KR20220156120A - 측면 발광 효율을 극대화하는 발광소자 패키지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 측면 발광 효율을 극대화하는 발광소자 패키지를 개시하는 것으로, 본 실시예의 발광소자 패키지는, 성장용 기판 상에 제 1 도전층, 활성층 및 제 2 도전층을 포함하는 발광층이 형성되고, 상기 발광층 반대 측의 상기 성장용 기판 표면에 비대칭의 3차원 구조를 갖는 반사층이 형성되며, 상기 발광층이 패키지 기판의 전극 단자에 플립 본딩되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 측면 발광 효율을 극대화하는 발광소자 패키지를 개시한다.
일반적으로 디스플레이 장치는 영상 신호를 전달받아 표시하는 장치로, TV나 모니터 등이 이에 속하며, 영상을 표시하기 위한 수단으로 액정표시장치(LCD : Liquid Crystal Display Device), 유기발광장치(OLED :Organic Light Emitting Display), 플라즈마표시장치(PDP : Plasma Display Panel) 등 다양한 장치가 이용되고 있다.
액정표시장치는 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 화소들에 화상정보에 따른 데이터신호를 개별적으로 공급하여, 그 화소들의 광투과율을 조절함으로써 원하는 화상을 표시할 수 있도록 한 표시장치이다. 액정표시장치는 자체적으로 발광하지 못하고 외부에서 들어오는 빛의 투과율을 조절하여 화상을 표시하는 수광성 소자이기 때문에 액정패널에 빛을 조사하기 위한 별도의 장치, 즉 백라이트 유닛(backlight unit)이 요구된다.
백라이트 유닛은 LED 광원의 배열구조에 따라 에지형(edge type)과 직하형(direct type)으로 구분되는데, 에지형은 광원이 도광판의 측부에 배치되는 구조를 가지고, 직하형은 다수개의 광원이 광학시트의 하부에 배치된 구조를 갖는다. 직하형은 에지형에 비해 분할구동이 가능하여 에지형보다 더욱 섬세하게 영상을 구현할 수 있고, 광원을 선택적으로 점등/소등할 수 있어 대면적 화상 표시 장치에 적합한 장점이 있다.
백라이트 유닛의 광원으로는 소형화, 경량화 및 저전력 소비 등의 이점을 가지는 LED가 주로 이용되고 있다. 최근에는 LED 광원의 칩 크기도 점차 소형화되고 있어, 액정표시장치의 소비 전력을 감소하고, 광의 균일도를 개선하는데 도움이 되고 있다.
최근 백라이트 유닛의 광원으로 사용되는 LED로는 와이어 본딩이 필요 없으며 광 추출 효율이 높은 플립칩형 발광소자가 주로 이용된다. 플립칩형 발광소자는 칩 스케일 패키지(CSP, chip scale package) 형태로 구현되는데, 이러한 CSP는 플립칩형 발광소자의 측면 및 상부면을 둘러싸도록 투광성 재료를 도포한 형태로 제조되며, 칩 사이즈만큼 작은 패키지를 구현할 수 있다.
이러한 일반적인 CSP 구조는 대부분의 광이 플립칩형 발광소자의 상부 방향으로 방출되므로, 직하형 백라이트 유닛에서 요구하는 넓은 광지향각을 만족시키기 위해서는 2차 광학 렌즈가 필요하다. 하지만, 2차 광학 렌즈가 차지하는 부피로 인해 백라이트 유닛의 두께가 두꺼워지고, 그에 따라 디스플레이 장치의 슬림화가 어려워지는 문제가 있다. 또한, 2차 광학 렌즈의 사용으로 인해 원재료 및 가공 비용이 증가하는 문제가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 한국공개특허 10-2016-0005827호에는 칩 상면에 반사층을 형성하여 측면 발광 방식으로 빛을 발산하도록 함으로써 지향각을 확대시킬 수 있는 측면 발광형 발광소자를 소개하고 있다. 상기 선행문헌의 발광소자는 지향각을 크게 확대할 수 있으며, 렌즈가 필요 없어 디스플레이 장치의 슬림화에 유리한 효과를 나타낸다.
