KR100670917B1

KR100670917B1 - 조명용 ｌｅｄ모듈

Info

Publication number: KR100670917B1
Application number: KR1020050037347A
Authority: KR
Inventors: 윤영노; 강우석
Original assignee: (주)대신엘이디
Priority date: 2005-05-04
Filing date: 2005-05-04
Publication date: 2007-01-19
Also published as: KR20060115055A

Abstract

본 발명은 조명용 LED 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 방열체의 상부에 구비되는 기판에 다수의 관통 구멍을 형성하고, LED 소자를 각 관통 구멍 내에서 방열체의 상면에 직접 부착시킴으로써, 조명용으로 요구되는 고휘도의 광을 발생시키기 위해 고밀도로 집적 배열된 LED 소자들에서 발생하는 열을 상기 LED 소자들과 직접 접촉하고 있는 방열체를 통하여 효율적으로 방출시키도록 구성하여, 발광에 수반되는 열에 의한 LED 소자의 손상 가능성을 최소화한 조명용 LED 모듈에 관한 것이다.

본 발명의 조명용 LED 모듈은 다수의 관통 구멍이 형성되어 있는 기판과; 상기 기판의 상면에 형성되는 전극 회로와; 상기 기판의 저면에 구비되는 방열체와; 상기 기판의 각 관통 구멍 내에서 상기 방열체의 상면에 직접 부착되는 LED 소자들과; 상기 전극 회로와 상기 LED 소자들을 연결하는 전선과; 상기 기판의 상부에 구비되는 렌즈;를 포함하여 구성되는 고밀도 집적식 LED 모듈인 점을 특징으로 한다.

LED, 방열체, 조명, 집적

Description

조명용 ＬＥＤ모듈 {LED module for illumination}

도 1은 질화물계 청색 LED 소자의 일반적인 구조를 보여주는 도면.

도 2는 메탈 PCB를 이용한 LED 모듈의 구조를 보여주는 도면.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 조명용 LED 모듈의 정면 단면도.

도 4는 도 3에 도시된 조명용 LED 모듈에서 렌즈와 스페이서를 제거하여 도시한 평면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10, 110 : LED 소자 20, 121, 122, 123 : 전극

30, 130 : 전선 50, 150 : 기판

151 : 관통 구멍 160 : 방열체

170 : 투광막 180 : 렌즈

185 : 스페이서 190 : 밀폐수단

본 발명은 조명용 LED 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 방열체의 상부에 구비되는 기판에 다수의 관통 구멍을 형성하고, LED 소자를 각 관통 구멍 내 에서 방열체의 상면에 직접 부착시킴으로써, 조명용으로 요구되는 고휘도의 광을 발생시키기 위해 고밀도로 집적 배열된 LED 소자들에서 발생하는 열을 상기 LED 소자들과 직접 접촉하고 있는 방열체를 통하여 효율적으로 방출시키도록 구성하여, 발광에 수반되는 열에 의한 LED 소자의 손상 가능성을 최소화한 조명용 LED 모듈에 관한 것이다.

발광다이오드(light emitting diode; LED)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전력을 빛으로 변환시키는 효율이 뛰어나기 때문에 일반 표시 장치나 디스플레이의 백라이트 광원용으로 널리 이용되고 있다.

최근, 반도체 기술의 발전으로 고휘도 청색 LED의 상용화가 이루어짐에 따라, 청색 LED를 여기광원으로 사용하고, 청색 LED로부터 발생한 여기광을 특정한 색을 띄거나 또는 삼원색(적색, 녹색, 청색)이 적절히 혼합된 형광체를 통과시켜 백색광을 방출하는 백색 LED가 등장하게 되었다. 이러한 백색 LED는 기존의 조명 광원에 비해 극소형이며, 소비전력이 적고, 수명이 반영구적이며 예열시간이 없어 빠른 응답속도를 가질 뿐만 아니라, 자외선과 같은 유해파 방출이 없고 수은 및 방전용 가스를 사용하지 않는 환경친화적인 조명 광원이다.

