KR20090064474A

KR20090064474A - Ｌｅｄ 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20090064474A
Application number: KR1020097008919A
Authority: KR
Inventors: 둥 티 듀옹; 폴 엔 윙베르그; 매튜 알 토마스; 엘리엇 엠 피커링
Original assignee: 일루미텍스, 인크.
Priority date: 2006-10-02
Filing date: 2007-10-01
Publication date: 2009-06-18
Also published as: US20080080166A1; WO2008042351A3; EP2070123A2; TW200824161A; HK1138431A1; CN101553928B; JP2010506402A; CN101553928A; US20080081531A1; WO2008042351A2; US7789531B2; WO2008042351B1; US8087960B2

Abstract

본 발명의 실시예에서는, 광을 생성하도록 작동할 수 있는 양자 우물 영역과, 이 양자 우물 영역과의 계면을 갖는 기판을 포함하며, 양자 우물 영역에서 생성된 광이 계면을 가로질러 기판으로 유입되고 기판의 출사면을 통해 방출되는 LED를 제공한다. 출사면은 계면과의 반대측에 계면으로부터 거리를 두고 배치되고, LED의 일부 또는 전부는 그 디바이스의 광 추출 효율을 최적화하도록 형상화될 수 있다. 출사면은 광의 원하는 반치각에 대해 휘도를 보존하는 데에 필요한 최소 면적의 적어도 70%의 면적을 가질 수 있다. LED의 측벽들은 측벽에 입사되는 광선이 출사면에서의 임계각 이하의 출사면에서의 입사각으로 출사면으로 반사되도록 위치 설정 및 형상화될 수 있다.

LED, 양자 우물, 기판, 휘도 보존, 출사각, 계면, 백색광, 측벽, 입체각

Description

ＬＥＤ 시스템 및 방법{LED SYSTEM AND METHOD}

본 발명은 발광 다이오드(LED)에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 명세서에서 개시하는 시스템 및 방법의 실시예들은 LED의 광출력을 증대 또는 제어하는 것에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는 그러한 실시예들은 LED 기판의 일부분의 형상화에 의해 LED의 광출력을 증대 또는 제어하는 것에 관한 것이다.

발광 다이오드(LED)는 어느 전자장치에든지 사용되고 있다. 이러한 발광 다이오드는 디지털 표시 장치, 조명 시스템, 컴퓨터 및 텔레비전, 휴대폰, 그리고 각종 기타 장치에 사용되고 있다. LED 기술에서의 발전은 하나 이상의 LED를 사용하여 백색광을 생성하는 방법 및 시스템에 이르게 되었다. 또한, LED 기술에서의 발전으로 이전에 비해 보다 많은 광자를 생성하고 이에 따라 보다 많은 광을 생성하는 LED가 개발되었다. 이러한 2가지 기술적 발전의 정점은 컴퓨터에서 트랜지스터가 진공관을 대체한 것과 같은 정도로 LED를 예를 들면 백열등, 형광등 또는 할로겐등과 같은 수많은 통상의 광원을 보완하거나 대체하는 데에 이용하는 것이다.

LED는 적색, 녹색 및 청색을 비롯한 수많은 색상으로 제조되고 있다. 백색광을 생성하는 한가지 방법에서는 적색, 녹색 및 청색 LED를 서로 조합하여 사용하는 것을 수반한다. 적색, 녹색 및 청색(RGB) LED의 조합으로 이루어진 광원은 사 람의 눈에 의해 백색광으로 인지되는 것을 생성할 것이다. 이는 사람의 눈이 청색, 녹색 또는 적색 중 어느 하나에 각각 민감한 3가지 형태의 색 수용체(color receptor)를 갖고 있기 때문에 발생한다.

LED 광원으로부터 백색광을 생성하는 다른 방법은 단색(예를 들면, 청색)의 단파장 LED로부터 광을 생성하고 이 광의 일부분을 인광 물질 또는 이와 유사한 광자 변환 물질에 충돌시키는 것이다. 인광 물질은 고에너지의 단파장 광파를 흡수하여 저에너지의 장파장 광을 다시 방사한다. 인광 물질이 예를 들면 (녹색과 청색 사이의) 황색 영역의 광을 방사하도록 선택된 경우, 사람의 눈은 그러한 광을 백색광으로 인지하게 된다. 이는 황색광이 눈의 적색 및 녹색 수용체 모두를 자극하기 때문에 발생한다. 나노 입자 또는 다른 유사한 광여기 물질(photo-luminescent material)과 같은 기타 물질이 동일한 방식으로 백색광을 생성하는 데에 이용될 수도 있다.

백색광은 자외선(UV) LED와 3가지의 별개의 RGB 인광 물질을 이용하여 생성할 수도 있다. 백색광은 또한 청색 LED와 황색 LED에 의해 생성할 수도 있고, 또한 청색, 녹색, 황색 및 적색 LED를 함께 이용하여 생성할 수도 있다.

LED 제조를 위한 종래의 산업 실무는 GaN 또는 InGaN과 같은 물질층이 증착된 기판(통상은 단결정 사파이어 또는 실리콘 카바이드 기판)을 이용하는 것이다. 하나 이상의 층(예를 들면, GaN 또는 InGaN)은 광자의 생성 및 전류의 전도를 가능하게 한다. 통상, 갈륨 질화물(GaN)의 제1 층이 기판의 표면에 도포되어, 기판의 결정 구조에서부터 광자의 생성 또는 전류의 전도를 가능하게 하는 도핑층의 결정 구조로의 천이 영역을 형성한다. 그 후에는 통상 GaN의 N-도핑층이 이어진다. 그 다음 층은 원하는 파장의 광을 생성하기 위해 필요한 물질이 도핑되고 광자를 생성하는 InGaN, AlGaN, AlInGaN 또는 기타 화합물 반도체 재료층일 수 있다. 그 다음 층은 통상 GaN의 P-도핑층이다. 이러한 구조는 또한 전자 장치에 대한 전기적 접속을 위한 금속 자리(metallic sites)를 생성하도록 에칭 및 증착에 의해 수정된다.

LED의 작동 중에, 통상의 다이오드에서와 같이 여분의 전자가 N형 반도체에서 P형 반도체의 정공으로 이동한다. 이러한 과정 중에 LED에서는 광자가 화합물 반도체 층에서 방출되어 빛을 생성한다.

통상의 제조 공정에서, 기판은 웨이퍼 형태로 제조되고 이 웨이퍼의 표면에 층들이 도포된다. 전술한 다양한 공정들을 이용하여 층들이 도핑 또는 에칭되고 모든 피처들이 형성되고 나면, 웨이퍼로부터 개개의 LED가 분리된다. LED는 통상 직선형 변(straight sides)을 갖는 정사각형 또는 직사각형이다. 이는 상당한 효율 손실을 야기할 수 있고 방사되는 광의 방사 패턴이 나쁘게 할 수 있다. 보다 바람직한 출력을 달성하기 위해서는 흔히 플라스틱 돔(plastic dome)과 같은 별도의 광학 소자가 LED 위에 배치된다.

거의 모든 LED 용례에서, 흔히 백색광 및 장파장 광에 대해서는 와트당 루멘(lm/W)으로 청색광과 같은 단파장 광에 대해서는 와트당 밀리와트(mW/W)로 양이 표현되는 주어진 전력 입력에 대한 광출력을 최대화하는 것이 바람직하다. 종래의 LED 기술들은 통상 "전체 효율(overall efficiency)" 또는 "벽-플러그 효율(wall- plug efficiency)"로서 지칭되는 그러한 비를 증가시키려고 시도할 수도 있다. 그러나, 종래의 LED 기술은 여전히 전체 효율이 나쁘고 추출 효율이 낮다.

본 발명은 종래의 LED보다 큰 효율을 달성하도록 형상화한 기판을 갖는 LED에 관한 것이다. 본 발명에 따른 실시예의 LED의 측벽들은 내부 전반사를 이용하여 LED의 광출력을 최대화하도록 형상화될 수 있고, 원하는 광도 분포를 달성하도록 형상화될 수 있다. 게다가, LED의 출사면은 방사 휘도(radiance)를 보존하도록 선택될 수 있다.

LED의 하나의 실시예는 광을 생성하도록 작동할 수 있는 양자 우물 영역과, 이 양자 우물 영역과의 계면을 갖는 형상화 기판을 포함한다. 양자 우물 영역에서 생성된 광은 양자 우물 영역과 형상화 기판 사이의 계면을 가로질러 형상화 기판으로 유입된다. 이 형상화 기판은 계면과의 반대측에 계면으로부터 거리를 두고 출사면을 갖고 있다. 계면을 통해 형상화 기판으로 유입된 광의 일부분은 출사면을 통해 형상화 기판에서 방출된다. 하나의 실시예에 따르면, 출사면은 형상화 기판에서 방출되는 광의 원하는 반치각(half-angle)에 대해 방사 휘도를 보존하는 데에 필요한 최소 면적의 적어도 70%의 면적을 갖는다. 또한, LED는 일련의 측벽을 구비할 수 있고, 각각의 측벽은 계면에서부터 그 측벽까지 직선 투과 경로를 갖는 광선의 적어도 대부분이 출사면에서의 임계각 이하의 출사면에서의 입사각으로 출사면으로 반사되도록 위치 설정 및 형상화될 수 있다. LED의 또 다른 실시예는 광을 생성하도록 작동할 수 있는 양자 우물 영역 및 이 양자 우물 영역과의 계면을 갖는 형상화 기판을 구비하는 LED를 포함한다. 형상화 기판은 계면과의 반대측에 계면으로부터 거리를 두고 출사면을 포함할 수 있다. 기판은 계면을 통해 형상화 기판으로 유입된 광의 일부분이 출사면을 통해 형상화 기판에서 방출되도록 형상화될 수 있다. 출사면은 형상화 기판으로부터 투사되는 광의 원하는 입체각에 대해 방사 휘도를 보존하는 데에 필요한 최소 면적의 적어도 70%의 면적을 가질 수 있다. 또한, 형상화 기판은 일련의 측벽을 포함할 수 있고, 각각의 측벽은 계면에서부터 그 측벽까지 직선 투과 경로를 갖는 광선의 적어도 일부분이 출사면에서의 임계각 이하의 출사면에서의 입사각으로 출사면으로 반사되도록 위치 설정 및 형상화될 수 있다. 출사면의 면적, 거리 및 측벽의 형상은 약 10° 내지 60°의 반치각을 갖는 광을 투사하도록 선택될 수 있다.

또 다른 실시예는, 광을 생성하도록 작동할 수 있는 양자 우물 영역 및 이 양자 우물 영역과의 계면을 갖는 형상화 기판을 구비하는 LED를 포함한다. 형상화 기판은 계면과의 반대측에 계면으로부터 거리를 두고 출사면을 포함할 수 있다. 기판은 계면을 통해 형상화 기판으로 유입된 광의 일부분이 출사면을 통해 형상화 기판에서 방출되도록 형상화될 수 있다.

출사면은, Φ₁은 계면을 가로지르는 광속(light flux)이고 Φ₂는 출사면에서 방출되는 광속으로 Φ₁과 동일하며, Ω₁은 광이 계면을 가로지르는 유효 입체각이고 Ω₂는 광이 출사면에서 떠나는 유효 입체각이며, A₁은 계면의 면적이고, n₁은 형상화 기판의 굴절률이고 n₂는 형상화 기판 외부의 매질의 굴절률이라 할 때에,

에 의해 정해지는 최소 면적의 30% 이내의 면적을 가질 수 있다. 또한, 상기한 거리는 적어도 계면으로부터 출사면까지 직선 투과 경로를 갖는 모든 광선이 출사면에서의 임계각 이하의 입사각을 갖게 하는 최소 거리이다. 또한, 기판은 일련의 측벽을 포함할 수 있고, 각각의 측벽은 계면에서부터 그 측벽까지 직선 투과 경로를 갖는 광선의 적어도 일부분이 출사면에서의 임계각 이하의 출사면에서의 입사각으로 출사면으로 반사되도록 위치 설정 및 형상화될 수 있다.

또 다른 실시예는, 광을 생성하도록 작동할 수 있는 양자 우물 영역과, 이 양자 우물 영역에서 생성된 광이 가로지르는 양자 우물 영역과의 계면을 갖는 형상화 기판을 구비하는 LED를 포함한다. 기판은 2개 이상의 출사면을 포함할 수 있고, 이 기판은 계면을 통해 형상화 기판으로 유입되는 광의 일부분이 상기한 2개 이상의 출사면을 통해 형상화 기판에서 방출되도록 형상화될 수 있다. 상기한 2개 이상의 출사면은 이들의 합산 면적이 방사 휘도를 보존하는 데에 필요한 최소 면적의 적어도 70%이다. 형상화 기판은 또한 일련의 측벽을 포함할 수 있으며, 각각의 측벽은 계면에서 그 측벽까지 직선 투과 경로를 갖는 광선의 적어도 대부분이 2개 이상의 출사면 중 임의의 출사면에서의 임계각 이하의 그 출사면에서의 입사각을 갖게 그 출사면으로 반사되도록 위치 설정 및 형상화될 수 있다.

본 발명의 시스템 및 방법에 대한 실시예는 방사 휘도를 보존하면서 원하는 반치각 및 광출력 프로파일을 갖는 광을 투사함으로써 종래 기술에 비해 기술적 이점을 갖는 LED를 제공한다. 그러한 실시예는 높은 효율로 10°내지 60°의 반치각(또는 다른 반치각)을 갖는 광을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예는 균일하거나 거의 균일한 광도 분포를 갖는 광출력을 제공함으로써 또 다른 이점을 제공한다.

본 발명의 실시예에 의해 제공되는 또 다른 이점은, 원하는 형상 및 광출력 프로파일로 광을 투사할 수 있다는 점이다.

본 발명의 실시예 및 그 이점은 동일 도면 부호가 동일한 구성 요소를 가리키고 있는 첨부 도면과 함께 이하의 상세한 설명을 참조함으로써 보다 완벽하게 이해할 수 있을 것이다.

