KR20070072624A

KR20070072624A - 다중 광학 소자를 구비한 고휘도 ｌｅｄ 패키지

Info

Publication number: KR20070072624A
Application number: KR1020077012009A
Authority: KR
Inventors: 앤드류 제이. 오우더키르크; 캐써린 에이. 레더대일
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2007-07-04
Also published as: CN101088173A; TWI425649B; CN101088173B; WO2006049747A1; EP1810349A1; TW200629603A; US20060092532A1; JP2008518466A; US7330319B2

Abstract

광원은 방사면을 갖는 LED 다이와, 방사면의 다른 부분과 광학 접촉하는 입력면을 갖는 복수의 광학 소자를 포함한다. 광학 소자는 반사 측면과 각 입력면보다 더 큰 출력면을 갖는 테이퍼 또는 집광기를 포함할 수 있다. 광학 소자는 LED 다이의 방사면으로부터의 광 및 열 양쪽 모두를 결합할 수 있다.

방사면, LED 다이, 입력면, 출력면

Description

다중 광학 소자를 구비한 고휘도 ＬＥＤ 패키지 {HIGH BRIGHTNESS LED PACKAGE WITH MULTIPLE OPTICAL ELEMENTS}

본 발명은 고상 광원(solid state light source)에 관한 것이고, 발광 다이오드(light emitting diode, LED) 분야에 있어서 특별한 적용 가능성을 갖는다.

LED는 비교적 크기가 작고, 낮은 파워/전류 요구치, 높은 속도, 긴 수명, 견고한 패키징, 다양하게 이용 가능한 출력 파장 및 현대의 회로 기판과의 호환성으로 인해 부분적으로 광원의 바람직한 선택이다. 이러한 특성은 지난 수십 년에 거쳐서 다양한 다른 최종 사용 응용분야에서의 광범위한 사용을 설명하는데 도움이 된다. 효율, 휘도 및 출력 파장의 영역에서 LED에 대한 개선이 계속 행해져서, 잠재적인 최종 사용 응용분야의 범위를 더욱 확대한다.

LED는 전형적으로 금속 헤더 상에 탑재된 LED 다이 또는 칩(chip)을 포함하는 패키지 형태로 납땜된다. 헤더는 반사 컵(reflective cup)을 구비하고, 그 내부에 LED 다이가 탑재되고 전기 리드가 LED 다이에 연결된다. 패키지는 LED 다이를 밀봉하는 성형된 투명 수지를 더 포함한다. 밀봉 수지는 전형적으로 LED 다이로부터 방사된 광을 부분적으로 시준하기 위해 통상적으로 반구형 전방면을 갖는다.

본 출원은 LED 다이를 사용하는 패키지된 고상 광원을 개시한다. 다중 광학 소자게 제공되고, 각 광학 소자는 입력면을 가지며, 광학 소자는 입력면이 서로로부터 이격되고 LED 다이의 방사면의 다른 부분과 광학 접촉한 상태가 되도록 하는 크기로 배치된다.

일부 실시예에서, 각각의 광학 소자는 각 입력면보다 더 큰 출력면과, 입력면과 출력면을 연결하는 적어도 하나의 반사 측면을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 광학 소자는 광학 재료 내에 하나 이상의 홈에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 광학 소자는 그들 사이에 간극을 형성할 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 전기적 접촉부 또는 열 소산 유체와 같은 기능적 부재가 하나 이상의 이러한 간극 내에 배치될 수 있다. 광학 소자는 LED 다이의 굴절률에 근접한 고굴절률, 및/또는 고열전도율을 가질 수 있다.

본 발명의 이들 및 다른 태양은 하기의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 어떤 경우에도 상술한 바가 청구된 발명 대상을 한정하는 것으로 고려되어서는 안 되며, 발명의 대상은 진행 중에 보정될 수 있는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정된다.

명세서 전반에 거쳐, 도면부호가 첨부된 도면에 기재되어 있으며, 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 지시한다.

도1 및 도2는 휘도 향상층을 구비한 LED 패키지의 개략 단면도이다.

도3 및 도4는 휘도 향상층 및 테이퍼링된 광학 소자를 구비한 LED 패키지의 개략 단면도이다.

도5는 LED 다이의 전방 방사면 상의 테이퍼링된 소자의 접지 크기(footprint size)의 함수로서 모델링된 LED 다이의 휘도 및 발광 출력을 도시하는 그래프이다.

도6, 도7 및 도8은 복합 테이퍼 소자를 사용한 LED 패키지를 도시하는 개략 단면도이며, 도8은 LED 다이에 결합된 다중 테이퍼 소자를 추가로 도시하는 도면이다.

도9는 휘도 향상층 및 다중 광학 소자를 구비한 다른 LED 패키지의 개략 단면도이다.

상기 배경 기술에서 설명된 종래의 LED 패키지의 한가지 단점은 LED 다이 내에서 발생된 광을 외부 환경, 특히 공기로 전달되도록 하는데 있어서의 비효율이다. 이러한 비효율의 주요 원인은 LED 다이의 반도체층의 고굴절률과, LED 다이의 외부(방사면을 형성) 및 밀봉된 수지 사이의 굴절률의 큰 부정합(mismatch)이다. 이러한 부정합은 LED 다이 내부에 대부분의 광의 내부 전반사(total internal reflection, TIR)를 증진시켜서, 이러한 광이 트랩핑되고 결과적으로 흡수되도록 한다.

전형적인 LED 패키지의 다른 단점은 LED 다이의 열등한 열 관리에 관한 것이고, 이는 LED의 다이오드 접합부를 통해 유동할 수 있는 전류의 양을 부당하게 제한한다. 차례로, 이것은 LED 패키지의 발광 출력(luminous output)과 달성 가능한 휘도를 제한한다. LED 다이로부터 최적이 아닌 열 제거를 지칭하는 열등한 열 관리는 또한 LED 다이를 주어진 전류에서 원하는 것보다 더욱 뜨겁게 함으로써 LED 수명에 악영향을 끼칠 수 있다. 전술한 공지된 LED 패키지에 있어서, 금속 헤더로 LED 다이의 접합은 LED 다이의 배면으로부터 합당한 열 제거를 제공한다. 그러나 LED 다이의 전방 방사면은 낮은 열전도율을 가지므로 LED 다이로부터 최소한의 열을 제거하는 밀봉된 수지와 접촉한다.

LED 다이 내부에서 발생된 대부분의 광을 외부 환경에 결합시켜서 장치의 발광 출력을 향상시킬 수 있는 LED 패키지 개량품을 제공하는 것이 많은 최종 사용 분야에 바람직하다. 또한, LED 다이의 휘도를 (주어진 전류에서) 향상시킬 수 있는 LED 패키지 개량품을 제공하는 것도 바람직하다. 또한, 더 낮은 LED 다이 작업 온도 및/또는 더 높은 달성 가능한 LED 구동 전류를 제공하기 위해 LED 다이의 열 관리를 향상시킬 수 있는 LED 패키지 개량품을 제공하는 것이 바람직하다.

아래의 본 명세서에서, 다중 광학 소자를 사용하는 고휘도 LED 패키지 및 이와 관련된 장점들은, 단일 광학 소자만 사용할 수 있는 관련 실시예를 논의하는 중에 개시된다. 이는 독자가 청구된 발명의 설계 상세부 및 변경예를 더욱 완전히 이해하도록 할 것이다.

