KR101891217B1 - 고출력 엘이디 광원모듈과 이를 구비한 백라이트 유닛 및 조명 장치 - Google Patents

고출력 엘이디 광원모듈과 이를 구비한 백라이트 유닛 및 조명 장치 Download PDF

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Abstract

실시 예는 고출력 LED 광원모듈과 이를 구비한 백라이트 유닛 및 조명 장치에 관한 것으로, 베이스(Base) 기판(MCPCB)의 광원부에 세라믹 기판(COB PKG)을 접착시킴으로써, MCPCB의 가격과 세라믹의 방열 등 두 가지의 장점을 가지게 된다. 또한, 하나의 베이스(Base) 기판(MCPCB)에 여러 형태의 세라믹 기판(COB PKG)을 적용함으로써, 조명 모듈의 플랫폼(Platform)화가 가능하다.
실시 예에 의한 고출력 LED 광원모듈은, 베이스 기판, 상기 베이스 기판의 내부에 접착된 세라믹 기판 및, 상기 베이스 기판과 상기 세라믹 기판의 패드 사이에 접속된 와이어를 포함하고 있다.

Description

고출력 엘이디 광원모듈과 이를 구비한 백라이트 유닛 및 조명 장치{LED Optical Source Module for High Power, and Illumination Apparatus and Back Light Unit Including The Same}
실시 예는 고출력 LED 광원모듈과 이를 구비한 백라이트 유닛 및 조명 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 발광 다이오드(이하 'LED'라 한다)는 기본적으로 p형과 n형 반도체의 접합으로 이루어져 있으며, 전압을 가하면 전자와 정공의 결합으로 반도체의 밴드갭(bandgap)에 해당하는 에너지를 빛의 형태로 방출하는 일종의 광전자 소자(photoelectronic device)이다.
이와 같은 LED는 후레쉬용 고휘도 광원, 휴대용 전자제품(휴대폰, 캠코더, 디지털 카메라 및 PDA)에 사용되는 액정 디스플레이(LCD)의 후 광원(back light), 전광판용 광원, 조명 및 스위치 조명 광원, 표시등, 교통신호등의 광원으로 그 사용 범위가 날로 확대되고 있다.
이러한 LED는 정보 통신 기기의 소형화와 슬림화 등의 추세에 따라 표면 실장 기술(Surface Mount Technology; SMT)을 이용하여 실장 되는 표면 실장 소자(Surface Mount Device ; SMD)형으로 개발되었다.
종래의 조명 모듈은 하나의 기판, 즉 MCPCB 또는 세라믹 기판에 구현되어 있다(도 1 참조). 도 1에서 도면부호 50은 MCPCB 또는 세라믹 기판, 도면부호 51 및 52는 전극 패드를 나타낸다. 여기서, MCPCB(Metal Core PCB)로 고출력(예를 들어, 25W 이상)의 조명 모듈을 구현할 경우 방열에 취약한 MCPCB의 특성으로 인해 방열에 문제가 발생한다. 반면에, 세라믹(Ceramic) 기판을 이용하여 고출력의 조명 모듈을 구현할 경우에는 방열 특성은 우수하지만 가격이 비싼 문제점이 있다.
국내 등록특허 제0945026호(등록일: 2010.02.23)
전술한 문제점을 해결하기 위하여 실시 예에서 이루고자 하는 기술적 과제는, 베이스(Base) 기판(MCPCB)의 광원부에 세라믹 기판(COB PKG)을 접착한 고출력 LED 광원모듈과 이를 구비한 백라이트 유닛 및 조명 장치를 제시하는 데 있다.
또한, 실시 예에서 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 하나의 베이스(Base) 기판(MCPCB)에 여러 형태의 세라믹 기판(COB PKG)을 적용함으로써, 조명 모듈의 플랫폼(Platform)화가 가능한 고출력 LED 광원모듈과 이를 구비한 백라이트 유닛 및 조명 장치를 제시하는 데 있다.
