KR101498130B1 - 두께 방향으로 우수한 열전도 특성을 갖는 기판을 구비한 발광소자의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 두께 방향으로 우수한 열전도 특성을 구비한 금속기지 복합재료로 이루어진 기판과, 이 기판이 구비된 발광다이오드 소자에 관한 것이다.
본 발명에 따른 발광다이오드 소자는, 전도성 지지기판과, 상기 전도성 지지기판의 상면에 형성된 제1반도체층, 활성층 및 제2반도체층이 순차적으로 형성된 발광소자로, 상기 전도성 지지기판은 금속기지에 탄소입자가 상기 지지기판의 두께방향으로 평행하게 배향된 조직을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광다이오드 소자는, 전도성 지지기판과, 상기 전도성 지지기판의 상면에 형성된 제1반도체층, 활성층 및 제2반도체층이 순차적으로 형성된 발광소자로, 상기 전도성 지지기판은 금속기지에 탄소입자가 상기 지지기판의 두께방향으로 평행하게 배향된 조직을 갖는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 두께 방향으로 우수한 열전도 특성을 구비한 금속기지 복합재료로 이루어진 기판과, 이 기판이 구비된 발광다이오드 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게 금속기지 내부에 판상의 흑연분말이 두께 방향으로 정렬되어 배치되어 있어 우수한 두께 방향 열전도도를 가짐과 동시에, 두께 방향에 수직한 방향으로는 정렬된 흑연분말이 금속기지의 열팽창을 구속하여 열팽창계수가 매우 낮은 금속기지 복합재료로 이루어진 기판과, 이 기판의 두께방향이 소자의 방열방향과 일치하도록 부착된 장치, 특히 LED 소자에 관한 것이다.
기술 진보의 속도가 갈수록 빨라질 뿐 아니라 소비자의 수요가 점점 모바일화와 소형화를 지향함에 따라, 오늘날 전기기기의 주요 구성부품인 PCB 기판, 메모리, LED 모듈, 전기전자기기 등도 집적화와 고출력화가 급속하게 진행되고 있다.
상기 전기전자기기 등은 전자의 이동을 수반하므로, 집적화와 고출력화가 진행될수록, 전기전자기기로부터 발생하는 열량도 증가하기 때문에, 발생하는 열을 신속하게 전기전자기기 외부로 방출시키지 못할 경우, 열에 의한 부품의 열화가 심해져 제품의 성능과 내구 수명이 급격히 저하되어 제품의 신뢰성을 떨어뜨리게 된다.
LED 소자도 다른 조명기구와 마찬가지로 빛이 발생하는 동시에 열이 많이 발생하는데, 특히 LED 소자의 경우 온도가 올라가면 광 효율의 감소, 색 좌표의 이동, 열 저항의 변화 등 다양한 문제가 발생한다.
이에 따라 LED 조명기구도 대면적화와 고휘도화에 따른 신속한 방열이 중요한 문제점으로 대두되고 있는데, LED 소자의 방열특성을 향상시키기 위한 방법으로, 하기 특허문헌에는 Ti, Cr, Ni, Al, Pt, Au, W, Cu, Mo, CuW 또는 불순물이 주입된 반도체로 이루어지며 하부에는 방열용 요철부가 형성되어 있는 전도성 지지기판이 개시되어 있다.
이중, Ti, Cr, Ni, Al, Pt, Au, W, Cu, Mo와 같은 금속 소재는 열전도 특성이 양호하여 방열에 유리한 점이 있으나, 금속 특유의 큰 질량과 과도하게 큰 열팽창계수로 인해, 경량화에 불리하고 상부에 위치한 열팽창계수가 낮은 층과의 접합 시, 열팽창계수의 차이에 의한 응력으로 쉽게 분리되어 발광소자의 신뢰성이 저하하는 문제점이 발생한다.
또한, Si, AlN, SiC와 같은 소재는 열전도 특성이 나쁘거나 열전도 특성이 양호하더라도, 탄성 변형이 거의 되지 않아 대면적으로 기판을 제작하는 과정에서 가해지는 충격으로 쉽게 파손되어 불량이 많아, 대면적화를 하기에 적합하지 않은 문제점이 있다.
