KR102319111B1 - 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

발광 소자는 제1 색 광을 생성하는 발광 칩, 발광 칩 상에 배치되고, 제1 색과 다른 제2 색 광을 생성하고, 제1 굴절률을 가진 제1 캐비티층, 제1 캐비티층 상에 배치되고, 제1 색 및 상기 제2 색과 다른 제3 색을 생성하고, 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률을 가진 제2 캐비티층, 제1 캐비티층 및 발광 칩 사이에 배치되고, 제2 색 광의 적어도 일부를 반사시키는 제1 하프 미러층, 제1 캐비티층 및 제2 캐비티층 사이에 배치되고, 제3 색 광의 적어도 일부를 반사시키는 제2 하프 미러층, 및 제2 캐비티층 상에 배치되고, 제1 색 광을 투과시키는 제3 하프 미러층을 포함한다.

Description

발광 소자{LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 상세하게는 LED 칩을 포함하는 발광 소자에 관한 것이다.
발광 소자는 예를 들어, 발광 다이오드(Light Emitting Diode)는 전기 에너지를 빛으로 변환하는 반도체 소자의 일종으로, 기존의 형광등, 백열등을 대체하여 차세대 광원으로서 각광받고 있다.
발광 소자는 반도체 소자를 이용하여 빛을 생성하므로, 텅스텐을 가열하여 빛을 발생하는 백열등이나, 또는 고압 방전을 통해 생성된 자외선을 형광체에 충돌시켜 빛을 생성하는 형광등에 비해 매우 낮은 전력만을 소모한다.
또한, 발광 소자는 반도체 소자의 전위 갭을 이용하여 빛을 생성하므로 기존의 광원에 비해 수명이 길고 응답특성이 빠르며, 친환경적 특징을 갖는다.
이에 따라, 기존의 광원을 발광 소자로 대체하기 위한 많은 연구가 진행되고 있으며, 발광 소자는 실내 및 실외에서 사용되는 각종 램프, 액정표시장치, 전광판, 가로등 등의 조명 장치의 광원으로서 사용이 증가하고 있다.
따라서, 본 발명은 광 효율과 색 재현성이 향상된 발광 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자는 제1 색 광을 생성하는 발광 칩, 상기 발광 칩 상에 배치되고, 상기 제1 색과 다른 제2 색 광을 생성하고, 제1 굴절률을 가진 제1 캐비티층, 상기 제1 캐비티층 상에 배치되고, 상기 제1 색 및 상기 제2 색과 다른 제3 색을 생성하고, 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률을 가진 제2 캐비티층, 상기 제1 캐비티층 및 상기 발광 칩 사이에 배치되고, 상기 제2 색 광의 적어도 일부를 반사시키는 제1 하프 미러층, 상기 제1 캐비티층 및 상기 제2 캐비티층 사이에 배치되고, 상기 제3 색 광의 적어도 일부를 반사시키는 제2 하프 미러층, 및 상기 제2 캐비티층 상에 배치되고, 상기 제1 색 광을 투과시키는 제3 하프 미러층를 포함하고, 상기 제1 캐비티층은 상기 제2 색 광을 공진시키고, 상기 제2 캐비티층은 상기 제3 색 광을 공진시킨다.
상기 제1 캐비티층의 두께와 상기 제1 굴절률의 곱은 상기 제2 색 광의 반파장의 i 배이고, 상기 제2 캐비티층의 두께와 상기 제2 굴절률의 곱은 상기 제3 색 광의 반파장의 j 배일 수 있다.
이때, 상기 i 및 j 각각은 6 이하일 수 있다.
상기 제1 캐비티층의 두께와 상기 제2 캐비티층의 두께는 각각 0.1㎛ 이상 1.0㎛ 이하일 수 있다.
상기 제1 캐비티층은, 상기 제1 하프 미러층 및 상기 제2 하프 미러층 사이에 배치되고, 상기 제1 굴절률을 가진 제1 기재, 및 상기 제1 기재에 분산되고, 상기 제1 색 광 중 적어도 일부를 흡수하여 상기 제2 색 광을 생성하는 적어도 하나의 제1 형광체(phosphor)를 포함할 수 있다.
상기 제2 캐비티층은, 상기 제2 하프 미러층 및 상기 제3 하프 미러층 사이에 배치되고, 상기 제2 굴절률을 가진 제2 기재, 및 상기 제2 기재에 분산되고, 상기 제1 색 광 및 제2 색 광 중 적어도 일부를 흡수하여 상기 제3 색 광을 생성하는 적어도 하나의 제2 형광체(phosphor)를 포함할 수 있다.
상기 제2 캐비티층은, 상기 제2 하프 미러층 및 상기 제3 하프 미러층 사이에 배치되고, 상기 제2 굴절률을 가진 제2 기재, 및 상기 제2 기재에 분산되고, 상기 제1 색 광 및 제2 색 광 중 적어도 일부를 흡수하여 상기 제3 색 광을 생성하는 적어도 하나의 제2 형광체(phosphor)를 포함할 수 있다.
상기 제1 형광체는 녹색 형광체이고, 상기 제2 형광체는 적색 형광체일 수 있다.
또는, 상기 제1 형광체는 상기 제2 형광체보다 작은 크기를 가진 양자점일 수 있다.
상기 제1 내지 제3 하프 미러층 각각은 교대로 적층되고 서로 다른 굴절률을 가진 복수의 무기막을 포함할 수 있다.
상기 제1 하프 미러층은 각각의 굴절률과 각각의 두께의 곱이 상기 제2 색 광의 1/4 파장과 동일한 무기막들로 구성되고, 상기 제2 하프 미러층은 각각의 굴절률과 각각의 두께의 곱이 상기 제3 색 광의 1/4 파장과 동일한 무기막들로 구성될 수 있다.
상기 제2 색 광의 파장은 480㎚ 이상 560㎚ 이하의 범위를 가질 수 있고, 상기 제3 색 광의 파장은 640㎚ 이상 780㎚ 이하의 범위를 가질 수 있다.
상기 복수의 무기막 중 서로 인접하여 배치된 두 개의 무기막들의 굴절률 비는 0.7 이하일 수 있다.
상기 복수의 무기막은 실리콘 옥사이드, 티타늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 하프늄 옥사이드, 및 지르코늄 옥사이드 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 내지 제3 하프 미러층 각각의 두께는 0.6㎛ 이상 10㎛ 이하일 수 있다.
내부 공간을 정의하고, 상기 내부 공간에 상기 발광 칩이 노출되도록 일면 상에 상기 발광 칩을 실장하는 바디 부재;
상기 바디 부재에 고정되고, 상기 발광 칩과 연결된 제1 리드, 및 상기 바디 부재에 고정되어 상기 제1 리드와 절연되고, 상기 발광 칩과 연결된 제2 리드를 더 포함하고, 상기 제1 내지 제3 하프 미러층, 상기 제1 및 제2 캐비티층은 상기 내부 공간에 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자는 제1 색 광을 생성하는 발광 칩, 상기 발광 칩 상에 배치되고, 제1 하프 미러층, 제2 하프 미러층, 및 상기 제1 하프 미러층과 상기 제2 하프 미러층 사이에 배치되고, 상기 제1 색과 다른 제2 색 광을 생성하며 상기 제2 색 광을 공진시키는 제1 공진기, 상기 제1 공진기 상에 배치되고, 제3 하프 미러층, 제4 하프 미러층, 및 상기 제3 하프 미러층과 상기 제4 하프 미러층 사이에 배치되고, 상기 제1 색 및 상기 제2 색과 다른 제3 색 광을 생성하며 상기 제3 색 광을 공진시키는 제2 공진기를 포함하고, 상기 제1 및 제2 하부 하프 미러층들 및 상기 제1 및 제2 상부 하프 미러층들 각각은, 각각 교번하여 적층되고 굴절률이 서로 다른 복수의 무기막을 포함할 수 있다.
