KR20020029611A - 발광 디바이스 및 발광 반도체 디바이스 상에 형광 층을형성하는 방법 및 형광 스텐실링 합성물 - Google Patents

발광 디바이스 및 발광 반도체 디바이스 상에 형광 층을형성하는 방법 및 형광 스텐실링 합성물 Download PDF

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Abstract

발광 반도체 디바이스 상에 형광 층을 형성하는 방법은 기판 상에 배치된 발광 반도체 디바이스가 스텐실 내의 개구에 위치되도록 기판 상에 스텐실을 위치시키는 단계와, 상기 개구 내에 형광 물질을 포함하는 스텐실링 합성물을 증착시키는 단계와, 상기 스텐실을 상기 기판으로부터 제거하는 단계와, 상기 스텐실링 합성물을 고체 상태로 경화시키는 단계를 포함한다. 결과적인 발광 반도체 디바이스는 활성 영역을 포함하는 반도체 층을 포함하는 층의 스택 및 상기 스택의 적어도 일부 주위에 배치된 실질적으로 균일한 두께를 갖는 형광 물질을 포함하는 층을 포함한다. 상기 스택에 인접하지 않는 상기 발광 물질을 포함하는 층의 표면은 상기 스택의 형상에 실질적으로 일치한다. 일 실시예에서, 발광 반도체 디바이스는 균일한 백색 공간 프로파일로 백색 광을 방출한다.

Description

발광 디바이스 및 발광 반도체 디바이스 상에 형광 층을 형성하는 방법 및 형광 스텐실링 합성물{STENCILING PHOSPHOR LAYERS ON LIGHT EMITTING DIODES}
본 발명은 전반적으로 발광 다이오드 디바이스에 관한 것이며, 특히 형광체(phospors)를 사용하는 발광 다이오드에 관한 것이다.
청색(blue) 발광 다이오드(LED)는 백색 광을 분명하게 방출하는 발광 디바이스를 생성하는 형광 물질(luminescent materials)(형광체)과 함께 사용된다. 가령 미국 특허 5,813,753 및 5,998,925는 청색 LED가 반사성 컵(a reflective cup)으로 배치되며 형광체를 포함하는 물질에 의해 둘러싸인 발광 디바이스를 개시한다. LED에 의해 방출되는 청색 광의 일부는 형광체에 의해 흡수되며, 형광체는 이에 대한 반응으로 적색(red)와 녹색(green) 광을 방출한다. LED에 의해 방출된 흡수되지 않는 청색 광과 형광체 의해 방출된 적색 및 녹색 광의 결합은 인간의 눈에 백색으로 보일 수 있다. 공교롭게도, 그러한 통상적인 형광체로 둘러싸인 LED는 균일한 백색 광 공간 프로파일(a uniformly white spatial profile)로 광을 방출하기 보다는 종종 황색(yellow) 및 청색 광의 환형 링(annular rings)에 의해 둘러싸인 중앙 코운(a central cone)으로 백색 광을 방출한다.
본 명세서에서 참조로서 인용되는 로워리에 의해 미국 특허 5,959,316는 그러한 청색 및 황색 광의 환형 링은 LED를 둘러싸는 형광체를 포함하는 물질의 두께가 일정하지 않아서 결과적으로 청색 광의 흡수 및 적색 및 녹색 광의 방출이 공간적으로 균일하지 않아서 발생한다는 사실을 개시한다. 특히, 형광체를 포함하는 물질의 두꺼운 영역은 형광체를 포함하는 물질의 얇은 영역보다 청색 광을 많이 흡수하고 적색 및 녹색 광을 많이 방출한다. 그러므로, 두꺼운 영역은 황색으로 보일 경향이 있으며 얇은 영역은 청색 광으로 보일 경향이 있다. 또한 로워리는 형광체를 포함하는 물질을 균일한 두께로 증착하기 이전에 LED 상과 그 주위에 투명 스페이서(a transparent spacer)를 증착함으로써 방출 프로파일에서 환형 링을 제거할 수 있다는 사실도 개시한다. 그러나, 표면 장력이 통상적으로 액체 또는 페이스트(paste)(액체 내에 분산된(dispersed) 고체)로 증착되는 형광체를 포함하는 물질의 형상 및 두께를 제어하기 어렵게 만든다.
형광체를 포함하는 물질로 LED를 균일하게 코팅하는 방법이 필요하다.
발광 반도체 디바이스 상에 형광 층을 형성하는 방법은 기판 상에 배치된 발광 반도체 디바이스가 스텐실(stencil) 내의 개구 내에 위치하도록 기판 상에 스텐실을 위치시키는 단계와, 개구 내에 형광 물질을 포함하는 스텐실링 합성물(a stenciling composition)을 증착하는 단계와, 스텐실을 기판으로부터 제거하는 단계와, 스텐실링 합성물을 고체 상태로 경화시키는(curing) 단계를 포함한다. 일실시예에서, 스텐실 내의 개구의 형상은 실질적으로 발광 반도체 디바이스의 형상과 일치하며, 개구의 깊이는 발광 반도체 디바이스의 높이 및 형광 층의 두께의 합과 대략적으로 같으며, 개구의 폭은 발광 반도체 디바이스의 폭과 형광 층의 두께의 2 배의 합과 대략적으로 같다.
