KR20080049828A - 발광 장치 - Google Patents

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마츠시다 덴코 가부시키가이샤
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Abstract

발광 장치는, 발광 다이오드(LED)과, 열전도성 재료로 이루어지고, LED 칩이 실장되는 전열판과, LED 칩과 전열판 사이에 배치되는 서브 마운트 부재와, 전열판에 적층되며, 서브 마운트 부재를 노출시키는 관통공이 형성되어 있는 절연성 기판과, LED 칩을 밀봉하는 밀봉부와, 상기 밀봉부에 중첩되는 렌즈를 포함한다. 서브 마운트 부재는 LED 칩의 접합부 주위에 LED 칩의 측면으로부터 방사된 광을 반사하는 반사막을 갖는다. 서브 마운트 부재는, 반사막의 표면이 절연성 기판보다 전열판으로부터 더 멀어지도록 선택된 두께를 갖는다.
전열판, 반사막, 마운트 부재, 선팽창율, 형광체

Description

발광 장치{LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 LED(발광 다이오드) 칩을 이용한 발광 장치에 관한 것이다.
일본 공개 특허 2001-85748호 공보(이하, 특허 문헌 1로 지칭함) 및 일본 공개 특허 2001-148514호 공보(이하, 특허 문헌 2로 지칭함)는, LED 칩과, LED 칩이 실장된 회로 기판과, 회로 기판의 LED 칩의 실장면 측에서 LED 칩을 둘러싸는 금속 프레임(예컨대, 알루미늄으로 이루어짐)과, 프레임의 내측에 충전되고, LED 칩 및 LED 칩에 접속된 본딩 와이어를 밀봉하는 밀봉부(예컨대, 에폭시 수지, 실리콘 수지 등의 투명 수지로 이루어짐)를 포함하는 발광 장치를 제안하고 있다. 이들 특허 문헌 1 및 2에 개시된 프레임은, 회로 기판으로부터 멀어짐에 따라 개구 면적이 더 커지는 형상으로 형성되고, 내측면이 거울면으로 되어 있어 LED 칩으로부터 방사된 광을 반사하는 리플렉터(reflector)를 겸하고 있다. 그러나, 전술한 발광 장치에서는, LED 칩의 측면으로부터 방사된 광이 회로 기판에 흡수되거나 프레임과 회로 기판 간의 접합부를 통해 출사되기 때문에 외부에의 광 인출 효율의 점에서 개선해야 할 여지가 있다.
본 발명은 상기 사유를 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은 광출력을 향상시킬 수 있는 발광 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따른 발광 장치는, LED 칩과, 열전도성 재료로 이루어지고 상기 LED 칩이 실장되는 전열판과, 상기 LED 칩보다 크고 상기 전열판보다 작은 평판형으로 형성되는 서브 마운트 부재와, 상기 전열판에 적층되는 절연성 기판(dielectric substrate)과, 투광성 및 탄성을 갖는 재료로 이루어져 상기 LED 칩을 밀봉하는 밀봉부와, 상기 밀봉부에 중첩되어 배치된 렌즈를 포함한다. 상기 서브 마운트 부재는 상기 LED 칩과 상기 전열판 사이에 배치되어, 상기 LED 칩과 상기 전열판 간의 선팽창율 차이로 인하여 상기 LED 칩에 가해지는 응력을 완화시킨다. 또한, 상기 절연성 기판은, 상기 전열판의 반대측의 표면에서 LED 칩의 전극들의 각각에 전기적으로 접속되는 한 쌍의 리드 패턴을 갖는 동시에, 상기 서브 마운트 부재를 노출시키는 관통공이 형성되어 있다. 상기 서브 마운트 부재는, 상기 LED 칩이 배치되는 지점의 주위에 LED 칩의 측면으로부터 방사된 광을 반사하는 반사막을 가지며, 서브 마운트 부재의 두께는, 상기 반사막의 표면이 상기 절연성 기판보다 상기 전열판으로부터 더 멀어지도록 설정된다.
본 발명의 발광 장치는, 서브 마운트 부재가 상기 반사막을 갖는 동시에, 서브 마운트 부재의 두께를, 상기 반사막의 표면이 상기 절연성 기판의 표면보다 상기 전열판으로부터 더 멀어지도록 설정하고 있으므로, LED 칩의 측면으로부터 방사된 광이 서브 마운트 부재의 표면 또는 절연성 기판의 측면에 흡수되는 것을 방지할 수 있으며, 이로써 외부에의 광 인출 효율을 향상시킬 수 있고, 광 인출 효율의 향상에 의해 광출력의 향상도 도모된다.
