KR101145209B1 - 발광장치 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 지지 부재; 제1 면과, 지지 부재와 마주보는 제2 면을 포함하는 하우징; 제1 면측에 위치한 발광소자; 하우징에 결합되어 발광소자를 지지하는 도전성 부재;로서, 발광소자를 지지하는 부분의 하면이 지지 부재측으로 노출된 도전성 부재; 그리고 발광소자를 지지하는 부분의 하면 및 지지 부재에 접하는 접착제;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치에 관한 것이다.

Description

발광장치{LIGHT EMITTING APPARATUS}
본 개시는 전체적으로 발광장치에 관한 것으로, 특히 방열효율이 향상된 발광장치에 관한 것이다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
일반적으로, 조명 장치에서 다수의 발광다이오드(LED; Light Emitting Diode)를 어레이로 조립하여 균일한 조도를 제공하도록 할 수 있다. 대체로, LED들은 인쇄회로기판(printed circuit board) 상에 장착되어 서로 전기적으로 연결되며, 다른 전기 시스템에 접속된다.
도 1은 종래의 발광장치를 나타내는 도면이다. LED들은 칩(chip) 형태로 인쇄회로기판에 직접 실장되거나, 도 1에 도시된 것과 같이, LED 패키지(package) 형태로 제작되어 인쇄회로기판(2)에 본딩될 수 있다. LED 패키지는 LED 칩(50), LED 칩(50)을 수용하는 하우징(20) 및 LED 칩(50)을 지지하며 구동전원을 인가하는 리드전극(30)을 포함한다. 리드전극(30)들이 패터닝된 구리 재질의 리드프레임(lead frame)에 플라스틱 사출물을 결합하여 하우징(20)을 형성한다. 하우징(20)에 결합된 리드전극(30)에 LED 칩(50)을 전기적으로 연결한 후, 패키지 단위로 리드프레임을 절단하여 LED 패키지가 제조된다.
최근에는, 모바일 기기 및 디스플레이 장치 등의 전자제품들의 경박단소화가 급격히 진행됨에 따라 특히, LED 조명, LED 백라이트 유닛(back light unit), 열전 소자, 고출력 반도체 소자, PDP용 파워모듈 및 오디오 파워모듈 분야에서는 발열로 인한 문제들이 가장 중요한 해결 과제가 되고 있다. 따라서 전술된 장치들이 효과적인 방열구조를 갖도록 하는 것이 장치의 신뢰성에 매우 중요하다.
상기와 같은 LED를 이용한 장치에서 발열문제를 효과적으로 해결하기 위해 금속인쇄회로기판(metal printed circuit board; metal PCB)을 사용하거나, 인쇄회로기판에 방열패드 등의 방열구조를 형성하고 있다. 그러나 LED 패키지에서 하우징은 플라스틱 사출물이기 때문에 방열특성이 좋지 않고, LED 칩으로부터 발생된 열은 금속재질의 리드전극을 통해 대부분 방열된다. 최근에는 조명 장치 등의 발광장치에서 사용되는 LED 칩의 개수가 증가함에 따라 리드전극과 인쇄회로기판의 방열구조와의 연결만으로는 방열효율 향상에 한계가 있다.
또한, 방열효율 향상을 위해 하우징에 방열핀을 형성하거나, 리드전극과 접하며 하우징의 표면으로 연장된 금속박막을 증착하는 방법 등이 개시되어 있다. 그러나 이러한 방열구조를 형성하기 위해 LED 패키지의 제조공정이 증가하고 복잡해지며, LED 패키지의 구조가 복잡하여 불량이 빈번하게 발생하는 문제점이 있다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
이를 위하여, 본 개시는 지지 부재; 제1 면과, 지지 부재와 마주보는 제2 면을 포함하는 하우징; 제1 면측에 위치한 발광소자; 하우징에 결합되어 발광소자를 지지하는 도전성 부재;로서, 발광소자를 지지하는 부분의 하면이 지지 부재측으로 노출된 도전성 부재; 그리고 발광소자를 지지하는 부분의 하면 및 지지 부재에 접하는 접착제;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치를 제공한다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
도 1은 종래의 발광장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 개시에 따른 발광장치의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 발광장치의 평면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 발광장치를 I-I' 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 하우징 및 지지 부재가 결합된 상태를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 발광장치 및 비교예의 발광장치에 대한 열시뮬레이션 그래프이다.
