KR100798433B1 - 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광소자에 관한 것으로서, 방열소재로 형성된 방열용 메인기판과, 절연소재로 형성되며 방열용 메인기판의 저면에서 상면까지 관통하게 삽입된 절연비드와, 절연비드 내에 관통되게 설치된 리드핀 및 방열용 메인 기판의 상면에 장착되어 리드핀과 전기적으로 결선된 발광다이오드 칩을 갖는 발광유니트와, 발광유니트의 발광다이오드칩에서 출사된 광 중 발광다이오드칩의 광축을 벗어나는 광을 광축 방향으로 집속시킬 수 있도록 열린 상부로부터 일정 깊이까지 점진적으로 외경이 줄어드는 포물면으로 형성된 반사홈과, 저면으로부터 상방으로 일정높이까지 발광유니트가 삽입되어 접합될 수 있게 장착홈이 형성되되 중앙에는 상기 발광다이오드칩이 포물면에 대해 노출될 수 있게 반사홈과 연통되는 투광공이 형성된 반사경을 구비한다. 이러한 발광소자는 발광다이오드칩에서 출사되는 광을 평행광으로 변환시켜 출사시킬 수 있으면서도 광축을 벗어난 광선의 외부 공기층과 접하는 수지몰딩층 또는 투명 보호캡의 표면에서의 내부 전반사에 의한 광손실을 줄일 수 있고, 반사경의 방열역할에 의해 방열능력을 더욱 높일 수 있는 장점을 제공한다.

Description

발광소자{light emitting device}

도 1은 종래 발광소자의 방열용 기판의 일 예를 나타내 보인 단면도이고,

도 2는 도 1의 방열용 기판에 볼록 렌즈가 형성된 상태를 나타내 보인 단면도이고,

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광소자를 나타내 보인 단면도이고,

도 4는 도 3의 발광소자의 평면도이고,

도 5는 도 3의 반사경과 발광유니트를 분리 도시한 분리도이고,

도 6은 도 3의 안착홈에 투명 보호캡이 접합된 구조를 나타내 보인 단면도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

110: 발광유니트 111: 방열용 메인기판

113: 절연비드 115: 리드핀

120: 발광다이오드칩 130: 반사경

134a: 포물면

본 발명은 발광소자에 관한 것으로서, 상세하게는 고출력용에 적합한 방열 및 광집속 구조를 갖는 발광소자에 관한 것이다.

최근 발광다이오드(LED;Light Emitting Diode)는 형광체를 적용하여 백색광을 생성하여 출사할 수 있는 구조가 알려지면서 단순 발광표시 기능 이외에 기존의 조명등을 대체할 수 있는 조명분야까지 그 응용범위가 확장되고 있다. 또한, 조명에 적합한 고출력용 발광다이오드에 대한 연구가 꾸준히 진행되고 있다.

반도체 소자의 하나인 발광다이오드는 정격 동작온도 보다 온도가 올라가면 수명이 감소되고 발광효율이 저하되기 때문에 발광다이오드의 출력을 높이기 위해서는 발광다이오드에서 발생되는 열을 효과적으로 방출시켜 가능한 낮은 동작 온도내에서 동작될 수 있는 방열 구조가 요구된다.

그런데, 종래의 발광다이오드는 발광다이오드 칩이 안착된 리드프레임을 플라스틱소재로 몰딩한 구조로 형성하였다. 이러한 구조의 발광다이오드는 리드프레임을 통해 방열이 이루지기 때문에 방열능력이 낮아 고출력용 발광다이오드에 적용하기 어렵다.

이러한 문제점을 개선할 수 있도록 금속소재의 방열용 기판에 발광소자칩을 실장할 수 있는 구조가 다양하게 시도되고 있다.

