KR102302593B1 - 발광 소자, 이를 포함하는 패키지, 및 이의 제조 방법 - Google Patents

발광 소자, 이를 포함하는 패키지, 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 기술적 사상에 의한 발광 소자는, 기판, 기판 상에 형성되는 발광 구조체, 발광 구조체 상에 형성되는 제1 투광성 도전층, 제1 투광성 도전층 상에 형성되고, 복수의 개구부를 포함하는 제1 유전 패턴층, 복수의 개구부를 통해 노출되는 제1 투광성 도전층 및 제1 유전 패턴층 상에 컨포멀(conformal)하게 형성되는 제2 투광성 도전층, 복수의 개구부를 채우는 제2 유전 패턴층, 및 제2 투광성 도전층 및 제2 유전 패턴층 상에 형성되는 반사 전극층을 포함한다.

Description

발광 소자, 이를 포함하는 패키지, 및 이의 제조 방법{LIGHT EMITTING DEVICE, PACKAGE HAVING THE SAME, AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명의 기술적 사상은 발광 소자, 이를 포함하는 패키지, 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광 추출 효율이 향상된 구조를 가지는 발광 소자, 이를 포함하는 패키지, 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
발광 소자는 발광 구조체로부터 방출되는 광의 추출 효율을 향상시키기 위하여 발광 구조체의 하부에 반사 전극층을 포함할 수 있다. 최근 발광 소자의 크기가 점차적으로 감소함에 따라, 반사 전극층의 반사율을 높일 수 있는 구조를 가지는 발광 소자 및 발광 소자 패키지가 요구되고 있다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는, 광 추출 효율을 효과적으로 개선할 수 있는 구조의 투광성 도전층 및 유전층을 포함하는 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 다른 과제는, 광 추출 효율을 효과적으로 개선할 수 있는 구조의 투광성 도전층 및 유전층을 포함하는 발광 소자 패키지를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 광 추출 효율을 효과적으로 개선할 수 있는 구조의 투광성 도전층 및 유전층을 포함하는 발광 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상의 실시예에 따른 발광 소자는, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 발광 구조체; 상기 발광 구조체 상에 형성되는 제1 투광성 도전층; 상기 제1 투광성 도전층 상에 형성되고, 복수의 개구부를 포함하는 제1 유전 패턴층; 상기 복수의 개구부를 통해 노출되는 상기 제1 투광성 도전층 및 상기 제1 유전 패턴층 상에 컨포멀(conformal)하게 형성되는 제2 투광성 도전층; 상기 복수의 개구부를 채우는 제2 유전 패턴층; 및 상기 제2 투광성 도전층 및 상기 제2 유전 패턴층 상에 형성되는 반사 전극층을 포함한다.
본 발명의 기술적 사상의 실시예에 따른 발광 소자 패키지는, 기판; 상기 기판 상에 형성되고, 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 복수의 발광 구조체; 상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성되는 제1 투광성 도전층; 상기 제1 투광성 도전층 상에 형성되고, 복수의 개구부를 포함하는 제1 유전 패턴층; 상기 복수의 개구부를 통해 노출되는 상기 제1 투광성 도전층 및 상기 제1 유전 패턴층 상에 컨포멀하게 형성되는 제2 투광성 도전층; 상기 복수의 개구부를 채우는 제2 유전 패턴층; 상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 연결된 제1 전극층 및 제1 외부 접속 단자; 상기 제2 투광성 도전층 및 상기 제2 유전 패턴층 상에 형성되고, 상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 연결되는 제2 전극층 및 제2 외부 접속 단자; 및 상기 기판이 실장되고, 상기 제1 및 제2 외부 접속 단자와 전기적으로 연결되는 모듈을 포함한다.
본 발명의 기술적 사상의 실시예에 따른 발광 소자는, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 발광 구조체; 상기 발광 구조체 상에 형성되고 내부 공간을 가지는 투광성 도전층; 상기 내부 공간에 포획되는 제1 유전 패턴층; 상기 내부 공간에 포획되지 않고, 상기 투광성 도전층의 상면과 실질적으로 동일 레벨에 위치하는 상면을 가지는 상기 2 유전 패턴층; 및 상기 투광성 도전층 및 상기 제2 유전 패턴층 상에 형성되는 반사 전극층을 포함한다.
본 발명의 발광 소자 및 발광 소자 패키지는, 광 추출 효율을 효과적으로 개선할 수 있는 구조의 투광성 도전층 및 유전층을 포함하여 반사 전극층의 반사율을 높일 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자를 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자의 광 입사각에 따른 반사율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 서로 다른 반사 구조를 가지는 발광 소자들의 상대적인 반사 효율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 백라이트 유닛의 개략적인 사시도이다.
도 8은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 직하형 백라이트 유닛을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 백라이트 유닛을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 직하형 백라이트 유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 10의 광원 모듈을 확대하여 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 직하형 백라이트 유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 13 내지 도 15는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 백라이트 유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 디스플레이 장치의 개략적인 분해 사시도이다.
도 17은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 평판 조명 장치를 간략하게 나타내는 사시도이다.
도 18은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 조명 장치를 간략하게 나타내는 분해 사시도이다.
도 19는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 조명 장치를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
도 20은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 바(bar) 타입의 조명 장치를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자를 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1은 본 발명의 기술적 사상의 발광 소자(100)의 평면도를 나타내고, 도 2는 도 1의 A-A' 선을 따라 절단한 상기 발광 소자(100)의 단면도를 나타낸다. 또한, 도 1에서는 설명의 편의를 위하여, 후술하는 제2 전극층(151)을 투명하다고 가정하여, 상기 제2 전극층(151)의 아래에 배치되는 제2 유전 패턴층(133P)의 형상을 점선으로 나타낸다.
발광 소자(100)는 다음과 같은 구성 요소를 포함할 수 있다.
기판(101) 상에 형성되고, 제1 도전형 반도체층(111), 활성층(113), 및 제2 도전형 반도체층(115)을 포함하는 발광 구조체(110)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 도전형 반도체층(111)은 n형이고, 상기 제2 도전형 반도체층(115)은 p형일 수 있다.
또한, 상기 제2 도전형 반도체층(115) 상에 형성되는 제1 투광성 도전층(121) 및 상기 제1 투광성 도전층(121) 상에 형성되고, 복수의 개구부를 포함하는 제1 유전 패턴층(131P)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 개구부를 통해 노출되는 상기 제1 투광성 도전층(121) 및 상기 제1 유전 패턴층(131P) 상에 컨포멀(conformal)하게 형성되는 제2 투광성 도전층(123) 및 상기 복수의 개구부를 채우는 제2 유전 패턴층(133P)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 투광성 도전층(123) 및 상기 제2 유전 패턴층(133P) 상에 형성되고, 상기 제2 도전형 반도체층(115)에 전기적으로 연결되는 제2 전극층(151) 및 상기 제1 도전형 반도체층(111)에 전기적으로 연결되는 제1 전극층(141)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제2 전극층(151)은 반사 전극층으로 지칭될 수 있다.
종래의 발광 소자에 있어서, 반사 전극층은 반사율이 높은 반사 금속으로 형성한다. 유전층을 p형 반도체층 및 반사 전극층 사이에 삽입하는 경우, 다중 양자 우물(MQW)을 포함하는 상기 p형 반도체층과 상기 유전층의 굴절률 차이에 의한 전반사 효과를 얻을 수 있다. 이는 발광 구조체에서 방출되는 광을 기판 방향으로 효과적으로 반사시킬 수 있음을 의미한다. 더불어, 상기 유전층의 두께를 최적화하여 추가적인 반사율 향상을 꾀할 수도 있다.
