KR20120024422A - 발광 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 발광 장치는, 외부로부터 전력이 공급되는 회로 기판, 회로 기판 상에 전기적으로 접합되어 회로 기판으로부터의 전력에 의해 발광하는 발광 다이오드, 발광 다이오드를 둘러싸도록 회로 기판 상에 설치되고, 상단부가 발광 다이오드의 상단부보다도 상측에 배치되는 하우징, 하우징 상에 하우징의 주방향 전부에 걸쳐 설치되고, 내주연으로부터 외주연까지의 길이가 주로 0.3mm 이상이며, 두께가 200㎛ 이하인 접착제층, 및 하우징 상에 접착제층을 통해 접착되는 형광체 세라믹을 구비한다.
Description
본 발명은 발광 다이오드를 구비하는 발광 장치에 관한 것이다.
종래, 청색 광을 받아 황색 광을 발광하는 YAG계 형광체로 청색 발광 다이오드를 피복하고, 청색 발광 다이오드로부터의 청색 광과 YAG계 형광체의 황색 광을 혼색시켜 백색 광을 얻는 백색 발광 다이오드가 알려져 있다.
예컨대, LED 소자가 접합된 기판, LED 소자를 둘러싸도록 기판 상에 접합되는 원통상 형틀, 및 형틀의 상단에 고정재(저융점 유리 등의 접착제)를 통해 탑재되는 형광체 세라믹판을 구비하는 발광 장치가 제안되어 있다(예컨대, 일본 특허 공개 2010-27704호 공보 참조).
이러한 발광 장치에서는, LED 소자로부터의 광을 받아 형광체 세라믹판이 발광할 때에, 형광체 세라믹판이 발열한다.
그런데, 상기한 일본 특허공개 2010-27704호 공보에서는, 형광체 세라믹판의 발열에 의해 형광체 세라믹판의 발광 효율이 저하된다고 하는 문제가 있다.
그래서, 본 발명의 목적은, 형광체 세라믹의 방열성을 향상시킬 수 있어, 형광체 세라믹의 발광 효율의 저하를 억제할 수 있는 발광 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 발광 장치는, 외부로부터 전력이 공급되는 회로 기판, 상기 회로 기판 상에 전기적으로 접합되어 상기 회로 기판으로부터의 전력에 의해 발광하는 발광 다이오드, 상기 발광 다이오드를 둘러싸도록 상기 회로 기판 상에 설치되고, 상단부가 상기 발광 다이오드의 상단부보다도 상측에 배치되는 하우징, 상기 하우징 상에 상기 하우징의 주방향 전부에 걸쳐 설치되고, 내주연으로부터 외주연까지의 길이가 주로 0.3mm 이상이며, 두께가 200㎛ 이하인 접착제층, 및 상기 하우징 상에 상기 접착제층을 통해 접착되는 형광체 세라믹을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 발광 장치에 의하면, 형광체 세라믹이, 내주연으로부터 외주연까지의 길이가 0.3mm 이상이며, 두께가 200㎛ 이하인 접착제층을 통해 하우징에 접착되어 있다.
그 때문에, 형광체 세라믹로부터의 열을 효율적으로 하우징에 전달하여, 하우징을 통해 방열할 수 있다.
그 결과, 형광체 세라믹의 방열성을 향상시킬 수 있어, 형광체 세라믹의 발광 효율의 저하를 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 발광 장치의 일 실시형태를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 발광 장치의 A-A 단면도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 발광 장치의 A-A 단면도이다.
도 1은 본 발명의 발광 장치의 일 실시형태를 나타내는 단면도이다. 도 2는 도 1에 나타내는 발광 장치의 A-A 단면도이다.
발광 장치(1)는, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 회로 기판(2), 발광 다이오드(3), 하우징(4), 접착제층(5), 및 형광체 세라믹의 일례로서의 형광체 세라믹 플레이트(6)를 구비하고 있다.
회로 기판(2)은, 베이스 기판(7), 및 베이스 기판(7)의 상면에 형성되는 배선 패턴(8)을 구비하고 있다. 회로 기판(2), 구체적으로는 배선 패턴(8)에는, 외부로부터의 전력이 공급된다.
베이스 기판(7)은, 평면으로 볼 때 대략 직사각형 평판상으로 형성되어 있고, 예컨대 알루미늄 등의 금속, 예컨대 알루미나 등의 세라믹, 예컨대 폴리이미드 수지 등으로 형성되어 있다.
베이스 기판(7)의 열 전도율은, 예컨대 5 W/m?K 이상, 바람직하게는 10 W/m?K 이상이다.
한편, 베이스 기판(7)을 금속으로 형성한 경우에는, 베이스 기판(7)과 배선 패턴(8)간의 단락을 방지하기 위해서, 베이스 기판(7)과 배선 패턴(8) 사이에 절연층을 설치한다. 여기서, 절연층의 열 전도율이 낮은 경우(예컨대, 5 W/m?K 이하)이더라도, 베이스 기판(7)의 열 전도율이 상기 범위 내이면, 형광체 세라믹 플레이트(6)로부터의 열을 효율적으로 하우징(4)에 전달할 수 있다.
