KR20130111996A - 발광 다이오드용 광대역 유전 반사기 - Google Patents
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Abstract
백색 발광 소자의 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)용 광대역, 전방위, 다층, 유전 반사기는 가시 스펙트럼 광에 걸친 거의 100%의 반사율, 및 상기 발광 다이오드(LED)에 전력을 공급하고 상기 발광 다이오드(LED)를 제어하는데 사용되는 전기 회로 및 기판 간의 전기적 절연 기능을 제공한다. 대기보다 높은 굴절률을 지니는 실란트 재료가 상기 발광 다이오드(LED) 및 그에 수반된 전기 회로를 보호하는데 사용될 경우에, 알루미늄 반사층 또는 기판은 소정 입사각들에서의 반사율 손실을 보상하도록 제공된다.
Description
본 발명은 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)용 전유전(all-dielectric) 반사기에 관한 것으로 특히, 반사율 및 전기적 절연 기능을 모두 제공하는 백색 발광 소자의 발광 다이오드(LED)용 광대역, 전방위, 다층, 전유전 반사기에 관한 것이다.
2011년 8월 4일자 Shum 명의로 공개된 미국 특허출원 2011/0186874에 개시되었으며 본원의 도 1에 예시된 백색 발광 소자들과 같은 종래의 백색 발광 소자들은, 청색 또는 자외선(ultraviolet; UV) 발광용 발광 다이오드(LED)(1)에 전력을 공급하도록 외부 전력 소스에 대한 전기 접속들을 제공하는 전기 회로(2) 상에 장착되거나 상기 전기 회로(2)에 의해 에워싸여진 청색 또는 자외선 발광용 발광 다이오드(LED)(1)를 포함한다. 예컨대, 은(silver)과 같은 금속 반사층(3)은 발광 다이오드(LED) 패키지에 의해 원하는 방향으로 역 굴절 또는 역 반사되는 미광(stray light)을 반사하기 위해 실리콘 기판(4) 상에 배치된다. 따라서, 분리층(6)은 또한 상기 전기 회로(2) 및 상기 금속 반사층(3) 사이에 전기적 절연 기능을 제공하는데 필요하다. Si3N4 또는 SiO2와 같은 질화물들 또는 산화물들은 브레이크스루(breakthrough) 전압들에 대한 법적 요건들에 따라 상기 분리층(6)이 대략 2㎛ 내지 6㎛ 두께를 갖게 하는데 종종 사용된다. 전형적으로는, 상기 발광 다이오드(LED)(1)는 상기 발광 다이오드(LED)로부터 방출되는 광을 광범위 백색광으로 변환시키기 위해 광 변환 염료들, 예를 들면 형광체(phosphor)를 포함하는, 광투과 에폭시(7)에 담기게 된다. 불행하게도, 은 반사층(3)은 환경적으로 시간 경과에 따라 안정적이지 않으며, 특히 상기 발광 다이오드의 실효 수명을 대단히 감소시키는 높은 온도 및 높은 습도에 노출될 경우에 변색된다.
파장 변환을 극대화시키기 위해 형광체 재료를 통해 상기 발광 다이오드(LED)에 의해 방출되는 광의 특정 파장을 역 반사시키기 위한 협대역 유전 반사기들의 사용은 2004년 12월 21일자 Su와 그의 동료 명의로 특허 허여된 미국 특허 제6,833,565호에 개시되어 있지만, 광대역 백색광 흡수/반사 및 전기적 절연 기능에 관련된 문제들이 다루어져 있지 않다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광대역, 전방위, 다층, 전유전 반사기가 반사율 및 전기적 절연 기능을 제공하기 위해 사용되는 백색 발광용 발광 다이오드(LED) 소자를 제공함으로써 선행기술의 단점들을 극복하는 것이다.
따라서, 본 발명은 발광 다이오드(LED) 소자에 관한 것이며, 상기 발광 다이오드(LED) 소자는,
기판;
제1 파장의 광을 방출하는 발광 다이오드(LED);
외부 소스들로부터 상기 발광 다이오드(LED)에 전력을 공급하는 전기 회로;
상기 제1 파장의 광과 결합하여 광대역 광 소스를 형성하는, 적어도 하나의 제2 파장의 광으로 상기 제1 파장에서 방출되는 광을 변환시키는, 상기 발광 다이오드(LED)를 도포하는 파장 변환 재료; 및
상기 광대역 광 소스에 대한 반사율 및 전기 접속들에 대한 전기적 절연 기능을 모두 제공하는, 상기 기판 및 상기 발광 다이오드(LED) 사이에서 고 굴절률 재료 층 및 저 굴절률 재료 층이 교호(交互)하는 다층 유전 구조;
를 포함하며,
상기 다층 유전 구조는 적어도 150㎚의 대역폭에 걸쳐 상기 광대역 광 소스의 적어도 90%를 반사하는 광대역 반사기이다.
이상적으로는, 상기 다층 유전 구조가 상기 기판에 전기적 절연 기능 및 열전사(heat transfer) 기능을 제공하는 제1 두께를 가지는, 상기 발광 다이오드(LED) 하부의 제1 영역, 및 광에 대한 반사율 및 전기적 절연 기능을 제공하는, 상기 발광 다이오드(LED)를 에워싸여 있는 상기 제1 두께보다 두꺼운 제2 두께를 가지는 제2 영역을 지닌다.
