KR100658701B1 - 히트 파이프를 구비하는 발광 소자 - Google Patents

히트 파이프를 구비하는 발광 소자 Download PDF

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본 발명은 히트 파이프를 구비하는 발광소자에 관한 것으로, 발광 칩이 실장된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극과 소정간격 이격되고, 상기 발광 칩과 와이어를 통해 접속된 제 2 전극 및 상기 발광 칩 주변에 접속된 적어도 한개 이상의 히트 파이프를 포함하는 발광 소자를 제공한다.
발광 소자, 히트 파이프, 작동 유체, 리드 프레임, 전극, 열 교환

Description

히트 파이프를 구비하는 발광 소자{Luminous device using heat pipe}
도 1은 히트 파이프와 이를 포함한 발광 소자의 방열 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광 소자의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 발광 소자의 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 130, 230 : 히트 파이프 20 : 윅
30 : 작동유체 40, 140, 240 : 발광 칩
50, 110, 120 : 전극 150, 250 : 와이어
160, 260 : 몰딩부 210, 220 : 리드 프레임
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 히트 파이프를 통해 발광 칩이 발산하는 열을 냉각시켜 발광소자의 냉각성능을 크게 향상시킬 수 있는 발광 소자에 관한 것이다.
발광 다이오드는 고체 발광 표시 소자중의 하나로 빛의 3원색인 적색(R), 녹색(G), 청색(B)을 포함하는 단색 발광 소자뿐만 아니라 다양한 분야에 응용될 수 있는 백색광의 LED가 구현되었다. 이에 따라 발광 소자의 응용 분야는 일반 표시 장치에서 디스플레이의 백라이트용 발광원은 물론 백열전구나 형광램프, 가로등을 대체할 수 있는 차세대 조명 설비로 점차 그 활용범위가 확대되는 추세이다. 발광 소자를 이용한 조명 시설의 경우 일반 형광등과는 달리 점등회로가 단순하고, 인버터 회로와 철심형 안정기가 불필요하며, 전력소모가 적고 수명이 약 10 배 이상되기 때문에 유지나 보수비용이 적은 장점이 있다.
하지만, 이러한 발광소자를 이용한 응용제품들에서 특성열화 및 고장의 가장 큰 원인으로 들 수 있는 것은 열적 스트레스 이다. 이는 발광 소자의 입력이 높을 수록 발광 칩에서 발생하는 열 또한 높아지기 때문이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 열전도성이 우수한 금속물질을 이용한 히트싱크 또는 슬러그와 같은 방열판을 발광 칩하부에 장착하여 발광소자의 열적 스트레스를 어느 정도까지는 줄이는데 성공하였다. 하지만, 이는 금속이 갖고 있는 열전도도의 한계와, 방열판과 발광 칩간의 사이에 소정의 틈이 발생하여 그 틈사이로 외부의 불순물이 침투하는 문제점이 발생하였다. 즉, 더 높은 발광 효율을 얻기 위해 방열판의 전도 작용만으로는 냉각 부하의 상승을 효과적으로 해소할 수 없는 문제점이 야기되었다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 안출된것으로서 발광 칩으로 부터 발산되는 열을 최대한 빠르게 냉각 시켜 열적 스트레스를 효과적으로 줄일 수 있는 히트 파이프를 구비하는 발광 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따르면, 발광 칩이 실장된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극과 소정간격 이격되고, 상기 발광 칩과 와이어를 통해 접속된 제 2 전극 및 상기 발광 칩 주변에 접속된 적어도 한개 이상의 히트 파이프를 포함하는 발광 소자를 제공한다.
여기서, 상기 히트 파이프는 상기 제 1 전극 하부 또는 외부 벽에 접속되거나 상기 발광 칩의 측면에 접속된다.
