KR100609224B1 - 반도체 레이저광 방출장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 레이저광 방출장치에 관한 것으로서, 상부에서 하부 방향으로 갈수록 폭이 접차적으로 좁아지고 상부는 개구된 형상으로 발광다이오드를 수용 및 정렬하는 광학벤치에 발광칩을 플립-칩 본딩으로 부착하고 윗면에 평면형의 광학 렌즈를 부착하거나 직접 집적화되도록 제작하여 광출력 방향 및 모양을 원하는 형태로 구현해 광출력특성을 향상시키도록 하는데, 이를 위해 상부를 개구부로 하여 상부에서 하부 방향으로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성되어 소정의 발광다이오드를 수용 및 정렬하는 수용부; 상기 수용부를 지지하며 발광다이오드에서 발생된 열을 외부로 방출하는 방열판; 상기 수용부의 내주면에 코팅되어 발광다이오드에서 발생되어 측면으로 향하는 광을 상부방향으로 반사시키는 반사벽; 상기 반사벽이 코팅되지 않는 수용부 내면과 반사벽을 덮는 절연벽; 상기 발광다이오드와 본딩부재로 접촉되는 소정의 금속패드와 전기적으로 연결되어 절연벽을 따라 수용부의 상부면까지 노출되도록 형성된 금속로드; 상기 수용부 상면에 형성하여 발광다이오드에서 발생한 광과 반사벽에서 반사한 광을 외부로 방사하는 평면형의 광학 렌즈로 구성하도록 한다.
평면, 광학, 렌즈, 광, 반사, 수용부,
Description
도 1은 일반적인 반도체 레이저광 방출장치를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 반도체레이저광 방출장치의 제1실시예를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 반도체레이저광 방출장치의 제2실시예를 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 사용되는 수용부를 좀 더 상세히 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
200 : 방열판 210 : 레이저발광다이오드 수용부
220 : 반사벽 230 : 절연벽
240 : 금속로드 250 : 평면형의 광학 렌즈
본 발명은, 상부 일부가 개구되고 상부에서 하부 방향으로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성하여 소정의 발광다이오드를 수용 및 정렬하는 광학벤치에 발광칩을 플립-칩 본딩으로 부착하고 그 광학벤치위에 평면형의 광학 렌즈를 부착하거나 직접 집적화되도록 제작하여 광출력 방향 및 특성을 향상시키도록, 반도체 레이저광 방출장치에 관한 것이다.
일반적으로, 소정 파장의 레이저광을 방출하는 반도체 레이저광 발생장치(발광 emittter)는 광출력의 시야각(view angle)과 빔 정형(整形)(beam shaping)등의 특성은 플라스틱 렌즈에 의해 결정되는데, 도 1은 이러한 통상의 반도체 레이저광 방출장치를 도시한 도면이다.
이에 도시한 바와 같이, 일반적인 반도체 레이저광 방출장치는 레이저광을 발생하는 소정의 발광칩(100)과, 발광칩(100)을 지지하는 실리콘 재질의 서브마운트(110)와, 발광칩(100)의 광방출시 발생되는 열을 외부로 방출하는 방열판(120)과, 발광칩(100)에서 발생된 광을 원하는 방향으로 외부로 방사하는 플라스틱 렌즈(130)로 이루어진다.
이렇게 이루어진 반도체 레이저광 방출장치에서, 전술한 바와 같이 광출력의 시야각(view angle)과 빔 정형(整形)(beam shaping)등의 특성은 플라스틱 렌즈(130)에 의해 결정되는데 이러한 플라스틱 렌즈(130)는 통상적으로 금형을 이용한 사출성형으로 제작되어 최종적으로 반도체 레이저광 발생장치의 몸체(140)에 조립된다.
하지만, 사출성형과 같은 가공방법으로 제작되는 플라스틱 렌즈(130)를 통해 서는 다양한 빔 정형(整形)(beam shaping)을 구현하는 것이 어려우며, 특히 재질의 자체적인 특성상 표면이 매우 평탄한 플라스틱 렌즈를 구현하는 것이 종래의 사출성형과 같은 가공방법을 통해 제작하는 것이 어렵다는 문제점이 있으며 또한, 완성된 플라스틱 렌즈를 몸체에 조립할 때에도 정확히 정렬(align)하기가 어렵다.
