KR101662857B1 - 발광모듈 - Google Patents

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스테픈 브로크
레이너 휴버
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오스람 옵토 세미컨덕터스 게엠베하
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Abstract

본 발명에 따른 발광모듈(1)은 다수의 복사 방출 반도체 소자(2), 상기 복사 방출 반도체 소자(2)가 그 위에 배치된 하나의 연결 지지부(3) 및 하나의 냉각체(6)를 포함하며, 상기 냉각체(6)는 그 전측 표면에서 상기 연결 지지부(3)와 연결되고 하나의 기본 몸체(4) 및 하나의 수단(5)을 가지며, 상기 수단(5)은 상기 냉각체(6)의 열 저항을 국부적으로 변동시킬 수 있도록 설치되며, 이때 상기 냉각체(6)의 평균 열 저항이 발광모듈(1)의 주 연장 방향을 따라 감소하는 것을 특징으로 한다.

Description

발광모듈{LIGHTING MODULE}
대면적 백라이트- 또는 조명 응용 분야에 적합한 발광모듈이 기술된다.
본 특허출원은 독일 특허출원 DE102008054233.4를 기초로한 우선권을 주장하며, 그 공개 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
광을 이용한 광고에서와 같은 대면적 백라이트 응용물에는 예컨대 사진 및 사진을 조사하기 위한 백라이트 장치가 설치된 광고판들이 사용된다. LED에 의한 백라이팅이 이루어질 경우 상이한 LEDs에 대하여 상이한 값의 접합 온도(junction temperature)가 발생할 수 있다. 광고판은 통상적으로 수직으로 설치된다. 이를 통해 LEDs는 광고판 하부 영역에서 열을 상부로 방출할 수 있다. 이는 광고판 하부 영역에 위치한 LED에 비해 중간 및 상부 영역에서의 LED가 더 높은 온도에 노출되는 결과를 초래하여, 이러한 LED들의 접합 온도가 증가한다. 그러나 LED의 상이한 접합 온도는 사용시 상이한 명도를 발생시키고 색좌표 이동을 유발한다. 이는 장시간 사용시 추가로 LED의 상이한 시효 거동을 야기할 수 있으며, 이러한 점은 다시 색좌표 이동 및 명도 변화에서 나타난다.
본 발명의 해결하려는 과제는 일정한 색- 및 명도 특성을 갖는 발광모듈을 제공하는 것이다.
상기 목적은 제 1 항에 따른 발광모듈에 의해 달성된다.
발광모듈의 바람직한 실시예 및 개선예는 종속 청구항에 제시된다.
바람직한 일 실시예에 따르면 발광모듈은 다수의 복사 방출 반도체 소자, 상기 복사 방출 반도체 소자가 그 위에 배치된 연결 지지부 그리고 냉각체를 가지며, 상기 냉각체는 그 전측 표면에서 연결 지지부와 연결되고, 기본 몸체 및 냉각체의 열 저항을 국부적으로 변동시키도록 설계된 수단(mean)을 포함하고, 이때 상기 냉각체의 평균 열 저항은 발광모듈의 주 연장 방향을 따라 감소한다.
평균 열 저항은 열 흐름(단위 시간당 열 또는 열 출력)이 냉각체를 통과할 때 발광모듈의 주 연장 방향을 따라 평균적으로 발생하는 온도차를 나타내는 척도이다. 발광모듈의 발광 표면은 하부 영역, 중간 영역 및 상부 영역으로 분할될 수 있다. 각각의 영역에 평균 열 저항이 할당될 수 있다. 바람직하게, 평균 열 저항은 중간 영역 또는 상부 영역에서보다 하부 영역에서 더 높다.
다시 말해서 발광모듈은 하기와 같이 기술될 수 있다: 발광모듈은 하나의 기본 몸체 및 하나의 수단을 포함하는 냉각체를 포함한다. 수단은 예컨대 기본 몸체의 열 저항과 다른 열 저항을 갖는다. 이러한 방식으로 냉각체는 수단의 영역 내에서 기본 몸체의 영역에서와 다른 열 저항을 갖는다. 또한, 수단은 냉각체가 균일한 열 저항 - 예컨대 기본 몸체의 열 저항 - 을 갖는 것이 아니라 열 저항이 국부적으로 변동되도록 하는 역할일 수 있다. 특히 수단에 의해 냉각체의 열 저항은, 냉각체가 국부적으로 기본 몸체의 열 저항을 가지며 그 외의 위치에서는 냉각체의 열 저항이 기본 몸체의 열 저항과 차이가 나도록 조절될 수 있다. 예컨대 수단의 영역에서 냉각체의 열 저항은 기본 몸체의 열 저항보다 더 크거나 더 작다. 따라서 수단에 의해 예컨대, 평균 열 저항이 발광모듈의 주 연장 방향을 따라 변동되는, 예컨대 감소하는 냉각체가 구현될 수 있다.
바람직하게는, 발광모듈은 평면 형태를 가지는데, 즉 발광모듈의 깊이는 발광모듈의 발광 표면의 길이 및 폭보다 작다. 이 경우 발광모듈은 두 개의 주 연장 방향을 갖는다: 제1주 연장 방향은 발광모듈의 길이 측에 대해 평행하게 진행하고, 제2주 연장 방향은 발광모듈의 폭 측에 대해 평행하게 진행한다. 본 발명에 관련된 주 연장 방향은 특히 발광모듈이 수직으로 설치될 때 중력과 반대 방향을 가리키는 방향이다. 따라서 주 연장 방향은 하부 영역으로부터 상부 영역으로 향한다.
