KR20130062774A - 발광소자 - Google Patents

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KR20130062774A
KR20130062774A KR1020110129204A KR20110129204A KR20130062774A KR 20130062774 A KR20130062774 A KR 20130062774A KR 1020110129204 A KR1020110129204 A KR 1020110129204A KR 20110129204 A KR20110129204 A KR 20110129204A KR 20130062774 A KR20130062774 A KR 20130062774A
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Abstract

실시 예에 따른 발광소자는, 지지부재, 상기 지지부재 상에 배치된 제1 반도체층, 제2 반도체층 및 상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 활성층을 포함하는 발광구조물, 상기 지지부재 상에 배치되는 복수의 돌기부 및 상기 돌기부를 코팅하는 반사층을 포함하고, 상기 반사층은 적어도 제1 굴절율을 가지는 제1층 및 상기 제1 굴절율과 상이한 제2 굴절율을 가지는 제2층을 포함할 수 있다.

Description

발광소자{Light emitting device}
실시 예는 활성층에서 발생하는 광을 난반사시키고, 상면 및 측면 발광을 확대하여 발광효율이 개선되는 발광소자에 관한 것이다.
발광소자의 대표적인 예로, LED(Light Emitting Diode; 발광 다이오드)는 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기 신호를 적외선, 가시광선 또는 빛의 형태로 변환시키는 소자로, 가정용 가전제품, 리모콘, 전광판, 표시기, 각종 자동화 기기 등에 사용되고, 점차 LED의 사용 영역이 넓어지고 있는 추세이다.
보통, 소형화된 LED는 PCB(Printed Circuit Board) 지지부재에 직접 장착하기 위해서 표면실장소자(Surface Mount Device)형으로 만들어지고 있고, 이에 따라 표시소자로 사용되고 있는 LED 램프도 표면실장소자 형으로 개발되고 있다. 이러한 표면실장소자는 기존의 단순한 점등 램프를 대체할 수 있으며, 이것은 다양한 칼라를 내는 점등표시기용, 문자표시기 및 영상표시기 등으로 사용된다.
이와 같이 LED의 사용 영역이 넓어지면서, 생활에 사용되는 전등, 구조 신호용 전등 등에 요구되는 휘도가 높이지는 바, LED의 발광휘도를 증가시키는 것이 중요하다.
실시 예는 활성층에서 발생된 광을 난반사시키고, 광추출 효율을 향상시키는 발광소자를 제공한다.
실시 예에 따른 발광소자는 지지부재, 상기 지지부재 상에 배치된 제1 반도체층, 제2 반도체층 및 상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 활성층을 포함하는 발광구조물, 상기 지지부재 상에 배치되는 복수의 돌기부 및 상기 돌기부를 코팅하는 반사층을 포함하고, 상기 반사층은 적어도 제1 굴절율을 가지는 제1층 및 상기 제1 굴절율과 상이한 제2 굴절율을 가지는 제2층을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 발광소자는 활성층에서 발생한 광을 돌기부와 돌기부를 코팅하는 반사층을 통해서 완벽하게 발광소자의 측면으로 배출시키므로, 발광소자의 측면 발광을 확대할 수 있고, 발광소자의 발광효율이 향상될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 발광소자는 활성층에서 발생한 광이 돌기부들의 형상 차이에 의해 다양한 각도로 반사되므로, 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1a는 실시예에 따른 발광소자를 나타내는 평면도이다.
도 1b는 실시예에 따른 발광소자를 나타낸 단면도이다.
도 1c는 실시예에 따란 발광소자를 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 돌기부의 형상과 배치형태를 도시한 단면도이다.
도 3은 실시예의 발광소자의 광 진행경로를 설명한 설명도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도 8 내지 도 12는 실시예에 따른 발광소자를 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 13은 실시예에 따른 발광소자 패키지를 나타낸 사시도이다.
도 14은 실시예에 따른 발광소자 패키지를 나타낸 단면도이다.
도 15는 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 조명 시스템을 도시한 사시도이다.
도 16은 도 15의 조명 시스템의 C-C′단면을 도시한 단면도이다.
도 17는 실시 예에 따른 발광소자를 포함하는 액정표시장치의 분해 사시도이다.
도 18는 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 액정표시장치의 분해 사시도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향 뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
또한, 실시예에서 발광소자의 구조를 설명하는 과정에서 언급하는 각도와 방향은 도면에 기재된 것을 기준으로 한다. 명세서에서 발광소자를 이루는 구조에 대한 설명에서, 각도에 대한 기준점과 위치관계를 명확히 언급하지 않은 경우, 관련 도면을 참조하도록 한다.
