KR20150039926A - 발광소자 - Google Patents

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KR20150039926A
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light
light emitting
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light extracting
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성연준
정성훈
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

실시예는 기판; 상기 기판 상에 선택적으로 배치되고, 굴절률이 상기 기판의 굴절률보다 크고 하기 발광 구조물의 굴절률보다 작으며, 상기 기판과 접촉하는 제1 영역의 단면적이 상기 제1 영역과 반대 방향의 제2 영역의 단면적보다 큰 광추출층; 및 상기 기판과 상기 광추출층 상에 배치되고, 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 및 활성층을 포함하는 발광 구조물을 포함하는 발광소자를 제공한다.

Description

발광소자{LIGHT EMITTING DEVICE}
실시예는 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수평형 발광소자의 광추출 효율 향상에 관한 것이다.
반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Light Emitting Diode)나 레이저 다이오드와 같은 발광소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 가진다.
따라서, 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등에까지 응용이 확대되고 있다.
발광소자는 제1 도전형 반도체층을 통해서 주입되는 전자와 제2 도전형 반도체층을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(발광층)을 이루는 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출한다. 발광소자 패키지에는 발광소자에서 방출된 빛에 의하여 형광체가 여기되어 활성층에서 방출된 빛보다 장파장 영역의 빛을 방출할 수 있다.
발광소자의 광효율을 향상시키기 위하여 다양한 구조의 발광 다이오드에 관한 연구가 진행되고 있고, 수직형 발광소자의 경우 발광 구조물의 표면에 요철 구조를 형성시켜 광 추출 효율을 향상시키고자 하는 연구가 진행되고 있으며, 수평형 발광소자의 경우 절연성 기판의 표면에 패턴을 형성하여 광추출 효율을 향상시키려는 시도가 있다.
그러나, 사파이어 등의 절연성 기판의 표면에 요철을 형성하는 경우, 절연성 기판과 상부에 형성되는 발광 구조물의 결정 구조가 맞지 않아 발광 구조물을 이루는 반도체층의 결함이 발생하기 쉬워 균질한 반도체층의 성장이 어려울 수 있으며, 따라서 반도체층 내부의 결정 결함에 의해 광효율이 감소할 수 있다.
실시예는 발광소자의 광추출 효율을 증가시키고자 한다.
실시예는 기판; 상기 기판 상에 선택적으로 배치되고, 굴절률이 상기 기판의 굴절률보다 크고 하기 발광 구조물의 굴절률보다 작으며, 상기 기판과 접촉하는 제1 영역의 단면적이 상기 제1 영역과 반대 방향의 제2 영역의 단면적보다 큰 광추출층; 및 상기 기판과 상기 광추출층 상에 배치되고, 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 및 활성층을 포함하는 발광 구조물을 포함하는 발광소자를 제공한다.
상기 광추출층은 복수 개의 광추출 구조물을 포함하고, 각각의 광추출 구조물은 상기 기판과 접촉하는 제1 영역의 단면적이 상기 제1 영역과 반대 방향의 제2 영역의 단면적보다 클 수 있다.
각각의 광추출 구조물은 높이가 1 마이크로 미터 내지 2 마이크로 미터일 수 있다.
각각의 광추출 구조물은 서로 1 마이크로 미터 내지 2 마이크로 미터의 간격으로 이격될 수 있다.
각각의 광추출 구조물 사이의 간격의 편차는 0.5 마이크로 미터 이내일 수 있다.
제1 영역에서 각각의 광추출 구조물의 가로 및 세로 방향의 크기는 각각 2 마이크로 미터 내지 3 마이크로 미터일 수 있다.
발광소자는 광추출층과 상기 발광 구조물 사이에 배치된 반사층을 더 포함할 수 있다.
광추출층은 발광 구조물 방향에 배치된 제1 레이어와 기판 방향에 배치된 제2 레이어를 포함할 수 있다.
제1 레이어의 굴절률은 상기 제2 레이어의 굴절률보다 클 수 있다.
광추출층은 DBR층일 수 있다.
광추출층은, AlN, SiN, Ta2O5, ZrO2 및 HfO2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 발광소자는 발광 구조물과 기판의 사이에 광추출층이 형성되어, 활성층 방향에서 기판 방향으로 전달되는 빛을 반사하여 광추출 효율이 향상될 수 있다. 또한, 광추출층이 DBR층을 이루거나 발광 구조물 방향에서 기판 방향으로 굴절률이 점차 작아져서, 광추출 효율을 극대화할 수도 있다.