또한, 실시 예에서 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 베이스(Base) 기판(MCPCB)에서 CPU 설치 영역과 전원부 등과 같이 열이 발생하는 부분에 세라믹 기판(COB PKG)을 접착시킴으로써, 기판(MCPCB)의 방열 문제를 효과적으로 개선할 수 있는 고출력 LED 광원모듈과 이를 구비한 백라이트 유닛 및 조명 장치를 제시하는 데 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 실시 예의 고출력 LED 광원모듈은, 베이스 기판, 상기 베이스 기판의 내부에 접착된 세라믹 기판 및, 상기 베이스 기판과 상기 세라믹 기판의 패드 사이에 접속된 와이어를 포함하고 있다.
여기서, 상기 제 1 기판은 MCPCB(Metal Core PCB)이고, 상기 세라믹 기판은 COB(Chip on Board) 패키지를 포함할 수 있다. 상기 세라믹 기판은 알루미나(Al2O3) 기판, AlN 기판, Si3N4 기판, SiC 기판 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 세라믹 기판은 방열 접착제로 접착될 수 있으며, 상기 방열 접착제는 도전성 접착제로 구성될 수 있다. 이때, 상기 도전성 접착제는 실리콘 수지 또는 에폭시 수지로 구성될 수 있다.
상기 세라믹 기판은 상기 베이스 기판의 광원부에 접착되거나 상기 베이스 기판의 CPU 설치 영역, 전원부를 포함한 발열 부분 중 어느 한 곳 이상에 접착될 수 있다.
또한, 상기 고출력 LED 광원모듈은 상기 베이스 기판 위에 절연층, 금속층, 반사층이 순차적으로 패턴 형성되어 있고, 상기 베이스 기판과 상기 세라믹 기판 사이에는 상기 절연층이 제거되어 있다.
상기 절연층은 열 전도성 절연소재로 구성될 수 있고, 상기 반사층은 화이트 솔더 레지스트(white solder resist), 화이트 에폭시(white epoxy)를 포함한 투명한 절연성 재질로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 베이스 기판은, 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 탄탈(Ta), 하프늄(Hf), 니오브(Nb)를 포함한 금속 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 실시 예의 백라이트 유닛은 실시 예의 고출력 LED 광원모듈을 포함하고 있다.
또한, 전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 실시 예의 조명 장치는 실시 예의 고출력 LED 광원모듈을 포함하고 있다.
실시 예에 따르면, 베이스(Base) 기판을 MCPCB 기판으로 사용하고, 광원부(발광 영역)만 세라믹 기판으로 적용할 경우 MCPCB의 가격과 세라믹의 방열 등 두 가지의 장점을 가지게 된다.
또한, 하나의 베이스 기판(MCPCB) 위에 여러 형태의 광원부를 적용함으로써, 조명 모듈의 플랫폼(Platform)화가 가능하다.
또한, 베이스(Base) 기판을 MCPCB 기판으로 사용하고, CPU 설치 영역과 전원부를 포함한 발열 부분에 세라믹 기판을 접착하여 설치할 경우 MCPCB의 가격과 세라믹의 방열 등 두 가지의 장점을 가지게 된다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 MCPCB의 평면(a) 및 단면(b) 구조를 나타낸 도면
도 2는 실시 예에 의한 고출력 LED 광원모듈의 평면(a) 및 단면(b) 구조를 나타낸 도면
도 3은 실시 예에 의한 제 1 기판의 평면(a) 및 단면(b) 구조를 나타낸 도면
도 4는 실시 예에 의한 제 2 기판의 예를 나타낸 평면도
도 5는 실시 예에 의한 고출력 LED 광원모듈의 단면도
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하, 본 발명에서 실시하고자 하는 구체적인 기술내용에 대해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
실시 예
도 2는 실시 예에 의한 고출력 LED 광원모듈의 평면(a) 및 단면(b) 구조를 나타낸 도면이다.
