KR101789126B1 - 대면적 디스플레이용 ｌｅｄ 패키지와 ｌｅｄ 전광 판넬의 구조 및 그 제조 방법 - Google Patents

대면적 디스플레이용 ｌｅｄ 패키지와 ｌｅｄ 전광 판넬의 구조 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원거리에서 불특정 다수의 대중에게 정보 전달 용도로 사용되는 미디어 파사드(Media facade), 전광판, 신호처리 및 전달용 보드(Board), 스마트 유리 판넬(Smart glass panel), 디스플레이 판넬 등에 적용되는 대면적 디스플레이용 LED(Light Emitting Diode) 패키지와 그 전광 판넬(Panel)의 구조 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 해당 판넬에 장착되는 LED 소자인 RGB(Red, Green, Blue) 광원의 안정적이고, 효율적인 개별 구동에 관한 방법과 RGB 소자의 조립 구조 및 소자가 구동하면서 필연적으로 발생하게 되는 주울(Joule)열의 전도 및 복사를 통하여 발산을 원활하게 하는 LED 패키지 방열 구조와 발산되는 LED 광을 효율적으로 반사시켜주는 판넬 구조 및 제작 방법에 관한 것이다.
이를 위해 대면적 평판 구조의 알루미늄(Aluminum)이나 구리(Copper) 또는 유리 판넬 위에 장착되는 각각의 해당 LED는 패키지(Package) 내에 적색, 녹색, 청색 LED 광원이 내장되어 발광하며, 각각의 해당 RGB LED는 함께 내장된 마이콤 칩(One chip microprocessor)의 신호 처리에 의해 동작되고, 해당 LED는 열방출 도모 및 써지(Surge)전압과 정전기에 대한 보호책으로 히트싱크(Heat sink) 역할을 하는 제너 다이오드(zener diode) 상에 조립하였다.
전광판용 디스플레이 판넬은 상기 LED 패키지 하나가 평판 판넬의 화면 구성에 있어 하나의 픽셀(Pixel)로 작용하게 하고, 이러한 LED 패키지를 메트릭스(Matrix) 형태로 판넬 상에 구성하여 전체적으로는 하나의 대면적 화면을 구성하였다. 또한, LED 패키지가 동작 중에 필연적으로 발생하는 열의 원활한 방출을 위하여 소자를 ITO(Indium Tin Oxide), 알루미늄(Al)또는 구리(Cu)나 은(Ag)으로 된 금속 박막과 질화알루미늄(AlN) 또는 산화알루미늄(Al2O3) 등이 얇은 필름(Thin film) 형태로 형성된 유리 기판 위에 도포하였다. 이와 함께 빠른 열전도 및 발산은 물론 발광 시에 수반되는 산란광(Scattering light)의 반사를 위하여 가시광 파장대역(0.4㎛~0.8㎛)에서 높은 반사율을 갖는 황화바륨(BaS), 산화알루미늄(Al2O3), 은(Ag) 등의 반사층(Reflection layer)을 함께 적층(Multilayer)하여 구성하도록 하였으며, 본 발명으로 제작되는 대면적 반사판의 경시 변화에 따른 휨(Bending) 현상을 억제하고자 서로 열팽창계수(Thermal expansion coefficient)가 다른 재질의 기판을 적층하여 합체하는 방식을 취하였다.

Description

대면적 디스플레이용 ＬＥＤ 패키지와 ＬＥＤ 전광 판넬의 구조 및 그 제조 방법{LED package for large size LED display panel and structures of LED electro-optic panel and manufacturing method therefor}
본 발명은 대면적 디스플레이용 LED 패키지와 LED 전광 판넬의 구조 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 써지(surge) 전압 또는 정전기(static electricity) 흡수용 제너 다이오드(Zener Diode)가 내장된 실리콘 마이콤 칩 상에 RGB LED(Red, Green, Blue Light Emitting Diode)가 조립된 구조의 LED와 이를 이용하여 제작되는 대면적 디스플레이(Display)용 전광판을 제작하였으며, 구체적으로 제너 다이오드를 LED 칩의 열방출을 위한 히트싱크(Heat sink)의 역할을 할 수 있게 마이콤 칩과 함께 동일 실리콘 기판 내에 형성하여 외부에서 급작스럽게 유입되어 LED 칩 소자에 인가되는 써지 전압 또는 정전기를 제너 다이오드가 흡수할 수 있게 함은 물론 LED 칩이 동작 중에 발생하는 열을 열전도도가 우수하고, 고온에서 동작 안정성이 좋은 제너 다이오드를 구성하는 실리콘을 통해 그 열을 신속히 외부로 방출시키는 실리콘 칩의 제작 방법 및 LED 패키지의 구조를 제공하며, 이렇게 제작된 LED 패키지 소자를 대면적 디스플레이에 적용할 때 대면적 디스플레이를 구성하는 디스플레이용 기판의 방열 구조 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
LED 패키지는 이와 관련된 선행기술1로써, 특허 등록번호 10-13297030000에서 "반사율을 개선한 방열 히트싱크 부착형 LED 패키지 기판"이 개시되어 있다.
반사율을 개선한 방열 히트싱크 부착형 LED 패키지 기판은 양단부에 형성된 전극과, 상기 전극 사이에 형성된 적어도 하나 이상의 요입부와, 회로패턴을 갖는 기판과; 상기 요입부의 폭방향으로 제공된 적어도 하나 이상의 리드프레임과; 상기 리드프레임의 상부면에 접착되어 있으며 상기 리드프레임와 와이어 본딩된 적어도 하나 이상의 LED 소자와; 상기 리드프레임과 상기 LED 소자를 보호하기 위해 상기 요입부에 충전된 봉지체와; 상부면이 개방되어 있으며 상기 기판을 수용하되 상기 기판의 측면 및 하부면과 접착된 히트싱크로 구성됨으로써, 최적 반사율을 제공함은 물론, 히트싱크를 부착하여 LED 패키지 기판의 최대 방열을 구현할 수 있는 효과를 제공한다.
일반적으로, 대면적 디스플레이용 LED 조립에 사용되는 타원(Oval)형 패키지의 형태는 그 내부에 써지(Surge)전압 또는 정전기(Electro Static Discharge) 흡수용 소자로 반도체 제너 다이오드 칩을 별도로 내장하고, 금선(Au wire)을 이용한 와이어 본딩(Wire bonding) 공정을 통해 LED 소자와 역바이어스(Reverse bias) 형태의 병열로 연결해 외부에서 순간적으로 급격하게 인가되는 고전압를 차단하게 하지만, 가격 경쟁력을 우선시 하는 대부분의 저가형 LED 패키지는 내부의 한정된 공간으로 인한 제약 또는 제조 단가 절감 등의 경쟁력을 이유로 제너 다이오드를 사용하지 않는 경우가 대부분이다.
LED 패키지에서 제너 다이오드를 사용하는 근본적인 이유는 LED 칩 소자가 화합물 반도체라는 근원적인 결정 결함(Crystal defect)의 발생 요소를 갖고 있기 때문이며, 이로 인해 LED 칩 소자 제작 시에 발생하는 누설 전류(Leakage current)에 취약한 원천적인 결함 요소에 대처하고자 함이다. 특히, 자외선이나 청색광 또는 녹색광을 발광하는 갈륨나이트라이드(GaN) 계열의 반도체 소자는 사파이어(Sapphire, α-Al2O3) 기판 위에 갈륨나이트라이드 반도체 층을 형성하고, 적색광을 발광하는 알루미늄갈륨비소(AlGaAs)는 갈륨비소(GaAs) 웨이퍼(wafer)를 사용하여 제작하기 때문에 실리콘(Si)처럼 단일 물질로 이루어진 소자에 비해 반도체의 결정 결함이 훨씬 많이 발생한다. 특히, 사파이어와 갈륨나이트라이드는 물질 간의 격자정수(Lattice constant)가 서로 다르기 때문에 그로 인한 반도체 결정의 결함으로 인해 발생하는 역방향 누설 전류에 대해서는 아직까지도 제너 다이오드의 장착 외에는 뚜렷한 해결 방안이 제시되지 못하고 있으며, 이를 회피할 수 없다는 것은 주지의 사실이다.
또한, 이러한 LED 패키지를 이용하여 제작되는 기존의 대면적 디스플레이용 전광판은 타원형의 RGB LED를 개별적으로 사용하여 구성되는 화소(Pixel)의 크기가 매우 커진다는 문제가 있기에 고해상도의 대면적 디스플레이 구현에 제약이 많은 것 또한 사실이다. 게다가, 이를 대면적의 화상으로 구현하기 위해 수만개 이상의 LED 패키지가 단위 PCB(Printed Circuit Board) 보드 상에 장착되기에 이로 인한 소자의 동작에 따른 발열을 해결하기 위해 팬(Fan)을 이용한 강제 냉각 순환 방식의 방열시스템을 채용하고 있다. 또한, 각각의 소자 구동 및 신호 처리를 위한 콘트롤러(Controller)의 연결 단자와 콘넥터(Connector) 및 케이블(Cable)이 각 PCB의 단위 보드와 연결되어 디스플레이 화면을 구성하는 단위 보드의 크기는 매우 무겁고 크게 제작되어 있다.
일반적으로 LED 조립에 사용되는 패키지는 그 내부에 써지 또는 정전기 흡수 소자로 반도체 제너 다이오드를 내장하며, 이를 LED 소자에 병열로 연결하여 외부에서 순간적으로 급격하게 인가되는 고전압이나 역바이어스(Reverse bias) 전압을 차단하게 하고 있다. 이는 LED 칩 소자가 화합물 반도체라는 근원적인 결정 결함(crystal defect)의 발생 요소로 인해 소자 제작 시에 발생하는 역방향 누설 전류에 취약한 근본적인 결함 요소에 대처하고자 함이다. 특히 자외선광이나 청색광 또는 녹색광을 발광하는 갈륨나이트라이드(GaN) 계열의 반도체 소자는 사파이어(sapphire) 기판 위에 갈륨나이트라이드 반도체 층을 형성하기 때문에 실리콘(Si)은 물론이며, 갈륨비소(GaAs)계열의 소자에 비해 반도체의 결정 결함이 훨씬 많이 발생되며, 이를 회피할 수 없다는 것은 주지의 사실이다.
적색(R), 녹색(G) 또는 청색(B)광을 발광하는 반도체 LED는 소자 제작 시, 갈륨비소, 사파이어 기판 (Sapphire substrate)을 이용하여 반도체 결정을 성장시키고 이를 소자화 하는데, 그 물질의 기본 구성이 갈륨비소는 GaAs, 사파이어는 α-Al2O3로 이루어져 있다. 이러한 기판을 이용한 소자 제작 방법은 적색광을 방출하는 갈륨비소의 경우에는 GaAs 기판 상에 알루미늄 갈륨비소(Aluminum Gallium Arsenide)를 고온에서 유기금속화합물(Metal Organic Compound Materials)을 분산하여 반도체 결정을 성장시키는 방식을 사용하고 있으며, 이와 마찬가지로 청색광이나 녹색광을 발광하는 LED 칩 소자도 사파이어(α-Al2O3)로 이루어진 기판 상에 고온에서 유기금속화합물인 인듐갈륨나이트라이드를 주성분으로 하는 가스(Gas)를 분산하여 반도체 결정을 성장시키는 방식을 사용하고 있다. 하지만, 이렇게 제작된 LED 소자는 갈륨비소와 알루미늄 갈륨비소의 격자정수(lattice constant) 그리고 사파이어와 인듐갈륨나이트라이드의 격자정수가 서로 다르기 때문에 소자 구동 시, 이를 기원으로 유발되는 반도체 결정의 결함으로 인해 발생하는 누설전류(Leakage current)나 역방향 바이어스(Rever Bias)에 대한 내구성에 대하여 아직까지 뚜렷한 해결 방안이 제시되지 못하고 있다. 게다가, LED 칩 소자가 구동 시에 발생하는 열의 원활한 방출이 이루어지지 못할 경우, 이러한 누설전류에 대한 소자의 파괴와 그로 인한 system의 불량 유발이 더욱 급격하게 가속화되는 것 또한 주지의 사실이다.
