KR100631900B1 - 열전달 액체를 포함하는 고출력 발광다이오드 패키지 - Google Patents

열전달 액체를 포함하는 고출력 발광다이오드 패키지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고출력 발광다이오드 패키지에 관한 것이다. 상기 고출력 발광다이오드 패키지는 LED 칩; 일면에 패턴이 인쇄되고 상기 패턴에 전기적으로 연결되도록 상기 LED가 장착된 바닥판, 상기 바닥판과 결합되어 상기 LED 칩을 둘러싸는 내부 공간을 형성하는 열전달벽 및 상기 열전달벽의 상부에 결합된 렌즈를 포함하여 구성된 액체 불투성의 하우징; 및 상기 내부 공간에 채워지는 전기 절연성의 투명한 열전달 액체;를 포함한다. 유체 불투성 하우징 내에 열전달 액체를 채워 발광다이오드 칩에서 발생하는 열을 외부로 방출시킴으로써 고출력 발광다이오드 패키지의 방열 효율을 개선할 수 있다.
발광다이오드(LED), 패키지, 방열, 액체, 단열, 열전달

Description

열전달 액체를 포함하는 고출력 발광다이오드 패키지{HIGH POWER LED PACKAGE CONTAINING HEAT TRANSFER LIQUID}
도 1은 일반적인 LED 패키지의 단면도이다.
도 2는 종래기술에 따른 고출력 LED 패키지를 절개한 사시도이다.
도 3은 도 2의 고출력 LED 패키지가 회로기판에 장착된 상태를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 고출력 LED 패키지의 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 고출력 LED 패키지의 변형례를 보여주는 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 고출력 LED 패키지에 단열 외피 및 열전달판이 추가로 장착된 상태를 보여주는 단면도이다.
<도면의 주요 부분의 부호의 설명>
100, 100A: LED 패키지 102: LED 칩
106: 바닥판 110: 열전달벽
112: 실링 114: 방열 핀
120: 열전달 액체 130: 렌즈
140: 열전달판 150: 단열벽
본 발명은 고출력 발광다이오드 패키지에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 유체 불투성 하우징 내에 열전달 액체를 채워 발광다이오드 칩에서 발생하는 열을 상기 열전달 액체를 통해 외부로 방출시킴으로써 방열 효율을 개선한 고출력 발광다이오드 패키지에 관한 것이다.
발광다이오드(LED: Light Emitting Diode)는 전류가 가해지면 다양한 색상의 빛을 발생시키기 위한 반도체 장치이다. LED에서 발생되는 빛의 색상은 주로 LED의 반도체를 구성하는 화학 성분에 의해 정해진다. 이러한 LED는 필라멘트에 기초한 발광 소자에 비해 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성, 높은 진동 저항 및 반복적인 전원 단속에 대한 높은 공차 등의 여러 장점을 갖기 때문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다.
이와 같은 LED는 보통 패키지 형태로 사용되며, 그 일례가 도 1에 도시되어 있다. 도 1에 도시한 바와 같이, LED 패키지(10)는 LED 칩(12)이 안착부(14)에 장착되어 이 안착부(14)와 일체인 제1 단자(16)에 전기적으로 연결되고, 안착부(14)에 인접한 위치에 제2 단자(18)에 와이어(20)로 연결된다. LED 칩(12), 안착부 (14)와 제1 및 제2 단자(16, 18) 상단에는 투명 수지(22)가 성형되어 이들을 견고하게 지지한다.
이때, LED 칩(12)에서 발생한 열은 일부가 단자(16, 18)를 통해 빠져나가지만 그 효율이 낮다. 또한, 투명 수지(22)는 열전도율이 낮아서 수지(22)를 통한 방열 효율은 더 낮다.
이와 같이 열이 적절하게 방출되지 않으면, LED 칩(12)의 온도가 상승하여 광변환 효율이 급격히 저하된다. 또한, LED 칩(12)을 비롯한 LED 패키지(10) 내부의 구성 요소들은 그들 사이의 열팽창계수 차이에 의해 스트레스를 받게 되고 수명이 단축된다.
최근 LED는 조명 장치 및 대형 LCD(Liquid Crystal Display)용 백라이트(Backlight) 장치로 채용되고 있다. 이들은 더 큰 출력을 요하므로 이러한 고출력 LED에는 더 우수한 방열 성능을 갖는 패키지 구조가 요구된다.
도 2는 종래기술에 따른 고출력 LED 패키지의 절개 사시도이고, 도 3은 도 2의 고출력 LED 패키지가 회로기판에 장착된 상태를 나타내는 단면도이다.