하지만, 종래의 발광 소자에서는 p형 반도체층에 전류 주입을 위한 채널이 필요하고, 이를 위해 상기 유전층의 일부를 제거하여 p형 반도체층에 반사 전극층을 전기적으로 연결해야만 한다. 이 경우, 상기 유전층이 제거된 영역에서는 p형 반도체층이 반사 전극층과 직접 맞닿게 되어 전반사를 통한 반사율 향상을 얻기 어려울 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 발광 소자(100)는, 종래의 발광 소자에서 전류 주입을 위한 채널로써 반사 전극층이 형성되는 영역을 대신할 수 있도록, 투광성 도전층 및 유전 패턴층을 각각 복수의 층으로 형성하여, 모든 영역에서 전반사를 통한 반사율을 높이고, 결과적으로 광 출력 효율의 향상을 얻을 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 발광 소자(100)는, 반사 전극층(151)과 제1 투광성 도전층(121)이 직접 맞닿는 영역은 실질적으로 존재하지 않게 되며, 제1 투광성 도전층(121)의 모든 영역이 제1 및/또는 제2 유전 패턴층(131P, 133P)으로 덮이므로 전반사를 통한 높은 반사율을 얻을 수 있다.
이러한 반사 구조를 가지는 발광 소자(100)의 제조 방법에 대하여는 도 4a 내지 도 4h를 통하여 자세히 기술하도록 한다. 또한, 전반사를 통한 반사율 향상에 대한 내용은 도 5에서 자세히 기술하고, 서로 다른 반사 구조를 가지는 발광 소자들의 반사율에 대한 내용은 도 6에서 자세히 기술하도록 한다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 발광 소자(100)가 모듈(210)에 제1 외부 접속 단자(145) 및 제2 외부 접속 단자(155)를 통하여 전기적으로 연결되어 실장되는 발광 소자 패키지(1000)를 나타낸다.
발광 소자(100)는 기판(101)의 일면 상에 배치된 발광 구조체(110)와 상기 발광 구조체(110)를 기준으로 상기 기판(101)의 반대쪽에 배치된 제1 전기 연결부(143) 및 제2 전기 연결부(153)를 포함한다.
또한, 상기 발광 소자(100)는 상기 제1 전기 연결부(143) 및 제2 전기 연결부(153)의 일부를 덮도록 형성되는 절연부(161)를 포함한다. 제1 전극층(141) 및 제2 전극층(151)은 제1 전기 연결부(143) 및 제2 전기 연결부(153)에 의해 제1 외부 접속 단자(145) 및 제2 외부 접속 단자(155)에 각각 연결될 수 있다.
상기 제1 전극층(141) 및 제2 전극층(151)은 오믹 특성 또는 반사 특성을 향상시키기 위해 다양한 물질 또는 다양한 구조를 적용할 수 있다.
상기 절연부(161)는 상기 제1 전기 연결부(143) 및 제2 전기 연결부(153)의 적어도 일부를 노출하도록 오픈 영역을 구비하며, 상기 제1 외부 접속 단자(145) 및 제2 외부 접속 단자(155)는 상기 제1 전기 연결부(143) 및 제2 전기 연결부(153)과 각각 접촉될 수 있다. 상기 절연부(161)는 실리콘산화물, 실리콘질화물, 또는 실리콘산질화물로 형성될 수 있다.
리드 프레임 또는 인쇄회로기판 등의 모듈(210)에 상기 발광 소자(100)가 플립칩(flip-chip) 구조로 실장될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 외부 접속 단자(145) 및 제2 외부 접속 단자(155)는 서로 동일한 방향을 향하도록 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 발광 소자(100)는 상기 기판(101)의 일면에 복수의 서로 분리된 발광 구조체(110)가 형성될 수 있다. 상기 기판(101)에 상기 복수의 서로 분리된 발광 구조체(110)를 형성함으로써, 상기 활성층(113)으로부터 방출된 광의 경로가 다양해 질 수 있으므로, 광이 반도체층 내부에서 흡수되는 비율이 감소하고 광 산란 비율이 증가하여 광 추출 효율이 향상될 수 있다.
상기 제1 외부 접속 단자(145) 및 제2 외부 접속 단자(155)는 각각 제1 전기 연결부(143) 및 제2 전기 연결부(153)와 접속되어 발광 소자(100)의 외부 단자로서 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 외부 접속 단자(145) 및 제2 외부 접속 단자(155)는 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 구리(Cu), 주석(Sn), 니켈(Ni), 백금(Pt), 크롬(Cr), 또는 이들의 공융(eutectic) 금속일 수 있다. 이 경우, 발광 소자(100)를 모듈(210)에 실장 시, 공융 금속을 이용하여 접합될 수 있으므로, 플립칩 본딩 시 일반적으로 요구되는 별도의 솔더 범프를 사용하지 않을 수 있다. 솔더 범프를 이용하는 경우에 비하여 공융 금속을 이용한 실장 방식에서 방열 효과가 더 우수한 장점이 있다. 이 경우, 우수한 방열 효과를 얻기 위하여 상기 제1 외부 접속 단자(145) 및 제2 외부 접속 단자(155)는 넓은 면적을 차지하도록 형성될 수 있다.
상기 모듈(210)은 몸체부(211)의 상면 및 하면에 각각 상부 전극층(217) 및 하부 전극층(215)이 형성되고, 상기 상부 전극층(217) 및 하부 전극층(215)을 연결하도록 상기 몸체부(211)를 관통하는 비아(213)를 포함할 수 있다. 상기 몸체부(211)는 수지 또는 세라믹과 같은 절연 물질일 수 있으며, 상기 상부 전극층(217) 및 하부 전극층(215)은 예를 들어, 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등과 같은 금속일 수 있다.
물론, 상기 모듈(210)은 이와 같은 형태에 한정되는 것은 아니며, 발광 소자(100)를 구동하기 위한 배선 구조가 형성된 형태라면 어느 형태나 적용 가능하다. 예를 들어, 리드 프레임에 발광 소자(100)가 실장된 구조로 제공될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 발광 소자 패키지(1000)는, 종래의 발광 소자(100)에서 전류 주입을 위한 채널로써 반사 전극층이 형성되는 영역을 대신할 수 있도록, 투광성 도전층 및 유전 패턴층을 각각 복수의 층으로 형성하여, 모든 영역에서 전반사를 통한 반사율을 높이고, 결과적으로 광 출력 효율의 향상을 얻을 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 발광 소자 패키지(1000)에 포함되는 발광 소자(100)는, 반사 전극층(151)과 제1 투광성 도전층(121)이 직접 맞닿는 영역은 실질적으로 존재하지 않게 되며, 제1 투광성 도전층(121)의 모든 영역이 제1 및/또는 제2 유전 패턴층(131P, 133P)으로 덮이므로 전반사를 통한 높은 반사율을 얻을 수 있다.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.
구체적으로, 도 4a 내지 도 4h는 도 2의 B-B' 선에 대응하는 단면도들이다. 앞서 도 2에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 기술적 사상에 의한 발광 소자(100)는 제2 도전형 반도체층(115) 상에 제1 및 제2 투광성 도전층(121, 123)과 제1 및 제2 유전 패턴층(131P, 133P)을 형성하는 부분에 중요한 기술적 특징이 있으므로, 이 부분을 중심으로 설명하도록 한다. 제1 도전형 반도체층(111) 상에 제1 전극층(141)을 형성하는 공정은 일반적인 발광 소자의 제조 공정과 유사하므로 여기서는 구체적인 설명을 생략하도록 한다.
도 4a를 참조하면, 기판(101) 상에 발광 구조체(110)를 형성하고, 상기 발광 구조체(110) 상에 제1 투광성 도전층(121)을 형성한 모습을 나타낸다.
상기 기판(101)은 발광 구조체(110) 아래에 배치되어 상기 발광 구조체(110)를 지지할 수 있다. 상기 기판(101)은 베이스층(미도시)을 통하여 상기 발광 구조체(110)로부터 발생한 열을 전달받을 수 있으며, 전달받은 열을 외부로 방출할 수 있다. 또한, 상기 기판(101)은 광 투과성을 가질 수 있다. 상기 기판(101)은 광 투과성 물질을 사용하거나, 일정 두께 이하로 형성하는 경우 광 투과성을 가질 수 있는 물질을 사용할 수 있다.
