KR20080077556A - 발광 반도체 소자 - Google Patents

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Abstract

발광 반도체 소자는 패키지; 발광 소자; 반사 부재; 및 광 투과 형광 재료층을 포함한다. 패키지는 보울 (bowl) 형상 오목부를 갖고, 발광 소자는 오목부의 중앙에 위치한다. 반사 부재는 발광 소자를 둘러싸는 패키지의 경사진 표면상에 제공되고, 형광 재료층을 구비한다. 광 투과 형광 재료층은 경사진 표면 내부의 발광 소자를 향하도록 제공된다.
발광 반도체 소자, 광 투과 형광 재료층, 컬러 불균일

Description

발광 반도체 소자{LIGHT EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICE}
본원은 본 명세서에 그대로 참고로 포함된 개시물인, 2007년 2월 20일에 출원된 일본 특허 출원 제 2007-039228 호를 기초로 하고 우선권의 혜택을 주장한다.
본 발명은 발광 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 청색 LED (Light Emitting Diode) 와 황색 광을 방출하는 형광 재료를 함께 이용하여 백색 광을 방출할 수 있는 발광 반도체 소자에 관한 것이다.
청색 발광 소자가 형광 재료를 함유하는 투명 수지에 의해 실링되는 백색 광원이 사용되어왔다. 백색 광원은 청색 발광 소자로부터 방출된 청색광과 청색광이 입사하는 형광 재료로부터 방출된 황색 광을 조합함으로써 백색 광을 방출한다. 백색 광원이 이러한 구조를 가지므로, 청색 발광 소자와 형광 재료는 높은 광 흡수를 특징으로 하고 백색광의 방출 효율은 낮다. 이것은, 청색 발광 소자로부터 방출된 광의 상당 부분이 형광 재료에 의해 반사되어 청색 발광 소자로 다시 들어가기 때문이다. 청색 발광 소자에서, 광은 높은 굴절률 때문에 밖을 향하여 약간만 다시 방출되고, 광의 대부분은 청색 발광 소자에서 흡수된다. 반면에, 형광 재료층에 입사된 광의 상당 부분은 형광 재료층에 흡수되고, 따라서, 형광 재료를 통해 밖을 향하여 방출된 백색 광의 방출 효율은 낮다.
백색 광을 방출하는 대부분의 현재 사용된 반도체 소자는 청색 LED와 황색 광을 방출하는 형광 재료의 조합에 의해 백색 광을 얻는 방법을 채택한다.
발광 소자 및 형광 재료를 조합하는 방법은:
1) 형광 재료를 입방체 발광 소자의 표면에 직접 도포하는 방법;
2) 다이 본딩된 발광 소자를 분산된 형광 재료를 포함하는 수지로 피복하는 방법; 및
3) 분산된 형광 재료를 함유하는 시트를 발광 소자와 분리된 위치에 두는 방법을 포함한다.
일본 공개 특허 공보 제 2003-124521 호는, 반사 케이스가 기판 상의 LED 칩을 둘러싸도록 제공되고, 반사 케이스 내 LED 칩을 둘러싸는 공간은 광 투과 수지로 채워지고, 반사 케이스 및 광 투과 수지는 형광제를 포함하는 반도체 발광기를 개시한다.
일본 공개 특허 공보 제 2003-298117 호는, 높은 반사율을 갖는 반사 표면으로 형성된 측벽을 구성하는 반사 부재가 기판의 외주에 고정되고, 측벽의 내부 측 표면은 높은 반사율을 갖는 반사 표면이고, 광 투과 에폭시 수지는 측벽에 의해 둘러싸인 공간에 실링되고, 형광 재료 함유 수지가 도포되는 반사 표면을 갖는 페이싱 반사 미러가 발광 소자의 발광 표면을 향하는 광 투과 에폭시 수지의 중앙에 위치하는 발광 다이오드를 개시한다.
일본 공개 특허 공보 제 2006-49814 호는, 기판 상의 발광 소자를 둘러싸도 록 반사 표면을 형성하는 제 1 반사 부재가 제공되고, 기판 상의 제 1 반사 부재를 둘러싸도록 제 2 반사 부재가 제공되고, 파장 변환층이 발광 소자 위에 제공되는 발광기를 개시한다.
다음으로, 종래 기술의 문제점을 설명할 것이다.
