KR101860318B1

KR101860318B1 - 발광 소자

Info

Publication number: KR101860318B1
Application number: KR1020110119720A
Authority: KR
Inventors: 서헌진
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2018-05-23
Also published as: KR20130053974A

Abstract

실시예에 따른 발광소자는 기판; 기판 상에 배치되는 금속 입자; 및 기판 및 금속 입자 상에 배치되며 제1 반도체층, 제2 반도체층 및 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 배치되는 활성층을 포함하는 발광구조물;을 포함한다.

Description

발광 소자 {Light emitting device}

실시예는 발광 소자에 관한 것이다.

LED(Light Emitting Diode; 발광 다이오드)는 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기 신호를 적외선, 가시광선 또는 빛의 형태로 변환시키는 소자로, 가정용 가전제품, 리모콘, 전광판, 표시기, 각종 자동화 기기 등에 사용되고, 점차 LED의 사용 영역이 넓어지고 있는 추세이다.

보통, 소형화된 LED는 PCB(Printed Circuit Board) 기판에 직접 장착하기 위해서 표면실장소자(Surface Mount Device)형으로 만들어지고 있고, 이에 따라 표시소자로 사용되고 있는 LED 램프도 표면실장소자 형으로 개발되고 있다. 이러한 표면실장소자는 기존의 단순한 점등 램프를 대체할 수 있으며, 이것은 다양한 칼라를 내는 점등표시기용, 문자표시기 및 영상표시기 등으로 사용된다.

LED 반도체는 육방 정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire)나 실리콘카바이드(SiC)등의 이종 기판에서 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또는 분자선 증착법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정을 통해 성장된다.

LED는 활성층에서 정공과 전자가 재결합하여 빛을 생성할 수 있다. 이 빛은 LED 내부에서 외부로 방출되지 못하고 내부에서 전반사로 인하여 열에너지로 변할 수 있다. 따라서, 빛에너지가 열에너지로 변하면서 생기는 광손실을 줄이기 위한 노력이 계속되고 있다.

사파이어(Sapphire) 기판 상에는 광추출 효율을 높이기 위하여 PSS(PSS : Patterned Sapphire SubStrate) 구조가 형성될 수 있다. 사파이어(Sapphire) 기판 상에 PSS 구조를 형성하는 경우 빛이 LED 내부에서 전반사로 인하여 손실되는 양을 최소화할 수 있다. PSS 구조 이외에도 반도체층의 상면에 요철 구조를 형성하여 광추출구조를 개선하는 노력 등이 계속되고 있다.

실시예는 기판 상에 금속 입자를 배치하여 빛의 반사를 일으켜 광추출효율이 향상된 발광소자를 제공한다.

실시예에 따른 발광소자는 기판 상에 금속 입자를 포함하여 빛의 반사를 통해 광추출효율을 개선할 수 있다.

실시예에 따른 발광소자는 금속 입자로 상온에서 쉽게 산화되지 않는 물질을 사용하여 빛의 반사효과를 높일 수 있다.

실시예에 따른 발광소자는 금속 입자가 열전도도가 높은 물질로 형성되어 반도체층 내부에 머물 수 있는 열에너지를 외부로 방출시키는데 도움이 될 수 있어 신뢰성이 개선될 수 있다.

실시에에 따른 발광소자는 금속 입자가 표면 플라즈몬 공명(Surface-plasmon resonance)을 일으킬 수 있는 물질로 형성되어 활성층에서 생성된 빛을 흡수하지 않고 반사시켜 광추출 효율이 극대화될 수 있다.

도 1 은 실시예에 따른 발광소자의 구조를 도시한 단면도,
도 2 는 실시예에 따른 발광소자의 일부를 도시한 단면도,
도 3a 는 실시예의 발광 소자를 포함한 발광소자 패키지를 나타낸 사시도,
도 3b 는 실시예의 발광 소자를 포함한 발광소자 패키지를 나타낸 단면도,
도 4a 는 실시예에 따른 발광소자 모듈을 포함하는 조명장치를 도시한 사시도,
도 4b 는 실시예에 따른 발광소자 모듈을 포함하는 조명장치를 도시한 단면도,
도 5 는 실시예에 따른 발광소자 모듈을 포함하는 백라이트 유닛을 도시한 분해 사시도, 그리고
도 6 은 실시예에 따른 발광소자 모듈을 포함하는 백라이트 유닛을 도시한 분해 사시도이다.

실시예의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 내용들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 실시예는 이하에서 개시되는 사항들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 그 권리범위는 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 소자 구조 및 잘 알려진 기술들은 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

실시 예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐 만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 권리범위를 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.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 같은 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들. 성분들. 영역들. 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 될 것이다.

