KR20100102536A - 광반도체 장치, 소켓, 및 광반도체 유닛 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 광반도체 유닛은 LED 가 제공된 LED 장치 및 LED 장치가 장착되는 소켓을 구비하며, LED 장치는 LED 가 장착되는 본체를 구비하고, 본체는 블록형상의 전극부가 연결되는 제 1 표면을 갖는다.

Description

광반도체 장치, 소켓, 및 광반도체 유닛{OPTICAL SEMICONDUCTOR DEVICE, SOCKET, AND OPTICAL SEMICONDUCTOR UNIT}
본 발명은 광반도체 장치, 광반도체 장치를 장착하기 위한 소켓, 및 광반도체 유닛에 관한 것이다.
이전에는, 전형적인 광반도체 장치로서의 LED (Light Emitting Diode) 장치가 납땜에 의해 기판에 고정되어 사용되었다.
그러나, LED 장치가 기판에 고정되면, LED 장치의 교체는 어렵고 까다롭다. 상기 관점에서, 교체가능한 커넥터 유형의 LED 장치가 JP-A-2001-24216 (특허문헌 1) 및 JP-A-2008-288221 (특허문헌 2) 에 개시된 바와 같이 제안되어 있다.
LED 장치는 필라멘트 등을 사용하는 일반적인 광원에 비해 열을 덜 발생시킨다. 그러나, 최근에, 휘도의 증가에 따라, 구동 전류가 증가되고, 결과적으로 LED 로부터 발생되는 열이 증가되고 있다. 이는, 열 발생이 LED 장치의 온도를 증가시켜 LED 장치의 열화의 원인이 되는 문제를 발생시킨다. 상기 문제를 해결하기 위해서, JP-A-2004-265626 (특허문헌 3) 에 개시된 바와 같이, LED 장치가 있는 전체 기판을 열 싱크와 밀착시켜 냉각시키는 구조를 갖는 LED 소켓이 제안된다.
그러나, 휘도가 증가된 LED 장치가 특허문헌 1 및 2 에 개시된 바와 같이 소형이고 교체가능한 커넥터 유형 구조를 가지면, LED 장치로부터 발생된 열을 충분히 냉각시키는 것은 가능하지 않다. 따라서, LED 장치 자체의 온도가 증가되어 LED 장치 자체의 열화의 원인이 되는 문제가 있다.
한편, 특허문헌 3 에서와 같이, LED 장치를 포함하는 전체 기판을 열 싱크와 접촉시켜 열을 방산 또는 방사시키는 구조에서는, 장치의 크기가 증가되는 문제가 있다. 또한, 기판이 나사에 의해 각각의 소켓에 고정되기 때문에, 교체가 까다롭다는 다른 문제가 있다.
상기 문제의 관점에서, 본 발명의 목적은, 용이하게 교체될 수 있으며, 장치의 크기의 증가 없이 내부에서 발생된 열을 효율적으로 전달할 수 있는 구조의 전극부를 구비하는 광반도체 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적의 달성을 위해, 본 발명의 제 1 양태는 광반도체가 장착되는 본체, 및 외형이 블록 형상이며 본체에 형성된 전극부를 포함하는 광반도체 장치이다.
본 발명의 제 2 양태는 본 발명의 제 1 양태에 따른 광반도체 장치를 장착하는 소켓이며, 상기 소켓은 본체의 열 특성 데이터 이상의 총 열 특성 데이터를 갖는다.
본 발명의 제 3 양태는, 광반도체가 장착되는 본체 및 외형이 블록 형상이며 본체에 형성된 전극부를 구비하는 광반도체 장치, 및 광반도체 장치를 장착하며, 본체의 열 특성 데이터 이상의 총 열 특성 데이터를 갖는 소켓을 포함하는 광반도체 유닛이다.
본 발명의 제 4 양태는, 광반도체가 장착되는 본체, 및 본체에 형성된 전극부를 구비하는 광반도체 장치를 설계하는 방법이며, 이 방법은, (a) 광반도체에 공급되는 입력 전력 및 광반도체의 접합부 온도를 규정하는 단계, (b) 규정된 입력 전력에서 본체의 용적과 광반도체의 온도 사이의 관계를 보여주는 제 1 그래프 및 규정된 입력 전력에서 전극부의 용적과 광반도체의 온도 사이의 관계를 보여주는 제 2 그래프를 얻는 단계, (c) 제 1 그래프 및 제 2 그래프로부터, 접합부 온도에서의 본체 및 전극부의 용적을 계산하는 단계, 및 (d) 본체 및 전극부가 (c) 에서 계산된 용적을 가지도록 본체 및 전극부를 설계하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제 5 양태는 광반도체를 구비하는 광반도체 장치에 연결된 복수의 소켓 단자를 갖는 소켓을 설계하는 방법이며, 이 방법은, (e) 광반도체에 공급되는 입력 전력 및 광반도체의 접합부 온도를 규정하는 단계, (f) 규정된 입력 전력에서 소켓 단자의 용적과 광반도체의 온도 사이의 관계를 보여주는 제 3 그래프를 얻는 단계, (g) 제 3 그래프로부터, 접합부 온도에서의 소켓 단자의 용적을 계산하는 단계, 및 (h) 소켓 단자가 (g) 에서 계산된 용적을 가지도록 소켓 단자를 설계하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 전극부는 외형이 블록 형상을 갖는다. 이런 구조에 의해, 광반도체 장치에서 발생된 열이 전극을 통해 기판에 전달되어 광반도체 장치가 냉각된다. 그러므로, 용이하게 교체될 수 있고, 장치의 크기의 증가 없이 광반도체 장치에서 발생된 열을 효율적으로 전달할 수 있는 구조의 전극부를 구비하는 광반도체 장치를 제공할 수 있다.
