KR102075982B1 - 반도체 발광소자 패키지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시형태에 따른 반도체 발광소자 패키지는 발광소자; 상기 발광소자로부터 방출된 광 경로 상에 형성되며, 파장변환물질과 유리물질을 혼합하여 이루어진 파장변환부; 및 상기 파장변환부 상면에 배치되며 상기 발광소자로부터 방출된 광의 일부를 반사시키고 상기 발광소자로부터 방출된 광의 일부를 투과시키는 반사막; 을 포함한다.

Description

반도체 발광소자 패키지{SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE PACKAGE}
본 발명은 반도체 발광소자 패키지에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 빛으로 전환시키는 소자로서, 차세대 광원으로서 다양하게 이용 및 개발되고 있다. 이러한 발광 다이오드는 색상 표현 및 소비 전력의 측면에서 매우 유리하여, 노트북, TV 등의 백라이트 유닛(BLU)에 이용되던 종래의 냉음극 형광램프(CCFL)를 대체하는 광원으로서 매우 주목받고 있는 실정이다.
이와 같은 발광소자를 이용하여 원하는 색을 구현하는 방법은 발광소자를 형성하는 반도체 물질의 종류를 변경하여 원하는 색을 구현할 수 있으며, 또는 발광소자를 여기원으로 사용하여 형광체를 발광시키는 방법이 있다.
그러나, 이와 같은 방법을 이용하여 원하는 색을 발광하는 발광소자를 제조하는 경우 발광소자에서 발생하는 광의 파장과 형광체에서 변환되는 파장의 혼합에 의하여 색을 구현하는 과정에서 색순도가 떨어지거나, 형광체에서 광이 산란 또는 반사되는 과정에서 광손실을 일으켜 휘도가 낮아지는 문제점이 있다.
따라서 색순도, 휘도 및 효율이 우수하고 원하는 색을 나타낼 수 있는 반도체 발광소자 패키지가 요구되고 있다.
본 발명의 일 측면에서, 일 실시형태에 따른 반도체 발광소자 패키지는, 발광소자와, 상기 발광소자로부터 생성된 광의 진행 경로 상에 위치하며, 파장변환물질과 유리물질이 함유된 혼합물의 소결체로 이루어지는 파장변환부와, 상기 파장변환부 상면에 형성되며 상기 발광소자로부터 생성된 광을 반사시키고 상기 파장변환물질에 의하여 변환된 광을 투과시키는 파장선택성 광필터를 포함한다.
상기 유리물질은 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 주조성에, 첨가제로서 Na2O, CaO, K2O 및 Li2O로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 이상의 조성이 함유된 유리 조성물일 수 있다.
상기 혼합물질은 상기 파장변환물질과 유리물질이 1:20 내지 1:6일 수 있다.
상기 파장변환부는 가시광선 대역에서 적분 광 투과율이 90% 이상일 수 있다.
상기 파장선택성 광필터는, 무지향성 반사막(ODR) 또는 브래그 반사막(DBR)일 수 있다. 이 경우에, 상기 파장선택성 광필터는, 서로 다른 굴절률을 갖는 2 종의 유전체층이 교대로 형성되어 이루어질 수 있다.
일 예에서, 상기 발광 소자에서 생성되는 광은 청색광이며, 상기 파장변환물질은 녹색 형광체, 황색 형광체, 황등색 형광체 및 적색 형광체로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나의 형광체를 포함할 수 있다.
상기 파장변환물질은 황등색 형광체를 포함하며, 상기 파장선택성 광필터는 기준 파장 미만의 파장 대역을 갖는 광을 반사하고, 그 기준 파장 이상의 파장 대역을 갖는 광을 투과하고, 상기 기준 파장은 500∼550㎚ 범위일 수 있다.
상기 발광 소자에서 생성되는 광은 자외선 또는 근자외선광이며, 상기 파장변환물질은 녹색 형광체, 황색 형광체, 황등색 형광체 및 적색 형광체로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 형광체를 포함할 수 있다.
다른 실시형태에 따른 반도체 발광 소자 패키지는, 발광소자와, 상기 발광소자로부터 생성된 광의 진행 경로 상에 위치하며, 파장변환물질과 유리물질이 함유된 혼합물의 소결체로 이루어지는 파장변환부와, 상기 파장변환부 하면에 형성되며 상기 발광소자로부터 생성된 광을 투과시키고 상기 파장변환물질에 의하여 변환된 광을 반사시키는 파장선택성 광필터를 포함할 수 있다.
상기 발광소자에서 생성되는 광은 청색광이며, 상기 파장변환물질은 황색 형광체를 포함할 수 있다.
상기 파장변환물질은 서로 다른 피크 파장을 갖는 광으로 변환하는 복수의 형광체를 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 파장변환부로부터 방출되는 광이 혼합되어 백색광을 제공할 수 있다.
상기 파장변환부는 서로 다른 피크 파장을 갖는 광으로 변환하는 복수의 파장변환부를 포함하고, 상기 파장선택성 광필터는 상기 복수의 파장변환부의 하면에 각각 형성된 복수의 파장선택성 광필터를 포함하며, 상기 각각의 파장선택성 광필터는 상기 발광소자로부터 생성된 광과 그 아래에 위치한 파장변환부의 파장변환물질로부터 변환된 광을 투과시키고, 그 상부에 위치한 파장변환부의 파장변환물질에 의하여 변환된 광을 반사시킬 수 있다.
이 경우에, 상기 복수의 파장변환부로부터 방출되는 광이 혼합되어 백색광을 제공할 수 있다.
색순도가 매우 우수하고 효율 또한 뛰어나며, 원하는 색을 효율적으로 발광할 수 있는 반도체 발광소자 패키지를 제공할 수 있다. 백색광을 구현하는 반도체 발광소자 패키지에서는 변환효율을 향상시킴으로써 실제 사용되는 파장변환물질의 양을 줄일 수 있고, 파장변환물질과의 산란에 의한 불이익한 영향을 감소시킬 수 있다
도1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 반도체 발광소자 패키지를 나타내는 사시도이다.
도2는 도1에 도시된 반도체 발광소자 패키지를 나타내는 측단면도이다.
도3은 본 발명의 제1 실시형태에 채용된 반사막의 투과율과 반사율을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도4는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 반도체 발광소자 패키지를 나타내는 단면도이다.
도5 및 도6는 본 발명의 제2 실시형태에 채용될 수 있는 반도체 발광소자의 다양한 예를 나타내는 측단면도이다.
도7은 파장변환부에 채용되는 α-사이알론(SiAlON) 형광체와 글래스의 배합비에 따른 발광 스펙트럼의 변화를 나타내는 그래프(광필터 적용 전)이다.
도8은 파장변환부에 채용되는α-사이알론 형광체와 글래스의 배합비에 따른 발광 스펙트럼의 변화를 나타내는 그래프(광필터 적용 후)이다.
도9은 파장변환부에 채용되는α-사이알론 형광체와 글래스의 배합비에 따른 광의 휘도의 변화를 나타내는 그래프(광필터 적용 전/후)이다.
도10은 파장변환부에 채용되는α-사이알론 형광체와 글래스의 배합비에 따른 색좌표 변화량을 나타내는 그래프(광필터 적용 전/후)이다.
도11은 파장변환부에 채용되는 실리케이트계 형광체와 글래스의 배합비에 따른 발광 스펙트럼의 변화를 나타내는 그래프(광필터 적용 전)이다.
도12는 파장변환부에 채용되는 실리케이트계 형광체와 글래스의 배합비에 따른 발광 스펙트럼의 변화를 나타내는 그래프(광필터 적용 후)이다.
도13은 파장변환부에 채용되는 실리케이트계 형광체와 글래스의 배합비에 따른 광의 휘도의 변화를 나타내는 그래프(광필터 적용 전/후)이다.
도14는 파장변환부에 채용되는 실리케이트계 형광체와 글래스의 배합비에 따른 색좌표 변화량을 나타내는 그래프(광필터 적용 전/후)이다.
도15은 광필터와 다른 광구조 변경에 따른 색좌표 변화를 나타내는 그래프이다.
도16은 도15의 실시예에 사용되는 일 파장선택성 광필터의 특성을 나타내는 그래프이다.
도17은 광필터의 적용에 따른 표면 코팅에 따른 신뢰성 개선 효과를 나타내는 그래프이다.
도18은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 반도체 발광소자 패키지를 나타내는 측단면도이다.
도19는 본 발명의 제3 실시형태에 채용된 반사막의 투과율과 반사율을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도20은 본 발명의 제4 실시형태에 따른 반도체 발광소자 패키지를 나타내는 측단면도이다.
도21는 본 발명의 제4 실시형태에 채용된 반사막의 투과율과 반사율을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도22는 본 발명의 제5 실시형태에 따른 반도체 발광소자 패키지를 나타내는 측단면도이다.
도23은 본 발명의 제6 실시형태에 따른 반도체 발광소자 패키지를 나타내는 측단면도이다.
도24는 본 발명의 제6 실시형태에 채용된 반사막의 투과율과 반사율을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도25는 본 발명의 제7 실시형태에 따른 반도체 발광소자 패키지를 나타내는 측단면도이다.
도26은 본 발명의 제7 실시형태에 채용된 반사막의 투과율과 반사율을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도27은 본 발명의 다른 측면으로서, 상술된 반도체 발광소자 패키지가 채용가능한 조명 장치의 예를 나타내는 분해사시도다.
도28는 본 발명의 또 다른 측면으로서, 상술된 반도체 발광소자 패키지가 채용가능한 헤드 램프의 예를 나타내는 개략 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 반도체 발광소자 패키지를 나타내는 사시도이며, 도2는 도1에 도시된 반도체 발광소자 패키지를 나타내는 측단면도이다.
도1에 도시된 바와 같이,본 실시형태에 따른 발광소자 패키지(10)는 패키지 본체(11)와, 발광 소자(15)와, 파장변환부(17)와 광필터(18)를 포함한다.
본 실시형태에 채용된 패키지 본체(11)는 상부가 개방된 오목부(R)를 구비하며, 제1 및 제2 리드 프레임(12,13)는 상기 패키지 본체에 의해 결합되며, 상기 오목부(R)를 통해 부분적으로 노출될 수 있다.
상기 발광소자(15)는 제1 및 제2 리드 프레임(12,13)에 전기적으로 연결될 수 있다. 도1에 도시된 바와 같이, 상기 발광소자(15)는 제1 리드 프레임(12)에 굴곡시켜 얻어진 저면(12a)에 탑재되고, 상기 제2 리드 프레임(13)에 와이어로 연결될 수 있다. 필요에 따라, 상기 오목부(R)에는 상기 발광소자(15)를 둘러싸도록 투명수지부(16)가 제공될 수 있다. 본 실시형태에서 상술된 패키지 본체(11) 및 리드 프레임(12,13)의 구조와 발광소자(15)의 접속방식은 다양한 형태로 변경될 수 있다.
