KR102409965B1 - 발광소자 패키지, 파장 변환 필름 및 그 제조 방법 - Google Patents

발광소자 패키지, 파장 변환 필름 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시 형태에 따른 발광소자 패키지는, 기판과, 상기 기판 상에 적층되는 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층을 갖는 발광 구조물을 포함하는 발광소자, 및 상기 발광소자가 방출하는 빛의 진행 경로에 배치되며, 서로 적층되는 복수의 형광체층을 갖는 파장 변환 필름을 포함하고, 상기 복수의 형광체층 중 적어도 일부의 형광체층은, 상기 발광소자가 방출하는 빛을 받아들여 파장을 바꾸는 파장 변환 물질과, 상기 파장 변환 물질을 결속하는 바인딩용 수지를 갖는 복수의 형광 구조체, 및 상기 복수의 형광 구조체 사이의 공간을 채우는 투명 수지를 포함한다.

Description

발광소자 패키지, 파장 변환 필름 및 그 제조 방법{LIGHT EMITTING DEVICE PACKAGE, WAVELENGTH CONVERSION FILM AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 발광소자 패키지, 파장 변환 필름 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 발광소자 패키지는 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)와 같은 반도체 발광소자를 포함하는 광원으로서, 다양한 조명 기기, 디스플레이 장치의 백 라이트 유닛, 자동차용 헤드 램프 등에 적용된다. 발광소자 패키지는 반도체 발광소자에서 방출하는 빛의 파장을 변환하기 위한 파장 변환 물질을 포함할 수 있으며, 파장 변환 물질은 필름 형태로 제공되는 수지 내에 포함되어 발광소자 패키지에 적용될 수 있다.
파장 변환 물질을 수지 내에 밀봉시킨 파장 변환 필름을 이용하여 발광소자 패키지를 제조하는 경우, 반도체 발광소자를 보호하기 위한 바인딩용 수지 내에 파장 변환 물질을 포함시키는 경우에 비해 파장 변환 물질의 침전 현상 등으로 인한 광 균일도 저하를 방지할 수 있다. 최근에는 파장 변환 필름의 표면에 요철을 형성하거나 두께를 조절하는 방식 등으로 광 추출 효율을 높이고자 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 높은 광 추출 효율 및 광 변환 효율을 갖는 파장 변환 필름과, 이를 포함하는 발광소자 패키지를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 발광소자 패키지는, 기판과, 상기 기판 상에 적층되는 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층을 갖는 발광 구조물을 포함하는 발광소자, 및 상기 발광소자가 방출하는 빛의 진행 경로에 배치되며, 서로 적층되는 복수의 형광체층을 갖는 파장 변환 필름을 포함하고, 상기 복수의 형광체층 중 적어도 일부의 형광체층은, 상기 발광소자가 방출하는 빛을 받아들여 파장을 바꾸는 파장 변환 물질과, 상기 파장 변환 물질을 결속하는 바인딩용 수지를 갖는 복수의 형광 구조체, 및 상기 복수의 형광 구조체 사이의 공간을 채우는 투명 수지를 포함한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 파장 변환 필름은, 파장 변환 물질 및 상기 파장 변환 물질을 결속하는 바인딩용 수지를 갖는 복수의 형광 구조체, 및 상기 복수의 형광 구조체 사이의 공간을 채우는 투명 수지를 포함하고, 상기 복수의 형광 구조체 중 적어도 일부는 서로 적층되어 복수의 형광체층을 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 파장 변환 필름은 제조 방법은, 3 차원 프린팅을 이용하여 파장 변환 물질과 상기 파장 변환 물질을 결속하는 바인딩용 수지를 갖는 복수의 형광 구조체, 및 상기 복수의 형광 구조체 사이의 공간을 채우는 투명 수지를 포함하는 복수의 형광체층을 형성하는 단계, 및 상기 복수의 형광체층을 적층하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 형광체층을 형성하는 단계는, 상기 복수의 형광 구조체를 형성하기 위한 데이터에 기초하여 상기 파장 변환 물질을 함유하는 상기 바인딩용 수지를 소정의 형상으로 사출하는 단계, 상기 바인딩용 수지를 경화시켜 상기 복수의 형광 구조체를 형성하는 단계, 및 상기 복수의 형광 구조체 사이의 공간에 투명 수지를 채우고 경화시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 발광소자 패키지에 포함되는 파장 변환 필름이 서로 적층되는 복수의 형광체층을 포함하며, 각 형광체층은 파장 변환 물질을 갖는 복수의 형광 구조체를 가질 수 있다. 따라서, 발광소자로부터 방출되는 빛이 파장 변환 물질에 흡수될 확률을 높임으로써 광 변환 효율을 개선함과 동시에, 복수의 형광 구조체 사이의 공간을 투명 수지로 채움으로써 광 추출 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 패키지를 나타낸 도이다.
도 2는 도 1에 도시한 발광소자 패키지의 A 부분을 확대 도시한 도이다.
도 3 내지 도 5는 도 1에 도시한 발광소자 패키지에 적용될 수 있는 파장 변환 필름의 구조를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 패키지를 나타낸 도이다.
도 7은 도 6에 도시한 발광소자 패키지의 B 부분을 확대 도시한 도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 패키지를 나타낸 도이다.
도 9는 도 8에 도시한 발광소자 패키지의 C 부분을 확대 도시한 도이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 패키지의 제조 방법을 설명하기 위해 제공되는 도이다.
도 13 내지 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 패키지에 적용될 수 있는 반도체 발광소자를 나타낸 도이다.
도 19a 및 도 19b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 백색 광원 모듈을 간단하게 나타내는 도이다.
도 20은 도 19a 및 도 19b에 도시한 백색 광원 모듈의 동작을 설명하기 위해 제공되는 CIE 1931 좌표계이다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 발광소자 패키지에 적용될 수 있는 파장 변환 물질을 설명하기 위해 제공되는 도이다.
도 22 내지 도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 백라이트 유닛을 설명하기 위해 제공되는 도이다.
도 31은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 디스플레이 장치의 개략적인 분해사시도이다.
도 32 내지 도 35는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 조명 장치를 나타낸 도이다.
도 36 내지 도 38은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 네트워크 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다.
명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 웨이퍼(기판) 등과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에", "연결되어", 또는 "커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 상술한 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에", "연결되어", 또는 "커플링되어" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에", "직접 연결되어", 또는 "직접 커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 제1, 제2등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상술한 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 구성 요소가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 이하 실시예들은 하나 또는 복수개를 조합하여 구성할 수도 있다.
이하에서 설명하는 본 발명의 내용은 다양한 구성을 가질 수 있고 여기서는 필요한 구성만을 예시적으로 제시하며, 본 발명 내용이 이에 한정되는 것은 아님을 밝혀둔다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 패키지를 나타낸 도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 패키지(100)는 발광소자(110) 및 발광소자(110)가 방출하는 빛의 진행 경로에 배치되는 파장 변환 필름(120)을 포함할 수 있다. 도 1의 실시예에 도시한 발광소자(110)의 구조는 예시적인 것이며, 반드시 도시된 바와 같이 한정되는 것은 아니다.
발광소자(110)는 기판(111), 기판(111) 상에 적층되는 제1 도전형 반도체층(112), 활성층(113), 제2 도전형 반도체층(114)을 갖는 발광 구조물(S), 및 제1, 제2 전극(115, 116) 등을 포함할 수 있다. 제1 전극(115)은 비아 홀(via hole) 등에 의해 활성층(113) 및 제2 도전형 반도체층(114)을 관통하여 제1 도전형 반도체층(112)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 제2 전극(116)은 제2 도전형 반도체층(114)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제1, 제2 전극(115, 116)은 패키지 기판 또는 회로 기판 등에 전기적으로 접속될 수 있으며, 일 실시예에서 플립칩(Flip-Chip) 방식으로 본딩될 수 있다.
일 실시 형태에서, 제1 도전형 반도체층(112)은 n-형 질화물 반도체층일 수 있으며, 제2 도전형 반도체층(114)은 p-형 질화물 반도체층일 수 있다. 이때, n-형 질화물 반도체층보다 상대적으로 높은 저항을 갖는 p-형 질화물 반도체층의 특성으로 인해, 제2 도전형 반도체층(114)과 제2 전극(116) 간의 오믹 컨택(ohmic contact)이 곤란할 수 있다. 따라서 제2 전극(116)과 제2 도전형 반도체층(114) 사이의 오믹 컨택을 확보하기 위해, 제2 전극(116)과 제2 도전형 반도체층(114)은 상대적으로 넓은 면적에서 접촉할 수 있다. 즉, 제2 전극(116)이 제1 전극(115)에 비해 상대적으로 큰 표면적을 가질 수 있다.
또한, 기판(111)이 부착된 방향(도 1에서 z축 방향의 상부)으로 주로 빛이 추출되는 발광소자(110)의 특성 상, 반사율이 높은 물질로 제1 및 제2 전극(115, 116)을 형성함으로써 발광소자 패키지(100)의 광 추출 효율을 높일 수 있다. 전자-정공 재결합에 의해 활성층(113)에서 생성되는 빛을 반사시켜 기판(111)을 통해 외부로 내보내기 위해, 제1 및 제2 전극(115, 116)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 등과 같이 반사율이 우수한 물질을 포함할 수 있다.
한편 본 발명의 다양한 실시예에서, 파장 변환 필름(120)은 서로 적층되는 복수의 형광체층(121, 122, 123)을 포함할 수 있다. 복수의 형광체층(121, 122, 123)은 발광 구조물(S)의 적층 방향(도 1에서 z축 방향)과 동일한 방향을 따라 서로 적층될 수 있다. 복수의 형광체층(121, 122, 123)의 두께는 서로 동일하거나 또는 서로 다를 수도 있다.
복수의 형광체층(121, 122, 123) 중 적어도 일부는 발광소자(110)가 방출하는 빛을 받아들여 그 파장을 바꾸는 복수의 형광 구조체를 포함할 수 있다. 복수의 형광 구조체는 다각형 형상, 특정 방향으로 연장되는 기둥(rod) 형상, 또는 랜덤한 방향을 따라 불규칙하게 연장되는 파이버(fiber) 형상 등의 3차원 구조 가질 수 있다. 형광 구조체 단면의 직경이나 폭은 제한되지 않으나, 파장 변환 물질을 함유하기에 충분한 크기, 예를 들어 10um 이상일 수 있다.
복수의 형광 구조체는 형광체나 양자점 등의 파장 변환 물질과, 파장 변환 물질을 결속하는 바인딩용 수지를 포함할 수 있다. 마이크로미터 사이즈의 직경 또는 폭을 갖는 복수의 형광 구조체를 제조하기 위하여 3차원 프린팅 기술이 이용될 수 있다. 이 경우, 형광체나 양자점 등의 파장 변환 물질을 함유하는 바인딩용 수지를 3차원 프린팅 기술을 이용하여 원하는 3차원 형상으로 사출하고, 이를 적외선(UV) 또는 레이저 등으로 경화시켜 복수의 형광 구조체를 제조할 수 있다. 이때 바인딩용 수지는, 적외선(UV) 또는 레이저 등으로 경화시키기에 용이한 열경화성 수지일 수 있으며, 우수한 광투과율을 가질 수 있다.
복수의 형광체층(121, 122, 123) 각각은, 투명 수지를 포함할 수 있다. 투명 수지는 복수의 형광체층(121, 122, 123)을 구성하는 베이스층일 수 있으며, 복수의 형광 구조체 사이의 공간을 채울 수 있다. 복수의 형광 구조체 사이의 공간을 에폭시 또는 실리콘 수지 등으로 채움으로써, 발광소자(110)에서 방출되는 빛의 광 추출 효율을 높이고, 발광소자(110)를 보호하는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 파장 변환 필름(120)의 강도를 높임으로써 발광소자 패키지(100)의 제조 공정에 있어서 유리한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 복수의 형광 구조체 각각은, 파장 변환 물질을 70 vol% 이상의 비중으로 포함할 수 있다. 복수의 형광 구조체 내에 파장 변환 물질을 상기와 같이 높은 부피 백분율로 포함함으로써, 파장 변환 물질을 결속하는 바인딩용 수지와 투명 수지가 같은 물질을 포함할 때, 복수의 형광 구조체가 파장 변환 필름(120) 내에서 투명 수지와 구분될 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 따른 파장 변환 필름(120)을 설명하기로 한다.
도 2는 도 1에 도시한 발광소자 패키지의 A 부분을 확대 도시한 도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 변환 필름(120)은 복수의 형광체층(121, 122, 123)을 포함할 수 있으며, 각 형광체층(121, 122, 123)은 복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a) 및 복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a) 사이의 공간을 채우는 투명 수지(121b, 122b, 123b)를 포함할 수 있다. 도 2에 도시한 실시예에서 복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a)는 특정 방향(도 2에서 x축 또는 y축 방향)을 따라 연장되며, 소정의 간격만큼 서로 분리되는 사각 기둥(rod) 형상을 갖는 것으로 도시되었으나, 반드시 이와 같은 형태로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a)는 사각 기둥이 아닌 다각 기둥, 원 기둥 또는 기둥이 아닌 다른 다양한 형상을 가질 수도 있다.
복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a)는 파장 변환 물질(124, 125, 126)을 포함할 수 있다. 파장 변환 물질(124, 125, 126)은 형광체 또는 양자점일 수 있다. 일 실시예로, 파장 변환 물질(124, 125, 126)을 함유한 열경화성 수지를 3차원 프린팅을 이용하여 사출한 후, 적외선 또는 레이저 등으로 상기 열경화성 수지를 경화시킴으로써 복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a)를 제조할 수 있다. 이때, 복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a)의 형상은 3차원 프린팅을 위해 제공되는 데이터에 의해 결정될 수 있다.
