KR101639793B1 - 코팅된 발광 장치 및 그 코팅 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 서브마운트(3) 상에 배치된 발광 다이오드(2)를 포함하며, 외주 측면(6), 상면(8) 및 광 활성 코팅층(7)을 갖는 발광 장치(1)의 분야에 관한 것으로, 상기 코팅층(7)은, 상기 외주 측면(6)의 적어도 일부를 따라 덮고, 상기 서브마운트(3)로부터 상기 상면(8)으로 연장되며, 상기 상면(8)을 본질적으로 덮지 않는다. 이 발광 장치를 제조하는 방법도 또한 개시되어 있다.

Description

코팅된 발광 장치 및 그 코팅 방법{COATED LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR COATING THEREOF}
본 발명은, 서브마운트 상에 배치된 발광 다이오드를 포함하며, 외주 측면, 상면 및 광 활성 코팅층을 갖는 발광 장치에 관한 것이다. 발광 장치 상에 이러한 코팅층을 도포하는 방법도 또한 개시되어 있다.
오늘날 발광 다이오드(LED)를 포함하는 고전력 발광 장치를 이용하는 조명 애플리케이션이 늘고 있다. 일반적으로 고전력 LED를 제조하기 위한 2가지 재료계가 이용된다.
InGaN은 효율적인 청색 LED를 제조하는데 이용된다.
AlInGaP는 효율적인 적색 및 호박색 LED를 제조하는데 이용된다.
이 재료계들은 그 재료 조성이 변화되어 방출 파장이 청색에서 녹색으로 그리고 적색에서 녹색으로 바뀌면 효율이 크게 줄어들게 된다.
광로에 형광 재료 및/또는 발광 재료와 같은 파장 변환 재료를 사용하면 방출 파장은 많은 특정 파장에 맞게 될 수 있다. 파장 변환 재료가 통상적으로 발광 다이오드에 의해 방출된 광 중 적어도 일부는 흡수하고 더 높은 파장을 갖는(적색 편이) 광은 방출하기 때문에 청색 및/또는 UV 발광 LED는 특히 그러한 발광 다이오드(또는 파장 변환된 발광 다이오드)에서의 광원으로서 적합하다.
InGaN계는 그러한 파장 변환 재료나 광학 컴포넌트, 예컨대 인광 재료와 조합하여 고에너지 저파장 청색광의 일부를 저에너지 고파장으로 변환할 수 있다. 이런 식으로 청색 LED와 이 LED 상의 적당한 인광체를 조합하면 (통상적으로 YAG:Ce 인광체를 사용하여) 백색 LED가 만들어질 수 있거나 청색 LED가 적당한 인광 재료를 사용하여 녹색, 황색, 호박색 또는 적색 LED로 변환될 수 있다. 이러한 색변환은 효율 손실(주로 스토크스 천이 손실(Stokes shift loss))이 따르지만 청색 LED의 기동 효율이 높기 때문에 호박색과 적색으로의 완전 변환이라도 열 효율 문제가 있는 직하 발광(direct emitting) AlInGaP계에 대한 훌륭한 대안이 된다.
JP 2002353507은 방출된 광을 다른 색으로 변화시키는 형광 물질이 안정화된 발광체에 대해 개시하고 있다. 이는 LED 내부의 슬롯을 수지 전체를 안정화시키는 다이 접착제인 수지 함유 인광체로 채워서 달성된다.
종래의 LED 인광체 기술은 LED의 상단에 수지에 매립된 인광 안료나 분말 입자를 이용한다. 그러나 이 기술에 따르면 후방산란 손실(backscattering loss)과 가공 편차(processing variation)가 생기게 된다. 새로운 기술은 "루미라믹(Lumiramic)" 기술(루미라믹 변환기는 US2005/0269582A1에 기재되어 있음)이라 불리는 세라믹 인광체 기술을 이용한다. 이 기술에 따라서 통상적으로 1×1mm의 정방형인 LED 지오메트리에 맞는 명확한 두께와 지오메트리를 갖는 광학적으로 그리고 열적으로 매우 안정된 세라믹 인광체 미소판을 제조할 수 있다. 이들 세라믹 인광체의 다공성을 제어함으로써 LED쪽으로의 후방산란을 통해 일부 광을 희생시키는 한편 상당히 균일한 오버앵글(over-angle) 색성능을 제공하도록 각도와의 경로 길이차는 충분히 스크램블(scramble)/산란(scatter)될 수 있다.
루미라믹 기술을 이용하면 청색광의 고파장으로의 부분적 변환에 의해 (예컨대 YAG:Ce 인광체를 이용하여) 백색 LED가 만들어질 수 있다. 또한 청색 LED광을 완전히 흡수하고 이것을 녹색, 호박색 또는 적색 특성과 일치하는 색 스펙트럼으로 효율적으로 변환함으로써 녹색, 호박색 및 적색 LED가 만들어질 수 있다.
그러나 이 미소판 인광체 기술은 LED 크기와 비교해 무시할 수 없는 두께의 인광체를 필요로 한다. 인광체는 통상적으로 백색 LED의 경우 1×1mm 크기로 120㎛ 정도의 두께를 갖고 있다. 이에 따라서 이 정방형 체적의 4개 측면으로부터 광이 상당히 많이 방출된다.
더욱이 LED 자체는 무시할 수 없는 광추출 측면을 갖고 있다. LED칩은 양 리드가 칩의 동일면에 위치해 있는 "플립 칩"형일 수 있다. 이러한 설계는 장치의 발광면 상에 파장 변환체의 배치를 용이하게 한다. "플립 칩" LED 기술에서 LED 상에 기판 또는 광투과체가 실장된다. 이 기판(통상적으로 사파이어임)이 제거되지 않으면 통상적으로 100㎛ 두께의 이 사파이어 기판도 측면 발광에 상당히 기여한다. 이 문제를 해결하기 위해 기판은 리프트 오프(lift off) 프로세스에서 제거될 수 있다. 그러나 아직도 양자 우물, 애노드, 캐소드 및 반사체로 이루어진 InGaN LED 스택은 10㎛ 정도의 두께를 가질 수 있으며, 굴절율이 높은 재료로 구성될 수 있어, 상당한 도파 및 무시할 수 없는 측면 발광을 야기시킨다.
LED와 루미라믹 인광체를 연결하는 접착층은 측면 두께에 더해지는데 통상적으로 10㎛의 두께를 갖고 있다.
접착재의 예로는 예를 들어 실리콘 수지가 포함된다.
발광 장치의 측면(에지면)으로부터 방출된 광에 대한 단점은 다음과 같다:
에지면으로부터의 (청색광과 같은) 비변환 광의 누설이 LED 에지와 접착 에지로부터 발생한다. 그 결과, 부분 변환 루미라믹의 경우에는 청색이 지나치게 많게 되는 것은 물론이고 법선 방향에 대해 큰 각도에 존재하는 청색 광속이 심하게 변동될 수 있어 오버앵글(over-angle) 색 균일성과 일관성이 저하될 수 있다. 특히 처리 시에 발생하는 접착제 두께 변동과 같은 층 두께 변동과 인광체 배치 부정확성으로 인해 측면으로부터의 청색광 누설에 변동이 생긴다. 완전 변환 루미라믹의 경우에는 청색광 누설이 녹색, 호박색 또는 적색 LED의 색순도를 크게 떨어뜨린다. 게다가 이러한 광 누설은 청색광의 일부가 원하는 색으로 변환되지 않음에 따라 효율도 감소시키게 된다.
측면으로부터 방출된 광과 상면으로부터 방출된 광은 경로 길이가 다르기 때문에 인광체의 측면 에지를 통한 파장 변환은 인광체의 상면으로부터의 변환 스펙트럼과 비교하여 그 스펙트럼이 다르다. 이것은 특히 완전 변환 인광체의 경우에 특히 바람직하지 못한데, 이는 인광체 측면을 통한 불완전한 변환이 LED의 색순도를 떨어뜨리기 때문이다.
측면으로부터의 광속 방출은 부분적으로(대략 절반 정도) 아래로 향하고, 다시 서브마운트(보통은 LED 다이 바로 옆에 위치해 있음)로 되돌아 온다. 일반적으로, 잘못된 측면쪽으로 방출된 이러한 광은 물론 법선 방향에 대해 큰 각도로 상면 방향으로 방출된 광은 콜리메이터 광학계, 렌즈 등과 같이 광원과 결합된 광학계에서 효과적으로 포착되기가 어렵기 때문에 시스템 효율을 저하시킬 가능성이 있다. 마찬가지로 아래 방향으로 향한 광속은 서브마운트와 상호작용하며 이 서브마운트 표면과의 상호작용에 의해 통상적으로 일부는 흡수되고 일부는 반사되어 보통 색이 변하게 될 것이다. 또, 서브마운트로부터 산란 또는 반사된 광은 LED 광원 면적을 증가시켜 미광(stray light)을 야기시키는데, 이는 자동차 프론트 라이팅이나 프로젝션 LED 시스템과 같이 에텐듀(etendue)가 중요한 애플리케이션에서는 바람직한 게 못 된다.
