KR20130053591A - 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20130053591A
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박선영
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

실시 예는 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물, 및 상기 발광 구조물의 상면 및 측면 상에 배치되고, 형광체를 포함하는 수지층으로 이루어진 파장 변환층을 포함하며, 상기 파장 변환층에 포함되는 상기 형광체의 분포량은 상기 파장 변환층의 표면으로부터 상기 발광 구조물로 갈수록 증가한다.

Description

발광 소자 및 그 제조 방법{LIGHT EMITTING DEVCIE AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
본 발명은 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 발광 다이오드(semiconductor light emitting diode)의 방출광을 다른 파장의 광을 변환시키기 위해서 형광체를 이용하는 기술이 널리 적용된다.
발광 다이오드로부터 방출되는 방출광의 일부는 형광체에 의하여 다른 파장의 2차 광으로 변환하고, 변환된 2차 광과 변환되지 않은 방출광이 혼색되어 백색이 구현될 수 있다. 이러한 일반적인 발광 다이오드의 형광체층은 공개 번호 10-2009-0117002호를 참조할 수 있다.
일반적으로 형광체는 투명한 수지에 혼합된 형태로 형광체층을 형성하는데, 형광체층 내에서 형광체가 균일하게 분포하지 아니할 경우에, 발광 효율이 저하되고, 지향각에 따른 색감편차가 발생할 수 있다. 또한, 연색성(CRI)을 개선하고자 2종 이상의 형광체(예, 황색, 녹색, 적색형광체 중 선택된 조합)를 사용할 경우 형광체의 불균일한 분포에 따른 발광 효율의 저하 및 색감편차는 더욱 심각해질 수 있다.
실시 예는 발광 효율 및 색재현성을 향상시킬 수 있는 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.
실시 예에 따른 발광 소자는 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물, 및 상기 발광 구조물의 상면 및 측면 상에 배치되고, 형광체를 포함하는 수지층으로 이루어진 파장 변환층을 포함하며, 상기 파장 변환층에 포함되는 상기 형광체의 분포량은 상기 파장 변환층의 표면으로부터 상기 발광 구조물로 갈수록 증가한다.
상기 발광 구조물의 상면 상에 위치하는 파장 변환층의 두께는 상기 발광 구조물의 측면 상에 위치하는 파장 변환층의 두께와 동일할 수 있다.
상기 발광 구조물의 측면 상에 위치하는 파장 변환층에 포함되는 형광체의 분포량은 상기 파장 변환층의 표면으로부터 상기 발광 구조물의 측면으로 진행할수록 증가할 수 있다.
상기 발광 구조물로부터 상기 파장 변환층 전체 두께의 2분 1인 지점까지 포함되는 형광체의 분포량은 상기 파장 변환층 전체에 포함되는 형광체의 분포량의 80%이상일 수 있다.
상기 발광 소자는 상기 제1 도전형 반도체층 아래에 배치되는 기판, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 제1 전극, 및 상기 제2 도전형 반도체층 상에 배치되는 제2 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 발광 구조물의 상면에 위치하는 상기 파장 변환층의 두께는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각의 두께보다 작거나 같을 수 있다.
또는 상기 발광 소자는 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 제1 전극, 상기 제2 도전형 반도체층 아래에 배치되는 오믹층, 및 상기 오믹층 아래에 배치되는 반사층을 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따른 발광 소자의 제조 방법은 발광 구조물을 형성시키는 단계, 상기 발광 구조물 표면에 제1 전하를 충전시키는 단계, 및 상기 제1 전하와 반대 극성을 갖는 제2 전하를 띠는 형광체를 포함하는 수지층을 상기 발광 구조물 표면에 형성하는 단계, 및 상기 형광체를 포함하는 수지층을 경화하는 단계를 포함한다.
상기 형광체를 포함하는 수지층을 상기 발광 구조물 표면에 형성하는 단계는 상기 제2 전하를 띠는 분말 형태의 형광체를 상기 발광 구조물의 상면 및 측면에 분사하는 단계, 및 상기 분말 형태의 형광체가 분사된 발광 구조물의 상면 및 측면 상에 액상 또는 필름 형태의 수지를 도포하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 형광체를 포함하는 수지층을 상기 발광 구조물 표면에 형성하는 단계는 상기 제2 전하를 띠는 형광체가 혼합된 액상 형태의 수지를 상기 발광 구조물의 상면 및 측면에 도포하는 단계일 수 있다.
실시 예는 발광 효율 및 색재현성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 발광 소자를 나타낸다.
도 2 내지 도 4는 실시 예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 나타내는 단면도이다.
도 5는 다른 실시 예에 따른 발광 소자를 나타낸다.
도 6 내지 도 8은 다른 실시 예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 나타낸다.
도 9는 실시 예에 따른 발광 소자를 포함하는 발광 소자 패키지를 나타낸다.
도 10은 실시 예에 따른 발광 소자를 포함하는 해드 램프의 평면도를 나타낸다.
도 11은 도 10에 도시된 해드 램프의 AA'방향의 단면도를 나타낸다.
도 12는 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 포함하는 조명 장치의 분해 사시도이다.
도 13은 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 포함하는 표시 장치를 나타낸다.
이하, 실시 예들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 도면에서 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 또한 동일한 참조번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예에 따른 발광 소자, 및 발광 소자 패키지를 설명한다.
도 1은 실시 예에 따른 발광 소자(100)를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 발광 소자(100)는 기판(110), 발광 구조물(120), 전도층(130), 제1 전극(142), 제2 전극(144), 및 파장 변환층(150)을 포함한다.
