JP4674282B2 - 線光源用ｌｅｄモジュール - Google Patents
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Description
本発明は、線光源形態の光源を提供する線光源用ＬＥＤモジュールに関するものであって、より具体的には、発光効率を高くしつつ放熱能力を最大化できる線光源用ＬＥＤモジュールに関する。
一般的に、発光ダイオード（ＬＥＤ；Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）チップは、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮなどの化合物材料からなる半導体素子であって、選択された化合物材料の特性に応じて様々なカラーのビームを照明する。ＬＥＤチップは主にパッケージの形態で用いられ、このようなＬＥＤパッケージは液晶表示素子などを用いた平板ディスプレイの光源として用いることが出来る。
図６は、従来の技術によるＬＥＤモジュールの断面図である。図６を参照すると、従来のＬＥＤモジュール１０は、表面実装素子（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｕｎｔ Ｄｅｖｉｃｅ：以下、ＳＭＤと称する）の形態で製作され、メタルコア印刷回路基板（Ｍｅｔａｌ Ｃｏｒｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ；ＭＣＰＣＢ）１２、上記ＭＣＰＣＢの表面に形成された配線パターン１４、上記配線パターンに電気的に連結されるＬＥＤパッケージ１６を含んでいる。
上記ＭＣＰＣＢ１２は、ＬＥＤパッケージ１６を支持すると共に、それに構成された回路によりＬＥＤパッケージ１６の発光を制御する。
ＬＥＤパッケージ１６は、パッケージ本体１６ａと、上記パッケージ本体１６ａ上に実装されているＬＥＤチップ１６ｂと、上記ＬＥＤチップ１６ｂを密封する樹脂包装部１６ｃとで構成される。ここで、ＬＥＤチップ１６ｂは点光源として赤色光、緑色光又は青色光を発生させ、赤色、緑色及び青色ＬＥＤチップ１６ｂを組み合わせることにより、ＬＥＤモジュール１０から白色光を得ることが出来る。
ところが、上記のような構造を有するＬＥＤモジュールは、ＭＣＰＣＢ自体の放熱性能が良くないためＬＥＤチップから発生する熱が容易に外部へ伝達されない短所があり、このようにパッケージの内部に高い熱が放熱されないまま存在する場合、抵抗が非常に高くなって光効率が低下する。
また、ＬＥＤパッケージが占める空間が大きくなるため小型化が困難で、リフロー（ｒｅｆｌｏｗ）方式のＬＥＤチップの付着方式を適用すべきであるため、工程コストの上昇を招来する。
図７ａは、図６のＬＥＤモジュールがバックライトユニットに適用された例を図示した概念図で、図７ｂは、バックライトユニットの発光特性を表した写真である。
一般的に、従来のＬＥＤモジュールに適用されているＬＥＤパッケージ１６は、指向角が最大±１２０°以上に調節できないため、図７ａと図７ｂに図示された通り、導光板２０の一部領域に相対的に光が少なく到達して暗部３０が発生する問題点があり、このような暗部３０は液晶表示パネル（ＬＣＤ）の輝度の均一度を低下させる原因となる。
また、従来のＬＥＤモジュールは、外側に外れる光の損失を効果的に防ぐことが出来なかったため、さらに輝度を低下させる原因となっている。
本発明は、前述の従来技術の問題を解決するために成されたものであって、本発明の目的は、発光効率を高めつつ放熱能力を最大化できる線光源用ＬＥＤモジュールを提供することである。
本発明の他の目的は、ＬＥＤモジュールからの外側に外れる光の損失を効果的に防ぐことにより、輝度を極大化させる線光源用ＬＥＤモジュールを提供することである。
本発明の他の目的は、ＬＥＤモジュールからの外側に外れる光の損失を効果的に防ぐことにより、輝度を極大化させる線光源用ＬＥＤモジュールを提供することである。
