KR101870596B1 - Ｌｅｄ 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
LED 모듈 및 그 제조 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 LED 모듈은 하부에 복수 개의 방열핀이 구비되고 중앙부에 전원선용 관통구가 구비되며 일측에 통풍용 관통구가 구비되는 방열판; 알루미나 소재로 이루어지고, 전극 패드 및 회로 패턴이 실버 스크린 프린팅되며 방열판의 상면에 결합되는 기판; 전극 패드에 실장되는 칩스케일 LED 디바이스; 양측에서 볼록렌즈부가 구비되고 볼록렌즈부가 기판의 상부에 배치되도록 방열판에 결합되는 광학 렌즈; 및 통풍용 관통구에 삽입되며, 광학 렌즈와 방열판 사이의 공간으로부터 공기를 외부로 배출하거나 외부로부터 유입하는 통풍 부재;를 포함한다.
Description
본 발명은 조명 장치에 관한 것으로, 특히, 칩스케일 LED 칩온보드 타입(CSP LED COB type)으로 광효율을 개선하는 LED 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 LED COB(Chip On Board)는 메탈(알루미늄) PCB 기판을 기반으로 일반 LED 패키지를 배열하여 제조된 제품이 주종을 이루고 있다.
이러한 메탈 LED COB는 알루미늄 판재에 절연층을 코팅한후 동박을 입힌 후 에칭(Etching)에 의해 제작하는 방식으로 일반 LED 칩을 배열하기 때문에 LED 칩 부근에 열이 집중된다. 이때, 알루미늄과 동판의 열팽창계수가 상이하여 패턴이 분리되거나 LED 칩이 탈락되는 장애를 초래한다. 아울러 서지 전압 유입시 절연층이 약하여 절연 파괴 현상이 빈번하게 발생한다.
또한 일반적인 LED COB는 다수의 LED 칩을 PCB 기판에 배열한 후 골드 와이어 본딩(Gold Wire Bonding)하여 제조하기 때문에 본딩 부분에는 와이어에 의해 광이 차단되어 광효율이 현저하게 떨어진다. 아울러 본딩이 용융되거나 탈락하는 경우가 빈번하게 발생한다.
또한 메탈 소재는 수평 방향의 열 전도율(X-Y측)은 높지만 수직 방향의 열 방사율(Z측)이 낮기 때문에 열을 빠른 시간 내에 상측(Z측)으로 방사시키지 못하므로 방열 기능이 낮으며 결과적으로 LED 수명을 단축시킨다. 이러한 현상은 LED 모듈의 장애를 발생시키는 주된 문제점으로 대두되고 있다.
현재 시판중인 COB 모듈은 배광을 위하여 광학 렌즈를 사용하고 있다. 여기서, 광학 렌즈 내의 공간을 방진/방수 지수 IP65 이상으로 만족시키기 위해 완전 밀폐하는 구조로 제조되고 있다. 이에 따라 열에 의한 공기의 팽창 및 수축으로 인해 패킹이 밀리거나 파괴되어 방진/방수 지수를 유지할 수 없는 문제점이 있다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 요구되는 방진/방수 지수를 만족하는 동시에 열효율을 향상시킬 수 있는 LED 모듈 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 패턴의 분리 및 LED 디바이스의 탈락을 방지하는 동시에 전기적 특성의 신뢰성을 보장할 수 있는 LED 모듈 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 하부에 복수 개의 방열핀이 구비되고 중앙부에 전원선용 관통구가 구비되며 일측에 통풍용 관통구가 구비되는 방열판; 알루미나 소재로 이루어지고, 전극 패드 및 회로 패턴이 실버 스크린 프린팅되며 상기 방열판의 상면에 결합되는 기판; 상기 전극 패드에 실장되는 칩스케일 LED 디바이스; 양측에 볼록렌즈부가 구비되고 상기 볼록렌즈부가 상기 기판의 상부에 배치되도록 상기 방열판에 결합되는 광학 렌즈; 및 상기 통풍용 관통구에 삽입되며, 상기 광학 렌즈와 상기 방열판 사이의 공간으로부터 공기를 외부로 배출하거나 외부로부터 유입하는 통풍 부재;를 포함하는 LED 모듈이 제공된다.
일 실시예에서, 상기 통풍 부재는, 원통 형상의 멤브레인; 및 상기 멤브레인의 양면에 압착되는 양모;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 통풍 부재는 상기 양모 및 상기 멤브레인을 수용하는 케이스; 및 상기 케이스의 상단에 구비되는 덮개를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 덮개는 외주면을 따라 복수 개의 통풍구가 구비되고, 상기 통풍 부재는 상기 통풍구가 상기 방열판의 상면으로부터 돌출되도록 구비될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 LED 디바이스는 상기 기판에 플립칩 본딩될 수 있다.
