KR20080110496A - 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제1 파장광을 출력할 수 있는 발광 다이오드 및 발광 다이오드의 상부에 위치하되 제1 파장광을 흡수하여 제2 파장광으로 출력하는 형광체를 포함하는 발광소자에 관한 것으로, 상기 발광소자는 상기 제1 파장광의 파장이 430nm 미만이고 발광 다이오드를 구동하는 구동 전류 밀도가 200mA/㎠ 보다 큰 경우에 비교적 높은 발광 효율과 상대적으로 안정적인 색온도 분포를 갖는다. 여기서 상기 발광소자는 형광체 직접 도포 공정(phosphor-on-chip process)을 거쳐 형성된 형광체가 도포된 웨이퍼를 다이싱하여 제작한다.

발광소자, 파장변환층, 발광 다이오드

Description

발광소자{LIGHT-EMITTING DEVICE}

본 발명은 발광소자에 관한 것으로서, 특히 파장변환층을 갖는 발광 다이오드 소자에 관한 것이다.

발광 다이오드는 전통적인 백열전구 및 냉음극램프에 비하여 전력 소모가 적고 사용 수명이 더 길다. 발광 다이오드가 이러한 우수한 특성을 가지고 있으므로 각종 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 예를 들면, 교통신호표시, 백라이트 모듈, 가로등조명, 의료설비 및 통신저장장치 등의 산업분야에 이용되고 있다.

청색 광 및 자외선 등 단파장의 발광 다이오드의 발광효율이 끊임없이 향상됨에 따라 파장변환장치를 이용하여 백색광을 출력하는 설계가 중요한 기술분야로 되었다. 예를 들면, 발광 다이오드에서 출력된 제1 파장광의 일부가 형광체에 의해 흡수되어 제1 파장광의 파장보다 긴 제2 파장광으로 변환되고, 파장변환을 거치지 않은 일부 제1 파장광은 제2 파장광과 혼합하여 백색광을 생성한다. 상기 제1 파장광을 파장이 긴 제2 파장광으로 변환하는 현상이 소위「주파수 하향변환(down-conversion )」이다.

상기 종래기술은 청색 광 또는 자외선 발광 다이오드를 이용하여 백색광을 출력하는 수많은 기술을 파생시켰다. 예를 들면, 파장이 390nm인 자외선 발광 다이오드를 사용하여 적색, 청색, 녹색의 형광체를 여기시키면 적색 광, 청색 광, 녹색 광이 생성되는데 상기 3종류의 광을 다시 혼합하여 백색 광을 얻는 것이다. 상기 자외선과 형광체를 배합하여 백색광을 생성하는 방법의 단점이라면 발광소자의 수명이 짧다는 것이다. 또 다른 하나의 예를 들면, 파장이 450nm~470nm인 청색 발광 다이오드에 YAG:Ce 형광체를 배합하여 백색 광을 생성하는 것이다. 상기 방법에 의해 생성된 백색광은 색온도 분포가 6000~8000K이고 연색지수(Color Rendering Index: CRI)가 약 70~75 범위에 있다. 그러나 본 방법도 색온도의 변화 범위가 지나치게 크고 고전류 밀도에서 구동될 때 발광 다이오드의 양자효율이 안정적이지 못한 현상이 발생하게 된다. 동일한 웨이퍼에 생성된 다수의 발광 다이오드 소자는 색온도의 변화 범위가 지나치게 큰 관계로 일반적으로 웨이퍼에 대하여 다이싱 과정을 거친 후 선별과정을 추가하여야만 색온도의 변화가 상대적으로 안정적인 백색 발광 다이오드 소자를 얻을 수 있지만 이렇게 되면 제조원가가 증가하게 된다. 또 다른 하나의 예를 들면, 에폭시수지를 사용하여 적색, 청색, 녹색의 발광 다이오드 다이를 하나의 전구로 패키징하는 것인데 이는 적어도 4개 라인을 통해 전류를 전송해야 한다. 이러한 다수의 다이를 함께 패키징하는 방법은 구조가 상대적으로 복잡할 뿐만 아니라 원가도 다른 방법보다 높은 편이다. 따라서 종래의 일반적인 백색 발광소자의 발광 효율 및 색상 품질을 어떻게 개선할 것인가 하는 것은 중요한 과제로 되었다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래의 발광소자의 발광 효율 및 색상 품질을 개선하고자 하는 것을 일 목적으로 한다.