前述の本発明の目的を達成すべく、本発明は、上部に配線パターンが形成された回路基板と、上記配線パターンと電気的に連結されるよう上記回路基板上に直接装着され長さ方向に配列された複数のＬＥＤチップと、上記複数のＬＥＤチップ全体を囲うよう上記回路基板上に設けられ上記複数のＬＥＤチップから放出される光を反射させる反射壁と、上記回路基板の下部に形成され上記ＬＥＤチップから発生する熱を放出させる放熱板とを含むことを特徴とする線光源用ＬＥＤモジュールを提供することを特徴とする。
本発明によると、ＬＥＤチップが別途のＬＥＤパッケージ無しで回路基板に直接装着されるため指向角を大きくすることが出来る。また、反射壁を通じてバックライトの発光部の外側に外れて放出される光を所望の出射方向に効果的に反射させることにより、即ち、一方向への光の直進性を増大させることにより、例えば、バックライトユニットに適用時に輝度を増進させる効果が得られる。
従って、従来のＬＥＤパッケージを使用するときより、少数のＬＥＤチップで十分の輝度を達成することができ、特にＬＥＤチップから放出された熱が回路基板内に形成された熱放出ビアを通じて下端部の放熱板へ伝達されるため、高い信頼性が保障できる。
従って、従来のＬＥＤパッケージを使用するときより、少数のＬＥＤチップで十分の輝度を達成することができ、特にＬＥＤチップから放出された熱が回路基板内に形成された熱放出ビアを通じて下端部の放熱板へ伝達されるため、高い信頼性が保障できる。
以下、本発明の好ましい実施形態を添付の図面を参照してさらに詳しく説明する。
図面において、図１は本発明の一実施例による線光源用ＬＥＤモジュールの平面図で、図２は本発明の一実施例による線光源用ＬＥＤモジュールの断面図である。
図１及び図２から分かるように、本発明による線光源用ＬＥＤモジュール１００は、回路基板１０２、複数のＬＥＤチップ１０４、反射壁１０６、及び放熱板１０８を含んで構成される。
回路基板１０２の上面には、ＬＥＤチップ１０４に電源及び電気的信号を入力する配線パターン１０３が形成されている。
また、回路基板１０２の内部には、ＬＥＤチップ１０４から放熱板１０８に熱を放出させるための熱放出ビア１０５が形成されている。即ち、回路基板１０２は反射壁１０６及び放熱板１０８の取り付けを手伝い、ＬＥＤチップ１０４から発生する熱を外部へ効果的に放出できるよう熱放出ビア１０５を備える。
複数のＬＥＤチップ１０４は、上記配線パターン１０３と電気的に連結されるよう上記回路基板１０２上に直接装着され長さ方向に配列されることにより線光源を形成する。例えば、ＬＥＤチップ１０４は、ＧａＮ系、ＧａＡｓ系、ＧａＰ系、ＩｎＧａＮ系、ＩｎＡｌＧａＮ系、ＩｎＧａＰ系、又はＩｎＧａＡｓＰ系半導体から選択された材料で形成されることができ、形態及び用途に応じてＥＰＩ−ＵＰ、フリップ（ＦＬＩＰ）、垂直型（Ｖｅｒｔｉｃａｌ ｔｙｐｅ）の何れも使用可能である。
本発明において、回路基板１０２は、セラミック回路基板で構成されることが好ましい。これは、セラミック回路基板が従来のＭＣＰＣＢに比べてパターニングと積層工程を通じたビアホールの加工に有利という長所を有するからである。また、ＭＣＰＣＢは、以後に説明する放熱板との接着において、材質の特性に起因して金属と金属の間の溶接などが求められるが、セラミック回路基板はガラス系接着剤により簡単に接着できるという長所がある。
反射壁１０６は、上記複数のＬＥＤチップ１０４の全体を囲うよう回路基板１０２上に設けられ、上記複数のＬＥＤチップから放出される光を反射させる。この際、反射壁１０６の高さが高くなると光抽出効率を高めることが出来るが、ＬＥＤモジュールのサイズが大きくなる短所があり、逆に反射壁１０６の高さが低くなるとＬＥＤモジュールのサイズは小さくなるものの、光抽出効率が低くなるという短所がある。従って、上記反射壁１０６の角度は、指向角と光抽出効率がバランス良く得られるよう０〜１８０°の間の最適化した条件を使用するようにする。
