KR101805121B1 - 발광 소자, 발광 소자 패키지 및 조명 시스템 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 발광소자는, 지지 기판과, 지지 기판상에 형성된 제1 전극층과, 제1 전극층 상에 형성되는 제1 도전성 반도체층, 활성층, 및 제2 도전성 반도체층을 포함한 발광구조물과, 제2 도전성 반도체층의 상면의 적어도 일 영역에 형성된 요철부 및 투광성 구조물을 포함하며, 투광성 구조물은 요철부보다 높게 형성된다.

Description

발광 소자, 발광 소자 패키지 및 조명 시스템{Light emitting device, Light emitting device package and light system}
실시예는 발광 소자, 발광 소자 패키지 및 조명 시스템에 관한 것이다.
LED(Light Emitting Diode; 발광 다이오드)는 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기 신호를 적외선, 가시광선 또는 빛의 형태로 변환시키는 소자로, 가정용 가전제품, 리모콘, 전광판, 표시기, 각종 자동화 기기 등에 사용되고, 점차 LED의 사용 영역이 넓어지고 있는 추세이다.
보통, 소형화된 LED는 PCB(Printed Circuit Board) 기판에 직접 장착하기 위해서 표면실장소자(Surface Mount Device)형으로 만들어지고 있고, 이에 따라 표시소자로 사용되고 있는 LED 램프도 표면실장소자 형으로 개발되고 있다. 이러한 표면실장소자는 기존의 단순한 점등 램프를 대체할 수 있으며, 이것은 다양한 칼라를 내는 점등표시기용, 문자표시기 및 영상표시기 등으로 사용된다.
이와 같이 LED의 사용 영역이 넓어지면서, 생활에 사용되는 전등, 구조 신호용 전등 등에 요구되는 휘도가 높이지는 바, LED의 발광휘도를 증가시키는 것이 중요하다. 그러나, 발광휘도 뿐만 아니라 광 추출 효율 및 배광 패턴의 분포에 대한 고려도 필요하다.
실시예는 새로운 광 추출 구조를 갖는 발광 소자 및 발광 소자 패키지를 제공한다.
실시 예는 배광 분포를 개선한 발광 소자 및 발광 소자 패키지를 제공한다.
실시예에 따른 발광소자는, 지지 기판과, 지지 기판상에 형성된 제1 전극층과, 제1 전극층 상에 형성되는 제1 도전성 반도체층, 활성층, 및 제2 도전성 반도체층을 포함한 발광구조물과, 제2 도전성 반도체층의 상면의 적어도 일 영역에 형성된 요철부 및 투광성 구조물을 포함하며, 투광성 구조물은 요철부보다 높게 형성된다.
한편, 투광성 구조물은 요철부보다 1 um 내지 3 um 높게 형성될 수 있다.
한편, 투광성 구조물은 굴절률이 1.5 내지 2인 재질로 형성될 수 있다.
한편, 투광성 구조물은 균일한 크기를 가질 수 있다.
한편, 투광성 구조물은 균일한 이격 거리를 가질 수 있다.
실시예에 따른 발광소자는 광 추출 효율이 개선될 수 있다.
실시예에 따른 발광소자는 넓은 범위의 배광 패턴을 제공할 수 있다.
실시예는 발광 소자, 발광 소자 패지지 및 조명 시스템에 대한 신뢰성을 개선할 수 있다.
도 1a 는 실시예에 따른 발광소자의 구조를 도시한 단면도,
도 1b 는 실시예에 따른 발광소자의 구조를 도시한 단면도,
도 1c 는 실시예에 따른 발광소자의 구조를 도시한 단면도,
도 1d 는 실시예에 따른 발광소자의 상면의 일 영역을 나타낸 평면도,
도 2a 는 비교예의 배광 패턴을 나타낸 도면,
도 2b 는 실시예의 배광 패턴을 나타낸 도면,
도 3a 는 실시예의 발광 소자를 포함한 발광소자 패키지를 나타낸 사시도,
도 3b 는 실시예의 발광 소자를 포함한 발광소자 패키지를 나타낸 단면도,
도 4a 는 실시예에 따른 발광소자 모듈을 포함하는 조명장치를 도시한 사시도,
도 4b 는 실시예에 따른 발광소자 모듈을 포함하는 조명장치를 도시한 단면도,
도 5 는 실시예에 따른 발광소자 모듈을 포함하는 백라이트 유닛을 도시한 분해 사시도, 그리고
도 6 은 실시예에 따른 발광소자 모듈을 포함하는 백라이트 유닛을 도시한 분해 사시도이다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하에서는 도면을 참조하여 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1a 및 도1b 는 실시예에 따른 발광소자의 구조를 도시한 단면도이며, 도 1c 는 도 1a 및 도 1b 의 발광소자의 상면의 일 영역을 도시한 평면도이다.