기판(110)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질, 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있다. 또한 기판(110)은 열전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판일 수 있다. 예를 들어 기판(110)은 사파이어(Al203), GaN, SiC, ZnO, Si, GaP, InP, Ga203, GaAs 중 적어도 하나를 포함하는 물질일 수 있다. 이러한 기판(110)의 상면에는 요철 패턴이 형성될 수 있다. 기판(110)은 발광 구조물(예컨대, 제1 도전형 반도체층(122)) 아래에 배치될 수 있다.
기판(110)과 발광 구조물(120) 사이의 격자 불일치에 의한 격자 부정합을 완화하기 위하여 제1 도전형 반도체층(122)과 기판(110) 사이에 버퍼층(미도시)이 배치될 수 있다. 버퍼층은 3족 원소 및 5족 원소를 포함하는 질화물 반도체일 수 있다.예컨대 버퍼층은 InAlGaN, GaN, AlN, AlGaN, InGaN 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 버퍼층(115)은 단일층 또는 다층 구조일 수 있으며, 2족 원소 또는 4족 원소가 불순물로 도핑될 수도 있다.
발광 구조물(120)은 빛을 발생하는 반도체층일 수 있으며, 제1 도전형 반도체층(122), 활성층(124), 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함할 수 있다. 발광 구조물(120)은 기판(110) 상에 제1 도전형 반도체층(122), 활성층(124), 및 제2 도전형 반도체층(126)이 순차로 적층된 구조일 수 있다. 여기서 제1 도전형은 n형이고, 제2 도전형은 p형일 수 있다.
제1 도전형 반도체층(122)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122)은 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다.
예컨대, 제1 도전형 반도체층(122)은 InxAlyGa1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 가지는 반도체일 수 있다. 예컨대, 제1 도전형 반도체층(122)은 InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlN, InN 중 어느 하나를 포함할 수 있으며, n형 도펀트(예: Si, Ge, Sn 등)가 도핑될 수 있다.
활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)과 제2 도전형 반도체층(126) 사이에 배치되며, 제1 도전형 반도체층(122) 및 제2 도전형 반도체층(126)으로부터 제공되는 전자(electron)와 정공(hole)의 재결합(recombination) 과정에서 발생하는 에너지에 의해 광을 생성할 수 있다.
활성층(124)은 반도체 화합물, 예컨대, 3족-5족, 2족-6족의 화합물 반도체일 수 있으며, 단일 우물 구조, 다중 우물 구조, 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 등으로 형성될 수 있다.
활성층(124)은 우물층과 장벽층이 적어도 한번 이상 교대로 적층되는 다층 구조일 수 있다. 우물층은 양자 우물층일 수 있고, 장벽층은 양자 장벽층일 수 있으며, 우물층의 에너지 밴드 갭은 장벽층의 에너지 밴드 갭보다 작다.
제2 도전형 반도체층(126)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(126)은 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다.
예컨대, 제2 도전형 반도체층(126)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체일 수 있다. 예를 들어 제2 도전형 반도체층(126)은 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나를 포함할 수 있으며, p형 도펀트(예컨대, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba)가 도핑될 수 있다.
발광 구조물(120)는 제1 도전형 반도체층(122)의 일부를 노출하도록 제2 도전형 반도체층(126), 활성층(120) 및 제1 도전형 반도체층(122)의 일부가 식각된 구조일 수 있다.
전도층(130)은 제2 도전형 반도체층(126) 상에 배치된다. 전도층(130)은 전반사를 감소시킬 뿐만 아니라, 투광성이 좋기 때문에 활성층(124)으로부터 제2 도전형 반도체층(126)으로 방출되는 빛의 추출 효율을 증가시킬 수 있다.
전도층(130)은 발광 파장에 대해 투과율이 높은 투명한 산화물계 물질 또는 금속으로 형성될 수 있다. 전도층(130)은 예컨대, ITO(Indium Tin Oxide), TO(Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), IZTO(Indium Zinc Tin Oxide), IAZO(Indium Aluminium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), IGTO(Indium Gallium Tin Oxide), AZO(Aluminium Zinc Oxide), ATO(Aluminium Tin Oxide), GZO(Gallium Zinc Oxide), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni, Ag, Ni/IrOx/Au 또는 Ni/IrOx/Au/ITO 중 하나 이상을 이용하여 단층 또는 다층으로 구현할 수 있다.
제1 전극(142)은 식각에 의하여 노출된 제1 도전형 반도체층(122) 상에 배치되고, 제2 전극(144)은 전도층(130) 상에 배치될 수 있다. 제1 전극(142) 및 제2 전극(144)은 도전성 금속으로 형성될 수 있다. 제1 전극(142) 및 제2 전극(144)은 예컨대, 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 백금(Pt) 중에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다.