また、反射壁１０６は、バックライトユニットとのマッチングのために適正高さ及び厚さを有するよう構成される。好ましく、反射壁１０６は、バックライト適用時にバックライトの内部へ、光損失の無い最適化された線光源の役割を行うようＬＥＤチップ１０４及び樹脂包装部１０７ａ，１０７ｂを通じて約１８０°の放射パターンを有して光が放出されるようにする。
一実施例において、反射壁１０６は光反射率の範囲が９０〜９９％以内になる高反射性金属層で形成される。このような高反射性金属層は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ロジウム（Ｒｈ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、チタニウム（Ｔｉ）を含むグループから選択される少なくとも１種の金属又は金属の合金からなる。
他の実施例において、反射壁１０６は、ＬＥＤチップ１０４と隣接する内側が電解メッキ及び無電解メッキの方法を用いて高反射性金属層にコーティングされた非導電性壁構造物（図示せず）に形成可能である。非導電性壁構造物は、例えば、反射率が低くて安価なポリマー及びセラミック材質のいずれか一つで形成される。この際、非導電性壁構造物がセラミック材質で形成される場合には回路基板１０２と一体で形成される。即ち、本発明の一実施例において、下部の回路基板１０２がセラミック回路基板からなる場合に、回路基板１０２と共に塑性加工された後、上記の高反射性金属層を外郭の反射用物質でコーティングすることが出来る。
本発明において反射壁１０６は、外側に外れた光の損失を防ぐという長所を提供する。即ち、図１の平面上から見たとき、最左側及び最右側の端部ではｘ軸方向に外れる光を所望の出射方向に集め、また、ラインの外側に外れる、特にｙ軸の方向に外れる光を回路基板の上部に集めることにより、光の損失を防ぎ、その結果、従来のＬＥＤモジュールに比べて輝度が極大化するようにする。
放熱板１０８は、上記回路基板１０２の下部に形成され上記ＬＥＤチップ１０４から発生する熱を外部へ放出させる機能を行う。特に、上記回路基板１０２の内部に形成されている熱放出ビア１０５の構造と共にＬＥＤモジュールの放熱能力を上昇させる。即ち、放熱板１０８は、上部回路基板１０２のＬＥＤチップ１０４から放出された熱を下端部まで伝達し、例えば、バックライト（未図示）の胴体と連結されて外部に熱が放出されるようにする。
上記放熱板１０８は、反射壁１０６と同じ材質を使用することが可能で、勿論、効果的な熱の放出のために各材質の組み合わせが使用可能である。
好ましくは、放熱板はアルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、チタニウム（Ｔｉ）及びこれらのうち２以上の合金で構成されたグループから選択されたものを含む。
各々のＬＥＤチップ１０４は、半球のレンズ状の樹脂包装部１０７ａにより密封され、樹脂包装部１０７ａはＬＥＤチップ１０４から発光する光を全方向の領域へ等しく放出されるようにする。
図３及び図４は、本発明による樹脂包装部の他の実施例を図示した図面である。図３の樹脂包装部１０７ｂは、ＬＥＤチップ１０４の全体を密封するよう構成されている。
また、図３の樹脂包装部１０７ａ，１０７ｂは、二重層の構造で構成されていることが分かるが、半球のレンズ状の第１樹脂包装部１０７ａ、及び上記第１樹脂包装部１０７ａを密封する第２樹脂包装部１０７ｂで構成される。この際、上記第１樹脂包装部１０７ａの屈折率（ｎ１）は、光抽出率を高めるよう第２樹脂包装部１０７ｂの屈折率（ｎ２）より大きいことが好ましい（ｎ１＞ｎ２）。即ち、上記第１樹脂包装部１０７ａ及び第２樹脂包装部１０７ｂを通じてＬＥＤチップと外部空気との屈折率の差を段階的に緩和させる。
本発明による樹脂包装部は、特定色座標を有する蛍光体が混合された透明樹脂が吐出されることによって形成されることが出来るが、例えば、蛍光体とシリコン樹脂との混合を通じたブルーチップから発光する光を白色光に変換することが出来る。即ち、樹脂包装部に含まれる蛍光体の種類及び量を調節することにより、所望の波長を有した光や複合波長を有した光又は白色光を放出するＬＥＤチップを製造することが出来る。