또한, 베이스 기판(7)의 반사율은, 적어도 발광 다이오드(3)가 탑재되는 영역(하우징(4)으로 둘러싸이는 영역)에 있어서, 발광 다이오드(3)로부터의 광에 대하여, 예컨대 70% 이상, 바람직하게는 90% 이상, 보다 바람직하게는 95% 이상이 되도록 설정된다.
한편, 발광 다이오드(3)가 탑재되는 영역(하우징(4)으로 둘러싸이는 영역)에는, 베이스 기판(7)의 표면에, 예컨대 백색의 충전재가 분산된 수지 코팅을 실시하여, 반사율의 향상을 더욱더 꾀할 수 있다.
배선 패턴(8)은, 발광 다이오드(3)의 단자와, 발광 다이오드(3)에 전력을 공급하기 위한 전원(도시하지 않음)의 단자(도시하지 않음)를 전기적으로 접속하고 있다. 배선 패턴(8)은, 예컨대 구리, 철 등의 도체 재료로 형성되어 있다.
배선 패턴(8)의 열 전도율은, 예컨대 5 W/m?K 이상, 바람직하게는 10 W/m?K 이상이다.
또한, 배선 패턴(8)의 반사율은, 적어도 발광 다이오드(3)가 탑재되는 영역(하우징(4)으로 둘러싸이는 영역)에 있어서, 발광 다이오드(3)로부터의 광에 대하여, 예컨대 70% 이상, 바람직하게는 90% 이상, 보다 바람직하게는 95% 이상이 되도록 설정된다.
발광 다이오드(3)는, 구체적으로는 청색 발광 다이오드이며, 베이스 기판(7) 상에 설치되어 있다. 각 발광 다이오드(3)는 와이어(9)를 통해 배선 패턴(8)에 전기적으로 접합(wire bonding)되어 있다. 발광 다이오드(3)는 회로 기판(2)으로부터의 전력에 의해 발광한다.
하우징(4)은, 그 상단부가 발광 다이오드(3)의 상단부보다도 상측에 배치되 도록, 베이스 기판(7)의 상면으로부터 상방에 입설(立設)되고, 평면으로 볼 때에, 발광 다이오드(3)를 둘러싸는 것 같은 틀 형상으로 형성되어 있다. 또한, 하우징(4)은, 하방으로부터 상방을 향하여 개구 단면적이 넓어지도록 단면 테이퍼 형상으로 형성되어 있다.
하우징(4)은, 예컨대 알루미나, 지르코니아, 이트리아 등의 산화물 세라믹 재료, 예컨대, 질화알루미늄 등의 질화물 세라믹 재료, 예컨대 Cu계 소재(예컨대, Cu-Fe-P 등), Fe계 소재(예컨대, Fe-42%Ni 등) 등의 금속 재료 등의 재료로 형성되어 있다. 하우징(4)은, 바람직하게는 세라믹 재료, 보다 바람직하게는 알루미나로 형성되어 있다.
하우징(4)이 상기한 재료로 형성되어 있으면, 열 전도율의 향상을 꾀함과 더불어 반사율의 향상을 꾀할 수 있다.
또한, 하우징(4)을 금속 재료로 형성하는 경우에는, 예컨대 백색의 충전재가 분산된 수지 코팅을 실시하여, 반사율의 향상을 더욱더 꾀할 수 있다.
하우징(4)의 열 전도율은, 예컨대 5 W/m?K이상, 바람직하게는 15 W/m?K 이상, 보다 바람직하게는 100 W/m?K 이상이다.
하우징(4)의 반사율은, 발광 다이오드(3)로부터의 광에 대한 반사율이, 예컨대 70% 이상, 바람직하게는 90% 이상, 보다 바람직하게는 95% 이상이 되도록 설정된다.
또한, 하우징(4)은, 그 상단면(上端面)에 있어서의 내주연으로부터 외주연까지의 길이가, 예컨대 0.3mm 이상, 바람직하게는 1mm 이상, 보통 5mm 이하가 되도록 형성된다.
또한, 하우징(4)의 상단면에는, 상기의 길이를 확보하고 있으면, 형광체 세라믹 플레이트(6)를 감합(嵌合) 가능한 단차(段差)를 형성할 수도 있다.
한편, 하우징(4)은, 미리 회로 기판(2)과 일체적으로 하우징 부착 회로 기판으로서 형성할 수도 있다. 하우징 부착 회로 기판으로서, 시판품을 입수할 수 있고, 예컨대 캐비티 부착 다층 세라믹 기판(제품 번호: 207806, 스미토모금속일렉트로디바이스사 제품) 등을 들 수 있다.
또한, 하우징(4) 중에는, 필요에 따라, 예컨대 실리콘 수지, 에폭시 수지, 이들의 하이브리드 수지 등, 바람직하게는 실리콘 수지가 봉지재(封止材)로서 채워져 있다. 하우징(4) 안이 봉지재로 채워져 있으면, 전반사에 의한 발광 다이오드(3)로부터의 발광 광의 갇힘을 저감할 수 있다.
접착제층(5)은, 형광체 세라믹 플레이트(6) 및 하우징(4)의 양쪽에 대하여 충분한 접착력을 갖고, 적어도, 발광 장치(1)의 구동중에 있어서, 형광체 세라믹 플레이트(6) 또는 하우징(4)의 온도에 대하여 충분한 내열성을 갖는 재료로 이루어지며, 하우징(4)의 상단면에서 하우징(4)의 주방향 전부에 걸쳐 설치되어 있다.