도1에서, LED 패키지(10)는 헤더 또는 다른 탑재부(14) 상에 탑재된 LED 다이(12)를 포함한다. 헤더 및 탑재부는 일반적으로 단순하게 도시되었지만, 독자는 이들이 이 기술분야에 공지된 종래 설계 특징부를 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예컨대, LED 다이(12)는 별도의 p형 및 n형 반도체층(p- and n-doped semiconductor layer), 기판층(substrate layer), 버퍼층 및 수퍼스트레이트층(superstrate layer)을 포함할 수 있다. LED 다이의 1차 방사면(12a), 바닥면(12b) 및 측면(12c)은 단순한 직사각형 배열로 도시되어 있지만, 예컨대 역 절두 피라미드 형상(inverted truncated pyramid shape)을 형성하는 각진 측면과 같은 다른 공지된 구성도 또한 고려된다. 또한, LED 다이로의 전기적 접촉은 단순성을 위해 도시되지 않았지만, 공지된 바와 같이 다이의 임의 표면에 제공될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 다이는 "플립 칩(flip chip)" LED 다이 설계의 경우와 같이 다이의 바닥면(12b)에 배치된 2개의 접촉부를 갖는다. 게다가, 탑재부(14)는 지지 기판, 전기적 접촉부, 열 싱크(heat sink) 및/또는 반사기 컵(reflector cup)으로서 역할을 할 수 있다.

또한, LED 패키지(10)는 다이(12)를 밀봉하거나 둘러싸는 투명 광학 소자(16)를 포함한다. 광학 소자(16)는 LED 다이[더욱 정확하게는, 방사면(12a) 근방의 LED 다이의 외측 부분] 및 통상적으로 공기인 주변 매체의 굴절률의 중간인 굴절률을 갖는다. 많은 실시예에서, 굴절률이 실질적으로 LED 다이의 굴절률을 초과하지 않으면서 가능한 한 높은 소자(16)용 재료를 선택하는 것이 바람직하며, 그 이유는 LED 다이 및 소자(16) 사이의 굴절률의 차이가 작으면 작을수록 다이 내부에 더욱 적은 광이 트랩핑되어 손실된다. 도시된 바와 같이 광학 소자(16)는 만곡된 출력면을 구비하는데, 이 출력면은 LED 패키지로부터 주변 매체로 광이 전달되는 것을 보장하도록 도움을 줄 수 있고, 또한 LED 다이에 의해 방사된 광을 적어도 부분적으로 초점을 맞추거나 시준하는데 사용될 수 있다. 또한, 아래에 추가로 논 의된 테이퍼 형상을 포함하는 다른 형상을 갖는 광학 소자도 광을 시준하는데 사용될 수 있다.

LED 패키지(10)는 광학 소자(16) 및 다이 사이에 패터닝된 저굴절률층(a patterned low refractive index layer, 18)을 더 구비하고, 저굴절률층은 방사면(12a)에서 국소 개구 및 영역(20)의 휘도를 향상시키기 위해 LED 다이 내에 광의 일부를 가둠(entrapment)을 선택적으로 유지하는 효과를 갖는다. 패터닝된 저굴절률층(18)은 측면(12c) 및 개구(20)를 제외한 방사면(12a) 부분과 실질적인 광학 접촉을 하지만, 반면에 광학 소자(16)는 개구(20)의 영역 위의 방사면(12a) 부분과 광학 접촉한다[이러한 점에서, "광학 접촉(optical contact)"은 서로 충분히 가깝게 이격된 표면 또는 매체를 지칭하고, 예컨대 저굴절률층 또는 투명 소자의 굴절률 특성이 LED 다이 내부에서 전파하는 적어도 일부의 광의 내부 전반사를 제어하거나 실질적으로 영향을 끼치는 직접적인 물리적 접촉 상태를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다]. 패터닝된 저굴절률층(18)은 LED의 굴절률 및 투명 소자(16)의 굴절률 양쪽보다 실질적으로 낮은 굴절률을 갖는다. 또한, 층(18)은 광의 트랩핑을 증진시키도록 의도된 위치에서 광학적으로 두껍다. 광학적으로 두꺼운이라 함은, 그 두께가 내부 전반사의 실패를 회피하기 위해 충분히 크다는 것, 또는 층의 일면상에 매체[광학 소자(16)와 같은]의 굴절률 특성이 층의 다른 측면 상의 매체[LED(12)와 같은] 내에서 전파하는 적어도 일부의 광의 내부 전반사를 제어하지 않거나 실질적으로 영향을 끼치지 않는다는 것을 의미한다. 양호하게, 패터닝된 저굴절률층의 두께는 진공 상태에서 관심 있는 광 에너지에 대한 파장의 약 1/10 파장, 더욱 양호하게는 약 1/2 파장이고, 더욱 양호하게는 1 파장보다 크다. 또한, 층(18)의 "패터닝(patterning)"이라 함은, 층(18)이 LED 방사면 위에서 연속적이지만 개구(20)에서 매우 얇고(그러므로 내부 전반사를 유지하기에 비효율적임) 그 외에는 광학적으로 두껍게 되도록 제조되는 실시예들을 포함하는 것을 의미한다. 층(18)이 투명한 유전체 재료로 되거나, 적어도 LED 다이의 표면에 이러한 재료 층을 포함하는 것이 유리하다. 이들 재료는 예컨대 금속층을 LED에 간단히 도포함으로써 형성된 반사 코팅 이상의 장점을 가지는데, 그 이유는 유전체 재료가 LED 다이 내부의 대부분의 광에 대해 100% 반사(TIR에 의함)를 제공할 수 있지만, 단순한 금속 코팅은 특히 높은 입사각에서 실질적으로 100% 이하의 반사율을 갖는다.

패터닝된 저굴절률층(18)은 LED의 다른 부분[예컨대, 개구(20) 이외의 방사면(12)의 부분]의 휘도를 감소를 희생하여 LED의 일부분[예컨대, 개구(20)]의 휘도를 향상시킨다. 이 효과는 LED 다이 내부에 방사된 광의 다중 바운스 반사(multiple bounce reflection)를 유지하기 위해 작동하는 중에 충분히 낮은 내부 손실을 갖는 LED 다이에 의존한다. LED 다이의 제조가 진보함에 따라, 표면 또는 체적 흡수로부터의 손실이 감소할 것으로 기대될 수 있고, 내부 양자 효과는 증가할 것으로 기대될 수 있고, 본 명세서에 기재된 휘도 향상 효과는 끊임없이 증가하는 이익을 제공할 것으로 기대될 수 있다. 체적 흡수(bulk absorption)는 기판 및 에피텍시얼 침전 프로세스(epitaxial deposition process)를 개선함으로써 감소될 수 있다. 표면 흡수(surface absorption)는 에피텍시얼층을 고반사도 금속 미러에 접합시키거나 LED 구조 내에 전방향성 미러를 포함하는 것과 같이 개선된 후방 반사기(back reflector)에 의해 감소될 수 있다. 이러한 설계는 상부면을 통해 광 출력을 증가시키도록 LED 다이의 배면측을 세이핑하는 것과 조합될 때 더욱 효과적일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 대부분의 바닥면(12b)은 금속 또는 유전체 적층과 같이 고반사성 재료이다. 양호하게 반사기는 LED 방사 파장에서 90%의 반사도, 더욱 양호하게는 95%의 반사도, 가장 양호하게는 99%의 반사도 이상을 갖는다.