먼저, 도 2를 참조하면, LED 패키지(30)는 LED 칩(32)을 안착시키면서 열 안내 수단 역할을 하는 방열부재(heat slug)(34)를 구비한다. LED 칩(32)은 전원을 공급하는 한 쌍의 와이어(36) 및 한 쌍의 단자(38)를 통해 외부 전원(도시 생략)으로부터 전기를 공급받는다. LED 칩(32)을 포함하여 방열부재(34)의 상부는 보통 실리콘으로 된 봉지재(40)로 밀봉되고, 이 봉지재(40)에는 렌즈(6)가 덮인다. 하우징(44)이 방열부재(34) 둘레에 보통 성형에 의해 형성되어 방열부재(34) 및 단자 (38)를 지지한다.
이와 같은 도 2의 LED 패키지(30)는 히트 싱크인 회로기판(50)에 장착되어 LED 어셈블리(60)를 구성한다. 이때, 솔더와 같은 열전도 패드(56)가 LED 패키지(30)의 방열부재(34)와 회로기판(50)의 금속 방열기판(52) 사이에 개재되어 이들 사이의 열전도를 촉진한다. 또한, 단자(38)도 역시 솔더(58)에 의해 회로기판(50)의 회로패턴(54)과 안정적으로 연결된다.
이와 같이, 도 2와 3에 도시된 LED 패키지(30) 및 이를 회로기판(50)에 장착한 LED 어셈블리(60)는 열을 잘 방출하는데 즉 방열에 초점이 맞추어져 있다. 즉 LED 패키지(30)는 LED 칩(32)에서 발생하는 열을 흡수하고 외부로 방출하기 위해 히트싱크 즉 방열부재(34)가 열전도 패드(56)를 통해 또는 직접 회로기판(50)의 방열기판(52)에 연결된다. 이렇게 되면, LED 칩(32)에서 발생하는 열은 대부분 전도에 의해 방열부재(34)를 거쳐 회로기판(50)의 방열기판(52)으로 빠져나가게 되고, 소량의 열만이 LED 패키지(30)의 표면 즉 하우징(44) 또는 렌즈(42) 등을 통해 공기중으로 방출된다.
하지만, 이와 같은 종래기술의 방열 구조는 복잡하여 자동화가 어려울 뿐만 아니라 많은 부품을 조립해야 하기 때문에 생산 원가가 높다는 단점을 갖고 있다.
아울러, 봉지재(40)에 형광체를 첨가하는 경우 형광체의 고른 분산이 필수적이나 봉지재(40)를 구성하는 수지의 점도가 높기 때문에 형광체를 균일하게 분산시키는 것이 어렵다.
따라서 본 발명은 전술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 유체 불투성 하우징 내에 열전달 액체를 채워 발광다이오드 칩에서 발생하는 열을 액체를 통해 외부로 방출시킴으로써 방열 효율을 개선한 고출력 발광다이오드 패키지를 제공하는 것이다.
전술한 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 LED 칩; 일면에 패턴이 인쇄되고 상기 패턴에 전기적으로 연결되도록 상기 LED가 장착된 바닥판, 상기 바닥판과 결합되어 상기 LED 칩을 둘러싸는 내부 공간을 형성하는 열전달벽 및 상기 열전달벽의 상부에 결합된 렌즈를 포함하여 구성된 액체 불투성의 하우징; 및 상기 내부 공간에 채워지는 전기 절연성의 투명한 열전달 액체;를 포함하는 LED 패키지를 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기 LED 패키지에 있어서, 상기 열전달 액체는 서로 섞이지 않는 2 이상의 성분을 포함하는 용액인 것을 특징으로 한다.
상기 LED 패키지에 있어서, 상기 열전달 액체는 굴절률이 다른 2 이상의 성분을 포함하는 용액인 것을 특징으로 한다.
상기 LED 패키지는 상기 열전달 액체에 분산된 형광체를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 LED 패키지에 있어서, 상기 열전달벽의 외면에는 복수의 방열 핀이 형 성된 것을 특징으로 한다.
상기 LED 패키지에 있어서, 상기 바닥판은 금속 기판인 것을 특징으로 한다.
상기 LED 패키지에 있어서, 상기 바닥판과 상기 열전달벽 및 상기 렌즈와 상기 열전달벽은 이들의 연결부에 삽입된 실링에 의해 밀봉 결합되는 것을 특징으로 한다.