더불어, 전술한 통상의 반도체 레이저광 방출장치는 발광 chip에서 여러 방향으로 출력되는 광을 플라스틱 렌즈 쪽으로 대부분 갈 수 있도록 하기 위해 도시된 바와 같이, 방열판(heatsink slug)(120)을 반사컵의 형태로 가공하며, 이 때 반사도를 향상시키기 위해서는 반사컵인 방열판 내부의 표면을 매우 평탄하게 하여야 하는데 사출성형과 같은 가공방법은 한계가 있다.
이에 본 발명은 상기한 문제점을 해소시키기 위하여 개발된 것으로, 반사도를 향상시키고 더불어 다양한 빔정형(整形)(beam shaping)을 구현하기 위한 개량된 구조의 반도체 레이저광 방출장치를 제공하는데 목적이 있다.
이러한 목적에 따라 본 발명은, 상부 일부가 개구되고 상부에서 하부 방향으로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성하여 소정의 발광다이오드를 수용 및 정렬하는 광학벤치에 발광칩을 플립-칩 본딩으로 부착하고 그 광학벤치위에 평면형의 광학 렌즈를 부착하거나 직접 집적화되도록 제작하여 광출력 방향 및 모양을 원하는 형태로 구현해 광출력특성을 향상시키고자 한다.
이를 위해 본 발명에 따른 반도체 레이저광 방출장치는, 상부 일부 개구되고 상부에서 하부 방향으로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성하여 소정의 발광다이오드를 수용 및 정렬하는 발광다이오드 수용부;
상기 발광다이오드 수용부를 지지하며 발광다이오드에서 발생된 열을 외부로 방출하는 방열판;
상기 발광다이오드 수용부의 내주면에 코팅되어 발광다이오드에서 방출되어 측면으로 향하는 광을 상부방향으로 반사시키는 반사벽;
상기 반사벽이 코팅되지 않는 발광다이오드 수용부내의 하면과 반사벽을 덮는 절연벽;
상기 발광다이오드와 본딩부재로 접촉되는 소정의 금속패드와 전기적으로 연결되어 절연벽을 따라 수용부의 상부면까지 노출되도록 형성된 금속로드;
상기 발광다이오드 수용부 상면에 형성하여 발광다이오드에서 발생한 광과 반사벽에서 반사한 광을 외부로 방사하는 평면형의 광학 렌즈로 이루어지도록 한다.
바람직하게는, 상기 수용부와 평면형의 광학 렌즈를 접착시킬 수 있도록 사이에 실링부재를 그리고, 상기 수용부의 상부를 평탄화시키도록 그 내부를 충진시킨 충진부재를 각기 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
첨가하여, 본 발명에서는 수용부를 광출력효율을 향상시키기 위하여 사면이 각기 사다리꼴로 패터닝된 광학벤치를 사용하고, 평면형의 광학 렌즈는 발광다이오드의 광출력방향에 따라 대응되는 소정 형상이 패터닝된 것이 바람직하며, 추가로 상기 방열판과 결합되어 내부의 소자 전체를 보호하는 원통형의 보호막을 포함하도록 하는 것을 바람직한 실시예로 개시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 반도체 레이저광 방출장치의 바람직한 제1실시예에 대해 설명한다.
<제1실시예>
상기 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 레이저광 방출장치의 바람직한 제1실시예는, 상부 일부를 개구공으로 하여 상부에서 하부 방향으로 갈수록 폭이 좁아지게 형성해 소정의 발광다이오드를 수용 및 정렬하는 수용부(210)와, 상기 발광다이오드 수용부(210)를 지지하며 발광다이오드에서 광 발생시 생성되는 열을 외부로 방출하는 방열판(200)과, 상기 수용부(210)의 내주면에 코팅되어 발광다이오드에서 발생되어서 측면으로 향하는 광을 상부방향으로 반사시키는 반사벽(220)과, 상기 반사벽(220)이 코팅되지 않는 수용부(210)내의 하면과 반사벽을 포함하는 상부를 전체적으로 덮도록 형성된 절연벽(230)과, 상기 발광다이오드와 본딩부재로 접촉되는 소정의 금속패드와 전기적으로 연결되어 상기 절연벽(230)을 따라 발광다이오드 수용부(210)의 상부면까지 노출되도록 형성된 금속로드(240)와, 상기 발광다이오드 수용부(210) 상면을 덮어 발광다이오드에서 발생된 광과 반사벽(220)에서 반사된 광을 외부로 방사하는 평면형의 광학 렌즈(250)로 이루어진다.
