KR20170044032A - 발광 디바이스, 통합 발광 디바이스 및 발광 모듈 - Google Patents

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Abstract

발광 디바이스는 도전성 배선을 포함하는 베이스; 베이스 상에 장착되고 광을 방출하도록 구성된 발광 요소; 발광 요소의 상부면 상에 제공되는 광 반사막; 및 발광 요소 및 광 반사막을 덮는 봉지재를 포함한다. 봉지재의 바닥면의 폭(W)에 대한 봉지제의 높이(H)의 비율(H/W)은 0.5 미만이다.

Description

발광 디바이스, 통합 발광 디바이스 및 발광 모듈 {LIGHT-EMITTING DEVICE, INTEGRATED LIGHT-EMITTING DEVICE, AND LIGHT-EMITTING MODULE}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 그 발명이 본 명세서에서 전체로 참조로써 통합되는 2015년 10월 8일자로 출원된 일본 특허 출원 제2015-200445호 및 2016년 10월 6일자로 출원된 일본 특허 출원 제2016-197968호를 우선권 주장한다.
본 발명은 발광 디바이스, 통합 발광 디바이스 및 발광 모듈에 관한 것이다.
최근, 다양한 전자 부품이 제안되어 실용화되고, 이들은 더 높은 성능을 발휘할 것이 요구된다. 특히, 일부 전자 부품은 가혹한 사용 환경에서 장기간 그 성능을 유지할 필요가 있다. 이러한 요건은 발광 다이오드(즉, LED)를 포함하는 반도체 발광 소자를 사용하는 발광 디바이스에 적용될 수 있다. 즉, 일반 조명 및 차량용 내/외관 조명 분야에서, 발광 디바이스는 더 높은 성능, 구체적으로는 더 높은 출력(즉, 더 높은 휘도) 및 더 높은 신뢰성을 갖추어야 한다는 요구가 점점 더 커지고 있다. 또한, 발광 디바이스는 높은 성능을 유지하면서도 저렴한 비용으로 공급되도록 요구받는다.
액정 텔레비전, 일반 조명 디바이스 등에 사용되는 백라이트는 박형화에 대한 높은 요구로 이어지는 설계에 초점을 맞추어 개발된다.
예를 들면, 일본 미심사 특허 출원 공개 제2008-4948호는, 반사기가 플립칩(flip-chip) 방식으로 서브마운트 상에 장착된 발광 소자의 상면(upper surface) 상에 제공되어 백라이트의 박형화를 달성하는 발광 디바이스를 개시한다.
일본 미심사 특허 출원 공개 제2008-4948호는 넓은 배광(light distribution)을 갖는 발광 디바이스를 달성할 수 있다. 그러나, 백라이트의 추가적인 박형화로, 훨씬 더 넓은 배광을 달성할 수 있는 발광 디바이스가 요구된다.
본 발명의 실시예는 상술한 상황의 관점에서 이루어진 것이며, 본 발명의 실시예의 목적은 2차 렌즈를 사용하지 않고 넓은 배광을 가능하게 하는 발광 디바이스를 제공하는 것이다.
실시예에 따른 발광 디바이스는, 도전성 배선을 포함하는 베이스; 베이스 상에 장착되어 광을 출사하도록 구성된 발광 소자; 발광 소자의 상부면 상에 제공되는 광 반사 필름; 및 발광 소자 및 광 반사 필름을 덮는 봉지재를 포함하고, 봉지재 바닥면의 폭(W)에 대한 봉지재의 높이(H)의 비율(H/W)은 0.5 미만이다.
따라서, 본 발명의 실시예는 2차 렌즈를 사용하지 않고 넓은 배광을 가능하게 한다.
도 1은 제1 실시예에 따른 발광 디바이스의 예를 나타내는 단면도.
도 2는 실시예에서의 광 반사 필름의 광 투과율의 입사각 의존성을 나타내는 도면.
도 3은 본 실시예의 발광 디바이스에서 광 반사 필름의 파장 범위와 발광 소자의 발광 파장 사이의 관계를 나타내는 도면.
도 4는 실시예에서의 발광 디바이스의 배광 특성도.
도 5는 비교예에서의 2차 렌즈를 사용하는 발광 디바이스의 배광 특성도.
도 6은 실시예에 따른 실험예를 나타내는 도면.
도 7은 제2 실시예에서의 발광 모듈의 예를 나타내는 단면도.
도 8a 및 8b는 광 반사판의 예를 나타내는 도면.
도 9a 및 9b는 제2 예에 따른 발광 모듈의 휘도 분포 특성을 나타내는 도면.
본 발명의 실시예를 적절히 도면을 참조하여 후술한다. 후술하는 발광 디바이스는 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 것이며, 다르게 특정하지 않는 한 본 발명을 한정하려는 것은 아니다. 하나의 실시예 또는 예에 대한 설명의 내용은 다른 실시예들 및 예들에 또한 적용될 수 있다.
또한, 이하의 설명에서, 동일한 명칭 또는 참조 부호는 동일하거나 유사한 부재를 나타내므로, 그 상세한 설명은 적절히 생략한다. 또한, 본 발명을 구성하는 각 요소에 대해, 복수의 요소가 동일 부재에 의해 형성될 수 있어, 이러한 하나의 부재가 이러한 요소들로서 기능할 수 있게 한다. 반대로, 하나의 부재의 기능이 복수의 부재들에 의해 공유 및 달성될 수 있다.
