KR20080059224A - Ｌｅｄ조명 기구 - Google Patents

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KR20080059224A
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야스시 니시오카
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마츠시다 덴코 가부시키가이샤
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Abstract

기구 본체(100)에 유지되는 발광 장치(1)는, LED 칩(10)과, LED 칩(10)이 실장되는 열전도성의 재료로 구성되는 전열판(21)과, 한 표면에 LED 칩(10)에 전력을 공급하기 위한 도체 패턴(23, 23)을 갖고, 전열판(21)의 LED 칩(10)의 대향면을 노출시키는 개구부(노출부)(24)가 형성되어 있는 배선 기판(22)과, 배선 기판(22)의 한 표면에서 LED 칩(10)을 밀봉하는 밀봉부(50)와, 형광체 및 투광성 재료를 포함하고, 배선 기판(22)의 한 표면에 위치되는 돔 형상의 색변환 부재(70)를 구비하고 있다. 발광 장치(1)는 절연층(90)을 사이에 두고 기구 본체(100)에 접합되며, 절연층은 전기 절연성을 갖고, 전열판(21)과 기구 본체(100) 사이에서 이들을 열적으로 결합시키도록 배치된다.
전열판, 반사막, 마운트 부재, 선팽창율, 형광체

Description

ＬＥＤ조명 기구{LED LIGHTING APPARATUS}
본 발명은, LED 칩(발광 다이오드 칩)을 사용한 발광 장치를 광원으로 하는 LED 조명 기구에 관한 것이다.
종래부터, LED 칩과 LED 칩으로부터 방사된 광에 의해 여기되어 LED 칩과는 상이한 발광색의 광을 방사하는 파장 변환 재료로서의 형광체(형광 안료, 형광 염료 등)를 조합시켜 LED 칩의 발광색과는 상이한 색상의 광을 방출하는 발광 장치의 연구 개발이 여러 곳에서 행해지고 있다. 이러한 종류의 발광 장치로서는, 예컨대, 청색광 또는 보라색광을 방사하는 LED 칩과 형광체를 조합시켜 백색의 광(백색광의 발광 스펙트럼)을 얻는 백색 발광 장치(일반적으로 백색 LED로 지칭됨)의 상품화가 진행되고 있다.
또한, 최근의 백색 LED의 고출력화에 따라, 백색 LED를 조명 용도에 적용하는 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있지만, 전술한 백색 LED를 일반 조명 등과 같이 비교적 큰 광출력을 필요로 하는 용도에 사용하는 경우, 1개의 백색 LED에서는 원하는 광출력을 얻을 수 없으므로, 복수의 백색 LED를 1개의 회로 기판 상에 탑재한 LED 유닛을 구성하여, LED 유닛 전체로 원하는 광출력을 확보하도록 하고 있는 것이 일반적이다(예컨대, 일본 공개 특허 2003-59332호 공보(특허 문헌 1)를 참조).
또한, 복수의 LED 칩과 각각의 LED 칩을 실장하는 회로 기판을 구비하는 LED 유닛에서, 각각의 LED 칩의 정션 온도(junction temperature)의 상승을 억제하여 입력 전력을 크게 함으로써 광출력의 고출력화를 도모하기 위해, 각각의 LED 칩의 발광부에서 발생한 열을 효율적으로 외부에 방열(放熱)시키기 위한 구조가 제안되어 있다(예컨대, 일본 공개 특허 2003-168829호 공보(특허 문헌 2)의 단락 [0030] 및 도 6과, 일본 공개 특허 2001-203396호 공보(특허 문헌 3)의 도 6을 참조).
상기 특허 문헌 2에 개시된 LED 유닛에서는, 도 18에 나타낸 바와 같이, 회로 기판(300)으로서 금속판(301) 상에 절연 수지층(302)을 사이에 두고 도체 패턴으로 이루어진 회로 패턴(303)이 형성된 금속 회로 기판을 채용하고 있어, 각각의 LED 칩(10')에서 발생한 열이 열전달 부재(310)를 통하여 금속판(301)에 전달되도록 되어 있다. 여기에서, 각각의 LED 칩(10')은, GaN계 화합물 반도체 재료로 이루어지는 발광부가 절연체인 사파이어 기판으로 이루어지는 결정 성장용 기판의 일표면측에 형성된 GaN계 청색 LED 칩이며, 회로 기판(300)에 플립칩 실장되어(flip-chip mounted) 있고, 결정 성장용 기판의 타표면이 광 인출 면(light output surface)으로 되어 있다.
또한, 상기 특허 문헌 3에 개시된 LED 유닛에서는, 도 19에 나타낸 바와 같이, 각각의 LED 칩(10")이 금속 회로 기판(300)에 실장되어 있지만, 각각의 LED 칩(10")으로서 일표면측에 양극 전극이 형성되는 동시에 타표면측에 음극 전극이 형성된 것을 사용하고 있고, 양극 전극과 음극 전극 중 금속 회로 기판(300)에 가 까운 측의 전극이 제1 도체판(312)에 전기적으로 접속되는 동시에, 금속 회로 기판(300)으로부터 먼 쪽의 전극이 제2 도체판(313)에 금속 세선으로 이루어진 본딩 와이어(314)를 통해 전기적으로 접속되어 있고, 제1 도체판(312) 및 제2 도체판(313)이 각각 금속 회로 기판(300)의 회로 패턴(303)에 접합되어 있다.
그런데, 도 18 또는 도 19에 나타낸 구성의 LED 유닛을 조명 기구에 사용하는 경우, 기구 본체를 금속제로 하고, LED 유닛의 회로 기판(300)의 금속판(301)을 기구 본체에 열적으로 결합시킴으로써 LED 유닛의 열을 효율적으로 방열시키는 것이 고려되고 있지만, 현재로는, 낙뢰 서지 저항(lighting surge resistance)을 확보하기 위해, 기구 본체와 회로 기판(300)의 금속판(301) 사이에 예컨대 시트형의 절연 부재(절연층)로서 서콘(Sarcon, 등록 상표)과 같은 고무 시트형의 방열 시트를 협지하고 있다. 이러한 종래 기술에서는, 각각의 LED 칩(10', 10")의 발광부로부터 기구 본체까지의 열저항이 커지게 되어, 그에 따라 각각의 LED 칩(10', 10")의 정션 온도가 최대 정션 온도를 넘지 않도록 각각의 LED 칩(10', 10")에의 입력 전력을 제한할 필요가 있으며, 이것은 광출력의 고출력화를 곤란하게 한다.
또한, 회로 기판(300)의 금속판(301)과 기구 본체 사이에 전술한 방열 시트를 협지한 경우에는, 금속판(301)과 방열 시트의 밀착 부족에 의해, 양자 간에 공극(void)이 발생하여 열저항이 증대하게 되거나 또는 각 LED 칩(10', 10")의 발광부로부터 기구 본체까지의 열저항의 변동이 야기되고 있다.
또, 상기 특허 문헌 2에 개시된 LED 유닛에서는, LED 칩(10')의 발광부에서 발생한 열을 LED 칩(10')의 사이즈보다 작은 열전달 부재(310)를 통해 금속판(301) 에 전달하고 있으므로, LED 칩(10')으로부터 금속판(301)까지의 부분의 열저항이 비교적 크고, 결정 성장용 기판인 사파이어 기판을 금속판(301)에 열적으로 결합시키기 위해 실장한 경우에는, 사파이어 기판의 열저항이 커지게 된다는 문제도 있었다.
본 발명은 상기 사유를 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, LED 칩의 온도 상승을 억제하여 광출력의 고출력화를 도모할 수 있는 LED 조명 기구를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따른 LED 조명 장치는, LED 칩, 열전도성 재료로 이루어지고, 상기 LED 칩이 일표면 측에 실장되는 전열판, 일표면 측에 LED 칩에의 전력 공급을 위한 도체 패턴을 갖고, 상기 전열판의 LED 칩의 실장면 측에 고착되며, 상기 전열판의 상기 LED 칩의 실장면을 노출시키는 노출부가 형성되어 있는 배선 기판, 상기 배선 기판의 상기 일표면 측에서 상기 LED 칩을 밀봉하는 밀봉부, 및 상기 LED 칩으로부터 방사되는 광에 의해 여기되어 상기 LED 칩의 발광색과는 상이한 색의 광을 방사하는 형광체 및 투광성 재료에 의해 형성되고, 상기 배선 기판의 상기 일표면 측에서 상기 밀봉부를 둘러싸도록 위치된 돔 형상의 색변환 부재를 포함하는 발광 장치와; 상기 LED 칩을 이용한 상기 발광 장치를 유지하는 금속제의 기구 본체와; 전기 절연성을 갖고, 상기 전열판과 상기 기구 본체 사이에 개재되어 양자를 열적으로 결합시키는 절연층을 포함하며, 상기 발광 장치가 상기 절연층을 사이에 두고 상기 기구 본체에 접합되는 것을 특징으로 한다.
이 경우, 종래와 같이 LED 칩을 실장한 회로 기판과 기구 본체 사이에 시트형의 방열 시트를 협지하고 있는 경우에 비해, LED 칩의 발광부로부터 기구 본체까지의 부분의 열저항을 감소시킬 수 있어, 방열성이 향상되고, LED 칩의 정션 온도의 상승을 억제할 수 있으므로, 입력 전력을 크게 할 수 있어, 광출력의 고출력화가 도모된다. 또한, 종래와 같은 광출력으로 사용하는 경우에는, 종래에 비해 LED 칩의 정션 온도를 감소시킬 수 있어, LED 칩의 수명이 길어진다는 이점이 있다.
바람직하게는, 상기 발광 장치에서, 상기 LED 칩은, 상기 LED 칩과 상기 전열판 간의 선팽창율의 차이에 기인하여 상기 LED 칩에 가해지는 응력을 완화시키기 위해 이들 사이에 개재되는 서브 마운트 부재를 사이에 두고 상기 전열판에 실장된다.
이 경우, 상기 LED 칩과 상기 전열판 간의 선팽창율의 차이로 인해 야기되는 상기 LED 칩의 파손을 방지할 수 있어, 신뢰성을 높일 수 있다.
바람직하게는, 상기 서브 마운트 부재는 상기 LED 칩보다 면적이 크며, 상기 LED 칩의 서브 마운트 부재와의 대향면의 내접원에 의해 형성된 상위 베이스 및 상기 전열판의 다른 면의 외접원에 의해 형성된 하위 베이스를 갖는 원추 받침대(truncated cone)의 외측에 서브 마운트 부재의 외주(rim)가 위치하도록 서브 마운트 부재의 치수가 설정되어 있다.