도 7은 본 개시에 따른 발광장치의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 발광장치의 후면을 보여주는 도면이다.
도 9는 도 7에 도시된 발광장치를 II-II' 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 10은 도 7에 도시된 발광장치를 III-III' 선을 따라 절단한 단면도이다.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).
도 2는 본 개시에 따른 발광장치의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 3은 도 2에 도시된 발광장치의 평면도이다. 도 4는 도 3에 도시된 발광장치를 I-I' 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 2, 3 및 도 4를 참조하면, 본 개시에 따른 발광장치는 지지 부재(101), 하우징(120), 발광소자(150), 도전성 부재(131) 및 접착제(171)를 포함한다.
지지 부재(101)는 하우징(120)을 지지하며 발광소자(150)에 구동전류를 인가한다. 지지 부재(101)는 기판(102), 제1 전원단자(106) 및 제2 전원단자(108)를 포함할 수 있다.
기판(102)은 특별한 제한은 없으며, 발광소자(150)가 실장되어 사용될 수 있는 기판이면 어떤 것이든 무방하다. 예를 들어, 지지 부재(101)는 금속인쇄회로기판(metal core printed circuit board; MCPCB) 또는 FR-4(Flame retardant) 인쇄회로기판일 수 있다. 기판(102)은 다층기판일 수 있으며, 내부에 방열을 위한 열확산 구조를 가질 수 있다.
제1 전원단자(106) 및 제2 전원단자(108)는 발광소자(150)에 구동전류를 인가한다. 기판(102)에는 동박이 패터닝되어 회로배선이 형성될 수 있고, 회로배선의 일부가 제1 전원단자(106) 및 제2 전원단자(108)를 이룰 수 있다. 제1 전원단자(106) 및 제2 전원단자(108)로 전달된 열은 기판(102)에 형성된 열확산 구조에 의해 외부로 방열될 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 하우징 및 지지 부재가 결합된 상태를 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 하우징(120), 도전성 부재(131) 및 발광소자(150)는 결합되어 LED 패키지를 이루며, LED 패키지는 기판(102) 상에 실장(mounting)된다. 복수의 도전성 부재(131)가 패터닝되어 있는 구리 재질의 리드프레임(lead frame)에 플라스틱 사출물을 결합하여 하우징(120)을 형성한다. 하우징(120)에 결합된 도전성 부재(131)에 발광소자(150)를 전기적으로 연결한다. 형광체와 수지가 혼합된 몰드를 하우징(120)의 캐비티(124; cavity)에 적하시켜 발광소자(150)를 커버하며 광을 투과시키는 광투과부가 형성된다. 이후, 패키지 단위로 리드프레임을 절단하여 LED 패키지가 제조된다.
하우징(120)은 서로 대향하는 제1 면(121) 및 제2 면(123)을 포함한다. 하우징(120)에는 캐비티(124)가 형성되어 있고, 제1 면(121)은 캐비티(124)의 바닥면이다. 제2 면(123)은 하우징(120)의 후면이며, 기판(102)과 마주보게 배치된다. 하우징(120)에는 제2 면(123)으로부터 제1 면(121)까지 관통하는 개구부(125)가 형성되어 있다. 하우징(120)은 개구부(125)가 기판(102)에 형성된 제1 전원단자(106)에 대응하게 배치될 수 있다.
도전성 부재(131)는 하우징(120)에 결합되며, 하우징(120)에 형성된 개구부(125)에 의해 제2 면(123)을 향하여 노출되어 있다. 도전성 부재(131)는 제1 리드전극(130) 및 제2 리드전극(140)을 포함한다. 제1 리드전극(130)은 제1 면(121)측에 배치되어 개구부(125)를 덮는다. 제2 리드전극(140)은 제1 면(121)에서 제1 리드전극(130)의 인근에 배치된다.
제1 리드전극(130)은 몸체부(132) 및 전원입력부(134)를 포함할 수 있다. 몸체부(132)는 발광소자(150)를 지지한다. 몸체부(132)의 상면은 캐비티(124)로 노출되고 몸체부(132)의 하면은 부분적으로 개구부(125)에 의해 기판(102)을 향해 노출된다. 전원입력부(134)는 몸체부(132)의 일측 에지로부터 연장되어 하우징(120)의 측면으로 노출되며 절곡되어 하우징(120)의 제2 면(123)으로 연장되어 있다. 전원입력부(134)의 단부는 하우징(120)의 개구부(125)의 내측면까지 연장되어 있다.