파장 변환층(150)은 발광 구조물(120)의 상면 및 측면 상에 배치된다. 파장 변환층(150)은 발광 구조물(120)로부터 방출되는 광 중 일부를 다른 파장 영역의 광으로 변환할 수 있다. 예컨대, 파장 변환층(150)은 형광체(152) 및 수지층(154)을 포함할 수 있다. 발광 구조물(120)이 방출하는 광의 파장 대역은 예컨대, 자외선 파장 영역, 청색 파장 영역, 및 녹색의 파장 영역 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
형광체(152)는 수지층(154)에 포함될 수 있으며, 수지층(154)에 포함되는 형광체(152)는 발광 구조물(120)로부터 방출되는 광을 다른 파장 영역의 광으로 변환시킬 수 있는 1종 이상의 형광체를 포함할 수 있다. 예컨대, 파장 변환층(150)은 적색 형광체, 녹색 형광체, 및 황색 형광체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
수지층(154)은 실리콘계 수지, 에폭시계 수지, 아크릴계 수지, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA) 수지와, 그 혼합물 및 그 화합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 수지를 포함할 수 있다. 여기서, "혼합물"은 상술된 수지 중 선택된 적어도 2개의 수지의 물리적으로 섞인 상태인데 반하여, "화합물"이라 함은, 선택된 적어도 2개의 수지가 화학적 결합에 의해 합성된 형태를 말한다. 예를 들어, 상기 화합물에는 규소 원자 결합 수산기를 갖는 실리콘 수지와, 옥실란기를 갖는 에폭시 수지기 합성된 실리콘 에폭시 화합물 수지를 포함할 수 있다.
발광 구조물(120)의 상면에 위치하는 파장 변환층(150)의 두께(D1)와 발광 구조물(120)의 측면에 위치하는 파장 변환층(150)의 두께는 동일할 수 있다. 이하 발광 구조물(120)의 상면에 위치하는 파장 변환층(150) 부분을 "제1 부분"이라 하고, 발광 구조물(120)의 측면에 위치하는 파장 변환층(150) 부분을 "제2 부분"이라 한다.
예컨대, 제1 부분은 전도층(130) 상에 위치하는 파장 변환층(150) 부분과 노출되는 제1 도전형 반도체층(122) 상에 위치하는 파장 변환층(150) 부분을 포함할 수 있다. 제2 부분은 제1 도전형 반도체층(122), 활성층(124), 및 제2 도전형 반도체층(126)으로 이루어지는 발광 구조물(120)의 측면을 포함할 수 있다.
발광 구조물(120)의 상면에 위치하는 파장 변환층(150)의 두께(D1)는 제1 전극(142)과 제2 전극(144) 각각의 두께보다 작거나 같을 수 있다.
파장 변환층(150)에 포함되는 형광체(152)의 분포량은 파장 변환층(150)의 표면(101)으로부터 발광 구조물(120)로 갈수록 증가할 수 있다. 예컨대, 발광 구조물(120)로부터 파장 변환층(150) 전체 두께의 2분 1인 지점(102)까지 포함된 형광체의 분포량은 파장 변환층(150) 전체에 포함된 형광체 분포량의 80%이상일 수 있다.
파장 변환층(150)의 제1 부분에 포함되는 형광체(152)의 분포량은 파장 변환층(150) 표면(101-1)으로부터 발광 구조물(120)의 상면으로 진행할수록 증가할 수 있다.
또한 파장 변환층(150)의 제2 부분에 포함되는 형광체(152)의 분포량은 파장 변환층(150)의 표면(101-2)으로부터 발광 구조물(120)의 측면으로 진행할수록 증가할 수 있다.
실시 예는 파장 변환층(150) 내에 형광체(152)가 발광 구조물(120)의 상면과 측면에 인접하여 균일하게 분포하기 때문에 발광 효율 및 색재현성을 향상시킬 수 있다.
도 2 내지 도 4는 실시 예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 나타내는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 기판(110) 상에 형성된 발광 구조물(120)을 준비한다. 예컨대, 유기금속 화학 증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 화학 증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 증착법(PECVD; Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(MBE; Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 방법을 이용하여 기판(110) 상에 제1 도전형 반도체층(122), 활성층(124), 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물(120)을 성장시킨다.
그리고 포토리쏘그라피(photolithography) 공정 및 식각 공정을 이용하여 발광 구조물(120)을 메사 식각(mesa etching)하여 제1 도전형 반도체층(122)을 노출시킨다. 그리고 제2 도전형 반도체층(126) 상에 전도층(130)을 형성한다.
그리고 메사 식각에 의하여 노출되는 제1 도전형 반도체층(122) 상에 제1 전극(142)을 형성하고, 전도층(130) 상에 제2 전극(144)을 형성한다.
다음으로 도 3을 참조하면, 발광 구조물(120) 표면에 제1 전하(예컨대, 양(+) 전하, 201)를 충전한다.
예컨대, 제1 전하(201)가 충전된 물체(미도시)를 발광 구조물(120)의 표면에 직접 접촉하여 제1 전하(201)를 발광 구조물(120)의 상면과 측면에 충전할 수 있다.
또는 예컨대, 제1 전하(201)와 반대되는 극성을 갖는 제2 전하를 발광 구조물(120)에 인접하여 배치함으로써 발광 구조물(120) 표면에 제1 전하(201)를 유도할 수 있다.
다음으로 도 4에 도시된 바와 같이, 발광 구조물(120)의 표면에 제1 전하(201)가 충전된 상태에서 제1 전하(201)와 반대 극성을 갖는 제2 전하(예컨대, 음(-) 전하)를 띠는 형광체(152)를 포함하는 수지층(154)을 발광 구조물(120) 표면에 도포한다. 도 4에는 형광체(152)가 단일층으로 도시되었지만, 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니며, 형광체(152)는 단일 또는 복수의 층일 수 있다.
예컨대, 제1 전하(201)가 충전된 발광 구조물(120)의 상면과 측면 상에 제2 전하를 띠는 분말 형태의 형광체(152)를 도포 또는 분사한 후에 액상 또는 필름 형태의 수지층(154)을 도포할 수 있다.