본 발명에 따른 일 실시예는 발광소자, 특히 파장변환 메커니즘을 갖는 발광소자를 제공한다. 상기 발광소자는 제1 파장광을 출력할 수 있는 발광구조체; 및 상기 발광구조체의 상부에 위치하여 상기 제1 파장광을 흡수하여 제2 파장광으로 출력하는 파장변환층을 포함하고, 상기 제1 파장광의 파장은 430nm 미만이고 상기 발광구조체를 구동하는 구동 전류 밀도는 200mA/㎠ 보다 크다. 상기 제1 파장광의 파장이 410nm~425nm 범위에 있고 구동 전류 밀도가 350mA/㎠ 보다 큰 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 다른 일 실시예는 제1 파장광을 출력할 수 있는 발광 적층체; 및 상기 발광 적층체의 상부에 위치하여 파장이 430nm 미만인 상기 제1 파장광을 흡수하여 제2 파장광으로 출력하는 파장변환층을 포함하는 웨이퍼를 제공하고 있다. 상기 제1 파장광의 파장은 410nm~425nm 범위에 있는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 또 다른 일 실시예는 발광 적층체 및 상기 발광 적층체의 상부에 위치하는 파장변환층을 포함하는 웨이퍼를 제공하고 있다. 상기 웨이퍼는 다수의 다이로 다이싱할 수 있으며 상기 다이의 색온도차가 300K 미만이다.

본 발명은 또한 형광체를 직접 도포하는 공정을 제공하고 있다. 상기 공정 은 웨이퍼 위에 파장이 410nm~425nm의 발광 적층체를 형성하는 단계; 상기 발광 적층체 위에 파장변환층(예를 들면 형광체)을 증착하여 형광체가 도포된 웨이퍼를 형성하는 단계; 상기 형광체가 도포된 웨이퍼를 다수의 다이로 다이싱하는 단계; 및 수지를 사용하여 상기 다이를 발광소자로 패키징하는 단계를 포함한다.

도 1은 파장이 서로 다른 발광 다이오드가 구동 전류 밀도가 서로 다른 조건에서의 상대 발광효율을 도시하고 있다. 가로축은 발광 다이오드의 구동 전류 밀도를 나타내고, 세로축은 발광 다이오드 외부양자효율(EQE)의 상대 발광효율을 나타낸다. 도면에 도시한 바와 같이, 곡선 Wd1은 파장이 460nm인 발광 다이오드를 나타내고 있으며, Wd1의 곡선 변화로부터 가로축의 구동 전류 밀도가 증가할 때 이와 대응하는 세로축의 상대 발광효율이 빠르게 하락하고 있음을 발견할 수 있다. 그리고 도면에 도시하고 있는 다른 한 곡선 Wd2은 파장이 425nm의 발광 다이오드를 나타내고 있다. Wd1(460nm)과 Wd2(425nm)의 곡선변화를 비교해 보면 전류 밀도가 200mA/㎠ 보다 클 때 구동 전류 밀도가 증가함에 따라 곡선 Wd2(425nm)의 상대 발광효율이 하락하게 되는데 그 하락속도는 Wd1(460nm)보다 느리고 게다가 Wd2(425nm)의 모든 상대 발광효율은 Wd1(460nm)보다 높음을 발견할 수 있다. 즉, 발광 다이오드가 높은 구동 전류 밀도(200mA/㎠ 보다 큼)의 환경에 처할 때 단파장의 외부양자효율(EQE)은 장파장보다 높고 파장이 430nm 미만일 때가 더욱 현저하다. 발광 다이오드는 전기 극성이 서로 반대인 반도체층의 중간에 능동층을 삽입하여 형성된 발광 적층체로 이루어지므로 능동층의 조성을 컨트롤하여 발광 다이오 드의 발광파장을 조절함으로써 460nm의 파장을 425nm로 변환시킬 수 있다. 또한, 능동층의 조성에 의해 파장이 425nm로 변환될 때 에피택시의 품질도 향상될 것이며 높은 구동 전류 밀도의 조건에서의 작동에 더욱 적합하다.

도 2는 350mA/㎠의 구동 전류 밀도의 조건에서의 발광 다이오드 소자의 상대 발광효율과 파장 사이의 관계를 나타낸 도면이다. 가로축은 발광 다이오드의 파장을 나타내고, 세로축은 발광 다이오드의 상대 발광효율을 나타낸다. 도면에 도시한 바와 같이, 발광 다이오드소자의 파장이 400nm~440nm 범위에 있을 때 광출력(WPE)이 비교적 크며, 410nm~425nm 범위에 있는 것이 바람직하다. 도 3은 발광 다이오드의 파장과 바륨실리케이트계 형광체(Ba₂SiO₄:Eu)의 상대 여기 강도를 나타낸 도면이다. 도면에 도시한 바와 같이, 발광 다이오드의 파장이 짧을수록 바륨실리케이트계 형광체(Ba₂SiO₄:Eu)의 상대 여기 강도가 더욱 강해진다. 그러나 앞서 설명한 도 2에 도시한 바와 같이, 발광 다이오드의 파장이 410nm 미만일 경우, 그 광출력(WPE)은 파장이 짧아짐에 따라 대폭 하락하게 된다.