제2 리드전극(140)은 일부가 캐비티(124)로 노출되고, 다른 일부가 하우징(120)의 다른 측면으로 돌출되며 절곡되어 제2 면(123)으로 연장되어 있다.
발광소자(150)는 구동전류가 인가되면 발광하는 반도체 소자, 예를 들어, 발광다이오드일 수 있다. 발광소자(150)는 칩형태로 제1 리드전극(130)의 몸체부(132)에 적어도 하나가 배치될 수 있으며, 도 4에는 2개의 발광소자(150)가 배치되어 있다. 발광소자(150)는 도전성 페이스트에 의해 제1 리드전극(130)에 부착될 수 있다. 발광소자(150)는 다양한 타입이 사용될 수 있으며, 도 4에는 발광소자(150)의 전극이 동일한 방향으로 배치된 수평형 발광소자(150)가 예시되어 있다. 이와 다르게, 발광소자는 플립칩형 발광소자 또는 2개의 전극이 반대방향에 배치되는 수직형 발광소자일 수도 있다. 발광소자(150)의 2개의 전극은 와이어에 의해 각각 제1 리드전극(130) 및 제2 리드전극(140)에 연결되어 있다.
광투과부는 캐비티(124)에 채워져 발광소자(150)를 보호하며, 발광소자(150)로부터 출사된 광을 투과시킨다. 발광소자(130)로부터 출사된 광은 광투과부(190)를 통과하며 선택된 색상의 광으로 변경된다.
접착제(171)는 개구부(125)에 의해 노출된 도전성 부재(131) 및 기판(102)에 접한다. 접착제(171)는 솔더 또는 은(Ag) 페이스트(paste)와 같은 도전성 페이스트일 수 있다. 접착제(171)는 제2 리드전극(140)을 제2 전원단자(108)에 연결하는 솔더(173)와 동일한 재질일 수 있다. 도 4에 도시된 것과 같이 기판(102)의 제1 전원단자(106) 및 제2 전원단자(108) 위에 경화되지 않은 접착제(171) 및 솔더(173)가 위치할 수 있고, 하우징(120)이 가압되어 기판(102)에 부착된다. 접착제(171)는 하우징(120)의 개구부(125)로 유입되어 개구부(125)를 채우며, 제1 리드전극(130)의 몸체부(132) 및 제1 전원단자(106)에 모두 접하며 경화된다.
제1 리드전극(130) 및 제2 리드전극(140)을 통해 하우징(120)의 측면으로 열이 방출된다. 또한, 접착제(171)를 통하여 하우징(120)의 하부로 곧바로 방열될 수 있다. 특히 접착제(171)는 발광소자(150)에 접하는 제1 리드전극(130)의 몸체부(132)와 제1 전원단자(106)를 직접적으로 연결하여 방열통로를 형성하므로 발광장치(100)의 방열효율이 많이 증가되어 발광장치(100)의 발광효율이 향상되고 장기적 신뢰성이 향상된다.
도 6은 도 5에 도시된 발광장치 및 비교예의 발광장치에 대한 열시뮬레이션 그래프이다.
도 5에서 설명된 발광장치(100)와 접착제(171)를 방열통로로 갖지 않는 비교예의 발광장치에 대해 각각 열시뮬레이션을 수행하였다. 열시뮬레이션은 등온영역을 동일한 색으로 보여주고 고온일수록 밝은 색으로 표시해주는 flotherm 8.2.1 장치를 사용하여 수행하였고, 그 결과가 도 6에 나타나 있다.
비교예의 발광장치는 도 2 내지 도 5에서 설명된 발광장치(100)와 다르게 접착제(171)를 방열통로로 사용하지 않고 리드전극이 주요한 열방출 통로가 된다. 도 6a에는 비교예의 발광장치에 대한 열시뮬레이션 결과가 나타나 있고, 도 6b에는 도 5에서 설명된 발광장치(100)에 대한 열시뮬레이션 결과가 나타나 있다. 비교예의 발광장치는 29℃/W의 열저항이 측정되었고, 발광장치(100)는 21℃/W의 열저항이 측정되었다. 따라서 도 5에서 설명된 발광장치(100)의 방열효율이 크게 향상된 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 접착제(171)를 통해 수직 방향으로 방열통로가 더 형성된 것 때문으로 판단된다.
