KR20120120187A - 새로운 광학 코팅을 채용한 ｌｅｄ 디바이스 아키텍처 및 제조방법 - Google Patents
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Abstract
개선된 LED 디바이스가 개시되는데, 본 LED 디바이스는 에너지 소스와 연결되어 있고, 제1 파장 범위 내의 제1 전자기 신호 및 적어도 제2 파장 범위 내의 적어도 제2 전자기 신호를 방출하도록 구성되어 있는 적어도 하나의 액티브 층, 액티브 층을 지지하도록 구성된 기판, 기판의 하나의 면에 적용되는 실리콘 카바이드와 알루미나의 교대하는 층으로부터 형성된 적어도 하나는 코팅층, 코팅층에 적용되고 제2 파장 범위의 제2 전자기 신호를 투과하도록 구성되어 있는 적어도 하나의 금속층, 액티브 층을 캡슐화하기 위해 놓여진 캡슐화 디바이스를 포함하고, 상기 코팅층은 제1 파장 범위의 제1 전자기 신호의 적어도 95%를 반사하고, 제2 파장 범위의 제2 전자기 신호의 적어도 95%를 투과하도록 구성된다.
Description
발광 다이오드(이하 LED라 함)는 UV, 가시광, 및 적외선 파장의 비교적 강한 발광성 출력을 가진 전자 광원이다. 현재, 이러한 디바이스가 백열등과 같은 종래의 조명 방법을 능가하는 다수의 장점이 존재한다. LED 디바이스의 예시적인 장점은 낮은 에너지 소비, 긴 수명, 향상된 견고함, 더 작은 크기, 및 신속한 스위칭을 포함한다. 적색, 녹색, 및 청색 LED는 수년동안 흔해 졌으며, 현재 디스플레이 조명, 생물의학 형광 기기(biomedical fluorescence instrumentation), 및 방대한 어레이의 상용 애플리케이션을 포함한 다수의 애플리케이션에서 사용된다. 최근에, 새로운 고출력 백색 LED의 사용이 크게 늘어났다. 이러한 백색광 LED에 대한 일반적인 사용은 아키텍처 애플리케이션, 자동차 애플리케이션, 및 다른 조명 용도를 포함한다. 다른 광원들과 경쟁하기 위해, 백색 LED는 최적의 효율을 달성해야 한다. 이상적으로, 고출력 LED(이하 HPLED라 함) 제조자는 대략 150 L/W 이상의 효율을 가진 백색 LED를 제공하고자 한다.
백색 LED는 일반적으로 청색 LED의 구조를 변경함으로써 만들어진다. 청색 LED는 인듐 갈륨 질화물(InGaN)과 같은 넓은 밴드갭 반도체 에피택셜(epitaxial) 재료로 제조된다. 형광(fluorescence)을 채용함으로써, LED의 청색 스펙트럼의 출력은 후속하여 백색을 형광하는 봉지재(encapsulant)로의 청색 광자의 흡수로 인해 백색광으로 변환된다. 도 1-3은 전형적인 백색광 LED의 단면도를 도시한다. 도시된 바와 같이, LED 디바이스(1)는 기판(5) 상에 놓여진 적어도 하나의 광 생성 액티브 층(3)을 포함한다. 예시적인 기판은 전형적으로 실리카 기판, 및 사파이어 기판은 물론 다른 재료를 포함한다. 반사 재료층(7)은 기판(5)의 표면에 적용된다. 또한, 도핑된 캡슐화 디바이스(9)가 기판에 적용되고, 그로인해 기판 내에 광 생성 액티브 층(3)을 밀봉한다. 전형적인 도핑 재료는 인광물질(phosphor) 및 특정한 파장으로 조명된 때 백색광을 산출하도록 형광하게 구성된 다른 재료를 포함한다. 예를 들어, 인광물질은 대략 450nm의 파장을 가진 광(11)으로 조명된 때 형광하도록 구성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, LED 디바이스(1)의 청색 스펙트럼 출력은 다방향성(multidirectional)이다. 형광을 야기할 수 있는 파장을 가진 몇몇 전자기 방사선(11a)은 도핑된 캡슐화 디바이스(9)로 바로 방출되어 도핑 재료가 대체로 백색 광을 형광하게 만든다. 또한 광 생성 액티브 층(3)의 다방향성 출력으로 인해, 뒤로 방출된 광(11b)은 기판(5)에 적용된 금속층(7)에 의해 반사되고, 캡슐화 디바이스(9)로 향한다. 이러한 반사된 출력(13b)은 또한 캡슐화 디바이스(9)의 도핑 재료의 형광을 야기한다. 금속층(7)이 LED 디바이스(1)의 출력을 증가시키는 다소 유용하긴 하지만, 많은 단점들이 발견되었다. 예컨대, 금속층(7)은 캡슐화 디바이스(9) 내의 도핑 재료를 형광시킬 수 있는 입사광의 대략 85% 내지 90%를 반사할 수 있다. 이와 같이, 이러한 LED 디바이스(1)의 효율(예컨대, L/W)은 최적이 아니다. 이상적으로, 금속층(7)은 도핑 재료의 형광에 영향을 미치는 파장에서 100%에 근접한 반사율을 가져야 하지만, 이는 현재 달성할 수 없는 것으로 입증되었다. 앞서 언급한 바와 같이, 현재 사용가능한 디바이스는 입사광의 대략 85% 내지 대략 90%를 반사할 수 있는 알루미늄 층(7)을 포함한다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 뒤로 방출된 광(11c)의 일부는 다양한 각도로 반사 알루미늄 층(7)으로 입사할 수 있다. 이상적으로 반사층(7)은 모든 가능한 입사각에서 뒤로 방출된 광(11c)의 대략 100%를 반사하여, 반사된 각도의 뒤로 방출된 광(11c)을 캡슐화 디바이스(9)로 지향시키고, 디바이스 효율을 증가시켜야 한다. 불행하게도, 현재의 기술의 금속 반사층(7)은 그러한 매우 큰 각도에서 추가적인 반사 손실을 겪고 있고, 이는 훨씬 더 나쁜 LED 광 출력을 야기한다.