상기 발광소자(15)는 반도체 발광다이오드 칩형태는 물론, 이러한 칩이 서브마운트 기판 상에 장착된 형태로 제공되는 소자와 같이 다양한 형태의 소자로 제공될 수 있다.
상기 파장변환부(17)는 발광소자(15)로부터 광이 방출되는 경로에 위치할 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 파장변환부(17)는 상기 패키지 본체(11)의 오목부(R) 상에 배치될 수 있다. 상기 파장변환부(17)의 배치가 용이하도록 도1에 도시된 바와 같이 상기 패키지 본체(11)의 오목부(R) 상단에는 걸림턱(v)이 제공될 수 있다.
상기 파장변환부(17)는 파장변환물질(P)과 유리물질(G)이 함유된 혼합물의 소결체로 이루어질 수 있다.
상기 파장변환물질(P)은 무기 형광체와 같은 다양한 형광체 또는 양자점일 수 있다. 필요에 따라 서로 다른 파장의 광을 방출하는 복수의 파장변환물질을 포함할 수 있다(도18 참조).
일 예에서, 상기 발광 소자(15)에서 생성되는 광은 청색광일 수 있으며, 이 경우에 상기 파장변환물질(P)은 녹색 형광체, 황색 형광체, 황등색 형광체 및 적색 형광체로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나의 형광체를 포함할 수 있다.
상기 유리물질(G)은 상기 파장변환부(17)의 메트릭스 또는 상기 파장변환물질(P)의 바인더로서 역할을 수행하며, 높은 광 투과율의 보장과 함께 파장변환물질(P)이 고온에서 열화되지 않도록 저온 소성이 가능한 물질이 바람직하게 사용될 수 있다.
이하, 본 실시형태에 채용되는 파장변환부(17)의 구성 및 특징에 대해서 구체적으로 설명한다.
상기 파장변환부(17)를 위한 유리물질(G)로는 저온소성공정과 함께 비교적 높은 투과율이 얻을 수 있는 유리 조성이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 파장변환부(17)의 유리물질로서 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 유리가 사용될 수 있으며, 소결 온도를 낮추기 위하여 Na2O, CaO, K2O 및 Li2O로 이루어진 물질이 첨가될 수 있다. 여기서, ZnO, BaO 및 P2O5로 이루어진 유리물질에 SiO2 및 B2O3은 첨가되어 상을 보다 안정화하고, Na2O, CaO, K2O 및 Li2O로부터 선택된 물질은 첨가되어 소결온도를 낮추는 작용을 하는 것으로 이해할 수 있다.
이러한 조성의 유리물질(G)은 이에 한정되지는 않으나, ZnO-BaO을 30 내지 60wt%, SiO2 및 B2O3는 10 내지 30wt%, P2O5을 5 내지 20wt%를 혼합하고, Na2O, CaO, K2O 및 Li2O로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 20wt% 이하의 비율로 추가 혼합하여 원하는 유리 조성물을 얻을 수 있다.
이와 같이 얻어진 유리 물질(G)과 함께 파장변환물질(P)을 혼합하여 원하는 형상(주로, 막)으로 성형한 후에 소결하여 형성될 수 있다.
또한, 유리물질(G)과 형광체와 같은 파장변환물질(P)의 혼합 물질은 500 내지 800℃의 온도에서 소결할 수 있다. 이러한 낮은 온도에서 소결함으로써 소결체인 파장변환부 내의 형광체와 같은 파장변환물질의 열화 또는 변성을 방지할 수 있으며, 결과적으로 높은 신뢰성을 보장할 수 있다.
필요에 따라 파장변환부(17)를 원하는 두께로 가공하거나 상기 파장변환부(17)의 표면을 경면화하기 위해서, 그라인딩 또는 폴리싱 공정을 추가적으로 수행할 수 있다.
이에 한정되지는 않으나, 최종적으로 얻어지는 파장변환부(17)는 50㎛ 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 밀도는 3.0 내지 4.5g/㎤일 수 있다. 이러한 파장변환부(17)는 가시광선대역의 적분 투과율(total transmittance)는 90%이상일 수 있다.
한편, 이러한 파장변환부(17)의 광특성은 유리물질과 파장변환물질(형광체)의 혼합비율에 의해 제어될 수 있으며, 이러한 과정은 도7 내지 도14를 참조하여 상세하게 후술하기로 한다.
이와 같이, 상기 유리물질(G)과 형광체(P)의 혼합물을 소결하여 얻어진 파장변환부(17)는 높은 투과율을 보장하면서도 여기광원의 파장을 원하는 색의 파장으로 변환시킬 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 파장변환부(17) 상면에는 파장선택성 광필터(18)가 형성된다. 이러한 배열에서, 상기 발광소자(15)로부터 생성된 광은 상기 파장변환부(17)를 통과하여 상기 파장선택성 광필터(18)에 도달할 수 있다.
상기 파장선택성 광필터(18)는 도3에 도시된 바와 같이, 상기 발광소자(15)로부터 생성된 광(λ1)을 반사시키는 반면에, 상기 파장변환부(17)에 의해 변환된 광(λ2)은 투과되도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 파장선택성 광필터(18)는 기준 파장(λc)보다 낮은 대역을 컷오프(cut-off)하는 광학적 하이 패스 필터(optical high pass filter)로 이해할 수 있다. 상기 파장선택성 광필터(18)는 무지향성 반사막(ODR) 또는 브래그 반사막(DBR)일 수 있으며, 특히 본 실시형태에서는 무지향성 반사막일 수 있다.
상기 파장선택성 광필터(18)는 도2에 도시된 바와 같이, 소정의 굴절율을 가지는 제1 유전체막(18a)과 상기 제1 유전체막(18a)의 굴절율과 다른 굴절율을 가지는 제2 유전체막(18b)이 교대로 적층하여 구현할 수 있다. 상기 제1 및 제2 유전체막(18a,18b)의 굴절률과 두께와 함께 반복되는 적층횟수를 적절히 조절함으로써 상기 파장선택성 광필터(18)는 원하는 파장선택성과 함께 투과율과 반사율을 가질 수 있다.
구체적으로, 이에 한정되지 아니하나, 상기 제1 유전체막(18a)은 SiO2, P2O5, B2O3등을 단독 또는 혼합하여 이루어질 수 있고, 상기 제2 유전체막(18b)은 TiO2, Ta2O5, BaO, ZnO등을 단독 또는 혼합하여 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 유전체막(18a,18b)은 5개 내지 20개의 쌍으로 반복 형성될 수 있다. 상기 파장선택성 광필터(18)는 0.5㎛ 내지 5㎛의 두께를 가질 수 있다.
이러한 파장변환부(17)와 결합된 파장선택성 광필터(18)의 작용에 대해서 설명하기로 한다.
도2에 도시된 바와 같이, 상기 발광소자(15)에서 방출된 1차 광(λ1)은 상기 파장변환부(17)의 파장변환물질(P)에 의해 다른 파장의 2차 광으로 변환되고, 상기 변환된 2차 광(λ2)은 상기 광필터(18)를 투과하여 방출되는데 반하여, 상기 파장변환부(17)에서 변환되지 않은 1차 광(λ1)은 상기 광필터(18)를 거의 투과하지 못하고, 다시 상기 파장변환부(17)로 진입하여 광 변환될 수 있는 확률을 높일 수 있고, 이러한 과정으로 통해서, 2차 광(λ2)으로의 변환효율을 향상시키고, 동시에 상기 광필터(18)을 투과하는 광의 색순도를 크게 높일 수 있다.
예를 들어, 상기 발광소자(15)가 청색 발광소자이며, 파장변환물질이 황등색(오렌지) 형광체인 경우에, 상기 파장선택성 광필터(18)의 컷오프 파장(λc)이 그 사이의 파장인 500∼550㎚ 중 임의 파장으로 설계되면, 상기 광필터(18)는 비교적 단파장인 청색광(λ1)을 높은 반사율로 반사시키고, 비교적 장파장인 황등색 광(λ2)은 투과시킬 수 있다. 이와 같이, 변환된 황등색 광(λ2)을 방출시키고, 변환되지 않은 청색광(λ1)은 다시 파장변환부(17)에서 변환될 수 있으므로, 상대적으로 적은 파장변환물질의 함량으로도 높은 변환효율을 보장할 수 있다.
따라서, 파장변환물질의 함량 대비 변환효율이 높일 뿐만 아니라, 다른 측면에서, 원하는 방출 방향으로 진행되는 광, 즉 파장변환부(17)와 광필터(18)를 투과하는 광의 색순도를 크게 높일 수 있다. 이러한 특징은 단색광의 순도를 향상시키는데 큰 장점을 제공한다.
상기 광필터(17)는 상기 파장변환부(18)의 표면에 적용될 수 있다. 상기 광필터(17)와 상기 파장변환부(18) 사이에서 광학적인 노이즈가 발생하지 않도록 상기 광필터(17)는 상기 파장변환부(18)의 표면에 직접 형성될 수 있다. 예를 들어, 본 실시형태와 같이, 유전체막과 같이 증착가능한 물질로 제공될 경우에, 상기 광필터(17)는 상기 파장변환부(18)의 표면에 직접 증착되어 형성될 수 있다.
이와 같이, 직접 증착공정으로 상기 광필터(17)와 상기 파장변환부(18)를 결합함으로써 상기 광필터(17)와 상기 파장변환부(18)의 계면에서의 불이익한 광학적 영향을 배제할 수 있다. 필요한 경우에, 이러한 증착공정을 위해서 상기 파장변환부(18)의 표면은 폴리싱 공정을 통해서 경면 처리될 수 있다. 이와 같이, 상기 파장변환부(17)와 상기 광필터(18)는 단일한 시트로 제조되고, 이를 적용할 영역에 적합하도록 절단하여 부착하는 방식으로 사용될 수 있다.
본 실시형태와 같이, 상기 파장변환부(18)가 외부에 위치하는 경우에, 상기 광필터(17)는 상기 파장변환부(18)가 외부 대기와 직접 접촉하는 것을 막을 수 있고, 형광체 또는 양자점과 같은 파장변환물질(P)이 산화되거나 습분이 침투하여 신뢰성이 저하되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 이와 같이 상기 광필터(17)를 상기 파장변환부(18) 상면에 배치함으로써 파장변환부(18)의 신뢰성을 유지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다(도17 참조).
상술된 제1 실시형태는 파장변환부(18)를 패키지의 오목부(R) 상에 배치한 형태로 예시하였으나, 광방출경로 상에 위치한다면 적절한 다른 위치에 제공될 수 있으며, 패키지 구조에 따라 상기 파장변환부의 위치는 다양하게 변경될 수 있다.
나아가, 상기 파장변환부는 발광 소자 외에 다른 구조물 상에 위치하는 것뿐만 아니라, 발광 소자의 표면에 제공될 수도 있다. 이러한 실시형태는 도4에 도시되어 있다.
도4는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 반도체 발광소자 패키지를 나타내는 측단면도이다.
