-chip) LED들은 특히 본 발명에 사용될 수 있다.
또한, 단결정(monocrystalline) 면, 예컨대 사파이어와 같은 무기 발광면을 가지는 LED들은 특히 본 발명에 사용될 수 있다.
LED(10) 상에 배치된 광학 소자(13)는 PMMA와 같은 유기 재료로 이루어질 수 있으며, 또한 다결정 세라믹 재료 또는 유리 재료와 같은 무기 재료로 이루어질 수 있다.
광학 소자(13)는 일반적으로 아래측에 놓여있는 LED에 의해 방출된 광을 투과(translucent) 또는 전달할 수 있다.
다결정 세라믹 또는 유리와 같은 무기 재료가 종종 광적 및 열적으로 보다 안정적이므로, 광학 소자(13)는 무기 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
광학 소자는 일반적으로 돔 또는 플레이트 형상이며, 발광 다이오드에 의해 방출된 광을 수광하고 전송하도록 설계된다.
특정 실시형태들에서, 광학 소자는 LED에 의해 방출된 광의 색을 변환할 수 있는 발광(즉, 형광 및/또는 인광) 재료를 포함할 수 있다.
광학 소자는 이러한 광학 소자의 형상 및/또는 구성에 따라, 예컨대 시준기(collimator) 및/또는 색 변환 소자와 같이 광의 아웃 커플링용 렌즈들 또는 돔과 같은 굴절 소자로서 동작한다.
특정 실시형태들에서, 접합 재료는 LED에 의해 방출된 광의 색을 변환할 수 있는 발광(즉, 형광 및/또는 인광) 재료를 포함할 수 있다.
본 발명의 사용에 적합한 유리 물질들은 250℃ 이하의 유리 전이 온도(Tg)를 가지는 유리들을 포함한다. 이러한 유리 재료의 예로는 주석 인산 유리와 같은 인산 유리들, 티타늄 인산 유리, 나트륨 인산 유리, 포타슘 인산 유리, 세슘 인산 유리 및 텔루르 인산 유리 및 텅스텐/텔루르 산화 유리와 같은 산화 유리, 나트륨/아연/텔루르 산화 유리 및 바륨/아연/텔루르 산화 유리가 있다.
장치(1)가 동작 중 일때, LED(10)는 열의 발생 하에서 광을 방출시킨다. LED의 루멘 전력이 높아질수록, LED로부터 방산되는 열은 더 많아진다. 열 방산은 LED(10), 접합부(12) 및 광학 소자(13)의 온도 증가로 이어진다. 또 다시 이는 LED, 접합부 및 광학 소자의 치수 변형으로 이어진다. 이러한 변형의 정도는 열 팽창 계수(L/L0(℃-1))에 따른다.
고온의 증가는 높은 치수 변형을 초래하며, 열 팽창 계수들 간에 약간의 불일치가 있다면, 장치에 장력이 형성되게 될 것이다.
그러나, 장치의 온도가 유리 접합 재료의 온도(Tg)에 접근함에 따라, 접합 재료는 유체 상태로 된다. 유체 상태의 접합 재료는 광학 소자와 발광 다이오드 간에 형성된 장력을 완화시킬 수 있다.
그래서, 본 발명의 접합 재료가 LED를 광학 소자에 접합시키는데 사용될 때, 열로 인해 유발되는 파손을 상당히 감소시킬 수 있다.
본 발명의 발광 장치는 이하의 방법에 의해 만들어질 수 있다.
제1 단계로서, 상기 설명된 바와 같이, 발광 다이오드와 광학 소자를 준비한다. 앞서 규정된 바와 같이 250℃ 이하의 Tg를 가지는 유리 물질을 포함하는 접합 재료를, 발광 다이오드의 발광면 및/또는 발광 다이오드에 대면하도록 되어 있는 광학 소자의 표면에 배치한다. 접합 재료는 표면의 전체 또는 일부에 배치될 수 있다.
