KR100900670B1 - 백색 ｌｅｄ 광원 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 백색 LED 광원 모듈은, 회로기판과; 상기 회로기판 상에 배치된 청색 LED 칩과; 상기 회로기판 상에 배치된 녹색 LED 칩과; 상기 회로기판 상에 배치되고, 상기 청색 LED 칩에 의해 여기되어 적색광을 발하는 적색 형광체를 포함하되, 상기 청색 LED 칩의 피크 파장은 449~465nm이고, 상기 녹색 LED 칩의 피크 파장(peak wavelength)은 525~540nm이고, 상기 적색 형광체의 피크 파장은 600~700nm이다.
발광 다이오드, LED, 백라이트 유닛, BLU, 형광체, 백색

Description

백색 ＬＥＤ 광원 모듈{WHITE LIGHT LED LIGHT SOURCE MODULE}
본 발명은 백라이트 유닛 등에 유용하게 사용될 수 있는 백색 LED 광원 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 색균일성 및 색재현성이 안정적이고 우수할 뿐만 아니라 제작이 용이하고 제조 단가가 절감된 백색 LED 광원 모듈에 관한 것이다.
최근 노트북, 모니터, 핸드폰, TV의 LCD 디스플레이용 백라이트 유닛(Backlight Unit: 이하, BLU 라고도 함)의 광원으로서 LED(Light Emitting Diode: 발광 다이오드)가 주목받고 있다. BLU용의 백색 광원으로는 종래부터 냉음극 형광 램프(CCFL)가 사용되어 왔으나, 최근에는 색상 표현 및 소비전력 등의 측면에서 유리한 'LED 소자를 사용한 백색 광원 모듈(백색 LED 광원 모듈)'이 각광받고 있다.
기존의 BLU용 백색 LED 광원 모듈은, 청색 LED, 녹색 LED 및 적색 LED 광원을 회로 기판 상에 배열함으로써 구현된다. 이러한 한 예가 도 1에 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, BLU용 백색 LED 광원 모듈(10)은 PCB 등의 회로 기판(11) 상에 배열된 적(R), 녹(G) 및 청색(B) LED를 포함한다. 각각의 R, G, B LED(12, 14, 16) 는 각 파장의 LED 칩을 구비한 패키지 또는 램프 형태로서 기판(11) 상에 실장될 수 있다. 이러한 R, G, B의 LED 패키지 또는 램프는 기판 상에 반복해서 배열됨으로써 전체적으로 백색의 면광원 또는 선광원을 형성할 수 있다.. 이와 같이 R, G, B의 3원색의 LED를 사용하는 백색 LED 광원 모듈(10)은, 색재현성이 비교적 우수하고 청, 녹 및 적색 LED의 광량 조절에 의해 전체적인 출력광 제어가 가능하다는 장점을 가지고 있다.
그러나, 상기한 백색 LED 광원 모듈(10)에 따르면, R, G, B 광원(LED)이 서로 떨어져 있어서 색균일성(color uniformity)에 문제가 발생할 수 있다. 특히, 적색 LED는 온도에 민감하고 열에 의해 그 광효율이 저하되기 쉬워서, 온도에 따라 백색광의 색균일성이 불안정하게 될 수 있다. 또한 단위 구역의 백색광을 얻기 위해 최소한 R, G, B 3개 LED 칩이 필요하므로, 개별 컬러의 LED를 구동하고 제어하기 위해 회로 구성이 복잡해지고(이에 따라 회로 비용도 커짐) 패키지 제작 비용도 높아진다.
백색 LED 광원 모듈의 다른 구현 방식으로서, 청색 LED와 이에 의해 여기되는 황색 형광체를 사용하는 방안이 제안되었다. 이러한 '청색 LED와 황색 형광체의 조합'을 이용한 백색 LED 광원 모듈은 회로 구성이 간단하고 가격이 저렴하다는 장점을 가지고 있다. 그러나, 장파장에서의 상대적으로 낮은 광강도로 인해 색재현성이 양호하지 못하다. 이에 따라, 우수하고 안정적인 색균일성과 개선된 색재현성을 갖는 저비용 고품질의 백색 LED 광원 모듈이 요구된다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 우수하고 안정적인 색균일성과 향상된 색재현성을 나타낼 뿐만 아니라, 그 제작 비용을 절감시킬 수 있는 백색 LED 광원 모듈을 제공하는 것이다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 LED 광원 모듈은, 청색광, 녹색광 및 적색광이 혼색되어 백색광을 출력하고, 상기 청색광의 피크 파장은 449~465nm이고 상기 녹색광의 피크 파장은 525~540nm이고 상기 적색광의 피크 파장은 600~700nm이며, 상기 적색 형광체는 CaAlSiN3:Eu 또는 Ca2Si5N8:Eu의 질화물계 형광체 또는 (Ca,Sr)S:Eu의 황화물계 형광체이다.