도 1a 내지 도 1c 를 참조하면, 실시예에 따른 발광소자(100)는 지지기판(110)과, 지지기판(110) 상에 형성된 제1 전극층(130)과, 제1 전극층(130) 상에 형성되며 제1 도전성 반도체층(142), 활성층(144), 제2 도전성 반도체층(146)이 순차적으로 적층된 발광 구조물(140)과, 제2 도전성 반도체층(146)의 상면의 적어도 일 영역에 형성되는 요철부(160) 및 투광성 구조물(170)을 포함하며, 투광성 구조물(170)은 요철부(160)보다 높게 형성된다.
지지기판(110)은 열전도성이 우수한 물질을 이용하여 형성할 수 있으며, 또한 전도성 물질로 형성할 수 있는데, 금속 물질 또는 전도성 세라믹을 이용하여 형성할 수 있다. 전도성 지지기판(110)은 단일층으로 형성될 수 있고, 이중 구조 또는 그 이상의 다중 구조로 형성될 수 있다.
즉, 지지기판(110)은 금속, 예를 들어 Au, Ni, W, Mo, Cu, Al, Ta, Ag, Pt, Cr중에서 선택된 어느 하나로 형성하거나 둘 이상의 합금으로 형성할 수 있으며, 서로 다른 둘 이상의 물질을 적층하여 형성할 수 있다. 또한 지지기판(110)은 Si, Ge, GaAs, ZnO, SiC, SiGe, GaN, Ga2O3 와 같은 캐리어 웨이퍼로 구현될 수 있다.
이와 같은 지지기판(110)은 발광 소자(100)에서 발생하는 열의 방출을 용이하게 하여 발광 소자(100)의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다.
제1 전극층(130)은 지지 기판(110) 상에 형성된다. 제1 전극층(130)은 오믹층(ohmic layer)(미도시), 반사층(reflective layer)(미도시), 본딩층(bonding layer)(미도시) 중 적어도 한 층을 포함할 수 있다. 예를 들어 제1 전극층(130)은 오믹층/반사층/본딩층의 구조이거나, 오믹층/반사층의 적층 구조이거나, 반사층(오믹 포함)/본딩층의 구조일 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다. 예컨대, 제1 전극층(130)은 절연층상에 반사층 및 오믹층이 순차로 적층된 형태일 수 있다.
반사층(미도시)은 오믹층(미도시) 및 절연층(미도시) 사이에 배치될 수 있으며, 반사특성이 우수한 물질, 예를들어 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 및 이들의 선택적인 조합으로 구성된 물질 중에서 형성되거나, 상기 금속 물질과 IZO, IZTO, IAZO, IGZO, IGTO, AZO, ATO 등의 투광성 전도성 물질을 이용하여 다층으로 형성할 수 있다. 또한 반사층(미도시)은 IZO/Ni, AZO/Ag, IZO/Ag/Ni, AZO/Ag/Ni 등으로 적층할 수 있다. 또한 반사층(미도시)을 발광 구조물(예컨대, 제1 도전성 반도체층(142))과 오믹 접촉하는 물질로 형성할 경우, 오믹층(미도시)은 별도로 형성하지 않을 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
오믹층(미도시)은 발광 구조물(140)의 하면에 오믹 접촉되며, 층 또는 복수의 패턴으로 형성될 수 있다. 오믹층(미도시)은 투광성 전도층과 금속이 선택적으로 사용될 수 있으며, 예를 들어, 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), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni, Ag, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO 중 하나 이상을 이용하여 단층 또는 다층으로 구현할 수 있다. 오믹층(미도시)은 제1 도전성 반도체층(142)에 캐리어의 주입을 원활히 하기 위한 것으로, 반드시 형성되어야 하는 것은 아니다.
또한 제1 전극층(130)은 본딩층(미도시)을 포함할 수 있으며, 이때 본딩층(미도시)은 배리어 금속(barrier metal), 또는 본딩 금속, 예를 들어, Ti, Au, Sn, Ni, Cr, Ga, In, Bi, Cu, Ag 또는 Ta 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며 이에 한정하지 않는다.
발광구조물(140)은 적어도 제1 도전성 반도체층(142), 활성층(144) 및 제2 도전성 반도체층(146)을 포함할 수 있고, 제1 도전성 반도체층(142)과 제1 도전성 반도체층(146) 사이에 활성층(144)이 개재된 구성으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 전극층(130) 상에는 제1 도전성 반도체층(142)이 형성될 수 있다. 상기 제1 도전성 반도체층(142)은 p형 도펀트가 도핑된 p형 반도체층으로 구현될 수 있다. 상기 p형 반도체층은 InxAlyGa1 -x- yN (0=x=1, 0 =y=1, 0=x+y=1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.
상기 제1 도전성 반도체층(142) 상에는 활성층(144)이 형성된다. 상기 활성층(144)은 3족-5족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 단일 또는 다중 양자 우물 구조, 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 등으로 형성될 수 있다.
상기 활성층(144)이 양자우물구조로 형성된 경우 예컨데, InxAlyGa1 -x- yN (0=x=1, 0 =y=1, 0=x+y=1)의 조성식을 갖는 우물층과 InaAlbGa1 -a- bN (0=a=1, 0 =b=1, 0=a+b=1)의 조성식을 갖는 장벽층을 갖는 단일 또는 양자우물구조를 갖을 수 있다. 상기 우물층은 상기 장벽층의 밴드 갭보다 낮은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
상기 활성층(144)의 위 또는/및 아래에는 도전성 클래드층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 도전성 클래드층(미도시)은 AlGaN계 반도체로 형성될 수 있으며, 상기 활성층(144)의 밴드 갭보다는 큰 밴드 갭을 가질 수 있다.