일 실시예에서, 스텐실은 기판 상에 배치된 다수의 발광 반도체 디바이스 각기 하나가 스텐실 내의 다수의 개구 중 대응하는 각기 하나 내에 배치되도록 배치된다. 스텐실링 합성물은 각각의 개구 내에 증착된다.
형광 층은 기판의 인접하는 지역을 오염시키지 않으며 가령 기판 전기 컨택트와 같은 부분을 완전하게 피복하지 않고 발광 반도체 디바이스 상에 형성된다. 그러므로, 그러한 컨택트의 와어어 본딩(wire bonding)은 형광 층의 형성 다음에 발생할 것이다. 또한, 다수의 발광 디바이스가 단일 기판 상에 배치될 수 있으며 동시에 형광 물질을 포함하는 층으로 스텐실될 수 있기 때문에, 이러한 방법은 높은 생산량을 낳게 되며 이로써 비용면에서 효율적이다.
일 실시예에서, 형광 스텐실링 합성물은 열 및 광에 의해 경화될 수 있는 광학적으로 투명한 실리콘 고분자 내에 분산된 형광체 입자 및 실리카 입자를 포함한다. 바람직하게는, 경화되지 않은 실리콘 고분자는 약 1000 센티스토크(centistokes)와 20000 센티스토크 사이의 점성을 가지며, 실리카 입자는 약 90 m2/g 보다 큰 단위 질량 당 면적을 갖는 연무된 실리카 입자(fumed silica particles)이다. 이 실시예에서 사용되는 실리카 입자는 딕소트로픽성질(thixotropic properties)을 형광 스텐실링 합성물(luminescent stenciling compostion)에 부여한다. 이로써, 경화되지 않은 형광 스텐실링 합성물로부터 형성된 층은 스텐실링 후에도 붕괴되거나 푹 꺼지지 않고 그의 형상을 유지한다. 일단 고체 상태로 경화되면, 형광 스텐실링 합성물로부터 형성된 층은 그것이 형성되는 발광 반도체 디바이스의 후속 프로세싱을 견디기에 충분한 강도를 보인다. 또한, 이 실시예에 따라 형성된 형광 스텐실링 합성물의 경화된 층은 120oC 초과의 온도에서도 화학적으로 물리적으로 안정하다. 특히, 형광 스텐실링 합성물의 경화된 층은 약 120oC 및 약 200oC 간의 온도에 연장된 노출 동안에도 황색화되지 않는다.
결과적으로, 발광 디바이스는 활성 영역을 포함하는 반도체 층을 포함하는 층의 스택 및 상기 스택의 적어도 일부 주위에 배치되는 실질적으로 균일한 두께를 갖는 형광 물질을 포함하는 층을 포함한다. 스택에 인접하지 않은 형광 물질을 포함하는 층의 표면은 스택의 형상과 실질적으로 일치한다. 일 실시예에서, 또한, 발광 디바이스는 형광 물질을 포함하는 층 및 스택 간에 배치된 광학적으로 투명한 층을 포함한다.