상기 제2 하프 미러층과 상기 제3 하프 미러층은 하나의 하프 미러층일 수 있다.
내부 공간을 정의하고, 상기 내부 공간에 상기 발광 칩이 노출되도록 일면 상에 상기 발광 칩을 실장하는 바디 부재를 더 포함하고, 상기 제1 공진기 및 상기 제2 공진기는 상기 내부 공간에 구비될 수 있다.
상기 내부 공간에 구비되고, 상기 제1 공진기 및 상기 발광 칩 사이에 충진된 봉지 부재를 더 포함하고, 상기 봉지 부재는 상기 발광 칩을 봉지하고, 상기 제1 색 광을 확산시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 발광 소자는 제1 색 광을 생성하는 발광 칩, 제2 색 광을 생성하고 공진시켜 방출하는 제1 공진기, 및 제3 색 광을 생성하고 공진시켜 방출하는 제2 공진기를 포함한다. 이에 따라, 발광 소자는 다양한 파장의 광들을 각각 효율적으로 생성할 수 있고, 균일한 백색 광을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 발광 소자의 공진기들 각각은 복수의 무기막들로 구성된 하프 미러층들을 포함한다. 이에 따라, 별도의 새로운 구성을 추가하지 않고 기존의 봉지 부재에 사용 가능한 무기 재료를 이용하여 용이하게 공진기들을 구현할 수 있고, 광의 반사 스펙트럼의 반치폭을 감소시켜 발광 소자의 색 재현성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 평면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'를 자른 단면도이다.
도 3은 도 1 의 발광 칩을 간략히 도시한 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 공진 부재를 간략히 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 광 공진 부재에서의 광 경로를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하프 미러층을 도시한 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 도 7에 도시된 단층 박막 쌍의 개수에 따른 반사 스펙트럼을 도시한 그래프들이다.
도 9a 및 도 9b는 비교예에 따른 발광 소자의 광 효율을 도시한 발광 스펙트럼들이다.
도 9c는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 광 효율을 도시한 도시한 발광 스펙트럼이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 평면도이다. 도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'를 자른 단면도이다. 도 3은 도 1 의 발광 칩을 간략히 도시한 단면도이다. 이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 발광 소자(100)를 설명한다.
도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 발광 소자(100)는 바디 부재(110), 발광 칩(120), 제1 리드(130), 제2 리드(140), 광 공진 부재(150), 및 봉지 부재(160)를 포함한다. 광 공진 부재(150)는 제1 공진기(151) 및 제2 공진기(152)를 포함한다.
바디 부재(110)는 평면(111), 배면(112), 상면(113), 측면(114), 및 내면(115)을 포함한다. 평면(111)은 배면(112) 상에 구비되어 배면(112)과 평행을 이룬다. 평면(111) 상에는 발광 칩(120)이 실장된다.
상면(113)은 평면(111) 상에 구비된다. 측면(114)은 배면(112)으로부터 상측으로 절곡되어 배면(112)과 상면(113)을 연결한다. 상면(113), 측면(114), 및 배면(112)은 바디 부재(110)의 외면을 정의한다.
내면(115)은 평면(111)으로부터 상측으로 절곡되어 평면(111)과 상면(113)을 연결한다. 내면(115)은 평면(111)으로부터 90도 이상 기울어진 경사면일 수 있다. 내면(115)과 평면(111)은 소정의 내부 공간을 정의한다.
발광 칩(120)은 평면(111) 상에 실장되어 내부 공간에 노출된다. 발광 칩(120)은 제1 배선(W1)을 통해 제1 리드(130)와 연결되고, 제2 배선(W2)을 통해 제2 리드(140)와 연결된다.
발광 칩(120)은 구동 전압을 인가 받아 제1 색 광을 생성한다. 제1 색 광은 다양한 색상의 광일 수 있다. 예를 들어, 제1 색 광은 적색, 녹색, 청색, 또는 백색 광일 수 있다. 또는, 발광 칩(120)은 자외선을 방출하는 UV(Ultra violet) 소자일 수 있다.
발광 칩(120)은 어느 하나의 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 실시예를 포함한다. 본 명세서에서는 발광 칩(120)이 청색 광을 생성하는 LED 칩(Light emitting diode chip)인 실시예를 예로 들어 설명한다. 이때, 제1 색 광(L1)의 파장은 약 360㎚ 이상 약 480㎚ 이하의 범위 내일 수 있다.
도 3에는 발광 소자에 구비될 수 있는 하나의 발광 칩을 예시적으로 도시하였다. 이하, 도 3을 참조하여 발광 칩(120)에 대해 상세히 살펴본다.
도 3에 도시된 것과 같이, 발광 칩(120)은 기판(123) 상에 순차적으로 적층된 n형 반도체층(124), 활성층(125), 및 p형 반도체층(126)을 포함한다. 또한, 발광 칩(120)은 p형 반도체층(126)에 연결된 P형 전극(121, 이하, 제1 전극) 및 n형 전극(122, 이하, 제2 전극)을 포함한다.
기판(123)은 사파이어(Al2O3)를 포함하는 투명한 물질로 구성되며, 사파이어 이외에도 징크 옥사이드(zinc oxide: ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide: SiC), 또는 알루미늄 나이트라이드(aluminium nitride: AlN) 등으로 구성될 수 있다. 기판(123)은 레이저 리프트 오프, 에칭, 그라인딩, 또는 다른 기술들에 의해 제거될 수 있다.
본 실시예에서, n형 반도체층(124), 활성층(125), 및 p형 반도체층(126)은 기판(123) 상에 성장된 에피택시얼(epitaxial) 층들일 수 있다. 에피택시얼 층들은 발광 칩(120)이 생성하는 광의 파장에 따라 다른 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 색 광이 청색 광인 경우 에피택시얼 층들은 갈륨 나이트라이드(GaN) 계열일 수 있다.
구체적으로, n형 반도체층(124)은 n형 도전형 불순물이 도핑된 GaN 또는 GaN/AlGaN 과 같이 n형 질화물 반도체층으로 구성될 수 있다. 예를 들어, n형 반도체층(124)은 인듐 알루미늄 갈륨 나이트라이드(indium aluminium galium nitride: InAlGaN), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 알루미늄 갈륨 나이트라이드(aluminium gallium nitride, AlGaN), 인듐 갈륨 나이트라이드(Indium gallium nitride, InGaN), 알루미늄 나이트라이드(aluminium nitride, AlN), 인듐 나이트라이드(indium nitride, InN), 또는 알루미늄 인듐 나이트라이드(aluminium indium nitride, AlInN)에 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 또는 탄소(C)가 도핑되어 형성될 수 있다.
상기 p형 반도체층(126)은 p형 도전형 불순물이 도핑된 p형 질화물 반도체층으로 구성될 수 있다. 예를 들어, p형 반도체층(126)은 인듐 알루미늄 갈륨 나이트라이드(indium aluminium galium nitride: InAlGaN), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 알루미늄 갈륨 나이트라이드(aluminium gallium nitride, AlGaN), 인듐 갈륨 나이트라이드(Indium gallium nitride, InGaN), 알루미늄 나이트라이드(aluminium nitride, AlN), 인듐 나이트라이드(indium nitride, InN), 또는 알루미늄 인듐 나이트라이드(aluminium indium nitride, AlInN)에 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 또는 바륨(Ba)이 도핑되어 형성될 수 있다.
활성층(125)은 n형 반도체층(124) 및 p형 반도체층(126) 사이에 배치된다. n형 반도체층(124)으로부터 주입되는 전자와 p형 반도체층(126)으로부터 주입되는 정공은 활성층(125)에서 서로 결합된다.