도 2에 도시한 실시예에서, 파장 변환 필름(120)은 3개의 형광체층(121, 122, 123)이 적층되는 것으로 가정하였으나, 이는 하나의 실시예일 뿐 반드시 이와 같은 형태로 한정되는 것은 아니다. 한편, 제1 형광체층(121) 및 제3 형광체층(123)에 포함되는 복수의 형광 구조체(121a, 123a)는 제1 방향(도 2의 x축 방향)으로 연장되고, 제2 형광체층(122)에 포함되는 복수의 형광 구조체(122a)는 제1 방향과 교차하는 제2 방향(도 2의 y축 방향)으로 연장될 수 있다. 즉, 도 2에 도시한 실시예에서 복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a)는 3차원 매트릭스(matrix) 구조를 가질 수 있다.
한편, 복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a)는 3차원 매트릭스 구조 외에 다른 다양한 형태로 배열될 수 있다. 일 실시예로, 각 형광체층(121, 122, 123)이 서로 적층되므로, 복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a)는 서로 적층되는 다양한 구조로 구현 가능하다. 이와 같이 복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a)를 동일한 2차원 평면에서 배치하지 않고 서로 다른 층에 위치하는 적층 구조로 배치함으로써, 파장 변환 물질(124, 125, 126)을 갖는 복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a)의 체면적을 증가시킬 수 있으며, 그로부터 광 변환 효율을 높일 수 있다. 복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a)는 서로 적층되는 구조를 가지면 되며, 따라서 복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a) 각각이 서로 다른 형상을 가질 수도 있다.
각 형광체층(121, 122, 123)에 포함되는 복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a)에 포함되는 파장 변환 물질(124, 125, 126)은 서로 동일하거나 또는 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 발광소자(110)가 청색 빛을 방출하는 경우, 청색 빛을 흡수하여 황색 빛을 방출하는 형광체 또는 양자점을 파장 변환 물질(124, 125, 126)로 제공함으로써, 백색 빛을 방출하는 발광소자 패키지(100)를 구현할 수 있다.
또는, 다른 실시예에서, 각 파장 변환 물질(124, 125, 126)은 서로 다른 빛을 방출하는 형광체 또는 양자점일 수 있다. 백색 빛을 방출하는 발광소자 패키지(100)를 제공하고자 하는 경우, 파장 변환 물질(124, 125, 126) 가운데 일부는 적색 빛, 나머지 일부는 녹색 빛을 방출하는 형광체 또는 양자점으로 구현함으로써, 발광소자 패키지(100)가 백색 빛을 방출하도록 할 수 있다. 이때, 상대적으로 긴 파장의 빛을 방출하는 형광체 또는 양자점은, 상대적으로 발광소자(110)에 가까운 형광체층(121, 122, 123)에 포함될 수 있다. 예를 들어, 제1 형광체층(121)은 적색 빛을 방출하는 파장 변환 물질(124)을 포함하고, 제2, 제3 형광체층(122, 123)은 녹색 빛을 방출하는 파장 변환 물질(125, 126)을 포함할 수 있다.
각 형광체층(121, 122, 123)의 두께는 발광소자 패키지(100)의 특성에 따라 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 큰 지향각을 얻고자 하는 경우, 형광체층(121, 122, 123)의 두께를 높일 수 있다. 각 형광체층(121, 122, 123)의 두께는 복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a)의 직경 또는 높이와 동일하거나 또는 다를 수도 있다. 복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a)의 직경 또는 높이가 각 형광체층(121, 122, 123)의 두께보다 작을 경우, 높이 방향(z축 방향)에서 각 형광체층(121, 122, 123)의 나머지 공간은 투명 수지(121b, 122b, 123b)에 의해 채워질 수 있다.
즉, 복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a) 사이의 공간은 투명 수지(121b, 122b, 123b)에 의해 채워질 수 있다. 투명 수지(121b, 122b, 123b)로 복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a) 사이의 공간을 채우는 경우, 발광소자(110)로부터 방출되는 빛의 추출 효율을 높임과 동시에 복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a)를 지지하는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 발광소자(110)의 기판(111)의 상면 일부가 외부로 노출되는 것을 방지함으로써 발광소자(110)를 보호할 수 있으며, 파장 변환 필름(120)과 발광소자(110)의 접착력을 높여 신뢰성을 개선할 수 있다.
도 2에 도시한 파장 변환 필름(120)은, 3차원 프린팅 기술을 이용하여 제조될 수 있다. 복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a)의 형상, 크기, 배치 등에 관한 정보를 포함하는 데이터에 기초하여 파장 변환 물질(124, 125, 126)을 포함하는 바인딩용 수지를 소정의 형상으로 사출하고, 바인딩용 수지를 경화시켜 복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a)를 제조할 수 있다. 이때, 적외선이나 레이저 등으로 경화될 수 있는 열경화성 수지를 바인딩용 수지로 선택할 수 있다.
복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a)를 형성한 후, 복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a) 사이의 공간은 투명 수지(121b, 122b, 123b)로 채워질 수 있다. 복수의 제1 형광 구조체(121a)를 제조한 후, 그 사이의 공간에 투명 수지(121b)를 채워 넣어 제1 형광체층(121)이 형성되면, 제1 형광체층(121) 상에 복수의 제2 형광 구조체(122a)를 형성하고 그 사이에 투명 수지(122b)를 채움으로써 제2 형광체층(122)을 형성할 수 있다. 이와 같은 공정을 반복함으로써, 복수의 형광체층(121, 122, 123)을 갖는 파장 변환 필름(120)을 3차원 프린팅 기술에 의해 제조할 수 있다.
도 3 내지 도 5는 도 1에 도시한 발광소자 패키지에 적용될 수 있는 파장 변환 필름의 구조를 도시한 단면도이다.
우선 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 파장 변환 필름(120A)은 발광소자(110)의 기판(111)으로부터 순차적으로 적층되는 제1 내지 제3 형광체층(121, 122, 123')을 포함할 수 있다. 도 3에 도시한 실시예에서, 최상층에 위치한 제3 형광체층(123')은 파장 변환 물질을 포함하지 않을 수 있으며, 제1 및 제2 형광체층(121, 122)만 파장 변환 물질(124, 125)을 포함할 수 있다. 즉, 도 3에 도시한 바와 같이 제1 및 제2 형광체층(121, 122)에만 복수의 형광 구조체(121a, 122a)가 포함될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 복수의 형광 구조체(121a, 122a)는 특정 방향을 따라 연장되는 형상을 가질 수 있으며, 서로 다른 형광체층(121, 122)에 포함되는 형광 구조체(121a, 122a)는 서로 다른 방향으로 연장될 수 있다. 도 3에 도시한 실시예에서, 제1 형광체층(121)에 포함되는 복수의 제1 형광 구조체(121a)와, 제2 형광체층(122)에 포함되는 복수의 제2 형광 구조체(122a)는 서로 교차하는 방향으로 연장될 수 있다. 한편, 복수의 형광 구조체(121a, 122a)의 형상은 사각 기둥 외에 다른 단면 형상을 갖는 다각 기둥, 또는 원 기둥 등으로 변형될 수 있다.
복수의 형광 구조체(121a, 122a)는 파장 변환 물질(124, 125)을 포함할 수 있다. 복수의 형광 구조체(121a, 122a) 각각이 포함하는 파장 변환 물질(124, 125)의 양은 서로 다를 수 있다. 즉, 복수의 제1 형광 구조체(121a) 각각이 포함하는 파장 변환 물질(124)의 양이 서로 다를 수 있으며, 복수의 제2 형광 구조체(122a) 각각이 포함하는 파장 변환 물질(125)의 양이 서로 다를 수 있다. 이때, 복수의 형광 구조체(121a, 122a) 중 적어도 일부는 파장 변환 물질(124, 125)을 포함하지 않을 수도 있다.
한편, 복수의 형광 구조체(121a, 122a)에 포함되는 파장 변환 물질(124, 125)은 서로 다른 형광체 또는 양자점을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 상대적으로 발광소자(110)에 가깝게 배치되는 복수의 제1 형광 구조체(121a)에 포함되는 파장 변환 물질(124)은, 발광소자(110)가 방출하는 빛을 상대적으로 긴 파장의 빛으로 변환할 수 있다. 한편 복수의 제2 형광 구조체(122a)에 포함되는 파장 변환 물질(125)은, 발광소자(110)가 방출하는 빛을 상대적으로 짧은 파장의 빛으로 변환할 수 있다. 예를 들어, 복수의 제1 형광 구조체(121a)에 포함되는 파장 변환 물질(124)은 적색 빛을 방출할 수 있으며, 복수의 제2 형광 구조체(122a)에 포함되는 파장 변환 물질(125)은 녹색 빛을 방출할 수 있다.
다음으로 도 4에 도시한 실시예에 따른 파장 변환 필름(120B)은, 복수의 제1 형광 구조체(121a)를 포함하는 제1 형광체층(121)과, 복수의 제3 형광 구조체(123a)를 포함하는 제3 형광체층(123) 및 제1, 제3 형광체층(121, 123) 사이에 배치되며 형광 구조체를 포함하지 않는 제2 형광체층(122')을 가질 수 있다. 즉, 도 4에 도시한 실시예에서 파장 변환 물질(124, 126)은 제1 및 제3 형광체층(121, 123)에만 포함될 수 있다.
도 3에 도시한 실시예와 마찬가지로, 복수의 형광 구조체(121a, 123a)에 포함되는 파장 변환 물질(124, 126)의 양은 다양하게 변형될 수 있다. 또한, 제1 형광체층(121)에 포함되는 파장 변환 물질(124)은, 제3 형광체층(123)에 포함되는 파장 변환 물질(126)보다 상대적으로 긴 파장의 빛을 방출할 수 있다.
다음으로 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 변환 필름(120C)은 제1 내지 제3 형광체층(121', 122, 123)을 포함하며, 제1 형광체층(121')에는 파장 변환 물질(125, 126)이 포함되지 않을 수 있다. 즉, 파장 변환 물질(125, 126)은 제2 및 제3 형광체층(122, 123)에 구비되는 복수의 제2 및 제3 형광 구조체(122a, 123a)에만 포함될 수 있다. 한편, 도 3 및 도 4에 도시한 실시예와 유사하게, 복수의 제2 및 제3 형광 구조체(122a, 123a)는 서로 교차하는 방향으로 연장될 수 있으며, 그 형상은 사각 기둥이 아닌 다각 기둥, 원 기둥 등으로 다양하게 변형될 수 있다. 또한, 복수의 제2 및 제3 형광 구조체(122a, 123a)는 서로 다른 파장의 빛을 방출하는 형광체 또는 양자점을 파장 변환 물질(125, 126)로서 포함할 수 있다.
도 2 내지 도 5에 도시한 실시예에서, 복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a)는 파장 변환 물질(124, 125, 126) 및 이를 봉지하는 바인딩용 수지를 포함할 수 있으며, 복수의 형광 구조체(121a, 122a, 123a) 사이의 공간은 투명 수지(121b, 122b, 123b)에 의해 채워질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 파장 변환 물질(124, 125, 126)을 봉지하는 바인딩용 수지와, 투명 수지(121b, 122b, 123b)의 굴절률 차이를 조절함으로써 파장 변환 필름(120, 120A, 120B, 120C)의 광 추출 효율을 높일 수 있다.
예를 들어, 투명 수지(121b, 122b, 123b)는 파장 변환 물질(124, 125, 126)을 봉지하는 바인딩용 수지와 다른 굴절률을 가질 수 있다. 또는, 각 층(121, 122, 123)에 포함되는 투명 수지(121b, 122b, 123b)가 서로 다른 굴절률을 가질 수도 있다. 도 3의 실시예에서는, 적층 방향으로 최상층에 배치되는 제3 형광체층(123')이 제1 및 제2 형광체층(121, 122)에 포함되는 바인딩용 수지나 투명 수지(121b, 122b)보다 작고 공기보다는 큰 굴절률을 갖는 물질을 포함함으로써, 파장 변환 필름(120A)의 광 추출 효율을 개선할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 패키지를 나타낸 도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발광소자 패키지(200)는 발광소자(210), 파장 변환 필름(220), 패키지 본체(230) 및 솔더 범프(240) 등을 포함할 수 있다. 패키지 본체(230)는 반사벽(231) 및 패키지 기판(232) 등을 포함할 수 있으며, 발광소자(210)는 패키지 기판(232) 상에 실장될 수 있다. 발광소자(210)는 솔더 범프(240)에 의해 패키지 기판(232)에 마련되는 회로 패턴과 전기적으로 연결될 수 있다.
발광소자(210)는 기판(211), 발광 구조물(S), 제1 전극(215) 및 제2 전극(216)을 포함할 수 있으며, 발광 구조물(S)은 제1 도전형 반도체층(212), 활성층(213) 및 제2 도전형 반도체층(214)을 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(212), 활성층(213) 및 제2 도전형 반도체층(214)의 구성은 도 1을 참조하여 설명한 바와 유사할 수 있다.
패키지 기판(232)을 통해 발광소자(210)에 전기 신호가 인가되면, 제1 도전형 반도체층(212) 및 제2 도전형 반도체층(214)에서 공급된 전자 및 정공이 활성층(213)에서 결합하는 전자-정공 재결합에 의해 빛이 생성될 수 있다. 전자-정공 재결합에 의해 생성되는 빛은, 투광성을 갖는 기판(211) 및 파장 변환 필름(220)을 통해 바로 상부로 방출되거나, 반사벽(231) 또는 제1, 제2 전극(215, 216) 등에 의해 반사된 후 기판(211) 및 파장 변환 필름(220)을 통해 상부로 방출될 수 있다.