도 1a는 실시예에 따른 발광소자를 나타내는 평면도, 도 1b는 실시예에 따른 발광소자를 나타낸 단면도, 도 1c는 실시예에 따란 발광소자를 나타낸 분해 사시도, 도 2는 돌기부의 형상과 배치형태를 도시한 단면도, 도 3은 실시예의 발광소자의 광 진행경로를 설명한 설명도이다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c를 참조하면, 발광소자(100)는 지지부재(110), 지지부재(110) 상에 배치되는 발광구조물 및 상기 발광구조물 상에 형성된 투광성전극층(150)을 포함할 수 있다.
지지부재(110) 상에 배치되는 복수의 돌기부(112)가 배치되고, 돌기부(112)를 코팅하는 반사층(113)을 포함할 수 있다.
발광구조물은 제1 반도체층(120), 제2 반도체층(140) 및 제1 반도체층(120) 과 제2 반도체층(140) 사이의 활성층(130)을 포함할 수 있다.
지지부재(110)는 반도체 물질 성장에 적합한 물질, 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있다. 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판일 수 있다. 지지부재(110)는 광 투과적 성질을 가지는 재질, 예를 들어 사파이어(Al2O3), GaN, ZnO, AlO 중 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다. 또한, 사파이어(Al2O3) 지지부재에 비해 열전도성이 큰 SiC 지지부재일 수 있다. 다만, 지지부재(110)의 굴절율은 광 추출 효율을 위해 제1 반도체층(120)의 굴절율보다 작은 것이 바람직하다.
한편, 지지부재(110)의 상측 면에는 광 추출 효율을 높이기 위해 복수의 돌기부(112)가 패턴을 이루며 마련될 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
한편, 지지부재(110) 상에는 지지부재(110)와 제1 반도체층(120) 사이의 격자 부정합을 완화하고 반도체층이 용이하게 성장될 수 있도록 하는 버퍼층(미도시)이 위치할 수 있다. 버퍼층(미도시)은 저온 분위기에서 형성할 수 있으며, 반도체층과 지지부재와의 격자상수 차이를 완화시켜 줄 수 있는 물질로 이루어 질 수 있다. 예를 들어, GaN, InN, AlN, AlInN, InGaN, AlGaN, 및 InAlGaN 과 같은 재질 중 선택할 수 있으며 이에 한정되지 않는다.
버퍼층(미도시) 상에는 제1 반도체층(120), 활성층(130) 및 제2 반도체층(140)을 포함한 발광 구조물이 형성될 수 있다.
버퍼층(미도시) 상에는 제1 반도체층(120)이 위치할 수 있다. 제1 반도체층(120)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 제1 반도체층(120)은 3-5족, 2-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제 1 도펀트가 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제1 반도체층(120)은 n형 반도체층으로 구현될 수 있으며, 활성층(130)에 전자를 제공할 수 있다. 제1 반도체층(120)은 예를 들어, InxAlyGa1 -x- yN (0≤≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며, Si, Ge, Sn 등의 n형 도펀트가 도핑될 수 있다.
또한, 제1 반도체층(120)아래에 언도프트 반도체층(미도시)을 더 포함할 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다. 언도프트 반도체층은 제1 반도체층(120)의 결정성 향상을 위해 형성되는 층으로, n형 도펀트가 도핑되지 않아 제1 반도체층(120)에 비해 낮은 전기전도성을 갖는 것을 제외하고는 제1 반도체층(120)과 같을 수 있다.
상기 제1 반도체층(120) 상에는 활성층(130)이 형성될 수 있다. 활성층(130)은 3족-5족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 이중 접합 구조, 단일 또는 다중 양자 우물 구조, 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 등으로 형성될 수 있다.
활성층(130)이 양자우물구조로 형성된 경우 예컨대, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 우물층과 InaAlbGa1 -a- bN (0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤a+b≤1)의 조성식을 갖는 장벽층을 갖는 단일 또는 다중 양자우물구조를 가질 수 있다. 우물층은 장벽층의 밴드 갭보다 작은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
활성층(130)의 위 또는/및 아래에는 도전성 클래드층(미도시)이 형성될 수 있다. 도전성 클래드층(미도시)은 활성층의 장벽층의 밴드갭보다 더 넓은 밴드갭을 가지는 반도체로 형성할 수 있다. 예를 들어, 도전형 클래드층(미도시)은 GaN, AlGaN, InAlGaN 또는 초격자 구조 등을 포함할 수 있다. 또한 도전형 클래드층(미도시)은 n형 또는 p형으로 도핑될 수 있다.
활성층(130)상에는 제2 반도체층(140)이 위치할 수 있다. 제2 반도체층(140)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 제2 반도체층(130)은 3-5족, 2-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제 2 도펀트가 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제2 반도체층(140)은 활성층(130)에 정공을 주입하도록 p형 반도체층으로 구현될 수 있다. 제2 반도체층(140)은 예를 들어, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.