에텐듀가 활성 LED 표면적에 비해 증가된다. 이는 인광체면의 표면적이 LED의 표면적보다 커지기 때문이다. 인광체 측면은 인광체 상면 면적이 LED와 비슷해도 광원 면적을 증가시키는데 기여할 것이다. 이는 특히 자동차 프론트 라이팅, 카메라나 비디오 플래시 모듈 또는 프로젝션 LED 시스템과 같이 에텐듀가 중요한 애플리케이션에서 특히 중요하다.
결론적으로, 발광 장치들의 다양한 실시예들은 전부 루미라믹 및/또는 접착층 및/또는 LED 다이의 측면 에지에 관련된 단점들을 갖고 있다. 이런 단점들은 측면 발광과 상면 발광 간의 바람직하지 못한 스펙트럼 차로 인해 주로 색 변동이나 색순도가 제한되는 것과 관련된다. 더욱이 하방과 측방을 향해 일부(대략 절반 정도) 지향되는 측면으로부터의 파장 변환 광속 방출은 애플리케이션에 있어서 효과적으로 이용하기가 어려울 것이다. 게다가 활성 LED 표면적에 비해 에텐듀도 증가할 수 있는데, 이는 프로젝션 LED 시스템, 자동차 전조등 또는 스폿라이트와 같이 에텐듀가 중요한 애플리케이션에서는 단점이 되는 것이다.
US 2005/0062140은 LED 장치 상에 광변환 입자를 갖는 재료를 도포하기 위해 몰드(mold)를 이용하여 발광 장치를 코팅하는 방법에 대해 개시하고 있다. 그러나 이 방법은 특정 코팅 장치를 수반하여, 작업이 힘들고 비용도 많이 든다.
따라서 발광 장치의 측면 에지를 통한 발광으로 인한 원치 않는 색변화나 색순도와 효율의 손실을 겪지 않거나 활성 LED 표면적에 비해 에텐듀를 증가시키는 발광 장치와 이러한 발광 장치의 제조 방법이 필요하다.
본 발명의 목적은 상기 문제점들의 적어도 일부를 해소하고, 발광 장치의 측면을 통한 광산란으로 인해 효율 손실을 겪지 않는 발광 장치와 이러한 발광 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다.
그에 따라, 제1 양태에 따르면, 본 발명은 서브마운트(3) 상에 배치된 발광 다이오드(2)를 포함하는 발광 장치(1)를 제공한다. 이 발광 장치는 외주 측면(6), 상면(8) 및 광 활성 코팅층(7)을 갖고 있다. 상기 코팅층(7)은,
- 상기 외주 측면(6)의 적어도 일부를 따라 덮고,
- 상기 서브마운트(3)로부터 상기 상면(8)으로 연장되며,
- 상기 상면(8)을 본질적으로 덮지 않는다.
발광 장치의 외주 측면의 적어도 일부가 서브마운트로부터 상면까지 그러나 상면을 본질적으로 포함하지는 않고 광 활성 코팅층으로 덮이면, 측면으로부터 빠져나오는 광이 조절될 수 있다. 이런 식으로 광은 예컨대 상면에서 증가될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 광 활성 코팅층은, 반사, 확산, 스펙트럼 필터링, 발광 및 광 차단 코팅층들, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택된다.
이와 같은 광 활성 코팅층을 이용하여 외주 측면을 코팅하면, 이 코팅층은 선택에 따라서 반사성, 확산성, 스펙트럼 필터링성, 발광성 및 광 차단성으로 될 것이다.
본 발명의 실시예에서, 발광 장치는, 상기 발광 다이오드 상에 배치되며, 인광체, 광투과체 및 반사체, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택된 광학 컴포넌트(4)를 더 포함한다. 본 발명의 실시예에서, 상기 반사체는, 광이 상기 외주 측면의 적어도 일부를 통해 빠져나가도록 배치된다.
본 발명의 실시예에서, 발광 장치는 상기 발광 장치 상에 배치된 광학 컴포넌트를 더 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 코팅층은 고체이다. 상기 외주 측면은 또한 2개 이상의 코팅층으로 코팅될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 본 발명에 따른 발광 장치는 어레이 형태로 배치될 수 있다.
외주 측면 상에 코팅층을 갖는 본 발명에 따른 발광 장치를 어레이 형태로 배치하면 예컨대 개별 발광 장치들 간의 광 누화를 피할 수 있다. 따라서 발광 장치는 개별적으로 어드레싱될 수 있다.
상기 발광 장치의 어레이는 코팅층을 공유하도록 배치될 수도 있다.
제2 양태에 따르면, 본 발명은, 발광 다이오드를 포함하는 발광 장치(1)의 외주 측면(6)의 적어도 일부 상에 코팅층을 도포하는 방법을 제공한다. 이 방법은:
상기 외주 측면(6)의 적어도 일부 상에 광 활성 코팅층(7)을 배치하는 단계를 포함하고, 상기 코팅층(7)은 서브마운트(3)로부터 상면(8)으로 연장되며, 상기 상면(8)을 본질적으로 덮지 않는다.
본 발명자들은 본 발명의 방법을 이용하여 발광 장치의 외주 측면 또는 측면 에지를 코팅하면 신속하며 간단한 코팅 방법이 달성될 수 있다는 것을 알았다. 더욱이 발광 장치의 코팅은 모세관력을 이용하여 외주 측면을 코팅함으로써 달성될 수 있다. 외주 측면 상에 형성된 이 고상 코팅층과 이 코팅의 튜닝된 광학 특성으로 인해 발광 장치의 측면 에지를 빠져나오는 광 특성이 조절된다.
본 발명의 실시예에서, 이 방법은:
- 상기 서브마운트(3) 상에 제1 액상 코팅 조성물을 도포하는 단계;
- 상기 제1 코팅 조성물이 상기 발광 장치(1)의 제1 외주 측면(6)의 적어도 일부를 덮도록 하는 단계; 및
- 상기 제1 코팅 조성물을 고화시켜, 상기 제1 외주 측면(6)의 상기 적어도 일부 상에 제1 고상 코팅층(7)을 획득하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 코팅 조성물은 모세관력에 의해 상기 제1 외주 측면(6)의 적어도 일부를 덮게 된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 코팅 조성물은 바늘 디스펜스, 노즐 디스펜스, 프린팅 및 분사로 이루어진 그룹에서 선택된 방법에 의해 도포된다.
이러한 도포법을 이용하면 코팅 조성물의 정확한 양이 달성될 수 있다. 따라서 사용되는 코팅 조성물의 양을 조절함으로써 코팅층의 양을 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 액상 코팅 조성물은, 고화 시에, 반사, 확산, 스펙트럼 필터링, 발광 및 광 차단 코팅층들, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택된 고상 코팅층을 형성한다.
이와 같은 고상 코팅층이 형성되면 발광 장치의 외주 측면으로부터의 광 누설이 조절될 수 있다. 따라서 상이한 목적으로 코팅 조성물은 반사, 확산, 스펙트럼 필터링, 발광 또는 광 차단 층을 형성하도록 선택될 수 있다.
상기 코팅 조성물은 졸-겔 유도 재료 또는 실리콘 수지를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 외주 측면이 극성이 되도록 전처리될 수 있으며, 그 때에 극성 코팅 조성물을 이용한다. 대안으로서, 상기 외주 측면이 무극성이 되도록 전처리될 수 있으며, 무극성 또는 극성 코팅 조성물이 이용될 수 있다.
이런 식으로 서브마운트와 외주 측면이 전처리되면, 극성 코팅 조성물이 모세관력에 의해 서브마운트를 용이하게 덮을 수 있을 것이다. 서브마운트와 외주 측면의 일부만을 극성이 되도록 처리하면 외주 측면의 일부만을 코팅하는 것이 가능하다. 그 결과, 코팅층이 없는 외주 측면의 부분을 얻을 수 있다. 마찬가지로 표면 상에서 극성 또는 무극성이 되도록 전처리된 무극성 코팅 조성물을 이용하면 외주 측면의 선택된 부분을 코팅할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 본 방법은:
- 상기 서브마운트 상에 적어도 제2 액상 코팅 조성물을 도포하는 단계;
- 상기 제2 코팅 조성물이 상기 발광 장치의 제2 외주 측면의 적어도 일부를 덮도록 하는 단계; 및
- 상기 제2 코팅 조성물을 고화시켜, 상기 제2 외주 측면의 상기 적어도 일부 상에 제2 고상 코팅층을 획득하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에서 상기 제1 코팅 조성물은 상기 제2 코팅 조성물과 상이할 수 있다.
