KR20120084526A - 발광소자 패키지 - Google Patents

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KR20120084526A
KR20120084526A KR1020110005940A KR20110005940A KR20120084526A KR 20120084526 A KR20120084526 A KR 20120084526A KR 1020110005940 A KR1020110005940 A KR 1020110005940A KR 20110005940 A KR20110005940 A KR 20110005940A KR 20120084526 A KR20120084526 A KR 20120084526A
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김정진
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Abstract

본 발명은 발광소자 패키지에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시 형태는, 발광소자 및 상기 발광소자의 적어도 일면에 형성된 파장변환부를 포함하는 광원과, 상기 광원을 둘러싸는 측벽을 구비하는 반사부와, 상기 광원 및 반사부의 상부에 배치된 렌즈를 포함하며, 상기 광원 상면의 일 모서리로부터 상기 광원의 지향각에 해당하는 각도로 진행하는 가상의 직선은 상기 측벽과 만나거나 상기 측벽의 최상단과 접하는 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 의할 경우, 광이 방출되는 방향에 대하여 백색 광의 색도 산포가 최소화되어 균일한 특성을 보일 수 있으며, 나아가, 발광소자로부터 방출된 빛이 패키지 외부로 방출됨에 있어서 손실이 최소화될 수 있는 발광소자 패키지를 얻을 수 있다.

Description

발광소자 패키지 {LIGHT EMITTING DEVICE PACKAGE}
본 발명은 발광소자 패키지에 관한 것이다.
반도체 발광소자의 일 종인 발광 다이오드(LED)는 전류가 가해지면 p, n형 반도체의 접합 부분에서 전자와 정공의 재결합에 기하여, 다양한 색상의 빛을 발생시킬 수 있는 반도체 장치이다. 이러한 발광 다이오드는 필라멘트에 기초한 발광구조물에 비해 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성, 높은 진동 저항 등의 여러 장점을 갖기 때문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 특히, 최근에는, 청색 계열의 단파장 영역의 빛을 발광할 수 있는 3족 질화물 반도체가 각광을 받고 있다.
일반적으로, 발광 다이오드는 칩 상태나 패키지 상태로 기판에 실장되어 발광모듈로 이용될 수 있으며, 이러한 발광 모듈에는 형광 물질 등이 구비되어 발광 다이오드에서 방출되는 빛과 다른 파장의 빛을 얻을 수도 있다. 이러한 형광 물질에 의하여 백색 발광의 구현이 가능하며, 예컨대, 청색 LED에 황색 형광체가 분산된 형태의 봉지재를 적용하여 패키지 형태로 구현될 수 있다. 그런데, 청색 LED와 황색 형광체가 조합된 백색 발광 패키지의 경우, 빛이 방출되는 영역에 따라 빛의 색 특성이 달라질 수 있다. 즉, 일반적인 백색 발광 패키지에서는 소위, 불스 아이(bull's eye) 현상 등이 나타난다. 이는 LED로부터 방출된 빛의 방향에 따라 형광체를 거쳐 외부로 나가는 경로 길이가 다르므로, 이에 따라, 파장 변환 정도가 달라지기 때문이다.
본 발명의 일 목적은 광이 방출되는 방향에 대하여 백색 광의 색도 산포가 최소화되어 균일한 특성을 보일 수 있으며, 나아가, 발광소자로부터 방출된 빛이 패키지 외부로 방출됨에 있어서 손실이 최소화될 수 있는 발광소자 패키지를 제공하는 것이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 실시 형태는,
발광소자 및 상기 발광소자의 적어도 일면에 형성된 파장변환부를 포함하는 광원과, 상기 광원을 둘러싸는 측벽을 구비하는 반사부와, 상기 광원 및 반사부의 상부에 배치된 렌즈를 포함하며, 상기 광원 상면의 일 모서리로부터 상기 광원의 지향각에 해당하는 각도로 진행하는 가상의 직선은 상기 측벽과 만나거나 상기 측벽의 최상단과 접하는 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 광원의 지향각은 110 ~ 130˚일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 렌즈는 곡면 영역과 상기 곡면 영역과 연결되며 상기 반사부에 안착되는 영역에 해당하는 평면 영역을 가질 수 있다.