활성층(144) 상에는 제2 도전성 반도체층(146)이 형성될 수 있다. 상기 제2 도전성 반도체층(146)은 n형 반도체층으로 구현될 수 있으며, 상기 n형 반도체층은 예컨데, InxAlyGa1 -x- yN (0=x=1, 0 =y=1, 0=x+y=1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며, 예를 들어, Si, Ge, Sn, Se, Te와 같은 n형 도펀트가 도핑된다.
상기 제2 도전성 반도체층 상에는(146) 상기 제2 도전성 반도체층(146)과 전기적으로 연결된 제2 전극층(150)을 포함할 수 있으며, 상기 제2 전극층(150)은 적어도 하나의 패드 또는/및 소정 패턴을 갖는 전극을 포함한다. 상기 제2 전극층(150)은 상기 제2 도전성 반도체층(146)의 상면 중 센터 영역, 외측 영역 또는 모서리 영역에 배치될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 패드에는 적어도 하나의 핑거(finger) 패턴을 갖는 전극이 연결될 수 있다. 상기 제2 전극층(150)은 상기 제2 도전성 반도체층(146)의 위가 아닌 다른 영역에 배치될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 제2 전극층(150)은 전도성 물질, 예를들어 In, Co, Si, Ge, Au, Pd, Pt, Ru, Re, Mg, Zn, Hf, Ta, Rh, Ir, W, Ti, Ag, Cr, Mo, Nb, Al, Ni, Cu, 및 WTi 중에서 선택된 금속 또는 합금을 이용하여 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다.
상기 제2 전극층(150)은 상기 제2 도전성 반도체층(146)의 평탄한 상면 위에 배치될 수 있고 평탄하지 않는 요철부(160) 위에 배치될 수도 있으며, 이에 한정하지 아니한다..
한편, 발광 구조물(140)은 상기 제1 도전성 반도체층(142) 아래에 제1 도전성 반도체층(142)과 반대의 극성을 갖는 제3 도전성 반도체층(미도시)을 포함할 수 있다. 또한 제1 도전성 반도체층(142)이 n 형 반도체층이고, 제2 도전성 반도체층(146)이 p 형 반도체층으로 구현될 수도 있다. 이에 따라 발광 구조층(140)은 N-P 접합, P-N 접합, N-P-N 접합 및 P-N-P 접합 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
발광 구조물(140)의 측면 및 상부 영역에는 패시베이션(180)이 형성될 수 있으며, 패시베이션(180)은 절연성 재질로 형성될 수 있다.
제2 도전성 반도체층(146)은 상부의 표면 일부 영역 또는 전체 영역에 대해 형성된 요철부(160)을 포함할 수 있다.
요철부(160)는 제2 도전성 반도체층(146)의 상부 표면의 일부 또는 전체 영역에 형성될 수 있다. 요철부(160)는 발광 구조물(140)의 상면 예컨대, 제2 도전성 반도체층(146)의 상면의 적어도 일 영역에 대해 에칭을 수행함으로써 형성될 수 있다. 상기 에칭 과정은 습식 또는/및 건식 에칭 공정을 포함하며, 상기 에칭 면은 n-face로서, 습식 에칭에 의해 용이하게 에칭될 수 있으며, Ga-face에 비해 표면 거칠기가 향상될 수 있다. 에칭 과정을 거침에 따라서, 제2 도전성 반도체층(146)의 상면은 광 추출 구조를 형성하는 요철부(160)가 형성되며, 그 높이는 0.1 um 내지 3 um 정도로 형성될 수 있다. 요철부(160)는 랜덤한 크기로 불규칙하게 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 요철부(160)는 평탄하지 않는 상면으로서, 텍스쳐(texture) 패턴, 요철 패턴, 평탄하지 않는 패턴(uneven pattern) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
요철부(160)는 측 단면이 원기둥, 다각기둥, 원뿔, 다각뿔, 원뿔대, 다각뿔대 등 다양한 형상을 갖도록 형성될 수 있으며, 바람직하게는 뿔 형상을 포함한다.
한편, 상기 요철부(160)는 PEC(photo electro chemical), 또는 KOH 용액을 사용한 습식 식각 방법 등의 방법으로 형성될 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다. 요철부(160)가 제2 도전성 반도체층(146)의 상부면에 형성됨에 따라서 활성층(144)으로부터 생성된 빛이 제2 도전성 반도체층(142)의 상부면으로부터 전반사되어 발광구조물(140)내에서 재흡수되거나 산란되는 것이 방지될 수 있으므로, 발광소자(100)의 광 추출 효율의 향상에 기여할 수 있다.
