KR20070016033A - 형광체를 이용한 파장변환형 발광다이오드 패키지 및제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파장변환형 발광장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 형광체를 이용하여 방출되는 광의 일부를 파장변환시킴으로써 백색과 같은 특정색의 광을 생성한 발광장치 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 형광체를 이용한 파장변환형 발광다이오드 패키지는 빛을 발산하는 발광다이오드; 상기 발광다이오드에서 발산되는 빛의 파장을 변환하여 방출하는 형광체층; 상기 형광체층의 퍼짐을 방지하는 코팅부; 및 상기 발광다이오드의 전원을 제공하는 전극부를 포함한다. 본 발명에 따르면 발광다이오드가 컵의 바닥면에 본딩되고, 상기 발광다이오드의 주위에 형광체를 코팅한 물질과 극성이 다른 물질로 코팅하고, 이 안쪽에 형광체를 도포하여 발광다이오드 전체에 균일하게 코팅함으로써 광방출면 전체에 대해 형광체층이 코팅된 발광장치를 제공하여 광파장변환효율을 향상시킨다.

형광체(phosphor), 백색 발광다이오드(white color light emitting diode), 토출(dispensing)

Description

형광체를 이용한 파장변환형 발광다이오드 패키지 및 제조방법{WAVELENGTH - CONVERTED LIGHT EMITTING DIODE PACKAGE USING PHOSPHOR AND MANUFACTURING METHOD}

도 1은 스텐실링 방법에 의해 형광체 코팅구조를 갖는 파장변환형 발광장치의 제조공정을 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 종래 기술에 따른 형광체를 이용한 파장변환형 발광다이오드 패키지를 나타내는 측단면도이다.

도 3은 종래 기술에 따른 형광체층의 형성공정에 사용될 수 있는 스핀코팅의 일예를 나타내는 개략도이다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 형광체 코팅구조를 갖는 파장변환형 발광장치를 나타내는 저면도와 측단면도이다.

도 5는 본 발명에서 해결하고자 하는 문제점을 나타내는 개략도이다.

{도면의 주요부분의 부호에 대한 설명}

100 : 발광다이오드 101 : 코팅부

102 : 형광층 103 : 봉지재

104 : 전극 와이어 105 : 전극부

106 : 컵

본 발명은 파장변환형 발광장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 형광체를 이용하여 방출되는 광의 일부를 파장변환시킴으로써 백색과 같은 특정색의 광을 생성한 발광장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 발광다이오드(Light-Emitting Diode: 이하 LED)는 표시용 광원에서 LED 조명 광원으로 변모하여 차세대 에너지 절약 조명 광원으로 기대되며 앞으로 백열전구나 형광램프 등을 대체할 수 있을 것으로 생각되고 있다. 그래서 세계 각국에서 white LED technology, semiconductor lighting(반도체 조명) 또는 solid state lighting(고체 조명)이라는 분야의 기술혁신이 적극적으로 이루어지고 있다.

백색 LED의 광 방사는 기본적으로 반도체 및 형광체 고유의 성질에 따른 것으로, 열이나 방전광은 아니다. 따라서 LED 조명기구는 일반 백열전구와 달리 손으로 만져도 뜨겁지 않아 안전하고 수명이 길기 때문에 폐기물 발생도 적다. 또 잘 망가지는 유리, 수은, 유기물 등 유해한 물질이 포함되어 있지 않으므로 지구환경에 친화적인 조명용 광원이다. 그러므로 일반 조명에 응용하는 것뿐만 아니라 다양한 분야에서 응용할 수 있어 앞으로 10년간 거대한 시장이 형성되어 나갈 것으로 예상된다.

일반적으로 반도체 발광다이오드는 정해진 파장의 빛만을 방출하는 단색성을 가지고 있다. 따라서, 백색 발광을 얻기 위해서는, 일반적으로 R,G,B를 조합하여 백색광을 구현하거나 형광체(phosphor)를 이용하여 청색 또는 자외선 발광소자의 빛의 일부를 변환시켜 백색광으로 조합하는 방법을 사용한다. 통상적으로, 후자의 방법이 제품의 원가절감 및 소형화 측면에서 유리하여 적극적으로 활용되고 있다.

