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KR102098589B1 - 파장변환부재 및 그 제조방법과, 이를 구비한 반도체 발광장치 - Google Patents

파장변환부재 및 그 제조방법과, 이를 구비한 반도체 발광장치 Download PDF

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KR102098589B1
KR102098589B1 KR1020130078447A KR20130078447A KR102098589B1 KR 102098589 B1 KR102098589 B1 KR 102098589B1 KR 1020130078447 A KR1020130078447 A KR 1020130078447A KR 20130078447 A KR20130078447 A KR 20130078447A KR 102098589 B1 KR102098589 B1 KR 102098589B1
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박민정
윤철수
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명은, 제1 및 제2 전극구조를 구비하는 패키지 본체와, 상기 패키지 본체에 배치되며, 상기 제1 및 제2 전극구조와 연결된 반도체 발광소자와, 상기 반도체 발광소자로부터 생성된 광의 진행 경로 상에 위치하며, 파장변환물질과 유리 조성물을 갖는 혼합물의 소결체로 이루어지고, 상기 유리조성물은 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 조성이며, Na2O, CaO, K2O 및 Li2O로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 1종의 성분이 첨가되는 파장변환부재를 포함하는 반도체 발광장치를 제공한다.

Description

파장변환부재 및 그 제조방법과, 이를 구비한 반도체 발광장치{WAVELENGTH-CONVERTED ELEMENT, MANUFACTURING METHOD OF THE SAME AND SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING APPARATUS HAVING THE SAME}
본 발명은 유리 조성물을 함유한 파장변환부재에 관한 것으로서, 특히 파장변환부재, 그 제조방법 및 이를 이용한 반도체 발광장치에 관한 것이다.
일반적으로, 형광체와 같은 파장변환물질은 특정 광원에서 발생되는 특정 파장의 광을 다른 파장의 광으로 변환시키는 물질로서, 다양한 형태의 광원과 결합되어 1차로 받은 광과 다른 파장의 2차 광을 제공하는 수단으로 널리 사용되고 있다.
최근에, 이러한 파장변환물질은 단색광을 방출하는 반도체 발광소자와 결합되어 사용되고 있다. 특히, 반도체 발광소자는 저전력 구동이 가능할 뿐만 아니라, 광효율이 우수하므로, LCD 백라이트와 자동차 조명 및 가정용 조명장치 분야에서 대체 광원으로서 유익하게 사용되고 있다.
일반적으로, 형광체와 같은 파장변환물질을 반도체 발광소자 주위에 배치되는 몰드 수지에 혼합되어 채용되거나, 칩 표면에 직접 적용되는 형태로 사용되어 왔다. 이러한 경우에, 반도체 발광소자로부터 방출되는 고출력의 단파장 광과 반도체 발광소자로부터 발생되는 열에 의해, 형광체 등이 열화되고 결과적으로 변색을 발생되어 신뢰성에 큰 문제가 될 수 있다.
당 기술분야에서는, 사용환경에서도 형광체와 같은 파장변환물질이 열화되거나 변색되지 않고, 파장변환특성을 안정적으로 유지할 수 있는 파장변환부재와 그 제조방법이 요구되고 있다. 또한, 출력광의 변색을 저감시킬 수 있는 신뢰성이 우수한 반도체 발광장치가 요구되고 있다.
본 발명의 일 측면은, 파장변환물질과 유리 조성물을 갖는 혼합물의 소결체로 이루어지며, 상기 유리 조성물은 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 조성이며, Na2O, CaO, K2O 및 Li2O로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 1종의 성분이 첨가된 파장변환부재를 제공한다.
상기 파장변환물질은 적색 형광체를 포함할 수 있다. 상기 파장변환물질은 녹색 또는 황색 형광체를 더 포함할 수 있다.
상기 적색 형광체는 질화물계 형광체일 수 있다. 예를 들어, 상기 적색 형광체는, MAlSiNx:Eu(1≤x≤5) 및 M2Si5N8:Eu 중 적어도 하나이며, 여기서, M는 Ba,Sr,Ca 및 Mg 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 적색 형광체는 상기 혼합물 중량 기준 약 5wt% ∼ 약 20wt%으로 포함될 수 있다.
상기 유리 조성물은 전체 유리 조성물의 중량 기준으로, 30 내지 60wt%의 ZnO-BaO, 5 내지 25wt%의 SiO2, 10 내지 30wt%의 B2O3, 5 내지 20wt%의 P2O5 및 20wt% 이하의 상기 첨가된 성분을 가질 수 있다.
상기 소결체의 굴절률은 1.5 이상일 수 있다. 상기 소결체는 가시광선대역에서 적분 광 투과율이 약 90% 이상일 수 있다.
특정 실시형태에서, 상기 파장변환부재는 시트상 구조 또는 캡구조 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 유리 조성물을 마련하는 단계와, 상기 유리 조성물에 파장변환물질로서 적색 형광체를 혼합하여 복합물을 형성하는 단계와, 상기 복합물 성형체를 약 600℃이하의 온도에서 소결하는 단계를 포함하는 파장변환부재 제조방법을 제공한다.
상기 유리 조성물은 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 조성이며, Na2O, CaO, K2O 및 Li2O로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 1종의 성분이 첨가된 조성물일 수 있다.
상기 적색 형광체는 MAlSiNx:Eu(1≤x≤5) 및 M2Si5N8:Eu 중 적어도 하나이며, 여기서, M는 Ba,Sr,Ca 및 Mg 중 적어도 하나일 수 있다. 상기 파장변환물질은 녹색 또는 황색 형광체를 더 포함할 수 있다.
상기 적색 형광체는 질화물계 형광체일 수 있다. 예를 들어, 상기 적색 형광체는, MAlSiNx:Eu(1≤x≤5) 및 M2Si5N8:Eu 중 적어도 하나이며, 여기서, M는 Ba,Sr,Ca 및 Mg 중 적어도 하나일 수 있다. 상기 적색 형광체는 상기 혼합물 중량 기준 약 5wt% ∼ 약 20wt%으로 포함될 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 제1 및 제2 전극구조를 구비하는 패키지 본체와, 상기 패키지 본체에 배치되며, 상기 제1 및 제2 전극구조와 연결된 반도체 발광소자와, 상기 반도체 발광소자로부터 생성된 광의 진행 경로 상에 위치하며, 파장변환물질과 유리 조성물을 갖는 혼합물의 소결체로 이루어지고, 상기 유리조성물은 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 조성이며, Na2O, CaO, K2O 및 Li2O로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 1종의 성분이 첨가되는 파장변환부재를 포함하는 반도체 발광장치를 제공한다.
상기 파장변환부재는 상기 패키지 본체에 장착될 수 있다. 일 실시형태에서, 상기 패키지 본체는 상기 반도체 발광소자가 배치되는 영역을 둘러싸는 오목부를 구비하며, 상기 파장변환부재는 상기 오목부 상에 장착될 수 있다.
상기 파장변환부재는 상기 반도체 발광소자의 표면에 접촉하도록 배치될 수 있다. 일 실시형태에서, 상기 파장변환부재는 상기 반도체 발광소자의 상면에 위치할 수 있다.
상기 파장변환부재는 상기 반도체 발광소자의 적어도 일부를 수용하는 캡 구조를 가질 수 있다. 상기 반도체 발광소자는 청색광을 생성하는 청색 반도체 발광소자일 수 있다.
