KR20100003329A - 발광 소자 - Google Patents

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KR20100003329A
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light emitting
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molding
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KR1020080060711A
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박숙경
전민규
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서울옵토디바이스주식회사
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Abstract

본 발명은 발광 소자에 관한 것이다.
본 발명에 따른 발광 소자는 발광 칩과, 발광 칩의 적어도 일부를 몰딩하는 몰딩부와, 몰딩부 내에 산포된 굴절률 조절제를 포함하며, 굴절률 조절제는 발광 칩의 굴절률과 몰딩부의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는다.
본 발명에 의하면, 굴절률이 급격히 낮아지기 때문에 발생되는 광의 측면 확산을 방지하고, 굴절률 조절제가 광의 산란 효과를 높여 광 효율을 향상시킬 수 있다.
LED, 몰딩부, 굴절률, 사파이어 분말, 광 효율

Description

발광 소자{Light emitting device}
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 특히 발광 칩와 몰딩부 사이의 급격한 굴절률 저하를 방지하여 광 효율을 향상시킬 수 있는 발광 소자에 관한 것이다.
발광 소자(Light Emitting Device; LED)는 전류 인가에 의해 P-N 반도체 접합(P-N junction)에서 전자와 정공이 만나 빛을 발하는 소자를 지칭한다. 이러한 발광 소자는 기존의 전구 또는 형광등에 비하여 소모 전력이 작고 수명이 수 내지 수십배에 이르러, 소모 전력의 절감과 내구성 측면에서 월등하다.
일반적으로 발광 소자는 화합물 반도체인 발광 칩을 하우징의 일면에 접착한 후 발광 칩의 전극을 하우징 상의 리드에 와이어 본딩하고 발광 칩을 몰딩함으로써 제작된다. 발광 칩을 몰딩하기 위한 몰딩제는 주로 에폭시 수지 등의 수지를 이용한다. 또한, 발광 칩으로부터 발생된 광을 산란에 의해 확산시켜 광 효율을 향상시키기 위해 에폭시 수지에 확산제를 더 첨가하여 몰딩제를 형성할 수 있다.
그런데, 발광 칩의 굴절률과 에폭시 수지의 굴절률 차이 때문에 광 효율을 향상시키는데 한계가 있다. 즉, 발광 칩은 굴절률이 약 1.8∼1.9 정도이고, 에폭시 수지 몰딩제는 굴절률이 약 1.5 정도이다. 이렇게 발광 칩으로부터 몰딩제로 굴절률이 급격히 낮아지기 때문에 광의 난반사가 심하게 된다. 따라서, 광의 난반사에 의해 광이 측면으로 확산되고, 광 효율이 저하된다.
본 발명은 광 효율을 향상시킬 수 있는 발광 소자를 제공한다.
본 발명은 몰딩제에 굴절률 조절제를 더 첨가하여 발광 칩과 몰딩부의 굴절률이 급격히 낮아지는 것을 방지하여 광의 측면 확산을 방지함으로써 광 효율을 향상시킬 수 있는 발광 소자를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 발광 소자는 발광 칩; 상기 발광 칩의 적어도 일부를 몰딩하는 몰딩부; 및 상기 몰딩부 내에 산포된 굴절률 조절제를 포함하며, 상기 굴절률 조절제는 상기 발광 칩의 굴절률과 상기 몰딩부의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는다.
상기 굴절률 조절제는 사파이어 분말을 포함한다.
상기 굴절률 조절제는 입자 사이즈가 100㎚ 내지 2㎛이거나, 상기 몰딩부에 1wt% 내지 5wt%의 양으로 첨가된다.
상기 굴절률 조절제는 상기 발광 칩의 근방으로부터 상부로 갈수록 밀도가 줄어들도록 첨가된다.
상기 몰딩부는 다중으로 형성되어 상기 몰딩부가 상부로 갈수록 상기 굴절률 조절제의 함량이 줄어들어 첨가된다.
본 발명은 발광 칩의 굴절률과 몰딩부를 이루는 투명 수지의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 굴절률 조절제를 더 첨가하여 몰딩부를 형성한다. 예를들어 굴절률이 약 1.7 정도인 사파이어 분말을 더 첨가하여 몰딩부를 형성한다. 이에 따라 굴절률이 약 1.8∼1.9 정도의 발광 칩으로부터 굴절률이 약 1.7 정도인 사파이어 분말 및 굴절률이 약 1.5 정도인 몰딩제를 통해 광이 방출된다.