이 경우, 상기 가상의 직선은 상기 렌즈에서 상기 곡면 영역을 통과하며 상기 평면 영역은 통과하지 아니할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 렌즈와 상기 광원 사이의 영역에는 공기층이 개재될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 반사부는 상기 광원이 실장되는 기판에 형성된 캐비티 형태로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 반사부는 상기 광원이 실장되는 리드 프레임에 형성된 캐비티 형태로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 반사부의 측벽은 상기 광원의 상면에 대하여 기울어진 경사면을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 파장변환부는 형광체 및 양자점 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 의할 경우, 광이 방출되는 방향에 대하여 백색 광의 색도 산포가 최소화되어 균일한 특성을 보일 수 있으며, 나아가, 발광소자로부터 방출된 빛이 패키지 외부로 방출됨에 있어서 손실이 최소화될 수 있는 발광소자 패키지를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 발광소자 패키지를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 발광소자 패키지를 상부에서 바라본 개략적인 평면도이다.
도 3은 도 1의 실시 형태에서 변형된 실시 형태에 따른 발광소자 패키지를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 발광소자 패키지를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 발광소자 패키지를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 6은 본 발명에서 제안하는 발광소자 패키지의 사용 예를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 발광소자 패키지를 나타내는 개략적인 단면도이다. 도 2는 도 1의 발광소자 패키지를 상부에서 바라본 개략적인 평면도이다. 또한, 도 3은 도 1의 실시 형태에서 변형된 실시 형태에 따른 발광소자 패키지를 나타내는 개략적인 단면도이다. 우선, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 발광소자 패키지(100)는 패키지 본체(101), 광원(102) 및 렌즈(103)를 포함하는 구조이다. 각 구성 요소를 설명하면, 우선, 패키지 본체(101)는 광원(102)을 둘러싸는 측벽을 구비하여 광원(102)으로부터 방출된 빛을 반사하는 반사부로서 기능한다. 이를 위하여 패키지 본체(101)는 캐비티(104)를 구비할 수 있으며, 광원(102)은 캐비티(104)의 저면에 배치될 수 있다. 또한, 패키지 본체(101)는 수지 내에 반사 필러가 분산 구조로 형성되거나 세라믹 등으로 형성되거나, 나아가, PCB 등과 같은 기판일 수도 있다. 이 경우, 도 1에 도시된 것과 같이, 패키지 본체(101)에 구비된 캐비티(104)는 광원(102)을 향하는 측벽이 광원(102)의 상면에 대하여 기울어진 경사면으로 형성되어 광원(102)에서 방출된 빛을 상부로 유도할 수 있으며, 반사 성능의 향상을 위하여 상기 측벽에는 고 반사 물질이 코팅될 수 있다. 한편, 광원(102)과의 전기적 연결을 위하여 패키지 본체(101)에는 제1 및 제2 단자부(105, 106)가 형성될 수 있으며, 필요할 경우, 도전성 와이어(W)가 구비될 수 있을 것이다.
광원(102)은 발광소자(102a) 및 발광소자(102a)의 적어도 일면(본 실시 형태에서는 상면)에 형성된 파장변환부(102b)를 포함하는 구조이다. 발광소자(102a)는 발광소자(102a)는 빛을 방출할 수 있는 소자라면 어느 것이나 사용 가능하며, 바람직하게, 발광 다이오드(LED)를 이용할 수 있다. 이 경우, 발광소자(102a)는 제1 및 제2 도전형 반도체층과 그 사이에 배치된 활성층을 구비하는 적층 구조로 이루어질 수 있으며, 예컨대, AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)과 같은 질화물 반도체를 이용하여 형성될 수 있다.
