KR102566046B1 - 발광 소자 및 이를 구비한 발광 모듈 - Google Patents

발광 소자 및 이를 구비한 발광 모듈 Download PDF

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Abstract

실시 예에 개시된 발광 소자는, 상부가 개방된 리세스를 갖는 몸체; 상기 리세스의 바닥에 배치된 복수의 전극; 및 상기 복수의 전극 중 적어도 하나의 위에 배치된 발광 다이오드를 포함하며, 상기 리세스의 측면은 발광 다이오드의 광 축에 대해 제1각도로 경사지며, 상기 발광 다이오드와 상기 리세스의 측면 사이의 최소 거리의 값과 상기 제1각도에 대한 탄젠트 값의 곱이 0.21 내지 0.42의 범위를 갖는다.

Description

발광 소자 및 이를 구비한 발광 모듈{LIGHT EMITTING DEVICE AND LIGHT EMITTING MODULE}
실시 예는 발광 소자에 관한 것이다.
실시 예는 발광 소자를 갖는 발광 모듈을 제공한다.
발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode)는 GaAs 계열, AlGaAs 계열, GaN 계열, InGaN 계열 및 InGaAlP 계열 등의 화합물 반도체 재료를 이용하여 발광 원을 구성할 수 있다.
이러한 발광 다이오드는 패키지화되어 다양한 색을 방출하는 발광 소자로 이용되고 있으며, 발광 소자는 칼라를 표시하는 점등 표시기, 문자 표시기 및 영상 표시기 등의 다양한 분야에 광원으로 사용되고 있다.
특히, 자외선 발광 다이오드(UV LED)의 경우, 단파장의 경우, 살균, 정화 등에 사용되며, 장파장의 경우 노광기 또는 경화기 등에 사용될 수 있다. 이러한 자외선 발광 다이오드를 갖는 발광 소자의 광도가 낮아 광도 개선이 요구되고 있다.
실시 예는 자외선 파장을 방출하는 발광 다이오드를 갖는 발광 소자를 제공한다.
실시 예는 리세스 내에서 발광 다이오드와 리세스 측면 사이의 거리, 상기 리세스 측면의 경사 각도를 최적화하여 중심 광도를 개선한 발광 소자를 제공한다.
실시 예는 자외선 발광 소자 및 이를 구비한 발광 모듈의 신뢰성을 개선시켜 줄 수 있다.
실시 예에 따른 발광 소자는, 상부가 개방된 리세스를 갖는 몸체; 상기 리세스의 바닥에 배치된 복수의 전극; 및 상기 복수의 전극 중 적어도 하나의 위에 배치된 발광 다이오드를 포함하며, 상기 리세스의 측면은 발광 다이오드의 광 축에 대해 제1각도로 경사지며, 상기 발광 다이오드와 상기 리세스의 측면 사이의 최소 거리의 값과 상기 제1각도에 대한 탄젠트 값의 곱이 0.21 내지 0.42의 범위를 갖는다.
실시 예는 자외선 발광 소자의 중심 광도를 개선시켜 줄 수 있다.
실시 예는 자외선 발광 소자의 중심 광도를 주변 광도보다 높여줄 수 있다.
실시 예는 자외선 발광 소자의 중심 광도를 개선시켜, 다양한 어플리케이션에 적용할 수 있다.
실시 예는 자외선 발광 소자 및 이를 구비한 발광 모듈의 신뢰성을 개선시켜 줄 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 발광 소자의 사시도이다.
도 2는 도 1의 발광 소자에서 광학 필름이 제거된 평면도이다.
도 3은 도 1의 발광 소자의 배면도이다.
도 4는 도 1의 발광 소자의 A-A측 단면도이다.
도 5는 실시 예에 따른 발광 소자의 다른 예를 나타낸 측 단면도이다.
도 6은 도 4의 부분 확대도로서, 리세스의 측면과 발광 다이오드 간의 거리에 따라 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 실시 예에 따른 발광 다이오드의 광 특성의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 실시 예에 따른 발광 다이오드의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 실시 예에 따른 발광 다이오드의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 실시 예에 따른 발광 소자를 갖는 발광 모듈의 예를 나타낸 도면이다.
도 11은 실시 예에 따른 발광 소자의 제1예의 광도를 나타낸 도면이다.
도 12는 실시 예에 따른 발광 소자의 제2예의 광도를 나타낸 도면이다.
도 13은 실시 예에 따른 발광 소자의 제3예의 광도를 나타낸 도면이다.
도 14는 비교 예에 따른 발광 소자의 광도를 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서, 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. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하고, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
실시 예의 설명에 있어서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
<발광 소자>
도 1은 실시 예에 따른 발광 소자의 사시도이고, 도 2는 도 1의 발광 소자에서 광학 필름이 제거된 평면도이며, 도 3은 도 1의 발광 소자의 배면도이며, 도 4는 도 1의 발광 소자의 A-A측 단면도이고, 도 5는 실시 예에 따른 발광 소자의 다른 예를 나타낸 측 단면도이며, 도 6은 도 4의 부분 확대도로서, 리세스의 측면과 발광 다이오드 간의 거리에 따라 설명하기 위한 도면이며, 도 7은 실시 예에 따른 발광 다이오드의 광 특성의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 발광 소자(100)는 리세스(111)를 갖는 몸체(110), 상기 리세스(111)에 배치된 복수의 전극(121,123), 상기 복수의 전극(121,123) 중 적어도 하나의 위에 배치된 발광 다이오드(131), 상기 리세스(111) 상에 배치된 광학 필름(161)을 포함한다.
상기 발광 다이오드(131)은 자외선 파장부터 가시광선 파장의 범위 내에서 선택적인 피크 파장을 포함할 수 있다. 상기 발광 다이오드(131)은 자외선 파장 예컨대, 100nm-400nm 범위의 파장을 발광할 수 있다.
상기 몸체(110)는 절연 재질 예컨대, 세라믹 소재를 포함한다. 상기 세라믹 소재는 동시 소성되는 저온 소성 세라믹(LTCC: low temperature co-fired ceramic) 또는 고온 소성 세라믹(HTCC: high temperature co-fired ceramic)을 포함한다. 상기 몸체(110)의 재질은 예를 들면, AlN일 수 있으며, 열 전도도가 140 W/mK 이상인 금속 질화물로 형성할 수 있다. 상기 몸체(110)의 제1축(X) 방향 또는 제2축(Y) 방향의 길이(X1,Y1)는 서로 동일하거나 다를 수 있으며, 예컨대 5mm 이상으로 제공될 수 있다. 상기 몸체(110)의 두께(Z1)는 1mm 이상 예컨대, 1mm 내지 2mm의 범위에 배치될 수 있다.
상기 리세스(111)는 상기 몸체(110)의 상부 영역의 일부가 개방된 영역이며 상기 몸체(110)의 상면(112)으로부터 소정 깊이로 형성될 수 있다. 상기 리세스(111)는 탑뷰 형상이 다각형, 원 형상 또는 타원 형상을 포함할 수 있다. 상기 리세스(111)는 모서리 부분(117)이 모따기 처리된 형상 예컨대, 곡면 형상으로 형성될 수 있다.
상기 몸체(110)의 상부 둘레는 단차 구조(115)를 포함한다. 상기 리세스(111)의 바닥은 상기 몸체(110)의 단차 구조(115)보다 더 깊은 깊이로 형성될 수 있다. 상기 리세스(111)의 깊이는 상기 광학 필름(161)과 상기 발광 다이오드(131)의 두께의 합보다 더 크게 배치될 수 있다. 여기서, 상기 리세스(111)가 개방된 방향은 발광 다이오드(131)으로부터 발생된 광이 방출되는 방향이 될 수 있다. 상기 단차 구조(115)는 상기 몸체(110)의 상면(112)보다 낮은 영역으로서, 상기 리세스(111)의 상부 둘레에 배치될 수 있다. 상기 단차 구조(115)의 깊이는 상기 몸체(110)의 상면(112)으로부터의 깊이로서, 광학 필름(161)의 두께(도 5의 T3)보다 깊게 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 여기서, 상기 리세스(111)는 상기 몸체(110)의 단차 구조(115) 보다 내측에 위치될 수 있다.
