KR102242660B1 - 발광 다이오드 소자 및 이를 포함하는 백라이트 유닛과 이의 제조 방법 - Google Patents

발광 다이오드 소자 및 이를 포함하는 백라이트 유닛과 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 제 1 기판과, 상기 제 1 기판의 일면에서 위치하는 P형 반도체층과, 상기 P형 반도체층의 일면에 위치하는 액티브층과, 상기 액티브층의 일면에서 위치하는 N형 반도체층과, 상기 N형 반도체층을 덮는 제 2 기판과, 상기 제 2 기판에 형성된 어노드 콘택홀과 캐소드 콘택홀을 통해 상기 P형 반도체층과 상기 N형 반도체층 각각에 연결되는 어노드 및 캐소드 전극과, 상기 제 1 기판 내지 N형 반도체층을 덮도록 제 2 기판의 일면에 형성되는 봉지재와, 상기 봉지재의 양 측면에 증착되는 반사막을 포함하는 발광 다이오드 소자를 제공한다.

Description

발광 다이오드 소자 및 이를 포함하는 백라이트 유닛과 이의 제조 방법{Light Emitting Diode Device And Back Light Unit Including The Same And Method Of Manufacturing The Same}
본 발명은 몰드 형성 공정을 필요로 하지 않는 발광 다이오드 소자 및 이를 포함하는 백라이트 유닛과 이의 제조 방법에 관한 것이다.
액정표시장치(Liquid Crystal Device)는 전극간에 발생하는 전계를 이용하여 액정을 배열시키는 장치로써, 스스로 빛을 내어 화면을 표시하지 못하기 때문에 일반적으로 배면에 백라이트 유닛(Back Light Unit)을 구비한다.
백라이트 유닛은 일정 범위의 면에서 균일한 광을 발산하는 장치로, 종래에는 주로 냉음극관(Cold Cathode Fluorescent Lamp)을 광원으로 사용하였으나, 근래에 들어 소비 전력이 낮고 수명이 길며, 균일한 광을 공급할 수 있는 발광 다이오드(Light Emitting Diode, 이하 LED)를 광원으로 사용하는 추세이다.
이러한 발광 다이오드 소자의 구조에 대해 아래 도 1을 참고로 하여 설명하도록 한다.
도 1은 발광 다이오드 소자의 구조를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 발광 다이오드 소자(1)는 몰드(10)와, 제 1 및 제 2 리드 프레임과(11, 12), LED 칩(15)으로 구성되어 있으며, 상기 제 1 및 제 2 리드 프레임(11, 12)과 LED 칩(15)을 연결하는 금속 배선(13)을 포함한다.
상기 몰드(10)는 제 1 및 제 2 리드 프레임(11, 12)과 LED 칩(15)을 수납하기 위한 것으로, 빛을 일면으로 방출시키기 위해 내부에 고반사 수지를 더욱 포함하며, 한 측면의 두께가 150~300㎛으로 형성된다.
제 1 및 제 2 리드 프레임(11, 12)은 LED 칩(15)에서 전자와 정공의 재결합이 발생하도록 전압을 인가하는 역할을 한다.
이때, 전기적으로 제 1 리드 프레임(11)과 직접 연결된 LED 칩(15)은 상면과 하면에 어노드 전극과 캐소드 전극이 각각 형성되므로 금속 배선(13)을 통하여 제 2 리드 프레임(12)과 연결된다.
제 1 및 제 2 리드 프레임(11, 12)은 일반적으로 금속 물질로 형성되며, 따라서 반사율이 높기 때문에 LED 칩(15)이 방출하는 빛을 집광하는 역할도 할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 리드 프레임(11, 12)과 연결되는 LED 칩(15)은 n형, 또는 p형의 기판상에 n형, 또는 p형 물질층이 다수 적층된다.
이러한 LED 칩(15)은 방출하는 광량에 따라 단축의 길이가 달라지는데, 이하에서는 단축(X)의 길이가 600㎛로 형성된 LED 칩(15)을 구비한 것으로 예를 참조하여 설명하도록 한다.
600㎛ 크기의 LED 칩(15)을 몰드(10)에 본딩하기 위해서는 LED 칩(15)을 수납할 600㎛의 공간 외에 공정 중 오차를 고려한 최소 보정거리 300㎛를 추가로 요구하게 되는데, 이 경우, LED 소자(1)의 단축(X) 길이는 도면에 도시된 바와 같이 LED 칩(15)의 크기 600㎛ + 최소 보정 거리 300㎛ + 몰드의 두께 150~300㎛ * 2 = 1200~1500㎛(㎜ 환산시 1.2㎜ 내지 1.5㎜)가 된다.
이러한 LED 소자(1)는 적어도 두께가 1.5㎜인 도광판이 구비된 백라이트 유닛에 적용할 경우 정상적인 사용이 가능했으나, 근래에 들어 액정표시장치의 박형화 추세에 따라 1.5mm 이하의 두께를 갖는 도광판 구조가 제안되었다.
그러나, 도광판이 0.6 내지 1.5mm의 두께로 형성될 경우, LED 소자(1)의 크기로 인한 입광 효율 저하 문제가 발생하게 되었는데, 이는 아래 도 2를 참조하여 설명하도록 한다.
도 2는 박형화에 따른 백라이트 유닛 각각에 위치하는 발광 다이오드 소자와 빛의 진행 방향을 나타낸 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 일반적인 백라이트 유닛(20)은 다수의 광학 시트(23)와, 도광판(25)과, 반사판(27)과, 발광 다이오드 소자(1)를 포함하는 LED 모듈(26)과, 이들을 수납하는 케이스(24)로 형성된다.