도 1a 및 도 1b는 LED의 실시예를 개략적으로 나타내는 도면이며,

도 2는 하나의 점으로부터 상이한 거리에 있는 표면까지 그 점으로부터 이동하는 일련의 광선을 나타내는 개략도이고,

도 3은 LED의 실시예의 개략적 평면도이며,

도 4a는 측벽 형상을 결정하기 위한 LED 모형을 나타내는 개략적 단면도이고,

도 4b는 LED의 측벽의 일부분의 실시예의 개략도이며,

도 4c는 측벽을 위한 파셋(facet)을 컴퓨터 프로그램을 이용하여 획정할 수 있음을 예시하는 개략도이고,

도 4d는 측벽에서부터 출사면으로 광선이 반사되도록 TIR을 야기하게 형성된 측벽을 갖는 LED의 하나의 실시예의 개략도이며,

도 5는 유효 입체각을 추정하기 위한 하나의 실시예의 개략도이고,

도 6a 내지 도 6e는 유효 입체각을 추정하기 위한 다른 실시예를 나타내는 개략도이며,

도 7은 LED의 하나의 실시예를 나타내는 개략도이고,

도 8a 및 도 8b는 LED 어레이의 실시예를 나타내는 개략도이며,

도 9a 내지 도 9c는 유지 기구의 실시예를 나타내는 개략도이고,

도 10은 에칭 공정의 실시예를 나타내는 기능도이며,

도 11은 레이저 삭마(laser ablation) 공정의 실시예를 나타내는 기능도이고,

도 12a 및 도 12b는 소잉(sawing) 공정의 실시예를 나타내는 기능도이며,

도 13a 및 도 13b는 소잉 공정을 통해 형상화된 기판을 갖는 웨이퍼의 실시예를 나타내는 개략도이고,

도 14는 LED의 하나의 실시예를 나타내는 개략도이며,

도 15a 및 도 15b는 웨이퍼의 다른 실시예를 나타내는 개략도이다.

실시예들을 도면들에 도시하며, 다양한 도면에서 동일한 도면 부호는 동일 또는 상응하는 부분을 지칭하는 데에 사용한다.

형상화 기판 LED의 실시예는 LED로부터의 광 방사를 증대 또는 형상화하도록 형상화될 수 있다. 하나의 실시예에 따르면, 기판은 LED의 양자 우물 영역에서 생 성되는 광의 전부 또는 대부분이 LED의 기판의 출사면에서 방출되도록 형상화된다. 이를 위해, 출사면은 방사 휘도의 보존의 원리를 고려하도록 크기 설정될 수 있다. 하나의 실시예에서, 출사면은 양자 우물 영역과 기판 사이의 계면을 통해 기판으로 유입되는 광의 전부 또는 대부분이 출사면에서 방출될 수 있게 하는 크기로 되어, 방사 휘도를 보존하고자 하는 요구와 크기, 특히 출사면의 크기를 감소시키고자 하는 요구를 결합할 수 있다. 게다가, 기판의 측벽은 반사 또는 내부전반사(total internal reflection : TIR)에 의해 기판의 측벽에 입사되는 광 비임이 출사면을 향해 반사되어 임계각 이하의 각도로 그 출사면에 입사될 수 있도록 형상화될 수 있다. 따라서, 출사면에서 TIR로 인한 광손실이 감소 또는 제거된다. 또 다른 실시예에서, 측벽에 충돌하는 광이 기판 내에서 반사되고 측벽을 통과하지 않도록 보장하기 위해, 기판의 측벽은 또한 측벽을 통한 광의 발산을 방지하도록 광을 반사시키는 반사 물질로 코팅될 수도 있다.

이론적으로는 LED의 양자 우물에 의해 생성된 광의 100%가 출사면에서 방출되지만, 다양한 실시예에서는 종래의 LED 광 방사에 비해서는 현저한 개선을 제공하면서 보다 적은 양의 광이 출사면에서 방출되게 할 수도 있다. 예를 들면, LED의 출사면에서 방사되는 광은, 원하는 광도 프로파일, 발산도 프로파일(exitance profile) 또는 기타 광출력 프로파일을 갖고 약 79%의 효율(굴절률이 2.73인 실리콘 카바이드 기판 재료의 경우 프레즈넬 손실로 인해 약 21%의 효율 손실이 있음)로 10°내지 60°의 원추 반치각으로 출사면에서 방사될 수 있다.

프레즈넬 손실(Fresnel losses)(예를 들면, LED의 출사면과 공기 또는 기타 매질에서와 같은 두 매질 사이의 계면에서의 손실)은 광이 높은 굴절률의 매질에서 낮은 굴절률의 매질로 보내질 때에 발생한다. 통상의 입사 프레즈넬 손실은 이하의 식으로 나타내어진다.

((N₁ - N₂)²)/((N₁ + N₂)²)

여기서, N₁ 및 N₂는 두 매질의 굴절률이다. 예를 들면, 실리콘 카바이드 기판을 갖는 LED의 경우, N₁ = 2.73[대략 실리콘 카바이드의 굴절률(IOR)], N₂ = 1(대략 공기의 IOR)이고, 약 21.5%의 프레즈넬 손실이 발생한다. LED가 양자 우물 영역에 GaN을 이용하는 경우, 양자 우물 영역(N₁ = 2.49)과 실리콘 카바이드(N₂ = 2.73) 사이의 계면에서의 프레즈넬 손실은 0%일 것이다. 출사면과 공기 간의 계면에서의 프레즈넬 손실은 반사 방지 코팅에 의해 감소 또는 극복될 수 있다.

전술한 바와 같이, LED 기판의 출사면은 방사 휘도를 보존하도록 형상화될 수 있다. 단일 매질 내에서 또는 하나의 매질에서 다른 매질에 이르는 광학 경로를 따른 광의 통과는 이하의 에텐듀 식(Etendue equation)으로 표현되고 휘도 정리(Brightness Theorem)로도 지칭되는 방사 휘도 보존 법칙(law of Conservation of Radiance)에 좌우된다.

에텐듀 식 :

(식 1)

Φ₁ = 영역 1의 광속(루멘)

N₁ = 영역 1의 매질의 IOR

A₁ = 영역 1에 대한 입사 면적

Ω₁ = 영역 1의 광을 완전히 수용하는 입체각(스테라디안)

Φ₂ = 영역 2의 광속(루멘)

N₂ = 영역 2의 매질의 IOR

A₂ = 영역 2에 대한 입사 면적

Ω₂ = 영역 2의 광을 완전히 수용하는 입체각(스테라디안).

형상화 기판의 출사면의 면적은 양자 우물로부터 기판으로 유입되는 광의 방사 휘도를 원하는 반치각에 대해 보존하도록 선택될 수 있다. 따라서, 광은 고효율로 원하는 반치각으로 방사될 수 있다. 이러한 점은, 수많은 용례에서 바람직하지 않은 반치각으로 광을 방사함으로써 광을 형상화하기 위해 추가적인 광학 소자를 필요로 하고, 출사면이 방사 휘도를 보존하기에 충분하게 크진 않기 때문에 상당한 비율의 광이 측벽을 통해 방사되는 한편, 기판에서 결코 빠져나지 못하는 광으로 인한 흡수 손실 또한 겪게 되는 종래의 LED와는 다르다.

또한, 하나의 굴절률을 갖는 매질에서 다른 굴절률(IOR)을 갖는 매질로의 광 통과는 스넬(Snell)의 법칙에 좌우된다. 스넬의 법칙은 계면에 대한 법선으로부터 측정하였을 때의 광선의 입사각과 계면에서부터의 그 광선의 출사각 간의 관계를 두 매질의 굴절률의 함수로서 정의하고 있다.

스넬의 법칙 : N₁ sin(Θ₁) = N₂ sin(Θ₂) (식 2)

여기서, Θ₁ = 계면에 접근하는 광선의 입사각

N₁ = 매질 1의 IOR

Θ₂ = 계면에서 떠나는 광선의 굴절각

N₂ = 매질 2의 IOR.

고 IOR 매질에서 저 IOR 매질로 광이 통과하는 경우에, 광선이 매질 사이의 계면에 충돌하여 여전히 계면을 통과할 수 있는 최대각이 임계각이라 불리고 있다. 근본적으로, 고 IOR 매질에서 시작된 광은 이 광이 매질 계면을 통과하여 저 IOR 매질 내로 들어가려면 임계각을 초과하지 않는 각도로 매질 계면에 접근해야 한다. 예를 들면, 기판 및 양자 우물 영역으로 이루어진 LED에서, 기판 매질과 양자 우물 매질은 양자 우물 영역에 의해 생성된 광이 가로지르는 계면을 형성할 수 있다. 임계각보다 큰 각도로 접근하는 광선은 매질 간의 계면에서 고 IOR 매질 내로 다시 반사되어, 저 IOR 매질 내로 들어가지 못할 것이다. 이는 내부전반사(TIR)라 불리고 있다.

통상의 LED에서, 양자 우물 영역은 약 2.49의 IOR를 갖고 있다. 이러한 층들이 IOR이 1.77인 사파이어 기판 상에 형성되는 경우, 사파이어 안으로 투과될 수 있는 광은 본질적으로 스넬의 법칙 및 휘도 정리의 적용에 의해 제한된다. 약 2.73의 IOR을 가질 수 있는 실리콘 카바이드 기판을 갖는 LED의 경우, 양자 우물 영역이 실리콘 카바이드보다 낮은 IOR(예를 들면, 약 2.49)을 가지며, 이에 따라 스넬의 법칙은 생성된 광이 실리콘 카바이드 안으로 들어오는 것을 전혀 막지 못한다.

전통적인 LED에서, 기판과 공기 간의 계면에 충돌하는 광의 상당 부분이 TIR로 인해 기판 내에 갇히게 될 것이다. 몇몇 경우에, 별도의 광학 소자(예를 들면, 중실 플라스틱 돔 또는 렌즈)를 사용하여, 기판으로부터 광이 유입되는 매질의 IOR을 증가시킴으로써 기판 내에서의 TIR을 감소시키고 있다. 이러한 별도의 광학 소자도 여전히 TIR로 인한 손실을 겪을 수 있어, 돔의 추출 효율이 비교적 낮게 유지된다. 또한, 돔의 사용은 LED를 형성한 후에 추가적인 제조 단계를 필요로 한다. 반면, 본 발명에 따른 형상화 기판 LED의 실시예는 기판의 출사면에서 TIR로 인한 광손실을 최소화하거나 제거하도록 형상화될 수 있다. 하나의 실시예에 따르면, 기판의 출사면은 출사면까지의 직선 투과 경로를 갖는 광선 중 어느 것도 출사면에서 TIR을 겪지 않도록 하는 거리만큼 양자 우물 영역과의 계면에서부터 떨어질 수 있다. 추가로, 측벽은 측벽에 충돌하는 광선을 임계각 미만의 출사면에서의 입사각으로 출사면으로 반사하도록 형상화되어, 내부에서 반사된 모든 광선들도 역시 LED의 기판의 출사면에서 방출되게 할 수 있다.

도 1a는 기판(10) 및 양자 우물 영역(15)(하나 이상의 도핑층 또는 영역을 포함할 수 있음)을 포함하는 LED(20)의 하나의 실시예의 개략도이다. 양자 우물 영역(15)은 통상 InGaN, AlInGaP 또는 AlGaN과 같은 화합물 반도체로 이루어진 발광 영역(25)을 포함한다. 양자 우물 영역(15)으로부터의 광자는 계면(50)을 통해 기판(10)으로 유입될 수 있다. LED(20)는 당업계에서 공지되어 있거나 개발된 와이어 본드형 LED, 플립 칩형 LED, 또는 기타 LED일 수 있다. 기판(10)과 양자 우물 영역(15)은 모두 측벽(60), 측벽(65) 또는 기타 측벽을 형성된다. 다시 말해, 양자 우물 영역(15)은 기판(10)에 일치하는 형상으로 된다. LED(20)는 또한 제조 공정의 공차 범위 내에서 계면(50)과 실질적으로 동일한 형상을 하고 계면(50)에 대해 실질적으로 평행한 한편, 계면(50)에 대해 실질적으로 회전 정렬된 출사면(55)을 더 포함한다. 출사면(55)의 면적은 아래의 방사 휘도 보존식(때로는 휘도 보존식으로 불림)에 따라 원하는 반치각에 대해 휘도를 보존하도록 선택될 수 있다.

(식 1)

여기서, Φ₁ = 계면(50)을 가로지는 광속

Φ₂ = 출사면(55)에서 방출되는 광속으로, 휘도 보존을 위해 Φ₁ = Φ₂임

Ω₁ = 계면(50)을 가로지르는 광의 유효 입체각

Ω₂ = 출사면(55)에서 떠나는 광의 유효 입체각

A₁ = 계면(50)의 면적

A₂ = 출사면(55)의 면적

n₁ = 기판(10)의 재료의 굴절률

n₂ = 기판(10) 외부 물질(예를 들면, 공기 또는 기타 매질)의 굴절률.

A₂는 상기한 식에 따라 광이 보존되도록 하는 출사면(55)의 최소 표면적을 나타낸다. 예를 들어, 양자 우물 영역(15)이 1㎜의 정사각형을 형성하여 계면(50)이 대략 1㎟의 면적을 가지며, n₁=1.77, n₂=1, Ω₁=3, Ω₂=1이라고 가정하면, A2는 방사 휘도를 보존하기 위해 적어도 9.3987㎟이어야 한다[즉, 계면(50)을 가로지는 모든 광이 원하는 반치각에 대해 출사면(55)으로부터 방출될 수 있게 하는 출사면(55)의 최소 크기]. 이 예에서, 유효 입체각을 제시하고 있지만, 원하는 반치각을 위해 Ω₁ 및 Ω₂를 결정하는 방법은 아래에서 도 6a 내지 도 6e와 관련하여 더 설명할 것이다. 정사각형 프로파일은 길이가 동일한 변을 갖는 직사각형 프로파일이라는 점을 유념해야 할 것이다.

식 1에 따른 A₂는 방사 휘도 보존을 위해 주어진 출력 원추각 또는 방사 반치각(Emission Half Angle)에 대해 최소 허용 크기이다. 따라서, 방사 휘도를 보존하기 위해, A₂는 적어도 식 1에 의해 결정되는 크기이어야 하지만, 더 클 수도 있다. 예를 들면, A₂는 제조 공정에서의 공차, 양자 우물 영역(15)의 크기 또는 형상에서의 오차, 혹은 기타 요인을 보상하도록 약간 크게 이루어질 수 있다.

A₂가 식 1에 의해 결정되는 값보다 더 크게 이루어지는 경우, 광속은 보존되지만, 발산도(exitance)(단위 면적당 광속으로 정해짐)는 달성할 수 있는 최대값으로부터 감소할 것이다.