또한, 실시 예에서 발광소자의 구조를 설명하는 과정에서 언급하는 각도와 방향은 도면에 기재된 것을 기준으로 한다. 명세서에서 발광소자를 이루는 구조에 대한 설명에서, 각도에 대한 기준점과 위치관계를 명확히 언급하지 않은 경우, 관련 도면을 참조하도록 한다.

이하에서는 도면을 참조하여 실시예를 보다 상세하게 설명한다.

도 1 은 일 실시예에 따른 발광소자의 구조를 나타낸 단면도이고, 도 2 는 일 실시예에 따른 발광소자의 일부를 도시한 단면도이다.

도 1 을 참조하면, 실시예에 따른 발광소자(100)는 기판(110), 기판(110) 상에 배치되는 금속 입자(150), 및 기판(110) 및 금속 입자(150) 상에 배치되며 제1 반도체층(132), 제2 반도체층(136) 및 제1 반도체층(132)과 제2 반도체층(136) 사이에 배치되는 활성층(134)을 포함하는 발광구조물을 포함한다.

기판(110)은 제1 반도체층(132) 하부에 배치될 수 있다. 기판(110)은 제1 반도체층(132)을 지지할 수 있다. 기판(110)은 제1 반도체층(132)에서 열을 전달받을 수 있다. 기판(110)은 광 투과적 성질을 가질 수 있다. 기판(110)은 광 투과적 물질을 사용하거나, 일정두께 이하로 형성하는 경우 광 투과적 성질을 가질 수 있으나, 이에 한정하지 아니한다. 예를 들어, 기판은 사파이어(Al₂O₃)로 형성될 수 있다. 기판(110)의 굴절율은 광 추출 효율을 위해 제1 반도체층(132)의 굴절율보다 작은 것이 바람직하다.

기판(110)은 실시예에 따라 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 규소(Si), 게르마늄(Ge), 비소화갈륨(GaAs), 산화아연(ZnO), 실리콘카바이드(SiC), 실리콘게르마늄(SiGe), 질화갈륨(GaN), 갈륨(Ⅲ)옥사이드(Ga₂O₃)와 같은 캐리어 웨이퍼로 구현될 수 있다.

기판(110)은 실시예에 따라 전도성 물질로 형성될 수 있다. 실시예에 따라서 금속으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 금(Au), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 은(Ag), 백금(Pt), 크롬(Cr)중에서 선택된 어느 하나로 형성하거나 둘 이상의 합금으로 형성할 수 있으며, 위 물질 중 둘 이상의 물질을 적층하여 형성할 수 있다. 기판(110)이 금속으로 형성된 경우 발광 소자에서 발생하는 열의 방출을 용이하게 하여 발광 소자의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다.

기판(110)은 광 추출 효율을 높이기 위해서, 상면에 PSS(Patterned Substrate) 구조를 구비할 수 있다.

기판(110)의 상면 구조를 확대한 도 2 를 참조하면, 기판(110)은 발광소자(100)에서 발생하는 열의 방출을 용이하게 하여 발광소자(100)의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다. 기판(110)은 제1 반도체층(132)과 격자상수의 차이가 존재하여 제1 반도체층(132)과의 사이에 격자상수 차이를 완화시키는 층을 구비할 수 있다.

기판(110)은 상면에 PSS 구조를 구비하여 돌출되어 형성되는 돌출부(112)와 함몰되어 형성되는 함몰부(114)가 형성될 수 있다. 기판(110)은 상면에 돌출부(112)와 함몰부(114)가 연속적으로 형성될 수 있다.

기판(110)의 상면에는 금속 입자(150)가 배치될 수 있다. 기판(110)의 함몰부(114)에 금속 입자(150)가 배치될 수 있다. 돌출부(112)의 사이에 금속 입자(150)가 배치될 수 있다. 금속 입자(150)는 버퍼층(120)의 내부에 배치될 수 있다. 금속 입자(150)는 버퍼층(120)에 둘러싸일 수 있다. 복수의 금속 입자(150)의 사이에는 버퍼층(120)을 형성하는 물질들이 배치될 수 있으나, 이에 한정하지 아니한다.

금속 입자(150)는 발광소자(100)에서 흡수하는 여기광의 파장대역 중 특정 파장대의 광을 선택적으로 공진 흡수할 수 있다. 금속 입자(150)는 특정파장의 공진 흡수를 통해서 표면 플라즈몬 공진(Surface plasmon resonance)을 유도할 수 있다. 금속 입자(150)는 발광소자(100)의 여기파장광과 같은 파장대역에 해당하는 공진주파수를 갖도록 형성될 수 있다. 금속 입자(150)는 크기와 형상을 조절하여 공진주파수를 조절할 수 있다. 금속 입자(150)는 상온에서 산화되는 정도가 적은 물질로 형성될 수 있다.