그러나 선행문헌의 발광소자는 반사층이 약 10㎛ 이하의 두께로 형성되는데, 이러한 얇은 두께의 반사층은 하측의 발광층에서 출사되는 수직 광을 전부 반사시키지 못하는 단점이 있다. 즉, 반사층의 두께가 얇아질수록 광 투과율이 높아질 수 밖에 없으며, 이는 측면 출광 효율이 저하됨을 의미하게 된다. 동시에 반사층을 통과하여 상면으로 출사되는 빛은 수백 ㎛ 스케일의 광학 거리(Optical distance)를 갖는 중소형 디스플레이 장치에서는 휘점 무라(mura)를 유발하는 단점이 있다.
또한, 선행문헌의 반사층은 평면 구조로 형성되는데, 상면의 반사층에서 많은 양의 빛이 정면으로 반사되고, 이와 같이 정반사되는 빛은 칩 내부에 흡수되어 광효율을 저하시키는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 얇은 두께의 반사층에서도 광 반사 효율을 향상시켜 측면으로의 출광 효율을 향상시킬 수 있는 발광소자 패키지를 제공하는 것을 과제로 한다.
또한, 본 발명은 반사층에 의한 정반사를 최소로 함으로써 칩 내부에서의 광 손실을 줄여 출광 효율을 향상시킬 수 있는 발광소자 패키지를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 실시예의 발광소자 패키지는, 성장용 기판 상에 제 1 도전층, 활성층 및 제 2 도전층을 포함하는 발광층이 형성되고, 상기 발광층 반대 측의 상기 성장용 기판 표면에 비대칭의 3차원 구조를 갖는 반사층이 형성되며, 상기 발광층이 패키지 기판의 전극 단자에 플립 본딩되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반사층은, 오목한 홈부가 형성된 상기 성장용 기판 표면에 광 반사 물질이 코팅되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 반사층은, 음각의 비대칭 패턴이 형성된 상기 성장용 기판 표면에 광 반사 물질이 코팅되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 반사층은, 비정형의 3차원 요철 구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 반사층은, 반구형, 피라미드형, 렌즈형, 타원형, 원기둥형, 웨지형 또는 렌티큘러형 등의 형상 중 선택되는 어느 하나의 형상이 직경, 두께, 간격 및 방향을 달리하는 비대칭 구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 반사층은, 서로 다른 소재의 광 반사 물질이 복수의 레이어로 코팅되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 발광소자 패키지는, 상기 반사층 표면에 비드층이 더 형성될 수 있다.
본 발명은 얇은 두께의 반사층에서도 광 반사 효율이 향상되어 측면으로의 출광 효율을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 반사층에 의한 정반사를 최소로 하여 칩 내부에서의 광 손실을 줄임으로써, 출광 효율을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 수직 광의 반사 효율이 우수하여 투과 광을 최소로 함으로써, 좁은 광학 거리에서도 휘점 무라를 유발하지 않아 디스플레이 장치의 슬림화 구현에 유리한 효과가 있다.
도 1은 본 과제의 일 실시예에 따른 발광소자 패키지의 주요 구성을 나타낸 개념도,
도 2는 본 과제의 다른 실시예에 따른 발광소자 패키지의 주요 구성을 나타낸 개념도,
도 3은 도 2의 주요부인 반사층의 일 예를 나타낸 확대도,
도 4는 도 2의 주요부인 반사층의 다른 예를 나타낸 확대도.
도 2는 본 과제의 다른 실시예에 따른 발광소자 패키지의 주요 구성을 나타낸 개념도,
도 3은 도 2의 주요부인 반사층의 일 예를 나타낸 확대도,
도 4는 도 2의 주요부인 반사층의 다른 예를 나타낸 확대도.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 바람직한 실시예들에 의해 명확해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 살펴보기로 한다.
후술되는, 본 실시예의 차이는 상호 배타적이지 않은 사항으로 이해되어야 한다. 즉 본 발명의 기술 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서, 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은, 일 실시예에 관련하여 다른 실시예로 구현될 수 있으며, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 변경될 수 있음이 이해되어야 하며, 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이, 면적 및 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 본 실시예의 설명에 있어서, 상, 하, 전면, 배면, 제 1, 제 2 등과 같은 표현은 서로 상대적인 위치나 방향, 순서를 나타내는 것으로, 기술적 의의가 사전적 의미에 구속되지 않는다.