상기 기판(101)은 필요에 따라 절연성, 도전성, 또는 반도체 기판이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(101)은 사파이어(Al2O3), 질화갈륨(GaN), 실리콘(Si), 저머늄(Ge), 비소화갈륨(GaAs), 산화아연(ZnO), 실리콘저머늄(SiGe), 실리콘카바이드(SiC), 산화갈륨(Ga2O3), 산화리튬갈륨(LiGaO2), 산화리튬알루미늄(LiAlO2), 또는 산화마그네슘알루미늄(MgAl2O4) 등일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 기판(101)으로는 사파이어, 실리콘카바이드, 실리콘 기판 등이 주로 사용되고 있으며. 실리콘카바이드 기판에 비해 상대적으로 저렴한 사파이어 또는 실리콘 기판이 더 많이 활용되고 있다.
상기 기판(101)은 상기 발광 구조체(110)의 형성 전 또는 후에 광 특성 또는 전기적 특성을 향상시키기 위해 발광 소자 제조 과정에서 완전히 또는 부분적으로 제거될 수도 있다. 사파이어 기판은 레이저를 상기 기판(101)을 통해 상기 베이스층과의 계면에 조사하여 기판(101)을 제거할 수 있으며, 실리콘 기판 및 실리콘카바이드 기판은 연마(polishing) 또는 식각에 의해 제거될 수 있다.
상기 베이스층은 발광 구조체(110)의 성장 면을 제공하는 목적으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 베이스층은 InxAlyGa(1-x-y)(0≤x≤1, 0≤y≤1), GaN, AlN, AlGaN, InGaN, 또는 InGaNAlN 등을 사용할 수 있으며, 필요에 따라 ZrB2, HfB2, ZrN, HfN, TiN 등의 물질도 사용할 수 있다. 또한, 다층 구조로 형성하거나 조성을 점진적으로 변화시켜 사용할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 상기 베이스층은 생략될 수 있다.
상기 발광 구조체(110)는 제1 도전형 반도체층(111), 활성층(113), 및 제2 도전형 반도체층(115)을 포함할 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(111) 및 상기 제2 도전형 반도체층(115)은 단층 구조로 이루어질 수 있고, 이와 달리, 필요에 따라 서로 다른 조성을 갖는 다층 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(111) 및 상기 제2 도전형 반도체층(115)은 각각 전자 및 정공의 주입 효율을 개선할 수 있는 캐리어 주입층을 구비할 수 있으며, 또한, 다양한 형태의 초격자 구조를 구비할 수도 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(111)은 상기 활성층(113)과 인접한 부분에 전류 확산층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 전류 확산층은 서로 다른 조성을 갖거나, 서로 다른 불순물 함량을 갖는 복수의 InxAlyGa(1-x-y)N층이 반복해서 적층되는 구조 또는 절연 물질층이 부분적으로 형성될 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(115)은 상기 활성층(113)과 인접한 부분에 전자 차단층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 전자 차단층은 복수의 서로 다른 조성의 InxAlyGa(1-x-y)N를 적층한 구조 또는 AlyGa(1-y)N로 구성된 물질층을 가질 수 있으며, 상기 활성층(113)보다 밴드갭이 커서 제2 도전형 반도체층(115)으로 전자가 넘어가는 것을 방지한다.
상기 발광 구조체(110)의 제조 방법으로는 상기 기판(101)을 설치한 반응 용기 내에 반응 가스로 유기 금속 화합물 가스, 예를 들어, 트리메틸 갈륨(TMG), 트리메틸 알루미늄(TMA) 등 및 질소 함유 가스, 예를 들어, 암모니아 가스 등을 공급하고, 상기 기판(101)의 온도를 약 900℃ 내지 약 1100℃의 고온으로 유지하고, 상기 기판(101) 상에 질화갈륨계 화합물 반도체를 성장하면서, 필요에 따라 불순물 가스를 공급해, 질화갈륨계 화합물 반도체를 언도핑, n형, 또는 p형으로 적층한다.
또한, 상기 제1 도전형 반도체층(111) 및 상기 제2 도전형 반도체층(115) 사이에 배치된 상기 활성층(113)은 양자 우물층과 양자 장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자 우물(MQW) 구조, 예를 들어, 질화물 반도체일 경우, GaN/InGaN 구조가 사용될 수 있으며, 이와 달리, 단일 양자 우물(SQW) 구조를 사용할 수도 있다.
제1 투광성 도전층(121)은 제2 도전형 반도체층(115) 상에 형성된다. 제2 도전형 반도체층(115)의 실질적으로 전체 영역에 제1 투광성 도전층(121)이 형성되는 것에 의해, 전류를 제2 도전형 반도체층(115)의 전체에 균일하게 제공할 수 있다.
제1 투광성 도전층(121)은, 예를 들어, Zn, In, Sn 등을 포함하는 산화물로 구성될 수 있다. 구체적으로는 제1 투광성 도전층(121)은, ITO, ZnO, In2O3, SnO2 등일 수 있고, 특히, ITO일 수 있다.
또한, 제1 투광성 도전층(121)의 두께는 광 흡수성과 전기저항/시트저항 등을 고려하여 결정하고, 발광 구조체(110)로부터 방출되는 광의 파장 λ에 대해서 λ/4의 대략 정수배로 하는 것이 광 추출 효율이 상승할 수 있는 두께일 수 있다.
도 4b를 참조하면, 제1 투광성 도전층(121) 상에 제1 유전층(131)을 형성한다.
제1 유전층(131)은, 제1 투광성 도전층(121) 상에 단일층 또는 굴절률이 서로 다른 유전층들을 교대로 적층하여 다층 구조로 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 유전층(131)은 SiO2, MgF2, SiN, TiO2, Nb2O5 중 선택된 하나로 형성된 단일층일 수 있고, 이를 교대로 적층하여 형성된 다층 구조일 수 있다.
상기 제1 유전층(131)의 총 두께는 약 0.2㎛ 내지 약 1㎛로 형성될 수 있다. 상기 제1 유전층(131)의 굴절률은 제2 도전형 반도체층(115)의 굴절률보다 작은 값을 가지는 물질로 형성할 수 있다.
형성 두께에 따라 굴절률의 차이가 있지만, 상기 제2 도전형 반도체층(115)은 p형 질화갈륨(GaN) 반도체층일 수 있고, 이 경우 대략적인 굴절률은 약 2.45이다. 상기 제1 유전층(131)은 실리콘산화막일 수 있고, 이 경우 대략적인 굴절률은 약 1.46이다. 즉, 상기 제1 유전층(131)의 굴절률은 제2 도전형 반도체층(115)의 굴절률보다 작은 값을 가지므로, 발광 구조체(110)에서 방출된 광이 상기 제1 유전층(131)으로 입사되는 각도에 따라 전반사가 일어날 수 있는 환경이 조성된다.
도 4c를 참조하면, 제1 유전층(131) 상에 포토 마스크 패턴(PM)을 형성한다.
상기 제1 유전층(131) 상에 포토레지스트를 코팅한 후, 상기 포토레지스트를 노광 및 현상하면, 도시된 것처럼 포토레지스트의 일부만이 남고 나머지는 제거되어 포토 마스크 패턴(PM)이 형성된다.
상기 포토 마스크 패턴(PM)은 일정한 규칙을 가지고 배열된 패턴이거나, 불규칙적으로 배열된 패턴일 수 있다. 또한, 상기 포토 마스크 패턴(PM)의 두께 및 폭을 조절하여 후속 공정에서, 제1 유전 패턴층(131P, 도 4d 참조)에 포함되는 개구부(131G, 도 4d 참조)의 형상에 영향을 미칠 수 있다.
