KR101875499B1 - 방열성능이 향상된 아웃도어 led조명용 메탈 pcb - Google Patents

Abstract

본 발명은 고방열성의 아웃도어 LED조명용 메탈 PCB(100)로서, 베이스가 되는 메탈층(2)과 절연층(4) 및 다수 LED소자(20)들 간의 전기적 연결이나 외부 단자부와의 전기적 연결을 위한 회로 동박층(6)이 차례로 적층되게 구성하며; 회로 동박층(6)은, LED소자(20)들간을 전기적으로 연결하는 도전패턴(6a)과, 서로 인접된 도전패턴(6a) 간을 칩형태의 LED소자(20)로 연결하기 위해 (+)(-)단자패드(12)(14)가 있는 (+)(-)단자부(10)와, (+)(-)단자패드(12)(14) 사이에 위치한 섬형태의 열방출패드(16)와, 열방출패드(16)에서 연장되며 도전패턴(6a)을 제외한 동박층(6) 영역에 열확산면적부(18)를 형성하되 도전패턴(6a)과는 동막 제거에 의한 절연층(4) 노출로 절연되도록 형성함으로써, LED소자(20)에서의 열방출 특성 개선으로 광효율이 3~10% 향상되도록 하며 메탈 PCB(100)의 방열성능이 향상되면서도 제작단가는 별로 증가되지 않도록 한 것이다.

Description

방열성능이 향상된 아웃도어 LED조명용 메탈 PCB{METAL PRINTED CIRCUIT BOARD ENHANCING RADIATION OF HEAT FOR OUTDOOR LED LIGHTING}

본 발명은 방열성 기판에 관한 것으로, 특히 방열성능 향상 및 광효율이 향상되면서도 제작단가는 별로 증가하지 않도록 개선된 아웃도어 LED조명용 메탈 PCB에 관한 것이다.

최근 전자산업의 추세가 경박 단소화함에 따라 전자기기는 좁은 공간에 많은 수의 전자부품을 실장해야 하므로 단위 체적당 발생하는 열량이 증가하고 있으며, 특히 전자부품을 직접 실장해야 하는 PCB(Printed Circuit Board)의 경우 전자부품에서 발생하는 열을 효과적으로 외부로 배출하기 위한 방열 솔루션의 개발이 가속화되고 있다.

이러한 전자제품 중에서 특히 LED(Light Emitting Diode)의 경우 과거에는 인디케이터, 즉 표시 용도로 사용하는 경우가 대부분이어서 높은 방열성이 요구되지 않았으나, LED의 적용 범위가 LCD 분야, 조명분야, 가전제품 및 전장(電裝) 분야 등으로 확대되면서 고휘도화 및 고효율화되어 가고 있다.

그러나 LED가 상기한 바와 같은 분야로 그 적용범위를 확대해가면서 기술적 과제, 즉 LED를 실장(實裝)한 제품에 대한 방열 대책이 부각되고 있으며 열로 인하여 LED소자의 수명 저하가 커다란 과제로 남게 되었으며, 이와 같은 배경에서 가격 대비 성능비가 뛰어난 메탈 베이스 기판(metal based PCB)을 비롯한 고방열성 기판이 LED조명용 기판으로서 주목을 받아 검토되면서 메탈베이스 기판을 중심으로 LED조명용 기판의 개발이 가속화되고 있다.

아웃도어용 LED조명장치에 주로 사용되는 메탈 PCB는 LED소자의 성능 및 내구성을 향상시키기 위해 사용되고 있는데, 베이스가 되는 메탈층과 절연층 및 그 상부의 회로패턴이 형성된 회로 동박층과 최상부의 절연코팅층이 적층 형성되게 구성한다.

회로 동박층에 형성된 회로패턴 상에는 절연 코팅되지 않은 (+)(-)단자부가 마련되며 칩형태의 각 LED소자가 그 (+)(-)단자부에 솔더링(soldering)을 통해 전기적으로 연결된다.

예컨대, 아웃도어용 LED조명에 사용된 메탈 PCB상의 LED소자들이 점등될 때에 LED소자에 의해서 열이 발생되고, 그렇게 발생된 열은 메탈 PCB를 통해 인접한 히트싱크(heat sink)로 배출되어진다. 점등된 LED소자에서 발생된 열은 주로 (+)(-)단자부 사이의 하방에 위치된 절연층의 특정 영역을 통과하여 메탈 PCB의 메탈층으로 전달되며, 그 후 메탈층에서 히트싱크로 방열 된다.

메탈층과 회로 동박층 사이에 있는 절연층은 전기가 통하면 안 되는 말 그대로의 절연층(800V/mil 정도의 높은 절연강도)이고 열전도율도 5W/mK정도로 매우 낮다.