이 경우, 서브 마운트 부재의 면적이 LED 칩의 면적보다 크기 때문에, LED 칩과 실장 기판 사이의 열저항을 작게 할 수 있고, 또한, LED 칩의 서브 마운트 부재와의 대향면의 내접원에 의해 형성된 상위 베이스와, 전열판의 다른 면의 외접원에 의해 형성된 하위 베이스를 갖는 원추 받침대의 외측에 서브 마운트 부재의 외주가 위치하도록 서브 마운트 부재의 치수가 설정되어 있으므로, LED 칩에서 발생한 열이 LED 칩으로부터 서브 마운트 부재를 통해 전열판의 다른 표면의 말단부로 향하는 경로를 따라 직선으로 흐르게 하는 것이 가능하여, 전열판의 상기 다른 표면의 전체면에 걸쳐서 LED 칩으로부터의 열을 효율적으로 전달할 수 있다. 즉, LED 칩에서 발생한 열을 더욱 넓은 면적에 전달할 수 있고, 전열판의 상기 다른 표면의 전체면을 이용하여 방열할 수 있으므로, 방열 효율을 높일 수 있고, LED 칩의 정션 온도의 상승을 억제할 수 있다. 따라서, 고출력화 및 수명의 연장이 가능하게 된다.
보다 바람직하게는, 상기 원추 받침대는 하위 베이스와 45°의 각도를 이루는 모선(generatrix)을 갖도록 설정되어 있다.
이 경우, 상기 LED 칩으로부터 상기 전열판의 상기 다른 표면에의 열전도 효율이 다른 각도를 선택하는 경우보다 높아진다.
또한, 상기 절연층은, 충전재(filler)를 함유하고, 가열 시에 점성이 낮아지는 수지 시트로 형성되는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 전열판과 상기 절연층 사이의 밀착 부족에 의해 또는 상기 절연층의 시간 경과에 따른 변화에 의해 상기 전열판과 상기 절연층 사이에 공극이 발생하여 열저항이 증대하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 절연층은 상기 전열판보다 평면 사이즈가 크게 설정되는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 절연층과 상기 전열판이 동일한 평면 사이즈로 형성되어 있는 경우에 비해, 상기 전열판과 상기 기구 본체 사이의 연면 거리(creeping distance)를 길게 할 수 있고, 낙뢰 서지 저항을 높일 수 있다.
또한, 상기 색변환 부재는, 해당 색변환 부재의 내측에 공기층이 형성되도록 배치되는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 공기층이 단열층으로서 기능하여 상기 색변환 부재로부터의 열이 LED에 전달되는 것을 억제할 수 있고, LED 칩의 온도 상승을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1의 LED 조명 기구에서의 발광 장치의 개략 단면도이다.
도 2는 도 1의 LED 조명 기구에서의 발광 장치의 주요부를 나타내는 부분 분해 개략 사시도이다.
도 3은 도 1의 LED 조명 기구에서의 발광 장치의 주요부 개략 평면도이다.
도 4는 도 1의 LED 조명 기구에서의 발광 장치의 주요부 개략 평면도이다.
도 5는 도 1의 LED 조명 기구에서의 발광 장치의 제조 방법의 설명도이다.
도 6은 도 1의 LED 조명 기구에서의 발광 장치의 또 다른 제조 방법의 설명도이다.
도 7은 도 1의 LED 조명 기구의 부분 분해 개략 측면도이다.
도 8은 도 1의 LED 조명 기구의 주요부의 개략 분해 사시도이다.
도 9는 도 1의 LED 조명 기구에서의 다른 형태의 발광 장치의 개략 단면도이 다.
도 10은 본 발명의 실시예 2의 LED 조명 기구에서의 발광 장치의 개략 단면도이다.
도 11은 도 10의 LED 조명 기구에서의 발광 장치의 주요부의 부분 분해 개략 사시도이다.
도 12는 도 10의 LED 조명 기구에서의 발광 장치의 제조 방법의 설명도이다.
도 13은 도 10의 LED 조명 기구에서의 발광 장치의 또 다른 제조 방법의 설명도이다.
도 14a는 도 10의 LED 조명 기구에서의 발광 장치의 주요부에 대한 설명도이다.
도 14b는 도 10의 LED 조명 기구에서의 또 다른 발광 장치의 주요부에 대한 설명도이다.
도 15는 도 10의 LED 조명 기구에서의 발광 장치의 개략 분해 사시도이다.
도 16은 도 10의 LED 조명 기구의 주요부의 개략 분해 사시도이다.
도 17은 도 10의 LED 조명 기구의 주요부의 부분 분해 개략 사시도이다.
도 18은 종래예의 LED 유닛의 개략 단면도이다.
도 19는 다른 종래예의 LED 유닛의 개략 구성도이다.
(실시예 1)
이하, 본 실시예의 LED 조명 기구를 첨부된 도 1 내지 도 9를 참조하여 상세 하게 설명한다.
본 실시예의 LED 조명 기구는 예컨대 스폿라이트(spotlight)로서 사용되는 것이며, 도 7에 나타낸 바와 같이 지지대(110), 지지대(110)상에 고정된 회전 받침대(120)에 일단부가 축 나사(121)를 사용하여 결합된 암(122), 및 암(122)에 대해서 결합 나사(123)를 사용하여 결합되어 있는 금속(예컨대, Al, Cu 등의 열전도율이 높은 금속)으로 이루어진 기구 본체(100)를 포함한다.
기구 본체(100)는 한쪽 선단이 개구된 저단이 얕은 원통형으로 형성되어 있으며, 복수(본 실시예에서는 8개)의 발광 장치(1) 및 원판형의 회로 기판(200)이 수용되어 있고(도 8 참조), 한쪽 선단이 전면 커버(130)에 의해 밀봉되어 있다. 각각의 발광 장치(1)는, LED 칩(10)과, LED 칩(10)에의 전력 공급을 위한 도체 패턴(23, 23)을 갖는 실장 기판(20)을 포함한다. 실장 기판에는 LED 칩(10)이 실장된다. 회로 기판(200)에는, 각각의 발광 장치(1) 간의 접속 관계를 규정하는 회로 배선 패턴(도시하지 않음)이 형성되는 동시에, 각각의 발광 장치(1)에 대응하는 위치에 각각의 발광 장치(1)가 부분적으로 통과하여 삽입되는 개구부(204)가 형성되어 있다. 그리고, 회로 기판의 절연성 베이스의 재료로서는, 예컨대, FR4와 같은 유리 에폭시 수지를 채용하면 되지만, 유리 에폭시 수지로 한정되지 않고, 예컨대, 폴리이미드계 수지, 페놀 수지 등이어도 된다.
여기에서, 본 실시예의 LED 조명 기구는, 기구 본체(100)의 저벽(10Oa)에 각각의 발광 장치(1)를 실장함으로써, 각 발광 장치(1)가 기구 본체(100)에 유지되어 있다. 한편, 회로 기판(200)은 발광 장치(1)의 각각에 대응하는 위치에 전술한 개 구부(204)가 형성되어 있고, 각각의 개구부(204)의 주위부가 각각의 발광 장치(1)의 실장 기판(20)의 주위부와 중첩되는 형태로 기구 본체(100)의 저벽(100a)으로부터 이격되어 배치되어 있다. 개구부(204)의 사이즈는 후술하는 색변환 부재(70)의 외경보다 큰 치수로 설정되어 있다.
회로 기판(200)의 배선 패턴은, 복수의 발광 장치(1)의 접속 관계가 직렬 접속 관계로 되도록 패턴 설계되어 있고, 기구 본체(10O)의 저벽(10Oa)의 중앙부에 관통하여 형성되어 있는 전선 삽입공(101)(도 8 참조)을 통해 제공된 전력 공급용의 한 쌍의 전선(도시하지 않음)에 전기적으로 접속되도록 되어 있다. 구체적으로는, 회로 기판(200)의 중앙부에 형성된 한 쌍의 전선 접속용 관통공(through-hole) 배선(205, 205)의 각각의 내측에 각각의 전선을 삽입한 다음에, 납땜을 사용하여 전선 접속용 관통공 배선(205, 205)과 각각의 전선을 접속하고 있다. 또한, 회로 기판(200)은, 각각의 개구부(204)의 주위부에, 회로 패턴과 발광 장치(1)의 도체 패턴(23)을 전기적으로 접속하기 위한 발광 장치 접속용 관통공(207)이 형성되어 있다. 이 구조에서, 전선 접속용의 각각의 관통공 배선(205, 205) 및 발광 장치 접속용의 각각의 관통공(207)은, 관통공(회로 기판(200)의 두께 방향으로 연장하고 있음)의 내측벽과 회로 기판(200)의 양면 상의 해당 관통공의 주위부에 걸쳐 형성되고, 회로 패턴과 접속되어 있다. 그리고, 회로 기판(200)은, 기구 본체(100)의 저벽(100a)에 마주보는 일표면 위에 회로 패턴이 형성되어 있고, 다른 표면에는 금속층 또는 백색계의 레지스트층으로 이루어지는 광반사층(도시하지 않음)이 형성되어 있다.
또, 회로 기판(200)은, 각각의 발광 장치(1)의 접속 관계를 규정하고, 전술한 한 쌍의 전선을 통해 전원 회로(도시하지 않음)로부터 각각의 발광 장치(1)에 전력을 공급하도록 구성되어 있다. 사용될 전원 회로로서는, 예컨대, 상용 전원과 같은 교류 전원의 교류 출력을 정류 및 평활화하는 다이오드 브리지로 이루어지는 정류 회로와, 정류 회로의 출력을 평활화하는 평활 콘덴서를 구비한 구성의 것을 채용하면 된다. 그리고, 본 실시예에서는, 복수의 발광 장치(1)가 직렬 접속되어 있지만, 복수의 발광 장치(1)의 접속 관계는 이것으로 한정되지 않고, 예컨대 병렬 접속되도록 하여도 되고, 직렬 접속과 병렬 접속을 조합시켜도 된다.
전면 커버(130)는, 원형의 유리판으로 이루어진 투광판(130a)과, 투광판(130a)을 유지하는 원형의 창틀(130b)로 이루어지고, 창틀(130b)이 기구 본체(100)에 장착된다. 그리고, 투광판(130a)은 유리 기판으로 한정되지 않고, 투광성을 갖는 재료에 의해 형성되어 있으면 된다. 또한, 투광판(130a)에 각각의 발광 장치(1)로부터 방사된 광의 분배를 제어하는 렌즈를 일체로 설치해도 된다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 발광 장치(1)는, LED 칩(10)과, LED 칩(10)이 실장되는 실장 기판(20)과, 실장 기판(20)의 실장면 측에서 LED 칩(10)을 둘러싸도록 제공된 프레임(40)과, LED 칩(10)에 전기적으로 접속된 본딩 와이어(14, 14)와, 밀봉 수지를 함유하고, 프레임(40)의 내측에서 LED 칩(10) 및 본딩 와이어(14, 14)를 밀봉하는 투광성 및 탄성을 갖는 밀봉부(50)와, 프레임(40)과 일체로 형성되어 LED 칩(10)으로부터 방사되고 밀봉부(50)를 투과한 광의 분배를 제어하는 렌즈를 포함하는 광학 부재(60)와, LED 칩(10)으로부터 방사된 광에 의해 여기되어, LED 칩(10)의 발광색과는 상이한 색의 광을 방사할 수 있는 형광체 및 투광성 재료를 포함하고, 실장 기판(20)과의 사이에서 밀봉부(50)를 둘러싸도록 설치된 돔 형상의 색변환 부재(70)를 포함하고 있다. 이 구조에서, 색변환 부재(70)는, 광학 부재(60)의 광출사면(60b)과 프레임(40)의 외측면 사이에 공기층(80)이 형성되도록 실장 기판(20)의 LED 칩(10)의 실장면 측에 위치된다(즉, 본 실시예에서는, 밀봉부(50)가 프레임(40)과 광학 부재(60)로 둘러싸여 있고, 이 광학 부재(60) 및 프레임(40)을 에워싸도록 색변환 부재(70)가 위치되어 있다).