그러나, 출사면의 면적을 감소시키도록 A₂를 가능한 한 작게 하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, A₂는 방사 휘도 보존을 위해 필요한 최소 면적의 5% 이내일 수 있다. 일부 광 파워(광속)가 희생될 수 있지만, A₂는 방사 휘도 보존에 의해 요구되는 크기보다 작을 수 있다. 한가지 예로서, 1㎜×1㎜의 정사각형 계면(50)을 갖는 하나의 실시예의 경우, 출사면(55)은 2.5㎟ 내지 5㎟(예를 들면, 4.62㎟)일 수 있다. 다른 예로서, 0.3㎜×0.3㎜의 계면(50)을 갖는 실시예의 경우, 출사면(55)은 0.2㎟ 내지 0.5㎟(예를 들면, 0.42㎟)일 수 있다. 그러나, 전술한 예에서 제시한 크기 범위는 단지 예로서 제시한 한 것으로 다양한 실시예에서는 예시한 범위보다 작거나 큰 다양한 크기를 가질 수 있다는 점을 유념해야 할 것이다. 하지만, 바람직하게는 A₂는 식 1에 의해 결정되는 값의 적어도 70%이다. 또한, 출사면(55)의 형상은 계면(50)의 형상과는 다를 수도 있다.

기판(10)에서의 계면(50)과 출사면(55) 사이의 거리(이 거리는 수직 방향 이외의 방향으로 연장할 수 있지만 본 명세서에서는 "높이"로서 지칭하고 있음)는 계면(50)에서 출사면(55)까지 바로 이동하는 광선의 TIR을 감소 또는 최소화하도록 선택될 수 있다. TIR은 아래의 식으로 정해지는 임계각보다 큰 입사각으로 광이 표면에 입사되는 경우에 발생한다.

n₁sin(θ_c) = n₂sin(90) (식 2)

여기서, n₁ = 기판(10)의 IOR,

n₂ = 기판(10)의 출사면 외부의 매질(예를 들면, 공기 또는 기타 물질)의 IOR,

θ_c = 임계각.

예를 들면, n₁=1.77, n₂=1이라면, θ_c = 34.4°이다. 따라서, 기판(10)의 높이는 출사면(55)에 입사되는 광선의 입사각을 출사면(55)에 대해 직각에서부터 임계각 이하의 각도 사이의 범위로 제한하도록 선택될 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 도 2는 점(57)으로부터 이동하여 표면(55)[점(57)으로부터 상이한 거리에 있는 표면(55a, 55b, 55c)으로 나타냄]에 입사되는 일련의 광선을 개략적으로 나타내고 있다. 표면(55a)의 예에서, 일부 광선[예를 들면, 광선(56)]은 임계각보다 큰 각도로 표면(55a)에 입사되어, TIR로 인한 광손실을 초래한다. 반대로, 표면(55b)의 예에서는, 임계각으로나 임계각보다 약간 작은 각도로 표면(55b)에 입사될 일부 광선[예를 들면, 광선(57)]은 대신에 측벽에 입사될 것이다. 원하는 경우 그러한 광선의 손실을 방지하고자 하면 측벽 구조의 복잡성을 증가시키게 될 것이다. 또한, 추가적인 높이는 LED를 수용하도록 더 큰 공간을 필요로 한다(즉, LED가 높이가 더 높기 때문). 마지막으로, 표면(55c)의 경우, 임계각 이하의 광선은 표면(55c)에 입사되는 한편, 출사면(55c)에서 임계각보다 각도가 클 광선은 대신에 측벽에 입사된다. 아래에서 설명하는 바와 같이 TIR 또는 반사를 이용하여 측벽에 입사되는 광선을 출사면(55c)으로 보낼 수 있다.

하나의 실시예에 따르면, 높이를 선정하기 위한 한계 광선(limiting ray)은 계면(50)에서부터 출사면(55)까지 가장 긴 직선 거리를 이동하고 출사면(55)에 임계각으로 입사되는 광선이다. 한계 광선으로서 하나 이상의 광선이 선택될 수 있다. 정사각형 또는 직사각형 구성에서, 한계 광선은 계면(50)의 코너에서 기판(10)에 유입되어 출사면(55)의 대각선 방향으로 대향한 코너까지 직선으로 이동하여 출사면(55)에 임계각으로 입사되는 광선이다.

도 3은 정사각형 구성에 대한 기판(10) 및 한계 광선(59)의 평면도를 개략적으로 나타내고 있다. 바람직한 실시예에서는 출사면(55)에 입사되는 광선의 입사각이 출사면(55)에 대해 직각에서부터 임계각 이하에 이르는 범위로 제한되도록 기판(10)의 높이를 선택하지만, 다른 높이의 사용으로 인해 LED(20)의 효율이 감소될 수 있다하더라도 그러한 다른 높이가 선택될 수 있다. 하나의 실시예에서, 양자 우물 영역과 기판 간의 계면과 기판의 출사면 사이의 거리는 계면에서 출사면까지의 직선 투과 경로를 갖는 모든 광선의 출사면에서의 입사각이 임계각 이하로 되도록 하는 최소 높이의 5% 이내일 수 있다.

도 1a를 다시 참조하면, 계면(50)의 크기 및 형상, 출사면(55)의 크기 및 형상, 그리고 계면(50)과 출사면(55) 사이의 거리에 대한 선택된 경계 조건에 의해, 기판(10)의 측벽[예를 들면, 측벽(60), 측벽(65) 및 기타 측벽]이 측벽의 내측에 입사되는 광을 출사면(55)으로 보내어 원하는 광출력 프로파일(예를 들면, 광도 프로파일, 발산도 프로파일 또는 기타 광출력 프로파일)을 생성하도록 형상화될 수 있다. 대부분의 용례의 경우, 원하는 강도 프로파일은 균일 또는 거의 균일한 것이지만, 기타 분포 프로파일을 측벽의 높이 및 형성을 변경함으로써 달성할 수 있 다.

넓게 말해, 측벽의 형상은 측벽에 대한 임의의 입사 광선이 출사면(55)으로 반사되어 임계각 이하의 각도[즉, 출사면(55)에서 내부 반사로 인한 손실이 없도록]로 출사면(55)에 입사되도록 결정된다. 이는 도 1a에서 측벽(65)에 대해 θ_c보다 큰 입사각(75)을 갖는 광선(70)을 출사면(55)으로 반사시켜 θ_c이하의 입사각(80)을 갖게 하는 것으로 도시되어 있다. 하나의 실시예에서 측벽의 내면에 충돌하는 모든 광선이 출사면(55)으로 내부 전반사되어 출사면(55)에 임계각 이하로 입사되도록 측벽이 형상화되지만, 얼마간의 손실을 허용하는 다른 측벽 형상도 이용될 수 있다.

도 1b를 참조하면, 도 1b는 LED(20)의 다른 실시예를 개략적으로 나타내고 있다. LED(20)는 기판(10) 및 양자 우물 영역(15)을 포함한다. 양자 우물 영역(15)은 통상 InGaN, AlInGaP 또는 AlGaN과 같은 화합물 반도체로 이루어진 발광 영역(25)을 포함한다. 양자 우물 영역(15)으로부터의 광자는 계면(50)을 통해 기판(10)에 유입될 수 있다. 도 1b에서, 양자 우물 영역이 계면(50) 및/또는 출사면(55)으로 광을 적절히 안내하도록 형상화되어 있지 않기 때문에 양자 우물 영역에서의 TIR로 인해 보다 많은 손실이 있을 수 있다. 도 1a 및 도 1b의 실시예에서는 일부 측벽의 형상이 LED(20)에 의해 생성된 모든 광을 출사면(55) 외부로 안내할 수는 없지만, 출사면(55)에서 방출되지 못하는 광의 부분을 측벽(65)으로부터 방사시키고 출사면(55) 근처에서 방사시킬 수 있고, 이에 따라 LED(20)에 의해 생 성된 광이 유용하게 포집될 수 있게 한다.

도 4a는 측벽 형상을 결정하기 위한 LED의 모형, 즉 LED의 기판의 모형의 단면을 개략적으로 나타내고 있다. 측벽 형상은 컴퓨터 이용 설계(computer-aided design: CAD)를 이용하여 결정될 수 있다. 측벽의 모형이 컴퓨터 이용 설계 패키지에서 생성되어, 적절한 측벽 형상을 결정하도록 시뮬레이션이 수행된다.

하나의 실시예에 따르면, 각각의 측벽은 n개의 파셋으로 분할되고 각각의 파셋은 편평한 섹션을 이룰 수 있다. 예를 들면, 측벽(100)은 연속적인 곡면보다는 15개의 편평한 파셋(102a 내지 102o)으로 이루어진다. 아래에서 설명하는 바와 같이 만족스러운 분포 프로파일이 달성될 때까지, 각 파셋의 변수를 반복적으로 조절하고 얻어지는 분포 프로파일을 분석할 수 있다. 15개의 파셋의 예를 이용하고 있지만, 각각의 측벽은 20개 또는 그 이상의 파셋을 비롯한 임의의 개수의 파셋으로 분할될 수 있다.

각각의 파셋은 기판 내에서 광선의 특정 서브셋(subset)을 반사키는 것에 대해 분석될 수 있다. 관심 대상의 영역을 "대향각(angular subtense)"로서 정의할 수 있다. 소정 파셋에 대한 대향각은 미리 정해진 점으로부터 발산하는 광선의 각도로 나타낼 수도 있다. 바람직하게는, 선택되는 점은 그 파셋에 대한 최대 입사각을 광선에 제공하게 될 점인 데, 이는 그러한 광은 파셋에서 TIR을 겪을 가능성이 가장 낮기 때문이다. 예를 들어, 정사각형 형상의 계면 영역을 갖는 기판에서는 그 점은 계면에서의 반대편 에지 상의 점일 것이다.

하나의 실시예에 따르면, 선택된 A₁, A₂ 및 높이에 대하여, 이전에 다른 측벽에 의해 반사되는 일 없이 소정 측벽[예를 들면, 측벽(100)]에 입사될 임의의 광선의 최대각도(95)가 결정될 수 있다. 이 실시예에서, 점(115)으로부터 발산되는 광선(110)이 측벽(100)에 대해 최대각도(95)를 이룬다. 최대각도(95)가 48°이고 측벽(100)을 위해 15개의 파셋이 존재하는 경우, 각각의 파셋(대향각의 균일 분포를 가정)은 각도(95)의 3.2°의 대역에 상응할 것이다[예를 들면, 제1 파셋은 점(115)으로부터 각도(95)의 0°내지 3.2°의 대역으로 발산되는 광선이 입사되는 영역이고, 제2 파셋은 점(115)으로부터 각도(95)의 3.2°내지 6.4°의 대역으로 발산되는 광선이 입사되는 영역이며, 등등].

각각의 파셋의 경우, 파셋의 출사각, 파셋, 크기, 경사각 또는 기타 파라미터들은 파셋에 입사되는 모든 광선이 TIR을 겪어 출사면(55)으로 반사되어 임계각 이하의 입사각으로 출사면(55)에 입사되도록 설정될 수 있다. 바람직하게는, 측벽은 또한 단면도에서 보았을 때 광선이 측벽에 한번만 충돌하도록 형상화된다. 그러나, 그 단면 외측의 측벽으로부터 추가로 반사될 수도 있다. 풀 3D 해석의 경우, 코너 근방의 제1 측벽에 충돌하는 광선은 제1 측벽에 인접한 제2 측벽으로 반사되고 이 제2 측벽에서 출사면으로 반사될 수 있다. 커브 피트(curve fit) 또는 기타 수치 해석법을 수행하여, 원하는 파셋들에 가장 적합한 곡면 측벽 형상을 생성할 수 있다. 예를 들면, 도 4a에서 측벽(105)은 일련의 편평한 파셋으로 이루어지기보다는 곡면으로 되어 있다.

각 파셋에 대한 변수를 최적화하기 위해, 시뮬레이션된 검출기 평면(simulated detector plane)(120)이 설정될 수 있다. 검출기 평면(120)은 입사 파워를 독립적으로 기록하도록 x개의 검출기를 포함할 수 있다. 기판을 통과하는 광의 시뮬레이션이 수행되어, 검출기 평면(120)에 의해 수신되는 바와 같은 광도 및 방사 조도 분포를 분석할 수 있다. 광도 및 방사 조도의 분포가 특정 용례를 위해 만족스럽지 않은 경우, 만족스러운 광도 프로파일, 발산도 프로파일, 또는 기타 광출력 프로파일에 도달할 때까지, 파셋의 각도 및 대향각을 조정하고 새로운 곡면을 생성하여 시뮬레이션을 다시 수행할 수 있다. 원근 시야상(field pattern) 모두가 만족스럽도록 보장하기 위해 추가적인 검출기 평면이 분석될 수 있다. 대안적으로, 시뮬레이션은 곡면보다는 파셋을 이용하여 수행하며, 원하는 광출력 프로파일에 도달한 후에 표면의 곡선을 결정할 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 측벽은 파셋으로 유지되고 어떠한 곡선도 생성되지 않을 수도 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 측벽의 형상은 각각의 편평한 파셋이 소정 포물선의 일부분의 선형 근사(linear approximation)를 나타내고 있는 다중 포물선에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들면, 도 4b는 LED의 일부분(400)의 개략도이다. 도 4b에서, 가상의 광선(410)이 포물선(415)의 초점(412)으로부터 발산되어 측벽(420)과 교차함으로써, 그 측벽(420)에서 TIR로 인해 반사되어 기판을 가로질러, 임계각 미만의 출사각(440)으로 출사면(430)과 교차하여 기판에서 공기 또는 기타 매질 내로 방출되는 것으로 도시되어 있다. 도 4b에서 확인할 수 있는 바와 같이, 기판에서 공기로의 천이 부분에서 광선(410)은 스넬의 법칙에 의해 설명 되는 바와 같이 휘게 된다. 측벽의 접점은 포물선으로부터 결정되고 측벽에 입사되어 반사되는 광선은 동일한 매질 내에 있기 때문에, 그 광선은 포물선의 광축에 평행할 것이다. 따라서, 광은 소정 반치각(450)으로 투사된다. 측벽(420)의 형상을 결정하는 대향각은 가상 광선(410)이 측벽(420)에서 반사되어 원하는 출사각(440)으로 출사면(430)을 가로지르거나 원하는 반치각(450)으로 광을 투사하게 되도록 조절될 수 있다.

