KR20040089591A - 도전성 부여 수지계 재료로 제조된 염가의 점등 회로 - Google Patents

도전성 부여 수지계 재료로 제조된 염가의 점등 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명의 점등 디바이스(lighting devices)는 도전성 부여 수지계 재료(conductive loaded resin-based material)로 형성된다. 상기 도전성 부여 수지계 재료는 베이스 수지 호스트(base resin host)에 미소 도전성 분말(micron conductive powder)(들) 또는 미소 도전성 섬유(micron conductive fiber)(들)를 구비하거나, 상기 도전성 분말과 도전성 섬유의 조합을 구비한다. 상기 베이스 수지 호스트의 중량에 대한 상기 도전성 분말(들), 도전성 섬유(들), 또는 도전성 분말과 도선성 섬유의 조합의 중량의 비율은 약 0.20 내지 0.40이다. 상기 미소 도전성 분말은 금속 등으로 도금할 수도 있는 탄소, 흑연 등의 비금속으로, 또는 금속 등으로 도금할 수도 있는 스테인리스 스틸, 니켈, 구리, 은 등의 금속으로, 또는 비금속, 도금 또는 금속 분말의 조합으로 형성된다. 상기 미소 도전성 섬유는 니켈로 도금한 탄소 섬유, 스테인리스 스틸 섬유, 구리 섬유, 은 섬유 등으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 도전성 부여 수지계 점등 디바이스는 사출 성형, 압축 성형 또는 압출 성형 등의 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 점등 디바이스를 형성하는데 사용된 상기 도전성 부여 수지계 재료는 소망의 형상으로 용이하게 절단될 수 있는 박형의 가요성 직물 형태로 이루어질 수도 있다.

Description

도전성 부여 수지계 재료로 제조된 염가의 점등 회로{Low cost lighting circuits manufactured from conductive loaded resin-based materials}
본 발명은 전체적으로 참조에 의해 본원에 포함되는, 2003년 4월 14일자로 출원된 미국특허 가출원 제60/462,073호 및 2003년 6월 16일자로 출원된 미국특허 가출원 제60/478,773호의 우선권을 주장한다.
본 특허출원은 역시 전체적으로 참조에 의해 본원에 포함되는, 미국특허 가출원 제60/317,808호 (2001.2.15), 제60/269,414호 (2001.2.16), 및 제60/317,808호 (2001.9.7)의 우선권을 주장하여 미국특허출원 제10/075,778호로서 2002년 2월 14일자로 출원된 일련번호 INT01-002의 일부 계속 출원인, 미국특허출원 제10/309,429호로서 2002년 12월 4일자로 출원된 일련번호 INT01-002CIP의 일부 계속 출원이다.
본 발명은 점등 회로에 관한 것으로서, 특히 성형시에 베이스 수지 내에서 균질화된 미소 도전성 분말, 미소 도전성 섬유, 또는 그들의 조합을 구비하는 도전성 부여 수지계 재료로 성형된 히트 싱크 및 도체를 포함하는 LED 점등 회로에 관한 것이다.
광원은 신호표시 및 조명을 제공하기 위해 다양한 분야에서 사용된다. 발광 신호표시 또는 표시기 발광은 메시지를 전달하는데 사용되는 광이다. 표시기 발광은 간판, 가로등, 자동차, 전기제품, 기계류, 컴퓨터, 오락 기기, 전자제품 등에서 폭넓게 사용된다. 표시기 발광으로서는 차량용 정지등 및 컴퓨터 'ON' LED 발광체를 예로 들 수 있다. 발광 조명 또는 조명 발광은 생활용 발광을 제공 또는 강화하는데 사용된다. 조명 발광은 가정, 사무실, 공장, 학교, 공공시설, 자동차 등에서 폭넓게 사용된다. 조명 발광으로서는 차량용 헤드라이트 및 사무용 형광등을 예로 들 수 있다.
최근의 광원은 전기로 가동된다. 전기로 가동되는 발광체는 백열, 가스/형광, 및 고상으로서 분류될 수 있는 것이 일반적이다. 통상적인 전구와 같은 백열 발광체는 텅스텐 와이어 등의 백열 필라멘트에 의해 광을 발생시킨다. 불행히도, 다량의 전기 에너지가 육안으로는 식별할 수 없는 적외선(열)으로 변환된다. 네온등, 수은 증기 램프, 할로겐 램프 등과 같은 가스/형광 발광체는 가스 방전 현상에 의해 광을 발생시킨다. 전기 에너지를 유용한 광 에너지로 변환한다는 점에서, 실질적으로 백열등보다는 형광등이 효율적이다. 그러나, 형광등은 상대적으로 복잡한 스타터 및 안정기 회로를 필요로 하며, 종종 유해한 수은을 포함한다.
발광 다이오드(LED's)와 같은 고상 발광체는 도전성 에너지 대역으로부터 낮은 궤도 대역까지의 전자 강하(electrons drop)에 의해 발생된 광양자(photons; 광 에너지)의 방출에 의존한다. 다이오드는 약간 상이한 두가지 재료를 PN 접합을 형성하도록 함으로써 형성된다. 통상적인 PN 접합은 실리콘 또는 알루미늄-갈륨-비화물(AlGaAs) 등의 반도체 재료로 형성된다. 이들 재료의 순수한 결정 형태는 열악한 도전성을 갖는다. 그러나, 선택된 도핑 이온의 도입으로 인해, 잉여 전자(n-형) 또는 잉여 홀(p-형)을 생성함으로써 상기 재료들이 도전성을 갖게 된다. n-형 및 p-형 재료가 함께 사용되어, PN 접합 즉, PN 다이오드가 형성된다.
비-방전 상태하에서는, P부터 N까지의 양전압하의 다이오드 내의 일방향으로, 즉 N부터 P까지는 전류(전자)만이 흐른다. 상기 양전압은 상기 N 구역에 있는 자유 전자에 에너지를 제공하여 낮은 궤도에서 도전성 궤도로 도약시킨다. 그후, 이들 전자는 중앙 소모 구역을 가로질러 상기 N 구역으로부터 상기 P 구역으로 이동할 수 있다. 상기 P 구역에 이르면, 상기 전자들은 비어있는 홀 위치로 떨어지고, 결과적으로 상기 도전성 대역으로부터 낮은 궤도 내로 떨어지게 된다. 이러한 궤도 강하로 인해 광양자가 방출된다. 모든 다이오드가 광양자 에너지를 방출하지만, 통상적으로 가시광 스펙트럼 에너지를 방출하는 다이오드만이 발광 다이오드라 명명된다. 가시광 광양자 방출을 달성하기 위해, 상기 도전성 대역과 상기 낮은 궤도 사이의 에너지 갭은 넓어야만 한다. 그러므로, 이러한 에너지 갭의 폭은 상기 광양자의 파장 및 그에 따른 발광 색상을 결정한다.
LED 디바이스는 입력 전기 에너지의 일부분을 가시광으로, 그리고 이러한 전기 에너지의 일부분을 열로 변환시킨다. 상기 다이오드 디바이스는 통상적으로 플라스틱 렌즈에 내장된다. 상기 다이오드에 의해 방출된 광양자는 전방향 광양자이다. 그러나, 상기 렌즈는 그 상부로부터 방출된 광이 실질적으로 단방향으로 집중되도록 반사를 이용하여 상기 광을 집중시킨다. LED 디바이스는 백열광보다 매우 효율적이며 가스/형광 광보다 유용하다. LED 디바이스는 발생되는 열을 통해 약간의 열을 발생시키고, 이는 후술되는 LED 분야의 중요한 고려사항이 된다. LED 디바이스는 저전력 소비 및 다양한 색상으로 인해 표시기 분야에서 폭넓게 사용된다. 그러나, 최근 반도체 디바이스의 가격 인하 및 "백색(white)"광을 발생하는 고강도LED 디바이스의 개발로 인해 조명 분야에 LED 디바이스를 사용하는 빈도가 늘고 있다. 고강도 LED 디바이스는 현재, 손전등과 같은 분야에서의 단일 발광체로서, 그리고 미등, 신호등, 투광 조명, 및 간판 등의 분야에서의 다수열의 발광체로서 사용된다.
LED 디바이스는 상대적으로 단순한 2 단자 반도체 디바이스이지만, LED 점등 회로의 설계 및 제조시에서는 몇가지 고려해야 할 것이 있다. 먼저, 시동(turn-ON) 전압을 넘어서면, 상기 다이오드의 응답 전류는 급격하게 증가한다. 그러므로, 과전류로 인한 다이오드의 손상을 방지하기 위해, 회로 경로에 저항이 배치되어야만 한다. 통상적으로, 상기 저항은 상기 N측에의 캐소드 (-) 접속부가 접지되는 상태에서 상기 디바이스의 P측에의 애노드 (+) 접속부와 파워 서플라이 사이의 경로에 배치된다. 이러한 저항값은 통상적으로, 상기 LED 회로 보드상의 장착 표면 또는 삽입된 이산 저항기로서 수행된다.