활성층(125)은 활성층(125)이 가진 에너지 밴드의 밴드갭(band gap)에 대응하는 광을 생성한다. 활성층(125)의 밴드갭 차이에 따라 발광 칩(120)이 생성하는 광의 파장이 달라질 수 있다.
활성층(125)은 단일 양자우물(Single quantum well) 구조, 다중 양자우물(Multi quantum well, MQW) 구조, 양자 점(Quantum dot) 구조, 및 양자 선(Quantum wire) 구조 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있다. 또는, 활성층(125)은 복수의 양자우물층과 복수의 양자장벽층이 교대로 적층된 구조를 가질 수도 있으며, 어느 하나의 실시예에 한정되지 않는다.
제1 전극(121)은 p형 반도체층(126)에 전기적으로 컨택하고, 제2 전극(122)은 n형 반도체층(124)에 전기적으로 컨택한다. 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)은 발광 소자(100)의 외부에서 제공되는 구동 전압을 발광 칩(120)에 제공한다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 리드(130) 및 제2 리드(140)는 서로 절연되어 바디 부재(110)에 고정된다. 제1 리드(130) 및 제2 리드(140)는 발광 칩(120)에 전기적으로 연결된다.
발광 칩(120)은 배선들(W1, W2)을 통해 제1 리드(130) 및 제2 리드(140)에 연결된다. 외부에서 인가된 구동전압은 제1 리드(130)를 통해 발광 칩(120)에 제공되고, 전압이 강하된 구동전압은 제2 리드(140)를 통해 발광 칩(120)의 외부로 인출된다.
즉, 발광 칩(120)은 제1 리드(130)를 통해 제1 전압을 제1 전극(121)에 제공받고, 제2 리드(140)를 통해 제1 전압보다 전위가 낮은 제2 전압을 제2 전극(122)을 통해 제공받는다. 이때, 제1 전압과 제2 전압의 전위차는 강하된 구동 전압의 레벨과 실질적으로 동일하다.
제1 리드(130) 및 제2 리드(140)는 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), 및 이들의 합금 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
제1 리드(130) 및 제2 리드(140) 각각은 바디 부재(110)를 관통하여 일부는 내부 공간에 노출되고, 일부는 바디 부재(110)의 외측으로 돌출된다. 제1 리드(130) 및 제2 리드(140) 각각의 바디 부재(110)의 외측으로 돌출된 부분들은 외부 전원과 연결된다.
이때, 제1 배선(W1)를 통해 제1 전극(121)과 제1 리드(130)의 일단부가 연결되고, 제2 배선(W2)를 통해 제2 전극(122)과 제2 리드(140)의 일단부가 연결될 수 있다. 한편, 상술한 연결방법은 하나의 예시에 불과하고, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 칩(120)은 다양한 방식으로 실장될 수 있다.
예를 들어, 발광 칩(120)은 플립칩(flip chip) 방식으로 실장될 수 있다. 이때, 발광 칩(120)은 제1 리드(130) 및 제2 리드(140) 중 어느 하나에 직접 본딩되고, 제1 리드(130) 및 제2 리드(140) 중 나머지 하나에는 배선을 통해 연결될 수 있다.
또는, 발광 칩(120)은 칩온 보드(chip on board, COB) 방식으로 회로 기판 상에 직접 실장될 수도 있다. 회로 기판은 절연 기판 및 절연 기판 상에 배치되고, 발광 소자에 구동 전압을 제공하기 위한 복수의 신호 배선들을 포함한다.
이때, 바디 부재(110)는 생략될 수 있고, 발광 소자는 발광 칩(120)을 커버하는 반구 형상의 커버 부재를 더 포함할 수 있다. 발광 칩(120)은 다양한 방식으로 실장될 수 있으며, 어느 하나의 실시예에 한정되지 않는다.
한편, 도시되지 않았으나, 발광 소자(100)는 히트싱크를 더 포함할 수 있다. 히트싱크는 바디 부재(110)의 일부를 관통하여 바디 부재(110)에 고정될 수 있다. 히트싱크는 발광 칩(120)과 접촉하여 발광 칩(120)의 열화를 방지할 수 있다.
제1 공진기(151)는 내부 공간에 구비되고, 발광 칩(120) 상에 배치된다. 제1 공진기(151)는 제1 색 광(L1)의 적어도 일부를 흡수하여 제2 색 광(L2)을 생성한다. 또한, 제1 공진기(151)는 생성된 제2 색 광(L2)을 공진시킨다.
제2 공진기(152)는 내부 공간에 구비되고, 제1 공진기(151) 상에 배치된다. 제2 공진기(152)는 제1 색 광(L1) 및 제2 색 광(L2)의 적어도 일부를 흡수하여 제3 색 광(L3)을 생성한다. 또한, 제2 공진기(152)는 생성된 제3 색 광(L3)을 공진시킨다.
본 실시예에 따르면, 제2 색 광(L2) 및 제3 색 광(L3)은 광 공진 효과(optical resonance effect)에 의해 증폭되어 발광 소자의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 공진 효과에 따라 공진된 광은 해당 파장 스펙트럼의 반치폭(full width at half maximum, FWHM)이 좁아져 색 순도가 향상될 수 있다. 본 발명에 따른 발광 소자(100)는 제1 공진기(151) 및 제2 공진기(152)를 더 포함함으로써, 광 효율이 향상되고 색재현성이 향상된다.
봉지 부재(160)는 내부 공간 중 제1 공진기(151) 및 발광 칩(120) 사이의 공간에 충진된다. 봉지 부재(160)는 발광 칩(120)을 봉지하여 발광 칩(120)을 고정하고, 외부로부터 발광 칩(120)을 보호한다.
봉지 부재(160)는 제1 색 광(L1)을 확산시킬 수 있다. 발광 칩(120)으로부터 출사된 제1 색 광(L1)은 봉지 부재(160)를 통해 확산되어, 제1 공진기(151)의 전면에 균일하게 입사될 수 있다.
한편, 도시되지 않았으나, 발광 칩(120)이 회로 기판 상에 직접 실장되는 경우, 봉지 부재(160)는 커버 부재에 의해 형성되는 내부공간에 충진될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자(100)에 있어서, 봉지 부재(160)는 생략될 수도 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 단면도이고, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 공진 부재를 간략히 도시한 도면이다. 이하, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 본 발명에 따른 발광 소자(100)의 발광 특성을 설명한다. 한편, 도 1 내지 도 3에 도시한 구성과 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하고, 구체적인 설명은 생략한다.
도 4a에 도시된 것과 같이, 제1 공진기(151) 및 제2 공진기(152) 각각은 복수의 하프 미러층들 및 하프 미러층들 사이에 배치된 캐비티층을 포함한다. 구체적으로, 제1 공진기(151)는 제1 하프 미러층(HM11), 제2 하프 미러층(HM12), 및 제1 캐비티층(CAV1)을 포함한다.
하프 미러(half mirror)층들 각각은 입사되는 광을 파장에 따라 선택적으로 투과시키거나 반사시킨다. 광은 파장에 따라 파장에 대응되는 색상을 가지므로, 본 발명에 따른 하프 미러층들은 색상에 따라 광을 선택적으로 투과시키거나 반사시킨다.
제1 하프 미러층(HM11) 및 제2 하프 미러층(HM12)은 각각 제1 색 광(L1)을 투과시키고, 제2 색 광(L2)을 반사시킨다. 이에 따라, 발광 칩(120)으로부터 출광된 제1 색 광(L1)은 제1 하프 미러층(HM11)을 통해 제1 캐비티층(CAV1)에 입사될 수 있다.
