KR20150009880A - 직관형 발광 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광 장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 복수의 발광 다이오드의 어레이가 배열된 발광 모듈; 상기 발광 모듈을 수납하고, 투광성 커버를 포함하는 원통형 커버 유닛; 및 상기 원통형 커버 유닛의 양단에 결합되는 한 쌍의 소켓을 포함하고, 상기 한 쌍의 소켓 중의 하나의 소켓에 상기 발광 다이오드로부터 방출되는 광의 조도를 조절할 수 있는 조광 컨트롤러가 구비된 것을 특징으로 하는 발광 장치에 관한 것이다. 본 발명 개념의 발광 장치는 시스템의 교체나 설비 공사 없이도 조도를 조절할 수 있는 효과가 있다.

Description

직관형 발광 장치 {Tubular light emitting device}
본 발명은 직관형 발광 장치 및 그를 포함하는 조명 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 시스템의 교체나 설비 공사 없이도 조도를 조절할 수 있는 직관형 발광 장치 및 그를 포함하는 조명 시스템에 관한 것이다.
환경 문제가 대두됨에 따라 에너지 효율이 우수한 발광 다이오드 조명 장치가 주목받고 있다. 발광 다이오드 조명 장치는 우수한 에너지 효율 외에도 밝기를 용이하게 조절할 수 있기 때문에 에너지 절감에 더욱 유리한 장점이 있다. 그러나, 기존의 조명 시스템에 밝기를 제어하기 위한 제어시스템을 적용하기 위해서는 조명 시스템을 교체하거나 별도의 설비 공사가 필요한 문제점이 있었다.
본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 시스템의 교체나 설비 공사 없이도 조도를 조절할 수 있는 직관형 발광 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 시스템의 교체나 설비 공사 없이도 조도를 조절할 수 있는 조명 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 복수의 발광 다이오드의 어레이가 배열된 발광 모듈; 상기 발광 모듈을 수납하고, 투광성 커버를 포함하는 원통형 커버 유닛; 및 상기 원통형 커버 유닛의 양단에 결합되는 한 쌍의 소켓을 포함하고, 상기 한 쌍의 소켓 중의 하나의 소켓에 상기 발광 다이오드로부터 방출되는 광의 조도를 조절할 수 있는 조광 컨트롤러가 구비된 것을 특징으로 하는 직관형 발광 장치를 제공한다.
이 때, 상기 조광 컨트롤러는 조광 스위치부; 상기 조광 스위치부의 위치에 따라 신호를 발생시킬 수 있는 신호 발생부; 및 상기 신호 발생부에서 발생된 신호를 외부로 전송할 수 있는 신호 전달부를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 조광 컨트롤러는 가변 저항을 포함할 수 있다.
또, 상기 조광 스위치부는 상기 소켓의 외주부를 따라 회전할 수 있도록 구성될 수 있다. 이 때, 상기 신호 발생부는 상기 조광 스위치부의 위치에 따라 그에 대응되는 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 상기 조광 스위치부는 상기 소켓의 외주부를 따라 이산적으로(discretely) 회전하도록 구성될 수 있다. 선택적으로, 상기 조광 스위치부는 상기 소켓의 외주부를 따라 연속적으로(continuously) 회전하도록 구성될 수 있다.
선택적으로, 상기 조광 스위치부는 상기 소켓의 외주부에 푸시 버튼의 형태로 제공될 수 있다. 이 때, 상기 직관형 발광 장치는 상기 푸시 버튼을 누름에 따라 조도가 변화하도록 구성될 수 있다.
상기 한 쌍의 소켓은 전극 단자가 배치되는 제 1 소켓 및 더미 단자가 배치되는 제 2 소켓을 포함할 수 있다. 특히, 상기 조광 스위치부는 상기 제 2 소켓 내에 제공될 수 있다. 또는 선택적으로, 상기 조광 스위치부는 상기 제 1 소켓 내에 제공될 수 있다.
또한, 상기 직관형 발광 장치는 상기 신호 전달부로부터 신호를 전달받을 수 있는 신호 수신부; 상기 신호 수신부로부터 전달받은 신호로부터 제어 신호를 생성하는 신호 제어부; 및 상기 제어 신호에 따라 상기 발광 모듈을 구동하도록 구성된 LED 드라이버를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 직관형 발광 장치; 및 상기 직관형 발광 장치를 고정하기 위한 고정부를 양단에 갖는 몸체부를 포함하는 조명 시스템을 제공한다. 이 때, 상기 직관형 발광 장치는 복수의 발광 다이오드의 어레이가 배열된 발광 모듈; 상기 발광 모듈을 수납하고, 투광성 커버를 포함하는 원통형 커버 유닛; 및 상기 원통형 커버 유닛의 양단에 결합되는 한 쌍의 소켓을 포함할 수 있다. 특히, 상기 한 쌍의 소켓 중의 하나의 소켓에 상기 발광 다이오드로부터 방출되는 광의 조도를 조절할 수 있는 조광 컨트롤러가 구비될 수 있다.
상기 조명 시스템은 상기 몸체부 내에 안정기를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 조광 컨트롤러는 조광 스위치부; 상기 조광 스위치부의 위치에 따라 신호를 발생시킬 수 있는 신호 발생부; 및 상기 신호 발생부에서 발생된 신호를 외부로 전송할 수 있는 신호 전달부를 포함할 수 있다. 또한, 상기 안정기는 상기 신호 전달부로부터 신호를 전달받을 수 있는 신호 수신부; 상기 신호 수신부로부터 전달받은 신호로부터 제어 신호를 생성하는 신호 제어부; 및 상기 제어 신호에 따라 상기 발광 모듈을 구동하도록 구성된 LED 드라이버를 포함할 수 있다.
상기 조명 시스템에 있어서, 상기 조광 컨트롤러가 구비된 소켓의 적어도 일부분이 상기 고정부와 상기 커버 유닛 사이로 노출될 수 있다. 또한, 기 소켓은 자신의 원주 방향으로 회전됨으로써 조도가 조절되도록 구성될 수 있다.
본 발명 개념의 직관형 발광 장치는 조도를 조절할 수 있는 조광 컨트롤러를 자신의 내부에 내장하고 있기 때문에 시스템의 교체나 설비 공사 없이도 조도를 조절할 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 직관형 발광 장치를 개념적으로 나타내는 개략도이다.
도 1b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 실시예에 따른 직관형 발광 장치를 개념적으로 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 직관형 발광 장치의 원통형 커버 유닛의 구성 예를 보여주는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 직관형 발광 장치에 포함된 발광 모듈의 회로 기판 구조의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 직관형 발광 장치에 포함된 발광 모듈의 회로 기판 구조의 다른 예를 보여주는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 직관형 발광 장치에 포함된 발광 모듈의 회로 기판 구조의 또 다른 예를 보여주는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 직관형 발광 장치에 포함된 발광 모듈의 회로 기판 구조의 또 다른 예를 보여주는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 직관형 발광 장치에 포함된 발광 모듈의 회로 기판 구조의 또 다른 예를 보여주는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 직관형 발광 장치에 포함된 발광 모듈의 회로 기판 구조의 또 다른 예를 보여주는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 직관형 발광 장치에 포함된 발광 모듈이 장착되는 메탈 샤시의 구조를 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 직관형 발광 장치의 LED에서 방사되는 광에 대한 색온도 스펙트럼을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 직관형 발광 장치의 LED에 사용될 수 있는 양자점(QD) 구조를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 직관형 발광 장치에서의 청색 LED를 사용한 백색 발광 소자의 응용 분야별 형광체 종류를 예시적으로 보여준다.
도 13은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 직관형 발광 장치에 사용될 수 있는 LED 칩의 일 예를 나타내는 측면 단면도이다.
도 14는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 직관형 발광 장치에 사용될 수 있는 LED 칩의 다른 예를 나타내는 측면 단면도이다.
도 15는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 직관형 발광 장치에 사용될 수 있는 LED 칩의 또 다른 예를 나타내는 측면 단면도이다.
도 16은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 직관형 발광 장치에 사용될 수 있는 기판에 실장된 LED 칩을 포함하는 반도체 발광 소자의 일 예를 나타내는 측면 단면도이다.
도 17은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 직관형 발광 장치에 사용될 수 있는 LED 패키지의 일 예를 나타내는 측면 단면도이다.
도 18은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 직관형 발광 장치의 분해 사시도이다.
도 19는 본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 실시예에 따른 직관형 발광 장치를 L-튜브 어셈블리 형태로 적용한 예를 보여주는 도면이다.
도 20은 도 19에 도시된 L-튜브 어셈블리의 단면도의 주요 부분을 보여주는 도면이다.
도 21은 도 20과 같은 구조의 L-튜브 어셈블리에서의 배광 분포도를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 22는 본 발명 개념의 일 실시예에 따른 직관형 발광 장치의 제 2 소켓 부분을 나타낸 사시도이다.
도 23은 상기 제 2 소켓 내에 구비된 조광 컨트롤러의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 24는 본 발명 개념의 일 실시예에 따른 직관형 발광 장치의 조광 컨트롤러의 구성을 나타낸 회로도이다.
도 25는 본 발명 개념의 다른 실시예에 따른 직관형 발광 장치의 제 2 소켓 부분을 나타낸 사시도이다.
도 26은 본 발명 개념의 일 실시예에 따른 직관형 발광 장치의 조광 컨트롤러의 구성을 나타낸 회로도이다.
도 27a는 본 발명 개념의 실시예에 따른 직관형 발광 장치를 포함하는 조명 시스템이다.
도 27b는 상기 조명 시스템의 조도를 조절할 수 있는 조광 컨트롤러와 그에 의하여 제어되는 LED 모듈의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 28은 본 발명의 다른 실시예에 따른 직관형 발광 장치를 나타낸 분해 사시도이다.
도 29는 상기 직관형 발광 장치의 조광 조절을 위한 조광 컨트롤러의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 30a 및 도 30b는 본 발명의 실시예에 의한 직관형 발광 장치를 이용한 조명 시스템이 적용되는 홈 네트워크의 예를 보여준다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명 개념의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명 개념의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명 개념의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명 개념의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명 개념을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로 해석되는 것이 바람직하다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명 개념은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명 개념의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 반대로 제 2 구성 요소는 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명 개념을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "갖는다" 등의 표현은 명세서에 기재된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
달리 정의되지 않는 한, 여기에 사용되는 모든 용어들은 기술 용어와 과학 용어를 포함하여 본 발명 개념이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 공통적으로 이해하고 있는 바와 동일한 의미를 지닌다. 또한, 통상적으로 사용되는, 사전에 정의된 바와 같은 용어들은 관련되는 기술의 맥락에서 이들이 의미하는 바와 일관되는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 여기에 명시적으로 정의하지 않는 한 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 아니 될 것임은 이해될 것이다.
도 1a는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 직관형 발광 장치(10A)를 개념적으로 나타내는 개략도이다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 직관형 발광 장치(10A)는 방열 부재(11), 커버(12), 발광 모듈(13), 제 1 소켓(14A) 및 제 2 소켓(15A)을 포함할 수 있다.
상기 방열 부재(11)는 커버(12)와 결합될 수 있다. 방열 부재(11)는 발광 모듈(13)에서 발생된 열을 효과적으로 방열시켜 제거할 수 있는 재료 및 구조를 포함할 수 있다.
상기 커버(12)는 방열 부재(11)와 결합될 수 있는 구조를 갖는다. 커버(12)는 광이 투과될 수 있는 광학용 투명 수지 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 광학용 투명 수지 재료로는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 환상 올레핀 폴리머(COP), 환상 올레핀 코폴리머(COC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 아크릴 등과 같은 재료와 상기 재료의 표면 또는 내부에 확산제 및/또는 형광체가 도포된 재료 등을 선택적으로 이용할 수 있다. 또한, 커버(12)는 투명한 튜브 수지, 확산 튜브 수지, 글래스 튜브 수지 등을 선택적으로 이용할 수 있다.
상기 방열 부재(11)와 상기 커버(12)는 서로 결합되어 원통형 커버 유닛을 형성할 수 있다.
발광 모듈(13)은 복수의 발광 소자들이 배열된 모듈일 수 있다. 예를 들면, 발광 모듈(13)은 복수의 발광 다이오드들이 인쇄회로기판 상에 배치된 것일 수 있다. 상기 복수의 발광 다이오드들은 어레이로 배열되어 구동 회로에 의하여 구동될 수 있다. 또한, 발광 모듈(13)은 방열 부재(11) 또는 커버(12)의 내측에 형성된 지지대에 고정될 수 있다.
제 1 소켓(14A) 및 제 2 소켓(15A)은 한 쌍의 소켓으로서 방열 부재(11) 및 커버(12)로 구성된 원통형 커버 유닛의 양단에 결합되는 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 소켓(14A)에는 전극 단자(14A-1)가 배치되고, 상기 제 2 소켓(15A)에는 더미 단자(15A-1)가 배치될 수 있다. 상기 더미 단자(15A-1)는 전기적으로 오픈(open)시키거나 또는 접지에 단락(short)시킬 수 있다.
상기 제 1 소켓(14A)에 배치된 전극 단자(14A-1)는 발광 모듈(13)에 전기적으로 연결될 수 있는 구조를 갖는다. 바꾸어 말하면, 전극 단자(14A-1)를 통하여 발광 모듈(13)에 인가되는 구동 전압이 외부로부터 공급될 수 있다.