이미 전술한 바와 같이, 복사 방출 반도체 소자는 발광모듈이 수직으로 세워질 때 종래방식에 따라 발광모듈의 하부 영역에서보다 중간 영역 및 상부 영역에서 더 높은 온도에 노출된다. 바람직하게, 본 발명에 따른 발광모듈에서는 하부 영역과 그 외 나머지 영역들 간의 온도차가 감소할 수 있다. 특히 중력과 반대방향으로 향하는 주 연장 방향을 따라 평균 열 저항이 감소함으로써, 중간 영역 및 상부 영역에서보다 하부 영역에서 더 약한 열 전도가 나타난다. 따라서 하부 영역에서의 온도가 상승하고 하부 영역과 그 외 나머지 영역들 간의 온도차가 감소한다. 이는 또한 발광모듈의 개선된 색좌표- 및 명도 특성 그리고 발광모듈의 지속성을 야기한다.
복사 방출 반도체 소자는 하우징으로 커버되지 않은 반도체칩 또는 하우징 내에 배치된 반도체칩을 갖는 콤팩트한 소자일 수 있다. 바람직하게, 반도체칩은 박막-기술로 제조된다.
박막-발광다이오드-칩은 특히 하기 특징 중 하나 이상의 특징을 갖는다:
- 지지부재 쪽으로 향해 있는 복사 생성 에피택셜층 시퀀스의 제1주 표면에 반사할 층이 제공되거나 형성되며, 상기 반사할 층은 에피택셜층 시퀀스 내에서 생성된 전자기 복사의 적어도 일부를 그 내부로 역반사시키며;
- 상기 에피택셜층 시퀀스는 20㎛ 이하, 특히 10㎛의 두께를 가지며; 및
- 상기 에피택셜층 시퀀스는 인터믹싱 구조(intermixing structure)를 갖는 하나 이상의 평면을 갖는 하나 이상의 반도체층을 포함하며, 상기 반도체층은 이상적인 경우에 에피택셜한 에피택셜층 시퀀스 내에서 대략 에르고드적(ergodic) 광 분포를 야기하며, 다시 말해 상기 반도체층은 가능한 에르고딕 확률적(ergodic stochastic) 산란 특성을 갖는다.
박막층-발광다이오드칩의 기본 원리는 예컨대 I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63(16), 1993. 10. 18, 2174-2176에 기술되어 있으며, 그 공개 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다.
박막-발광다이오드-칩은 렘버시안 표면 방출기(lambertian surface emitter)에 아주 근접하다.
백라이트 응용 분야에서는 자주 백색광이 선호된다. 백색광의 생성은 한편으로는 이미 백색광을 방출하는 반도체 소자를 사용함으로써 구현될 수 있다. 다른 한편으로는 혼합되면 백색광이 되는 상이한 색상의 광을 방출하는 반도체 소자들이 사용될 수 있다. 예컨대 적색, 녹색 및 청색을 발광하는 반도체 소자들이 사용될 수 있으며, 이 반도체 소자들의 광이 혼합된다. 이 경우 발광모듈 내 균등한 온도(balanced temperature)가 특히 중요하다. 높은 온도에서 적색을 발광하는 반도체 소자의 명도가 녹색 및 청색을 발광하는 반도체 소자에서보다 더 크게 낮아진다. 따라서 상이한 온도에서 상이한 백색점(white point)이 예상될 수 있다. 본 발명에 따른 발광모듈에서 이와 같은 문제가 성공적으로 방지될 수 있다.
발광모듈의 한 바람직한 실시예에서 복사 방출 반도체 소자가 위에 배치된 연결 지지부는 인쇄회로기판이다. 바람직한 인쇄회로기판은 금속코어기판(소위 MCPCBs) 또는 지지부이며, 상기 금속코어기판은 수지(resin)로 이루어진 라미네이트 및 유리섬유직물(소위 FR4)을 포함하고 개선된 열 전도를 위해 열적 비아(thermal vias), 바람직하게는 금속 관통홀(through-hole)을 갖는다. 반도체 소자로부터 멀리 떨어져 있는 표면에 연결 지지부가 열계면 물질(thermal interface material)(소위 TIM)을 가질 수 있으며, 상기 열계면 물질은 연결 지지부와 냉각체 간의 열 접촉을 개선시킨다.
바람직하게, 복사 방출 반도체 소자는 연결 지지부 상에서 균일하게 분포된다. 이는 단위 면적당 복사 방출 반도체 소자의 개수가 일정하다는 것을 의미한다.
특히, 반도체 소자는 연결 지지부와 전기적으로 연결되는 것이 바람직하다.
냉각체의 기본 몸체는 균일한 열 저항을 가질 수 있다. 발광모듈의 한 바람직한 변형예에 따르면 냉각체의 기본 몸체는 하나의 금속을 포함하거나 하나의 금속으로 이루어질 수 있다. 예컨대 기본 몸체는 알루미늄판으로 형성될 수 있다.
한 바람직한 실시예에 따르면 수단은 냉각체 내에서 불균일하게 분포된다. 이는 수단을 포함하는 부재들의 단위 면적당 개수가 변동된다는 것을 의미한다.
각 수단에 따라 단위 면적당 부재들의 개수는 주 연장 방향을 따라 감소하거나 증가할 수 있다. 단위 면적당 부재들의 개수가 증가하거나 감소함으로써 바람직하게는 냉각체의 열 저항이 주 연장 방향을 따라 감소할 수 있다.
바람직하게, 단위 면적은 영역의 크기에 상응한다. 부재의 개수가 주 연장 방향을 따라 증가하는지 아니면 감소하는지의 여부는 특히 중간 영역 또는 상부 영역에서의 부재들의 개수와 하부 영역에서의 부재의 개수를 비교함으로써 알 수 있다.