도 1 은 기판 (6a) 에 장착되는 광반도체 유닛 (1) 의 사시도이다.
도 2 는 광반도체 유닛 (1) 의 분해 사시도이다.
도 3a 는 제 1 표면 (11) 으로부터 본 LED 장치 (3) 의 사시도이다.
도 3b 는 도 3a 에서의 화살표 3B 로 나타낸 방향에서 본 LED 장치 (3) 의 평면도이다.
도 4a 는 도 1 의 평면 4A-4A 를 따라 취한 광반도체 유닛 (1) 의 단면도이다.
도 4b 는 소켓 단자 (19a, 19b) 의 확대도이다.
도 5 는 LED 장치 (3a) 의 사시도이다.
도 6 은 LED 장치 (3b) 의 사시도이다.
도 7 은 소켓 (5a) 의 사시도이다.
도 8a 는 본체 (7) 의 용적과 접합부 (LED (9)) 온도 사이의 관계를 보여주는 그래프 (제 1 그래프) 이다.
도 8b 는 전극부 (13a, 13b) 의 총 용적과 접합부 (LED (9)) 온도 사이의 관계를 보여주는 그래프 (제 2 그래프) 이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
우선, 도 1 내지 도 4b 를 참조하여, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 광반도체 유닛 (1) 을 설명한다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 광반도체 유닛 (1) 은 LED (9) 가 제공된 광반도체 장치로서의 LED 장치 (3), 및 LED 장치 (3) 가 장착되는 소켓 (5) 을 포함한다.
이후에 상세하게 설명되는 바와 같이, 소켓 (5) 은 땜납 (6b) 에 의해 기판 (6a) 에 고정된다.
LED 장치 (3) 및 소켓 (5) 을 포함하는 광반도체 유닛 (1) 의 일 구성요소로서, LED 장치 (3) 를 도 2 내지 도 3b 를 참조하여 먼저 설명한다.
도 2, 도 3a 및 도 3b 에 도시된 바와 같이, LED 장치 (3) 는 LED (9) 가 장착되는 본체 (7) 를 포함한다.
본체 (7) 의 재료로서, 알루미나 (Al2O3), 알루미늄질화물 (AlN), 또는 실리콘질화물 (SiN) 과 같은 세라믹 재료가 사용되는 것이 바람직하다. 이는, 본체를 위한 재료로서 사용되어 온 유기 재료에 비해 세라믹 재료를 사용하면 열 특성 데이터가 증가될 수 있기 때문이다.
본체 (7) 는, 그 후방 측에, 직사각형 (정사각형) 의 평평한 형상을 가지는 제 1 표면 (11) 을 구비한다. 제 1 표면 (11) 에는, 블록 (block) 형상의 전극부 (13a, 13b) 가 결합부 (23a, 23b) 를 통해 각각 연결된다. 전극부 (13a, 13b) 는 예컨대 금 (Au) 으로 도금된 구리 (Cu) 로 형성된다. 결합부 (23a, 23b) 는 예컨대 연질 땜납, 은 (Ag) 땜납 등으로 형성된다.
도 2, 도 3a 및 도 3b 에 있어서, 각각의 전극부 (13a, 13b) 는 바 (bar) 형의 (bar-like) 형상을 가지며, 그 종방향을 따라 본체 (7) 에 연결된다. 전극부 (13a, 13b) 는 제 1 표면 (11) 의 한 쌍의 측부 (8) 를 따라 (이 측부에 평행하게) 배치된다.
전극부 (13a, 13b) 는, 도면에는 도시되지 않았지만 본체 (7) 내측에 배치되는 내부 도전체 (예컨대, Ag, Au 등으로 도금된 Cu) 를 통해 LED (9) 에 전기적으로 연결된다. 전극부 (13a, 13b) 는 LED (9) 에 전력을 공급하는 전력공급 기능 및 LED (9) 의 발광에 의해 발생된 열을 소켓 (5) 에 전달하는 열전달 기능을 모두 갖는다.
소켓 (5) 에 전달된 열은 기판 (6a), 기판 (6a) 에 배치된 열 싱크 (heat sink) (비도시) 등에 의해 방산되거나 방사된다.
각각의 전극부 (13a, 13b) 는 바형의 형상을 갖는다. 이런 구조에 의해, 이하에서 설명되는 바와 같이, LED 장치 (3) 및 소켓 (5) 을 서로 신뢰할 수 있게 연결하는 것이 가능하다. 또한, 전극부의 열 특성 데이터를 증가시키는 것이 가능하다. 결과적으로, LED (9) 에 의해 발생된 열은 효율적으로 전달될 수 있다.
