KR20150098019A - 광원 모듈의 제조방법 및 조명 장치의 제조방법 - Google Patents

광원 모듈의 제조방법 및 조명 장치의 제조방법 Download PDF

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KR20150098019A
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Abstract

본 발명의 일 실시 형태에 따른 광원 모듈의 제조방법은, 회로 배선이 구비된 기판 및 상기 기판과 접하는 바닥면에 수용홈이 형성된 렌즈를 준비하는 단계; 상기 렌즈의 수용홈의 바닥면에 완충 필름을 부착하는 단계; 상기 회로 배선과 전기적으로 접속하도록 상기 기판의 일면 상에 복수의 발광소자를 실장 및 배열하는 단계; 상기 완충 필름이 상기 복수의 발광소자와 마주한 상태에서 상기 복수의 발광소자가 상기 수용홈 내에 수용되도록 상기 렌즈를 상기 기판 상에 실장하는 단계; 및 상기 완충 필름이 상기 복수의 발광소자 상면과 상기 수용홈 내면에 각각 밀착되도록 열 압착을 통해 상기 렌즈를 상기 기판상에 부착하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

광원 모듈의 제조방법 및 조명 장치의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING A LIGHT SOURCE MODULE AND METHOD OF MANUFACTURING A LIGHTING APPARATUS}
본 발명은 광원 모듈의 제조방법 및 조명 장치의 제조방법에 관한 것이다.
기존의 플립 칩 본디용 발광다이오드(LED)를 사용하여 광원 모듈을 제조하는 경우 디스펜싱 공정을 통해 각 발광다이오드를 수지로 봉지하는 방식으로 렌즈를 제조하였다. 이 경우, 수지를 경화시켜 렌즈를 형성하는데 장시간이 소요되었으며, 특히, 플립 칩 본딩된 발광다이오드와 기판 사이의 간극에 존재하는 기포가 수지의 경화 과정에서 제거되지 않아 광학적 성능 저하 및 신뢰성에 부정적인 효과를 나타내었다. 또한, 디스펜싱되는 수지의 양이 일정치 않아 각 발광다이오드를 덮는 렌즈가 모두 동일한 광학적 특성을 갖지 못하는 문제가 발생하였다.
이에, 당 기술분야에서는 플립 칩 본딩용 발광다이오드를 사용하여 칩 온 보드 타입의 광원 모듈을 제조하는데 있어서 종래의 문제들을 효과적으로 해결할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
다만, 본 발명의 목적은 이에만 제한되는 것은 아니며, 명시적으로 언급하지 않더라도 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 이에 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 광원 모듈의 제조방법은, 회로 배선이 구비된 기판 및 상기 기판과 접하는 바닥면에 수용홈이 형성된 렌즈를 준비하는 단계; 상기 렌즈의 수용홈의 바닥면에 완충 필름을 부착하는 단계; 상기 회로 배선과 전기적으로 접속하도록 상기 기판의 일면 상에 복수의 발광소자를 실장 및 배열하는 단계; 상기 완충 필름이 상기 복수의 발광소자와 마주한 상태에서 상기 복수의 발광소자가 상기 수용홈 내에 수용되도록 상기 렌즈를 상기 기판 상에 실장하는 단계; 및 상기 완충 필름이 상기 복수의 발광소자 상면과 상기 수용홈 내면에 각각 밀착되도록 열 압착을 통해 상기 렌즈를 상기 기판상에 부착하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복수의 발광소자는 상기 기판의 길이 방향을 따라서 배열되며, 상기 수용홈은 상기 기판의 길이 방향을 따라 연장되어 상기 복수의 발광소자를 일체로 덮을 수 있다.
상기 완충 필름은 상기 기판의 길이 방향을 따라 연장되어 구비될 수 있다.
상기 완충 필름을 부착하는 단계는 지지 필름 상에 지지되어 외부로 노출되는 상기 완충 필름의 상면을 상기 수용홈의 바닥면에 부착한 후 상기 지지 필름을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 발광소자를 실장하는 단계에서, 상기 복수의 발광소자는 동일한 방향을 향해 노출되는 전극 패드를 구비하며, 플립칩 본딩 방식에 따른 상기 전극 패드와 상기 회로 배선의 연결을 통해 상기 기판상에 실장 및 전기적으로 접속될 수 있다.
상기 복수의 발광소자를 실장하는 단계 이후 상기 렌즈를 실장하는 단계 이전에, 상기 복수의 발광소자와 상기 기판 사이의 공간을 채우도록 수지부를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 수지부는 수지에 고열전도성 필러(filler) 또는 고광반사 필러를 함유하여 이루어지거나, 수지에 고열전도성 필러 및 고광반사 필러가 함유되어 이루어질 수 있다.
상기 렌즈는 상기 기판 상에 놓여 상기 기판과 접하는 플랜지부 및 상기 수용홈의 상부에서 상기 플랜지부 위로 돌출되는 렌즈부를 포함할 수 있다.
상기 렌즈부는 상기 기판의 길이 방향을 따라 배열된 상기 복수의 발광소자를 따라서 연장될 수 있다.
상기 렌즈는 상기 기판과 마주하는 상기 플랜지부의 바닥면으로부터 연장되는 고정 핀을 더 포함하고, 상기 기판은 상기 고정 핀이 삽입되는 관통홀을 더 포함하며, 상기 렌즈를 상기 기판 상에 실장하는 단계는, 상기 고정 핀이 상기 기판을 관통하여 그 단부가 상기 기판의 타면으로 부분 돌출되도록 상기 고정 핀을 상기 기판의 관통홀에 삽입할 수 있다.
상기 렌즈를 상기 기판상에 부착하는 단계는, 상기 기판의 타면으로 부분 돌출되는 상기 고정 핀의 단부가 상기 기판의 타면을 따라 방사상으로 퍼지도록 열 압착하여 고정시킬 수 있다.
상기 기판은 상기 타면에 상기 방사상으로 퍼지는 고정 핀의 단부를 수용하는 홈을 상기 관통홀의 둘레를 따라 구비할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광원 모듈의 제조방법은, 일면에 복수의 발광소자가 실장되어 길이 방향을 따라 배열된 기판 및 바닥면에 상기 복수의 발광소자를 수용하는 수용홈이 형성된 렌즈를 준비하는 단계; 상기 렌즈의 수용홈의 바닥면에 완충 필름을 부착하는 단계; 상기 완충 필름이 상기 복수의 발광소자와 마주하도록 상기 렌즈를 상기 기판 상에 실장하는 단계; 및 상기 완충 필름이 상기 복수의 발광소자 상면과 상기 수용홈 내면에 각각 밀착되도록 열 압착을 통해 상기 렌즈를 상기 기판상에 부착하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 완충 필름을 부착하는 단계는, 지지 필름 상에 지지되어 외부로 노출되는 상기 완충 필름의 상면을 상기 수용홈의 바닥면에 부착한 후 상기 지지 필름을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 완충 필름은 상기 수용홈과 함께 상기 기판의 길이 방향을 따라 연장되어 구비될 수 있다.
상기 렌즈는 상기 기판과 접하며 상기 기판의 길이 방향을 따라 연장되는 플랜지부 및 상기 수용홈의 상부에서 상기 플랜지부 위로 돌출되며 상기 기판의 길이 방향을 따라 연장되는 렌즈부를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 조명 장치의 제조방법은, 회로 배선이 구비된 기판 및 상기 기판과 접하는 바닥면에 수용홈이 형성된 렌즈를 준비하는 단계; 상기 렌즈의 수용홈의 바닥면에 완충 필름을 부착하는 단계; 상기 회로 배선과 전기적으로 접속하도록 상기 기판의 일면 상에 복수의 발광소자를 실장 및 배열하는 단계; 상기 완충 필름이 상기 복수의 발광소자와 마주한 상태에서 상기 복수의 발광소자가 상기 수용홈 내에 수용되도록 상기 렌즈를 상기 기판 상에 실장하는 단계; 상기 완충 필름이 상기 복수의 발광소자 상면과 상기 수용홈 내면에 각각 밀착되도록 열 압착을 통해 상기 렌즈를 상기 기판상에 부착하여 광원 모듈을 제조하는 단계; 및 상기 광원 모듈을 하우징에 탑재하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 완충 필름을 부착하는 단계는, 지지 필름 상에 지지되어 외부로 노출되는 상기 완충 필름의 상면을 상기 수용홈의 바닥면에 부착한 후 상기 지지 필름을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 광원 모듈을 덮도록 상기 하우징에 커버를 체결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 하우징에 히트 싱크를 체결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 플립 칩 본딩용 발광다이오드를 사용하여 칩 온 보드 타입의 광원 모듈을 제조하는데 있어서 종래의 문제들을 효과적으로 해결할 수 있는 광원 모듈의 제조방법 및 조명 장치의 제조방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광원 모듈을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도2는 도1의 단면도이다.
도3은 도1의 광원 모듈에 채용될 수 있는 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도4 및 도5는 발광소자의 다른 실시예를 각각 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도6a 내지 도6e는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조 반도체 발광소자 제조방법을 설명하기 위한 주요 공정별 단면도이다.
도7a 및 도7b는 본 발명에 채용되는 마스크에 형성될 수 있는 개구의 형상을 나타내는 마스크의 평면도다.
도8a 및 도8b는 본 발명에 채용되는 마스크에 형성될 수 있는 개구의 형상을 나타내는 측단면도이다.
도9a 내지 도9e는 도6e에서 얻어진 나노구조 반도체 발광소자에 적용될 수 있는 전극형성공정의 예를 나타내는 주요 공정별 단면도이다.
도10a 및 도10b는 열처리공정을 설명하기 위한 모식도이다.
도11a 내지 도11d는 나노 코어를 형성하는 공정을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
도12는 CIE 1931 좌표계이다.
도13a 및 도13b는 도2에서 발광소자가 실장된 상태의 변형예를 개략적으로 나타내는 확대도 및 평면도이다.
도14a 및 도14b는 각각 광원 모듈의 변형예를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도15a 내지 도22는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광원 모듈의 제조 방법을 단계별로 개략적으로 나타내는 도면이다.
