KR20140105902A - 반도체 발광 장치 - Google Patents

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KR20140105902A
KR20140105902A KR1020130019640A KR20130019640A KR20140105902A KR 20140105902 A KR20140105902 A KR 20140105902A KR 1020130019640 A KR1020130019640 A KR 1020130019640A KR 20130019640 A KR20130019640 A KR 20130019640A KR 20140105902 A KR20140105902 A KR 20140105902A
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이광철
백종협
김상묵
김덕기
강소라
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한국광기술원
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Abstract

고연색성을 가지는 백색광 발광 장치가 개시된다. 이러한 반도체 발광 장치는 2개 이상의 마운팅 영역을 가지는 서브마운트 요소와, 2개 이상의 마운팅 영역 각각에 각기 배치되는 발광부들을 포함하고, 서브 마운트 요소는 2개 이상의 마운팅 영역들 사이에 배치되어 어느 마운팅 영역에 배치된 발광부가 다른 마운팅 영역에 배치된 발광부의 광에 직접 노출되는 것을 방지하는 광차단구조를 구비한다. 따라서

Description

반도체 발광 장치{SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 반도체 발광 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 멀티칩(multi-chip)을 채용하여 백색광을 방출하는 반도체 발광 장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 발광 장치에 이용되는 반도체 소자 또는 칩으로는 발광 다이오드(light emitting diode)나 레이저 다이오드(laser diode)를 들 수 있다.
이들 반도체 발광 소자는 전형적으로 p-n접합을 포함하며, 전자와 정공이 재결합할 때 빛을 방출하게 된다. 반도체 발광 소자가 가지는 여러 가지 장점으로 인해 현재 백열등이나 형광등과 같은 전통적인 조명기구를 대체하고 있을 뿐만 아니라 다양한 조명요소로서 이용되고 있다.
이와 같이 반도체 발광 장치가 조명기구로 이용될 경우에는 사물이 보다 더 자연스럽게 보이기 위해 자연광과 흡사한 빛을 방출하는 것이 가장 바람직하다. 이를 위해서는 백색광을 방출하면서도 연색성(color rendering)이 좋아야 한다.
고연색성을 가지는 반도체 발광 장치를 구현하기 위한 종래의 시도 중의 하나는 청색 소자 또는 근자외선 소자 위에 황색 형광체 외에 적색 형광체를 추가로 배치하는 것이다. 그러나 이러한 방식은 이종 형광체를 이용함에 따라 광흡수/산란 손실이 증가하여 발광효율을 급감시키는 단점이 있다.
또한 청색 소자 2개 이상을 배치하는 멀티칩 구성의 경우에는 소자 간 간섭에 따른 광손실이 발생한다. 즉, 청색 소자를 동일평면 상에 배치하기 때문에 소자에 의한 광의 재흡수 손실이 유발된다.
미국특허출원 공개 US2006/0126326 A1
본 발명은 고연색성을 가지는 백색광을 방출하는 반도체 발광 장치를 제공한다.
본 발명은 멀티칩을 채용하여 고연색성 백색광 구현하면서도 발광효율이 좋은 반도체 발광 장치를 제공한다.
본 발명은 멀티칩을 채용하여 색온도 조절이 가능한 반도체 발광 장치를 제공한다.
본 발명은 반도체 발광 장치를 제공하며, 이 발광 장치는: 2개 이상의 마운팅 영역을 가지는 서브마운트 요소; 및 상기 2개 이상의 마운팅 영역 각각에 각기 배치되는 발광부들;을 포함하고, 상기 서브 마운트 요소는 상기 2개 이상의 마운팅 영역들 사이에 배치되어 어느 마운팅 영역에 배치된 발광부가 다른 마운팅 영역에 배치된 발광부의 광에 직접 노출되는 것을 방지하는 광차단구조를 구비한다.
상기 발광부들은 제1발광부와 제2발광부를 포함하는 2개일 수 있다.
본 발명의 반도체 발광 장치는 상기 제1발광부와 상기 제2발광부를 포함하는 전면을 덮도록 적층된 광산란층을 더 포함한다.
상기 2개 이상의 마운팅 영역은 각각 함몰된 요부이고, 상기 광차단구조는 상기 요부의 측벽일 수 있다.
상기 제1발광부는 제1LED칩과 상기 제1LED칩을 덮는 제1형광체를 포함하고, 상기 제2발광부는 제2LED칩과 상기 제2LED칩을 덮는 제2형광체를 포함한다.