[제1 실시예]
도 1은 제1 실시예에 따른 발광 디바이스의 일례를 나타내는 개략 구성도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에서, 발광 디바이스는 도전성 배선(102)을 갖는 베이스(101)와, 베이스(101) 상에 장착된 발광 소자(105)를 포함한다. 발광 소자(105)는 접합 부재(103)를 통해 플립칩 방식으로 장착되어, 베이스(101)의 표면에 제공되는 적어도 한 쌍의 도전성 배선(102) 사이의 영역에 걸쳐 있다. 광 반사 필름(106)은 발광 소자(105)의 광 추출면측(즉, 발광 소자(105)의 상면(upper surface))에 형성된다. 각 도전성 배선의 적어도 일부에는 절연 부재(104)가 제공될 수 있다. 발광 소자(105)에 전기적으로 접속된 도전성 배선(102)의 상면의 영역은 절연 부재(104)로부터 노출된다.
광 반사 필름(106)의 광 투과율은 발광 소자(105)로부터 입사하는 광의 입사각에 의존한다. 도 2는 본 실시예의 광 반사 필름(106)의 광 투과율의 입사각 의존성을 나타내는 도면이다. 광 반사 필름(106)은 발광 소자(105)의 상면에 수직인 방향으로는 거의 광을 통과시킬 수 없지만, 입사각이 수직 방향에 대하여 증가하면 투과되는 광의 양을 증가시킨다. 구체적으로 입사각이 -30° 내지 30°의 범위에 있을 때, 광 투과율이 약 10%이다. 입사각보다 -30°보다 작게 되면 광 투과율은 서서히 커진다. 또한, 입사각이 -50°보다 작게 되면 광 투과율이 크게 증가한다. 마찬가지로, 입사각이 30°보다 크게 되면 광 투과율이 서서히 커진다. 또한, 입사각이 50°보다 크게 되면 광 투과율이 크게 증가한다. 즉, 입사각의 절대값이 증가하면, 상기 광에 대한 광 반사 필름의 광 투과율이 증가한다. 이러한 반사 필름의 형성은 도 4에 나타낸 배트윙(batwing) 배광 특성을 달성할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "배트윙 배광 특성"이라는 용어는, 90°보다 작은 배광각(light distribution angle)을 갖는 제1 영역에서, 90°의 배광각에서의 강도보다 높은 강도를 갖는 제1 피크를 나타낼 뿐만 아니라, 90°보다 큰 배광각을 갖는 제2 영역에서, 90°의 배광각에서의 강도보다 높은 강도를 갖는 제2 피크를 나타내는 배광 특성을 의미한다.
발광 소자(105)는 광 투과성 봉지재(108)로 덮인다. 봉지재(108)는 외부 환경으로부터 발광 소자(105)를 보호하고 발광 소자로부터의 광 출력을 광학적으로 제어하기 위해, 발광 소자(105)를 덮도록 베이스 상에 배치된다. 봉지재(108)는 실질적으로 돔 형태로 형성된다. 봉지재(108)는 광 반사 필름(106)이 배치된 발광 소자(105), 발광 소자(105) 주변에 위치하는 도전성 배선(102)의 표면, 및 접합 부재(103)를 포함하는 발광 소자(105)와 도전성 배선(102) 사이의 접속부를 덮는다. 즉, 광 반사 필름(106)의 상면 및 측면은 봉지재(108)와 접촉하고, 광 반사 필름(106)으로 덮여 있지 않은 발광 소자(105)의 측면이 또한 봉지재(108)와 접촉하고 있다. 접속부는 봉지재(108)가 아니라 언더필(underfill)로 덮여 있을 수 있다. 이 경우, 봉지재(108)는 언더필과 발광 소자의 상면을 덮도록 형성된다. 본 실시예에서, 발광 소자(105)는 직접 봉지재(108)로 덮여 있다.
봉지재(108)는 바람직하게는 상면에서 보았을 때 봉지재의 직경(폭: W)에 대한 광축 방향의 봉지재의 높이(H)의 비율이 0.5 미만의 값으로 설정되는 원형 또는 타원형의 외형을 갖도록 형성된다. 타원형을 갖는 봉지재(108)에 있어서, 폭의 길이로 고려될 수 있는 장축 및 단축이 있지만, 본 명세서에서는 단축을 봉지재(108)의 직경(W)으로 정의한다. 봉지재(108)의 상면은 볼록 곡면 형상으로 형성된다.
이러한 구성으로, 발광 소자(105)로부터 출사된 광은 봉지재(108)와 공기와의 계면에서 굴절되며, 이는 보다 넓은 배광을 달성할 수 있다.
여기에서, 봉지재의 높이(H)는 도 1에 나타낸 바와 같이, 발광 소자(105)에 대한 장착면으로부터의 높이를 나타낸다. 봉지재의 폭(W)은, 봉지재가 상술한 바와 같이 원형 바닥면을 갖는 경우에 그 직경을 나타내며, 또는 대안적으로 봉지재가 원형 외의 형상을 갖는 경우 그 최단 부분의 길이를 나타낸다.
도 4는 봉지재(108)의 유무에 따른 배광 특성의 변화의 일례를 나타낸다. 도 4에서, 실선은 제1 실시예의 발광 디바이스(100)의 배광 특성을 나타낸다. 한편, 점선은, 봉지재(108)가 형성되지 않는 것을 제외하고는 제1 실시예와 동일한 방식으로 제조되는 발광 디바이스의 배광 특성을 나타낸다.
도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 실시예의 발광 디바이스에 따르면, 봉지재(108)를 갖지 않는 발광 디바이스에 비해, 제1 피크가 배광각을 감소시키는 방향으로 이동할 뿐만 아니라, 제2 피크는 배광각을 증가시키는 방향으로 이동한다. 따라서, 제1 실시예의 발광 디바이스는 더 넓은 배광을 달성할 수 있다.
이러한 방식으로 광 반사 필름(106)과 봉지재(108) 모두를 사용하여 2차 렌즈를 사용하지 않고도 원하는 배광 특성을 달성할 수 있다. 즉, 광 반사 필름(106)의 형성은 발광 소자(105) 바로 위의 휘도를 감소시킬 수 있으며, 봉지재(108)는 발광 소자(105)로부터의 광의 분포를 확장시키는 데 집중할 수 있는데, 이는 렌즈 기능을 갖는 봉지재의 현저한 소형화를 가능하게 한다.
