KR20110046440A - 조명용 광원 - Google Patents

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KR20110046440A
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ceramic
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mounting substrate
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사토시 시다
겐지 다카하시
미츠히토 미야자키
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파나소닉 주식회사
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Abstract

광의 인출효율의 저하를 억제하면서 방열특성이 양호한 조명용 광원을 제공한다. 탑재기판과, 탑재기판에 탑재된 LED(25)와, LED(25)로부터 출사된 광의 파장을 변환하는 형광체 입자를 함유하는 실리콘 수지 성형체(26)를 구비한다. 탑재기판은 금속기판(23)을 투광성 또는 고 반사성 세라믹스 입자를 포함하는 세라믹스 층(24)으로 피복하여 이루어진다.

Description

조명용 광원{LIGHT SOURCE FOR LIGHTING}
본 발명은 LED 등의 발광소자를 이용한 조명용 광원에 관한 것으로, 특히, 발광소자로부터 출사된 광의 인출효율을 개선하는 기술에 관한 것이다.
최근 지구환경에 대한 배려에서 LED 등의 발광소자를 조명용 광원에 적용하는 기술이 제안되고 있다. 조명에 이용하는 백색광원으로는 현재로는 탑재기판에 청색 LED를 탑재하고, 황색 형광체를 함유하는 실리콘 수지로 그 청색 LED를 피복한 LED 모듈이 상정되어 있다. LED를 탑재하는 탑재기판으로는 수지기판 또는 세라믹스 기판이 채용되는 것이 대부분이다. 또한, 수지 기판 및 세라믹스 기판 모두 LED로부터 출사된 광을 가능한 한 외부에 인출하기 위해서 기판 표면의 광 반사율이 높은 것을 이용하는 것이 바람직한 것으로 되어 있다.
특허문헌 1 : 일본국 특개 2003-277479호 공보
그러나 수지 기판은 카메라의 플래시 광원 등의 단시간 발광용도에는 적합하나, 조명용 광원 등의 장시간 발광용도에는 적합하지 않다. 그 이유로는 수지 기판은 방열특성이 나쁘고, LED에 흘릴 수 있는 전류가 제한되어서 장시간 고휘도로 발광시키기가 곤란하며, 또한 LED의 발열 등의 영향에 의해 기판 표면이 황변(黃變)하여 기판 표면의 광 반사율이 저하하는 것을 들 수 있다.
한편, 세라믹스 기판은 LED의 발열 등의 영향에 의한 광 반사율 저하의 문제는 없으나, 기계적인 충격에 약하기 때문에 취급에 주의를 필요로 한다고 하는 결점을 갖는다. 또, 세라믹스 기판의 방열특성은 수지 기판의 방열특성에 비해서는 높으나, 조명용 광원과 같이 장시간이면서 고휘도로 발광시키는 용도에는 충분하다고는 말하기 어렵다. 또, 수지 기판에 비하여 비용이 약 5배 든다.
그래서 본 발명은 양호한 방열특성을 가지면서, 양호한 광 인출효율을 유지할 수 있는 조명용 광원을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 조명용 광원은, 탑재기판과, 상기 탑재기판에 탑재된 발광소자와, 상기 발광소자로부터 출사된 광의 파장을 변환하는 파장변환 부재를 구비하고, 상기 탑재기판은 금속기판을 투광성 세라믹스 입자 또는 고 반사 세라믹스 입자를 포함하는 세라믹스 층으로 피복하여 이루어진다.
상기 구성에 의하면 금속기판을 기재(基材)로 하고 있으므로 양호한 방열특성을 얻을 수 있다. 또, 금속기판에는 투광성 세라믹스 입자 또는 고 반사 세라믹스 입자를 포함하는 세라믹스 층이 피복되어 있고, 이 세라믹스 층이 광의 반사 층으로서 기능한다. 따라서, 발광소자의 발열 등의 영향에 의해 기판 표면이 황변하여 광 반사율이 저하하는 일은 없으므로 양호한 광 인출효율을 유지할 수 있다. 또, 금속기판상에 세라믹스 층을 피복함으로써 절연성을 확보하는 동시에, 비용도 세라믹스 기판에 비하여 약 1/5로 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 조명용 광원의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 관한 LED 모듈의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 관한 탑재기판의 일부를 확대하여 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 반사재 재질별(알루미나)의 분광반사율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 반사재 재질별(백 레지스트)의 분광반사율을 나타내는 그래프이다.