제1 코팅층과 제2 코팅층에서 상이한 재료를 사용하는 것으로 인해 반사, 확산, 스펙트럼 필터링, 발광 및 광 차단의 광학적 기능을 갖는 상이한 고상 코팅층을 얻을 수 있다. 따라서 동일한 외주 측면이 동일 또는 상이한 광학적 기능을 갖는 2개 이상의 코팅층으로 코팅될 수 있다.
다른 실시예에서 상기 제1 외주 측면은 상기 제2 외주 측면과 상이할 수 있다.
상이한 외주 측면들이 상이한 고상 코팅층으로 코팅되면 외주 측면의 부분들이 상이한 광학적 기능을 수용하게 된다.
추가로 본 발명은 청구범위의 모든 가능한 조합에 관련되는 것임을 알아야 한다.
이들 및 다른 실시예들에 대해 상세한 설명에서 더 자세히 설명한다.
이제 본 발명의 이 양태와 기타 다른 양태에 대해 본 발명의 바람직한 실시예들을 보여주는 첨부도면을 참조로 더욱 자세히 설명한다. 도면은 예로서 반사성 코팅층을 보여준다. 그러나 이 코팅층은 또한 발광성, 착색성, 산란성, 흡수성일 수 있다. 도면은 반드시 일정 비례를 따르는 것은 아니다.
도 1은 외주 측면이 반사성 코팅층으로 코팅된 루미라믹 인광체를 가진, 본 발명의 탑에미트형(top emitting) 발광 장치의 일 실시예의 개략 단면도를 나타낸다.
도 2는 외주 측면이 반사성 코팅층으로 코팅된 비스듬한 루미라믹 인광체를 가진, 본 발명의 탑에미트형 발광 장치의 다른 실시예의 개략 단면도를 나타낸다.
도 3은 외주 측면이 2개의 코팅층으로 코팅된 루미라믹 인광체를 가진, 본 발명의 탑에미트형 발광 장치의 다른 실시예의 개략 단면도를 나타낸다.
도 4는 외주 측면이 반사성 코팅층으로 코팅된 기판을 가진, 본 발명의 탑에미트형 발광 장치의 다른 실시예의 개략 단면도를 나타낸다.
도 5는 외주 측면의 일부가 반사성 코팅층으로 코팅된, 본 발명의 사이드 에미트형(side emitting) 발광 장치의 일 실시예의 개략 단면도를 나타낸다.
도 6은 외주 측면의 일부가 반사성 코팅층으로 코팅된 기판과 인광체를 가진, 본 발명의 사이드 에미트형 발광 장치의 일 실시예의 개략 단면도를 나타낸다.
도 7은 외주 측면의 일부가 반사성 코팅층으로 코팅된, 본 발명의 발광 장치의 어레이의 일 실시예의 개략 단면도를 나타낸다.
도 8a 내지 도 8c는 발광 장치의 외주 측면을 코팅하는 방법의 개략 사시도를 나타낸다.
도 9는 외주 측면의 일부가 반사성 코팅층으로 코팅된, 본 발명의 발광 장치의 일 실시예의 사시도를 나타낸다.
다음에서 본 발명에 따른 발광 장치의 실시예에 대해서 자세히 설명한다.
따라서, 도 1에는 본 발명의 발광 장치의 일 실시예가 도시되어 있다.
따라서, 이 실시예에서 플립 칩 LED(2)를 포함하는 발광 장치(1)는 서브마운트(3) 상에 배치되어 있다. LED(2) 상에는 광학 컴포넌트(4), 이 실시예에서는 인광체(4a), 즉 루미라믹이 배치되어 LED(2)에 의해 방출된 광을 수광한다. 접착층(5)은 인광체(4a)와 LED(2)를 연결하는데 사용된다. 발광 장치(1)의 측면 또는 외주 측면(6)에는, 광이 발광 장치(1)의 측면(6)을 통해 실질적으로 빠져나가지 못하도록 하는 반사 기능을 갖는 코팅층(7)이 배치되어 있다. 대신에 이 광은 반사되어 종국적으로는 인광체(4a)의 상면(8)을 통해 빠져나간다.
여기서 사용된 측면, 측면 에지, 측부 및 외주 측면은 모두 발광 다이오드 주위의 측면 영역을 말하지만 상면 영역은 포함하지 않는다.
광선 세트(I)에서, p,n 접합부에서 발생한 청색광은 접착층으로 전달되어 측면 코팅에 입사하며, 이에 따라서 접착층, 인광체 또는 LED 쪽으로의 확산 후방산란이 일어난다.
광선 세트(II)에서, 청색광은 인광체에서 변환되지 않고 인광체로 다시 반사된다. 반사된 광의 일부는 상면을 통해 추출된다.
광선 세트(III)에서, 발생된 광은 고굴절율 InGaN 재료(n=2.7)로 도파되어 에지에 입사되고, 여기서 이 광은 측면 코팅에 의해 다시 반사된다. 후방산란 과정에서 각도 재분배는 도파에 의한 광의 인트랩먼트(entrapment)를 극복하는데 도움이 된다. 그러므로 이 광의 일부는 LED로부터 접착층과 인광체층 쪽으로 추출된다.
광선 세트(IV)에서, 청색광은 인광체에서 흡수되어, 예컨대 적색광으로 변환된다. 이 적색광은 측면에 충돌하는 방향으로 진행하고 후방산란되어 상면을 통해 부분적으로 추출된다. 이 광선 세트들은 서로 유사한 실시예들에서는 유사하므로 모든 실시예가 이 광선 세트들에 대한 특정 참조를 포함하는 것은 아니다.
실시예 1의 많은 변형이 고려될 수 있다. 예컨대 완전 변환 또는 부분 변환 인광체 탑에미터가 이용될 수 있다. 완전 변환의 경우 인광체는 청색광을 흡수하여 대체로 더 큰 파장을 갖는 다른 색으로 변환한다. 이것이 발생하는 양은 루미라믹 두께와 인광체 내의 발광 중심의 집광 계수(concentration coefficient)와 흡수 계수에 따라 다르다. 청색광 거의 전부를 녹색, 호박색 또는 적색과 같은 더 큰 파장으로 변환하기 위해 인광체 내의 광로 길이를 충분히 크게 하고자 노력하고 있다. 측면 코팅 덕분에 오버앵글 색 성능이 매우 양호한데, 즉 큰 각도에서는 청색광 누설이 없다.
본 발명의 발광 장치의 다른 실시예는 도 2에 예시되어 있다.
이 실시예는 실시예 1과 유사하지만 인광체(4a)의 측면들이 기울어져 있어 LED에 비해 돌출되어 있다는 점이 다르다. 반사 코팅은 오른쪽 측면과 왼쪽 측면 모두에 있지만 기울어진 각도가 서로 다르다.
그 경우에 인광체 크기는 LED 크기보다 크다. LED와 인광체 간의 접착층은 실질적으로 LED 면적을 덮거나 더 큰 인광체 면적을 덮을 수 있다. 접착 면적이 인광체 면적보다 작으면 돌출부 면적만이 코팅으로 채워져서, 예컨대 인광체의 측부를 덮는 것이 아니라 LED 및/또는 접착층의 측면 방출을 차단한다. 대안적으로 인광체의 측면은 물론 돌출부 면적도 덮여질 수 있다. 더욱이 돌출부는 각형(angled)이나 정방형과 같이 상이한 형상을 가질 수 있다.
또한, 인광체는 LED 면적보다 작게 될 수 있으며, 또는 인광체의 배치가 부정확하여 LED 면적을 완전히 덮지 못해 특정 방향에서 돌출부 또는 경사부를 드러낼 수 있다. 측면 코팅은 LED의 직접 방출부를 덮어 차단하는 수단을 제공한다. 크기가 작은 루미라믹은 제조 시에 접착과 배치 정밀도가 더 좋아질 수 있다.
접착 면적은 LED 면적 이상으로 확장될 수 있고 인광체 면적과 접착재의 일부는 LED와 인광체의 측부의 일부를 덮을 수 있다.
코팅은 상면은 포함하지 않고 서브마운트로부터 상면으로 연장되는 한 측면 또는 전체면의 일부에서만 연장될 수 있다. 단지 루미라믹을 덮거나 LED를 덮는 것만 가능하다. 이것은 발광 장치의 서브마운트와 측면의 웨팅(wetting) 거동을 튜닝함으로써 달성된다.