도 3a 에 도시된 바와 같이, 전극부 (13a, 13b) 에는 그 측면에 (종방향으로) 오목부 (25a, 25b) 가 각각 제공된다. 이하에서 오목부 (25a, 25b) 의 기능을 설명한다.
전극부 (13a, 13b) 는 도 3b 에 도시된 바와 같이 제 1 표면 (11) 으로부터 돌출하지 않는 것이 바람직하다.
이는, 전극부 (13a, 13b) 가 제 1 표면 (11) 으로부터 돌출하면 생산성이 저하되기 때문이다.
전극부 (13a, 13b) 의 총 열 특성 데이터는 본체 (7) 의 열 특성 데이터 이상인 것이 바람직하다. 그 이유는 다음과 같다.
상기와 같이, LED (9) 가 발광할 때 발생된 열은 본체 (7), 전극부 (13a, 13b), 및 소켓 (5) 의 소켓 단자 (19a, 19b) (이하에서 설명함) 를 통해 이 순서로 전달되고, 마지막으로 기판 (6a), 또는 기판 (6a) 에 배치된 열 싱크 (비도시) 등으로부터 방산되거나 방사된다.
여기서, 전극부 (13a, 13b) 의 총 열 특성 데이터가 본체 (7) 의 열 특성 데이터보다 더 작으면, LED (9) 가 작동될 때 발생된 열의 전달율이 전극부 (13a, 13b) 에서 제한된다 (즉, 전극부 (13a, 13b) 는 이른바 "열 용기" 가 된다). 이는 열 방산 또는 방사를 막고 LED (9) 열화의 원인이 된다.
상기의 관점에서, 전극부 (13a, 13b) 의 총 열 특성 데이터는 본체 (7) 의 열 특성 데이터 이상인 것이 바람직하다.
전극부 (13a, 13b) 의 총 열 특성 데이터는 본체 (7) 의 열 특성 데이터의 5 배 이내인 것이 바람직하고, 2 배 이내인 것이 더 바람직하다. 이는, 전극부 (13a, 13b) 의 총 열 특성 데이터가 본체 (7) 의 열 특성 데이터의 5 배를 초과하면, 전극부 (13a, 13b) 의 총 열 특성 데이터는 불필요하게 커지게 되고, 전극부 (13a, 13b) 는 크기가 증가되기 때문이다.
다음으로, 소켓 (5) 을 도 2, 도 4a 및 도 4b 를 참조하여 설명한다.
도 2 및 도 4a 에 도시된 바와 같이, 소켓 (5) 은 절연체로 형성된 하우징 (15) 을 포함한다.
하우징 (15) 은 형상이 전극부 (13a, 13b) 에 각각 대응하는 오목부 (17a, 17b) 를 구비한다.
오목부 (17a, 17b) 는 내부에 형성된 복수의 소켓 단자 (19a, 19b) 를 각각 구비한다.
도 2 에는, 11 개의 소켓 단자 (19a) 및 11 개의 소켓 단자 (19b) 가 도시되어 있다.
도 4b 에 도시된 바와 같이, 소켓 단자 (19a, 19b) 는 U 형상을 갖는 U 형상의 부분 (31a, 31b), 및 U 형상의 부분 (31a, 31b) 의 일 단부로부터 연장되고 역 U 형상을 갖는 역 U 형상의 부분 (33a, 33b) 을 각각 포함한다. U 형상의 부분 (31a, 31b) 은 오목부 (17a, 17b) 에 각각 압입되거나 인서트성형된다. 결과적으로, 소켓 단자 (19a, 19b) 는 하우징 (15) 에 고정된다.
역 U 형상의 부분 (33a, 33b) 은 땜납 (6b) 에 의해 기판 (6a) 에 고정된 단부를 갖는다.
U 형상의 부분 (31a, 31b) 의 다른 단부는 U 형상으로부터 안쪽으로 돌출하는 돌출부 (35a, 35b) 를 각각 구비한다.
소켓 단자 (19a, 19b) 는, Au, Pd (팔라듐), Ag, Sn (주석) 등으로 도금된 무산소 구리 (oxygen-free copper) 또는 인청동과 같은 금속으로 형성된다. 적어도 U 형상의 부분 (31a, 31b) 은 금속 스프링을 포함한다.
소켓 단자 (19a, 19b) 는 가능한 높은 열전도도를 갖는 것이 바람직하다. 이는, 높은 열전도도를 갖는 소켓 단자가 LED (9) 의 발광에 의해 발생된 열을 기판 (6a) 에 효율적으로 전달할 수 있기 때문이다. 또한, 높은 열전도도를 갖는 소켓 단자는 자체적으로 열을 대기에 방산 또는 방사시켜, 열 방산 또는 방사에 더 기여한다.