다음으로, 상기 LED가 밸열등보다 적은 열을 발생시키지만, 몇가지 이유로 상기 접합부에서는 상당한 열이 발생된다. 우선, 상기 LED의 성능은 디바이스의 접합부 온도(Tjunction)에 밀접하게 관련된다. 상기 LED로부터 방출된 광의 파장 또는 색상은 상기 Tjunction에 따라 변한다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 비디오 어레이에서와 같이 색상 적용을 위해 특정하게 설계된 다이오드는 증가된 온도에서는 부정확하게 작동할 수 있다. LED에 의해 발생된 광의 강도(루멘)는 증가된 온도로 인해 감소된다는 것을 알 수 있다. 높은 Tjunction으로 인해 떨어지는 LED에서의 출력 강도를 유지하기 위해 회로 설계자 또는 제공자가 전류를 증가시키도록 조장하기 때문에 특히 그러하다. 이는 생산성을 저하시킬 수 있으며, 심지어는 역시 Tjunction을 증가시키는 전류의 추가 증가때문에 상기 LED를 손상시키게 된다. 백열 전구와는 달리, LED 디바이스는 필라멘트 파손에 비교할 만한 특유의 마모 메카니즘을 갖지 않는다. 오히려, 상기 디바이스의 광 강도 출력은 시간 경과에 따라 단순하게 감소한다는 것을 알 수 있다. 또한, 고온 작동은 축퇴(degeneration)를 발생시키는데 필요한 시간을 단축시킨다는 것을 알 수 있다. 상술한 모든 관점에 기초하여, 히트 싱크와 같은 열 제거 메카니즘은 LED 계열의 점등 디바이스에, 특히 조명 분야에서 고출력 LED 디바이스를 사용하는 점등 디바이스에 매우 유용한 및/또는 필요한 부품이라는 것을 알 수 있다. 그러나, 종래에는, 히트 싱크 구조체는 통상적으로, 상기 LED 회로 보드상에 제조 및 배치되어야만 하는 이산 금속 구조체를 포함한다. 또한, LED 점등 회로의 저항기는 통상적으로, 점등 회로상에 기계적으로 배치되는 이산 디바이스이다. 이러한 각각의 종래 기술의 접근방식은 LED 점등 시스템의 부품 개수, 가공 비용, 조립 복잡성, 및 제조 비용을 증가시키는 것으로 밝혀졌다.
몇가지 종래의 발명은 선택적인 전기 도체 및 점등 시스템에 관련된다. Schaller 등에 의한 미국특허 제5,685,632호에는 전기 도전성 플라스틱으로 형성되는 배터리 전원 손전등 및 랜턴, 자동차 또는 오토바이의 미등 조립체, 배터리 하우징, 또는 헤드라이트 조립체가 제공된다. Marks 등에 의한 미국특허 제5,771,027호에는 전기 도체로 이루어진 그리드(grid)가 안테나의 다층 적층 구조의 하나의층을 형성하는 수지 강화 섬유로 이루어진 워프(warp)에 엮여 있는 합성 안테나가 개시되어 있다. Solberg, Jr. 등에 의한 미국특허 제6,249,261호에는 전기 도전성 폴리머 합성 물질로 구성된 방향 탐지 안테나가 개시되어 있다. 상기 폴리머 합성 물질은 통상적인 금속 물질로 대체될 수 있다. Kulesza 등에 의한 미국특허 제6,138,348호에는 범프 기판 형성 방법과 상기 범프 기판을 포함하는 전기 회로가 개시되어 있다. 상기 범프 기판 형성 방법은 상기 기판의 제 1 세트의 본드 패드 각각에 적어도 하나의 전기 도전성 폴리머 범프를 형성하는 단계를 포함한다. 그후, 적어도 하나의 전기 도전성 폴리머 범프는 상기 기판의 제 2 세트의 본드 패드 각각에 형성된다. Epstein 등에 의한 미국특허 제4,841,099호에는, 전기 도전성 직물 충전재에 대한 열 변환(heat conversion)을 가능하게 하며, 전기 절연성 직물 충전재의 제위치 열 변환에 의해 매트릭스 내에 형성된 적어도 하나의 연속 전기 도전성 경로를 갖는 전기 절연성 직물 충전재로 채워진 전기 절연성 폴리머 매트릭스로 제조되는 전기 부품에 대해서 개시되어 있다.
벨기에 Kortrijk 소재의 Nv Bekaert sa는 금속 얀, 편직 금속 직물, 절편 금속 섬유 및 펠릿, 그리고 소결된 다공질 매체의 제조자이다. 상기 섬유는 1㎜ 내지 20㎜의 직경을 가지는 것이 유통되고 있으며, 섬유 절편으로 절단되거나 연속 얀으로 이루어질 수 있다. 2003년 1월 25일자로 www.bekaert.com의 제품목록에 등재된 금속으로서는, 스테인리스 스틸, 내열 합금, 니켈 및 니켈 합금, 티타늄, 알루미늄, 및 구리가 있다. 2002년, 제 52 회 Electronic Components and Technology Conference의 회보 1154쪽 내지 1157쪽의 Fan 등에 의한 논문 "FundamentalUnderstanding of Conductivity Establishment for Electrically Conductive Adhesives"에는, 등방성 도전 접착제(ICAs)의 매트릭스로서 사용되는 몇가지 에폭시 수지계 경화 시스템이 개시되어 있다. 상기 ICAs는 다양한 최대 경화 온도를 나타낸다. 이로 인해 상기 ICAs의 결과적인 벌크 저항에 작용하는 경화 공정의 영향을 조사할 수 있게 된다. 상기 실험 결과는 벌크 저항과 경화 온도 또는 경화 동력학 사이의 긴밀한 상관관계를 나타낸다. 1998년, Adhesive Joining and Coating Technology in Electronics Manufacturing에 대한 제 3 차 국제 학회의 회보 144쪽 내지 151쪽의 Eda에 의한 "Advanced Packaging and Substrate Technology Using Conductive Adhesives"에는, 도전성 접착제, 스터드 범프 본딩(SBB) 및 ALIVH(any layer inner via hole) 고밀도 배선 보드를 사용하는 패키징 및 기판 기술이 개시되어 있다. 1997년, Polymeric Electronics Packaging에 대한 제 1 차 IEEE 국제 심포지엄에서의 233쪽 내지 242쪽의 Yim 등에 의한 "Design And Understanding of Anisotropic Conductive Films (Acfs) for LCD Packaging"에는, 금속 입자 또는 금속 코팅된 폴리머 볼과 같은 미세 도전성 충전재 및 접착 수지로 이루어진 이방성 도전성 필름(ACF)이 개시되어 있다. 이들 수지 및 충전재는 미세 피치 칩-온-필름(COF) 및 칩-온-글래스(COG) LCD 패키징 분야의 핵심 재료이다. 1998년, Adhesive Joining and Coating Technology in Electronics Manufacturing에 대한 제 3 차 국제 학회의 회보 282쪽 내지 286쪽의 McCluskey 등에 의한 "Nanocomposite Materials Offer Higher Conductivity and Flexibility"에는, 도전성 은 박편 나노입자 충전재로 제조된 도전성 폴리머의 기계적 및 전기적 특징이개시되어 있다. 나노입자 충전재를 사용하게 되면, 상기 재료는 현저하게 적은 입자의 내장으로 종래의 충전 폴리머에 의해 나타난 것과 동일한 레벨의 도전성을 달성할 수 있게 된다. 상기 도전성 폴리머는 고유의 도전성 폴리머의 가요성 및 낮은 밀도에 아울러 충전 폴리머의 높은 도전성 및 안정성을 겸비한다.
본 발명의 주된 목적은 효율적인 점등 회로를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 점등 회로를 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 도전성 부여 수지계 재료로 성형된 점등 회로를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 상기 점등 회로의 발광체에 전력을 공급하도록 도전성 부여 수지계 재료로 이루어진 도전 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 상기 도전 구조체가 히트 싱크 기능도 제공함으로써 이산 히트 싱크 디바이스가 배제되는 도전성 부여 수지계 재료로 이루어진 도전 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 상기 도전 구조체가 저항성 전류 감쇠 기능도 제공함으로써 이산 저항기가 배제되는 상기 점등 회로의 발광체에 전력을 공급하도록 도전성 부여 수지계 재료로 이루어진 도전 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 상기 도전성 부여 수지계 재료 위로 금속층을 형성함으로써 지정된 역할에 보다 적합하도록 전기적 및/또는 열적 특징이 변경될 수 있고, 시각적 특징이 변경될 수 있으며, 및/또는 고유 표면의 성질이 변경될 수 있는 도전성 부여 수지계 재료로 성형된 점등 회로를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 다양한 형태의 상기 재료를 포함하는 도전성 부여 수지계 재료로 점등 회로를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 베이스 수지의 선택을 통해 성능 특징이 변경될 수 있거나 시각적 특징이 변경될 수 있는 도전성 부여 수지계 재료로 성형된 점등 회로를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 LED 광원에 최적인 점등 회로를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 빌트-인 히트 싱크가 도전성 부여 수지계 재료를 포함하는 LED 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들에 따르면, 점등 디바이스가 달성된다. 상기 점등 디바이스는 전기 단자들을 갖는 발광체와 상기 발광체에 전기 에너지를 공급하도록 상기 전기 단자들에 접속되는 도전 구조체들을 포함한다. 상기 도전 구조체들은 베이스 수지 호스트 내에 도전성 재료를 구비하는 도전성 부여 수지계 재료를 포함한다.
