KR100998480B1 - 열전달/발산 모듈을 구비한 반도체 발광 장치 - Google Patents

열전달/발산 모듈을 구비한 반도체 발광 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발광 장치에 관한 것이다. 상기 발광 장치는 열전달/발산 모듈 및 적어도 하나의 반도체 발광 모듈을 포함한다. 상기 열전달/발산 모듈은 적어도 하나의 평탄부를 갖는 실질적으로 실린더형의 열전달 장치 및 상기 열전달 장치의 외주 상에 설치되는 적어도 하나의 열발산핀을 포함한다. 상기 적어도 하나의 반도체 발광 모듈은 캐리어, 복수의 외부 전극, 적어도 하나의 반도체 발광 다이, 및 적어도 두 개의 전달 와이어를 포함한다. 상기 캐리어는 상기 열전달 장치의 상기 평탄부 상에 평탄하게 설치된다. 상기 복수의 외부 전극은 상기 캐리어 상에 배치된다. 상기 적어도 하나의 반도체 발광 다이는 상기 캐리어 상에 배치되며 상기 복수의 외부 전극에 각각 연결된다. 상기 적어도 두 개의 전달 와이어는 상기 복수의 외부 전극에 연결됨으로써 전력공급원 또는 그라운드에 연결된다.
발광 장치, 발광 모듈, LED, 발광다이오드, 열, 전달, 발산, 핀

Description

열전달/발산 모듈을 구비한 반도체 발광 장치{A SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING APPARATUS PROVIDED WITH A HEAT CONDUCTING/DISSIPATING MODULE}
본 발명은 발광 장치에 관한 것이다; 특히, 본 발명에 따른 발광 장치는 열전달/발산 모듈(Heat-conducting/dissipating module)과 통합된다.
발광다이오드(Light-emitting diode; LED)는 소비전력 감소, 흔들림-저항성, 신속한 반응, 및 커다란 제품에 대한 적용성을 포함하는 많은 이점들을 가지기 때문에, 현재 광원으로서 발광다이오드들을 적용하는 조명 제품들이 점점 확대되어 사용되고 있다 현재, 많은 제조업자들이 다양한 형상을 갖는 고명도(high-brightness)의 발광다이오드 패키지들의 제조에 투자해 오고 있다 이러한 고명도의 발광다이오드 패키지들은 더 큰 에미터 칩(emitter chip)을 사용하며, 따라서 더 큰 전력 요구를 갖는다 고명도의 발광다이오드들은 전통적인 발광다이오드들에 의해 발생되는 명도 출력(brightness output)보다 더 큰 명도 출력을 발생시키지만, 고명도의 발광 다이오드들은 또한 일정시간 동안의 연속적인 발광 이후 상당량의 열을 발생시킨다 이러한 발생된 상당량의 열은 접합점 온도(junction temperature)의 온도가 너무 높다는 문제점을 야기하며, 이에 의해 명도가 향상될 수 없도록 하는 발광다이오드들의 감퇴된 발광 효율에 이르게 된다 따라서, 고출력의 발광다이 오드들을 적용하는 여러 가지 유형의 제품들은 모두 양호한 추가적인 열발산 메카니즘(heat-dissipating mechanism)을 요구한다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 도 1a는 선행기술에 따른, 독립적 장치로서의 열발산 모듈을 갖는 발광 장치의 개략도이다 도 1b는 도 1a에 따른 발광 장치의 단면도이다 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 반도체 발광 모듈(4)은, 위에 슬롯(slot; 44)을 갖는 바닥판(46)을 포함하며, 바닥판(46) 상에 복수의 칩들(42)이 배치된다 상기 바닥판(46)은 금속 물질, 세라믹 물질, 또는 중합(polymeric) 물질로 만들어진다 상기 바닥판(46)은 그 위에 절연층 및 전달층을 구비한다 절연층 위해 적층된 전달층은 복수의 칩들(42)에 전기적으로 연결된다 복수의 칩들(42)에 의해 발생된 열은 바닥판(46)을 통하여 전달되어 열발산 모듈(5)에 도달하며, 열발산 모듈(5)은 통상적으로 핀-형상의(fin-shaped) 열발산판이다 복수의 칩들(42)에 의해 발생된 열은, 열발산을 위해, 열발산 모듈(5)에 직접적으로 접촉하는 대신, 다중층의 물질들을 통하여 전달된다 따라서, 느린 열전달로 인하여, 열은 효과적으로 발산되도록 빠르게 전달될 수 없고, 또한 칩들의 열발산 효율은 정밀하게 제어될 수 없다 고출력의 적용들에서, 발광다이오드 칩들의 접합점 온도(junction temperature)는 통상적으로 안전 범위를 초과한다 이러한 유형의 열발산 모듈은 열을 빠르게 발산할 수 없고, 또한 열발산 효율이 정밀하게 제어될 수 없다 고출력의 반도체 발광 모듈들은 특히 열악한 열발산 효율로 인하여 과열에 의해 야기되는 손상되는 경향이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 고명도의 반도체 발광 모듈 및 양호한 열전달/발 산 모듈을 동시에 포함할 수 있는 발광 장치를 제공하는 것이다 상기 열전달/발산 모듈은, 전술한 열발산 문제들을 해결함과 함께 효과적으로 반도체 칩의 접합점 온도를 낮추고 고명도를 갖는 발광 효과를 제공할 수 있도록, 패키지들의 층들 내의 열저항성(thermal resistance)을 낮출 수 있다.
