색변환재를 포함하는 발광다이오드 장치 document_id A220623051930

발광다이오드의 분야, 특히 소위 "백색 LEDs"로 불리는 분야가 본 발명의 배경기술이 된다. 광을 방출하는 반도체 소자(semiconductor element)는 일반적으로 특정 파장으로 광을 방출하며, 직접적으로 백색광을 생성하는 반도체 소자는 아직 개발되어 있지 않다. 대신에, 반도체 소자들은 녹색, 적색 또는 청색과 같은 각 파장의 광을 방출하도록 구성된다. 그럼에도 불구하고 백색광의 생성이 가능하도록 하기 위해, 종래기술에서는 청색 LEDs 광을 색변환에 의해 혼합 백색광(white light mixture)으로 변환하는 기술이 알려져 있다. 일반적으로 매트릭스(matrix) 형상으로 임베디드(embedded)되는 형광체(phosphor)는 소위 LED 다이(die)라고 불리는 반도체 소자의 주위로 배치된다. 청색광은 LED 다이의 주변에서 형광체에 의하여 흡수되어 보다 긴 파장의 광으로 변환된다. 형광체로부터 방출되는 장파장의 광은 발광다이오드 칩의 변환되지 않은 청색광과 조합되어 혼합 백색광이 된다. 종래기술에서와 같이 색변환재가 LED 다이 주변에 배치되는 형태는 일반적으로 LED 칩을 둘러싸는 색변환재로부터 나오는 광이 순수하게 백색이 아니라 공간적 방향에 따라 다른 색을 가지거나(및/또는) 형광체 층(phosphor layer)의 표면에서 다른 색을 가진다는 결점이 있다. 렌즈 등을 이용하여 방출된 광을 조준(collimation) 및 투사(imaging)하는 것은 이러한 색의 불균일성을 더 강화시킨다. 이러한 분균일성의 원인은 색변환된 성분이 형광체/매트릭스 환경을 통한 광경로에 비례하여 증가하는데 있다. 일반적으로 정육면체(cubic) 또는 직육면체(cuboid)로 구성되는 발광다이오드 칩은 모든 방향으로 그 모양과 유사한 형태로 광을 방출하기 때문에 광의 균일한 변환을 실현하기는 매우 어렵다. 그러나, 특히 어려운 점은 불균일한 광 방출 영역으로부터 균일한 백색광을 실현하기 위한 이미지화 광학 시스템(imaging optical system)으로 인하여 발생한다. 따라서 종래의 광학 시스템을 포함하는 백색 LEDs는 중앙에 푸른 빛을 띠고 가장자리에 황색을 띠는 전형적인 불균일한 백색 방출을 나타낸다. 발광다이오드 칩에 의해 방출되는 광을 가능한 균일한 혼합 백색광으로 변환하기 위하여 종래기술로 다양한 장치들이 알려져 있다. 두 가지 공지된 구성이 도 5 내지 7에 도시되어 있으며 이하 간략히 설명한다. 도 5 및 도6에 도시되어 있는 공지된 제1 발광다이오드 장치(100)는 베이스(102)에 배치되는 발광다이오드 칩(101)을 포함한다. 베이스(102)는 열전도 절연층(thermally conductive insulating layer)(103)으로 구성될 수 있고, 열전도 절연층(103)의 상측면에는 도선(conductor path)(104)을 포함하는 전기적 전도층(electrically conductive layer)이 배치되고, 그 위에 LED 다이(101)가 배치된다. LED 다이의 전기적 접촉은 발광다이오드 칩(101)의 상면으로 연결되는 본딩 와이어(bonding wire)(105)에 의하여 도선(104)으로부터 측면으로 이루어진다. 발광다이오드 칩(101)에 의해 방출되는 광의 색변환을 위하여, 발광다이오드 칩(101)은 색변환재(106)로 완전히 채워진 반구형 봉지재(encapsulation)에 의해 둘러싸인다. 이와 같은 장치에서는 반구형 봉지재로써 거의 균일한 길이의 광경로를 형성하는 것이 가능하기 때문에 균일한 표면색을 얻을 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 귤절율 n = 1의 공기에 대하여 굴절율 n ≒ 1.4 내지 1.6을 갖는 봉지재를 이용하여 방출되는 광은 변환되지 않은 청색광의 부분 방출과 색변환재(106)인 형광체에 의하여 색변환된 광의 부분 방출이 국부적인 균등화를 이룰 수 있도록 한다. 