일 실시예에서, LED 모듈은 탄력성 및 내열성을 갖는 실리콘 패킹을 포함하고, 상기 광학 렌즈는 그 하면에 상기 실리콘 패킹이 삽입되는 홈부가 구비될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광학 렌즈는 비결정성 플라스틱으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 알루미나 소재로 이루어지고, 전극 패드 및 회로 패턴을 실버 스크린 프린팅한 기판을 준비하는 단계; 상기 기판의 전극 패드에 칩스케일 LED 디바이스를 플립칩 실장하는 단계; 하부에 복수 개의 방열핀이 구비되고 중앙부에 전원선용 관통구가 구비되며 일측에 통풍용 관통구가 구비되는 방열판을 준비하는 단계; 상기 방열판의 상부에 상기 기판을 결합하는 단계; 공기를 외부로부터 유입하거나 외부로 배출하는 통풍 부재를 상기 통풍용 관통구에 삽입하는 단계; 및 양측에 볼록렌즈부가 구비되고 탄력성 및 내열성을 갖는 실리콘 패킹이 하면에 삽입되며 비결정성 플라스틱으로 이루어진 광학 렌즈를 상기 볼록렌즈부가 상기 기판의 상부에 배치되도록 상기 방열판에 결합하는 단계;를 포함하는 LED 모듈의 제조 방법이 제공된다.
일 실시예에서, 상기 준비하는 단계는, 상기 기판을 레이저로 절단하는 단계; 상기 기판을 기계적 연마하고 세척하여 이물질을 제거하는 단계; 실버 페이스트를 이용하여 상기 전극 패드 및 회로 패턴을 스크린 프린팅하는 단계; 상기 기판을 상온에서 건조한 후, 800~900℃로 3~4시간 가열하고, 상온이 될 때까지 서냉하여 건조 및 열처리하는 단계; 및 상기 전극 패드 및 회로 패턴 중 상기 LED 디바이스를 솔더링하는 부분 이외의 영역 수용성 프리플럭스로 코팅하는 단계;를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 LED 모듈의 제조 방법은 상기 삽입하는 단계; 원통 형상의 멤브레인의 양면에 양모를 압착하고 케이스에 삽입하는 단계; 및 외주면을 따라 복수 개의 통풍구가 구비된 덮개를 상기 케이스의 상단에 결합하는 단계를 더 포함하고, 상기 통풍구가 상기 방열판의 상면으로부터 돌출되어 상기 광학 렌즈와 상기 방열판 사이의 공간에 배치되도록 상기 통풍 부재를 상기 방열판에 삽입할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 LED 모듈 및 그 제조 방법은 알루미나 기판을 이용하고 통풍 부재를 통하여 광학 렌즈와 방열판 사이의 공간과 외부와의 공기 통로를 형성함으로써 요구되는 방진/방수 지수를 만족시키는 동시에 열전도 효율을 향상시키므로 방열 효과를 극대화시킬 수 있다.
또한 본 발명은 고내열성 및 고탄력성 실리콘 패킹을 광학 렌즈의 하면에 삽입함으로써, 요구되는 방진/방수 지수를 만족시키므로 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명은 알루미나 기판에 실버 페이스트를 이용한 스크린 프린팅에 의해 패턴을 형성하고 열처리를 수행함으로써 패턴의 분리 및 LED 디바이스의 탈락을 방지하므로 전기적 특성의 신뢰성을 보장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 LED 모듈을 나타낸 분해사시도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LED 모듈을 나타낸 정면도,
도 3은 도 1의 평면도,
도 4는 도 1의 방열판의 하부를 나타낸 사시도,
도 5는 도 1의 방열판의 상부를 나타낸 사시도,
도 6은 도 1의 기판을 나타낸 사시도,
도 7은 도 1의 광학 렌즈의 하부를 나타낸 평면도,
도 8은 도 1의 광학 렌즈의 단면도,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 LED 모듈을 나타낸 단면도,
도 10은 도 1의 통풍 부재의 분해 사시도,
도 11은 도 10의 통풍 부재의 원리를 설명하기 위한 도면, 그리고,
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 LED 모듈의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LED 모듈을 나타낸 정면도,
도 3은 도 1의 평면도,
도 4는 도 1의 방열판의 하부를 나타낸 사시도,
도 5는 도 1의 방열판의 상부를 나타낸 사시도,
도 6은 도 1의 기판을 나타낸 사시도,
도 7은 도 1의 광학 렌즈의 하부를 나타낸 평면도,
도 8은 도 1의 광학 렌즈의 단면도,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 LED 모듈을 나타낸 단면도,
도 10은 도 1의 통풍 부재의 분해 사시도,
도 11은 도 10의 통풍 부재의 원리를 설명하기 위한 도면, 그리고,
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 LED 모듈의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 LED 모듈을 보다 상세히 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 LED 모듈을 나타낸 분해사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LED 모듈을 나타낸 정면도이며, 도 3은 도 1의 평면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 모듈(100)은 방열판(110), 기판(120), LED 디바이스(130), 실리콘 패킹(140), 광학 렌즈(150) 및 통풍 부재(160)를 포함한다.
방열판(110)은 LED 디바이스(130)로부터 방출되는 열을 넓은 표면적을 통하여 공냉시킨다. 이러한 방열판(110)은 열전도성이 우수한 금속 재질로 형성될 수 있다.
도 4는 도 1의 방열판의 하부를 나타낸 사시도이고, 도 5는 도 1의 방열판의 상부를 나타낸 사시도이다.
방열판(110)은 중앙부에 전원선용 관통구(112)가 구비될 수 있다. 여기서 전원선용 관통구(112)는 방열판(110)의 상면으로부터 하면으로 관통하여 형성될 수 있다. 전원선용 관통구(112)는 기판(120)의 전원을 공급하기 위한 전원선(170)이 삽입될 수 있다.
