KR100889603B1 - 방열 기능이 향상된 조명용 발광 다이오드 모듈 - Google Patents

방열 기능이 향상된 조명용 발광 다이오드 모듈 Download PDF

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본 발명은 에폭시 수지 60∼70 중량%와 은(Ag) 입자 20∼25 중량%와 세락믹 입자 10∼15 중량%의 혼합물(Ag/세라믹/에폭시)로 구성된 제 1 층; 방열 부재가 탑재된 메탈 PCB(Printed Circuit Board, 인쇄회로기판)로 구성된 제 2 층; 골드 와이어(gold wire)에 의해 연결되어 있는 LED(Light Emitting Diode, 발광 다이오드) 소자와 PCB 패턴이 에폭시 수지 60∼70 중량%와 은(Ag) 입자 20∼25 중량%와 세라믹 입자 10∼15 중량%의 혼합물(Ag/세라믹/에폭시) 상에 일정한 간격으로 부착되어 있으며, 제 3 층의 나머지 부분에는 투명한 젤 타입의 실리콘계 물질이 충전되어 있는 제 3 층; 및 실리콘과 형광체의 배합물로 구성된 제 4 층을 포함하고, 상기 제 1 층 위에 상기 제 2 층이 적층되어 있고, 상기 제 2 층 위에 상기 제 3 층이 적층되어 있으며, 상기 제 3 층 위에 상기 제 4 층이 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 방열 기능이 향상된 조명용 발광 다이오드(LED) 모듈을 제공한다.
본 발명에 따른 방열 기능이 향상된 조명용 발광 다이오드(LED) 모듈은 형광체의 침전으로 인한 빛의 확산성 및 밝기의 저하 현상을 방지하여 발광 다이오드(LED) 소자의 빛을 최대화하고, 이로써 고휘도의 빛을 발생시킬 수 있을 뿐만 아니라, LED 칩 아래에서 1차적으로 방열시키고 메탈 PCB 아래에서 2차적으로 방열시킴으로써 LED 수명의 저하되는 것을 방지하고 히트 싱크(heat sink)의 소형화가 가능하도록 할 수 있는 장점이 있다.
방열 기능, 조명용 LED 모듈, 메탈 PCB, LED 소자, Ag/세라믹/에폭시, PCB 패턴, 골드 와이어(gold wire), 히트 싱크(heat sink), 투명한 젤 타입의 실리콘계 물질, 실리콘, 형광체, 고휘도.

Description

방열 기능이 향상된 조명용 발광 다이오드 모듈{LIGHT EMITTING DIODE MODULE WITH ENHANCED HEAT RELEASE FOR LUMINATION}
도 1은 본 발명에 따른 방열 기능이 향상된 조명용 발광 다이오드 모듈의 구성을 도시한 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 외관 사출물 2, 7: 메탈 PCB
3: 실리콘과 형광체의 배합물 4: 투명한 젤 타입의 실리콘계 물질
5: 골드 와이어(gold wire) 6: PCB 패턴
8: LED 소자 9, 10: Ag/세라믹/에폭시
본 발명은 방열 기능이 향상된 조명용 발광 다이오드(LED) 모듈에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 투명한 젤 타입의 실리콘계 물질, 및 실리콘과 형광체의 배합물을 사용하여 형광체의 침전으로 인한 빛의 확산성 및 밝기의 저하 현상을 방지하여 발광 다이오드(LED) 소자의 빛을 최대화하고, 에폭시 수지 60∼70 중량%와 은(Ag) 입자 20∼25 중량%와 세락믹 입자 10∼15 중량%의 혼합물(Ag/세라믹/에 폭시)을 사용하여 LED 칩 아래에서 1차적으로 방열시키고 메탈 PCB 아래에서 2차적으로 방열시킴으로써 LED 수명의 저하되는 것을 방지하고 히트 싱크(heat sink)의 소형화가 가능하도록 한 조명용 발광 다이오드(LED) 모듈에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED)는 p형과 n형 반도체의 접합으로 이루어져 있으며 전압을 가하면 전자와 정공의 결합으로 반도체의 밴드 갭(band gap)에 해당하는 에너지를 빛의 형태로 발출하는 일종의 광전자 소자이다. 발광 다이오드(LED)는 정보·통신 기기를 비롯한 전자 장치의 표시·화상용 광원으로 이용되어 왔으며, 1990년대 중반 이후에 청색 LED가 개발되면서 총천연색 디스플레이(display)가 가능하게 되었다. 발광 다이오드(LED) 광원은 열손실이 작은 광원으로서 백열구에 비해 전력 소비량이 매우 작아 에너지 절약이 가능하며, 수명 및 유지 보수 면에서도 우수한 특징을 나타내고, 무(無)수은으로 환경친화적이기 때문에, 발광 다이오드(LED)는 일반 조명등, 건물 장식등, 무드(mood)등, 차량등, 교통 신호등, 실내 및 실외 전광판, 유도등, 경고등, 각종 보안장비용 광원, 살균 또는 소독용 광원 등에 폭넓게 활용되고 있다.