상기 리세스(111)에는 전극(121,123)이 배치되며, 상기 전극(121,123)은 상기 발광 다이오드(131)에 선택적으로 전원을 공급하게 된다. 상기 전극(121,123)은 금속 예컨대, 백금(Pt), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au), 탄탈늄(Ta), 알루미늄(Al)을 선택적으로 포함할 수 있으며, 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다. 여기서, 다층의 전극은 최 상층에는 본딩을 위한 금(Au) 재질이 배치될 수 있으며, 최하층에는 몸체(110)와의 접착성이 좋은 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 탄탈늄(Ta)의 재질이 배치될 수 있고, 최 상층과 최 하층 사이의 중간 층에는 백금(Pt), 니켈(Ni), 구리(Cu) 등이 배치될 수 있다. 이러한 전극의 적층 구조로 한정하지는 않는다.
상기 전극(121,123)을 구체적으로 설명하면, 상기 발광 다이오드(131)가 배치된 제1전극(121), 및 상기 제1전극(121)과 이격된 제2전극(123)을 포함한다. 상기 제1전극(121) 및 제2전극(123)은 리세스(111)의 바닥에서 서로 이격되며, 상기 발광 다이오드(131)와 와이어와 같은 연결 부재(135)로 연결될 수 있다. 상기 리세스(111)의 바닥에 상기 제1전극(121)의 면적은 상기 제2전극(123)의 면적보다 크게 배치되어, 상기 제1전극(121)에 의한 방열 면적이 크기 때문에 상기 발광 다이오드(131)의 방열 효율을 개선시켜 줄 수 있다. 상기 발광 다이오드(131)는 수직형 칩으로 구현될 수 있다. 다른 예로서, 상기 발광 다이오드(131)은 예컨대, 수평형 칩으로 배치되어, 제1,2전극(121,123)에 와이어와 같은 연결 부재로 연결되거나, 플립 칩 방식으로 배치될 수 있다.
다른 예로서, 도 5와 같이 상기 리세스(111)의 바닥에는 제1,2전극(121,123) 이외에 무극성의 방열 플레이트(125)가 배치될 수 있으며, 상기 발광 다이오드(131)는 상기 무극성의 방열 플레이트(125) 상에 배치되고, 제1,2전극(121,123)에 와이어와 같은 연결 부재(135)로 연결될 수 있다.
상기 몸체(110)의 하면(113)에는 도 3, 4와 같이, 복수의 패드(141,143)가 배치된다. 상기 복수의 패드(141,143)는 예컨대, 제1패드(141), 및 제2패드(143)를 포함하며, 상기 제1 및 제2패드(141,143)는 상기 몸체(110)의 하면(113)에 서로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 제1 및 제2패드(141,143) 중 적어도 하나는 복수로 배치될 수 있어, 전류 경로를 분산시켜 줄 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 몸체(111)의 하면(113)에 배치된 제1패드(141)의 면적은 상기 제2패드(143)의 면적보다 크게 배치되어, 방열 효율을 개선시켜 줄 수 있다. 상기 제1패드(141)는 상기 발광 다이오드(131)와 수직 방향으로 오버랩되게 배치될 수 있다. 다른 예로서, 상기 몸체(110)의 하면(113)에는 제1,2패드(141,143) 이외에 상기 제1,2패드(141,143) 사이에 무극성의 방열 패드가 배치될 수 있다.
상기 몸체(110) 내에는 복수의 비아 전극(117,118)이 배치될 수 있으며, 상기 복수의 비아 전극(117,118)은 상기 리세스(111)와 상기 몸체(110)의 하면 사이의 전기적인 연결 경로를 제공할 수 있다. 상기 비아 전극(117,118)은 제1비아 전극(117) 및 제2비아 전극(118)을 포함하며, 상기 제1비아 전극(117)은 제1전극(121)과 제1패드(141)를 연결해 주고, 제2비아 전극(118)은 제2전극(123)과 제2패드(143)를 연결해 줄 수 있다.
실시 예의 발광 소자(100)는 상기 몸체(110)의 리세스(111) 내에 보호 소자(미도시)가 더 배치될 수 있으며, 상기 보호 소자는 상기 발광 다이오드(131)를 전기적으로 보호할 수 있다. 상기 보호 소자는 제너 다이오드(Zener diode)를 포함할 수 있다.
실시 예에 따른 발광 소자(100)는 상기 몸체(110) 내에는 방열 부재(미도시)가 배치될 수 있다. 상기 방열 부재는 상기 발광 다이오드(131)의 아래 즉, 제1전극(121) 아래에 배치되어, 상기 발광 다이오드(131)로부터 발생된 열을 하부의 방열 패드나 제1패드로 전도할 수 있다. 상기 방열 부재의 재질은 금속 예컨대, 합금일 수 있다.
상기 발광 다이오드(131)은 자외선 발광 다이오드로서, 100nm 내지 280nm 범위의 파장을 가지는 자외선 발광 다이오드일 수 있다. 즉, 280nm 이하의 단파장 자외선을 발광할 수 있다. 상기 자외선 파장은 세균, 박테리아, 바이러스 등 다양한 생물학적 오염물질을 감소시키는 효과가 있다. 상기 발광 다이오드(131)는 제1전극(121)과 전도성 접착제로 본딩되고, 제1연결 부재(135)로 제2전극(123)에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 발광 다이오드(131)는 상기 제1전극(121) 및 제2전극(123)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 발광 다이오드(131)는 II족과 VI족 원소의 화합물 반도체, 또는 III족과 V족 원소의 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 예컨대 AlInGaN, InGaN, AlGaN, GaN, GaAs, InGaP, AllnGaP, InP, InGaAs와 같은 계열의 화합물 반도체를 이용하여 제조된 반도체 발광 소자를 선택적으로 포함할 수 있다. 상기 발광 다이오드(131)의 n형 반도체층, p형 반도체층, 및 활성층을 포함할 수 있으며, 상기 활성층은 InGaN/GaN, InGaN/AlGaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/InAlGaN, AlGaAs/GaAs, InGaAs/GaAs, InGaP/GaP, AlInGaP/InGaP, InP/GaAs와 같은 페어로 구현될 수 있다. 상기 발광 다이오드(131)의 두께(T1)는 0.3mm 내지 1mm 범위일 수 있으며, 너비(W)는 2mm±1mm 범위일 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도 1 및 도 4와 같이, 상기 광학 필름(161)는 상기 몸체(110)의 리세스(111) 상에 배치된다. 상기 광학 필름(161)는 글래스(glass) 재질 예컨대, 석영 글래스를 포함한다. 이에 따라 상기 광학 필름(161)는 상기 발광 다이오드(131)으로부터 방출된 광 예컨대, 자외선 파장에 의해 분자 간의 결합 파괴와 같은 손해 없이 투과시켜 줄 수 있는 재질로 정의할 수 있다.
상기 광학 필름(161)는 외측 둘레가 상기 몸체(110)의 단차 구조(115) 상에 배치된다. 상기 광학 필름(161)과 상기 몸체(110)의 단차 구조(115) 사이에는 접착 물질(163)이 배치되며, 상기 접착 물질(163)은 실리콘 또는 에폭시와 같은 수지 재질을 포함한다. 상기 광학 필름(161)은 상기 리세스(111)의 바닥 너비(도 4의 Y2)보다 넓은 너비로 형성될 수 있다. 상기 광학 필름(161)의 하면 면적은 상기 리세스(111)의 바닥 면적보다 넓은 면적으로 형성될 수 있다. 이에 따라 광학 필름(161)은 상기 몸체(110)의 단차 구조(115)에 용이하게 안착될 수 있다. 상기 몸체(110)의 단차 구조(115)는 제거될 수 있으며, 이 경우 상기 광학 필름(161)은 상기 몸체(110)의 상면에 부착될 수 있다. 상기 광학 필름(161)의 두께(T3)는 0.1mm 이상 예컨대, 0.1mm 내지 0.5mm의 범위일 수 있으며, 상기 범위를 벗어날 경우 광 추출 효율이 저하될 수 있다.