또한, 본 발명의 목적들에 따르면, 점등 디바이스가 달성된다. 상기 점들 디바이스는 캐소드 및 애노드 단자를 갖는 발광 다이오드와, 상기 발광체에 전기 에너지를 공급하도록 상기 캐소드 및 애노드 단자에 접속되는 도전 구조체들을 포함한다. 상기 도전 구조체들은 베이스 수지 호스트 내에 도전성 재료를 구비하는 도전성 부여 수지계 재료를 포함한다. 적어도 하나의 도전 구조체는 상기 발광 다이오드에 저항성 전류 감쇠 기능을 추가로 제공한다. 적어도 하나의 도전 구조체는 상기 발광 다이오드로부터의 열을 소산시키기 위해 히트 싱크 기능을 추가로 제공한다.
또한, 본 발명의 목적들에 따르면, 점등 디바이스 형성 방법이 달성된다. 상기 방법은 전기 단자들을 갖는 발광체를 제공하는 단계를 포함한다. 수지계 호스트 내에 도전성 재료를 구비하는 도전성 부여 수지계 재료가 제공된다. 상기 도전성 부여 수지계 재료는 도전 구조체로 형성된다. 상기 발광체 전기 단자들은 상기 발광체에 전기 에너지를 공급하도록 상기 도전 구조체들에 접속된다.
또한, 본 발명의 목적들에 따르면, 합성 발광 다이오드 디바이스가 달성된다. 상기 디바이스는 발광 다이오드, 캡슐형 패키지, 및 히트 싱크를 포함한다. 상기 발광 다이오드는 상기 히트 싱크에 열적으로 접속된다. 상기 히트 싱크는 베이스 수지 호스트 내에 도전성 재료를 구비하는 도전성 부여 수지계 재료를 포함한다. 상기 발광 다이오드는 상기 캡슐형 패키지 및 히트 싱크에 의해 둘러싸인다. 상기 히트 싱크는 상기 캡슐형 패키지로부터 돌출한다.
도 1은 도전 구조체가 도전성 부여 수지계 재료를 포함하는 발광 다이오드(LED) 점등 회로 디바이스를 도시하는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예를 도시하는 도면.
도 2는 도전성 재료가 분말을 포함하는 도전성 부여 수지계 재료의 바람직한 제 1 실시예를 도시하는 도면.
도 3은 도전성 재료가 미소 도전성 섬유를 포함하는 도전성 부여 수지계 재료의 바람직한 제 2 실시예를 도시하는 도면.
도 4는 도전성 재료가 도전성 분말 및 미소 도전성 섬유를 포함하는 도전성 부여 수지계 재료의 바람직한 제 3 실시예를 도시하는 도면.
도 5a 및 도 5b는 도전성 직물형 재료가 도전성 부여 수지계 재료로 형성되는 바람직한 제 4 실시예를 도시하는 도면.
도 6a 및 도 6b는 도전성 부여 수지계 재료의 회로 도체를 성형하는데 사용될 수 있는 사출 성형 장치 및 압출 성형 장치를 단순화된 개략 형태로 도시하는 도면.
도 7은 도전성 부여 수지계 재료의 도전 구조체가 저항 감쇠 기능 및 히트싱크 기능을 부가로 포함하는 LED 점등 회로 디바이스를 도시하는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예를 도시하는 도면.
도 8a 및 도 8b는 도전성 부여 수지계 재료의 도전 구조체가 저항 감쇠 기능 및 평면 히트 싱크 기능을 부가로 포함하는 고출력 LED를 갖는 LED 점등 회로 디바이스를 도시하는 본 발명의 바람직한 제 3 실시예를 도시하는 도면.
도 9는 도전성 부여 수지계 재료의 도전 구조체가 저항 감쇠 기능 및 휜붙이(finned) 히트 싱크 기능을 부가로 포함하는 고출력 LED를 갖는 LED 점등 회로 디바이스를 도시하는 본 발명의 바람직한 제 4 실시예를 도시하는 도면.
도 10은 도전성 부여 수지계 재료를 포함하는 빌트-인 히트 싱크를 갖는 고출력 LED를 도시하는 본 발명의 제 5 실시예를 도시하는 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10: 점등 회로 12: 회로 보드
14: LED 디바이스 15: 플라스틱 하우징
16a, 16b, 16c: 도전성 부여 수지계 구조체 17: 골드 와이어
18: 상부 절연층 19: 하부 절연층
20: 발광 다이오드 21: 캐소드
22: 애노드 21a, 22a: 리드선
23: 납땜층 24: 저항 감쇠 기능
30: 수지 호스트 34: 도체 입자
36: 도전성 부여 수지계 재료 38: 도체 섬유
본 발명은 성형시에 베이스 수지 내에서 균질화된 미소 도전성 분말, 미소 도전성 섬유, 또는 그들의 조합을 구비하는 도전성 부여 수지계 재료로 성형된 점등 회로에 관한 것이다.
본 발명의 도전성 부여 수지계 재료는 도전성 재료가 내재된 베이스 수지이고, 임의의 수지는 절연체보다는 도체를 구성한다. 상기 수지는 성형품에 구조적인 일치를 제공한다. 상기 미소 도전성 섬유, 미소 도전성 분말, 또는 그들의 조합은 전기적인 연속성을 제공하는 성형 공정 도중에 상기 수지 내부에서 균질화된다.
상기 도전성 부여 수지계 재료는 대부분 임의의 소망 형상 또는 크기를 제공하도록 성형 또는 압출될 수 있다. 또한, 성형된 상기 도전성 부여 수지계 재료는 소망의 형상 및 크기를 제공하도록 이중-사출, 적층, 밀링으로 가공된 사출 성형 또는 압출 성형된 시트 또는 바 스톡(bar stock)으로부터 절단, 스탬핑 또는 진공 성형될 수도 있다. 도전성 부여 수지계 재료를 사용하여 제조된 점등 회로의 열적 또는 전기적 도전 특징은 상기 재료에 필요한 구조적, 전기적 또는 다른 물리적 특징을 달성할 수 있도록 내장 또는 도핑 인자가 조절될 수 있는 상기 도전성 부여 수지계 재료의 조성에 의존한다. 상기 점등 회로 디바이스를 제조하는데 사용된 선택된 재료는 성형 기술 및/또는 사출 성형, 이중-사출, 열 성형, 돌출, 압출 등의 방법을 사용하여 함께 균질화된다. 2D, 3D, 4D, 및 5D 디자인에 관련된 특징, 즉 성형 및 전기적인 특징은, 성형된 제품(들) 또는 형성된 재료(들) 내의 도전성 네트워크에 관련된 실제 제품들 및 폴리머 물리특성의 성형 과정 도중에 달성될 수 있는 물리적 및 전기적 장점을 포함한다.
점등 회로의 제조시에 도전성 부여 수지계 재료를 사용하게 되면, 상기 재료를 소망의 형상 및 크기로 형성함으로써 정밀한 허용오차를 용이하게 유지하는데 사용되는 재료와 설계 및 제조 공정의 비용이 현저하게 절감된다. 상기 점등 회로는 사출 성형, 이중 사출, 또는 압출 등의 종래의 형성 방법을 사용하여 다양한 형상 및 크기로 제조될 수 있다. 성형시에, 상기 도전성 부여 수지계 재료는 통상적으로는, 약 5 내지 25 ohms per square의 바람직한 가용 도전 범위만을 생성하는 것은 아니며, 상기 도핑 인자 및/또는 수지 선택을 변경함으로써 다른 저항이 달성될 수 있다.
상기 도전성 부여 수지계 재료는 상기 성형 공정 도중에 상기 베이스 수지 내에서 함께 균질화되는 미소 도전성 분말, 미소 도전성 섬유, 또는 그들의 임의의 조성물을 구비하고, 그에 따라 낮은 비용, 전기 도전성, 정밀한 허용오차의 제품 또는 회로가 용이하게 생산된다. 상기 미소 도전성 분말은 탄소, 흑연, 아민 등으로, 및/또는 니켈, 구리, 은과 같은 금속 분말로, 또는 도금 등으로 이루어질 수 있다. 탄소 또는 흑연 등의 다른 형태의 분말을 사용하게 되면, 낮은 수준의 전자 교환이 추가로 달성되며, 미소 도전성 섬유와의 조합에서 사용될 때 추가의 전기 전도성을 발생하며 성형 장비의 윤활제로서 작용하는 미소 도전성 섬유 네트워크 내부의 미소 충전 소자가 생성된다. 상기 미소 도전성 섬유는 니켈 도금된 탄소 섬유, 스테인리스 스틸 섬유, 구리 섬유, 은 섬유 등, 또는 그들의 조합으로 이루어질 수 있다. 상기 구성 재료는 임의의 폴리머 수지와 같은 재료이다. 제한적인 목록으로서가 아니라 본원에서는 예로서 주어지는 구성 재료는 미국 메사추세츠 피츠필드 소재의 GE PLASTICS에 의해 제조된 폴리머 수지, 미국 메사추세츠 피츠필드 소재의 GE PLASTICS에 의해 제조된 다른 범위의 플라스틱, 다른 제조자에 의해 제조된 다른 범위의 플라스틱, 미국 뉴욕 워터포드 소재의 GE SILICONES에 의해 제조된 실리콘, 또는 다른 제조자에 의해 제조된 다른 가요성 수지계 고무 화합물일 수 있다.