도1을 다시 참조하면, 예컨대 임의의 방사점원(emitting point source, 22)은 광선(24)을 방사한다. LED 다이(12)의 굴절률 및 투명 소자(16)는, LED/광학 소자 경계면에서 방사면(12a)과의 첫 번째 충돌시 광선이 소자(16)로 전송되고 이에 의해 굴절되는 그런 것이다. 그러나 패터닝된 층(18)은 경계면을 광선(24)에 대해 내부 전반사하는 위치로 변경한다. 광선은 LED 다이의 두께를 통해 이동하고, 배면(12b)에서 반사하고, 다시 방사면(12a)과 충돌하는데, 이때 도1에 도시된 바와 같이 층(18)의 부재로 인하여 투명 소자(16) 내부로 이탈한다. 따라서, 개구(20)에서 방사면(12a)의 부분은 저굴절률층(18)에 의해 덮여진 방사면(12a)의 부분을 희생하여 더욱 밝아진다[단위 면적당 및 단위 입체각당 더욱 많은 광속(luminous flux)].

도1의 실시예에서, 만일 방사면(12a) 법선 벡터에 대해 광의 입사각이 충분히 작아서 광이 저굴절률층(18)을 단순히 통과하면, 저굴절률층(18)을 타격하는 LED 내부의 일부의 광은 여전히 소자(16) 내부로 이탈할 수 있다. 따라서, LED 다이의 저굴절률 코팅부를 타격하는 광은 미코팅부보다 0은 아니지만 더욱 작은 범위 의 이탈각을 가질 것이다. 다른 실시예에서, 저굴절률층(18)은, 저굴절률층(18)에 의해 제공된 TIR의 이점을 잃지 않으면서 LED 다이 내에서 광의 재순환을 증가시키고 개구(20)에서 휘도를 더욱 향상시키기 위해, 반사성 금속과 같은 양호한 수직-입사 반사기(a good normal-incidence reflector) 또는 간섭 반사기(interference reflector)에 의해 코팅될 수 있다. 선택적으로, 간섭 반사기는 외부 다이면과 저굴절률층(18) 사이에 위치될 수 있다.

적당한 저굴절률층(18)은 불화 마그네슘, 불화 칼슘, 실리카, 졸 겔, 탄화불소 및 실리콘으로 이루어진 코팅을 포함한다. 또한, 에어로겔 재료(aerogel material)은, 이들이 약 1.2 이하, 또는 심지어 약 1.1 이하의 극도로 낮은 굴절률을 얻을 수 있을 때, 적당하다. 에어로겔은 솔벤트로 채워진 콜로이드성 실리카 구성 유닛으로 이루어진 겔을 건조시키는 고온 및 고압의 임계점에 의해 만들어진다. 얻어진 재료는 성기고 미세한 다공성 매체(an underdense, microporous media)이다. 저굴절률층(18)에 대한 예시적인 두께는 재료의 굴절률에 따라 약 50 내지 100,000nm이고, 양호하게 약 200 내지 2,000nm이다. 층(18)의 굴절률은 성형된 수지 또는 다른 밀봉제 재료(encapsulant material)가 될 수 있는 광학 소자(16)의 굴절률 미만이고, LED 다이 또는 방사면 근방의 다이 부분의 굴절률 미만이다. 양호하게, 층(18)의 굴절률은 약 1.5 미만이고, 더욱 양호하게 1.4 미만이다. 저굴절률층(18)은 유전체 재료의 고체층이거나, LED 다이와 투명 소자(16) 사이의 진공 또는 가스 충전 간극이 될 수 있다.

LED 다이의 외부면은 광학적으로 매끄롭게 될 수 있는데, 즉 약 20nm 미만의 표면 처리(surface finish, R_A)를 갖는다. 또한, 외부 LED 표면의 일부, 전부 또는 부분들은 광학적으로 거칠 수 있는데, 즉 약 20nm 보다 큰 표면 처리(R_A)를 갖는다. 또한, 에지 또는 상부면의 부분들은 LED 다이의 기부에 대해 수직이 아닌 각도가 될 수 있다. 이들 각도는 수직으로부터 0 내지 45도의 범위를 가질 수 있다. 게다가, LED 다이의 주면 또는 부면(major or minor surfaces)이 평평할 필요는 없다. 예컨대, 상승부 또는 LED 다이의 방사면의 부분들은 도1 내지 도3에서 적어도 개구(20, 20a, 34)들을 형성하기 위해 광학 소자의 일반적으로 평평한 바닥면과 접촉할 수 있다.

저굴절률층(18)의 실질적인 부재에 의해 형성된 개구(20)의 형상은 원형, 직사각형, 정사각형, 또는 다각형이거나 비다각형(non-polygonal), 규칙적이거나 불규칙적인 더욱 복잡한 형상이 될 수 있다. 또한, 다중 개구가 아래에 더욱 상세히 논의된 바와 같이 고려된다. 개구 형상은 의도된 응용분야의 기능에 따라서 전형적으로 선택될 것이며, 전체 시스템 성능을 최적화하도록 재단될 수 있다. 또한, 연속적 또는 불연속적인 패턴 또는 저굴절률 코팅 영역의 네트워크를 갖는 개구의 표면을 패터닝하는 것과, 또는 개구의 표면 위에 광 출력의 분배를 수정하기 위해 두께 또는 굴절률 또는 양쪽 모두의 구배를 갖는 저굴절률층을 제공하는 것이 고려된다. 또한, 개구가 전체 상부 방사면(12a)을 커버할 수 있고, 적어도 측면(12c)의 부분들이 저굴절률층으로 커버된다.

도2로 돌아가면, LED 패키지(10)와 유사한 LED 패키지(10a)가 도시되어 있지 만, 저굴절률층(18)은 중심 개구 내에 저굴절률 코팅 영역의 네트워크를 포함함으로써 수정되었다. 따라서, 수정된 저굴절률층은 18a로 식별되고, 수정된 중심 개구는 20a로 식별된다. 다른 소자들은 도1에서 사용된 도면부호를 유지한다. 도시된 바와 같이, 저굴절률 영역의 네트워크는 그 영역 내에서 전송이 비교적 낮도록 개구의 에지 근방에 비교적 조밀한 패턴 내에서 배열될 수 있다. 개구를 통해 전송을 재단하는 능력은, 특정 공간 균일성 또는 출력 분배가 시스템 설계를 위해 요구되는 고휘도 LED에 유용하다. 개구 내부에 이러한 저굴절률 매체의 배열은 다른 개시된 실시예에 유사하게 적용될 수 있고, 도3, 도4, 도6 내지 도8의 실시예를 제한없이 포함한다.