즉, 종래에는 봉지재의 높이를 조정함으로써만 배광을 확장시키면서 발광 소자 바로 위의 휘도를 감소시켰는데, 그 결과, 봉지재의 높이가 증가되어야만 하였다. 이와는 달리, 본 실시예의 발광 디바이스는 발광 소자(105) 바로 위의 휘도를 감소시키는 광 반사 필름(106)을 포함하여, 배트윙 배광 특성을 달성한다. 이에 의해, 봉지재(108)는 배광을 확장시키는 기능에 초점을 맞추도록 구성될 수 있다. 따라서, 이러한 실시예는 발광 디바이스의 소형화를 달성할 수 있다.
이러한 구성은 후술하는 바와 같이, 휘도 불균일이 감소되는 박형화된 백라이트 모듈(즉, 발광 모듈)을 달성할 수 있다. 도 5는 비교예로서 2차 렌즈를 사용하여 얻은 배광 특성을 나타낸다. 임의의 2차 렌즈를 사용하지 않아도, 본 실시예의 발광 디바이스는 2차 렌즈를 사용한 경우와 실질적으로 동일한 배광 특성을 달성할 수 있다.
상면에서 보았을 때 봉지재(108)의 광축 방향으로의 다른 높이(H)와, 봉지재의 다른 직경(폭: W)을 가진 9개의 발광 디바이스가 제조되었다. 그 배광 특성의 결과가 도 6a 내지 6i에 나타내어진다. 사용되는 발광 소자는 평면 뷰에서 하나의 변의 길이가 600μm이고 두께가 150μm인, 실질적으로 정사각형을 갖는 청색 LED였다. 발광 소자(105)의 주 표면 상에 형성된 광 반사 필름(106)은 SiO2층(두께 82nm)과 ZrO2층(두께 54nm)을 반복적으로 형성하여 11개의 층으로 구성된다.
1번 내지 9번의 9개의 발광 디바이스의 각각에 대해, 봉지재의 직경(폭: W)에 대한 봉지재의 높이(H)의 비율이 표 1에 나타내어진다.
1번 2번 3번 4번 5번 6번 7번 8번 9번
H(mm) 0.70 0.89 0.92 0.79 0.93 1.09 0.74 1.00 1.18
W(mm) 2.76 2.78 2.56 3.06 3.14 3.11 3.40 3.28 3.29
H/W 0.25 0.32 0.36 0.26 0.30 0.35 0.22 0.30 0.36
결과 도 6a 도 6b 도 6c 도 6d 도 6e 도 6f 도 6g 도 6h 도 6i
실험 결과에서 알 수 있듯이, 배광 특성은 봉지재의 직경의 차이로 인해 크게 변화하지는 않았다. 하지만, 봉지재의 직경(폭: W)에 대한 봉지재의 높이(H)의 비율은 배광 특성에 영향을 주었다.
도 6a 내지 6i는 더 넓은 배광을 달성하기 위한 봉지재의 폭(W)에 대한 높이(H)의 비율(H/W)이 바람직하게는 0.3 이하라는 것을 나타낸다.
본 실시예의 발광 디바이스(100)의 바람직한 예를 후술한다.
(베이스(101))
베이스(101)는 발광 소자(105)를 장착하기 위한 부재이다. 베이스(101)는 발광 소자(105)에 전력을 공급하기 위해 그 표면에 도전성 배선(102)을 가지고 있다.
베이스(101)에 대한 재료의 예는 세라믹, 및 페놀 수지, 에폭시 수지, 폴리이미드 수지, BT 수지, 폴리프탈아미드(PPA) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 수지를 포함할 수 있다. 이 중에서도, 수지가 낮은 비용 및 성형성의 관점에서 재료로서 바람직하게 선택된다. 베이스의 두께는 적절히 선택될 수 있다. 베이스는 롤-투-롤(roll-to-roll) 시스템에 의해 제조 가능한 가요성 베이스 또는 강성 베이스 중 어느 하나일 수 있다. 강성 베이스는 구부릴 수 있는 박형화된 강성 베이스일 수 있다.
열 및 광에 대한 높은 내성을 갖는 발광 디바이스를 얻기 위해, 바람직하게는 세라믹이 베이스(101)에 대한 재료로서 선택된다. 세라믹의 예는 알루미나, 멀라이트(mullite), 포르스테라이트(forsterite), 글래스-세라믹, 질화계(예를 들면, AlN) 세라믹, 탄화물계 세라믹(예를 들어, SiC)을 포함할 수 있다. 그 중에서도, 알루미나로 이루어지거나 주로 알루미나를 함유하는 세라믹이 바람직하다.
베이스(101)에 대한 재료로서의 수지의 이용에서, 글래스 섬유, SiO2, TiO2 또는 Al2O3와 같은 무기 충전재가 수지에 혼합되어, 베이스가 향상된 기계적 강도와 향상된 광 반사율, 감소된 열 팽창률 등을 가질 수 있게 한다. 베이스(101)는 도전성 배선(102)의 쌍을 분리하여 절연할 수 있는 한 임의의 다른 부재일 수 있다. 베이스(101)는 절연층이 내부에 형성된 금속 부재를 포함하는 소위 금속 베이스를 채용할 수 있다.
(도전성 배선(102))
도전성 배선(102)은 전기적으로 발광 소자(105)의 전극에 접속된 부재이며, 발광 디바이스에 외부로부터 전류(전력)를 공급하도록 구성된다. 즉, 도전성 배선은 외부로부터의 전력으로 에너지를 공급받기 위한 전극 또는 그 일부로서의 역할을 한다. 통상적으로, 도전성 배선은 적어도 2개의 배선, 즉 서로 이격되어 있는 양 또는 음의 배선으로 형성된다.