특히, 1973년 오일 쇼크 발생 후, 사회 전분야에서 에너지 절약에 대한 요구가 급증하였으며, 1997년 12월 교토의정서가 채택되어 지구 온난화 방지를 위한 이산화 탄소 발생 억제 정책이 선진국을 중심으로 확대되고 있으므로, 조명장치 분야에서도 기존의 조명 광원을 대체할 수 있는 고효율의 백색 LED 조명 장치에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

이러한 백색 LED에 사용되는 질화물계 청색 LED 소자의 일반적인 구조가 도 1에 도시되어 있다. 도 1에서와 같이, 질화물계 청색 LED 소자는 사파이어 기판(13)위에 질화물 반도체인 질산갈륨(GaN, 11, 12)을 성장시켜 p-n 접합하도록 구성되는데, 저면의 사파이어 기판이 절연체이므로 n극 반도체인 n-GaN(12)을 일부 식각(mesa etching)하여 n 전극을 형성하게 된다. 이와 같이 일반적인 질화물계 청색 LED 소자는 저면이 절연체인 사파이어 기판으로 구성되어 p 전극과 n 전극이 모두 상부에 구비되므로, LED 소자가 실장되는 기판이 도체인 경우에도 정상적으로 작동하게 된다.

청색 LED 소자를 이용하여 조명용으로 사용하는 LED 모듈로는 독립적인 LED 램프를 수십 개 직·병렬로 연결하여 구성하는 LED 모듈이 있다. 그러나, 각각의 LED 램프는 크기가 비교적 크고 방열 기능에 한계가 있기 때문에 충분한 광도를 얻기 위해서는 다수의 LED 램프를 충분한 간격으로 이격시켜 구성해야 하므로, 그 광원의 전체 면적이 넓어짐으로 인하여 충분한 거리까지 조명하기 어려운 단점이 있다.

따라서, 동일한 전력으로 보다 멀리 조명하기 위해서는 LED 소자 자체를 고밀도로 집적함으로써 전체 광원의 면적을 좁혀 단위 광원의 광도, 즉 휘도를 높이는 방법이 요구된다. 이와 같은 LED 모듈로는 도 2에 도시된 바와 같이, 일반 인쇄회로기판(printed circuit board;PCB)보다 방열효과가 좋은 메탈 PCB(metal-printed circuit board)에 LED 소자를 집적시켜 전체 광원의 면적을 좁힌 LED 모듈이 있다. 메탈 PCB(50)는 열전도도가 높은 금속 성분의 방열체(51) 상부에 합성수 지 필름으로 구성된 플렉시블 PCB(flexible PCB, 52)를 접착제(53)를 통하여 부착시켜 방열 성능을 향상시킨 인쇄회로기판이다. LED 소자(10)는 플렉시블 PCB(52)의 상부면에 실장되고 전선(30)을 통하여 플렉시블 PCB(52)의 상부면에 형성된 전극회로(20)와 연결되어 전류를 공급받는다. 여기서, LED 소자(10)로부터 하부의 방열체(51)까지의 열전달은 그 중간에 위치한 열전도도가 낮은 플렉시블 PCB(52)와 접착제(53)에 의하여 방해를 받는다. 특히, 메탈 PCB(50)를 이용한 LED 모듈은 LED 소자(10)가 집적되는 밀도가 증가할 수록 전체 발열량이 증가하게 되어 LED 소자(10)에서 발생하는 대량의 열을 방열시키는 데 한계가 있으므로, 결국 발광시 수반되는 열로 인한 LED 소자(10)의 손상이 발생할 위험성이 높은 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기한 종래의 조명용 LED 모듈이 가지는 문제점들을 해결하는 데에 있다. 즉, 조명용 LED 모듈을 구성함에 있어서, 조명용으로 요구되는 고휘도의 광을 발생시키기 위하여 고밀도로 집적된 LED 소자에서 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있는 방열 구조를 구비하여, 자체적으로 발생하는 열로 인한 LED 소자의 손상을 최소화시켜줄 수 있는 조명용 LED 모듈을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서 본 발명은,

조명용으로 사용되는 고밀도 집적식 LED(light emitting diode) 모듈에 있어서, 다수의 관통 구멍이 형성되어 있는 기판과; 상기 기판의 상면에 형성되는 전극 회로와; 상기 기판의 저면에 구비되는 방열체와; 상기 기판의 각 관통 구멍 내에서 상기 방열체의 상면에 직접 부착되는 LED 소자들과; 상기 전극 회로와 상기 LED 소자들을 연결하는 전선과; 상기 기판의 상부에 구비되는 렌즈;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 조명용 LED 모듈을 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 조명용 LED 모듈의 정면 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 조명용 LED 모듈에서 렌즈와 스페이서를 제거하여 도시한 평면도이다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 조명용 LED 모듈은 기판(150)과, 기판(150)의 저면에 구비되는 방열체(160) 및 기판(150)의 상부에 구비되는 렌즈(180)를 포함하여 구성된다.