바람직한 일 실시예에서 수단은 하나 이상의 단열 부재를 포함하며, 상기 단열 부재는 냉각체의 기본 몸체보다 큰 열 저항을 갖는다. 바람직하게, 단열 부재 또는 단열 부재들은 부재 또는 부재들 영역에서의 열 흐름의 통과가 다른 영역들에 비해 어려워지도록 기본 몸체 위 또는 기본 몸체 내에 배치된다. 이를 통해 부재 또는 부재들의 영역 내 냉각체의 열 저항이 국부적으로 증가한다.
바람직한 일 개선예에 따르면 단열 부재의 단위 면적당 개수가 주 연장 방향을 따라 감소한다. 이를 통해 냉각체의 평균 열 저항이 주 연장 방향을 따라 감소한다.
한 바람직한 실시예에서 발광모듈은 냉각체의 후측 표면 또는 하나 이상의 측면에서 다수의 단열 부재를 가지며, 상기 단열 부재의 단위 면적당 개수는 주 연장 방향을 따라 감소한다. 예컨대 다수의 단열 부재가 단 하나의 측면에 배치될 수 있으며, 그 외 다른 측면에는 단열 부재가 존재하지 않는다. 바람직하게, 단열 부재는 발광모듈이 수직으로 설치될 때 발광모듈의 하부 영역에 배치된다.
또한, 하나 이상의 측면에 각각 하나 이상의 단열 부재가 배치될 수 있다. 단열 부재는 바람직하게 측면 또는 후측 표면에서 발광모듈이 수직으로 설치될 때 발광모듈의 하부 영역에 배치되도록 제공된다.
하나 이상의 단열 부재는 바람직하게 플라스틱 물질로 형성된다.
그러나 하나 이상의 단열 부재가 또한 냉각체의 기본 몸체 내 리세스일 수 있으며, 상기 리세스는 기본 몸체보다 높은 열 저항을 갖는 재료로 채워진다. 특히 상기 리세스는 냉각체의 전측 표면에서부터 후측 표면까지 연장된다. 바람직하게, 상기 리세스는 공기(air)로 채워진다. 이러한 방식의 냉각체를 제조하기 위한 간단한 방법은 금속판, 바람직하게 알루미늄판 내에 하나 이상의 리세스를 펀칭(punching)하는 것이다.
바람직하게, 냉각체는 다수의 리세스를 포함하며, 상기 리세스는 복사 방출 반도체 소자에 의해 커버되지 않는 영역들에 배치된다. 따라서 리세스는 반도체 소자들 사이에 배치된다. 반도체 소자들은 기본 몸체 위에 배치된다. 이를 통해 공정 열(process heat)이 기본 몸체에 의해 반도체 소자로부터 잘 방출될 수 있다.
하나 이상의 단열 부재에 대해 추가로 또는 대안으로서 수단이 하나 이상의 열전도 부재를 포함할 수 있으며, 상기 열전도 부재는 기본 몸체의 열 저항보다 작거나 동일한 크기의 열 저항을 갖는다. 바람직하게, 열전도 부재 또는 열전도 부재들은 부재 또는 부재들 영역에서의 열 흐름의 통과가 냉각체의 다른 영역들에 비해 쉬워지도록 기본 몸체 위 또는 기본 몸체 내에 배치된다. 이를 통해 냉각체의 열 저항이 부재 또는 부재들 영역 내에서 국부적으로 감소할 수 있다.
한 바람직한 실시예에 따르면 열전도 부재의 단위 면적당 개수가 주 연장 방향을 따라 증가한다. 이를 통해 냉각체의 평균 열 저항이 주 연장 방향을 따라 감소한다.
하나 이상의 열전도 부재가 냉각체의 전측 표면, 후측 표면 또는 하나 이상의 측면에 배치될 수 있다.
예컨대 냉각체는 연결 지지부 위로 측면으로 돌출할 수 있으므로, 열전도 부재는 냉각체의 돌출 영역에서 그 전측 표면에 배치될 수 있다. 이와 같은 형성은 특히 열전도 부재와 복사 방출 반도체 소자를 둘러싸는 열전도 프레임과의 연결을 위해 적합하다. 이러한 방식의 프레임은 예컨대 광고판에서 제공될 수 있으며, 사진을 둘러쌀 수 있다. 바람직하게, 이러한 실시예에서 프레임에 의해 발광모듈로부터 열이 방출될 수 있다. 특히 열전도 부재는 발광모듈이 수직으로 설치될 때 발광모듈의 중간 영역 내지 상부 영역에 제공되도록 배치된다.
또한, 하나 이상의 열전도 부재가 냉각체의 후측 표면에 배치될 수 있다. 또한, 하나 이상의 열전도 부재가 단지 냉각체의 한 측면 또는 다수의 측면에 배치될 수 있다. 이 경우에도 하나 이상의 열전도 부재가 특히 발광모듈이 수직으로 설치될 때 발광모듈의 중간 영역 내지 하부 영역에 제공되도록 배치된다.
발광모듈의 바람직한 일 실시예에서 하나 이상의 열전도 부재는 하나의 금속을 포함하거나 하나의 금속으로 이루어진다. 바람직하게, 열전도 부재는 구조화된 표면을 갖는다. 예컨대 그 표면은 냉각핀(cooling fin)의 형태로 구조화될 수 있어서, 공기와 같은 냉각 유체가 상기 냉각핀의 사이 영역(interspace)을 통해 흐를 수 있다.
바람직한 일 개선예에 따르면 수단은 적어도 부분적으로 고정 수단이다. 예컨대 발광모듈이 하나 이상의 단열 부재를 가질 수 있으며, 상기 단열 부재는 고정 부재로서 사용된다. 이에 대해 추가로 또는 대안으로서 발광모듈이 하나 이상의 열전도 부재를 가질 수 있으며, 상기 열전도 부재는 고정 부재로서 사용된다.
