KR100634317B1 - 발광 다이오드 패키지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광 다이오드 패키지에 관한 것으로, 패키지 내부에 열전소자를 적용하는 발광 다이오드 패키지를 제공한다. 본 발명의 발광 다이오드 패키지는 열전소자를 하우징에 결합하거나 기판 자체를 열전소자로 구성하여 발광 칩에서 발생되는 열을 직접 방출할 수 있다. 이로 인해 별도의 외부 방열 장치 없이 패키지 내부에서 발광 칩의 열을 외부로 효과적으로 방출할 수 있다. 또한 이러한 열전소자에 외부 히트 싱크를 결합하여 발광 칩에서 발생된 열을 더욱 효과적으로 방출할 수 있다. 또한 발광 칩의 외부에 반사부를 형성하여 빛의 휘도를 향상함으로써 발광 다이오드의 효율을 높일 수 있다.
열전소자, 발광 다이오드, 히트 싱크, 발열, 발광 칩

Description

발광 다이오드 패키지 {Light emitting diode package}
도 1a는 열전소자의 원리를 설명하기 위한 개략도.
도 1b는 열전소자의 에너지 준위에 따른 발열과 흡열 과정을 도시한 개략도.
도 2는 열전소자의 기본 연결을 도시한 개략도.
도 3은 본 발명에 의한 열전소자의 내부 구조를 도시한 개략도.
도 4는 종래의 발광 다이오드 패키지를 도시한 단면도.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명에 의한 발광 다이오드 패키지의 내부 회로를 도시한 회로도.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지의 사시도.
도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지의 단면도.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지의 사시도.
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 기판 15 : 반사부
20 : 리드 프레임 30 : 열전소자
35 : 하우징 40 : 전극
50 : 발광 칩 60 : 와이어
본 발명은 발광 다이오드 패키지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전소자를 이용한 발광 다이오드 패키지에 관한 것이다.
발광 다이오드(light emission diode; 이하 'LED'라 칭함)는 GaAs, AlGaAs, GaN, InGaN 및 AlGaInP 등의 화합물 반도체(compound semiconductor) 재료의 변경을 통해 발광원을 구성함으로써 다양한 색을 구현할 수 있는 반도체 소자를 말한다. 상술한 LED의 밝기는 발광 칩에 인가되는 전류에 비례하고, 발광 칩에 인가되는 전류는 발광 칩이 발산하는 열에 비례한다. 이에 발광 다이오드의 밝기를 밝게 하기 위해서는 고전류를 인가하여야 하지만 발광 칩이 발산하는 열로 인해 발광 칩이 손상을 받기 때문에 무한정 높은 전류를 인가할 수 없는 문제점이 있다. 즉 발광 칩에 인가되는 전류를 높이면 발광 칩이 발산하는 열이 높아진다.
도 4는 종래의 발광 다이오드 패키지를 도시한 단면도이며, 기판과, 상기 기판 상에 실장되는 적어도 하나의 발광 칩과, 한 쌍의 리드 프레임을 포함한 패키지 구조로 이루어져 있다. 기판은 절연 성질을 갖는 수지로 이루어지며 그 상부에는 발광 칩의 주위를 둘러싸는 형태의 반사부를 형성한다. 발광 칩의 양측 전극은 각각 전도성 와이어를 매개하여 각 리드 프레임에 연결된다. 한 쌍의 리드 프레임은 각각 열적 및 전기적으로 분리되어 있다.