도 1은 발광소자의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 2a 내지 도 2d는 도 1의 'A' 영역의 실시예들을 나타낸 도면이고,
도 3은 광추출층 내의 광추출 구조물의 배치를 상세히 나타낸 도면이고,
도 4는 발광소자의 다른 실시예를 나타낸 도면이고,
도 5는 도 4의 'B'영역을 상세히 나타낸 도면이고,
도 6은 발광소자의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이고,
도 7a 내지 도 7d는 발광소자의 제조방법의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 8는 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 9는 발광소자를 포함하는 영상표시장치의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 10은 발광소자를 포함하는 조명 장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
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.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하 상기의 목적을 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 발광소자의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 1의 발광소자(100a)는 기판(110)과, 광추출층(200)과, 발광 구조물(120)과 투광성 도전층(140)과, 제1 전극(150) 및 제2 전극(160)을 포함하여 이루어진다.
기판(110)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질, 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있다. 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함하며, 예컨대 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, Ge 및 Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
광추출층(200)은 투광성 물질로서 기판(110) 상에 선택적으로 배치되고, 광추출층(200)의 굴절률은 기판(110)의 굴절률보다 크고 GaN 등으로 이루어지는 발광 구조물(120)의 굴절률보다 작다. 광추출층(200)이 기판(110)의 전체 표면에 배치되면, 기판(110) 상에서 GaN의 성장이 어려울 수 있다. 광추출층(200)은 도 2a 등을 참조하여 후술하기로 한다.
도시되지는 않았으나 버퍼층이 기판(110) 상에 배치되어 기판(110)과 발광 구조물(120) 사이의 재료의 격자 부정합 및 열 팽창 계수의 차이를 완화할 수 있다. 버퍼층의 재료는 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.
발광 구조물(120)은 기판(110)과 광추출층(200)과 접촉하며 배치되고, 제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)를 포함하여 이루어진다. 제1 도전형 반도체층(122)의 일부 영역이 메사 식각되어 있는데, 사파이어 기판과 같이 절연성 기판의 하부에 전극을 형성할 수 없기 때문에, 식각된 영역에 제1 전극(150)을 배치할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(122)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(122)이 n형 반도체층인 경우, 상기 제1도전형 도펀트는 n형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
제1 도전형 반도체층(122)은 InxAlyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN,AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)을 통해서 주입되는 전자와 이후 형성되는 제2 도전형 반도체층(126)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(124)을 이루는 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
활성층(124)은 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well)로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(120)은 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)가 주입되어 다중 양자우물구조가 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
활성층(124)의 양자 우물/양자벽은 예를 들면, InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, InAlGaN/InAlGaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 양자 우물은 상기 양자벽의 밴드 갭보다 작은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
활성층(124)의 위 또는/및 아래에는 도전형 클래드층(미도시)이 형성될 수 있다. 도전형 클래드층은 활성층(124)의 장벽층이나 밴드갭보다 더 넓은 밴드갭을 가지는 반도체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도전형 클래드층은 GaN, AlGaN, InAlGaN 또는 초격자 구조 등을 포함할 수 있다. 또한, 도전형 클래드층은 n형 또는 p형으로 도핑될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(126)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 예컨대, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제2 도전형 반도체층(126)이 p형 반도체층인 경우, 상기 제2도전형 도펀트는 p형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
제2 도전형 반도체층(126) 상에는 투광성 도전층(140)이 배치될 수 있는데, 제2 전극(160)으로부터 제2 도전형 반도체층(126)으로 전류가 원활하게 공급될 수 있도록 할 수 있다.
제1,2 전극(150, 160)는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1의 'A' 영역의 실시예들을 나타낸 도면으로, 광추출층(200)의 다양한 실시예들을 나타내고 있다.
광추출층(200)은 기판(110)과 접촉하고 기판(110) 상에 선택적으로 배치되며, 복수 개의 광추출 구조물로 이루어지는데, 각각의 광추출 구조물의 크기 및 배열은 고르거나 고르지 않을 수 있다.