상기 직관형 발광 장치(10A) 내에 조광 컨트롤러(15A-2)가 내장될 수 있다. 특히, 더미 단자(15A-1)가 배치된 제 2 소켓(15A)에 조광 컨트롤러(15A-2)가 내장될 수 있다. 예를 들면, 제 2 소켓(15A)을 조광 컨트롤러(15A-2) 일체형 소켓 구조로 형성시킬 수 있다. 제 2 소켓(15A) 및 그의 내부에 내장되는 조광 컨트롤러(15A-2)에 대한 세부적인 구성에 대해서는 아래의 도 22 내지 도 29를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 직관형 발광 장치(10B)를 개념적으로 나타내는 개략도이다.
도 1b를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 직관형 발광 장치(10B)는 방열 부재(11), 커버(12), 발광 모듈(13), 제 1 소켓(14B) 및 제 2 소켓(15B)을 포함할 수 있다.
상기 방열 부재(11), 커버, 및 발광 모듈(13)은 도 1a를 참조하여 설명한 바와 동일하므로 여기서는 상세한 설명을 생략한다.
제 1 소켓(14B) 및 제 2 소켓(15B)은 한 쌍의 소켓으로서 방열 부재(11) 및 커버(12)로 구성된 원통형 커버 유닛의 양단에 결합되는 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 소켓(14B)에는 전극 단자(14B-1)가 배치되고, 상기 제 2 소켓(15B)에는 더미 단자(15B-1)가 배치될 수 있다. 상기 더미 단자(15B-1)는 전기적으로 오픈(open)시키거나 또는 접지에 단락(short)시킬 수 있다.
상기 제 1 소켓(14B)에 배치된 전극 단자(14B-1)는 발광 모듈(13)에 전기적으로 연결될 수 있는 구조를 갖는다. 바꾸어 말하면, 전극 단자(14B-1)를 통하여 발광 모듈(13)에 인가되는 구동 전압이 외부로부터 공급될 수 있다.
전극 단자(14B-1)가 배치된 제 1 소켓(14B)에는 조광 컨트롤러(14B-2)가 내장될 수 있다. 예를 들면, 제 1 소켓(14B)을 조광 컨트롤러(14B-2) 일체형 소켓 구조로 형성시킬 수 있다. 제 1 소켓(14B) 및 그의 내부에 내장되는 조광 컨트롤러(14B-2)에 대한 세부적인 구성에 대해서는 아래의 도 22 내지 도 29를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 직관형 발광 장치의 원통형 커버 유닛의 구성예를 도 2에 도시하였다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 커버 유닛은 히트 싱크(11-1), 안착부(11-2) 및 커버(12)를 포함한다. 방열 부재(11)는 히트 싱크(11-1) 및 안착부(11-2)를 포함할 수 있다. 발광 모듈(13)은 인쇄 회로 기판(13-1)과 발광 소자(13-2)가 포함될 수 있다. 예로서, 발광 소자(13-2)는 발광 다이오드가 포함될 수 있다.
커버(12)는 발광 소자(13-2)에서 발생된 빛이 통과되는 부재로써, 안착부(11-2)를 둘러싸는 구조로 형성될 수 있다. 커버(12)는 관 형상으로 형성될 수 있다. 커버(12)의 일 측에는 개구부가 길이 방향으로 길게 형성될 수 있다. 즉, 커버(12)는 'C' 형상의 단면을 갖는 관 형상으로 형성될 수 있다. 상기와 같은 커버(12)의 개구부에는 히트 싱크(11-1)가 배치될 수 있다. 이 때, 히트 싱크(11-1)의 안착부(11-2)는 커버(12)의 개구부에 위치될 수 있다.
여기서, 커버(12)의 개구부는 안착부(11-2)보다 작은 크기로 형성될 수 있다. 커버(12)의 개구부를 형성하는 커버 단부(12-1)는 안착부(11-2)에 안착된 인쇄 회로 기판(13-1)에 간섭될 수 있으므로, 인쇄 회로 기판(13-1)이 안착부(11-2)에서 임의로 이탈되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 인쇄 회로 기판(13-1)은 커버(12)와 히트 싱크(11-1)의 개구된 양단부를 통해서 안착부(11-2)의 내부로 슬라이딩 삽입될 수 있다.
또한, 커버(12)의 길이 방향으로 개구된 양단부에는 제 1 소켓(14) 및 제 2 소켓(15)이 각각 장착될 수 있다. 제 1 소켓(14) 및 제 2 소켓(15)은 커버(12)의 길이 방향의 양단부를 통해 인쇄 회로 기판(13-1)이 안착부(11-2)에서 임의로 탈거되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 인쇄 회로 기판(13-1)은 히트 싱크(11-1)와 커버(12), 제 1 소켓(14) 및 제 2 소켓(15)에 의해 형성되는 밀폐공간의 내부에 수용된 구조이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서는 커버(12)와 히트 싱크(11-1)가 압출 방식으로 일체로 형성될 수 있다. 즉, 커버(12)와 히트 싱크(11-1)는 압출 성형이 가능한 소재, 예를 들면 방열 레진으로 형성될 수 있으며, 커버(12)와 히트 싱크(11-1)가 이중 압출 성형된 후 서로 용융상태에서 일체로 접합될 수 있다.
커버(12)는 투명 또는 반투명의 압출 소재로 형성될 수 있다. 즉, 커버(12)는 발광 소자(13-2)에서 발생된 빛이 원활하게 투과될 수 있도록 빛 투과율이 50 이상인 투명 소재 또는 반투명 소재로 형성될 수 있다. 예를 들면, 커버(12)는 폴리카보네이트(PC, polycarbonate) 또는 확산재가 함유된 폴리카보네이트와 같은 투명의 플라스틱 소재 또는 반투명의 플라스틱 소재로 형성될 수 있다.
히트 싱크(11-1)는 커버(12)보다 방열 성능이 높은 압출 소재로 형성될 수 있다. 즉, 히트 싱크(11-1)는 발광 소자(13-2)에서 발생된 열을 외부로 방출시킬 수 있도록 열전도성이 높은 필터(filler)가 함유된 방열레진으로 형성된다. 예를 들면, 히트 싱크(11-1)는 열전도성을 향상시킬 수 있는 필러를 함유한 수지, 즉 열전도성이 높은 필러를 함유한 폴리카보네이트로 형성될 수 있다. 열전도성을 높이기 위한 필러로는 카본 필러, 알루미나 필러, 그라파이트 필러 또는 세라믹 필러 등이 사용될 수 있다.
상기와 같이 커버(12)와 히트 싱크(11-1)가 서로 다른 소재로 형성되면, 커버(12)와 히트 싱크(11-1)의 열팽창율이 서로 다르기 때문에, 커버(12)와 히트 싱크(11-1)의 압출 성형시 커버(12)와 히트 싱크(11-1)의 형상이 임의로 변형될 수 있다. 따라서, 커버(12) 또는 히트 싱크(11-1) 중 적어도 하나에는 열팽창 계수를 변경하는 열팽창 변경 물질이 추가로 구비될 수 있으며, 그로 인하여 커버(12)는 히트 싱크(11-1)와 동일 유사한 열팽창 계수로 물성치가 변경될 수 있다. 열팽창 변경 물질은 열팽창 계수를 변경할 수 있는 무기질 필러 또는 글라스화이버로 형성될 수 있다. 예를 들면, 무기질 필러로는 이산화티타늄(TiO2), 황산바륨(BaSO4), 또는 이산화규소(SiO2) 등이 사용될 수 있다.
발광 소자(13-2)가 안착되어 있는 인쇄 회로 기판(13-1)은 방열 기능 및 광 반사성이 우수한 재료 일수록 좋다. 예로서, FR4 타입의 인쇄회로기판(PCB)일 수 있고, 에폭시, 트리아진, 실리콘, 및 폴리이미드 등을 함유하는 유기 수지 소재 및 기타 유기 수지 소재로 형성되거나, 실리콘 나이트라이드, AlN, Al2O3 등의 세라믹 소재, 또는 금속 및 금속화합물을 소재로 하여 형성될 수 있으며, MCPCB 등을 포함할 수 있다. 또한 변형이 자유로운 연성회로기판(FPCB)을 사용하여 곡면 형상을 지닌 광 확산부에 적합하게 기판 형태를 변형할 수도 있다.
인쇄 회로 기판(13-1)은 도 3과 같은 금속 기판으로 구현할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 금속 기판은 제 1 금속층(210) 상에 형성된 절연층(220) 및 절연층(220) 상에 형성된 제 2 금속층(230)을 포함한다. 금속 기판의 적어도 일측 단부에는 절연층(220)을 노출시키는 단차 영역이 형성되어 있다.
제 1 금속층(210)은 발열 특성이 좋은 재료로 형성될 수 있으며, 예를 들어 Al, Fe 등의 금속 또는 합금으로 형성될 수 있으며, 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다. 절연층(220)은 기본적으로 절연 특성을 지닌 재료로 형성될 수 있으며 무기질 또는 유기질 물질을 사용하여 형성할 수 있다. 예를 들어 절연층(220)은 에폭시계 절연 수지로 형성될 수 있으며, 열전도성을 향상시키기 위하여 Al 분말 등의 금속 분말이 포함된 형태로 사용될 수 있다. 제 2 금속층(230)은 통상 Cu 박막으로 형성할 수 있다.
예로서, 상기 기판은 도 4에 도시된 것과 같이, 인쇄 회로 기판(13-1) 상에 LED 칩을 직접 또는 칩을 가지는 패키지(13-2)를 실장하고 주위 영역을 둘러싸는 방수제(13-3)를 포함하는 회로 기판일 수도 있다. 예로서, 상기 기판은 도 5와 같은 기판을 포함할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 연성 기판은 두께 및 중량을 줄일 수 있고 제조원가를 절감시킬 수 있으며 방열효율을 증대시킬 수 있는 슬림형 기판 유닛으로 제공된 수 있다. 본 발명에 의한 슬림형 기판 유닛은, 하나 이상의 관통구가 형성되는 회로기판 및 상기 관통구와 대응되는 부위의 상기 회로기판 상측에 결합되는 LED 칩 또는 패키지를 포함하여 구성된다. 상기 슬림형 기판 유닛의 기판 부재로 연성기판을 사용하여 두께 및 중량 감소를 통해 슬림화 및 경량화가 가능해지고 제조원가가 절감되며, 방열 접착제에 의해 엘이디 칩 또는 패키지가 지지 기판에 직접 결합시켜 엘이디 칩 또는 패키지에서 발생되는 열의 방열 효율을 증대할 수 있다.
도 5를 참조하면 상기 연성 기판은 하나 이상의 관통구(370)가 형성되는 연성인쇄회로기판(310), 상기 관통구(370)와 대응되는 부위의 상기 연성인쇄회로기판(310) 상측에 결합되는 LED 칩 또는 패키지(320), 상기 연성인쇄회로기판(310)이 안착되는 지지기판(350) 및 상기 관통구(370)에 마련되어 상기 LED 칩 또는 패키지(320)의 저면과 상기 지지 기판(350) 상면을 결합시키는 방열 접착제(360)를 포함할 수 있다. 상기 패키지의 저면은 LED 칩의 바닥면이 직접 노출된 칩 패키지 저면 일 수 있으며 혹은 상면에 칩이 실장된 리드프레임의 저면 혹은 메탈 블록일 수 있다.예로서, 상기 기판은 도 6과 같은 기판을 포함할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 회로기판(410)은 절연층(413)과 상기 절연층(413) 위에 적층된 동박으로 이루어진 레진코팅 동박막(RCC; 412)을 방열 지지 기판(411) 위에 적층하여 형성되며, 회로층(414) 위에 액상 PSR(Photo Solder Resister)로 이루어지는 보호층(420)이 적층된다. 상기 레진코팅 동박막(412)의 일부를 제거하여 LED 칩 또는 패키지(430)가 장착되는 적어도 하나의 홈이 형성된 금속동박 적층판(MCCL)을 구비한다. 이러한 회로기판은 엘이디 칩 또는 패키지(430)에서의 광원이 위치되는 하부영역의 절연층을 제거하여 광원이 방열기판에 접촉됨으로써 광원으로부터 발생된 열이 방열기판에 바로 전달됨으로써 방열성능이 향상된다.
예로서, 상기 기판은 도 7과 같은 기판을 포함할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 기판(510)은 절연 기판으로 상면에 동박에 의하여 형성된 회로 패턴(511, 512)이 형성되며, 하면에 절연물질로 얇게 코팅처리되어 절연박막(513)이 형성된다. 이 때 코팅 방법은 스퍼터링이나 스프레이 등의 다양한 방법이 이용될 수 있다. 또한, 기판(510)의 상면과 하면에는 LED 모듈(500)에서 발생하는 열을 방출하는데 사용되는 상하부 열확산판(514, 516)이 형성되며, 특히 상부 열확산판(514)은 회로 패턴(511)과 직접 접촉된다. 예로서, 절연박막(513)으로 사용된 절연물질은 열패드에 비해 열전도가 매우 낮지만 두께를 매우 얇게 형성하여 열패드에 비해 낮은 열저항을 구현할 수 있다. LED 모듈(500)에서 발생한 열은 상부 열확산판(514)을 거쳐 하부 열확산판(516)으로 전도되어 새시(530)로 방출될 수 있다.