한편, 활성층(130)과 제2 반도체층(140) 사이에 중간층(미도시)이 형성될 수 있으며, 중간층은 고 전류 인가 시 제1 반도체층(120)으로부터 활성층(130)으로 주입되는 전자가 활성층(130)에서 재결합되지 않고, 제2 반도체층(140)으로 흐르는 현상을 방지하는 전자 차단층(Electron blocking layer)일 수 있다. 중간층은 활성층(130)보다 상대적으로 큰 밴드갭을 가짐으로써, 제1 반도체층(120)으로부터 주입된 전자가 활성층(130)에서 재결합되지 않고 제2 반도체층(140)으로 주입되는 현상을 방지할 수 있다. 이에 따라 활성층(130)에서 전자와 정공의 재결합 확률을 높이고 누설전류를 방지할 수 있다.
한편, 상술한 중간층은 활성층(130)에 포함된 장벽층의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 가질 수 있으며, p 형 AlGaN 과 같은 Al 을 포함한 반도체층으로 형성될 수 있고, 이에 한정하지 아니한다.
상술한 제1 반도체층(120), 활성층(130) 및 제2 반도체층(140)은 예를 들어, 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), 스퍼터링(Sputtering) 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
또한, 제1 반도체층(120) 및 제2 반도체층(140) 내의 도전형 도펀트의 도핑 농도는 균일 또는 불균일하게 형성될 수 있다. 즉, 복수의 반도체층은 다양한 도핑 농도 분포를 갖도록 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
또한, 제1 반도체층(120)이 p형 반도체층으로 구현되고, 제2 반도체층(140)이 n형 반도체층으로 구현될 수 있으며, 제2 반도체층(140) 상에는 n형 또는 p형 반도체층을 포함하는 제3 반도체층(미도시)이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 발광 소자(100)는 np, pn, npn, pnp 접합 구조 중 적어도 어느 하나를 가질 수 있다.
다시 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 제1 전극(122)은 제1 반도체층(120)과 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들면, 활성층(130)과 제2 반도체층(140)은 일부가 제거되어 제1 반도체층(120)의 일부가 노출되고, 노출된 제1 반도체층(120) 상면에는 제1 전극(122)이 형성될 수 있다. 또한, 제2 반도체층(140) 상에는 투광성전극층(150)이 형성되며, 투광성전극층(150)의 외측 일면 또는 제2 반도체층(140) 상에는 제2 전극(142)이 형성될 수 있다. 다시 설명하면, 투광성전극층(150)과 제2 전극(142)은 전기적으로 연결된다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
투광성전극층(150)은 ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au 및 Ni/IrOx/Au/ITO 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 제2 반도체층(140)의 외측 일면 전체에 형성됨으로써, 전류군집현상을 방지할 수 있다.
제1 및 2 전극(122, 142)은 반도체층과 오믹 접촉되어 발광구조물에 전원이 원활히 공급되도록 한다. 제1 전극(122)과 제2 전극(142)은 전도성 물질, 예를 들어, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, 니켈(Ni), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo), 티탄(Ti), 은(Ag), 텅스텐(W), 구리(Cu), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd), 바나듐(V), 코발트(Co), 니오브(Nb), 지르코늄(Zr), Ni/IrOx/Au, 또는 Ni/IrOx/Au/ITO , 탄소나노튜브 중 적어도 하나를 이용하여 단층 또는 다층으로 형성할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 돌기부(112)는 복수 개가 지지부재(110) 상에 배치될 수 있다. 또한, 돌기부(112)들은 서로 이격되어 배치될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다.
돌기부(112)의 재질은 제한이 없으나, 지지부재(110)의 재질과 동일한 재질을 가질 수 있다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c를 참조하면, 돌기부(112)는 원뿔기둥, 원기둥, 반구, 육면체 및 다면체 중 어느 하나의 형상을 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고 돌기부(112)는 다양한 형상을 가질 수 있다.
도 2d를 참조하면, 돌기부(112)는 원뿔기둥, 원기둥, 반구, 육면체 및 다면체 중 적어도 하나의 형상을 포함할 수 있다. 도 2에서 돌기부(112)이 형상 및 배치를 도시하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
돌기부(112)는 활성층(130)에서 발생한 빛을 발광소자(100)의 측면으로 진행시키므로, 활성층(130)에서 발생한 광이 발광소자(100)의 내부에서 손실되는 것을 방지하여서 발광소자(100)의 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
돌기부(112)는 예를 들면, E-beam을 사용하여 증착하거나 또는 PR(Photo Resist) 방식으로 부분 증착하여 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 건식식각 또는 습식식각의 방법도 사용될 수 있다.
한편, 복수의 돌기부(112)들 사이가 극단적으로 가깝거나 극단적으로 멀면, 광이 다양한 각도로 배출되기 어렵게 된다. 따라서, 서로 인접한 돌기부(112)들 사이의 이격거리(d1)는 돌기부(112)의 밑면 폭의 0.8 내지 2.5 배 일 수 있다.
복수의 돌기부(112)의 밑면 폭은 100Å 내지 20000Å일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다.