상기 광학 필름(161)은 상기 발광 다이오드(131)으로부터 이격될 수 있다. 상기 광학 필름(161)이 상기 발광 다이오드(131)의 상면으로부터 이격됨으로써, 상기 발광 다이오드(131)에 의해 발생된 열에 의해 팽창되는 것을 방지할 수 있다. 상기 광학 필름(161) 아래의 공간은 빈 공간이거나 비금속 또는 금속 화학 원소가 채워질 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 광학 필름(161) 상에는 렌즈가 결합될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 또한 상기 몸체(110)의 측면에는 수지 재질의 반사 부재가 더 배치되어, 방습 및 소자 보호를 수행할 수 있다.
여기서, 도 7을 참조하면, 자외선 발광 다이오드(131)는 칩 상면에서 볼 때, 모서리 영역(A1)과 에지 영역에서 대부분의 광이 방출되고, 30% 이하의 광이 모서리 영역(A1)이나 에지 영역을 제외한 센터 영역(A2)에서 방출되는 특성을 가지게 된다. 이는 발광 다이오드(131)의 제조 과정에서 칩의 상면 상에 존재하는 결함(A3)의 대부분이 상기 센터 영역(A2)에 집중되어 있어, 광의 대부분이 모서리 영역(A1)이나 에지 영역으로 방출하는 특성을 가지게 된다.
이러한 발광 다이오드(131)을 갖는 발광 소자의 경우, 광 효율은 60% 이하로 떨어질 수 있고, 비교 예로서, 도 14와 같이 중심 광도가 주변 광도보다 낮은 램버시안 분포(Lambertian distribution)를 가지게 된다. 이러한 램버시안 분포를 갖는 발광 소자는 중심 광도가 낮아 적용될 수 있는 어플리케이션이 감소되는 문제가 있다. 실시 예는 발광 소자(100)의 리세스(111)의 구조를 변경하여, 발광 소자(100)로부터 방출된 광의 효율이 67% 이상이 될 수 있도록 하여, 다양한 어플리케이션에 적용될 수 있도록 할 수 있다. 실시 예에 따른 발광 소자(100)는 방출된 광의 중심 광도가 주변 광도보다 더 높은 리세스 구조를 제공할 수 있다.
실시 예에 따른 발광 소자(100)의 몸체(110)의 리세스 구조를 보면, 상기 리세스(111)의 상부 너비(Y3)는 상기 리세스(111)의 하부 너비(Y2)보다 더 넓을 수 있다. 상기 리세스(111)의 너비는 리세스 바닥부터 상기 광학 필름(161) 또는 상기 단차 구조(115)에 인접할수록 점차 넓어질 수 있다. 상기 리세스(111)의 측면(116)은 상기 리세스(111)의 바닥(Bottom)의 수평한 연장 선에 대해 소정 각도(θ2)로 경사지게 배치될 수 있다. 상기 경사진 각도(θ2)는 50도 내지 70도 범위 예컨대, 55도 내지 68도 범위일 수 있다. 상기 측면(116)의 각도(θ2)가 상기 범위보다 크거나 작을 경우 광의 추출 효율이 저하되는 문제가 있다. 상기 리세스(111)의 측면(116)은 세라믹 재질의 면이거나, 금속 재질의 반사 층이 더 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 반사층은 정 반사하는 재질로 형성될 수 있다. 상기 리세스(111)의 측면(116)은 반사면으로 정의될 수 있다.
또한 상기 리세스(111)의 측면(116) 예컨대, 측면(116)의 하단은 상기 발광 다이오드(131)의 측면까지의 최단 거리(D)가 1mm 이하 예컨대, 0.3mm 내지 1mm의 범위일 수 있다. 상기 거리(D1)가 1mm를 초과하게 되면 발광 소자(100)의 중심 광도가 주변 광도보다 낮아질 수 있고, 상기 0.3mm 미만이 되면 발광 소자(100)의 광 효율이 저하되는 문제가 있다. 실시 예는 상기의 리세스(111)의 측면(116)의 경사진 각도(θ2)와 상기 거리(D1)를 최적화하여, 중심 광도 및 광 효율을 개선시켜 줄 수 있다. 실시 예에 따른 발광 소자(100)는 중심 광도(0도)가 주변 광도 예컨대, ±15도에서의 광도와 ±30에서의 광도보다 클 수 있다. 또한 발광 소자(100)의 광 효율은 67% 이상 예컨대, 70%이상일 수 있다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 상기 발광 다이오드(131)와 상기 리세스(111)의 측면(116) 하단(P2) 간의 간격 예컨대, 직선 거리(D) 또는 최단 거리, 상기 리세스(111)의 측면(116)의 광축(Z)에 대한 경사진 제1각도(θ1)를 이용하여 발광 소자의 전체 광 출력이 감소되지 않은 조건에서 도 11 내지 도 13과 같이 중심 광도(E0)가 향상되는 조건을 찾고자 한다. 상기 제1각도(θ1)는 90도에서 θ2의 각도의 뺀 범위로서 20도 내지 40도 범위 예컨대, 22도 내지 35도 범위일 수 있다. 상기 측면(116)의 제1각도(θ1)가 상기 범위보다 크거나 작을 경우 광의 추출 효율이 저하되는 문제가 있다. 도 11 내지 도 13가 같이 상기 발광 소자로부터 방출된 광의 중심 광도(0도, E0)는 ±15도에서의 광도(E1)와 ±30에서의 광도(E2)보다 클 수 있다.
표 1은 도 5의 광축(Z)을 기준으로 리세스(111)의 측면(116)의 제1각도(θ1)와, 리세스(111)의 측면 하단(116)과 발광 다이오드(131)의 중심 사이의 최단 거리가 X일 때 상기 발광 다이오드(100)의 측면(116)과 상기 리세스(111)의 측면(116) 사이의 최단 거리(D)에 따른 광 효율 및 광도 비율을 비교한 표이다.
θ1 X(mm) Tanθ1ⅹD Efficiency (%) 광도비율(E0/E1) 광도비율(E0/E2)
23.5 1.7 0.289949494 70.3573 1.01411 1.05177
23.5 1.8 0.33137085 71.177 1.007 1.0335
23.5 1.9 0.372792206 71.8535 1.00154 1.01891
23.5 2 0.414213562 72.4104 1.0011 1.00999
25 1.6 0.279784595 70.3702 1.01022 1.04856
25 1.7 0.326415361 71.2563 1.00353 1.0314
25 1.8 0.373046127 71.9775 1.0064 1.03162
25 1.9 0.419676892 72.5688 1.00636 1.01989
27.5 1.5 0.260283525 70.3046 1.01135 1.05936
27.5 1.6 0.31234023 71.2835 1.00904 1.04462
27.5 1.7 0.364396935 72.0645 1.00649 1.03608
27.5 1.8 0.41645364 72.7002 1.01224 1.03284
30 1.6 0.346410162 72.1145 1.00115 1.0394
30 1.7 0.404145188 72.7972 1.0001 1.03242
35 1.3 0.210062261 70.9272 1.00226 1.08709
35 1.4 0.280083015 72.0346 1.00348 1.07811
여기서, 실험을 위해 발광 다이오드(131)의 사이즈는 가로ⅹ세로ⅹ두께가 2mmⅹ2mmⅹ1mm로 하였으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 또한 몸체(110)의 리세스(111)의 깊이(T2)는 2mm±0.3mm 범위일 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 리세스(111)의 깊이(T2)는 상기 몸체(110)에서 단차 구조(115)의 깊이를 제외한 깊이일 수 있다.