광추출층(200) 굴절률이 기판(110) 예를 들면 사파이어의 굴절률보다 크고 발광 구조물(120) 예를 들면 GaN의 굴절률보다 작을 수 있다. 사파이어의 굴절률이 1.8 이고, GaN의 굴절률이 2.4일 경우, 광추출층(200)은 굴절률이 1.8 내지 2.4인 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들면 광추출층(200)은 AlN, SiN, Ta2O5, ZrO2 및 HfO2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 2a에서 각각의 광추출 구조물은 반구형일 수 있고, 도 2b에서 각각의 발광 구조물은 수직 방향의 단면이 사다리꼴인 육면체일 수 있고, 도 2c에서 각각의 발광 구조물은 육면체일 수 있고, 도 2d에서 각각의 발광 구조물은 사면체 내지 정사면체 구조일 수 있다.
도 2c에 도시된 실시예에서는 광추출 구조물의 기판(110) 방향의 단면적과 반대 방향의 단면적이 동일하나, 다른 실시예들에서는 각각의 광추출 구조물은 기판(110) 방향의 단면적이 반대 방향의 단면적보다 클 수 있다. 따라서, 광추출 구조물들로 이루어지는 광추출층(200)의 단면적도 기판(110) 방향의 단면적이 반대 방향의 단면적보다 클 수 있다.
도 3은 광추출층 내의 광추출 구조물의 배치를 상세히 나타낸 도면이다.
광추출층을 이루는 각각의 광추출 구조물(200a~200c)은 높이(h)가 1 마이크로 미터 내지 2 마이크로 미터일 수 있는데, 높이(h)가 너무 작거나 크면 광추출 효율의 향상을 기대하기 어려울 수 있다.
각각의 광추출 구조물(200a~200c) 사이의 간격(d1, d2)은 1 마이크로 미터 내지 2 마이크로 미터일 수 있고, 각각의 광추출 구조물(200a~200c) 사이의 간격(d1, d2)의 편차는 0.5 마이크로 미터 이내일 수 있다. 광추출 구조물(200a~200c) 사이의 간격(d1, d2)이 너무 작거나 크면 광추출 효율의 향상을 기대하기 어려울 수있다. 그리고, 각각의 광추출 구조물(200a~200c) 사이의 간격(d1, d2)의 편차, 즉 광추출 구조물(200a~200c) 사이의 간격 중 최대치와 최소치의 차이(도 3에서는 d2-d1)가 0.5 마이크로 미터 이내일 수 있는데, 편차가 상술한 수치보다 크면 후술하는 공정에서 제조가 어렵고 기판(110)의 표면에서 빛이 불균일하게 반사되어 암부가 형성될 수도 있다.
도 3에서 광추출 구조물(200a~200c)의 아랫 부분을 제1 영역(a1)이라 하고 윗 부분을 제2 영역(a2)이라 할 때, 제1 영역에서 각각의 광추출 구조물(200a~200c)의 가로 및 세로 방향의 크기(W1)는 2 마이크로 미터 내지 3 마이크로 미터일 수 있다. 그리고, 상술한 제2 영역에서 각각의 광추출 구조물(200a~200c)의 가로 및 세로 방향의 크기(W2)는 상술한 크기(W1)보다 작을 수 있다. 여기서, 크기(W1)와 크기(W2)는광추출 구조물(200a~200c)이 사각형인 경우 한 변의 길이이고, 원형인 경우 지름일 수 있다.
광추출 구조물(200a~200c)의 상술한 크기(W1)가 2 마이크로 미터보다 작거나 3 마이크로 미터보다 크면, 기판(110)의 표면에서 빛의 반사에 의한 광추출 효율의 향상이 어려울 수 있다.
도 4는 발광소자의 다른 실시예를 나타낸 도면이고, 도 5는 도 4의 'B'영역을 상세히 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 발광소자(100b)는 도 1 등에 도시된 실시예와 유사하나, 광추출층(210)이 복수 개의 레이어(210a~210c)로 이루어진 차이점이 있다. 즉, 상술한 실시예에서 광추출층이 복수 개의 광추출 구조물로 이루어지나, 본 실시예에서는 광추출층을 이루는 각각의 광추출 구조물이 복수 개의 레이어(210a~210c)로 이루어진다.
