KR20110070120A - 형광체 시트를 갖는 발광장치 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복수의 관통홀이 형성된 형광체 시트를 발광 다이오드 칩의 상부에 이격 배치하는 발광장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 발광장치 및 그 제조방법은 발광 다이오드 칩 상부에 복수의 관통홀을 갖는 일정한 두께의 형광체 시트를 형성함으로써, 색재현성이 우수하고 균일한 색 발광을 할 수 있고, 형광체로 인한 광의 손실을 방지하여 광효율을 증대시킬 수 있다.
발광 다이오드 칩, 형광체, 관통홀, 색재현성, 광효율
Description
본 발명은 형광체 시트를 갖는 발광장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 발광 다이오드 칩 상부에 복수의 관통홀을 갖는 형광체 시트를 형성하여 백색광 출력이 가능하도록 한 발광장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
발광 다이오드(light emitting diode; LED)는 반도체의 p-n 접합 구조를 이용하여 주입된 소수 캐리어(전자 또는 정공)를 만들고 이들의 재결합에 의하여 소정의 빛을 발산하는 소자를 지칭하며, GaAsP 등을 이용한 적색 발광 다이오드, GaP 등을 이용한 녹색 발광 다이오드, InGaN/AlGaN 더블 헤테로(double hetero) 구조를 이용한 청색 발광 다이오드 등이 있다.
발광장치는 발광 다이오드 칩과 형광체를 결합하여 백색광을 구현할 수 있다. 예를들어, 청색을 발광하는 발광 다이오드 칩 상부에 그 광의 일부를 여기원으로서 황록색 또는 황색을 발광하는 형광체를 배치시켜 발광 다이오드 칩의 청색 발광과 형광체의 황록색 또는 황색 발광에 의해 백색을 얻을 수 있다. 즉, 430 내지 480㎚ 파장을 발광하는 반도체 성분으로 이루어진 청색 발광 다이오드 칩과 청색광 을 여기원으로 하여 황색광을 발생시킬 수 있는 형광체의 조합으로 백색광의 구현이 가능하다.
즉, 종래의 백색 발광장치는 고휘도의 청색 LED에서 방출되는 충분히 높은 에너지를 갖는 광이 황색 YAG계 형광체를 여기시켜 황색영역의 광을 방출시킴으로써 LED의 청색 및 형광체의 황색의 조합으로 백색을 유도하는 방법을 이용하였다.
도 1은 종래의 청색 LED(13) 및 파우더 타입 황색 발광 YAG계열 형광체(11)를 적용한 백색 발광장치(10)의 구조도이다. 그러나, 도 1과 같은 종래의 발광장치(10)는 LED 칩(13)에서 나오는 청색 및 형광체(11)에서 발광하는 황색의 조합이 형광체(11)의 도포방법 및 LED 칩(13)의 동작 조건에 아주 민감하기 때문에, 종래의 YAG계 백색 발광장치(10)는 동일한 백색을 재현하는 데 많은 어려움이 따른다. 특히, 도 1과 같이, 형광체(11)의 도포 시에 사용되는 에폭시 수지 혹은 실리콘 수지의 혼합 비율, 이러한 수지의 열적 불안정성, 그리고 경화시 형광체의 불규칙한 퇴적 등으로 발광 휘도가 불규칙하고 소자의 불량률이 높고, 색 재현성이 떨어지는 문제점을 지니고 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 파우더 형광체를 사용한 발광장치에 비해, 불량률이 감소하고, 우수한 열적 내구성 및 색 재현성을 갖는 발광장치 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 발광장치 제조시 형광체의 사용량을 줄여 원가 절감 효과를 가져오며 생산성의 향상에 기여할 수 있는 발광장치 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 발광 다이오드 칩에서 발광되는 광의 손실을 줄이고 발광 효율을 증대시킬 수 있는 발광장치 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 발광장치는 기판; 상기 기판 상에 탑재된 발광 다이오드 칩; 및 상기 발광 다이오드 칩의 상부에 이격하여 배치되고, 복수의 관통홀을 갖는 형광체 시트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 발광장치는, 상기 형광체 시트의 상부 표면에 형성된 상기 복수의 관통홀의 개구의 총 면적의 합이 상기 형광체 시트의 상부 표면적의 대략 40% 미만이 되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 발광장치는, 상기 형광체 시트가 형광체와 수지의 혼합물을 프레스 성형법, 압출 성형법 또는 닥터 블레이드법 중 하나의 방법을 사용하여 시트로 제조되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 발광장치는, 상기 형광체 시트의 상기 복수의 관통홀이 상기 형광체 시트의 표면에 레이저를 조사하여 형성되거나, 펀칭기를 이용하여 상기 형광체 시트를 그 상방으로부터 가압하여 상기 펀칭기가 통과된 부분을 절단시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 발광장치는, 상기 발광 다이오드 칩이 청색 발광 다이오드 칩이고, 상기 형광체가 황색 발광 특성을 갖는 형광체인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 발광장치는, 상기 수지가 실리콘 수지, 에폭시 수지, 글래스, 글래스 세라믹(glass ceramic), 폴리에스테르 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 나일론 수지, 폴리아미드 수지, 폴리이미드 수지, 염화비닐 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리에틸렌 수지, 테프론 수지, 폴리스틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리올레핀 수지 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 발광장치는, 상기 수지의 반사율이 대략 1.4 내지 1.8인 것을 특징으로 하는 한다.