파장변환부(102b)는 발광소자(102a)로부터 방출된 빛의 파장을 다른 파장으로 변환할 수 있는 파장변환물질을 구비하며, 도 1에서 볼 수 있듯이, 이러한 파장변환물질은 실리콘 등의 수지에 분산되어 발광소자(102a)의 일면에 코팅된 구조로 채용될 수 있다. 이 경우, 파장변환부(102b)는 파장변환물질을 분산시키는 수지는 따로 구비하지 않고 파장변환물질로만 이루어질 수도 있다. 한편, 상기 파장변환물질이 형광체이고 발광소자(102a)로부터 청색 빛이 방출되는 경우, 적색 형광체로는 MAlSiNx:Re(1≤x≤5)인 질화물계 형광체 및 MD:Re인 황화물계 형광체 등이 있다. 여기서, M은 Ba, Sr, Ca, Mg 중 선택된 적어도 하나이고, D는 S, Se 및 Te 중 선택된 적어도 하나이며, Re는 Eu, Y, La, Ce, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, F, Cl, Br 및 I 중 선택된 적어도 하나이다. 또한, 녹색 형광체는 M2SiO4:Re인 규산염계 형광체, MA2D4:Re인 황화물계 형광체, β-SiAlON:Re인 형광체, MA'2O4:Re'인 산화물계 형광체 등이 있으며, M은 Ba, Sr, Ca, Mg 중 선택된 적어도 하나의 원소이고, A는 Ga, Al 및 In 중 선택된 적어도 하나이고, D는 S, Se 및 Te 중 선택된 적어도 하나이며, A'은 Sc, Y, Gd, La, Lu, Al 및 In 중 선택된 적어도 하나이며, Re는 Eu, Y, La, Ce, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, F, Cl, Br 및 I 중 선택된 적어도 하나이고, Re'는 Ce, Nd, Pm, Sm, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, F, Cl, Br 및 I 중 선택된 적어도 하나일 수 있다.
또한, 양자점은 코어(core)와 쉘(shell)로 이루어진 나노 크리스탈 입자로, 코어의 사이즈가 약 2 ~ 100nm 범위에 있다. 또한, 양자점은 코어의 사이즈를 조절함으로 청색(B), 황색(Y), 녹색(G), 적색(R)과 같은 다양한 색깔을 발광하는 형광물질로 사용될 수 있으며, II-VI족의 화합물반도체(ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, HgTe, MgTe등), III-V족의 화합물반도체 (GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, AlAs, AlP, AlSb, AlS 등) 또는 Ⅳ족 반도체(Ge, Si, Pb 등) 중 적어도 두 종류의 반도체를 이종 접합하여 양자점을 이루는 코어(core)와 쉘(shell) 구조를 형성할 수 있다. 이 경우, 양자점의 쉘(shell) 외각에 쉘 표면의 분자 결합을 종료시키거나 양자점의 응집을 억제하고 실리콘 수지나 에폭시 수지 등 수지 내에 분산성을 향상시키거나 또는 형광체 기능을 향상시키기 위해 올레인산(Oleic acid)과 같은 물질을 이용한 유기 리간드(Organic ligand)를 형성할 수도 있다.
발광소자(102a)와 파장변환부(102b)를 구비하는 광원(102)은 소정의 지향각(θ)을 갖도록 빛을 방사하며, 주된 광 방출면(본 실시 형태에서는 파장변환부 상면)에 대하여 빛이 0 ~ 180°의 각으로 퍼져나갈 경우, 지향각(θ)은 최대 광 강도(통상적으로 광원의 직상부에서의 광 강도)의 절반의 강도를 갖는 각도의 범위를 의미한다. 지향각(θ)은 광원(102) 자체의 구조적 특징에 의해 좌우되며, 본 실시 형태와 같이, 발광소자(102a)의 일면에 코팅되도록 파장변환부(102b)를 형성한 경우에는 지향각(θ)은 약 110 ~ 130°범위가 될 수 있다. 특히, 본 실시 형태의 경우, 광원(102) 상면의 일 모서리로부터 광원(102)의 지향각(θ)에 해당하는 각도로 진행하는 가상의 직선은 반사부, 즉, 패키지 본체(101)의 측벽에 접하도록 상기 측벽의 높이가 조절될 수 있다. 또한, 도 3의 변형 예에 따른 발광소자 패키지(101`)와 같이, 상기 가상 직선은 패키지 본체(101`)의 측벽과 만나도록, 즉, 지향각(θ)에 해당하는 각도록 방출된 빛은 상기 측벽에 의하여 반사되도록 상기 측벽의 높이가 조절된다. 이러한 구조에 의하여, 발광소자 패키지(102)의 지향각을 광원(102)과 유사한 수준으로 용이하게 조절할 수 있으며, 나아가, 광원(102)에서 지향각(θ)의 범위 밖, 즉, 광원(102)의 측 방향으로 방출되는 빛이 렌즈(103)의 유효면에 입사될 수 있도록 하였다.