도23은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 조명 장치를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
도24는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 조명 장치를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
도25는 도24의 저면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광원 모듈을 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광원 모듈을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광원 모듈(10)은 기판(100), 상기 기판(100) 상에 실장되는 복수의 발광소자(200), 상기 기판(100) 상에 부착되는 렌즈(300), 상기 복수의 발광소자(200)와 상기 렌즈(300) 사이에 개재되는 완충 필름(400)을 포함하여 구성될 수 있다.
기판(100)은 FR4 타입의 인쇄회로기판(PCB) 혹은 변형이 쉬운 플렉서블 인쇄회로기판일 수 있고, 에폭시, 트리아진, 실리콘, 및 폴리이미드 등을 함유하는 유기 수지 소재 및 기타 유기 수지 소재로 형성될 수 있다. 또한, 실리콘 나이트라이드, AlN, Al2O3 등의 세라믹 소재로 형성되거나, MCPCB, MCCL 등과 같이 금속 및 금속화합물을 소재로 하여 형성될 수 있다.
상기 기판(100)은 길이 방향으로 길이가 긴 직사각형 형상의 솔리드 또는 플렉서블 플레이트 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(100)은 자가(Zhaga) 표준 모듈에서 규정하는 규격에 부합하는 구조를 가질 수 있다.
발광소자(200)는 복수개로 구비되어 상기 기판(100)의 일면 상에 실장 및 일렬로 배열될 수 있다. 그리고, 상기 기판(100)에 구비되는 회로 배선(110)과 전기적으로 접속될 수 있다.
상기 발광소자(200)는 외부에서 인가되는 구동 전원에 의해 소정 파장의 광을 발생시키는 광전소자라면 어느 것이나 이용 가능하며, 대표적으로, 성장 기판 상에 반도체층을 에피텍셜 성장시킨 반도체 발광다이오드(LED)를 포함할 수 있다. 상기 발광소자(200)는 함유되는 물질 또는 형광체에 따라서 청색 광, 녹색 광 또는 적색 광을 발광할 수 있으며, 백색 광, 자외 광 등을 발광할 수도 있다.
도3 내지 도5에서는 본 실시 형태에 따른 광원 모듈에 채용될 수 있는 발광소자의 다양한 실시예를 개략적으로 나타내고 있다. 도3은 도1의 광원 모듈에 채용될 수 있는 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도4 및 도5는 발광소자의 다른 실시예를 각각 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도3을 참조하면, 상기 발광소자(200)는 성장 기판(201)상에 순차적으로 적층된 제1 도전형 반도체층(210), 활성층(230) 및 제2 도전형 반도체층(220)을 포함할 수 있다. 본 명세서에서, '상', '상부', '상면', '하', '하부', '하면', '측면' 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 소자나 장치가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있을 것이다.
성장 기판(201) 상에 적층되는 복수의 제1 도전형 반도체층(210)은 n형 불순물이 도핑된 n형 질화물 반도체층일 수 있다. 그리고, 복수의 제2 도전형 반도체층(220)은 p형 불순물이 도핑된 p형 질화물 반도체층일 수 있다. 다만, 실시 형태에 따라서 제1 및 제2 도전형 반도체층(210, 220)은 위치가 바뀌어 적층될 수도 있다. 이러한 제1 및 제2 도전형 반도체층(210, 220)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x＜1, 0≤y＜1, 0≤x+y＜1)을 가지며, 예컨대, GaN, AlGaN, InGaN, AlInGaN 등의 물질이 이에 해당될 수 있다.
제1 및 제2 도전형 반도체층(210, 220) 사이에 배치되는 활성층(230)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출한다. 활성층(230)은 제1 및 제2 도전형 반도체층(210, 220)의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 도전형 반도체층(210, 220)이 GaN계 화합물 반도체인 경우, 활성층(230)은 GaN의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 InGaN계 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 또한, 활성층(230)은 양자우물층과 양자장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(Multiple Quantum Wells, MQW) 구조, 예컨대, InGaN/GaN 구조가 사용될 수도 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니므로 상기 활성층은 단일 양자우물 구조(Single Quantum Well, SQW)가 사용될 수도 있다.
상기 발광소자(200)는 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(210, 220)과 각각 전기적으로 접속하는 제1 및 제2 전극 패드(240a, 240b)를 구비할 수 있다. 그리고, 플립 칩 본딩 방식을 통한 칩 온 보드(Chip On Board) 타입의 구조를 구현하기 위해 상기 제1 및 제2 전극 패드(240a, 240b)는 상기 발광소자(200)의 일면에서 동일한 방향을 향해 노출 및 배치될 수 있다. 여기서, 상기 발광소자(200)의 일면은 상기 발광소자(200)가 기판(100) 상에 실장되는 실장면으로 정의될 수 있다.
상기 발광소자(200)는 플립 칩 본딩 방식에 따라 상기 제1 및 제2 전극 패드(240a, 240b)와 상기 회로 배선(110) 사이에 개재되는 솔더(S)를 통해 상기 기판(100)상에 실장 및 전기적으로 접속될 수 있다.
도4에 도시된 발광소자(200')는 성장 기판(201) 상에 형성된 반도체 적층체를 포함한다. 상기 반도체 적층체는 제1 도전형 반도체층(210), 활성층(230) 및 제2 도전형 반도체층(220)을 포함할 수 있다.
상기 발광소자(200')는 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(210, 220)에 각각 접속된 제1 및 제2 전극 패드(240a, 240b)를 포함한다. 상기 제1 전극 패드(240a)는 제2 도전형 반도체층(220) 및 활성층(230)을 관통하여 제1 도전형 반도체층(210)과 접속된 도전성 비아(2401a) 및 도전성 비아(2401a)에 연결된 전극 연장부(2402a)를 포함할 수 있다. 도전성 비아(2401a)는 절연층(2250)에 의해 둘러싸여 활성층(230) 및 제2 도전형 반도체층(220)과 전기적으로 분리될 수 있다. 도전성 비아(2401a)는 반도체 적층체가 식각된 영역에 배치될 수 있다. 도전성 비아(2401a)는 접촉 저항이 낮아지도록 개수, 형상, 피치 또는 제1 도전형 반도체층(210)과의 접촉 면적 등을 적절히 설계할 수 있다. 또한, 도전성 비아(2401a)는 반도체 적층체 상에 행과 열을 이루도록 배열됨으로써 전류 흐름을 개선시킬 수 있다. 상기 제2 전극 패드(240b)는 제2 도전형 반도체층(220) 상의 오믹 콘택층(2401b) 및 전극 연장부(2402b)를 포함할 수 있다.
도5에 도시된 발광소자(200'')는 성장 기판(201)과, 상기 성장 기판(201) 상에 형성된 제1 도전형 베이스층(202)과, 상기 제1 도전형 베이스층(202) 상에 형성된 복수의 나노 발광구조물(260)을 포함한다. 그리고, 절연층(203) 및 충진부(204)를 더 포함할 수 있다.
나노 발광구조물(260)은 제1 도전형 반도체 코어(261)와 그 코어(261)의 표면에 셀층으로 순차적으로 형성된 활성층(262) 및 제2 도전형 반도체층(263)을 포함한다.
본 예에서, 나노 발광구조물(260)은 코어-셀(core-shell) 구조로서 예시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 피라미드 구조와 같은 다른 구조를 가질 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체 베이스층(202)은 나노 발광구조물(260)의 성장면을 제공하는 층일 수 있다. 상기 절연층(203)은 나노 발광구조물(260)의 성장을 위한 오픈 영역을 제공하며, SiO2 또는 SiNx와 같은 유전체 물질일 수 있다. 상기 충진부(204)는 나노 발광구조물(260)을 구조적으로 안정화시킬 수 있으며, 빛을 투과 또는 반사하는 역할을 수행할 수 있다. 이와 달리, 상기 충진부(204)가 투광성 물질을 포함하는 경우, 충진부(204)는 SiO2, SiNx, 탄성 수지, 실리콘(silicone), 에폭시 수지, 고분자 또는 플라스틱과 같은 투명한 물질로 형성될 수 있다. 필요에 따라, 상기 충진부(204)가 반사성 물질을 포함하는 경우, 충진부(204)는 PPA(polypthalamide) 등의 고분자 물질에 고반사성을 가진 금속분말 또는 세라믹 분말이 사용될 수 있다. 고반사성 세라믹 분말로서는, TiO2, Al2O3, Nb2O5, Al2O3 및 ZnO로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다. 이와 달리, 고반사성 금속이 사용될 수도 있으며. Al 또는 Ag와 같은 금속일 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 패드(240a, 240b)는 나노 발광구조물(260)의 하면에 배치될 수 있다. 상기 제1 전극 패드(240a)는 제1 도전형 반도체 베이스층(202)의 노출된 상면에 위치하고, 제2 전극 패드(240b)는 나노 발광구조물(260) 및 충진부(204)의 하부에 형성되는 오믹 콘택층(2403b) 및 전극 연장부(2404b)를 포함한다. 이와 달리, 오믹 콘택층(2403b)과 전극 연장부(2404b)는 일체로 형성될 수도 있다.
도6a 내지 도6e는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조 반도체 발광소자 제조방법을 설명하기 위한 주요 공정별 단면도이다.
본 제조방법은 제1 도전형 반도체로 이루어진 베이스층(205)을 제공하는 단계로 시작된다.
도6a에 도시된 바와 같이, 성장 기판(201) 상에 제1 도전형 반도체를 성장시켜 베이스층(205)을 제공할 수 있다.
상기 성장 기판(201)으로는 필요에 따라 절연성, 도전성 또는 반도체 기판이 사용될 수 있다. 상기 성장 기판(201)은 상기 베이스층(205)을 성장하기 위한 결정성장용 기판일 수 있다. 상기 베이스층(205)이 질화물 반도체일 경우에, 상기 성장 기판(201)은 사파이어, SiC, Si, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN 중 선택될 수 있다.
상기 베이스층(205)은 나노 발광구조물(270)을 성장시키는 결정 성장면을 제공할 뿐만 아니라, 복수의 나노 발광구조물(270)의 일단을 서로 전기적으로 연결할 수 있다. 따라서, 상기 베이스층(205)은 전기적 도전성을 갖는 반도체 단결정으로 형성된다. 상기 베이스층(205)은 AlxInyGa1 -x- yN (0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1)을 만족하는 결정일 수 있다.