이에 따라, LED 소자의 고휘도화 및 대면적화에는, 일정한 탄성 변형이 가능하여 취급이 용이하고, 두께방향으로의 방열특성이 우수하여 LED 소자의 신뢰성을 높일 수 있을 뿐 아니라, 금속에 비해 가볍고 열팽창계수가 낮은 지지기판이 필요하나, 현재까지 이러한 수요에 대응한 소재는 개발되지 못한 상태이다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 금속 소재를 기지로 포함하고 있어 일정한 탄성 변형이 가능하며, 기판의 두께방향으로의 방열특성이 매우 우수하며, 금속에 비해 가볍고 열팽창계수가 현저하게 낮아, 특히 방열특성이 요구되는 전자소자용 기판에 적합한 기판을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 과제는, 일정한 탄성 변형이 가능하고 방열특성이 우수하며 열팽창계수가 낮은 지지기판을 구비한 고방열 LED 소자를 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1측면은, 전자소자용 기판으로, 상기 기판은 금속기지에 흑연입자가 상기 기판의 두께방향으로 평행하게 배향된 조직을 갖는 복합재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자소자용 기판을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1측면에 있어서, 상기 복합재료에서 상기 흑연입자의 부피분율은 30~60%일 수 있다.
본 발명의 제1측면에 있어서, 상기 금속기지는 Cu, Al, Au, Ni, Pd 또는 이들의 합금 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 제1측면에 있어서, 상기 흑연입자는 판상, 플레이크상(flake) 또는 비늘상으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 제1측면에 있어서, 상기 복합재료는 추가로, AlN, SiC, Al2O3, BeO 중에서 선택된 1종 이상을 10중량% 이하로 포함할 수 있다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제2측면은, 전도성 지지기판과, 상기 전도성 지지기판 상에 형성된 제1반도체층, 활성층 및 제2반도체층이 순차적으로 형성된 발광소자로, 상기 전도성 지지기판은 금속기지에 흑연입자가 상기 지지기판의 두께방향으로 평행하게 배향된 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 발광소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 제2측면에 있어서, 상기 복합재료에서 상기 흑연입자의 부피분율은 30~60%일 수 있다.
본 발명의 제2측면에 있어서, 상기 금속기지는 Cu, Al, Au, Ni, Pd 또는 이들의 합금 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 제2측면에 있어서, 상기 흑연입자는 판상, 플레이크상(flake) 또는 비늘상으로 이루어진 흑연입자일 수 있다.
본 발명의 제2측면에 있어서, 상기 전도성 지지기판의 두께는 200㎛~400㎛일 수 있다.
본 발명의 제2측면에 있어서, 상기 전도성 지지기판은 추가로, AlN, SiC, Al2O3, BeO 중에서 선택된 1종 이상을 10중량% 이하로 포함할 수 있다.
본 발명의 제2측면에 있어서, 상기 전도성 지지기판 중 제1반도체층과 접하는 부분에는 반사층이 형성되어 있을 수 있다.
본 발명의 제2측면에 있어서, 상기 전도성 지지기판 중 제1반도체층과 접하는 부분에는 요철부가 형성되어 있을 수 있다.
본 발명의 제2측면에 있어서, 상기 반사층은 Ni, Ag, 또는 Au의 무전해 도금층일 수 있다.
본 발명에 따른 전자소자용 기판은, 금속기지에 열전도성이 우수하고 열팽창계수가 매우 낮은 탄소 입자가 두께방향으로 평행하게 정렬된 복합재료로 이루어지기 때문에, 두께 방향으로 정렬된 탄소 입자를 통해 열이 빠르게 두께 방향으로 전도되므로, 두께방향의 열전도성이 일반 금속 소재에 비해 매우 우수하다. 즉, 두께방향의 방열특성이 일반 금속재료나 세라믹 재료에 비해 우수하여, LED 소자와 같이 우수한 방열특성이 요구되는 전자소자의 신뢰성 향상에 크게 기여할 수 있다.
또한, 두께방향으로 평행하게 정렬된 탄소입자는 두께방향에 수직한 방향으로의 금속기지의 열팽창을 효과적으로 구속하기 때문에, 두께방향에 평행한 방향의 열팽창계수가 금속재료에 비해 현저하게 낮아, 열팽창계수가 낮은 비금속으로 이루어진 소자에 부착되었을 때, 열팽창계수의 차이로 인한 박리 등의 문제를 방지할 수 있다.
