KR101999775B1 - 발광 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광 소자로서, 상기 발광 소자의 전기적 접촉을 위해 적어도 2개의 연결 지점들(1a, 1b)을 포함하는 금속 캐리어(1)와, 2개의 연결 지점들(1a, 1b)에 전기적으로 전도되도록 연결되는 레이저 다이오드 칩(2)과, 금속 캐리어(1)를 부분적으로 감싸는 하우징을 갖는 발광 소자에 있어서, 상기 하우징(3)은 플라스틱으로 형성되고, 상기 연결 지점들(1a, 1b)은 각각 적어도 부분적으로 상기 하우징(3)의 바닥면(3a)을 따라 그리고 바닥면에 대해 횡방향으로 연장되는 측면(3b)을 따라 연장되고, 상기 발광 소자는 상기 연결 지점들(1a, 1b)을 이용하여 표면 실장가능하되, 상기 바닥면(3a) 또는 상기 측면(3b)이 상기 발광 소자의 조립면을 형성하여 실장될 수 있는 발광 소자에 관한 것이다.

Description

발광 소자{RADIATION-EMITTING COMPONENT}

본 발명은 발광 소자에 관한 것이다.

인용 문헌 WO 02/17451 A1에는 발광 소자가 개시되어 있다.

해결하려는 과제는 특히, 다양한 분야에서 적용 가능한 발광 소자를 제공하는 데 있다.

발광 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 발광 소자는 금속 캐리어를 포함한다. 이 금속 캐리어는 예컨대, 한 가지 금속으로 구성될 수 있다. 또한 금속 캐리어는 외부면이 금속으로 코팅되는 기본 재료로 형성되는 것도 가능하다. 기본 재료는 예컨대 한 가지 금속일 수 있고, 이 금속은 외부면의 금속과 구분된다. 어쨌든 금속 캐리어는 적어도 자신의 외부면에서 금속의 특성을 갖는다.

이때 금속 캐리어는 바람직하게는 다수의 부재로 형성된다. 이때 금속 캐리어의 부재들은 직접 전기적으로 전도되도록 상호 연결되지 않는다. 즉 금속 캐리어의 부재들은 목표 지점에 발광 소자를 전기적으로 연결하여 전기적으로 전도되는 방식으로 연결된다.

또한 상호 전기적으로 연결되지 않는 금속 캐리어의 부재들은 연결 와이어(예컨대 금 재질의 이른바 본딩 와이어)로 상호 연결될 수 있다.

금속 캐리어는, 예컨대 이른바 리드 프레임(lead frame)으로도 형성될 수 있다. 즉 금속 캐리어는 구조화된 금속 스트립으로 형성된다. 금속 캐리어는 발광 부재를 전기적으로 접촉시키기 위한 적어도 2개의 연결 지점을 포함한다. 이 2개의 연결 지점을 통해 발광 소자가 외부로부터 전기적으로 접촉될 수 있다. 즉 적어도 두 개의 연결 지점들은 발광 소재의 능동 소자와 전기적으로 전도되도록 연결된다.

본 발명의 적어도 일 실시예에 따르면, 발광 소자는 금속 캐리어에 고정되는 레이저 다이오드 칩을 포함한다. 이때 레이저 다이오드 칩은 금속 캐리어를 통해 적어도 두 개의 연결 지점과 전기적으로 전도되도록 연결된다. 레이저 다이오드 칩은 예컨대 단면 발광 레이저이다.

레이저 다이오드 칩은 작동 시 자외선 빔에서부터 적외선 빔까지의 스펙트럼 내에서 전자기 빔을 형성하기에 적합할 수 있다. 특히 레이저 다이오드 칩은 예컨대 적색, 청색 또는 녹색 광과 같은 컬러 광을 형성하기에도 적합할 수 있다.

레이저 다이오드 칩을 금속 캐리어에 고정하기 위해 예컨대 납땜 또는 접착을 통해 레이저 다이오드 칩을 금속 캐리어에 고정할 수 있다. 이때 레이저 다이오드 칩과 금속 캐리어 사이에 배치되는 연결 수단을 통해 레이저 다이오드 칩과 금속 캐리어 간에 전기적으로 전도되도록 접촉되는 것도 가능하다. 연결 수단은 특히 전기적으로 전도되는 땜납 또는 전기적으로 전도되는 접착제일 수 있다.

발광 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 발광 소자는 금속 캐리어를 부분적으로 감싸는 하우징을 포함한다. 하우징은 발광 소자의 외부면의 적어도 일부를 형성한다. 이때 금속 캐리어는 부분적으로 직접 또는 형태 결합되는 방식으로 하우징의 범위를 한정하고 예컨대 하우징과 연결하기 위해 하우징 안에 삽입될 수 있다. 이를 위해 금속 캐리어는 하우징의 재료로 예컨대 인서트 사출 성형될 수 있다.

금속 캐리어의 일부분, 예컨대 발광 소자의 전기적 접촉을 위한 연결 지점들은 하우징에 의해 가려지지 않고 발광 소자의 외부로부터 부분적으로 자유롭게 접근할 수 있다. 금속 캐리어가 다수의 부재로 구성되는 경우 금속 캐리어의 부재들의 기계적 결합은 하우징에 의해 이루어질 수 있다.

하우징은 기본 형태 상, 예컨대 정육면체 또는 직육면체 모양으로 형성될 수 있다. 발광 소자는 특히 간단하게 실장될 수 있다. 왜냐하면 발광 소자의 외부 형태로 인해 발광 소자를 간단하고도 정확하게 잡을 수 있기 때문이다.