또한, 방열용 기판에 장착된 발광다이오드칩으로부터 출사되는 광을 집속시키기 위해 일체로 반사경 구조를 갖는 것이 적용되고 있고, 대표적인 종래의 구조가 도 1 및 도 2에 개략적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 상부가 넓고 하부가 좁은 경사면을 갖는 방열용 기판(10) 의 칩안착부(12) 내에 발광다이오드칩(20)이 실장되어 있고, 칩안착부(12) 내부 공간내에 발광다이오드칩 보호용 투명소재 예를 들면 실리콘 또는 에폭시로 평탄하게 충진된 평면렌즈(15)가 적용된 구조로 되어 있다.

이러한 구조의 경우 발광다이오드칩(20)으로부터 출사된 광 중 광축으로부터 일정각도를 벗어난 광은 평면렌즈(15) 내부로 전반사되어 광손실이 발생되는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 개선하기 위해 도 2에 도시된 바와 같이 볼록한 렌즈(17)구조로 형성하는 경우 발광다이오드칩(20)으로부터 출사된 광의 렌즈(17) 내부에서의 전반사에 의한 광손실 문제는 개선할 수 있으나 렌즈(17)를 통과한 광의 확산각이 너무 커 직진광을 요구하는 경우에는 별도의 집광렌즈를 추가로 설치해야 하는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서 방열능력과 발광 효율을 높이면서도 직진성을 향상시킬 수 있는 발광소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 발광소자는 방열소재로 형성된 방열용 메인기판과, 절연소재로 형성되며 상기 방열용 메인기판의 저면에서 상면까지 관통하게 삽입된 절연비드와, 상기 절연비드 내에 관통되게 설치된 리드핀 및 상기 방열용 메인 기판의 상면에 장착되어 상기 리드핀과 전기적으로 결선된 발 광다이오드 칩을 갖는 발광유니트와; 상기 발광유니트의 상기 발광다이오드칩에서 출사된 광 중 상기 발광다이오드칩의 광축을 벗어나는 광을 상기 광축 방향으로 집속시킬 수 있도록 열린 상부로부터 일정 깊이까지 점진적으로 외경이 줄어드는 포물면으로 형성된 반사홈과, 저면으로부터 상방으로 일정높이까지 상기 발광유니트가 삽입되어 접합될 수 있게 장착홈이 형성되되 중앙에는 상기 발광다이오드칩이 상기 포물면에 대해 노출될 수 있게 상기 반사홈과 연통되는 투광공이 형성된 반사경;을 구비한다.

바람직하게는 상기 방열용 메인기판은 상부에서 일정길이 하방까지 동일 외경으로 형성된 제1바디부분과; 상기 제1바디부분의 종단으로부터 상기 제1바디부분 보다 큰 외경으로 동심상으로 하방으로 일정길이 연장된 제2바디부분;으로 형성되어 있고, 상기 장착홈은 상기 제1바디부분 및 제2바디부분에 대응되게 단차지게 형성된다.

또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 반사경은 상부에서 일정깊이 상기 포물면 보다 확장된 안착홈이 더 형성되어 있고, 상기 안착홈에는 투명 보호캡이 장착된다.

또한, 상기 발광다이오드칩을 에워싸도록 상기 방열용 메인기판으로부터 상기 투광공 부분까지 형성된 형광체;를 더 구비한다.

더욱 바람직하게는 상기 반사경은 방열성이 좋은 금속소재로 형성된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 발광소자를 더욱 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광소자를 나타내 보인 단면도이고, 도 4는 도 3의 발광소자의 평면도이고, 도 5는 도 3의 반사경과 발광유니트를 상호 끼움결합하여 접합하기 위해 뒤집어 놓은 상태를 분리 도시한 분리도이다.

도 3 및 도 5를 참조하면, 발광소자(100)는 발광유니트(110) 및 반사경(130)을 구비한다.

발광유니트(110)는 방열용 메인 기판(111), 절연비드(113) 및 리드 핀(115)을 구비한다.

방열용 메인기판(111)은 먼저 외측면 구조를 보면 상호 다른 외경을 갖는 제1바디부분(111a)과, 제2바디부분(111b)이 동심상으로 상호 단차지게 연장되어 2단 원기둥 형태로 형성되어 있다.

