KR20160037286A - 발광 다이오드 패키지 및 백라이트 유닛 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광 다이오드 패키지 및 백라이트 유닛에 관한 것으로 본 발명의 일 실시예에 의하면 기판과 제1색상의 빛을 방출하는 발광층이 기판에 대향하여 위치하며, 사파이어 기판이 발광층의 상면에 위치하는 발광 다이오드 칩을 포함하며, 광지향각이 사파이어 기판에 따라 증가하는 발광 다이오드 패키지를 제공한다.

Description

발광 다이오드 패키지 및 백라이트 유닛{LIGHT EMITTING DIODE PACKAGE AND BACKLIGHT UNIT}
본 발명은 발광 다이오드 패키지 및 이를 결합한 백라이트 유닛에 관한 것이다.
종래, 액정표시장치는, 액정 표시 패널은 화상을 표시하는 액정표시패널, 액정표시패널로 광을 조사하는 백라이트 유닛(BLU: Backlight Unit), 액정표시패널을 구동하기 위한 구동회로 유닛 및 각 구성 요소를 하나로 체결하기 위한 섀시 유닛 등을 포함한다.
백라이트 유닛은, 액정표시패널로 백생광을 조사해주기 위하여, 적색, 녹색 및 청색 광원을 포함하고 있는데, 각 색상별 광원으로서, 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode) 칩을 포함하는 발광 다이오드 패키지를 사용하고 있다.
이와 같이, 발광 다이오드 칩을 각 색상별 광원으로서 사용하는 경우, 발광 다이오드 칩이 고가이므로, 발광 다이오드 패키지를 제작하는데 상당한 비용이 드는 문제점이 있다. 특히, 청색 발광 다이오드 칩에 비해, 녹색 발광 다이오드 칩 및 적색 발광 다이오드 칩은 상당히 고가이다.
또한, 각 색상별 발광 다이오드 칩은, 구동전압이 서로 달라서, 각 색상별 발광 다이오드 칩을 구동하기 위한 드라이버를 색상별로 구비해야만 한다. 이 경우에도, 비용이 상승하는 문제점이 발생한다.
따라서, 발광 다이오드 칩을 어느 하나의 색상으로 구비하고, 발광 다이오드 칩이 발광하는 빛의 파장을 변환시키는 형광체를 사용할 수 있다. 그런데 발광 다이오드 칩에서 발광하는 빛의 지향각이 좁을 경우 광효율이 떨어지며, 또한 형광체 중에도 빛을 변환하지 않는 불필요한 형광체가 일부 존재할 수 있다. 따라서 발광 다이오드의 광효율을 높이기 위해 발광하는 빛의 지향각을 넓히는 기술이 필요하다.
본 실시예들의 목적은, 발광 다이오드 칩의 개수를 줄일 수 있는 발광 다이오드 패키지 및 이를 포함하는 백라이트 유닛을 제공하는 데 있다.
본 실시예들의 다른 목적은, 소비전력을 줄일 수 있는 발광 다이오드 패키지 및 이를 포함하는 백라이트 유닛을 제공하는 데 있다.
본 실시예들의 또 다른 목적은, 발광 다이오드의 광지향각을 넓혀 발광 패키지의 수를 절감하고 광효율을 높이는 데 있다.
일 실시예는, 기판과 제1색상의 빛을 방출하는 발광층이 기판에 대향하여 위치하며, 사파이어 기판이 발광층의 상면에 위치하는 발광 다이오드 칩을 포함하며, 광지향각이 사파이어 기판에 따라 증가하는 발광 다이오드 패키지를 제공한다.
또한 다른 실시예는 발광층이 발광 다이오드 패키지의 형광체보다 아래에 위치하여 모든 형광체가 발광 영역에 포함되는 발광 다이오드 패키지를 제공한다.
또한 다른 실시예는 기판과 제1색상의 빛을 방출하는 발광층이 기판에 대향하여 위치하며, 사파이어 기판이 발광층의 상면에 위치하는 발광 다이오드 칩을 포함한 발광 다이오드 패키지와, 발광층에서 출사 및 변환된 백색광을 액정표시패널로 입사시키는 도광판을 포함하는 백라이트 유닛을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 실시예들에 의하면, 발광 다이오드 칩의 발광 지향각을 넓힘으로써 발광 다이오드 칩의 개수를 줄이며, 동시에 발광 다이오드 패키지의 제작 비용을 절감할 수 있다.
또한, 발광 다이오드의 광지향각이 넒어지므로 핫스팟 현상을 줄일 수 있으며 액정표시장치의 시인성을 증가시키는 백라이트 유닛을 제공할 수 있다.