이렇게 이루어진 본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 레이저광 방출장치에서, 우선 소정의 발광다이오드를 수용 및 정렬하기 위해 본 발명에 사용되는 수용부(210)는 상부 일부를 개구공으로 형성하며, 더불어 측면은 상부에서 하부 방향으로 갈수록 폭이 점차적으로 좁아지도록 소정의 경사각도만큼 기울어지게 형성하는데, 가능한한 SIOB(Silicon Optical bench)와 같은 소정의 광학벤치를 사출성형시켜 형성하는 것이 바람직하며, 구체적인 형상에 관해서는 후술하기로 한다.
다음, 방열판(heatsink slug)(200)은 전기전열성과 열전도율이 우수한 플레이트(plate)형의 소정의 금속판으로 산화베릴륨(BeO)을 주성분으로 하여 이것에 소량의 첨가물을 배합해서 1500℃∼1800℃로 소성하여 얻어지는 베릴리아자기(beryllia porcelain)나 플라스틱 또는 세라믹 등을 사용해 형성하는 것이 바람직한데, 이러한 방열판(200)은 전술한 발광다이오드 수용부(210)의 하부에 결합되거나 또는 소정의 본딩(bonding)부재를 통해 접착되어 상기 발광다이오드 수용부(210)내에 수용 및 정렬된 발광다이오드의 광 방출시 발생된 열을 외부로 방출시키게 된다.
한편, 본 발명에서는 상기한 발광다이오드 수용부(210)의 내주면을 은(Ag)과 같은 반사형 금속물질 등으로 코팅해 소정의 반사벽(220)을 형성하게 되며, 이렇게 형성된 반사벽(220)은 수용부(210)내에 정렬된 소정의 발광다이오드에서 방출되는 광 중에서 특히 측면쪽으로 향하는 광을 상부방향으로 반사시켜 광출력 효율을 향상시키게 된다.
계속해서, 절연벽(230)은 상기 반사벽(220)이 코팅되지 않는 발광다이오드 수용부(210)내의 하면과 그리고 반사벽(220)을 Si와 같은 소정의 절연성물질로 덮어 형성하며, 금속로드(240)는 발광다이오드 수용부(210)내에 정렬된 발광다이오드와 본딩부재로 접촉되어 외부로부터 인가되는 전류를 그 발광다이오드로 흘려주는 소정의 금속패드와 전기적으로 연결되게 형성하는데, 이를 위해 이베포레이션(evaporation)과 같은 소정의 반도체 증착공정을 통해 절연벽(230) 상부에 금속을 증착하고 소정의 폭을 가지며 굴곡진 스트라이프(stripe) 형태로 긴 형상으로 패터닝하여 형성한다.
마지막으로, 본 발명의 평면형의 광학 렌즈(250)는 상기 발광다이오드 수용부(210) 상면에 마이크로-광학 소자(micro-optical component)를 집적화시켜 그 상부를 덮도록 하여 발광다이오드 수용부(210)내에 수용 및 정렬된 발광다이오드에서 방출된 광과 반사벽(220)에서 반사된 광이 외부로 방사되게 하며, 또한 전술한 바와 같이 본 발명에서는 종래의 마이크로렌즈를 사용하는 것과 달리 평면형의 광학 렌즈의 사용으로 인해 발광다이오드의 광출력방향에 따라 대응되게 그 평면형의 광학 렌즈를 소정 형상으로 패터닝하는 것이 가능해져 광출력특성 및 효율을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
다음으로는, 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 반도체 레이저광 방출장치의 바람직한 제2실시예에 대해 설명한다.
