KR102578225B1 - 방열 성능이 향상된 led 모듈 - Google Patents

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한지웅
이학주
황재윤
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Abstract

본 발명은 광효율의 저감없이 우수한 방열성능을 갖는 LED 모듈을 제공한다. 이에 본 발명의 일 측면에 따른 LED 모듈은 PCB; 및 상기 PCB 상에 실장된 LED패키지; 를 포함하고, 상기 LED패키지는 LED베어칩, LED베어칩이 배치되면서 LED베어칩의 배선이 연결되는 제1전극패드, 및 제1전극패드에 인접하여 LED베어칩의 배선이 연결되는 제2전극패드, 를 포함하고, 상기 PCB에는 상기 제1전극패드와 전기적으로 연결되는 제1전극패턴과 상기 제2전극패드와 전기적으로 연결되는 제2전극패턴이 구비되고, 상기 제1전극패턴과 설정거리로 인접한 영역에 방열패턴이 배치된다.

Description

방열 성능이 향상된 LED 모듈{LED module with improved heat dissipation performance}
본 발명은 LED 모듈에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 방열 성능이 향상된 LED 모듈에 대한 것이다.
최근 각종 조명장치의 광원으로 LED 소자가 각광을 받고 있다. LED 소자는 종래의 조명 광원에 비해 발열량이 적고, 적은 소비전력과 긴 수명, 내충격성 등의 장점을 갖고 있다. 또한, 제조과정에서 형광등과 같이 수은이나 방전용 가스를 사용하지 않으므로 환경오염을 유발하지 않는 장점이 있다.
LED 소자는 적절한 전원공급과 방열수단을 제공할 경우 10만 시간 이상을 사용해도 소손 없이 점등상태를 유지할 수 있다. 모든 광원은 시간이 지날수록 광출력이 점점 감소하는데, 초기 광도의 80% 까지는 사람이 잘 느끼지 못하므로 이를 기준으로 평가할 경우 LED 소자의 조명용 수명은 현재 약 4만-5만 시간으로 예상되고 있다.
따라서, 백열전구의 1,500시간, 형광등의 1만여 시간에 비해 LED 소자는 수명이 매우 긴 장수명의 광원이라 할 수 있다.
그런데, 각 LED칩의 발광 시 상당히 높은 열이 발생하게 되는데, 이러한 열을 효과적으로 방출하지 못하면 PCB 기판의 전극패턴이 들뜨거나, LED칩 내에 열적 피로가 축적되어 장기적인 구동과 성능의 신뢰성이 저하되며, 심할 경우 LED칩이 손상될 수 있는 문제점이 있다.
이에 따라 방열 성능을 극대화하기 위해 PCB에 별도의 방열패턴을 형성하거나 별도의 방열판을 장착하는 방법 등이 고려되고 있다. 그러나, 방열패턴을 전체적으로 형성하는 경우에는 PCB의 광 반사율이 저감하여 광효율이 저하되는 문제가 발생되며, 별도의 방열판을 장착하는 경우에는 제품의 두께가 커져 미려한 디자인을 완성하기가 어려워진다. 따라서 제품 디자인을 유지하면서 광효율의 저감없이 방열성능을 개선할 방법의 모색이 필요하다.
한국등록특허 제10-149665호(2014.12.10), LED 고효율 방열을 위한 PCB 기판 구조{PCB Structure for high efficiency protection against heat of LED Unit}
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 광효율의 저감없이 우수한 방열성능을 갖는 LED 모듈을 제공함에 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 LED 모듈은 PCB; 및 상기 PCB 상에 실장된 LED패키지; 를 포함하고, 상기 LED패키지는 LED베어칩, LED베어칩이 배치되면서 LED베어칩의 배선이 연결되는 제1전극패드, 및 제1전극패드에 인접하여 LED베어칩의 배선이 연결되는 제2전극패드, 를 포함하고, 상기 PCB에는 상기 제1전극패드와 전기적으로 연결되는 제1전극패턴과 상기 제2전극패드와 전기적으로 연결되는 제2전극패턴이 구비되고, 상기 제1전극패턴과 설정거리로 인접한 영역에 방열패턴이 배치된다.
