KR20130022595A - 고전류 구동용 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

고전류 구동용 발광 소자가 개시된다. 이 발광 소자는, 자외선을 방출하는 발광 다이오드 칩과 발광 다이오드 칩에서 방출된 자외선을 가시광으로 파장변환시키는 파장변환층을 포함하고, 발광 다이오드 칩은 150 A/cm2 이상의 전류 밀도에서 구동된다.

Description

고전류 구동용 발광 소자{LIGHT EMITTING DEVICE FOR HIGH CURRENT OPERATION}
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고전류 구동에 적합한 발광 소자에 관한 것이다.
발광 다이오드, 특히 질화물계 발광 다이오드는 자외선 또는 청색광을 방출하는 광원으로서 신호기, 백라이트, 자동차 헤드 라이트, 조명 장치 등 다양한 분야에 적용되고 있다.
특히, 발광 다이오드와 형광체를 조합하여 원하는 색상의 광, 예컨대 백색광을 구현할 수 있다. 예를 들어, 청색광을 방출하는 발광 다이오드와 청색광을 황색광으로 변환하는 황색 형광체의 조합에 의해 백색광을 구현하는 것은 잘 알려져 있다.
백색 발광 소자는 현재 형광등의 발광 효율에 유사하거나 그보다 우수한 발광 효율을 나타내고 있다. 더욱이, 발광 소자는 형광등에 비해 환경 친화적이다. 따라서 전력 소모를 감소하고 환경 문제에 대처하기 위해 발광 다이오드를 채택한 발광 소자가 형광등을 대체하여 광원으로 사용되고 있으며, 앞으로 더욱 폭 넓은 분야에서 사용될 것이다.
그러나 발광 소자를 광원, 예컨대 백색 광원으로 사용하기 위해서는 발광 소자 자체의 발광 효율뿐만 아니라 단위 비용당 발광 효율을 고려해야 한다. 즉, 발광 소자의 제조 비용을 줄이고 광 출력을 향상시켜야 한다. 단위 비용당 발광 효율을 높이기 위해서 고전류하에서 발광 소자를 구동할 필요가 있다. 전류가 증가함에 따라 광 출력이 선형적으로 증가한다고 가정하면, 전류를 증가시킴으로써 단위 비용당 발광 효율이 증가될 수 있다.
그런데, 발광 다이오드에 인가되는 전류의 증가, 즉 전류밀도의 증가에 따라 발광 다이오드의 외부 양자 효율이 감소하는 현상이 발생한다. 이러한 현상이 드룹(droop)으로 알려져 있다. 발광 다이오드에 인가되는 전류밀도의 증가에 따라, 외부 양자 효율이 감소하기 때문에, 고전류하에서 발광 소자를 구동하는 효과가 사라진다.
더욱이, 구동 전류가 증가함에 따라 발광 다이오드에서 방출되는 광의 파장이 변한다. 청색 발광 다이오드에서 방출되는 광의 파장변화는 발광 소자의 색온도 및 연색성에 영향을 미치기 때문에, 상대적으로 낮은 전류하에서 구동하는 종래의 발광 다이오드에 단순히 전류를 증가시키는 것으로는 원하는 색온도 및 연색성을 갖는 백색 발광 소자를 제공할 수 없다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 단위 비용당 발광 효율이 우수한 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 전류 증가에 따른 색온도나 연색성의 변화를 감소시킬 수 있는 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 단위 비용당 발광 효율을 향상시킬 수 있는 발광 소자 구동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 발광 소자를 제공한다. 이 발광 소자는, 자외선을 방출하는 발광 다이오드 칩; 및 상기 발광 다이오드 칩에서 방출된 자외선을 가시광으로 파장변환시키는 파장변환층을 포함하고, 상기 발광 다이오드 칩은 150 A/cm2 이상의 전류 밀도에서 구동된다.
자외선 발광 다이오드 칩은 약 150 A/cm2 이상의 전류 밀도에서 구동될 때, 청색 발광 다이오드 칩에 비해 상대적으로 높은 외부 양자 효율을 나타낸다. 더욱이, 자외선 발광 다이오드 칩의 드룹은 청색 발광 다이오드 칩의 드룹에 비해 매우 적게 나타난다. 나아가, 자외선 발광 다이오드 칩에 방출되는 광의 파장이 전류밀도의 증가에 따라 쉬프트되어도 자외선은 시감도에 영향을 미치지 않기 때문에 색온도나 연색성에 큰 변화를 초래하지 않는다.
상기 발광 다이오드 칩에 인가되는 전류 밀도의 상한은 발광 소자의 안전한 동작이 보증되는 한 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 300 A/cm2 미만일 수 있다.
