KR20080010535A - 표면실장형 발광다이오드 소자 - Google Patents

표면실장형 발광다이오드 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표면실장형 발광다이오드 소자에 관한 것으로서, 특히, 한 쌍으로 이루어진 전극을 하나 이상 내측에 수용하고, 중앙에 소정 공간을 가지는 동시에 빛이 방사되도록 오픈된 방사창을 가지게 형성된 패키지와, 상기 패키지 상에 형성되어 상기 방사창을 덮고 있는 렌즈와, 상기 패키지 내부의 전극 상에 실장된 LED 칩과, 상기 LED 칩과 상기 전극의 통전을 위한 와이어 및 상기 방사창과 인접한 상기 렌즈의 표면에 형성된 형광체 혼합층을 포함하는 표면실장형 발광다이오드 소자에 관한 것이다.
표면실장형, LED, 형광체, 렌즈, 광추출효율

Description

표면실장형 발광다이오드 소자{SURFACE MOUNTING LIGHT EMITTING DIODE DEVICE}
도 1은 일반적인 표면실장형 발광다이오드 소자의 구조를 나타낸 개략도.
도 2는 도 1의 I-I'선을 따라 잘라 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면실장형 발광다이오드 소자를 나타낸 단면도.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 렌즈의 변형예를 나타낸 단면도.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면실장형 발광다이오드 소자를 나타낸 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
20 : 패키지 30 : 공기
40 : 액상 수지 50 : 리드 프레임
60 : LED 칩 70 : 와이어
80 : 형광체 혼합층 90 : 렌즈
본 발명은 표면실장형 발광다이오드 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 형광체의 효율을 최대화하여 렌즈로 방사되는 광의 추출 효율을 향상시킬 수 있는 표면실장형 발광다이오드 소자에 관한 것이다.
일반적으로, 발광 다이오드(Light Emitting Diode, 이하, 'LED'라 한다)는 GaAs, AlGaAs, GaN, InGaInP 등의 화합물 반도체(compound semiconductor) 재료의 변경을 통해 발광원을 구성함으로써, 다양한 색의 빛을 구현할 수 있는 반도체 소자를 말한다.
최근 LED 소자는 비약적인 반도체 기술의 발전에 힘입어, 저휘도의 범용제품에서 탈피하여, 고휘도, 고품질의 제품 생산이 가능해졌다. 또한, 고특성의 청색(blue)과 백색(white) 다이오드의 구현이 현실화됨에 따라서, LED 소자는 디스플레이, 차세대 조명원 등으로 그 응용가치가 확대되고 있다. 그의 일 예로서, 표면실장(Surface mounting device) 형태의 LED 소자가 제품화되고 있다.
그러면, 이하 도 1 및 도 2를 참조하여 종래 기술에 따른 표면실장형 LED 소자에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
우선, 도 1은 일반적인 표면실장형 LED 소자의 구조를 나타낸 개략도로서, 몰딩 에폭시 수지 등으로 이루어진 패키지(20)를 가지며, 상기 패키지(20)의 소정 면은 빛이 방사되기 용이하도록 오픈된 방사창 및 그 위에 상부 표면이 볼록한 형상을 가진 렌즈(90)가 형성되고, 다른 면에는 인쇄회로기판 등의 외부 회로에 장착되도록 한 쌍으로 이루어진 리드 전극이 하나 이상 형성된 리드프레임(50)의 일부분이 돌출되어 있다. 또한, 상기와 같이 구성된 패키지(20)의 내부에는 LED 칩(도시하지 않음)이 그 발광면이 상기 렌즈(90)를 향하도록 배치되며, 와이어(도시하지 않음)에 의해 상기 리드프레임(50)과 LED 칩이 전기적으로 연결되어 있다.
도 2는 도 1의 I-I'선을 따라 잘라 도시한 도면으로서, 종래 기술에 따른 표면실장형 LED 소자의 구조를 상세히 나타낸 단면도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 표면실장형 LED 소자는 한 쌍으로 이루어진 리드 전극이 하나 이상 형성된 리드프레임(50)과, 상기 리드프레임(50)의 일부를 내측에 수용하도록 형성된 패키지(20)와, 상기 패키지(20) 내부의 리드프레임(50) 상에 실장된 LED 칩(60)과, 상기 LED 칩(60)과 상기 리드프레임(50)의 통전을 위한 와이어(70)와, 상기 패키지(20) 내부에 충진되어 LED 칩(60) 및 와이어(70)를 보호하는 동시에 LED 칩(60)에서 발광하는 광의 색상을 결정하는 형광체 혼합층(80) 및 상기 형광체 혼합층(80) 상면에 접하면서 패키지(20)의 상부에 형성된 렌즈(90)를 포함하여 이루어진다.