또한, 기존의 옥내외용에서 사용되는 도 1과 같은 대면적 LED 전광판은 세부적으로는 도 2와 같은 5개의 구조로 이루어져 있는데, 그 하나는 도 2-(a)처럼 대면적 화면 전체를 구성하는 몇 개의 단위 PCB와 그 기판 위에 장착되는 타원(Oval)형 LED 패키지(LED Package)를 탑재하는 구조로 되어 있다. 두 번째로는 도 2-(b)처럼 LED가 탑재된 단위 보드를 거치대(Fixture)에 장착하게 되는데, LED 한 개의 단위 소자가 구동하게 될 때는 그 소비 전력에 따른 주울(Joule)열 발산이 크게 문제되지 않지만, 옥외용 전광판처럼 정형적으로 정해진 공간 내에서 화소(Pixel) 하나하나로 작용하는 수만개 이상의 LED에서 소모되는 전체적인 전력과 소자가 발생시키는 발열량은 무시할 수 없을 만큼 중요한 요소로 대두되기에 각각의 단위 보드에 대해서는 방열을 위한 팬(Fan)을 필수적으로 장착하고, 외부 공기를 강제 순환하는 방식으로 도입하여 대류 작용을 도모하고 있다. 도 2-(c)는 세 번째 구성품으로, 도 2-(b)의 구성 유닛을 여러 개 조합하여 합체한 실제 대면적 디스플레이(Display)용 전광 판넬의 예를 보인 것이며, 이러한 제품이 경기장이나 건축물 또는 이동용 미디어(Media) 판넬로 사용되게 된다. 네 번째인 도 2-(d)는 도 2-(c)를 구성하는 단위 보드의 전원과 신호를 처리하는 콘트롤러(Controller)이며, 마지막으로 도 2-(e)는 전체 디스플레이 판넬의 시스템(system)을 통제하는 제어용 컴퓨터이다.
하지만, 도 2의 예에서처럼 기존의 전광판은 대부분 타원형 LED 채용하고, 그로 인해 소자 구동 중에 발생하는 열발산을 억제하기 위해 PCB 후면 부분에 냉각용 대류의 강제 순환 방식을 구성함으로 인해 그 크기와 무게 등의 면에서 공간적으로 과도한 체적과 하중을 거치대에 부과하게 된다. 따라서, LED 전광판의 안정적인 거치를 위한 거치대의 크기 또한 디자인(Design)적인 측면에서는 매우 부담을 주는 요소로 작용하고 있다.
특허 등록번호 10-13297030000 (등록일자 2013년 11월 08일), "반사율을 개선한 방열 히트싱크 부착형 LED 패키지 기판"
상기한 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 써지(surge) 전압 또는 정전기(static electricity) 흡수용 제너 다이오드(Zener Diode)가 내장된 실리콘 마이콤 칩 상에 RGB LED(Light Emitting Diode)가 조립된 구조의 LED와 이를 이용하여 제작되는 대면적 디스플레이(Display)용 전광판의 구조를 제작하였다. 구체적으로 제너 다이오드를 LED 칩의 열방출을 위한 히트싱크(Heat sink)의 역할을 할 수 있게 마이콤 칩과 함께 동일 실리콘 기판 내에 형성하여 외부에서 급작스럽게 유입되어 각각의 LED 칩 소자에 인가되는 써지 전압 또는 정전기를 제너 다이오드가 흡수할 수 있게 함은 물론 LED 칩이 동작 중에 발생하는 열을 열전도도가 우수하고, 고온에서 동작 안정성이 좋은 제너 다이오드를 구성하는 실리콘을 통해 그 열을 신속히 외부로 방출시키는 실리콘 칩의 제작 방법 및 LED 패키지의 구조에 관한 것이며, 또 하나는 이렇게 제작된 LED 패키지 소자를 대면적 디스플레이에 적용할 때 대면적 디스플레이를 구성하는 디스플레이용 기판의 방열 구조 및 그 제작 방법을 제공하는, 대면적 디스플레이용 LED 패키지와 LED 전광 판넬의 구조 및 그 제조 방법을 제공한다.
이러한 종래 기술의 소자 및 대면적 디스플레이를 대신하여 본 발명에서는 소형 경량화된 LED 패키지의 구조와 그 제작 방법을 제시하였으며, 실제로 이를 제작하여 소자의 발열 및 방열을 정도를 상대 비교하였으며, LED 패키지가 동작 중에 발생하는 열을 전도 또는 복사열로써 원활히 방출하기 위한 방법으로 그래파이트(Graphite)를 비롯한 우수한 전도층을 갖는 디스플레이용 기판의 적층 구조 및 방법을 제안하였고, LED 패키지(LED Package)로부터 방출되는 광을 기판에서의 흡수 손실 없이 외부로 발산하기 위한 반사 물질의 적층 구조 및 제작 방법을 제시하였다.
본 발명의 이러한 제작 기법은 실리콘 웨이퍼(Wafer)를 사용하여 반도체 칩을 제작하는 방법으로 이루어지며, 이 방법을 이용하여 LED 패키지 상에서 마이콤 칩의 제작과 제너 다이오드를 동시에 제작하였다. 또한, LED 칩이 동작 중에 발생시키는 열의 방출 및 그로 인해 방열기판을 구성하는 각 층간 재질의 열팽창 계수 차이에 따른 비틀림(Bending) 현상을 방지하기 위해 본 발명에서는 층 간의 구성요소로 매트릭스(Matrix)구조를 도입하여 기판의 비틀림 현상을 방지하였고, 본 발명은 이러한 기판의 구성 및 소자의 제작 기법을 제공한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, LED 패키지의 구조는, LED 전광판의 대면적 디스플레이에 있어서, 해당 디스플레이에 적용되는 LED 패키지가 적색, 녹색, 청색(Red, Green, Blue) LED 칩을 각각 내장하며, 기존처럼 각각의 적색, 녹색, 청색 LED 칩이 일정 거리 이격되어 마이콤 칩의 측면 설치되는 구조와 달리, 이들 LED 칩이 해당 소자에 신호와 전류를 공급하는 실리콘으로 제작된 마이콤 칩의 상면에 직접 장착되어 조립되며,
하나의 LED 칩은
상기 LED 칩은 마이콤 칩 상에 조립되고, LED 칩의 그 상부에 LED 칩의 n 층과, LED 칩의 p 층을 구비하고,
상기 마이콤 칩 표면에는 LED 칩 + bias, LED 칩 - bias, 마이콤 전원 + 단자, 마이콤 전원 -단자를 구비한다.
다른 실시예에서는, LED 패키지의 구조는 LED 전광판의 대면적 디스플레이에 있어서, 해당 디스플레이에 적용되는 LED 패키지가 적색, 녹색, 청색 LED 칩을 각각 내장하며, 내장된 LED 칩을 써지(Surge)전압 또는 ESD(Electro Static Discharge)로부터 보호하기 위해 실리콘으로 제작된 제너 다이오드 칩의 상면에 직접 장착되어 조립되며,
하나의 LED 칩은
Si 절연층(Silicon Isolation layer)으로 형성된 실리콘 칩(Si die, 실리콘 다이) 내부에 형성된 좌측의 제너 다이오드(제너 다이오드의 P층, 제너 다이오드의 n 층) 상면에 LED 칩(칩 상부에 p 전극, n 전극)을 구비하고, 실리콘 칩 내부에 형성된 우측에는 마이콤 칩이 구비되며,
상기 LED 칩은 그 상부에 LED 칩의 n 층과, LED 칩의 p 층을 구비하고,
실리콘 칩의 내부에 형성된 제너 다이오드는 제너 다이오드의 p 층 및 제너 다이오드의 n 층을 구비하며, 그 하부에 형성된 고농도로 도핑(Doping)된 Si n++ 층을 통하여 외부로 노출되고, 이는 제너 다이오드의 n층 하단부터 우회하여 상면 방향으로 형성된 확산층과 연결된 제너 다이오드 n 전극이 형성되며,
실리콘 칩의 내부에는 제너 다이오드와 마이콤 칩을 분리하기 위해 형성된 실리콘 절연층(Si-Isolation layer)을 구비하고,
상기 마이콤 칩 표면에는 LED 칩 + bias, LED 칩 - bias, 마이콤 전원 + 단자, 마이콤 전원 -단자를 구비하며,
상기 LED 칩을 실리콘으로 제작된 제너 다이오드 칩의 표면에 조립할 때, 인듐(In, Indium)을 사용하거나 Au80Sn20wt%, Au10Sn90wt%, SnBiAg, PbSnAg 또는 PbSn을 포함하는 공정 합금을 프리폼 솔더(Preform solder)을 이용하여 조립하며,
상기 LED 칩을 실리콘으로 제작된 제너 다이오드 칩의 표면에 조립할 때 사용하는 인듐(In, Indium)이나 해당 공정 합금을 반도체 공정에서 사용하는 진공 증착(Vacuum evaporation)법을 이용하여 제너 다이오드의 전극 상에 형성하며 이를 이용하여 LED 칩이 조립된다.
또 다른 실시예에서는, LED 패키지의 구조는 LED 전광판의 대면적 디스플레이에 있어서, 해당 디스플레이에 적용되는 LED 패키지가 적색, 녹색, 청색 LED 칩을 각각 내장하고, 내장된 LED 칩을 써지(Surge)전압 또는 ESD(Electro Static Discharge)로부터 보호하기 위한 제너 다이오드 칩과 이들 LED 칩에 신호와 전류를 공급하는 마이콤 칩이 하나의 실리콘으로 제작된 칩으로 구성되고,
하나의 LED 칩은
Si 절연층(Silicon Isolation layer)으로 형성된 실리콘 칩(Si die, 실리콘 다이) 내부에 형성된 좌측의 제너 다이오드(제너 다이오드의 P층, 제너 다이오드의 n 층) 상면에 LED 칩(칩 상부에 p 전극, n 전극)을 구비하고, 실리콘 칩 내부에 형성된 우측에는 마이콤 칩이 구비되며,
상기 LED 칩은 그 상부에 LED 칩의 n 층과, LED 칩의 p 층을 구비하고,
실리콘 칩의 내부에 형성된 제너 다이오드는 제너 다이오드의 p 층 및 제너 다이오드의 n 층을 구비하며, 그 하부에 형성된 고농도로 도핑(Doping)된 Si n++ 층을 통하여 외부로 노출되고, 이는 제너 다이오드의 n층 하단부터 우회하여 상면 방향으로 형성된 확산층과 연결된 제너 다이오드 n 전극이 형성되며,
실리콘 칩의 내부에는 제너 다이오드와 마이콤 칩을 분리하기 위해 형성된 실리콘 절연층(Si-Isolation layer)을 구비하고,
상기 마이콤 칩 표면에는 LED 칩 + bias, LED 칩 - bias, 마이콤 전원 + 단자, 마이콤 전원 -단자를 구비하며,
상기 내장된 LED 칩을 상기 제너 다이오드 칩과 상기 마이콤 칩이 하나의 실리콘으로 제작된 칩의 표면에서 해당 제너 다이오드 칩의 표면에 직접 조립하며, 측면 둘레에 스페이서를 구비하며 강화 유리로 된 상부 커버를 유리에 의해 하우징 되고,
상기 LED 칩을 실리콘으로 제작된 제너 다이오드 칩의 표면에 조립할 때, 인듐(In, Indium)을 사용하거나 Au80Sn20wt%, Au10Sn90wt%, SnBiAg, PbSnAg 또는 PbSn을 포함하는 공정 합금을 프리폼 솔더(Preform solder)을 이용하여 조립하며,
상기 LED 칩을 실리콘으로 제작된 제너 다이오드 칩의 표면에 조립할 때 사용하는 인듐(In, Indium)이나 해당 공정 합금을 반도체 공정에서 사용하는 진공 증착(Vacuum evaporation)법을 이용하여 제너 다이오드의 전극 상에 형성하며 이를 이용하여 LED 칩이 조립된다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해, 대면적 디스플레이용 LED 기판의 그 구조와 그 제조 방법은, 강화 유리나 알루미늄, 구리, 투명아크릴 또는 PET(Polyethylene terephthalate)를 사용하는 기판 상에 산화베릴륨(BeO)이나 알루미늄나이트라이드(AlN) 또는 산화알루미늄(Al2O3)을 사용하는 점착층을 10~30㎛ 두께로 형성하며, 그 위에 구리(Cu)층 10~20㎛와 매트릭스(Matrix)구조로 이루어진 그래파이트(Graphite)층을 10~20㎛로 각각 형성하며, 순차적으로 니켈(Ni)층 0.5~3㎛과 은(Ag)층 1~5㎛ 그리고 황산바륨(BaSO4)층을 10~20㎛ 두께로 하여 제작된다.