일 실시예에서, 활성 영역은 청색 광을 방출하며, 발광 물질을 포함하는 층은 백색 광을 생성하기 위해 청색 광의 일부를 청색 광의 잔여 부분과 함께 결합될 수 있는 광으로 변환시키는 형광체를 포함한다. 이 실시예에서, 발광 디바이스는 균일한 백색 공간 프로파일로 백색 광을 방출한다. 특히, 통상적으로 형광체로둘러싸인 백색 광 디바이스의 황색 및 청색 환형 링은 제거된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기판 및 대응하는 스텐실(stencil) 상에 배치된 발광 다이오드의 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 형광체를 포함하는 물질로 스텐실되는 발광 디바이스의 도면,
도 3a-3c는 본 발명의 실시예에 따른 스텐실링 프로세스의 세 단계에 대응하는 기판 상에 배치된 발광 다이오드의 측면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 형광체를 포함하는 층을 갖는 발광 다이오드의 도면,
도 5는 스텐실된 형광체를 포함하는 층의 전형적인 측정된 프로파일과 기판 상에 실장된 전형적으로 배향된 플립 칩 기하구조 발광 다이오드의 프로파일의 중첩을 도시한 도면,
도 6은 본 발명에 실시예에 따른 광학적으로 투명한 층과 형광체를 포함하는 층을 갖는 발광 다이오드의 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
2A-2F : LED6 : 스텐실
8A-8F : 개구30A-30C : 형광체 층
본 발명의 일 실시예에 따르면, 형광체를 포함하는 물질은 발광 다이오드(LED) 상으로 스텐실된다. 도 1를 참조하면, 일 실시예에서, LED(2A-2F)는 기판(4)의 상부 표면(3) 상에 소정의 패턴으로 배치된다. 도시를 명료하게 하기 위해 6 개의 LED가 도 1에서 도시되었지만, 6 개 보다 많은 또는 적은 LED가 기판(4)에 배치될 수 있다. 스텐실(6)은 상부 표면(5), 기저부 표면(7), 스텐실(6)을 통과하며 형상 면에서 LED(2A-2F)에 대응하는 개구(8A-8F)를 포함한다. 일 실시예에서, 개구(8A-8F)는 기판(4) 상의 LED(2A-2F) 패턴에 대응하는 패턴으로 스텐실(6) 내에 분배된다. 다른 실시예에서, 스텐실(6) 내의 개구의 수는 기판(4) 상의 LED의 수보다 많으며, 스텐실(6) 내의 개구의 서브세트가 LED(2A-2F)의 패턴에 대응하는 패턴으로 분배된다. 가령, 스텐실(6)은 스테인레스 강철판으로부터 형성된다. 그의 평면에 수직인 방향으로 측정된 스텐실(6)의 두께(개구(8A-8F)의 깊이)는 기판(4)에 수직인 방향으로 측정된 LED(2A-2F)의 높이와 LED(2A-2F) 상에 배치된 형광체를 포함하는 물질의 대략적인 바람직한 두께의 합과 동일하다. 마찬가지로, 개구(8A-8F)의 길이 또는 폭은 LED(2A-2F)의 길이 및 폭과 LED(2A-2F) 주위에 배치된 형광체를 포함하는 물질의 대략적인 바람직한 두께의 2 배의 합과 동일하다.
일 실시예에서, LED(2A-2F)는 도 2에서 도시된 LED(2A)와 같은 플립-칩 기하구조 LED이다. 다양한 도면에서의 유사한 참조 부호는 다양한 실시예에서 동일한 부분을 의미한다. LED(2A)는 제 1 도전성 타입의 제 1 반도체 층(10) 및 제 2 도전성 타입의 제 2 반도체 층(12)을 포함한다. 반도체 층(10,12)은 활성 영역(14)에 전기적으로 접속된다. 가령, 활성 영역(14)은 층(10,12)의 계면과 연관된 P-N 접합이다. 이와 달리, 활성 영역(14)은 N 타입 또는 P 타입으로 도핑된 또는 도핑되지 않은 하나 또는 그 이상의 반도체 층을 포함한다. 선택사양적 투명 기판(16)이 반도체 층(10) 상에 배치된다. 컨택트(18,20)가 각기 반도체 층(10,12)에 전기적으로 접속된다. 활성 영역(14)은 컨택트(18,20) 양단에 적당한 전압을 인가 시에 광을 방출한다. 상호접속부(22,24)는 컨택트(18,20)를 각기 기판 컨택트(26,28)에 전기적으로 접속시킨다.
일 실시예에서, 반도체 층(10,12) 및 활성 영역(14)은 AlxInyGa1-xN 합성물과 같은 Ⅲ 질화물 합성물로부터 형성되고, 활성 영역(14)은 가령 470nm 의 파장에서 청색 광을 방출한다. 선택사양적 투명 기판(16)은 가령 사파이어 또는 실리콘 카바이드로부터 형성된다. 기판(4)은 가령 실리콘을 포함한다.
도 2는 특정한 LED 구조를 도시하지만, 본 발명은 LED(2A) 내의 반도체 층의수에 의존하지 않으며 활성 영역(14)의 세부적인 구조에도 의존하지 않는다. 다양한 도면에서 도시된 LED(2A)의 다양한 요소의 크기는 실제 축척이 아니다.
플립 칩 기하구조 LED와 대조적으로, 통상적인 기하구조 LED는 통상적으로 기판으로부터 떨어져 대면하고 있는 LED의 표면(상부 표면) 상의 전극을 기판 상의컨택트로 전기적으로 접속시키는 하나 또는 그 이상의 와이어본드를 갖는다. 통상적으로 부서지기 쉬운 이들 와이어본드는 LED의 상부 표면으로의 접근을 방해한다. 형광체를 포함하는 물질이 본 발명에 따른 그러한 통상적인 기하구조 발광 다이오드 상으로 스텐실될 수 있다고 하여도 와이어본드를 손상시키는 것을 피하기 위해 주의가 요해진다. 도 2에서 도시된 LED(2A)와 같은 플립 칩 기하구조 LED는 그들의 상부 표면으로의 그러한 와이어본드 접속이 없기 때문에, 그들은 형광체를 포함하는 물질로 보다 쉽게 스텐실될 수 있다.