상기 베이스층(205)은 특정 도전형을 갖도록 Si와 같은 n형 불순물로 도프될 수 있다. 상기 베이스층(205)은 1×1018/㎤ 이상의 n형 불순물 농도를 갖는 GaN을 포함할 수 있다. 나노 코어(271)의 성장을 위해서 제공되는 상기 베이스층(205)의 두께는 1㎛ 이상일 수 있다. 후속 전극형성공정 등을 고려하여, 상기 베이스층(205)의 두께는 3∼10㎛일 수 있다.
상기 베이스층(205)으로 질화물 반도체 단결정을 성장시킬 경우에, 상기 성장 기판(201)은 동종 기판인 GaN 기판일 수도 있으며, 이종 기판으로는 사파이어, 실리콘(Si) 기판, 실리콘 카바이드(SiC) 기판 등이 사용될 수 있다. 필요에 따라, 성장 기판(201)과 베이스층(205) 사이에는 버퍼층(미도시)을 도입하여 격자부정합의 차이를 완화시킬 수 있다. 상기 버퍼층(미도시)은 AlxInyGa1 -x- yN (0≤x＜1, 0≤y＜1, 0≤x+y＜1), 특히 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, 또는 InGaAlN일 수 있으며, 복수의 층을 조합하거나, 조성을 점진적으로 변화시켜 사용할 수도 있다.
상기 성장 기판(201)으로서, 실리콘을 사용하는 경우에는 GaN와 열팽창 계수 차이로 인해 휨 또는 파손이 발생되거나 격자 상수 차이로 인해 결함 발생 가능성도 크므로, 결함 발생 제어뿐만 아니라 휨을 억제하기 위한 응력 제어를 동시에 해줘야 하기 때문에 복합 구조의 버퍼층을 사용한다. 예를 들어, 먼저 성장 기판(201) 상에 AlN 또는 SiC와 같이 Si와 Ga 반응을 막기 위해 Ga을 포함하지 않은 결정을 이용하며, 복수의 AlN층을 사용하는 경우에, 그 사이에 GaN 중간에 응력을 제어하기 위한 AlGaN 중간층을 삽입할 수 있다.
상기 성장 기판(201)은 LED 구조 성장 전 또는 후에 LED 칩의 광 또는 전기적 특성을 향상시키기 위해 칩 제조 과정에서 완전히 또는 부분적으로 제거되거나 패터닝될 수도 있다. 예를 들어, 사파이어 기판인 경우는 레이저를 성장 기판(201)을 통해 베이스층(205)과의 계면에 조사하여 성장 기판을 분리할 수 있으며, 실리콘이나 실리콘 카바이드 기판은 연마/에칭 등의 방법에 의해 제거할 수 있다.
상기 성장 기판을 제거할 경우에, 다른 지지 기판을 사용할 수 있다. 이러한 지지 기판은 LED 칩의 광효율을 향상시키게 위해서, 반사 금속을 사용하여 접합하거나 반사 구조를 접합층의 중간에 삽입할 수 있다.
상기 성장 기판을 패터닝할 경우에는, 성장 기판의 주면(표면 또는 양쪽면) 또는 측면에 단결정 성장 전 또는 후에 요철 또는 경사면을 형성하여 광추출 효율과 결정성을 향상시킬 수 있다. 패턴의 크기는 5㎚ ~ 500㎛ 범위에서 선택될 수 있으며, 규칙 또는 불규칙한 패턴으로 광 추출 효율을 좋게 하기 위한 구조면 가능하다. 모양도 기둥, 산, 반구형 등의 다양한 형태를 채용할 수 있다.
이어, 도6b에 도시된 바와 같이, 상기 베이스층(205) 상에 복수의 개구(H)를 가지며 식각정지층이 개재된 마스크(206)를 형성한다.
본 실시예에 채용된 마스크(206)는 상기 베이스층(205) 상에 형성된 제1 물질층(206a)과, 상기 제1 물질층(206a) 상에 형성되며 상기 제1 물질층의 식각 조건하에서 제1 물질층(206a)의 식각률보다 큰 식각률을 갖는 제2 물질층(206b)을 포함할 수 있다.
상기 제1 물질층(206a)은 상기 제2 물질층(206b)에 대해 식각정지층으로 제공될 수 있다. 즉, 상기 제1 물질층(206a)은 제2 물질층(206b)의 식각 조건하에서 상기 제2 물질층(206b)의 식각률보다 낮은 식각률을 갖는다.
적어도 상기 제1 물질층(206a)은 전기적인 절연성을 갖는 물질이며, 필요에 따라 상기 제2 물질층(206b)도 절연 물질일 수 있다. 상기 제1 및 제2 물질층(206a,206b)은 원하는 식각률 차이를 위해서 서로 다른 물질일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 물질층(206a)은 SiN이며, 상기 제2 물질층(206b)은 SiO2일 수 있다.
이와 달리, 이러한 식각률의 차이는 공극밀도를 이용하여 구현될 수 있다. 상기 제2 물질층(206b) 또는 제1 및 제2 물질층(206a,206b) 모두를 다공성 구조의 물질로 채용하여 그 공극률의 차이를 조절하여 제1 및 제2 물질층(206a,206b)의 식각률의 차이를 확보할 수 있다. 이 경우에는 제1 및 제2 물질층(206a,206b)은 동일한 물질로 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 물질층(206a,206b)의 총 두께는 원하는 나노 발광구조물의 높이를 고려하여 설계될 수 있다. 상기 제1 물질층(206a)은 상기 제2 물질층(206b)의 두께보다 작은 두께를 갖는다. 상기 제1 물질층(206a)에 의한 식각 정지 레벨은 상기 베이스층(205) 표면으로부터 상기 마스크(206)의 전체 높이, 즉 상기 제1 및 제2 물질층(206a,206b)의 총 두께의 1/3 이하의 지점일 수 있다. 다시 말해, 제1 물질층(206a)은 상기 제1 및 제2 물질층(206a,206b)의 전체 두께의 1/3 이하의 두께일 수 있다.
상기 마스크(206)의 전체 높이, 상기 제1 및 제2 물질층(206a,206b)의 총 두께는, 1㎛이상, 바람직하게는 5∼10㎛일 수 있다. 상기 제1 물질층(206a)은 0.5㎛이하일 수 있다.
상기 제1 및 제2 물질층(206a,206b)을 순차적으로 베이스층(205) 상에 형성한 후에, 복수의 개구(H)를 형성하여 상기 베이스층(205) 영역을 노출시킬 수 있다(도6b). 상기 베이스층(205)의 표면을 노출시키는 개구(H)의 사이즈는 원하는 나노 발광구조물의 사이즈를 고려하여 설계될 수 있다. 예를 들어, 상기 개구(H)는 폭(직경)의 300㎚이하, 나아가 50∼500㎚가 되도록 형성될 수 있다.
상기 마스크(206)의 개구(H)는 반도체 공정의 포토 리소그래피 공정을 이용하여 제조될 수 있으며, 예를 들어, 딥 에칭(deep-etching) 공정을 이용하여 높은 종횡비를 갖는 개구(H)를 형성할 수 있다. 상기 개구(H)의 종횡비는 5:1 이상, 나아가 10:1 이상으로도 구현될 수 있다.
일반적으로, 딥 에칭 공정은 플라즈마로부터 반응성 이온을 이용하거나 높은 진공에서 발생되는 이온빔을 이용할 수 있다. 이러한 딥 에칭 공정은 건식공정으로 습식 식각과 비교하여 미세구조를 기하학적 제한 없이 정밀한 가공을 진행할 수 있다. 주로 상기 마스크(206)의 산화막 에칭은 CF 계열 가스를 이용할 수 있다. 예를 들어 CF4, C2F6, C3F8, C4F8, CHF3와 같은 가스에 O2 및 Ar 중 적어도 하나를 조합한 에천트를 이용할 수 있다.
이러한 개구(H)의 평면 형상과 배열은 다양하게 구현될 수 있다. 예를 들어, 평면 형상의 경우에는, 다각형, 사각형, 타원형, 원형과 같이 다양하게 구현될 수 있다. 도6b에 도시된 마스크(206)는 도7a에 도시된 바와 같이, 단면이 원형인 개구(H)의 어레이를 가질 수 있으나, 필요에 따라 다른 형상 및 다른 배열을 가질 수 있다. 예를 들어, 도7b에 도시된 마스크(206')와 같이, 단면이 정육각형인 개구의 어레이를 가질 수 있다.
도6b에 도시된 개구(H)는 로드(rod) 구조로 예시되어 있으나, 이에 한정되지 아니하며, 적절한 식각공정을 이용하여 다양한 형상을 가질 수 있다. 상기 개구(H)의 형상은 식각 조건에 따라 달라질 수 있다.
이러한 예로서, 도8a 및 도8b에 다른 형상의 개구를 갖는 마스크가 도시되어 있다. 도8a를 참조하면, 제1 및 제2 물질층(207a,207b)로 이루어진 마스크(207)는, 하부로 갈수록 폭이 작아지는 형상의 기둥구조의 개구(H)를 갖는 것으로 예시되어 있다. 이와 달리, 도8b을 참조하면, 제1 및 제2 물질층(207a',207b')으로 이루어진 마스크(207')는 하부로 갈수록 폭이 커지는 형상의 기둥구조의 개구(H)를 갖는 것으로 예시되어 있다.
다음으로, 도6c에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 개구(H)가 충진되도록 상기 베이스층(205)의 노출된 영역에 제1 도전형 반도체를 성장시킴으로써 복수의 나노 코어(271)를 형성할 수 있다.
상기 나노 코어(271)의 제1 도전형 반도체는 n형 질화물 반도체일 수 있으며, 예를 들어, n형 AlxInyGa1 -x- yN (0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1)을 만족하는 결정일 수 있다. 상기 나노 코어를 구성하는 제1 도전형 반도체는 상기 베이스층(205)의 제1 도전형 반도체와 동일한 물질일 수 있다. 예를 들어, 상기 베이스층(205)과 상기 나노 코어(271)는 n형 GaN으로 형성될 수 있다.
