KR101549827B1 - Led 봉지구조 및 그 제작방법 - Google Patents

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KR101549827B1
KR101549827B1 KR1020140031181A KR20140031181A KR101549827B1 KR 101549827 B1 KR101549827 B1 KR 101549827B1 KR 1020140031181 A KR1020140031181 A KR 1020140031181A KR 20140031181 A KR20140031181 A KR 20140031181A KR 101549827 B1 KR101549827 B1 KR 101549827B1
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문철희
최현수
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호서대학교 산학협력단
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Abstract

LED 봉지구조 및 그 제작방법이 개시된다. 기판 상에 부착된 발광다이오드(LED) 칩을 봉지하는 본 발명의 구조는, 상기 LED 칩을 봉지하는 제1봉지재; 및 상기 제1봉지재 상에 형성되는 제2봉지재를 포함하고, 상기 제1봉지재 및 제2봉지재의 굴절률은 상기 LED 칩의 굴절률보다 크고 공기의 굴절률보다 작으며, 상기 제1봉지재의 굴절률이 상기 제2봉지재의 굴절률보다 클 수 있다.

Description

LED 봉지구조 및 그 제작방법{LED ENCAPTULATION STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 발광다이오드(Light Emitting Diode; LED) 봉지구조 및 그 제작방법에 관한 것이다.
일반적으로, LED는 전기적 에너지를 광 에너지로 변환하는 소자로서, 자동차 헤드라이트, 디스플레이 백라이트(Back light), 조명, 전광판 등 다양한 장치들의 광원으로서 널리 사용되고 있다.
LED를 이용하여 백색 LED를 구현하기 위해서는, 적색, 청색, 녹색(RGB) 빛을 내는 세개의 LED 칩을 하나의 패키지에 실장하고 인가전류를 조절하는 방식과, RGB LED 칩을 개별적으로 패키징하여 인가전류를 조절하는 방식 등이 있다.
한편, LED 패키지에서 광추출효율을 향상하기 위해서는, LED 칩의 구조 설계를 개선하거나, 칩 표면 거칠기를 개선하거나, LED 칩의 표면을 패터닝하거나, 플라스몬 효과를 이용하여 광을 증폭하거나, 칩재료의 굴절율을 매칭하는 등 여러 방법이 있다.
LED 칩에서 발생한 빛은 다중양자우물층(Multi Quantum Wall; MQW)을 지나 칩 표면에서 공기중으로 방출된다. 이때 방출되는 빛은 램버시안(Lambertian) 분포를 나타낸다. 램버시안 분포는 다음 수학식과 같다.
Figure 112014025567396-pat00001
또한, LED 칩에서 방출되는 빛은 공기중으로 방출될 때 칩의 굴절률과 공기의 굴절률의 차이로 인한 내부 전반사(Inter Total Reflection)에 의해 광손실이 일어나게 되는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 굴절율 다층 구조층으로 봉합재를 형성하여, 내부 전반사를 감소하는 LED 봉지구조 및 그 제작방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 다층구조로 형성한 봉합재의 형태를 변경하여, LED 칩에서 발생하는 광을 효율적으로 추출하는 LED 봉지구조 및 그 제작방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 기판 상에 부착된 발광다이오드(LED) 칩을 봉지하는 본 발명의 구조는, 상기 LED 칩을 봉지하는 제1봉지재; 및 상기 제1봉지재 상에 형성되는 제2봉지재를 포함하고, 상기 제1봉지재 및 제2봉지재의 굴절률은 상기 LED 칩의 굴절률보다 크고 공기의 굴절률보다 작으며, 상기 제1봉지재의 굴절률이 상기 제2봉지재의 굴절률보다 클 수 있다.
본 발명의 일실시예의 LED 칩 봉지구조는, 상기 제2봉지재 상에 형성되는 제3봉지재를 더 포함하고, 상기 제3봉지재의 굴절률은 상기 LED 칩의 굴절률보다 크고 공기의 굴절률보다 작으며, 상기 제2봉지재의 굴절률이 상기 제3봉지재의 굴절률보다 클 수 있다.
본 발명의 일실시예의 LED 칩 봉지구조는, 상기 제3봉지재 상에 형성되는 제4봉지재를 더 포함하고, 상기 제4봉지재의 굴절률은 상기 LED 칩의 굴절률보다 크고 공기의 굴절률보다 작으며, 상기 제3봉지재의 굴절률이 상기 제4봉지재의 굴절률보다 클 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제1 또는 제2봉지재 중 적어도 하나는, 상기 LED 칩으로부터 출력되는 광의 파장을 변환하는 형광체를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제1 또는 제2봉지재 중 적어도 하나는, 상기 LED 칩으로부터 출력되는 광을 분산하는 입자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제1봉지재는, 평평하게 형성되거나, 볼록하게 형성되거나, 오목하게 형성될 수 있다.
또한, 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 LED 칩을 봉지하는 구조의 제작방법은, 기판 상에 형성되는 LED 칩 주위에 소정 높이로 제1세라믹 격벽을 형성하는 단계; 디스펜서를 이용하여, 제1봉지재를 상기 제1세라믹 격벽의 높이에 대응하여 도포하고, 열처리를 통해 경화하는 단계; 상기 제1세라믹 격벽 상부에, 소정 높이로 제2세라믹 격벽을 형성하는 단계; 및 상기 디스펜서를 이용하여, 제2봉지재를 상기 제2세라믹 격벽의 높이에 대응하여 도포하고, 열처리를 통해 경화하는 단계를 포함하고, 상기 제1봉지재 및 제2봉지재의 굴절률은 상기 LED 칩의 굴절률보다 크고 공기의 굴절률보다 작으며, 상기 제1봉지재의 굴절률이 상기 제2봉지재의 굴절률보다 크고, 상기 제1 및 제2봉지재의 굴절률에 따라 상기 디스펜서의 압력을 다르게 하여 도포할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 