또한 방열판(110)은 일측에서 통풍용 관통구(114)가 구비될 수 있다. 여기서, 통풍용 관통구(114)는 기판(120)의 일측에 배치될 수 있다. 이러한 통풍용 관통구(114)는 방열판의 상면으로부터 하면으로 관통하여 형성될 수 있다. 통풍용 관통구(114)는 후술하는 바와 같은 통풍 부재(160)가 삽입될 수 있다.
또한 방열판(110)은 그 하부에 복수 개의 방열핀(116)이 구비될 수 있다. 여기서, 방열핀(116)은 일정 길이로 하부로 연장 형성될 수 있다. 방열핀(116)은 중앙부의 전원선용 관통구(112)를 중심으로 대략 좌우 대칭 형태로 구비될 수 있다.
일례로, 방열핀(116)은 전원선용 관통구(112)의 양측 중앙으로부터 외곽 방향으로 연장 형성될 수 있다. 이때, 방열핀(116)은 중앙부로부터 방사상으로 형성될 수 있다. 여기서, 방열핀(116)은 전원선용 관통구(112)의 부근에서 "∧"자 형태로 서로 연장 형성될 수 있다. 본 실시예에서 방열핀(116)의 일례가 도시되고 설명되었으나, 방열핀(116)의 형상은 이에 한정되지 않고 다양한 형태로 구비될 수 있다.
기판(120)은 세라믹계열의 소재로 이루어진다. 바람직하게는 기판(120)은 알루미나(Al2O3) 소재로 이루어질 수 있다. 여기서 기판(120)은 후술하는 바와 같이 실버 스크린 프린팅에 의해 회로 패턴(122,124) 및 전극 패드(126,128)가 구비될 수 있다.
일례로, 기판(120)은 재질 자체가 무한대의 절연체로서 특수 제작된 알루미나 판재에 전도성 패턴을 실버 소재로 스크린 프린팅 후 열처리에 의해 화학적 결합시킴으로써 접착제(adhesive)가 10㎏f 이상으로 매우 접착력이 높은 전도성 패턴이 형성될 수 있다. 이때 열처리 과정에서 불순물이 모두 휘발되고 실버만 잔존하게 됨으로써 전도성 소재 중 비저항이 가장 낮아 소비전력을 최소화할 수 있다.
또한 알루미나와 실버가 동일 물성으로 변하여 열팽창계수의 차이로 인한 패턴 분리 및 LED 디바이스(130)의 탈락을 방지할 수 있는 동시에, 완전한 절연체로 써지 전압 등 이상 전압으로 인한 절연파괴 현상을 방지할 수 있다.
이와 같이 알루미나 기판(120)은 수평 방향의 열 전도율(X-Y측)과 수직 방향의 열 방사율(Z측)이 높기 때문에 열이 가해지면 신속하게 열을 방출시킴으로써 방열 효과를 극대화시킬 수 있으므로 화재 등 제품의 안전성 및 신뢰성을 극대화 시킬 수 있다.
기판(120)은 방열판(110)의 상면에 결합될 수 있다. 이때 기판(120)은 복수 개로 구비될 수 있다. 즉, 기판(120)은 전원선용 관통구(112)를 중심으로 양측에 배치될 수 있다. 도 6은 도 1의 기판을 나타낸 사시도이다.
기판(120)은 LED 디바이스(130)의 배열을 직렬로 연결하도록 제1배선(122)이 구비될 수 있다. 유사하게 기판(120)은 LED 디바이스(130)의 배열을 병렬로 연결하도록 제2배선(124)이 구비될 수 있다. 즉, 제1배선(122) 및 제2배선(124)은 LED 디바이스(130)의 배열에 따라 직렬, 병렬 또는 직병렬이 되도록 구비될 수 있다.
또한 기판(120)은 일측에 제2배선(124)과 연결되는 전원 패드(126)가 구비될 수 있다. 여기서 전원 패드(126)는 전원선용 관통구(112)와 인접하도록 방열판(110)의 내측 방향에 구비될 수 있다. 전원 패드(126)는 전원선(170)이 연결되며 이에 의해 LED 디바이스(130)에 전원이 공급될 수 있다.
또한 기판(120)은 LED 디바이스(130)가 실장되는 영역(129) 내에 전극 패드(128)가 구비될 수 있다. 여기서 전원 패드(126)는 실장 영역(129) 내에 한 쌍으로 구비될 수 있다.
본 실시예에서 제1배선(122), 제2배선(124), 전원 패드(126) 및 전극 패드(128)의 일례가 도시되고 설명되었으나, 회로 패턴은 이에 한정되지 않고 다양한 형태로 구비될 수 있다.
LED 디바이스(130)는 기판(120)의 전극 패드(128) 상에 실장될 수 있다. 여기서, LED 디바이스(130)는 칩스케일 디바이스로서 전극 패드(128) 상에 플립칩 본딩될 수 있다.
이와 같이 LED 디바이스(130)는 종래의 와이어 본딩과 비교하여 와이어에 의해 발광면의 일부가 가려져 발광 효율이 떨어지는 문제가 없고, 본딩 패드가 배면에 형성되기 때문에 발광면적이 넓으므로 광효율이 향상되며, 와이어 본딩을 사용하지 않기 때문에 전기적 신뢰성이 우수하다.