한편, 일반적으로 LED 칩의 특성을 결정하는 일반적인 기준은 색(color), 휘도, 휘도의 세기 범위 등이며, 이러한 LED 칩의 특성은 1차적으로 LED 칩에 사용되는 화합물 반도체의 재료에 의해 결정되지만, 부수적으로 LED 칩을 실장하기 위한 패키지의 구조 및 그에 채워진 형광체 혼합층에 영향을 받는다. 특히, 이러한 패 키지 구조의 내부에 충진되어 있는 형광체 혼합층은 휘도와 휘도의 각 분포에 큰 영향을 미치게 된다.
그런데, 상술한 종래에 따른 표면실장형 LED 소자의 형광체 혼합층은 LED 칩이 실장된 패키지 내부 전체에 충진되어 있기 때문에, 패키지의 내부 깊이에 따라 비교적 두꺼운 두께로 형성되어 있다.
그러나, 상기와 같이 형광체 혼합층의 두께가 두꺼우면 LED 칩에서 발광하는 광이 형광체 혼합층을 통과하는 동안 에너지 손실이 극심하여 광 추출 효율이 낮아지는 문제가 있다.
또한, 종래 기술에 따른 표면실장형 LED 소자는 상기 형광체 혼합층이 패키지 내부 전체에 충진되어 있으므로, 형광체의 소비량이 과다하여 제조비용이 높으며, 그에 따라 제조 수율이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 형광체 혼합층의 두께를 감소시켜 LED 칩에서 발광하여 상기 형광체 혼합층을 투과하는 광의 에너지 손실을 최소화하여 전체적인 소자의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 표면실장형 LED 소자를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 한 쌍으로 이루어진 전극을 하나 이상 내측에 수용하고, 중앙에 소정 공간을 가지는 동시에 빛이 방사되도록 오픈된 방사창을 가지게 형성된 패키지와, 상기 패키지 상에 형성되어 상기 방사창을 덮고 있는 렌즈와, 상기 패키지 내부의 전극 상에 실장된 LED 칩과, 상기 LED 칩과 상기 전극의 통전을 위한 와이어 및 상기 방사창과 인접한 상기 렌즈의 표면에 형성된 형광체 혼합층을 포함하는 표면실장형 발광다이오드 소자를 제공한다.
또한, 상기 본 발명의 표면실장형 LED 소자에서, 상기 형광체 혼합층이 형성된 렌즈의 표면은, 방사창의 표면에 대하여 렌즈 방향으로 오목한 홈을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 본 발명의 표면실장형 LED 소자에서, 상기 오목한 홈의 내부 표면은 표면실장형 LED 소자의 특성에 따라 변경 가능하며, 이는 반구면, 홈의 양끝단으로부터 중앙부를 향하여 테이퍼(taper)진 경사면 또는 요철면 등으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 표면실장형 LED 소자에서, 상기 형광체 혼합층이 형성된 렌즈의 반대 표면은, 외부를 향하여 볼록한 반구면으로 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 상기 본 발명의 표면실장형 LED 소자에서, 상기 패키지 내부에 충진되어, 상기 LED 칩 및 와이어를 보호하는 공기 또는 액상 수지를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 본 발명의 표면실장형 LED 소자에서, 상기 패키지는, 한 쌍의 리드 전극이 하나 이상 형성되어 이루어진 리드프레임의 일부를 내측에 수용하도록 몰딩 수지로 형성된 것이 바람직하며, 이때, 상기 몰딩 수지는, 투명 합성수지재 또는 불투명 합성수지재 등으로 이루어진다.
또한, 상기 본 발명의 표면실장형 LED 소자에서, 상기 패키지는, 한 쌍의 전극이 하나 이상 인쇄된 회로기판으로 형성될 수 있다.
이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 병기하였다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 표면실장형 LED 소자에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
실시예 1
먼저, 도 3을 참고하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면실장형 LED 소자에 대하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면실장형 LED 소자를 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면실장형 LED 소자는 내부 중앙에 캐비티(cabity)가 형성된 패키지(20)를 가지며, 상기 패키지(20)의 소정면은 빛이 방사되기 용이하도록 오픈된 방사창이 형성되어 있고, 그 위엔 렌즈(90)가 위치한다.
특히, 본 발명에 따른 상기 렌즈(90)는, 방사창과 인접한 표면이 렌즈(90) 방향으로 오목한 홈을 가지도록 형성되어 있다. 이때, 상기 렌즈(90)의 오목한 홈은 후술하는 형광체 혼합층의 형성 영역을 정의하는 역할을 한다.
