발광 다이오드들을 위한 변환 소자 및 제조 방법

발광 다이오드들을 위한 변환 소자 및 제조 방법 {CONVERSION ELEMENT FOR LIGHT-EMITTING DIODES AND PRODUCTION METHOD}

본 발명은 각기 다른(individual) 색의 발광 다이오드를 제조할 수 있는 발광 다이오드용 변환 소자, 특히 발광 변환 소자 및 관련 제조 방법에 관한 것이다.

DE 19638667 C2호에는 혼합색의 광을 방사하는 반도체 장치가 기술되어 있다. 발광 변환 소자는 520㎚보다 짧은 파장의 방사된 방사선의 일부를 흡수하여 더 긴 파장 범위로 방출한다. 상기 발광 변환 소자는 적어도 부분적으로 투명한 에폭시 수지로 이루어질 수 있다. 상기 에폭시 수지는 형광성 발광 물질, 예컨대 Y ₃ Al ₅ O ₁₂ :Ce ³⁺ , Y ₃ Ga ₅ 0 ₁₂ :Ce ³⁺ , Y(Al,Ga) ₅ 0 ₁₂ :Ce ^{3 +} , Y(Al,Ga) ₅ O ₁₂ :Tb ^{3 +} , Sc ₃ Al ₅ 0 ₁₂ :Ce ^{3 +} , Sc ₃ Ga ₅ O ₁₂ :Ce ^{3 +} , Sc(Al,Ga) ₅ O ₁₂ :Ce ³⁺ , Sc(Al,Ga) ₅ 0 ₁₂ :Tb ^{3 +} , La ₃ Al ₅ 0 ₁₂ :Ce ^{3 +} , La ₃ Ga ₅ O ₁₂ :Ce ^{3 +} , La(Al,Ga) ₅ O ₁₂ :Ce ³⁺ , La(Al,Ga) ₅ O ₁₂ :Tb ³⁺ , SrS:Ce ³⁺ ,Na, SrS:Ce ³⁺ ,Cl, SrS:CeCl ₃ , CaS:Ce ³⁺ , SrSe:Ce ³⁺ , CaGa ₂ S ₄ :Ce ³⁺ , SrGa ₂ S ₄ :Ce ³⁺ , YAl0 ₃ :Ce ³⁺ , YGa0 ₃ :Ce ³⁺ , Y(Al,Ga)0 ₃ :Ce ³⁺ , ScAl0 ₃ :Ce ³⁺ , ScGa0 ₃ :Ce ³⁺ , Sc(Al,Ga)0 ₃ :Ce ³⁺ , LaA10 ₃ :Ce ³⁺ , LaGa0 ₃ :Ce ³⁺ , La(Al,Ga)0 ₃ :Ce ³⁺ , Y ₂ Si0 ₅ :Ce ³⁺ , Sc ₂ Si0 ₅ :Ce ³⁺ 또는 La ₂ Si0 ₅ :Ce ³⁺ 를 포함하고 있다.

발광 변환 소자는 실리콘으로도 형성될 수 있다. 그러나 이러한 경우에는 발광 다이오드로부터 형성되는 열이 결코 충분하지 않게 배출된다는 문제가 발생한다. 또한, 습기에 민감한 발광 물질들은 단지 제한적으로만 반투과성 실리콘막(semipermeable silicone membrane)에 사용하기에 적합하다.

본 발명의 목적은 광 발광(photoluminescence)을 이용한 새로운 발광 다이오드용 변환 소자 및 관련 제조 방법을 제시하는 것이다.

상기 변환 소자는 예컨대 유리로서 광 발광하며, 이러한 광 발광 현상은 상기 유리가 발광성이고/이거나 상기 변환 소자가 발광 물질로 코팅되어 있음으로써 야기된다. 이 경우 유리는 유리 섬유들의 제조 방법에 의해서 적절하게 구조화된 형태로 형성될 수 있는 임의의 유리질 물질을 의미한다. 상기 광 발광은 특히 형광일 수 있는데, 즉 입사되는 전자기 방사선의 광자들에 의한 발광 물질 여기의 직접적인 결과 및 부수 현상으로서 전형적으로 발광 지속 시간이 백만분의 1초 미만인 매우 짧은 발광(= 잔광(after glow))일 수 있다.