제2 도전성 반도체층(146)의 상부 표면의 적어도 일 영역에는 적어도 하나의 투광성 구조물(170)이 형성되며, 투광성 구조물(170)은 도전성 반도체층, 예컨대 제2 도전성 반도체 층(146)과 다른 물질로서, 상기 제2 도전성 반도체층(146)의 굴절률보다 낮고 공기(Air)층보다는 높은 굴절률을 갖는 물질이며, 절연성 물질 또는/및 전도성 물질을 포함할 수 있다. 상기 절연성 물질은 SiO2, SiOx, SiN, SiOxNy, Si3N4, Al2O3, TiO2 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 전도성 물질은 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), IrOx, RuOx, RuOx, RuOx/ITO 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 투광성 구조물(170)은 실리콘 또는 에폭시와 같은 투광성 수지 계열로 형성될 수 있으며, 다른 예로서 적어도 일부는 공기로 채워질 수 있다.
예를 들면, 투광성 구조물(170)을 형성하는 광투과성 재질은 굴절률이 1.5 내지 2인 재질일 수 있다. 이는 제2 도전성 반도체층의 굴절률보다 낮은 굴절률로서, 배광 패턴을 개선하고 발광소자의 광 추출 효율을 개선시켜 줄 수 있다.
한편, 투광성 구조물(170)은 제2 도전성 반도체층(146)의 상부 표면의 수개의 영역에 형성될 수 있으며, 투광성 구조물(170)이 형성된 영역은 요철부(160)가 형성된 영역 내에 위치한 부분 영역일 수 있다. 한편, 각각의 투광성 구조물(170)은 측 단면이 다각형, 원기둥, 다각기둥, 원뿔, 다각뿔, 원뿔대, 다각뿔대, 렌즈 형상 등 다양한 형상을 갖도록 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
투광성 구조물(170)은 도 1a 에 도시된 바와 같이 제2 도전성 반도체층(146)의 상부 표면을 에칭하여 요철부(160)를 형성하고 요철부(160) 상의 적어도 일 영역에 마스크 패턴(mask pattern)(미도시)을 형성한 후 마스크 패턴(미도시)이 형성되지 않은 타 영역에 광투과성을 갖는 재질을 삽입, 증착, 또는 도포하여 형성될 수 있고, 또는 도 1b 에 도시된 바와 같이 제2 도전성 반도체층(146)의 상부 표면의 부분 영역을 에칭하여 요철부(160)를 형성하고 요철부(160)가 형성되지 않은 타 영역에 광투과성을 갖는 재질을 삽입, 증착, 또는 도포하여 형성될 수 있으며, 또는 제2 도전성 반도체층(146)의 상부 영역에 요철부(160)를 형성하기 전에 제2 도전성 반도체층(146)의 적어도 일 영역에 투광성 구조물을 형성한 후 타 영역을 에칭, 또는 식각하여 요철부(160)를 형성할 수도 있으며, 이에 한정하지 아니한다.
한편, 에칭 과정은 건식 에칭 및/또는 습식 에칭 과정으로 수행될 수 있다. 또한, 마스크 패턴의 크기 및 마스크 패턴 사이의 간격은 동일하거나 또는 상이할 수 있으며, 이에 따라서 투광성 구조물의 넓이 및 간격이 조절될 수 있다.
투광성 구조물(160)의 높이는 요철부(160)의 높이보다 높게 형성될 수 있다. 바람직하게는, 도 1a 에 도시된 바와 같이 투광성 구조물(160)의 높이와 요철부(160)의 높이의 차이 t 는 1 um 내지 3 um 일 수 있다.
제2 도전성 반도체층(146)의 상부면에 투광성 구조물(170)이 형성되고, 투광성 구조물(170)은 요철부(160)보다 높게 형성됨으로써, 활성층(144)으로부터 발생한 광이 투광성 구조물(170)을 통하여 측방향으로 각을 형성하며 진행할 수 있어서 발광소자의 광 추출 효율이 향상되고 배광 분포가 개선될 수 있다.
한편, 투광성 구조물(170)의 상면(172)은 높이 및 곡률 중 적어도 하나가 균일하게 형성된 균일 영역을 포함할 수 있다. 따라서, 투광성 구조물(170)의 상면(172)은 도 1a 에 도시된 바와 같이 평탄면이나, 또는 도 1c 에 도시된 바와 같이 곡면을 포함할 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다.
바람직하게는, 발광소자(100)를 위에서 보았을 때 투광성 구조물(170)이 형성된 영역의 면적은 제2 도전성 반도체층(146)의 상부면 면적의 50% 내지 70% 일 수 있다. 투광성 구조물(170)이 형성된 영역의 면적이 제2 도전성 반도체층(146)의 상부면 면적의 50% 보다 작으면, 투광성 구조물(170)에 의한 광 추출 효율 향상 및 배광 분포 개선 효과가 확보되기 어려울 수 있다. 한편, 투광성 구조물(170)이 형성된 영역의 면적이 제2 도전성 반도체층(146)의 상부면 면적의 70% 보다 크면, 요철부(160)가 형성된 영역이 줄어들어 광 추출 효율이 저하될 수 있다.