또한, 본 실시예들에 의하면, 에지 모델의 백라이트 유닛을 제공할 수 있으며, 백라이트 유닛에 포함되는 발광 다이오드 패키지 간의 거리를 넓힘으로써, 핫스팟 문제를 해결하고 백라이트 유닛에 적은 수의 발광 다이오드 패키지를 결합시키므로 제작 단가를 낮출 수 있다.
도 1은 실시예들에 따른 액정표시장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 실시예들에 따른 직하 방식과 에지 방식의 백라이트 유닛(120)을 나타낸 도면이다.
도 3은 래터럴 칩의 출광 범위를 보여주는 도면이다.
도 4는 래터럴 칩이 실장된 패키지의 내벽의 기울기를 증가시킨 경우의 출광 영역을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 발광 다이오드 칩의 구성을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 발광 다이오드 칩의 지향각을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 발광 다이오드 패키지의 형광체의 광변환 효율을 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 발광 다이오드 패키지의 세부적인 크기를 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 발광 다이오드 칩을 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 Case1과 같이 구성한 발광 다이오드 패키지의 광지향각을 보여주는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 의한 Case2과 같이 구성한 발광 다이오드 패키지의 광지향각을 보여주는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 의한 Case3과 같이 구성한 발광 다이오드 패키지의 광지향각을 보여주는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 의한 Case4와 같이 구성한 발광 다이오드 패키지의 광지향각을 보여주는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 의한 Case5와 같이 구성한 발광 다이오드 패키지의 광지향각을 보여주는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 의한 제1색상, 제2색상, 제3색상의 파장 대역을 보여주는 도면이다.
도 16 내지 도 19는 본 발명의 일 실시예에 의한 발광 다이오드 칩의 사파이어 기판이 다양한 형상을 가지는 경우를 보여주는 도면이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예인 발광 다이오드 패키지를 포함하는 백라이트 유닛의 실시예를 보여주는 도면이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 의한 발광 다이오드 패키지의 지향각의 증가가 발광 다이오드 패키지들 간의 거리의 증가를 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "개재"되거나, 각 구성 요소가 다른 구성 요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 실시예들에 따른 액정표시장치(Liquid Crystal Display Device, 100)의 구조를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 실시예들에 따른 액정표시장치(100)는, 화상을 표시하는 액정표시패널(Liquid Crystal Display Panel, 110), 액정표시패널(110)로 광을 조사하는 백라이트 유닛(BLU: Backlight Unit, 120), 액정표시패널(110)을 구동하기 위한 구동회로 유닛(Driving Circuit Unit, 130) 및 각 구성 요소를 하나로 체결하기 위한 섀시 유닛(Chassis Unit, 140) 등을 포함한다.
전술한 액정표시패널(110)은, 간략하게 설명하면, 박막트랜지스터(TFT: Thin Film Transistor, 이하, "TFT"라 함)가 형성된 TFT-어레이 기판(111)과 컬러필터(CF: Color Filter)가 형성된 컬러필터 기판(112)이 일정한 간격(Cell Gap)만큼 이격 되고, TFT-어레이 기판(111)과 컬러필터 기판(112) 사이에 액정(Liquid)이 주입된 구조로 되어 있다.
전술한 구동회로 유닛(130)은, 액정표시패널(110)을 동작시키기 위한 여러 개의 드라이버 집적회로(Driver IC)와 각종 회로 소자가 부착된 인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board) 등으로 구성된다.
여기서, 여러 개의 드라이버 집적회로는, 적어도 하나의 게이트 드라이버 집적회로(Gate Driver IC)와 적어도 하나의 데이터 드라이버 집적회로(Data Driver IC)를 포함한다.
이러한 여러 개의 드라이버 집적회로는 TFT-어레이 기판(111)에 연결된다.
드라이버 집적회로를 TFT-어레이 기판(111)에 연결하는 방법으로서, 드라이버 집적회로가 필름(Film) 위에 실장되어 TAB(Tape Automated Bonding) 기술을 이용하는 TCP(Tape Carrier Package) 실장 방식, 드라이버 집적회로가 TFT-어레이 기판(111)에 형성된 본딩 패드(Bonding Pad) 직접 연결되는 COG(Chip On Glass) 실장 방식 등이 있고, 이뿐만 아니라, 드라이버 집적회로와 TFT-어레이 기판(111)를 전기적으로 연결해주기만 하면 그 어떠한 방식도 가능하다.
전술한 구동회로 유닛(130)은 여러 개의 드라이버 집적회로를 제어하기 위한 전기신호를 생성하고 외부로부터 입력된 디지털 데이터 신호를 제어하는 타이밍 컨트롤러(Timing Controller) 등을 포함한다.
전술한 백라이트 유닛(120)은, 광원장치(Light Source Device)를 이용하여 밝기가 균일한 면광원을 형성하고 이를 액정표시패널(110)로 제공해준다.