본 발명의 목적은 발광 장치를 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 발광 장치는 열전달/발산 모듈 및 적어도 하나의 반도체 발광 모듈을 포함한다.
상기 열전달/발산 모듈은 실질적으로 실린더형인 열전달 장치 및 적어도 하나의 열발산핀을 포함한다 상기 열전달 장치는 적어도 하나의 평탄부를 갖는다. 상기 적어도 하나의 열발산핀은 상기 열전달 장치의 외주 상에 설치된다 상기 적어도 하나의 반도체 발광 모듈은 캐리어, 복수의 외부 전극, 적어도 하나의 반도체 발광 다이, 및 적어도 두 개의 전달 와이어를 포함한다 상기 캐리어는 상기 열전달 장치의 적어도 하나의 평탄부 상에 평탄하게 설치된다 상기 복수의 외부 전극은 상기 캐리어 상에 배치된다 상기 적어도 하나의 반도체 발광 다이는 상기 캐리어 상에 배치되며 각각 상기 복수의 외부 전극에 전기적으로 연결된다 상기 적어도 두 개의 전달 와이어는 상기 외부 전극들에 전기적으로 연결되며, 그리하여 전력공급원 또는 그라운드(groung)에 연결된다.
상기 발광 장치가 전력공급원에 연결되어 빛을 발할 때, 상기 발광 장치에 의해 발생된 열은 적어도 하나의 평탄부를 통하여 상기 열전달 장치의 적어도 하나의 열발산핀으로 전달되며, 그 열은 이후 적어도 하나의 열발산핀에 의해 발산된다.
본 발명에 따른 발광 장치는 반도체 발광 모듈을 갖는 열전달/발산 모듈과 통합되어, 열발산 효율을 갖는 광 엔진(light engine)으로 통합되어진, 열발산 기능을 갖는 독립적인 발광 장치가 된다 상기 열전달/발산 모듈은 실린더형의 열전달 장치를 통하여 적어도 하나의 반도체 발광 모듈에 의해 발생된 열을 전달할 수 있다 상기 열전달 장치는 선행 기술에 따른 열전달 장치에 비해 더 큰 표면적을 가질 뿐만 아니라, 또한 반도체 발광 모듈로부터 열을 전달시킬 수 있다 이후, 적어도 하나의 열발산핀들은 그 열을 외부로 즉각 발산하며, 그리하여 열발산 효율이 상당히 향상된다 따라서, 선행 기술과 비교하여, 본 발명에 따른 발광 장치는 반도체 발광 모듈을 열전달 장치의 평탄부 상에 평탄하게 배치함으로써 접합점 온도를 효과적으로 낮추며, 그리하여 본 발명에 따른 발광 장치는 고효율의 발광다이오드 칩들을 요구하는 조명 기구들에서 사용되기에 더욱 적합하다.
본 발명에 따른 발광 장치는 현행의 발광다이오드 모듈과 현행의 열전달/발산 모듈을, 열을 효과적으로 전달할 수 있고 보다 나은 열발산 효율을 갖는 독립적인 장치로 통합할 수 있다 본 발명의 이점 및 사상은 첨부된 도면들과 함께 이하의 기술들로부터 더 쉽게 이해될 수 있다.
도 1a는 선행 기술에 따른, 독립적인 장치로서의 열발산 모듈을 갖는 발광 장치의 개략도이다.