바람직하게는, 각각의 투광성 구조물(170)은 상방향에서 보았을 때 균일한 면적을 가질 수 있으며, 더욱 바람직하게는 각각의 투광성 구조물(170)의 너비는 5 um 내지 6 um 일 수 있다. 또한, 바람직하게는 각각의 투광성 구조물(170)은 균일한 이격 거리를 갖도록 형성될 수 있으며, 각각의 투광성 구조물(170)의 이격 거리는 2 um 내지 3um 일 수 있다.
투광성 구조물(170)이 균일한 크기 및 이격 거리를 갖도록 형성됨으로써, 발광소자(100)의 배광 패턴이 개선될수 있으며 발광소자(100)의 광 추출이 균일하게 이루어 질 수 있어서, 발광소자(100)의 발광 효율이 개선될 수 있다.
한편, 투광성 구조물(170)은, 도 1d 에 도시된 바와 같이 렌즈 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 바람직하게는, 투광성 구조물(170)이 렌즈 형상으로 형성된 경우, 투광성 구조물(170)의 직경 w 은 5um 내지 6 um 일 수 있으며, 각각의 투광성 구조물(170)의 이격 거리 d 는 2 um 내지 3 um 일 수 있다. 한편, 투광성 구조물(170)의 피치(pitch) p 는 6 um 내지 10 um 일 수 있으며, 바람직하게는 7 um 내지 10 um 일 수 있다.
도 2a 및 도 2b 는 비교예와 실시예의 배광 패턴을 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b 와 같이, 실시예에 따른 발광 소자의 배광 패턴은 비교예와 실시예를 비교할 때, 비교예의 배광 패턴과 달리 실시예의 배광 패턴은 센터 영역에 집중되지 아니하고 더욱 넓은 범위의 분포 영역을 가짐을 알 수 있다. 이에 따라 수직형 전극 구조를 갖는 발광 소자의 배광 패턴은 타켓 방향이 더 광범위한 배광 패턴으로 제공될 수 있다. 따라서, 발광 소자를 갖는 발광 소자 패키지, 및 조명 시스템 상에서의 배광 패턴을 더 넓게 해 줌으로써, 발광 소자의 광 추출 효율을 개선할 수 있고, 발광 소자의 신뢰성을 개선시켜줄 수 있다.
도 3a는 실시예에 따른 발광소자를 포함한 발광소자 패키지를 나타낸 사시도이며, 도 3b는 실시예에 따른 발광소자를 포함한 발광소자 패키지의 단면을 도시한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b 를 참조하면, 실시예에 따른 발광소자 패키지(300)는 캐비티가 형성된 몸체(310), 몸체(310)에 실장된 제1 및 제2 전극(340, 350) 제1 및 제2 전극과 전기적으로 연결되는 발광소자(320) 및 캐비티에 형성되는 봉지재(330)를 포함할 수 있고, 봉지재(330)는 형광체(미도시)를 포함할 수 있다.
몸체(310)는 폴리프탈아미드(PPA:Polyphthalamide)와 같은 수지 재질, 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 액정폴리머(PSG, photo sensitive glass), 폴리아미드9T(PA9T), 신지오택틱폴리스티렌(SPS), 금속 재질, 사파이어(Al2O3), 베릴륨 옥사이드(BeO), 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board), 세라믹 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 몸체(310)는 사출 성형, 에칭 공정 등에 의해 형성될 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.
몸체(310)의 내측면은 경사면이 형성될 수 있다. 이러한 경사면의 각도에 따라 발광소자(320)에서 방출되는 광의 반사각이 달라질 수 있으며, 이에 따라 외부로 방출되는 광의 지향각을 조절할 수 있다.
몸체(310)에 형성되는 캐비티를 위에서 바라본 형상은 원형, 사각형, 다각형, 타원형 등의 형상일 수 있으며, 특히 모서리가 곡선인 형상일 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
봉지재(330)는 캐비티에 충진될 수 있으며, 형광체(미도시)를 포함할 수 있다. 봉지재(330)는 투명한 실리콘, 에폭시, 및 기타 수지 재질로 형성될 수 있으며, 캐비티 내에 충진한 후, 이를 자외선 또는 열 경화하는 방식으로 형성될 수 있다.
형광체(미도시)는 발광소자(320)에서 방출되는 광의 파장에 따라 종류가 선택되어 발광소자 패키지(300)가 백색광을 구현하도록 할 수 있다.
봉지재(330)에 포함되어 있는 형광체(미도시)는 발광소자(320)에서 방출되는 광의 파장에 따라 청색 발광 형광체, 청록색 발광 형광체, 녹색 발광 형광체, 황녹색 발광 형광체, 황색 발광 형광체, 황적색 발광 형광체, 오렌지색 발광 형광체, 및 적색 발광 형광체중 하나가 적용될 수 있다.
즉, 형광체(미도시)는 발광소자(320)에서 방출되는 제1 빛을 가지는 광에 의해 여기 되어 제2 빛을 생성할 수 있다. 예를 들어, 발광소자(320)가 청색 발광 다이오드이고 형광체(미도시)가 황색 형광체인 경우, 황색 형광체는 청색 빛에 의해 여기되어 황색 빛을 방출할 수 있으며, 청색 발광 다이오드에서 발생한 청색 빛 및 청색 빛에 의해 여기 되어 발생한 황색 빛이 혼색됨에 따라 발광소자 패키지(300)는 백색 빛을 제공할 수 있다.