이때, 상기 방열패턴 상에는 방열강화부가 적층될 수 있다.
또한, 상기 방열강화부는 솔더페이스트를 포함할 수 있다.
또한, 상기 솔더페이스트는 제1전극패턴 및 제2전극패턴에 도포되면서 함께 방열패턴에 도포될 수 있다.
또한, 상기 제1전극패턴, 제2전극패턴 및 방열패턴에 도포되는 솔더페이스트는 같은 재질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 방열패턴은 사각의 형상으로 형성되고, 상기 PCB의 상면을 기준으로 제1전극패턴의 상부, 하부 및 측부 중 어느 하나에 배치될 수 있다.
또한, 상기 방열패턴의 수직 길이는 인접하는 제1전극패턴의 수직 길이와 대응되도록 형성되고, 상기 방열패턴의 수평 길이는 인접하는 제1전극패턴의 수평 길이보다 작게 형성될 수 있다.
또한, 상기 방열패턴은 제1전극패턴에만 인접하도록 형성되되, 제1전극패턴으로부터 0.9 내지 1.2mm 이격되어 형성될 수 있다.
본 발명은 전극패턴에 인접한 방열패턴을 형성하고 다시 방열강화부를 적층 형성하되 방열패턴의 형상을 한정하고 방열패턴의 위치를 특정하여 방열효율을 더욱 향상시킨다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 모듈의 단면도이다.
도 2는 도 1에서의 LED패키지가 PCB에 실장되는 과정을 보여주는 도면이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 모듈의 PCB에 방열패턴이 형성되는 것을 보여주는 사진이다.
도 6은 방열패턴의 위치 관계를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 모듈이 적용된 것을 보여주는 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 모듈에서 방열패턴의 거리에 따른 온도 측정 데스트의 결과표이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 모듈의 단면도이다.
도 10은 도 9의 PCB를 촬상한 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하여 상세하게 설명한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 모듈에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 모듈의 단면도이고, 도 2는 도 1에서의 LED패키지가 PCB에 실장되는 과정을 보여주는 도면이며, 도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 모듈의 PCB에 방열패턴이 형성되는 것을 보여주는 사진이고, 도 6은 방열패턴의 위치 관계를 보여주는 도면이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 모듈이 적용된 것을 보여주는 사진이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 모듈에서 방열패턴의 거리에 따른 온도 측정 데스트의 결과표이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 모듈(1000)은 크게 적어도 하나의 LED패키지(100)와 이러한 LED패키지(100)가 실장되는 PCB(200)를 포함하여 이루어진다.
LED패키지(100)는 리플렉터(140)로 구획된 공간 내부에 배치되어 청색계열의 광을 출사하는 LED베어칩(110)이 배치되는데, LED베어칩(110)은 캐소드인 제1전극패드(120)에 배치되고, 어노드인 제2전극패드(130)는 LED베어칩(110)과 이격되어 배치된다. 이때, 제1전극패드(120)와 제2전극패드(130)는 모두 배선(150)으로 연결되어 LED베어칩(110)에 구동전류를 공급한다. 한편, 도시하지는 않았지만, 리플렉터(140)로 구획된 공간 내부에는 형광체가 배치되어 LED베어칩(110)이 출사하는 광을 백색 계열의 광으로 여기시킬 수 있다.
그런데, 이와 같은 구조에서는 제1전극패드(120)와 LED베어칩(110)이 접촉되어 있으므로 구동 시 제1전극패드(120)의 온도가 가장 높게 된다. 나아가 제1전극패드(120)는 제1전극패턴과 연결되므로 PCB(200)에서는 제1전극패턴(221)에서의 온도가 가장 높게 된다. 따라서, 본 실시예에서는 제2전극패턴(222)이 아닌 제1전극패턴(221)에 인접한 영역에 별도의 방열패턴(220a)을 형성하는 것이 특징이다.