본 실시예들에서 광원장치는, 일 예로, 적어도 하나의 색상의 빛을 발광하는 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode, 이하 "LED"라 함) 칩을 광원(Light Source)으로서 이용한다.
이러한 광원장치는, 적어도 하나의 발광 다이오드 칩을 포함하여 구성되기 때문에, 아래에서는, 광원장치를 "발광 다이오드 패키지(LED Package)"라고도 기재한다.
전술한 백라이트 유닛(120)은, 광원장치, 즉, 발광 다이오드 패키지의 설치 방법에 따라, 직하(Direct) 방식 백라이트 유닛(BLU)일 수도 있고, 에지(Edge) 방식의 백라이트 유닛(BLU)일 수도 있다.
도 2는 실시예들에 따른 직하 방식과 에지 방식의 백라이트 유닛(120)을 나타낸 도면이다.
도 2의 201을 참조하면, 백라이트 유닛(120)이 직하 방식 백라이트 유닛(Direct BLU)인 경우, 백라이트 유닛(120)에서 발광 다이오드 패키지(200)는 액정표시패널(110)의 아래 쪽에 촘촘하게 위치하여 액정표시패널(110)로 빛을 직접(Direct) 조사해준다.
도 2의 202를 참조하면, 백라이트 유닛(120)이 에지 방식 백라이트 유닛(Edge BLU)인 경우, 백라이트 유닛(120)은, 액정표시패널(110)의 측면, 즉 액정표시패널(110)의 에지(Edge) 부분에 위치하는 발광 다이오드 패키지(200)와, 도광판(LGP: Light Guide Panel, 210) 및 반사판(220) 등을 포함한다. 액정표시패널(110)의 측면에 위치한 광원장치로서의 발광 다이오드 패키지(200)에서 방출된 빛은 도광판(210)을 따라 반사판(220)에 의해 반사되면서 액정표시패널(110)로 조사된다.
한편, 실시예들에 따른 백라이트 유닛(120)의 광원장치로서의 발광 다이오드 패키지(200)는, 백색광을 내기 위하여, 적색(Red) 빛을 방출하는 광원, 녹색(Green) 빛을 방출하는 광원, 청색(Blue) 빛을 방출하는 광원을 포함한다.
도 2의 202와 같은 에지 방식을 사용하는 발광 다이오드 칩은 광지향각이 넓을수록 광효율을 높일 수 있다. 발광 다이오드 칩의 하나인 래터럴 칩(Lateral chip)을 중심으로 출광되는 빛의 각도를 살펴보면 도 3과 같다.
도 3은 래터럴 칩의 출광 범위를 보여주는 도면이다. 301은 칩에서 출광되는 빛의 각도를 보여준다. 래터럴 칩(310)은 사파이어 기판(312) 상에 위치하는 MQW층(Multi Quantum Well, 314)에서 빛이 발생하며, 칩의 출광 프로파일은 319와 같이 최대 120°이다. 발광 다이오드 칩은 패키지 내에 실장할 경우 302와 같이 패키지의 내벽(322)의 기울기 등으로 인하여 패키지(350)에서 출광되는 빛의 각도는 최대 117°가 된다. 패키지 내에는 출광되는 빛을 다른 파장대역의 빛으로 변환시키는 형광체들(30, 40)이 위치하며, 30a 및 40a와 같이 출광 영역에 속하지 않는 형광체들이 존재한다. 이는 래터럴 칩(310)에서 발광되는 빛의 지향각이 넓지 않기 때문이다. 지항갹이 넓지 않을 경우, 발광 다이오드 칩 간의 간격을 좁혀야 핫스팟이 발생하지 않는다.
따라서, 발광 다이오드 칩의 빛의 지향각이 넓을수록 발광 다이오드 칩 간의 간격을 넓힐 수 있으며, 그 결과 더 많은 영역에 대해 더 적은 수의 발광 다이오드 칩을 사용하므로 광효율을 높일 수 있다.
도 4는 래터럴 칩이 실장된 패키지의 내벽의 기울기를 증가시킨 경우의 출광 영역을 보여주는 도면이다. 도 3의 302에서 30a 및 40a는 패키지 내의 발광 다이오드 칩의 출광 영역(329)에 속하지 않으므로, 빛 변환에 참여하지 않는 형광체들이다. 패키지(450)에 실장되므로 319의 광지향각 120°이 329의 광지향각 117°으로 줄어들었으므로, 패키지의 내벽(422)의 기울기를 도 4와 같이 크게 형성할 수 있다. 도 4에서 패키지의 내벽(422)의 기울기를 크게 하여도, 발광 다이오드(310)의 광지향각이 419와 같이 고정되어 있다. 즉, 발광 다이오드 칩(310)에서 출광되는 빛의 각도가 작기 때문에 패키지(450)의 내벽(422)의 기울기를 크게 하여도 광원 자체의 지향각으로 인하여 패키지의 지향각을 넓힐 수 없다. 또한, 패키지(450)에서도 빛의 색 수차가 발생할 수 있는데, 이는 칩에서 출광되는 빛의 각도가 작기 때문에 패키지(450) 내부에서 백색광으로 기여하지 못하는 형광체들(30a, 40a)이 발생하게 된다. 즉, 지향각에 색수차가 발생하기 때문에 패키지 내벽의 기울기 각도를 넓히거나 및 길이를 길게 설계하여도 도 3, 4와 같은 구성의 래터럴 칩으로는 광지향각을 넓힐 수 없다.