따라서, 굴절률이 급격히 낮아지기 때문에 발생되는 종래의 광의 측면 확산을 방지하고, 사파이어 분말이 광의 산란 효과를 높여 광 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자의 단면도이고, 도 2는 발광 소자에 이용되는 발광 칩의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자는 하우징(100)과, 하우징(100)의 내측에서 노출되며 외측으로 돌출 형성된 리드(110)와, 광을 방출하 기 위한 발광 칩(120)과, 발광 칩(120)을 하우징(100)상에 부착하기 위한 페이스트(130)와, 발광 칩(120)을 리드(110)와 전기적으로 연결하기 위한 배선(140)과, 발광 칩(120)을 봉지하는 몰딩부(150)를 포함한다. 또한, 몰딩부(150)내에 산포된 굴절률 조절제(151)를 더 포함한다. 여기서, 발광 칩(120)이 부착되는 하우징(100) 이외에도 슬러그, 기판 및 몰드 컵을 포함하는 몸체를 이용할 수 있는데, 이하에서는 하우징(100)을 예를들어 설명한다.
하우징(100)은 발광 소자의 전체 구조를 지지하며 보호하기 위한 몸체로서, 폴리프탈아미드(Poly Phthal Amid; PPA) 또는 액정 고분자 수지(Liquid Crystal Polymer; LCP) 등과 같은 전기 절연성 물질로 제작될 수 있다. 전기 절연성 물질로 제작된 하우징(100)은 하우징(100)의 내측에서 노출되며 외측으로 돌출 형성된 제 1 리드(110a)와 제 2 리드(110b)를 지지하면서 전기적으로 단락시킨다. 본 실시 예에서 하우징(100)은 평평한 기저부(100a)와, 기저부(100a)의 가장자리에서 수직 연장된 측부(100b)를 포함한다. 또한, 발광 칩(120)은 하우징(100)의 기저부(100a)에 부착될 수 있고, 일 리드(110)에 부착될 수도 있다.
리드(110a 및 110b; 110)는 발광 칩(120)에 외부 전원을 인가하기 위한 것으로, 하우징(100)의 일측 및 타측에 각각 형성된 제 1 및 제 2 리드(110a 및 110b)를 포함한다. 이때, 제 1 및 제 2 리드(110a 및 110b)의 일부분은 하우징(100)의 내측에서 노출되며, 나머지 일부분은 하우징(100) 외측에 돌출되어 외부 전원을 인가받을 수 있도록 형성된다.
발광 칩(120)은 P-N 접합 구조를 갖는 화합물 반도체 적층 구조로서, 소수 캐리어(전자 또는 정공)들의 재결합에 의하여 발광되는 현상을 이용한다. 발광칩(120)은 제 1 및 제 2 반도체층과 제 1 및 제 2 반도체층 사이에 형성된 활성층을 포함할 수 있고, 제 1 및 제 2 반도체층은 각각 N형 반도체층 및 P형 반도체층일 수 있다. 이러한 발광 칩(120)은 반도체층의 물질에 따라 굴절률이 조절되는데, 약 1.8∼1.9 정도의 굴절률을 갖는다. 발광 칩(120)은 예를들어 도 2에 도시된 바와 같이 기판(121) 상부에 순차적으로 형성된 버퍼층(122), N형 반도체층(123), 활성층(124), P형 반도체층(125) 및 투명 전극(126)과, N형 반도체층(123) 상부에 형성된 제 1 전극(127) 및 P형 반도체층(125) 상부에 형성된 제 2 전극(128)을 포함할 수 있다. 도 2의 발광 칩(120)은 제 1 및 제 2 전극(127 및 128)이 상부면에 형성된 수형형 발광 칩(120)이다. 물론, 두 전극이 발광 칩(120)의 상부면 및 하부면에 각각 형성된 수직형 발광 칩(120)을 이용할 수도 있는데, 수직형 발광 칩(120)은 제 1 및 제 2 전극(127 및 128)이 각각 상부면 및 하부면에 형성된 것 이외에 수직형 발광 칩(120)과 동일하다. 따라서, 본 실시 예에서는 수평형 발광 칩(120)의 구성을 예로 설명한다. 