도 1b는 선행 기술에 따른, 독립적인 장치로서의 열발산 모듈을 갖는 발광 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 발광 장치의 외부 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른, 도 2의 발광 장치의 L-L 선에 따른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 발광 장치의 평면도이다.
도 5, 도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 발광 장치의 실시예들을 도시한 도면이다.
본 발명은 P-N 접합점(P-N junction)의 과도하게 높은 온도에 기해 고출력 발광다이오드 칩의 발광 효율과 제품 수명이 감소하는 것을 방지하기 위하여 높은 열발산 효율을 갖는 고출력 발광 장치를 제공한다 더욱이, 본 발명에 따른 발광 장치는, 제1 레벨 패키지인 반도체 발광 모듈과 제2 레벨 조립체인 고효율 열발산 모듈을 열발산 기능을 갖는 독립적이며 통합된 발광 장치로 통합하기 위한 시스템-인-패키지(system-in-package) 구조를 구비한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 도 2는 본 발명에 따른 발광 장치의 외부 사시도이다 도 3은 본 발명에 따른, 도 2의 발광 장치의 L-L 선에 따른 단면도이다 본 발명에 따른 발광 장치(1)는 열전달/발산 모듈(10) 및 반도체 발광 모듈(20)을 포함한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 열전달/발산 모듈(10)은 실질적으로 실린더형인 열전달 장치(12)와 적어도 하나의 열발산핀(heat-dissipating fin; 14)을 포함한다 상기 열전달 장치(12)는, 열전달 장치(12)의 일단부 또는 외주 상에 설치 된 적어도 하나의 평탄부를 갖는다 본 발명의 일 실시예에서, 열전달 장치(12)는 열파이프(heat pipe), 열기둥(heat column), 또는 구리나 알루미늄으로 만들어진 실린더(cylinder)와 같은 높은 열전도성을 갖는 물질일 수 있다 그러한 실린더의 길이는, 실린더형의 열전달 장치의 제조 공정에 의해 만들어지는 상기 적어도 하나의 평탄부의 최대 폭의 두 배를 초과한다 상기 적어도 하나의 열발산핀(14)은 열발산 효율을 증가시키기 위해 열전달 장치(12)의 외주 상에 설치된다 적어도 하나의 열발산핀(14) 각각은, 적어도 하나의 열발산핀(14)에 의해 전달된 뜨거운 공기를 발산하기 위한 발산채널로서 적어도 하나의 관통홀(142)을 구비하며, 그리하여 발광 장치(1)의 열발산 효율을 증가시킬 수 있고 또한 전달 와이어들(conducting wires)이 그러한 관통홀들(142)을 통과하게 함으로써 전달 와이어들을 숨길 수 있다.
도 4를 참조하면, 도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 발광 장치의 평면도이다 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 반도체 발광 모듈(20)은 캐리어(carrier; 22), 복수의 외부 전극(24), 적어도 하나의 반도체 발광 다이(26), 및 적어도 두 개의 전달 와이어(28)를 포함한다 상기 캐리어(22)는, 중합 물질, 금속 물질, 또는 세라믹 물질로 만들어지며, 열전달 장치(12)의 적어도 하나의 평탄부 상에 평탄하게 설치된다 상기 캐리어(22)는 적어도 두 개의 전달 와이어(28)를 숨기기 위한 복수의 관통홀들(23)을 구비한다 상기 캐리어(22)는, 캐리어(22) 아래에 배치되며 열전달 장치(12)와 록킹된(locked) 홀더(holder; 21)를 더 포함한다 상기 캐리어(22)에는 상기 복수의 관통홀들(23)이 통과하고 상기 캐리 어(22)는 복수의 나사들에 의해 상기 홀더(21) 상에 나사결합되며, 그리하여 결합 접속부에서의 열저항 계수(heat resistance coefficient)가 낮아지도록 결합 압력을 증가시킬 수 있다.