도 1를 참조하면, 스텐실(6)은, 개구(8A-8F)가 LED(2A-2F)와 정렬되며, 스텐실(6)의 기저부 표면(7)은 기판(4)의 상부 표면(3)과 접촉하도록, 기판(4)상에 배치된다. 도 3a에서 도시된 기판(4) 상에 배치된 스텐실(6)의 측면도에서 도시된바처럼, 가령, LED(2A-2C)는 스텐실(6) 내의 대응하는 개구(8A-8C)의 대략적으로 중앙에 위치한다. 다음에, 하기에 기술될 형광체를 포함하는 스텐실링 합성물과 같은 경화될 수 있는 형광 스텐실링 합성물이 스텐실(6) 내의 개구(8A-8C) 내에 배치된다. 일 실시예에서, 스텐실링 합성물은 표면(5)을 가로질러 그어진 금속 블레이드(a metal blade)와 함께 스텐실(6)의 개구(8A-8B) 내에 배치된다. 다음에, 스텐실(6)은 기판(4)으로부터 제거되어, 도 3b 및 도 3c에서 도시된, LED(2A-2F) 상 및 그 주위에 배치된 형광체 층(30A-30C)과 같은 스텐실된 형광체 층을 남기게 된다.
일 실시예에서, 기판(4) 상에 스텐실(6)을 위치시키는 단계와, LED(2A-2F) 상의 형광체 층(30A-30C)과 같은 형광체 층을 형성하기 위해 표면(5) 상 및개구(8A-8F) 내에 형광 스텐실링 합성물을 배치시키는 단계와, 기판(4)으로부터 스텐실(6)을 제거하는 단계는 인쇄 회로 기판 상에 땜납 페이스트(solder paste)를 스텐실하기 위해 통상적으로 사용되는 통상적인 고 정밀도 스텐실링 머신에 의해 수행된다. 가령, 스텐실링 머신은 Massachusetts, MPM Corportation of Franklin의해 제조된 Ultraprint 1500이다.
스텐실(6)이 기판(4)으로부터 제거된 후에, LED(2A-2F) 상의 형광체 층은 가령 열을 가하거나 자외선 방사에 의해 고체 상태로 경화된다. 경화 프로세스는 가령 형광체 층 내의 고분자 물질의 교차 결합(cross-linking)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 가령 LED(2A-2C)는 형광체 층(30A-30C)을 경화하기 위해 통상적인 오븐(oven)에서 약 10 분 동안 약 100℃로 가열된다.
가령, 일 실시예에 따른 형광체 층(30A)을 갖는 결과적인 LED(2A)는 도 4에서 도시된다. 형광체 층(30A)은 상부 표면(32) 상 및 LED(2A)의 수직 측부(34,36)에 인접하는 실질적으로 균일한 두께를 갖는다. 또한, 상부 표면(38) 및 형광체 층(30A)의 수직 측부 표면(40,42)는 실질적으로 각기 상부 표면(32) 및 수직 측부 표면(34,36)과 평행하다. 그러므로, 표면(38,40,42)과 같은 형광체 층(30A)의 외부 표면은 실질적으로 LED(2A)의 형상과 일치한다. 형광체 층(30A)의 크기는 A 및 B 모두가 약 50 ㎛ 내지 약 250 ㎛ 의 범위임을 암시한다.
LED(2A-2F) 상의 형광체 층이 경화된 후에, LED(2A-2F)을 개별 디바이스(다이)로 분리하기 위해 기판(4)이 잘라지거나 스크라이빙된다(scribed).
일 실시예에서, 실질적으로 균일한 두께의 대응하는 형광체 층(30A-30F)을갖는 LED(2A-2F)는 균일한 백색 공간 프로파일로 광을 방출한다. 특히, 통상적으로 형광체로 둘러싸인 백색 광 디바이스의 황색 및 청색 환형 링은 제거된다. 게다가, 형광체 층(30A-30F)은 기판(4)의 인접하는 영역을 오염시키지 않고 LED(2A)의 컨택트(26,28)와 같은 기판 컨택트를 완전히 피복하지 않고 LED(2A-2F) 상에 배치될 수 있다. 그러므로, 가령 컨택트(26,28)에 대한 와어어 본딩은 형광 층의 형성 다음에 발생할 것이다. 또한, 다수의 발광 디바이스가 단일 기판 상에 배치될 수 있으며 동시에 형광 물질을 포함하는 층으로 스텐실될 수 있기 때문에, 이와 같은 스텐실링 방법은 높은 생산량을 낳게 되며 효율적인 프로세스를 낳는다.