발광모듈은 백라이트- 또는 조명 응용 분야에서 발광 유닛 내 광원으로서 사용될 수 있다. 특히 발광 유닛은 하우징을 가지며, 상기 하우징 내에 발광모듈이 배치된다. 바람직하게, 이 경우 냉각체의 수단이 적어도 부분적으로 고정 수단이므로, 발광모듈은 간단한 방식으로 하우징에 고정될 수 있다.
발광 유닛의 한 바람직한 실시예에 따르면 하우징의 적어도 일부가 열적으로 전도되도록 형성되는데, 다시 말해 하우징의 일부가 냉각체의 기본 몸체의 열 저항보다 작거나 동일한 크기의 열 저항을 갖는 재료를 포함한다. 예컨대 하우징의 열 전도 부분은 발광모듈을 둘러싸는 금속 프레임이다.
바람직하게, 냉각체는 하우징의 열 전도 부분과 열적으로 연결된다. 이는 바람직하게 냉각모듈의 냉각을 용이하게 한다.
발광 유닛의 한 바람직한 실시예에서 냉각체와 하우징의 열 전도 부분 간의 열적 결합이 적어도 부분적으로 냉각체의 수단에 의해 제조된다.
두 가지 측면의 용도로 사용되기 위해 발광 유닛은 두 개의 발광모듈을 가질 수 있으며, 상기 발광모듈의 냉각체는 서로 마주보고 있다.
바람직한 일 실시예에 따르면 연결 지지부는 일체형으로 형성되지 않고 다수의 부분 지지부로 형성된다. 예컨대 반도체 소자가 다수의 열에 배치될 때 한 열에 있는 반도체 소자가 각각 공통의 부분 지지부에 배치될 수 있다.
추가적인 장점 및 바람직한 실시예가 도 1 내지 도 15와 관련하여 하기 설명에서 나타난다. 즉:
도 1은 본 발명에 따른 발광모듈의 제1실시예의 사시도이고 도 2는 도 1에 도시된 발광모듈에 대한 온도 도표이며,
도 3은 종래기술에 따른 발광모듈의 사시도이고 도 4는 도 3에 도시된 발광모듈에 대한 온도 도표이며,
도 5 내지 도 8은 상이한 발광다이오드의 온도 거동(temperature behaviour)을 나타내는 선도표이고,
도 9는 본 발명에 따른 발광모듈의 제2실시예의 사시도이며,
도 10은 본 발명에 따른 발광모듈의 제3실시예의 사시도이고,
도 11A 내지 도 11C는 본 발명에 따른 발광모듈의 제4실시예의 사시도이며,
도 12는 본 발명에 따른 발광모듈의 제5실시예의 사시도이고,
도 13은 본 발명에 따른 발광모듈의 제6실시예의 사시도이며,
도 14는 본 발명에 따른 발광모듈의 제7실시예의 사시도이며,
도 15는 한 광고판의 사시도이다.
실시예와 도면에서 동일하거나 동일한 기능을 갖는 요소는 동일한 도면부호를 갖는다.
도 1에 도시된 발광모듈(1)은 다수의 복사 방출 반도체 소자(2)를 가지며, 상기 복사 방출 반도체 소자(2)는 연결 지지부(3) 위에 배치된다. 발광모듈(1)은 평면 형태를 가지는데, 다시 말해 발광모듈(1)의 깊이가 발광모듈(1)의 발광표면의 길이 및 폭보다 작다. 발광모듈(1)의 양측 주 연장 방향은 x-방향 및 y-방향에 대해 평행하게 진행한다(도 2 참조). 발광모듈(1)을 수직으로 설치할 경우, 평균 열 저항을 정하기 위해서는 중력(g)과 반대방향으로 작용하는 주 연장 방향이 결정적인 역할을 한다(도 2 참조).
연결 지지부(3)는 인쇄회로기판, 예컨대 금속 코어 기판이거나 열적 비아를 갖는 FR4 기반 지지부이다. 연결 지지부(3)의 윤곽은 직사각형이다.
복사 방출 반도체 소자(2)는 연결 지지부(3) 상에서 균일하게 분포되며 2차원 격자의 격자점(grid point)에 배치된다.
연결 지지부(3)는 냉각체(6) 위에 배치된다. 특히 연결 지지부(3)의 후측 표면 및 냉각체(6)의 전측 표면이 접촉한다. 연결 지지부(3)의 후측 표면에 연결 지지부(3)와 냉각체(6) 간의 열 접촉을 개선하기 위해 열계면 물질이 제공될 수 있다.
냉각체(6)는 하나의 기본 몸체(4) 및 하나의 수단(5)를 가지며, 상기 수단(5)는 냉각체(6)의 열 저항을 국부적으로 변동시키기 위해 설치된다. 기본 몸체(4)는 특히 금속판이며, 상기 금속판은 예컨대 알루미늄을 포함하거나 알루미늄으로 이루어진다. 수단(5)은 두 개의 단열 부재(5a)를 가지며, 상기 단열 부재(5a)는 바람직하게 플라스틱 물질을 포함한다. 두 개의 단열 부재(5a)는 냉각체(6)의 한 측면에서 발광모듈(1)의 하부 영역에 배치된다. 상기 단열 부재(5a)는 기본 몸체(4)에 고정된다. 상기 수단(5)은 발광모듈의 하부 영역에 배치됨으로써 냉각체(6) 내에서 불균일하게 분포된다. 단열 부재(5a)의 개수는 주 연장 방향을 따라 감소한다.