사용환경에서도 형광체와 같은 파장변환물질이 열화되거나 변색되지 않고, 파장변환특성을 안정적으로 유지할 수 있는 유리 조성물을 이용한 파장변환부재를 제공할 수 있다. 열적 안정성이 낮은 파장변환물질을 낮은 온도에서 소성가능한 유리를 이용하여 파장변환물질의 특성이 유지되는, 우수한 특성의 파장변환부재를 제공할 수 있다.
파장변환부재를 반도체 발광장치에 채용함으로써 신뢰성이 우수한 반도체 발광장치를 제공할 수 있다. 특히, 유리 조성물의 굴절률을 높게 유지함으로써 광추출효율이 개선된 반도체 발광장치를 제공할 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광장치를 나타내는 사시도이다.
도2는 도1에 도시된 반도체 발광장치를 나타내는 측단면도이다.
도3 및 도4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 반도체 발광장치의 다양한 예를 나타내는 단면도이다.
도5 및 도6는 본 발명의 다른 실시형태에 채용될 수 있는 반도체 발광소자의 다양한 예를 나타내는 측단면도이다.
도7은 본 발명의 다른 측면에 따른 파장변환부재의 일 예를 나타내는 개략 사시도이다.
도8은 파장변환부재의 제조방법의 일 예를 설명하기 위한 공정순서도이다.
도9 내지 도12는 각각 파장변환부재의 제조방법의 특정 예를 설명하기 위한 주요공정별 단면도이다.
도13a 및 도13b는 각각 도12에서 얻어진 파장변환부재의 개략 사시도 및 측단면도이다.
도14는 도13a에 도시된 파장변환부재를 채용한 반도체 발광장치를 나타내는 측단면도이다.
도15은 본 발명의 일 실시예에 따라 얻어진 유리 조성물의 소성 온도 및 광흡수율을 나타내는 그래프이다.
도16은 본 발명의 일 실시예에 따라 얻어진 유리 조성물의 소성 온도 및 광흡수율을 나타내는 그래프이다.
도17은 본 발명의 일 실시예에서 얻어진 반도체 발광장치의 색산포를 나타내는 CIE 1931 색좌표계이다.
도18은 본 발명의 일 실시예에서 얻어진 반도체 발광장치의 색산포를 나타내는 CIE 1931 색좌표계이다.
도19는 본 발명의 다른 측면으로서, 상술된 반도체 발광장치가 채용가능한 조명 장치의 예를 나타내는 분해사시도다.
도20은 본 발명의 또 다른 측면으로서, 상술된 반도체 발광장치가 채용가능한 헤드 램프의 예를 나타내는 개략 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 반도체 발광장치를 나타내는 사시도이며, 도2는 도1에 도시된 반도체 발광장치를 나타내는 측단면도이다.
도1에 도시된 바와 같이,본 실시형태에 따른 반도체 발광장치(10)는 패키지 본체(11)와, 반도체 발광 소자(15)와, 파장변환부재(19)를 포함한다.
본 실시형태에 채용된 패키지 본체(11)는 전극구조물로서 제1 및 제2 리드 프레임(12,13)을 포함할 수 있다. 상기 패키지 본체(11)는 상부방향으로 개방된 오목부(R)를 구비하며, 상기 제1 및 제2 리드 프레임(12,13)은 상기 오목부(R)를 통해 부분적으로 노출될 수 있다. 상기 반도체 발광소자(15)는 상기 패키지 본체(11)에 탑재되며, 제1 및 제2 리드 프레임(12,13)에 전기적으로 연결될 수 있다.
도1에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 발광소자(15)는 제1 리드 프레임(12)에 굴곡시켜 얻어진 저면(12a)에 탑재되고, 상기 제2 리드 프레임(13)에 와이어로 연결될 수 있다. 필요에 따라, 상기 오목부(R)에 상기 반도체 발광소자(15)를 둘러싸도록 투명수지부(16)를 배치할 수 있다. 본 실시형태에 채용된 패키지 본체(11)뿐만 아니라, 리드 프레임(12,13)과 같은 전극구조는 다양한 형태로 변경될 수 있다. 또한, 상기 반도체 발광소자(15)와 전극구조의 접속방식도 와이어 본딩과 같이다른 형태로 변경될 수 있다.
상기 반도체 발광소자(15)는 반도체 발광다이오드 칩은 물론, 이러한 칩이 서브마운트기판 상에 장착된 구조를 갖는 소자로서 제공될 수 있다.
상기 파장변환부재(19)는 상기 반도체 발광소자(15)로부터 광이 방출되는 경로에 위치할 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 파장변환부재(19)는 상기 패키지 본체(11)의 오목부(R) 상에 배치될 수 있다. 도1에 도시된 바와 같이, 상기 패키지 본체(11)의 오목부(R) 상단에는 걸림턱(v)을 이용하여 상기 파장변환부재(19)는 정렬된 상태에서 용이하게 장착될 수 있다.
상기 파장변환부재(19)는 파장변환물질(P)과 유리 조성물(G)이 함유된 혼합물의 소결체로 이루어질 수 있다.
상기 파장변환물질(P)은 무기 형광체 또는 양자점 형광체일 수 있다. 필요에 따라, 서로 다른 파장의 광을 방출하는 복수의 파장변환물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 반도체 발광소자(15)에서 생성되는 광은 자외선, 근자외선 또는 청색광일 수 있다. 이 경우에, 상기 파장변환물질(P)은 녹색 형광체, 황색 형광체, 황등색 형광체 및 적색 형광체로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나의 형광체를 포함할 수 있다.
상기 유리 조성물(G)은 고온에서 잘 열화되지 않으므로, 상기 파장변환부재(19)의 메트릭스 또는 상기 파장변환물질(P)의 바인더로서 유익하게 사용될 수 있다. 상기 파장변환부재(19)를 위한 유리 조성물(G)로는 저온에서 소성가능하면서, 소결체 상태에서는 높은 광 투과율을 보장할 수 있는 물질이라면 바람직하게 사용될 수 있다.
본 실시형태에 채용된 파장변환부재(19)의 유리 조성물(G)로는 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 조성물이 사용될 수 있으며, Na2O, CaO, K2O 및 Li2O로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 알칼리 또는 알카리토류 성분이 더 함유된다.
본 조성에서, ZnO, BaO 및 P2O5로 이루어진 유리 조성물에 SiO2 및 B2O3은 첨가되어 상을 보다 안정화할 수 있다. 상술된 알카리 또는 알카리토류 성분 중 적어도 하나를 첨가함으로써 소결온도를 낮출 수 있다.
상술된 유리 조성물(G)은 이에 한정되지는 않으나, 전체 유리 조성물의 중량 기준으로, 30 내지 60wt%의 ZnO-BaO, 5 내지 25wt%의 SiO2, 10 내지 30wt%의 B2O3 및 5 내지 20wt%의 P2O5을 함유하고, 추가적으로, Na2O, CaO, K2O 및 Li2O로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 20wt% 이하로 함유될 수 있다.
이러한 유리 조성물을 만족하도록 각 성분의 소성 전의 원료물질은 산화물 형태만 아니라 탄산화물 등과 같은 다른 형태로 사용될 수 있다. 예를 들어, BaO, Na2O, K2O, Li2O는 각각 BaCO3, Na2CO3, K2CO3, Li2CO3로 사용될 수 있다. 또한, 소성 전의 원료물질은 단일 성분의 화합물이 아니라 복합 성분의 화합물로 사용될 수 있다. 예를 들어, ZnO 및 P2O5에 대해서 적어도 일부를 Zn3PO4로 사용할 수도 있다.
