KR20080029549A - 발광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광소자에 관한 것으로, 특히 방열판이 구비된 발광소자에 관한 것이다. 본 발명은 방열면적을 증가시키고 온도 전도율이 높은 은을 포함하는 방열판을 형성함으로서, 발광소자의 방열성능을 높여 수명과 효율이 우수한 발광소자를 제공할 수 있다. 또한, 방열판의 두께를 리드패턴의 두께보다 크거나 같도록 하여 발광소자가 적용되는 외부 기기의 기판에 방열판이 접속되도록 함으로써, 발광소자의 방열성능을 더욱 높일 수 있다.
발광소자, 방열판, 리드패턴, 은, 온도 전도율, 면적

Description

발광소자{LUMINOUS ELEMENT}
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광소자의 사시도.
도 2는 도 1의 선 A-A에서 취한 단면도.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광소자의 사시도.
도 4는 도 3의 선 B-B에서 취한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 기판 102: 베이스판
104, 105: 리드패턴 106: 히트슬러그
108: 방열판 120: 발광칩
140: 배선 160: 몰딩부
본 발명은 발광소자에 관한 것으로, 특히 방열판이 구비된 발광소자에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)는 화합물 반도체의 P-N 접합구조 를 이용하여 주입된 소수캐리어(전자 또는 정공)를 만들어내고, 이들의 재결합에 의하여 소정의 빛을 발산하는 소자를 지칭한다. 상기와 같은 발광 다이오드를 이용한 발광 장치는 기존의 전구 또는 형광등에 비하여 소모 전력이 작고 수명이 수 내지 수십 배에 이르러, 소모 전력의 절감과 내구성 측면에서 월등하다. 이러한 장점에도 불구하고, 그 밝기가 종래의 전구 또는 형광등과 같은 광원에 비하여 떨어짐으로 인해 표시장치 및 조명장치에 사용되지 못하였다. 물론 발광 다이오드에 인가되는 전류를 증가시키거나 다수개의 발광 다이오드를 사용하면 그 밝기가 높아지지만, 전류의 증가 또는 다수개의 발광 다이오드에서 방출된 열이 중첩됨에 따라 열이 과도하게 증가되는 문제점이 발생된다.
종래기술에 따른 발광소자는 기판 상에 실장된 발광칩과 직접 연결된 방열판을 인쇄회로기판 내에 삽입하여 상기와 같은 문제점을 해결하고자 하였다. 하지만, 종래기술에 따른 발광소자는 기판의 하부면에 형성된 방열판만으로 방열을 하고자 하였으며 이에 따라 한정된 방열면적으로 인해 방열효과가 한정되는 문제점이 있다.
또한, 종래기술에 따른 발광소자는 방열판을 구리(Cu)로 형성하였으나, 한정된 방열면적으로 인해 보다 방열 효과가 뛰어난 소재의 필요성이 요구된다.
본 발명의 목적은 전술된 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 발광소자의 방열성능을 높여 수명과 효율이 우수한 발광소자를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 일측과 타측에 리드패턴이 형성된 기판과, 상기 기판의 상부면 및 측면에 형성된 방열판과, 상기 방열판 상에 실장되어 리드패턴과 전기적으로 연결된 발광칩을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자를 제공한다. 이때, 상기 방열판은 기판의 하부면에 연장 형성될 수 있다.
또한, 상기 기판을 관통하도록 형성된 히트슬러그를 더 포함하고, 상기 히트슬러그는 상기 발광칩 및 방열판과 접속될 수 있다.
또한, 상기 리드패턴은 제 1 및 제 2 리드패턴을 포함하고, 상기 방열판은 제 1 및 제 2 리드패턴 사이에 형성될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 리드패턴은 제 1 및 제 2 리드패턴을 포함하고, 상기 방열판은 제 1 리드패턴 또는 제 2 리드패턴과 연결될 수 있다.