뒤로 방출된 광을 반사하는 것과 더불어, 금속 반사층(7)은 디바이스의 열 특성을 강화시키기 위한 히트싱크(heat-sink) 역할을 할 수 있다. 이 때문에, LED 디바이스를 형성하는 LED 서브컴포넌트들은 LED 디바이스를 지지하는 히트싱크 또는 재료 기판에 사용하는 동안 발생된 열을 전도하도록 구성된 열 특성을 가진 재료로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 반사 재료(7)는 구리, 은, 또는 알루미늄을 포함할 수 있고, 기판(5)으로부터의 열을 (도시되지 않은) 설치 구조로 효과적으로 전달하는 것이 가능하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 바람직하지 않은 적외선 방사선(15)이 전하가 인가된 때 광 생성 액티브 층(3)에 의해 산출될 수 있다. 하나의 실시예에서, 기판(5)은 그것을 통해 열을 분산하도록 구성된다. 이와 같이, 기판(5)은 히트싱크를 형성할 수 있다. 또한, 기판(5)에 적용된 반사층(7)은 또한 그것을 통해 열을 전달하도록 구성될 수 있다. 그러나, 적어도 일부의 적외선(15)은 반사 재료(7)에 의해, 또는 기판-반사 재료 경계에서 반사될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 애플리케이션에서, 적외선(15)의 대략 20%는 반사층(7), 또는 기판-반사층 경계에 의해 광 생성 액티브 층(3)으로 다시 반사될 수 있다. 이러한 반사된 적외선(17)은 LED 디바이스(1)의 성능 저하를 야기한다. 심각한 경우, 반사된 적외선(17)은 과도한 열로 인해 LED 디바이스(1)의 재해적 고장(catastrophic failure)을 야기할 수 있다.
그러므로, 앞선 내용을 고려하여, 현재 사용가능한 것보다 더 높은 효율성을 제공하는 고출력 LED 디바이스에 대한 지속적인 필요성이 존재한다.
본 출원은 다양한 실시예의 개선된 LED 디바이스 아키텍처 및 그것을 제조하는 다양한 방법을 개시한다. 종래기술의 디바이스와 달리, 본 명세서에 개시된 디바이스 아키텍처는 디바이스 효율 및 밝기를 향상시키도록 구성된 기판에 적용된 적어도 하나의 코팅층을 포함한다.
하나의 실시예로서, 본 출원은 개선된 LED 디바이스를 개시하는데, 본 디바이스는 액티브 층을 지지하도록 구성된 기판, 기판의 하나의 면에 적용되는 적어도 하나의 코팅층, 기판상에 놓여져 있고, 제1 파장 범위 내의 제1 전자기 신호 및 적어도 제2 파장 범위 내의 적어도 제2 전자기 신호를 방출하도록 구성된 에너지원과 연결되어 있는 적어도 하나의 액티브 층, 및 액티브 층을 캡슐화하기 위해 놓여진 캡슐화 디바이스를 포함하고, 상기 코팅층은 실리콘 카바이드와 알루미나의 교대하는 박막의 층으로부터 형성되고, 상기 코팅층은 제1 파장 범위의 제1 전자기 신호의 적어도 95%를 반사하고, 제2 파장 범위의 제2 전자기 신호의 적어도 95%를 투과시키도록 구성된다.
다른 실시예에서, 본 발명은 개선된 LED 디바이스를 개시하는데, 본 디바이스는 액티브 층을 지지하도록 구성된 기판, 기판의 하나의 면에 적용된 적어도 하나의 코팅층, 코팅층에 적용된 적어도 하나의 금속층, 기판상에 놓여져 있고 제1 파장 범위 내의 제1 전자기 신호 및 적어도 제2 파장 범위 내의 적어도 제2 전자기 신호를 방출하도록 구성된 에너지 소스와 연결되어 있는 적어도 하나의 액티브 층, 및 액티브 층을 캡슐화하기 위해 놓여진 캡슐화 디바이스를 포함하고, 상기 코팅층은 실리콘 카바이드와 알루미나의 교대하는 박막의 층으로부터 형성되고, 상기 코팅층은 제1 파장 범위의 제1 전자기 신호의 적어도 95%를 대략 0도에서 대략 90도까지의 모든 각도에서 반사하고, 제2 파장 범위의 제2 전자기 신호의 적어도 95%를 투과시킨다.
본 발명은 또한 LED 디바이스를 제조하는 다양한 방법을 개시한다. 하나의 실시예에서, 본 발명은 LED 디바이스 제조 방법을 개시하는데, 본 방법은 기판에 실리콘 카바이드와 알루미나의 교대하는 층으로부터 형성된 적어도 하나의 코팅층을 적용하는 단계, 기판에 전하가 가해진 때 제1 파장 범위 내의 전자기 방사선 및 적어도 제2 파장 범위 내의 적어도 제2 전자기 방사선을 방출할 수 있는 에피택시 층을 성장시키는 단계, 및 캡슐화 디바이스 내에 적어도 액티브 층을 캡슐화하는 단계를 포함하고, 상기 코팅은 제1 파장 범위의 제1 전자기 신호의 적어도 95%를 반사하고, 제2 파장 범위의 제2 전자기 신호의 적어도 95%를 기판의 하나의 면으로 투과시키도록 구성된다.