이와 같이, 결과적으로 방출되는 혼합광(light mixture)은 색깔에 있어서 균질화되는 것이다. 그러나, 이러한 공지의 구성에서는 발광다이오드 칩(101)이 실질적으로 하나의 점(point)으로 여겨질 수 있고 봉지재는 발광다이오드 칩(101)의 광방출 영역보다 실질적으로 더 커야할 것이 요구된다. 다시 말해서 이러한 시스템의 이미지화를 위해 매우 큰 렌즈가 필요하게 되는 단점을 초래하는데, 왜냐하면 광을 효과적으로 직진시키기 위해 발광 표면은 렌즈에 대하여 거의 점으로 작동되어야 하기 때문이다. 색변환을 위한 사용 가능한 반구의 최소 크기는 발광다이오드 칩(101)의 가장자리 길이의 거의 3 내지 4배이고, 렌즈의 크기는 발광 표면의 거의 10 내지 20배이어야 한다. 도 6은 반구형 변환기 구조(spherical converter geometry)와 렌즈(107)가 포함된 백색광 LED 장치 및 그 작동상태를 보여준다. 광의 이미지화를 위하여 단지 제한된 방출 각도 범위가 사용될 수 있으므로, 반구형 변환기의 경우는 많은 측면광의 손실이 예정되는데, 이런 방출 특성에 의하여 광의 일정 비율이 렌즈(107)에 의해 이미지화될 수 없게 된다. 그러나, 반구형 모양으로 배치되는 광변환 물질을 대신하여 일정한 두께를 가진 코팅을 사용할 수 있으며, 이러한 장치는 도 7에 도시된다. 먼저, 두 번째 변형 예인 이 발광다이오드 장치(120)는 또한 절연층(123)과 도선(124) 층으로 구성되는 베이스(122)에 배치되는 발광다이오드 칩(121)으로 구성된다. 첫 번째 공지된 장치의 경우와 마찬가지로, 전기적 접촉은 발광다이오드 칩(121)의 상측면으로 연결되는 본딩 와이어(125)에 의하여 이루어진다. 여기에서는 색변환재(126)가 일정한 두께를 가지고 발광다이오드 칩(121)의 표면 전체를 균일하게 덮도록 배치된다. 그리고 색변환재(126)를 나가는 광선은 렌즈(127)에 의하여 다시 조준된다. 만일 코팅이 매우 얇은 것으로 채택된 경우, 발광다이오드 칩(121)의 전극 구조가 보이게 되고, 작은 방출각(예를 들어 10°이하)으로 투사되는 광은 투사되는 영역에서 불균일한 투사를 초래한다. 색변환재(126)의 층이 매우 얇은 경우, 이러한 전극 구조는 또한 색의 불균일성을 만들 수 있다. 이는 발광다이오드 칩(121)의 더 넓은 영역에서 광을 발하지 않는 경우에 대한 것이다. 반대로 만일 층이 매우 두꺼운 경우, 층의 가장자리에서는 광이 다른 색으로 방출될 위험이 존재한다. 그러나, 적어도 전극 구조는 더 이상 보이지 않게 되고, 보다 넓은, 비발광 전극 구조에 기인한 색의 불균일성을 피할 수 있게 된다. 그러므로 이러한 공지된 장치에서 측면으로 방출되는 광선은 단지 일부분만이 투사(imaging)에 사용된다. 층의 두께가 증가됨에 따라 더욱 많은 광이 측면을 통해 방출되고, 그 결과 활용 가능한 광량은 더욱 줄어들게 된다. 따라서 달성 가능한 균일한 백색광 방출과 광학 시스템을 이용하여 이것을 투사(imaging)할 가능성과 관련하여, 이러한 공지된 장치 또한 결점을 가지게 된다. 발광다이오드 장치에 대하여, 도 5 내지 7에 도시된 공지된 구성의 중간 정도의 구성을 갖는 구조물이 존재한다. 그러나 도 6에 도시한 발광다이오드 장치의 구조 높이만이 실질적으로 허용 가능한 높이를 갖기 때문에, 상기 중간 정도의 구성을 갖는 구조물은 실현될 수 없다. 색변환재를 이용하지 않고 백색광을 생성할 가능성은 WO 02/50472 A1에 개시되어 있다. 이 공개 출원에는 깔때기 모양의 반사기를 갖는 베이스 면의 기저에 다른 색의 발광다이오드 칩을 다수 배치한 발광다이오드 장치가 기술되어 있다. 반사기의 특별한 구성뿐만 아니라 다른 색깔의 발광다이오드 칩들을 갖는 상기 장치는 발광다이오드 칩들로부터 방출되는 광이 전체적으로 혼합되어 백색광을 만들도록 한다. 그러나, 이러한 공개된 구조는 하나의 발광다이오드 칩이 사용될 수 있는 도 5 내지 7에 각각 도시한 구조와 비교하여 매우 복잡하다.