LED(2A-2F) 상의 형광체 층은 경화될 때 까지 붕괴되거나 움폭 꺼지는 것이 없이 그들의 스텐실 형상을 실질적으로 유지해야 한다. 또한, 형광체 층은 120℃를 초과하는 작업 온도를 그들이 화학적 또흔 물리적 성질이 변화되지 않고 오래 기간 동안 견디어야 한다. 가령, 에폭시, 우레탄, 유사 유기 수지(organic resins)는 약 120℃를 초과하는 온도에서 그들은 산화되거나 황색화 되기 때문에 형광체 층 내에서 사용되기에는 적합하지 않다. 황색 유기 수지는 LED로부터 방출된 청색 광을 흡수하여 디바이스의 성능을 저하시킨다. 가령, 백색 광을 방출하는 디바이스의 분명한 색깔은 유기 수지가 산화될 때에 황색을 향해 전위하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따라 사용되기에 적합한 형광 스텐실링 합성물은 다음과 같이 준비된다. 먼저, 형광체 분말이 통상적인 경화가능한 실리콘 폴리머 합성물과 함께 혼합된다. 경화가능한 실리콘 폴리머 합성물은 교번하는(alternating) 실리콘 및 산소 원자를 포함하는 화학 구조를 갖는 적어도하나의 폴리머(실리콘 폴리머)를 포함하고, 실리콘 폴리머 또는 광고분자화 개시자(a photopolymerization initiator)의 교차 결합을 촉진하는 촉매와 같은 경화 작용제(a curing agent)를 선택사양적으로 포함한다. 경화가능한 실리콘 폴리머 합성물은 바람직하게는 실질적으로 약 400 nm 내지 약 600 nm 의 광의 파장에 대해 비흡수적이며 비산란적(nonscattering)이다(광학적으로 투명하다). 경화되지 않은 스텐실링 합성물은 그것이 경화되기까지 그의 스텐실된 형상을 유지해야 한다면, 그리고 형광체 입자는 침전 상태가 되기 보다는 현탁액(suspension) 상태로 유지되어야 한다면, 약 1000 센티스토크보다 큰 점성을 가져야 하나, 그것이 쉽게 스텐실되어야 한다면, 약 20,000 센티스토크보다 작아야 한다. 결과적으로, 경화가능한 실리콘 폴리머 합성물은 바람직하게는 경화 전에는 약 1000 센티스토크 내지 약 20,000 센티스토크의 점성을 가져야 한다. 또한, 경화가능한 실리콘 폴리머 합성물은 광이 LED 및 형광체 입자에서 나와 스텐실링 합성물로 결합되는 효율성을 증가시키기 위해 바람직하게는 약 1.45보다 큰 굴절율을 가져야 한다. 또한, 경화가능한 실리콘 폴리머 합성물은 바람직하게는 가령 가열 또는 자외선 광에 노출에 의해 고체 상태로 경화될 때까지 실온에서 액체로 안정하게 존재해야 한다.
적당한 경화가능한 실리콘 폴리머 합성물들이 상업적으로 입수가능하다. 일 실시예에서, 경화가능한 실리콘 폴리머 합성물은 Nye Lubricants,Inc.of Fairhaven, Massachusetts로부터 입수가능한, 약 1300 센티스토크의 점성을 갖고, 실온에서 약 2 주 내에 그리고 약 100℃에서는 약 10 분 내에 경화되는 통상적인 두 부분 열적으로 경화가능한 실리콘 폴리머 합성물(a conventional two partsthermally curable silicone polymer composition)이다.
일 실시예에서, 통상적인 경화가능한 실리콘 합성물과 함께 혼합되는 형광체 분말은 Phosphor Technology Ltd.,Nazeing,Essex,England로부터의 제품 번호 QUMK58/F로 입수가능한 (Y,Gd)3Al5O12:Ce(가돌리늄 및 세륨 도핑된 이트륨 알루미늄 가닛(garnet)) 입자의 분말이다. 이 형광체 물질의 입자는 약 1㎛ 내지 약 5 ㎛ 의 통상적인 직경을 갖고, 약 510 nm 내지 약 610 nm 의 넓은 밴드로 광을 방출한다. 스텐실된 형광체 층을 갖는 LED에 의해 방출된 광의 색깔은 부분적으로 형광 스텐실링 합성물 내의 형광체 입자의 농도에 의해 결정된다. 통상적으로, 형광체 입자는 100 그램의 실리콘 폴리머 합성물 당 약 20 그램의 형광체 입자 내지 약 100 그램의 실리콘 폴리머 합성물 당 약 120 그램의 형광체 입자의 농도 범위로 경화가능한 실리콘 폴리머 합성물과 혼합된다.
일 실시예에서, 또한, 티타늄 이산화물 입자가 100 그램의 실리콘 폴리머 합성물 당 약 1.5 그램의 티타늄 이산화물 내지 100 그램의 실리콘 폴리머 합성물 당 약 5.0 그램의 티타늄 이산화물의 농도 범위로 실리콘 폴리머 합성물 내에 분산된다. 형광체 입자의 크기와 대략적으로 같은 크기를 갖는 티타늄 이산화물 입자는 활성 영역(14)에 의해 방출되는 광의 산란을 증가시켜, 형광체 입자에 의해 그 광의 흡수를 증가시킨다. 그러나, LED의 전체 변환 효율(overall conversion efficiency)은 티타늄 산화물 농도가 증가함에 따라 감소된다.