상기 자외선 발광 다이오드 칩은 280~400nm 범위 내의 자외선을 방출하는 발광 다이오드 칩일 수 있으며, 특히, 380~400nm의 근자외선을 방출하는 발광 다이오드 칩일 수 있다.
상기 파장변환층은 청색 형광체, 녹색 형광체 및 적색 형광체를 함유할 수 있다. 나아가, 상기 파장변환층은 적색 형광체를 함유하는 제1 파장변환층, 녹색 형광체를 함유하는 제2 파장변환층 및 청색 형광체를 함유하는 제3 파장변환층을 포함할 수 있다.
한편, 상기 파장변환층은 상기 발광 다이오드 칩으로부터 이격되어 위치할 수 있으며, 상기 파장변환층과 상기 발광 다이오드 칩 사이에 위치하는 선택적 반사기를 더 포함할 수 있다. 상기 선택적 반사기는 상기 발광 다이오드 칩에서 방출된 자외선을 투과하고 상기 파장변환층에서 파장변환된 가시광을 반사시킨다.
상기 발광 소자는 자외선을 방출하는 발광 다이오드 칩을 적어도 3개 포함할 수 있다. 나아가, 상기 파장변환층은 적색 형광체를 함유하는 제1 파장변환층, 녹색 형광체를 함유하는 제2 파장변환층 및 청색 형광체를 함유하는 제3 파장변환층을 포함하고, 상기 제1 내지 제3 파장변환층은 상기 적어도 3개의 발광 다이오드 칩을 각각 덮을 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 파장변환층은 적색 형광체를 함유하는 제1 파장변환 영역, 녹색 형광체를 함유하는 제2 파장변환 영역 및 청색 형광체를 함유하는 제3 파장변환 영역을 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제3 파장변환 영역은 상기 적어도 3개의 발광 다이오드 칩 상부에 각각 위치할 수 있다.
한편, 상기 파장변환층에 의해 파장변환된 가시광을 투과시키고 상기 발광 다이오드 칩에서 방출된 자외선을 차단하는 자외선 필터를 더 포함할 수 있다. 자외선 필터는 자외선이 발광 소자 외부로 방출되는 것을 차단한다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 발광 소자 사용 방법이 제공된다. 이 방법은, 자외선을 방출하는 발광 다이오드 칩 및 상기 발광 다이오드 칩에서 방출된 자외선을 가시광으로 파장변환시키는 파장변환층을 포함하는 발광 소자에 외부 전원을 연결하여, 상기 발광 다이오드 칩에 150 A/cm2 이상의 전류 밀도가 인가되도록 상기 발광 소자에 전류를 공급하여 상기 발광 다이오드 칩을 구동시킨다.
본 발명에 따르면, 자외선 발광 다이오드 칩을 포함하는 발광 소자가 청색 발광 다이오드 칩에 비해 자외선 발광 다이오드 칩의 외부 양자 효율이 상대적으로 높은 전류밀도 하에서 구동되므로, 단위 비용당 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 더욱이, 자외선 발광 다이오드 칩을 채택하기 때문에, 전류 증가에 따른 색온도나 연색성의 변화를 감소시킬 수 있는 발광 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 청색 발광 다이오드 칩과 자외선 발광 다이오드 칩의 전류밀도 증가에 따른 외부 양자 효율의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는 다양한 발광 다이오드 칩들의 드룹을 비교한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자(100)를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자(200)를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자(300)를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자(400)를 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타내며, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다.
한편, 본 명세서에 있어서, 발광 다이오드 칩의 '전류밀도'는 발광 다이오드 칩에 인가되는 전류를 발광 다이오드 칩의 외형 면적으로 나누어 계산된 값을 의미한다. 따라서, 실제 활성 영역에 인가되는 전류밀도는 메사 식각 또는 패터닝에 의한 활성 영역의 감소에 의해 계산된 '전류밀도'보다 더 높을 것이다.
도 1은 청색 발광 다이오드 칩과 자외선 발광 다이오드 칩의 전류밀도 증가에 따른 외부 양자 효율의 변화를 나타내는 그래프이다.
각 발광 다이오드 칩(11, 13)은 사파이이 기판 상에 질화갈륨계 화합물 반도체층을 성장시켜 제작된 것으로, InGaN 우물층/GaN 장벽층의 다중양자우물 구조를 갖는다. 또한, 각 발광 다이오드 칩(11, 13)의 GaN 장벽층의 두께는 약 7nm이다. 한편, 청색 발광 다이오드 칩(11)의 InGaN 우물층은 In의 조성비가 0.2이고, 두께 약 3nm 이며, 자외선 발광 다이오드 칩(13)의 InGaN 우물층은 In의 조성비가 약 0.1이고 두께는 약 3.3nm이다. 한편 각 발광 다이오드 칩(11, 13)은 대략 1mm×1mm의 크기를 갖는다.
