KR100585916B1 - 발광 다이오드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로서, 발광칩, 발광칩을 봉지하는 복수층의 몰딩층으로 형성된 패키지 몰딩부 및 패키지 몰딩부에 분포하는 복수의 비드를 포함한다. 이에 따르면, 그 발광 특성 특히 휘도가 높아지고 빛의 경로 및 가시각의 범위가 증가한다. 또한 본 발명은 패키지 몰딩부에 형광체를 더 포함시켜, 고휘도 및 균일한 색분포 특성을 가지는 백색 발광 다이오드를 제조한다.

비드, 휘도, 형광체, 발광 다이오드, 패키지 몰딩부, 발광특성, 이중 몰딩층, LED

Description

발광 다이오드{Light emitting diode}

도1은 종래의 탑형 발광 다이오드의 종단면도

도2은 종래의 탑형 발광 다이오드의 출광 특성을 나타내는 그래프

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 종단면도

도4은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 종단면도

도5은 본 발명의 탑형 발광 다이오드의 출광 특성을 나타내는 그래프

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 10: 기판

2, 20a, 20b: 리드

3, 30: 반사기

4, 40: 발광칩

5, 50: 와이어

60: 패키지 몰딩부

60a, 60b: 1차 및 2차 몰딩층

70: 형광체

80: 비드

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그 패키지 몰딩부의 구조를 개선한 발광 다이오드에 관한 것이다.

발광 다이오드는 최근 조명 제품으로 다양하게 응용되면서 무한성장 가능성이 있는 차세대 품목으로 예고되고 있다. 하지만, 범용 조명 제품으로 채용하기는 아직 그 단위 소자당 밝기 및 가격 등이 만족할 만한 수준에 미치지 못하고 있는 실정이다.

발광 다이오드는 화합물 반도체의 PN 접합 다이오드로 전압을 인가하여 빛을 발광하는 발광 소자로서, 일반적으로 사용 목적에 따라 고광도, 초소형 및 박형의 특징을 가진 칩 LED(light emitting diode), 탑 LED, 초고광도 고내습성, 내열성 옥외 디스플레이 또는 전광판 등에 사용되는 램프 LED등으로 나뉜다.

종래의 발광 다이오드 중 탑형 발광 다이오드는 개구부가 형성된 반사기(3)가 리드(2)가 설치된 기판(1)에 부착되고, 개구부 내의 기판에 발광칩(4)을 실장하여 개구부를 통해 광을 출광하는 구조이며, 반사기의 내부에는 액상 에폭시를 주입하여 패키지 몰딩부(6)를 형성한다. 이때 백색 또는 중간색을 발광하는 발광 다이오드 소자를 구현하기 위해서는 상기의 액상 에폭시에 여러 가지 발광 특성을 가지는 형광체(7)를 포함시킨다.

상기의 탑형 발광 다이오드에서 발광칩으로부터 광이 방출되면 그 중 일부는 패키지 몰딩부를 그대로 통과하고, 일부는 형광체에 의해 녹색에서 적색에 이르는 가시광선으로 발광 파장이 변환되어, 발광칩으로부터 방출된 광과 변환된 광이 조합됨으로써 백색광 또는 중간색 광이 형성된다.

그러나, 종래의 탑형 발광 다이오드는 액상 에폭시를 사용하기 때문에 경화 시간이 길어, 발광 다이오드의 생산 수율이 감소되며, 백색 또는 중간색을 출광하는 발광 다이오드를 제조할 때 액상 에폭시 수지 내에 형광체를 함유시키면 형광체는 에폭시 내에 임의의 방향을 향하여 산재될 뿐만 아니라, 도1에서 보여주듯이 형광체(7)의 비중이 높아 시간이 지남에 따라 형광체 입자가 리드(5) 및 발광칩(4) 근처로 침전되어 모이게 되므로 형광체와 에폭시가 분리되는 문제점이 있다.

이러한 형광체 분리에 의해 도2에 나타낸 바와 같이 발광칩에서 출광되는 파장(예들 들어 460nm 내지 465nm)의 광에서 휘도 및 색도의 분포차가 발생하게 되고, 이러한 구조를 백색 발광 다이오드에 적용하는 경우 겉보기에는 백색 구현이 가능하나 실제로 발광 다이오드에서 출광되는 색깔은 황색(Y)이나 청색(B)에 치우치게 되는 문제가 발생한다. 또한 형광체의 광출사 효율에 있어서도 청색 발광칩에서 발광하는 광의 에너지를 받아 충분한 특성을 얻을 수 없어 전체적으로 백색 발광 다이오드에서 방출되는 광의 휘도를 저하시키는 문제점이 발생한다.