도 1에 도시된 종래의 백색 발광다이오드는 다수개의 LED가 형성된 웨이퍼의 상면에 형광체층을 형성한 후에 개별 칩 사이즈로 절단하는 방식으로 제조되므로, 상기 형광체층은 백색 발광다이오드의 상면과 측면에 고르게 코팅된다. 그러나 이 공정은 반도체 팹제조 라인이 있어야 제조가 가능하여 일반 중소기업에서는 실현하기 어려우며 특허 플립 구조에 한하여서만 적용할 수 있는 단점이 있다. (미국등록특허6642652)

이와 달리, 도 2와 같이, 발광다이오드의 최종 봉지 공정에서 형광체를 코팅하는 방법이 있다. 이 방법은 현재 가장 널리 쓰이고 있는 형광체를 이용하는 백색 발광다이오드 패키지구조이다.

도 2를 참조하면, 상기 백색 발광다이오드 패키지는 발광다이오드가 장착된 컵형 패키지구조물을 포함한다. 상기 컵형 패키지구조물 내부의 기판에 형성된 전극에 자외선 또는 청색 발광다이오드가 탑재된다. 또한, 상기 발광다이오드는 컵형 패키지구조물에 마련된 전극패턴에 와이어(104)를 통해 발광다이오드의 전극에 연결된다.

상기 발광다이오드(100)가 탑재된 상기 패키지구조물(106) 내부에는 적합한 형광체를 이용하여 형광물질 형광체 몰딩부(102)가 형성된다. 상기 몰딩부(102)를 구성하는 형광체는 예를 들어 YAG(이트륨-알루미늄-가네트계)와 같은 형광물질일 수 있다. 이러한 형광물질은 분말상태에서 경화되지 않은 에폭시수지와 같은 주재에 경화제를 혼합하여 에폭시 슬러리를 제조하고, 상기 에폭시 슬러리를 디스펜싱(dispensing)방법을 이용하여 상기 패키지구조물의 내부에 제공함으로써 형광체 몰딩부를 구성한다. 상기 몰딩부 내에 형광체 입자는 산재되어 존재하며, LED로부터 방출된 광의 일부는 그 형광체 입자와 부딪쳐 파장이 변환되고, 다른 일부는 그대로 몰딩부를 통과된다. 이러한 다른 파장의 광이 조합되어 백색광을 얻을 수 있다.

하지만, 형광체 몰딩부(102) 또는 형광체층 내에 산재된 형광체 분말이 공간적인 분포가 불균일함으로 전체 광방출면에서 균일한 색의 광을 얻기가 상당히 곤란하다는 문제가 있으며, 이러한 문제는 이러한 형태의 백색발광다이오드의 고성능의 사양을 요하는 LCD BLU나 프로젝터 시장에 침투하는데 장해요인으로 작용하고 있다. 또한, 이 방법은 활성층에서 자외선이 나올 경우 형광체와 바로 여기되지 않고 형광체를 혼합한 물질과 반응할 공간을 제공함으로서 LED 소자의 신뢰성에도 영향을 줄 수 있다.

도 3은 다수의 발광다이오드가 존재하는 웨이퍼 상면에 스핀코팅 방법으로 형광체를 코팅하는 기술을 보여주고 있는데 이 방법은 웨이퍼 상면에 단차가 있는 경우 형광체의 코팅을 균일하게 할 수 없는 단점이 있으며 와이어 본딩할 부분을 다시 에칭하거나 하여 깨끗이 제거해야 하는 등의 후공정이 필요하여 상용화하기는 어렵다.