도4에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 따른 발광소자 패키지(40)는 패키지 본체(41)와, 발광 소자(45)와, 파장변환부(47)와 광필터(48)를 포함한다.
본 실시형태에 채용된 패키지 본체(41)는 도1에 도시된 패키지 본체(11)와 유사하게 상부가 개방된 오목부(R)를 구비할 수 있다. 또한, 리드 프레임(42, 일측 리드프레임은 미도시)는 상기 패키지 본체(41)에 의해 결합되며, 상기 오목부(R)를 통해 부분적으로 노출될 수 있다.
상기 발광소자(45)는 리드 프레임(42)에 탑재되고, 상기 오목부(R)에는 상기 발광소자(45)를 둘러싸도록 투명수지부(46)가 제공될 수 있다. 본 실시형태에서 상술된 패키지 본체(41) 및 리드 프레임(42)의 구조와 발광소자(45)의 접속방식은 다양한 형태로 변경될 수 있다.
상기 파장변환부(47)는 발광소자(45)로부터 광이 방출되는 경로에 위치할 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 파장변환부(47)는 상기 발광소자(45)의 표면에 위치할 수 있다.
상기 파장변환부(47)는 파장변환물질(P)과 유리물질(G)이 함유된 혼합물의 소결체로 이루어질 수 있다. 상기 파장변환물질(P)은 무기 형광체와 같은 다양한 형광체 또는 양자점일 수 있다. 상기 유리물질(G)은 상기 파장변환부(47)의 메트릭스 또는 상기 파장변환물질(P)의 바인더로서 역할을 수행하며, 높은 광 투과율의 보장과 함께 파장변환물질(P)이 고온에서 열화되지 않도록 저온 소성이 가능한 물질이 바람직하게 사용될 수 있다. 본 실시형태에서, 파장선택성 광필터(48)는 상기 파장변환부(47) 상면에 형성된다. 특별히 반대되는 설명이 없는 한, 본 실시형태에 채용되는 파장변환부(47)와 광필터(48)에 대한 설명은 도1에서 설명된 사항이 참조로 결합될 수 있다.
이에 한정되지는 않으나, 본 실시형태에서 상기 파장변환부(47)와 상기 광필터(48)는 단일한 시트로 제조된 후에 적용될 발광소자(45)의 표면에 부착될 수 있다. 단일 시트로 제조된 파장변환부(47)와 광필터(48)의 적층체는 발광소자(45)의 표면에 적합한 디자인으로 절단될 수 있다. 이는 도5 및 도6에 도시된 예를 참조하여 설명하기로 한다. 또한, 이러한 부착공정은 개별 발광소자 칩 단위가 아니라, 웨이퍼 레벨에서도 구현될 수 있다.
본 실시형태에서도, 앞선 제1 실시형태와 유사하게, 상기 파장변환부(47) 상면에 형성된 파장선택성 광필터(48)는, 상기 파장변환부(47)의 파장변환물질(P)에 의해 변환된 광을 투과시키는 반면에, 상기 파장변환부(47)에서 변환되지 않은 광은 다시 파장변환부(47)로 진입하도록 반사시켜 전체 광변환효율을 높이는 동시에 상기 광필터(48)을 투과하는 광의 색순도를 크게 높일 수 있다.
다만, 본 실시형태와 같이, 상기 파장변환부(47)를 발광소자(45)의 상면에만 적용하는 경우에, 상기 발광소자(45)의 측면을 통해서 변환되지 않은 광이 방출될 수 있으며, 이로 인해 광필터(48)와 결합된 파장변환부(47)를 채용하더라도, 높은 광변환효율과 색순도를 기대하기 어려울 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 도4에 도시된 바와 같이, 광반사성 분말을 함유한 수지(49)를 발광소자(45)의 측면에 추가적으로 도포할 수 있다. 이러한 광반사성 분말 함유 수지(49)는 상기 발광소자(45)의 측면으로 광이 방출되는 것을 차단하고, 파장변환부(47)가 위치한 발광소자(45)의 상면을 통해서 빛이 방출되도록 안내함으로써 광필터(48)와 결합된 파장변환부(47)에 의한 효과를 충분히 기대할 수 있다(도15의 설명 참조). 이러한 광반사성 분말로는 TiO2 또는 Al2O3와 같은 분말이 사용될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 파장변환부와 광필터의 적층체로 제조되어 발광소자의 표면에 적합한 디자인으로 절단되어 적용될 수 있다. 도5 및 도6는 본 발명의 제2 실시형태에 채용될 수 있는 반도체 발광소자의 다양한 예를 나타내는 측단면도이다.
도5에 도시된 반도체 발광다이오드 칩(50)은, 기판(51) 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 반도체층(54), 활성층(55) 및 제2 도전형 반도체층(56)을 포함하는 플립칩 구조가 예시되어 있다. 이러한 플립칩 구조에서, 상기 제2 도전형 반도체층(56) 상에는 고반사성 오믹전극층(58)을 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(54) 및 고반사성 오믹 콘택층(58)의 상면에는 각각 제1 및 제2 전극(59a, 59b)이 형성된다.
상기 반도체 발광다이오드 칩(50)에서, 상기 기판 상면(에피택셜이 성장된 면이 반대면)이 주된 광방출면으로 제공되며, 상기 파장변환부(27)는 상기 기판 상면에 형성될 수 있다. 상기 파장변환부(27) 상에는 광필터(28)가 형성될 수 있다.
이와 달리, 상기 파장변환부와 상기 광필터가 하나의 적층체로 제공될 경우에 상기 기판 상면에 적합한 디자인으로 절단되어 적용될 수 있다. 물론, 웨이퍼 레벨, 즉 개별 칩으로 절단되기 전의 웨이퍼 레벨에서 기판의 상면에 상기 적층체를 제공하고 절단하여 도5에 도시된 바와 같이 상기 파장변환부(27)와 상기 광필터(28)의 적층체가 적용된 발광다이오드 칩(50)을 얻을 수 있다.
상기 파장변환부(27)와 상기 광필터(28)의 적층체는 도5에 도시된 플립칩 발광다이오드 칩 외에 구조에도 적용될 수 있다. 즉, 도5에 도시된 발광다이오드 칩(50)은 주된 광방출면의 반대면에 두 전극이 모두 형성된 칩구조를 예시하고 있으나, 적어도 하나의 전극이 주된 광방출면에 형성된 구조에서도 상기 파장변환부와 상기 광필터의 적층체가 적용될 수 있다.
도6에 도시된 반도체 발광다이오드 칩(60)은 도전성 기판(61), 제1 전극층(68), 절연층(62), 제2 전극층(67), 제2 도전형 반도체층(66), 활성층(65) 및 제1 도전형 반도체층(64)을 포함한다.
상기 제1 전극층(68)은 상기 도전성 기판(61) 상에 적층되어 구비되어 있을 뿐만 아니라, 도시된 바와 같이, 그 일부 영역이 상기 절연층(62), 제2 전극층(67), 제2 도전형 반도체층(66) 및 활성층(65)을 관통하고, 상기 제1 도전형 반도체층(66)의 일정 영역까지 관통한 콘택홀을 통해 연장되어 상기 제1 도전형 반도체층(64)과 접촉하여 상기 도전성 기판(61)과 제1 도전형 반도체층(64)은 전기적으로 연결되도록 구비되어 있다.
상기 제1 전극층(68) 상에는 상기 제1 전극층(68)이 상기 도전성 기판(61) 및 제1 도전형 반도체층(64)을 제외한 다른 층과는 전기적으로 절연시키기 위한 절연층(62)이 구비된다. 즉, 상기 절연층(62)은 상기 제1 전극층(68)과 제2 전극층(67)의 사이뿐만 아니라 상기 콘택홀에 의해 노출되는 상기 제2 전극층(67), 제2 도전형 반도체층(66) 및 활성층(65)의 측면들과 상기 제1 전극층(68) 사이에도 구비된다. 상기 제2 전극층(67)은 상기 절연층(62) 상에 구비된다. 상기 제2 전극층(64)은 도시된 바와 같이 상기 제2 도전형 반도체층(66)과 접촉하는 계면 중 일부가 노출된 영역(E)을 구비할 수 있으며, 이러한 노출 영역(E) 상에는 외부 전원을 상기 제2 전극층(67)에 연결하기 위한 전극패드(69)를 구비할 수 있다. 필요에 따라 에피택셜층 측면에 페시베이션층(63)을 형성할 수 있다.
이러한 구조에서는 주된 광방출면이 상기 제1 도전형 반도체층(64) 상면이며, 동일한 방향의 면에 상기 전극패드(69)가 구비될 수 있다. 따라서, 상기 파장변환부(37)와 상기 광필터(38)의 적층체는 상기 전극패드(69)가 형성된 노출영역(E)을 제외하도록 절단되어 상기 제1 도전형 반도체층(64) 상면에 제공될 수 있다.
본 발명에는 다른 형태의 발광 다이오드 칩이 다양하게 채용될 수 있으며, 다양한 발광 다이오드 칩 구조에서도 도6에서 설명된 바와 같이, 외부 연결을 위한 전극패드의 위치와 그 형성면적에 따라 적절히 디자인되어 주된 광방출면에 적용될 수 있다.
여러가지 실험을 통해서 상술된 실시형태에 따른 발광소자 패키지에서 얻어지는 다양한 광특성의 효과를 확인하였다.
< 비교예1 >
445㎚의 청색 LED 칩에 α-사이알론 형광체와 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 유리조성물을 혼합하고 필름형태로 성형한 후에 성형체를 420℃에서 소결하였다. 필름형상의 소결체를 폴리싱하여 100㎛ 두께의 파장변환부를 마련하였다.
이 때에 α-사이알론 형광체와 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 유리조성물의 배합비(중량비)를 1/200, 1/100, 1/60, 1/20, 1/15, 1/10, 1/6, 1/3로 변경하여 8개의 파장변환부를 제조하고, 이를 이용하여 도1에 도시된 발광소자 패키지와 유사한 형태의 8개 패키지를 제조하였다.
< 실시예1 >
앞선 비교예1과 유사하게, 발광다이오드 패키지를 제조하되 파장변환부에 광필터를 추가적으로 적용하였다. 즉, 445㎚의 청색 LED 칩에 α-사이알론 형광체와 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 유리조성물을 혼합하고 필름형태로 성형한 후에 성형체를 420℃에서 소결하였으며, 필름형상의 소결체를 폴리싱하여 100㎛ 두께의 파장변환부를 마련하였다.
이 때에 α-사이알론 형광체와 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 유리조성물의 배합비(중량비)를 1/200, 1/100, 1/60, 1/20, 1/15, 1/10, 1/6, 1/3로 변경하여 8개의 파장변환부를 제조하고, 파장변환부 상에 500㎚ 이하의 파장을 컷오프하는 파장선택성 광필름을 형성하였다. 구체적으로, 상기 파장변환부 상에 SiO2 막과 TiO2 막을 각각 25㎚ 및 10㎚로 8회 교대로 증착함으로써 각각의 파장변환부에 광필름을 형성하였다. 이러한 파장변환부와 광필터의 적층체를 이용하여 도1에 도시된 패키지와 유사한 8개의 발광소자 패키지를 제조하였다..