청색 발광 다이오드 칩(11)은 최대 효율에서 약 443nm 피크 파장의 청색 광을 방출하며, 자외선 발광 다이오드 칩(13)은 최대 효율에서 약 390nm 피크 파장의 자외선을 방출한다.
도 1을 참조하면, 청색 발광 다이오드 칩(11)은 자외선 발광 다이오드 칩(13)에 비해 최대 발광 효율이 높지만, 전류밀도 증가에 따라 외부 양자 효율이 급격하게 감소한다. 이에 반해, 자외선 발광 다이오드 칩(13)은 전류밀도 증가에 따른 외부 양자 효율의 감소가 청색 발광 다이오드 칩(11)에 비해 완만하다. 약 150A/cm2에서 청색 발광 다이오드 칩(11)과 자외선 발광 다이오드 칩(13)은 동일한 외부 양자효율을 나타내고, 150A/cm2를 초과하면 자외선 발광 다이오드 칩(13)의 외부 양자효율이 청색 발광 다이오드 칩(11)에 비해 더 높아진다.
따라서, 전류밀도가 대략 150A/cm2 이상에서 구동되는 발광 소자는 청색 발광 다이오드 칩에 비해 자외선 발광 다이오드 칩을 채택하는 것이 발광 효율면에서 더 유리한 것을 알 수 있다.
도 2는 다양한 발광 다이오드 칩들의 드룹을 비교한 그래프이다. 여기서, 발광 다이오드 칩들은 GaN 계열의 화합물 반도체로 제작된 것으로, 현재 사용 가능한발광 다이오드 칩들이다. 각각의 발광 다이오드 칩들에 있어서, 최대 외부 양자 효율에 대한 전류밀도 150A/cm2에서의 외부 양자 효율의 상대값을 백분율로 나타내었다.
도 2를 참조하면, 약 390 nm 이하의 자외선을 방출하는 발광 다이오드 칩(13 포함)들은 전류밀도가 증가해도 최대값 대비 대략 80%의 외부 양자 효율을 나타내었으며, 400nm 근처의 근 자외선 발광 다이오드 칩들 또한 최대값 대비 약 70%의 외부 양자효율을 나타내었다. 이에 반해, 청색 발광 다이오드 칩(11) 및 녹색 발광 다이오드 칩은 최대값 대비 약 50% 이하의 발광 효율을 나타내었다.
따라서, 400nm 이하의 발광 다이오드 칩은 청색 발광 다이오드 칩(11)에 비해 고전류밀도 하에서 상대적으로 높은 발광 효율을 나타낼 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자(100)를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 발광 소자(100)는, 기판(21), 하우징(23), 발광 다이오드 칩(30), 선택적 반사기(32), 파장변환층(34) 및 자외선 필터(39)를 포함할 수 있다.
기판(21)은 발광 다이오드 칩(30)을 지지하며, 발광 다이오드 칩(30)에 전류를 공급하기 위한 리드단자들(도시하지 않음)을 갖는다. 특히, 기판(21)은 발광 다이오드 칩(30)에 고전류, 예컨대 전류밀도 150 A/cm2 이상의 고전류를 인가하기에 적합한 리드단자들 및/또는 배선 구조를 갖는다. 기판(21)은 발광 다이오드 칩(30)을 지지하고 발광 다이오드 칩(30)을 외부 전원과 연결할 수 있으면 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 인쇄회로 기판 또는 리드프레임일 수 있다.
하우징(23)은 발광 다이오드 칩(30)을 둘러싼다. 하우징(23)은 반사기로 작용할 수도 있다. 상기 하우징(23)은 기판(21)과 별개로 제작되어 기판(21)에 부착될 수도 있으나, 리드 프레임의 패키지 본체(body)와 같이 기판(21)과 일체로 제작될 수 있다.
발광 다이오드 칩(30)은 기판(21) 상에 부착된다. 발광 다이오드 칩(30)은 자외선을 방출하는 발광 다이오드 칩(30)으로, 예컨대 질화갈륨계 화합물 반도체로 제작된 발광 다이오드 칩(30)일 수 있다. 자외선 발광 다이오드 칩(30)은 사파이어기판과 같은 성장기판 상에 n형 반도체층, 활성층 및 P형 반도체층을 적층하여 형성될 수 있으며, 상기 활성층은 n형 반도체층과 P형 반도체층 사이에 우물층과 장벽층이 적층된 다중양자우물 구조를 가질 수 있다. 우물층은 InGaN층 또는 GaN층이고, 장벽층은 GaN층 또는 AlGaN층일 수 있다. 나아가, AlGaN층의 전자블록층을 포함할 수 있다. 상기 발광 다이오드 칩(30)은 280~400nm 범위 내의 자외선을 방출할 수 있으며, 특히 380~400nm 범위 내의 근자외선을 방출할 수 있다.