상기 나노 코어(271)를 구성하는 질화물 단결정은 MOCVD 또는 MBE 공정을 이용하여 형성될 수 있으며, 상기 마스크(206)는 성장되는 질화물 단결정의 몰드로 작용하여 개구(H)의 형상에 대응되는 나노 코어(271)를 제공할 수 있다. 즉, 질화물 단결정은 상기 마스크(206)에 의해 상기 개구(H)에 노출된 베이스층(205) 영역에 선택적으로 성장되면서, 상기 개구(H)를 충진하게 되고, 충진되는 질화물 단결정은 그 개구(H)의 형상에 대응되는 형상을 가질 수 있다.
이어, 도6d에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 나노 코어(271)의 측면이 노출되도록 식각정지층인 제1 물질층(206a)을 이용하여 상기 마스크(206)를 부분적으로 제거할 수 있다.
본 실시예에서는, 상기 제2 물질층(206b)이 선택적으로 제거될 수 있는 조건으로 식각 공정을 적용하여 상기 제2 물질층(206b)만을 제거하고, 상기 제1 물질층(206a)은 잔류시킬 수 있다. 상기 제1 물질층(206a)은 본 식각공정에서는 식각정지층으로 채용되며, 후속 성장공정에서는 활성층(272) 및 제2 도전형 반도체층(273)이 상기 베이스층(205)과 접속되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다.
다음으로, 도6e에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 나노 코어(271)의 표면에 활성층(272) 및 제2 도전형 반도체층(273)을 순차적으로 성장시킨다.
이러한 공정을 통해서, 나노 발광구조물(270)은 제1 도전형 반도체가 나노 코어(271)로 제공되고, 나노 코어(271)를 감싸는 활성층(272) 및 제2 도전형 반도체층(273)이 쉘층으로 제공되는 코어-쉘(core-shell) 구조를 가질 수 있다.
상기 활성층(272)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 제2 도전형 반도체층(273)은 p형 AlxInyGa1 -x- yN (0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1)을 만족하는 결정일 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(273)은 활성층(272)과 인접한 부분에 전자 차단층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 전자 차단층(미도시)은 복수의 서로 다른 조성의 AlxInyGa1 -x- yN(0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1)을 적층한 구조 또는 AlyGa(1-y)N (0≤y<1)로 구성된 1층 이상의 층을 가질 수 있으며, 활성층(272)보다 밴드갭이 커서 제2 도전형(p형) 반도체층(273)으로 전자가 넘어가는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 채용된 나노 발광구조물(270)은 코어-셀(core-shell) 구조로서 로드 형상으로 예시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 피라미드 구조 또는 피라미드와 로드가 조합된 구조와 같이 다양한 다른 형상을 가질 수 있다.
개구를 갖는 마스크를 몰드로 이용한 나노 발광구조물의 제조공정에서, 결정성을 향상시키기 위해서 추가적인 열처리공정을 도입할 수 있다.
상기 마스크를 제거한 후에, 나노 코어의 표면을 일정한 조건에서 열처리하여 나노 코어의 결정면을 반극성 또는 비극성 결정면과 같이 결정성장에 유리한 안정적인 면으로 전환시킬 수 있다. 이러한 공정은 도10a 및 도10b를 참조하여 설명할 수 있다.
도6e에 도시된 나노구조 반도체 발광소자는 다양한 구조로 전극이 형성될 수 있다. 도9a 내지 도9e에는 전극형성공정의 일 예를 나타내는 주요 공정별 단면도이다.
우선, 도9a에 도시된 바와 같이, 도6e에서 얻어진 나노 발광구조물(270) 상에 콘택 전극층(280)을 형성한다.
상기 콘택 전극층(280)은 상기 나노 발광구조물(270)의 표면에 시드층을 형성한 후에, 전기도금을 실시하여 얻어질 수 있다. 이러한 시드층은 제2 도전형 반도체층(273)과 오믹콘택을 실현할 수 있는 적절한 물질을 채용할 수 있다. 이러한 오믹콘택 물질로는 ZnO, 그래핀층, 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. 예를 들어, 스퍼터링 공정을 이용하여 Ag/Ni/Cr층을 시드층으로 형성한 후에, 전기 도금을 이용하여 Cu/Ni을 형성함으로써 원하는 콘택 전극층(280)을 형성할 수 있다.
본 실시예에서 사용된 콘택 전극층(280)은 반사성 금속층을 도입한 형태이며, 광을 기판 방향으로 추출되는 것으로 이해할 수 있으나, 이에 한정되지 아니하며, 상기 콘택 전극층(280)은 ZnO, 그래핀, ITO와 같은 투명 전극물질을 채용하여 광을 나노 발광구조물(270) 방향으로 추출시킬 수 있다.
본 실시예에서는 채용하지 않았으나, 상기 콘택 전극층(280)이 형성된 표면이 불균일한 경우, 평탄화공정을 도입하여 상기 전극 상면을 평탄화시킬 수도 있다.
다음으로, 도9b에 도시된 바와 같이, 다른 측의 전극을 형성할 영역에 위치한 전극영역(e1)을 선택적으로 제거하여 나노 발광구조물(270)을 노출시키고, 이어 도9c에 도시된 바와 같이, 노출된 나노 발광구조물(270)을 선택적으로 제거하여 베이스층(205)의 일부 영역(e2)을 노출시킬 수 있다.
도9b에 도시된 공정은 금속과 같은 전극물질에 대한 식각공정이며, 도9c에 도시된 공정은 반도체 물질에 대한 식각공정이고, 두 식각 공정은 서로 상이한 조건에서 실행될 수 있다.
이어, 도9d와 같이, 전극의 콘택 영역(Ta,Tb)이 노출되도록 절연막(290)을 형성한다. 제1 전극의 콘택영역(Ta)은 상기 베이스층(205)의 노출 영역으로 제공되며, 제2 전극의 콘택영역(Tb)은 상기 콘택 전극층(280)의 일부 영역으로 제공될 수 있다.
다음으로, 도9e와 같이, 제1 및 제2 전극의 콘택 영역(Ta,Tb)에 연결되도록 제1 및 제2 전극 패드(240a,240b)를 형성한다. 본 공정에서 사용되는 전극 물질은 제1 및 제2 전극 패드(240a,240b)의 공통 전극물질이 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 전극 패드(240a,240b)를 위한 물질은 Au, Ag, Al, Ti, W, Cu, Sn, Ni, Pt, Cr, NiSn, TiW, AuSn 또는 이들의 공융 금속일 수 있다.
도11a 내지 도11e는 특정 예의 마스크(207)를 이용하여 나노 발광구조물을 형성하는 공정을 설명하는 주요공정별 단면도이다.
도11a에 도시된 바와 같이, 마스크(207)를 이용하여 베이스층(205) 상에 나노 코어(271)를 성장시킬 수 있다. 상기 마스크(207)는 아래로 갈수록 좁아지는 폭의 개구(H)를 갖는다. 상기 나노 코어(271)는 상기 개구(H)의 형상에 대응되는 형상으로 성장될 수 있다.
상기 나노 코어(271)의 결정 품질을 더 향상시키기 위해서, 성장 중 1회 이상의 열처리 공정을 도입할 수 있다. 특히, 성장 중 나노 코어(271)의 상단 표면이 육각 피라미드의 결정면으로 재배열시킴으로써 보다 안정적인 결정구조를 갖출 수 있으며, 후속 성장되는 결정의 높은 품질을 보장할 수 있다.
이러한 열처리 공정은 앞서 설명된 온도 조건에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 공정 편의를 위해서 나노 코어(271)의 성장온도와 동일하거나 유사한 온도 조건에서 수행될 수 있다. 또한, NH3 분위기에서 상기 나노 코어(271)의 성장 압력과 온도와 동일하거나 유사한 수준의 압력/온도를 유지하면서 TMGa와 같은 금속 소스를 중단하는 방식으로 수행될 수 있다. 이러한 열처리공정은 수 초 내지 수십 분(예, 5초∼30분)동안에 지속될 수 있으나, 약 10초 ∼ 약 60초의 지속시간으로도 충분한 효과를 얻을 수 있다.
이와 같이, 나노 코어(271)의 성장과정에서 도입되는 열처리공정은 나노 코어(271)를 빠른 속도로 성장될 때에 야기되는 결정성의 퇴보를 방지할 수 있으므로, 빠른 결정 성장과 함께 우수한 결정품질을 함께 도모할 수 있다.
이러한 안정화를 위한 열처리 공정 구간의 시간과 횟수는 최종 나노 코어의 높이와 직경에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들어, 개구의 폭이 300∼400㎚이고, 개구의 높이(마스크 두께)가 약 2.0㎛인 경우에, 중간지점인 약 1.0㎛에서 약 10초 ∼ 약 60초의 안정화 시간을 삽입하여 원하는 고품질의 코어를 성장시킬 수 있다. 물론, 이러한 안정화 공정은 코어 성장 조건에 따라 생략할 수도 있다.
이어, 도11b에 도시된 바와 같이, 상기 나노 코어(271)의 상단에 고저항층인 전류억제 중간층(271a)을 형성할 수 있다.
상기 나노 코어(271)를 원하는 높이로 형성한 후에, 상기 마스크(207)를 그대로 둔 채로 상기 나노 코어(271)의 상단 표면에 전류억제 중간층(271a)을 형성할 수 있다. 이와 같이, 마스크(207)를 그대로 이용함으로써 별도의 마스크를 형성하는 공정 없이, 나노 코어(271)의 원하는 영역(상단의 표면)에 전류억제 중간층(271a)을 용이하게 형성할 수 있다.
상기 전류억제 중간층(271a)은 고의적으로 도프되지 않거나 상기 나노 코어(271)와 반대되는 제2 도전형 불순물로 도프된 반도체층일 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 코어(271)가 n형 GaN일 경우에, 상기 전류억제 중간층(271a)은 언도프 GaN 또는 p형 불순물인 Mg를 도프한 GaN일 수 있다. 이 경우에, 동일한 성장공정에서 불순물만을 전환함으로써 나노 코어(271)와 전류억제 중간층(271a)을 연속적으로 형성할 수 있다. 예를 들어, n형 GaN 나노 코어의 성장과 동일한 조건에서 Si 도핑을 중지하고 Mg을 주입하여 약 1분 정도 성장시킬 경우 전류억제 중간층(271a)은 약 200㎚ ∼ 약 300㎚의 두께(t)를 갖도록 형성할 수 있으며, 이러한 전류억제 중간층은 수㎂ 이상의 누설전류를 효과적으로 차단시킬 수 있다. 이와 같이, 본 실시예와 같은 몰드방식 공정에서는 전류억제 중간층의 도입공정이 간소화하게 구현될 수 있다.