일반적으로, 절연성 기판의 표면에는, LED 칩의 광을 반사하는 금속 프레임 또는 LED 칩으로부터 방사된 광의 색을 변환하는 색변환 부재가 설치되지만, 서브 마운트 부재의 두께를, 상기 반사막의 표면이 상기 절연성 기판측의 표면보다 상기 전열판으로부터 더 멀어지도록 설정함으로써, 색변환 부재를 절연성 기판의 표면에 설치한 경우에도, 색변환 부재와 절연성 기판과의 접합부를 통해 광이 출사되는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 외부에의 광 인출 효율을 향상시킬 수 있는 동시에, 광의 컬러 세이딩(color shading)도 감소시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 LED 칩 및 상기 서브 마운트 부재는, 각각 직사각형의 평면 형상을 가지며, 상기 LED 칩은, 각각의 LED 칩의 측면이 상기 서브 마운트 부재의 대각선 중 대응하는 한쪽의 대각선에 교차하는 형태로 상기 서브 마운트 부재의 중앙부에 배치된다.
이 경우, 상기 LED 칩의 각각의 측면으로부터 상기 서브 마운트 부재를 향해 방사된 광을 상기 반사막에 의해 효과적으로 반사할 수 있다.
바람직하게는, 이 발광 장치는, 상기 절연성 기판의 표면에, 상기 서브 마운트 부재 및 상기 LED 칩을 둘러싸기 위해 제공된 프레임을 더 포함하며, 상기 밀봉부는 프레임의 내측에 상기 투광성 재료를 충전하여 형성되고, 이 프레임은 투명 수지의 성형품으로 이루어진다.
상기 프레임에 의해 밀봉부의 사이즈를 결정할 수 있다. 또한, 프레임이 투명 수지의 성형품으로 이루어지므로, 종래와 같이 프레임이 금속 재료에 의해 형성되어 있는 경우에 비해 프레임과 밀봉부 간의 선팽창율 차이를 작게 할 수 있고, 히트 사이클 시험(heat cycle test) 동안의 저온 상태에서 밀봉부에 공극(void)이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 프레임 자체가 광 반사 손실을 감소시킬 수 있고, 그에 따라 광 출력의 향상을 도모할 수 있다.
바람직하게는, 상기 LED 칩은 일표면 측에 한쪽의 전극이 형성되는 동시에 타표면 측에 다른 쪽의 전극이 형성되고, 이들 전극 중의 상기 서브 마운트 부재에 근접한 전극이 상기 서브 마운트 부재에 설치한 도체 패턴을 통하여 한쪽의 본딩 와이어에 접속되는 한편, 상기 서브 마운트 부재 측과는 반대측의 전극이 다른 쪽의 본딩 와이어에 직접 접속되고, 상기 다른 쪽의 본딩 와이어가 상기 LED 칩의 하나의 대각선에 따른 방향으로 연장된다.
이 경우, 상기 LED 칩의 측면으로부터 방사되는 광이 본딩 와이어에 의해 차단되는 것이 감소되어, 본딩 와이어에 기인한 광 인출 효율의 저하를 억제할 수 있다.
바람직하게는, 발광 장치는, 상기 LED 칩으로부터 방사되어 상기 밀봉부를 투과한 광에 의해 여기되어 LED 칩의 발광색과는 상이한 색의 광을 방사하는 형광체를 투명 재료와 혼합하여 성형한 성형품으로서, 상기 렌즈를 덮도록 상기 절연성 기판에 배치된 돔 형상의 색변환 부재를 더 포함하며, 상기 색변환 부재는 상기 색변환 부재와 상기 렌즈의 광 출사면 사이에 공기층이 형성되도록 배치된다.
색변환 부재를 구비함으로써, LED 칩의 발광색과는 상이한 색의 광을 방사할 수 있다. 또한, 색변환 부재와 렌즈의 광출사면 사이에 공기층이 형성되도록 상기 색변환 부재를 배치함으로써, 상기 색변환 부재에 외력이 가해졌을 때에, 상기 색변환 부재에서 발생한 응력이 상기 렌즈 및 상기 밀봉부를 통해 상기 LED 칩에 전달되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 상기 LED 칩으로부터 방사되어 상기 밀봉부 및 상기 렌즈를 통해 상기 색변환 부재에 입사되고, 상기 색변환 부재 내의 형광체의 입자에 의해 산란되는 광 중에서, 상기 렌즈측으로 향하게 되어 상기 렌즈를 투과하는 광의 양을 감소시킬 수 있다. 결과적으로, 장치 전체의 외부에의 광 인출 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 LED 칩은 외부 분위기 내의 수분으로부터 보호될 수 있다. 또한, 상기 색변환 부재를 상기 렌즈에 밀착시킬 필요가 없기 때문에, 상기 색변환 부재의 치수 정밀도 또는 위치결정 정밀도에 기인한 수율의 저하를 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광 장치의 단면도이다.