반사벽(231)은 TiO2 등과 같이 반사율이 우수한 금속 산화물을 포함할 수 있다. 반사벽(231)의 내측면은 도 6에 도시된 바와 같이 발광소자(210)의 측면에 직접 부착될 수 있으나, 반드시 이와 같은 형태로 한정되는 것은 아니다. 반사벽(231)의 상면은 발광소자(210)에 포함되는 지지 기판(211)의 상면과 공면(co-planar)을 형성할 수 있으며, 반사벽(231)과 지지 기판(211)의 상면이 형성하는 공면 위에 파장 변환 필름(220)이 부착될 수 있다.
파장 변환 필름(220)은 복수의 형광체층(221, 222, 223)을 포함할 수 있으며, 각 형광체층(221, 222, 223) 중 적어도 일부는 복수의 형광 구조체가 마련될 수 있다. 복수의 형광 구조체는 적어도 2개 이상의 형광체층(221, 222, 223)에 마련되어 서로 적층되는 구조를 형성할 수 있다. 복수의 형광 구조체 사이의 공간은 투명 수지에 의해 채워질 수 있다. 즉, 투명 수지는 각 형광체층(221, 222, 223)을 지지하는 베이스 층으로 이용될 수 있으며, 실리콘 또는 에폭시 수지 등을 포함할 수 있다. 복수의 형광 구조체 사이의 공간을 투명 수지로 채움으로써 광 추출 효율을 높이고 발광소자(210)를 보호할 수 있다.
복수의 형광 구조체는 다각형 형상, 각 형광체층(221, 222, 223) 내에서 특정 방향으로 연장되는 기둥 형상, 및 각 형광체층(221, 222, 223) 내에서 불규칙적인 방향으로 연장되는 파이버(fiber) 형상 중 적어도 하나의 형상을 가질 수 있다. 기둥 형상을 갖는 복수의 형광 구조체는 도 2 내지 도 5에 도시한 실시예를 통해 이해될 수 있을 것이다. 이하, 도 7을 참조하여 다각형 형상의 형광 구조체를 포함하는 파장 변환 필름(220)을 설명한다.
도 7은 도 6에 도시한 발광소자 패키지의 B 부분을 확대 도시한 도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 파장 변환 필름(220)은, 허니컴(honeycomb) 형상을 갖는 복수의 형광 구조체(222a) 및 복수의 형광 구조체(222a) 사이의 공간을 채우는 투명 수지(222b)를 포함할 수 있다. 투명 수지(222b)는 실리콘 또는 에폭시 수지를 포함할 수 있으며, 복수의 형광체층(221, 222, 223)에 포함되어 서로 적층되는 복수의 형광 구조체(222a)를 지지할 수 있다.
복수의 형광 구조체(222a)는 파장 변환 물질 및 파장 변환 물질을 봉지하는 바인딩용 수지를 가질 수 있다. 허니컴 형상을 갖는 복수의 형광 구조체(222a) 중 적어도 일부는 서로 연결되거나 서로 적층됨으로써 3차원 공간에서 입체적인 구조를 갖는 파장 변환 필름(220)을 제공할 수 있다. 앞서 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 각 형광체층(221, 222, 223)에 포함되는 형광 구조체(222a)는 서로 다른 파장 변환 물질을 포함할 수 있으며, 형광체층(221, 222, 223) 중 일부는 파장 변환 물질을 포함하지 않을 수도 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 패키지를 나타낸 도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발광소자 패키지(300)는 발광소자(310), 파장 변환 필름(320), 패키지 본체(330) 및 솔더 범프(340) 등을 포함할 수 있다. 패키지 본체(330)는 본체부(331), 리드 프레임(332), 반사벽(333) 및 반사벽(333)과 리드 프레임(332)에 의해 정의되는 실장 공간(334) 등을 포함할 수 있으며, 실장부(334)에서 노출되는 리드 프레임(332)에 발광소자(310)가 실장될 수 있다. 발광소자(310)는 솔더 범프(340)에 의해 리드 프레임(332)과 전기적으로 연결될 수 있다. 도 3에서 발광소자(310)는 리드 프레임(332) 상에 플립칩 본딩되는 것으로 도시하였으나, 이와 달리 와이어 등을 통해 리드 프레임(332)과 전기적으로 연결될 수도 있다.
반사벽(333)은 실장 공간(334)에서 발광소자(310)와 인접하는 벽일 수 있으며, 본체부(331)의 일부 표면을 반사율이 높은 물질로 코팅함으로써 형성될 수 있다. 실장 공간(334) 내에는 별다른 공정 없이 공기가 채워지거나 또는 별도의 바인딩용 수지가 채워질 수 있다. 다른 실시예에서, 실장 공간(334)은 진공 상태로 제공될 수도 있다.
패키지 본체(330) 상부에는 파장 변환 필름(320)이 부착될 수 있다. 파장 변환 필름(320)은 발광소자(310)로부터 순차적으로 적층되는 복수의 형광체층(321, 322, 323)을 포함할 수 있으며, 형광체층(321, 322, 323)의 수는 실시예에 따라 다양하게 변형될 수 있다. 복수의 형광체층(321, 322, 323) 가운데 적어도 2개 이상의 층은 파장 변환 물질을 갖는 복수의 형광 구조체를 가질 수 있다. 따라서, 파장 변환 필름(320)은 복수의 형광 구조체가 3차원 공간 내에 배치되는 입체적인 구조를 가질 수 있다.
파장 변환 필름(320)에 포함되는 복수의 형광 구조체는 다각형 형상, 각 형광체층(321, 322, 323) 내에서 특정 방향으로 연장되는 기둥 형상, 및 각 형광체층(321, 322, 323) 내에서 불규칙적인 방향으로 연장되는 파이버(fiber) 형상 중 적어도 하나의 형상을 가질 수 있다. 기둥 형상을 갖는 복수의 형광 구조체는 도 2 내지 도 5에 도시한 실시예를 통해 이해될 수 있으며, 다각형 형상을 갖는 복수의 형광 구조체는 도 7에 도시한 실시예를 통해 이해될 수 있을 것이다. 이하, 도 9를 참조하여 파이버(fiber) 형상을 갖는 형광 구조체를 설명한다.
도 9는 도 8에 도시한 발광소자 패키지의 C 부분을 확대 도시한 도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 파장 변환 필름(320)은, 파이버 형상을 갖는 복수의 형광 구조체(322a) 및 복수의 형광 구조체(322a) 사이의 공간을 채우는 투명 수지(322b)를 포함할 수 있다. 도 7에 도시한 실시예와 마찬가지로, 투명 수지(322b)는 실리콘 또는 에폭시 수지를 포함할 수 있으며, 복수의 형광체층(321, 322, 323)에 포함되어 서로 적층되는 복수의 형광 구조체(322a)를 지지할 수 있다.
복수의 형광 구조체(322a)는 파장 변환 물질 및 파장 변환 물질을 봉지하는 바인딩용 수지를 가질 수 있다. 도 9에 도시한 바와 같이, 파장 변환 물질을 갖는 복수의 형광 구조체(322a)는 파장 변환 필름(320) 내에서 서로 교차하고 엇갈림으로써 3차원 공간 내에서 입체적인 구조를 가질 수 있다. 즉, 파이버 형상을 갖는 복수의 형광 구조체(322a)는, 일정한 규칙성 없이 파장 변환 필름(320) 내에서 랜덤한 방향으로 연장되는 형상을 갖는 것으로 이해될 수 있다. 파이버 형상을 갖는 복수의 형광 구조체(322a)는 파장 변환 물질을 포함할 수 있을 만한 직경 10um 이상의 크기를 가질 수 있으며, 하나의 형광체층(321, 322, 323) 내에서도 서로 교차하여 입체적인 구조를 형성할 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 9를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예들은 서로 교차 적용이 가능하다. 즉, 도 7 및 도 9를 참조하여 설명한 허니컴 또는 파이버 형상의 형광 구조체(222a, 322a)를 갖는 파장 변환 필름(220, 320)이 도 1에 도시한 발광소자 패키지(100)에 적용될 수도 있으며, 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한 실시예에 따른 파장 변환 필름(120, 120A, 120B, 120C)이 도 6 및 도 8에 도시한 발광소자 패키지(200, 300)에 적용될 수도 있다. 또한, 도 7 및 도 9를 참조하여 설명한 파장 변환 필름(220, 320)은 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한 파장 변환 필름(120, 120A, 120B, 120C)과 마찬가지로 3차원 프린팅 기술에 의해 제조될 수 있다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 패키지의 제조 방법을 설명하기 위해 제공되는 도이다.
우선 도 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 발광소자 패키지의 제조 방법은, 파장 변환 필름(420) 상에 적어도 하나의 발광소자(410)를 배치시키는 것으로 시작할 수 있다. 파장 변환 필름(420)은 서로 적층되는 복수의 형광체층(421, 422, 423)을 포함할 수 있으며, 파장 변환 필름(420)의 제조 공정에는 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 3차원 프린팅 기술이 이용될 수 있다. 복수의 형광체층(421, 422, 423) 중에서 적어도 2개의 층은 다양한 형상을 갖는 복수의 형광 구조체를 포함할 수 있으며, 따라서 복수의 형광 구조체는 파장 변환 필름(420) 내에서 서로 적층되는 입체적인 구조를 가질 수 있다.
발광소자(410)는 투광성을 갖는 기판(411), 발광 구조물(S), 및 제1, 제2 전극(415, 416)을 포함할 수 있다. 발광 구조물(S)은 제1 도전형 반도체층(412), 활성층(413), 및 제2 도전형 반도체층(414)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서 제2 전극(416)은 제2 도전형 반도체층(414)과 오믹 컨택하도록 제2 도전형 반도체층(414) 상에 직접 배치될 수 있으며, 제1 전극(415)은 발광소자(420) 내부에 마련되는 도전성 비아(via) 등에 의해 제1 도전형 반도체층(412)과 전기적으로 연결될 수 있다.
발광소자(410)는 제1 형광체층(421)의 일면 상에 배치될 수 있다. 즉, 제1 형광체층(421)의 적어도 일부는 발광소자(410)에 부착될 수 있다. 일 실시예에서, 발광소자(410)에 가깝게 배치되는 제1 형광체층(421)은 제2 및 제3 형광체층(422, 423)보다 상대적으로 긴 파장의 빛을 방출하는 파장 변환 물질을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 발광소자(410)로부터 상대적으로 멀리 배치되는 제3 형광체층(423)은 파장 변환 물질을 포함하지 않을 수 있으며, 공기보다 크고 제1 및 제2 형광체층(421, 422)에 포함되는 바인딩용 수지 또는 투명 수지보다는 큰 굴절률을 갖는 물질을 포함할 수 있다.
다음으로 도 11을 참조하면, 발광소자(410) 사이의 공간에 반사벽(431)을 형성할 수 있다. 반사벽(431)을 형성하기 위해 파장 변환 필름(420) 상에 배치된 발광소자(410) 사이의 공간에, 디스펜서 등을 통해 필러가 함유된 백색 성형 복합재를 주입하고 경화시킬 수 있다. 필러는 SiO2, TiO2 및 Al2O3등으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함할 수 있으며, 나노 크기의 입자 형태로 백색 성형 복합재 내에 함유될 수 있다. 백색 성형 복합재는 고 내열성의 열경화성 수지 계열 또는 실리콘 수지 계열을 포함하거나, 또는 백색 안료 및 충진제, 경화제, 이형제, 산화방지제, 접착력 향상제 등이 첨가된 열가소성 수지 계열을 포함할 수 있다.
반사벽(431)이 형성되면, 발광소자(410) 사이의 커팅 라인(C)을 통해 반사벽(411)을 절단하여 발광소자 패키지(400)를 형성할 수 있다. 도 12를 참조하면 각 발광소자 패키지(400)는 파장 변환 필름(420), 반사벽(431), 발광소자(410)를 포함할 수 있다. 발광소자(410)의 활성층(413)에서 생성된 빛은 직접 기판(411)을 통해 발광소자(410)의 상부로 방출되거나, 또는 반사벽(431), 제1 및 제2 전극(415, 416)을 통해 반사되어 발광소자(410)의 상부로 방출될 수 있다. 따라서, 발광소자(410)가 방출하는 빛의 진행 경로 상에 파장 변환 필름(420)이 위치할 수 있다.
도 13 내지 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 패키지에 적용될 수 있는 발광소자를 나타낸 도이다.
우선 도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자(10)는 기판(11), 제1 도전형 반도체층(12), 활성층(13) 및 제2 도전형 반도체층(14)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 도전형 반도체층(12) 상에는 제1 전극(15)이 형성될 수 있으며, 제2 도전형 반도체층(14) 상에는 제2 전극(16)이 형성될 수 있다. 제2 전극(16)과 제2 도전형 반도체층(14) 사이에는 선택적으로 오믹 컨택층이 더 마련될 수도 있다.
우선, 기판(11)은 다양한 실시예에 따라 절연성, 도전성 또는 반도체 기판 중 적어도 하나가 선택될 수 있다. 기판(11)은, 예를 들어, 사파이어, SiC, Si, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN일 수 있다. GaN 물질의 에피성장을 위해서 동종 기판인 GaN 기판을 기판(11)으로 선택할 수 있으며, 이종 기판으로는 사파이어, 실리콘 카바이드(SiC) 기판 등이 주로 사용될 수 있다. 이종 기판을 사용할 때는 기판 물질과 박막 물질 사이의 격자상수의 차이로 인해 전위(dislocation) 등 결함이 증가할 수 있으며, 기판 물질과 박막 물질 사이의 열팽창계수의 차이로 인해 온도 변화시 휨이 발생하고, 휨은 박막의 균열(crack)의 원인이 될 수 있다. 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 기판(11)과 GaN계인 제1 도전형 반도체층(12) 사이에 버퍼층(11a)을 배치할 수 있다.
