KR101075015B1 - 평면 광원 장치 - Google Patents
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Abstract
평면 광원 장치가 게재된다. 본 발명에 따른 평면 광원 장치는 적어도 1.0 mm 이상의 두께를 가지고, 금속층을 포함하는 기판; 및 상기 기판상에 매트릭스 배열로 배치되고, 0.0784mm2에서 0.25mm2의 칩 사이즈를 가지고, 인접한 칩과의 거리가 칩의 길이에 적어도 두 배 이상으로 떨어져 있는 복수개의 발광 다이오드 칩;을 포함한다.
발열, 기판 면적, 칩 거리, 칩 크기
Description
본 발명은 평면 광원 장치에 관한 것이고, 더욱 자세하게는 매트릭스 배열에 배치되는 복수개의 발광 다이오드를 포함하는 평면 광원 장치에 관한 것이다.
도 1을 참조하면, 대만 특허 공개 번호 제 289947호에는 기판(92) 및 상기 기판(92) 상의 매트릭스 배열에 놓여진 복수개의 발광 다이오드 칩(91)을 포함하는 평면 광원 장치가 게재되어 있다. 각각의 발광 다이오드 칩(91)은 40 mil (1 mm) 보다 작다(특히, 8 mil(0.2 mm)에서 14 mil(0.35 mm) 사이이다). 상기의 발광 다이오드 칩(91)은 상기 기판(92)의 금속층 상에 있는 회로에 직접 연결되어 열 전도성 및 발광 효율을 강화한다.
그렇지만, 실제로는, 상기 두 개의 인접한 발광 다이오드 칩(91)의 거리 및 상기 기판(92)의 두께가 상기 평면 광원 장치의 열 방출 및 발광 효율에 실질적으로 영향을 준다. 이러한 문제는 상기의 대만 특허에는 언급되지 않았다.
따라서, 본 발명의 목적은 동작 시에 발광 다이오드 칩이 상대적으로 낮은 온도를 유지할 수 있어서 방열의 어려움을 해결하는 향상된 평면 광원 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명에 따르면, 평면 광원 장치는 평면 광원 장치가 게재된다. 본 발명에 따른 평면 광원 장치는 적어도 1.0 mm 이상의 두께를 가지고, 금속층을 포함하는 기판; 및 상기 기판상에 매트릭스 배열로 배치되고, 0.0784 mm2에서 0.25 mm2의 칩 사이즈를 가지고, 인접한 칩과의 거리가 칩의 길이에 적어도 두 배 이상으로 떨어져 있는 복수개의 발광 다이오드 칩; 을 포함한다.
본 발명은 상대적으로 높은 외부 양자 효과를 가지고 열을 누적하는 경향이 없는 작은 사이즈의 발광 다이오드 칩을 활용한다. 특히, 발광 다이오드 칩의 크기는 0.0784 mm2 에서 0.25 mm2의 범위로 한정된다. 이에 더하여, 상기 발광 다이오드 칩은 상기 발광 다이오드 칩의 길이 또는 넓이의 적어도 두 배의 거리로 서로 떨어진다. 따라서 본 발명에 따른 상기 평면 광원 장치는 높은 발광 효율을 가질 뿐 아니라 상기 발광 다이오드 칩의 온도가 현저하게 증가하는 일이 없이 동작할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 평면 광원 장치(1)가 도시되어 있다.
상기 평면 발광 장치(1)은 기판(11), 상기 기판(11) 상에 매트릭스 배열로 배치되는 복수개의 발광 다이오드(12), 상기 기판(11) 상에 배치되는 반사 커버층(13), 상기 기판(11)과 반사 커버층(13) 사이에 형성되어 상기 기판(11) 및 반사 커버층(13)을 결합시키는 접착층(15) 및 복수개의 투명 몸체부(14)를 포함한다. 백색 발광 다이오드를 제조하는 전통적인 방법으로 인해, 상기 투명 몸체부(14)는 백색광을 생산하기 위해 형광체 파우더를 포함한다. 상기 평면 광원 장치(1)는 조명용으로 쓰일 수 있으며, 방열을 목적으로 방열구조와 함께 사용될 수 있다.