일반적으로, 발광 소자는 발광 방향에 따라 광 세기에서 차이가 있다. 도 1a 및 도 1b는 발광 반도체 소자 내 발광 영역에서 광 세기의 차를 개략적으로 도시한다. 도 1a는 발광 반도체 소자의 상면도이고 도 1b는 발광 반도체 소자의 측면도이다.
발광 반도체 소자 (1) 는 절단된 원뿔의 오목면을 갖는 패키지 (2), 패키지 (2) 의 중심에 위치된 발광 소자 (3), 및 패키지 (2) 의 개구 상에 제공된 투과성 형광 재료층 (5) 을 포함하고, 미도시된 도체 또는 도체 배선이 발광 소자 (3) 에 접속된다.
발광 반도체 소자 (1) 에서, 발광 소자 (3) 는 도 1b에 도시된 바와 같이 발광 반도체 소자 (1) 의 중심을 향하여 높은 세기로 광을 방출한다. 이러한 발광 소자 (3) 의 경우, 발광 소자 (3) 로부터의 청색 광은 투과성 형광 재료층 (5) 을 통해 그대로 통과하여 높은 세기의 발광 영역 (11) 에서 실질적으로 청색이 되는 반면, 낮은 세기의 발광 영역 (12) 에서 원하는 컬러인 백색이 된다. 따라서, 발광 반도체 소자 (1) 는 중앙에서 및 그 주위 영역에서 상이한 컬러는 가져 컬러 불균일의 원인이 된다.
일본 공개 특허 공보 제 2003-124521 호, 일본 공개 특허 공보 제 2003-298117 호, 및 일본 공개 특허 공보 제 2006-49814 호에 개시된 장치는 도 1a 및 도 1b의 그것과 유사한 구조를 갖지만, 이러한 컬러 불균일을 해결하기 위한 방법에 관한 설명은 포함하지 않는다.
본 발명은 단순한 구조로 발광 소자로부터 방출된 광 세기의 차의 방향 특성에 의해 발생한 컬러 불균일을 방지할 수 있는 발광 반도체 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 양태에 따른 발광 반도체 소자는 패키지; 발광 소자; 반사 부재; 및 광 투과 형광 재료층을 포함한다. 패키지는 보울 (bowl) 형상 오목부를 갖고, 발광 소자는 오목부의 중앙에 위치된다. 반사 부재는 발광 소자를 둘러싸는 패키지의 경사진 표면상에 제공되고, 형광 재료층을 구비한다. 이에 따라, 광 투과 형광 재료층은 경사진 표면 내부의 발광 소자의 높은 세기 발광 영역에 제공된다.
본 발명의 상기 목적 및 다른 목적, 특징, 및 이점은 본 발명의 실시예를 예시하는 첨부된 도면을 참고로 하여 다음의 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명은 발광 소자의 높은 세기의 발광 영역에서 높은 감쇠를 갖는 광 투과 형광 재료층을 이용하고, 낮은 세기의 발광 영역에서 낮은 감쇠를 갖는 반사 형광 재료층을 이용하여, 컬러 불균일 없이 파장 변환된 광을 방출하는 것이 허용된다. 또한, 발광 소자로서 사용된 형광 재료는 광 출력을 증가시키는데 효율적으로 사용될 수 있다.
도 2 및 도 3에서, 참조 번호 1은 발광 반도체 소자를 가리키고, 참조 번호 2는 패키지를 가리키고, 참조 번호 3은 발광 소자를 가리키고, 참조 번호 4는 측면 반사 형광 재료층, 참조 번호 5는 상면 투과성 형광 재료층, 참조 번호 6은 광 투과 재료, 참조 번호 11은 높은 세기의 발광 영역, 참조 번호 12는 낮은 세기의 발광 영역, 참조 번호 21은 제 1 발광 영역, 참조 번호 22는 제 2 발광 영역을 가리킨다.
여기 광을 형광 재료에 인가하고 파장 변환에 의한 가시광을 얻는 방법은 "투과"를 위해 여기원과 관찰자 사이에 형광 재료층을 제공하는 방법과, "반사"를 위해 여기원과 관찰자의 형광 재료층들이 서로 향하도록 하는 방법을 포함한다.
"투과"에 관해서는, 발광 소자로부터 방출된 여기 광이 형광 재료층을 통과할 때, 광은 반사가 반복되는 동안 형광 재료 입자 사이의 갭을 통해 일부 통과하고 형광 재료 입자를 통해 일부 통과한다. 광은 반사를 반복하여 감쇠되고, 투과시에도 감쇠된다. 따라서, 높은 감쇠는 투과시 형광 재료에 의한 여기 광의 파장 변환시 발생한다.