또한, 탄소는 금속재료에 비해 가볍기 때문에, 소자의 경량화에도 기여할 수 있다.
또한, 금속기지를 바탕으로 하고 있어, Si나 SiC와 같은 재료에 비해 취성이 낮기 때문에, LED와 같은 소자의 대면적화를 함에 있어서, 불량률을 크게 줄일 수 있다.
또한, 상기한 전자소자용 기판이 적용된 LED 소자의 구조는 방열특성이 우수하고, 기판 자체의 취성이 Si나 SiC에 비해 낮고 가벼워서, 특히 대면적, 고휘도의 수직형 LED 소자에 적합하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자소자용 기판의 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전자소자용 기판을 지지기판으로 사용한 수직형 LED 소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전자소자용 기판의 제조과정을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 따른 전자소자용 기판에 복합화된 비늘상의 흑연분말의 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 초음파 진동자가 설치된 금형의 내부에 금속이 코팅된 판상의 흑연분말을 장입한 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 초음파 진동자가 설치된 금형의 내부에 금속이 코팅된 판상의 흑연분말을 장입한 후, 진동을 가하여 판상의 흑연분말이 수평으로 배향되도록 한 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 수평으로 배향된 금속이 코팅된 판상의 흑연분말을 일축 가압하여 성형하는 단계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 도 7의 성형체를 소결한 소결체를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 도 8의 소결체를 판상의 흑연분말이 배향된 방향의 수직방향으로 절단하여 판재를 만드는 과정을 도시한 도면이다.
도 10은 도 9의 절단 과정을 통해 수득한 판재의 조직의 주사전자현미경 사진이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전자소자용 기판의 두께 방향에 수직한 방향의 열팽창계수를 측정한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 전자소자용 기판의 열저항 특성을 측정한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전자소자용 기판을 지지기판으로 사용한 수직형 LED 소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전자소자용 기판의 제조과정을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 따른 전자소자용 기판에 복합화된 비늘상의 흑연분말의 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 초음파 진동자가 설치된 금형의 내부에 금속이 코팅된 판상의 흑연분말을 장입한 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 초음파 진동자가 설치된 금형의 내부에 금속이 코팅된 판상의 흑연분말을 장입한 후, 진동을 가하여 판상의 흑연분말이 수평으로 배향되도록 한 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 수평으로 배향된 금속이 코팅된 판상의 흑연분말을 일축 가압하여 성형하는 단계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 도 7의 성형체를 소결한 소결체를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 도 8의 소결체를 판상의 흑연분말이 배향된 방향의 수직방향으로 절단하여 판재를 만드는 과정을 도시한 도면이다.
도 10은 도 9의 절단 과정을 통해 수득한 판재의 조직의 주사전자현미경 사진이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전자소자용 기판의 두께 방향에 수직한 방향의 열팽창계수를 측정한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 전자소자용 기판의 열저항 특성을 측정한 그래프이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
먼저, 본 발명에 따른 전자소자용 기판에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자소자용 기판의 개략 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 전자소자용 기판(110)은, 금속기지(111)에 흑연입자(112)가 상기 기판의 두께방향으로 평행하게 배향된 조직을 갖는 복합재료로 이루어진다.
상기 금속기지(111)로는 사용되는 소자의 종류에 따라, 열전도성, 전기 전도성과 함께 강도와 중량 등을 고려하여 다양한 원소들이 사용될 수 있으며, 예를 들어 Cu, Al, Au, Ni, Pd 또는 이들의 합금이 사용될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 한편, 본 발명에 있어서, '합금'이란 상기 원소 내에 타 원소가 40중량% 이상 포함된 금속을 의미한다.
또한, 흑연입자는 수직으로 배향되었을 때, 흑연입자를 통해 신속하게 열이 전도될 수 있도록 '판상'으로 이루어지는 것이 바람직한데, 본 발명에 있어서 '판상의 흑연입자'이란 완전한 판상 형상으로 이루어진 입자는 물론, 판상과 유사한 형상인, 플레이크(flake)상, 비늘상 입자를 포함하는 의미이다.