다른 실시예에서 서브마운트와의 전기적 접촉이 이루어지는 LED 아래를 코팅하는 것도 가능하다. 전극 패터닝으로 인해 일부 광은 전극들 또는 거울들 간의 간극을 통해 누설될 것이다. 이 광은 LED의 뒤에서 도파될 수 있으며, 여기서 흡수될 가능성이 있다. 반사면 코팅이 이용되는 경우에는 이 광은 LED 쪽으로 후방 산란되어 재사용된다.
반사 코팅층이 사용되는 경우에 이 층은 또한 서브마운트의 반사율을 증가시키도록 서브마운트 주위로 확산될 수 있으며, 이에 따라 LED로 되돌아온 임의의 광의 광 손실을 줄일 수 있다.
다른 실시예에서 발광 장치는 반구형(domed)일 수 있다.
본 발명의 발광 장치의 또 다른 실시예는 도 3에 예시되어 있다.
이 실시예는 실시예 1과 유사하지만 2개의 코팅층(7a, 7b)을 갖고 있다. 제1 코팅층(7b)은 투명하고 제2 코팅층(7a)은 반사성이다. 층들의 기능과 수의 여러 가지 조합도 가능하다. 그러나 그와 같은 코팅의 조합의 이점은 불완전하게 존재하는 접착층 또는 언더필(underfill) 영역의 일부를 채울 기회가 있다는 것일 수 있다. 예컨대 접착 프로세스의 변동으로 인해 다이와 LED 사이의 간극을 완전히 덮지 못하는 불완전한 접착층이 될 수 있다. 이것은 먼저 투명층으로 채워지고 이어서 예컨대 반사층으로 덮여질 수 있다. 그렇지 않으면 반사층이 그 간극을 채우게 되어 광속의 일부를 차단하게 되어 광손실이 발생하게 될 것이다. 코팅층들의 다른 조합도 물론 가능하다.
본 발명의 발광 장치의 다른 실시예는 도 4에 예시되어 있다.
따라서, 이 실시예에서 플립 칩 LED(2)를 포함하는 발광 장치(1)는 서브마운트(3) 상에 배치되어 있다. LED(2) 상에는 기판(4b)이 그대로 존재한다. 발광 장치(1)의 측면(6) 상에는, 광이 발광 장치의 측면(6)을 통해 실질적으로 빠져나가지 못하도록 반사 기능을 갖는 코팅층(7)이 배치되어 있다. 대신에 이 광은 반사되어 종국적으로는 기판(4b)의 상면(8)을 통해 빠져나간다. 도 4에는 3개의 광로가 나타나 있다. 광로(I)는 코팅에 의해 다시 반사되는 에지에 대한 LED에서의 광도파를 나타낸다. 광로(II)는 측면에서 반사되는 사파이어 기판을 통한 광로를 보여준다. 광로(III)는 측면과 상호작용하지 않는 직접 방출 광로를 보여준다.
따라서 측면에는 상이한 반사성, 흡수성, 착색성, 확산성 및 발광성 코팅들과 코팅층들의 조합이 존재할 수 있다. 측면의 일부만이 코팅되는 것도 가능하다. LED와 사파이어와 같은 기판과 인광체의 조합도 가능하다.
확산성 코팅층에서 입사광은 주로 그 광로로부터 약간 벗어나서 전달된다(입사광 중 약간은 다중 산란 이벤트를 경험할 수 있으며 여전히 반사될 수 있다). 이 확산성은 각 의존(angular dependent) 색효과를 스크램블하는데 도움이 되는데, 즉 상이한 위치와 각도의 광이 혼합된다. 바람직하게는 측면 코팅은 10 내지 100㎛와 같이 제한된 광학적 두께를 갖고 있으나 이는 반드시 엄격히 요구되는 것은 아니다. 그 경우에 광원 면적은 산란 이벤트의 결과로 그다지 크게 확장되지 않으며, 이 경우에 산란 중심은 광선의 새로운 점광원으로 간주될 수 있다.
다른 실시예에서 측면 코팅은 청색광을 흡수하고 황색 또는 호박색 또는 적색광을 투과시키도록 착색된다. 이 측면 코팅으로 인해 큰 각도에서의 청색광 누설은 억제되는 한편, 변환된 광은 그대로 투과된다. 청색광 흡수는 반사성 측면 코팅에 비해 효율이 낮을 것이다. 그러나 변환된 광은 pcLED로부터, 또 측면으로부터 쉽게 추출될 수 있으므로 더욱 효율적으로 이용될 것이다.
다른 실시예에서 고려되는 파장에 대한 흡수성 측면 코팅에 대해 고려되는데, 이는 보통은 코팅이 가시광에 대해 흡수성이라는 것, 즉 코팅이 흑색이라는 것을 의미한다. 이 경우는 효율에서의 명백한 이유로 바람직스럽지 못하다. 그러나 측면으로부터의 광누설이 효율적으로 억제되나 이는 청색광에 대해서는 변환광으로 (이 변환광이 적외선 내에 있지 않고 흑색 코팅이 IR에서 투명하다면) 유지한다.
다른 실시예에서 발광 장치는 청색광이 (부분적으로) 흡수되고 더 높은 파장으로 변환된 다음에 재방출되는 발광성 측면 코팅을 갖고 있다. 이 측면 코팅은 루미라믹 인광 재료(예컨대 부분 변환 백색에 대해서 YAG:Ce)와 유사한 인광체 입자를 포함할 수 있다. 또한, 이 측면 코팅은 루미라믹 재료와 다른 인광체 입자, 예컨대 루미라믹 인광체로부터의 백색 발광을 더 따뜻한 색으로 만들기 위해, 즉 온백색 구성으로 만들기 위해 적색 인광체 함유 측면 코팅을 포함할 수 있다.
본 발명의 발광 장치의 다른 실시예는 도 5에 예시되어 있다.
따라서, 이 실시예에서는 플립 칩 LED(2)를 포함하는 사이드 에미트형 발광 장치(1)가 서브마운트(3) 상에 배치되어 있다. LED(2) 상에는 루미라믹 인광체(4a)가 배치되어 있다. 이 인광체 상에는 광을 반사하는 반사체(4c)가 배치되어 있다. 측면(6)의 코팅은 하나 이상의 면으로부터의 광투과를 방지하며 이 광을 미코팅 면으로 전달하기 위해 이 광을 반사하고 재순환시킨다. 정방형 루미라믹의 경우 단 하나의 측면만이 코팅될 수 있고, 또는 2개 면, 3개 면 또는 각 면의 일부가 코팅될 수 있다. 예컨대 루미라믹의 코너도 그 코너 영역으로부터 광을 방출하도록 개방되어 있을 수 있다. 측면 반사성 코팅과 상면 반사성 코팅은 산란성이 높은 반사성 코팅층과 같은 하나의 단일층을 형성할 수 있다.
인광체 두께가 250㎛이고 미코팅 측면 방출기의 루멘 효율이 100%인 1×1mm 구성의 일 실시예에서 제1 측면 코팅 LED의 루멘 효율은 95%, 제2 측면 코팅 LED의 루멘 효율은 78%, 제3 측면 코팅 LED의 루멘 효율은 56%이었다. 그러므로 LED에서 이 광의 일부는 손실되지만 나머지 광속은 더 작은 면적을 통해 특정 면들로 진행된다. 그러므로 이 측면들의 밝기가 증가한다. 이것은 예컨대 도광판의 측면에 광원을 배치하기 위해 광이 얇은 도광로에 효과적으로 커플링되어야 하는 백라이트 애플리케이션 또는 도광로 조명기구 설계에서 중요하다.
본 발명의 발광 장치의 또 다른 실시예는 도 6에 예시되어 있다.
실시예 5와 유사한 사이드 에미트형 발광 장치의 이 실시예에서 인광체 아래의 LED 상에 기판이 그대로 존재한다. 코팅층은 LED와 기판 상에만 있고 인광체 상에는 존재하지 않는다.
대안으로서, 반사체가 기판 상에 바로 배치될 수 있다. 반사성 측면 코팅을 이용하여 LED 기판 측면으로부터의 상당한 청색광 누설 없이 기판의 측면 상에 코팅이 존재할 수 있다. 인광체는 또한 LED 기판 영역을 넘어 연장될 수 있다(크기가 확대될 수 있다).
그러나 사이드 에미트형 발광 장치는 확산성 또는 발광성 코팅층과 같이 다른 타입의 코팅층도 가질 수 있다. 확산성 측면 코팅을 이용하면 측면 방출의 각도 및 스펙트럼 분포는 예컨대 더욱 균일하게 되도록 영향을 받는다.
청색광을 흡수하며 변환된 광(예컨대 호박색광)을 투과시키는 측면 코팅을 이용하면 완전 변환 측면 방출기는 높은 색순도를 갖도록 이루어질 수 있다.
