KR20100050045A

KR20100050045A - 파장변환형 발광 장치

Info

Publication number: KR20100050045A
Application number: KR1020080109133A
Authority: KR
Inventors: 이관수; 김형근; 손중곤
Original assignee: 삼성엘이디 주식회사
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2008-11-04
Publication date: 2010-05-13

Abstract

파장변환형 발광 장치가 개시된다. 본 파장변환형 발광장치는, 칩 실장 영역으로 제공되는 오목부를 갖는 패키지 본체, 오목부의 일부가 노출되도록 패키지 본체에 장착된 제1 및 제2 전극 구조, 제1 및 제2 전극 구조에 연결되도록 패키지 본체의 오목부 바닥면에 실장되며 다층 DBR 반사막이 형성된 상면을 갖는 발광다이오드 칩 및, 발광다이오드 칩을 포장하도록 오목부에 형성되며 발광다이오드 칩으로부터 발생된 광의 파장을 변환하기 위한 형광체를 함유하는 파장변환용 수지 포장부를 포함하며, 다층 DBR 반사막은 형광체에 의해 변환된 파장의 광이 반사되도록 서로 다른 굴절률을 갖는 제1 및 제2 굴절률막이 교대로 적층되어 이루어진 것을 특징으로 한다.

파장변환형 발광 장치, 다층 DBR 반사막, 굴절률

Description

파장변환형 발광 장치 {Light emitting device for wavelength conversion}

본 발명은 파장변환형 발광 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 다층 DBR 반사막이 형성된 발광 다이오드 칩을 포함하는 파장변환형 발광 장치에 관한 것이다.

일반적으로 발광 다이오드 칩(이하, "LED 칩"이라 함)을 이용하여 백색광을 구현하는 방식에는 다양한 방법이 있을 수 있다. 그 중 일 예로, 단일 칩 형태의 방법이 있을 수 있다. 구체적인 예로, 청색 LED 칩을 여기 광원으로 사용하고, 여기광을 YAG(Yttrium Aluminium Garnet)의 노란색(560㎚)을 내는 형광물질을 통과시켜 백색광을 얻는 방법이 있다.

다른 예로, UV-LED 칩을 여기 광원으로 사용하고, 여기광을 청색광, 녹색광 및 적색광을 내는 형광 물질을 통과시켜 백색광을 얻는 방법이 있다.

상술한 바와 같은 백색광 구현 방법에 있어서, 각 LED 칩에서 발광된 광이 형광체에 의해 파장 변환되는 경우, 일부는 광 방출면 방향으로 진행하며 나머지는 다시 LED 칩 방향으로 진행하게 된다. 이 같이 LED 칩 방향으로 진행되어 그 내부 로 입사된 광은 LED 칩 내에서 회전하여 외부로 추출되지 못하고 소멸된다. 이에 따라, 외부로 추출되는 광이 감소되어 LED 패키지의 광 추출 효율이 저하된다는 문제점이 있었다.

또한, 형광체에 의해 파장 변환된 광이 LED 칩 내부에 갖혀 외부로 추출되지 못하므로, LED 칩에서 방출되어 형광체에 의해 파장 변환되지 않고 외부로 추출된 광에 비해 그 광량이 적다. 따라서, 고품질의 백색광을 구현하는 것이 어려웠다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 발광다이오드 칩의 상면에 다층 DBR 반사막을 형성함으로써, 외부로의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 파장변환형 발광 장치를 제공하기 위한 것이다.