도 6은 반사재 재질별(BT기판)의 분광반사율을 나타내는 그래프이다.
도 7은 반사재 재질별(Al표면 거칠기화 무)의 분광반사율을 나타내는 그래프이다.
도 8은 반사재 재질별(Al표면 거칠기화 유)의 분광반사율을 나타내는 그래프이다.
도 9는 반사재 재질별(Ag도금, Cu-Ni-Ag)의 분광반사율을 나타내는 그래프이다.
도 10은 반사재 재질별(Ag도금, Cu-Ag)의 분광반사율을 나타내는 그래프이다.
도 11은 반사재 재질별(Au도금)의 분광반사율을 나타내는 그래프이다.
도 12는 반사재 재질별 초기 시 및 열 열화 후의 분광반사율을 나타내는 테이블이다.
도 13은 본 발명의 제 1 변형 예에 관한 LED 모듈의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 14는 본 발명의 제 2 변형 예에 관한 LED 모듈의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 15는 본 발명의 제 3 변형 예에 관한 LED 모듈의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 16은 본 발명의 제 4 변형 예에 관한 LED 모듈의 구성을 나타내는 도면이며, (a)는 A-A 단면도, (b)는 LED 모듈을 이면에서 본 도면이다.
본 발명을 실시하기 위한 가장 바람직한 형태를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
<구성>
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 조명용 광원의 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시형태에서는 E형 베이스를 갖는 전구 대체의 조명용 광원을 예로 하여 설명한다.
조명용 광원(1)은 E형 베이스(15)를 돌출 설치한 케이스(11), 케이스(11)에 수용된 전원회로(12), 케이스(11)에 고정된 히트 싱크(16), 히트 싱크(16)의 상면에 설치된 탑재기판(21), 탑재기판(21)의 상면에 탑재된 발광부(22), 히트 싱크(16)에 고정되고 탑재기판(21)의 상방을 덮는 글로브(17)를 구비하고 있다. 전원회로(12)는 프린트 배선판(13)에 각종 전자부품(14)이 탑재되어 있고, E형 베이스(15)를 통해서 공급된 상용전력을 발광부(22)에 공급하는 기능을 갖는다. 전원회로(12) 및 발광부(22)는 예를 들어 히트 싱크(16)의 관통 공에 도입된 배선을 통해서 전기적으로 접속되어 있다. 히트 싱크(16)는 예를 들어 알루미늄을 양극처리(anodizing) 가공한 것이며, 탑재기판(21)에 면 접촉하고 있다. 탑재기판(21) 및 발광부(22)는 LED 모듈을 구성하고 있다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 관한 LED 모듈의 구성을 나타내는 단면도이다.
탑재기판(21)은 금속기판(23) 및 세라믹스 층(24)으로 구성되어 있다. 발광부(22)는 발광소자인 LED(25) 및 파장변환 부재인 실리콘 수지 성형체(26)로 구성되어 있다. LED(25)는 청색 광(피크 파장이 460㎚±10㎚ 정도)을 출사하는 이른바 청색 LED이다. 실리콘 수지 성형체(26)는 청색 광을 흡수하여 황색 광을 방출하는 황색 형광체를 함유하고 있다. LED(25)는 세라믹스 층(24)의 상면에 배치되어서 접합재(31)에 의해 고착되어 있다. 또한, LED(25)와 세라믹스 층(24)은 직접 접촉시키는 것으로 해도 좋고, 열 전도성 페이스트 등을 개재시켜서 접촉시키는 것으로 해도 좋다. 세라믹스 층(24)의 상면에는 LED(25) 이외에 배선 패턴(32)이 설치되어 있고, LED(25) 상면의 패드(33)와 배선 패턴(32)이 와이어(34)에 의해 전기적으로 접속되어 있다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 관한 탑재기판의 일부를 확대하여 모식적으로 나타내는 단면도이다.