2개의 측면에 나누어 배치하면 상이한 측면에서 상이한 광학적 기능이 실현될 수 있는데, 예컨대 제1, 제2 또는 제3 측면 상에는 반사성 코팅이 부가될 수 있고, 다른 측면에는 청색을 흡수하며 변환된 광은 방출하는 착색 코팅이 부가될 수 있다.
따라서, 다른 실시예에서 LED의 적어도 한 면 상에 반사성 측면 코딩이 퇴적되고, 다른 면에는 착색 측면 코팅이 퇴적된다. 이것은 하나, 둘 또는 세 개의 방출 측면을 갖는 고 색순도 사이드 에미트형 완전 변환 LED를 제조하는데 이용될 수 있다.
인광체 코팅 LED(pcLED)는 예컨대 스폿 램프, 플래시 LED 모듈, 프로젝션 디스플레이 및 자동차 헤드라이트와 같은 고휘도 또는 에텐듀(etendue) 제한 애플리케이션에 특히 유용하다.
이들 애플리케이션 중 일부의 경우에는(예컨대 한 번 켜면 불이 들어오는 차량 헤드라이트나 튜닝가능 스폿에서) LED들은 각각의 개별 LED가 사용자/상황이 요구하는 대로 턴 온/오프 또는 디밍될(dimmed) 수 있도록 개별적으로 어드레싱가능할 필요가 있다.
개별 어드레싱가능 어레이에서 LED 어레이가 갖는 문제들 중 하나는 한 LED의 펌프(pump) 광이 그 어레이 내의 인접 LED의 인광체에 쉽게 도달할 수 있다는 것이다. 이로 인해 예컨대 램프가 그릇된 출력 스펙트럼을 제공하게 되거나 오프 상태에 있어야 하는 헤드라이트의 LED가 턴온될 수 있다.
본 발명의 발광 장치의 또 다른 실시예는 도 7에 예시되어 있다.
이 실시예에서는 색이 변하는 발광 장치의 어레이가 코팅된다. 루미라믹 인광체는 R=적색, G=녹색 및 W=백색 광을 얻는데 이용되는 반면에 사파이어 기판(B)은 발광 장치로부터 청색광을 얻는데 이용된다. 반사성 코팅은 측면 주위와 발광 장치들 사이에 배치되고, 따라서 발광 장치도 코팅층을 공유한다.
이 어레이들은 1차원적이거나 2차원적일 수 있다. LED들 사이의 간극에는 모세관력에 의해 또는 플롯팅(plotting)에 의해 반사성 코팅이 채워질 수 있다. LED들 사이의 간극에는 투명, 발광, 확산, 착색 또는 발광층과 같은 상이한 기능을 갖는 층이 채워지거나 부분적으로 채워질 수 있다. LED들은 연속적으로 배치되어 있을 때와 같은 경우에 동시에 구동될 수 있으며, 또는 LED들은 독립적으로 구동될 수 있다. 이 어레이들은 또한 동일한 색을 가질 수 있고, 코팅이 발광 장치들 간에 공유되지 않도록 발광 장치의 측면 상에만 코팅이 배치될 수 있다. 어레이들은 각자의 개별 측면 코팅을 갖는 LED들로 구성될 수도 있으며, 이 경우에는 코팅층을 공유하지 않는다.
특히 적색 완전 변환 루미라믹, 녹색 완전 변환 루미라믹, 기판을 갖는 청색 LED, 그리고 선택적으로 부분 변환 백색 루미라믹을 갖는 LED 어레이가 고려된다. 일반적으로 각종 인광체 및/또는 기판의 두께는 다를 수 있다. 측면 코팅은 그러한 높이 차를 수용할 수 있다. 반사성 코팅은 LED들 간의 광 누설을 억제할 수 있어, 예컨대 LED가 개별적으로 어드레싱될 수 있는 경우에 광범위한 고순도 색을 갖는 LED를 제조할 것이다. 이에 따라 극히 큰 혼색창을 가진, 즉 색도(color diagram)에서 전개된 색범위 내에서 고순도색(very pure color)에서부터 이들 색들의 임의의 혼합에 이르는 혼색창을 갖는 광원이 생성된다. 이것은 예컨대 스폿라이트용 색 제어 LED 광원이나 일반적인 조명 광원에 중요하다.
작은 거리에서 광혼합이 필요한 경우에는 LED들 간의 측면 코팅은 투명하게 또는 확산성으로 될 수 있지만, 그 경우에는 LED들 간의 광누화(optical cross talk)가 성능에 영향을 미칠 것이다. 예컨대 적색 LED만이 온되는 경우에 이 LED로부터 발생된 청색광은 또한 인접한 녹색 인광체를 여기시켜 일부 녹색광을 발생시킬 수 있을 것이다.
혼합 능력을 최대화하면서 이러한 누화를 방지하기 위해서 하나의 LED로부터 다음 LED로 진행하는 청색광을 흡수하는 착색 또는 발광 착색 코팅이 LED들 사이에 도포될 수 있다. 발광 코팅의 경우에 이 청색광은 다시 다른 색으로 변환될 것이다.
다른 실시예에서는 2×2 어레이와 같은 정방형 어레이가 이용될 수 있다. 대안으로서 1×4 어레이 대신에, RGBW, GBWR, BWRG, WRGB(R=적색, G=녹색, B=청색, W=백색)가 교대하는 4×4 어레이와 같은 더 큰 어레이도 또한 비슷하게 만들어질 수 있다.
또 다른 실시예에서 단일 LED 상에 인광체 어레이를 도포하고 측면 코팅을 이용함으로써 LED는 색도에서 적색, 녹색 및 청색 위치에 대응하여 x,y 색이 조정되는 고 색순도 영역으로 세분될 수 있다. 이들 착색 영역들로부터의 발광은 LED까지의 거리에 따라서 혼합될 것이다. 이점은 LCD 백라이팅이나 프로젝션 디스플레이와 같은 애플리케이션에서 RGB 색필터 어레이와 조합되어 이에 매칭되는 백색 LED를 얻기 위해 이 색들이 순수 RGB 색으로부터 만들어질 수 있다는 것이다. (YAG:Ce 부분 변환 루미라믹은 혼합된 순색으로부터 구성되지 않은 백색 LED이며, 그러므로 색 필터들과 조합에는 그 다지 적합하지 않다.) 인광체들 간의 영역은 광혼합을 촉진하기 위해 투명성 또는 확산성으로 이루어질 수 있다. 바깥쪽 측면 코팅은 바람직하게는 LED의 측면에서 색음영(color shadow)을 최소화하기 위해 반사성을 갖는다.
다른 실시예에서는 측면 발광 루미라믹 LED의 어레이가 코팅된다. 측면 코팅들이 나란하게 붙어있는 개별적인 완전 변환 측면 방출기를 배치하는 대신에 인접한 LED들이 측면 코팅을 공유하도록 배치될 수 있다. 그 경우에 측면 코팅은 인접한 LED들 간의 계면 코팅으로 간주될 수 있으며, LED들은 서로 가까이 배치될 수 있다. 반사성 측면 코팅을 이용하면 LED들 간의 누화가 억제되고, 따라서 예컨대 개별적인 고순도 색들에서부터 이들 색의 임의의 혼합에 이를 수 있는 방출을 갖는 LED 어레이를 달성할 수 있다.
개별 색이 요구되지 않고 최적의 색 혼합이 요구되는 경우에는 LED들 간의 코팅은 투명성, 확산성, 착색성 또는 발광성으로 이루어질 수 있다. 앞의 2개의 옵션에서 청색광 및 변환된 광은 인접 LED로 도파될 수 있다. 뒤의 2개의 옵션에서 청색광은 (적어도 부분적으로) 흡수될 것이며 변환된 광은 인접 화소로 도파되어 이와 혼합될 수 있을 것이다.
다른 실시예에서는 반사성 측면 코팅은 인광체 표면 상에 와이어 그리드(wire-grid) 편광 구조를 갖는 루미라믹 인광체 상에 배치된다. 그 경우에 편광 구조가 없는 인광체의 측면이 비편광 광이 누설되는 것으로부터 차단된다.
결론적으로 본 발명은 통상적으로 인광체 변환을 이용하는 LED 구성에 적용될 수 있다. 그러나 이 측면 코팅 기술은 또한 통상의 착색(비인광체(non-phosphor) 변환) LED에도 적용될 수 있다. LED는 손전등, 자동차 프론트 라이트나 리어 라이트, 백라이트, 또는 스폿라이트와 같은 일반 조명에서 응용된다.
본 발명은 또한 예컨대 자동차 프론트 라이팅용 LED 어레이, 프로젝션 조명용 RGB LED 어레이 또는 일반 조명 색 튜닝가능 (스폿)램프에 사용하기 위한 이러한 LED의 어레이에도 적용될 수 있다.