미소 도전성 분말, 미소 도전성 섬유, 또는 그들의 조합이 내장된 수지계 구성 재료는 소망의 형상 및 크기를 형성하도록 사출 성형 또는 이중 사출, 또는 압출 등의 종래의 성형 방법을 사용하여 성형될 수 있다. 상기 성형된 도전성 부여 수지계 재료는 원하는 대로 형성하기 위해 스탬핑, 절단 또는 밀링 가공되어 상기 히트 싱크의 소망 형상 형성 인자(들)를 생성할 수도 있다. 상기 내장된 수지 내부의 미소 도체와 관련된 방향성 및 도핑 조성물은 전기적 및 구조적인 특징들에 영향을 미칠 수 있으며, 몰드 디자인, 게이트 및/또는 돌출 디자인(들)에 의해, 및/또는 상기 성형 공정 자체의 도중에 정밀하게 제어될 수 있다. 또한, 상기 베이스 수지는 매우 높은 융점 또는 특정한 열 전도성과 같은 소망의 열적 특징을 얻도록 선택될 수 있다.
수지계 샌드위치형 적층물은 랜덤 또는 연속 웹형(webbed) 미소 스테인리스 스틸 섬유 또는 다른 도전성 섬유로 제조되어 직물형 재료를 형성할 수도 있다. 상기 웹형 도전성 섬유는, 섬유 함유물(들), 방위(들) 및 형상(들)에 있어서 별개로 설계될 때 매우 높은 도전성의 가요성 직물형 재료를 생성하게 되는, 테프론(Teflon), 폴리에스테르(Polyesters), 또는 임의의 수지계 가요성 또는 강성 재료(들)와 같은 재료들에 적층될 수 있다. 상기 직물형 재료는 인간의 의류 뿐만 아니라 고무(들) 또는 플라스틱(들)과 같은 다른 수지 재료에 내장될 수 있는 점등 회로를 형성하는데 사용될 수도 있다. 적층물 또는 직물형 재료의 일부로서 웹형 도체로서의 도전성 섬유를 사용하면, 상기 섬유는 이음매 없이 겹쳐질 수 있는 길이에 걸쳐 약 3 내지 13 미크론, 통상적으로는 약 8 내지 12 미크론 또는 약 10 미크론 정도의 직경을 가질 수 있다.
본 발명의 도전성 부여 수지계 재료는 미소 도전성 섬유 및/또는 미소 도전성 분말과, 부식 및/또는 금속 전해에 대한 저항을 가지는 수지를 선택함으로써, 부식 및/또는 금속 전해에 대한 저항을 가지도록 제조될 수 있다. 예를 들어, 부식/전해 저항을 갖는 수지가 스테인리스 스틸 섬유 및 탄소 섬유/분말에 혼합되면, 부식 및/또는 금속 전해 저항성 도전성 부여 수지계 재료가 얻어진다. 본 발명의 다른 부가적인 중요한 양태는 본 발명의 상기 도전성 부여 수지계 재료가 내연제(flame retardant)로 제조될 수 있다는 점이다. 내연제(FR) 기반의 수지 재료를 선택하면, 그 결과물은 내연 성능을 나타내게 된다. 이는 후술되는 바와 같은 점등 분야에서 특히 중요하다.
본 발명에서 기술된 수지와 미소 도전성 섬유 및/또는 미소 도전성 분말의 균질한 혼합은 도핑으로서 기술될 수도 있다. 즉, 상기 균질한 혼합은 통상적으로 비-도전성의 수재 재료를 도전성 재료로 변환시킨다. 이러한 공정은 상기 도핑 공정과 유사하고, 그에 의해 실리콘 등의 반도체 재료는 반도체 디바이스 분야에 공지되어 있는 도너(donor)/억셉터(acceptor) 이온의 도입을 통해 도전성 재료로 변환될 수 있다. 그러므로, 본 발명에서는 도핑이라는 용어는 미소 도전성 섬유 및/또는 미소 도전성 분말을 베이스 수지에 균질하게 혼합하는 공정을 통해 통상적으로 비-도전성의 수지 재료를 도전성 재료로 변환한다는 의미로 사용된다.
본 발명의 부가적인 중요한 양태로서, 상기 성형된 도전성 부여 수지계 재료는 우수한 열 소산 특징을 나타낸다. 그러므로, 상기 성형된 도전성 부여 수지계 재료로 제조된 점등 회로는 추가의 열 소산 성능을 해당 분야에 제공할 수 있다. 예를 들어, 물리적으로 및/또는 전기적으로 본 발명에 접속되는 전기 디바이스로부터 열이 소산될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 제 1 실시예가 도시된다. 본 발명의 몇가지 중요한 양태가 도시된다. 점등 회로(10) 디바이스가 도시된다. 상기 점등 회로(10)는 회로 보드(12)에 접속되는 발광체(14)를 포함한다. 상기 발광체(14)는 본 기술분야에 공지된 임의의 백열 또는 고상 발광체를 포함할 수 있다. 그러나, 바람직한 실시예로서, 상기 발광체(14)는 도시된 바와 같이 LED 디바이스를 포함한다. 상기 LED 디바이스(14)는 본 기술분야에 공지된 바와 같은 임의 형태의 반도체 재료 또는 반도체 재료들의 조합을 포함하여 이루어질 수 있는 발광 다이오드(20)를 포함한다. 예를 들어, 상기 발광 다이오드(20)는 실리콘, 갈륨-비화물(GaAs), 알루미늄-갈륨-비화물(AlGaAs), 갈륨-질화물(GaN), 인듐-갈륨-질화물(InGaN) 등을 포함할 수 있다. 선택된 반도체 및 도핑 재료의 형태는 상기 다이오드에 의해 방출된 광의 파장(들)을 결정한다.
이러한 바람직한 실시예에서, 상기 발광 다이오드(20)의 하부측은 상기 캐소드 (-), 즉 N-측을 형성하고, 상부측은 상기 애노드 (+), 즉 P-측을 형성한다. 상기 캐소드는 예를 들어, 금속 단자(21)의 평탄부에 상기 발광 다이오드(20)의 하측부를 직접적으로 솔더 본딩함으로써 제 1 금속 단자(21)에 접속된다. 상기 애노드는 예를 들어, 상기 활성 다이오드(20)의 상측부에 골드 와이어(17)를 초음파로 본딩함으로써 제 2 금속 단자(22)에 접속된다. 상기 발광 다이오드(20)는 플라스틱 하우징(15)에 둘러싸인다. 상기 플라스틱 하우징(15)은 상기 활성 다이오드(20)를 주위로부터 보호하고 상기 하우징(15)의 원형 상부를 통해 방출된 광을 집점시킨다. 상기 LED 디바이스(14)를 회로에 사용하기 위해, 상기 캐소드(21) 및 애노드(22)는 전압원을 가로질러 접속되어야만 한다. 통상적인 분야에서, 상기 캐소드(21)는 접지면에 접속되고, 상기 애노드(22)는 제어된 전압원에 접속된다. 이러한 방식에서, 상기 LED 디바이스(14)는 상기 전압원의 값에 의해서만 전원 ON 또는 OFF될 수 있다. 도시의 간략화를 위해, 상기 회로 실시예(10)는 완전한 점등 회로(10)를 형성하는데 필요한 집적 회로 디바이스, 저항기, 커패시터, 또는 파워 서플라이 등의 부가적인 이산 소자들을 포함하지 않는 것으로 도시된다. 그러나, 이들 소자는 본 기술분야에 공지되어 있는 것들이다.
본 발명에서, 상기 LED 디바이스(14)는 본 발명에 따른 도전성 부여 수지계 재료로 이루어진 도전 구조체(16a, 16b)에 기계적 및 전기적으로 결합된다. 예시적인 경우에, 상기 도전성 부여 수지계 구조체(16a, 16b, 16c)는 하부 절연층(19) 및 상부 절연층(18) 사이에 형성된다. 그러나, 하우징 내부와 같이, 상기 도전 구조체(16a 내지 16c)가 이격되는 적용분야에서는, 상기 도전 구조체는 절연되지 않을 수 있다. 도전 구조체(16a 내지 16c)를 상기 절연체(19)상에 형성하기 위해, 상기 도전성 부여 수지계 트레이스(16a, 16b, 16c)는 상기 도전성 부여 수지계 재료를 하부 절연층(19)상에 이중 사출함으로써 형성될 수 있다. 그후, 상부 절연층(18)은 상기 도전 구조체(16a, 16b, 16c)와 상기 하부 절연층(19)상에 성형 또는 코팅될 수 있다. 선택적으로, 상기 도전성 부여 수지계 트레이스(16a, 16b, 16c)는 사출 성형 이후에 상기 상부 및 하부 절연층(18, 19)을 형성하도록 절연 재료를 침지(dip), 코팅 또는 분사함으로써 형성될 수 있다. 바람직한 다른 실시예로서, 상기 도전성 부여 수지계 도전 구조체(16a, 16b, 16c)는 상기 절연층(18, 19)과 동일한 수지를 포함하여 최적의 층간(inter-layer) 본딩을 생성한다.
