KR20180062842A - 발광다이오드 패키지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광다이오드 패키지 및 그 제조방법을 개시한다. 본 발명의 실시예에 따른 발광다이오드 패키지는 기판; 상기 기판 상에 형성된 발광다이오드 칩; 상기 발광다이오드 칩을 둘러싸고, 내측면이 반사면을 이루는 측벽; 상기 측벽 상에 형성되고, 상기 발광다이오드 칩과 이격된 파장변환부; 및 상기 발광다이오드 칩과 대응되도록 상기 파장변환부 하부에 형성되고, 상기 발광다이오드 칩과 이격된 적어도 하나 이상의 반사부를 포함한다.

Description

발광다이오드 패키지 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING DEVICE PACKAGE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 발광다이오드 패키지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발광다이오드 칩과 파장변환부 사이에 반사부를 포함하는 발광다이오드 패키지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 액정표시장치(LCD, Liquid Crystal Display)는 두께가 얇고 무게가 가벼우며 전력소모가 낮은 장점이 있어, 모니터, 노트북, 휴대폰, 대형 텔레비전 등에 사용된다.
상기 액정표시장치는 액정의 광 투과율을 이용하여 영상을 표시하는 액정표시패널(LCP, Liquid Crystal Panel) 및 상기 액정표시패널의 하부에 배치되어 상기 액정표시패널로 광을 제공하는 백라이트 어셈블리(Backlight Assembly)를 포함한다.
상기 백라이트 어셈블리는 상기 액정표시패널에 영상을 표시하는데 필요한 광을 발생시키는 광원들을 포함한다. 예를 들어, 상기 광원들은 냉음극 형광램프(CCFL, Cold Cathode Fluorescent Lamp), 외부전극 형광램프(EEFL, External Electrode Fluorescent Lamp), 평판 형광램프(FFL, Flat Fluorescent Lamp), 발광다이오드(LED, Light Emitting Diode)일 수 있다.
최근에는 소비 전력이 낮고 환경 친화적인 발광다이오드가 널리 이용되고 있다. 발광다이오드는 발광다이오드 패키지 형태로 액정표시장치의 광원으로 이용될 수 있다.
상기 발광다이오드 패키지는, 예를 들어, 패키지 본체의 내부에 발광다이오드 칩을 내장하고, 기판에 패키지 본체를 부착하는 형태이거나 또는 발광다이오드 칩을 기판에 직접 부착하는 방식의 칩 온 보드(Chip on Board) 타입일 수 있다.
발광다이오드 칩은 적색 발광다이오드 칩, 녹색 발광다이오드 칩 또는 청색 발광다이오드 칩일 수 있다. 발광다이오드 모듈은 적색 발광다이오드 칩, 녹색 발광다이오드 칩 및 청색 발광다이오드 칩을 포함할 수 있고, 복수의 발광다이오드 칩들에서 제공되는 광을 혼합하여 백색 광을 출력할 수 있다.
발광다이오드를 이용하여 백색 광을 구현하기 위해서는 다양한 방법이 있으나, 현재 가장 일반적인 것은 InGaN(Indium Gallium Nitride) 물질로 구성되어 430 nm 내지 470 nm의 청색 광을 발광하는 발광다이오드(화합물 반도체) 칩과 상기 청색 광을 일부 흡수하여 흡수한 파장보다 장파장으로 변환하여 발광하는 형광체를 조합하는 방법이 있다.
이때 사용되는 형광체는 파우더 형태로 되어 있기 때문에 이를 사용하기 위해서는 에폭시(Epoxy), 실리콘(Silicon) 등의 액상 수지에 혼합하여 패키지 내부에 디스펜싱(Dispensing)하는 방법, 발광다이오드 칩에 직접 코팅(Coating)하는 방법 또는 형광체가 혼합된 액상 수지로 미리 시트(Sheet)를 제작하여 리모트 형광체(Remote Phosphor)로 구성하는 방법 등이 있다.
한편, 지금까지의 발광다이오드 제품은 0.5 와트(W) 내지 1 와트 급의 미드파워(Mid-Power) 중심으로 제작되었기 때문에 발광다이오드 패키지에서 온도가 가장 높은 부분은 발광다이오드 칩이었고, 이러한 발광다이오드 제품의 신뢰성, 광 안정성 및 전기적 안정성을 유지하기 위해서 발광다이오드 칩의 접합온도(Junction Temperature)를 낮추는 기술들이 많이 개발되어 왔다.
하지만 최근 들어 조명, 자동차 등에 적용되는 수십 와트 급의 발광다이오드 제품이 나오면서 발광다이오드 칩의 접합온도보다 형광체층의 온도가 더 높아지게 되었고, 이로 인해 형광체의 효율저하, 색온도(CCT, Correlated Color Temperature) 변화가 발생될 수 있으며, 형광체 파우더의 바인더 역할을 하고 있는 유기물질(실리콘, 에폭시)의 균열(Crack) 및 그로 인한 패키지 와이어 단락 등의 치명적 불량이 발생될 수 있다.