개구는 개구를 형성하는 저굴절률 재료(편의상 "주변 저굴절률 재료"로 지칭)에 비해 다른 두께 또는 다른 굴절률 또는 양쪽 모드를 갖는 저굴절률 재료로 코팅될 수 있다. 이러한 설계 유연성은 패키지된 LED에 의해 방사된 광의 각도 분배를 수정하는데 사용될 수 있다. 예컨대, 광학 소자(16) 및 주변 저굴절률 재료의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 재료로 개구(20 또는 20a)를 코팅하는 것은 개구에 의해 방사된 광의 각도 범위를 제한할 것이다. 이는 높은 각도에서 통상적으로 방사되는 광을 LED 다이 내부에서 재순환되도록 하고, 관련 광학 시스템에 의해 더욱 효과적으로 사용될 수 있는 각도 범위 내에서 광의 출력을 증가시킨다. 예컨대, 전자 투사 시스템(electronic projection system)에서 사용된 집광 장치(collection optics)는 통상적으로 사용된 F/2 내지 F/2.5 허용 설계 각도의 이외인 광을 효과적으로 사용하지 않는다.

이제 도3으로 돌아가면, LED 패키지(30)는 LED 다이(12)와 부분적인 광학 접촉하고, 사이에 실질적인 공기 간극(34)을 형성하기 위해 LED 다이로부터 부분적으로 이격된 투명 광학 소자(32)를 포함한다. 투명 소자(32)는 입력면(32a) 및 출력면(32b)을 가지고; 입력면(32a)은 출력면(32b)보다 더 작고, LED 다이의 방사면(12a)보다 더 작으며, 개구(34)를 형성하기 위해 방사면의 일부와 광학 접촉한다. 이런 점에서, 입력면은 더 작은 표면적을 갖기 때문에 출력면보다 "더 작고", 따라서 출력면은 더 큰 표면적을 갖기 때문에 입력면보다 더 크다. 광학 소자(32) 및 방사면(12a) 사이의 형상에 있어서 차이는 접촉 영역[개구(34)] 주위에 패터닝된 저굴절률층을 형성하는 공기 간극(36)을 생성한다. 따라서, LED 다이에 의해 발생된 광은 고휘도로 투명 소자(32)에 의해 개구(34)에서 효과적으로 추출될 수 있다. 광학 소자(32) 및 본 명세서에 개시된 다른 광학 소자들은 임의의 적당한 수단에 의해 접촉점에서 LED 다이에 접합될 수 있고, 또는 LED 다이 방사면에 접합되지 않으면서 제 위치에서 유지될 수 있다. LED 패키지 내에서 비접합식 광학 소자에 대한 추가적인 논의는 "비접합식 광학 소자를 구비한 LED 패키지"라는 제목의 미국특허출원 제10/977,249호(대리인 정리번호 제60216US002)에서 찾을 수 있다. 상기 논의된 바와 같이, 개구(34)를 거쳐 광학 소자(32) 내로 LED 방사면(12a)에 의해 방사된 광의 각도 범위는 굴절률이 LED 다이(12) 및 투명 소자(32)의 굴절률 사이인 재료층을 개재함으로써 감소될 수 있다.

집광된 광의 각도 범위를 감소시키기 위한, 또는 집광된 광을 시준하기 위한 다른 접근법은 도4에 도시된 바와 같이 하나 이상의 테이퍼링된 측벽을 갖는 투명 소자를 사용하는 것이다. LED 패키지(30)와 유사한 LED 패키지(40)가 있지만, 광학 소자(42)가 광학 소자(32)를 대신한다. 소자(42)는 입력면(42a) 및 출력면(42b)을 가지고; 입력면(42a)은 출력면(42b)보다 더 작고, LED 다이의 방사면(12a)보다 더 작으며, 개구(44)를 형성하기 위해 방사면의 일부와 광학 접촉한다. 광학 소자(42) 및 방사면(12a) 사이의 형상에 있어서 차이는 접촉 영역[개구(44)] 주위에 패터닝된 저굴절률층을 형성하는 공기 간극(46)을 생성한다. 게다가, 광학 소자(42)는 LED 다이로부터 입력면(42a)으로 입사하는 고도로 경사진 광의 일부를 시준하기 위하여 반사성인 테이퍼링된 측면(42c, 42d)을 포함한다. 측면(42c, 42d)의 반사성은 TIR을 유지하는 저굴절률 매체에 의해, 또는 금속층과 같은 반사성 재료 또는 갑섭 반사기 또는 이들의 조합의 적용에 의해 제공될 수 있다.

광학 소자(42)는, 유체, 열적 결합된 무기 유기, 플라스틱 무기 유리를 통해, 또는 광학적으로 매끄롭게 처리된 표면[약 50nm 미만, 양호하게는 20nm 미만의 표면 거칠기(R_A)]을 제공하여 표면들을 서로 근접한 상태로 유지함으로써, LED 다이의 방사면과 광학 접촉할 수 있다. 게다가, 광학 소자(42)는 표면(42a, 42b, 42c)들을 포함하는 하부 테이퍼부는 표면(42b)을 포함하는 상부 렌즈 형상부와 분리하여 형성되고, 두 부분은 종래의 수단에 의해 함께 부착되거나 다르게 결합된다. 파선이 두 부분을 더욱 명확하게 나타내기 위해 제공된다. 복합 광학 소자, 설계 고려 사항, 관련된 이점에 대한 많은 논의가 아래에 제공된다.

모델은 패터닝된 저굴절률층과 출력 개구에 결합된 테이퍼링된 광학 소자를 이용하여 패키지된 LED를 위한 휘도의 잠재적 상승을 판단하기 위해 사용되었다. LED는 전형적인 LED의 광학 거동을 나타내도록 방사 영역, 흡수 영역 및 각진 에지면을 갖는 실리콘 카바이드의 재료 특성(굴절률 1.55)으로 모델링되었다. 테이퍼링된 역 절두 피라미드 형상의 광학 소자는 LED의 전방면 또는 방사면에 광학적으로 결합된다. 광학 소자의 재료 특성은 실리콘 카바이드의 재료 특성이다. LED는 전방에서 관측될 때 정사각형 형상을 가지며, 광학 소자의 입력면 및 출력면도 마찬가지이다. 모델은 BK7 유리의 재료 특성을 갖는 반구형 렌즈에 광학 소자의 출력면을 추가로 결합시켰으며, 렌즈의 직경이 사각형 LED 방사면 폭의 10배이고 렌즈의 곡률 반경이 LED 방사면 폭의 5배이다. 광학 소자의 입력면의 크기는, 광학 소자의 광학 소자의 높이로 종횡비(aspect ratio)를 광학 소자의 출력면 폭의 2.2배로 유지시키고, 출력면의 폭을 입력면의 폭의 2배로 유지시키는 동안, LED 방사 영역의 100%에서 4%까지 증분식으로 변화되었다. 광학 소자의 크기가 LED 방사면의 크기보다 작아질 때, 굴절률 1인 매체가 광학 소자 입력면의 외측에서 LED 방사면의 일부를 덮는다고 가정했고, 따라서 광학 소자 입력면에 보완하는 방식으로 LED 방사면을 커버하는 패터닝된 저굴절률층을 형성한다. 광학 소자에 의해 방사된 부분 파워(LED 패키지의 상대적인 발광 출력의 대표임) 및 광학 소자의 출력면에 의해 방사된 상대적인 복사조도(relative irradiance)[lumen/(cm²sr)](LED 패키지의 상대적인 휘도의 대표임)가 계산되었다. 도5는 관측된 경향을 통상의 방식으 로 도시한다. 커브(50)는 방사된 상대적 부분 파워이고, 커브(52)는 상대적인 복사조도이다. 결과는 개구 크기가 감소함에 따라 더 낮은 전체 발광 출력이 패키지로부터 얻어지지만 휘도(더 작은 개구에서)가 현저하게 증가할 수 있다는 것을 확증한다.