이어, 도11c에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 나노 코어(271)의 측면이 노출되도록 상기 식각정지층인 제1 물질층(207a)까지 상기 마스크(207)를 제거한다.
본 실시예에서는, 상기 제2 물질층(207b)이 선택적으로 제거될 수 있는 식각 공정을 적용함으로써, 상기 제2 물질층(207b)만을 제거하고 상기 제1 물질층(207a)은 잔류시킬 수 있다. 상기 잔류한 제1 물질층(207a)은 후속 성장공정에서는 활성층 및 제2 도전형 반도체층이 상기 베이스층(205)과 접속되는 것을 방지하는 역할을 한다.
본 실시예와 같이, 개구를 갖는 마스크를 몰드로 이용한 나노 발광구조물의 제조공정에서, 결정성을 향상시키기 위해서 추가적인 열처리공정을 도입할 수 있다.
상기 마스크의 제2 물질층(207b)을 제거한 후에, 나노 코어(271)의 표면을 일정한 조건에서 열처리하여 나노 코어(271)의 불안정한 결정면을 안정적인 결정면으로 전환시킬 수 있다(도10a 및 도10b 참조). 특히, 본 실시예와 같이, 나노 코어(271)가 경사진 측벽을 갖는 개구에서 성장되므로, 그 형상에 대응하여 경사진 측벽을 갖는 형태를 가졌으나, 열처리 공정 후의 나노 코어(271')는 결정의 재배열과 함께 재성장이 일어나서 개구부(H) 직경보다 큰 거의 균일한 직경(또는 폭)을 가질 수 있다(도11d). 또한, 성장된 직후의 나노 코어(271)의 상단도 불완전한 육각 피라미드 형상을 가질 수 있으나, 열처리 공정 후의 나노 코어(271')는 균일한 표면을 갖는 육각 피라미드 형상으로 변화될 수 있다. 이와 같이, 마스크 제거 후에 불균일한 폭을 갖던 나노 코어(271)는 열처리 공정을 통해서 균일한 폭을 갖는 육각 피라미드 기둥 구조의 나노 코어(271')로 재성장(및 재배열)될 수 있다.
렌즈(300)는 상기 기판(100)의 상기 일면 상에 부착되며, 상기 복수의 발광소자(200)를 일체로 덮을 수 있다. 그리고, 상기 렌즈(300)는 상기 기판(100)과 접하는 바닥면에 상기 복수의 발광소자(200)를 수용하는 수용홈(310)을 구비할 수 있다.
상기 렌즈(300)는 상기 기판(100) 상에 놓여 상기 기판(100)과 접하며 중앙에 상기 수용홈(310)이 구비되는 플랜지부(320) 및 상기 수용홈(310)의 상부에서 상기 플랜지부(320) 위로 볼록하게 돌출되는 렌즈부(330)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 렌즈부(330)는 반구 혹은 타원 형상으로 볼록한 단면 구조를 가지며, 상기 수용홈(310)과 함께 상기 기판(100)의 길이 방향을 따라 배열된 상기 복수의 발광소자(200)를 따라서 연장될 수 있다.
상기 렌즈부(330)는 상기 발광소자(200)가, 예를 들어, 1.32mm×1.32mm의 정방형일 경우, 직경 2mm~3mm의 반구 형태를 구성하며, 이때 플랜지부(320)는 10mm 이상의 기구부를 구성하여 상기 기판(100)상에 안착 시 강건성을 확보한다. 상기 렌즈부(330)의 높이는 렌즈부(330)가 직경 2mm~3mm의 반구 형태이므로 1~1.5mm사이로 구성된다. 발광소자(200) 사이즈가 변경 시 렌즈부(330)의 직경은 발광소자가 정방형의 사각형일 경우 발광소자 한 변의 길이의 2배가 넘지 않는 반구 형태로 구성할 수 있다.
상기 플랜지부(320)에는 상기 기판(100)과 마주하는 바닥면으로부터 연장되는 고정 핀(340)이 더 구비될 수 있다. 상기 고정 핀(340)은 상기 렌즈(300)가 상기 기판(100)에 부착되는 경우 상기 기판(100)에 삽입되어 상기 렌즈(300)가 보다 물리적으로 견고하게 상기 기판(100)에 체결될 수 있도록 한다. 그리고, 상기 기판(100)에는 상기 고정 핀(340)이 삽입되는 관통홀(120)이 구비될 수 있다. 이 경우 상기 관통홀(120)은 상기 고정 핀(340)과 함께 상기 렌즈(300)와 상기 기판(100)의 체결을 위한 피두셜 마크(fiducial mark)로서 기능을 할 수 있다. 즉, 상기 렌즈(300)를 상기 기판(100) 상에 부착하는데 있어서 올바른 위치를 직관적으로 확인할 수 있으며, 상기 고정 핀(340)을 관통홀(120)에 삽입함으로써 용이하게 렌즈(300)를 기판(100)에 체결할 수 있다.
상기 렌즈(300)는 상기 복수의 발광소자(200)에서 발광된 광이 외부로 조사될 수 있도록 투광성을 갖는 수지 재질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 등을 포함할 수 있다. 또한, 글라스 재질로 이루어질 수도 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 상기 렌즈(300)는, 예를 들어, 금형을 사용한 사출 성형 방식을 통해 형성될 수 있다.
상기 렌즈(300)를 통해 외부로 조사되는 광의 지향각 조절을 위해 상기 렌즈(300)에는 광확산 물질이 함유될 수 있다. 광확산 물질로는, 예컨대 SiO2, TiO2, Al2O3 등이 사용될 수 있다. 상기 렌즈(300)의 표면 및/혹은 수용홈(310)에는 요철 구조를 추가로 형성할 수도 있다.
또한, 상기 렌즈(300)를 통해 외부로 조사되는 광의 파장변환을 위해 상기 렌즈(300)에는 파장변환물질이 함유될 수 있다. 파장변환물질로는, 예컨대 상기 복수의 발광소자(200)에서 발생된 광에 의해 여기되어 다른 파장의 광을 방출하는 형광체가 적어도 1종 이상 함유될 수 있다. 이를 통해 백색광을 비롯해 다양한 색상의 광이 방출될 수 있도록 조절할 수 있다. 특히, 렌즈(300)에 형광체가 함유됨으로써 발광소자(200)에 의한 열부하가 감소되는 효과가 있다.
예를 들어, 발광소자(200)가 청색 광을 발광하는 경우, 황색, 녹색, 적색 또는 오랜지색의 형광체를 조합하여 백색 광을 발광하도록 할 수 있다. 또한, 보라색, 청색, 녹색, 적색 또는 적외선을 발광하는 발광소자 중 적어도 하나를 포함하게 구성할 수도 있다. 이 경우, 발광소자(200)는 연색성(CRI)을 나트륨(Na)등(연색지수 40)에서 태양광(연색지수 100) 수준으로 조절할 수 있으며, 또한, 색온도를 2000K에서 20000K 수준으로 다양한 백색 광을 발생시킬 수 있다. 또한, 필요에 따라서는 보라색, 청색, 녹색, 적색, 오랜지색의 가시광 또는 적외선을 발생시켜 주위 분위기 또는 기분에 맞게 색을 조정할 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 LED의 조합으로 만들어지는 백색 광은 2개 이상의 피크 파장을 가지며, 도 12에서 도시하는 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 백색 광의 색 온도는 2000K ~ 20000K사이에 해당한다.
형광체는 다음과 같은 조성식 및 컬러(color)를 가질 수 있다.
산화물계 : 황색 및 녹색 Y3Al5O12:Ce, Tb3Al5O12:Ce, Lu3Al5O12:Ce
실리케이트계 : 황색 및 녹색 (Ba,Sr)2SiO4:Eu, 황색 및 등색 (Ba,Sr)3SiO5:Ce
질화물계 : 녹색 β-SiAlON:Eu, 황색 La3Si6N11:Ce, 등색 α-SiAlON:Eu, 적색 CaAlSiN3:Eu, Sr2Si5N8:Eu, SrSiAl4N7:Eu
플루오라이트(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 알카리토류(II)족의 Ba, Ca, Mg 등으로, Y는 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 부활성제 등이 추가로 적용될 수 있다.
또한, 형광체 대체 물질로 양자점(Quantum Dot, QD) 등의 물질들이 적용될 수 있으며, 형광체와 QD를 혼합 또는 단독으로 사용될 수 있다.
QD는 CdSe, InP 등의 코어(Core)(3~10nm)와 ZnS, ZnSe 등의 셀(Shell)(0.5 ~ 2nm) 및 Core, Shell의 안정화를 위한 리간드(ligand)의 구조로 구성될 수 있으며, 사이즈에 따라 다양한 컬러를 구현할 수 있다.
아래 표 1은 청색 LED(440 ~ 460nm)를 사용한 백색 발광소자의 응용분야별 형광체 종류이다.
