KR101618244B1 - 3d 프린팅 방법을 이용한 백색 발광다이오드의 제조방법 및 이로부터 제조된 백색 발광다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3D 프린팅 방법을 이용하여 형광체의 두께 및 색좌표의 균일성을 개선할 수 있는 백색 발광다이오드의 제조방법에 관한 것으로, 형광체와 가시광 영역에서 광투과율이 높은 레진 재료로 이루어진 필라멘트를 이용한 3D 프린팅에 의해 LED 칩 상부의 적어도 일부를 코팅하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 3D 프린팅 방법을 이용하여 형광체의 두께 및 색좌표의 균일성을 개선할 수 있는 백색 발광다이오드의 제조방법 및 이로부터 제조된 백색 발광다이오드에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)는 전기에너지를 광에너지로 변환하는 반도체 소자로서, 에너지 밴드 갭에 따른 특정한 파장의 빛을 내는 화합물 반도체로 구성되며, 광통신 및 모바일 디스플레이, 컴퓨터 모니터 등과 같은 디스플레이, LCD용 평면광원(Back Light Unit)에서부터 조명의 영역까지 그 사용이 확대되고 있는 추세이다.
특히, 조명용 LED 개발은 기존의 LED에 비해 고전류, 고광량 및 균일한 발광특성이 요구되어 새로운 디자인 및 공정 개발이 필요하다.
일반적인 발광소자 패키지와 같이, LED 칩이 실장되는 영역을 컵 구조를 형성하여 그 컵 구조 내에 수지를 충전하는 경우에는, LED 칩으로부터 방출되는 광의 지향각에 따라서 광경로 길이가 달라지게 되며, 따라서 칩 상면에서 방출되는 백색광과 칩 측면에서 방출되는 백색광 사이에 색온도 차이가 발생되는 문제가 있다. 또한, 광경로가 상대적으로 길어지는 경우에는 형광체에 의한 산란으로 인해 광효율도 떨어지는 문제가 있다.
한편 백색 LED는 청색 LED에 형광체를 첨가함으로써 백색광을 구현하게 되며, 형광체는 에폭시나 실리콘과 같이 가시광선 영역에서의 광투과율이 높은 레진(resin)과 함께 페이스트(paste) 형태로 혼합된 후에 청색 LED 칩 위에 도포되는 형태로 첨가된다. 형광체 내부의 전자는 청색 LED에서 발생한 청색광을 흡수한 후에 여기 상태로 여기되었다가 다시 기저 상태로 되돌아오면서 형광체 고유의 특성 파장의 빛을 발생시킨다. 이때 청색 LED에서 발생된 청색광과 형광체에서 발생된 빛이 백색광으로 발생하게 된다.
이와 같이 백색 LED에서 형광체는 핵심 소재로써, 특히 청색 LED에 황색 형광체가 첨가된 2 파장 백색 LED가 현재 널리 상용화되어 있어서 황색 형광체에 대한 기술개발이 활발히 진행되고 있다. 2 파장 백색 LED는 제조 공정이 단순하고 제조 단가가 저렴하지만 발광 효율이 낮고 연색 지수가 떨어지는 단점이 있으며, 이를 보완하기 위하여 황색 형광체를 대신하여 적색/녹색 형광체를 사용하는 3 파장 백색 LED 혹은 그 이상의 색이 혼합된 백색 LED도 개발되고 있다. 최근에는 자외선 LED에 적색/녹색/청색 형광체 혼합물을 첨가하여 백색 LED를 구현하고자 하는 연구도 활발히 진행되고 있다.
한편 기존의 형광체 코팅 기술은 디스펜싱(Dispensing), 스크린 프린팅(Screen printing), 스프레이 코팅(Spray coating), 또는 형광체 프리폼 접착(Preform sheet) 방식 등이 이용되고 있다.
그러나 이러한 종래기술의 형광체 코팅 방식은 형광체 함유의 균일성, 두께의 균일성, 칩 구조에 따른 형광체 도포 방법에 제약이 많으며, 또한 사용 재료에 대한 불필요한 낭비도 많은 문제점이 있다.
