KR101015166B1

KR101015166B1 - 광학적, 열적 특성을 위한 엘이디 모듈구조 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101015166B1
Application number: KR1020100118629A
Authority: KR
Inventors: 이호석
Original assignee: (주)비전테크
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2011-02-17

Abstract

본 발명은 광학적, 열적 특성을 위한 LED 모듈구조 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 PCB의 표면과 히트 싱크의 표면에 그라파이트 레이어를 형성함으로써 PCB에 장착된 각종 전자소자와 LED 칩으로부터 발생한 열을 외부로 신속하게 발산할 수 있으며 전자소자와 LED 칩의 구동에 기인한 전자파를 차폐할 수 있고, 헤드 캡에 비산방지필름을 접착시킴으로써 헤드 캡 파손시 파편에 의한 인적, 물적피해를 최소화할 수 있으며, LED 칩 및/또는 헤드 캡에 UV 레진 레이어를 형성함으로써 외부로부터의 습기유입을 차단하고 조사각 범위를 증가시키며 빛의 분산과 광량 감소를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, LED 칩 상에 투명 EPDM 레이어를 형성함으로써 방수 및 방습 특성과 전기적 절연 특성을 향상시키고, 유해 성분을 배제하여 레이어 형성에 따른 환경오염을 방지할 수 있는 광학적, 열적 특성을 위한 LED 모듈구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 합성수지 또는 메탈재질의 인쇄회로기판(PCB); 상기 PCB의 전체 면에 코팅되는 그라파이트 레이어(graphite layer); 상기 PCB의 일측면에 장착되는 발광다이오드(LED) 칩; 상기 LED 칩 상에 코팅되는 투명 EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer) 레이어; 상기 PCB의 타측면에 구비되는 히트 싱크(heat sink); 상기 LED 칩의 상부에 구비되어 상기 LED 칩을 밀폐하는 헤드 캡(head cap); 및 상기 헤드 캡의 일측면에 접착되는 비산방지필름(ASF)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적, 열적 특성을 위한 LED 모듈구조를 제공한다.

Description

광학적, 열적 특성을 위한 엘이디 모듈구조 및 그 제조방법{LED module structure and Method of making the same for optical and thermal property}

본 발명은 광학적, 열적 특성을 위한 LED 모듈구조 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 PCB의 표면과 히트 싱크의 표면에 그라파이트 레이어를 형성함으로써 PCB에 장착된 각종 전자소자와 LED 칩으로부터 발생한 열을 외부로 신속하게 발산할 수 있으며 전자소자와 LED 칩의 구동에 기인한 전자파를 차폐할 수 있고, 헤드 캡에 비산방지필름을 접착시킴으로써 헤드 캡 파손시 파편에 의한 인적, 물적피해를 최소화할 수 있으며, LED 칩 및/또는 헤드 캡에 UV 레진 레이어를 형성함으로써 외부로부터의 습기유입을 차단하고 조사각 범위를 증가시키며 빛의 분산과 광량 감소를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, LED 칩 상에 투명 EPDM 레이어를 형성함으로써 방수 및 방습 특성과 전기적 절연 특성을 향상시키고 유해 성분을 배제하여 레이어 형성에 따른 환경오염을 방지할 수 있는 광학적, 열적 특성을 위한 LED 모듈구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 저탄소 녹색성장시대가 도래함에 따라 국제적으로 녹색환경운동이 전개되고 있다. 이러한 국제적인 추세에 발맞추어 한국 정부에서도 녹색성장 5개년 계획을 수립하고 적극적으로 지원하고 있는 실정이다. 더불어, 자원 고갈 및 고유가 시대에 대비하여 에너지 절감의 필요성이 대두되고 있다.

이러한 저탄소 녹색성장 부문 중에서 조명 분야는 발광 다이오드(LED)가 단연 각광을 받고 있다. LED는 반도체 소자를 조명에 이용하는 신기술로, 소비전력이 낮고 수명이 반영구적이며 여러 가지 색상 연출이 가능할 뿐만 아니라 단계적인 밝기의 제어가 가능한 특징을 가지고 있다. 또한, LED는 광전환효율이 높고 수은을 사용하지 않으며 이산화탄소 배출이 낮아 저탄소 녹색성장의 트렌드에 부합하는 제품이다.

