KR101756334B1 - 발광소자 및 이를 포함하는 발광소자 패키지 - Google Patents

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KR101756334B1
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Abstract

실시예는 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 및 상기 발광 구조물의 위에 배치되는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하고, 상기 마이크로 렌즈 어레이는, 곡률이 서로 다른 마이크로 렌즈를 적어도 하나 포함하는 발광소자를 제공한다.

Description

발광소자 및 이를 포함하는 발광소자 패키지{Light emitting device and light emitting deivce package including the same}
실시예는 발광소자 패키지에 관한 것으로, 발광소자 패키지의 광추출효율을 향상시킨 것이다.
반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)나 레이저 다이오드(Laser Diode; LD)와 같은 발광 소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 가진다.
따라서, 발광 다이오드는 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등에까지 응용이 확대되고 있다.
실시예는 발광소자 패키지의 광추출효율을 향상시키고자 한다.
실시예는 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 및 상기 발광 구조물의 위에 배치되는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하고, 상기 마이크로 렌즈 어레이는, 곡률이 서로 다른 마이크로 렌즈를 적어도 하나 포함하는 발광소자를 제공한다.
곡률이 서로 다른 마이크로 렌즈는, 가로 방향과 세로 방향 및 대각선 방향 중 어느 하나의 방향에 배치될 수 있다.
마이크로 렌즈 어레이는, 기저면의 높이가 서로 다른 마이크로 렌즈를 적어도 하나 포함할 수 있다.
마이크로 렌즈 어레이는 크기가 서로 다른 마이크로 렌즈를 적어도 하나 포함할 수 있다.
마이크로 렌즈 어레이 내에서 각각의 마이크로 렌즈의 최고점은 동일할 수 있다.
마이크로 렌즈 어레이 내에서, 각각의 마이크로 렌즈는 서로 다른 차수를 갖는 다항식의 함수에 따라 배열될 수 있다.
마이크로 렌즈 어레이는 높이가 서로 다른 마이크로 렌즈를 적어도 하나 포함할 수 있다.
다른 실시예는 패키지 몸체; 상기 패키지 몸체에 배치된 제1 리드 프레임과 제2 리드 프레임; 상기 패키지 몸체에 배치되고, 제1 리드 프레임 및 제2 리드 프레임과 전기적으로 연결되는 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항의 발광소자; 및 상기 발광소자의 측면과 상부면을 둘러싸는 몰딩부를 포함하는 발광소자 패키지를 제공한다.
마이크로 렌즈 어레이는 상기 몰딩부의 상부에 배치될 수 있다.
발광소자 패키지는 몰딩부 위에 배치되어 상기 발광소자로부터 출사되는 빛의 진로를 변경하는 렌즈를 더 포함하고, 상기 마이크로 렌즈 어레이는 상기 렌즈의 상부에 배치될 수 있다.
실시예에 따른 발광소자와 발광소자 패키지는 발광 구조물 등의 표면에 완전 채움율을 갖는 마이크로 렌즈 어레이가 배치되어 광추출 효율을 상승시킬 수 있다.
도 1은 발광소자의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 2는 발광소자의 다른 실시예를 나타낸 도면이고,
도 3은 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 4는 도 1 내지 도 3의 마이크로 렌즈 어레이의 단면을 나타낸 도면이고,
도 5는 도 1 내지 도 3의 마이크로 렌즈 어레이의 평면을 나타낸 도면이고,
도 6은 도 1 내지 도 3의 마이크로 렌즈 어레이에서 각각의 마이크로 렌즈의 구조를 나타낸 도면이고,
도 7은 도 1 내지 도 3의 마이크로 렌즈 어레이 내에서 마이크로 렌즈의 배열을 나타낸 도면이고,
도 8 내지 도 12는 발광소자의 제조방법의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 13은 실시예에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 조명장치의 일실시예의 분해 사시도이고,
도 14는 실시예에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 표시장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향 뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은 발광소자의 일실시예를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 발광소자(100)는 도전성 지지기판(metal support, 160) 상에 접합층(150)과 반사층(140)과 오믹층(130)과 발광 구조물(120)과 마이크로 렌즈 어레이(Micro Lens Array, 170)을 포함하여 이루어진다.
