KR20050031015A - 백색 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 백색 발광소자에 관한 것으로서, 특히 광 효율을 증대시킬 수 있는 새로운 구조의 백색 발광소자에 관한 것이다.

본 발명에 따른 백색 발광소자는 n형층, 활성층 그리고 p형층으로 이루어진 고체발광소자와, 상기 고체발광소자 상의 소정 부분에 형성된 형광체층을 구비하여 이루어지며, 상기 고체발광소자를 구동하는 회로와 상기 형광체층을 구동하는 회로가 각각 형성된 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에 따른 백색 발광소자는 기존의 고체 발광소자에 형광체층을 형성하고 각각 구동시키는 새로운 구조로, 형광체에 의한 색변환 방법에 비해 광효율이 향상된 백색 발광소자를 얻을 수 있는 이점이 있다.

Description

백색 발광소자{White Light Emitting Devices}

본 발명은 백색 발광소자에 관한 것으로서, 특히 광 효율을 증대시킬 수 있는 새로운 구조의 백색 발광소자에 관한 것이다.

일반적으로 백색 발광소자를 구현하는 방식에는 다음의 방법이 있다.

빛의 삼원색인 청색, 녹색 및 적색의 광을 적절하게 혼합시켜서 구현하는 방법과, YAG계 형광체와 청색광 칩을 이용하는 방법과, 형광체와 자외선 칩을 이용하는 방법과, 발광칩의 적층을 3원색이 발생하도록 형성하는 방법 등으로 나눌 수 있다.

종래의 백색 발광소자로 널리 사용되고 있는 것은 형광체를 이용한 색 변환방식의 발광소자와 적색, 청색 및 녹색의 빛의 삼원색을 이용한 발광소자들이 주류를 이루고 있다.

발광체의 광원을 이용하여 형광체에서 광을 생성시켜주는 방식은 기존의 발광체에서 나오는 광원과 형광체에서 발생된 광을 혼합시켜서 백색광을 형성시키는 방법이나, 이것은 소자의 효율에 따라 백색광의 효율이 좌우되기도 하며, 형광체의 조성에 따라서도 백색광의 효율이 변하는 등의 단점을 많이 내표하고 있다.

그리고, 빛의 삼원색을 이용하여 백색을 구현하는 발광소자의 경우는 각 개별소자의 특성에 의하여 전체 소자의 수명 및 특성이 결정되는 단점이 있다. 그래서, 적층 박막구조의 방식으로 백색광을 바로 구성하는 방식등, 여러 가지의 백색 발광소자의 개발을 시도하고 있으나, 그 실제적인 효과를 거두지 못하고 있다.

또 종래에 많이 사용하고 있는 형광체를 수지(Resin)속에 혼합시키거나, 발광소자위에 집중적으로 투입하여 고체 발광소자로부터 나오는 광을 이용하여 형광체의 광을 발생시키고, 이렇게 발생된 광과 고체발광소자 자체에서 나오는 광이 혼합되어서 백색광을 구현하는 방법이 있다.

이렇게 백색광을 발생시키는 방법의 발광소자는 발광효율이 낮아 질 수 있으며, 소자의 수명을 길게 가져가지 못한다는 단점이 있다. 이러한, 단점을 보완하기 위하여 고체 발광소자 자체에서 백색광을 발광하는 소자의 개발을 지속적으로 추진하고 있으나, 그 실효성을 거두지 못하고 있다.

대표적인 예로, 일본의 S사 등은 고체 소자의 적층을 빛의 삼원색을 발광할 수 있는 소자를 만들어 백색광이 구현되도록 시도를 하였으나, 적층이 많아지면, 소자의 결함도 증가되고, 이로 인해 소자의 수명 및 구동전압이 높아지는 등의 단점이 있어 개발의 단계에 머무르고 있다. 또한, 일본의 N사가 대표적인 제조 업체인 형광체를 이용한 색 변환 방식에 백색광발광소자의 경우는 형광체의 비율 및 형광체의 발광원이 되는 청색 발광소자의 특성 및 효율에 따라 변하는 등의 단점을 가지고 있다.

상기 백색 발광소자는 질화물계 반도체 소자인 발광 다이오드 칩에서 방출되는 청색광과, 상기 반도체 소자상에 도포된 이트륨-알루미늄-가넷계 형광체(Yttrium-Aluminum-Garnet Fluorescent Material ; 이하, 'YAG계 형광체'라 칭함)가 상기 청색광의 일부를 흡수하여 여기발광시키는 황색광의 혼합광에 의하여 백색광을 구현한다.