또한, 상기 복합재료에 있어서, 흑연입자의 부피분율은 30~60%가 바람직한데, 30% 미만일 경우 두께 방향의 충분한 열전도도 및 낮은 열팽창계수를 유지하기 어렵고, 60%를 초과할 경우 기판에 요구되는 기본적인 강도를 유지하기 어렵기 때문이다. 열전도도와 경량화를 고려할 때, 보다 바람직한 부피분율은 50~60%이고, 가장 바람직한 부피분율은 50~55%이다.
또한, 본 발명에 있어서, '두께 방향으로 평행하게 배향된 조직'이란, 도 1의 우측에 표시된 배향각도(α, 수평방향에서 수직방향으로의 각도)가 45°이상인 입자가 복합조직의 면적분율로 50%를 초과한 조직을 의미하며, 45°이상인 입자가 복합조직의 면적분율로 70% 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 전도성 지지기판은 추가로, 지지기판의 강도를 향상시키는 목적으로 AlN, SiC, Al2O3, BeO 중에서 선택된 1종 이상을 10중량% 이하로 포함할 수 있는데, 상기 성분이 10중량%를 초과하여 첨가될 경우, 열전도 특성이 저하될 수 있기 때문이다.
다음으로, 본 발명에 따른 전자소자용 기판을 지지기판으로 사용한 수직형 LED 소자(100)에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전자소자용 기판을 지지기판으로 사용한 수직형 LED 소자의 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 LED 소자(100)는, 전도성 지지기판(110)과, 상기 전도성 지지기판(110)의 상면에 형성된 접착층(120)과, 상기 접착층(120) 상에 형성된 반사층(130)과, 상기 반사층(130) 상에 형성된 제1반도체층(140), 상기 제1반도체층(140) 상에 형성된 활성층(150), 상기 활성층 상에 형성된 제2반도체층(160) 및 상기 제2반도체층(160) 상에 형성된 전극(170)을 포함하여 이루어진다.
상기 전도성 지지기판(110)은 상기 LED 소자(100)에 전원을 공급하는 전극 역할을 수행함과 동시에, 제1반도체층(140), 활성층(150), 제2반도체층(160)으로 이루어진 발광구조에서 발생하는 열을 외부의 방열구조로 배출하는 역할을 동시에 수행하며, 본 발명의 실시예에서는 흑연입자(112)가 두께방향(수직방향)으로 배향되어 있는 금속기지(111) 복합재료로 이루어진 지지기판(110)이 사용된다. 본 발명의 실시예에 따른 지지기판(110)의 경우, 기판 내에 흑연입자가 수직으로 접촉되거나 내지는 근거리에 인접하여 배향되어 있기 때문에, 두께 방향으로의 열전도성이 매우 높아서, 발광구조에서 발생한 열을 외부의 방열구조로 신속하게 배출할 수 있게 된다. 또한, 상기 전도성 지지기판(110)은 200㎛~400㎛의 두께를 갖는 것이 바람직한데, 이는 지지기판(110)의 두께가 200㎛ 미만일 경우, 지지기판으로서 요구되는 강도 및 강성을 유지하기 어렵고, 400㎛ 이하로도 충분한 강성 유지 가능하고 400㎛를 초과할 경우 열전도 거리가 길어져 방열 등에 불리하기 때문이다. 또한, 도시되어 있지 않으나, 상기 전도성 지지기판(110)의 상면에는 다수의 요철부가 형성될 수 있다. 이때 요철부는 그 상부에 형성되는 반사층(130)에서 반사되는 빛의 전반사를 막아, 최대한 많은 빛이 외부로 방출될 수 있도록 하는 역할을 한다.
상기 접착층(120)은, 상기 전도성 지지기판(110)의 상부에 형성되어 상부에 형성되는 발광구조 간에 접합력을 높이기 위한 층으로, 예를 들어, Ti, Au, Sn, Ni, Cr, Ga, In, Bi, Cu, Ag 또는 Ta 중 적어도 하나를 포함하는 층이 형성될 수 있다.