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 방출하는 일종의 광전자 소자이다. 발광 다이오드는 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)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.

일반적인 LED는 형광체의 침전으로 인한 빛의 확산성 및 밝기저하 현상이 발생할 수 있어 고휘도의 빛을 발생시키는 데 한계가 있다. 또한, 일반적인 LED는 LED 칩을 보호하고 집광과 확산을 효율적으로 수행하기 위해 LED 칩의 상부에 투명 재질의 덮개가 구비되어 있다. 이러한 덮개는 투명 플라스틱 또는 강화유리 재질로 이루어져 있어, 외부 충격 등에 의해 덮개가 파손되는 경우 날카로운 파편에 의해 물적 피해 또는 인적 피해가 발생할 수 있는 문제점이 있다.

또한, LED 칩은 반도체인 관계로, 사용되는 장소의 환경에 의해 많은 영향을 받을 수 있으며, 열악한 환경에서 장시간 사용하는 경우 성능열화가 발생하고 수명이 단축될 수 있는 문제점이 있다. 예컨대, 고온다습한 환경에 장시간 노출되는 경우 저항이 증가하여 많은 열이 발생하게 되며, 습기에 의해 국부적인 쇼트가 발생할 수 있다.

또한, 일반적인 LED 칩은 조사각에 한계를 보이고 있으며, 이를 보완하기 위해 다수개의 LED 칩을 배열하되 조사방향을 달리하여 넓은 조사각을 확보하고 있으나, 제조과정이 복잡하고 최적의 각도로 조절하는 것이 용이하지 않은 문제점이 있다.

또한, 일반적인 LED의 경우 구동과정에서 많은 열이 발생하기 때문에 이를 효과적으로 발산하기 위해 큰 부피와 중량을 갖는 히트싱크를 부착하여 제조하고 있다. 이러한 거대한 히트싱크는 사용공간에 제약을 가져오고, 제조단가를 높이는 요인이 되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 PCB에 장착된 각종 전자소자와 LED 칩으로부터 발생한 열을 외부로 신속하게 발산할 수 있으며 전자소자와 LED 칩의 구동에 기인한 전자파를 차폐할 수 있고, 헤드 캡 파손시 파편에 의한 인적, 물적피해를 최소화할 수 있으며, 외부로부터의 습기유입을 차단하고 조사각 범위를 증가시키며 빛의 분산과 광량 감소를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 방수 및 방습 특성과 전기적 절연 특성을 향상시키고 유해 성분을 배제하여 레이어 형성에 따른 환경오염을 방지할 수 있는 광학적, 열적 특성을 위한 LED 모듈구조 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 광학적, 열적 특성을 위한 LED 모듈구조는 합성수지 또는 메탈재질의 인쇄회로기판(PCB); 상기 PCB의 전체 면에 코팅되는 그라파이트 레이어(graphite layer); 상기 PCB의 일측면에 장착되는 발광다이오드(LED) 칩; 상기 LED 칩 상에 코팅되는 투명 EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer) 레이어; 상기 PCB의 타측면에 구비되는 히트 싱크(heat sink); 상기 LED 칩의 상부에 구비되어 상기 LED 칩을 밀폐하는 헤드 캡(head cap); 및 상기 헤드 캡의 일측면에 접착되는 비산방지필름(ASF)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 그라파이트 레이어는 탄소함유량 99.90 ~ 99.98 %, 밀도 1.0 ~ 1.6 g/㎤, 압축강도 160 MPa 이상, 인장강도 4.0 MPa 이상, 열전도율 150 ~ 600 W/m·K 인 것이 바람직하다.

또한, 상기 헤드 캡의 타측면에는 UV 레진(UltraViolet Resin) 레이어가 코팅될 수 있다.

또한, 상기 히트 싱크의 전체 면에 상기 그라파이트 레이어가 코팅될 수 있다.