도 4d를 참조하면, 포토 마스크 패턴(PM, 도 4c 참조)을 식각 마스크로 이용하여, 제1 유전층(131, 도 4c 참조)의 일부를 식각하고, 상기 포토 마스크 패턴을 애싱 및 스트립 공정으로 제거한다.
상기 식각은 건식 식각일 수 있다. 상기 건식 식각을 통해, 복수의 개구부(131G)를 포함하는 제1 유전 패턴층(131P)을 형성한다. 식각 공정의 특성상, 상기 개구부(131G)는 수직 측벽이 아닌 아래로 갈수록 폭이 좁아지는 테어퍼진(tapered) 측벽을 가질 수 있다. 즉, 상기 개구부(131G)는 역사다리꼴 단면 형상을 가질 수 있고, 상기 제1 유전 패턴층(131P)은 정사다리꼴 단면 형상을 가질 수 있다.
다른 실시예들에서, 상기 개구부(131G)는 실질적으로 수직인 측벽을 가질 수도 있다. 이 경우, 상기 개구부(131G) 및 상기 제1 유전 패턴층(131P)은 각각 직사각형 형상을 가질 수도 있다.
상기 개구부(131G)는 제1 투광성 도전층(121)을 부분적으로 노출시킨다. 또한, 상기 제1 투광성 도전층(121)의 노출된 부분을 상면에서 보면 원 형상일 수 있다. 즉, 상기 제1 유전 패턴층(131P)은 복수의 원기둥 형상의 개구부(131G)를 포함한다.
도 4e를 참조하면, 복수의 개구부(131G)를 통해 노출되는 제1 투광성 도전층(121)과 제1 유전 패턴층(131P)의 측면 및 상면에 제2 투광성 도전층(123)을 컨포멀하게 형성할 수 있다.
상기 복수의 개구부(131G)를 통해 노출되는 제1 투광성 도전층(121)을 덮도록 제2 투광성 도전층(123)이 형성될 수 있으므로, 상기 제2 투광성 도전층(123)은 상기 제1 투광성 도전층(121)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제2 투광성 도전층(123)은 상기 발광 구조체(110)에 균일한 전류를 주입하기 위하여 상기 제1 투광성 도전층(121)과 넓은 접촉 면적을 가지도록 형성할 수 있다.
앞서 제1 투광성 도전층(121)과 마찬가지로, 제2 투광성 도전층(123)은 예를 들어, Zn, In, Sn 등을 포함하는 산화물로 구성될 수 있다. 구체적으로는 제2 투광성 도전층(123)은, ITO, ZnO, In2O3, SnO2 등일 수 있고, 가장 일반적으로는 ITO일 수 있다.
즉, 제1 투광성 도전층(121) 및 제2 투광성 도전층(123)을 구성하는 물질은 동일할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 제1 투광성 도전층(121) 및 제2 투광성 도전층(123)은 서로 다른 물질로 구성될 수도 있다.
다른 관점에서 살펴보면, 특히, 제1 투광성 도전층(121) 및 제2 투광성 도전층(123)을 구성하는 물질이 동일한 경우, 제1 투광성 도전층(121) 및 제2 투광성 도전층(123)을 하나의 구성 요소로 판단하여, 내부 공간을 가지는 투광성 도전층으로 지칭할 수 있다. 이 경우, 상기 내부 공간에 제1 유전 패턴층(131P)이 포획되는 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1 투광성 도전층(121)의 두께(121H)는 상기 제2 투광성 도전층(123)의 두께(123H)보다 크게 형성될 수 있다. 도전 특성을 향상시키기 위하여는 상기 제2 투광성 도전층(123)의 두께(123H)를 증가시키는 것이 효과적이나, 상기 제2 투광성 도전층(123)을 구성하는 물질, 예를 들어, ITO는 광을 흡수하는 성질이 있으므로, 발광 효율을 향상시키기 위하여 소정의 두께 이하로 형성하는 것이 효과적이다. 따라서, 광 추출 효율을 향상시키기 위하여는 흡수되는 광을 줄여야 하므로, 상기 제1 투광성 도전층(121)의 두께(121H) 및 상기 제2 투광성 도전층(123)의 두께(123H)는 각각 100㎚ 이하로 형성할 수 있다. 100㎚ 이상으로 형성되는 경우, 도전 특성은 향상되나 흡수되는 광으로 인한 광 추출 효율이 저하되는 트레이드 오프(trade off) 관계에서, 발광 소자 전체로서는 더 큰 손실이 발생할 수도 있다.
도 4f를 참조하면, 개구부(131G, 도 4e 참조)를 완전히 채우고, 제2 투광성 도전층(123)의 상면을 덮도록 제2 유전층(133)을 형성한다.
제2 유전층(133)은, 제2 투광성 도전층(123) 상에 단일층 또는 굴절률이 서로 다른 유전층들을 교대로 적층하여 다층 구조로 형성할 수 있다. 예를 들어, 제2 유전층(133)은 SiO2, MgF2, SiN, TiO2, Nb2O5 중 선택된 하나로 형성된 단일층일 수 있고, 이를 교대로 적층하여 형성된 다층 구조일 수 있다.
제2 유전층(133)은 제1 유전층(131, 도 4b 참조)과 동일한 물질로 형성될 수 있고, 이와 달리, 제2 유전층(133)은 상기 제1 유전층과 서로 다른 물질로 형성될 수도 있다.
상기 제2 유전층(133)의 총 두께는 약 0.2㎛ 내지 약 1㎛로 형성될 수 있다. 상기 제2 유전층(133)의 굴절률은 제2 도전형 반도체층(115)의 굴절률보다 작은 값을 가지도록 형성할 수 있다. 이는 앞서 상기 제1 유전층(131)의 굴절률을 비교한 내용과 유사하다.
즉, 상기 제2 유전층(133)의 굴절률은 제2 도전형 반도체층(115)의 굴절률보다 작은 값을 가지므로, 발광 구조체(110)에서 방출된 광이 상기 제2 유전층(133)으로 입사되는 각도에 따라 전반사가 일어날 수 있는 환경이 조성된다.
도 4g를 참조하면, 제2 유전층(133, 도 4f 참조)이 개구부(131G, 도 4e 참조)에만 남도록 에치백(etch-back) 공정 또는 연마 공정을 이용하여 상기 제2 유전층의 불필요한 부분을 제거하여, 제2 유전 패턴층(133P)를 형성한다.
상기 에치백 공정 또는 연마 공정에서, 제2 투광성 도전층(123)이 식각 정지막의 역할을 할 수 있다. 즉, 상기 제2 투광성 도전층(123)의 최상면이 완전히 드러날 때까지, 상기 에치백 공정 또는 연마 공정이 진행될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 유전층이 과식각될 수 있다.
따라서, 상기 제2 투광성 도전층(123)의 형성 위치에 따른 두께가 동일하다면, 상기 제2 유전 패턴층(133P)의 두께(133H)는 상기 제1 유전 패턴층(131P)의 두께(131H)보다 작을 수 있다.
다른 실시예들에서, 제2 유전 패턴층(133P)이 과식각되지 않는다면, 달리 표현하면, 상기 제2 투광성 도전층(123)의 최상면과 상기 제2 유전 패턴층(133P)의 상면(133T)이 실질적으로 동일 평면 상에 위치한다면, 상기 제2 유전 패턴층(133P)의 두께(133H)는 상기 제1 유전 패턴층(131P)의 두께(131H)와 실질적으로 동일할 수 있다.
상기 제2 유전 패턴층(133P)은 상기 개구부를 채우므로, 상기 제2 유전 패턴층(133P)은 상기 개구부와 동일하게 역사다리꼴 단면 형상을 가질 수 있고, 상기 제1 유전 패턴층(131P)은 정사다리꼴 단면 형상을 가질 수 있다.