이종 기판상에 GaN을 포함하는 제1 도전형 반도체층(12)을 성장시킬 때, 기판 물질과 박막 물질 사이의 격자 상수의 불일치로 인해 전위(dislocation) 밀도가 증가하고, 열팽창 계수 차이로 인해 균열(crack) 및 휨이 발생할 수 있다. 상기와 같은 전위 및 균열을 방지하기 위한 목적으로 기판(11)과 제1 도전형 반도체층(12) 사이에 버퍼층(11a)을 배치할 수 있다. 버퍼층(11a)은 활성층 성장시 기판의 휘는 정도를 조절해 웨이퍼의 파장 산포를 줄일 수도 있다.
버퍼층(11a)은 AlxInyGa1 -x- yN(0=x=1, 0=y=1), 특히 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, 또는 InGaNAlN를 사용할 수 있으며, 필요에 따라 ZrB2, HfB2, ZrN, HfN, TiN 등의 물질도 사용할 수 있다. 또한, 복수의 층을 조합하거나, 조성을 점진적으로 변화시켜 사용할 수도 있다.
Si 기판은 GaN와 열팽창 계수 차이가 크기 때문에, 실리콘 기판에 GaN계 박막 성장시, 고온에서 GaN 박막을 성장시킨 후, 상온으로 냉각시 기판과 박막 간의 열팽창 계수의 차이에 의해 GaN 박막에 인장응력이 가해져 균열이 발생하기 쉽다. 균열을 막기 위한 방법으로 성장 중에 박막에 압축 응력이 걸리도록 성장하는 방법을 이용해 인장응력을 보상할 수 있다. 또한, 실리콘(Si)은 GaN과의 격자 상수 차이로 인해, 결함 발생 가능성도 크다. Si 기판을 사용하는 경우는 결함 제어뿐만 아니라 휨을 억제하기 위한 응력 제어를 동시에 해줘야 하기 때문에 복합 구조의 버퍼층(11a)을 사용할 수 있다.
버퍼층(11a)을 형성하기 위해 먼저 기판(11) 상에 AlN 층을 형성할 수 있다. Si와 Ga 반응을 막기 위해 Ga을 포함하지 않은 물질을 사용할 수 있으며, AlN 뿐만 아니라 SiC 등의 물질도 사용할 수 있다. AlN층은 Al 소스와 N 소스를 이용하여 400? 내지 1300? 사이의 온도에서 성장할 수 있으며, 필요에 따라, 복수의 AlN 층 사이에 GaN 중간에 응력을 제어하기 위한 AlGaN 중간층을 삽입할 수 있다.
제1 및 제2 도전형 반도체층(12, 14)은 각각 n형 및 p형 불순물이 도핑된 반도체로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니고 반대로 각각 p형 및 n형 반도체층이 될 수도 있을 것이다. 예를 들어, 제1 및 제2 도전형 반도체층(12, 14)은 3족 질화물 반도체, 예컨대, AlxInyGa1 -x- yN(0=x=1, 0=y=1, 0=x+y=1)의 조성을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 물론, 이에 한정되지 않으며, AlGaInP계열 반도체나 AlGaAs계열 반도체와 같은 물질도 이용될 수 있을 것이다.
한편, 제1 및 제2 도전형 반도체층(12, 14)은 단층 구조로 이루어질 수 있지만, 이와 달리, 필요에 따라 서로 다른 조성이나 두께 등을 갖는 다층 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 도전형 반도체층(12, 14)은 각각 전자 및 정공의 주입 효율을 개선할 수 있는 캐리어 주입층을 구비할 수 있으며, 또한, 다양한 형태의 초격자 구조를 구비할 수도 있다.
제1 도전형 반도체층(12)은 활성층(13)과 인접한 부분에 전류 확산층을 더 포함할 수도 있다. 상기 전류 확산층은 서로 다른 조성을 갖거나, 서로 다른 불순물 함량을 갖는 복수의 InxAlyGa(1-x-y)N층이 반복해서 적층되는 구조 또는 절연 물질 층이 부분적으로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(14)은 활성층(13)과 인접한 부분에 전자 차단층을 더 포함할 수 있다. 상기 전자 차단층은 복수의 서로 다른 조성의 InxAlyGa(1-x-y)N를 적층한 구조 또는 AlyGa(1-y)N로 구성된 1층 이상의 층을 가질 수 있으며, 활성층(13)보다 밴드갭이 커서 제2 도전형 반도체층(14)으로 전자가 넘어가는 것을 방지한다.
일 실시예에서, 제1, 제2 도전형 반도체층(12, 14)과 활성층(13)은 MOCVD 장치를 사용하여 제조될 수 있다. 제1, 제2 도전형 반도체층(12, 14)과 활성층(13)을 제조하기 위해, 성장 기판(11)을 설치한 반응 용기 내에 반응 가스로 유기 금속 화합물 가스(예, 트리메틸 갈륨(TMG), 트리메틸 알루미늄(TMA) 등)와 질소 함유 가스(암모니아(NH3) 등)을 공급하고, 기판의 온도를 900? 내지 1100?의 고온으로 유지하고, 기판상에 질화 갈륨계 화합물 반도체를 성장하면서, 필요에 따라 불순물 가스를 공급해, 질화 갈륨계 화합물 반도체를 언도프, n형, 또는 p형으로 적층할 수 있다. n형 불순물로는 Si이 잘 알려져 있고, p형 불순물으로서는 Zn, Cd, Be, Mg, Ca, Ba 등이 있으며, 주로 Mg, Zn가 사용될 수 있다.
또한, 제1 및 제2 도전형 반도체층(12, 14) 사이에 배치된 활성층(13)은 양자우물층과 양자장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(MQW) 구조, 예컨대, 질화물 반도체일 경우, GaN/InGaN 구조가 사용될 수 있으며, 다만, 단일 양자우물(SQW) 구조를 사용할 수도 있을 것이다. 제1 또는 제2 전극(15, 16)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 등의 물질을 포함할 수 있다. 도 11에 도시한 발광소자(10)는 에피 업(Epi-Up) 구조를 가지며, 따라서 발광소자 패키지 내에서 회로 기판에 포함되는 회로 패턴과 와이어 등을 통해 연결될 수 있다.
다음으로 도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자(20)는 지지 기판(21), 제1 및 제2 도전형 반도체층(22, 24), 활성층(23), 제1 및 제2 전극(25, 26) 등을 포함할 수 있다. 도 14에 도시한 실시예에 따른 발광소자(20)는 플립칩 본딩에 의해 발광소자 패키지의 회로 기판에 부착될 수 있다. 활성층(23)에서 생성되는 빛이 상부로 방출되어야 하므로, 지지 기판(21)은 투광성을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
또한, 활성층(23)에서 생성되어 하부로 진행하는 빛을 반사시킬 수 있도록, 제2 전극(26)은 전기 전도성 및 반사율이 우수한 물질로 형성될 수 있다. 일 실시예로, 제2 전극(26)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.
도 14에 도시한 발광소자(20)는 플립칩 본딩에 의해 발광소자 패키지의 회로 기판에 부착될 수 있으므로, 도 1, 도 6, 및 도 8에 도시한 실시예와 같은 발광소자 패키지(100, 200, 300)에 포함될 수 있다. 즉, 지지 기판(21)의 상면에는 파장 변환 필름(120, 220, 320)이 부착될 수 있다.
다음으로 도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자(30)가 도시되어 있다. 도 15에 도시한 실시예에 따른 발광소자(30)는, 제1 도전형 반도체층(32), 활성층(33) 및 제2 도전형 반도체층(34), 제1 도전형 반도체층(32)에 부착되는 제1 전극(35) 및 제2 도전형 반도체층(34)에 부착되는 제2 전극(36) 등을 포함할 수 있다. 제2 전극(36)의 하면에는 도전성 기판(31)이 배치될 수 있으며, 도전성 기판(31)은 발광소자 패키지를 구성하기 위한 회로 기판 등에 직접 실장될 수 있다. 발광소자 패키지 내에서 도전성 기판(31)은 회로 기판에 직접 실장되고, 제1 전극(35)은 와이어 등을 통해 회로 기판의 회로 패턴과 전기적으로 연결될 수 있다.
앞서 설명한 다른 반도체 발광소자(10, 20)들과 마찬가지로, 제1 도전형 반도체층(32)과 제2 도전형 반도체층(34)은 각각 n형 질화물 반도체 및 p형 질화물 반도체를 포함할 수 있다. 한편, 제1, 제2 도전형 반도체층(32, 34) 사이에 배치되는 활성층(33)은, 서로 다른 조성의 질화물 반도체층이 교대로 적층되는 다중 양자 우물(MQW) 구조를 가질 수 있으며, 선택적으로 단일 양자 우물(SQW) 구조를 가질 수도 있다.
제1 전극(35)은 제1 도전형 반도체층(32)의 상면에 배치되며, 제2 전극(36)은 제2 도전형 반도체층(34)의 하면에 배치될 수 있다. 도 8에 도시한 발광소자(30)의 활성층(33)에서 전자-정공 재결합에 의해 생성되는 빛은 제1 전극(35)이 배치되는 제1 도전형 반도체층(32)의 상면으로 방출될 수 있다. 따라서, 활성층(33)에서 생성되는 빛을 제1 도전형 반도체층(32)의 상면 방향으로 반사시킬 수 있도록, 제2 전극(36)은 높은 반사율을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 제2 전극(36)은 Ag, Al, Ni, Cr, Cu, Au, Pd, Pt, Sn, Ti, W, Rh, Ir, Ru, Mg, Zn 또는 이들을 포함하는 합금물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다음으로 도 16을 참조하면, 본 실시예에 따른 발광소자(40)는 제1 도전형 반도체층(42), 제2 도전형 반도체층(44), 그 사이에 위치하는 활성층(43), 제1 및 제2 도전형 반도체층(42,44)에 각각 연결되는 제1 및 제2 전극(45, 46)을 포함한다. 본 실시예에서, 제1 및 제2 전극(44, 46)은 제1, 제2 도전형 반도체층(42, 44)과 활성층(43)을 사이에 두고 마주하는 면에 각각 배치될 수 있다. 제2 전극(46) 상에는 지지 기판(41)이 본딩층(41a)에 의해 부착되어 발광소자(40)를 지지할 수 있다.
본 실시예에 따른 발광소자(40)는 제2 전극(46)과 관련된 전극 요소로서 연결 전극(connecting electrode: 47)을 추가적으로 포함할 수 있다. 연결 전극(47)은 제1, 제2 도전형 반도체층(42, 44)과 활성층(43)의 적어도 일부 영역을 제거하여 형성된 관통홀(H)을 통해 제2 전극(46)과 연결될 수 있다. 관통홀(H)에 의해 제2 전극(46)의 적어도 일부 영역이 노출될 수 있으며, 상기 노출된 영역에서 제2 전극(46)과 연결 전극(47)이 서로 연결될 수 있다. 연결 전극(28)은 관통홀(H)의 측벽을 따라 형성될 수 있으며, 연결 전극(28)과 관통홀(H)의 측벽 사이에는 연결 전극(28)과 활성층(43) 및 제1 도전형 반도체층(42)이 서로 전기적으로 연결되는 것을 방지하기 위해 절연층(47a)이 마련될 수 있다.
상기와 같은 전극구조는 제1 및 제2 도전형 반도체층(42, 44)이 각각 n형 및 p형 질화물 반도체층인 형태에서 더욱 효율적으로 적용될 수 있다. p형 질화물 반도체층은 n형 질화물 반도체층보다 콘택 저항이 크므로, 오믹 콘택을 구하는 것이 어려울 수 있다. 그러나, 도 16에 도시한 실시예에서는, 제2 전극(46)을 지지 기판(41)의 전면에 걸쳐서 배치하므로, 제2 도전형 반도체층(44)과 제2 전극(46) 사이의 콘택 면적을 충분히 확보함으로써 p형 질화물 반도체층과 오믹 콘택을 확보할 수 있다.
한편, 도 16에 도시한 실시예에 따른 발광소자(40)는 지지 기판(41)의 방향으로 광이 방출되는 플립칩 구조일 수 있다. 즉, 제1 전극(45)과 연결 전극(47)은 솔더 범프(48) 등을 통해 회로 기판(49)의 회로 패턴(49a)과 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서 제1 전극(45)은 오믹 콘택 특성 뿐만 아니라 높은 반사율을 갖는 전극물질을 포함할 수 있다. 제2 전극(46) 및 지지 기판(41)은 높은 투광성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(45)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 등의 물질을 포함할 수 있다. 제2 전극(46)은 Ni/Au와 같은 투광성 금속 또는 ITO와 같은 투명 전도성 산화물 또는 질화물일 수 있다. 지지 기판(41)은 글래스 기판 또는 투광성 폴리머 수지로 이루어진 기판일 수 있다.
연결 전극(47)은 절연층(47a)에 의해 제1 도전형 반도체층(42) 및 활성층(43)과 전기적으로 절연될 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 절연층(47a)은 관통홀(H)의 측벽을 따라 형성될 수 있다. 또한 절연막(47a)은 제1, 제2 도전형 반도체층(42, 44) 및 활성층(43)의 측면에 형성되어 발광소자(10)를 위한 패시베이션층으로 제공될 수 있다. 절연층(47a)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.
다음으로 도 17을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자(50)가 개시되어 있다. 발광소자(50)는 기판(51)의 일면 상에 순차적으로 적층되는 제1 도전형 반도체층(52), 활성층(53), 제2 도전형 반도체층(54)과, 제1 및 제2 전극(55, 56)을 포함할 수 있다. 또한, 발광소자(50)는 절연부(57)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 전극(55, 56)은 각각 컨택 전극(55a, 56a)과 연결 전극(55b, 56b)을 포함할 수 있으며, 절연부(57)에 의해 노출되는 컨택 전극(55a, 56a)의 일부 영역이 연결 전극(55b, 56b)과 연결될 수 있다.