실장 기판(20)은, 열전도성 재료로 이루어지고, LED 칩(10)이 실장되는 직사각형의 전열판(21)과, 전열판(21)의 일면측(도 1에서의 상면측)에 고착된 직사각형의 배선 기판(22)을 포함한다. 배선 기판(22)의 중앙부에, 전열판(21)의 LED 칩(10)을 수용하기 위한 실장면(상기 일면의 일부)을 노출시키는 직사각형의 개구부(24)가 형성되어 있고, LED 칩(10)이 개구부(24)의 내측에 배치된 서브 마운트 부재(30)를 사이에 두고 전열판(21)에 실장되어 있다. LED 칩(10)에서 발생된 열은, 배선 기판(22)을 통하지 않고 서브 마운트 부재(30) 및 전열판(21)에 전달된다. 본 실시예에서는, 전열판(21)의 열전도성 재료로서 열전도율이 높은 금속인 Cu를 채용하고 있다(즉, 전열판(21)으로서 금속판을 채용하고 있다). 그러나, 열전도성 재료로서는 Cu로 한정되지 않고, 예컨대, Al 등의 다른 금속 또는 이들 금속과 마찬가지로 열전도율이 높은 어떠한 비금속성 재료를 채용해도 된다. 본 실시예에서는, 배선 기판(22)의 개구부(24)가 전열판(21)의 LED 칩(10)을 수용하기 위한 실장면을 노출시키는 노출부를 구성하고 있다.
배선 기판(22)은, 유리 에폭시계 재료로 이루어지는 절연성 베이스(22a)와, LED 칩(10)의 각각의 전극(도시하지 않음)에 전기적으로 접속되는 한 쌍의 전력 공급용의 도체 패턴(리드 패턴)(23, 23)을 포함한다. 각각의 도체 패턴(23, 23)은 Cu막, Ni막 및 Au막의 적층막을 포함하며, 평면에서 볼 때에, 프레임(40) 내측에 내측 리드부(23a, 23a)를 갖고, 색변환 부재(70) 외측에 외측 리드부(23b, 23b)를 갖는다. 전열판(21)은 절연성을 갖는 시트형의 접착 필름으로 이루어지는 고착 시트(25)를 통하여 배선 기판(22)에 고착되어 있다. 절연성 베이스(22a)의 재료는, FR4와 같은 유리 에폭시 수지로 한정되지 않고, 예컨대, 폴리이미드계 수지 또는 페놀 수지 등이어도 된다.
또한, 배선 기판(22)은, 절연성 베이스(22a)의 전열판(21)과 반대측의 표면에, 도체 패턴(23, 23)의 일부 및 절연성 베이스(22a)에서 도체 패턴(23, 23)이 형성되어 있지 않은 부분을 덮는 백색계의 수지로 이루어지는 레지스트층(26)(도 3을 참조)이 적층되어 있다. 따라서, LED 칩(10)의 측면으로부터 방사되어 레지스트층(26)의 표면에 입사한 광이 레지스트층(26)의 표면에서 반사되며, 이로써 LED 칩(10)으로부터 방사된 광이 배선 기판(22)의 전열판(21)의 반대측의 표면을 통해 흡수되는 것을 방지할 수 있고, 외부에의 광 인출 효율의 향상 및 그에 따른 광 출력의 향상이 도모된다.
여기에서, 레지스트층(26)은, 배선 기판(22)의 개구부(24)의 부근에서 각각의 도체 패턴(23, 23)의 내측 리드부(23a, 23a)를 노출시키는 개구부(26a)를 가지며, 또한 배선 기판(22)의 주위부에서 각각의 도체 패턴(23, 23)의 외측 리드 부(23b, 23b)를 노출시키는 개구부(26b, 26b)를 갖는다.
LED 칩(10)은 청색광을 방사하는 GaN계 청색 LED 칩이며, 결정 성장용 기판으로서 사용되고 사파이어 기판에 비해 격자 상수 및 결정 구조가 GaN에 더 가까운 n형의 SiC 기판으로 이루어지는 도전성 기판(11)과, 도전성 기판(11)의 주표면 측에 에피택셜 성장법(예컨대, MOVPE 등)에 의해 GaN계 화합물 반도체 재료로 형성되고, 통상적으로 더블 헤테로 구조(double heterostructre)를 갖는 적층 구조부를 포함하는 발광부(12)와, 도전성 기판(11)의 배면에 형성된 음극 전극(n형 전극, 도시하지 않음)과, 발광부(12)의 앞표면(도전성 기판(11)의 주표면 측의 상위 표면)에 형성된 양극 전극(p형 전극, 도시하지 않음)을 포함한다. 일반적으로, LED 칩(10)은 일표면 측에 양극 전극이 형성되는 동시에 타표면 측에 음극 전극이 형성되어 있다. 음극 전극 및 양극 전극은, Ni막과 Au막의 적층막에 의해 구성되어 있지만, 음극 전극 및 양극 전극의 재료는 특별하게 한정되지 않고, 양호한 오믹(ohmic) 특성을 얻을 수 있는 재료이면 되고, 예컨대 Al 등을 채용해도 된다.
본 실시예에서는, LED 칩(10)의 발광부(12)가 도전성 기판(11)보다 전열판(21)으로부터 더 멀리 위치되도록 전열판(21)에 탑재되어 있지만, LED 칩(10)의 발광부(12)가 도전성 기판(11)보다 전열판(21)에 더 근접하게 위치되도록 전열판(21)에 탑재되어도 된다. 광 인출 효율을 고려한 경우에는, 발광부(12)를 전열판(21)으로부터 멀어진 측에 배치하는 것이 바람직하지만, 본 실시예에서는 도전성 기판(11)과 발광부(12)가 동일한 정도의 굴절률을 가지고 있으므로, 발광부(12)를 전열판(21)에 가까운 측에 배치하여도 광의 인출 손실이 현저하게 커지지 않는다.
본 실시예에서는, LED 칩(10)으로서 청색광을 방사하는 청색 LED 칩을 채용하고 있고, 또한 도전성 기판(11)으로서 SiC 기판을 채용하고 있지만, SiC 기판 대신에 GaN 기판을 사용해도 되며, 결정 성장용 기판으로서 SiC 기판 또는 GaN 기판을 사용한 경우에는, 다음의 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기한 특허 문헌 2에서 결정 성장용 기판으로서 절연체인 사파이어 기판을 사용하고 있는 경우에 비해, 결정 성장용 기판의 열전도율이 높고, 결정 성장용 기판의 열저항을 작게 할 수 있다. 또한, LED 칩(10)의 발광색은 청색으로 한정되지 않고, 예컨대, 적색, 녹색 등이어도 된다. 즉, LED 칩(10)의 발광부(12)의 재료는 GaN계 화합물 반도체 재료로 한정되지 않고, LED 칩(10)의 발광색에 따라 GaAs계 화합물 반도체 재료 또는 GaP계 화합물 반도체 재료 등을 채용해도 된다. 또한, 도전성 기판(11)도 SiC 기판으로 한정되지 않고, 발광부(12)의 재료에 따라, 예컨대 GaAs 기판 또는 GsP 기판 등으로 적당히 선택하면 된다.
결정 성장용 기판 열전도율 (W/mㆍK) 선팽창율 (×10-6/K) 열저항 (K/W)
6H-SiC 350 4.2 0.857
GaN 130 5.59 2.308
GaP 110 4.65 2.727
GaAs 54 5.9 5.556
사파이어 42 5.3 7.143
표 1에서, 열저항의 값은, 결정 성장용 기판에서의 두께 방향으로 직교하는 단면의 면적을 1 ㎟로 하고, 결정 성장용 기판의 두께를 0.3 ㎜로 하여, 결정 성장용 기판의 두께 방향으로 열을 전도시킨 경우의 열저항의 값이다.
LED 칩(10)은, 전술한 전열판(21)에, LED 칩(10)의 사이즈보다 큰 사이즈의 직사각형 판형으로 형성되고, LED 칩(10)과 전열판(21) 간의 선팽창율의 차이에 기인하여 LED 칩(10)에 가해지는 응력을 완화시키는 서브 마운트 부재(30)를 사이에 두고 실장되어 있다. 서브 마운트 부재(30)는, 응력을 완화시키는 기능뿐만 아니라, LED 칩(10)에서 발생된 열을 전열판(21)의 LED 칩(10)의 칩 사이즈보다 넓은 범위에 전달하는 열전도 기능도 갖고 있다.
전열판(21)의 LED 칩(10) 측의 표면의 면적은 LED 칩(10)의 전열판(21) 측의 표면의 면적보다 충분히 큰 것이 바람직하다. 예컨대, 0.3∼10 ㎟의 LED 칩(10)으로부터 열을 효율적으로 배출하기 위해서는, 전열판(21)과 기구 본체(100) 사이에 개재하는 후술하는 절연층(90)과 전열판(21)의 접촉 면적을 크게 하고, 또한 LED 칩(10)의 열이 광범위에 걸쳐 균일하게 전도될 수 있도록 하여 열저항을 작게 하는 것이 바람직하다. 따라서, 전열판(21)의 LED 칩(10)측의 표면의 면적을 LED 칩(10)의 전열판(21)측의 표면의 면적의 10배 이상으로 하는 것이 바람직하다.
보다 상세하게는, 전열판(21)의 면적(두께 방향으로 직교하는 평면의 면적)은, LED 칩(10)의 주변 온도, 광출력 및 투입 전력을 규정의 발광 조건을 충족하도록 설정하였을 때에, LED 칩(10)의 정션 온도가 최대 정션 온도보다도 낮게 설정된 소정 온도 이하로 되도록 결정되어야 한다. 단, 이 과정에서, LED 칩(10)의 정션 온도를 직접 측정하는 것이 아니라, 전열판(21)의 기구 본체(100)와의 대향면(전열판(21)의 두께 방향의 상기 일면과는 반대측의 다른 면)의 온도가 규정된 온도 이하로 되도록 전열판(21)의 면적이 결정된다. 바꾸어 말하면, LED 칩(10)의 발광 조건이 정해지면, 전열판(21)의 면적을 결정할 수 있다. 여기서, 1개의 LED 칩(10)에 대해 요구되는 면적을 감소시키기 위해서는, 전열판(21)의 면적을 작게 하는 것이 바람직하고, 전열판(21)의 면적을 작게 하기 위해서는, LED 칩(10)에서 발생된 열을 전열판(21)의 다른 면(배면)에 효율적으로 전도하는 것이 요구된다.