도 1 및 도 2는 본 과제의 실시예에 따른 발광소자 패키지의 주요 구성을 나타낸 개념도이고, 도 3 및 도 4는 도 2의 주요부인 반사층의 일 예를 나타낸 확대도, 'A' 부분을 확대하여 도시하였다.
먼저, 도 1 및 도2를 참조하면, 본 실시예의 발광소자 패키지는, 발광 칩(100)이 패키지 기판(200)에 플립 본딩으로 실장되어 구성된다. 패키지 기판(200)은 인쇄회로기판(PCB), 리드 프레임, 세라믹 기판, 금속 기판 등에서 선택될 수 있다. 또한, 발광소자 패키지는 발광 칩(100)을 밀봉하여 보호하고, 발광 칩(100)의 광 효율을 증가시키는 몰딩부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 몰딩부는 실리콘 수지, 아크릴 수지, 에폭시 수지 또는 폴리이미드 수지에서 선택되는 하나 이상의 수지로 구성될 수 있다.
발광 칩(100)은 패키지 기판(200)에 형성되는 전극 단자(210) 상에 본딩되며, 범퍼(220)를 매개로 본딩될 수 있다. 한 쌍의 전극 단자(210)는 일 단이 패키지 기판(200)의 상면에서 발광 칩(100)의 본딩 패드(140)에 연결되고, 타 단은 패키지 기판(200)의 하면으로 연장된다. 이때, 패키지 기판(200)의 상면에 노출된 전극 단자(210) 상에 발광 칩(100)을 부착한 후, 발광 칩(100)의 본딩 패드(140)를 전극 단자(210)와 솔더링 또는 공융(eutectic) 공정을 이용하여 전기적으로 각각 연결할 수 있다. 플립 본딩을 이용한 발광 칩(100)의 실장은 금속 와이어를 이용하는 종래 방식과 비교해 볼 때, 전기적 연결 경로가 짧아져 전기 저항이 낮아져 고 전류를 인가할 수 있는 고출력 소자 제작이 가능해질 수 있다.
솔더링 본딩의 경우 Cr, Ti, Pt, Au, Mo, Sn 중 적어도 2개 이상의 합금, 예를 들면, Au/Sn, Pt/Au/Sn, Cr/Au/Sn 등으로 이루어진 범퍼(220)에 의해 전기적인 접합이 이루어지게 된다. 특히, 범퍼(220)로는 Au 및 Sn 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 화합물 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 금속층을 이용할 수 있다. 공융 본딩의 경우에는 Sn, Ag, Cu 등의 합금을 이용할 수 있다. 특히, AuSn 합금, NiSn 합금, AgSn 합금이 바람직하다.
본 발명의 플립 본딩에 있어서 솔더링 본딩뿐만 아니라 공융 본딩 모두 가능하므로, 필요에 따라 두 방식 중에 어느 하나를 자유롭게 택하여 발광 칩(100)을 실장할 수 있다.
전극 단자(210)는 구리(Cu), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 등에서 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 금속층(미도시)과, 금속층 상에 주석(Sn), 은(Ag) 및 OSP(organic solderability preservative) 중 1종 이상으로 도금 또는 표면 처리된 표면 처리층(미도시)을 포함할 수 있다.
발광 칩(100)은 베이스 기판(110)과, 베이스 기판(110) 상의 일면에 형성되는 발광층(120)과, 발광층(120) 반대면의 베이스 기판(110) 상의 타면에 형성되는 반사층(130)과, 발광층(120) 상에 형성되는 한 쌍의 본딩 패드(140)를 포함할 수 있다.
여기서, 베이스 기판(110)은 발광층(120)을 성장시키기 위한 기판이다. 발광층 성장을 위한 기판으로는 절연성, 도전성 또는 반도체 기판이 사용될 수 있다. 예를 들어, 베이스 기판(110)은 사파이어 기판으로 구성될 수 있으며, 이외에도 SiC, Si, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN 등의 기판으로 구성될 수 있다.