상기 LED 패키지에 있어서, 상기 열전달벽의 외면에 부착된 단열 외피를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 LED 패키지는 상기 바닥판의 타면에 부착된 열전달판을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 LED 패키지에 있어서, 상기 단열 외피의 상기 열전달판과 접하는 일단에는 상기 열전달판의 가장자리와 맞물리는 단턱이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 LED 패키지에 있어서, 상기 단열 외피는 상기 열전달벽에 착탈 가능하게 부착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 LED 패키지는 상기 바닥판의 타면에 부착된 열전달판을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고출력 LED 패키지의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 고출력 LED(100)는 복수의 LED 칩(102), 이들 LED 칩(102)이 장착된 바닥판(106), 이 바닥판(106)과 결합되어 LED 칩(102)을 둘러싸는 내부 공간을 형성하는 열전달벽(110), 이 내부 공간에 채워지는 전기 절연성의 투명한 열전달 액체(120) 및 상기 열전달벽의 상부에 결합된 렌즈(130)를 포함한다.
바닥판(106)은 금속판의 양면에 절연층을 입히고 그 위에 패턴(108)을 형성한 것으로, 열전도율이 우수한 금속으로 제조된다. 복수의 LED 칩(102)이 솔더 범프(104)에 의해 바닥판(106)의 상면에 장착되어 있으며, 솔더 범프(104)는 바닥판(106)의 패턴(108)과 전기적으로 연결되면서 LED 칩(102)을 바닥판(106)에 고정시킨다. 한편, LED 칩(102)은 솔더 범프(104) 대신 와이어를 통해 바닥판(106)의 패턴(108)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, LED 칩(102)의 밑면은 접착제 등에 의해 적절히 바닥판(106)의 상면에 결합된다.
바닥판(106)의 가장자리와 열전달벽(110)의 일단은 누설 방지 실링(112)을 개재하여 결합되어 실링(112)은 열전달 액체(120)가 이들 사이를 통해 외부로 누설되는 것을 방지한다. 열전달벽(110)은 열전도율이 우수한 소재로 이루어지고 타단이 LED 칩(102)보다 높이 연장되어 내부 공간을 형성한다. 또한, 열전달벽(110)은 LED 칩(102)에서 방출된 빛을 잘 반사하도록 고반사율을 갖는 소재로 구성됨이 바람직하다. 이와 달리, 열전달벽(110)의 내면에 코팅 또는 증착 등에 의해 고반사율 소재의 층을 소정 두께로 형성할 수도 있다.
한편, 열전달벽(110)의 타단과 렌즈(120)의 가장자리도 역시 실링(112)을 개재하여 결합됨으로써 열전달 액체(120)가 이들 사이를 통해 외부로 누설되지 않도 록 구성된다.
한편, 열전달 액체(120)는 LED 칩(102)에서 발생한 열을 열전달벽(110)과 바닥판(106)으로 전달할 수 있도록 큰 열전달 능력을 갖는다. 여기서, 열전달 능력이라 함은 액체의 경우 주로 대류에 의해 열을 전달하지만 전도에 의해서도 열을 전달하므로 이들을 포괄한 것이다. 또한, LED 칩(102)의 동작 중에 열전달 액체(120)를 통해 전기가 흐르지 않도록 전기 절연성을 갖는 것으로부터 선택된다.
이와 같은 열전달 액체의 바람직한 예로는 이온성분이 제거된 초 순수, 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol), 올리브유, 옥수수유(corn oil), 캐스터 오일(caster oil), 다양한 실리콘 오일, 각종 변성 실리콘 오일, PEO나 PAAM과 같은 수용성 폴리머가 용해된 초 순수 및 알코올류 및 아세테이트 등 수용성 용매가 용해된 초 순수가 사용될 수 있다.
이와 같이 구성하면, LED 칩(102)이 발광에 따라 열을 발생할 때, 이 열은 솔더 범프(104), 패턴(108) 및 바닥판(106)을 통해 외부로 방출될 뿐만 아니라 LED 칩(102)으로부터 열전달 액체(120)로 전달된 다음 다시 열전달벽(110) 및 바닥판(106)을 통해 외부로 방출된다. 따라서, LED 칩(102) 전체 표면으로부터 열을 외부로 빼낼 수 있으므로 방열 효율이 향상된다.
이때, 열전달 액체(120)에는 LED 칩(102)이 자외선을 발생하는 경우 이를 흡수할 수 있는 자외선 흡수제와 LED 칩(102)이 단색광, 예컨대, 청색광을 발생할 때 이를 백색광으로 변환할 수 있는 형광체를 첨가할 수 있다. 자외선 흡수제 및/또는 형광체는 열전달 액체(120) 내에 균일하게 분산될 수 있으며, 적절한 입자 크기 를 선택하면 보다 균일하게 분산될 수 있다.
한편, 열전달 액체(120)는 서로 섞이지 않는 2 이상의 성분을 포함하는 용액일 수 있다. 이와 같이 하여, 서로 다른 성분 사이에 계면이 생기고 그에 따라 광 방출 효율을 조절할 수 있다. 또한, 굴절률이 다른 2 이상의 성분을 혼합하여 전체 굴절률을 조절하는 것도 가능하다.