이러한 실시예(10)에서, 상기 LED 디바이스의 단자(21, 22)는 상기 도전 구조체(16a 내지 16c) 내로 삽입하기 위한 수직 리드선 또는 핀(21a, 22a)을 부가로 포함한다. 상기 도전 구조체(16a 내지 16c)에는, 사용시에 상부 절연층(18)을 통해 홀(hole)들이 형성된다. 이러한 홀들은 상기 도전 구조체 성형 공정 도중에 형성되거나, 성형 이후에 드릴링, 펀칭, 또는 스탬핑에 의해 형성될 수 있다. 상기 금속 리드선(21a, 22a)과 상기 도전성 부여 수지계 구조체(16a 및 16b) 사이의 본딩을 개선하기 위해, 상기 도전성 부여 수지계 구조체(16a 및 16b)를 통한 개구들의 라인에 납땜가능한 층(23)이 형성될 수 있다. 상기 LED 디바이스(14)의 리드선(21a, 22a)이 상기 홀들에 삽입되면, 예를 들어 솔더 웨이브(solder wave) 공정을 사용하여 상기 리드선(21a, 22a)을 납땜함으로써 접속이 완성된다. 사용시에, 상기 납땜가능한 층(23)은 도금 또는 코팅에 의해 형성될 수 있다. 상기 형성 방법이 금속 도금이면, 상기 도전성 부여 수지계 재료의 상기 수지계 구성 재료는 금속 도금될 수 있는 재료이다. 금속층으로 도금될 수 있는 폴리머 수지로서는 매우 많은 수지가 존재한다. 예를 들어, GE Plastics, SUPEC, VALOX, ULTEM, CYCOLAC, UGIKRAL, STYRON, CYCOLOY가 금속 도금될 수 있는 몇가지 수지계 재료의 예이다. 상기 납땜가능한 층(23)은 예를 들어, 전기 도금 또는 물리 기상 증착에 의해 형성될 수 있다.
상기 신규한 점등 회로(10)는 LED 점등에 특유의 장점을 제공하는 몇가지 부가적인 양태를 포함한다. 저항 감쇠 기능은 상기 도전 구조체들 중 하나에 용이하게 형성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 상기 애노드 단자(22)에 접속되는 상기 도전 구조체(16b 및 16c)는 저항 감쇠 기능(24)이 생성되도록 배열된다. 즉, 예견가능한 저항값은 도시되지 않은 파워 서플라이에 대한 접속부(19)와 상기 애노드 단자(22) 사이에 형성된다. 이러한 저항 감쇠 기능의 저항값은 상기 베이스 수지 호스트내 도전성 재료의 상대적인 도핑에 의해 그리고 상기 도전 구조체(16b 및 16c)의 단면적 및 길이의 물리적인 레이아웃 인자에 의해 제어된다. 이러한 예에서, 낮은 저항값의 도전성 부여 수지계 재료에서조차, 상기 애노드 트레이스(16b 및 16c)를 지그재그 레이아웃 기술에 의해 연장함으로써 분명한 저항값이 생성된다. 선택적으로, 분명한 저항값은 높은 저항에 대해서 도핑되는 도전성 부여 수지계 재료로부터 상기 애노드 트레이스를 성형함으로써 생성될 수 있다. 이러한 옵션은 도 7에 도시되며 그것과 관련하여 설명된다. 다시, 도 1을 참조하면, 상기 애노드 도전 구조체(16b 및 16c)에 직접적으로 저항 감쇠 기능(24)을 통합하는 기능으로 인해 이산 저항기 성분들 없이도 LED 회로(10)가 용이하게 제조된다. 이러한 기술은 부품 개수, 가공 및 장비 비용, 및 조립 시간을 감소시킨다.
상술한 바와 같이, 활성 다이오드 디바이스(20)로부터 열을 제거하는 것은 최적의 색상 구현 및 디바이스 수명을 위해서 매우 중요하다. 상기 바람직한 제 1 실시예의 간단한 LED(14)에서, 열은 주로 상기 디바이스(20)의 하부측에 직접 접속되는 캐소드 단자(21)를 통한 열의 전도에 의해 제거된다. 이러한 캐소드 단자(21)는 상기 트레이스들 중 하나(16a)에 접속된다. 상기 도전성 부여 수지계구조체(16a 내지 16c)의 우수한 열 전도성은 상기 LED 디바이스(14)로부터의 열전달 경로를 제공한다. 상기 바람직한 제 1 실시예의 회로(10)가 단일의 발광체(14)만을 포함하지만, 동일한 방법이 단일의 보드상에 다수의 발광체를 포함하는 경우까지 용이하게 확대해석될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 상기 신호 트레이스(16a, 16b, 16c)는 각각의 발광체가 독립적으로 제어될 수 있도록 또는 발광체들이 모두 그룹 단위로 제어(모두 ON 또는 모두 OFF)될 수 있도록 설계될 수 있다.
이제, 도 7을 참조하면, 본 발명의 바람직한 제 2 실시예(100)가 도시된다. 다른 점등 회로(100)가 도시된다. 이 경우에, 고온 분위기 또는 높은 작동 전류로 인한 상기 분야의 열적 수요는 캐소드 단자(110)에 접속된 도전 구조체(118)에 보다 한정적인 히트 싱크 기능을 추가할 필요가 있게 만든다. 본 발명의 도전성 부여 수지계 재료의 우수한 열 전도성으로 인해, 상기 캐소드 단자(110)에 접속되는 상기 도전 구조체(118)에 우수한 히트 싱크 기능(120)이 통합될 수 있다. 상기 히트 싱크 기능(120)은 실질적으로 상기 구조체(118)의 풋프린트(footprint) 면적에 대한 가용 대류 면적의 비율을 증가시키는 일련의 휜(121; fin)들로서 구현된다. 실질적인 히트 싱크 기능(120)을 상기 도전 구조체(118)에 성형하는 능력은 이산 히트 싱크 없이도 필요한 열전달 성능을 상기 LED 디바이스에 제공한다. 이러한 성능은 부품 개수, 가공 및 장비 비용, 및 조립 시간을 절감한다.
본 실시예의 중요한 다른 양태로서, LED(106)의 애노드 단자(112)에 접속되는 도전 구조체(126)도 역시 도전성 부여 수지계 재료로 형성된다. 그러나, 이 경우에는, 상기 애노드 도전 구조체(126)는 상기 히트 싱크 기능(120)을 갖는 캐소드도전 구조체(118)보다 높은 저항의 도전성 부여 수지계 재료를 사용하여 형성된다. 상기 높은 저항의 도전성 부여 재료(126)는 상기 베이스 수지에 대한 도전성 재료의 도핑 또는 비율을 감소시킴으로써 제조된다. 도전성 재료 함유량을 감소시키게 되면 저항이 증가하게 된다. 결과적으로, 저항 감쇠 기능(124)은 도시되지 않은 파워 서플라이에 애노드 단자(112)를 접속하는 성형된 도전 구조체(126)에 형성된다. 예시적인 제조 공정으로서, 상기 히트 싱크 기능(120)을 갖는 캐소드 도전 구조체(118)는 낮은 저항의 도전성 부여 수지계 재료를 사용하여 사출 성형될 수 있으며, 상기 애노드 도전 구조체(126)는 높은 저항의 도전성 부여 수지계 재료(126)를 사용하여 사출 성형될 수 있고, 그후에 절연층(114)이 상기 캐소드 도전 구조체(118, 120) 및 애노드 도전 구조체(126)의 하위 조립체에 이중 사출되어 결합된 회로 보드(104)를 완성하게 된다. 선택적으로, 상기 회로(100)는 절연 재료 없이 형성될 수 있다. 상기 바람직한 제 2 실시예의 회로(100)가 단일의 발광체(106)만을 포함하지만, 동일한 방법이 단일의 보드(104)상에 다수의 발광체를 포함하는 경우까지 용이하게 확대해석될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 상기 도전 구조체(118 및 126)는 발광체들이 모두 그룹 단위로 제어(모두 ON 또는 모두 OFF)될 수 있도록 설계될 수 있다. 도전성 부여 수지계 재료로 이루어진 상기 도전 구조체(118 및 126)의 형성으로 인해, 금속 기반의 시스템에 비해 재료 및 제조 비용과 중량이 절감된다.