개시된 실시예의 패터닝된 저굴절률층은 간극이나 LED 다이에 도포된 저굴절률 재료의 코팅을 포함할 수 있다. 액체로부터 저굴절률 재료, 또는 간섭 반사기를 형성하는 개별 층들을 갖는 LED 다이를 코팅하기 위한 적당한 방법은 스핀 코팅(spin coating), 분무 코팅(spray coating), 침지 코팅(dip coating) 및 다이 상으로 코팅제를 분배하는 것을 포함한다. 액체 코팅은 실질적으로 경화된 모노머, 솔벤트, 폴리머, 무기 유리 성형 재료, 졸 겔 및 에어로겔로 구성될 수 있다. 가스 상태로부터 저굴절률 재료를 코팅하는 적당한 방법은 화학적 증착법 또는 다이 상에 증기를 응축시키는 것이다. 또한, 다이는 스퍼터링, 증착법 또는 다른 종래의 물리적 증착법에 의해 저굴절률 재료로 코팅될 수 있다.

코팅은, 웨이퍼 레벨에서[절단(dicing) 이전에], 또는 웨이퍼가 절단된 후 그러나 탑재 전에, 또는 다이가 헤더 또는 다른 지지체 상에 탑재된 후, 그리고 전기적 접속이 다이에 형성된 후, 복수의 LED에 도포될 수 있다. 개구는 저굴절률 코팅이 도포되기 전 또는 후에 형성될 수 있다. 포스트 코팅 패터닝 방법(post-coating patterning method)의 선택은 선택된 특정 저굴절률 재료와 반도체 처리와의 호환성에 달려 있다. 예컨대, 웨이퍼는 포토레지스트로 커버되고 개구가 설계된 곳에 개구를 생성하도록 패터닝될 수 있고, 적절한 저굴절률 코팅이 증착되고, 그리고 나서 적절한 솔벤트를 사용하여 리프트오프(liftoff)가 수행된다. 이와 달리, 저굴절률 재료가 우선 전체 웨이퍼 또는 다이 상에서 증착될 수 있고, 패터닝된 포토레지스트층이 에칭 마스크로서 도포될 수 있고, 저굴절률 재료가 반응식 이온 에칭과 같이 적절한 기술을 사용하여 제거될 수 있다. 포토레지스트층은 적절한 솔벤트를 사용하여 벗겨질 수 있다. 저굴절률 재료를 패터닝하는 다른 기술은 레이저 박리(laser ablation) 및 섀도 마스킹을 포함하고, 이는 전형적으로 포토리소그래피 스트립핑 또는 현상 솔벤트(development solvent)에 용해 가능한 재료들이 특히 유용하다. 낮은 접합 영역 중에서 원하지 않는 코팅을 제거하기 위한 적당한 방법은 우선 접합 재료를 도포하는 것과, 다음에 접합 재료를 제거하는 것을 포함하고, 접합 재료는 개구 영역으로부터 코팅을 제거할 수 있지만 주변 코팅은 손상되지 않은 채로 남아 있도록 한다. 또한, 저굴절률 코팅은, 전기적 접속이 다이에 형성될 수 있는 영역을 형성하도록 패터닝될 수 있다. 예컨대, 미국특허공보 US 제2003/0111667 A1호[슈베르트(Schubert)]를 보라.

금속 반사층은 종래의 프로세스에 의해 도포될 수 있고, 개구 및 적당한 전기적 절연을 제공하기 위해 필요한 만큼 패터닝될 수 있다.

이제 도6으로 돌아가면, LED 다이(12)로부터의 광을 결합하기 위해 테이퍼링된 광학 소자(62)를 이용하는 LED 패키지(60)가 있다. 도4의 광학 소자(42)와 관련하여 논의한 바와 같이, 광학 소자(62)도 또한 복합 구성을 가지며, 즉 함께 접합된 적어도 2개의 섹션을 포함한다. 섹션들은 도시된 바와 같이 입력면(64a, 66a), 출력면(64b, 66b) 및 반사측면(64c, 64d, 66c, 66d)을 갖는다. 소자(62)의 테이퍼링된 측면은 화상을 형성하지 않는 방식으로 근접하게 위치된 LED 방사면(12a)으로부터의 광을 재안내하거나 시준(적어도 부분적으로)한다. 본 명세서에 개시된 테이퍼링된 소자(62) 및 다른 테이퍼링된 소자와 함께, 측면은 평면일 필요가 없다. 이들은 원뿔형, 만곡형(포물선형을 포함), 또는 의도된 응용분야 및 설계 제약에 따라 임의의 적당한 조합이 될 수 있다. 개시된 테이퍼링된 소자는 CPC["복합" 포물면 집광기("compound" parabolic concentrator)]로서 이 기술분야에서 공지된 소자의 형상을 가질 수 있다.

입력면(64a)에 의해 형성된 개구 위로 LED 방사면(12a)에서의 반사를 감소하기 위해 고굴절률 재료로 테이퍼링된 광학 소자를 형성하는 것이 많은 상황에 있어서 바람직하고, 그래서 광은 LED 다이(12)로부터 더욱 효과적으로 결합되거나 추출될 수 있다. 또한, 높은 열전도율 및 높은 열안정성을 갖는 재료를 사용하여 광학 소자를 제조하는 것이 많은 상황에 있어서 바람직하다. 이런 방식으로, 광학 소자는 광학적 기능뿐 아니라 열관리 기능도 또한 수행할 수 있다. 추가적인 열관리의 이점은, "전방면 열교환기를 구비한 LED 패키지"라는 제목의 미국특허출원 제10/977,241호(대리인 정리번호 제60296US002호)에서 더욱 상세히 설명된 바와 같이, 이런 광학 소자를 열 싱크에 열적으로 결합함으로써 얻어질 수 있다.

불행히도, LED 방사 파장에서 예컨대 약 1.8, 2.0 심지어는 2.5인 충분히 높은 굴절률을 가지고, 및/또는 약 0.2W/cm/K 보다 큰 열전도율을 갖는 투명 재료는 비싸고 및/또는 제조하기가 어렵다. 높은 굴절률 및 높은 열전도율 양쪽 모두를 갖는 비교적 소수의 재료 중 일부는 다이아몬드, 실리콘 카바이드(SiC), 사파이 어(Al₂O₃)를 포함한다. 이들 무기 재료는 비싸고, 물리적으로 매우 경하며, 성형하고 광학적 등급 마무리로 연마하기가 어렵다. 또한, 실리콘 카바이드는 특히 광을 산란시킬 수 있는 마이크로파이프(micropipe)로 불리는 종류의 결함을 나타낸다. 또한, 실리콘 카바이드는 전도성이며, 이로써 전기적 접속 또는 회로 기능을 제공할 수 있다. 만일 산란이 소자의 입력 단부 근방의 위치로 제한되면, 테이퍼링된 광학 소자 내부에서의 산란은 허용될 수 있다. 그러나 LED 다이로부터 광을 효과적으로 결합하기 위해 충분한 길이를 갖는 테이퍼링된 소자를 제조하는 것은 비싸고 많은 시간이 소모된다. 한 조각의 테이퍼링된 소자를 제조함에 있어서 추가적인 도전은, 재료의 수율이 비교적 낮고, 형태 인자(form-factor)가 테이퍼링된 소자와 개별적으로 조립되도록 LED 다이를 가압할 수 있다는 것이다. 이러한 이유로, 테이퍼링된 소자를 2개의 섹션으로 나누는 것이 유리할 수 있으며, 섹션들은 제조 비용을 절감하기 위해 상이한 광학 재료로 이루어진다.