예컨대 물과 오일과 같이 서로 섞이지 않는 성분을 동시에 사용하여 그 계면을 활용할 수 있다. 오일의 경우 사슬의 일부를 각종 기로 치환하여 다양한 굴절율을 얻을 수 있으며, 예를 들어 실리콘 오일의 경우 폴리실록산기의 일부를 수소, 메칠, 페닐 등으로 치환하여 굴절율을 1.375에서 1.575까지 변화시킬 수 있다. 물의 경우도 용해되는 폴리머의 종류, 양, 용매의 종류, 양 등을 조절하여 굴절율을 변화시킬 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 고출력 LED 패키지의 변형례의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 변형례의 고출력 LED 패키지(100A)는 열전달벽(208)의 외면에 복수의 방열 핀(114)이 형성된 것을 제외하고는 제1 실시예의 고출력 LED 패키지(100)와 동일하다. 따라서, 대응하는 구성요소에는 동일한 도면부호를 부여하였으며, 그 설명은 제1 실시예의 고출력 LED 패키지(100)의 것을 원용한다.
도 6은 본 발명에 따른 고출력 LED 패키지에 단열 외피 및 열전달판이 추가로 장착된 상태를 보여주는 단면도이다.
도 6을 참조하면, 바닥판(106)의 밑면에는 열전달판(140)이 부착되어 있다. 열전달판(140)은 접착제, 나사 등에 의해 적절하게 바닥판(106)에 고정되거나 착탈 가능한 방식으로 접촉 상태로 배치될 수 있다. 열전달판(140)은 열전도율이 우수한 소재로 구성되어 바닥판(106)을 통해 전달된 열과 열전달벽(110)을 통해 전달된 열을 외부로 방출할 수 있다. 이에 따라, 열전달벽(110)과 바닥판(106)에 의해 수행되는 LED 패키지의 방열 기능을 강화할 수 있다.
또한, 열전달벽(110)의 외면에는 단열 외피(150)가 착탈 가능하게 장착되어 있다. 단열 외피(150)는 사용자가 열전달벽(110)에 직접 접촉하여 화상을 입는 것을 방지한다.
한편, 단열 외피(150)의 하단 즉 열전달판(140)과 접하는 부분에는 열전달판(140)의 가장자리와 맞물리는 단턱(152)이 형성된다. 이 단턱(152)은 단열 외피(150)를 열전달벽(110) 둘레에 위로부터 씌울 때 열전달판(140)의 가장자리와 맞물려 스토퍼 역할을 한다.
이와 같은 열전달판(140)과 단열 외피(150)는 항상 조합되어 사용될 필요는 없다. 이들 중의 어느 하나만 LED 패키지에 추가로 장착할 수도 있다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 유체 불투성 하우징 내에 열전달 액체를 채워 발광다이오드 칩에서 발생하는 열을 외부로 방출시킴으로써 고출력 발광다이오드 패키지의 방열 효율을 개선할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (12)

  1. LED 칩;
    일면에 패턴이 인쇄되고 상기 패턴에 전기적으로 연결되도록 상기 LED가 장착된 바닥판, 상기 바닥판과 결합되어 상기 LED 칩을 둘러싸는 내부 공간을 형성하는 열전달벽 및 상기 열전달벽의 상부에 결합된 렌즈를 포함하여 구성된 액체 불투성의 하우징; 및
    상기 내부 공간에 채워지는 전기 절연성의 투명한 열전달 액체;를 포함하는 LED 패키지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열전달 액체는 서로 섞이지 않는 2 이상의 성분을 포함하는 용액인 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 열전달 액체는 굴절률이 다른 2 이상의 성분을 포함하는 용액인 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 열전달 액체에 분산된 형광체를 더 포함하는 것을 특 징으로 하는 LED 패키지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 열전달벽의 외면에는 복수의 방열 핀이 형성된 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  6. 제1항에 있어서, 상기 바닥판은 금속 기판인 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  7. 제1항에 있어서, 상기 바닥판과 상기 열전달벽 및 상기 렌즈와 상기 열전달벽은 이들의 연결부에 삽입된 실링에 의해 밀봉 결합되는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  8. 제1항에 있어서, 상기 열전달벽의 외면에 부착된 단열 외피를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  9. 제8항에 있어서, 상기 바닥판의 타면에 부착된 열전달판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  10. 제9항에 있어서, 상기 단열 외피의 상기 열전달판과 접하는 일단에는 상기 열전달판의 가장자리와 맞물리는 단턱이 형성된 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  11. 제8항에 있어서, 상기 단열 외피는 상기 열전달벽에 착탈 가능하게 부착되는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  12. 제1항에 있어서, 상기 바닥판의 타면에 부착된 열전달판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
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