이러한 유리 조성물(G)은 바람직하게는 약 600℃이하의 온도, 보다 바람직하게는 약 550℃이하의 온도에서 소결될 수 있다. 이와 같이 낮은 온도에서 소결함으로써 소결체인 파장변환부재(19) 내의 형광체와 같은 파장변환물질(P)의 열화 또는 변성을 방지할 수 있으며, 결과적으로 높은 신뢰성을 보장할 수 있다.
상술된 유리 조성물(G) 내에의 실리콘 조성물과 파장변환물질(P) 중 대표적인 질화물계 적색 형광체가 녹색 형광체(예, 가넷계 형광체) 또는 황색 형광체(예, 가넷계 형광체)와 비교하여 상대적으로 낮은 온도에서 쉽게 변질되는 문제를 해결할 수 있다. 즉, 상술된 유리 조성물(G)이 약 600℃ 이하의 낮은 온도에서 소결이 가능하므로, 상기 파장변환물질(P)로 열적 안정성이 낮은 적색 형광체(특히 질화물계 형광체)를 사용할 경우에, 더욱 유익하게 사용될 수 있다. 이와 같이 유익하게 채용될 수 있는 적색 질화물 형광체로는, MAlSiNx:Eu(1≤x≤5) 및 M2Si5N8:Eu 중 적어도 하나일 수 있다. 여기서, M는 Ba,Sr,Ca 및 Mg 중 적어도 하나일 수 있다.
필요에 따라, 파장변환부재(19)를 원하는 두께로 가공하거나 상기 파장변환부(19)의 표면을 경면화하기 위해서, 그라인딩 또는 폴리싱 공정을 추가적으로 수행할 수 있다.
이러한 파장변환부재(19)는 가시광선대역의 적분 투과율(total transmittance)는 바람직하게 90% 이상, 보다 바람직하게 95% 이상일 수 있다. 이에 한정되지는 않으나, 상기 파장변환부재(19)는 도1에 도시된 바와 같이 시트(sheet)형상일 수 있다. 이와 같이, 상기 유리물질(G)과 형광체(P)의 혼합물을 소결하여 얻어진 파장변환부재(19)는 높은 투과율을 보장하면서도 여기광원의 파장을 원하는 색의 파장으로 변환시킬 수 있다.
상술된 실시형태는 파장변환부재(19)를 패키지의 오목부(R) 상에 배치한 형태로 예시하였으나, 광방출경로 상에 위치한다면 적절한 다른 위치에 제공될 수 있으며, 패키지 구조에 따라 상기 파장변환부재의 위치는 다양하게 변경될 수 있다.
이러한 파장변환부재는 패키지의 구조물 상에 장착하지 않고, 직접 반도체 발광 소자의 표면에 제공될 수도 있다. 이러한 실시형태는 도3 내지 도6에 도시되어 있다.
도3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광장치를 나타내는 측단면도이다.
도3에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 따른 반도체 발광장치(30)는 패키지 본체(31)와, 반도체 발광 소자(35)와, 파장변환부재(39)를 포함한다.
본 실시형태에 채용된 패키지 본체(31)는 도1에 도시된 패키지 본체(11)와 유사하게, 상부방향으로 개방된 오목부(R)를 구비할 수 있다. 또한, 리드 프레임(32, 일측 리드프레임만 도시됨)는 상기 패키지 본체(31)에 의해 결합되며, 상기 오목부(R)를 통해 부분적으로 노출될 수 있다.
상기 반도체 발광소자(35)는 리드 프레임(32)에 탑재되고, 상기 오목부(R)에는 상기 반도체 발광소자(35)를 둘러싸도록 투명수지부(36)가 제공될 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 파장변환부재(39)는 상기 반도체 발광소자(35)의 표면에 직접 배치하여 반도체 발광소자(35)로부터 광이 방출되는 경로에 위치시킬 수 있다.
예를 들어, 본 실시형태에 도시된 파장변환부재(39)의 배치는 상기 파장변환부재(39)를 단일 시트로 제조한 후에 반도체 발광소자(35)의 표면에 부착하는 방식으로 구현될 수 있다. 단일 시트로 제조된 파장변환부재(39)는 상기 반도체 발광소자(35)의 표면에 적합한 디자인으로 절단될 수 있다. 이는 도5 및 도6에 도시된 예를 참조하여 설명하기로 한다. 또한, 이러한 부착공정은 개별 발광소자 칩 단위가 아니라, 웨이퍼 레벨에서도 구현될 수 있다.
상기 파장변환부재(39)는 파장변환물질(P)과 유리 조성물(G)이 함유된 혼합물의 소결체로 이루어질 수 있다. 상기 파장변환물질(P)은 무기 형광체와 같은 다양한 형광체 또는 양자점일 수 있다. 상기 유리 조성물(G)은 상기 파장변환부재(39)의 메트릭스 또는 상기 파장변환물질(P)의 바인더로서 역할을 수행하며, 높은 광투과율의 보장과 함께 파장변환물질(P)이 고온에서 열화되지 않도록 저온 소성이 가능한 물질이 바람직하게 사용될 수 있다.
이러한 유리 조성물(G)로는 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 조성물이 사용될 수 있으며, Na2O, CaO, K2O 및 Li2O로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분이 더 함유할 수 있다.
상술된 유리 조성물(G)은 이에 한정되지는 않으나, 전체 유리 조성물의 중량 기준으로, 30 내지 60wt%의 ZnO-BaO, 5 내지 25wt%의 SiO2, 10 내지 30wt%의 B2O3 및 5 내지 20wt%의 P2O5을 함유하고, 추가적으로, Na2O, CaO, K2O 및 Li2O로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 20wt% 이하로 함유될 수 있다.
이러한 유리 조성물(G)은 바람직하게는 약 600℃이하의 온도, 보다 바람직하게는 약 550℃이하의 온도에서 소결될 수 있다. 이와 같이 낮은 온도에서 소결함으로써 소결체인 파장변환부재(39) 내의 형광체와 같은 파장변환물질(P)의 열화 또는 변성을 방지할 수 있으며, 결과적으로 높은 신뢰성을 보장할 수 있다.
상술된 유리 조성물(G)은 파장변환물질(P)로 열에 의해 변질되기 쉬운 형광체, 예를 들어 적색 질화물 형광체를 채용할 경우에 보다 유익하게 사용될 수 있다.
이러한 파장변환부재(39)는 가시광선대역의 적분 투과율은 바람직하게 90% 이상, 보다 바람직하게 95% 이상일 수 있다. 또한, 상기 파장변환부재(39)는 상기한 유리 조성물로 구성함으로써 상대적으로 높은 굴절률을 가질 수 있다. 이러한 높은 굴절률을 갖는 파장변환부재(39)는 상기 반도체 발광소자(35)로부터 광이 추출되는 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
일반적으로 반도체 발광소자는 높은 굴절률을 가지며, 외부의 굴절률 차이에 의해 광추출효율이 낮아질 수 있으나, 상기 파장변환부재(39)를 반도체 발광소자(35)의 굴절률과 외부의 굴절률 사이에 높은 굴절률을 갖도록 구현하여 광추출효율을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, GaN 반도체 발광소자의 굴절률이 약 2.1인 경우에, 실리콘 수지와 같은 투명수지부(36)의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖도록 구현됨으로써 광추출효율을 향상시킬 수 있다. 이와 같이 광추출효율을 개선하기 위해서, 상기 파장변환부재(39)은 바람직하게 1.5 이상, 보다 바람직하게 1.52이상의 굴절률을 가질 수 있다. 이러한 굴절률은 상술된 유리조성물에 의해 구현될 수 있다.
