KR20080003876A - 발광 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적어도 하나의 발광 다이오드(LED) 칩(12), 및 본드(16)에 의해 칩(들)에 접속되는 무기 광 소자(14)를 포함하는 발광 장치에 관한 것이다. 발광 장치는 본드가 매트릭스를 포함하는 결합 물질로 이루어지는데, 이 매트릭스가 탄화수소 그룹들이 실리콘 원자들의 적어도 일부에 직접 결합되어 있는 실리콘 및 산소 원자들을 포함하는 것을 특징으로 한다. 그러한 무기-유기 결합 물질은 매우 높은 광 및 열 안정성을 갖는다. 결과적으로, 고 전력 및 고 루멘 LED 칩들이 배치될 수 있고, 이로 인해 고 휘도 발광 장치가 실현될 수 있다. 본 발명은 또한 그러한 발광 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
LED 칩, 본드, 무기 광 소자, 결합 물질, 전구체 물질, 졸-겔
Description
본 발명은 적어도 하나의 발광 다이오드(LED) 칩, 및 본드(bond)에 의해 칩(들)에 접속되는 무기 광 소자를 포함하는 발광 장치, 및 그러한 발광 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
LED를 사용할 때의 기술적인 도전과제는 충분한 효력을 갖는 발광 장치를 얻기 위해 LED 칩에 의해 발생된 광을 효율적으로 추출하는 것이다. 이와 관련하여 종래의 방법은 일차 추출 광학계, 즉 LED 칩 상에 제공된 광 돔(dome)의 사용을 수반하는데, 이 광 돔은 그들의 굴절 특성에 기초하여 광을 추출한다. 이들 광 돔의 물질은 종종 실리콘 및 (PMMA와 같은) 폴리머에 기초하고 있다. 그러나, 이들 광 돔은 제한된 광-열(photo-thermal) 안정성을 갖는데, 이것은 사용된 LED 칩의 전력을 제한하고, 그 다음에 발광 장치의 루멘(lumen) 전력을 제한한다.
대안적인 방법은 LED 칩으로부터의 광 추출을 위해 무기 광 소자를 사용하는 것이다. 그러한 광 소자의 물질은 예를 들어 다결정 세라믹 물질 또는 유리일 수 있다. 그러한 무기 광 소자는 훨씬 더 높은 광-열 안정성을 갖는데, 이것은 고 전력 LED 칩의 사용을 감안하고, 그 다음에 높은 루멘 전력 및 출력을 갖는 발광 장치를 가능하게 한다.
그러나, 고 전력 LED 칩은 상당한 열을 낭비할 수 있고, 방사선은 강렬할 수 있다. 이와 관련하여, LED 칩(들)과 무기 광 소자 사이의 본드는 중요한 양상인데, 이 본드는 LED 칩(들)에서 무기 광 소자 내로의 접합 결합 광(junction coupling light)을 형성한다. 본드 또는 접합은 발광 장치에서의 성능 제한 요인이 되지 않도록, 그리고 무기 광 소자로부터 이익을 얻을 수 있도록, 그 자체로 높은 광-열 안정성을 나타내야 한다. 그러므로, 고 전력 LED 칩과 무기 광 소자 사이의 본드가 그것이 노출되는 부하 및 변형력에 잘 견딜 수 있는 발광 장치가 필요하다.
본 발명의 목적은 이러한 문제를 극복하고, 개선된 발광 장치를 제공하는 것이다.
다음의 설명으로부터 명백해질 이 목적 및 다른 목적은 첨부된 청구에 따른, 발광 장치 및 그러한 발광 장치의 제조 방법에 의해 달성된다.
본 발명의 한 실시양상에 따르면, 적어도 하나의 발광 다이오드(LED) 칩, 및 본드에 의해 칩(들)에 접속되는 무기 광 소자를 포함하는 발광 장치가 제공되는데, 본드는 매트릭스를 포함하는 결합 물질로 이루어지고, 이 매트릭스는 탄화수소 그룹들이 실리콘 원자들의 적어도 일부에 직접 결합되어 있는 실리콘 및 산소 원자들을 포함한다. 양호하게, 결합 물질은 화학식 SiO1 .5R을 갖는 실세스퀴옥산(silsesquioxane)을 포함하는데, R은 예를 들어 메틸, 에틸 또는 페닐이다.
