KR20100003330A - 발광 소자 - Google Patents

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양승만
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Abstract

본 발명은 발광 소자에 관한 것이다.
본 발명에 따른 발광 소자는 몸체와, 몸체 상에 실장되는 발광 칩과, 발광 칩으로부터 발생된 열을 방출하기 위해 열 전도성 물질이 첨가되고 발광 칩을 몸체에 접착하는 페이스트와, 발광 칩의 적어도 일부를 몰딩하는 몰딩부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 열 전도성 물질이 열전도도를 높여 발광 칩으로부터 발생된 열의 방출을 용이하게 하여 발광 소자의 신뢰성을 상당히 개선할 수 있다.
LED, 페이스트, 접착, 열 방출, 다이아몬드 분말, 신뢰성

Description

발광 소자{Light emitting device}
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 특히 열 전도성 물질이 첨가된 페이스트를 이용하여 발광 칩을 접착하는 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 하우징에 접착하기 위해 종래에는 주로 에폭시를 페이스트(paste)로 이용하였다.
이러한 발광 소자는 전류가 인가되면 발광 칩이 발광하는 동시에 열이 발생하게 된다. 그런데, 에폭시 수지 페이스트는 이러한 열을 방출하는데 한계가 있고, 발광 칩의 열에 의해 열화되어 크랙이 발생하는 등 손상될 수 있다. 따라서, 발광 칩이 하우징으로부터 떨어지는 현상이 발생될 수 있어 발광 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다.
본 발명은 페이스트의 열 방출 특성을 향상시킬 수 있는 발광 소자를 제공한다.
본 발명은 열 전도성 물질을 첨가한 페이스트를 이용하여 열 방출 특성을 향상시킬 수 있어 신뢰성을 향상시킬 수 있는 발광 소자를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 발광 소자는 몸체; 상기 몸체 상에 실장되는 발광 칩; 상기 발광 칩으로부터 발생된 열을 방출하기 위해 열 전도성 물질이 첨가되고 상기 발광 칩을 상기 몸체에 접착하는 페이스트; 및 상기 발광 칩의 적어도 일부를 몰딩하는 몰딩부를 포함한다.
상기 열 전도성 물질은 다이아몬드 분말 또는 사파이어 분말이고, 상기 열 전도성 물질은 분말 사이즈가 100㎚ 내지 2㎛이며, 상기 페이스트에 20wt% 이하의 양으로 첨가된다.
상기 열 전도성 물질이 첨가된 페이스트에 반사 물질이 더 첨가되고, 상기 반사 물질은 TiO2, Ag, Al를 포함한다. 상기 열 전도성 물질 및 상기 반사 물질은 상기 페이스트에 20wt% 이하의 양으로 첨가된다.
상기 몸체 일면에 노출되며, 상기 몸체의 외부로 노출된 리드; 및 상기 발광 칩과 상기 리드를 연결하는 배선를 더 포함한다.
상기 몸체는 적어도 하나의 리드를 더 포함하며, 상기 발광 칩은 상기 적어도 하나의 리드 상에 실장된다.
본 발명은 열 전도성 물질, 예를들어 다이아몬드 분말을 첨가한 페이스트를 이용하여 발광 칩을 몸체에 접착하여 발광 소자를 제조한다. 다이아몬드 분말은 열전도도를 높여 발광 칩으로부터 발생된 열이 리드를 통한 방출을 용이하게 한다.
따라서, 에폭시 수지 페이스트만을 이용하는 종래 경우에 비해 발광 소자의 신뢰성을 상당히 개선할 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 방출하기 위한 발광 칩(120)과, 발광 칩(120)을 하우징(100)상에 접착하기 위한 페이스트(130)와, 발광 칩(120)을 리드(110)와 전기적으로 연결하기 위한 배선(140)과, 발광 칩(120)을 봉지하기 위한 몰딩부(150)를 포함한다. 여기서, 하우징(100) 이외에 발광 칩(120)이 접착되는 슬러그, 기판 또는 몰드 컵 등의 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 접착될 수 있고, 일 리드(110)에 접착될 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. 예를들어 발광 칩(120)은 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. 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 파장에 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 접착하기 위해 형성한다. 페이스트(130)는 일 리드(120), 예를들어 제 1 리드(120a) 상에 형성하는 것이 바람직하다. 이는 발광 칩(120)으로부터 발생된 열을 리드(120)를 통해 외부로 방출시키기 위함이다. 또한, 페이스트(130)는 제 1 및 제 2 리드(120a 및 120b) 사이의 하우징(100)의 기저부(100a) 상에 형성될 수도 있다. 그런데, 이 경우에는 하우징(100)만으로 열 방출이 용이하지 않기 때문에 하우징(100) 내에 방열 구조, 예를들어 방열판 또는 방열 슬러그 등을 형성하는 것이 바람직하다. 페이스트(130)는 에폭시 수지 또는 실리콘 수지 등을 이용할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 페이스트(130)는 에폭시 수지 또는 실리콘 수지 등에 열 전도성 물질(131)이 첨가된다. 열 전도성 물질(131)은 다이아몬드 분말, 사파이어 분말 등이 이용될 수 있다. 특히 사파이어는 열 방출 뿐만 아니라 광 반사 특성도 갖는다. 이러한 열 전도성 물질(131)은 분말 사이즈가 100㎚∼2㎛인 것이 바람직한데, 분말 사이즈가 2㎛ 이상이 되면 열이 고르게 분산되지 않게 된다. 또한, 열 전도성 물질(131)은 페이스트(130)에 20wt% 이하의 양으로 첨가되는 것이 바람직한데, 첨가량이 많으면 페이스트(130)의 접착력이 떨어지게 된다. 한편, 열 전도성 물질(131)은 페이스트(130) 내에 고르게 분포하는 것이 바람직한데, 이를 위해 하우징(100)을 뒤집어서 페이스 트(130)를 경화시킨다. 이렇게 하우징(100)을 뒤집어서 경화시키면 열 전도성 물질(131)이 발광 칩(120)과의 경계면에 집중하여 분포하게 된다. 또한, 이러한 열 전도성 물질(131) 이외에 반사 물질을 페이스트(130)에 더 첨가할 수 있는데, 반사 물질은 TiO2, Ag, Al 등을 포함한다. 이렇게 열 전도성 물질(131) 이외에 반사 물질이 더 첨가되더라고 페이스트(130)에 전체 양이 20wt% 이하로 첨가되도록 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.
몰딩부(150)는 발광 칩(120)을 봉지하고 발광 칩(120)과 연결된 배선(140)을 고정시키는 역할 뿐만 아니라 발광 칩(120)에서 발생되는 광을 모아주는 렌즈 역할도 하게 된다. 이러한 몰딩부(150)는 발광 칩(120)에서 발생된 광을 외부로 투과시켜야 하므로, 에폭시 수지 또는 실리콘 수지 등과 같은 투명 수지로 형성된다. 이때, 몰딩부(150) 내부에 발광 칩(120)으로부터 방출된 광을 산란에 의해 확산시킴으로써 균일하게 발광시키기 위한 확산제(미도시)가 더 포함될 수 있다. 확산제로는 BaTiO3, TiO2, Al2O3, SiO2 등이 사용될 수 있다. 또한, 몰딩부(150) 내부에는 형 광체(미도시)를 더 포함할 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.
도 3(a) 내지 도 3(c)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도이다.
도 3(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 3(b)를 참조하면, 일 리드(110), 예를들어 제 1 리드(110a) 상부에 열 전도성 물질(131)이 첨가된 페이스트(130)를 도포하여 발광 칩(120)을 접착시킨다. 페이스트(130)는 에폭시 수지 또는 실리콘 수지 등을 이용할 수 있으며, 열 전도성 물질(131) 이외에 반사 물질이 더 첨가될 수 있다. 또한, 발광 칩(120)과 페이스트(130)의 경계면에 열 전도성 물질(130)을 집중시켜 열 전도성 물질(130)을 고르게 분산시키기 위해 하우징(100)을 뒤집어서 페이스트(130)를 경화시키는 것이 바람직하다. 한편, 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 3(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 보호하기 위한 몰딩 부(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.
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 3(a) 내지 도 3(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
131 : 열 전도성 물질 140 : 배선
150 : 몰딩부