도면에서는 상기 제1 유전 패턴층(131P)을 이루는 각각의 정사다리꼴 단면 형상의 너비가 상기 제2 유전 패턴층(133P)을 이루는 각각의 역사다리꼴 단면 형상의 너비보다 크게 도시되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 제1 투광성 도전층(121)의 모든 영역이 제1 유전 패턴층(131P) 및 제2 유전 패턴층(133P)으로 덮이므로, 발광 구조체(110)에서 수직 방향으로 방출되는 광은 제1 유전 패턴층(131P) 및 제2 유전 패턴층(133P) 중 적어도 하나를 통과하여 지나갈 수 있다.
종래의 발광 소자에서 발광 구조체에 전류를 주입하기 위하여 유전층의 일부를 제거하여 전반사 효율이 낮아지는 문제점을 해결할 수 있다. 즉, 제1 유전층(131, 도 4B 참조)의 일부가 제거되더라도, 제거된 부분에 제2 유전 패턴층(133P)이 채워지게 된다. 따라서, 제1 투광성 도전층(121)의 모든 영역에서 제1 및/또는 제2 유전 패턴층(131P, 133P)이 형성되므로 전반사를 통한 높은 반사율을 얻을 수 있다.
또한, 발광 구조체(110)에 전류를 주입하는 전기적 통로로서, 제2 투광성 도전층(123)이 사용될 수 있다.
도 4h를 참조하면, 제2 투광성 도전층(123) 및 제2 유전 패턴층(133P) 상에 제2 전극층(151)을 형성한다.
상기 제2 전극층(151)은, 제2 투광성 도전층(123) 및 제1 투광성 도전층(121)을 순차적으로 통하여, 발광 구조체(110)를 구성하는 제2 도전형 반도체층(115)과 전기적으로 연결된다.
상기 제2 전극층(151)은 도전층으로서의 기능에 더하여, 발광 구조체(110)에서 방출되는 광을 기판(101) 방향으로 반사시키는 역할을 수행할 수 있으므로, 반사 전극층으로 지칭될 수 있음은 앞서 살펴보았다. 이러한 반사 기능에 의해서, 발광 소자(100)는 광 추출 효율을 높이고, 또한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
상기 제2 전극층(151)은 예를 들어, 은(Ag), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 구리(Cu), 주석(Sn), 니켈(Ni), 백금(Pt), 또는 크롬(Cr) 등일 수 있고, 특히, 은(Ag) 또는 은(Ag)의 합금으로 형성될 수 있다.
여기서는 제2 전극층(151)의 형성 과정까지만 설명하였으나, 이 후 추가되는 제1 전극층(141, 도 2 참조)의 형성 공정은 통상의 기술자라면 본 명세서에서 설명된 내용 등을 토대로 실시할 수 있을 것이다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자의 광 입사 각도에 따른 반사율을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 발광 구조체(GaN)와 반사 전극층(Ag)을 직접 맞닿게 하여 제조한 발광 소자에서 광의 반사율(점선으로 도시, 이하 제1 반사율) 및 발광 구조체(GaN)와 반사 전극층(Ag) 사이에 유전층(SiO2)을 형성하여 제조한 발광 소자에서 발생한 광의 반사율(실선으로 도시, 이하 제2 반사율)을 비교한 그래프이다.
제1 반사율을 살펴보면, 광의 입사각이 약 0°에서 약 50°로 증가할수록, 제1 반사율도 약 0.95에서 약 0.97로 증가하는 것을 알 수 있다. 다만, 제1 반사율에서는 입사각의 어느 각도에서도 전반사(R)는 일어나지 않음을 알 수 있다.
제2 반사율을 살펴보면, 광의 입사각이 약 0°에서 약 50°로 증가할수록, 제2 반사율도 약 0.925에서 약 1로 증가 또는 감소하는 것을 알 수 있다. 제2 반사율은 입사각이 약 37° 이상인 영역에서는 전반사(R)가 일어나는 것을 알 수 있다.
광의 전반사가 일어나는 영역을 최대화하기 위하여 광의 입사각을 조절하고 광의 제2 반사율을 높일 수 있도록 발광 구조체의 형상을 변형하여 형성할 수 있다. 유전층을 형성하여 전반사 효과를 얻을 수 있으므로, 전체적으로 광의 추출 효율을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
즉, 상기 유전층이 제거되는 면적이 증가할수록, 전반사가 일어나는 영역이 줄어들게 되어, 광의 추출 효율의 저하를 유발할 수 있다. 이러한 제1 및 제2 반사율에 관한 데이터를 토대로 하여, 투광성 도전층 및 유전 패턴층을 각각 복수의 층으로 형성한 본 발명의 기술적 사상에 의한 발광 소자(100) 및 발광 소자 패키지(1000)가 제공될 수 있다.
도 6은 서로 다른 반사 구조를 가지는 발광 소자들의 상대적인 반사 효율을 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 발광 구조체와 반사 전극층을 직접 맞닿게 하여 제조한 발광 소자에서 광의 반사 효율(케이스 1 내지 4) 및 발광 구조체와 반사 전극층 사이에 유전층을 형성하여 제조한 발광 소자에서 광의 반사 효율(케이스 5 내지 7)을 비교한 그래프이다. 상기 반사 효율은 상대적인 반사 효율을 의미한다.
케이스 1 내지 4를 살펴보면, 반사 효율이 약 10% 이하로 나타나는 것을 알 수 있다. 즉, 유전층이 형성되어 있지 않으므로, 전반사 효과를 얻을 수 없어 상대적으로 반사 효율이 낮은 것으로 볼 수 있다.
케이스 5 내지 7을 살펴보면, 반사 효율이 약 44% 이상으로 나타나는 것을 알 수 있다. 즉, 유전층이 형성되어 있으므로, 전반사 효과를 얻을 수 있어 상대적으로 반사 효율이 높은 것으로 볼 수 있다.
특히, 케이스 5 내지 7 중에서, 케이스 5는 종래의 발광 소자와 같이 유전층의 일부를 제거하여 반사 전극층을 형성한 것이고, 케이스 6 및 7은 본 발명의 기술적 사상에 의한 발광 소자(100)와 같이 투광성 도전층 및 유전 패턴층을 각각 복수의 층으로 형성하여, 전반사 효과를 극대화 시킨 것이다.
케이스 5는 반사 효율이 약 44%이고, 케이스 6 및 7은 반사 효율이 약 45%를 초과하는 것으로 측정된다. 즉, 본 발명의 기술적 사상에 의한 발광 소자(100) 및 발광 소자 패키지(1000)는 전반사 효과를 높여, 전체적인 광 추출 효율의 향상을 가져올 수 있음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 백라이트 유닛의 개략적인 사시도이다.
구체적으로, 백라이트 유닛(2000)은 도광판(2040) 및 도광판(2040) 양측면에 제공되는 광원 모듈(2010)을 포함할 수 있다. 또한, 백라이트 유닛(2000)은 도광판(2040)의 하부에 배치되는 반사판(2020)을 더 포함할 수 있다. 본 실시예의 백라이트 유닛(2000)은 에지형 백라이트 유닛일 수 있다. 실시예에 따라, 광원 모듈(2010)은 도광판(2040)의 일 측면에만 제공되거나, 다른 측면에 추가적으로 제공될 수도 있다. 광원 모듈(2010)은 인쇄회로기판(2001) 및 인쇄회로기판(2001) 상면에 실장된 복수의 광원(2005)을 포함할 수 있다. 광원(2005)은 앞서 설명한 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자(100) 및/또는 발광 소자 패키지(1000)일 수 있다.
도 8은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 직하형 백라이트 유닛을 나타내는 도면이다.
구체적으로, 백라이트 유닛(2100)은 광확산판(2140) 및 광확산판(2140) 하부에 배열된 광원 모듈(2110)을 포함할 수 있다. 또한, 백라이트 유닛(2100)은 광확산판(2140) 하부에 배치되며, 광원 모듈(2110)을 수용하는 바텀 케이스(2160)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예의 백라이트 유닛(2100)은 직하형 백라이트 유닛일 수 있다.