발광층(120)은 베이스 기판(110) 상에 제 1 도전층, 활성층 및 제 2 도전층을 포함하는 반도체층으로 이루어질 수 있다. 발광층(120)은, 예를 들면, MOCVD법 등의 기상성장법에 의해 성장용 기판 상에 InN, AlN, InGaN, AlGaN, InGaAlN 등의 질화물 반도체를 에피택셜 성장시켜 구성할 수 있다. 또한, 발광층(120)은, 질화물 반도체 이외에도 ZnO, ZnS, ZnSe, SiC, GaP, GaAlAs, AlInGaP 등의 반도체를 이용해서 형성할 수 있다. 즉, 반도체층은, 제 1 도전층으로 n형 반도체층, 제 2 도전층으로 p형 반도체층 및 이들 사이의 활성층으로 구성될 수 있으며, 제 1 도전층, 활성층 및 제 2 도전층 순으로 적층되어 형성된다. 활성층은 다중 양자웰 구조나 단일 양자웰 구조를 한 적층 반도체 또는 더블 헤테로 구조의 적층 반도체를 이용할 수 있다.
반사층(130)은 발광층(120)에서 출사되는 빛을 측면으로 반사하는 구성으로, 발광층(120)이 형성되는 베이스 기판(110)의 반대면에 형성된다.
반사층(130)은, 도 1과 같이 오목한 형상을 갖는 3차원 구조를 이룰 수 있다. 오목한 3차원 구조의 반사층(130)은 베이스 기판(110)에 식각 공정을 오목부(110a)를 형성한 후 그 표면에 반사 물질을 코팅하여 형성할 수 있다. 이때, 오목부(110a)는 반구형, 피라미드형, 렌즈형, 타원형, 원기둥형, 웨지형 또는 렌티큘러형 등의 형상에서 선택되는 하나의 형상일 수 있다.
또한, 반사층(130)은 도 2와 같이 비대칭의 요철 형상을 갖는 3차원 구조를 이룬다. 비대칭 요철 형상의 3차원 구조를 위한 반사층(130)은 베이스 기판(110) 표면에 음각으로 비대칭의 3차원 구조를 형성한 후 그 표면에 반사 물질을 코팅하여 형성할 수 있다. 베이스 기판(110) 표면에 대한 음각 형상은 에칭 공정을 이용하여 형성할 수 있다. 즉, 3차원 구조의 반사층은 베이스 기판 표면에 에칭 공정을 적용하여 3차원 패턴을 형성한 후 그 표면에 반사 물질을 코팅하여 형성한다.
특히, 비대칭을 이루는 반사층(130)은 도 3에 도시된 바와 같이, 비정형의 3차원 요철 구조로 형성될 수 있다.
또한, 비대칭을 이루는 반사층(130)은 도 4에 도시된 바와 같이, 반구형, 피라미드형, 렌즈형, 타원형, 원기둥형, 웨지형 또는 렌티큘러형 등의 형상 중 어느 하나의 형상이 직경, 두께, 간격, 방향 등을 달리하여 전체적으로 비대칭을 이루는 3차원 구조로 형성될 수 있다. 나아가, 반사층(130)은 반구형, 피라미드형, 렌즈형, 타원형, 원기둥형, 웨지형 또는 렌티큘러형에서 선택되는 둘 이상의 형상이 랜덤한 위치에 형성되어 전체적으로 비대칭을 이룰 수 있으며, 이들 형상들도 크기, 직경, 간격, 방향 등을 달리할 수 있다. 서로 다른 형상의 패턴이 혼합되어 형성될 때, 각 패턴의 반사 특성이 조합되어 측면 방향에 대한 반사 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
이와 같이 비대칭 3차원 구조의 반사층(130)은 발광층(120)에서 출사되는 빛의 반사각을 증가시켜 측면 방향으로의 광 반사 효율을 향상시킬 수 있으며, 정반사를 최소로 하여 광 출사 효율을 향상시킬 수 있다.