또는 예컨대, 제2 전하를 띠는 형광체(152)가 혼합된 액상 형태의 수지층(154)을 발광 구조물(120)의 상면과 측면 상에 도포하고, 도포된 수지층(154)을 경화할 수 있다.
이때 형광체(152)는 발광 구조물(120)과 반대 극성으로 충전되어 있기 때문에 형광체(152)와 발광 구조물(120) 사이에는 인력이 작용하여 형광체(152)가 발광 구조물(120)의 상면 및 측면에 부착 또는 흡착될 수 있다.
발광 구조물(120)과 형광체(152) 간의 인력으로 인하여 발광 구조물(120) 표면에는 형광체(152)가 균일하게 집중되어 도포될 수 있다. 이로 인하여 발광 구조물(120)의 상면과 측면 상에 위치하는 파장 변환층(150) 내에서 형광체(152)의 분포량은 파장 변환층(150)의 표면(101)으로부터 발광 구조물(120)로 갈수록 증가할 수 있다.
결국 실시 예는 형광체(152)가 발광 구조물(120) 표면에 집중하여 균일하게 분포할 수 있어, 발광 효율을 향상시키고 색재현성을 향상시킬 수 있다.
도 5는 다른 실시 예에 따른 발광 소자(200)를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 발광 소자(200)는 제2 전극층(205), 보호층(235), 발광 구조물(240), 파장 변환층(250), 및 제1 전극(260)을 포함한다.
제2 전극층(205)은 발광 구조물(240)을 지지하며, 제2 전원을 공급한다.
제2 전극층(205)은 지지층(210), 접합층(215), 배리어층(220), 반사층(225), 오믹층(ohmic contact layer, 230)를 포함할 수 있다.
지지층(210)은 금속 기판 또는 반도체로 이루어질 수 있다. 예컨대, 지지층(210)은 Cu, Cr, Ni, Ag, Au, Mo, Pd, W 또는 Al 등의 금속 물질로 이루어질 수 있다.
배리어층(220)은 발광 구조물(240)과 지지층(210) 사이에 배치되며, 지지층(210)의 금속 이온이 발광 구조물(240)로 확산하는 것을 방지한다. 배리어층(220)은 배리어 금속 물질, 예컨대, 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 또는 TiN 등으로 이루어질 수 있다.
접합층(215)은 배리어층(220)과 지지층(210) 사이에 배치될 수 있다. 접합층(215)은 배리어층(220)과 지지층(210) 사이에 삽입되어 양자를 접합할 수 있다.
접합층(215)은 지지층(210)을 본딩 방식으로 접합하기 위해 형성되는 것이기 때문에, 지지층(210)을 도금이나 증착 방법으로 형성하는 경우 또는 지지층(210)이 반도체층일 경우에는 접합층(215)은 생략될 수 있다. 접합층(215)은 접합 금속 물질, 예컨대, Au, Sn, Ni, Nb, In, Cu, Ag 및 Pd 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
반사층(225)은 유효 휘도를 향상시키기 위하여 배리어층(220) 상에 위치하며, 반사 물질, 예컨대, Au, Ni, Ag, Al 또는 그 합금으로 이루어질 수 있다.
오믹층(230)은 반사층(225)과 발광 구조물(240) 사이의 오믹 접촉을 위하여 반사층(225)과 제2 도전형 반도체층(242) 사이에 위치한다. 오믹층(230)은 제2 도전형 반도체층(242)과 오믹 접촉하는 물질, 예컨대, ITO(Indium Tin Oxide), TO(Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), IZTO(Indium Zinc Tin Oxide), IAZO(Indium Aluminium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), IGTO(Indium Gallium Tin Oxide), AZO(Aluminium Zinc Oxide), ATO(Aluminium Tin Oxide), GZO(Gallium Zinc Oxide), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni, Ag, Ni/IrOx/Au 또는 Ni/IrOx/Au/ITO 중 적어도 하나를 포함하는 투명 전도성 산화물로 이루어질 수 있다.
발광 구조물(240)은 제2 전극층(205) 상에 배치된다. 예컨대, 발광 구조물(240)은 제2 전극층(205) 상에 순차로 적층되는 제2 도전형 반도체층(242), 활성층(244), 및 제1 도전형 반도체층(246)을 포함할 수 있다. 제2 도전형 반도체층(242), 활성층(244), 및 제1 도전형 반도체층(246)은 도 1에서 설명한 바와 동일할 수 있다.
보호층(235)은 제2 전극층(205)의 가장 자리 영역 상에 배치될 수 있다. 예컨대, 보호층(235)은 발광 구조물(120)의 측면에 인접하는 배리어층(220)의 가장 자리 영역 상에 배치될 수 있으며, 일 측이 오믹층(230)과 인접할 수 있다.
파장 변환층(250)은 발광 구조물(240)의 상면 또는 측면 상에 배치된다. 파장 변환층(250)은 발광 구조물(240)로부터 방출되는 광 중 일부를 다른 파장 영역의 광으로 변환할 수 있다. 예컨대, 파장 변환층(250)은 형광체(252) 및 수지층(254)을 포함할 수 있으며, 형광체(252)는 수지층(254) 내에 포함될 수 있다. 형광체(252) 및 수지층(254)은 도 1에서 설명한 바와 동일한 재료일 수 있다.
발광 구조물(240)의 상면에 위치하는 파장 변환층(250)의 두께(D3)와 발광 구조물(240)의 측면에 위치하는 파장 변환층(250)의 두께(D4)는 동일할 수 있다. 발광 구조물(240)의 상면에 위치하는 파장 변환층(250)의 두께(D1)는 제1 전극(260)의 두께보다 작거나 같을 수 있다.