소켓 단자 (19a, 19b) 는 LED 장치 (3) 의 본체 (7) 의 열 특성 데이터 이상의 총 열 특성 데이터를 갖는 것이 바람직하다. 이는, 전극부 (13a, 13b) 의 총 열 특성 데이터에 관하여 기재된 것과 유사한 방식으로, 소켓 단자 (19a, 19b) 가 열 용기가 되는 것이 방지되기 때문이다.
다음으로, 도 1 내지 도 4b 를 참조하여, LED 장치 (3) 와 소켓 (5) 을 서로 연결시키는 방법을 설명한다.
우선, 도 2 에 도시된 상태로부터, LED 장치 (3) 를 도 2 에 화살표 (C) 로 나타낸 방향으로 이동시켜 전극부 (13a, 13b) 를 오목부 (17a, 17b) 에 각각 삽입시킨다.
이 상태에서, 전극부 (13a, 13b) 는 각각 소켓 단자 (19a, 19b) 의 U 형상의 부분 (31a, 31b) 을 눌러 확장시킨다. 이에 응하여, 금속 스프링을 포함하는 U 형상의 부분 (31a, 31b) 은 반발력을 가한다. 결과적으로, 전극부 (13a, 13b) 는 소켓 단자 (19a, 19b) 에 각각 전기적으로 연결된다.
이 경우, 도 4a 에 도시된 바와 같이, 소켓 단자 (19a, 19b) 의 돌출부 (35a, 35b) (도 4b 참조) 는 전극부 (13a, 13b) 의 오목부 (25a, 25b) 에 각각 삽입된다. 결과적으로, 전극부 (13a, 13b) 는 소켓 단자 (19a, 19b) 와 각각 결합되어 소켓 단자 (19a, 19b) 에 고정된다.
광반도체 유닛 (1) 에 있어서, LED 장치 (3) 및 소켓 (5) 은, LED 장치 (3) 를 소켓 (5) 의 상측으로부터 삽입시키고, 금속 스프링을 포함하는 U 형상의 부분 (31a, 31b) 의 반발력으로 바형의 전극부 (13a, 13b) 를 고정시킴으로써 서로 연결된다.
이와 같이, 광반도체 유닛 (1) 에 있어서, 금속 스프링은 전기적인 연결, 열적인 연결, 및 기계적인 고정을 제공하는 역할을 한다.
그러므로, 광반도체 유닛 (1) 은 LED 장치 (3) 의 크기의 증가 없이 LED (9) 에 의해 발생된 열을 효율적으로 전달할 수 있는 구조를 갖는다.
또한, LED 장치 (3) 를 기판 (6a) 에 연결하기 위한 땜납이 불필요하다. 따라서, 열이력으로 인한 연결부에서의 균열의 발생 가능성이 없다.
광반도체 유닛 (1) 에 있어서, LED 장치 (3) 및 소켓 (5) 은 LED 장치 (3) 를 소켓 (5) 에 삽입시키는 것만으로 서로 연결될 수 있다. 따라서, LED 장치 (3) 는 용이하게 교체될 수 있다. LED 장치 (3) 는 장착기 등을 사용하여 자동으로 장착될 수도 있다.
각각의 전극부 (13a, 13b) 는 블록 형상을 가지며, 다수의 소켓 단자 (19a, 19b) 가 제공된다. 이런 구조에 의해, 전극부 (13a, 13b) 및 소켓 단자 (19a, 19b) 는 더 확실하게 연결될 수 있고, 열은 효율적으로 전달될 수 있다.
또한, 소켓 단자 (19a, 19b) 에는 돌출부 (35a, 35b) 가 각각 제공되며, 전극부 (13a, 13b) 에는 오목부 (25a, 25b) 가 각각 제공된다. 이런 구조에 의해, 전극부 (13a, 13b) 및 소켓 단자 (19a, 19b) 는 (1) 열적으로, (2) 전기적으로, 그리고 (3) 기계적으로 더 확실하게 연결될 수 있다.
도 1 에 도시된 광반도체 유닛 (1) 은, 소켓 (5) 의 소켓 단자 (19a, 19b) 를 땜납 (6b) 으로 기판 (6a) 에 연결시키고, 그 후 LED 장치 (3) 를 소켓 (5) 에 삽입시킴으로써 기판 (6a) 에 연결될 수도 있다. 그러나, 결합부 (23a, 23b) 가 땜납 (6b) 보다 융점이 더 높으면, 광반도체 유닛 (1) 은, LED 장치 (3) 가 소켓 (5) 에 예비적으로 삽입되어 거기에 테이핑 처리 (taped) 된 후에, 기판 (6a) 에 연결될 수도 있다.
도 2 에 있어서, 소켓 (5) 에는 직사각형의 평평한 형상을 가지며 오목부 (17a, 17b) 사이에 형성된 구멍 (21) 이 제공된다. 구멍 (21) 은 형성되지 않을 수도 있다. 그러나, 구멍 (21) 이 하우징 (15) 보다 열전도도가 더 높은 재료로 충전되면, 더 높은 열 방사를 달성할 것으로 기대된다. 또한, 구멍 (21) 이 직사각형 형상의 종방향으로 외부까지 하우징 (15) 을 관통하는 관통구멍부 (통기구멍 (21a, 21b)) 를 구비하면, 구멍 (21) 은 또한 환기구멍으로서 기능할 수도 있다.