그러한 무기-유기 결합 물질은 매우 높은 광 및 열 안정성을 갖는다. 실리콘-탄소 결합은 공기 중에서 약 400℃까지 열적으로 안정하고, 아래로 약 350 nm까지의 파장에 안정하다. 결과적으로, 고 전력 LED 칩들이 배치될 수 있고, 이로 인해 고 휘도 발광 장치가 실현될 수 있다. 또한, 매트릭스는 실리콘 원자들이 서로에 대해 단지 세겹으로 교차-결합된다는 사실로 인해 비교적 높은 탄성을 갖는다.
이와 유사한 결합 물질은 예를 들어, 문서 US5991493로부터 그 자체가 알려져 있다는 것을 알기 바란다. 그러나, (고 전력) LED 칩과 무기 광 소자 사이의 결합 물질로서 적용될 때는, 그 물질이 매우 높은 광 및 열 안정성을 가지므로, 그 물질을 LED 칩과 무기 광 소자 사이의 본드로서 매우 적합하게 한다는 예기치 않은 부가적인 효과가 있다.
본드는 양호하게, 광을 LED 칩(들)로부터 추출하여 무기 광 소자 내로 결합시키기 위해 적어도 부분적으로 광학적으로 투과적이거나 투명하다.
결합 물질은 전구체 물질로 이루어지는데, 이 전구체 물질은 양호하게 유기적으로 변형된 실란을 포함한다. 양호하게, 실란은 유기 변형제로서, 예를 들어 메틸, 에틸 또는 페닐을 사용하여 모노(mono)-유기적 변형된다. 모노-유기적 변형이라는 것은 실리콘의 4개의 공유 결합 중의 하나가 Si-C 결합인 것으로 해석될 수 있다. 이 경우에, 나머지 3개의 결합은 Si-O 결합이다. 양호한 전구체 물질의 한 예는 모노-메틸-변형된 실란인 메틸-트리-메톡시-실란(methyl-tri-methoxy-silane: MTMS)을 포함하는 졸 겔 물질이다. 적합한 처리 후, MTMS는 결과적으로 기본 구조 CH3-Si-O1 . 5(즉, 실세스퀴옥산)을 갖는 매트릭스를 포함하는 결합 물질로 된다. 이 매트릭스는 실리콘 원자들이 서로에 대해 단지 세겹으로 교차-결합된다는 사실로 인해 비교적 높은 탄성을 갖는다. 다른 적합한 전구체 물질은 Wacker Chemie GmbH로부터의 Silres 610 또는 Silres 603과 같은 T-수지를 포함한다.
LED 칩(들)을 무기 광 소자에 접속하는 본드는 Si, Al, Ga, Ti, Ge, P, B, Zr, Y, Sn, Pb 및 Hf로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 산화물을 더 포함할 수 있다. 산화물은 본드의 굴절률을 증가시키는 일을 하고, 이것은 다음에 본드의 광 결합 능력을 향상시킨다.
또한, 본드는 인광성 입자, 예를 들어 YAG:Ce를 더 포함할 수 있다. 인광성 입자를 포함하는 본드는 청색 광 또는 UV(A) 광을 방출하는 LED 칩과 양호하게 결합되어, 결과적으로 소위 인광물질 변환 LED로 된다. 인광물질 변환 LED에서, LED 칩으로부터의 청색 방사선의 적어도 일부는 인광성 입자에 의해 예를 들어 황색 광으로 변환된다. 이와 함께, 변환되지 않은 청색 광과 황색 광은 백색 광을 생성한다. 그러므로, 이 경우에, 본드는 접착제로서 그리고 인광물질 보호제(encapsulate)로서 기능한다. 또한, 상술된 결합 물질은 청색 플럭스 하에서 매우 안정된 성능을 나타낸다.