그러나, 종래의 조명용 발광 다이오드(LED) 모듈은 형광체의 침전으로 인한 빛의 확산성 및 밝기의 저하 현상이 나타나는 문제점이 있다. 따라서, 고휘도의 빛을 발생시키는 데 한계가 있다.
한국 등록특허공보 제52636호에는 'LED 패키지의 기부(基部)를 열전도성 중합체로 성형함으로써 방열 성능을 향상시키는 것'이 기재되어 있고; 한국 등록특허공보 제671240호에는 'LED로부터 발생하는 고열이 열전 모듈 및 열전도체를 통해 알루미늄 방열체로 신속하게 전도되게 하고, 전도된 열은 방열체 자체의 방열은 물론 열전도체로부터 집중된 고열을 방열팬과 방열핀을 통해 외부로 방출하는 것'이 기재되어 있으며; 한국 등록특허공보 제646198호에는 '메탈 슬러그(metal slug) 위에 열발산 벽면체 또는 방열 흠을 형성시킴으로써, 고전력 LED 칩에서 발생한 열을 효율적으로 외부로 방출시키는 것'이 기재되어 있고; 한국 등록특허공보 제670918호에는 '순동(pure Cu)으로 이루어진 넓은 면적의 리드프레임을 구성하고 상기 리드프레임의 저면에 순동으로 이루어진 방열판(heat sink)을 초음파 융착을 통하여 융착하여 줌으로써, LED 램프로부터 발생되는 열을 효과적으로 방열시켜 대용량의 전류가 인가되는 경우에도 발생되는 열로 인한 LED 소자의 손상을 최소화시키는 것'이 기재되어 있다.
그러나, 이들 선행 특허문헌들에는 LED 칩의 아래에서의 방열(放熱)과 메탈 PCB 아래에서의 방열(放熱)을 동시에 추구하는 것에 대한 언급이나 시사하는 바가 전혀 없다.
한편, 대용량의 LED 모듈은 대부분 방열판 내지 히트 싱크(heat sink)가 크고, 방열판 내지 히트 싱크(heat sink)에서의 열적 안정성 개선 효과가 없을 경우에는 LED 칩에 열충격을 주어 광도 저하 현상이 발생하고 궁극적으로는 LED 모듈의 수명을 단축시키게 된다. 또한, Ag/에폭시는 LED 칩을 고정시키고 LED 칩의 열적 안정성에 기여하지만, 방열 효과가 만족할 만한 수준에 이르지는 못하는 것으로 밝혀졌다.
본 발명은 방열 기능이 향상된 조명용 발광 다이오드(LED) 모듈에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 투명한 젤 타입의 실리콘계 물질, 및 실리콘과 형광체의 배합물을 사용하여 형광체의 침전으로 인한 빛의 확산성 및 밝기의 저하 현상을 방지하여 발광 다이오드(LED) 소자의 빛을 최대화하고, 에폭시 수지 60∼70 중량%와 은(Ag) 입자 20∼25 중량%와 세락믹 입자 10∼15 중량%의 혼합물(Ag/세라믹/에폭시)을 사용하여 LED 칩 아래에서 1차적으로 방열시키고 메탈 PCB 아래에서 2차적으로 방열시킴으로써 LED 수명의 저하되는 것을 방지하고 히트 싱크(heat sink)의 소형화가 가능하도록 한 조명용 발광 다이오드(LED) 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 에폭시 수지 60∼70 중량%와 은(Ag) 입자 20∼25 중량%와 세락믹 입자 10∼15 중량%의 혼합물(Ag/세라믹/에폭시)로 구성된 제 1 층; 방열 부재가 탑재된 메탈 PCB(Printed Circuit Board, 인쇄회로기판)로 구성된 제 2 층; 골드 와이어(gold wire)에 의해 연결되어 있는 LED(Light Emitting Diode, 발광 다이오드) 소자와 PCB 패턴이 에폭시 수지 60∼70 중량%와 은(Ag) 입자 20∼25 중량%와 세라믹 입자 10∼15 중량%의 혼합물(Ag/세라믹/에폭시) 상에 일정한 간격으로 부착되어 있으며, 제 3 층의 나머지 부분에는 투명한 젤 타입의 실리콘계 물질이 충전되어 있는 제 3 층; 및 실리콘과 형광체의 배합물로 구성된 제 4 층을 포함하고, 상기 제 1 층 위에 상기 제 2 층이 적층되어 있고, 상기 제 2 층 위에 상기 제 3 층이 적층되어 있으며, 상기 제 3 층 위에 상기 제 4 층이 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 방열 기능이 향상된 조명용 발광 다이오드(LED) 모듈을 제공한다.