그러므로 LED소자에서 발생된 열은 단자부 사이에 위치된 절연층의 특정영역과 그 하부의 메탈층을 통해서만 거의 배출되어야 하는바 열 배출에 있어 병목현상을 불러 일으켰고, 이는 LED소자의 방열이 효과적으로 실행되지 못하는 중요한 원인이 되고 있으므로 그 개선이 요망된다.

등록특허 제10-1055297호 "개선된 열방출 특성을 갖는 메탈 인쇄회로기판의 제조방법"

따라서 본 발명의 목적은 LED소자로부터의 열방출 구조 개선으로 광효율이 향상되도록 하는 아웃도어 LED조명용 메탈 PCB를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 방열성능은 향상되면서도 제작단가는 별로 증가되지 않도록 개선된 아웃도어 LED조명용 메탈 PCB를 제공함에 있다.

상기한 목적에 따른 본 발명은, 아웃도어 LED조명용 메탈 PCB에 있어서, 베이스가 되는 메탈층(2)과 절연층(4) 및 다수 LED소자(20)들 간의 전기적 연결이나 외부 단자부와의 전기적 연결을 위한 회로 동박층(6)이 차례로 적층되게 구성하며;

상기 회로 동박층(6)은,

LED소자(20)들간을 전기적으로 연결하는 도전패턴(6a)과, 서로 인접된 도전패턴(6a) 간을 칩형태의 LED소자(20)로 연결하기 위해 (+)(-)단자패드(12)(14)가 있는 (+)(-)단자부(10)와, (+)(-)단자패드(12)(14) 사이에 위치한 섬형태의 열방출패드(16)와, 열방출패드(16)에서 연장되며 도전패턴(6a)을 제외한 동박층(6) 영역에 열확산면적부(18)를 형성하되 도전패턴(6a)과는 동막 제거에 의한 절연층(4) 노출로 절연되도록 형성함을 특징으로 한다.

상기의 열확산 면적부(18)는 회로 동박층(6)의 다수의 열방출패드(16) 각각에서 연장되고 함께 공유하는 공동 면적부 형태로 구성함을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서, LED소자(20)가 위치하는 (+)(-)단자패드(12)(14) 사이와 도전패턴(6a)을 제외한 동박층(6) 영역에 열확산면적부(18)를 형성하되 도전패턴(6a) 및 (+)(-)단자패드(12)(14)과는 동박 제거로 절연층(4)이 노출된 절연 분할 경계선(7)에 의해 절연되도록 형성함을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 다른 견지로서, 아웃도어 LED조명용 메탈 PCB에 있어서, 베이스가 되는 메탈층(2)과 절연층(4) 및 다수의 LED소자(20)들간의 전기적 연결이나 외부 단자부와의 전기적 연결을 위한 회로 동박층(6)이 차례로 적층되게 구성하며;

상기 회로 동박층(6)은, 칩형태의 LED소자(20) 연결용 (+)(-)단자패드(12)(14)가 있는 (+)(-)단자부(10)와, (+)(-)단자부(10)의 (+)단자패드(12)와 인접한 (+)(-)단자부(10)의 (-)단자패드(14) 간을 면상 형태로 전기적으로 접속하는 도전패턴 확대영역부(60)들로 구성하되, 동박 제거로 절연층(4)이 노출된 절연 분할 경계선(62)에 의해서 도전패턴 확대영역부(60)들이 분할 구성하고 도전패턴 확대영역부(60)들의 합이 기판면적의 반 이상을 차지하게 구성함을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기의 도전패턴 확대영역부(60)들로 구성하되, 동박 제거로 절연층(4)이 노출된 절연 분할 경계선(62)에 의해서 도전패턴 확대영역부(60)들이 분할 구성하고 도전패턴 확대영역부(60)들 간은 서로 허용오차 범위 내의 동일한 전기저항을 갖도록 구성함을 특징으로 한다.

본 발명은 아웃도어 LED조명용 메탈 PCB를 구현함에 있어 LED소자에서의 열방출 특성에 따른 메탈 PCB의 동박부분의 패턴을 개선하여 광효율이 3~10% 향상되도록 하는 이점이 있으며, 메탈 PCB의 방열성능은 향상되면서도 제작단가는 별로 증가 되지 않도록 하는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 아웃도어 LED조명에 적용된 메탈 PCB의 회로패턴 배치 구성도,
도 2는 도 1의 메탈 PCB의 요부 정단면(a) 및 회로패턴 요부 평단면(b) 구성도,
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 아웃도어 LED조명에 적용된 메탈 PCB의 회로패턴 배치 구성도,
도 4는 도 3의 메탈 PCB의 요부 정단면(a) 및 회로패턴 요부 평단면(b) 구성도,
도 5는 본 발명의 메탈 PCB가 일 예로 적용된 LED모듈의 분해 사시 구성도,
도 6은 도 5의 결합 사시 구성도,
도 7은 LED소자에서의 전류 대비 발광 특성곡선도,
도 8은 LED소자의 접합부 온도 변화에 따른 상대적인 밝기 변화를 보여주는 특성곡선도,
도 9 및 도 10은 LED소자에 인가되는 전류와 외부온도 및 열저항(Rja)과의 관계를 나타내는 안정동작범위(safe operation area) 그래프,
도 11은 아웃도어 LED조명에 적용된 기존의 메탈 PCB의 회로패턴 배치 구성도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 명세서에서 아웃도어(outdoor) LED조명이라 함은 가로등, 보안등, 공원등, 도로터널등, 지하 차도등, 발전소와 같은 대규모 설비에 소용되는 LED등을 포함함은 물론이고, 방폭등, 해저등, 집어등, 야외조명등, 투광등, 스포츠 시설용 LED등과 같이 야외에 설치될 수 있는 LED등을 칭하는 개념임을 유의하야 하며, 대개가 10W급 이상의 출력을 갖는다.