하우징은 금속 캐리어와 금속 캐리어 위에 장착되는 구성 요소들을 완전히 감싸지 않고, 예컨대 적어도 하나의 개구부를 지니며, 이 개구부를 통해 작동 시 레이저 다이오드 칩으로부터 형성되는 전자기 빔이 밖으로 방출될 수 있다.

발광 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 하우징은 플라스틱으로 형성된다. 이때 하우징은 이른바 프리 몰드 하우징(premould housing)으로도 형성될 수 있다. 하우징은 예컨대 이송 성형(transfer molding) 또는 사출 성형으로 제조된다.

예컨대, 하우징은 금속 캐리어의 인서트 사출 성형을 통해, 즉 예컨대 이미 구조화된 금속 스트립의 사출 성형을 통해 하우징 재료로 제조된다. 그렇게 함으로써 하우징의 능동 소자가 배치될 수 있는 적어도 하나의 공동부를 갖는 하우징이 형성된다. 예컨대 레이저 다이오드 칩이 하우징 공동부에 배치된다.

금속 캐리어의 부재들은 하우징을 통과하여 연장되고 능동 소자, 특히 레이저 다이오드 칩의 반대 방향을 향하는 하우징 면에 발광 소자의 전기적 접촉을 위한 연결 지점들이 형성된다. 이 연결 지점들에서 발광 소자가 밖에서부터 전기적으로 접촉될 수 있다.

하우징 형성을 위해 예컨대 액상 크리스탈 폴리머 또는 또 다른 플라스틱이 이용될 수 있다.

발광 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 연결 지점들은 각각 적어도 부분적으로 하우징의 바닥면을 따라 그리고 바닥면에 대해 횡방향으로 연장되는 하우징의 측면을 따라 연장된다. 하우징의 바닥면과 측면은 직접 인접하여 범위 한정되고 예컨대 상호 수직을 이룰 수 있다. 따라서 연결 지점들은 바닥면만 또는 측면만 따라서 연장되는 것이 아니라, 외부를 향해 하우징을 범위 제한하는 적어도 두 면에 적어도 부분적으로 걸쳐 있다.

발광 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 발광 소자는 연결 지점들을 이용하여 표면 실장 가능하되, 바닥면 또는 측면이 발광 소자의 조립면을 형성함으로써 실장될 수 있다. 즉 발광 소자는 표면 실장 기술(surface-mount technology, SMT)을 이용하여 원하는 장착 지점에 고정 및 전기적으로 접촉될 수 있다. 따라서 발광 소자는 표면 실장 소자(surface-mount device, SMD)이다.

이때 발광 소자는 적어도 두 방향으로, 특히 정확하게 두 방향으로 목표 지점에 실장될 수 있다. 바닥면이 발광 소자의 조립면을 형성하거나 또는 바닥면에 대해 횡방향으로 연장되는 측면이 조립면을 형성한다. 따라서 발광 소자는 - 측면에 대한 바닥면의 상대적인 경로에 따라 - 적어도 각기 다른 두 방향으로 실장될 수 있다. 이는 특히 연결 지점들이 바닥면뿐만 아니라 측면을 따라서도 연장되기 때문에 가능하다.

발광 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 발광 소자는, 발광 소자의 전기적 접촉을 위한 적어도 2개의 연결 지점을 갖는 금속 캐리어와, 금속 캐리어에 고정되고 적어도 두 개의 연결 지점들과 전기적으로 전도되도록 연결되는 레이저 다이오드 칩과, 그리고 금속 캐리어를 부분적으로 감싸는 하우징을 포함한다. 이때 하우징은 플라스틱으로 형성되고, 연결 지점들은 각각 적어도 부분적으로 하우징의 바닥면 및 바닥면에 대해 횡방향으로 연장되는 측면을 따라 연장되며, 발광 소자는 연결 지점들을 이용하여 표면 실장될 수 있되, 바닥면 또는 측면이 발광 소자의 조립면을 형성하는 방식으로 실장될 수 있다.

본원에서 설명하는 발광 소자에 기본이 되는 아이디어는 바닥면을 조립면으로 이용하여 또는 측면을 조립면으로 이용하여 발광 소자가 실장됨으로써 발광 소자의 발광 특성이 특히 간단하게 발광 소자의 이용 조건에 적응될 수 있다는 점에 있다. 레이저 다이오드 칩은 능동 영역, 예컨대 pn-접합에 대해 평행하게 또는 수직으로 각기 다른 확산각을 갖는다(이른바 빠른 축 및 느린 축). 원하는 응용 사례에 따라 공간 내에서 확산각의 바람직한 배향이 다르다. 바닥면 또는 측면을 조립면으로 이용하여 발광 소자가 실장됨으로써 어느 방향으로 보다 큰 또는 보다 작은 확산각이 생겨나게 할지를 간단하게 결정할 수 있다. 예컨대 하우징의 바닥면은 능동 영역의 pn-접합에 대해 평행하게 연장된다. 하우징의 측면은 pn-접합에 대해 횡방향으로, 특히 수직 방향으로 연장될 수 있다.

발광 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 금속 캐리어 방향을 향하지 않는 레이저 다이오드 칩의 영역은 공기 또는 다른 기체와 접하여 범위 제한된다. 즉, 레이저 다이오드 칩은 본원에서 빔 투과 재료로 성형되지 않고, 금속 캐리어에 고정되는 부분을 제외하고는 레이저 다이오드 칩은 노출되어 자유롭게 접근할 수 있는 외부면을 갖는다. 즉 레이저 다이오드 칩과 예컨대 발광 소자의 하우징을 형성하는 플라스틱 간에 직접적으로 접촉하지 않는다. 이런 방식으로 레이저 다이오드 칩의 반도체 재료와 플라스틱 간의 각기 다른 선팽창 계수로 인한 기계적 응력이 발생하지 않게 된다. 이런 방식으로 형성되고, 레이저 다이오드 칩이 적어도 부분적으로 공기 또는 또 다른 기체와 접하여 범위 제한되는 발광 소자는, 특히 높은 노화 안정성 및 고장에 대한 안전성을 보장하는 것을 특징으로 한다.