제1 캐비티층(CAV1)은 제1 색 광(L1)의 적어도 일부를 흡수하여 제2 색 광(L2)을 생성한다. 한편, 제2 색 광(L2)은 제1 색 광(L1)을 기초로 생성되므로, 제2 색 광(L2)은 대체로 제1 색 광(L1)의 파장보다 긴 파장을 가진다. 예를 들어, 제1 색 광(L1)이 청색 광인 경우, 제2 색 광(L2)은 약 480㎚ 이상 560㎚ 이하의 파장 범위를 가진 녹색 광일 수 있다.
생성된 제2 색 광(L2)은 제1 하프 미러층(HM11) 및 제2 하프 미러층(HM12)에 의해 제1 캐비티층(CAV1) 내부로 재반사된다. 이때, 제1 캐비티층(CAV1)이 공진 조건을 만족하는 경우 제2 색 광(L2)은 제1 공진기(151)에서 공진한다.
이하, 도 4b를 참조하여 공진 조건에 대해 상세히 살펴본다. 도 4b에는 제1 공진기(151)가 공진 조건을 만족하는 실시예들 중 일부 실시예를 예시적으로 도시하였다. 한편, 용이한 설명을 위해 제1 공진기(151)의 두께 방향이 좌우 방향으로 정렬되도록 도시하였다.
도 4b에 도시된 것과 같이, 제1 캐비티층(CAV1)은 굴절률의 변화가 없다고 가정할 때, 제1 공진기(151)는 제1 캐비티층(CAV1)을 제1 두께(LC-A)로 설정하거나, 제2 두께(LC-B)로 설정할 때 모두 제2 색 광(L2)을 공진시킬 수 있다.
소정의 캐비티층이 소정의 광을 공진시키기 위해서는 공진 조건을 만족하여야 한다. 공진 조건은 하기 수학식 1과 같다.
Figure 112015031027788-pat00001
(단, LCAV는 캐비티층의 두께, nCAV은 캐비티층의 굴절률, λ1는 공진시키려는 광의 파장)
즉, 제1 캐비티층(CAV1)이 제2 색 광(L2)을 공진시키기 위해서는 굴절률(nCAV)과 두께(LCAV)의 곱이 제2 색 광(L2)의 반 파장의 정수(m) 배를 만족하여야 한다. 본 실시예에서, 정수(m)는 1 이상의 자연수를 의미한다.
제1 캐비티층(CAV1)이 공진 조건을 만족하면, 제2 색 광(L2)은 제1 하프 미러층(HM11)과 제2 하프 미러층(HM12)으로부터 각각 반사되어 제1 캐비티층(CAV1) 내에서 공진하면서 증폭된다.
제1 캐비티층(CAV1)이 제1 두께(LC-A)를 가지는 경우, 굴절률과 두께의 곱은 제2 색 광(L2)의 반 파장의 1 배와 같다. 이에 따라, 제2 색 광(L2)은 제1 하프 미러층(HM11)으로부터 제2 하프 미러층(HM12)으로 반사된 후, 다시 제2 하프 미러층(HM12)으로부터 제1 하프 미러층(HM11)으로 반사되면 하나의 완전한 파장을 이루도록 공진한다.
제1 캐비티층(CAV1)이 제2 두께(LC-B)를 가지는 경우, 굴절률과 두께의 곱은 제2 색 광(L2)의 반 파장의 2 배와 같다. 이에 따라, 제2 색 광(L2)은 제1 하프 미러층(HM11)으로부터 제2 하프 미러층(HM12)으로 반사되면서 하나의 완전한 파장을 이루도록 공진한다.
도 4b에 도시된 것과 같이, 공진 조건을 만족할 때, 캐비티층의 두께는 광 공진 길이가 된다. 일반적으로 광 공진 길이가 길면 상대적으로 공진 횟수는 증가하나 이득(gain)이 작아져 공진 효과가 감소될 수 있다.
본 발명에 따른 공진기들은 광 공진 길이가 작은 미세 공진(micro optical resonance) 구조를 가질 수 있다. 본 실시예에서 캐비티층의 두께는 공진하는 광의 파장의 3배(3λ) 이하일 수 있다.
다시 도 4a를 참조하면, 제2 공진기(152)는 제1 공진기(151) 상에 구비된다. 제2 공진기(152)는 제3 하프 미러층(HM21), 제4 하프 미러층(HM22), 및 제2 캐비티층(CAV2)을 포함한다.
제3 하프 미러층(HM21) 및 제4 하프 미러층(HM22)은 각각 제1 색 광(L1) 및 제2 색 광(L2)을 투과시키고 제3 색 광(L3)을 반사시킨다. 이에 따라, 제1 색 광(L1) 및 제2 색 광(L2)은 제2 캐비티층(CAV2)에 입사될 수 있다.
제2 캐비티층(CAV2)은 제1 색 광(L1)의 적어도 일부 및/또는 제2 색 광(L2)의 적어도 일부를 흡수하여 제3 색 광(L3)을 생성한다. 한편, 제3 색 광(L3)은 제1 색 광(L1) 및/또는 제2 색 광(L2)을 기초로 생성되므로, 제3 색 광(L3)의 파장은 대체로 제1 색 광(L1)의 파장보다 길고, 제2 색 광(L2)의 파장보다 길다. 예를 들어, 제1 색 광(L1)이 청색 광이고, 제2 색 광(L2)이 녹색 광인 경우, 제3 색 광(L3)은 약 640㎚ 이상 780㎚ 이하의 파장 범위를 가진 적색 광일 수 있다.
생성된 제3 색 광(L3)은 제3 하프 미러층(HM21) 및 제4 하프 미러층(HM22)에 의해 제2 캐비티층(CAV2) 내부로 재 반사된다. 이때, 제2 캐비티층(CAV2)이 공진 조건을 만족하는 경우 제3 색 광(L3)은 제2 공진기(152)에서 공진한다. 상술한 공진 조건을 참조할 때, 제2 캐비티층(CAV2)의 굴절률과 두께의 곱이 제3 색 광(L3)의 반 파장의 정수배가 될 때, 제3 색 광(L3)은 제2 캐비티층(CAV2) 내에서 공진한다.
제1 색 광(L1), 제2 색 광(L2), 및 제3 색 광(L3)이 순차적으로 긴 파장을 가지고, 제1 캐비티층(CAV1) 및 제2 캐비티층(CAV2)이 실질적으로 동일한 굴절률을 가지는 경우, 제2 캐비티층(CAV2)의 두께는 제1 캐비티층(CAV1)의 두께보다 클 수 있다.
제1 캐비티층(CAV1)과 제2 캐비티층(CAV2)은 실질적으로 동일한 물질로 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 캐비티층(CAV1)과 제2 캐비티층(CAV2)은 실질적으로 동일한 굴절률을 가진다.
한편, 제1 공진기(151) 및 제2 공진기(152)가 각각 미세 공진 구조를 가지는 경우, 수학식 1의 정수(m)는 6 이하의 자연수일 수 있다. 본 발명에 따른 제1 캐비티층(CAV1) 및 제2 캐비티층(CAV2)의 두께들은 각각 약 0.1㎛ 이상 약 1.0㎛이하일 수 있다. 이에 따라, 제1 캐비티층(CAV1) 및 제2 캐비티층(CAV2) 각각은 소정의 굴절률에 대하여 상대적으로 향상된 공진 효과를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 발광 소자(100)는 제1 캐비티층(CAV1)과 제2 캐비티층(CAV2)의 두께를 조절함으로써, 각각 서로 다른 파장을 가진 광들을 공진시킬 수 있다. 이에 따라, 발광 소자(100)의 발광 효율이 향상될 수 있다. 또한, 제1 내지 제3 색 광들(L1, L2, L3)이 혼합하여 백색 광을 형성하는 경우, 본 발명에 따른 발광 소자(100)는 균일한 백색 광을 생성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 단면도이다. 도 6은 도 5에 도시된 광 공진 부재에서의 광 경로를 나타낸 도면이다. 이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 발광 소자(100-1)의 발광 특성을 살펴본다. 한편, 도 1 내지 도 4b에서 설명한 구성과 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하고 구체적인 설명은 생략한다.