광원 모듈(2110)은 인쇄회로기판(2101) 및 인쇄회로기판(2101) 상면에 실장된 복수의 광원(2105)을 포함할 수 있다. 광원(2105)은 앞서 설명한 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자(100) 및/또는 발광 소자 패키지(1000)일 수 있다.
도 9는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 백라이트 유닛을 나타내는 도면이다.
구체적으로, 도 9는 직하형 백라이트 유닛(2200)에 있어서 광원(2205)의 배치의 일 예를 나타낸다. 광원(2205)은 앞서 설명한 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자(100) 및/또는 발광 소자 패키지(1000)일 수 있다.
본 실시 형태에 따른 직하형 백라이트 유닛(2200)은 기판(2201)상에 배열된 복수의 광원(2205)을 갖추어 구성된다. 광원(2205)들의 배열 구조는 행과 열로 배열된 매트릭스 구조로서 각각의 행과 열은 지그재그 형태를 갖는다. 이는, 복수의 광원(2205)이 일직선상에 행과 열로 배열된 제1 매트릭스의 내부에 동일한 형태의 제2 매트릭스가 배치된 구조로서 상기 제1 매트릭스에 포함된 인접한 4개의 광원(2205)이 이루는 사각형의 내부에 상기 제2 매트릭스의 각 광원(2205)이 위치하는 것으로 이해될 수 있다.
다만, 상기 직하형 백라이트 유닛에 있어서 휘도의 균일성 및 광효율을 보다 향상시키기 위해 필요에 따라서는, 상기 제1 및 제2 매트릭스는 그 배치 구조 및 간격을 서로 다르게 할 수도 있다. 또한, 이러한 복수의 광원 배치 방법 외에, 휘도 균일도를 확보할 수 있도록 인접한 광원 간의 거리(S1, S2)를 최적화할 수 있다. 이와 같이, 광원(2205)들로 구성된 행과 열을 일직선상에 배치하지 않고, 지그재그로 배치함에 따라, 동일한 발광 면적에 대하여 약 15% 내지 25% 정도 광원(2205)의 수를 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 10은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 직하형 백라이트 유닛을 설명하기 위한 도면이고, 도 11은 도 10의 광원 모듈을 확대하여 도시한 도면이다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 백라이트 유닛(2300)은 광학시트(2320) 및 상기 광학시트(2320) 하부에 배열된 광원 모듈(2310)을 포함할 수 있다. 상기 광학시트(2320)는 확산시트(2321), 집광시트(2322), 보호시트(2323) 등을 포함할 수 있다.
광원 모듈(2310)은 회로 기판(2311), 회로 기판(2311) 상에 실장된 복수의 광원(2312) 및 상기 복수의 광원(2312) 상부에 각각 배치되는 복수의 광학 소자(2313)를 포함할 수 있다. 광원(2312)은 앞서 설명한 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자(100) 및/또는 발광 소자 패키지(1000)일 수 있다.
광학 소자(2313)는, 굴절을 통해 광의 지향각을 조절할 수 있으며, 특히, 광원(2312)의 빛을 넓은 영역으로 확산시키는 광지향각 렌즈가 주로 사용될 수 있다. 이러한 광학 소자(2313)가 부착된 광원(2312)은 더 넓은 광 분포를 갖게 되기 때문에 백라이트, 평판 조명 등에 광원 모듈이 사용되는 경우, 동일 면적당 필요한 광원(2312)의 개수를 절약할 수 있다.
도 11에 도시한 바와 같이 광학 소자(2313)는 광원(2312) 상에 배치되는 바닥면(2313a)과, 광원(2312)의 광이 입사되는 입사면(2313b)과, 광이 외부로 방출되는 출사면(2313c)을 포함할 수 있다. 바닥면(2313a)은 광원(2312)의 광축(Z)이 지나는 중앙에 출사면(2313c) 방향으로 함몰된 홈부(2313d)가 구비될 수 있다. 홈부(2313d)는 그 표면이 광원(2312)의 광이 입사되는 입사면(2313b)으로 정의될 수 있다. 즉, 입사면(2313b)은 상기 홈부(2313d)의 표면을 이룰 수 있다.
바닥면(2313a)은 입사면(2313b)과 연결되는 중앙 영역이 상기 광원(2312)으로 부분적으로 돌출되어 전체적으로 비평판형 구조를 가질 수 있다. 즉, 바닥면(2313a) 전체가 평평한 일반적인 구조와 달리 상기 홈부(2313d) 둘레를 따라서 부분적으로 돌출된 구조를 가질 수 있다. 바닥면(2313a)에는 복수의 지지부(2313f)가 구비될 수 있으며, 상기 광학 소자(2313)가 상기 회로 기판(2311) 상에 장착되는 경우 상기 광학 소자(2313)를 고정 및 지지할 수 있다.
출사면(2313c)은 바닥면(2313a)과 연결되는 테두리로부터 상부 방향(광출사 방향)으로 돔 형태로 돌출되며, 상기 광축(Z)이 지나는 중앙이 상기 홈부(2313d)를 향해 오목하게 함몰되어 변곡점을 가지는 구조를 가질 수 있다. 출사면(2313c)에는 상기 광축(Z)에서 상기 테두리 방향으로 복수의 요철부(2313e)가 주기적으로 배열될 수 있다. 복수의 요철부(2313e)는 상기 광학 소자(2313)의 수평 단면 형상에 대응하는 링 형상을 가질 수 있으며, 상기 광축(Z)을 기준으로 동심원을 이룰 수 있다. 그리고 광축(Z)을 중심으로 상기 출사면(2313c)의 표면을 따라 주기적인 패턴을 이루며 방사상으로 확산되는 구조로 배열될 수 있다.
복수의 요철부(2313e)는 각각 일정한 주기(Pitch)로 이격되어 패턴을 이룰 수 있다. 이 경우, 복수의 요철부(2313e) 사이의 주기는 약 0.01㎜ 내지 약 0.04㎜ 사이의 범위를 가질 수 있다. 상기 복수의 요철부(2313e)는 광학 소자(2313)를 제조하는 과정에서 발생할 수 있는 미세한 가공 오차로 인하여 광학 소자들 간의 성능의 차이를 상쇄할 수 있으며, 이를 통해 광 분포의 균일도를 향상시킬 수 있다.
도 12는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 직하형 백라이트 유닛을 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로, 백라이트 유닛(2400)은 회로기판(2401) 상에 광원(2405)이 실장되며, 그 상부에 배치된 하나 이상의 광학 시트(2406)를 구비한다. 광원(2405)은 적색 형광체를 함유한 백색 발광 장치일 수 있다. 광원(2405)이 회로기판(2401) 상에 실장된 모듈일 수 있다. 광원(2405)은 앞서 설명한 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자(100) 및/또는 발광 소자 패키지(1000)일 수 있다.
본 실시예에 채용된 회로기판(2401)은 메인 영역에 해당되는 제1 평면부(2401a)와 그 주위에 배치되어 적어도 일부가 꺾인 경사부(2401b)와, 상기 경사부(2401b)의 외측인 회로기판(2401)의 모서리에 배치된 제2 평면부(2401c)를 가질 수 있다. 제1 평면부(2401a) 상에는 제1 간격(d1)에 따라 광원(2405)이 배열되며, 경사부(2401b) 상에도 제2 간격(d2)으로 하나 이상의 광원(2405)이 배열될 수 있다. 상기 제1 간격(d1)은 상기 제2 간격(d2)과 동일할 수 있다. 상기 경사부(2401b)의 폭(또는 단면에서는 길이)은 제1 평면부(2401a)의 폭보다 작으며 제2 평면부(2401c)의 폭에 비해서는 길게 형성될 수 있다. 또한, 제2 평면부(2401c)에도 필요에 따라 적어도 하나의 광원(2405)이 배열될 수 있다.