발광 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 하우징의 바닥면과 측면에는 각각 적어도 하나의 맞춤 핀이 형성된다. 이때 맞춤 핀은 하우징에 통합되는 부재일 수 있다. 즉 맞춤 핀은 하우징과 단일 부재로 형성될 수 있고 하우징과 동일한 재료로 이루어질 수 있다.

예컨대 연결 지점들이 적어도 부분적으로 연장되는 바닥면 및 측면에는 각각 2개의 맞춤 핀이 형성된다. 맞춤 핀들을 통해 발광 소자 조립 시 발광 소자의 위치정렬이 이루어질 수 있다. 즉 하우징에 장착되는 또는 하우징에 통합되는 맞춤 핀들을 통해 예컨대 기판의 해당 보어홀에 형태 결합 방식으로 위치가 결정될 수 있다.

이런 방식으로 발광 소자는 복잡하게 정렬하지 않고도, 특히 정확하게 지정된 위치에 실장될 수 있다. 하우징이 프리 몰드 하우징이고 바닥면 및 측면에 조립을 위한 맞춤 핀들이 있다면, 프리 몰드 하우징으로 형성되는 하우징은 특히 제조 공차가 적으므로 번거로운 위치정렬 공정 없이도 발광 소자를 목표 지점에 정확하게 위치 정렬할 수 있다.

발광 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 발광 소자는 하우징의 또 다른 측면에 빔 방출 윈도우를 포함하며, 이때 빔 방출 윈도우는 레이저 다이오드 칩의 빔 방출면 방향을 향한다. 즉 빔 방출 윈도우는 빔 방출 윈도우의 발광 방향으로 레이저 다이오드 칩의 후방에 위치하며, 작동 시 레이저 다이오드 칩으로부터 방출되는 전자기 빔의 대부분이 빔 방출 윈도우에 부딪친다. 빔 방출 윈도우에 부딪치는 빔의 대부분, 바람직하게는 이 빔의 적어도 75%는 빔 방출 윈도우를 통과하여 방출되고 이런 방식으로 발광 소자를 떠난다.

빔 방출 윈도우는 작동 시 레이저 다이오드 칩에 의해 형성되는 전자기 빔의 빔 투과 영역에서 이 빔이 투과되도록 형성된다. 하우징은 빔 방출 윈도우 영역에는 존재하지 않는다. 예컨대 하우징 제조 시에 이미 하우징의 또 다른 측면에 대해 상대적으로 낮은 측면이 제조되고, 이 측면에 빔 방출 윈도우가 연결된다. 이를 위해 빔 방출 윈도우는 예컨대 투명한 하우징 커버를 포함하여 형성될 수 있다.

발광 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 빔 방출 윈도우는 적어도 빔 투과 영역에서 목적에 부합하게 조정된 평균 거칠기를 갖는다. 즉 빔 방출 윈도우는 빔 투과 영역에서 매끈하게 형성되지 않고 목적에 부합하게 거칠게 형성된다.

빔 방출 윈도우, 적어도 빔이 빔 방출 윈도우를 통과하는 부분이 거칠면 작동 시 레이저 다이오드 칩으로부터 형성되는 전자기 빔의 균일하지 않은 강도 프로파일이 균일화될 수 있다는 사실이 확인되었다. 특히 레이저 다이오드 칩이 대면적 레이저 또는 다모드 레이저인 경우 관찰자는 원거리장에서 극대값, 이른바 핫스팟(hotspot)을 감지할 수 있다. 적어도 빔 투과 영역의 목적에 부합하는 거칠기를 통해 이러한 불균일성을 줄일 수 있다.

이때 거칠기는 통계학적으로, 즉 예컨대 푸리에 변환과 같은 분석법을 이용하여 거칠기의 주기성을 알아낼 수 없다. 평균 거칠기는 작동 시 레이저 다이오드 칩에 의해 형성되는 전자기 빔의 파장 범위 이내에 있다. 특히 평균 거칠기는 작동 시 레이저 다이오드에 의해 형성되는 빔의 피크 파장의 적어도 0.5 내지 많아야 1.5 범위내에 있다. 피크 파장은 방출되는 빔의 최대 강도의 파장이다. 바람직하기로는, 평균 거칠기는 작동 시 레이저 다이오드 칩으로부터 형성되는 빔의 피크 파장의 적어도 0.75 내지 많아야 1.25 범위 이내에 있다.

발광 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 발광 소자는 레이저 다이오드 칩을 스위칭하기 위한 트랜지스터와 레이저 다이오드 칩의 에너지 공급을 위한 적어도 2개의 콘덴서의 병렬 회로를 포함한다. 이때 트랜지스터와 콘덴서는 금속 캐리어에 고정되고 적어도 2개의 연결 지점들과 전기적으로 전도되도록 연결된다. 발광 소자는 레이저 펄스를 발생시키기에 적합하다.