파장 변환층(250)에 포함되는 형광체(252)의 분포량은 파장 변환층(250)의 표면 또는 상면(201)으로부터 발광 구조물(240)로 갈수록 증가할 수 있다. 예컨대, 발광 구조물(240)로부터 파장 변환층(250) 전체 두께의 2분 1인 지점(202)까지 포함된 형광체(252)의 분포량은 파장 변환층(250) 전체에 포함되는 형광체(252)의 분포량의 80%이상일 수 있다.
도 6 내지 도 8은 다른 실시 예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 나타낸다. 도 6을 참조하면, 제2 전극층(205) 상에 마련된 발광 구조물(240)을 준비한다.
예컨대, 도 2에서 설명한 바와 같은 방법으로 성장 기판(미도시) 상에 제1 도전형 반도체층(246), 활성층(244), 및 제2 도전형 반도체층(242)을 순차로 성장시킨다. 그리고 단위 칩 영역을 개방하도록 제2 도전형 반도체층(242) 상에 보호층(235)을 형성한다. 단위 칩 영역이란 단위 발광 소자의 발광 구조물(240)이 형성될 영역을 의미한다.
전자빔(E-beam) 증착, 스퍼터링(Sputtering), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 중 어느 하나의 방법에 의하여 보호층(235)에 의하여 개방되는 제2 도전형 반도체층(242) 상에 제2 전극층(205)을 형성한다.
그리고 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off) 방법 또는 화학적 리프트 오프(Chemical Lift Off) 방법에 의해 성장 기판(미도시)을 발광 구조물(240)로부터 제거하고, 제1 도전형 반도체층(246)을 노출시킨다.
그리고 발광 구조물(240)을 단위 칩 영역으로 구분하기 위하여 ICP(Inductively Coupled Plasma)와 같은 건식 식각 방법에 의해 아이솔레이션(isolation) 에칭을 실시한다. 아이솔레이션(isolation) 에칭에 의하여 보호층(235)의 일부분이 노출될 수 있다.
광 추출 효율 향상을 위하여 건식 식각 또는 습식 식각을 통하여 제1 도전형 반도체층(246)의 상면에 러프니스 (roughness, 미도시)을 형성하고, 제1 도전형 반도체층(246) 상에 제1 전극(260)을 형성한다.
다음으로 도 7을 참조하면, 발광 구조물(240) 표면에 제2 전하(예컨대, 음(-) 전하, 301)를 충전한다. 예컨대,
제2 전하(301)가 충전된 물체(미도시)를 발광 구조물(240)의 표면에 직접 접촉하여 제2 전하(301)를 발광 구조물(240)의 상면과 측면에 충전할 수 있다.
또는 예컨대, 제2 전하(301)와 반대되는 극성을 갖는 제1 전하(예컨대, 양(+) 전하)를 발광 구조물(240)에 인접하여 배치함으로써 발광 구조물(240) 표면에 제2 전하(301)를 유도할 수 있다.
다음으로 도 8을 참조하면, 발광 구조물(240)의 표면에 제2 전하(301)가 충전된 상태에서 제2 전하(301)와 반대 극성을 갖는 제1 전하(예컨대, 음(+) 전하)를 띠는 형광체(252)를 포함하는 수지층(254)을 발광 구조물(240) 표면에 도포한다.
예컨대, 제2 전하(301)가 충전된 발광 구조물(240)의 상면과 측면 상에 제1 전하로 충전된 분말 형태의 형광체(252)를 도포 또는 분사한 후에 액상 또는 필름 형태의 수지층(254)을 도포하고, 도포된 수지층(254)을 경화할 수 있다.
또는 예컨대, 제1 전하가 충전된 형광체(252)가 혼합된 액상 형태의 수지층(254)을 제2 전하(301)가 충전된 발광 구조물(240)의 상면과 측면 상에 도포하고, 도포된 형광체(252)가 혼합된 수지층(254)을 경화할 수 있다.
형광체(252)는 발광 구조물(240)과 반대 극성으로 충전되어 있기 때문에, 형광체(252)와 발광 구조물(240) 사이에는 인력이 작용하여 형광체(252)가 발광 구조물(240)의 상면 및 측면에 부착 또는 흡착될 수 있다.
발광 구조물(240)과 형광체(252) 간의 인력으로 인하여 발광 구조물(240) 표면에는 형광체(252)가 균일하게 집중되어 도포될 수 있다. 이로 인하여 발광 구조물(240)의 상면과 측면 상에 위치하는 파장 변환층(250) 내에서 형광체(252)의 분포량은 파장 변환층(250)의 표면(301)으로부터 발광 구조물(240)로 갈수록 증가할 수 있다.
결국 실시 예는 형광체(252)가 발광 구조물(240) 표면에 집중하여 균일하게 분포할 수 있어, 발광 효율을 향상시키고 색재현성을 향상시킬 수 있다.
도 9는 실시 예에 따른 발광 소자를 포함하는 발광 소자 패키지를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 실시 예에 따른 발광 소자 패키지는 패키지 몸체(510), 제1 리드 프레임(512), 제2 리드 프레임(514), 발광 소자(520), 반사판(530), 와이어(524), 및 수지층(540)을 포함한다.