각 도전성 배선(102)은 발광 소자(105)에 대한 장착면으로서의 역할을 하는 베이스의 적어도 상면 위에 형성된다. 도전성 배선(102)에 대한 재료는 베이스(101)에 대해 사용되는 재료, 그 제조 방법 등에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 세라믹이 베이스(101)에 대한 재료로서 사용되는 경우, 도전성 배선(102)은 바람직하게는 세라믹 시트의 소결 온도에 견딜 수 있는 고융점을 갖는 재료로 이루어진다. 구체적으로, 텅스텐 또는 몰리브덴과 같은 고융점을 갖는 금속이 바람직하게 도전성 배선에 대한 재료로서 사용된다. 또한, 니켈, 금, 은과 같은 다른 금속 재료가 도금, 스퍼터링, 증착 등에 의해 도전성 배선의 상술한 표면을 덮도록 형성될 수 있다.
글래스 에폭시 수지가 베이스(101)에 대한 재료로서 사용되는 경우, 도전성 배선(102)에 대한 재료는 바람직하게는 프로세싱이 용이한 재료로 이루어진다. 에폭시 수지 사출 성형을 사용하는 경우, 도전성 배선(102)은 펀칭, 에칭, 굽힘 등에 의해 용이하게 프로세싱될 수 있고, 비교적 높은 기계적 강도를 갖는 재료로 이루어진다. 구체적으로, 도전성 배선의 예는 구리, 알루미늄, 금, 은, 텅스텐, 철, 니켈과 같은 금속, 철-니켈 합금, 인청동(phosphor bronze), 철-구리 합금, 몰리브덴 등으로 이루어진 금속층 또는 리드 프레임을 포함할 수 있다. 리드 프레임의 표면은 리드 프레임 본체의 재료와는 다른 금속 재료로 피복될 수 있다. 이러한 금속 재료는 예를 들어, 은 단독, 또는 은과 구리의 합금, 금, 알루미늄 또는 로듐으로서 적절히 선택될 수 있다. 대안적으로, 도전성 배선은 은 또는 각 합금을 사용하여 복수의 층으로 형성될 수 있다. 금속 재료로 피복하는 데 적절한 방법은 스퍼터링, 증착 등뿐만 아니라 도금을 포함할 수 있다.
(접합 부재(103))
접합 부재(103)는 베이스(101) 또는 도전성 배선(102) 상에 발광 소자(105)를 고정하기 위한 부재이다. 플립칩 장착에서, 도전성 부재는 본 실시예에서와 동일한 방식으로 접합 부재로서 사용된다. 구체적으로, 접합 부재로서 적절한 재료는 Au 함유 합금, Ag 함유 합금, Pd 함유 합금, In 함유 합금, Pb-Pd 함유 합금, Au-Ga 함유 합금, Au-Sn 함유 합금, Sn-Cu-Ag 함유 합금, Au-Ge 함유 합금, Au-Si 함유 합금, Al 함유 합금, Cu-In 함유 합금, 및 금속과 플럭스(flux)의 혼합물을 포함할 수 있다.
접합 부재(103)의 적절한 형태는 액체-유형, 페이스트-유형 및/또는 고체 유형(예를 들어, 시트 형상, 블록 형상 와이어 형상 및/또는 분말 형태)을 포함할 수 있다. 접합 부재의 형태는 적절하게 그 조성, 베이스 형상 등에 기초하여 적절히 선택될 수 있다. 이러한 접합 부재(103)는 단일 부재 또는 몇몇 종류의 부재들의 조합으로 형성될 수 있다.
(절연 부재(104))
도전성 배선(102)은 바람직하게는 발광 소자(105)와 다른 재료에 전기적으로 접속되는 그 부분을 제외하고 절연 부재(104)로 덮여 있다. 즉, 각 도면에 도시된 바와 같이 도전성 배선(102)을 절연하고 덮기 위한 레지스트가 베이스 위에 배치될 수 있다. 절연 부재(104)는 이러한 레지스트로서 기능할 수 있다.
절연 부재(104)를 배치하는 경우에, 백색계 충전재가 절연 부재에 함유될 수 있다. 절연 부재에 함유된 백색계 충전재는 광의 누설 및 흡수를 감소시킬 수 있어, 도전성 배선(102)의 절연뿐만 아니라 발광 디바이스(100)의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
절연 부재(104)에 대한 재료는, 발광 소자로부터 광을 덜 흡수하고 절연성을 가져야 하는 기준에 따라 적절히 선택될 수 있다. 절연 부재의 재료의 예는 에폭시, 실리콘, 변성 실리콘, 우레탄, 옥세탄, 아크릴, 폴리카보네이트 및 폴리이미드 수지를 포함할 수 있다.
(발광 소자(105))
베이스에 장착되는 발광 소자(105)는 본 기술 분야에서 공지된 것일 수 있다. 본 실시예에서, 바람직하게는 발광 다이오드가 발광 소자(105)로서 사용된다.
적절한 파장에서 광을 출사하는 발광 소자(105)가 선택될 수 있다. 예를 들어, 청색 또는 녹색 발광 소자는 ZnSe, 질화물계 반도체(InxAlyGa1 -x- yN, 0≤X, 0≤Y, X+Y≤1) 또는 GaP를 이용할 수 있다. 광 투과성 사파이어 기판 등이 성장 기판으로서 사용될 수 있다. 적색 발광 소자는 GaAlAs, AlInGaP 등을 사용할 수 있다. 또한, 상술한 재료 이외의 다른 임의의 재료로 이루어진 반도체 발광 소자가 또한 사용될 수 있다. 사용을 위한 발광 소자의 조성, 발광색 및 크기와, 사용을 위한 발광 소자의 수 등은 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
다양한 발광 파장이 반도체 층의 재료와 그 혼합 결정 비율에 따라 선택될 수 있다. 발광 소자는 플립칩 장착을 가능하게 하기 위해 동일면 측 상에 양극과 음극을 가질 수 있거나, 대안적으로 그 다른 표면 상에 양극과 음극을 가질 수 있다.