한편, 복수의 돌기부(112)는 지지부재(110)의 재질과 동일한 재질을 가질 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고 다른 재질로 형성될 수도 있다. 동일 재질로 형성되는 경우 작업의 편의성을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 1b를 참조하면, 여기서, 돌기부(112)의 외면에는 반사층(113)이 형성될 수 있다. 즉, 돌기부(112)는 반사층(113)에 의해 코팅될 수 있다. 돌기부(112)를 코팅하는 반사층(113)은 적어도 제1 굴절률을 갖는 제1 층(113a) 및 상기 제1 굴절률과 상이한 제2 굴절률을 갖는 제2 층(113b)을 포함할 수 있다.
즉, 반사층(113)은 굴절율이 서로 다른 층들(113a, 113b)이 교번적으로 반복 적층된 구조를 이룰 수 있다. 반사층(113)은 제1 층(113a)이 고굴절율층이고, 제2 층(113b)이 저굴절율층일 수 있다. 이와 반대로 제1 층(113a)이 저굴절율층이고, 제2 층(113b)이 고굴절율층일 수 있으나 이에 한정하지 않는다. 반사층(113)은 2층 내지 30층이 적층될 수 있으며 이에 한정되는 것은 아니다.
λ가 활성층(130)에서 발생한 광의 파장이고 n이 매질의 굴절율이며, m을 홀수라 할 때, 반사층(113)은, mλ/4n의 두께로 고굴절율을 가지는 제1 층(113a)과 저굴절율을 가지는 제2 층(113b)을 교대로 반복 적층하여 특정 파장대(λ)의 광에서 95% 이상의 반사율을 얻을 수 있는 반도체 적층 구조로 이루어진다.
따라서, 고굴절율을 가지는 제1 층(113a)과 저굴절율을 가지는 제2 층(113b)은 기준 파장의 λ/4배의 두께를 가질 수 있으며, 이때 각 층(113a, 113b)의 두께는 2Å 내지 10um로 형성할 수 있고, 예를 들어, 1 nm 내지 10 nm 일 수 있다.
그리고, 반사층(113)의 두께는 100Å 내지 10000Å 일 수 있으나 이에 한정되지 않으며 그 이하나 그 이상일 수 있다.
또한, 반사층(113)을 형성하는 각 층(113a, 113b)은 MxOy (M : Metal, O : Oxide, X, Y : 상수)로 구성될 수 있다. 예를 들면, 반사층(113)은 SiO2 , Al2O3 , SiC, AlB, BN 및 TiO2 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.예를 들어, 고굴절율을 가지는 제1 층(113a)은 굴절율 2 이상의 TiO2 등을 포함할 수 있고, 저굴절율을 가지는 제2 층(113b)은 굴절율 1.4의 SiO2 또는 굴절율 1.6의 Al2O3가 포함될 수 있다. 이와 반대로 제1 층(113a)이 저굴절율을 가지고 제2 층(113b)가 고굴절율을 가지게 될 경우 제1 층(113a)에 SiO2 나 Al2O3가 포함될 수 있고, 제2 층(113b)은 TiO2 가 포함될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 저굴절율을 가지는 제1 층(113a)과 고굴절율을 가지는 제2 층(113b)들 사이의 매질의 굴절율을 크게 하는 것에 의해 반사율을 보다 크게 할 수 있다.
이와 같은 반사층(113)은 발진 파장보다 밴드갭 에너지가 커서 광의 흡수가 잘 일어나지 않고, 광의 대부분이 전반사가 되기 때문에 광의 반사도가 크다.
돌기부(112)가 반사층(113)에 의해 코팅되면, 활성층(130)에서 발생한 광 중에 일부가 돌기부(112)에서 반사되지 않고 굴절되어서 진행하는 것을 방지하고, 활성층(130)에서 발생한 광을 발광소자(100)의 측면 등의 외부로 반사시켜서 발광소자(100)의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 3을 참조하면, 광이 발광소자(100)의 하부로 진행하면 돌기부(112)가 존재하지 않는 경우 일정비율의 광은 발광소자(100)의 측면으로 바로 배출되지 못하고, 발광소자(100)의 내부에서 여러 번 반사되어 발광소자(100)의 내부에서 소실되거나 발광소자(100)의 외부로 배출되게 된다. 광이 발광소자(100)의 내부에서 여러 번의 반사가 진행되는 경우 발광효율의 손실이 발생하게 되는데, 실시예와 같이 돌기부(112)와 돌기부(112)를 코팅하는 반사층(113)이 있는 경우 활성층(130)에서 발생한 광의 대부분은 돌기부(112)에서 발광소자(100)의 측면으로 배출될 수 있는 각도로 반사되고 결국 발광소자(100)의 발광효율을 향상시킬 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 실시예의 발광소자(100A)는 도 1의 실시예와 비교하면, 돌기부(112A)들의 외면의 서로 접하게 배치되는 차이점이 존재한다.