바람직하게, 상기 발광장치는, 상기 수지의 경도가 쇼어 A(Shore A) 경도 50이상 또는 쇼어 D(Shore D) 경도 30이상인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 발광장치는, 상기 형광체 시트의 상기 복수의 관통홀 중 개별 관통홀의 단면 형상이 원형, 타원형 또는 삼각형, 사각형, 오각형 중 적어도 하나의 형상을 포함하는 다각형의 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 한다.
바람직하게, 상기 발광장치는, 상기 형광체 시트의 두께가 약 15㎛ 내지 약 500㎛인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 발광장치 제조방법은 복수의 관통홀을 갖는 형광체 시트를 제조하는 단계; 기판 상부에 발광 다이오드 칩을 탑재하는 단계; 및 상기 발광 다이오드 칩의 상부에 상기 형광체 시트를 이격시켜 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 형광체 시트를 제조하는 단계는, 상기 형광체 시트의 상부 표면에 형성된 상기 복수의 관통홀의 개구의 총 면적의 합이 상기 형광체 시트의 상부 표면적의 대략 40% 미만이 되도록 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 형광체 시트를 제조하는 단계는, 형광체와 수지의 혼합물을 프레스 성형법, 압출 성형법 또는 닥터 블레이드법 중 하나의 방법을 사용하여 시트로 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 형광체 시트를 제조하는 단계는, 상기 형광체 시트의 표면에 레이저를 조사하여 상기 복수의 관통홀을 형성하거나, 펀칭기를 이용하여 상기 형광체 시트를 그 상방으로부터 가압하여 상기 펀칭기가 통과된 부분을 절단시킴으로써 상기 복수의 관통홀을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 발광장치 제조방법은, 상기 발광 다이오드 칩이 청색 발광 다이오드 칩이고, 상기 형광체가 황색 발광 특성을 갖는 형광체인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 발광장치 제조방법은, 상기 수지가 실리콘 수지, 에폭시 수지, 글래스, 글래스 세라믹(glass ceramic), 폴리에스테르 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 나일론 수지, 폴리아미드 수지, 폴리이미드 수지, 염화비닐 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리에틸렌 수지, 테프론 수지, 폴리스틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리올레핀 수지 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 발광장치 제조방법은, 상기 수지의 반사율이 대략 1.4 내지 1.8인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 발광장치 제조방법은 상기 수지의 경도가 쇼어 A(Shore A) 경도 50이상 또는 쇼어 D(Shore D) 경도 30이상인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 발광장치 제조방법은 상기 형광체 시트의 상기 복수의 관통홀 중 개별 관통홀의 단면 형상이 원형, 타원형 또는 삼각형, 사각형, 오각형 중 적어도 하나의 형상을 포함하는 다각형의 형상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 발광장치 제조방법은 상기 형광체 시트의 두께가 약 15㎛ 내지 약 500㎛인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 발광장치 및 그 제조방법은 종래의 파우더 형광체를 사용한 발광장치에 비해, 균일한 색의 광을 방출할 수 있고, 불량률이 감소되며, 우수한 열적 내구성 및 색 재현성을 제공할 수 있고, 형광체 시트 내에서의 형광체들의 균질성을 높일 수 있어 색수차 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 발광장치 및 그 제조방법은 형광체시트를 이용함으로써 종래의 파우더 형광체를 사용한 발광장치에 비해, 형광체의 사용량을 줄여 제조 원가를 절감할 수 있으며 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 종래에는 발광 다이오드 칩에서 발광되는 광이 몰딩부를 통과하면서 형광체 입자에 흡수되거나 또는 형광체에서 방출되는 광에 의하여 서로 상쇄되어 손실되었으나, 본 발명에 의한 발광장치 및 그 제조방법은 발광 다이오드 칩에서 발광되는 광의 손실을 줄여 발광 효율을 증대시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예시로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 형광체 시트를 갖는 반도체 장치의 단면도이다. 도 2의 반도체 장치(20)는, 하부 기판(21); 그 하부 기판(21) 상에 실장되는 발광 다이오드 칩(22); 그 하부 기판(21)상에 배치되며 상기 발광 다이오드 칩(22)이 실장되는 영역에 상응하는 영역에 소정의 경사각으로 된 캐비티(31)가 형성된 상부 기판(27); 상기 하부 기판(21)에 소정 형태로 형성된 패턴 전극(24, 25); 상기 발광 다이오드 칩(22)을 둘러싸도록 상기 상부 기판(27)의 캐비티(31) 내측면을 따라 밀착되게 설치된 반사판(29); 및 상기 캐비티(31)의 상부 개구부에 소정 두께로 형성되고, 상기 발광 다이오드 칩(22)에서 방출되는 광을 통과시키는 복수의 관통홀(30)이 형성된 형광체 시트(23)를 포함한다.