본 발명에 따른 광학적, 열적 특성을 위한 LED 모듈의 제조방법은 (a) PCB의 전체 면에 탄소함유량 99.90 ~ 99.98 %, 밀도 1.0 ~ 1.6 g/㎤, 압축강도 160 MPa 이상, 인장강도 4.0 MPa 이상, 열전도율 150 ~ 600 W/m·K 의 그라파이트 레이어를 형성하는 단계; (b) 상기 PCB의 일측면에 LED 칩을 장착하는 단계; (c) 상기 LED 칩 상에 브러시 방식, 스프레이 방식, 도포(dispensing) 방식 중 어느 하나의 방식에 의해 150 ~ 200 ㎛ 의 두께로 투명 EPDM 용액을 코팅하는 단계; (d) 투명 아크릴 재질의 헤드 캡의 일측면에 비산방지필름(ASF)을 접착시키는 단계; (e) 상기 헤드 캡의 타측면에 UV 레진 레이어를 코팅하는 단계; 및 (f) 상기 헤드 캡과 상기 LED 칩 사이의 공간이 진공이 되도록 상기 헤드 캡으로 상기 LED 칩을 밀폐하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 PCB의 표면과 히트 싱크의 표면에 그라파이트 레이어를 형성함으로써 PCB에 장착된 각종 전자소자와 LED 칩으로부터 발생한 열을 외부로 신속하게 발산할 수 있으며, 전자소자와 LED 칩의 구동에 기인한 전자파를 차폐할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 헤드 캡에 비산방지필름을 접착시킴으로써 헤드 캡 파손시 파편에 의한 인적, 물적피해를 최소화할 수 있으며, LED 칩 및/또는 헤드 캡에 UV 레진 레이어를 형성함으로써 외부로부터의 습기유입을 차단하고 조사각 범위를 증가시키며 빛의 분산과 광량 감소를 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 LED 칩 상에 투명 EPDM 레이어를 형성함으로써 방수 및 방습 특성과 전기적 절연 특성을 향상시키고, 유해 성분을 배제하여 레이어 형성에 따른 환경오염을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학적, 열적 특성을 위한 LED 모듈구조의 일부 단면도,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학적, 열적 특성을 위한 LED 모듈구조의 일부 단면도,
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학적, 열적 특성을 위한 LED 모듈구조의 일부 단면도,
도 4는 그라파이트 레이어의 전자파 차폐효과의 실험결과를 도시한 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학적, 열적 특성을 위한 LED 모듈구조의 일부 단면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광학적, 열적 특성을 위한 LED 모듈구조는, 도 1을 참조하면, 인쇄회로기판(PCB)(10), 그라파이트 레이어(Graphite Layer)(12, 24), 발광다이오드 칩(LED chip)(14), 투명 EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer) 레이어(16), UV 레진(UltraViolet Resin) 레이어(18), 히트 싱크(Heat Sink)(20), 헤드 캡(Head Cap)(26), 및 비산방지필름(ASF, Anti Splinter Film)(28)을 포함하여 이루어진다.

PCB(10)에는 LED 칩(14)을 구동시키기 위한 각종 전자회로와 배선 패턴이 형성되어 있다. PCB(10)는 헤드 캡(26)의 형상에 따라 원판 형상 또는 사각판 형상 등으로 형성될 수 있다. PCB(10) 상에는 원하는 용도와 출력에 따라 단일 LED 칩 또는 복수개의 LED 칩이 장착될 수 있다.

PCB(10)는 합성수지 재질로 형성되는 것이 보통이나, 메탈 재질로 형성될 수도 있다. 메탈 PCB는 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.

도시되지 않았으나, LED 칩(14)에서 발생하는 열이 PCB(10)에 신속하게 전달될 수 있도록 하기 위해 각 LED 칩(14)과 PCB(10) 사이에는 열전도율이 우수한 혼합물층이 구비될 수 있다. 혼합물층으로는 에폭시 수지와 은(Ag) 및 세라믹 입자의 혼합물이 사용될 수 있다. Ag/세라믹/에폭시는 도전성 접착제로서의 역할을 하는데, 은 입자는 전기전도도와 열 변형 온도를 크게 향상시키며 에폭시 수지의 변성을 방지시킬 수 있다.