금속 입자(150)는 금(Au), 은(Ag) 및 구리(Cu) 중에 한가지 물질일 수 있다. 금속 입자(150)는 금(Au), 은(Ag) 및 구리(Cu) 중에 한가지 물질로 형성되어 표면 플라즈몬 공명(SPR : Surface Plasmon Resonance)현상을 일으킬 수 있다.

표면 플라즈몬 공명(Surface plasmon resonance)은 금속으로 형성된 입자와 유전율이 다른 물질의 계면에서 자유 전자와 빛의 상호작용에 기인하여 발생할 수 있는 것으로, 이러한 공명은 형성된 계면에서 유전 물질의 광자에 의해 운송된 에너지가 금속에 존재하는 자유 전자의 집합적 전이로 이동될 때 발생한다.

즉, 표면 플라즈몬은 금속 표면에서 일어나는 전자들의 집단적 진동(collective charge density oscillation)이며, 이에 의해 발생한 표면 플라즈몬 파는 금속 입자(150)와 유전율이 다른 물질의 계면을 따라 진행하는 표면 전자기파이다.

한편, 광에 의해 여기 되어 형성된 표면 플라즈몬 파는 금속이 평평한 면을 갖는 경우에는, 금속 표면으로부터 내부 또는 외부로 전파되지 않는 특징이 있다. 따라서, 표면 플라즈몬 파를 빛으로 외부에 방출시킬 필요가 있는바, 금속 입자(150)는 구 형상을 가져, 발생한 플라즈몬 파를 빛으로 용이하게 방출할 수 있다.

금속 입자(150)를 형성하는 금속은, 외부 자극에 의해 전자의 방출이 쉽고 음의 유전상수를 갖는 금, 은 및 구리 중 적어도 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다. 금속 입자(150)는 상온에서의 산화도가 낮은 금속일 수 있다. 복수개의 금속 입자(150)는 빛을 다각도로 반사시키기 위해서 서로 이격될 수 있으나, 이에 한정하지 아니한다. 금속 입자(150)는 PSS 구조의 사이사이에 배치되어 PSS구조와 시너지 효과를 발휘하여 광추출 효율을 극대화할 수 있다.

금속 입자(150)는 클러스터(cluster)를 형성할 수 있다. 금속 입자(150)는 클러스터의 크기가 4 내지 100 nm 일 수 있다.. 금속 입자(150)의 폭이 4nm 이하인 경우는 발광소자(100)에서 발생하는 빛의 파장에 대하여 표면 플라즈몬 공명을 만들 수 있는 공진주파수를 갖기 어렵고, 금속 입자(150)의 폭이 100nm 이상이 되는 경우에는 함몰부(114)에 많은 수의 금속 입자(150)가 배치되기가 어려워져 광추출 효율 향상의 효과가 저감될 수 있다.

금속 입자(150)는 항산화 처리, 예를 들면, 하이드라진(Hydrazine) 처리될 수 있다. 금속 입자(150)는 강력한 항산화제로 전처리될 수 있다. 금속 입자(150)는 N₂H₅ 용액으로 환원될 수 있다. 즉, 기판(110) 상에 금속막을 형성하고 이를 N₂H₅ 용액으로 린싱(rinsing)하여 금속막으로부터 금속 입자(150)를 형성할 수 있다. N₂H₅ 용액은 물(H₂0)에 희석된 것일 수 있다. N₂H₅ 용액은 물에 희석되는 경우, N₂H₅의 비율은 58% 이상일 수 있다. 금속 입자(150)는 항산화 처리되어 반사효율이 더 향상될 수 있다.

금속 입자(150)는 저압의 조건에서도 증기가 발생하지 않아서 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 장비 내에서 물질이 엉켜 발광소자(100) 제조공정에 차질이 되는 우려를 없앨 수 있다.

버퍼층(120)은 기판(110)과 제1 반도체층(132) 사이에 배치될 수 있다. 버퍼층(120)은 질화갈륨(GaN), 질화인듐(InN), 질화알루미늄(AlN), 알루미늄인듐나이트라이드(AlInN), 인듐갈륨나이트라이드(InGaN), 알루미늄갈륨나이트라이드(AlGaN), 및 인듐알루미늄갈륨나이트라이드(InAlGaN) 중의 하나 이상의 물질로 형성될 수 있으나, 그 종류에 한정되지 아니한다. 버퍼층(120)은 기판(110) 상에 단결정으로 성장될 수 있다.