실리콘 패킹(140)은 탄력성 및 내열성을 갖는다. 여기서, 실리콘 패킹(140)은 광학 렌즈(150)의 하면에 구비된 홈부(154)에 삽입될 수 있다. 실리콘 패킹(140)은 중앙에 중공부(142)가 구비되는 사각틀 형상을 가질 수 있다.
이러한 실리콘 패킹(140)은 요구되는 방진/방수 지수를 만족시키도록 IP(International Protection) 시험을 거친 후 사용될 수 있다. 이와 같이 실리콘 패킹(140)은 광학 렌즈(150)와 방열판(110) 사이에서 측면으로 분진 또는 물 등의 유입을 방지함으로써 요구되는 방진/방수 지수를 만족시킬 수 있다.
광학 렌즈(150)는 방열판(110)의 상부에서 기판(120)을 수용하도록 결합될 수 있다. 여기서 광학 렌즈(150)는 LED 디바이스(130)로부터 방출된 광을 집약하여 외부로 방출시킬 수 있다.
또한 광학 렌즈(150)는 비결정성 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 바람직하게는 광학 렌즈(150)는 MCP(Micro Cellular Plastics) 제조 기술을 응용하여 폴리카보네이트 수지를 기재로 하는 초미세 발포체(상품명 MCPOLYCA)로 이루어질 수 있다.
도 7은 도 1의 광학 렌즈의 하부를 나타낸 평면도이고, 도 8은 도 1의 광학 렌즈의 단면도이다.
광학 렌즈(150)는 양측에서 볼록렌즈부(152)가 구비될 수 있다. 여기서, 볼록렌즈부(152)는 외측으로 볼록하게 돌출된 형태로 구비될 수 있다.
또한 광학 렌즈(150)는 외주변을 따라 실리콘 패킹(140)이 삽입되는 홈부(154)가 구비될 수 있다. 여기서 홈부(154)는 실리콘 패킹(140)의 형상과 동일한 형상으로 구비될 수 있다. 즉, 광학 렌즈(150)는 외주변으로부터 일정거리 이격되어 벽부(156)가 구비될 수 있다. 벽부(156) 사이는 기판(120)이 실장되는 공간이 구비될 수 있다.
또한 광학 렌즈(150)는 전체적으로 판 형상을 가지며 중앙을 중심으로 양측에 볼록렌즈부(152)가 구비될 수 있다. 즉, 양측의 볼록렌즈부(152) 사이는 평편한 판 형상으로 연결될 수 있다.
또한 광학 렌즈(150)는 도 3에 도시된 바와 같이 볼록렌즈부(152)가 기판(120)의 상부에 배치되도록 방열판(110)에 결합될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 LED 모듈을 나타낸 단면도이다.
기판(120)은 전원선용 관통구(112)를 중심으로 양측에서 방열판(110)에 결합될 수 있다. 여기서, 볼록렌즈부(152)의 사이의 연결부는 전원선용 관통구(112)로부터 일정거리로 이격될 수 있다.
이때, 일측의 볼록렌즈부(152)(도면에서 좌측)는 통풍 부재(160)를 수용하도록 구비될 수 있다. 즉, 통풍 부재(160)를 통하여 방열판(110)의 하측으로부터 방열판(110)과 광학 렌즈(150) 사이의 공간으로 공기가 유입되거나 유출될 수 있다.
이에 의해, 기판(120) 또는 방열판(110)의 상측으로 방출되는 열이 외부로 대류됨으로써 방열 효율을 향상시킬 수 있다.
통풍 부재(160)는 방열판(110)의 통풍용 관통구(114)에 삽입될 수 있다. 이러한 통풍 부재(160)는 광학 렌즈(150)와 방열판(110) 사이의 공간으로부터 공기를 외부로 배출하거나 외부로부터 유입할 수 있다.
여기서, 광학 렌즈(150)와 방열판(110) 사이에 공간이 존재하며 방진/방수 지수를 만족시키기 위해 실리콘 패킹(140)에 의해 밀폐되기 때문에 LED 디바이스(130)의 발열에 의해 온도가 상승한다. 이때, 이 공간의 공기 팽창 또는 수축으로 실리콘 패킹(140)이 밀려나거나 파손되면 요구되는 방진/방수 지수(IP 65)를 유지하기 곤란하다. 여기서 IP 65는 방진 등급이 약간의 먼지도 통과시키지 않는 완전 밀폐형 보호등급이며, 방수 등급이 모든 방향에서 분사되는 낮은 수압의 물줄기로부터 보호하는 등급으로 소나기나 물 호수로 뿌리는 물 분사에 대한 보호 등급이다.
이를 해결하기 위해 본 실시예는 공기 통풍(Air Ventilation) 구조를 방열판(110)에 구비할 수 있다. 즉, 통풍 부재(160)는 공기 분자는 유입 또는 유출이 가능하지만 분진 및 수분은 차단하는 기능을 갖는다. 이는 LED 모듈(100)의 제품 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 기능을 갖는다.
도 10은 도 1의 통풍 부재의 분해 사시도이고, 도 11은 도 10의 통풍 부재의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
통풍 부재(160)는 원통 형상의 멤브레인(164)과 멤브레인(164)의 양면에 압착되는 제1양모(162) 및 제2양모(166)를 포함할 수 있다.
또한 통풍 부재(160)는 제1양모(162), 멤브레인(164) 및 제2양모(166)를 수용하는 케이스(160a) 및 케이스(160a)의 상단에 구비되는 덮개(160b)를 더 포함할 수 있다.