본 명세서에서는 발광 다이오드 칩의 지향각을 넓히기 위해 칩과 실장되는 패키지 간의 거리를 좁히고자 한다. 이를 위해 칩의 발광층이 패키지에 접합시킨다. 또한, 측면으로의 빛의 발광 효율을 높일 경우 빛의 지향각을 넓힐 수 있으므로, 발광층에서 형성된 빛의 측면 출광 효율을 높이기 위해 사파이어 기판의 두께를 증가시킨다. 사파이어 기판의 두께는 다이오드가 형성되는 패키지 실장 영역의 높이와 형광체들의 분포에 따라 설정될 수 있다.
보다 상세하게, 발광 다이오드 칩에서 사용되는 사파이어 기판의 두께를 증가시켜 칩에서 발생되는 빛이 칩의 측면으로 많이 방출되게 하여 패키지의 광지향각을 현 117°에서 161°까지 증가시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 넓은 광 지향각을 가진 발광 다이오드 칩의 발광층이 패키지에 인접하도록 실장한다. 본 발명의 일 실시예에 의한 발광 다이오드 칩은 빛이 발생되는 발광층(MQW)이 패키지의 바닥면에 위치므로 패키지 내에 형광체들 모두 백색광으로 변환하는데 기여하게 되므로 불필요한 형광체를 제거할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 발광 다이오드 칩의 구성을 보여주는 도면이다. n 전극층(510) 및 p 전극층(520), 그리고 발광하는 영역인 MQW(530)층이 형성되어 있으며, MQW는 n 타입 질화갈륨(n-GaN)(550)과 p 타입 질화갈륨(p-GaN)(540) 사이에 위치한다. n 전극 및 p 전극은 기판의 접합면을 기준으로 동일한 단차로 위치하므로 발광되는 빛이 사파이어 기판을 통해 확산될 수 있으며, 그 결과 광효율을 높일 수 있다.
n 전극층(510)은 n 타입 질화갈륨(n-GaN)(550)과 n 접합층(515)를 통해 연결되며, p 전극층(520)은 p 접합층(525)를 통하여 p 타입 질화갈륨(p-GaN)(540)과 연결된다. 515 및 525 사이에는 절연층(560)이 형성되어 있다. 또한 사파이어 기판(570)은 MQW(530)층에서 발광한 빛을 측면으로 발광하도록 한다. 사파이어 기판(570)의 두께(Sap_d)를 증가시킬 경우, 측면으로 발산하는 빛의 양이 증가한다. 측면으로 발산하는 빛의 양과 사파이어 기판(570)의 두께(Sap_d)의 상관관계에 대해서는 후술하고자 한다. 도 5와 같은 구조의 발광 다이오드 칩을 플립 칩(flip chip)이라 지시하지만 본 발명이 이와 같은 명칭에 한정되는 것은 아니다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 발광 다이오드 칩의 지향각을 보여주는 도면이다. 발광 다이오드 칩(500)의 발광층인 MQW층(530)이 패키지의 하단에 있으며, 출광된 빛이 519와 같이 사파이어 기판(570)의 측면으로 발광한다. 발광 다이오드 칩의 사파이어 기판(570)의 두께가 증가하면 측면 발광(side emission)이 이루어지며 발광 다이오드 칩의 광지향각을 확대할 수 있다. 사파이어 기판(570)의 두께는 발광 다이오드 칩의 발광 면적과 패키지의 높이 등에 따라 다양하게 설정될 수 있으며, 일 실시예로 250μm인 경우 광지향각을 효과적으로 높일 수 있다. 도 6의 실시예에서 광 지향각은 159~161°이다.