버퍼층(122)은 반도체 재료인 GaN 또는 AlN를 이용하여 형성하며, N형 반도체층(123)은 활성층(124)에 전자를 주입하며 N형 불순물이 도핑된 반도체, 예를들어 GaN을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 활성층(124)은 소정의 밴드 갭을 가지며 양자 우물이 만들어져 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, 예를들어 InGaN을 이용하여 형성할 수 있으며, 양자 우물층과 장벽층이 교대로 적층 형성된 다층 구조로 형성할 수 있다. 이때, 활성층(124)을 이루는 물질의 종류에 따라 전자 및 홀이 결합하여 발생하는 발광 파장이 변화되므로 목표로 하는 파 장에 따라 활성층(124)에 포함되는 반도체 재료를 조절하는 것이 바람직하다. 그리고, P형 반도체층(125)은 활성층(124)에 홀을 주입하며 P형 불순물이 주입된 반도체, 예를들어 GaN을 이용하여 형성할 수 있다. 투명 전극(126)은 투명 도전성 물질, 예를들어 ITO, IZO, ZnO, MgO 등을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 제 1 전극(127) 및 제 2 전극(128)은 Cr, Au, Al 등의 금속 물질을 이용하여 단일층 또는 다층으로 형성할 수 있다. 제 1 전극(127)은 투명 전극(126), P형 반도체층(125) 및 활성층(124)의 소정 영역이 식각되어 노출된 N형 반도체층(123)의 상부에 형성된다. 또한, 제 2 전극(128)은 투명 전극(126) 상부에 P형 반도체층(125)과 접촉되도록 형성된다. 그런데, N형 반도체층(123), 활성층(124) 및 P형 반도체층(125)은 상기 물질에 한정되지 않고 다양한 반도체 물질을 이용하여 형성할 수 있다.
페이스트(130)는 발광 칩(120)을 하우징(100) 상에 부착하기 위해 형성한다. 페이스트(130)는 비도전성 물질 또는 도전성 물질로 형성할 수 있는데, 비도전성 물질은 에폭시 수지, 실리콘 수지 등을 이용하고, 도전성 물질은 은 페이스트를 이용할 수 있다. 비도전성 물질은 수평형 발광 칩(120), 즉 상부면에만 제 1 및 제 2 전극(127 및 128)이 형성된 발광 칩(120)을 부착하기 위해 이용하며, 이 경우 페이스트(130)는 일 리드(120), 예를들어 제 1 리드(120a) 상에 형성될 수 있고, 하우징(100)의 지저부(100a) 상에 형성될 수도 있다. 그리고, 도전성 물질은 수직형 발광 칩(120), 즉 상부면과 하부면에 각각 전극이 형성된 발광 칩(120)을 부착하기 위해 이용하며, 일 리드(120), 예를들어 제 1 리드(120a) 상에 형성되어 발광 칩(120)의 일 전극과 제 1 리드(120a)가 전기적으로 연결되도록 한다.
배선(140a 및 140b; 140)은 발광 칩(120)과 리드(110)를 전기적으로 연결한다. 배선(140)은 와이어 접합 공정 등을 통해 금(Au) 또는 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있다. 제 1 배선(140a)은 발광 칩(120)의 제 1 전극(127)과 제 1 리드(110a)를 전기적으로 연결하고, 제 2 배선(140b)은 발광 칩(120)의 제 2 전극(128)과 제 2 리드(110b)을 전기적으로 연결한다. 물론 제 1 배선(140a)이 제 2 전극(128)과 제 2 리드(110b)를 연결하고, 제 2 배선(140b)이 제 1 전극(127)과 제 1 리드(110a)를 연결할 수도 있다. 한편, 수직형 발광 칩(120)을 이용하는 경우 단일 배선(140)을 이용할 수 있다. 이는 수직형 발광 칩(120)의 일 전극이 도전성 페이스트를 통해 일 리드(120)상에 전기적으로 연결되도록 형성되기 때문이다.