본 실시예의 발광 소자(105)는 투광성 기판과 기판 상에 적층된 반도체 층을 갖는다. 반도체 층은 이 순서대로 형성된 n형 반도체 층, 활성층, p형 반도체 층을 포함한다. n형 전극은 n형 반도체 층 상에 형성되고, p형 전극은 p형 반도체 층 상에 형성된다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 발광 소자(105)는 접합 부재(103)를 통해 베이스(101)의 표면에 배치된 도전성 배선(102)에 플립칩 방식으로 장착된다. 이 표면에 대향하고 그 위에 형성된 전극을 갖는 발광 소자(105)의 표면, 즉 투광성 기판의 주 표면은 광 추출면으로서의 역할을 할 것이다. 그러나, 본 실시예에서는, 광 반사 필름(106)이 광 추출면에 형성되어 있으므로, 발광 소자(105)의 측면이 실질적으로 광 추출면으로서의 역할을 한다. 즉, 발광 소자(105)로부터 출사되고 발광 소자(105)의 주 표면으로 향하는 광의 일부는 광 반사 필름(106)에 의해 발광 소자(105)로 반환된 후, 발광 소자(105)의 내부에서 반복적으로 반사되고, 마지막으로 발광 소자(105)의 측면으로부터 출력된다. 따라서, 발광 디바이스(100)의 배광 특성(도 4의 점선 참조)은 광 반사 필름(106)을 통과하는 광과 발광 소자(105)의 측면으로부터 출사되는 광의 조합의 특성을 나타낸다.
발광 소자(105)는 양극과 음극 측에 고립 및 절연된 2개의 도전성 배선(102) 사이의 영역에 걸쳐 있도록 배치된다. 발광 소자(105)는 도전성 접합 부재(103)를 통해 도전성 배선에 전기적으로 접속되고 기계적으로 고정된다. 발광 소자(105)를 장착하기 위해, 솔더 페이스트를 사용하는 방법뿐만 아니라 범프를 사용하는 방법도 채용될 수 있다. 발광 소자(105)로서, 수지 등으로 밀봉되는 발광 소자를 포함하는 소형 패키지 제품이 또한 사용될 수 있다. 발광 소자(15)의 형상 또는 구조는 적절하게 선택될 수 있다.
후술하는 바와 같이, 파장 변환 부재를 포함하는 발광 디바이스의 경우에, 발광 디바이스는 효율적으로 파장 변환 층을 자극할 수 있는 단파장의 광을 출사할 수 있는 질화물 반도체(InxAlyGa1-x-yN, 0≤X, 0≤Y, X+Y≤1)를 적절하게 사용한다.
플립칩 장착을 사용하는 실시예가 예로서 설명되었지만, 본 발명의 특정 실시예는, 발광 소자의 절연 베이스측이 장착면으로서의 역할을 하고, 발광 소자의 상부면에 형성된 전극이 와이어에 접속되는 장착 상태를 채용할 수 있다. 이 경우에, 발광 소자의 상부면이 전극 형성면 측이고, 광 반사 필름은 전극 형성면 측 상에 위치된다.
(광 반사 필름(106))
광 반사 필름(106)은 발광 소자(105)의 주 표면인 광 추출면 측 상에 형성된다.
광 반사 필름의 재료는 발광 소자(105)로부터 출사되는 광을 적어도 반사하는 것, 예를 들어 백색 충전재를 포함하는 수지 또는 금속일 수 있다.
유전체 다층 필름이 더 적은 광 흡수를 갖는 반사 필름을 제공하는 데 사용될 수 있다. 또한, 광 반사 필름의 반사율은 유전체 다층 필름을 설계함으로써 적절하게 조정될 수 있거나, 그 반사율은 또한 광의 각도를 조정함으로써 제어될 수 있다. 특히, 반사율은 광 추출면에 수직인 방향(또한, 광축 방향이라 칭함)에서 증가되며, 반사 필름의 광 투과율의 증가로 인해 광축에 대하여 큰 각도에서 감소하며, 이는 배트윙 배광의 형상을 제어할 수 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 유전체 다층 필름의 광축 방향으로, 즉 발광 소자의 상부면에 수직 방향으로의 반사 파장 영역에 관하여, 발광 소자(105)의 발광 피크 파장에 대해 반사 파장 범위의 장파장 측의 영역을 확장하는 것이 바람직하다.
이것은 광축으로부터의 각도가 변하면, 즉 입사광의 광축으로부터의 각도가 증가하면, 유전체 다층 필름의 반사 파장 범위가 단파장 측으로 시프팅되기 때문이다. 발광 파장에 대해 장파장 측을 향해 반사 파장 범위를 확장함으로써, 즉 광축에 대해 더 큰 각도에서 발광 소자로부터 입사되는 광에 대해 적절한 반사율이 넓은 각도까지 유지될 수 있다.
유전체 다층 필름에서 사용하기에 적절한 재료는 금속 산화막 재료, 금속 질화막, 산화 질화막 등일 수 있다. 실리콘 수지 또는 불소 수지와 같은 유기 재료가 또한 사용될 수 있다. 그러나, 유전체 다층에 대한 재료는 상술한 것들 이외의 것 중에서 선택될 수 있다.
(봉지재(108))
봉지재(108)로 사용하기에 적절한 재료는 에폭시 수지, 실리콘 수지, 그 혼합 수지 또는 글래스를 포함하는 투광성 재료일 수 있다. 이 중에서도, 실리콘 수지가 내광성 및 성형성을 고려할 때 바람직하게 선택된다.