덮개(160b)는 외주면을 따라 복수 개의 통풍구(168)가 구비될 수 있다. 여기서, 통풍 부재(160)는 도 9에 도시된 바와 같이, 통풍구(168)가 방열판(110)의 상면으로 도출되도록 구비될 수 있다. 즉, 광학 렌즈(150)와 방열판(110) 사이의 공간으로부터 통풍구(168)를 통하여 방열판(110)의 하부로 공기의 유로가 형성될 수 있다.
멤브레인(164)은 액체 분리막으로서, 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)고분자 물질로 이루어질 수 있다. 여기서, 에틸렌(C2H4)은 탄소 원자 2개와 수소 원자 4개가 결합된 분자이며, 2개의 탄소 원자들은 이중결합이 되어 있는 특징을 가진 분자이다. 각 탄소 원자에 2개씩의 수소 원자가 결합된 형태이다. 수소 원자 4개를 모두 불소 원자로 바꾸면 테트라플루오로에틸렌(tetrafluoroethylene(TFE), C2F4)이 되며, 이들 분자들을 많이 연결하면 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)이라는 고분자 물질이 형성된다.
PTFE 고분자물질은 평방 센티미터당 약 14억 개의 구멍이 있으며 이 구멍의 크기는 보통 물 한 방울의 크기에 비해 약 2,000배 정도 작다. 보통 물 한 방울의 부피는 0.03~0.05 ㎖이고 멤브레인(164)의 구멍의 부피는 2 X 10-6(0.0000025㎖)이다. 따라서 물은 멤브레인(164)을 통과하지 못한다. 또한 공기는 PTFE 고분자물질의 구멍보다 약 2,000배 정도 작기 때문에 멤브레인(164)을 통한 공기의 배출 및 흡입이 가능하다. 또한, 멤브레인(164)은 1㎛ 이하인 연기 또는 매연(fume)을 차단할 수 있다.
멤브레인(164)의 양면에 압착되는 제1양모(162) 및 제2양모(166)는 입자 크기가 지름이 76㎛ 이상인 그릿(grit), 1~76㎛의 먼지(dust)를 차단할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 제1양모(162) 및 제2양모(166)는 미세먼지의 유입을 방지하고, 멤브레인(164)은 수분의 유입을 방지함으로써, 통풍 부재(160)는 공기만이 흐르는 통로를 제공할 수 있다.
이에 의해 LED 모듈(100)은 방진/방수 지수 IP67을 만족할 수 있다. 여기서, IP 67은 방진 등급이 약간의 먼지도 통과시키지 않는 완전 밀폐형 보호등급이며, 방수 등급이 15㎝ ~ 1M 깊이의 물속에서 30분 동안 보호되는 정도로 일시적인 침수의 여향에 대한 보호 수준이다.
이와 같은 구성에 의해 LED 모듈(100)은 요구되는 방진/방수 지수를 만족시키는 동시에 열전도 효율을 향상시키므로 방열 효과를 극대화시킬 수 있다. 또한 요구되는 방진/방수 지수를 만족시키므로 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 패턴의 분리 및 LED 디바이스의 탈락을 방지하므로 전기적 특성의 신뢰성을 보장할 수 있다.
이하, 도 12를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 LED 모듈의 제조 방법을 설명한다. 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 LED 모듈의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
LED 모듈의 제조 방법(200)은 기판을 준비하는 단계(S201 내지 S205), LED 디바이스를 실장하는 단계(S206), 방열판에 기판을 결합하는 단계(S207 및 S208), 통풍 부재를 삽입하는 단계(S209), 및 광학 렌즈를 결합하는 단계(S210)를 포함한다.
보다 상세히 설명하면, 도 10에 도시된 바와 같이, 먼저, 알루미나 소재로 이루어지고, 전극 패드 및 회로 패턴을 실버 스크린 프린팅한 기판(120)을 준비한다(단계 S201 내지 S205).
보다 구체적으로, 기판(120)을 레이저로 절단한다(단계 S201). 즉, 알루미나 판재를 제품 사양에 따라 SCL(Silver Clad Laminate)또는 내층 원자재(알루미나 코어)를 표준 작업 크기(Standard Working Size)로 레이저 절단한다.
다음으로, 기판(120)을 기계적 연마하고 세척하여 이물질을 제거한다(단계 S202). 여기서 이물질 제거(Deburring)는 절단시 발생한 버(burr)와 홀 속의 칩, 미세입자(particle) 및 산화막이나 지문 등을 기계적 연마방법(buffer brush)으로 제거하는 것이다. 이에 의해 표면의 평탄도를 높이고 메틸알콜(CH3OH)계의 세척제로 표면을 세척하여 이물질을 제거할 수 있다.
다음으로, 실버 페이스트(silver paste)를 이용하여 기판(120) 상에 패턴을 스크린 프린팅한다(단계 S203). 이때, 제1배선(122), 제2배선(124), 전원 패드(126), 및 전극 패드(128)를 스크린 프린팅(screen printing) 기법으로 약 10㎛ 두께로 인쇄할 수 있다.
