반도체 자외선 발광소자{SEMICONDUCTOR ULTRAVIOLET LIGHT EMITTING DEVICE}

본 발명은 반도체 자외선 발광소자에 관한 것이다.

최근에 자외선 광원은 살균 및 소독장치, UV 경화장치 등 다양한 용도로 활용되고 있다. 이러한 자외선 광원으로는 친환경적이면서 고효율인 반도체 발광소자(LED)가 주목을 받고 있다. 예를 들어, 질화물 반도체 자외선 발광다이오드가 사용되고 있다.

하지만, AlN와 같이 자외선 발광소자에 주로 사용되는 반도체는 결정결함이 발생되기 쉬우므로 고품질 결정을 갖기 어려울 수 있다. 한편, 자외선은 높은 에너지를 가지므로 반도체에 흡수되기 쉬우며, 광추출효율이 상대적으로 낮다.

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 우수한 결정 품질을 구현하면서 광추출효율을 향상된 반도체 자외선 발광소자를 제공하는데 있다.

본 발명의 일 실시예는, 기판과, 상기 기판 상에 배열된 복수의 나노 로드를 갖는 제1 AlN 층과, 복수의 나노 로드 사이에 보이드(voids)가 존재하도록 제1 AlN 층 상에 배치된 제2 AlN 층과, 상기 제2 AlN 층 상에 배치되며, 제1 도전형 AlGaN 층을 갖는 제1 도전형 질화물층과, 상기 제1 도전형 질화물층 상에 배치되며, Al _x In _y Ga _1-xy N(0≤x+y≤1, 0≤y<0.15)으로 이루어진 양자우물을 갖는 활성층과, 상기 활성층 상에 배치되며 제2 도전형 AlGaN 층을 갖는 제2 도전형 질화물층을 포함하며, 상기 활성층으로부터 생성된 특정 파장(λ)의 광의 나노 로드에 대한 굴절률을 n(λ)라 할 때에 상기 복수의 나노 로드의 직경(D)은 3.5≤n(λ)×D/λ≤5.0을 만족하는 반도체 자외선 발광소자를 제공한다.

일 예에서, 상기 제1 AlN 층은 상기 기판 상에 배치된 AlN 막을 더 포함하며, 상기 복수의 나노 로드는 상기 AlN 막 상에 배열될 수 있다.

일 예에서, 상기 복수의 나노 로드는 상기 기판 상면에 접촉되어 배열될 수 있다.

일 예에서, 상기 활성층으로부터 생성된 광의 파장(λ)은 250㎚∼300㎚ 범위일 수 있다.

이 경우에, 상기 복수의 나노 로드의 직경(D)은 450㎚∼650㎚ 범위일 수 있다. 상기 복수의 나노 로드의 높이(H)는 200㎚∼2㎛ 범위일 수 있다. 상기 복수의 나노 로드의 피치(P)는 상기 나노 로드의 직경과 같거나 크며, 3㎛보다는 작을 수 있다. 상기 복수의 나노 로드의 간격(d)은 200㎚보다 작을 수 있다.

상기 복수의 나노 로드는 육방 밀집구조(Hexagonal Close Packing: HCP)로 배열될 수 있다.

상기 양자우물층은, Al _x1 Ga _{1 -x1} N(0<x1<1)로 이루어진 복수의 양자우물층을 포함하며, 상기 활성층은, 상기 복수의 양자우물층과 Al _x2 Ga _{1 -x2} N(x1<x2<1)로 이루어진 복수의 양자장벽층이 교대로 적층될 수 있다.

본 발명의 일 실시예는, 기판과, 상기 기판 상에 배치되며, 보이드가 그 사이에 존재하도록 배열된 복수의 나노 구조물을 포함하는, 알루미늄(Al)이 함유된 제1 질화물층과, 상기 보이드가 유지되도록 제1 질화물층 상에 배치된, 알루미늄이 함유된 제2 질화물층과, 상기 제2 질화물층 상에 배치된 제1 도전형 질화물층과, 상기 제1 도전형 질화물층 상에 배치되며, Al _x In _y Ga _{1 -xy} N(0≤x+y≤1, 0≤y<0.15)으로 이루어진 양자우물층을 갖는 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 상기 제1 도전형 질화물층을 포함하며, 상기 복수의 나노 구조물의 간격(d)은 200㎚보다 작은 반도체 자외선 발광소자를 제공한다.

일 예에서, 상기 복수의 나노 구조물은 하면의 면적이 상면의 면적보다 같거나 큰 기둥형상일 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 나노 구조물은 원기둥 형상일 수 있다.

일 예에서, 상기 복수의 나노 구조물 사이에 위치한 보이드에 의해 상기 기판의 일부 영역이 노출될 수 있다.

Al을 함유한 질화물 버퍼층 형성과정에서, 미세한 간격에 두고 배열된 나노 로드와 같은 나노 구조물 상에 재성장함으로써 고품질의 버퍼층을 제공할 수 있다. 또한, 나노 구조물 사이의 간격에 에어갭(air gap)이 제공되어 광추출효율을 개선할 수 있다. 나노 구조물의 크기와 배열을 조절하여 광추출효율을 크게 향상시킬 수 있다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 자외선 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도2는 도1에 도시된 반도체 자외선 발광소자의 나노 로드 배열을 나타내는 개략 사시도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 자외선 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도4a 내지 도4e는 도1에 도시된 반도체 자외선 발광소자의 제조방법에 채용가능한 나노 로드 형성공정을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도5는 나노 로드의 직경에 따른 광추출효율의 변화를 나타내는 그래프이다.
도6은 나노 로드의 직경 및 파장의 상관관계에 따른 광추출효율의 변화를 나타내는 그래프이다.
도7은 나노 로드의 피치에 따른 광추출효율의 변화를 나타내는 그래프이다.
도8은 나노 로드의 높이에 따른 광추출효율의 변화를 나타내는 그래프이다.
도9는 AlN 층 상에 실리카 나노비즈가 배열된 상태를 촬영한 SEM 사진이다.
도10a 내지 도10d은 각각 실리카 나노비즈를 이용하여 제조된 나노 로드를 촬용한 SEM 사진이다.
도11은 나노 로드 상에 AlN 재성장을 수행한 결과물을 촬영한 SEM 사진이다.
도12는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도13은 도1에 도시된 반도체 발광소자를 채용한 패키지를 나타내는 측단면도이다.
도14는 도12에 도시된 반도체 발광소자를 채용한 패키지를 나타내는 측단면도이다.
도15는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자 패키지에 채용 가능한 파장 변환 물질을 설명하기 위한 CIE 좌표계이다.
도16은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자를 채용한 에지형 백라이트 유닛의 단면도이다.
도17은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자를 채용한 직하형 백라이트 유닛의 단면도이다.
도18은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자를 채용한 디스플레이 장치의 분해 사시도이다.
도19는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자를 포함하는 조명장치의 분해 사시도이다.
도20은 실내용 조명 제어 네트워크 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.
도21는 개방적인 공간에 적용된 네트워크 시스템의 일 실시예를 나타낸다.
도22는 가시광 무선통신에 의한 조명 기구의 스마트 엔진과 모바일 기기의 통신 동작을 설명하기 위한 블록도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 상세히 설명한다.

본 실시예들은 다른 형태로 변형되거나 여러 실시예가 서로 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 예를 들어, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 본 명세서에서, '상부', '상면', '하부', '하면', '측면' 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 소자가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있을 것이다.

한편, 본 명세서에서 사용되는 "일 실시예(one example)"라는 표현은 서로 동일한 실시예를 의미하지 않으며, 각각 서로 다른 고유한 특징을 강조하여 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 그러나, 아래 설명에서 제시된 실시예들은 다른 실시예의 특징과 결합되어 구현되는 것을 배제하지 않는다. 예를 들어, 특정한 실시예에서 설명된 사항이 다른 실시예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 실시예에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 실시예에 관련된 설명으로 이해될 수 있다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 자외선 발광소자를 나타내는 단면도이며, 도2는 도1에 도시된 반도체 자외선 발광소자를 X-X'로 절개해 본 나노 로드 배열을 나타내는 개략 사시도이다.

도1을 참조하면, 반도체 자외선 발광소자(10)는 기판(11)과, 상기 기판(11) 상에 순차적으로 배치된 버퍼층(BF), 제1 도전형 질화물층(15), 활성층(16) 및 제2 도전형 질화물층(17)을 포함할 수 있다.