패키지 몸체(510)는 일측 영역에 캐버티(cavity)가 형성된 구조이다. 이때 캐버티의 측벽은 경사지게 형성될 수 있다. 패키지 몸체(510)는 실리콘 기반의 웨이퍼 레벨 패키지(wafer level package), 실리콘 기판, 실리콘 카바이드(SiC), 질화알루미늄(aluminum nitride, AlN) 등과 같이 절연성 또는 열전도도가 좋은 기판으로 형성될 수 있으며, 복수 개의 기판이 적층되는 구조일 수 있다. 실시 예는 상술한 몸체의 재질, 구조, 및 형상으로 한정되지 않는다.
제1 리드 프레임(512) 및 제2 리드 프레임(514)은 열 배출이나 발광 소자의 장착을 고려하여 서로 전기적으로 분리되도록 패키지 몸체(510)의 표면에 배치될 수 있다. 발광 소자(520)는 제1 리드 프레임(512) 및 제2 리드 프레임(514)과 전기적으로 연결된다. 이때 발광 소자(520)는 실시 예에 따른 발광 소자들(100, 200) 중 어느 하나일 수 있다.
예컨대, 도 1에 도시된 발광 소자(100)의 제1 전극(142)는 제2 와이어(524)에 의하여 제2 리드 프레임(514)에 전기적으로 연결된다. 그리고 제2 전극(144)은 제1 와이어(522)에 의하여 제1 리드 프레임(512)에 전기적으로 연결될 수 있다.
또한 도 5에 도시된 발광 소자(200)의 제2 전극부(205)는 제1 리드 프레임(512)에 본딩되고, 제1 전극(260)은 제2 리드 프레임(514)과 전기적으로 연결될 수 있다.
반사판(530)은 발광 소자(520)에서 방출된 빛을 소정의 방향으로 지향하도록 패키지 몸체(510)의 캐버티 측벽에 형성된다. 반사판(530)은 광반사 물질로 이루어지며, 예컨대, 금속 코팅이거나 금속 박편일 수 있다.
수지층(540)은 패키지 몸체(510)의 캐버티 내에 위치하는 발광 소자(520)를 포위하여 발광 소자(520)를 외부 환경으로부터 보호한다. 수지층(540)은 에폭시 또는 실리콘과 같은 무색 투명한 고분자 수지 재질로 이루어진다. 수지층(540)은 발광 소자(520)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있도록 형광체가 포함될 수 있다. 발광 소자 패키지는 상기에 개시된 실시 예들의 발광 소자들 중 적어도 하나를 탑재할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시 예에 따른 발광 소자 패키지는 복수 개가 기판 상에 어레이되며, 발광 소자 패키지의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광 소자 패키지, 기판, 광학 부재는 백라이트 유닛으로 기능할 수 있다.
또 다른 실시 예는 상술한 실시 예들에 기재된 발광 소자 또는 발광 소자 패키지를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 시스템으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
도 10은 실시 예에 따른 발광 소자를 포함하는 해드 램프(400)의 평면도를 나타내고, 도 11은 도 10에 도시된 해드 램프(400)의 AA'방향의 단면도를 나타낸다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 해드 램프(400)는 기판(410), 절연 기판(420), 발광 소자들(430-1 내지 430-n, n>1인 자연수), 배리어부(barrier, 460), 및 커버 글래스(cover glass, 470)를 포함한다.
기판(410)은 금속 기판, 예컨대, MCPCB(Metal Cored Printed Circuit Board)일 수 있으며, 캐비티(cavity, 415)를 가질 수 있다.
기판(410)은 열전도성이 높은 방열 플레이트로서 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은 또는 금을 포함하는 합금으로 형성될 수 있다. 기판(410)에 형성되는 캐비티(415)는 발광 소자(430-1 내지 430-n, n>1인 자연수)를 실장하기 위한 실장부일 수 있다.
절연 기판(420)은 기판(410) 상에 배치된다. 예컨대, 절연 기판(420)은 캐비티(415) 내에 배치될 수 있다. 절연 기판(420)은 열전도율이 높은 질화물, 예컨대, AlN로 형성될 수 있으며, 기판(410)에 부착됨으로써 방열성을 확보할 수 있다.
발광 소자들(430-1 내지 430-n, n>1인 자연수)은 절연 기판(420) 상에 이격하여 배치되며, 각각이 빛을 발생한다. 발광 소자들(430-1 내지 430-n, n>1인 자연수)은 절연 기판(120) 상에 유테틱 본딩(eutectic bonding) 또는 다이 본딩(die bonding)될 수 있다. 발광 소자들(430-1 내지 430-n, n>1인 자연수) 각각은 실시 예들(100, 200) 중 어느 하나일 수 있다.
배리어부(460)는 발광 소자들(430-1 내지 430-n, n>1인 자연수) 둘레의 기판(410) 상에 배치되며, 글래스 커버(470)를 지지한다. 배리어부(460)는 캐버티(415) 및 절연 기판(420)의 형상에 따라 다양한 형상으로 구현될 수 있다. 예컨대, 배리어부(460)는 다각형 또는 배리어 링(ring) 형상일 수 있다.
또한 배리어부(460)는 반사 물질일 수 있고, 발광 소자들(430-1 내지 430-n, n>1인 자연수)로부터 조사되는 빛을 커버 글래스(470)로 반사하여, 해드 램프(400)의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 배리어부(160)는 발광 소자들(430-1 내지 430-n, n>1인 자연수)로부터의 이격 거리 또는/및 높이를 조절하여 해드 램프(400)의 광 지향각을 조절할 수 있다.