그라파이트 레이어(12)는 PCB(10)의 전체 면에 형성된다. 그라파이트 레이어(12)를 구성하는 그라파이트는 탄소함유량 99.90 ~ 99.98 %, 밀도 1.0 ~ 1.6 g/㎤, 두께허용공차(Thickness Tolerance) ±5%, 압축률(Compresssion Rate) 45% 이상, 압축강도(Compression Strength) 160 MPa 이상, 인장강도(Tensile Strength) 4.0 MPa 이상, 온도범위 -40 ~ 400도씨, 열전도율 150 ~ 600 W/(m·K) 인 것이 바람직하다.

그라파이트의 탄소함유량이 상기 범위보다 낮을 경우 열전도율을 확보하지 못해 신속한 방열이라는 목적을 달성하기 어려우며, 순수 탄소 이외의 이물질 함량이 높아질 경우 고밀도 고성능의 그라파이트를 얻을 수 없게 된다. 그라파이트의 밀도가 상기 범위를 벗어날 경우 순수 탄소 이외의 이물질 함유량이 높아 원하는 열전도율을 확보하기 어렵다. 압축강도와 인장강도가 상기 수치보다 낮을 경우 외부 환경에 의한 영향 또는 외부 충격에 의한 영향으로 그라파이트 레이어(12)가 파손되거나 변형될 수 있는 문제점이 있다. 또한, 그라파이트의 열전도율이 상기 범위를 벗어날 경우 충분한 방열효과를 기대하기 어려우며, 구리(Copper) 등과 같은 일반적인 방열소재와의 차별성을 확보하기 어렵다는 문제점이 있다.

표 1은 PCB 상에 그라파이트 레이어를 코팅한 경우와 구리 레이어를 코팅한 경우의 밀도, 열전도율 등의 물성을 비교한 것이다.

	두께	시료	밀도	확산율	비열	열전도율
그라파이트	0.182	#1	1.047	184.791	0.766	148.171
		#2		184.565	0.766	147.990
		#3		184.820	0.766	148.194
구리	0.158	#1	8.960	14.641	0.374	49.087
		#2		14.654	0.374	49.099
		#3		14.638	0.374	49.044

표 1에서 두께 단위는 mm, 밀도 단위는 g/㎤, 확산율 단위는 ㎟/s, 비열 단위는 J/g/K, 열전도율 단위는 W/(m·K)이고, 측정 결과는 레이저 접촉식(NETSCHLFA447) 방법으로 측정한 것이다.

표 1을 참조하면, 방열층으로 구리를 사용한 경우 두께가 두꺼워지고 밀도가 높아져 부피와 중량을 증가시키는 단점이 있으며, 그에 비해 그라파이트 레이어의 경우 두께와 밀도를 감소시키면서도 확산율과 비열 및 열전도율 공히 구리에 비해 월등히 우수한 성능을 보임을 확인할 수 있다.

도 4는 그라파이트 레이어의 전자파 차폐효과의 실험결과를 도시한 그래프이다.

그라파이트 레이어(12)는 전자파(EMC wave) 차폐 기능을 수행한다. 실험 결과 주파수 1059 ~ 1500 MHz에 대하여 80dB 이상의 최고 차폐효과를 나타내었으며, 주파수 39.2 MHz에 대하여 60.4 dB의 최저 차폐효과를 나타내었다. 따라서, PCB 상에 그라파이트 레이어를 코팅할 경우, LED 칩과 여러 전자소자들에 의해 발생되는 전자파를 우수하게 차단할 수 있다.

그라파이트 레이어(12)는 PCB(10) 상에 액상의 형태로 직접 코팅될 수 있으며, 강도가 우수하고 내열성 및 전기적 특성이 우수한 PET(Polyethylene Terephtalate) 필름 상에 그라파이트 레이어를 형성한 후, 양면 테이프 등을 이용하여 PCB(10) 상에 접착될 수도 있다.