즉, 방열용 메인기판(111)은 상부에서 일정길이 하방까지 동일 외경으로 형성된 제1바디부분(111a)과, 제1바디부분(111a)의 종단으로부터 제1바디부분(111a) 보다 큰 외경으로 동심상으로 하방으로 일정길이 연장된 제2바디부분(111b)를 갖는다.

이와 같이 제1바디부분(111a)에 대해 제2바디부분(111b)의 외경이 더 크게 형성되어 플랜지형 걸림턱이 형성되면 반사경(130)의 장착홈(138) 내로의 삽입 및 인출작업이 용이한 장점을 제공한다.

방열용 메인기판(111)의 상면은 평탄하게 형성되어 있고, 중앙 부분에는 발광다이오드칩(120)이 실장되어 있다. 도시된 예에서는 두 개의 발광다이오드칩(120)이 실장되었고, 도시된 예와 다르게, 하나 또는 세 개 이상 실장될 수 있음 은 물론이다.

방열용 메인기판(111)은 열전도성이 좋은 방열소재 예를 들면 금속소재 또는 세라믹소재로 형성한다.

방열용 메인기판(111)의 소재로서는 구리 또는 구리합금 예를 들면 황동, 텅스텐/구리, 몰리브덴/구리 합금 , 알루미늄, AlN, SiC 등이 적용될 수 있다.

바람직하게는 방열용 메인기판(111)은 앞서 설명된 방열소재로 도시된 구조로 형성한 다음 내부식성을 갖도록 니켈소재로 1차 도금처리하고, 2차로 은(Ag)으로 도금처리한다.

절연비드(113)는 방열용 메인기판(111)의 저부에서 상면까지 관통하여 방열용 메인기판(111)에 형성되어 있다.

절연비드(113)는 절연성 소재이면서 용융점이 높고 가열시 이종 소재간의 융착성이 좋은 소재 예를 들면, 유리, 에폭시소재 또는 세라믹소재로 형성되는 것이 바람직하다.

리드핀(115)은 방열용 메인기판(110)과 절연될 수 있게 절연비드(113)에 에워싸여 방열용 메인기판(111)의 상면에 일단이 노출되고 타단은 방열용 메인기판(111)의 저부로부터 외부로 돌출되게 설치되어 있다.

리드핀(115)의 방열용 메인기판(111)의 상면에 노출된 부분은 발광다이오드칩(120)과 와이어(122)에 의해 본딩되어 있다.

반사경(130)은 발광유니트(110)를 수용할 수 있는 구조로 형성되어 있고, 발광다이오드칩(120)에서 출사되는 광중 광축을 벗어난 광에 대해 포물면(134a)에 의 한 반사에 의해 직진성을 향상시킬 수 있도록 되어 있다.

이러한 반사경(130)을 구분하여보면 안착홈(132), 반사홈(134), 투광공(136) 및 장착홈(138)을 갖는 구조로 되어 있다.

안착홈(132)은 반사홈(134)의 포물면(134a) 보다 외경이 확장되게 상부로부터 일정깊이 하방으로 연장되어 단차지게 형성되어 있다. 즉, 안착홈(132)은 상부로부터 일정깊이 수직상으로 연장된 후 다시 수평상으로 연장되어 포물면(134a)과 만나도록 형성되어 있다.

이러한 안착홈(132)은 반사홈(134) 내의 공간에 발광다이오드칩(120) 보호용 충진제로 충진하여 수지 몰딩층(152)을 형성할 경우 충진 높이를 가이드할 수 있고, 도 6에 도시된 바와 같이 판형상의 투명 보호캡(154)을 장착하는 용도로 이용할 수 있다.

반사홈(134)은 발광다이오드칩(120)에서 출사된 광 중 발광다이오드칩(120)의 광축을 벗어나는 광을 반사시켜 광축 방향으로 집속시킬 수 있도록 열린 상부로부터 일정 깊이까지 점진적으로 외경이 줄어드는 포물면(134a)을 갖게 형성되어 있다. 여기서 포물면(134a)은 반사홈(134)의 단면곡선이 포물곡선으로 형성된 것을 말한다.