돌기부(112A)들은 서로의 외면이 접하게 배치될 수 있다. 즉, 돌기부(112A)에 반사층(113A)이 코팅되는 경우 반사층(113A)들이 서로 접하게 형성될 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 실시예의 발광소자(200)는 도 1의 실시예와 비교하여 제2 전극(242)이 형성된 위치와 적어도 일부분이 수직적으로 중첩되도록 제2 반도체층(240) 상에 형성되는 전극 반사층(260)을 더 포함할 수 있다.
전극 반사층(260)은 도 1에서 상술한 반사층(113)의 구성과 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략한다.
제2 전극(242)의 하부에 수직적으로 중첩되게 전극 반사층(260)이 배치되어서, 활성층(230)에서 발생한 광이 전극 반사층(260)에 의해 반사되므로, 제2 전극(242)에 흡수되어 광효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도 6을 참조하면, 실시예의 발광소자(300)는 도 1의 실시예와 비교하여 제2 전극(342)이 형성된 위치와 적어도 일부분이 수직적으로 중첩되도록 제2 반도체층(340) 상에 형성되는 전류제한층(370)을 더 포함할 수 있다.
전류제한층(370)은 비전도성 또는 약전도성의 물질을 포함할 수 있고 예를 들어, 이산화규소(SiO2), 또는 이산화규소(SiO2)를 포함하는 산화알루미늄(Al2O3)으로 구성될 수도 있다.
전류제한층(370)은 전자가 전극의 하부에 밀집되는 전류군집현상을 방지하기 위해 마련된다.
또한, 전류제한층(370)의 면적은 제한이 없지만, 제2 전극(342)의 면적 보다 넓게 형성될 수 있다. 따라서, 전류군집현상을 방지할 수 있다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도 7을 참조하면, 실시예의 발광소자(400)는 도 1의 실시예와 비교하여 발광소자(400)의 측면에 요철패턴(480)을 더 포함할 수 있다. 요철패턴(480)은 발광소자(400)의 광 추출 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 8 내지 도 12는 실시예에 따른 발광소자를 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 8을 참조하면, 먼저 지지부재(110)를 마련한다.
이후, 지지부재(110) 상에 돌기부(112)를 형성한다. 돌기부(112)의 형성방법은 제한이 없지만, 예를 들면, E-beam을 사용하여 증착하거나 또는 PR(Photo Resist) 방식으로 부분 증착하여 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 건식식각 또는 습식식각의 방법도 사용될 수 있다.
도 9를 참조하면, 이후, 돌기부(112)의 표면에 반사층(113)을 형성한다. 반사층(113)을 형성하는 방법은 제한이 없지만, 증착방법에 의해 형성될 수 있다.
도 10을 참조하면, 지지부재(110) 상에 제1 반도체층(120), 활성층(130) 및 제2 반도체층(140)을 순차적으로 형성하여 발광구조물을 형성할 수 있다.
발광구조물은 예를 들어, 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 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도 11을 참조하면, 이후 발광구조물의 제1 영역(S)에 메사 에칭을 실시하여 제1 반도체층(120)의 상면의 적어도 일부가 노출되도록 할 수 있다.
메사 에칭은 마스크를 형성한 후, 건식 식각 또는 습식 식각에 의해 실시될 수 있다.
제2 반도체층(116) 상에 투광성전극층(150)을 형성할 수 있다.
투광성전극층(150)은 제2 반도체층(140) 상면의 전 영역에 형성되거나, 일부 영역에 형성될 수 있다.
투광성전극층(150)은 전자빔(E-beam) 증착, 스퍼터링(Sputtering), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 중 어느 하나의 증착 방법에 의해 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도 12를 참조하면, 제1 반도체층(120) 상에 제1 전극(122)을 형성하고, 제2 반도체층(140) 상에 제2 전극(142)을 형성함으로써, 실시예에 따른 발광 소자(100)를 제공할 수 있다.
제1,2 전극(122,142)은 예를 들어, 증착 방식 또는 도금 방식에 의해 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도 13은 실시예에 따른 발광소자 패키지를 나타낸 사시도이고, 도 14는 실시예에 따른 발광소자 패키지를 나타낸 단면도이다.
도 13 및 도 14을 참조하면, 발광소자 패키지(500)는 캐비티(520)가 형성된 몸체(510), 몸체(510)에 실장되는 제1 및 제2 리드 프레임(540, 550)과, 제1 및 제2 리드 프레임(540, 550)과 전기적으로 연결되는 발광소자(530), 및 발광소자(530)를 덮도록 캐비티(520)에 충진되는 봉지재(미도시)를 포함할 수 있다.
몸체(510)는 폴리프탈아미드(PPA:Polyphthalamide)와 같은 수지 재질, 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 액정폴리머(PSG, photo sensitive glass), 폴리아미드9T(PA9T), 신지오택틱폴리스티렌(SPS), 금속 재질, 사파이어(Al2O3), 베릴륨 옥사이드(BeO), 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board) 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 몸체(510)는 사출 성형, 에칭 공정 등에 의해 형성될 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.