또한, 백색 또는 중간색 발광 다이오드 소자에 있어서, 발광 다이오드 칩의 상부에 형광체가 혼합된 에폭시를 도포하기 때문에 형광체의 균일한 혼합이 어려워 하나의 인쇄회로기판에서 제작되는 각각의 발광 다이오드 소자에서 방출되는 색뿐만 아니라 한번의 공정에서 제작되는 개별 발광 다이오드 소자 사이에서도 방출되 는 색이 분산되는 등의 문제점이 발생한다.

또한, 액상 에폭시는 표면 장력에 의해 반사기의 내벽을 타고 오르기 때문에 몰드 성형부의 상면이 평탄하게 형성되기 어려워, 이에 의해 발광 다이오드 칩으로부터 방출된 광이 패키지 몰딩부 상면에서 난반사를 일으켜 휘도가 저하되고, 상부 표면이 평평하지 않아 개별 패키지마다 그 높이가 서로 다르게 되어 패키지 성능이 저하된다.

이에 본 발명은 발광 다이오드 패키지 몰딩부의 구조를 개선하여 그 발광 특성 특히, 휘도를 높이고 광의 경로 및 가시각의 범위를 향상시킨 발광 다이오드를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 고휘도 및 균일한 색분포 특성을 가지는 백색 발광 다이오드를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명은 발광칩 및 상기 발광칩을 봉지하는 패키지 몰딩부를 포함하며 상기 패키지 몰딩부는 형광체와 수지가 혼합된 몰딩층이 복수로 형성되며 최외부 몰딩층은 볼록한 형상을 가지는 발광 다이오드 이다.

또한, 본 발명은 발광칩, 상기 발광칩을 봉지하는 패키지 몰딩부 및 상기 패키지 몰딩부에 분포하는 복수의 비드를 포함하며 상기 패키지 몰딩부는 복수의 몰 딩층으로 형성되는 발광 다이오드 이다. 이에 따르면 발광칩으로부터의 광이 상기 복수의 비드에 의해 반사되어 방사상으로 산란되면서 진행하기 때문에 그 광의 경로 및 지향각이 넓어지게 된다.

여기서 상기 복수의 비드를 상기 패키지 몰딩부의 표면 부근에 분포시키는 것이 바람직하며, 이 경우 패키지 몰딩부의 표면이 요철형상을 이루기 때문에 발광 특성을 변화시키는 데 유리하다.

또한 본 발명은 상기 패키지 몰딩부에 상기 발광칩으로부터의 소정 파장의 광을 특정 파장의 광으로 변환시키는 형광체가 포함되어 있고, 상기 패키지 몰딩부는 1차 몰딩층과 2차 몰딩층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 발광 다이오드를 구체적으로 설명한다.

(실시예1)

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탑형 발광 다이오드의 단면도이다. 본 실시예에 따른 발광 다이오드는 인쇄회로기판(10) 위에 마련된 한 쌍의 리드(20a, 20b) 중의 일측 리드(20a)에 발광칩(40)이 실장 되고, 상기 발광칩(40)은 전도성 와이어(50)를 통해 타측의 리드(20b)와 연결되며, 발광칩(40)으로부터 출광되는 광을 반사하는 반사기(30)가 발광칩의 측면 방향으로 발광칩을 둘러싼다. 여기에 반사기 내의 리드(20a, 20b) 및 발광칩을 몰딩하는 패키지 몰딩부(60)가 형성되어 있다.

이때 리드(20a, 20b)는 인쇄회로기판(10) 상에서 통전 가능한 재질로 구성되며, 발광칩은 적외선 영역에서부터 자외선 영역의 빛을 발광하는 발광칩 중에서 선택적으로 채택 가능하다.

한편, 반사기(30)는 리드(20a, 20b) 및 그 상부에 실장된 발광칩(40)을 수용시키는 개구부를 구비하며. 이러한 반사기(30)는 인쇄회로기판(10)과 일체로 제작되거나 별개로 제작된 후 인쇄회로기판(10)과 접착시킬 수 있다. 반사기의 개구부를 형성하는 내면은 소정의 경사면을 이루고 있어 발광칩에서 출광되는 광이 상향 반사된다. 광의 효과적이 반사를 위해 반사기의 내면에 반사 물질 혹은 반사판을 부가시킬 수 있다.