도전성 지지기판(160)은 제2 전극의 역할을 할 수 있으므로 전기 전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있고, 발광 소자 작동시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로 열전도도가 높은 금속을 사용할 수 있다.
상기 도전성 지지기판(160)은 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si), 텅스텐(W), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있으며, 또한, 금(Au), 구리합금(Cu Alloy), 니켈(Ni), 구리-텅스텐(Cu-W), 캐리어 웨이퍼(예: GaN, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiGe, SiC, SiGe, Ga2O3 등) 등을 선택적으로 포함할 수 있다.
또한, 상기 도전성 지지기판(160)은 전체 질화물 반도체에 휨을 가져오지 않으면서, 스크라이빙(scribing) 공정 및 브레이킹(breaking) 공정을 통하여 별개의 칩으로 잘 분리시키기 위한 정도의 기계적 강도를 가질 수 있다.
접합층(150)은 상기 반사층(140)과 상기 도전성 지지기판(160)을 결합하며, 상기 반사층(140)이 결합층(adhesion layer)의 기능을 수행할 수도 있다. 상기 접합층은(150) 금(Au), 주석(Sn), 인듐(In), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 은(Ag), 니켈(Ni) 및 구리(Cu)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금으로 형성할 수 있다
상기 반사층(140)은 약 2500 옹스르통의 두께일 수 있다. 상기 반사층(140)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 니켈(Ni), 백금(Pt), 로듐(Rh), 혹은 Al이나 Ag이나 Pt나 Rh를 포함하는 합금을 포함하는 금속층으로 이루어질 수 있다. 알루미늄이나 은 등은 활성층(124)에서 발생된 빛을 효과적으로 반사하여 발광소자의 광추출 효율을 크게 개선할 수 있다.
상기 발광 구조물(120), 특히 상기 제2 도전형 반도체층(126)은 불순물 도핑 농도가 낮아 접촉 저항이 높으며 그로 인해 오믹 특성이 좋지 못할 수 있으므로, 이러한 오믹 특성을 개선하기 위해 오믹층(130)으로 투명 전극 등을 형성할 수 있다.
상기 오믹층(130)은 약 200 옹스트롱의 두께일 수 있다. 상기 오믹층(130)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IZON(IZO Nitride), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), ZnO, IrOx, RuOx, NiO, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO, Ag, Ni, Cr, Ti, Al, Rh, Pd, Ir, Sn, In, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
상기 발광 구조물(120)은 제1 도전형 반도체층(122)과 상기 제1 도전형 반도체층(122) 상에 형성되고 광을 방출하는 활성층(124)과 상기 활성층(124) 상에 형성된 제2 도전형 반도체층(126)을 포함한다.
상기 제1 도전형 반도체층(122)은 제1 도전형 도펀트가 도핑된 3족-5족 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 상기 제1 도전형 반도체층(122)이 N형 반도체층인 경우, 상기 제1도전형 도펀트는 N형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 제1 도전형 반도체층(122)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(122)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN,AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)을 통해서 주입되는 전자와 이후 형성되는 제2 도전형 반도체층(126)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이고, 활성층(124)에서 방출되는 빛은 가시광선 영역 외에 자외선 영역의 광이 방출될 수도 있다.
상기 활성층(124)은 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well), 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(124)은 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)가 주입되어 다중 양자우물구조가 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 활성층(124)의 우물층/장벽층은 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 우물층은 상기 장벽층의 밴드 갭보다 낮은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
상기 활성층(124)의 위 또는/및 아래에는 도전형 클래드층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 도전형 클래드층은 AlGaN계 반도체로 형성될 수 있으며, 상기 활성층(164)의 밴드 갭보다는 높은 밴드 갭을 갖을 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(126)은 제2 도전형 도펀트가 도핑된 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(126)이 P형 반도체층인 경우, 상기 제2도전형 도펀트는 P형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
한편, 상기 제1 도전형 반도체층(122)이 p형 반도체층을 포함하고 상기 제2 도전형 반도체층(126)이 n형 반도체층을 포함할 수도 있다.