본 발명에서는 아웃도어 LED조명에 사용 가능한 고방열성의 메탈 PCB를 구현하되 그 메탈 PCB는 LED소자(LED칩 형태)로부터의 열방출 구조가 개선되게 구성하여서 광효율이 향상되도록 하며 더욱이 방열성능은 향상되면서도 제작단가는 별로 증가되지 않도록 구현한 고방열성 기판이다.

도 1은 본 발명의 실시 예(제1 실시예)에 따른 아웃도어 LED조명에 적용된 메탈 PCB(100)의 회로패턴 배치 구성도이고, 도 2는 도 1의 메탈 PCB(100)의 요부 정단면(a) 및 회로패턴 요부 평단면(b) 구성도이다.

그리고, 도 3은 본 발명의 다른 실시 예(제2 실시예)에 따른 아웃도어 LED조명에 적용된 메탈 PCB(100)의 회로패턴 배치 구성도이고, 도 4는 도 3의 메탈 PCB(100)의 요부 정단면(a) 및 회로패턴 요부 평단면(b) 구성도이다.

또 도 11은 본 발명의 제1,제2 실시 예인 도 1 및 도 3과 비교하기 위한 비교예시 도면으로서, 아웃도어 LED조명에 적용된 기존의 메탈 PCB의 회로패턴 배치 구성도이다.

메탈 PCB(100)는 고방열성 기판으로서, 도 2의 (a) 및 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 베이스가 되는 메탈층(2)과 절연층(4) 및 다수의 LED소자(20)들을 전기적으로 연결하기 위한 도전패턴이 형성되는 회로 동박층(6)이 차례로 적층되게 구성하며, 최상부에는 절연코팅층(8)이 형성된다.

베이스가 되는 메탈층(2)은 방열기능을 주 목적으로 하는 관계로 방열성능이 우수하고 열전도율이 좋은 알루미늄재질이나 동합금재질이 선택적으로 사용되며, 주로 알루미늄 재질이 많이 사용된다.

메탈층(2) 상부에 접착 적층되는 절연층(4)은 800V/mil 정도의 높은 절연강도를 가지고 있으며 열전도율이 예컨대 5W/mK정도로 일반 절연층에 비해서는 상당히 우수한 편(10배 정도)이지만, 열전도율(thermal conductivity)이 200~250W/mK 정도인 알루미늄재질의 메탈층(2)과 대비해서 볼 때에는 그 열전도율은 매우 낮은 편이다. 이러한 절연층(4)은 열전도성 기능과 전기적 절연(층간 전기적 분리) 기능 및 접착 기능을 모두 갖추고 있다.

절연층(4) 상부에 적층되는 회로 동박층(6)은 동박두께 1oz(35㎛) ∼ 6oz(210㎛)가 사용되고 있으며, 대용량의 전기적 성능을 수용하기 위해서 주로 2oz, 3oz나 4oz가 많이 사용된다. 이러한 회로 동박층(6)은 전기적 성능도 뛰어나지만 열전도율(thermal conductivity)이 대략 350~400W/mK정도로 상당히 높으므로 열전도에 있어서도 매우 뛰어난 성능을 가지고 있다.

도 3에서와 같이, 회로 동박층(6)은 화학적 식각공정 등을 통해서 수요자가 원하는 회로패턴으로 형성되며, 칩형태의 LED소자(LED칩)(20)간의 전기적 연결을 위한 (+)(-)단자부(10)와 외부 단자부도 형성된다.

LED소자(20)의 (+)(-)전극 단자와 솔더링 고정되기 위해서 (+)(-)단자부(10)는 (+)단자패드(12)와 (-)단자패드(14)로 구성되며, 도 2나 도 4에 도시된 바와 같이 (+)단자패드(12)와 (-)단자패드(14) 사이에 놓이게 되는 LED소자(20)(즉 LED칩)의 열방출을 용이하도록 하기 위한 섬(island)형태의 열방출패드(16)를 더 구비할 수도 있다.