<제2실시예>
본 발명의 제2실시예는 평면형의 광학 렌즈를 수용부에 직접 집적화시키는 제1실시예와는 달리 소정의 실링부재를 통해 수용부 상면에 부착하도록 하는 것인데, 이에 대해 도 3을 참조하여 좀 더 상세히 설명한다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 제2실시예는 상부면을 개구공으로 하여 상부에서 하부 방향으로 갈수록 폭이 좁아지게 형성해 소정의 발광다이오드를 수용 및 정렬하는 발광다이오드 수용부(210)와, 상기 발광다이오드 수용부(210)를 지지하며 발광다이오드에서 발생된 열을 외부로 방출하는 방열판(200)과, 상기 발광다이오드 수용부(210)의 내주면에 코팅되어 발광다이오드에서 발생되어서 측면으로 향하는 광을 상부방향으로 반사시키도록 하는 반사벽(220)과, 상기 반사벽(220)이 코팅되지 않는 발광다이오드 수용부(210) 내면과 반사벽(220)을 덮도록 형성된 절연벽(230)과, 상기 발광다이오드와 본딩부재로 접촉되는 소정의 금속패드와 전기적으로 연결되어 상기 절연벽(230)을 따라 발광다이오드 수용부(210)의 상부면까지 노출되도록 형성된 금속로드(240)와, 상기 발광다이오드 수용부(210) 상면을 덮어 발광다이오드에서 발생한 광과 반사벽(220)에서 반사한 광을 외부로 방사하는 평면형의 광학 렌즈(310)로 이루어지며, 특히 평면형의 광학 렌즈(310)와 발광다이오드 수용부(210) 상면 사이에 소정의 실링부재(300)가 형성되며, 수용부내에는 충진재(320)가 포함된다.
이러한 구조의 본 발명에 따른 제2실시예는, 상기 도 2에 도시된 바대로, 디스펜서(dispenser)등을 이용해 발광다이오드 수용부(210)의 상면일부에 자외선(UV)경화성 에폭시 수지 또는 열경화성 밀봉재(thermal sealant)와 같은 일련의 실링부재를 코팅시킨 다음, 미리 사출성형된 소정의 평면형의 광학 렌즈(310)를 발광다이오드 수용부(210)를 덮도록 해당 위치에 정렬해 놓은 후, 소정의 온도로 가열하여 평면형의 광학 렌즈(310)와 발광다이오드 수용부(210)를 접착시킨다.
덧붙여서, 본 발명은 상기 발광다이오드 수용부(210)내의 상부를 평탄화시켜 평면형의 광학 렌즈(310)가 용이하게 접착될 수 있도록 발광다이오드 수용부(210) 내부를 소정의 충진재(320)로 충진시키는 것이 바람직하며, 실리콘(Si)과 같이 가능한한 절연성이 있고 공기(air)의 광투과율보다 우수한 물질로 채우도록 하는 것이 가장 바람직하다.
다음, 도 3을 참조하여 본 발명에 사용되는 발광다이오드 수용부(210)의 바람직한 형상에 대해 좀 더 상세히 설명한다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 사용되는 발광다이오드 수용부(210)는 발광다이오드를 수용 및 정렬하는 내부의 개구영역이 사다리꼴 형상의 사면(U/D/L/R)으로 둘러싸여지도록 패터닝된 컵 또는 사발형상인 것이 바람직하며, 이로 인해 반사벽은 사다리꼴 형상의 사면(U/D/L/R) 각각에 형성되도록 코팅되어 발광다이오드에서 발생되어 측면으로 향하는 광을 발광다이오드 수용부(210)의 상부방향으로 반사시키게 되며, 평면형의 광학 렌즈는 그 발광다이오드 수용부내의 개구영역을 전체적으로 덮도록 상면에 부착 또는 집적화(Integration)된다.
그리고, 본 발명에 사용되는 금속로드(240)는, 발광다이오드 수용부내에 정렬된 발광다이오드와 본딩부재로 접촉되어 외부로부터 인가되는 전류를 그 발광다이오드로 흘려주는 소정의 금속패드(미도시)와 전기적으로 연결되게 형성되며 와이어(400)를 통해 리드프레임(410)과 각기 연결되는데, 이에 따라 본 발명에서는 와이어와 소자를 보호하기 위하여 상기 방열판(200)과 결합되어 내부의 소자 전체를 보호하는 플라스틱 또는 세라믹재질의 원통형 보호막을 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
마지막으로, 도 4를 참조하여 본 발명의 반도체 레이저광 방출장치의 동작원리를 설명한다.