본 발명의 다른 실시양상에 따르면, 발광 장치의 제조 방법이 제공된다. 이 방법은 발광 다이오드(LED) 칩 및 무기 광 소자를 제공하는 단계, 유기적으로 변형된 실란을 포함하는 전구체 결합 물질을 준비하는 단계, 상기 결합 물질을 칩 및 광 소자 중의 적어도 하나에 도포하는 단계, 결합 물질을 적어도 부분적으로 가수분해하는 단계, 도포된 결합 물질을 접착제로서 사용하여 칩과 광 소자를 결합하는 단계 및 결합 물질을 경화시키는 단계를 포함한다. 이 방법은 상술된 본 발명의 실시양상으로 얻어진 것과 유사한 장점을 제공한다.
본 발명의 이들 및 다른 실시양상은 본 발명의 현재 양호한 실시예를 나타내는 첨부된 도면을 참조하여 이제 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광 장치의 측면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광 장치의 제조 방법을 설명하는 플로우 차트.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광 장치(10)를 도시한 것이다. 발광 장치(10)는 예를 들어, 조명 용도로 사용될 수 있다. 발광 장치(10)는 본드(16)에 의해 무기 광 소자(14)에 접속되는 발광 다이오드(LED) 칩(12)을 포함한다. 여기에서, 무기 광 소자(14)는 LED 칩(12)의 발광측(18)에 결합된다.
도 1의 무기 광 소자(14)는 LED 칩으로부터 광을 추출하기 위한 광 돔이다. 그러나, 무기 광 소자는 다른 형태를 채택할 수 있는데, 예를 들어 판(plate)으로서 설계될 수 있다. LED 칩(12)은 양호하게 플립 칩형으로 되어, 기판(도시되지 않음) 상에 장착된다.
본드(16)는 적어도 부분적으로 광학적으로 투과적이거나 투명하고, 이로 인 해 발광 장치(10)의 동작 시에, LED 칩(12)에 의해 발생된 광은 본드(16)를 통해 광 소자(14)에 결합되는데, 이 광 소자는 다음에, LED 칩(12)으로부터 생성된 광을 추출하는 일을 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 유기-무기 결합은 양호하게 실세스퀴옥산을 포함하는 매트릭스로 구성된 결합 물질로 이루어진다. 본드는 높은 광 및 열 안정성을 나타낸다(LED 칩의 작업 온도는 약 100℃일 수 있다). 결과적으로, 고 전력 및 고 루멘 LED 칩이 배치될 수 있고, 이로 인해 고 휘도 발광 장치가 실현될 수 있다.
도 1에 도시된 장치(10)와 같은 발광 장치의 제조 방법은 이제 도 2와 관련하여 상세하게 설명될 것이다.
먼저, 전구체 물질이 준비된다(단계 S1). 전구체 물질은 유기적으로 변형된 실란을 포함한다. 양호한 물질의 한 예는 화학식 CH3-Si(CH3-O)3을 갖는 모노-메틸-변형된 실란인 메틸-트리-메톡시-실란(MTMS)를 포함하는 졸-겔 물질이다. 다른 적합한 전구체 물질은 Silres 610과 같은 T-수지이다. 또한, 에틸 또는 메틸과 같은 다른 유기 그룹으로 변형된 실란이 이용될 수 있다.
전구체 물질은 최종 결합물질의 굴절률을 증가시키는 일을 하는 Si-, Al-, Ga-, Ti-, Ge-, P-, B-, Zr-, Y-, Sn-, Pb- 또는 Hf 산화물의 나노입자를 더 포함할 수 있다. 산화물은 주변 매트릭스의 광-열 성능저하를 방지하는 외부 실리카 층을 가질 수 있다.
전구체 졸-겔 물질은 가수분해되고(단계 S2), 그 후 (함께 결합될 예정인) LED 칩과 무기 광 소자 중의 적어도 하나에 도포되어(단계 S3), 이들 부품 위에 코팅을 형성한다.