本発明では、白色光出力を具現するにおいて、青色ＬＥＤチップ、赤色ＬＥＤチップ、及び緑色ＬＥＤチップの組み合わせ、又は青色ＬＥＤチップと黄色蛍光体の組み合わせ、又はＵＶ−ＬＥＤチップと赤色、緑色及び青色蛍光体の組み合わせ、又は青色ＬＥＤチップ及び赤色ＬＥＤチップと緑色蛍光体の組み合わせで具現することが出来る。
本発明において好ましく使用できるＬＥＤチップとして、青色ＬＥＤチップのピーク波長は４３０〜４８０ｎｍ範囲で、緑色チップのピーク波長は５１０〜５５０ｎｍ範囲で、赤色チップのピーク波長は６１０〜７００ｎｍの波長を有する。
また、本発明において好ましく使用できる蛍光体として、緑色蛍光体の場合には励起波長が２００〜５００ｎｍの範囲で、発光ピーク波長は５００〜５７０ｎｍ範囲で、赤色蛍光体の場合は発光ピーク波長が６１０〜７００ｎｍで、青色蛍光体の場合は２００〜５００ｎｍの発光ピーク波長を有する。
好ましい一実施例において、向上された色再現性を表す高品質の白色光を得るため、本発明におけるＬＥＤチップは３７０ｎｍ乃至４７０ｎｍ範囲のピーク波長を有し、蛍光体は上記ＬＥＤチップにより励起され色座標系（０．５５６０５６，０．４４０８４）、（０．６２５３３５，０．３７４１９）、（０．７３４６４１，０．２６５３６）からなる三角区域の中の光を発光することが出来る。ちなみに、本発明の樹脂包装部から出射される光の指向角は１０〜１８０°の範囲となる。
図５ａと図５ｂは、本発明による線光源用ＬＥＤモジュールがバックライトユニットに適用された例を図示した概念図及びバックライトユニットの発光特性を表した図面である。
本発明による線光源用ＬＥＤモジュールは、好ましく導光板の側面に一つ以上の光源が備えられるエッジ方式のバックライトユニットに適用可能である。
図５ａと図５ｂに図示された通り、ＬＥＤチップ１０４が別途のＬＥＤパッケージ無しでチップオンボード（Ｃｈｉｐ−ｏｎ−Ｂｏａｒｄ）方式で直接回路基板に装着されるため、指向角をほぼ１８０°程度まで調節できるようになり、また反射壁１０６がバックライトユニットの外側（ｙ軸方向）に外れる光の損失を効果的に防ぎながら約１８０°の放射パターンを有して光が放出されるようにするため、従来のように導光板２０に暗部が生じる問題点が解決できる。従って、本発明では液晶表示パネル（ＬＣＤ）の輝度を低下させる原因が根本的に除去できる。
本発明の技術思想が上述の実施例により具体的に述べられたが、上記の実施例は説明のためであって、制限するものではない。本発明の技術分野の通常の知識を有している者であれば、本発明の技術思想の範囲内で様々な実施例が可能であることが理解できる。
上記では、本発明の好ましい実施例を参照に説明したが、該当技術分野において通常の知識を有している者であれば、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から外れない範囲内で本発明を多様に修正及び変更できることが分かる。
１０２ 回路基板
１０３ 配線パターン
１０４ ＬＥＤチップ
１０５ 熱放出ビア
１０６ 反射壁
１０８ 放熱板
１０７ａ、１０７ｂ 樹脂包装部
１０３ 配線パターン
１０４ ＬＥＤチップ
１０５ 熱放出ビア
１０６ 反射壁
１０８ 放熱板
１０７ａ、１０７ｂ 樹脂包装部
Claims (19)
- 上部に配線パターンが形成された回路基板と、
前記配線パターンと電気的に連結されるよう前記回路基板上に直接装着され、前記回路基板の長さ方向に沿って一列に配列された複数のＬＥＤチップと、
前記複数のＬＥＤチップ全体を囲うよう前記回路基板上に設けられ前記複数のＬＥＤチップから放出される光を反射させる反射壁と、
前記回路基板の下部に形成され前記ＬＥＤチップから発生する熱を放出させる放熱板とを含むことを特徴とする線光源用ＬＥＤモジュール。 - 前記回路基板は、セラミック回路基板であることを特徴とする請求項１に記載の線光源用ＬＥＤモジュール。