상기 방법은 1) LED 전광판의 대면적 디스플레이에 있어서, 해당 디스플레이에 적용되는 LED 패키지가 적색, 녹색, 청색(Red, Green, Blue) LED 칩을 내장하며, 기존처럼 LED 칩이 일정 거리 이격되어 마이콤 칩의 측면 설치되는 구조와 달리, 이들 LED 칩이 해당 소자에 신호와 전류를 공급하는 실리콘으로 제작된 마이콤 칩의 상면에 직접 장착되어 조립된 LED 패키지의 구조; 2) LED 전광판의 대면적 디스플레이에 있어서, 해당 디스플레이에 적용되는 LED 패키지가 적색, 녹색, 청색 LED 칩을 내장하며, 내장된 LED 칩을 써지(Surge)전압 또는 ESD(Electro Static Discharge)로부터 보호하기 위해 실리콘으로 제작된 제너 다이오드 칩의 상면에 직접 장착되어 조립하는 LED 패키지의 구조; 3) LED 전광판의 대면적 디스플레이에 있어서, 해당 디스플레이에 적용되는 LED 패키지가 적색, 녹색, 청색 LED 칩을 내장하고, 내장된 LED 칩을 써지(Surge)전압 또는 ESD(Electro Static Discharge)로부터 보호하기 위한 제너 다이오드 칩과 이들 LED 칩에 신호와 전류를 공급하는 마이콤 칩이 하나의 실리콘으로 제작된 칩으로 구성되는 LED 패키지의 구조; 또는 4) 3)의 LED 패키지 구조에서, 상기 내장된 LED 칩을 상기 제너 다이오드 칩과 상기 마이콤 칩이 하나의 실리콘으로 제작된 칩의 표면에서 해당 제너 다이오드 칩의 표면에 직접 조립하며, 측면 둘레에 스페이서를 구비하며 강화 유리로 된 상부 커버를 유리에 의해 하우징 되는 LED 패키지 구조 중 어느 하나의 방식으로 제작된 경우,
제작된 LED 패키지를 장착하는 대면적 디스플레이용 LED 기판의 판넬(panel)이나 이렇게 제작된 기판 상에 스페이서(Spacer)로 역할하는 PVB(Poly Vinyl Butyral) 필름을 패턴 형태로 장착하고 그 위에 소자를 보호하기 위한 상부 커버 유리를 적층하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 대면적 디스플레이용 LED 패키지와 LED 전광 판넬의 구조 및 그 제조 방법은 다섯가지 이상의 효과를 제공한다.
첫째, 한 개의 단위 패키지 내에서 RGB로 구성되는 각각의 LED 칩에 별도의 제너 다이오드를 부착해서 구동할 수 있기에 내써지(Surge)나 역바이어스(Reverse bias) 전압에 대한 각 LED 소자의 안정적인 동작이 가능하다. 또한, 동일 체적 내에서 3개의 제너 다이오드가 차지하는 소자의 체적이 1개로 줄어들 수 있기에 LED 패키지의 크기를 최소화할 수 있다. 역으로, 이는 동일한 디스플레이 판넬 상에 장착할 수 있는 LED 패키지의 숫자를 증대시키는 것이 가능하다는 것이며, 실제로 동일한 공간 내에서 기존의 전광판 대비 더 많은 픽셀(Pixel)의 구현이 가능하기에 고품위, 고해상도의 대면적 판넬 제작이 충분히 가능하다.
둘째, LED 패키지 조립에 소요되는 원부자재의 절감 효과가 상당히 크다고 할 수 있다. 본 발명에 의한 LED 패키지의 조립 구조에 의하면 기존에 각각의 제너 다이오드와 해당 소자의 부착에 소요되는 은 페이스트(Ag paste)와 금선(Au wire)의 소요량은 물론이며 LED 패키지의 수량도 절감되기에 이에 따른 제조 단가의 인하 효과가 매우 크다고 할 수 있다.
세 번째, 이처럼 소자와 사용 자재의 수량이 감소하기에 LED 패키지 조립 공정에 수반되는 공정의 횟수가 줄어들며, 이로 인한 생산 공정 내의 불량율이 낮아지고 제품에 대한 신뢰성이 높아지기에 실제 고객의 요구 환경에서 동작할 때에도 제품의 불량 발생 가능성과 그로 인해 발생하는 유지 보수 및 그 관련 비용이 크게 낮아지게 된다.
넷째, 하나의 패키지 내에 마이콤 칩과 제너 다이오드, LED 칩이 함께 구성되기에 기판 상에 형성되는 화로 패턴의 수와 여기에 소요되는 터미널(Terminal)이나 단자 수를 감소시켜 주며, 이는 소자 구동 시에 발생하는 패턴 간의 잡음(Noise)을 개선시킬 수 있기에 콘트롤 보드 내에 구성되는 신호처리 부문의 소형화 및 간소화가 가능하며, 사용자의 사용성이 편리해진다.
다섯 번째, 디스플레이 제품을 보다 가볍고 얇게 할 수 있는 경박화가 가능해지며, 이로 인한 제품의 거치 및 이동의 다양성이 크게 증대하게 된다. 또한 이로 인해 유발되는 제품의 높은 선정성은 기존의 유사 제품에 대비하여 가격에 대한 성능과 경쟁력이 매우 높아지게 된다.
도 1은 현재 일반적으로 채용되고 있는 대면적 전광판의 실시 예를 보인 도면이다.
도 2는 도 1에 적용되는 종래의 전광판 구성 보드 및 각 구성 유닛(Unit)의 구조를 나타낸 것이다.
도 3은 종래의 기술에 따른 다양한 패키지 구조의 실제적인 예를 나타낸 것이다.
도 4는 써지(Surge)전압이나 정전기(Static electricity) 또는 역바이어스(Reverse bias) 전압에 의해 파괴된 실제 소자의 전자현미경 사진이다.
도 5-(a)는 제너 다이오드를 장착하지 않은 경우의 ESD(Electro Static Discharge)에 의해 파괴된 실제 소자의 Ir-Vr(누설전류-역전압) 특성 곡선이다.
도 5-(b)는 제너 다이오드를 장착한 경우에 ESD(Electro Static Discharge) 인가에서도 정상 동작하는 실제 소자의 Ir-Vr(누설전류-역전압) 특성 곡선이다.
도 6은 본 발명에 의한 마이콤 칩의 레이아웃(Lay out)및 배치 구조도이다.
도 7-(a)는 본 발명에 의한 제너 다이오드와 RGB LED 칩의 심볼(Symbol) 구조이다.
도 7-(b)는 본 발명에 의한 제너 다이오드, RGB LED 및 마이콤 칩의 배치 및 결선 구조이다
도 8-(a)는 본 발명에 의한 마이콤 칩을 측면 “A”에서 바라 본 레이아웃(Lay out)및 LED 칩의 배치 구조이다.
도 8-(b)는 본 발명에 의한 마이콤 칩을 측면 “B”에서 바라 본 레이아웃(Lay out)및 청.녹색 LED 수평형 칩(Lateral type chip)의 조립(Epoxy paste bonding) 구조이다.
도 8-(c)는 본 발명에 의한 마이콤 칩을 측면 “B”에서 바라 본 레이아웃(Lay out)및 청.녹색 LED 수직형 칩(Vertical type chip)의 공정 합금에 의한 (Eutectic bonding) 조립 구조이다.
도 8-(d)는 본 발명에 의한 마이콤 칩을 측면 "A"에서 바라 본 레이아웃(Lay out)및 LED 칩의 배치와 결선 구조이다.
도 8-(e)는 본 발명에 의한 마이콤 칩과 제너 다이오드가 분리된 경우, 마이콤 칩을 측면 “A”에서 바라 본 레이아웃(Lay out)및 LED 칩의 배치 구조이다.
도 8-(f)는 본 발명에 의한 마이콤 칩을 마이콤 칩과 제너 다이오드가 분리된 경우 측면 “A”에서 바라 본 레이아웃(Lay out)및 LED 칩의 배치와 결선 구조이다.
도 9는 8-(d)처럼 본 발명에 의한 LED 칩과 제너 다이오드 및 마이콤 칩이 내장된 LED 패키지(LED package)를 위에서 바라 본 레이아웃(Lay out) 및 칩의 배치와 결선 구조를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 의한 LED와 마이콤 칩이 내장된 패키지를 측면 “A”에서 바라 본 레이아웃(Lay out)및 칩의 배치와 결선 구조이다.
도 11-(a)는 본 발명에 의한 마이콤 칩이 내장되고 램버시안(lambertian) 빔 프로파일(Beam profile)을 갖는 돔(dome) 렌즈 구조 LED 및 패키지 내의 칩 배치와 빔 프로파일의 실제 예이다.
도 11-(b)는 본 발명에 의한 마이콤 칩이 내장되고 직하형 빔 프로파일(Beam profile)을 갖는 렌즈 구조의 LED 및 패키지 내의 칩 배치와 빔 프로파일의 실제 예이다.
도 12-(a)는 본 발명에 의한 RGB LED 패키지가 디스플레이(Display)용 방열 기판 위에 장착된 개략도이다.
도 12-(b) 본 발명에 의한 구리(Cu) 층과 단소(graphite) 층의 매트릭스(Matric) 구조로 이루어진 개략도이다.
도 12-(c)는 본 발명에 의한 디스플레이(Display)용 방열 기판 위에 PVB film이 장착된 개략도이다.
도 12-(d)는 본 발명에 의한 디스플레이(Display)용 방열 기판 위에 커버 유리(Cover glass)가 장착된 개략도이다.
도 12-(e)는 본 발명에 의한 RGB LED 패키지가 상부 커버 유리층과 반사층(Reflection)을 갖는 PET film 위에 장착되어 합체된 대면적 전광판의 개략도이다.
도 12-(f)는 본 발명에 의한 LED 패키지 표면의 실제 온도 분포 비교의 예를 보인 것이다.
도 12-(f-a)는 기존 PCB에 장착된 제작된 LED와 PCB 표면 온도의 예를 보인 것이다.
도 12-(f-b) 본 발명의 그림 12-a) PCB에 장착된 제작된 LED와 PCB의 표면 온도의 예를 보인 것이다.
도 13-(a)는 본 발명에 의한 RGB LED 패키지가 디스플레이(Display)용 투명 유리 기판 위에 장착된 개략도이다.
도 13-(b)는 본 발명에 의한 RGB LED 패키지와 디스플레이(Display)용 투명 유리 기판 위에 PVB 필름이 장착된 개략도이다.
도 13-(c)는 본 발명에 의한 RGB LED 패키지와 디스플레이(Display)용 투명 유리 기판 위에 상부 커버 유리가 장착된 개략도이다.
도 13-(d)는 본 발명에 의한 RGB LED 패키지가 디스플레이(Display)용 PET film 내에 장착된 개략도이다.