이와 같은 종래 백색 발광소자는 발광 다이오드칩을 박막 패턴이 형성된 인쇄회로기판 또는 리드 단자의 상부 면에 실장한 후, 상기 칩을 인쇄회로기판 또는 리드 단자와 전기적으로 연결하고, 그 상부를 에폭시 수지 등의 몰딩 부재로 밀봉함으로써 형성된다. 이때, YAG계 형광체는 Y과 Al을 포함하여 Ce으로 활성화되고, 청색광을 용이하게 흡수할 수 있도록 Y을 Gd으로 치환하거나 또는 백색 색도를 조절하기 위하여 Al원소를 Ga원소로 치환할 수도 있다.

그러나, 예를 들어 Y₃Al₅O₁₂:Ce와 같은 YAG계 형광체는 황색 물질로서, 보색관계인 청색과 혼합되어 백색을 구현하기 때문에, YAG계 형광체만을 사용해서는 적색광이 부족하게 되고 완벽한 백색의 구현이 어렵게 된다. 또한, Y 원소를 치환하는 Gd은 청색광을 장파장의 적색과으로 쉬프트시키기 때문에 Gd의 양이 증가함에 따라 백색 발광소자의 발광 휘도는 저하된다.

한편 종래의 백색 발광 소자의 제작 공정에 있어서 형광체는 발광 다이오드 칩을 봉지하는 액상 에폭시 내에 코팅되기 때문에 액상 에폭시가 경화되는 일정 시간동안 비중이 높은 형광체가 상대적으로 비중이 낮은 에폭시와의 비중차로 인하여 하부로 가라 앉아 발광 다이오드 칩 주변에 집중되는 문제도 있다.

특히 램프형 발광 소자의 경우, 매우 협소한 면적을 갖는 리드 단자의 반사컵 내부에서 다량의 형광체가 집중되고, 상기 형광체는 대부분 발광 다이오드 칩 주변에 집중되기 때문에 청색광의 투과율이 감소되어 소비자가 요구하는 백색광이 구현되지 않을 뿐만 아니라 소자 자체의 휘도도 매우 불량하다.

또, 형광체가 몰딩부 내에서 균일하게 산재되지 않기 때문에 발광 소자를 보는 각도마다 방출되는 광의 색이 달라지는 한편 개별 발광소자 뿐만 아니라 한번의 공정에서 제작되는 각각의 발광 소자에서 방출되는 색이 분산(scattering)되는 등 흡수 소멸되는 비율이 일정하고, 이를 개선하기 위하여 발광 다이오 칩의 출력을 높이면 과도한 열이 방출되어 형광체가 쉽게 열화되기 때문에 발광 소자의 휘도 뿐만 아니라 신뢰성도 저하된다.

따라서, 본 발명에서는 상기 문제점을 해결하기 위해 기존의 청색발광소자에 형광체를 도포시켜 광효율이 향상된 백색 발광소자를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 백색 발광소자는 n형층, 활성층 그리고 p형층으로 이루어진 고체발광소자와, 상기 고체발광소자 상의 소정 부분에 형성된 형광체층을 구비하여 이루어지며, 상기 고체발광소자를 구동하는 회로와 상기 형광체층을 구동하는 회로가 각각 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 백색 발광소자에 관한 것으로 고체발광소자 상에 형광체를 별도로 도포시킨 형광체층을 형성하고 구동도 별도로 시켜서 백색광을 발광하는 소자에 관한 것이다. 이렇게 하게 되면 종래에 많이 사용하고 있는 형광체를 이용한 색 변환 방식의 백색 발광소자보다 효율이 좋은 백색광의 발광소자를 구현할 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 백색 발광소자의 개략적인 단면도이다.

도 1의 전압인가 다이아그램에 도시한 바와 같이 기판(10) 상에 다층의 질화물 반도체 적층(GaN-bases Epitaxial Growing)을 실시하고, 상기 다층 질화물 반도체 층을 패터닝하여 칩을 형상화한다.

이렇게 형상화 된 상기 칩 상에 형광체층을 형성한 후, 다시 패터닝하고 전극을 형성하여 형광체와 발광소자가 개별적으로 동작되도록 구성한다.

상기의 백색 발광소자를 제조하기 위한 상세한 실시 예는 도 2에 도시한 바와 같이 사파이어 기판(10) 상에 기상증착방법(metal-organic chemical vapor deposition ; MOCVD)을 사용하여 질화물 반도체를 이용한 N-에피층(12), 활성층(14), P-에피층(16)을 순차적으로 형성한다.

상기에서 기판(10)과 질화물 반도체 층간의 격자 상수 차이 및 열팽창계수 차이가 상당히 크기 때문에 생겨나는 격자결함을 줄이기 위해 GaN, AlGaN, AlInGaN 또는 InGaN 등의 물질을 이용하여 단층 혹은 다층의 버퍼층(11)을 추가하기도 한다.

상기와 같이 성장시킨 에피 웨이퍼를 칩 제조 공정을 통해서 칩 패턴을 형성하고, 그 위에 p형 전극(18) 및 N형 전극(19)을 형성한다.