기판(11)은 반도체 성장용 기판으로 제공될 수 있다. 상기 기판(11)은 사파이어, 실리콘(Si), SiC, MgAl ₂ O ₄ , MgO, LiAlO ₂ , LiGaO ₂ , GaN 등과 같이 절연성, 도전성, 반도체 물질을 이용할 수 있다. 사파이어의 경우, 육각-롬보형(Hexa-Rhombo, R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 및 a측 방향의 격자상수가 각각 13.001 Å 과 4.758 Å 이며, C(0001)면, A(11-20)면, R(1-102)면 등을 갖는다. 이 경우, 상기 C면은 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로 주로 사용된다.

한편, 도면에는 도시되지 않았으나, 기판(101)의 상면, 즉, 반도체층들의 성장면에는 다수의 요철 구조가 형성될 수 있으며, 이러한 요철 구조에 의하여 상부에 배치되는 반도체층들의 결정성과 발광 효율 등이 향상될 수 있다.

본 실시예에 채용된 버퍼층(BF)은 제1 AlN 층(12)과 상기 제1 AlN 층(12) 상에 배치된 제2 AlN 층(14)을 포함할 수 있다. 상기 제1 AlN 층(12)은 3차원 구조인 나노 로드(NR)로 이루어진 반면에, 상기 제2 AlN 층(14)은 판형일 수 있다.

상기 제1 AlN 층(12)은 상기 기판(11) 상에 배치된 복수의 나노 로드(NR)를 포함하며, 상기 복수의 나노 로드(NR)는 그 사이에 보이드(V)를 갖도록 배열될 수 있다. 상기 제1 AlN 층(12)은 다공성(porous) AlN 막으로 이해될 수도 있다. 상기 도2에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 나노 로드(NR)는 원기둥 형상을 가지며, 육각 밀집구조로 배열될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "나노 로드(nanorod)"는 폭(또는 직경)이 1㎛ 미만인 기둥형상의 구조물을 말한다.

상기 제2 AlN 층(14)은 상기 제1 AlN 층(12) 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 AlN 층(14)은 나노 로드(NR)의 상면으로부터 ELO(epitaxial laterally overgrowth)공정으로 얻어질 수 있다. 상기 제2 AlN 층(14)의 성장과정에서, 복수의 나노 로드(NR) 사이에 위치한 보이드(V)는 채워지지 않은 채 유지될 수 있다. 이와 같이 측면 성장을 통해 결정 결함을 크게 줄여 고품질 결정을 갖는 제2 AlN 층(14)을 형성할 수 있으며, 상기 제2 AlN 층(14) 상에서 후속 성장될 반도체층들(특히, 활성층(16))의 결정성을 크게 향상시킬 수 있다.

상기 제1 도전형 질화물층(15)은 Al _x In _y Ga _{1 -x- y} N (0<x≤1, 0≤y<1)을 만족하는 n형 질화물 반도체일 수 있으며, n형 불순물은 Si 또는 C일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(14)은 n형 AlGaN을 포함할 수 있다. 상기 제2 도전형 질화물층(17)은 Al _x In _y Ga _{1 -x- y} N (0<x≤1, 0≤y<1)을 만족하는 p형 질화물 반도체층일 수 있다. p형 불순물은 Mg일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 질화물층(17)은 언도프 AlGaN을 포함할 수 있다. 특정 예에서, 상기 제2 도전형 질화물층(17)은 의사 p형(pseudo p-type) 반도체로서 고의적으로 언도프되지 않은 질화물 반도체일 수 있다.

상기 자외선 발광소자(10)는 상기 제1 및 제2 도전형 질화물층(15,17)에 각각 접속된 제1 및 제2 전극(19a,19b)을 더 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 상기 제1 전극(19a)은 메사 에칭 공정에 의해 노출된 제1 도전형 질화물층(15)의 일 영역에 배치될 수 있다.

상기 활성층(16)은, Al _x In _y Ga _{1 -xy} N(0≤x+y≤1, 0≤y<0.15)으로 이루어진 양자우물층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 양자우물층은 Al _x Ga _{1 -x} N(0<x<1)로 이루어진 하나의 양자우물을 갖는 단일양자우물구조(SQW)일 수 있다. 이와 달리, 상기 활성층(16)은, Al _x1 Ga _{1 -x1} N(0<x1<1)로 이루어진 복수의 양자우물층과 Al _x2 Ga _{1 -x2} N(x1<x2<1)로 이루어진 복수의 양자장벽층이 교대로 적층된 다중양자우물구조(MQW)일 수 있다.

상기 반도체 자외선 발광소자(10)의 활성층(16)은 단파장인 자외선 광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(16)은 200㎚∼430㎚의 파장을 갖는 광일 수 있다. 특정 예에서, 상기 활성층(16)으로부터 방출되는 광은 200㎚∼430㎚, 나아가 250㎚∼300㎚의 파장일 수 있다.

이러한 자외선 광은 반도체(특히, 밴드갭이 작은 반도체)에 흡수되는 경향이 있다. 예를 들어, GaN은 360㎚ 이하의 파장을 흡수하여 광이 손실될 수 있다. 따라서, 반도체 자외선 발광 소자(10)는 AlN, AlGaN 등과 같은 Al이 함유된 질화물층을 이용할 수 있다.

또한, 본 실시예에 채용된 버퍼층(BF)은 반도체 자외선 발광소자(10)의 효율을 향상시킬 수 있는 광추출 구조로서 상기 제1 AlN 층(12)을 제공할 수 있다. 상기 제1 AlN 층(12)은 굴절률이 상이한 2개의 요소(복수의 나노 로드(NR)와 보이드(V))가 서로 교차하여 배열된 구조를 가지므로, 광 산란을 통해 자외선 광의 추출효율을 크게 향상시킬 수 있다.

상기 제1 AlN 층(12)에서, 복수의 나노 로드(NR)의 크기 및 배열은 자외선 광의 추출을 향상시키기 위한 조건에 따라 설계될 수 있다. 도2에 도시된 바와 같이, 상기 나노 로드(NR)의 크기는 직경(D)과 높이(H)로 표현될 수 있다. 상기 나노 로드(NR)의 배열은 나노 로드(NR) 중심 간의 거리인 피치(P)와 인접한 나노 로드 사이의 간격(d)으로 표현될 수 있다. 특정 예에서, 상기 나노 로드(NR)의 간격(d)이 0이 되도록 배열될 수 있다. 이 경우에도 원기둥 구조를 가지므로, 인접한 3개의 나노 로드에 둘러싸인 보이드(V)가 제공될 수 있다.

상기 활성층(16)으로부터 생성된 광의 파장(λ)에 대한 굴절률을 n(λ)라 할 때에 상기 복수의 나노 로드(NR)의 직경(D)은 3.5≤n(λ)×d/λ≤5.0을 만족할 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 나노 로드(NR)의 직경(D)은 450㎚∼650㎚ 범위일 수 있다.

상기 복수의 나노 로드(NR)의 높이(H)는 200㎚∼2㎛ 범위일 수 있다. 광추출효율을 추가적으로 향상시키기 위해서 본 실시예와 같이, 보이드(V)에 의해 상기 기판(11)의 일부 영역이 노출될 수 있다. 상기 복수의 나노 로드(NR)의 피치(P)는 상기 나노 로드(NR)의 직경(D)과 같거나 크며, 3㎛ 보다는 작을 수 있다.

한편, 상기 나노 로드(NR) 상면으로부터 재성장되는 AlN이 쉽게 머징(merging)시키기 위해서 나노 로드(NR)의 간격(d)을 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 나노 로드(NR)의 간격(d)은 200㎚보다 작을 수 있다. Al 원자의 확산 거리(diffusion length)가 다른 원소에 비해 짧으므로, 특정 예에서는 상기 복수의 나노 로드(NR)의 간격(d)은 150㎚이하로 설정될 수 있다.

추가적으로, 보이드(V)를 갖는 제1 AlN 층(12)은 자외선 발광소자(10)의 구조적인 안정성을 강화하는 완충층으로서 작용할 수 있다. 특히, 칩으로 절단되기 전에 웨이퍼에 외부 충격이 인가되더라도, 보이드(V)를 갖는 제1 AlN 층(12)은 크랙과 같은 기계적 파손이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

본 실시예와 달리, 상기 나노 로드는 다양한 형태의 나노 구조물로 변경되어 실시될 수 있다. 예를 들어, 나노 로드는 육각 기둥과 같은 다른 다각형 기둥일 수 있다. 다른 예로서, 평균 폭 또는 중심부분의 폭이 1㎛ 미만인 다양한 형상의 나노 구조물일 수 있으며, 인접한 나노 구조물 사이에 보이드를 갖도록 배열된 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 구조물의 하면 면적은 그 상면의 면적보다 같거나 큰 기둥형상일 수 있다.