다음에, 형광체 입자 및 선택사양적 이산화물 입자가 경화가능한 실리콘 합성물과 혼합된 후에, 미세하게 분할된 실리카 입자가 딕소트로픽 젤을 형성하기 위해 혼합물 내에서 분산된다. 딕소트로픽 젤은 딕소트로픽, 즉 전단 응력을 받았을 때 점성의 확연한 하강과 전단 응력이 제거될 때 본래의 점성 레벨로의 복귀를 나타낸다. 결과적으로, 딕소트로픽 젤은 흔들어지고 뒤섞이거나 이와 달리 교란되어질(disturbed) 때 액체처럼 행동하고, 부동 시에는 다시 젤로 고정된다. 그러므로, 본 발명의 일 실시예에 따라 준비된 형광 스텐실링 합성물은 그것이 LED 상으로 스텐실될 때에는 액체처럼 행동하나, 교란되지 않는다면 스텐실이 제거된 후에 그의 형상을 유지하는 형광체를 포함하는 층을 LED 상에 형성한다.
일 실시예에서, 실리카 입자는 연무된 실리카의 입자, 수소-산소 노(a hydrogen-oxygen furnace)에서 클로로실란(chlorosilanes)의 연소에 의해 만들어지는 콜로이드 형태의 실리카이다. 연무된 실리카는 120℃를 이상의 온도에서도 화학적으로 물리적으로 안정하며, 가시 광선이 통과하며, 비교적 낮은 농도에서의 형광 스텐실링 합성물에 만족할만한 딕소트래픽 성질을 부여한다. 사용된 연무된 실리카의 그레이드(grade)는 비극성 물질과도 양립할 수 있도록 선택된다. 일 실시예에서, 연무된 실리카는 Cabot Corporation of Boston, Massachusetts로부터 얻어진 M-5P 그레이드 CAB-O-SIL?비처리된 비정질 연무된 실리카이다. 이 그레이드의 실리카는 소수성(hydrophobic)이며 200 ±15 m2/g 의 단위 질량 당 평균 표면적을 갖는다. M-5P 그레이드 실리카 입자는 통상적인 세 개의 롤 밀(roll mill)에 의한 100 그램의 실리콘 폴리머 합성물 당 약 1.5 그램의 연무된 실리카 내지 약100 그램의 실리콘 폴리머 합성물 당 약 4.5 그램의 연무된 실리카의 농도 범위의 형광체 입자와 실리콘 폴리머 합성물의 혼합물 내에서 분산된다. 연무된 실리카의 농도가 증가함에 따라, 스텐실링 합성물은 점점 더 딕소트로픽 즉 비교란된 젤과 같은 고체 상태로 된다.
다른 실시예는 200 ±15 m2/g 보다 크거나 또는 작은 단위 질량 당 표면적을 갖는 연무된 실리카를 사용한다. 고정된 농도를 갖는 연무된 실리카의 경우, 스텐실링 합성물은 연무된 실리카가의 단위 질량 당 표면적이 증가함에 따라 점점 더 딕소트로픽이 된다. 그러므로, 더 낮은 단위 질량 당 표면적을 갖는 연무된 실리카는 더 높은 농도로 사용되어야 한다. 낮은 단위 질량 당 표면적을 갖는 연무된 실리카의 요구되는 높은 농도는 점성이 너무 높아 쉽게 스텐실되는 스텐실링 합성물을 낳을 수 있다. 결과적으로, 연무된 실리카는 바람직하게는 약 90m2/g 보다 큰 단위 질량 당 표면적을 갖는다. 이와 반대로, 연무된 실리카의 단위 질량 당 표면적이 증가함에 따라, 연무된 실리카의 요구되는 농도는 감소하지만, 연무된 실리카는 실리콘 폴리머 합성물 내에서 분산되기가 점점 더 어려워진다.
도 5는 스텐실된 형광체를 포함하는 층(30A)의 전형적인 측정된 프로파일과 기판의 상부 표면(3) 상에 배치된 전형적인 배향된 플립 칩 기하구조 LED(2A)의 프로파일의 중첩을 도시한다. 편리함을 위해, 유사 참조 부호는 도 5의 측정된 프로파일 및 도 4의 도면에서 동일한 부분에 대해 사용된다. 도 5에서 도시된 형광체를 포함하는 층(30A)은 위에서 기술된 바처럼 약 1300 센티스토크의 점성을 갖는경화가능한 실리콘 폴리머 합성물과, 100 그램의 실리콘 폴리머 합성물 당 약 70 그램의 형광체 입자의 농도의 (Y,Gd)3Al5O12:Ce 형광체 입자와, 100 그램의 실리콘 폴리머 합성물 당 약 3.5 그램의 연무된 실리카 입자의 농도의 200 ±15 m2/g 의 단위 질량 당 표면적을 갖는 연무된 실리카 입자를 포함하는 형광 스텐실링 합성물로 형성된다. 형광체 층(30A)의 프로파일은 통상적인 툴 제조자의 현미경를 사용하여 측정된다. LED(2A)의 전형적 배향은 통상적인 프로파일미터기로 통상적으로 실리콘 기판 상에 실장된 몇몇의 비코팅된 LED의 프로파일을 측정함에 의해 확립된다.