반면, "반사"에 관해서는, 광은 반사를 반복하지 않고 형광 재료층을 통해 통과하지 않음으로써 효율적인 파장 변환을 허용한다.
본 발명에서, "투과" 및 "반사" 사이의 효율의 차가 사용된다. 형광 재료층을 통해 여기 광의 통과 동안 발광 세기 분배는 2개 부분으로 나누어지는데, "투과"는 높은 세기의 발광 영역 (11) 에서 사용되고, "반사"는 낮은 세기의 발광 영역 (12) 에서 사용되어, 컬러 불균일이 감소하는 것이 문제이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 발광 소자 (3) 는 보울 형상 (절단된 원뿔의) 오목면을 갖는 패키지 (2) 의 저면의 중앙에 위치된다. 패키지 (2) 는 본원에서 일체적으로 형성된다. 그러나, 본 발명에서, 절단된 원뿔 공간을 형성하는 측벽은, 발광 소자 (3) 가 중앙에 설치되는 기판 상에 결합될 수도 있다. 절단된 원뿔 공간은 직사각의 방출 개구를 형성하기 위해 절단된 피라미드 공간으로 교체될 수도 있다.
발광 소자 (3) 는 본원에서 청색 발광 소자이고, 일반적으로 청색 발광 다이오드이다. 발광 소자 (3) 에는, 전력을 공급하는 보이지 않는 리드 (lead) 가 접속된다.
광 투과 재료 (6) 는 패키지 (2) 의 절단된 원뿔 공간 내에서 실링된다. 일반적으로 투명 에폭시 수지는 광 투과 재료 (6) 로서 사용된다. 광 투과 재료 (6) 는, 상부 투과성 형광 재료층 (5) 이 발광 소자 (3) 를 향하는 위치에서 유지될 수 있다면, 생략될 수도 있다.
투과성 형광 재료층 (5) 은 높은 세기의 발광 영역 (11) 에서 발광 소자 (3) 를 향하는 광 투과 재료 (6) 의 상부면 상에 형성된다. 일반적으로 사용된 투과성 형광 재료층 (5) 은 황색 착색 형광 재료를 함유한 투명 재료로서, 열 경화되어 시트 형상으로 형성된다. 대안으로는, 투과성 형광 재료층 (5) 은 황색 착색 형광 재료를 함유하는 광 투과 재료 (6) 의 상면으로 형성될 수도 있다. 투과성 형광 재료층 (5) 은 방출 파장을 가지며 발광 소자 (3) 로부터 방출된 가시 광선 또는 자외선을 흡수하고, 내부에서 반사를 반복한 후, 광을 원하는 컬러의 광 (본 실시예에서 백색) 으로 변환하여 그 광을 외부로 방출한다.
반면, 반사 형광 재료층 (4) 은 패키지 (2) 의 절단된 원뿔의 오목면 상에 위치되고 이 형광 재료는 발광 소자 (3) 로부터 광을 반사하기 위한 황색 착색 형광 재료를 함유하는 투명 재료이다. 반사 형광 재료층 (4) 은 낮은 세기의 발광 영역 (12) 의 방출 파장을 가지며 발광 소자 (3) 로부터 방출된 가시광 또는 자외광을 원하는 컬러의 광 (본 실시예에서 백색) 으로 변환하고 그 광을 반사한다. 변환된 광은 투과성 형광 재료층 (5) 외부의 광 투과 재료 (6) 를 통과하여 외부로 방출되고, 투과성 형광 재료층 (5) 으로 입사된 대부분의 광은 내부에서 반사되면서 외부로도 방출된다.
따라서, 높은 세기의 발광 영역 (11) 으로부터 변환된 제 1 발광 영역 (21) 의 광은 투과성 형광 재료층 (5) 에서 반사를 반복하여 감쇠되고 방출된다. 따라서, 형광 재료에 의한 여기 광의 파장 변환시 높은 감쇠가 발생하고, 발광 소자 (3) 로부터의 청색 광은, 투과성 형광 재료층 (5) 을 그대로 통과하지 않아 실질적으로 청색이 되지만 원하는 컬러인 백색 광으로서 방출된다. 또, 낮은 세기의 발광 영역 (12) 으로부터 변환된 제 2 발광 영역 (22) 의 광은 반사를 반복하지 않거나 형광 재료층을 통과하지 않아, 효율적으로 파장 변환이 되고 원하는 컬러인 백색 광으로서 방출된다.