버퍼층(120)은 기판(110)과 제1 반도체층(132) 사이의 격자부정합을 완화할 수 있다. 버퍼층(120)은 상면에 제1 반도체층(132)이 용이하게 성장될 수 있도록 할 수 있다. 버퍼층(120)은 상면에 배치되는 제1 반도체층(132)의 결정성을 향상시킬 수 있다. 버퍼층(120)은 기판(110)과 제1 반도체층(132) 사이의 격자상수 차이를 완화시켜 줄 수 있는 물질로 이루어 질 수 있다.

버퍼층(120)은 기판의 함몰부(114)에 배치될 수 있다. 버퍼층(120)은 복수의 금속 입자(150)의 사이에 배치될 수 있다. 버퍼층(120)은 금속 입자(150)와 돌출부(112)의 사이에 배치될 수 있다. 즉, 버퍼층(120)은 금속 입자(150)를 덮도록 형성할 수 있다. 버퍼층(120)은 금속 입자(150)를 서로 이격시키거나 집중시키는 정도를 조절할 수 있다. 버퍼층(120)은 복수의 금속 입자(150)를 서로 이격시켜 활성층에서 생성된 빛을 여러가지 방향으로 반사시켜 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.

제1 반도체층(132)은 기판(110) 상에 배치될 수 있다. 제1 반도체층(132)은 기판(110)과의 격자상수 차이를 정합시키기 위해 버퍼층(120) 상에 배치될 수 있으나, 이에 한정하지 아니한다. 제1 반도체층(132)은 기판(110) 상에서 성장될 수 있다.

지지기판(110)의 상에는 발광구조물(130)이 형성될 수 있다.

발광구조물(130)은 제1 반도체층(132), 활성층(134) 및 제2 반도체층(136)을 포함할 수 있고, 제1 반도체층(132)과 제2 반도체층(136) 사이에 활성층(134)이 개재된 구성으로 이루어질 수 있다.

제1 반도체층(132)은 n형 반도체층으로 구현될 수 있으며, 상기 n형 반도체층은 예컨데, In_xAl_yGa₁ _-x- _yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN(Gallium nitride), AlN(Aluminium nitride), AlGaN(Aluminium gallium nitride), InGaN(Indium gallium nitride), InN(Indium nitride), InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있다. 제1 반도체층(132)은 예를 들어, 규소(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 셀레늄(Se), 텔루늄(Te)와 같은 n형 도펀트가 도핑될 수 있다.

활성층(134)은 제1 반도체층(132) 상에 형성될 수 있다. 활성층(134)은 3족-5족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 단일 또는 다중 양자 우물 구조, 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 등으로 형성될 수 있다.

활성층(134)이 양자우물구조로 형성된 경우 예컨데, In_xAl_yGa₁ _-x- _yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 우물층과 In_aAl_bGa₁ _-a- _bN (0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤a+b≤1)의 조성식을 갖는 장벽층을 갖는 단일 또는 양자우물구조를 갖을 수 있다. 상기 우물층은 상기 장벽층의 밴드 갭보다 작은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.

활성층(134)의 위 또는/및 아래에는 도전성 클래드층(미도시)이 형성될 수 있고, 상기 도전성 클래드층(미도시)은 AlGaN계 반도체로 형성될 수 있으며, 활성층(134)의 밴드 갭보다는 큰 밴드 갭을 가질 수 있다.

제2 반도체층(136)은 활성층(134) 상에 형성될 수 있다. 제2 반도체층(136)은 p형 도펀트가 도핑된 p형 반도체층으로 구현될 수 있다. 제2 반도체층(136)은 In_xAl_yGa_1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN(Gallium nitride), AlN(Aluminium nitride), AlGaN(Aluminium gallium nitride), InGaN(Indium gallium nitride), InN(Indium nitride), InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba) 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.

제1 반도체층(132), 활성층(134) 및 제2 반도체층(136)은 예를 들어, 유기금속 화학 증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 화학 증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 증착법(PECVD; Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(MBE; Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.

발광구조물(130)은 제1 반도체층(132) 및 제2 반도체층(136) 내의 도전형 도펀트의 도핑 농도가 균일 또는 불균일하게 형성될 수 있으나, 이에 한정하지 아니한다. 발광구조물(130)의 층간구조는 다양하게 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지 아니한다.

발광구조물(130)은 제2 반도체층(136)상에 제2 반도체층(136)과 반대의 극성을 갖는 제3 반도체층(미도시)을 포함할 수 있다. 발광구조물(130)은 제1 반도체층(132)이 n 형 반도체층이고, 제2 반도체층(136)이 p 형 반도체층으로 구현될 수도 있다. 이에 따라, 발광구조물(130)은 N-P 접합, P-N 접합, N-P-N 접합 및 P-N-P 접합 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

제2 반도체층(136) 상에는 투광성 전극층(140)이 배치될 수 있다.