이상과 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 파장변환형 발광 장치는, 칩 실장 영역으로 제공되는 오목부를 갖는 패키지 본체, 상기 오목부의 일부가 노출되도록 상기 패키지 본체에 장착된 제1 및 제2 전극 구조, 상기 제1 및 제2 전극 구조에 연결되도록 상기 패키지 본체의 오목부 바닥면에 실장되며 다층 DBR 반사막이 형성된 상면을 갖는 발광다이오드 칩 및, 상기 발광다이오드 칩을 포장하도록 상기 오목부에 형성되며, 상기 발광다이오드 칩으로부터 발생된 광의 파장을 변환하기 위한 형광체를 함유하는 파장변환용 수지 포장부를 포함하며, 상기 다층 DBR 반사막은 상기 형광체에 의해 변환된 파장의 광이 반사되도록 서로 다른 굴절률을 갖는 제1 및 제2 굴절률막이 교대로 적층되어 이루어질 수 있다.

이 경우, 상기 다층 DBR 반사막을 구성하는 제1 및 제2 굴절률막은 각각 광투과성 물질로 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 굴절률막은 상기 제2 굴절률막보다 높은 굴절률을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 제1 굴절률막은 ITO, TiO₂, ZrO₂ 및 Si₃N₄ 중 어느 하나의 물질을 포함할 수 있으며, 상기 제2 굴절률막은 Al₂O₃인 SiO₂ 및 MgO 중 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다.

본 발명에서, 상기 발광다이오드 칩은 UV-LED 및 청색 LED 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 발광다이오드 칩의 상면에 다층 DBR 반사막울 형성함으로써, 형광체에 의해 파장 변환된 광이 발광다이오드 칩 방향으로 이동되더라도 반사시켜 외부로 추출할 수 있게 된다. 이에 따라, 파장 변환된 광이 발광다이오드 칩 내부로 진입하여 손실되는 것을 감소시킬 수 있게 되어 광 추출 효율이 향상되며, 파장 변환된 광의 추출 효율을 증가시킴으로써 고품질의 백색광을 구현할 수 있게 된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 자세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파장변환형 발광 장치를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 파장변환형 발광 장치(100)는 패키지 본체(110), 제1 및 제2 전극 구조(121, 122), LED 칩(130), 다층 DBR 반사막(140) 및 파장변환용 수지 포장부(150)를 포함한다.

패키지 본체(110)는 칩 실장 영역으로 제공되는 오목부를 포함한다. 이 경우, 오목부는 그 저면으로부터 상부면을 향해 경사진 형태의 내부 측벽을 갖는다. 따라서, 발광다이오드 칩(130)으로부터 방출된 광이 내부 측벽을 통해 반사되어 외부로 향하도록 한다. 이를 보다 효과적으로 구현하기 위해, 오목부의 내부 측벽 상에 고반사율을 갖는 반사막(미도시)이 형성되어 있을 수 있다.

제1 및 제2 전극 구조(121, 122)는 오목부의 일부가 노출되도록 패키지 본체(110)에 장착된다.

발광다이오드 칩(130)은 제1 및 제2 전극 구조(121, 122)에 연결되도록 패키지 본체(110)의 오목부 바닥면에 실장된다. 도 1에 도시된 발광다이오드 칩(130)은 제1 전극 및 제2 전극(미도시)을 포함하며, 이 제1 전극 및 제2 전극이 일직선 상에 수직하게 배치된 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나는 오목부를 통해 노출된 제1 전극 구조(121) 상에 장착되어 직접 연결되며, 다른 하나는 와이어를 통해 제2 전극 구조(122) 상에 연결된다.

도 1에서는 수직 구조를 갖는 발광다이오드 칩(130)을 도시 및 설명하였으나, 이에 한정되지 않으며 수평 구조를 갖는 발광다이오드 칩을 이용할 수도 있다.

또한, 발광다이오드 칩(130)의 상면에는 다층 DBR 반사막(140)이 형성되어 있다. 이와 관련된 설명은 후술한다.