금속기판(23)은 예를 들어 알루미늄이나 동 등의 금속재료, 또는 금속재료를 주성분으로 하는 복합재료로 이루어지며, 기판의 두께는 0.1㎜ 이상 5.0㎜ 이하이다.
세라믹스 층(24)은 투광성 또는 고 반사의 세라믹스 입자(27)의 집합체로 구성되고, 층 두께는 10㎛ 이상 200㎛ 이하이다. 또, 세라믹스 입자의 입경은 0.5㎛ 이상 50㎛ 이하이다. 투광성 또는 고 반사의 세라믹스 재료로는 예를 들어 산화알루미늄(알루미나 :Al2O3), 산화실리콘(SiO2, SiO), 산화주석(SnO, SnO2), 산화탄탈(Ta2O5), 산화이트륨(Y2O3) 등의 산화물을 들 수 있다. 이들을 1종류만 이용해도 좋고, 2종류 이상 혼합하여 이용해도 상관없다. 세라믹스 입자(27)는 단체(單體)에서는 투광성을 갖고, 집합체에서는 입자에 의한 광의 산란에 의해 양호한 광 반사특성을 갖는다. 세라믹스 층(24)은 세라믹스 입자(27)의 집합체이므로 양호한 반사특성을 갖는다. LED(25)로부터 출사된 광 중 탑재기판(21)으로 향하는 광은 대부분이 금속기판(23)까지 도달하지 않고 세라믹스 층(24)에서 반사된다.
또, 금속기판(23) 및 세라믹스 층(24)은 접착제 등의 물질을 개재시키지 않고 결정립끼리의 원자 간 힘에 의해 결합하고 있다. 이와 같은 구성은 금속기판에 투광성의 세라믹스 입자를 용사(溶射, thermal spraying)하여 금속기판 표면에 세라믹스 용사 피막을 형성하는 방법이나, 금속기판에 세라믹스 박막을 압접(壓接, pressure welding)한 상태에서 금속기판의 용융온도 미만의 열처리를 하는 방법 등에 의해 실현할 수 있다.
상기한 탑재기판(21)에서는 열전도율이 높은 금속기판(23)을 기재로 하고 있으므로 종래의 수지 기판이나 세라믹스 기판에 비해 양호한 방열특성을 갖는다. 예를 들어 금속기판의 열전도율은 236W/m·K(알루미늄)나 390W/m·K(동)인데 비해 종래의 수지 기판 및 세라믹스 기판의 열전도율은 각각 0.5W/m·K(BT기판 : 비스말레이미드·트리아진(bismaleimide ·triazine)), 33W/m·K(알루미나)이다.
또, 상기 탑재기판(21)에서는 금속기판(23) 및 세라믹스 층(24)은 결정립끼리의 원자 간 힘에 의해 결합이 되어 있으므로 접착제 등의 물질을 개재시킨 경우에 비해서 금속기판(23)과 세라믹스 층(24)의 계면에서의 열 저항을 낮출 수 있다. 또, 탑재기판(21)에서는 열전도율이 비교적 낮은 세라믹스 층(24)의 두께를 열전도율이 비교적 높은 금속기판(23)의 두께보다 얇게 하고 있으므로 탑재기판(21)의 열 저항을 가능한 한 낮출 수 있다.
또, 상기 탑재기판(21)에서는 세라믹스 층(24)을 광 반사 층으로 하고 있으므로 LED(25)의 발열 등의 영향에 의해 황변하여 광 반사율이 저하하는 일은 없으며, 양호한 광 인출효율을 유지할 수 있다. 또, 탑재기판(21)의 파장 대역 460㎚±10㎚에서의 분광반사율은 70% 이상인 것이 바람직하다. 탑재기판(21)의 분광반사율은 세라믹스 층(24)의 두께, 세라믹스 입자(27)의 재질이나 입경 등을 적절히 조정함으로써 실현할 수 있다. 이하에 탑재기판의 광 반사율에 대하여 검증한다.