또한, 상기 방열판의 두께는 상기 제 1 및 제 2 리드패턴과 같거나 큰 것이 바람직하다. 또한, 상기 방열판은 금 또는 은을 포함할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광소자의 사시도이고, 도 2는 도 1의 선 A-A에서 취한 단면도이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광소자는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 베이스판(102)과 상기 베이스판(102)의 일측 및 타측에 형성된 리드패턴(104)과 상기 베이스판(102)의 상부면과 일측면 및 타측면에 형성된 방열판(108)을 구비한 기판(100)과, 상기 베이스판(102)의 상부면에 형성된 방열판(108) 상에 실장된 발광칩(120)을 포함한다. 이때, 본 실시예에 따른 발광소자는 상기 발광칩(120)과 리드패턴(104)을 전기적으로 연결하기 위한 배선(140)과, 상기 발광칩(120)과 배선(140)을 봉지하여 보호하기 위한 몰딩부(160)를 더 포함할 수 있다.
상기 기판(100)은 발광칩(120)을 실장하고 외부전원을 인가할 수 있는 구조를 형성하기 위한 것으로서, 양면 인쇄 회로 기판(100)(Double-Side Printed Circuit Board; D-S PCB)과 같이 베이스판(102)의 양면에 리드패턴(104)이 형성된 기판(100)을 사용할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 기판(100)은 상기 발광칩(120)이 실장되는 영역에 히트슬러그(106)가 형성된다. 상기 히트슬러그(106)는 기판(100)을 수직관통하는 홀을 형성한 후 상기 홀을 열전도율이 우수한 물질로 충진하여 형성할 수 있다. 이러한 히트슬러그(106)는 도면에 도시된 바와 같이 사각기둥 형상으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 원기둥 또는 다각기둥 형상일 수 있다.
상기 리드패턴(104)은 상기 발광칩(120)에 전원을 인가하기 위한 전극으로서, 제 1 및 제 2 리드패턴(104a, 104b)을 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 리드패턴(104a, 104b)은 베이스판(102) 상부 중심부에 발광칩(120)을 실장하기 위해 상기 베이스판(102)의 일측 및 타측에 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제 1 및 제 2 리드패턴(104a, 104b)은 서로 전기적으로 절연되기 위해 소정간격 이격되는 것이 바람직하다. 이때, 일반적으로 발광면이 발광소자의 상부방향인 탑형 발광소자는 기판(100)의 상부에 실장된 발광칩(120)과 리드패턴(104)을 배선(140)으로 연결하고 발광칩(120)이 실장된 기판(100)의 대향면에 형성된 리드패턴(104)으로 외부전원을 인가한다. 따라서, 본 실시예에 따른 리드패턴(104)은 기판(100)의 상부면과 하부면에 리드패턴(104)을 형성하고, 상기 베이스판(102)을 감싸는 형상으로 리드패턴(104)을 형성하여, 베이스판(102)의 상부면에 형성된 리드패턴(104)과 하부면에 형성된 리드패턴(104)이 전기적으로 연결되도록 하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 리드패턴(104)은 상기 히트슬러그(106)와 접속되지 않는 것이 바람직하다.
상기 방열판(108)은 상기 발광칩(120)의 동작 시 생성되는 열을 빠르게 외부로 배출하기 위한 것으로서, 은(Ag)과 같이 열전도성이 우수한 금속재질로 형성될 수 있다. 이러한 방열판(108)은 상기 베이스판(102)의 상부면과 측면에 형성될 수 있다. 즉, 상기 방열판(108)은 "ㄷ"형상으로 베이스판(102)의 상부면과 측면을 감싸는 형상으로 형성되며, 베이스판(102)의 상부면에 형성된 방열판(108)은 상기 히트슬러그(106)와 접속되어 방열 성능을 극대화하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 방열판(108)은 베이스판(102)의 하부면으로 연장 형성될 수 있으며, 상기 히트슬러그(106)와 베이스판(102)의 하부면에 형성된 방열판(108) 역시 베이스판(102)의 상부면에 형성된 방열판(108)과 동일하게 히트슬러그(106)와 접속될 수 있다. 또한, 상기 방열판(108)은 제 1 리드패턴(104a) 또는 제 2 리드패턴(104b) 중 어느 하나 와 접속될 수 있다. 상기와 같이 방열판(108)이 제 1 리드패턴(104a) 또는 제 2 리드패턴(104) 중 어느 하나와 접속될 경우 상기 방열판(108)과 접속된 제 1 리드패턴(104a) 또는 제 2 리드패턴(104b) 전체가 방열 기능을 수행할 수 있으므로 방열 효과를 더욱 상승시킬 수 있다. 이때, 상기 방열판(108)과 제 1 및 제 2 리드패턴(104a, 104b)이 모두 접속될 경우 합선이 되므로 상기 방열판(108)은 제 1 및 제 2 리드패턴(104a, 104b) 중 어느 하나만 접속되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 발광소자는 상기 방열판(108)을 온도 전도율이 우수한 은(Ag)으로 형성하여 종래기술에 따른 발광소자보다 더욱 우수한 방열효과를 기대할 수 있다.