도 2는 상기 발광 장치의 일부를 절단 분해하여 도시한 사시도이다.
도 3은 상기 발광 장치의 주요부를 예시하는 평면도이다.
도 4는 상기 발광 장치에 채용되고 있는 서브 마운트 부재의 사시도이다.
도 5a는 상기 발광 장치의 주요부의 설명도이다.
도 5b는 상기 발광 장치의 주요부의 설명도이다.
도 6은 상기 발광 장치의 다른 구성예의 단면도이다.
도 7은 상기 발광 장치의 또 다른 구성예의 단면도이다.
이하에서는 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 발광 장치(1)는, LED 칩(10)과, 열전도성 재료로 이루어지고 LED 칩(10)이 실장되는 회로 기판(20)과, 회로 기판(20) 상의 LED 칩(10)을 둘러싸는 프레임(40)과, 프레임(40)의 내측에 투광성 재료(투명 수지)를 충전하여 형성되고, LED 칩(10) 및 LED 칩(10)에 접속된 본딩 와이어(14)를 밀봉하며, 탄성을 갖는 밀봉부(50)와, 밀봉부(50)에 중첩되어 배치된 렌즈(60)와, 형광체와 혼합된 투명 재료로 성형한 성형품으로서, 렌즈(60)를 덮도록 회로 기판(20)에 배치된 돔 형상의 색변환 부재(70)를 포함한다. 본 실시예의 발광 장치(1)는, 예컨대 조명 기구의 광원으로서 사용하기에 적합한 것이며, 예컨대 그린 시트(green sheet)로 이루어지는 절연층(90)을 통해 금속 기구 본체(100)(예컨대, Al 또는 Cu 등의 열전도율의 높은 금속으로 이루어짐)에 실장된다. 금속 기구 본체(100)에 실장됨으로써, LED 칩(10)으로부터 기구 본체(100)까지의 열저항을 작게 할 수 있어 방열성이 향상된다. 또한, LED 칩(10)의 접합부 온도의 온도 상승을 억제할 수 있으므로, 입력 전력을 크게 할 수 있어, 광출력을 증가시킬 수 있다. 발광 장치(1)를 조명 기구에 사용하는 경우에는, 원하는 광출력을 얻을 수 있도록, 기구 본체(100)에 복수의 발광 장치(1)를 실장하고, 복수의 발광 장치(1)를 직렬 접속하거나 또는 병렬 접속하면 된다.
회로 기판(20)은, 금속판(21) 및 금속판(21)에 적층된 유리 에폭시 기판으로 이루어지는 절연성 기판(22)을 포함한다. 절연성 기판(22)은, 금속판(21)의 반대측의 표면에 LED 칩(10)의 전극들(도시하지 않음)과 각각 전기적으로 접속되는 한 쌍의 리드 패턴(23)이 제공되고, 후술하는 서브 마운트 부재(30)를 노출시키는 관통공(24)이 형성되어 있다. 본 실시예에서는, 금속판(21)의 재료로서 Cu를 채용하고 있지만, 열전도율이 비교적 높은 금속 재료이면 되고, Cu로 한정되지 않고, Al 등을 채용해도 된다. 또한, 본 실시예에서는, 금속판(21)이 열전도성 재료로 이루어져, 금속판(21) 자체가 LED 칩(10)이 실장되는 전열판을 구성하고 있다. 금속판(21)과 절연성 기판(22)은, 절연성을 갖는 시트형의 접착 필름으로 이루어지는 고착재(25)에 의해 고착되어 있다. 고착재(25) 대신에, 절연성 기판(22)의 금속판(21)측에 접합용 금속층을 설치하여 두고, 절연성 기판(22)과 금속판(21)을 접합용 금속층을 통해 고착하도록 해도 된다.
각각의 리드 패턴(23)은 Ni층과 Au층의 적층막에 의해 구성되어 있으며, 프레임(40)보다도 내측에 형성되어 있는 부분에 의해 내측 리드부(23a)를 구성하고, 색변환 부재(70)에 의해 덮여있지 않은 부분에 의해 외측 리드부(23b)를 구성하고 있다. 각각의 리드 패턴(23)은, Ni층과 Au층의 적층막으로 한정되지 않고, 예컨대, Cu층, Ni층 및 Ag층의 적층막에 의해 구성해도 된다.