따라서 이러한 형광체층의 온도 상승의 주요 원인 중 하나인 광 흡수(Light Absorption)를 줄일 수 있는 다양한 구조의 발광다이오드 모듈의 개발이 필요하다.
대한민국공개특허공보 제10-2010-0050045호(2010.05.13), "파장변환형 발광 장치" 대한민국등록특허공보 제10-0888438호(2009.03.05), "백색 발광소자 및 그 제조방법" 대한민국공개특허공보 제10-2014-0095723호(2014.08.04), "발광 소자 및 이를 구비한 조명 장치"
본 발명의 실시예는 발광다이오드 칩과 파장변환부 사이에 형성된 반사부를 구비한 발광다이오드 패키지 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 발광다이오드 패키지는, 기판; 상기 기판 상에 형성된 발광다이오드 칩; 상기 발광다이오드 칩을 둘러싸고, 내측면이 반사면을 이루는 측벽; 상기 측벽 상에 형성되고, 상기 발광다이오드 칩과 이격된 파장변환부; 및 상기 발광다이오드 칩과 대응되도록 상기 파장변환부 하부에 형성되고, 상기 발광다이오드 칩과 이격된 적어도 하나 이상의 반사부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 발광다이오드 패키지에 있어서, 상기 반사부는 상기 파장변환부 면적의 50% 이하의 면적을 가질 수 있다.
상기 반사부는 사각형, 삼각형, 역삼각형 또는 반원형의 형상을 가질 수 있다.
상기 반사부는 반사물질을 포함하는 실리콘, 이엠씨(EMC), 피피에이(PPA) 수지 및 피씨티(PCT) 수지로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 반사물질은 TiO2, BaSO4 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 발광다이오드 패키지에 있어서, 상기 발광다이오드 칩은 InGaN 또는 InAlGaN의 질화물계 화합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 발광다이오드 패키지에 있어서, 상기 파장변환부는 파장변환물질 및 바인더를 포함할 수 있다.
상기 파장변환물질은 가넷, 실리케이트, 황화물, 산질화물, 질화물 및 알루미네이트로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 바인더는 실리콘계 또는 에폭시계 수지를 포함할 수 있다.
상기 파장변환부는 열전도율 향상 물질을 더 포함할 수 있다.
상기 열전도율 향상 물질은 가넷, 실리케이트, 황화물, 산질화물, 질화물, 알루미네이트, TiO2, SiO2, Al2O3 및 ZrO2으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 발광다이오드 패키지는, 발광다이오드 칩; 상기 발광다이오드 칩 상에 형성된 적어도 하나 이상의 반사부; 및 상기 발광다이오드 칩을 둘러싸도록 형성된 파장변환부를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 발광다이오드 패키지에 있어서, 상기 반사부는 상기 발광다이오드 칩 면적의 50% 이하의 면적을 가질 수 있다.
상기 반사부는 사각형, 삼각형, 역삼각형 또는 반원형의 형상을 가질 수 있다.
상기 반사부는 반사물질을 포함하는 실리콘, 이엠씨(EMC), 피피에이(PPA) 수지 및 피씨티(PCT) 수지로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 반사물질은 TiO2, BaSO4 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 발광다이오드 패키지의 제조방법은, 내측면이 반사면을 이루는 측벽이 결합된 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 발광다이오드 칩을 실장하는 단계; 파장변환부 하부에 적어도 하나 이상의 반사부를 형성하는 단계; 및 상기 측벽 상에 상기 발광다이오드 칩과 이격되도록 상기 파장변환부를 결합하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 발광다이오드 칩과 파장변환부 사이에 형성된 반사부에 의해 파장변환부에 흡수되는 광 에너지를 감소시켜 파장변환부의 온도를 낮출 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 파장변환부에 더 포함된 열전도율 향상 물질에 의해 파장변환부의 열전도율을 향상시켜 발광다이오드 패키지 외부로 열을 용이하게 방출시킬 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 발광다이오드 패키지를 나타낸 단면도이다.
도 2a 내지 도 2d는 제1 실시예에 따른 발광다이오드 패키지에 있어서 다양한 형상 또는 개수를 갖는 반사부를 나타낸 단면도이다.
도 3은 발광다이오드 패키지의 발광다이오드 칩에서 발광되는 광 분포를 나타낸 그래프이다.
도 4는 발광다이오드 패키지의 광 반사 차수에 따른 파장변환부의 흡수 에너지 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 발광다이오드 패키지의 파장변환부 면적 대비 반사부 면적에 따른 광 효율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 제2 실시예에 따른 발광다이오드 패키지를 나타낸 단면도이다.
도 7은 제2 실시예에 따른 발광다이오드 패키지에 있어서 복수 개의 반원형상의 반사부를 나타낸 단면도이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 막, 층, 영역, 구성 요청 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 층, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 제1 실시예에 따른 발광다이오드 패키지를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 발광다이오드 패키지(100)는 기판(110), 발광다이오드 칩(120), 측벽(130), 파장변환부(140) 및 적어도 하나 이상의 반사부(150)를 포함한다. 제1 실시예에 따른 발광다이오드 패키지(100)는 리모트 형광체(Remote phosphor) 구조일 수 있다.