본 발명에 의하면, 백색 발광 소자의 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)용 광대역, 전방위, 다층, 유전 반사기가 가시 스펙트럼 광에 걸친 거의 100%의 반사율, 및 상기 발광 다이오드(LED)에 전력을 공급하고 상기 발광 다이오드(LED)를 제어하는데 사용되는 전기 회로 및 기판 간의 전기적 절연 기능을 제공한다. 또한, 대기보다 높은 굴절률을 지니는 실란트 재료가 상기 발광 다이오드(LED) 및 그에 수반된 전기 회로를 보호하는데 사용될 경우에, 알루미늄 반사층 또는 기판은 소정 입사각들에서의 반사율 손실을 보상하도록 제공된다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 나타내는 첨부도면들을 참조하여 본 발명이 좀더 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 종래의 발광 다이오드(LED) 소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 발광 다이오드(LED) 소자의 단면도이다.
도 3은 중심 파장들이 100㎚ 간격으로 이격되어 있는 4개의 파장 스택에 대하여 영(0) 입사각을 갖는 파장에 대한 반사율의 선도이다.
도 4는 100㎚ 간격으로 이격되어 있는 중심 파장들에 의해 정의된 반사율 대역폭들을 지니는 4개의 구간을 포함하는 본 발명의 제1 실시예에 따른 결합된 파장 스택에 대하여 영(0) 입사각을 갖는 파장에 대한 반사율의 선도이다.
도 5는 10㎚ 간격으로 이격되어 있는 중심 파장들에 의해 정의된 반사율 대역폭들을 지니는 대략 50개의 고 굴절률 및 저 굴절률 쌍들을 포함하는 본 발명의 제2 실시예에 따른 결합된 파장 스택에 대하여 영(0) 입사각을 갖는 파장에 대한 반사율의 선도이다.
도 6a는 복수 개의 상이한 입사각들에서의 제2 실시예의 파장 스택에 대한 파장에 대한 반사율의 선도이다.
도 6b는 복수 개의 상이한 입사각들에서의 제2 실시예의 최적화된 파장 스택에 대한 파장에 대한 반사율의 선도이다.
도 7은 본 발명에 따른 전유전 반사기들과 예컨대 은 및 알루미늄과 같은 금속 반사기들을 비교한 입사각에 대한 400㎚ 내지 680㎚ 범위에 걸친 평균 반사율의 선도이다.
도 8은 본 발명에 따른 전유전 반사기들과 예컨대 은 및 알루미늄과 같은 금속 반사기들을 비교한 파장에 대한 입사각 범위에 걸친 평균 반사율의 선도이다.
도 9는 본 발명의 변형 실시예에 따른 발광 다이오드(LED) 소자의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 변형 실시예에 따른 발광 다이오드(LED) 소자의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전유전 반사기, 및 본 발명의 제2 실시예에 따른 전유전 반사기를 알루미늄 반사층과 결합한 것과 예컨대 은과 같은 금속 반사기들을 비교한 입사각에 대한 400㎚ 내지 680㎚ 범위에 걸친 평균 반사율의 선도이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전유전 반사기, 및 본 발명의 제2 실시예에 따른 전유전 반사기를 알루미늄 반사층과 결합한 것과 예컨대 은과 같은 금속 반사기들을 비교한 파장에 대한 입사각 범위에 걸친 평균 반사율의 선도이다.
도 13a는 파장에 대한 입사각 범위에 걸친 반사율의 선도이다.
도 13b는 400㎚ 내지 700㎚ 파장 범위에 대한 입사각에 대한 평균 반사율의 선도이다.
도 14는 본 발명의 변형 실시예에 따른 발광 다이오드(LED)의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 발광 다이오드(LED) 소자의 단면도이다.
도 3은 중심 파장들이 100㎚ 간격으로 이격되어 있는 4개의 파장 스택에 대하여 영(0) 입사각을 갖는 파장에 대한 반사율의 선도이다.
도 4는 100㎚ 간격으로 이격되어 있는 중심 파장들에 의해 정의된 반사율 대역폭들을 지니는 4개의 구간을 포함하는 본 발명의 제1 실시예에 따른 결합된 파장 스택에 대하여 영(0) 입사각을 갖는 파장에 대한 반사율의 선도이다.
도 5는 10㎚ 간격으로 이격되어 있는 중심 파장들에 의해 정의된 반사율 대역폭들을 지니는 대략 50개의 고 굴절률 및 저 굴절률 쌍들을 포함하는 본 발명의 제2 실시예에 따른 결합된 파장 스택에 대하여 영(0) 입사각을 갖는 파장에 대한 반사율의 선도이다.
도 6a는 복수 개의 상이한 입사각들에서의 제2 실시예의 파장 스택에 대한 파장에 대한 반사율의 선도이다.
도 6b는 복수 개의 상이한 입사각들에서의 제2 실시예의 최적화된 파장 스택에 대한 파장에 대한 반사율의 선도이다.
도 7은 본 발명에 따른 전유전 반사기들과 예컨대 은 및 알루미늄과 같은 금속 반사기들을 비교한 입사각에 대한 400㎚ 내지 680㎚ 범위에 걸친 평균 반사율의 선도이다.