LED 칩(10)은, 청색광을 방사하는 GaN계 청색 LED 칩이며, 정사각형의 평면 형상을 갖도록 구성되어 있다. 이 LED 칩(10)은, 사파이어 기판보다 GaN에 더 근접한 격자 정수 및 결정 구조를 갖는 동시에 도전성을 갖는 n형의 SiC 기판으로 이루어진 도전성 기판(11)을 에피택셜 기판으로서 사용하고 있다. 또한, 도전성 기판(11)의 주표면 측에, GaN계 화합물 반도체 재료에 의해 형성되고, 적층 구조부 예컨대 더블 헤테로 구조를 갖도록 에피택셜 성장(예컨대, MOVPE 공정)에 의해 이 루어지는 발광부(12)가 형성되어 있다. 도전성 기판(11)의 배면에는 음극 측의 전극인 음극 전극(n형 전극)(도시하지 않음)이 형성되고, 발광부(12)의 표면(도전성 기판(11)의 주표면 측의 가장 앞쪽의 표면)에는 양극 측의 전극인 양극 전극(p형 전극)(도시하지 않음)이 형성되어 있다. 간략하면, LED 칩(10)은 일표면 측에 양극 전극을 갖고, 타표면 측에 음극 전극을 갖는다.
그리고, 본 실시예에서는, 상기 음극 전극 및 상기 양극 전극이, Ni층과 Au층의 적층막에 의해 구성되어 있지만, 상기 음극 전극 및 상기 양극 전극의 재료는 특별히 한정되지 않고, 양호한 오믹(ohmic) 특성을 얻을 수 있는 재료(예컨대, Al 등)이면 된다. 또한, 본 실시예에서, LED 칩(10)의 발광부(12)가 도전성 기판(11)보다 금속판(21)으로부터 더 멀어지도록 LED 칩(10)이 금속판(21)에 실장되어 있지만, LED 칩(10)의 발광부(12)가 도전성 기판(11)보다 금속판(21)에 더 근접하게 되도록 LED 칩(10)을 금속판(21)에 실장하여도 된다. 광 인출 효율의 관점으로부터는, 발광부(12)를 금속판(21)으로부터 멀리 이격시키는 것이 바람직하지만, 본 실시예에서는 도전성 기판(11)과 발광부(12)가 동일한 정도의 굴절률을 가지고 있으므로, 발광부(12)를 금속판(21)에 가까운 측에 배치하여도 광의 인출 손실이 커지지 않게 된다.
LED 칩(10)은, 관통공(24)의 내측에서, 서브 마운트 부재(30)를 통해 금속판(21)에 실장된다. 서브 마운트 부재(30)는, LED 칩(10)의 칩 사이즈보다 크고 금속판(21)보다 작은 사이즈의 사각형의 판형(여기서는, 정사각형의 평판)으로 형성되고, LED 칩(10)과 금속판(21) 간의 선팽창율의 차이로 인해 LED 칩(10)에 가해 지는 응력을 완화시킨다. 또한, 서브 마운트 부재(30)는, 전술한 응력을 완화시키는 기능 외에, LED 칩(10)에서 발생된 열을 금속판(21)에서 LED 칩(10)의 칩 사이즈보다 넓은 범위에 걸쳐 전도하는 열전도 기능도 갖는다. LED 칩(10)에서 발생된 열은, 절연성 기판(22)을 통하지 않고, 서브 마운트 부재(30)를 통해 금속판(21)에 전도된다.
본 실시예에서는, 서브 마운트 부재(3O)의 재료로서 열전도율이 비교적 높고 또한 절연성을 갖는 AlN을 채용하고 있지만, 서브 마운트 부재(30)의 재료는 AlN으로 한정되지 않고, 선팽창율이 도전성 기판(11)의 재료인 6 H-SiC에 비교적 근접하고 또한 열전도율이 비교적 높은 재료이면 되고, 예컨대, 복합 SiC, Si 등을 채용해도 된다.
서브 마운트 부재(30)는, 도 4에 나타낸 바와 같이, LED 칩(10) 측의 표면에서 전술한 음극 전극에 접속되는 도체 패턴(31)을 가지며, LED 칩(10)의 측면으로부터 방사된 광을 반사하는 반사막(예컨대, Ni막과 Ag막의 적층막, Al막 등)(32)을 포함한다. 즉, 서브 마운트 부재(30)는, LED 칩(10)의 접합부 부근에 LED 칩(10)의 측면으로부터 방사된 광을 반사하는 반사막(32)을 포함한다. 또한, 서브 마운트 부재(30)의 두께는, 반사막(32)의 표면이 절연성 기판(22)의 표면보다 금속판(전열판)(21)의 표면으로부터 더 멀어지도록 선택된다.