여기서, 상기 하부 기판(21)은 발광 다이오드 칩(22)을 고밀도로 실장할 수 있는 기판이면 어느 것이나 가능하다. 제한적이지는 않으나, 예를 들어, 이러한 하부 기판으로는 알루미나(alumina), 수정(quartz), 칼슘지르코네이트(calcium zirconate), 감람석(forsterite), SiC, 흑연, 용융실리카(fusedsilica), 뮬라이트(mullite), 근청석(cordierite), 지르코니아(zirconia), 베릴리아(beryllia), 및 질화알루미늄(aluminum nitride), LTCC(low temperature co-fired ceramic) 등을 들 수 있다. 세라믹은 그 위에 금속 도체 배선 패턴을 형성하여 소성공정을 통해 적층형 세라믹 패키지(multi-layer ceramic package; MLP)로 사용이 가능하다. 이러한 패키지로 사용되는 경우 기밀성이 우수하다. 그리고, 상기 상부 기판(27)도 상술한 하부 기판(21)의 재질과 동일한 것으로 형성할 수 있다.
상기 하부 기판(21)과 상부 기판(27)을 기판으로 통칭하여도 된다. 그리고, 도 2에서는 캐비티(31)의 상부 개구부에 단차(28)를 형성시키고, 그 단차(28)에 대응되는 상기 형광체 시트(23)의 외측 대향부위가 결합하는 것으로 도시하였으나, 도 8에 도시된 바와 같이, 상부 기판(27)의 개구부에 단차를 형성하지 않은 채로 형광체 시트(23)를 얹어 놓은 구성으로 할 수도 있다. 이 때, 상기 형광체 시트(23)의 길이는 상기 캐비티(31)의 상부 개구부의 직경보다 길거나 같을 수 있다.
또한, 상기 발광 다이오드 칩(22)은 본 발명의 일 실시예에 따라 청색 발광 LED 칩으로서, 430 내지 480nm의 파장을 발광하는 반도체 성분으로 이루어진다. 다 만, 발광 다이오드 칩(22)은 다른 컬러 광을 출사하는 LED 칩이 사용될 수 있으며, 본 발명의 범위가 특정 LED 칩으로 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 형광체 시트(23)는 발광 다이오드 칩(22)으로부터 출사된 청색광에 의해 여기되어 방출되는 빛이 노란색인 형광체를 주성분으로 하여 제조된다. 이는 상기 발광 다이오드 칩(22)이 청색광을 출력하는 경우로서, 발광 장치(20) 전체에서 출사되는 빛이 백색광이 되도록 하기 위한 것이다. 만약, 그 발광 다이오드 칩(22)에서 출력되는 빛의 색깔이 청색이 아니라면 백색광을 만들기 위해 그 형광체 시트(23) 내의 형광체의 종류도 바뀌어야 한다. 형광체 시트(23)의 구성에 대하여는 이하에서 상세히 설명하기로 한다.
또한, 상기 패턴 전극(24, 25)중에서 패턴 전극(24)은 애노드 전극이고 패턴 전극(25)은 캐소드 전극이다. 상기 패턴 전극(24, 25)은 전도성이 우수한 구리 또는 알루미늄을 포함한 금속 물질을 사용하여 제조되고, 발광 다이오드 칩(22)의 양 전극과 음 전극에 대응하는 각 패턴 전극(24, 25)은 서로 분리되어 형성된다.
구체적으로, 상기 애노드 전극(24)은 상기 하부 기판(21)상에서 LED칩 실장영역에 형성된 캐소드 전극(25)과의 전기적인 절연을 위해 이격되게 일측 상면에 형성된다. 그리고, 상기 애노드 전극(24)은 상기 하부 기판(21)의 저면에도 형성되는데, 그 하부 기판(21)의 저면에 형성된 애노드 전극(24)은 상기 하부 기판(21)의 상면에 형성된 애노드 전극(24)이 연장되는 형태이어도 되고 상기 하부 기판(21)의 상면에 형성된 애노드 전극(24)과 분리되어 있지만 전기적으로 연결되는 형태이어도 된다.
상기 캐소드 전극(25)은 상기 애노드 전극(21)과는 반대방향으로 형성된다. 그에 따라, 상기 발광 다이오드 칩(22)이 상기 캐소드 전극(25)상에 실장되고, 와이어(26)를 통해 그 애노드 전극(24)과 캐소드 전극(25)에 전기적으로 연결된다. 물론, 필요에 따라, 그 애노드 전극(24)을 캐소드 전극으로 하고 캐소드 전극(25)을 애노드 전극으로 교체할 수도 있는데, 이 경우에는 구동전원 인가방식을 반대로 하면 된다.