다음으로, LED 장치 (3) 의 전극부 (13a, 13b) 및 본체 (7), 및 소켓 단자 (19a, 19b) 를 설계하는 방법에 대하여 설명한다.
앞에서 기술한 바와 같이, 전극부 (13a, 13b) 의 총 열 특성 데이터 또는 소켓 단자 (19a, 19b) 의 총 열 특성 데이터는 본체 (7) 의 열 특성 데이터 이상인 것이 바람직하다. 이상적으로는, 전극부 (13a, 13b) 또는 소켓 단자 (19a, 19b) 의 총 열 특성 데이터는 본체 (7) 의 열 특성 데이터와 같은 것이 바람직하다.
상기 열 특성 데이터를 얻는 설계 방법으로서, 간단한 시행착오법을 사용할 수도 있다. 그러나, 더 정확한 분석에 기초한 방법이 있다. 이하에서, 상기 방법을 사용하는 예를 설명한다.
우선, LED (9), 본체 (7), 전극부 (13a, 13b), 및 소켓 단자 (19a, 19b) 의 조건 및 외부 환경의 조건을 규정한다.
구체적으로는, 다양한 값, 예컨대 LED (9) 에 공급된 입력 전력, LED (9) 의 접합부 상한 온도, 본체 (7), 기판 (6a), LED (9), 전극부 (13a, 13b) 및 소켓 단자 (19a, 19b) 각각의 열전도도 및 용적, 대기 온도, 공기의 열전달 계수 등등이 규정된다. 그 후, 열 특성 데이터가 계산된다.
이하의 분석에서, 상기 값은 고정된다.
다음으로, 본체 (7) 의 용적과 LED (9) 의 온도 사이의 관계를 보여주는 제 1 그래프 (도 8a 참조) 가 얻어진다.
구체적으로는, 전극부 (13a, 13b) 및 소켓 단자 (19a, 19b) 가 없는 것으로, 즉 LED (9) 로부터 발생된 열이 본체 (7) 를 통해서만 기판 (6a) 에 전달되는 것으로 가정된다. 그 후, 본체 (7) 의 용적은 변하고, 각각의 용적에 대한 LED (9) 의 접합부 온도가 유한요소법을 사용하여 얻어져 그래프로 그려진다.
유사한 방식으로, 전극부 (13a, 13b) 의 용적과 LED (9) 의 온도 사이의 관계를 보여주는 제 2 그래프 (도 8b 참조) 가 얻어진다.
구체적으로는, 본체 (7) 및 소켓 단자 (19a, 19b) 가 없는 것으로, 즉 LED (9) 에 의해 발생된 열이 전극부 (13a, 13b) 를 통해서만 기판 (6a) 에 전달되는 것으로 가정된다. 그 후, 전극부 (13a, 13b) 의 용적은 변하고, 각각의 용적에 대한 LED (9) 의 접합부 온도가 유한요소법을 사용하여 얻어져 그래프로 그려진다.
유사한 방식으로, 소켓 단자 (19a, 19b) 의 용적과 LED (9) 의 온도 사이의 관계를 보여주는 제 3 그래프 (비도시) 가 얻어진다.
구체적으로는, 본체 (7) 및 전극부 (13a, 13b) 가 없는 것으로, 즉 LED (9) 로부터 발생된 열이 소켓 단자 (19a, 19b) 를 통해서만 기판 (6a) 에 전달되는 것으로 가정된다. 그 후, 소켓 단자 (19a, 19b) 의 용적은 변하고, 각각의 용적에 대한 LED (9) 의 접합부 온도가 유한요소법을 사용하여 얻어져 그래프로 그려진다.
다음으로, 제 1, 제 2 및 제 3 그래프로부터, 규정된 접합부 온도에서의 본체 (7), 전극부 (13a, 13b) 및 소켓 단자 (19a, 19b) 각각의 용적이 계산된다.
이와 같이 계산된 용적에서, 본체 (7), 전극부 (13a, 13b), 및 소켓 단자 (19a, 19b) 의 열 특성 데이터는 서로 같다.
마지막으로, 본체 (7), 전극부 (13a, 13b), 및 소켓 단자 (19a, 19b) 의 치수 및 형상은, 본체 (7), 전극부 (13a, 13b), 및 소켓 단자 (19a, 19b) 가 상기와 같은 용적을 가지도록 설계된다.
상기와 같이, 전극부 (13a, 13b) 또는 소켓 단자 (19a, 19b) 의 총 열 특성 데이터는 본체 (7) 의 열 특성 데이터 이상일 것이 요구된다. 그러므로, 전극부 (13a, 13b) 또는 소켓 단자 (19a, 19b) 는 규정된 접합부 온도에서의 용적보다 더 큰 용적을 가질 수도 있다. 즉, 전극부 (13a, 13b) 또는 소켓 단자 (19a, 19b) 의 용적은 규정된 접합부 온도에서의 용적 이상이어야 한다.