용도 형광체
LED TV BLU β-SiAlON:Eu2+
(Ca, Sr)AlSiN3:Eu2+
La3Si6N11:Ce3+
K2SiF6:Mn4+
조명 Lu3Al5O12:Ce3+
Ca-α-SiAlON:Eu2+
La3Si6N11:Ce3+
(Ca, Sr)AlSiN3:Eu2+
Y3Al5O12:Ce3+
K2SiF6:Mn4+
Side View
(Mobile, Note PC)		 Lu3Al5O12:Ce3+
Ca-α-SiAlON:Eu2+
La3Si6N11:Ce3+
(Ca, Sr)AlSiN3:Eu2+
Y3Al5O12:Ce3+
(Sr, Ba, Ca, Mg)2SiO4:Eu2+
K2SiF6:Mn4+
전장
(Head Lamp, etc.)		 Lu3Al5O12:Ce3+
Ca-α-SiAlON:Eu2+
La3Si6N11:Ce3+
(Ca, Sr)AlSiN3:Eu2+
Y3Al5O12:Ce3+
K2SiF6:Mn4+
완충 필름(400)은 상기 복수의 발광소자(200)와 상기 렌즈(300) 사이에 개재되며, 상기 복수의 발광소자(200)의 상면과 상기 수용홈(310)의 내측면에 각각 밀착되어 구비될 수 있다. 이를 통해 상기 발광소자(200)와 상기 렌즈(300) 사이에 공기 간극이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
통상 발광소자(200)를 구성하는 반도체층은 공기보다 높은 굴절률을 가지며, 따라서 발광소자(200)에서 발생된 광은 발광면으로 정의되는 상기 발광소자(200)의 상면과 공기와의 경계면에서 전반사되어 발광소자(200)의 외부로 진행하지 못하는 현상이 발생할 수 있다. 이는 발광소자(200)의 광추출 효율을 저하시키는 문제로 이어진다. 이러한 문제는 발광소자(200)의 상면에 공기 및 발광소자(200)보다 높은 굴절률을 갖는 완충 필름(400)을 접합함으로써 해결할 수 있다. 즉, 발광소자(200)와 완충 필름(400) 사이의 계면에서 굴절률 조절을 통해 광이 전반사되지 않고 굴절되어 렌즈(300)를 향해 진행하도록 할 수 있다. 물론, 완충 필름(400)과 렌즈(300) 사이의 계면에서도 전반사가 발생하지 않는 굴절률 조건을 만족할 필요가 있다. 즉, 완충 필름(400)의 굴절률은 발광소자(200)보다 크고, 렌즈(300)보다는 작거나 적어도 같을 필요가 있다. 따라서, 발광소자(200)의 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 완충 필름(400)은 광투과 특성과 어느 정도의 탄성을 갖는 재질로 이루어질 수 있으며, 예컨대, 실리콘 재질을 사용하여 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 완충 필름(400)은 상기 수용홈(310)을 따라 상기 기판(100)의 길이 방향으로 연장되어 구비될 수 있다.
또한, 상기 렌즈(300)를 통해 외부로 조사되는 광의 파장변환을 위해 상기 완충 필름(400)에는 파장변환물질이 함유될 수 있다. 파장변환물질로는, 예컨대 상기 발광소자(200)에서 발생된 광에 의해 여기되어 다른 파장의 광을 방출할 수 있는 형광체가 적어도 1종 이상 함유될 수 있다. 이를 통해 백색광을 비롯해 다양한 색상의 광이 방출될 수 있도록 조절할 수 있다. 상기 완충 필름(400)에는 상기 형광체로부터의 광과 발광소자(200)로부터의 광의 균일한 혼합을 위해 광확산 물질이 추가로 함유될 수 있다. 광확산 물질로는, 예컨대 SiO2, TiO2, Al2O3 등이 사용될 수 있다.
한편, 상기 기판(100) 상에는 상기 복수의 발광소자(200)와 상기 기판(100) 표면과의 사이에 존재하는 공간(A)을 채우도록 수지부(500)가 더 구비될 수 있다. 상기 공간(A)은 상기 발광소자(200)의 플립 칩 본딩에 따른 상기 전극 패드(240a, 240b)와 기판(100)의 회로 배선(110) 사이에 발생하는 간극으로 인해 형성될 수 있다.
비록 수십 ㎛ 단위의 미세한 간극이지만 간극에 존재하는 공기의 열전도 계수가 0.025W/mK 수준으로 매우 낮기 때문에 간극은 발광소자(200)의 열저항을 증가시키는 역할을 한다.
상기 수지부(500)는 언더필(underfill) 공정을 통해 상기 공간을 채움으로써 공기에 의한 열저항을 감소시킬 수 있다. 그리고, 상기 수지부(500)는 수지에 고열전도성 필러(filler)를 함유하여 이루어질 수 있으며, 이를 통해 방열 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 수지부(500)에는 고광반사 필러가 더 함유될 수 있다. 이를 통해 광원 모듈(10)의 전체적인 광량을 증대시킬 수 있다.
도13a 및 도13b에서 도시하는 바와 같이, 실시 형태에 따라서 상기 기판(100)의 일면에는 상기 수지부(500)가 형성되는 영역을 정의하는 돌출부(510)가 더 구비될 수 있다. 따라서, 언더필을 통해 상기 공간을 채우는 수지부(500)는 기판(100)의 외부로 흘러넘치지 않고 상기 돌출부(510)에 의해 제한된 영역 내에서 형성되도록 할 수 있다. 본 실시 형태에서는 상기 돌출부(510)가 발광소자(200)를 둘러싸는 링 형상으로 형성되는 것으로 예시하고 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
도14a 및 도14b에서는 상기 광원 모듈(10')의 변형예를 각각 개략적으로 나타내고 있다. 도14a에서와 같이, 상기 렌즈(300')의 수용홈(310')은 사각형상의 도 1과 달리 반원형상의 곡면을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 완충 필름(400') 또한 상기 수용홈(310')의 형상에 대응하여 곡면을 갖는 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 도14b에서와 같이, 상기 기판(100')은 그 타면으로 돌출되어 방사상으로 퍼진 상기 렌즈(300)의 고정 핀(340)의 단부를 수용하는 홈(130)을 구비할 수 있다. 상기 홈(130)은 상기 관통홀(120)의 둘레를 따라서 단차 구조를 이루도록 형성될 수 있다. 따라서, 상기 기판(100')의 타면은 추후 조명 장치 등에 장착되는데 있어서 장착이 용이할 수 있도록 편평도를 확보할 수 있다.
도15 내지 도22를 참조하여 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광원 모듈의 제조방법에 대해 설명한다. 도15 내지 도22에서는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광원 모듈의 제조방법을 단계별로 개략적으로 나타내고 있다.
도15a 및 도15b에서 도시하는 바와 같이, 일면에 회로 배선(110)이 구비된 기판(100)을 준비한다.
상기 기판(100)은 일반적인 FR4 타입의 인쇄회로기판(PCB)일 수 있고, 에폭시, 트리아진, 실리콘, 및 폴리이미드 등을 함유하는 유기 수지 소재 및 기타 유기 수지 소재로 형성될 수 있다. 또한, 실리콘 나이트라이드, AlN, Al2O3 등의 세라믹 소재로 형성되거나, MCPCB, MCCL 등과 같이 금속 및 금속화합물을 소재로 하여 형성될 수 있다. 그리고, 상기 기판(100)은 길이 방향으로 길이가 긴 직사각형 형상의 플레이트 구조를 가지도록 형성될 수 있다.
상기 기판(100)에는 복수개의 관통홀(120)이 상기 기판(100)의 길이 방향을 따라서 구비될 수 있다.
아울러, 도16a 및 도16b에서 도시하는 바와 같이, 상기 기판(100)과는 별도로 상기 기판(100) 상에 부착되는 렌즈(300)를 준비한다. 상기 기판(100)과 렌즈(300)는 서로 독립된 별개의 프로세스를 통해 각각 제조되어 준비될 수 있다.
상기 렌즈(300)는 상기 기판(100)의 상기 일면 상에 부착되어 접하는 바닥면에 수용홈(310)을 구비할 수 있다. 구체적으로, 상기 렌즈(300)는 상기 기판(100) 상에 놓여 상기 기판(100)과 접하며 중앙에 상기 수용홈(310)이 구비되는 플랜지부(320) 및 상기 수용홈(310)의 상부에서 상기 플랜지부(320) 위로 볼록하게 돌출되는 렌즈부(330)를 포함하여 형성될 수 있다. 상기 렌즈부(330)는 반원 혹은 타원 형상으로 볼록한 단면 구조를 가지며, 상기 수용홈(310)과 함께 상기 기판(100)의 길이 방향을 따라서 연장될 수 있다.
상기 플렌지부(320)에는 상기 기판(100)과 마주하는 바닥면으로부터 연장되는 고정 핀(340)이 더 형성될 수 있다. 상기 고정 핀(340)은 상기 렌즈(300)를 상기 기판(100)에 부착 시 상기 기판(100)의 관통홀(120)에 삽입되어 상기 렌즈(300)가 보다 물리적으로 견고하게 상기 기판(100)에 체결될 수 있도록 한다.
상기 렌즈(300)는 투광성을 갖는 수지 재질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 등을 포함할 수 있다. 또한, 글라스 재질로 이루어질 수도 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 상기 렌즈(300)는, 예를 들어, 금형을 사용한 사출 성형 방식을 통해 형성될 수 있다.
상기 렌즈(300)에는 광확산 물질이 함유될 수 있다. 광확산 물질로는, 예컨대 SiO2, TiO2, Al2O3 등이 사용될 수 있다. 또한, 상기 렌즈(300)에는 파장변환물질이 함유될 수 있다. 파장변환물질로는, 예컨대 형광체가 사용될 수 있으며, 적어도 1종 이상 함유될 수 있다.
도17a 및 도17b에서는 상기 렌즈(300)의 수용홈(310)의 바닥면에 완충 필름(400)을 부착하는 단계를 개략적으로 나타내고 있다.
상기 완충 필름(400)은 광투과 특성과 어느 정도의 탄성을 갖는 재질로 이루어질 수 있으며, 예컨대, 실리콘 재질을 사용하여 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 완충 필름(400)은 상기 수용홈(310)을 따라 상기 기판(100)의 길이 방향으로 연장되는 띠 형상을 가지며, 지지 필름(410) 상에 지지되는 구조로 마련될 수 있다.
이와 같이 지지 필름(410) 상에 지지되는 상기 완충 필름(400)의 외부로 노출되는 상면을 상기 수용홈(310)의 바닥면에 부착한 후 상기 지지 필름(410)을 제거하여 상기 완충 필름(400)을 상기 수용홈(310)에 부착할 수 있다.
상기 지지 필름(410)은, 예컨대 상기 지지 필름(410)의 일측 단부를 파지한 상태에서 상기 수용홈(310)의 길이 방향을 따라 벗겨내는 방식을 통해 용이하게 제거할 수 있다.
도18a 및 도18b에서는 상기 회로 배선(110)과 전기적으로 접속하도록 상기 기판(100)의 일면 상에 복수의 발광소자(200)를 실장 및 배열하는 단계를 개략적으로 나타내고 있다.