도 5에 도시된 것과 같이, 광 공진 부재(150-1)는 상측 방향을 따라 순차적으로 적층된 제1 하프 미러층(HM1), 제1 캐비티층(CAV1-1), 제2 하프 미러층(HM2), 제2 캐비티층(CAV2-1), 및 제3 하프 미러층(HM3)을 포함한다.
제1 캐비티층(CAV1-1)은 제1 기재(MA1) 및 적어도 하나의 제1 형광체(PP1)를 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 제1 캐비티층(CAV1-1)은 제2 색 광(L2)을 공진시키는 것과 동시에, 제2 색 광(L2)을 생성한다.
제1 캐비티층(CAV1-1)은 제1 형광체(PP1)를 포함함으로써, 제1 색 광(L1)을 흡수하여 제2 색 광(L2)을 생성할 수 있다. 이와 마찬가지로, 제2 캐비티층(CAV2-1)은 제2 기재(MA2) 및 적어도 하나의 제2 형광체(PP2)를 포함할 수 있다.
제1 기재(MA1-1) 및 제2 기재(MA2-1)는 각각 제1 형광체(PP1) 및 제2 형광체(PP2)를 고정하는 베이스 부재일 수 있다. 또한, 제1 기재(MA1)는 제1 캐비티층(CAV1-1)에 입사된 광을 확산시키고, 제2 기재(MA2)는 제2 캐비티층(CAV2-1)에 입사된 광을 확산시킨다.
제1 기재(MA1)는 제1 굴절률을 가진다. 제1 기재(MA2)는 투명한 절연 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 기재(MA1)는 에폭시(epoxy)와 같은 수지(resin)계 재료 또는 실리콘(Si)을 포함할 수 있다.
제2 기재(MA2)는 제2 굴절률을 가진 물질로 구성될 수 있다. 한편, 제2 기재(MA2)는 제1 기재(MA1)와 두께만 달리하고, 제1 기재(MA1)와 동일한 물질로 구성될 수 있다.
제1 기재(MA1)와 제2 기재(MA2)를 동일한 물질로 형성하는 경우, 본 발명에 따른 발광 소자(100-1)는 기존의 재료를 그대로 이용하면서 제1 기재(MA1)와 제2 기재(MA2)의 두께를 다르게 하는 것만으로 서로 다른 파장의 광들을 각각 공진시킬 수 있다. 제1 기재(MA1) 및 제2 기재(MA2)는 다양한 물질로 구성될 수 있으며, 어느 하나의 실시예에 한정되지 않는다.
제1 형광체(PP1)와 제2 형광체(PP2)는 각각 복수로 구비되어 제1 기재(MA1)와 제2 기재(MA2)에 분산된다. 제1 형광체(PP1)와 제2 형광체(PP2)는 각각 제1 캐비티층(CAV1-1) 및 제2 캐비티층(CAV2-1)에 입사되는 광의 일부를 흡수하여 입사되는 광의 파장과 상이한 파장의 광을 생성한다.
구체적으로, 제1 형광체(PP1)는 제1 색 광(L1)의 적어도 일부를 흡수하여 제1 색과 상이한 제2 색 광(L2-G)을 생성한다. 제1 형광체(PP1)는 제1 색 광의 적어도 일부를 흡수하여 여기 상태(excited state)가 되고, 다시 안정화되면서 제2 색 광(L2-G)을 방출한다. 대체적으로, 제2 색 광(L2-G)은 제1 색 광(L1)의 파장보다 긴 파장을 가진다.
한편, 본 도면에서는 광 공진 부재(150-1) 내에서 생성된 제2 색 광(L2-G)과 공진되어 방출된 제2 색 광(L2)을 인출부호를 달리하여 도시하였으나, 이는 용이한 설명을 위해 구분한 것으로, 두 광들은 실질적으로 도 2의 제2 색 광(L2)과 동일하다.
제2 형광체(PP2)는 제1 색 광(L1) 및 제2 색 광(L2) 중 적어도 일부를 흡수하여 제1 색 및 제2 색과 상이한 제3 색 광(L3-G)을 생성한다. 대체적으로, 제3 색 광(L3-G)은 제1 색 광(L1) 및 제2 색 광(L2)의 파장보다 긴 파장을 가진다.
한편, 본 도면에서는 광 공진 부재(150-1) 내에서 생성된 제2 색 광(L3-G)과 공진되어 방출된 제2 색 광(L2)을 인출부호를 달리하여 도시하였으나, 이는 용이한 설명을 위해 구분한 것으로, 두 광들은 실질적으로 도 2의 제3 색 광(L3)과 동일하다.
제1 형광체(PP1) 및 제2 형광체(PP2)는 에너지를 제공받아 광을 생성하는 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 형광체(PP1) 및 제2 형광체(PP2) 중 적어도 어느 하나는 무기 화합물로 구성된 파우더 입자일 수 있다.
무기 화합물은 야그(Yittrium aluminium oxide garnet, YAG), 태그(Terbium Aluminum Garnet, TAG), 실리케이트(silicate), 나이트라이드(nitride) 계열, 또는 옥시나이트라이드(oxy-nitride) 계열 물질 중 어느 하나일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광 공진 부재(150-1)는 미세 공진 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 캐비티층들(CAV1-1, CAV2-1)의 두께를 결정하는 제1 기재(MA1)의 두께(LC1) 및 제2 기재(MA2)의 두께(LC2)는 각각 약 1.0㎛이하로 설정될 수 있다.
본 실시예에 따른 제1 형광체(PP1) 및 제2 형광체(PP2)는 파우더(powder) 상태의 형광체 타겟(target)을 이용하여 스퍼터링(sputtering) 공정 또는 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition, PLD) 공정을 통해 증착될 수 있다. 이에 따라, 제1 형광체(PP1) 및 제2 형광체(PP2)는 각각 미세 두께의 제1 기재(MA1) 및 제2 기재(MA2)에 균일하게 분산될 수 있다.
제1 형광체(PP1) 및 제2 형광체(PP2) 각각은 적색 형광체(red-phosphor), 녹색 형광체(green-phosphor), 및 노란색 형광체(yellow-phosphor) 중 어느 하나일 수 있다. 본 실시예에서, 제1 형광체(PP1)는 녹색 형광체이고, 제2 형광체(PP2)는 적색 형광체일 수 있다.
한편, 제1 형광체(PP1) 및 제2 형광체(PP2) 중 적어도 어느 하나는 양자 점(quantum dot, QD) 형광체일 수 있다. 양자점 형광체는 3차원에 걸친 양자구속효과에 의해 전기적, 광학적 특성이 변화된다.
양자점 형광체는 양자점 형광체의 크기에 따라 상이한 광을 생성한다. 일반적으로, 양자점 형광체의 크기가 작을수록 파장이 짧은 광을 방출하고, 양자점 형광체의 크기가 클수록 파장이 긴 광을 방출한다. 본 실시예에서, 제1 형광체(PP1)는 제2 형광체(PP2)보다 작은 크기를 가진 양자점 형광체일 수 있다.