상기한 비교예1과 실시예1에 따라 제조된 발광소자 패키지의 발광스펙트럼을 측정하였고, 각각 도7 및 도8에 도시된 그래프로 나타내었다.
비교예1에 따른 발광다이오드 패키지의 경우에는 도7에 도시된 바와 같이, 형광체 비율이 높아짐에 따라 변환된 광의 세기가 다소 커지는 것을 확인할 수 있으나, 전체적으로 청색광이 변환된 광보다 절대적으로 크게 방출되는 것으로 확인할 수 있었다.이와 같이 청색광이 많이 혼합되므로, 원하는 단색광을 구현하기 어려우며 높은 색순도도 기대할 수 없었다.
이에 비하여, 도8에 도시된 바와 같이, 파장변환부에 광필터를 형성한 실시예1의 경우에는 전체의 배합비에서 청색광이 현저히 감소된 것을 알 수 있다. 특히, 배합비가 높아짐에 따라 청색광의 세기가 현저히 작아지고 변환된 광의 세기가 크게 강해짐을 알 수 있다. 이와 같이, 상기 실시예1에 따라 파장변환부 상에 적절한 광필터를 채용함으로써 원하는 장파장의 단색광을 구현할 수 있었으며, 형광체의 배합비가 커짐에 따라 그 변환효율도 상대적으로 커짐을 확인할 수 있었다.
비교예1 및 실시예1에 따라 얻어진 발광다이오드 패키지의 휘도와 색좌표를 각각 측정하였다. 특히, 실시예1은 정확한 결과를 얻기 위해서 2회에 걸쳐 측정하였다.
그 결과를 표1에 나타내었다. 또한, 각각의 패키지에서 측정된 휘도는 도9의 그래프로 나타내었으며, 동일한 배합비에서 비교예1(적용 전)의 색좌표를 대비하여, 실시예1(적용 후(1차), 적용 후(2차))의 색좌표가 변화된 정도(x좌표 변화량)를 도10에 나타내었다.
배합비
 적용 전 적용 후 (1차) 적용 후 (2차)
휘도 X색좌표 Y색좌표 휘도 X색좌표 Y색좌표 휘도 X색좌표 Y색좌표
0 0.9340 0.1570 0.0205 0.1810 0.2269 0.1185 0.1040 0.1660 0.0380
1/200 2.7140 0.1890 0.0630 1.3630 0.3380 0.2507 3.3890 0.4490 0.3740
1/100 3.6740 0.2120 0.0932 4.1350 0.5104 0.4445 2.9540 0.4330 0.3550
1/60 5.3140 0.2420 0.1322 5.4500 0.5206 0.4495 5.5930 0.5020 0.4310
1/20 8.3510 0.3440 0.2622 8.8084 0.5314 0.4583 8.0700 0.5290 0.4560
1/15 9.3930 0.3879 0.3155 9.1390 0.5320 0.4608 8.6090 0.5320 0.4570
1/10 9.8200 0.4362 0.3717 9.3550 0.5337 0.4609 8.6840 0.5330 0.4590
1/6 9.1540 0.4973 0.4342 8.3910 0.5405 0.4561 8.2710 0.5410 0.4550
1/3 6.8860 0.5367 0.4541 6.4950 0.5503 0.4470 6.3290 0.5490 0.4470
표1와 함께 도9에서 확인할 수 있는 바와 같이, 파장변환부에 반사막을 형성한 경우와 형성하지 않은 경우 모두에서, 파장변환부의 형광체의 양이 증가할수록 휘도가 증가하다가 형광체와 유리물질의 배합비가 1/20 내지 1/6에서 포화되는 경향을 나타내다가 1/6 기점으로 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 형광체의 비율이 지나치게 증가하는 경우에, 형광체에 의한 광 산란 또는 반사에 의해 광손실을 커져 휘도가 감소하는 것을 이해할 수 있다.
표1 및 도10에 나타난 바와 같이, 형광체의 비율을 변경하면서 색좌표를 확인한 결과, 파장변환부에 광필터를 적용하지 않은 비교예1에서는 형광체와 유리물질의 배합비가 1/3인 경우에 X 색좌표 및 Y 색좌표가 각각 0.5367 및 0.4541인 황등색을 나타낼 수 있었는데 반하여, 파장변환부에 광필터를 적용한 후에는 형광체/유리물질의 비율이 1/20인 경우에 X색좌표 및 Y색좌표가 각각 0.5314 및 0.4583(1차 측정) 또는 0.529 및 0.456(2차 측정)을 나타낼 수 있었다. 이와 같이, 동일한 색도를 광필터를 이용할 경우에 상대적으로 낮은 함량의 형광체를 이용하여 구현할 수 있음을 확인할 수 있었다.
특히, 이러한 유사한 황등색의 색좌표 조건에서, 비교예1(적용전)에서는 형광체와 유리물질의 배합비가 1/3인 경우에는 휘도가 6.886인데 반하여, 실시예1(적용후)에는 형광체/유리물질의 배합비가 1/20인 경우에 휘도가 8.084(1차 측정) 또는 8.070(2차 측정)로 높은 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면 적은 양의 형광체를 사용하면서도 원하는 색좌표를 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 휘도와 색순도가 높은 단색 황등색을 구현할 수 있다.
본 발명이 이에 한정되지는 않으나, 본 실시예1을 기초할 때에, 형광체와 유리물질의 배합비는 바람직하게 1/60 내지 1/6, 보다 바람직하게 1/20 내지 1/6일 수 있다.
아래와 같이, 비교예1 및 실시예1에서 사용된 형광체와 다른 황등색 형광체를 이용하여 유사한 실험을 실시하였다.
< 비교예2 >
445㎚의 청색 LED 칩에 실리케이트 형광체와 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 유리조성물을 혼합하고 필름형태로 성형한 후에 성형체를 420℃에서 소결하였다. 필름형상의 소결체를 폴리싱하여 100㎛ 두께의 파장변환부를 마련하였다.
이 때에 실리케이트 형광체와 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 유리조성물의 배합비(중량비)를 1/200, 1/100, 1/60, 1/20, 1/15, 1/10, 1/6, 1/3로 변경하여 8개의 파장변환부를 제조하고, 이를 이용하여 도1에 도시된 발광소자 패키지와 유사한 형태의 8개 패키지를 제조하였다.
< 실시예2 >
앞선 비교예2과 유사하게, 발광다이오드 패키지를 제조하되 파장변환부에 광필터를 추가적으로 적용하였다. 즉, 445㎚의 청색 LED 칩에 α-사이알론 형광체와 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 유리조성물을 혼합하고 필름형태로 성형한 후에 성형체를 420℃에서 소결하였으며, 필름형상의 소결체를 폴리싱하여 100㎛ 두께의 파장변환부를 마련하였다.
이 때에 실리케이트 형광체와 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 유리조성물의 배합비(중량비)를 1/200, 1/100, 1/60, 1/20, 1/15, 1/10, 1/6, 1/3로 변경하여 8개의 파장변환부를 제조하고, 파장변환부 상에 500㎚ 이하의 파장을 컷오프하는 파장선택성 광필름을 형성하였다. 구체적으로, 상기 파장변환부 상에 SiO2 막과 TiO2 막을 각각 25㎚ 및 10㎚로 8회 교대로 증착함으로써 각각의 파장변환부에 광필름을 형성하였다. 이러한 파장변환부와 광필터의 적층체를 이용하여 도1에 도시된 패키지와 유사한 8개의 발광소자 패키지를 제조하였다..
상기한 비교예2과 실시예2에 따라 제조된 발광소자 패키지의 발광스펙트럼을 측정하였고, 각각 도11 및 도12에 도시된 그래프로 나타내었다.
도11에 도시된 바와 같이, 비교예2에 따른 발광다이오드 패키지의 경우에도 형광체 비율이 높아짐에 따라 변환된 광의 세기가 다소 커지는 것을 확인할 수 있으나, 비교예1과 유사하게, 전체적으로 청색광이 변환된 광보다 절대적으로 크게 방출되는 것으로 확인할 수 있었다. 이와 같이 청색광이 많이 혼합되므로, 원하는 단색광을 구현하기 어려우며 높은 색순도도 기대할 수 없었다.
이에 비하여, 도12에 도시된 바와 같이, 파장변환부에 광필터를 형성한 실시예2의 경우에는 전체의 배합비에서 청색광이 현저히 감소된 것을 알 수 있다. 특히, 배합비가 높아짐에 따라 청색광의 세기가 현저히 작아지고 변환된 광의 세기가 크게 강해짐을 알 수 있다. 이와 같이, 상기 실시예2에 따라 파장변환부 상에 적절한 광필터를 채용함으로써 원하는 장파장의 단색광을 구현할 수 있었으며, 형광체의 배합비가 커짐에 따라 그 변환효율도 상대적으로 커짐을 확인할 수 있었다.
비교예2 및 실시예2에 따라 얻어진 발광다이오드 패키지의 휘도와 색좌표를 각각 측정하였다. 특히, 실시예2은 정확한 결과를 얻기 위해서 2회에 걸쳐(적용후 (1차), 적용후(2차)) 측정하였다. 그 결과를 표2에 나타내었다. 또한, 각각의 패키지에서 측정된 휘도는 도13의 그래프로 나타내었으며, 동일한 배합비에서 비교예2(적용 전)의 색좌표를 대비하여, 실시예2(적용 후(1차), 적용 후(2차))의 색좌표가 변화된 정도(x좌표 변화량)를 도14에 나타내었다.
배합비 적용전 적용 후(1차) 적용 후(2차)
휘도 X색좌표 Y색좌표 휘도 X색좌표 Y색좌표 휘도 X색좌표 Y색좌표
0 1.02 0.159 0.023 0.3548 0.256 0.147 0.279 0.194 0.067
1/200 3.01 0.201 0.071 3.8138 0.520 0.428 3.213 0.447 0.351
1/100 4.35 0.235 0.111 5.3227 0.524 0.434 5.221 0.504 0.412
1/60 5.33 0.259 0.138 6.4827 0.529 0.437 6.081 0.499 0.404
1/20 8.57 0.365 0.258 9.4320 0.546 0.446 9.214 0.530 0.432
1/15 9.17 0.399 0.294 9.6302 0.549 0.445 8.547 0.545 0.445
1/10 9.97 0.448 0.344 9.8461 0.551 0.444 9.526 0.550 0.445
1/6 10.17 0.500 0.394 9.8313 0.555 0.442 9.455 0.556 0.441
1/3 9.69 0.552 0.431 9.0246 0.565 0.432 8.754 0.565 0.433
표2와 함께 도13에서 확인할 수 있는 바와 같이, 파장변환부에 반사막을 형성한 경우와 형성하지 않은 경우 모두에서, 파장변환부의 형광체의 양이 증가할수록 휘도가 증가하다가 형광체와 유리물질의 배합비가 1/20 내지 1/6에서 포화되는 경향을 나타내다가, 앞선 실시예1보다는 그 폭이 작지만, 1/6 기점으로 다소 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 형광체의 비율이 지나치게 증가하는 경우에, 형광체에 의한 광 산란 또는 반사에 의해 광손실을 커져 휘도가 감소하는 것을 이해할 수 있다.