도 4와 도 5에서 가장 윗 방향에 배치된 층을 제1 레이어(210a)라 하고, 가장 아래에 배치된 층을 제3 레이어(210c)라 하고, 가운데에 배치된 층을 제2 레이어(210b)라고 할 수 있다. 이때, 제2 레이어(210b)는 기판(110) 방향에 배치되고, 제1 레이어(210a)는 발광 구조물(120) 방향에 배치되어, 즉 제2 레이어(210b) 위에 제1 레이어(210a)가 배치되므로, 제1 레이어(210a)와 발광 구조물(120) 사이의 거리는 제2 레이어(210b)와 발광 구조물(120) 사이의 거리보다 작으며, 제1 레이어(210a)의 굴절률은 제2 레이어(210b)의 굴절률보다 크고, 제2 레이어(210b)의 굴절률은 제3 레이어(210c)의 굴절률보다 크다. 그리고, 제1 레이어(210a)와 제2 레이어(210b)와 제3 레이어(210c)의 두께(t1, t2, t3)는 서로 동일할 수 있다.
따라서, 상술한 광추출 구조물에서 발광 구조물(120) 방향에서 기판(110) 방향으로 갈수록, 상술한 광추출 구조물 내의 레이어(210a~210c)의 굴절률은 더 작아질 수 있다. 따라서, 발광 구조물(120) 내의 활성층(124)에서 방출된 빛은 광추출 구조물의 표면에서 전반사되어, 발광소자(100b)의 광추출 효율이 향상될 수 있다.
또한, 광추출층(210)은 굴절률이 큰 레이어와 작은 레이어가 번갈아 배치되어, DBR(Distributed Bragg Reflector)를 이룰 수도 있다. 예를 들어, 광추출층(210)은 SiO2와 TiO2가 번갈아 배치되거나, SiO2와 Ta2O5가 번갈아 배치되거나, SiO2와 AlN이 번갈아 배치될 수 있다. 이때에는, DBL층이 반사의 작용을 하므로, 광추출층(210)을 이루는 물질의 굴절률이 기판(110)의 굴절률과 발광 구조물(120)의 굴절률이 아닐 수도 있다.
그리고, 광추출층(210)을 이루는 각각의 광추출 구조물의 단면은 도시된 반구형 외에 도 2a 내지 도 2d에 도시된 다양한 형상일 수 있다.
도 6은 발광소자의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 발광소자(100c)는 도 1에 도시된 실시예와 유사하나, 광추출층(200)의 표면에는 반사층(250)이 배치된다. 반사층(250)은 광추출층(200)의 표면과 발광 구조물(120)의 사이에 배치되어, 활성층(124) 방향에서 전달되는 빛을 반사할 수 있다. 반사층(250)은 알루미늄(Al)이나, 은(Ag) 등으로 이루어질 수도 있다.
도 7a 내지 도 7d는 발광소자의 제조방법의 일실시예를 나타낸 도면이다.
먼저, 도 7a에 도시된 바와 같이 기판(110) 상에 광추출층 재료(210')를 배치한다. 기판(110)은 상술한 바와 같이 사파이어 등 비전도성 물질일 수 있고, 광추출층 재료(210')는 상술한 바와 같이 AlN 등일 수 있다.
광추출층 재료(210')의 증착은 PECVD, 스퍼터링, 이온 빔 증착법 등으로 이루어질 수 있다.
도 7b에 도시된 바와 같이, 마스크를 사용하여 광추출층(200)을 선택적으로 기판(110) 상에 형성할 수 있다. 마스크의 배열에 따라 광추출층(200)의 배열이 달라질 수 있다.
그리고, 도 7c에 도시된 바와 같이 기판(110)과 광추출층(200) 상에 제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 성장시켜서, 발광 구조물(120)을 배치한다.
발광 구조물(120)을 이루는 제1 도전형 반도체층(122)은, 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시 (MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 n형 도펀트가 도핑된 AlGaN층을 형성할 수 있다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(122)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 실리콘(Si)와 같은 n형 불순물을 포함하는 실란 가스(SiH4)가 주입되어 형성될 수 있다.
활성층(124)은, 예를 들어 상기 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)가 주입되어 다중 양자우물구조가 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 도전형 반도체층(126)의 조성은 상술한 바와 동일하며, 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 마그네슘(Mg)과 같은 p 형 불순물을 포함하는 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}가 주입되어 p형 GaN층이 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 7d에 도시된 바와 같이, 마스크 등을 사용하여, 제2 도전형 반도체층(126)으로부터 활성층(124), 그리고 제1 도전형 반도체층(122)의 일부까지를 식각하여 제1 도전형 반도체층(122)의 일부가 노출될 수 있도록 한다.