이때, 상기 발광 칩이 실장된 제 1 전극 및 제 2 전극과 상기 히트 파이프를 봉지하기 위한 몰딩부를 더 포함하되, 상기 히트 파이프와 상기 전극들의 소정 영역이 상기 몰딩부의 외부로 노출된다. 또한, 상기 히트 파이프에 접속된 방열부재를 더 포함할 수 있다.
상기의 히트 파이프는 파이프형, 플랫형 및 루프형 중 어느 하나의 형태이다.
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.
히트 파이프(Heat Pipe)는 밀폐용기 내부의 작동유체가 연속적으로 기상-액상간의 상변화 과정을 통하여 용기양단 사이에 열을 전달하는 장치로 잠열(Latent Heat)을 이용하여 열을 이동시킴으로써, 단일상(Single Phase)의 작동유체를 이용하는 통상적인 열전달 기기에 비해 매우 큰 열전달 성능을 발휘한다. 히트파이프의 기본적인 구조는 밀폐용기, 작동유체와 용기내부의 모세관(Wick)으로 이루어지며, 외벽의 재료 및 작동유체의 종류, 모세관 구조물의 종류, 액체의 귀환(Return)방법, 내부의 기하학적 형태, 작동온도 등에 따라 다양하게 분류된다.
도 1은 히트 파이프와 이를 포함한 발광 소자의 방열 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 발광 소자는 발광 칩(40)과, 발광 칩(40)이 실장된 전극(50)과, 전극(50)과 접속된 히트 파이프(10)를 포함한다. 즉, 히트 파이프(10)를 별도의 페이스트등 접착성물질을 이용하여 발광 칩(40) 하부에 접착시킨다. 이로써, 열원인 발광 칩(40)에 의해 증발부에서 작동 유체(30)가 증발(기화)되면서 열원을 냉각시키고, 기화된 증기가 히트 파이프(10) 내부의 반대 공간(빈공간)으로 이동하면서 이송부를 지나 응축부에서 열을 방출하고 다시 액체화 되어 벽면을 타고 증발부로 되돌아온다. 또한, 내벽에 윅(20)을 형성하여 기체-액체 계면 에서 생성되는 모세압 차이에 의해 작동유체(30)가 증발부로 귀환하는 능력을 향상시킬 수 있다.
이후 작동유체(30)는 열원인 발광 칩으로 부터 열을 다시 받아 증발하는 작동을 반복한다. 이러한 원리로 히트 파이프는 작동 유체(30)의 증발 잠열을 이용하여 작은 온도차에서도 무동력으로 열을 효과적으로 이송할 수 있다. 즉, 액체의 온도변화에 따른 증발, 응축의 잠열에 의해 열을 이동시킬 수 있다.
도 1의 그림과 같이 내부가 액체로 채워져 있거나, 다공질 물질과 액체가 같이 포함될 수도 있다. 상기의 작동유체(30)는 히트 파이프 열교환기의 성능을 결정하는 중요한 인자이며, 현재 작동유체(30)의 특성을 개량하는 연구가 활발히 진행중이다. 이러한 작동유체(30)로는 0 내지 810℃의 융점과, 3 내지 900℃의 비등점과, 90 내지 500℃의 임계온도와, 2.0×105 내지 4.0×107pa의 임계압력과, -270 내지 1200℃의 작동 온도와, 4.0×103 내지 4.5×106pa의 작동압력을 갖는 물질을 사용한다. 현재 작동유체(30)로 물을 주로 이용해 왔다. 물은 온도가 증가할수록 표면장력이 감소하는 특성이 있어 열교환효율을 증대하는 데 한계가 있다. 이에 물대신 알코올을 작동유체로 사용하는 방법, 암모니아를 이용하는 방법등이 실험중에 있다. 즉, 작동유체(30)로 메탄올, 아세톤, 증류수, 수은, He, N2, CHClF2, NH 3, CCl2F2, CClF2-CClF2, CCl3F, CCl2F-CClF 2 중 어느 하나를 사용한다.