기판(510)과 상하부 열확산판(514, 516)에는 기판(510)과 수직하도록 2개의 관통공(515)이 형성될 수 있다. LED 패키지는 LED 칩(517), LED 전극(518, 519), 플라스틱 몰딩 케이스(521) 및 렌즈(520) 등을 포함할 수 있다. 상기 회로 기판(510)은 절연기판으로 세라믹 또는 에폭시 수지 계열인 FR4-core 위에 동박을 입히고 식각공정을 통해 회로패턴이 형성 될 수 있다.
LED 모듈(500)은 적색빛을 내는 LED, 녹색빛을 내는 LED, 그리고 청색빛을 내는 LED 중 적어도 하나 이상이 실장될 수 있으며 상기 청색 LED 상면에는 적어도 한 종류의 형광물질이 도포될 수 있다.
상기 형광 물질은 입자형태의 분말이 수지에 혼합된 상태로 도포될 수도 있으며 형광체 분말이 소성되어 세라믹 플레이트 형상의 층으로 LED 상면에 위치할 수도 있다. 상기 분말 형광물질의 사이즈는 1㎛ ∼ 50㎛, 또는 5㎛ ∼ 20㎛일 수 있으며, 나노 형광체일 경우 1nm ∼ 500nm 또는 10nm ∼ 50nm 크기의 양자점일 수도 있다.
예로서, 상기 기판은 도 8과 같은 금속 기판을 포함할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 금속 기판(600)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 금속 플레이트(601)와 이 금속 플레이트(601) 상면에 형성된 알루미늄 양극산화막(603)을 포함한다. 금속 플레이트(601) 상에는 LED 칩 등과 같은 열 발생 소자(606, 607, 608)들이 실장될 수 있다. 양극산화막(603)은 배선(605)과 금속 플레이트(601)를 서로 절연시키는 역할을 할 수 있다.
상기 금속 기판(600)은 비교적 저가로 손쉽게 얻을 수 있는 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 수 있으며, 그 밖에도, 상기 금속 기판은 양극산화 가능한(anodisable) 다른 금속으로 이루어질 수 있는 바, 예컨대 티타늄, 마그네슘 등의 재료가 가능하다.
알루미늄을 양극산화(anodizing) 처리하여 얻은 알루미늄 양극산화막(Al2O3)도 약 10 내지 30 W/mK의 비교적 높은 열 전달 특성을 갖는다. 따라서, 상기 양극산화 금속기판은 종래의 폴리머 기판의 PCB 또는 MCPCB에 비하여 더 우수한 열 방출 특성을 나타내게 된다.
예로서, 상기 기판은 도 9와 같은 회로 기판을 포함할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 회로 기판(900)은 메탈기판(910)에 형성된 절연수지(930)와, 절연수지(930)에 형성된 회로패턴(941, 942)과, 회로패턴(941, 942)과 전기적으로 연결되도록 실장되는 LED 칩을 포함한다. 여기서, 절연수지(930)는 200㎛ 이하의 두께를 가지며, 고상의 필름형태로 상기 금속 기판에 라미네이션(lamination)되거나 액상형태로 스핀코팅이나 블레이드를 이용한 주조방식으로 상기 메탈 기판에 형성될 수 있다. 상기 절연 회로 패턴이 형성된 절연 수지층의 크기는 메탈 기판과 같거나 작을 수 있다. 또한, 회로패턴(941, 942)은 절연수지(930)에 음각된 회로패턴의 문양에 구리 등의 금속물질이 충진되어 형성된다.
도 9를 참조하면, LED 모듈(950)은 LED 칩(951), LED 전극(952, 953), 플라스틱 몰딩 케이스(954) 및 렌즈(955)를 포함한다.
본 실시 형태에서 발광소자는 LED 칩을 내부에 구비하는 패키지 단품을 예시하고 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 발광소자는 LED 칩 자체일 수 있다. 이 경우, LED 칩은 COB 타입으로 상기 절연수지(930)에 형성된 회로 패턴(941, 942) 상에 실장되어 플립칩 본딩 방식 또는 와이어 본딩 방식으로 전기적 연결을 이룰 수 있으며, 상기 LED 칩 상에 형광체층 및/또는 렌즈가 추가 형성될 수 있다.
상기 발광소자는 복수개로 상기 기판(910)을 따라서 배열될 수 있다. 이 경우, 상기 발광소자는 동일한 파장의 빛을 발생시키는 동종(同種)일 수 있다. 또한, 서로 상이한 파장의 빛을 발생시키는 이종(異種)으로 다양하게 구성될 수도 있다.
예를 들어, 발광소자는 청색 LED에 황색, 녹색, 적색 또는 오렌지색의 형광체를 조합하여 백색광을 발하는 발광소자와 보라색, 청색, 녹색, 적색 또는 적외선 발광소자 중 적어도 하나를 포함하게 구성 할 수 있다. 이 경우, 조명장치는 연색성(CRI)을 나트륨 등(연색지수 40)에서 태양광(연색지수 100) 수준으로 조절할 수 있으며 또한 색 온도를 2000K에서 20000K 수준으로 다양한 백색광을 발생시킬 수 있으며, 필요에 따라서는 보라색, 청색, 녹색, 적색, 오렌지색의 가시광 또는 적외선을 발생시켜 주위 분위기 또는 기분에 맞게 조명 색을 조절 할 수 있다. 또한 식물 성장을 촉진할 수 있는 특수 파장의 광을 발생시킬 수도 있다.
상기 청색 LED에 황색, 녹색, 적색 형광체 및/또는 녹색, 적색 발광소자의 조합으로 만들어지는 백색광은 2개 이상의 피크 파장을 가지며 CIE 1931 좌표계의 (x, y)좌표가 (0.4476, 0.4074), (0.3484, 0.3516), (0.3101, 0.3162), (0.3128, 0.3292), (0.3333, 0.3333)을 잇는 선분 상에 위치할 수 있다. 또는 상기 선분과 흑체 복사 스펙트럼으로 둘러싸인 영역에 위치할 수 있다. 상기 백색광의 색온도는 약 2,000K ∼ 약 20,000K사이에 해당한다. 도 10에 색온도 스펙트럼(Planckian spectrum)을 도시하였다.
예로서, LED에서 사용하는 형광체는 아래와 같은 조성식 및 색상을 가질 수 있다.
산화물계 : 황색 및 녹색 (Y, Lu, Se, La, Gd, Sm)3(Ga, Al)5O12:Ce, 청색 BaMgAl10O17:Eu, 3Sr3(PO4)2·CaCl：Eu
실리케이트계 : 황색 및 녹색 (Ba, Sr)2SiO4:Eu, 황색 및 등색 (Ba, Sr)3SiO5:Eu
질화물계 : 녹색 β-SiAlON:Eu, 황색 (La, Gd, Lu, Y, Sc)3Si6N11:Ce, 등색 α-SiAlON:Eu,적색 (Sr, Ca)AlSiN3:Eu, (Sr, Ca)AlSi(ON)3:Eu, (Sr, Ca)2Si5N8:Eu, (Sr, Ca)2Si5(ON)8:Eu, (Sr, Ba)SiAl4N7:Eu
황화물계 : 적색 (Sr, Ca)S:Eu, (Y, Gd)2O2S:Eu, 녹색 SrGa2S4:Eu
플루오라이드(fluoride)계:KSF계 적색 K2SiF6:Mn4+
형광체 조성은 기본적으로 화학양론(stoichiometry)에 부합하여야 하며, 각 원소들은 주기율표상 각 족들 내 다른 원소로 치환이 가능하다. 예를 들어 Sr은 알칼리토금속(II)족의 Ba, Ca, Mg 등으로, Y은 란탄계열의 Tb, Lu, Sc, Gd 등으로 치환이 가능하다. 또한 활성제인 Eu 등은 원하는 에너지 준위에 따라 Ce, Tb, Pr, Er, Yb 등으로 치환이 가능하며, 활성제 단독 또는 특성 변형을 위해 부활성제등이 추가로 적용될 수 있다.
또한, 형광체 대체 물질로 양자점(quantum dot, QD) 등의 물질들이 적용될 수 있으며, LED에 형광체와 QD를 혼합 또는 단독으로 사용될 수 있다.
QD는 CdSe, InP 등의 코어(core)(3nm∼10nm)와 ZnS, ZnSe 등의 셸(shell) (0.5nm∼2nm)및 코어-셸의 안정화를 위한 리간드의 구조로 구성될 수 있으며, 크기에 따라 다양한 칼라를 구현할 수 있다. 도 11은 양자점(QD) 구조를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 12는 청색 LED(440nm ∼ 460nm)를 사용한 백색 발광 소자의 응용 분야별 형광체 종류를 예시적으로 보여준다.
형광체 또는 양자점(QD)의 도포 방식은 크게 LED 칩 또는 발광소자에 뿌리는 방식, 또는 막 형태로 덮는 방식, 필름 또는 세라믹 형광체 등의 시트 형태를 부착(attach)하는 방식 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
뿌리는 방식으로는 디스펜싱(dispensing), 스프레이 코팅 등이 일반적이며 디스펜싱은 공압(pneumatic) 방식과 스크루(screw), 리니어(linear) 타입 등의 기계적 방식을 포함한다. 제트(jetting) 방식으로 미량 토출을 통한 도팅량 제어 및 이를 통한 색좌표 제어도 가능하다. 웨이퍼 레벨 또는 발광소자 기판 상에 스프레이 방식으로 형광체를 일괄 도포하는 방식은 생산성 및 두께 제어가 용이할 수 있다.
발광소자 또는 LED 칩 위에 막 형태로 직접 덮는 방식은 전기영동, 스크린 프린팅 또는 형광체의 몰딩 방식으로 적용될 수 있으며 칩 측면의 도포 유무 필요에 따라 해당 방식의 차이점을 가질 수 있다.
발광 파장이 다른 2종 이상의 형광체 중 단파장에서 발광하는 광을 재흡수하는 장파장 발광 형광체의 효율을 제어하기 위하여 발광 파장이 다른 2종 이상의 형광체층을 구분할 수 있으며, LED 칩과 형광체 2종 이상의 파장 재흡수 및 간섭을 최소화하기 위하여 각 층 사이에 DBR (ODR) 층을 포함할 수 있다.
균일 도포막을 형성하기 위하여 형광체를 필름 또는 세라믹 형태로 제작 후 칩 또는 발광소자 위에 부착할 수 있다.
광 효율, 배광 특성에 차이점을 주기 위하여 리모트 형식으로 광변환 물질을 위치할 수 있으며, 이 때 광변환 물질은 내구성, 내열성에 따라 투광성 고분자, 유리등의 물질 등과 함께 위치한다.
형광체 도포 기술은 LED 소자에서 광특성을 결정하는 가장 큰 역할을 하게 되므로, 형광체 도포층의 두께, 형광체 균일 분산 등의 제어 기술들이 다양하게 연구되고 있다. QD도 형광체와 동일한 방식으로 LED 칩 또는 발광소자에 위치할 수 있으며, 유리 또는 투광성 고분자 물질 사이에 위치하여 광 변환을 할 수도 있다.
LED 칩 또는 발광소자를 외부 환경으로부터 보호하거나, 발광소자 외부로 나가는 광 추출 효율을 개선하기 위하여 충진재로 투광성 물질을 상기 LED 칩 또는 발광소자 상에 위치할 수 있다.
이 때 적용되는 투광성 물질은 에폭시, 실리콘(silicone), 에폭시와 실리콘의 하이브리드 등의 투명 유기 소재가 적용되며, 가열, 광 조사, 시간 경과 등의 방식으로 경화하여 사용할 수 있다.
상기 실리콘은 폴리디메틸실록산을 메틸계로, 폴리메틸페닐실록산을 페닐계로 구분하며, 메틸계와 페닐계에 따라 굴절률, 투습률, 광투과율, 내광안정성, 내열안정성에 차이를 가지게 된다. 또한, 가교제와 촉매제에 따라 경화 속도에 차이를 가지게 되어 형광체 분산에 영향을 준다.
충진재의 굴절률에 따라 광 추출 효율은 차이를 가지게 되며, 청색광이 방출되는 부분의 칩 최외각 매질의 굴절률과 공기 중으로 방출되는 굴절률의 차이를 최소로 해주기 위하여 굴절률이 다른 2종 이상의 실리콘을 순차적으로 적층할 수 있다.
일반적으로 내열 안정성은 메틸계가 가장 안정하며, 페닐계, 하이브리드, 에폭시 순으로 온도 상승에 변화율이 적다. 실리콘은 경도에 따라 젤 타입, 엘라스토머 타입, 수지 타입으로 구분할 수 있다.
광원에서 조사된 빛을 방사상으로 안내하기 위해 발광 소자에 렌즈를 더 포함할 수 있으며, 렌즈는 기 성형된 렌즈를 LED 칩 또는 발광소자 위에 부착하는 방식과 유동성의 유기 용제를 LED 칩 또는 발광소자가 실장된 성형틀에 주입하여 고형화하는 방식 등을 포함한다.