제1 컨택 전극(55a)은 제2 도전형 반도체층(54) 및 활성층(53)을 관통하여 제1 도전형 반도체층(52)과 접속된 도전성 비아로 제공될 수 있다. 제2 컨택 전극(56a)은 제2 도전형 반도체층(54)과 접속될 수 있다. 도전성 비아는 하나의 발광소자 영역에 복수 개 형성될 수 있다.
제1 및 제2 도전형 반도체층(52, 54) 상에 도전성 오믹 물질을 증착하여 제1 및 제2 컨택 전극(55a, 56a)을 형성할 수 있다. 제1 및 제2 컨택 전극(55a, 56a)은 Ag, Al, Ni, Cr, Cu, Au, Pd, Pt, Sn, Ti, W, Rh, Ir, Ru, Mg, Zn 또는 이들을 포함하는 합금물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 제2 컨택 전극(56a)은 활성층(53)에서 생성되어 발광소자(50)의 하부로 방출되는 빛을 반사시키는 역할을 할 수 있다.
절연부(57)는 제1 및 제2 컨택 전극(55a, 56a)의 적어도 일부를 노출시키는 오픈 영역을 구비하며, 제1 및 제2 연결 전극(55b, 56b)은 제1 및 제2 컨택 전극(55a, 56a)과 각각 연결될 수 있다. 절연부(57)는 SiO2 및/또는 SiN CVD 공정을 통해 500? 이하에서 0.01㎛ ~ 3㎛ 두께로 증착될 수 있다. 제1 및 제2 전극(55, 56)은 발광소자 패키지에 플립칩 형태로 실장될 수 있다.
제1, 제2 전극(55, 56)은 절연부(57)에 의하여 서로 전기적으로 분리될 수 있다. 절연부(57)는 전기적으로 절연 특성을 갖는 물질이면 어느 것이나 사용할 수 있지만, 발광소자(50)의 광 추출 효율 저하를 방지하기 위해 광흡수율이 낮은 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, SiO2, SiOxNy, SixNy 등의 실리콘 산화물, 실리콘 질화물을 이용할 수 있을 것이다. 필요에 따라, 광투과성 물질 내에 광 반사성 필러를 분산시켜 광반사 구조를 형성할 수 있다.
기판(51)은 서로 대향하는 제1 및 제2 면을 가질 수 있으며, 제1 및 제2 면 중 적어도 하나에는 요철 구조가 형성될 수도 있다. 기판(440)의 일면에 형성된 요철 구조는 기판(51)의 일부가 식각되어 기판(51)과 동일한 물질로 이루어지거나, 기판(51)과 다른 이종 물질로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 기판(51)과 제1 도전형 반도체층(52)의 계면에 요철 구조를 형성함으로써, 활성층(53)으로부터 방출된 광의 경로가 다양해 질 수 있으므로, 빛이 반도체층 내부에서 흡수되는 비율이 감소하고 광 산란 비율이 증가하여 광 추출 효율이 증대될 수 있다. 또한, 기판(51)과 제1 도전형 반도체층(52) 사이에는 버퍼층이 마련될 수도 있다.
다음으로 도 18을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자(60)는 나노 발광구조물을 갖는 발광소자(60)일 수 있다. 발광소자(60)는 제1 도전형 반도체 물질을 포함하는 베이스층(62'), 베이스층(62') 상에 마련되어 복수의 개구부를 제공하는 마스크층(67), 마스크층(67)이 제공하는 개구부에 형성되는 나노 코어(62)를 포함할 수 있다. 나노 코어(62) 상에는 활성층(63) 및 제2 도전형 반도체층(64)이 마련될 수 있다. 나노 코어(62), 활성층(63), 및 제2 도전형 반도체층(64)은 나노 발광구조물을 제공할 수 있다.
제2 도전형 반도체층(64) 상에는 제2 컨택 전극(66a)이 마련될 수 있으며, 제2 컨택 전극(66a)의 일면에는 제2 연결 전극(66b)이 마련될 수 있다. 제2 컨택 전극(66a)과 제2 연결 전극(66b)은 제2 전극(66)으로 제공될 수 있다. 제2 전극(66)의 일면에는 지지 기판(61)이 부착될 수 있으며, 지지 기판(61)은 전도성 또는 절연성 기판일 수 있다. 지지 기판(61)이 전도성을 갖는 경우, 지지 기판(61)은 발광소자 패키지의 회로 기판에 직접 실장될 수 있다. 제1 도전형 반도체 물질을 포함하는 베이스층(62') 상에는 제1 전극(65)이 마련될 수 있다. 제1 전극(65)은 발광소자 패키지의 회로 기판에 포함되는 회로 패턴과 와이어 등으로 연결될 수 있다.
도 19a 및 도 19b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 백색 광원 모듈을 간단하게 나타내는 도이다. 한편, 도 20은 도 19a 및 도 19b에 도시한 백색 광원 모듈의 동작을 설명하기 위해 제공되는 CIE 1931 좌표계이다.
도 19a 및 도 19b에 도시된 백색 광원 모듈은 각각 회로 기판 상에 탑재된 복수의 발광 소자 패키지를 포함할 수 있다. 하나의 백색 광원 모듈에 탑재된 복수의 발광소자 패키지는 동일한 파장의 빛을 발생시키는 동종(同種)의 패키지로도 구성될 수 있으나, 본 실시예와 같이, 서로 상이한 파장의 빛을 발생시키는 이종(異種)의 패키지로 구성될 수도 있다.
도 19a를 참조하면, 백색 광원 모듈은 색온도 4000K 와 3000K인 백색 발광 소자 패키지('40', '30')와 적색 발광 소자 패키지(赤)를 조합하여 구성될 수 있다. 상기 백색 광원 모듈은 색온도 3000K ~ 4000K 범위로 조절 가능하고 연색성 Ra도 85 ~ 100 범위인 백색광을 제공할 수 있다.
다른 실시예에서, 백색 광원 모듈은, 백색 발광소자 패키지만으로 구성되되, 일부 패키지는 다른 색온도의 백색광을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 19b에 도시된 바와 같이, 색온도 2700K인 백색 발광 소자 패키지('27')와 색온도 5000K인 백색 발광 소자 패키지('50')를 조합하여 색온도 2700K ~ 5000K 범위로 조절 가능하고 연색성 Ra가 85 ~ 99인 백색광을 제공할 수 있다. 여기서, 각 색온도의 발광 소자 패키지 수는 주로 기본 색온도 설정 값에 따라 개수를 달리할 수 있다. 예를 들어, 기본 설정 값이 색온도 4000K 부근의 조명장치라면 4000K에 해당하는 패키지의 개수가 색온도 3000K 또는 적색 발광 소자 패키지 개수보다 많도록 할 수 있다.
이와 같이, 이종의 발광 소자 패키지는 청색 발광 소자에 황색, 녹색, 적색 또는 오렌지색의 형광체를 조합하여 백색광을 발하는 발광 소자와 보라색, 청색, 녹색, 적색 또는 적외선 발광 소자 중 적어도 하나를 포함하도록 구성하여 백색광의 색온도 및 연색성(Color Rendering Index: CRI)을 조절하도록 할 수 있다. 상술한 백색 광원 모듈은 다양한 형태의 조명 장치에 광원으로서 채용될 수 있다.
단일 발광소자 패키지에서는, 발광소자인 LED 칩의 파장과 형광체의 종류 및 배합비에 따라, 원하는 색의 광을 결정하고, 백색광일 경우에는 색온도와 연색성을 조절할 수 있다.
예를 들어, LED 칩이 청색광을 발광하는 경우, 황색, 녹색, 적색 형광체 중 적어도 하나를 포함한 발광 소자 패키지는 형광체의 배합비에 따라 다양한 색온도의 백색광을 발광하도록 할 수 있다. 이와 달리, 청색 LED 칩에 녹색 또는 적색 형광체를 적용한 발광 소자 패키지는 녹색 또는 적색광을 발광하도록 할 수 있다. 이와 같이, 백색광을 내는 발광 소자 패키지와 녹색 또는 적색광을 내는 패키지를 조합하여 백색광의 색온도 및 연색성을 조절하도록 할 수 있다. 또한, 보라색, 청색, 녹색, 적색 또는 적외선을 발광하는 발광 소자 중 적어도 하나를 포함하도록 구성할 수도 있다.
이 경우, 조명 장치는 연색성을 나트륨(Na)등에서 태양광 수준으로 조절할 수 있으며, 또한 색온도를 1500K에서 20000K 수준으로 다양한 백색광을 발생시킬 수 있으며, 필요에 따라서는 보라색, 청색, 녹색, 적색, 오렌지색의 가시광 또는 적외선을 발생시켜 주위 분위기 또는 기분에 맞게 조명 색을 조절할 수 있다. 또한, 식물 성장을 촉진할 수 있는 특수 파장의 광을 발생시킬 수도 있다.
청색 발광 소자에 황색, 녹색, 적색 형광체 및/또는 녹색, 적색 발광 소자의 조합으로 만들어지는 백색광은 2개 이상의 피크 파장을 가지며, 도 20에 도시된 바와 같이, CIE 1931 좌표계의 (x, y) 좌표가 (0.4476, 0.4074), (0.3484, 0.3516), (0.3101, 0.3162), (0.3128, 0.3292), (0.3333, 0.3333)을 잇는 선분 영역 내에 위치할 수 있다. 또는, 선분과 흑체 복사 스펙트럼으로 둘러싸인 영역에 위치할 수 있다. 백색광의 색온도는 1500K ~ 20000K 사이에 해당한다. 도 20에서 상기 흑체 복사 스펙트럼 하부에 있는 점E(0.3333, 0.3333) 부근의 백색광은 상대적으로 황색계열 성분의 광이 약해진 상태로 사람이 육안으로 느끼기에는 보다 선명한 느낌 또는 신선한 느낌을 가질 수 있는 영역의 조명 광원으로 사용 될 수 있다. 따라서 상기 흑체 복사 스펙트럼 하부에 있는 점E(0.3333, 0.3333) 부근의 백색광을 이용한 조명 제품은 식료품, 의류 등을 판매하는 상가용 조명으로 효과가 좋다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 발광소자 패키지에 적용될 수 있는 파장 변환 물질을 설명하기 위해 제공되는 도이다.
파장 변환 물질은 발광소자로부터 방출되는 빛의 파장을 변환하기 위한 물질로서, 형광체 및/또는 양자점과 같은 다양한 물질이 사용될 수 있다
일 실시예에서, 파장 변환 물질에 적용되는 형광체는 다음과 같은 조성식 및 컬러(color)를 가질 수 있다.
산화물계: 황색 및 녹색 Y3Al5O12:Ce, Tb3Al5O12:Ce, Lu3Al5O12:Ce
실리케이트계: 황색 및 녹색 (Ba,Sr)2SiO4:Eu, 황색 및 등색 (Ba,Sr)3SiO5:Ce
질화물계: 녹색 β-SiAlON:Eu, 황색 La3Si6N11:Ce, 등색 α-SiAlON:Eu, 적색 CaAlSiN3:Eu, Sr2Si5N8:Eu, SrSiAl4N7:Eu, SrLiAl3N4:Eu, Ln4 -x(EuzM1 -z)xSi12- yAlyO3 +x+ yN18 -x-y (0.5≤x≤3, 0<z<0.3, 0<y≤4) - 식 (1)
단, 식 (1) 중, Ln은 IIIa 족 원소 및 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 한 종의 원소이고, M은 Ca, Ba, Sr 및 Mg로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 한 종의 원소일 수 있다.
플루오라이트(fluoride)계: KSF계 적색 K2SiF6:Mn4 +, K2TiF6:Mn4 +, NaYF4:Mn4 +, NaGdF4:Mn4 +(예를 들어, Mn의 조성비는 0<z≤0.17일 수 있음)
형광체 조성은 기본적으로 화학양론(stoichiometry)에 부합하여야 하며, 각 원소들은 주기율표상에서 해당 원소가 포함되는 족 내의 다른 원소로 치환이 가능하다. 예를 들어 Sr은 알카리토류(II)족의 Ba, Ca, Mg 등으로, Y는 란탄계열의 Tb, Lu, Sc, Gd 등으로 치환이 가능하다. 또한, 활성제인 Eu 등은 원하는 에너지 준위에 따라 Ce, Tb, Pr, Er, Yb 등으로 치환이 가능하며, 활성제 단독 또는 특성 변형을 위해 부활성제 등이 추가로 적용될 수 있다.
특히, 플루오라이트계 적색 형광체는 고온/고습에서의 신뢰성 향상을 위하여 각각 Mn을 함유하지 않는 불화물로 코팅되거나 형광체 표면 또는 Mn을 함유하지 않는 불화물 코팅 표면에 유기물 코팅을 더 포함할 수 있다. 상기와 같은 플루어라이트계 적색 형광체의 경우 기타 형광체와 달리 40nm 이하의 반치폭을 구현할 수 있기 때문에, UHD TV와 같은 고해상도 TV에 활용될 수 있다.
아래 표 1은 주파장이 440~460nm인 청색 LED 칩 또는 주파장이 380~440nm인 UV LED 칩을 사용하는 발광소자 패키지에 있어서, 각 응용분야별로 적용될 수 있는 형광체의 종류를 나타낸 것이다.
Figure 112015055104915-pat00001
한편, 파장 변환 물질은 형광체를 대체하거나 형광체와 혼합하기 위한 목적으로 제공되는 양자점(Quantum Dot, QD)을 포함할 수 있다.