유리 자체가 발광성인 실시예들에서, 광 발광은 발광 물질 또는 도펀트가 유리 내에 존재함으로써 야기될 수 있다. 상기 발광 물질은 예컨대 유리 내에 분포된 발광성 입자들에 의해 형성될 수 있다. 도펀트로는 예컨대 하나 또는 다수의 희토류 금속 이온이 적합하다. 상기 희토류 금속들로는 스칸듐(scandium), 이트륨(yttrium), 란타넘(lanthanum), 세륨(cerium), 프라세오디뮴(praseodymium), 네오디뮴(neodymium), 프로메튬(promethium), 사마륨(samarium), 유로퓸(europium), 가돌리늄(gadolinium), 터븀(terbium), 디스프로슘(dysprosium), 홀뮴(holmium), 에르븀(erbium), 툴륨(thulium), 이테르븀(ytterbium) 및 루테튬(lutetium)이 있다.

추가의 실시예들에서 변환 소자는 소다 석회 유리(soda lime glass), 붕규산 유리(borosilicate glass), 크리스탈 유리(lead crystal glass) 및 이산화 텔루륨 유리(tellurium dioxide glass)의 그룹(group)에서 선택된 유리이다. 이산화 텔루륨은 특히 3산화 텅스텐(tungsten trioxide)을 함유할 수 있다.

적어도 한 실시예에 따르면, 변환 소자의 유리는 상기 변환 소자의 적어도 하나의 주(主) 표면에서 분리 공정의 흔적(trace)들을 가질 수 있다.

상기 흔적들은 예를 들면 절단 그루브(saw groove), 연삭 흔적, 용융 등등 일 수 있다. 그 외에 또 변환 소자로의 유리 분리 공정은 상기 변환 소자의 측면들에 대해 수직으로 진행되는 주 표면들을 따라 이루어졌다. 상기 분리 공정의 흔적들에 의해서는, 전자기 방사선의 변환 소자 관통을 용이하게 하는 표면 러프닝(surface roughening)들이 형성될 수 있는데, 그 이유는 상기 표면 러프닝들에 의해서는 주 표면들에서 전반사 확률이 감소되었기 때문이다.

본 발명에 따른 변환 소자 제조 방법에서는 유리로 프리폼(preform)이 형성되고, 상기 프리폼은 구조화된 소자를 사용하여 구조화된 유리 섬유로 변형되며 그리고 상기 유리 섬유는 변환 소자들로 분할된다.

본 발명에 따른 변환 소자 제조 방법의 한 실시예에서는 프리폼이, 그 내부에 발광 물질 또는 도펀트가 존재하는 발광성 유리로 형성된다.

본 발명에 따른 변환 소자 제조 방법의 한 추가 실시예에서는 프리폼이 소다 석회 유리, 붕규산 유리, 크리스탈 유리 및 이산화 텔루륨 유리의 그룹에서 선택된 유리로 형성된다.

본 발명에 따른 변환 소자 제조 방법의 한 추가 실시예에서는 유리가 스칸듐, 이트륨, 란타넘, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 터븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀 및 루테튬의 그룹에서 선택된 하나 또는 다수의 이온 원소로, 예컨대 Nd ^{3 +} , Er ^{3 +} 또는 Ce ^{3 +} 로 도핑 된다.

본 발명에 따른 변환 소자 제조 방법의 한 추가 실시예에서는 변환 소자가 발광 물질로 코팅된다.

본 발명에 기술된 변환 소자 제조 방법의 적어도 한 실시예에 따르면, 유리 섬유가 개별 변환 소자들로 분할되기 이전에, 상기 유리 섬유의 적어도 한 측면이 적어도 하나의 층으로 반사 물질 및/또는 흡수 물질 및/또는 발광 물질로 코팅된다.

이 경우 상기 측면은 유리 섬유의 주 표면들에 대해 횡방향으로, 예컨대 수직으로 진행되는 유리 섬유의 외부 표면이다. 예를 들어 유리 섬유의 측면들 또는 측면은 상기 유리 섬유의 주 표면들에 서로 연결된다.