상술한 것은 LED 장치 (3) 의 전극부 (13a, 13b) 및 본체 (7), 및 소켓 단자 (19a, 19b) 를 설계하는 방법이다.
상기와 같이, 제 1 실시형태에 따르면, 광반도체 유닛 (1) 은 LED (9) 가 제공된 LED 장치 (3), 및 LED 장치 (3) 를 위에 장착하기 위한 소켓 (5) 을 포함한다. LED 장치 (3) 및 소켓 (5) 은 소켓 (5) 의 소켓 단자 (19a, 19b) 의 반발력으로 LED 장치 (3) 의 블록형상의 전극부 (13a, 13b) 를 고정시킴으로써 서로 연결된다.
그러므로, 장치의 크기의 증가 없이, 장치에서 발생된 열을 효율적으로 전달하는 것이 가능하다.
또한, LED 장치 (3) 를 기판 (6a) 에 연결하기 위한 땜납이 불필요하다. LED 장치 (3) 및 소켓 (5) 은 수동으로 또는 자동으로 서로 용이하게 연결될 수도 있고, LED 장치 (3) 는 용이하게 교체될 수 있다.
또한, 전극부 (13a, 13b) 또는 소켓 단자 (19a, 19b) 의 총 열 특성 데이터는 LED 장치 (3) 의 본체 (7) 의 열 특성 데이터 이상이다. 결과적으로, 전극부 (13a, 13b) 또는 소켓 단자 (19a, 19b) 는 열 용기가 되는 것이 방지된다.
또한, 소켓 단자 (19a, 19b) 에는 돌출부 (35a, 35b) 가 각각 제공되며, 전극부 (13a, 13b) 에는 오목부 (25a, 25b) 가 각각 제공된다. 이런 구조에 의해, 전극부 (13a, 13b) 및 소켓 단자 (19a, 19b) 를 확실하게 연결하는 것이 가능하다.
다음으로, 도 5 를 참조하여, 본 발명의 제 2 실시형태를 설명한다.
제 2 실시형태에 있어서, 제 1 실시형태의 각각의 전극부는 축방향으로 직사각형 프리즘 형상의 복수의 전극 부재로 분할된다.
도 5 에 도시된 바와 같이, LED 장치 (3a) 는 각각 축방향으로 직사각형 프리즘 형상의 복수의 전극 부재로 분할되는 전극부 (71a, 71b) 를 포함한다.
이는, 때때로 LED 장치 (3a) 의 멀티컬러 기능 등을 달성하기 위해 복수의 LED 를 개별적으로 구동시킬 필요가 있기 때문이다.
따라서, LED 장치 (3a) 는 각각의 전극부 (71a, 71b) 가 축방향으로 복수의 전극 부재로 분할되는 전극 구조를 갖는다. 이런 구조에 의해, LED 장치 (3a) 는 멀티컬러 LED 또는 복수의 모노컬러 LED 가 장착되는 경우에 적용될 수 있다.
예컨대, LED 장치 (3a) 가 3 개의 LED 요소 (R, G, B) 를 포함하는 경우, 도 5 에 도시된 바와 같이 6 개의 전극 부재를 구비하는 LED 장치 (3a) 가 요구된다 (이 경우, 각각의 컬러를 위해 애노드 및 캐소드 단자가 필요하고, 그러므로 총 6 개의 전극 부재가 요구됨).
다음으로, 도 6 을 참조하여, 본 발명의 제 3 실시형태를 설명한다.
제 3 실시형태에 있어서, 제 1 실시형태의 각각의 전극부는 축방향에 직교하는 단면이 갈고리 형상인 판 재료로 형성된다.
제 3 실시형태에 있어서, 제 1 실시형태의 구성요소와 기능이 유사한 구성요소는 동일한 참조부호로 나타내며 여기서는 그 설명을 생략한다.
도 6 에 도시된 바와 같이, LED 장치 (3b) 는 각각 축방향 (종방향) 에 직교하는 단면이 갈고리 형상인 전극부 (41a, 41b) 를 포함한다.
상기 형상은 예컨대 판 재료를 프레스 처리 (pressing) 함으로써 얻어진다.
따라서, 전극부는, 외형이 블록 형상인 한, 예컨대 단면이 갈고리 형상인 중공 형상을 가질 수도 있다.
도 6 에 있어서, 각각의 전극부는 단면이 갈고리 형상이지만, 단면은 U 형상 등일 수도 있다.
상기와 같이, 제 3 실시형태에 있어서, LED 장치 (3b) 의 각각의 전극부 (41a, 41b) 는 축방향 (종방향) 에 직교하는 단면이 갈고리 형상이며, 제 1 실시형태의 효과와 유사한 효과를 나타낸다.
다음으로, 도 7 을 참조하여, 본 발명의 제 4 실시형태를 설명한다.
제 4 실시형태에 있어서, 소켓 (5a) 은 제 1 실시형태에 비해 폭이 각각 증가된 4 개의 소켓 단자 (43a) 및 4 개의 소켓 단자 (43b) 를 구비한다.