렌즈 부착 방식은 칩 상부의 충진재에 직접 부착하거나, 발광소자 외곽과 렌즈 외곽만 접착하여 충진재와 공간을 두는 방식 등이 있다. 성형틀에 주입하는 방식으로는 사출 성형(injection molding), 트랜스퍼 성형(transfer molding), 압축 성형(compression molding) 등의 방식이 사용될 수 있다.
렌즈의 형상 (오목, 볼록, 요철, 원뿔, 기하학 구조) 등에 따라 배광 특성이 변형되며, 효율 및 배광 특성의 요구에 맞게 변형이 가능하다.
상기 발광소자는 다양한 구조의 LED 칩 또는 이러한 LED 칩을 포함한 다양한 형태의 LED 패키지가 사용될 수 있다. 이하, 본 발명 개념의 실시예들에 따른 직관형 발광 장치들에 유익하게 채용될 수 있는 다양한 LED 칩 및 LED 패키지를 상세히 설명한다.
<LED 칩 - 제 1 예>
도 13은 상술된 직관형 발광 장치에 사용될 수 있는 LED 칩의 일 예를 나타낸 측단면도이다.
도 13에 도시된 바와 같이, LED 칩(1500)은 반도체 기판(1501) 상에 형성된 발광 적층체(S)를 포함한다. 상기 발광 적층체(S)는 제1 도전형 반도체층(1504), 활성층(1505) 및 제2 도전형 반도체층(1506)을 포함한다.
또한, 제2 도전형 반도체층(1506) 상에 형성된 오믹전극층(1508)을 포함하며, 제1 도전형 반도체층(1504) 및 오믹 콘택층(1508)의 상면에는 각각 제1 및 제2 전극(1509a, 1509b)이 형성된다.
본 명세서에서, '상부', '상면', '하부', '하면', '측면' 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 소자가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있을 것이다.
이하, LED 칩(1505)의 주요 구성요소에 대해서 보다 상세하게 설명한다.
상기 기판(1501)으로는 필요에 따라 절연성, 도전성 또는 반도체 기판이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(1501)은 사파이어, SiC, Si, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN일 수 있다. GaN 물질의 에피성장을 위해서는 동종 기판인 GaN 기판이 좋으나, GaN 기판은 그 제조상의 어려움으로 생산단가가 높은 문제가 있다.
이종 기판으로는 사파이어, 실리콘 카바이드(SiC) 기판 등이 주로 사용되고 있으며. 가격이 비싼 실리콘 카바이드 기판에 비해 사파이어 기판이 더 많이 활용되고 있다. 이종 기판을 사용할 때는 기판 물질과 박막 물질 사이의 격자상수의 차이로 인해 전위(dislocation) 등 결함이 증가한다. 또한, 기판 물질과 박막 물질 사이의 열팽창계수의 차이로 인해 온도 변화시 휨이 발생하고, 휨은 박막 균열(crack)의 원인이 된다. 기판(1501)과 GaN계인 발광 적층체(S) 사이의 버퍼층(1502)을 이용해 이러한 문제를 감소시킬 수도 있다.
상기 기판(1501)은 LED 구조 성장 전 또는 후에 LED 칩의 광 또는 전기적 특성을 향상시키기 위해 칩 제조 과정에서 완전히 또는 부분적으로 제거되거나 패터닝하는 경우도 있다.
예를 들어, 사파이어 기판인 경우는 레이저를 기판을 통해 반도체층과의 계면에 조사하여 기판을 분리할 수 있으며, 실리콘이나 실리콘 카바이드 기판은 연마(polishing)/에칭 등의 방법에 의해 제거할 수 있다.
또한, 상기 기판 제거 시에는 다른 지지 기판을 사용하는 경우가 있으며 지지 기판은 원 성장 기판의 반대쪽에 LED 칩의 광효율을 향상시키기 위해서, 반사 금속을 사용하여 접합하거나 반사구조를 접합층의 중간에 삽입할 수 있다.
기판 패터닝은 기판의 주면(표면 또는 양쪽면) 또는 측면에 LED 구조 성장 전 또는 후에 요철 또는 경사면을 형성하여 광 추출 효율을 향상시킨다. 패턴의 크기는 5nm ∼ 500㎛ 범위에서 선택될 수 있으며 규칙 또는 불규칙적인 패턴으로 광 추출 효율을 좋게 하기 위한 구조면 가능하다. 모양도 기둥, 산, 반구형, 다각형 등의 다양한 형태를 채용할 수 있다.
상기 사파이어 기판의 경우, 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 및 a측 방향의 격자상수가 각각 13.001과 4.758이며, C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는다. 이 경우, 상기 C면은 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로서 주로 사용된다.
상기 기판의 다른 물질로는 Si 기판을 들 수 있으며, 대구경화에 보다 적합하고 상대적으로 가격이 낮아 양산성이 향상될 수 있다. (111)면을 기판 면으로 갖는 Si 기판이 GaN와의 격자 상수의 차이가 17% 정도로 격자 상수의 차이로 인한 결정 결함의 발생을 억제하는 기술이 필요하다. 또한, 실리콘과 GaN 간의 열팽창률의 차이는 약 56%정도로, 이 열팽창률 차이로 인해서 발생한 웨이퍼 휨을 억제하는 기술이 필요하다. 웨이퍼 휨으로 인해, GaN 박막의 균열을 가져올 수 있고, 공정 제어가 어려워 동일 웨이퍼 내에서 발광 파장의 산포가 커지는 등의 문제를 발생시킬 수 있다.
상기 실리콘(Si) 기판은 GaN계 반도체에서 발생하는 빛을 흡수하여 발광소자의 외부 양자 효율이 낮아지므로, 필요에 따라 상기 기판을 제거하고 반사층이 포함된 Si, Ge, SiAl, 세라믹, 또는 금속 기판 등의 지지 기판을 추가로 형성하여 사용할 수 있다.
상기 Si 기판과 같이 이종 기판 상에 GaN 박막을 성장시킬 때, 기판 물질과 박막 물질 사이의 격자 상수의 불일치로 인해 전위(dislocation) 밀도가 증가하고, 열팽창 계수 차이로 인해 균열(crack) 및 휨이 발생할 수 있다. 발광 적층체의 전위 및 균열을 방지하기 위한 목적으로 기판(1501)과 발광적층체(S) 사이에 버퍼층(1502)을 배치시킨다. 버퍼층은 활성층 성장시 기판의 휘는 정도를 조절해 웨이퍼의 파장 산포를 줄이는 기능도 한다.
상기 버퍼층(1502)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1), 특히 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, 또는 InGaNAlN를 사용할 수 있으며, 필요에 따라 ZrB2, HfB2, ZrN, HfN, TiN 등의 물질도 사용할 수 있다. 또한, 복수의 층을 조합하거나, 조성을 점진적으로 변화시켜 사용할 수도 있다.
Si 기판은 GaN와 열팽창 계수 차이가 크기 때문에, 실리콘 기판에 GaN계 박막 성장시, 고온에서 GaN 박막을 성장시킨 후, 상온으로 냉각시 기판과 박막 간의 열팽창 계수의 차이에 의해 GaN 박막에 인장 응력이 가해져 균열이 발생하기 쉽다. 균열을 막기 위한 방법으로 성장 중에 박막에 압축 응력이 걸리도록 성장하는 방법을 이용해 인장 응력을 보상한다.
실리콘(Si)은 GaN와의 격자 상수 차이로 인해, 결함 발생 가능성도 크다. Si 기판을 사용하는 경우는 결함 제어뿐만 아니라 휨을 억제하기 위한 응력 제어를 동시에 해줘야 하기 때문에 복합 구조의 버퍼층을 사용한다.
예를 들어, 먼저 기판(1501) 상에 AlN를 형성한다. Si와 Ga 반응을 막기 위해 Ga을 포함하지 않은 물질을 사용하는 것이 좋다. AlN 뿐만 아니라 SiC 등의 물질도 사용할 수 있다. Al 소스와 N 소스를 이용하여 400℃ ∼ 1300℃ 사이의 온도에서 성장시킨다. 필요에 따라, 복수의 AlN 층 사이에 GaN 중간에 응력을 제어하기 위한 AlGaN 중간층을 삽입할 수 있다.
상기 발광 적층체(S)가 3족 질화물 반도체의 다층 구조를 구비하는 발광 적층체(S)를 보다 자세히 설명하면, 제1 및 제2 도전형 반도체층(1504, 1506)은 각각 n형 및 p형 불순물이 도핑된 반도체로 이루어질 수 있으며, 다만, 이에 제한되는 것은 아니고 반대로 각각 p형 및 n형 반도체층이 될 수도 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 도전형 반도체층(1504, 1506)은 3족 질화물 반도체, 예컨대, AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 물론, 이에 한정되지 않으며, AlGaInP계열 반도체나 AlGaAs계열 반도체와 같은 물질도 이용될 수 있을 것이다.
한편, 제1 및 제2 도전형 반도체층(1504, 1506)은 단층 구조로 이루어질 수 있지만, 이와 달리, 필요에 따라 서로 다른 조성이나 두께 등을 갖는 다층 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 도전형 반도체층(1504, 1506)은 각각 전자 및 정공의 주입 효율을 개선할 수 있는 캐리어 주입층을 구비할 수 있으며, 또한, 다양한 형태의 초격자 구조를 구비할 수도 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(1504)은 활성층(1505)과 인접한 부분에 전류 확산층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 전류확산층은 서로 다른 조성을 갖거나, 서로 다른 불순물 함량을 갖는 복수의 InxAlyGa(1-x-y)N층이 반복해서 적층되는 구조 또는 절연 물질 층이 부분적으로 형성될 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(1506)은 활성층(1505)과 인접한 부분에 전자 차단층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 전자차단층은 복수의 서로 다른 조성의 InxAlyGa(1-x-y)N를 적층한 구조 또는 AlyGa(1-y)N로 구성된 1층 이상의 층을 가질 수 있으며, 활성층(1505)보다 밴드갭이 커서 제2 도전형(p형) 반도체층(1506)으로 전자가 넘어가는 것을 방지한다.
상기 발광 적층체(S)는 MOCVD 장치를 사용하여 제조될 수 있는데, 기판(1501)을 설치한 반응 용기 내에 반응 가스로 유기 금속 화합물 가스(예, 트리메틸 갈륨 (TMG), 트리메틸 알루미늄(TMA) 등)와 질소 함유 가스(암모니아(NH3) 등)를 공급하고, 기판의 온도를 900℃ ∼ 1100℃의 고온으로 유지하고, 기판 상에 질화 갈륨계 화합물 반도체를 성장하면서, 필요에 따라 불순물 가스를 공급해, 질화 갈륨계 화합물 반도체를 언도프, n형, 또는 p형으로 적층한다. n형 불순물로는 Si이 잘 알려져 있고, p 형 불순물으로서는 Zn, Cd, Be, Mg, Ca, Ba 등이 있으며, 주로 Mg, Zn가 사용될 수 있다.
또한, 제1 및 제2 도전형 반도체층(1504, 1506) 사이에 배치된 활성층(1505)은 양자우물층과 양자장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(MQW) 구조, 예컨대, 질화물 반도체일 경우, GaN/InGaN 구조가 사용될 수 있으며, 다만, 단일 양자우물(SQW) 구조를 사용할 수도 있을 것이다.
상기 오믹 콘택층(1508)은 불순물 농도를 상대적으로 높게 해서 오믹 컨택 저항을 낮추어 소자의 동작 전압을 낮추고 소자 특성을 향상시킬 수 있다. 상기 오믹 컨택층(1508)은 GaN, InGaN, ZnO, 또는 그래핀층으로 구성 될 수 있다.
제1 또는 제2 전극(1509a, 1509b)으로는 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 등의 물질을 포함할 수 있으며, Ni/Ag, Zn/Ag, Ni/Al, Zn/Al, Pd/Ag, Pd/Al, Ir/Ag. Ir/Au, Pt/Ag, Pt/Al, Ni/Ag/Pt 등과 같이 2층 이상의 구조로 채용될 수 있다.
도 13에 도시된 LED 칩은 하나의 예로 제1 및 제2 전극이 광추출면과 동일한 면을 향하고 있는 구조이나 광추출면과 반대 방향으로되는 플립칩 구조, 제1 전극 및 제2 전극을 상호 반대되는 면에 형성된 수직구조, 전류 분산의 효율 및 방열 효율을 높이기 위한 구조로 칩에 여러 개의 비아를 형성하여 전극 구조를 채용한 수직수평 구조등 다양한 구조로 구현될 수 있다.
<LED 칩 - 제 2 예>
조명용으로 고출력을 위한 대면적발광소자 칩을 제조하는 경우, 전류 분산의 효율 및 방열 효율을 높이기 위한 구조로 도 14에 도시된 LED 칩이 있을 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, LED 칩(1600)은 순차적으로 적층된 제1 도전형 반도체층(1604), 활성층(1605), 제2 도전형 반도체층(1606), 제2 전극층(1607), 절연층(1602), 제1 전극층(1608) 및 기판(1601)을 포함한다. 이 때 제1 전극층(1608)은 제1 도전형 반도체층(1604)에 전기적으로 접속하기 위하여 제2 도전형 반도체층(1606) 및 활성층(1605)과는 전기적으로 절연되어 제1 전극층(1608)의 일면으로부터 제1 도전형 반도체층(1604)의 적어도 일부 영역까지 연장된 하나 이상의 콘택 홀(H)을 포함한다. 상기 제1 전극층(1608)은 본 실시예에서 필수적인 구성요소는 아니다.