발광 구조물(120)의 표면에는 제1 전극(190)이 형성될 수 있는데, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 발광 구조물(120)의 표면, 즉 제1 도전형 반도체층(122)의 표면에는 요철(미도시)이 형성되어, 광추출 효율을 높일 수 있다. 그리고, 발광 구조물(120)의 표면에는 마이크로 렌즈 어레이(170)이 형성되어 발광소자의 광출사각을 넓힐 수 있다.
도 4는 도 1 내지 도 3의 마이크로 렌즈 어레이의 단면을 나타낸 도면이고, 도 5는 도 1 내지 도 3의 마이크로 렌즈 어레이의 평면을 나타낸 도면이고, 도 6은 도 1 내지 도 3의 마이크로 렌즈 어레이에서 각각의 마이크로 렌즈의 구조를 나타낸 도면이고, 도 7은 도 1 내지 도 3의 마이크로 렌즈 어레이 내에서 마이크로 렌즈의 배열을 나타낸 도면이다.
이하에서, 도 4 내지 도 7을 참조하여 상기의 마이크로 렌즈 어레이의 구조를 상세히 설명한다. 마이크로 렌즈 어레이 내에 포함된 마이크로 렌즈의 개수는 설명에 한정하지는 않는다.
마이크로 렌즈는 베이스층(미도시) 위에 복수 개의 마이크로 렌즈가 배치되는데, 각각의 마이크로 렌즈의 곡률이 동일하지 않을 수 있다. 도 4에서 마이크로 렌즈 어레이(170)는 5개의 마이크로 렌즈(a, b, c, d, e)로 이루어지는데, 각각의 마이크로 렌즈(a, b, c, d, e)의 곡률이 서로 다르게 배치되어 있다.
그리고, 도 5에서 마이크로 렌즈 어레이(170)에 4개의 마이크로 렌즈(a, b, c, d)가 배치되어 있고, 각각의 마이크로 렌즈(a, b, c, d)의 크기가 서로 다르게 배치되어 있다. 여기서, 마이크로 렌즈의 크기는 원형의 마이크로 렌즈(a, b, c, d)의 직경을 의미하며, 만약 마이크로 렌즈가 사각형 또는 다각형이면 한 변의 길이나 대각선의 길이를 의미할 수 있다.
도 5에서, 곡률을 갖는 각각의 마이크로 렌즈(a, b, c, d) 사이의 공간은 베이스층일 수 있으며, 빗금으로 표시되어 있다.
도 6에서 인접한 3개의 마이크로 렌즈(a, b, c)의 표면이 도시되어 있다. 점선으로 표시된 선이 각각의 마이크로 렌즈(a, b, c,)의 표면이고, 실선은 각각의 마이크로 렌즈(a, b, c)의 형상을 비교하기 위한 가상의 선이다.
각각의 마이크로 렌즈(a, b, c)는 서로 동일한 최고점을 가지나, 최저점은 서로 다르며, 곡률도 서로 다르다. 마이크로 렌즈(a, b, c)의 최저점으로부터 최고점까지의 높이(ha, hb, hc)도 서로 다를 수 있다. 여기서, 마이크로 렌즈의 최저점은 각각의 마이크로 렌즈(a, b, c)의 최저 높이를 뜻하며, 도 5에서는 원형으로 표시되고, 최저점을 연결한 가상의 평면을 기저면이라 할 수 있다.
도 7은 곡률 내지 크기가 서로 다른 마이크로 렌즈(a 내지 k)의 배열이 도시되고 있다. 각각의 마이크로 렌즈(a 내지 k)는 가로 방향(x)과 세로 방향(y) 및 대각선 방향(z)으로 배치될 수 있다.
그리고, 도 7에서 가로 방향(x)과 세로 방향(y) 및 대각선 방향(z)으로 각각의 마이크로 렌즈(a 내지 k)가 일정한 순서로 배열되지 않고, 서로 다른 차수를 갖는 다항식의 함수에 따라 배열될 수 있다.