다른 실시예에서, 본 발명은 LED 디바이스를 제조하는 방법을 개시하는데, 본 방법은 실리콘 카바이드 기판을 제공하는 단계, 기판에 전하가 가해진 때 제1 파장 범위 내의 전자기 방사선, 및 적어도 제2 파장 범위 내의 적어도 제2 전자기 방사선을 방출할 수 있는 에피택시 층을 성장시키는 단계, 기판에 실리콘 카바이드와 알루미나의 교대하는 층으로부터 형성된 적어도 하나의 코팅층을 적용하는 단계, 및 캡슐화 디바이스 내에 적어도 액티브 층을 캡슐화하는 단계를 포함하고, 상기 코팅은 제1 파장 범위의 제1 전자기 신호의 적어도 95%를 반사하고, 제2 파장 범위의 제2 전자기 신호의 적어도 95%를 기판의 하나의 면으로 투과시키도록 구성된다.
본 명세서에 개시된 개선된 LED 디바이스 아키텍처의 실시예의 다른 특징 및 장점들은 아래의 상세한 설명을 참조하여 명백해질 것이다.
다양한 향상된 성능의 LED 디바이스 아키텍처가 첨부된 도면을 통해 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 종래기술의 하나의 실시예의 LED 디바이스의 단면도를 도시한다.
도 2는 종래기술의 하나의 실시예의 LED 디바이스의 단면도를 도시하는데, 사용하는 동안 제1 파장 범위 내의 전자기 방사선의 일부분이 금속층에 의해 반사될 것이다.
도 3은 종래기술의 하나의 실시예의 LED 디바이스의 단면도 및 사용하는 동안 제2 파장 내의 전자기 방사선의 일부를 도시한다.
도 4는 기판의 하나의 면에 적용된 코팅층을 가진 새로운 LED 디바이스의 하나의 실시예의 단면도를 도시하는데, 이 코팅층은 제1 파장 범위 내의 제1 전자기 방사선의 반사율을 향상시키도록 구성되어 있다.
도 5는 Ti02-Si02 코팅층을 가진 새로운 LED 디바이스 아키텍처의 반사 성능과 비교되는 SiC-Al203 코팅층을 가진 새로운 LED 디바이스 아키텍처의 반사 성능을 도식적으로 보여준다.
도 1은 종래기술의 하나의 실시예의 LED 디바이스의 단면도를 도시한다.
도 2는 종래기술의 하나의 실시예의 LED 디바이스의 단면도를 도시하는데, 사용하는 동안 제1 파장 범위 내의 전자기 방사선의 일부분이 금속층에 의해 반사될 것이다.
도 3은 종래기술의 하나의 실시예의 LED 디바이스의 단면도 및 사용하는 동안 제2 파장 내의 전자기 방사선의 일부를 도시한다.
도 4는 기판의 하나의 면에 적용된 코팅층을 가진 새로운 LED 디바이스의 하나의 실시예의 단면도를 도시하는데, 이 코팅층은 제1 파장 범위 내의 제1 전자기 방사선의 반사율을 향상시키도록 구성되어 있다.
도 5는 Ti02-Si02 코팅층을 가진 새로운 LED 디바이스 아키텍처의 반사 성능과 비교되는 SiC-Al203 코팅층을 가진 새로운 LED 디바이스 아키텍처의 반사 성능을 도식적으로 보여준다.
도 4는 하나의 실시예의 고출력 LED 디바이스의 단면도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 개선된 LED 디바이스(20)는 적어도 하나의 기판(24) 상에 또는 그 부근에 위치하는 적어도 하나의 액티브 층(22)을 포함한다. 하나의 실시예에서, 액티브 층(22)은 광 생성 액티브 층(22)을 포함한다. 옵션으로서, 하나의 광 생성 액티브 층(22)이 기판(24) 상에 놓여질 수 있다. 옵션으로서, 임의의 개수의 액티브 층(22)이 기판(24) 상에 놓여질 수 있다. 이와 같이, 액티브 층(22)은 다중양자우물(multi quantum well) 디바이스 또는 구조를 포함할 수 있다. 액티브 층(22)이 적어도 하나의 에너지원과 연결될 수 있고, 그러므로 그것에 적어도 하나의 전기 신호를 제공하도록 구성된 적어도 하나의 (도시되지 않은) 전기적 연결 디바이스를 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 하나의 실시예에서, 기판(24)은 실리콘 카바이드 기판을 포함한다. 옵션으로서, 임의의 다양한 재료들이 기판(24)을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 예시적인 기판 재료는 실리카, 사파이어, 다양한 복합 재료 등을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 또한, 기판(24)은 기판을 통해 실질적으로 모든 전자기 방사선을 투과하도록 구성될 수 있다.