한편, 파장변환층(34)이 상기 발광 다이오드 칩(30) 상에 위치한다. 파장변환층(34)은 발광 다이오드 칩(30)에서 방출된 자외선을 가시광선으로 파장변환한다. 상기 파장변환층(34)은 백색 형광체를 함유할 수 있으며, 또는 청색 형광체, 및/또는 녹색 형광체 및/또는 적색 형광체를 함유할 수 있다. 따라서 파장변환층(34)에서 파장변환된 광에 의해 다양한 색상의 광, 특히 백색광을 구현할 수 있다.
백색 형광체로는 3Ca3(PO4)2·Ca(F，Cl)2：Sb, YVO4：Dy, Y2O2S：Tb，Sm, (Zn，Cd)S：Au，Ag，Al을 들 수 있다.
청색 형광체로는,(Sr，Ca，Ba，Mg)5(PO4)3Cl：Eu, (Sr，Ca，Mg)5(PO4)3Cl：Eu, (Ba，Ca)5(PO4)3Cl：Eu, Sr5(PO4)3Cl：Eu, Sr3(PO4)2：Eu, (Sr，Mg)2P2O7：Eu, Sr2P2O7：Eu, Sr2P2O7：Sn, Ba2P2O7：Ti, (Sr，Ca)10(PO4)6Cl2·B2O3：Eu, (Sr，Mg)3(PO4)2：Cu, 2SrO·P2O5·B2O3：Eu, (Ba，Mg)Si2O5：Eu, (Sr，Ba)Al2Si2O8：Eu, Ba3MgSi2O8：Eu, Sr2Si3O8·2SrCl2：Eu, Zn2SiO4：Ti, BaAl8O13：Eu, BaMg2Al16O27：Eu，Mn, CaAl2O4：Eu，Nd, Sr4Al14O25：Eu, SrMgAl10O17：Eu, BaMgAl10O17：Eu, SrAl4O7：Eu，Dy, Sr4Al14O25：Eu，Dy, CaWO4, CaWO4：Pb, MgWO4. ZnS：Ag，Ni, ZnS：Ag，Cl, ZnS：Ag，Cu, ZnS：Ag，Fe，Al, ZnS：Cu，Ag，Cl, ZnS：Cu，Au，Al, ZnS：Tm, ZnS：Pb， Cu,ZnS：Zn, ZnS：Zn，Ga, ZnGa2O4, Zn(S，Se)：Ag, (Zn，Cd)S：Ag，Ni, (Zn，Cd)S：Ag，Al, Y2SiO5：M1(단, M1은 Tm, Ce에서 선택된 적어도 하나), (Ca，Mg)SiO3：Ti, CaF2：Eu, M2 2O2S：Tm(단, M2는 Y, La, Gd, Lu에서 선택된 적어도 하나), M2OＸ：Ce(단, M2는 Y, La, Gd, Lu에서 선택된 적어도 하나이고, Ｘ는 Br, Cr에서 선택된 적어도 하나), (M2，M3)TaO４：Nb(단, M2는 Y, La, Gd, Lu에서 선택된 적어도 하나이고, M3는 Mg, Ca, Sr, Ba에서 선택된 적어도 하나), (M1，Eu)10(PO4)6·Cl2(단, M1은 Mg, Ca, Sr 및 Ba에서 선택된 적어도 하나), a(M2，Eu)O·bAl2O3(단, M2는 Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Li, Rb 및 Cs에서 선택되는 적어도 하나이고, a 및 b 는 a>0, b>0, 0.2≤a／b≤1.5)를 들 수 있다.