몸체(510)의 내면은 경사면이 형성될 수 있다. 이러한 경사면의 각도에 따라 발광소자(530)에서 방출되는 광의 반사각이 달라질 수 있으며, 이에 따라 외부로 방출되는 광의 지향각을 조절할 수 있다.
광의 지향각이 줄어들수록 발광소자(530)에서 외부로 방출되는 광의 집중성은 증가하고, 반대로 광의 지향각이 클수록 발광소자(530)에서 외부로 방출되는 광의 집중성은 감소한다.
한편, 몸체(510)에 형성되는 캐비티(520)를 위에서 바라본 형상은 원형, 사각형, 다각형, 타원형 등의 형상일 수 있으며, 모서리가 곡선인 형상일 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
발광소자(530)는 제1 리드 프레임(540) 상에 배치되며, 예를 들어, 적색, 녹색, 청색, 백색 등의 빛을 방출하는 발광소자 또는 자외선을 방출하는 UV(Ultra Violet) 발광소자일 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다. 또한, 발광소자(530)는 한 개 이상 배치될 수 있다.
또한, 발광소자(530)는 그 전기 단자들이 모두 상부 면에 형성된 수평형 타입(Horizontal type)이거나, 또는 상, 하부 면에 형성된 수직형 타입(Vertical type), 또는 플립 칩(flip chip) 모두에 적용 가능하다.
봉지재(미도시)는 발광소자(530)를 덮도록 캐비티(520)에 충진될 수 있다.
봉지재(미도시)는 실리콘, 에폭시, 및 기타 수지 재질로 형성될 수 있으며, 캐비티(520) 내에 충진한 후, 이를 자외선 또는 열 경화하는 방식으로 형성될 수 있다.
또한 봉지재(미도시)는 형광체를 포함할 수 있으며, 형광체는 발광소자(530)에서 방출되는 광의 파장에 종류가 선택되어 발광소자 패키지(500)가 백색광을 구현하도록 할 수 있다.
이러한 형광체는 발광소자(530)에서 방출되는 광의 파장에 따라 청색 발광 형광체, 청록색 발광 형광체, 녹색 발광 형광체, 황녹색 발광 형광체, 황색 발광 형광체, 황적색 발광 형광체, 오렌지색 발광 형광체, 및 적색 발광 형광체중 하나가 적용될 수 있다.
즉, 형광체는 발광소자(530)에서 방출되는 제1 빛을 가지는 광에 의해 여기 되어 제2 빛을 생성할 수 있다. 예를 들어, 발광소자(530)가 청색 발광 다이오드이고 형광체가 황색 형광체인 경우, 황색 형광체는 청색 빛에 의해 여기되어 황색 빛을 방출할 수 있으며, 청색 발광 다이오드에서 발생한 청색 빛 및 청색 빛에 의해 여기 되어 발생한 황색 빛이 혼색됨에 따라 발광소자 패키지(500)는 백색 빛을 제공할 수 있다.
이와 유사하게, 발광소자(530)가 녹색 발광 다이오드인 경우는 magenta 형광체 또는 청색과 적색의 형광체를 혼용하는 경우, 발광소자(530)가 적색 발광 다이오드인 경우는 Cyan형광체 또는 청색과 녹색 형광체를 혼용하는 경우를 예로 들 수 있다.
이러한 형광체는 YAG계, TAG계, 황화물계, 실리케이트계, 알루미네이트계, 질화물계, 카바이드계, 니트리도실리케이트계, 붕산염계, 불화물계, 인산염계 등의 공지된 형광체일 수 있다.
제1 및 제2 리드 프레임(540, 550)은 금속 재질, 예를 들어, 티타늄(Ti), 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au), 크롬(Cr), 탄탈늄(Ta), 백금(Pt), 주석(Sn), 은(Ag), 인(P), 알루미늄(Al), 인듐(In), 팔라듐(Pd), 코발트(Co), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 하프늄(Hf), 루테늄(Ru), 철(Fe) 중에서 하나 이상의 물질 또는 합금을 포함할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 리드 프레임(540, 550)은 단층 또는 다층 구조를 가지도록 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
제1 제2 리드 프레임(540, 550)은 서로 이격되어 서로 전기적으로 분리된다. 발광소자(530)는 제1 및/또는 제2 리드 프레임(540, 550)상에 실장되며, 제1 및 제2 리드 프레임(540, 550)은 발광소자(530)와 직접 접촉하거나 또는 솔더링 부재(미도시)와 같은 전도성을 갖는 재료를 통해서 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 발광소자(530)는 와이어 본딩을 통해 제1 및 제2 리드 프레임(540, 550)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다. 따라서 제1 및 제2 리드 프레임(540, 550)에 전원이 연결되면 발광소자(530)에 전원이 인가될 수 있다. 한편, 수개의 리드 프레임(미도시)이 몸체(510)내에 실장되고 각각의 리드 프레임(미도시)이 발광소자(530)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다.