그리고, 상기 발광 다이오드 칩(22)과 상기 형광체 시트(23) 사이의 공간 즉, 캐비티(31) 내에는 소정의 매질(예컨대, 공기 또는 실리콘)이 수용된다. 매질을 실리콘으로 하는 경우와 공기로 하는 경우 광도(cd)가 다를 수 있는데, 매질을 공기로 하였을 경우에는 도 1의 종래의 구조보다 훨씬 높은 광도(cd)를 나타낼 수 있다. 따라서, 상기 발광 다이오드 칩(22)과 상기 형광체 시트(23) 사이의 공간(즉, 캐비티(31))내에 공기를 충진시킬 수도 있으나, 형광체 시트(23)의 평탄도 유지를 위해서는 매질을 실리콘으로 하는 것이 유리할 수 있다. 또한, 캐비티(31) 내에는 서로 상이한 두 개의 매질이 채워질 수도 있다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 형광체 시트(23)에 대하여 설명하기로 한다.
도 3은 형광체 시트(23)의 사시도 이다. 형광체 시트(23)는 형광체와 수지를 혼합하여 슬러리 형태로 제조될 수 있다. 여기서, 형광체와 혼합되는 수지는 경도가 높고 신뢰성이 좋은 것이 바람직하며, 캐비티(31) 내에 포함되는 몰딩제와 열팽창계수(thermal expansion) 및 굴절률이 유사한 물질이 바람직하다. 제한적이지는 않으나, 예를들어, 수지의 경도는 쇼어 A(Shore A) 경도 약 50이상 또는 쇼어 D(Shore D) 경도 약 30이상인 재질이 바람직하다.
또한, 상기 수지로는, 제한적이지는 않으나, 예를 들어, 실리콘 수지, 에폭시 수지, 글래스, 글래스 세라믹(glass ceramic), 폴리에스테르 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 나일론 수지, 폴리아미드 수지, 폴리이미드 수지, 염화비닐 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리에틸렌 수지, 테프론 수지, 폴리스틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리올레핀 수지 등 투명성을 가진 열경화성 수지를 이용할 수 있다.
또한, 액상 에폭시 수지와 형광체를 혼합하여 슬러리를 제조하고, 이 때 필요에 따라 솔벤트와 같은 첨가제를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 액상 수지에 한정되지 않고 고상 수지를 더 포함하여 슬러리를 제조할 수도 있다.
또한, 실시예에 따라서, 형광체와 혼합되는 수지의 반사율은 제한적이지는 않으나, 예를 들어, 약 1.4 내지 약 1.8이 될 수 있다.
또한, 형광체 시트(23)의 두께는 실시예에 따라, 약 15㎛ 내지 약 500㎛까지 다양하게 제조할 수 있으며, 바람직하게는 약 30㎛ 내지 약 150㎛의 두께로 형성할 수 있다. 즉, 형광체 시트(23)가 약 30㎛ 미만으로 너무 얇으면, 형광체 시트(23) 내부에 형광체가 균일하게 분포되기 어렵기 때문에 발광장치(20)가 백색광을 출광시키기 어려울 수 있고, 형광체 시트(23)가 약 150㎛를 초과하여 너무 두꺼우면, 형광체 시트(23)의 전면부가 아닌 측면부로도 광이 출사될 수 있기 때문에 광도(cd)가 떨어질 수 있다.
상기 수지와 혼합되는 형광체는 한 종류의 형광체뿐 아니라 필요에 따라 다수의 형광체를 혼합하여 사용할 수 있다. 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 종래의 파장변환 발광장치는 청색/근자외선 영역의 발광다이오드(13)를 형광체(11)와 혼합된 에폭시(12)에 매립하는 방식으로 제작되어 열적 안정성이 떨어지고, 광안정성이 불안한 반면, 본 발명의 형광체 시트(23) 내 형광체는 열적 안정성 및 광안정성이 우수하고, 고휘도의 발광이 가능하다. 상기 형광체의 종류는 특별히 제한되는 것은 아니며, 공지의 파장변환용 형광체 모두 사용 가능하며, 제한적이지는 않으나 예를들어, (Ba, Sr, Ca)2SiO4:Eu2 +, YAG((Y, Gd)3(Al, Ga)5O12:Ce3 +)계열 형광체, TAG((Tb, Gd)3(Al, Ga)5O12:Ce3+)계열 형광체, (Ba, Sr, Ca)3SiO5:Eu2 +, (Ba, Sr, Ca)MgSi2O6: Eu2 +, Mn2 +, (Ba, Sr, Ca)3MgSi2O8: Eu2 +, Mn2 + 및 (Ba, Sr, Ca)MgSiO4: Eu2 +, Mn2 +로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 들 수 있다.
상기 수지와 형광체의 혼합물인 슬러리를 이용하여 형광체 시트(23)를 제조하는데, 형광체 시트(23)는 상기 슬러리를 금형에서 시트 형상으로 프레스 성형하여 제조할 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 형광체 시트(23)를 압출 성형법, 닥터 블레이드법 등의 다양한 제조 공정을 통하여 형성할 수도 있다. 즉, 슬러리를 압출기에 공급하고 금형에서 밀어내어 형광체 시트를 형성할 수도 있고, 슬러리를 바닥에 부어 놓고 바닥과 일정한 간격을 유지하도록 설계된 블레이드를 그 슬러리 위로 지나가게 하여 일정한 두께의 형광체 시트를 형성할 수도 있다.