상기 적어도 하나의 반도체 발광 다이(semiconductor light-emitting die; 26)는 캐리어(22) 상에 배치되며, 그것들은 각각 복수의 외부 전극들(24)에 전기적으로 연결된다 상기 적어도 두 개의 전달 와이어(28)는 복수의 외부 전극(24)에 전기적으로 연결된다 상기 적어도 두 개의 전달 와이어(28)는 복수의 열발산핀들(14) 상의 적어도 하나의 관통홀(142)을 통과하여 전력공급원(power source) 또는 그라운드(ground)에 연결된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 적어도 하나의 반도체 발광 모듈은 캐리어 상에 배치되는 광학 모듈을 포함하는 상기 적어도 하나의 반도체 발광 다이를 적층하기 위한 패키지 물질을 포함한다 상기 광학 모듈은 상기 적어도 하나의 반도체 발광 다이에 의해 방사된 빛을 포커싱(focusing)하기 위해 사용된다.
도 3을 다시 참조하면, 도 3에 도시된 발광 장치(1)가 전력공급원에 전기적으로 연결될 때, 발광 도중 적어도 하나의 반도체 발광 다이(26)에 의해 발생된 열은 열전달 장치(12)의 적어도 하나의 평탄부를 통하여, 열을 발산하는 적어도 하나의 열발산핀(14)으로 전달된다 본 발명에 따른 적어도 하나의 반도체 발광 다이가 캐리어(22)를 통하여 열전달/발산 모듈(12)의 적어도 하나의 평탄부 상에 평탄하고 긴밀하게 설치되기 때문에, 상기 적어도 하나의 반도체 발광 다이는 연결되어진 전력공급원 또는 제어 모듈과 일정거리 이격되며, 이로 인하여 전력공급원 또는 제어 회로 모듈이 적어도 하나의 반도체 발광 다이(26)에 의해 발생된 열에너지에 의해 직접적으로 영향받는 것을 방지할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 발광 장치는 조립체를 용이하게 하기 위한 마운팅부재(30)를 더 포함한다 캐리어 상에 배치되는 상기 마운팅부재(30)는, 그 위에 두 개의 탄성체를 갖는다 예를 들어 사용자가 발광 장치(1)를 벽이나 천정 상의 관통홀에 조립시키기를 원한다면, 사용자는 먼저 그러한 두 개의 탄성체들이 열전달 장치(12)에 평행해지도록 각각 구부릴 수 있으며, 이후 발광 장치(1)는 벽이나 천정 상의 관통홀 내에 설치될 수 있다 발광 장치(1)가 관통홀 내에 설치되면, 그 두 개의 탄성체는 연성에 의해 초기 상태로 되돌려지며, 이로 인하여 발광 장치(1)는 관통홀과 결합된다.
도 5, 도 6, 및 도 7을 참조하면, 도 5, 도 6, 및 도 7은 본 발명에 따른 발광 장치의 여러 실시예들을 도시하는 도면들이다 전술한 도면들로부터, 본 발명에 따른 발광 장치는 여러 유형의 열전달 장치들 또는 캐리어들에 한정되지 않는다; 따라서, 그것들은 여러 적용 요건들에 따라 수정되거나 적응될 수 있다.
본 발명의 실제적 적용에서, 본 발명에 따른 발광 장치는 적어도 하나의 발광다이오드 다이 또는 적어도 하나의 레이져다이오드 다이를 갖는 적어도 하나의 반도체 발광 다이를 포함한다 상기 반도체 발광 다이는 블루 발광다이오드(blue light-emitting diode)일 수 있거나, 각각 제어가 가능한 적어도 하나의 레드 발광다이오드(red light-emitting diode), 적어도 하나의 블루 발광다이오드, 및 적어도 하나의 그린 발광다이오드(green light-emitting diode)를 포함할 수 있으며, 그리하여 여러 색상들을 갖는 발광다이오드들은 여러 발광 비율들을 적용함으로써 여러 가지 색상들을 갖는 빛을 구성할 수 있다.
본 발명에 따른 발광 장치는, 열전달/발산 모듈을 반도체 발광 모듈과 함께 고효율의 열발산 기능을 갖는 독립적인 발광 장치로 통합한다 본 발명에 따른 발광 장치는, 반도체 발광 모듈을 열전달 장치의 평탄부 상에 평탄하게 설치하며, 열을 멀리 전달하는 실질적으로 실린더형 구조의 열전달 장치를 사용하여 반도체 발광 다이의 접합점 온도를 효과적으로 감소시킨다 열전달/발산 모듈은 실린더형의 열전달 장치를 사용함으로써 적어도 하나의 반도체 발광 모듈에 의해 발생된 열을 효과적으로 전달할 수 있다 상기 열전달 장치는 선행 기술에 따른 열전달 장치와 비교하여 더 넓은 표면적을 가질 뿐만 아니라 반도체 발광 모듈로부터 열에너지를 멀리 전달할 수 있다 적어도 하나의 열발산핀은 열전달 장치에 의해 발생된 열을 외부 공기로 즉각적으로 전달하여 열발산 효율을 크게 향상시킬 수 있다 열발산 효율을 개선함으로써, 과열에 의해 발생된 반도체 발광 다이의 감소된 효율의 문제가 해결된다.