상기 고출력 LED 광원모듈은 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 기판(100)과, 상기 제 1 기판(100) 위에 접착된 제 2 기판(200)을 포함하고 있다. 여기서, 상기 제 1 및 제 2 기판(100,200)은 서로 다른 재질의 기판으로 구성되어 있다. 예를 들어, 상기 제 1 기판(100)은 MCPCB(Metal Core PCB)로 구성될 수 있고, 상기 제 2 기판(200)은 세라믹 기판으로 구성될 수 있다. 이때, 상기 세라믹 기판은 알루미나(Al2O3) 기판, AlN 기판, Si3N4 기판, SiC 기판 중 어느 하나로 형성된 COB(Chip on Board) 패키지로 구성될 수 있다.
상기 제 1 기판(100)에 상기 제 2 기판(200)을 접착시키는 방법은 전극 패드(PAD) 및 방열 접착제(220)를 사용하여 접착시킨다. 즉, 상기 제 1 기판(100)의 광원부(발광 영역)에 상기 제 2 기판(200)을 방열 접착제(220)로 접착시킨 다음, 상기 제 1 기판(100)의 전극 패드(101,102)와 상기 제 2 기판(200)의 전극 패드(201,202)를 와이어(wire)(203)로 본딩하여 전기적으로 접속시킨다. 이때, 상기 와이어(203)는 상기 제 2 기판(200)에 실장 된 LED 칩과 상기 제 1 기판(100)의 리드 프레임 간의 전기적 연결을 위한 전선이며, 금(Gold)을 포함한 도전성 재질로 구성될 수 있다.
상기 방열 접착제(220)는 실리콘 수지, 에폭시 수지를 포함하는 도전성 접착제로 구성될 수 있다. 이때, 상기 도전성 접착제는 은 에폭시(Ag Epoxy)를 포함한다.
상기 고출력 LED 광원모듈은 상기 제 2 기판(200) 위에 광원 렌즈(210)를 배치하여 LED 광을 확산할 수 있다.
도 3은 실시 예에 의한 제1 기판의 평면(a) 및 단면(b) 구조를 나타낸 도면이고, 도 4는 실시 예에 의한 제 2 기판의 예를 나타낸 평면도이다.
상기 제 1 기판(100)은 도 6에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(110) 위에 상기 제 2 기판(200)의 실장 영역(103)과 패턴이 형성된 금속층(130)이 형성되어 있다. 이때, 상기 베이스 기판(110)과 상기 금속층(130) 사이에는 절연층(120)이 형성되어 있고, 상기 금속층(130) 위에는 반사층(140)이 형성되어 있다.
상기 제 2 기판(200)의 실장 영역(103)은 상기 제 1 기판(100)의 광원부(발광 영역)에 형성될 수 있다. 상기 제 2 기판(200)의 실장 영역(103)에는 상기 제 2 기판(200)을 접착하기 위해 상기 베이스 기판(110)의 상부가 노출되어 있다.
또한, 상기 제 1 기판(100)에는 상기 제 2 기판(200)과의 전기적 접속을 위한 전극 패드(101,102)가 형성되어 있다. 이때, 상기 전극 패드(101,102)는 상기 반사층(140)을 뚫고 상기 금속층(130)과 전기적으로 연결되어 있다.
상기 제 2 기판(200)은 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 기판(100)에 형성된 상기 실장 영역(103)에 배치 가능한 크기로 구성되어 있으며, 상면에 상기 제 1 기판(100)과의 전기적 접속을 위한 전극 패드(201,202)가 형성되어 있다. 상기 제 2 기판(200)에는 적어도 한 개 이상의 광원부(LED 칩)가 탑재될 수 있으며, 상기 제 1 기판(100) 위에 여러 형태의 광원부를 적용할 수 있다.
실시 예에서는 광 효율을 증가시키기 위해 상기 광원부 위에 광원 렌즈(210)가 배치될 수 있다. 이때, 상기 광원 렌즈(210)는 여러 가지 형태로 구성될 수 있다.
도 5는 실시 예에 의한 고출력 LED 광원모듈의 단면도이다.