녹색 형광체로는, BaAl12O19：Mn, Ca10(PO4)6F2：Sb，Mn, CeMgAl11O19：Tb, GdMgB5O10：Ce，Tb, La2O3·0.2SiO2·0.9P2O5：Ce，Tb, MgAl11O19：Ce，Tb，Mn, MgGa2O4：Mn, SrAl2O4：Eu, SrAl2O4：Eu，Dy, Y2O3·Al2O3：Tb, Y2SiO5：Ce，Tb, YBO3：Tb, Zn2GeO4：Mn, Sr5(PO4)3F：Sb, BaMg2Al16O27：Eu，Mn, ZnS：Au，Al, ZnS：Cu，Au，Al, ZnS：Cu，Cl, Zn(S，Se)：Ag, (Zn，Cd)S：Ag，Cl, (Zn，Cd)S：Au，Al, (Zn，Cd)S：Au，Cu，Al, (Zn，Cd)S：Cu，Al, (Zn，Cd)S：Cu，Cl, (Zn，Cd)S：Ag，Ni, ZnO：Zn,M2 2O2S：Tb(단, M2는 Y, La, Gd, Lu에서 선택된 적어도 하나), M2 2O2S：Pr(단, M2는 Y, La, Gd, Lu에서 선택된 적어도 하나), M2OＸ：Tb(단, M2는 Y, La, Gd, Lu에서 선택된 적어도 하나이고, X는 Br, Cr에서 선택된 적어도 하나), ＩnBO3：Tb, Li5Zn8Al5(GeO4)4：Mn, SrGa2S4：Eu, Y2(Si，Ge)O5：Tb, Y2SiO5：Pr, Y2SiO5：Tb, Y3Al5O12：Cr，Tb, Y3(Al，Ga)5O12：Tb, Y3Al5O12：Tb, YF3：Er, Zn2SiO4：Mn, Zn2SiO4：Mn，Al, Zn2SiO4：Mn，As, (M2，M3)TaO４：Tb(단, M2는 Y, La, Gd, Lu에서 선택된 적어도 하나이고, M3는 Mg, Ca, Sr, Ba에서 선택된 적어도 하나), (Ba1 -x-y-zSrxCayEuz)(Mg1－ uMnu)Al10O17(단, x, y, z 및 u는 0≤x<0.2, 0≤y<0.1, 0.005<z<0.5, 0.1<u<0.5)를 들 수 있다.
적색 형광체로는, M2BO3：Eu(단,M2는 Y, La, Gd, Lu에서 선택된 적어도 하나), (Sr，Mg)3(PO4)2：Sn, Mg6As2O11：Mn, CaSiO3：Pb，Mn, Cd2B2O5：Mn, YVO4：Eu, (Ca，Zn，Mg)3(PO4)2：Sn, (Ce，Gd，Tb)MgB5O10：Mn, Mg4FGeO6：Mn, Mg4F(Ge，Si)O6：Mn, SrTiO3：Pr，Al, CaTiO3：Eu, Gd2O3：Eu, (Gd，M4)2O3：Eu(단, M4는 Y, La, Lu에서 선택된 적어도 하나), Gd2O2S：Eu, (Gd，M4)2O2S：Eu(단, M4는 Y, La, Lu에서 선택된 적어도 하나),M2 2O2S：Eu，Mg，M5(단, M2는 Y, La, Gd, Lu에서 선택된 적어도 하나이고, M5는 Ti, Nb, Ta, Ga에서 선택된 적어도 하나), MgF2：Mn, (ＫF，MgF2 )：Mn, (Zn，Be)2SiO4：Mn, Zn3(PO4)2：Mn, (Zn，Ca)3(PO4)2：Mn, (Zn，Cd)S：Ag，Cl, (Zn，Cd)S：Cu，Al, (Zn，Cd)S：Cu，Cl, (Zn，Mg)F2：Mn, CaSiO3：Pb，Mn, Cd5Cl(PO4 )3：Mn, ＩnBO3：Eu, MgGeO4：Mn, MgSiO3：Mn, SnO2：Eu, YVO4：Eu, ZrO2：Eu, (M2，M3)TaO４：Eu(단, M2는 Y, La, Gd, Lu에서 선택된 적어도 하나이고, M3는 Mg, Ca, Sr, Ba에서 선택된 적어도 하나), (La1 -ｘ- yEuxMy)2O2S(단, M은 Sb, Sm, Ga 및 Sn으로부터 선택되는 적어도 하나이며, x 및 y는, 0.01<ｘ<0.15, 0≤y<0.03), (SrxCa1 -x)SiAlN3：Eu)(단, ｘ는 0≤x<0.4)를 들 수 있다.
선택 반사기(32)는 자외선 발광 다이오드 칩(30)과 파장변환층(34) 사이에 위치한다. 선택 반사기(32)는 발광 다이오드 칩(32)에서 방출된 자외선을 투과하고 파장변환층(34)에서 파장변환된 가시광을 반사한다. 따라서, 파장변환층(34)에서 파장변환된 후 다시 기판(21) 측으로 진행하는 광을 반사시켜 외부로 방출함으로써 발광 효율이 개선된다.
상기 선택 반사기(32)는 굴절률이 서로 다른 유전층을 반복 적층하여 파장 선택성을 갖는 브래그 반사기로 형성될 수 있다. 덧붙여, 상기 선택 반사기(32)와 발광 다이오드 칩(30) 사이에 발광 다이오드 칩(30)을 덮는 투명 수지(31)가 위치할 수 있다.