이때, 도광판(25)의 두께는 1 내지 1.5㎜인 것으로, 1.2 내지 1.5㎜의 두께로 형성되는 LED 소자(1)에 비해 얇게 형성되는 것이다.
LED 소자(1)에서 방출되는 빛은 LED 소자(1)를 구성하는 몰드(10)와, 몰드(10)의 내부에 형성된 고반사 수지에 의해 120도의 지향각을 나타내며, LED 소자(1)와 맞은편에 위치한 도광판(25)으로 향하게 된다.
이때, LED 소자(1)는 도광판(25)의 두께에 비해 폭이 넓은 것으로, LED 소자(1)에서 120도의 지향각을 나타내며 방출된 빛은 넓게 분산되어 도광판(25) 외부로 빛이 새는 문제가 발생하게 된다.
이러한 문제에 의하여 도광판(25) 입광 효율 저하가 발생하여 소비되는 전력에 비해 휘도가 낮아지게 되며, 도광판(25)의 외부로 방출된 빛이 광학 시트(23), 또는 반사판(27)에 입광되거나 케이스(24)에서 반사를 일으켜 균일한 면 광원을 조성할 수 없게 되어 백라이트 유닛(20)을 박형화할 수 없다.
본 발명은 백라이트 유닛이 몰드 및 리드 프레임이 형성된 소자를 사용함에 따라 1 내지 1.5mm의 두께로 형성된 도광판을 사용할 경우 빛샘 현상이 발생하여 입광 효율이 저하되고, 소비 전력 대비 낮은 휘도를 나타내어 균일한 면 광원을 조성할 수 없게 되는 문제를 해결하고자 한다.
상기한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 제 1 기판을 포함하는 LED 구조물과, 상기 LED 구조물이 고정되는 제 2 기판과, 상기 LED 구조물을 덮도록 상기 제 2 기판의 일면에 형성되는 봉지재와, 상기 봉지재의 양 측면에 형성되는 반사막을 포함하는 발광 다이오드 소자를 제공한다.
그리고, 상기 LED 구조물은, 상기 제 1 기판의 일면에 위치하는 P형 반도체층과, 상기 P형 반도체층의 일면에 위치하는 액티브층과, 상기 액티브층의 일면에서 위치하는 N형 반도체층을 포함하고, 상기 제 2 기판에는 상기 P형 반도체층과 상기 N형 반도체층 각각에 연결되는 어노드 및 캐소드 전극이 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 반사막은, 고반사 물질층, 고반사 물질층 및 유전체층의 이중층으로 형성되거나, 적어도 1회 이상 반복하여 증착된 고굴절 물질층 및 저굴절 물질층의 다중층으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 고반사 물질층은 400~700㎚의 파장 영역의 반사도가 90% 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유전체층은 이산화티탄(TiO2), 실리콘산화막(SiOx), 규소(Si), 오산화탄탈럼(Ta2O5), 알루미늄 옥시니트라이드(AlOxNy), 실리콘질화막(SiNx), 실리콘산화질화막(SiOxNy), 이산화티탄(TiO2) 중 선택된 하나 또는 이들의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고굴절 물질층은 굴절률이 1.8 이상인 물질로 이루어지고, 상기 저굴절 물질층은 굴절률이 1.8 이하인 물질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 봉지재의 양측면은 상기 제 2 기판에 대하여 제 1 각의 경사각으로 경사지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 각은 45도 보다 크고 90도 보다 작은 값인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은, 일면에 다수의 LED 구조물 및 봉지재가 형성되고 타면에 어노드 전극 및 캐소드 전극이 형성된 LED 웨이퍼를 바 형태로 절삭하여 다수의 LED 바를 형성하는 단계와, 상기 다수의 LED 바의 서로 마주보는 양측면에 반사막을 형성하는 단계와; 상기 다수의 LED 바 각각을 칩 단위로 절삭하여 각각이 상기 LED 구조물 및 상기 봉지재로 이루어지는 발광 다이오드 소자를 형성하는 단계를 포함하는 발광 다이오드 소자의 제조 방법을 제공한다.
그리고, 상기 반사막을 형성하는 단계는 e-Beam Evaporator 장비를 사용하여 증착하는 방법과, 금속을 증착하면서 에너지를 갖는 이온을 기판의 표면에 조사하여 박막을 형성하는 방법을 사용하는 특징으로 한다.
그리고, 상기 다수의 LED 바는, 양측면이 상기 LED 웨이퍼에 대하여 제 1 각의 경사각으로 경사지도록 형성되고, 상기 LED 웨이퍼는, 일단의 측면이 중심면에 대하여 제 2 각을 갖는 원판 형태인 절삭톱을 이용하여 절단되고, 상기 제 1 각과 상기 제 2 각의 합은 90도인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 봉지재의 양 측면에 형성되는 반사막을 포함하는 발광 다이오드 소자가 배열된 발광 다이오드 모듈과, 상기 발광 다이오드 모듈로부터 빛을 입광받는 도광판과, 상기 도광판으로부터 빛을 받는 복수의 광학 시트와, 상기 발광 다이오드 모듈과, 상기 도광판과, 상기 광학 시트를 수납할 수 있는 수납부가 형성된 케이스를 포함하는 백라이트 유닛을 제공한다.