파장변환용 수지 포장부(150)는 패키지 본체(100)의 오목부에 형성되어, 발광 다이오드칩(130)을 포장한다. 이 파장변환용 수지 포장부(150)에는 발광다이오드 칩(130)으로부터 발생된 광의 파장을 변환하기 위한 형광체가 함유되어 있다. 이 경우, 파장변환용 수지 포장부(150)에 함유된 형광체는 발광다이오드 칩(130)으로부터 방출된 광을 여기광으로 하여 파장 변환하는 것으로, 발광다이오드 칩(130)의 종류에 따라 달라질 수 있다.

구체적으로, 발광다이오드 칩(130)이 청색광을 발광하는 청색 LED인 경우, 파장변환용 수지 포장부(150)에 포함된 형광체는 청색광을 여기광으로 하여 황색광으로 변환시키는 황색 형광체를 포함할 수 있다. 또한, 발광다이오드 칩(130)이 자외선 광을 발광하는 UV-LED인 경우, 파장변환용 수지 포장부(150)에 포함된 형광체는 자외선 광을 여기광으로 하여 청색광, 녹색광 및 적색광으로 변환시키는 청색, 녹색 및 적색 형광체를 포함할 수 있다.

한편, 발광다이오드 칩(130)의 상면에 형성된 다층 DBR 반사막(140)은 서로 상이한 굴절률을 갖는 제1 및 제2 굴절률막이 교대로 적층되어 이루어진다. 이 경우, 다층 DBR 반사막(140)은 발광다이오드 칩(130)으로 진행되는 광, 특히, 파장변환용 수지 포장부(150)에 함유된 형광체에 의해 변환된 파장의 광 중 발광다이오드 칩(130)으로 진행되는 광을 반사시켜 파장변환형 발광 장치(100)의 외부로 추출한 다.

이외에도 파장변환용 수지 포장부(150)와 외부(예를 들어, 공기층)와의 계면에서 투과되지 못하고 반사되어 발광다이오드 칩(130)으로 진행되는 광을 반사시켜 외부로 추출한다. 이 같은 다층 DBR 반사막(140)에 의해 발광다이오드 칩(130)으로 진행되는 광이 손실되는 것을 방지할 수 있게 되어 파장변환형 발광 장치(100)의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

도 2는 도 1의 일 부분을 확대한 도면이다. 구체적으로, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 DBR 반사막의 구조를 나타내는 도면으로, 도 1의 A 영역을 확대한 것이다.

도 2를 참조하면, 다층 DBR 반사막(140)은 굴절률이 다른 제1 굴절률막(140a) 및 제2 굴절률막(140b)을 포함한다. 이 경우, 제1 굴절률막(140a)은 제2 굴절률막(140b)과 비교했을 때, 상대적으로 굴절률이 높은 것이 바람직하다. 즉, 제1 굴절률막(140a)은 고굴절률을 가지며, 제2 굴절률막(140b)은 저굴절률을 갖는 것이 바람직하다. 이를 위해, 제1 굴절률막(140a)은 ITO(굴절률 : 약 2.0), TiO₂(굴절률 : 약 2.3), ZrO₂(굴절률 : 약 2.05), Si₃N₄를(굴절률 : 약 2.02) 중 어느 하나의 물질을 포함할 수 있으며, 제2 굴절률막(140b)은 Al₂O₃ (굴절률 : 약 1.68), SiO₂를(굴절률 : 약 1.46), MgO(굴절률 : 약 1.7) 중 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다.

만약, 발광다이오드 칩(130)이 수직 구조인 경우, 발광다이오드 칩(130)의 상부면에 위치한 전극(미도시) 주변에 Si₃N₄로 이루어진 제1 굴절률막(140a)과 Al₂O₃로 이루어진 제2 굴절률막(140b)을 교대로 적층하여 다층 DBR 반사막(140)을 구성할 수 있다.

또는, 발광다이오드 칩(130)이 수평 구조이면, 발광다이오드 칩(130)의 상부면에 위치한 전극으로 ITO 물질을 증착한 경우, 이 ITO 물질을 제1 굴절률막(140a)으로 이용하고, 그 상부에 Al₂O₃로 이루어진 제2 굴절률막(140b)을 적층하여 다층 DBR 반사막(140)을 구성할 수 있다.