상기의 패키지 몰딩부(60)는 1차 몰딩층(60a)와 2차 몰딩층(60b)로 이루어지며, 각 몰딩층(60a, 60b)은 에폭시 또는 실리콘 수지에 형광체(70)가 혼합된 것을 사용할 수 있으며, 형광체 입자가 각 몰딩층에 2중으로 분포함에 의해 발광칩의 색분포를 균일하게 한다. 이때 형광체는 예를 들면 YAG계열이나 오소실리케이트 계열의 형광체를 사용할 수 있다.

또한 상기의 패키지 몰딩부는 2차 몰딩층을 볼록한 형상으로 제조하여 볼록 렌즈 역할을 하도록 하여 광의 출광시 주변으로 흐트러지는 광을 정면 방향으로 모아 집속하므로 광의 휘도를 향상시킨다.

상기에 서술한 바와 같이 본 실시예에 따른 탑형 발광 다이오드 소자는 반사기 내의 인쇄회로기판 위에 발광칩이 실장 되며 발광칩을 2중 몰딩층의 패키지 몰딩부가 봉지하게 되고, 발광칩과 패키지 몰딩부의 형광체는 원하는 색을 발광시키 기 위해서 여러 가지 조합으로 선택될 수 있다.

예를 들어 발광칩을 450nm 내지 475nm의 청색 파장을 출광하는 청색 발광칩으로 하고, 패키지 몰딩부를 (Y, Gd, Ce)-Al-O계 형광체를 함유시킨 황색 패키지 몰딩부로 하면, 도5의 광 특성 그래프가 보여주듯이 청색 발광칩에서 출광되는 광이 패키지 몰딩부에 입사되어 광은 형광체가 2중으로 분포되며 볼록한 형상의 패키지 몰딩부를 통과하면서 파장 천이를 발생시켜 백색으로 색 변환하게 되어 간단한 몰딩 구조로 고휘도이며 색분포가 균일한 백색 발광 다이오드를 제조하게 된다.

이하에서 본 실시예의 제조 과정을 구체적으로 설명한다. 우선, 반사기(30)가 설치된 인쇄회로기판(10)을 준비하고, 반사기(30) 내의 인쇄회로기판의 한측 리드(20a) 위에 발광칩을 본딩하고, 타측 리드(20b)과 발광칩을 전도성 와이어로 연결한다.

상기와 같이 발광칩(40)이 실장된 반사기(30) 내에 에폭시 또는 실리콘 수지에 형광체를 혼합한 혼합 수지를 전체 패키지 몰딩부(60)의 1/3 내지 1/2 부피에 해당하는 양 만큼 1차 포팅한다. 이때 에폭시 또는 실리콘 수지에 대한 형광체의 혼합비율은 패키지 유형에 따라 차이가 있으나 대개 중량비로 20 내지 40wt% 정도 혼합한다. 다음으로 상기와 같이 혼합 수지가 포팅된 발광 다이오드를 전기로에 로딩하고 100 내지 150℃ 정도에서 약 30초 내지 1분간 열처리하여 혼합 수지를 준고형화하는 1차 큐어링(Curing)을 행한다.

상기와 같이 1차 큐어링된 1차 몰딩층(60a) 위에 에폭시 또는 실리콘 수지에 형광체를 혼합한 혼합 수지를 2차 포팅한다. 이때 패키지 몰딩부의 상단부분이 볼록한 형상이 되도록 표면 장력에 의하여 혼합 수지가 넘치지 않을 정도의 량을 포팅한다. 상기와 같이 혼합 수지를 2차 포팅한 후 이를 150℃ 정도에서 약 1시간 내지 2시간 동안 열처리하여 혼합 수지를 고형화하는 2차 큐어링(Curing)을 행하여 발광 다이오드를 제작한다.

이하에서는 상기 실시예에 따른 발광 다이오드의 작용을 설명한다. 외부의 전원이 리드(20a, 20b)를 통해 발광칩(40)에 공급되면 발광칩(40)은 그 고유의 파장을 가지는 광을 발생시킨다. 발생되는 광은 실시예의 구조상 상부를 향해 진행하고 그 경로 상에 존재하는 2중 몰딩층(60a, 60b)의 패키지 몰딩부(60)에 입사된다. 패키지 몰딩부(60)에 입사된 광은 각 몰딩층(60a, 60b)을 통과하면서 각 몰딩층(60a, 60b) 내에 분포하는 형광체(70)에 의해 파장 천이를 일으켜 입사광과는 다른 파장의 광을 출광하는 색 변환을 일으켜 볼록 렌즈 형상의 패키지 몰딩부(60)의 외면을 투과하여 외부로 출광된다.