이와 유사하게, 발광소자(320)가 녹색 발광 다이오드인 경우는 magenta 형광체 또는 청색과 적색의 형광체(미도시)를 혼용하는 경우, 발광소자(320)가 적색 발광 다이오드인 경우는 Cyan형광체 또는 청색과 녹색 형광체를 혼용하는 경우를 예로 들 수 있다.
이러한 형광체(미도시)는 YAG계, TAG계, 황화물계, 실리케이트계, 알루미네이트계, 질화물계, 카바이드계, 니트리도실리케이트계, 붕산염계, 불화물계, 인산염계 등의 공지된 것일 수 있다.
한편, 몸체(310)에는 제1 전극(340) 및 제2 전극(350)이 실장될 수 있다. 제1 전극(340) 및 제2 전극(350)은 발광소자(320)와 전기적으로 연결되어 발광소자(320)에 전원을 공급할 수 있다.
제1 전극(340) 및 제2 전극(350)은 서로 전기적으로 분리되며, 발광소자(320)에서 발생된 빛을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있고, 또한 발광소자(320)에서 발생된 열을 외부로 배출시킬 수 있다.
도 2에는 발광소자(320)가 제1 전극(350) 상에 실장되었으나, 이에 한정되지 않으며, 발광소자(320)와 제1 전극(340) 및 제2 전극(350)은 와이어 본딩(wire bonding) 방식, 플립 칩(flip chip) 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다.
이러한 제1 전극(340) 및 제2 전극(350)은 금속 재질, 예를 들어, 티타늄(Ti), 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au), 크롬(Cr), 탄탈늄(Ta), 백금(Pt), 주석(Sn), 은(Ag), 인(P), 알루미늄(Al), 인듐(In), 팔라듐(Pd), 코발트(Co), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 하프늄(Hf), 루테늄(Ru), 철(Fe) 중에서 하나 이상의 물질 또는 합금을 포함할 수 있다. 또한, 제1 전극(340) 및 제2 전극(350)은 단층 또는 다층 구조를 가지도록 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
발광소자(320)는 제1 전극(340) 상에 실장되며, 예를 들어, 적색, 녹색, 청색, 백색 등의 빛을 방출하는 발광 소자 또는 자외선을 방출하는 UV(Ultra Violet) 발광 소자일 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다. 또한, 발광 소자(320)는 한 개 이상 실장될 수 있다.
또한, 발광소자는 그 전기 단자들이 모두 상부 면에 형성된 수평형 타입(Horizontal type)이거나, 또는 상, 하부 면에 형성된 수직형 타입(Vertical type), 또는 플립 칩 모두에 적용 가능하다.
한편, 발광소자(320)는 투광성 구조물(미도시)을 포함하고, 투광성 구조물(미도시)은 상면의 높이 및 곡률 중 적어도 하나가 균일하게 형성된 균일면(미도시)을 포함함으로써, 활성층(미도시)으로부터 발생한 광이 투광성 구조물(미도시)을 통하여 측방향으로 각을 형성하며 진행될 수 있어서 발광소자 패키지(300)의 광 추출 효율이 향상될 수 있으며, 또한 배광 분포가 개선될 수 있다. 또한, 발광소자(320)로부터 배광된 광이 더욱 넓은 영역으로 배광될 수 있으므로, 봉지재(330)를 통과하는 광이 상방향의 좁은 영역으로 집중되어 진행되지 않고 넓은 범위로 진행될 수 있어서 발광소자 패키지(300)의 봉지재(330) 및 봉지재(330) 내의 형광체(미도시)가 더욱 빨리 노화되는 것이 방지되어 발광소자 패키지(300)의 신뢰성이 더욱 향상될 수 있다.
실시예에 따른 발광소자 패키지(300)는 복수개가 기판 상에 어레이되며, 발광소자 패키지(300)의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다.
이러한 발광소자 패키지(300), 기판, 광학 부재는 라이트 유닛으로 기능할 수 있다. 또 다른 실시 예는 상술한 실시 예들에 기재된 발광소자(100) 또는 발광소자 패키지(300)를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 시스템으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
도 4a는 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 조명 시스템을 도시한 사시도이며, 도 4b는 도 4a의 조명 시스템의 D -D' 단면을 도시한 단면도이다.
즉, 도 4b 는 도 4a의 조명 시스템(400)을 길이방향(Z)과 높이방향(X)의 면으로 자르고, 수평방향(Y)으로 바라본 단면도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 조명 시스템(400)은 몸체(410), 몸체(410)와 체결되는 커버(430) 및 몸체(410)의 양단에 위치하는 마감캡(450)을 포함할 수 있다.
몸체(410)의 하부면에는 발광소자 모듈(440)이 체결되며, 몸체(410)는 발광소자 패키지(444)에서 발생한 열이 몸체(410)의 상부면을 통해 외부로 방출할 수 있도록 전도성 및 열발산 효과가 우수한 금속재질로 형성될 수 있고, 이에 한정하지 아니한다.