봉지재(108)는 이하를 포함할 수 있다: 발광 소자로부터 출사된 광의 파장과는 다른 파장을 갖는 광을 출력하도록 발광 소자(105)로부터 광의 일부를 흡수하는 형광체 또는 양자점(quantum dot)과 같은 파장 변환 재료와 광 확산 재료; 및 발광 소자로부터의 사출된 광에 대응하는 착색제.
봉지재(108)에 이러한 재료를 첨가하는 경우, 배광 특성에 영향을 미칠 가능성이 낮은 것을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 0.2μm 이하의 입자 크기를 갖는 재료가 배광 특성에 영향을 줄 가능성이 더 낮으므로 바람직하다. 본 명세서에서 사용되는 "입자 크기"라는 용어는 평균 입자 크기를 의미하고, 평균 입자 크기는 공기 투과법을 사용하여 F.S.S.S.No(Fisher-SubSieve-Sizers-No.)에 기초하여 측정된다.
봉지재(108)는 발광 소자(105)를 덮도록 압축 성형 또는 사출 성형에 의해 형성될 수 있다. 대안으로, 봉지재(108)에 대한 재료는 그 점도가 발광 소자(105)에 적하되거나 연신되도록 최적화되어, 재료 자체의 표면 장력에 의해 봉지재(108)의 형상을 제어한다.
후자의 형성 방법에서, 몰드가 필요하지 않으므로, 봉지재는 더욱 간단한 방법에 의해 형성될 수 있다. 봉지재(108)의 기초 재료의 점도를 조정하는 것 외에, 봉지재의 점도는 원하는 수준의 점도를 갖는 봉지재(108)를 형성하기 위해 상술한 확산 재료, 파장 변환 재료 및/또는 착색제를 사용하여 조정될 수 있다.
[제2 실시예]
도 7은 제2 실시예에서의 발광 디바이스(200)를 포함하는 발광 모듈(300)의 단면도이다. 본 실시예에서, 복수의 발광 소자(105)가 베이스(101) 상에 미리 정해진 간격으로 장착된다. 적어도 하나의 광 반사 부재(110)가 발광 디바이스의 상부면(즉, 베이스(101)의 상부면)에 대해 작은 각도로 출사되는 광을 반사하기 위하여 인접한 발광 소자(105) 사이에 배치된다. 즉, 발광 디바이스(200)는 제1 실시예의 복수의 발광 디바이스(100)와 각 발광 디바이스(100) 사이에 배치된 광 반사 부재(110)를 포함하는 통합 발광 디바이스이다. 발광 소자(105)로부터 광을 확산시키기 위한 광 확산판(111)은 발광 디바이스(100)와 광 반사 부재(110) 위에, 그리고 발광 소자의 상부면과 실질적으로 평행하게 배치된다. 발광 소자(105)로부터 출사된 광의 일부를 다른 파장을 갖는 광으로 변환하기 위한 파장 변환 층(112)은 광 확산판(111) 위에, 그리고 광 확산판(111)에 실질적으로 평행하게 배치된다.
일반적으로, 인접한 발광 디바이스 사이의 거리(이하 피치라 칭할 수 있음)에 대한 베이스(101)와 광 확산판(111) 사이의 거리(이하, 광학 거리: OD라 칭할 수 있음)의 비율이 감소되면, 광 확산판(111)의 표면 상의 발광 소자(105) 사이의 광의 양이 감소되어 암부(dark space)를 야기한다.
그러나, 이러한 방식으로 배치된 광 반사 부재(110)를 포함하는 구성으로, 광 반사 부재에 의해 반사된 광(110)이 발광 소자 사이의 광의 양을 보상하여, 광 확산판(111)의 표면 상의 휘도 불균일이 더 작은 OD/피치의 비율을 갖는 영역에서도 감소될 수 있다.
구체적으로, 제2 실시예의 발광 디바이스(200)에서, 베이스(101)에 대한 광 반사 부재(110)의 광 반사 표면의 경사각 θ는, 광 확산판(111)의 표면 상의 휘도 불균일이 각각의 발광 디바이스(100)의 배광 특성을 고려하여 감소하도록 설정된다. 배치된 복수의 발광 디바이스(100)의 배광 특성에 대해, 각각의 발광 디바이스(100)는, 광 확산판(111)의 표면 상의 휘도 불균일을 감소시키고 박형화된 발광 디바이스(200)를 달성하기 위해, 큰 배광각을 갖는 영역, 즉 대략 ±90°의 배광각에 있는 영역에서 광의 양이 크게 되는 배광 특성을 갖는 것이 바람직하다.
OD/피치의 비율이 작은 경우, 예를 들어, 0.2 이하인 경우, 입사광이 광 반사 부재(110)에 입사하는 앙각은 발광 소자(105)의 발광면에 대해 22°미만이다. 따라서, 0.2 이하의 낮은 OD/피치에서 광 반사 부재(110)에 의한 광의 반사율을 증가시키기 위해, 발광 디바이스(100)의 배광 특성은 예를 들면, 베이스의 상부면에 대해 20°미만의 앙각에서의 광의 양이 큰 특징을 갖는 것이 바람직하다. 구체적으로, 발광 강도의 제1 및 제2 피크는 바람직하게는 20°미만의 앙각의 범위에 위치된다. 여기에서, 20°의 앙각은 도 4의 20°와 160°의 배광각에 대응한다. 즉, 도 4에 나타낸 바와 같이, 발광 강도의 제1 피크는 20°미만의 배광각의 범위에 위치되고, 발광 강도의 제2 피크는 160°초과의 배광각의 범위에 위치된다. 20°미만의 앙각의 범위 내의 광의 양은 바람직하게는 광의 전체량의 30% 이상이며, 더욱 바람직하게는 40% 이상이다.