네트워크 형성(응축)은 전구체 졸-겔 물질이 부품(즉, LED 칩 및 무기 광 소자) 상에 도포될 때 계속되고, 이 네트워크 형성은 경화 동안에 진행된다. 이 응축 동안에, 네트워크는 수축되고, 고체 함유량이 증가하며, 휘발성 성분이 배출된다.
양호하게, 부품들은 가능한 한 높은 고체 함유량이 있을 때 졸-겔 물질의 상태로 결합되지만, 그 물질은 여전히 다소 유연하고, 반응성 그룹/사이트(겔 상태)를 갖는다. 이것은 결합될 부품의 비-평평성의 보상을 고려한 것이다. 이 높은 고체 함유량 겔-상태는 먼저 결합될 부품 상에 졸-겔을 도포하고, 졸겔을 거의 완전히 건조시킴으로써(단계 S4) 제어 방식으로 얻어질 수 있다. 이것은 코팅으로부터 그리고 네트워크로부터 알코올 및 물의 대부분을 제거할 것이다. 그러나, 이 상태에서, 코팅은 결합될 부품의 비-평평성을 변형시키거나 보상할 만큼 더 이상 충분히 유연하지 않다. 이들 코팅된 부품을 알코올 분위기에 배치함으로써(단계 S5), 졸-겔은 약간의 알코올을 흡수하고, 부풀어올라, 다시 유연하게 될 것이다. 이러한 팽윤 양은 졸-겔이 알코올 분위기에 노출되는 시간에 의해 제어될 수 있다. 이 전구체 물질의 장점은 소량의 휘발성 물질만이 후속되는 경화 동안 매트릭스를 통한 확산에 의해 제거될 필요가 있다는 것이다.
LED 칩 및 무기 광 소자 부품은 그 후 모아져서, 선택적으로 압축되는 동안 에, 즉 서로에 대해 압착되는 동안에, 함께 결합된다(단계 S6). 졸-겔 물질이 더욱 경화됨에 따라(단계 S7), 나머지 휘발성 성분은 졸-겔 매트릭스의 외부로 확산된다. 이 경화는 두 개의 부품에 압력을 가하면서, 졸-겔 물질을 천천히 가열함으로써 부품들의 결합 후에 달성된다. 졸-겔 경화를 위한 최소 온도는 약 200℃이고, 이것은 450℃만큼 높게 될 수 있다. 경화 동안에, 졸-겔은 더욱 응축되고 치밀하게 될 것이다. 이것은 최종 결합 물질의 기계적 강도 및 굴절률과 같은 원하는 특성을 초래할 것이다.
MTMS를 사용할 때의 전체 반응은 다음과 같다:
CH3Si(OCH3)3 + 1.5 H2O → CH3SiO1 .5 + 3CH3OH
상술된 알코올 분위기에서의 결합 물질의 팽윤에 대한 대안으로서, 전구체 물질은 높이 끓는 용제를 포함할 수 있고, 이로 인해 결합 물질은 결합 단계 이전에 사전-건조된다. 이 절차의 장점은 후속되는 경화 동안 매트릭스를 통한 확산에 의해 제거될 최종 휘발성 물질로서 높이 끓는 용제를 남긴다는 것이다. 용제는 양호하게 100 내지 200℃ 범위의 끓는 점을 갖는다. 또한, 사전-건조는 한 가열 단계에서 경화로 바뀔 수 있다.
변환시 MTMS 졸-겔 물질의 수축을 감소시키기 위해, 전구체 물질은 콜로이드 실리카를 더 포함할 수 있다. 결과적으로, 높은 탄성을 유지하면서, 열 팽창 계수가 낮아질 수 있다. 그러한 물질은 양호한 결합 특성을 갖고, 결합 물질 매트릭스 자체의 형성에 의해 야기된 변형력, 및 결합된 부품들 및/또는 본드 사이의 팽창 계수의 불일치와 같은 열 성질의 변형력을 수용할 수 있다.