상기 실험결과를 바탕으로 본 실시예는 백색 발광 다이오드를 개시하고 있다. 이 발광 다이오드는 파장이 410nm~425nm 범위에 있는 인듐질화갈륨(InGaN)계의 발광 다이오드를 사용하고 바륨실리케이트계 형광체(Ba₂SiO₄:Eu)를 혼합한 에폭시수지로 패키징한 것이다. 우선 일반적인 형광체는 분말상태에서 에폭시수지와 혼합된 후 발광 다이오드가 있는 반사 컵 안에 주입되는데 이때 형광체 분말은 발광 다이오드의 상부에 분포하게 된다. 그런 다음 수지 경화반응을 진행함으로써 백색 발광 다이오드의 제작공정을 완성한다. 구동 전류 밀도가 350mA/㎠일 경우, 본 실시예에 사용한 파장이 410nm~425nm인 발광 다이오드는 파장이 450nm~465nm인 종래의 백색 발광 다이오드의 발광효율보다 높은 편이다. 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 높은 구동 전류 밀도 조건에서 본 실시예의 외부양자효율(EQE), 광출력(WPE) 및 여기 강도(excitation intensity)는 모두 종래의 장파장(450nm~465nm)의 여기 광원보다 높은 편이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 일 실시예는 형광체를 직접 도포하는 공정(phosphor-on-chip process)을 거쳐 파장변환 메커니즘을 갖는 발광 다이오드를 제작하는 것에 관한 것이다. 그 구체적인 제작 과정은 웨이퍼 위에 파장이 410nm~425nm인 발광 적층체를 형성하는 단계; 상기 발광 적층체의 상부에 파장변환층(예를 들면 형광층)을 증착하여 형광체가 도포된 웨이퍼를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 형광층을 증착하는 과정은 다음과 같은 방법에 의해 이루어진다. 예를 들면, 전자빔증착법(Electron Beam Evaporation), 열증착법(Thermal evaporation), RF 스퍼터링(RF-sputtering), 화학기상 증착법(Chemical Vapor Deposition) 또는 원자층 에피택시법(Atomic Layer Epitaxy)이다. 어떤 증착법을 선택해야 하는지는 발광 적층체에서 생성된 빛이 형광층에 의해 전부 흡수되는지 여부에 따라 결정된다. 상기 형광층이 도포된 웨이퍼를 다수의 다이로 다이싱한 후 수지로 상기 다이를 발광 소자로 패키징한다.

상기 제작공정에서 동일한 웨이퍼 상에 형성된 발광 적층체의 파장은 특정 분포를 가지며 완전히 동일하지 않고 약 5~10nm의 차이가 있다. 도 5는 서로 다른 파장에서 백색 발광 다이오드 소자의 색온도 분포를 나타낸 도면이다. 도면에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 발광 다이오드에서 출력된 백색 광의 색온도는 거의 6500K 안팎에서 일치한다. 그러나 동일한 제작과정을 거치지만 파장이 450nm~465nm인 발광 적층체를 사용한 일반적인 발광소자의 색온도는 5800K~7300K 범위에 있다. 상기 색온도의 변화 범위가 너무 커서 통상적으로 하나의 선별단계를 더 거쳐야만 상기 색온도 변화가 지나치게 큰 문제를 해결할 수 있다. 그러나 파장이 410nm~425nm인 바륨실리케이트계 형광체(Ba₂SiO₄:Eu)를 사용한 본 실시예는 동일한 웨이퍼에서 생성된 다이의 색온도 변화가 300K 이내로 제어되므로 선별단계를 생략할 수 있고, 원가를 절약하고 생산성을 향상시킬 수 있다.

형광체의 조성에 따라 여기되는 빛의 파장을 결정할 수 있으므로 본 발명의 기타 실시예는 백색 광, 녹색 광, 적색 광, 오렌지색 광 또는 노란색 광을 생성할 수 있는 형광체를 더 포함하고, 상기 형광체는 바륨실리케이트(스트론툼)계의 형광체, 질소 산화물계의 형광체, 질화물계의 형광체 또는 이들의 조합으로부터 선택 가능하다.

도 6은 본 발명에 따른 백라이트 모듈의 구조를 나타낸 도면이다. 여기서 백라이트 모듈(600)는 본 발명의 상기 임의의 실시예에 따른 발광소자(611)로 구성된 광원(610); 상기 광원(610)의 광출력 경로 위에 설치되어 빛에 대하여 적절한 처리를 거친 후 출력하는 광학장치(620); 및 상기 광원(610)에 필요한 전원을 공급하는 전원공급 시스템(630)을 포함한다.