도 4의 도면에서처럼, 도 5에서의 형광체 층(30A)은 실질적으로 균일한 두께이며, 실질적으로 LED(2A)의 형상에 일치한다. 특히, 형광체 층(30A)의 상부 및 측부 표면(38,40,42)은 실질적으로 각기 LED(2A)의 상부 및 측부 표면(32,34,36)에 평행이다. 또한, 도 5에서의 형광체 층(30A)은 스텐실이 제거될 때 또는 후에 그러나 형광 스텐실링 합성물이 경화되기 전에 형성되는 돌출부(bulge)(44)와 테일(46)을 나타낸다. 대문자 A-E로 표시된 수치는 A는 90㎛, B는 60㎛, C는 30㎛,D는 80㎛, E는 1.31 mm 이다. 수치 A-E는 통상적으로 ±5% 까지 재현가능(reproductible)하다. 스텐실링 프로세스가 자동 패턴 인식 소프트웨어가 있는 스텐실링 머신에 의해 구현된다면, 수치 B는 ±2% , 전체적으로 ±12㎛ 까지 재현가능하다.
도 5에서 도시된 형광체 층(30A)이 형성되는 스텐실링 합성물에서 사용되는연무된 실리카의 농도 및 그레이드는 돌출부(44) 및 테일(46)을 최소화하도록 선택된다. 스텐실링 합성물 내의 연무된 실리카의 농도가 증가된다면, 돌출부(44)의 높이는 증가하며, 테일(46)의 길이는 감소한다. 이와 달리, 연무된 실리카의 농도가 감소된다면, 돌출부(44)의 높이는 감소하고, 테일(46)의 길이는 증가하며, 형광체 층(30A)의 측부(40,42)가 푹 꺼지게 되어 수치 B가 기판(4) 근처에서보다 LED(2A)의 상부(32) 근처에서 휠씬 작아지며, 수치 A는 상부(32)의 중앙 근처에서보다 상부(32)의 에지 근처에서 휠씬 작아진다.
도 6를 참조하면, 다른 실시예에서, 광학적으로 투명한 층(48)이 가령 스텐실된 형광체를 포함하는 층(30A)을 증착하기 이전에 LED(2A)의 상 및 그 주위에 증착된다. 일 실시예에서, 광학적으로 투명한 층(48)은 광학적으로 투명한 스텐실링 합성물로부터 상술된 스텐실링 프로세스를 사용하여 형성된다. 적당한 광학적으로 투명한 스텐실링 합성물은 필수적으로 상술된 형광 스텐실링 합성물과 같은 방식으로 그러나 형광체 입자를 추가하는 것 없이 준비된다. 광학적으로 투명한 층(48)은 약 45㎛ 내지 약 80㎛ 의 두께를 갖는다. 광학적으로 투명한 층(48) 및 형광체를 포함하는 층(30A) 모두는 실질적으로 균일한 두께이며 실질적으로 LED(2A)의 형상과 일치한다.
본 발명은 특정한 실시예로 설명되었지만, 본 발명은 첨부된 청구 범위 내의 모든 변화 및 변경을 포함한다. 가령, 형광 스텐실링 합성물은 형광체 입자 대신 또는 형광체 입자에 추가하여 반도체 나노결정(nanocrystals) 및/또는 염료 분자(dye molecules)를 포함할 수 있다.
본 발명은 형광체를 포함하는 물질로 LED를 균일하게 코팅하는 방법을 제공함으로써, 형광체로 둘러싸인 백색 광 디바이스의 황색 및 청색 환형 링을 제거하는 효과를 갖는다.