이제, 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 본 발명의 바람직한 제 3 실시예(150)가 도시된다. 본 실시예(150)에서, 발광체(152)는 고강도 LED 디바이스를 포함하는 것이 바람직하다. 고강도 LED 디바이스(152)는 실질적으로 도 1 및 도 7에 도시된 단순한 LED보다 많은 광을 제공한다. 고강도 LED 디바이스(152)는 임의의 다이오드 색상을 발생시킬 수 있지만, 발광 다이오드(154)로부터 방출된 광 파장을 조명 분야에 유용한 다중 파장의 (백색) 광으로 변환시키기 위해 빌트-인 프리즘 또는 인광층(phosphor layer)의 사용을 통해 "백색" 광을 발생시킬 수 있는 것이 보다 바람직하다. 보다 높은 광 강도(루멘)를 달성하기 위해, 상기 LED 디바이스는 몇가지 방식으로 변경된다. 본 발명에 대해 가장 중요한 것으로는, 전기 및 열 경로가 분리된다는 점이다. 상기 발광 다이오드(154)는 골드 와이어(164)를 애노드 단자(166)에 및 캐소드 단자(167)에 용접함으로써 상부면상에서만 접촉된다. 한편, 상기 발광 다이오드(154)의 하부면은 열 도전성 에폭시 또는 솔더층을 사용하여 금속 슬러그(156)에 열적으로 부착된다. 그후, 캡슐형 패키지는 불투명한 플라스틱 구조체(160)와 투명한 렌즈(162)로 분리된다. 관련 회로에서, 상기 전기 단자(166, 167)는 회로 트레이스들에 접속되고, 상기 금속 슬러그(156)는 히트 싱크에 대해 미부착 상태로 유지되거나 열적으로 접속될 수 있다. 상기 금속 슬러그(156)는 상기 발광 다이오드(154)로부터 열을 전도하기 위해 상기 LED 디바이스(152)의 성능을 현저하게 증가시킨다. 이어서, 이러한 성능으로 인해, 상기 발광 다이오드(154)는 높은 전류로 작동된다.
본 발명에서, 상기 고강도 LED 디바이스(152)는 본 발명에 따라 도전성 부여 수지계 재료의 도전 구조체(172, 176)에 접속된다. 이 경우에, 상기 도전성 부여 수지계 구조체(172, 176)는 애노드 및 캐소드 단자(166, 167)를 도시되지 않은 전원에 접속하기 위한 전기 경로를 제공한다. 이전의 실시예들에서와 같이, 저항 감쇠 기능(180)은 도시된 바와 같은 레이아웃 기술에 의해, 또는 캐소드 도전 구조체(176)에 사용된 것보다 높은 저항의 도전성 부여 수지계 재료로 애노드 도전 구조체(172)를 형성함으로써, 애노드 도전 구조체(172)에서 실현될 수 있다.
상기 고강도 LED 디바이스(152)는 표면 장착형 리드선(166, 167)을 사용한다. 상기 도전성 부여 수지계 재료와 상기 LED 리드선(166, 167) 사이의 본딩을 개선하기 위해, 납땜가능한 구조체(174, 178)가 본 발명에 따라 상기 도전성 부여 수지계 재료(172, 176)에 형성될 수 있다. 납땜가능한 구조체(174, 178)를 형성하기 위해, 상기 트레이스들 내로 개구들을 성형함으로써 또는 성형 이후에 드릴링, 스탬핑, 또는 펀칭 작업에 의해 상기 도전 구조체(172, 176)에 개구들이 형성된다. 그후, 납땜가능한 층(174, 178)은 도금 및/또는 솔더 웨이브 작업에 의해 상기 홀들에 형성된다. 예를 들어, 상기 납땜가능한 층(174, 178)은 주석 또는 주석-합금을 포함할 수 있지만, 다른 금속이 사용될 수도 있다. 상기 LED 디바이스(152)는 웨이브 솔더 또는 솔드 리플로 작업을 사용하여 상기 리드선(166, 167)을 상기 납땜가능한 층(174, 178)에 납땜함으로써 부착된다.
본 실시예의 중요한 다른 양태는 상기 회로 보드(168)의 하부측상의 평판형 히트 싱크 구조체(170)이다. 이러한 히트 싱크 구조체(170)는 본 발명에 따라 도전성 부여 수지계 재료로 형성된다. 예를 들어, 열전도성 에폭시로 이루어지는 계면층(158)은 상기 히트 싱크(170)에 상기 LED(152)의 금속 슬러그(156)를 열적으로 결합하는데 사용될 수 있다. 이러한 결합을 촉진하기 위해 상기 절연층(168)에는개구가 형성된다.상기 도전성 부여 수지계 히트 싱크(170)의 높은 열전도성으로 인해, 상기 활성 다이오드(154)에서 발생된 열은 상기 금속 슬러그(156)를 통해 상기 하부의 평탄한 히트 싱크(170)에 전달되고, 이후에 주위로 소산된다. 도전성 부여 수지계 재료로 도전 구조체(172, 176) 및 히트 싱크(170)를 형성하면, 금속 기반의 시스템에 비해 재료 및 제조 비용과 중량이 절감된다. 예시적인 제조 절차로서, 상기 평탄한 히트 싱크(170)는 도선성 부여 수지계 재료를 압출 성형함으로써 형성될 수 있다. 그후, 수지계 절연층(168)이 상기 히트 싱크(170)상으로 이중사출될 수 있다. 마지막으로, 상기 도전성 부여 수지계 재료의 애노드 및 캐소드 도전 구조체(172, 176)는 상기 절연층(168)상으로 이중사출될 수 있다. 상기 바람직한 제 3 실시예의 회로(150)가 단일의 발광체(152)만을 포함하지만, 동일한 방법이 단일의 보드상에 다수의 발광체를 포함하는 경우까지 용이하게 확대해석될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 상기 도전성 구조체(172, 176)는 각각의 발광체가 독립적으로 제어될 수 있도록 또는 발광체들이 모두 그룹 단위로 제어(모두 ON 또는 모두 OFF)될 수 있도록 설계될 수 있다.
이제, 도 9를 참조하면, 본 발명의 바람직한 제 4 실시예(200)가 도시된다. 본 실시예에서, 상기 제 3 실시예의 평탄한 히트 싱크 구조는 본 발명에 따른 도전성 부여 수지계 재료를 포함하는 보다 복잡한 히트 싱크 구조체(228)로 대체된다. 상기 히트 싱크 구조체(228)는 상기 풋프린트 면적에 대한 대류 표면적의 비율을 증가시키는 일련의 휜(230; fin)이나 핀(pin) 또는 다른 구조의 부재를 포함한다. 상기 히트 싱크(228)는 상기 도전성 부여 수지계 재료로 사출 성형 또는 압출성형될 수 있다. 상기 바람직한 제 4 실시예의 회로(200)가 단일의 발광체(152)만을 포함하지만, 동일한 방법이 단일의 보드상에 다수의 발광체를 포함하는 경우까지 용이하게 확대해석될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 상기 도전성 구조체(172, 176)는 각각의 발광체가 독립적으로 제어될 수 있도록 또는 발광체들이 모두 그룹 단위로 제어(모두 ON 또는 모두 OFF)될 수 있도록 설계될 수 있다.
이제, 도 10을 참조하면, 본 발명의 바람직한 제 5 실시예(250)가 도시된다. 본 실시예(250)에서, 금속 슬러그 및 히트 싱크 구조체가 본 발명에 따른 도전성 부여 수지계 재료로 이루어진 모놀리식 히트 싱크 구조체(230)를 형성하기 위해 혼합되는 경우의 신규한 LED 디바이스(204)가 도시된다. 상기 모놀리식 히트 싱크(230)는 예를 들어, 압출 성형 또는 사출 성형 도전성 부여 수지계 재료에 의해 형성될 수 있다. 그후, 상기 모놀리식 히트 싱크 하위 조립체가 상기 LED 하위 조립체에 삽입될 수 있거나, 또는 상기 LED 하위 조립체가 상기 히트 싱크(230)상으로 성형될 수 있다. 상기 도전성 부여 수지계 히트 싱크(230)는 개별적인 금속 슬러그 및 금속 히트 싱크 시스템에 비해 합성 LED 디바이스(204)의 중량 및 재료 비용을 경감시키며, 상기 완성된 점등 회로(250)의 재료 및 조립 비용이 경감되는 빌트-인 히트 싱크 구조체(230)가 제공된다. 대형 히트 싱크 구조체(250)를 제조하기 위해, 활성 다이오드(208)에 접속되는 애노드 단자와 캐소드 단자(224, 228)는 상기 발광체(204)가 회로 보드(221) 내의 개구를 통해 돌출하는 상태에서 상기 보드의 하부에 접속될 수 있도록 반전될 수 있다. 상기 회로 보드(221)는 절연층(216)을 갖는 도전성 부여 도전 구조체(220, 218)를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 신규한 LED 디바이스(204)는 단일 발광체 분야에 적합하며, 여기서 히트 싱크의 추가 비용은 발광체 어레이의 대부분의 비용이 된다.