본 실시형태와 같이, 상기 파장변환부재(39)를 상기 반도체 발광소자(35)의 상면에만 적용하는 경우에, 상기 반도체 발광소자(35)의 측면을 통해서 변환되지 않은 광이 방출되지 않도록, 도3에 도시된 바와 같이, 광반사성 분말을 함유한 수지부(38)가 반도체 발광소자(35)의 측면에 배치될 수 있다.
이러한 광반사성 분말 함유 수지부(38)는 상기 반도체 발광소자(35)의 측면으로 광이 방출되는 것을 차단하고, 파장변환부재(39)가 위치한 반도체 발광소자(35)의 상면을 통해서 빛이 방출되도록 안내함으로써 파장변환부재(39)에 의한 변환효과를 향상시킬 수 있다. 이러한 광반사성 분말로는 TiO2 또는 Al2O3와 같은 세라믹 분말이 사용될 수 있다.
도3에 도시된 실시형태와 다른 형태의 패키지 본체 및 전극구조로 구현될 수 있다. 도4에는 다른 형태의 반도체 발광장치가 예시되어 있다.
본 실시형태에 따른 반도체 발광장치(40)는 패키지 본체(41)와, 반도체 발광소자(45)와, 파장변환부재(49)를 포함한다.
상기 반도체 발광소자(45)는 동일한 면에 형성된 제1 및 제2 전극(49a,49b)을 가질 수 있다. 본 실시형태에 채용된 패키지 본체(41)는 앞선 실시형태와 달리, 제1 및 제2 전극구조(42,43)를 결속하는 수지로 이루어질 수 있다. 상기 반도체 발광소자(45)는 제1 및 제2 전극구조(42,43) 상에 실장되고, 실장된 상태에서, 제1 및 제2 전극(49a,49b)이 각각 상기 제1 및 제2 전극구조(42,43)에 접속될 수 있다.
상기 파장변환부재(49)는 앞선 실시형태와 유사하게 상기 반도체 발광소자(45)의 표면에 위치할 수 있다. 상기 파장변환부재(49)는 파장변환물질(P)과 유리 조성물(G)이 함유된 혼합물의 소결체로 이루어질 수 있다.
상기 유리 조성물(G)은 앞선 실시형태와 유사하게 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 조성물이 사용될 수 있으며, Na2O, CaO, K2O 및 Li2O로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분이 더 함유할 수 있다. 이러한 유리조성물(G)은 저온 소성을 통해 원하는 투명한 소결체를 형성할 수 있다. 유리 조성물의 조건은 본 실시형태에서 반대되는 설명이 없는 한, 앞선 실시형태들의 관련 설명이 참조로 결합될 수 있다.
본 실시형태와 같이, 상기 파장변환부재(49)를 상기 반도체 발광소자(45)의 상면에만 적용하는 경우에, 상기 반도체 발광소자(45)의 측면을 통해서 변환되지 않은 광이 방출되지 않도록, 도4에 도시된 바와 같이, 광반사성 분말을 함유한 반사성 수지부(48)가 반도체 발광소자(45)의 측면에 배치될 수 있다. 이러한 광반사성 분말로는 TiO2 또는 Al2O3와 같은 세라믹 분말이 사용될 수 있다.
필요에 따라, 상기 반사성 수지부(48)를 파장변환물질이 함유된 수지부로 대체할 수 있다. 이와 같이, 파장변환물질을 상기 반도체 발광소자(45) 측면에 추가적으로 배치할 수 있다. 그 결과로 상기 반도체 발광소자(45)의 상부면 뿐만 아니라, 그 측면을 감싸도록 파장변환물질을 제공할 수 있다. 그 결과, 상기 반도체 발광소자(45)의 측면에서 방출된 빛이 파장변환물질에 의해 파장이 변환될 수 있으므로, 반도체 발광 장치(40)의 상부로 방출되는 광과 유사하게, 전체 방향으로 균일한 색의 광을 방출할 수 있다.
상기 반도체 발광장치(40)는 상기 반도체 발광소자(45)를 둘러싸도록 투명수지부(46)가 제공될 수 있다. 이러한 투명 수지부(46)는 실리콘, 에폭시 또는 그 조합으로 이루어질 수 있으며, 대략 1.5이하의 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 따라서, 파장변환부재(49)가 1.5이상의 높은 굴절률을 가짐으로써 광추출효율을 개선할 수 있으며, 상술된 유리조성물로부터 얻어진 소결체는 높은 굴절률을 가질 수 있는 장점을 제공할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 파장변환부재(49)는 시트 형상으로 제조되어 반도체 발광소자의 표면에 적합한 디자인으로 절단되어 적용될 수 있다.
또 다른 실시예로서, 반도체 발광다이오드 칩 위에 파장변환 물질을 도포한 후에 시트 형상의 파장변환부재로 파장변환 물질에 압력을 가하여 파장변환물질의 두께 및 형상을 변경시키는 매체로 상기 파장변환부재를 사용할 수 있다. 즉, 이러한 파장변환부재에 압력(예를 들면, 발광다이오드 칩과 맞닿는 파장변환부재의 면과 반대에 위치하는 표면에 압력을 가함)을 가하여 도포된 파장변환물질이 상기 반도체 발광다이오드 칩 상부에서 얇은 판 형상으로 제공될 수 있다.
도5 및 도6는 도3 및 도4에 도시된 실시형태에 채용될 수 있는 반도체 발광소자의 다양한 예를 나타내는 측단면도이다.
도5에 도시된 반도체 발광다이오드 칩(50)은, 기판(51) 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 반도체층(54), 활성층(55) 및 제2 도전형 반도체층(56)을 포함하는 플립칩 구조가 예시되어 있다. 이러한 플립칩 구조에서, 상기 제2 도전형 반도체층(56) 상에는 고반사성 오믹전극층(58)을 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(54) 및 고반사성 오믹 콘택층(58)의 상면에는 각각 제1 및 제2 전극(59a, 59b)이 형성된다.
상기 반도체 발광다이오드 칩(50)에서, 상기 기판 상면(에피택셜이 성장된 면이 반대면)이 주된 광방출면으로 제공되며, 상기 파장변환부재(59)는 상기 기판(51) 상면에 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 파장변환부재(59)는 상기 기판(51) 상면에 적합한 디자인으로 절단되어 적용될 수 있다. 필요에 따라, 웨이퍼 레벨, 즉 개별 칩으로 절단되기 전의 웨이퍼 레벨에서 기판의 상면에 상기 파장변환부재를 제공하고 절단하여 도5에 도시된 바와 같이 상기 파장변환부재(59)가 적용된 발광다이오드 칩(50)을 얻을 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 파장변환부재(59)는 2종의 파장변환물질(Pa,Pb)과 유리 조성물(G)이 함유된 혼합물의 소결체로 이루어질 수 있다.
상기 제1 및 제2 파장변환물질(Pa,Pb)은 서로 다른 파장광을 방출하는 형광체일 수 있다. 특정 예에서, 상기 반도체 발광다이오드 칩(50)이 430∼460㎚의 파장을 갖는 청색 발광다이오드 칩인 경우에, 제1 및 제2 파장변환물질(Pa,Pb)은 백색광을 구현하기 위한 변환된 광을 제공하는 서로 다른 형광체의 조합일 수 있다. 예를 들어, 제1 파장변환물질(Pa)은 적색 형광체이고, 제2 파장변환물질(Pb)은 황색 또는 녹색 형광체일 수 있다.
상기 파장변환부재(59)는 도5에 도시된 플립칩 발광다이오드 칩 외에 구조에도 적용될 수 있다. 즉, 도5에 도시된 발광다이오드 칩(50)은 주된 광방출면의 반대면에 두 전극이 모두 형성된 칩구조를 예시하고 있으나, 도6에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 전극이 주된 광방출면에 형성된 구조에서도 파장변환부재가 적용될 수 있다.