특히, 발광소자 패키지(444)는 발광소자(미도시)를 포함하며, 발광소자(미도시)는 투광성 구조물(미도시)을 포함하고, 투광성 구조물(미도시)은 상면의 높이 및 곡률 중 적어도 하나가 균일하게 형성된 균일면(미도시)을 포함함으로써, 발광소자 패키지(444) 및 조명 시스템(400)의 광추출 효율이 향상되고 배광 분포가 개선될 수 있으며, 조명 시스템(400)의 신뢰성이 더욱 향상될 수 있다.
발광소자 패키지(444)는 기판(442) 상에 다색, 다열로 실장되어 모듈을 이룰 수 있으며, 동일한 간격으로 실장되거나 또는 필요에 따라서 다양한 이격 거리를 가지고 실장될 수 있어 밝기 등을 조절할 수 있다. 이러한 기판(442)으로 MCPCB(Metal Core PCB) 또는 FR4 재질의 PCB 를 사용할 수 있다.
커버(430)는 몸체(410)의 하부면을 감싸도록 원형의 형태로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않음은 물론이다.
커버(430)는 내부의 발광소자 모듈(440)을 외부의 이물질 등으로부터 보호한다. 또한, 커버(430)는 발광소자 패키지(444)에서 발생한 광의 눈부심을 방지하고, 외부로 광을 균일하게 방출할 수 있도록 확산입자를 포함할 수 있으며, 또한 커버(430)의 내면 및 외면 중 적어도 어느 한 면에는 프리즘 패턴 등이 형성될 수 있다. 또한 커버(430)의 내면 및 외면 중 적어도 어느 한 면에는 형광체가 도포될 수도 있다.
한편, 발광소자 패키지(444)에서 발생하는 광은 커버(430)를 통해 외부로 방출되므로, 커버(430)는 광투과율이 우수하여야 하며, 발광소자 패키지(444)에서 발생하는 열에 견딜 수 있도록 충분한 내열성을 구비하고 있어야 하는 바, 커버(430)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylen Terephthalate; PET), 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), 또는 폴리메틸 메타크릴레이트(Polymethyl Methacrylate; PMMA) 등을 포함하는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
마감캡(450)은 몸체(410)의 양단에 위치하며 전원장치(미도시)를 밀폐하는 용도로 사용될 수 있다. 또한 마감캡(450)에는 전원 핀(452)이 형성되어 있어, 실시예에 따른 조명 시스템(400)은 기존의 형광등을 제거한 단자에 별도의 장치 없이 곧바로 사용할 수 있게 된다.
도 5는 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 액정표시장치의 분해 사시도이다.
도 5는 에지-라이트 방식으로, 액정 표시 장치(500)는 액정표시패널(510)과 액정표시패널(510)로 빛을 제공하기 위한 백라이트 유닛(570)을 포함할 수 있다.
액정표시패널(510)은 백라이트 유닛(570)으로부터 제공되는 광을 이용하여 화상을 표시할 수 있다. 액정표시패널(510)은 액정을 사이에 두고 서로 대향하는 컬러 필터 기판(512) 및 박막 트랜지스터 기판(514)을 포함할 수 있다.
컬러 필터 기판(512)은 액정표시패널(510)을 통해 디스플레이되는 화상의 색을 구현할 수 있다.
박막 트랜지스터 기판(514)은 구동 필름(517)을 통해 다수의 회로부품이 실장되는 인쇄회로기판(518)과 전기적으로 접속되어 있다. 박막 트랜지스터 기판(514)은 인쇄회로기판(518)으로부터 제공되는 구동 신호에 응답하여 인쇄회로기판(518)으로부터 제공되는 구동 전압을 액정에 인가할 수 있다.
박막 트랜지스터 기판(514)은 유리나 플라스틱 등과 같은 투명한 재질의 다른 기판상에 박막으로 형성된 박막 트랜지스터 및 화소 전극을 포함할 수 있다.
백라이트 유닛(570)은 빛을 출력하는 발광소자 모듈(520), 발광소자 모듈(520)로부터 제공되는 빛을 면광원 형태로 변경시켜 액정표시패널(510)로 제공하는 도광판(530), 도광판(530)으로부터 제공된 빛의 휘도 분포를 균일하게 하고 수직 입사성을 향상시키는 다수의 필름(550, 566, 564) 및 도광판(530)의 후방으로 방출되는 빛을 도광판(530)으로 반사시키는 반사 시트(540)로 구성된다.
발광소자 모듈(520)은 복수의 발광소자 패키지(524)와 복수의 발광소자 패키지(524)가 실장되어 모듈을 이룰 수 있도록 PCB기판(522)을 포함할 수 있다.
특히, 발광소자 패키지(524)는 발광소자(미도시)를 포함하며, 발광소자(미도시)는 투광성 구조물(미도시)을 포함하고, 투광성 구조물(미도시)은 상면의 높이 및 곡률 중 적어도 하나가 균일하게 형성된 균일면(미도시)을 포함함으로써, 백라이트 유닛(570)의 광추출 효율이 향상되고 배광 분포가 개선될 수 있으며, 백라이트 유닛(570)의 신뢰성이 더욱 향상될 수 있다.