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 자외선 발광소자를 나타내는 단면도이다.

도3을 참조하면, 반도체 자외선 발광소자(10')는, 앞선 실시예와 유사하게, 기판(11)과, 상기 기판(11) 상에 순차적으로 배치된 버퍼층(BF), 제1 도전형 질화물층(15), 활성층(16) 및 제2 도전형 질화물층(17)을 포함할 수 있다.

본 실시예에 채용된 버퍼층(BF)은 제1 AlN 층(12')과 상기 제1 AlN 층(12') 상에 배치된 제2 AlN 층(14)을 포함할 수 있다. 상기 제1 AlN 층(12')은 3차원 구조의 패턴을 갖는 층일 수 있다. 도3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 AlN 층(12')은 상기 기판(11) 상에 배치된 베이스층(12a)과, 상기 베이스층(12a) 상에 배치되며 나노 구조물(NS)로 이루어진 패턴영역(12b)을 포함할 수 있다. 상기 베이스층(12a)도 AlN 막일 수 있다. 상기 제1 AlN 층(12')에 대응하는 두께로 AlN 결정을 형성한 후에 소정의 깊이(H)로 선택적으로 에칭하여 패턴화된 나노 구조물(NS)을 가질 수 있다.

상기 나노 구조물(NS)의 크기 및 배열의 조건은 앞선 실시예에 설명된 조건과 유사할 수 있다. 광추출효율을 향상시키기 위해서, 상기 나노 구조물(NR)의 직경(D)은 3.5≤n(λ)×d/λ≤5.0을 만족할 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 나노 구조물(NR)의 직경(D)은 450㎚∼650㎚ 범위일 수 있다.

상기 복수의 나노 구조물(NS)의 높이(H)는 200㎚∼2㎛ 범위일 수 있다. 상기 복수의 나노 로드(NS)의 피치(P)는 상기 나노 로드(NS)의 직경(D)과 같거나 크며, 3㎛ 보다는 작을 수 있다. 상기 복수의 나노 로드(NS)의 간격(d)은 200㎚보다 작게, 나아가 150㎚이하로 설정될 수 있다.

상기 제2 AlN 층(14)은 판형일 수 있다. 상기 제2 AlN 층(14)은 상기 제1 AlN 층(12) 상에 배치될 수 있다. 상기 나노 로드(NS)의 상면으로부터 재성장되는 AlN 결정을 머징시킴으로써 평탄화된 제2 AlN 층(14)을 얻을 수 있다. 이 성장과정에서, 복수의 나노 로드(NS) 사이에 보이드(V)는 채워지지 않은 채 유지되어 상기 나노 구조물(NS)와 함께 광추출 요소로 활용될 수 있다.

도3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 채용된 제2 도전형 질화물층(17)은 p형 AlGaN 층(17a)과 p형 GaN 콘택층(17b)을 포함할 수 있다. 상기 p형 AlGaN 층(17a)은 Al 함량이 다른 복수의 층을 가질 수 있다. 이와 유사하게, 상기 제1 도전형 질화물층(15)도 단일층으로 이루어질 수도 있지만, 도핑 농도, 조성 등의 특성이 서로 다른 복수의 층을 구비할 수도 있다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 도전형 질화물층(15,17) 중 적어도 하나는 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 복수의 층들이 교대로 반복 적층된 초격자 구조를 포함할 수 있다.

도4a 내지 도4e는 도1에 도시된 반도체 자외선 발광소자의 제조방법에 채용가능한 나노 로드 형성공정을 설명하기 위한 공정 단면도이다.

우선, 도4a에 도시된 바와 같이, 기판(11) 상에 제1 AlN 층(12')을 성장시킬 수 있다.

상기 기판(11)은 반도체 성장용 기판으로서, 사파이어 기판일 수 있다. 상기 기판(11) 상에 제1 AlN 층(12')을 성장시킬 수 있다. 상기 제1 AlN 층(12')은 원하는 나노 로드의 높이를 고려하여 성장시킬 수 있다. 이에 한정되지는 않으나, 상기 제1 AlN 층(12')의 두께는 0.1㎛∼2㎛ 범위일 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 자외선 광은 반도체(특히, 밴드갭이 작은 반도체)에 흡수되는 경향이 있으므로, 이를 방지하기 위해서 버퍼층으로서는 AlN 외에도 AlGaN 등과 같은 Al이 함유된 다른 조성의 질화물층을 사용될 수 있다.

이어, 도4b에 도시된 바와 같이, 상기 제1 AlN 층(12') 상에 나노 비즈(nano beads, 13')를 배열할 수 있다.

본 공정에서 사용되는 "나노 비즈"는 직경이 나노 사이즈(∼1㎛)를 갖는 구형입자들일 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 비즈(13')는 실리카 나노 비즈일 수 있다. 상기 나노 비즈(13')는 에칭 마스크로 사용함으로써 나노 사이즈의 미세한 패턴을 형성할 수 있다. 상기 나노 비즈(13')의 직경(di) 및 배열 간격(d')에 의해 나노 로드의 직경과 간격(또는 피치)가 결정될 수 있다. 원하는 나노 비즈(13)의 배열은 스핀 코팅에 의해 수행될 수 있다. 나노 비즈(13)의 배열 간격(d')은 나노 비즈의 크기/밀도와 용액의 농도를 조절할 수 있다.

다음으로, 도4c에 도시된 바와 같이, 상기 나노 비즈(13)를 이용하여 제1 AlN 층(12)을 패터닝하고, 에칭이 종료한 후에, 도4d에 도시된 바와 같이, 복수의 나노 로드(NR)부터 나노 비즈(13')를 제거할 수 있다.

이러한 패터닝 공정에 의해, 나노 로드(NR)가 배열된 제1 AlN 층(12)을 형성할 수 있다. 본 패터닝 공정은 건식 에칭에 의해 수행될 수 있으며, 상기 나노 비즈(13)가 마스크로 사용될 수 있다. 실제로, 에칭 단계에서 나노 비즈(13')는 그 외주가 일부 손상되어 다소 감소된 직경(di')을 가질 수 있다. 본 공정에서 얻어진 나노 로드(NR)의 직경은 비즈(13')의 감소된 직경(di')에 대응될 수 있으며, 나노 로드(NR)의 간격(d)도 에칭 전의 나노 비즈(13)의 간격(d')보다 다소 커질 수 있다. 에칭 공정의 조건을 조절함으로써 이러한 간격(d)을 추가적으로 조절할 수 있다. 에칭 공정이 종료한 후에, 선택적 에칭공정을 이용하여 나노 비즈(13')를 복수의 나노 로드(NR)부터 제거하고 이어 세정/건조 공정을 적용할 수 있다.

다음으로, 도4e에 도시된 바와 같이, 상기 나노 로드(NR) 상에 제2 AlN 층(14)을 성장할 수 있다.

상기 제1 AlN 층(12)의 나노 로드(NR) 상면에 AlN를 재성장함으로써 평판형인 제2 AlN 층(14)을 형성할 수 있다. 본 공정은, 나노 로드(NR)의 상면으로부터 측면 성장이 강화되는 조건으로 AlN을 재성장하고, 재성장된 부분이 서로 머징시킴으로써 비교적 평탄화된 제2 AlN 층(14)을 얻을 수 있다. 이 과정에서, 나노 로드(NR) 사이에 위치한 보이드(V)를 채워지지 않고 유지될 수 있다. 후속으로 제2 AlN 층(14) 상에 도1에 도시된 바와 같이, 제1 도전형 질화물층(15), 활성층(16) 및 제2 도전형 질화물층(17)을 순차적으로 성장시킴으로써 원하는 반도체 자외선 발광소자(10)를 제조할 수 있다.

본 실시예와 같이, Al이 함유된 질화물층을 성장하는 경우에는, Al 원자는 표면에서의 확산길이가 상대적으로 짧기 때문에 측면 성장을 통한 머징을 위해서 패턴의 간격이 작은 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 패턴의 간격, 즉 나노 로드의 간격은 200㎚ 이하, 나아가 150㎚ 이하일 수 있다. 이러한 미세 패턴 공정은상술한 나노 비즈를 이용한 공정 외에도 포토리소그래피(photolithography) 공정에 의해 수행될 수도 있다.