상기 제1발광부와 상기 제2발광부는 각각 해당 마운팅 영역인 요부 내에 위치한다.
상기 제1LED칩이 상기 제2LED칩 보다 더 긴 발광 파장을 가질 때, 상기 제1형광체가 상기 제2형광체보다 더 긴 발광 파장을 가진다.
상기 제1LED칩과 상기 제2LED칩의 여기광 배치 조합은: 근자외선 LED칩과 청색 LED칩, 근자외선 LED칩과 시안색 LED칩, 청색 LED칩과 녹색 LED칩, 또는 청색 LED칩과 시안색 LED칩일 수 있다.
상기 제1LED칩과 상기 제1형광체는 근자외선 LED칩과 황색 형광체이고, 상기 제2LED칩과 상기 제2형광체는 청색 LED칩과 적색 형광체일 수 있다. 또한, 상기 제1LED칩과 상기 제1형광체는 청색 LED칩과 황색 형광체이고, 상기 제2LED칩과 상기 제2형광체는 녹색 LED칩과 적색 형광체일 수 있다.
상기 광산란층은 상면이 실질적인 평면형 또는 돔형일 수 있다.
상기 광산란층은 투명수지에 TiO2 또는 ZrO2를 0.0001 내지 10 vol% 첨가한 것일 수 있다.
상기 제1LED칩과 제2LED칩에 인가되는 전류 및 전압의 개별적인 제어가 가능함으로써 색온도 제어가 가능할 수 있다.
본 발명에 따르면 고연색성을 가지는 백색광을 방출하는 반도체 발광 장치가 제공된다. 이러한 발광 장치는 바람직하게는 2개 이상의 발광부를 채용하며, 고연색성을 구현하면서도 이들 발광부들 간에 상호 간섭이 발생하지 않게 되어 광흡수나 산란 등의 광손실이 축소된다. 또한 칩과 형광체 위상차에 따른 광의 칩에서의 재흡수 손실이 억제된다. 듀얼칩 등으로 구성할 경우에 개별 칩에 인가되는 전류/전압을 조절함으로써 용이하게 색온도 제어를 수행할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 반도체 발광 장치에 대한 하나의 예를 도시한 도면으로서, 도 1a는 사시도이고 도 1b는 도 1a의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 발광 장치의 다른 예를 도시한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 반도체 발광 장치의 또 다른 예를 도시한 도면으로서, 도 3a는 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 단면도이다.
도 4는 도 3a 및 3b에 도시한 본 발명의 반도체 발광 장치의 발광요소들의 광스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 5는 도 3a 및 3b에 도시한 본 발명의 반도체 발광 장치에 대한 색도 다이어그램이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에 따른 반도체 발광 장치는 서브마운팅 요소 또는 기판에 2개 이상의 마운팅 영역을 마련하고, 각 마운팅 영역에 발광부를 각각 배치한다. 특히, 본 발명의 서브마운팅 요소는 각 마운팅 영역 사이에 배치된 광차단구조를 구비한다. 이러한 광차단구조는 어느 마운팅 영역에 배치된 발광부가 다른 마운팅 영역에 배치된 다른 발광부의 광에 직접적으로 노출되는 것을 방지하는 역할을 한다. 그럼으로써 발광부들이 서로로부터 직접적인 간섭을 받지 않게 되어 기존의 발광 장치보다 광효율이 높으면서도 고연색성의 백색광을 발광하는 발광 장치가 구현된다. 각 발광부는 여기광을 방출하는 칩과 그 위에 적층된 형광체를 포함한다. 이하에서는 2개의 발광부가 구비되는 듀얼 칩 발광 장치의 예를 설명하기로 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 반도체 발광 장치에 대한 하나의 예를 도시한 도면으로서, 도 1a는 사시도이고 도 1b는 도 1a의 단면도이다.
도 1a 및 1b을 참조하여, 본 발명에 따른 반도체 발광 장치의 하나의 예는 제1 및 제2마운팅 영역(31, 32)을 가지는 서브마운트 요소(3)와, 해당 마운팅 영역(31, 32)에 각각 배치된 제1 및 제2발광부들을 포함한다. 제1발광부는 제1LED칩(11uv)과 제1형광체(21y)로 이루어지며, 제2발광부는 제2LED칩(12b)과 제2형광체(22r)로 이루어진다. 각 마운팅 영역(31, 32) 사이에는 광차단구조(33)가 배치된다. 이러한 광차단구조(33)에 의해 각 마운팅 영역(31, 32)에 배치된 제1 및 제2발광부의 적어도 제1LED칩(11uv)과 제2LED칩(12b)은 서로로부터 방출된 광에 대하여 직접적으로 노출되지 않는다.