배리어부(460)는 반사 금속 물질, 예컨대, 알루미늄(Al), 은(Ag), 백금(Pt), 로듐(Rh), 라듐(Rd), 팔라듐(Pd), 크롬(Cr) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
커버 글래스(470)는 배리어부(460) 상에 배치되어 발광 소자(430-1 내지 430-n, n>1인 자연수)로부터 조사되는 광을 투과시키며, 발광 소자(430-1 내지 430-n, n>1인 자연수)를 보호할 수 있다.
커버 글래스(470)는 무반사 코팅(anti-reflective coating) 처리되어 발광 소자(430-1 내지 430-n, n>1인 자연수)로부터 조사된 빛의 광 투과율을 향상시킬 수 있다. 무반사 코팅 처리는 유리 재질 베이스에 무반사 코팅 필름을 부착하거나, 무반사 코팅액을 스핀 코팅 또는 스프레이 코팅하여 무반사 코팅막을 형성하여 수행될 수 있다. 예컨대, 무반사 코팅막은 TiO2 , SiO2 , Al2O3 , Ta2O3, ZrO2, MgF2 중 적어도 하나 이상을 포함하여 형성될 수 있다.
다른 실시 예에서 커버 글래스는 홀(미도시) 또는 개구부(미도시)를 포함할 수 있고, 발광 소자들(430-1 내지 430-n, n>1인 자연수) 또는 기판(410)에서 발생하는 열로 인한 가스를 홀 또는 개구부를 통하여 방출할 수 있다.
또 다른 실시 예에서 커버 글래스는 홀 또는 개구부를 갖는 돔(dome) 형태일 수 있다. 또한, 다른 실시 예에서 커버 글래스는 발광 소자들(430-1 내지 430-n, n>1인 자연수)로부터 발생하는 빛 중 특정 파장의 빛만을 통과시키는 컬러 필터를 포함할 수 있다.
또한, 다른 실시 예에서 커버 글래스는 발광 소자들(430-1 내지 430-n, n>1인 자연수)로부터 발생하는 빛의 지향각을 조절할 수 있는 특정 패턴(미도시)을 포함할 수 있다. 이때, 패턴의 종류 및 모양은 제한되지 않는다.
도 12는 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 포함하는 조명 장치의 분해 사시도이다. 도 12를 참조하면, 조명 장치는 광을 투사하는 광원(750)과 광원(750)이 내장되는 하우징(700)과 광원(750)의 열을 방출하는 방열부(740) 및 광원(750)과 방열부(740)를 하우징(700)에 결합하는 홀더(760)를 포함한다.
하우징(700)은 전기 소켓(미도시)에 결합되는 소켓 결합부(710)와, 소켓 결합부(710)와 연결되고 광원(750)이 내장되는 몸체부(730)를 포함한다. 몸체부(730)에는 하나의 공기 유동구(720)가 관통하여 형성될 수 있다.
하우징(700)의 몸체부(730) 상에 복수 개의 공기 유동구(720)가 구비되며, 공기 유동구(720)는 하나이거나, 복수 개일 수 있다. 공기 유동구(720)는 몸체부(730)에 방사상으로 배치되거나 다양한 형태로 배치될 수 있다.
광원(750)은 기판(754) 상에 구비되는 복수 개의 발광 소자 패키지(752)를 포함한다. 기판(754)은 하우징(700)의 개구부에 삽입될 수 있는 형상일 수 있으며, 후술하는 바와 같이 방열부(740)로 열을 전달하기 위하여 열전도율이 높은 물질로 이루어질 수 있다. 복수 개의 발광 소자 패키지는 상술한 실시 예일 수 있다.
광원(750)의 하부에는 홀더(760)가 구비되며, 홀더(760)는 프레임 및 다른 공기 유동구를 포함할 수 있다. 또한, 도시되지는 않았으나 광원(750)의 하부에는 광학 부재가 구비되어 광원(750)의 발광 소자 패키지(752)에서 투사되는 빛을 확산, 산란 또는 수렴시킬 수 있다.
도 13은 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 포함하는 표시 장치를 나타낸다. 도 13을 참조하면, 표시 장치(800)는 바텀 커버(810)와, 바텀 커버(810) 상에 배치되는 반사판(820)과, 광을 방출하는 발광 모듈(830, 835)과, 반사판(820)의 전방에 배치되며 상기 발광 모듈(830,835)에서 발산되는 빛을 표시 장치 전방으로 안내하는 도광판(840)과, 도광판(840)의 전방에 배치되는 프리즘 시트들(850,860)을 포함하는 광학 시트와, 광학 시트 전방에 배치되는 디스플레이 패널(870)과, 디스플레이 패널(870)과 연결되고 디스플레이 패널(870)에 화상 신호를 공급하는 화상 신호 출력 회로(872)와, 디스플레이 패널(870)의 전방에 배치되는 컬러 필터(880)를 포함할 수 있다. 여기서 바텀 커버(810), 반사판(820), 발광 모듈(830,835), 도광판(840), 및 광학 시트는 백라이트 유닛(Backlight Unit)을 이룰 수 있다.
발광 모듈은 기판(830) 상의 발광 소자 패키지(835)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 기판(830)은 PCB 등이 사용될 수 있다. 발광 소자 패키지(835)는 실시 예에 따른 발광 소자 패키지일 수 있다.
바텀 커버(810)는 표시 장치(800) 내의 구성 요소들을 수납할 수 있다. 그리고, 반사판(820)은 본 도면처럼 별도의 구성요소로 마련될 수도 있으며, 도광판(840)의 후면이나, 바텀 커버(810)의 전면에 반사도가 높은 물질로 코팅되는 형태로 마련되는 것도 가능하다.