기본 몸체(4)가 발광모듈(1)의 하부 영역에서는 연결 지지부(3)의 크기에 매칭되는 반면, 상기 기본 몸체(4)가 발광모듈(1)의 중간 및 상부 영역에서는 발광모듈 외부로 돌출한다. 따라서 발광모듈(1)의 상부 영역 및 중간 영역에서 기본 몸체(4)의 가장자리가 연결 지지부(3)를 둘러싼다. 바람직하게, 단열 부재(5a)는 기본 몸체(4)의 가장자리를 넘어서지 않으면서 연결 지지부(3) 밖으로 돌출한다. 기본 몸체(4)는 T-형태를 갖는다.
이러한 발광모듈(1)은 발광 유닛(7)(도 2 참조), 예컨대 하우징 프레임(8)을 포함하는 하우징을 갖는(도 2 참조) 광고판에서 바람직하게 사용되며, 상기 하우징 프레임(8)은 복사 방출 반도체 소자(2)를 포함하는 연결 지지부(3)를 둘러싼다. 이 경우 연결 지지부(3)를 둘러싸는 기본 몸체(4)의 가장자리 및 단열 부재(5a)는 하우징 프레임(8) 뒤에 숨겨져 있다.
기본 몸체(4)의 돌출한 가장자리에 의해 발광모듈(1)은 하우징 프레임(8)에 고정될 수 있다. 따라서 이와 동시에 냉각체(6)가 하우징 프레임(8)과 열적으로 접촉한다. 바람직하게, 하우징 프레임(8)은 기본 몸체(4)의 열 저항보다 작거나 동일한 크기의 열 저항을 갖는 물질을 포함한다. 이는 상부 영역 및 중간 영역에서 발광모듈(1)이 잘 냉각될 수 있게 한다.
발광모듈(1)은 하부 영역에서 단열 부재(5a)에 의해 하우징 프레임(8)에 고정될 수 있다. 단열 부재(5a)에 의해 기본 몸체(4)와 하우징 프레임(8) 간의 열 흐름이 감소한다. 이는 단열 부재(5a)가 생략되는 경우에도 그러하다. 이 경우에 하부 영역에서 발광모듈(1)과 하우징 프레임(8) 사이에 단열 공간이 배치된다. 따라서 발광모듈(1)은 기본 몸체(4)의 돌출하는 가장자리에 의해서만 하우징 프레임(8)에 고정되고 상기 하우징 프레임(8)과 열적으로 연결된다.
이러한 발광모듈(1)은 특히 발광 표면이 발광 유닛의 외부 치수보다 작은 발광 유닛을 위해 적합하다.
도 2의 도표는 도 1에 도시된 발광모듈(1)에 대한 열 분포를 나타낸다. 이 도표에서 볼 수 있듯이, 발광모듈(1)의 하부 영역에서 우세한 온도(Tu) 및 발광모듈(1)의 상부 영역에서 우세한 온도(To)가 거의 동일하다. 정확한 값은 Tu=39.3℃ 및 To=39.8℃이다. 발광모듈(1)의 중간 영역에서 우세한 온도(Tm)는 단지 약간 더 높다. 그 값은 Tm=41.3℃이다. 따라서 복사 방출 반도체 소자(2)는 서로에 대해 2℃ 이상 차이가 나지 않는 온도에 노출된다.
이와 달리 도 3에 도시된 바와 같이 열 저항의 국부적 변동을 위한 수단을 포함하지 않는 발광모듈(1)에서 더 큰 온도 변동이 나타난다. 발광모듈(1)은 단지 기본 몸체(4)로만 이루어진 냉각체(6)를 갖는다. 따라서 냉각체(6)는 균일한 열 저항을 갖는다. 냉각체(6)는 연결 지지부(3)의 전체 표면을 커버한다. 이를 통해 복사 방출 반도체 소자(2)는 발광모듈(1)의 하부 영역에서 방해받지 않고 열을 상부로 방출할 수 있다. 이는 발광모듈(1)이 하부 영역에서보다 중간 영역 및 상부 영역에서 더 많이 가열되는 결과를 가져온다. 하부 영역에서의 온도가 Tu=34.8℃인 반면에, 중간 영역에서의 온도는 Tm=39.8℃이고 상부 영역에서의 온도는 To=38.6℃이다. 따라서, 도 3에 도시된 발광모듈(1)에서 복사 방출 반도체 소자(2)는 2℃ 이상, 즉 5℃ 미만으로 차이가 나는 온도에 노출된다. 냉각체(6)의 전체 표면이 하우징 프레임(8)에 연결되기 때문에(도 4 참조), 상부 영역에서의 온도 To=38.6℃는 중간 영역에서의 온도 Tm=39.8℃보다 낮다.
도 1에 도시된 발광모듈(1)의 경우와 같이 냉각체(6)의 평균 열 저항이 주 연장 방향을 따라 감소함으로써 발광모듈(1) 내 온도 변동이 감소할 수도 있다. 이 경우 하부 영역에서의 더 높은 평균 열 저항이 하부 영역에서의 온도 상승을 야기한다. 이를 통해 중간 영역 또는 상부 영역과 하부 영역 간의 온도차가 감소할 수 있다.
도 5 및 도 6의 도표는 발광다이오드의 온도 거동을 나타내며, 상기 발광다이오드는 350mA의 전류로 구동하고 백색광을 방출한다. 청색 및 녹색 발광다이오드는 이에 상응하는 온도 거동을 나타낸다.
도 5의 도표에서 볼 수 있듯이, 25℃에서 1.0의 값을 취하는 상대적 광속(relative luminous flux) ΦV/ΦV(25℃)이 온도(TI)가 증가할 때 하강한다.