이를 구체적으로 설명하면, 광원(102) 및 패키지 본체(101)의 상부에 배치된 렌즈(103)의 경우, 곡면 영역(C) 및 이와 연결되며 패키지 본체(101)에 안착되는 영역에 해당하는 평면 영역(F)을 가지며, 렌즈(103)의 유효면은 곡면 영역(C)에 해당한다. 본 실시 형태에서는 지향각(θ)보다 큰 각도로 진행하는 빛을 차단하도록 캐비티(104)의 측벽 높이를 조절함으로써 광원(102)으로부터 방출된 빛이 모두 렌즈(103)의 곡면 영역(C)에 입사될 수 있도록 하였다. 즉, 도 1 및 도 3에 도시된 것과 같이, 상기 가상의 직선은 렌즈(103)에서 곡면 영역(C)을 통과하며 평면 영역(F)은 통과하지 않도록 캐비티(104)의 측벽 높이가 조절됨으로써 발광소자 패키지(100)의 광 손실을 최소화할 수 있다. 한편, 렌즈(103)와 광원(102) 사이의 영역, 즉, 캐비티(104)의 나머지 영역은 투광성 수지로 채워질 수도 있으나 고의로 충진하지 않은 상태, 즉, 공기층이 개재되는 것이 바람직하다. 이는 광원(102)으로부터 방출된 빛이 2개의 면, 즉, 캐비티(104)의 공기층과 만나는 면 및 렌즈(103) 외부의 공기층과 만나는 면에서 각각 렌즈로 기능하는 곡면을 형성할 수 있으므로, 방출되는 빛의 집광 효율이 향상될 수 있기 때문이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 발광소자 패키지를 나타내는 개략적인 단면도이다. 도 4를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 발광소자 패키지(200)는 반사부를 형성하도록 캐비티(204)를 갖는 패키지 본체(201), 발광소자(202a)와 파장변환부(202b)를 갖는 광원(202) 및 렌즈(203)를 포함하는 구조로서, 앞선 실시 형태와 마찬가지로 반사부를 형성하는 패키지 본체(201)의 측벽은 광원(202)으로부터 지향각(θ)보다 큰 각도로 방출된 빛을 차단할 수 있도록 조절되며, 광원(202)으로부터 지향각(θ)에 해당하는 각도로 진행하는 빛은 렌즈(203)의 유효면으로 입사된다. 앞선 실시 형태와 차이로서, 패키지 본체(201)와 별도로 제1 및 제2 리드 프레임(201a, 201b)이 구비되며, 광원(202)은 제1 리드 프레임(201a)에 실장되고, 제2 리드 프레임(201b)과는 도전성 와이어(W)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 발광소자 패키지를 나타내는 개략적인 단면도이다. 도 5를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 발광소자 패키지(300)는 패키지 본체(301), 발광소자(302a)와 파장변환부(302b)를 갖는 광원(302) 및 렌즈(303)를 포함하는 구조이다. 앞선 실시 형태와 차이로서, 반사부는 패키지 본체가 아닌 제1 리드 프레임(301a)에 구비되며, 본 실시 형태에서는 패키지 본체를 따로 구비하지 않는다. 대신, 투광성 수지로 이루어진 렌즈(303)가 제1 및 제2 리드 프레임(301a, 301b)과 결합되며, 제1 및 제2 리드 프레임(301a, 301b)의 하면은 외부로 노출되어 방열 효과가 향상될 수 있다. 이 경우, 광원(302)은 도전성 와이어(W)에 의하여 제2 리드 프레임(301b)과 연결될 수 있을 것이다. 이러한 차이 외에 반사부의 측벽 높이 조건은 앞서와 동일하게 채용될 수 있다. 즉, 본 실시 형태의 경우에도 반사부를 형성하는 제1 리드 프레임(301a)의 측벽은 광원(302)으로부터 지향각(θ)보다 큰 각도로 방출된 빛을 차단할 수 있도록 조절되며, 광원(302)으로부터 지향각(θ)에 해당하는 각도로 진행하는 빛은 렌즈(303)의 유효면으로 입사될 수 있다.