또한, 필요한 경우, 상기 제조된 형광체 시트(23)를, 예를 들어 쏘잉(sawing) 또는 스크라이빙(Scribing) 공정을 이용하여 원하는 크기 및 형상으로 절단할 수 있다. 즉, 발광 소자에 형성할 소정 영역의 크기로 절단하여, 발광 다이오드 칩에 적합한 크기로 형성할 수 있는 장점이 있으며, 원판의 형광체 시트를 크게 만들 수 있으므로 균질도가 높아지고 대량생산이 용이한 장점이 있다.
이와 같이 원하는 크기로 절단된 형광체 시트(23)를 이용하여, 발광 다이오드 칩(22)을 외부와 전기적으로 연결되도록 구성한 후 상기 발광 다이오드 칩(22)의 상부에 상술한 형광체 시트(23)를 형성할 수 있다. 이 때, 접착제를 이용하여 발광 다이오드 칩의 상부에 상기 형광체 시트를 부착시킬 수 있으며, 또는 UV 경화성 수지, 열경화성 수지, 투명 실란트 등을 이용하여 발광 다이오드 칩의 상부에 상기 형광체 시트를 배치할 수 있다.
다시, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 형광체 시트(23)는 다수의 미세한 관통홀(30)들을 갖는다. 이로써, 발광 다이오드 칩(22)으로부터 나온 일부 청색광은 황색광으로 변환되지 않고 직접 발광 다이오드 칩(22)으로부터 발광 장치 외부로 출사될 수 있게 되어 광효율이 증가될 수 있다. 즉, 발광 장치에서 나오는 백색광은 황색계열의 형광체에 청색광이 입사하여 황색광으로 변경된 광자와 청색 광이 조합되어 백색광으로서 시인되는 것인데, 여기서 발광 다이오드 칩으로부터 출사된 모든 청색광이 형광체층에서 변환된다면 그 과정에서 광 손실이 발생될 우려가 있으므로, 본 발명에 따른 형광체 시트(23)는 다수의 관통홀(30)을 포함 함으로써 광효율이 낮아지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따를 때, 관통홀(30)을 형성함으로써, 발광 다이오드 칩(22)으로부터 출사된 광이 형광체 시트(23)로 입사된 후 형광체 시트(23) 내의 형광체와 충돌함으로써 일어나는 내부 광산란 또는 형광체 시트(23)의 하면에서 일어나는 광산란으로 인하여 발광 장치(20)의 광추출 효과가 감소되는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 상기 형광체 시트(23)의 상부 표면에 형성된 상기 관통홀(30)의 개구의 총 면적의 합은 화이트 밸런싱을 고려하여 상기 형광체 시트(23)의 상부 표면적의 약 40%가 넘지 않도록 한다. 즉, 관통홀(30)의 개구의 전체 면적이 너무 작다면 관통홀(30) 형성의 효과가 미미할 수 있으며 반면, 관통홀(30)의 개구의 전체 면적이 너무 크다면 발광 다이오드 칩(22)으로부터 나온 청색광이 형광체 시트(23)를 거치지 않고 그대로 출광됨으로써, 발광장치 전체에서 나오는 광이 청색에 가까운(bluish) 백색광이 될 수 있다. 따라서, 관통홀(30)을 형성할 경우 형광체 시트(23)의 표면적 대비 관통홀(30)의 개구의 전체 면적을 고려하여야 한다.
또한, 관통홀(30)의 모양과 분포는 사용되는 발광 다이오드 칩의 크기, 발광 특성 및 패키지의 특성에 맞춰 다르게 할 수 있다. 관통홀(30)의 다양한 형상들이 도 5에 도시되어 있는데, 도 5를 참조하면, 관통홀(30)의 단면 형상은 원형, 타원형 또는 삼각형, 사각형, 오각형 등을 포함하는 다각형 형상 등 다양한 형상으로 제조될 수 있으며, 크기 또한 전체 형광체 시트(23)를 통해 동일하거나 상이할 수 있고, 관통홀(30)이 배치되는 형상도 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 관통홀(30)은 형광체 시트(23)의 표면에서 두께 방향을 따라 진행할수록 그 반경이 증가되거 나 감소되는 형상으로 될 수도 있다. 발광 다이오드 칩(22)으로부터 발광된 빛이 상기 관통홀(30)을 통하여 직접 빠져 나갈 수 있도록 형성된 홀이라면 관통홀(30)이 어떠한 형상, 크기 또는 배치를 갖는 구조라도 상관없다.
한편, 필요에 따라, 발광 다이오드 칩(22) 직상부의 형광체 시트(23)에는 관통홀(30)이 위치하지 않도록 조정할 수 있는데, 이렇게 함으로써 청색광이 직접 관통홀(30)을 통해 빠져 나오지 않고, 형광체 시트(23)를 통과하여 백색으로 변형된 빛이 관통홀(30)을 통해 빠져 나오게 할 수도 있다. 이는 발광장치 전체에서 출광되는 빛이 청색에 가까운 백색광이 되는 것을 방지하기 위함이다.