여기서, 상기 발광 다이오드(131)의 측면(P1)과 상기 몸체(110)의 리세스(111)의 측면 하단(P2)까지의 최단 거리(D)와 측면(116)의 탄젠트(θ1)의 값의 곱이 0.21 내지 0.42일 수 있다. 즉, 거리 D1와 측면(116)의 탄젠트(θ1)의 곱이 0.21이상 0.42이하인 경우, 도 11 내지 도 13과 같이 발광 소자(100)의 중심 광도(E0)가 주변 광도(E1,E2)보다 높고 광 효율이 70%이상임을 알 수 있다. 여기서, 광도 비율은 중심 광도(E0)와 주변 광도(E1,E2)와의 비율이 1이상이므로, 중심 광도가 높게 나타남을 알 수 있다.
표 2는 표 1 중에서 아래의 예1,2,3의 리세스 구조를 갖는 발광 소자의 리세스 구조로부터 방출된 광의 램버시안 분포를 도 11 내지 도 13로 나타낸 것이다.
θ1 X(mm) Tanθ1ⅹD Efficiency (%) 광도비율(E0/E1) 광도비율(E0/E2)
예1 23.5 2 0.414213562 72.4104 1.0011 1.00999
예2 27.5 1.6 0.31234023 71.2835 1.00904 1.04462
예3 35 1.4 0.280083015 72.0346 1.00348 1.07811
발광 소자의 예 1은, 상기 몸체(110)의 리세스(111)의 측면(116)의 제1각도(θ1)가 광축(Z) 기준으로 23.5도이고, 발광 다이오드(131)의 측면(P1)과 리세스 측면(116) 하단(P2) 사이의 최단 거리가 1mm인 경우, 광 효율은 72% 정도이고, 도 11과 같이 중심 광도(E0)와 주변 광도(E1,E2)의 비율(E0/E1,E0/E2)은 1이상임을 알 수 있다.
발광 소자의 예 2는, 상기 몸체(110)의 리세스(111)의 측면(116)의 제1각도(θ1)가 광축(Z) 기준으로 27.5도이고, 발광 다이오드(131)의 측면(P1)과 리세스 측면(116) 하단(P2) 사이의 최단 거리(D)가 0.6mm인 경우, 광 효율은 71% 정도이고, 도 12와 같이 중심 광도(E0)와 주변 광도(E1,E2)의 비율(E0/E1,E0/E2)은 1이상임을 알 수 있다.
발광 소자의 예 3은, 상기 몸체(110)의 리세스(111)의 측면(116)의 제1각도(θ1)가 광축(Z) 기준으로 27.5도이고, 발광 다이오드(131)의 측면(P1)과 리세스 측면(116) 하단(P2) 사이의 최소 거리(D)가 0.6mm인 경우, 광 효율은 71% 정도이고, 도 13과 같이 중심 광도(E0)와 주변 광도(E1,E2)의 비율(E0/E1,E0/E2)은 1이상임을 알 수 있다.
실시 예는 광 효율이 높고 중심 광도가 주변 광도보다 높은 자외선 발광 소자를 제공함으로써, 다양한 어플리케이션에 적용할 수 있다.
도 8은 실시 예에 따른 발광 다이오드의 예를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 발광 다이오드는 복수의 반도체층(11,12,13)을 갖는 발광구조물(10), 상기 발광 구조물(10) 아래에 제1 전극층(20), 상기 제1전극층(20) 아래에 제2 전극층(50), 상기 제1 및 제2전극층(20,50) 사이에 절연층(41), 및 패드(25)를 포함할 수 있다.
상기 발광구조물(10)은 제1 반도체층(11), 활성층(12), 및 제2 반도체층(13)을 포함할 수 있다. 상기 활성층(12)은 상기 제1반도체층(11)과 상기 제2 반도체층(13) 사이에 배치될 수 있다. 상기 활성층(12)은 상기 제1 반도체층(11) 아래에 배치될 수 있으며, 상기 제2 반도체층(13)은 상기 활성층(12) 아래에 배치될 수 있다.
예로서, 상기 제1 반도체층(11)은 제1 도전형 도펀트 예컨대, n형 도펀트가 첨가된 n형 반도체층을 포함하고, 상기 제2 반도체층(13)은 제2 도전형 도펀트 예컨대, p형 도펀트가 첨가된 p형 반도체층을 포함할 수 있다. 또한 반대로, 상기 제1 반도체층(11)이 p형 반도체층으로 형성되고, 상기 제2 반도체층(13)이 n형 반도체층으로 형성될 수도 있다.
상기 발광 구조물(10)은 II족 내지 V족 원소 및 III족 내지 V족 원소의 화합물 반도체 중에서 선택적으로 형성되며, 자외선 대역부터 가시 광선 대역의 파장 범위 내에서 소정의 피크 파장을 발광할 수 있으며, 예컨대, 자외선 파장을 발광할 수 있다. 상기 발광 구조물(10)은 제1반도체층(11), 제2반도체층(13), 상기 제1반도체층(11)과 상기 제2반도체층(13) 사이에 형성된 활성층(12)을 포함하며, 상기 각 층(11,12,13)의 위 및 아래 중 적어도 하나에는 다른 반도체층이 더 배치될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 제1반도체층(11)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 포함한다. 상기 제1반도체층(11)은 III족-V족 원소의 화합물 반도체 예컨대, GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중에서 선택될 수 있다. 상기 제1도전형 도펀트는 n형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 도펀트를 포함한다.
상기 활성층(12)은 제1반도체층(11) 아래에 배치되고, 단일 양자 우물, 다중 양자 우물(MQW), 양자 선(quantum wire) 구조 또는 양자 점(quantum dot) 구조를 선택적으로 포함하며, 우물층과 장벽층의 주기를 포함한다. 상기 우물층/장벽층의 주기는 예컨대, InGaN/GaN, GaN/AlGaN, AlGaN/AlGaN, InGaN/AlGaN, InGaN/InGaN, AlGaAs/GaA, InGaAs/GaAs, InGaP/GaP, AlInGaP/InGaP, InP/GaAs의 페어 중 적어도 하나를 포함한다.
상기 제2반도체층(13)은 활성층(12) 아래에 배치된다. 상기 제2반도체층(13)은 제2도전형 도펀트가 도핑된 반도체 예컨대, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 포함한다. 상기 제2반도체층(13)은, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP와 같은 화합물 반도체 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 상기 제2반도체층(119)이 p형 반도체층이고, p형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba을 포함할 수 있다.
상기 제1반도체층(11)의 상면은 러프(rough)한 요철부(11A)로 형성될 수 있으며, 이러한 요철 면(11A)는 광 추출 효율을 개선시켜 줄 수 있다. 상기 요철 면(11A)의 측 단면은 다각형 형상, 또는 반구형 형상을 포함할 수 있다.
상기 제1전극층(20)은 상기 발광 구조물(10)과 제2전극층(50) 사이에 배치되며, 상기 발광 구조물(10)의 제2반도체층(13)과 전기적으로 연결되며, 상기 제2전극층(50)과 전기적으로 절연된다. 상기 제1전극층(20)은 제1 접촉층(15), 반사층(17) 및 캡핑층(19)를 포함하며, 상기 제1 접촉층(15)는 상기 반사층(17)과 제2반도체층(13) 사이에 배치되며, 상기 반사층(17)은 상기 제1 접촉층(15)과 상기 캡핑층(19) 사이에 배치된다. 상기 제1 접촉층(15), 반사층(17) 및 캡핑층(19)은 서로 다른 도전성 물질로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 제1 접촉층(15)은 상기 제2 반도체층(13)에 접촉되며, 예컨대 상기 제2 반도체층(13)에 오믹 접촉을 형성할 수 있다. 상기 제1 접촉층(15)은 예컨대 전도성 산화막, 전도성 질화물 또는 금속으로 형성될 수 있다. 상기 제1 접촉층(15)은 예로서 ITO(Indium Tin Oxide), ITON(ITO Nitride), IZO(Indium Zinc Oxide), IZON(IZO Nitride), AZO(Aluminum Zinc Oxide), AGZO(Aluminum Gallium Zinc Oxide), IZTO(Indium Zinc Tin Oxide), IAZO(Indium Aluminum Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), IGTO(Indium Gallium Tin Oxide), ATO(Antimony Tin Oxide), GZO(Gallium Zinc Oxide), IZON(IZO Nitride), ZnO, IrOx, RuOx, NiO, Pt, Ag, Ti 중에서 적어도 하나로 형성될 수 있다.