LED 칩(14)은 PCB(10)의 일측면에 장착된다. LED 칩(14)은 PCB(10) 상에 직접 실장될 수 있으며, PCB(10)와 LED 칩(14) 사이에 Ag/세라믹/에폭시 레이어와 같이 열전도율이 우수한 혼합물층이 구비될 수도 있음은 상기에서 언급한 바와 같다.

투명 EPDM 레이어(16)는 LED 칩(14)에 코팅된다. 투명 EPDM 레이어(16)는 빛 투과율이 95% 이상이며, 1회의 액상 코팅으로 용이하게 형성시킬 수 있다. 투명 EPDM Rubber는 박막 형태로 코팅이 가능하며, 실험 결과 수중에서 33일 동안 유지하여도 방수기능이 우수함을 확인하였다. 또한, 투명 EPDM 레이어(16)는 15kV 이상의 고전압에서도 절연이 파괴되지 않아, 절연성이 매우 우수한 특성을 나타내었다.

투명 EPDM 레이어는 안정성을 보이는 온도 범위가 -54 ~ 150 도씨로 매우 광범위하며, 자외선과 오존 및 화학물질에 장기간 노출되더라도 물리적 변성이 발생하지 않는 특성을 가지고 있다. 더욱이, 투명 EPDM 레이어는 수은과 나트륨 및 황 성분을 포함하고 있지 않아 친환경적이다.

방수·방습 특성과 전기적 절연 특성을 향상시키기 위해 실리콘 또는 에폭시 몰딩을 하는 경우 코팅두께가 대략 5mm 정도까지 두꺼워지나, 투명 EPDM 레이어의 경우 150 ~ 200 ㎛로 얇게 코팅할 수 있다. 또한, 투명 EPDM 레이어는 브러시(brush) 방식, 스프레이 방식, 도포(dispensing) 방식 등 다양한 방식으로 용이하게 코팅작업을 수행할 수 있으나, 몰딩의 경우 도포 방식 이외의 방법은 적용이 힘든 단점이 있다. 또한, 몰딩의 경우 저온이나 고온에서 크랙이 발생하게 되며, 자외선에 대한 안정성 측면에서도 투명 EPDM 레이어의 경우 6,000 시간이 경과하여도 안정성에 문제가 없으나, 몰딩의 경우 황색으로 변성되는 결과를 보이게 되어 실외용으로는 사용하기 부적합하다. 따라서, 투명 EPDM 레이어의 경우 습기가 많은 강변 또는 해변에서도 방수, 방습 기능을 충분히 발휘할 수 있으며, 전광판용 LED에 사용될 경우 강한 자외선에 대하여 우수한 안정성을 확보할 수 있다.

UV 레진 레이어(18)는 투명 EPDM 레이어(16) 상에 코팅된다. UV 레진 레이어는 유리나 아크릴 수지와 거의 동등한 광학적 특성과 투명도를 보이면서도, 조사각을 증가시키고 수축이 발생하지 않으며, 온도, 습도 등 외부 환경에 대한 저항력이 높으며 -40 ~ 85 도씨의 온도범위에서도 안정적인 성능을 나타낸다.

또한, UV 레진 레이어는 굴절율이 1.47 ~ 1.51 정도이며, 투명 플라스틱 또는 유리 재질의 헤드 캡(26)과의 굴절율 차이를 최소화하여 빛의 분산과 광량 감소를 최소화할 수 있도록 한다.

UV 레진 레이어에 대한 실험 결과, 끓는 물에 2시간 동안 담구어 놓은 경우 물 흡수율이 2.9 ~ 3.8 %를 보였고, 자외선 조사 후 부피 축소율이 2.36 ~ 2.50 %의 결과를 나타내었으며, 굴절율은 액상 및 고상 공히 1.47을 나타내었다. 또한, 유전상수는 3.26 ~ 3.88을 나타내었다. 결과적으로, UV 레진 레이어가 LED 칩 상에 형성될 경우 방수, 방습, 변형방지, 조사각 향상 등의 효과를 거둘 수 있게 된다.