<검증>
도 4 내지 도 11은 반사재의 재질별로 분광반사율을 나타내는 그래프이다. 또, 도 12는 반사재의 재질별로 초기 시 및 열 열화 후의 분광반사율을 나타내는 테이블이다.
도 4 내지 도 11의 반사재 재질은 각각 차례로 알루미나, 백 레지스트(대양잉크제조주식회사(Taiyo Ink Manufacturing Co.) 제, PSR-4000LEW1), BT수지(미츠비시 가스화학주식회사(Mitsubishi Gas Chemical Company, Inc.) 제, CCL-L820WDI), 알루미늄(A5052, 표면 거칠기화(surface roughness) 무), 알루미늄(A5052, 표면 거칠기화 유), Ag도금(Cu-Ni-Ag), Ag도금(Cu-Ag), Au도금(Al-Au)이다. 이들 반사재 재질 중 알루미나가 본 발명의 실시 예에 상당하고, 이외의 반사재 재질은 비교 예에 상당한다. 또, 도 4 내지 도 11의 각 도면에는 복수의 데이터가 플롯되어 있다. 이들은 복수의 샘플의 측정결과이다.
도 12의 테이블을 참조하면, 본 발명의 실시 예인 알루미나의 분광반사율(파장 460㎚)은 초기 시에 약 83%로 높고, 또한 열 열화 후에도 약 83%를 유지하고 있다. 파장 460㎚에서의 분광반사율을 평가하고 있는 것은 LED의 출사 광의 피크 파장이 460㎚ 부근이기 때문이다. 한편, 비교 예인 BT수지의 분광반사율은 초기 시에 상기 반사재 재질 중에서 가장 높은 약 87%이지만 열 열화 후에는 약 78% 또는 약 58%까지 저하한다. 또, 백 레지스트의 분광반사율도 초기 시에 약 77%이지만 열 열화 후에는 약 60%까지 저하한다. 비교 예인 Ag도금(Cu-Ni-Ag)의 분광반사율은 초기 시에 약 80%이지만 열 열화 후에는 약 58%, 약 56% 또는 약 50%까지 저하한다. 또한, 도 12의 테이블 중 180℃/1h 등의 표기는 샘플에 인가한 온도(℃)와 시간(hour)을 나타내고 있다.
도 4, 도 5 및 도 6의 그래프로부터 알루미나, 백 레지스트 및 BT수지 모두 가시광의 파장영역에서 80% 이상의 높은 분광반사율을 나타내고 있음을 알 수 있다. 그러나 도 12의 테이블에서는 알루미나는 분광반사율이 열에 의해 열화하지 않는데 반해 백 레지스트 및 BT수지는 분광반사율이 열에 의해 열화해 버리는 것을 알 수 있다. 이는, 세라믹스의 일종인 알루미나는 열에 대해서 잘 변질하지 않으나, 한편, 수지의 일종인 백 레지스트나 BT수지는 열에 대해서 변질하기 쉬운 것에 기인한다고 생각된다.
상기의 측정결과로부터 탑재기판의 반사재 재질에 세라믹스를 채용함으로써 초기 시에 높은 광 인출효율을 얻고, 또한 열 열화 후에도 광 인출효율을 높게 유지할 수 있음을 알 수 있다.
이상, 본 발명에 관한 조명용 광원에 대하여 실시형태에 의거하여 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 이하와 같은 변형 예를 생각할 수 있다.
(1) 실시형태에서는 탑재기판 상면에 배선 패턴을 형성하고 있으나, 배선 패턴을 극력 삭감함으로써 광 인출효율을 향상시키는 것으로 해도 좋다. 예를 들어 도 13에 나타내는 LED 모듈에서는 인접하는 LED(25)끼리를 직접 와이어(34)로 접속하고 있다. 이에 의해 세라믹스 층(24)을 피복하는 배선 패턴의 면적을 삭감할 수 있어서 광 인출효율을 향상시킬 수 있다.