서브 마운트 부재(30)에 반사막(32)을 설치하는 동시에, 서브 마운트 부재(30)의 두께를 전술한 바와 같이 설정함으로써, LED 칩(10)의 측면으로부터 방사된 광이, 서브 마운트 부재(30)의 표면 또는 절연성 기판(22)의 측면에 흡수되는 것을 방지할 수 있고, 또한 색변환 부재(70)와 절연성 기판(22) 간의 접합부를 통해 출사되는 것을 방지할 수 있어, 외부에의 광 인출 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, LED 칩(10)의 측면으로부터 방사된 광이 색변환 부재(70)와 절연성 기판(22) 사이의 전술한 접합부를 통해 출사되는 것을 방지함으로써, 광의 컬러 세이딩을 감소시킬 수 있다.
LED 칩(10)은, 도체 패턴(31) 및 본딩 와이어(14)(예컨대, 금 세선, 알루미늄 세선 등)를 통해 한쪽의 리드 패턴(23)에 전기적으로 접속되는 음극 전극과, 본딩 와이어(14)를 통해 다른 쪽의 리드 패턴(23)에 전기적으로 접속되는 양극 전극을 갖는다.
LED 칩(10)은, 각각의 변이 서브 마운트 부재(30)의 대각선 중 대응하는 대각선에 교차하는 형태로 서브 마운트 부재(30)의 중앙부에 배치된다. 본 실시예에서는, LED 칩(10)과 서브 마운트 부재(30)를, 두께 방향에 따른 중심축이 대략 일치하고, 또한, LED 칩(10)의 각각의 변이 서브 마운트 부재(30)의 한쪽의 대각선과 대략 45°의 각도를 이루도록 배치되어 있다. 이와 같이 LED 칩(10)을 배치함으로써, LED 칩(10)의 각각의 측면으로부터 방사된 광을 반사막(32)에 의해 효과적으로 반사할 수 있다.
또한, 본 실시예의 발광 장치에서는, 도 3에 나타낸 바와 같이, LED 칩(10)에 전기적으로 접속된 각각의 본딩 와이어(14)가, LED 칩(10)의 대각선에 따른 방향으로 연장되어 있어, LED 칩(10)의 각각의 측면으로부터 방사되는 광이, 본딩 와이어(14)에 의해 차단되는 것을 감소시키고 있다. 이로써, 본딩 와이어(14)의 존 재로 인해 장치 전체의 광 인출 효율이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
LED 칩(10) 및 서브 마운트 부재(30)는 예컨대 SnPb, AuSn, SnAgCu 등의 납땜, 또는 은페이스트 등을 사용하여 접합하면 되지만, AuSn, SnAgCu 등의 무연 납땜(lead-free solder)을 사용하여 접합하는 것이 바람직하다.
밀봉부(50)는 투광성 재료로서 실리콘 수지를 사용하고 있다. 밀봉부(50)는 실리콘 수지로 한정되지 않고, 아크릴 수지 등을 사용해도 된다.
프레임(40)은 투명 수지에 의해 원통형의 형상으로 성형된 성형품이다. 프레임(40)은, LED 칩(10) 및 서브 마운트 부재(30)를 에워싸도록 절연성 기판(22)에 배치되어 있다. 본 실시예에서, 프레임(40)은 실리콘 수지, 즉 밀봉부(50)의 투광성 재료의 선팽창율과 거의 동등한 선팽창율을 갖는 투광성 재료에 의해 형성되어 있다. 밀봉부(50)의 투광성 재료로서 실리콘 수지 대신에 아크릴 수지를 사용하고 있는 경우에는, 프레임(40)을 아크릴 수지의 성형품에 의해 구성하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는, 프레임(40)을 회로 기판(20)에 고착한 다음에 프레임(40)의 내측에 밀봉부(50)의 투광성 재료를 충전하고 열경화하여 밀봉부(50)를 형성하고 있다.
프레임(40)을 구비함으로써, 프레임(40)에 의해 밀봉부(50)의 사이즈를 결정할 수 있다. 또한, 프레임(40)이 투명 수지의 성형품으로 이루어지므로, 종래와 같이 프레임이 금속 재료에 의해 형성되어 있는 경우에 비해, 프레임(40)과 밀봉부(50) 간의 선팽창율 차이를 감소시킬 수 있으며, 이에 의해 히트 사이클 시험 동안의 저온 상태에서 밀봉부(50)에 공극이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 프레임(40)은 광 반사 손실을 감소시킬 수 있으므로, 광 출력 효율이 향상된다.