히트 싱크(20)는 PCB(10)의 타측면에 구비된다. 히트 싱크(20)는 서로 다른 높이를 갖는 방열핀(22)들이 복수개 배열되어 형성된다. 방열핀(22)들은 가장자리 방향으로 갈수록 길이가 점점 짧아지고 중앙 방향으로 갈수록 길이가 점점 길어지는 구조를 취하고 있다. 또한, 방열핀(22)들의 단부가 가장자리 방향으로 휘어져 곡면판 형태를 취하고 있다. 이는 LED 칩(14)과 PCB(10)에서 발생한 열을 외부로 신속하게 발산함으로써 발열효과를 극대화하기 위함이다.

히트 싱크(20)의 전체 면에도 그라파이트 레이어(24)가 코팅될 수 있다. 표 2는 그라파이트 레이어를 히트 싱크에 코팅하기 전후의 온도 측정 결과를 나타낸다.

구분	히트싱크 규격	코팅 전 온도	코팅 후 온도	온도차
1	65×55×15	32.7	28.2	4.5
2	45×45×12.5	47.7	43.6	4.1
3	36×36×6.7	64.5	59.2	5.3

(히트싱크 규격의 단위는 mm임)

실험 결과, 히트 싱크에 그라파이트 레이어를 코팅함으로써 4~5도씨의 온도하강 효과가 있음을 확인할 수 있다.

헤드 캡(26)은 LED 칩(14)의 상부에 구비되어 LED 칩(14)을 밀폐하는 역할을 수행한다. 헤드 캡(26)은 투명 또는 반투명 재질로 형성되며, 빛이 조사되는 영역을 보다 확장하기 위해 곡면 형상을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 헤드 캡(26)의 내부는 LED 칩(14)과 PCB(10)에 습기가 차는 것을 방지하고, LED로부터 발광된 빛이 공기 매질을 거치지 않고 바로 헤드 캡(26)을 통해 방출될 수 있도록 진공상태로 유지되는 것이 바람직하다.

도시되지 않았으나, 헤드 캡(26) 중 LED 칩(14)이 위치한 부분에는 볼록렌즈가 구비될 수 있다. 볼록렌즈는 LED 칩(14)의 광학적 특성을 향상시키는 역할을 수행한다. 볼록렌즈는 외부 곡면과 내부 곡면을 구비하는데, 외부 곡면의 곡률반경이 내부 곡면의 곡률 반경보다 작도록 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같은 광학적 볼록렌즈 방식을 사용하여 고지향성, 고광촉성, 광범위 조명성을 확보하여 원거리 조명이 가능하도록 할 수 있다.

헤드 캡(26)의 일측면에는 비산방지필름(ASF)(28)이 접착된다. 비산방지필름(28)은 유리 또는 플라스틱의 파손시 날카로운 파편에 의해 물적 피해와 인적 피해가 발생하지 않도록 보호하는 역할을 수행한다. 즉, 외부 충격 등에 의해 헤드 캡(26)이 파손되는 경우, 헤드 캡(26)을 구성하는 플라스틱 또는 유리 파편이 튀어 실내외의 기계, 기구가 손상되는 것을 방지하고, 작업자를 비롯한 인력에 피해가 발생하지 않도록 한다. 비산방지필름으로는 PET(Polyethylene Terephtalate) 필름, PC(PolyCarbonate) 필름 등이 사용될 수 있다.