이러한 실시예에서, 상기 기판(11)은 금속층(111) 및 절연층(112)를 포함한다. 상기 반사 커버층(13)은 복수개의 내부홀(131) 및 상기 내부홀(131)에 의해 각각 정의되는 복수개의 반사 우물(132)을 포함한다. 상기 반사 커버층(13)이 상기 기판 상에 배치될 때에는, 상기 내부홀(131)은 개별적으로 상기 발광 다이오드 칩(12)과 함께 배치된다. 상기 투명 몸체부(14)는 상기 반사 커버층(13)의 내부홀(131)과 함께 형성되어 상기 반사 커버층(13)의 내부 홀(131)과 함께 각각의 발광 다이오드 칩(12)을 에워싼다.
이에 더하여, 본 실시예에서는, 상기 평면 광원 장치(1)가 상기 절연층(112) 및 반사 커버층(13) 사이에 배치되는 회로층(17) 및 상기 반사 커버층(13)의 반사 우물(132)상에 형성되는 반사 코팅(18)을 더 포함한다. 상기 발광 다이오드 칩(12)은 상기 금속 와이어 본딩 또는 플립칩 패키징 기술에 의해 상기 회로층(17)에 연결된다. 상기 발광 다이오드 칩(12)는 상기 회로층(17)을 통하여 회로의 디자인 및 요구에 따라 직렬 또는 병렬의 상태로 전기적으로 연결된다. 본 실시예에서는, 상기 반사 코팅(18)은 금속으로 만들어 지고, 전기도금, 증발법, 스퍼터링에 의해서 상기 반사 커버층(13)의 반사 우물(132) 상에 형성된다.
다른 바람직한 실시예에서는, 상기 반사 코팅(18)은 열경화성 수지, 고온의 방열수지, 또는 높은 반사율을 가지는 세라믹 물질로 만들어 진다. 또한, 상기 반사 커버층(13)은 높은 반사율의 플라스틱 물질로 이루어지거나, 금속 물질로 이루어져서 상기 반사 커버층(13)의 반사 우물(132) 상에 반사층을 직접 형성할 수 있게 한다. 이러한 실시예에서는, 상기 반사 커버층(13)은 알루미늄으로 만들어진다.
세 개의 실험을 통하여 상기 평면 광원 장치(1)에 대한 열의 집중과 온도의 분배에 관한 시뮬레이션이 수행되었다.
기판 면적의 선택
상기 기판(11)은 상기 금속층(111)으로 0.5mm 두께의 알루미늄 시트를 사용하고, 상기 절연층(112)으로 0.1 mm 두께의 절연 물질을 사용하여 만들어진다. 네 개의 기판 샘플이 상기 기판(11)으로부터 얻어 진다. 상기 기판 샘플의 영역은 각 각 100 mm2, 400 mm2, 625 mm2, 및 900 mm2이다. 각각의 기판 샘플은 1 mm x 1 mm 크기의 발광 다이오드 칩(12)을 가진다. 시뮬레이션 테스트는 각각의 샘플에 대해 수행되었고, 상기 칩(12)의 온도는 각각의 샘플로부터 측정되었다. 결과는 표1에 나타난 바와 같다.
< 표 1 >
| 기판 넓이(mm2) | 100 |
400 |
625 |
900 |
| 칩 온도(℃) |
117 |
104 |
99 |
98 |
도 3에는 표1의 데이터로부터 얻어진 기판의 넓이와 칩의 온도에 대한 그래프가 도시되어 있다. 상기 데이터는 기판의 넓이가 550 mm2 보다 큰 영역에서는 상기 칩의 온도가 더 이상 떨어지지 않음을 보여 준다(칩의 온도가 대략 101℃라는 가정하에서이다). 따라서, 550 mm2 인 기판의 넓이가 다음의 실험을 위해 선택되었다.