예를 들어, 가로 방향(x)으로 각각의 마이크로 렌즈의 위치는 x=a1xn+a2xn -1+...+an의 함수에 따라 결정될 수 있다. 여기서, n은 1 이상의 정수이고, a,x 값의 변화에 따라서 마이크로 렌즈의 위치가 결정되며, 결정된 값의 위치에 마이크로 렌즈의 중심 영역이 위치하게 된다.
상술한 서로 다른 곡률과 크기를 갖는 복수 개의 마이크로 렌즈를 상기의 다항식에 따라 배열하여 마이크로 렌즈 어레이가 완전 채움율(Fill factor)을 가질 수 있는데, 이러한 빽빽한 구조의 마이크로 렌즈 어레이는 발광소자 표면으로부터 방출되는 빛의 출사 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 상기 발광 구조물(120)의 측면에는 패시베이션층(passivation layer, 180)이 형성되는데, 마이크로 렌즈 어레이(170)의 측면에도 형성될 수 있다.
상기 패시베이션층(180)은 절연물질로 이루어질 수 있으며, 상기 절연물질은 비전도성인 산화물이나 질화물로 이루어질 수 있다. 일 예로서, 상기 패시베이션층(180)은 실리콘 산화물(SiO2)층, 산화 질화물층, 산화 알루미늄층으로 이루어질 수 있다.
도 2는 발광소자의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 2는 수평형 발광소자를 도시하고 있는데, 제2 도전형 반도체층(126)과 활성층(124) 그리고, 제1 도전형 반도체층(122)의 일부 영역까지 메사 식각하여 상기 제1 도전형 반도체층(122)의 일부를 노출시킨다. 즉, 절연성 물질로 기판(110)을 형성할 때, 제1 도전형 반도체층(162)의 일부 영역에 전류를 공급하기 위하여 전극이 형성될 공간을 확보하기 위함이다.
기판(110)과 발광 구조물(120)의 사이에는 버퍼층(115)이 형성될 수 있는데, 버퍼층(115)은 후술할 발광 구조물(120)과 기판(110) 사이의 재료의 격자 부정합 및 열 팽창 계수의 차이를 완화하기 위한 것이다. 상기 버퍼층(115)의 재료는 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.
발광 구조물(120)의 상부에는 마이크로 렌즈 어레이(170)가 배치되어 있으며, 구체적인 구성은 상술한 바와 같다.
그리고, 제2 도전형 반도체층(126)과 노출된 제1 도전형 반도체층(122) 각각에 제2 전극(195)과 제1 전극(190)이 배치된다. 상기 제1 전극(190)과 제2 전극(195)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
도 3은 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 발광소자 패키지(200)는 캐비티를 포함하는 몸체(210)와, 상기 몸체(210)에 설치된 제1 리드 프레임(Lead Frame, 221) 및 제2 리드 프레임(222)과, 상기 몸체(210)에 설치되어 상기 제1 리드 프레임(221) 및 제2 리드 프레임(222)과 전기적으로 연결되는 상술한 실시예들에 따른 발광 소자(100)와, 상기 캐비티에 형성된 몰딩부(250)를 포함한다.
상기 몸체(210)는 PPA 수지, 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 몸체(210)가 금속 재질 등 도전성 물질로 이루어지면, 도시되지는 않았으나 상기 몸체(210)의 표면에 절연층이 코팅되어 상기 제1,2 리드 프레임(221, 222) 간의 전기적 단락을 방지할 수 있다.
상기 제1 리드 프레임(221) 및 제2 리드 프레임(222)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광 소자(100)에 전류를 공급한다. 또한, 상기 제1 리드 프레임(221) 및 제2 리드 프레임(222)은 상기 발광 소자(100)에서 발생된 광을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 상기 발광 소자(100)에서 발생된 열을 외부로 배출시킬 수도 있다.
상기 발광 소자(100)는 상기 몸체(210) 상에 설치되거나 상기 제1 리드 프레임(221) 또는 제2 리드 프레임(222) 상에 설치될 수 있다. 본 실시예에서는 제1 리드 프레임(221)과 발광소자(100)가 도전성 접착층(230)을 통하여 통전되고, 제2 리드 프레임(222)과 상기 발광소자(100)는 와이어(240)를 통하여 연결되어 있다. 발광소자(100)는 와이어 본딩 방식 외에 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 등에 의하여 리드 프레임(221, 222)과 연결될 수 있다.
