KR20130072510A - 발광장치 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 발광장치 - Google Patents

발광장치 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 발광장치 Download PDF

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KR20130072510A
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Abstract

본 발명은 발광장치 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 발광장치에 관한 것으로,
본 발명의 일 측면은, 리드 프레임을 마련하는 단계, 상기 리드 프레임 상에 그래핀을 증착하는 단계 및 상기 그래핀이 증착된 리드 프레임 상에 발광소자를 배치하는 단계를 포함하는 발광장치 제조방법을 제공한다.

Description

발광장치 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 발광장치{Manufacturing Method of Light Emitting Device and Light Emitting Device Using The Same}
본 발명은 발광장치 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 발광장치에 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 발광소자에 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.
이러한 질화물 발광소자가 개발된 후에, 그 활용 범위가 확대되어 일반 조명 및 전장용 광원으로 다양한 연구가 시도되고 있다. 특히, 종래에는 발광소자가 주로 저 전류/저 출력의 모바일 제품에 적용되는 부품으로 사용되었으며, 최근에는 점차 그 활용범위가 고 전류/고 출력 분야로 확대되고 있다. 이에 따라, 많은 열을 발생시키는 발광장치의 방열 특성을 개선하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
본 발명의 목적 중 하나는, 간단한 공정으로 실현 가능한 전기 전도성과 열 전도성이 우수한 발광장치의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적 중 다른 하나는, 방열 특성 및 신뢰성이 개선된 발광장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은,
리드 프레임을 마련하는 단계, 상기 리드 프레임 상에 그래핀을 증착하는 단계 및 상기 그래핀이 증착된 리드 프레임 상에 발광소자를 배치하는 단계를 포함하는 발광장치 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 그래핀을 증착하는 단계는 화학 기상 증착법(CVD)이 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 화학 기상 증착법은 유도 결합 화학 기상 증착법(ICP-CVD)일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 리드 프레임은 플렉서블하게 변형 가능한 금속 박막 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 그래핀 증착 시 상기 리드 프레임은 롤(roll) 형태로 석영 관 내에 삽입되어 열처리 될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 열처리 시 상기 그래핀은 1~100 마이크로 미터의 입경을 갖도록 성장될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 그래핀이 증착된 리드 프레임 상에 반사 금속을 도금하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 리드 프레임은 구리(Cu) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은,
그래핀이 증착된 리드 프레임 및 상기 리드 프레임 상에 배치된 발광소자를 포함하는 발광장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 그래핀 상에 형성된 반사 금속층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 은(Ag) 도금층은 상기 발광소자가 배치되는 면에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 그래핀은 상기 리드 프레임의 발광소자가 배치된 면 및 상기 발광소자가 배치된 면과 대향하는 면 중 적어도 하나에 증착될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 리드 프레임은 구리(Cu) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 리드 프레임은 플렉서블하게 변형 가능한 금속 박막 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 그래핀은 1~100 마이크로 미터의 두께로 증착될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 간단한 공정을 통해 실현 가능하며, 전기 전도성과 열 전도성이 우수한 발광장치의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 방열 특성과 신뢰성이 개선된 발광장치를 제공할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광장치 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 발광장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 그래핀 증착 방법을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 그래핀 증착방법을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 6는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 발광장치 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
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 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광장치 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시형태에 따른 발광장치 제조방법은, 리드 프레임(10)을 마련하는 단계, 상기 리드 프레임(10) 상에 그래핀(20)을 증착하는 단계 및 상기 그래핀(20)이 증착된 리드 프레임 상에 발광소자(30)를 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 우선, 발광장치를 제조하기 위한 리드 프레임(10)을 마련할 수 있다.