여기서, 반사판(820)은 반사율이 높고 초박형으로 사용 가능한 소재를 사용할 수 있고, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephtalate; PET)를 사용할 수 있다.
그리고, 도광판(830)은 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate; PMMA), 폴리카보네이트(PolyCarbonate; PC), 또는 폴리에틸렌(PolyEthylene; PE) 등으로 형성될 수 있다.
그리고, 제1 프리즘 시트(850)는 지지 필름의 일면에, 투광성이면서 탄성을 갖는 중합체 재료로 형성될 수 있으며, 중합체는 복수 개의 입체구조가 반복적으로 형성된 프리즘층을 가질 수 있다. 여기서, 복수 개의 패턴은 도시된 바와 같이 마루와 골이 반복적으로 스트라이프 타입으로 구비될 수 있다.
그리고, 제2 프리즘 시트(860)에서 지지 필름 일면의 마루와 골의 방향은, 제1 프리즘 시트(850) 내의 지지필름 일면의 마루와 골의 방향과 수직할 수 있다. 이는 발광 모듈과 반사 시트로부터 전달된 빛을 디스플레이 패널(1870)의 전면으로 고르게 분산하기 위함이다.
그리고, 도시되지는 않았으나, 도광판(840)과 제1 프리즘 시트(850) 사이에 확산 시트가 배치될 수 있다. 확산 시트는 폴리에스터와 폴리카보네이트 계열의 재료로 이루어질 수 있으며, 백라이트 유닛으로부터 입사된 빛을 굴절과 산란을 통하여 광 투사각을 최대로 넓힐 수 있다. 그리고, 확산 시트는 광확산제를 포함하는 지지층과, 광출사면(제1 프리즘 시트 방향)과 광입사면(반사시트 방향)에 형성되며 광확산제를 포함하지 않는 제1 레이어와 제2 레이어를 포함할 수 있다.
실시 예에서 확산 시트, 제1 프리즘시트(850), 및 제2 프리즘시트(1860)가 광학 시트를 이루는데, 광학 시트는 다른 조합 예를 들어, 마이크로 렌즈 어레이로 이루어지거나 확산 시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 또는 하나의 프리즘 시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 등으로 이루어질 수 있다.
디스플레이 패널(870)은 액정 표시 패널(Liquid crystal display)가 배치될 수 있는데, 액정 표시 패널(860) 외에 광원을 필요로 하는 다른 종류의 표시 장치가 구비될 수 있다.
이상에서 실시 예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 기판, 120,240: 발광 구조물,
122:제1 도전형 반도체층, 124: 활성층
126: 제2 도전형 반도체층 130: 전도층
142: 제1 전극, 144: 제2 전극
150,250: 파장 변환층 205: 제2 전극층
210: 지지층 215: 접합층
220: 배리어층 225: 반사층
230: 오믹층, 235: 보호층
252: 형광체 254: 수지층
260: 제1 전극.

Claims (10)

  1. 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 및
    상기 발광 구조물의 상면 및 측면 상에 배치되고, 형광체를 포함하는 수지층으로 이루어진 파장 변환층을 포함하며,
    상기 파장 변환층에 포함되는 상기 형광체의 분포량은 상기 파장 변환층의 표면으로부터 상기 발광 구조물로 갈수록 증가하는 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발광 구조물의 상면 상에 위치하는 파장 변환층의 두께는 상기 발광 구조물의 측면 상에 위치하는 파장 변환층의 두께와 동일한 발광 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 발광 구조물의 측면 상에 위치하는 파장 변환층에 포함되는 형광체의 분포량은 상기 파장 변환층의 표면으로부터 상기 발광 구조물의 측면으로 진행할수록 증가하는 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발광 구조물로부터 상기 파장 변환층 전체 두께의 2분 1인 지점까지 포함되는 형광체의 분포량은 상기 파장 변환층 전체에 포함되는 형광체의 분포량의 80%이상인 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층 아래에 배치되는 기판;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 제1 전극; 및
    상기 제2 도전형 반도체층 상에 배치되는 제2 전극을 더 포함하는 발광 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 발광 구조물의 상면에 위치하는 상기 파장 변환층의 두께는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각의 두께보다 작거나 같은 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 제1 전극;
    상기 제2 도전형 반도체층 아래에 배치되는 오믹층;
    상기 오믹층 아래에 배치되는 반사층을 더 포함하는 발광 소자.
  8. 발광 구조물을 형성시키는 단계;
    상기 발광 구조물 표면에 제1 전하를 충전시키는 단계; 및
    상기 제1 전하와 반대 극성을 갖는 제2 전하를 띠는 형광체를 포함하는 수지층을 상기 발광 구조물 표면에 형성하는 단계; 및
    상기 형광체를 포함하는 수지층을 경화하는 단계를 포함하는 발광 소자의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 형광체를 포함하는 수지층을 상기 발광 구조물 표면에 형성하는 단계는,
    상기 제2 전하를 띠는 분말 형태의 형광체를 상기 발광 구조물의 상면 및 측면에 분사하는 단계; 및
    상기 분말 형태의 형광체가 분사된 발광 구조물의 상면 및 측면 상에 액상 또는 필름 형태의 수지를 도포하는 단계를 포함하는 발광 소자의 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 형광체를 포함하는 수지층을 상기 발광 구조물 표면에 형성하는 단계는,
    상기 제2 전하를 띠는 형광체가 혼합된 액상 형태의 수지를 상기 발광 구조물의 상면 및 측면에 도포하는 발광 소자의 제조 방법.
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