특히 다수의 콘덴서를 이용함으로써 콘덴서에 저장되어 있는 전기적 에너지 방전의 시정수, 즉 레이저 다이오드 칩의 전류 주입의 시정수를 줄일 수 있다. 트랜지스터와 콘덴서와 그리고 연결 지점들이 동일한 금속 캐리어 상에 공간적으로 특히 상호 근접하게 배치된다는 점을 바탕으로 발광 소자 내 신호 경로가 감소되고, 이로 인해 시스템의 인덕턴스가 줄어들고 특히 레이저 펄스의 시퀀스가 짧아질 수 있다. 예컨대 발광 소자는 이런 방식으로 나노초 레이저 펄스를 발생시키기에 적합할 수 있다.

본원에서 설명하는 발광 소자는 외부 치수가 특히 근소한 것을 특징으로 한다. 이러한 치수 덕분에 발광 소자의 요소들, 즉 트랜지스터, 콘덴서, 및 레이저 다이오드 칩을 상호 공간적으로 근접하게 배치할 수 있다. 예컨대 발광 소자의 길이는 적어도 7.5mm 내지 길어야 12.5mm이고, 너비는 적어도 5 내지 넓어야 9mm, 높이는 적어도 3 내지 높아야 7mm이다. 그러한 발광 소자에서는 트랜지스터, 콘덴서, 및 레이저 다이오드 칩이 10mm 또는 그 이하, 바람직하게는 7mm 또는 그 이하의 간격을 두고 상호 배치되는 것이 가능하다. 즉 언급한 요소들이 쌍을 이루었을 때 상호 간의 간격은 10mm 또는 그 이하, 바람직하게는 7mm 또는 그 이하이다. 이로 인해 특히 짧은 스위칭 시간이 가능하다.

발광 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 트랜지스터는 적어도 2개의 연결 와이어를 통해 전기적으로 전도되도록 레이저 다이오드 칩과 연결된다. 연결 와이어들은 각각 금속 캐리어의 영역에서 형성될 수 있고, 각각 트랜지스터 또는 레이저 다이오드 칩과 전기적으로 전도되도록 연결된다. 다수의 연결 와이어들을 이용함으로써 인덕턴스가 더욱 감소될 수 있고, 이로 인해 레이저 펄스의 특히 빠른 펄스 시퀀스가 가능해진다.

본원에서 설명하는 발광 소자에서는 또한 발광 소자가 2개 또는 다수의 레이저 다이오드 칩을 포함하는 것이 가능하다. 레이저 다이오드 칩들은 동일하게 형성되어 예컨대 동일한 파장 범위의 빔을 형성할 수 있거나 또는 각기 다르게 형성되어 예컨대 각기 다른 색상의 빛을 방출할 수 있다. 발광 소자는 각각의 레이저 다이오드 칩에 대해서는 레이저 다이오드 칩에 명확하게 할당되는 정확하게 하나의 트랜지스터를 포함하고, 각 레이저 다이오드 칩에 대해서는 오로지 이 레이저 다이오드 칩에만 할당되는 적어도 2개의 콘덴서의 병렬 회로를 포함하는 것이 바람직하다.

바람직하게는 본원에서 설명되는 발광 소자에서는 컨트롤 일렉트로닉스, 즉 예컨대 트랜지스터와 레이저 다이오드 칩 사이의 신호 경로가 짧아 예컨대 레이저 펄스의 펄스 폭과 상승 및 하강 시간 등의 펄스 작동 매개변수가 감소될 수 있다. 플라스틱으로 형성되는 하우징을 이용함으로써 특히 비용 면에서 경제적인 발광 소자가 구현될 수 있다. 이러한 발광 소자는 예컨대 금속 하우징을 갖는 발광 소자에 비해 특히 저렴하게 제조될 수 있다.

본원에서 설명되는 발광 소자에서는 컨트롤 일렉트로닉스, 즉 예컨대 트랜지스터와 레이저 다이오드 칩 사이의 신호 경로가 짧아 예컨대 레이저 펄스의 펄스 폭과 상승 및 하강 시간 등의 펄스 작동 매개변수가 감소될 수 있다. 플라스틱으로 형성되는 하우징을 이용함으로써 특히 비용 면에서 경제적인 발광 소자가 구현될 수 있다. 이러한 발광 소자는 예컨대 금속 하우징을 갖는 발광 소자에 비해 특히 저렴하게 제조될 수 있다.

도 1A, 도 1B, 도 2, 도 3, 도 4A, 도 4B, 도 5A, 도 5B 및 도 6은 본원에서 설명하는 발광 소자의 실시예를 도시하는 개략도이며, 본원에서 설명하는 발광 소자의 특성을 이용하여 상세하게 설명한다.
도 7A 및 7B는 본원에서 설명하는 발광 소자의 실시예들의 특성을 설명하는 데에 이용되는 그래프이다.
도 8A, 도 8B, 도 8C, 도 8D, 도 9A, 도 9B, 도 9C, 및 도 10은 본원에서 설명하는 발광 소자의 또 다른 실시예들을 상세하게 설명하기 위한 개략도이다.
동일한, 동일한 형식의 또는 동일하게 작용하는 부재들은 도면에서 동일한 도면 부호를 갖는다. 도면과 각 도에 도시된 부재들의 크기는 상호 비율에 맞는 것으로 볼 수 없다. 오히려 더욱 잘 도시하기 위해 그리고/또는 이해를 돕기 위해 각 부재들은 과도하게 확대 도시될 수 있다.

도 1A는 본원에서 설명하는 발광 소자를 사시도로 도시한다. 발광 소자는 예시적으로 구리로 형성되는 금속 캐리어(1)를 포함하며, 이 캐리어는 그 외부면에서 은 또는 금과 같은 금속으로 코팅될 수 있다. 금속 캐리어는 전기적으로 상호 절연되는 다수의 영역으로 구분된다(이에 대해서는 도 3의 개략적인 사시도 참조).