상기 몰딩부(250)는 상기 발광 소자(100)를 포위하여 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부(250) 내에는 형광체(260)이 포함되어 있는데, 형광체(260)는 상기 몰딩부(250)와 별개의 층으로 컨포멀(Conformal) 코팅될 수도 있다.
발광소자(100)에서 방출된 제1 파장 영역의 광이 상기 형광체(260)에 의하여 여기되어 제2 파장 영역의 광으로 변환되고, 상기 제2 파장 영역의 광은 렌즈(미도시)를 통과하면서 광경로가 변경될 수 있다.
그리고, 몰딩부(2500의 상부에는 마이크로 렌즈 어레이(270)가 배치되는데, 마이크로 렌즈 어레이의 구성은 상술한 바와 동일하다. 도시되지는 않았으나, 광지향각을 조절하기 위하여 몰딩부(250) 위에 렌즈가 구비될 수 있고, 이때 마이크로 렌즈 어레이는 렌즈의 표면에 배치될 수도 있다.
실시 예에 따른 발광소자 패키지는 복수 개가 기판 상에 어레이되며, 상기 발광소자 패키지의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광소자 패키지, 기판, 광학 부재는 라이트 유닛으로 기능할 수 있다. 또 다른 실시 예는 상술한 실시 예들에 기재된 반도체 발광소자 또는 발광소자 패키지를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 시스템으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
마이크로 렌즈 어레이를 발광소자 패키지의 몰딩부나 렌즈의 표면에 배치할 때는 완성된 발광소자 패키지 위에 마이크로 렌즈 어레이를 결합시킬 수 있으나, 발광소자의 발광 구조물의 표면에 증착할 때는 아래의 순서에 따른다.
도 8 내지 도 12는 발광소자의 제조방법의 일실시예를 나타낸 도면이다.
먼저, 도 8에 도시된 바와 같이, 기판(110) 상에 버퍼층(115) 및 제1 도전형 반도체층(122), 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하는 발광 구조물(126)을 성장시킨다.
상기 발광 구조물(126)은 예를 들어, 유기금속 화학 증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 화학 증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 증착법(PECVD; Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(MBE; Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 기판(110)은 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함하며, 예컨대 사파이어(Al2O3), SiC, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, Ge, and Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 상기 기판(110) 위에는 요철 구조가 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 기판(110)에 대해 습식세척을 하여 표면의 불순물을 제거할 수 있다.
상기 발광구조물과 기판(110) 사이에는 버퍼층(미도시)을 성장시킬 수 있는데, 재료의 격자 부정합 및 열 팽창 계수의 차이를 완화하기 위한 것이다. 상기 버퍼층의 재료는 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 상기 버퍼층 위에는 언도프드(undoped) 반도체층이 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 발광 구조물은, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy), HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법과 같은 기상 증착법에 의해 성장될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(122)의 조성은 상술한 바와 동일하며, 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시 (MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 N형 GaN층을 형성할 수 있다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(110)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 실리콘(Si)와 같은 n 형 불순물을 포함하는 실란 가스(SiH4)가 주입되어 형성될 수 있다.
상기 활성층(124)의 조성은 상술한 바와 동일하며, 예를 들어 상기 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)가 주입되어 다중 양자우물구조가 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 도전형 반도체층(126)의 조성은 상술한 바와 동일하며, 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 마그네슘(Mg)과 같은 p 형 불순물을 포함하는 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}가 주입되어 p형 GaN층이 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고, 도 9에 도시된 바와 같이 발광 구조물(120) 위에 오믹층(130)과 반사층(140)을 형성할 수 있다. 상기 오믹층(130)과 반사층(140)의 조성은 상술한 바와 같으며, 스퍼터링법이나 전자빔 증착법에 의하여 형성될 수 있다.
상기 활성층(124)에서 자외선을 방출할 경우 오믹층(130)에 ITO를 사용하면 자외선의 투과효율이 좋지 않을 수 있으며, 오믹층(130)을 Ni/Au로 형성할 수 있다.