이러한 구성의 종래 발광 다이오드 패키지는 발광 칩에서 발생되는 열이 리 드 프레임을 통하여 방출된다. 그러나 발광 다이오드 패키지의 리드 프레임에 의해서만 방열이 이루어지는 것은 아무리 구조가 좋다고 해도 열 방출의 한계가 있다. 특히 최근에는 고출력 파워 발광 다이오드가 출시되면서 기존의 발광 다이오드 소자의 열 전도만으로는 충분히 열을 방출시킬 수 없다. 즉 발광 다이오드 패키지 외의 방열 구조가 제대로 되어있지 않은 경우 발광 칩에서 발산되는 열을 효과적으로 방출할 수 없으며 이로 인해 소자의 수명이 단축되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 열전소자를 이용하여 발광 칩에서 발산되는 열을 효과적으로 외부로 방출하고 발광 칩의 수명을 연장하여 발광 다이오드의 기능을 향상시킬 수 있는 발광 다이오드 패키지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 발광 다이오드 패키지에 있어서, 적어도 하나의 발광 칩 및 상기 발광 칩이 실장되는 열전소자를 포함하는 발광 다이오드 패키지를 제공한다. 또한 본 발명은 하우징, 상기 하우징에 결합된 열전소자 및 상기 열전소자에 실장되는 적어도 하나의 발광 칩을 포함하는 발광 다이오드 패키지를 제공한다. 상기 열전소자는, 상기 발광 칩이 실장되는 열흡수부, 상기 열흡수부에 평행하게 대응하는 열방출부 및 상기 열흡수부와 상기 열방출부 사이에 배치된 복수개의 열전반도체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 발광 다이오드 패키지는 상기 발광 칩을 둘러싸는 외측 상부에 반 사부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 열전소자에 결합되는 히트 싱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 패키지를 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1a 및 도 1b는 열전 효과를 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다. 도 1a에 나타낸 바와 같이 동일한 금속들 사이에 반도체, 예를 들면 n형 불순물 반도체가 접합된 상태에서 일단의 금속에 양(+)의 전원을 접속하고 타단의 금속에 음(-)의 전원을 인가한다. 이 경우에 n형 반도체 내의 전자들은 일단의 금속에서 타단의 금속으로 이동하게 되어 전류가 흐르고, 금속으로부터 n형 반도체로 흘러 들어가는 전하 운반자, 즉 전자는 도 1b에 나타낸 바와 같이 전위장벽 (Ec-Ef)/e[J/C]보다 큰 에너지를 갖는 전자들로 제한되기 때문에 Ec-Ef와 절대 온도 T에 있는 전자의 평균 운동 에너지 3kBT/2의 합을 갖는 전자들만이 n형 반도체 영역으로 흘러 들어간다. 여기서 Ec는 n형 반도체의 전도띠의 에너지 준위이고, Ef는 n형 반도체의 페르미 준위이고, e는 전자의 전하량이고, kB는 볼츠만 상수이다. 따라서 금속의 일단과 n형 반도체의 계면에 있어서, 금속의 일단에서 n형 반도체로 전하 운반자가 들어갈 때 전하 운반자는 △E=Ec-Ef+3kBT/2[J]의 에너지를 잃게 되어 이 금속 에서는 그만큼 냉각된다. 반면 n형 반도체와 금속의 타단의 계면에 있어서, n형 반도체에서 금속의 타단으로 전하 운반자가 들어갈 때 전하 운반자는 △E=Ec-Ef+3KBT/2[J]의 에너지를 얻게 되어 이 금속에서는 발열이 일어나게 된다. 만약에 상기한 전압의 극성을 바꾸면 반대의 현상이 발생된다. 따라서 열을 전기적 에너지에 의하여 이동시킬 수 있다. 이처럼 두 종류의 금속을 접속하여 전류가 흐를 때 두 금속의 접합부에서 열의 발생 또는 흡수가 일어나는 현상을 펠티에 효과라고 한다.
본 발명에 쓰이는 열전소자는 상술한 펠티에 효과를 이용한 소자이다. 도 2를 참조하면 n형과 p형 반도체에 직류 전류를 가하여 음(-)으로 대전된 금속/반도체 접점에서는 주위로부터 열에너지를 흡수한 전자가 열전 반도체 내부로 이동하여 흡열 반응이 일어나고 양(+)으로 대전된 접점에서는 전자의 열에너지 방출에 의해 발열 반응이 일어나는 것을 알 수 있다. 이와 같이 금속과 열전 반도체로 이루어진 소자를 연속으로 구성시킨 것을 열전소자라고 하며 이는 도 3에 도시한 바와 같이 구성할 수 있다. 도면을 참조하면, 본 발명에 적용되는 열전소자는 열흡수부와, 상기 열흡수부에 평행하게 대응하는 열방출부와 그 사이에 배치된 복수개의 열전 반도체를 포함한다. 여기서 흡열 반응의 발생으로 냉각되는 열흡수부를 LED 패키지 내부에 적용함으로써 발광 다이오드의 열 방출을 더욱 용이하게 할 수 있다.