상기 리드 프레임(10)은 판상 금속으로 제공될 수 있으며, 서로 전기적으로 분리되는 제1 및 제2 리드 프레임(10a, 10b)을 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 리드 프레임(10a, 10b) 중 적어도 하나는 추후 발광소자의 실장 영역으로 제공될 수 있으며, 이 경우, 발광소자에서 생성된 열을 외부로 방출하는 히트 싱크(heat sink)의 기능을 하므로, 방열 성능이 우수한 금속, 예를 들면, Cu, Al, Ag, Ni, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 등의 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 리드 프레임(10)은 그 상부에 실장되는 발광소자로 외부 전기 신호를 인가하기 위한 단자로 기능할 수 있다.
다음으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 리드 프레임(10) 상에 그래핀(20)을 증착할 수 있다.
그래핀(graphene)은 단일 원자 두께의 탄소 시트로, 탄소 원자들이 육각형 판상구조를 이루며 두게가 원자 한 개 수준에 불과한 2차원 탄소 구조체로써 밴드 갭이 0인 물질이다. 그래핀은 구리보다 100배 이상의 전기전도도를 가지고, 반도체의 재료로 주로 사용되는 단결정 실리콘보다 100배 이상의 높은 캐리어 이동도를 가진다. 또한, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 높은 열전도성을 가지며, 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다.
본 실시형태의 경우, 상기 리드 프레임(10) 상에 그래핀(20)을 직접 증착함으로써, 간단한 공정을 통해 전기 전도성과 열 전도성 및 신뢰성이 우수한 발광장치를 제조할 수 있다.
기존에는 리드 프레임 표면에 반사 물질을 도금하여 발광장치를 제조하고 있으나, 본 실시형태와 같이 리드 프레임 상에 그래핀을 증착하는 경우 그래핀의 높은 열전도성을 이용하여 발광장치의 방열 특성이 향상될 수 있을 뿐만 아니라, 리드 프레임의 산화를 방지하여 발광장치의 신뢰성을 개선할 수 있다. 그래핀(20)은 높은 투광성과 신축성을 가지므로, 발광장치의 특성 저하 없이 기계적 물성을 포함한 신뢰성이 효과적으로 개선될 수 있다.
상기 그래핀(20)을 증착하는 단계는 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD)가 적용될 수 있다. 그래핀은 금속, 특히 구리(Cu)와의 단층 결합이 잘 일어나므로, 상기 리드 프레임(10) 상에 용이하게 증착될 수 있다. 상기 화학 기상 증착법(CVD)은, 예를 들면, 유도 결합 플라즈마 화학기상 증착법(ICP-CVD)이 적용될 수 있다.
한편, 도 2에서는 상기 리드 프레임(10)의 일면에만 그래핀(20)이 증착되는 것으로 도시하였으나 이에 제한되는 것은 아니며, 판형의 리드 프레임(10)의 상면 및 하면 모두에 그래핀(20)이 증착될 수 있다. 상기 그래핀(20)의 증착 공정은 도 4 및 도 5를 참조하여 추후 보다 상세히 설명하기로 한다.
구체적으로 도시하지는 않았으나, 상기 그래핀(20)이 증착된 리드 프레임(10) 상에 반사금속을 도금하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 반사금속(미도시)은 발광소자(30)로부터 방출된 빛을 상부로 반사하는 기능을 수행할 수 있다. 따라서, 상기 반사금속은 높은 전기 전도성과 고 반사성을 갖는 금속, 예를 들면, Cu, Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 등의 물질을 포함할 수 있으며, 2층 이상의 구조로 채용되어 반사 효율을 향상시킬 수 있다. 예를 들면, Ni/Ag, Zn/Ag, Ni/Al, Zn/Al, Pd/Ag, Pd/Al, Ir/Ag. Ir/Au, Pt/Ag, Pt/Al, Ni/Ag/Pt 등과 같은 구조를 가질 수 있다.
다음으로, 도 3을 참조하면, 상기 그래핀(20)이 증착된 리드 프레임(10) 상에 발광소자(30)를 배치할 수 있다.
상기 발광소자(30)는 전기 신호 인가시 빛을 방출하는 광전 소자라면 어느 것이나 이용 가능하며, 대표적으로, 성장기판 상에 반도체층을 에피택셜 성장시킨 반도체 발광소자를 이용할 수 있을 것이다.
상기 발광소자(30)는 백색광을 구현하기 위해 청색 LED 칩에 황색 형광체 또는 녹색 및 적색 형광체, 또는 황색, 녹색, 적색 형광체를 포함할 수 있다. 황색, 녹색 및 적색 형광체는 청색 LED 칩에 의해 여기되어 각각 황색광, 녹색광 및 적색광을 방출하며, 이러한 황색광, 녹색광 및 적색광은 청색 LED 칩으로부터 방출된 일부 청색광과 혼색 되어 백색광을 방출한다. 상기 청색 LED 칩은 통상적으로 사용되는 3족 질화물계 반도체를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 실시형태에서와 같이, 상기 발광소자(30)는 상기 리드 프레임(10)의 그래핀(20)이 증착된 면과 동일한 면에 배치될 수 있으며, 상기 리드 프레임(10)의 발광소자(30)가 실장된 반대면은 외부로 노출됨으로써 방열 특성을 향상시킬 수 있다.
본 실시형태에서는 상기 리드 프레임(10)의 발광소자(30)가 실장되는 면에만 그래핀(20)이 증착된 것으로 도시하였으나 이에 제한되는 것은 아니며, 상기 발광소자(30)가 실장된 면과 대향하는 면에도 그래핀(20)이 증착되어 방열 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 발광소자(30)는 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 리드 프레임(10a) 상에 배치되어 상기 제1 리드 프레임(10a)과 직접 접촉함으로써 전기적으로 연결되되, 제2 리드 프레임(10b)과 와이어(W) 본딩될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 리드 프레임(10a)은 전기적 단자로 기능하지 않으므로 외부로 노출된 면이 회로 기판 등에 직접 실장됨으로써 실장 방법 및 구조를 단순화하고 방열 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