도 8은 본 발명에 따른 전유전 반사기들과 예컨대 은 및 알루미늄과 같은 금속 반사기들을 비교한 파장에 대한 입사각 범위에 걸친 평균 반사율의 선도이다.
도 9는 본 발명의 변형 실시예에 따른 발광 다이오드(LED) 소자의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 변형 실시예에 따른 발광 다이오드(LED) 소자의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전유전 반사기, 및 본 발명의 제2 실시예에 따른 전유전 반사기를 알루미늄 반사층과 결합한 것과 예컨대 은과 같은 금속 반사기들을 비교한 입사각에 대한 400㎚ 내지 680㎚ 범위에 걸친 평균 반사율의 선도이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전유전 반사기, 및 본 발명의 제2 실시예에 따른 전유전 반사기를 알루미늄 반사층과 결합한 것과 예컨대 은과 같은 금속 반사기들을 비교한 파장에 대한 입사각 범위에 걸친 평균 반사율의 선도이다.
도 13a는 파장에 대한 입사각 범위에 걸친 반사율의 선도이다.
도 13b는 400㎚ 내지 700㎚ 파장 범위에 대한 입사각에 대한 평균 반사율의 선도이다.
도 14는 본 발명의 변형 실시예에 따른 발광 다이오드(LED)의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명은, 전형적으로는 실리콘 또는 다른 어떤 반도체 재료, 유리(예컨대, 실리카)로 형성될 수도 있고 바람직한 실시예에서는 광대역 반사성 금속 재료, 예컨대 알루미늄으로 형성된 기판(12)을 포함하는 전체적으로 참조부호 11로 나타나 있는 광대역, 예컨대 백색 발광 다이오드(LED) 소자에 관한 것이다. 예컨대, InGaN으로 이루어지는 청색 발광용 발광 다이오드(LED)와 같은 하나 이상의 발광 다이오드(LED) 칩들(13)은, 청색 또는 자외선(ultra-violet; UV) 발광 범위인 것이 전형적인 예컨대 50㎚인 제1 협대역 파장 범위에서 광을 생성하기 위해 상기 기판(12) 상에 장착된다. 예컨대 인듐 주석 산화물(indium tin oxide)과 같은 도전 산화물층으로 패터닝되는 도전 트레이스들의 형태를 이루고 있는 것이 바람직한 전자 회로(14)는 상기 발광 다이오드(LED)(13) 주위에 형성되어 있으며 전력 및 다른 제어 및 모니터링 기능들을 상기 발광 다이오드(LED)(13)에 제공하도록 외부 전력 및 제어 소스들에 전기적으로 접속되어 있다.
바람직한 실시예에서는, 상기 발광 다이오드(LED)(13) 및 상기 전자 회로(14)가 상기 발광 다이오드(LED)(13) 및 상기 전자 회로(14)를 보호하는, 투명 실란트 재료(16), 예컨대 실리콘으로 캡슐봉입된다. 그 외에도, 상기 실란트 재료는 상기 전자 회로(14)를 구성하는 전기 접점들 및 와이어들에 대한 절연 및 실링(sealing) 기능을 제공한다. 에폭시, 유리, 스핀-온-글래스(spin-on-glass), 플라스틱, 폴리머, 금속 또는 반도체 재료와 같은 다른 재료 타입들이 사용될 수 있다.
바람직한 실시예에서는, 상기 실란트 재료(16)가 상기 발광 다이오드(LED)(13) 주위의 내부 영역을 충진하여 실링하기 위해 유체 상태로 개시하는 폴리머들을 포함한다. 그리고나서, 상기 실란트 재료(16)는 실질적으로 안정된 상태를 형성하도록 경화된다. 상기 실란트 재료(16)는 광학적으로 투명한 것이 바람직할 수도 있으며 또한 특정 요건들에 따라 선택적으로 투명하며 그리고/또는 반투명할 수도 있다. 그 외에도, 상기 실란트 재료(16)는 일단 경화되면 불활성을 나타내며, 상기 발광 다이오드(LED)(11)에 의해 생성되는 전자기 방사선(electromagnetic radiation) 중 상당 부분이 통과할 수 있게 하는 낮은 흡수 능력을 지닌다.
백색광의 생성으로, 도 2에서 실선으로 도시된 초기 파장의 광이 상기 발광 다이오드(LED)(들)(11)로부터 백색광을 형성하도록 결합하는, 도 2에서 점선으로 도시된 광의 예컨대 컬러들과 같은 상이한 파장들을 생성하는 예컨대 형광체(phosphor)들과 같은 하나 이상의 상이한 파장 변환 재료들을 포함하는 매질을 통과하게 된다. 바람직한 실시예에서는, 파장 변환이 상기 파장 변환 재료에 의해 흡수되는 전자기 방사선을 변환시키는 재료들에 의해 제공된다. 특정 실시예에서는, 상기 파장 변환 재료(16)가 상기 발광 다이오드(LED)(13)의 기본 방출(primary emission)에 의해 여기(exitation)되어 적어도 제2 파장의 전자기 방사선을 방출하며, 옵션으로는 제3 및 제4 파장들의 전자기 방사선을 또한 방출한다.