또한, MTMS를 TEOS(tetra-ethoxy-ortho-silicate, Si(OC2H5)4), 또는 티타늄, 지르코늄 또는 다른 높은 굴절률 전구체 물질로 부분적으로 대체할 수 있다. 이 경우에, 전구체 물질은 MTMS 및 예를 들어 TEOS 둘 다를 포함한다. 또한, 보다 적은 유기 그룹이 있고, 결합 물질은 훨씬 더 광-열적으로 안정할 것으로 여겨진다. 보다 적은 유기 시스템으로 이동하는 단점은 아교(glue) 층이 더 얇게 될 필요가 있다는 것이다.
본 분야에 숙련된 사람은 본 발명이 상술된 양호한 실시예에 결코 제한되지 않는다는 것을 알고 있다. 오히려, 첨부된 청구 범위 내에서 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다. 예를 들어, 앞의 도 1에서는 하나의 LED 칩만이 도시되었지만, 다수의 LED 칩이 무기 광 소자에 결합되어, 멀티-LED 모듈을 형성할 수 있다.
Claims (15)
- 적어도 하나의 발광 다이오드(LED) 칩(12); 및본드(bond)(16)에 의해 상기 칩(들)에 접속되는 무기 광 소자(14)를 포함하는 발광 장치(10)로서,상기 본드는 매트릭스(matrix)를 포함하는 결합 물질로 이루어지는데, 상기 매트릭스는 탄화수소 그룹들(hydrocarbon groups)이 실리콘 원자들의 적어도 일부에 직접 결합되어 있는 실리콘 및 산소 원자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 결합 물질은 실리콘에 직접 결합된 그룹이 메틸, 에틸 및 페닐로 이루어진 그룹에서 선택된 한 원소인 실세스퀴옥산(silsesquioxane)을 포함하는 발광 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 결합 물질은 전구체(precursor) 물질로 형성되는데, 이 전구체 물질은 유기적으로 변형된 실란(silane)을 포함하는 발광 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 전구체 물질은 모노(mono)-유기적 변형된 실란을 포함하는 발광 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 실란은 메틸, 에틸 및 페닐로 이루어진 그룹에서 선택된 한 원소에 의해 변형되는 발광 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 전구체 물질은 메틸-트리-메톡시-실란(methyl-tri-methoxy-silane: MTMS)을 포함하는 발광 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 전구체 물질은 졸-겔(sol-gel) 물질인 발광 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 전구체 물질은 T-수지(resin)를 포함하는 발광 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 본드는 Si, Al, Ga, Ti, Ge, P, B, Zr, Y, Sn, Pb 및 Hf로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 산화물을 더 포함하는 발광 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 본드는 인광성 입자들(phosphorescent particles)을 더 포함하는 발광 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 본드는 적어도 부분적으로 투명한 발광 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 LED 칩은 청색 광 및 UV(A) 광 중의 하나를 방출하도 록 적응되는 발광 장치.
- 발광 장치의 제조 방법에 있어서,발광 다이오드(LED) 칩 및 무기 광 소자를 제공하는 단계,유기적으로 변형된 실란을 포함하는 전구체 결합 물질을 준비하는 단계,상기 결합 물질을 적어도 부분적으로 가수분해하는 단계,상기 결합 물질을 상기 칩 및 광 소자 중의 적어도 하나에 도포하는 단계,상기 도포된 결합 물질을 접착제로서 사용하여 상기 칩과 광 소자를 결합시키는 단계, 및상기 결합 물질을 경화시키는 단계를 포함하는 발광 장치의 제조 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 결합 단계 이전에,상기 결합 물질을 완전히 또는 거의 완전히 건조시키는 단계, 및상기 칩 및 광 소자를 결합 물질과 함께 알코올 분위기 내에 배치하는 단계를 더 포함하는 발광 장치의 제조 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 전구체 물질은 용제(solvent)를 더 포함하고, 상기 방법은 상기 결합 단계 이전에, 상기 결합 물질을 미리 건조시키는 단계를 더 포함하는 발광 장치의 제조 방법.
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