캐리어(1)에는 발광 소자의 능동 소자가 제공된다. 예컨대 캐리어에는 레이저 다이오드 칩(2), 트랜지스터(5), 및 2개의 콘덴서(6)가 제공된다. 트랜지스터(5)는 레이저 다이오드 칩(2)들을 스위칭하는 데에 이용되고, 상호 병렬 연결되는 콘덴서들(6)은 에너지를 공급하는 데에 이용된다. 따라서 발광 소자는 레이저 펄스를 발생시키기에 적합하다.

또한 발광 소자는 캐리어(1)를 부분적으로 감싸는 하우징(3)을 포함한다. 이때 캐리어(1)는, 예컨대 하우징(3) 재료로 인서트 사출 성형되어 부분적으로 하우징(3) 안으로 삽입된다.

하우징(3)은 예컨대 플라스틱으로 형성될 수 있다.

하우징(3)은 발광 소자의 능동 소자가 배치되는 공동부가 형성되도록 금속 캐리어(1)를 감쌀 수 있다.

또한 발광 소자는 작동 시 레이저 다이오드 칩(2)에 의해 형성되는 전자기 빔을 위해 예컨대 투명하게 형성되는 빔 방출 윈도우(4)를 포함한다. 도 1A에 도시된 실시예에서는 하우징(3)이 측면(3c)에서 낮아지는 측면 벽부를 가지며, 이 벽부에 빔 방출 윈도우(4)가 연결된다. 빔 방출 윈도우(4)는 바닥면(3a)의 반대 방향을 향하는 발광 소자 상면을 형성하고, 거기서 바로 하우징(3)의 나머지 측면을 범위 제한한다.

금속 캐리어(1)는 다수의 연결 지점들(1a, 1b)들을 포함하고, 이 연결 지점들은 바닥면(3a)을 따라 연장되고, 바닥면에 대해 횡방향으로 연장된다. 연결 지점들(1a, 1b)에는 하우징의 바닥면(3a)과 하우징의 측면(3b)에서 발광 소자의 외부로부터 자유롭게 접근할 수 있다. 발광 소자의 조립은 연결 지점(1a)을 통해 하우징의 바닥 영역(3a) 및 연결 지점(1b)를 통해 하우징의 측면(3b)에서 이루어질 수 있다.

연결 지점들(1a, 1b)은 금속 캐리어(1)의 외부면을 통해 형성된다. 금속 캐리어(1)는 하우징의 측면 뿐만 아니라 바닥면에도 연결 지점을 형성하기 위해, U자 형태의 굴곡부를 지니며, 이 굴곡부는 연결면의 반대 방향을 향하는 자신의 측면으로 하우징(3)의 일부를 감싸고 거기서 바로 하우징(3)을 범위 제한한다.

금속 캐리어(1)의 도시된 실시예에 의해 표면 실장 기술을 이용하여 각기 다른 두 방향으로 발광 소자를 실장하는 것이 가능하다. 즉 발광 소자를 각기 다른 두 방향으로 표면에 실장할 수 있다.

도 2는 본원에서 설명되는 발광 소자의 일 실시예를 개략적으로 도시한다. 도 1A 및 1B를 보완하여 도 2에서는 트랜지스터가 다수의 연결 와이어(7)를 이용하여 레이저 다이오드 칩(2)과 전기적으로 전도되도록 연결된다는 점을 알 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 연결 와이어들은 금속 캐리어(1)에서 트랜지스터(5)에 할당된 부분부터 금속 캐리어(1)에서 레이저 다이오드 칩(2)에 할당된 부분까지 연장된다. 그러나 연결 와이어들은 그 일측 단부가 트랜지스터(5)에 고정되고 타측 단부는 레이저 다이오드 칩(2)에 고정되는 것도 가능하다.

또한 도 2로부터 레이저 다이오드 칩 작동 시 전자기 빔이 나오는 레이저 다이오드 칩(2)의 빔 방출면(2a)이 빔 방출 윈도우(4)를 향하고 있으며, 그로 인해 작동 중에는 레이저 다이오드 칩(2)으로부터 방출되는 전자기 빔이 빔 방출 윈도우(4)에 부딪친다는 것을 알 수 있다.

도 3은 개략적인 사시도를 이용하여 하우징(3)과 빔 방출 윈도우(4)를 제외한 발광 소자를 도시한다. 도 3으로부터 금속 캐리어(1)의 부분들과 발광 소자의 능동 소자들(2, 5, 6)의 상대적인 배치관계를 특히 잘 식별할 수 있다. 발광 소자의 능동 소자들(2, 5, 6)은 각각 예컨대 전기적으로 전도성이 있는 접착제를 이용하여 금속 캐리어(1)의 연계된 부분에 고정될 수 있다. 콘덴서들(6)은 금속 캐리어의 해당 부분을 통해 상호 병렬 연결된다. 트랜지스터(5)와 레이저 다이오드 칩(2) 간의 전기적 연결은 연결 와이어(7)를 통해 이루어진다.

모든 실시예에서 금속 캐리어(1)는 구리를 포함하거나 또는 구리로 구성되는 베이스 몸체를 포함할 수 있다. 예컨대 베이스 몸체는 구리 합금, 예컨대 황동으로 형성될 수도 있다.

캐리어(1)의 베이스 몸체에는 하나 또는 다수의 또 다른 금속 층들이 예컨대 갈바닉 방식으로 또는 무전해 방식으로 증착될 수 있다. 예컨대 다음 층 또는 연속층들이 금속 캐리어의 베이스 몸체에 특히 갈바닉 증착될 수 있다: 은, 니켈-은, 니켈-금, 니켈-파라듐-금.