제 1 층 및 제 3 층의 Ag/세라믹/에폭시에 있어서, 은(Ag) 입자의 평균 직경 은 20∼400 nm이고, 상기 세라믹 입자의 평균 직경은 30∼250 nm인 것이 바람직하다. 세라믹 입자는 예컨대 알루미나(Al2O3), 탄화규소(SiC) 및 질화알루미늄(AlN)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 고열전도성 세라믹 입자이다. 제 1 층의 Ag/세라믹/에폭시는 열전도 계수(K)가 3∼5 W/(m·K)인 것이 바람직하다.
메탈 PCB(Printed Circuit Board, 인쇄회로기판)는 일반적인 PCB에 비하여 방열 효과가 우수하다. 그러나, LED 칩의 고밀도 집적화, LED 모듈의 소경량화 등의 경향으로 인하여 LED 소자에서 발생하는 대량의 열을 방열시키기에는 한계가 있을 수 있으므로, 발광시 수반되는 열로 인한 LED 소자의 손상 위험을 최소화하기 위해 메탈 PCB는 방열 부재를 구비하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에 따른 조명용 발광 다이오드(LED) 모듈에 있어서, 제 2 층은 방열 부재가 탑재된 메탈 PCB(Printed Circuit Board, 인쇄회로기판)로 이루어져 있다.
본 발명에 따른 방열 기능이 향상된 조명용 발광 다이오드(LED) 모듈을 구성하는 제 3 층에 있어서, 에폭시 수지 60∼70 중량%와 은(Ag) 입자 20∼25 중량%와 세락믹 입자 10∼15 중량%의 혼합물(Ag/세라믹/에폭시) 상에 적층된 LED(Light Emitting Diode, 발광 다이오드) 소자와 PCB 패턴은 골드 와이어(gold wire)에 의해 연결된다. 여기서, Ag/세라믹/에폭시는 도전성 접착제로서의 역할을 하는데, Ag(은) 입자는 전기전도도와 열 변형 온도를 크게 향상시키며, 에폭시 수지의 변성을 방지시킬 수 있다. Ag/세라믹/에폭시 상에 적층된 LED(Light Emitting Diode, 발광 다이오드) 소자와 PCB 패턴이 골드 와이어(gold wire)에 의해 연결되어 있는 개별 LED 칩은 일정한 간격으로 배치되어 있다. 제 3 층의 나머지 부분은 투명한 젤 타입의 실리콘계 물질로 충전되는데, 이 투명한 젤 타입의 실리콘계 물질은 발광 다이오드(LED) 소자 상에 평탄하고 균질하게 도포되어 있다. 따라서, 형광체의 침전으로 인한 빛의 확산성 및 밝기의 저하 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 방열 기능이 향상된 조명용 발광 다이오드(LED) 모듈을 구성하는 제 4 층은 실리콘과 형광체의 배합물로 이루어져 있다. 실리콘과 형광체의 배합비는 0.1:9.9∼2.0:8.0인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방열 기능이 향상된 조명용 발광 다이오드(LED) 모듈은 백색 광원을 구현함에 있어서 예컨대 질화인듐갈륨(InGaN)계 청색 발광 다이오드(LED)에서 예컨대 YAG(yttrium aluminium garnet, 이트륨 알루미늄 가닛)계 황색 발광체를 여기하는 방식을 이용하거나, 또는 자외선 발광 다이오드(UV LED)에서 적색(R)/녹색(G)/청색(B) 형광체를 여기하는 방식을 이용한다. 또한, 각종 형광체의 조합으로 백색광 이외에도 여러 종류의 발광색을 내는 것이 가능하여 조명으로서의 응용 범위가 넓어진다.