그리고, 도 10에 도시된 바와 같이 반사층(140) 상에 접합층(150)과 도전성 지지기판(160)을 형성할 수 있다. 상기 도전성 지지기판(160)을 형성시키는 방법은 전기화학적인 금속증착방법이나 유테틱(Eutetic) 메탈을 이용한 본딩 방법 등을 사용하거나, 별도의 접합층(160)을 형성할 수 있다.
그리고, 도 11에 도시된 바와 같이 상기 기판(110)을 분리하다. 상기 기판(110)의 제거는 엑시머 레이저 등을 이용한 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off: LLO)의 방법으로 할 수도 있으며, 건식 및 습식 식각의 방법으로 할 수도 있다.
레이저 리프트 오프법을 예로 들면, 상기 기판(110) 방향으로 일정 영역의 파장을 가지는 엑시머 레이저 광을 포커싱(focusing)하여 조사하면, 상기 기판(110)과 발광 구조물(120)의 경계면에 열 에너지가 집중되어 경계면이 갈륨과 질소 분자로 분리되면서 레이저 광이 지나가는 부분에서 순간적으로 기판(110)과 버퍼층(115)의 분리가 일어난다.
도시되지는 않았으나, 발광 구조물(120)의 표면, 즉 제1 도전형 반도체층(122)의 표면을 식각하여 요철 구조를 형성할 수 있으며, 발광구조물(120)의 측면에 패시베이션층을 증착하고, 발광 구조물(120)의 표면에 제1 전극을 형성할 수 있다.
도 12에서 발광 구조물(120)의 표면, 즉 제1 도전형 반도체층(122)의 위에 마이크로 렌즈 어레이(MLA)를 형성한다. 이때, 마이크로 렌즈 어레이의 재료를 발광 구조물(120)의 상부에 패턴을 갖도록 증착할 수 있다.
상술한 공정에 따른 발광소자는 발광 구조물 표면의 마이크로 렌즈 어레이에서 빛의 출사 효율을 높여줄 수 있으며, 발광 구조물의 표면에 요철 구조를 형성하지 않고도 완전 채움율을 갖는 마이크로 렌즈 어레이에 의하여 광추출 효율을 상승시킬 수 있다.
이하에서는 상술한 발광소자 패키지가 배치된 조명 시스템의 일실시예로서, 조명장치와 백라이트 유닛을 설명한다.
도 13은 발광소자 패키지가 배치된 조명장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 조명 장치는 광을 투사하는 광원(600)과 상기 광원(600)이 내장되는 하우징(400)과 상기 광원(600)의 열을 방출하는 방열부(500) 및 상기 광원(600)과 방열부(500)를 상기 하우징(400)에 결합하는 홀더(700)를 포함하여 이루어진다.
상기 하우징(400)은 전기 소켓(미도시)에 결합되는 소켓 결합부(410)와, 상기 소켓결합부(410)와 연결되고 광원(600)이 내장되는 몸체부(420)를 포함한다. 몸체부(420)에는 하나의 공기유동구(430)가 관통하여 형성될 수 있다.
상기 하우징(400)의 몸체부(420) 상에 복수 개의 공기유동구(430)가 구비되어 있는데, 상기 공기유동구(430)는 하나의 공기유동구로 이루어지거나, 복수 개의 유동구를 도시된 바와 같은 방사상 배치 이외의 다양한 배치도 가능하다.
상기 광원(600)은 회로 기판(610) 상에 복수 개의 상술한 발광소자 패키지(650)가 구비된다. 여기서, 상기 회로 기판(610)은 상기 하우징(400)의 개구부에 삽입될 수 있는 형상일 수 있으며, 후술하는 바와 같이 방열부(500)로 열을 전달하기 위하여 열전도율이 높은 물질로 이루어질 수 있다.
상기 광원의 하부에는 홀더(700)가 구비되는데 상기 홀더(700)는 프레임과 또 다른 공기 유동구를 포함할 수 있다. 또한, 도시되지는 않았으나 상기 광원(100)의 하부에는 광학 부재가 구비되어 상기 광원(100)의 발광소자 패키지(150)에서 투사되는 빛을 확산, 산란 또는 수렴시킬 수 있다.