본 실시예에서는 오목한 홈의 내부 표면이 곡면으로 이루어진 렌즈(90)를 도시하였으나, 이는 이에 한정되지 않고, 렌즈(90)의 오목한 홈의 내부 표면은 도 4 내지 도 7에 도시한 바와 같이 다양한 형상의 표면을 가지는 것이 가능하다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 렌즈의 변형예를 나타낸 단면도이다.
보다 상세하게, 도 4는 렌즈(90)의 오목한 홈의 내부 표면이 반구면으로 이루어진 것을 도시하고 있고, 도 5는 홈의 양끝단으로부터 중앙부를 향하여 테이퍼진 경사면으로 이루어진 것을 도시하고 있으며, 도 6 및 도 7은 패키지 내부에 복수의 LED 칩이 위치할 경우에 해당하는 것으로 오목부와 볼록부로 이루어진 요철면으로 이루어진 것을 도시하고 있다. 여기서, 미설명한 도면부호 80은 형광체 혼합층을 가리킨다.
상기와 같이, 방사창과 인접한 렌즈(90) 내부 표면의 다양한 형상은 LED 칩에서 발광하는 광의 지향각을 소자의 특성에 따라 조절하는 것이 가능하며, 그에 따라 소자의 전반적인 광 추출 효율 또한 향상시킬 수 있다. 특히, 도 6 및 도 7 에 도시한 바와 같은 요철면을 가지는 렌즈(90)는 패키지 내에 복수의 LED 칩 배치시, 각 LED 칩 특성에 맞도록 서로 다른 지향각 구성이 가능하다.
이때, 상기 오목한 홈을 가진 렌즈(90)의 반대 표면은, 외부를 향하여 볼록한 반구면으로 이루어져 있다.
상기 렌즈(90)의 오목한 홈, 즉 상기 방사창과 인접한 렌즈(90)의 표면에는 형광체 혼합층(80)이 형성되어 있다. 상기 형광체 혼합층(80)은 도포 방식에 의해 형성되며, 이는 산화물(oxide)계, 규산염(silicate)계, 질화물(nitride)계 및 황화물(sulfide)계 형광체 혼합물 등으로 이루어질 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 상기 형광체 혼합층(80)은 패키지(20)의 방사창과 인접한 렌즈(90)의 표면에 도포 방식을 통해 형성되는 바, 형광체 혼합층(80)의 두께 및 농도 조절이 패키지(20) 내부 전체에 충진되던 종래 기술의 형광체 혼합층(도 2의 80 참조)에 비해 용이하며, 그에 따라, 다양한 색좌표별 균일한 백색광 구현이 가능하다. 또한, 상기 형광체 혼합층(80)은 하부에 위치하는 LED 칩(60)의 측면 및 상면과 균일한 거리를 유지할 수 있어, LED 칩으로부터 발광하는 광의 색상을 더욱 균일하게 얻을 수 있다.
또한, 상기 형광체 혼합층(80)을 렌즈(90) 표면에 형성하여 렌즈(90)와 일체화시킴으로써, 패키지(20)와 렌즈(90)의 디라미네이션(delamination)을 방지할 수 있고, 패키지(20) 내에 형광체 혼합층(80)으로 인해 기포가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
상기 패키지(20)의 다른 면에는 인쇄회로기판(도시하지 않음)에 장착되도록 한 쌍으로 이루어진 전극을 하나 이상 형성되어 있으며, 이는 패키지 내측에 일부 수용되어 있다.
보다 상세하게, 상기 패키지(20)는, 한 쌍의 리드 전극이 하나 이상 형성되어 이루어진 리드프레임의 일부를 내측에 수용하도록 몰딩 수지로 형성되거나, 한 쌍의 전극이 하나 이상 인쇄된 회로기판으로 형성될 수 있다.
본 발명은, 한 쌍의 리드 전극이 하나 이상 형성되어 이루어진 리드프레임(30)의 일부를 내측에 수용하도록 몰딩 수지로 형성된 패키지(20)를 실시예로 도시하여 설명하기로 한다. 이때, 상기 패키지(20)의 몰딩 수지는, 투명 합성수지재 또는 불투명 합성수지재 등으로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기와 같이 구성된 패키지(20)의 내부에는 LED 칩(60)이 그 발광면이 상기 방사창을 향하도록 배치되며, 이는 와이어(50)를 통해 상기 리드프레임(30)과 와이어 본딩(wire bonding)되어 전기적으로 연결되어 있다.