비산방지필름(28)은 빛 투과율이 우수하고, 접착강도가 우수하며, 접착공정이 간단하고 접착속도가 빠른 장점이 있다. 실험 결과, 접착강도가 2kg 이상이고 두께를 60 마이크로미터까지 줄일 수 있는 것으로 나타났으며, 롤링 방식에 의해 헤드 캡(26)과 비산방지필름(28) 사이의 기포를 간단하게 제거할 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학적, 열적 특성을 위한 LED 모듈구조의 일부 단면도이다. 도 2의 실시예는 UV 레진 레이어를 LED 칩 상에 코팅하는 대신 헤드 캡에 코팅한다는 점 이외에는 도 1의 실시예와 유사하므로, 차이점을 중심으로 설명한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 광학적, 열적 특성을 위한 LED 모듈구조는, 도 2를 참조하면, 헤드 캡(26)의 외주면에는 비산방지필름(28)이 접착되고 내주면에는 UV 레진 레이어(180)가 코팅된다. UV 레진 레이어(180)를 헤드 캡(26)에 형성함으로써, 외부로부터 헤드 캡(26) 내부로 침투하는 습기를 효과적으로 차단하고 LED 칩(14)으로부터 발생된 빛의 분산과 광량감소를 억제함과 동시에 조사각 범위를 넓혀 넓은 범위에 빛이 조사될 수 있도록 한다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학적, 열적 특성을 위한 LED 모듈구조의 일부 단면도이다. 도 3의 실시예는 LED 칩과 PCB 사이에도 그라파이트 레이어가 적층된다는 점 이외에는 도 1의 실시예와 유사하므로, 차이점을 중심으로 설명한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학적, 열적 특성을 위한 LED 모듈구조는, 도 3을 참조하면, LED 칩(14)과 PCB(10) 사이에도 그라파이트 레이어(120)가 코팅된다. LED 칩(14)이 위치하지 않은 PCB(10) 표면뿐만 아니라 LED 칩(14)이 장착되는 PCB(10) 표면에도 그라파이트 레이어(120)가 구비됨으로써, LED 칩(14)에서 발생한 열을 신속하게 PCB(10)를 거쳐 히트 싱크(20)를 통해 외부로 발산할 수 있도록 하고, LED 칩(14)에서 발생한 전자파와 PCB(10)에서 발생한 전자파가 상호 간섭을 일으키지 않도록 한다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 광학적, 열적 특성을 위한 LED 모듈구조는 일반 조명등, 건물 장식등, 무드(mood)등, 실내 및 실외 전광판, 가로등, 작업등, 방폭등 등에 광범위하게 적용될 수 있다.

다음으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학적, 열적 특성을 위한 LED 모듈의 제조방법에 대해 설명한다.

먼저, PCB를 준비하고 PCB의 전체 면에 그라파이트 레이어를 코팅한다. 이때, 코팅될 그라파이트는 탄소함유량 99.90 ~ 99.98 %, 밀도 1.0 ~ 1.6 g/㎤, 두께허용공차(Thickness Tolerance) ±5%, 압축률(Compresssion Rate) 45% 이상, 압축강도(Compression Strength) 160 MPa 이상, 인장강도(Tensile Strength) 4.0 MPa 이상, 온도범위 -40 ~ 400도씨, 열전도율 150 ~ 600 W/(m·K) 인 것이 바람직하다.

그라파이트 레이어는 PCB 표면에 액상으로 코팅될 수도 있으며, PET 필름 상에 그라파이트 레이어를 형성한 후 양면 테이프를 이용하여 PCB 표면에 접착시키는 방식으로 형성될 수도 있다. 이때, 그라파이트 레이어는 PCB 표면 중 전자소자가 장착된 부분에만 형성될 수도 있음은 물론이다.

다음으로, 그라파이트 레이어가 코팅된 PCB의 일측면에 LED 칩을 장착한다. PCB 표면 중 LED 칩이 장착되는 부분에는 그라파이트 레이어 대신 Ag/세라믹/에폭시 혼합물층을 형성할 수도 있으며, 그라파이트 레이어 위에 Ag/세라믹/에폭시 혼합물층을 추가적으로 적층한 후 LED 칩을 장착할 수도 있다.

다음으로, LED 칩 상에 투명 EPDM 용액을 코팅한다. 투명 EPDM의 코팅은 1회의 액상코팅으로 형성가능하며, 저점도의 EPDM 용액으로 1차 코팅을 수행한 후 스포일러 방식(spoiler method)에 의해 2차 코팅을 수행할 수도 있다. 또한, 투명 EPDM 레이어의 코팅은 브러시 방식, 스프레이 방식, 도포 방식 중 어느 하나의 방식으로 수행될 수 있으며, 150 ~ 200 ㎛의 두께로 30분 내지 2시간 이내에 코팅공정이 완료될 수 있다.