이 경우, 상기 청색광 및 녹색광은, 각각 청색 LED칩 및 녹색 LED 칩에서 발하는 것이며, 상기 적색 형광체는 상기 청색 LED 칩을 봉지하는 수지 포장부 내에 포함되어 있을 수 있다. 이 경우, 상기 적색 형광체를 포함하는 수지 포장부는, 상기 청색 LED 칩 및 녹색 LED 칩을 둘 다 함께 봉지할 수 있다.
또는, 상기 적색 형광체를 포함하는 수지 포장부는, 상기 청색 LED 칩 및 녹색 LED 칩 중 청색 LED 칩만을 봉지할 수도 있다.
한편, 상기 각각의 청색 LED 칩 및 녹색 LED 칩은 회로기판 상에 직접 실장된 것일 수 있다.
또한, 상기 적색 형광체를 포함하는 수지 포장부는 상기 LED 칩과 녹색 LED 칩을 둘 다 함께 봉지할 수도 있으며, 상기 적색 형광체는 상기 청색 LED를 봉지하는 수지 포장부 내에 포함되어 있는 것이 바람직하다.
한편, 상기 백색 LED 광원 모듈은 회로기판 상에 탑재되고 반사컵을 갖는 적어도 하나의 패키지 본체를 더 포함하되, 상기 청색 LED 칩과 녹색 LED 칩은 적어도 하나의 패키지 본체의 상기 반사컵 내에 실장될 수 있다. .
또한, 상기 청색 LED 칩 및 녹색 LED 칩은 하나의 패키지 본체의 반사컵 내에 함께 실장되고, 상기 적색 형광체를 포함하는 수지 포장부는 상기 청색 LED 칩 및 녹색 LED 칩을 둘 다 함께 봉지할 수 있다.
그리고, 상기 청색 LED 칩, 녹색 LED 칩 각각은 개개의 패키지 본체의 반사컵 내에 별도로 실장되고, 상기 적색 형광체를 포함하는 수지 포장부는 상기 청색 LED 칩만을 봉지할 수도 있다.
본 발명의 상기 백색 LED 광원 모듈은 NTSC 색좌표 대비 95% 이상의 색재현성을 구현하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 특정 범위의 피크 파장을 갖는 청색 및 녹색 LED칩과 적색 형광체를 사용함으로써, 색재현성이 향상되고 형광체 효율이 개선된다. 또한 백색 LED 광원 모듈에 필요한 LED 칩 수와 패키지 비용이 감소되고, 구동 회로의 구성이 단순하며, 색균일성이 우수하다. 더욱이, 열에 의한 적색 광원의 광효율 저하 및 이에 따른 색균일성 저하의 문제가 개선되어, 장시간 사용시에도 양호한 색균일 성을 안정적으로 확보할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 백색 LED 광원 모듈을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 2를 참조하면, 백색 LED 광원 모듈(100)은 PCB 등의 회로 기판(101)과, 그 위에 배치된 청색 LED 칩(102)과, 녹색 LED 칩(104)과, 적색 형광체(106)를 포함한다. 특히 본 실시형태에서는, LED 칩들(102, 104)이 회로 기판(101) 상에 직접 실장되어 있다. 회로 기판(101) 상에는 전극 패턴 또는 회로 패턴 등의 접속용 패턴(미도시)이 형성되어 있고, 이 접속용 패턴은 예컨대 와이어 본딩이나 플립 칩 본딩 등에 의해 LED 칩(102, 104)의 전극과 연결된다. 청색 및 녹색 LED 칩(102, 104)을 둘다 함께 봉지하고 있는 반구형상의 수지 포장부(103) 내에는 적색 형광체(106)가 분산 혼입되어 있다. 수지 포장부(103)는 적색 형광체(106)를 포함함으로써, 청색광의 파장을 변환시킬 뿐만 아니라, LED 칩(104, 106)과 그의 연결부(와이어 본딩부 등)를 보호하고 일종의 렌즈 역할도 할 수 있 다.