렌즈(60)는, 밀봉부(50)에 대향하는 광입사면(60a) 및 광출사면(60b)이 볼록면 형상으로 형성되는 양볼록 렌즈에 의해 구성되어 있다. 렌즈(60)는 실리콘 수지로 이루어지는 성형품이며, 밀봉부(50)와 동일한 굴절률을 갖도록 되어 있다. 렌즈(60)는 실리콘 수지의 성형품으로 한정되지 않고, 예컨대 아크릴 수지의 성형품으로도 구성될 수 있다. 렌즈(60)의 광출사면(60b)은, 광입사면(60a)에 도달하는 광을 광출사면(60b)과 전술한 공기층(80) 간의 계면에서 전반사시키지 않도록 외측으로 볼록하게 형성되어 있다. 또한, 렌즈(60)는 렌즈(60)의 광축이 LED 칩(10)의 두께 방향으로 LED 칩(10)을 통해 연장하는 발광부(12)의 중심선 상에 위치하도록 배치되어 있다.
색변환 부재(70)는, 실리콘 수지 등의 투명 수지 재료와, LED 칩(10)으로부터 방사되어 밀봉부(50)를 투과한 청색광에 의해 여기되어 브로드 황색계의 광(broad yellowish white light)을 방사하는 미립자의 황색 형광체를 혼합한 혼합물로부터 성형된 성형품이다. LED 칩(10)의 측면으로부터 방사된 광은 밀봉부(50) 및 공기층(80)을 통과하여 색변환 부재(70)까지 도달하고, 색변환 부재(70)의 형광체를 여기하거나, 또는 형광체에는 충돌하지 않고 색변환 부재(70)를 투과한다. 본 실시예의 발광 장치(1)는, LED 칩(10)으로부터 방사된 청색광과 황색 형광체로부터 방사된 광의 조합으로 백색광을 얻을 수 있다.
색변환 부재(70)는, 내면(70a)이 렌즈(60)의 광출사면(60b)에 따른 형상으로 형성되고, 렌즈(60)의 광출사면(60b)의 모든 표면에 걸쳐, 법선 방향에서의 광출사 면(60b)과 색변환 부재(70)의 내면(70a) 사이의 거리가 대략 일정한 값으로 되어 있다. 또한, 색변환 부재(70)는 법선 방향에 따른 두께가 일정하도록 성형되어 있다.
색변환 부재(70)는, 개구부의 주위 에지가, 예컨대 접착제(예컨대, 실리콘 수지, 에폭시 수지 등)로 이루어지는 접합부(도시하지 않음)를 통해 절연성 기판(22)에 고착되어, 색변환 부재(70)와 렌즈(60)의 광출사면(60b) 사이 및 색변환 부재(70)와 프레임(40) 사이에 공기층(80)을 형성한다. 공기층(80)을 형성함으로써, 색변환 부재(70)에 외력이 가해질 때에 색변환 부재(70)가 변형되어 렌즈(60)에 맞닿게 될 가능성이 낮아진다. 따라서, 이러한 외력에 의해 색변환 부재(70)에서 발생한 응력이 LED 칩(10) 및 각 본딩 와이어(14)에 전달되는 것을 억제할 수 있어, 외력에 의한 LED 칩(10)의 발광 특성의 변동 및 본딩 와이어(14)의 단선이 발생하기 어렵게 됨으로써 신뢰성이 향상된다. 또한, 색변환 부재(70)와 렌즈(60) 사이에 공기층(80)이 형성됨으로써, LED 칩(10)은 외부 분위기 중의 수분으로부터 보호될 수 있다. 또한, 색변환 부재(70)를 렌즈(60) 및 프레임(40)에 밀착시킬 필요가 없기 때문에, 색변환 부재(70)의 치수 정밀도 또는 위치 결정 정밀도에 기인하는 수율의 저하를 억제할 수 있다. 색변환 부재(70)가 최종으로 조립되므로, LED 칩(10)의 발광 파장에 따라 투명 재료에 대한 형광체의 배합을 조정한 색변환 부재(70)를 사용함으로써 색불균일을 감소시킬 수도 있다.