모든 실시예에서 본원에 설명되는 발광 소자의 하우징(3)은 PP, PPA, PPS, LCP, PEEK, 에폭시 수지와 같은 내고온성 플라스틱으로 형성될 수 있다.

빔 방출 윈도우(4)는 모든 실시예에서 유리로 형성될 수 있으며, 이 유리는 반사방지 코팅층을 포함할 수도 있다. 그뿐만 아니라 빔 방출 윈도우(4)는 예컨대 에폭시 수지와 같은, 광학적으로 투명한 내고온성 플라스틱으로 형성될 수도 있다. 위 두 물질의 조합도 가능하다. 따라서 빔 방출 윈도우는 예컨대 빔을 투과하는 영역(4a)(도 10도 참조)을 포함할 수 있는데, 이 영역은 예컨대 유리로 형성된다. 또한 빔 방출 윈도우는 빔을 투과하는, 예컨대 검은색 또는 유색의 내고온성 플라스틱인 PP, PPA, PPS, LCP, PEEK, 에폭시 수지로 형성될 수 있는 커버(4b)를 포함한다.

도 4A, 4B, 5A, 5B의 개략적인 사시도를 이용하여 여러 방향으로 본원에서 설명하는 발광 소자의 실장을 보다 상세하게 설명한다. 도 4A 및 4B의 실시예에서는 하우징의 바닥면(3a)이 발광 소자의 조립면을 형성한다. 즉, 예컨대 땜납 등의 연결 수단(8)이 하우징의 바닥면(3a)을 따라 연장되는 연결 지점(1a)에 제공된다. 그로 인해 레이저 다이오드 칩(2)이 배향되되, 작동 시 레이저 다이오드 칩으로부터 발광 소자에 고정되는 회로 기판에 대해 수직 방향으로 형성되는 전자기 빔의 직경이 회로 기판에 대해 평행 방향으로 형성되는 직경보다 더 크도록 배향된다.

도 5A 및 5B와 관련지어 도시되는 실시예는 위의 경우와 반대이다. 하우징(3)의 바닥면(3a)에 대해 수직 방향으로 연장되는 측면(3b)이 발광 소자의 조립면을 형성한다. 도 5A에서 도시되는, 조립면에 대해 상대적인 발광 소자의 방향으로 연결 수단(8), 예컨대 땜납은 측면(3b)을 따라 연장되는 연결 지점들(1b)과 예컨대 회로 기판 사이에 배치된다. 즉 이 연결 수단(8)은 발광 소자에 제공되고 전기적으로 연결되는 회로 기판과 연결 지점들(1b) 사이에 배치된다.

도 6은 맞춤 핀(9)이 하우징(3)의 바닥면(3a)뿐만 아니라 측면(3b)에도 형성되는 발광 소자를 도시한 개략적인 사시도이다. 맞춤 핀들은 하우징(3)에 통합된 부재이고, 예컨대 하우징의 경우와 동일한 제조 공정으로 하우징과 함께 형성된다. 맞춤 핀들(3)은 발광 소자를 표면 실장할 때에 발광 소자를 목표 위치에 정렬하는 데에 이용된다. 즉 맞춤 핀들(9)은, 예컨대 회로 기판의 대응하는 보어홀에 맞물려 결합됨으로써 발광 소자가 회로 기판 상에서 예정된 위치에만 실장될 수 있게 된다.

모든 실시예에서 빔 방출 윈도우(4)는 적어도 빔 투과 영역(4a)에서(도 4A, 4B, 5A, 5B와 비교) 거칠기를 가지며, 이 거칠기는 작동 시 레이저 다이오드 칩에 의해 형성되는 전자기 빔의 파장 크기 범위 이내에 있게 된다. 이 거칠기는 특히 원거리장에서 강도 프로파일의 균일성을 유발한다. 도 7A 및 7B의 그래프는 원거리장에서 레이저 다이오드 칩(2)의 방출 빔의 강도(I)가 각기 다른 2개 방향에 대해, 즉 pn-접합에 대해 평행하게 그리고 pn-접합에 대해 수직으로 거칠기(그림 7A)를 지니는 것과 거칠기(도 7B)를 지니지 않는 경우를 도시한다. 이와 관련하여 예컨대 최대치가 2중으로 발생되지 않도록(도 7B 좌측 그래프와 도 7A 좌측 그래프 비교) 저지될 수 있다는 점도 알 수 있다.

예컨대 빔 방출 윈도우(4)의 외부면의 거칠기는, 평탄성이 통계학적으로 분포되고 거칠기의 평탄성 크기가 작동 시 레이저 다이오드 칩(2)으로부터 방출되는 빛의 파장 크기 이내에 있도록 형성될 수 있다.

전체적으로 본원에서 설명하는 발광 소자는 특히 다음과 같은 장점을 특징으로 한다:

발광 소자가 적절하게 기판에 실장되어, 작동 시 레이저 다이오드 칩으로부터 형성되는 빔의 다양한 확산각의 방향을 간단하게 선택할 수 있다. 이때 발광 소자는 조립면인 하우징(3)의 바닥면(3a)을 이용하여 또는 하우징(3)의 바닥면(3a)에 대해 90°회전하여 기판에 실장될 수 있다. 이때 하우징(3)을 추가로 가공하거나 또는 예컨대 기판을 조정하는 것은 필요하지 않다.

