KR20110044737A - 유전체 다층막 반사 미러를 채택한 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

유전체 다층막 반사 미러를 채택한 발광 소자가 개시된다. 이 발광 소자는 기재 상에 배치되어 제1 파장의 광을 방출하는 제1 발광 다이오드를 포함한다. 파장 변환 물질이 상기 제1 발광 다이오드를 덮는다. 상기 파장 변환 물질은 상기 제1 발광 다이오드에서 방출된 광의 적어도 일부를 파장 변환시키는 형광체를 함유한다. 한편, 제2 파장의 광을 방출하는 제2 발광 다이오드가 상기 파장 변환 물질로부터 이격되어 상기 기재 상에 배치된다. 또한, 유전체 다층막 반사 미러가 상기 파장 변환 물질 상에 형성된다. 상기 유전체 다층막 반사 미러는 상기 파장 변환 물질로 입사되는 상기 제2 파장의 광을 반사시킨다. 이에 따라, 상기 제2 발광 다이오드에서 방출된 광이 파장 변환 물질로 입사되어 손실되는 것을 방지할 수 있어 제2 파장의 광의 발광효율을 향상시킬 수 있다.

Description

유전체 다층막 반사 미러를 채택한 발광 소자{LIGHT EMITTING DEVICE EMPLOYING DIELECTRIC MULTILAYER REFLECTING MIRROR}
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 서로 다른 파장의 광을 방출하는 적어도 두개의 발광 다이오드들을 사용하는 발광 소자에 있어서, 유전체 다층막 미러를 채택하여 하나의 발광 다이오드에서 방출된 광이 다른 발광 다이오드로 입사되는 것을 방지할 수 있는 발광 소자에 관한 것이다.
화합물 반도체 발광 다이오드로 제작된 발광 소자는 컬러 구현이 가능하여 표시등, 전광판 및 디스플레이용으로 널리 사용되고 있다. 특히, 발광 소자는 백색광을 구현할 수 있어 액정 디스플레이 패널의 광원 및 일반 조명용으로도 사용되고 있다.
일반적으로, 청색 LED와 형광체를 조합하여 백색광을 구현할 수 있으며, 청색 LED와 YAG 형광체를 사용하여 백색광을 구현한 발광소자가 일본 특허 공개공보 제2002-064220호에 개시된바 있다. 그러나, 청색광과 황색광의 혼합광에 의해 백색광을 구현한 위 기술은 적색 파장 영역의 광이 부족하여 색 재현성이 좋지 못하다. 또한, 청색 LED, 녹색 LED 및 적색 LED를 채택하여 세 개의 LED들에 의해 백색광을 구현할 수 있으나, LED에서 방출되는 광의 파장영역이 좁기 때문에 연색성이 좋지 못하다.
한편, 위의 문제를 해결하기 위하여 청색 LED와 형광체에 더하여 적색 LED를 채택한 발광소자가 미국특허공개공보 US2004/0207313A1호에 개시된 바 있다. 상기 공개공보에 따르면, 청색 LED와 녹색 형광체 및 적색 LED를 채택하여 색재현성을 향상시킬 수 있다. 여기서, 상기 녹색 형광체를 함유하는 투광성 수지가 상기 청색 LED를 덮어 청색 LED에서 방출된 광의 일부를 녹색광으로 변환시킨다. 이에 더하여, 청색 LED, 적색 LED와 자외선 LED를 채택하고, 녹색 형광체를 함유하는 투광성 수지로 상기 자외선 LED를 덮어 백색광을 구현하는 예도 소개되고 있다.
그러나, 미국특허공개공보 US2004/0207313A1호에 개시된 발광 소자에 있어서, 적색 LED에서 방출된 적색광 중 적어도 일부는 형광체를 함유한 투광성 수지 내로 입사되고, 또한 청색 LED 또는 자외선 LED로 입사될 수 있다. 투광성 수지 내로 입사된 적색광은 형광체를 여기시키지는 않지만, 형광체에 의해 산란반사되어 손실될 수 있으며, 청색 LED나 단파장 가시광선 LED로 입사된 적색광은 상기 LED들 내에서 반사에 의해 손실될 수 있다. 이에 따라, 적색광의 강도가 약해지고, 이를 보상하기 위해 적색 LED의 사용 수나 적색 LED의 구동 전류를 증가시켜야 한다.