(광 반사 부재(110))
광 반사 부재(110)는 인접하는 발광 소자(105) 사이에 제공된다.
광 반사 부재는 발광 소자(105)의 적어도 발광 파장을 갖는 광을 반사하는 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 백색 충전재를 함유하는 금속판 또는 수지가 광 반사 부재로 적절히 사용될 수 있다.
유전체 다층 필름은 더 적은 광 흡수를 갖는 반사 표면을 생성하기 위해 광 반사 부재의 반사 표면으로서 사용될 수 있다. 또한, 광 반사 부재의 반사율은 유전체 다층 필름을 설계함으로써 적절히 조정될 수 있거나, 그 반사율은 또한 광의 각도에 의해 제어될 수 있다.
광 반사 부재(110)의 높이와 베이스(101)의 표면에 대한 광 반사 표면의 경사각 θ는 적절한 값으로 설정될 수 있다. 광 반사 부재(110)의 반사 표면은 평면 또는 곡면일 수 있다. 원하는 배광 특성을 얻기 위해, 적절한 경사각 θ와 반사 표면의 형상이 설정될 수 있다. 광 반사 부재(110)의 높이는 인접하는 발광 소자들 사이의 거리의 바람직하게는 0.3배 이하, 더욱 바람직하게는 0.2배 이하로 설정된다. 이러한 배치는 덜 불균일한 휘도를 갖는 박형화된 발광 모듈(300)을 제공할 수 있다.
사용 온도가 현저하게 변하는 경향이 있는 환경에서 사용되는 발광 디바이스(200)에 대해, 광 반사 부재(110)의 선팽창 계수는 베이스(101)의 선팽창 계수에 근접할 필요가 있다. 선팽창 계수에 있어서, 광 반사 부재(110)가 베이스(101)와 현저하게 다른 경우에, 온도의 변화로 인해 발광 디바이스(200)에서 휨이 발생할 수 있거나, 아니면 컴포넌트 사이, 특히 발광 디바이스(100)와 광 반사 부재(110) 사이의 위치 관계가 시프팅될 수 있어, 원하는 광학 특성을 얻는 데 실패할 가능성이 있다. 그러나, 선팽창 계수는 물리적 특성이므로 현실에서 매우 많은 대안이 존재하지는 않는다. 이러한 이유로, 선팽창 계수에 있어서 광 반사 부재(110)가 베이스와 현저하게 다른 경우에 있어서도 발광 디바이스(200)의 휨의 발생을 감소시키기 위해 광 반사 부재(110)는 탄성적으로 변형 가능한 필름 성형 컴포넌트에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 이것은, 고체 재료와 같이 덜 탄성적으로 변형 가능한 재료로 이루어진 광 반사 부재(110)는 그 형상을 유지하면서 팽창하는 경향이 있지만, 필름 성형 광 반사 부재는 그 팽창을 보상하도록 적절히 변형될 수 있기 때문이다.
바람직하게는, 복수의 광 반사 부재(110)는 판 형상으로 함께 커플링되어, 발광 디바이스(200)가 배치되는 관통홀(113)을 갖는다. 도 8은 이러한 판 형상의 광 반사판(110')을 나타낸다. 도 8a는 광 반사판(110')의 상면도이며, 도 8b는 도 8a의 라인 A-A를 따라 취한 단면도이다. 이러한 광 반사판(110')은 금속 성형, 진공 형성, 가압 성형, 프레스 형성 등에 의해 형성될 수 있다. 광 반사판(110')은 베이스(101) 상에 배치된다. 광 반사 부재(110)는, 베이스(101) 상에 직접 광 반사 수지를 연신하는 것을 포함하는 방법 등에 의해 형성될 수 있다. 광 반사 부재(110)의 높이는 인접하는 발광 소자 사이의 거리의 0.3배 이하로 설정되는 것이 바람직하며, 예를 들어, 인접하는 발광 소자 사이의 거리의 0.2배 이하로 설정되는 것이 더욱 바람직하다.
[예 1]
본 예에서는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 글래스-에폭시계 재료가 베이스(101)에 대해 사용되며, 두께 35μm의 Cu 재료가 도전성 배선으로서 사용된다.
질화물계 청색 LED가 발광 소자(105)로서 사용될 수 있다. LED는 평면도에서 한변의 길이가 600μm이고 150μm의 두께를 갖는 대략 정사각형을 갖는다. 에폭시계 백색 솔더 레지스트가 절연 부재(104)로서 사용될 수 있다.
발광 소자(105)의 주 표면에 형성된 광 반사 필름(106)은 SiO2 층(두께 82nm)과 ZrO2 층(두께 54nm)을 반복적으로 형성하여 11개의 층으로 구성된다.
이 때, 광 반사 필름(106)의 투광율이 도 2에 나타내어진다. 발광 소자의 주 표면측에 수직인 방향(즉, 광축 방향)으로의 투광율은 낮고, 광축으로부터 떨어진 각도가 증가할수록, 관 반사 필름의 투광율은 증가한다.
발광 소자(105)는 봉지재(108)로 덮여 있다. 봉지재(108)는 실리콘 수지로 형성되며, 1.0mm의 높이(H)와 3.0mm의 바닥면 직경(W)을 갖는다.
이러한 구성으로, 발광 소자(105)로부터 출사된 광은 봉지재(108)와 공기 사이의 계면에서 반사되며, 이는 배광각의 범위를 넓힌다. 이러한 구성에 의해 얻어지는 발광 디바이스(100)의 배광 특성이 도 4에 실선으로 나타내어진다. 봉지재(108)가 없는 발광 디바이스에 의해 얻어지는 배광 특성은 도 4에서 점선으로 나타내어진다. 이러한 방식으로, 봉지재(108)는 광 반사 필름(106)과 함께 사용되며, 이는 보다 낮은 OD/피치를 달성할 수 있다.