반사층(130)은 베이스 기판(110) 표면에서 수 내지 수십 ㎛의 두께로 형성될 수 있으며, 반사층(130)의 소재로는 알루미늄(Al), 은(Ag), 크롬(Cr), 아연(Zn), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 니켈(Ni) 또는 이들 금속의 산화물 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 반사층(130)의 소재는 이에 한정되지 않고 우수한 반사 효율을 갖는 다양한 소재가 이용될 수 있으며, 서로 다른 소재를 이용한 복수의 레이어(layer)로 형성하여 각 소재의 반사 특성에 따라 반사 효율을 극대화할 수 있다.
또한, 반사층(130)의 상면에는 비드층(150)이 더 형성될 수 있다. 비드층(150)은 반사층(130)을 투과하는 빛을 산란 또는 난반사시켜 반사 효율을 극대화한다. 비드층(150)은 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아크릴 또는 폴리카보네이트 중 선택되는 하나 이상의 소재를 포함하는 화합물로 구성될 수 있다.
본 실시예의 설명에서 반사층(130)은 베이스 기판(110)의 표면에 형성되지만, 발광층(120) 표면에도 더 형성될 수 있다. 즉, 베이스 기판(110) 반대 측의 발광층 표면에 반사층이 더 형성될 수 있으며, 발광층(120)에 형성되는 반사층은 일반적인 평면 형상을 이룰 것이다.
상기와 같은 구성의 발광소자 패키지는 발광층에서 출사되는 빛이 반사층에서 넓은 반사각으로 반사되어 측면 방향으로의 출광 효율이 향상될 수 있고, 반사층이 더욱 얇은 두께를 이루더라도 우수한 반사 효율을 유지할 수 있다. 또한, 얇은 반사층을 투과하는 일부의 빛도 비드층에서 산란 또는 난반사되어 좁은 광학 거리를 갖는 중소형 디스플레이 장치에서도 휘점 무라를 유발하지 않아 슬림화 구현에 유리한 효과를 나타낸다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.
100 : 발광 칩
110 : 베이스 기판 120 : 발광층
130 : 반사층 140 : 본딩 패드
150 : 비드층
200 : 패키지 기판
210 : 전극 단자 220 : 범퍼
110 : 베이스 기판 120 : 발광층
130 : 반사층 140 : 본딩 패드
150 : 비드층
200 : 패키지 기판
210 : 전극 단자 220 : 범퍼
Claims (7)
- 성장용 기판 상에 제 1 도전층, 활성층 및 제 2 도전층을 포함하는 발광층이 형성되고,
상기 발광층 반대 측의 상기 성장용 기판 표면에 3차원 구조를 갖는 반사층이 형성되며,
상기 발광층이 패키지 기판의 전극 단자에 플립 본딩되어 형성되는,
발광소자 패키지. - 제 1 항에 있어서, 상기 반사층은,
오목한 홈부가 형성된 상기 성장용 기판 표면에 광 반사 물질이 코팅되어 형성되는, 발광소자 패키지. - 제 1 항에 있어서, 상기 반사층은,
음각의 비대칭 패턴이 형성된 상기 성장용 기판 표면에 광 반사 물질이 코팅되어 형성되는, 발광소자 패키지. - 제 3 항에 있어서, 상기 반사층은,
비정형의 3차원 요철 구조로 형성되는, 발광소자 패키지. - 제 3 항에 있어서, 상기 반사층은,
반구형, 피라미드형, 렌즈형, 타원형, 원기둥형, 웨지형 또는 렌티큘러형 등의 형상 중 선택되는 어느 하나의 형상이 직경, 두께, 간격 및 방향을 달리하는 비대칭 구조로 형성되는, 발광소자 패키지. - 제 3 항에 있어서, 상기 반사층은,
서로 다른 소재의 광 반사 물질이 복수의 레이어로 코팅되어 형성되는, 발광소자 패키지. - 제 1 항에 있어서,
상기 반사층 표면에 비드층이 더 형성되는, 발광소자 패키지.
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| KR1020210063180A KR20220156120A (ko) | 2021-05-17 | 2021-05-17 | 측면 발광 효율을 극대화하는 발광소자 패키지 |
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|---|---|---|---|---|
| KR20160005827A (ko) | 2014-07-07 | 2016-01-18 | 일진엘이디(주) | 측면 발광형 질화물 반도체 발광 칩 및 이를 갖는 발광 소자 |
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2021
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