여기서, 평면에서 볼 때, LED 칩(10)의 서브 마운트 부재(30)와의 대향면의 내접원에 의해 형성된 상위 베이스 및 전열판(21)의 상기 다른 면의 외접원에 의해 형성된 하위 베이스를 갖는 원추 받침대가 제공될 수도 있다. 이 원추 받침대의 모선이 하위 베이스와 이루는 각도θ(도 1 참조)는 45°인 것이 바람직한 것으로 실험적으로 확인되었다. 각도 θ를 45°부근으로 했을 때, LED 칩(10)으로부터 전열판(21)의 상기 다른 면의 전체에 효율적으로 열을 전도시키려면, LED 칩(10)으로부터 전열판(21)의 상기 다른 면까지 열을 직선으로 전도시키는 것이 바람직하다.
따라서, 서브 마운트 부재(30)의 치수는, 서브 마운트 부재의 외주가 전술한 원추 받침대의 모선의 외측에 위치되도록 설정하는 것이 바람직하다. 이 경우, LED 칩(10)으로부터 전열판(21)의 상기 다른 면의 에지까지 직선의 열 흐름이 달성될 수 있어, 결과적으로 LED 칩(10)에서 발생된 열을 전열판(21)의 상기 다른 면의 전체에 효율적으로 전도시킬 수 있다.
본 실시예에서는, 서브 마운트 부재(30)의 재료로서 열전도율이 비교적 높고 또한 절연성을 갖는 AlN을 채용하고 있다. LED 칩(10)은, 음극 전극이 서브 마운트 부재(30)의 전열판(21)과 반대측의 표면에 설치된 도전 패턴(31) 및 금속 세선(예컨대, 금 세선, 알루미늄 세선 등)으로 이루어지는 본딩 와이어(14)를 통해 한쪽의 도체 패턴(23)에 전기적으로 접속되고, 양극 전극이 본딩 와이어(14)를 통해 다른 쪽의 도체 패턴(23)에 전기적으로 접속되어 있다. 이 구성에서, 서브 마운트 부재(30)는, 도전 패턴(31)의 주위에, LED 칩(10)의 측면으로부터 방사된 광을 반사하는 반사막(예컨대, Ni막과 Ag막의 적층막)이 형성되어 있다. LED 칩(10)과 서브 마운트 부재(30)는 AuSn, SnAgCu 등의 무연 납땜(lead-free solder)을 사용하여 접합되어 있다.
서브 마운트 부재(30)의 재료는 AlN으로 한정되지 않고, 예컨대 아래의 표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 선팽창율이 6H-SiC(도전성 기판(11)의 재료)에 비교적 근접하고 또한 열전도율이 비교적 높은 재료이면 되고, 예컨대 CuW, W, 복합 SiC, Si 등을 채용해도 된다. 단, 서브 마운트 부재(30)의 재료로서, CuW 및 W 등의 도전성 재료를 채용하는 경우에는, 전술한 도전 패턴(31)이 반드시 설치될 필요는 없다.
재 료 선팽창율 (×10-6/K) 열전도율 (W/mㆍK)
결정 성장용 기판의 재료 6H-SiC 4.2 350
GaN 5.59 130
GaP 4.65 110
GaAs 5.9 54
사파이어 5.3 42
서브 마운트 부재의 재료 Al 23.2 237
Cu 16.6 398
W 4.5 178
CuW 6.4 160
Si 2.6 168
AlN 4.6 165
알루미나 7.1 29
접합 재료 Au 14.2 315
63Sn-37Pb 21.0 50
은페이스트 70.0 1.1
전열판(21)의 재료가 Cu인 경우, 서브 마운트 부재(30)의 재료로서 CuW 또는 W를 채용하면, 서브 마운트 부재(30)와 전열판(21)을 직접 접합하는 것이 가능하다. 예컨대, 아래의 표 3에 나타낸 바와 같이, 서브 마운트 부재(30)와 전열판(21) 간의 직접 접합은, 서브 마운트 부재(30)와 전열판(21)의 사이를 납재(brazing)를 사용하여 접합하는 경우에 비해, 서브 마운트 부재(30)와 전열판(21) 간의 접합 면적을 크게 할 수 있고, 서브 마운트 부재(30)와 전열판(21) 간의 접합부의 열저항을 감소시킬 수 있다. LED 칩(10)과 서브 마운트 부재(30)는, 예컨대, SnPb, AuSn, SnAgCu 등의 납땜, 또는 은페이스트 등으로 접합하여도 되지만, AuSn, SnAgCu 등의 무연 납땜을 사용하여 접합하는 것이 바람직하다. 서브 마운트 부재(30)가 Cu로 이루어지고, AuSn을 사용하여 접합하는 경우에는, 서브 마운트 부재(30)의 접합 표면에 미리 Au 또는 Ag로 이루어지는 금속층을 형성하는 사전 처리가 필요하다.
Figure 112008027372250-PCT00001
서브 마운트 부재(30)의 재료로서 W를 채용하고, 또한 서브 마운트 부재(30)와 전열판(21)을 직접 접합한 경우, 다음의 표 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 서브 마운트 부재(30)와 전열판(21)을 은(Ag)을 사용하여 접합한 경우에 비해, 열전도율이 커지고, 열저항을 감소시킬 수 있다. 전열판(21)의 재료가 Cu이고, 서브 마운트 부재(30)의 재료로서 AlN, 복합 SiC 등을 채용한 경우에는, 전열판(21)과 서브 마운트 부재(30)는, AuSn, SnAgCu 등의 무연 납땜을 사용하여 접합하면 되지만, AuSn를 사용하여 접합하는 경우에는, 전열판(21)의 접합 표면에 미리 Au 또는 Ag로 이루어지는 금속층을 형성하는 사전 처리가 필요하다.
Figure 112008027372250-PCT00002
본 실시예에서, 발광 장치(1)는, 서브 마운트 부재(3O)의 두께 치수를, 해당 서브 마운트 부재(30)의 표면이 배선 기판(22)의 레지스트층(26)의 표면보다 전열판(21)으로부터 더 멀어지도록 설정하고 있다. 따라서, LED 칩(10)으로부터 측방으로 방사된 광이 배선 기판(22)의 개구부(24)의 내주면을 통해 배선 기판(22)에 흡수되는 것을 방지할 수 있고, 또한 LED 칩(10)으로부터 측방으로 방사된 광이 색변환 부재(70)와 실장 기판(20) 사이의 접합부를 통해 출사되는 것을 방지할 수 있다(즉, LED 칩(10)으로부터 방사된 청색광이 색변환 부재(70)를 우회하여 외부에 출사되는 것을 방지할 수 있다). 또한, 전술한 바와 같이, 서브 마운트 부재(30)에서 LED 칩(10)이 접합되는 지점의 도전 패턴(31) 주위의 서브 마운트 부재(30)의 표면에, LED 칩(10)으로부터 방사된 광을 반사하는 반사막(32)이 형성되어 있다. 따라서, LED 칩(10)의 측면으로부터 방사된 광이 서브 마운트 부재(30)에 흡수되는 것을 방지할 수 있고, 외부에의 광 인출 효율을 더욱 높이는 것이 가능하게 된다.
또한, 도 4에 나타낸 바와 같이, 발광 장치(1)의 LED 칩(10) 및 서브 마운트 부재(30)는 각각의 평면에서 볼 때에 외주 형상이 정사각형이며, 평면에서 볼 때에, LED 칩(10)의 외주선이 서브 마운트 부재(30)의 외주선보다 내측에 위치하고, 양외주선이 서로 병행하지 않도록, LED 칩(10)이 서브 마운트 부재(30)의 중앙부에 접합되어 있어, LED 칩(10)의 대각선과 서브 마운트 부재(30)의 대각선이 평행을 이루지 않도록 되어 있다. 보다 구체적으로는, LED 칩(10)의 대각선과 서브 마운트 부재(30)의 대각선이 이루는 각도가 대략 45°가 되도록, LED 칩(10)이 서브 마운트 부재(30)의 중앙부에 접합되어 있다.
따라서, LED 칩(10)과 서브 마운트 부재(30)의 양자의 외주선이 서로 평행하도록 한 경우에 비해, 서브 마운트 부재(30)의 평면 사이즈를 작게 하지 않고, LED 칩(10)의 하나의 대각선에 따른 방향으로 연장되는 본딩 와이어(14)의 양단 사이의 직선 거리(즉, LED 칩(10) 표면의 전극과 해당 전극에 본딩 와이어(14)를 통해 전기적으로 접속되는 도체 패턴(23)의 내측 리드부(23a) 간의 거리)를 단축시킬 수 있고, 본딩 와이어(14)에 기인한 광 인출 효율의 저하를 억제할 수 있는 동시에, 프레임(40)의 사이즈 및 발광 장치(1) 전체의 사이즈를 소형화할 수 있다. 요약하면, 서브 마운트 부재(30)에 의한 열전도 기능을 저하시키지 않고, 본딩 와이어(14)에 기인한 광 인출 효율의 저하를 억제할 수 있는 동시에, 프레임(40) 및 발광 장치(1) 전체의 소형화를 도모할 수 있다.
또한, 전술한 밀봉부(50)의 재료인 밀봉 수지로서는 실리콘 수지를 사용하고 있지만, 실리콘 수지로 한정되지 않고, 아크릴 수지 등을 사용해도 된다.
프레임(40)은 원통형이며, 프레임(40)과 광학 부재(60)는 동일한 투광성 재료(예컨대, 실리콘 등)에 의해 일체로 형성되어 있다(바꾸어 말하면, 광학 부재(60)와 프레임(40)이 연속하여 일체로 형성되어 있다). 프레임(40)과 광학 부재(60)로 구성되는 렌즈 블록에서, 프레임(40)과 광학 부재(60)로 둘러싸인 공간은 LED 칩(10)을 수용하는 수용 리세스부를 구성하고 있다. 프레임(40)과 광학 부재(60)는 밀봉부(50)와 동일한 굴절률 및 선팽창율을 갖는다. 프레임(40)과 광학 부재(60)는 밀봉부(50)의 밀봉 수지 재료의 굴절률 및 탄성률을 밑돌지 않는 투광성 재료에 의해 일체로 형성될 수도 있다. 예컨대, 밀봉 수지가 아크릴 수지인 경우에는, 광학 부재(60)와 프레임(40)을 아크릴 수지에 의해 일체로 형성하여도 된다. 또한, 광학 부재(60) 및 프레임(40)의 투광성 재료는 밀봉 수지의 선팽창율과 동등한 선팽창율을 가지고 있으면 된다.