기판(110)은 발광다이오드 칩(120)으로 전기를 공급하기 위한 전기회로를 가질 수 있다.
기판(110)은 실리콘 기판, 금속 기판, 세라믹 기판 또는 수지 기판일 수 있다. 기판(110) 자체가 전도성을 갖는 경우에는 기판(110)의 외부면 상에 절연막이 코팅되어 있을 수 있다.
기판(110)은 소자 영역 및 주변 영역을 가질 수 있다. 상기 소자 영역은 후술하는 발광다이오드 칩(120)이 실장되는 영역이고, 상기 주변 영역은 그 외의 영역일 수 있다.
실시예에 따라, 기판(110)의 소자 영역 상에 서로 이격하는 제1 및 제2 본딩 패드(미도시)가 위치할 수 있다. 기판(110)의 외부에는 상기 본딩 패드들에 각각 연결된 외부 연결단자들(미도시)이 배치될 수 있다. 상기 본딩 패드들 및 상기 외부 연결단자들은 리드 프레임(미도시)에 구비된 것들일 수 있다.
발광다이오드 칩(LED Chip)(120)은 기판(110) 상에 형성된다. 구체적으로, 발광다이오드 칩(120)은 기판(110)상에 플립본딩 또는 본딩페이스트로 실장되고, 본딩와이어 또는 플립방식으로 전기적으로 연결될 수 있다.
발광다이오드 칩(120)은 기판(110)의 전기회로로부터 공급받은 전기에 의해 발광함으로써 광을 발생시킬 수 있다.
구체적으로, 발광다이오드 칩(120)은 전기에너지를 광에너지로 변환시켜주는 광반도체를 이용한 광원일 수 있다. 발광다이오드 칩(120)은 p형 반도체와 n형 반도체의 이종 접합 구조를 가질 수 있다.
발광다이오드 칩(120)은 제1 도전형(예를 들어, p형)의 제1 도전층, 제2 도전형(예를 들어, n형)의 제2 도전층, 상기 제1 도전층 및 상기 제2 도전층 사이에 배치된 발광층, 상기 제1 도전층과 연결된 제1 칩 전극(양극), 상기 제2 도전층과 연결된 제2 칩 전극(음극) 등을 포함할 수 있다.
발광다이오드 칩(120)에 순방향의 구동 바이어스가 인가되면, 발광층에서 제1 도전층의 캐리어(즉, 홀)와 제2 도전층의 캐리어(즉, 전자)가 만나 결합하면서 광이 발생된다.
발광다이오드 칩(120)은 InGaN 또는 InAlGaN의 질화물계 화합물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 발광다이오드 칩(120)의 발광층은 InxAlyGa(1-x-y)N (0<x≤1, 0≤y≤1)로 이루어질 수 있다. 이러한 발광다이오드 칩(120)은 InAlGaN 계열로 이루어질 경우 250 nm 범위의 자외선을 발광할 수 있고, InGaN 계열로 이루어질 경우 480 nm 범위의 청색 광을 발광할 수 있다.
즉, 발광다이오드 칩(120)은 자외선 발광다이오드 칩 또는 청색 발광다이오드 칩일 수 있다.
측벽(130)은 발광다이오드 칩(120)을 둘러싸도록 형성되고, 기판(110)과 결합될 수 있다.
측벽(130)은 다양한 소재를 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 측벽(130)은 실리콘, 스트레인 실리콘(strained Si), 실리콘 합금, SOI(Silicon-On-Insulator), 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘 게르마늄(SiGe), 실리콘 게르마늄 카바이드(SiGeC), 게르마늄, 게르마늄 합금, 갈륨 아세나이드(GaAs), 인듐 아세나이드(InAs), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 세라믹 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
또한, 측벽(130)은 사출이 용이한 폴리머(polymer)계 수지를 이용하여 형성될 수 있다. 이러한 폴리머계 수지로는 예를 들어, PPA(Polyphthalamide) 또는 LCP(Liquid Crystal Polymer) 등과 같이 고온에서 열변형성이 우수한 재질이 이용될 수 있다.
측벽(130)의 내측면은 반사면을 이룬다. 구체적으로, 측벽(130)은 내측면으로서 오목한 형태의 경사진 반사면을 가질 수 있다. 여기서, 발광다이오드 칩(120)은 경사진 반사면에 노출되도록 형성되며, 경사진 반사면은 발광다이오드 칩(120)으로부터 발생된 광을 반사할 수 있다.
실시예에 따라, 측벽(130)은 내측면 부분만 별도의 물질로 이루어질 수 있다.
파장변환부(140)는 측벽(130) 상에 형성되고, 발광다이오드 칩(120)과 이격되도록 형성된다. 즉, 측벽(130)은 파장변환부(140)가 발광다이오드 칩(120)과 이격되어 일정한 거리를 유지하도록 지지할 수 있다.