제1 실험예
제1 실험예는 같은 입력 전력에 네 개의 샘플 그룹을 이용하여 수행되었다. 상기 기판의 넓이는 550 mm2이며 모든 실험에서 같다. 그렇지만, 길이 x 넓이로 정 의되는 상기 칩(12)의 크기는 실험에서 다양화 되었다.
제1 그룹 : 칩의 크기가 1 mm x 1 mm 이며, 인접한 칩의 거리는 1 mm.
제2 그룹 : 칩의 크기가 0.7 mm x 0.7 mm 이며, 인접한 칩의 거리는 0.7 mm.
제3 그룹 : 칩의 크기가 0.5 mm x 0.5 mm 이며, 인접한 칩의 거리는 0.5 mm.
제4 그룹 : 칩의 크기가 0.34 mm x 0.34 mm 이며, 인접한 칩의 거리는 0.34 mm.
표 2는 상기 샘플의 제1 내지 제4 그룹의 결과를 나타낸다.
< 표 2 >
| 칩크기(mm x mm) | 칩거리(mm) | 칩온도(℃) |
| 1 x 1 | 1 | 103 |
| 0.7 x 0.7 | 0.7 | 101.5 |
| 0.5 x 0.5 | 0.5 | 101 |
| 0.34 x 0.34 | 0.34 | 99 |
도 4는 표 2의 데이터로부터 얻어진 칩 온도와 칩 크기를 나타내는 그래프이다. 상기 그래프는 상기 칩의 크기가 작아질수록, 칩의 온도가 더 작아지는 것을 보여준다. 그렇지만, 상기 칩크기가 너무 작으면, 상기 칩(12)을 상기 기판(11)에 조립하는 것이 어려워 진다. 반면에, 상기 칩크기가 0.0784 mm2(0.28 mm x 0.28 mm)보다 작은 경우, 상기 칩의 길이 및 넓이가 0.3 mm 보다 작다. InGaN 칩은 와이어 본딩을 위해 형성된 한 쌍의 둥근 본딩 패드를 가지고 있고, 각각의 둥근 본딩은 약 0.1 mm의 직경을 가지므로, 상기 두 개의 둥근 본딩 패드가 칩 상에 형성되면, 상기 칩의 길이가 0.3 mm 보다 작은 경우에는 상기 둥근 본딩 패드의 총 길이가 상기 칩(12)의 길이 및 넓이의 반을 초과할 것이다.
이러한 경우에, 상기 칩(12)에서 발광된 칩은 상기 둥근 본딩 패드에 의해서 심각하게 가려질 것이다. 칩의 온도와 솔더 패드의 가림 현상을 적절히 고려하면, 칩의 크기는 0.0784 mm2 이상으로 한정되어야 한다.
표 2 및 도 4는 칩크기가 커질수록, 칩의 온도가 증가함을 보여준다. 상기 칩크기가 0.25 mm2(400 mil2)보다 큰 경우에는, 상기 칩온도는 현저하게 증가한다. 따라서 칩크기는 0.25mm2이상으로 커져서는 안 된다.
제2 실험예
상기 제1 실험예의 결과에 따라서, 상기 칩은 0.0784 mm2 (0.28 mm x 0.28 mm) 및 0.25 mm2 (0.5 mm x 0.5 mm)가 제2 실험을 위해 선택되었다. 상기 칩 간의 거리는 제2 실험예에서 다양화 될 수 있으나, 상기 기판 면적은 550 mm2로 같다.
표 3은 0.784 mm2 (0.28 mm x 0.28 mm)의 크기의 칩을 사용한 결과를 나타낸다.
< 표 3 >
| 칩크기(mm x mm) | 칩거리(mm) | 칩온도(℃) |
| 0.28 x 0.28 | 0 | 103 |
| 0.28 x 0.28 | 0.2 | 98 |
| 0.28 x 0.28 | 0.4 | 96 |
| 0.28 x 0.28 | 1 | 93.5 |
| 0.28 x 0.28 | 1.5 | 93 |
도 5는 표3의 데이터로부터 얻은 칩거리와 칩온도의 관계를 나타내는 그래프이다. 그래프는 상기 칩온도는 상기 칩거리가 증가함에 따라 감소하는 것을 보여주고, 상기 칩거리가 0.8 mm 이상인 경우에는, 칩온도 감소가 별로 이루어지지 않음을 보여준다. 그렇지만, 칩 거리가 증거할수록 상기 필요한 기판 면적이 더 넓어지게 된다.