제1 섹션은 바람직하게 LED 다이와 광학 접촉하고, 고굴절률(양호하게 방사면에서 LED 다이의 굴절률과 대략 동일함), 고열전도율, 및/또는 고열안정성을 갖는 제1 광학 재료로 이루어진다. 이러한 점에서, 고열안정성은 약 60℃ 이상의 분해 온도를 갖는 재료를 지칭한다.

제2 섹션은 제1 섹션에 접합되고, 낮은 재료 비용을 가지며 제1 광학 재료보다 더욱 용이하게 제조되는 제2 광학 재료로 이루어진다. 제2 광학 재료는 제1 광학 재료에 비해 더 낮은 굴절률, 낮은 열전도율 또는 양쪽 모두를 가질 수 있다. 예컨대, 제2 광학 재료는 유리, 세라믹, 세라믹 나노입자 충전 폴리머(ceramic nanoparticle-filled polymer) 및 다른 광학적으로 투명한 재료를 포함할 수 있다. 적당한 유리는 납, 지르코늄, 티타늄 및 바륨의 산화물을 함유하는 유리를 포함한다. 유리는 티탄산염, 지르콘산염, 주석산염을 함유하는 혼합물로 이루어질 수 있다. 적당한 세라믹 나노입자는 지르코니아, 티타니아, 산화 아연, 황화 아연을 포함한다.

제3 광학 재료로 구성된 제3 섹션은 LED 광을 외부 환경에 결합하는데 추가로 보조하기 위해 제2 섹션에 접합될 수 있다. 일 실시예에서, 3개의 섹션의 굴절률은 테이퍼링된 소자와 관련된 전체적으로 프레넬면 반사(Fresnel surface reflection)을 최소화하기 위해 n₁ > n₂ > n₃와 같이 배열된다.

도4에 도시된 광학 소자(42)의 상부와 같이 특대형 렌즈 소자는 개시된 단일 또는 복합 테이퍼링된 소자의 출력 단부에서 유리하게 배치되거나 형성될 수 있다. 또한, 반사 방지 코팅(antireflection coating)은 이러한 렌즈 소자의 표면상에, 및/또는 테이퍼링된 또는 다른 시준 소자를 포함하는 개시된 광학 소자의 입력면 및 출력면 상에 제공될 수 있다.

예시적인 배열에 있어서, LED 다이(12)는 SiC로 이루어진 0.4mm 두께의 슬래브 상에 1mm×1mm의 GaN 접합부를 포함할 수 있다. 테이퍼링된 소자(62)의 제1 섹션(64)은 SiC로 구성될 수 있다. 제2 섹션(66)은 n=2.0을 갖는 비흡수성, 비산란성의 고굴절률 유리 LASF35로 이루어질 수 있다. 제1 및 제2 섹션 사이의 접합부 의 폭 치수와 제2 섹션의 출력 치수는 전체 광 출력을 굴절률이 1.0인 주변 환경 내에서 최적화하기 위해 원하는 대로 선택될 수 있다. 0.4mm 두께의 SiC 슬래브의 에지는 LED 다이의 측면에서 광반사의 TIR 모드를 완전히 방해하기 위하여 12도의 음의 경사(negative slope)로 테이퍼링될 수 있다. LED 접합부 및 SiC 슬래브 내부의 흡수 및 산란이 표준 밀봉된 LED에 비해 집적 모드 구조(integrated mode structure)를 변경할 것이기 때문에, 이러한 경사는 원하는 만큼 재단될 수 있다. 예컨대, 광학 모드를 흡수 접합부로부터 먼 쪽으로 안내하기 위해 양의 경사(LED 접합부의 폭이 SiC 슬래브의 폭보다 작음)를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 방식으로, SiC 슬래브가 테이퍼링된 소자의 일부로서 고려될 수 있다.

제1 섹션(64)은 이전에 언급된 바와 같이 열적 열 싱크(thermal heat sink)에 결합될 수 있다. 제2 섹션(66)은 종래의 접합 기술을 사용하여 제1 섹션(64)에 접합될 수 있다. 접합제가 사용되면, 접합제는 프레넬 반사를 감소시키기 위해 접합된 2개의 광학 재료 사이의 굴절률을 가질 수 있다. 다른 유용한 접합 기술은 반도체 웨이퍼 접합 기술분야에서 공지된 웨이퍼 접합 기술을 포함한다. 유용한 반도체 웨이퍼 접합 기술은 큐. -와이. 통(Q. -Y. Tong) 및 유. 괴셀레(U. Goesele)가 저술한 "반도체 웨이퍼 접합(Semiconductor Wafer Bonding)"이라는 교재(1999년 뉴욕 소재의 존 윌리 & 손즈사)의 제4장 및 제10장에 기재된 기술을 포함한다. 또한, 미국특허 제5,915,193호(통 등) 및 미국특허 제6,563,133호(통)에 기재된 웨이퍼 접합 방법이 사용될 수 있다.

도7에 도시된 LED 패키지(70)는, 테이퍼링된 반사 측면에 의해 더 큰 출력면 에 연결된 입력면(74a)을 갖는 제1 섹션(74)은 제1 섹션(76) 내에 밀봉되고, 또한 입력면(76a)[출력면(74b)과 동시에 연장됨) 및 훨씬 더 큰 출력면(76b)을 갖는, 테이퍼링된 복합 소자(72)를 이용한다. 출력면(76a)은 추가로 시준하거나 촛점을 맞추는데 유용한 광학 파워를 갖는 복합 소자(72)를 제공하기 위해 만곡된다. 표면에서 TIR을 증진시키기 위해 저굴절률 재료의 코팅(78)을 갖는 섹션(74)의 테이퍼링된 측면이 도시된다. 양호하게, 재료는 제1 섹션(74), 제2 섹션(76), LED 다이(12)의 굴절률보다 다 낮은 굴절률을 갖는다. 또한, 이러한 코팅(78)은 섹션(74)과 접촉하지 않은 상태로 방사면(12a)의 일부분에, 및/또는 LED 다이(12)의 측면(도1을 보라)에 도포될 수 있다. LED 패키지(70)를 구성함에 있어서, 제1 섹션(74)은 방사면(12a)의 소정 개구 영역에 접합될 수 있고(또는 단순히 그 위에 배치됨), 전구체 액체 밀봉 재료(precursor liquid encapsulating material)는 LED 다이 및 제1 섹션을 밀봉하는데 충분한 양으로 계량될 수 있고, 이어서 마무리된 제2 섹션(76)을 형성하기 위해 전구체 재료를 경화시킬 수 있다. 이러한 목적에 적당한 재료는 실리콘 또는 에폭시 재료와 같은 종래의 밀봉 형성물을 포함한다. 또한, 패키지는 코팅(78)을 통해 제1 섹션(76)의 측부에 결합된 열 싱크를 포함할 수 있다. 이러한 열 싱크가 없더라도, 테이퍼링된 소자의 고열전도율 제1 섹션의 사용은 LED 다이오 상당한 열질량(thermal mass)을 추가하여, 적어도 변조 구동 전류를 사용하는 펄스식 작동에 대해 약간의 이점을 제공할 수 있다.