상기 경사부(2401b)의 기울기는 제1 평면부(2401a)를 기준으로 0°보다는 크며 90°보다는 작은 범위 안에서 적절하게 조절할 수 있다. 회로기판(2401)은 이러한 구조를 취함으로써 광학 시트(2406)의 가장자리 부근에서도 균일한 밝기를 유지할 수 있다.
도 13 내지 도 15는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 백라이트 유닛을 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로, 백라이트 유닛들(2500, 2600, 2700)은 파장 변환부(2550, 2650, 2750)가 광원(2505, 2605, 2705)에 배치되지 않고, 광원(2505, 2605, 2705)의 외부에서 백라이트 유닛들(2500, 2600, 2700) 내에 배치되어 광을 변환시킬 수 있다. 광원(2505, 2605, 2705)은 앞서 설명한 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자(100) 및/또는 발광 소자 패키지(1000)일 수 있다.
도 13의 백라이트 유닛(2500)은 직하형 백라이트 유닛으로, 파장 변환부(2550), 상기 파장 변환부(2550)의 하부에 배열된 광원 모듈(2510) 및 상기 광원 모듈(2510)을 수용하는 바텀 케이스(2560)를 포함할 수 있다. 또한, 광원 모듈(2510)은 인쇄회로기판(2501) 및 상기 인쇄회로기판(2501) 상면에 실장된 복수의 광원(2505)을 포함할 수 있다.
백라이트 유닛(2500)에서는, 바텀 케이스(2560) 상부에 파장 변환부(2550)가 배치될 수 있다. 따라서, 광원 모듈(2510)로부터 방출되는 광의 적어도 일부가 파장 변환부(2550)에 의해 파장 변환될 수 있다. 상기 파장 변환부(2550)는 별도의 필름으로 제조되어 적용될 수 있으나, 도시되지 않은 광확산판과 일체로 결합된 형태로 제공될 수 있다.
도 14 및 도 15의 백라이트 유닛(2600, 2700)은 에지형 백라이트 유닛으로, 파장 변환부(2650, 2750), 도광판(2640, 2740), 상기 도광판(2640, 2740)의 일 측에 배치되는 반사부(2620, 2720) 및 광원(2605, 2705)을 포함할 수 있다. 광원(2605, 2705)에서 방출되는 광은 상기 반사부(2620, 2720)에 의해 상기 도광판(2640, 2740)의 내부로 안내될 수 있다. 도 14의 백라이트 유닛(2600)에서, 파장 변환부(2650)는 도광판(2640)과 광원(2605)의 사이에 배치될 수 있다. 도 15의 백라이트 유닛(2700)에서, 파장 변환부(2750)는 도광판(2740)의 광 방출면 상에 배치될 수 있다.
파장 변환부(2550, 2650, 2750)에는 통상적인 형광체가 포함될 수 있다. 특히, 광원으로부터의 열 또는 수분에 취약한 양자점의 특성을 보완하기 위하여 양자점 형광체를 사용할 수 있다.
도 16은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 디스플레이 장치의 개략적인 분해 사시도이다.
구체적으로, 디스플레이 장치(3000)는, 백라이트 유닛(3100), 광학시트(3200) 및 액정 패널과 같은 화상 표시 패널(3300)을 포함할 수 있다. 백라이트 유닛(3100)은 바텀 케이스(3110), 반사판(3120), 도광판(3140) 및 도광판(3140)의 적어도 일 측면에 제공되는 광원 모듈(3130)을 포함할 수 있다. 광원 모듈(3130)은 인쇄회로기판(3131) 및 광원(3132)을 포함할 수 있다.
특히, 광원(3132)은 광방출면에 인접한 측면으로 실장된 사이드뷰 타입 발광 소자일 수 있다. 광원(3132)은 앞서 설명한 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자(100) 및/또는 발광 소자 패키지(1000)일 수 있다. 시트, 프리즘시트 또는 보호시트와 같은 여러 종류의 시트를 포함할 수 있다.
화상 표시 패널(3300)은 광학시트(3200)를 출사한 광을 이용하여 영상을 표시할 수 있다. 화상 표시 패널(3300)은 어레이 기판(3320), 액정층(3330) 및 컬러 필터 기판(3340)을 포함할 수 있다. 어레이 기판(3320)은 매트릭스 형태로 배치된 화소 전극들, 상기 화소 전극에 구동 전압을 인가하는 박막 트랜지스터들 및 상기 박막 트랜지스터들을 작동시키기 위한 신호 라인들을 포함할 수 있다.
컬러 필터 기판(3340)은 투명기판, 컬러 필터 및 공통 전극을 포함할 수 있다. 상기 컬러 필터는 백라이트 유닛(3100)으로부터 방출되는 백색광 중 특정 파장의 광을 선택적으로 통과시키기 위한 필터들을 포함할 수 있다. 액정층(3330)은 상기 화소 전극 및 상기 공통 전극 사이에 형성된 전기장에 의해 재배열되어 광투과율을 조절할 수 있다. 광투과율이 조절된 광은 컬러 필터 기판(3340)의 상기 컬러 필터를 통과함으로써 영상을 표시할 수 있다. 화상 표시 패널(3300)은 영상 신호를 처리하는 구동회로 유닛 등을 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 디스플레이 장치(3000)에 따르면, 상대적으로 작은 반치폭을 가지는 청색광, 녹색광 및 적색광을 방출하는 광원(3132)을 사용하므로, 방출된 광이 컬러 필터 기판(3340)을 통과한 후 높은 색순도의 청색, 녹색 및 적색을 구현할 수 있다.
도 17은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 평판 조명 장치를 간략하게 나타내는 사시도이다.
구체적으로, 평판 조명 장치(4100)는 광원 모듈(4110), 전원 공급 장치(4120) 및 하우징(4030)을 포함할 수 있다. 광원 모듈(4110)은 발광 소자 어레이를 광원으로 포함할 수 있다. 광원 모듈(4110)은 앞서 설명한 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자(100) 및/또는 발광 소자 패키지(1000)를 광원으로서 포함할 수 있다. 전원 공급 장치(4120)는 발광 소자 구동부를 포함할 수 있다.
광원 모듈(4110)은 발광 소자 어레이를 포함할 수 있고, 전체적으로 평면 현상을 이루도록 형성될 수 있다. 발광 소자 어레이는 발광 소자 및 발광 소자의 구동정보를 저장하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
전원 공급 장치(4120)는 광원 모듈(4110)에 전원을 공급하도록 구성될 수 있다. 하우징(4130)은 광원 모듈(4110) 및 전원 공급 장치(4120)가 내부에 수용되도록 수용 공간이 형성될 수 있고, 일 측면에 개방된 육면체 형상으로 형성되나 이에 한정되는 것은 아니다. 광원 모듈(4110)은 하우징(4130)의 개방된 일 측면으로 빛을 발광하도록 배치될 수 있다.
도 18은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 조명 장치를 간략하게 나타내는 분해 사시도이다.
구체적으로, 조명 장치(4200)는 소켓(4210), 전원부(4220), 방열부(4230), 광원 모듈(4240) 및 광학부(4250)를 포함할 수 있다. 광원 모듈(4240)은 발광 소자 어레이를 포함할 수 있고, 전원부(4220)는 발광 소자 구동부를 포함할 수 있다.
소켓(4210)은 기존의 조명 장치와 대체 가능하도록 구성될 수 있다. 조명 장치(4200)에 공급되는 전력은 소켓(4210)을 통해서 인가될 수 있다. 도시된 바와 같이, 전원부(4220)는 제1 전원부(4221) 및 제2 전원부(4222)로 분리되어 조립될 수 있다. 방열부(4230)는 내부 방열부(4231) 및 외부 방열부(4232)를 포함할 수 있고, 내부 방열부(4231)는 광원 모듈(4240) 및/또는 전원부(4220)와 직접 연결될 수 있고, 이를 통해 외부 방열부(4232)로 열이 전달되게 할 수 있다. 광학부(4250)는 내부 광학부(미도시) 및 외부 광학부(미도시)를 포함할 수 있고, 광원 모듈(4240)이 방출하는 빛을 고르게 분산시키도록 구성될 수 있다.