도 13은 발광소자 패키지가 배치된 표시장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 표시장치(800)는 광원 모듈(830, 835)과, 바텀 커버(810) 상의 반사판(820)과, 상기 반사판(820)의 전방에 배치되며 상기 광원모듈에서 방출되는 빛을 표시장치 전방으로 가이드하는 도광판(840)과, 상기 도광판(840)의 전방에 배치되는 제1 프리즘시트(850)와 제2 프리즘시트(860)와, 상기 제2 프리즘시트(860)의 전방에 배치되는 패널(870)과, 패널(870)과 연결되고 패널(870)에 화상 신호를 공급하는 화상 신호 출력 회로(872)와, 상기 패널(870)의 전반에 배치되는 컬러필터(880)를 포함하여 이루어진다.
광원 모듈은 회로 기판(830) 상의 상술한 발광소자 패키지(835)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 회로 기판(830)은 PCB 등이 사용될 수 있고, 발광소자 패키지(835)는 도 13에서 설명한 바와 같다.
상기 바텀 커버(810)는 표시 장치(800) 내의 구성 요소들을 수납할 수 있다.상기 반사판(820)은 본 도면처럼 별도의 구성요소로 마련될 수도 있고, 상기 도광판(840)의 후면이나, 상기 바텀 커버(810)의 전면에 반사도가 높은 물질로 코팅되는 형태로 마련되는 것도 가능하다.
여기서, 반사판(820)은 반사율이 높고 초박형으로 사용 가능한 소재를 사용할 수 있고, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephtalate; PET)를 사용할 수 있다.
도광판(840)은 발광소자 패키지 모듈에서 방출되는 빛을 산란시켜 그 빛이 액정 표시 장치의 화면 전영역에 걸쳐 균일하게 분포되도록 한다. 따라서, 도광판(840)은 굴절률과 투과율이 좋은 재료로 이루어지는데, 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate; PMMA), 폴리카보네이트(PolyCarbonate; PC), 또는 폴리에틸렌(PolyEthylene; PE) 등으로 형성될 수 있다. 그리고, 도광판이 생략되어 반사시트(820) 위의 공간에서 빛이 전달되는 에어 가이드 방식도 가능하다.
상기 제1 프리즘 시트(850)는 지지필름의 일면에, 투광성이면서 탄성을 갖는 중합체 재료로 형성되는데, 상기 중합체는 복수 개의 입체구조가 반복적으로 형성된 프리즘층을 가질 수 있다. 여기서, 상기 복수 개의 패턴은 도시된 바와 같이 마루와 골이 반복적으로 스트라이프 타입으로 구비될 수 있다.
상기 제2 프리즘 시트(860)에서 지지필름 일면의 마루와 골의 방향은, 상기 제1 프리즘 시트(850) 내의 지지필름 일면의 마루와 골의 방향과 수직할 수 있다. 이는 광원 모듈과 반사시트로부터 전달된 빛을 상기 패널(870)의 전방향으로 고르게 분산하기 위함이다.
본 실시예에서 상기 제1 프리즘시트(850)과 제2 프리즘시트(860)가 광학시트를 이루는데, 상기 광학시트는 다른 조합 예를 들어, 마이크로 렌즈 어레이로 이루어지거나 확산시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 또는 하나의 프리즘 시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 등으로 이루어질 수 있다.
상기 패널(870)은 액정 표시 패널(Liquid crystal display)가 배치될 수 있는데, 광원을 필요로 하는 다른 종류의 디스플레이 장치가 구비될 수 있다.
상기 패널(870)은, 유리 바디 사이에 액정이 위치하고 빛의 편광성을 이용하기 위해 편광판을 양 유리바디에 올린 상태로 되어있다. 여기서, 액정은 액체와 고체의 중간적인 특성을 가지는데, 액체처럼 유동성을 갖는 유기분자인 액정이 결정처럼 규칙적으로 배열된 상태를 갖는 것으로, 상기 분자 배열이 외부 전계에 의해 변화되는 성질을 이용하여 화상을 표시한다.