그리고, 0.05 ∼ 10 ㎛의 두께의 제 1 투명전극(21) 박막을 형성한 후, 상기 제 1 투명전극(21) 박막 상의 소정 부분에 제 1 유전체층(22)을 형성한다. 상기에서 유전체층(22)은 SiO₂, Y₂O₃, MgO, ZnO, InGaO, InZnO 또는 V₂ O₃ 등의 산소화합물 또는 황이나 질소를 하나 이상 포함하는 화합물을 사용하며, 고체 발광소자에서 나오는 빛이 잘 투과될 수 있는 0.001 ∼ 1 ㎛의 범위의 두께로 조절하여 형성한다.

그리고, 상기 제 1 유전체층(22) 상에 0.01 ∼ 100 ㎛의 두께로 도판트가 주입된 형광체층(24)을 형성하고, 상기 형광체층(24) 상에 다시 상기 제 1 유전체층(22) 형성과 동일한 방법으로 제 2 유전체층(26)을 한다. 상기 형광체층(24)은 YAG계 및 non-YAG계 형광체 등을 사용할 수 있고 1개 이상의 도판트를 코도핑(co-doping)하여 형성하며, 상기 형광체층(24)의 상,하면에 형성된 제 1 및 제 2 유전체(24)(26) 또는 절연체는 형광체로 유입되어 손실되는 전하의 양을 제어하기 위해 형성한다.

그런 다음, 상기 제 2 유전체층(26) 상에 제 2 투명전극(27) 박막을 도포하여 상기 n-에피층(12)과 상기 p-에피층(16)을 연결하는 회로와, 상기 형광체층(24)을 구동하는 회로를 각각 형성한다.

즉, 상기와 같이 형성된 백색 발광소자는 각각 개별 구동하는 방식으로, 형광체층에 0.01 ∼ 500 V의 바이어스를 인가하고 고체발광소자에도 적당한 바이어스를 인가하면 발광소자에서 발생하는 광이 형광체의 여기자를 자극하여 여기자는 흡수된 광의 에너지를 가지고 허용된 에너지 밴드로 여기되었다가 안정된 상태로 회기하면서 발생하는 광과 서로 혼합되어 백색광의 효과를 내게 된다. 이것은 종래의 방식과 다른 방식의 백색광 구현방식이라고 할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 백색 발광소자는 기존의 고체 발광소자에 형광체층을 형성하고 별도 구동시키는 새로운 구조로, 형광체에 의한 색변환 방법에 비해 광효율이 향상된 백색 발광소자를 얻을 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 백색 발광소자의 개략적인 전압인가 다이아그램.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 백색 발광소자의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도.

<도면의 주요기호에 대한 상세한 설명>

10 : 기판 12 : n형층

14 : 활성층16 : p형층

18 : p-전극19 : n-전극

21 : 제 1 투명전극층22 : 제 1 유전체층

24 : 형광체층26 : 제 2 유전체층

27 : 제 2 투명전극층

Claims (14)

1. n형층, 활성층 그리고 p형층으로 이루어진 고체발광소자와,

   상기 고체발광소자의 일면 상의 소정 부분에 형성된 형광체층을 구비하여 이루어지며,

   상기 고체발광소자를 구동하는 회로와 상기 형광체층을 구동하는 회로가 각각 형성된 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 고체발광소자와 형광체층 사이에 전도성 박막을 추가 형성하는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 전도성 박막은 0.05 ∼ 10 ㎛의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 고체 발광소자의 일면 상에 전도성 박막을 형성하고, 상기 전도성 박막 상에 유전제층 또는 절연층을 형성하는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 유전체층 또는 절연층의 두께가 0.001 ∼ 1 ㎛의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
6. 청구항 4에 있어서,

   상기 유전체층 또는 절연층은 산소, 황 또는 질소를 하나 이상 포함하는 화합물로 구성된 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 형광체층은 두께가 0.01 ∼ 100 ㎛의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 형광층은 YAG계 형광체 또는 non-YAG계 형광체를 사용하는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
9. 청구항 1에 있어서,

   상기 형광층 상에 유전체층 또는 절연체층을 추가 형성하는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
10. 청구항 9에 있어서,

    상기 유전체층 또는 절연층의 두께가 0.001 ∼ 1 ㎛의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
11. 청구항 1에 있어서,

    상기 고체발광소자 및 형광체층을 덮도록 절연박막을 추가 형성하는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
12. 청구항 1에 있어서,

    상기 형광체층의 한쪽 전극과 상기 고체발광소자의 일전극이 전기도금방식 또는 다른 방식에 의해 연결되어, 공통전극 또는 별도전극으로 형성하는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
13. 청구항 1에 있어서,

    상기 형광체층에 0.01 ∼ 500 V의 바이어스를 인가하여 광을 방출하는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
14. 청구항 1에 있어서,

    상기 형광체층에 1개 이상의 도판트를 코도핑하는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.