도 14-(a)는 본 발명에 의한 RGB LED 패키지가 디스플레이(Display)용 PET film 위에 장착된 개략도이다.
도 14-(b)는 본 발명에 의한 RGB LED 패키지와 PVB 필름이 디스플레이(Display)용 PET film 위에 장착된 개략도이다.
도 14-(c)는 본 발명에 의한 RGB LED 패키지가 디스플레이(Display)용 PET film과 상부 커버 글래스(cover glass) 사이에 탑재된 개략도이다.
도 14-(d)는 본 발명에 의한 RGB LED 패키지가 하부 PET film과 상부의 디스플레이(Display)용 PET film 위에 장착된 개략도이다.
도 15는 본 발명에 의한 RGB LED 패키지가 산란(Scattering)구조를 갖는 상부 커버 유리층과 반사층(Reflection)을 갖는 디스플레이(Display)용 판넬 상에 장착된 개략도이다.
도 16은 본 발명에 의한 RGB LED 패키지가 돔(Dome)형태의 상부 PET 커버와 반사층(Reflection)을 갖는 디스플레이(Display)용 하부 판넬 사이에 장착된 개략도이다.
도 17은 본 발명에 의한 RGB LED 패키지가 산란(Scattering)구조를 갖는 상부 커버 유리층과 반사층(Reflection layer)을 갖는 PET film 사이에 장착된 개략도이다.
도 18은 본 발명에 의한 RGB LED 패키지가 산란(Scattering)구조를 갖는 상부 커버 유리층과 반사층(Reflection)을 갖는 PET film 위에 장착되어 합체된 개략도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.
본 발명은 원거리에서 불특정 다수의 대중에게 정보 전달 용도로 사용되는 미디어파사드(Media facade), 전광판, 신호처리나 전달 및 표시용 보드(Board), 스마트 유리 판넬(Smart glass panel)등에 적용되는 LED(Light Emitting Diode)와 그 판넬(Panel)의 구성 및 제작 방법에 관한 것으로, 해당 판넬에 장착되는 LED 칩 소자인 RGB(Red, Green, Blue) 광원의 안정적이고, 효율적인 개별 구동에 관한 방법과 RGB 칩 소자의 조립 구조 및 그 소자가 구동하면서 필연적으로 발생하게 되는 주울(Joule)열의 전도 및 복사를 통하여 발산을 원활하게 하는 LED 패키지 방열 구조와 발산되는 LED 칩의 광을 효율적으로 반사시켜주는 판넬 구조 및 제작 방법에 관한 것이다.
따라서 본 발명에서는 미디어파사드, 전광판, 신호처리 및 전달용 보드, 스마트 판넬 등에 적용되는 LED 구조와 해당 LED의 단일 패키지 내에 적색, 녹색, 청색광을 발산하는 단일 소자를 구성하는데 있어 마이콤 칩과 제너 다이오드로 이루어진 실리콘 칩을 히트싱크(Heat sink) 역할을 하는 서브마운트로 대치하거나 제너 다이오드를 LED 소자의 서브마운트로 사용하는 새로운 구조를 적용하였다.
이를 위해 대면적 평판 구조 판넬의 알루미늄(Aluminum)이나 구리(Copper) 또는 유리 판넬 위에 장착되는 각각의 해당 LED는 패키지(Package) 내에 적색, 녹색, 청색(RGB: Red, Green, Blue) LED 광원이 내장되어 발광하며, 각각의 RGB LED는 함께 내장하는 실리콘으로 제작된 마이콤 칩(One chip microprocessor)의 신호 처리에 의해 개별 또는 동시에 동작된다. 또한, 해당 LED는 열방출 도모 및 히트싱크(Heat sink) 역할을 함께 하면서 써지(Surge) 전압과 정전기에 대한 보호책으로 마이콤 칩 내의 특정 구간에 별도로 구성하는 제너 다이오드(Zener diode) 상에 조립하였다.
전광판용 디스플레이 판넬은 상기 LED 패키지 하나가 평판 판넬의 화면 구성에 있어 하나의 단위 화소인 픽셀(Pixel)로 작용하게 하고, 이러한 LED 패키지를 메트릭스(Matrix) 형태로 판넬 상에 구성하여 전체적으로는 하나의 대면적 화면을 구성하였다. 또한, LED 패키지가 동작 중에 필연적으로 발생하는 열의 원활한 방출을 위하여 소자를 ITO(Indium Tin Oxide), 알루미늄(Al)또는 구리(Cu)나 은(Ag)으로 된 얇은 필름(Thin film) 형태의 금속 박막과 질화알루미늄(AlN), 산화알루미늄(Al2O3), 탄소(Graphite) 또는 베릴륨산화물(BeO) 등을 필름(Film) 형태로 형성한 유리 기판 위에 장착하였다. 본 발명에서는 빠른 열전도 및 발산은 물론 발광 시에 수반되는 산란광(Scattering light)의 반사를 위하여 가시광 파장대역(0.4㎛~0.8㎛)에서 높은 반사율을 갖는 황화바륨(BaS), 산화알루미늄(Al2O3), 은(Ag) 등의 반사층(Reflection layer)을 함께 적층(Multilayer)하여 구성하도록 하였으며, 본 발명으로 제작되는 대면적 반사판은 경시 변화에 따른 판넬의 휨(Bending) 현상을 억제하고자 열팽창계수(Thermal expansion coefficient)가 각기 다른 재질의 기판을 매트릭스(Matrix)구조로 적층하여 합체하는 방식을 적용하였다.
(실시예)
본 발명의 실시 예는 다음과 같다. 먼저 종래의 기술에 따라 도 2-(a)에 적용되는 타원(Oval)형 패키지나 도 3과 같은 고출력 패키지는 단일 패키지 내부의 제한적인 공간으로 인해 LED 칩만을 장착하거나 하나의 LED 칩에 대응되는 제너 다이오드만을 장착하여 조립하는 구조가 대부분이다. 이 경우 단일 패키지 내에 장착되는 LED 칩의 숫자가 증가할수록 이에 요구되는 LED 패키지의 크기도 상대적으로 증가하게 되는데 이처럼 PCB 내에서 LED 패키지가 차지하는 면적이 증가하는 경우에는 단위면적당 구성되는 화소의 수는 적어지게 된다. 따라서, 제한된 LED 패키지 내의 공간에서 RGB LED 칩만을 조립하거나, 제너 다이오드를 부착하지 않고 LED를 사용하는 경우 써지(Surge)나 역바이어스(Reverse bias)에 의한 소자 파괴가 된다.
도 4는 도 3과 같은 LED 패키지 내에 내장되는 제너 다이오드 유무에 따르 LED 칩의 파괴 현상을 본 발명을 통해 직접 보인 것이다. 도 4-(a)는 정상적인 LED의 광학현미경 사진이며, 도 4-(b)는 역바이어스로 인해 파괴된 해당 LED 칩 표면의 광학현미경 사진이다. 도 4-(c)는 전자현미경으로 촬영된 해당 LED 칩으로, 이 LED 칩은 표면에 형성된 p-n 접합(junction) 부분이 파괴된 것으로 확인되었다. 도 4-(d)는 파괴된 p-n 접합 부분을 확대한 전자현미경 사진으로 실제로도 p-n 접합 부분이 완전히 파괴된 것을 직접적으로 확인할 수 있다.
도 5-(a)와 도 5-(b)는 제너 다이오드가 장착된 경우와 그렇지 않은 경우 ESD(Electro Static Discharge)에 대한 LED의 영향을 직접적으로 측정한 것이다. 도 5-(a)는 제너 다이오드가 장착되지 않은 3개의 LED 칩에 대하여 각각 2KV와 4V의 ESD를 인가한 후에 그 결과를 보기 위해 누설전류와 역전압과의 관계를 측정한 Ir-Vr의 전류-전압 측정 그래프(Graph)이다. 도 5-(a)에 의하면 2kV의 ESD를 인가하였을 때 LED는 이미 파괴된 유형의 양상을 보이고 있는데, 역전압 -1(V) 이상에서 역방향 누설전류가 흐르는 양상을 보이고 있다. 특히, 4kV를 인가한 소자의 경우는 p-n 접합의 완전한 파괴로 인해 open된 양상을 보이고 있다. 도 5-(b)는 제너 다이오드가 역방향으로 장착된 3개의 LED 칩 각각에 대해 2KV와 4KV의 ESD를 인가한 후 그 결과를 측정한 그래프로, 역바이어스 전압의 인가 상태에서도 전형적인 Ir-Vr의 전류-전압 특성 곡선 형태를 보이고 있다. 이 정상적인 특성 곡선은 4KV의 ESD를 인가하여도 제너 다이오드에 의한 바이패스(by pass) 동작으로 인해 제품에는 문제가 없는 특성 곡선을 보여 주고 있다.
이러한 이유로 본 발명에서는 대면적 디스플레이용 전광판이나 스마트 글래스, 미디어 파사드 등의 용도로 사용되는 LED 패키지에 신호처리용 마이콤 칩을 내장하는 실리콘 칩과 해당 실리콘 칩의 특정 부분에 제너 다이오드를 형성하고, 해당 제너 다이오드를 열방출용 히트싱크(Heat sink)로 활용하여 그 위에 RGB LED 칩을 동시에 장착하는 소형화된 LED 패키지를 구성하게 되었다. 본 발명에 의한 LED 칩과 마이콤 칩 및 제너 다이오드의 일체화된 패키지의 개략적인 배치 및 구조는 도 6에 도시하였다.
본 발명에 의한 정보처리 및 대면적 전광판, 신호처리용 소자 등에의 적용을 주요 용도로 하는 패키지 내의 실리콘 칩은 도 6의 005처럼 n type 실리콘 웨이퍼(Wafer)로 제작된 단일 칩 내에 형성되며, 그 중에서도 일정 부분은 마이콤 칩 006을 형성하여, LED의 광량과 동작 시간 등을 조절하기 위한 전원 및 해당 신호를 전달하고 통제하는 역할을 한다. 그림에서 007은 외부에서 마이컴 칩에 인입되는 신호를 처리하고 통제하는 신호 입력 In의 부분이며, 008은 이를 처리 후 다시 외부 통제 회로에 전달하는 신호 출력 Out 부분이다. 009와 010은 마이콤 칩을 구동하기 위한 전원의 +, - 공급 부분이다. 각각의 RGB LED칩을 보호하는 제너 다이오드는 마이콤 칩과 동일한 실리콘 반도체 공정을 통하여 제작하며, 이렇게 제작된 첫번째 제너 다이오드-I인 011은 녹색 LED 칩 014에 역방향으로 연결되어 ESD나 역방향 바이어스에 따른 보호 역할을 하며, 두번째 제너 다이오드-II 012는 청색 LED 칩 015와 역방향으로 연결되며, 세번째 제너 다이오드-III 013은 적색 LED 칩 016과 역방향으로 연결되어 LED칩을 보호하는 역할을 하게 되며, 각각의 LED 칩과 제너 다이오드는 칩의 크기와 조립 온도, 조립 정밀도 등의 조건에 따라 공정합금(Eutectic metal)을 이용하거나 솔더(Solder), 페이스트(Paste) 등을 이용하여 선택적으로 조립할 수 있다. 017은 칩 본딩(Bonding)이 완료된 후 각각의 LED 칩과 제너 다이오드를 외부 회로와 결선하기 위하여 실시하는 와이어본딩(Wire bonding) 부분으로, 본 발명에서는 일반적으로 널리 사용하는 금선(Au wire)을 예로 하였으며, 반드시 이에 한정하지 않고, 알루미늄(Al)이나 구리(Cu)로 된 와이어를 사용하여도 문제 없다. 018은 마이콤 칩으로부터 녹색 LED 칩에 전류를 인가하는 + 바이어스(Bias) 단자이며, 019는 마이콤 칩에서 녹색 LED 칩에 전류를 인가하는 - 바이어스 단자이다. 020은 마이콤 칩으로 부터 청색 LED 칩에 전류를 인가하는 + 바이어스(Bias) 단자이며, 021은 마이콤 칩에서 청색 LED 칩에 전류를 인가하는 - 바이어스 단자이다. 022는 마이콤 칩으로 부터 적색 LED 칩에 전류를 인가하는 + 바이어스(Bias) 단자이며, 023은 마이콤 칩에서 청색 LED 칩에 전류를 인가하는 - 바이어스 단자이다. 024는 각 제너 다이오드-I, II, II의 n 전극 측의 단자이며, 025는 각 제너 다이오드-I, II, II의 p 전극 측 단자이다. 도 6에서 제너 다이오드-I, II, II의 부호 024는 n전극이며, 부호 025는 p전극이다. 실리콘 n 웨이퍼 내에 형성하는 제너 다이오드의 제조 순서는 우선 n 층을 먼저 형성하며, 그 위에 p층을 형성하는 순차적인 적층 방식이다. 이렇게 제작된 p-n 접합층은 한번의 식각(Etching) 공정을 통하여 3개의 제너 다이오드로 분리되며, 보다 세부적인 구조는 그림 8을 통하여 설명하도록 한다. 제너 다이오드의 n층은 실리콘 기판 내에서 n++ 확산(Diffusion)에 의한 전도층을 통하여 최종적으로는 하나의 단자를 형성하며 그림에서는 024로 명기하였다. 각각의 제너 다이오드-I, II, II으로 분리된 소자는 표면 상부층에서 p층에 해당되는 전극을 형성하며, 그림에서는 025로 명기하였다. 따라서, 실제적으로 제너 다이오드-I, II, II의 n층은 실리콘 칩 내부의 확산 통로를 통하여 외부의 n전극으로 연결되어 있고, 각각의 p층은 실리콘 칩의 표면에서 개별적으로 분리되어 있는 형태이다. 이렇게 형성된 각각의 제너 다이오드는 부호 018 ~ 023으로 이루어진 RGB LED 칩의 바이어스 단자에 금선(Au-Wire)으로 연결되어 결선된다.