그리고, 노출된 제1 도전형 반도체층(122)과 제2 도전형 반도체층(126) 상에 제1 전극(150)과 제2 전극(160)을 형성할 수 있다. 이때, 제2 전극(160)으로부터 제2 도전형 반도체층(126)으로의 전류 공급을 원활히 하기 위하여, 투광성 도전층(140)을 ITO 등으로 배치할 수 있다.
실시예에 따른 발광소자들은 발광 구조물과 기판의 사이에 광추출층이 형성되어, 활성층 방향에서 기판 방향으로 전달되는 빛을 반사하여 광추출 효율이 향상될 수 있다. 또한, 광추출층이 DBR층을 이루거나 발광 구조물 방향에서 기판 방향으로 굴절률이 점차 작아져서, 광추출 효율을 극대화할 수도 있다.
도 8는 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 발광소자 패키지(300)는 캐비티를 포함하는 몸체(310)와, 상기 몸체(310)에 설치된 제1 리드 프레임(Lead Frame, 321) 및 제2 리드 프레임(322)과, 상기 몸체(310)에 설치되어 상기 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)과 전기적으로 연결되는 상술한 실시예들에 따른 발광소자(100)와, 상기 캐비티에 형성된 몰딩부(350)를 포함한다.
몸체(310)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 몸체(310)가 금속 재질 등 도전성 물질로 이루어지면, 도시되지는 않았으나 상기 몸체(310)의 표면에 절연층이 코팅되어 상기 제1,2 리드 프레임(321, 322) 간의 전기적 단락을 방지할 수 있다.
제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광소자(100)에 전류를 공급한다. 또한, 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)은 발광소자(100)에서 발생된 광을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 발광소자(100)에서 발생된 열을 외부로 배출시킬 수도 있다.
발광소자(100)는 상기 몸체(310) 상에 도전성 접착제(300)로 고정되거나 상기 제1 리드 프레임(321) 또는 제2 리드 프레임(322) 상에 설치될 수 있다. 본 실시예에서는 제1 리드 프레임(321)과 발광소자(100)가 직접 통전되고, 제2 리드 프레임(322)과 상기 발광소자(100)는 와이어(340)를 통하여 연결되어 있다. 발광소자(100)는 와이어 본딩 방식 외에 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 등에 의하여 리드 프레임(321, 322)과 연결될 수 있다.
그리고, 발광소자(100)는 도시된 바와 같이 단일의 발광소자 외에 3개 또는 복수 개의 발광소자를 포함하는 발광소자 어레이일 수 있으며, 상술한 실시예들에 따른 광추출 효율이 향상된 발광소자 일 수 있다.
상기 몰딩부(350)는 상기 발광소자(100)를 포위하여 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부(350) 상에는 형광체(360)가 몰딩부(350)와 별개의 층으로 컨포멀(Conformal) 코팅되어 있다. 이러한 구조는 형광체(360)가 균일하게 분포되어, 발광소자(200)로부터 방출되는 빛의 파장을 발광소자 패키지(300)의 빛이 출사되는 전 영역에서 변환시킬 수 있다.
발광소자(100)에서 방출된 제1 파장 영역의 광이 상기 형광체(360)에 의하여 여기되어 제2 파장 영역의 광으로 변환되고, 상기 제2 파장 영역의 광은 렌즈(미도시)를 통과하면서 광경로가 변경될 수 있다.
발광소자 패키지는 상술한 실시예들에 따른 발광소자 중 하나 또는 복수 개로 탑재할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시 예에 따른 발광소자 패키지는 복수 개가 기판 상에 어레이되며, 상기 발광소자 패키지의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광소자 패키지, 기판, 광학 부재는 라이트 유닛으로 기능할 수 있다. 또 다른 실시 예는 상술한 실시 예들에 기재된 반도체 발광소자 또는 발광소자 패키지를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 시스템으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 램프, 가로등을 포함할 수 있다. 이하에서는 상술한 발광소자 패키지가 배치된 조명 시스템의 일실시예로서, 영상표시장치와 조명 장치를 설명한다.