광원 모듈(4240)은 전원부(4220)로부터 전력을 공급받아 광학부(4250)로 빛을 방출할 수 있다. 광원 모듈(4240)은 하나 이상의 발광 소자 패키지(4241), 회로 기판(4242) 및 컨트롤러(4243)를 포함할 수 있고, 컨트롤러(4243)는 발광 소자 패키지(4241)의 구동 정보를 저장할 수 있다. 발광 소자 패키지(4241)는 앞서 설명한 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자(100) 및/또는 발광 소자 패키지(1000)를 포함할 수 있다.
도 19는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 조명 장치를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 조명 장치(4300)에서 도 18에서 개시하는 조명 장치(4200)와의 차이점은 광원 모듈(4240)의 상부에 반사판(4310) 및 통신 모듈(4320)이 포함되어 있다. 반사판(4310)은 광원으로부터의 빛을 측면 및 후방으로 고르게 퍼지게 하여 눈부심을 줄일 수 있다.
반사판(4310)의 상부에는 통신 모듈(4320)이 장착될 수 있으며 상기 통신 모듈(4320)을 통하여 홈-네트워크(home-network) 통신을 구현할 수 있다. 예를 들어, 통신 모듈(4320)은 지그비(Zigbee), 와이파이(WiFi) 또는 라이파이(LiFi)를 이용한 무선 통신 모듈일 수 있으며, 스마트폰 또는 무선 컨트롤러를 통하여 조명 장치의 온(on)/오프(off), 밝기 조절 등과 같은 가정 내외에 설치되어 있는 조명을 컨트롤 할 수 있다. 또한, 상기 가정 내외에 설치되어 있는 조명 장치의 가시광 파장을 이용한 라이파이 통신 모듈을 이용하여 TV, 냉장고, 에어컨, 도어락, 자동차 등 가정 내외에 있는 전자 제품 및 자동차 시스템의 컨트롤을 할 수 있다. 상기 반사판(4310)과 통신 모듈(4320)은 커버부(4330)에 의해 커버될 수 있다.
도 20은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 바(bar) 타입의 조명 장치를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
구체적으로, 조명 장치(4400)는 방열 부재(4401), 커버(4427), 광원 모듈(4421), 제1 소켓(4405) 및 제2 소켓(4423)을 포함한다. 방열 부재(4401)의 내부 및/또는 외부 표면에 다수개의 방열 핀(4409, 4410)이 요철 형태로 형성될 수 있으며, 방열 핀(4409, 4410)은 다양한 형상 및 간격을 갖도록 설계될 수 있다. 방열 부재(4401)의 내측에는 돌출 형태의 지지대(4413)가 형성되어 있다. 지지대(4413)에는 광원 모듈(4421)이 고정될 수 있다. 방열 부재(4401)의 양 끝단에는 걸림 턱(4411)이 형성될 수 있다.
커버(4427)에는 걸림 홈(4429)이 형성되어 있으며, 걸림 홈(4429)에는 방열 부재(4401)의 걸림 턱(4411)이 후크 결합 구조로 결합될 수 있다. 걸림 홈(4429)과 걸림 턱(4411)이 형성되는 위치는 서로 바뀔 수도 있다.
광원 모듈(4421)은 발광 소자 어레이를 포함할 수 있다. 광원 모듈(4421)은 인쇄회로기판(4419), 광원(4417) 및 컨트롤러(4415)를 포함할 수 있다. 컨트롤러(4415)는 광원(4417)의 구동 정보를 저장할 수 있다. 인쇄회로기판(4419)에는 광원(4417)을 동작시키기 위한 회로 배선들이 형성되어 있다. 또한, 광원(4417)을 동작시키기 위한 구성 요소들이 포함될 수도 있다. 광원(4417)은 앞서 설명한 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 발광 소자(100) 및/또는 발광 소자 패키지(1000)일 수 있다.
제1 및 제2 소켓(4405, 4423)은 한 쌍의 소켓으로서 방열 부재(4401) 및 커버(4427)로 구성된 원통형 커버 유닛의 양단에 결합되는 구조를 갖는다. 예를 들어, 제1 소켓(4405)은 전극 단자(4403) 및 전원 장치(4407)를 포함할 수 있고, 제2 소켓(4423)에는 더미 단자(4425)가 배치될 수 있다. 또한, 제1 소켓(4405) 또는 제2 소켓(4423) 중의 어느 하나의 소켓에 광센서 및/또는 통신 모듈이 내장될 수 있다. 예를 들어, 더미 단자(4425)가 배치된 제2 소켓(4423)에 광센서 및/또는 통신 모듈이 내장될 수 있다. 다른 예로서, 전극 단자(4403)가 배치된 제1 소켓(4405)에 광센서 및/또는 통신 모듈이 내장될 수도 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 발광 소자
101: 기판
110: 발광 구조체
121, 123: 투광성 도전층
131P, 133P: 유전 패턴층
141, 151: 전극층
1000: 발광 소자 패키지

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되는 발광 구조체;
    상기 발광 구조체 상에 형성되는 제1 투광성 도전층;
    상기 제1 투광성 도전층 상에 형성되고, 복수의 개구부를 포함하는 제1 유전 패턴층;
    상기 복수의 개구부를 통해 노출되는 상기 제1 투광성 도전층 및 상기 제1 유전 패턴층 상에 컨포멀(conformal)하게 형성되는 제2 투광성 도전층;
    상기 복수의 개구부를 채우는 제2 유전 패턴층; 및
    상기 제2 투광성 도전층 및 상기 제2 유전 패턴층 상에 형성되는 반사 전극층;
    을 포함하는 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발광 구조체는 n형 반도체층, 활성층, 및 p형 반도체층을 포함하고,
    상기 p형 반도체층의 굴절률은 상기 제1 및 제2 유전 패턴층의 굴절률보다 큰 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유전 패턴층의 두께는 상기 제2 유전 패턴층의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유전 패턴층의 수직 단면은 정사다리꼴 형상이고,
    상기 제2 유전 패턴층의 수직 단면은 역사다리꼴 형상인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유전 패턴층 및 상기 제2 유전 패턴층 중 적어도 하나는 서로 다른 굴절률을 가지는 물질층이 다층 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 투광성 도전층의 최상면 및 상기 제2 유전 패턴층의 상면은 실질적으로 동일 평면 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 투광성 도전층이 상기 반사 전극층과 접촉하는 면적이
    상기 제2 투광성 도전층이 상기 제1 투광성 도전층과 접촉하는 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 투광성 도전층의 두께는 상기 제2 투광성 도전층의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  9. 기판;
    상기 기판 상에 형성되고, 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 복수의 발광 구조체;
    상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성되는 제1 투광성 도전층;
    상기 제1 투광성 도전층 상에 형성되고, 복수의 개구부를 포함하는 제1 유전 패턴층;
    상기 복수의 개구부를 통해 노출되는 상기 제1 투광성 도전층 및 상기 제1 유전 패턴층 상에 컨포멀(conformal)하게 형성되는 제2 투광성 도전층;
    상기 복수의 개구부를 채우는 제2 유전 패턴층;
    상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 연결된 제1 전극층 및 제1 외부 접속 단자;
    상기 제2 투광성 도전층 및 상기 제2 유전 패턴층 상에 형성되고, 상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 연결되는 제2 전극층 및 제2 외부 접속 단자; 및
    상기 기판이 실장되고, 상기 제1 및 제2 외부 접속 단자와 전기적으로 연결되는 모듈;
    을 포함하는 발광 소자 패키지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 발광 구조체에서 방출된 광 중에서,
    상기 제1 또는 제2 유전 패턴층에 소정의 입사각을 가지고 입사된 광은 전반사되는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
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