Claims (9)

  1. 몸체;
    상기 몸체 상에 실장되는 발광 칩;
    상기 발광 칩으로부터 발생된 열을 방출하기 위해 열 전도성 물질이 첨가되며, 상기 발광 칩을 상기 몸체에 접착하는 페이스트; 및
    상기 발광 칩의 적어도 일부를 몰딩하는 몰딩부를 포함하는 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 열 전도성 물질은 다이아몬드 분말 또는 사파이어 분말인 발광 소자.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 열 전도성 물질은 분말 사이즈가 100㎚ 내지 2㎛인 발광 소자.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 열 전도성 물질은 상기 페이스트에 20wt% 이하의 양으로 첨가되는 발광 소자.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 열 전도성 물질이 첨가된 페이스트에 반사 물질이 더 첨가되는 발광 소자.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 반사 물질은 TiO2, Ag, Al를 포함하는 발광 소자.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 열 전도성 물질 및 상기 반사 물질은 상기 페이스트에 20wt% 이하의 양으로 첨가되는 발광 소자.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 몸체 일면에 노출되며, 상기 몸체의 외부로 노출된 리드; 및
    상기 발광 칩과 상기 리드를 연결하는 배선를 더 포함하는 발광 소자.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 몸체는 적어도 하나의 리드를 더 포함하며, 상기 발광 칩은 상기 적어도 하나의 리드 상에 실장되는 발광 소자.
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