이하, 나노 구조물의 크기 및 배열의 조건에 따른 효과를 확인하기 위해서 FDTD 시뮬레이션을 실시하였다.

나노 로드의 직경에 따른 광추출효율

AlN 나노 로드의 직경에 따른 AlN 층의 광 추출 향상 효과를 확인하기 위해서, 도1에 도시된 반도체 발광소자와 유사한 구조에서 280㎚ 파장의 자외선 광에 대한 광추출효율을 측정하되, 동일한 조건에서 나노 로드의 직경은 100㎚에서 900㎚까지 변경하면서 광추출효율을 측정하였다.

나노 로드를 구비하지 않은 상태에서 측정된 광추출 효율과 대비하여 증가되는 광추출 효율을 도5에 나타내었다.

나노 로드의 직경이 450㎚까지는 광추출효율이 다소 증가하거나 오히려 감소하다가 나노 로드의 직경이 약 450㎚∼650㎚ 구간에서는 큰 폭으로 증가하는 것을 확인하였다. 이 구간에서는 광추출 개선 효과는 16% ∼ 28% 까지 증가된 것으로 나타났다. 발광파장의 2배인 부근에서 560㎚에서 광추출 효율이 가장 큰 폭을 개선된 것을 알 수 있다. 또한, 나노 로드의 직경이 650㎚를 초과하면서 점차 감소하는 것으로 나타났다.

나노 로드의 직경 및 파장의 상관관계에 따른 광추출효율

광추출효율은 발광파장에 의존하므로, 자외선 대역에서의 발광파장과 나노 로드의 직경의 상관관계에 따른 광추출효율의 개선효과를 확인하였다.

발광파장이 서로 다른 240㎚와 280㎚의 자외선 발광소자에 대해서, 나노 로드의 간격(d)을 100㎚로 고정하고 직경에 대한 광출력 효율 변화를 측정하였다.

나노 로드의 직경(D)과 활성층의 발광파장(λ)의 관계식을 n(λ)×D/λ로 정의하고, 그 식의 값에 따른 광추출 효율을 도6에 나타내었다.

도6에 나타난 바와 같이, 240㎚의 자외선뿐만 아니라 280㎚의 자외선에서도, 상기 관계식의 값이 A로 표시된 영역, 즉 3.5∼5.0 범위에 해당할 경우에 광추출효율이 최대가 되는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같이, 자외선 대역에서는 나노 로드의 직경(D)이 3.5≤n(λ)×D/λ≤5.0을 만족하는 조건에서 광추출 효율을 크게 향상시킬 수 있다는 것을 확인하였다.

나노 로드의 피치에 따른 광추출효율

AlN 나노 로드의 피치(P)에 따른 광추출 효율의 변화를 확인하기 위해서 도1에 도시된 반도체 발광소자와 유사한 구조에서 280㎚ 파장의 자외선 광에 대한 광추출효율을 측정하되, 직경 560㎚이고 높이가 800㎚인 나노 로드를 560㎚에서 2240㎚까지 변경하면서 광추출 효율을 측정하였다. 그 결과를 도7에 나타내었다. 도7에는 나노 로드를 구비하지 않은 예의 광추출 효율은 Ref로 표시하였다.

도7을 참조하면, 나노 로드의 간격이 작을수록 광추출효율이 향상되는 것으로 나타났다. 특히, 나노 로드가 서로 접하도록 육방 밀집 구조(HCP)로 배열된 경우에 광추출 효율은 최대로 나타낫다. 나노 로드의 간격이 증가할 때에 광추출 효율이 대체로 낮아지다가 약 3㎛ 이상인 경우 보이드에 의한 에어 갭이 단일 평면 상에 지나치게 크게 되어 오히려 광추출 효율이 낮아지는 것으로 나타났다.

나노 로드의 높이에 따른 광추출효율

나노 로드를 형성하기 위한 AlN층을 2㎛의 두께로 성장시킨 후에 동일한 직경의 나노 로드를 동일하게 배열하도록 형성하되, 에칭 시간을 달리 적용하여 나노 로드의 높이를 200㎚∼2000㎚(기판까지 에칭)까지 다르게 형성하고 광추출효율을 측정하였다. 그 결과를 도8에 나타내었다.

도8을 참조하면, 나노 로드의 높이가 200㎚∼1600㎚인 경우에는 대체로 비슷한 추출효율을 나타냈으나, 기판까지 에칭할 경우(2000㎚)에 광추출효율이 크게 개선되는 것을 확인할 수 있었다.

상술된 시뮬레이션 결과에 따르면, 280㎚의 파장에서, AlN 나노 로드의 간격 및 직경이 각각 60 ㎚, 560 ㎚일 때 광추출 효율이 최대인 것을 확인하였으며, 버퍼층으로서 다공성 AlN 층은 나노 로드가 없는 구조(Ref)에 대비하여 광추출 효율이 최대 29 % 가 향상되는 것으로 확인되었다.

실험예 : 나노 로드 형성 및 버퍼층 형성

상술된 시뮬레이션 결과를 반영하여, 사파이어 기판에 AlN 층을 1.3㎛ 두께로 성장시키고, 나노 비즈를 이용한 에칭 공정을 통해서 간격과 직경이 각각 60 ㎚, 560 ㎚인 AlN 나노 로드를 형성하였다.

구체적으로, 직경이 약 630㎚인 실리카 나노 비즈를 합성하고, 이를 드라이 에칭 마스크로 이용하도록 사파이어 기판 상에 형성된 AlN 층 상에 스핀 코팅하였다. 나노 비즈의 크기와 용액의 농도를 조절하여, 도9에 도시된 바와 같이, 나노 비즈를 HCP 구조로 AlN 층 상에 배열하였다.

도10a 내지 도10d에 나타난 바와 같이, 드라이 에칭시간과 Cl ₂ /Ar 가스의 유량을 조절하여, AlN 나노 로드의 직경은 거의 620㎚로 유지하면서 그 높이를 320 ㎚, 500 ㎚, 600 ㎚, 900 ㎚로 다양하게 제어하였다.

이어, 도11에 나타난 바와 같이, 사파이어 기판(ⓐ) 상에 배치된 다공성 AlN 층(ⓑ) 상에 MOCVD를 이용하여 AlN(ⓒ+ⓓ)를 재성장시켰다. 구체적으로, 나노 로드의 상면에 ELO(epitaxial lateral growth) 공정을 이용하여 재성장된 AlN가 머징되어 평탄화된 AlN 층(ⓒ)을 얻고 추가적인 재성장을 통해서 고품질 AlN 층(ⓓ)을 형성할 수 있다. 이러한 재성장 과정에서, 나노 로드 사이의 보이드의 높이가 다소 감소할 수 있다. 나노 로드 사이에서 형성되는 AlN이 서로 머징되면서 스트레인이 완화되므로 결정 성장 과정에서 발생될 수 있는 크랙을 효과적으로 억제시킬 수 있다.

도12는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.

도12를 참조하면, 반도체 발광소자(100)는 기판(101), 기판(101) 상의 버퍼층(BF), 제1 도전형 질화물층(130), 활성층(140) 및 제2 도전형 질화물층(150)을 포함할 수 있다. 반도체 자외선 발광소자(100)는 제1 및 제2 도전형 질화물층(130, 150)에 각각 접속된 제1 및 제2 전극(160, 170)을 더 포함할 수 있다.

기판(101)은 사파이어와 같은 투광성 기판일 수 있다. 버퍼층(BF)은 제1 및 제2 버퍼층(112,114)을 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 버퍼층(112,114)은 각각 Al을 함유한 질화물층일 수 있다. 제1 AlN 버퍼층(12)과 상기 제1 AlN 버퍼층(12) 상에 배치된 제2 AlN 버퍼층(14)을 포함할 수 있다. 상기 제1 AlN 버퍼층(12)은 3차원 구조인 나노 로드(NR)로 이루어진 반면에, 상기 제2 AlN 버퍼층(14)은 판형일 수 있다. 상기 제2 AlN 버퍼층(14)은 상기 제1 AlN 버퍼층(12) 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 AlN 버퍼층(14)은 나노 로드(NR)의 상면으로부터 ELO(epitaxial laterally overgrowth)공정으로 얻어질 수 있다.

이하에서, 도1 및 도2에서 설명된 구성요소와 동일한 명칭으로 지칭되는 구성 요소들에 대하여는, 중복된 설명을 생략한다.