표2 및 도14에 나타난 바와 같이, 형광체의 비율을 변경하면서 색좌표를 확인한 결과, 파장변환부에 광필터를 적용하지 않은 비교예2에서는 형광체와 유리물질의 배합비가 1/3인 경우에 X색좌표 및 Y색좌표가 각각 0.552 및 0.431인 황등색을 나타낼 수 있었는데 반하여, 파장변환부에 반사막을 적용한 후에는 형광체와 유리물질의 배합비가 1/20인 경우에 X색좌표 및 Y색좌표가 각각 0.546 및 0.446 또는 0.530 및 0.432으로 황등색을 나타낼 수 있다. 이와 같이, 적은양의 형광체를 사용하고도 원하는 색좌표를 가지며, 휘도 및 순도가 높은 단색 황등색을 구현할 수 있다.
본 발명이 이에 한정되지는 않으나, 본 실시예1을 기초할 때에, 형광체와 유리물질의 배합비는 바람직하게 1/60 이상, 보다 바람직하게 1/20 이상일 수 있으며, 형광체 사용량을 감소시키는 측면에서, 상기 배합비는 1/6이하가 바람직할 것이다.
이하, 실시예3을 참조하여 본 발명에 채용되는 광필터의 컷오프 특성 및 다른 광학적 구조의 변경에 따른 효과를 설명한다.
< 실시예3 >
실시예1과 유사하게, 445㎚의 청색 LED 칩에 α-사이알론 형광체와 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 유리조성물을 혼합하고 필름형태로 성형한 후에 성형체를 420℃에서 소결하였으며, 필름형상의 소결체를 폴리싱하여 100㎛ 두께의 파장변환부를 마련하였다. 이 때에 실리케이트 형광체와 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 유리조성물의 배합비(중량비)를 1/20으로 설정하였으며, 반도체 발광다이오드 칩(도5에 도시된 플립칩 구조)의 상면에 파장변환부를 직접 부착하는 형태로 제조하여 발광 소자 패키지를 마련하였다.
우선, 광필터 적용 전에 발광 패키지를 제조하여 색좌표를 측정한 후에, 제1 광필터(컷오프 파장: 약 500㎚)를 적용한 후에 변경된 색좌표를 측정하였다. 이러한 과정에서 변경된 색좌표는 도15의 색좌표계에서 ⓐ로 표시되어 있다.
이어, 반도체 발광다이오드 칩의 주위에 도3에 도시된 패키지와 같이, 발광소자의 측면에 TiO2를 함유한 실리콘 수지를 이용하여 반사성 댐구조를 형성하였다. 이 결과, ⓑ로 표시된 바와 같이, 발광소자의 측면을 방출되는 1차 광이 감소하여 색변환율이 높아지고, 색좌표가 이동될 수 있다.
추가적으로, 제2 광필터(컷오프 파장: 약 544㎚)를 적용하였을 때에, 색좌표는 우측 아래로 이동하여 원하는 타겟 영역에 속할 수 있었다. 여기서, 제2 광필터는 도16에 나타난 바와 같이, 컷오프 파장이 약 544㎚로서 녹색 대역까지 차단되므로, 원하는 황등색의 색좌표에 해당되어 색순도가 보다 높아질 수 있다.
도17은 비교예1에서 얻어진 3개의 샘플 패키지(1/20, 1/6, 1/3)와, 실시예1에 얻어진 1개의 샘플 패키지(1/6)를 대상으로 신뢰성을 평가하였다. 신뢰성의 평가조건은 온도 85℃, 상대 습도 85%에서 시간의 변화에 따라 x좌표의 변화량을 기초하여 평가하였다. 비교예1인 경우(표면코팅 미적용)에, 80분을 초과하면서 -0.002 이상으로 변화량을 나타내는 반면에, 실시예1인 경우(표면코팅 적용)에, 80분이 지나고, 160분이 경과하여도 x 좌표의 변화가 거의 일어나지 않음을 확인할 수 있었다.
이는 비교예1에서는 광필터가 적용되지 않으므로, 파장변환부가 외부 대기에 노출되기 때문으로 이해될 수 있다. 즉, 파장변환부의 형광체가 외부 대기와 접촉하여 쉽게 산화될 수 있으며, 이로 인해 색좌표가 변화되는 반면에, 실시예1의 경우에는 광필터가 파장변환부 표면의 보호 코팅으로서 기능을 함으로써 파장변환부의 형광체가 산화되는 것을 효과적으로 방지할 수 있었다.
앞선 실시형태와 실시예에서는, 황등색 형광체와 같이 단색 형광체를 채용한 형태를 중심으로 예시하였으나, 다른 다양한 색을 발광하는 형광체 또는 양자점과 같은 다른 종류의 파장변환물질을 사용할 수도 있다. 서로 다른 피크 파장을 갖는 광으로 변환하는 복수의 파장변환물질을 채용할 수 있다. 이러한 실시형태의 경우에는 백색광을 구현하기 위해서 2종의 파장변환물질을 사용할 수 있다. 이러한 실시형태는 도18에 도시되어 있다.
도18은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 반도체 발광소자 패키지를 나타내는 측단면도이다.
도18에 도시된 반도체 발광소자 패키지(70)는, 패키지 본체(71)와, 발광 소자(75)와, 파장변환부(77)와 광필터(78)를 포함한다.
본 실시형태에 채용된 패키지 본체(71)는 앞선 실시형태의 패키지 본체와 유사하게 상부가 개방된 오목부(R)를 구비할 수 있다. 또한, 리드 프레임(72, 일측 리드프레임은 미도시)는 상기 패키지 본체(71)에 의해 결합되고, 상기 오목부(R)를 통해 부분적으로 노출될 수 있다.
상기 발광소자(75)는 리드 프레임(72)에 탑재되고, 상기 오목부(R)에는 상기 발광소자(75)를 둘러싸도록 투명수지부(76)가 제공될 수 있다. 본 실시형태에서 상술된 패키지 본체(71) 및 리드 프레임(72)의 구조와 발광소자(75)의 접속방식은 다양한 형태로 변경될 수 있다.
상기 파장변환부(77)는 발광소자(75)로부터 광이 방출되는 경로에 위치하도록 오목부(R) 상단에 제공될 수 있다. 상기 파장변환부(77)는 파장변환물질(P)과 유리물질(G)이 함유된 혼합물의 소결체로 이루어질 수 있다.
상기 파장변환물질(P)은 무기 형광체와 같은 다양한 형광체 또는 양자점일 수 있으며, 본 실시형태에서는 단일색의 형광체가 아니라, 서로 다른 피크파장을 갖는 3개의 형광체(Pa,Pb,Pc)가 사용된 형태로 예시되어 있다.
상기 유리물질(G)은 높은 광 투과율의 보장과 함께 파장변환물질(P)이 고온에서 열화되지 않도록 저온 소성이 가능한 물질이라면 바람직하게 사용될 수 있다.
특별히 반대되는 설명이 없는 한, 본 실시형태에 채용되는 상기 파장변환부(77)와 광필터(78)에 대한 설명은 도1에서 설명된 사항이 참조로 결합될 수 있다.
본 실시형태에서도, 앞선 실시형태와 유사하게, 상기 파장선택성 광필터(78)는 상기 파장변환부(77) 상면에 형성되며, 상기 파장변환부(77) 상면에 형성된 파장선택성 광필터(78)는, 광을 파장에 의존하여 선택적으로 투과시키고 반사시킬 수있다.
즉, 상기 발광소자(75)는 여기광으로 제공되는 1차 광(피크파장: λ1)을 방출하고, 상기 1차 광은 상기 파장변환부(77)의 3개의 형광체(Pa,Pb,Pc)에 의해 서로 다른 파장을 갖는 3개의 2차 광(피크파장: λ2a,λ2b,λ2c)으로 변환되고, 변환된 2차 광은 상기 1차 광에 비해 장파장화된다. 여기서, 상기 광필터(78)는 상기 1차 광의 파장(λ1)과 상기 2차 광 중 가장 단파장인 광의 파장 사이에서 컷오프 파장을 갖는 하이 패스 필터로 설계된다.
따라서, 도19에 도시된 바와 같이, 상기 광필터(78)는 상기 발광소자(75)로부터 방출되는 1차 광(피크파장: λ1)을 외부로 진행되지 않도록 반사하고, 상기 파장변환부(77)에서 변환되지 않은 광은 반사되어 다시 파장변환부(77)로 진입하여 변환될 수 있는 확률을 높일 수 있다. 이러한 과정을 통해서 전체 광변환효율을 높일 수 있다.
한편, 본 실시형태에서는 앞선 실시형태와 달리, 상기 파장변환부(77)에 복수의 서로 다른 형광체(Pa,Pb,Pc)를 사용한다. 이러한 형광체(Pa,Pb,Pc)에 의해 상기 발광소자(75)로부터 방출된 1차 광은 서로 파장대역에 다른 복수의 2차 광으로 변환될 수 있으며, 상기 복수의 2차 광의 조합을 통해 백색광이 구현되도록 상기 복수의 형광체(Pa,Pb,Pc)와 여기 광원(즉, 발광소자(75)의 파장조건)을 선택할 수 있다.
예를 들어, 상기 발광 소자(75)에서 생성되는 1차 광은 자외선 또는 근자외선광으로 선택하고, 상기 파장변환물질로서 3개의 형광체를 청색 형광체, 녹색 형광체 및 적색 형광체로 선택함으로써 원하는 백색 광을 제공할 수 있다.
이와 달리, 형광체와 파장변환물질의 변환색 조합은 다양하게 구현될 수 있다. 다른 예에서, 청색 및 황색 형광체의 조합, 청색 및 황색 형광체에 녹색, 황등색 형광체 및 적색 형광체 중 적어도 하나의 추가적인 결합 등 다양한 조합으로 백색광을 구현할 수 있다.
복수의 형광체 조합으로 백색광을 구현하는 경우에는, 상기 광필터를 이용함으로써 변환효율이 향상되므로, 실제 상기 파장변환부에 사용되는 형광체의 양을 감소시킬 수 있는 장점을 기대할 수 있다.
도18에 도시된 실시형태와 같이, 백색 발광을 구현하는 특별한 예에서, 상기 발광소자로서, 자외선 또는 근자외선 발광소자가 아니라, 청색 발광소자도 사용하면서, 광필터의 청색의 투과율을 다소 높임으로써, 황색 형광체의 단일 형광체만으로 백색 광을 구현할 수 있다. 물론, 이 경우에도 황색 형광체 외에 복수의 형광체의 조합으로 대체될 수 있을 것이다.