제 4 실시형태에 있어서, 제 1 실시형태의 구성요소와 기능이 유사한 구성요소는 동일한 도면부호로 나타내며, 여기서는 그 설명을 생략한다.
도 7 에 도시된 바와 같이, 소켓 (5a) 은 오목부 (17a, 17b) 에 각각 소켓 단자 (43a, 43b) 를 포함한다.
도 7 에 있어서, 4 개의 소켓 단자 (43a) 및 4 개의 소켓 단자 (43b) 가 형성되어 있으며, 각각의 소켓 단자는 제 1 실시형태의 각각의 소켓 단자 (19a, 19b) 보다 폭이 더 크다.
상기와 같이, 소켓 단자의 수 및 폭은 제 1 실시형태의 소켓 단자의 수 및 폭으로 제한되지 않는다.
폭이 증가된 소켓 단자는 전극부 (13a, 13b) 와의 접촉 면적을 증가시키므로, 열 방산 또는 방사에 기여한다. 또한, 소켓 단자의 폭에 비례하여, 스프링의 반발력 또한 증가된다. 따라서, 더 강한 고정 강도를 달성할 수 있다.
상기와 같이, 제 4 실시형태에 따르면, 소켓 (5a) 의 각각의 소켓 단자 (43a, 43b) 는 제 1 실시형태의 각각의 소켓 단자 (19a, 19b) 보다 폭이 더 크다. 결과적으로, 제 4 실시형태는 제 1 실시형태에 비해 열 방산 또는 방사 및 고정 강도에 있어서 더 효과적이다.
실시예
이하, 본 발명을 특정 실시예와 관련하여 더 상세하게 설명한다.
(실시예 1)
제 1 실시형태에 기재된 유한요소법을 사용하는 설계 방법에 따라, LED 장치 (3) 의 전극부 (13a, 13b) 및 본체 (7) 의 용적은 열 특성 데이터를 최적화시키도록 계산되었다.
LED (9) 는 1 ㎟ 의 크기 및 0.1 ㎜ 의 높이를 가졌다. LED (9) 의 열전도도 및 LED (9) 에 공급된 입력 전력은 각각 (상온에서) 42 W/mK 및 1 W 였다.
LED (9) 의 접합부 온도는 200 ℃ 였고, 기판 (6a) 은 50 ㎟ 의 크기 및 0.8 ㎜ 의 두께를 갖는 유리-에폭시 기판 (FR-4) 이었다.
본체 (7) 의 재료로서, Al2O3 (18 W/mK 의 열전도도를 가짐) 이 사용되었다. 전극부 (13a, 13b) 의 재료로서, 무산소 구리 (390 W/mK 의 열전도도를 가짐) 가 사용되었다. 그 후, 본체 (7) 의 용적과 LED (9) 의 온도 사이의 관계 및 전극부 (13a, 13b) 의 용적과 LED (9) 의 온도 사이의 관계가 유한요소법에 의해 얻어졌다.
결과를 표 1 에 나타낸다.
본체 (7) 의 용적과 LED (9) 의 온도 사이의 관계는 도 8a 에 그래프 (제 1 그래프) 로 도시되어 있으며, 전극부 (13a, 13b) 의 용적과 LED (9) 의 온도 사이의 관계는 도 8b 에 그래프 (제 2 그래프) 로 도시되어 있다.
Figure pat00001
표 1 로부터, 본체 (7) 가 27 ㎣ 의 용적을 가질 때, 그리고 전극부 (13a, 13b) 가 1.73 ㎣ 의 용적을 가질 때, LED (9) 는 대략 200 ℃ 의 접합부 온도를 갖는다. 따라서, 본체 (7) 및 전극부 (13a, 13b) 가 상기 용적을 가지도록 설계될 때, 본체 (7) 및 전극부 (13a, 13b) 의 열 특성 데이터는 서로 같고, 열 특성 데이터는 최적화된다.
(실시예 2)
제 1 실시형태에 기재된 유한요소법을 사용하는 설계 방법에 따라, 제 1 실시형태에 따른 소켓 (5) 이 사용되었을 때와 제 4 실시형태에 따른 소켓 (5a) 이 사용되었을 때의 LED (9) 의 접합부 온도 사이를 비교하였다.
구체적으로는, 소켓 (5) 의 11 개의 소켓 단자 (19a) 및 11 개의 소켓 단자 (19b) 각각은 0.2 ㎜ 의 폭을 가졌으며, 이 소켓 단자는 서로 0.2 ㎜ 의 간격으로 배치되었다. 한편, 소켓 (5a) 의 4 개의 소켓 단자 (43a) 및 4 개의 소켓 단자 (43b) 각각은 0.91 ㎜ 의 폭을 가졌으며, 이 소켓 단자는 서로 0.2 ㎜ 의 간격으로 배치되었다. 이런 모든 소켓 단자에 대해서, 각각의 소켓 단자의 폭 방향에 직교하는 방향의 접촉 길이는 0.92 ㎜ 였다.
소켓 단자 재료로서, 인청동 (63 W/mK 의 열전도도를 가짐) 및 구리 합금 (264 W/mK 의 열전도도를 가짐) 이 사용되었다. 다른 조건 (LED (9) 등의 조건) 은 제 1 실시예의 조건과 유사했다. 그 후, 접합부 온도가 얻어졌다. 결과를 표 2 에 나타낸다.