공개특허공보 제10-2009-0122210호(공개일자: 2009.11.26)
공개특허공보 제10-2010-0116244호(공개일자: 2010.11.01)
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 개선하여 위한 것으로, 3D 프린팅 방법을 이용하여 형광체의 두께 및 색좌표의 균일성을 개선할 수 있는 백색 발광다이오드의 제조방법 및 이로부터 제조된 백색 발광다이오드를 제공하고자 하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 백색 발광다이오드의 제조방법은 LED 칩 상부의 적어도 일부에 3D 프린팅에 의해 형광체층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 3D 프린팅은 형광체와 가시광 영역에서 광투과율이 높은 레진 재료로 이루어진 필라멘트를 용융하여 LED 칩에 대해 2차원 평면 형태로 성형하여 3차원으로 적층하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
보다 바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 LED 칩 중의 전극이 바깥으로 노출되도록 형광체층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 백색 발광다이오드의 제조방법은, 다양한 발광 구조에 대하여 3D 프린팅 방법을 이용하여 형광체의 두께 및 색좌표의 균일성을 갖는 백색 발광다이오드의 제조방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 3D 프린팅 방법을 이용한 백색 발광다이오드의 제조를 위한 개략적인 구성도,
도 2의 (a)(b) 각각은 본 발명에 따른 3D 프린팅 방법에 의한 플립칩 구조의 백색광원의 단면 및 평면 구조를 보여주는 도면,
도 3의 (a)(b) 각각은 본 발명에 따른 3D 프린팅 방법에 의한 수평형 구조의 백색광원의 단면 및 평면 구조를 보여주는 도면.
도 2의 (a)(b) 각각은 본 발명에 따른 3D 프린팅 방법에 의한 플립칩 구조의 백색광원의 단면 및 평면 구조를 보여주는 도면,
도 3의 (a)(b) 각각은 본 발명에 따른 3D 프린팅 방법에 의한 수평형 구조의 백색광원의 단면 및 평면 구조를 보여주는 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 구성요소의 '상(위) 또는 하(아래)'에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성요소가 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소가 위 두 구성요소 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 '상(위) 또는 하(아래)'로 표현되는 경우 하나의 구성요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명은 LED 칩(100) 상부에 형광체와 레진 재료로 이루어진 필라멘트(210)를 이용한 3D 프린팅에 의해 LED 칩(100)의 적어도 일부를 코팅하여 형광체층(110)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
3D 프린팅은 성형 방식에 따라서 가공물을 2차원의 평면 형태로 성형한 것으로 3차원으로 적층하면서 용융 부착하게 되는 첨가법 또는 고체재료를 절삭하여 형태를 만들어가게 되는 절삭법이 있을 수 있으며, 본 발명에서는 첨가법에 의해 형광체층이 형성된다.
도 1을 참고하면, 본 발명에서 3D 프린팅 시스템은 FFF(Fused Filament Fabrication)(또는 "Fused Deposition Modeling(FDM)"로 지칭됨) 방식의 3D프린팅이 이용될 수 있으며, 구체적으로는, 필라멘트(211)를 공급하는 필라멘트 공급릴(210)과, 필라멘트(211)를 노즐 측으로 밀어주기 위한 압출기(extruder)(220)와, 필라멘트(211)를 사출하는 노즐(230)과, 노즐(230)을 일정 온도로 가열하기 위한 히팅블록(240)을 포함한다.
본 발명에서 필라멘트(211)는 형광체층(110)을 형성하게 되는 형광체와 가시광 영역에서 광투과율이 높은 레진 재료의 혼합 소재가 사용되며, 필라멘트 공급릴(210)에 권취되어 공급이 이루어진다.
압출기(220)는 필라멘트 공급릴(210)에 권취된 필라멘트를 노즐(230) 측으로 공급해주기 위한 것으로써, 마이크로 스테핑 모터에 의해 제공될 수 있다.