투광성 전극층(140)은 ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), IrO_x, RuO_x, RuO_x/ITO, Ni/IrO_x/Au 및 Ni/IrO_x/Au/ITO 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 제2 반도체층(136)의 상부에 형성됨으로써, 전류군집현상을 방지할 수 있다.

활성층(130)과 제2 반도체층(136) 및 투광성 전극층(140)의 일부가 제거되어 제1 반도체층(120)의 일부가 노출되고, 노출된 제1 반도체층(120) 상면에는 제1 전극(160)이 형성될 수 있다. 제2 반도체층(136)의 상면에 제2 전극(170) 이 형성될 수 있다. 제2 전극(170)은, 투광성 전극층(140)의 일부가 제거되고 제2 반도체층(136)의 일부가 노출되어서 제2 반도체층(136)에 연결되거나, 또는 투광성 전극층(140)에 연결되어 제2 반도체층(136)과 전기적으로 연결될 수 있다.

또한, 제2 반도체층(136) 상에는 제2 전극(170)이 배치될 수 있다. 제2 반도체층(136)은 제2 전극(170)으로부터 전류를 제공받을 수 있다. 제2 반도체층(136)의 상면에는 광 추출 구조가 형성될 수 있다.

한편, 제1 및 2 전극(160, 170)은 전도성 물질, 예를 들어 In, Co, Si, Ge, Au, Pd, Pt, Ru, Re, Mg, Zn, Hf, Ta, Rh, Ir, W, Ti, Ag, Cr, Mo, Nb, Al, Ni, Cu, 및 WTi 중에서 선택된 금속을 포함할 수 있으며, 또는 이들의 합금을 포함할 수 있고, 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며 이에 한정하지 아니한다.

도 3a는 실시예에 따른 발광소자를 포함한 발광소자 패키지를 나타낸 사시도이며, 도 3b는 실시예에 따른 발광소자를 포함한 발광소자 패키지의 단면을 도시한 단면도이다.

도 3a 및 도 3b 를 참조하면, 실시예에 따른 발광소자 패키지(300)는 캐비티가 형성된 몸체(310), 몸체(310)에 실장된 제1 및 제2 전극(340, 350) 제1 및 제2 전극과 전기적으로 연결되는 발광소자(320) 및 캐비티에 형성되는 봉지재(330)를 포함할 수 있고, 봉지재(330)는 형광체(미도시)를 포함할 수 있다.

몸체(310)는 폴리프탈아미드(PPA:Polyphthalamide)와 같은 수지 재질, 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 액정폴리머(PSG, photo sensitive glass), 폴리아미드9T(PA9T), 신지오택틱폴리스티렌(SPS), 금속 재질, 사파이어(Al₂O₃), 베릴륨 옥사이드(BeO), 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board), 세라믹 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 몸체(310)는 사출 성형, 에칭 공정 등에 의해 형성될 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.

몸체(310)의 내측면은 경사면이 형성될 수 있다. 이러한 경사면의 각도에 따라 발광소자(320)에서 방출되는 광의 반사각이 달라질 수 있으며, 이에 따라 외부로 방출되는 광의 지향각을 조절할 수 있다.

몸체(310)에 형성되는 캐비티를 위에서 바라본 형상은 원형, 사각형, 다각형, 타원형 등의 형상일 수 있으며, 특히 모서리가 곡선인 형상일 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

봉지재(330)는 캐비티에 충진될 수 있으며, 형광체(미도시)를 포함할 수 있다. 봉지재(330)는 투명한 실리콘, 에폭시, 및 기타 수지 재질로 형성될 수 있으며, 캐비티 내에 충진한 후, 이를 자외선 또는 열 경화하는 방식으로 형성될 수 있다.

형광체(미도시)는 발광소자(320)에서 방출되는 광의 파장에 따라 종류가 선택되어 발광소자 패키지(300)가 백색광을 구현하도록 할 수 있다.

봉지재(330)에 포함되어 있는 형광체(미도시)는 발광소자(320)에서 방출되는 광의 파장에 따라 청색 발광 형광체, 청록색 발광 형광체, 녹색 발광 형광체, 황녹색 발광 형광체, 황색 발광 형광체, 황적색 발광 형광체, 오렌지색 발광 형광체, 및 적색 발광 형광체중 하나가 적용될 수 있다.