또한, 이에 한정되지는 않으나, 상기 파장변환부(77)와 상기 광필터(78)는 단일한 시트로 제조된 후에 패키지 본체(71)에 오목부(R)를 덮도록 부착될 수 있다.
지금까지 상술된 실시형태에 채용되는 광필터는 광학적 하이패스 필터로 작용하는 형태로 설명되었으나, 광필터를 광학적 로우패스 필터(optical low pass filter)로 작용하는 형태로도 구현될 수 있다.
상술된 실시형태와 같이, 광필터를 광학적 하이패스 필터로 채용하는 경우에는, 변환된 광만을 투과시키고 변환되지 않은 광은 반사되도록 광 경로에서 파장변환부의 다음에 배치된 배열을 갖지만, 후술된 실시형태와 같이, 광필터를 광학적 로우패스 필터로 채용하는 경우에는, 변환된 광만을 투과시키고 변환되지 않은 광은 반사되도록 광 경로에서 파장변환부의 전단, 즉 여기광원과 파장변환부 사이에 배치된 배열을 갖는다. 이러한 실시형태는 도20 내지 도26을 참조하여 설명하기로 한다.
도20은 본 발명의 제4 실시형태에 따른 반도체 발광소자 패키지를 나타내는 측단면도이다.
도20에 도시된 발광소자 패키지(80)는 패키지 본체(81)와, 발광 소자(85)와, 파장변환부(87)와 광필터(88)를 포함한다.
본 실시형태에 채용된 패키지 본체(81)는 앞선 실시형태의 패키지 본체와 유사하게 상부가 개방된 오목부(R)를 구비할 수 있다. 또한, 리드 프레임(82, 일측 리드프레임은 미도시)는 상기 패키지 본체(81)에 의해 결합되고, 상기 오목부(R)를 통해 부분적으로 노출될 수 있다.
상기 발광소자(85)는 리드 프레임(82)에 탑재되고, 상기 오목부(R)에는 상기 발광소자(85)를 둘러싸도록 투명수지부(86)가 제공될 수 있다. 본 실시형태에서 상술된 패키지 본체(81) 및 리드 프레임(82)의 구조와 발광소자(85)의 접속방식은 다양한 형태로 변경될 수 있다. 상기 파장변환부(87)는 발광소자(85)로부터 광이 방출되는 경로에 위치하도록 상기 패키지 본체(81)의 오목부(R) 상에 제공될 수 있다. 상기 파장변환부(87)는 파장변환물질(P)과 유리물질(G)이 함유된 혼합물의 소결체로 이루어질 수 있다. 파장변환물질(형광체)과 유리물질의 배합비는 1:9 내지 6:4일 수 있으며, 대체로 앞선 실시형태보다는 높게 설정될 수 있다.
상기 파장변환물질(P)은 무기 형광체와 같은 다양한 형광체 또는 양자점일 수 있으며, 상기 유리물질(G)은 높은 광 투과율의 보장과 함께 파장변환물질(P)이 고온에서 열화되지 않도록 저온 소성이 가능한 물질이라면 바람직하게 사용될 수 있다. 이와 같이, 상기 유리물질(G)과 형광체(P)의 혼합물을 소결하여 얻어진 파장변환부(87)는 높은 투과율을 보장하면서도 여기광원의 파장을 원하는 색의 파장으로 변환시킬 수 있다.
특별히 반대되는 설명이 없는 한, 본 실시형태에 채용되는 상기 파장변환부(87)에 대한 설명은 도1에서 설명된 사항이 참조로 결합될 수 있다.
본 실시형태에서는, 앞서 설명한 바와 같이 상기 광필터(88)가 로우 패스필터로서 설계되며, 상기 파장변환부(87)와 상기 발광소자(85) 사이에 위치하도록 도20에 도시된 바와 같이, 상기 파장변환부(87)의 하면에 형성될 수 있다. 이러한 배열에 의한 광학적 기능의 변경과 개선효과에 대해서는 후술하기로 한다.
이러한 배열에서, 상기 발광소자(85)로부터 생성된 광은 상기 파장선택성 광필터(88)을 통과하여 상기 파장변환부(87)에 도달할 수 있다.
상기 파장선택성 광필터(88)는 상기 발광소자로부터 생성된 광(λ1)을 투과시키는 반면에, 상기 파장변환부(87)에 의해 변환된 광(λ2)은 반사되도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 파장선택성 광필터(88)는 기준 파장(λc)보다 높은 대역을 컷오프(cut-off)하는 광학적 로우 패스 필터(optical low pass filter)로 이해할 수 있다. 상기 파장선택성 광필터(88)는 무지향성 반사막(ODR) 또는 브래그 반사막(DBR)일 수 있으며, 특히 본 실시형태에서는 브래그 반사막일 수 있다.
상기 파장선택성 광필터(88)는 기본적으로 로우패스필터로 작용하는 도1에 도시된 광필터(18)와 유사한 구조를 가질 수 있다. 즉, 본 실시형태에 채용된 광필터(88)는, 도20에 도시된 바와 같이, 소정의 굴절율을 가지는 제1 유전체막(88a)과 상기 제1 유전체막(88a)의 굴절율과 다른 굴절율을 가지는 제2 유전체막(88b)이 교대로 적층하여 구현할 수 있다. 상기 제1 및 제2 유전체막(88a,88b)의 굴절률과 두께와 함께 반복되는 적층횟수를 적절히 조절함으로써 상기 파장선택성 광필터(87)는 원하는 파장선택성과 함께 투과율과 반사율을 가질 수 있다.
구체적으로, 이에 한정되지 아니하지만, 상기 제1 유전체막(88a)은 SiO2, P2O5, B2O3등을 단독 또는 혼합하여 이루어질 수 있고, 상기 제2 유전체막(88b)은 TiO2, Ta2O5, BaO, ZnO등을 단독 또는 혼합하여 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 유전체막(88a,88b)은 5개 내지 20개의 쌍으로 반복 형성될 수 있다. 상기 파장선택성 광필터(88)는 0.5㎛ 내지 5㎛의 두께를 가질 수 있다.
이러한 파장변환부(87)와 결합된 파장선택성 광필터(88)의 작용에 대해서 설명하기로 한다.
도20과 함께 도21을 참조하면, 상기 광 필터(88)는 상기 발광소자(85)에서 방출된 1차 광(λ1)과 상기 파장변환물질(P)에 의해 변환되는 2차 광(λ2) 사이의 컷오프 파장(λc)을 갖는 로우 패스 필터로 기능한다. 즉, 상기 발광소자(85)에서 방출된 1차 광(λ1)은 상기 광필터(88)를 투과하여 상기 파장변환부(87)로 진입하고, 파장변환물질(P)에 의해 다른 파장의 2차 광(λ2)으로 변환될 수 있다. 1차 광이 변환되는 과정에서 형광체와 산란을 일으키고, 이러한 산란과정에서, 변환된 2차 광은 원하는 방출방향으로만 아니라 상기 발광소자로 다시 진입하려는 경향을 갖는다. 하지만, 상기 광 필터(88)는 상기 변환된 2차 광(λ2)이 투과되지 않도록 반사시켜 원하는 방향으로 진행하도록 안내할 수 있다.
이와 같이, 상기 파장변환물질(P)에 의해 산란된 2차광이 다시 역으로 진행하여 광필터에 의해 방지함으로써 변환된 광을 원하는 방향으로 방출시켜고, 결과적으로 변환효율을 향상시키는 기여할 수 있다(즉, 형광체 사용량 대비 변환광의 휘도 개선).
이러한 실시형태는 단색광을 위한 발광소자 패키지뿐만 아니라, 백색광을 위한 발광소자 패키지에 유용하게 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 발광소자가 청색 발광소자이며, 파장변환물질이 황색 형광체인 경우에, 상기 파장선택성 광필터(88)의 컷오프 기준파장(λc)을 그 사이의 파장인 480∼600㎚ 중 임의 파장으로 설계하면, 상기 광필터(88)는 산란되는 황색 광을 원하는 방향으로 효과적으로 안내할 수 있다. 이러한 작용을 통해서, 상대적으로 적은 파장변환물질의 함량으로도 실질적으로 높은 변환효율을 보장할 수 있다.
본 실시형태에 채용된 광필터(87)는 도시된 바와 같이, 상기 파장변환부(88)의 표면에 적용될 수 있다. 상기 광필터(87)와 상기 파장변환부(88) 사이에서 광학적인 노이즈가 발생하지 않도록 상기 광필터(87)는 상기 파장변환부(88)의 표면에 직접 형성될 수 있다. 예를 들어, 본 실시형태와 같이, 유전체막과 같이 증착가능한 물질로 제공될 경우에, 상기 광필터(87)는 상기 파장변환부(88)의 표면에 직접 증착되어 형성될 수 있다.
이와 같이, 직접 증착공정으로 상기 광필터(87)와 상기 파장변환부(88)를 결합함으로써 상기 광필터(87)와 상기 파장변환부(88)의 계면에서의 불이익한 광학적 영향을 배제할 수 있다. 필요한 경우에, 이러한 증착공정을 위해서 상기 파장변환부(88)의 표면은 폴리싱 공정을 통해서 경면 처리될 수 있다. 이와 같이, 상기 파장변환부(87)와 상기 광필터(88)는 단일한 시트로 제조되고, 이를 적용할 영역에 적합하도록 절단하여 부착하는 방식으로 사용될 수 있다.
본 실시형태에서는, 상기 파장변환부(88)가 외부에 노출되므로, 상기 파장변환부(88)의 형광체 또는 양자점과 같은 파장변환물질(P)이 산화되거나 습분이 침투할 수 있다. 이로 인한 신뢰성 저하를 방지하기 위해서 상기 파장변환부(88) 상면에 광투과성 보호층(미도시)을 추가적으로 형성할 수 있다. 이러한 광투과성 보호층으로서, 앞선 실시형태에서 설명된 하이패스필터로 작용하는 광필터를 채용할 수 있다. 보호층으로서 파장변환부 상면에 광필터를 추가적으로 형성하는 반도체 발광소자 패키지는 주로 단색광을 위한 발광소자 패키지로 사용될 수 있다.
도20에 도시된 실시형태는 파장변환부(88)를 패키지의 오목부(R) 상에 배치한 형태로 예시하였으나, 광방출경로 상에 위치한다면 적절한 다른 위치에 제공될 수 있으며, 패키지 구조에 따라 상기 파장변환부의 위치는 다양하게 변경될 수 있다.
나아가, 상기 파장변환부는 발광 소자 외에 다른 구조물 상에 위치하는 것뿐만 아니라, 발광 소자의 표면에 제공될 수도 있다. 이러한 실시형태는 도22에 도시되어 있다.