도 7-(a)는 이렇게 제작된 제너 다이오드 011, 012, 013과 RGB LED 칩인 014, 015, 016의 연결 구조를 해당 소자에 대한 심볼(Symbol)로 표기한 것이며,
도 7-(b)는 도 7-(a)의 RGB LED칩과 마이콤 칩 006의 연결에 대한 개략적인 결선 구조를 보인 것이다. 이렇게 제작된 마이콤 칩 006을 도 6의 측면"A"에서 바라본 개략도는 도 8-(a)와 같은 레이아웃(Lay out)을 갖는다.
도 8-(a)의 일 실시예에서 Si 절연층(Silicon Isolation layer)으로 형성된 실리콘 칩(Si die, 실리콘 다이) 내부에 형성된 좌측의 제너 다이오드(028: 제너 다이오드의 P층, 029: 제너 다이오드의 n 층) 상면에 LED 칩(칩 상부에 p 전극, n 전극 구비)을 구비하고, 실리콘 칩 내부에 형성된 우측에는 마이콤 칩(006)이 구비된다.
LED 칩에서, 026은 마이콤 칩(006) 상에 조립된 적색 LED 칩의 n 층이며, 027은 적색 LED 칩의 p 층을 나타낸다.
028은 실리콘 칩의 내부에 형성된 제너 다이오드의 p 층이며, 029는 제너 다이오드의 n 층이며, 그 하부에 형성된 고농도로 도핑(Doping)된 030의 Si n++ 층을 통하여 외부로 노출되고, 이는 제너 다이오드의 n층(029) 하단부터 우회하여 상면 방향으로 형성된 확산층(030)과 연결된 제너 다이오드 n 전극(024)이 형성된다.
031은 좌측의 제너 다이오드(028, 2029, 030)와 우측의 마이콤 칩(006)을 분리하기 위해 형성된 실리콘 절연층(Si-Isolation layer)이다. 실리콘 절연층은 실리콘 칩의 내부에 구비된다.
마이콤 칩(006) 표면에는 022 적색 LED 칩 + bias, 023 적색 LED 칩 - bias, 009 마이콤 전원 + 단자(미도시), 010 마이콤 전원 -단자를 구비한다.
도 8-(b)는 실제로 조립된 모양을 개략적으로 묘사한 것으로, 본 발명에 의한 마이콤 칩을 측면 도 6의 "B”에서 바라 본 레이아웃(Lay out)및 청색, 녹색, 적색 LED 수평형 구조 칩(Lateral type chip)의 조립 구조이며, 도 8-(c)는 청색, 녹색, 적색 LED 수직(Vertical)형 구조를 갖는 LED의 조립(Epoxy paste bonding) 구조이다.
도 8-(b)에서 032는 사파이어 기판을 기초로 하여 그 위에 형성된 수평형의 녹색 LED 칩 p 전극이며, 033은 녹색 LED 칩의 n 전극이다. 또한, 034는 수평형의 청색 LED 칩 p 전극이고, 035는 청색 LED 칩의 n 전극이다. 036은 수직형 구조를 갖는 적색 LED 칩의 p 전극이며, 037은 적색 LED 칩의 n 전극이다. 이러한 LED 칩은 은 페이스트(Ag paste)나 주석(Sn), 납(Pb), 은(Ag), 비스무스(Bi), 구리(Cu) 등을 주요 합금으로 하는 솔더 프리폼(Solder preform) 또는 이를 페이스트의 형태로 마이콤 칩 위에 공급하여 조립하게 된다. 그 이러한 솔더를 마이콤 칩 상에 주입하는 공급 방식은 스크린 프린딩(Screen printing)이나 주사기에 의한 주입 방식인 디스팬싱(Dispensing) 또는 스템핑(Stamping) 등의 공급 방식을 사용하게 된다.
도 8-(c)는 본 발명에 의한 도 6의 마이콤 칩을 측면 “B”에서 바라 본 레이아웃(Lay out)으로, 녹색, 청색, 적색 수직형 LED 칩(Vertical type chip)의 공정 합금에 의한 (Eutectic bonding) 조립 구조를 보인 도면이다.
도 8-(d)에서 038은 실제의 다이 본딩(Die bonding) 역할을 하는 공정 합금이며, 그 공정 합금은 금과 주석을 합금(AuSn)으로 하고, AuSn의 조성비는 Au80 : Sn20wt%(융점 278℃)나 Au10 : Sn90wt%(융점 231℃) 또는 융점이 낮은 인듐(Indium, 융점 157℃)을 사용한다. 이 외에도 SnBiAg, PbSnAg, PbSn등을 주성분으로 하는 solder를 사용하여도 좋으며, 해당 solder의 공급은 e-Beam(Electron Beam), 스퍼터링(Sputtering) 또는 열에 의한 증착방식(Thermal evaporation) 등의 진공 증착에 의한 방식으로 제너 다이오드의 p-전극 상에 패턴으로 형성하여 공급하는 방식을 사용할 수 있으며, 디스팬싱(Dispensing)에 의한 페이스트 공급 방식을 취하여도 무방하다.
도 8-(d)는 본 발명에 의한 도 6의 마이콤 칩을 측면 “A”에서 바라 본 레이아웃(Lay out) 및 LED 칩의 배치와 결선 구조이다.
이 그림에서 022는 적색 LED 칩의 p 전극 036과 마이콤 칩에 내장된 제너 다이오드-I의 n 전극 024는 와이어 본딩(Wire bonding)에 의한 방법으로 적색 LED + 바이어스 022와 결선되며, 적색 LED 칩의 n 층 026의 해당 전극으로 제너 다이오드 p 전극 025와 와이어 본딩(wire bonding)에 의한 방법으로 적색 LED - 바이어스 023과 마이콤 칩 상에서 결선된다.
실리콘 칩 내부에서 제너 다이오드와 마이콤 칩을 분리하지 않은 결선된(wire bonding) LED 패키지는 LED 광고판, LED 전광판 등의 '대면적 디스플레이'로 사용된다.
도 8-(e)는 본 발명의 또 다른 예(제너 다이오드와 마이콤 칩을 분리한 구조)를 보인 것으로, 실리콘 칩(Si Die) 내부에 구비된 제너 다이오드와 마이콤 칩을 분리된 경우를 예시한 것이다. 도 6을 기준으로 측면 “A”에서 바라 본 레이아웃(Lay out)및 LED 칩 배치 구조의 그림은 제너 다이오드와 마이콤 칩이 분리되어 있는 형태를 취하는 경우이다. 본 그림은 도 8-(a)의 경우와는 달리 절연 채널(Isolation channel)인 031 Si 절연층이 없는 형태로, 분리된 제너 다이오드 상에 LED 칩을 직접 조립하는 방식이며, 그 조립 방법은 앞서의 예인 도 8-(b)와 도 8-(c)의 경우와 동일하다.
도 8-(f)는 도 8-(e)에서 마이콤 칩과 제너 다이오드가 분리된 경우 측면 “A”에서 바라 본 레이아웃(Lay out)및 LED 칩의 배치와 결선 구조의 한 예이며, 그 결선 방식(wire bonding) 또한 도 8-(d)에 의한 방법과 동일하다.
도 9는 도 8-(d)처럼 본 발명에 의한 LED 칩과 제너 다이오드 및 마이콤 칩이 내장된 LED 패키지(LED package)를 위에서 바라 본 레이아웃(Lay out) 및 칩의 배치와 결선 구조를 보인 도면이다.
이 그림에서 마이콤 칩 부분은 신호입력 단자 In 007, 신호출력 단자 Out 008, 마이콤 전원 + 단자 009, 마이콤 전원 - 단자 010을 구비한다.
039-a는 LED 칩이 동작 중에 발생하는 열을 외부로 전달하기 위해 열전도도가 우수한 은(Ag) 또는 구리(Cu)로 제작된 히트슬러그(Heat slug) 또는 히트 블록(Block)으로, 이 위에 LED가 장착된 마이콤 칩을 040과 같은 공정합금의 프리폼(Preform)이나 solder 또는 은 페이스트(Ag paste)를 이용하여 부착한다. 039-b는 마이콤 전원을 동작시키기 위하여 인가되는 + 측의 터미널 단자이며, 039-c는 해당 마이콤 소자의 -측 터미널 단자이다. 039-d는 LED 소자의 on, off 및 주입되는 전류의 양을 조절하는 신호 입력부의 + 터미널 단자이며, 039-e는 해당 소자의 출력부 - 터미널 단자이다. 039-f는 제너 다이오드가 내장되어 그 위에 LED 칩이 장착된 마이콤 소자의 패키지 구조도이다. 이렇게 조립된 도 9와 같은 소자를 "A"의 방향에서 바라 보았을 때, 그 개략도는 도 10과 같은 모양을 보인다.
도 10은 본 발명에 의한 LED와 마이콤 칩이 내장된 패키지를 측면 “A”에서 바라 본 레이아웃(Lay out)및 칩의 배치와 결선 구조이다.
040은 공정합금의 프리폼(Preform)이나 solder 또는 은 페이스트 접합층, 041은 LED 패키지의 내부를 외부 환경으로부터 보호해 주는 실리콘 인캡슐런트(Si encapsulant)이며, 042는 LED 패키지의 외부 프레임, 043은 마이콤에 인가하는 -전원과 외부 터미널 단자가 연결된 내부 터미널 단자 부분이다. 이렇게 제작된 LED 패키지의 상단 부분 윈도우(Window)에 1.45 이상의 굴절율(Refractive index)을 가지며, 점도 35,000(cp) 이상의 고점도 실리콘을 주입하면 고점도 실리콘은 응집하려는 고유의 표면장력에 의해 도 11-(a)과 같은 044의 반구형 렌즈가 형성된다. 이렇게 제작된 제너 다이오드와 마이콤 칩이 내장된 LED 패키지의 실제 빔 프로파일(Beam profile)을 측정해 보면 램버시안(Lambertian)과 같은 원형에 가까운 빔 프로파일을 보이며, 그 실제의 예가 오른쪽 그림이다.