리드전극을 전원단자에 본딩하는 솔더와 같은 접착제(171)를 활용하여 방열통로가 형성되므로 별도의 방열구조를 형성하지 않고도 간편하게 방열효율을 향상시킬 수 있다.
도 7은 본 개시에 따른 발광장치의 다른 예를 나타내는 도면이다. 도 8은 도 7에 도시된 발광장치의 후면을 보여주는 도면이다. 도 9는 도 7에 도시된 발광장치를 II-II' 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 7, 8 및 9를 참조하면, 발광장치(300)는 지지 부재(301), 하우징(320), 발광소자(350), 도전성 부재(331) 및 접착제(371)를 포함한다. 발광장치(300)는 하우징(320) 및 도전성 부재(331)의 형상과, 발광소자(350)의 개수를 제외하고는 도 2 내지 도 6에서 설명된 발광장치(100)와 실질적으로 동일하다. 따라서 중복된 설명은 생략한다.
하우징(320)은 대략 정사각 형상을 갖는다. 하우징(320)에는, 도 8 및 9에 도시된 것과 같이, 제2 면으로부터 제1 면까지 관통하는 개구부(325)가 형성되어 있다. 하우징(320)은 개구부(325)가 제1 전원단자(306)에 대응하도록 배치된다.
도전성 부재(331)는 하우징(320)에 결합되며 발광소자(350)에 구동전류를 인가한다. 도전성 부재(331)는 제1 리드전극(330) 및 제2 리드전극(340)을 포함한다. 제1 리드전극(330)은 몸체부(332) 및 전원입력부(334)를 포함한다. 몸체부(332)는 하우징(320)의 제1 면에 배치되어 발광소자(350)를 지지한다. 몸체부(332)는 개구부(325)를 커버하며, 도 8 및 9에 도시된 것과 같이, 개구부(325)에 의해 하우징(320)의 제2 면으로 노출되어 있다. 전원입력부(334)는 몸체부(332)의 제1 에지로부터 연장되어 하우징(320)의 측면으로 돌출된다. 전원입력부(334)는 하우징(320)의 측면 및 제2 면을 따라 개구부(325)의 내측면까지 연장되어 있다.
도 10은 도 7에 도시된 발광장치를 III-III' 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 7, 8 및 10을 참조하면, 제1 리드전극(330)은 가이드부들(336, 338)을 더 포함한다. 가이드부들(336, 338)은 몸체부(332)의 제1 에지에 연결된 제2 에지 및 제3 에지로부터 각각 연장되어 하우징(320)의 측면으로 돌출된다. 가이드부들(336, 338)은, 도 8 및 10에 도시된 것과 같이, 하우징(320)의 측면 및 제2 면을 따라 개구부(325)의 내측면까지 연장되어 있다. 개구부(325)의 내측면에 위치한 전원입력부(334) 및 가이드부들(336, 338)은 도전성 페이스트와 잘 접합되는 금속이므로 접착제(371)가 개구부(325)에 용이하게 유입되도록 가이드한다.
발광소자(350)는 제1 리드전극(330)의 몸체부(332) 위에 1개가 배치되어 있고, 필요에 따라 복수개가 배치될 수도 있다. 발광소자(350)의 전극들은 와이어에 의해 제1 리드전극(330) 및 제2 리드전극(340)과 전기적으로 연결되어 있다.
접착제(371, 373)는 은페이스트(Ag paste)일 수 있으며, 제1 전원단자(306) 및 제2 전원단자(308) 위에 프린팅될 수 있다. 예를 들어, 접착제(371, 373)가 가열되어 경화되지 않은 상태에서 하우징(320)이 기판(302) 위에 실장된다. 이에 따라 접착제(371)는 개구부(325)의 내측면에 위치한 금속재질의 전원입력부(334) 및 가이드부들(336, 338)에 의해 가이드되어 용이하게 개구부(325)로 유입되며, 제1 리드전극(330)과 제1 전원단자(306)를 전기적으로 연결한다. 접착제(373)에 의해 제2 리드전극(340)과 제2 전원단자(308)가 연결된다.