상기 콘택홀(H)은 제1 전극층(1608)의 계면에서부터 제2 전극층(1607), 제2 도전형 반도체층(1606) 및 활성층(1605)을 통과하여 제1 도전형 반도체층(1604) 내부까지 연장된다. 적어도 활성층(1605) 및 제1 도전형 반도체층(1604)의 계면까지는 연장되고, 바람직하게는 제1 도전형 반도체층(1604)의 일부까지 연장된다. 다만, 콘택홀(H)은 제1 도전형 반도체층(1604)의 전기적 연결 및 전류분산을 위한 것이므로 제1 도전형 반도체층(1604)과 접촉하면 목적을 달성하므로 제1 도전형 반도체층(1604)의 외부표면까지 연장될 필요는 없다.
제2 도전형 반도체층(1606) 상에 형성된 제2 전극층(1607)은, 광 반사 기능과 제2 도전형 반도체층(1606)과 오믹 컨택 기능을 고려하여 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 등의 물질 중에서 선택하여 사용할 수 있으며, 스퍼터링이나 증착 등의 공정을 이용할 수 있다.
상기 콘택홀(H)은 상기 제1 도전형 반도체층(1604)에 연결되도록 제2 전극층(1607), 제2 도전형 반도체층(1606) 및 활성층(1605)을 관통하는 형상을 갖는다. 이러한 콘택홀(H)은 식각 공정, 예컨대, ICP-RIE 등을 이용하여 실행될 수 있다.
상기 콘택홀(H)의 측벽과 상기 제2 도전형 반도체층(1606) 표면을 덮도록 절연체(1602)를 형성한다. 이 경우, 상기 콘택홀(H)의 저면에 해당하는 제1 도전형 반도체층(1604)은 적어도 일부가 노출될 수 있다. 상기 절연체(1602)는, 예를 들면, SiO2, SiOxNy, SixNy과 같은 절연 물질을 증착시켜 형성될 수 있다. 상기 절연체(1602)는 CVD 공정을 통하여 약 500℃ 이하에서 약 0.01㎛ 내지 약 3㎛ 두께로 증착될 수 있다.
상기 콘택홀(H) 내부에는 도전 물질을 충전되어 형성된 도전성 비아를 포함한 제2 전극층(1608)이 형성된다. 상기 비아는 하나의 발광 소자 영역에 복수 개 형성될 수 있다. 복수의 비아가 제1 도전형 반도체와 접촉하는 영역의 평면 상에서 차지하는 면적은 발광 소자 영역의 면적의 약 1% 내지 약 5%의 범위가 되도록 비아 개수 및 접촉 면적이 조절될 수 있다. 비아의 제1 도전형 반도체와 접촉하는 영역의 평면 상의 반경은 예를 들어, 약 5㎛ 내지 약 50 ㎛의 범위일 수 있으며, 비아의 개수는 발광 소자 영역의 넓이에 따라, 발광 소자 영역 당 1개 내지 약 50개일 수 있다. 상기 비아는 발광 소자 영역의 넓이에 따라 다르지만 바람직하게는 3개 이상일 수 있으며, 각 비아 간의 거리는 약 100㎛ 내지 약 500㎛ 범위의 행과 열을 가지는 매트릭스 구조일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 약 150㎛ 내지 약 450㎛ 범위일 수 있다. 각 비아 간의 거리가 약 100㎛보다 작으면 비아의 개수가 증가하게 되고 상대적으로 발광면적이 줄어들어 발광 효율이 작아지며, 거리가 약 500㎛보다 커지면 전류 확산이 어려워 발광 효율이 떨어지는 문제점이 있을 수 있다. 콘택홀(H)의 깊이는 제2반도체층 및 활성층의 두께에 따라 다르나, 약 0.5 ㎛ 내지 약 5.0 ㎛의 범위일 수 있다.
이어 제2 전극층(1608) 상에 기판(1601)을 형성한다. 이러한 구조에서, 기판(1601)은 제1 도전형 반도체층(1604)과 접속되는 도전성 비아에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 기판(1601)은 Au, Ni, Al, Cu, W, Si, Se, GaAs, SiAl, Ge, SiC, AlN, Al2O3, GaN, AlGaN 중 어느 하나를 포함하는 물질로 이루어질 수 있으며, 도금, 스퍼터링, 증착 또는 접착 등의 공정으로 형성될 수 있다. 그러나, 상기 기판(1601)의 물질과 형성 방법이 여기에 한정되는 것은 아니다.
상기 콘택홀(H)은 접촉 저항이 낮아지도록 개수, 형상, 피치, 제1 및 제2 도전형 반도체층(1604, 1606)과의 접촉 면적 등이 적절히 조절될 수 있으며, 행과 열을 따라 다양한 형태로 배열됨으로써 전류 흐름이 개선될 수 있다. 이 경우, 도전성 비아(31)는 절연부(50)에 의하여 둘러싸여 활성층(22) 및 제2 도전형 반도체층(23)과 전기적으로 분리될 수 있다.
<LED 칩 - 제 3 예>
LED 조명 장치는 방열 특성이 개선된 특징을 제공하고 있으나, 전체적인 방열 성능 측면에서 볼 때에, 조명장치에 채용되는 LED 칩 자체를 발열량이 적은 LED 칩으로 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 요건을 만족하는 LED칩으로서, 나노 구조체를 포함한 LED 칩(이하, "나노 LED 칩"이라 함)이 사용될 수 있다.
이러한 나노 LED 칩으로 최근에 개발된 코어(core)/셸(shell)형 나노 LED 칩이 있으며, 특히, 결합 밀도가 작아서 상대적으로 열 발생이 작을 뿐만 아니라, 나노 구조체를 활용하여 발광면적을 늘려 발광 효율을 높일 수 있으며, 비극성 활성층을 얻을 수 있어 분극에 의한 효율저하를 방지할 수 있으므로, 드랍(drop) 특성을 개선할 수 있다.
도 15에는 상술된 조명장치에 채용될 수 있는 LED 칩의 또 다른 예로서 나노 LED 칩이 예시되어 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 나노 LED칩(1700)은 기판(1701) 상에 형성된 다수의 나노 발광 구조체(N)를 포함한다. 본 예에서 나노 발광 구조체(N)는 코어-셀(core-shell) 구조로서 로드구조로 예시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 피라미드 구조와 같은 다른 구조를 가질 수 있다.
상기 나노 LED 칩(1700)은 기판(1701) 상에 형성된 베이스층(1702)을 포함한다. 상기 베이스층(1702)은 나노 발광 구조체(N)의 성장면을 제공하는 층으로서 제1 도전형 반도체일 수 있다. 상기 베이스층(1702) 상에는 나노 발광 구조체(N)(특히, 코어) 성장을 위한 오픈영역을 갖는 마스크층(1703)이 형성될 수 있다. 상기 마스크층(1703)은 SiO2 또는 SiNx와 같은 유전체 물질일 수 있다.
상기 나노 발광 구조체(N)는 오픈영역을 갖는 마스크층(1703)을 이용하여 제1 도전형 반도체를 선택 성장시킴으로써 제1 도전형 나노 코어(1704)를 형성하고, 상기 나노 코어(1704)의 표면에 셸 층으로서 활성층(1705) 및 제2 도전형 반도체층(1706)을 형성한다. 이로써, 나노 발광 구조체(N)는 제1 도전형 반도체가 나노 코어가 되고, 나노 코어를 감싸는 활성층(1705) 및 제2 도전형 반도체층(1706)이 쉘층이 되는 코어-쉘(core-shell) 구조를 가질 수 있다.
본 예에 따른 나노 LED 칩(1700)은 나노발광 구조체(N) 사이에 채워진 충전물질(1707)을 포함한다. 상기 충전물질(1707)은 나노 발광 구조체(N)를 구조적으로 안정화시킬 수 있다. 상기 충전물질(1707)은 이에 한정되지는 않으나, SiO2와 같은 투명한 물질로 형성될 수 있다. 상기 나노 발광 구조체(N) 상에는 제2 도전형 반도체층(1706)에 접속되도록 오믹콘택층(1708)이 형성될 수 있다. 상기 나노 LED 칩(1700)은 제1 도전형 반도체로 이루어진 상기 베이스층(1702)과 상기 오믹콘택층(1708)에 각각 접속된 제1 및 제2 전극(1709a, 1709b)을 포함한다.
나노 발광 구조체(N)의 직경 또는 성분 또는 도핑 농도를 달리 하여 단일한 소자에서 2 이상의 다른 파장의 광을 방출할 수 있다. 다른 파장의 광을 적절히 조절하여 단일 소자에서 형광체를 사용하지 않고도 백색광을 구현할 수 있으며, 이러한 소자와 함께 다른 LED 칩을 결합하거나 또는 형광체와 같은 파장변환 물질을 결합하여 원하는 다양한 색깔의 광 또는 색온도가 다른 백색광을 구현할 수 있다.
<LED 칩 - 제 4 예>
도 16에는 상술된 직관형 발광 장치에 채용될 수 있는 광원으로서, 실장 기판(1820) 상에 실장된 LED 칩(1810)을 갖는 반도체 발광소자(1800)가 도시되어 있다.
도 16에 도시된 반도체 발광소자(1800)는 실장 기판(1820)과 실장 기판(1820)에 탑재된 LED 칩(1810)을 포함한다. 상기 LED 칩(1810)은 앞서 설명된 예와 다른 LED 칩으로 제시되어 있다.
상기 LED 칩(1810)은 기판(1801)의 일면 상에 배치된 발광 적층체(S)와, 상기 발광 적층체(S)를 기준으로 상기 기판(1801) 반대쪽에 배치된 제1 및 제2 전극 (1808a, 1808b)을 포함한다. 또한, 상기 LED 칩(1810)은 상기 제1 및 제2 전극(1808a, 1808b)을 덮도록 형성되는 절연부(1803)를 포함한다.
상기 제1 및 제2 전극(1808a, 1808b)은 제1 및 제2 전기연결부(1809a, 1809b)에 의해 제1 및 제2 전극 패드(1819a, 1819b)를 포함할 수 있다.
상기 발광 적층체(S)는 기판(1801) 상에 순차적으로 배치되는 제1 도전형 반도체층(1804), 활성층(1805) 및 제2 도전형 반도체층(1806)을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(1808a)은 상기 제2 도전형 반도체층(1806) 및 활성층(1805)을 관통하여 상기 제1 도전형 반도체층(1804)과 접속된 도전성 비아로 제공될 수 있다. 상기 제2 전극(1808b)은 제2 도전형 반도체층(1806)과 접속될 수 있다.
상기 비아는 하나의 발광 소자 영역에 복수 개 형성될 수 있다. 복수의 비아들이 제1 도전형 반도체과 접촉하는 영역의 평면 상에서 차지하는 면적은 발광 소자 영역의 면적의 약 1 % 내지 약 5 %의 범위가 되도록 비아 개수 및 접촉 면적이 조절될 수 있다. 비아의 제1 도전형 반도체와 접촉하는 영역의 평면 상의 반경은 예를 들어, 약 5㎛ 내지 약 50 ㎛의 범위일 수 있으며, 비아의 개수는 발광 소자 영역의 넓이에 따라, 발광 소자 영역 당 1개 내지 약 50개일 수 있다. 상기 비아는 발광 소자 영역의 넓이에 따라 다르지만 바람직하게는 3개 이상일 수 있으며, 각 비아 간의 거리는 약 100㎛ 내지 약 500㎛ 범위의 행과 열을 가지는 매트릭스 구조일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 약 150㎛ 내지 약 450㎛ 범위일 수 있다. 각 비아간의 거리가 약 100㎛보다 작으면 비아의 개수가 증가하게 되고 상대적으로 발광면적이 줄어들어 발광 효율이 작아지며, 거리가 약 500㎛보다 커지면 전류 확산이 어려워 발광 효율이 떨어지는 문제점이 있을 수 있다. 비아의 깊이는 제2반도체층 및 활성층의 두께에 따라 다르나, 약 0.5 ㎛ 내지 약 5.0 ㎛의 범위일 수 있다.
상기 발광적층체 상에 도전성 오믹 물질을 증착하여 제1 및 제2 전극(1808a, 1808b)을 형성한다. 제1 및 제2 전극(1808a, 1808b)은 Ag, Al, Ni, Cr, Cu, Au, Pd, Pt, Sn, Ti, W, Rh, Ir, Ru, Mg, Zn 또는 이들을 포함하는 합금물질 중 적어도 하나를 포함하는 전극일 수 있다. 예들 들면 제2전극은 제2도전형 반도체층을 기준으로 Ag층의 오믹전극이 적층된다. 상기 Ag 오믹전극은 광의 반사층의 역할도 한다. 상기 Ag층 상에 선택적으로 Ni, Ti, Pt, W의 단일층 혹은 이들의 합금층이 교대로 적층 될 수 있다. 구체적으로 Ag층 아래에 Ni/Ti층, TiW/Pt층 혹은 Ti/W이 적층되거나 또는 이들 층이 교대로 적층될 수 있다.