파장변환부(140)는 발광다이오드 칩(120)으로부터 방출된 광을 여기광으로 하여 파장을 변환할 수 있다.
파장변환부(140)는 파장변환물질(형광체) 및 바인더를 포함할 수 있다. 구체적으로, 파장변환부(140)는 발광다이오드 칩(120)으로부터 방출된 광의 파장을 변환시킬 수 있는 형광체와 같은 물질 및 이를 고정시키는 역할을 하는 바인더로 구성될 수 있다.
파장변환물질은 가넷(Garnet)(YAG, TAG), 실리케이트(Silicate), 황화물(Sulfide), 산질화물(Oxynitride), 질화물(Nitride), 알루미네이트(aluminate) 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 파장변환물질은 Eu, Ce 등의 란타노이드계 원소에 의해 주로 활력을 받는 질화물계/산질화물계 형광체, Eu 등의 란타노이드계, Mn 등의 천이 금속계의 원소에 의해 주로 활력을 받는 알칼리토류 할로겐 애퍼타이트 형광체, 알칼리토류 금속 붕산 할로겐 형광체, 알칼리토류 금속 알루민산염 형광체, 알칼리토류 규산염, 알칼리토류 유화물, 알칼리토류 티오갈레이트, 알칼리토류 질화 규소, 게르만산염, 또는 Ce 등의 란타노이드계 원소에 의해 주로 활력을 받는 희토류 알루민산염, 희토류 규산염 또는 Eu 등의 란타노이드계 원소에 의해 주로 활력을 받는 유기 및 유기 착체 등에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 다만, 이로 한정되는 것은 아니다.
바인더는 파장변환물질을 고정시킬 수 있는 실리콘계 또는 에폭시계의 유기물 수지를 포함할 수 있다. 또한, 바인더는 유무기 하이브리드 타입일 수 있다.
바인더에는 발광다이오드 칩(120)으로부터 발광되는 청색광 및 파장변환물질로부터 변환 발광되는 장파장광이 일부 흡수될 수 있다. 이렇게 흡수된 광 에너지는 재복사 적외선(Re-radiant IR) 형태로 방출되는데, 이로 인해 파장변환부(140)의 온도가 상승하게 된다.
또한, 바인더로 사용되는 실리콘, 에폭시 등의 유기물 수지는 열전도율이 약 0.5 W/mK 이하로 매우 낮기 때문에 내부에서 발생되는 열이 외부로 방출되는 것이 용이하지 않아 내부에 계속해서 축적되게 되어 결국 고출력 발광다이오드 제품에서는 파장변환부(140)의 온도가 발광다이오드 칩(120)의 온도보다 더 높아지는 경우가 발생하게 된다.
이에, 본 발명의 실시예에서는 구조적으로 발광다이오드 칩(120)과 파장변환부(140) 사이에 고반사율을 갖는 물질로 이루어진 반사부(150)를 삽입함으로써, 파장변환부(140)의 중심부로 직접 입사되는 청색광을 줄여주어 파장변환부(140)에 흡수되는 광 에너지를 감소시켜 파장변환부(140)의 온도를 낮출 수 있다. 반사부(150)에 대해서는 추후 상세히 설명하기로 한다.
파장변환부(140)는 열전도율 향상 물질을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 열전도율 향상 물질은 파장변환부(140)에 포함되어 파장변환부(140)의 열전도율을 향상시킬 수 있다.
열전도율 향상 물질은 가넷, 실리케이트, 황화물, 산질화물, 질화물, 알루미네이트, TiO2, SiO2, Al2O3, ZrO2 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 파장변환부(140)는 가넷, 실리케이트, 황화물, 산질화물, 질화물 및/또는 알루미네이트와 같은 파장변환물질을 이용하여 열전도율을 향상시킬 수 있고, 형광체의 농도 증가가 어려울 경우, TiO2, SiO2, Al2O3 및/또는 ZrO2와 같은 세라믹 계열의 필러(filler) 물질을 추가 혼합하여 색 좌표의 변화 없이 열전도율을 향상시킬 수 있다.
파장변환부(140)가 일정 농도 이상의 파장변환물질 또는 파장변환물질 및 필러가 혼합된 것으로 이루어질 경우, 파장변환부(140)의 열전도율은 급격하게 상승될 수 있기 때문에 파장변환부(140)에서 발생 및 축적되는 열을 외부로 쉽게 방출시킬 수 있다.
구체적으로, 파장변환부(140)의 열전도율은 바인더 물질인 실리콘 또는 에폭시와 여기에 혼합되는 파장변환물질 또는 파장변환물질 및 필러의 부피 비율(volume fraction)이 대략 20% 이상일 경우, 급격히 상승되는 경향을 보이기 때문에 고농도의 형광체가 필요하다.