그리고, 상기 도광판은 두께가 1 내지 1.5mm인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 복수의 광학 시트는 프리즘 시트 및 확산판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 케이스는 반사판을 더욱 포함하는 것을 특징으로한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 소자 및 이를 사용하는 백라이트 유닛의 구조와 발광 다이오드 소자의 제조 방법은 LED 칩 크기의 발광 다이오드 소자를 제공함으로써 백라이트 유닛에 1.5mm 이하의 크기로 형성된 도광판을 빛샘 현상 없이 적용할 수 있도록 하며, 발광 다이오드 소자의 몰드와 리드 프레임이 제거된 구조를 제시함으로써 수율을 높이고 제조 비용을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 각 파장별 반사율이 다른 구조의 발광 다이오드 소자를 제공함으로써 화상의 휘도를 증가시킬 수 있다.
그리고, 발광 다이오드 소자의 측면을 경사지도록 형성함으로써, 발광 다이오드 소자 내부에서의 광손실을 최소화하여 출광효율을 개선할 수 있다.
도 1은 발광 다이오드 소자의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 박형화에 따른 백라이트 유닛 각각에 위치하는 발광 다이오드 소자와 빛의 진행 방향을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 백라이트 유닛을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 다이오드 소자 구조의 설명을 위해 일부를 잘라낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 다이오드 소자를 나타낸 상면도이다.
도 6a 및 도 6b는 비교예에 따른 발광 다이오드 소자와 제 1 실시예에 따른 발광 다이오드 소자 각각의 빛의 진행 방향을 나타낸 분포도이다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광 다이오드 소자를 나타낸 상면도이다.
도 8a는 유전체 박막의 두께에 따른 굴절률의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 8b는 유전체 박막의 두께에 따른 반사율의 차이를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 발광 다이오드 소자를 나타낸 상면도이다.
도 10은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에 고굴절 물질과 저굴절 박막을 반복하여 증착했을 때, 빛의 파장에 대한 반사율을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 구조로 형성된 발광 다이오드 소자가 적용된 백라이트 유닛을 나타낸 단면도이다.
도 12a 내지 도 12d은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 단면도이다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 실시예 및 도면을 참조하여 본 발명에 따른 발광 다이오드 소자 및 이를 포함하는 백라이트 유닛을 상세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 백라이트 유닛을 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 백라이트 유닛은 케이스(124)와, 다수의 광학시트(123)와, 도광판(125)과, 발광 다이오드 소자(111)가 다수 배치된 LED 모듈(126)로 구성된다.
케이스(124)는 상기 다수의 광학시트(123)와, 도광판(125)과, LED 모듈(126)을 수납하여 각각의 위치에서 벗어나지 않도록 고정할 수 있는 수납부를 구비하며, 하면이 개통된 형태이거나, 별도의 고반사 물질이 형성되지 않은 경우 하면에 반사판(127)을 별도로 구비할 수 있다.
다수의 광학시트(123)는 광원에서 출력된 빛을 집광, 분산시키는 것으로, 도광판(125)으로부터 나온 면 광원의 휘도 특성을 높이고, 더욱 균일한 면 광원이 공급되도록 하는 것으로, 프리즘 시트, 확산판 등이 이에 포함될 수 있다.
도광판(125)은 광원에서 출력된 빛을 1차적으로 분산시키는 것으로, 일반적으로 광 투과율이 높은 것을 사용하며, 일면, 또는 양면에 빛을 반사시킬 수 있는 패턴이 형성된다.
한편, 본 발명의 모든 실시예에 따른 도광판(125)은 1 내지 1.5mm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.
LED 모듈(126)은 내부, 또는 표면에 구비된 회로에 다수의 발광 다이오드 소자(111)를 배치한 것으로, 발광 다이오드 소자(111)에 과전압이 인가되어 발광 다이오드 소자(111)가 손상되는 것을 방지하기 위하여 제너 다이오드를 더욱 포함함으로써 발광 다이오드 소자(111)에 정전류가 흐르도록 할 수 있다.
한편, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 다이오드 소자(111)는 서로 마주보는 양면에 고반사 물질층의 반사막이 형성된 것을 특징으로 하는 것으로, 별도의 몰드와 리드 프레임이 형성되지 않는 것을 특징으로 한다. 이로 인해 발광 다이오드 소자(111)의 크기가 감소하게 되는데, 이를 위한 상세한 구조는 아래 도 4를 참조하여 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 다이오드 소자 구조의 설명을 위해 일부를 잘라낸 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 다이오드 소자(111)는 봉지재(115)와, 제 1 기판(130)을 포함하는 LED 구조물(136)과, 제 2 기판(118)과, 어노드 및 캐소드 전극(116, 117)으로 형성되어 있다.
봉지재(115)는 LED 구조물(136)을 캡슐화하여 외부 환경으로 인한 손상을 방지하기 위한 것으로, 발광 다이오드 소자(111)가 표현하는 색에 따라 적어도 하나의 색을 형광시키는 형광체를 포함할 수 있다.
LED 구조물(136)은 제 1 기판(130)과, P형 반도체층(131)과, 액티브층(135)과, N형 반도체층(132)을 포함하는 것으로, 상기 어노드 및 캐소드 전극(116, 117)으로부터 P형 반도체층(131)과 N형 반도체층(132) 각각에 전자와 정공이 주입되고, 주입된 전자와 정공이 액티브층(135)을 통과하여 재결합할 때 빛을 발생시키는 것으로, P-N 접합 구조를 나타낸다.
특히, LED 구조물(136)을 구성하는 물질인 P형 반도체층(131)은 도핑되는 물질에 따라 색이 변하는 특징이 있는데, 적색의 경우 알루미늄 갈륨 비소(AlGaAs), 갈륨 비소 인(GaAsP), 인화 갈륨(GaP) 등이 도핑되고, 녹색의 경우 갈륨 인(GaP), 인듐 갈륨 질소(InGaN) 등이 도핑되며, 청색의 경우 황화 아연(ZnS), 탄화규소(SiC), 질화 갈륨(GaN) 등과 같은 물질이 도핑된다.