제1전극은 제1도전형 반도체층을 기준으로 Cr층이 적층되고 상기 Cr층 상에 Au/Pt/Ti층이 순서대로 적층되거나 혹은 제2도전형 반도체층을 기준으로 Al층이 적층되고 상기 Al층 상에 Ti/Ni/Au층이 순서대로 적층 될 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극은 오믹 특성 또는 반사 특성을 향상시키기 위해 상기 실시예 외에 다양한 재료 또는 적층구조를 적용 할 수 있다.
상기 절연부(1803)는 상기 제1 및 제2 전극(1808a, 1808b)의 적어도 일부를 노출시키도록 오픈 영역을 구비하며, 상기 제1 및 제2 전극 패드(1819a, 1819b)는 상기 제1 및 제2 전극(1808a, 1808b)과 접속될 수 있다. 절연층(1803)은 SiO2 및/또는 SiN CVD 공정을 통해 500 ℃ 이하에서 약 0.01㎛ ∼ 약 3㎛ 두께로 증착될 수 있다.
제1 및 제2 전극(1809a, 1809b)은 서로 동일한 방향으로 배치될 수 있으며, 후술하는 바와 같이, 리드 프레임 등에 소위, 플립 칩(flip-chip) 형태로 실장될 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 전극(1809a, 1809b)은 서로 동일한 방향을 향하도록 배치될 수 있다.
특히, 상기 제1 전극(1808a)은 상기 제2 도전형 반도체층(1804) 및 활성층(1805)을 관통하여 상기 발광 적층체(S) 내부에서 상기 제1 도전형 반도체층(1804)에 연결된 도전성 비아를 갖는 제1 전극(1808a)에 의해 제1 전기연결부(1809a)가 형성될 수 있다.
도전성 비아와 상기 제1 전기 연결부(1809a)는 접촉 저항이 낮아지도록 개수, 형상, 피치, 제1 도전형 반도체층(1804)과의 접촉 면적 등이 적절히 조절될 수 있으며, 상기 도전성 비아와 상기 제1 전기 연결부(1809a)는 행과 열을 이루어 배열됨으로써 전류 흐름이 개선될 수 있다.
다른 한편의 전극구조는, 상기 제2 도전형 반도체층(1806) 상에 직접 형성되는 제2 전극(1808b)과 그 상부에 형성되는 제2 전기연결부(1809b)를 포함할 수 있다. 상기 제2 전극(1808b)은 상기 제2 도전형 반도체층(23)과의 전기적 오믹을 형성하는 기능 외에 광 반사 물질로 이루어짐으로써, LED 칩(1810)을 플립칩 구조로 실장된 상태에서, 활성층(1805)에서 방출된 빛을 기판(1801) 방향으로 효과적으로 방출시킬 수 있다. 물론, 주된 광방출 방향에 따라, 상기 제2 전극(1808b)은 투명 전도성 산화물과 같은 광투과성 도전 물질로 이루어질 수도 있다.
상기 설명된 2개의 전극 구조는 절연부(1803)에 의하여 서로 전기적으로 분리될 수 있다. 절연부(1803)는 전기적으로 절연 특성을 갖는 물질이면 어느 것이나 사용할 수 있으며, 전기 절연성을 갖는 물체라면 어느 것이나 채용 가능하지만, 광흡수율이 낮은 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 덜어, SiO2, SiOxNy, SixNy 등의 실리콘 산화물, 실리콘 질화물을 이용할 수 있을 것이다. 필요에 따라, 광투과성 물질 내에 광 반사성 필러를 분산시켜 광반사 구조를 형성할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극패드(1819a, 1819b)는 각각 제1 및 제2 전기연결부(1809a, 1809b)와 접속되어 LED 칩(1810)의 외부 단자로 기능할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 전극 패드(1819a, 1819b)는 Au, Ag, Al, Ti, W, Cu, Sn, Ni, Pt, Cr, NiSn, TiW, AuSn 또는 이들의 공융(eutectic) 금속일 수 있다. 이 경우에, 실장 기판(1820)에 실장시 공융 금속을 이용하여 접합될 수 있으므로, 플립 칩 본딩 시 일반적으로 요구되는 별도의 솔더 범프를 사용하지 않을 수 있다. 솔더 범프를 이용하는 경우에 비하여 공융 금속을 이용한 실장 방식에서 방열 효과가 더욱 우수한 장점이 있다. 이 경우, 우수한 방열 효과를 얻기 위하여 제1 및 제2 전극 패드(1819a, 1819b)는 넓은 면적을 차지하도록 형성될 수 있다.
상기 기판(1801) 및 상기 발광 적층체(S)는 반대되는 설명이 없는 한 앞서 설명된 내용을 참조하여 이해될 수 있다. 또한, 구체적으로 도시하지는 않았으나, 상기 발광구조물(S)과 기판(1801) 사이에는 버퍼층이 형성될 수 있으며, 버퍼층은 질화물 등으로 이루어진 언도프 반도체층으로 채용되어, 그 위에 성장되는 발광구조물의 격자 결함을 완화할 수 있다.
상기 기판(1801)은 서로 대향하는 제1및 제2 주면을 가질 수 있으며, 상기 제1 및 제2 주면 중 적어도 하나에는 요철 구조가 형성될 수 있다. 상기 기판(1801)의 일면에 형성된 요철 구조는 상기 기판(1801)의 일부가 식각되어 상기 기판과 동일한 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 기판(1801)과 다른 이종 물질로 구성될 수도 있다.
본 예와 같이, 상기 기판(1801)과 상기 제1 도전형 반도체층(1804)의 계면에 요철 구조를 형성함으로써, 상기 활성층(1805)으로부터 방출된 광의 경로가 다양해 질 수 있으므로, 빛이 반도체층 내부에서 흡수되는 비율이 감소하고 광 산란 비율이 증가하여 광 추출 효율이 증대될 수 있다.
구체적으로, 상기 요철 구조는 규칙 또는 불규칙적인 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 상기 요철을 이루는 이종 물질은 투명 전도체나 투명 절연체 또는 반사성이 우수한 물질을 사용할 수 있으며, 투명 절연체로는 SiO2, SiNx, Al2O3, HfO, TiO2 또는 ZrO와 같은 물질을, 투명 전도체는 ZnO나 첨가물(Mg, Ag, Zn, Sc, Hf, Zr, Te, Se, Ta, W, Nb, Cu, Si, Ni, Co, Mo, Cr, Sn)이 함유된 인듐 산화물(indium oxide) 등과 같은 투명 전도성 산화물(TCO)을, 반사성 물질로는 Ag, Al, 또는 굴절율이 서로 다른 다층막의 DBR을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 기판(1801)은 상기 제1 도전형 반도체층(1804)으로부터 제거될 수 있다. 기판 제거에는 레이저를 이용한 LLO (Laser Lift Off) 공정 또는 식각, 연마 공정을 사용 할 수 있다. 또한 기판의 제거 후, 제1 도전형 반도체 층의 표면에 요철을 형성할 수 있다.
도 16에 도시된 바와 같이, 상기 LED칩(1810)은 실장 기판(1820)에 탑재되어 있다. 상기 실장 기판(1820)은 기판 본체(1811) 상면 및 하면에 각각 상부 및 하부 전극층(1812b, 1812a)이 형성되고, 상기 상부 및 하부 전극층(1812b, 1812a)을 연결하도록 상기 기판 본체(1811)를 관통하는 비아(1813)를 포함한다. 상기 기판 본체(1811)는 수지, 세라믹 또는 금속일 수 있으며, 상기 상부 또는 하부 전극층(1812b, 1812a)은 Au, Cu, Ag, Al와 같은 금속층일 수 있다.
물론, 상술된 LED 칩(1810)이 탑재되는 기판은 도16에 도시된 실장 기판(1820)의 형태에 한정되지 않으며, LED 칩(1801)을 구동하기 위한 배선 구조가 형성된 기판이라면 어느 것이나 적용 가능하다. 예를 들어, 한 쌍의 리드 프레임을 갖는 패키지 본체에 LED 칩이 실장된 패키지 구조로도 제공될 수 있다.
<LED 칩의 기타 예>
상술된 LED 칩 외에도 다양한 구조의 LED 칩이 사용될 수 있다. 예를 들어, LED 칩의 금속-유전체 경계에 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface-plasmon polaritons: SPP)을 형성시켜 양자우물 엑시톤과 상호작용 시킴으로써 광추출효율을 크게 개선된 LED 칩도 유용하게 사용될 수 있다.
<LED 패키지>
다양한 형태의 LED 칩이 베어 칩(bare chip)으로 회로기판에 실장되어 상술된 직관형 발광 장치에 사용될 수 있으나, 이와 달리, 한 쌍의 전극구조를 갖는 패키지 본체에 실장된 다양한 형태의 패키지 구조로 사용될 수 있다.
이러한 LED 칩을 구비한 패키지(이하, LED 패키지)는 외부 회로와의 연결이 용이한 외부 단자 구조를 제공할 뿐만 아니라, LED 칩의 방열 특성을 개선하는 방열 구조 및 광특성을 향상시키기 위한 다양한 광학적 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 다양한 광학적 구조로서, LED 칩으로부터 방출된 광을 다른 파장의 광을 변환하는 파장변환부 또는 배광특성을 개선하기 위한 렌즈구조가 있을 수 있다.
<LED 패키지의 예 - 칩 스케일 패키지(CSP)>
상술된 직관형 발광 장치에 채용될 수 있는 LED 패키지의 일 예로서, 칩 스케일 패키지(chip scale package: CSP) 구조를 갖는 LED 칩 패키지가 사용될 수 있다.
상기 칩 스케일 패키지는 상기 LED 칩 패키지의 사이즈를 줄이고 제조 공정을 단순화하여 대량 생산에 적합하며, LED 칩과 함께, 형광체와 같은 파장변환물질과 렌즈와 같은 광학 구조를 일체형으로 제조할 수 있으므로, 특히 조명 장치에 적합하게 사용될 수 있다.
도 17에는 이러한 칩 스케일 패키지의 일 예로서, 주된 광추출면과 반대 방향인 LED(1910)의 하면을 통해 전극이 형성되며 형광체층(1907) 및 렌즈(1920)가 일체로 형성된 패키지 구조이다.
도 17에 도시된 칩 스케일 패키지(1900)는 기판(1911)에 배치된 발광 적층체(S), 제1 및 제2 단자부(Ta, Tb), 형광체층(1907) 및 렌즈(1920)를 포함한다.
상기 발광 적층체(S)는 제1 및 제2 도전형 반도체층(1904, 1906)과 그 사이에 배치된 활성층(1905)을 구비하는 적층 구조이다. 본 실시 형태의 경우, 제1 및 제2 도전형 반도체층(1904, 1906)은 각각 p형 및 n형 반도체층이 될 수 있으며, 또한, 질화물 반도체, 예컨대, AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 이루어질 수 있다. 다만, 질화물 반도체 외에도 GaAs계 반도체나 GaP계 반도체도 사용될 수 있을 것이다.
상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(1904, 1906) 사이에 형성되는 활성층(1905)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출하며, 양자우물층과 양자장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(MQW) 구조로 이루어질 수 있다. 다중 양자우물 구조의 경우, 예컨대, InGaN/GaN, AlGaN/GaN 구조가 사용될 수 있다.
한편, 제1 및 제2 도전형 반도체층(1904, 1906)과 활성층(1905)은 당 기술 분야에서 공지된 MOCVD, MBE, HVPE 등과 같은 반도체층 성장 공정을 이용하여 형성될 수 있을 것이다.
도 17에 도시된 LED(1910)은 성장 기판이 제거된 상태이며, 성장 기판이 제거된 면에는 요철(P)이 형성될 수 있다. 또한, 요철이 형성된 면에 광변환층으로서 형광체층(1907)이 적용된다.
상기 LED(1910)는 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(1904,1906)에 각각 접속된 제1 및 제2 전극(1909a, 1909b)을 가질 수 있다. 상기 제1 전극(1909a)은 상기 제2 도전형 반도체층(1906) 및 활성층(1905)을 관통하여 제2 도전형 반도체층(1904)에 접속된 도전성 비아(1908)를 구비한다. 상기 도전성 비아(1908)는 활성층(1905) 및 제2 도전형 반도체층(1906) 사이에는 절연층(1903)이 형성되어 단락을 방지할 수 있다.
상기 도전성 비아(1906)는 1개로 예시되어 있으나, 전류 분산에 유리하도록 상기 도전성 비아(1906)는 2개 이상 구비될 수 있고, 다양한 형태로 배열될 수 있다.
본 예에 채용된 실장 기판(1911)은 실리콘 기판과 같은 반도체 공정이 용이하게 적용될 수 있는 지지 기판으로 예시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 실장 기판(1911)과 상기 LED(1910)은 본딩층(1902, 1912)에 의해 접합될 수 있다. 상기 본딩층(1902, 1912)은 전기 절연성 물질 또는 전기 전도성 물질로 이루어지며, 예를 들어 전기 절연성 물질의 경우, SiO2, SiN등과 같은 산화물, 실리콘 수지나 에폭시 수지 등과 같은 수지류의 물질, 전기 전도성 물질로는 Ag, Al, Ti, W, Cu, Sn, Ni, Pt, Cr, NiSn, TiW, AuSn 또는 이들의 공융 금속을 들 수 있다. 본 공정은 LED(1910)와 기판(1911)의 각 접합면에 제1 및 제2 본딩층(1902, 1912)을 적용한 후에 접합시키는 방식으로 구현될 수 있다.