도 5a와 도 5b는 본 발명의 LED 패키지의 내부 회로를 도시한 회로도이다. 패키지 내부에 열전소자를 적용하여 발광 칩에서 발산되는 열을 효과적으로 방출한다. 도 5a는 단자를 2개로 구성하여 Vp와 Vled의 구분없이 하나로 연결함으로써 발 광 칩과 열전소자에 동시에 전원을 공급할 수 있다. 또한 도 5b에 도시한 바와 같이 단자를 3개 또는 4개로 구성하여 열전소자에 연결되는 Vp를 분리하여 구성할 수도 있다. 이 경우에는 열전소자에 전원을 공급하는 Vp가 분리되어 발광 칩과 열전소자의 구동을 독립적으로 행할 수 있다. 이는 외부 회로에서 전류 조절로 열전소자의 효율을 조절하기 쉬워진다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지의 사시도를 나타낸 것이다. 이는 통상의 LED 패키지에서 하우징(35)에 열전소자(30)를 결합함으로써, 이 열전소자(30)가 발광 칩에서 발산되는 열을 직접 방출할 수 있다. 도 7은 이에 따른 LED 패키지의 단면도이다.
도 6 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 발광 다이오드 패키지는 소정의 관통홀을 포함하는 열경화성 수지의 하우징(35)과, 전압에 따라 소정의 빛을 발광하는 적어도 하나의 발광 칩(50)과, 하우징(35)의 관통홀에 결합된 열전소자(30)를 포함한다. 또한 하우징(35)의 양측에 외부 전압의 입력을 위한 리드 프레임(20)을 포함하고, 이와 발광 칩(50)과의 전기적 연결을 위한 와이어(60)를 더 포함한다. 열전소자(30)는 전기적으로 절연되어 있고, 발광 칩(50)의 전기적 연결을 위해 열전소자 상면의 소정 영역에 전극(40)을 형성하여 전극(40) 상에 발광 칩(50)을 실장할 수 있다. 전극(40)은 전도성이 우수한 구리 또는 알루미늄을 포함한 금속 물질로 형성하는 것이 효과적이고, 인쇄 기법을 통해 형성할 수 있다. 본 실시예는 전기적 연결을 돕고 발광 칩(50)의 실장을 용이하게 하기 위해 전극(40)을 코팅하였으나, 열전소자(30) 상면에 직접 발광 칩(50)을 실장하고 한 쌍의 와이어(60)로 각각의 양극을 연결하여 구성할 수 있다.
한편 도 6 내지 도 7에서 열전소자(30)의 배선이 도시되지 않았으나, 본 실시예는 도 5a의 회로도를 참조하면 2개의 단자를 갖는 발광 다이오드 패키지로써, 열전소자(30)의 양극은 별도의 배선을 통하여 양측의 리드 프레임(20)에 전기적으로 연결된다. 이는 Vp와 Vled를 동일하게 연결하여 발광 칩(50)과 열전소자(30)에 전원이 동시 공급되는 것을 의미한다. 또한 도 5b의 회로도를 참조하면 리드 프레임(20)을 3개 또는 4개로 구성하여 발광 칩(50)과 열전소자(30)를 각각 독립적으로 구동할 수도 있다.
또한 하우징(35)과 리드 프레임(20) 상부에 발광 칩(50)으로부터 발산되는 빛의 휘도 및 집광 능력을 향상시키기 위한 반사부(15)를 더 포함한다. 반사부(15)는 그 상단 직경이 적어도 그 하단 직경보다 큰 절두원추 형상으로 요입 구성되어 경사부(slope)를 갖는 내부의 리세스 영역은 발광 칩(50)에서 발산되는 빛을 반사하는 반사경의 역할을 한다. 반사부(15)는 하부 리드 프레임(20)과 전기적으로 단전되어야 하고, 절연 성질을 갖는 열경화성 수지를 이용하여 형성한다. 또한 발광 칩(50)의 상부에는 소정의 에폭시 수지를 이용하여 몰딩부를 형성한다.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지의 사시도를 나타낸 것이다. 이는 기판 자체를 열전소자(30)로 형성함으로써 이 열전소자(30)가 발광 칩(50)에서 발산되는 열을 직접 방출할 수 있다. 도 9는 이에 따른 LED 패키지의 단면도이다.