광학 부재(60)는 광입사면(60a) 및 광출사면(60b)을 가지며, 광입사면(60a)은 밀봉부(50)측에 평면형으로 형성되고, 광출사면(60b)은 볼록면이고, 광입사면(60a)으로부터 입사된 광을 광출사면(60b)과 전술한 공기층(80) 간의 계면에서 전반사시키지 않는 평볼록(plano-convex) 렌즈를 형성한다. 광학 부재(60)는, 광학 부재(60)의 광축이 LED 칩(10)의 두께 방향에 따른 발광부(12)의 중심선 상에 위치하도록 배치되어 있다. 그리고, LED 칩(10)의 측면으로부터 방사된 광은 밀봉부(50)를 투과하고, 그 후 광학 부재(60) 또는 프레임(40)과 공기층(80)을 투과한 다음 색변환 부재(70)까지 도달하여, 색변환 부재(70)의 형광체를 여기하거나, 또는 형광체에는 충돌하지 않고 색변환 부재(70)를 투과한다.
색변환 부재(70)는, 실리콘과 같은 투광성 재료와 LED 칩(10)으로부터 방사된 청색광에 의해 여기되어 브로드 황색광(broad yellow light)을 방사하는 입자 형태의 황색 형광체를 혼합한 혼합물의 성형품에 의해 구성되어 있다(즉, 색변환 부재(70)는 투광성 재료 및 형광체에 의해 형성된다). 따라서, 발광 장치(1)는, LED 칩(10)으로부터 방사된 청색광과 황색 형광체로부터 방사된 광이 색변환 부재(70)의 외면(70b)을 통해 방사되어 백색광을 얻을 수 있다. 색변환 부재(70)의 재료로서 사용하는 투광성 재료는, 실리콘으로 한정되지 않고, 예컨대, 아크릴 수지, 유리, 유기 성분과 무기 성분이 ㎚ 레벨 또는 분자 레벨로 혼합되어 결합된 유기-무기 하이브리드(hybrid) 재료 등을 채용해도 된다. 또한, 색변환 부재(70)의 재료로서 사용하는 투광성 재료에 혼합하는 형광체도 황색 형광체로 한정되지 않고, 예컨대, 적색 형광체와 녹색 형광체를 혼합하여도 백색광을 얻을 수 있다.
전술한 색변환 부재(70)는, 내면(70a)이 광학 부재(60)의 광출사면(60b) 및 프레임(40)의 외측면을 따르는 형상으로 형성되어 있다. 따라서, 광학 부재(60)의 광출사면(60b)의 모든 위치의 법선 방향에서의 광출사면(60b)과 색변환 부재(70)의 내면(70a) 사이의 거리가 대략 일정값으로 되어 있다. 그리고, 색변환 부재(70)는, 모든 위치에서 법선 방향에 따른 두께가 일정하도록 형성되어 있다. 예컨대, 색변환 부재(70)는, 실장 기판(20) 측의 에지(개구부의 주위 에지)에서 실장 기판(20)에 대해서, 예컨대 접착제(예컨대, 실리콘 수지, 에폭시 수지 등)를 사용하여 접착하면 된다.
전술한 바와 같이, 색변환 부재(70)는, 색변환 부재(70)와 광학 부재(60)의 광출사면(60b) 사이 또는 색변환 부재(70)와 프레임(40)의 외측면 사이(즉, 색변환 부재(70)의 내측에) 공기층(80)이 형성되도록 배치되어 있다. 따라서, 색변환 부재(70)의 내측의 공기층(80)이 단열층으로서 기능하고, 색변환 부재(70)의 형광체에서 발생한 열이 LED 칩에 전달되는 것을 억제할 수 있어, LED 칩의 온도 상승을 억제할 수 있다. 또한, 색변환 부재(70)를 광학 부재(60) 및 프레임(40)에 밀착시킬 필요가 없기 때문에, 색변환 부재(70)의 치수 또는 위치 결정의 정밀도에 기인한 수율의 저하를 억제할 수 있다. 발광 장치(1)의 조립 과정에서는, 색변환 부재(70)가 최종 공정에서 통합되므로, LED 칩(10)의 발광 파장에 따라 투광성 재료에 대한 형광체의 배합 비율을 조정한 색변환 부재(70)를 사용함으로써 색불균일을 감소시킬 수도 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 색변환 부재(70)와 광학 부재(60) 또는 프레임(40) 사이에 공기층(80)이 형성되어 있으므로, 색변환 부재(70)에 외력이 가해져 색변환 부재(70)가 변형되었을 때, 색변환 부재(70)가 광학 부재(60) 또는 프레임(40)과 맞닿을 가능성이 낮아지며, 이러한 외력에 의해 색변환 부재(70)에 발생되는 응력이 LED 칩(10) 또는 각각의 본딩 와이어(14, 14)에 전달되는 것을 억제할 수 있어, 외력에 의한 LED 칩(10)의 발광 특성의 변동 또는 각각의 본딩 와이어(14, 14)의 단선이 발생하기가 어려워지기 때문에, 신뢰성이 향상된다는 이점이 있다. 또한, 전술한 공기층(80)이 형성되어 있는 것에 의해, 외부 분위기 중의 수분이 LED 칩(10)에 도달하기 어려워진다는 이점과, LED 칩(10)으로부터 방사된 광이 색변환 부재(70)에 입사되고, 해당 색변환 부재(70) 내의 황색 형광체의 입자에 의해 산란될 때에, 광학 부재(60) 또는 프레임(40)을 통해 산란 및 투과되는 광의 양이 감소되어, 발광 장치(1) 전체의 광 인출 효율을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
본 실시예의 LED 조명 기구에서, 각각의 발광 장치(1)는, 전기 절연성을 갖고 또한 전열판(21)과 기구 본체(100) 사이에 개재하여 양자를 열적으로 결합시키는 절연층(90)을 통하여 기구 본체(100)에 접합되어 있다(즉, 각각의 발광 장치(1)가 절연층(90)을 통하여 기구 본체(10O)의 저벽(10Oa)에 실장되어 있다).
이러한 구조에서, 절연층(90)을 형성하기 위해서는, 실리카 또는 알루미나 등의 충전재를 함유하고, 또한 가열시에 점도가 감소될 수 있는 수지 시트(예컨대, 용융 실리카로 고충전(高充塡)된 에폭시 수지 시트와 같은 유기 그린 시트)로 이루어지는 접합용 부재가 사용된다. 이와 달리, 절연층(90)으로서는, 시트형으로 성형된 그린 세라믹(green ceramic)으로 이루어지는 그린 시트를 사용해도 된다.
여기서, 전술한 절연층(9O) 대신에, 종래의 고무 시트형의 방열 시트(열전도 시트)를 협지하는 구성을 채용한 경우에는, 전열판(21)과 절연층(90)의 밀착 부족에 의해 양자 간에 공극이 발생하여, 열저항이 증대하거나 또는 발광 장치(1)로부터 기구 본체(100)까지의 열저항에 있어서 변동이 초래되므로, 전열판(21) 등에 하중이 가해질 때에는 토크 제어(torque control)가 요구된다. 또한, 전술한 절연층(90)으로서 절연 윤활유를 채용하는 경우에는, 전열판(21)과 절연층(90) 사이에 공극이 형성되는 것을 방지하는 것이 가능하지만, 절연층(90)의 시간 경과에 따른 변화(점도 변화 및 수축 등)에 의해 양자 간에 간극이 발생하여, 열저항이 증대하거나, 발광 장치(1)에서부터 기구 본체(100)까지의 열저항이 변동될 우려가 있다.
이에 대하여, 전기 절연성을 갖는 동시에 열전도율이 높은 수지 시트로 이루어지는 접합용 부재는, 또한 가열시에 유동성이 높아 요철면에의 밀착성이 높다. 따라서, 실장 기판(20)의 전열판(21)을 금속제의 기구 본체(100)에 접합하는(전열판(21)과 기구 본체(10O)의 저벽(10Oa) 사이에 접합용 부재를 개재시킨 다음에 접합용 부재를 가열함으로써 전열판(21)과 기구 본체(100)를 접합하는) 때에 접합용 부재와 전열판(21) 사이 또는 접합용 부재와 기구 본체(100) 사이에 공극이 발생하는 것을 방지할 수 있어, 밀착 신뢰성이 향상되는 동시에 시간 경과에 따른 변화가 감소되어, 밀착 부족에 의한 열저항의 증대 또는 불균일의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 절연층(90)의 시간 경과에 따른 변화로 인해 전열판(21)과 절연층(90) 사이에 간극이 발생하여 열저항이 증대하는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 절연층(90)에 있어서의 열전달을 위한 유효 접촉 면적을 25 ㎟으로 하고, 절연층(90)의 두께를 0.1 ㎜으로 한 경우, 절연층(90)의 열저항을 1 K/W 이하로 억제하기 위해서는, 절연층(90)의 열전도율이 4 W/m·K 이상인 조건을 충족시킬 필요가 있지만, 수지 시트로서 전술한 유기 그린 시트를 채용하면, 이 조건이 충족될 것이다.
본 실시예의 LED 조명 기구는 아래와 같이 제조될 수도 있다. 먼저, 예컨대, 열압착 접합 기술 등을 이용하여 실장 기판(20)(각각의 발광 장치(1)의 구성 요소)을 기구 본체(100)에 대해 절연층(90)을 사이에 두고 접합하고, 그 후, 미리 LED 칩(10)이 접합된 서브 마운트 부재(30)를 전열판(21)에 접합한다. 그 후, LED 칩(10)의 각각의 전극과 실장 기판(20)의 도체 패턴(23, 23)을 본딩 와이어(14, 14)에 의해 전기적으로 접속한다. 다음에, 도 5에 나타낸 바와 같이, LED 칩(10) 및 본딩 와이어(14, 14)를 밀봉부(50)의 일부로 되는 액상의 제1 밀봉 수지 재료(실리콘 수지 등)(50a)에 의해 덮고, 광학 부재(60)와 프레임(40)으로 둘러싸이는 공간에, 제1 밀봉 수지 재료(50a)와 동일한 재료로 이루어지고 밀봉부(50)의 다른 부분이 되는 액상의 제2 밀봉 수지 재료(실리콘 수지 등)(50b)를 주입한다. 그 후, 광학 부재(60)를 실장 기판(20) 사이에 프레임(40)이 개재하는 형태로 실장 기판(20)의 반대측에 배치하고, 각각의 밀봉 수지 재료(50a, 50b)를 경화시킴으로써 밀봉부(50)를 형성한다. 이어서, 색변환 부재(70)를 실장 기판(20)의 배선 기판(22)에 대해서 접착제(실리콘 수지, 에폭시 수지 등)에 의해 고착한다. 본 실시예에서는, 실장 기판(20)의 레지스트층(26)의 중앙부에 형성된 원형의 개구부(26a)의 내경을 보호 커버(색변환 부재)(70)의 최대 외경보다 약간 큰 치수로 설정하고 있어, 제1 밀봉 수지 재료(50a)를 포팅(potting) 했을 때에, 개구부(26a)의 내주면 부근까지 흘러든 제1 밀봉 수지 재료(50a)를, 보호 커버(70)와 실장 기판(20)을 접합하는 접착제로서 이용하고 있다. 그 후, 회로 기판(200)을 기구 본체(100) 내에 수용하여 기구 본체(100)에 장착하고, 이 회로 기판(200)을 각각의 발광 장치(1) 및 각각의 전선에 전기적으로 접속하며, 전면 커버(130)를 기구 본체(100)에 장착한다.