도 5 및 도 6에서 살펴본 바와 같이 사파이어 기판을 상면에 위치하는 경우, 발광층의 빛이 사파이어 기판의 측면을 통해 출사하는 양이 증가한다. 또한, 발광층이 실장되는 영역의 최하면에 위치하도록 하여, 발광 지향각을 높이며 동시에 모든 형광체가 색변환을 할 수 있도록 하여 광효율 및 시인성을 모두 높일 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 발광 다이오드 패키지의 형광체의 광변환 효율을 보여주는 도면이다. 패키지(750)에 실장된 발광 다이오드 칩(500)의 발광 영역은 719와 같다. 발광 다이오드 패키지(750)의 내벽(722)의 기울기 역시 증가하였으며, 발광층(530)이 패키지에 인접하여 있기 때문에 패키지(750) 내의 모든 형광체들(30, 40)이 발광 영역(719) 내에 포함되며, 앞서 변환되지 않은 형광체 입자들로 인해 시인성을 떨어뜨리는 요인이 제거된다. 즉, 모든 형광체 입자들이 백색 광원으로 변환되므로 광변환 효율 또한 상승한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 발광 다이오드 패키지의 세부적인 크기를 보여주는 도면이다. 발광 다이오드 칩(500)의 발광층(530)과 패키지(750)의 내벽(722)의 각도(θ) 패키지(750)에 발광 다이오드 칩(500)이 실장되는 영역의 최대폭은 w1_pkg, 발광 다이오드 칩(500)의 빛이 출광하는 영역의 최대폭은 w2_pkg이다. 한편, 패키지(750)에서 발광 다이오드 칩(500)이 실장되는 영역의 깊이는 d_pkg이며, 전체 패키지의 높이는 h_pkg이다. 한편, 발광 다이오드 칩(500)의 사파이어 기판의 두께는 Sap_d 이다. 패키지 및 발광 다이오드 칩의 각 영역별로 실시예를 살펴보면 표 1과 같다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 발광 다이오드 칩을 보여주는 도면이다. 설명의 편의를 위하여 발광층과 사파이어 기판만을 도시하였다.
발광 다이오드(901, 902)의 발광층(930a, 930b)에서 형성된 빛은 사파이어 기판(970a, 970b)을 통과하여 외부로 출광하며 이 중에서 사파이어 기판의 측면을 통해 출광하는 빛은 각각 990a 및 990b와 같다. 도 9에서 두 사파이어 기판(970a, 970b)의 두께를 비교할 때 사파이어 기판이 더 두꺼운 발광 다이오드 칩(902)의 측면 출사광의 양이 증가함을 알 수 있다. 따라서 사파이어 기판의 높이를 증가시키는 것이 발광 다이오드 칩의 광 지향각을 넓힐 수 있다.
표 1에서 발광 다이오드 칩(500)이 실장되는 영역의 깊이인 d_pkg는 0.4mm이며, 전체 패키지의 높이인 h_pkg는 0.6mm이다. 사파이어 두께(Sap_d)를 증가시킬수록 칩의 측면으로 출광하는 빛의 양이 증가하므로, 표 1에 나타난 바와 같이 방출되는 광의 지향각이 넓어진다. 칩의 크기는 실장할 패키지 및 패키지의 내벽의 기울기, 칩의 높이 등에 따라 다양하게 형성될 수 있다. 제1실시예로는 칩의 크기를 1100x1100 μm인 경우로 구성할 수 있다. 제2실시예로, 850x850 μm인 칩의 크기를 구성할 수 있다. 제2실시예에서 사파이어 기판의 두께(Sap_d)를 300㎛로 할 경우 지향각을 높일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
사파이어 기판의 두께 역시 칩의 발광층의 넓이와 패키지의 크기 등에 따라 달라질 수 있으나, 일 실시예로 120 μm ~ 350 μm의 범위로 발광 다이오드 칩에 형성할 수 있다.