도6에 도시된 반도체 발광다이오드 칩(60)은 도전성 기판(61), 제1 전극층(68), 절연층(62), 제2 전극층(67), 제2 도전형 반도체층(66), 활성층(65) 및 제1 도전형 반도체층(64)을 포함한다.
상기 제1 전극층(68)은 상기 도전성 기판(61) 상에 적층되어 구비되어 있을 뿐만 아니라, 도시된 바와 같이, 그 일부 영역이 상기 절연층(62), 제2 전극층(67), 제2 도전형 반도체층(66) 및 활성층(65)을 관통하고, 상기 제1 도전형 반도체층(66)의 일정 영역까지 관통한 콘택홀을 통해 연장되어 상기 제1 도전형 반도체층(64)과 접촉하여 상기 도전성 기판(61)과 제1 도전형 반도체층(64)은 전기적으로 연결되도록 구비되어 있다.
상기 제1 전극층(68) 상에는 상기 제1 전극층(68)이 상기 도전성 기판(61) 및 제1 도전형 반도체층(64)을 제외한 다른 층과는 전기적으로 절연시키기 위한 절연층(62)이 구비된다. 즉, 상기 절연층(62)은 상기 제1 전극층(68)과 제2 전극층(67a)의 사이뿐만 아니라 상기 콘택홀에 의해 노출되는 상기 제2 전극층(67a), 제2 도전형 반도체층(66) 및 활성층(65)의 측면들과 상기 제1 전극층(68) 사이에도 구비된다. 상기 제2 전극층(67a)은 상기 절연층(62) 상에 구비된다. 상기 제2 전극층(67a)은 도시된 바와 같이 상기 제2 도전형 반도체층(66)과 접촉하는 계면 중 일부가 노출된 영역(E)을 구비할 수 있으며, 이러한 노출 영역(E) 상에는 외부 전원을 상기 제2 전극층(67a)에 연결하기 위한 전극패드(67b)를 구비할 수 있다. 필요에 따라 에피택셜층 측면에 페시베이션층(63)을 형성할 수 있다.
이러한 구조에서는 주된 광방출면이 상기 제1 도전형 반도체층(64) 상면이며, 동일한 방향의 면에 상기 전극패드(67b)가 구비될 수 있다. 따라서, 상기 파장변환부재(69)는 상기 전극패드(67b)가 형성된 노출영역(E)을 제외하도록 절단되어 상기 제1 도전형 반도체층(64) 상면에 제공될 수 있다.
본 발명에는 다른 형태의 발광 다이오드 칩이 다양하게 채용될 수 있으며, 다양한 발광 다이오드 칩 구조에서도 도6에서 설명된 바와 같이, 외부 연결을 위한 전극패드의 위치와 그 형성면적에 따라 적절히 디자인되어 주된 광방출면에 적용될 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 파장변환부재(59)는 2종의 파장변환물질(Pa,Pb)과 유리 조성물(G)이 함유된 혼합물의 소결체로 이루어질 수 있다. 상기 제1 및 제2 파장변환물질(Pa,Pb)은 서로 다른 파장광을 방출하는 형광체일 수 있다. 상기 유리 조성물(G)은 앞선 실시형태들과 유사하게 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 조성물이 사용될 수 있으며, Na2O, CaO, K2O 및 Li2O로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분이 더 함유할 수 있다. 본 실시형태에 채용된 파장변환물질 및 유리조성물(G)의 조건은 본 실시형태에서 반대되는 설명이 없는 한, 앞선 실시형태들의 관련 설명이 참조로 결합될 수 있다.
도7은 본 발명의 다른 측면에 따른 파장변환부재의 일 예를 나타내는 개략 사시도이다.
본 실시형태에 따른 파장변환부재(79)는 2종의 파장변환물질(Pa,Pb)과 유리 조성물(G)이 함유된 혼합물의 소결체를 포함한다. 상기 파장변환부재(79)는 시트형상을 갖는 것으로 예시되어 있으나, 이에 한정되지 않으며 여기광원과 광방출 방향과 같은 다른 요소에 따라 다양한 형상으로 변형되어 실시될 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 제1 및 제2 파장변환물질(Pa,Pb)은 서로 다른 파장광을 방출하는 세라믹 형광체일 수 있다. 특정 예에서, 여기광원의 파장이 430∼460㎚의 파장인 경우에, 제1 및 제2 파장변환물질(Pa,Pb)은 백색광을 구현하기 위한 변환된 광을 제공하기 위한 서로 다른 형광체의 조합일 수 있다. 예를 들어, 제1 파장변환물질(Pa)은 적색 형광체이고, 제2 파장변환물질(Pb)은 황색 또는 녹색 형광체일 수 있다.
상기 적색 형광체는, MAlSiNx:Eu(1≤x≤5) 및 M2Si5N8:Eu 중 적어도 하나이며, 여기서, M는 Ba,Sr,Ca 및 Mg 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 녹색 형광체는, M3Al5O12의 조성식으로 표현되는 산화물 형광체, MxAyOxN(4/3)y의 조성식으로 표시되는 산질화물 형광체, MaAbOcN((2/3)a+(4/3)b-(2/3)c)로 표시되는 산질화물 형광체, Si6 - zAlzOzN8 -z의 조성식으로 표시되는 β-사이알론 형광체, La3Si6N11:Ce 형광체 중 적어도 하나일 수 있다. 여기서, M은 Y, Lu, Gd, Ga, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Eu, Ce으로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 1종의 Ⅱ 또는 Ⅲ족 원소이고,, A는 C, Si, Ge, Sn, Ti, Zr, Hf으로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 1종의 Ⅳ족 원소이다.
상기 황색 형광체는 실리케이트계 형광체, 가넷계 형광체 및 질화물계 형광체 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 유리 조성물(G)은 앞선 실시형태들과 유사하게 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 조성물이 사용될 수 있으며, Na2O, CaO, K2O 및 Li2O로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분이 더 함유할 수 있다. 본 조성에서, ZnO, BaO 및 P2O5로 이루어진 유리 조성물에 SiO2 및 B2O3은 첨가되어 상을 보다 안정화할 수 있다. 상술된 알카리 또는 알카리토류 성분 중 적어도 하나를 첨가함으로써 소결온도를 낮출 수 있다.
상술된 유리 조성물(G)은 이에 한정되지는 않으나, 전체 유리 조성물의 중량 기준으로, 30 내지 60wt%의 ZnO-BaO, 5 내지 25wt%의 SiO2, 10 내지 30wt%의 B2O3 및 5 내지 20wt%의 P2O5을 함유하고, 추가적으로, Na2O, CaO, K2O 및 Li2O로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 20wt% 이하로 함유될 수 있다.
이러한 유리 조성물(G)은 바람직하게는 약 600℃이하의 온도, 보다 바람직하게는 약 550℃이하의 온도에서 소결될 수 있다. 이와 같이 낮은 온도에서 소결함으로써 소결체인 파장변환부재(79) 내의 형광체와 같은 제1 및 제2 파장변환물질(Pa,Pb)의 열화 또는 변성을 방지할 수 있으며, 결과적으로 높은 신뢰성을 보장할 수 있다.
도8은 파장변환부재의 제조방법의 일 예를 설명하기 위한 공정순서도이다.
상기 파장변환부재의 제조방법은 저온 소성 글래스 프릿(glass frit)을 마련하는 단계(S81)로 시작된다.