하나의 실시예에서, 측벽을 만들거나 측벽의 대향각을 산출하는 경우, 측벽의 기부(즉, 양자 우물 영역에 보다 근접한 부분) 쪽에 보다 미세한 대향각을 이용할 수 있는 데, 이는 대향각의 영향이 기부 근처에서 반사 시에는 매우 심하여 대향각이 미세할수록 측벽이 보다 양호한 TIR 특성을 가질 수 있게 되는 반면, 대향각의 영향이 적은 기부에서 멀리 떨어진 곳에서는 대향각은 넓어질 수 있다. 따라서, 측벽의 파셋들은 형상화 기판 LED의 기부 쪽에서 수적으로 더 많을 수 있다. 하나의 실시예에서, 측벽은 보다 좁은 파셋이 측벽의 기부에 위치하게 하여 20개 또는 그 이상의 파셋을 구비할 수 있고, 이들 파셋은 하나 이상의 대향각에 근사하게 될 수 있다.

파셋은 포물선(415)의 부분(417)의 선형 근사일 수 있다. 포물선(415)의 파라미터들은 부분(417)이 그 부분(417)에 입사되는 모든 광선을 임계각 미만의 출사각(440)을 갖게 출사면(430)으로 반사시킨다는 원하는 목표를 달성할 때까지 조절될 수 있다. 각각의 파셋은 상이한 파라미터를 갖는 포물선으로부터 형성될 수 있다. 따라서, 하나의 대향각을 위한 파셋은 인접한 파셋과는 다른 포물선에 기초할 수 있다. 예를 들면, 20개의 파셋을 갖는 측벽은 20개의 상이한 포물선에 기초할 수 있다.

도 4c는 Microsoft Excel(Microsoft 및 Excel은 미국 워싱턴주 레드몬드에 소재한 Microsoft Corporation의 상표임)과 같은 컴퓨터 프로그램을 이용하여 측벽의 파셋들을 획정할 수 있음을 예시하는 개략도이다. Microsoft Excel의 그래프 기능을 이용하여 도면 부호 125로 나타낸 측벽 형상의 그래프를 생성할 수 있다. 동일한 일반적인 형상이 각각의 측벽에 이용되거나 상이한 형상이 상이한 측벽에 이용될 수 있다. 특정 측벽 형상(또는 특정 파셋들에 기초한 곡면 측벽 형상)을 갖는 형상화 기판은 예를 들면 Zemax 광학 설계 프로그램(Zemax는 미국 워싱턴주 벨레뷰에 소재한 Zemax Development Corporation의 상표임)에서 분석될 수 있다. Zemax에서 컴퓨터 시뮬레이션을 실행하여 광선의 자취와 광도 및 방사 조도 분포 프로파일을 생성할 수 있다. 얻어진 광도 및 방사 조도 프로파일이 만족스럽지 않은 분포를 갖거나 형상화 기판의 투과 효율이 너무 낮은 경우, 다양한 파셋의 변수를 조절하고 시뮬레이션을 다시 수행할 수 있다. 이러한 과정은 컴퓨터 프로그램을 사용하여 자동화함으로써 파셋의 변수를 자동적으로 조절할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 4c는 대향각의 사양을 통해 그래프(510)로 나타낸 바와 같은 측벽 형상을 설계하는 데에 이용할 수 있는 스프레드시트(500)를 도시하고 있다. 투사 반치각 칼럼(550)은 도 4b의 투사 반치각(450)에 상응하는 복수의 각도를 포함하고 있다. 출사각 칼럼[540a(라디안), 540b(도)]은 도 4b의 출사각(440)에 상응하는 복수의 출사각을 포함하고 있다. 보다 구체적으로, 칼럼(540a) 내의 각도들 모두 또는 그 서브셋은 이들 각도로 출사면과 교차하는 광선이 출사면을 가로질러 기판에서 방출될 수 있게 하는 임계각 미만의 각도일 수 있다. 칼럼(540a, 540b)은 상이한 포물선을 획정하는 복수의 초점을 포함하는 포물선 초점 칼럼(540)의 값을 구하는 데에 이용될 수 있다. 대향각 칼럼(565)은 양자 우물 영역으로부터의 광선이 측벽에서 반사되어 임계각 미만으로 출사면에서 방출될 수 있도록 측벽의 형상을 규정하는 데에 포물선 초점 칼럼(560) 함께 이용될 수 있는 대향각 범위를 규정하는 복수의 각도(라디안)를 포함하고 있다. 포물선 초점 칼럼(560) 및 대향각 칼럼(565)에 포함된 값들을 이용하여 세타 칼럼(570) 및 반경 칼럼(575)의 값을 구할 수 있으며, 이들 칼럼(570, 575) 내의 해당 값들은 대향각에 대한 원하는 포물선 상의 점에 상응한다. 또한, 세타 칼럼(570)과 반경 칼럼(575)은 대향각에 대한 포물선에 근사하는 측벽 상의 점들을 위한 직각 좌표[예를 들면, 좌표 변환 칼럼(577)]를 구하는 데에 이용될 수 있다.

예를 들면, 사용자가 LED 크기(즉, 기판과 양자 우물 영역 사이의 계면의 면적)와 물질의 굴절률을 기입할 수 있다. 크기가 1이고 굴절률이 1.77인 LED의 예를 이용하면, 스크린(500)의 행(row)은 다음과 같이 완성될 수 있다. 사용자는 칼럼(550)에 공기(공기를 LED가 작동할 매질로서 가정)에서의 출사각을 기입할 수 있다. 제1 행의 예에서, 사용자는 55.3792°를 선택하였다. 기판에서의 출사각, 즉 칼럼(540a)은 sin(55.3792/180 * π)/1.77, 즉 0.4649323 라디안으로서 계산될 수 있다. 칼럼(540b)은 asin(0.4649323)/π * 180=27.2058407로서 계산될 수 있다. 포물선의 초점은 1(크기)/2 * (l+cos(π/2-27.2058407/180 * π))=0.732466으로서 계산될 수 있다. 대향각 칼럼(565)은 다음 칼럼 내의 수(특정 파셋의 상대 크기를 나타냄)에 기초하여 (90-27.7058047)/20=3.114708로서 계산될 수 있다. 세타 칼럼(570)은 파셋의 선택된 개수(본 예에서는 20개)를 이용하여 계산될 수 있다. 예를 들면, 제1 행에서, 세타는 (90-27.7058407)+3.114708*20=124.5883으로서 계산된다. 제1 파셋에 대한 포물선의 반경[칼럼(575)]은 2*0.732466/(1+cos(124.5883/180 * π))으로서 계산된다. 좌표 변환 칼럼(577)의 데이터는 제1 행의 경우, x=-3.3885*cos(124.5883/180*π)=l.923573; y=-3.3885*sin (124.5883/180*π)=2.789594, X=1.923573*cos(27.7058407/180*π)+2.789594*sin(27.7058407/180*π) ; Y=2.789594*cos(27.7058407/180*π)-1.923573*sin(27.7058407/180*π)-1(크기)/2=1.075452, 및 Y'=-Y로서 계산된다. 이어서, X, Y 좌표는 Exel에서의 형상 피팅 차트를 위한 데이터 포인트 입력값으로 이용될 수 있다. 예를 들면, 그래프(510)는 X 및 Y칼럼 내의 데이터 포인트에 기초한다[그래프(510)에서 Y 칼럼 값이 x축 좌표로서 이용되고 X 칼럼 값이 y축 좌표로서 이용된다]. X 및 Y 값 외에도, 시작 값이 설정될 수 있다(예를 들면, 0.5 및 0). 그래프(510)로부터의 형상이 광학 설계 패키지에 입력되고 시뮬레이션이 실행된다. 시뮬레이션이 만족스럽지 않은 경우, 사용자는 만족스러운 프로파일이 얻어질 때까지 스프레드시트(500) 내의 값을 조절할 수 있다.

하나의 실시예에서, 만족스러운 광 투과 효율과 방사 조도 및 광도 프로파일이 얻어진 경우, 특정된 파라미터를 갖는 기판을 구비한 LED를 제조할 수 있다. 그러한 LED의 일례가 도 4d에 도시되어 있는 데, 도 4d에서는 광선이 측벽에서 출 사면으로 반사되도록 TIR을 야기하게 측벽이 형상화되어 있는 기판을 갖는 LED의 하나의 실시예를 개략적으로 나타내고 있다. 이 실시예에서 각 측벽의 형상은 다양한 파셋에 의해 획정되는 바와 같은 복수의 윤곽 표면을 중첩시킨 것이다. 커브 피트가 생산성의 용이화를 위해 수행될 수 있지만, 다른 실시예에서는 파셋으로 된 측벽을 유지할 수 있다. 도 4d에서 양자 우물 영역의 면적이 정사각형 또는 직사각형인 것으로 도시되어 있지만, 이는 예시하는 것이지 한정하고자 하는 것은 아니다. 예를 들면, 양자 우물 영역의 면적의 형상은 예컨대 원형, 직사각형, 삼각형과 같은 임의의 각종 형상일 수 있다. 마찬가지로, LED의 출사면의 형상도 예컨대 원형, 직사각형, 삼각형과 같은 임의의 각종 형상일 수 있다.

도 1a 및 도 1b를 다시 참조하면, 도 1a 및 도 1b와 관련하여 전술한 바와 같이 각종 경계 조건, 특히 기판(10)의 출사면(55)의 면적이 광을 보존하도록 기판(10)에 대해 결정될 수 있다. 출사면(55)의 최소 면적은 다양한 유효 입체각에 의존하는 상기한 식 1에 의해 결정될 수 있다. 통상, 광의 유효 입체각은 렘브레시안 방사체(Lambertian emitter)로서 방사하지만 관심 거리가 광원의 크기보다 훨씬 크기 때문에 점으로서 취급되는 이상화 광원으로부터 유도된 식에 기초하여 결정된다. 렘브레시안 방사체에서의 관찰되는 방사 강도(광속/스테라디안)는 광원의 법선에 대한 각도에 따라 그 각도의 코사인 값만큼 변화한다. 이는 방사 휘도(광속/스테라디안/㎡)가 모든 방향에 동일하게 유지되지만 관찰 각도가 법선으로부터 90도까지 증가함에 따라 방사체의 유효 면적이 0으로 감소하기 때문에 발생한다. 이러한 효과의 전체 반구(半球)에 걸친 적분으로 π 스테라디안에 상응하는 투사 입체각의 값이 얻어진다.

도 5를 참조하면, 소정 반경(R)의 구(130)가 점광원(132)을 둘러싸는 것으로 가정한다[이 예에서, 점광원(132)은 상당한 거리 떨어진 렘브레시안 광원에 근사한다]. 구에서의 반구의 투영 면적은 πR²이고, 전체 구의 투영 면적은 2πR²이다. 이러한 모형은 양자 우물 영역과 기판 사이의 계면이 계면 상에 중심을 갖는 가상 반구 상의 임의의 점에서 보면 계면 상의 임의의 점이 동일한 방사 휘도를 갖도록 렘브레시안 방사체로서 모델링될 수 있다는 점에서 LED의 설계에 이용될 수 있다. 면적 A₃은 법선 광선에서부터 구 표면의 교선까지의 거리인 원(134)의 반경(R_c)을 이용하여 관심 대상의 비임 입체각에 마주 대하는 편평한 원형 표면[예를 들면, 표면(136)]로서 계산될 수 있다. 비임이 θ의 소정 반치각(137)을 갖는 경우, R_c는 R(구의 반경)과 각도(θ)의 사인값의 곱으로서 다음과 같다.

R_c = R*Sin(θ) (식 3)

면적은 다음과 같다.

A₃ = πR_c ² = π(R*Sin(θ))² (식 4a)

면적 A₃은 입체각이 구와 교차할 때 그 입체각의 투영 면적이다. 면적 A₃을 반구의 투영 면적(A_h = πR²)으로 나누고, 그 몫에 전체 반구의 투영 입체각(π와 동일)을 곱함으로써, 투영 입체각 Ω가 다음과 같이 얻어진다.

Ω = π * {원하는 입체각의 투영 면적}/{반구의 투영 면적} (식 4b)

Ω = (π)*[{π(R*Sin(θ))²}/ πR²] (식 4c)

= π* Sin²θ (식 5)

도 1의 계면(50)의 경우, 예를 들어 θ가 90°라면 투영 입체각은 π*sin²(90) = π가 되고, 원하는 반치각이 30°인 경우, 투영 입체각은 π*sin²(30) = π/4가 된다. 이러한 값을 식 1을 위한 Ω₁ 및 Ω₂에 이용하면, 임의의 반치각에 대해 A₂를 결정할 수 있다.

상기한 예에서, 입체각은 점광원으로서 모델링된 렘브레시안 광원으로부터 유도된 식을 이용하여 결정된다. 이러한 식은 광이 정사각형, 직사각형, 원형, 달걀형, 또는 기타 형상일 수 있는 계면을 통해 양자 우물 영역으로부터 기판 내로 유입될 수 있다는 점을 고려하지 않는다. 전술한 방법은 필요한 경우 차후에 경험적 테스트 또는 컴퓨터 시뮬레이션 테스트에 기초하여 조절될 수 있는 양호한 추정치의 입체각을 제공할 수 있지만, 유효 입체각을 결정하는 다른 방법이 이용될 수 있다.

도 6a 내지 도 6e는 LED의 기판에 대한 유효 입체각을 결정하는 다른 방법을 나타내고 있다. 도 6a는 형상화 기판(160)(도 6b 참조)의 계면(150) 및 출사면(155)과 광이 투영될 가상 타겟 평면(156)의 하나의 실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 도 6a의 경우, 유효 광원 원점(152), 중앙 법선(153), 및 유효 출력 원 점(154)의 배치의 예를 도시하고 있다. 추가적인 논의를 위해, 계면(150)의 중심이 직각 좌표계에서 0,0,0에 위치하는 것으로 가정한다. 타겟 평면(156)은 얻어지는 패턴의 파라미터(즉, 다른 광학 기기에 의해 이용되는 크기 및 반치각)를 제시한다. 하나의 실시예에 따르면, 대각선 방향에서의 반치각(도 6b에서 α₁로 나타냄)이 출발점이다. 예를 들면, 타겟 평면(156)에서의 원하는 광이 30°의 최대 반치각을 갖는 경우, 정사각형 또는 직사각형 기판의 경우 α₁이 30°이다. 그러면, 형상화 기판(160) 내에서의 반치각(β₁로 표기하고 도 6c에도 도시함)이 다음의 식에 따라 결정될 수 있다.

n₂sin(α₁) = n₁sin(β₁) (식 6)

여기서, n₁은 형상화 기판(160)의 IOR이고,

n₂는 형상화 기판(160)으로부터 광이 투사될 매질(통상은 공기)의 IOR이며,

α₁은 기판 외부의 매질 내에서의 출사면에서의 반치각이고,

β₁은 기판에서의 원하는 반치각이다.