상기 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 레이저광 방출장치는, 도시되지 않은 리드프레임을 통해 인가된 전류가 Au또는 Sn과 같은 솔더용 금속의 본딩부재(510)를 통해 발광다이오드의 n-패드와 p-패드에 각기 결합된 소정의 금속패드(500)로 공급되면, 발광다이오드는 그 금속패드(500)를 통해 n-패드, p-패드로 각기 인가되는 전류에 따라 활성층에서 발광이 이루어지며, 이렇게 발생된 광 중에서 특히 측면쪽으로 향하는 광은 반사컵(220)을 통해 반사되어 발광다이오드 수용부의 상부방향으로 향하게 되며 도시되지 않은 평면형의 광학 렌즈를 통해 미리 정해진 방향에 따라 원하는 광출력이 이루어지는데, 이 때 절연벽(220)은 가능한 유전율이 높은 물질로 형성하여 가능한한 광손실을 줄이도록 하는 것이 바람직하다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 레이저광 방출장치는, 소정의 평면형의 광학 렌즈를 광학벤치의 상면에 부착하거나 또는 집적화하여 플라스틱 렌즈를 사용하는 종래보다 광출력효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 광출력 방향을 원하는대로 조절이 가능하며, 또한 반도체 공정을 사용하기 때문에 조립 부품 수를 줄여 소형화와 대량생산이 가능하며 제품의 편차를 줄여 제조비용 등을 저렴하게 할 수 있는 등의 효과가 있다.
본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
Claims (5)
- 상부 일부가 개구되고 상부에서 하부 방향으로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성하여 소정의 발광다이오드를 수용 및 정렬하는 발광다이오드 수용부;상기 발광다이오드 수용부를 지지하며 발광다이오드에서 발생된 열을 외부로 방출하는 방열판;상기 발광다이오드 수용부의 내주면에 코팅되어 발광다이오드에서 방출되어 측면으로 향하는 광을 상부방향으로 반사시키는 반사벽;상기 반사벽이 코팅되지 않는 발광다이오드 수용부내의 하면과 반사벽을 덮는 절연벽;상기 발광다이오드와 본딩부재로 접촉되는 소정의 금속패드와 전기적으로 연결되어 절연벽을 따라 수용부의 상부면까지 노출되도록 형성된 금속로드;상기 발광다이오드 수용부 상면에 형성하여 발광다이오드에서 발생한 광과 반사벽에서 반사한 광을 외부로 방사하는 평면형의 광학 렌즈로 이루어지는, 반도체 레이저광 방출장치.
- 상부 일부가 개구되고 상부에서 하부 방향으로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성하여 소정의 발광다이오드를 수용 및 정렬하는 발광다이오드 수용부;상기 발광다이오드 수용부를 지지하며 발광다이오드에서 발생된 열을 외부로 방출하는 방열판;상기 발광다이오드 수용부의 내주면에 코팅되어 발광다이오드에서 방출되어 측면으로 향하는 광을 상부방향으로 반사시키는 반사벽;상기 반사벽이 코팅되지 않는 발광다이오드 수용부내의 하면과 반사벽을 덮는 절연벽;상기 발광다이오드와 본딩부재로 접촉되는 소정의 금속패드와 전기적으로 연결되어 절연벽을 따라 수용부의 상부면까지 노출되도록 형성된 금속로드;상기 발광다이오드 수용부 상면에 형성하여 발광다이오드에서 발생한 광과 반사벽에서 반사한 광을 외부로 방사하는 평면형의 광학 렌즈;상기 발광다이오드 수용부와 평면형의 광학 렌즈를 접착시킬 수 있도록 사이에 코팅된 실링부재; 및상기 발광다이오드 수용부의 상부를 평탄화시키도록 개구부에 충진된 충진부재로 이루어지는, 반도체 레이저광 방출장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 발광다이오드 수용부는;개구부가 사다리꼴 형상을 가진 사면(四面)으로 둘러싸여지도록 패터닝된 광학벤치인 것을 특징으로 하는, 반도체 레이저광 방출장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 평면형의 광학 렌즈는;발광다이오드의 광출력방향에 따라 대응되는 소정의 형상이 패터닝된 것을 특징으로 하는, 반도체 레이저광 방출장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 방열판과 결합되어 내부의 소자 전체를 보호하는 원통형의 보호막을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 레이저광 방출장치.
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| KR1020040028993A KR100609224B1 (ko) | 2004-04-27 | 2004-04-27 | 반도체 레이저광 방출장치 |
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