제1 형광체(PP1) 및 제2 형광체(PP2)가 양자점 형광체들인 경우, 제1 형광체(PP1) 및 제2 형광체(PP2)는 수 ㎚의 크기를 가지므로, 약 1㎛ 이하의 미세 두께를 가진 기재들(MA1, MA2) 각각에 대해서도 용이하게 분산될 수 있다. 제1 형광체(PP1) 및 제2 형광체(PP2)는 다양한 공정에 의해 형성될 수 있으며, 예를 들어, 실크 인쇄(silk printing) 공정 또는 스프레이 코팅(spray coating) 공정 등을 통해 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 광 공진 부재(150-1)는 세 개의 하프 미러층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 하프 미러층(HM2)은 제1 하프 미러층(HM1) 및 제1 캐비티층(CAV1-1)과 함께 제1 공진기를 구성하는 것과 동시에 제3 하프 미러층(HM3) 및 제2 캐비티층(CAV2-1)과 함께 제2 공진기를 구성할 수 있다. 이에 따라, 제2 하프 미러층(HM2-1)은 제2 색 광(L2)을 반사시키는 것과 동시에 제3 색 광(L3)을 반사시키는 반사 특성을 가질 수 있다.
도 6을 참조하여, 광 공진 부재(150-1)에서의 광 경로를 살펴본다. 도 6에 도시된 것과 같이, 발광 칩(120)에서 생성되는 제1 색 광(L1)은 제1 하프 미러층(HM1)은 모두 투과한다.
제1 색 광 중 일부(L1a)는 광 공진 부재(150-1)를 모두 투과하여 외부로 방출된다. 제1 색 광 중 일부(L1a)는 기존의 제1 색을 그대로 유지하는 제1 색 광(L1)이 된다.
제1 색 광 중 다른 일부(L1b)는 제1 캐비티층(CAV1-1)에 존재하는 제1 형광체(PP1)에 흡수되어 제2 색 광(L2)을 생성하는 에너지원이 된다. 생성된 제2 색 광(L2)은 제2 하프 미러층(HM2)에 의해 재 반사되어 공진 두께(LC1)를 가진 제1 기재(MA1) 내에서 공진한다.
소정의 횟수 동안 공진된 제2 색 광(L2-C)은 제2 하프 미러층(HM2)에 도달하는 입사각이 소정의 각도 이상이 되면, 제2 하프 미러층(HM2)을 투과하여 외부로 방출될 수 있다. 이에 따라, 공진되어 방출된 제2 색 광(L2-C)은 제1 형광체(PP1)에 의해 생성된 상태의 제2 색 광(L2)보다 높은 휘도와 색 순도를 가진다.
제1 색 광 중 또 다른 일부(L1c)는 제2 하프 미러층(HM2)을 투과한 후, 제2 캐비티층(CAV2-1)에 도달할 수 있다. 이때, 제1 색 광 중 또 다른 일부(L1c)는 제2 기재(MA2)에 존재하는 제2 형광체(PP2)에 흡수되어 제3 색 광(L3)을 생성하는 에너지원이 된다.
생성된 제3 색 광(L3)은 제3 하프 미러층(HM3)에 의해 재 반사되어 공진 두께(LC2)를 가진 제2 기재(MA2) 내에서 공진한다. 소정의 횟수 동안 공진한 제3 색 광(L3-C)은 외부로 방출될 수 있다. 이에 따라, 공진되어 방출된 제3 색 광(L3-C)은 제2 형광체(PP2)에 의해 생성된 상태의 제3 색 광(L3)보다 높은 휘도와 색 순도를 가진다.
본 발명에 따른 발광 소자(100-1)는 하나의 하프 미러층을 공유하는 두 개의 공진기를 포함함으로써, 광 공진 부재(150-1)의 두께를 감소시킬 수 있다. 또한, 하나의 하프 미러층을 생략할 수 있어, 제조 공정이 단순화되고, 제조 비용이 절감될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하프 미러층을 도시한 단면도이다. 도 8a 및 도 8b는 도 7에 도시된 단층 박막 쌍의 개수에 따른 반사 스펙트럼을 도시한 그래프들이다.
도 7에는 제2 하프 미러층(HM2, 이하, 하프 미러층)을 예시적으로 도시하였다. 이하, 도 7 내지 도 8b를 참조하여, 본 발명에 따른 하프 미러층을 검토한다. 다만, 도 7은 발광 소자에 구비될 수 있는 하나의 하프 미러층을 예시적으로 도시하고 있다.
도 7에 도시된 것과 같이, 하프 미러층은 분산 브래그 반사 소자(distributed Bragg reflector, DBR)일 수 있다. 이에 따라, 하프 미러층은 적어도 하나의 다층 박막 쌍(DBP)을 포함한다. 도 7에는 n 개의 다층 박막 쌍(DBP)을 포함하는 하프 미러층(HM2)을 예시적으로 도시하였다.
하나의 다층 박막 쌍(DBP)은 교대로 적층되고 서로 다른 굴절률을 가진 복수의 무기막(DBL1, DBL2)을 포함할 수 있다. 제1 무기막(DBL1)은 제1 굴절률을 가지며, 제1 두께(TH1)를 가진다. 제2 무기막(DBL2)은 제1 무기막(DBL1) 상에 배치되고, 제2 두께(TH2)를 가진다.
본 실시예에서, 다층 박막 쌍(DBP)은 제1 무기막(DBL1) 및 제2 무기막(DBL2)으로 구성될 수 있다. 따라서, 하나의 다층 박막 쌍(DBP)의 두께(THP)는 제1 두께(TH1)와 제2 두께(TH2)의 합일 수 있다.
복수의 무기막(DBL1, DBL2)이 소정의 반사 조건을 만족하는 경우 복수의 무기막(DBL1, DBL2)으로 구성된 다층 박막 쌍(DBP)은 특정 파장의 광을 반사시킬 수 있다. 반사 조건은 하기 수학식 2와 같다.
Figure 112015031027788-pat00002
(단, TH는 무기막의 두께, nHM은 무기막의 굴절률, λ2는 반사시키려는 광의 파장임.)
수학식 2는 브래그 법칙(Bragg’s law)을 근거로 반사도가 최대가 되는 두께 및 굴절률 사이의 관계를 정의한 것이다. 수학식 2에 기재된 것과 같이, 제1 무기막(DBL1)의 물리적 특성과 제2 무기막(DBL2)의 물리적 특성을 제어하면 특정 파장의 광이 다층 박막 쌍(DBP)으로부터 선택적으로 반사될 수 있다.
한편, 다층 박막 쌍(DBP)이 갖는 반사도는 하기 수학식 3을 따른다.
Figure 112015031027788-pat00003
각각 n1 및 n2의 굴절률들을 갖는 서로 다른 무기막들이 k쌍으로 구성된 다층 박막 쌍의 반사도(RDBR)는 상기 수학식 3을 통해 계산될 수 있다.
구체적으로, 제1 무기막(DBL1)의 굴절률과 두께의 곱이 제2 색 광(L2: 도 6 참조)의 파장의 1/4이고, 제2 무기막(DBL2)의 굴절률과 두께의 곱이 제2 색 광(L2)의 파장의 1/4 배일 때, 다층 박막 쌍(DBP)은 제2 색 광(L2)을 반사시킨다.
하프 미러층(HM2)을 구성하는 복수의 다층 박막 쌍(DBP) 각각이 반사 조건을 만족하는 제1 무기막(DBL1) 및 제2 무기막(DBL2)을 포함하는 경우, 하프 미러층(HM2)은 제2 색 광(L2)을 반사시킨다. 제2 색 광(L2)의 파장과 상이한 파장의 광은 반사 조건을 충족하지 못하므로, 하프 미러층(HM2)을 투과하게 된다.
이에 따라, 하프 미러층(HM2)은 특정 파장의 광을 선택적으로 투과시키거나 반사시킬 수 있다. 한편, 하프 미러층(HM2)의 두께는 약 0.6㎛ 이상 약 10㎛ 이하일 수 있다.