백라이트 유닛에 사용되는 발광 다이오드 소자(111)는 적, 녹, 청색을 나타내는 LED가 혼용되어 사용되거나, 청색을 나타내는 LED에 형광체를 적용하여 형광체를 투과하는 빛이 백색을 나타내도록 하는 것이 일반적이다.
제 2 기판(118)은 상기 봉지재(115)와 상기 LED 구조물(136)을 고정시키는 것으로, 사파이어, 또는 유리 등의 재질로 이루어진다.
제 2 기판(118)에는 어노드 콘택홀(CTA)과 캐소드 콘택홀(CTC)이 형성되어 있는 것이 특징으로, 이들에 의하여 LED 구조물(111)의 P형 반도체층(131)과 N형 반도체층(132)이 노출된다.
어노드 및 캐소드 전극(116, 117)은 각각 어노드 콘택홀(CTA)과 캐소드 콘택홀(CTC)을 통해 노출된 P형 반도체층(131) 및 N형 반도체층(132)에 각각 연결되는 것으로, 전자를 전달하거나 정공을 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 다이오드 소자(111)는 봉지재(115)의 서로 마주보는 양측면에 고반사 물질층(140)의 반사막이 더욱 형성된 것으로, 이는 아래 도 5를 참조하여 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 다이오드 소자를 나타낸 상면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 다이오드 소자(111)는 LED 구조물(136) 및 봉지재가 형성된 것으로, 발광 다이오드 소자(111)의 봉지재의 서로 마주보는 양측면에 고반사 물질층(140)의 반사막이 형성된 것이다.
이때, 상기 고반사 물질층(140)의 반사막은 가시광 영역(400~700㎚)대의 파장을 나타내는 빛을 85~90%이상 반사하는 특성을 갖는 알루미늄(Al)을 사용한 것으로, 방출된 빛이 도광판 외부로 새어나가 균일하지 않은 휘도를 갖는 면 형태의 광이 공급되는 것을 방지하기 위한 것이다.
또한, 이는 발광 다이오드 소자(111)가 120도의 지향각을 나타내도록 하는데, 이는 아래 고반사 물질층(140)의 반사막이 형성되지 않은 발광 다이오드 소자(111)를 나타내는 비교예의 광 분포도를 나타낸 도 6a와 제 1 실시예에 따른 발광 다이오드 소자(111)의 광 분포도를 나타낸 도 6b를 참조하여 설명하도록 한다.
도 6a 및 도 6b는 비교예에 따른 발광 다이오드 소자와 제 1 실시예에 따른 발광 다이오드 소자 각각의 빛의 진행 방향을 나타낸 분포도이다.
양 측면에 고반사 물질층의 반사막이 형성되지 않은 발광 다이오드 소자(111)를 나타낸 비교예의 경우, 도 6a에 도시된 바와 같이 발생한 빛이 약 170도의 범위로 흩어져 나가는 것을 볼 수 있으나, 양 측면에 고반사 물질층(140)의 반사막이 형성된 발광 다이오드 소자(111)를 나타낸 제 1 실시예의 경우, 도 6b에 도시된 바와 같이 대부분의 빛이 120도의 지향각을 나타내며 진행하는 것을 볼 수 있다.
이때, 비교예와 제 1 실시예에 따른 각각의 발광 다이오드 소자(111)는 600㎚로 동일한 크기로 제작된 것을 사용한 것이다.
이러한 결과에 따라, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 다이오드 소자는 종래의 몰드와, 몰드의 내부에 형성되는 고반사 수지를 구비하지 않고도 120도의 지향각을 나타내며, 1 내지 1.5mm의 두께로 형성되는 도광판에 빛을 정확하게 전달할 수 있는 것을 알 수 있다.
한편, 이하 제 2 및 제 3 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 구조는 제 1 실시예와 동일한 LED 구조물과 제 2 기판, 어노드 및 캐소드 전극, 봉지재를 포함하는 것으로, 제 1 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 양 측면에 형성되는 고반사 물질층(140)의 반사막을 대체할 수 있는 구성과 이에 따른 각각의 효과를 나타내는 것이다.
제 2 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 구조는 고반사 물질층과 이를 보호하기 위해 유전체층을 더욱 적층하는 것으로, 이는 아래 도 7을 참조하여 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광 다이오드 소자를 나타낸 상면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광 다이오드 소자는 LED 구조물(236)과 봉지재를 사이에 두고 서로 마주보는 양측면에 고반사 물질층(240)과 유전체층(241)이 순차적으로 적층 되어 반사막을 구성한다.
이때, 상기 고반사 물질층(240)은 가시광 영역(400~700㎚)대의 파장을 나타내는 빛을 85~90%이상 반사하는 특성을 갖는 알루미늄(Al)을 사용한 것이고, 유전체 박막(241)은 이산화티탄(TiO2), 실리콘산화막(SiOx), 규소(Si), 오산화탄탈럼(Ta2O5), 알루미늄 옥시니트라이드(AlOxNy), 실리콘질화막(SiNx), 실리콘산화질화막(SiOxNy), 이산화티탄(TiO2)과 같은 물질을 사용할 수 있다.
유전체층(241)은 적층되는 두께에 따라 지속적으로 감소하는 굴절률을 나타내는데, 이는 반사율에도 영향을 미칠 수 있다.
이에 따른 효과는 아래 도 8a 및 도 8b를 참조하여 설명하도록 한다.