유리 섬유의 측면에 적어도 하나의 층으로 도포 되는 물질은 예를 들면 반사 물질이다. 상기 반사 물질로는 금속 물질이 사용될 수 있다. 또한, 상기 반사 물질로는 매트릭스 물질 내에 매립되는 광 분산 입자 및/또는 광 반사 입자일 수 있다. 예를 들어 광 반사 물질은 매트릭스 물질로서 실리콘을 포함할 수 있으며, 상기 실리콘 내에는 이산화 티타늄(titanium dioxide) 입자가 삽입되어 있다. 이러한 경우 상기 반사 물질은 관찰자에게 예를 들면 백색으로 보인다.

흡수 물질로는 예를 들면 검댕으로 흑화 처리된(soot-blackened) 매트릭스 물질, 예컨대 검댕으로 흑화 처리된 실리콘이 사용될 수 있다.

또한, 변환 소자는 적어도 한 측면에 발광 물질로 코팅된 층을 가질 수 있다. 발광 물질로는 유리 섬유 내에 또는 유리 섬유의 주 표면들에 존재하는 것과 동일한 또는 다른 발광 물질이 사용될 수 있다. 예를 들어 상기 본 발명에 따른 변환 소자 제조 방법에 의해서는 변환 소자가, 전체면이 발광 물질로 코팅되는 유리 기본 몸체를 포함하는 것도 가능하다.

상기 본 발명에 따른 변환 소자 방법에 의해서는 바람직하게, 유리 섬유를 변환 소자들로 분할하기 전에 구조화된 유리 섬유의 측면들 상에 적어도 하나의 층이 제공될 수 있다. 이러한 방식으로 코팅이 대규모로 이루어질 수 있고 그리고 그에 따라 기술적으로 비교적 간단하고 효율적으로 이루어질 수 있다. 그리고 나서 층은 유리 섬유와 동일한 분할 단계로 분할되며, 따라서 상기 층은 마찬가지로 분리 공정 흔적들을 가질 수 있다.

유리 섬유를 변환 소자들로 분할할 때에는, 분리 공정에 의해 변환 소자 유리의 주 표면들에 흔적들이 생성될 수 있으며, 이때 분리는 상기 변환 소자 유리의 주 표면들을 따라 이루어진다. 분리 공정의 흔적들은 예를 들어 절단 그루브, 용융 등등일 수 있다.

바람직하게 분리 공정과 관련해 변환 소자의 주 표면들은 상기 분리 공정의 흔적들로 인한 표면 러프닝을 가질 수 있다. 이러한 표면 러프닝은 방사선의 변환 소자 관통을 도울 수 있는데, 그 이유는 상기 표면 러프닝들로 인해 상기 변환 소자 주 표면들에서 전반사 확률이 감소되었기 때문이다.

본 발명에 따른 변환 소자 제조 방법의 적어도 한 실시예에 따르면, 구조화 소자(structuring element)는 적어도 하나의 몰딩을 갖는다. 예를 들어 상기 구조화 소자는 개구를 가질 수 있으며, 점성 상태의 유리 섬유는 상기 개구를 통해 당겨진다. 이러한 경우 상기 개구는 예를 들면 상기 몰딩에 의해 중첩된 기본형(basic form)을 갖는다. 예를 들어 개구는 직사각형 또는 정사각형 기본형을 가질 수 있고, 상기 몰딩은 정사각형 또는 직사각형의 모서리에 형성되어 있고 상기 정사각형 또는 직사각형 안쪽으로 돌출한다. 이러한 경우 상기 몰딩에 의해 변환 소자 내에는 리세스가 형성된다. 즉, 예를 들어 그 베이스 면적을 놓고 볼 때 정사각형 또는 직사각형인 변환 소자는 이러한 경우 자신의 한 모서리에 리세스를 갖는다.