상기 반사층(130)은 발광구조에서 생성되는 빛 중에서 전도성 지지기판(110)의 방향으로 방출되는 빛을 반사시켜 LED 소자(100)의 상부로 방출되도록 함으로써, LED 소자(100)의 휘도를 향상시키는 역할을 수행한다. 상기 반사층(130)으로는 예를 들어 반사율이 높은 Ag, Al, Pt, Pd, Cu 또는 이들의 합금이 사용되나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시예에서는 반사층(130)을 구비하였으나, 경우에 따라서는 반사층(130)을 생략할 수도 있다.
상기 제1반도체층(140)은 p형 반도체로 이루어지며, 상기 p형 반도체로는 p-GaN 반도체가 일반적으로 사용되며, 그외에도 InAlGaN, AlGaN, InGaN, AlN, InN 등이 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 활성층(150)은 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well), 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Q+uantum Dot) 구조 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2반도체층(160)은 n형 반도체로 이루어질 수 있으며, 상기 n형 반도체로는 n-GaN 반도체가 일반적으로 사용되며, 그외에도 InAlGaN, AlGaN, InGaN, AlN, InN 등이 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2반도체층(160) 상에는 전극(170)이 형성될 수 있다. 상기 전극(170)은 예를 들어, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기한 LED 소자(100)의 제조방법은 공지된 통상적인 방법을 통해 제조될 수 있으며, 이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 LED 소자(100)의 특징적 구성인 지지기판(110)의 제조방법에 대해 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 지지기판의 제조과정을 도시한 흐름도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지지기판의 제조방법은, 판상의 흑연분말에 금속을 코팅하는 코팅단계(S10), 금속이 코팅된 흑연분말에 진동을 가하여 상기 판상의 흑연분말이 수평 방향으로 배향되도록 하는 배향단계(S20), 상기 수평 방향으로 배향된 흑연분말을 가압하는 성형단계(S30), 성형된 흑연분말을 소결하여 벌크재를 만드는 소결단계(S40), 및 상기 수평 방향으로 배향된 방향에 수직한 방향으로 상기 벌크재를 소정 두께로 절단하여 판재를 만드는 절단단계(S50)를 포함하여 이루어진다.
상기 흑연분말의 코팅단계(S10)는 흑연분말의 표면에 금속층을 형성하는 단계이다.
상기 흑연분말의 평균입도는 1㎛ 미만일 경우 분말이 미세하여 도금시 교반과정에서 부유되거나 불균일한 도금이 진행될 수 있고, 500㎛를 초과할 경우 흑연 분말의 거대 조직이 판상에 그대로 남아 최종 판재의 박판화와 강도에 나쁜 영향을 미치므로, 평균입도가 1~500㎛인 것이 바람직하고, 50~300㎛인 것이 보다 바람직하다.
상기 흑연분말의 표면에 형성할 금속층은 전도성이 우수한 금속재료로서, Cu, Al, Au, Ni, Pd 또는 이들의 합금과 같이 전도성이 우수한 금속(순금속 또는 합금)으로 이루어질 수 있다.
상기 금속층을 형성하여 복합분말을 제조함에 있어서, 연속적이고 균질한 금속층을 얻고 또한 금속의 코팅 효율을 높이기 위해서는, 코어입자(즉, 흑연분말)의 표면 전체가 활성화한 상태로 있을 필요가 있으므로, 이를 위해 금속의 코팅에 앞서 흑연분말에 대한 활성화처리를 수행하는 것이 바람직하다.
코어 입자에 대한 활성화처리 방법으로는, 코어 입자 표면에 존재하는 휘발성 물질과 흡착 가스 등을 제거할 목적으로 적당한 온도로 가열하는 방법, PdCl2 용액을 이용하는 방법, 유기첨가제를 첨가하는 방법 등 공지된 다양한 방법이 사용될 수 있다.
상기 금속을 코팅하는 방법으로는, 흑연분말에 금속층을 형성하는 방법으로는 액상의 반응용액을 이용하는 습식법과, 기상 증착이나 고상 증착과 같은 건식법이 사용될 수 있다. 습식법으로는 무전해도금법, 전해도금법, 수소가스를 이용하여 염기성 용액으로부터 금속이온을 환원시키는 수소환원법, 화학침전법 등이 사용될 수 있고, 건식법으로는 금속을 함유한 증기에 흑연분말을 접촉시켜 금속이 코팅되도록 하는 치환법, 금속화합물 증기를 열을 통해 분해시켜 코팅층을 형성하는 열분해법, 금속염화물 증기를 수소가스로 환원하는 수소환원법과 같은 방법과 같이 다양한 방법이 사용될 수 있다.