이와 달리, 상기 발광소자(30)가 제1 및 제2 리드 프레임(10a, 10b) 모두와 와이어 본딩되거나, 상기 제1 및 제2 리드 프레임(10a, 10b) 모두에 배치되어 직접 연결되는 것도 가능하며, 상기 리드 프레임(10)과 발광소자(30)의 연결 방식은 필요에 따라 다양하게 변형 가능할 것이다.
한편, 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광장치를 개략적으로 나타낸 도면에 해당한다. 본 실시형태에 따른 발광장치는, 그래핀(20)이 증착된 리드 프레임(10)과, 상기 리드 프레임(10) 상에 배치된 발광소자(30)를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 그래핀 증착 방법을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 실시형태에 따른 그래핀 증착방법의 경우, 관 형태의 석영 반응기(40) 내에 상기 리드 프레임(10)이 롤(roll) 형태로 적용될 수 있다. 상기 리드 프레임(10)은 플렉서블하게 변형 가능한 금속 박막 형태일 수 있으며, 예를 들면, 구리(Cu) 포일(foil)일 수 있다. 상기 리드 프레임(10)은 롤 형태로 관형 반응기(40) 내부로 삽입되어 그 표면에 그래핀(20)이 증착될 수 있다.
이하, 구리(Cu) 포일 형태의 리드 프레임을 기준으로 하여 구체적인 공정을 통해서 설명하기로 한다. 다만, 본 발명이 아래 기술된 공정에 제한되는 것은 아니며, 필요에 따라 다양한 증착 공정이 적용될 수 있을 것이다.
먼저, 구리 포일의 롤을 관형 석영 반응기(40) 내에 삽입하고 고온 고압(예를 들면, 약 800~1200℃, 80mtorr 이상) 하에서 구리 포일 표면에 그래핀을 증착할 수 있다. 이때, 관형 석영 반응기(40)의 내부는 불활성 기체로 채워질 수 있다(예를 들면, H2, CH4 등의 탄화수소 기체, Ar, He 또는 이들을 혼합한 기체가 유입될 수 있음). 반응기 내부 온도를 고온으로 유지한 상태에서 일정 시간동안 반응시키면, 그래핀의 입경이 증가하므로 반응 시간을 조절하여 그래핀 입경, 즉, 그래핀 층의 두께를 조절할 수 있다. 예를 들어, 반응기 내부 온도를 약 1000℃로 유지한 상태에서 유량(flow rate)과 압력의 변화 없이 약 30분간 가열하는 경우, 구리 포일 표면에는 1~100 마이크로미터의 입경을 갖도록 그래핀이 성장될 수 있으며, 보다 고품질의 그래핀 박막이 형성될 수 있다. 여기서, 반응 기체는 메탄(CH4)과 수소(H2)의 혼합 기체가 적용될 수 있다.
관형 반응기의 경우, 반응기 내부의 온도는 관형 반응기 내부 반지름 방향의 위치에 따라 변화한다. 따라서, 판 형상의 구리 포일을 관형 반응기 내부에서 반응시키는 경우 그래핀이 위치에 따라 불규칙하게 성장될 수 있다.
그러나, 본 실시형태에 따르면 포일 형태의 리드 프레임이 롤(roll) 형태로 관형 반응기(40) 내에 삽입되므로, 그래핀(20)이 리드 프레임(10) 상에서 보다 균일하게 증착될 수 있다.
또한, 상기 리드 프레임(10)이 플렉서블하게 변형 가능한 두께를 가지는 경우, 곡면 등을 포함하는 영역에 패키지 실장 시 유리하므로, LED 패키지를 포함하는 광원 모듈, 조명 등의 설계 자유도가 높아지는 효과를 얻을 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 그래핀 증착방법을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
우선, 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 표면에 실리콘 산화물(51)이 형성된 실리콘 기판(50) 상에 발광장치의 리드 프레임으로 제공되기 위한 금속층(11)이 형성될 수 있다. 본 실시형태의 경우, 상기 금속층(11)은 니켈(Ni)이 적용될 수 있으며, 이하, 니켈(Ni)을 기준으로 설명하기로 한다. 다만, 이는 설명의 편의를 위한 것으로, 본 실시형태에 따른 리드 프레임에 적용될 수 있는 금속을 니켈로 한정하고자 함은 아니다.
상기 실리콘 기판(50) 상에 형성된 니켈 금속층(11)은 석영관 내에서 고온예를 들면, 약 800℃~1200℃)으로 가열될 수 있다. 다음으로, 반응 가스 혼합물(예를 들면, CH4, H2, Ar 혼합 기체가 적용될 수 있음)을 흘려주면 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 니켈 금속층(11) 상에 탄소층(21')이 형성되며, 이를 냉각시키면 니켈 금속층(11) 상면에 그래핀(21)이 형성될 수 있다(도 5(c)). 이때, 그래핀(21)의 냉각을 위해 불활성 기체(예를 들면, H2, CH4 등의 탄화수소 기체, Ar, He 또는 이들을 혼합한 기체 등)를 흘려줄 수 있다. 다음으로, 식각액을 이용하여 실리콘 산화물(51)을 식각하여 니켈 금속층(11)으로부터 실리콘 기판(50)을 제거함으로써, 도 5(d)에 도시된 바와 같이 표면에 그래핀(21)이 형성된 니켈 금속층(11)을 얻을 수 있다.
도 6는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 발광장치 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
이상에서는 한 쌍의 리드 프레임 상에 하나의 발광소자가 배치되는 것을 기준으로 설명하였으나, 도 6에 도시된 바와 같이 복수 개의 단위 프레임(12a)을 갖는 리드 프레임(12) 형태로 적용될 수 있다.
우선, 도 6(a)를 참조하면, 본 실시형태에 따른 리드 프레임(12)은, 행과 열을 갖도록 배열되며 베이스 프레임(12b)과 연결된 복수 개의 단위 프레임(12a)을 포함할 수 있으며, 상기 리드 프레임(12) 상에 그래핀(22)이 증착될 수 있다.
다음으로, 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 그래핀(22)이 증착된 리드 프레임(12)의 각 단위 프레임(12a) 상에 적어도 하나의 발광소자(32)가 배치될 수 있다. 본 실시형태에서는 하나의 단위 프레임(12a) 당 하나의 발광소자(32)가 배치되는 것으로 도시하였으나 이에 제한되는 것은 아니며, 하나의 단위 프레임(12a)에 복수의 발광소자(32)가 배치될 수 있다. 또한, 필요에 따라 리드 프레임(12)의 형상도 다양하게 변형될 수 있을 것이다.
다음으로, 구체적으로 도시하지는 않았으나, 상기 복수의 단위 프레임(12a)은 상기 베이스 프레임(12b)으로부터 분리되어 각각 하나의 발광장치를 구성할 수 있다.
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.
10, 11, 12: 리드 프레임 10a, 10b: 제1, 제2 리드 프레임
12a: 단위 프레임 12b: 베이스 프레임
20, 21, 22: 그래핀 30, 31, 32: 발광소자
40: 관형 반응기 50: 실리콘 기판
51: 실리콘 산화물