한편, 다층 DBR 반사막(140)은 특정 파장 영역에 대해서 반사율이 높은 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 즉, 파장변환용 수지 포장부(150)에 포함된 형광체에 의해 변환된 파장 광에 해당하는 파장 영역이 잘 반사될 수 있도록 구성할 수 있다. 이를 구현하기 위해, 다층 DBR 반사막(140)을 구성하는 제1 및 제2 굴절률막(140a, 140b)의 두께 및 굴절률 차이 등을 조절할 수 있다.

도 3은 도 1에 도시된 다층 DBR 반사막에서의 광 반사 현상을 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 발광다이오드 칩(130)에서 방출된 광이 다층 DBR 반사막(140)을 투광하여 파장변환용 수지 포장부(150)에 도달하면, 형광체 입자(151)에 의해 파장 변환된다.

도면에서와 같이 형광체 입자(151)에 의해 변환된 파장 광이 발광다이오드 칩(130) 방향으로 진행하는 경우, 다층 DBR 반사막(140)에 의해 반사되어 광이 상부 방향으로 진행되도록 한다. 구체적으로, 파장 변환된 광이 최상부층에 위치한 제2 굴절률막(140b)에 도달하는 경우, 일부는 그 계면에서 반사되어 상부 방향으로 진행하고 나머지는 제2 굴절률막(140b)으로 진행한다. 이렇게 진행된 광은, 제2 굴절률막(140b)과 제1 굴절률막(140a)의 계면에서 일부는 반사되어 상부 방향으로 진행하고 나머지는 제1 굴절률막(140a)으로 진행한다. 이 같이 발광다이오드 칩(130) 방향으로 진행하는 광은 다층 DBR 반사막(140)에서 반사되어 광이 손실되는 것을 방지할 수 있게 되어 광 추출 효율을 향상시킬 수 있으며, 고품질의 백색광 구현이 가능하다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장변환형 발광 장치에서 방출된 광의 파장 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 도 4는 청색 발광다이오드 칩 상에 다층 DBR 반사막을 구비하고, 황색 형광체를 이용한 파장변환형 발광 장치에서 방출된 광의 파장 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.

도 4를 참조하면, 파장변환형 발광 장치에서 방출된 광은 약 430~480㎚ 파장 영역과, 약 520~630㎚ 파장 영역의 스펙트럼을 갖는다. 이 경우, 약 430~480㎚ 파장 영역의 광은 청색 발광다이오드 칩에서 방출된 광에 의한 것이며, 약 520~630㎚ 파장 영역의 스펙트럼은 황색 형광체에 의해 파장 변환된 광에 의한 것이다. 이 경우, 파장 변환된 광은 실제 황색 형광체에 의해 파장 변환된 광이 갖는 560~580㎚ 파장 영역보다 넓은 파장 영역의 광 스펙트럼을 갖는다. 이는, 다층 DBR 반사막에 의해 광이 반사되면서 광의 파장이 일부 변화되는 것에 기인하는 것으로, 광의 파장 변화에 따라 황색 형광체에 의해 파장 변환된 광의 파장 영역이 넓어진다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 DBR 반사막의 반사율을 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 도 5는 청색 발광다이오드 칩과 황색 형광체를 포함하는 파장변환형 발광 장치에 있어서, 청색 LED 상에 다층 DBR 반사막을 구비한 실시예와 청색 LED 상에 다층 DBR 반사막을 구비하지 않은 종래예의 반사율을 나타낸다.