점등시 LED소자(20)에서 발생되는 열의 신속한 방출은 LED소자(20)의 수명 및 광효율에 많은 영향을 끼친다.

그런데 (+)단자패드(12)와 (-)단자패드(14)만 있는 (+)(-)단자부(10)는 LED소자(20)의 바닥면이 놓이는 하방에 메탈층(2)에 비해서 열전도율이 상당히 좋지 못한 절연층(4)이 있기 때문에 LED소자(20)에서 발생하는 열의 신속 배출에 상당히 불리하다.

그리고 (+)단자패드(12)와 (-)단자패드(14), 및 그 사이에 열방출패드(16)가 함께 있는 (+)(-)단자부(10)는 열방출패드(16)가 없는 구조에 비해서는 LED소자(20)에서 발생하는 열의 배출에 유리한 것이기는 하지만 열방출패드(16)가 섬(island) 형태인 까닭에 발생 열의 배출에는 결코 효과적이라 할 수 없다.

그에 따라 본 발명에서는 점등시 LED소자(20)에서 발생하는 열의 배출이 신속하게 이루어질 수 있게 개선된 메탈 PCB(100)의 회로 동박층(6)의 회로패턴을 구성한다. 즉 메탈 PCB(100)의 회로 동박층(6)의 회로패턴에 "도전패턴 확대영역"이라는 새로운 방열공간을 제공하여 메탈 PCB(100)의 열방출능력이 개선되도록 구현한다.

먼저 본 발명의 제1 실시 예에서는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 아웃도어 LED조명용 메탈 PCB(100)가 베이스가 되는 메탈층(2)과 절연층(4) 및 다수 LED소자(20)들 간의 전기적 연결이나 외부 단자부와의 전기적 연결을 위한 회로 동박층(6)이 차례로 적층되게 구성하며,

회로 동박층(6)은, 도 1에서와 같이 LED소자(20)들간을 전기적으로 연결하는 다수의 도전패턴(6a)과, 서로 인접된 도전패턴(6a) 간을 칩형태의 LED소자(20)로 연결하기 위해 (+)(-)단자패드(12)(14)가 있는 (+)(-)단자부(10)와, (+)(-)단자패드(12)(14) 사이에 위치한 섬형태의 열방출패드(16)와, 열방출패드(16)에서 연장되며 도전패턴(6a)을 제외한 회로 동박층(6) 영역에 열확산면적부(18)를 형성하되 도전패턴(6a)과는 동막 제거에 의한 절연층(4) 노출로 절연되도록 형성한다.

즉, 열확산 면적부(18)는 도전패턴(6a) 및 (+)(-)단자패드(12)(14)과는 동박 제거로 절연층(4)이 노출된 절연 분할 경계선(7)에 의해 절연되며, 도전패턴(6a)를 제외한 기판내 회로 동박층(6)의 거의 대부분이 면적(최소 기판면적의 반 이상의 면적)이 열확산 면적부(18)로 할당된다.

도 1에 도시된 바와 같이 열확산 면적부(18)는 회로 동박층(6)의 다수의 열방출패드(16) 각각에서 연장되고 함께 공유하는 공동 면적부 형태로 넓게 형성하므로, LED소자(20)에서 발생된 열이 그 하부에 있는 열방출패드(16)에 전달되고 그 후에는 거의 기판 전체에 걸쳐 형성된 회로 동박층(6)의 열확산면적부(18)로 급속하게 확산된다. 왜냐하면, LED소자(20)에서 발생된 열은 통상 열방출패드(16)를 통하여 메탈층(2)으로 방출되는데 그 중간에 열전도율이 5W/mK정도로 매우 낮은 절연층(4)이 존재하는 연유로 병목현상이 야기된다. 그런데 본 발명에서는 열전도율이 매우 좋은 열방출패드(16)와 동박으로 확장되어 있는 열확산면적부(18)로 먼저 열전도가 이루어지기 때문이다.

그 다음으로는 동박재질로 이루어진 넓은 면적의 열확산면적부(18)에서 그 면적만큼 확산 면적의 절연층(4)을 경유하여 메탈층(2)으로 LED소자(20)에서의 발생 열이 전달되어 진다. 부연 설명하면, 섬형태의 열방출패드(16) 면적을 "1"이라고 가정하고 본 발명에 따른 열확산면적부(18)의 면적은 "10"이라고 가정할 때, 초기 열전달 속도는 이론적으로 10배의 빠른 전달속도를 가지게 되는 것이다.

그러므로 본 발명에 따라 구현된 메탈 PCB(100)의 회로 동박층(6)의 회로패턴 구현에 의한 LED소자(20)의 발생한 열의 배출이 기존의 메탈 PCB(도 11의 예시 참조)보다는 상당히 신속하게 이루어진다.