도 9는 발광소자를 포함하는 영상표시장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 영상표시장치(500)는 광원 모듈과, 바텀 커버(510) 상의 반사판(520)과, 상기 반사판(520)의 전방에 배치되며 상기 광원모듈에서 방출되는 빛을 영상표시장치 전방으로 가이드하는 도광판(540)과, 상기 도광판(540)의 전방에 배치되는 제1 프리즘시트(550)와 제2 프리즘시트(560)와, 상기 제2 프리즘시트(560)의 전방에 배치되는 패널(570)과 상기 패널(570)의 전반에 배치되는 컬러필터(580)를 포함하여 이루어진다.
광원 모듈은 회로 기판(530) 상의 발광소자 패키지(535)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 회로 기판(530)은 PCB 등이 사용될 수 있고, 발광소자 패키지(535)는 상술한 바와 같이 광추출 효율이 우수하다.
바텀 커버(510)는 영상표시장치(500) 내의 구성 요소들을 수납할 수 있다. 반사판(520)은 본 도면처럼 별도의 구성요소로 마련될 수도 있고, 도광판(540)의 후면이나, 상기 바텀 커버(510)의 전면에 반사도가 높은 물질로 코팅되는 형태로 마련되는 것도 가능하다.
반사판(520)은 반사율이 높고 초박형으로 사용 가능한 소재를 사용할 수 있고, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephtalate; PET)를 사용할 수 있다.
도광판(540)은 발광소자 패키지 모듈에서 방출되는 빛을 산란시켜 그 빛이 액정 표시 장치의 화면 전영역에 걸쳐 균일하게 분포되도록 한다. 따라서, 도광판(530)은 굴절률과 투과율이 좋은 재료로 이루어지는데, 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate; PMMA), 폴리카보네이트(PolyCarbonate; PC), 또는 폴리에틸렌(PolyEthylene; PE) 등으로 형성될 수 있다. 또한, 도광판(540)이 생략되면 에어 가이드 방식의 표시장치가 구현될 수 있다.
상기 제1 프리즘 시트(550)는 지지필름의 일면에, 투광성이면서 탄성을 갖는 중합체 재료로 형성되는데, 상기 중합체는 복수 개의 입체구조가 반복적으로 형성된 프리즘층을 가질 수 있다. 여기서, 상기 복수 개의 패턴은 도시된 바와 같이 마루와 골이 반복적으로 스트라이프 타입으로 구비될 수 있다.
상기 제2 프리즘 시트(560)에서 지지필름 일면의 마루와 골의 방향은, 상기 제1 프리즘 시트(550) 내의 지지필름 일면의 마루와 골의 방향과 수직할 수 있다. 이는 광원 모듈과 반사시트로부터 전달된 빛을 상기 패널(570)의 전방향으로 고르게 분산하기 위함이다.
본 실시예에서 상기 제1 프리즘시트(550)과 제2 프리즘시트(560)가 광학시트를 이루는데, 상기 광학시트는 다른 조합 예를 들어, 마이크로 렌즈 어레이로 이루어지거나 확산시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 또는 하나의 프리즘 시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 등으로 이루어질 수 있다.
상기 패널(570)은 액정 표시 패널(Liquid crystal display)가 배치될 수 있는데, 액정 표시 패널(560) 외에 광원을 필요로 하는 다른 종류의 디스플레이 장치가 구비될 수 있다.
상기 패널(570)은, 유리 바디 사이에 액정이 위치하고 빛의 편광성을 이용하기 위해 편광판을 양 유리바디에 올린 상태로 되어있다. 여기서, 액정은 액체와 고체의 중간적인 특성을 가지는데, 액체처럼 유동성을 갖는 유기분자인 액정이 결정처럼 규칙적으로 배열된 상태를 갖는 것으로, 상기 분자 배열이 외부 전계에 의해 변화되는 성질을 이용하여 화상을 표시한다.
표시장치에 사용되는 액정 표시 패널은, 액티브 매트릭스(Active Matrix) 방식으로서, 각 화소에 공급되는 전압을 조절하는 스위치로서 트랜지스터를 사용한다.
상기 패널(570)의 전면에는 컬러 필터(580)가 구비되어 상기 패널(570)에서 투사된 빛을, 각각의 화소마다 적색과 녹색 및 청색의 빛만을 투과하므로 화상을 표현할 수 있다.