한편, 파장변환층(34) 상부에 자외선 필터(39)가 배치될 수 있다. 자외선 필터(39)는 파장변환층(34)으로부터 외부로 방출되는 자외선을 차단하고 가시광을 투과한다. 따라서, 자외선에 인체나 외부 물체가 손상되는 것을 방지할 수 있다. 자외선 필터(39)는 굴절률이 서로 다른 유전층을 반복 적층하여 자외선을 반사 또는 흡수하고, 파장변환층(34)에서 방출되는 가시광을 투과하도록 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자(200)를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 발광 소자(200)는 도 3을 참조하여 설명한 발광 소자(100)와 대체로 유사하나, 파장변환층(36)이 복수의 파장변환층을 포함하는 것에 차이가 있다. 즉, 파장변환층(36)은 적색 형광체를 함유하는 제1 파장변환층(33), 녹색 형광체를 함유하는 제2 파장변환층(35) 및 청색 형광체를 함유하는 제3 파장변환층(37)을 포함할 수 있다. 적색 형광체, 녹색 형광체 및 청색 형광체는 도 3의 실시예에서 열거한 형광체들일 수 있다.
복수의 파장변환층들 중에서 더 긴 파장의 가시광으로 파장변환하는 층이 발광 다이오드 칩에 가깝게 배치될 수 있다. 예컨대, 도 4에 도시한 바와 같이, 적색 형광체를 함유하는 제1 파장변환층(33)이 제2 및 제3 파장변환층(35, 37)에 비해 발광 다이오드 칩(30)에 더 가깝게 배치되고, 녹색 형광체를 함유하는 제2 파장변환층(35)이 청색 형광체를 함유하는 제3 파장변환층(37)보다 발광 다이오드 칩(30)에 더 가깝게 배치될 수 있다.
파장변환층을 가시광 스펙트럼 영역에 따라 분리하기 때문에, 여러 종류의 형광체를 혼합한 도 3의 파장변환층(34)에 비해, 균일한 특성을 갖는 파장변환층(36)을 쉽게 형성할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 도 3의 선택 반사기(32)를 도시하지 않았지만, 제1 파장변환층(33)과 발광 다이오드 칩(30) 사이에 도 3을 참조하여 설명한 바와 같은 선택 반사기(32)가 또한 위치할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자(300)를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 소자(300)는 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이 기판(21), 하우징(23), 자외선 필터(39)를 포함할 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
한편, 본 실시예에 있어서, 복수의 발광 다이오드 칩(30a, 30b, 30c)이 기판(21) 상에 부착된다. 이들 발광 다이오드 칩(30a, 30b, 30c)은 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이 자외선을 방출하는 자외선 발광 다이오드 칩들이다.
파장변환층(46)은 적색 형광체를 함유하는 제1 파장변환층(43), 녹색 형광체를 함유하는 제2 파장변환층(45) 및 청색 형광체를 함유하는 제3 파장변환층(47)을 포함한다.
상기 발광 다이오드 칩들(30a, 30b, 30c)은 각각 제1 내지 제3 파장변환층(43, 45, 47)으로 덮혀 있다. 예컨대, 적색 형광체를 함유하는 제1 파장변환층(43)이 발광 다이오드 칩(30a)을 덮고, 녹색 형광체를 함유하는 제2 파장변환층(45)이 발광 다이오드 칩(30b)을 덮고, 청색 형광체를 함유하는 제3 파장변환층(47)이 발광 다이오드 칩(30c)을 덮을 수 있다. 이들 제1 내지 제3 파장변환층들(43, 45, 47)은 발광 다이오드 칩들(30a, 30b, 30c)을 기판(21)에 부착하기 전에 미리 콘포멀 코팅 기술을 이용하여 발광 다이오드 칩들(30a, 30b, 30c) 상에 형성될 수 있다. 이와 달리, 제1 내지 제3 파장변환층들(43, 45, 47)은 발광 다이오드 칩들(30a, 30b, 30c)을 기판(21) 상에 부착한 후, 발광 다이오드 칩 상에 각각 형성될 수 있다.
또한, 도면에 도시하지는 않았지만, 각 파장변환층(43, 45, 47)과 발광 다이오드 칩(30a, 30b, 30c) 사이에 자외선을 투과하고 가시광을 반사하는 선택 반사기가 위치할 수 있다.