바람직한 실시예에서는, 상기 파장 변환 재료가 실란트 재료 내에 혼입되고, 그에 의해, 5개의 측벽 상에서 상기 발광 다이오드(LED)(11)가 에워싸여져서 도포된다. 사용시, 상기 발광 다이오드(LED)(11)로부터 방출되는 광의 일부는 스토크스 이동(stokes shift)에 직면하게 되고 짧은 파장으로부터 긴 파장으로 변형되며, 개별 컬러들의 다른 여러 형광체(phosphor) 재료들이 상기 실란트 재료(16) 내에 제공되는 경우에 방출되는 스펙트럼이 바람직하게는 150㎚ 이상으로, 좀더 바람직하게는 250㎚ 이상으로 좀더 넓어지게 되어, 소정의 발광 다이오드(LED)의 컬러 렌더링 인덱스(color rendering index; 연색 평가지수)가 대체로 높아지게 된다.
일례로서, 본 발명에 따른 형광체 기반 백색 발광용 발광 다이오드(LED) 소자(11)는 형광체로 코팅된 에폭시(16) 내측에 캡슐봉입되는 InGaN으로 이루어지는 청색 발광용 발광 다이오드(LED)(13)를 포함하고, 이 경우에 예컨대 세륨이 도핑된 이트륨 알루미늄 가넷(cerium-doped yttrium aluminum garnet)(Ce3+:YAG)과 같은 일반 황색 발광용 형광체 재료이다. 원래의 청색광(420㎚-490㎚)의 일부는 백색광으로 보이도록 변형된 황색광(550㎚-600㎚)과 결합한다.
백색 발광용 발광 다이오드(LED) 소자(11)는 또한, 녹색광을 방출하는 구리 및 알루미늄이 도핑된 황화 아연(ZnS:Cu, Al)과 함께, 적색 및 청색광을 방출하는 고효율의 유로퓸을 주성분으로 한 형광체(europium-based phosphor)들의 혼합물을 혼입한 실란트 재료(16)를 가지고 350㎚-400㎚의 자외선(UV) 광을 생성하도록 근자외선(near-ultraviolet; NUV) 발광용 발광 다이오드(LED)(11)를 사용하여 형성될 수 있다. 생성된 적색(620㎚-700㎚), 녹색(490㎚-570㎚) 및 청색(420㎚-490㎚) 광은 당업계에 공지되어 있는 바와 같이 백색광을 형성하도록 결합한다.
다른 실시예들에서는, 상기 실란트 재료(16)가 원래의 광 파장을 선택적으로 필터링 또는 분산하거나, 또는 원래의 광 파장에 영향을 주어 하나 이상의 새로운 광 파장을 만들도록 다른 파장 조정 재료들로 도핑 또는 처리될 수 있다. 일례로서, 상기 실란트 재료(16)는, 원래의 파장을 예컨대 150㎚ 이상의 더 넓은 전체 대역폭을 가진 하나 이상의 상이한 광 파장들로 변환하여 백색광을 생성하도록 금속들, 금속 산화물들, 유전체들, 또는 반도체 재료들, 그리고/또는 이러한 재료들의 조합을 가지고 처리될 수 있다.
변형 실시예들에서는, 형광체 입자들이 상기 발광 다이오드(LED)(13) 또는 상기 발광 다이오드(LED) 소자(11) 상에 증착될 수 있다. 상기 형광체 입자들은 위에서 언급한 파장 변환 재료들, 또는 당업계에 공지된 다른 재료들 중 어느 것이라도 포함할 수 있다. 전형적으로는, 상기 형광체 입자들이 약 0.1 미크론 내지 약 50 미크론의 평균 입경(mean-grain-diameter) 입자 크기 분포를 지닐 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 형광체 입자들의 입자 크기 분포가 약 0.5 미크론 내지 약 40 미크론의 유효 직경에서 하나의 피크(peak)를 이루는, 모노모달(monomodal)이다. 다른 실시예들에서는, 형광체 입자들의 입자 크기 분포가 2개의 직경에서 로컬 피크(local peak)들을 이루는, 바이모달(bimodal)일 수도 있고, 3개의 직경에서 로컬 피크들을 이루는, 트리모달(trimodal)일 수도 있으며, 4개 이상의 유효 직경들에서 로컬 피크들을 이루는, 멀티모달(multimodal)일 수도 있다.
특정 실시예에 있어서는, 그러한 개체(entity)들이 (Y,Gd,Tb,Sc,Lu,La)3(Al,Ga,In)5O12:Ce3+, SrGa2S4:Eu2 +, SrS:Eu2 +, 및 CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdSe, 또는 CdTe를 포함하는 콜로이드상 양자점(colloidal quantum dot) 박막들로부터 선택되는 형광체 또는 형광체 혼합물을 포함한다. 다른 실시예들에서는, 상기 발광 다이오드(LCD) 소자는 실질적으로 적색 및/또는 녹색 광을 방출하는 것이 가능한 형광체들을 포함할 수 있다. 여러 실시예에서는, 형광체 재료의 분량은 청색 발광용 발광 다이오드(LED) 소자들의 컬러 밸런스(color balance)에 기반하여 선택된다.