표시장치에 사용되는 액정 표시 패널은, 액티브 매트릭스(Active Matrix) 방식으로서, 각 화소에 공급되는 전압을 조절하는 스위치로서 트랜지스터를 사용한다.
상기 패널(870)의 전면에는 컬러 필터(880)가 구비되어 상기 패널(870)에서 투사된 빛을, 각각의 화소마다 적색과 녹색 및 청색의 빛만을 투과하므로 화상을 표현할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 발광소자 110 : 기판
120 : 발광 구조물 122, 126 : 제1,2 도전형 반도체층
124 : 활성층 130 : 오믹층
140 : 반사층 150 : 접합층
160 : 도전성 지지기판 170 : 마이크로 렌즈 어레이
180 : 패시베이션층 190, 195 : 제1,2 전극
200 : 발광소자 패키지 210 : 몸체
221, 222 : 제1,2 리드 프레임 230 : 도전성 접착층
240 : 와이어 250 : 몰딩부
260 : 형광체
400 : 하우징 500 : 방열부
600 : 광원 700 : 홀더
800 : 표시장치 810 : 바텀 커버
820 : 반사판 830 : 회로 기판 모듈
840 : 도광판 850, 860 : 제1,2 프리즘 시트
870 : 패널 880 : 컬러필터

Claims (10)

  1. 제1 도전형 반도체층과, 광을 방출하는 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 및
    상기 발광 구조물 위에 배치되며, 곡률이 서로 다른 마이크로 렌즈를 적어도 하나 포함하는 마이크로 렌즈 어레이;를 포함하며,
    각각의 마이크로 렌즈는 서로 다른 차수를 갖는 x=a1xn+a2xn-1+...+an (여기서, n은 1 이상의 정수)인 항식의 함수에 따라 배열되고, 결정된 값의 위치에 따라 마이크로 렌즈의 중심 영역이 위치하는 발광소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 곡률이 서로 다른 마이크로 렌즈는, 가로 방향(x)과 세로 방향(y) 및 대각선 방향(z) 중 어느 하나의 방향에 배치되는 발광소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이는, 기저면의 높이가 서로 다른 마이크로 렌즈를 적어도 하나 포함하며, 각각의 마이크로 렌즈의 최고점은 동일한 발광소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 발광 구조물의 측면 또는 상기 마이크로 렌즈 어레이의 측면 중 적어도 어느 하나에는 패시베이션층이 형성되는 발광소자.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이는 단면이 원형 또는 다각형으로 이루어지며, 직경 또는 대각선의 길이가 서로 다르게 배치되도록 크기가 서로 다른 마이크로 렌즈를 적어도 하나 포함하는 발광소자.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 패키지 몸체;
    상기 패키지 몸체에 배치된 제1 리드 프레임과 제2 리드 프레임;
    상기 패키지 몸체에 배치되고, 제1 리드 프레임 및 제2 리드 프레임과 전기적으로 연결되며, 제1 도전형 반도체층과 광을 방출하는 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물 및 상기 발광 구조물의 상기 제1 도전형 반도체층 또는 상기 제2 도전형 반도체층 위에 배치되며 곡률이 서로 다른 마이크로 렌즈를 적어도 하나 포함하는 마이크로 렌즈 어레이 및 각각의 마이크로 렌즈는 서로 다른 차수를 갖는 x=a1xn+a2xn-1+...+an (여기서, n은 1 이상의 정수)인 항식의 함수에 따라 배열되고 결정된 값의 위치에 따라 마이크로 렌즈의 중심 영역이 위치하는 발광소자; 및
    상기 발광소자의 측면과 상부면을 둘러싸는 몰딩부를 포함하는 발광소자 패키지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이는 상기 몰딩부의 상부에 배치되는 발광소자 패키지.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 몰딩부 위에 배치되어 상기 발광소자로부터 출사되는 빛의 진로를 변경하는 렌즈를 더 포함하고, 상기 마이크로 렌즈 어레이는 상기 렌즈의 상부에 배치되는 발광소자 패키지.
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