도 21은 양자점의 단면 구조를 나타내는 도이다. 양자점은 III-V 또는 II-VI화합물 반도체를 포함하는 코어(Core)-쉘(Shell)구조를 가질 수 있다. 예를 들면, CdSe, InP 등과 같은 코어(core) 및 ZnS, ZnSe 등과 같은 쉘(shell)을 가질 수 있다. 또한, 양자점은 코어 및 쉘의 안정화를 위한 리간드(ligand)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 코어 직경은 1 ~ 30nm, 일 실시예에서는 3 ~ 10nm일 수 있다, 쉘의 두께는 0.1 ~ 20nm, 일 실시예에서는 0.5 ~ 2nm일 수 있다.
양자점은 사이즈에 따라 다양한 컬러를 구현할 수 있으며, 특히 형광체 대체 물질로 사용되는 경우에는 적색 또는 녹색 형광체로 사용될 수 있다. 양자점을 이용하는 경우, 좁은 반치폭(예, 약 35nm)을 구현할 수 있다.
파장 변환 물질은 봉지재에 함유된 형태로 제공되거나, 또는 필름형상으로 미리 제조되어 LED 칩 또는 도광판과 같은 광학 장치의 표면에 부착될 수도 있다. 필름 형상으로 미리 제조되는 파장 변환 물질을 이용하는 경우, 균일한 두께를 갖는 파장 변환 물질을 용이하게 구현할 수 있다.
도 22 내지 도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 백라이트 유닛을 설명하기 위해 제공되는 도이다.
도 22를 참조하면, 백라이트 유닛(1000)은 도광판(1040) 및 도광판(1040) 양측면에 제공되는 광원모듈(1010)을 포함할 수 있다. 또한, 백라이트 유닛(1000)은 도광판(1040)의 하부에 배치되는 반사판(1020)을 더 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 백라이트 유닛(1000)은 에지형 백라이트 유닛일 수 있다.
실시예에 따라, 광원모듈(1010)은 도광판(1040)의 일 측면에만 제공되거나, 다른 측면에 추가적으로 제공될 수도 있다. 광원모듈(1010)은 인쇄회로기판(1001) 및 인쇄회로기판(1001) 상면에 실장된 복수의 광원(1005)을 포함할 수 있다. 복수의 광원(1005)에는 도 1 내지 도 12 등을 참조하여 설명한 발광소자 패키지(100, 200, 300, 400)가 적용될 수 있다.
도 23은 직하형 백라이트 유닛의 일 실시예를 나타낸다.
도 23을 참조하면, 백라이트 유닛(1100)은 광확산판(1140) 및 광확산판(1140) 하부에 배열된 광원모듈(1110)을 포함할 수 있다. 또한, 백라이트 유닛(1100)은 광확산판(1140) 하부에 배치되며, 광원모듈(1110)을 수용하는 바텀케이스(1160)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예의 백라이트 유닛(1100)은 직하형 백라이트 유닛일 수 있다.
광원모듈(1110)은 인쇄회로기판(1101) 및 인쇄회로기판(1101) 상면에 실장된 복수의 광원(1105)을 포함할 수 있다. 복수의 광원(1105)에는 도 1 내지 도 12 등을 참조하여 설명한 발광소자 패키지(100, 200, 300, 400)가 적용될 수 있다.
도 24는 직하형 백라이트 유닛에 있어서, 광원의 배치의 일 예를 나타낸다.
본 실시 형태에 따른 직하형 백라이트 유닛(1200)은 기판(1201)상에 배열된 복수의 광원(1205)을 갖추어 구성된다.
상기 광원(1205)들의 배열 구조는 행과 열로 배열된 매트릭스 구조로서 각각의 행과 열은 지그재그 형태를 갖는다. 이는, 복수의 광원(1205)이 일직선상에 행과 열로 배열된 제1 매트릭스의 내부에 동일한 형태의 제2 매트릭스가 배치된 구조로 해석될 수 있으며, 상기 제1 매트릭스에 포함된 인접한 4개의 광원(1205)이 이루는 사각형의 내부에 상기 제2 매트릭스의 각 광원(1205)이 위치하는 것으로 이해될 수 있다.
다만, 도 24에 도시한 실시예에 따른 백라이트 유닛(1200)에 있어서 휘도의 균일성 및 광효율을 보다 향상시키기 위해 필요에 따라서는, 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 광원간의 거리(S1, S2)를 최적화할 수 있다.
이와 같이, 광원(1205)들로 구성된 행과 열을 일직선상에 배치하지 않고, 지그재그로 배치함에 따라, 동일한 발광 면적에 대하여 약 15% ~ 25% 정도 광원(1205)의 수를 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 25는 직하형 백라이트 유닛의 다른 실시예를 나타낸다.
도 25를 참조하면, 본 실시예에 따른 백라이트 유닛(1300)은 광학시트(1320) 및 광학시트(1320) 하부에 배열된 광원모듈(1310)을 포함할 수 있다.
광학시트(1320)는 확산시트(1321), 집광시트(1322), 보호시트(1323) 등을 포함할 수 있다. 광학시트(1320)에 포함되는 시트(1321-1323)의 구성 및 배열 순서는 도 25에 도시된 것과 같이 한정되지 않으며, 다양하게 변형될 수 있다.
광원모듈(1310)은 회로 기판(1311), 회로 기판(1311) 상에 실장된 복수의 광원부(1312)를 포함할 수 있다. 복수의 광원부(1312)는, 도 1 내지 도 12 등을 참조하여 설명한 발광소자 패키지(100, 200, 300, 400)를 광원으로 채용할 수 있으며, 광원 상에는 광원으로부터 방출되는 빛의 경로를 조절하는 광학 부재가 마련될 수 있다.
광학 부재는, 굴절을 통해 광의 지향각을 조절할 수 있으며, 특히 광원(1312)의 빛을 넓은 영역으로 확산시키는 광지향각 렌즈가 주로 사용될 수 있다. 이러한 광학 부재가 부착된 광원부(1312)는 더 넓은 광 분포를 갖게 되기 때문에 백라이트, 평판 조명 등에 광원모듈이 사용되는 경우, 동일 면적당 필요한 광원부(1312)의 개수를 절약할 수 있다.
도 26은 도 25에 도시한 광원부(1312)를 확대 도시한 도이다.
도 26을 참조하면, 복수의 광원부(1312) 각각은, 발광소자 패키지(100, 200, 300, 400)를 포함하는 광원(1314) 및 광학 부재(1313)를 포함할 수 있다. 광학 부재(1313)는 광원(1314) 상에 배치되는 바닥면(1313a)과, 광원(1314)의 빛이 입사되는 입사면(1313b)과, 빛이 외부로 방출되는 출사면(1313c)을 포함할 수 있다.
바닥면(1313a)은 광원(1314)의 광축(Z)이 지나는 중앙에 출사면(1313c) 방향으로 함몰된 홈부(1313d)가 구비될 수 있다. 홈부(1313d)는 그 표면이 상기 광원(1314)의 광이 입사되는 입사면(1313b)으로 정의될 수 있다. 즉, 입사면(1313b)은 홈부(1313d)의 표면을 이룰 수 있다.
바닥면(1313a)은 입사면(1313b)과 연결되는 중앙 영역이 광원(1314)으로 부분적으로 돌출되어 전체적으로 비평판형 구조를 가질 수 있다. 즉, 바닥면(1313a) 전체가 평평한 일반적인 구조와 달리 홈부(1313d) 둘레를 따라서 부분적으로 돌출된 구조를 가질 수 있다. 바닥면(1313a)에는 복수의 지지부(1313f)가 구비될 수 있으며, 광원 부재(1313)가 회로 기판(1311) 상에 장착되는 경우 광원 부재(1313)를 고정 및 지지할 수 있다.
출사면(1313c)은 바닥면(1313a)과 연결되는 테두리로부터 상부 방향(광출사 방향)으로 돔 형태로 돌출되며, 광축(Z)이 지나는 중앙이 홈부(1313d)를 향해 오목하게 함몰되어 변곡점을 가지는 구조를 가질 수 있다.
출사면(1313c)에는 광축(Z)에서 상기 테두리 방향으로 복수의 요철부(1313e)가 주기적으로 배열될 수 있다. 복수의 요철부(1313e)는 상기 광학소자(1313)의 수평 단면 형상에 대응하는 링 형상을 가질 수 있으며, 광축(Z)을 기준으로 동심원을 이룰 수 있다. 그리고, 광축(Z)을 중심으로 출사면(1313c)의 표면을 따라 주기적인 패턴을 이루며 방사상으로 확산되는 구조로 배열될 수 있다.
복수의 요철부(1313e)는 각각 일정한 주기(pitch)(P)로 이격되어 패턴을 이룰 수 있다. 이 경우, 복수의 요철부(1313e) 사이의 주기(P)는 0.01mm 내지 0.04mm 사이의 범위를 가질 수 있다. 복수의 요철부(1313e)는 광학 부재(1313)를 제조하는 과정에서 발생할 수 있는 미세한 가공 오차로 인하여 광학 부재들 간의 성능의 차이를 상쇄할 수 있으며, 이를 통해 광 분포의 균일도를 향상시킬 수 있다.
도 27은 직하형 백라이트 유닛의 또 다른 실시예를 나타낸다.
도 27을 참조하면, 백라이트 유닛(1400)은 회로기판(1401) 상에 광원(1405)이 실장되며, 그 상부에 배치된 하나 이상의 광학 시트(1406)를 구비한다. 광원(1405)은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 발광소자 패키지(100, 200, 300, 400)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 채용된 회로기판(1401)은 메인 영역에 해당되는 제1 평면부(1401a)와 그 주위에 배치되어 적어도 일부가 꺾인 경사부(1401b)와, 경사부(1401b)의 외측인 회로 기판(1401)의 모서리에 배치된 제2 평면부(1401c)를 가질 수 있다. 제1 평면부(1401a) 상에는 제1 간격(d1)에 따라 광원(1405)이 배열되며, 경사부(1401b) 상에도 제2 간격(d2)으로 하나 이상의 광원(1405)이 배열될 수 있다. 제1 간격(d1)은 제2 간격(d2)과 동일할 수 있다. 경사부(1401b)의 폭(또는 단면에서는 길이)는 제1 평면부(1401a)의 폭보다 작으며 제2 평면부(1401c)의 폭에 비해서는 길게 형성될 수 있다. 또한, 제2 평면부(1401c)에도 필요에 따라 적어도 하나의 광원(1405)이 배열될 수 있다.
경사부(1401b)의 기울기는 제1 평면부(1401a)를 기준으로 0°보다는 크며 90°보다는 작은 범위 안에서 적절하게 조절할 수 있다. 회로기판(1401)은 이러한 구조를 취함으로써 광학 시트(1406)의 가장자리 부근에서도 균일한 밝기를 유지할 수 있다.
도 28 내지 도 30의 백라이트 유닛들(1500, 1600, 1700)은 파장변환부(1550, 1650, 1750)가 광원(1505, 1605, 1705)에 배치되지 않고, 광원(1505, 1605, 1705)의 외부에서 백라이트 유닛들(1500, 1600, 1700) 내에 배치되어 빛을 변환시킬 수 있다.
도 28을 참조하면, 백라이트 유닛(1500)은 직하형 백라이트 유닛으로, 파장변환부(1550), 파장변환부(1550)의 하부에 배열된 광원모듈(1510) 및 광원모듈(1510)을 수용하는 바텀케이스(1560)를 포함할 수 있다. 또한, 광원모듈(1510)은 인쇄회로기판(1501) 및 인쇄회로기판(1501) 상면에 실장된 복수의 광원(1505)을 포함할 수 있다.
본 실시예의 백라이트 유닛(1500)에서는, 바텀케이스(1560) 상부에 파장변환부(1550)가 배치될 수 있다. 따라서, 광원모듈(1510)로부터 방출되는 빛의 적어도 일부가 파장변환부(1550)에 의해 파장 변환될 수 있다. 파장변환부(1550)는 별도의 필름으로 제조되어 적용될 수 있으나, 도시되지 않은 광 확산판과 일체로 결합된 형태로 제공될 수 있다. 파장변환부(1550)가 별도의 필름으로 제조되어 적용되는 경우, 파장변환부(1550)는 도 1 내지 도 12를 참조하여 설명한 바와 같은 파장 변환 필름(120, 220, 320, 420)을 포함할 수 있다.
도 29 및 도 30 참조하면, 백라이트 유닛(1600, 1700)은 에지형 백라이트 유닛으로, 파장변환부(1650, 1750), 도광판(1640, 1740), 도광판(1640, 1740)의 일 측에 배치되는 반사부(1620, 1720) 및 광원(1605, 1705)을 포함할 수 있다.
광원(1605, 1705)에서 방출되는 빛은 반사부(1620, 1720)에 의해 도광판(1640, 1740)의 내부로 안내될 수 있다. 도 29의 백라이트 유닛(1600)에서, 파장변환부(1650)는 도광판(1640)과 광원(1605)의 사이에 배치될 수 있다. 도 30의 백라이트 유닛(1700)에서, 파장변환부(1750)는 도광판(1740)의 광 방출면 상에 배치될 수 있다.
도 28 내지 도 30에서의 파장변환부(1550, 1650, 1750)에는 통상적인 형광체가 포함될 수 있다. 특히, 광원으로부터의 열 또는 수분에 취약한 양자점의 특성을 보완하기 위하여 양자점 형광체를 사용하는 경우, 도 28 내지 도 30에 개시된 파장변환부(1550, 1650, 1750) 구조를 백라이트 유닛(1500, 1600, 1700)에 활용할 수 있다.
도 31은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 디스플레이 장치의 개략적인 분해사시도이다.
도 31을 참조하면, 디스플레이 장치(2000)는, 백라이트 유닛(2100), 광학시트(2200) 및 액정 패널과 같은 화상 표시 패널(2300)을 포함할 수 있다.