접착제층(5)을 형성하는 접착제로서는, 예컨대 에폭시 수지, 실리콘 수지, 아크릴 수지 등으로 이루어지는 접착제를 들 수 있다.
접착제층(5)은, 그 내주연으로부터 외주연까지의 길이(호대폭(糊代幅))이, 예컨대 0.3mm 이상, 바람직하게는 0.3 내지 5mm, 보다 바람직하게는 0.3 내지 2mm 가 되도록 형성된다.
한편, 접착제층(5)의 호대폭은, 접착제층(5)의 주방향 길이(내주 기준)를 예로 들면, 80% 이상, 바람직하게는 90% 이상이 상기 범위 내이다.
또한, 접착제층(5)의 호대폭이 상기 범위 내이면, 형광체 세라믹 플레이트(6)로부터의 열을 접착제층(5)을 통해 효율적으로 하우징(4)에 전달하여, 하우징(4)을 통해 방열할 수 있다.
접착제층(5)은, 그 두께가 예컨대 200㎛ 이하, 바람직하게는 100㎛ 이하, 보다 바람직하게는 50㎛ 이하, 보통 5㎛ 이상이다.
접착제층(5)의 두께가 상기 범위 내이면, 형광체 세라믹 플레이트(6)로부터의 열을 접착제층(5)을 통해 효율적으로 하우징(4)에 전달하여, 하우징(4)을 통해 방열할 수 있다. 또한, 에지 부분으로부터의 수분이나 황 등의 불순물의 혼입을 억제할 수 있다. 또한, 접착제층(5)으로부터 발광 광이 누설하는 것을 억제할 수 있다.
한편, 접착제층(5)에는, 필요에 따라 접착성을 손상하지 않는 정도로, 예컨대 알루미나, 산화타이타늄, 산화지르코늄, 타이타늄산바륨, 카본, 은 등의 충전재를 첨가할 수도 있다. 접착제층(5)에 충전재를 첨가하면, 접착제층(5)의 열 전도성을 향상시킬 수 있다.
접착제층(5)의 열 전도율은, 예컨대 0.1 W/m?K 이상, 바람직하게는 0.2 W/m?K 이상, 보다 바람직하게는 1.0 W/m?K 이상이다.
형광체 세라믹 플레이트(6)는, 하우징(4) 상에, 하우징(4)으로 둘러싸이는 영역을 폐쇄하도록 접착제층(5)을 통해 접착되어 있다.
형광체 세라믹 플레이트(6)는, 여기광으로서, 파장 350 내지 480nm의 광의 일부 또는 전부를 흡수하여 여기되고, 여기광보다도 긴 파장, 예컨대 500 내지 650nm의 형광을 발광하는 형광재를 함유하고 있다.
형광재로서는, 예컨대, Y3Al5O12:Ce(YAG(이트륨?알루미늄?가넷):Ce), (Y,Gd)3 Al5O12:Ce, Tb3Al3O12:Ce, Ca3Sc2Si3O12:Ce, Lu2CaMg2(Si,Ge)3O12:Ce 등의 가넷형 결정 구조를 갖는 가넷형 형광재, 예컨대, (Sr, Ba)2SiO4:Eu, Ca3SiO4Cl2:Eu, Sr3SiO5:Eu, Li2SrSiO4:Eu, Ca3Si2O7:Eu 등의 실리케이트 형광재, 예컨대, CaAl12O19:Mn, SrAl2O4:Eu 등의 알루미네이트 형광재, 예컨대, ZnS:Cu, Al, CaS:Eu, CaGa2S4:Eu, SrGa2S4:Eu 등의 황화물 형광재, CaSi2O2N2:Eu, SrSi2O2N2:Eu, BaSi2O2N2:Eu, Ca-α-SiAlON 등의 산질화물 형광재, 예컨대, CaAlSiN3:Eu, CaSi5N8:Eu 등의 질화물 형광재, 예컨대, K2SiF6:Mn, K2TiF6:Mn 등의 불화물계 형광재 등을 들 수 있다. 바람직하게는 가넷형 형광재, 보다 바람직하게는 Y3Al5O12:Ce를 들 수 있다.
또한, 형광체 세라믹 플레이트(6)는, 바람직하게는 광을 투과하는 투광성을 갖고 있다.
형광체 세라믹 플레이트(6)를 제작하기 위해서는, 우선 형광재로 이루어지는 형광재 입자를 제작한다.
형광재 입자를 제작하기 위해서는, 형광재로서 Y3Al5O12:Ce를 형성하는 경우에는, 예컨대 질산이트륨6수화물 등의 이트륨 함유 화합물, 예컨대 질산알루미늄9수화물 등의 알루미늄 함유 화합물, 및 예컨대 질산세륨6수화물 등의 세륨 함유 화합물을, 예컨대 증류수 등의 용매에 소정의 비율로 용해시켜, 전구체 용액을 조제한다.
전구체 용액을 조제하기 위해서는, 이트륨 원자 100몰에 대하여, 알루미늄 원자가, 예컨대 120 내지 220몰, 바람직하게는 160 내지 180몰, 세륨 원자가, 예컨대 0.01 내지 2.0몰, 바람직하게는 0.2 내지 1.5몰이 되도록, 이트륨 함유 화합물, 알루미늄 함유 화합물 및 세륨 함유 화합물을 배합하여 용매에 용해시킨다.