도 1 및 도 2에서는 회로 동박층(6)의 회로 패턴 구성에서 (+)(-)단자패드(12)(14) 사이에 열방출패드(16)가 있는 것으로 예시하여 설명하였지만, 열방출패드(16)가 별도로 구비하지 않더라도 열방출패드(16)에 상응하는 LED소자(20)의 하부 위치에 칩 열방출 동박영역을 형성하고 그 동박영역을 포함하며 그로부터 연장되어진 열확산면적부(18)를 구성할 수도 있다.

다음으로 본 발명의 제2 실시 예에서는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 아웃도어 LED조명용 메탈 PCB(100)가 베이스가 되는 메탈층(2)과 절연층(4) 및 다수 LED소자(20)들 간의 전기적 연결이나 외부 단자부와의 전기적 연결을 위한 회로 동박층(6)이 차례로 적층되게 구성하며,

상기 회로 동박층(6)은, 칩형태의 LED소자(20) 연결용 (+)(-)단자패드(12)(14)가 있는 (+)(-)단자부(10)와, (+)(-)단자부(10)의 (+)단자패드(12)와 인접한 (+)(-)단자부(10)의 (-)단자패드(14) 간을 면상 형태로 전기적으로 접속하는 도전패턴 확대영역부(60)들로 구성하되, 동박 제거로 절연층(4)이 노출된 절연 분할 경계선(62)에 의해서 도전패턴 확대영역부(60)들이 분할 구성하고 도전패턴 확대영역부(60)들의 합이 기판면적의 반 이상을 차지하게 구성한다.

그리고 (+)(-)단자부(10)에 열방출패드(16)가 존재한다면 도 4의 (b)에서와 같이 열방출패드(16)과 (-)단자패드(14)가 공통으로 묶는 도전패턴 확대영역부(60)를 형성하여야 열방출에 보다 효과적이다.

이때 도전패턴 확대영역부(60)들 간은 서로 허용오차 범위 내의 동일한 전기저항(면저항)을 갖도록 구성하는 것이 바람직하다. 도전패턴 확대영역부(60)간에 전기저항(면저항)이 서로 차이가 나면 그로 인해 한쪽의 도전패턴 확대영역부(60)에서 열이 발생되어서 열방출 효율을 떨어뜨리게 된다.

그러므로 본 발명의 제2 실시 예에서 도전패턴 확대영역부(60)는 회로 동박층(6)에서 도 3에 도시된 바와 같이 균등분할되며, 그에 따라 서로 동일 내지 유사한 면적을 갖는다.

도 3에 도시된 바와 같이 분할 구획된 도전패턴 확대영역부(60)는 회로 동박층(6)의 다수의 열방출패드(16) 각각에서 연장되고 함께 공유하는 공동 면적부 형태로 넓게 형성하므로, LED소자(20)에서 발생된 열이 그 하부에 있는 열방출패드(16)에 전달되고 그 후에는 각기 할당된 도전패턴 확대영역부(60)로 확산된다. 그 다음에는 확산된 열이 넓은 면적의 도전패턴 확대영역부(60)에서 그 면적만큼 확산 면적의 절연층(4)을 경유하여 메탈 PCB(100)의 메탈층(2)으로 전달되고, 메탈층(2)에 전달된 열은 히트싱크를 통해 외부로 배출된다. 그러므로 LED소자(20)의 발생한 열의 배출이 열 병목현상을 나타내는 기존보다 신속하게 이루어진다.

도 5는 도 1 및 도 3과 같은 본 발명의 메탈 PCB(100)가 일 예로 적용된 아웃도어 LED조명용 LED모듈(A)의 분해 사시 구성도이고, 도 6은 도 5의 결합 사시 구성도이다.

도 5에 도시된 중출력의 LED모듈(A)들을 이용하여 조립하우징에 행렬 배열되게 장착함으로써 도로 가로등이나 터널등과 같은 고출력의 아웃도어 LED조명을 구성할 수 있다.

LED모듈(A)은 고장이 났을 때 마치 전구와 같이 교체 가능한 독립 모듈형태로 구성한 것으로, 중출력급 10~40W 출력량 바람직하게는 20~40W미만의 출력량을 갖는 LED모듈이다.

상기 LED모듈(A)은 다수의 LED소자(20)들이 도전패턴에 의해 전기적으로 연결된 메탈 PCB(100)를 구비하며, LED소자(20)들에 대응된 다수의 LED용 배광렌즈(128)들을 갖는 렌즈커버(130)와 히트싱크 역할의 방열하우징(120)으로 구성하며, 구성 부품이 조립 결합될 경우 도 6과 같은 결합 형태를 나타낸다.

중출력급 LED모듈(A)에 실장된 고방열성 메탈 PCB(100)의 LED소자(20)들 각각은 2W 내지 6W급의 고출력(high power) LED칩으로 주로 구성되며, 그 LED소자(20)에서 발생한 열에 대한 방출능력을 본 발명과 같이 메탈 PCB(100)의 회로 동박층(6)의 회로패턴 변경으로 높이게 되면 LED모듈(A)에서의 전류소모를 감소시키고 광량의 향상을 도모한다.