따라서 발광소자(350)를 지지하는 제1 리드전극(330)의 몸체부(332)-접착제(371)-제1 전원단자(306)에 의해 수직방향의 방열통로가 형성된다. 또한, 전원입력부(334) 및 가이드부들(336, 338)은 접착제(371)와 함께 측면방향으로 확산되는 방열통로를 제공한다. 따라서 발광장치(300)의 방열효율이 크게 향상된다. 기판(302)은 다층기판일 수 있으며, 내부에 방열을 위한 열확산 구조를 가질 수 있다. 제1 전원단자(306) 및 제2 전원단자(308)는 이러한 열확산 구조에 열을 신속하게 전달할 수 있다.
이하, 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 도 2 내지 도 10에서 설명된 발광장치에서 발광소자를 지지하는 리드전극은 하우징에 형성된 개구부에 의해 노출되었다. 이와 다르게, 개구부의 형상이 아니라 하우징의 하부를 일부 제거하여 발광소자를 지지하는 리드전극의 하면이 노출되게 할 수 있다. 노출된 리드전극과 기판 사이에 접착제를 배치하여 방열통로를 형성할 수 있다.
(2) 접착제는 도전성 페이스트인 것이 바람직하지만, 접착성을 갖는지 여부에 관계없이 열전달 특성이 우수한 재질로 이루어질 수 있다.
본 개시에 따른 발광장치에 의하면, 방열에 방해가 되는 하우징의 일부를 삭제하고 방열효율이 좋은 접착제를 수직방향 방열통로로 사용하여 발광장치의 방열효율이 크게 향상되며, 발광효율 및 신뢰성이 향상된다.
또한, 리드전극을 본딩하는 도전성 페이스트를 이용하여 발광소자에 접하는 리드전극과 기판을 직접적으로 연결하므로 별도의 부재의 추가 없이 발광장치의 방열효율이 향상된다.
100 : 발광장치 101 : 지지 부재
102 : 기판 120 : 하우징
125 : 개구부 130 : 제1 리드전극
131 : 도전성 부재 140 : 제2 리드전극
150 : 발광소자 171 : 접착제

Claims (10)

  1. 지지 부재;
    제1 면과, 지지 부재와 마주보는 제2 면을 포함하는 하우징;
    제1 면측에 위치한 발광소자;
    하우징에 결합되어 발광소자를 지지하는 도전성 부재;로서, 발광소자를 지지하는 부분의 하면이 지지 부재측으로 노출된 도전성 부재; 그리고
    발광소자를 지지하는 부분의 하면 및 지지 부재에 접하는 접착제;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    하우징에는 발광소자에 인접하여 제2면으로부터 제1 면까지 관통하는 개구부가 형성되어 있고, 도전성 부재는 발광소자와 제1 면의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    접착제는 개구부에 삽입되어 도전성 부재 및 지지 부재에 접하는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    접착제는 솔더 페이스트(solder paste)를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    도전성 부재는
    발광소자를 지지하며 제1 면측에서 개구부를 덮는 제1 리드전극; 그리고
    제1 리드전극의 인근에 위치한 제2 리드전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    제1 리드전극은
    발광소자를 지지하며 접착제에 접하는 몸체부; 그리고
    몸체부로부터 연장되어 하우징의 외부로 노출된 전원입력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    제1 리드전극은
    몸체부로부터 연장되어 하우징의 외측면 및 제2 면을 따라 개구부의 내측면까지 연장되어 개구부에 삽입된 접착제에 접하는 가이드부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    전원입력부는 몸체부의 제1 에지로부터 연장되며, 가이드부는 제1 에지 또는 제1 에지에 연결된 제2 에지로부터 적어도 하나가 연장된 것을 특징으로 하는 발광장치.
  9. 청구항 6에 있어서,
    지지 부재는
    기판; 그리고
    기판에 형성되며, 도전성 페이스트(paste)에 의해 각각 제1 리드전극의 전원입력부 및 제2 리드전극에 연결된 제1 전원단자 및 제2 전원단자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치.
  10. 청구항 6에 있어서,
    전원입력부는 하우징의 외측면 및 제2 면을 따라 개구부의 내측면까지 연장되어 개구부에 삽입된 접착제에 접하며, 지지 부재는 전원입력부 및 접착제 중 적어도 하나에 접하는 제1 전원단자; 그리고 제2 리드전극과 전기적으로 연결된 제2 전원단자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치.

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