표 1은 방열판으로 사용이 가능한 대표적인 금속의 열적 성질을 나타낸 것이다.
< 표 1 >
물질 온도 (℃) 비중량 (㎏/㎥) 비열 (㎉/㎏℃) 열전도율 (㎉/℃) 온도 전도율 (㎡/h)
18-8 스텐레스강 20 7820 0.11 14 0.016
탄소강 20 7830 0.11 46 0.053
주철 20 7270 0.10 45 0.062
철 20 7900 0.108 62 0.073
청동 20 8670 0.082 50 ~ 60 0.080
니켈(99.9%) 20 8910 0.101 77 0.082
납 20 11370 0.031 30 0.086
백금 20 21450 0.032 60 0.088
칠삼황동 20 5820 0.092 95 0.123
텅스텐 20 19300 0.032 170 0.275
알루미늄 20 2710 0.214 196 0.340
구리 20 9300 0.10 320 0.370
금 20 19320 0.031 254 0.425
순은 20 10530 0.056 360 0.613
표 1을 참조하면, 본 발명의 방열판(108) 재료인 순은은 온도 전도율이 0.613㎡/h으로서, 종래 기술에 사용되던 구리 방열판의 온도 전도율인 0.370㎡/h보다 약 1.7배 높은 것을 알 수 있다. 또한, 온도 전도율이 0.425㎡/h인 금(Au) 역시 종래 기술에 사용되었던 구리(Cu)보다 온도 전도율이 약 1.15배 높은 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 방열판(108)은 종래 기술에 사용되었던 구리(Cu)보다 온도 전도율이 높은 금(Au) 또는 은(Ag)을 사용하는 것이 바람직하며, 금(Au)보다 온도 전도율이 높은 은(Ag)을 사용하여 방열효과를 한층 강화시키는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 상기 발광칩(120)은 p-n 접합구조를 가지는 화합물 반도체 적층구조로서 소수 캐리어(전자 또는 정공)들의 재결합에 의하여 발광되는 현상을 이용한다. 상기 발광칩(120)은 제 1 및 제 2 반도체층(미도시)과 상기 제 1 및 제 2 반도체층 사이에 형성된 활성층(미도시)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 상기 제 1 반도체층을 P형 반도체층으로하고, 제 2 반도체층을 N형 반도체층으로 한다. 또한, 상기 발광칩(120)의 P형 반도체층의 일면에는 P형 전극(미도시)이 형성되고, N형 반도체층의 일면에는 N형 전극(미도시)이 형성된다. 이때, 상기 N형 전극은 제 1 배선(140a)에 의해 제 1 리드패턴(104a)에 연결되고, 상기 P형 전극은 제 2 배선(140b)에 의해 제 2 리드패턴(104b)에 전기적으로 연결될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명에 따른 발광칩(120)은 상기와 같은 수평형 발광칩(120) 외에 수직형 발광칩을 사용할 수 있으며, 가시광 또는 자외선 등을 발광하는 다양한 종류의 발광칩을 사용할 수 있다.
상기 배선(140)은 발광칩(120)과 제 1 및 제 2 리드패턴(104a, 104b)을 전기적으로 연결하기 위한 것으로서, 와이어 접합 공정 등의 공정을 통해 금(Au), 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)과 같이 연성과 전기전도성이 우수한 금속으로 형성될 수 있다. 한편, 상기 발광칩(120)이 수직형일 경우 상기 제 2 리드패턴(104b)과 수직형 발광칩을 전기적으로 연결하기 위해 한 개의 배선(140)을 사용할 수도 있다.