따라서, 당 기술분야에서는 이러한 문제점을 극복하기 위한 손쉽게 형광체를 코팅하여 제조할 수 있는 파장변환형 발광다이오드구조가 요구되어 왔다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로써, 그 목적은 발광다이오드의 광방출면 전체에 간단한 토출에 의해 형광체층이 형성되도록 하여 백색 발광장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 발광장치의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 형광체를 이용한 파장변환형 발광다이오드 패키지는 빛을 발산하는 발광다이오드; 상기 발광다이오드에서 발산되는 빛의 파장을 변환하여 방출하는 형광체층; 상기 형광체층의 퍼짐을 방지하는 코팅부; 및 상기 발광다이오드의 전원을 제공하는 전극부를 포함한다.

본 발명에서 상기 형광체층은 봉지재와 혼합되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 발광다이오드는 자외선광 또는 청색광을 생성하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 형광층은 상기 발광다이오드에서 발산된 광을 백색광으로 변환하는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 코팅부는 상기 형광층을 구성하는 물질과 극성이 다른 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 형광층을 구성하는 물질과 극성이 다른 물질은 테프론인 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 코팅부는 돌기형태 또는 요철형태로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 형광체층은 디스펜싱 방법에 의해서 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 발광다이오드는 일반적 또는 플립칩 구조를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 형광체층은 상기 발광다이오드에서 발산하는 모든 빛이 지나도록 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 발광다이오드를 내부에 포함하는 컵을 더 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 컵에서 발광다이오드가 본딩되는 부분은 컵의 다른 바닥면보다 들어가 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 형광체를 이용한 파장변환형 발광다이오드 패키지 제작방법은 발광다이오드 주위로 컵의 바닥면에 형광체를 혼합하는 물질과 극성이 다른 물질로 코팅하는 단계; 형광체를 토출하여 코팅하는 단계; 코팅된 형광체 혼합물을 가교하는 단계 및 봉지재로 최종 패키징하는 단계를 포함한다.

본 발명에서 상기 코팅방법은 마스크를 이용하여 스퍼터링, 스프레이 방법 중 선택되는 1종 이상의 방법을 이용하는 것이 바람직하다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은, 컵의 바닥에 와이어 본딩할 수 있는 발광다이오드가 존재하며 발광다이오드 주위로 컵의 바닥부에 형광체를 혼합하는 물질과 극성이 다른 물질(테프론등)로 약간 볼록하게 또는 오목하게 또는 편평하게 코팅되어 있는 패키지 구조를 가지며 코팅되어 있는 물질의 안쪽에 형광체가 돔 모양으로 코팅되게 하여 상기 발광다이오드로부터 생성되는 광의 파장을 변환하는 형광체층을 포함하는 발광장치를 제공한다.

바람직하게는, 상기 발광다이오드는 자외선광 또는 청색광을 생성하며, 상기 형광체층은 상기 발광다이오드로부터 생성된 광을 백색광을 변환하기 위한 물질일 수 있다.

본 발명에서 채용된 형광체층은 물리적 증착, 스핀코팅 또는 스텐실링 방법보다 쉽게 형성할 수 있으며, 바람직하게는 디스펜서로 코팅할 수 있다.

나아가, 본 발명은 일반 발광다이오드(두 개의 와이어가 상면에 접합하는 타입 또는 한 개의 와이어가 상면에 접합하는 타입) 또는 플립칩본딩구조를 갖는 칩 모두 쉽게 적용할 수 있으며 파장변환형 발광장치의 제조방법을 제공할 수 있다. 상기 방법은, 발광다이오드를 돔형태로 코팅하는 기술을 포함하고 있으며 발광다이오드 주위로 컵의 바닥면에 형광체를 혼합하는 물질(에폭시, 실리콘 등)과 극성이 매우 다른 물질로 코팅하는 단계와 형광체를 토출하여 코팅하는 단계 그리고 코팅된 형광체 혼합물을 가교하는 단계 그리고 봉지재로 최종 패키징하는 단계로 이루 어질 수 있다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 형광체를 이용한 파장변환형 발광다이오드 패키지의 저면도 및 단면도이다.

상기 실시예에서, 형광체를 이용한 파장변환형 발광다이오드 패키지는 발광다이오드(100), 코팅부(101), 형광층(102), 봉지재(103), 전극 와이어(104), 전극부(105), 및 컵(106)을 포함한다.