결과적으로, 본 발명에 따른 발광 장치는 열전달 장치의 평탄부 상에 반도체 발광 모듈을 평탄하게 설치함으로써 실질적으로 실린더형 구조의 열전달 장치를 통하여 열을 멀리 전달하여 반도체 발광 다이의 접합점 온도를 효과적으로 낮출 수 있으며, 그리하여 발광 장치는 고출력(10 와트보다 더 큼)으로 작동함으로써 발광 효율이 크게 향상될 수 있다.
상기 예와 설명에 의해, 본 발명의 특징들 및 사상들이 바람직하게 잘 기술 된다. 본 발명의 기술 분야의 당업자는, 본 발명의 요지를 유지한 채로 수많은 수정들 및 변경들이 제공됨을 알 수 있을 것이다. 따라서, 상기의 기술들은 첨부된 청구항들의 경계들 및 범위들로 제한되어 해석되지 않아야 한다.

Claims (12)

  1. 적어도 하나의 평탄부를 갖는 실린더형의 열전달 장치;와, 상기 열전달 장치의 외주 상에 설치되는 적어도 하나의 열발산핀;을 포함하는 열전달/발산 모듈; 및
    상기 열전달 장치의 상기 적어도 하나의 평탄부 상에 바닥을 통하여 평탄하게 설치되며 복수의 관통홀을 갖는 캐리어;와, 상기 캐리어 상에 배치되는 복수의 외부 전극;과, 상기 캐리어 상에 설치되며 상기 복수의 외부 전극에 각각 연결되는 적어도 하나의 반도체 발광 다이;와, 상기 복수의 외부 전극에 전기적으로 연결되는 적어도 두 개의 전달 와이어;를 포함하는 적어도 하나의 반도체 발광 모듈; 및
    상기 캐리어 아래에 배치되며 상기 열전달 장치 상에 설치되는 홀더;를 포함하며,
    상기 캐리어의 복수의 관통홀은, 상기 캐리어를 상기 홀더에 나사결합하며 상기 적어도 두 개의 전달 와이어를 숨기기 위해 사용되는, 발광 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어는, 중합 물질, 금속 물질, 또는 세라믹 물질로 만들어진, 발광 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 반도체 발광 모듈은, 상기 적어도 하나의 반도체 발광 다이에 의해 방사된 빛을 포커싱하도록 상기 캐리어 상에 설치되는 광학 모듈;을 더 포함하는, 발광 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열전달 장치는, 열파이프 또는 열기둥인, 발광 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열전달 장치는, 높은 열전도성을 갖는 물질로 만들어진 실린더형의 장치이며,
    상기 실린더형의 장치의 높이는, 상기 적어도 하나의 평탄부의 최대 폭의 두 배를 초과하는, 발광 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 평탄부는, 상기 열전달 장치의 일단부 상에 배치되는, 발광 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 평탄부는, 상기 열전달 장치의 외주 상에 배치되는, 발광 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 반도체 발광 다이는, 적어도 하나의 발광다이오드 다이 또는 적어도 하나의 레이져다이오드 다이를 포함하는, 발광 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 반도체 발광 다이는, 블루 광다이오드 다이인, 발광 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 반도체 발광 다이는, 적어도 하나의 레드 광다이오드 다이, 적어도 하나의 블루 광다이오드 다이, 및 적어도 하나의 그린 광다이오드 다이를 포함하는, 발광 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어 상에 설치되며 적어도 하나의 탄성체를 갖는 삽입 조립체;를 더 포함하며,
    상기 발광 장치를 대상물에 고정시키기 위해 상기 탄성체는 상기 대상물에 형성된 관통홀 안으로 착탈 가능하게 설치되는, 발광 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 열발산핀 각각은, 적어도 하나의 관통홀을 구비하며,
    상기 적어도 두 개의 전달 와이어는, 상기 적어도 하나의 관통홀을 통하여 전력공급원 또는 그라운드에 전기적으로 연결되는, 발광 장치.
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