리세스의 크기는 콘택 수단이 관통하기에 적합하게 설계되는 방식으로 선택된다. 예를 들면 완성된 발광 다이오드에서 변환 소자 내 리세스는, 상기 변환 소자가 배치되는 발광 다이오드 칩의 외부 표면에서 접속 영역이 노출되도록 형성될 수 있다. 이러한 경우에 발광 다이오드 칩을 전기적으로 연결시킬 수 있는 콘택 수단, 예컨대 커넥팅 와이어(connecting wire) 또는 커넥팅 필름(connecting film)이 상기 리세스를 관통할 수 있다.

본 발명에 기술된 변환 소자의 적어도 한 실시예에 따르면, 상기 변환 소자는 본 발명에 기술된 방법으로 제조되었다. 그와 동시에 상기 방법은 예를 들어 분리 공정의 흔적들 또는 변환 소자 내 리세스 형성에 의해 입증될 수 있다. 그럼으로써 방법과 관련하여 기술된 모든 특징은 변환 소자와 관련하여서도 기술되며, 그 반대의 경우로도 적용된다.

더 나아가 본 발명에서는 발광 다이오드가 제시된다. 발광 다이오드의 적어도 한 실시예에 따르면, 상기 발광 다이오드는 발광 다이오드 칩 및 본 발명에 기술된 변환 소자를 포함한다. 다시 말해, 변환 소자 및 상기 변환 소자의 제조 방법과 관련하여 기술된 모든 특징은 발광 다이오드와 관련하여서도 기술되며, 그 반대의 경우로도 적용된다.

변환 소자는 발광 다이오드 칩의 방사선 방출면에 배치되어 있다. 예를 들어 변환 소자는 방사선을 투과시키는 접착제를 이용해 발광 다이오드 칩의 방사선 방출면에 고정될 수 있다. 또한, 변환 소자는 하우징 몸체에 고정되고, 발광 다이오드 칩에 대해 이격되어 배치될 수도 있다.

한 실시예에 따르면, 변환 소자는 리세스를 가지며, 상기 리세스를 통해서 접속 영역은 발광 다이오드 칩의 방사선 방출면에 접근할 수 있다. 즉, 변환 소자의 리세스는 발광 다이오드 칩의 접속 영역, 예를 들어 본딩 패드(bonding pad)를 적어도 국부적으로 개방된 채로 둔다(leave open). 변환 소자가 발광 다이오드 칩 바로 위에 제공되었다 하더라도, 접속 영역은 이러한 방식으로 계속해서 자유롭게 접근될 수 있다.

발광 다이오드의 적어도 한 실시예에 따르면, 콘택 수단은 리세스를 관통하는데, 이때 상기 콘택 소자는 기계적으로 그리고 전기적으로 접속 영역에 연결되어 있다. 콘택 수단으로는 예를 들어 커넥팅 와이어가 사용되며, 상기 커넥팅 와이어는 와이어 본딩에 의해 접속 영역에 고정될 수 있다. 본 발명에 기술된 방법에 의해서는 특히 간단하게 콘택 수단의 관통을 위해 설계된 리세스를 갖는 변환 소자를 형성할 수 있다. 그와 동시에 리세스는 변환 소자의 제조 시에 이미 형성되며, 때문에 상기 리세스를 제조하기 위한 변환 소자의 추가적인 후처리가 필수적이지 않다.

하기에서는 첨부된 도면들을 참조해서 변환 소자 및 관련 제조 방법의 실시예들이 보다 상세하게 설명된다.

도 1은 유리 섬유의 구조화를 도시한 개략도이다.
도 2는 구조화 소자의 예를 도시한 도면이다.
도 3a 및 도 3b와 관련해서는 본 발명에 기술된 발광 다이오드가 개략도로 상세하게 설명된다.

동일하거나, 동일한 유형이거나, 동일하게 작용하는 소자들은 도면들에서 동일한 도면 부호로 표시된다. 도면들과 도면들에 도시된 소자들의 상호 간 크기 비율은 일정한 축척에 의한 것으로서 간주해서는 안 된다. 오히려 개별 소자들은 더욱 나은 형태성 및/또는 더욱 나은 이해를 위해 과장되어 크게 도시되어 있을 수 있다.