도 6에 나타낸 바와 같이, LED 칩(10)과 본딩 와이어(14, 14)를 전기적으로 접속한 후, 광학 부재(60)와 프레임(40)으로 둘러싸이는 공간에 전술한 밀봉부(50)를 형성하기 위한 액상의 밀봉 수지 재료(실리콘 수지 등)(50c)를 주입하고나서, 광학 부재(60)를 실장 기판(20) 사이에 프레임(40)이 개재하는 형태로 실장 기판(20)에 대향 배치하여, 밀봉 수지 재료(50c)를 경화시킴으로써 밀봉부(50)를 형성하는 다른 제조 방법도 생각할 수 있다. 그러나, 이와 같은 제조 방법에서는, 제조 과정에서 밀봉부(50)에 공극이 발생할 우려가 있다. 그래서, 전술한 바와 같은 제조 방법을 사용함으로써, 제조 과정에서 밀봉부(50)에 공극이 발생하기가 어려워져, 신뢰성이 높고 또한 광출력이 큰 발광 장치(1)를 제공하는 것이 가능하다. 여기서, 제2 밀봉 수지 재료(50b)를 주입하기 전에, 제1 밀봉 수지 재료(50a)를 경화하면, 제1 밀봉 수지 재료(50a)의 점도가 저하하여, 수용 리세스부에 갇힌 공극이 용이하게 제거될 수 있다는 이점이 있다.
또한, 레지스트층(26)의 중앙부의 개구부(26a)의 내경을 보호 커버(70)의 최대 내경보다 약간 작게 설정하고, 보호 커버(70)의 실장 기판(20)측의 끝부분과 레지스트층(26)의 개구부(26a)의 주위부를 전체 둘레에 걸쳐 접착제로 이루어지는 접합부(75)에 의해 접합하여도 된다. 이 경우, 보호 커버(70)와 실장 기판(20) 사이에 개재하는 접합부(75)의 두께의 제어가 용이하게 되는 것과 동시에, 보호 커버(70)와 실장 기판(20)의 접합의 신뢰성이 향상될 수 있다. 접합부(75)용의 접착제로서는 보호 커버(70)와 동일한 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
이상과 같이, 본 실시예의 LED 조명 기구에서, 각각의 발광 장치(1)는, 전기 절연성을 갖고 또한 전열판(21)과 기구 본체(100) 사이에 개재되어 양자를 열적으로 결합시키는 절연층(90)을 사이에 두고 기구 본체(100)에 접합되어 있다. 따라서, 점등 시에 각각의 발광 장치(1)에서 발생한 열이 비교적 큰 두께의 회로 기판(200)을 통하지 않고 절연층(90)을 통하여 금속제의 기구 본체(100)에 전달되어 방열될 수 있다. 종래와 같이 LED 유닛의 회로 기판(300)(도 18 및 도 19 참조)과 기구 본체 사이에 "서콘"(Sarcon, 등록 상표)과 같은 방열 고무 시트를 협지한 구성에 비해, LED 칩(10)에서부터 기구 본체(100)까지의 부분의 열저항을 작게 할 수 있고, 방열성이 향상되는 동시에 열저항의 불균일이 감소되어, LED 칩(10)의 정션 온도의 온도 상승을 억제할 수 있으므로, 입력 전력 및 광출력을 증가시킬 수 있다. 또한, 각각의 발광 장치(1)에서 전열판(21)과 서브 마운트 부재(30)의 총두께는 회로 기판(300)의 두께보다 작게 할 수 있다.
또한, 본 실시예의 LED 조명 기구는, 종래의 LED 조명 기구와 동일한 광출력으로 사용되는 경우에는, 종래의 LED 조명 기구의 구성에 비해, LED 칩(10)의 정션 온도를 저감할 수 있어 LED 칩(10)의 수명이 길어진다는 이점이 있다. 그리고, 본 실시예의 LED 조명 기구에서는, 발광 장치(1)는 실장 기판(20)의 LED 칩(10)의 실장면 측에 도체 패턴(23, 23)의 일부로 이루어지는 외측 리드부(23b, 23b)가 형성되어 있으므로, 회로 기판(200)을 사용하지 않고 발광 장치(1) 사이를 리드선 등에 의해 적당히 접속하도록 하면, 저비용화가 도모되는 동시에 발광 장치(1)의 배치의 자유도가 높아져, 발광 장치(1)의 개수의 변경이나 레이아웃 변경이 용이하게 된다.
또한, 본 실시예의 LED 조명 기구의 각각의 발광 장치(1)에서, LED 칩(10)이 LED 칩(10)과 전열판(21) 간의 선팽창율 차이에 기인하여 LED 칩(10)에 가해지는 응력을 완화시키는 서브 마운트 부재(30)를 사이에 두고 전열판(21)에 실장되어 있으므로, LED 칩(10)과 전열판(21) 간의 선팽창율 차이에 기인하여 LED 칩(10)이 파손되는 것을 방지할 수 있고, 신뢰성을 높일 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이 LED 칩(10)과 전열판(21) 사이에 개재시키고 있는 서브 마운트 부재(30)는, LED 칩(10)과 전열판(21) 간의 선팽창율의 차이가 비교적 작은 경우에는, 반드시 설치할 필요는 없다. LED 칩(10)과 전열판(21) 사이에 서브 마운트 부재(30)를 개재시키지 않는 경우에는, LED 칩(10)과 금속제의 기구 본체(100)의 저벽(100a) 사이의 거리가 짧아져, LED 칩(10)의 발광부(12)에서부터 기구 본체(100)까지의 부분의 열저항을 작게 할 수 있고, 방열성이 추가로 향상되므로, 광출력이 더욱 증가될 수 있다.
또한, 서브 마운트 부재(30)의 면적을 LED 칩(10)의 면적보다 크게 할 수도 있으며, LED 칩(10)의 서브 마운트 부재(30)와의 대향면의 내접원에 의해 형성된 상위 베이스와 전열판(21)의 다른 면의 외접원에 의해 형성된 하위 베이스를 갖는 원추 받침대의 모선이 하위 베이스에 대해서 이루는 각도 θ를 45°부근으로 할 때에, 서브 마운트 부재(30)의 외주가 원추 받침대의 외측에 위치하도록 서브 마운트 부재(30)의 치수를 설정함으로써, LED 칩(10)으로부터 발생한 열을 전열판(21)의 다른 면의 전체에 전도할 수 있고, 열 흐름을 직선으로 흐르게 함으로써 효율적으로 방열할 수 있다.
또한, 본 실시예의 LED 조명 기구에서는, 절연층(90)의 평면 사이즈를 전열판(21)의 평면 사이즈보다 크게 설정하고 있으므로, 절연층(90)과 전열판(21)이 동일한 평면 사이즈로 형성되어 있는 경우에 비해, 금속 재료로 이루어지는 전열판(21)과 금속 부재인 기구 본체(100) 사이의 연면 거리를 증가시킬 수 있고, 낙뢰 서지 저항을 높일 수 있다. 여기에서, 절연층(90)의 두께에 대해서는, 낙뢰 서지 저항의 요구 내압에 따라 두께를 설계할 필요가 있지만, 열저항을 감소시키는 관점으로부터는 가능한 한 얇게 설정하는 것이 바람직하다. 따라서, 절연층(90)에 관해서는, 두께를 설정한 다음, 연면 거리의 요구를 충족하도록 평면 사이즈를 설정하면 된다.
또한, 본 실시예의 LED 조명 기구에서는, 각각의 발광 장치(1)의 프레임(40)이, 밀봉 수지(밀봉부(50)의 재료)와 동일한 선팽창율을 갖는 투광성 재료로서 밀봉 수지의 굴절률 및 탄성률을 밑돌지 않는 투광성 재료에 의해 형성되어 있으므로, 프레임(40)을 금속 재료(Al 등)에 의해 형성하는 경우에 비해, 프레임(40)과 밀봉부(50) 간의 선팽창율 차이를 작게 할 수 있고, 히트 사이클 시험(heat cycle test) 동안의 저온 시에 밀봉부(50)에 공극이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 신뢰성을 높일 수 있고, 또한 프레임(40)에서 광의 반사 손실이 생기는 것을 억제할 수 있어, 광출력을 증가시킬 수 있다.
그리고, 본 실시예에서는, 프레임(40)과 광학 부재(60)가 일체로 형성되어 있지만, 도 9에 나타낸 바와 같이, 프레임(400)과 광학 부재(600)를 별도로 설치해도 된다. 도 9에서, 광학 부재(600)는 밀봉부(50) 측의 볼록 광입사면(600a) 및 볼록 광출사면(600b)을 갖는 양볼록 렌즈를 포함한다. 이 경우, 프레임(400)을 실장 기판(20)에 고착한 다음에, 프레임(400)의 내측에 밀봉 수지를 충전하여(포팅에 의해) 열경화시킴으로써 밀봉부(50)를 형성한다. 그 후, 광학 부재(600)를 밀봉 부(50) 및 프레임(400)에 고착하면 된다.
(실시예 2)
이하, 본 실시예의 LED 조명 기구를 첨부한 도 10 내지 도 17을 참조하여 설명한다.
본 실시예의 LED 조명 기구는 발광 장치(1)의 구조 및 회로 기판(200)의 구조를 제외하고는 그 기본 구성이 실시예 1과 실질적으로 동일하다. 그리고, 실시예 1과 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하여 설명을 생략한다.
본 실시예에서, 발광 장치(1)는, 실시예 1에서 설명한 프레임(40)을 구비하고 있지 않고, LED 칩(10)으로부터 방사된 광의 분배를 제어하는 광학 부재(60)가, 실장 기판(20)과의 사이에 LED 칩(10)을 수용하는 형태로 실장 기판(20)의 한 표면 측에 설치되는 돔 형상으로 형성되어 있으며, LED 칩(10) 및 해당 LED 칩(10)에 전기적으로 접속된 본딩 와이어(14, 14)를 밀봉한 밀봉부(50)가, 광학 부재(60)와 실장 기판(20)으로 둘러싸인 공간에 충전되어 있으며, 색변환 부재(70)가, 실장 기판(20)의 한 표면 측 상의 광학 부재(60)의 광출사면(60b) 사이에 공기층(80)이 형성되도록 제공되어 있다.