이어서, 전구체 용액을 분무하면서 열분해함으로써 전구체 입자를 얻는다. 한편, 전구체 입자는 그대로 형광재 입자로서 이용하는 것도 가능하지만, 바람직하게는 예컨대 1000 내지 1400℃, 바람직하게는 1150 내지 1300℃에서, 예컨대 0.5 내지 5시간, 바람직하게는 1 내지 2시간 가소성하여 형광재 입자로 한다.
전구체 입자를 가소성하면, 수득된 형광재 입자의 결정상을 조정할 수 있고, 고밀도인 형광체 세라믹 플레이트(6)를 얻을 수 있다.
수득된 형광재 입자의 평균 입자 직경(자동 비표면적 측정장치(Micromeritics사 제품, 모델 Gemini 2365)를 이용한 BET(Brunauer-Emmett-Teller)법에 의해 측정한다)은, 예컨대 50 내지 10000nm, 바람직하게는 50 내지 1000nm, 보다 바람직하게는 50 내지 500nm이다.
한편, 형광재 입자의 평균 입자 직경을 측정하기 위해서는, 상기한 BET법 이외에, 예컨대 레이저 회절법, 전자 현미경에 의한 직접 관찰 등의 방법을 이용할 수 있다. 또한, 수득된 형광재 입자를 분급하여, 상기한 평균 입자 직경보다도 큰 입자 직경을 갖는 조대 입자를 제거할 수도 있다.
형광재 입자의 평균 입자 직경이 상기 범위 내이면, 형광체 세라믹 플레이트(6)의 고밀도화, 소결시의 치수 안정성의 향상, 및 보이드(void) 발생의 저감을 실현할 수 있다.
또한, 형광재 입자로서는, 예컨대 산화이트륨 입자 등의 이트륨 함유 입자, 예컨대 산화알루미늄 입자 등의 알루미늄 함유 입자, 예컨대 산화세륨 입자 등의 세륨 함유 입자를 혼합한 혼합물을 사용할 수도 있다.
이 경우에는, 이트륨 원자 100몰에 대하여, 알루미늄 원자가, 예컨대 120 내지 220몰, 바람직하게는 160 내지 180몰, 세륨원자가, 예컨대 0.01 내지 2.0몰, 바람직하게는 0.2 내지 1.5몰이 되도록, 이트륨 함유 입자, 알루미늄 함유 입자 및 세륨 함유 입자를 혼합한다.
이어서, 형광체 세라믹 플레이트(6)를 제작하기 위해서는, 형광재 입자로 이루어지는 세라믹 그린(green)체를 제작한다.
세라믹 그린체를 제작하기 위해서는, 예컨대 형광재 입자를 금형을 이용하여 프레스한다.
이 때, 우선, 형광재 입자를, 바인더 수지, 분산제, 가소제, 소결 조제 등의 첨가제를 적절히 이용하여, 예컨대 자일렌 등의 방향족계 용매, 예컨대 메탄올 등의 알코올 등 휘발성을 갖는 용매에 분산시켜, 형광재 입자 분산액을 조제하고, 이어서, 형광재 입자 분산액을 예컨대 스프레이 드라이에 의해 건조시켜, 형광재 입자와 첨가제를 함유하는 분말을 조제하고, 이어서 분말을 프레스하는 것도 가능하다.
한편, 형광재 입자를 용매에 분산시키기 위해서는, 상기한 첨가제 이외에, 가열에 의해 분해되는 것이면 특별히 한정되지 않고, 공지된 첨가제를 사용할 수 있다.
형광재 입자를 용매에 분산시키는 방법으로서는, 예컨대 막자사발(乳鉢), 각종 믹서, 볼 밀, 비드 밀 등의 공지된 분산 기구를 이용하여 습식 혼합한다.
또한, 세라믹 그린체를 제작하기 위해서는, 예컨대 PET 필름 등의 수지 기재 싱에, 형광재 입자 분산액을 필요에 따라 점도 조정한 후, 예컨대 닥터 블레이드법 등에 의해 테이프 캐스팅하거나 또는 압출 성형하고, 건조할 수도 있다. 한편, 닥터 블레이드법을 이용하는 경우에는, 각 세라믹 그린체의 두께는 닥터 블레이드의 갭을 조정함으로써 제어한다.
한편, 형광재 입자 분산액에 바인더 수지 등의 첨가제를 배합한 경우에는, 세라믹 그린체를 소성하기 전에, 세라믹 그린체를 공기 중에서, 예컨대 400 내지 800℃에서, 예컨대 1 내지 10시간 가열하여, 첨가제를 분해 제거하는 탈바인더 처리를 실시한다. 이 때, 승온 속도는, 예컨대 0.2 내지 2.0℃/분이다. 승온 속도가 상기 범위 내이면, 세라믹 그린체의 변형이나 크랙 등을 방지할 수 있다.
이어서, 형광체 세라믹 플레이트(6)를 제작하기 위해서는, 세라믹 그린체를 소성한다.