또한, 색변환 부재(70)와 렌즈(60) 사이에 공기층(80)이 형성됨으로써, LED 칩(10)으로부터 방사되어 밀봉부(50) 및 렌즈(60)를 통해 색변환 부재(70)에 입사 되어 색변환 부재(70) 내의 황색 형광체의 입자에 의해 산란되는 광 중에서, 렌즈(60)측으로 산란되어 렌즈(60)를 투과하는 광의 양을 감소시킬 수 있다. 그 결과, 장치 전체의 광 인출 효율을 향상시킬 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하여 설명하면, 색변환 부재(70)의 광축과 LED 칩(10)의 광축이 일치하고 있어, LED 칩(10)으로부터의 청색광이 색변환 부재(70)의 광축 방향의 중앙 위치 P로부터 모든 방향으로 균일하게 산란된다. 색변환 부재(70)와 공기층(80) 간의 계면에서의 전반사각을 φa라 하고, 색변환 부재(70)와 색변환 부재(70)의 외측의 매질인 공기 간의 계면에서의 전반사각을 φb라 하며, 중앙 위치 P에서 산란된 광에 대해서 색변환 부재(70)의 내면(70a) 측의 이스케이프 콘(escape cone)(ECa)의 스프레드 각을 2θa라 하고, 위치 P에서 산란된 광에 대해서 색변환 부재(70)의 외면(70b) 측의 이스케이프 콘(ECb)의 스프레드 각을 2θb라 하면, 도 5a에 나타낸 바와 같이 전반사각 φa 및 φb가 40°일 때에는, 스프레드는 2θa=60°, 2θb=98°로 표현되고, 도 5b에 나타낸 바와 같이 전반사 각 φa 및 φb가 50°일 때에는, 스프레드는 2θa=76°, 2θb=134°로 표시된다.
색변환 부재(70)를 형성하고 있는 투명 재료의 굴절률을 n이라 하고, 위치 P에서 산란되어 내면(70a) 측의 이스케이프 콘(ECa)을 통해 방출되는 청색광의 최대 방출 효율을 η이라 하면, η=(1/4n2)×100(％)으로 표현되므로, 전술한 바와 같이 투명 재료로서 n=1.4의 실리콘 수지를 사용하고 있는 경우에는, η≒13％로 된다. 즉, 색변환 부재(70)와 렌즈(60) 사이에 공기층(80)이 형성되어 있지 않은 경우에 는, 위치 P에서 산란된 청색광의 약 50％가 렌즈(60)를 향해 역반사됨에 비해, 공기층(80)이 형성되어 있는 경우에는, 위치 P에서 산란된 청색광의 불과 13％가 렌즈(60)를 향해 역반사된다. 따라서, 광 인출 효율을 향상시킬 수 있고, 또 청색광에 의한 밀봉부(50)의 열화를 억제할 수 있다. 이스케이프 콘(ECa)을 통해 방출되는 청색광을 감소시키기 위해서는, 색변환 부재(70)의 두께를 크게 하는 것이 바람직하다.
색변환 부재(70)의 재료로서 사용되는 투명 재료는, 실리콘 수지로 한정되지 않고, 예컨대, 아크릴 수지, 에폭시 수지, 유리 등을 채용해도 된다. 또한, 색변환 부재(70)의 재료로서 사용되는 투명 재료에 혼합되는 형광체도 황색 형광체로 한정되지 않고, 예컨대, 적색 형광체와 녹색 형광체를 혼합하여도 백색광을 얻을 수 있다. 전술한 실시예에서는, LED 칩(10)으로서 발광색이 청색인 청색 LED 칩을 채용하는 동시에 도전성 기판(11)으로서 SiC 기판을 채용하고 있지만, SiC 기판 대신에 GaN 기판을 사용해도 된다. SiC 기판 또는 GaN 기판을 사용한 경우에는, 결정 성장용 기판으로서 절연체인 사파이어 기판을 사용하고 있는 경우에 비해, 열전도율이 높아, 결정 성장용 기판의 열저항을 작게 할 수 있다. 또한, LED 칩(10)의 발광색은 청색으로 한정되지 않고, 예컨대, 적색, 녹색 등이어도 된다. 즉, LED 칩(10)의 발광부(12)의 재료는 GaN계 화합물 반도체 재료로 한정되지 않고, LED 칩(10)의 발광색에 따라 GaAs계 화합물 반도체 재료 또는 GaP계 화합물 반도체 재료 등을 채용해도 된다.
또한, 도전성 기판(11)도 SiC 기판으로 한정되지 않고, 발광부(12)의 재료에 따라 예컨대, GaAs 기판, GsP 기판 등으로 적당히 선택하면 된다. 전술한 바와 같이, 본 실시예의 발광 장치(1)는 서브 마운트 부재(30) 상에 반사막(32)을 가지며, 또한 반사막(32)의 표면이 절연성 기판(22)의 표면보다 금속판(전열판)(21)으로부터 더 멀어지도록 서브 마운트 부재의 두께를 선택하므로, LED 칩(10)의 측면으로부터 방사된 광이 서브 마운트 부재(30)의 표면 또는 절연성 기판(22)의 측면에 흡수되는 것을 방지할 수 있고, 또한 색변환 부재(70)와 절연성 기판(22) 사이의 접합부를 통해 출사되는 것을 방지할 수 있어, 외부에의 광 인출 효율을 향상시킬 수 있다. 외부에의 광 인출 효율의 향상에 의해, 광출력의 향상 역시 달성된다. 본 실시예의 발광 장치(1)는 투명 수지로 이루어진 프레임(40)을 구비하고 있지만, 도 6에 나타낸 바와 같이 프레임(40)을 구비하고 있지 않아도 된다.