(2) 실시형태에서는 발광소자로 LED를 들고 있으나, 발광 트랜지스터, 유기 EL, 무기 EL 등이라도 적용 가능하다.
(3) 실시형태에서는 파장변환재료로 형광체를 들고 있으나, 반도체, 금속 착체, 유기염료, 안료 등, 어느 파장의 광을 흡수하여 흡수한 광과는 다른 파장의 광을 발하는 물질을 포함하고 있는 재료이면 적용 가능하다.
(4) 실시형태에서는 파장변환 부재로 형광체 입자를 함유하는 실리콘 수지 성형체를 들고 있으나, 형광체 입자를 소결하여 얻어지는 세라믹스 성형체라도 적용 가능하다.
(5) 실시형태에서는 청색 LED와 황색 형광체의 조합에 의해 백색광을 얻는 것으로 하고 있으나, 자외선 LED와 삼원색을 발광하는 각 형광체의 조합으로 해도 좋다.
(6) 실시형태에서는 전구 대체의 조명용 광원을 들고 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 일반적인 조명용 광원에도 적용 가능하다. 단, 전구 대체의 조명용 광원은 히트 싱크의 치수가 제한되므로 일반적인 조명용 광원에 비해서 방열특성을 더욱 향상시킬 필요가 있다. 따라서 전구 대체용의 조명용 광원에 본 발명을 적용하면 더 효과적이다.
(7) 실시형태에서는 특별히 언급하고 있지 않으나, 세라믹스 층이 다공질로 이루어지는 경우에는 세라믹스 층에 실링 처리를 하는 것으로 해도 좋다.
(8) 금속기판의 한 면뿐만이 아니라 양면에 세라믹스 층을 피복 시키는 것으로 해도 좋다. 또, 금속기판의 양면 및 측면을 포함한 전면에 세라믹스 층을 피복시키는 것으로 해도 좋다.
(9) 통상 금속과 세라믹스에서는 열팽창 계수가 다르므로, 탑재기판의 온도가 LED의 점등에 의해서 상승하면 탑재기판에 휨이 발생하는 경우가 있다. 이는 금속기판의 온도가 상승한 때, 금속기판의 표면 측은 세라믹스 층에 고정되어 있으므로 팽창하기 어렵고, 금속기판의 이면 측은 자유로워서 팽창하기 쉽기 때문이다. 탑재기판의 휨은 히트 싱크와의 열 접촉의 열화로 이어지므로 온도가 상승해도 휨이 발생하기 어려운 구조를 채용하는 것이 바람직하다.
도 14에 나타내는 탑재기판에서는 금속기판(23)의 표면이 복수의 영역으로 구획되고, 구획마다 세라믹스 층(24)이 설치된 구조를 갖는다. 이에 의해 금속기판의 표면 측의 세라믹스 층에 의한 고정이 경감되어서 금속기판의 표면 측도 어느 정도 열 팽창할 수 있다. 따라서, 탑재기판에 휨이 발생하는 것을 억제할 수가 있다. 또, 구획의 사이즈는 LED를 개개로 구획하는 사이즈라고 좋고, LED를 복수 단위로 구획하는 사이즈라도 좋다. 또, 이 구조는 예를 들어 금속기판(23)의 표면 전역에 세라믹스 층을 형성하고, 그 세라믹스 층에 홈(41)을 소정 간격으로 형성함으로써 실현할 수 있다. 홈(41)은 에칭 등의 화학적 처리나 연마 등의 기계적 처리에 의해 형성할 수 있다.