도 1의 개략도에 따르면, 본 발명의 변환 소자 제조 방법에서는 먼저 유리로 프리폼(4)이 제조되고, 그리고 나서 상기 프리폼은 구조화 소자(5)에 의해 구조화된 유리 섬유(2)의 예정된 형태로 형성된다. 그 다음 상기 유리 섬유는 변환 소자(1)들로 분할될 수 있는데, 이러한 분할은 예컨대 절단(blade dicing), DWC(diamond wire cutting) 또는 워터 젯 절단(water jet cutting)에 의해 일반적으로 공지된 방법으로 수행될 수 있다.

유리 섬유들을 제조할 때 사용되는 방법과 일치하는 전형적인 변환 소자 제조 방법에서 프리폼(4)은 점성 상태로 예컨대 특수한 몰딩(7)들을 가질 수 있는 구조화 소자(5)의 개구(6)를 통해 당겨져 상기와 같은 방식에 의해 원하는 형태로 형성된다. 구조화된 유리 섬유(2)는 상기와 같은 제조로 인해 균일한 횡단면을 갖지만, 그러나 상기 횡단면은 모든 형의 형태를 취할 수 있는데, 예를 들면, 둥근 형태, 각이 진 형태, 특히 정사각형 형태를 취할 수 있고, 또는 상기 횡단면에는 상기 구조화 소자(5)의 개구(6) 형태에 상응하는 브리지(bridge) 또는 세로 홈(cannelure)(3)이 제공될 수 있다.

계속해서 도 1에 도시된 바에 따르면, 선택적으로 구조화된 유리 섬유(2)의 측면(2d)들은 층(14)으로 코팅될 수 있다. 이 경우 상기 층(14)은 방사선을 반사하거나, 방사선을 흡수하거나 또는 방사선을 변환하는 물질을 포함할 수 있다. 동시에 특히 모든 측면(2d)에 층(14)이 제공될 수도 있다. 이 경우 코팅은 브리지(3) 영역에서도 이루어질 수 있는데, 상기 브리지 영역은 추후 완성된 변환 소자(1)의 리세스(7')를 형성한다. 예를 들면 모든 측면(1d)에서 층(14)을 갖는 변환 소자(1)가 얻어진다.

도 2는 개구(6)를 갖는 구조화 소자(5)의 예를 도시하는데, 상기 개구는 기본적으로 정사각형이고 한 모서리에 몰딩(7)을 갖는다. 도 2와 관련해서는 어떻게 구조화된 유리 섬유(2)가 다양한 형태를 가질 수 있는지가 나타나며, 그 결과 변환 소자(1)들이 발광 다이오드들, 전기 접속면들 또는 하우징의 상이한 형태들에 적합하게 형성될 수 있다. 구조화된 유리 섬유(2)는, 관련 적용예에 적합한 횡단면을 형성할 수 있는, 종래 방식의 유리 섬유들 제조 시에 사용되는 임의의 방법으로 제조될 수 있다.

상기와 같은 방법을 이용하여 변환 소자를 제조할 수 있는 붕규산 유리의 예로는 81 SiO ₂ - 13 B ₂ O ₃ - 2 Al ₂ O ₃ - 4 Na ₂ O가 있다. 상기 유리를 형성하는 화합물들 앞에 언급된 81, 13, 2 및 4라는 숫자는 각각 관련 화합물의 비율(mol-%)을 나타낸다.

변환 소자를 제조할 수 있는 소다 석회 유리(알칼리성 유리, alkaline glass)의 예로는 69 SiO ₂ - 1 B ₂ O ₃ - 3 K ₂ O - 4 Al ₂ O ₃ - 13 Na ₂ O - 2 BaO - 5 CaO - 3 MgO가 있다. 유리를 형성하는 화합물들에 앞에 언급된 69, 1, 3, 4, 13, 2, 5 및 3이라는 숫자는 이 경우에도 각각 관련 화합물의 비율(mol-%)을 나타낸다.