백라이트 유닛(2100)은 바텀케이스(2110), 반사판(2120), 도광판(2140) 및 도광판(2140)의 적어도 일 측면에 제공되는 광원모듈(2130)을 포함할 수 있다. 광원모듈(2130)은 인쇄회로기판(2131) 및 광원(2132)을 포함할 수 있다. 특히, 광원(2105)은 도 1 내지 도 12 등을 참조하여 설명한 발광소자 패키지(100, 200, 300, 400)를 포함할 수 있다.
광학시트(2200)는 도광판(2140)과 화상 표시 패널(2300)의 사이에 배치될 수 있으며, 확산시트, 프리즘시트 또는 보호시트와 같은 여러 종류의 시트를 포함할 수 있다.
화상 표시 패널(2300)은 광학시트(2200)를 출사한 빛을 이용하여 영상을 표시할 수 있다. 화상 표시 패널(2300)은 어레이 기판(2320), 액정층(2330) 및 컬러 필터 기판(2340)을 포함할 수 있다. 어레이 기판(2320)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(2340)은 투명기판, 컬러 필터 및 공통 전극을 포함할 수 있다. 상기 컬러 필터는 백라이트 유닛(2100)으로부터 방출되는 백색광 중 특정 파장의 빛을 선택적으로 통과시키기 위한 필터들을 포함할 수 있다. 액정층(2330)은 상기 화소 전극 및 상기 공통 전극 사이에 형성된 전기장에 의해 재배열되어 광투과율을 조절할 수 있다. 광투과율이 조절된 빛은 컬러 필터 기판(2340)의 컬러 필터를 통과함으로써 영상을 표시할 수 있다. 화상 표시 패널(2300)은 영상 신호를 처리하는 구동회로 유닛 등을 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 디스플레이 장치(2000)에 따르면, 상대적으로 작은 반치폭을 가지는 청색광, 녹색광 및 적색광을 방출하는 광원(2132)을 사용하므로, 방출된 빛이 컬러 필터 기판(2340)을 통과한 후 높은 색순도의 청색, 녹색 및 적색을 구현할 수 있다.
도 32 내지 도 35는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 조명 장치를 나타낸 도이다.
우선 도 32를 참조하면, 평판 조명 장치(4000)는 광원모듈(4010), 전원공급장치(4020) 및 하우징(4030)을 포함할 수 있다. 본 발명의 예시적 실시예에 따라, 광원모듈(4010)은 발광소자 어레이를 광원으로 포함할 수 있고, 전원공급장치(4020)는 발광소자 구동부를 포함할 수 있다.
광원모듈(4010)은 발광소자 어레이를 포함할 수 있고, 전체적으로 평면 현상을 이루도록 형성될 수 있다. 본 발명의 예시적 실시예에 따라, 발광소자 어레이는 발광소자 및 발광소자의 구동정보를 저장하는 컨트롤러를 포함할 수 있다. 발광소자 어레이는 서로 직렬 또는 병렬로 연결되는 복수의 발광소자 패키지를 포함할 수 있으며, 일 실시예에서 도 1 내지 도 12 등을 참조하여 설명한 발광소자 패키지(100, 200, 300, 400)가 채용될 수 있다.
전원공급장치(4020)는 광원모듈(4010)에 전원을 공급하도록 구성될 수 있다. 하우징(4030)은 광원모듈(4010) 및 전원공급장치(4020)가 내부에 수용되도록 수용 공간이 형성될 수 있고, 일측면에 개방된 육면체 형상으로 형성되나 이에 한정되는 것은 아니다. 광원모듈(4010)은 하우징(4030)의 개방된 일측면으로 빛을 발광하도록 배치될 수 있다.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치로서 바(bar) 타입의 램프를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
구체적으로, 조명 장치(4100)는 방열 부재(4110), 커버(4120), 광원 모듈(4130), 제1 소켓(4140) 및 제2 소켓(4150)을 포함한다. 방열 부재(4110)의 내부 또는/및 외부 표면에 다수개의 방열 핀(4111, 4112)이 요철 형태로 형성될 수 있으며, 방열 핀(4111, 4112)은 다양한 형상 및 간격을 갖도록 설계될 수 있다. 방열 부재(4110)의 내측에는 돌출 형태의 지지대(4113)가 형성되어 있다. 지지대(4113)에는 광원 모듈(4130)이 고정될 수 있다. 방열 부재(4110)의 양 끝단에는 걸림 턱(4114)이 형성될 수 있다.
커버(4120)에는 걸림 홈(4121)이 형성되어 있으며, 걸림 홈(4121)에는 방열 부재(4110)의 걸림 턱(4114)이 후크 결합 구조로 결합될 수 있다. 걸림 홈(4121)과 걸림 턱(4114)이 형성되는 위치는 서로 바뀔 수도 있다.
광원 모듈(4130)은 발광소자 어레이를 포함할 수 있다. 광원 모듈(4130)은 인쇄회로기판(4131), 광원(4132) 및 컨트롤러(4133)를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 컨트롤러(4133)는 광원(4132)의 구동 정보를 저장할 수 있다. 인쇄회로기판(4131)에는 광원(4132)을 동작시키기 위한 회로 배선들이 형성되어 있다. 또한, 광원(4132)을 동작시키기 위한 구성 요소들이 포함될 수도 있다.
제1, 2 소켓(4140, 4150)은 한 쌍의 소켓으로서 방열 부재(4110) 및 커버(4120)로 구성된 원통형 커버 유닛의 양단에 결합되는 구조를 갖는다. 예를 들어, 제1 소켓(4140)은 전극 단자(4141) 및 전원 장치(4142)를 포함할 수 있고, 제2 소켓(4150)에는 더미 단자(4151)가 배치될 수 있다. 또한, 제1 소켓(4140) 또는 제2 소켓(4150) 중의 어느 하나의 소켓에 광센서 및/또는 통신 모듈이 내장될 수 있다. 예를 들어, 더미 단자(4151)가 배치된 제2 소켓(4150)에 광센서 및/또는 통신 모듈이 내장될 수 있다. 다른 예로서, 전극 단자(4141)가 배치된 제1 소켓(4140)에 광센서 및/또는 통신 모듈이 내장될 수도 있다.
도 34는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치로서 벌브형 램프를 간략하게 나타내는 분해 사시도이다.
구체적으로, 조명 장치(4200)는 소켓(4210), 전원부(4220), 방열부(4230), 광원모듈(4240) 및 광학부(4250)를 포함할 수 있다. 본 발명의 예시적 실시예에 따라, 광원모듈(4240)은 발광소자 어레이를 포함할 수 있고, 전원부(4220)는 발광소자 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 광원모듈(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, 광원모듈(4240)이 방출하는 빛을 고르게 분산시키도록 구성될 수 있다.
광원모듈(4240)은 전원부(4220)로부터 전력을 공급받아 광학부(4250)로 빛을 방출할 수 있다. 광원모듈(4240)은 하나 이상의 발광소자(4241), 회로기판(4242) 및 컨트롤러(4243)를 포함할 수 있고, 컨트롤러(4243)는 발광소자(4241)들의 구동 정보를 저장할 수 있다.
도 35는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치로서 통신 모듈을 포함하는 램프를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 조명 장치(4300)는, 도 34에 도시한 실시예에 따른 조명 장치(4200)와 달리 광원 모듈(4240)의 상부에 반사판(4310)이 포함되어 있으며, 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 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.
반사판(4310)과 통신 모듈(4320)은 커버부(4330)에 의해 커버될 수 있다.
도 36 내지 도 38은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 네트워크 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.
우선, 도 36은 실내용 조명 제어 네트워크 시스템을 설명하기 위한 개략도이다. 본 실시예에 따른 네트워크 시스템(5000)은 LED 등의 발광소자를 이용하는 조명 기술과 사물인터넷(IoT) 기술, 무선 통신 기술 등이 융합된 복합적인 스마트 조명-네트워크 시스템일 수 있다. 네트워크 시스템(5000)은, 다양한 조명 장치 및 유무선 통신 장치를 이용하여 구현될 수 있으며, 센서, 컨트롤러, 통신수단, 네트워크 제어 및 유지 관리 등을 위한 소프트웨어 등에 의해 구현될 수 있다.
네트워크 시스템(5000)은 가정이나 사무실 같이 건물 내에 정의되는 폐쇄적인 공간은 물론, 공원, 거리 등과 같이 개방된 공간 등에도 적용될 수 있다. 네트워크 시스템(5000)은, 다양한 정보를 수집/가공하여 사용자에게 제공할 수 있도록, 사물인터넷 환경에 기초하여 구현될 수 있다. 이때, 네트워크 시스템(5000)에 포함되는 LED 램프(5200)는, 주변 환경에 대한 정보를 게이트웨이(5100)로부터 수신하여 LED 램프(5200) 자체의 조명을 제어하는 것은 물론, LED 램프(5200)의 가시광 통신 등의 기능에 기초하여 사물인터넷 환경에 포함되는 다른 장치들(5300~5800)의 동작 상태 확인 및 제어 등과 같은 역할을 수행할 수도 있다.
도 36을 참조하면, 네트워크 시스템(5000)은, 서로 다른 통신 프로토콜에 따라 송수신되는 데이터를 처리하기 위한 게이트웨이(5100), 게이트웨이(5100)와 통신 가능하도록 연결되며 LED 발광소자를 포함하는 LED 램프(5200), 및 다양한 무선 통신 방식에 따라 게이트웨이(5100)와 통신 가능하도록 연결되는 복수의 장치(5300~5800)를 포함할 수 있다. 사물인터넷 환경에 기초하여 네트워크 시스템(5000)을 구현하기 위해, LED 램프(5200)를 비롯한 각 장치(5300~5800)들은 적어도 하나의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 일 실시예로, LED 램프(5200)는 WiFi, 지그비(Zigbee), LiFi 등의 무선 통신 프로토콜에 의해 게이트웨이(5100)와 통신 가능하도록 연결될 수 있으며, 이를 위해 적어도 하나의 램프용 통신 모듈(5210)을 가질 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 네트워크 시스템(5000)은 가정이나 사무실 같이 폐쇄적인 공간은 물론 거리나 공원 같은 개방적인 공간에도 적용될 수 있다. 네트워크 시스템(5000)이 가정에 적용되는 경우, 네트워크 시스템(5000)에 포함되며 사물인터넷 기술에 기초하여 게이트웨이(5100)와 통신 가능하도록 연결되는 복수의 장치(5300~5800)는 가전 제품(5300), 디지털 도어록(5400), 차고 도어록(5500), 벽 등에 설치되는 조명용 스위치(5600), 무선 통신망 중계를 위한 라우터(5700) 및 스마트폰, 태블릿, 랩톱 컴퓨터 등의 모바일 기기(5800) 등을 포함할 수 있다.
네트워크 시스템(5000)에서, LED 램프(5200)는 가정 내에 설치된 무선 통신 네트워크(Zigbee, WiFi, LiFi 등)를 이용하여 다양한 장치(5300~5800)의 동작 상태를 확인하거나, 주위 환경/상황에 따라 LED 램프(5200) 자체의 조도를 자동으로 조절할 수 있다. 또한 LED 램프(5200)에서 방출되는 가시광선을 이용한 LiFi 통신을 이용하여 네트워크 시스템(5000)에 포함되는 장치들(5300~5800)을 컨트롤 할 수도 있다.
우선, LED 램프(5200)는 램프용 통신 모듈(5210)을 통해 게이트웨이(5100)로부터 전달되는 주변 환경, 또는 LED 램프(5200)에 장착된 센서로부터 수집되는 주변 환경 정보에 기초하여 LED 램프(5200)의 조도를 자동으로 조절할 수 있다. 예를 들면, 텔레비젼(5310)에서 방송되고 있는 프로그램의 종류 또는 화면의 밝기에 따라 LED 램프(5200)의 조명 밝기가 자동으로 조절될 수 있다. 이를 위해, LED 램프(5200)는 게이트웨이(5100)와 연결된 램프용 통신 모듈(5210)로부터 텔레비전(5310)의 동작 정보를 수신할 수 있다. 램프용 통신 모듈(5210)은 LED 램프(5200)에 포함되는 센서 및/또는 컨트롤러와 일체형으로 모듈화될 수 있다.
예를 들어, TV프로그램에서 방영되는 프로그램 값이 휴먼드라마일 경우, 미리 셋팅된 설정 값에 따라 조명도 거기에 맞게 12000K 이하의 색 온도, 예를 들면 5000K로 낮아지고 색감이 조절되어 아늑한 분위기를 연출할 수 있다. 반대로 프로그램 값이 개그프로그램인 경우, 조명도 셋팅 값에 따라 색 온도가 5000K 이상으로 높아지고 푸른색 계열의 백색조명으로 조절되도록 네트워크 시스템(5000)이 구성될 수 있다.
또한, 가정 내에 사람이 없는 상태에서 디지털 도어록(5400)이 잠긴 후 일정 시간이 경과하면, 턴-온된 LED 램프(5200)를 모두 턴-오프시켜 전기 낭비를 방지할 수 있다. 또는, 모바일 기기(5800) 등을 통해 보안 모드가 설정된 경우, 가정 내에 사람이 없는 상태에서 디지털 도어록(5400)이 잠기면, LED 램프(5200)를 턴-온 상태로 유지시킬 수도 있다.
LED 램프(5200)의 동작은, 네트워크 시스템(5000)과 연결되는 다양한 센서를 통해 수집되는 주변 환경에 따라서 제어될 수도 있다. 예를 들어 네트워크 시스템(5000)이 건물 내에 구현되는 경우, 빌딩 내에서 조명과 위치센서와 통신모듈을 결합, 건물 내 사람들의 위치정보를 수집하여 조명을 턴-온 또는 턴-오프하거나 수집한 정보를 실시간으로 제공하여 시설관리나 유휴공간의 효율적 활용을 가능케 한다. 일반적으로 LED 램프(5200)와 같은 조명 장치는, 건물 내 각 층의 거의 모든 공간에 배치되므로, LED 램프(5200)와 일체로 제공되는 센서를 통해 건물 내의 각종 정보를 수집하고 이를 시설관리, 유휴공간의 활용 등에 이용할 수 있다.