다음으로, 투명 아크릴 재질의 헤드 캡의 일측면(외주면)에 비산방지필름을 접착시킨다. 이때, 비산방지필름은 60 ㎛ 이내의 두께로 접착할 수 있으며, 접착 후 롤링 방식으로 간단하게 헤드 캡과 비산방지필름 사이의 기포를 제거할 수 있다.

다음으로, 헤드 캡의 타측면(내주면)에 UV 레진 레이어를 코팅한다. UV 레진 레이어는 아크릴 우레탄(Acrylated Urethane)을 이용하여 95% 이상의 광 투과율로 18.6의 인장계수(Tensile Modulus)로 7.91 N/㎟의 인장강도를 확보할 수 있다.

다음으로, 히트 싱크의 전체 면에 그라파이트 레이어를 코팅한 후, PCB의 하단에 히트 싱크를 결합시킨다.

마지막으로, 헤드 캡과 LED 칩 사이의 공간이 진공이 되도록 헤드캡으로 LED 칩을 밀폐함으로써 본 발명에 따른 광학적, 열적 특성을 위한 LED 모듈의 제조가 완료된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명은 LED를 광원으로 하는 조명분야, 특히 일반 조명등, 건물 장식등, 무드(mood)등, 실내 및 실외 전광판, 가로등, 작업등, 방폭등의 설계 및 제조분야에 광범위하게 적용될 수 있다.

10 - PCB 12, 24 - 그라파이트 레이어
14 - LED 칩 16 - 투명 EPDM 레이어
18 - UV 레진 레이어 20 - 히트 싱크
22 - 방열핀 26 - 헤드 캡
28 - 비산방지필름

Claims

합성수지 또는 메탈재질의 인쇄회로기판(PCB);
상기 PCB의 전체 면에 코팅되는 그라파이트 레이어(graphite layer);
상기 PCB의 일측면에 장착되는 발광다이오드(LED) 칩;
상기 LED 칩 상에 코팅되는 투명 EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer) 레이어;
상기 PCB의 타측면에 구비되며, 전체 면에 상기 그라파이트 레이어가 코팅되는 히트 싱크(heat sink);
상기 LED 칩의 상부에 구비되어 상기 LED 칩을 밀폐하는 헤드 캡(head cap); 및
상기 헤드 캡의 일측면에 접착되는 비산방지필름(ASF)
을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적, 열적 특성을 위한 LED 모듈구조.
제1항에 있어서,
상기 그라파이트 레이어는 탄소함유량 99.90 ~ 99.98 %, 밀도 1.0 ~ 1.6 g/㎤, 압축강도 160 MPa 이상, 인장강도 4.0 MPa 이상, 열전도율 150 ~ 600 W/m·K 인 것을 특징으로 하는 광학적, 열적 특성을 위한 LED 모듈구조.
제2항에 있어서,
상기 헤드 캡의 타측면에는 UV 레진(UltraViolet Resin) 레이어가 코팅되는 것을 특징으로 하는 광학적, 열적 특성을 위한 LED 모듈구조.
삭제
(a) PCB의 전체 면에 탄소함유량 99.90 ~ 99.98 %, 밀도 1.0 ~ 1.6 g/㎤, 압축강도 160 MPa 이상, 인장강도 4.0 MPa 이상, 열전도율 150 ~ 600 W/m·K 의 그라파이트 레이어를 형성하는 단계;
(b) 상기 PCB의 일측면에 LED 칩을 장착하는 단계;
(c) 상기 LED 칩 상에 브러시 방식, 스프레이 방식, 도포(dispensing) 방식 중 어느 하나의 방식에 의해 150 ~ 200 ㎛ 의 두께로 투명 EPDM 용액을 코팅하는 단계;
(d) 투명 아크릴 재질의 헤드 캡의 일측면에 비산방지필름(ASF)을 접착시키는 단계;
(e) 상기 헤드 캡의 타측면에 UV 레진 레이어를 코팅하는 단계; 및
(f) 상기 헤드 캡과 상기 LED 칩 사이의 공간이 진공이 되도록 상기 헤드 캡으로 상기 LED 칩을 밀폐하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적, 열적 특성을 위한 LED 모듈의 제조방법.