바람직하게, 서브마운트 요소(3)의 제1 및 제2마운팅 영역(31, 32)은 각각 함몰되어 형성된 요부의 형태를 갖는다. 이러한 요부형 제1 및 제2마운팅 영역(31, 32)의 바닥부위에 제1LED칩(11uv)과 제2LED칩(12b)이 각각 안착된다.
따라서, 도 1a 및 1b에 도시된 하나의 예에서는 요부의 측벽이 광차단구조(33)가 된다. 상술한 바와 같이 이와 같은 광차단구조(33)에 의해 제1LED칩(11uv)과 제2LED칩(12b)은 서로로부터의 여기광에 대하여 직접적으로 노출되지 않는다.
더 바람직하게는 제1LED칩(11uv)과 제2LED칩(12b)은 서로 다른 색상을 발광하도록 하여, 아래에서 상세하게 후술되는 바와 같이 고연색성을 갖게 된다.
또한 본 발명의 하나의 예에 따른 반도체 발광 장치의 제1발광부와 제2발광부는 상술한 바와 같이 각각 제1 및 제2LED칩(11uv, 12b)을 덮도록 배치되는 제1형광체(21y) 및 제2형광체(22r)를 포함한다. 이들 제1 및 제2형광체(21y, 22r)는 각각 요부 내부에 마찬가지로 서로로부터 발광된 광에 직접적으로 노출되지 않는다.
또한 제1형광체(21y)와 제2형광체(22r) 상면을 포함하는 전면에는 광산란층(41) 또는 광산란구조물이 배치된다. 이러한 광산란층(41)은 2개 이상의 발광부에서 발생한 발광 스펙트럼 간의 혼합, 즉 색혼합을 구현한다. 따라서 바람직하게는 광산란층(41) 또는 광산란구조물은 일체형으로 형성된다.
이상과 같이 본 발명의 반도체 발광 장치는 제1마운팅 영역(31)과 제2마운팅 영역(32)에 배치된 제1발광부와 제2발광부가 서로의 광으로부터 직접적으로 노출되지 않게 된다.
더구나 본 발명의 발광 장치는 하나의 서브마운팅 요소에 2개 이상의 마운팅 영역(31, 32)을 형성하고, 또한 하나의 광산란층(41, 42)을 형성한 구조로서, 전체적으로 장치가 심플한 구성을 가진다. 따라서 장치가 상대적으로 작은 부피를 가질 뿐만 아니라 제작비용이 절감될 수 있다.
고연색성을 가지는 백색광을 방출하는 발광장치를 구현하기 위해, 본 발명에서는 아래와 같은 칩과 형광체의 조합이 가능하다.
스토크스 시프트(stoke's shift)가 짧을수록 형광효율이 좋기 때문에, 상대적으로 긴 파장의 여기광을 가지는 칩에는 상대적으로 긴 발광파장을 가지는 형광체를 적용하고, 상대적으로 짧은 파장의 여기광을 가지는 칩에는 상대적으로 짧은 발광파장을 가지는 형광체를 적용한다. 결과적으로 제1LED칩(11uv)로부터의 여기광이 제2LED칩(12b)부터의 여기광 보다 긴 파장을 가질 때, 제1형광체(21y)가 제2형광체(21r)보다 더 긴 발광 파장을 가지게 된다.
또한 본 발명의 반도체 발광 장치에 적용될 수 있는 제1LED칩과 제2LED칩의 여기광 배치 조합은 근자외선 LED칩과 청색 LED칩, 근자외선 LED칩과 시안색 LED칩, 청색 LED칩과 녹색 LED칩, 또는 청색 LED칩과 시안색 LED칩일 수 있다.
예를 들어, 본 발명에 따른 반도체 발광 장치의 하나의 예는 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 제1LED칩(11uv)과 제1형광체(21y)가 근자외선 LED칩과 황색 형광체이고, 제2LED칩(12b)와 제2형광체(21r)는 청색 LED칩과 적색 형광체일 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 발광 장치의 다른 예를 도시한 단면도이다. 이해의 편의를 위해, 도 1a 및 1b와 동일하거나 유사한 요소들에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하였다.