한편, PCB(200)는 알루미늄 등을 소재로 하는 베이스플레이트(210), 베이스플레이트(210) 상에 형성되어 LED패키지(100)에 구동전류를 공급하는 도전층(220), 및 도전층(220) 상에 형성된 절연을 위한 코팅층(230)을 포함한다.
이때, 본 실시예에 따른 LED모듈(1000)은 코팅층(230)의 패터닝시에 제1전극패턴(221) 및 제2전극패턴(222)을 형성하는 것과 동시에 제1전극패턴(221)에 인접한 영역에도 코팅층(230)을 제거하여 방열패턴(220a)을 함께 형성하는 것이 특징이다. 또한, 방열패턴(220a) 상에는 방열 효과를 더욱 극대화하기 위해서 방열강화부(240a)를 적층 형성할 수 있다.
이때, LED패키지(100)를 PCB(200)에 실장하기 위해서는 제1전극패턴(221)과 제2전극패턴(222)에 솔더페이스트를 발라서 제1전극패드(120)와 제2전극패드(130)를 전기적으로 연결하는데, 상기 방열강화부(240a)도 동일한 솔더페이스트를 도포하는 방법으로 형성할 수 있다. 즉, 솔더페이스트는 제1전극패턴(221) 및 제2전극패턴(222)에 도포되면서 함께 방열패턴(220a)에 도포된다.
따라서, 전극패턴을 형성하는 경우에 함께 방열패턴을 함께 형성하고, LED패키지의 실장하는 공정에서 역시 방열강화부를 함께 형성하게 되므로 별도의 공정 추가가 발생되지 않고도 방열 효과를 극대화하게 된다. 이를 위해 제1전극패턴(221), 제2전극패턴(222) 및 방열패턴(220a)에 도포되는 솔더페이스트는 같은 재질로 형성되는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 도 6을 참조하면, 방열패턴은 대략 사각의 형상으로 형성되는 것이 바람직하고, PCB(200)의 상면을 기준으로 제1전극패턴(221)의 상부(1), 하부(3) 및 측부(2) 중 어느 하나에 배치되는 것이 바람직하다. 나아가 방열효율의 극대화를 위해서 상기 방열패턴(220a)에서 상대적으로 짧은 쪽의 길이는 제1전극패턴(221)의 수평 길이보다 작게 형성되고, 상기 방열패턴(220a)에서 상대적으로 긴 쪽의 길이는 제1전극패턴(221)의 수직 길이와 대응되도록 형성되는 것이 바람직하다.
더욱 나아가, 방열패턴(220a)은 제1전극패턴(221)에만 인접하도록 형성되되, 제1전극패턴(221)으로부터 0.9 내지 1.2mm 이격되어 형성되는 것이 바람직하다.
도 8을 참조하면, LED 패턴과 방열 패턴간의 거리가 짧을 수록 LED 패키지의 Ts가 낮아 방열에 효과적이나 방열패턴(220a)이 제1전극패턴(221)으로부터 0.9mm 미만으로 근접하는 경우에는 SMT의 Reflow 공정 중 PCB의 솔더가 녹으며 LED 패키지를 끌어당겨 방열 패턴위에 패키지가 실장되는 경우가 발생하기 때문이며, 방열패턴(220a)이 제1전극패턴(221)으로부터 1.2mm를 초과하여 배치되는 경우에는 방열패턴(220a)의 위치가 다소 이격됨에 기인하여 LED패키지의 온도가 오히려 상승됨이 확인되기 때문이다. 한편, 상기한 실험은 도 7에서의 제2전극패드 부분의 온도를 측정하여 수행되었다.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 LED모듈(1000)은 방열패턴을 형성하고 다시 방열강화부를 적층형성하면서 방열패턴의 형상을 한정하고 방열패턴의 위치를 특정하여 방열효율을 극대화시킨다.
이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 모듈(1001)에 대하여 설명한다. 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 모듈의 단면도이고, 도 10은 도 9의 PCB를 촬상한 사진이다.