상기 몰딩부(160)는 발광칩(120)을 봉지하고 상기 발광칩(120)과 연결된 배선(140)을 고정시키기 위한 것으로서, 몰드 프레스(Mold Press)를 이용해 트랜스퍼 몰드 방식으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 몰딩부(160)를 특정 형상으로 형성하여 발광칩(120)을 봉지하고 배선(140)을 고정시키기 위한 것뿐만 아니라 발광칩(120)에서 발산되는 빛을 모아주는 렌즈의 역할을 할 수도 있다. 이러한 몰딩부(160)는 발광칩(120)에서 방출된 광을 외부로 투과시켜야 하므로, 통상 광 투과성 수지로 형성된다.
이때, 상기 몰딩부(160) 내부에 상기 발광칩(120)으로부터 방출된 광을 산란에 의해 확산시킴으로써 균일하게 발광시키는 확산제(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 확산제로는 티탄산바륨, 산화티탄, 산화알루미늄, 산화규소 등이 사용될 수 있다. 또한, 상기 몰딩부(160) 내부에는 형광체(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 형광체는 발광칩(120)으로 부터 발광된 광의 일부를 흡수하여 흡수된 광과 상이한 파장의 광을 방출하는 것으로서, 임자결정(Host Lattice)과 적절한 위치에 불순물이 혼입된 활성이온으로 구성된다. 상기 활성이온들의 역할은 발광과정에 관여하는 에너지 준위를 결정함으로써 발광색을 결정하며, 그 발광색은 결정구조 내에서 활성이온이 갖는 기저상태와 여기 상태의 에너지 차(Energy Gap)에 의해 결정된다.
다음은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광소자에 대해 도면을 참조하여 설명하고자 한다. 후술할 내용 중 전술한 제 1 실시예와 중복되는 설명은 생략하거나 간략히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광소자의 사시도이고, 도 4는 도 3의 선 B-B에서 취한 단면도이다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광소자는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 베이스판(102)과 상기 베이스판(102)의 일측 및 타측에 형성된 리드패턴(105)과 상기 베이스판(102)의 상부면 및 하부면과 일측면 및 타측면에 형성된 방열판(108)을 구비한 기판(100)과, 상기 방열판(108) 상에 실장된 발광칩(120)을 포함한다. 이때, 본 실시예에 따른 발광소자는 상기 발광칩(120)과 리드패턴(105)을 전기적으로 연결하기 위한 배선(140)과, 상기 발광칩(120)과 배선(140)을 봉지하여 보호하기 위한 몰딩부(160)를 더 포함할 수 있다.
상기 기판(100)은 발광칩(120)을 실장하고 외부전원을 인가할 수 있는 구조를 형성하기 위한 것으로서, 전술한 제 1 실시예와 동일하게 양면 인쇄 회로 기판(100)과 같이 베이스판(102)의 양면에 리드패턴(105)이 형성된 기판(100)을 사용할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 기판(100) 역시 상기 발광칩(120)이 실장되는 영역에 히트슬러그(106)가 형성될 수 있다. 상기 히트슬러그(106)는 기판(100)을 수직관통하는 홀을 형성한 후 상기 홀을 열전도율이 우수한 물질로 충진하여 형성 할 수 있다.
상기 리드패턴(105)은 상기 발광칩(120)에 전원을 인가하기 위한 전극으로서, 제 1 및 제 2 리드패턴(105a, 105b)을 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 리드패턴(105a, 105b)은 베이스판(102) 상부 중심부에 발광칩(120)을 실장하기 위해 상기 베이스판(102)의 일측 및 타측에 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제 1 및 제 2 리드패턴(105a, 105b)은 서로 전기적으로 절연되기 위해 소정간격 이격되는 것이 바람직하다.
이때, 전술한 제 1 실시예에 따른 리드패턴은 베이스판(102)의 상부와 하부에 형성된 리드패턴을 전기적으로 연결하기 위해 베이스판의 일측 및 타측의 상하부 및 측면을 감싸도록"ㅁ"형상으로 형성하였다. 하지만 본 실시예에 따른 리드패턴(105)은 전술한 제 1 실시예의 리드패턴과는 다르게 베이스판(102)의 상부와 하부에 형성된 리드패턴(105)을 연결하기 위해 관통홀(109)을 형성한다. 즉, 리드패턴(105)을 형성한 후 기판(100)을 절단한 뒤에도 베이스판(102)의 상부와 하부에 형성된 리드패턴(105)이 전기적으로 연결되도록 하기 위해 기판(100)이 절단될 영역에 관통홀(109)을 형성하고, 상기 관통홀(109)의 내주연에 도전체를 형성할 수 있다. 이때, 상기 관통홀(109)의 내주연에 형성되는 도전체는 구리(Cu)와 같은 금속을 도금과 같은 방법에 의해 형성할 수 있다.