실시 예의 제 1 기판(100)은 베이스 기판(110) 위에 절연층(120), 금속층(130), 반사층(130)이 순차적으로 적층 된다. 이때, 상기 베이스 기판(110)은, 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 탄탈(Ta), 하프늄(Hf), 니오브(Nb)를 포함한 금속 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 절연층(120)은 열 전도성 절연소재로 구성될 수 있으며, 예를 들어 PEEK(PolyEtherEtherKetone) 수지 또는 나노 세라믹 입자가 혼합된 PEEK 수지를 포함할 수 있다. 상기 PEEK 수지는 엔지니어링 플라스틱(Engineering plastic)의 일종으로 높은 내열도를 갖는 상용화된 플라스틱 소재로서, 여기에 나노 세라믹 입자를 혼합하게 되면 높은 열전도 성능을 가질 수 있다.
상기 금속층(130)은 Cu, Ag, Au, Ni, Al, Cr, Ru, Re, Pb, Cr, Sn, In, Zn, Pt, Mo, Ti, Ta, W을 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 또는 이들 금속을 포함하는 합금으로 구성될 수 있다. 또한, 상기 반사층(130)은 화이트 솔더 레지스트(white solder resist), 화이트 에폭시(white epoxy)를 포함한 투명한 절연성 재질로 형성될 수 있고, 은(Ag), 은(Ag)을 포함하는 합금, 알루미늄(Al), 알루미늄(Al)을 포함하는 합금 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
이 후, 상기 제 1 기판(100)의 광원부(발광 영역)에 상기 제 2 기판(200)을 실장하기 위해, 상기 베이스 기판(110) 위의 절연층(120), 금속층(130), 반사층(130)을 선택적으로 제거한다. 이때, 상기 제 2 기판(200)의 실장 영역(103)을 형성하는 방법은 리소그래피(Lithography) 공정 및 에칭(Etching) 공정 등에 의해 선택적으로 제거하여 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
계속해서, 상기 제 2 기판(200)의 실장 영역(도 6의 103 참조)인 상기 베이스 기판(110) 위에 방열 접착제(220)를 도포한 후 상기 제 2 기판(200)을 접착한다. 이때, 상기 제 2 기판(200)이 실장 되는 부분에는 방열 효과를 최대화하기 위해서 상기 절연층(120)을 완전히 제거한 후 상기 베이스 기판(110) 위에 상기 제 2 기판(200)을 직접 접착시키게 된다.
상기 방열 접착제(220)는 실리콘 수지, 에폭시 수지를 포함하는 도전성 접착제로 구성될 수 있다. 이때, 상기 도전성 접착제는 은 에폭시(Ag Epoxy)를 포함한다.
그리고, 상기 제 2 기판(200)은 앞에서 설명한 바와 같이, 세라믹 기판으로 구성될 수 있다. 이때, 상기 세라믹 기판은 알루미나(Al2O3) 기판, AlN 기판, Si3N4 기판, SiC 기판 중 어느 하나로 형성된 COB(Chip on Board) 패키지로 구성될 수 있다.
마지막으로, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 기판(100)의 전극 패드(101,102)와 상기 제 2 기판(200)의 전극 패드(201,202)를 와이어(wire)(203)로 본딩하여 전기적으로 접속시킨다.
기존의 조명 모듈은 MCPCB와 세라믹(Ceramic) 기판 중 하나의 기판에 구현하였으나, 실시 예의 조명 모듈은 MCPCB 기판 위에 세라믹(Ceramic) 기판을 접착시키는 구조이다. 이와 같이, 베이스(Base) 기판을 MCPCB 기판으로 사용하고, 광원부(발광 영역)만 세라믹 기판으로 적용할 경우 MCPCB의 가격과 세라믹의 방열 등 두 가지의 장점을 가지게 된다.
또한, 하나의 베이스 기판(MCPCB) 위에 여러 형태의 광원부를 적용함으로써, 조명 모듈의 플랫폼(Platform)화가 가능하다.