　 발광층과 패키지 내벽의 각도(θ) 패키지 실장 영역의 폭
(w1_pkg)		 패키지
출광면의 폭
(w2_pkg)		 사파이어 두께(Sap_d) 광지향각
Case1 129° 1.5 mm 2.1 mm 120㎛ 120°
Case2 143° 1.5 mm 2.5 mm 180㎛ 135°
Case3 152° 1.3 mm 2.7 mm 250㎛ 159°
Case4 156° 1.2 mm 2.86 mm 300㎛ 161°
Case5 156° 1.2 mm 2.86 mm 350㎛ 161°
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 Case1과 같이 구성한 발광 다이오드 패키지의 광지향각을 보여주는 그래프이다. 광밀집도가 50%인 지점에서의 광지향각을 살펴보면 1010과 같이 광지향각이 120°(-60°~60°)임을 알 수 있다. Case 1은 발광층을 패키지의 바닥면에 밀착시킨 경우의 광지향각을 보여주며, 사파이어 두께는 120㎛이다. 측면으로 출광하는 빛의 범위가 120㎛가 될 수 있음을 의미한다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 의한 Case2과 같이 구성한 발광 다이오드 패키지의 광지향각을 보여주는 그래프이다. 광밀집도가 50%인 지점에서의 광지향각을 살펴보면 1110과 같이 광지향각이 135°(-65°~70°)임을 알 수 있다. Case 2는 발광층을 패키지의 바닥면에 밀착시킨 경우의 광지향각을 보여주며, 사파이어 두께는 180㎛이다. 측면으로 출광하는 빛의 범위가 180㎛가 될 수 있음을 의미한다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 의한 Case3과 같이 구성한 발광 다이오드 패키지의 광지향각을 보여주는 그래프이다. 광밀집도가 50%인 지점에서의 광지향각을 살펴보면 1210과 같이 광지향각이 159°(-80°~79°)임을 알 수 있다. Case 3은 발광층을 패키지의 바닥면에 밀착시킨 경우의 광지향각을 보여주며, 사파이어 두께는 250㎛이다. 측면으로 출광하는 빛의 범위가 250㎛가 될 수 있음을 의미한다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 의한 Case4와 같이 구성한 발광 다이오드 패키지의 광지향각을 보여주는 그래프이다. 광밀집도가 50%인 지점에서의 광지향각을 살펴보면 1310과 같이 광지향각이 161°(-79°~82°)임을 알 수 있다. Case 4는 발광층을 패키지의 바닥면에 밀착시킨 경우의 광지향각을 보여주며, 사파이어 두께는 300㎛이다. 측면으로 출광하는 빛의 범위가 300㎛가 될 수 있음을 의미한다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 의한 Case5와 같이 구성한 발광 다이오드 패키지의 광지향각을 보여주는 그래프이다. 광밀집도가 50%인 지점에서의 광지향각을 살펴보면 1410과 같이 광지향각이 161°(-79.5°~81.5°)임을 알 수 있다. Case 5는 발광층을 패키지의 바닥면에 밀착시킨 경우의 광지향각을 보여주며, 사파이어 두께는 350㎛이다. 측면으로 출광하는 빛의 범위가 350㎛가 될 수 있음을 의미한다.
도 8, 표 1 및 도 10 내지 도 14를 살펴보면 발광층과 발광 다이오드 패키지의 내벽은 발광층의 광지향각에 따라 상이하게 형성될 수 있다. 특히 Case 3~5와 같이 광지향각이 150도 이상인 경우, 발광층과 패키지 내벽이 이루는 각도는 150도 이상으로 하여 발광층의 빛이 충분히 넓게 출사할 수 있도록 한다.
전술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 발광 다이오드 패키지는 기판 상에 형성되는 것으로, 제1색상의 빛을 방출하는 발광층이 기판에 대향하여 위치한다. 그리고 이러한 제1색상의 빛을 제2색상의 빛 또는 제3색상의 빛으로 변환하는 형광체를 포함한다. 제1색상은 청색이 될 수 있으며, 제2색상은 녹색, 제3색상은 적색이 될 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 의한 제1색상, 제2색상, 제3색상의 파장 대역을 보여주는 도면이다. 각 색상의 파장대를 살펴보면, 본 명세서에서 제1색상은 청색이며, 청색의 파장 대역은 400nm~460nm가 될 수 있다. 그리고 제2색상은 녹색이며, 녹색의 파장 대역은 490nm~560nm가 될 수 있다. 다음으로 제3색상은 적색이며, 적색의 파장 대역은 551nm~660nm가 될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 의한 청색은 450nm 파장 대이며, 녹색은 530nm 파장 대이며, 적색은 650nm 파장 대이다. 제1색상은 발광 다이오드 칩에서 발생하며, 제2색상 및 제3색상은 발광 다이오드의 빛이 형광체에서 변환된 빛이다. 도 14의 파장 대역 중에서 시인성을 높이고 혼색을 방지하기 위해, 발광 다이오드에서 발광하는 빛의 파장 대역을 특정한 파장 대역(Blue 중 일부 대역)으로 한정시키고, 형광체 역시 발광 다이오드의 빛을 녹색과 적색으로 변환하되 역시 특정한 파장 대역(Green, Red 각각 일부 대역)으로 한정시켜 변환할 수 있다. 도 15와 같이 세 파장 대역의 빛을 하나의 발광 다이오드 및 두 종류의 형광체를 결합하여 생성하여 백색광을 생성할 수 있다. 이는 세 종류의 빛을 발광시키기 위해 세 종류의 발광 다이오드 칩을 사용하는 경우보다 회로의 복잡성을 줄이며, 백라이트 유닛의 제작 단가를 낮출 수 있다.
도 16 내지 도 19는 본 발명의 일 실시예에 의한 발광 다이오드 칩의 사파이어 기판이 다양한 형상을 가지는 경우를 보여주는 도면이다.