상기 반사층(17)은 상기 제1 접촉층(15)과 캡핑층(19)에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 반사층(17)은 상기 반사층(17)은 상기 발광구조물(10)로부터 입사되는 빛을 반사시켜 외부로 추출되는 광량을 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
상기 반사층(17)은 광 반사율이 70% 이상인 금속으로 형성될 수 있다. 예컨대 상기 반사층(17)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Cu, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하는 금속 또는 합금으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 반사층(17)은 상기 금속 또는 합금과 ITO(Indium-Tin-Oxide), IZO(Indium-Zinc-Oxide), IZTO(Indium-Zinc-Tin-Oxide), IAZO(Indium-Aluminum-Zinc-Oxide), IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide), IGTO(Indium-Gallium-Tin-Oxide), AZO(Aluminum-Zinc-Oxide), ATO(Antimony-Tin-Oxide) 등의 투광성 전도성 물질을 이용하여 다층으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 실시 예에서 상기 반사층(17)은 Ag, Al, Ag-Pd-Cu 합금, 또는 Ag-Cu 합금 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 반사층(17)은 Ag 층과 Ni 층이 교대로 형성될 수도 있고, Ni/Ag/Ni, 혹은 Ti 층, Pt 층을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 상기 제1 접촉층(15)은 상기 반사층(17) 아래에 형성되고, 적어도 일부가 상기 반사층(17)을 통과하여 상기 제2반도체층(13)과 접촉될 수도 있다. 다른 예로서, 상기 반사층(17)은 상기 제1 접촉층(15)의 아래에 배치되고, 일부가 상기 제1 접촉층(15)을 통과하여 상기 제2반도체층(13)과 접촉될 수 있다.
실시 예에 따른 발광 다이오드는 상기 반사층(17) 아래에 배치된 캡핑층(capping layer)(19)을 포함할 수 있다. 상기 캡핑층(19)은 상기 반사층(17)의 하면과 접촉되고, 접촉부(34)가 패드(25)와 결합되어, 상기 패드(25)로부터 공급되는 전원을 전달하는 배선층으로 기능한다. 상기 캡핑층(19)은 금속으로 형성될 수 있으며, 예컨대 Au, Cu, Ni, Ti, Ti-W, Cr, W, Pt, V, Fe, Mo 물질 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 캡핑층(19)의 접촉부(34)는 상기 발광 구조물(10)과 수직 방향으로 오버랩되지 않는 영역에 배치되며, 상기 패드(25)와 수직하게 오버랩된다. 상기 캡핑층(19)의 접촉부(34)는 상기 제1 접촉층(15) 및 반사층(17)과 수직 방향으로 오버랩되지 않는 영역에 배치된다. 상기 캡핑층(19)의 접촉부(34)는 상기 발광 구조물(10)보다 낮은 위치에 배치되며, 상기 패드(25)와 직접 접촉될 수 있다.
상기 패드(25)는 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 단층은 Au일 수 있고, 다층인 경우 Ti, Ag, Cu, Au 중 적어도 2개를 포함할 수 있다. 여기서, 다층인 경우 Ti/Ag/Cu/Au의 적층 구조이거나, Ti/Cu/Au 적층 구조일 수 있다. 상기 반사층(17) 및 상기 제1 접촉층(15) 중 적어도 하나가 패드(25)와 직접 접촉될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 패드(25)는 제1전극층(20)의 외 측벽과 상기 발광 구조물(10) 사이의 영역(A1)에 배치될 수 있다. 상기 패드(25)의 둘레에는 상기 보호층(30) 및 투광층(45)이 접촉될 수 있다.
보호층(30)은 상기 발광구조물(10)의 하면에 배치되며, 상기 제2반도체층(13)의 하면 및 상기 제1 접촉층(15)과 접촉될 수 있고, 상기 반사층(17)과 접촉될 수 있다.
상기 보호층(30) 중 상기 발광 구조물(10)과 수직 방향으로 오버랩되는 내측부는 상기 돌출부(16)의 영역과 수직 방향으로 오버랩되게 배치될 수 있다. 상기 보호층(30)의 외측부는 상기 캡핑층(19)의 접촉부(34) 위로 연장되며 상기 접촉부(34)와 수직 방향으로 오버랩되게 배치된다. 상기 보호층(30)의 외측부는 상기 패드(25)와 접촉될 수 있으며, 예컨대 상기 패드(25)의 둘레 면에 배치될 수 있다.
상기 보호층(30)의 내측부는 상기 발광 구조물(10)과 상기 제1전극층(20) 사이에 배치되며, 외측부는 투광층(45)과 상기 캡핑층(19)의 접촉부(34) 사이에 배치될 수 있다. 상기 보호층(30)의 외측부는 상기 발광구조물(10)의 측벽보다 외측 영역(A1)으로 연장되어, 습기가 침투하는 것을 방지할 수 있다.
상기 보호층(30)은 채널층, 또는 저 굴절 재질, 아이솔레이션층으로 정의될 수 있다. 상기 보호층(30)은 절연물질로 구현될 수 있으며, 예컨대 산화물 또는 질화물로 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 보호층(30)은 SiO2, SixOy, Si3N4, SixNy, SiOxNy, Al2O3, TiO2, AlN 등으로 이루어진 군에서 적어도 하나가 선택되어 형성될 수 있다. 상기 보호층(30)은 투명한 재질로 형성될 수 있다.
실시 예에 따른 발광 다이오드는 상기 제1 전극층(20)과 상기 제2 전극층(50)을 전기적으로 절연시키는 절연층(41)을 포함할 수 있다. 상기 절연층(41)은 상기 제1 전극층(20)과 상기 제2 전극층(50) 사이에 배치될 수 있다. 상기 절연층(41)의 상부는 상기 보호층(30)에 접촉될 수 있다. 상기 절연층(41)은 예컨대 산화물 또는 질화물로 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 절연층(41)은 SiO2, SixOy, Si3N4, SixNy, SiOxNy, Al2O3, TiO2, AlN 등으로 이루어진 군에서 적어도 하나가 선택되어 형성될 수 있다.
상기 절연층(41)은 예로서 100 나노미터 내지 2000 나노미터의 두께로 형성될 수 있다. 상기 절연층(41)의 두께가 100 나노미터 미만으로 형성될 경우 절연 특성에 문제가 발생 될 수 있으며, 상기 절연층(41)의 두께가 2000 나노미터 초과로 형성될 경우에 후 공정 단계에서 깨짐이 발생 될 수 있다. 상기 절연층(41)은 상기 제1 전극층(20)의 하면과 상기 제2전극층(50)의 상면에 접촉되며, 상기 보호층(30), 캡핑층(19), 접촉층(15), 반사층(17) 각각의 두께보다는 두껍게 형성될 수 있다.
상기 제2 전극층(50)은 상기 절연층(41) 아래에 배치된 확산 방지층(52), 상기 확산 방지층(52) 아래에 배치된 본딩층(54) 및 상기 본딩층(54) 아래에 배치된 전도성 지지부재(56)를 포함할 수 있으며, 상기 제1반도체층(11)과 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 상기 제2 전극층(50)은 상기 확산 방지층(52), 상기 본딩층(54), 상기 전도성 지지부재(56) 중에서 1 개 또는 2 개를 선택적으로 포함하고, 상기 확산 방지층(52) 또는 상기 본딩층(54) 중 적어도 하나는 형성하지 않을 수 있다.
상기 확산 방지층(52)은 Cu, Ni, Ti, Ti-W, Cr, W, Pt, V, Fe, Mo 물질 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 확산 방지층(52)은 절연층(41)과 본딩층(54) 사이에서 확산 장벽층으로 기능할 수도 있다. 상기 확산 방지층(52)은 본딩층(54) 및 전도성 지지부재(56)와 전기적으로 연결되고, 상기 제1반도체층(11)과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 확산 방지층(52)은 상기 본딩층(54)이 제공되는 공정에서 상기 본딩층(54)에 포함된 물질이 상기 반사층(17) 방향으로 확산되는 것을 방지하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 확산 방지층(52)은 상기 본딩층(54)에 포함된 주석(Sn) 등의 물질이 상기 반사층(17)에 영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.