상기 LED 칩(60)은 리드프레임(30)의 어느 하나의 리드 전극 상에 실장되어 있으며, 상기 LED 칩(60)이 실장된 패키지(20) 내부에는 공기(30)가 충진되어 있다. 이는 상기 LED 칩(60)이 실장된 패키지(20)의 내부를 중공화하여 LED 칩(60)에 전류를 인가해주는 와이어(7)에 집중되는 응력을 최소화할 수 있다.
실시예 2
그러면, 다음으로, 도 8을 참고로, 본 발명의 제2 실시예에 대해 설명하기로 한다. 다만, 제2 실시예의 구성 중 제1 실시예와 동일한 부분에 대한 설명은 생략 하고, 제2 실시예에서 달라지는 구성에 대해서만 상술하기로 한다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면실장형 LED 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 제2 실시예에 따른 표면실장형 LED 소자는 제1 실시예에 따른 표면실장형 LED 소자와 대부분의 구성이 동일하고, 다만, LED 칩(60)이 실장된 패키지(20)의 내부가 액상 수지(40)로 충진되어 있다는 점에서만 제1 실시예와 다르다.
이러한 제2 실시예에 따른 표면실장형 LED 소자는, 패키지(20)의 방사창과 인접한 렌즈(90)의 표면에 형성된 형광체 혼합층(80)을 가짐으로써, 제1 실시예에서와 동일한 작용 및 효과를 얻을 수 있을 뿐 아니라, 패키지(20) 내부에 충진된 액상 수지(40)를 통해 패키지(20) 내부에 실장된 LED 칩(60) 및 와이어(70)를 전도성 불순물 및 외부 충격으로부터 보호할 수 있다는 점에서 제1 실시예보다 더욱 우수한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제2 실시예는 제1 실시예에 따른 다양한 변형예들에도 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
상기한 바와 같이, 패키지의 방사창과 인접한 렌즈의 표면에 형광체 혼합층을 형성하여, 형광체 혼합층의 두께 및 농도를 용이하게 조절하여 균일한 백색광을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명은 렌즈와 형광체 혼합층이 일체화되어 LED 칩의 외부면 즉, 상면 및 측면과 균일한 거리를 유지하여 균일한 색상을 얻을 수 있다.
또한, 상기 형광체 혼합층의 얇은 두께를 통해 LED 칩에서 발광하여 상기 형광체 혼합층을 투과하는 광의 에너지 손실을 최소화할 수 있다.
따라서, 본 발명은 색재현율을 높이고, 광 추출 효율이 향상된 표면실장형 LED 소자를 제공할 수 있다.

Claims (11)

  1. 한 쌍으로 이루어진 전극을 하나 이상 내측에 수용하고, 중앙에 소정 공간을 가지는 동시에 빛이 방사되도록 오픈된 방사창을 가지게 형성된 패키지;
    상기 패키지 상에 형성되어 상기 방사창을 덮고 있는 렌즈;
    상기 패키지 내부의 전극 상에 실장된 LED 칩;
    상기 LED 칩과 상기 전극의 통전을 위한 와이어; 및
    상기 방사창과 인접한 상기 렌즈의 표면에 형성된 형광체 혼합층;
    을 포함하는 표면실장형 발광다이오드 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 형광체 혼합층이 형성된 렌즈의 표면은, 방사창의 표면에 대하여 렌즈 방향으로 오목한 홈을 가지는 것을 특징으로 하는 표면실장형 발광다이오드 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 오목한 홈은, 그 내부 표면이 반구면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면실장형 발광다이오드 소자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 오목한 홈은, 그 내부 표면이 홈의 양끝단으로부터 중앙부를 향하여 테이퍼진 경사면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면실장형 발광다이오드 소자.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 오목한 홈은, 그 내부 표면이 요철면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면실장형 발광다이오드 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 형광체 혼합층이 형성된 렌즈의 반대 표면은, 외부를 향하여 볼록한 반구면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면실장형 발광다이오드 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 패키지 내부에 충진되어, 상기 LED 칩 및 와이어를 보호하는 공기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면실장형 발광다이오드 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 패키지 내부에 충진되어, 상기 LED 칩 및 와이어를 보호하는 액상 수지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면실장형 발광다이오드 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 패키지는, 한 쌍의 리드 전극이 하나 이상 형성되어 이루어진 리드프레임의 일부를 내측에 수용하도록 몰딩 수지로 형성된 것을 특징으로 하는 표면실장형 발광다이오드 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 몰딩 수지는, 투명 합성수지재 또는 불투명 합성수지재로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면실장형 발광다이오드 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 패키지는, 한 쌍의 전극이 하나 이상 인쇄된 회로기판으로 형성된 것을 특징으로 하는 표면실장형 발광다이오드 소자.
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