도 8a는 유전체층의 두께에 따른 굴절률의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 8b는 유전체층의 두께에 따른 반사율의 차이를 나타낸 그래프이다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 유전체층이 1.5㎛의 두께로 증착된 경우, 최대 굴절률은 약 1.8, 최소 굴절률은 약 0.8을 나타내는 것을 볼 수 있으나, 유전체층의 두께가 점점 두꺼워져 2.5㎛로 증착된 경우, 최대 굴절률이 약 1.6, 최소 굴절률이 약 0.6으로 감소하는 것을 볼 수 있다.
한편, 도 8b에 도시된 바와 같이, 유전체층이 1.45㎛로 증착된 경우, 빛이 녹색을 나타내는 파장인 520~600㎚에 한하여 알루미늄에 비해 높은 반사율을 나타내지만, 적외선 및 자외선 파장의 빛에 대한 반사율이 감소하는 것을 볼 수 있다.
한편, 유전체층이 2.0㎛로 증착된 경우, 1.45㎛의 두께로 층착되는 유전체층의 반사율에 비해 520~600㎚의 파장 영역에서의 빛의 반사율이 크게 향상되는 것을 볼 수 있으며, 비가시광 영역에서 약 75% 이상의 반사율을 나타내고, 최대 약 72%까지 감소하는 것을 볼 수 있다.
이러한 결과에 따라, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광 다이오드 소자는 비가시광 영역의 빛이 반사되는 것을 감소시키고, 1 내지 1.5mm의 두께로 형성되는 도광판에 빛을 전달할 수 있으며, 유전체층으로 고반사 물질층을 보호하는 효과를 나타낼 수 있다.
한편, 상기 제 2 실시예에 따른 고반사 물질층과 유전체층을 대신하여 이산화규소(SiO2), 마그네슘 불화물(MgF2)과 같은 저굴절 물질로 이루어지는 저굴절 물질층과, 규소(Si), 이산화티탄(TiO2), 오산화탄탈럼(Ta2O5)와 같은 고굴절 물질로 이루어지는 고굴절 물질층을 순차적으로 반복 형성하는 경우, 특정 파장에 대해 높은 반사율을 갖는 반사막을 얻을 수 있으며, 이들 중 이산화규소(SiO2)와 규소(Si)를 이용하여 각각 저굴절 물질층 및 고굴절 물질층을 형성할 경우, 가시광 영역의 빛을 전부 반사시키는 효과를 나타내는 반사막을 얻을 수 있다.
이러한 고굴절 물질과 저굴절 물질은 반복적으로 증착할 경우 특정 파장 내의 빛에 대한 반사도를 증가시키는 효과를 나타낼 수 있는데, 이는 아래 도 9를 참조하여 설명하도록 한다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 발광 다이오드 소자를 나타낸 상면도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 발광 다이오드 소자는 서로 마주보는 양측면에 고굴절 물질층(340)과 저굴절 물질층(341)이 반복되어 증착된 반사막이 형성되는 구조이다.
상기 고굴절 물질층(340)은 굴절률이 1.8 이상인 물질로 이루어 질 수 있으며, 저굴절 물질(341)은 굴절률이 1.8 이하인 물질로 이루어 질 수 있다.
상기 고굴절 물질층(340)과 저굴절 물질층(341)은 반복하여 증착한 횟수가 증가할수록 반사율이 높아지는 반면, 반사시킬 수 있는 파장대의 폭이 점차 좁아지는 특성을 나타내는 것으로, 이에 따른 효과는 도 10을 참조하여 설명하도록 한다.
도 10은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에 고굴절 물질층과 저굴절 물질층을 반복하여 형성 했을 때, 빛의 파장에 대한 반사율을 나타낸 그래프이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 고굴절 물질층과 저굴절 물질층이 1회 반복되어 2중층의 반사막이 형성된 경우, 파장이 약 400㎚ 이상인 빛에 대하여 90% 이상의 반사율을 나타내고, 최대 96~97%의 반사율을 나타내고 있다.
한편, 고굴절 물질층과 저굴절 물질층이 2회 반복되어 4중층의 반사막이 형성된 경우, 파장이 약 450~800㎚ 인 빛에 대하여 90% 이상의 반사율을 나타내고, 최대 98~99%의 반사율을 나타내고 있다.
그리고, 고굴절 물질층과 저굴절 물질층이 3회 반복되어 6중층의 반사막이 형성된 경우, 파장이 약 460~720㎚ 인 빛에 대하여 90% 이상의 반사율을 나타내고, 최대 99~99.9%의 반사율을 나타내고 있다.
이와 같이, 고굴절 물질층과 저굴절 물질층을 반복적으로 형성하는 경우, 반사시킬 수 있는 빛의 파장대은 좁아질 수 있으나, 가시광 영역(400~700㎚) 대부분의 빛에 대하여는 더 높은 반사율을 나타낼 수 있어 큰 손실 없이 매우 높은 반사율을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
상기 제 1 내지 제 3 실시예에 따른 구조로 형성되는 발광 다이오드 소자는 1 내지 1.5mm 이하의 두께를 갖는 도광판에 적용할 경우 빛의 손실과 빛샘 현상이 적은 것을 알 수 있는데, 이는 아래 도 11을 참조하여 설명하도록 한다.
도 11은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 다이오드 소자가 적용된 백라이트 유닛을 나타낸 단면도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 제 1 실시예에 따른 발광 다이오드 소자(111)는 LED 모듈(126)의 회로와 어노드 및 캐소드 전극(미도시)이 연결되어 다수 배치되고, LED 구조물(136)과 제 2 기판(118), 봉지재(115) 및 고반사 물질층(140)의 반사막이 형성된 것으로, 출광면이 케이스(124)에 고정된 도광판(125)과 마주보는 것이다.