상기 본딩층(54)은 베리어 금속 또는 본딩 금속 등을 포함하며, 예를 들어, Ti, Au, Sn, Ni, Cr, Ga, In, Bi, Cu, Ag, Nb, Pd 또는 Ta 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 전도성 지지부재(56)는 실시 예에 따른 상기 발광구조물(10)을 지지하며 방열 기능을 수행할 수 있다. 상기 본딩층(54)은 시드(seed) 층을 포함할 수도 있다.
상기 전도성 지지부재(56)는 금속 또는 캐리어 기판 예를 들어, Ti, Cr, Ni, Al, Pt, Au, W, Cu, Mo, Cu-W 또는 불순물이 주입된 반도체 기판(예: Si, Ge, GaN, GaAs, ZnO, SiC, SiGe 등) 중에서 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 상기 전도성 지지부재(56)은 발광 다이오드를 지지하기 위한 층으로서, 그 두께는 제2전극층(50)의 두께의 80% 이상이며, 30㎛ 이상으로 형성될 수 있다.
한편, 제2접촉층(33)은 상기 제1 반도체층(11)의 내부에 배치되고 상기 제1반도체층(11)과 접촉된다. 상기 제2접촉층(33)의 상면은 상기 제1반도체층(11)의 하면보다 위에 배치될 수 있으며, 제1반도체층(11)과 전기적으로 연결되고, 상기 활성층(12) 및 제2반도체층(13)과 절연된다.
상기 제2 접촉층(33)은 상기 제2 전극층(50)에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제2 접촉층(33)은 상기 제1전극층(20), 상기 활성층(12) 및 상기 제2반도체층(15)을 관통하여 배치될 수 있다. 상기 제2 접촉층(33)은 상기 발광 구조물(10) 내에 배치된 리세스(recess)(2)에 배치되고, 상기 활성층(12) 및 제2반도체층(15)과 보호층(30)에 의해 절연된다. 상기 제2 접촉층(33)는 복수개가 서로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 제2 접촉층(33)은 제2전극층(50)의 돌기(51)에 연결될 수 있으며, 상기 돌기(51)는 상기 확산 방지층(52)으로부터 돌출될 수 있다. 상기 돌기(51)은 절연층(41) 및 보호층(30) 내에 배치된 홀(41A)을 통해 관통되고, 제1전극층(20)과 절연될 수 있다.
상기 제2 접촉층(33)는 예컨대 Cr, V, W, Ti, Zn, Ni, Cu, Al, Au, Mo 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 돌기(501)는 다른 예로서, 상기 확산 방지층(52) 및 본딩층(54)을 구성하는 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 대해 한정하지 않는다. 예컨대 상기 돌기(51)은 예로서 Ti, Au, Sn, Ni, Cr, Ga, In, Bi, Cu, Ag, Nb, Pd 또는 Ta 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
패드(25)는 상기 제1 전극층(20)에 전기적으로 연결되며, 상기 발광구조물(10)의 측벽 외측의 영역(A1)에 노출될 수 있다. 상기 패드(25)는 하나 또는 복수로 배치될 수 있다. 상기 패드(25)는 예컨대 Cu, Ni, Ti, Ti-W, Cr, W, Pt, V, Fe, Mo 물질 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
투광층(45)은 상기 발광구조물(10)의 표면을 보호하고, 상기 패드(91)와 상기 발광구조물(10)의 사이를 절연시킬 수 있고, 상기 보호층(30)의 주변부와 접촉될 수 있다. 상기 투광층(45)은 상기 발광 구조물(10)을 구성하는 반도체층의 물질보다 낮은 굴절률을 가지며, 광 추출 효율을 개선시켜 줄 수 있다. 상기 투광층(45)은 예컨대 산화물 또는 질화물로 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 투광층(45)은 Si02, SixOy, Si3N4, SixNy, SiOxNy, Al2O3, TiO2, AlN 등으로 이루어진 군에서 적어도 하나가 선택되어 형성될 수 있다. 한편, 상기 투광층(45)은 설계에 따라 생략될 수도 있다. 실시 예에 의하면, 상기 발광구조물(10)은 상기 제1 전극층(20)과 상기 제2 전극층(50)에 의해 구동될 수 있다.
도 9는 실시 예에 따른 발광 다이오드의 다른 예이다.
도 9를 참조하면, 발광 다이오드는 발광 구조물(225) 및 복수의 전극(245,247)을 포함한다. 상기 발광 구조물(225)은 II족 내지 VI족 원소의 화합물 반도체층 예컨대, III족-V족 원소의 화합물 반도체층 또는 II족-VI족 원소의 화합물 반도체층으로 형성될 수 있다. 상기 복수의 전극(245,247)은 상기 발광 구조물(225)의 반도체층에 선택적으로 연결되며, 전원을 공급하게 된다.
상기 발광 다이오드는 기판(221)을 포함할 수 있다. 상기 기판(221)은 상기 발광 구조물(225) 위에 배치된다. 상기 기판(221)은 예컨대, 투광성, 절연성 기판, 또는 전도성 기판일 수 있다. 상기 기판(221)은 예컨대, 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, Ge, Ga2O3 중 적어도 하나를 이용할 수 있다. 상기 기판(221)의 탑 면 및 바닥면 중 적어도 하나 또는 모두에는 복수의 볼록부(미도시)가 형성되어, 광 추출 효율을 개선시켜 줄 수 있다. 각 볼록부의 측 단면 형상은 반구형 형상, 반타원 형상, 또는 다각형 형상 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 기판(221)은 제거될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 기판(221)과 상기 발광 구조물(225) 사이에는 버퍼층(미도시) 및 저 전도성의 반도체층(미도시) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 버퍼층은 상기 기판(221)과 반도체층과의 격자 상수 차이를 완화시켜 주기 위한 층으로서, II족 내지 VI족 화합물 반도체 중에서 선택적으로 형성될 수 있다. 상기 버퍼층 아래에는 언도핑된 III족-V족 화합물 반도체층이 더 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 발광 구조물(225)은 상기 기판(221) 아래에 배치될 수 있으며, 제1도전형 반도체층(222), 활성층(223) 및 제2도전형 반도체층(224)을 포함한다. 상기 각 층(222,223,224)의 위 및 아래 중 적어도 하나에는 다른 반도체층이 더 배치될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 제1도전형 반도체층(222)은 기판(221) 아래에 배치되며, 제1도전형 도펀트가 도핑된 반도체 예컨대, n형 반도체층으로 구현될 수 있다. 상기 제1도전형 반도체층(222)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 포함한다. 상기 제1도전형 반도체층(222)은 III족-V족 원소의 화합물 반도체 예컨대, GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중에서 선택될 수 있다. 상기 제1도전형 도펀트는 n형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 도펀트를 포함한다.
상기 활성층(223)은 제1도전형 반도체층(222) 아래에 배치되고, 단일 양자 우물, 다중 양자 우물(MQW), 양자 선(quantum wire) 구조 또는 양자 점(quantum dot) 구조를 선택적으로 포함하며, 우물층과 장벽층의 주기를 포함한다. 상기 우물층/장벽층의 주기는 예컨대, InGaN/GaN, GaN/AlGaN, AlGaN/AlGaN, InGaN/AlGaN, InGaN/InGaN, AlGaAs/GaA, InGaAs/GaAs, InGaP/GaP, AlInGaP/InGaP, InP/GaAs의 페어 중 적어도 하나를 포함한다.
상기 제2도전형 반도체층(224)은 상기 활성층(223) 아래에 배치된다. 상기 제2도전형 반도체층(224)은 제2도전형 도펀트가 도핑된 반도체 예컨대, InxAlyGa1 -x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 포함한다. 상기 제2도전형 반도체층(224)은, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP와 같은 화합물 반도체 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 상기 제2도전형 반도체층(224)이 p형 반도체층이고, 상기 제1도전형 도펀트는 p형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba을 포함할 수 있다.