즉, 형광체(미도시)는 발광소자(320)에서 방출되는 제1 빛을 가지는 광에 의해 여기 되어 제2 빛을 생성할 수 있다. 예를 들어, 발광소자(320)가 청색 발광 다이오드이고 형광체(미도시)가 황색 형광체인 경우, 황색 형광체는 청색 빛에 의해 여기되어 황색 빛을 방출할 수 있으며, 청색 발광 다이오드에서 발생한 청색 빛 및 청색 빛에 의해 여기 되어 발생한 황색 빛이 혼색됨에 따라 발광소자 패키지(300)는 백색 빛을 제공할 수 있다.

이와 유사하게, 발광소자(320)가 녹색 발광 다이오드인 경우는 magenta 형광체 또는 청색과 적색의 형광체(미도시)를 혼용하는 경우, 발광소자(320)가 적색 발광 다이오드인 경우는 Cyan형광체 또는 청색과 녹색 형광체를 혼용하는 경우를 예로 들 수 있다.

이러한 형광체(미도시)는 YAG계, TAG계, 황화물계, 실리케이트계, 알루미네이트계, 질화물계, 카바이드계, 니트리도실리케이트계, 붕산염계, 불화물계, 인산염계 등의 공지된 것일 수 있다.

한편, 몸체(310)에는 제1 전극(340) 및 제2 전극(350)이 실장될 수 있다. 제1 전극(340) 및 제2 전극(350)은 발광소자(320)와 전기적으로 연결되어 발광소자(320)에 전원을 공급할 수 있다.

제1 전극(340) 및 제2 전극(350)은 서로 전기적으로 분리되며, 발광소자(320)에서 발생된 빛을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있고, 또한 발광소자(320)에서 발생된 열을 외부로 배출시킬 수 있다.

도 3b 에는 발광소자(320)가 제1 전극(350) 상에 실장되었으나, 이에 한정되지 않으며, 발광소자(320)와 제1 전극(340) 및 제2 전극(350)은 와이어 본딩(wire bonding) 방식, 플립 칩(flip chip) 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다.

이러한 제1 전극(340) 및 제2 전극(350)은 금속 재질, 예를 들어, 티타늄(Ti), 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au), 크롬(Cr), 탄탈늄(Ta), 백금(Pt), 주석(Sn), 은(Ag), 인(P), 알루미늄(Al), 인듐(In), 팔라듐(Pd), 코발트(Co), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 하프늄(Hf), 루테늄(Ru), 철(Fe) 중에서 하나 이상의 물질 또는 합금을 포함할 수 있다. 또한, 제1 전극(340) 및 제2 전극(350)은 단층 또는 다층 구조를 가지도록 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.

발광소자(320)는 제1 전극(340) 상에 실장되며, 예를 들어, 적색, 녹색, 청색, 백색 등의 빛을 방출하는 발광소자 또는 자외선을 방출하는 UV(Ultra Violet) 발광소자일 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다. 또한, 발광소자(320)는 한 개 이상 실장될 수 있다.

또한, 발광소자(320)는 그 전기 단자들이 모두 상부 면에 형성된 수평형 타입(Horizontal type)이거나, 또는 상, 하부 면에 형성된 수직형 타입(Vertical type), 또는 플립 칩(flip chip) 모두에 적용 가능하다.

한편, 발광소자(320)는 기판(미도시)의 상면에 돌출부(미도시)와 함몰부(미도시)가 형성되고 함몰부(미도시)에 금속 입자(미도시)를 배치하며 빛의 반사효과와 표면 플라즈몬 공명의 효과로 인하여 광추출효율이 향상될 수 있고, 발광소자(320) 및 발광소자 패키지(300)의 발광 효율이 개선될 수 있다.

실시예에 따른 발광소자 패키지(300)는 복수개가 기판 상에 어레이되며, 발광소자 패키지(300)의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다.

이러한 발광소자 패키지(300), 기판, 광학 부재는 라이트 유닛으로 기능할 수 있다. 또 다른 실시 예는 상술한 실시 예들에 기재된 발광소자(100) 또는 발광소자 패키지(300)를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 시스템으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 램프, 가로등을 포함할 수 있다.

도 4a는 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 조명 시스템을 도시한 사시도이며, 도 4b는 도 4a의 조명 시스템의 D-D' 단면을 도시한 단면도이다.

즉, 도 4b 는 도 4a의 조명 시스템(400)을 길이방향(Z)과 높이방향(X)의 면으로 자르고, 수평방향(Y)으로 바라본 단면도이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 조명 시스템(400)은 몸체(410), 몸체(410)와 체결되는 커버(430) 및 몸체(410)의 양단에 위치하는 마감캡(450)을 포함할 수 있다.