제1 전극(160)은 제2 도전형 질화물층(150) 및 활성층(140)을 관통하여 제1 도전형 질화물층(130)과 접속된 도전성 비아 형태의 연결전극부(165) 및 연결전극부(165)에 연결된 제1 전극 패드(168)를 포함할 수 있다. 연결전극부(165)는 절연부(180)에 의하여 둘러싸여 활성층(140) 및 제2 도전형 질화물층(150)과 전기적으로 분리될 수 있다. 연결전극부(165)는 접촉 저항이 낮아지도록 개수, 형상, 피치 또는 제1 도전형 질화물층(130)과의 접촉 면적 등을 적절히 설계할 수 있다. 제2 전극(170)은 제2 도전형 질화물층(150) 상의 오믹 콘택층(175) 및 제2 전극 패드(178)를 포함할 수 있다.

연결전극부(165) 및 오믹콘택층(175)은 각각 제1 및 제2 도전형 질화물층(130, 150)과 오믹 특성을 갖는 도전성 물질의 단일층 또는 다층 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 연결전극부(165) 및 오믹콘택층(175)은 Ag, Al, Ni, Cr 및 투명 도전성 산화물(TCO) 중 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다.

제1 및 제2 전극 패드(168, 178)는 연결전극부(165) 및 오믹콘택층(175)에 각각 접속되어 반도체 자외선 발광소자(100)의 외부 단자로 기능할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 전극 패드(168, 178)는 Au, Ag, Al, Ti, W, Cu, Sn, Ni, Pt, Cr, NiSn, TiW, AuSn 또는 이들의 공융 금속을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 전극(160, 170)은 서로 동일한 방향으로 배치될 수 있으며, 리드 프레임 등에 플립칩 형태로 실장될 수 있다.

제1 및 제2 전극(160, 170)은 절연부(180)에 의하여 서로 전기적으로 분리될 수 있다. 절연부(180)는 절연성 물질로 이루어질 수 있으며, 광흡수율이 낮은 물질을 사용할 수 있다. 예를 들어, 절연부(180)는 SiO ₂ , SiO _x N _y , Si _x N _y 등의 실리콘 산화물, 실리콘 질화물을 이용할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 절연부(180)는 투광성 물질 내에 광 반사성 필러를 분산시킨 광반사 구조로 형성될 수도 있다. 또는, 절연부(180)는 서로 다른 굴절률을 갖는 복수의 절연층들이 교대로 적층된 다층 DBR 구조일 수 있다.

상술된 실시예들에 따른 반도체 발광소자는 광원으로서 다양한 형태의 응용제품에 채용될 수 있다.

도13은 도1에 도시된 반도체 발광소자(10)를 채용한 패키지(700)를 나타내는 단면도이다.

도13에 도시된 반도체 발광소자 패키지(700)는 도1에 도시된 반도체 발광소자(10), 실장 기판(710) 및 봉지체(705)를 포함할 수 있다. 상기 반도체 발광소자(10)는 실장 기판(710)에 실장되어 와이어(W)를 통하여 실장 기판(710)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 실장 기판(710)은 기판 본체(711), 상부 전극(713) 및 하부 전극(714)과 상부 전극(713)과 하부 전극(714)을 연결하는 관통 전극(712)을 포함할 수 있다. 실장 기판(710)은 PCB, MCPCB, MPCB, FPCB 등의 기판으로 제공될 수 있으며, 실장 기판(710)의 구조는 다양한 형태로 응용될 수 있다.

봉지체(705)는 상면이 볼록한 돔 형상의 렌즈 구조로 형성될 수 있지만, 다른 구조를 도입하여 방출되는 광의 지향각을 조절할 수 있다.

도14는 도12에 도시된 반도체 발광소자(100)를 채용한 패키지(800)를 나타내는 단면도이다.

도14에 도시된 반도체 발광소자 패키지(800)는 도12에 도시된 반도체 발광소자(100), 패키지 본체(802) 및 한 쌍의 리드 프레임(803)일 수 있다.

상기 반도체 발광소자(100)는 리드 프레임(803)에 실장되어, 상기 반도체 발광소자(100)의 각 전극 패드는 플립칩 본딩 방식으로 리드 프레임(803)에 전기적으로 연결될 수 있다. 필요에 따라, 상기 반도체 발광소자(100)는 리드 프레임(803) 아닌 다른 영역, 예를 들어, 패키지 본체(802) 상에 실장될 수 있다. 또한, 패키지 본체(802)는 빛의 반사효율이 향상되도록 컵형상의 홈부를 가질 수 있으며, 이러한 홈부에는 반도체 발광소자(100)를 봉지하도록 투광성 물질로 이루어진 봉지체(805)가 형성될 수 있다.

상기 봉지체(705,805)에는 필요에 따라 형광체 및/또는 양자점와 같은 파장변환 물질이 함유될 수 있다. 이러한 파장 변환 물질로는 형광체 및/또는 양자점과 같은 다양한 물질이 사용될 수 있다.

자외선 반도체 발광소자는 서로 다른 파장 광으로 변환하는 복수의 파장변환요소를 포함하여 백색 발광 장치로 제공될 수 있다. 예를 들어, 청색 및 황색 형광체의 조합 또는 청색, 녹색, 적색 형광체의 조합을 포함할 수 있다.

도15는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자 패키지에 채용 가능한 파장 변환 물질을 설명하기 위한 CIE 좌표계이다.

단일 발광소자 패키지에서는 발광소자인 LED 칩의 파장과 형광체의 종류 및 배합비에 따라 원하는 색의 광을 결정할 수 있다. 백색광 발광소자 패키지의 경우, 이에 의해 색온도와 연색성을 조절할 수 있다.

예를 들어, 앞선 실시예들에 따른 반도체 자외선 발광소자는, 황색, 녹색, 적색, 청색 형광체로부터 적절한 형광체들과 조합되어 백색광을 구현할 수 있으며, 선택된 형광체의 배합비에 따라 다양한 색온도의 백색광을 발광할 수 있다.

이 경우, 조명 장치는 연색성을 나트륨(Na)등에서 태양광 수준으로 조절할 수 있으며, 색온도를 1500 K에서 20000 K 수준으로 다양한 백색광을 발생시킬 수 있으며, 필요에 따라, 보라색, 청색, 녹색, 적색, 오렌지색의 가시광 또는 적외선을 발생시켜 주위 분위기 또는 기분에 맞게 조명 색을 조절할 수 있다. 또한, 조명 장치는 식물 성장을 촉진할 수 있는 특수 파장의 광을 발생시킬 수도 있다.

반도체 자외선 발광소자에 황색, 녹색, 적색, 청색 형광체 및/또는 녹색, 적색 발광소자의 조합으로 만들어지는 백색광은 2개 이상의 피크 파장을 가지며, 도 18에 도시된 것과 같이, CIE 1931 좌표계의 (x, y) 좌표가 (0.4476, 0.4074), (0.3484, 0.3516), (0.3101, 0.3162), (0.3128, 0.3292), (0.3333, 0.3333)을 잇는 선분 영역 내에 위치할 수 있다. 또는, (x, y) 좌표가 상기 선분과 흑체 복사 스펙트럼으로 둘러싸인 영역에 위치할 수 있다. 백색광의 색온도는 1500 K 내지 20000 K의 범위에 해당한다. 도15에서 상기 흑체 복사 스펙트럼 하부에 있는 점 E(0.3333, 0.3333) 부근의 백색광은 상대적으로 황색계열 성분의 광이 약해진 상태로 사람이 육안으로 느끼기에는 보다 선명한 느낌 또는 신선한 느낌을 가질 수 있는 영역의 조명 광원으로 사용될 수 있다. 따라서 상기 흑체 복사 스펙트럼 하부에 있는 점 E(0.3333, 0.3333) 부근의 백색광을 이용한 조명 제품은 식료품, 의류 등을 판매하는 상가용 조명으로 효과가 좋다.

채용가능한 형광체는 다음과 같은 조성식 및 컬러(color)를 가질 수 있다.