상기 분리층(6) 및 상기 금속 반사층(3) 모두를 대체시키기 위해, 본 발명은 예컨대 150㎚보다 크고, 바람직하게는 200㎚보다 크며, 더 바람직하게는 250㎚보다 큰 광대역 반사기, 및 상기 전자 회로(14) 및 상기 기판(12) 사이의 전기 절연부를 제공하도록 설계된, 고 굴절률 층(18) 및 저 굴절률 층(19)이 각각 교호하는 다층 유전 스택(17)을 이용한다. 이상적으로는, 상기 유전 스택(17)이 가시 스펙트럼의 광 중 적어도 90%를 반사하지만, 다소 작은 대역폭들, 예컨대 400㎚ 내지 680㎚(240㎚ 폭) 및 440㎚ 내지 640㎚(200㎚ 폭)이 본 발명의 범위에 속한다.
전형적으로는, 상기 저 굴절률 층(19)들이 SiO2로 구성되며 상기 고 굴절률 층(18)들이 Ta2O5, Nb2O5, 및 TiO2 중 하나 이상으로 구성되지만, 고 굴절률 층(18) 및 저 굴절률 층(19) 모두에 대한 다른 재료들은 본 발명의 범위에 속한다.
제1 실시예에서는, 상기 유전 스택(17)이 4개 또는 5개의 단면(section)으로 구성되며, 각각의 단면은, 대역폭이 거의 중복되지 않도록 대략 동일한 거리, 예컨대 75㎚ 내지 125㎚ 만큼 다른 중심 파장들로부터 이격되어 있는, 중심 파장(
)에 의해 정의되는 미리 결정된 파장 범위, 예컨대 75㎚ 내지 125㎚의 광을 반사하는데 적합하다. 따라서, 각각의 단면은 상기 미리 결정된 범위의 중심 파장의 ¼ 파장과 대략 동일한 두께를 지니는, 8 내지 20개의 고 굴절률 재료 및 저 굴절률 재료가 교호하는 층으로 구성된다.
예를 들면, 상기 유전 스택(17)의 제1 단면은 8 내지 20개의 고 굴절률 재료 및 저 굴절률 재료가 교호하는 층으로 구성되며, 각각의 층은 
의 
인 광학적 두께(optical thickness)(450㎚/4) = 112.5㎚)를 지닌다. 실제 두께를 얻으려면 이러한 파장들에서의 굴절률들로 상기 광학적 두께를 나누면 된다.
상기 유전 스택(17)의 제2 단면은 8 내지 20개의 고 굴절률 재료 및 저 굴절률 재료가 교호하는 층으로 구성되며, 각각의 층은 
의 
인 광학적 두께(550㎚/4) = 137.5㎚)를 지닌다.
상기 유전 스택(17)의 제3 단면은 8 내지 20개의 고 굴절률 재료 및 저 굴절률 재료가 교호하는 층으로 구성되며, 각각의 층은 
의 
인 광학적 두께(650㎚/4) =162.5㎚를 지닌다.
상기 유전 스택(17)의 제4 단면은 8 내지 20개의 고 굴절률 재료 및 저 굴절률 재료가 교호하는 층으로 구성되며, 각각의 층은 
의 
인 광학적 두께(750㎚/4) = 187.5㎚)를 지닌다.
도 3은 실리콘 기판(12)을 지니지만 어떠한 실란트 재료(16)를 지니지 않는, 다시 말하면 영(0)도의 입사각에서 대기중으로 방출하는 발광 다이오드(LED) 소자(11)에 대한 파장에 대한 반사율의 선도이다. 상기 중심 파장들(
, 
, 
, 
)(도시되지 않음)에 의해 정의되는 상기 유전 스택(17)의 위에 언급한 단면들에 대한 4개의 중복 반사율 대역폭들이 예시되어 있다. 도 4는 또한, 앞서 언급한 복수 개의 단면들을 포함하는, 조합된 유전 스택(17)에 대한 결합된 광대역 반사율 대역폭을 예시하는, 파장에 대한 반사율의 선도이다. 따라서, 상기 유전 스택(17)은 영(0)도의 입사각에서 대기중으로 방출되는 (300㎚ 이상의) 광대역 스펙트럼 광에 대한 95% 내지 100% 반사율을 제공한다.
본 발명의 변형 실시예에서는, 상기 유전 스택(17)이 20 내지 50개의 상이한 단면들로, 예컨대 단지 하나 또는 2개의, 고 굴절률 층 및 저 굴절률 층이 교호하는 쌍만으로 형성될 수 있으며, 각각의 쌍은 중심 파장에 의해 정의되는 비교적 좁은 대역폭, 예컨대 10㎚ 내지 25㎚를 반사하는데 적합하다. 따라서, 상기 유전 스택(17)은 350㎚, 360㎚, 370㎚, ... 820㎚, 830㎚, 및 840㎚ 또는 다소 작은 이들의 부분집합을 중심으로 하는 반사율 대역폭들에 대한 ¼ 파장 쌍들을 포함할 수가 있다. 각각의 층의 광학적 두께는 4로 나눠진 중심 파장(
/4)이게 된다. 도 5는 실리콘 기판(12)을 지니지만 실란트 재료(16)를 지니지 않는, 다시 말하면 영(0)도의 입사각에서 대기중으로 방출하는 발광 다이오드(LED) 소자(11)의 위에서 언급한 예에 대한 결합된 반사율 대역폭을 예시하는, 반사율에 대한 파장의 선도이다. 제2 실시예에서는 영(0)도의 입사각에서 대기중으로 방출되는 (300㎚ 이상, 예컨대 400㎚ 내지 700㎚의) 광대역 스펙트럼의 광에 대한 98% 내지 100% 반사율이 제공된다.