도 2에 도시된 예에서는 제1 및 제2형광체(21y, 21r)들이 각각 제1LED칩(11uv)과 제2LED칩(12b)의 상면에 적층된 구조이며, 이러한 구조로도 본 발명의 반도체 발광 장치가 구현될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 반도체 발광 장치의 또 다른 예를 도시한 도면으로서, 도 3a는 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 단면도이다.
본 발명에 따른 반도체 발광 장치의 또 다른 예는 도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이 제1LED칩(110b)과 제1형광체(210y)가 각각 청색 LED칩과 황색 형광체이고, 제2LED칩(120g)와 제2형광체(220r)는 각각 녹색 LED칩과 적색 형광체일 수 있다.
도 1a 및 1b, 도 2 그리고 도 3a 및 3b에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 반도체 발광 장치에 채용되는 광산란층(41, 42)은 상면이 실질적으로 평면형(도 1a, 도 1b, 도 2)거나 돔형(도 3a, 도 3b)일 수 있다. 또한 도시한 예들에서와 같이 욕조형 요부구조를 가지는 제1 및 제2마운팅 영역(31, 32)은 평단면 형상이 사각이거나 원형일 수 있다. 또한 형광체가 욕조형 요부인 마운팅영역 내에서 발광 칩을 전체적으로 둘러싸거나, 발광 칩 상면에 적층되는 구조를 모두 포함한다.
또한 광산란층(41, 42)은 투명수지에 서브-마이크론 크기의 TiO2 또는 ZrO2의 분말을 0.0001 내지 10 vol% 첨가하여 형성할 수 있다. 0.0001 부피% 이하는 광산란효과가 미약하여 색혼합이 이루어지지 않고, 10 부피% 이상은 광산란이 심하고 광손실이 크기 때문이다. 광산란층(41, 42)은 바람직하게는 광손실 목표치 5 내지 10% 내를 달성하도록 선택될 수 있다.
또한 요부인 제1마운팅 영역(31)과 제2마운팅 영역(32)의 깊이는 동일하거나 서로 다를 수 있고, 요부의 측벽인 광차단구조(33)는 바람직하게는 바닥부위로 향할수록 좁아지는 경사를 가질 수 있다. 이러한 구조는 요부 내에 위치하는 칩들로부터의 여기광과 형광체들로부터의 발광이 서로 직접적인 간섭을 주지 않으면서도 광산란층(41, 42)에 의해 보다 효과적으로 광펼침이 일어날 수 있기 때문이다.
도 4는 도 3a 및 3b에 도시한 본 발명에 따른 반도체 발광 장치의 또 다른 에에 대한 발광요소들의 광스펙트럼 분포를 도시한 그래프이다.
도면에서 x축은 파장을 나타내고 y축은 광도(luminous intensity)를 나타낸다. 연녹색선(①)은 표준시감도곡선(標準視感度曲線) V(λ)로서 빛에너지에 대하여 인간의 눈이 감각하는 밝기의 정도를 나타낸다. 청색선(②)은 청색 발광칩인 제1LED칩(110b)과 황색 형광체인 제1형광체(210y)의 조합 스펙트럼을 나타내고, 녹색선(③)은 녹색 LED칩인 제2LED칩(120g)과 적색 형광체인 제2형광체(220r)의 조합 스펙트럼을 나타낸다. 적색선(④)은 도 3a 및 3b에 도시한 본 발명의 반도체 발광 장치에 의해 통합된 스펙트럼 분포를 나타낸다. 적색선으로 도시한 바와 같이 본 발명의 반도체 발광 장치에 의해 통합된 스펙트럼 분포는 고연색성을 가지는 백색광이 구현되는 것을 알 수 있다. 도 3a 및 3b에 도시한 발광 장치에서 상관 색온도(correlated color temperature: CCT)는 2,817K이고 연색지수(color rendering index: CRI)는 92이다.
또한 바람직하게 본 발명에 따른 반도체 발광 장치의 모든 예에서, 제1LED칩(11uv, 110b)과 제2LED칩(12b, 120g)에 인가되는 전류/전압을 개별적으로 조절함으로써 색온도를 제어할 수 있다.
도 5는 도 3a 및 3b에 도시한 본 발명의 반도체 발광 장치에 대한 색도도를 나타내는 다이어그램이다. 도면에서 말굽형상 전체는 전체 가시가능한 색도 영역을 나타내며, 외곽 곡선 부위가 파장으로 표시된 단색광의 스펙트럼 궤적을 나타내고, 내부의 곡선은 색온도 궤적을 나타낸다.