따라서, 칩거리가 증가할 때에, 제조를 위한 물질의 비용은 더 증가할 것이다. 비용 면에서 살펴볼 때에는, 0.784 mm2 (0.28 mm x 0.28 mm)의 칩크기에서는, 인접한 칩간의 거리가 약 0.8 mm 이어야 한다. 이는 칩 길이(0.28 mm)의 약 2.86(0.8 / 0/28) 배의 값이다.
마찬가지로, 표 4는 0.25 mm2 (0.25 mm x 0.25 mm)의 크기의 칩을 사용한 결과를 나타낸다.
< 표 4 >
| 칩크기(mm x mm) | 칩거리(mm) | 칩온도(℃) |
| 0.25 x 0.25 | 0.1 | 103.5 |
| 0.25 x 0.25 | 0.2 | 102.3 |
| 0.25 x 0.25 | 0.5 | 101 |
| 0.25 x 0.25 | 1 | 99.5 |
| 0.25 x 0.25 | 1.5 | 98.6 |
| 0.25 x 0.25 | 2 | 97.7 |
| 0.25 x 0.25 | 2.5 | 97.4 |
| 0.25 x 0.25 | 3 | 97.3 |
도 6은 표 4의 데이터로부터 얻어진 칩거리와 칩온도간의 관계를 나타낸 그래프이다. 상기 그래프는 상기 칩거리가 1.5 mm 이상일 때에, 칩온도의 감소가 별로 이루어지지 않음을 보여준다. 그렇지만, 상기 칩거리가 더 증가할수록, 상기 기판 면적 및 제조 비용은 현저히 증가할 것이다. 비용적인 면에서는, 0.5 mm x 0.5 mm (0.25 mm2)의 칩크기에서 칩 거리는 약 1.5 mm 정도 이어야 한다. 이는 0.5 mm 인 칩길이의 약 3배 (1.5/0.5)인 값이다.
표3 및 표 4의 결과로부터, 칩의 온도를 최소화 하기 위해서는, 상기 칩거리가 상기 칩의 길이/넓이 값으로부터 적어도 2배가 되어야 한다.
제3 실험예
제3 실험예는 두께가 다른 기판을 사용하여 수행되었다. 상기 제3 실험예에서 사용되었던 칩크기는 0.0784 mm2 (0.28 mm x 0.28 mm)이다. 표 5는 실험의 결과를 나타낸다.
< 표 5 >
| 기판의 두께(mm) |
0.5 | 0.72 | 1.5 | 2 | 3 |
| 칩온도(℃) |
89 | 83 | 80.5 | 80 | 80 |
도 7에는 표 5의 데이터로부터 얻어진 기판의 두께와 칩 온도 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 상기 그래프는 기판의 두께가 0.9 mm를 초과할 때에, 상기 칩온도의 감소는 별로 이루어지지 않음을 보여준다. 그러므로, 기판의 두께는 바람직하게는 1.0 mm 또는 그 이상이 되어야 낮은 칩온도를 유지할 수 있다.
상기에 서술한 실험예에서 보면, 칩크기는 0.0784 mm2 에서 0.25 mm2의 범위를 가지고, 상기 인접한 칩 간의 거리가 적어도 칩의 길이의 두 배일 때, 상기 기판의 두께가 1.0 mm 또는 그 이상인 경우, 상기 칩온도는 상대적으로 낮은 수준에서 유지될 수 있다.
실험에서 사용된 기판은 알루미늄으로 만들어진 것이었다. 기판의 물질이 칩크기나 인접한 두 칩간의 거리에 비해서 방열에 영향을 덜 미쳐야 하기 때문에, 상기 기판은 구리나 다른 높은 방열 특성을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 이에 더하여, 각각의 발광 다이오드 칩(12)은 정전기 방지를 위한 제너 다이오드와 병렬로 연결될 수 있다.