Claims (24)

  1. 발광 디바이스에 있어서,
    활성 영역을 포함하는 반도체 층을 포함하는 층의 스택과,
    상기 스택의 적어도 일부 주위에 배치된 실질적으로 균일한 두께를 갖는 형광 물질을 포함하는 층을 포함하며,
    상기 스택에 인접하지 않는 상기 형광 물질을 포함하는 층의 표면은 상기 스택의 형상과 일치하는 발광 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 형광 물질을 포함하는 층은 적어도 하나의 실리콘 폴리머를 포함하는 발광 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 형광 물질을 포함하는 층은 실리카 입자를 포함하는 발광 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 실리카 입자는 연무된 실리카 입자(fumed silica particles)인 발광 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 형광 물질을 포함하는 층은 상기 활성 영역에 의해 방출된 파장의 광을 적어도 다른 파장으로 변환시키는 형광체를 포함하는 발광 디바이스.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 형광체는 가돌리늄(gadolinium) 및 세륨(cerium) 도핑된 이트륨 알루미늄 가닛(yttrium aluminium garnet)을 포함하는 발광 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성 영역은 청색 광을 방출하며, 상기 형광 물질을 포함하는 층은 상기 청색 광의 일부를 백색 광을 생성하기 위해 상기 청색 광의 잔여 부분과 함께 결합될 수 있는 광으로 변환시키는 형광체를 포함하는 발광 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 형광 물질을 포함하는 층과 상기 스택 간에 배치된 광학적으로 투명한 층을 더 포함하는 발광 디바이스.
  9. 발광 디바이스에 있어서,
    활성 영역을 포함하는 반도체 층을 포함하는 층의 스택과,
    상기 스택의 적어도 일부 주위에 배치된 실질적으로 균일한 두께를 갖는 형광 물질을 포함하는 층━상기 형광 물질을 포함하는 층은 실리콘 폴리머, 연무된 실리카, 형광체를 포함함━을 포함하되,
    상기 스택에 인접하지 않는 상기 형광 물질을 포함하는 층의 표면은 상기 스택의 형상과 일치하는 발광 디바이스.
  10. 발광 반도체 디바이스 상에 형광 층을 형성하는 방법에 있어서,
    기판 상에 배치된 발광 반도체 디바이스가 스텐실 내의 개구에 위치되도록 기판 상에 스텐실을 위치시키는 단계와,
    상기 개구 내에 형광 물질을 포함하는 스텐실링 합성물을 증착시키는 단계와,
    상기 스텐실을 상기 기판으로부터 제거하는 단계와,
    상기 스텐실링 합성물을 고체 상태로 경화시키는 단계를 포함하는 발광 반도체 디바이스 상에 형광 층을 형성하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 개구는 상기 발광 반도체 디바이스의 형상과 실질적으로 일치하는 발광 반도체 디바이스 상에 형광 층을 형성하는 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 개구의 깊이는 상기 발광 반도체 디바이스의 높이와 상기 형광 층의 두께의 합과 대략적으로 동일한 발광 반도체 디바이스 상에 형광 층을 형성하는 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 개구의 폭은 상기 발광 반도체 디바이스의 폭과 상기 형광 층의 두께의 2 배의 합과 대략적으로 동일한 발광 반도체 디바이스 상에 형광 층을 형성하는 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 스텐실링 합성물은 연무된 실리카 입자 및 적어도 하나의 실리콘 폴리머를 포함하는 발광 반도체 디바이스 상에 형광 층을 형성하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 연무된 실리카 입자는 약 90 m2/g 보다 큰 단위 질량 당 표면적의 비율을 갖는 발광 반도체 디바이스 상에 형광 층을 형성하는 방법.
  16. 상기 실리콘 폴리머는 약 1,000 센티스토크 내지 약 20,000 센티스토크의 점성을 갖는 발광 반도체 디바이스 상에 형광 층을 형성하는 방법.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 기판 상에 배치된 다수의 발광 반도체 디바이스 각 하나가 상기 스텐실 내의 다수의 개구의 대응하는 각 하나 내에 위치하도록 상기 스텐실을 배치하는 단계와,
    상기 개구의 각 하나 내에 상기 스텐실링 합성물을 증착시키는 단계를 더 포함하는 발광 반도체 디바이스 상에 형광 층을 형성하는 방법.
  18. 형광 스텐실링 합성물에 있어서,
    광학적으로 투명한 실리콘 폴리머와,
    형광체 입자와,
    실리카 입자를 포함하며,
    상기 형광체 입자 및 상기 실리카 입자는 상기 실리콘 폴리머 내에 분산되는 형광 스텐실링 합성물.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 실리콘 폴리머는 약 1,000 센트스토크 내지 약 20,000 센티스토크의 점성을 갖는 형광 스텐실링 합성물.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 형광체 입자의 중량 농도는 상기 실리콘 폴리머에 대해 약 1:5 내지 약 1:0.8 인 형광 스텐실링 합성물.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 형광체 입자는 가돌리늄 및 세륨 도핑된 이트륨 알루미늄 가닛을 포함하는 형광 스텐실링 합성물.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 실리카 입자는 연무된 실리카 입자인 형광 스텐실링 합성물.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 연무된 실리카 입자는 약 90 m2/g 보다 큰 단위 질량 당 표면적의 비율을 갖는 형광 스텐실링 합성물.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 연무된 실리카 입자의 중량 농도는 상기 실리콘 폴리머에 대해 약 1:70 내지 약 1:20 인 형광 스텐실링 합성물.
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