또한, 본 실시예에서는, 실장 기판(20)의 배선 기판(22)으로서, 폴리이미드 필름으로 이루어진 절연성 베이스(22a)의 한 표면 측에 전력 공급용의 한 쌍의 도체 패턴(23, 23)이 형성된 가요성 인쇄 배선 기판을 채용하고 있다.
본 실시예에서, 배선 기판(22)의 각각의 도체 패턴(23, 23)은, 절연성 베이스(22a)의 외주의 반보다 약간 작은 외주를 갖도록 형성되어 있다. 또, 절연성 베이스(22a)의 재료로서는, FR4, FR5, 종이 페놀 등을 채용해도 된다.
레지스트층(26)은, 배선 기판(22)의 개구부(24)의 부근의 2개의 지점에서 각각의 도체 패턴(23, 23)이 노출되고, 배선 기판(22)의 주위부의 1개의 지점에서 각각의 도체 패턴(23, 23)이 노출되도록 패터닝되어 있다. 각각의 도체 패턴(23, 23)은, 배선 기판(22)의 개구부(24) 부근에 노출된 2개의 직사각형 부분으로 이루어진 내측 리드부(단자부)(23a)와, 배선 기판(22)의 주위부에서 노출된 원형의 부분으로 이루어진 외측 리드부(외부 접속용 전극부)(23b)를 갖는다.
또한, 본 실시예에서, 사용된 LED 칩(10)은, 한 표면 측에서 4개의 코너 중 인접하는 2개의 코너에 양극 전극(13a)(도 12 및 도 14a를 참조)이 형성되고, 나머지의 2개의 코너에 음극 전극(13b)이 형성된다. 각각의 양극 전극(13a)이 본딩 와이어(14)를 통해 한쪽의 도체 패턴(23)과 전기적으로 접속되고, 각각의 음극 전극(13b)이 본딩 와이어(14)를 통해 다른 쪽의 도체 패턴(23)과 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 2개의 외측 리드부(23b) 중, LED 칩(10)의 각각의 양극 전극(13a)이 전기적으로 접속되는 외측 리드부(23b)(도 12에서의 우측)에는 "＋"가 표시되고, LED 칩(10)의 각각의 음극 전극(13b)이 전기적으로 접속되는 외측 리드부(23b)(도 12에서의 좌측)에는 "-"가 표시되어 있으므로, 발광 장치(1)에서의 양자의 외측 리드부(23a, 23b)의 극성을 시각적으로 확인할 수 있어, 잘못된 접속을 방지할 수 있다.
본 실시예에서는, 배선 기판(22)의 개구부(24)가 직사각형이며, 도 14a에 나타낸 바와 같이, 직사각형의 개구부(24)의 각 변의 중앙부 부근에 내측 리드부(23a)가 형성되어 있지만, 도 14b에 나타낸 바와 같이, 개구부(24)의 각 변의 한쪽 끝단 부근에 내측 리드부(23a)를 형성함으로써, 본딩 와이어(14)의 전체 길이를 길게 할 수 있고, 밀봉부(50)의 팽창 및 수축에 기인한 본딩 와이어(14)의 단선이 발생이 어렵게 되어 신뢰성이 향상될 수 있다.
본 실시예에서, LED 칩(10)은 결정 성장용 기판으로서 6H-SiC 기판을 사용한 청색 LED 칩이며, 실시예 1과 마찬가지로 서브 마운트 부재(30)의 재료로서 열전도율이 비교적 높고 또한 절연성을 갖는 AlN을 채용하고 있다. 그러나, 서브 마운트 부재(30)의 재료는 AlN으로 한정되지 않고, 선팽창율이 6H-SiC(결정 성장용 기판의 재료)에 비교적 근접하고 또한 열전도율이 비교적 높은 재료이면 되고, 예컨대 복합 SiC, Si, Cu, CuW 등을 채용해도 된다.
또한, 본 실시예에서도, 발광 장치(1)의 서브 마운트 부재(30)의 두께 치수를, 서브 마운트 부재(30)의 표면이 배선 기판(22)의 레지스트층(26)의 표면보다 전열판(21)으로부터 더 멀어지도록 설정하고 있다. 따라서, LED 칩(10)으로부터 측방에 방사된 광이 배선 기판(22)의 개구부(24)의 내주면을 통해 배선 기판(22)에 흡수 되는 것을 방지할 수 있다. 실시예 1에서와 마찬가지로, 서브 마운트 부재(30)에서 LED 칩(10)이 접합되는 측의 표면상의 LED 칩(10)과의 접합 부위의 주위에, LED 칩(10)으로부터 방사된 광을 반사하는 반사막을 형성하면, LED 칩(10)의 측면으로부터 방사된 광이 서브 마운트 부재(30)에 흡수되는 것을 방지할 수 있어, 외부에의 광 인출 효율을 더욱 높이는 것이 가능하게 된다.
광학 부재(60)는, 실시예 1과 마찬가지로 투광성 재료(실리콘 등)에 의해 형성되어 있지만, 실시예 1에서는 평볼록 렌즈의 형태로 형성되어 있음에 비하여, 돔 형태로 형성되어 있다. 본 실시예에서, 광학 부재(60)의 광출사면(60b)은, 광입사면(60a)으로부터 입사된 광을 광출사면(60b)과 전술한 공기층(80)의 계면에서 전반사시키지 않는 볼록면의 형태로 형성되어 있고, LED 칩(10)과 광축이 일치하도록 배치되어 있다. 따라서, LED 칩(10)으로부터 방사되어 광학 부재(60)의 광입사면(60a)에 입사된 광이 광출사면(60b)과 공기층(80)의 계면에서 전반사되지 않고 색변환 부재(70)에 도달하기가 용이하게 되어, 전체 광속(total luminous flux)을 높일 수 있다. 그리고, LED 칩(10)의 측면으로부터 방사된 광은 밀봉부(50)를 투과한 후에 광학 부재(60) 및 공기층(80)을 투과한 다음 색변환 부재(70)에 도달하여, 색변환 부재(70)의 형광체를 여기시키거나 또는 형광체에 충돌하지 않고 색변환 부재(70)를 통과한다. 또한, 광학 부재(60)는 모든 위치에서 법선 방향을 따라 두께가 일정하도록 형성되어 있다.
색변환 부재(70)는 내면(70a)이 광학 부재(60)의 광출사면(60b)을 따르도록 형성되어 있다. 따라서, 광학 부재(60)의 광출사면(60b)의 모든 위치에서 법선 방향에서의 광출사면(60b)과 색변환 부재(70)의 내면(70a) 사이의 거리가 실질적으로 일정하도록 되어 있다.
발광 장치(1)는 이하의 방법에 의해 제조될 수 있다. 예컨대, LED 칩(10)과 각각의 도체 패턴(23, 23)을 각각 2개의 본딩 와이어(14)를 통해 전기적으로 접속한 후, 도 12에 나타낸 바와 같이 디스펜서(400)의 노즐(401)의 선단부를 배선 기판(22)의 개구부(24)에 연속하여 형성되어 있는 수지 주입 구멍(28)에 맞추고, 서브 마운트 부재(30)와 배선 기판(22) 사이의 공간에 밀봉부(50)의 일부인 액상의 밀봉 수지(실리콘 수지)를 주입하여 경화시킨다(도 13에 밀봉 수지로 이루어진 수지부(50d)가 도시되어 있음). 그 후, 돔 형상의 광학 부재(60)의 내측에 전술한 밀봉부(50)의 나머지 부분인 액상의 밀봉 수지(실리콘 수지)를 주입하고나서, 광학 부재(60)를 실장 기판(20)의 소정 위치에 배치하여 밀봉 수지를 경화시킴으로써, 밀봉부(50)를 형성하는 한편, 광학 부재(60)를 실장 기판(20)에 고착하고, 그 후, 색변환 부재(70)를 실장 기판(20)에 고착하도록 한 제조 방법이 가능하다. 이와 같은 제조 방법에 의하면, 제조 과정에서 밀봉부(50)에 기포(공극)가 발생하는 것을 억제할 수 있고, 공극에 기인한 본딩 와이어(14)에의 응력 집중의 가능성을 감소시킬 수 있어, 신뢰성을 높일 수 있다. 단, 이와 같은 제조 방법을 채용하는 경우에도, 제조 과정 동안의 밀봉부(50)에 기포(공극)가 발생할 우려가 있으므로, 광학 부재(60)에 액상의 밀봉 수지를 넉넉하게 주입할 필요가 있다.
그러나, 이와 같은 제조 방법을 채용한 경우, 광학 부재(60)를 실장 기판(20)의 상기 소정 위치에 배치할 때에 액상의 밀봉 수지의 일부가 광학 부재(60)와 실장 기판(20)으로 둘러싸인 공간으로부터 넘쳐 흘러나와 레지스트층(26)의 표면 상에 퍼지게 된다. 이와 같이 넘쳐 흘러나온 밀봉 수지는 불필요한 부분을 형성할 수 있으며, 이 불필요한 부분은 광의 흡수 또는 불필요한 부분의 요철에 기인한 광의 난반사에 의해 발광 장치(1)의 전체 광 인출 효율을 저하시킬 수 있다.