한편, LED 램프(5200)와 이미지센서, 저장장치, 램프용 통신 모듈(5210) 등을 결합함으로써, 건물 보안을 유지하거나 긴급상황을 감지하고 대응할 수 있는 장치로 활용할 수 있다. 예를 들어 LED 램프(5200)에 연기 또는 온도 감지 센서 등이 부착된 경우, 화재 발생 여부 등을 신속하게 감지함으로써 피해를 최소화할 수 있다. 또한 외부의 날씨나 일조량 등을 고려하여 조명의 밝기를 조절, 에너지를 절약하고 쾌적한 조명환경을 제공할 수도 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 네트워크 시스템(5000)은 가정, 오피스 또는 건물 등과 같이 폐쇄적인 공간은 물론, 거리나 공원 등의 개방적인 공간에도 적용될 수 있다. 물리적 한계가 없는 개방적인 공간에 네트워크 시스템(5000)을 적용하고자 하는 경우, 무선 통신의 거리 한계 및 각종 장애물에 따른 통신 간섭 등에 따라 네트워크 시스템(5000)을 구현하기가 상대적으로 어려울 수 있다. 각 조명 기구에 센서와 통신 모듈 등을 장착하고, 각 조명 기구를 정보 수집 수단 및 통신 중개 수단으로 사용함으로써, 상기와 같은 개방적인 환경에서 네트워크 시스템(5000)을 좀 더 효율적으로 구현할 수 있다. 이하, 도 37을 참조하여 설명한다.
도 37은 개방적인 공간에 적용된 네트워크 시스템(6000)의 일 실시예를 나타낸다. 도 37을 참조하면, 본 실시예에 따른 네트워크 시스템(6000)은 통신 연결 장치(6100), 소정의 간격마다 설치되어 통신 연결 장치(6100)와 통신 가능하도록 연결되는 복수의 조명 기구(6200, 6300), 서버(6400), 서버(6400)를 관리하기 위한 컴퓨터(6500), 통신 기지국(6600), 통신 가능한 상기 장비들을 연결하는 통신망(6700), 및 모바일 기기(6800) 등을 포함할 수 있다.
거리 또는 공원 등의 개방적인 외부 공간에 설치되는 복수의 조명 기구(6200, 6300) 각각은 스마트 엔진(6210, 6310)을 포함할 수 있다. 스마트 엔진(6210, 6310)은 빛을 내기 위한 발광소자, 발광소자를 구동하기 위한 구동 드라이버 외에 주변 환경의 정보를 수집하는 센서, 및 통신 모듈 등을 포함할 수 있다. 상기 통신 모듈에 의해 스마트 엔진(6210, 6310)은 WiFi, Zigbee, LiFi 등의 통신 프로토콜에 따라 주변의 다른 장비들과 통신할 수 있다.
일례로, 하나의 스마트 엔진(6210)은 다른 스마트 엔진(6310)과 통신 가능하도록 연결될 수 있다. 이때, 스마트 엔진(6210, 6310) 상호 간의 통신에는 WiFi 확장 기술(WiFi Mesh)이 적용될 수 있다. 적어도 하나의 스마트 엔진(6210)은 통신망(6700)에 연결되는 통신 연결 장치(6100)와 유/무선 통신에 의해 연결될 수 있다. 통신의 효율을 높이기 위해, 몇 개의 스마트 엔진(6210, 6310)을 하나의 그룹으로 묶어 하나의 통신 연결 장치(6100)와 연결할 수 있다.
통신 연결 장치(6100)는 유/무선 통신이 가능한 액세스 포인트(access point, AP)로서, 통신망(6700)과 다른 장비 사이의 통신을 중개할 수 있다. 통신 연결 장치(6100)는 유/무선 방식 중 적어도 하나에 의해 통신망(6700)과 연결될 수 있으며, 일례로 조명 기구(6200, 6300) 중 어느 하나의 내부에 기구적으로 수납될 수 있다.
통신 연결 장치(6100)는 WiFi 등의 통신 프로토콜을 통해 모바일 기기(6800)와 연결될 수 있다. 모바일 기기(6800)의 사용자는 인접한 주변의 조명 기구(6200)의 스마트 엔진(6210)과 연결된 통신 연결 장치(6100)를 통해, 복수의 스마트 엔진(6210, 6310)이 수집한 주변 환경 정보를 수신할 수 있다. 상기 주변 환경 정보는 주변 교통 정보, 날씨 정보 등을 포함할 수 있다. 모바일 기기(6800)는 통신 기지국(6600)을 통해 3G 또는 4G 등의 무선 셀룰러 통신 방식으로 통신망(6700)에 연결될 수도 있다.
한편, 통신망(6700)에 연결되는 서버(6400)는, 각 조명 기구(6200, 6300)에 장착된 스마트 엔진(6210, 6310)이 수집하는 정보를 수신함과 동시에, 각 조명 기구(6200, 6300)의 동작 상태 등을 모니터링할 수 있다. 각 조명 기구(6200, 6300)의 동작 상태의 모니터링 결과에 기초하여 각 조명 기구(6200, 6300)를 관리하기 위해, 서버(6400)는 관리 시스템을 제공하는 컴퓨터(6500)와 연결될 수 있다. 컴퓨터(6500)는 각 조명 기구(6200, 6300), 특히 스마트 엔진(6210, 6310)의 동작 상태를 모니터링하고 관리할 수 있는 소프트웨어 등을 실행할 수 있다.
스마트 엔진(6210, 6310)이 수집한 정보를 사용자의 모바일 기기(6800)로 전달하기 위해 다양한 통신 방식이 적용될 수 있다. 도 37을 참조하면, 스마트 엔진(6210, 6310)과 연결된 통신 연결 장치(6100)를 통해, 스마트 엔진(6210, 6310)이 수집한 정보가 모바일 기기(6800)로 전송되거나, 또는 스마트 엔진(6210, 6310)과 모바일 기기(6800)가 직접 통신 가능하도록 연결될 수 있다. 스마트 엔진(6210, 6310)과 모바일 기기(6800)는 가시광 무선통신(LiFi)에 의해 서로 직접 통신할 수 있다. 이하, 도 38을 참조하여 설명한다.
도 38은 가시광 무선통신에 의한 조명 기구(6200)의 스마트 엔진(6210)과 모바일 기기(6800)의 통신 동작을 설명하기 위한 블록도이다. 도 38을 참조하면, 스마트 엔진(6210)은 신호 처리부(6211), 제어부(6212), LED 드라이버(6213), 광원부(6214), 센서(6215) 등을 포함할 수 있다. 스마트 엔진(6210)과 가시광 무선통신에 의해 연결되는 모바일 기기(6800)는, 제어부(6801), 수광부(6802), 신호처리부(6803), 메모리(6804), 입출력부(6805) 등을 포함할 수 있다.
가시광 무선통신(LiFi) 기술은 인간이 눈으로 인지할 수 있는 가시광 파장 대역의 빛을 이용하여 무선으로 정보를 전달하는 무선통신 기술이다. 이러한 가시광 무선통신 기술은 가시광 파장 대역의 빛, 즉 상기 실시예에서 설명한 발광 패키지로부터의 특정 가시광 주파수를 이용한다는 측면에서 기존의 유선 광통신기술 및 적외선 무선통신과 구별되며, 통신 환경이 무선이라는 측면에서 유선 광통신 기술과 구별된다. 또한, 가시광 무선통신 기술은 RF 무선통신과 달리 주파수 이용 측면에서 규제 또는 허가를 받지 않고 자유롭게 이용할 수 있다는 편리성과 물리적 보안성이 우수하고 통신 링크를 사용자가 눈으로 확인할 수 있다는 차별성을 가지고 있으며, 무엇보다도 광원의 고유 목적과 통신기능을 동시에 얻을 수 있다는 융합 기술로서의 특징을 가지고 있다.
도 38을 참조하면, 스마트 엔진(6210)의 신호 처리부(6211)는, 가시광 무선통신에 의해 송수신하고자 하는 데이터를 처리할 수 있다. 일 실시예로, 신호 처리부(6211)는 센서(6215)에 의해 수집된 정보를 데이터로 가공하여 제어부(6212)에 전송할 수 있다. 제어부(6212)는 신호 처리부(6211)와 LED 드라이버(6213) 등의 동작을 제어할 수 있으며, 특히 신호 처리부(6211)가 전송하는 데이터에 기초하여 LED 드라이버(6213)의 동작을 제어할 수 있다. LED 드라이버(6213)는 제어부(6212)가 전달하는 제어 신호에 따라 광원부(6214)를 발광시킴으로써, 데이터를 모바일 기기(6800)로 전달할 수 있다.
모바일 기기(6800)는 제어부(6801), 데이터를 저장하는 메모리(6804), 디스플레이와 터치스크린, 오디오 출력부 등을 포함하는 입출력부(6805), 신호 처리부(6803) 외에 데이터가 포함된 가시광을 인식하기 위한 수광부(6802)를 포함할 수 있다. 수광부(6802)는 가시광을 감지하여 이를 전기 신호로 변환할 수 있으며, 신호 처리부(6803)는 수광부에 의해 변환된 전기 신호에 포함된 데이터를 디코딩할 수 있다. 제어부(6801)는 신호 처리부(6803)가 디코딩한 데이터를 메모리(6804)에 저장하거나 입출력부(6805) 등을 통해 사용자가 인식할 수 있도록 출력할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 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.
100, 200, 300: 발광소자 패키지
110, 210, 310: 발광소자
120, 220, 320: 파장 변환 필름

Claims (20)

  1. 기판과, 상기 기판 상에 적층되는 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층을 갖는 발광 구조물을 포함하는 발광소자; 및
    상기 발광소자가 방출하는 빛의 진행 경로에 배치되며, 서로 적층되는 복수의 형광체층을 갖는 파장 변환 필름; 을 포함하고,
    상기 복수의 형광체층 중 적어도 일부의 형광체층 각각은, 상기 발광소자가 방출하는 빛을 받아들여 파장을 바꾸는 파장 변환 물질과, 상기 파장 변환 물질을 결속하는 바인딩용 수지를 갖는 복수의 형광 구조체, 및 상기 복수의 형광 구조체 사이의 공간을 채우는 투명 수지를 포함하는 발광소자 패키지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 형광 구조체 각각은 기둥 형상을 가지며, 상기 적어도 일부의 형광체층 내에서 일정한 방향을 따라 배열되며,
    상기 복수의 형광 구조체는 상기 적어도 일부의 형광체층 각각에서 소정의 간격으로 서로 분리되어 배치되는 발광소자 패키지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 형광 구조체 각각은 반복적으로 배열되는 다각형 형상을 갖는 발광소자 패키지.
  4. 제1항에 있어서
    상기 복수의 형광 구조체는 각각 파이버 형상을 가지며, 상기 적어도 일부의 형광체층 각각에서 랜덤한 방향으로 배열되는 발광소자 패키지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 일부의 형광체층은, 복수의 제1 형광 구조체를 가지며 상기 발광소자 상에 배치되는 제1 형광체층, 및 복수의 제2 형광 구조체를 가지며 상기 제1 형광체층 상에 배치되는 제2 형광체층을 포함하는 발광소자 패키지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 제1 형광 구조체는 제1 방향을 따라 연장되는 기둥 형상을 가지며, 상기 복수의 제2 형광 구조체는 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 연장되는 기둥 형상을 갖는 발광소자 패키지.
  7. 파장 변환 물질 및 상기 파장 변환 물질을 결속하는 바인딩용 수지를 갖는 복수의 형광 구조체; 및
    상기 복수의 형광 구조체 사이의 공간을 채우는 투명 수지; 를 포함하고,
    상기 복수의 형광 구조체 중 적어도 일부는 서로 적층되어 복수의 형광체층을 제공하며,
    상기 복수의 형광 구조체는, 제1 형광체층에 포함되고 서로 공간을 갖는 복수의 제1 형광 구조체 및 상기 제1 형광체층 상에 배치되는 제2 형광체층에 포함되고 서로 공간을 갖는 복수의 제2 형광 구조체를 포함하고, 상기 복수의 제1 형광 구조체와 상기 복수의 제2 형광 구조체는 서로 다른 파장 변환 물질을 포함하는 파장 변환 필름.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 제1 형광 구조체에 포함되는 파장 변환 물질은, 상기 복수의 제2 형광 구조체에 포함되는 파장 변환 물질보다 더 긴 파장의 빛을 방출하는 파장 변환 필름.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 제1 형광 구조체는 상기 제1 형광체층 내에서 제1 방향으로 연장되고, 상기 복수의 제2 형광 구조체는 상기 제2 형광체층 내에서 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되는 파장 변환 필름.
  10. 3차원 프린팅을 이용하여 파장 변환 물질과 상기 파장 변환 물질을 결속하는 바인딩용 수지를 갖는 복수의 형광 구조체, 및 상기 복수의 형광 구조체 사이의 공간을 채우는 투명 수지를 포함하는 복수의 형광체층을 형성하는 단계; 및
    상기 복수의 형광체층을 적층하는 단계; 를 포함하고,
    상기 복수의 형광체층을 형성하는 단계는,
    상기 복수의 형광 구조체를 형성하기 위한 데이터에 기초하여 상기 파장 변환 물질을 함유하는 상기 바인딩용 수지를 소정의 형상으로 사출하는 단계;
    상기 바인딩용 수지를 경화시켜 상기 복수의 형광 구조체를 형성하는 단계; 및
    상기 복수의 형광 구조체 사이의 공간에 투명 수지를 채우고 경화시키는 단계; 를 포함하는 파장 변환 필름의 제조 방법.
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