도 4를 다시 참조하면, 종래기술의 디바이스와 마찬가지로, 본 LED 디바이스(20)는 디바이스에 적용된 금속층(28)을 포함한다. 옵션으로서, LED 디바이스(20)는 금속층(28) 없이 제조될 수도 있다. 이와 같이, LED 디바이스(20)는 LED 디바이스(20)를 (도시되지 않은) 재료 기판에 연결하도록 구성된 열 페이스트(paste) 또는 유사한 접착제를 포함할 수 있다. 예시적인 재료 기판은 히트싱크, 인쇄회로기판 등을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 종래기술의 디바이스와 마찬가지로, 금속층(28) 또는 열 페이스트는, 존재한다면, 뒤로 방출된 전자기 방사선을 액티브 층(22)과 근접하게 위치한 적어도 하나의 도핑된 캡슐화 디바이스(30)로 반사하도록 구성된다. 그러나, 종래기술의 디바이스와 달리, 본 명세서에 개시된 개선된 LED 디바이스(20)는 기판(24)의 일면에 적용된 적어도 하나의 코팅층(26)을 포함한다. 본 명세서에 개시된 개선된 LED 디바이스(20) 상에 코팅층(26)을 포함하는 것은 0도 -90도의 모든 가능한 입사각에서, 기판(24) 내의 실질적으로 모든 광의 최적의 광 반사율을 달성하도록 구성되고, 그로 인해 LED 디바이스(20)의 출력이 증가한다.
옵션으로서, 코팅층(26)은 기판(24)의 임의의 면에 적용될 수 있다. 예컨대, 도 5는 액티브 층(22)과 근접하게 위치한 코팅층(26)을 가진 LED 구성을 도시한다. 이와 대조적으로, 도 6은 액티브 층(22)과 근접하게 위치한 제1 코팅층(26), 및 기판(24) 및 금속층(28)과 근접하게 위치한 제2 코팅층(26)을 포함하는 LED 구성을 도시한다. 도 5 및 6을 참조하면, 액티브 층(22)과 근접하게 코팅층(26)을 위치시키는 것은 내부 기판 광 산란, 및 광 파이핑(light-piping)(LED 칩 가장자리를 통한 손실)으로 인한 광 손실을 제거함으로써 LED 빛을 증가시킬 수 있다. 그 결과, 본 실시예는 액티브 층(22)에 의해 발생된 바람직한 UV 또는 가시광을 효과적으로 방출함과 동시에, 손상을 일으키는 더 긴 파장의 적외선을 기판(24)을 통해 금속층(28) 및/또는 그것에 연결된 히트싱크를 통해 결국 제거되도록 반사함으로써, 종래기술의 디바이스를 능가하는 향상된 성능을 제공한다. 하나의 실시예에서, 코팅층(26)을 적용하는 방법은 실질적으로 습기를 흡수하지 않고, 디바이스 품질, 수명, 및 성능을 컴프로마이징(compromise)할 수 있는 안정적이고 단단하고 밀집된 비투과성 비결정질 코팅을 산출한다.
도 4를 다시 참조하면, 코팅층(26)은 높은 굴절율을 가진 재료와 낮은 굴절율을 가진 재료의 교대하는 층을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 코팅층(26)은 2개의 높은 열전도성 재료: 알루미나(사파이어)와 실리콘 카바이드의 새로운 조합으로 이루어진다. 사용하는 동안, 다층 광 코팅이 노출될 수 있는 최대 온도는 사용된 광 코팅 재료의 열 팽창 및 수축 계수(표 1)의 차이에 의해 제한될 수 있다. 큰 차이는 최대 노출 온도의 감소를 야기할 수 있다. 전형적인 내화 금속 산화물(refractory-metal oxide) 기반의 (석영 및 티타늄 디옥사이드와 같은) 광 코팅에 대하여, 그들의 열 팽창 계수의 비는 크다(15:1). 높은 온도(예컨대, 600도씨 초과)에서, 이러한 재료들은 상이하게 팽창하고 수축할 수 있어, 코팅 파괴를 일으킬 수 있다. 이와 대조적으로, 박막 필름의 실리콘 카바이드 및 알루미나의 사용은 그들의 거의 동등한 열 팽창 계수로 인해 손상없이 1000 도씨 이상의 극한 온도에 노출될 수 있다. 또한, 기판, 실리콘 카바이드, 및 알루미나 사이의 열 팽창 계수가 거의 같기 때문에, 버진(virgin) 기판(예컨대, 사파이어, 또는 실리콘 카바이드)은 에피택시가 일어나기 전에 교대의 실리콘 카바이드/알루미나 코팅층으로 먼저 코팅될 수 있다. 이러한 옵션은 뒤틀린 기판의 응력 밸런싱(평탄화) 및 위험 감소(임의의 에러는 이러한 코팅을 연마(polishing)하고, 값비싼 에피택시 층에 손상을 줄 위험없이 프로세스를 반복함으로써, 해소될 수 있음)를 포함하여 LED를 제조하는 동안 상당한 이점을 제공하지만, 이에 제한되지는 않는다.
코팅층(26)은 대략 0도 내지 대략 90도의 모든 각도에서 대략 430nm 내지 대략 500nm의 파장을 가진 전자기 방사선의 적어도 90%를 반사하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 코팅층(26)은 대략 0도 내지 대략 90도의 모든 각도에서 대략 430nm 내지 대략 500nm의 파장을 가진 전자기 방사선의 적어도 대략 95%를 반사하도록 구성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 코팅층(26)은 대략 0도 내지 대략 90도의 모든 각도에서 대략 430nm 내지 대략 500nm의 파장을 가진 전자기 방사선의 적어도 대략 98%를 반사하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 코팅층(26)은 대략 0도 내지 대략 90도의 모든 각도에서 대략 430nm 내지 대략 500nm의 파장을 가진 전자기 방사선의 적어도 대략 99%를 반사하도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 코팅층(26)은 대략 0도에서 대략 90도까지의 모든 입사 각도에서 임의의 바람직한 파장 대역의 반사를 최적화하도록 구성될 수 있다. 당업자들은 임의의 다양한 바람직한 파장 범위 내에서 대략 0도에서 대략 90도까지의 모든 각도에서 전자기 방사선의 적어도 대략 95%를 선택적으로 반사하도록 구성될 수 있음을 이해해야 한다.