본 출원에서 사용된 용어 "발광 다이오드"(여기서는 "LED"로 약기)는 무기계 LED, 저분자 유기계 LED(smOLED) 및 polyLED(polymeric based LED)를 포함하여(이에 한정되는 것은 아님) 당업자에게 알려져 있는 임의 타입의 발광 다이오드나 레이저 발광 다이오드를 말한다.
본 발명에서 사용하기 위한 LED는 UV 범위에서 가시광 범위를 거쳐 IR 범위에 이르는 임의의 색의 광을 방출할 수 있다. 그러나 파장 변환 재료는 종래에는 적색 편이에 의해 광을 변환하기 때문에, 대개는 UV/청색 범위에서 광을 방출하는 LED를 사용하는 것이 (이 광은 본질적으로 어떠한 다른 색으로 변환될 수 있기 때문에) 바람직하다.
LED 칩은 바람직하게는 리드 모두가 칩의 동일면 상에 배치되는 "플립 칩"형이다. 이러한 설계는 장치의 발광면 상에 파장 변환체의 배치를 용이하게 한다. 그러나 다른 타입의 LED 칩도 본 발명에서 사용하기 위해 고려된다.
본 발명에서 사용하기 위한 파장 변환 재료는 바람직하게는 미변환 광에 의해 여기되어 완화(relaxation)될 때에 광을 방출하는 형광 및/또는 인광 재료이다. 광학 컴포넌트는 통상적으로 인광 재료, 예컨대 루미라믹 인광체와 같은 세라믹 인광체이다.
완전 변환 LED는 전기적으로 발생된 광이 모두 원하는 색으로 변환되는 LED인 한편, 부분 변환 LED는 전기적으로 발생된 광 중 일부만 다른 색으로 변환되는 LED를 말한다.
본 발명의 다른 양태는 본 발명에 따른 발광 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다.
하기의 설명에서는 발광 장치의 측면 상에 코팅을 도포하는 방법에 대해 더 자세히 설명한다.
발광 장치(1)는 서브마운트(3) 상에 배치된 발광 다이오드(LED)(2)를 포함한다. 이 서브마운트(3) 상에는 액상 코팅 조성물이 더해진다. 이 코팅 조성물은 모세관력이 상기 액상 코팅 조성물을 수송하여 발광 장치의 측면을 덮을 수 있도록 소정량 도포될 수 있다. 이 양은 보통은 한 방울 또는 여러 방울이다. 그러나 이 양은 원하는 코팅 두께에 따라서 더 많을 수도 있다. 1×1mm 면적의 LED 장치당 이 액체 부피는 0.01과 100 마이크로리터 사이, 바람직하게는 0.1과 10 마이크로리터 사이, 더 바람직하게는 0.5와 5 마이크로리터 사이일 수 있다. 고체 부피는 코팅 경화 중 및/또는 용매 제거 중에 수축하므로 통상적으로 더 작다.
도 8a 내지 도 8c는 발광 장치의 측면의 코팅을 보여주는 개략도이다. 따라서, 도 8a는 LED 칩에 나란하게 배치된 액체 방울을 예시적으로 보여준다. 도 8b에서는, 이 방울은 모세관력에 의해 발광 장치의 측면을 코팅하기 시작한다. 도 8c는 전체 측면 코팅이 달성된 것을 보여준다.
코팅 조성물은 발광 장치의 측면 옆에 또는 이에 접촉하여 서브마운트 상의 소정 위치에 배치되며, 따라서 이 코팅 조성물은 모세관력에 의해 측면을 덮게 될 것이다. 코팅 조성물은 예컨대 발광 장치의 측면으로부터 0-2mm, 또는 상기 측면으로부터 0.5-1mm 떨어져 배치될 수 있다.
이런 식으로 코팅 조성물이 도포되면 모세관력은 발광 장치의 측면 에지의 코팅을 더욱 신속하게 용이하게 할 것이다.
특정 위치에 필요한 특정 양의 코팅 조성물을 추가하기 위해서 디스펜서(dispenser)가 이용될 수 있다. 이 디스펜서는 주사기 또는 바늘 또는 노즐 시스템일 수 있다. 가장 간단한 코팅 퇴적 방법은, 원하는 액적 부피를 디스펜스하기 위해 제어기로 통상적으로 디스펜스 시간과 압력을 조정함으로써 주사기, 바늘 또는 노즐을 이용하여 코팅 조성물 방울을 도포하는 것이다.
그러나 이러한 추가는 스크린 프린팅 또는 잉크젯 노즐 또는 분사 노즐을 이용하는 것과 같이 코팅 조성물을 프린팅하거나 분사함으로써 또한 달성될 수 있다.
이 코팅은 모세관력을 이용하여 측면을 코팅하는 것에 의해 용이해질 수 있다. 코팅은 통상적으로 약 1초 또는 2초 동안 셀프 웨팅(self-wetting)에 의해 발생한다.
코팅은 액상 코팅 조성물을 발광 장치 주위에서 서브마운트 상에 플롯팅하여 유체가 플롯팅된 영역과 접촉하도록 함으로써 또한 달성될 수 있다. 이 경우 노즐이나 바늘은 제어되며 프로그램가능한 방식으로 병진이동하는 한편, 이러한 이동 중에 디스펜스가 제어된다. 이는 코팅 유체가 코팅될 발광 장치 재료에 대해 웨팅이 좋지 못하는 경우에 유리하며, 특정 면만을 코팅하는 방법을 제공한다. 불량한 웨팅은 셀프 웨팅을 방지하지만, 디스펜스 플롯팅은 유체가 확산되게 된다. 단점은 필요한 보다 중대한 배치 정밀도 및 부가적인 처리 횟수이다.
플롯팅과 셀프 웨팅의 조합은 또한 예컨대 짧은 거리만큼 이격되어 직선으로 배치된 복수의 LED 장치 옆에 노즐을 직선으로 이동시키고 이 노즐을 직선으로 이동시키면서 디스펜스함으로써 실현될 수 있다. 디스펜스된 유체는 LED 장치의 에지와 상호작용하여 그 주변에서 셀프 웨팅된다.
코팅 조성물은 메틸트리메톡시실란과 같은 알킬알콕시실란이나 실리콘 수지와 같은 졸-겔 모노머를 함유할 수 있는 액상 조성물이다. 졸-겔 모노머는 물 및/또는 알코올을 함유할 수 있는 액체 중에서 (부분적으로) 가수분해되어 중합될 수 있다. 그러므로 이런 타입의 액체는 통상적으로 친수성(극성)이다. 이것은 유체의 점도를 튜닝하기 위해 여러 가지 양의 용매 또는 용매들을 포함할 수 있다. 실리콘 수지는 통상적으로 미경화(uncured) 형태의 유체이며, 그 자체로 사용될 수 있거나 선택적으로 그 유체의 점도를 튜닝하기 위해 용매가 첨가된다. 실리콘 수지는 각종 공급자로부터의 많은 화학 조성물 및 재료 특정으로 존재한다. 점도뿐만 아니라 탄성 겔에서부터 단단한 실리콘 수지 코팅에 이르기까지 경화 후의 재료 특성도 변할 수 있다. 실리콘 수지의 타입에 따라, 그와 같은 용매의 예는 크실렌일 수 있다. 그와 같은 실리콘 유체는 통상적으로 무극성이나 반드시 그런 것은 아니다.
유체가 극성이거나 무극성인 정도는 사용된 용매의 타입이나 양과 같이 정확한 유체 조성에 영향을 미칠 수 있다.
본 발명에서 사용하기 위한 코팅 조성물은 고화(solidification)되면 산란성, 흡수성, 발광성, 확산성 또는 반사성 코팅층, 즉 광학적으로 활성인 코팅층을 형성하는 코팅 조성물이다. 이 목적으로 사용될 수 있는 조성물의 예는 많이 있다.
본 발명에서 "고체"에 의해 코팅층이 비정질일 수 있음을 알아야 한다.
통상적으로 산란성, 흡수성, 발광성, 확산성 또는 반사성 입자는 바람직하게는 점도가 낮은 조성물 중에 분산된다.
예컨대 금속 산화물과 같은 산란 입자, 반사성, 확산성 또는 발광성 금속 조각 및/또는 흡수성 염료나 안료가 코팅 조성물에 분산될 수 있다.
예컨대 서브마이크로미터의 직경을 갖는 TiO2 입자가 무기 산란 입자로 이용될 수 있다. 입자의 5-60v%와 같이 적당한 로딩(loading)을 이용하면 예컨대 5 미크론을 초과하는 두께로 저손실 산란성 반사 코팅이 실현될 수 있다.