이러한 칩 온 보드(Chip-On-Board) 방식으로 LED 칩들(102, 104)을 회로 기판 상에 직접 실장함으로써, 각 LED 광원으로부터 보다 큰 지향각을 용이하게 얻을 수 있게 된다. 청색 및 녹색 LED 칩(102, 104)과 적색 형광체(106)로 이루어진 단위 구역의 백색 광원부(170)가 회로기판(101) 상에 복수개로 배열될 수 있다. 이와 같이 복수개로 배열된 백색 광원부(170)는 원하는 크기(면적 또는 길이)의 면광원이나 선광원을 형성할 수 있다.
백색 LED 광원 모듈(100)의 동작 중에, 상기 청색 LED 칩(102)과 녹색 LED 칩(104)은 각각 청색광 및 녹색광을 발한다. 적색 형광체(106)는 주로 청색 LED 칩(102)으로부터 나오는 빛에 의해 여기되어 적색광을 발한다. 청색 및 녹색 LED 칩(102, 104)으로부터 나온 청색광 및 녹색광과, 적색 형광체(108)로부터 나온 적색광이 혼색됨으로써 백색광을 출력하게 된다. 바람직하게는, 상기 적색 형광체(108)는 질화물계 형광체이다. 예컨대 CaAlSiN3:Eu, Ca2Si5N8:Eu 등의 질화물계 형광체는 기존의 황화물계 형광체보다 열, 수분 등의 외부 환경에 대한 신뢰성이 우수할 뿐만 아니라 변색 위험이 작다. 그 외에도 (Ca,Sr)S:Eu 등의 황화물계 적색 형광체를 사용할 수 있으나 재료 신뢰성의 측면에서는 질화물계 형광체가 유리하다.
최적의 색재현성과 높은 형광체 효율을 얻기 위해, 청색 LED 칩(102)의 피크 파장(peak wavelength)은 449~465nm이고, 녹색 LED 칩(104)의 피크 파장은 525~540nm이고, 적색 형광체(106)의 피크 파장은 600~700nm이다. 이러한 피크 파장 범위의 각 청색 및 녹색 LED 광을 적색 형광체 광과 혼합함으로써, 색재현성이 대폭적으로 향상된 고품질 백색광을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 형광체 효율을 크게 높일 수 있다. 449~465nm의 청색 LED 칩(102) 피크 파장은 특히 적색 형광체(108)의 효율을 극대화시키며, 525~540nm의 녹색 LED 칩(104) 피크 파장 및 600~700nm의 적색 형광체(108)의 피크 파장은 상기한 청색광 피크 파장(449~465nm)과 함께 작용하여 백색광의 색재현성을 최적화시킨다. 예를 들어, 상기한 피크 파장 범위의 청색 및 녹색 LED 칩(102, 104)과 적색 형광체(108)의 조합을 LCD 백라이트 유닛의 백색 광원으로 사용할 경우, NTSC 색좌표 대비 95% 이상의 색재현성을 구현할 수 있다.
상기한 백색 LED 광원 모듈(100)에 따르면, 적,녹 및 청색 LED 칩을 사용한 종래의 백색 LED 광원 모듈과 달리, 필요한 LED 칩 수가 줄어들 뿐만 아니라 LED 칩의 종류도 2가지(청색 및 녹색 LED)만으로 감소된다. 이에 따라, 패키지 제작 비용이 절감될 뿐만 아니라 구동 회로도 간단하게 된다. 또한, 단지 2개의 LED 칩과 이를 봉지하는 형광체를 통해서 단위 구역의 백색광를 구현하기 때문에, 종래의 적, 녹 및 청색 LED 칩을 사용한 경우에 비하여 색균일성이 우수하다. 더욱이, 백색 LED 광원 모듈(100)은 녹색 LED 칩(106)과 적색 형광체(118)를 통해 장파장대에 서 충분한 강도를 나타내기 때문에, 종래 '청색 LED 칩과 황색 형광체'의 조합에 의한 백색 LED 광원 모듈에 비하여 크게 향상된 색재현성을 나타낸다.