경화는, 광중합 반응 또는 열중합 반응을 이용하여 수행될 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, LED 광효율을 높여 LED 소비전력을 낮출 수 있으며, LED 광추출 효율을 향상하여 LED 수명을 연장하도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 LED 봉지구조를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 다른 실시예의 LED 봉지구조를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 LED 봉지구조를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 LED 봉지구조는, 기판(10)의 하부에 배치되는 인쇄회로기판(Printed Circuit Board; PCB)(도시되지 않음)를 연결하는 전극(15) 상에 열전도 소재(Thermal Interface Material; TIM)(25)을 통해 LED 칩(20)가 접착되고, LED 소자(20)가 인접 전극에 와이어(30)를 통해 본딩되는 경우에, LED 칩(20)의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 봉지재(encapsulant)를 2개 이상 이용하여, 다층 구조의 봉지재(40)를 형성할 수 있다. 이때, 기판(10)은, 예를 들어 삼산화이알루미늄(Al2O3)일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 기판이 사용될 수 있을 것이다.
도면의 설명에서는, 4층 구조로 봉지재를 형성하는 예를 설명하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 더 많은 층수이거나 혹은 더 적은 층수의 구조로 봉지재를 형성할 수 있음은 자명하다.
이때, 봉지재(40)의 굴절률은, LED 칩(20)의 굴절률보다 작고, 공기의 굴절률보다 클 수 있으며, 따라서 봉지재(40)의 구성 재료는, 이와 같이 LED 칩(20)보다 작고 공기보다 큰 굴절률을 가지는 수지계열 재료를 포함할 수 있다. 구체적으로, 봉재지(40)는, 실리콘, 에폭시, 유기실록산 등 광 투과도가 좋은 수지계열 중 LED 칩(20)보다 작고 공기보다 큰 굴절률을 가지는 재료로 구성될 수 있다.
또한, 제1봉지재(40A)의 굴절률은 제2봉지재(40B)의 굴절률보다 크고, 제2봉지재(40B)의 굴절률은 제3봉지재(40C)의 굴절률보다 크며, 제3봉지재(40C)의 굴절률은 제4봉지재(40D)의 굴절률보다 크다.
즉, 본 발명의 다층구조의 봉지재(40)에서, 하층에 도포될수록, 그 굴절률이 큰 것이 바람직하다.
이때, 다층 구조의 봉지재(40) 중 적어도 어느 하나는, LED 칩(20)으로부터 출력되는 광의 파장을 변환하는 형광체를 포함할 수도 있다.
또한, 다층 구조의 봉지재(40) 중 적어도 어느 하나는, LED 칩(20)으로부터 출력되는 광을 분산하기 위한 입자를 포함할 수도 있다.
이러한 다층 구조의 봉지재(40)는, 디스펜서(도시되지 않음)를 이용하여 각 층마다 별도로 도포되며, 디스펜서의 압력을 봉지재의 굴절률에 따라 다르게 하여, 세라믹으로 이루어진 격벽(50)에 채우는 것에 의해 제작될 수 있다.
즉, LED 칩(20)의 주위에 제1봉지재(40A)에 대응하는 높이로 세라믹 격벽(50)을 형성하고, 해당 높이로 디스펜서를 이용하여 제1봉지재(40A)를 채우고 이를 열처리를 통해 경화할 수 있다. 또한, 제2봉지재(40B)에 대응하는 높이로 세라믹 격벽(50)을 형상하고, 해당 높이로 디스펜서를 이용하여 제2봉지재(40B)를 채우고, 이를 열처리를 통해 경화할 수 있다. 마찬가지로, 제3 및 제4봉지재(40C, 40D)를 형성할 수 있다.
다만, 도 1의 구조에서는 세라믹 격벽(50)이 일체로 형성되어 있는 것과 같이 구성되어 있으나, 이는 동일재료인 것을 나타내기 위하여 도시된 것으로서, 각각의 봉지재(40A 내지 40D)에 대응하는 높이로 형성된 후 경화되는 것임은 자명하다 할 것이다.
이때, 본 발명의 일실시예에서, 봉지재를 경화하는 방법은, 사용되는 봉지재 재료의 특성에 따라 광중합 반응, 및 열중합 반응 중 어느 하나를 이용할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 경화방법이 사용될 수 있을 것이다.
한편, 본 발명에서, 다층 구조의 봉지재는, 다양한 형태로 형성될 수 있다. 도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 다른 실시예의 LED 봉지구조를 설명하기 위한 개략적인 단면도로서, 예를 들어 2층 구조의 봉지재를 나타낸 것이지만, 본 발명이 이에 한정되는 것이 아님은 자명하다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 LED 봉지구조는, 다층 구조 중 어느 하나 이상의 봉지재의 형상을 변형한다.
도 2a는, 도 1의 실시예와 같이 제1봉지재(40A)의 형상을 평평하게 형성한 경우이고, 도 2b는 제1봉지재(40E)의 형상을 볼록하게 형성한 경우이다. 또한 도 2c는 제1봉지재(40G)의 형상을 오목하게 형성한 경우이다. 다만, 이는 예시적인 것으로서, 그외 내부전반사를 감소시키는 다양한 기하학적인 형상으로 제1봉지재를 형성할 수 있다 할 것이다.
이와 같은 경우에도, 제1봉지재(40A, 40E, 40G)의 굴절률은 제2봉지재(40B, 40F, 40H)의 굴절률보다 크며, 제1 및 제2봉지재(40A, 40B, 40E, 40F, 40G, 40H)의 굴절률은, LED 칩(20)의 굴절률보다 크고, 공기의 굴절률보다 작음은, 이미 설명한 바와 같다.
또한, 도 2b 및 도 2c와 같은 봉지재 형상을 제작하는 경우에도, 세라믹 격벽(50)을 형성한 후, 디스펜서의 압력을 제1봉지재(40E, 40G)의 점도에 따라 다르게 하여 도포양을 조절하여, 세라믹 격벽(50)에 볼록하게 채우거나(도 2b), 오목하게 채운(도 2b) 뒤, 열처리를 통해 경화하고, 다시 세라믹 격벽(50)을 형성하고, 제2봉지재(40F, 40H)를 도포한 후 경화하여 제작할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 기판 20: LED 칩
40: 다층구조의 봉지재 50: 세라믹 격벽