종래에는 발광칩에서 발생되어 진행하는 광이 형광체가 균일하게 분포하지 못한(형광체가 발광칩 근처에 침전된) 단일 패키지 몰딩부를 통과하면서 색 변환을 하기 때문에 광의 투과율을 떨어뜨려 발광칩에서 방출되는 광의 휘도를 저하시키는 경우가 많다. 그런데, 본 발명에 따르면 형광체가 이중으로 분포한 2중 몰딩층을 광이 통과하면서 색 변환이 일어나고, 볼록 렌즈 형상의 외면을 통과 하므로 고휘도의 균일한 색분포를 얻을 수 있다.

(실시예2)

도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탑형 발광 다이오드 소자의 단면도이 다. 본 실시예의 탑형 발광 다이오드는 도3와 관련하여 전술한 실시예1과 대동소이한 구성 요소를 구비하며 단지 패키지 몰딩부(60) 내에 비드(80)가 추가로 형성되어 있다. 이에 동일 구성에 대한 설명은 생략하는 한편 이하 동일 구성 및 명칭에 대해서는 동일 참조 번호를 사용한다.

본 실시예에 따른 발광 다이오드는 인쇄회로기판(10) 위에 마련된 한 쌍의 리드(20a, 20b) 중의 일측 리드(20a)에 발광칩(40)이 실장 되고, 상기 발광칩(40)은 전도성 와이어(50)를 통해 타측의 리드(20b)와 연결되며, 발광칩(40)으로부터 출광되는 광을 반사하는 반사기(30)가 발광칩의 측면 방향으로 발광칩을 둘러싼다. 여기에 반사기 내의 리드(20a, 20b) 및 발광칩을 몰딩하는 패키지 몰딩부(60)가 형성되어 있다.

상기의 패키지 몰딩부(60)는 1차 몰딩층(60a)와 2차 몰딩층(60b)로 이루어지며, 각 몰딩층(60a, 60b)은 에폭시 또는 실리콘 수지에 형광체(70)가 혼합된 것을 사용할 수 있으며 형광체 입자가 각 몰딩층에 2중으로 분포함에 의해 발광칩의 색분포를 균일하게 한다. 이때 형광체는 예를 들면 YAG계열이나 오소실리케이트 계열의 형광체를 사용할 수 있다.

또한, 상기의 패키지 몰딩부(60) 내에는 복수의 비드(80, Bead)들이 분포되어 있다. 상기의 비드(80)들은 발광칩(40)으로부터의 광을 반사시키는 재질로 구성 가능하며 예를 들어, 투명 재질의 유리, 고분자 플라스틱, 금속 또는 세라믹 등을 사용할 수 있다. 패키지 몰딩부(60)를 큐어링하는 온도를 고려해, 비드(80)들은 열에 강한 재질을 사용하는 것이 바람직하다.

여기서, 복수의 비드(80)들은 패키지 몰딩부(60) 내에 골고루 분포시킬 수도 있지만, 도4에 나타낸 바와 같이 패키지 몰딩부(60)의 최외각 표면 영역에 집중적으로 분포하도록 하는 것이 바람직하다. 패키지 몰딩부(60)의 표면 근처에 분포하는 비드(80)들은 패키지 몰딩부(60)의 외면을 부분 확대하여 도시한 바와 같이 올록볼록하게 하여 전체적으로 요철 형상을 가지도록 한다. 이러한 구조는 발광칩(40)으로부터의 광을 산란시켜 그 발광 특성을 향상시키는 데 유리하다.

또한 상기의 패키지 몰딩부는 2차 몰딩층을 볼록한 형상으로 제조하여 패키지 몰딩부(60)가 볼록 렌즈 역할을 하도록 하여 광의 출광시 주변으로 흐트러지는 광을 정면 방향으로 모아 집속하므로 광의 휘도를 향상시킨다.

상기에 서술한 바와 같이 본 실시예에 따른 탑형 발광 다이오드 소자는 반사기 내의 인쇄회로기판 위에 발광칩이 실장 되며, 발광칩을 2중 몰딩층으로 형성되며 복수의 비드를 포함하는 패키지 몰딩부가 봉지하게 되고, 발광칩과 패키지 몰딩부의 형광체는 원하는 색을 발광시키기 위해서 여러 가지 조합으로 선택될 수 있다.