상기 도전성 부여 수지계 재료는 통상적으로 도체 입자로 이루어진 미소 분말(들) 및/또는 베이스 수지 호스트 내에서 균질화되는 미소 섬유(들)의 조합을 포함한다. 도 2는 베이스 수지 호스트(30)에 도체 입자(34)로 이루어진 분말을 갖는 도전성 부여 수지계 재료(32)의 일예의 단면도를 도시한다. 본 예에서, 상기 분말 내의 도체 입자(34)의 직경(D)은 약 3 내지 12 미크론 사이이다.
도 3은 베이스 수지 호스트(30)에 도체 섬유(38)를 갖는 도전성 부여 수지계 재료(36)의 일예의 단면도를 도시한다. 상기 도체 섬유(38)는 약 3 내지 12 미크론, 통상적으로는 10 미크론 정도 또는 약 8 내지 12 미크론의 직경과, 약 2 내지 14㎜의 길이를 갖는다. 이러한 도체 입자(34) 또는 도체 섬유(38)에 사용된 도체는 스테인리스 스틸, 니켈, 구리, 은, 또는 다른 적절한 금속 또는 도전성 섬유, 또는 그들의 조합으로 이루어질 수 있다. 이러한 도체 입자 및/또는 섬유는 베이스 수지 내에서 균질화된다. 상술한 바와 같이, 상기 도전성 부여 수지계 재료는 약 5 내지 25 ohms per square의 저항을 가지며, 도핑 인자 및/또는 수지 선택을 변경함으로써 다른 저항이 달성될 수 있다. 이러한 저항을 실현하기 위해, 상기 베이스 수지 호스트(30)에 대한 본 예의 도체 입자(34) 또는 도체 섬유(38)에서의 상기 도체 재료의 중량의 비율은 약 0.20 내지 0.40이며, 바람직하게는 약 0.30이다. 직경이 8 내지 11 미크론이고 길이가 4 내지 6㎜이며, 수지 중량에 대한 섬유 중량의 비율이 0.30인 스테인리스 스틸 섬유는 임의의 EMF 스펙트럼에서 유효한 매우 높은 도전성인자를 생성한다. 이제 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 바람직한 실시예가 도시되고, 여기서 도전성 재료는 성형 공정 도중에 상기 베이스 수지(30) 내에서 함께 균질화되는 도전성 분말(34)과 미소 도전성 섬유(38)의 조합을 구비한다.
이제, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 상기 도전성 부여 수지계 재료의 바람직한 조성물이 도시된다. 상기 도전성 부여 수지계 재료는 차후에 도전성 직물에 엮이거나 웹형으로 되는 섬유 또는 직물로 형성될 수 있다. 상기 도전성 부여 수지계 재료는 도시된 바와 같이 엮일 수 있는 가닥(strand)들로 형성된다. 도 5a는 도전성 직물(42)을 도시하고, 여기서 상기 섬유들은 섬유 또는 직물로 이루어진 2-차원 위브(46, 50; weave)에 함께 엮인다. 도 5b는 도전성 직물(42')을 도시하고, 여기서 상기 섬유들은 웹형 배열로 형성된다. 상기 웹형 배열에서, 상기 도전성 섬유의 하나 이상의 연속 가닥은 무작위 형태로 안착된다. 결과적인 도전성 직물(42)(도 5a 참조)과 직물(42')(도 5b 참조)은 매우 박형으로, 두껍게, 강성으로, 가요성으로 또는 고체 형태로 제조될 수 있다.
유사하게, 도전성이지만, 직물형인 재료는 엮인 또는 웹형인 미소 스테인리스 스틸 섬유, 또는 다른 미소 도전성 섬유를 사용하여 형성될 수 있다. 이러한 엮인 또는 웹형인 도전성 직물은 폴리에스테르(들), 테프론(들), 케블라(들)(Kevlar) 또는 임의의 다른 소망의 수지계 재료(들) 등의 재료로 이루어진 하나 이상의 층으로 적층된 샌드위치 형태로 이루어질 수도 있다. 이러한 도전성 직물은 소망 형상 및 크기로 절단될 수 있다.
도전성 부여 수지계 재료로 형성된 점등 회로는 사출 성형, 압출 성형 또는화학적으로 유발된 성형 또는 형성을 포함하는 다수의 다양한 방식으로 형성 또는 성형될 수 있다. 도 6a는 몰드(50)의 하부(54) 및 상부(58)를 도시하는 사출 몰드의 간략화된 개략적인 다이어그램을 도시한다. 도전성 부여 혼합 수지계 재료는 사출 개구(60)를 통해 몰드 캐비티(64)에 주입된 후에, 상기 균질화된 도전성 재료는 열 반응에 의해 경화된다. 그후, 상기 몰드의 상부(58) 및 하부(54)는 분리 또는 분할되고, 점등 회로가 배출된다.
도 6b는 압출 성형을 사용하여 점등 회로를 형성하기 위한 압출기(70)의 간략화된 개략적인 다이어그램을 도시한다. 도전성 부여 수지계 재료(들)는 압출 유닛(74)의 호퍼(80)에 배치된다. 그후, 상기 열 용융 경화 또는 화학적 유발 경화되는 도전성 부여 수지계 재료를 소망 형상으로 형상화하는 압출 개구(82)를 통해 상기 열 용융 또는 화학적 유발 경화되는 도전성 부여 수지계 재료를 가압하기 위해 피스톤, 스크류, 프레스 또는 다른 수단(78)이 사용된다. 그후, 상기 도전성 부여 수지계 재료는 화학 반응 또는 열적 반응에 의해 단단한 상태 또는 휘기 쉬운 상태로 완전하게 경화되고, 사용 준비 상태로 된다.
이제, 본 발명의 장점을 요약한다. 효율적인 점등 회로가 달성된다. 점등 회로를 형성하는 방법이 달성된다. 상기 점등 회로는 도전성 부여 수지계 재료로 성형된다. 도체, 저항기, 및/또는 히트 싱크는 도전성 부여 수지계 재료로 성형된다. 도전성 부여 수지계 재료로 점등 회로를 제조하는 방법은 다양한 형태의 재료를 포함한다. 상기 점등 회로는 도전성 부여 수지계 재료로 성형되어, 변경될 수 있는성능 특징과 베이스 수지의 선택을 통해 변경될 수 있는 시각적 특징을 갖는다. 상기 점등 회로는 LED 광원으로 최적화된다. 도전성 부여 수지계 재료를 포함하는 빌트-인 히트 싱크를 갖는 LED 광원이 실현된다. 상기 도전성 부여 수지계 트레이스에 저항기가 통합된 LED 점등 회로가 달성된다.
상기 바람직한 실시예들에 도시된 바와 같이, 본 발명의 신규한 방법 및 디바이스는 종래 기술에 비해 효율적이며 제조상의 융통성을 제공한다.
본 발명이 바람직한 실시예들을 참조로 특정하게 도시 및 설명되었지만, 형태 및 상세의 다양한 변화가 본 발명의 정신 및 범위로부터 일탈함이 없이 이루어질 수 있다는 것을 당업자라면 이해할 것이다.

Claims (56)

  1. 전기 단자들을 갖는 발광체와,
    상기 발광체에 전기 에너지를 공급하도록 상기 전기 단자들에 접속되는 도전 구조체들을 포함하고,
    상기 도전 구조체들은 베이스 수지 호스트(base resin host) 내에 도전성 재료를 구비하는 도전성 부여 수지계 재료(conductive loaded resin-based material)를 포함하는 점등 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 수지 호스트에 대한 상기 도전성 재료의 비율은 중량비로 약 0.20 내지 약 0.40인 점등 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 재료는 금속 분말을 포함하는 점등 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 금속 분말은 니켈, 구리, 또는 은인 점등 디바이스.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 금속 분말은 금속으로 도금되는 비-도전성 재료인 점등 디바이스.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 금속 도금은 니켈, 구리, 또는 은인 점등 디바이스.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 금속 분말은 약 3㎛ 내지 약 12㎛의 직경을 포함하는 점등 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 재료는 비금속 분말을 포함하는 점등 디바이스.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 비금속 분말은 탄소, 흑연, 또는 아민계 재료인 점등 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 재료는 금속 분말과 비금속 분말의 조합을 포함하는 점등 디바이스.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 재료는 미소 도전성 섬유를 포함하는 점등 디바이스.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 미소 도전성 섬유는 니켈 도금된 탄소 섬유, 스테인리스 스틸 섬유, 구리 섬유, 은 섬유 또는 그들의 조합인 점등 디바이스.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 미소 도전성 섬유는 약 3㎛ 내지 약 12㎛의 직경과 약 2㎜ 내지 약 14㎜의 길이를 갖는 점등 디바이스.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 재료는 도전성 분말 및 도전성 섬유의 조합을 포함하는 점등 디바이스.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 도전 구조체는 저항성 전류 감쇠(resistive current damping)를 추가로 제공하는 점등 디바이스.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 저항성 전류 감쇠 도전 구조체의 상기 도전성 부여 수지계 재료 내의 상기 도전성 재료들의 도핑 레벨은 비저항성 전류 감쇠 도전 구조체의 상기 도전성 부여 수지계 재료 내의 상기 도전 재료들의 도핑 레벨과는 다른 레벨로 이루어지는 점등 디바이스.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 상기 도전 구조체는 상기 발광체로부터 열을 소산시키기 위해 히트 싱크 기능을 추가로 제공하는 점등 디바이스.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 히트 싱크 기능을 갖는 도전 구조체는 대류 표면적을 증가시키기 위해 휜(fin) 또는 핀(pin) 구조체를 부가로 포함하는 점등 디바이스.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 부여 수지계 재료로 이루어진 히트 싱크를 부가로 포함하고,
    상기 히트 싱크는 상기 발광체에 열적으로 결합되는 점등 디바이스.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 히트 싱크는 대류 표면적을 증가시키기 위해 휜 또는 핀 구조체를 포함하는 점등 디바이스.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 히트 싱크는 상기 발광체 내에 성형되는 점등 디바이스.