- 前記ＬＥＤチップは、ＧａＮ系、ＧａＡｓ系、ＧａＰ系、ＩｎＧａＮ系、ＩｎＡｌＧａＮ系、ＩｎＧａＰ系、又はＩｎＧａＡｓＰ系半導体から選択された材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載の線光源用ＬＥＤモジュール。
- 前記回路基板内には、前記ＬＥＤチップから前記放熱板へ熱を放出させるための熱放出ビアが形成されることを特徴とする請求項１に記載の線光源用ＬＥＤモジュール。
- 前記反射壁は、高反射性金属層からなることを特徴とする請求項１に記載の線光源用ＬＥＤモジュール。
- 前記反射壁は、前記ＬＥＤチップと隣接する内側が前記高反射性金属層にコーティングされた非導電性壁構造物で形成されることを特徴とする請求項１に記載の線光源用ＬＥＤモジュール。
- 前記高反射性金属層は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ロジウム（Ｒｈ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、チタニウム（Ｔｉ）を含むグループから選択される少なくとも１種の金属又は金属の合金からなることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の線光源用ＬＥＤモジュール。
- 前記非導電性壁構造物は、ポリマー及びセラミック材質のいずれか一つで形成されることを特徴とする請求項６に記載の線光源用ＬＥＤモジュール。
- 前記回路基板はセラミック回路基板で、前記非導電性壁構造物が前記セラミック材質で形成され前記回路基板と一体で形成されることを特徴とする請求項８に記載の線光源用ＬＥＤモジュール。
- 前記放熱板は、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、チタニウム（Ｔｉ）及びこれらのうち２以上の合金で構成されたグループから選択されたものを含むことを特徴とする請求項１に記載の線光源用ＬＥＤモジュール。
- 前記ＬＥＤチップ全体を密封する樹脂包装部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の線光源用ＬＥＤモジュール。
- 各々の前記ＬＥＤチップを密封する半球のレンズ状の樹脂包装部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の線光源用ＬＥＤモジュール。
- ２重層構造の樹脂包装部をさらに含み、前記２重層構造の樹脂包装部は、前記ＬＥＤチップを密封する半球のレンズ状の第１樹脂包装部、及び前記第１樹脂包装部を密封する第２樹脂包装部で構成されることを特徴とする請求項１に記載の線光源用ＬＥＤモジュール。
- 前記第１樹脂包装部の屈折率（ｎ１）は、前記第２樹脂包装部の屈折率（ｎ２）より大きいことを特徴とする請求項１３に記載の線光源用ＬＥＤモジュール。
- 前記ＬＥＤチップは、青色ＬＥＤチップと、赤色ＬＥＤチップ、緑色ＬＥＤチップの組み合わせからなることを特徴とする請求項１に記載の線光源用ＬＥＤモジュール。
- 前記樹脂包装部には、蛍光体が混合されることを特徴とする請求項１１に記載の線光源用ＬＥＤモジュール。
- 前記複数のＬＥＤチップは青色ＬＥＤチップで、前記蛍光体は黄色蛍光体であることを特徴とする請求項１６に記載の線光源用ＬＥＤモジュール。
- 前記ＬＥＤチップのピーク波長は３７０ｎｍ乃至４７０ｎｍの範囲で、前記蛍光体は前記ＬＥＤチップにより励起され色座標系（０．５５６０５６，０．４４０８４）、（０．６２５３３５，０．３７４１９）、（０．７３４６４１，０．２６５３６）からなる三角区域の中の光を発光することを特徴とする請求項１６に記載の線光源用ＬＥＤモジュール。
- 前記線光源用ＬＥＤモジュールは、エッジ方式のバックライトユニット光源として使用されることを特徴とする請求項１に記載の線光源用ＬＥＤモジュール。
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