Claims (15)

  1. 리드 프레임을 마련하는 단계;
    상기 리드 프레임 상에 그래핀을 증착하는 단계; 및
    상기 그래핀이 증착된 리드 프레임 상에 발광소자를 배치하는 단계;
    를 포함하는 발광장치 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀을 증착하는 단계는 화학 기상 증착법(CVD)이 적용되는 것을 특징으로 하는 발광장치 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 화학 기상 증착법은 유도 결합 화학 기상 증착법(ICP-CVD)인 것을 특징으로 하는 발광장치 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 리드 프레임은 플렉서블하게 변형 가능한 금속 박막 형태인 것을 특징으로 하는 발광장치 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀 증착 시 상기 리드 프레임은 롤(roll) 형태로 석영 관 내에 삽입되어 열처리되는 것을 특징으로 하는 발광장치 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    열처리 시 상기 그래핀은 1~100 마이크로 미터의 입경을 갖도록 성장되는 것을 특징으로 하는 발광장치 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀이 증착된 리드 프레임 상에 반사 금속을 도금하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 리드 프레임은 구리(Cu) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치 제조방법.
  9. 그래핀이 증착된 리드 프레임; 및
    상기 리드 프레임 상에 배치된 발광소자;
    를 포함하는 발광장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 그래핀 상에 형성된 반사 금속층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 은(Ag) 도금층은 상기 발광소자가 배치되는 면에 형성된 것을 특징으로 하는 발광장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 그래핀은 상기 리드 프레임의 발광소자가 배치된 면 및 상기 발광소자가 배치된 면과 대향하는 면 중 적어도 하나에 증착된 것을 특징으로 하는 발광장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 리드 프레임은 구리(Cu) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 리드 프레임은 플렉서블하게 변형 가능한 금속 박막 형태인 것을 특징으로 하는 발광장치.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 그래핀은 1~100 마이크로 미터의 두께로 증착된 것을 특징으로 하는 발광장치.
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