다음으로, 기판(120)을 건조 및 열처리한다(단계 S204). 먼저, 스크린 프린팅한 기판(120)을 상온(25℃)에서 약 3시간 정도 자연건조시킨다. 이때 먼지 등 이물질이 유입되지 않도록 밀폐된 크린 챔버(Clean chamber)에서 건조한다. 이에 의해 실버 페이스트가 패턴을 증착시키는 과정에서 기포의 발생을 억제할 수 있다.
이와 같은 자연건조 과정을 거친 기판(120)을 특수 제작된 내열박스에 수평 삽입 후 전기로 또는 가스로에 넣어 800~900℃ 열로 약 3시간 열처리한다. 이 과정에서 발생하는 기체를 강제로 배출시키지 않고 자연적인 배기가 될 수 있도록 한다.
여기서, 800~900℃로 약 3시간 열처리하면 알루미나 판재와 실버가 화학적 결합을 일으켜 접착제(Adhesive)가 10kgf 이상으로 매우 접착력이 높은 전도성 패턴이 형성될 수 있다. 또한 열처리 과정에서 불순물이 모두 휘발되고 순수한 실버만 잔존하게 됨으로써 전도성 소재 중 비저항이 가장 낮아 소비전력을 최소화할 수 있다.
또한 알루미나와 실버가 동일 물성으로 변하여 열팽창계수의 차이로 인한 패턴 분리 및 LED 디바이스(130) 탈락을 방지할 수 있는 동시에, 완전한 절연체로 써지 전압 등 이상 전압으로 인한 절연파괴 현상을 방지할 수 있다.
이와 같은 열처리 후 챔버 투시구를 통하여 패턴 형성을 확인하고, 기판(120)의 급속한 수축을 방지하기 위하여 상온(약25℃)이 될 때까지 5시간 동안 서냉시킨다. 이때, 급격한 온도변화로 인한 기판(120)의 수축 및 팽창을 방지하기 위해서는 상기와 같은 서냉 과정을 거치며 냉각하는 과정에서 이물질 및 오염이 되지 않도록 한다.
다음으로, 기판(120)의 패턴 중 LED 디바이스(130)를 솔더링하는 부분을 제외한 나머지 부분을 수용성 프리플럭스로 코팅한다(단계 S205). 여기서, 상술한 바와 같이 열처리한 기판(120)의 실버 패턴 부분은 공기와 접촉시 산화가 발생한다. 이를 방지하기 위해, LED 디바이스(130)의 솔더링 부분만 제외하고 그 외의 영역에 수용성 타입(Type) 프리플럭스(Preflux) 코팅제를 이용하여 0.2~0.5㎛ 두께로 얇고 균일한 보호피막을 형성할 수 있다.
이와 같이 수용성 프리플럭스에 의해, 환경오염의 원인인 유기용제를 사용하지 않을 수 있고, 실버에만 선택적으로 보호피막을 형성할 수 있으며, 보호피막이 얇아 무잔사 포스트플럭스(Post Flux), 수용성 포스트플럭스 등에 모두 적용이 가능하며, 보호피막을 0.2~0.5㎛의 균일한 두께로 형성할 수 있다.
다음으로, 기판(120)의 전극 패드(128)에 칩스케일 LED 디바이스(130)를 플립칩 실장한다(단계 S206).
이때, 기판(120)에 칩스케일 LED 디바이스(130) 패키지(PKG)를 직접 부착한다. 일례로, SMT 장비에 LED 디바이스(130) 패키지를 장착한 후 칩스케일 부착에 적합하게 프로그램을 설정한 후 솔더링(딥핑)을 수행할 수 있다. 여기서 솔더는 인체 및 환경에 해가 없으며 RoHS 규격에 적합한 무연납(Lead free)을 사용할 수 있다. 이에 의해 납, 수은 등 오염물질의 배출을 최소화할 수 있다.
또한 무연납은 공기 접촉시 산화가 되지 않으며 융점이 약 400℃이기 때문에 LED 모듈(100)에서 발생하는 열에 의한 온도(약280℃)에서 용융하는 현상을 미연에 차단할 수 있다.
아울러, 칩스케일 LED 디바이스(130)는 골드 와이어를 사용하지 않기 때문에 골드 와이어를 사용하는 경우에 비하여 발광면적을 최대화하여 광효율을 높일 수 있다. 또한 LED 디바이스(130) 자체에 형광체(Phosphor)가 형성되기 때문에 별도의 형광체 도포과정이 필요 없고, YAG(Yttrium Aluminum Garnet) 작업시 오염 물질의 발생을 최소화할 수 있다.
다음으로, 기판(120)에 결합하기 위한 방열판(110)을 준비한다(단계 S207). 이때, 방열판(110)은 하부에 복수 개의 방열핀(116)이 구비되고 중앙부에 전원선용 관통구(112)가 구비되며 일측에 통풍용 관통구(114)가 구비될 수 있다.
다음으로, 방열판(110)의 상부에 기판(120)을 결합한다(단계 S208). 이때, 기판(120)을 방열판(110)의 전원선용 관통구(112)를 중심으로 양측에 배치될 수 있다. 여기서, 기판(120)의 수에 따라 방열판(110)에 다양한 형태로 배치할 수 있다.
다음으로, 통풍 부재(160)를 방열판(110)의 통풍구(168)에 삽입한다(단계 S209). 여기서, 통풍 부재(160)는 도 10에 도시된 바와 같이 제1양모(162), 멤브레인(164) 및 제2양모(166)를 포함하며, 이들을 수용하는 케이스(160a)와 덮개(160b)를 포함할 수 있다.