노즐(230)과 히팅블록(240)은 하나의 모듈로 구성되며, 히팅블록(240)은 노즐(230)을 일정한 온도로 가열함으로써 노즐(230)로 공급된 필라멘트는 용융되어 사출이 이루어져 LED 칩(100)의 코팅이 이루어질 수 있다.
바람직하게는 노즐(230)과 히팅블록(240)은 3차원이송기구(미도시)에 의해 3차원 공간에서 이동이 가능하여 2차원 평면 형광체층(110)을 순차적으로 적층하여 임의의 3차원 형상의 형광체층(110)을 형성할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 노즐(230)에 단일 필라멘트가 공급되는 것으로 설명하고 있으나, 두 개 이상의 필라멘트가 노즐로 공급되어 용융 혼합되어 사출이 이루어질 수 있으며, 또는 두 개 이상의 노즐에 의해 성형 가공이 이루어질 수도 있을 것이다.
도 2의 (a)(b) 각각은 본 발명에 따른 3D 프린팅 방법에 의한 플립칩 구조의 백색광원의 단면 및 평면 구조를 보여주는 도면으로써, LED 칩(100)이 금속 리드(와이어) 또는 볼 그리드 어레이(BGA)와 같은 중간 매체가 없이 LED 칩(100)이 직접 회로기판에 융착되는 플립칩 구조에서는 LED 칩(100) 전체를 3D 프린팅 방식에 의해 형광체가 균일하고 일정한 두께로 형광체층(110)이 형성될 수 있다.
도 3의 (a)(b) 각각은 본 발명에 따른 3D 프린팅 방법에 의한 수평형 구조의 백색광원의 단면 및 평면 구조를 보여주는 도면으로써, 수직형 구조를 갖는 LED 칩(200)에서는 본딩이 이루어지는 전극(201)(202) 영역을 제외한 나머지 부분에 형광체층(210)이 3D 프린팅 방식에 의해 형광체가 균일하고 일정한 두께로 형광체층(210)이 형성될 수 있다. 형광체층(201)의 형성 공정이 완료된 후에는 바깥으로 노출된 전극에 본딩 공정이 이루어진다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100, 200 : LED 칩 110, 210 : 형광체층
210 : 필라멘트 공급릴 220 : 압출기
230 : 노즐 240 : 히팅블록
210 : 필라멘트 공급릴 220 : 압출기
230 : 노즐 240 : 히팅블록
Claims (4)
- 백색 발광다이오드의 제조방법에 있어서,
LED 칩 상부의 적어도 일부에 3D 프린팅에 의해 형광체층을 형성하되, 상기 3D 프린팅은 형광체와 가시광 영역에서 광투과율이 높은 고체상의 레진 재료로 이루어진 필라멘트를 압출하여 용융시켜 LED 칩에 대해 연속적인 스크로킹에 의해 2차원 평면 형태로 성형하여 3차원으로 적층하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드의 제조방법. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 LED 칩 중의 전극이 바깥으로 노출되도록 형광체층을 형성하는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드의 제조방법.
- 제1항 및 제3항 중의 어느 한 항에 의해 제조된 백색 발광다이오드.
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|---|---|---|---|
| KR1020140193853A KR101618244B1 (ko) | 2014-12-30 | 2014-12-30 | 3d 프린팅 방법을 이용한 백색 발광다이오드의 제조방법 및 이로부터 제조된 백색 발광다이오드 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022100976A1 (de) * | 2020-11-16 | 2022-05-19 | Ams-Osram International Gmbh | Optoelektronisches halbleiterbauteil und dessen verfahren zur herstellung |
| KR20220100543A (ko) * | 2021-01-08 | 2022-07-15 | 한밭대학교 산학협력단 | 3d, 2d 인쇄 방법을 이용한 led 내장형 디지털 사이니지 제조 시스템 및 방법 |
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2014
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| KR102625664B1 (ko) | 2021-01-08 | 2024-01-17 | 국립한밭대학교 산학협력단 | 3d, 2d 인쇄 방법을 이용한 led 내장형 디지털 사이니지 제조 시스템 및 방법 |
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