본 발명에 따른 방열 기능이 향상된 조명용 발광 다이오드(LED) 모듈의 제조 공정은 다음과 같다: 에폭시 수지 60∼70 중량%와 은(Ag) 입자 20∼25 중량%와 세락믹 입자 10∼15 중량%의 혼합물(Ag/세라믹/에폭시) 상에 LED 소자를 적층한 후 리플로우(reflow) 작업을 하고, 골드 와이어(gold wire) 본딩에 의해 PCB 패턴과 연결시킨다. 이와 같이 만들어진 개별 LED 칩을 일정한 간격으로 배치시키고, 투명한 젤 타입의 실리콘계 물질을 LED 소자 상에 평탄하고 균질하게 도포한 후 열풍 건조한다. 이렇게 형성된 층이 제 3 층이다. 이어서, 제 3 층 상에 실리콘과 형광체의 배합물을 균일하게 도포한 후 열풍 건조하여 제 4 층을 적층시킨다. 이어서, 방열 부재가 탑재된 메탈 PCB(제 2 층)를 셋팅한 후, 그 위에 상기 제 3 층과 제 4 층을 적층하여 일체화한다. 이어서, 메탈 PCB(제 2 층) 아래에 에폭시 수지 60∼70 중량%와 은(Ag) 입자 20∼25 중량%와 세락믹 입자 10∼15 중량%의 혼합물(Ag/세라믹/에폭시)을 도포한다. 그 후, 바니쉬(vanish) 공정, 조립 공정, 성능 테스트 공정, 포장 공정 등을 거쳐 출하한다.
본 발명에 따른 방열 기능이 향상된 조명용 발광 다이오드(LED) 모듈은 형광체의 침전으로 인한 빛의 확산성 및 밝기의 저하 현상을 방지하여 발광 다이오드(LED) 소자의 빛을 최대화하고, 이로써 고휘도의 빛을 발생시킬 수 있을 뿐만 아니라, LED 칩 아래에서 1차적으로 방열시키고 메탈 PCB 아래에서 2차적으로 방열시킴으로써 LED 수명의 저하되는 것을 방지하고 히트 싱크(heat sink)의 소형화가 가능하도록 할 수 있는 장점이 있다.

Claims (5)

  1. 에폭시 수지 60∼70 중량%와 은(Ag) 입자 20∼25 중량%와 세라믹 입자 10∼15 중량%의 혼합물(Ag/세라믹/에폭시)로 구성된 제 1 층;
    방열 부재가 탑재된 메탈 PCB(Printed Circuit Board, 인쇄회로기판)로 구성된 제 2 층;
    골드 와이어(gold wire)에 의해 연결되어 있는 LED(Light Emitting Diode, 발광 다이오드) 소자와 PCB 패턴이 에폭시 수지 60∼70 중량%와 은(Ag) 입자 20∼25 중량%와 세라믹 입자 10∼15 중량%의 혼합물(Ag/세라믹/에폭시) 상에 일정한 간격으로 부착되어 있으며, 제 3 층의 나머지 부분에는 투명한 젤 타입의 실리콘계 물질이 충전되어 있는 제 3 층; 및
    실리콘과 형광체의 배합물로 구성된 제 4 층을 포함하고,
    상기 제 1 층 위에 상기 제 2 층이 적층되어 있고, 상기 제 2 층 위에 상기 제 3 층이 적층되어 있으며, 상기 제 3 층 위에 상기 제 4 층이 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 방열 기능이 향상된 조명용 발광 다이오드(LED) 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층과 제 3 층의 은(Ag) 입자의 평균 직경은 20∼400 nm이고, 상기 제 1 층과 제 3 층의 세라믹 입자의 평균 직경은 30∼250 nm인 것을 특징으로 하는 방열 기능이 향상된 조명용 발광 다이오드(LED) 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층과 제 3 층의 세라믹 입자는 알루미나(Al2O3), 탄화규소(SiC) 및 질화알루미늄(AlN)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 고열전도성 세라믹 입자인 것을 특징으로 하는 방열 기능이 향상된 조명용 발광 다이오드(LED) 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층의 Ag/세라믹/에폭시는 열전도 계수(K)가 3∼5 W/(m·K)인 것을 특징으로 하는 방열 기능이 향상된 조명용 발광 다이오드(LED) 모듈.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 투명한 젤 타입의 실리콘계 물질은 상기 발광 다이오드(LED) 소자에 균질하게 도포되어 있고, 상기 실리콘과 형광체의 배합비는 0.1:9.9∼2.0:8.0이며, 상기 발광 다이오드(LED)는 청색 발광 다이오드(LED)이거나 또는 자외선(UV) 발광 다이오드(LED)인 것을 특징으로 하는 방열 기능이 향상된 조명용 발광 다이오드(LED) 모듈.
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