예를 들면, 원하는 반치각 α₁이 30°이고, IOR이 1.77인 형상화 기판이 IOR이 1인 공기 안으로 투사하고 있는 경우, β₁ = 16.41°이다. 유사한 계산이 입사면(150)의 장변 및 단변 상의 점으로부터 투사되는 광선에 대해 수행될 수 있다. 예를 들면, 도 6b 및 도 6c에 도시한 바와 같이, 계면(150) 상의 한쪽 에지의 중앙 으로부터 출사면(155)의 맞은편 에지의 중앙으로 이동하는 광선에 대해 α₂ 및 β₂가 결정될 수 있다(임계각은 16.41로 동일하지만, β₁은 β₂와 동일하지 않다. β₂는 형상화 기판의 측부 및 높이의 기하학적 형상에 의해 결정된다).

계산된 각도를 이용하여, 유효 점광원의 위치를 결정할 수 있다. 길이 l ₁의 정사각형 계면(150)의 경우, 유효 점광원은 X=0 및 Y=0에 위치하고, Z는 다음과 같다.

(식 7)

여기서, Z_eps는 유효 점광원이 형상화 기판(160)의 입사면(150)으로부터 변위한 거리다.

유효 점광원에서부터 점(F₁, F₂)까지의 X, Y 및 Z 방향 거리는 F₁이 단위 반경의 구와 교차하는 것으로 가정하여 다음과 같이 계산될 수 있다.

X_F1 = cos(Ψ₁)*sin(β₁) (식 8)

Y_F1 = sin(Ψ₁)*sin(β₁) (식 9)

Z_F1 = cos(β₁) (식 10)

X_F2 = 0 (식 11)

Y_F2 = cos(Ψ₂)*sin(β₁) (식 12)

Z_F2 = cos(β₁) (식 13)

여기서, Ψ₁은 X-Y 평면에서 대각선 광선의 각도(정사각형의 경우 45°)이며, Ψ₂는 도 6c에 도시한 바와 같이 X축에 대해 평행한 변의 중간으로부터 투사되는 광선의 경우 90°이다. 도 6a에 도시한 바와 같이 타겟 평면(156)이 4개의 점에서 구면과 교차하고 각도 β₂의 크기가 임계각 β₁의 크기보다 작기 때문에, 점 F₂를 위한 값들은 각도 β₁을 갖는 대각선을 변으로부터의 광선의 평면상으로 투영시킨 것에 기초하여 계산될 수 있다. 이전에 계산된 기하학적 배치에 기초한 유사한 방법이 다른 점을 결정하는 데에 이용될 수 있다[예를 들면, 점 T₁ 및 T₂의 위치가 점 F₁ 및 F₂의 위치 및 타겟 평면(156)에서의 광의 원하는 반치각에 기초하여 결정될 수 있다].

도 6d는 출사면(155)을 위한 구(159)와 타겟 평면(156)을 위한 구(161) 상에 투사되는 대각선 광선 및 단변으로부터의 하나의 광선을 도시하고 있다. 출사면(155)의 경우, 구(159)에서의 에지 광선들의 교점을 출사면(155) 상으로 투영시키면 타원 세그먼트를 형성한다. 마찬가지로, 타겟면의 에지에서의 굴절된 출사 광선의 투영은 구(161)와 교차한다. 예를 들면, 도 6e는 타겟면(156)의 에지(163)에 의해 형성된 평면 내에 있는 광선들이 구(161)와 교차하는 원형 교선(도면 부호 162로 나타냄)과, 이러한 교선의 타겟 평면(156) 상에의 투영(도면 부호 164로 나타냄)을 도시하고 있다. 정사각형의 타겟면을 둘러싸는 각각의 타원 세그먼트의 면적을 계산하고, 이를 타겟면의 면적에 더함으로써, 타겟면의 전체 투영 면적을 계산할 수 있다. 유효 입체각은 식 4b를 이용하여 타겟 평면에 대해 결정될 수 있다. 마찬가지로, 구(159) 및 이에 광선에 의해 형성되는 타원 세그먼트를 이용함으로써, LED의 유효 입체각을 결정할 수 있다. 예를 들면, 총 투영 면적이 전술한 바와 같이 결정되어 식 4b에 "원하는 입체각의 투영 면적"으로서 대입된다.

하나의 예시적인 예로서, 계면 및 출사면이 정사각형으로 된 기판을 갖는 LED를 이용하여 30°의 반치각으로 광을 투사하는 데에 상기한 방법을 이용하면 공기 중의 타겟에 대해 0.552스테라디안의 유효 입체각이 얻어진다. 이와 달리, 반치각 30°의 투사 사양을 갖는 통상의 원형 투영 면적을 이용하면 0.785 스테라디안의 유효 입체각이 얻어질 것이다. 그러면, 이들 값을 식 1에 이용한 경우, 주어진 IOR 및 광속에 대해 통상의 (원형에 대한) 계산에 의해서는 약 30%만큼 감소된 필요 출사 면적이 얻어진다. 이러한 기법을 이용하여 시스템을 설계하였다면, 적용 가능한 물리 법칙(즉, 방사 휘도의 보존)에 의해 광출력이 최적의 구조에 비해 30%만큼 감소되었을 것이다. 반대로, 전술한 바와 같이 수정된 유효 입체각을 이용하면 원형에 대한계산에 의해 달성할 수 있는 것보다 42%더 많은 광출력을 생성할 출사면 면적이 계산된다.

LED에 대한 유효 입체각을 결정하기 위한 특정 방법을 앞서 설명하였지만, 당업계에 알려지고 개발된 임의의 방법이 이용될 수 있다. 대안적으로, 광을 보존하기 위한 최소 표면적은 경험적으로 결정될 수 있다. 또한, 상기한 최소 표면적 계산에서는 광이 양자 우물 영역과 기판 사이의 계면의 전체 표면을 가로질러 기판 안으로 들어가는 것으로 가정하였지만, 실제 디바이스에서는 광이 계면의 전체 표면에 걸쳐 균일한 분포로 기판 내로 들어갈 수 없다. 출사면의 최소 면적의 계산은 전적으로 계면의 면적의 크기에 기초하기보다는 계면을 가로지르는 광의 실제 분포를 고려하여 조절될 수 있다. 하나의 실시예에서, 광이 기판으로 들어가게 통과하는 계면의 실제 면적이 A₁로서 이용될 수 있다.

본 발명의 LED의 실시예들은 기판의 재료 및 프레즈넬 손실에 따라 89%에 이르는 이론 효율을 갖고 10 내지 60°의 원하는 원추각으로 광을 투사할 수 있다(89%의 이론 효율의 경우, 기판으로 들어오는 광의 89%가 원하는 반치각으로 방사되고 11%는 프레즈넬 손실을 겪는다는 것을 의미한다). 이러한 효율은 프레즈넬 손실이 없으면 100%일 수 있다. 단지 70%의 효율의 경우에도, 본 발명의 LED의 실시예들은 다른 LED 기술보다 큰 효율을 제공하면서도, 근시야장 및 원시야장 모두에 있어서 균일 또는 거의 균일한 광도 분포를 가능하게 한다.

공기(또는 기타 매질) 계면에 대한 기판에서의 프레즈넬 손실은 기판의 출사면에 반사 방지 코팅을 도포함으로써 극복할 수 있다. 이용될 수 있는 반사 방지 코팅은 당업자에게 공지된 임의의 것으로서, 단층 MgO 또는 MgF, 다층 코팅 또는 기타 반사 방지 코팅을 포함한다. 반사 방지 코팅을 이용함으로써, 프레즈넬 손실이 감소 또는 제거되고 LED의 광출력 효율을 증가시킬 수 있다.

LED의 하나의 실시예에서는 2개 이상의 출사면을 구비할 수 있다. 예를 들면, 형상화 기판은 실질적으로 LED에 의해 생성된 모든 광이 LED에서 방출되게 하 지만 2개 이상의 출사면을 통해 방출하도록 될 수 있다. 도 7은 2개 이상의 출사면을 갖는 LED(700)의 실시예의 개략도이다. 도 7에서, LED(700)의 출사면(710a, 710b)이 도시되어 있다. 2개 이상의 출사면을 갖는 LED는 반구보다 큰 입체각으로 광을 방사할 수 있다. 출사면에서 방출되는 광을 최대화하기 위해, 2개 이상의 출사면을 갖는 기판의 측벽은 다중 곡면 또는 다중 파셋 표면을 구비할 수 있다.

2개 이상의 출사면을 갖는 LED의 경우, LED의 방사 입체각을 반구보다 크게 할 수 있다(그리고 투사 입체각을 π보다 크게 할 수 있다). 이의 일례는 단일의 편평한 출사면 대신에 LED가 4면 피라미드 형태의 출사면 세트를 갖는 경우가 될 것이다. LED의 기판의 측벽이 계면을 통해 기판으로 유입된 광을 4개의 출사면 중 하나로 안내하여 그 출사면에 임계각보다 크지 않은 각도로 충돌시키도록 형상화되는 경우, 기판으로 유입된 모든 광이 4개의 출사면 중 하나를 통해 LED에서 방출될 수 있다.

피라미드의 면들이 평면을 이루는 것이 아니라 서로에 대해 소정 각도를 이루기 때문에, 소정 출사면에 그 출사면에 대한 임계각으로 충돌하는 임의의 광선은 90°의 출사각으로 굴절될 것이다. 그러면, 이러한 방식에서 결정되는 총 입체각 공간은 4개의 출사면들의 각도 관계의 함수일 수 있다. 에텐듀 식을 만족시키도록, 본 예에서의 4개의 출사면은 그러한 구조에 대한 유효 입체각을 이용하여 계산된 값과 적어도 동일한 총 표면적을 가져야할 것이다.

다중 출사면 구조도 역시 방사 휘도를 보존하는 방식으로 이루어질 수 있다. 즉, 총 투영 출사면 면적을 계산된 값과 동일하게 하고, 출사면의 각 부분에 균일 한 광 분포를 제공하도록 측벽을 설계함으로써, 방사 휘도가 보존될 수 있다. 출사면이 요구되는 값보다 크게 이루어지면, 기판으로 유입된 광은 그 만큼 광도가 감소한 채로 출사면을 통해 방출될 것이다.

다중 출사면을 갖는 형상화 기판의 다른 실시예는 형상화 기판의 측벽 자체가 출사면인 경우이다. 주어진 광선의 입사 지점에 따라, 광선이 임계각보다 크지 않은 각도로 주어진 측벽에 충돌하여 그 측벽을 통과하거나, 임계각보다 큰 각도로 충돌하여 다른 출사면 또는 측벽으로 내부 반사될 수 있다.

계면 상의 임의의 지점으로부터 기판에 유입되는 임의의 광선이 소정 측벽 출사면을 통과하도록 측벽 출사면과 측벽들이 설계된다면, 기판에 유입되는 모든 광이 기판에서 방출될 것이다.

다중 출사면을 갖는 형상화 기판 LED는 넓은 영역의 방사가 요구되는 일반적인 조명 용례에 이용하기에 적절할 수 있다. 그러한 LED는 LED에 의해 생성된 광을 보다 작은 입체각으로 안내할 추가적인 렌즈 또는 반사기 소자와 함께 이용될 수도 있다.

다중 출사면을 구비하거나 측벽이 출사면으로서 기능을 하는 형상화 기판의 잠재적인 이점은 LED가 보다 작은 부피를 가질 수 있다거나, 곡면 대신에 평면과 같이 제조가 보다 용이한 형상을 가질 수 있다는 점이다.

LED는 LED 어레이로 배치될 수 있다. LED 어레이는 원하는 광량 및 원하는 광 패턴을 생성하는 데에 이용될 수 있다. 예를 들면, LED는 정사각형 또는 기타 형상으로 배치될 수 있다. 원하는 광량을 생성하기 위해 LED의 어레이를 이용하면 단일의 LED를 이용하는 것보다 보다 효율적이고 공간을 덜 소모할 수 있다. LED 어레이는 제조 중에 형성될 수 있다. 예를 들면, LED 어레이는 동일한 웨이퍼로 형성될 수 있다. 도 8a에서, LED 어레이(800)는 동일한 웨이퍼로부터 형성된 LED(810a 내지 810c)를 포함한다. 웨이퍼 재료(820)는 LED(810a 내지 810c)를 형성하도록 제거된다. LED(810a)는 지점(830a)에서 LED(810b)에 부착된 채로 유지된다. 마찬가지로, LED(810b)는 지점(830b)에서 LED(810c)에 부착된 채로 유지된다. 따라서, 기판 재료의 선택적 제거를 통해 LED의 어레이를 형성할 수 있다. 도 8은 LED의 어레이를 형성하는 한 가지 방법을 한정하고자 하는 것이 아니라 예시로서 나타내고 있으며, 당업자에게 공지된 바와 같은 LED의 어레이를 형성하는 기타 방법도 본 발명의 범위 내에 포함된다.

LED 어레이의 이용의 한가지 이점은 어레이 내의 복수의 LED의 형상화 기판들은 동일한 광량을 갖는 단일 LED의 형상화 기판보다 얇아질 수 있다는 점이다. 추가로, 소형 LED의 어레이가 단일 LED보다 더 효율적일 수 있는 데, 다시 말해 특정 양의 입력 전력을 소모하는 소형 LED의 어레이가 동일한 출사면 크기 및 입력 전력의 단일의 대형 LED보다 많은 광을 생성할 수 있다.