소성 온도, 시간 및 소성 분위기는, 형광재에 따라 적절히 설정되지만, 형광재가 Y3Al5O12:Ce이면, 예컨대 진공 중, 아르곤 등의 불활성 가스 분위기 중, 또는 수소, 수소/질소 혼합 가스 등의 환원 가스 중에서, 예컨대 1500 내지 1800℃, 바람직하게는 1650 내지 1750℃에서, 예컨대 0.5 내지 24시간, 바람직하게는 3 내지 5시간 소성한다.
한편, 환원 분위기에서 소성하는 경우에는, 환원 가스와 함께 카본 입자를 병용할 수도 있다. 카본 입자를 병용하면, 더욱 환원성을 높일 수 있다.
또한, 소성 온도까지의 승온 속도는, 예컨대 0.5 내지 20℃/분이다. 승온 속도가 상기 범위 내이면, 효율적으로 승온할 수 있으면서, 결정립(grain)을 비교적 온화하게 성장시켜, 보이드의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 추가로 형광체 세라믹 플레이트(6)의 고밀도화, 투광성의 향상을 꾀하기 위해서는, 열간 등방 가압식 소결법(HIP법)에 의해 가압하에서 소결한다.
이것에 의해, 형광체 세라믹 플레이트(6)를 얻는다.
수득된 형광체 세라믹 플레이트(6)의 두께는, 예컨대 100 내지 1000㎛, 바람직하게는 150 내지 500㎛이다.
형광체 세라믹 플레이트(6)의 두께가 상기 범위 내이면, 취급성의 향상 및 파손의 방지를 꾀할 수 있다.
또한, 수득된 형광체 세라믹 플레이트(6)의 전체 광선 투과율(at 700nm)은, 예컨대 30 내지 90%, 바람직하게는 60 내지 80% 이다.
또한, 수득된 형광체 세라믹 플레이트(6)의 열 전도율은, 예컨대 5 W/m?K 이상, 바람직하게는 10 W/m?K 이상이다.
한편, 형광체 세라믹 플레이트(6)는, 상기한 형광재를 1종 또는 2종 이상 임의로 선택하여, 발광 장치(1)의 발광 광을 임의의 색조로 조정하도록 제작할 수도 있다. 구체적으로는, 형광체 세라믹 플레이트(6)를 녹색광을 발광하는 형광재로 형성하여, 녹색광을 발광하는 발광 장치(1)를 얻는 것이나, 황색 광을 발광하는 형광재와 적색광을 발광하는 형광재를 조합하여, 전구 색에 가까운 광을 발광하는 발광 장치(1)를 얻는 것도 가능하다.
또한, 하우징(4) 상에는, 필요에 따라, 형광체 세라믹 플레이트(6)를 피복하 도록 대략 반구 형상(대략 돔(dome) 형상)의 렌즈(10)를 설치할 수 있다. 렌즈(10)는, 예컨대 실리콘 수지 등의 투명 수지로 형성되어 있다.
발광 장치(1)를 제작하기 위해서는, 우선 회로 기판(2)에 하우징(4)을 설치한다. 이어서, 하우징(4) 내에, 발광 다이오드(3)를 설치하고, 와이어(9)로 발광 다이오드(3)와 회로 기판(2)을 전기적으로 접합한다.
이어서, 하우징(4) 내를 필요에 따라 봉지재로 채우고, 접착제층(5)을 통해 하우징(4) 상에 형광체 세라믹 플레이트(6)를 설치한다.
하우징(4) 상에 접착제층(5)을 설치하기 위해서는, 상기한 접착제를 상기한 두께 및/또는 호대폭으로 하우징(4)의 상단면에 도포한다.
이 때, 접착제층(5)은 하우징(4)의 상단면의 전체면에 설치할 수도 있고, 하우징(4)의 상단면의 일부(내주 부근, 외주 부근 또는 중앙부)에 설치할 수도 있다.
또한, 접착제층(5)을 설치하기 위해서는, 우선 형광체 세라믹 플레이트(6)의 전체면에 접착제를 도공하고, 그 후, 접착제가 도공된 형광체 세라믹 플레이트(6)를 하우징(4)(및 봉지재)에 접합할 수도 있다.
그리고, 형광체 세라믹 플레이트(6) 상에, 필요에 따라 접착제을 통해 렌즈(10)를 설치하여, 발광 장치(1)의 제작을 완료한다.
한편, 베이스 기판(7)의 이면에는, 필요에 따라 열 싱크(heat sink)(도시하지 않음)가 설치된다.
이 발광 장치(1)에 의하면, 형광체 세라믹 플레이트(6)가, 호대폭이 주로 0.3mm 이상이며, 두께가 200㎛ 이하인 접착제층(5)을 통해, 하우징(4)에 접착되어 있다.
그 때문에, 형광체 세라믹 플레이트(6)로부터 접착제층(5)을 통해 하우징(4)에 이르는 열 전도 거리(즉, 접착제층(5)의 두께)를 저감할 수 있고, 또한 형광체 세라믹 플레이트(6)로부터 접착제층(5)을 통해 하우징(4)에 이르는 열 전도 패스의 폭(즉, 접착제층(5)의 호대폭)을 확보할 수 있다.
그 때문에, 형광체 세라믹 플레이트(6)로부터의 열을 효율적으로 하우징(4)에 전달하여, 하우징(4)을 통해 방열할 수 있다.