상기 방열판(108)은 상기 발광칩(120)의 동작 시 생성되는 열을 빠르게 외부로 배출하기 위한 것으로서, 전술한 제 1 실시예와 동일하게 은(Ag) 같이 열전도성이 우수한 금속재질로 형성될 수 있다. 이러한 방열판(108)은 상기 베이스판(102) 의 상부면 및 하부면과 일측면 및 타측면에 형성될 수 있다. 즉, 상기 방열판(108)은 "ㅁ"형상으로 베이스판(102)의 상부면 및 하부면과 측면을 감싸는 형상으로 형성되며, 베이스판(102)의 상부면 및 하부면에 형성된 방열판(108)은 상기 히트슬러그(106)와 접속되어 발광칩(120)에서 생성된 열이 히트슬러그(106)를 통해 방열판(108)에서 배출되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 상기 방열판(108)은 발광소자가 장착 적용되는 외부 기기의 기판과 접속하여 발광칩(120)에서 생성된 열이 기기의 기판에 전달되어 방열될 수 있도록 할 수 있다. 이를 위해서 본 발명에 따른 상기 방열판(108)은 베이스판(102)의 하부면에 형성된 방열판(108)의 두께(h1)가 리드패턴(105)의 두께(h2)와 같거나 큰 것이 바람직하다. 즉, 베이스판(102)의 하부면이 평탄하다는 가정 하에 방열판(108)의 두께(h1)가 리드패턴(105)의 두께(h2)와 같거나 클 경우 상기 방열판(108)이 발광소자가 적용되는 기기의 기판과 접속될 수 있으며, 이로 인해 발광칩(120)에서 생성된 열이 기기의 기판에 전달되어 방열될 수 있다. 상기와 같이 방열판(108)이 기기의 기판에 접속될 경우 본 발명에 따른 발광소자의 방열면적이 더욱 커지는 효과가 있으며, 이에 따라 발광칩(120)에서 생성된 열을 더욱 빠르게 외부로 배출할 수 있어 발광소자의 수명 및 효율을 증대시킬 수 있다.
상기와 같이 본 실시예에 따른 발광소자 역시 방열판(108)이 베이스판(102)의 상부면 및 하부면과 일측면 및 타측면에 형성되도록 하고, 상기 방열판(108)으로 온도 전도율이 우수한 은(Ag) 방열판(108)을 사용하여 발광칩(120)에서 생성된 열을 더욱 빠르게 외부로 배출할 수 있어 발광소자의 수명 및 효율을 증대시킬 수 있다.
이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명은 방열면적을 증가시키고 온도 전도율이 높은 은을 포함하는 방열판을 형성함으로서, 발광소자의 방열성능을 높여 수명과 효율이 우수한 발광소자를 제공할 수 있다.
또한, 방열판의 두께를 리드패턴의 두께보다 크거나 같도록 하여 발광소자가 적용되는 외부 기기의 기판에 방열판이 접속되도록 함으로써, 발광소자의 방열성능을 더욱 높일 수 있다.

Claims (7)

  1. 일측과 타측에 리드패턴이 형성된 기판과,
    상기 기판의 상부면 및 측면에 형성된 방열판과,
    상기 방열판 상에 실장되어 리드패턴과 전기적으로 연결된 발광칩을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 방열판은 기판의 하부면에 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 발광소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판을 관통하도록 형성된 히트슬러그를 더 포함하고,
    상기 히트슬러그는 상기 발광칩 및 방열판과 접속되는 것을 특징으로 하는 발광소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 리드패턴은 제 1 및 제 2 리드패턴을 포함하고,
    상기 방열판은 제 1 및 제 2 리드패턴 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 발광소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 리드패턴은 제 1 및 제 2 리드패턴을 포함하고,
    상기 방열판은 제 1 리드패턴 또는 제 2 리드패턴과 연결되는 것을 특징으로 하는 발광소자.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 방열판의 두께는 상기 제 1 및 제 2 리드패턴과 같거나 큰 것을 특징으로 하는 발광소자.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방열판은 금 또는 은을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
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