기판(150)은 상면에 전극 회로(121, 122, 123)가 패턴으로 형성되어 있는 일반적인 인쇄회로기판이며 양면을 관통하는 다수의 관통 구멍(151)이 형성되어 있다. 도 3의 A부 상세에서와 같이, 각각의 LED 소자(110)가 기판(150)의 각 관통 구멍(151) 내부에 안착되어 방열체(160)의 상면에 직접 부착된다. 여기서, LED 소자(110)는 앞에서 설명한 질화물계 청색 LED 소자로서, 그 저면에 구성된 사파이어 기판이 전류를 절연시키므로 도체인 방열체(160)의 상면에 직접 부착되어도 방열체(160)로의 누전이 발생하지 않고 정상적으로 작동된다. 기판(150)의 상면에는 관통 구멍(151)의 주위에 일정한 패턴으로 전극 회로(121, 122, 123)가 형성되어 있고, 전극 회로의 전극(123)과 LED 소자(110)들이 전선(130)을 통하여 연결되어 LED 소자(110)의 작동에 필요한 전류가 흐르게 된다.

이와 같이, LED 소자(110)를 기판(150)의 상면에 부착하는 대신 기판(150)에 형성된 관통 구멍(151)의 내부에서 방열체(160)의 상면과 직접 접촉하도록 부착함으로써, LED 소자(110)를 고밀도로 집적하여 배열하는 경우에도 LED 소자(110)에서 발생하는 열을 방열체(160)를 통하여 효과적으로 방출할 수 있게 된다. 또한, 종래의 LED 모듈에서 사용하던 메탈 PCB가 아닌 저가의 일반 인쇄회로기판(PCB)을 기판(150)으로 사용함으로써 종래의 메탈 PCB를 사용한 LED 모듈에 비하여 원가를 절감할 수 있다. 또한, LED 소자(110)는 기판(150)에 형성된 관통 구멍(151)의 내부 측면에 의하여 둘러싸이도록 방열체(160)의 상면에 실장되므로, LED 소자(110)에서 발생되는 광이 관통 구멍(151)의 내부 측면 및 방열체(160)의 상면에서 반사되면서 상부로 집중되어, LED 소자(110)로부터 발생하는 광의 집중도가 향상된다.

관통 구멍(151)에는 형광체를 내부에 포함하는 에폭시 수지로 이루어진 투광막(170)을 LED 소자(110)를 둘러싸도록 도포하는데, 각각의 LED 소자(110)는 기판(150)의 각 관통 구멍(151) 내부에 위치하므로, 관통 구멍(151)에 형광체를 포함하는 에폭시 수지를 충진함으로써 투광막(170)을 LED 소자(110)의 상부에 용이하게 도포할 수 있어, 기판 상에 LED 소자를 실장하는 구조에 비하여 작업 능률이 향상된다. 투광막(170)의 내부에 포함된 형광체는 LED 소자(110)에 의해 방출된 청색광을 여기광으로 흡수하여 조명용으로 가장 적합한 백색광을 방출시키게 된다. 여기서, 형광체는 특정한 색을 띄거나 또는 삼원색(적색, 녹색, 청색)이 적절하게 혼합 된 형광체로서, LED 소자에서 발생하는 청색광과 형광체의 색이 조합된 다양한 파장의 광을 방출시킬 수 있다.

기판(150)의 저면에 구비되는 방열체(160)는 열전도도가 높은 재질로 이루어지는데 바람직하게는 순동(pure Cu)이 좋다. 방열체(160)의 표면에는 은(Ag)을 도금하여 LED 소자(110)에서 발생하는 광에 대한 반사율을 향상시킬수 있다. 또한, 은이 함유된 실버에폭시(140)를 접착제로 사용하여 방열체(160)의 상면에 LED 소자(110)를 은과 은 간의 접합에 의해 부착함으로서, 방열체(160)와 LED 소자(110)의 접착력을 높혀줄 수 있다. 방열체(160)와 기판(150)을 접합함에 있어서, 바람직하게는 방열체(160) 상면 면적을 기판(150)의 저면 면적보다 더 크게 하고 방열체(160)의 상면 중심부를 기판(150)과 대응하는 형상으로 일정한 깊이 만큼 함몰시켜, 여기에 기판(150)의 저면을 고온용 에폭시를 이용하여 완전히 밀착하도록 접착시킨다. 또한, 방열체(160)의 상면 모서리에 각각 나사구멍(165)을 형성함으로써 본 실시예에 따른 조명용 LED 모듈이 조명 장치의 LED 모듈 부착부에 용이하게 장착될 수 있도록 한다.