몰딩부(150)는 발광 칩(120)을 봉지하고 발광 칩(120)과 연결된 배선(140)을 고정시키는 역할을 한다. 또한, 몰딩부(150)는 발광 칩(120)에서 발생되는 광을 모아주는 렌즈의 역할도 할 수 있다. 이러한 몰딩부(150)는 발광 칩(120)에서 발생된 광을 외부로 투과시켜야 하므로, 에폭시 수지 또는 실리콘 수지 등과 같은 투명 수지로 형성된다. 이러한 투명 수지를 이용한 몰딩부(150)는 굴절률이 약 1.5 정도이다. 그리고, 본 발명에 따른 몰딩부(150) 내부에는 굴절률 조절제(151)가 더 포함된다. 굴절률 조절제(151)는 사파이어 분말을 포함할 수 있으며, 사파이어 분말은 약 1.7의 굴절률을 갖는다. 따라서, 사파이어 분말 뿐만 아니라 발광 칩(120)의 굴절률과 몰딩부(150)의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 물질, 예를들어 1.5∼1.8의 굴절률을 갖는 물질을 굴절률 조절제(151)로 이용할 수 있다. 이러한 굴절률 조절제(151), 예를들어 사파이어 분말은 100㎚∼2㎛의 입자 사이즈를 갖는 것이 바람직 하다. 또한, 굴절률 조절제(151)는 1∼5wt% 정도 첨가되도록 하는 것이 바람직하다. 이는 입자 사이즈가 너무 작거나 첨가량이 너무 적으면 광의 산란 효과를 얻을 수 없으며, 입자 사이즈가 너무 크거나 첨가량이 너무 많으면 광의 방출을 오히려 방해하게 되기 때문이다. 한편, 굴절률 조절제(151) 이외에도 발광 칩(120)으로부터 방출된 광을 산란에 의해 더 확산시킴으로써 균일하게 발광시키기 위해 확산제(미도시)를 더 첨가할 수 있다. 확산제로는 BaTiO3, TiO2, Al2O3, SiO2 등이 사용될 수 있다. 또한, 몰딩부(150) 내부에는 형광체(미도시)를 더 첨가할 수 있다. 형광체는 발광 칩(120)으로부터 발생된 광의 일부를 흡수하여 흡수된 광과 상이한 파장의 광을 방출하며, 임자결정(Host Lattice)의 적절한 위치에 불순물이 혼입된 활성 이온으로 구성된다. 활성 이온은 발광 과정에 관여하는 에너지 준위를 결정함으로써 발광색을 결정하며, 그 발광색은 결정 구조 내에서 활성 이온이 갖는 기저 상태와 여기 상태의 에너지 차(Energy Gap)에 의해 결정된다.
상기 도 1을 이용하여 설명된 본 발명의 일 실시 예는 굴절률 조절제(151)가 몰딩부(150)에 골고루 산포되어 있다. 그런데, 굴절률 조절제(151)는 발광 칩(120) 근방에 집중하여 산포되는 것이 바람직하다. 이는 발광 칩(120)의 굴절률과 몰딩부(150)의 투명 수지의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 굴절률 조절제(151)가 이들 사이에서 굴절률 저하의 완충 작용을 하는 것이 바람직하기 때문이다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이 몰딩부(150)를 제 1 및 제 2 몰딩부(150A 및 150B)의 두 부 분으로 나누고 발광 칩(120)에 인접한 제 1 몰딩부(150A)에 굴절률 조절제(151)을 첨가하고 제 2 몰딩부(150B)에는 굴절률 조절제(151)를 첨가하지 않도록 한다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이 굴절률 조절제(151)를 발광 칩(120) 근방으로부터 상부로 갈수록 굴절률 조절제(151)의 밀도가 점차 줄어들도록 몰딩부(150)에 첨가하는 것이 더욱 바람직하다. 이는 발광 칩(120)으로부터 몰딩부(150)로 굴절률이 점차적으로 줄어들게 하기 위함이다. 이를 위해 몰딩부(150)는 다중으로 형성할 수 있다. 예를들어 굴절률 조절제(151)가 각각 5wt%, 3wt% 및 1wt% 및 0wt%의 순서로 분포된 다중 몰딩부(150A, 150B, 150C 및 150D; 150)로 형성할 수 있다.
도 5(a) 내지 도 5(c)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도이다.
도 5(a)를 참조하면, 제 1 및 제 2 리드(110a 및 110b)가 형성된 하우징(100)을 제작한다. 하우징(100)은 폴리프탈아미드(Poly Phthal Amid; PPA) 또는 액정 고분자 수지(Liquid Crystal Polymer; LCP) 등과 같은 전기 절연성 물질을 액체 상태로 하여 소정의 틀을 이용한 성형 공정으로 제작할 수 있다. 즉, 서로 소정 간격 이격되고 소정 형상을 갖는 제 1 및 제 2 리드(110a 및 110b)를 별도의 프레스 공정에 의해 형성하고, 하우징(100)이 제 1 및 제 2 리드(110a 및 110b)를 지지 고정할 수 있도록 소정의 틀에 제 1 및 제 2 리드(110a 및 110b)를 삽입하고 액체 상태의 수지를 틀에 주입 및 경화시켜 하우징(100)을 제작한다. 이때, 기저부(100a) 상부에 제 1 및 제 2 리드(110a 및 110b)가 서로 이격되어 위치하고, 제 1 및 제 2 리드(110a 및 110b)의 일부분이 노출되도록 측부(100b)가 기저부(100a)의 가장자리에서 상향 연장 형성되도록 할 수 있으며, 기저부(100a)와 측부(100b)는 삽입 몰딩(injection molding) 방법에 의하여 일체로 형성할 수 있다.