금속의 코팅량은, 최종적인 복합체의 특성이 가볍고 열전도도가 우수할 뿐 아니라 타 기판과의 접합력에 문제가 없도록 실시하는 것이 바람직한데, 금속이 코팅된 복합분말에 있어서 흑연분말의 부피비는 60% 이하가 되도록 하며, 바람직하게는 50~60%가 되도록 하며, 보다 바람직하게는 50~55%가 되도록 한다.
상기 흑연분말의 배향단계(S20)는, 금속이 코팅된 흑연분말이 장입된 용기에 진동을 가하여 상기 판상의 흑연분말이 특정한 방향으로 배향이 되도록 하는 단계이다.
상기 용기는 금속층이 코팅된 흑연분말을 가압 소결하는 금형일 수도 있고, 별개의 용기를 사용하여 배향 및 가압을 한 후, 소결을 하는 방식을 사용할 수도 있다.
상기 배향 방법은 금속이 코팅된 흑연분말에 초음파 진동자와 같은 진동수단을 사용하여 진동을 가하여, 판상의 흑연분말이 소정 방향(대개는 수평 방향)으로 배향이 되도록 한다. 본 발명의 실시예에서는 초음파 진동자를 사용하고 있으나, 금형 또는 용기의 용량에 맞추어 다양한 진동발생수단이 사용될 수 있다.
상기 성형단계(S30)는, 소정 방향으로 배향된 금속이 코팅된 흑연분말을 소정 압력으로 가압하여 성형함으로써, 후속하는 소결용 전구체를 만드는 단계이다.
성형을 위한 가압방법은 배향 조직을 그대로 유지할 수 있는 측면에서 1축 가압이 바람직하나, 배향된 흑연분말의 상태에 큰 손상을 가하지 않는다면 다축 가압을 사용할 수도 있다. 또한, 가압 압력이 80% 미만일 경우 압출 및 소결 후 상호 접합되는 Cu도금층 표면의 접촉비율이 낮아지고, 110%를 초과할 경우 과도한 압력으로 인해 흑연이 파손되거나 흑연으로부터 Cu 도금층의 박리현상이 나타날 수 있기 때문에, 가압 압력은 흑연분말의 표면에 코팅된 금속소재의 압축 파괴강도의 80~110% 범위 압력으로 가압하는 것이 바람직하다. 또한, 금속이 코팅된 흑연분말의 성형은 압연 또는 압출과 같은 방법을 통해서도 이루어질 수 있다.
상기 소결단계(S40)는, 흑연분말의 표면에 코팅된 금속 간을 소결하여 벌크재를 만드는 단계이며, 소결은 통전소결법이나 고온소결법과 같은 공지의 방법을 통해 이루어질 수 있다.
소결온도는 코팅된 금속 용융온도의 80% 미만일 경우 소결 열량이 부족하여 부분적으로 소결이 되지 않는 부분이 나타나고 95%를 초과할 경우 가압력의 영향 에 의해 부분적인 용융이 발생할 수 있으므로, 코팅된 금속 용융온도의 80~95% 범위로 수행되는 것이 바람직하다. 또한, 소결압력은 최종 소결체의 상대밀도가 95% 이상이 될 수 있도록 10MPa/㎟ ~ 80MPa/㎟의 범위에서 진행하는 것이 바람직하다.
이와 같은 소결 공정을 수행하게 되면, 금속 기지 조직에 대략 수평 방향으로 배향된 흑연분말이 포함된 복합체가 형성된다.
상기 절단단계(S50)는, 소정 방향으로 배향된 판상의 흑연분말이 판재의 두께 방향으로 평행하게 배열된 상태가 되도록 절단하여 판재로 만드는 단계이다. 절단은 다이아몬드 와이어 절단, 레이저 절단, 정밀 타발금형 절단과 같은 다양한 절단 방법에 사용될 수 있다. 벌크재를 흑연분말이 배향된 방향의 수직방향으로 소정 두께로 절단하게 되면, 절단된 판재의 두께 방향으로 흑연분말이 평행하게 배향된 조직을 갖게 된다.