또한 본 실시형태에서와 같이 백색광을 얻기 위해 청색 LED 칩, 녹색 LED 칩 및 적색 형광체를 사용할 경우, 적색 LED 칩의 열적 열화에 의한 전체 색균일성의 저하 현상을 효과적으로 억제할 수 있다. 일반적으로 적색 LED 칩은 청색 또는 녹색 LED 칩에 비하여 온도에 민감하고 열에 약하기 때문에, 일정시간 사용 후에는 적색 LED 칩의 광효율이 다른 LED 칩들에 비하여 두드러지게 저하된다. 따라서, 단위 구역의 백색광을 얻기 위해 적색 LED 칩을 사용할 경우, 사용중 발생하는 열에 의해 적색 LED 칩의 광효율 저하로 인하여 색균일성(color uniformity)이 크게 떨어지는 문제가 있다. 그러나, 본 실시형태에서는, 적색 LED 칩 대신에 열에 의한 영향을 거의 받지 않는 적색 형광체가 사용되기 때문에, 열에 의한 색균일성 저하 문제가 크게 개선되어 우수한 색균일성을 안정적으로 확보할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 백색 LED 광원 모듈(200)을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 3을 참조하면, 전술한 실시형태(도 2 참조)와 달리, 서로 분리된 수지 포장부(113, 123)가 청색 LED 칩(102)과 녹색 LED 칩(104)을 개별적으로 봉지하고 있다. 즉 적색 형광체(106)를 포함하는 수지 포장부(123)는 청색 LED 칩(102)만을 봉지하고 있으며, (형광체를 포함하지 않은) 투명 수지 포장부(113)는 녹색 LED 칩(104)을 봉지하고 있다. 백색 LED 광원 모듈(200)은, 각 칩 을 개별적으로 봉지하고 있는 수지 포장부외에는, 전술한 도 2의 백색 LED 광원 모듈(100) 구성과 유사한 구성을 갖는다.
'청색 LED 칩(102) 및 적색 형광체(106)'를 갖는 제1 광원부(181)와 '녹색 LED 칩(104)'을 갖는 제2 광원부(182)가 기판(101) 상에 복수개로 반복 배열됨으로써, 원하는 면적 또는 길이의 면광원 또는 선광원을 형성할 수 있다.
이 실시형태에서도 청색 LED 칩(102), 녹색 LED 칩(104) 및 적색 형광체(106)의 피크 파장(peak wavelength)이 각각 449~465nm, 525~540nm, 및 적색 형광체(106)의 피크 파장은 600~700nm이므로, 최적화된 색재현성과 대폭 개선된 형광체 효율을 나타낸다. 또한 필요한 LED 칩 수와 패키지 비용이 감소되고, 구동 회로의 구성이 단순하고, 색균일성이 우수하고 안정적이다.
이상 설명한 실시형태들에서는, 각각의 LED 칩이 회로기판 상에 직접 실장되어 있지만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, LED 칩이 회로기판 상에 탑재된 패키지 본체 내에 실장될 수도 있다. 별도의 패키지 본체를 사용한 실시형태들이 도 4 내지 도 5에 도시되어 있다.
도 4을 참조하면, 백색 LED 광원 모듈(300)은, 도 2의 실시형태와 마찬가지로, 청색 및 녹색 LED 칩(102, 104)과 적색 형광체(106)를 포함한다. 회로기 판(101) 상에는 반사컵을 갖는 패키지 본체(115)가 탑재되어 있다. 청색 LED 칩(102)과 녹색 LED 칩(104)은 패키지 본체(115)의 반사컵 내에 함께 실장되어 있고, 적색 형광체(106)를 포함하는 수지 포장부(130')가 청색 및 녹색 LED 칩(102, 104)을 둘다 봉지하고 있다. 원하는 면적의 면광원 또는 선광원을 얻기 위해, '청색 및 녹색 LED 칩(102, 104)과 적색 형광체(106)'를 갖는 복수개의 백색 LED 패키지(170')가 기판(101) 상에 배열될 수 있다.
도 5를 참조하면, 백색 LED 광원 모듈(400)은, 도 3의 실시형태와 유사하게, 단위 구역의 백색광을 얻기 위하여 서로 분리된 LED 광원부 또는 패키지(181', 182')를 포함한다. 청색 LED 칩(102)은 패키지 본체(135)의 반사컵에 실장되고, 녹색 LED 칩(104)은 다른 패키지 본체(125)의 반사컵에 실장된다. 적색 형광체(106)를 포함하는 수지 포장부(123')는 청색 LED 칩(102)을 봉지하며, (형광체를 포함하지 않은) 투명 수지 포장부(113')는 녹색 LED 칩(104)을 봉지한다. 원하는 면적 또는 길이의 면광원 또는 선광원을 얻기 위해, '청색 LED 칩(102)과 적색 형광체(106)'를 갖는 제1 LED 패키지(181')와 '녹색 LED 칩(104)'을 갖는 제2 LED 패키지(182')가 기판(101') 상에 교대로 반복 배열될 수 있다.