도 15에 나타내는 탑재기판에서는 금속기판(23)의 이면에도 소정 간격으로 홈(42)이 설치되어 있다. 이 구조에서는 금속기판(23)의 이면 측의 팽창이 홈(42)에 어느 정도 흡수된다. 따라서, 금속기판(23)의 표면 측과 이면 측의 팽창의 차이를 경감할 수 있으며, 그 결과, 탑재기판에 휨이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또, 도 15에 나타내는 탑재기판에서는 홈(41, 42)의 바닥이 곡률을 갖고 있다(즉, 홈(41, 42)의 단면이 U자 형상이다). 이에 의해 열 팽창과 열 수축이 반복되어도 금속기판(23)에 홈(41, 42)을 기점으로 하는 클랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 홈(42)은 홈(41)의 대향 위치로부터 어긋나게 배치되어 있다. 이에 의해 만일 홈(41, 42)을 기점으로 클랙이 발생하였다고 하더라도 금속기판(23)의 표면 측으로부터 연장한 클랙과 이면 측으로부터 연장한 클랙이 연결되는 확률을 낮게 할 수 있다. 그 결과 탑재기판이 클랙에 의해 파손할 확률을 감소시킬 수 있다.
도 16에 나타내는 탑재기판에서는 금속기판(23)의 이면에 격자 형상의 빔 구조(43)가 형성되어 있다. 이것도 도 15의 홈(42)과 마찬가지로, 금속기판(23)의 이면 측의 팽창이 오목부에 어느 정도 흡수되므로 탑재기판에 휨이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또, 도 16에 나타내는 것과 같이 LED가 빔에 대응하는 위치에 탑재되어 있으므로 LED로부터 히트 싱크까지의 열의 경로가 최단거리가 된다. 따라서, 빔 구조를 채용했다고 하더라도 방열특성의 열화를 억제할 수 있다. 또, 이 구조는 예를 들어 에칭 등의 화학적 처리에 의해 금속기판(23)의 이면에 오목부를 소정 간격으로 형성함으로써 실현할 수 있다.
본 발명은 조명 일반에 널리 이용할 수 있다.
1 조명용 광원
11 케이스
12 전원회로
13 프린트 배선판
14 전자부품
15 E형 베이스
16 히트 싱크
17 글로브
21 탑재기판
22 발광부
23 금속기판
24 세라믹스 층
25 LED
26 실리콘 수지 성형체
27 세라믹스 입자
31 접합재
32 배선 패턴
33 패드
34 와이어
41, 42 홈
43 빔 구조

Claims (9)

  1. 탑재기판과,
    상기 탑재기판에 탑재된 발광소자와,
    상기 발광소자로부터 출사된 광의 파장을 변환하는 파장변환 부재를 구비하고,
    상기 탑재기판은 금속기판을 투광성 세라믹스 입자 또는 고 반사 세라믹스 입자를 포함하는 세라믹스 층으로 피복하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 조명용 광원.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹스 층의 두께는 상기 금속기판의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 조명용 광원.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 세라믹스 층의 두께는 10㎛ 이상 200㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 조명용 광원.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광소자로부터 출사되는 광의 파장영역에서의 상기 탑재기판의 분광반사율은 70% 이상인 것을 특징으로 하는 조명용 광원.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹스 층은 투광성 세라믹스 입자 또는 고 반사 세라믹스 입자의 용사 피막, 혹은 세라믹스 시트인 것을 특징으로 하는 조명용 광원.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹스 층은 상기 금속기판의 양면 또는 전면에 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 조명용 광원.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 조명용 광원은,
    상기 탑재기판에 면 접촉하고 있는 히트 싱크 부재와,
    베이스를 돌출 설치하고 있고, 당해 베이스를 개재하여 공급된 전력을 상기 발광소자에 공급하는 전원회로를 수용하는 동시에, 상기 히트 싱크 부재를 고정하고 있는 케이스를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 조명용 광원.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속기판의 표면이 복수의 영역으로 구획되고, 구획마다 상기 세라믹스 층이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 조명용 광원.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속기판의 상기 세라믹스 층으로 피복되어 있지 않은 면에 소정 간격으로 홈 또는 오목부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 조명용 광원.
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