본 발명에서의 메탈 PCB(100)가 도 5 내지 도 6과 함께 언급한 LED모듈(A)에 적용하여 열 방출효과를 예시하였지만, 이것은 하나의 바람직한 예시인 것이며 이러한 LED모듈(A) 이외의 메탈 PCB에도 적용이나 응용 또는 변형되어서 전술한 바와 같은 효과를 나타낼 수 있음은 이 기술분야의 당업자에게 자명하여진다.

도 7은 LED소자(20)에서의 전류 대비 발광 특성곡선도로서, LED소자(20)의 광원 밝기가 전류 크기에 대체적으로 비례하지만 광원밝기 상한 임계치가 도달하면 비록 전류가 증가함에도 광원 밝기는 상한 임계치보다 떨어지는 현상을 나타낸다.

도 7의 전류 크기와 광원 밝기가 비례하는 구간에서의 일 예를 들면, 주위온도 25℃ 기준으로 350mA에서는 108루멘(lm), 1400mA에서는 400루멘, 2800mA에서는 700루멘의 밝기를 나타내는 것이다. 그러므로 이러한 비례구간에서 전류를 증가시키면 LED소자(20)의 밝기값을 높일 수 있다.

그런데 이러한 LED소자(20)는 LED 접합부 온도에 따라 그 밝기에 변화가 도 8에 도시된 바와 같이 나타난다. 즉 LED접합부의 온도가 높아짐에 따라 그 밝기나 저하되는 현상을 나타낸다.

도 8은 LED소자(20)의 접합부 온도 변화에 따른 상대적인 밝기 변화를 보여주는 특성곡선도이다.

도 8을 참조하면, LED접합부의 온도가 높아지면 빛의 밝기는 저하된다. LED접합부의 온도가 40℃에서는 100루멘, 80℃에서는 80루멘, 140℃에서는 70루멘의 밝기로 저하되는 것을 보여주고 있다. 그러므로 LED접합부의 온도를 높이지 않도록 하는 것이 빛 밝기의 저하를 막을 수 있다.

특히 LED소자(20)에서의 방열이 부족하면 LED소자(20)의 접합부 온도를 상승시키게 되므로 흘릴 수 있는 최대전류를 제한한다. 만일 LED접합부 온도가 상승하는데에 불구하고 최대허용전류가 제한받지 않으면 LED은 그 수명을 잃게 된다.

도 9는 LED소자(20)에 인가되는 전류와 외부 온도 및 열저항 계수(Rja)와의 관계를 나타내는 안정동작범위(Safe Operation Area) 그래프로서, 열저항계수 경계선(20)(22) 즉 굵은 경계선으로 둘러싸인 내측이 안정 동작범위이며 그 외측은 LED가 사망할 영역이 된다. 그리고 열저항계수 경계선(200)(220)에서 멀리 떨어진 내측방으로 갈수록 더욱 안전한 것을 의미한다.

열저항 계수(Rja)는 LED소자(20)에서 1W 발열이 생길 때 외부공기 중의 온도와 얼마나 차이가 있나 하는 방열의 능력을 나타내는 열 전달지수로서, 수치가 작을수록 방열이 우수한 것이다.

도 9에 도시된 바와 같이 주위 온도가 올라가거나 방열 능력이 떨어져 열저항 계수(Rja)가 올라가면 LED소자(20)에 인가되는 최대허용전류는 LED소자의 안정동작을 위해서 제한된다. 예컨대, 열저항 계수(Rja)가 20℃/W일 경우보다 25℃/W가 75℃에서의 최대허용전류가 800mA에서 400mA로 줄어들게 되고, 또한 동일한 열저항계수 20℃/W의 일 예를 들어보면, 주위온도 70℃에서는 최대허용전류가 1000mA, 주위온도 80℃에서는 최대허용전류가 600mA, 주위온도 90℃에서는 최대허용전류가 0mA로 제한해야 하는 것이다.

그러므로 일반적으로는 LED소자의 안정동작범위 내에서의 LED를 구동시키기 위해서 LED소자의 발열이 75℃~85℃를 넘지 않도록 최대허용전류값을 제한을 한다.

LED소자의 발열 온도가 80℃라고 가정하면 열저항 계수(Rja)가 20℃/W일 경우 최대허용전류는 600mA가 된다. 그리고, 도 10에 도시된 바와 같이 열저항 계수(Rja)가 30℃/W ~ 60℃/W일 경우 최대허용전류가 350mA도 되지 않는다.