이전 실시예의 경우에는 방열패턴이 형성되는 만큼 PCB(200)에서 반사층으로 기능하는 코팅층(230)의 면적이 작아지게 된다. 이는 LED 모듈 전체적으로 반사율의 저감을 유발하여 광효율을 낮아지게 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 모듈(200')은 PCB(200)의 상면에 반사강화층(250)이 도포되어 형성된 것을 특징으로 한다.
LED패키지(100)는 리플렉터(140)로 구획된 공간 내부에 배치되어 청색계열의 광을 출사하는 LED베어칩(110)이 배치되는데, LED베어칩(110)은 캐소드인 제1전극패드(120)에 배치되고, 어노드인 제2전극패드(130)는 LED베어칩(110)과 이격되어 배치된다. 이때, 제1전극패드(120)와 제2전극패드(130)는 모두 배선(150)으로 연결되어 LED베어칩(110)에 구동전류를 공급한다. 한편, 도시하지는 않았지만, 리플렉터(140)로 구획된 공간 내부에는 형광체가 배치되어 LED베어칩(110)이 출사하는 광을 백색 계열의 광으로 여기시킬 수 있다.
한편, PCB(200)는 알루미늄 등을 소재로 하는 베이스플레이트(210), 베이스플레이트(210) 상에 형성되어 LED패키지(100)에 구동전류를 공급하는 도전층(220), 및 도전층(220) 상에 형성된 코팅층(230)을 포함한다. LED패키지(100)는 코팅층(230)이 제거된 제1전극패턴(221)과 제2전극패턴(222)과 솔더페이스트(240)에 의해 전기적으로 결합된다.
그런데, 도시한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 모듈(1000)은 이러한 코팅층(230) 상에 반사강화층(250)을 형성하여 광효율을 극대화하게 된다. 또한, 도면과는 다르게 코팅층(230) 자체를 반사강화층(250)으로 형성하는 것도 가능함은 물론이다.
이러한 반사강화층(250)은 통상적인 PSR잉크에 반사율 향상 파우더를 분포시키고 여기에 부틸셀로솔브(BC; butyl Cellosolve) 용액을 더 교반하여 형성될 수 있다.
PSR잉크는 물리, 화학적 환경에서 내구성을 갖는 불변성 화합물인 불변성 잉크(Permanent ink)을 도금된 동박 회로 상에 코팅함으로써 회로를 보호하고 동시에 차 공정인 HASL과 LED패키지 실장 시 실시하는 솔더링 공정에서 회로와 회로 사이에 솔더 브릿지 현상이 발생하는 것을 방지하는 역할을 수행한다. 이때 PSR잉크의 성분은 다음 표 1과 같다.
구분 성분 함량
주제 Modified Epoxy Acrylated Resin 50~60%
Diethylene Glycol Monoethyl Ether Acetate 1~2%
Heavy Aromatic Solvent Naphtha 10~15%
TiO2 10~15%
경화제 Epoxy Resin 10~12%
Heavy Aromatic Solvent Naphtha 4~6%
Acrylic Monomer 6~8%
본 실시예에 따른 LED 모듈의 반사강화층은 이러한 PSR잉크에 오산화탄탈륨(Ta2O5), 산화니오븀(Nb2O5), 산화가돌리늄(Gd2O3), 산화아연(ZnO), 및 산화란타늄(La2O3)에서 선택된 어느 하나를 포함하는 반사강화물질을 도포하는 것이 특징이다. 더욱 바람직하게 이러한 반사강화물질은 산화니오븀인 것이 바람직하다.
더욱 상세하게 이때 산화니오븀 파우더의 함량은 PSR잉크의 함량 100wt%를 기준으로 2.4 내지 2.6wt% 함유하는 것이 바람직하다. 아래의 표 2와 같이 산화니오븀 파우더의 함량이 2.4 wt% 미만인 경우에는 상대광속이 106%에 도달하지 못하는 결과가 도출되었기 때문이며, 산회니오븀 파우더의 함량이 2.6 wt% 초과인 경우에는 상대광속의 유의미한 증가가 없고 광효율의 포화가 유발되기 때문이다.