발광소자(200)는 복수개로 구비되어 상기 기판(100)의 일면 상에 실장 및 일렬로 배열될 수 있다. 그리고, 상기 기판(100)에 구비되는 회로 배선(110)과 전기적으로 접속될 수 있다.
상기 발광소자(200)는 외부에서 인가되는 구동 전원에 의해 소정 파장의 광을 발생시키는 광전소자라면 어느 것이나 이용 가능하며, 대표적으로, 성장 기판 상에 반도체층을 에피텍셜 성장시킨 반도체 발광다이오드(LED)를 포함할 수 있다. 상기 발광소자(200)는 함유되는 물질에 따라서 청색 광, 녹색 광 또는 적색 광을 발광할 수 있으며, 백색 광, 자외 광 등을 발광할 수도 있다.
성장 기판(201) 상에 적층되는 제1 도전형 반도체층(210)은 n형 불순물이 도핑된 n형 질화물 반도체층일 수 있다. 그리고, 제2 도전형 반도체층(220)은 p형 불순물이 도핑된 p형 질화물 반도체층일 수 있다. 이러한 제1 및 제2 도전형 반도체층(210, 220)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x＜1, 0≤y＜1, 0≤x+y＜1)을 가지며, 예컨대, GaN, AlGaN, InGaN, AlInGaN 등의 물질이 이에 해당될 수 있다.
상기 발광소자(200)는 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(210, 220)과 각각 전기적으로 접속하는 전극 패드(240a, 240b)를 구비할 수 있다. 그리고, 플립 칩 본딩 방식을 통한 칩 온 보드(COB) 타입의 구조를 구현하기 위해 상기 전극 패드(240a, 240b)는 상기 발광소자(200)의 일면에서 동일한 방향을 향해 노출 및 배치될 수 있다. 여기서, 상기 발광소자(200)의 일면은 상기 발광소자(200)가 기판(100) 상에 실장되는 실장면으로 정의될 수 있다.
상기 발광소자(200)는 플립 칩 본딩 방식에 따라 상기 전극 패드(240a, 240b)와 상기 회로 배선(110)을 연결하는 솔더(S)를 통해 상기 기판(100)상에 실장 및 전기적으로 접속될 수 있다.
도19에서는 상기 복수의 발광소자(200)와 상기 기판(100) 사이의 공간(A)을 채우도록 수지부(500)를 형성하는 단계를 개략적으로 나타내고 있다.
상기 수지부(500)는 수지에 고열전도성 필러(filler) 또는 고광반사 필러를 함유하여 이루어지거나, 수지에 고열전도성 필러 및 고광반사 필러가 함유되어 이루어질 수 있다. 그리고, 언더필 공정을 통해 상기 공간(A)을 채우도록 형성될 수 있다.
실시 형태에 따라서 상기 기판(100)의 일면에는 상기 수지부(500)가 형성되는 영역을 정의하는 돌출부(510)가 더 구비될 수 있다. 따라서, 언더필을 통해 상기 공간을 채우는 수지부(500)는 기판(100)의 외부로 흘러넘치지 않고 상기 돌출부(510)에 의해 제한된 영역 내에서 형성될 수 있다.
도20a 및 도20b에서는 상기 렌즈(300)를 상기 기판(100) 상에 장착하는 단계를 개략적으로 나타내고 있다. 상기 렌즈(300)는 상기 수용홈(310) 내에 부착된 상기 완충 필름(400)이 상기 복수의 발광소자(200)와 마주한 상태에서 상기 복수의 발광소자(200)가 상기 수용홈(310) 내에 수용되도록 상기 기판(100) 상에 실장될 수 있다.
구체적으로, 상기 렌즈(300)의 상기 고정 핀(340)이 상기 기판(100)의 관통홀(120) 상에 위치하도록 상기 렌즈(300)를 배치한 후, 상기 고정 핀(340)이 상기 기판(100)을 관통하여 상기 고정 핀(340)의 단부가 상기 기판(100)의 타면으로 부분 돌출되도록 상기 고정 핀(340)을 관통홀(120)에 삽입한다. 그리고, 상기 렌즈(300)의 플랜지부(320)가 상기 기판(100)의 일면에 놓이는 것으로 상기 렌즈(300)는 상기 기판(100)상에 실장될 수 있다.
상기 복수의 발광소자(200)는 상기 기판(100)의 길이 방향을 따라 연장되는 상기 수용홈(310) 내에 수용되어 일체로 덮이게 되며, 이 경우, 상기 복수의 발광소자(200)의 상면은 상기 수용홈(310)의 바닥면에 부착된 상기 완충 필름(400)과 각각 접촉하게 된다.
도21에서는 열 압착을 통해 상기 렌즈(300)를 상기 기판(100)상에 부착하는 단계를 개략적으로 나타내고 있다. 기판(100) 상에 렌즈(300)가 실장된 상태에서 기판(100)과 렌즈(300)에는 열과 압력이 가해지며, 이러한 열 압착에 의해 상기 렌즈(300)와 기판(100)은 보다 견고하게 체결될 수 있다. 이러한 열 압착 공정은, 예를 들어, 온도가 120±10℃인 히터에서 압력이 8±1MPa을 갖는 유압 프레스를 사용하여 3±1sec의 공정 시간동안 진행할 수 있다.
여기서, 상기 기판(100)의 타면으로 부분 돌출되는 상기 고정 핀(340)의 단부는 열 압착에 의해 상기 기판(100)의 타면을 따라 방사상으로 퍼지도록 변형되어 상기 렌즈(300)가 기구적으로 보다 견고하게 기판(100)에 고정되도록 할 수 있다. 이 경우, 도22에서 도시하는 바와 같이, 상기 기판(100)은 상기 타면에 상기 방사상으로 퍼지는 고정 핀(340)의 단부를 수용하는 홈(130)을 상기 관통홀(120)의 둘레를 따라 구비할 수 있다. 따라서, 상기 기판(100)의 타면은 추후 조명 장치 등에 장착되는데 있어서 장착이 용이할 수 있도록 편평도를 확보할 수 있다.
그리고, 상기 렌즈(300)와 복수의 발광소자(200) 사이에 개재되는 상기 완충 필름(400)은 열 압착에 의해 상기 복수의 발광소자(200) 상면과 상기 수용홈(310) 내면에 각각 밀착되어 상기 복수의 발광소자(200)와 상기 렌즈(300) 사이에 공기 간극이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이, 플립 칩 본딩에 따른 칩 온 보드 타입의 광원 모듈(10)을 제조하는데 있어서 선 가공된 렌즈(300)를 부착하여 복수의 발광소자(200)를 일체로 덮는 방식은 종래의 디스펜싱 공정에 의해 복수의 발광소자를 개별적으로 봉지하는 렌즈를 형성하는 방식에 비해 전체적인 방법이 간단하고 시간이 단축되는 장점을 갖는다. 특히, 종래의 디스펜싱 공정에 의할 경우 렌즈를 형성하는 수지가 일정량으로 디스펜싱되지 못하여 동일한 광특성을 갖는 렌즈들을 제조하기 어려웠고, 발광소자와 기판 사이의 간극에 존재하는 공기가 수지의 경화 과정에서 제거되지 못하고 기포로 남는 경우가 있어서 렌즈의 광학성능 저하 및 신뢰성 저하가 문제되었다.
본 실시 형태에 따른 제조방법에서는 이러한 종래의 문제가 원천적으로 발생하지 않으며, 렌즈가 부착되는 방식에 따라 발광소자와의 사이에 공기 간극이 발생할 수 있는 문제를 완충 필름을 부착함을 통해 용이하게 해결할 수 있다. 특히, 완충 필름의 부착은, 예컨대 양편 테이프를 부착하듯이 지지 필름 상에 지지된 완충 필름을 렌즈의 수용홈에 부착한 후 지지 테이프를 떼어내는 방식으로 용이하게 부착할 수 있다는 장점을 갖는다. 따라서, 광원 모듈의 생산성이 향상되는 효과를 기대할 수 있다.
도23을 참조하여 본 발명의 일 실시 형태에 따른 조명 장치를 설명한다. 도23은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 조명 장치를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
도23을 참조하면, 조명 장치(1)는 일 예로서 바(bar) 타입 램프일 수 있으며, 광원 모듈(10), 하우징(20), 커버(30) 및 단자(40)를 포함하여 구성될 수 있다.
광원 모듈(10)은 상기 도1 내지 도22의 광원 모듈(10)이 채용될 수 있다. 따라서, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 본 실시 형태에서는 상기 광원 모듈(10)이 단일로 구비되는 것으로 예시하고 있으나 이에 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 광원 모듈(10)은 복수개로 구비될 수 있다.
하우징(20)은 일면(21)에 상기 광원 모듈(10)을 탑재하여 고정시킬 수 있으며, 상기 광원 모듈(10)에서 발생되는 열을 외부로 방출시킬 수 있다. 이를 위해 상기 하우징(20)은 열전도율이 우수한 재질, 예컨대 금속 재질로 이루어질 수 있으며, 양 측면에는 방열을 위한 복수의 방열 핀(22)이 돌출되어 형성될 수 있다.
커버(30)는 광원 모듈(10)을 덮을 수 있도록 하우징(20)의 걸림 홈(23)에 체결된다. 그리고, 상기 광원 모듈(10)에서 발생된 광이 외부로 전체적으로 균일하게 조사될 수 있도록 반원 형태의 곡면을 가질 수 있다. 커버(30)의 바닥면에는 하우징(20)의 걸림 홈(23)에 맞물리는 돌기(31)가 길이 방향을 따라서 형성될 수 있다.
단자(40)는 하우징(20)의 길이 방향의 양 끝단부 중 개방된 적어도 일측에 구비되어 광원 모듈(10)에 전원을 공급할 수 있으며, 외부로 돌출된 전극 핀(41)을 포함할 수 있다.
도24 및 도25를 참조하여 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 조명 장치(1')를 설명한다. 도24는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 조명 장치를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이고, 도25는 도24의 저면도이다.
도24 및 도25를 참조하면, 조명 장치(1')는 일 예로서 면 광원 타입의 구조를 가질 수 있으며, 광원 모듈(10), 하우징(20), 커버(30) 및 히트 싱크(50)를 포함하여 구성될 수 있다.