상기 실장 기판(1911)에는 접합된 LED(1910)의 제1 및 제2 전극(1909a, 1909b)에 연결되도록 상기 실장 기판(1911)의 하면으로부터 비아가 형성된다. 상기 비아의 측면 및 상기 실장 기판(1911)의 하면에 절연체(1913)가 형성될 수 있다. 상기 실장 기판(1911)이 실리콘 기판일 경우에 상기 절연체(1913)는 열 산화공정을 통해서 실리콘 산화막으로 제공될 수 있다. 상기 비아에 도전성 물질을 충전함으로써 상기 제1 및 제2 전극(1909a, 1909b)에 연결되도록 제1 및 제2 단자(Ta, Tb)를 형성한다. 상기 제1 및 제2 단자(Ta, Tb)는 시드층(1918a, 1918b)과 상기 시드층(1918a, 1918b)을 이용하여 도금공정으로 형성된 도금 충전부(1919a, 1919b)를 포함할 수 있다.
도 18은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예에 따른 직관형 발광 장치(10)의 분해 사시도이다.
도 18에 도시된 바와 같이, 직관형 발광 장치(10)는 방열 부재(11), 커버(12), 발광 모듈(13), 제 1 소켓(14) 및 제 2 소켓(15)을 포함한다.
방열 부재(11)의 내부 또는/및 외부 표면에 다수개의 방열 핀(11-1, 11-2)이 요철 형태로 형성될 수 있으며, 방열 핀(11-1, 11-2)은 다양한 형상 및 간격을 갖도록 설계될 수 있다. 방열 부재(11)의 내측에는 돌출 형태의 지지대(11-3)가 형성되어 있다. 지지대(11-3)에는 발광 모듈(13)이 고정될 수 있다. 제1커버(11)의 양 끝단에는 걸림 턱(11-4)이 형성될 수 있다.
커버(12)에는 걸림 홈(12-1)이 형성되어 있으며, 걸림 홈(12-1)에는 방열 부재(11)의 걸림 턱(11-4)이 후크 결합 구조로 결합될 수 있다. 선택적으로, 걸림 홈(12-1)과 걸림 턱(11-4)이 형성되는 위치는 서로 바뀔 수도 있다.
발광 모듈(13)은 인쇄 회로 기판(13-1)과 발광 다이오드 어레이(13-2)가 포함될 수 있다. 인쇄 회로 기판(13-1)에는 발광 다이오드 어레이(13-2)를 동작시키기 위한 회로 배선들이 형성되어 있다. 또한, 발광 다이오드 어레이(13-2)를 동작시키기 위한 회로 구성 요소들이 포함될 수도 있다.
제 1 소켓(14) 및 제 2 소켓(15)은 한 쌍의 소켓으로서 방열 부재(11) 및 커버(12)로 구성된 원통형 커버 유닛의 양단에 결합되는 구조를 갖는다.
예로서, 제 1 소켓(14)에는 전극 단자(14-1)가 배치되고, 제 2 소켓(15)에는 더미 단자(15-1)가 배치될 수 있다. 그리고, 제 1 소켓(14) 또는 제 2 소켓(15) 중의 어느 하나의 소켓에 조광 컨트롤러가 내장될 수 있다.
예로서, 더미 단자(15-1)가 배치된 제 2 소켓(15)에 조광 컨트롤러가 내장될 수 있다. 다른 예로서, 전극 단자(14-1)가 배치된 제 1 소켓(14)에 조광 컨트롤러가 내장될 수도 있다. 그리고, 또 다른 예로서, 더미 단자(15-1)가 배치된 제 2 소켓(15)에 조광 컨트롤러가 내장되고, 전극 단자(14-1)가 배치된 제 1 소켓(14)에 전원 장치가 내장될 수도 있다.
도 19는 본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 실시예에 따른 직관형 발광 장치를 L-튜브 어셈블리에 적용한 예를 보여주는 도면이다.
도 19를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 실시예에 따른 직관형 발광 장치의 L-튜브 어셈블리는 커버(710), 히트 싱크(heat sink; 720), 인쇄회로기판(PCB; 730) 및 LED 패키지(740)를 포함한다.
커버(710)는 배광 분포를 개선하기 위하여 내측을 톱니 모양(serration) 패턴으로 설계할 수 있다.
히트 싱크(720)는 커버(710)와 결합되는 구조를 갖도록 설계한다.
커버(710)와 히트 싱크(720)가 결합된 원통 형태의 튜브 내부는 인쇄회로기판(730)이 고정될 수 있는 구조를 갖는다. 그리고, 인쇄회로기판(730)에는 LED 패키지(740)가 탑재된다. 예로서, LED 패키지(740)는 인쇄회로기판(730)에 2열로 배치될 수 있다.
도 20은 도 19에 도시된 L-튜브 어셈블리의 단면도의 주요 부분을 보여주는 도면이다.
도 20을 참조하면, L-튜브 어셈블리의 커버(710)의 내측이 톱니 모양(serration) 패턴이 형성되어 있는 것을 보여준다. 커버(710)의 내측을 톱니 모양으로 형성함으로써, 센터 빔(center beam)이 좌우로 확산된다. 이로 인하여, 배광각을 약 90°∼ 270°로 넓힐 수 있게 된다. 커버(710)는 투명한 재질을 이용할 수 있고, 확산재를 소량 첨가할 수도 있다. 그리고, 커버(710)의 외부 표면을 샌딩(sanding)할 수도 있다.
그리고, 커버(710) 내부에 고정된 인쇄회로기판(730)에 LED 패키지(740)가 2열로 배치되어 있는 것을 보여준다.
이와 같은 구조의 L-튜브 어셈블리에서는 예로서, 히트 싱크(720)에서의 반사율이 약 50%, 인쇄회로기판(730)에서의 반사율이 약 70% 정도가 될 수 있다.
도 20과 같은 구조의 L-튜브 어셈블리에서의 배광 분포도의 예를 도 21에 도시하였다.
도 21에서 배광 분포도 곡선 A는 L-튜브의 길이 방향에 대한 배광 분포도를 나타낸 것이고, 배광 분포도 곡선 B는 L-튜브의 원통 형태의 단면도에서의 수직 방향에 대한 배광 분포도를 나타낸 것이다.
도 21의 배광 분포도 곡선 B를 참조하면, 배광 분포가 원형 형태에서 좌우로 확산되어 있다는 사실을 알 수 있다.
도 22는 본 발명 개념의 일 실시예에 따른 직관형 발광 장치(10)의 제 2 소켓(15) 부분을 나타낸 사시도이다. 도 23은 상기 직관형 발광 장치(10) 내에 구비된 조광 컨트롤러(15A-2)의 구성을 나타낸 블록도이다. 도 23은 제 2 소켓(15) 내에 조광 컨트롤러(15A-2)가 구비된 것으로 도시하였지만 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
도 22와 도 23을 참조하면, 상기 조광 컨트롤러(15A-2)는 조광 스위치부(15A-2a), 신호 발생부(15A-2b), 및 신호 전달부(15A-2c)를 포함할 수 있다.
상기 조광 스위치부(15A-2a)는 조작에 의하여 희망하는 조도의 위치에 조광 스위치가 위치될 수 있도록 구성될 수 있다. 도 22에서는 상기 조광 스위치부(15A-2a)가 제 2 소켓(15)의 외주를 따라 회전하도록 구성된 것으로 도시되었지만 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 조광 스위치부(15A-2a)는 로터리 스위치(rotary switch)일 수 있다.
상기 신호 발생부(15A-2b)는 상기 조광 스위치부(15A-2a)의 위치에 따라 그에 대응되는 전기적인 신호를 생성할 수 있도록 구성된다. 예를 들면, 상기 신호 발생부(15A-2b)는 가변저항일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
상기 신호 전달부(15A-2c)는 상기 신호 발생부(15A-2b)에서 발생된 신호를 외부에 전송할 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 신호 전달부(15A-2c)는 인쇄 회로 기판(13-1, 도 18 참조)에 구비된 배선일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
도 24는 본 발명 개념의 일 실시예에 따른 직관형 발광 장치(10)의 조광 컨트롤러(15A-2)의 구성을 나타낸 회로도이다.
도 24를 참조하면, 상기 조광 컨트롤러(15A-2)는 외부 회로의 일단과 연결되는 제 1 접점(71); 상기 제 1 접점(71)을 중심으로 하는 원 주변에 단위 각도 간격으로 배열되며 상호 전기적으로 연결되어 외부 회로의 타단에 연결된 다수의 제 2 접점들(72); 일단이 상기 제 1 접점(71)에 연결되고 타단이 원주변으로 회전하면서 상기 다수의 제 2 접점들(72) 중의 하나와 접촉하는 회전자(73)를 포함할 수 있다. 여기서 외부 회로는, 예를 들면, 발광 다이오드와 같은 발광 소자일 수 있다.
회전자(73)가 임의의 한 제 2 접점(72)에 접촉한 상태에서 사용자가 상기 조광 컨트롤러(15A-2)를 회전시키는 조작을 하면, 회전자(73)가 단위 각도씩 회전하여 그 인접한 제 2 접점(72)에 접촉할 때까지 회전할 수 있다. 상기 조광 컨트롤러(15A-2)는 회전자(73)가 인접한 제 2 접점(72)과 접촉함에 따른 저항의 변화, 전원의 단속, 기타 전기적인 신호의 변화를 감지하여 이를 디밍(dimming) 신호로서 발생시키도록 구성될 수 있다.
도 24에서는 제 2 접점(72)이 서로 이산적인(discrete) 예를 나타내었지만, 당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 가변저항과 같이 전기적인 신호가 연속적으로(continuously) 변화하도록 제 2 접점이 구성될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
도 25는 본 발명 개념의 다른 실시예에 따른 직관형 발광 장치(10C)의 제 2 소켓(15') 부분을 나타낸 사시도이다. 상기 제 2 소켓(15') 내에 구비된 조광 컨트롤러(15A-2)의 구성은 도 23에 나타낸 바와 동일할 수 있다.
도 23 및 도 25를 참조하면, 상기 조광 컨트롤러(15A-2)는 조광 스위치부(15A-2a), 신호 발생부(15A-2b), 및 신호 전달부(15A-2c)를 포함할 수 있다.
상기 조광 스위치부(15A-2a)는 희망하는 조도를 얻을 때까지 1회 이상 조작 가능하도록 구성될 수 있다. 도 25에서는 상기 조광 스위치부(15A-2a)가 제 2 소켓(15')의 표면에 대하여 수직 방향으로 누르도록 도시되었지만 제 2 소켓(15')의 표면과 평행한 방향으로 밀도록 구성될 수도 있다.
예를 들면, 상기 조광 스위치부(15A-2a)는 푸시 버튼(bush button)일 수 있다. 이 경우 푸시 버튼을 누름에 따라 조도가 변화하도록 구성될 수 있다. 또한, 푸시 버튼을 누름에 따라 조도가 점점 밝아지거나 점점 어두워지도록 구성될 수 있다. 나아가, 푸시 버튼을 누름에 따라 조도가 변화하다가 소정 횟수를 연속적으로 누른 때에는 최초 조도로 복원되도록 구성될 수 있다.
상기 신호 발생부(15A-2b)는 상기 조광 스위치부(15A-2a)의 누름 동작에 의하여 그에 대응되는 전기적인 신호를 생성할 수 있다. 상기 신호 전달부(15A-2c)는 도 23을 참조하여 앞서 설명하였으므로 여기서는 상세한 설명을 생략한다.
도 26은 본 발명 개념의 일 실시예에 따른 직관형 발광 장치(10a)의 조광 컨트롤러(15A-2)의 구성을 나타낸 회로도이다.
도 26을 참조하면, 상기 조광 컨트롤러(15A-2)는 외부 회로의 일단과 연결되는 제 1 접점(81); 상기 외부 회로의 타단에 연결된 제 2 접점(82); 상기 제 1 접점(81)과 상기 제 2 접점(82)에 각각 접촉하는 연결자(83); 누름 조작에 의하여 상기 연결자(83)를 상기 제 1 접점(81) 및/또는 제 2 접점(82)으로부터 이격시키는 누름 버튼(84); 상기 누름 버튼(84)이 조작된 후 상기 연결자(83)를 상기 제 1 접점(81)과 상기 제 2 접점(82)에 접촉하도록 하는 복원 수단을 포함할 수 있다.
누름 버튼(84)을 누르지 않은 상태에서는 상기 제 1 접점(81), 연결자(83) 및 제 2 접점(82)이 전기적으로 연결되어, 외부 회로에 전원이 공급될 수 있다. 여기서 외부 회로는, 예를 들면, 발광 다이오드와 같은 발광 소자일 수 있다. 한편, 상기 누름 버튼(84)이 눌러지면 상기 누름 버튼(84)에 의하여 연결자(83)가 이동하여 상기 제 1 접점(81), 연결자(83) 및 제 2 접점(82) 사이의 전기적 연결이 끊어지고, 누름 버튼(84)의 누름을 해제하면 상기 복원 수단에 의하여 상기 제 1 접점(81), 연결자(83) 및 제 2 접점(82) 사이의 전기적 연결이 복원될 수 있다. 상기 조광 컨트롤러(15A-2)는 누름 버튼(84)의 조작에 따른 전기적 연결의 단속을 감지하여 이를 디밍 신호로서 발생시키도록 구성될 수 있다.