다른 실시 예
실시 예는 베이스(Base) 기판을 MCPCB 기판으로 사용하고, 상기 베이스 기판의 광원부(발광 영역)에 세라믹 기판을 적용한 예에 대해 설명하였다. 하지만, 실시 예는 베이스 기판의 광원부(발광 영역)에만 적용되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 베이스 기판의 CPU 설치 영역, 전원부 등과 같이 열이 발생하는 방열 부분에 세라믹 기판을 접착함으로써, 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이는 광원모듈이나 조명 장치에만 국한되는 것은 아니며, 백라이트 유닛을 포함한 모든 PCB 기판에 동일하게 적용할 수 있다.
이와 같이 구성된 실시 예의 고출력 LED 광원모듈과 이를 구비한 백라이트 유닛 및 조명 장치는, 베이스 기판(MCPCB)의 광원부에 세라믹 기판(COB PKG)을 접착시킴으로써, 본 발명의 기술적 과제를 해결할 수가 있다.
또한, 하나의 베이스(Base) 기판(MCPCB)에 여러 형태의 세라믹 기판(COB PKG)을 적용함으로써, 본 발명의 기술적 과제를 해결할 수가 있다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
실시 예의 고출력 LED 광원모듈은 백라이트 유닛, 조명 장치뿐만 아니라 모든 PCB 기판에 동일하게 적용할 수 있다.
100 : 제 1 기판 또는 베이스 기판 101 : (+) 전극 패드
102 : (-) 전극 패드 103 : 제 2 기판 실장 영역
110 : 베이스 기판 120 : 절연층
130 : 금속층 140 : 반사층
200 : 제 2 기판 또는 세라믹 기판
201 : (+) 전극 패드 202 : (-) 전극 패드
203 : 와이어(wire) 210 : 광원 렌즈
220 : 방열 접착제

Claims (14)

  1. 베이스 기판;
    상기 베이스 기판의 제1 영역 상에 배치되는 세라믹 기판;
    상기 세라믹 기판 상에 배치되는 LED 칩;
    상기 베이스 기판과 상기 세라믹 기판을 접착시키는 방열 접착제;
    상기 베이스 기판의 제2 영역 상에 배치되는 절연층;
    상기 절연층 상에 배치되는 금속층;
    상기 금속층 상에 배치되고, 상기 LED 칩의 광을 반사하는 반사층;
    상기 베이스 기판과 상기 세라믹 기판을 전기적으로 연결하는 와이어; 및
    상기 반사층 상에 배치된 전극 패드;를 포함하고,
    상기 와이어는 상기 전극 패드와 상기 세라믹 기판의 패드를 전기적으로 연결하며,
    상기 전극 패드는 상기 금속층과 전기적으로 연결된 고출력 LED 광원모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스 기판은 MCPCB(Metal Core PCB)이고,
    상기 세라믹 기판은 COB(Chip on Board) 패키지인 고출력 LED 광원모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 기판은 알루미나(Al2O3) 기판, AlN 기판, Si3N4 기판, SiC 기판 중 어느 하나로 형성된 고출력 LED 광원모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 LED 칩 상에 배치되는 광원 렌즈;를 더 포함하는 고출력 LED 광원모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열 접착제는 도전성 접착제로 구성된 고출력 LED 광원모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 도전성 접착제는 실리콘 수지 또는 에폭시 수지로 구성된 고출력 LED 광원모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 기판은 상기 베이스 기판의 광원부에 접착된 고출력 LED 광원모듈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 기판은 상기 베이스 기판의 CPU 설치 영역, 전원부를 포함한 발열 부분 중 어느 한 곳 이상에 접착된 고출력 LED 광원모듈.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층은 열 전도성 절연소재로 구성된 고출력 LED 광원모듈.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사층은 화이트 솔더 레지스트(white solder resist), 화이트 에폭시(white epoxy)를 포함한 투명한 절연성 재질로 형성된 고출력 LED 광원모듈.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스 기판은, 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 탄탈(Ta), 하프늄(Hf), 니오브(Nb)를 포함한 금속 중 어느 하나로 형성된 고출력 LED 광원모듈.
  13. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 고출력 LED 광원모듈을 포함하는 백라이트 유닛.
  14. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 고출력 LED 광원모듈을 포함하는 조명 장치.
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