도22에 도시된 발광소자 패키지(90)는 패키지 본체(91)와, 발광 소자(95)와, 파장변환부(97)와, 광필터(98)를 포함한다.
본 실시형태에 채용된 패키지 본체(91)는 도1에 도시된 패키지 본체(11)와 유사하게, 상부가 개방된 오목부(R)를 구비할 수 있다. 또한, 리드 프레임(82, 일측 리드프레임은 미도시)는 상기 패키지 본체(91)에 의해 결합되며, 상기 오목부(R)를 통해 부분적으로 노출될 수 있다.
상기 발광소자(95)는 리드 프레임(92)에 탑재되고, 상기 오목부(R)에는 상기 발광소자(95)를 둘러싸도록 투명수지부(96)가 제공될 수 있다. 본 실시형태에서 상술된 패키지 본체(91) 및 리드 프레임(92)의 구조와 발광소자(95)의 접속방식은 다양한 형태로 변경될 수 있다.
상기 파장변환부(97)는 발광소자(95)로부터 광이 방출되는 경로에 위치할 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 파장변환부(97)는 상기 발광소자(95)의 표면에 위치할 수 있다.
상기 파장변환부(97)는 파장변환물질(P)과 유리물질(G)이 함유된 혼합물의 소결체로 이루어질 수 있다. 상기 파장변환물질(P)은 무기 형광체와 같은 다양한 형광체 또는 양자점일 수 있다. 상기 유리물질(G)은 상기 파장변환부(97)의 메트릭스 또는 상기 파장변환물질(P)의 바인더로서 역할을 수행하며, 높은 광 투과율의 보장과 함께 파장변환물질(P)이 고온에서 열화되지 않도록 저온 소성이 가능한 물질이 바람직하게 사용될 수 있다. 본 실시형태에서, 파장선택성 광필터(98)는 상기 파장변환부(97) 상면에 형성된다. 특별히 반대되는 설명이 없는 한, 본 실시형태에 채용되는 파장변환부(97)와 광필터(98)에 대한 설명은 도1에서 설명된 사항이 참조로 결합될 수 있다.
이에 한정되지는 않으나, 본 실시형태에서 상기 파장변환부(97)와 상기 광필터(98)는 단일한 시트로 제조된 후에 적용될 발광소자(95)의 표면에 부착될 수 있다. 단일 시트로 제조된 파장변환부(97)와 광필터(98)의 적층체는 발광소자(95)의 표면에 적합한 디자인으로 절단될 수 있다. 이에 대해서는 도5 및 도6를 참조하여 설명된 예를 참조하여 이해할 수 있다. 또한, 이러한 부착공정은 개별 발광소자 칩 단위가 아니라, 웨이퍼 레벨에서도 구현될 수 있다.
본 실시형태에서도, 도20에 도시된 실시형태와 유사하게, 상기 파장변환부(97) 하면에 형성된 파장선택성 광필터(98)는, 상기 발광소자(95)로부터 생성된광을 투과시켜 파장변환부(97)로 진행시키는 반면에, 상기 파장변환물질(P)에 의해 산란된 변환 광 중 내부로 진입하려는 광을 원하는 방출방향으로 반사시켜, 전체 광변환효율을 높일 수 있다. 따라서, 본 실시형태에 따르면, 동일한 조건의 변환된 광을 얻기 위해서 상대적으로 적은 양의 파장변환물질을 사용할 수 있다.
도시되지 않았으나, 필요에 따라 발광소자(95)의 측면 또는 패키지의 다른영역에 추가적으로 도포된 광반사성 분말 함유 수지를 사용할 수도 있다. 이러한 광반사성 분말로는 TiO2 또는 Al2O3와 같은 분말이 사용될 수 있다.
서로 다른 피크 파장을 갖는 광으로 변환하는 복수의 파장변환물질을 채용할 수 있다. 즉, 다른 색을 발광하는 복수의 형광체, 복수의 양자점 또는 그 조합과 같이 다양한 파장변환물질을 사용할 수도 있다. 이러한 실시형태에서, 백색광을 구현하는 경우에는 1종의 파장변환물질을 사용하는 형태보다 높은 연색성을 기대할 수 있다. 이러한 실시형태는 도23에 도시되어 있다.
도23에 도시된 반도체 발광소자 패키지(100)는, 패키지 본체(101)와, 발광 소자(105)와, 파장변환부(107)와, 광필터(108)를 포함한다.
본 실시형태에 채용된 패키지 본체(101)는 앞선 실시형태의 패키지 본체와 유사하게 상부가 개방된 오목부(R)를 구비할 수 있다. 또한, 리드 프레임(102, 일측 리드프레임은 미도시)는 상기 패키지 본체(101)에 의해 결합되고, 상기 오목부(R)를 통해 부분적으로 노출될 수 있다.
상기 발광소자(105)는 리드 프레임(102)에 탑재되고, 상기 오목부(R)에는 상기 발광소자(105)를 둘러싸도록 투명수지부(106)가 제공될 수 있다. 본 실시형태에서 상술된 패키지 본체(101) 및 리드 프레임(102)의 구조와 발광소자(105)의 접속방식은 다양한 형태로 변경될 수 있다.
상기 파장변환부(107)는 발광소자(105)로부터 광이 방출되는 경로에 위치하도록 오목부(R) 상단에 제공될 수 있다. 상기 파장변환부(107)는 2종의 파장변환물질(Pa',Pb')과 유리물질(G)이 함유된 혼합물의 소결체로 이루어질 수 있다.
상기 파장변환물질(Pa',Pb')은 무기 형광체와 같은 다양한 형광체 및 양자점로부터 선택된 2종의 파장변환물질일 수 있으며, 본 실시형태에 채용된 2개의 파장변환물질(Pa',Pb')은 백색 발광을 구현하기 위해서 선택된 물질일 수 있다.
상기 유리물질(G)은 높은 광 투과율의 보장과 함께 파장변환물질(Pa',Pb')이 고온에서 열화되지 않도록 저온 소성이 가능한 물질이라면 바람직하게 사용될 수 있다.
특별히 반대되는 설명이 없는 한, 본 실시형태에 채용되는 상기 파장변환부(107)와 광필터(108)에 대한 설명은 도1에서 설명된 사항이 참조로 결합될 수 있다.
본 실시형태에서도, 도20에 도시된 실시형태와 유사하게, 상기 파장선택성 광필터(108)는 상기 파장변환부(107) 하면에 형성되며, 상기 파장변환부(107) 하면에 형성된 파장선택성 광필터(108)는, 광을 파장에 의존하여 선택적으로 투과시키고 반사시킬 수 있다.
즉, 상기 발광소자(105)는 여기광으로 제공되는 1차 광(피크파장: λ1)을 방출하고, 상기 1차 광은 상기 파장변환부(107)의 2개의 형광체(Pa',Pb')에 의해 서로 다른 파장을 갖는 2개의 2차 광(피크파장: λ2,λ3)으로 변환되고, 변환된 2차 광은 상기 1차 광에 비해 장파장화된다. 여기서, 상기 광필터(108)는 상기 1차 광의 파장(λ1)과 상기 2차 광 중 가장 단파장인 광의 파장(λ2) 사이에서 컷오프 파장을 갖는 로우 패스 필터로 설계된다.
따라서, 도24에 도시된 바와 같이, 상기 광필터(108)는 상기 발광소자(105)로부터 방출되는 1차 광(피크파장: λ1)을 파장변환부(107)로 진행되도록 투과시키고, 상기 파장변환부(107)에서 변환된 광은 산란에 의해 광방출방향으로 진행되지 않은 부분이 상기 광필터(108)에 의해 반사되어 원하는 광방출방향으로 진행시킬 수 있다. 이러한 과정을 통해서 전체 광변환효율을 높일 수 있다.
한편, 본 실시형태에서는 앞선 실시형태와 달리, 상기 파장변환부(107)에 2종의 서로 다른 형광체(Pa',Pb')를 사용한다. 이러한 형광체(Pa',Pb')에 의해 상기 발광소자(105)로부터 방출된 1차 광은 서로 파장대역에 다른 복수의 2차 광으로 변환될 수 있으며, 변환되지 않고 방출되는 1차 광과 함께 상기 복수의 2차 광의 조합을 통해 백색광이 구현될 수 있다.
예를 들어, 상기 발광 소자(105)에서 생성되는 1차 광은 청색광으로 선택하고, 상기 파장변환물질로서 2개의 형광체를 녹색 형광체 및 적색 형광체로 선택함으로써 원하는 백색 광을 제공할 수 있다.
이와 달리, 형광체와 같은 파장변환물질의 조합은 다양하게 구현될 수 있다. 다른 예에서, 황색 형광체를 주된 파장변환물질로 사용하면서, 연색성을 개선하거나 색온도를 조절하기 위해서, 녹색, 황등색, 적색 형광체 중 적어도 하나를 추가적으로 조합할 수 있다.
또한, 필요에 따라, 상기 파장변환부(107)와 상기 광필터(108)는 단일한 시트로 제조된 후에 패키지 본체(101)에 오목부(R)를 덮도록 부착될 수 있다.
광필터를 광학적 로우패스필터로 설계한 형태에서는, 상기 파장변환부와 상기 광필터를 복수회 교대로 적층된 형태로 제공할 수도 있다. 이러한 실시형태는 도25에 도시되어 있다.
도25에 도시된 반도체 발광소자 패키지(110)는, 패키지 본체(111)와, 발광 소자(115)와, 제1 및 제2 파장변환부(117a,117b)와, 제1 및 제2 광필터(118a,118b)를 포함한다.
본 실시형태에 채용된 패키지 본체(111)는 앞선 실시형태의 패키지 본체와 유사하게 상부가 개방된 오목부(R)를 구비할 수 있다. 또한, 리드 프레임(112, 일측 리드프레임은 미도시)는 상기 패키지 본체(111)에 의해 결합되고, 상기 오목부(R)를 통해 부분적으로 노출될 수 있다.
상기 발광소자(115)는 리드 프레임(112)에 탑재되고, 상기 오목부(R)에는 상기 발광소자(115)를 둘러싸도록 투명수지부(116)가 제공될 수 있다. 본 실시형태에서 상술된 패키지 본체(111) 및 리드 프레임(112)의 구조와 발광소자(115)의 접속방식은 다양한 형태로 변경될 수 있다.
도25에 도시된 바와 같이, 상기 제1 파장변환부(117a)는 제1 파장 변환물질(Pa')을 포함하며, 제1 파장변환물질(Pa')과 유리물질(G)이 함유된 혼합물의 소결체로 이루어질 수 있다. 상기 제2 파장변환부(117b)는 상기 제1 파장변환물질(Pa')과 다른 제2 파장 변환물질(Pb')을 포함하며, 제2 파장변환물질(Pb')과 유리물질(G)이 함유된 혼합물의 소결체로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 파장변환부에 사용되는 유리물질(G)은 동일한 조성으로 예시되어 있으나, 필요에 따라 다른 조성을 가질 수 있다. 상기 제1 및 제2 파장변환부(117a,117)의 하면에 각각 형성된 제1 및 제2 파장선택성 광필터(118a,118b)가 형성된다.