상기 발광 구조물(225)은 다른 예로서, 상기 제1도전형 반도체층(222)이 p형 반도체층, 상기 제2도전형 반도체층(224)은 n형 반도체층으로 구현될 수 있다. 상기 제2도전형 반도체층(224) 아래에는 상기 제2도전형과 반대의 극성을 갖는 제3도전형 반도체층이 형성할 수도 있다. 또한 상기 발광 구조물(225)은 n-p 접합 구조, p-n 접합 구조, n-p-n 접합 구조, p-n-p 접합 구조 중 어느 한 구조로 구현할 수 있다.
상기 발광 구조물(225) 아래에는 제1 및 제2전극(245,247)이 배치된다. 상기 제1전극(245)은 상기 제1도전형 반도체층(222)과 전기적으로 연결되며, 상기 제2전극(247)은 제2도전형 반도체층(224)과 전기적으로 연결된다. 상기 제1 및 제2전극(245,247)은 바닥 형상이 다각형 또는 원 형상일 수 있다. 상기 발광 구조물(225) 내에는 복수의 리세스(226)를 구비할 수 있다.
상기 발광 다이오드는 제1 및 제2전극층(241,242), 제3전극층(243), 절연층(231,233)을 포함한다. 상기 제1 및 제2전극층(241,242) 각각은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 전류 확산층으로 기능할 수 있다. 상기 제1 및 제2전극층(241,242)은 상기 발광 구조물(225)의 아래에 배치된 제1전극층(241); 및 상기 제1전극층(241) 아래에 배치된 제2전극층(242)을 포함할 수 있다. 상기 제1전극층(241)은 전류를 확산시켜 주게 되며, 상기 제2전극층(241)은 입사되는 광을 반사하게 된다.
상기 제1 및 제2전극층(241,242)은 서로 다른 물질로 형성될 수 있다. 상기 제1전극층(241)은 투광성 재질로 형성될 수 있으며, 예컨대 금속 산화물 또는 금속 질화물로 형성될 수 있다. 상기 제1전극층(241)은 예컨대 ITO(indium tin oxide), ITON(ITO nitride), IZO(indium zinc oxide), IZON(IZO nitride), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide) 중에서 선택적으로 형성될 수 있다. 상기 제2전극층(242)은 상기 제1전극층(241)의 하면과 접촉되며 반사 전극층으로 기능할 수 있다. 상기 제2전극층(242)은 금속 예컨대, Ag, Au 또는 Al를 포함한다. 상기 제2전극층(242)은 상기 제1전극층(241)이 일부 영역이 제거된 경우, 상기 발광 구조물(225)의 하면에 부분적으로 접촉될 수 있다.
다른 예로서, 상기 제1 및 제2전극층(241,242)의 구조는 무지향성 반사(ODR: Omni Directional Reflector layer) 구조로 적층될 수 있다. 상기 무지향성 반사 구조는 낮은 굴절률을 갖는 제1전극층(241)과, 상기 제1전극층(241)과 접촉된 고 반사 재질의 금속 재질인 제2전극층(242)의 적층 구조로 형성될 수 있다. 상기 전극층(241,242)은, 예컨대, ITO/Ag의 적층 구조로 이루어질 수 있다. 이러한 상기 제1전극층(241)과 제2전극층(242) 사이의 계면에서 전 방위 반사각을 개선시켜 줄 수 있다.
다른 예로서, 상기 제2전극층(242)은 제거될 수 있으며, 다른 재질의 반사층으로 형성될 수 있다. 상기 반사층은 분산형 브래그 반사(distributed bragg reflector: DBR) 구조로 형성될 수 있으며, 상기 분산형 브래그 반사 구조는 서로 다른 굴절률을 갖는 두 유전체층이 교대로 배치된 구조를 포함하며, 예컨대, SiO2층, Si3N4층, TiO2층, Al2O3층, 및 MgO층 중 서로 다른 어느 하나를 각각 포함할 수 있다. 다른 예로서, 상기 전극층(241,242)은 분산형 브래그 반사 구조와 무지향성 반사 구조를 모두 포함할 수 있으며, 이 경우 98% 이상의 광 반사율을 갖는 발광 칩을 제공할 수 있다. 상기 플립 방식으로 탑재된 발광 칩은 상기 제2전극층(242)로부터 반사된 광이 기판(221)을 통해 방출하게 되므로, 수직 상 방향으로 대부분의 광을 방출할 수 있다. 상기 발광 다이오드의 측면으로 방출된 광은 실시 예에 따른 반사 부재에 의해 광 출사 영역으로 반사될 수 있다.
상기 제3전극층(243)은 상기 제2전극층(242)의 아래에 배치되며, 상기 제1 및 제2전극층(241,242)과 전기적으로 절연된다. 상기 제3전극층(243)은 금속 예컨대, 티타늄(Ti), 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au), 크롬(Cr), 탄탈늄(Ta), 백금(Pt), 주석(Sn), 은(Ag), 인(P) 중 적어도 하나를 포함한다. 상기 제3전극층(243) 아래에는 제1전극(245) 및 제2전극(247)가 배치된다.
상기 절연층(231,233)은 제1 및 제2전극층(241,242), 제3전극층(243), 제1 및 제2전극(245,247), 발광 구조물(225)의 층 간의 불필요한 접촉을 차단하게 된다. 상기 절연층(231,233)은 제1 및 제2절연층(231,233)을 포함하며, 상기 제1절연층(231)은 상기 제3전극층(243)과 제2전극층(242) 사이에 배치된다. 상기 제2절연층(233)은 상기 제3전극층(243)과 제1,2전극(245,247) 사이에 배치된다.
상기 제3전극층(243)은 상기 제1도전형 반도체층(222)과 연결된다. 상기 제3전극층(243)의 연결부(244)는 상기 제1, 2전극층(241, 242) 및 발광 구조물(225)의 하부를 통해 비아 구조로 돌출되며 제1도전형 반도체층(222)과 접촉된다. 상기 연결부(244)는 복수로 배치될 수 있다. 상기 제3전극층(243)의 연결부(244)의 둘레에는 상기 제1절연층(231)의 일부(232)가 발광 구조물(225)의 리세스(226)을 따라 연장되며 제3전극층(243)과 상기 제1 및 제2전극층(241,242), 제2도전형 반도체층(224) 및 활성층(223) 간의 전기적인 연결을 차단한다. 상기 발광 구조물(225)의 측면에는 측면 보호를 위해 절연 층이 배치될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 제2전극(247)은 상기 제2절연층(233) 아래에 배치되고 상기 제2절연층(233)의 오픈 영역을 통해 상기 제1 및 제2전극층(241, 242) 중 적어도 하나와 접촉되거나 연결된다. 상기 제1전극(245)은 상기 제2절연층(233)의 아래에 배치되며 상기 제2절연층(233)의 오픈 영역을 통해 상기 제3전극층(243)과 연결된다. 이에 따라 상기 제2전극(247)의 돌기(248)는 제1,2전극층(241,242)을 통해 제2도전형 반도체층(224)에 전기적으로 연결되며, 제1전극(245)의 돌기(246)는 제3전극층(243)을 통해 제1도전형 반도체층(222)에 전기적으로 연결된다.
실시 예는 발광 다이오드 상에 형광체층(미도시)이 배치될 수 있으며, 상기 형광체층은 발광 다이오드의 상면에 배치되거나, 상면/측면에 배치될 수 있다. 상기 형광체층은 상기 발광 다이오드로부터 방출된 광의 파장 변환 효율이 개선될 수 있다. 상기 형광체층은 적색 형광체, 녹색 형광체, 청색 형광체, 황색 형광체 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 형광체는 예컨대, YAG, TAG, Silicate, Nitride, Oxy-nitride 계 물질 중에서 선택적으로 형성될 수 있다.