상기 글래스 프릿은 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 조성이며, Na2O, CaO, K2O 및 Li2O로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 1종의 성분이 첨가된 조성으로 이루어진다. 이러한 글래스 프릿은 광반사율이 바람직하게 90%이상, 보다 바람직하게 95%이상이며, 소결 후에 높은 투과율(예, 90% 이상)의 소결체가 될 수 있다. 구체적인 예에서, 30 내지 60wt%의 ZnO-BaO, 5 내지 25wt%의 SiO2, 10 내지 30wt%의 B2O3 및 5 내지 20wt%의 P2O5을 함유하고, 추가적으로, Na2O, CaO, K2O 및 Li2O로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 20wt% 이하로 함유될 수 있다.
이어, 다음 단계(S83)에서 상기 유리 조성물과 파장변환물질 및 바인더를 혼합하여 복합물을 형성한다.
상기 유리 조성물은 파장변환물질과 바인더를 함께 용매에 혼합하여 파장변환부재를 위한 복합물을 형성할 수 있다.
상기 파장변환물질은 형광체 또는 양자점 등일 있다. 구체적으로, 상기 파장변환물질은 세라믹 형광체일 수 있다. 상기 세라믹 형광체는 녹색 형광체, 황색 형광체, 황등색 형광체 및 적색 형광체로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나의 형광체를 포함할 수 있다. 상기 바인더는 유리조성물과 파장변환물질을 결합시키는 역할을 하며, 이에 한정되지는 않으나, 셀룰로오스 수지, 아크릴계 수지, 부틸카르비톨 및 터피네올로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 유기 바인더일 수 있다.
다음으로, 단계(S85)에서, 상기 복합물을 원하는 형상으로 성형하여 복합물 성형체를 마련한다.
일반적으로 본 성형과정은 시트 형상으로 제조하는 공정일 수 있다. 원하는 파장의 변환정도를 결정하는 요소로서 파장변환경로길이가 중요하므로, 파장변환부재의 두께를 적절히 설정하여 원하는 파장의 변환정도를 구현할 수 있다. 필요에 따라 적절한 몰드구조를 이용하여 다양한 형상으로 성형될 수 있다. 이러한 공정의 예는 도9 내지 도12를 참조하여 설명하기로 한다.
이어, 단계(S87)에서, 저온에서 상기 복합물 성형체를 소결하여 원하는 형상의 파장변환부재를 제조한다.
상기 복합물 성형체는 저온 소성 글래스 프릿을 사용하므로, 파장변환물질의 열화를 야기하지 않는 낮은 온도(예, 약 600℃이하)에서 소결공정이 수행될 수 있다. 글래스 프릿의 조성에 따라 본 소결과정은 약 550℃이하의 온도에서 수행될 수 있다. 이러한 낮은 온도에서의 소결은 열적 안정성이 낮은 형광체의 사용을 가능하게 한다. 이러한 소결 온도조건은 예를 들어 적색 형광체, 특히 적색 질화물 형광체를 안정적으로 사용할 수 있고, 그 결과 백색 발광을 효과적으로 구현할 수 있다.
도9 내지 도12는 각각 파장변환부재의 제조방법에 채용가능한 성형공정의 예를 설명하기 위한 주요공정별 단면도이다. 본 공정은, 성형과정에서 시트형상이 아닌 특정 형상(예, 캡구조)을 갖는 복합물 성형체를 마련하는 공정을 예시한다.
우선, 도9에 도시된 바와 같이, 글래스 프릿(G), 제1 및 제2 파장변환물질(Pa,Pb) 및 바인더가 혼합된 복합물로부터 얻어진 복합물 시트(99')를 몰드 구조물(M) 상에 적용한다.
상기 글래스 프릿은 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 조성이며, Na2O, CaO, K2O 및 Li2O로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 1종의 성분이 첨가된 조성으로 이루어진다. 상기 제1 및 제2 파장변환물질(Pa,Pb)은 백색광을 구현하기 위해서 서로 다른 파장광을 제공하는 2종의 형광체일 수 있다. 예를 들어, 제1 파장변환물질(Pa)은 적색 형광체이고, 제2 파장변환물질(Pb)은 황색 또는 녹색 형광체일 수 있다.
상기 몰드 구조물(M)의 상면에는 일정한 간격으로 사각형상 블록(Ca)이 배열되어 있다. 이러한 사각형상의 블록(Ca)은 칩에 대응되는 크기를 마련될 수 있다. 상기 복합물 시트(99')는 복합물에 대한 적절한 1차 성형공정으로부터 제조될 수 있다. 이러한 복합물 시트(99')를 상기 몰드 구조물(M)에 배치한다.
이어, 도10에 도시된 바와 같이, 일정한 압력을 인가하거나 열을 가하여 몰드 구조물(M)에 대응되는 형상으로 시트 구조를 성형시킬 수 있다. 상기 복합물 시트는 상기 몰드 구조물(M)의 사각형상 블록(Ca)에 대응되도록 볼록한 캡구조(Cb)를 가질 수 있다. 다음으로, 도11에 도시된 바와 같이, 저온 소결공정을 적용하여 볼록한 캡구조(Cb)를 갖는 파장변환시트(99)를 제조할 수 있다.
다음으로, 도12에 도시된 바와 같이, 절단선(CL)을 기준으로 파장변환시트(99)를 절단하여 개별 파장변환부재(99a)를 제공한다. 이렇게 얻어진 파장변환부재(99a)는 각각 캡구조(Cb)를 갖는 형상을 가질 수 있다.
도13a 및 도13b에 도시된 바와 같이, 상기 파장변환부재(99a)의 캡구조(Cb)는 아래방향으로 개방된 수용부(S)를 가지며, 앞서 설명한 바와 같이, 칩크기에 대응되는 크기로 마련되어 광원인 칩이 위치할 수 있는 공간을 제공할 수 있다.
도14는 도13a 및 도13b에 도시된 파장변환부재(99a)를 채용한 반도체 발광장치를 예시한다.
도14에 도시된 반도체 발광장치(100)는 상기 파장변환부재(99a)와 함께, 패키지 본체(101)와, 반도체 발광소자(105)를 포함한다.
상기 반도체 발광소자(105)는 동일한 면에 형성된 제1 및 제2 전극(109a,109b)을 가질 수 있다. 본 실시형태에 채용된 패키지 본체(101)는 제1 및 제2 전극구조(102,103)를 결속하는 수지로 이루어질 수 있다. 상기 반도체 발광소자(105)는 제1 및 제2 전극구조(102,103) 상에 실장되고, 실장된 상태에서, 제1 및 제2 전극(109a,109b)이 각각 상기 제1 및 제2 전극구조(102,103)에 접속될 수 있다.
상기 파장변환부재(99a)는 상기 반도체 발광소자(105)을 덮도록 배치할 수 있다. 즉, 상기 반도체 발광소자(105)가 상기 파장변환부재(99a)의 수용공간(S)에 위치할 수 있다. 이로써, 상기 반도체 발광소자(95)의 전체 광추출면은 상기 파장변환부재(99a)에 의해 둘러싸일 수 있다. 본 실시형태는 반도체 발광소자(105)의 측면으로부터 광추출량이 많은 소자 형태에 유용하게 사용될 수 있다.
상기 반도체 발광장치(100)는 상기 반도체 발광소자(105)를 둘러싸도록 투명수지부(106)가 제공될 수 있다. 이러한 투명 수지부(106)는 실리콘, 에폭시 또는 그 조합으로 이루어질 수 있으며, 대략 1.5이하의 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 따라서, 파장변환부재(99a)가 1.5이상의 높은 굴절률을 가짐으로써 광추출효율을 개선할 수 있다.