1. 일본 특허 공개공보 제2002-064220호 2. 미국 특허 공개공보 US2004/0207313A1호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 장파장의 광을 방출하는 LED에서 방출된 광이 단파장의 광을 방출하는 LED나 형광체에 의해 손실되는 것을 방지할 수 있는 발광 소자를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 유전체 다층막 반사 미러를 채택한 발광 소자를 제공한다. 이 발광 소자는 기재 상에 배치되어 제1 파장의 광을 방출하는 제1 발광 다이오드를 포함한다. 파장 변환 물질이 상기 제1 발광 다이오드를 덮는다. 상기 파장 변환 물질은 상기 제1 발광 다이오드에서 방출된 광의 적어도 일부를 파장 변환시키는 형광체를 함유한다. 한편, 제2 발광 다이오드가 상기 파장 변환 물질로부터 이격되어 상기 기재 상에 배치된다. 상기 제2 발광 다이오드는 상기 제1 파장의 광보다 장파장인 제2 파장의 광을 방출한다. 또한, 유전체 다층막 반사 미러가 상기 파장 변환 물질 상에 형성된다. 상기 유전체 다층막 반사 미러는 고굴절율을 갖는 유전층과 저굴절률을 갖는 유전층의 적어도 한쌍을 포함하여 상기 파장 변환 물질로 입사되는 상기 제2 파장의 광을 반사시킨다. 이에 따라, 상기 제2 발광 다이오드에서 방출된 광이 상기 파장 변환 물질로 입사되어 손실되는 것을 방지할 수 있어 제2 파장의 광의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 유전층들은 각각 그 두께 d가 (2m-1)λ/4n (여기서, n은 각 유전층의 굴절률을, λ는 상기 제2 파장을, m은 1 이상의 정수를 나타낸다.)을 만족할 수 있으며, 바람직하게 상기 m은 1일 수 있다.
밀봉 수지가 상기 파장 변환 물질 및 제2 발광 다이오드를 덮을 수 있다. 이때, 상기 밀봉 수지는 상기 고굴절율을 갖는 유전층에 비해 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 있어서, 상기 제1 발광 다이오드를 중심으로 상기 제2 발광 다이오드에 대칭적으로 다른 제2 발광 다이오드가 배치될 수 있다. 상기 제1 발광 다이오드를 중심으로 대칭으로 제2 발광 다이오드들이 배치되므로, 균일한 휘도의 혼합광을 구현할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 있어서, 상기 유전체 다층막 반사 미러는 상기 파장 변환 물질 상의 일부 영역에 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 발광 다이오드에서 파장 변환 물질로 입사되는 제2 파장의 광을 반사시킴과 아울러, 상기 제1 발광 다이오드에서 방출된 광과 상기 형광체에 의해 파장 변환된 광이 상기 반사 미러에 의해 손실되는 것을 감소시킬 수 있다.
상기 파장 변환 물질은 상기 발광 다이오드 상에 균일한 두께로 형성된 물질층일 수 있다.
또한, 상기 제1 발광 다이오드는 피크 파장이 490nm 이하인 청색광 또는 자외선을 방출할 수 있으며, 상기 제2 발광 다이오드는 피크 파장이 580nm 이상인 적색광을 방출할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 유전체 다층막 반사미러를 채택함으로써 상대적으로 장파장의 광을 방출하는 제2 발광 다이오드에서 방출된 광이 파장변환 물질 내로 입사되어 형광체나 단파장의 광을 방출하는 제1 발광 다이오드에 의해 손실되는 것을 방지할 수 있는 발광 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 다층막 반사 미러를 채택한 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 도 1의 A 부분을 확대한 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유전체 다층막 반사 미러를 채택한 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유전체 다층막 반사 미러를 채택한 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유전체 다층막 반사 미러를 채택한 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명된 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 다층막 반사 미러를 갖는 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기재(20) 상에 제1 파장의 광을 방출하는 제1 발광 다이오드(21), 예컨대 피크 파장이 490nm 이하인 청색광을 방출하는 청색 발광 다이오드가 배치된다. 상기 기재(20)는 예컨대 인쇄회로기판, 리드프레임, 히트싱크 또는 플라스틱 패키지 본체 등 발광 다이오드가 실장될 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 한편, 상기 제1 발광 다이오드는 예컨대 GaAlInN 계열의 화합물 반도체일 수 있으며, 사파이어, SiC, 스피넬 등의 기판 상에 화합물 반도체층들을 성장시키어 형성될 수 있다.