Figure pat00002
표 2 로부터, 소켓 (5a) 이 더 낮은 접합부 온도를 갖는다는 것을 알 수 있다. 따라서, 소켓이 서로 길이가 같을 때, 더 큰 폭을 갖는 소켓 단자가 열 방산 또는 방사에 더 많이 기여한다.
상술한 바로부터, 제 1 실시형태에 기재된 유한요소법을 사용하는 설계 방법에 따르면, LED 장치 (3) 의 전극부 (13a, 13b) 및 본체 (7), 및 소켓의 소켓 단자는 열 용기가 되는 것이 방지되고, 열 방산 또는 방사에 기여하도록 최적화된다.
상기 실시형태에 있어서, 본 발명은 LED (9) 가 장착되는 광반도체 유닛 (1) 에 적용된다. 그러나, 본 발명은 이것으로 제한되지 않으며, 발광하는 광반도체 요소가 장착되는 다양한 구조에 적용될 수 있다.
구체적으로는, 본 발명은 또한 예컨대 반도체 레이저가 장착되는 광반도체 장치에 적용될 수 있다.
또한, 본 발명의 광반도체 유닛은 일반적으로 조명 장치, 예컨대 가로등, 백라이트, 및 차량 램프에 적용될 수 있다.
1 광반도체 유닛
3 LED 장치
5 소켓
7 본체
9 LED

Claims (15)

  1. 광반도체가 장착되는 본체, 및
    본체에 형성된 전극부를 포함하며,
    상기 전극부는 외형이 블록 형상인 광반도체 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극부는 외형이 바형의 형상이고, 그 종방향을 따라 본체에 연결되는 광반도체 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전극부는 외형이 직사각형 프리즘 형상인 복수의 전극 부재로 분할되는 광반도체 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전극부는 그 축방향에 직교하는 단면이 U 형상 또는 갈고리 형상인 광반도체 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전극부는 그 측면을 따라 오목부를 구비하는 광반도체 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 본체는 직사각형의 평평한 형상을 갖는 제 1 표면을 가지며,
    상기 전극부는 제 1 표면의 평면 내에 배치되는 광반도체 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전극부는 본체의 열 특성 데이터 이상의 총 열 특성 데이터를 갖는 광반도체 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전극부는 본체의 열 특성 데이터의 5 배 이하의 총 열 특성 데이터를 갖는 광반도체 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 광반도체는 LED 또는 반도체 레이저인 광반도체 장치.
  10. 제 1 항의 광반도체 장치를 위에 장착하는 소켓으로서, 상기 소켓은 본체의 열 특성 데이터 이상의 총 열 특성 데이터를 갖는 소켓.
  11. 제 10 항에 있어서,
    전극부가 삽입되는 오목부가 제공된 하우징, 및
    오목부에 배치되고 전극부에 연결되는 복수의 소켓 단자를 포함하며,
    상기 소켓 단자는 본체의 열 특성 데이터 이상의 총 열 특성 데이터를 갖는 소켓.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 소켓 단자는 금속 스프링을 포함하는 소켓.
  13. 광반도체가 장착되는 본체 및 본체에 형성되고 외형이 블록 형상인 전극부를 구비하는 광반도체 장치, 및
    광반도체 장치를 장착하며, 본체의 열 특성 데이터 이상의 총 열 특성 데이터를 갖는 소켓을 포함하는 광반도체 유닛.
  14. 광반도체가 장착되는 본체, 및 본체에 형성된 전극부를 구비하는 광반도체 장치를 설계하는 방법으로서,
    (a) 광반도체에 공급되는 입력 전력 및 광반도체의 접합부 온도를 규정하는 단계,
    (b) 규정된 입력 전력에서 본체의 용적과 광반도체의 온도 사이의 관계를 보여주는 제 1 그래프 및 규정된 입력 전력에서 전극부의 용적과 광반도체의 온도 사이의 관계를 보여주는 제 2 그래프를 얻는 단계,
    (c) 제 1 그래프 및 제 2 그래프로부터, 접합부 온도에서의 본체 및 전극부의 용적을 계산하는 단계, 및
    (d) 본체 및 전극부가 (c) 에서 계산된 용적을 가지도록 본체 및 전극부를 설계하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 광반도체를 구비하는 광반도체 장치에 연결된 복수의 소켓 단자를 갖는 소켓을 설계하는 방법으로서,
    (e) 광반도체에 공급되는 입력 전력 및 광반도체의 접합부 온도를 규정하는 단계,
    (f) 규정된 입력 전력에서 소켓 단자의 용적과 광반도체의 온도 사이의 관계를 보여주는 제 3 그래프를 얻는 단계,
    (g) 제 3 그래프로부터, 접합부 온도에서의 소켓 단자의 용적을 계산하는 단계, 및
    (h) 소켓 단자가 (g) 에서 계산된 용적을 가지도록 소켓 단자를 설계하는 단계를 포함하는 방법.
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