도 11-(b)는 대면적 전광판 용으로 사용하기 위한 또 다른 형태의 렌즈를 구성한 제품으로, 본 발명에서는 렌즈 내부가 원형으로 된 요철(凹凸)의 형태를 취하며, 외관상으로는 045와 같은 사다리꼴(Trapezoid) 모양의 형태를 취하는 렌즈 구조의 LED 및 패키지 내의 칩 배치와 빔 프로파일의 실제 예를 보였다. 따라서, 불특정 다수의 대중에게 정보를 전달하게 되는 대면적 전광판은 직하형이나 원형의 빔 프로파일(Beam profile)을 갖는 다양한 렌즈의 LED 패키지의 채용에 따라 빔 방사각과 그 강도(Beam intensity)를 조절하게 되면 정보를 전달하고자 하는 대상과의 깨끗한 결상(Focusing) 거리를 임의로 조절 가능하게 할 수 있다.
고해상도의 전광판이나 스마트 글라스(Smart glass) 또는 정보처리용 대면적 판넬은 해상도를 높이기 위해 정해진 공간 내의 화소(Pixel) 수를 늘리는 방법을 사용하는데 이렇게 LED 칩과 LED의 구동에 필요한 반도체 칩의 수량을 증가시키게 되면 이에 비례하여 소비전력과 그 발열량이 증가하게 된다. 따라서, 본 발명에서는 전광판과 스마트 글라스에 적용되는 몇 가지 예를 통하여 열방출 문제의 개선책을 제시하였다.
도 12-(a)는 본 발명에 의한 RGB LED 패키지가 디스플레이(Display)용 방열 기판 위에 장착된 개략도를 나타낸다. 047 알루미늄(Al: Aluminum) PCB 또는 구리(Cu: copper) PCB는 그 상면에 LED와 반도체 소자를 장착하고, 소자가 동작 중에 발생하는 발열을 외부로 전달하거나 복사 형태로 발산하는 역할을 하는 알루미늄(Al) 구리(Cu)로 제작된 기판이다. 이 기판 047 상에 절연 및 열전도도가 뛰어난 접착성 절연층 048을 도포하게 되는데, 이 접착성 절연층(Isolation layer)에 사용되는 주요 매질은 열전도도가 극히 우수한, 질화알루미늄(AlN, Aluminum), 산화베릴륨(BeO, Beryllium oxide)이나 산화알루미늄(Al2O3, Aluminum oxide)를 주성분으로 사용한다. 이렇게 형성된 절연층 위에는 전기전도도가 뛰어난 049 (구리 층과 매트릭스 구조의 탄소 층이 결합된 단일 층) 층을 형성하는데, 049 층은 049-a의 10㎛ 두께의 구리(Cu) 층과 049-b의 20㎛ 두께의 매트릭스 구조의 탄소 그래파이트(Carbon graphite) 층이 형성되며, 특히 열전도도와 전기전도도가 극히 우수한 탄소 그래파이트 층은 매트릭스(Matrix) 구조의 격자 형태로 구성한다.
도 12-(b)는 본 발명에 의한 구리 층과 그래파이트 층이 매트릭스 구조로 결합된 구체적인 개략도를 보인 도면이다. 이처럼 049-b의 그래파이트 층을 매트릭스 구조로 형성하는 이유는 실제로 전광판용 판넬이 제품화 되었을 때, 도 12-(a)를 구성하는 물질인 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 유리 등을 비롯한 각 층의 열팽창계수 차이에 따른 대면적 판넬의 휨(Bending) 현상을 방지하기 위함이다. 이렇게 형성된 049의 열 및 전기전도층 상에는 LED 패키지와의 납땜(Soldering)을 위한 하지금속(Base metal)의 역할을 위해 050의 니켈(Ni, Nickel)층을 약 0.7㎛로 형성하고, 다시 그 위에 실제로 전기전도 및 solder와의 납땜을 위해 051의 은(Ag, silver)으로 된 층을 약 0.7㎛ 두께로 형성하였다. 052는 발광된 LED의 빛을 전방향으로 반사시키기 위한 반사층(Reflection layer) 역할을 하면서 동시에 051인 은(Ag)의 표면 보호를 위한 보호층(Passivation layer)의 역할을 하며, 본 발명에 사용되는 재료는 가시광에 대한 반사율이 높은 황산바륨(BaSO4)이나 산화알루미늄(Al2O3)을 주성분으로 하여 제작하였고, 이렇게 제작된 알루미늄 PCB 047 위에 반구 렌즈형 LED 패키지 046을 장착 후, 솔더(solder) 053을 사용하여 조립하는 구조로 제작하였다.
이렇게 조립된 도 12-(a)와 같은 기판 상에 도 12-(c)처럼 054의 PVB 필름(Poly Vinyl Butyral film)을 장착하는데, 이 PVB 필름은 양면에 접착제가 도포된 형태로 조립되며, 상부 커버 유리와 하부 알루미늄 기판을 접합하는 결합 기능을 하면서도 한편으로는 LED 패키지의 반구형 렌즈인 046에 상부 커버 유리가 닿지 않도록 하는 스페이서(Spacer)의 역할을 하게 된다.
도 12-(d)는 본 발명에 의해 디스플레이(Display)용 방열 기판 위에 커버 유리(Cover glass)가 장착된 개략도이며, 055는 외부 환경으로부터 LED 패키지 소자와 회로기판을 보호하기 위한 상부 커버 유리(Cover glass)이다. 상부 커버 유리 055는 강화 유리를 사용한다.
도 12-(e)는 도 12-(d) 각각의 개별된 부분이 배열 결합된 최종적인 디스플레이용 보드(Board)를 보인 도면이다.
도 12-(f)는 본 발명에 의해 제작된 도 12-(a) 발명품의 실장된 LED 패키지의 예로서, 청색 LED의 동작 전압을 2.9(V)로 인가하고, 1.04(A)의 정전류를 인가하여 3W의 소비전력으로 소자를 5시간(Hr) 연속 구동했을 때의 온도 분포를 비교한 것이다. 그림에서는 크기가 가로 25(mm), 세로 25(mm), 두께 1(mm)인 알루미늄 기판 상에 LED 패키지를 장착하였고, 이를 다시 방열면적 1(㎡)의 알루미늄 방열판에 장착했을 때 그 표면온도를 적외선(IR: Infrared) 카메라를 이용하여 실측하였다.
도 12-(f-a)는 일반적인 기존의 알루미늄 PCB 기판을 사용한 경우이며, LED 패키지의 표면 온도는 32.7℃, 알루미늄 기판의 표면 온도는 29.3℃였다. 그러나, 본 발명에 의한 도 12-(b)의 049-a인 구리(Cu)층과 049-b의 그래파이트(Graphite)층의 매트릭스(Matrix) 구조를 갖는 기판을 적용했을 때는 LED 패키지의 표면 온도가 29.4℃, 알루미늄 기판의 표면 온도는 26.0℃로 각각 3℃ 정도의 온도 차이를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 발명에 의한 구리(Cu)층과 그래파이트(Graphite)층의 매트릭스 구조를 갖는 기판의 열전도 및 방열 효과가 훨씬 우수하다는 것을 알 수 있다. 특히, 소자는 동작 시에 발생하는 열로 인해 온도에 따른 광효율이 피드백(Feedback) 효과에 의해 지수함수적으로 감소한다는 점을 고려한다면 본 발명에 의한 구리(Cu)층과 그래파이트(Graphite)층의 매트릭스 구조는 수천개 이상의 LED패키지와 반도체 소자가 장착되는 대면적 전광판에 적용 시에는 그 방열 효과가 매우 크다고 할 수 있을 것이다.
도 13-(a)는 또 다른 본 발명의 예인 스마트 글래스(Smart glass)에의 적용 예를 보인 것으로 여기서는 유리 기판 056을 후면 기판으로 사용하였다. 본 그림의 예에서도 마찬가지로 LED패키지의 방열을 위한 히트슬러그 039-a는 매트릭스 구조를 갖는 049의 구리와 그래파이트 매트릭스 층 상에 조립하였다. 유리 기판 상에는 LED 패키지에 인가되는 외부 전원 및 그 신호 처리를 위하여 투명전극의 대표적인 예인 ITO(Indium Tin Oxide)층 057을 도포하거나 투명한 전극 필름을 도포하는 방식으로 패턴을 구성하였다. 이 패턴 형태의 회로 057은 LED 패키지와의 솔더링(Sldering)을 위해 전극 058을 형성하는데 본 발명에서는 그 전극물질로 Ti(Titanium)/Pt(Platinum)/Au(Gold), Cr(Chromium)/Ni(Nickel)/Au(Gold), Ni(Nickel)/Cu (Copper) 또는 Ni(Nickel)/Ag(Silver)를 형성하여도 좋으며, 그 도포(Deposition) 형태는 진공증착(Vacuum Evaporation)이나 전해도금(Electric plating) 또는 무전해도금(Electroless plating)에 의한 방법으로 형성한다. 059는 058과의 LED 패키지와의 결합을 위하여 사용하는 솔더(Solder)로 본 발명에서는 057 ITO 층을 보호하기 위해 저온 솔더링(Soldering)이 가능한 SnBiAg(Tin/Bismuth/Silver)의 3성분계(Ternary phase diagram) 합금을 사용하여 200℃ 이하에서 솔더링이 가능하게 하였다.
도 13-(b)는 상부 커버 유리와 하부 알루미늄 기판을 접합하기 위하여 양면에 접착제가 도포된 054의 PVB 필름을 투명전극 057 상에 장착하였으며, 한편으로 PVB 필름은 LED 패키지의 반구형 렌즈인 046에 상부 커버 유리가 닿지 않도록 하는 스페이서(Spacer)의 역할을 하게 된다.
도 13-(c)는 054 스페이서 위에 커버 유리(Cover glass)가 장착된 개략도이며, 그림에서 055는 외부 환경으로부터 LED 패키지 소자와 회로기판을 보호하기 위한 역할을 하는 상부 커버 유리이다.
도 13-(d)는 054인 스페이서 PVB와 상부 커버 유리 055를 사용하지 않고 PET(Polyethylene terephthalate) 필름 060을 사용하여 상부 커버 유리를 대신하는 방법이다. 그 제작은 열압착(Thermal compress)에 의한 방법이나 접착성 투명 수지(Transparent Resin)를 060과 061 사이에 도포하는 방법으로 제작되는 이러한 돔(Dome) 형태의 PET 상부 커버는 유리커버를 채용하면서 발생되는 대면적 전광판의 무게를 감량시킬 수 있으며, 이로 인한 전광판 설치시의 어려움을 해소시켜 줄 수 있다.
도 14-(a)는 본 발명에 의한 대면적 디스플레이의 또 다른 실시 예로, 그림에서는 후면 기판으로 061의 PET(Polyethylene phthalate) 필름을 사용하였고, PET 필름 상에는 40~50℃ 정도의 온도에서 회로 구성이 가능한 062의 ITO 박막을 증착(Evaporation)하거나 또는 전도성 투명 필름을 사용하여 대면적 디스플레이용 전광판의 회로를 구성한다.
도 14-(b)는 LED 패키지가 장착된 이러한 061필름 상에 앞서 제시한 것과 같은 방법으로 스페이서 인 PVB 필름 054를 부착하여 전체적으로는 RGB LED 패키지와 PVB 필름이 대면적 디스플레이(Display)용 PET film 위에 장착되도록 한 것이다.
도 14-(c)는 054 스페이서 위에 커버 유리(Cover glass)가 부착된 개략도이며, 그림에서 055는 외부 환경으로부터 LED 패키지 소자와 회로기판을 보호하기 위한 역할을 하는 상부 커버 유리이다.