위에서 언급한 설계들은 박막 설계 소프트웨어를 사용하여 최적화되는 것이 전형적이다. 상업적으로 이용가능한 박막 설계 소프트웨어의 예들에는 'Escential Mcleod', Filmstare, TfCalc, Optilayer가 있다. 필요한 층들의 개수는 고 굴절률 재료 및 저 굴절률 재료 간의 굴절률 차이에 의존한다. 그러한 차이가 크면 층들이 덜 요구된다.
상기 유전 스택(17)의 전체 높이는, 0°내지 90°의 입사각에서 400㎚ 내지 680㎚의 광에 대해 90% 반사율, 바람직하게는 92.5% 반사율을 제공하도록 2㎛ 내지 20㎛ 범위, 바람직하게는 2.5㎛ 내지 15㎛ 범위, 그리고 가장 바람직하게는 7㎛ 내지 12㎛ 범위일 수 있다.
도 4 내지 도 6a에서의 위에서 언급한 설계들 중 어떠한 설계도 위에서 언급한 소프트웨어를 사용하여 최적화되지 않았는데, 다시 말하면 최종 설계는 정확히 중심 파장의 ¼ 파장인 광폭(optical width)들을 갖는 간단한 층들의 스택이 아닐 수 있다. 그러나, 도 7에 예시된 설계들은 '최적화'되어 있다.
도 6a에 예시된 바와 같이, 입사각은 상기 유전 스택(17)의 전체 반사율에서 소정 요인으로 작용한다. 가시 스펙트럼의 몇몇 파장에서 그리고 여러 입사각에서, 반사율은 5% 만큼 감소하게 되고, 일부 파장들 및 입사각들에서 반사율은 실리콘 기판(12)을 지니지만 실란트 재료(16)를 지니지 않는 발광 다이오드(LED) 소자(11)의 위에서 언급한 예에 대하여 10% 내지 15% 이상만큼 감소하게 된다. 모든 각도 및 400㎚ 내지 675㎚의 파장에서 95% 이상의 반사율을 제공하도록 크고 작은 입사각들에서의 반사율 감소들이 매우 두드러지게 나타나 있는 도 6b에 예시된 바와 같은 최적화에 의해 스파이크(spike)들이 제거될 수 있다.
대기(1.0)보다 높은 굴절율, 예컨대 1.5를 갖는 실란트 재료(16)가 상기 발광 다이오드(LED) 소자(11)에 포함되어 있는 경우에는, 반사율에 대한 입사각(angle of incidence; AOI)의 선도인 도 7에 예시된 바와 같이 소정 입사각, 예컨대 45° 내지 65°에서 굴절율이 현저하게 감소하게 된다. 반사율이 극적으로 감소하게 되는 주된 이유는 위에서 언급한 각도들에서 s 및 p-편광된 광 성분들의 분할(splitting)이 증가하기 때문이다. 소정 각, 즉 브루스터 각(Brewster angle)에서, s-편광된 빛이 반사되는 동안, p-편광된 빛 모두가 투과되고, 상기 발광 다이오드(LED) 소자(11)의 경우에는 상기 기판(12)의 흡수 때문에 소실되거나 상기 발광 다이오드(LED) 소자(11)의 배면을 통해 투과된다.
도 8를 참조하면, 브루스터(Brewster) 현상 때문에, 가시 스펙트럼(400㎚ 내지 650㎚)에 걸친 그리고 0°내지 90°의 입사각에 걸쳐 있는, 위에서 언급한 실시예들 중 어느 하나에 따른 상기 유전 스택(17)의 평균 반사는 은(silver)에 대하여 97.9% 그리고 알루미늄(aluminum)에 대하여 91.9%와 비교해 볼 때 대략 93%로 감소하게 된다.
상기 발광 다이오드(LED) 소자(11)와 동일한 요소들 모두를 지니는 발광 다이오드(LED) 소자(21)가 또한 내구성 있는 금속 반사층(23), 예컨대 상기 유전 스택(17) 및 종래의 기판 재료(24) 사이에 알루미늄으로 이루어진 내구성 있는 금속 반사층(23)을 지니는 기판(22)을 포함하고 있는 도 9에는 내구성을 희생시키지 않고 위에서 언급한 문제에 대한 해결방안이 예시되어 있다. 상기 금속 반사층(23)은 10㎚ 내지 500㎚ 만큼 얇을 수 있지만, 실제의 목적에 있어서는 상기 반사층(23)이, 상기 발광 다이오드(LED) 소자(21)의 두께 요건에 따라, 35㎚ 내지 120㎚인 것이 전형적이며 50㎚ 내지 70㎚인 것이 이상적이다.