이하, 파장변환부재에 사용되는 유리 조성물의 성분 및 함량과 그에 따른 효과에 대해서, 실험을 통해서 구체적으로 설명하기로 한다.
실시예1
Na2CO3 + K2CO3를 (20-x)wt%, B2O3를 22wt%, ZnO 25wt%, Zn3PO4를 25wt%, BaCO3를 8wt%, SiO2를 xwt%를 증가시키면서 소성 온도와 소결체의 광흡수율을 조사하였다. 즉, SiO2 함량(x)는 각각 8wt%, 10wt%, 12wt%, 15wt%, 20wt%로 달리하여 SiO2 함량 변화에 따른 흡수율(즉, "1-투과율"을 의미함)과 소성온도를 측정하였다. 그 결과를 표1과 함께 도15의 그래프로 도시하였다.
SiO2 함량 8wt% 10wt% 12wt% 15wt% 20wt%
광흡수율 3% 2.5% 2% 1.5% 1%
소성온도 500℃ 520℃ 530℃ 570℃ 610℃
본 실시예1에 따른 결과, SiO2 함량에 따라, 유리 소결체의 광흡수율 및 소성온도가 크게 변화하는 것을 확인할 수 있었다. 특히, SiO2의 함량이 증가함에 따라, 광흡수율은 낮아지는 반면에, 소성온도는 증가하는 경향을 나타내었다. 적색 질화물 형광체의 경우에, SiO2와 높은 온도에서 반응하여 안정성이 낮아지며, 특히 유리의 소성온도가 약 600℃ 이상으로 증가함으로써 질화물 형광체의 특성 열화가 심해진다고 할 수 있다. 따라서, 약 600℃ 이하에서 소성하는 것이 바람직하다고 할 수 있다. 또한, 표1을 통해서, SiO2의 함량은 15wt% 이하로 첨가된 유리 조성물을 이용하여 570℃ 이하에서 소성하는 것이 보다 바람직하다는 것을 확인할 수 있었다.
실시예2
다른 성분의 조건을 일정한 경우(예, SiO2 함량 12wt%)에, K2CO3 + Na2CO3 함량을 동일한 비율로 12wt%, 14wt%, 17wt%, 20wt%, 23wt%로 달리하여 K2CO3 + Na2CO3 함량 변화에 따른 흡수율(즉, "1-투과율"을 의미함)과 소성온도를 측정하였다. 그 결과를 표2과 함께 도16의 그래프로 도시하였다.
K2CO3 + Na2CO3 12wt% 14wt% 17wt% 20wt% 23wt%
광흡수율 1% 1% 2% 7% 12%
소성온도 620℃ 570℃ 530℃ 520℃ 510℃
본 실시예2에 따른 결과, K2CO3 + Na2CO3 함량에 따라, 유리 소결체의 광흡수율 및 소성온도가 크게 변화하는 것을 확인할 수 있었다. 특히, K2CO3 + Na2CO3의 함량이 증가함에 따라, 소성온도는 크게 낮아지나, 반면에 광흡수율은 크게 높아지는 경향을 나타내었다. 적색 질화물 형광체와 같은 열적 안정성이 낮은 형광체를 채용하기 위해서는, 소성온도가 약 600℃이하의 조건이 바람직하므로, K2CO3 + Na2CO3의 함량은 14wt%이상로 첨가하는 것이 바람직하다는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, K2CO3 + Na2CO3의 함량이 20wt%를 넘어서는 경우에는 광흡수율이 7% 이상으로 매우 높아지며(즉, 광투과율이 낮아짐), 결정화되어 흑화현상을 나타내는 것을 확인하였다. 따라서, 광흡수율 관점에서 K2CO3 + Na2CO3의 함량은 20wt%이하로 설정하는 것이 바람직하다는 것을 확인할 수 있었다.
본 실시예와 같이, K2CO3와 Na2CO3를 혼합하여 사용하는 것이 광흡수율 측면에서 유리한 점이 있으나, K2CO3와 Na2CO3 중 한가지 성분만을 추가하는 경우에도 소성온도가 낮아지는 효과를 충분히 기대할 수 있다.
실시예3
아래 표3의 조건을 만족하는 조성물의 글래스 플릿과 함께, 표4의 조건으로 형광체가 혼합된 파장변환부재를 제조하였다. 표4에 제시된 혼합 조건은 백색광을 구현하기 위한 형광체 배합 조건으로서 다른 색온도를 구현하기 위한 8가지 조건으로 구분하여 마련하였다.
각각의 조건으로 얻어진 글래스-형광체 파장변환부재를 450㎚의 파장(±2.5㎚)을 갖는 청색 발광다이오드 칩(삼성전자, CR35H)에 적용하고, 실리콘계 수지를 이용하여 도포하였다(도4의 구조 참조).
성분 함량(w%)
ZnO 24∼27
Zn3PO4 24∼28
BaCO3 7∼9
SiO2 9∼15
B2O3 21∼24
Na2CO3 6∼7
K2CO3 10∼12
구분
 유리:형광체
(중량비)		 형광체 배합비(wt%) 색온도
(K)
황색 녹색 오렌지 단파장 적색 장파장 적색
1 45:55 79 21 2700
2 50:50 81.5 18.5 3000
3 53:48 82.5 17.5 3500
4 55:45 85.5 14.5 4000
5 58:42 75.2 23.2 1.6 5000
6 62:38 87 13.2 5000
7 65:35 78 22 5700
8 70:30 85 16 6500
적색 형광체의 함량을 높게 유지하여(샘플 1 내지 3) 원하는 낮은 색온도도 안정적으로 구현할 수 있음을 확인할 수 있었다.
도17 및 도18은 본 실시예 중 샘플2(3000K) 및 샘플5(5000K)로부터 얻어진 반도체 발광장치의 색산포를 나타내는 CIE 1931 색좌표계이다.
도17에서 확인할 수 있는 바와 같이, 낮은 색온도를 구현하기 위해서 적색 형광체를 18.5 wt% 첨가한 경우에도 원하는 목표 색온도 영역(TG1)에 거의 대부분 해당되는 우수한 산포를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 상기 적색 형광체는 질화물 형광체일 수 있다. 예를 들어, 상기 적색 형광체는, MAlSiNx:Eu(1≤x≤5) 및 M2Si5N8:Eu 중 적어도 하나이며, 여기서, M는 Ba,Sr,Ca 및 Mg 중 적어도 하나일 수 있다. 상기 적색 형광체는 상기 혼합물 중량 기준 약 5wt% ~ 약 20wt%으로 포함될 수 있다.
도17에서 확인되는 색산포는 열적 안정성이 상대적으로 낮은 적색 형광체가 적게 함유된 샘플5(5000K)의 색산포(도18의 "TG2"내 분포 참조)와 유사한 수준이며, 이러한 높은 신뢰성은 적색 형광체에 영향을 크게 미치지 않는 낮은 소성온도에서 유리 조성물이 소결되며, 낮은 광흡수율로 높은 투과율을 보장할 수 있는 것으로 이해할 수 있다.
상술된 실시형태에 따른 반도체 발광소자 패키지는 다양한 애플리케이션에 유익하게 적용될 수 있다. 도19 및 도20은 이러한 응용예로서 각각 조명장치와 헤드램프를 예시하고 있다.
도19는 본 발명의 다른 측면으로서, 상술된 실시형태에 따른 반도체 발광장치를 채용한 조명 장치를 나타내는 분해사시도이다.
도19에 도시된 조명장치(5000)는 일 예로서 벌브형 램프로서, 발광모듈(5003)과 구동부(5008)와 외부접속부(5010)를 포함한다. 또한, 외부 및 내부 하우징(5006,5009)과 커버부(5007)와 같은 외형구조물을 추가적으로 포함할 수 있다.