반사 알루미늄 층(28)의 반사율을 강화하는 것과 더불어, 몇몇 실시예에서, LED 디바이스(20)로부터의 열의 배출을 최대화하여, 열과 관계된 고장 가능성을 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 향상된 열 관리는 또한 LED 디바이스(20)에 인가될 수 있는 파워의 크기를 증가시키는 것을 허용하여, 밝기의 추가적인 증가를 야기한다. 사용하는 동안 액티브 층(22)에 의해 발생되는 열은 금속층(28)에 의해 결국 흡수되거나 소멸되도록 기판(24)을 통해 지향될 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 코팅층(26)은 낮은 굴절율 재료와 높은 굴절율 재료의 교대의 박막을 포함할 수 있다. 이러한 박막들은 각각 대략 5nm에서 대략 1000nm까지 범위의 물리적 두께일 수 있다. 표 1은 본 명세서에 개시된 개선된 LED 디바이스와 함께 사용될 수 있는 전형적인 박막 광 재료의 반사율 및 열 특성을 요약한다. 하나의 실시예에서, 낮은 굴절율 및 높은 굴절율 재료의 시퀀스는 반사율을 최적화하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 광 코팅층(26)은 알루미나 및 실리콘 카바이드와 같은 높은 열전도율의 박막 재료를 채용함으로써 광 코팅층(26)을 통한 열 전달을 최적화하도록 구성된다. 또 다른 실시예에서, 광 코팅층(26)은 또한 높은 열전도율의 박막 재료를 채용함으로써 코팅층(26)을 통한 열 전달 및 반사율을 최적화하도록 구성된다. 또 다른 실시예에서, 광 코팅층(26)은 또한 표준 알루미늄이 아니라 높은 열전도율의 구리 또는 구리 합금 히트싱크의 사용과 함께 높은 열전도율의 박막 재료를 채용함으로써 코팅층(26)을 통한 열 전달 및 반사율을 최적화하도록 구성된다.
표 1에 서술된 바와 같이, 현재기술의 다층 광 코팅(예컨대, Si02 / Ti02)의 평균 열 전도율은 대략 10.6 W/m K이다. 이와 대조적으로, 본 명세서에 개시된 다층 광 코팅(알루미나/실리콘 카바이드)의 열 전도율은 대략 81 W/m K이고, 종래기술의 아키텍처보다 열 전도에서 대략 800%의 향상을 나타낸다. 또한, 표 1에 서술된 바와 같이, LED에 일반적으로 채용되는 현재기술의 히트 싱크 재료(알루미늄)는 구리로 만들어진 옵션의 히트 싱크와 비교하면 낮은 열 전도율을 가진다. 이러한 히트 싱크 재료로서 구리(또는 구리를 함유한 합금)를 채용함으로써, 알루미나/실리콘 카바이드 광 코팅과 함께 결합된 때, 종래기술의 아키텍처와 비교하면, 거의 1600%의 네트 열(net thermal) 개선이 이루어진다.
도 5는 내화 금속 산화물(61)(Si02 및 Ti02)로부터 형성된 광 코팅과 비교되는, 본 명세서에 개시된 광 코팅(60)의 광 성능(퍼센트 반사율 대 파장)의 하나의 예이다. 동일한 광 코팅 디자인(동일한 물리적 두께를 가진 높은 굴절율 및 낮은 굴절율의 박막의 동일한 시퀀스)을 사용하여, 이러한 새로운 다층 알루미나(A1203) 및 실리콘 카바이드(SiC) 기반의 코팅의 광 성능은 내화 금속 산화물 코팅에 의해 제공되는 것과, 범위 440nm - 460nm 내에서 실질적으로 동일한 반사율을 제공한다. 이와 같이, 본 명세서에 개시된 광 코팅은 광 출력을 광학적으로 최대화(광 손실의 최소화)함과 동시에, 현재의 디바이스 아키텍처를 능가하는 효율적인 열 전도 관리를 위한 높은 열 전도성을 제공함으로써, 향상된 네트 LED 효율(L/W)을 제공한다.
다시 도 4를 참조하면, 하나의 실시예로서, LED 디바이스(20)의 제조는 적어도 하나의 기판(24) 상에 적어도 하나의 액티브 층(22)을 성장시키는 것을 통해 시작할 수 있다. 하나의 실시예로서, 액티브 층(22)은 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)의 에피택시 프로세스를 통해 형성되지만, 당업자들은 임의의 다양한 기술이 기판(24) 상에 액티브 층(22)을 형성하기 위해 사용될 수 있음을 이해될 것이다. 전형적으로, MOCVD 프로세스는 매우 높은 기판 온도(예컨대, 1000 도씨)에서 액티브 층(22)을 성장시킬 것이다. 그 다음, 기판(24) 상에 제공된 액티브 층(22)과 함께, LED 디바이스는 최종적인 구성으로 프로세싱될 수 있다. 최종 프로세싱은 액티브 층(22) 반대편의 기판(24) 면에 적어도 하나의 광 코팅층(26)(알루미나 및 실리콘 카바이드 층)을 적용하는 것을 포함할 수 있다. 옵션으로서, 하나 이상의 금속층(28)이 옵션의 코팅층(26)에 적용될 수 있다.