또한, 본 실시예의 발광 장치(1)는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 투명 수지로 이루어진 프레임(40) 대신에 종래의 금속 재료로 이루어지는 프레임(40')을 사용하여도 된다. 이 경우에도, 서브 마운트 부재의 두께를, 반사막(32)의 표면이 절연성 기판(22)의 표면보다 금속판(전열판)(21)으로부터 더 멀어지도록 선택함으로써, LED 칩(10)의 측면으로부터 방사된 광이 절연성 기판(22)의 측면에 흡수되는 것을 방지할 수 있고, 또한 금속 프레임(40')과 절연성 기판(22)의 접합부를 통해 출사되는 것을 방지할 수 있어, 광 인출 효율을 향상시킬 수 있고, 이러한 광 인줄 효율의 향상에 의해 광출력도 향상된다.
상기와 같이, 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않고 광범위하게 상이한 실시예를 구성할 수 있다는 것은 명백하므로, 본 발명은 청구의 범위에서 한정한 것 이외에는, 특정한 실시예로 제약되지 않는다.

Claims (5)

  1. 발광 장치에 있어서,
    발광 다이오드(LED) 칩;
    열전도성 재료로 이루어지고, 상기 LED 칩이 실장되는 전열판;
    상기 LED 칩보다 크고 상기 전열판보다 작은 평판형으로 형성되고, 상기 LED 칩과 상기 전열판 사이에 배치되어, 상기 LED 칩과 상기 전열판 간의 선팽창율 차이로 인해 상기 LED 칩에 가해지는 응력을 완화시키는 서브 마운트 부재;
    상기 전열판에 적층되며, 상기 전열판의 반대측의 표면에서 상기 LED 칩의 전극들의 각각에 전기적으로 접속되는 한 쌍의 리드 패턴을 가지며, 상기 서브 마운트 부재를 노출시키는 관통공이 제공되어 있는 절연성 기판(dielectric substrate);
    투광성 및 탄성을 갖는 재료로 이루어져 상기 LED 칩을 밀봉하는 밀봉부; 및
    상기 밀봉부에 중첩되는 렌즈
    를 포함하며,
    상기 서브 마운트 부재는 상기 LED 칩의 접합부 주위에 상기 LED 칩의 측면으로부터 방사된 광을 반사하는 반사막을 가지며,
    상기 서브 마운트 부재는, 상기 반사막의 표면이 상기 절연성 기판보다 상기 전열판으로부터 더 멀어지도록 선택되는 두께를 갖는,
    발광 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 LED 칩 및 상기 서브 마운트 부재는, 각각 정사각형의 평면 형상을 갖도록 구성되며,
    상기 LED 칩은, 각각의 LED 칩의 측면이 상기 서브 마운트 부재의 대각선 중 대응하는 한쪽의 대각선에 각각 교차하는 형태로 상기 서브 마운트 부재의 중앙부에 배치되는,
    발광 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 절연성 기판의 표면에, 상기 서브 마운트 부재 및 상기 LED 칩을 둘러싸기 위해 제공된 프레임을 더 포함하며,
    상기 밀봉부는 상기 프레임의 내측에 투광성 재료를 충전하여 형성되며,
    상기 프레임은 투명 수지에 의해 성형되는,
    발광 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 LED 칩은 일표면 측에 한쪽의 전극이 형성되는 동시에 타표면 측에 다른 쪽의 전극이 형성되며, 상기 전극들 중의 상기 서브 마운트 부재에 근접한 전극이 상기 서브 마운트 부재 상의 도체 패턴을 통해 한쪽의 본딩 와이어에 접속되는 한편, 상기 서브 마운트 부재 측과는 반대측의 전극이 다른 쪽의 본딩 와이어에 접속되고, 상기 다른 쪽의 본딩 와이어가 상기 LED 칩의 상기 대각선 중 하나의 대각선에 따른 방향으로 연장되어 있는, 발광 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 LED 칩으로부터 방사되어 상기 밀봉부에 투과된 광에 의해 여기되어, 상기 LED 칩의 발광색과는 상이한 색의 광을 방사하는 형광체를, 투명 재료와 혼합하여 성형한 성형품이며, 상기 렌즈를 덮도록 상기 절연성 기판에 배치되는 돔 형상의 색변환 부재를 더 포함하며,
    상기 색변환 부재는 상기 색변환 부재와 상기 렌즈의 광 출사면 사이에 공기층이 형성되도록 배치되는,
    발광 장치.
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