복수의 무기막(DBL1, DBL2) 각각은 다양한 물질로 구성될 수 있다. 본 실시예에서, 복수의 무기막(DBL1, DBL2) 각각은 유전막(dielectric layer)일 수 있다. 예를 들어, 복수의 무기막(DBL1, DBL2)은 각각 실리콘 옥사이드(SiO2), 티타늄 옥사이드(TiO2), 실리콘 나이트라이드(SiNx), 하프늄 옥사이드(HfO2), 및 지르코늄 옥사이드(ZrO2) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
무기막의 굴절률은 일반적으로, 해당 무기막을 구성하는 물질(재료)에 의해 결정될 수 있다. 본 발명에 따른 발광 소자는 기존의 무기막 재료를 사용하더라도 두께를 조절함에 따라 다양한 파장의 광을 선택적으로 반사시키거나 투과시켜 다양한 파장에 대응하는 공진기를 포함할 수 있다.
하프 미러층(HM2)을 구성하는 다층 박막 쌍(DBP)의 개수(np)는 다양하게 정의될 수 있다. 일반적으로, 굴절률이 고정된 인자(factor)일 때, 다층 박막 쌍(DBP)의 개수(np)가 커질수록 하프 미러층(HM2)의 반사도(reflectance)가 높아지지만, 하프 미러층(HM2)의 두께는 증가한다.
한편, 제1 무기막(DBL1)과 제2 무기막(DBL2) 사이의 굴절률 차이에 따라 소정의 반사도를 갖는 다층 박막 쌍(DBP)의 개수(np)가 달라질 수 있고, 이에 따른 하프 미러층(HM2)의 반사 스펙트럼도 달라질 수 있다.
도 8a 및 도 8b에는 실질적으로 반사 되는 파장 대역을 반사 영역(Δλs top band)으로 나타내었다. 이에 관하여 도 8a 및 도 8b를 참조하여 상세히 설명한다.
도 8a는 제1 무기막(DBL1)이 약 2.5의 굴절률을 가진 실리콘(Si)으로 구성되고, 제2 무기막(DBL2)이 약 1.5의 굴절률을 가진 실리콘 옥사이드(SiO2)로 구성된 실시예의 반사 스펙트럼을 도시한 것이다.
제1 무기막(DBL1)에 대한 제2 무기막(DBL2)의 굴절률 비는 0.6으로, 0.7 이하의 작은 값을 가지고, 제1 무기막(DBL1)과 제2 무기막(DBL2)의 굴절률 차(difference)는 약 1을 가진다. 따라서, 1 무기막(DBL1)과 제2 무기막(DBL2)은 굴절률 차이가 큰 무기막들에 해당한다. 이때, 하프 미러층은 4 개의 다층 박막 쌍을 포함한다.
도 8a에 도시된 것과 같이, 굴절률 차이가 큰 무기막들로 하프 미러층을 구성하면, 적은 수의 다층 박막 쌍을 통해 높은 반사도를 얻을 수 있다. 다만, 이때의 반사 스펙트럼은 넓은 파장 대역의 반사 영역을 가진다.
따라서, 굴절률 차이가 큰 무기막들로 하프 미러층을 구성하면, 대체적으로 파장에 관계없이 높은 반사도를 가질 수 있다. 굴절률 차이는 다층 박막 쌍을 구성하는 각 무기막들의 굴절률들 사이의 차(substraction)의 절대값과 같다.
이와 달리, 도 8b는 제1 무기막(DBL1)이 약 1.7의 굴절률을 가진 갈륨 아르세나이드(GaAs)로 구성되고, 제2 무기막(DBL2)이 약 1.8의 굴절률을 가진 알루미늄 아르세나이드(AlAs)로 구성된 실시예의 반사 스펙트럼을 도시한 것이다.
제2 무기막(DBL2)에 대한 제1 무기막(DBL1)의 굴절률 비는 약 0.95이고, 1 무기막(DBL1)과 제2 무기막(DBL2)의 굴절률 차는 약 0.1이다. 따라서, 1 무기막(DBL1)과 제2 무기막(DBL2)은 굴절률 차이가 작은 무기막들로, 두 무기막들은 실질적으로 거의 유사한 굴절률을 가진다. 이때, 하프 미러층은 25 개의 다층 박막 쌍을 포함한다.
도 8b에 도시된 것과 같이, 굴절률 차이가 작은 무기막들로 하프 미러층을 구성하면, 높은 반사도를 얻기 위해 다수의 다층 박막 쌍이 요청된다. 한편, 도 8b에 도시된 반사 스펙트럼은 좁은 파장 대역의 반사 영역을 가진다. 반사 영역이 좁은 파장 대역으로 설정될수록 파장에 따른 선택적인 반사가 가능하다.
도 7 내지 도 8b에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따르면, 다층 박막 쌍(BPL)을 구성하는 복수의 무기막 사이의 굴절률 차이를 제어하거나, 다층 박막 쌍(BPL)의 개수(nP)를 제어함으로써, 하프 미러층의 반사 특성을 조절할 수 있다.
예를 들어, 하프 미러층이 하나의 공진기를 구성하는 경우, 하프 미러층은 특정 파장 범위의 광만 반사시키면 된다. 도 4a를 참조할 때, 제2 하프 미러층(HM2)은 제2 색 광(L2)의 파장 범위에 대응되는 파장 대역에서 반사 영역이 형성되도록 설계될 수 있다.
또는, 예를 들어, 하프 미러층이 복수의 공진기에 공유되는 경우, 하프 미러층은 비교적 넓은 파장 범위의 광을 반사시켜야 한다. 도 5를 참조할 때, 제2 하프 미러층(HM2-1)은 제2 색 광(L2)의 파장 범위 및 제3 색 광(L3)의 파장 범위에 대응되는 파장 대역 모두에 반사 영역이 형성되어야 한다. 이때, 굴절률 차이가 적은 무기막들로 구성된 다층 박막 쌍을 이용하여 하프 미러층을 형성함으로써, 하프 미러층의 두께를 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 다층 브래그 반사 소자로 구성된 하프 미러층을 포함함으로써, 복수의 공진기를 포함하는 발광 소자를 용이하게 설계할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 발광 소자는 기존의 무기막 재료를 사용하고, 기존의 형태를 유지하면서도 다양한 파장의 광에 대한 효율을 향상시켜, 균일한 백색 광을 제공할 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 비교예에 따른 발광 소자의 광 효율을 도시한 발광 스펙트럼들이고, 도 9c는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 광 효율을 도시한 도시한 발광 스펙트럼이다. 도 9a 내지 도 9c는 파장(wavelength)에 따른 광 강도(Intensity)를 도시하였다. 한편, 도 9a 내지 도 9c의 광 강도는 각각 최대 강도가 1 인 것을 기준으로 도시하였으며, 이에 따라, 실질적인 광 량은 서로 다르다.
도 9a는 제1 공진기(151: 도 2 참조) 및 제2 공진기(152: 도 2 참조)를 모두 포함하지 않은 비교예의 광 효율을 도시한 것이다. 도 9a에 도시된 것과 같이, 제1 색 광의 발광 스펙트럼(PL1)의 반치폭(Full witdth at half maximum, FWHM)은 제2 색 광의 발광 스펙트럼(PL2) 및 제3 색 광의 발광 스펙트럼(PL3) 각각의 반치폭들 보다 비교적 넓게 나타난다.
일반적으로 발광 스펙트럼의 반치폭이 좁게 나타날수록 특정 파장 대역의 광만 발광될 수 있어, 선택도가 향상되고 색 순도가 향상된다. 즉, 공진기들을 포함하지 않은 실시예의 경우, 제1 색 광에 비해 상대적으로 색순도가 저하된 제2 색 광 및 제3 색 광을 출광하므로, 백색 광의 균일도나 휘도가 저하되기 쉽다.
도 9b는 제1 공진기(151)를 포함하는 비교예의 광 효율을 도시한 것이다. 도 9a와 비교할 때, 제2 색 광의 발광 스펙트럼(PL2-C)의 반치폭이 감소되어 나타난다.