또한, 도 6의 도표에서 온도 상승이 색 좌표 이동(△Cx, △Cy)을 야기하는 것을 알 수 있다. 이 경우 TI=25℃일 때 측정된 색 좌표(Cx, Cy)가 기준값으로서 사용되므로, 이 온도에서 색 좌표 이동(△Cx, △Cy)은 동일하게 0이다.
도 7 및 도 8의 도표는 단색 광을 방출하는 발광다이오드의 온도 거동을 나타낸다. 발광다이오드는 400mA의 전류로 구동된다.
도 7의 도표에서 볼 수 있듯이, 25℃에서 1.0의 값을 취하는 상대적 광속 ΦV/ΦV(25℃)이 온도(TI)가 증가할 때 적색 또는 오렌지색으로 발광하는 발광다이오드(곡선 A, B)의 경우보다 황색을 방출하는 발광다이오드(곡선 C)의 경우에 더 크게 하강한다.
도 8의 도표에는 황색으로 발광하는 발광다이오드의 경우에 온도(TI)가 증가할 때 주파장(dominant wavelength)(λdom)의 진행이 도시된다. 이 경우 주파장(λdom)이 온도(TI)가 증가할 때 더 큰 파장으로 이동함을 알 수 있다.
도 5 내지 도 8의 도표는 본 발명의 기저가 되는 문제를 구체적으로 나타낸다. 발광모듈의 상이한 복사 방출 반도체 소자들이 상이한 온도에 강력하게 노출될 경우에는 예컨대 명도, 색 좌표 또는 주파장과 같은 복사 특성이 서로 크게 차이가 날 수 있다. 그러나 충분한 구동 안전성을 보장하기 위해서는 일정한 색- 및 명도 특성을 갖는 발광모듈이 선호된다. 이는 본 발명에 따른 발광모듈에서 발광모듈 내 온도 변동의 감소에 의해 달성될 수 있다.
도 9에 도시된 발광모듈(1)에서 연결 지지부(3)가 기본 몸체(4) 위에 배치되고, 상기 기본 몸체(4)는 연결 지지부(3)와 동일한 크기를 갖는다. 특히 기본 몸체(4)는 일정한 밀도를 갖는 대형 부재이다. 기본 몸체(4)는 하나의 금속을 포함하거나 하나의 금속으로 이루어지며 바람직하게는 하나의 금속판으로 형성된다.
기본 몸체(4)의 측면에 단열 부재(5a)가 배치되고, 상기 단열 부재(5a)는 특히 플라스틱 물질을 포함한다. 발광모듈(1)이 수직으로 설치될 경우에 단열 부재(5a)는 발광모듈(1)의 하부 영역에 배치된다.
이 실시예에서 단열 부재(5a)의 단위 면적당 개수는 주 연장 방향을 따라 감소한다. 평균 열 저항이 단열 부재(5a) 때문에 중간 영역 및 상부 영역에서보다 하부 영역에서 더 높다.
발광모듈(1)이 발광 유닛 내에서 주변의 하우징 프레임과 연결될 경우(도시되지 않음)에, 하우징 프레임은 중간 영역 및 상부 영역에서 기본 몸체(4)와 직접 연결되며, 단열 부재(5a)는 기본 몸체(4)와 하우징 프레임 사이의 하부 영역에 배치된다.
이러한 발광모듈(1)은 특히 하우징 프레임이 발광모듈(1)을 직접 둘러싸므로 발광 표면이 실질적으로 발광 유닛의 전체 크기에 상응하는 형태의 발광 유닛을 위해 적합하다.
도 10에 도시된 발광모듈(1)에서는 연결 지지부(3)가 기본 몸체(4) 위에 배치되고, 상기 기본 몸체(4)는 연결 지지부(3)와 동일한 크기를 갖는다. 특히 기본 몸체(4)는 일정한 밀도를 갖는 대형 부재이다. 기본 몸체(4)는 하나의 금속을 포함하거나 하나의 금속으로 이루어지며, 바람직하게는 하나의 금속판으로 형성된다.
열 저항의 국부적 변동을 위한 냉각체(6)의 수단은 이 실시예에서 발광모듈(1)의 하부 영역 및 상부 영역에 제공된다. 상기 수단은 단열 부재(5a) 및 열전도 부재(5b)를 포함한다. 바람직하게, 단열 부재(5a)는 플라스틱 물질을 포함하며, 열전도 부재(5b)는 금속을 포함한다. 수단은 냉각체(6) 내에서 불균일하게 분포된다. 단열 부재(5a)의 단위 면적당 개수는 주 연장 방향을 따라 감소하고, 열전도 부재(5b)의 단위 면적당 개수는 주 연장 방향을 따라 증가한다. 이를 통해 평균 열 저항이 주 연장 방향으로 감소할 수 있다.
발광모듈(1)은 바람직하게 단열 부재(5a) 및 열전도 부재(5b)를 커버하는 하우징 프레임을 갖는 발광 유닛을 위해 사용된다. 특히 바람직하게, 단열 부재(5a) 및 열전도 부재(5b)는 발광모듈(1)을 하우징 프레임에 고정하기 위한 고정 부재로서 사용된다.
도 11A는 본 발명에 따른 발광모듈(1)의 한 추가 실시예를 나타낸다. 기본 몸체(4)는 연결 지지부(3)와 동일한 크기를 갖는다. 이 경우 기본 몸체(4)는 일정한 밀도를 갖는 대형 부재가 아니다. 오히려 기본 몸체(4)는 리세스(9)를 포함하며, 상기 리세스(9)는 냉각체(4)의 전측 표면으로부터 후측 표면까지 연장된다.