그런데 본 발명에서는 LED소자(20)의 LED접합부 온도에 영향을 미치는 발열이 회로동박층(6)에 형성된 열확산면적부(18)나 확대된 형태의 도전패턴 확대영역부(60)에 의해서 확산된 후 신속히 배출되게 함으로써 전류값을 높이면서도 LED소자에서의 온도를 낮춰줄 수 있어 광효율을 높여 준다.

본 발명의 LED접합부에서 발생된 열의 신속 배출로 LED접합부 온도가 기존 LED접합부온도보다 낮아지게 되면 도 8의 특성 곡선도에서와 알 수 있듯이 LED소자(20)의 밝기를 상대적으로 향상시킨다. 즉 동일한 입력(공급전원) 대비 광량효율이 증대되는 것이다.

LED접합부에서의 열발생 신속 배출은 도 9 및 도 10에서 알 수 있듯이 열저항계수(Rja)값이 낮춰지게 해주며 이는 LED소자(20)에 흐를 수 있는 전류의 최대허용전류값을 높여 준다. 최대허용전류값이 높다는 것은 LED소자(20)로의 공급전류를 더 높일 수 있도록 허용한다는 것이다.

그러므로 본 발명에서의 LED소자(20)내 LED접합부에서의 열발생 신속 배출은 LED소자(20)의 입력 대비 광량효율을 증대시켜줄 뿐만 아니라 필요에 따라 공급전류의 인가를 최대허용전류까지도 허락함으로써 공급전류 증가에 따른 광량향상 역시도 도모할 수 있게 해준다.

[비교 실험예시]

본원 발명자는 본 발명의 도 1에 예시된 동박패턴을 가진 메탈PCB를 시험 제작하고 적용하여 25W용 LED모듈을 구성하고, 이에 대응하는 도 11과 같은 기존 동박패턴을 가진 메탈PCB로 25W용 LED모듈을 제작하여서, 열발생 및 열전도에 대한 비교실험을 표 1과 같이 실시하였다.

도 1의 메탈 PCB(100)에 대응되는 도 11의 메탈 PCB(200)에서, 미설명 부호 "116"은 열방출패드, "112"는 (+)단자패드, "114"는 (-)단자패드, "106"은 도전패턴이다.

[표 1]

위 실험에서 보는 바와 같이 LED모듈에서의 온도측정 포인트는 각각 같은 점에서 실시하였으며, 모두 똑같은 전류 및 전압을 제공하였다. 이와 같이 실시하였을 때, 본 발명에서 제공하는 열확산 면적부를 가진 메탈PCB를 사용한 LED모듈의 초기 30분이내의 열방출 속도가 기존 메탈PCB를 사용한 LED모듈에 비해 5% 이상의 빠른 전달속도를 보여주고 있다. 또한 1시간의 에이징에서도 최종적인 온도측정에서도 약 5%의 온도가 적게 나오고 있다. 또한 표 1의 LED모듈 온도 비교측정에서,열확산패턴을 사용한 LED모듈(본 발명)의 경우에는 방열판(heatsink)의 온도와 메탈PCB 상의 온도측정이 거의 차이가 없는 것을 알 수 있다. 이는 빠른 열전달 속도에 의해서 빠른 열방출이 일어나고 있다는 것을 실제로 증명하고 있다.

상기 비교실험 예시에서 알 수 있듯이, 본원 발명자는 도 1 내지 도 4에서와 같이 회로동박층(6)에서의 회로패턴 변경된 LED조명용 메탈 PCB(100)를 구현함으로써 LED소자(20)에서의 열방출 특성을 개선하여(즉 LED접합부의 열저항 계수값을 낮춰주어 전류의 최대허용 전류값을 높여줌) 아웃도어 LED조명에서의 광효율이 3~10% 향상됨을 확인할 수 있었다.

상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위 및 그 특허청구범위와 균등한 것에 의해 정해 져야 한다.

본 발명은 가로등, 보안등, 공원등, 도로터널등, 지하 차도등, 발전소와 같은 대규모 설비에 소용되는 LED등을 포함함은 물론이고, 방폭등, 해저등, 집어등, 야외조명등, 투광등, 스포츠 시설용 LED등과 같이 야외에 설치될 수 있는 아웃도어(outdoor) LED조명에 이용할 수 있다.

(2) -- 메탈층 (4)-- 절연층
(6)-- 회로 동박층 (6a)-- 도전패턴
(8)-- 절연코팅층 (10)-- (+)(-)단자부
(12)-- (+)단자패드 (14)-- (-)단자패드
(16)-- 열방출패드 (18)-- 열확산면적부
(20)-- LED소자 (60)-- 도전패턴 확대영역부
(7)(62)-- 절연 분할 경계선 (100)-- 메탈 PCB
(200)(220)-- 열저항계수 경계선

Claims (5)