발광모듈(5003)은 상술된 반도체 발광소자 패키지(5001)와 그 발광소자 패키지(5001)가 탑재된 회로기판(5002)을 가질 수 있다.
본 실시형태에서는, 1개의 반도체 발광장치(5001)가 회로기판(5002) 상에 실장된 형태로 예시되어 있으나, 필요에 따라 복수 개로 장착될 수 있다.
또한, 조명장치(5000)에서, 발광모듈(5003)은 열방출부로 작용하는 외부 하우징(5006)을 포함할 수 있으며, 외부 하우징(5006)은 발광모듈(5003)과 직접 접촉되어 방열효과를 향상시키는 열방출판(5004)을 포함할 수 있다. 또한, 조명장치(5000)는 발광모듈(5003) 상에 장착되며 볼록한 렌즈형상을 갖는 커버부(5007)를 포함할 수 있다. 구동부(5008)는 내부 하우징(5009)에 장착되어 소켓구조와 같은 외부접속부(5010)에 연결되어 외부 전원으로부터 전원을 제공받을 수 있다.
또한, 구동부(5008)는 발광모듈(5003)의 반도체 발광장치(5001)를 구동시킬 수 있는 적정한 전류원으로 변환시켜 제공하는 역할을 한다. 예를 들어, 이러한 구동부(5008)는 AC-DC 컨버터 또는 정류회로부품 등으로 구성될 수 있다.
따라서, 상술된 실시형태에 의한 반도체 발광장치, 예를 들어 백색광을 제공하는 반도체 발광장치가 도19에 예시된 조명 장치에 유익하게 적용될 수 있다.
도20은 본 발명의 또 다른 측면으로서, 상술된 반도체 발광장치를 채용한 헤드 램프를 나타내는 측단면도이다.
도20을 참조하면, 차량용 라이트 등으로 이용되는 헤드 램프(6000)는 광원(6001), 반사부(6005), 렌즈 커버부(6004)를 포함하며, 렌즈 커버부(6004)는 중공형의 가이드(6003) 및 렌즈(6002)를 포함할 수 있다. 또한, 헤드 램드(6000)는 광원(60001)에서 발생된 열을 외부로 방출하는 방열부(6012)를 더 포함할 수 있다.
상기 광원(6001)은 상술된 반도체 발광장치가 적어도 하나 채용된 모듈일 수 있다.
방열부(6012)는 효과적인 방열이 수행되도록 히트싱크(6010)와 냉각팬(6011)을 포함할 수 있다. 또한, 헤드 램프(6000)는 방열부(6012) 및 반사부(6005)를 고정시켜 지지하는 하우징(6009)을 더 포함할 수 있으며, 하우징(6009)은 일면에 방열부(6012)가 결합하여 장착되기 위한 중앙홀(6008)을 구비할 수 있다. 또한, 하우징(6009)은 상기 일면과 일체로 연결되어 직각방향으로 절곡되는 타면에 반사부(6005)가 광원(6001)의 상부측에 위치하도록 고정시키는 전방홀(6007)을 구비할 수 있다. 이에 따라, 반사부(6005)에 의하여 전방측은 개방되며, 개방된 전방이 전방홀(6007)과 대응되도록 반사부(6005)가 하우징(6009)에 고정되어 반사부(6005)를 통해 반사된 빛이 전방홀(6007)을 통과하여 외부로 출사될 수 있다.
따라서, 상술된 실시형태에 의한 반도체 발광장치, 예를 들어 백색광을 제공하는 반도체 발광장치가 도20에 예시된 헤드 램프에 유익하게 적용될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims (25)

  1. 파장변환물질과 유리 조성물을 갖는 혼합물의 소결체로 이루어지며,
    상기 유리 조성물은 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 조성이며, 상기 유리 조성물은 전체 유리 조성물의 중량 기준으로, 30 내지 60wt%의 ZnO-BaO, 5 내지 25wt%의 SiO2, 10 내지 30wt%의 B2O3, 5 내지 20wt%의 P2O5 및 14 내지 20wt%의 Na2O+K2O을 포함하는 파장변환부재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파장변환물질은 적색 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 파장변환부재.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 파장변환물질은 녹색 또는 황색 형광체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장변환부재.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 적색 형광체는 질화물계 형광체인 것을 특징으로 하는 파장변환부재.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 적색 형광체는, MAlSiNx:Eu(1≤x≤5) 및 M2Si5N8:Eu 중 적어도 하나이며, 여기서, M는 Ba,Sr,Ca 및 Mg 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 파장변환부재.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 적색 형광체는 상기 혼합물 중량 기준 5wt% ∼ 20wt%으로 포함된 것을 특징으로 하는 파장변환부재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유리 조성물은 CaO 및 Li2O 중 적어도 1종의 성분이 첨가된 것을 특징으로 하는 파장변환부재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 소결체의 굴절률은 1.5 이상인 것을 특징으로 하는 파장변환부재.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 소결체는 가시광선대역에서 적분 광 투과율이 90% 이상인 것을 특징으로 하는 파장변환부재.
  10. 유리 조성물을 마련하는 단계;
    상기 유리 조성물에 파장변환물질로서 적색 형광체를 혼합하여 복합물을 형성하는 단계; 및
    상기 복합물 성형체를 600℃이하의 온도에서 소결하는 단계를 포함하고,
    상기 유리 조성물은 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 조성이며, 상기 유리 조성물은 전체 유리 조성물의 중량 기준으로, 30 내지 60wt%의 ZnO-BaO, 5 내지 25wt%의 SiO2, 10 내지 30wt%의 B2O3, 5 내지 20wt%의 P2O5 및 14 내지 20wt%의 Na2O+K2O을 포함하는 것을 특징으로 하는 파장변환부재 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 유리 조성물은 CaO 및 Li2O 중 적어도 1종의 성분이 첨가된 것을 특징으로 하는 파장변환부재 제조방법.
  12. 제1 및 제2 전극구조를 구비하는 패키지 본체;
    상기 패키지 본체에 배치되며, 상기 제1 및 제2 전극구조와 연결된 반도체 발광소자; 및
    상기 반도체 발광소자로부터 생성된 광의 진행 경로 상에 위치하며, 파장변환물질과 유리 조성물을 갖는 혼합물의 소결체로 이루어지고, 상기 유리 조성물은 ZnO-BaO-SiO2-P2O5-B2O3계 조성이며, 상기 유리 조성물은 전체 유리 조성물의 중량 기준으로, 30 내지 60wt%의 ZnO-BaO, 5 내지 25wt%의 SiO2, 10 내지 30wt%의 B2O3, 5 내지 20wt%의 P2O5 및 14 내지 20wt%의 Na2O+K2O을 포함하는 파장변환부재를 포함하는 반도체 발광장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 파장변환부재는 상기 패키지 본체에 장착되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 파장변환부재는 상기 반도체 발광소자의 표면에 접촉하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 파장변환부재는 상기 반도체 발광소자의 적어도 일부를 수용하는 캡 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자는 청색광을 생성하는 청색 반도체 발광소자인 것을 특징으로 하는 반도체 발광장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 파장변환물질은 적색 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 파장변환물질은 녹색 또는 황색 형광체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광장치.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 적색 형광체는 질화물계 형광체인 것을 특징으로 하는 반도체 발광장치.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 유리 조성물은 CaO 및 Li2O 중 적어도 1종의 성분이 첨가된 것을 특징으로 하는 반도체 발광장치.
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