상기 청색 발광 다이오드(21)를 파장 변환 물질(25)이 덮는다. 파장 변환 물질(25)은 청색 발광 다이오드(21)에서 방출된 청색광의 일부를 다른 파장의 광, 예컨대 녹색광 내지 황색광으로 변환시키는 형광체를 함유한다. 상기 파장 변환 물질(25)은 투명 수지, 예컨대 실리콘 또는 에폭시를 경화시키어 형성될 수 있다. 상기 파장 변환 물질(25)은, 도시된 바와 같이, 반구형일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형상, 예컨대 단면이 직사각형, 사다리꼴 등 다양한 형상을 가질 수 있다.
한편, 상기 파장 변환 물질(25) 상에 유전체 다층막 반사 미러(30)가 형성된다. 상기 반사 미러(30)는 상대적으로 높은 굴절률을 갖는 유전층(31)과 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는 유전층(33)의 적어도 한 쌍을 포함한다. 상기 반사 미러(30)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 고굴절률 유전층(31a, 31b)과 저굴절률 유전층(33a, 33b)의 쌍들(30a, 30b)이 여러번 반복되어 적층된 구조일 수 있다.
한편, 상기 파장 변환 물질(25)과 이격되어 기재(20) 상에 상기 제1 파장의 광보다 장파장인 제2 파장의 광을 방출하는 제2 발광 다이오드(23), 예컨대 적색 발광 다이오드(23)가 배치된다. 상기 적색 발광 다이오드는 AlInGaP계열 또는 GaAs 계열의 화합물 반도체로 제조되어 580 내지 680nm 내에서 피크 파장을 가질 수 있으며, 상기 청색 발광 다이오드(21)와 동일한 높이의 평면 상에 배치될 수 있다.
한편, 밀봉 수지(40)가 상기 파장 변환 물질(25)과 상기 적색 발광 다이오드(23)를 덮을 수 있다. 상기 밀봉 수지(40)는 예컨대 실리콘 또는 에폭시를 경화시키어 형성될 수 있으며, 몰드 컵을 사용하여 지향각 또는 발광 효율을 향상시키도록 요구되는 형상으로 형성될 수 있다. 상기 밀봉 수지(40)는 상기 고굴절률 유전층(31)에 비해 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는다.
적색 발광 다이오드(23)에서 방출된 적색광은 밀봉 수지(40) 내로 방출되어 여러 방향으로 진행한다. 적색광의 일부는 파장 변환 물질(25) 쪽으로 진행하여 상기 반사 미러(30)에 도달된다. 상기 반사 미러(30)는 적색광에 대해 반사율이 높은 구조를 갖도록 형성되어 상기 적색광을 밖으로 반사시킨다. 상기 반사 미러(30)는 각각 그 두께 d가 (2m-1)λ/4n (여기서, n은 각 유전층의 굴절률을, λ는 적색 발광 다이오드에서 방출된 광의 파장을, m은 1 이상의 정수를 나타낸다.)를 만족하는 고굴절률 유전층(31)과 저굴절률 유전층(33)의 적어도 하나의 쌍을 포함하여 상기 적색광을 반사시킨다. 바람직하게, 상기 각 유전층의 두께 d는 λ/4n, 즉 m이 1일 수 있다. 상기 유전층들(31, 33)의 쌍이 여러번 적층될 수록 적색광에 대한 반사도는 증가된다. 한편, 상기 반사 미러(30)는 청색 발광 다이오드(21)에서 방출된 광 또는 파장 변환 물질(25) 내의 형광체에 의해 파장 변환된 광에 대해서는 투광특성을 나타낸다.
이에 따라, 상기 적색 발광 다이오드(23)에서 방출된 적색광이 상기 파장 변환 물질(25)로 입사되는 것이 방지되고, 따라서 파장 변환 물질(25) 및 청색 발광 다이오드(21)에 의해 적색광이 손실되는 것을 방지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 소자는, 도 1을 참조하여 설명한 바와 동일하게, 기재(20) 상에 배치된 청색 발광 다이오드(21), 상기 청색 발광 다이오드(21)를 덮는 파장 변환 물질(25) 및 상기 파장 변환 물질과 이격되어 배치된 적색 발광 다이오드(23)를 포함하고, 또한 밀봉 수지(40)를 포함할 수 있다.