코팅 조성물은 고화되어 측면 상에 고상 코팅층을 획득한다. 고화는 임의의 고화 작용에 의해, 예컨대 용매를 제거하기 위해 코팅을 공기 건조하고 그리고/또는 통상적으로 높은 온도에서 코팅을 경화시킴으로써 일어날 수 있다. 일례로서 졸-겔 모노머의 고화의 경우에 코팅을 약 10분 동안 건조하여 코팅에서 대부분의 용매(물이나 메탄올 같은 것)를 증발시킬 수 있다. 그런 다음에, 이 코팅은 90℃에서 20분 동안 더 건조되고, 그 뒤에 졸-겔을 200℃에서 1시간 동안 경화하여 약한(brittle) 메틸 실리케이트 망상 조직을 형성한다.
코팅층의 통상적인 두께는 10 내지 500㎛이다.
따라서 코팅 조성물은 고화 시에 획득된 고상 조성물이 다음의 광학적 기능 또는 이러한 기능의 조합을 갖도록 선택된다.
반사 기능: 이 기능은 통상적으로 TiO2, ZrO2 및 Al2O3 같은 금속 산화물 입자와 같은 산란성 안료를 이용하여 얻는다. 덜 바람직한 한 가지 대안은 금속 조각이나 입자 또는 구멍을 이용하는 것이다. 이런 기능을 갖는 코팅 조성물로 측면 에지에 코팅하면 측면 코팅을 통한 광투과는 작을 것이며, 광의 대부분은 반사될 것이다(예컨대 95%).
이 기능의 선택은 발명의 배경부분에서 설명한 문제들 1 내지 4를 해소한다. 결점은 소량의 반사된 측면광이 LED에 의해 재흡수되며 손실될 수 있다는 것이다. 그래도 상면의 밝기는 증가하는데, 예컨대 두께 120 미크론의 인광체를 갖는 측면코팅된 1×1mm LED 다이 상에서 법선 방향에서 10 내지 15% 정도의 통상적인 밝기 이득이 실현되었다.
확산 기능: 이 기능은 TiO2, ZrO2, Al2O3 및 SiO2와 같은 금속 산화물 입자와 같은 산란성 안료를 이용하여 얻는다. 이는 측면 코팅을 통한 (부분적) 광 투과를 허용하며, 이 경우에 전방산란과 후방산란의 양은 코팅 두께, 안료의 입자 크기 및 체적 농도에 의해 조절될 수 있다.
이 기능은 전술한 문제 1과 2를 부분적으로 해소하지만 문제 3과 4를 해소하는 것은 아니다. 그 이점은 반사 기능과 비교해 일반적으로 손실성 LED 쪽으로 다시 진행되는 광이 적다는 것이다.
착색 또는 스펙트럼 필터링 기능: 이 기능은 착색 안료를 이용하여 얻는다. 통상적으로 착색층은 청색 LED광은 흡수하고 인광체로부터의 변환된 광은 투과시킬 것이다. 이는 특히 완전 변환 루미라믹에 대해 문제 1을 해소하지만 문제 2, 3 및 4는 해소하는 것은 아니다.
부분 변환의 경우 지나치게 많은 청색광을 흡수함으로써 각도에 걸친 색 편이(color shift over angle)의 청색광 흡수 위험이 있다. 이 문제를 극복하려면 청색광 누설을 부분적으로 흡수하는 것과 같이 흡수 특성을 미세하게 튜닝할 필요가 있다.
그 이점은 반사 기능에 비해 총 광속이 증가한다는 것이다.
흡수 기능: 이 기능은 입사광속 스펙트럼을 흡수하는 안료를 이용하여 얻어진다. 이는 대부분의 문제를 해소하지만 심각한 광속 손실을 초래하며 상면의 밝기를 증가시키지 못할 것이므로 덜 바람직하다. 흡광도는 흡수성 안료 또는 염료 특성, 농도 및 층 두께에 따라 완전하거나 단지 부분적일 수 있다.
발광 기능: 이 기능은 인광체와 동일한 또는 상이한 발광 스펙트럼을 주는 발광 안료/입자를 이용하여 얻어진다. 측면을 통한 청색광 누설은 흡수되어 더 높은 파장으로 변환될 것이다. 이는 특히 완전 변환 인광체에 대한 문제 1을 해소할 것이나 문제 2, 3 및 4는 해소하지 못할 것이다. 이는 또한 광원 면적을 약간 증가시킨다. 그 이점은 반사 기능에 비해 총 광속을 증가시키는 것이 예상된다는 것이다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 있어서 원하는 기능에 따라서 상이한 기능을 갖는 상이한 코팅층의 조합이 고려될 수 있으며, 또는 확산 기능을 발광 기능과 조합하는 것과 같이 동일 코팅에서 상이한 기능을 조합할 수 있다.
서브마운트와 측면은 극성(또는 친수성)이 되는 방식으로 전처리될 수 있고, 코팅 조성물은 극성(또는 친수성)일 수 있다. 그러면 친수성(극성) 코팅 조성물은 모세관력에 의해 그 전처리된 서브마운트와 측면을 용이하게 덮을 수 있을 것이다. 서브마운트와 측면의 일부만을 처리하여 친수성이 되게 함으로써 도 9에 도시된 바와 같이 측면의 일부만을 코팅하는 것이 가능하다. 마찬가지로 극성(또는 친수성) 표면 상에 대부분의 실리콘과 같은 무극성(또는 소수성) 코팅 조성물을 이용함으로써 제한된 유체 확산을 달성할 수 있으며, 또는 무극성(또는 소수성) 표면 상의 양호한 확산을 달성할 수 있다. 결과적으로, 서브마운트와 측면의 일부를 무극성(또는 소수성)이 되게 처리하는 것이 가능하고, 따라서 극성(또는 친수성) 코팅 조성물을 이용하면 측면의 일부에 코팅층이 없게 될 것이다. 명백히, 발광 장치의 서브마운트와 측면의 표면 웨팅 상태는 똑같지 않을 수 있으며, 서브마운트나 측면 상의 바람직한 확산이 실현될 수 있다. 또한, 측면은 보통은 LED 재료, 접착재, LED 기판 또는 인광체와 같은 복수의 컴포넌트로 구성된다. 이들 여러 가지 재료의 우선 웨팅이 일어날 수 있다. 예컨대 인광체가 코팅 유체에 대해 불량한 웨팅 상태를 갖는 경우 인광체의 측면 커버리지가 전혀 실현될 수 없거나 제한된 측면 커버리지만이 실현될 수 있는 한편, 예컨대 접착층과 LED 다이는 덮여질 수 있다.
측면의 일부만을 코팅하는 다른 방법은 LED 표면 상의 웨팅 상태를 튜닝함으로써 (예컨대 LED 장치의 산소 플라즈마나 UV-오존 처리를 튜닝함으로써), 퇴적되는 양을을 튜닝함으로써, 그리고/또는 코팅 조성물의 점도를 증가시키거나 튜닝함으로써, 또는 더 빨리 증발하는 용매를 첨가함으로써 달성된다.
윈칙적으로, 코팅 조성물은 블레이드 코팅, 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 딥 코팅 또는 커튼 코팅과 같이 루미라믹의 상부도 덮을 기법을 이용하여 퇴적될 수 있다. 특히 반사체 코팅이 도포되는 경우에는 루미라믹 표면 위에 디웨팅(dewetting) 층이 배치되어야 한다. 충분한 디웨팅이 존재하면 코팅은 소수성 코팅 조성물의 경우에 디웨팅 상면을 덮는 것은 효과면에서 불리하므로 상면에 박층을 남기지 않거나 아주 조금만 남기고 측면으로 흐르려고 할 것이다. 상면의 충분히 얇은 반사체 코팅층은 여전히 부분적으로 투과성이며, 허용될 수 있다. 디웨팅층은 소수성 코팅층, 예컨대 인광체의 플루오르실란 상면 처리의 소수성 실란 단층으로 구성될 수 있다. 확산성, 발광성, 착색성 코팅 조성물의 경우에는 상면 커버리지가 허용될 수 있다. 확산성 상면 코팅은 더욱 균일한 색 오버앵글을 달성하기 위해 광분포를 재분배하는데 도움이 될 수 있다. 발광성 또는 착색성 상면 코팅은 완전 변환 인광체 애플리케이션에서 상면으로부터 청색광이 누설되는 것을 줄이는데 도움이 될 것이다.
이것은 코팅 조성물이 다량 부가되는 경우에 특히 중요하다. 디웨팅층은 고체, 액체 또는 겔일 수 있다. 이 층은 체적층(volume layer)일 수 있지만 루미라믹 상면 상에 퇴적된 단층(예컨대 기상(gas phase)에서 인광체 표면과 반응했던 하이드로카본실란이나 플루오로실란)일 수도 있다.