기판(150)의 상부에는 투광성이 좋은 에폭시 수지로 이루어진 렌즈(180)를 구비하여 LED 소자(110)에서 발광되어 투광막(170)을 통하여 방출되는 백색광을 상부 공간으로 균일하게 조사할 수 있다. 또한, 렌즈(180)의 저면을 지지하도록 중공 사각기둥의 형태를 가지는 스페이서(spacer, 185)를 기판(150)의 상부에 구비하여, 기판(110)의 상부에 일부가 돌출되어 있는 전선(130)이 렌즈(180)의 저면과 간섭하여 그 접합부로부터 단선되는 것을 방지한다. 여기서, 스페이서(185)의 내측면과 기판(150)의 상면 및 렌즈(180)의 저면에 의하여 둘러싸인 공간 안에 모든 LED 소자(110)들과 전선(130)들이 포함되도록 스페이서(185)를 구성하여, 기판(110)의 전선(130)을 보호하는 동시에 LED 소자(110)와 전선(130)을 외부와 밀폐시킬 수 있다.

또한, 방열체(160) 상면이 함몰되어 형성된 공간 중 스페이서(185) 및 렌즈(180)가 차지하는 공간을 제외한 부분에 에폭시 수지를 채워줌으로써, 상기 스페이서(185)의 측면을 둘러싸도록 형성되는 밀폐수단(190)을 구비하여 전극 회로(121, 122, 123) 및 전선(130)을 외부로부터 밀폐시킨다. 따라서, LED 소자(110)와 전극 회로(121, 122, 123) 및 전선(130)이 외부로부터 완전히 밀폐되므로, 우천시의 실외 뿐만 아니라 수중에서도 사용이 가능한 조명용 LED 모듈을 제공할 수 있다.

이하, LED 소자가 전극 회로와 연결되어 배치되는 형태에 대하여 설명하기로 한다. LED 소자들을 모두 병렬로 배치하여 각 LED 소자에 동일한 인가 전압이 걸리게 되면, 각 LED 소자에 인가되는 전류를 정격 전류 값에 맞춰주기 위하여 각 LED 소자에 상대적으로 큰 용량의 저항을 직렬로 연결해야 한다. 이 경우, 병렬로 배치되는 LED 소자를 고밀도로 집적할수록 소요되는 전력량이 증가하고, 저항 전체에서 발생하는 열 또한 증가하게 되므로, LED 모듈의 에너지 효율이 나빠지고 열발생에 의한 LED 소자의 열화 가능성이 커지게 된다.

따라서, 도 4에서와 같이, 일정한 개수의 LED 소자(110)들을 전극 회로의 양전극(121)과 음전극(122) 사이에 직렬로 연결하여 인가 전압이 각 LED 소자(110)에 분배되도록 구성하면, 직렬로 연결된 LED 소자(110)들에 대하여 상대적으로 작은 용량의 저항(200) 하나만을 직렬로 연결하면 되므로 LED 모듈 구성에 사용되는 저항(200)의 총개수를 감소시킬 수 있고 각각의 저항(200)에서 발생하는 열량을 효과적으로 줄여줄 수 있으며, 이에 따라 기판(150) 상에 배열되는 LED 소자(110)들 간의 간격을 줄여 집적도를 높일 수 있다. 여기서, LED 소자가 탑재된 기판(150)의 관통 구멍(151) 양측에는 연결전극(123)이 형성되는데, 직렬 회로의 양 단에 위치한 연결전극(123)은 양전극(121) 또는 음전극(122)과 연결되며, 전선(130)의 일측이 연결전극(123)에 와이어본딩(wire bonding)되고 전선(130)의 다른 일측은 LED 소자(110)에 연결되어 전류를 도통시키게 된다.