  22. 제 1 항에 있어서, 상기 발광체는 발광 다이오드인 점등 디바이스.
  23. 제 1 항에 있어서, 상기 도전 구조체들에 납땜가능한 층을 부가로 포함하고,
    상기 전기 단자들은 상기 납땜가능한 층에서 상기 도전 구조체들에 납땜되는 점등 디바이스.
  24. 제 1 항에 있어서, 상기 도전 구조체들 위에 절연층을 부가로 포함하는 점등 디바이스.
  25. 캐소드 및 애노드 단자를 갖는 발광 다이오드와,
    상기 발광체에 전기 에너지를 공급하기 위해 상기 캐소드 및 애노드 단자에 접속되는 도전 구조체들을 포함하고,
    상기 도전 구조체들은 베이스 수지 호스트 내에 도전성 재료를 구비하는 도전성 부여 수지계 재료를 포함하고, 적어도 하나의 상기 도전 구조체는 상기 발광 다이오드에 저항성 전류 감쇠 기능을 추가로 제공하며, 상기 적어도 하나의 도전 구조체는 상기 발광 다이오드로부터의 열을 소산시키기 위해 히트 싱크 기능을 추가로 제공하는 점등 디바이스.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 수지 호스트에 대한 상기 도전성 재료의 비율은 중량비로 약 0.20 내지 약 0.40인 점등 디바이스.
  27. 제 25 항에 있어서, 상기 도전성 재료는 금속 분말을 포함하는 점등 디바이스.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 금속 분말은 금속으로 도금되는 비-도전성 재료인 점등 디바이스.
  29. 제 25 항에 있어서, 상기 도전성 재료는 비금속 분말을 포함하는 점등 디바이스.
  30. 제 25 항에 있어서, 상기 도전성 재료는 금속 분말과 비금속 분말의 조합을 포함하는 점등 디바이스.
  31. 제 25 항에 있어서, 상기 도전성 재료는 미소 도전성 섬유를 포함하는 점등 디바이스.
  32. 제 25 항에 있어서, 상기 도전성 재료는 도전성 분말과 도전성 섬유의 조합을 포함하는 점등 디바이스.
  33. 제 25 항에 있어서, 상기 저항성 전류 감쇠 도전 구조체의 상기 도전성 부여 수지계 재료 내의 상기 도전성 재료들의 도핑 레벨은 비저항성 전류 감쇠 도전 구조체의 상기 도전성 부여 수지계 재료 내의 상기 도전 재료들의 도핑 레벨과는 다른 레벨로 이루어지는 점등 디바이스.
  34. 제 25 항에 있어서, 상기 히트 싱크 기능을 갖는 도전 구조체는 대류 표면적을 증가시키기 위해 휜 또는 핀 구조체를 부가로 포함하는 점등 디바이스.
  35. 제 25 항에 있어서, 상기 도전 구조체들에 납땜가능한 층을 부가로 포함하고,
    상기 전기 단자들은 상기 납땜가능한 층에서 상기 도전 구조체들에 납땜되는 점등 디바이스.
  36. 제 25 항에 있어서, 상기 도전 구조체들 위에 절연층을 부가로 포함하는 점등 디바이스.
  37. 전기 단자들을 갖는 발광체를 제공하는 단계와,
    수지계 호스트에 도전성 재료를 구비하는 도전성 부여 수지계 재료를 제공하는 단계와,
    상기 도전성 부여 수지계 재료를 도전 구조체들로 성형하는 단계와,
    상기 발광체에 전기 에너지를 공급하기 위해 상기 도전 구조체들에 상기 발광체의 전기 단자들을 접속하는 단계를 포함하는 점등 디바이스 형성 방법.
  38. 제 37 항에 있어서, 상기 수지 호스트에 대한 상기 도전성 재료의 비율은 중량비로 약 0.20 내지 약 0.40인 점등 디바이스 형성 방법.
  39. 제 37 항에 있어서, 상기 도전성 재료는 도전성 분말을 포함하는 점등 디바이스 형성 방법.
  40. 제 37 항에 있어서, 상기 도전성 재료는 미소 도전성 섬유를 포함하는 점등디바이스 형성 방법.
  41. 제 37 항에 있어서, 상기 도전성 재료는 도전성 분말과 도전성 섬유의 조합을 포함하는 점등 디바이스 형성 방법.
  42. 제 37 항에 있어서, 상기 도전 구조체들 위로 전기 절연층을 형성하는 단계를 부가로 포함하는 점등 디바이스 형성 방법.
  43. 제 42 항에 있어서, 상기 전기 절연층을 형성하는 단계는 침지, 분사, 또는 코팅을 포함하는 점등 디바이스 형성 방법.
  44. 제 37 항에 있어서, 상기 성형 단계는,
    상기 도전성 부여 수지계 재료를 상기 몰드 내로 주입하는 단계와,
    상기 도전성 부여 수지계 재료를 상기 장착 표면상에 성형하여 도전 구조체들을 형성하는 단계와,
    상기 도전성 부여 수지계 재료를 경화하는 단계와,
    상기 몰드로부터 상기 도전 구조체들을 제거하는 단계를 포함하는 점등 디바이스 형성 방법.
  45. 제 37 항에 있어서, 상기 성형 단계는,
    몰드 내에 장착 표면을 배치하는 단계와,
    상기 도전성 부여 수지계 재료를 상기 몰드 내로 주입하는 단계와,
    상기 도전성 부여 수지계 재료를 상기 장착 표면상에 이중 사출하여 도전 구조체들을 형성하는 단계와,
    상기 도전성 부여 수지계 재료를 경화하는 단계와,
    상기 몰드로부터 상기 도전 구조체들 및 상기 장착 표면을 제거하는 단계를 포함하는 점등 디바이스 형성 방법.
  46. 제 37 항에 있어서, 상기 성형 단계는,
    상기 도전성 부여 수지계 재료를 챔버 내로 주입하는 단계와,
    상기 도전성 부여 수지계 재료를 형상화 출구를 통해 상기 챔버로부터 압출하는 단계와,
    상기 도전성 부여 수지계 재료를 경화하여 상기 도전 구조체들을 형성하는 단계를 포함하는 점등 디바이스 형성 방법.
  47. 제 37 항에 있어서, 상기 성형된 도전성 부여 수지계 재료를 스탬핑 또는 밀링하는 단계를 부가로 포함하는 점등 디바이스 형성 방법.
  48. 발광 다이오드와,
    캡슐형 패키지와,
    히트 싱크를 포함하고,
    상기 발광 다이오드는 상기 히트 싱크에 열적으로 접속되고, 상기 히트 싱크는 베이스 수지 호스트 내에 도전성 재료를 구비하는 도전성 부여 수지계 재료를 포함하고, 상기 발광 다이오드는 상기 캡슐형 패키지 및 상기 히트 싱크에 포함되며, 상기 히트 싱크는 상기 캡슐형 패키지로부터 돌출하는 합성 발광 다이오드 디바이스.
  49. 제 48 항에 있어서, 상기 수지 호스트에 대한 상기 도전성 재료의 비율은 중량비로 약 0.20 내지 약 0.40인 합성 발광 다이오드 디바이스.
  50. 제 48 항에 있어서, 상기 도전성 재료는 금속 분말을 포함하는 합성 발광 다이오드 디바이스.
  51. 제 48 항에 있어서, 상기 금속 분말은 금속으로 도금되는 비-도전성 재료인 합성 발광 다이오드 디바이스.
  52. 제 48 항에 있어서, 상기 도전성 재료는 비금속 분말을 포함하는 합성 발광 다이오드 디바이스.
  53. 제 48 항에 있어서, 상기 도전성 재료는 금속 분말과 비금속 분말의 조합을포함하는 합성 발광 다이오드 디바이스.
  54. 제 48 항에 있어서, 상기 도전성 재료는 미소 도전성 섬유를 포함하는 합성 발광 다이오드 디바이스.
  55. 제 48 항에 있어서, 상기 도전성 재료는 도전성 분말 및 도전성 섬유의 조합을 포함하는 합성 발광 다이오드 디바이스.
  56. 제 48 항에 있어서, 상기 히트 싱크는 대류 표면적을 증가시키기 위해 휜 또는 핀 구조체를 포함하는 합성 발광 다이오드 디바이스.
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