도 15는 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 조명장치를 도시한 사시도이며, 도 16 는 도 15 의 조명장치의 C-C' 단면을 도시한 단면도이다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 조명장치(600)는 몸체(610), 몸체(610)와 체결되는 커버(630) 및 몸체(610)의 양단에 위치하는 마감캡(650)을 포함할 수 있다.
몸체(610)의 하부면에는 발광소자 모듈(640)이 체결되며, 몸체(610)는 발광소자 패키지(644)에서 발생된 열이 몸체(610)의 상부면을 통해 외부로 방출할 수 있도록 전도성 및 열발산 효과가 우수한 금속재질로 형성될 수 있다.
발광소자 패키지(644)는 기판(642) 상에 다색, 다열로 실장되어 어레이를 이룰 수 있으며, 동일한 간격으로 실장되거나 또는 필요에 따라서 다양한 이격 거리를 가지고 실장될 수 있어 밝기 등을 조절할 수 있다. 이러한 기판(642)으로 MPPCB(Metal Core PCB) 또는 FR4 재질의 PCB 등을 사용할 수 있다.
발광소자 패키지(644)는 연장된 리드 프레임(미도시)를 포함하여 향상된 방열 기능을 가질 수 있으므로, 발광소자 패키지(644)의 신뢰성과 효율성이 향상될 수 있으며, 발광소자 패키지(644) 및 발광소자 패키지(644)를 포함하는 조명장치(600)의 사용 연한이 연장될 수 있다.
커버(630)는 몸체(610)의 하부면을 감싸도록 원형의 형태로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않음은 물론이다.
커버(630)는 내부의 발광소자 모듈(640)을 외부의 이물질 등으로부터 보호한다. 또한, 커버(630)는 발광소자 패키지(644)에서 발생한 광의 눈부심을 방지하고, 외부로 광을 균일하게 방출할 수 있도록 확산입자를 포함할 수 있으며, 또한 커버(630)의 내면 및 외면 중 적어도 어느 한 면에는 프리즘 패턴 등이 형성될 수 있다. 또한 커버(630)의 내면 및 외면 중 적어도 어느 한 면에는 형광체가 도포될 수도 있다.
한편, 발광소자 패키지(644)에서 발생한 광은 커버(630)를 통해 외부로 방출되므로 커버(630)는 광 투과율이 우수하여야 하며, 발광소자 패키지(644)에서 발생한 열에 견딜 수 있도록 충분한 내열성을 구비하고 있어야 하는바, 커버(630)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylen Terephthalate; PET), 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC) 또는 폴리메틸 메타크릴레이트(Polymethyl Methacrylate; PMMA) 등을 포함하는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
마감캡(650)은 몸체(610)의 양단에 위치하며 전원장치(미도시)를 밀폐하는 용도로 사용될 수 있다. 또한 마감캡(650)에는 전원핀(652)이 형성되어 있어, 실시예에 따른 조명장치(600)는 기존의 형광등을 제거한 단자에 별도의 장치 없이 곧바로 사용할 수 있게 된다.
도 17 은 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 액정표시장치의 분해 사시도이다.
도 17 은 에지-라이트 방식으로, 액정표시장치(700)는 액정표시패널(710)과 액정표시패널(710)로 빛을 제공하기 위한 백라이트 유닛(770)을 포함할 수 있다.
액정표시패널(710)은 백라이트 유닛(770)으로부터 제공되는 광을 이용하여 화상을 표시할 수 있다. 액정표시패널(710)은 액정을 사이에 두고 서로 대향하는 컬러 필터 지지부재(712) 및 박막 트랜지스터 지지부재(714)을 포함할 수 있다.
컬러 필터 지지부재(712)은 액정표시패널(710)을 통해 디스플레이되는 화상의 색을 구현할 수 있다.
박막 트랜지스터 지지부재(714)은 구동 필름(717)을 통해 다수의 회로부품이 실장되는 인쇄회로 지지부재(718)과 전기적으로 접속되어 있다. 박막 트랜지스터 지지부재(714)은 인쇄회로 지지부재(718)으로부터 제공되는 구동 신호에 응답하여 인쇄회로 지지부재(718)으로부터 제공되는 구동 전압을 액정에 인가할 수 있다.
박막 트랜지스터 지지부재(714)은 유리나 플라스틱 등과 같은 투명한 재질의 다른 지지부재상에 박막으로 형성된 박막 트랜지스터 및 화소 전극을 포함할 수 있다.
백라이트 유닛(770)은 빛을 출력하는 발광소자 모듈(720), 발광소자 모듈(720)로부터 제공되는 빛을 면광원 형태로 변경시켜 액정표시패널(710)로 제공하는 도광판(730), 도광판(730)으로부터 제공된 빛의 휘도 분포를 균일하게 하고 수직 입사성을 향상시키는 다수의 필름(752, 766, 764) 및 도광판(730)의 후방으로 방출되는 빛을 도광판(730)으로 반사시키는 반사 시트(747)로 구성된다.