본 명세서에 개시된 테이퍼링된 단일 소자 및 테이퍼링된 복합 소자 양쪽 모두는 테이퍼링된 구성요소를 개별적으로 제조하고, 제1 세그먼트를 LED 다이에 접 합시키고, 그리고 나서 연속적으로 세그먼트를 추가함과 같이 종래의 수단에 의해 제조될 수 있다. 이와 달리, 테이퍼링된 단일 및 복합 소자는 "광학 및 반도체 소자를 제조하기 위한 프로세스(Process For Manufacturing Optical And Semiconductor Elements)"라는 제목의 미국특허출원 제10/977,239호(대리인 정리번호 제60203US002호) 및 "발광 어레이를 제조하기 위한 프로세스(Process For Manufacturing A Light Emitting Array)"라는 제목의 미국특허출원 제10/977,240호(대리인 정리번호 제60204US002호)에 기재된 정밀 연마 기술을 이용하여 제조될 수 있다. 간단히, 소정의 광학 재료로 이루어진 하나 이상의 층을 포함하는 작업편이 마련된다. 작업편은 웨이퍼 또는 섬유 세그먼트와 같이 대형 판형(large format)으로 될 수 있다. 그리고 나서, 정밀하게 패터닝된 연마재가 작업편 내의 채널을 연마하도록 작업편과 접촉하게 된다. 연마가 완료될 때, 채널은 복수의 돌출부를 형성하고, 이는 테이퍼링된 단일 또는 복합 소자의 형태로 될 수 있다. 테이퍼링된 소자는 작업편으로부터 개별적으로 제거되어 LED 다이를 분리하기 위해 한번에 하나씩 접합될 수 있고, 또는 테이퍼링된 소자의 어레이가 전형적으로 LED 다이의 어레이에 접합될 수 있다.

입력면이 LED 다이의 방사면보다 작은 광학 결합 소자가 사용될 때, 복수의 이런 소자를 동일한 방사면의 다른 부분으로의 결합을 고려하는 것이 가능하게 된다.

유리하게는, 이러한 접근법은 단일 광학 테이퍼 소자를 복수의 작은 소자들로 단순히 대체함으로써, LED 다이로부터의 주어진 광량을 결합하기 위해 필요한 광학 재료의 양을 감소시키는데 사용될 수 있다. 재료 사용에 있어서의 차이는 다이아몬드, SiC 및 사파이어와 같이 비싸고 난가공성 재료(difficult-to-work-with materials)를 취급할 때 특히 중요할 수 있다. 예컨대, 테이퍼링된 단일 광학 소자를 테이퍼링된 작은 광학 소자의 2×2 어레이로 대체하는 것은 2 이상의 인자에 의해 고굴절률(제1) 광학 재료에 대한 요구 두께를 감소시킬 수 있고, 3×3 어레이는 3개 이상의 인자에 의해 요구 두께를 감소시킬 수 있다. 놀랍게도, 광이 광학 소자의 입력면들 사이에서 제 위치에 있는 LED로부터 효과적으로 방사되지 않을 수 있지만, 모델링은 이러한 접근법이 여전히 매우 높은 순 추출 효율(net extraction efficiency)을 갖는다는 것을 보인다.

테이퍼링된 소자와 같이 다중 광학 결합 소자를 사용하는 것에 대한 다른 장점은 간극이나 공간이 다양한 목적으로 사용될 수 있는 소자들 사이에 형성된다는 것이다. 예컨대, 간극이나 공간은 고굴절률 유체, 금속 열전도체, 전기 전도체, 열전달 유체 및 이들의 조합들로 채워질 수 있다.

모델링은, 굴절률이 1.52인 매체 내에 침지될 때 LED 다이 내부에서 발생된 광의 30%가 LED로부터 방사되도록 조정된 흡수층 및 SiC로 LED 다이가 구성된 LED 패키지 상에서 수행된다. 이는 전형적인 LED 장치 중에서 대표적이다. 모델은 도8의 LED 패키지(80)에서 도시된 바와 같이 LED 방사면에 결합된 테이퍼링된 광학 소자의 3×3 어레이를 사용했다. 도시된 3개의 테이퍼링된 광학 소자(82, 84, 86)가 각각 입력면(82a, 84a, 86a)에서 결합되는 전방 방사면(12a') 및 각진 측면(12c')를 갖는 LED 다이(12')가 도시되어 있다. 더 작은 광학 소자들 사이에 형 성된 공간 또는 간극(83, 85)을 주목하라. 출력 표면(82b, 84b, 86b)은 출력면(88b)을 구비하는 테이퍼링된 더 큰 광학 소자(88)의 입력면(88a)에 결합한다. 또한, 모델은 테이퍼 소자(88)에 비해 과도하게 큰 반구형 렌즈(도시되지 않음)를 사용했고, 렌즈의 평평한 면은 출력면(88b)에 부착되고, 렌즈는 BK7 유리(n=1.52)로 이루어졌다. LAS35(n= 약 2)로 구성된 테이퍼링된 소자(88)가 모델링되었다. 그리고 나서, 모델은 더 작은 테이퍼 소자에 대해 다른 광학 재료를 평가했고, 간극(83, 85)을 포함하여 LED 다이를 둘러싼 주변 공간에 대해 다른 재료를 평가했다.

모델링된 LED 패키지의 계산된 출력 파워(예컨대, 와트로)는 테이퍼링된 작은 소자 광학 재료(표에서 "A"로 지시됨) 및 주변 재료(표에서 "B"로 지시됨)의 함수로서 다음과 같다.

이 값들이 더 작은 소자의 3×3 어레이를 대신하여 테이퍼링된 단일 SiC 소자를 사용하는 시스템의 파워 출력에 표준화될 때, 다음의 결과가 얻어진다:

이 표들은 테이퍼링된 광학 소자가 광을 효과적으로 추출하기 위해 LED 방사면의 모든 영역 위에서 광학적으로 결합될 필요는 없다는 것을 보여준다. 또한, 표들은 테이퍼링된 작은 소자들 사이의 주변 체적이 추출 효율의 실질적인 감소를 야기시키지 않으면서 저굴절률을 가질 수 있다는 것을 보여준다.

주변 체적은 추출 효율을 증가시키도록 재료로 충전될 수 있다. 충전 재료는 유체, 유기 또는 무기 폴리머, 무기 입자 충전 폴리머, 소금 또는 유리가 될 수 있다. 적당한 무기 입자들은 지르코니아, 티타니아 및 황화 아연을 포함한다. 적당한 유기 유체는 LED 작동 온도와 LED에 의해 발생된 광에 적당한 임의의 유체를 포함한다. 일부의 경우에 있어서, 유체는 또한 낮은 전기 전도도 및 이온 농도를 가져야만 한다. 적당한 유체로는 물, 할로겐화 탄화수소(halogenated hydrocarbon), 방향족 및 이종고리식 탄화수소(arometic and heterocyclic hydrocarbon)를 포함한다. 또한, 충전 재료는 테이퍼링된 광학 소자를 LED 다이에 접합시키는 역할을 할 수 있다.