산화물계: 황색 및 녹색 Y ₃ Al ₅ O ₁₂ :Ce, Tb ₃ Al ₅ O ₁₂ :Ce, Lu ₃ Al ₅ O ₁₂ :Ce

실리케이트계: 황색 및 녹색 (Ba,Sr) ₂ SiO ₄ :Eu, 황색 및 등색 (Ba,Sr) ₃ SiO ₅ :Ce

질화물계: 녹색 β-SiAlON:Eu, 황색 La ₃ Si ₆ N ₁₁ :Ce, 등색 α-SiAlON:Eu, 적색 CaAlSiN ₃ :Eu, Sr ₂ Si ₅ N ₈ :Eu, SrSiAl ₄ N ₇ :Eu, SrLiAl ₃ N ₄ :Eu, Ln _{4 -x} (Eu _z M _{1 -z} ) _x Si _{12- y} Al _y O _{3 +x+ y} N _{18 -xy} (0.5≤x≤3, 0<z<0.3, 0<y≤4) - 식 (1)

단, 식 (1) 중, Ln은 Ⅲa 족 원소 및 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 한 종의 원소이고, M은 Ca, Ba, Sr 및 Mg로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 한 종의 원소일 수 있다.

불화물(fluoride)계: KSF계 적색 K ₂ SiF ₆ :Mn ₄ ⁺ , K ₂ TiF ₆ :Mn ₄ ⁺ , NaYF ₄ :Mn ₄ ⁺ , NaGdF ₄ :Mn ₄ ⁺ , K ₃ SiF ₇ :Mn ^{4 +}

형광체 조성은 기본적으로 화학양론(Stoichiometry)에 부합하여야 하며, 각 원소들은 주기율표상 각 족들 내 다른 원소로 치환이 가능하다. 예를 들어 Sr은 알카리토류(Ⅱ)족의 Ba, Ca, Mg 등으로, Y는 란탄계열의 Tb, Lu, Sc, Gd 등으로 치환이 가능하다. 또한, 활성제인 Eu 등은 원하는 에너지 준위에 따라 Ce, Tb, Pr, Er, Yb 등으로 치환이 가능하며, 활성제 단독 또는 특성 변형을 위해 부활성제 등이 추가로 적용될 수 있다.

아래 표 1은 UV LED 칩(200∼430nm)을 사용한 백색 발광소자의 응용분야별 형광체 종류이다.

또한, 파장 변환 물질로서, 형광체를 대체하거나 형광체와 혼합하여 양자점(quantum dot, QD)이 사용될 수 있다. 상기 양자점은 사이즈에 따라 다양한 컬러를 구현할 수 있으며, 특히 형광체 대체 물질로 사용되는 경우에는 적색 또는 녹색 형광체로 사용될 수 있다. 양자점을 이용하는 경우, 협반치폭(예, 약 35 nm)을 구현할 수 있다.

상기 파장 변환 물질은 봉지재에 함유된 형태로 구현될 수 있으나, 이와 달리, 필름 형상으로 미리 제조되어 반도체 발광소자 또는 도광판과 같은 광학 구조의 표면에 부착해서 사용할 수도 있으며, 이 경우에, 상기 파장 변환 물질은 균일한 두께의 구조로 원하는 영역에 용이하게 적용할 수 있다.

백라이트 유닛이나 디스플레이 장치 또는 조명장치와 같은 다양한 광원 장치에 유익하게 사용될 수 있다. 도16 및 도17은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 백라이트 유닛을 나타내는 단면도이며, 도18은 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이 장치를 나타내는 분해사시도이다.

도16을 참조하면, 백라이트 유닛(1200)은 도광판(1203)과, 상기 도광판(1201) 측면에 배치되며 복수의 광원(1201)이 탑재된 회로 기판(1202)을 포함한다. 상기 백라이트 유닛 도광판(1203)의 하면에는 반사층(1204)이 배치될 수 있다.

상기 광원(1201)은 도광판(1203)의 측면으로 광을 방사하고, 광은 도광판(1203)의 내부로 입사되어 도광판(1203) 상부로 방출될 수 있다. 본 실시예에 따른 백라이트 장치는 "에지형 백라이트 유닛"이라고도 한다. 상기 광원(1201)은 파장변환물질과 함께, 상술된 반도체 발광소자 또는 이를 구비한 반도체 발광소자 패키지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 광원(1201)은 반도체 발광소자 패키지(700,800)일 수 있다.

도17을 참조하면, 백라이트 유닛(1500)은 직하형 백라이트 유닛으로서 파장변환부(1550), 파장변환부(1550)의 하부에 배열된 광원모듈(1510) 및 광원모듈(1510)을 수용하는 바텀케이스(1560)를 포함할 수 있다. 또한, 광원모듈(1510)은 인쇄회로기판(1501) 및 인쇄회로기판(1501) 상면에 실장된 복수의 광원(1505)을 포함할 수 있다. 상기 광원(1505)은 상술된 반도체 발광소자 또는 이를 구비한 반도체 발광소자 패키지일 수 있다. 상기 광원은 파장변환물질이 적용되지 않을 수 있다.

상기 파장변환부(1550)는 상기 광원(1505)의 파장에 따라 백색광을 방출할 수 있도록 적절히 선택될 수 있다. 상기 파장변환부(1550)는 별도의 필름으로 제조되어 적용될 수 있으나, 별도의 광확산판과 같은 다른 광학 요소(optical element)와 일체로 결합된 형태로 제공될 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에서, 파장변환부(1550)가 상기 광원(1505)으로부터 이격되어 배치되므로, 그 광원(1505)으로부터 방출되는 열로 인한 파장변환부(1550)의 신뢰성 저하를 저감시킬 수 있다.

도18은 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 분해사시도이다.

도18을 참조하면, 디스플레이 장치(2000)는, 백라이트 유닛(2200), 광학시트(2300) 및 액정 패널과 같은 화상 표시 패널(2400)을 포함할 수 있다.

백라이트 유닛(2200)은 바텀케이스(2210), 반사판(2220), 도광판(2240) 및 도광판(2240)의 적어도 일 측면에 제공되는 광원모듈(2230)을 포함할 수 있다. 광원모듈(2230)은 인쇄회로기판(2001) 및 광원(2005)을 포함할 수 있으며, 상기 광원(2005)은 상술된 반도체 발광소자 또는 이를 구비한 반도체 발광소자 패키지일 수 있다. 본 실시예에 채용된 광원(2005)은 광방출면에 인접한 측면으로 실장된 사이드 뷰타입 발광장치일 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 백라이트 유닛(2200)은 도 16 및 도17의 백라이트 유닛(1200, 1500) 중 어느 하나로 대체될 수 있다.

광학시트(2300)는 도광판(2240)과 화상 표시 패널(2400)의 사이에 배치될 수 있으며, 확산시트, 프리즘시트 또는 보호시트와 같은 여러 종류의 시트를 포함할 수 있다.

화상 표시 패널(2400)은 광학시트(2300)를 출사한 광을 이용하여 영상을 표시할 수 있다. 화상 표시 패널(2400)은 어레이 기판(2420), 액정층(2430) 및 컬러 필터 기판(2440)을 포함할 수 있다. 어레이 기판(2420)은 매트릭스 형태로 배치된 화소 전극들, 상기 화소 전극에 구동 전압을 인가하는 박막 트랜지스터들 및 상기 박막 트랜지스터들을 작동시키기 위한 신호 라인들을 포함할 수 있다. 컬러 필터 기판(2440)은 투명기판, 컬러 필터 및 공통 전극을 포함할 수 있다. 상기 컬러 필터는 백라이트 유닛(2200)으로부터 방출되는 백색광 중 특정 파장의 광을 선택적으로 통과시키기 위한 필터들을 포함할 수 있다. 액정층(2430)은 상기 화소 전극 및 상기 공통 전극 사이에 형성된 전기장에 의해 재배열되어 광투과율을 조절할 수 있다. 광투과율이 조절된 광은 컬러 필터 기판(2440)의 상기 컬러 필터를 통과함으로써 영상을 표시할 수 있다. 화상 표시 패널(2400)은 영상 신호를 처리하는 구동회로 유닛 등을 더 포함할 수 있다.

도19는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자를 채용한 LED 램프의 분해 사시도이다.

도19를 참조하면, 조명 장치(4300)는 소켓(4210), 전원부(4220), 방열부(4230), 광원모듈(4240)을 포함할 수 있다. 본 발명의 예시적 실시예에 따라, 광원모듈(4240)은 발광소자 어레이를 포함할 수 있고, 전원부(4220)는 발광소자 구동부를 포함할 수 있다.