또한 레이저 다이오드 칩과 금속 캐리어(1) 간의 유일한 기계적 연결부는 금속 캐리어(1) 상에서 접착 또는 납땜으로 이루어진다. 하우징(3) 내부에는 공기 또는 또 다른 기체만 존재한다. 레이저 다이오드 칩을 사출 성형하지 않음으로써 레이저 다이오드 칩의 기계적 고정 및 그와 결부된 발광 소자 신뢰성 측면에서의 부정적인 효과가 감소된다.

전기적 설계 최적화, 즉 능동 소자들을 공간적으로 상호 간에 근접하게 배치하고 적어도 2개의 콘덴서(6)를 사용함으로써 작동 시 발광 소자에 의해 방출되는 레이저 빔의 짧은 펄스 거동이 개선될 수 있다. 이 경우 빔은 특히 특별히 짧은 펄스폭과 펄스의 짧은 상승 시간 및 하강 시간을 특징으로 한다.

또한 본원에서는 공차 한계치에 가까운 값비싼 금속 하우징을 사용하지 않고 대신 특히 플라스틱으로 형성되어 비용 면에서 경제적인 하우징(3)을 사용한다. 이를 통해 공차가 개선되고, 광학 시스템의 능동적인 보정이 불필요하게 된다. 특히 하우징(3)에 형성되는 맞춤 핀(9)을 통해 예컨대 발광 소자가 실장되는 회로 기판과 형태 결합된다. 또한 맞춤 핀(9)을 통해 조립 공정 예컨대 납땜 공정 동안 위치 이탈이 방지된다.

위치 이탈이란 예컨대, 액상 땜납 위로 하우징의 부유, 이른바 툼스토닝 현상(Tombstoning), 즉 땜납 경화 시 발광 소자의 기울어짐을 말한다. 맞춤 핀(9)은 발광 소자가 실장되는 기판의 적합한 보어홀에 억지 끼워맞춤(press fit)의 범위에서 삽입되면, 이러한 위치 이탈을 특히 효과적으로 저지한다.

도 8A 내지 8D와 연계하여 본원에서 설명하는 발광 소자의 또 다른 실시예를 더욱 상세하게 설명한다. 앞선 실시예들과 달리 도 8A 내지 도 8D의 발광 소자는 2개 부재로 이루어지는 빔 방출 윈도우를 포함한다. 빔 방출 윈도우(4)는 예컨대 유리로 형성되는 빔 투과 영역(4a)을 포함한다. 또한 빔 방출 윈도우(4)는 커버(4b)를 포함하고, 이 커버는 바닥면(3a)의 반대 방향으로 향하는 발광 소자 측면에 배치되고, 내고온성 플라스틱, 즉 PP, PPA, PPS, LCP, PEEK, 에폭시 수지 등으로 형성된다. 커버(4b)는 빔이 투과되도록 형성될 수도 있고 빔이 투과되지 않도록 형성될 수 있다. 또한 도 8B 및 8C에서 길이(L), 높이(H), 폭(B1), 레이저 다이오드 칩(2)과 또 다른 측면(3c) 간의 간격(B2), 연결 지점들(1b) 간의 간격(D1), 및 연결 지점들의 폭(D2)이 도시된다. 이들에 대해 예컨대 다음 값들이 바람직한 것으로 입증된다:

L = 8.55mm

H = 3.85mm

D1 = 1.75mm

D2 = 0.80mm

B1 = 6.45mm

B2 = 3.225mm

이 값들은 제시된 값에서 ± 20%, 바람직하게는 ± 10% 정도 변동이 있을 수 있다.

도 8D의 개략적인 사시도로부터는 연결 지점들(1a, 1b)에 각기 다른 기능을 할당할 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 연결부(101)는 발광 소자의 접지를 위해 제공될 수 있고, 연결부(104) 또한 그러하다. 연결부(102)는 발광 소자의 전압 공급에 이용될 수 있고, 그에 비해 연결부(103)는 발광 소자의 외부 컨트롤을 위해 제공될 수 있다.

도 9A, 9B 및 9C의 개략도와 연계하여 단일 부재의 빔 방출 윈도우(4)를 하우징(3)에 고정하는 여러 방법이 설명된다. 빔 방출 윈도우(4)는 빔이 투과되는 예컨대 내고온성 플라스틱으로 형성된다. 도 9B의 단면도에서 알 수 있듯이, 하우징(3)은 빔 방출 윈도우(4) 방향을 향하는 측면에 돌출부(40)를 갖고, 이 돌출부는 빔 방출 윈도우(4)의 상응하는 만입부(indentation)(41)에 맞물린다. 이런 방식으로 예컨대 두 부재 간의 맞물림 체결이 가능하다. 돌출부(40)는 특히 디텐트(detent)일 수 있다. 이러한 체결 방식으로 인해 빔 방출 윈도우(4)와 하우징(3) 간에 연결 수단을 사용하지 않고도 연결될 수 있다.

도 9c에 도시된 바와 같이, 추가로 플라스틱 하우징(3)과 빔 방출 윈도우(4) 간에 연결 수단(42), 예컨대 접착제를 배치하는 것이 가능하다. 연결 수단(42)은 예컨대 측면을 따라 연장되는 하우징(3)의 돌출부에 배치될 수 있다.

도 10과 연계하여 본원의 발광 소자의 일 실시예를 더욱 상세하게 설명하며, 이때 빔 방출 윈도우(4)는 2개 부재로 구성된다. 빔 방출 윈도우(4)는 빔 투과 영역(4a)을 포함하고, 이 빔 투과 영역은 발광 방향으로 레이저 다이오드 칩(3)의 후방에 배치된다. 또한 빔 방출 윈도우(4)는 커버(4b)를 포함하며, 이 커버는 빔이 투과되지 않도록 형성될 수 있다. 빔 투과 영역(4)은 예컨대 플레이트, 예를 들면 유리 플레이트로 형성되고, 이 플레이트는 플라스틱 하우징(3)의 만입부 또는 가이드 레일 안으로 삽입된다.