발광소자 모듈(720)은 복수의 발광소자 패키지(724)와 복수의 발광소자 패키지(724)가 실장되어 어레이를 이룰 수 있도록 회로기판(722)을 포함할 수 있다.
한편, 백라이트 유닛(770)은 도광판(730)으로부터 입사되는 빛을 액정 표시 패널(710) 방향으로 확산시키는 확산필름(766)과, 확산된 빛을 집광하여 수직 입사성을 향상시키는 프리즘필름(752)으로 구성될 수 있으며, 프리즘필름(752)를 보호하기 위한 보호필름(764)을 포함할 수 있다.
도 18 은 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 액정표시장치의 분해 사시도이다. 다만, 도 17 에서 도시하고 설명한 부분에 대해서는 반복하여 상세히 설명하지 않는다.
도 17 은 직하 방식으로, 액정표시장치(800)는 액정표시패널(810)과 액정표시패널(810)로 빛을 제공하기 위한 백라이트 유닛(870)을 포함할 수 있다.
액정표시패널(810)은 도 17에서 설명한 바와 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.
백라이트 유닛(870)은 복수의 발광소자 모듈(823), 반사시트(824), 발광소자 모듈(823)과 반사시트(824)가 수납되는 하부 섀시(830), 발광소자 모듈(823)의 상부에 배치되는 확산판(840) 및 다수의 광학필름(860)을 포함할 수 있다.
발광소자 모듈(823)은 복수의 발광소자 패키지(822)가 실장되어 어레이를 이룰 수 있도록 회로기판(821)을 포함할 수 있다.
반사 시트(824)는 발광소자 패키지(822)에서 발생한 빛을 액정표시패널(810)이 위치한 방향으로 반사시켜 빛의 이용 효율을 향상시킨다.
한편, 발광소자 모듈(823)에서 발생한 빛은 확산판(840)에 입사하며, 확산판(840)의 상부에는 광학 필름(860)이 배치된다. 광학 필름(860)은 확산 필름(866), 프리즘필름(850) 및 보호필름(864)를 포함하여 구성될 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (22)

  1. 지지부재;
    상기 지지부재 상에 배치된 제1 반도체층, 제2 반도체층 및 상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 활성층을 포함하는 발광구조물;
    상기 지지부재 상에 배치되는 복수의 돌기부; 및
    상기 돌기부를 코팅하는 반사층을 포함하고,
    상기 반사층은,
    적어도 제1 굴절율을 가지는 제1층 및 상기 제1 굴절율과 상이한 제2 굴절율을 가지는 제2층을 포함하는 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사층의 제1 층 및 제2 층은 교번하여 반복 적층된 발광소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반사층은 2층 내지 30층이 적층된 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반사층은 SiO2 , Al2O3 , SiC, AlB, BN 및 TiO2 중 어느 하나를 포함하는 발광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 층은 TiO2를 포함하고, 상기 제2층은 SiO2를 포함하는 발광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 층은, 상기 제2 층의 굴절율보다 큰 굴절율을 가지는 발광소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 층 및 제2 층의 두께는 1 nm 내지 10 nm 인 발광소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 돌기부는 서로 이격되어 배치되는 발광소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 돌기부는 돌기부의 밑면 폭의 0.8 내지 2.5배 이격되어 배치되는 발광소자
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 복수의 돌기부의 밑면 폭은 100Å 내지 20000Å 인 발광소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 돌기부들은 외면이 서로 접하게 배치되는 발광소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 돌기부는 상기 지지부재의 재질과 동일한 재질을 가지는 발광소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 돌기부는 원뿔기둥, 원기둥, 반구, 육면체 및 다면체 중 적어도 어느 하나의 형상을 포함하는 발광소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반도체층 상에 배치되는 투광성전극층을 더 포함하는 발광소자.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반도체층 상에 배치되는 제1 전극; 및
    상기 제2 반도체층 상에 배치되는 제2 전극을 포함하는 발광소자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2 전극이 배치된 위치와 적어도 일부분이 수직적으로 중첩되도록 상기 제2 반도체층 상에 배치되는 전류제한층을 더 포함하는 발광소자.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 전류제한층의 면적은 상기 제2 전극의 면적 보다 넓은 발광소자.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제2 전극이 배치된 위치와 적어도 일부분이 수직적으로 중첩되도록 상기 제2 반도체층 상에 배치되는 전극 반사층을 더 포함하는 발광소자.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반도체층의 굴절율은 상기 지지부재의 굴절율 보다 큰 발광소자.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항의 발광소자를 포함하는 발광소자 패키지.
  21. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항의 발광소자를 포함하는 조명장치.
  22. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항의 발광소자를 포함하는 백라이트 유닛.
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