그러나, 대부분의 발광다이오드 제품에는 그에 해당되는 색좌표가 정해져 있어 일정량 이상의 파장변환물질(형광체)을 사용하기 어렵다. 이러한 경우 색좌표에는 변화가 없고 열전도율만 상승시킬 수 있도록 상기에 언급한 TiO2, SiO2 등의 파우더를 같이 혼합하여 사용하거나 스프레이 코팅 방식 등을 통하여 고농도의 파장변환부층을 형성할 수 있다.
반사부(150)는 발광다이오드 칩(120)과 대응되도록 파장변환부(140)의 하부에 적어도 하나 이상 형성된다. 반사부(150)는 발광다이오드 칩(120)과 이격되도록 형성될 수 있다. 즉, 반사부(150)는 발광다이오드 칩(120)과 파장변환부(140) 사이에 삽입 형성될 수 있다.
반사부(150)는 고반사율을 갖는 물질로 발광다이오드 칩(120)과 파장변환부(140) 사이에 삽입 형성되어, 발광다이오드 칩(120)으로부터 방출되어 파장변환부(140)의 중심부로 직접 입사되는 청색광을 줄여줌으로써 파장변환부(140)에 흡수되는 광 에너지를 감소시켜 파장변환부(140)의 온도를 낮출 수 있다.
반사부(150)는 파장변환부(140) 면적의 50% 이하의 면적을 가질 수 있다. 구체적으로, 반사부(150)는 발광다이오드 칩(120)과 파장변환부(140) 사이에 삽입 형성되되, 파장변환부(140) 면적의 50% 이하의 면적을 가지도록 형성될 수 있다.
반사부(150)는 바람직하게는 파장변환부(140) 면적 대비 1% 내지 30%의 면적을 가질 수 있다.
반사부(150) 면적이 파장변환부(140) 면적의 50%를 초과할 경우, 반사부(150)의 크기가 필요 이상으로 커져 발광다이오드 칩(120)으로부터 파장변환부(140)로 전달되는 광을 차단시켜 광 효율이 저하될 우려가 있다.
반사부(150)의 면적이 파장변환부(140) 면적의 50%일 경우, 대략 20%의 광손실이 발생되지만, 비록 초기 광효율은 떨어지더라도 파장변환부(140)의 온도를 낮춰주어 파장변환물질 및 바인더 물질의 열화를 막아 장기적으로 보았을 때 초기 광량을 장시간 유지할 수 있다(도 5 참조). 이에 따라, 초기 광량보다 장기 신뢰성이 필수적으로 요구되는 자동차, 아웃도어(Outdoor) 등의 어플리케이션에 적합하게 이용될 수 있다.
반사부(150)는 형상 및 개수가 다양할 수 있다. 반사부(150)는 예를 들어, 사각형, 삼각형, 역삼각형 또는 반원형의 형상을 가질 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 반사부(150)는 사각형상을 가질 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 제1 실시예에 따른 발광다이오드 패키지에 있어서 다양한 형상 또는 개수를 갖는 반사부를 나타낸 단면도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 반사부(150)는 역삼각형상을 가질 수 있고, 도 2b에 도시된 바와 같이 삼각형상을 가질 수 있으며, 도 2c에 도시된 바와 같이 반원형상을 가질 수 있다. 또한, 도 2d에 도시된 바와 같이, 반사부(150)는 복수 개로 형성될 수 있다.
반사부(150)는 광 에너지의 흡수를 조절할 수 있는 반사율 80% 이상의 고반사물질로서, 반사물질을 포함하는 실리콘, 이엠씨(Epoxy Mold Compound, EMC), 피피에이(Polypthalamide, PPA) 수지, 피씨티(Polycyclohexane dimethylene terephthalate, PCT) 수지 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
여기서, 실리콘에 포함되는 반사물질은 TiO2, BaSO4 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, TiO2, BaSO4 등의 반사물질을 포함하는 실리콘은 백색 실리콘(white silicone)일 수 있다.
파장변환부(140) 하부의 고반사물질의 반사부(150)는 프린팅(Printing), 디스펜싱(Dispensing), 몰딩(Molding), 프리폼(Preform)의 부착방법 등을 이용하여 다양하게 형성할 수 있다.
발광다이오드 패키지(100)는 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.
구체적으로, 내측면이 반사면을 이루는 측벽(130)이 결합된 기판(110)을 준비한 후, 기판(110) 상에 발광다이오드 칩(120)을 실장할 수 있다.
파장변환부(140)의 하부에는 적어도 하나 이상의 반사부(150)를 형성한 후, 하부에 반사부(150)가 형성된 파장변환부(140)를 측벽(130) 상에 결합하여, 파장변환부(140) 및 반사부(150)를 발광다이오드 칩(120)과 이격되도록 형성할 수 있다.
여기서, 반사부(150)는 프린팅(Printing), 디스펜싱(Dispensing), 몰딩(Molding), 프리폼(Preform)의 부착방법 등을 이용하여 다양하게 형성할 수 있다.