Claims (13)

  1. 삭제
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  9. 기판 상에 형성되는 LED 칩 주위에, 형성하고자 하는 제1봉지재에 대응하는 높이로 제1세라믹 격벽을 형성하는 단계;
    디스펜서를 이용하여, 제1봉지재를 상기 제1세라믹 격벽의 높이에 대응하여 도포하고, 열처리를 통해 경화하는 단계;
    상기 제1세라믹 격벽 상부에, 형성하고자 하는 제2봉지재에 대응하는 높이로 제2세라믹 격벽을 형성하는 단계; 및
    상기 디스펜서를 이용하여, 제2봉지재를 상기 제2세라믹 격벽의 높이에 대응하여 도포하고, 열처리를 통해 경화하는 단계를 포함하고,
    상기 제1봉지재 및 제2봉지재의 굴절률은 상기 LED 칩의 굴절률보다 크고 공기의 굴절률보다 작으며, 상기 제1봉지재의 굴절률이 상기 제2봉지재의 굴절률보다 크고,
    상기 제1 및 제2봉지재의 굴절률에 따라 상기 디스펜서의 압력을 다르게 하여 도포하는 LED 칩 봉지구조 제작방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 경화는,
    광중합 반응 또는 열중합 반응을 이용하여 수행되는 LED 칩 봉지구조 제작방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제1봉지재를 상기 제1세라믹 격벽의 높이에 대응하여 도포하는 것은,
    상기 제1봉지재를 상기 제1세라믹 격벽에 평평하게 도포하는 것을 포함하는 LED 칩 봉지구조 제작방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 제1봉지재를 상기 제1세라믹 격벽의 높이에 대응하여 도포하는 것은,
    상기 제1봉지재를 상기 제1세라믹 격벽에 볼록하게 도포하는 것을 포함하는 LED 칩 봉지구조 제작방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 제1봉지재를 상기 제1세라믹의 격벽의 높이에 대응하여 도포하는 것은,
    상기 제1봉지재를 상기 제1세라믹 격벽에 오목하게 도포하는 것을 포함하는 LED 칩 봉지구조 제작방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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