도 10은 발광소자를 포함하는 조명 장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 조명 장치는 커버(1100), 광원 모듈(1200), 방열체(1400), 전원 제공부(1600), 내부 케이스(1700), 소켓(1800)을 포함할 수 있다. 또한, 실시 예에 따른 조명 장치는 부재(1300)와 홀더(1500) 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있고, 광원 모듈(1200)은 상술한 실시예들에 따른 발광소자 패키지를 포함하여, 상술한 바와 같이 내에서 광추출 효율이 우수하다.
커버(1100)는 벌브(bulb) 또는 반구의 형상을 가지며, 속이 비어 있고, 일 부분이 개구된 형상으로 제공될 수 있다. 상기 커버(1100)는 상기 광원 모듈(1200)과 광학적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 커버(1100)는 상기 광원 모듈(1200)로부터 제공되는 빛을 확산, 산란 또는 여기 시킬 수 있다. 상기 커버(1100)는 일종의 광학 부재일 수 있다. 상기 커버(1100)는 상기 방열체(1400)와 결합될 수 있다. 상기 커버(1100)는 상기 방열체(1400)와 결합하는 결합부를 가질 수 있다.
커버(1100)의 내면에는 유백색 도료가 코팅될 수 있다. 유백색의 도료는 빛을 확산시키는 확산재를 포함할 수 있다. 상기 커버(1100)의 내면의 표면 거칠기는 상기 커버(1100)의 외면의 표면 거칠기보다 크게 형성될 수 있다. 이는 상기 광원 모듈(1200)로부터의 빛이 충분히 산란 및 확산되어 외부로 방출시키기 위함이다.
커버(1100)의 재질은 유리(glass), 플라스틱, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리카보네이트(PC) 등일 수 있다. 여기서, 폴리카보네이트는내광성, 내열성, 강도가 뛰어나다. 상기 커버(1100)는 외부에서 상기 광원 모듈(1200)이 보이도록 투명할 수 있고, 불투명할 수 있다. 상기 커버(1100)는 블로우(blow) 성형을 통해 형성될 수 있다.
광원 모듈(1200)은 상기 방열체(1400)의 일 면에 배치될 수 있다. 따라서, 광원 모듈(1200)로부터의 열은 상기 방열체(1400)로 전도된다. 상기 광원 모듈(1200)은 발광소자 패키지(1210), 연결 플레이트(1230), 커넥터(1250)를 포함할 수 있다.
부재(1300)는 상기 방열체(1400)의 상면 위에 배치되고, 복수의 발광소자 패키지(1210)들과 커넥터(1250)이 삽입되는 가이드홈(1310)들을 갖는다. 가이드홈(1310)은 상기 발광소자 패키지(1210)의 기판 및 커넥터(1250)와 대응된다.
부재(1300)의 표면은 빛 반사 물질로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다. 예를 들면, 부재(1300)의 표면은 백색의 도료로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다. 이러한 상기 부재(1300)는 상기 커버(1100)의 내면에 반사되어 상기 광원 모듈(1200)측 방향으로 되돌아오는 빛을 다시 상기 커버(1100) 방향으로 반사한다. 따라서, 실시 예에 따른 조명 장치의 광 효율을 향상시킬 수 있다.
부재(1300)는 예로서 절연 물질로 이루어질 수 있다. 상기 광원 모듈(1200)의 연결 플레이트(1230)는 전기 전도성의 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 방열체(1400)와 상기 연결 플레이트(1230) 사이에 전기적인 접촉이 이루어질 수 있다. 상기 부재(1300)는 절연 물질로 구성되어 상기 연결 플레이트(1230)와 상기 방열체(1400)의 전기적 단락을 차단할 수 있다. 상기 방열체(1400)는 상기 광원 모듈(1200)로부터의 열과 상기 전원 제공부(1600)로부터의 열을 전달받아 방열한다.
홀더(1500)는 내부 케이스(1700)의 절연부(1710)의 수납홈(1719)을 막는다. 따라서, 상기 내부 케이스(1700)의 상기 절연부(1710)에 수납되는 상기 전원 제공부(1600)는 밀폐된다. 홀더(1500)는 가이드 돌출부(1510)를 갖는다. 가이드 돌출부(1510)는 상기 전원 제공부(1600)의 돌출부(1610)가 관통하는 홀을 갖는다.