예를 들면, 외부에서 전극 회로에 인가되는 전압이 12V이고 청색 LED 소자의 정격 전류 및 구동전압을 각각 350mA와 3.3V라고 하면, 세 개의 LED 소자(110)와 약 6Ω의 저항을 직렬로 연결하여 각 LED 소자(110)에 인가되는 전류를 정격 전류 값으로 맞춰줄 수 있게 된다.

이후, 이렇게 직렬로 배치된 LED 소자(110)들의 조합을 서로 병렬로 배치하여, LED 소자(110)와 전극 회로(121, 122, 123) 및 전선(130)이 직렬 및 병렬 구조가 혼합된 매트릭스 형태의 전기 회로를 구성하도록 함으로써, 병렬 구조로만 배치하는 구성에 비하여 LED 소자(110)들을 더욱 고밀도로 집적할 수 있으며 소비 전력도 절감할 수 있게 된다.

상기 실시예에서는 기판의 각 관통 구멍 내부에 LED 소자를 하나씩 배치하였으나, 각 관통 구멍의 반경을 더 확장하면, 하나의 관통 구멍에 여러 개의 LED 소 자를 배치할 수도 있다. 또한, 상기 실시예에서는 세 개의 LED 소자를 직렬로 연결하고 직렬로 연결된 LED 소자들의 조합을 5 X 2 의 매트릭스 형태로 구성하였으나, 전극과 기판의 관통 구멍을 다르게 배치하면 LED 소자들을 다른 형태의 매트릭스로 구성할 수 있음은 물론이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.

이상에서와 같이, 본 발명에 따른 조명용 LED 모듈은 방열체의 상부에 구비되는 기판에 다수의 관통 구멍을 형성하고, LED 소자를 각 관통 구멍 내에서 방열체의 상면에 직접 부착시켜 방열 성능을 향상시킴으로써, LED 소자의 수명이 연장되어 유지 보수비를 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 고밀도로 집적된 LED 소자들에서 발생하는 대량의 열을 효과적으로 방출할 수 있는 방열 구조를 제공하여, 가로등 및 보안등을 포함한 여러 조명장치에 사용되는 광원을 에너지 효율이 뛰어난 LED 소자로 대체함으로써, 조명장치 분야에서의 에너지 효율 향상에 기여할 수 있는 효과가 있다.

Claims

조명용으로 사용되는 고밀도 집적식 LED(light emitting diode) 모듈에 있어서,

다수의 관통 구멍이 형성되어 있는 기판과;

상기 기판의 상면에 형성되는 전극 회로와;

상기 기판의 저면에 구비되는 방열체와;

상기 기판의 각 관통 구멍 내에서 상기 방열체의 상면에 직접 부착되는 LED 소자들과;

상기 전극 회로와 상기 LED 소자들을 연결하는 전선과;

상기 기판의 상부에 구비되는 렌즈;

를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 조명용 LED 모듈.
제 1항에 있어서,

상기 LED 소자 각각을 둘러싸는 형태로 상기 기판의 각 관통 구멍에 도포되고, 내부에 형광체를 포함하는 투광성 수지로 이루어진 투광막을 더 포함하여,

상기 LED 소자에 의해 방출된 광을 흡수하여 상기 광과 다른 파장의 광을 방출하는 것을 특징으로 하는 조명용 LED 모듈.
제 1항에 있어서,

중공 사각기둥의 형태를 가지고 상기 기판의 상부에 구비되어 상기 렌즈의 저면을 지지하며, 내측면과 상기 기판의 상면 및 상기 렌즈의 저면에 의하여 둘러싸인 공간 안에 상기 LED 소자들과 상기 전선들 모두를 포함하도록 구성되는 스페이서(spacer)와;

에폭시수지로 이루어지고 상기 스페이서의 외측면과 상기 렌즈 및 상기 방열체 사이의 빈 공간을 채우도록 형성되어, 상기 전극 회로 및 상기 전선을 외부로부터 밀폐시키는 밀폐 수단;

을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명용 LED 모듈.
제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 LED 소자들은,

매트릭스 형태로 배열되어 상기 전극 회로 및 상기 전선과 함께 직렬 및 병렬 구조가 혼합된 전기 회로를 구성하는 것을 특징으로 하는 조명용 LED 모듈.
제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 방열체는,

표면에 은(Ag)이 도금된 순동(pure Cu)으로 이루어지고,

상기 LED 소자들은,

상기 방열체의 상면에 실버에폭시(siver epoxy)를 매개로 부착되는 것을 특징으로 하는 조명용 LED 모듈.