도 5(b)를 참조하면, 일 리드(110), 예를들어 제 1 리드(110a) 상부에 페이스트(130)를 도포하여 발광 칩(120)을 접착시킨다. 페이스트(130)는 에폭시 수지 또는 실리콘 수지 등의 비도전성 물질 또은 은 페이스트 등의 도전성 물질을 이용할 수 있다. 또한, 발광 칩(120)은 기판 상에 복수의 반도체층, 예를들어 N형 반도체층, 활성층 및 P형 반도체층이 적층되어 형성된다. 발광 칩(120)의 복수의 반도체층은 증착 및 성장 방법으로 형성하는데, 유기금속 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD), 화학 증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD), 플라즈마 화학 증착법(Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition, PCVD), 분자선 성장법(Molecular Beam Epitaxy, MBE), 수소화물 기상 성장법(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE) 등을 포함한 다양한 방법으로 형성할 수 있다.
도 5(c)를 참조하면, 배선(140)을 형성하여 발광 칩(120)과 리드(110)를 전기적으로 연결한다. 즉, 발광 칩(120)의 제 1 전극과 제 1 리드(110a)가 전기적으로 연결되도록 제 1 배선(140a)을 형성하고, 발광 칩(120)의 제 2 전극과 제 2 리드(110b)가 전기적으로 연결되도록 제 2 배선(140b)을 형성한다. 배선(140)은 연성 및 전기 전도도가 우수한 금속, 예를들어 Au, Ag 또는 Al 등을 와이어 접합 공정을 통해 형성한다. 그리고, 발광 칩(120)과 배선(140)을 봉지하여 보호하고, 발광 칩(120)과 몰딩부(150)의 급격한 굴절률 저하를 방지하여 광의 측면 확산을 방지하 기 위한 굴절률 조절제(151)가 산포된 몰딩부(150)를 형성한다. 몰딩부(150)는 캐스팅 몰드 방식, 트랜스퍼 몰드 방식 등으로 형성한다. 예를들어 캐스팅 몰드 방식은 발광 칩이 실장된 기저부에 별도의 성형틀을 밀착시키고, 성형틀 내부에 액상 수지를 주입하여 몰딩부(150)를 형성한다. 이러한 몰딩부(150)는 굴절률 조절제(151)가 발광 칩(120)과 인접한 부분에 집중적으로 분포하도록 하고, 이를 위해 다중 몰딩부(150)를 형성할 수 있다.
한편, 상기 실시 예에서는 하우징(100)에 발광 칩(120)이 실장되는 것을 예시하였으나, 다양한 실장 구조에 적용될 수 있다. 즉, 상기한 바와 같이 슬러그, 기판 및 몰드컵등 다양한 몸체에 적용될 수 있다.
또한, 본 발명은 사이드 뷰(side view), 탑뷰(top view) 및 파워(power) 발광 소자 등에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 칩의 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 발광 소자의 단면도.
도 4는 본 발명의 또다른 실시 예에 따른 발광 소자의 단면도.
도 5(a) 내지 도 5(c)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 하우징 110 : 리드
120 : 발광 칩 130 : 페이스트
140 : 배선 150 : 몰딩부
151 : 굴절률 조절제

Claims (6)

  1. 발광 칩;
    상기 발광 칩의 적어도 일부를 몰딩하는 몰딩부; 및
    상기 몰딩부 내에 산포된 굴절률 조절제를 포함하며,
    상기 굴절률 조절제는 상기 발광 칩의 굴절률과 상기 몰딩부의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 굴절률 조절제는 사파이어 분말을 포함하는 발광 소자.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 굴절률 조절제는 입자 사이즈가 100㎚ 내지 2㎛인 발광 소자.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 굴절률 조절제는 상기 몰딩부에 1wt% 내지 5wt%의 양으로 첨가되는 발광 소자.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 굴절률 조절제는 상기 발광 칩의 근방으로부터 상부로 갈수록 함량이 줄어들도록 첨가되는 발광 소자.
  6. 제 6 항에 있어서, 상기 몰딩부는 다중으로 형성되어 상기 몰딩부가 상부로 갈수록 상기 굴절률 조절제의 함량이 줄어들어 첨가된 발광 소자.
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