이하, 도 4를 참조하여, 형광체 시트(23)에 형성된 관통홀(30)의 기능에 대하여 자세히 설명하기로 한다.
도 4를 참조하면, 발광 다이오드 칩(22)으로부터 출광된 빛이 형광체 시트(23)의 하부면에서 반사된 후, 상부 기판(27)의 캐비티(31) 내측면에 설치된 반사판(29)에서 다시 반사되고, 상기 반사된 광이 또 다시 형광체 시트(23)의 하부면에서 반사되어 결국 발광장치의 외부로 출광되지 못하고 트랩(trap)되는 경우가 있을 수 있는데(예를들어, 도 4의 I 광), 이로써 광효율이 감소되게 된다. 따라서, 본 발명은 형광체 시트(23)에 관통홀(30)을 형성하여, 형광체 시트(23)의 하부면에서 반사되어 트랩된 광도 외부로 빠져나갈 수 있는 통로로 이용하게 된다(예를들어, 도 4의 II 광).
이러한 관통홀(30)은 레이저 드릴 장치를 이용하여 레이저를 조사함으로써 형성하거나, 펀칭기로 상기 형광체 시트(23)를 그 상방으로부터 가압하여 상기 펀 칭기가 통과된 부분을 절단시킴으로써 형성하는 것도 가능하며, 샌드 블라스팅법에 의해 압축공기로 모래를 분사하여 형광체 시트(23)의 표면을 조각하여 형성하는 것도 가능하다. 즉, 관통홀(30)은 각종 시트류에 홀을 형성할 수 있는 공지의 어떤 기술이라도 적용하여 형성할 수 있으며, 본 발명은 특정 관통홀 형성 방법으로 제한되지 않는다.
대안적으로, 관통홀(30)은 형광체 시트(23)를 시트 형상으로 제작한 이후의 단계에서 추가적인 공정을 통하여 형성할 수도 있지만, 형광체 시트(23)를 전술한 프레스 공법 등을 이용하여 제조하는 경우에는 시트 형상으로 제작하는 공정과 동시에 관통홀(30)을 형성할 수도 있다.
이하, 도 6 및 도 7을 참조하여, 도 2에 도시된 발광장치(20)를 제조하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 형광체 시트(23)를 갖는 반도체 장치의 제조방법의 흐름도이다. 이하의 설명에서는 발광 다이오드 칩(22)이 청색광을 출력하고, 형광체 시트(23)는 청색광에 의해 여기되어 방출되는 파장이 노란색인 형광체를 주성분으로 하는 것으로 가정하고 설명한다.
일단, LTCC공정 등에 의해 제조 가능한 캐비티(31)를 갖춘 기판(21, 27), 및 관통홀(30)을 갖는 소정 두께의 형광체 시트(23)를 별도로 제조한다(단계 S610). 여기서, 그 제조된 기판(21, 27)에는 패턴 전극(24, 25) 및 반사판(29)이 형성된 것으로 한다. 그리고, 제조된 형광체 시트(23)의 두께는 실시예에 따라, 약 15㎛ 내지 약 500㎛ 내에서 균일한 것으로 한다.
본 발명에 따를 때, 형광체 시트(23)를 별도로 제작한 후, 발광 다이오드 칩(22) 상부에 형성시키기 전에 형광체 시트(23) 자체의 품질 내지 분류기에 의한 색감을 확인할 수 있어, 완성된 발광장치(20)의 불량률을 줄이고 수율 향상에 도움을 줄 수 있다.
그 후, 발광 다이오드 칩(22)을 기판(21, 27)의 캐비티(31)의 저면에 탑재시킨 후에 와이어(26)를 통해 애노드 전극(24)과 캐소드 전극(25)에 전기적으로 연결시킨다(단계 S620). 도시의 간략화를 위해 생략하였지만, 그 발광 다이오드 칩(22)과 캐소드 전극(25) 사이에는 절연재가 배치되어 그 발광 다이오드 칩(22)과 캐소드 전극(25)을 절연시킨다.
또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 발광 다이오드 칩의 상부 평면에 양 전극 및 음 전극을 가지는 발광 다이오드 칩(22)을 기판(21) 상에 실장하는 경우에는 두 개의 와이어(26)를 형성하여 발광 다이오드 칩(22)과 전극(24, 25)을 각각 연결할 수 있지만, 이와 달리 발광 다이오드 칩의 상부와 하부 평면에 양 전극 및 음 전극을 가지는 발광 다이오드 칩을 전극(24, 25) 상에 실장하는 경우에는 와이어(26)를 하나만 형성하여 발광 다이오드 칩 상부의 전극과 연결할 수도 있다.
그 후, 그 캐비티(31) 내에 투명한 몰딩제인 실리콘을 완전히 채워 넣은 후에 경화시킴으로써 캐비티(31) 내에 실리콘층을 형성시킨다(단계 S630).