먼저, 원통 형상의 멤브레인(164)의 양면에 제1양모(162) 및 제2양모(166)를 압착할 수 있다. 이와 같은 멤브레인(164)과 양모(162,166)를 케이스(160a)에 삽입하고, 덮개(160b)를 케이스(160a)의 상단에 결합함으로써, 통풍 부재(160)를 완성할 수 있다.
이때, 덮개(160b)의 외주면을 따라 구비된 복수 개의 통풍구(168)가 방열판(110)의 상면으로부터 돌출되어 광학 렌즈(150)와 방열판(110) 사이의 공간에 배치되도록 통풍 부재(160)를 방열판(110)의 하측으로부터 삽입할 수 있다.
다음으로, 광학 렌즈(150)를 방열판(110)에 결합한다(단계 S210). 이때, 먼저 광학 렌즈(150)를 제작하고, 광학 렌즈(150)의 하면 홈부(154)에 실리콘 패킹(140)을 삽입할 수 있다.
여기서, 실리콘 패킹(140)은 방진/방수를 위해 가장 중요한 부품으로 광학 렌즈(150)의 홈부(154)와 일치하도록 설계한 후 금형으로 제작할 수 있다. 이때, 테스트용 금형으로 실리콘 수지를 이용하여 실리콘 패킹(140)을 제작한 다음 IP 시험을 거친 후 양산 금형을 제작할 수 있다.
한편, 광학 렌즈(150)를 LED 모듈 규정에 따라 Rd12-4규격을 기본으로 설계할 수 있고, 필요에 따라 Rd8, Rd9, Rd10, Rd11을 추가할 수 있다.
또한, 광학 렌즈(150)는 조명 장치에서 중요한 부품 중 하나로서 광투과율, 열변화율, 및 배광특성 등을 고려하여 제작할 수 있다.
여기서, 기존에 LED 모듈에 사용되는 광학 렌즈(150)의 소재는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)수지를 기재로 하는 초미세 발포체(MCPET)를 사용하였으나, 이러한 MCPET소재는 70℃부터 열변화 현상이 발생하여 황변현상이 생기며 투과율이 급격하게 떨어진다.
이를 해결하기 위해 LED 모듈이 요구하는 120℃에 적합한 소재인 비결정성 플라스틱으로 광학 렌즈(150)를 제작할 수 있다. 일례로, 폴리카보네이트 수지를 기재로 하는 초미세 발포체(상품명 : MCPOLYCA)를 사용하여 광학 렌즈(150)를 제작할 수 있다.
이때, 광학 렌즈(150)의 사출금형은 메치몰드(Match Mold)로 제작하되 광학 렌즈(150) 내 기포를 없애기 위하여 진공 성형기법을 사용하여 디퓨저 렌즈(Defuser Lense)로 사출성형할 수 있다.
이와 같이 제작된 광학 렌즈(150)는 기판(120)에 대응하는 위치에 볼록렌즈부(152)가 구비될 수 있다.
마지막으로 광학 렌즈(150)의 홈부(154)에 실리콘 패킹(140)이 삽입된 상태로, 볼록렌즈부(152)가 기판(120)의 상부에 배치되도록 광학 렌즈(150)를 방열판(110)에 결합할 수 있다.
이와 같은 방법에 의해 요구되는 방진/방수 지수를 만족시키는 동시에 열전도 효율을 향상시키므로 방열 효과를 극대화시킬 수 있다. 또한 요구되는 방진/방수 지수를 만족시키므로 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 패턴의 분리 및 LED 디바이스의 탈락을 방지하므로 전기적 특성의 신뢰성을 보장할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100 : LED 모듈 110 : 방열판
112 : 전원선용 관통구 114 : 통풍용 관통구
116 : 방열핀 118 : 결합용 홀
120 : 기판 122 : 제1배선
124 : 제2배선 126 : 전원 패드
128 : 전극 패드 129 : 실장 영역
130 : LED 디바이스 140 : 실리콘 패킹
150 : 광학 렌즈 152 : 볼록렌즈부
154 : 홈부 160 : 통풍 부재
160a : 케이스 160b : 덮개
162 : 제1양모 164 : 멤브레인
166 : 제2양모 168 : 통풍구
170 : 전원선
112 : 전원선용 관통구 114 : 통풍용 관통구
116 : 방열핀 118 : 결합용 홀
120 : 기판 122 : 제1배선
124 : 제2배선 126 : 전원 패드
128 : 전극 패드 129 : 실장 영역
130 : LED 디바이스 140 : 실리콘 패킹
150 : 광학 렌즈 152 : 볼록렌즈부
154 : 홈부 160 : 통풍 부재
160a : 케이스 160b : 덮개
162 : 제1양모 164 : 멤브레인
166 : 제2양모 168 : 통풍구
170 : 전원선
Claims (10)
- 하부에 복수 개의 방열핀이 구비되고 중앙부에 전원선용 관통구가 구비되며 일측에 통풍용 관통구가 구비되는 방열판;
알루미나 소재로 이루어지고, 전극 패드 및 회로 패턴이 실버 스크린 프린팅되며 상기 방열판의 상면에 결합되는 기판;
상기 전극 패드에 실장되는 칩스케일 LED 디바이스;
양측에 볼록렌즈부가 구비되고 상기 볼록렌즈부가 상기 기판의 상부에 배치되도록 상기 방열판에 결합되는 광학 렌즈; 및
상기 통풍용 관통구에 삽입되며, 상기 광학 렌즈와 상기 방열판 사이의 공간으로부터 공기를 외부로 배출하거나 외부로부터 유입하는 통풍 부재;
를 포함하고,
상기 통풍 부재는,
원통 형상의 멤브레인; 및
상기 멤브레인의 양면에 압착되는 양모;를 포함하는 LED 모듈. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 통풍 부재는