대안으로서, 종래기술의 내화 금속 산화물을 사용하는 광 코팅과 달리, 본 명세서에 개시된 광 코팅층(26)을 형성하는 알루미나 및 실리콘 카바이드는 에피택셜 MOCVD 프로세스의 극심한 온도를 견딜 수 있다. 이와 같이, 추후 증착되어야 하는 표준 금속 산화물 기반의 광 코팅과 달리, 본 발명의 광 코팅층(26)은 MOCVD 프로세스 이전에 적용될 수 있다. 그 다음, 액티브 층(22)은 광학적으로 코팅된 기판(24) 상에서 성장될 수 있다. 이와 달리, 만약 표준 코팅(내화 금속 산화물)이 이러한 극심한 온도에 노출된다면, 표준 코팅은 갈라짐, 벗겨짐, 찌그러짐, 및 균열을 겪을 것이다. 표 2는 하나의 예시적인 내화 금속 산화물 기반의 코팅과 비교되는, 알루미나-실리콘 카바이드 기반의 광 코팅의 열 특성을 상세하게 보여준다.
다층 광 코팅이 노출될 수 있는 최대 온도는 사용된 광 코팅 재료의 열 팽창 및 수축의 차이(더불어 기판과 비교한 코팅의 열 팽창의 차이)에 의해 제한된다. 큰 차이는 허용가능한 최대 온도의 감소를 야기한다. (석영 및 티타늄 디옥사이드와 같은) 예시적인 내화 금속 산화물 기반의 광 코팅에 대하여, 이러한 열 팽창 계소위 비율은 매우 크다(15:1). 높은 온도에서, 이러한 열 팽창 계수의 차이는 종종 층간 코팅의 손상을 일으킨다. 또한, 아래에 놓인 사파이어 기판과 비교한 열 팽창 계수의 비율은 또한 매우 높은데(사파이어 상의 TiO2에 대하여 2:1 및 사파이어 상의 SiO2에 대하여 7:1), 이 또한 높은 온도에 노출된 때 코팅 박리 문제를 일으킬 수 있다. 결과적으로, 내화 금속 산화물 기반의 광 코팅을 사용하는 LED 디바이스에 대한 전형적인 최대 노출 온도는 450 - 550 도씨이고, 이는 에피택시 프로세스의 1000도씨 온도보다 매우 낮은 것이다. 이와 대조적으로, 본 명세서에 서술된 광 코팅층(26)을 형성하기 위해 알루미나 및 실리콘 카바이드의 사용은 광 코팅층(26)이 그들의 유사한 열 팽창 계수로 인해 열화없이 극심한 에피택시 온도에 노출되는 것을 가능하게 한다. 이들의 팽창 계수의 비율은 단지 1.07:1이다. 또한, 아래에 놓인 사파이어 기판에 대한 알루미나의 비율은 1:1이고, 아래에 놓인 사파이어 기판에 대한 실리콘 카바이드의 비율은 1.07:1이다. 결과적으로, 버진 사파이어 기판은 에피택시가 일어나기 전에 알루미나-실리콘 카바이드 코팅층(26)으로 사전 코팅될 수 있다. 또한, 코팅 프로세스에서 발성하는 임의의 에러는 이러한 코팅을 연마하고, 코팅 프로세스를 반복함으로써 해소될 수 있다. 이와 같이, 제조 위험이 최소화된다. 그 다음, 사전 코팅된 기판은 후속하여 액티브 층(22)의 에피택시 성장을 위한 고온 MOCVD 프로세스를 거치고, 이어서 최종 디바이스 프로세싱을 거친다.
앞서 서술되고 도 4에 도시된 바와 같이, 코팅층(26)은 코팅층을 통해 제1 파장 범위의 모든 광을 실질적으로 반사하고, 제2 파장 범위의 모든 광을 실질적으로 투과하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 코팅층(26)은 대략 430nm 내지 대략 500nm의 파장을 가진 전자기 방사선의 적어도 90%를 반사하고, 대략 750nm보다 큰 파장을 가진 전자기 방사선의 적어도 90%를 투과하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 코팅층(26)은 대략 430nm 내지 대략 500nm의 파장을 가진 전자기 방사선의 적어도 대략 95%를 반사하고, 대략 500nm보다 큰 파장을 가진 전자기 방사선의 적어도 대략 95%를 투과하도록 구성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 코팅층(26)은 대략 430nm 내지 대략 500nm의 파장을 가진 전자기 방사선의 적어도 대략 98%를 반사하고, 대략 750nm보다 큰 파장을 가진 전자기 방사선의 적어도 대략 98%를 투과하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 코팅층(26)은 대략 430nm 내지 대략 500nm의 파장을 가진 전자기 방사선의 적어도 대략 99%를 반사하고, 대략 750nm보다 큰 파장을 가진 전자기 방사선의 적어도 대략 99%를 투과하도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 코팅층(26)은 캡슐화 디바이스(30) 내의 도핑 재료의 형광을 향상시키기 위해 원하는 제1 파장의 반사를 최적화하고, 동시에 기판-금속층 경계에서 제2 파장(예컨대, 적외선)의 전자기 방사선의 후방 반사를 감소시켜, 금속층(28)을 통한 열 전달을 향상시키도록 구성될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 캡슐화 디바이스(30)는 개선된 LED 디바이스(20) 상에 놓여질 수 있다. 캡슐화 디바이스(30)는 그 안에 임의의 다양한 도펀트 또는 도핑 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 캡슐화 디바이스(30)는 대략 400nm 내지 대략 525nm의 파장 범위를 가진 전자기 방사선으로 조사된 때 백색 광을 형광하도록 구성된 인광물질을 포함한다. 다른 실시예에서, 캡슐화 디바이스는 액티브 층(22)에 의해 방출된 임의의 파장의 전자기 방사선으로 조명된 때 임의의 다양한 파장에서 광을 방출하고 형광하도록 구성된 하나 이상의 도핑 재료를 포함한다. 옵션으로서, 복수의 도핑 재료가 동시에 사용될 수 있다. 캡슐화 디바이스(30)는 임의의 다양한 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 캡슐화 디바이스(30)는 액티브 층(22)에 유체로 적용된 에폭시 재료를 포함한다. 다른 실시예에서, 캡슐화 디바이스(30)는 액티브 층(22)에 결합되거나 고정되는 물리적 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 캡슐화 디바이스(30)는 광학 렌즈를 형성할 수 있다. 예시적인 광학 렌즈는 오목 렌즈, 볼록 렌즈, 프레넬 렌즈 등을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 하나의 실시예에서, 캡슐화 디바이스(30)는 개선된 LED 디바이스(20)와 밀봉된 관계로 연결되도록 구성된다. 예를 들어, 캡슐화 디바이스(30)는 개선된 LED 디바이스(20)와 밀폐봉합된(hermetically sealed) 관계로 연결될 수 있다.