그 후, 접착제를 그 실리콘층의 상면에 바른 후에(단계 S640), 이 상태에서 형광체 시트(23)를 그 실리콘층의 상면에 부착한다(단계 S650). 이로써 발광장 치(20)가 완성될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 발광장치 제조방법에 따르면, 발광 다이오드 칩(22)을 외부와 전기적으로 연결되도록 구성한 후, 상기 발광 다이오드 칩(22)의 상부에 상술한 형광체 시트(23)를 형성하는데, 이 때, 접착제 내지 광학 본딩제를 이용하여 발광 다이오드 칩의 상부에 상기 형광체 시트(23)를 부착시킬 수 있으며, 또는 UV 경화성 수지, 열경화성 수지, 투명 실란트 등을 이용하여 상기 형광체 시트를 부착할 수도 있다. 또는 압착법을 이용하여 부착할 수도 있다.
본 발명에 따를 경우, 형광체 시트(23)에 형성된 다수의 관통홀(30)은 실리콘 층의 상면에 형광체 시트(23)를 접착할 때 그 사이에서 발생되는 기포를 방출할 수 있는 통로가 되기 때문에 기포로 인한 광도하락을 막을 수 있고, 관통홀(30)에 의하여 형광체 시트(23)와 하부 실리콘 간의 접착력이 증가될 수 있다.
다음으로, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 형광체 시트를 갖는 반도체 장치의 제조방법의 흐름도이다. 이하의 설명에서는 발광 다이오드 칩(22)이 청색광을 출력하고, 형광체 시트(23)는 청색광에 의해 여기되어 방출되는 파장이 노란색인 형광체를 주성분으로 하는 것으로 가정하고 설명한다. 도 6과 중복되는 단계의 설명은 생략하기로 한다.
도 7에서는 단계 S730에서 도 6의 단계 S630과 달리, 캐비티(31) 내에 실리콘을 채워 넣은 후에 바로 경화시키지 않고, 다음 단계 S740으로 진행한다. 단계 S740에서는, 상부 기판(27)의 상부 개구부 단차(28)(즉, 형광체 시트(23)와 접촉되는 부분)를 포함하여 실리콘층의 상면에 접착제를 바른 후, 단계 S750에서 그 접착 제를 매개로 형광체 시트(23)를 그 상부 개구부 단차(28)에 부착한다. 이 상태에서, 단계 S760에서, 실리콘층과 상기 형광체 시트(23) 사이에 존재하는 기포를 제거할 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 형광체 시트(23)에는 다수의 관통홀(30)이 형성되어 있기 때문에 기포를 보다 용이하게 제거할 수 있으며, 관통홀(30)은 기포가 방출되는 통로가 되어, 기포로 인한 광도하락을 방지할 수 있고, 관통홀(30)에 의하여 접착력이 증가될 수 있다.
그 후, 단계 S770에서, 실리콘층과 형광체 시트(23)를 동시에 큐어링한다. 이 경우, 동시 큐어링으로 인해 그 실리콘층과 형광체 시트(23)가 완전히 부착되고, 이로써 발광장치(20)가 완성될 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 발광장치에 있어서, 상기 발광 다이오드 칩(22)과 형광체 시트(23)는 원하는 색을 구현하기 위해 다양하게 선택하여 형성할 수 있다. 백색 발광을 구현하기 위하여, 430 내지 480㎚ 파장을 발광하는 청색 발광 다이오드 칩을 실장하고, 상기 발광 다이오드 칩 상에 황색 발광 형광체를 포함하여 제조된 형광체 시트를 형성한다. 이 때 발광 다이오드 칩에서 청색광이 방출되고, 청색광은 종래 형광체로 인한 광의 손실 없이, 또는 경로의 방해를 받지 않고 투명 에폭시 수지로 형성된 몰딩부를 통과한다. 몰딩부를 통과한 청색광은 황색 발광 형광체 시트에 입사되고, 입사된 광의 일부는 황색 광으로 파장 변환된다. 1차 발광의 일부인 청색광과 형광체 시트에 의해 파장 변환된 황색광이 혼색되어 백색을 구현할 수 있다. 형광체 시트(23) 내의 형광체(32)의 농도 및 분포나 형광체 시트(23)의 두께를 조절함으로써, 변환 정도를 조절할 수 있다.
또한, 대안적으로, 백색 발광을 위하여, 350㎚ 내지 410㎚ 파장을 발광하는 UV 발광 다이오드 칩을 실장하고, 상기 발광 다이오드 칩 상에 적색, 청색 및 녹색 발광 형광체들을 포함하여 제조된 형광체 시트를 형성할 수 있다. 또는 발광 다이오드 칩 상에 각각 청색 발광 형광체, 녹색 발광 형광체, 적색 발광 형광체를 포함하여 제조된 개별 형광체 시트를 순차적으로 형성할 수도 있다.
본 발명의 발광장치 및 이의 제조방법은 상기 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 형광체를 포함하는 다양한 구조를 갖는 제품으로의 응용이 가능하다.
본 발명은 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 정해지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 종래의 발광장치의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광장치의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 형광체 시트의 사시도.
도 4는 도 3의 형광체 시트에 형성된 관통홀을 통해 발광 다이오드 칩으로부터 출사되는 광의 진행 방향을 도시한 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 형광체 시트의 관통홀들의 다양한 형상을 도시한 평면도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 발광장치를 제조하는 방법을 설명한 흐름도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 발광장치를 제조하는 방법을 설명한 흐름도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광장치의 단면도.