도 7은 본 발명의 조명장치의 구조를 나타낸 도면이다. 상기 조명장치(700)는 카램프, 휴대용 전등, 가로등, 지시등 등이 될 수 있다. 상기 조명장치(700)는 본 발명의 상기 임의의 실시예에 따른 발광소자(711)로 이루어진 광원(710); 광원(710)에 필요한 전원을 공급하는 전원공급 시스템(720); 및 광원(710)에 입력되는 전원을 제어하는 제어소자(730)를 포함한다.

이상에서는 본 발명의 각 실시예를 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며 본 발명에 대한 다양한 수정 및 변형은 모두 본 발명의 권리범위에 속한다.

도 1은 구동 전류 밀도가 서로 다른 조건에서 파장이 서로 다른 발광 다이오드의 상대 발광효율을 나타낸 도면이다.

도 2는 구동 전류 밀도가 350mA/㎠일 때 발광 다이오드 소자의 상대 발광효율 및 파장을 나타낸 도면이다.

도 3은 형광체 Ba₂SiO₄:Eu의 상대 여기 강도 및 발광 다이오드의 발광파장을 나타낸 도면이다.

도 4는 형광체를 직접 도포하는 공정(phosphor-on-chip process)의 흐름도이다.

도 5는 파장이 서로 다른 조건에서, 백색 발광 다이오드 소자의 색온 분포를 나타낸 도면이다.

도 6은 본 발명의 백라이트 모듈의 구성을 나타낸 도면이다.

도 7은 본 발명의 조명장치의 구성을 나타낸 도면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

600 백라이트 모듈 610 광원

611 발광소자 620 광학장치

630 광원공급 시스템 700 조명장치

710 광원 711 발광소자

720 전원공급시스템 730 제어소자

Claims (14)

1. 제1 파장광을 출력하는 발광구조체; 및

   상기 발광구조체의 상부에 위치하며 상기 제1 파장광을 흡수하여 제2 파장광으로 출력하는 파장변환층을 포함하고,

   상기 제1 파장광의 파장이 430nm 미만이고 상기 발광구조체의 구동 전류 밀도가 200mA/㎠ 보다 큰 발광소자.
2. 제1항에서,

   상기 제1 파장광의 파장이 410nm~425nm 범위에 있는 발광소자.
3. 제1항에서,

   상기 구동 전류 밀도가 350mA/㎠ 보다 큰 발광소자.
4. 제1항에서,

   상기 제1 파장광의 일부가 상기 제2 파장광으로 변환되는 발광소자.
5. 제1항에서,

   상기 발광구조체는 발광 다이오드인 발광소자.
6. 웨이퍼에 있어서,

   상기 웨이퍼 위에 형성되고 제1 파장광을 출력하는 발광 적층체; 및

   상기 발광 적층체의 상부에 위치하고 파장이 430nm 미만인 상기 제1 파장광을 흡수하여 제2 파장광으로 출력하는 파장변환층을 포함하는 웨이퍼.
7. 제6항에서,

   상기 제1 파장광의 파장이 410nm~425nm 범위에 있는 웨이퍼.
8. 제6항에서,

   다수의 다이로 다이싱되는 웨이퍼.
9. 제8항에서,

   상기 다이의 구동 전류 밀도가 200mA/㎠ 보다 크고, 우선적으로 350mA/㎠ 보다 큰 웨이퍼.
10. 웨이퍼에서,

    상기 웨이퍼는 다수의 다이로 이루어지고,

    그 중 임의의 다이는 발광 적층체 및 상기 발광 적층체의 상부에 위치하는 파장변환층을 포함하고,

    상기 다수의 다이의 색온도 차가 300K 미만인 웨이퍼.
11. 제10항에서,

    상기 발광 적층체로부터 출력된 제1 파장광의 파장이 430nm 미만이고, 우선적으로 410nm~425nm인 웨이퍼.
12. 제10항에서,

    상기 다수의 다이를 구동하는 구동 전류 밀도가 200mA/㎠ 보다 크고, 우선적으로 350mA/㎠ 보다 큰 웨이퍼.
13. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 발광소자로 이루어진 광원;

    상기 광원의 광출력 경로 위에 설치된 광학장치; 및

    상기 광원에 필요한 전원을 공급하는 전원공급 시스템

    을 포함하는 백라이트 모듈.
14. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 발광소자로 이루어진 광원;

    상기 광원에 필요한 전원을 공급하는 전원공급 시스템; 및

    상기 광원에 공급되는 상기 전원을 제어하는 제어소자

    를 포함하는 조명장치.

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