[실시예]
평균 입도 130㎛인 흑연분말 500g을 전기로를 사용하여, 300~400℃에서 30~90분 정도 가열하여, 흑연분말의 활성화 처리를 수행한다. 도 4는 본 발명의 실시예에서 사용한 흑연분말의 주사전자현미경이다. 도 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에서 사용한 흑연분말의 형상은 비늘상 형상으로 이루어진 것이다.
이어서, 활성화된 흑연분말을 무전해 구리도금액을 사용하여 구리를 코팅한다. 구체적으로, 먼저 380℃에서 1시간 동안 열처리를 통해 표면활성화 처리를 진행한다. 그리고 열처리한 흑연분말 표면에 구리 코팅층이 잘 형성될 수 있게 3wt% 빙초산을 첨가하여 처리하였으며, 상기 흑연분말과 빙초산의 중량비가 20wt%가 되고, CuSO4 70wt%, 물 10wt%를 포함하는 슬러리를 제조한다. 이와 같이 제조한 제조된 슬러리에 치환 용제로서 구리염 수용액의 금속보다 전기 음성도가 큰 0.7mm 크기의 Zn, Fe, Al 과립물을 상기 슬러리에 대해 약 20wt% 정도가 되도록 첨가한 후, 상온에서 25rpm 정도의 속도로 교반을 진행하여 도금공정을 진행한다.
그리고 무전해 도금이 완료된 구리 코팅 흑연분말이 대기 중에서 부식되는 것을 방지하기 위해 부동태화를 실시하였는데, 이를 위해 구리 코팅 흑연분말을 증류수, H2SO4, H3PO4, 타르타르산이 무게비로 각각 75:10:10:5로 혼합된 용액에서 20분간 침지한다. 마지막으로, 흑연분말 표면에 잔존하는 산을 제거하기 위해 수세한 후 대기 중에서 50~60℃로 가열 건조하여 도금된 분말제조를 완료한다.
이러한 과정을 통해, 구리가 약 50부피% 정도 코팅된 흑연분말을 제조한다.
이와 같이 구리가 코팅된 흑연분말을 도 5에 도시된 바와 같이, 금형에 장입한다.
그리고, 초음파 진동자를 사용하여 금형에 10 분간 진동을 가한다. 이 경우 구리가 코팅된 흑연분말은 비늘상으로 이루어져 있어, 진동을 가함에 따라 도 6에 도시된 바와 같이 대략 수평 방향으로 배향이 이루어진다.
배향이 어느 정도 이루어진 후에는, 도 7에 도시된 바와 같이, 펀치를 사용하여 상부로부터 일축 가압력을 가하여 소결용 성형 전구체를 제작한다.
이와 같이 제작한 성형 전구체를 930℃, 80MPa 소결조건으로 20분간 통전소결장치를 이용하여 소결하게 되면, 도 8에 도시된 바와 같이, 구리 기지에 흑연분말이 대략 수평하게 배향된 조직을 갖는 벌크재를 얻는다.
이와 같이 얻은 벌크재를 다이아몬드 와이어 절단기를 사용하여, 도 9에 도시된 바와 같이, 수평 방향으로 배향된 흑연분말의 배향 방향에 수직한 방향으로 두께 약 0.3 ~ 5mm 간격으로 절단하여 판재를 만든다.
도 10은 상기한 공정을 통해 제조한 구리와 흑연분말의 복합체 판재의 단면 조직을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다. 도 10에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 제조한 지지기판에서 흑연분말은 두께 방향으로 정렬된 상태로 제작될 수 있음을 알 수 있다.
이와 같이 제조된 구리/흑연 복합재로 이루어진 지지기판의 두께 방향으로의 열전도도를 측정한 결과, 하기 표 1과 같았다.
| 열전도도(W/mK) | |
| 지지기판(실시예) | 575.63 |
표 1에서 상기 열전도도는 5회 측정결과를 평균한 값이다.