장착홈(138)은 반사경(130)의 저면으로부터 상방으로 일정높이까지 발광유니트(110)가 삽입될 수 있게 발광유니트(110)에 대응되는 형상으로 형성되어 있다.

즉, 장착홈(138)은 발광유니트(110)의 외형에 대응되게 제1바디부분(111a)에 대응되는 길이 및 직경을 갖는 제1인입부분(138a)과, 제1인입부분(138a)으로부터 제2바디부분(111b)에 대응되게 외경이 확장되되 제2바디부분(111b) 보다 더 길게 연장된 제2인입부분(138b)를 갖는 구조로 되어 있다.

발광유니트(110)가 장착홈(138)에 삽입된 이후 제2인입부분(138b)의 빈 공간은 접착용 수지 예를 들면 에폭시로 충진시켜 접합층(139)을 형성한다.

한편, 투광공(136)은 장착홈(138)에 장착된 발광유니트(110)의 발광다이오드칩(120)이 포물면(134a)에 대해 노출될 수 있게 반사홈(134)과 장착홈(138)을 상호 연통시킬 수 있게 형성된 것이다. 투광공(136)의 상방으로의 연장 길이는 투광공(136)의 상단이 발광다이오드칩(120)의 상면으로부터 적절한 높이 예를 들면 0.1 내지 1.5밀리미터가 되도록 결정하는 것이 바람직하다.

투광공(136)은 리드핀(115)과 발광다이오드칩(120)을 결선하는 와이어(122)가 노출될 수 있게 도 4에 도시된 바와 같이 해당 부분이 부분적으로 인입된 인입홈(136a)을 갖는 구조가 적용되는 것이 바람직하다.

바람직하게는 반사경(130)은 접합된 방열용 메인기판(111)에서 발생되는 열을 방출할 수 있도록 앞서 예시된 방열능력이 높은 금속소재로 형성한다.

일 예로서 반사경(130)은 알루미늄으로 형성하되 내면 즉, 반사홈(134)은 거칠기가 양호하도록 경면처리된 것을 적용한다. 또 다르게는 반사경(134)의 적어도 반사홈(134)은 반사율이 높은 소재로 코팅될 수 있음은 물론이다.

이러한 반사경(130)은 도 5에 도시된 바와 같이 발광유니트(110)를 장착홈(138)내에 삽입하고 에폭시 또는 그 밖의 소재로 충진하여 상호 접합하면된다.

참조부호 140은 형광체로서 발광다이오드칩(120)을 에워싸도록 충진되되 투 광공(136) 형성 높이까지 충진하는 것이 바람직하다.

형광체(140)는 발광다이오드칩(120)에서 출사된 광에 반응하여 백색광을 출사하는 것이 적용될 수 있다. 이 경우 발광다이오드칩(120)이 청색 발광다이오드칩이 적용되고 형광체(140)는 YAG형광체가 적용될 수 있고, 또 다르게는 발광다이오드칩(120)이 자외선 발광다이오드칩이 적용되고 형광체(140)는 RGB형광체가 적용될 수 있다.

참조부호 152는 앞서 설명된 바와 같이 반사면 내부공간을 실링시킬 수 있도록 형성된 수지 몰딩층이고, 투명 에폭시 수지 또는 투명 실리콘 등 공지된 다양한 수지로 형성할 수 있다.

도시된 예와 다르게 도 6에 도시된 바와 같이 안착홈(132)에 끼움결합될 수 있는 투명보호캡(154)이 안착홈(132)에 접합될 수 있다. 이 경우 반사홈(134) 내부는 투명 수지로 충진하지 않을 수 있음은 물론이다.

이러한 구조의 발광소자(100)는 방열용 메인기판(111)에 장착된 발광다이오드칩(120)으로부터 방출된 광이 형광체(140)에 의해 백색광이 생성되고, 백색광은 포물면(134a)에 의해 광축과 나란한 방향으로 출사 된다.