그 결과, 형광체 세라믹 플레이트(6)의 방열성을 향상시킬 수 있어, 형광체 세라믹 플레이트(6)의 발광 효율의 저하를 억제할 수 있다.
한편, 상기한 실시형태에서는, 하나의 발광 다이오드(3)를 갖는 발광 장치(1)를 나타내고 있지만, 발광 장치(1)에 구비되는 발광 다이오드(3)의 수는 특별히 한정되지 않고, 발광 장치(1)를, 예컨대 복수의 발광 다이오드(3)를 평면적(2 차원적) 또는 직선적(1 차원적)으로 나란히 한 어레이 형상으로 형성할 수도 있다.
또한, 하우징(4)의 형상은 특별히 한정되지 않고, 예컨대 대략 직사각형 틀 형상, 대략 원형 틀 형상 등으로 형성할 수 있다.
또한, 상기한 실시형태에서는, 형광체 세라믹 플레이트(6) 상에, 반구 형상의 렌즈(10)를 설치하였지만, 렌즈(10) 대신에, 예컨대 마이크로 렌즈 어레이 시트, 확산 시트 등을 설치하는 것도 가능하다.
이 발광 장치(1)는, 예컨대 대형 액정 화면의 백라이트, 각종 조명 기기, 자동차의 헤드라이트, 광고 간판, 디지털카메라용 플래쉬 등, 고휘도, 고출력을 필요로 하는 파워 LED 광원으로서 적합하게 사용된다.
[실시예]
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 따라서 설명하지만, 본 발명은 이들의 실시예 등에 의해 조금도 한정되는 것은 아니다.
1. 형광체 세라믹 플레이트의 제작
(1) 형광재 입자의 제작
질산이트륨6수화물 14.349g(0.14985mol), 질산알루미늄9수화물 23.45g(0.25mol), 질산세륨6수화물 0.016g(0.00015mol)을 250ml의 증류수에 용해시켜, 0.4M의 전구체 용액을 조제했다.
이 전구체 용액을, 이류체(二流體) 노즐을 이용하여, RF 유도 플라즈마 화염 중에 10 ml/min의 속도로 분무하여 열분해함으로써, 전구체 입자를 수득했다.
수득된 전구체 입자의 결정상은 X선 회절법에 의해 분석한 바, 비정질과 YAP(이트륨?알루미늄?페로브스카이트, YAlO3) 결정의 혼합상이었다.
또한, 수득된 전구체 입자의 평균 입자 직경(자동 비표면적 측정장치(Micromeritics사 제품, 모델 Gemini 2365)를 이용한 BET(Brunauer-Emmett-Teller)법에 의해 측정했다)은 약 75nm이었다.
다음으로, 수득된 전구체 입자를 알루미나제의 도가니에 넣어, 전기로로써 1200℃에서 2시간 가소성하고, 형광재 입자를 수득했다.
수득된 형광재 입자의 결정상은 YAG(이트륨?알루미늄?가넷) 결정의 단일상이었다.
또한, 수득된 형광재 입자의 평균 입자 직경은 약 95nm이었다.
(2)형광재 입자 분산액의 조제
수득된 형광재 입자 4g, 바인더 수지로서 poly(vinyl butyl-co-vinyl alcohol-co-vinyl alcohol) 0.21g, 소결 조제로서 실리카 분말(Cabot Corporation사 제품) 0.012g, 용매로서 메탄올 10ml을 막자사발에 의해 혼합했다.
이것에 의해, 형광재 입자가 분산된 형광재 입자 분산액을 조제했다.
(3)세라믹 그린체의 제작
수득된 형광재 입자 분산액을 건조기로써 건조하여, 분말을 수득했다. 이 분말 700mg을 20mm×30mm의 1축성 프레스 몰드형에 충전하고, 유압식 프레스기로써 약 10kN으로 가압함으로써, 두께 약 350㎛의 대략 직사각 형상의 세라믹 그린체를 수득했다.
(4)세라믹 그린체의 소성
수득된 세라믹 그린체를 알루미나제 관상 전기로로써 공기 중 2 ℃/min의 승온 속도로 800℃까지 가열하여, 바인더 수지 등의 유기 성분을 분해 제거하는 탈바인더 처리를 실시했다.
그 후, 알루미나제 관상 전기로 내를 로터리 펌프(rotary pump)로 진공 배기하고, 1500℃에서 5시간 소성함으로써, 형광체 세라믹 플레이트를 수득했다.
수득된 형광체 세라믹 플레이트의 두께는 약 280㎛이었다.
2. 평가용 발광 다이오드 소자의 제작
<실시예 1>
캐비티 부착 다층 세라믹 기판(스미토모금속일렉트로디바이스사 제품, 제품 번호 207806, 외부 치수: 3.5mm×2.8mm, 캐비티: 장축 방향 2.68mm, 단축 방향 1.98mm의 대략 타원형, 하우징 높이: 0.6mm, 하우징 재질: 알루미나, 열 전도율 17 Wm?K, 반사율 75%)의 캐비티 내에, 청색 발광 다이오드 칩(쿠리사 제품, 제품 번호 C450EZ1000-0123, 980㎛×980㎛×100㎛)을 Au-Sn 땜납으로써 다이아 터치하고, Au 선으로써 발광 다이오드 칩의 전극으로부터 다층 세라믹 기판의 리드 프레임으로 와이어 본딩(wire bonding)하는 것에 의해, 청색 발광 다이오드 칩 1개를 실장한 발광 다이오드 패키지를 제작했다.