또한, 반사 미러(30a)는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 고굴절률 유전층과 저굴절률 유전층의 적어도 하나의 쌍을 포함한다. 다만, 상기 반사 미러(30a)는 도 1의 반사 미러(30)와 달리, 파장 변환 물질(25)의 일부 영역상에 형성된다. 즉, 상기 반사 미러(30)는 적색 발광 다이오드(23)에서 파장 변환 물질(25)로 입사되는 광을 반사시키는 영역 상에 한정되어 형성되고, 나머지 영역들에서는 파장 변환 물질(25)의 표면이 노출된다. 이에 따라, 상기 청색 발광 다이오드(21)에서 상기 밀봉 수지(40)로 방출되는 광이 상기 반사 미러(30a)에 의해 손실되는 것을 감소시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 기재(20) 상에 청색 발광 다이오드(21)가 배치되고, 파장 변환 물질(25)이 상기 청색 발광 다이오드(21)를 덮으며, 상기 파장 변환 물질(25) 상에 반사 미러(30)가 형성된다.
다만, 본 실시예에 있어서, 적색 발광 다이오드들(23a, 23b)이 상기 청색 발광 다이오드(21)를 중심으로 대칭적으로 배치된다. 이러한 적색 발광 다이오드들(23a, 23b)은 두 개 이상 배치될 수 있다. 이에 따라, 발광 소자에서 방출되는 적색광의 휘도 분포 및 혼합광의 휘도분포를 균일하게 할 수 있다.
한편, 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 밀봉 수지(40)가 상기 적색 발광 다이오드들(23a, 23b) 및 상기 파장 변환 물질(25)을 덮을 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 기재(20) 상에 청색 발광 다이오드(21)가 배치되고, 파장 변환 물질(55)이 상기 청색 발광 다이오드(51)를 덮으며, 상기 파장 변환 물질(55) 상에 반사 미러(60)가 형성된다. 또한, 상기 파장 변환 물질(55)과 이격되어 적색 발광 다이오드(23)가 배치되며, 밀봉 수지(40)가 상기 파장 변환 물질(55) 및 적색 발광 다이오드(23)를 덮을 수 있다.
다만, 본 실시예에 있어서, 상기 파장 변환 물질(55)은 상기 청색 발광 다이오드(51)를 균일하게 덮는 물질층으로 형성된다. 이러한 균일한 파장 변환 물질층(55)은 상기 청색 발광 다이오드들(51)을 기판 상에 배치한 후, 스텐실링 등에 의해 형성될 수 있으며, 서브마운트(도시하지 않음) 상에 청색 발광 다이오드(51)를 본딩하고, 전기 영동법을 사용하여 형성될 수도 있다. 스텐실링 또는 전기 영동법에 의해 균일한 두께의 형광체층을 형성하는 방법은 예컨대 미국특허 US6,642,6452호, US6,650,044호에 개시된 바 있다. 이때, 상기 반사미러(60)도 스텐실링 등의 기술을 사용하여 상기 파장 변환 물질층 상에 균일하게 형성될 수 있다.
이와 달리, 상기 파장 변환 물질층(55)은 청색 발광 다이오드(51) 제조 공정에서 기판 상에 화합물 반도체층들을 성장시키고, 이를 사진 및 식각 공정을 사용하여 복수개의 청색 발광 다이오드들을 형성한 후, 형광체를 함유하는 액상 또는 겔상의 투명 유기물, 예컨대 SOG를 코팅하여 형성될 수 있다. 파장 변환 물질층이 기판의 전면 상에 형성된 후, 개별 발광 다이오드들로 분리함으로써 균일한 두께의 파장 변환 물질층(55)을 갖는 청색 발광 다이오드들(51)이 형성된다. 여기서, 상기 반사 미러(60)는 개별 발광 다이오드들로 분리하기 전에 파장 변환 물질층(55) 상에 형성될 수 있으며, 또한, 개별 발광 다이오드들로 분리된 후, 스텐실링 등의 공정에 의해 형성될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 형광체를 함유하는 파장 변환 물질층(55)이 균일한 두께를 가지므로, 청색 발광 다이오드(51)에서 방출된 광이 파장 변환 물질층(55)에서 균일한 광 경로를 통해 외부로 방출되므로, 파장 변환된 광이 균일한 광분포를 나타낼 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 청색 발광 다이오드(21, 51)를 파장 변환 물질(25, 55)이 덮는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 청색 발광 다이오드 대신에 다른 제1 파장의 광, 예컨대 자외선을 방출하는 발광 다이오드가 사용될 수 있다. 이 경우, 상기 파장 변환 물질은 자외선을 가시광선 영역의 광, 예컨대 청색광 및/또는 황색광으로 파장 변환시키는 형광체를 함유한다.