상술한 바와 같이, 제1 공진기(151)는 제2 색 광을 공진시킨다. 이에 따라, 비교예는 제1 공진기(151)를 포함함에 따라, 공진한 제2 색 광을 출사시킬 수 있다. 이때, 비교예는 제2 공진기(152)를 포함하지 않으므로, 제3 색 광의 발광 스펙트럼(PL3)은 도 9a의 비교예와 실질적으로 동일한 형태로 나타난다.
도 9c는 제1 공진기(151) 및 제2 공진기(152)를 포함하는 발광 소자의 광 효율을 도시한 것이다. 도 9a와 비교할 때, 반치폭들이 감소된 제2 색 광의 발광 스펙트럼(PL2-C) 및 제3 색 광의 발광 스펙트럼(PL3-C)이 나타난다.
상술한 바와 같이, 제2 공진기(152)는 제3 색 광을 공진시킨다. 이에 따라, 비교예는 제2 공진기(152)를 포함함에 따라, 공진한 제3 색 광을 출사시킬 수 있다.
도 9a 내지 도 9c를 참조할 때, 본 발명에 따른 발광 소자는 파장이 서로 다른 광들을 각각 공진시켜 색순도가 향상된 광을 생성할 수 있다. 이에 따라, 발광 소자의 색 재현성이 향상되고, 발광 소자를 백라이트로 사용하는 표시장치의 표시 특성이 향상될 수 있다.
이상 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한 본 발명에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니고, 하기의 특허 청구의 범위 및 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 발광 소자 110: 바디 부재
120: 발광 칩 130: 제1 리드
140: 제2 리드 150: 광 공진 부재
HM1: 제1 하프 미러층 HM2: 제2 하프 미러층
HM3: 제3 하프 미러층 CAV1: 제1 캐비티층
CAV2: 제2 캐비티층 160: 봉지 부재

Claims (20)

  1. 제1 색 광을 생성하는 발광 칩;
    상기 발광 칩 상에 배치되고, 상기 제1 색과 다른 제2 색 광을 생성하고, 제1 굴절률을 가진 제1 캐비티층;
    상기 제1 캐비티층 상에 배치되고, 상기 제1 색 및 상기 제2 색과 다른 제3 색을 생성하고, 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률을 가진 제2 캐비티층;
    상기 제1 캐비티층 및 상기 발광 칩 사이에 배치되고, 상기 제2 색 광의 적어도 일부를 반사시키는 제1 하프 미러층;
    상기 제1 캐비티층 및 상기 제2 캐비티층 사이에 배치되고, 상기 제3 색 광의 적어도 일부를 반사시키는 제2 하프 미러층; 및
    상기 제2 캐비티층 상에 배치되고, 상기 제1 색 광을 투과시키는 제3 하프 미러층를 포함하고,
    상기 제1 캐비티층은 상기 제2 색 광을 공진시키고, 상기 제2 캐비티층은 상기 제3 색 광을 공진시키는 발광 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 캐비티층의 두께와 상기 제1 굴절률의 곱은 상기 제2 색 광의 반파장의 i 배이고,
    상기 제2 캐비티층의 두께와 상기 제2 굴절률의 곱은 상기 제3 색 광의 반파장의 j 배인 것을 특징으로 하는 발광 소자. (단, i 및 j는 각각 1 이상의 자연수)
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 i 및 j 각각은 6 이하인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 캐비티층의 두께와 상기 제2 캐비티층의 두께는 각각 0.1㎛ 이상 1.0㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 캐비티층은,
    상기 제1 하프 미러층 및 상기 제2 하프 미러층 사이에 배치되고, 상기 제1 굴절률을 가진 제1 기재; 및
    상기 제1 기재에 분산되고, 상기 제1 색 광 중 적어도 일부를 흡수하여 상기 제2 색 광을 생성하는 적어도 하나의 제1 형광체(phosphor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 캐비티층은,
    상기 제2 하프 미러층 및 상기 제3 하프 미러층 사이에 배치되고, 상기 제2 굴절률을 가진 제2 기재; 및
    상기 제2 기재에 분산되고, 상기 제1 색 광 및 제2 색 광 중 적어도 일부를 흡수하여 상기 제3 색 광을 생성하는 적어도 하나의 제2 형광체(phosphor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 형광체는 녹색 형광체이고, 상기 제2 형광체는 적색 형광체인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 형광체는 상기 제2 형광체보다 작은 크기를 가진 양자점인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 하프 미러층 각각은 교대로 적층되고 서로 다른 굴절률을 가진 복수의 무기막을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 하프 미러층은 각각의 굴절률과 각각의 두께의 곱이 상기 제2 색 광의 1/4 파장과 동일한 무기막들로 구성되고,
    상기 제2 하프 미러층은 각각의 굴절률과 각각의 두께의 곱이 상기 제3 색 광의 1/4 파장과 동일한 무기막들로 구성된 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제2 색 광의 파장은 480㎚ 이상 560㎚ 이하의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 제3 색 광의 파장은 640㎚ 이상 780㎚ 이하의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 복수의 무기막 중 서로 인접하여 배치된 두 개의 무기막들의 굴절률 비는 0.7 이하인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 복수의 무기막은 실리콘 옥사이드, 티타늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 하프늄 옥사이드, 및 지르코늄 옥사이드 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 하프 미러층 각각의 두께는 0.6㎛ 이상 10㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  16. 제1 항에 있어서,
    내부 공간을 정의하고, 상기 내부 공간에 상기 발광 칩이 노출되도록 일면 상에 상기 발광 칩을 실장하는 바디 부재;
    상기 바디 부재에 고정되고, 상기 발광 칩과 연결된 제1 리드; 및
    상기 바디 부재에 고정되어 상기 제1 리드와 절연되고, 상기 발광 칩과 연결된 제2 리드를 더 포함하고,
    상기 제1 내지 제3 하프 미러층, 상기 제1 및 제2 캐비티층은 상기 내부 공간에 구비된 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  17. 제1 색 광을 생성하는 발광 칩;
    상기 발광 칩 상에 배치되고, 제1 하프 미러층, 제2 하프 미러층, 및 상기 제1 하프 미러층과 상기 제2 하프 미러층 사이에 배치되고, 상기 제1 색과 다른 제2 색 광을 생성하는 제1 캐비티층을 포함하는 제1 공진기;
    상기 제1 공진기 상에 배치되고, 제3 하프 미러층, 제4 하프 미러층, 및 상기 제3 하프 미러층과 상기 제4 하프 미러층 사이에 배치되고, 상기 제1 색 및 상기 제2 색과 다른 제3 색 광을 생성하는 제2 캐비티층을 포함하는 제2 공진기를 포함하고,
    는 제2 공진기를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 하프 미러층들 및 상기 제3 및 제4 하프 미러층들 각각은, 각각 교번하여 적층되고 굴절률이 서로 다른 복수의 무기막을 포함하고,
    상기 제1 캐비티층은, 제1 굴절률을 가지며, 상기 제2 색 광을 공진시키고,
    상기 제2 캐비티층은, 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률을 가지며, 상기 제3 색 광을 공진시키는 발광 소자.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 제2 하프 미러층과 상기 제3 하프 미러층은 하나의 하프 미러층인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  19. 제18 항에 있어서,
    내부 공간을 정의하고, 상기 내부 공간에 상기 발광 칩이 노출되도록 일면 상에 상기 발광 칩을 실장하는 바디 부재를 더 포함하고,
    상기 제1 공진기 및 상기 제2 공진기는 상기 내부 공간에 구비된 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 내부 공간에 구비되고, 상기 제1 공진기 및 상기 발광 칩 사이에 충진된 봉지 부재를 더 포함하고,
    상기 봉지 부재는 상기 발광 칩을 봉지하고, 상기 제1 색 광을 확산시키는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
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