한편, 상기와 같은 구조를 갖는 발광소자 패키지는 다양한 분야에서 응용될 수 있다. 도 6은 본 발명에서 제안하는 발광소자 패키지의 사용 예를 개략적으로 나타낸 구성도이다. 도 6을 참조하면, 조광 장치(400)는 발광 모듈(401)과 발광 모듈(401)이 배치되는 구조물(404) 및 전원 공급부(403)를 포함하여 구성되며, 발광 모듈(401)에는 본 발명에서 제안한 방식으로 얻어진 하나 이상의 발광소자 패키지(402)가 배치될 수 있다. 전원 공급부(403)는 전원을 입력받는 인터페이스(405)와 발광 모듈(401)에 공급되는 전원을 제어하는 전원 제어부(406)를 포함할 수 있다. 이 경우, 인터페이스(405)는 과전류를 차단하는 퓨즈와 전자파장애신호를 차폐하는 전자파 차폐필터를 포함할 수 있다.
전원 제어부(406)는 전원으로 교류 전원이 입력되는 경우, 전원 제어부는 교류를 직류로 변환하는 정류부와, 발광 모듈(401)에 적합한 전압으로 변환시켜주는 정전압 제어부를 구비할 수 있다. 만일, 전원 자체가 발광 모듈(401)에 적합한 전압을 갖는 직류원(예를 들어, 전지)이라면, 정류부나 정전압 제어부를 생략될 수도 있을 것이다. 또한, 발광 모듈(401)의 자체가 AC-LED와 같은 소자를 채용하는 경우, 교류 전원이 직접 발광 모듈(401)에 공급될 수 있으며, 이 경우도 정류부나 정전압 제어부를 생략될 수도 있을 것이다. 나아가, 전원 제어부는 색 온도 등을 제어하여 인간 감성에 따른 조명 연출을 가능하게 할 수도 있다. 또한, 전원 공급부(403)는 발광소자 패키지(402)의 발광량과 미리 설정된 광량 간의 비교를 수행하는 피드백 회로 장치와 원하는 휘도나 연색성 등의 정보가 저장된 메모리 장치를 포함할 수 있다.
이러한 조광 장치(400)는 화상 패널을 구비하는 액정표시장치 등의 디스플레이 장치에 이용되는 백라이트 유닛이나 램프, 평판 조명 등의 실내 조명 또는 가로등, 간판, 표지판 등의 실외 조명 장치로 사용될 수 있으며, 또한, 다양한 교통수단용 조명 장치, 예컨대, 자동차, 선박, 항공기 등에 이용될 수 있다. 나아가, TV, 냉장고 등의 가전 제품이나 의료기기 등에도 널리 이용될 수 있을 것이다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
101: 패키지 본체 102: 광원
102a: 발광소자 102b: 파장변환부
103: 렌즈 104: 캐비티
105, 106: 제1 및 제2 단자부 W: 도전성 와이어
201a, 201b: 제1 및 제2 리드 프레임
301a, 301b: 제1 및 제2 리드 프레임

Claims (9)

  1. 발광소자 및 상기 발광소자의 적어도 일면에 형성된 파장변환부를 포함하는 광원;
    상기 광원을 둘러싸는 측벽을 구비하는 반사부;
    상기 광원 및 반사부의 상부에 배치된 렌즈;를 포함하며,
    상기 광원 상면의 일 모서리로부터 상기 광원의 지향각에 해당하는 각도로 진행하는 가상의 직선은 상기 측벽과 만나거나 상기 측벽의 최상단과 접하는 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원의 지향각은 110 ~ 130˚인 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈는 곡면 영역과 상기 곡면 영역과 연결되며 상기 반사부에 안착되는 영역에 해당하는 평면 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가상의 직선은 상기 렌즈에서 상기 곡면 영역을 통과하며 상기 평면 영역은 통과하지 아니하는 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈와 상기 광원 사이의 영역에는 공기층이 개재된 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반사부는 상기 광원이 실장되는 기판에 형성된 캐비티 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반사부는 상기 광원이 실장되는 리드 프레임에 형성된 캐비티 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반사부의 측벽은 상기 광원의 상면에 대하여 기울어진 경사면을 갖는 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 파장변환부는 형광체 및 양자점 중 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지.
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