도 5를 참조하면, 다층 DBR 반사막을 구비한 실시예의 경우, 450㎚ 파장 이하 영역에서 반사율이 낮게 나타나며, 약 470~650㎚ 파장 영역에서 반사율이 높게 나타난다. 이 경우, 450㎚ 파장 이하 영역에서의 반사율은, 청색 발광다이오드 칩 상에서 방출된 청색광이 파장변환용 수지 포장부와 외부와의 경계면에서 반사되어 청색 발광다이오드 칩 방향으로 진행되는 광을 반사시킨 것에 대한 것이다.

또한, 약 470~650㎚ 파장 영역에서의 반사율은 황색 형광체를 통해 파장 변환된 광 중 청색 발광다이오드 칩 방향으로 진행되는 광을 반사시킨 것에 대한 것이다. 그래프에서와 같이, 약 470~650㎚ 파장 영역에서의 반사율은 0.5 이상이 될 수 있다.

반면, 다층 DBR 반사막을 구비하지 않은 종래예의 경우, 300~450㎚ 파장 영역에서 0.1 이하의 반사율을 가지며, 특히, 약 470~700㎚ 파장 영역에서는 반사가 거의 이루어지지 않은 것을 알 수 있다. 이를 참조할 때, 470~700㎚ 파장 영역의 광, 즉, 황색 형광체를 통해 파장 변환된 광 중 청색 발광다이오드 칩 방향으로 진행된 광은 청색 발광다이오드 칩으로 흡수된 것을 알 수 있다. 따라서, 다층 DBR 반사막을 구비하지 않은 종래예의 경우, 황색 형광체를 통해 파장 변환된 광이 손실되어 광 추출 효율이 낮으며, 고품질의 백색광을 구현하는 것이 어렵다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 적정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파장변환형 발광 장치를 나타낸 도면,

도 2는 도 1에 도시된 다층 DBR 반사막을 확대한 도면,

도 3은 도 1에 도시된 다층 DBR 반사막에서의 광 반사 현상을 나타낸 도면,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장변환형 발광 장치에서 방출되는 광의 파장 스펙트럼을 나타낸 그래프, 그리고,

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 DBR 반사막의 반사율을 나타내는 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

100 : 파장변환형 발광 장치 110 : 패키지 본체

121, 121 : 제1 및 제2 전극 구조 130 : 발광다이오드 칩

140 : 다층 DBR 반사막 150 : 파장변환용 수지 포장부

Claims

칩 실장 영역으로 제공되는 오목부를 갖는 패키지 본체;

상기 오목부의 일부가 노출되도록 상기 패키지 본체에 장착된 제1 및 제2 전극 구조;

상기 제1 및 제2 전극 구조에 연결되도록 상기 패키지 본체의 오목부 바닥면에 실장되며 다층 DBR 반사막이 형성된 상면을 갖는 발광다이오드 칩; 및,

상기 발광다이오드 칩을 포장하도록 상기 오목부에 형성되며, 상기 발광다이오드 칩으로부터 발생된 광의 파장을 변환하기 위한 형광체를 함유하는 파장변환용 수지 포장부를 포함하며,

상기 다층 DBR 반사막은 상기 형광체에 의해 변환된 파장의 광이 반사되도록 서로 다른 굴절률을 갖는 제1 및 제2 굴절률막이 교대로 적층되어 이루어진 것을 특징으로 하는 파장변환형 발광 장치.
제1항에 있어서,

상기 다층 DBR 반사막을 구성하는 제1 및 제2 굴절률막은 각각 광투과성 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 파장변환형 발광 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 굴절률막은 상기 제2 굴절률막보다 높은 굴절률을 갖는 것을 특징 으로 하는 파장변환형 발광 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 굴절률막은 ITO, TiO₂, ZrO₂ 및 Si₃N₄ 중 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 파장변환형 발광 장치.
제1항에 있어서,

상기 제2 굴절률막은 Al₂O₃인 SiO₂ 및 MgO 중 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 파장변환형 발광 장치.
제1항에 있어서,

상기 발광 다이오드 칩은 UV-LED 및 청색 LED 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 파장변환형 발광 장치.