한편, 백라이트유닛(570)은 도광판(530)으로부터 입사되는 빛을 액정 표시 패널(510) 방향으로 확산시키는 확산필름(566)과, 확산된 빛을 집광하여 수직 입사성을 향상시키는 프리즘필름(550)으로 구성될 수 있으며, 프리즘필름(550)를 보호하기 위한 보호필름(564)을 포함할 수 있다.
도 6은 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 액정표시장치의 분해 사시도이다. 다만, 도 5에서 도시하고 설명한 부분에 대해서는 반복하여 상세히 설명하지 않는다.
도 6은 직하 방식으로, 액정 표시 장치(600)는 액정표시패널(610)과 액정표시패널(610)로 빛을 제공하기 위한 백라이트 유닛(670)을 포함할 수 있다.
액정표시패널(610)은 도 5에서 설명한 바와 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.
백라이트 유닛(670)은 복수의 발광소자 모듈(623), 반사시트(624), 발광소자 모듈(623)과 반사시트(624)가 수납되는 하부 섀시(630), 발광소자 모듈(623)의 상부에 배치되는 확산판(640) 및 다수의 광학필름(660)을 포함할 수 있다.
발광소자 모듈(623) 복수의 발광소자 패키지(622)와 복수의 발광소자 패키지(622)가 실장되어 모듈을 이룰 수 있도록 PCB기판(621)을 포함할 수 있다.
특히, 발광소자 패키지(622)는 발광소자(미도시)를 포함하며, 발광소자(미도시)는 투광성 구조물(미도시)을 포함하고, 투광성 구조물(미도시)은 상면의 높이 및 곡률 중 적어도 하나가 균일하게 형성된 균일면(미도시)을 포함함으로써, 백라이트 유닛(670)의 광추출 효율이 향상되고 배광 분포가 개선될 수 있으며, 백라이트 유닛(670)의 신뢰성이 더욱 향상될 수 있다.
반사 시트(624)는 발광소자 패키지(622)에서 발생한 빛을 액정표시패널(610)이 위치한 방향으로 반사시켜 빛의 이용 효율을 향상시킨다.
한편, 발광소자 모듈(623)에서 발생한 빛은 확산판(640)에 입사하며, 확산판(640)의 상부에는 광학 필름(660)이 배치된다. 광학 필름(660)은 확산 필름(666), 프리즘필름(650) 및 보호필름(664)를 포함하여 구성된다.
실시예에 따른 발광소자는 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다
100 : 발광소자 130 : 제1 전극층
140 : 발광구조물 142 : 제1 도전성 반도체층
144 : 활성층 146 : 제2 도전성 반도체층
150 : 제2 전극층 160 : 요철부
170 : 투광성 구조물 180 : 패시베이션
300 : 발광소자 패키지.

Claims (17)

  1. 지지 기판;
    상기 지지 기판상에 형성되는 제1 전극층;
    상기 제1 전극층 상에 형성되는 제1 도전성 반도체층, 활성층, 및 제2 도전성 반도체층을 포함하는 발광구조물; 및
    상기 제2 도전성 반도체층의 상면의 적어도 일 영역에 형성되는 요철부 및 복수개의 투광성 구조물을 포함하며,
    상기 투광성 구조물은 상기 요철부보다 1 um 내지 3 um 높게 형성되며,
    상기 투광성 구조물은 투광성 수지계열로 형성되며 적어도 일부는 공기로 채워지며,
    상기 투광성 구조물의 너비는 5 um 내지 6 um 이며,
    상기 투광성 구조물은 서로 균일한 이격 거리를 갖도록 형성되며,
    상기 투광성 구조물은 서로 2 um 내지 3 um 의 이격거리를 갖게 배치된 발광소자.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 투광성 구조물은 상기 제1 도전성 반도체층의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가지며,
    상기 투광성 구조물은 1.5 내지 2의 굴절률을 갖는 재질을 포함하는 발광소자.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 투광성 구조물은,
    실리콘 또는 에폭시를 포함하는 발광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 투광성 구조물의 상면은 평탄면 또는 곡면을 포함하며,
    상기 투광성 구조물이 형성된 영역의 면적은 상기 제2 도전성 반도체층의 상부면의 면적의 50% 내지 70% 인 발광소자.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 투광성 구조물은 모두 균일한 면적을 가지며,
    상기 투광성 구조물은 다각형의 형상을 갖는 발광소자.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    상기 투광성 구조물은 곡률을 갖는 렌즈의 형상을 갖는 발광소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 투광성 구조물은 6 um 내지 10 um 의 피치를 또는 7 um 내지 9 um 의 피치를 갖게 형성된 발광소자.
  15. 삭제
  16. 제1항, 제3항, 제5항, 제6항, 제8항, 제13항 및 제14항 중 어느 한 항의 발광소자를 포함한 발광소자 패키지.
  17. 제1항, 제3항, 제5항, 제6항, 제8항, 제13항 및 제14항 중 어느 한 항의 발광소자를 포함한 조명 시스템.
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