도 3은 발광다이오드 패키지의 발광다이오드 칩에서 발광되는 광 분포를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 발광다이오드 패키지(100)의 발광다이오드 칩(120)에서 발광되는 광 분포는 램버시안 발광 패턴(Lambertian emission pattern) 형태를 갖기 때문에 발광다이오드 칩(120)의 중심부가 가장 높은 광 에너지를 방출하는 것을 확인할 수 있다. 발광다이오드 칩(120)의 중심부가 가장 높은 광 에너지를 방출하기 때문에, 파장변환부(140)도 역시 중심부가 가장 높은 온도 분포를 가지게 된다.
도 4는 발광다이오드 패키지의 광 반사 차수에 따른 파장변환부의 흡수 에너지 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 발광다이오드 칩(120)과 파장변환부(140) 사이에 형성된 고반사물질의 반사부(150)에 의해 발광다이오드 칩(120)에서 발광되는 일차 청색광의 흡수를 낮출 수 있는 것을 확인할 수 있다.
실제로 파장변환부(140)에서 반사된 후 발광다이오드 패키지(100) 내부에서 재반사되어 파장변환부(140)로 재입사되는 이차, 삼차 청색광이 존재하지만, 일차 광 이후에 흡수되는 광 에너지는 급격히 낮아지게 된다.
따라서 파장변환부(140)의 광 흡수로 인한 온도를 낮추기 위해서는 파장변환부(140) 중심부에 직접 입사되는 일차 광 흡수를 줄이는 것이 가장 효율적이다.
도 5는 발광다이오드 패키지의 파장변환부 면적 대비 반사부 면적에 따른 광 효율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 고반사물질의 반사부(150) 면적이 파장변환부(140) 면적의 50%를 넘게 차지할 경우, 파장변환부(140)으로 입사되는 청색광의 비율이 너무 낮아져 발광다이오드 패키지(100)의 효율이 급격하게 감소되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 파장변환부(140) 하부에 형성된 고반사물질의 반사부(150)는 파장변환부(140) 내부에서 후반산란(back-scattering)되는 장파장광을 반사시켜 패키지 외부로 방출시킬 수 있기 때문에 적은 면적에서는 오히려 광 효율 향상의 효과도 볼 수 있다.
이하에서는 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광다이오드 패키지를 설명하기로 한다.
도 6은 제2 실시예에 따른 발광다이오드 패키지를 나타낸 단면도이다.
도 6을 참조하면, 제2 실시예에 따른 발광다이오드 패키지(200)는 발광다이오드 칩(220), 파장변환부(240) 및 적어도 하나 이상의 반사부(250)를 포함한다.
제2 실시예에 따른 발광다이오드 패키지(200)는 칩스케일패키지(Chip Scale Package, CSP) 구조일 수 있다.
최근에는 발광다이오드 패키지(200)와 같이 패키지 사이즈가 매우 작은 형태의 칩스케일패키지(CSP) 제품이 새로운 트랜드로 개발되고 있는데, 이러한 CSP의 경우 단위 면적 당 입사되는 광 에너지가 매우 높고, 그에 따른 흡수 에너지도 일반 패키지와 비교하여 급격히 높아지는 경향이 있다.
이러한 CSP의 경우, 발광다이오드 칩의 표면에 파장변환물질(형광체)이 바로 도포되어 있는 형태로서 별도의 패키지가 필요 없는 구조이다.
발광다이오드 칩(220)은 전기에너지를 광에너지로 변환시켜주는 광반도체를 이용한 광원일 수 있다. 발광다이오드 칩(220)은 p형 반도체와 n형 반도체의 이종 접합 구조를 가질 수 있다.
발광다이오드 칩(220)은 InGaN 또는 InAlGaN의 질화물계 화합물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 발광다이오드 칩(220)의 발광층은 InxAlyGa(1-x-y)N (0<x≤1, 0≤y≤1)로 이루어질 수 있다. 이러한 발광다이오드 칩(220)은 InAlGaN 계열로 이루어질 경우 250 nm 범위의 자외선을 발광할 수 있고, InGaN 계열로 이루어질 경우 480 nm 범위의 청색 광을 발광할 수 있다.
즉, 발광다이오드 칩(220)은 자외선 발광다이오드 칩 또는 청색 발광다이오드 칩일 수 있다.
파장변환부(240)는 발광다이오드 칩(220)을 둘러싸도록 형성된다.
파장변환부(240)는 발광다이오드 칩(220)으로부터 방출된 광을 여기광으로 하여 파장을 변환할 수 있다.
파장변환부(240)는 파장변환물질(형광체) 및 바인더를 포함할 수 있다. 구체적으로, 파장변환부(240)는 발광다이오드 칩(220)으로부터 방출된 광의 파장을 변환시킬 수 있는 형광체와 같은 물질 및 이를 고정시키는 역할을 하는 바인더로 구성될 수 있다.