제1LED칩(110b)은 450nm의 피크 파장을 가지는 청색 LED칩이고, 제1형광체(210y)는 570nm 피크 파장을 가지는 황색 형광체이다. 또한 제2LED칩(120g)은 510nm 피크 파장을 가지는 녹색 LED칩이고, 제2형광체(220r)는 630nm의 피크 파장을 가지는 적색 LED칩이다. 따라서, 도 3a 및 3b에 도시된 본 발명의 반도체 발광 장치는 제1LED칩(110b)과 제2LED칩(120g)에 인가되는 전류/전압을 조절함으로써 색온도를 2500 내지 6500K의 범위 내에서 조절될 수 있다. 도 3a 및 도 3b에 도시한 본 발명에 따른 반도체 발광 장치가 최고의 연색성을 가지는 경우에 해당한다고 할 수 있다.
또한 본 발명의 반도체 발광 장치에 적용되는 LED칩들은 바람직하게는 방열특성을 고려하여 GaN계열의 칩을 선택할 수 있다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
11uv, 110b: 제1LED칩 12b, 120g: 제2LED칩
21y, 210y: 제1형광체 22r, 220r: 제2형광체
3: 서브마운팅 요소 31: 제1마운팅 영역
32: 제2마운팅 영역 33: 광차단구조
41, 44: 광산란층

Claims (13)

  1. 2개 이상의 마운팅 영역을 가지는 서브마운트 요소; 및
    상기 2개 이상의 마운팅 영역 각각에 각기 배치되는 발광부들;을 포함하고,
    상기 서브 마운트 요소는 상기 2개 이상의 마운팅 영역들 사이에 배치되어 어느 마운팅 영역에 배치된 발광부가 다른 마운팅 영역에 배치된 발광부의 광에 직접 노출되는 것을 방지하는 광차단구조를 구비하는 것인,
    반도체 발광 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 발광부들은 제1발광부와 제2발광부를 포함하는 2개인 것인,
    반도체 발광 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1발광부와 상기 제2발광부를 포함하는 전면을 덮도록 적층된 광산란층을 더 포함하는,
    반도체 발광 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 2개 이상의 마운팅 영역은 각각 함몰된 요부이고,
    상기 광차단구조는 상기 요부의 측벽인 것인,
    반도체 발광 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1발광부는 제1LED칩과 상기 제1LED칩을 덮는 제1형광체를 포함하고,
    상기 제2발광부는 제2LED칩과 상기 제2LED칩을 덮는 제2형광체를 포함하는,
    반도체 발광 장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1발광부와 상기 제2발광부는 각각 해당 마운팅 영역인 요부 내에 위치하는 것인,
    반도체 발광 장치.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1LED칩이 상기 제2LED칩 보다 더 긴 발광 파장을 가질 때,
    상기 제1형광체가 상기 제2형광체보다 더 긴 발광 파장을 가지는 것인,
    반도체 발광 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 제1LED칩과 상기 제2LED칩의 여기광 배치 조합은:
    근자외선 LED칩과 청색 LED칩, 근자외선 LED칩과 시안색 LED칩, 청색 LED칩과 녹색 LED칩, 또는 청색 LED칩과 시안색 LED칩인 것인,
    반도체 발광 장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1LED칩과 상기 제1형광체는 근자외선 LED칩과 황색 형광체이고,
    상기 제2LED칩과 상기 제2형광체는 청색 LED칩과 적색 형광체인 것인,
    반도체 발광 장치.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1LED칩과 상기 제1형광체는 청색 LED칩과 황색 형광체이고,
    상기 제2LED칩과 상기 제2형광체는 녹색 LED칩과 적색 형광체인 것인,
    반도체 발광 장치.
  11. 청구항 4에 있어서,
    상기 광산란층은 상면이 실질적인 평면형 또는 돔형인 것인,
    반도체 발광 장치.
  12. 청구항 4에 있어서,
    상기 광산란층은 투명수지에 TiO2 또는 ZrO2를 0.0001 내지 10 vol% 첨가한 것인,
    반도체 발광 장치.
  13. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1LED칩과 제2LED칩에 인가되는 전류 및 전압의 개별적인 제어가 가능함으로써 색온도 제어가 가능한 것인,
    반도체 발광 장치.
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