각각의 리세스(9)는 단열 부재(5a)를 나타낸다. 리세스(9)는 기본 몸체(4)보다 높은 열 저항을 갖는 재료로 채워진다. 바람직하게, 리세스(9)는 공기로 채워진다. 냉각체(6)를 제조하기 위해 리세스(9)는 금속판, 바람직하게는 알루미늄판 내부로 펀칭될 수 있다.
도 11B는 복사 방출 반도체 소자(2)가 그 위에 배치된 발광모듈(1)의 연결 지지부(3)를 별도로 도시한 것이다. 복사 방출 반도체 소자(2)는 연결 지지부(3) 상에서 균일하게 분포된다.
도 11C는 발광모듈(1)의 냉각체(6)를 별도로 도시한 것이다. 리세스(9)는 냉각체(6)의 중간 영역 및 상부 영역에서보다 하부 영역에서 더 조밀하게 배치된다. 단열 부재(5a)의 단위 면적당 개수는 주 연장 방향을 따라 감소한다. 단열 부재(5a)의 영역에서 열 저항이 국부적으로 상승한다. 그러나 단열 부재(5a)의 단위 면적당 개수가 주 연장 방향을 따라 감소하기 때문에, 평균 열 저항도 감소한다.
도 11A에서 볼 수 있듯이, 리세스(9)는 복사 방출 반도체 소자(2)에 의해 커버되지 않는 영역 내에 배치된다. 따라서 리세스(9)는 반도체 소자(2) 사이에 배치된다. 반도체 소자(2)는 기본 몸체(4) 위에 배치된다. 공정 열이 기본 몸체(4)에 의해 반도체 소자로부터 잘 방출될 수 있다.
도 12에 도시된 발광모듈(1)은 냉각체(6)의 후측 표면에서 열 저항을 국부적으로 감소시키기 위한 열전도 부재(5b)를 갖는다. 열전도 부재의 단위 면적당 개수는 또한 주 연장 방향을 따라 증가한다. 이를 통해 주 연장 방향을 따라 평균 열 저항의 하강이 달성될 수 있다.
열전도 부재(5b)는 구조화된 표면을 갖는다. 예컨대 열전도 부재(5b)의 표면은 냉각핀의 형태로 구조화될 수 있으므로, 공기와 같은 냉각 유체가 냉각핀의 사이 공간을 통해 흐를 수 있다.
이러한 발광모듈(1)이 발광 유닛 내에서 사용될 경우에 열전도 부재(5b)가 바람직하게 하우징의 열적 전도 부분과 열적으로 접촉한다.
도 13에 도시된 발광모듈(1)에서는 냉각체(6)가 도 12에 도시된 발광모듈(1)과 달리 단지 하나의 열전도 부재(5b)를 갖는 것이 아니라, 후측 표면에서 다수의 열전도 부재(5b)를 갖는다. 열전도 부재(5b)는 발광모듈(1)의 상부 영역에 배치된다. 여기서도 열전도 부재의 단위 면적당 개수가 주 연장 방향을 따라 증가하므로 평균 열 저항은 감소한다.
도 14에 도시된 발광모듈(1)은 다수의 열전도 부재(5b)를 갖는다. 상기 열전도 부재(5b)는 냉각체(6)의 전측 표면에 배치된다. 상기 냉각체(6)의 기본 몸체(4)는 연결 지지부(3)보다 큰 바닥면을 갖는다. 따라서 기본 몸체(4)의 가장자리가 기본 몸체(4) 중심에 배치되는 연결 지지부(3)를 둘러싼다. 기본 몸체(4)의 가장자리 영역에 열전도 부재(5b)가 배치된다. 또한, 열전도 부재(5b)는 발광모듈(1)의 중간 영역 및 상부 영역에 배치된다. 열전도 부재(5b)의 영역에서 냉각체(6)의 평균 열 저항이 감소한다. 열전도 부재(5b)의 단위 면적당 개수가 주 연장 방향을 따라 증가하므로, 평균 열 저항은 주 연장 방향을 따라 감소한다.
이러한 발광모듈(1)이 하우징 프레임을 갖는 발광 유닛(7), 예컨대 광고판에 사용될 경우에는 이러한 발광모듈(1)은 복사 방출 반도체 소자(2)를 갖는 연결 지지부(3)를 프레임 형태로 둘러싸고 이와 동시에 열전도 부재(5b) 및 기본 몸체(4)의 돌출하는 가장자리를 커버한다.
기본 몸체(4)의 돌출하는 가장자리에 의해 발광모듈(1)이 하우징 프레임(8)에 고정될 수 있다. 따라서 이와 동시에 냉각체냉각체징 프레임과 열적으로 접촉한다. 바람직하게, 하우징 프레임은 기본 몸체(4)의 열 저항보다 작거나 동일한 크기의 열 저항을 갖는 재료를 포함한다. 이는 상부 영역 및 중간 영역에서 발광모듈(1)의 우수한 냉각을 가능하게 한다.
열적으로 비임계적인(thermally uncritical) 시스템의 경우에 발광모듈 내 온도 보상(temperature compensation)은 더 높은 온도 및 이에 따른 더 높은 접합 온도를 유발하면서 하부 영역에서 열 저항이 증가함으로써 가장 간단하게 달성될 수 있다는 사실에 주의해야 한다. 한계치의 온도를 갖는 열적으로 임계적인(thermally critical) 시스템의 경우에는 중간 영역 및 상부 영역에서 열 저항이 감소하는 것이 바람직하다.
도 15는 한 광고판(7)의 사시도이다. 상기 광고판(7)은 수직으로 세워져 있다. 광고판의 전체 치수는 1.10m×2m이다.
광고판(7)은 사진(도시되지 않음)을 포함하고, 상기 사진은 하우징 프레임(8)에 의해 둘러싸인다. 사진은 앞서 기술한 발광모듈과 같은 발광모듈에 의해 조사되며, 상기 발광모듈은 영상에서는 보이지 않는다.