상기 양모 및 상기 멤브레인을 수용하는 케이스; 및
상기 케이스의 상단에 구비되는 덮개를 더 포함하는 LED 모듈. - 제3항에 있어서,
상기 덮개는 외주면을 따라 복수 개의 통풍구가 구비되고,
상기 통풍 부재는 상기 통풍구가 상기 방열판의 상면으로부터 돌출되도록 구비되는 LED 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 LED 디바이스는 상기 기판에 플립칩 본딩되는 LED 모듈. - 제1항에 있어서,
탄력성 및 내열성을 갖는 실리콘 패킹을 더 포함하고,
상기 광학 렌즈는 그 하면에 상기 실리콘 패킹이 삽입되는 홈부가 구비되는 LED 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 광학 렌즈는 비결정성 플라스틱으로 이루어진 LED 모듈. - 알루미나 소재로 이루어지고, 전극 패드 및 회로 패턴을 실버 스크린 프린팅한 기판을 준비하는 단계;
상기 기판의 전극 패드에 칩스케일 LED 디바이스를 플립칩 실장하는 단계;
하부에 복수 개의 방열핀이 구비되고 중앙부에 전원선용 관통구가 구비되며 일측에 통풍용 관통구가 구비되는 방열판을 준비하는 단계;
상기 방열판의 상부에 상기 기판을 결합하는 단계;
공기를 외부로부터 유입하거나 외부로 배출하는 통풍 부재를 상기 통풍용 관통구에 삽입하는 단계; 및
양측에 볼록렌즈부가 구비되고 탄력성 및 내열성을 갖는 실리콘 패킹이 하면에 삽입되며 비결정성 플라스틱으로 이루어진 광학 렌즈를 상기 볼록렌즈부가 상기 기판의 상부에 배치되도록 상기 방열판에 결합하는 단계;
를 포함하고,
상기 통풍 부재를 상기 통풍용 관통구에 삽입하는 단계는,
원통 형상의 멤브레인의 양면에 양모를 압착하고 케이스에 삽입하는 단계; 및
외주면을 따라 복수 개의 통풍구가 구비된 덮개를 상기 케이스의 상단에 결합하는 단계;를 포함하며,
상기 통풍구가 상기 방열판의 상면으로부터 돌출되어 상기 광학 렌즈와 상기 방열판 사이의 공간에 배치되도록 상기 통풍 부재를 상기 방열판에 삽입하는 LED 모듈의 제조 방법. - 제8항에 있어서,
상기 기판을 준비하는 단계는,
상기 기판을 레이저로 절단하는 단계;
상기 기판을 기계적 연마하고 세척하여 이물질을 제거하는 단계;
실버 페이스트를 이용하여 상기 전극 패드 및 회로 패턴을 스크린 프린팅하는 단계;
상기 기판을 상온에서 건조한 후, 800~900℃로 3~4시간 가열하고, 상온이 될 때까지 서냉하여 건조 및 열처리하는 단계; 및
상기 전극 패드 및 회로 패턴 중 상기 LED 디바이스를 솔더링하는 부분 이외의 영역을 수용성 프리플럭스로 코팅하는 단계;
를 포함하는 LED 모듈의 제조 방법. - 삭제
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180001193A KR101870596B1 (ko) | 2018-01-04 | 2018-01-04 | Ｌｅｄ 모듈 및 그 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020180001193A KR101870596B1 (ko) | 2018-01-04 | 2018-01-04 | Ｌｅｄ 모듈 및 그 제조 방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101870596B1 true KR101870596B1 (ko) | 2018-06-22 |
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|---|---|---|---|---|
| KR102104489B1 (ko) | 2019-12-26 | 2020-04-24 | 주식회사 미광엔텍 | 우수한 차열 성능을 가지는 led 하우징 및 이를 포함하는 led 조명장치 |
| KR20210042682A (ko) | 2019-10-10 | 2021-04-20 | 셀리온 주식회사 | 3d 프린팅을 이용한 led 조명장치 및 그 제조방법 |
| KR20210042666A (ko) | 2019-10-10 | 2021-04-20 | 셀리온 주식회사 | 3d 프린팅을 이용한 배광제어용 led 조명장치 및 그 제조방법 |
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| KR101689592B1 (ko) * | 2015-09-23 | 2016-12-26 | 엘컴텍 주식회사 | 조명 장치 |
| KR20170117908A (ko) | 2017-09-26 | 2017-10-24 | 아이스파이프 주식회사 | 엘이디 조명장치 |
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2018
- 2018-01-04 KR KR1020180001193A patent/KR101870596B1/ko active IP Right Grant
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| KR20210097676A (ko) | 2019-10-10 | 2021-08-09 | 셀리온 주식회사 | 3d 프린팅을 이용한 배광제어용 led 조명장치 및 그 제조방법 |
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