소켓(4210)은 기존의 조명 장치와 대체 가능하도록 구성될 수 있다. 조명 장치(4200)에 공급되는 전력은 소켓(4210)을 통해서 인가될 수 있다. 도시된 바와 같이, 전원부(4220)는 제1 전원부(4221) 및 제2 전원부(4222)로 분리되어 조립될 수 있다. 방열부(4230)는 내부 방열부(4231) 및 외부 방열부(4232)를 포함할 수 있고, 내부 방열부(4231)는 광원모듈(4240) 및/또는 전원부(4220)와 직접 연결될 수 있고, 이러한 연결을 통해 외부 방열부(4232)로 열을 전달할 수 있다.

광원모듈(4240)은 전원부(4220)로부터 전력을 공급받아 광학부(4250)로 빛을 방출할 수 있다. 광원모듈(4240)은 광원(4241), 회로기판(4242) 및 컨트롤러(4243)를 포함할 수 있고, 컨트롤러(4243)는 광원(4241)의 구동 정보를 저장할 수 있다. 상기 광원은 상술된 반도체 발광소자 또는 이를 구비한 반도체 발광소자 패키지일 수 있다.

상기 광원 모듈(4240)의 상부에 반사판(4310)이 포함되어 있으며, 반사판(4310)은 광원으로부터의 빛을 측면 및 후방으로 고르게 퍼지게 하여 눈부심을 줄일 수 있다. 또한, 반사판(4310)의 상부에는 통신 모듈(4320)이 장착될 수 있으며 상기 통신 모듈(4320)을 통하여 홈-네트워크(home-network) 통신을 구현할 수 있다. 예를 들어, 상기 통신 모듈(4320)은 지그비(Zigbee), 와이파이(WiFi) 또는 라이파이(LiFi)를 이용한 무선 통신 모듈일 수 있으며, 스마트폰 또는 무선 컨트롤러를 통하여 조명 장치의 온(on)/오프(off), 밝기 조절 등과 같은 가정 내외에 설치되어 있는 조명을 컨트롤할 수 있다. 또한 상기 가정 내외에 설치되어 있는 조명 장치의 가시광 파장을 이용한 라이파이 통신 모듈을 이용하여 TV, 냉장고, 에어컨, 도어락, 자동차 등 가정 내외에 있는 전자 제품 및 자동차 시스템의 컨트롤을 할 수 있다. 상기 반사판(4310)과 통신 모듈(4320)은 커버부(4330)에 의해 커버될 수 있다.

도20은 실내용 조명 제어 네트워크 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.

본 실시예에 따른 네트워크 시스템(5000)은 상술된 반도체 자외선 발광소자와 같은 발광소자를 이용하는 조명 기술과 사물인터넷(IoT) 기술, 무선 통신 기술 등이 융합된 복합적인 스마트 조명-네트워크 시스템일 수 있다. 네트워크 시스템(5000)은, 다양한 조명 장치 및 유무선 통신 장치를 이용하여 구현될 수 있으며, 센서, 컨트롤러, 통신수단, 네트워크 제어 및 유지 관리 등을 위한 소프트웨어 등에 의해 구현될 수 있다.

네트워크 시스템(5000)은 가정이나 사무실 같이 건물 내에 정의되는 폐쇄적인 공간은 물론, 공원, 거리 등과 같이 개방된 공간 등에도 적용될 수 있다. 네트워크 시스템(5000)은, 다양한 정보를 수집/가공하여 사용자에게 제공할 수 있도록, 사물인터넷 환경에 기초하여 구현될 수 있다. 이때, 네트워크 시스템(5000)에 포함되는 LED 램프(5200)는, 주변 환경에 대한 정보를 게이트웨이(5100)로부터 수신하여 LED 램프(5200) 자체의 조명을 제어하는 것은 물론, LED 램프(5200)의 가시광 통신 등의 기능에 기초하여 사물인터넷 환경에 포함되는 다른 장치들(5300-5800)의 동작 상태 확인 및 제어 등과 같은 역할을 수행할 수도 있다.

도20을 참조하면, 네트워크 시스템(5000)은, 서로 다른 통신 프로토콜에 따라 송수신되는 데이터를 처리하기 위한 게이트웨이(5100), 게이트웨이(5100)와 통신 가능하도록 연결되며 상술된 반도체 자외선 발광소자를 포함하는 LED 램프(5200) 및 다양한 무선 통신 방식에 따라 게이트웨이(5100)와 통신 가능하도록 연결되는 복수의 장치(5300-5800)를 포함할 수 있다. 사물인터넷 환경에 기초하여 네트워크 시스템(5000)을 구현하기 위해, LED 램프(5200)를 비롯한 각 장치(5300-5800)들은 적어도 하나의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, LED 램프(5200)는 WiFi, 지그비(Zigbee), LiFi 등의 무선 통신 프로토콜에 의해 게이트웨이(5100)와 통신 가능하도록 연결될 수 있으며, 이를 위해 적어도 하나의 램프용 통신 모듈(5210)을 가질 수 있다.

상술한 바와 같이, 네트워크 시스템(5000)은 가정이나 사무실 같이 폐쇄적인 공간은 물론 거리나 공원 같은 개방적인 공간에도 적용될 수 있다. 네트워크 시스템(5000)이 가정에 적용되는 경우, 네트워크 시스템(5000)에 포함되며 사물인터넷 기술에 기초하여 게이트웨이(5100)와 통신 가능하도록 연결되는 복수의 장치(5300-5800)는 텔레비전(5310)이나 냉장고(5320)와 같은 가전 제품(5300), 디지털 도어록(5400), 차고 도어록(5500), 벽 등에 설치되는 조명용 스위치(5600), 무선 통신망 중계를 위한 라우터(5700) 및 스마트폰, 태블릿, 랩톱 컴퓨터 등의 모바일 기기(5800) 등을 포함할 수 있다.

네트워크 시스템(5000)에서, LED 램프(5200)는 가정 내에 설치된 무선 통신 네트워크(Zigbee, WiFi, LiFi 등)를 이용하여 다양한 장치(5300-5800)의 동작 상태를 확인하거나, 주위 환경/상황에 따라 LED 램프(5200) 자체의 조도를 자동으로 조절할 수 있다. 또한 LED 램프(5200)에서 방출되는 가시광선을 이용한 LiFi 통신을 이용하여 네트워크 시스템(5000)에 포함되는 장치들(5300-5800)을 컨트롤 할 수도 있다.

우선, LED 램프(5200)는 램프용 통신 모듈(5210)을 통해 게이트웨이(5100)로부터 전달되는 주변 환경, 또는 LED 램프(5200)에 장착된 센서로부터 수집되는 주변 환경 정보에 기초하여 LED 램프(5200)의 조도를 자동으로 조절할 수 있다. 예를 들면, 텔레비전(5310)에서 방송되고 있는 프로그램의 종류 또는 화면의 밝기에 따라 LED 램프(5200)의 조명 밝기가 자동으로 조절될 수 있다. 이를 위해, LED 램프(5200)는 게이트웨이(5100)와 연결된 램프용 통신 모듈(5210)로부터 텔레비전(5310)의 동작 정보를 수신할 수 있다. 램프용 통신 모듈(5210)은 LED 램프(5200)에 포함되는 센서 및/또는 컨트롤러와 일체형으로 모듈화될 수 있다.

예를 들어, TV프로그램에서 방영되는 프로그램 값이 휴먼드라마일 경우, 미리 셋팅된 설정 값에 따라 조명도 거기에 맞게 12000K 이하의 색 온도, 예를 들면 5000K로 낮아지고 색감이 조절되어 아늑한 분위기를 연출할 수 있다. 반대로 프로그램 값이 개그프로그램인 경우, 조명도 셋팅 값에 따라 색 온도가 5000K 이상으로 높아지고 푸른색 계열의 백색조명으로 조절되도록 네트워크 시스템(5000)이 구성될 수 있다.

또한, 가정 내에 사람이 없는 상태에서 디지털 도어록(5400)이 잠긴 후 일정 시간이 경과하면, 턴-온된 LED 램프(5200)를 모두 턴-오프시켜 전기 낭비를 방지할 수 있다. 또는, 모바일 기기(5800) 등을 통해 보안 모드가 설정된 경우, 가정 내에 사람이 없는 상태에서 디지털 도어록(5400)이 잠기면, LED 램프(5200)를 턴-온 상태로 유지시킬 수도 있다.