도 16은 사파이어 기판의 측면 각도가 출광면과 비교하여 직각이 아닌 경우를 보여준다. 사파이어 기판의 측면과 발광층이 접하는 기판과 이루는 각도가 1690과 같이 예각인 실시예이다. 발광 다이오드 칩(1600) 상에 형성된 사파이어 기판의 측면(1675)은 비스듬한 사선의 형태로, 사파이어 기판(1670)의 높이를 증가시키지 않으면서 측면의 길이를 증가시켜 사파이어 기판(1670)의 측면을 통한 출광을 높인다.
도 17은 사파이어 기판의 측면 각도가 출광면과 비교하여 직각이 아닌 또다른 실시예를 보여준다. 사파이어 기판의 측면과 발광층이 접하는 기판과 이루는 각도가 1790과 같이 둔각인 실시예이다. 발광 다이오드 칩(1700) 상에 형성된 사파이어 기판의 측면(1775)은 비스듬한 사선의 형태로, 사파이어 기판(1770)의 높이를 증가시키지 않으면서 측면의 길이를 증가시켜 사파이어 기판(1770)의 측면을 통한 출광을 높인다.
도 16 및 도 17의 구성과 같이 사파이어 기판의 측면을 경사지도록 형성하여 출광면을 증가시킬 수 있다. 사파이어 기판의 높이를 유지한 상태에서 출광되는 영역을 변화시킬 수 있으며, 그 결과 출광되는 광지향각을 넓히는 효과가 있다. 도 16 및 도 17은 발광층의 빛이 사파이어 기판 내에서 어떤 광반사 경로를 가지느냐에 따라 선택적으로 적용할 수 있다.
도 18은 사파이어 기판의 상면을 볼록하게 하여 상면을 통한 발광 지향각을 높인 경우를 보여주는 도면이다. 볼록한 상면은 볼록 렌즈의 특성을 가지며, 광을 확산시킨다. 그 결과 볼록한 상면(1875)을 가지는 사파이어 기판을 투과한 발광 다이오드 칩의 빛은 기판의 상면을 따라 확산하게 되므로 광지향각을 증가시킬 수 있다.
도 19는 사파이어의 기판의 상면에 요철을 형성하여 상면을 통한 발광 지향각을 높인 경우를 보여주는 도면이다. 요철을 가진 상면(1975)은 사파이어 기판의 하면에 위치한 발광층에서 생성된 빛이 산란하는 효과를 준다. 산란하는 과정에서 광이 집속하지 않고 확산하므로 그 결과 광 지향각을 높일 수 있다. 산란하는 광의 범위를 조정하기 위하여 요철을 상면의 일부 영역에만 형성할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 20은 본 발명의 일 실시예인 발광 다이오드 패키지를 포함하는 백라이트 유닛의 실시예를 보여주는 도면이다. 앞서 표 1에서 사파이어 기판의 크기에 따라 지향각이 달라짐을 살펴보았다. 동일한 크기의 백라이트 유닛을 기준으로 표 1의 각 Case를 적용하면, 발광 다이오드 패키지 간의 거리는 발광 다이오드 패키지의 지향각의 크기에 비례한다. 즉, 지향각이 넓어질 경우, 발광 다이오드 패키지(2010)들 간의 거리(2009)는 증가하므로, 동일한 크기의 백라이트 유닛에 형성되는 발광 다이오드 패키지의 숫자는 감소한다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 의한 발광 다이오드 패키지의 지향각의 증가가 발광 다이오드 패키지들 간의 거리의 증가를 보여주는 도면이다. 첫번째 발광 다이오드 칩(2110)의 지향각(θ1)은 두번째 발광 다이오드 칩(2120)의 지향각(θ2) 보다 작다(θ1 < θ2). 발광 다이오드 패키지의 높이인 h는 동일한 경우를 가정할 때, 광지향각에 따라 광이 퍼져나가는 범위의 측면의 길이(w1, w2)을 계산하면 다음의 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
Figure pat00001
θ1을 120도, θ2을 150도라 할 경우, 광지향각이 120도인 제1발광 다이오드 칩(2120)의 w1은 3.4641h인 반면, 광지향각이 150도인 제2발광 다이오드 칩(2110)의 w2는 7.464h이다. 여기서 w2는 w1보다 약 두 배 이상 증가한다. 그 결과 광 지향각이 150도인 경우의 LED 패키지의 수는 광지향각이 120도인 경우의 LED 패키지의 수보다 약 56%를 줄일 수 있다. 물론 이러한 LED 패키지 수의 절감은 광효율 및 패키지의 특성에 따라 좌우될 수 있으나, 지향각의 증가로 인해 LED 패키지의 수를 급격히 절감시킬 수 있음은 도 20 및 도 21에서 살펴보았다.