파장변환물질은 가넷(Garnet)(YAG, TAG), 실리케이트(Silicate), 황화물(Sulfide), 산질화물(Oxynitride), 질화물(Nitride), 알루미네이트(aluminate) 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 파장변환물질은 Eu, Ce 등의 란타노이드계 원소에 의해 주로 활력을 받는 질화물계/산질화물계 형광체, Eu 등의 란타노이드계, Mn 등의 천이 금속계의 원소에 의해 주로 활력을 받는 알칼리토류 할로겐 애퍼타이트 형광체, 알칼리토류 금속 붕산 할로겐 형광체, 알칼리토류 금속 알루민산염 형광체, 알칼리토류 규산염, 알칼리토류 유화물, 알칼리토류 티오갈레이트, 알칼리토류 질화 규소, 게르만산염, 또는 Ce 등의 란타노이드계 원소에 의해 주로 활력을 받는 희토류 알루민산염, 희토류 규산염 또는 Eu 등의 란타노이드계 원소에 의해 주로 활력을 받는 유기 및 유기 착체 등에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 다만, 이로 한정되는 것은 아니다.
바인더는 파장변환물질을 고정시킬 수 있는 실리콘계 또는 에폭시계의 유기물 수지를 포함할 수 있다. 또한, 바인더는 유무기 하이브리드 타입일 수 있다.
바인더에는 발광다이오드 칩(220)으로부터 발광되는 청색광 및 파장변환물질로부터 변환 발광되는 장파장광이 일부 흡수될 수 있다. 이렇게 흡수된 광 에너지는 재복사 적외선(Re-radiant IR) 형태로 방출되는데, 이로 인해 파장변환부(240)의 온도가 상승하게 된다.
또한, 바인더로 사용되는 실리콘, 에폭시 등의 유기물 수지는 열전도율이 약 0.5 W/mK 이하로 매우 낮기 때문에 내부에서 발생되는 열이 외부로 방출되는 것이 용이하지 않아 내부에 계속해서 축적되게 되어 결국 고출력 발광다이오드 제품에서는 파장변환부(240)의 온도가 발광다이오드 칩(220)의 온도보다 더 높아지는 경우가 발생하게 된다.
이에, 본 발명의 실시예에서는 구조적으로 발광다이오드 칩(220)과 파장변환부(240) 사이에 고반사율을 갖는 물질로 이루어진 반사부(250)를 삽입함으로써, 파장변환부(240)의 중심부로 직접 입사되는 청색광을 줄여주어 파장변환부(240)에 흡수되는 광 에너지를 감소시켜 파장변환부(240)의 온도를 낮출 수 있다. 반사부(250)에 대해서는 추후 상세히 설명하기로 한다.
파장변환부(240)는 열전도율 향상 물질을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 열전도율 향상 물질은 파장변환부(240)에 포함되어 파장변환부(240)의 열전도율을 향상시킬 수 있다.
열전도율 향상 물질은 가넷, 실리케이트, 황화물, 산질화물, 질화물, 알루미네이트, TiO2, SiO2, Al2O3, ZrO2 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 파장변환부(240)는 가넷, 실리케이트, 황화물, 산질화물, 질화물 및/또는 알루미네이트와 같은 파장변환물질을 이용하여 열전도율을 향상시킬 수 있고, 형광체의 농도 증가가 어려울 경우, TiO2, SiO2, Al2O3 및/또는 ZrO2와 같은 세라믹 계열의 필러(filler) 물질을 추가 혼합하여 색 좌표의 변화 없이 열전도율을 향상시킬 수 있다.
파장변환부(240)가 일정 농도 이상의 파장변환물질 또는 파장변환물질 및 필러가 혼합된 것으로 이루어질 경우, 파장변환부(240)의 열전도율은 급격하게 상승될 수 있기 때문에 파장변환부(240)에서 발생 및 축적되는 열을 외부로 쉽게 방출시킬 수 있다.
구체적으로, 파장변환부(240)의 열전도율은 바인더 물질인 실리콘 또는 에폭시와 여기에 혼합되는 파장변환물질 또는 파장변환물질 및 필러의 부피 비율(volume fraction)이 대략 20% 이상일 경우, 급격히 상승되는 경향을 보이기 때문에 고농도의 형광체가 필요하다.
그러나, 대부분의 발광다이오드 제품에는 그에 해당되는 색좌표가 정해져 있어 일정량 이상의 파장변환물질(형광체)을 사용하기 어렵다. 이러한 경우 색좌표에는 변화가 없고 열전도율만 상승시킬 수 있도록 상기에 언급한 TiO2, SiO2 등의 파우더를 같이 혼합하여 사용할 수 있다.
반사부(250)는 발광다이오드 칩(220)과 파장변환부(240) 사이에 적어도 하나 이상 삽입 형성된다.
반사부(250)는 고반사율을 갖는 물질로 발광다이오드 칩(220)과 파장변환부(240) 사이에 삽입 형성되어, 발광다이오드 칩(220)으로부터 방출되어 파장변환부(240)의 중심부로 직접 입사되는 청색광을 줄여줌으로써 파장변환부(240)에 흡수되는 광 에너지를 감소시켜 파장변환부(240)의 온도를 낮출 수 있다.