<발광 모듈>
도 10은 도 1의 발광 소자를 갖는 발광 모듈의 예를 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 실시 예에 따른 광원 모듈(200)은 발광 소자(100), 상기 발광 소자(100)가 배치된 회로 기판(201), 및 상기 발광 소자(100) 및 상기 회로 기판(201)을 덮는 방습 필름(175)을 포함한다.
상기 발광 소자(100)는 리세스(111)를 갖는 몸체(110), 상기 리세스(111)에 배치된 복수의 전극(121,123), 상기 복수의 전극(121,123) 중 적어도 하나의 위에 배치된 발광 다이오드(131), 상기 리세스(111) 상에 배치된 광학 필름(161)을 포함한다.
상기 발광 다이오드(131)은 자외선 파장 즉, 100nm-400nm 범위의 자외선 파장을 발광할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 발광 다이오드(131)은 플립 칩 방식으로 배치되거나, 다이 본딩으로 배치될 수 있다. 상기 광학 필름(161)은 상기 자외선 파장에 의해 분자 간의 결합 파괴와 같은 손해가 없는 글래스 재질로 형성될 수 있다. 이러한 발광 소자(100)의 구성은 상기에 개시된 실시 예의 설명을 참조하기로 한다.
상기 회로 기판(201)은 복수의 본딩 패드(204,205)를 포함하며, 상기 복수의 본딩 패드(204,205)는 상기 몸체(110)의 하면에 배치된 제1 및 제2패드(141,143)와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 회로 기판(201)은 외부 연결 단자(207,208)를 통해 신호 케이블(211,213)로 연결될 수 있으며, 상기 신호 케이블(211,213)은 외부로부터 전원을 공급하게 된다.
상기 방습 필름(175)은 발광 소자(100)의 상면 및 측면과 상기 회로 기판(201)의 상면에 배치된다. 상기 방습 필름(175)은 상기 발광 소자(100)의 광학 필름(161)의 상면, 상기 몸체(110)의 상면 및 측면에 배치된다. 상기 방습 필름(175)의 연장부(71)는 상기 몸체(110)의 측면부터 상기 회로 기판(201)의 상면까지 연장되어 배치된다.
상기 방습 필름(175)은 불소 수지계 재료로서, 상기 발광 다이오드(131)으로부터 방출된 광에 의해 파괴되지 않고 상기 광을 투과시켜 줄 수 있다. 이러한 방습 필름(175)은 PCTFE (Polychlorotrifluoroethylene), ETFE (Ethylene + Tetrafluoroethylene), FEP (Fluorinated ethylene propylene copoly-mer), PFA (Perfluoroalkoxy) 중 적어도 하나로 사용될 수 있다. 여기서, 자외선 파장에서의 투과율은 PCTFE, ETFE, FEP, PFA의 순으로 투과율이 높게 되며, 자외선 파장에서의 습기 흡수율을 보면, PCTFE, FEP, PFA의 순으로 높게 된다. 실시 예는 PCTFE, FEP, PFA 중 적어도 하나를 사용하여 방습 층으로 사용할 수 있다.
상기 방습 필름(175)은 회로기판(201)으로 침투하는 수분 또는 습기뿐만 아니라, 상기 발광 소자(100)의 측면 및 상면을 통해 침투하는 수분 또는 습기를 차단할 수 있다. 상기 방습 필름(175)의 두께는 0.5㎛-10㎛ 범위로 형성될 수 있으며, 상기 방습층(175)의 두께가 상기의 범위를 초과하면 광 투과율이 현저하게 저하되며, 상기 범위의 미만이면 내습성이 떨어진다.
다른 예로서, 상기 발광 소자(100)의 하면과 상기 회로 기판(201) 사이의 영역에 방습 재료가 배치될 수 있다. 여기서, 상기 방습 재료는 상기 회로 기판(201)의 본딩 패드(204,205)의 표면에도 형성될 수 있다. 이러한 방습 재료는 상기 발광 소자(100)의 하면과 상기 회로 기판(201) 사이의 영역에서 수분 또는 습기 침투를 차단할 수 있다.
상기 방습 필름(175)은 상기 외부 연결 단자(207,208)와 신호 케이블(211,213)의 본딩 영역으로부터 이격될 수 있다. 다른 예로서, 상기 방습 필름(175)은 상기 외부 연결 단자(207,208)를 커버할 수 있다. 이 경우 방습 필름(175)은 외부 연결 단자(207,208)를 통한 수분 또는 습기 침투를 방지할 수 있다.
다른 예로서, 발광 다이오드(131)의 상면 및 리세스(111)의 바닥에 방습층(미도시)이 배치되어, 상기 발광 다이오드(131)을 수분 또는 습기로부터 보호하게 된다.
이러한 방습 재료는 불소를 포함할 수 있다. 상기 불소는 탄소와 화학 결합력이 강하고 자외선에 의한 분자 간의 결합 파괴는 발생되지 않는다. 이러한 방습 재료는 불소 수지계 층으로 정의할 수 있으며, 그 분자쇄는 나선형 구조로서, 분자쇄의 구조가 3차원적인 나선형 구조로 되어 있어, 탄소-탄소 결합의 주변을 불소 원자가 틈이 없게 막아주고 있어, 자외선 및 산소 등의 침입에 의한 분자쇄의 파괴를 보호하고 있다.
실시 예에 따른 발광 소자 및 이를 구비한 광원 유닛은 냉장고의 실내기, 증발기, 응축수의 살균 장치로 사용될 수 있으며, 또한 에어 워셔(air washer)와 같은 기기 내에서의 살균 장치, 정수기의 저수기의 저수조 및 토출수의 살균 장치, 변기 내에서의 살균 장치로 사용될 수 있다. 이러한 살균 장치는 상기에 개시된 방습 필름을 선택적으로 포함할 수 있다. 또는 실시 예에 따른 발광 소자는 노광기 또는 경화기의 UV 램프에 적용될 수 있다.
이상에서 실시 예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 몸체 111: 리세스
115: 단차 구조 116: 측면
121,123: 전극 131: 발광 다이오드
141,143: 패드 161: 광학 필름
175: 방습 필름 201: 회로 기판
200: 발광 모듈

Claims (9)

  1. 상부가 개방된 리세스를 갖는 몸체;
    상기 리세스의 바닥에 배치된 복수의 전극;
    상기 리세스 상에 배치된 광학 필름; 및
    상기 복수의 전극 중 적어도 하나의 위에 배치된 발광 다이오드를 포함하는 발광 소자에 있어서,
    상기 리세스의 측면은 발광 다이오드의 광 축에 대해 제1각도로 경사지며,
    상기 발광 다이오드와 상기 리세스의 측면 하단 사이의 최소 거리의 값과 상기 제1각도에 대한 탄젠트 값의 곱이 0.21 내지 0.42(mm)의 범위를 가지며,
    상기 리세스의 측면 하단과 상기 발광 다이오드의 측면까지의 최소 거리는 1mm 이하이며,
    상기 발광 다이오드는 자외선 파장의 광을 발광하며,
    상기 몸체는 상부 둘레에 상기 광학 필름의 둘레가 배치된 단차 구조를 포함하며,
    상기 몸체의 상기 리세스의 깊이는 2mm±0.3mm 범위이며, 상기 리세스의 깊이는 상기 몸체에서 상기 단차 구조의 깊이를 제외한 깊이이고,
    상기 발광 다이오드와 상기 리세스의 측면 간의 최소 거리는 0.3mm 내지 1mm의 범위를 가지며,
    상기 발광 소자로부터 방출된 광의 중심 광도(0도, E0)는 ±15도에서의 주변 광도(E1)와 ±30에서의 주변 광도(E2)보다 크고, 광 효율이 70%이상이며,
    상기 중심 광도(E0)와 ±15도에서의 주변 광도(E1)와의 비율 및 상기 중심 광도(E0)와 ±30도에서의 주변 광도(E2)와의 비율이 1이상인 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 몸체는 세라믹 물질을 포함하며,
    상기 측면에 배치된 정반사 재질이 금속 반사층을 포함하는 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1각도는 20도 내지 40도의 범위를 갖는 발광 소자.
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