앞서, 도 3 및 도 4의 실시예에 있어서, 파장변환된 가시광은 외부로 방출되기 전에 다른 종류의 형광체에 의해 손실될 수 있다. 이에 반해, 본 실시예에 따르면, 파장변환층(43, 45, 47)이 서로 분리되어 있으므로, 파장변환된 가시광이 다른 종류의 형광체에 의해 손실되는 것을 방지할 수 있어 발광 효율을 더 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자(400)를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6을 참조하면, 발광 소자(400)는 인쇄회로기판(53), 발광 다이오드 칩(60a, 60b, 60c), 파장변환층(76), 렌즈(81), 히트 싱크(50), 케이싱(51) 및 소켓 단자(55a, 55b)를 포함할 수 있다. 또한, 도시하지는 않았지만, 히트싱크(50) 내부 또는 인쇄회로기판(53) 상에 구동 회로부가 배치될 수 있다.
케이싱(51)은 내부 공간을 정의한다. 케이싱(51)은 광이 방출될 수 있도록 일측이 개구된 형상을 갖는다.
히트싱크(50)는 표면적을 증가시키기 위해 요철 패턴을 가질 수 있다. 히트싱크(50)의 일부는 케이싱(51) 외부에 노출될 수도 있다. 상기 히트 싱크(50)는 방열 특성이 우수한 금속, 예컨대 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성될 수 있다.
상기 히트싱크(50)는 소켓 단자(55a, 55b)와 인쇄회로기판(53)을 전기적으로 연결하기 위해 피복 전선(도시하지 않음)이 통과하는 관통홀들(도시하지 않음)을 가질 수 있다. 한편, 소켓 단자(55a, 55b)는 GU10 베이스, GZ10 베이스 등 다양한 소켓 베이스에 의해 히트싱크(50)의 하부에 결합될 수 있다.
인쇄회로기판(53)은 히트싱크(50) 상에 열적으로 결합된다. 인쇄회로기판(53)은 히트싱크(50) 상에 직접 장착될 수 있으며, 이를 위해 상기 히트싱크(50)는 인쇄회로기판(53)을 수용하기 위한 안착홈을 가질 수 있다.
상기 인쇄회로기판(50) 상에 발광 다이오드 칩들(60a, 60b, 60c)이 실장된다. 상기 인쇄회로기판(50)은 발광 다이오드 칩들(60a, 60b, 60c)에 150A/cm2 이상의 전류밀도가 인가되도록 회로 패턴을 갖는다. 또한, 상기 인쇄회로기판(50)에 접속된 구동회로부(도시하지 않음)는 외부 전원에 연결될 때, 발광 다이오드 칩들(60a, 60b, 60c)에 150A/cm2 이상의 전류밀도가 인가되도록 한다.
상기 발광 다이오드 칩들(60a, 60b, 60c)은 칩 형태로 실장될 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 패키지 형태로 실장될 수도 있다. 상기 발광 다이오드 칩들(60a, 60b, 60c)은 도 3을 참조하여 설명한 발광 다이오드 칩(30)과 같이 자외선을 방출한다.
한편, 파장변환층(76) 상기 발광 다이오드 칩들(60a, 60b, 60c) 상부에 위치한다. 파장변환층(76)은 적색 형광체를 함유하는 제1 파장변환 영역(73), 녹색 형광체를 함유하는 제2 파장변환영역(75) 및 청색 형광체를 함유하는 제3 파장변환영역(77)을 포함할 수 있다. 즉, 파장변환층(76)이 복수의 파장변환 영역들(73, 75, 77)로 구획될 수 있다. 이들 제1 내지 제3 영역들(73, 75, 77)이 각각 발광 다이오드 칩들(60a, 60b, 60c) 상부에 위치하도록 정렬될 수 있다. 상기 적색 형광체, 녹색 형광체 및 청색 형광체는 도 3을 참조하여 설명한 형광체들일 수 있다.
한편, 파장변환층(76)과 발광 다이오드 칩들(60a, 60b, 60c) 사이에 선택 반사기(65)가 배치될 수 있다. 선택 반사기(65)는 도 3을 참조하여 설명한 선택 반사기(32)와 유사하므로 상세한 설명은 생략한다. 또한, 파장변환층(76) 상부에 자외선 필터(79)가 배치될 수 있으며, 이에 대해서는 앞서 설명한 바와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
한편 파장변환층(72)의 하부에 보호층(71)이 배치될 수 있다. 보호층(71)은 예컨대, SiO2로 형성되거나, SiO2 입자들을 함유하는 수지로 형성될 수 있다. 보호층(71)은 발광 다이오드 칩들(60a, 60b, 60c)로부터 입사되는 자외선에 의해 파장변환층(76)이 손상되는 것을 방지한다.
한편, 렌즈(81)는 파장변환층(76) 상부에 위치하며, 외부로 방출되는 광의 지향각을 조절하는 형상을 갖는다.