LED의 일부 실시예는 통상의 LED보다 두꺼운 기판을 이용할 수 있기 때문에, LED 패키지 내에 LED를 고정시키는 데에 유지 기구가 이용될 수 있다. 기계적 부착 기구(예를 들면, 성형 플라스틱, 금속 또는 기타 재료로 이루어진 기계적 부착 기구)가 LED 패키지 또는 기타 구조체 내에 LED을 고정시키는 한편, LED를 제위치에 유지하기 위한 수직력을 생성하도록 LED에 접촉할 수 있다. 측방향 운동은 부 착 기구와 LED 간의 마찰력에 의해 방지할 수 있다. 그러한 부착 기구는 기판과 동일한 IOR을 가져 기판에서 방출되는 광선이 부착 기구를 통과할 때에 편향되지 않게 할 수 있다. 부착 기구는 기판에서 방출되는 광이 통과할 렌즈, 물질층 또는 기타 면과 같은 2차적 광학 기기를 포함할 수 있다. 따라서, 부착 기구는 추가적으로는 출력 비임을 형상화하거나 더욱 획정하는 기능을 할 수 있다. 도 9a 내지 도 9c는 LED(910)를 고정시키는 데에 이용될 수 있는 유지 기구(900a 내지 900c)의 다양한 예를 개략적으로 도시하고 있다. 도 9b의 유지 기구(900b)는 LED(910)로부터의 광을 더욱 집속할 수 있는 렌즈(920b)를 포함하고 있다. 도 9c의 유지 기구(900c)는 LED(910)으로부터의 광을 더욱 집속할 수 있는 반사 집속 소자(920c)를 포함하고 있다. 하나의 실시예에서 반사 집속 소자(920c)는 복합 포물면 집광기(compound parabolic concentrator)이다.

LED 또는 이 LED의 기판을 형상화 또는 성형하는 데에 하나 이상의 방법이 이용될 수 있다. 아래에서 설명하는 바와 같이 기판을 형상화하는 방법은 예시적으로 것으로서, 수많은 이용 가능한 방법들의 서브셋을 포함한다. 아래에서 설명하는 방법은 물론 LED 또는 광학 산업에서 이용되는 기타 방법이 LED 제조에 이용될 수 있다. 재료 제거에 의해 LED 또는 기판을 형상화하는 데에 단독으로 또는 조합하여 이용될 수 있는 방법으로는 에칭, 레이저 삭마(laser ablation), 워터 제트 절삭, 초음파 제거 및 기계적 제거를 포함한다.

에칭은 적절한 형상이 얻어지도록 고도로 제어된 방식으로 기판 재료를 제거하는 화학적 프로세스를 의미한다. 에칭 방법에는 통상 2가지 방식, 즉 습식 에칭 과 건식 에칭이 있다. 습식 에칭은 기판 재료의 제거에 액상 에칭제의 사용을 수반한다. 건식 에칭, 즉 플라즈마 에칭 및 반응성 이온 에칭에서는 이온을 생성하여 기판 상에 가한다. 여기서, 화학적 반응에 기초하든 입자 운동량에 기초하든 기판으로부터 재료가 제거된다.

기판 재료(양자 우물 영역을 포함하는 재료를 더 구비할 수 있음)의 웨이퍼로 시작하여, 특정 패턴의 포토레지스트를 웨이퍼의 한쪽 면에 증착할 수 있다. 이어서, 이 웨이퍼를 에칭한다. 포토레지스트로 덮인 웨이퍼 상의 부위들은 에칭되지 않는 반면, 포토레지스트가 없는 부위들에서는 재료가 제거될 것이다. 포토레지스트의 에지에서의 원하는 윤곽을 달성하도록 프로세스를 조정하기 위한 수많은 방법이 있다. 예를 들면, 보다 두꺼운 층의 포토레지스트를 도포하고 그 후에 에칭 공정 중에 희생적으로 제거하거나, 다른 희생층을 포토레지스트와 함께 이용할 수 있다. 이들 층은 LED 기판의 원하는 윤곽을 생성하도록 에칭제에 의해 시간의 경과에 따라 제거된다. 이는 형상화 기판을 제조하기 위해 웨이퍼를 정밀하게 에칭하는 데에 활용될 수 있다. 또 다른 방식은, 다중 레지스트 및 다중 에칭 단계를 이용하는 것이다. 각각의 포토레지스트 및 에칭 단계는 재료의 작은 층을 제거하는 데에 이용될 수 있다. 복수회의 소규모 단계가 원하는 3D 형상을 얻는 데에 이용될 수 있다.

도 10은 에칭의 일례를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 10에서, 웨이퍼(1000)는 에칭되어 형상화 기판(1030a 내지 1030c)을 형성하고 있다. 포토레지스트(1010)가 웨이퍼(1000)의 표면에 원하는 패턴으로 도포되어, 웨이퍼(1000)의 표면의 일부분이 포토레지스트(1010)로 덮이게 된다. 포토레지스트(1010)의 도포에 후속하여, 포토레지스트가 도포된 웨이퍼(1000)의 동일한 표면상에 에칭제가 도포된다. 이 에칭제가 기판 재료(1020)를 제거하여 형상화 기판(1030a 내지 1030c)이 형성된다. 포토레지스트 및 에칭제는 원하는 측벽 형상이 얻어지도록 연속하는 층 및 패턴으로 도포될 수 있다.

에칭 파라미터는 기판 재료에 기초할 수 있다. 에칭 속도는 에칭제 및 기판에 따라 변화한다. 사파이어 및 실리콘 카바이드와 같이 LED 용례에 사용되는 기판 재료의 경우, 반응성 이온 에칭을 이용한 에칭 속도는 상업적 제조용으로는 느릴 수 있는 분당 250㎚ 내지 2.5㎛ 범위일 수 있다. 실리콘 카바이드의 경우는 상기한 에칭 속도의 상한에 해당하는 한편, 사파이어는 하한에 해당한다.

레이저 삭마는 고출력 레이저를 이용하여 양자 우물 영역 또는 기판 재료를 제거 또는 추출함으로써 LED를 제조하는 방법이다. 각각의 레이저 펄스는 단지 미량의 재료를 제거할 것이다. 레이저는 각각의 후속 펄스에 의해 재료를 제거하도록 병진 운동할 수 있다. X-Y 및 Z 방향으로 병진 운동시킴으로써 3D 형상이 제거될 수 있다. 레이저 삭마의 실시예는 기판을 에칭보다 빠르게 형상화하는 데에 이용될 수 있다. 공지의 기법을 이용할 때, 레이저 삭마는 실리콘 카바이드 및 사파이어에 있어서 분당 약 500㎛ 내지 1㎜의 두께를 제거할 수 있다.

도 11은 레이저 삭마를 개략적으로 나타내는 도면이다. 레이저(1110)가 웨이퍼(1100)에 인가되어 기판 재료(1120)를 제거함으로써 형상화 기판(1130a 내지 1130b)을 형성한다.

워터 제트가 원하는 형상의 기판을 형성하도록 웨이퍼를 제거하는 데에 이용될 수도 있다. 워터 제트 제거법의 하나의 실시예에서, 짧은 펄스의 물을 이용하여 단계적으로 웨이퍼를 제거할 수 있다. 웨이퍼를 제거하는 데에 물의 펄스가 이용되는 프로세스는, 레이저 삭마와 관련하여 전술한 프로세스와 유사할 수 있다. 워터 제트 제거법의 하나의 실시예에서, 워터 제트를 사용하여 특정 각도로 웨이퍼를 완전히 절단하고, 이어서 각도를 약간 변위시키고 워터 제트를 사용하여 약간 보다 큰 각도로 웨이퍼를 절단함으로써 궁극적으로 원하는 형상의 기판을 생성할 수 있다. 다른 실시예에서, 워터 제트에 연마제(예를 들면, 공업용 다이아몬드 입자)를 가하여 재료가 제거되는 속도를 증가시킬 수 있다.

또 다른 선택 가능한 방법은 연삭, 밀링, 소잉(sawing), 초음파 연삭, 폴리싱, 드릴링, 또는 기타 기계적 제거 시스템 혹은 방법을 통해 재료를 기계적으로 제거하는 것이다. 기계적 제거를 통해 하나 이상의 LED를 형상화하도록 재료를 제거하기 위한 수많은 방법이 있다. 예를 들면, 소잉 블레이드(통상은 다이아몬드 연삭 휘일)가 웨이퍼를 복수의 LED 또는 기판으로 다이싱(dicing)하는 데에 이용될 수 있다. 소잉 블레이드는 제거 프로세스 중에 블레이드에 발생할 수 있는 미소한 재료 손실을 고려하여, 하나 이상의 측벽과 반대의 형상을 갖도록 미리 제조될 수 있다(즉, 블레이드는 약간 큰 크기로 시작할 수 있다). 이어서, 그 블레이드를 이용하여 웨이퍼를 소잉한다. 소잉 블레이드가 절삭을 행할 때에 그 소잉 블레이드의 회전에 의해 기판의 측벽이 연마될 수 있다. 매회의 절삭에 의해 인접한 기판들의 측벽을 형성한다. 하나의 실시예에 따르면, 소오는 먼저 하나의 축선 방향으 로 복수회 절삭을 행하고 이어서 그 축선에 직교하게 절삭을 행하여 형상화 기판을 형성한다. 재료의 기계적 제거는 단계적으로 행해질 수 있다.

도 12a 내지 도 12b는 소잉 블레이드를 이용하여 LED를 형성하는 개략적인 도면이다. 도 12a에서, 형상화 기판의 원하는 측벽과 반대의 형상을 갖는 소잉 블레이드(1210)가 웨이퍼(1200)에 적용되고 있다. 도 12b는 웨이퍼(1200) 내로 완전히 밀어 넣어져 측벽(1220a, 1220b)을 형성하고 있을 때의 소잉 블레이드(1210)를 도시하고 있다. 도 13a 및 도 13b는 웨이퍼(1200)에 소잉 블레이드(1210)를 적용한 후의 웨이퍼(1200)의 평면도를 개략적으로 도시하고 있다. 기판 재료의 기계적 제거 후에, 형상화 기판은 형상화 기판 내에서의 TIR을 향상시키도록 연마될 수 있다.

앞서 형상화 기판을 형성하도록 웨이퍼 재료를 제거하는 방법들을 개별적으로 설명하였지만, 상기한 방법들은 조합될 수 있다. 예를 들면, 적절히 만곡된 측벽 형상을 보장하도록 기계적 제거법과 워터 제트 제거법을 함께 이용할 수 있다. 마찬가지로, LED를 제조하기 위해 웨이퍼로부터 기판 재료를 제거하기 위한 방법 및 기법들의 다양한 다른 조합이 기판 재료에 따라 적절히 이용될 수 있다. 게다가, 초음파 가공과 같은 기타 방법이 형상화 기판을 형성하는 데에 이용될 수 있다. 초음파 연삭 또한 기판을 형상화하는 데에 이용될 수 있다. 초음파 연삭의 실시예에서, 하나 이상의 LED와 반대의 형상을 갖는 공구에 연마제를 바르고, 그 공구를 기판 재료와 접촉시키면서 공구를 초음파에 의해 진동시킴으로써 기판 재료에 대한 스크러빙/스커핑 작용(scrubbing/scuffing action)을 생성하여 재료를 제 거하고 형상화 기판을 생성한다.

상기한 실시예에서는 재료의 웨이퍼로부터 LED를 형성하는 것으로 설명하고 있지만, LED 제조에 이용되는 형상화 기판은 기판 재료의 바아로부터 형성되거나, 개별적으로 기판 재료로부터 형상화될 수 있다.

LED의 하나의 실시예에 있어서, LED는 개별적으로 제조될 수도 있다. 예를 들면, 개개의 형상화 기판이 정밀하게 위치 설정되도록 수용 공구 내에 장착될 수 있다. 측벽은, 레지스트 물질, 수용 공구 내의 차폐 구조 또는 기타 보호 기구와 같은 보호 기구에 의해 보호될 수 있다. 이러한 형상화 기판의 기부에 원하는 에피텍시 층을 증착하여 LED를 생성할 수 있다. 또 다른 예로서, 개개의 형상화 기판은 고온 유리와 같은 성형 가능 재료로 이루어질 수 있다. 이어서, 이러한 유리제 형상화 기판은 그 기부에 저온 에피텍시 성장 기법을 이용하여 원하는 에피텍시 층을 증착함으로써 LED로 될 수 있다.

몇몇 경우, LED를 이용하여 백색광을 생성하는 것이 요구될 수 있다. 이는 단색(예를 들면, 청색) 단파장 LED로부터의 광을, 이 광을 흡수하여 사람의 눈에서 백색광으로 인지되는 파장의 광을 다시 방사하는 인광 물질 또는 기타 입자 상에 충돌시킴으로써 달성할 수 있다. 인광 물질 또는 기타 입자가 본 발명의 실시예에 따른 LED와 함께 사용되어 백색광을 생성할 수 있다. 도 14는 LED(20)의 하나의 실시예를 도시하고 있다. 인광 물질 또는 기타 입자는 양자 우물 영역(15)과 기판(10) 사이의 계면(50)에 배치될 수 있다. 이러한 경우, 기판(10)에 유입되는 광은 사람의 눈으로 보았을 때에 백색광일 것이다. 인광 물질은 또한 기판(10)의 출 사면(55) 다음에 배치될 수 있다. 하나의 실시예에 따르면, 출사면(55)에 입자 층이 코팅될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 입자는 출사면과 접촉하거나 출사면으로부터 오프셋된 다른 피스의 재료 상에 있을 수 있다. 예를 들면, 인광 물질은 LED(20)의 출사면(55)을 에워싸지만 그 출사면(55)과 접촉하진 않는 렌즈의 내면 상에 있을 수 있다.

LED의 출사면을 코팅하면 백색광 LED의 제조를 단순화시키고 나아가서 백색광 LED의 제조 비용을 낮출 수 있다는 제조상 이점을 가질 수 있다. 예를 들면, 형상화 기판 LED가 형성될 웨이퍼의 한쪽 면이 백색광을 방사하도록 여기될 수 있는 인광 물질 또는 기타 입자를 함유한 층(즉, 입자 코팅)으로 코팅될 수 있다. 입자 코팅으로 코팅되지 않은 웨이퍼의 면은 제거될 수 있다. 웨이퍼를 제거하여 복수의 LED를 생성한 경우, 그 LED는 백색광을 생성하는 데에 필요한 입자 코팅을 갖는 출사면을 구비하게 될 것이다. 또한, 형상화 기판은 기판 내로 유입된 광의 대부분을 기지의 출사면으로 안내하기 때문에, 특정 출사면의 코팅은 백색광의 생성에 매우 효과적일 수 있다. 따라서, 형상화 기판을 이용함으로써, LED의 측벽 또는 그 측벽의 일부분을 입자 코팅으로 코팅할 필요성을 제거할 수 있다. 따라서, 각각의 LED에 입자 코팅을 개별적으로 도포할 필요가 없어질 것이다. 입자 코팅을 웨이퍼의 한쪽 면에 도포하는 것이 입자 코팅을 개개의 LED에 코팅하는 것보다 저렴할 수 있다. 기판의 측벽은 입자 코팅과의 상호 작용으로 인해 기판 안으로 다시 산란된 광을 부분적으로 또는 완전히 재활용할 수 있도록 설계될 수 있다. LED와 함께 백색광을 생성하는 데에 나노 입자를 이용하면 광의 편향을 최소화할 수 있고, 이에 따라 후방 산란광을 최소화하고 출사면으로부터 방사되는 광을 최대화할 수 있다.