본 실시형태에 채용되는 제1 및 제2 파장선택성 광필터(118a,118b)는 상기 발광소자(115)로부터 생성된 광과 그 아래에 위치한 파장변환부의 파장변환물질로부터 변환된 광을 투과시키고, 그 상부에 위치한 파장변환부의 파장변환물질에 의하여 변환된 광을 반사시킬 수 있도록 구성된다. 즉, 상기 제1 파장선택성 광필터(118a)는 상기 발광소자(115)로부터 생성된 광을 투과시키고, 상기 제1 파장변환부(117a)의 제1 파장변환물질(Pa')에 의하여 변환된 광을 반사시킬 수 있도록 구성되며, 상기 제2 파장선택성 광필터(118b)는 상기 발광소자(115)로부터 생성된 광과 함께 제1 파장변환물질(Pa')에 의해 변환된 광을 투과시키고, 상기 제2 파장변환부(117b)의 제1 파장변환물질(Pb')에 의하여 변환된 광을 반사시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 발광소자(115)는 여기광으로 제공되는 1차 광(피크파장: λ1)을 방출하고, 상기 1차 광은 상기 제1 및 제2 파장변환부(117a,117b)의 2개의 형광체(Pa',Pb')에 의해 서로 다른 파장을 갖는 2개의 2차 광(피크파장: λ2,λ3)으로 변환되고, 변환된 2차 광은 상기 1차 광에 비해 장파장화된다.
여기서, 상기 제1 광필터(108a)는 상기 1차 광의 파장(λ1)과 상기 2차 광 중 가장 단파장인 광의 파장(λ2) 사이에 위치한 컷오프 파장(λc1)을 갖는 로우 패스 필터로 설계되며, 상기 제2 광필터(118b)는 2개의 2차 광 사이에 위치한 컷오프 파장(λc2)을 갖는 로우 패스 필터로 설계될 수 있다.
따라서, 도26에 도시된 바와 같이, 상기 제1 광필터(118a)는 상기 발광소자(115)로부터 방출되는 1차 광(피크파장: λ1)을 제1 파장변환부(117a)로 진행되도록 투과시키고, 상기 제1 파장변환부(117a)에서 변환된 광은 산란에 의해 광방출방향으로 진행되지 않은 부분이 상기 제1 광필터(118a)에 의해 반사되어 상기 제2 파장변환부(117b)로 진행시킬 수 있다. 상기 제2 광필터(118b)는 상기 발광소자(115)로부터 방출되는 1차 광(피크파장: λ1)과 상기 제1 파장변환부(117a)로부터 변환된 2차 광(피크파장: λ2)이 상기 제2 파장변환부(117b)로 진행되도록 투과시키고, 상기 제2 파장변환부(117b)에서 변환된 광(피크파장: λ3)은 산란에 의해 광방출방향으로 진행되지 않은 부분이 상기 제2 광필터(118b)에 의해 반사되어 외부(원하는 광방출방향)로 방출될 수 있다. 이러한 과정을 통해서 전체 광변환효율을 높일 수 있다. 또한, 변환되지 않고 방출되는 1차 광과 함께 상기 복수의 2차 광의 조합을 통해 원하는 특성의 백색광이 구현될 수 있다.
예를 들어, 상기 발광 소자(115)에서 생성되는 1차 광은 청색광으로 선택하고, 상기 제1 및 제2 파장변환물질(Pa',Pb')로서 2개의 형광체를 녹색 형광체 및 적색 형광체로 선택함으로써 원하는 백색 광을 제공할 수 있다.
이와 달리, 형광체와 같은 파장변환물질의 조합은 다양하게 구현될 수 있다. 다른 예에서, 황색 형광체를 주된 파장변환물질로 사용하면서, 연색성을 개선하거나 색온도를 조절하기 위해서, 녹색, 황등색, 적색 형광체 중 적어도 하나를 추가적으로 조합할 수 있다.
상기 제1 및 제2 파장변환부(117a,117b)와 제1 및 제2 파장선택성 광필터(118a,118b)에 대한 설명은 도1에서 설명된 사항이 참조로 결합될 수 있다.
또한, 필요에 따라, 상기 제1 파장변환부(117a)와 상기 제1 광필터(118) 또는 제2 파장변환부(117b)와 상기 제2 광필터는 각각 단일한 시트로 제조된 후에 패키지 본체(111)에 오목부(R)를 덮도록 제공될 수 있다.
상술된 실시형태에 따른 반도체 발광소자 패키지는 다양한 애플리케이션에 유익하게 적용될 수 있다. 도27 및 도28은 이러한 응용예로서 각각 조명장치와 헤드램프를 예시하고 있다.
도27은 본 발명의 다른 측면으로서, 상술된 실시형태에 따른 반도체 발광소자 패키지를 채용한 조명 장치를 나타내는 분해사시도이다.
도27에 도시된 조명장치(5000)는 일 예로서 벌브형 램프로서, 발광모듈(5003)과 구동부(5008)와 외부접속부(5010)를 포함한다. 또한, 외부 및 내부 하우징(5006, 5009)과 커버부(5007)와 같은 외형구조물을 추가적으로 포함할 수 있다. 발광모듈(5003)은 상술된 반도체 발광소자 패키지(5001)와 그 발광소자 패키지(5001)가 탑재된 회로기판(5002)을 가질 수 있다.
본 실시형태에서는, 1개의 반도체 발광소자 패키지(5001)가 회로기판(5002) 상에 실장된 형태로 예시되어 있으나, 필요에 따라 복수 개로 장착될 수 있다.
또한, 조명장치(5000)에서, 발광모듈(5003)은 열방출부로 작용하는 외부 하우징(5006)을 포함할 수 있으며, 외부 하우징(5006)은 발광모듈(5003)과 직접 접촉되어 방열효과를 향상시키는 열방출판(5004)을 포함할 수 있다. 또한, 조명장치(5000)는 발광모듈(5003) 상에 장착되며 볼록한 렌즈형상을 갖는 커버부(5007)를 포함할 수 있다. 구동부(5008)는 내부 하우징(5009)에 장착되어 소켓구조와 같은 외부접속부(5010)에 연결되어 외부 전원으로부터 전원을 제공받을 수 있다.
또한, 구동부(5008)는 발광모듈(5003)의 반도체 발광소자 패키지(5001)를 구동시킬 수 있는 적정한 전류원으로 변환시켜 제공하는 역할을 한다. 예를 들어, 이러한 구동부(5008)는 AC-DC 컨버터 또는 정류회로부품 등으로 구성될 수 있다.
따라서, 상술된 실시형태에 의한 반도체 발광소자 패키지, 특히 백색광을 제공하는 실시형태에 따른 반도체 발광소자 패키지가 도27에 예시된 조명 장치에 유익하게 적용될 수 있다.
도28는 본 발명의 또 다른 측면으로서, 상술된 반도체 발광소자 패키지를 채용한 헤드 램프를 나타내는 측단면도이다.
도28을 참조하면, 차량용 라이트 등으로 이용되는 헤드 램프(6000)는 광원(6001), 반사부(6005), 렌즈 커버부(6004)를 포함하며, 렌즈 커버부(6004)는 중공형의 가이드(6003) 및 렌즈(6002)를 포함할 수 있다. 또한, 헤드 램드(6000)는 광원(60001)에서 발생된 열을 외부로 방출하는 방열부(6012)를 더 포함할 수 있다.
방열부(6012)는 효과적인 방열이 수행되도록 히트싱크(6010)와 냉각팬(6011)을 포함할 수 있다. 또한, 헤드 램프(6000)는 방열부(6012) 및 반사부(6005)를 고정시켜 지지하는 하우징(6009)을 더 포함할 수 있으며, 하우징(6009)은 일면에 방열부(6012)가 결합하여 장착되기 위한 중앙홀(6008)을 구비할 수 있다. 또한, 하우징(6009)은 상기 일면과 일체로 연결되어 직각방향으로 절곡되는 타면에 반사부(6005)가 광원(6001)의 상부측에 위치하도록 고정시키는 전방홀(6007)을 구비할 수 있다. 이에 따라, 반사부(6005)에 의하여 전방측은 개방되며, 개방된 전방이 전방홀(6007)과 대응되도록 반사부(6005)가 하우징(6009)에 고정되어 반사부(6005)를 통해 반사된 빛이 전방홀(6007)을 통과하여 외부로 출사될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 형태에 의한 반도체 발광소자 패키지를 헤드 램프에 적용하여 높은 색순도를 갖는 단색(특히, 황등색) 헤드 램프를 구현할 수 있다. 또한, 필요에 따라 다른 백색광을 발광하는 파장변환물질 또는 파장변환물질의 조합을 이용하여 원하는 백색 헤드 램프를 구현할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 발광소자;
    상기 발광소자로부터 생성된 광의 진행 경로 상에 위치하며, 파장변환물질과 유리물질이 함유된 혼합물의 소결체로 이루어지는 파장변환부; 및
    상기 파장변환부 상면에 형성되며 상기 발광소자로부터 생성된 광을 반사시키고 상기 파장변환물질에 의하여 변환된 광을 투과시키는 파장선택성 광필터;를 포함하고,
    상기 파장선택성 광필터는 상기 파장변환부가 외부로 노출되지 않도록 상기 파장변환부의 상면을 커버하고,
    상기 유리물질은 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 유리 조성물을 포함하고,
    상기 유리 조성물은 30 내지 60wt%의 ZnO-BaO, 10 내지 30wt%의 SiO2, 10 내지 30wt%의 B2O3 및 5 내지 20wt%의 P2O5을 포함하고, 상기 유리 조성물은 Na2O, CaO, K2O 및 Li2O로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 20wt% 이하로 더 포함하고,
    상기 파장변환부는 가시광선 대역에서 적분 광 투과율이 90% 이상인 반도체 발광소자 패키지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 혼합물은 상기 파장변환물질과 유리물질이 1:20 내지 1:6인 반도체 발광소자 패키지.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발광 소자에서 생성되는 광은 청색광이며,
    상기 파장변환물질은 녹색 형광체, 황색 형광체, 황등색 형광체 및 적색 형광체로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나의 형광체를 포함하는 반도체 발광소자 패키지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 파장변환물질은 황등색 형광체를 포함하며,
    상기 파장선택성 광필터는 기준 파장 미만의 파장 대역을 갖는 광을 반사하고, 그 기준 파장 이상의 파장 대역을 갖는 광을 투과하고, 상기 기준 파장은 500∼550㎚ 범위인 반도체 발광소자 패키지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발광 소자에서 생성되는 광은 자외선 또는 근자외선광이며,
    상기 파장변환물질은 녹색 형광체, 황색 형광체, 황등색 형광체 및 적색 형광체로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 형광체를 포함하는 반도체 발광소자 패키지.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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