이와 같은 구조의 발광 다이오드 소자(111)는 지향각이 120도를 나타내면서 도광판(125)의 외부로 진행하는 빛이 없어 빛의 손실이 매우 적을 뿐만 아니라, 빛샘 현상이 발생하지 않아 출력되는 면 광원의 휘도가 전체적으로 균일하게 되는 효과가 있다.
상기 제 1 실시예에 따른 발광 다이오드 소자는 LED 칩의 크기와 유사하게 형성되어 몰드를 포함하는 종래의 발광 다이오드 소자와 달리 1 내지 1.5mm 이하의 두께를 갖는 도광판에도 적용할 수 있으며, 도 6b와 같이 지향각이 제어됨과 동시에 높은 반사율을 나타내는 고반사 물질층, 고반사 물질층 및 유전체층, 고굴절 물질층 및 저굴절 물질층의 다중층 중 하나인 반사막이 형성되어 빛의 손실 및 빛샘 문제에 대해 큰 효과를 나타내는 것을 알 수 있다.
이러한 발광 다이오드 소자는 웨이퍼에 칩을 형성한 후, 각 칩 사이즈로 절삭하는 공정 중에 형성할 수 있는데, 이는 아래 도 12a 내지 도 12d에서 제 1 실시예를 예로 들어 설명하도록 한다.
도 12a 내지 도 12d은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 제조 공정을 나타낸 사시도이다.
도 12a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 다이오드 소자를 제조하기 위해서는 제 2 기판(118)상에 LED 구조물(136)과 봉지재(115)가 형성된 LED 웨이퍼를 절삭한 LED 바(181)가 구비되어야 한다.
상기 LED 바(181)는 일면에 LED 구조물(136)이 형성되고, 이의 맞은편에 어노드 및 캐소드 전극(미도시)이 제 2 기판(118) 내부의 콘택홀을 통해 LED 구조물(136)과 연결되도록 형성되는 것이다.
상기와 같은 LED 바(181)는 도 12b와 같이 LED 구조물(136)이 형성된 발광면(180)을 옆으로 눕혀 일측면에 고반사 물질층(140)을 형성히는 공정이 필요하다.
이때, LED 바(181)에 고반사 물질층(140)을 형성히기 위하여, e-Beam Evaporator 장비와 같이 고융점 금속 및 이산화규소(SiO2)의 박막을 기판상에 증착하거나 Ion-Beam Assistance Deposition과 같이 금속을 증착하면서 에너지를 갖는 이온을 기판의 표면에 조사하여 원하는 조성의 박막을 형성하는 방법을 사용할 수 있다.
이후, 도 12c와 같이 일측면에 형성된 고반사 물질층(140)이 상부에 오도록 배치한 후, 상기 도 12b와 같은 공정을 진행하여 타측면에 고반사 물질층(140)을 형성함으로써, LED 바(181)의 양측면에 고반사 물질층(140)이 형성되도록 한다.
이후, 도 12d와 같이 양측면에 고반사 물질층(140)이 형성된 LED 바(도 8a의 181)를 칩 크기의 사이즈로 절삭한다.
이와 같은 공정에 따라, 양측면에 고반사 물질층(140)이 형성된 발광 다이오드 소자(111)를 다수 확보할 수 있으며, 제 2 및 제 3 실시예에 따른 발광 다이오드 소자 또한 상기 도 12a 내지 도 12d에 도시된 공정을 수차례 반복하여 제조할 수 있다.
제 1 내지 제 3 실시예에 따른 발광 다이오드 소자에서는 반사막이 형성되는 양측면이 제2기판(118)에 대하여 수직으로(90도) 형성되지만, 다른 실시예에서는 반사막이 형성되는 양측면을 제2기판(118)에 대하여 경사지도록(45도 내지 90도) 형성할 수도 있는데, 이를 도면을 참조하여 설명한다.
도 13은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 단면도이다.
도 13에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 발광 다이오드 소자(111)는, 제 2 기판(118)과, 제 2 기판(118) 상부에 형성되는 LED 구조물(136)과, 제2기판(118) 상부에서 LED 구조물(136)을 덮는 봉지재(115)와, 봉지재(115)의 마주보는 양측면에 형성되는 반사막(440)을 포함한다.
봉지재(115)는 LED 구조물(136)을 캡슐화하여 외부 환경으로 인한 손상을 방지하기 위한 것으로, 발광 다이오드 소자(111)가 표현하는 색에 따라 적어도 하나의 색을 형광시키는 형광체를 포함할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 제 1 실시예와 마찬가지로, LED 구조물(136)은 제 1 기판과, P형 반도체 물질과, 액티브층과, N형 반도체 물질을 포함하며, 어노드 및 캐소드 전극으로부터 P형 반도체 물질과 N형 반도체 물질 각각에 전자와 정공이 주입되고, 주입된 전자와 정공이 액티브층을 통과하여 재결합할 때 빛을 출사하는 P-N 접합 구조를 갖는다.
반사막(440)은, LED 구조물(136)로부터 출사된 광을 반사하여 발광면(180)으로 출광되도록 하는 역할을 하는데, 알루미늄(Al) 등의 고반사 물질층, 고반사 물질층 및 유전체층, 또는 고굴절 물질층 및 저굴절 물질층의 다중층 일 수 있다.
여기서, 반사막(440)이 형성되는 봉지재(115)의 마주보는 양측면은 제 2 기판(118) 및 발광면(180)에 평행한 수평면에 대하여 제 1 각(a1)의 경사각을 갖도록 형성되는데, 제 1 각(a1)은 약 45도 보다 크고 약 90도 보다 작은 값일 수 있다.