본 발명은 실시예에 의한 설명에만 제한되지 않는다. 오히려 본 발명은 각각의 새로운 특징 및 그 특징들의 조합, 특히 특허청구범위에 기술된 특징들의 조합을 포함하며, 비록 이러한 특징 또는 이러한 조합이 그 자체로 명백하게 특허청구범위나 실시예에 기술되지 않더라도 그러하다.

Claims (17)

  1. - 복수의 복사 방출 반도체 소자(2);
    - 상기 복사 방출 반도체 소자(2)가 그 위에 배치된 연결 지지부(3); 및
    - 냉각체(6)를 포함하며, 상기 냉각체(6)는 그 전방측 표면에서 상기 연결 지지부(3)와 결합되고 기본 몸체(4) 및 수단(5)을 가지며, 상기 수단(5)은 상기 냉각체(6)의 열 저항을 국부적으로 변동시키도록 구성되며, 상기 냉각체(6)의 평균 열 저항이 발광모듈(1)의 주 연장 방향을 따라 감소하고,
    상기 수단(5)은 하나 이상의 단열 부재(thermal insulating element; 5a)를 포함하며, 상기 단열 부재(5a)는 상기 냉각체(6)의 기본 몸체(4)보다 큰 열 저항을 갖고, 그리고
    상기 단열 부재(5a)의 단위 면적당 개수가 상기 주 연장 방향을 따라 감소하는 것인 발광모듈(1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복사 방출 반도체 소자(2)는 상기 연결 지지부(3) 상에서 균일하게 분포되는 것인 발광모듈(1).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각체(6)의 기본 몸체(4)가 금속을 포함하거나 금속으로 이루어지는 것인 발광모듈(1).
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수단(5)은 상기 냉각체(6) 내에서 불균일하게 분포되는 것인 발광모듈(1).
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각체(6)의 후방측 표면 또는 하나 이상의 측면에 복수의 단열 부재(5a)를 가지며, 상기 단열 부재(5a)의 단위 면적당 개수가 주 연장 방향을 따라 감소하는 것인 발광모듈(1).
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 단열 부재(5a)는 플라스틱 물질로 형성되는 것인 발광모듈(1).
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 단열 부재(5a)는 상기 냉각체(6)의 기본 몸체(4) 내의 리세스(recess)이며, 상기 리세스는 상기 기본 몸체(4)보다 높은 열 저항을 갖는 재료로 채워지는 것인 발광모듈(1).
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 냉각체(6)가 복수의 리세스(9)를 가지며, 상기 리세스(9)는 상기 복사 방출 반도체 소자(2)에 의해 커버되지 않은 영역에 배치되는 것인 발광모듈(1).
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수단(5)은 하나 이상의 열전도 부재(thermal conductive element; 5b)를 포함하며, 상기 열전도 부재(5b)는 상기 기본 몸체(4)의 열 저항보다 작거나 동일한 크기의 열 저항을 갖는 것인 발광모듈(1).
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 열전도 부재(5b)의 단위 면적당 개수는 상기 주 연장 방향을 따라 증가하는 것인 발광모듈(1).
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 열전도 부재(5b)는 상기 냉각체(6)의 전방측 표면, 후방측 표면 또는 하나 이상의 측면에 배치되는 것인 발광모듈(1).
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 열전도 부재(5b)는 금속을 포함하거나 금속으로 이루어지는 것인 발광모듈(1).
  15. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수단(5)은 적어도 부분적으로 고정 수단인 것인 발광모듈(1).
  16. - 복수의 복사 방출 반도체 소자(2);
    - 상기 복사 방출 반도체 소자(2)가 그 위에 배치된 연결 지지부(3); 및
    - 냉각체(6)를 포함하며, 상기 냉각체(6)는 그 전방측 표면에서 상기 연결 지지부(3)와 결합되고 기본 몸체(4) 및 수단(5)을 가지며, 상기 수단(5)은 상기 냉각체(6)의 열 저항을 국부적으로 변동시키도록 구성되며, 상기 냉각체(6)의 평균 열 저항이 발광모듈(1)의 주 연장 방향을 따라 감소하고,
    상기 수단(5)은 하나 이상의 단열 부재(thermal insulating element; 5a)를 포함하며, 상기 단열 부재(5a)는 상기 냉각체(6)의 기본 몸체(4)보다 큰 열 저항을 갖고, 그리고
    상기 단열 부재(5a)는 플라스틱 물질로 형성되는 것인 발광모듈(1).
  17. - 복수의 복사 방출 반도체 소자(2);
    - 상기 복사 방출 반도체 소자(2)가 그 위에 배치된 연결 지지부(3); 및
    - 냉각체(6)를 포함하며, 상기 냉각체(6)는 그 전방측 표면에서 상기 연결 지지부(3)와 결합되고 기본 몸체(4) 및 수단(5)을 가지며, 상기 수단(5)은 상기 냉각체(6)의 열 저항을 국부적으로 변동시키도록 구성되며, 상기 냉각체(6)의 평균 열 저항이 발광모듈(1)의 주 연장 방향을 따라 감소하고,
    상기 수단(5)은 하나 이상의 단열 부재(thermal insulating element; 5a)를 포함하며, 상기 단열 부재(5a)는 상기 냉각체(6)의 기본 몸체(4)보다 큰 열 저항을 갖고, 그리고
    상기 단열 부재(5a)는 상기 냉각체(6)의 기본 몸체(4) 내의 리세스(recess)이며, 상기 리세스는 상기 기본 몸체(4)보다 높은 열 저항을 갖는 재료로 채워지는 것인 발광모듈(1).
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