광원 모듈(10)은 상기 도1 내지 도22의 광원 모듈(10)이 채용될 수 있다. 따라서, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 상기 광원 모듈(10)은 복수개로 구비되어 배열될 수 있다.
하우징(20)은 상기 광원 모듈(10)이 탑재되는 일면(24)과 상기 일면(24) 둘레에서 연장되는 측면(25)을 포함하여 박스형 구조를 가질 수 있다. 하우징(20)은 상기 광원 모듈(10)에서 발생되는 열을 외부로 방출시킬 수 있도록 열전도율이 우수한 재질, 예컨대 금속 재질로 이루어질 수 있다.
상기 항우징(10)의 일면(24)에는 추후 설명하는 히트 싱크(50)가 삽입되어 체결되는 홀(27)이 상기 일면(24)을 관통하여 형성될 수 있다. 그리고, 상기 일면(24)에 탑재되는 상기 광원 모듈(10)은 부분적으로 상기 홀(27)상에 걸쳐져서 외부로 노출될 수 있다.
커버(30)는 광원 모듈(10)을 덮을 수 있도록 하우징(20)의 측면(25)에 체결된다. 그리고, 전체적으로 편평한 구조를 가질 수 있다.
히트 싱크(50)는 하우징(20)의 타면(26)을 통해 상기 홀(27)에 체결될 수 있다. 그리고, 상기 홀(27)을 통해 상기 광원 모듈(10)과 접촉하여 상기 광원 모듈(10)의 열을 외부로 방출할 수 있다. 방열 효율의 향상을 위해 상기 히트 싱크(50)는 복수의 방열 핀(51)을 구비할 수 있다. 상기 히트 싱크(50)는 상기 하우징(20)과 같이 열전도율이 우수한 재질로 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 발광소자를 이용한 조명 장치는 그 용도에 따라 크게 실내용(indoor) 과 실외용(outdoor)으로 구분될 수 있다. 실내용 LED 조명 장치는 주로 기존 조명 대체용(Retrofit)으로 벌브형 램프, 형광등(LED-tube), 평판형 조명 장치가 여기에 해당되며, 실외용 LED 조명 장치는 가로등, 보안등, 투광등, 경관등, 신호등 등이 해당된다.
또한, LED를 이용한 조명장치는 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.
아울러, 로봇 또는 각종 기계 설비에 사용되는 광원으로 LED 조명 장치가 적용될 수 있다. 특히, 특수한 파장대를 이용한 LED 조명은 식물의 성장을 촉진시키고, 감성 조명으로서 사람의 기분을 안정시키거나 병을 치료할 수도 있다.
발광소자를 이용한 조명 장치는 제품 형태, 장소 및 목적에 따라 광학 설계가 변할 수 있다. 감성 조명과 관련하여 조명의 색, 온도, 밝기 및 색상을 컨트롤하는 기술 및 스마트폰과 같은 휴대기기를 활용한 무선(원격) 제어 기술을 이용하여 조명 제어가 가능하다.
또한, 이와 더불어 LED 조명 장치와 디스플레이 장치들에 통신 기능을 부가하여 LED 광원의 고유 목적과 통신 수단으로서의 목적을 동시에 달성하고자 하는 가시광 무선통신 기술도 가능하다. 이는 LED 광원이 기존의 광원들에 비해 수명이 길고 전력 효율이 우수하며 다양한 색 구현이 가능할 뿐만 아니라 디지털 통신을 위한 스위칭 속도가 빠르고 디지털 제어가 가능하다는 장점을 갖고 있기 때문이다.
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.
이상에서 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
1... 조명 장치 10... 광원 모듈
100... 기판 200... 발광소자
300... 렌즈 400... 완충 필름
500... 수지부

Claims (20)

  1. 회로 배선이 구비된 기판 및 상기 기판과 접하는 바닥면에 수용홈이 형성된 렌즈를 준비하는 단계;
    상기 렌즈의 수용홈의 바닥면에 완충 필름을 부착하는 단계;
    상기 회로 배선과 전기적으로 접속하도록 상기 기판의 일면 상에 복수의 발광소자를 실장 및 배열하는 단계;
    상기 완충 필름이 상기 복수의 발광소자와 마주한 상태에서 상기 복수의 발광소자가 상기 수용홈 내에 수용되도록 상기 렌즈를 상기 기판 상에 실장하는 단계; 및
    상기 완충 필름이 상기 복수의 발광소자 상면과 상기 수용홈 내면에 각각 밀착되도록 열 압착을 통해 상기 렌즈를 상기 기판상에 부착하는 단계를 포함하는 광원 모듈의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 발광소자는 상기 기판의 길이 방향을 따라서 배열되며,
    상기 수용홈은 상기 기판의 길이 방향을 따라 연장되어 상기 복수의 발광소자를 일체로 덮는 것을 특징으로 하는 광원 모듈의 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 완충 필름은 상기 기판의 길이 방향을 따라 연장되어 구비되는 것을 특징으로 하는 광원 모듈의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 완충 필름을 부착하는 단계는 지지 필름 상에 지지되어 외부로 노출되는 상기 완충 필름의 상면을 상기 수용홈의 바닥면에 부착한 후 상기 지지 필름을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광원 모듈의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 발광소자를 실장하는 단계에서, 상기 복수의 발광소자는 동일한 방향을 향해 노출되는 전극 패드를 구비하며, 플립칩 본딩 방식에 따른 상기 전극 패드와 상기 회로 배선의 연결을 통해 상기 기판상에 실장 및 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 광원 모듈의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 발광소자를 실장하는 단계 이후 상기 렌즈를 실장하는 단계 이전에, 상기 복수의 발광소자와 상기 기판 사이의 공간을 채우도록 수지부를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광원 모듈의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수지부는 수지에 고열전도성 필러(filler) 또는 고광반사 필러를 함유하여 이루어지거나, 수지에 고열전도성 필러 및 고광반사 필러가 함유되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 광원 모듈의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈는 상기 기판 상에 놓여 상기 기판과 접하는 플랜지부 및 상기 수용홈의 상부에서 상기 플랜지부 위로 돌출되는 렌즈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광원 모듈의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 렌즈부는 상기 기판의 길이 방향을 따라 배열된 상기 복수의 발광소자를 따라서 연장되는 것을 특징으로 하는 광원 모듈의 제조방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 렌즈는 상기 기판과 마주하는 상기 플랜지부의 바닥면으로부터 연장되는 고정 핀을 더 포함하고, 상기 기판은 상기 고정 핀이 삽입되는 관통홀을 더 포함하며,
    상기 렌즈를 상기 기판 상에 실장하는 단계는, 상기 고정 핀이 상기 기판을 관통하여 그 단부가 상기 기판의 타면으로 부분 돌출되도록 상기 고정 핀을 상기 기판의 관통홀에 삽입하는 것을 특징으로 하는 광원 모듈의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 렌즈를 상기 기판상에 부착하는 단계는, 상기 기판의 타면으로 부분 돌출되는 상기 고정 핀의 단부가 상기 기판의 타면을 따라 방사상으로 퍼지도록 열 압착하여 고정시키는 것을 특징으로 하는 광원 모듈의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 기판은 상기 타면에 상기 방사상으로 퍼지는 고정 핀의 단부를 수용하는 홈을 상기 관통홀의 둘레를 따라 구비하는 것을 특징으로 하는 광원 모듈의 제조방법.
  13. 일면에 복수의 발광소자가 실장되어 길이 방향을 따라 배열된 기판 및 바닥면에 상기 복수의 발광소자를 수용하는 수용홈이 형성된 렌즈를 준비하는 단계;
    상기 렌즈의 수용홈의 바닥면에 완충 필름을 부착하는 단계;
    상기 완충 필름이 상기 복수의 발광소자와 마주하도록 상기 렌즈를 상기 기판 상에 실장하는 단계; 및
    상기 완충 필름이 상기 복수의 발광소자 상면과 상기 수용홈 내면에 각각 밀착되도록 열 압착을 통해 상기 렌즈를 상기 기판상에 부착하는 단계를 포함하는 광원 모듈의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 완충 필름을 부착하는 단계는, 지지 필름 상에 지지되어 외부로 노출되는 상기 완충 필름의 상면을 상기 수용홈의 바닥면에 부착한 후 상기 지지 필름을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광원 모듈의 제조방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 완충 필름은 상기 수용홈과 함께 상기 기판의 길이 방향을 따라 연장되어 구비되는 것을 특징으로 하는 광원 모듈의 제조방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 렌즈는 상기 기판과 접하며 상기 기판의 길이 방향을 따라 연장되는 플랜지부 및 상기 수용홈의 상부에서 상기 플랜지부 위로 돌출되며 상기 기판의 길이 방향을 따라 연장되는 렌즈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광원 모듈의 제조방법.
  17. 회로 배선이 구비된 기판 및 상기 기판과 접하는 바닥면에 수용홈이 형성된 렌즈를 준비하는 단계;
    상기 렌즈의 수용홈의 바닥면에 완충 필름을 부착하는 단계;
    상기 회로 배선과 전기적으로 접속하도록 상기 기판의 일면 상에 복수의 발광소자를 실장 및 배열하는 단계;
    상기 완충 필름이 상기 복수의 발광소자와 마주한 상태에서 상기 복수의 발광소자가 상기 수용홈 내에 수용되도록 상기 렌즈를 상기 기판 상에 실장하는 단계;
    상기 완충 필름이 상기 복수의 발광소자 상면과 상기 수용홈 내면에 각각 밀착되도록 열 압착을 통해 상기 렌즈를 상기 기판상에 부착하여 광원 모듈을 제조하는 단계; 및
    상기 광원 모듈을 하우징에 탑재하는 단계를 포함하는 조명 장치의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 완충 필름을 부착하는 단계는, 지지 필름 상에 지지되어 외부로 노출되는 상기 완충 필름의 상면을 상기 수용홈의 바닥면에 부착한 후 상기 지지 필름을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치의 제조방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 광원 모듈을 덮도록 상기 하우징에 커버를 체결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치의 제조방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 하우징에 히트 싱크를 체결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치의 제조방법.
KR1020140019029A 2014-02-19 2014-02-19 광원 모듈의 제조방법 및 조명 장치의 제조방법 KR20150098019A (ko)

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