예컨대, 접합 재료는 표면 상에서의 접합 재료의 용융, 유리 포일(foil) 전달 또는 유리의 고온 분사에 의해 표면(들) 상에 배치될 수 있다.
LED 상에 접합 재료를 개재하여 광학 소자를 배치함으로써 조립체를 형성한다. 이후에, 적어도 접합 재료, 일반적으로 전체 조립체를 접합 재료의 Tg를 초과하는 온도로 가열하여, 광학 소자를 LED에 광학적으로 결합한다.
당업자라면 본 발명이 상기 설명된 바람직한 실시형태로 제한되지 않는다는 것을 알 것이다. 이와 반대로, 많은 변형들 및 변경들이 첨부된 청구범위 내에서 있을 수 있다. 예컨대, 하나의 LED 칩이 도 1에 도시되었지만, 다수의 LED 칩이 하나의 광학 소자에 접합되어 멀티 LED 조립체를 형성할 수 있다.

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 발광 다이오드(10)와, 접합 재료(12)에 의해 상기 적어도 하나의 발광 다이오드(10)의 발광면(11)에 접합되는 적어도 하나의 광학 소자(13)를 포함하는 발광 장치(1)에 있어서,
    상기 접합 재료(12)는 250℃까지의 Tg를 가지며 인산 유리 및 산화 유리로 이루어진 군으로부터 선택되는 유리 재료를 포함하며, 상기 산화 유리는 텡스텐/텔루르(tellurium) 산화 유리, 나트륨/아연/텔루르 산화 유리, 바륨/아연/텔루르 산화 유리 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는, 발광 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인산 유리는 주석 인산 유리, 리튬 인산 유리, 나트륨 인산 유리, 포타슘 인산 유리, 세슘 인산 유리, 텔루르 인산 유리 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는, 발광 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 발광 다이오드는 플립 칩형 발광 다이오드인, 발광 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광학 소자(13)는 무기 재료로 이루어진, 발광 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광학 소자(13)는 발광 조성물(luminescent compound)을 포함하는, 발광 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 접합 재료(12)는 발광 조성물을 포함하는, 발광 장치.
  7. 발광 장치(1)의 제조 방법으로서,
    - 적어도 하나의 발광 다이오드(10)와, 적어도 하나의 광학 소자(13)를 제공하는 단계;
    - 상기 적어도 하나의 발광 다이오드(10)의 발광면(11) 및 상기 적어도 하나의 광학 소자(13)의 표면 중 적어도 하나 위에, 250℃까지의 Tg를 가지며 인산 유리 및 산화 유리로 이루어진 군으로부터 선택되는 유리 재료를 포함하는 접합 재료(12)를 배치하는 단계 - 상기 산화 유리는 텡스텐/텔루르 산화 유리, 나트륨/아연/텔루르 산화 유리, 바륨/아연/텔루르 산화 유리 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택됨 -;
    - 상기 적어도 하나의 발광 다이오드의 상기 발광면(11) 상에 상기 접합 재료(12)를 개재하여, 상기 적어도 하나의 광학 소자(13)를 배치시켜 조립체를 형성하는 단계; 및
    - 상기 접합 재료(12)의 Tg 를 초과하는 온도에서 상기 접합 재료(12)를 가열하여, 상기 적어도 하나의 광학 소자를 상기 적어도 하나의 발광 다이오드에 접합시키는 단계
    를 포함하는, 발광 장치(1)의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가열은 상기 조립체를 가압하면서 수행되는, 발광 장치(1)의 제조 방법.
  9. 250℃ 까지의 Tg를 가지는 산화 유리 또는 인산 유리의 사용법으로서, 상기 산화 유리는 광학 소자를 발광 다이오드의 발광면에 접합시키기 위하여 텡스텐/텔루르 산화 유리, 나트륨/아연/텔루르 산화 유리, 바륨/아연/텔루르 산화 유리 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는, 산화 유리 또는 인산 유리의 사용법(use).
  10. 삭제
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