변환 소자를 제조할 수 있는 텅스텐-이산화 텔루륨 유리의 예로는 71 TeO ₂ - 22.5 WO ₃ - 5 Na ₂ O - 1.5 Nb ₂ O ₅ 가 있다. 유리를 형성하는 화합물들에 앞에 언급된 71, 22.5, 5 및 1.5이라는 숫자는 이 경우에도 마찬가지로 각각 관련 화합물의 비율(mol-%)을 나타낸다.

제시된 유리들은 단지 변환 소자 및 관련 제조 방법에 적합한 다수의 유리의 개별 예일 뿐이다. 광 발광을 형성하기 위한 도핑 또는 발광 물질 입자들의 삽입은 바람직하게 프리폼(4)이 제조되기 전에 이루어진다. 가능한 대안예 대신에 또는 추가로 발광 물질은 코팅물로서 변환 소자에 도포 될 수 있다. 예정된 발광 물질이 예컨대 유리 용융에 필요한 상승된 온도 때문에 제조 방법에 적합하지 않을 경우에는 추후 코팅이 특히 바람직하다.

구조화된 유리 섬유(2)의 외부면에는 추가로 예컨대, TiO ₂ 로 이루어진 반사층 또는 간섭(interference)을 야기하는 층 구조물, 예컨대 다이크로익 미러(dichroic mirror)가 제공될 수 있다. 따라서 변환 소자의 가장자리들에서는 반사 특성이 향상된다.

유리 섬유가 변환 소자들로 분할되기 이전에 구조화된 유리 섬유(2)들은 공간을 절약하기 위해 절단되지 않은 채로 놓여있을 수 있으며, 그 결과 항상 원하는 형태의 임의의 변환 소자 수가 제공될 수 있다. 대량 생산의 경우에 높은 품질 기준 및 국한된 허용 한계는 비교적 작은 비용으로 유리 섬유들의 품질을 컨트롤함으로써 달성될 수 있다. 유리의 사용은 발광 다이오드에 의해 형성된 열의 방출을 향상시키고 다수의 상이한 발광 물질의 문제없는 삽입을 허용한다.

도 3a 및 도 3b와 관련하여 본 발명에 기술된 발광 다이오드는 개략도로 상세하게 설명된다.

도 3a는 본 발명에 기술된 발광 다이오드를 개략적인 평면도로 도시한다. 상기 발광 다이오드는 캐리어(13)를 포함하는데, 상기 캐리어는 예를 들어 하우징의 부분, 회로 기판 또는 세라믹 또는 반도체 재료와 같은 절연 물질로 이루어진 기본 몸체일 수 있다. 발광 다이오드는 또한 접속 위치(12a, 12b)들을 포함하며, 상기 접속 위치들에는 발광 다이오드 칩(8)이 전도성으로 연결되었다.

본원의 경우 발광 다이오드 칩(8)은 상기 접속 위치(12b)에 제공되었다. 발광 다이오드 칩(8)은 방사선 방출면(9)을 가지며, 상기 방사선 방출면 바로 다음에는 변화 소자(1)가 배치되어 있다. 변환 소자(1)는 리세스(7')를 가지며, 상기 리세스에서 접속 영역(11), 즉 본원의 경우 본딩 패드는 방사선 방출면(9)에 개방된 채로 놓여있다. 특히 도 3b의 발광 다이오드 측면도에 나타난 바와 같이, 콘택 수단(10), 즉 본원의 경우 접속 위치(12a)에 전도성으로 연결된 콘택 와이어가 리세스(7')를 관통하고 있다.

전체적으로 이러한 방식으로 간단히 발광 다이오드 칩(8)의 전기 콘택팅이 이루어질 수 있다.

본 특허 출원은 대응하는 공개 내용이 참조를 통해 본원으로써 수용되는 독일 특허 출원 102011100710.9호의 우선권을 청구한다.

본 발명은 실시예들에 따르는 설명에 의해 국한되지 않는다. 오히려 본 발명은 각각의 새로운 특징뿐 아니라, 특징들의 각각의 조합을 포함하며, 이런 점은, 비록 상기 특징 또는 상기 조합 자체가 특허청구범위 또는 실시예들에 명확하게 명시되어 있지 않다고 하더라도, 특히 특허청구범위 내 특징들의 각각의 조합을 포함한다.