본 실시예에 있어서, 복수의 발광 다이오드 칩들(60a, 60b, 60c)이 인쇄회로기판(53) 상에 배치된 것으로 설명하였지만, 하나의 발광 다이오드 칩이 사용될 수도 있다.
나아가, 본 실시예에 있어서, 발광 다이오드 칩(60a, 60b, 60c)과 이격되어 파장변환층(76)이 배치된 것으로 설명하였지만, 도 3 내지 5에서 설명한 발광 소자와 같이 파장변환층을 내부에 갖는 발광 소자들이 인쇄회로기판(53) 상에 실장될 수 있으며, 이 경우, 파장변환층(76)은 생략될 수 있다.
앞서 설명한 실시예들의 발광 소자는 외부 전원에 연결하여 상기 발광 다이오드 칩에 150 A/cm2 이상의 전류 밀도가 인가되도록 상기 발광 소자에 전류를 공급하여 상기 발광 다이오드 칩을 구동시킴으로써 사용할 수 있다.
이상에서 다양한 실시예들에 대해 설명했지만, 본 발명은 이들 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형이 가능하다. 또한, 특정 실시예에서 설명된 기술적 특징은 다른 실시예에서도 적용될 수 있다.

Claims (13)

  1. 자외선을 방출하는 발광 다이오드 칩; 및
    상기 발광 다이오드 칩에서 방출된 자외선을 가시광으로 파장변환시키는 파장변환층을 포함하고,
    상기 발광 다이오드 칩은 150 A/cm2 이상의 전류 밀도에서 구동되는 발광 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 자외선 발광 다이오드 칩은 280~400nm 범위 내의 자외선을 방출하는 발광 소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 파장변환층은 청색 형광체, 녹색 형광체 및 적색 형광체를 함유하는 발광 소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 파장변환층은 적색 형광체를 함유하는 제1 파장변환층, 녹색 형광체를 함유하는 제2 파장변환층 및 청색 형광체를 함유하는 제3 파장변환층을 포함하는 발광 소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 파장변환층은 상기 발광 다이오드 칩으로부터 이격되어 위치하는 발광 소자.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 파장변환층과 상기 발광 다이오드 칩 사이에 위치하는 선택적 반사기를 더 포함하되,
    상기 선택적 반사기는 상기 발광 다이오드 칩에서 방출된 자외선을 투과하고 상기 파장변환층에서 파장변환된 가시광을 반사시키는 발광 소자.
  7. 청구항 1에 있어서,
    자외선을 방출하는 발광 다이오드 칩을 적어도 3개 포함하는 발광 소자.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 파장변환층은 적색 형광체를 함유하는 제1 파장변환층, 녹색 형광체를 함유하는 제2 파장변환층 및 청색 형광체를 함유하는 제3 파장변환층을 포함하고, 상기 제1 내지 제3 파장변환층은 상기 적어도 3개의 발광 다이오드 칩을 각각 덮는 발광 소자.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 파장변환층은 적색 형광체를 함유하는 제1 파장변환 영역, 녹색 형광체를 함유하는 제2 파장변환 영역 및 청색 형광체를 함유하는 제3 파장변환 영역을 포함하고,
    상기 제1 내지 제3 파장변환 영역은 상기 적어도 3개의 발광 다이오드 칩 상부에 각각 위치하는 발광 소자.
  10. 청구항 1 내지 9의 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장변환층에 의해 파장변환된 가시광을 투과시키고 상기 발광 다이오드 칩에서 방출된 자외선을 차단하는 자외선 필터를 더 포함하는 발광 소자.
  11. 자외선을 방출하는 발광 다이오드 칩 및 상기 발광 다이오드 칩에서 방출된 자외선을 가시광으로 파장변환시키는 파장변환층을 포함하는 발광 소자에 외부 전원을 연결하여, 상기 발광 다이오드 칩에 150 A/cm2 이상의 전류 밀도가 인가되도록 상기 발광 소자에 전류를 공급하여 상기 발광 다이오드 칩을 구동시키는 발광 소자 사용 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 발광 소자는 상기 파장변환층과 상기 발광 다이오드 칩 사이에 위치하는 선택적 반사기를 더 포함하되,
    상기 선택적 반사기는 상기 발광 다이오드 칩에서 방출된 자외선을 투과하고 상기 파장변환층에서 파장변환된 가시광을 반사시키는 발광 소자 사용 방법.
  13. 청구항 11 또는 12에 있어서,
    상기 발광 소자는 상기 파장변환층에 의해 파장변환된 가시광을 투과시키고 상기 발광 다이오드 칩에서 방출된 자외선을 차단하는 자외선 필터를 더 포함하는 발광 소자 사용 방법.
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