상기 실시예는, 다이오드 패키지 내에서 형광층(102)이 형성되는 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상기한 형광체를 이용한 파장변환형 발광다이오드를 예시한다. 도 4a 및 도 4b에 예시된 발광다이오드(100)는 주로 백색광을 얻기 위한 발광다이오드인 것이 바람직하다. 상기 발광다이오드(100)는 일반적인 발광다이오드 또는 플립칩 형태를 포함한다.

상기 발광다이오드 소자의 구조물은 푸른색 또는 자외선을 내는 발광다이오 드(100)가 컵(106)의 바닥에 본딩되어 있으며, 다이 주위로 형광체를 혼합한 물질과 극성이 다른 물질로 코팅부가(101) 형성된다.

상기 형광체를 혼합한 봉지재(102)는 상부에서 토출 될 수 있으며 토출된 형광체는 도 4에서 보여지는 바와 같이 흘러내리다가 극성이 다른 코팅 물질과 접촉하여 멈춰 더 이상 번지지 못하고 표면장력에 의해서 동그랗게 발광다이오드를 감싸는 형태로 코팅된다. 이때 발광다이오드 주위를 감싸는 코팅부는 약간 튀어나올 수도 있으며 요철 모양으로 들어갈 수도 있다.

상기 백색 발광다이오드는 청색 또는 자외선광을 방출하지만, 상기 형광체층(102)을 통해 청색 또는 자외선광의 많은 부분이 긴 파장으로 변환되고, 변환되지 않은 일부 광 또는 다른 정도로 변환된 광과 조합되어, 최종적으로 원하는 백색광을 얻을 수 있다.

상기 발광다이오드(100)의 광방출면에 전체적으로 비교적 균일하게 형성된 형광체층(102)을 포함한다. 상기 형광체층은 자외선 또는 청색광을 파장변환하여 백색광을 형성하기 위한 형광물질로 이루어진다.

상기 형광체층(102)은 실질적인 광방출면인 발광다이오드(100)의 상면과 측면에 전체적으로 형성되어 형광체층(102)을 통과하지 않는 광이 거의 없도록 구성함으로써 백색광 변환효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 종래의 형광체분말과 에폭시수지를 혼합하여 분사한 후에 경화시키는 디스펜싱공정에서 발생되는 형광체입자의 불균일한 분포 및 침전을 방지하기 위해, 밀도가 높게 코팅함으로써 균일도를 높일 수 있다. 또한, 종래의 디스펜싱방법에서 필요 이상으로 두껍게 도포하는 문제도 해결할 수 있다.

상기 형광체층은 도식된 바와 같이, 발광다이오드(102)의 광방출면을 충분히 커버하기 위해 발광다이오드 주위에 형광체 혼합 물질과 극성이 다른 물질로 코팅하여야 하며 코팅이 되어있지 않으면 도 5와 같이 발광다이오드 위에서 형광체를 토출할 경우 초기에는 동그랗게 뭉쳐있다가 일정 양 이상이 토출되면 옆으로 흘러내리고 컵의 바닥면을 따라 넓게 퍼지는 결과를 초래하게 된다. 그러면 빛을 발산하는 발광다이오드의 위쪽면에는 형광체가 매우 얇게 코팅되게 되어 결과적으로 백색광을 구현할 수 없게 된다.

상기 파장변환형 발광장치는 백색 발광을 위한 발광장치로 주로 사용된다. 이 경우에 발광다이오드는 단파장계열인 자외선광 또는 청색광을 생성하는 발광다이오드일 수 있으며, 형광체층은 이러한 단파장광을 변환하여 백색광을 얻을 수 있는 적합한 형광물질로 선택하여 사용할 수 있다. 도 1에 도시된 발광다이오드 주위를 둘러싼 물질의 코팅 방법은 발광다이오드를 장착하는 컵을 만들 때 마스크를 이용하여 스퍼터링이나 스프레이 방법에 의해 제조할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 발광장치는 발광다이오드의 광방출면 전체를 밀도가 높게 코팅하고 있으며 일반칩 플립칩 모두 디스펜서를 이용하여 코팅할 수 있는 장점을 가진다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영 역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면 발광다이오드가 컵의 바닥면에 본딩되고, 상기 발광다이오드의 주위에 형광체를 코팅한 물질과 극성이 다른 물질로 코팅하고, 이 안쪽에 형광체를 도포하여 발광다이오드 전체에 균일하게 코팅함으로서 광방출면 전체에 대해 형광체층이 코팅된 발광장치를 제공하여 광파장변환효율을 향상시킨다.