LED의 양자 우물 영역에서 생성되는 열은 인광 물질 입자 또는 나노 입자의 열화(劣化)를 야기한다. 종래의 LED에서, 인광 물질은 LED 칩에 컨포멀(conformal) 코팅된다. 열 밀도는 칩에서 가장 높아 인광 물질은 극심한 열을 받게 된다. 출사면에 인광 물질 코팅이 있는 형상화 기판을 갖는 LED의 실시예에서, 출사면이 열을 발생하는 양자 우물 영역으로부터 기판의 높이만큼 떨어지기 때문에, 인광 물질의 열화는 감소된다. 따라서, 기판이 두껍고 이에 따라 출사면이 양자 우물 영역으로부터 떨어진 LED는 원하는 품질의 백색광을 종래의 구조보다 오랫동안 생성할 수 있다.

본 발명에 따른 LED의 실시예에 대한 잠재적인 용례에는 휴대폰의 디스플레이 조명을 포함한다. 종래의 시스템은 통상 3개의 측면 발광 청색 LED을 인광 물질이 충전된 봉지재(encapsulant material)와 함께 이용하여 백색광을 생성하고 있다. LED의 측면들은 통상 불투명하며, 많은 비율의 생성된 광이 측벽에 의해 흡수된다. 이로 인해 광의 50% 이상이 흡수로 손실된다. 게다가, 공기에 대한 봉지재의 계면에서의 굴절률의 변화는 출사 광선이 임계각보다 큰 각도로 계면에 충돌하게 되는 TIR 조건을 야기한다. 이는 계면에서 약 44%의 손실을 초래한다. 본 발명에 따른 형상화 기판 LED의 실시예는 생성된 광의 80%를 도광체로 전달할 수 있어, 시스템 휘도를 매우 현저하게 개선시키게 된다.

본 발명에 따른 LED의 실시예의 또는 잠재적인 용례로는 휴대폰 카메라 플래 시로서 사용하는 것이 있다. 종래의 시스템은 이미지의 중앙에 매우 밝은 영역을 생성하고 가장자리에 어두운 영역을 생성하는 가우스 에너지 분포(Gaussian energy distributions)를 갖는 LED를 통상 사용하고 있어, 피사체에 대한 조명을 균일하게 하지 못하고 있다. 게다가, 종래의 플래시 유닛의 비임의 형상은 원형인 반면, CCD 카메라에 의해 촬상되는 이미지는 직사각형이다. 게다가, 공기에 대한 봉지재의 계면에서의 굴절률 변화는 출사 광선이 임계각보다 큰 각도로 계면에 충돌하게 되는 TIR 조건을 야기한다. 이는 출사 입체각과 상관 관계가 있는 계면에서의 손실을 초래하게 된다. 반면, 본 발명에 따른 LED의 실시예들은 직사각형 또는 정사각형의 플래싱을 가하면서 LED의 기판에 유입된 광의 80%를 균일한 분포로 촬상 영역에 제공할 수 있다. 이는 종래 기술의 LED 플래시 시스템과 반대로 경관 조도(scene illumination)를 보다 균일하게 할 뿐만 아니라 조도의 수준을 보다 높게 한다.

본 발명에 따른 LED의 실시예에 대한 또 다른 잠재적인 용례로는 액정 표시 장치(LCD)의 백라이트가 있다. 전통적인 LCD 시스템은, 적색, 녹색 및 청색 LED의 선형 어레이를 이용하고 있다. LED로부터의 광은 색상 및 광도의 균일성을 제공하도록 혼합 도광체(mixing light guide)로 보내진다. 통상, LED는 LED 위에 배치된 돔을 갖고 있으며, 광은 타원형 반사기에 의해 포집되어 도광체로 보내진다. 타원형 반사기가 점광원에 대해서는 잘 작동하지만, LED가 점광원이 아니라 일부 광선은 도광체 내부의 초점에 이르지 못할 것이다. 또한, 돔형 봉지재로부터의 일부 광은 180°보다 큰 각도로 방사되기 때문에, 광의 일부가 기판, PCB 보드, 및 기타 구성 요소에 의해 흡수된다. 게다가, 돔은 돔 내의 공동(cavity)의 크기에 비해 크게 되어 있기 때문에, 통상 소정 비율의 광이 굴절된다. 이러한 손실들은 승산(勝算)적이기 때문에 LED로부터 원래 방사된 광의 단지 약간의 비율만이 도광체에 실제로 이르게 된다.

반면에, 본 발명에 따른 LED의 실시예는 LED 기판에 유입되는 광의 80%에 이르는 광(프레즈넬 손실 가정)을 원하는 원추각으로 도광체에 제공할 수 있다. 따라서, 종래의 시스템에서 가능한 것과 동일한 결과를 달성하는 데에 보다 낮은 전력의 LED를 이용한다거나, 동일한 전력 소모 수준에서 보다 많은 광을 제공할 수 있다. 실제로, 몇몇 실시예에서는 도광체가 필요하지 않을 수 있으며 LED 어레이가 LCD의 백라이트에 직접 이용될 수 있다.

본 발명에 따른 LED의 실시예의 또 다른 용례로는 자동차의 전조등, 손전등, 디지털 라이트 프로세싱(DLP) 시스템 및 기타 장치가 있다. LED의 형상은 원하는 투사 원추 및 비임 프로파일을 제공하도록 선택될 수 있다. 게다가, "LED로부터 광을 안내하는 별도의 광학 소자(SEPARATE OPTICAL DEVICE FOR DIRECTING LIGHT FROM AN LED)"라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 제11/649,018호에 개시된 프라이머리 광학 소자(Primary Optic Device : POD)와 같은 집광 렌즈 또는 기타 광학 소자와 LED의 조합은 좁은 입체각(0.1스테라디안 이하 정도)의 방사를 가능하게 하면서도 방사 휘도를 보존하고 매우 작은 부피에서 그렇게 할 수 있다. 이러한 조합은, 손전등, 스폿 라이트 또는 임의의 기타 좁은 비임 용례에 적용될 수 있다.

"LED로부터 광을 안내하는 별도의 광학 소자(SEPARATE OPTICAL DEVICE FOR DIRECTING LIGHT FROM AN LED)"라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 제11/649,018호에서는, 프라이머리 광학 소자(POD)를 개시하고 있다. 본 명세서에 개시한 시스템 및 방법의 실시예는 POD 소자와는 다른 것으로 상당한 이점을 제공한다. POD 소자는 LED와 함께 사용되어 LED로부터 방사되는 광을 집속하는 수동적 광학 요소이다. POD 소자 자체는 광을 생성할 수 없고 다른 광원에 의해 생성된 광을 안내한다. POD는 통상 약 1.5의 IOR을 갖는 재료로 이루어진다. 따라서, LED로부터 POD 소자에 유입되는 광의 양은 LED 재료에서 POD 소자 재료로의 IOR의 변화에 의해 제한된다. 이와 달리, 본 발명은 자신의 양자 우물에서 생성된 광을 자체적으로 포집 및 안내하는 LED에 관한 것이다. 이론적으로는 LED의 기판 내의 모든 광이 포집되어 안내될 수 있다. 기판 재료가 양자 우물 영역 재료의 IOR보다 큰 IOR을 갖거나 동일한 IOR을 갖는 경우, LED의 양자 우물에 의해 생성된 모든 광이 포집 및 안내될 수 있다. 이는 POD 디바이스의 경우에는 불가능할 수 있다. LED의 양자 우물에 의해 생성된 광을 자체적으로 포집 및 안내하도록 LED를 형상화함으로써 추가적인 광학 요소 필요 없이 단독으로 수많은 용례에 이용될 수 있는 LED가 얻어진다.

도 15a 및 도 15b는 단일 웨이퍼(1500)에 형성된 복수 다이의 레이아웃을 개략적으로 나타내는 도면이다. 이 경우, 다이는 서로 보다 근접하게 집적(packing)되어 있고, 측벽 형상은 측벽의 절삭 깊이가 현저히 감소되어 있다는 점을 제외하면 앞서 설명한 방법 중 임의의 방법에 의해 형성된다. 예를 들면, 전술한 실시예에서 웨이퍼 두께가 3㎜라면, 측벽 형상은 2.75㎜의 깊이로 절삭되고 0.25㎜가 모든 다이를 함께 유지하도록 남겨진다. 도 15의 예에서는 절삭 깊이가 겨우 약 1㎜ 이고 다이를 함께 유지하도록 약 2㎜가 남겨진다. 이는 제조시의 취급을 위해 웨이퍼를 훨씬 더 강하게 하고, 다이가 서로 보다 근접하게 집적되게 할 수 있다. 이는 웨이퍼당 다이 개수를 1.5 내지 2.4배 정도로 보다 많게 한다. 웨이퍼에 대한 모든 작업이 완료된 후에, 다이는 예를 들면 얇은 소잉 블레이드(폭이 0.1㎜ 정도)를 갖고 다이아몬드 소잉함으로써 분리된다. 소잉 블레이드에 의해 생성된 표면은 그 영역에서의 의도한 측벽 형상에 거의 근사하고 적절히 연마된 표면을 제공하여 추가적인 작업이 불필요할 수 있다. 대안적으로, 개개의 다이마다 측벽의 그러한 부분에 대한 형상화 및 연마를 다듬질하도록 후속 작업이 수행될 수 있다.

본 명세서에서 특정 실시예에 대해 설명하고 있지만, 이들 실시예는 예시적인 것으로서, 이들 실시예에 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니라는 것을 이해할 것이다. 전술한 실시예들에 대한 수많은 변형, 수정, 추가 및 개선이 이루어질 수 있다. 예를 들면, 본 명세서에서 제시한 각종 범위 및 치수는 예로서 제공한 것으로, LED는 다른 범위 내에서 다른 치수를 이용하여 작동될 수도 있다. 예를 들면, 형상화 기판을 사파이어 및 실리콘 카바이드에 관하여 설명하였지만, 광이 통과할 수 있는 다른 기판이 이용될 있다. 예컨대, 기판은 유리 또는 다이아몬드로 이루어질 수 있다. 하나의 실시예에서, 기판은 성형 가능 유리로 성형되어, 저렴하고 용이하게 형상화된 기판을 제공할 수 있다. 그러한 변형, 수정, 추가 및 개선은 첨부된 청구 범위에서 구체화된 본 발명의 범위에 포함된다는 점을 예상할 것이다.

Claims

광을 생성하도록 작동할 수 있는 양자 우물 영역과,

상기 양자 우물 영역과의 계면을 갖는 형상화 기판

을 포함하며, 상기 양자 우물 영역에서 생성된 광은 상기 계면을 가로지르며, 상기 형상화 기판은, 상기 계면과의 반대측에 계면으로부터 거리를 둔 출사면과, 일련의 측벽을 포함하며,

상기 형상화 기판은 계면을 통해 형상화 기판으로 유입된 광의 일부분이 출사면을 통해 형상화 기판으로부터 방출되도록 형상화되며, 상기 출사면은 형상화 기판으로부터 투사되는 광의 원하는 반치각에 대해 방사 휘도를 보존하기 위해 필요한 최소 면적의 적어도 70%의 면적을 가지며,

각각의 측벽은 계면에서부터 그 측벽까지 직선 투과 경로를 갖는 광선의 충분한 비율이 출사면에서의 임계각 이하의 출사면에서의 입사각을 갖게 출사면으로 반사되도록 위치 설정 및 형상화되어, 기판으로 유입되는 광의 적어도 70%가 출사면을 통해 추출될 수 있게 하는 것인 LED.
제1항에 있어서, 상기 양자 우물 영역은 기판에 정합하게 형상화되는 것인 LED.
제1항에 있어서, 상기 출사면은 적어도 방사 휘도 보존에 필요한 최소 면적 을 갖는 것인 LED.
제1항에 있어서, 상기 계면은 직사각형이며, 상기 방사 휘도를 보존하기 위해 필요한 최소 면적은 계면의 형상을 고려한 유효 입체각을 이용하여 결정되는 것인 LED.
제1항에 있어서, 상기 거리는 계면에서부터 출사면까지 직선 투과 경로를 갖는 모든 광선이 출사면에서 임계각 이하의 입사각을 갖게 하는 최소 거리의 50% 이내에 있는 것인 LED.
제1항에 있어서, 각각의 측벽은 계면에서부터 그 측벽까지 직선 투과 경로를 갖는 광선의 적어도 80%가 출사면에서의 임계각 이하의 출사면에서의 입사각을 갖게 출사면으로 반사되도록 위치 설정 및 형상화되는 것인 LED.
제1항에 있어서, 상기 측벽의 형상은 원하는 광출력 프로파일을 생성하도록 선택되는 것인 LED.
제1항에 있어서, 상기 출사면은 계면에 평행하고 계면에 대해 회전 정렬되어 있고, 상기 출사면은 계면의 형상과 동일한 형상 및 종횡비를 갖는 것인 LED.
제1항에 있어서, 백색광을 생성하기 위해 요구되는 파장을 방사할 수 있는 광여기 물질(photo-luminescent material)의 층을 더 포함하는 것인 LED.
광을 생성하도록 작동할 수 있는 양자 우물 영역과,

상기 양자 우물 영역과의 계면을 갖는 형상화 기판

을 포함하며, 상기 형상화 기판은, 상기 계면과의 반대측에 계면으로부터 거리를 둔 출사면과, 일련의 측벽을 포함하며,

상기 형상화 기판은 계면을 통해 형상화 기판으로 유입된 광의 일부분이 출사면을 통해 형상화 기판으로부터 방출되도록 형상화되며, 상기 출사면은 형상화 기판으로부터 투사되는 광의 원하는 입체각에 대해 방사 휘도를 보존하기 위해 필요한 최소 면적의 적어도 70%의 면적을 가지며,