이하에서는 이러한 구조의 발광소자의 제조방법을 설명한다.

먼저, 발광유니트(110)를 형성한다.

발광유니트(110)는 절연비드(113)가 삽입될 홀이 형성된 방열용 메인기판(111)에 중공을 갖거나 리드핀(115)이 일체로 삽입된 절연비드(113)를 삽입홀에 삽입한 다음 절연비드(113)가 융용 또는 소결에 의해 방열용 메인기판(111)과 리드 핀(115)과 고착될 수 있게 가열처리하여 형성한 것을 적용하면 된다. 이후에 방열용메인기판(111) 및 리드핀(115)을 1차로 니켈도금을 하고, 2차로 은으로 도금처리한다.

다음은 방열용 메인기판(111)의 중앙 상면에 적용대상 발광다이오드칩(120)을 직접 또는 서브마운트(미도시)를 통해 실장한다. 그리고 나서, 발광다이오드칩(120)과 대응되는 리드핀(115)을 와이어(122)로 본딩한다.

다음은 앞서 설명된 구조의 반사경(130)의 장착홈(138)에 발광유니트(110)를 삽입하여 접합한다. 이후, 발광다이오드칩(120)에 형광체(140)를 도포하고나서, 충진제로 반사홈(134) 내부공간을 충진하여 수지몰딩층(152)을 형성하거나, 투명 보호캡(154)을 안착홈(132)에 접합하면 된다.

지금까지 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 발광소자는 발광다이오드칩에서 출사되는 광을 평행광으로 변환시켜 출사시킬 수 있으면서도 광축을 벗어난 광선의 외부 공기층과 접하는 수지몰딩층 또는 투명 보호캡의 표면에서의 내부 전반사에 의한 광손실을 줄일 수 있고, 반사경의 방열역할에 의해 방열능력을 더욱 높일 수 있는 장점을 제공한다.

Claims (5)

1. 방열소재로 형성된 방열용 메인기판과, 절연소재로 형성되며 상기 방열용 메인기판의 저면에서 상면까지 관통하게 삽입된 절연비드와, 상기 절연비드 내에 관통되게 설치된 리드핀 및 상기 방열용 메인 기판의 상면에 장착되어 상기 리드핀과 전기적으로 결선된 발광다이오드 칩을 갖는 발광유니트와;

   상기 발광유니트의 상기 발광다이오드칩에서 출사된 광 중 상기 발광다이오드칩의 광축을 벗어나는 광을 상기 광축 방향으로 집속시킬 수 있도록 열린 상부로부터 일정 깊이까지 점진적으로 외경이 줄어드는 포물면으로 형성된 반사홈과, 저면으로부터 상방으로 일정높이까지 상기 발광유니트가 삽입되어 접합될 수 있게 장착홈이 형성되되 중앙에는 상기 발광다이오드칩이 상기 포물면에 대해 노출될 수 있게 상기 반사홈과 연통되는 투광공이 형성된 반사경;을 구비하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 방열용 메인기판은 상부에서 일정길이 하방까지 동일 외경으로 형성된 제1바디부분과;

   상기 제1바디부분의 종단으로부터 상기 제1바디부분 보다 큰 외경으로 동심상으로 하방으로 일정길이 연장된 제2바디부분;으로 형성되어 있고,

   상기 장착홈은 상기 제1바디부분 및 제2바디부분에 대응되게 단차지게 형성된 것을 특징으로 하는 발광소자.
3. 제2항에 있어서, 상기 반사경은 상부에서 일정깊이 상기 포물면 보다 확장된 안착홈이 더 형성되어 있고, 상기 안착홈에는 투명 보호캡이 장착된 것을 특징으로 하는 발광소자.
4. 제1항에 있어서, 상기 발광다이오드칩을 에워싸도록 상기 방열용 메인기판으로부터 상기 투광공 부분까지 형성된 형광체;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
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