형광 재료층의 두께 또는 형광 재료의 혼합비를 조정하는 것은 투과성 형광 재료층 (5) 을 이용하는 제 1 발광 영역 (21) 과 반사성 형광 재료층 (5) 을 이용 하는 제 2 발광 영역 (22) 사이의 밸런스를 허용하여, 컬러 불균일을 갖지 않는 발광 반도체 소자 (1) 를 달성한다.
예시적인 실시예에서, 청색 발광 다이오드와 황색 착색 형광 재료의 혼합은 상술된 바와 같이 백색 광을 얻는데 사용되지만, 이 조합으로 한정되지 않고, 발광기와 백색 광을 얻을 수 있는 컬러 발광 형광 재료의 임의의 조합이 사용될 수도 있다.
발광기와, 백색 광을 얻을 수 있는 컬러 발광 형광 재료의 혼합은, 발광 다이오드와, 청색 발광 다이오드와 황색 및 적색 착색 발광 형광 재료의 혼합과 같은 복수의 형광 재료의 조합, 청색 발광 다이오드와, 녹색 및 주황색 착색 발광 형광 재료의 혼합, 및 근자외선 발광 다이오드와 청색, 녹색, 및 주황색 착색 발광 형광 재료의 혼합을 포함한다.
본 발명의 발광 반도체 소자의 다른 양태로서, 발광 소자를 실링하는 광 투과 부재는 반사 부재의 경사진 표면 내부에 제공될 수도 있다. 형광 재료층과 광 투과 형광 재료층은 발광 소자로부터 발광된 컬러 광의 일부 또는 전부를 흡수하고 상술된 컬러 광과는 상이한 파장을 갖는 컬러 광을 방출하는 형광 재료를 포함할 수도 있다.
예시적인 실시 형태를 참고하여 상술된 바와 같이, 본 발명은 발광 소자의 높은 세기의 발광 영역에서 높은 감쇠를 갖는 광 투과 형광 재료층을 이용하고, 낮은 세기의 발광 영역에서 낮은 감쇠를 갖는 반사 형광 재료층을 이용하여, 컬러 불균일 없이 파장 변환된 광을 방출하는 것이 허용된다. 또한, 발광 소자로서 사 용된 형광 재료는 광 출력을 증가시키는데 효율적으로 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태를 구체적인 표현을 이용하여 설명하였지만, 이러한 설명은 설명을 위한 것일 뿐이고, 다음의 청구 범위의 정신 또는 범위로부터 벗어남 없이 변경 및 변화가 이루어질 수 있음을 이해한다.
도 1a는 발광 반도체 소자 내 발광 영역의 광 세기의 차를 도시하는 개략적인 상면도이다.
도 1b는 발광 반도체 소자 내 발광 영역의 광 세기의 차를 도시하는 개략적인 측면도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시 형태에 따른 발광 반도체 소자의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시 형태에 따른 발광 반도체 소자의 개략적인 투시도이다.

Claims (5)

  1. 보울 (bowl) 형상 오목부를 갖는 패키지;
    상기 오목부의 중앙에 위치한 발광 소자;
    상기 발광 소자를 둘러싸는 상기 패키지의 경사진 표면에 제공되고, 형광 재료층을 구비한 반사 부재; 및
    상기 경사진 표면 내부의 상기 발광 소자를 향하도록 제공된 광 투과 형광 재료층을 포함하는, 발광 반도체 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 경사진 표면 내부에 제공되고 상기 발광 소자를 실링하는 광 투과 부재를 더 포함하는, 발광 반도체 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 형광 재료층 및 상기 광 투과 형광 재료층은 상기 발광 소자로부터 방출된 컬러 광의 일부 또는 전부를 흡수하고 상기 컬러 광과는 상이한 파장을 갖는 컬러 광을 방출하는 형광 재료를 포함하는, 발광 반도체 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 발광 소자는 청색 발광 소자이고, 상기 형광 재료는 황색 광을 방출하 는 형광 재료이고, 상기 발광 반도체 소자는 백색 광을 방출하는, 발광 반도체 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 청색 발광 소자는 청색 발광 다이오드인, 발광 반도체 소자.
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