또한, 추가적으로 상기 형광체층을 토출공정을 이용하여 형성함으로써 기존의 컵 전체를 디스펜싱방식으로 토출하는 방법에서 발생하였던 형광체 입자가 불균일한 문제를 해결할 수 있다.

Claims (14)

1. 빛을 발산하는 발광다이오드; 상기 발광다이오드에서 발산되는 빛의 파장을 변환하여 방출하는 형광체층; 상기 형광체층의 퍼짐을 방지하는 코팅부; 및 상기 발광다이오드의 전원을 제공하는 전극부를 포함하는 형광체를 이용한 파장변환형 발광다이오드 패키지.
2. 제 1항에 있어서, 상기 형광체층은 봉지재와 혼합되는 것을 특징으로 하는 형광체를 이용한 파장변환형 발광다이오드 패키지.
3. 제 1항에 있어서, 상기 발광다이오드는 자외선광 또는 청색광을 생성하는 것을 특징으로 하는 형광체를 이용한 파장변환형 발광다이오드 패키지.
4. 제 3항에 있어서, 상기 형광층은 상기 발광다이오드에서 발산된 광을 백색광으로 변환하는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 형광체를 이용한 파장변환형 발광다이오드 패키지.
5. 제 1항에 있어서, 상기 코팅부는 상기 형광층을 구성하는 물질과 극성이 다른 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 형광체를 이용한 파장변환형 발광다이오드 패키지.
6. 제 5항에 있어서, 상기 형광층을 구성하는 물질과 극성이 다른 물질은 테프론인 것을 특징으로 하는 형광체를 이용한 파장변환형 발광다이오드 패키지.
7. 제 1항에 있어서, 상기 코팅부는 돌기 형태 또는 요철형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 형광체를 이용한 파장변환형 발광다이오드 패키지.
8. 제 1항에 있어서, 상기 형광체층은 물리적 증착, 스핀코팅, 스텐실링 방법, 디스펜서 코팅 중에서 선택되는 1종 이상의 방법에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 형광체를 이용한 파장변환형 발광다이오드 패키지.
9. 제 1항에 있어서, 상기 발광다이오드는 일반적 및 플립칩 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 형광체를 이용한 파장변환형 발광다이오드 패키지.
10. 제 1항에 있어서, 상기 형광체층은 상기 발광다이오드에서 발산하는 모든 빛이 지나도록 형성되는 것을 특징으로 하는 형광체를 이용한 파장변환형 발광다이오드 패키지.
11. 제 1항에 있어서, 상기 발광다이오드를 내부에 포함하는 컵을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 형광체를 이용한 파장변환형 발광다이오드 패키지.
12. 제 11항에 있어서, 상기 컵에서 발광다이오드가 본딩되는 부분은 컵의 다른 바닥면보다 들어가 있는 것을 특징으로 하는 형광체를 이용한 파장변환형 발광다이오드 패키지.
13. 발광다이오드 주위로 컵의 바닥면에 형광체를 혼합하는 물질과 극성이 다른 물질로 코팅하는 단계;

    형광체를 토출하여 코팅하는 단계;

    코팅된 형광체 혼합물을 가교하는 단계 및

    봉지재로 최종 패키징하는 단계를 포함하는 형광체를 이용한 파장변환형 발광다이오드 패키지 제작방법.
14. 제 13항에 있어서, 상기 코팅방법은 마스크를 이용하여 스퍼터링, 스프레이 방법 중 선택되는 1종 이상의 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 형광체를 이용한 파장변환형 발광다이오드 패키지 제작방법.

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