한편, 본 실시예의 발광 다이오드는 상기에서 설명한 실시예1의 발광 다이오드의 제조 과정과 동일한 과정으로 제조되며, 다만, 1차 큐어링된 1차 몰딩층(60a) 위에 혼합 수지를 2차 포팅할 때, 에폭시 또는 실리콘 수지에 형광체 및 비드를 혼합한 혼합 수지를 2차 포팅한다. 이때 혼합 수지 내의 비드의 량은 중량비로 약 2 내지 20wt% 정도 포함된다. 이와 같이 비드가 포함된 혼합 수지를 포팅 후 이를 상기 실시예1와 동일한 조건으로 2차 큐어링(Curing)하여 발광 다이오드를 제조한다.

이하에서는 상기 실시예에 따른 발광 다이오드의 작용을 설명한다. 외부의 전원이 리드(20a,20b)를 통해 발광칩(40)에 공급되면 발광칩(40)은 그 고유의 파장을 가지는 광을 발생시킨다. 발생되는 광은 각 실시예의 구조상 상부를 향해 진행하고 그 경로 상에 존재하는 2중 몰딩층(60a, 60b)의 패키지 몰딩부(60)에 입사된다. 패키지 몰딩부(60)에 입사된 광은 각 몰딩층(60a, 60b)을 통과하면서 각 몰딩층(60a, 60b) 내에 분포하는 형광체(70)에 의해 파장 천이를 일으켜 입사광과는 다른 파장의 광을 출광하는 색 변환을 일으키며 비드(70)들에 부딪혀 반사된다. 복수의 비드(16)들에 반사되는 광은 전체적으로 방사상으로 흩어지면서 광로가 변경된다. 이후 광은 볼록 렌즈 형상의 패키지 몰딩부(60)의 외면을 투과하여 외부로 출광된다.

종래 비드가 형성되지 않은 발광칩에서 발생되어 진행하는 광은 경로가 일정하기 때문에 패키지 몰딩부(60)의 표면에서의 광의 굴절각이 일정하고, 이에 의해 상대적으로 많은 양의 광이 패키지 몰딩부(60)의 표면을 따라 이동하거나 내부로 반사되어 소멸되는 경우가 많다. 그런데, 패키지 몰딩부에 비드가 포함된 본 실시예에 따르면, 광의 경로가 변화되면서 패키지 몰딩부(60)의 표면을 투과하여 외부로 발산하는 광의 양이 늘어나고 이에 의해 휘도가 높아지는 것은 물론 가시각의 범위도 증대되는 것이다.

상기의 실시예들에서는 발광 소자 중에 탑형 발광 다이오드를 예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 탑형 발광 다이오드에 한정되지 않으며, 칩형 혹은 램프형 발광 다이오드 등 여러 가지 유형의 발광 소자에 적용될 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 복수 몰딩층을 형성한 발광 다이오드는 복수 몰딩층 내에 형광체가 분포하므로 고휘도 및 균일한 색 분포 특성을 가지는 발광 다이오드를 제공할 수 있고, 형광체 분포의 오차에서 발생하는 불량을 제거할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 패키지 몰딩부 내에 복수의 비드들을 포함시켜 그 발광 특성 특히, 휘도를 높이고 빛의 경로 및 가시각의 범위를 향상시킨 발광 다이오드가 제공된다. 패키지 몰딩부 내의 비드들의 분포를 표면 근처에 집중시키면 상기의 효과를 더욱 증대시킬 수 있다.

또한 본 발명에 따른 발광 다이오드는 패키지 몰딩부를 볼록한 형상으로 제조하여 볼록 렌즈 역할을 하도록 함으로, 발광칩으로부터 출광하는 광이 주변으로 흐트러지는 것을 막고 광을 정면 방향으로 모아 집속하므로 광의 휘도를 향상시킬 수 있다.

Claims (5)

1. 발광칩; 및

   상기 발광칩을 봉지하는 몰딩층이 복수개로 형성된 패키지 몰딩부를 포함하고, 상기 몰딩층은 각각 형광체 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
2. 제1항에 있어서, 상기 몰딩층 중 적어도 어느 일측에 구비되는 다수의 비드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드
3. 제2항에 있어서, 상기 다수의 비드는 상기 패키지 몰딩부의 최외부 몰딩층에 분포하며, 상기 패키지 몰딩부의 표면은 요철 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드
4. 삭제
5. 제1항 내지 제3항 중 한 항에 있어서, 상기의 복수의 몰딩층 중 최외부 몰딩층은 볼록한 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드

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