한편, PSR 잉크에 상기한 산화니오븀 파우더를 추가하는 경우에는 점도가 상승하게 된다. 점도는 PCB에의 도포 가공성을 위해 14 내지 18P로 형성하는 것이 바람직한데, 이러한 점도의 범위를 벗어나게 되면 PSR 잉크의 흐름성이 너무 좋거나 또는 너무 나빠지게 되어 작업성이 떨어지게 되고 균일한 반사강화층의 두께를 확보할 수가 없게 된다.
따라서 이를 위해 반사강화층에는 상기한 BC용액을 추가하는 것이 바람직하며, BC용액의 함량을 PSR잉크의 함량 100wt%를 기준으로 0.5 내지 1.0 wt%를 함유하는 경우에 상기한 산화니오븀 파우더의 최적 함량에 따라 점도가 확보되게 된다.
한편, 본 발명의 발명자들은 광효율이 이러한 반사강화층의 두께와도 밀접한 관련이 있다는 것을 발견하였다. 다음의 표 3은 반사강화층의 두께에 따른 광속을 측정한 표이다.
즉, 위의 표 3에서와 같이 반사강화층의 두께(잉크두께)가 증가할수록 광속이 증가됨을 알 수 있지만 상대광속이 더욱 증가하기 위해서 바람직하게 반사강화층의 두께는 25 내지 45um인 것이 가장 바람직한 것을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 모듈은 반사강화층을 PCB의 상면에 도포하거나 코팅층 자체를 반사강화층으로 형성하여 도포함으로서 광효율을 현저하게 상승시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
1000, 1001: LED모듈
100: LED패키지
110: LED베어칩
120: 제1전극패드
130: 제2전극패드
140: 리플렉터
200, 200': PCB
210: 베이스플레이트
220: 도전층
221: 제1전극패턴
222: 제2전극패턴
220a: 방열패턴
230: 코팅층
240: 솔더
240a: 방열강화부

Claims (8)

  1. PCB; 및
    상기 PCB 상에 실장된 LED패키지;
    를 포함하고,
    상기 LED패키지는 LED베어칩, LED베어칩이 배치되면서 LED베어칩의 배선이 연결되는 제1전극패드, 및 제1전극패드에 인접하여 LED베어칩의 배선이 연결되는 제2전극패드, 를 포함하고,
    상기 PCB에는 상기 제1전극패드와 전기적으로 연결되는 제1전극패턴과 상기 제2전극패드와 전기적으로 연결되는 제2전극패턴이 구비되고, 상기 제1전극패턴과 설정거리로 인접한 영역에 방열패턴이 배치되며,
    제1전극패턴은 제2전극패턴 보다 크게 형성되고,
    상기 방열패턴 상에는 솔더페이스트를 포함하는 방열강화부가 적층되되, 상기 솔더페이스트는 제1전극패턴 및 제2전극패턴에 도포되면서 함께 방열패턴에 도포되며,
    상기 방열패턴은 사각의 형상으로 형성되고, 상기 PCB의 상면을 기준으로 제1전극패턴의 상부, 하부 및 측부 중 어느 하나에 배치되고,
    상기 방열패턴은 상대적으로 제2전극패턴 보다 제1전극패턴에 인접하도록 형성되되 제1전극패턴으로부터 0.9 내지 1.2mm 이격되어 형성되며,
    상기 방열패턴에서 제1전극패턴과 인접하는 변의 길이는 제1전극패턴에서 방열패턴과 인접하는 변의 길이와 대응하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 LED 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극패턴, 제2전극패턴 및 방열패턴에 도포되는 솔더페이스트는 같은 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 LED 모듈.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
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한국등록특허 제10-149665호(2014.12.10), LED 고효율 방열을 위한 PCB 기판 구조{PCB Structure for high efficiency protection against heat of LED Unit}

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