본 발명은 발광 칩과 인접하여 히트 파이프가 배치되어 있다. 이하, 상술한 구성과 동작 원리에 따른 히트 파이프를 구비하는 발광 소자에 관해 설명한다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 소자의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 실시예의 발광 소자는 제 1 및 제 2 전극(110 및 120)과, 상기 제 1 전극(110) 상에 실장된 발광 칩(140)과, 상기 제 1 전극(110) 하부에 접속된 다수의 히트 파이프(130)와, 상기 제 1 및 제 2 전극(110 및 120), 발광 칩(140) 및 히트 파이프(130)를 봉지하는 몰딩부(160)를 포함한다. 또한, 발광 칩(140)과 제 2 전극(120)간을 연결하기 위한 와이어(150)를 포함한다.
발광 칩(140)이 실장된 전극 하부에 다수의 히트 파이프(130)를 소정의 페이스트를 이용하여 접속시킨다. 페이스트로 열전도성이 우수한 물질을 사용한다. 이때, 적어도 1개 이상의 히트 파이프(130)를 사용하되, 히트 파이프(130) 사이에는 소정의 간격을 둘 수도 있고, 히트 파이프(130)간의 간격을 두지 않을 수도 있다. 또한, 히트 파이프(130)를 제 1 전극(110) 하부의 전체 영역에 접속시킬 수도 있고, 제 1 전극(110) 영역중 발광 칩(140)이 실장되는 영역의 하부에만 히트 파이프(130)를 접속시킬 수도 있다. 뿐만 아니라 발광 칩(140) 실장 영역에 히트 파이프(130)를 조밀하게 실장시키고, 그 외부 영역에는 듬성듬성 접속시킬 수도 있다. 물론 이에 한정되지 않고, 발광 소자(140)의 방열 효과를 더 높이기 위해 다양하게 변화 될 수 있다.
이후, 소정의 와이어링 공정을 실시하여 발광 칩(140)과 제 2 전극(120)간을 와이어(150)로 연결한다. 물론, 히트 파이프(130)를 접속시키기 전에 와이어링 공정을 실시할 수도 있다. 다음으로, 발광 칩(140)이 실장되고, 히트 파이프(130)가 접속된 제 1 전극(110)과, 발광 칩(140)과 와이어(150)로 접속된 제 2 전극(120)을 소정의 주형틀(미도시)에 넣고 투명 에폭시를 이용한 몰딩을 실시하여 제 1 전극(110), 제 2 전극(120), 발광 칩(140), 히트 파이프(130)를 봉지하는 몰딩부(160)를 형성한다. 이때 몰딩부(160) 하부로 제 1 및 제 2 전극(110 및 120)과 히트 파이프(130)의 소정 부분이 노출된다.
상기의 히트 파이프(130)는 속이 비어있는 관형태로 제작하고, 그 내부에 소정의 작동유체를 주입한 다음 밀봉하여 형성한다. 이러한 히트 파이프(130)의 형상으로는 전극 및 발광 칩의 실장 형태와 발광 소자의 적용에 따라 파이프(Pipe)형, 플랫(Flat)형, 루프(Loop)형 등으로 다양한 형상이 가능하다. 히트 파이프(130)의 내부 측벽에 소정의 윅을 형성하여 냉각 효율을 증대시킬 수 있다. 또한, 상기의 제 1 및 제 2 전극(110 및 120)은 리드 프레임 형태로 제작할 수도 있고, 소정의 금속선 형태로도 제작할 수도 있다.
이로써, 히트 파이프(130)가 접속된 전극 상단부에 실장된 발광 칩(140)이 빛의 발산과 함께 방출하는 열은 전극을 통해 히트 파이프(130)의 빈공간 상부 영역의 작동 유체를 기화시키면서 기화열로 흡수되고, 히트 파이프(130) 하부 영역의 작동 유체가 위치한 공간 내에서 기화된 증기가 응축되면서 외부로 방출된다. 이때, 히트 파이프(130)의 내부에 모세관 현상을 이용하여 하부 영역에 위치한 작동 유체를 상부로 전송하는 윅을 더 포함하여 냉각효과를 더 향상 시킬 수 있다.