각각의 측벽은 계면에서 그 측벽까지 직선 투과 경로를 갖는 광선의 충분한 비율이 출사면에서의 임계각 이하의 출사면에서의 입사각을 갖게 출사면으로 반사되도록 위치 설정 및 형상화되어, 양자 우물 영역으로부터 기판으로 유입되는 광의 적어도 70%가 출사면을 통해 추출될 수 있게 하며,

상기 출사면의 면적, 거리 및 측벽의 형상은 10° 내지 60°의 반치각으로 광을 투사하도록 선택되는 것인 LED.
제10항에 있어서, 상기 계면은 직사각형이며, 상기 방사 휘도를 보존하기 위해 필요한 최소 면적은 계면의 형상을 고려한 유효 입체각을 이용하여 결정되는 것 인 LED.
제10항에 있어서, 상기 거리는 계면에서부터 출사면까지 직선 투과 경로를 갖는 모든 광선이 출사면에서 임계각 이하의 입사각을 갖게 하는 최소 거리의 50% 이내에 있는 것인 LED.
제10항에 있어서, 각각의 측벽은 계면에서 그 측벽까지 직선 투과 경로를 갖는 광선의 적어도 80%가 출사면에서의 임계각 이하의 출사면에서의 입사각을 갖게 출사면으로 반사되도록 위치 설정 및 형상화되는 것인 LED.
제10항에 있어서, 상기 출사면은 계면의 형상과 동일한 형상 및 종횡비를 가지며, 상기 출사면은 계면에 평행하고 계면에 대해 회전 정렬된 것인 LED.
제10항에 있어서, 백색광을 생성하기 위해 요구되는 파장을 방사할 수 있는 광여기 물질의 층을 더 포함하는 것인 LED.
제10항에 있어서, 상기 양자 우물 영역은 기판에 정합하게 형상화되는 된 것인 LED.
제10항에 있어서, 상기 측벽의 형상은 원하는 광출력 프로파일을 생성하도록 선택되는 것인 LED.
제10항에 있어서, 상기 출사면은 적어도 방사 휘도 보존에 필요한 최소 면적을 갖는 것인 LED.
광을 생성하도록 작동할 수 있는 양자 우물 영역과,

상기 양자 우물 영역과의 계면을 갖는 형상화 기판

을 포함하며, 상기 형상화 기판은, 상기 계면과의 반대측에 계면으로부터 거리를 둔 출사면과, 일련의 측벽을 포함하며,

상기 형상화 기판은 계면을 통해 형상화 기판으로 유입된 광의 일부분이 출사면을 통해 형상화 기판으로부터 방출되도록 형상화되며, 상기 출사면은, Φ₁은 계면을 가로지르는 광속(light flux)이고 Φ₂는 출사면에서 방출되는 광속으로 Φ₁과 동일하며, Ω₁은 광이 계면을 가로지르는 유효 입체각이고 Ω₂는 광이 출사면을 떠나는 유효 입체각이며, A₁은 계면의 면적이고, n₁은 형상화 기판의 굴절률이고 n₂는 형상화 기판 외부의 매질의 굴절률이라 할 때에,

에 의해 결정되는 최소 면적의 30% 이내의 면적을 가지며,

상기 거리는 적어도 계면에서부터 출사면까지 직선 투과 경로를 갖는 모든 광선이 출사면에서 임계각 이하의 입사각을 갖게 하는 최소 거리이며,

각각의 측벽은 계면에서부터 그 측벽까지 직선 투과 경로를 갖는 광선의 적어도 일부분이 출사면에서의 임계각 이하의 출사면에서의 입사각을 갖게 출사면으로 반사되도록 위치 설정 및 형상화되는 것인 LED.
제19항에 있어서, 상기 출사면의 면적, 거리 및 측벽의 형상은 적어도 80%의 효율 및 원하는 광출력 프로파일을 갖고 10° 내지 60°의 반치각으로 광을 투사하도록 선택되는 것인 LED.
제19항에 있어서, 상기 양자 우물 영역은 기판에 정합하게 형상화되는 것인 LED.
제19항에 있어서, 상기 계면은 직사각형이며, 광이 출사면을 떠나가는 유효 입체각은 계면의 정사각형 형상을 고려하여 결정되는 것인 LED.
제19항에 있어서, 백색광을 생성하기 위해 요구되는 파장을 방사할 수 있는 광여기 물질의 층을 더 포함하는 것인 LED.
제19항에 있어서, 상기 측벽의 형상은 원하는 광출력 프로파일을 생성하도록 선택되는 것인 LED.
광을 생성하도록 작동할 수 있는 양자 우물 영역과,

상기 양자 우물 영역과의 계면을 갖는 형상화 기판

을 포함하며, 상기 양자 우물 영역에서 생성된 광은 상기 계면을 가로지르며, 상기 형상화 기판은 2개 이상의 출사면과 일련의 측벽을 포함하며,

상기 형상화 기판은 계면을 통해 형상화 기판으로 유입된 광의 일부분이 상기 2개 이상의 출사면을 통해 형상화 기판으로부터 방출되도록 형상화되며, 상기 2개 이상의 출사면은 방사 휘도 보존에 필요한 최소 면적의 적어도 70%의 합산 면적을 가지며,

각각의 측벽은 계면에서부터 그 측벽까지 직선 투과 경로를 갖는 광선의 충분한 비율이 상기 2개 이상의 출사면 중 임의의 출사면에서의 임계각 이하의 그 출사면에서의 입사각을 갖게 그 출사면으로 반사되도록 위치 설정 및 형상화되어, 양자 우물 영역으로부터 기판으로 유입되는 광의 적어도 70%가 상기 2개 이상의 출사면을 통해 추출될 수 있게 하는 것인 LED.
LED 제조 방법으로서,

LED로부터 투사되는 광의 원하는 반치각에 대해 방사 휘도 보존에 필요한 최소 면적의 적어도 70%의 면적을 갖게 LED의 형상화 기판 부분의 출사면의 크기를 결정하는 단계와,

상기 LED의 형상화 기판 부분과 양자 우물 영역 사이의 계면과 상기 출사면 사이의 거리를 결정하는 단계와,

상기 LED의 형상화 기판 부분의 일련의 측벽의 형상 및 위치를, 계면에서부터 각각의 측벽까지 직선 투과 경로를 갖는 광선의 충분한 비율이 출사면에서의 임계각 이하의 출사면에서의 입사각을 갖게 출사면으로 반사되도록 각각의 측벽이 위치 설정 및 형상화되어, 양자 우물 영역으로부터 기판으로 유입되는 광의 적어도 70%가 상기 출사면을 통해 추출될 수 있도록 결정하는 단계와,

상기 결정된 출사면의 크기, 일련의 측벽의 형상 및 위치, 그리고 출사면과 계면 사이의 거리에 따라 LED의 형상화 기판 부분을 형성하는 단계

를 포함하는 LED 제조 방법.
제26항에 있어서, 상기 형상화 기판 부분이 형성된 후에 LED의 양자 우물 영역을 형성하도록 형상화 기판 부분 상에 하나 이상의 층을 증착하는 단계를 더 포함하는 것인 LED 제조 방법.
제26항에 있어서, 기판과 LED의 양자 우물 영역용 하나 이상의 층을 제공하는 단계와,

상기 LED의 형상화 기판 부분을 형성하도록 상기 기판으로부터 재료를 제거하는 단계

를 더 포함하는 것인 LED 제조 방법.
제28항에 있어서, 상기 기판으로부터 재료를 제거하는 단계는 초음파 제거 프로세스, 레이저 삭마(laser ablation) 또는 워터 제트 절삭 중 하나를 이용하여 재료를 제거하는 것을 포함하는 것인 LED 제조 방법.
제28항에 있어서, 상기 기판으로부터 재료를 제거하는 단계는 LED의 형상화 기판 부분의 원하는 형상과 반대의 형상을 갖는 블레이드로 상기 기판을 절삭 또는 연삭하는 것을 더 포함하는 것인 LED 제조 방법.
제28항에 있어서, 상기 기판으로부터 재료를 제거하는 단계는 기판을 에칭하는 것을 더 포함하는 것인 LED 제조 방법.
제28항에 있어서, 상기 기판으로부터 재료를 제거하는 단계 전에 광여기 물질 층을 기판에 코팅하는 단계를 더 포함하는 것인 LED 제조 방법.
제26항에 있어서, 상기 기판의 형상화와 함께 LED의 양자 우물 영역을 형상화하는 단계를 더 포함하는 것인 LED 제조 방법.
제26항에 있어서, 상기 LED을 원하는 광출력 프로파일이 얻어지도록 형상화하는 것인 LED 제조 방법.
제26항에 있어서, 상기 출사면의 크기는 적어도 방사 휘도 보존에 필요한 최소 면적을 갖도록 선택되는 것인 LED 제조 방법.
LED 형상화 방법에 있어서,

기판 및 LED의 양자 우물 영역용 하나 이상의 층을 포함하는 웨이퍼를 제공하는 단계와,

LED의 형상화 기판 부분을 형성하도록 기판을 연삭하는 단계

를 포함하며, 상기 형상화 기판 부분은, LED의 양자 우물 영역과의 계면의 반대측에 계면으로부터 거리를 둔 출사면과, 일련의 측벽을 포함하도록 형상화되되,

상기 출사면은 형상화 기판으로부터 투사되는 광의 원하는 반치각에 대해 방사 휘도를 보존하기 위해 필요한 최소 면적의 적어도 70%의 면적을 갖도록 되는 한편,

각각의 측벽은 계면에서 그 측벽까지 직선 투과 경로를 갖는 광선의 충분한 비율이 출사면에서의 임계각 이하의 출사면에서의 입사각을 갖게 출사면으로 반사되도록 위치 설정 및 형상화되어, 양자 우물 영역으로부터 기판으로 유입되는 광의 적어도 70%가 출사면을 통해 추출될 수 있게 하도록 되는 것인 LED 형상화 방법.
제36항에 있어서, 상기 기판을 연삭하는 단계는 성형 다이아몬드 연삭 휘일 로 기판을 연삭하는 것을 포함하는 것인 LED의 형상화 방법.
제36항에 있어서, 상기 기판을 연삭하는 단계는,

상기 기판을 적어도 부분적으로 통과하게 상기 기판에 제1 축선을 따라 복수의 절삭부를 형성하고,

상기 기판을 적어도 부분적으로 통과하게 상기 기판에 제1 축선에 대해 각을 이루는 제2 축선을 따라 복수의 절삭부를 형상하여,

복수의 LED을 위한 형상화 기판을 생성하는 것을 포함하는 것인 LED의 형상화 방법.
제36항에 있어서, 상기 기판의 형상화와 함께 LED의 양자 우물 영역을 형상화하는 단계를 더 포함하는 것인 LED의 형상화 방법.
제36항에 있어서, 상기 LED를 원하는 광출력 프로파일이 얻어지도록 형상화하는 것인 LED의 형상화 방법.
제36항에 있어서, 상기 출사면은 방사 휘도 보존에 필요한 최소 면적을 갖는 것인 LED의 형상화 방법.
LED 형상화 방법에 있어서,

기판 및 LED의 양자 우물 영역용 하나 이상의 층을 포함하는 웨이퍼를 제공하는 단계와,

LED의 형상화 기판 부분을 형성하도록 기판을 에칭하는 단계

를 포함하며, 상기 형상화 기판 부분은, LED의 양자 우물 영역과의 계면의 반대측에 계면으로부터 거리를 둔 출사면과, 일련의 측벽을 포함하도록 형상화되되,

상기 출사면은 형상화 기판으로부터 투사되는 광의 원하는 반치각에 대해 방사 휘도를 보존하기 위해 필요한 최소 면적의 적어도 70%의 면적을 갖도록 되는 한편,

각각의 측벽은 계면에서 그 측벽까지 직선 투과 경로를 갖는 광선의 충분한 비율이 출사면에서의 임계각 이하의 출사면에서의 입사각을 갖게 출사면으로 반사되도록 위치 설정 및 형상화되어, 양자 우물 영역으로부터 기판으로 유입되는 광의 적어도 70%가 출사면을 통해 추출될 수 있게 하도록 되는 것인 LED 형상화 방법.
제42항에 있어서, 상기 기판을 에칭하는 단계는 기판을 건식 에칭하는 것을 더 포함하는 것인 LED의 형상화 방법.
제42항에 있어서, 상기 기판을 에칭하는 단계는 기판을 습식 에칭하는 것을 더 포함하는 것인 LED의 형상화 방법.
제42항에 있어서, 상기 기판을 에칭하는 단계는 복수 회의 에치 레지스트 에칭 프로세스를 이용하여 기판을 에칭하는 것을 더 포함하는 것인 LED의 형상화 방법.
제42항에 있어서, 상기 기판의 형상화와 함께 LED의 양자 우물 영역의 형상화하는 단계를 더 포함하는 것인 LED의 형상화 방법.
제42항에 있어서, 상기 LED를 원하는 광출력 프로파일이 얻어지게 형상화하는 것인 LED의 형상화 방법.
제42항에 있어서, 상기 출사면은 적어도 방사 휘도 보존에 필요한 최소 면적을 갖도록 형상화되는 것인 LED의 형상화 방법.
LED 제조 방법으로서,

기판 및 LED의 양자 우물 영역용 하나 이상의 층을 제공하는 단계와,

LED의 형상화 기판 부분을 형성하도록 기판으로부터 재료를 제거하는 단계

를 포함하며, 상기 형상화 기판 부분은, 2개 이상의 출사면과 일련의 측벽을 포함하며,

상기 2개 이상의 출사면은 LED로부터 투사되는 광의 원하는 반치각에 대해 방사 휘도를 보존하기 위해 필요한 최소 면적의 적어도 70%의 합산 면적을 갖도록 되는 한편,

각각의 측벽은 계면에서 그 측벽까지 직선 투과 경로를 갖는 광선의 충분한 비율이 상기 2개 이상의 출사면 중 임의의 출사면에서의 임계각 이하의 그 출사면에서의 입사각을 갖게 그 출사면으로 반사되도록 위치 설정 및 형상화되어, 양자 우물 영역으로부터 기판으로 유입되는 광의 적어도 70%가 상기 2개 이상의 출사면을 통해 추출될 수 있도록 되는 것인 LED 제조 방법.
제49항에 있어서, 상기 2개 이상의 출사면은 적어도 방사 휘도 보존에 필요한 최소 면적인 면적을 갖는 것인 LED 제조 방법.