별도로, 형광체 세라믹 플레이트를 다층 세라믹 기판의 외부 치수에 맞추어, 3.5mm×2.8mm의 크기로 잘라내었다.
이어서, 다층 세라믹 기판의 하우징의 상단면의 내주 부근에, 접착제로서 열경화성의 액상 에폭시 수지(닛토덴코사 제품, 제품 번호 NT8080)을 도포하고, 그 위에 형광체 세라믹 플레이트를 탑재했다.
그 후, 120℃에서 1분, 추가로 135℃에서 4시간 가열하여, 접착제를 경화시켜 접착제층을 형성했다. 이것에 의해, 접착제층을 통해 형광체 세라믹 플레이트를 하우징에 접착했다.
이것에 의해, 발광 다이오드 소자를 얻었다. 접착제층의 호대폭 및 두께(마이크로미터(micrometer)에 의해 측정했다)를 표 1에 기재한다.
<실시예 2>
다층 세라믹 기판의 캐비티 내를 겔상 실리콘 수지(아사히화성왁카실리콘사 제품, 제품명: WACKER SilGel 612)로 충전하고, 100℃에서 15분 가열하여 겔상 실리콘 수지를 경화시킨 것 것 이외는, 실시예 1과 같이 하여, 발광 다이오드 소자를 얻었다. 접착제층의 호대폭 및 두께(마이크로미터에 의해 측정했다)를 표 1에 기재한다.
<실시예 3>
접착제로서 열경화성 실리콘 엘라스토머 수지(신에쓰실리콘사 제품, 제품 번호: KER-2500)을 이용하고, 100℃에서 1시간, 추가로 150℃에서 1시간 가열하여 경화시킨 것 이외는, 실시예 1과 같이 하여, 발광 다이오드 소자를 얻었다. 접착제층의 호대폭 및 두께(마이크로미터에 의해 측정했다)를 표 1에 기재한다.
<실시예 4>
접착제층의 두께를 표 1에 기재한 바와 같이 조정한 것 이외는, 실시예 3과 같이 하여, 발광 다이오드 소자를 얻었다. 접착제층의 호대폭 및 두께(마이크로미터에 의해 측정했다)를 표 1에 기재한다.
<실시예 5>
접착제층의 두께를 표 1에 기재한 바와 같이 조정한 것 이외는, 실시예 3과 같이 하여, 발광 다이오드 소자를 얻었다. 접착제층의 호대폭 및 두께(마이크로미터에 의해 측정했다)를 표 1에 기재한다.
<실시예 6>
접착제에, 충전재로서 타이타늄산바륨 입자(사카이화학공업사 제품, 제품 번호: BT-03, 흡착 비표면적값: 3.7 g/m2)를, 접착제와 타이타늄산바륨 입자의 총량에 대하여, 60 질량% 첨가한 것 이외는, 실시예 3과 같이 하여, 발광 다이오드 소자를 얻었다. 접착제층의 호대폭 및 두께(마이크로미터에 의해 측정했다)를 표 1에 기재한다.
<비교예 1>
접착제층의 두께를 표 1에 기재한 바와 같이 조정한 것 이외는, 실시예 3과 같이 하여, 발광 다이오드 소자를 얻었다. 접착제층의 호대폭 및 두께(마이크로미터에 의해 측정했다)를 표 1에 기재한다.
<비교예 2>
접착제층의 두께를 표 1에 기재한 바와 같이 조정한 것 이외는, 실시예 3과 같이 하여, 발광 다이오드 소자를 얻었다. 접착제층의 호대폭 및 두께(마이크로미터에 의해 측정했다)를 표 1에 기재한다.
<비교예 3>
접착제층의 두께를 표 1에 기재한 바와 같이 조정한 것 이외는, 실시예 6과 같이 하여, 발광 다이오드 소자를 얻었다. 접착제층의 호대폭 및 두께(마이크로미터에 의해 측정했다)를 표 1에 기재한다.
<비교예 4>
형광체 세라믹 플레이트를 2.9mm×2.2mm의 크기로 잘라내고, 호대폭을 표 1에 기재한 바와 같이 조정한 것 이외는, 실시예 3과 같이 하여, 발광 다이오드 소자를 얻었다. 접착제층의 호대폭 및 두께(마이크로미터에 의해 측정했다)를 표 1에 기재한다.
한편, 접착제층을 하우징의 상단면의 전체면에 형성하고, 형광체 세라믹 플레이트는, 장축 방향 2.68mm, 단축 방향 1.98mm의 대략 타원형의 캐비티를 폐쇄하 도록 접착제층 상에 탑재했다. 그리고, 상하 방향으로 투영했을 때에, 형광체 세라믹 플레이트, 접착제층 및 하우징이 겹치는 부분을, 호대(糊代)로 하고, 잔부의 접착제층을 노출시켰다.