또한, 도 2에서는 도시되지 않았지만, 히트 파이프(130) 하부에는 소정의 방열 부재(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이때 방열 부재는 몰딩부(160) 하부로 노출 된 히트 파이프(130)를 감쌀 수 있도록 형성한다. 이러한 방열 부재는 히트 파이프(110) 하부영역(몰딩부 하부에 노출된)의 대류에 의한 냉각 면적을 넓혀 기화된 작동 유체가 다시 액체로 환원되면서 발산하는 열을 효과적으로 방출될 수 있도록 돕는 역할을 한다. 이러한 방열 부재로는 방열판 또는 열전소자를 사용한다.
본 발명은 이에 한정되지 않고, 다양한 실시예가 가능하다. 즉, 발광 칩이 실장된 전극의 측면영역에 히트 파이프를 접속시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광 소자의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 발광 소자는 제 1 및 제 2 전극(110 및 120)과, 상기 제 1 전극(110) 상에 실장된 발광 칩(140)과, 상기 발광 칩(140)의 측면에 접속된 다수의 히트 파이프(130)와, 상기 제 1 및 제 2 전극(110 및 120), 발광 칩(140) 및 히트 파이프(130)를 봉지하는 몰딩부(160)를 포함한다. 또한, 발광 칩(140)과 제 2 전극(120)간을 연결하기 위한 와이어(150)를 포함한다.
본 실시예에서는 도 3에서와 같이 발광 칩(140) 측면 즉, 제 1 전극(110)의 상부영역에 히트 파이프(130)를 배치 시킴으로써, 발광 소자의 냉각 효율을 증가 시킬 수 있다. 즉, 발광 칩(140)의 인접영역에 히트 파이프(130)를 배치시켜 발광 칩(140)이 발산하는 열을 직접 히트 파이프(130)가 전달 받아 외부로 효과적으로 방출할 수 있다. 물론 발광 칩(140)에 히트 파이프(130)를 밀착시킬 수 있지만, 밀착시 발광 칩(140)의 측면으로 출력되는 광이 나오지 못하게 되는 문제와 히트 파이프(130)에 이해 발광 칩의 PN층이 쇼트될 가능성이 있으므로 어느정도의 간격으유지한 상태에서 발광 칩 주변(140)에 히트 파이프(130)를 배치시키는 것이 바람직 하다.
본 실시예에서는 제 1 전극(110) 상에 발광 칩(140)을 실장한 다음, 제 1 전극(110) 상부영역에 히트 파이프(130)를 장착하되, 발광 칩(140)의 측면과 접촉되도록 배치한다. 이때 히트 파이프(130)는 소정의 페이스트를 이용하여 제 1 전극(110) 상에 장착한다. 물론 도 3에서는 상기에서 설명한 바와 같이 제 1 전극(110) 상에 히트 파이프(130)를 부착된 형상이지만, 이에 한정되지 않고, 발광 칩(140)의 측면 모든 영역에 히트 파이프(130)의 부착이 가능하다. 또한, 히트 파이프(130)로는 루프형, 수평형 등이 가능하다. 또한 히트 파이프(130)는 몰딩부(160)에 의해 완전히 감싸지지 않고 그 끝단이 외부로 노출되도록 하여 기화된 작동유체의 응축력을 향상시킨다. 또한, 노출된 히트 파이프(130)의 끝단에 방열판 또는 열전소자와 같은 방열부재(미도시)를 두어 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 발광 소자는 수직 형상의 리드 프레임 주변에 히트 파이프를 배치할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 발광 소자의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 발광 소자는 발광 칩(240)이 실장된 제 1 리드 프레임(210)과, 제 1 리드 프레임(210)과 소정간격 이격된 제 2 리드 프레임(220)과, 발광 칩(240)과 제 2 리드 프레임(220)간을 연결하기 위한 와이어(250)와, 상기 제 1 리드 프레임(210)의 둘레에 접착된 다수의 히트 파이프(230)와, 상기 발광 칩(240), 제 1 및 제 2 리드 프레임(210 및 220)을 봉지하기 위한 몰딩부(260)를 포함한다.