상기 표 1에서 확인되는 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 지지기판은 기판의 두께 방향으로의 열전도도가 약 575W/mK로, 열전도도가 양호하다고 알려진 알루미늄의 약 160~200W/mK, 구리의 약 380~400W/mK에 비해서 월등하게 우수함을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라 제조한 지지기판의 두께방향에 수직한 방향으로의 열팽창계수를 측정하였으며,그 결과는 도 11과 같았다. 도 11에서 확인되는 바와 같이, LED 소자에 사용되는 지지기판이 경험할 수 있는 가능한 온도범위인 0℃~300℃ 범위에서, 두께 방향에 수직한 방향에서의 열팽창계수는 약 6.7×10-6(1/K) 수준으로, 비금속 재료인 알루미나와 유사한 열팽창계수를 가진다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따라 제조한 지지기판의 열팽창계수는 금속에 비해 현저하게 낮고, 지지기판 상에 형성되는 비금속 소자와 유사한 수준이므로, 열팽창계수의 차이에 따른 박리를 최소화할 수 있어, LED 소자의 신뢰성을 현저하게 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라 제조한 지지기판을 적용한 LED 소자의 열저항 특성을 평가하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 구리/흑연기판과 함께, 비교를 위하여 구리기판, FR4기판을 지지기판으로 적용하고 그 위에 동일한 종류의 실리콘 산화물계 절연막을 형성한 후, 그 산화물계 절연막 위에 동박을 형성 및 식각하여 각각 3종류의 동일한 M자형 전극패턴을 형성하였으며, 그 위에 1W용량 LED 칩을 솔더링을 통해 접합한 후, 전원을 걸어 발광을 시킨 상태를 유지하고, 이에 따른 열저항 특성을 T3STER(미국 멘토사) 장치를 통하여 측정하였으며, 도 12는 그 결과를 나타낸 것이다.
본 열저항 특성 시험은 상대적으로 열전도 특성이 낮은 절연층이 삽입된 시험편을 제조하여 실험에서 나타난 저항값이 절대적인 열저항 값을 나타내는 것은 아니나, 3가지 시험편 모두 동일한 조건으로 수행하여 3가지 시험편 간의 상대적인 차이를 확인하기 위한 것이다.
그 결과 도 12에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 지지기판을 적용한 경우가, 종래의 FR4 및 구리 지지기판을 적용한 경우에 비해 열저항 특성이 우수하였다.
100: LED 소자
110: 지지기판
120: 접착층
130: 반사층
140: 제1반도체층
150: 활성층
160: 제2반도체층
170: 전극
110: 지지기판
120: 접착층
130: 반사층
140: 제1반도체층
150: 활성층
160: 제2반도체층
170: 전극
Claims (14)
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 전도성 지지기판의 상면에 제1반도체층과, 활성층 및 제2반도체층을 순차적으로 형성하는 발광소자의 제조방법으로,
상기 전도성 지지기판은
판상의 흑연분말에 금속을 코팅하는 단계,
금속이 코팅된 흑연분말에 진동을 가하여, 상기 판상의 흑연분말이 수평 방향으로 배향되도록 하는 단계,
상기 수평 방향으로 배향된 흑연분말을 가압하여 성형하는 단계,
상기 가압된 흑연분말을 소결하여 벌크재를 만드는 단계 및
상기 수평 방향으로 배향된 방향에 수직한 방향으로 상기 벌크재를 소정 두께로 절단하여, 상기 판상의 흑연분말이 형성되는 판재의 두께 방향으로 평행하게 배향되도록 하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는, 발광소자의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 전도성 지지기판에 있어서, 상기 흑연분말의 부피분율은 30~60%인 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법. - 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 금속은 Cu, Al, Au, Ni, Pd 또는 이들의 합금 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법. - 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 흑연분말은 판상, 플레이크상(flake) 또는 비늘상의 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법. - 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 전도성 지지기판의 두께는 200㎛~400㎛인 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 전도성 지지기판은 추가로, AlN, SiC, Al2O3, BeO 중에서 선택된 1종 이상을 10중량% 이하로 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법. - 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 전도성 지지기판 중 제1반도체층과 접하는 부분에는 반사층이 형성되는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법. - 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 전도성 지지기판 중 제1반도체층과 접하는 부분에는 요철부가 형성되는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 반사층은 Ni, Ag, 또는 Au의 무전해 도금을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법.
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