따라서, 본 실시예의 발광 장치(1)에서는, 실장 기판(20)의 한 표면에서 광학 부재(60)의 환상 에지에 중첩되는 부분과 색변환 부재(70)의 환상 에지에 중첩되는 부분 사이에, 광학 부재(60)와 실장 기판(20)으로 둘러싸이는 공간으로부터 넘쳐 흘러나온 밀봉 수지를 수용하는 복수의 트래핑 홀(27)을, 광학 부재(60)의 외주 방향으로 간격을 두고 형성하고 있다. 이 구조에서, 수지 트래핑 홀(27)은, 배선 기판(22)에 형성된 관통공(27a)과, 전열판(21)에서 관통공(27a)에 대응하는 위치에 형성된 오목부(27b)를 포함한다. 따라서, 배선 기판(22)의 두께를 얇게 하여도, 수지 트래핑 홀(27)의 깊이 치수를 크게 할 수 있어, 비교적 많은 양의 밀봉 수지를 수지 트래핑 홀(27)에 모을 수 있다. 또한, 수지 트래핑 홀(27) 내에서 경화된 밀봉 수지가 LED 칩(10)에서 색변환 부재(70)로의 열전달을 차단하는 단열부로서 기능하여, LED 칩(10)의 발열에 수반하는 색변환 부재(70)의 온도 상승을 억제할 수 있으므로, LED 칩(10)의 발열에 기인한 형광체의 발광 효율의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 발광 장치(1)는, 실장 기판(20)의 한 표면 측에서 광학 부재(60)의 환상 에지에 중첩되는 부분과 색변환 부재(70)의 환상 에지에 중첩되는 부분 사이에 배치되어, 각각의 수지 트래핑 홀(27)을 덮는 링형의 광흡수 방지용 기판(140)을 포함한다. 광흡수 방지용 기판(140)은, 각각의 수지 트래핑 홀(27) 내에 모여진 경화된 밀봉 수지로 이루어지는 수지부에 의한 광흡수를 방지할 수 있다. 여기에서, 광흡수 방지용 기판(140)은, 실장 기판(20) 측의 반대의 표면 측에, LED 칩(10), 색변환 부재(70) 등으로부터의 광을 반사하는 백색계의 레지스트층이 형성되어 있으므로, 광의 흡수를 방지할 수 있다. 광 흡수 방지용 기판(140)은, 광학 부재(60)를 실장 기판(20)의 소정 위치에 배치할 때에 넘쳐 흘러나온 밀봉 수지가 각각의 수지 트래핑 홀(27) 내에 모여진 다음에, 실장 기판(20)의 한 표면 측에 탑재하면 된다. 그 후, 밀봉 수지를 경화시킬 때에 밀봉 수지에 의해 실장 기판(20)에 고착된다. 여기서, 링형의 광 흡수 방지용 기판(140)에는, 각각의 수지 트래핑 홀(27)의 미소 영역을 노출시키는 복수의 노치(notch)(142)가 형성되어 있고, 이로써 수지 트래핑 홀(27) 내의 밀봉 수지를 경화시킬 때에 공극이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이상 설명한 발광 장치(1)에서는, 실장 기판(20)의 한 표면에서 광학 부재(60)의 실장 기판(20) 측의 에지에 중첩되는 부분과 색변환 부재(70)의 실장 기판(20) 측의 에지에 중첩되는 부분 사이에, 수지 트래핑 홀(27)이 형성되어 있으므로, 수지 트래핑 홀(27)에 모여진 밀봉 수지가 색변환 부재(70)를 실장 기판(20)에 고착할 때에 흘러넘치는 것을 방지하고, 실장 기판(20)의 한 표면 상에 넘쳐 흘러나온 밀봉 수지로 이루어지는 불필요한 부분이 형성되는 것을 억제할 수 있기 때문에, 이러한 불필요한 부분에서의 광흡수 또는 불필요한 부분의 요철에 기인한 광의 난반사 등에 의한 광 인출 효율의 저하를 억제할 수 있고, 광출력을 증가시킬 수 있다.
본 실시예의 발광 장치(1)에서는, 복수의 수지 트래핑 홀(27)이 광학 부재(60)의 외주 방향으로 간격을 두고 형성되어 있으므로, 실장 기판(20)의 한 표면에서 광학 부재(60)의 실장 기판(20) 측의 에지에 중첩되는 부분과 색변환 부재(70)의 실장 기판(20) 측의 에지에 중첩되는 부분 사이의 거리를 짧게 하면서도, 실장 기판(20)의 한 표면 상에 밀봉 수지로 이루어지는 불필요한 부분이 형성되는 것을 억제할 수 있고, 또한 도체 패턴(23, 23)이 수지 트래핑 홀(27)에 의해 분리 되는 것을 방지할 수 있어, LED 칩(10)에의 전력 공급 배선의 저저항화를 도모할 수 있다.
또한, 도 16 및 도 17에 나타낸 회로 기판(200)은, 기구 본체(100)의 저벽(100a)에 관통되어 형성되어 있는 삽입공(10Oc)에 삽입 관통된 한 쌍의 전력 공급용 전선(리드선)이 삽입되는 전선 삽입공(206)이 관통되어 형성되어 있고, 전선 삽입공(206)에 삽입된 한 쌍의 전선이 전기적으로 접속되도록 되어 있다. 또한, 회로 기판(200)은, 기구 본체(100)의 저벽(100a) 측의 반대의 표면 측에 백색계의 레지스트층으로 이루어지는 광반사층(203)이 형성되어 있고, 배선 패턴(202)의 대부분이 광반사층(203)에 의해 덮여 있다.
회로 기판(200)은, 각각의 개구부(204)의 개구 사이즈가 발광 장치(1)의 실장 기판(20)의 평면 사이즈보다 약간 크게 설정되어 있다. 본 실시예에 따른 발광 장치(1)의 실장 기판(20)은, 평면에서 볼 때, 4개의 코너에 모따기부를 형성하고 있으며, 각각의 외측 리드부(23b) 부근의 모따기부(도 16에서의 좌우의 모따기부)에 비해 나머지의 2개의 모따기부(도 16에서의 상하의 모따기부)의 곡률 반경이 크게 되어 있다. 따라서, 회로 기판(200)의 한 표면 측에서, 배선 패턴(202)의 형성 가능한 영역의 면적을 크게 할 수 있다. 도 17에 나타낸 바와 같이, 회로 기판(200)에는, 발광 장치(1)의 LED 칩(10)에 과전압이 인가되는 것을 방지하기 위해, 과전압 방지용의 표면 실장형의 제너 다이오드(Zener diode)(231) 및 표면 실장형의 세라믹 콘덴서(232)가 각각의 개구부(204)의 부근에 실장되어 있다.
발광 장치(1)에서, 실장 기판(20)의 각각의 외측 리드부(23b)가 단자판(210)을 통하여 회로 기판(200)의 배선 패턴(202)에 전기적으로 접속되어 있다. 이 구조에서, 단자판(210)은, 가늘고 긴 금속판의 일단부를 L자형으로 구부림으로써 형성되고 배선 패턴(202)과 두께 방향이 일치하는 형태로 납땜 등을 사용하여 접합되는 단자부(211)와, 가늘고 긴 금속판의 타단부를 J자형으로 구부림으로써 외측 리드부(23b)에 두께 방향이 일치하는 형태로 납땜 등을 사용하여 접합되는 단자부(212)를 포함한다. 이 구조는, 기구 본체(100)와 회로 기판(200) 간의 선팽창율 차이에 기인하여 단자판(210)과 외측 리드부(23b)의 접합부 및 단자판(210)과 배선 패턴(202)의 접합부에서 발생하는 응력을 완화시킬 수 있어, 각각의 발광 장치(1)와 회로 기판(200) 간의 접속 신뢰성을 높일 수 있다.
이상 설명한 본 실시예의 LED 조명 기구에 있어서도, 실시예 1과 마찬가지로, 각각의 발광 장치(1)가, 전기 절연성을 갖고 또한 전열판(21)과 기구 본체(100) 사이에서 양자를 열적으로 결합시키는 절연층(90)을 통하여 기구 본체(100)에 접합되어 있으므로, 종래와 같이 LED 유닛의 회로 기판(300)(도 18 및 도 19 참조)과 기구 본체 사이에 "서콘"(등록 상표)과 같은 고무 시트형의 방열 시트 등을 협지한 구성에 비해, LED 칩(10)으로부터 기구 본체(100)까지의 부분의 열저항을 감소시킬 수 있고, 방열성을 향상시키며, 열저항의 변동이 작아져, LED 칩(10)의 정션 온도의 상승을 억제할 수 있으므로, 입력 전력을 증가시켜 광출력의 고출력화를 가능하게 한다.
전술한 각각의 실시예에서는, 절연층(9O)을 각각의 발광 장치(1)마다 설치하고 있지만, 기구 본체(10O)의 저벽(10Oa)보다 약간 작은 1개의 수지 시트를 복수의 발광 장치(1)에 대해서 공용하여도 된다. 광학 부재(60)는 반드시 설치할 필요는 없고, 필요에 따라 설치하도록 하면 된다. 또, LED 칩(10)의 발광색이 발광 장치(1)에 대해 요구되는 색인 경우에는, 색변환 부재(70) 대신에 투광성 재료에 의해 형성되고 형광체를 함유하고 있지 않은 보호 커버를 설치하면 된다. 또한, 기구 본체(100)의 형상도 특별히 한정되지 않고, 예컨대 평판형이어도 좋다. 또한, 상기 각각의 실시예에서는, LED 조명 기구로서 스폿라이트를 예시하고 있지만, 본 발명의 기술 사상을 적용할 수 있는 LED 조명 기구는 스폿라이트로 한정되지 않고, 각종의 LED 조명 기구에 적용 가능하며, 예컨대, 천정재(ceiling member)와 같은 축조재(building element)에 장착하는 실링 라이트(ceiling light) 등에도 적용할 수 있다.

Claims (7)

  1. LED 조명 기구에 있어서,
    - 발광 장치로서,
    LED 칩과,
    열전도성 재료로 이루어지고, 상기 LED 칩이 일표면 측에 실장되는 전열판과,
    상기 일표면 측에 상기 LED 칩에 전기 전력을 공급하기 위한 도체 패턴을 갖고, 상기 전열판의 LED 칩의 실장면(mount-side) 측에 고착되며, 상기 전열판의 상기 LED 칩의 실장면을 노출시키는 노출부가 형성되어 있는 배선 기판과,
    상기 배선 기판의 상기 일표면 측에서 상기 LED 칩을 밀봉하는 밀봉부와,
    상기 LED 칩으로부터 방사되는 광에 의해 여기되어 상기 LED 칩의 발광색과는 상이한 색의 광을 방사하는 형광체 및 투광성 재료로 형성되고, 상기 배선 기판의 상기 일표면 측에서 상기 밀봉부를 둘러싸도록 위치된 돔(dome) 형상의 색변환 부재를 포함하는 발광 장치;
    - 상기 LED 칩을 포함하고 있는 상기 발광 장치를 유지하는 금속 기구 본체; 및
    - 전기 절연성을 갖고, 상기 전열판과 상기 기구 본체 사이에 개재되어 상기 전열판과 상기 기구 본체를 열적으로 결합시키는 절연층
    을 포함하며,
    상기 발광 장치가 상기 절연층을 사이에 두고 상기 기구 본체에 접합되는,
    LED 발광 기구.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발광 장치에서, 상기 LED 칩은, 상기 LED 칩과 상기 전열판 간의 선팽창율의 차이에 기인하여 상기 LED 칩에 가해지는 응력을 완화시키기 위해 이들 사이에 개재되는 서브 마운트 부재를 사이에 두고 상기 전열판에 실장되는, LED 발광 기구.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 서브 마운트 부재는 상기 LED 칩보다 면적이 크며, 상기 LED 칩의 서브 마운트 부재와의 대향면의 내접원에 의해 형성된 상위 베이스(upper base) 및 상기 전열판의 다른 면의 외접원에 의해 형성된 하위 베이스(lower base)를 갖는 원추 받침대(truncated cone)의 외측에 서브 마운트 부재의 외주(rim)가 위치하도록 서브 마운트 부재의 치수가 설정되어 있는, LED 발광 기구.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 원추 받침대는 상기 하위 베이스와 45°의 각도를 이루는 모선(generatrix)을 갖도록 설정되어 있는, LED 발광 기구.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은, 충전재(filler)를 함유하고, 가열 시에 점성이 낮아지는 수지 시트로 형성되는, LED 발광 기구.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 상기 전열판보다 평면 사이즈가 크게 설정되어 있는, LED 발광 기구.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 색변환 부재는, 상기 색변환 부재의 내측에 공기층이 형성되도록 배치되어 있는, LED 발광 기구.
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