도 27a는 본 발명 개념의 실시예에 따른 직관형 발광 장치(810)를 포함하는 조명 시스템(800)이다. 도 27b는 상기 조명 시스템(800)의 조도를 조절할 수 있는 조광 컨트롤러(815A-2)와 그에 의하여 제어되는 LED 모듈의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 27a를 참조하면, 상기 조명 시스템(800)은 몸체부(820), 직관형 발광 장치(810) 및 상기 몸체부(820)의 양단에 상기 직관형 발광 장치(810)와 결합되어 이를 고정하기 위한 고정부(824A, 824B)를 포함할 수 있다. 상기 고정부(824A, 824B)는 상기 직관형 발광 장치(810)의 단자들이 삽입될 수 있는 홈을 가질 수 있다. 또한, 상기 고정부(824A, 824B)는 상기 직관형 발광 장치(810)를 길이 방향으로 눌러 삽입함으로써, 또는 상기 직관형 발광 장치(810)를 길이 방향에 수직한 방향으로 삽입한 후 이를 회전시킴으로써 고정되도록 구성될 수 있다.
상기 몸체부(820)의 내부에는 안정기(ballast)(822)가 구비될 수 있다. 상기 안정기(822)는 전원을 안정적으로 공급하는 역할을 구비할 뿐만 아니라, 디밍 신호를 제어하도록 구성될 수 있다.
도 27a 및 도 27b를 참조하면, 직관형 발광 장치(810) 내의 조광 컨트롤러(815A-2)는 조광 스위치부, 신호발생부, 신호전달부를 포함할 수 있다. 상기 조광 스위치부는 조도를 희망하는 조도로 조절할 수 있도록 회전, 수직 방향 누름, 수평 방향 밀기 등의 조작이 가능하도록 구성될 수 있다.
상기 조광 컨트롤러(815A-2)는 상기 직관형 발광 장치(810)의 일측 소켓 내에 구비될 수 있는데, 상기 조광 컨트롤러(815A-2)를 구비한 소켓의 적어도 일부분이 상기 고정부와 커버 유닛 사이로 노출될 수 있다. 또한, 상기 조광 컨트롤러(815A-2)의 조광 스위치부는 노출된 상기 소켓의 원주를 따라 회전되도록 구성될 수 있다.
상기 신호 발생부는 상기 조광 스위치부의 조작 또는 위치에 대응되는 전기적인 신호를 생성할 수 있다. 상기 신호 전달부는 상기 신호 발생부에서 발생된 신호를 신호 수신부로 전송하도록 구성될 수 있으며, 예를 들면, 인쇄 회로 기판 상에 구비된 배선일 수 있다.
안정기(822) 내에는 신호 수신부, 신호 제어부, 및 발광 다이오드(LED) 드라이버가 구비될 수 있다.
상기 신호 수신부는 신호 전달부를 통하여 전송된 신호를 수신하여 신호 제어부로 전달하는 역할을 수행한다. 상기 신호 제어부는 수신된 신호를 해석하고 그에 대응되는 제어 신호를 LED 드라이버로 전송할 수 있다. 상기 LED 드라이버는 수신된 제어신호에 따라 LED 모듈을 구동하도록 구성된다.
도 28은 본 발명의 다른 실시예에 따른 직관형 발광 장치(10D)를 나타낸 분해 사시도이다. 도 29는 상기 직관형 발광 장치(10D)의 조광 조절을 위한 조광 컨트롤러의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 28 및 도 29를 참조하면, 안정기(ballast)(16)가 직관형 발광 장치(10D) 내부에 내장된 점을 제외하면 도 18과 동일하다. 상기 안정기(16)는, 예를 들면, 인쇄 회로 기판(13-1)에 제공될 수 있다. 이와 같이 안정기(16)가 직관형 발광 장치(10D) 내에 구비된 것을 일체형(integrated) 발광 장치라고 정의한다.
상기 안정기(16) 내에는 도 27a 및 도 27b를 참조하여 설명한 바와 같이 신호 수신부, 신호 제어부, 및 LED 드라이버가 제공될 수 있다.
상기 조광 스위치부는 조도를 희망하는 조도로 조절할 수 있도록 회전, 수직 방향 누름, 수평 방향 밀기 등의 조작이 가능하도록 구성될 수 있다. 상기 신호 발생부는 상기 조광 스위치부의 조작 또는 위치에 대응되는 전기적인 신호를 생성할 수 있다. 상기 신호 전달부는 상기 신호 발생부에서 발생된 신호를 신호 수신부로 전송하도록 구성될 수 있으며, 예를 들면, 인쇄 회로 기판 상에 구비된 배선일 수 있다.
상기 신호 수신부는 신호 전달부를 통하여 전송된 신호를 수신하여 신호 제어부로 전달하는 역할을 수행한다. 상기 신호 제어부는 수신된 신호를 해석하고 그에 대응되는 제어 신호를 LED 드라이버로 전송할 수 있다. 상기 LED 드라이버는 수신된 제어신호에 따라 LED 모듈을 구동하도록 구성된다.
도 22 내지 도 29에서는 조광 컨트롤러가 제 2 소켓 내에 구비되는 예만 도시하였지만 도 1b를 참조하여 설명한 바와 같이 제 1 소켓 내에 제공될 수도 있다. 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 도 22 내지 도 29를 참조하여 설명한 바에 따라 조광 컨트롤러를 상기 제 1 소켓 내에 용이하게 제공할 수 있을 것이다.
도 30a 및 30b는 본 발명의 실시예에 의한 직관형 발광 장치를 이용한 조명 시스템이 적용되는 홈 네트워크의 예를 보여준다.
도 30a 도시된 바와 같이, 홈 네트워크는 홈 무선 라우터(2000), 게이트웨이 허브(2010), 지그비(ZigBee) 모듈(2020), 직관형 발광 장치(2030), 창고(garage) 도어 락(door lock; 2040), 무선 도어 락(2050), 홈 어플리케이션(2060), 휴대폰(2070), 벽에 장착된 스위치(2080) 및, 클라우드 망(2090)을 포함할 수 있다.
가정내 무선 통신(ZigBee, WiFi 등)을 활용하여 침실, 거실, 현관, 창고, 가전제품 등의 동작 상태 및 주위 환경/상황에 따라 직관형 발광 장치(2030)의 조명 밝기를 자동으로 조절하는 기능을 수행할 수 있다.
예를 들면, 도 30b에 도시된 바와 같이, TV(3030)에서 방송되고 있는 프로그램의 종류 또는 화면의 밝기에 따라 직관형 발광 장치(3020B)의 조명 밝기를 게이트웨이(3010) 및 지그비 모듈(3020A)을 이용하여 자동으로 조절될 수 있다. 예로서, 휴먼 드라마 등이 상영되어 아늑한 분위기가 필요할 때는 조명도 거기에 맞게 색 온도가 12000K 이하로 낮아지도록 색감을 조절할 수 있다. 다른 예로서, 개그 프로그램과 같은 가벼운 분위기에서는 조명도 색온도가 12000K 이상으로 높아지고, 푸른색 계열의 백색조명으로 조절할 수 있다.
위의 지그비 모듈(2020, 3020A)도 광센서와 일체형으로 모듈화 할 수 있으며, 발광 장치와 일체형으로 구성할 수 있다.
가시광 무선통신 기술은 인간이 눈으로 인지할 수 있는 가시광 파장 대역의 빛을 이용하여 무선으로 정보를 전달하는 무선통신 기술이다. 이러한 가시광 무선통신 기술은 가시광 파장 대역의 빛을 이용한다는 측면에서 기존의 유선 광통신기술 및 적외선 무선통신과 구별되며, 통신 환경이 무선이라는 측면에서 유선 광통신 기술과 구별된다. 또한, 가시광 무선통신 기술은 RF 무선통신과 달리 주파수 이용 측면에서 규제 또는 허가를 받지 않고 자유롭게 이용할 수 있다는 편리성과 물리적 보안성이 우수하고 통신 링크를 사용자가 눈으로 확인할 수 있다는 차별성을 가지고 있으며, 무엇보다도 광원의 고유 목적과 통신기능을 동시에 얻을 수 있다는 융합 기술로서의 특징을 가지고 있다.
또한 LED 조명은 차량용 내외부 광원으로 활용 가능하다. 내부 광원으로는 차량용 실내등, 독서등, 계기판의 각종 광원등으로 사용 가능하며, 차량용 외부 광원으로 전조등, 브레이크등, 방향지시등, 안개등, 주행등 등 모든 광원에 사용 가능하다.
특수한 파장대를 이용한 LED는 식물의 성장을 촉진시키고, 사람의 기분을 안정시키거나 질병 치료에 도움을 줄 수도 있다. 로봇 또는 각종 기계 설비에 사용되는 광원으로 LED가 적용될 수 있다. 상기 LED의 저소비전력 및 장수명과 결부하여 태양전지, 풍력 등 환경 친화적인 신재생 에너지 전원 시스템에 의한 조명 구현도 가능하다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.
본 발명은 조명 산업에 유용하게 이용될 수 있다.
10a, 10b: 직관형 발광 장치 11: 방열 부재
11-1: 히트 싱크 11-2: 안착부
12: 커버 13: 발광 모듈
13-1: 인쇄 회로 기판 13-2: 발광 소자
14A, 14B: 제 1 소켓 14A-1, 14B-1: 전극 단자
14B-2, 15A-2: 조광 컨트롤러 15A, 15B, 15': 제 2 소켓
15A-1, 15B-1: 더미 단자 15A-2a: 조광 스위치부
15A-2b: 신호 발생부 15A-2c: 신호 전달부
16: 안정기 71, 81: 제 1 접점
72, 82: 제 2 접점 73: 회전자
83: 연결자 84: 누름 버튼
800: 조명 시스템 810: 직관형 발광 장치
815A-2: 조광 컨트롤러 820: 몸체부
822: 안정기 824A, 824B: 고정부

Claims (10)

  1. 복수의 발광 다이오드의 어레이가 배열된 발광 모듈;
    상기 발광 모듈을 수납하고, 투광성 커버를 포함하는 원통형 커버 유닛; 및
    상기 원통형 커버 유닛의 양단에 결합되는 한 쌍의 소켓;
    을 포함하고,
    상기 한 쌍의 소켓 중의 하나의 소켓에 상기 발광 다이오드로부터 방출되는 광의 조도를 조절할 수 있는 조광 컨트롤러가 구비된 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조광 컨트롤러가,
    조광 스위치부;
    상기 조광 스위치부의 위치에 따라 신호를 발생시킬 수 있는 신호 발생부; 및
    상기 신호 발생부에서 발생된 신호를 외부로 전송할 수 있는 신호 전달부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 조광 컨트롤러가 가변 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 조광 스위치부는 상기 소켓의 외주부를 따라 회전할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 신호 발생부는 상기 조광 스위치부의 위치에 따라 그에 대응되는 신호를 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 조광 스위치부는 상기 소켓의 외주부를 따라 이산적으로(discretely) 회전하도록 구성된 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 모듈은 청색 LED에 황색, 녹색, 적색 또는 오렌지색의 형광체를 조합하여 백색광을 발하며, 상기 백색광의 연색성(CRI)은 나트륨(Na)등과 태양광 사이인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 모듈은 청색 LED에 황색, 녹색, 적색 또는 오렌지색의 형광체를 조합하여 백색광을 발하며, 상기 백색광은 2개 이상의 피크 파장을 가지며, CIE 1931 좌표계의 (x, y) 좌표가 (0.4476, 0.4074), (0.3484, 0.3516), (0.3101, 0.3162), (0.3128, 0.3292), (0.3333, 0.3333)을 잇는 선분 또는 상기 선분과 흑체 복사 스펙트럼으로 둘러싸인 영역에 위치하며 상기 백색광의 색 온도는 2000K 내지 20000K 사이인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  9. 발광 장치; 및 상기 발광 장치를 고정하기 위한 고정부를 양단에 갖는 몸체부를 포함하는 조명 시스템으로서,
    상기 발광 장치는,
    복수의 발광 다이오드의 어레이가 배열된 발광 모듈;
    상기 발광 모듈을 수납하고, 투광성 커버를 포함하는 원통형 커버 유닛; 및
    상기 원통형 커버 유닛의 양단에 결합되는 한 쌍의 소켓;
    을 포함하고,
    상기 한 쌍의 소켓 중의 하나의 소켓에 상기 발광 다이오드로부터 방출되는 광의 조도를 조절할 수 있는 조광 컨트롤러가 구비된 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 조광 컨트롤러가 구비된 소켓의 적어도 일부분이 상기 고정부와 상기 커버 유닛 사이로 노출되고,
    상기 소켓은 자신의 원주 방향으로 회전됨으로써 조도가 조절되도록 구성된 것을 특징으로 하는 조명 시스템.

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