전원 제공부(1600)는 외부로부터 제공받은 전기적 신호를 처리 또는 변환하여 상기 광원 모듈(1200)로 제공한다. 전원 제공부(1600)는 상기 내부 케이스(1700)의 수납홈(1719)에 수납되고, 상기 홀더(1500)에 의해 상기 내부 케이스(1700)의 내부에 밀폐된다. 상기 전원 제공부(1600)는 돌출부(1610), 가이드부(1630), 베이스(1650), 연장부(1670)를 포함할 수 있다.
상기 가이드부(1630)는 상기 베이스(1650)의 일 측에서 외부로 돌출된 형상을 갖는다. 상기 가이드부(1630)는 상기 홀더(1500)에 삽입될 수 있다. 상기 베이스(1650)의 일 면 위에 다수의 부품이 배치될 수 있다. 다수의 부품은 예를 들어, 외부 전원으로부터 제공되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 직류변환장치, 상기 광원 모듈(1200)의 구동을 제어하는 구동칩, 상기 광원 모듈(1200)을 보호하기 위한 ESD(ElectroStatic discharge) 보호 소자 등을 포함할 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 연장부(1670)는 상기 베이스(1650)의 다른 일 측에서 외부로 돌출된 형상을 갖는다. 상기 연장부(1670)는 상기 내부 케이스(1700)의 연결부(1750) 내부에 삽입되고, 외부로부터의 전기적 신호를 제공받는다. 예컨대, 상기 연장부(1670)는 상기 내부 케이스(1700)의 연결부(1750)의 폭과 같거나 작게 제공될 수 있다. 상기 연장부(1670)에는 "+ 전선"과 "- 전선"의 각 일 단이 전기적으로 연결되고, "+ 전선"과 "- 전선"의 다른 일 단은 소켓(1800)에 전기적으로 연결될 수 있다.
내부 케이스(1700)는 내부에 상기 전원 제공부(1600)와 함께 몰딩부를 포함할 수 있다. 몰딩부는몰딩 액체가 굳어진 부분으로서, 상기 전원 제공부(1600)가 상기 내부 케이스(1700) 내부에 고정될 수 있도록 한다.
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.
100, 100a~100c: 발광소자 110: 기판
120: 발광 구조물 122: 제1 도전형 반도체층
124: 활성층 126: 제2 도전형 반도체층
140: 투광성 도전층 150: 제1 전극
160: 제2 전극 200, 210: 광추출층
200': 광추출층 재료 200a~200c: 광추출 구조물
210a~210c: 제1 레이어~ 제3 레이어
250: 반사층 300: 발광소자 패키지
500: 영상표시장치

Claims (11)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 선택적으로 배치되고, 굴절률이 상기 기판의 굴절률보다 크고 하기 발광 구조물의 굴절률보다 작으며, 상기 기판과 접촉하는 제1 영역의 단면적이 상기 제1 영역과 반대 방향의 제2 영역의 단면적보다 큰 광추출층; 및
    상기 기판과 상기 광추출층 상에 배치되고, 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 및 활성층을 포함하는 발광 구조물을 포함하는 발광소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광추출층은 복수 개의 광추출 구조물을 포함하고, 각각의 광추출 구조물은 상기 기판과 접촉하는 제1 영역의 단면적이 상기 제1 영역과 반대 방향의 제2 영역의 단면적보다 큰 발광소자.
  3. 제2 항에 있어서,
    각각의 광추출 구조물은 높이가 1 마이크로 미터 내지 2 마이크로 미터인 발광소자.
  4. 제2 항에 있어서,
    각각의 광추출 구조물은 서로 1 마이크로 미터 내지 2 마이크로 미터의 간격으로 이격되는 발광소자.
  5. 제2 항에 있어서,
    각각의 광추출 구조물 사이의 간격의 편차는 0.5 마이크로 미터 이내인 발광소자.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 영역에서 각각의 광추출 구조물의 가로 및 세로 방향의 크기는 각각 2 마이크로 미터 내지 3 마이크로 미터인 발광소자.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 광추출층과 상기 발광 구조물 사이에 배치된 반사층을 더 포함하는 발광소자.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 광추출층은 상기 발광 구조물 방향에 배치된 제1 레이어와 상기 기판 방향에 배치된 제2 레이어를 포함하는 발광소자.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 레이어의 굴절률은 상기 제2 레이어의 굴절률보다 큰 발광소자.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 광추출층은 DBR층인 발광소자.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 광추출층은, AlN, SiN, Ta2O5, ZrO2 및 HfO2 중 적어도 하나를 포함하는 발광소자.
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