광학 소자들 사이에 있는 공간의 적어도 일부에는, LED 다이에 전류를 분배하거나, LED 다이로부터 열을 제거하거나, 또는 양쪽 모두를 위해, 금속이 도포될 수 있다. 금속이 광을 상당히 흡수하기 때문에, 흡수성 손실을 최소화하는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 다이와 금속의 접촉 영역을 최소화하고, 금속 및 다이 표면 사이에 저굴절률 재료, 광학 소자 또는 양쪽 모두를 도입함으로써 금속에 광학 결합을 감소함에 의해 수행될 수 있다. 예컨대, 접촉 영역은 상부 금속층과 전기적 접속 상태에 있는 저굴절률 재료에 의해 둘러싸인 금속 접촉부의 어레이에 의 해 패터닝될 수 있다. 예컨대, 위에서 참조된 슈베르트의 공보 '667호를 보라. 적당한 저굴절률 재료는 가스 또는 진공, 미네소타주 세인트폴 소재의 3M 컴파니(3M Company, St. Paul, Minnesota)로부터 입수 가능한 플루오리너트(fluorienrt)와 같은 탄화플루오르(fluorocarbon), 물 및 탄화수소를 포함한다. 금속은 열이 제거될 수 있는 광학 소자를 둘러싸는 매체 내부로 연장될 수 있다.

또한, 유체가 추가적인 열을 제거하기 위해 테이퍼링된 소자들 사이에 제공될 수 있다. 테이퍼링된 광학 소자의 어레이는 정사각형 어레이(예컨대, 2×2, 3×3 등), 직사각형 어레이(예컨대, 2×3, 2×4 등) 또는 육각형 어레이가 될 수 있다. 개별 테이퍼링된 광학 소자는 입력면 또는 출력면에서의 단면이 정사각형, 직사각형, 삼각형, 원형 또는 다른 원하는 형상이 될 수 있다. 어레이는 LED 방사면 전체 위로, 또는 그를 넘어서, 또는 그 일부 위로만 연장될 수 있다. 테이퍼링된 소자는, 낮은 연화 온도 납땜 유리, 황화 아연과 같은 연한 무기 코팅, 고굴절률 유체, 폴리머, 세라믹 충전 폴리머에 의해, 또는 매우 매끄럽고 평평한 표면을 갖는 광학 소자 및 LED를 제공하여 다이를 광학 소자의 입력면에 대항하여 기계적으로 유지시킴으로써, LED 방사면에 부착될 수 있다.

다중 광학 소자(92, 94) 및 패터닝된 저굴절률층(96)을 구비한 다른 LED 패키지(90)가 도9에 개시된다. 패터닝된 저굴절률층(96)은 도시된 바와 같이 2개의 개구를 포함하고, 그 위에 광학 소자(92, 94)가 LED 다이의 방사면(12a)과 광학 접촉한 상태로 배치된다. 또한, 층(96)은 LED 다이 방사면(12a) 뿐만 아니라 LED 다이 측면(12c)과 광학 접촉한다. LED 패키지(90)는 저굴절률층(96)의 일부의 상부 에 도시된 금속 접촉부(98)를 더 포함한다. 도9에 도시되지 않았지만, 패터닝된 층(96)은 또한 금속 접촉부(98)의 부근에서 패터닝되고, 금속 접촉부(98)는 바람직하게 LED 다이(12)에 전기적 접촉을 제공하기 위해 층(96) 내의 구멍을 통해 연장된다. 제2 전기 접촉부가 칩 설계(chip design)에 따라서 LED 다이 상의 다른 위치에 제공될 수 있다.

선택 용어의 어휘 사전

"휘도(Brightness)": 단위 면적당 및 단위 입체각(스테라디안)당 방사기의 발광 출력 또는 그 일부.

"발광 다이오드(Light emitting diode)" 또는 "LED": 가시광선, 자외선, 적외선 따위의 광을 방사하는 다이오드. 본 명세서에서 사용된 용어는 종래의 제품이든지 또는 초방사(super-radiant) 제품이든지 "LED"로 시장에서 거래되는 통일되지 않은(그리고 비싸지 않은) 에폭시-밀봉 반도체 장치(epoxy-encased semiconductor devices)를 포함한다.

"LED 다이(LED die)": 가장 기본적인 형태, 즉 반도체 웨이퍼 처리 과정에 의해 제조된 개별 구성요소 또는 칩의 형태인 LED. 구성요소 또는 칩은 장치에 동력을 공급하기 위해 파워를 인가하기에 적당한 전기적 접촉부를 포함할 수 있다. 구성요소 또는 칩의 개별층 및 다른 기능적 소자는 전형적으로 웨이퍼 스케일 상에서 형성되고, 완성된 웨이퍼는 최종적으로 다수의 LED 다이를 생산하기 위해 개별 조각 부품으로 절단된다.

본 발명의 다양한 수정예 및 변경예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어 나지 않으면서 이 기술분야의 숙련자에게 명백해질 것이다. 본 발명이 본 명세서에서 진술된 예시적인 실시예로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다.

Claims

방사면을 갖는 LED 다이와,

각각이 입력면을 갖는 복수의 광학 소자를 포함하고,

광학 소자는 입력면이 서로로부터 이격되고 방사면의 다른 위치에서 광학 접촉한 상태가 되도록 하는 크기인 광원.
제1항에 있어서, 광학 소자는 입력면에 입사한 광을 시준하는 광원.
제1항에 있어서, 광학 소자는 단일편의 재료 내에서 하나 이상의 홈에 의해 형성되는 광원.
제1항에 있어서, 광학 소자는 각 입력면에서 상기 방사면에 접합되는 광원.
제1항에 있어서, 각 광학 소자는 또한 출력면을 갖는 광원.
제5항에 있어서, 하나 이상의 광학 소자에 대해, 입력면이 출력면보다 더 작은 광원.
제5항에 있어서, 각 광학 소자는 각 입력면 및 출력면 사이에 하나 이상의 반사 측면을 포함하는 광원.
제5항에 있어서, 하나 이상의 광학 소자의 출력면이 만곡된 광원.
제1항에 있어서, 광학 소자는 적어도 1.8의 굴절률을 갖는 재료를 포함하는 광원.
제1항에 있어서, 광학 소자는 적어도 0.2W/cm/K의 열전도율을 갖는 재료를 포함하는 광원.
제1항에 있어서, 광학 소자는 사파이어, 다이아몬드 및 실리콘 카바이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 광원.
제1항에 있어서, 광학 소자는 그들 사이에 간극을 형성하는 광원.
제12항에 있어서, LED 다이를 위한 하나 이상의 전기 접속부가 하나 이상의 간극을 통과하는 광원.
제12항에 있어서, 간극 내에 배치된 유체를 더 포함하는 광원.
제1항에 있어서, 복수의 광학 소자는 광학 소자의 2×2 어레이를 포함하는 광원.
제1항에 있어서, 복수의 광학 소자는 광학 소자의 3×3 어레이를 포함하는 광원.