한편, 본 발명의 실시예들에 있어서, 적색 발광 다이오드(23, 23a, 23b) 대신에 상기 제1 파장의 광보다 장파장인 제2 파장의 광을 방출하는 다른 발광 다이오드, 예컨대 녹색 발광 다이오드가 사용될 수도 있다.
한편, 본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 발광 다이오드들(21, 51, 23)은 리드전극들(도시하지 않음)에 전기적으로 연결되며, 이를 위해 서브마운트(도시하지 않음), 본딩와이어들(도시하지 않음)이 사용될 수 있으며, 발광 다이오드들이 리드전극들에 도전성 접착제를 통해 부착될 수도 있다. 한편, 상기 발광 다이오드들(21, 23 또는 51, 23)은 동일한 리드전극들에 각각 전기적으로 연결되어 동일한 전원에 의해 구동될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 각각 별개의 리드전극들에 전기적으로 연결되어 서로 다른 전원에 의해 별개로 구동될 수도 있다.

Claims (14)

  1. 기재 상에 배치되어 제1 파장의 광을 방출하는 제1 발광 다이오드;
    상기 기재 상에 상기 제1 발광 다이오드와 이격되어 배치되고, 제2 파장의 광을 방출하는 제2 발광 다이오드;
    상기 제1 발광 다이오드 상에 형성되어 상기 제1 파장의 광을 제3 파장의 광으로 변환하는 파장 변환 물질;
    상기 파장 변환 물질 상에 형성되고, 상기 제1 파장의 광을 투과시키며, 상기 제2 파장의 광을 반사시키는 반사 미러층; 및
    상기 기재 상에 배치되어 상기 반사 미러층 및 상기 제2 발광 다이오드를 덮는 렌즈를 포함하는 발광 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 파장 변환 물질은 상기 제1 발광 다이오드 상에 균일한 두께로 형성된 물질층인 발광 소자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 파장 변환 물질층은 상기 제1 발광 다이오드의 측면을 덮도록 형성된 발광 소자.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 반사 미러층은 상기 제1 발광 다이오드로부터 이격되어 형성된 발광 소자.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 반사 미러층은 상기 파장 변환 물질층의 표면에 형성된 발광 소자.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사 미러층은 상기 파장 변환 물질 상에 부분적으로 형성된 발광 소자.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 반사 미러층은 상기 제2 발광 다이오드 측에 형성된 발광 소자.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사 미러층은 고굴절률을 갖는 유전층과 저굴절률을 갖는 유전층들의 적층 구조인 발광 소자.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 유전층들은 각각 그 두께 d가 (2m-1)λ/4n (여기서, n은 각 유전층의 굴절률을, λ는 제2 파장을, m은 1 이상의 정수를 나타낸다.)을 만족하는 발광 소자.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 렌즈는 상기 고굴절률을 갖는 유전층에 비해 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는 발광 소자.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사 미러층의 상부면은 상기 제1 발광 다이오드의 상부면과 평행한 발광 소자.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 렌즈의 상부면은 상기 반사 미러층의 상부면과 평행한 발광 소자.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 기재 상에 상기 제1 발광 다이오드와 이격되어 위치하는 다른 제2 발광 다이오드를 더 포함하되, 상기 다른 제2 발광 다이오드는 상기 제1 발광 다이오드를 중심으로 상기 제2 발광 다이오드에 대칭적으로 배치된 발광 소자.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 발광 다이오드는 피크 파장이 490nm 이하인 청색광 또는 자외선을 방출하고,
    상기 제2 발광 다이오드는 피크 파장이 580nm 이상인 적색광을 방출하는 발광 소자.
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