Claims (20)
- 기판;상기 기판 상에 탑재된 발광 다이오드 칩; 및상기 발광 다이오드 칩의 상부에 이격하여 배치되고, 복수의 관통홀을 갖는 형광체 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 형광체 시트의 상부 표면에 형성된 상기 복수의 관통홀의 개구의 총 면적의 합은 상기 형광체 시트의 상부 표면적의 40% 미만이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 발광장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 형광체 시트는 형광체와 수지의 혼합물을 프레스 성형법, 압출 성형법 또는 닥터 블레이드법 중 하나의 방법을 사용하여 시트로 제조되는 것을 특징으로 하는 발광장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 형광체 시트의 상기 복수의 관통홀은 상기 형광체 시트의 표면에 레이저를 조사하여 형성되거나, 펀칭기를 이용하여 상기 형광체 시트를 그 상방으로부터 가압하여 상기 펀칭기가 통과된 부분을 절단시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 발광장치.
- 청구항 3에 있어서, 상기 발광 다이오드 칩은 청색 발광 다이오드 칩이고, 상기 형광체는 황색 발광 특성을 갖는 형광체인 것을 특징으로 하는 발광장치.
- 청구항 3에 있어서, 상기 수지는 실리콘 수지, 에폭시 수지, 글래스, 글래스 세라믹(glass ceramic), 폴리에스테르 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 나일론 수지, 폴리아미드 수지, 폴리이미드 수지, 염화비닐 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리에틸렌 수지, 테프론 수지, 폴리스틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리올레핀 수지 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치.
- 청구항 3에 있어서, 상기 수지의 반사율은 1.4 내지 1.8인 것을 특징으로 하는 발광장치.
- 청구항 3에 있어서, 상기 수지의 경도는 쇼어 A(Shore A) 경도 50이상 또는 쇼어 D(Shore D) 경도 30이상인 것을 특징으로 하는 발광장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 형광체 시트의 상기 복수의 관통홀 중 개별 관통홀의 단면 형상은 원형, 타원형 또는 삼각형, 사각형, 오각형 중 적어도 하나의 형상을 포함하는 다각형의 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 형광체 시트의 두께는 15㎛ 내지 500㎛인 것을 특 징으로 하는 발광장치.
- 복수의 관통홀을 갖는 형광체 시트를 제조하는 단계;기판 상부에 발광 다이오드 칩을 탑재하는 단계; 및상기 발광 다이오드 칩의 상부에 상기 형광체 시트를 이격시켜 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치 제조방법.
- 청구항 11에 있어서, 상기 형광체 시트를 제조하는 단계는,상기 형광체 시트의 상부 표면에 형성된 상기 복수의 관통홀의 개구의 총 면적의 합이 상기 형광체 시트의 상부 표면적의 40% 미만이 되도록 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치 제조방법.
- 청구항 11에 있어서, 상기 형광체 시트를 제조하는 단계는,형광체와 수지의 혼합물을 프레스 성형법, 압출 성형법 또는 닥터 블레이드법 중 하나의 방법을 사용하여 시트로 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치 제조방법.
- 청구항 11에 있어서, 상기 형광체 시트를 제조하는 단계는,상기 형광체 시트의 표면에 레이저를 조사하여 상기 복수의 관통홀을 형성하거나, 펀칭기를 이용하여 상기 형광체 시트를 그 상방으로부터 가압하여 상기 펀칭 기가 통과된 부분을 절단시킴으로써 상기 복수의 관통홀을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치 제조방법.
- 청구항 13에 있어서, 상기 발광 다이오드 칩은 청색 발광 다이오드 칩이고, 상기 형광체는 황색 발광 특성을 갖는 형광체인 것을 특징으로 하는 발광장치 제조방법.
- 청구항 13에 있어서, 상기 수지는,실리콘 수지, 에폭시 수지, 글래스, 글래스 세라믹(glass ceramic), 폴리에스테르 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 나일론 수지, 폴리아미드 수지, 폴리이미드 수지, 염화비닐 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리에틸렌 수지, 테프론 수지, 폴리스틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리올레핀 수지 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치 제조방법.
- 청구항 13에 있어서, 상기 수지의 반사율은 1.4 내지 1.8인 것을 특징으로 하는 발광장치 제조방법.
- 청구항 13에 있어서, 상기 수지의 경도는 쇼어 A(Shore A) 경도 50이상 또는 쇼어 D(Shore D) 경도 30이상인 것을 특징으로 하는 발광장치 제조방법.
- 청구항 11에 있어서, 상기 형광체 시트의 상기 복수의 관통홀 중 개별 관통홀의 단면 형상은 원형, 타원형 또는 삼각형, 사각형, 오각형 중 적어도 하나의 형상을 포함하는 다각형의 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치 제조방법.
- 청구항 11에 있어서, 상기 형광체 시트의 두께는 15㎛ 내지 500㎛인 것을 특징으로 하는 발광장치 제조방법.
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