본 발명은 상대적으로 높은 외부 양자 효과를 가지고 열을 누적하는 경향이 없는 작은 사이즈의 발광 다이오드 칩(12)을 활용한다. 특히, 발광 다이오드 칩(12)의 크기는 0.0784 mm2 에서 0.25 mm2의 범위로 한정된다. 이에 더하여, 상기 발광 다이오드 칩(12)는 상기 발광 다이오드 칩(12)의 길이 또는 넓이의 적어도 두 배의 거리로 서로 떨어진다. 따라서 본 발명에 따른 상기 평면 광원 장치(1)는 높은 발광 효율을 가질 뿐 아니라 상기 발광 다이오드 칩(12)의 온도가 현저하게 증가하는 일이 없이 동작할 수 있다.
본 발명이 대부분의 바람직한 실시예를 고려하여서 이를 바탕으로 기술되었더라도, 본 발명은 게재된 실시예에 대하여 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 다양한 해성에 의한 기술적 범위 내에서 다양한 변형을 할 수 있는 범위까지 포함되도록 하여 모든 변형 및 균등의 범위까지 그 해석이 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 1은 종래의 평면 광원 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 광원 장치의 단면도이다.
도 3은 기판의 면적과 칩의 온도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 칩의 크기와 칩의 온도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 0.28 mm x 0.28 mm 의 크기를 가지는 칩의 거리와 칩의 온도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 0.5 mm x 0.5 mm 의 크기를 가지는 칩의 거리와 칩의 온도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 기판의 두께와 칩의 온도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
Claims (10)
1.0 mm 이상의 두께를 가지고, 금속층 및 상기 금속층 상부에 형성된 절연층을 포함하는 기판;
상기 기판상에 매트릭스 배열로 배치되고, 0.0784mm2에서 0.25mm2의 칩 사이즈를 가지고, 인접한 칩과의 거리가 칩의 길이에 적어도 두 배 이상으로 떨어져 있는 복수개의 발광 다이오드 칩;을 가지는 평면 광원 장치.
제1항에 있어서,
상기 칩의 크기가 0.0784 mm2 일 경우에는, 상기 발광 다이오드 칩의 인접한 두 칩 사이의 거리가 상기 발광 다이오드 칩의 길이의 적어도 2.86 배인 것을 특징으로 하는 평면 광원 장치.
제1항에 있어서,
상기 칩의 크기가 0.25 mm2 일 경우에는, 상기 인접한 칩과의 거리가 상기 0.25 mm2 크기를 갖는 칩 길이의 적어도 3배인 것을 특징으로 하는 평면 광원 장치.
제1항에 있어서,
상기 칩의 크기가 0.28 mm x 0.28 mm 인 경우에는, 상기 발광 다이오드 칩의 인접한 두 칩간 거리가 적어도 0.8 mm 인 것을 특징으로 하는 평면 광원 장치.
제1항에 있어서, 상기 금속층은 알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 평면 광원 장치.
제1항에 있어서, 상기 금속층은 구리로 이루어진 것을 특징으로 하는 평면 광원 장치.
제1항에 있어서,
상기 기판상에 배치되고, 복수개의 내부홀과 함께 형성되는 반사 커버층;
상기 반사 커버층의 내부홀에 각각 채워지는 복수개의 투명 몸체부를 더 포함하고,
상기 발광 다이오드 칩은 각각 상기 반사 커버층의 내부홀에 수납되고, 상기 투명 몸체부에 의해 덮이는 것을 특징으로 하는 평면 광원 장치.
제7항에 있어서,
상기 반사 커버층은 내부홀을 정의해는 복수개의 반사 우물을 포함하고,
각각의 반사 우물은 반사 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 평면 광원 장치.
제7항에 있어서,
상기 반사 커버층은 알루미늄으로 만들어 진 것을 특징으로 하는 평면 광원 장치.
제7항에 있어서, 상기 기판 및 반사 커버층 사이에 형성된 접착층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평면 광원 장치.
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