예시
다층 유전체 광 코팅(26)은 각각의 LED 다층 반도체 엘리먼트(22)가 기판의 윗면 상에서 에피택셜하게 성장하는 2" DIA 사파이어 기판(24)의 뒷면 전체에 직접적으로 균일하게 적용된다(각각의 다이 크기는 대략 1.0mm2보다 작다). 이러한 경우에, LED는 440nm - 460nm의 파장 범위 내의 청색 광을 방출한다. 광 코팅(26)은 캡슐화 디바이스(30)가 적용되기 전에 적용된다. 원하는 결과적인 스펙트럼 성능을 최적화하도록 선택된 물리적 두께를 가진 교대의 높은 굴절율 및 낮은 굴절율의 박막들이 층착된다(선택된 가시광 파장 대역 440nm - 460nm 내에서 최대 광 반사율). 이러한 특수한 경우에, 높은 열전도율의 실리콘 카바이드는 높은 굴절율(450nm에서 대략 2.8의 굴절율)의 재료용으로 채용되고, 높은 열전도율의 알루미나는 낮은 굴절율(450nm에서 대략 1.6의 굴절율)의 재료로서 채용된다. 대표적인 다층 광 코팅은 다음과 같다:
에피택셜 반도체 LED 층/ 사파이어 기판/ 30.87H 68.96L 28.8H(21.65H 76.27L 21.65H)6 17.85H 200.79L
여기서, 기호 L 및 H는 L(낮은 굴절율의 알루미나) 및 H( 높은 굴절율의 SiC) 박막의 물리적 두께(nm)를 의미한다. 파장의 함수인 대표적인 반사 성능 스펙트럼 곡선(60)이 도 5에 도시되어 있다.
당업자들은 본 명세서에 서술된 실리콘 카바이드/ 알루미늄 코팅이 임의의 다양한 광 애플리케이션에 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 본 명세서에 서술된 실리콘 카바이드/알루미나 코팅은 열 매칭으로 인해 실리콘 카바이드 및/또는 사파이어 기판에 적용될 때 특히 유용하다.
특수한 형태의 실시예가 도시되고 서술되었으나, 본 발명의 실시예의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형이 이루어질 수 있음이 이해될 것이다. 따라서, 본 발명은 앞선 상세한 설명에 의해 제한되도록 의도되지 않았다.
Claims (33)
- 개선된 LED 디바이스로서,
기판;
상기 기판의 하나의 면에 적용되는 적어도 하나의 코팅층;
상기 기판상에 놓여져 있고, 제1 파장 범위 내의 제1 전자기 신호, 및 적어도 제2 파장 범위 내의 적어도 제2 전자기 신호를 방출하도록 구성된 에너지 소스와 연결되어 있는 적어도 하나의 액티브 층; 및
상기 액티브 층을 캡슐화하기 위해 놓여진 캡슐화 디바이스를 포함하고,
상기 코팅층은 알루미나와 실리콘 카바이드의 교대하는 박막의 층으로부터 형성되고, 상기 코팅층은 상기 제1 파장 범위의 제1 전자기 신호의 적어도 95%를 반사하고 상기 제2 파장 범위의 제2 전자기 신호의 적어도 95%를 투과하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 개선된 LED 디바이스. - 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 실리콘 카바이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 LED 디바이스.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 사파이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 LED 디바이스.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제1 파장 범위는 대략 430nm에서 대략 500nm까지인 것을 특징으로 하는 개선된 LED 디바이스.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제2 파장 범위는 대략 500nm보다 더 큰 것을 특징으로 하는 개선된 LED 디바이스.
- 제 1 항에 있어서, 상기 액티브 층은 다중양자우물 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 LED 디바이스.
- 제 1 항에 있어서, 상기 액티브 층과 상기 기판 사이에 위치하는 제1 코팅층, 및 상기 액티브 층이 적용되어 있는 면 반대쪽 면 상에 위치하는 적어도 제2 코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 LED 디바이스.
- 제 1 항에 있어서, 상기 캡슐화 디바이스는 그 안에 적어도 하나의 도펀트를 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 LED 디바이스.
- 제 8 항에 있어서, 상기 도펀트는 상기 제1 파장 범위 내의 상기 제1 전자기 신호로 조명된 때 형광하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 개선된 LED 디바이스.