이와 같이, 발광 다이오드 소자(111)의 반사막(440)이 형성되는 양측면을 발광면(180)을 향하도록 경사지게 형성함으로써, LED 구조물(136)로부터 출사된 광이 반사막(440)에서 반사된 후 봉지재(115) 내부에서 손실되지 않고 발광면(180)을 통하여 출광되도록 할 수 있다.
즉, LED 구조물(136)로부터 출사된 광 중에는 수평면에 평행한 성분의 광도 존재할 수 있는데, 발광 다이오드 소자의 양측면이 수평면에 대하여 수직으로 형성된 경우 수평면에 평행한 성분의 출사광은 마주보는 양측면의 반사막에서 반복적으로 반사되다가 손실될 가능성이 있다.
그러나, 본 발명의 제 4 실시예에서는, 발광 다이오드 소자(111)의 반사막(440)이 형성되는 양측면을 발광면(180)을 향하도록 경사지게 형성함으로써, 봉지재(115) 내부에서의 광손실을 최소화하고 출광효율을 개선할 수 있다.
이러한 제 4 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 제조방법을 도면을 참조하여 설명한다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 14a에 도시한 바와 같이, LED 웨이퍼(118a)의 일면에 다수의 LED 구조물(136)를 형성한 후, 다수의 LED 구조물(136)을 덮는 봉지재(15)를 형성한다.
도시하지는 않았지만, 다수의 LED 구조물(136)이 형성된 일면과 반대되는 LED 웨이퍼(118a)의 타면에는 어노드 전극 및 캐소드 전극이 형성되어 다수의 LED 구조물(136) 각각에 연결된다.
이러한 LED 웨이퍼(118a)는 후속 공정에서 절단에 의하여 발광 다이오드 소자(111)의 제 2 기판(118)이 되는 부분으로, 사파이어, 유리 등의 재질로 이루어 질 수 있다.
그리고, 다수의 LED 구조물(136) 및 봉지재(15)가 형성된 LED 웨이퍼(118a)를 절삭톱(190)을 이용하여 절단한다.
이때, 절삭톱(190)은 일단의 측면이 수평면에 대하여 제 1 각(a1)을 갖고 중심면에 대하여 제 2 각(a2)을 갖는 원판 형태 일 수 있는데, 제 1 각(a1)과 제 2 각(a2)의 합은 90도이다.
도 14b에 도시한 바와 같이, LED 웨이퍼(118a)를 중심면에 대하여 일단의 측면이 제 2 각(a2)(=90도-a1)을 갖는 절삭톱(190)을 이용하여 절단함으로써, 다수의 LED 바(181)를 형성한다.
이때, 절삭톱(190) 일단의 측면이 제 2 각(a2)를 가지므로, 다수의 LED 바(181) 각각의 마주보는 양측면은 LED 웨이퍼(118a), 즉 제 2 기판(181) 및 발광면(180)에 대하여 제 1 각(a1)의 경사각을 갖는다.
즉, 일단의 측면이 제 2 각(a2)인 절삭톱(190)을 이용하여 LED 웨이퍼(118a)를 절단함으로써, 양측면이 제 1 각(a1)의 경사각을 갖는 다수의 LED 바(181)를 용이하게 형성할 수 있다.
이후, 도시하지는 않았지만, 도 12b 내지 도 12c와 동일한 공정을 통하여, 다수의 LED 바(181) 각각의 양측면에 고반사 물질층, 고반사 물질층 및 유전체층, 또는 고굴절 물질층 및 저굴절 물질층의 다중층으로 반사막을 형성하고, 다수의 LED 바(181) 각각을 칩 사이즈로 절단함으로써, 제 4 실시예에 따른 발광 다이오드 소자(도 13의 111)를 완성할 수 있다.
이러한 제 4 실시예의 발광 다이오드 소자의 광특성을 표를 참조하여 설명한다.
표 1은 본 발명의 제 1 실시예 및 제 4 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 광특성을 나타내는 표이다.
[표 1]
Figure 112014085377313-pat00001
표 1에 나타낸 바와 같이, 반사막이 형성된 양측면이 수평면에 수직(경사각 90도)한 제 1 실시예의 발광 다이오드 소자는 약 54.55(lm)의 광속을 갖는 반면, 반사막이 형성된 양측면이 수평면에 대하여 약 70도 및 약 60도의 경사각을 갖는 제 4 실시예의 발광 다이오드 소자는 각각 약 56.65(lm) 및 약 58.05(lm)의 광속을 갖는다.
따라서, 제 1 실시예의 발광 다이오드 소자의 광속을 기준(100%)으로 제 4 실시예의 발광 다이오드 소자의 광속은 각각 약 103.8% 및 약 106.4%가 되어, 경사각이 작아질수록 출광효율이 개선됨을 알 수 있다.
물론, 경사각이 지나치게 작아질 경우 지향각이 지나치게 커져서 도광판에 입사되지 않고 손실되는 광량이 증가할 수 있으므로, 경사각은 약 45도보다 크고 약 90도보다 작은 범위를 갖는 것이 바람직하다.
상기 제 1 내지 제 4 실시예에 따른 발광 다이오드 소자는 LED 칩과 동일한 사이즈로 형성됨에 따라 120도의 지향각을 갖게 되어 1.5mm 이하의 두께를 갖는 도광판에 적용할 경우에도 발광 다이오드 소자의 크기로 인한 도광판 외부 빛샘 현상이 발생하지 않게 되며, 발광 다이오드 소자 자체에 반사막을 형성하여 별도의 몰드가 필요 없어 단가를 낮출 수 있고, 형성된 반사막의 반사율을 조절하는 방법에 따라 요구되는 파장의 반사율을 높이거나 낮출 수 있게 되어 광원 출력 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과를 갖게 된다.