도 14-(d)는 본 발명의 또 다른 실시예를 보인 것으로 스페이서 인 PVB 054와 상부 커버 유리 055를 사용하지 않는 대신 PET(Polyethylene terephthalate) 필름 060을 사용하여 상부 커버 유리를 대신하는 방법이다. 열압착(Thermal compress)이나 접착성 투명 수지(Transparent Resin)를 060과 061 사이에 도포하는 방법으로 제작되는 이러한 돔(Dome) 형태의 PET 상부 커버는 유리 커버를 채용하면서 발생되는 대면적 전광판의 무게를 극적으로 감량해 줄 수 있으며, 유리 기판이나 알루미늄 기판을 사용함으로써 발생하는 전광판 설치시의 어려움을 해소시켜 줄 수 있다.
도 15는 본 발명에 의한 RGB LED 패키지가 산란(Scattering)구조를 갖는 상부 커버 유리층과 반사층(Reflection)을 갖는 디스플레이(Display)용 판넬 상에 장착된 개략도이다. 스림에서 063은 황산바륨(BaSO4), 산화알루미늄(Al2O3) 또는 이산화규소(SiO2)등이 도포(Deposition)된 유리 기판이며, 063-a는 황산바륨(BaSO4), 산화알루미늄(Al2O3)또는 이산화규소(SiO2) 박막(Thin film) 또는 후막(Thick film)으로, 이러한 후막을 형성하는 이유는 이들 물질이 가시광선의 파장 영역대에서 90% 이상의 반사율을 갖기 때문이다. 이러한 반사층을 갖는 기반은 LED의 동작 중에 패키지나 렌즈, 기타 삽입체를 거치면서 반사되는 반사광을 모두 기판의 상면으로 발산시키기 위해 삽입한 구조이다. 이렇게 제작된 기판 상에 스페이서 054를 장착한 후 커버 유리로 055를 장착한다. 이 커버 유리 055는 LED 패키지의 반구형 렌즈가 위치하는 부분의 하면에 샌딩(Sanding) 또는 식각(Etching) 공정으로 그림의 064와 같은 돌기를 형성하며, 본 발명에서는 삼각형 톱니 모양의 형성을 예로 하였지만 반드시 이에 한정하지 않고 LED 패키지에서 발산되는 RGB(Red, Green, Blue)의 광을 산란(Scattering)시켜주는 형상이라면 무정형(無定形)의 모양으로 구성하여도 상관없다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예로써, 064의 산란층(scattering layer) 대신, 063의 황산바륨(BaSO4), 산화알루미늄(Al2O3)또는 이산화규소(SiO2)가 도포된 유리 기판 상에 상부 커버 유리를 사용하지 않고, PET(Polyethylene terephthalate) 필름 060을 사용하여 상부 커버 유리를 대신하는 방법이다. 본 발명에 따라 열압착(Thermal compress)이나 접착성 투명 수지(Transparent Resin)를 060과 061 사이에 도포하는 방법으로 제작되는 이러한 돔(Dome) 형태의 PET 상부 커버는 유리 커버를 채용하면서 발생하는 대면적 전광판의 무게를 감량해 줄 수 있으며, 유리 기판이나 알루미늄 기판을 사용함으로써 발생하는 전광판 설치시의 어려움을 해소시켜 줄 수 있다. 이러한 발명 구조로 제작된 대면적 디스플레이용 전광판은 지극히 플렉시블(Flexible)하고 경량의 무게를 갖는 구조이기에 보관 및 이동, 거치 등의 취급 면에서 그 자유도가 매우 높다고 할 수 있다.
도 17은 본 발명의 또 다른 예를 보인 것으로, 061의 PET(Polyethylene terephthalate) 필름으로 제작된 하부 기판을 적용하였고, 스페이서 054와 상부 유리 커버 내의 산란층 064 구조를 갖는 대면적 디스플레이용 전광판의 또 다른 예를 보인 것이다. 본 발명의 목적 또한 전광판 제작의 단순화와 그로 인한 제조 단가의 절감, 그리고 경량의 무게를 갖는 구조를 채용함으로써 사용자의 보관 및 이동, 거치 등의 편리성을 추구한 것이다.
도 18은 도 13, 도 14, 도 15, 도 16과 도 17처럼 제작된 본 발명에 의한 RGB LED 패키지가 산란(Scattering)구조를 갖는 상부 커버 유리층과 반사층(Reflection)을 갖는 PET 필름또는 유리 기판 위에 장착되어 합체된 개략도를 보인 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
001: LED 칩(Chip) 002: 제너 다이오드(Zener diode)
003: LED 패키지(Package) 004: 돔형태의 렌즈(Dome type lens)
005: 실리콘 칩(Silicon Chip) 006: 마이콤 칩(One chip microprocessor)
007: 신호입력 단자 In 008: 신호출력 단자 Out
009: 마이콤 전원 + 단자 010: 마이콤 전원 - 단자
011: 제너 다이오드-I 012: 제너 다이오드-II
013: 제너 다이오드-III 014: 녹색 LED 칩
015: 청색 LED 칩 016: 적색 LED 칩
017: Au wire 018: 녹색 LED 칩 + bias
019: 녹색 LED 칩 - bias 020: 청색 LED 칩 + bias
021: 청색 LED 칩 - bias 022: 적색 LED 칩 + bias
023: 적색 LED 칩 - bias 024: 제너 다이오드 n 전극
025: 제너 다이오드 p 전극 026: 적색 LED 칩의 n 층(Layer)
027: 적색 LED 칩의 p 층(Layer) 028: 제너 다이오드 p 층(Layer)
029: 제너 다이오드 n 층(Layer) 030: Si(Silicon) n++ 층(Layer)
031: Si(Silicon) 절연층(Isolation layer)
032: 녹색 LED 칩 p 전극 033: 녹색 LED 칩 n 전극
034: 청색 LED 칩 p 전극 035: 청색 LED 칩 n 전극
036: 적색 LED 칩 p 전극 037: 적색 LED 칩 n 전극
038: 공정합금 접합층(Eutectic metal bonding layer) 층
039-a: 은(Ag)이나 구리(Cu)로 제작된 Ag, Cu Heat slug 또는 Block
039-b: 마이콤 전원의 + 터미널(Termanal) 039-c: 마이콤 전원의 - 터미널
039-d: 신호입력단자 In 터미널 039-e 신호출력단자 Out 터미널
039-f: 세라믹(Ceramic) 또는 PPA(Polyphthalamide)수지로 제작된 LED 패키지 프레임
040: 공정합금의 프리폼(Preform)이나 solder 또는 은 페이스트 접합층
041: Si(Silicon) 봉합체(Encapsulant) 042: LED 패키지(Package)
043: Bias 인가용 내부 터미널(Terminal) 단자
044: 반구형 실리콘 돔(Dome)형 렌즈
045: 사다리꼴(Trapezoid)형 렌즈의 장착
046: 반구(Dome) 렌즈형 LED 패키지
047: 알루미늄(Al : Aluminum) PCB 또는 구리(Cu : copper) PCB
048: 접착성 절연층(Adhesive Insulating Layer(AlN, Al2O3, BeO powder contained Materials)
049: 구리 층(Cu:Copper layer)과 매트릭스 구조의 탄소 층이 결합된 단일층
049-a: 10㎛ 두께의 구리 층
049-b: 20㎛ 두께의 매트릭스(Matrix)구조 탄소(Graphite)층
050: 니켈 층(Ni : Nickel layer)
051: 은 패턴 층(Ag : Silver pattern layer)
052: 반사막과 표면 보호층(Contained BaSO4, Al2O3 powders reflection & passivation layer)
053: Solder 054: PVB(Poly Vinyl Butyral) Film
055: 상부 커버 유리(Cover glass) 056: 후면 유리(Back side glass)
057: ITO(Indium Tin Oxide) 또는 도전성 투명 필름 층
058: 전극용 Ti/Pt/Au, Cr/Ni/Au, Ni/Cu 또는 Ni/Ag 층
059: 저융점 solder(SnBiAg)에 의한 접합
060: PET film으로 제작된 상부 커버
061: PET(Polyethylene terephthalate) 필름으로 제작된 하부 기판
062: ITO 또는 Cr/Ni/Ag 로 형성되는 도전 및 반사막 층
063: 황산바륨(BaSO4) powder, 알루미나(Al2O3)또는 이산화규소(SiO2)가 도포된 유리 기판
063-a 황산바륨(BaSO4) powder, 알루미나(Al2O3)또는 이산화규소(SiO2) 박막 또는 후막
064: 식각(Etching) 공정으로 형성된 상부 유리 커버 내의 산란층(scattering layer)

Claims (20)

  1. LED 전광판의 대면적 디스플레이에 있어서, 해당 디스플레이에 적용되는 LED 패키지가 적색, 녹색, 청색(Red, Green, Blue) LED 칩을 각각 내장하며, 기존처럼 LED 칩이 일정 거리 이격되어 마이콤 칩의 측면 설치되는 구조와 달리, 이들 각각의 적색, 녹색, 청색 LED 칩이 해당 소자에 신호와 전류를 공급하는 실리콘으로 제작된 마이콤 칩의 상면에 직접 장착되어 조립되며,
    하나의 LED 칩은
    상기 LED 칩은 마이콤 칩 상에 조립되고, LED 칩의 그 상부에 LED 칩의 n 층과, LED 칩의 p 층을 구비하고,
    상기 마이콤 칩 표면에는 LED 칩 + bias, LED 칩 - bias, 마이콤 전원 + 단자, 마이콤 전원 -단자를 구비하는 LED 패키지의 구조.
  2. LED 전광판의 대면적 디스플레이에 있어서, 해당 디스플레이에 적용되는 LED 패키지가 적색, 녹색, 청색 LED 칩을 각각 내장하며, 내장된 LED 칩을 써지(Surge)전압 또는 ESD(Electro Static Discharge)로부터 보호하기 위해 실리콘으로 제작된 제너 다이오드 칩의 상면에 직접 장착되어 조립되며,
    하나의 LED 칩은
    Si 절연층(Silicon Isolation layer)으로 형성된 실리콘 칩(Si die, 실리콘 다이) 내부에 형성된 좌측의 제너 다이오드(제너 다이오드의 P층, 제너 다이오드의 n 층) 상면에 LED 칩(칩 상부에 p 전극, n 전극)을 구비하고, 실리콘 칩 내부에 형성된 우측에는 마이콤 칩이 구비되며,
    상기 LED 칩은 그 상부에 LED 칩의 n 층과, LED 칩의 p 층을 구비하고,
    실리콘 칩의 내부에 형성된 제너 다이오드는 제너 다이오드의 p 층 및 제너 다이오드의 n 층을 구비하며, 그 하부에 형성된 고농도로 도핑(Doping)된 Si n++ 층을 통하여 외부로 노출되고, 이는 제너 다이오드의 n층 하단부터 우회하여 상면 방향으로 형성된 확산층과 연결된 제너 다이오드 n 전극이 형성되며,
    실리콘 칩의 내부에는 제너 다이오드와 마이콤 칩을 분리하기 위해 형성된 실리콘 절연층(Si-Isolation layer)을 구비하고,
    상기 마이콤 칩 표면에는 LED 칩 + bias, LED 칩 - bias, 마이콤 전원 + 단자, 마이콤 전원 -단자를 구비하며,
    상기 LED 칩을 실리콘으로 제작된 제너 다이오드 칩의 표면에 조립할 때, 인듐(In, Indium)을 사용하거나 Au80Sn20wt%, Au10Sn90wt%, SnBiAg, PbSnAg 또는 PbSn을 포함하는 공정 합금을 프리폼 솔더(Preform solder)을 이용하여 조립하며,
    상기 LED 칩을 실리콘으로 제작된 제너 다이오드 칩의 표면에 조립할 때 사용하는 인듐(In, Indium)이나 해당 공정 합금을 반도체 공정에서 사용하는 진공 증착(Vacuum evaporation)법을 이용하여 제너 다이오드의 전극 상에 형성하며 이를 이용하여 LED 칩이 조립되는 LED 패키지의 구조.