<비교예 5>
형광체 세라믹 플레이트를 3.1mm×2.4mm의 크기로 잘라내고, 호대폭을 표 1에 기재한 바와 같이 조정한 것 이외는, 비교예 4와 같이 하여, 발광 다이오드 소자를 얻었다. 접착제층의 호대폭 및 두께(마이크로미터에 의해 측정했다)를 표 1에 기재한다.
<비교예 6>
접착제층 대신에, 두께 500㎛의 면포(綿布)를 통해 형광체 세라믹 플레이트를 하우징 상에 탑재한 것 이외는, 실시예 1과 같이 하여, 발광 다이오드 소자를 얻었다.
<비교예 7>
열경화성 실리콘 엘라스토머에, 시판의 YAG 형광체 분말(Phosphor Tech사 제품, 제품 번호 BYW01A, 평균 입자 직경 9㎛)을, 열경화성 실리콘 엘라스토머와 YAG 형광체 분말의 총량에 대하여, 20 질량% 분산시킨 용액을, 도포기(applicator)를 이용하여 PET 필름 상에 약 200㎛의 두께로 도공하고, 100℃에서 1시간, 150℃에서 1시간 가열함으로써 형광체 분산 수지 시트를 제작했다.
그리고, 형광체 세라믹 플레이트 대신에 형광체 분산 수지 시트를 이용한 것 이외는, 실시예 3과 같이 하여, 발광 다이오드 소자를 얻었다. 접착제층의 호대폭 및 두께(마이크로미터에 의해 측정했다)를 표 1에 기재한다.
<참고예 1 및 3>
실시예 1과 같이 하여 발광 다이오드 패키지만을 준비했다.
<참고예 2>
실시예 1과 같이 하여 발광 다이오드 패키지를 준비하여, 다층 세라믹 기판의 캐비티 내에, 청색 발광 다이오드 및 Au 선이 매몰되도록 겔상 실리콘 수지(아사히화성왁카실리콘사 제품, 제품명: WACKER SilGel 612)를 충전하고, 100℃에서 15분 가열하여 겔상 실리콘 수지를 경화시켰다.
이어서, 형광체 세라믹 플레이트를 1.5mm×1.5mm의 크기로 잘라내고, 하우징 내의 청색 발광 다이오드의 바로 위에 탑재했다.
3. 형광체 세라믹 플레이트 표면의 온도 측정
각 실시예, 각 비교예 및 각 참고예에서 수득된 발광 장치에 있어서, 발광 다이오드에 1A의 전류를 통전했을 때의 형광체 세라믹 플레이트(각 실시예, 각 비교예 및 참고예 2), 하우징(참고예 3) 또는 청색 발광 다이오드 칩(참고예 1)의 온도를, 적외선 카메라(FLIR Systems사 제품, 제품명 Infrared Camera A325)를 이용하여 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
|
|
형광체 |
접착제층 | 표면 온도 (℃) |
||
| 접착제 | 호대폭 (mm) |
두께 (㎛) |
|||
| 실시예 1 | 형광체 세라믹 플레이트 |
에폭시 수지 | 0.4 | 20 | 79 |
| 실시예 2 | 에폭시 수지 | 0.4 | 20 | 74 | |
| 실시예 3 | 실리콘 수지 | 0.4 | 50 | 79 | |
| 실시예 4 | 실리콘 수지 | 0.4 | 100 | 84 | |
| 실시예 5 | 실리콘 수지 | 0.4 | 150 | 91 | |
| 실시예 6 | 충전재 분산 실리콘 수지 | 0.4 | 50 | 74 | |
| 비교예 1 | 실리콘 수지 | 0.4 | 250 | 112 | |
| 비교예 2 | 실리콘 수지 | 0.4 | 400 | 136 | |
| 비교예 3 | 충전재 분산 실리콘 수지 | 0.4 | 250 | 119 | |
| 비교예 4 | 실리콘 수지 | 0.1 | 50 | 163 | |
| 비교예 5 | 실리콘 수지 | 0.2 | 50 | 114 | |
| 비교예 6 | -(면포) | - | 약 500 | 182 | |
| 비교예 7 | 형광체 분산 시트 | 실리콘 수지 | 0.4 | 50 | >300 |
| 참고예 1 | - | - | - | - | 114 |
| 참고예 2 | 형광체 세라믹 플레이트 | - | - | - | 179 |
| 참고예 3 | - | - | - | - | 60 |
한편, 상기 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태로서 제공했지만, 이것은 단순한 예시에 지나지 않고, 한정적으로 해석하여서는 안된다. 당해 기술분야의 당업자에 의해서 분명한 본 발명의 변형예는 후기의 특허청구범위에 포함되는 것이다.
Claims (1)
- 외부로부터 전력이 공급되는 회로 기판,
상기 회로 기판 상에 전기적으로 접합되어 상기 회로 기판으로부터의 전력에 의해 발광하는 발광 다이오드,
상기 발광 다이오드를 둘러싸도록 상기 회로 기판 상에 설치되고, 상단부가 상기 발광 다이오드의 상단부보다도 상측에 배치되는 하우징,
상기 하우징 상에 상기 하우징의 주방향 전부에 걸쳐 설치되고, 내주연으로부터 외주연까지의 길이가 주로 0.3mm 이상이며, 두께가 200㎛ 이하인 접착제층, 및
상기 하우징 상에 상기 접착제층을 통해 접착되는 형광체 세라믹
을 구비하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
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