도 8 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 발광 다이오드 패키지는 전압에 따라 소정의 빛을 발광하는 적어도 하나의 발광 칩(50)과, 발광 칩이 실장되는 열전소자(30)를 포함한다. 또한 열전소자(30) 상면의 양측에 외부 전압의 입력을 위한 리드 프레임(20)을 포함하고, 이와 발광 칩(50)과의 전기적 연결을 위한 와이어(60)를 더 포함한다. 열전소자(30)는 전기적으로 절연되어 있고, 발광 칩(50)의 전기적 연결을 위해 열전소자(30) 상면의 소정 영역에 전극(40)을 형성하여 전극(40) 상에 발광 칩(50)을 실장할 수 있다. 전극(40)은 전도성이 우수한 구리 또는 알루미늄을 포함한 금속 물질로 형성하는 것이 효과적이고, 인쇄 기법을 통해 형성할 수 있다. 본 실시예는 전기적 연결을 돕고 발광 칩(50)의 실장을 용이하게 하기 위해 전극(40)을 코팅하였으나, 열전소자(30) 상면에 직접 발광 칩(50)을 실장하고 한 쌍의 와이어(60)로 각각의 양극을 연결하여 구성할 수 있다.
한편 도 6 내지 도 7에서 열전소자(30)의 배선이 도시되지 않았으나, 본 실시예는 도 5a의 회로도를 참조하면 2개의 단자를 갖는 발광 다이오드 패키지로써, 열전소자(30)의 양극은 별도의 배선을 통하여 양측의 리드 프레임(20)에 전기적으로 연결된다. 이는 Vp와 Vled를 동일하게 연결하여 발광 칩(50)과 열전소자(30)에 전원이 동시 공급되는 것을 의미한다. 또한 도 5b의 회로도를 참조하면 리드 프레임(20)을 3개 또는 4개로 구성하여 발광 칩(50)과 열전소자(30)를 각각 독립적으로 구동할 수도 있다.
또한 열전소자(30)과 리드 프레임(20) 상부에 발광 칩(50)으로부터 발산되는 빛의 휘도 및 집광 능력을 향상시키기 위한 반사부(15)를 더 포함한다. 반사부(15)는 그 상단 직경이 적어도 그 하단 직경보다 큰 절두원추 형상으로 요입 구성되어 경사부(slope)를 갖는 내부의 리세스 영역은 발광 칩(50)에서 발산되는 빛을 반사하는 반사경의 역할을 한다. 반사부(15)는 하부 리드 프레임(20)과 전기적으로 단전되어야 하고, 절연 성질을 갖는 열경화성 수지를 이용하여 형성한다. 또한 발광 칩(50)의 상부에는 소정의 에폭시 수지를 이용하여 몰딩부를 형성한다.
이와 같이 열전소자의 흡열 반응을 이용하여 이를 히트 싱크로 활용함으로써 발광 칩에서 발산되는 열을 효과적으로 방출하고 LED의 열 발생으로 인한 스트레스를 줄일 수 있다.
또한 상술한 바와 같이 발광 다이오드 패키지에 열전소자를 적용하여 발광 칩에서 발산되는 열을 효과적으로 방출할 수 있으나, 이에 외부 히트 싱크를 추가로 결합하여 방열 효율을 더욱 효과적으로 증가시킬 수 있다.
본 발명의 발광 다이오드 패키지는 상기 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 방법으로 응용되어 형성될 수 있다.
예를 들어 본 실시예는 4개의 발광 칩을 이용하여 구성하였으나, 열전소자 상에 다수개의 발광 칩을 실장할 수 있고 그 개수는 한정되지 않는다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 열전소자를 이용한 발광 다이오드 패키지를 형성함으로써 별도의 외부 방열 장치 없이 패키지 내부에서 발광 칩의 열을 외부로 효과적으로 방출할 수 있다.
또한 발광 칩의 외부에 반사부를 형성하여 빛의 휘도를 향상함으로써 발광 다이오드의 효율을 높일 수 있다.

Claims (5)

  1. 발광 다이오드 패키지에 있어서,
    적어도 하나의 발광 칩; 및
    상기 발광 칩이 실장되는 열전소자를 포함하는 발광 다이오드 패키지.
  2. 발광 다이오드 패키지에 있어서,
    하우징;
    상기 하우징에 결합된 열전소자; 및
    상기 열전소자에 실장되는 적어도 하나의 발광 칩을 포함하는 발광 다이오드 패키지.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 열전소자는,
    상기 발광 칩이 실장되는 열흡수부;
    상기 열흡수부에 평행하게 대응하는 열방출부; 및
    상기 열흡수부와 상기 열방출부 사이에 배치된 복수개의 열전반도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 패키지.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 발광 칩을 둘러싸는 외측 상부에 반사부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 패키지.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 열전소자에 결합되는 히트 싱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 패키지.
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KR200459630Y1 (ko) * 2009-07-10 2012-04-04 이호일 방열 장치 및 이를 이용한 엘이디 조명 장치

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