도 10을 참조하면, 도 10에는 발광 다이오드(LED) 소자(31)가 예시되어 있는데, 상기 발광 다이오드 소자(31)의 경우에는 전체 기판(32)이 필요한 추가 반사율을 제공함과 아울러 상승한 열을 소산(燒散)시키도록 알루미늄인 것이 이상적인 반사성 금속 재료로 이루어져 있다. 100 W/mK보다 큰 열전도율을 갖는 재료가 선호되지만, 200 W/mK보다 큰 열전도율을 갖는 재료, 예컨대 Al k = 250 W/mK가 더 선호된다. 다른 모든 요소들, 즉 발광 다이오드(LED)(13), 전자 회로(14), 실링 재료(16), 및 유전 스택(17)은 도 2 및 도 9의 경우에 동일한 것들이다. 도 11에는 조합된 유전 스택/금속 반사기에 대한 최저 반사율이 어떠한 방식으로 93%를 넘게 되는 지가 예시되어 있으며, 도 12에는 조합된 반사기의 평균 반사율이 전체 가시 스펙트럼에 걸쳐 98.5% 이상이며 이것이 은(silver) 반사기 또는 상기 유전 스택(17) 중 어느 하나보다 큰 것임이 예시되어 있다.
상기 조합된 반사기의 다른 한 이점은 상기 유전 스택(17)의 두께가 반사율 성능을 너무 많이 희생시키지 않고 단면당 층들의 개수를 감소시킴으로써 3㎛ 내지 6㎛로 상당히 감소하게 될 수 있다는 점이다. 상기 유전 스택(17)의 총 두께는 0°내지 90°의 입사각에서, 250㎚ 이상, 예컨대 400㎚ 내지 680㎚의 대역폭을 갖는 광에 대해 90% 이상의 반사율, 바람직하게는 95% 이상의 반사율, 그리고 가장 바람직하게는 97% 이상의 반사율을 제공하도록 2㎛ 내지 20㎛ 범위, 바람직하게는 2.5㎛ 내지 12㎛ 범위, 그리고 가장 바람직하게는 3㎛ 내지 8㎛ 범위일 수 있다.
상기 유전 스택(17)의 두께를 감소시키는 것은 상기 유전 스택(17)을 통한 낮은 열 저항이 상기 발광 다이오드(LED)(13)로부터의 열의 소산을 증가시키는데 필요할 때 중요할 수 있다. 하기 표 1에는 상이한 두께들을 갖는 반사기 스택들(17)에 대한 평균 반사율들의 비교가 제공되어 있다. 평균 반사율은 0°내지 85°의 각도 범위 및 400㎚ 내지 680㎚의 파장 범위에 걸쳐 계산되었다.
| 미러(mirror) 두께(㎛) | 평균 반사율(%) |
| 7.60 | 98.5 |
| 4.22 | 98.0 |
| 3.70 | 97.6 |
| 3.11 | 97.4 |
| 은(silver) | 97.8 |
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 일반 실시예에서는 '레드 클리프(red cliff)'로서 언급될 수 있는 입사각과 각도 이동(angle shift)을 동일시함으로 인해, 소정 파장들, 예컨대 600㎚ 내지 750㎚에 대해 높은 입사각들, 예컨대 >45°에서 반사가 실질적으로 감소하는 문제가 생긴다.
일반적으로, 위에서 언급한 상기 유전 스택(17)과 관련된 문제는 두께를 증가시켜 피막(coating)의 각도 의존도를 특정 용도들에 대한 길고 덜 중요한 파장들로 사실상 "적색 편이(red shifting)'시킴으로써 쉽게 해결될 수 있다. 그러나, 열적 고려사항들에 따라, 상기 유전 스택(17)의 두께는 증가시키면 안 되는데, 그 이유는 상기 다층 유전 스택(17)의 상측에 장착되는 발광 다이오드(LED)(13)가 상기 다층 유전 스택(17)을 통해 상기 기판, 예컨대 4, 12 또는 32로 열을 소산시킬 필요가 있기 때문이다. 개발 노력 동안 훨씬 두꺼운 유전 스택(17)들이 우수한 광학 성능을 제공했지만, 박막을 통한 불량한 열 이동에 직면하게 되었으므로, 사실상 이러한 용도에는 상기 훨씬 더 두꺼운 유전 스택(17)들이 유용하지는 않았다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 발광 다이오드(LED)(41)의 변형 실시예의 주된 특징은 상기 유전 스택을 적어도 2개의 영역 또는 세그먼트로 분할하는 것인데, 다시 말하면 제1 세그먼트(47a)는 전기적 절연 이유들 및 나머지 피막을 포함하는 전방위 미러에 필요한 나머지 광학 성능 때문에 제1의 두꺼운 두께, 예컨대 3.5㎛보다 두껍고 바람직하게는 대략 4㎛ 이상인 두께로 상기 발광 다이오드(LED)(13) 및 전자 회로(14)를 에워싸고 있다. 전체 피막 두께는 전체 구조의 열적 성능에 의해 제한되는 13㎛ 미만일 수 있다. 전체 피막 상의 두께는 13㎛보다 훨씬 두꺼울 수 있지만, 이는 비용이 과하게 들 수 있다.
제2 세그먼트(47b)는, 전기적 절연이 유지되고 상기 유전 스택의 추가적인 두께의 열적 영향이 최소화되도록 상기 발광 다이오드(LED)(13)가 상기 기판(12/22/32)으로부터 적합한 거리를 두고 있을 수 있게 하기 위해 제2의 얇은 두께, 예컨대 1㎛ 내지 3㎛, 바람직하게는 약 2㎛를 갖도록 포토리도그래피(photolithography) 또는 다른 적합한 프로세스로 상기 발광 다이오드(LED)(13) 하부에 패터닝된다.