본 발명을 적용할 경우, 표시장치에 결합되는 백라이트 유닛의 광원으로 LED를 사용함에 있어서, 넓은 지향각의 LED 패키지를 이용할 수 있으므로, 에지 형식의 백라이트 유닛에 실장할 LED 패키지의 수를 줄일 수 있다. 종래 광지향각이 120도인 LED 패키지와 비교할 때, 150도 이상의 광지향각을 가지는 본 발명의 실시예를 적용할 경우 절반 정도의 LED 패키지만을 사용하여 동일한 광효율을 얻을 수 있다. 광지향각을 높이기 위해 사파이어 기판의 두께를 증가시키고, 발광층을 기판에 최대한 가까이 위치하도록 기판에 발광 다이오드를 실장하여, 발광 다이오드 칩의 발광층에서 발생하는 빛이 칩의 측면으로 방출하는 것을 유도하여 패키지의 광 지향각을 현 117°에서 161°까지 증가시킬 수 있다. 또한, 넓은 지향각을 가지는 LED 패키지는 상대적으로 백라이트 유닛에 작은 수의 LED 패키지를 실장하게 되므로, 액정표시장치의 화상에 문제가 되는 핫스팟(Hot spot) 문제를 해결할 수 있다. 따라서 본 발명의 LED 패키지를 적용할 경우, LED 패키지의 수를 절감하여 그 결과 백라이트 유닛의 생산 비용을 절감시키는 것 이외에도 표시장치 상의 핫스팟 문제를 해결할 수 있다.
발광 다이오드 칩을 기판에 대향하여 뒤집은 형태로 본딩할 경우, 광지향각을 높일 뿐만 아니라, 발광 다이오드 칩 상에 형성된 형광체들도 모두 광변환에 사용되므로 시인성을 개선한다.
이상에서의 설명 및 첨부된 도면은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 나타낸 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 구성의 결합, 분리, 치환 및 변경 등의 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 액정표시장치 110: 액정표시패널
120: 백라이트 유닛 130: 구동회로 유닛
500, 1600, 1700, 1800, 1900: 발광 다이오드 칩
530: 발광층
570, 1670, 1770, 1870, 1970: 사파이어 기판

Claims (13)

  1. 기판;
    제1색상의 빛을 방출하는 발광층이 기판에 대향하여 위치하며, 사파이어 기판이 상기 발광층의 상면에 위치하는 발광 다이오드 칩; 및
    상기 제1색상의 빛을 제2색상의 빛 또는 제3색상의 빛으로 변환하는 형광체를 포함하는 발광 다이오드 패키지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 사파이어 기판의 두께는 250μm 이상인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 패키지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 사파이어 기판의 측면은 상기 발광층이 상기 기판과 접합하는 면과 예각 또는 둔각을 이루는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 패키지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 사파이어 기판의 상면은 볼록한 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 패키지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 사파이어 기판의 상면은 요철인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 패키지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 발광층과 상기 발광 다이오드 패키지의 내벽이 이루는 각도는 150도 이상인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 패키지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1색상은 청색이며, 상기 제2색상은 녹색이며, 상기 제3색상은 적색인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 패키지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기판을 기준으로 상기 형광체는 상기 발광층의 최하위면보다 높은 지점에 분포하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 패키지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 발광 다이오드 칩은
    p 전극, n 전극, 상기 p 전극에 접합하는 p-질화갈륨층, 상기 n 전극에 결합하는 n-질화갈륨층, 및 상기 p-질화갈륨층과 상기 n-질화갈륨층 사이의 발광층을 포함하며,
    상기 n 전극 및 상기 p 전극은 상기 기판의 접합면을 기준으로 동일한 단차로 위치하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 패키지.
  10. 기판;
    제1색상의 빛을 방출하는 발광층이 기판에 대향하여 위치하며, 사파이어 기판이 상기 발광층의 상면에 위치하는 발광 다이오드 칩과, 상기 제1색상의 빛을 제2색상의 빛 또는 제3색상의 빛으로 변환하는 형광체를 포함하는 발광 다이오드 패키지; 및
    상기 발광 다이오드 패키지의 백색광을 액정표시패널로 반사하는 도광판을 포함하는 백라이트 유닛.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 사파이어 기판의 두께는 250μm 이상인 것을 특징으로 하는 백라이트 유닛.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 발광 다이오드 패키지 간의 간격은 상기 발광층의 상기 사파이어 기판의 높이에 비례하는 것을 특징으로 하는 백라이트 유닛.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 발광 다이오드 칩은
    p 전극, n 전극, 상기 p 전극에 접합하는 p-질화갈륨층, 상기 n 전극에 결합하는 n-질화갈륨층, 및 상기 p-질화갈륨층과 상기 n-질화갈륨층 사이의 발광층을 포함하며,
    상기 n 전극 및 상기 p 전극은 상기 기판의 접합면을 기준으로 동일한 단차로 형성된 것을 특징으로 하는 백라이트 유닛.
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