도 2 및 3의 실시형태와 마찬가지로, 상기한 백색 LED 광원 모듈(300, 400)은, 백색광을 얻기 위해 각각 449~465nm, 525~540nm, 및 600~700nm의 피크 파장을 갖는 청색 LED 칩(102), 녹색 LED 칩(104) 및 적색 형광체(106)를 사용하기 때문 에, 최적의 색재현성과 향상된 형광체 효율을 나타낸다. 또한 필요한 LED 칩 수와 패키지 비용이 감소되고, 구동 회로의 구성이 단순하며, 색균일성이 우수하다. 특히, 적색 LED 대신에 적색 형광체를 사용함으로써, 사용중 열에 의한 색균일성 저하 문제가 크게 억제되고 색균일성의 안정성을 확보할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
도 1은 종래의 백라이트 유닛용 백색 LED 광원 모듈의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 백색 LED 광원 모듈의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 백색 LED 광원 모듈의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 백색 LED 광원 모듈의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 백색 LED 광원 모듈의 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 200, 300, 400: 백색 LED 광원 모듈 101: 회로 기판
102: 청색 LED 칩 104: 녹색 LED 칩
106: 적색 형광체
103, 103', 113, 113', 123, 123': 수지 포장부
115, 125, 135: 패키지 본체

Claims (11)

  1. 청색광, 녹색광 및 적색광이 혼색되어 백색광을 출력하고,
    상기 청색광, 녹색광 및 적색광은, 각각 청색 LED칩, 녹색 LED 칩 및 적색형광체에서 발하는 것이며,
    상기 청색광의 피크 파장은 449~465nm이고 상기 녹색광의 피크 파장은 525~540nm이고 상기 적색광의 피크 파장은 600~700nm이며, 상기 적색 형광체는 CaAlSiN3:Eu 또는 Ca2Si5N8:Eu의 질화물계 형광체 또는 (Ca,Sr)S:Eu의 황화물계 형광체인 것을 특징으로 하는 백색 LED 광원 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적색 형광체는, 상기 청색 LED 칩을 봉지하는 수지 포장부 내에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 백색 LED 광원 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적색 형광체를 포함하는 수지 포장부는, 상기 청색 LED 칩 및 녹색 LED 칩을 둘 다 함께 봉지하는 것을 특징으로 하는 백색 LED 광원 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 적색 형광체를 포함하는 수지 포장부는, 상기 청색 LED 칩 및 녹색 LED 칩 중 청색 LED 칩만을 봉지하는 것을 특징으로 하는 백색 LED 광원 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 청색 LED 칩 및 녹색 LED 칩은 회로기판 상에 직접 실장된 것을 특징으로 하는 백색 LED 광원 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 적색 형광체를 포함하는 수지 포장부는 상기 LED 칩과 녹색 LED 칩을 둘 다 함께 봉지하는 것을 특징으로 하는 백색 LED 광원 모듈.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 적색 형광체는 상기 청색 LED를 봉지하는 수지 포장부 내에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 백색 LED 광원 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 백색 LED 광원 모듈은 회로기판 상에 탑재되고 반사컵을 갖는 적어도 하나의 패키지 본체를 더 포함하되,
    상기 청색 LED 칩과 녹색 LED 칩은 적어도 하나의 패키지 본체의 상기 반사컵 내에 실장된 것을 특징으로 하는 백색 LED 광원 모듈.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 청색 LED 칩 및 녹색 LED 칩은 하나의 패키지 본체의 반사컵 내에 함께 실장되고,
    상기 적색 형광체를 포함하는 수지 포장부는 상기 청색 LED 칩 및 녹색 LED 칩을 둘 다 함께 봉지하는 것을 특징으로 하는 백색 LED 광원 모듈.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 청색 LED 칩, 녹색 LED 칩 각각은 개개의 패키지 본체의 반사컵 내에 별도로 실장되고,
    상기 적색 형광체를 포함하는 수지 포장부는 상기 청색 LED 칩만을 봉지하는 것을 특징으로 하는 백색 LED 광원 모듈.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 백색 LED 광원 모듈은 NTSC 색좌표 대비 95% 이상의 색재현성을 구현하는 것을 특징으로 하는 백색 LED 광원 모듈.
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