LED 램프(5200)의 동작은, 네트워크 시스템(5000)과 연결되는 다양한 센서를 통해 수집되는 주변 환경에 따라서 제어될 수도 있다. 예를 들어 네트워크 시스템(5000)이 건물 내에 구현되는 경우, 빌딩 내에서 조명과 위치센서와 통신모듈을 결합, 건물 내 사람들의 위치정보를 수집하여 조명을 턴-온 또는 턴-오프하거나 수집한 정보를 실시간으로 제공하여 시설관리나 유휴공간의 효율적 활용을 가능케 한다. 일반적으로 LED 램프(5200)와 같은 조명 장치는, 건물 내 각 층의 거의 모든 공간에 배치되므로, LED 램프(5200)와 일체로 제공되는 센서를 통해 건물 내의 각종 정보를 수집하고 이를 시설관리, 유휴공간의 활용 등에 이용할 수 있다.

한편, LED 램프(5200)와 이미지센서, 저장장치, 램프용 통신 모듈(5210) 등을 결합함으로써, 건물 보안을 유지하거나 긴급상황을 감지하고 대응할 수 있는 장치로 활용할 수 있다. 예를 들어 LED 램프(5200)에 연기 또는 온도 감지 센서 등이 부착된 경우, 화재 발생 여부 등을 신속하게 감지함으로써 피해를 최소화할 수 있다. 또한 외부의 날씨나 일조량 등을 고려하여 조명의 밝기를 조절, 에너지를 절약하고 쾌적한 조명환경을 제공할 수도 있다.

도21은 개방적인 공간에 적용된 네트워크 시스템의 일 실시예를 나타낸다.

도21을 참조하면, 본 실시예에 따른 네트워크 시스템(5000')은 통신 연결 장치(5100'), 소정의 간격마다 설치되어 통신 연결 장치(5100')와 통신 가능하도록 연결되는 복수의 조명 기구(5200', 5300'), 서버(5400'), 서버(5400')를 관리하기 위한 컴퓨터(5500'), 통신 기지국(5600'), 통신 가능한 상기 장비들을 연결하는 통신망(5700'), 및 모바일 기기(5800') 등을 포함할 수 있다.

거리 또는 공원 등의 개방적인 외부 공간에 설치되는 복수의 조명 기구(5200', 5300') 각각은 스마트 엔진(5210', 5310')을 포함할 수 있다. 스마트 엔진(5210', 5310')은 빛을 내기 위한 발광소자, 발광소자를 구동하기 위한 구동 드라이버 외에 주변 환경의 정보를 수집하는 센서, 및 통신 모듈 등을 포함할 수 있다. 상기 통신 모듈에 의해 스마트 엔진(5210', 5310')은 WiFi, Zigbee, LiFi 등의 통신 프로토콜에 따라 주변의 다른 장비들과 통신할 수 있다.

일례로, 하나의 스마트 엔진(5210')은 다른 스마트 엔진(5310')과 통신 가능하도록 연결될 수 있다. 이때, 스마트 엔진(5210', 5310') 상호 간의 통신에는 WiFi 확장 기술(WiFi Mesh)이 적용될 수 있다. 적어도 하나의 스마트 엔진(5210')은 통신망(5700')에 연결되는 통신 연결 장치(5100')와 유/무선 통신에 의해 연결될 수 있다. 통신의 효율을 높이기 위해, 몇 개의 스마트 엔진(5210', 5310')을 하나의 그룹으로 묶어 하나의 통신 연결 장치(5100')와 연결할 수 있다.

통신 연결 장치(5100')는 유/무선 통신이 가능한 액세스 포인트(access point, AP)로서, 통신망(5700')과 다른 장비 사이의 통신을 중개할 수 있다. 통신 연결 장치(5100')는 유/무선 방식 중 적어도 하나에 의해 통신망(5700')과 연결될 수 있으며, 일례로 조명 기구(5200', 5300') 중 어느 하나의 내부에 기구적으로 수납될 수 있다.

통신 연결 장치(5100')는 WiFi 등의 통신 프로토콜을 통해 모바일 기기(5800')와 연결될 수 있다. 모바일 기기(5800')의 사용자는 인접한 주변의 조명 기구(5200')의 스마트 엔진(5210')과 연결된 통신 연결 장치(5100')를 통해, 복수의 스마트 엔진(5210', 5310')이 수집한 주변 환경 정보를 수신할 수 있다. 상기 주변 환경 정보는 주변 교통 정보, 날씨 정보 등을 포함할 수 있다. 모바일 기기(5800')는 통신 기지국(5600')을 통해 3G 또는 4G 등의 무선 셀룰러 통신 방식으로 통신망(5700')에 연결될 수도 있다.

한편, 통신망(5700')에 연결되는 서버(5400')는, 각 조명 기구(5200', 5300')에 장착된 스마트 엔진(5210', 5310')이 수집하는 정보를 수신함과 동시에, 각 조명 기구(5200', 5300')의 동작 상태 등을 모니터링할 수 있다. 각 조명 기구(5200', 5300')의 동작 상태의 모니터링 결과에 기초하여 각 조명 기구(5200', 5300')를 관리하기 위해, 서버(5400')는 관리 시스템을 제공하는 컴퓨터(5500')와 연결될 수 있다. 컴퓨터(5500')는 각 조명 기구(5200', 5300'), 특히 스마트 엔진(5210', 5310')의 동작 상태를 모니터링하고 관리할 수 있는 소프트웨어 등을 실행할 수 있다.

도21은 가시광 무선통신에 의한 조명 기구의 스마트 엔진과 모바일 기기의 통신 동작을 설명하기 위한 블록도이다.

도21을 참조하면, 스마트 엔진(5210')은 신호 처리부(5211'), 제어부(5212'), LED 드라이버(5213'), 광원부(5214'), 센서(5215') 등을 포함할 수 있다. 스마트 엔진(5210')과 가시광 무선통신에 의해 연결되는 모바일 기기(5800')는, 제어부(5801'), 수광부(5802'), 신호처리부(5803'), 메모리(5804'), 입출력부(5805') 등을 포함할 수 있다.

가시광 무선통신(LiFi) 기술은 인간이 눈으로 인지할 수 있는 가시광 파장 대역의 빛을 이용하여 무선으로 정보를 전달하는 무선통신 기술이다. 이러한 가시광 무선통신 기술은 가시광 파장 대역의 빛, 즉 상기 실시예에서 설명한 발광 패키지로부터의 특정 가시광 주파수를 이용한다는 측면에서 기존의 유선 광통신기술 및 적외선 무선통신과 구별되며, 통신 환경이 무선이라는 측면에서 유선 광통신 기술과 구별된다. 또한, 가시광 무선통신 기술은 RF 무선통신과 달리 주파수 이용 측면에서 규제 또는 허가를 받지 않고 자유롭게 이용할 수 있다는 편리성과 물리적 보안성이 우수하고 통신 링크를 사용자가 눈으로 확인할 수 있다는 차별성을 가지고 있으며, 무엇보다도 광원의 고유 목적과 통신기능을 동시에 얻을 수 있다는 융합 기술로서의 특징을 가지고 있다.

스마트 엔진(5210')의 신호 처리부(5211')는 가시광 무선통신에 의해 송수신하고자 하는 데이터를 처리할 수 있다. 일 실시예로, 신호 처리부(5211')는 센서(5215')에 의해 수집된 정보를 데이터로 가공하여 제어부(5212')에 전송할 수 있다. 제어부(5212')는 신호 처리부(5211')와 LED 드라이버(5213') 등의 동작을 제어할 수 있으며, 특히 신호 처리부(5211')가 전송하는 데이터에 기초하여 LED 드라이버(5213')의 동작을 제어할 수 있다. LED 드라이버(5213')는 제어부(5212')가 전달하는 제어 신호에 따라 광원부(5214')를 발광시킴으로써, 데이터를 모바일 기기(5800')로 전달할 수 있다.

모바일 기기(5800')는 제어부(5801'), 데이터를 저장하는 메모리(5804'), 디스플레이와 터치스크린, 오디오 출력부 등을 포함하는 입출력부(5805'), 신호 처리부(5803') 외에 데이터가 포함된 가시광을 인식하기 위한 수광부(5802')를 포함할 수 있다. 수광부(5802')는 가시광을 감지하여 이를 전기 신호로 변환할 수 있으며, 신호 처리부(5803')는 수광부에 의해 변환된 전기 신호에 포함된 데이터를 디코딩할 수 있다. 제어부(5801')는 신호 처리부(5803')가 디코딩한 데이터를 메모리(5804')에 저장하거나 입출력부(5805') 등을 통해 사용자가 인식할 수 있도록 출력할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 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.