반사부(250)는 발광다이오드 칩(220) 면적의 50% 이하의 면적을 가질 수 있다. 구체적으로, 반사부(250)는 발광다이오드 칩(220)과 파장변환부(240) 사이에 삽입 형성되되, 발광다이오드 칩(220) 면적의 50% 이하의 면적을 가지도록 형성될 수 있다.
반사부(250)는 바람직하게는 발광다이오드 칩(220) 면적 대비 1% 내지 30%의 면적을 가질 수 있다.
반사부(250) 면적이 발광다이오드 칩(220) 면적의 50%를 초과할 경우, 반사부(250)의 크기가 필요 이상으로 커져 발광다이오드 칩(220)으로부터 파장변환부(240)로 전달되는 광을 차단시켜 광 효율이 저하될 우려가 있다.
반사부(250)의 면적이 발광다이오드 칩(220) 면적의 50%일 경우, 대략 20%의 광손실이 발생되지만, 비록 초기 광효율은 떨어지더라도 파장변환부(240)의 온도를 낮춰주어 파장변환물질 및 바인더 물질의 열화를 막아 장기적으로 보았을 때 초기 광량을 장시간 유지할 수 있다.
반사부(250)는 형상 및 개수가 다양할 수 있다. 반사부(250)는 예를 들어, 사각형, 삼각형, 역삼각형 또는 반원형의 형상을 가질 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 반사부(250)는 사각형상을 가질 수 있다.
도 7은 제2 실시예에 따른 발광다이오드 패키지에 있어서 복수 개의 반원형상의 반사부를 나타낸 단면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 반사부(250)는 반원형상을 가질 수 있고, 복수 개로 형성될 수 있다.
반사부(250)는 광 에너지의 흡수를 조절할 수 있는 반사율 80% 이상의 고반사물질로서, 반사물질을 포함하는 실리콘, 이엠씨(EMC), 피피에이(PPA) 수지, 피씨티(PCT) 수지 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
여기서, 실리콘에 포함되는 반사물질은 TiO2, BaSO4 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, TiO2, BaSO4 등의 반사물질을 포함하는 실리콘은 백색 실리콘(white silicone)일 수 있다.
파장변환부(240) 하부의 고반사물질의 반사부(250)는 프린팅(Printing), 디스펜싱(Dispensing), 몰딩(Molding), 프리폼(Preform)의 부착방법 등을 이용하여 다양하게 형성할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100, 200: 발광다이오드 패키지
110: 기판
120, 220: 발광다이오드 칩
130: 측벽
140, 240: 파장변환부
150, 250: 반사부

Claims (17)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 발광다이오드 칩;
    상기 발광다이오드 칩을 둘러싸고, 내측면이 반사면을 이루는 측벽;
    상기 측벽 상에 형성되고, 상기 발광다이오드 칩과 이격된 파장변환부; 및
    상기 발광다이오드 칩과 대응되도록 상기 파장변환부 하부에 형성되고, 상기 발광다이오드 칩과 이격된 적어도 하나 이상의 반사부
    를 포함하는 발광다이오드 패키지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사부는
    상기 파장변환부 면적의 50% 이하의 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반사부는
    사각형, 삼각형, 역삼각형 또는 반원형의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반사부는
    반사물질을 포함하는 실리콘, 이엠씨(EMC), 피피에이(PPA) 수지 및 피씨티(PCT) 수지로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 반사물질은
    TiO2, BaSO4 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 발광다이오드 칩은
    InGaN 또는 InAlGaN의 질화물계 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 파장변환부는
    파장변환물질 및 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 파장변환물질은
    가넷, 실리케이트, 황화물, 산질화물, 질화물 및 알루미네이트로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 바인더는
    실리콘계 또는 에폭시계 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 파장변환부는
    열전도율 향상 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 열전도율 향상 물질은
    가넷, 실리케이트, 황화물, 산질화물, 질화물, 알루미네이트, TiO2, SiO2, Al2O3 및 ZrO2으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  12. 발광다이오드 칩;
    상기 발광다이오드 칩 상에 형성된 적어도 하나 이상의 반사부; 및
    상기 발광다이오드 칩을 둘러싸도록 형성된 파장변환부
    를 포함하는 발광다이오드 패키지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 반사부는
    상기 발광다이오드 칩 면적의 50% 이하의 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 반사부는
    사각형, 삼각형, 역삼각형 또는 반원형의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 반사부는
    반사물질을 포함하는 실리콘, 이엠씨(EMC), 피피에이(PPA) 수지 및 피씨티(PCT) 수지로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 반사물질은
    TiO2, BaSO4 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  17. 내측면이 반사면을 이루는 측벽이 결합된 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 상에 발광다이오드 칩을 실장하는 단계;
    파장변환부 하부에 적어도 하나 이상의 반사부를 형성하는 단계; 및
    상기 측벽 상에 상기 발광다이오드 칩과 이격되도록 상기 파장변환부를 결합하는 단계
    를 포함하는 발광다이오드 패키지의 제조방법.
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