그러나 특히 반사성 코팅 제제의 경우에는 상면 유출을 피하는 방법이 바람직하다.
조성물의 점도는 이 조성물이 모세관력에 의해 발광 장치 주의에서 쉽게 확산될 수 있을 정도로 충분히 낮게 선택될 수 있다. 따라서 점도는 1과 100mPas 사이일 수 있다.
또한 유체의 점도는 그 유체 및/또는 장치를 가열함으로써 낮출 수 있다.
점도를 조절함으로써 코팅 조성물에 의해 코팅된 면적도 조절할 수 있다. 예컨대 낮은 점도가 이용되는 경우 코팅 조성물은 더 쉽게 확산되고 코팅은 더 빠르게 일어날 것이다. 반면에 높은 점도가 이용되는 경우 코팅 조성물은 덜 쉽게 확산되는 경향이 있으며 측면의 일부만을 코팅하는 것이 가능해질 것이다.
측면에서의 양호한 웨팅이 달성되면 고상 코팅층의 접촉각은 0과 45도 사이가 될 수 있다. 본 발명의 코팅 방법에 의해 작은 접촉각이 달성되면 측면을 코팅하는데 필요한 재료의 양이 아주 적어도 되며 이는 바람직할 수 있다.
그 외에도, 이것은 광원이 그다지 크게 되지 않고, 측면 코팅 두께(및 그에 따른 광학적 특성)가 알맞게 제어될 수 있고, 측면 코팅의 경화 시에 일반적으로 일어나는 수축 응력으로 인해 측면 코팅과 LED 장치에 응력이 덜 가해진다는 이점을 갖는다. 도달될 수 있는 급격한 프로파일은 측면 코팅으로 들어가는 광을 도파할 위험이 거의 없다.
따라서, 측면 또는 특정 측면 상에서 불량한 웨팅을 나타내는 코팅 조성물을 이용하는 측면 코팅의 덜 바람직한 실시예가 고려된다. 결과적으로, 측면에서의 접촉각은 크게 될 것이다(예컨대 45와 90도 사이 또는 90도를 초과함). 측면의 표면 커버리지는 디스펜스된 양에 따라서는 완전하지 않을 수 있다. 퇴적되는 양을 조절함으로써 코팅되는 면적 또는 층이 조절될 수 있다. 예컨대 LED와 접착층만이 덮여질 수 있고, 반면에 루미라믹 인광체의 상당부는 덮여지지 않는다. 이와 같이 광누설 경로 1과 2가 억제될 수 있는 반면에 경로 3은 그대로 누설된다. 그 이점은 LED로부터 더 많은 광을 추출할 수 있고 접착층 두께 변동으로 인한 측면광 누설 변동이 억제된다는 것이다. 오버앵글 색 성능은 실용적으로 충분할 수 있다. 완전 커버리지의 경우 많은 양의 재료가 필요하다. 또한, 착색, 저확산성 또는 발광성 층의 경우에는 이 측면 코팅에서 도파가 일어날 위험이 높은데, 이는 실질적인 광 추출 없이 광을 확산시킬 것이며 매우 바람직하지 못한 것이다.
본 발명의 다른 실시예에서 제2 액상 코팅 조성물이 발광 장치의 제2 측면의 적어도 일부를 덮도록 서브마운트 상에 도포된다. 제2 코팅 조성물은 고화되어 제2 측면의 적어도 일부 상에 제2 고상 코팅층을 획득한다. 마찬가지로 복수의 코팅층이 서로의 상단에 퇴적될 수 있다.
발광 장치가 제1 및 제2 코팅층에서 상이한 코팅 조성물로 코팅되면 반사, 확산, 스펙트럼 필터링, 발광 및 광 차단의 광학적 기능을 갖는 상이한 고상 코팅층을 얻을 수 있다. 따라서 동일한 측면은 동일 또는 상이한 광학적 기능을 갖는 2개 이상의 코팅층으로 코팅될 수 있다.
결과적으로, 측면의 상이한 부분이 상이한 광학적 기능을 가질 수 있다.
발광 장치의 측면 상에 배치된 코팅은 측면에 인접해 있는데, 보통은 접촉해 있다. 그러나 수축 응력, 불충분한 접착력 및 열 응력으로 인해 측면 코팅과 측면(의 일부)과는 물론 서브마운트(의 일부)와의 물리적 접촉부가 파손될 수 있다. 그 결과, 접촉부가 파손된 부분에 대개는 작은 간극이 존재할 수 있다. 이는 반드시 측면 코팅의 기능을 저해한다는 것은 아니다.
지금까지 특정의 예시적인 실시예들을 통해 본 발명을 설명하였지만 당업자라면 여러 가지 다른 많은 수정, 변형 등이 가능함을 잘 알 것이다. 그러므로 여기서 설명된 실시예들은 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 한정하려는 것이 아니다.

Claims (20)

  1. 서브마운트(3) 상에 배치된 발광 다이오드(2) 및 상기 발광 다이오드(2) 상에 배치된 광학 컴포넌트(4)를 포함하며, 외주 측면(6), 상면(8) 및 광 활성 코팅층(7)을 갖는 발광 장치(1)로서,
    상기 코팅층(7)은,
    - 상기 외주 측면(6)의 적어도 일부를 따라 덮고,
    - 상기 서브마운트(3)로부터 상기 상면(8)으로 연장되며,
    - 상기 상면(8)을 본질적으로 덮지 않고,
    상기 발광 장치(1)의 상기 상면(8)은 상기 광학 컴포넌트(4)의 상면이고,
    상기 외주 측면의 적어도 일부는 극성 및 무극성 중 하나가 되도록 전처리되었으며, 상기 코팅층의 적어도 일부를 형성하는데 사용된 코팅 조성물은 극성 및 무극성 중 하나인 발광 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광학 컴포넌트(4)는 인광체, 광투과체 및 반사체, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되는, 발광 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반사체는, 광이 상기 외주 측면의 적어도 일부를 통해 빠져나가도록 배치되는 발광 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅층은 고체인 발광 장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외주 측면의 상기 적어도 일부는 2개 이상의 코팅층으로 코팅되는 발광 장치.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 발광 장치들의 어레이.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 발광 장치들은 상기 코팅층을 공유하도록 배치되는 발광 장치들의 어레이.
  9. 서브마운트(3) 상에 배치된 발광 다이오드(2) 및 상기 발광 다이오드 상에 배치된 광학 컴포넌트(4)를 포함하는 발광 장치(1)의 외주 측면(6)의 적어도 일부 상에 코팅층을 도포하는 방법으로서,
    상기 외주 측면(6)의 적어도 일부 상에 광 활성 코팅층(7)을 배치하는 단계 - 상기 코팅층(7)은 서브마운트(3)로부터 상면(8)으로 연장되며, 상기 상면(8)을 본질적으로 덮지 않고, 상기 발광 장치(1)의 상기 상면(8)은 상기 광학 컴포넌트(4)의 상면임 -, 및
    상기 외주 측면의 적어도 일부를 전처리하여 극성 및 무극성 중 하나가 되도록 하며, 극성 및 무극성 중 하나의 코팅 조성물을 이용하여 상기 코팅층의 적어도 일부를 형성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    - 상기 서브마운트(3) 상에 제1 액상 코팅 조성물을 도포하는 단계;
    - 상기 제1 코팅 조성물이 상기 발광 장치(1)의 제1 외주 측면(6)의 적어도 일부를 덮도록 하는 단계; 및
    - 상기 제1 코팅 조성물을 고화시켜, 상기 제1 외주 측면(6)의 상기 적어도 일부 상에 제1 고상 코팅층(7)을 획득하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 코팅 조성물은 모세관력에 의해 상기 제1 외주 측면(6)의 적어도 일부를 덮게 되는 방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅 조성물은, 바늘 디스펜스, 노즐 디스펜스, 프린팅 및 분사로 이루어진 그룹에서 선택된 방법에 의해 도포되는 방법.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 액상 코팅 조성물은, 고화 시에, 반사, 확산, 스펙트럼 필터링, 발광 및 광 차단 코팅층들, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택된 고상 코팅층을 형성하는 방법.
  14. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 코팅 조성물은 졸-겔 유도 재료 또는 실리콘 수지를 포함하는 방법.
  15. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    - 상기 서브마운트 상에 적어도 제2 액상 코팅 조성물을 도포하는 단계;
    - 상기 제2 코팅 조성물이 상기 발광 장치의 제2 외주 측면의 적어도 일부를 덮도록 하는 단계; 및
    - 상기 제2 코팅 조성물을 고화시켜, 상기 제2 외주 측면의 상기 적어도 일부 상에 제2 고상 코팅층을 획득하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
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