- 제 8 항에 있어서, 상기 도펀트는 인광물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 LED 디바이스.
- 제 1 항에 있어서, 상기 코팅층에 적용된 금속층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 LED 디바이스.
- 제 11 항에 있어서, 상기 금속층은 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 LED 디바이스.
- 제 11 항에 있어서, 상기 금속층은 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 LED 디바이스.
- 개선된 LED 디바이스로서,
기판;
상기 기판의 하나의 면에 적용된 적어도 하나의 코팅층;
상기 코팅층에 적용된 적어도 하나의 금속층;
상기 기판상에 놓여져 있고, 제1 파장 범위 내의 제1 전자기 신호, 및 적어도 제2 파장 범위 내의 제2 전자기 신호를 방출하도록 구성된 에너지 소스와 연결되어 있는 적어도 하나의 액티브 층; 및
상기 액티브 층을 캡슐화하기 위해 놓여진 캡슐화 디바이스를 포함하고,
상기 코팅층은 알루미나와 실리콘 카바이드의 교대하는 박막의 층으로부터 형성되고, 상기 코팅층은 상기 제1 파장 범위의 제1 전자기 신호의 적어도 95%를 대략 0도 내지 대략 90도까지의 모든 각도에서 반사하고, 상기 제2 파장 범위의 제2 전자기 신호의 적어도 95%를 투과하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 개선된 LED 디바이스. - 제 14 항에 있어서, 상기 기판은 실리콘 카바이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 LED 디바이스.
- 제 14 항에 있어서, 상기 기판은 사파이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 LED 디바이스.
- 제 14 항에 있어서, 상기 제1 파장 범위는 대략 430nm에서 대략 500nm까지인 것을 특징으로 하는 개선된 LED 디바이스.
- 제 14 항에 있어서, 상기 제2 파장은 대략 500nm보다 더 큰 것을 특징으로 하는 개선된 LED 디바이스.
- 제 14 항에 있어서, 상기 액티브 층은 다중양자우물 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 LED 디바이스.
- 제 14 항에 있어서, 상기 액티브 층과 상기 기판 사이에 위치하는 제1 코팅층, 및 상기 액티브 층이 적용되어 있는 면의 반대쪽 면 상에 위치하는 적어도 제2 코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 LED 디바이스.
- 제 14 항에 있어서, 상기 캡슐화 디바이스는 그 안에 적어도 하나의 도펀트를 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 LED 디바이스.
- 제 21 항에 있어서, 상기 도펀트는 상기 제1 파장 범위 내의 제1 전자기 신호로 조명된 때 형광하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 개선된 LED 디바이스.
- 제 21 항에 있어서, 상기 도펀트는 인광물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 LED 디바이스.
- 제 14 항에 있어서, 상기 금속층은 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 LED 디바이스.
- 제 14 항에 있어서, 상기 금속층은 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 LED 디바이스.
- LED 디바이스 제조 방법으로서,
알루미나와 실리콘 카바이드의 교대하는 층으로부터 형성된 적어도 하나의 코팅층을 기판에 적용하는 단계;
상기 기판에 전하가 가해진 때 제1 파장 범위 내의 전자기 방사선, 및 적어도 제2 파장 범위 내의 제2 전자기 방사선을 방출할 수 있는 에피택시 층을 성장시키는 단계; 및
캡슐화 디바이스 내에 적어도 상기 액티브 층을 캡슐화하는 단계를 포함하고,
상기 코팅은 상기 제1 파장 범위의 제1 전자기 신호의 적어도 95%를 반사하고, 상기 제2 파장 범위의 제2 전자기 신호의 적어도 95%를 상기 기판의 하나의 면으로 투과시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 LED 디바이스 제조 방법. - 제 26 항에 있어서, 상기 에피택시 층의 적용으로 인한 응력을 보상하도록 상기 코팅층을 가진 상기 기판에 미리 응력을 가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 디바이스 제조 방법.
- 제 26 항에 있어서, 상기 코팅층에 금속층을 적용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 디바이스 제조 방법.
- 제 26 항에 있어서, 상기 LED 디바이스를 재료 기판에 고정시키기 위해 상기 코팅층에 열 페이스트를 적용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 디바이스 제조 방법.
- LED 디바이스 제조 방법으로서,
실리콘 카바이드 기판을 제공하는 단계;
상기 기판에 전하가 가해진 때 제1 파장 범위 내의 전자기 방사선, 및 적어도 제2 파장 범위 내의 적어도 제2 전자기 방사선을 방출할 수 있는 에피택시 층을 성장시키는 단계;
알루미나와 실리콘 카바이드의 교대하는 층으로부터 형성된 적어도 하나의 코팅층을 기판에 적용하는 단계; 및
캡슐화 디바이스 내에 적어도 상기 액티브 층을 캡슐화하는 단계를 포함하고,
상기 코팅은 상기 제1 파장 범위의 제1 전자기 신호의 적어도 95%를 반사하고, 상기 제2 파장 범위의 제2 전자기 신호의 적어도 95%를 상기 기판의 하나의 면으로 투과시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 LED 디바이스 제조 방법. - 제 30 항에 있어서, 상기 에피택시 층의 적용으로 인한 응력을 보상하기 위해 상기 코팅층을 가진 상기 기판에 미리 응력을 가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 디바이스 제조 방법.
- 제 30 항에 있어서, 상기 코팅층에 금속층을 적용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 디바이스 제조 방법.
- 제 30 항에 있어서, 상기 LED 디바이스를 재료 기판에 고정시키기 위해 상기 코팅층에 열 페이스트를 적용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 디바이스 제조 방법.
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