전형적인 발광 다이오드(LED)들의 높이가 대략 160㎛(삼각형)이며 전형적인 발광 다이오드(LED)들이 실란트 재료(16)에 담기게 되므로, 상기 제2의 얇은 영역(47b)에 의해 가려지는 다이오드의 분량은 1% 미만(2+㎛/160㎛)인 것이 전형적이다.
Claims (16)
- 발광 다이오드(LED) 소자에 있어서,
상기 발광 다이오드(LED) 소자는,
기판;
제1 파장의 광을 방출하는 발광 다이오드(LED);
외부 소스들로부터 상기 발광 다이오드(LED)에 전력을 공급하는 전기 회로;
상기 제1 파장의 광과 결합하여 광대역 광 소스를 형성하는, 적어도 하나의 제2 파장의 광으로 상기 제1 파장에서 방출되는 광을 변환시키는, 상기 발광 다이오드(LED)를 도포하는 파장 변환 재료; 및
상기 광대역 광 소스에 대한 반사율 및 전기 접속들에 대한 전기적 절연 기능을 모두 제공하는, 상기 기판 및 상기 발광 다이오드(LED) 사이에서 고 굴절률 재료 층 및 저 굴절률 재료 층이 교호(交互)하는 다층 유전 구조(multi-layer dielectric structure);
를 포함하며,
상기 다층 유전 구조는 적어도 150㎚의 대역폭에 걸쳐 상기 광대역 광 소스의 적어도 90%를 반사하는 광대역 반사기인, 발광 다이오드 소자. - 제1항에 있어서, 상기 다층 유전 구조는 2.5㎛ 내지 15㎛의 두께, 바람직하게는 7㎛ 내지 12㎛의 두께를 지니는, 발광 다이오드 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 다층 유전 구조는 상기 기판에 전기적 절연 및 열 전사 기능을 제공하는, 제1 두께를 갖는 상기 발광 다이오드(LED) 하부의 제1 영역, 및 광에 대한 반사율 및 전기적 절연 기능을 제공하는, 상기 발광 다이오드(LED)를 에워싸고 있는 상기 제1 두께보다 두꺼운 두께를 갖는 제2 영역을 지니는, 발광 다이오드 소자.
- 제3항에 있어서, 상기 다층 유전 구조의 제1 영역 두께는 1㎛ 내지 3㎛인, 발광 다이오드 소자.
- 제3항에 있어서, 상기 다층 유전 구조의 제2 영역 두께는 3.5㎛ 내지 13㎛인, 발광 다이오드 소자.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다층 유전 구조는 400㎚ 내지 680㎚의 범위에 걸쳐 광의 적어도 90%를 반사하는 광대역 반사기인, 발광 다이오드 소자.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 파장은 백색광을 형성하도록 결합하는, 발광 다이오드 소자.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파장 변환 재료는, 상기 제1 파장과 결합하여 백색광을 형성하는, 제2 및 제3 파장의 광으로 상기 제1 파장에서 방출되는 광을 변환하는 복수 개의 상이한 재료들을 포함하는, 발광 다이오드 소자.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다층 유전 구조는 각각의 단면(section)이 중심 파장에 의해 정의되는 75㎚ 내지 125㎚의 상이한 대역폭을 반사하는 복수 개의 단면들을 포함하며, 각각의 단면은 복수 개의 교호하는 고 굴절률 및 저 굴절률 층들을 포함하고, 각각의 층은 상기 중심 파장의 대략 ¼인 광폭(optical width)을 지니는, 발광 다이오드 소자.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다층 유전 구조는, 각각의 쌍이 중심 파장에 의해 정의된 5㎚ 내지 15㎚의 상이한 대역폭을 반사하는 복수 개의, 고 굴절률 재료 및 저 굴절률 재료 층들의 쌍들을 포함하며, 각각의 층은 쌍은 상기 중심 파장의 대략 ¼인 광폭(optical width)을 지니는, 발광 다이오드 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 발광 다이오드 소자는,
상기 파장 변환 재료가 내부에 분산되어 있는 실란트(sealant) 재료;
를 더 포함하며, 상기 실란트 재료는 제1 및 제2 파장의 광에 투명한, 발광 다이오드 소자. - 제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2 파장의 광에 투명한 실란트 재료는 실리콘, 에폭시, 유리, 플라스틱 및 폴리머로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 재료들을 포함하는, 발광 다이오드 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 기판은 반사성 금속 재료 층을 포함하며, 상기 반사성 금속 재료 층 및 상기 다층 유전 구조는 400㎚ 내지 680㎚ 파장의 광에 대한 95% 이상의 반사율을 제공하는, 발광 다이오드 소자.
- 제13항에 있어서, 반사성 금속 재료는 200 W/mK보다 큰 열전도율의 계수를 지니는, 발광 다이오드 소자.
- 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 기판은 알루미늄을 포함하는, 발광 다이오드 소자.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 200 W/mK보다 큰 열전도율의 계수를 지니는 반사성 금속 재료로 이루어지는, 발광 다이오드 소자.
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