상기 제 3 실시예에서의 히트 파이프(230)는 소정의 페이스트를 통해 제 1 리드 프레임(210)의 외주벽에 접속되어 있다. 물론 단일의 히트 파이프(230) 만으로도 냉각 효율은 향상되지만, 더 효과적인 냉각을 위해 다수의 히트 파이프(230)를 사용한다. 히트 파이프(230)들은 소정의 간격을 두고 제 1 리드 프레임(210)의 외주벽에 접속될 수도 있고, 소정의 간격없이 접속될 수도 있다.
또한, 히트 파이프(230)의 소정영역이 몰딩부(260)의 외부로 노출되도록 한다. 또한, 노출된 히트 파이프(230)의 소정 영역에 방열판 또는 열전 소자와 같은 방열부재(미도시)를 두어 냉각 효율을 더 높일 수도 있다.
본 발명은 상술한 실시예들에 한정되지 않고, 상술한 제 1 내지 제 3 실시예들 간의 구성요소들은 각각의 실시예들에만 한정되는 것이 아니라 서로 다른 실시예에 치환 가능하다. 또한, 히트 파이프의 접착은 페이스트 뿐만 아니라 소정의 홈을 형성하여 그 내부에 히트 파이프를 삽입할 수도 있고, 소정의 착탈용 부재를 통해 접착시킬 수도 있다. 또한, 상술한 실시예들의 발광 소자는 목표로 하는 빛의 발산을 위해 발광 칩의 파장 변화를 위한 형광체를 더 포함할 수도 있다. 상술한 실시예들은 수직형의 발광 칩의 일 단자가 전극과 접속되고 다른 일 단자는 와이어를 통해 다른 전극에 접속되었지만, 이에 한정되지 않고, 수평형의 발광 칩으로 두단자가 와이어를 통해 서로 다른 전극에 접속될 수도 있다.
이와 같이 본 발명은 발광 칩과 인접한 영역에 히트 파이프를 배치 시킴으로써, 발광 칩이 발산하는 열을 히트 파이프를 통해 냉각시켜 발광 소자의 열적 스트레스를 획기적으로 줄일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 발광 칩 주변에 히트 파이프를 구비하여 발광 소자의 냉각 효율을 향상시키고, 발광 소자가 받는 열적 스트레스를 줄일 수 있다.

Claims (6)

  1. 발광 칩;
    상기 발광 칩이 실장된 제 1 전극;
    상기 제 1 전극과 소정간격 이격되고, 상기 발광 칩과 와이어를 통해 접속된 제 2 전극; 및
    상기 발광 칩과 상기 제 1 전극에 인접 배치되는 적어도 한 개 이상의 히트 파이프;
    상기 발광 칩 그리고 상기 제 1 및 제 2 전극과 상기 히트 파이프의 일부를 봉지하는 몰딩부를 포함하는 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 파이프의 증발부는 상기 제 1 전극 하단에 접속되고, 상기 히트 파이프의 응축부는 상기 몰딩부 외측으로 노출된 발광 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 칩의 일측면에 상기 히트 파이프의 증발부가 접속된 발광 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극의 외부벽 일면에 히트 파이프가 접속된 발광 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 파이프의 응축부의 일부가 상기 몰딩부 외측으로 노출되고,
    상기 몰딩부 외측으로 노출된 상기 히트 파이프에 접속된 방열 부재를 더 포함하는 발광 소자.
  6. 삭제
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