  3. LED 전광판의 대면적 디스플레이에 있어서, 해당 디스플레이에 적용되는 LED 패키지가 적색, 녹색, 청색 LED 칩을 각각 내장하고, 내장된 LED 칩을 써지(Surge)전압 또는 ESD(Electro Static Discharge)로부터 보호하기 위한 제너 다이오드 칩과 이들 LED 칩에 신호와 전류를 공급하는 마이콤 칩이 하나의 실리콘으로 제작된 칩으로 구성되며,
    하나의 LED 칩은
    Si 절연층(Silicon Isolation layer)으로 형성된 실리콘 칩(Si die, 실리콘 다이) 내부에 형성된 좌측의 제너 다이오드(제너 다이오드의 P층, 제너 다이오드의 n 층) 상면에 LED 칩(칩 상부에 p 전극, n 전극)을 구비하고, 실리콘 칩 내부에 형성된 우측에는 마이콤 칩이 구비되며,
    상기 LED 칩은 그 상부에 LED 칩의 n 층과, LED 칩의 p 층을 구비하고,
    실리콘 칩의 내부에 형성된 제너 다이오드는 제너 다이오드의 p 층 및 제너 다이오드의 n 층을 구비하며, 그 하부에 형성된 고농도로 도핑(Doping)된 Si n++ 층을 통하여 외부로 노출되고, 이는 제너 다이오드의 n층 하단부터 우회하여 상면 방향으로 형성된 확산층과 연결된 제너 다이오드 n 전극이 형성되며,
    실리콘 칩의 내부에는 제너 다이오드와 마이콤 칩을 분리하기 위해 형성된 실리콘 절연층(Si-Isolation layer)을 구비하고,
    상기 마이콤 칩 표면에는 LED 칩 + bias, LED 칩 - bias, 마이콤 전원 + 단자, 마이콤 전원 -단자를 구비하며,
    상기 내장된 LED 칩을 상기 제너 다이오드 칩과 상기 마이콤 칩이 하나의 실리콘으로 제작된 칩의 표면에서 상기 제너 다이오드 칩의 표면에 직접 조립하며, 측면 둘레에 스페이서를 구비하며 강화 유리로 된 상부 커버를 유리에 의해 하우징 되고,
    상기 LED 칩을 실리콘으로 제작된 상기 제너 다이오드 칩의 표면에 조립할 때, 인듐(In, Indium)을 사용하거나 Au80Sn20wt%, Au10Sn90wt%, SnBiAg, PbSnAg 또는 PbSn을 포함하는 공정 합금을 프리폼 솔더(Preform solder)을 이용하여 조립하며,
    상기 LED 칩을 실리콘으로 제작된 상기 제너 다이오드 칩의 표면에 조립할 때 사용하는 인듐(In, Indium)이나 해당 공정 합금을 반도체 공정에서 사용하는 진공 증착(Vacuum evaporation)법을 이용하여 상기 제너 다이오드의 전극 상에 형성하며 이를 이용하여 LED 칩이 조립되는 LED 패키지의 구조.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1, 2, 3항에 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 LED 칩을 실리콘으로 제작된 제너 다이오드 칩의 표면에 조립할 때, 금(Au, Gold)을 이용한 볼 범프(Au wire ball bump) 방식을 사용하여 LED 칩을 플리칩 방식으로 조립하는 LED 패키지의 구조.
  7. 제1, 2, 3항에 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 LED 칩과 제너 다이오드 조립 시, LED칩 전극의 Au 층과 실리콘 칩을 구성하는 실리콘(Si)의 공정점(Eutectic point)인 Si98Au2wt%를 이용하여 스크루빙(Scrubbing) LED 칩을 제너 다이오드 칩의 표면에 조립하는 LED 패키지의 구조.
  8. 제2항에 있어서, ,
    단일 기판으로 제작되는 제너 다이오드가 2개 이상의 병렬 구조를 갖거나 다수개의 독립된 개별적인 구조를 가지며 외부로부터 급작스럽게 인가되는 써지 전압 또는 ESD로부터 LED 칩을 보호하는 역할을 하는 LED 패키지의 구조.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 내장된 LED 칩을 상기 제너 다이오드 칩과 상기 마이콤 칩이 하나의 실리콘으로 제작된 칩의 표면에서 해당 제너 다이오드 칩의 표면에 직접 조립하는 LED 패키지 구조로 제작된 소자를 강화유리나 알루미늄, 구리 또는 PET(Polyethylene phthalate)를 사용한 기판 상에 장착하여 대면적 디스플레이용 광원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지의 구조.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    실리콘 칩의 내부에 구비된 제너 다이오드와 상기 마이콤 칩이 분리되어 조립될 수 있는 것을 특징으로 하는 LED 패키지의 구조.
  12. 강화 유리나 알루미늄, 구리, 투명아크릴 또는 PET(Polyethylene terephthalate)를 사용한 기판 상에 산화베릴륨(BeO)이나 알루미늄나이트라이드(AlN) 또는 산화알루미늄(Al2O3)을 포함하는 점착층을 10~30㎛ 두께로 형성하며, 그 위에 구리(Cu)층 10~20㎛와 매트릭스(Matrix)구조로 이루어진 그래파이트(Graphite)층을 10~20㎛로 각각 형성하며, 순차적으로 니켈(Ni)층 0.5~3㎛과 은(Ag)층 1~5㎛ 그리고 황산바륨(BaSO4)층을 10~20㎛ 두께로 하여 제작하는 대면적 디스플레이용 LED 전광 판넬의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    1) LED 전광판의 대면적 디스플레이에 있어서, 해당 디스플레이에 적용되는 LED 패키지가 적색, 녹색, 청색(Red, Green, Blue) LED 칩을 내장하며, 기존처럼 LED 칩이 일정 거리 이격되어 마이콤 칩의 측면 설치되는 구조와 달리, 이들 LED 칩이 해당 소자에 신호와 전류를 공급하는 실리콘으로 제작된 마이콤 칩의 상면에 직접 장착되어 조립된 LED 패키지의 구조;
    2) LED 전광판의 대면적 디스플레이에 있어서, 해당 디스플레이에 적용되는 LED 패키지가 적색, 녹색, 청색 LED 칩을 내장하며, 내장된 LED 칩을 써지(Surge)전압 또는 ESD(Electro Static Discharge)로부터 보호하기 위해 실리콘으로 제작된 제너 다이오드 칩의 상면에 직접 장착되어 조립하는 LED 패키지의 구조;
    3) LED 전광판의 대면적 디스플레이에 있어서, 해당 디스플레이에 적용되는 LED 패키지가 적색, 녹색, 청색 LED 칩을 내장하고, 내장된 LED 칩을 써지(Surge)전압 또는 ESD(Electro Static Discharge)로부터 보호하기 위한 제너 다이오드 칩과 이들 LED 칩에 신호와 전류를 공급하는 마이콤 칩이 하나의 실리콘으로 제작된 칩으로 구성되는 LED 패키지의 구조; 또는
    4) 3)의 LED 패키지 구조에서,상기 내장된 LED 칩을 상기 제너 다이오드 칩과 상기 마이콤 칩이 하나의 실리콘으로 제작된 칩의 표면에서 해당 제너 다이오드 칩의 표면에 직접 조립하며, 측면 둘레에 스페이서를 구비하며 강화 유리로 된 상부 커버를 유리에 의해 하우징 되는 LED 패키지 구조 중 어느 하나의 방식으로 제작된 경우,
    제작된 LED 패키지를 장착하는 대면적 디스플레이용 LED 기판의 판넬(panel)이나 이렇게 제작된 기판 상에 스페이서(Spacer)로 역할하는 PVB(Poly Vinyl Butyral) 필름을 패턴 형태로 장착하고 그 위에 소자를 보호하기 위한 상부 커버 유리를 적층하는 대면적 디스플레이용 LED 전광 판넬의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 1), 2), 3), 또는 4) 방식 중 어느 하나의 방식으로 제작된 LED 패키지를 장착하고, 그 위에 PET 필름을 열에 의한 압착 또는 점착성 투명수지(Transparent resin)를 도포하여 압착하는 렌즈 돌출 방식의 대면적 디스플레이용 LED 전광 판넬의 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    대면적 디스플레이용 LED 기판으로 PET(Polyethylene phthalate)를 사용한 필름 재질을 사용하며, 그 위에 투명 전극용 필름으로 회로(Circuit)용 패턴(Pattern)을 형성하는 대면적 디스플레이용 LED 전광 판넬의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 1), 2), 3) 또는 4) 방식 중 어느 하나의 방식으로 제작된 LED 패키지를 장착하고, 그 위에 PET 필름을 열에 의한 압착 또는 점착성 투명수지(Transparent resin)를 도포하여 압착하는 렌즈 돌출 방식의 대면적 디스플레이용 LED 전광 판넬의 제조 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 대면적 디스플레이용 LED 기판으로 PET(Polyethylene phthalate)를 사용한 필름 재질을 사용하는 대신에,
    상기 대면적 디스플레이용 LED 기판으로 강화 유리나 알루미늄, 투명 아크릴, 구리 또는 PET(Polyethylene phthalate)를 사용한 재질을 사용하며, 그 위에 투명 전극용 필름으로 회로(Circuit)용 패턴(Pattern)을 형성하고,
    상기 1), 2), 3) 또는 4) 방식 중 어느 하나의 방식으로 제작된 LED 패키지를 장착한 기판 상에 스페이서(Spacer)로 역할하는 PVB 필름을 패턴 형태로 장착한 후, 그 위에 소자를 보호하기 위한 상부 커버 유리를 적층하는 대면적 디스플레이용 LED 전광 판넬의 제조 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 대면적 디스플레이용 LED 기판으로 강화 유리나 알루미늄, 아크릴, 구리 또는 PET(Polyethylene phthalate)를 사용한 재질을 사용하며, 그 위에 투명전극용 필름으로 회로(Circuit)용 패턴(Pattern)을 형성하고;
    상기 1), 2), 3) 또는 4) 방식 중 어느 하나의 방식으로 제작된 LED 패키지를 장착한 기판 상에 PET 필름을 열에 의한 압착 또는 점착성 투명수지를 도포하여 압착하는 렌즈 돌출 방식의 대면적 디스플레이용 LED 전광 판넬의 제조 방법.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 대면적 디스플레이용 LED 기판으로 강화 유리나 알루미늄, 아크릴, 구리 또는 PET(Polyethylene phthalate)를 사용한 재질을 사용하며, 그 위에 투명전극용 필름으로 회로(Circuit)용 패턴(Pattern)을 형성하고;
    1), 2), 3) 또는 4) 방식 중 어느 하나의 방식으로 제작된 LED 패키지를 장착하는 대면적 디스플레이용 LED 기판의 판넬(panel)상에 스페이서(Spacer)로 역할하는 PVB(Poly Vinyl Butyral) 필름을 패턴 형태로 장착하고, 그 위에 LED 칩을 보호하기 위해 장착하는 상부 커버 유리의 내면에는 LED 칩에서 방출되는 광을 산란(Scattering)시키는 돌기(Projection)하여 적층하는 대면적 디스플레이용 LED 전광 판넬의 제조 방법.
  20. 제13,14,17,18,19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 LED 패키지와의 솔더링을 위한 기판 상의 전극으로 Cr/Ni/Au, Ti/Pt/Au, Ni/Au, Ni/Ag, Ni/Cu를 포함하는 구조를 사용하는 대면적 디스플레이용 LED 전광 판넬의 제조 방법.
KR1020160154155A 2016-11-18 2016-11-18 대면적 디스플레이용 ｌｅｄ 패키지와 ｌｅｄ 전광 판넬의 구조 및 그 제조 방법 KR101789126B1 (ko)

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