몸체(410)의 하부면에는 발광소자 모듈(440)이 체결되며, 몸체(410)는 발광소자 패키지(444)에서 발생한 열이 몸체(410)의 상부면을 통해 외부로 방출할 수 있도록 전도성 및 열발산 효과가 우수한 금속재질로 형성될 수 있고, 이에 한정하지 아니한다.

특히, 발광소자 패키지(444)는 발광소자(미도시)를 포함하며, 발광소자(미도시)는 기판(미도시)의 상면에 돌출부(미도시)와 함몰부(미도시)가 형성되고 함몰부(미도시)에 금속 입자(미도시)를 배치하며 빛의 반사효과와 표면 플라즈몬 공명의 효과로 인하여 광추출효율이 향상될 수 있고, 발광소자 패키지(444) 및 조명 시스템(400)의 발광 효율이 개선될 수 있다.

발광소자 패키지(444)는 기판(442) 상에 다색, 다열로 실장되어 모듈을 이룰 수 있으며, 동일한 간격으로 실장되거나 또는 필요에 따라서 다양한 이격 거리를 가지고 실장될 수 있어 밝기 등을 조절할 수 있다. 이러한 기판(442)으로 MCPCB(Metal Core PCB) 또는 FR4 재질의 PCB 를 사용할 수 있다.

커버(430)는 몸체(410)의 하부면을 감싸도록 원형의 형태로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않음은 물론이다.

커버(430)는 내부의 발광소자 모듈(440)을 외부의 이물질 등으로부터 보호한다. 또한, 커버(430)는 발광소자 패키지(444)에서 발생한 광의 눈부심을 방지하고, 외부로 광을 균일하게 방출할 수 있도록 확산입자를 포함할 수 있으며, 또한 커버(430)의 내면 및 외면 중 적어도 어느 한 면에는 프리즘 패턴 등이 형성될 수 있다. 또한 커버(430)의 내면 및 외면 중 적어도 어느 한 면에는 형광체가 도포될 수도 있다.

한편, 발광소자 패키지(444)에서 발생하는 광은 커버(430)를 통해 외부로 방출되므로, 커버(430)는 광투과율이 우수하여야 하며, 발광소자 패키지(444)에서 발생하는 열에 견딜 수 있도록 충분한 내열성을 구비하고 있어야 하는 바, 커버(430)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylen?Terephthalate; PET), 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), 또는 폴리메틸 메타크릴레이트(Polymethyl Methacrylate; PMMA) 등을 포함하는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

마감캡(450)은 몸체(410)의 양단에 위치하며 전원장치(미도시)를 밀폐하는 용도로 사용될 수 있다. 또한 마감캡(450)에는 전원 핀(452)이 형성되어 있어, 실시예에 따른 조명 시스템(400)은 기존의 형광등을 제거한 단자에 별도의 장치 없이 곧바로 사용할 수 있게 된다.

도 5는 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 액정 표시 장치의 분해 사시도이다.

도 5는 에지-라이트 방식으로, 액정 표시 장치(500)는 액정표시패널(510)과 액정표시패널(510)로 빛을 제공하기 위한 백라이트 유닛(570)을 포함할 수 있다.

액정표시패널(510)은 백라이트 유닛(570)으로부터 제공되는 광을 이용하여 화상을 표시할 수 있다. 액정표시패널(510)은 액정을 사이에 두고 서로 대향하는 컬러 필터 기판(512) 및 박막 트랜지스터 기판(514)을 포함할 수 있다.

컬러 필터 기판(512)은 액정표시패널(510)을 통해 디스플레이되는 화상의 색을 구현할 수 있다.

박막 트랜지스터 기판(514)은 구동 필름(517)을 통해 다수의 회로부품이 실장되는 인쇄회로기판(518)과 전기적으로 접속되어 있다. 박막 트랜지스터 기판(514)은 인쇄회로기판(518)으로부터 제공되는 구동 신호에 응답하여 인쇄회로기판(518)으로부터 제공되는 구동 전압을 액정에 인가할 수 있다.

박막 트랜지스터 기판(514)은 유리나 플라스틱 등과 같은 투명한 재질의 다른 기판상에 박막으로 형성된 박막 트랜지스터 및 화소 전극을 포함할 수 있다.

백라이트 유닛(570)은 빛을 출력하는 발광소자 모듈(520), 발광소자 모듈(520)로부터 제공되는 빛을 면광원 형태로 변경시켜 액정표시패널(510)로 제공하는 도광판(530), 도광판(530)으로부터 제공된 빛의 휘도 분포를 균일하게 하고 수직 입사성을 향상시키는 다수의 필름(550, 566, 564) 및 도광판(530)의 후방으로 방출되는 빛을 도광판(530)으로 반사시키는 반사 시트(540)로 구성된다.