커버(4b)는 돌출부를 지니고, 이 돌출부는 플라스틱 하우징(3)의 바닥면(3a) 방향으로 플레이트를 누른다. 커버(4b)는 예컨대 접착제에 의해 플라스틱 하우징(3)의 돌출 테두리부(43)에 접착 고정될 수 있다. 즉 도 10의 실시예에서 빔 방출 윈도우(4)는 2개 부재로 이루어진다. 커버(4b)는 특히 플라스틱 하우징(3)과 동일한 재료로 이루어질 수 있다. 연결 수단, 예컨대 접착 고정에 대한 대안으로 커버(4b)가 위에서 설명한 맞물림 체결과 같은 형태 결합을 통해서도 플라스틱 하우징(3)에 고정될 수 있다.

본 발명은 실시예들을 이용한 설명으로 인해 본원의 실시예들에 제한되지 않는다. 오히려 본 발명은 각각의 새로운 특징 및 이들 특징의 조합을 포함하며, 특히 이러한 특징들 또는 특징들의 조합 자체가 특허 청구범위 또는 실시예들에서 명확하게 제시되지 않는다 하더라도 특허 청구항들의 특징들의 각 조합을 포함한다.

본 특허 출원은 독일 특허 출원 102011116534.0의 우선권을 주장하며, 상기 출원의 개시 내용은 참조를 통해 포함된다.

Claims (10)

1. 발광 소자로서
   - 발광 소자의 전기적 접촉을 위해 적어도 2개의 연결 지점(1a, 1b)을 포함하는 금속 캐리어(1)와,
   - 상기 금속 캐리어(1)에 고정되고 적어도 2개의 연결 지점(1a, 1b)과 전기적으로 전도되도록 연결되는 레이저 다이오드 칩(2)과,
   - 상기 금속 캐리어(1)를 부분적으로 감싸는 하우징(3)을 포함하는 발광 소자에 있어서,
   - 상기 하우징(3)은 플라스틱으로 형성되고,
   - 상기 연결 지점들(1a, 1b)은 각각 적어도 부분적으로 상기 하우징(3)의 바닥면(3a)을 따라 그리고 바닥면에 대해 횡방향으로 연장되는 상기 하우징(3)의 측면(3b)을 따라 연장되고,
   - 상기 발광 소자는 상기 하우징(3)의 또 다른 측면(3c)에 빔 방출 윈도우(4)를 포함하되,
   - 상기 빔 방출 윈도우(4)는 상기 레이저 다이오드 칩(2)의 빔 방출면(2a) 방향을 향하고,
   - 상기 빔 방출 윈도우(4)는 적어도 작동 시 상기 레이저 다이오드 칩(2)에 의해 형성되는 전자기 빔의 빔 투과 영역(4a)에서 상기 빔에 대해 투과성이고,
   - 상기 하우징(3)은 상기 빔 방출 윈도우(4)의 영역에는 존재하지 않거나, 또는 상기 하우징(3)의 나머지 측면에 상대적으로 낮은 측면을 포함하며, 이 측면에는 상기 빔 방출 윈도우(4)가 연결되며,
   - 상기 빔 방출 윈도우(4)는 적어도 빔 투과 영역(4a)에서 목적에 부합하게 조정되는 평균 거칠기를 지니며, 그리고
   - 상기 발광 소자는 상기 연결 지점들(1a, 1b)을 이용하여 표면에 실장되되, 상기 바닥면(3a) 또는 상기 측면(3b)이 상기 발광 소자의 조립면을 형성하여 실장될 수 있는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 발광 소자는 두 방향으로 목표 지점에 실장될 수 있되, 제1 방향으로는 상기 바닥면(3a)이 상기 발광 소자의 조립면을 형성하고 제2 방향으로는 상기 바닥면(3a)에 대해 횡방향으로 연장되는 상기 측면(3b)이 상기 발광 소자의 조립면을 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서, 상기 평균 거칠기는 작동 시 레이저 다이오드 칩(2)에 의해 형성되는 빔의 피크 파장의 적어도 0.5 내지 많아야 1.5의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 금속 캐리어(1) 방향을 향하지 않는 상기 레이저 다이오드 칩(2)의 영역은 공기 또는 다른 기체에 접하여 범위 한정되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 금속 캐리어(1)는 부분적으로 상기 하우징(3)에 삽입되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 하우징의 상기 바닥면(3a)과 상기 측면(3b)에 각각 적어도 하나의 맞춤 핀(9)이 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 적어도 하나의 맞춤 핀(9)은 상기 발광 소자의 실장 시 위치정렬(alignment)을 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 발광소자는
   - 상기 레이저 다이오드 칩(2)의 스위칭을 위한 트랜지스터(5)와,
   - 상기 레이저 다이오드 칩에 에너지를 공급하기 위한 적어도 2개의 콘덴서(6)의 병렬 회로를 포함하되,
   - 상기 트랜지스터(5)와 상기 콘덴서(6)는 상기 금속 캐리어(1)에 고정되고 적어도 2개의 연결 지점들(1a, 1b)과 전기적으로 전도되도록 연결되며,
   - 상기 발광 소자는 레이저 펄스를 발생시키기에 적합한 것을 특징으로 하는 발광 소자.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 트랜지스터(5)는 적어도 2개의 연결 와이어(7)를 통해 전기적으로 전도되도록 상기 레이저 다이오드 칩과 연결되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.

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