[예 2]
예 2에서, 예 1의 복수의 발광 소자(105)는 베이스(101) 상에 장착되고, 적어도 하나의 광 반사 부재(110)가 인접한 발광 소자들 사이에 배치된다. 여기에서, 피치는 12.5mm로 설정된다.
광 반사 부재(110)는 55°의 반사각(즉, 앙각) θ와 2.4mm의 높이를 갖도록 진공 형성법에 의해 (0.2mm의 두께(t)를 갖는) TiO2를 함유하는 폴리프로필렌 시트를 사용하여 형성되는 판 형상의 광 반사판이다. 광 반사 부재(110)는 도 8에 나타낸 판 형상의 광 반사판이며 절연 부재(104) 상에 배치된다.
광 반사 부재(110) 위에, 유백색광(milky-white light) 확산판(111)과 파장 변환 층(112)이 배치되어 액정 백라이트(즉, 발광 모듈)를 형성한다. 이러한 구성에서, 도 9a 및 9b는 광 반사 부재(110)의 유무 사이에서 광 확산판(111)의 표면에서의 휘도 불균일의 비교 결과를 나타낸다. 도 9a는 발광 광 반사 부재가 없는 발광 모듈을 나타내고, 도 9b는 광 반사 부재가 있는 발광 모듈을 나타낸다. 도 9a 및 9b에 나타낸 바와 같이, 광 반사 부재가 배치되지 않는 경우에, 상대 휘도는, 상대 휘도가 높은 경향이 있는 영역 내에서 약 0.6 내지 약 0.7의 범위(즉, 약 250 화소와 약 720 화소 사이의 화소 개수의 범위)로 저하된다. 한편, 광 반사 부재가 배치되는 경우에, 상대 휘도는, 상대 휘도가 높은 경향이 있는 영역 내에서 (즉, 약 250 화소와 약 720 화소 사이의 화소의 개수에서) 약 0.8 아래로 저하되지 않는다. 광 반사 부재를 제공함으로써 휘도 불균일이 향상되는 효과를 알 수 있다.
본 실시예의 발광 디바이스 및 발광 모듈은 액정 디스플레이, 다양한 조명 기구 등에 대한 백라이트 광원에서 사용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 발광 디바이스로서,
    도전성 배선을 포함하는 베이스;
    상기 베이스 상에 장착되어 광을 출사하도록 구성된 발광 소자;
    상기 발광 소자의 상부면 상에 제공되는 광 반사 필름; 및
    상기 발광 소자 및 상기 광 반사 필름을 덮는 봉지재를 포함하고,
    상기 봉지재 바닥면의 폭(W)에 대한 상기 봉지재의 높이(H)의 비율(H/W)은 0.5 미만인, 발광 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 봉지재는 볼록한 곡면 형상의 상부면을 갖는, 발광 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광 반사 필름은, 상기 광에 대한 상기 광 반사 필름의 투광율이 입사각 의존성을 갖도록 구성되는, 발광 디바이스.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광의 입사각의 절대값이 증가하면, 상기 광에 대한 상기 광 반사 필름의 투광율이 증가하는, 발광 디바이스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 반사 필름은 유전체 다층 필름으로 형성되는, 발광 디바이스.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 반사 필름 상에 수직으로 입사하는 광에 대한 상기 광 반사 필름의 반사 파장 범위는 상기 발광 소자의 발광 피크 파장을 포함하고,
    상기 반사 파장 범위에서, 상기 발광 피크 파장의 더 긴 파장측의 영역이 상기 발광 피크 파장의 더 짧은 파장측의 영역보다 더 넓은, 발광 디바이스.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광 디바이스로부터 출사되는 전체 광의 30% 이상이 상기 베이스의 상부면에 대해 20°미만의 앙각의 방향으로 출사되는, 발광 디바이스.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광 디바이스로부터 출사되는 전체 광의 40% 이상이 상기 베이스의 상부면에 대해 20°미만의 앙각의 방향으로 출사되는, 발광 디바이스.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 봉지재의 바닥면의 폭(W)에 대한 상기 봉지재의 높이(H)의 비율(H/W)이 0.3 이하인, 발광 디바이스.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광 소자는 플립칩(flip-chip) 방식으로 장착되는, 발광 디바이스.
  11. 통합 발광 디바이스로서,
    제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 복수의 발광 디바이스를 포함하고,
    적어도 하나의 광 반사 부재가 상기 발광 디바이스들 중 인접하는 것들 사이에 배치되는, 통합 발광 디바이스.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광 반사 부재는 상기 인접하는 발광 디바이스들 사이의 거리의 0.3배 이하의 높이를 갖는, 통합 발광 디바이스.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 광 반사 부재는 상기 인접하는 발광 디바이스들 사이의 거리의 0.2배 이하의 높이를 갖는, 통합 발광 디바이스.
  14. 발광 모듈로서,
    제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 발광 디바이스, 및
    상기 발광 디바이스의 광 추출면 측에 위치하는 파장 변환 부재를 포함하고,
    상기 파장 변환 부재는 상기 발광 소자로부터 출사된 광의 일부를 흡수하고, 상기 흡수된 광을 상기 발광 소자의 방출 파장과 상이한 파장을 갖는 광으로 변환하도록 구성되는, 발광 모듈.
  15. 발광 모듈로서,
    제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 통합 발광 디바이스; 및
    상기 통합발광 디바이스의 광 추출면 측에 위치하는 파장 변환 부재를 포함하고,
    상기 파장 변환 부재는 상기 발광 소자로부터의 광의 일부를 흡수하고, 상기 흡수된 광을 상기 발광 소자의 방출 파장과 상이한 파장을 갖는 광으로 변환하도록 구성되는, 발광 모듈.
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