발광소자 모듈(520)은 복수의 발광소자 패키지(524)와 복수의 발광소자 패키지(524)가 실장되어 모듈을 이룰 수 있도록 PCB기판(522)을 포함할 수 있다.

특히, 발광소자 패키지(524)는 발광소자(미도시)를 포함하며, 발광소자(미도시)는 기판(미도시)의 상면에 돌출부(미도시)와 함몰부(미도시)가 형성되고 함몰부(미도시)에 금속 입자(미도시)를 배치하며 빛의 반사효과와 표면 플라즈몬 공명의 효과로 인하여 광추출효율이 향상될 수 있고, 발광소자 패키지(524) 및 백라이트 유닛(570)의 발광 효율이 개선될 수 있다.

한편, 백라이트유닛(570)은 도광판(530)으로부터 입사되는 빛을 액정 표시 패널(510) 방향으로 확산시키는 확산필름(566)과, 확산된 빛을 집광하여 수직 입사성을 향상시키는 프리즘필름(550)으로 구성될 수 있으며, 프리즘필름(550)를 보호하기 위한 보호필름(564)을 포함할 수 있다.

도 6은 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 액정 표시 장치의 분해 사시도이다. 다만, 도 5에서 도시하고 설명한 부분에 대해서는 반복하여 상세히 설명하지 않는다.

도 6 은 직하 방식으로, 액정 표시 장치(600)는 액정표시패널(610)과 액정표시패널(610)로 빛을 제공하기 위한 백라이트 유닛(670)을 포함할 수 있다.

액정표시패널(610)은 도 5 에서 설명한 바와 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.

백라이트 유닛(670)은 복수의 발광소자 모듈(623), 반사시트(624), 발광소자 모듈(623)과 반사시트(624)가 수납되는 하부 섀시(630), 발광소자 모듈(623)의 상부에 배치되는 확산판(640) 및 다수의 광학필름(660)을 포함할 수 있다.

발광소자 모듈(623) 복수의 발광소자 패키지(622)와 복수의 발광소자 패키지(622)가 실장되어 모듈을 이룰 수 있도록 PCB기판(621)을 포함할 수 있다.

특히, 발광소자 패키지(622)는 발광소자(미도시)를 포함하며, 발광소자(미도시)는 기판(미도시)의 상면에 돌출부(미도시)와 함몰부(미도시)가 형성되고 함몰부(미도시)에 금속 입자(미도시)를 배치하며 빛의 반사효과와 표면 플라즈몬 공명의 효과로 인하여 광추출효율이 향상될 수 있고, 발광소자 패키지(622) 및 백라이트 유닛(670)의 발광 효율이 개선될 수 있다.

반사 시트(624)는 발광소자 패키지(622)에서 발생한 빛을 액정표시패널(610)이 위치한 방향으로 반사시켜 빛의 이용 효율을 향상시킨다.

한편, 발광소자 모듈(623)에서 발생한 빛은 확산판(640)에 입사하며, 확산판(640)의 상부에는 광학 필름(660)이 배치된다. 광학 필름(660)은 확산 필름(666), 프리즘필름(650) 및 보호필름(664)를 포함하여 구성된다.

실시예에 따른 발광소자는 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다

110: 기판 120: 버퍼층
130: 발광구조물 132: 제1 반도체층
134: 활성층 136: 제2 반도체층
140: 투광성 전극층 150 : 금속 입자
160: 제1 전극 170 : 제2 전극

Claims

기판;
상기 기판 상에 배치되는 금속 입자;
상기 기판 및 상기 금속 입자 상에 배치되며 제1 반도체층, 제2 반도체층 및
상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 배치되는 활성층을 포함하는 발광구조물; 및
상기 발광구조물과 상기 기판 사이에 배치되는 버퍼층;을 포함하고,
상기 기판의 상면에는 돌출부와 함몰부가 형성되고,
상기 금속 입자는 상기 돌출부 및 상기 함몰부에 배치되고,
상기 버퍼층은, 상기 금속 입자와 상기 돌출부 사이 및 상기 함몰부에 배치되고,
상기 금속 입자는 하이드라진(Hydrazine) 항산화 처리되는 발광소자.
제1항에 있어서,
상기 금속 입자는 Au, Ag 및 Cu 중에 하나인 발광소자.
제1항에 있어서,
상기 금속 입자는 클러스터(cluster)를 형성할 수 있고, 상기 클러스터의 크기는 4 내지 100 nm 인 발광소자.
삭제
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제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
금속 입자는 상기 버퍼층에 둘러싸이는 발광소자.
삭제
제8항에 있어서,
상기 금속 입자는 상기 활성층에서 발생하는 빛의 특정파장과 공진하는 발광소자.