1. 아웃도어 LED조명용 메탈 PCB에 있어서,
   베이스가 되는 메탈층(2)과 절연층(4) 및 다수 LED소자(20)들 간의 전기적 연결이나 외부 단자부와의 전기적 연결을 위한 회로 동박층(6)이 차례로 적층되게 기판을 구성하며;
   상기 회로 동박층(6)은,
   LED소자(20)들간을 전기적으로 연결하는 도전패턴(6a)과,
   서로 인접된 도전패턴(6a) 간을 칩형태의 LED소자(20)로 연결하기 위해 (+)(-)단자패드(12)(14)가 있는 (+)(-)단자부(10)와,
   (+)(-)단자패드(12)(14) 사이에 위치한 섬형태의 열방출패드(16)와,
   열방출패드(16)에서 연장되며 도전패턴(6a)을 제외한 동박층(6) 영역에 열확산면적부(18)를 형성하되,
   열확산면적부(18)가 기판 면적의 반 이상의 면적으로 차지하게 형성하며 도전패턴(6a)과 열확산면적부(18)간은 회로 동박층(6)의 동막 제거에 의한 하부 절연층(4)의 노출로 절연되도록 형성함을 특징으로 하는 아웃도어 LED조명용 메탈 PCB.
   
2. 제1항에 있어서, 열확산 면적부(18)는 회로 동박층(6)의 다수의 열방출패드(16) 각각에서 연장되고 함께 공유하는 공동 면적부 형태로 구성함을 특징으로 하는 아웃도어 LED조명용 메탈 PCB.
   
3. 아웃도어 LED조명용 메탈 PCB에 있어서,
   베이스가 되는 메탈층(2)과 절연층(4) 및 다수 LED소자(20)들 간의 전기적 연결이나 외부 단자부와의 전기적 연결을 위한 회로 동박층(6)이 차례로 적층되게 기판을 구성하며;
   상기 회로 동박층(6)은,
   LED소자(20)들간을 전기적으로 연결하는 도전패턴(6a)과,
   서로 인접된 도전패턴(6a) 간을 칩형태의 LED소자(20)로 연결하기 위해 (+)(-)단자패드(12)(14)가 있는 (+)(-)단자부(10)와,
   LED소자(20)의 하부위치 동박층(6) 영역과 도전패턴(6a)을 제외한 동박층(6) 영역에 열확산면적부(18)를 형성하되,
   열확산면적부(18)가 기판 면적의 반 이상의 면적으로 차지하게 형성하며 도전패턴(6a)과 열확산면적부(18)간 및 (+)(-)단자패드(12)(14)와 열확산면적부(18)간은 회로 동박층(6)의 동막 제거에 의한 하부 절연층(4)이 노출된 절연 분할 경계선(7)에 의해 절연되도록 형성함을 특징으로 하는 아웃도어 LED조명용 메탈 PCB.
   
4. 아웃도어 LED조명용 메탈 PCB에 있어서,
   베이스가 되는 메탈층(2)과 절연층(4) 및 다수의 LED소자(20)들간의 전기적 연결이나 외부 단자부와의 전기적 연결을 위한 회로 동박층(6)이 차례로 적층되게 구성하며;
   상기 회로 동박층(6)은,
   칩형태의 LED소자(20) 연결용 (+)(-)단자패드(12)(14)가 있는 (+)(-)단자부(10)와,
   (+)(-)단자부(10)의 (+)단자패드(12)와 인접한 (+)(-)단자부(10)의 (-)단자패드(14) 간을 면상 형태로 전기적으로 접속하는 도전패턴 확대영역부(60)들로 구성하되,
   동박 제거로 절연층(4)이 노출된 절연 분할 경계선(62)에 의해서 도전패턴 확대영역부(60)들이 분할 구성하고 도전패턴 확대영역부(60)들의 합이 기판면적의 반 이상을 차지하게 구성함을 특징으로 하는 아웃도어 LED조명용 메탈 PCB.
   
5. 아웃도어 LED조명용 메탈 PCB에 있어서,
   베이스가 되는 메탈층(2)과 절연층(4) 및 다수의 LED소자(20)들간의 전기적 연결이나 외부 단자부와의 전기적 연결을 위한 회로 동박층(6)이 차례로 적층되게 구성하며;
   상기 회로 동박층(6)은,
   칩형태의 LED소자(20) 연결용 (+)(-)단자패드(12)(14)가 있는 (+)(-)단자부(10)와,
   (+)(-)단자부(10)의 (+)단자패드(12)와 인접한 (+)(-)단자부(10)의 (-)단자패드(14) 간을 면상 형태로 전기적으로 접속하는 도전패턴 확대영역부(60)들로 구성하되,
   동박 제거로 절연층(4)이 노출된 절연 분할 경계선(62)에 의해서 도전패턴 확대영역부(60)들이 분할 구성하고 도전패턴 확대영역부(60)들 간은 서로 허용오차 범위 내의 동일한 전기저항을 갖도록 구성함을 특징으로 하는 아웃도어 LED조명용 메탈 PCB.

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