그리고, 발광 다이오드 소자의 측면을 경사지도록 형성함으로써, 발광 다이오드 소자 내부에서의 광손실을 최소화하여 출광효율을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 자유로운 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위 및 이와 균등한 범위 내에서의 본 발명의 변형을 포함한다.
111 : 발광 다이오드 소자 115 : 봉지재
130 : 제 1 기판 136 : LED 구조물
118 : 제 2 기판 116, 117 : 어노드 및 캐소드 전극
124 : 케이스 125 : 도광판
126 : LED 모듈

Claims (16)

  1. 제 1 기판을 포함하는 LED 구조물과;
    상기 LED 구조물이 고정되는 제 2 기판과;
    상기 LED 구조물을 덮도록 상기 제 2 기판의 일면에 형성되는 봉지재와;
    상기 제 2 기판의 양 측면과 상기 봉지재의 양 측면에 각각 일체형으로 형성되는 반사막
    을 포함하고,
    상기 반사막은, 상기 봉지재의 양 측면에 배치되는 고반사 물질층과, 상기 고반사 물질층의 외면에 배치되는 유전체층을 포함하고,
    상기 유전체층은, 1.5μm의 두께에서 1.8의 최대 굴절률과 0.8의 최소 굴절률을 갖고, 2.5μm의 두께에서 1.6의 최대 굴절률과 0.6의 최소 굴절률을 갖는 발광 다이오드 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 LED 구조물은,
    상기 제 1 기판의 일면에 위치하는 P형 반도체층과;
    상기 P형 반도체층의 일면에 위치하는 액티브층과;
    상기 액티브층의 일면에서 위치하는 N형 반도체층
    을 포함하고,
    상기 제 2 기판에는 상기 P형 반도체층과 상기 N형 반도체층 각각에 연결되는 어노드 및 캐소드 전극이 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 고반사 물질층은 400~700㎚의 파장 영역의 반사도가 90% 이상인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체층은 이산화티탄(TiO2), 실리콘산화막(SiOx), 규소(Si), 오산화탄탈럼(Ta2O5), 알루미늄 옥시니트라이드(AlOxNy), 실리콘질화막(SiNx), 실리콘산화질화막(SiOxNy), 이산화티탄(TiO2) 중 선택된 하나 또는 이들의 조합 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 봉지재의 양측면은 상기 제 2 기판에 대하여 제 1 각의 경사각으로 경사지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 각은 45도 보다 크고 90도 보다 작은 값인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자.
  9. 일면에 다수의 LED 구조물 및 봉지재가 형성되고 타면에 어노드 전극 및 캐소드 전극이 형성된 LED 웨이퍼를 바 형태로 절삭하여 다수의 LED 바를 형성하는 단계와;
    상기 다수의 LED 바의 상기 웨이퍼의 일 측면과 상기 봉지재의 일 측면에 반사막을 일체형으로 형성하는 단계와;
    상기 다수의 LED 바의 배치를 변경한 후, 상기 일 측면과 마주보는 상기 다수의 LED 바의 상기 웨이퍼의 타 측면과 상기 봉지재의 타 측면에 반사막을 일체형으로 형성하는 단계와;
    상기 다수의 LED 바 각각을 칩 단위로 절삭하여 각각이 상기 LED 구조물 및 상기 봉지재로 이루어지는 발광 다이오드 소자를 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 반사막은, 상기 봉지재의 양 측면에 배치되는 고반사 물질층과, 상기 고반사 물질층의 외면에 배치되는 유전체층을 포함하고,
    상기 유전체층은, 1.5μm의 두께에서 1.8의 최대 굴절률과 0.8의 최소 굴절률을 갖고, 2.5μm의 두께에서 1.6의 최대 굴절률과 0.6의 최소 굴절률을 갖는 발광 다이오드 소자의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 반사막을 형성하는 단계는 e-Beam Evaporator 장비를 사용하여 증착하는 방법을 사용하거나, 금속을 증착하면서 에너지를 갖는 이온을 기판의 표면에 조사하여 박막을 형성하는 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자의 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 다수의 LED 바는, 양측면이 상기 LED 웨이퍼에 대하여 제 1 각의 경사각으로 경사지도록 형성되고,
    상기 LED 웨이퍼는, 일단의 측면이 중심면에 대하여 제 2 각을 갖는 원판 형태인 절삭톱을 이용하여 절단되고,
    상기 제 1 각과 상기 제 2 각의 합은 90도인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 소자의 제조 방법.
  12. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 7 항, 제 8 항 중 선택된 어느 한 항의 발광 다이오드 소자가 배열된 발광 다이오드 모듈과;
    상기 발광 다이오드 모듈로부터 빛을 입광받는 도광판과;
    상기 도광판으로부터 빛을 받는 복수의 광학 시트와;
    상기 발광 다이오드 모듈과, 상기 도광판과, 상기 광학 시트를 수납할 수 있는 수납부가 형성된 케이스
    를 포함하고,
    상기 발광 다이오드 소자는 120도의 지향각을 갖는 백라이트 유닛.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 도광판은 두께가 1 내지 1.5mm인 것을 특징으로 하는 백라이트 유닛.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 광학 시트는 프리즘 시트 및 확산판을 포함하는 것을 특징으로 하는 백라이트 유닛.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 케이스는 반사판을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 백라이트 유닛.
  16. 삭제
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