KR20120030432A - 광 방출 디바이스 - Google Patents

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Abstract

광 방출 디바이스는 제 1 파장 범위의 광을 발생시키도록 작동 가능한 복수의 LED 칩들("측면" 또는 "수직" 전도성) 및 상기 칩들을 하우징시키기 위한 패키지를 포함한다. 상기 패키지는: 상기 LED 칩들이 장착되는 열 전도성 기판(구리) 및 각 홀이 상기 LED 칩들 중 각자의 칩에 대응하는 복수의 관통홀들을 갖는 커버를 포함한다. 상기 홀들은, 상기 커버가 상기 기판에 장착될 때 각 홀이 상기 기판과 관련하여 각자의 칩이 하우징되는 리세스를 한정하도록 구성된다. 각 리세스는 적어도 하나의 형광체 물질 및 투명 물질의 혼합물로 적어도 부분적으로 충진된다. "측면(lateral)" 전도성 LED 칩들을 갖는 디바이스에서, PCB는 상기 기판상에 장착되고, 각 칩이 상기 기판에 직접 장착되도록 구성된 복수의 관통홀들을 포함한다. "수직(vertical)" 전도성 LED 칩들을 갖는 디바이스에서 상기 LED 칩들은 다이아몬드 라이크 카본 필름(diamond like carbon film) 상에 장착된다.

Description

광 방출 디바이스{LIGHT EMITTING DEVICE}
본 출원은, 수화(SU Hwa) 등에 의해 "광 방출 디바이스(Light Emitting Device)"라는 발명의 명칭으로 2010년 5월 17일에 출원된 미합중국 출원번호 12/781,194호 및 수화(SU Hwa) 등에 의해 "광 방출 디바이스(Light Emitting Device)"라는 발명의 명칭으로 2009년 5월 20일에 출원된 미합중국 임시출원번호 61/180,065호의 우선권의 이익을 주장하며 , 그 내용이 참조로서 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 광 방출 디바이스에 관한 것이고 보다 상세하게는 이러한 디바이스를 위한 패키징 장치(packaging arrangement)에 관한 것이다. 특히, 비록 배타적인 것은 아니나, 본 발명은 원하는 방출 프러덕트 컬러(emission product color)를 발생시키는 하나 이상의 형광체(광-발광) 물질을 포함하는 광 방출 디바이스에 관한 것이다. 본 발명의 실시예들은, 비록 이에 제한되는 것은 아니나, 광 방출 다이오드(LED)에 기초하는 높은 방출 세기[즉, 500 루멘 이상의 광플럭스(luminous flux)]를 갖는 일반 라이팅 애플리케이션(general lighting application)을 위한 백색 광 발생 디바이스에 관한 것이다.
백색 광 방출 다이오드("백색 LED")는 본 기술분야에 공지되어 있고 비교적 최근의 혁신품이다. 전자기파 스펙트럼의 블루/자외선 영역의 광을 방출하는 LED들이 개발되어서야 LED들에 기초한 백색 광원들이 개발되는 것이 실현 가능해졌다. 예로써 미국 특허번호 제5,998,925호에서 개시된 바와 같이, 백색 LED들은 하나 이상의 형광체 물질들을 포함하는데, 상기 형광체 물질은 광-루미네슨트(photo-luminescent) 물질이며, LED에 의해 방출된 방사선의 일부분을 흡수하고 다른 색(파장)의 광을 재방출한다. 일반적으로 상기 LED칩은 블루광(blue light)을 생성하고 상기 형광체(들)는 상기 블루광의 일부를 흡수하여, 옐로우광을 재방출하거나 또는 그린광 및 레드광, 그린광 및 옐로우광 또는 옐로우광 및 레드광의 조합을 재방출한다. 상기 형광체에 의해 흡수되지 않은 LED에 의해 생성된 블루광의 일부분은 상기 형광체에 의해 방출된 광과 결합되어 인간의 눈에 거의 백색으로 보이는 광을 제공한다.
현재 종래의 백열 광 벌브(incandescent light bulb), 할로겐 반사기 램프 및 형광등에 대한 에너지 효율적인 대체품으로서 고 휘도의 백색 LED를 사용하는 것에 많은 관심이 있다. LED를 활용하는 대부분의 라이팅 디바이스(lighting device)는, 종래의 광 소스 구성요소를 복수의 LED가 대체하는 장치를 포함한다. 이와 같은 현존 광 방출 디바이스들, 특히 일반적으로 500루멘 이상의 방출된 광 플럭스(즉 일반적으로 5W 내지 10W의 입력 파워)를 요구하는 일반 라이팅(general lighting)으로 의도되는 백색 광 방출 디바이스들의 문제는 열적 관리 및 특히 그 디바이스에 의해 발생되는 열을 적절히 방산(dissipate)하는 것이다. 또 다른 문제는, 상기 디바이스에 의해 방출된 광의 상관 색 온도(CCT) 및/또는 광 플럭스에 상당한 변화를 초래할 수 있는 형광체 물질의 시간에 따른 열적 열화(thermal degradation)이다. 일반적으로 상기 패키징된 디바이스는 히트 싱크 또는 열을 방산하는 다른 큰 열 매스(thermal mas)상에 장착된다. 그러나, 상기 패키지의 열 저항은, 흔히 고온 폴리머 또는 세라믹과 같은 전기적 절연 물질로부터 제조된 상기 패키지를 통과하도록 LED 칩(다이)로부터 열을 적절히 전달하는 것을 어렵게 만들 수 있다.
백색 LED 패키지의 예는, 함께 계류 중인 초우(Chou) 등의 미합중국 공개번호 US2009/0294780호 (2009년 12월 3일 공개)에 개시되어 있다. 위와 같은 패키지의 개략적인 단면도가 도 1에 도시된다. 상기 백색 광 방출 디바이스(10)는, 예를 들어 저온 동시소성 세라믹(low temperature co-fired ceramic; LTCC) 패키지와 같은 고온 패키지(14)에 패키징된 블루(즉 파장이 약 400 내지 480nm) 표면 발광 InGaN/GaN (인듐 갈륨 니트라이드/갈륨 니트라이드)계 광 방출 다이오드(LED) 칩(12)의 정사각형 어레이를 포함한다. 상기 패키지(14)는 상부 표면에 원형의 리세스(recess)들[컵들(cups)](16)을 갖는데, 이들 각각은 각자의 LED 칩(12)를 수용하도록 구성된다. 상기 패키지(14)는 또한, 각 리세스(16)의 바닥에서 전기 컨택트 패드(electrical contact pad)들을 한정하는 일정 패턴의 전기 전도성 트랙(electrically conducting track)들(18) 및 열 전도성 마운팅 패드(thermally conducting mounting pad)(20)를 포함한다. 상기 마운팅 패드(20)는, 열 전도성 비아(24)들의 어레이에 의해 상기 패키지의 베이스상의 대응 마운팅 패드(22)에 열적으로 연결된다. 상기 패키지(14)는 또한, 상기 디바이스에 전력을 제공하기 위해 상기 패키지의 베이스상에 전기 커넥터들(26, 28)을 포함한다. 각 LED 칩(12)는 예를 들어 열 전도성 접착제 또는 공정 솔더링(eutectic soldering)을 사용하여 각자의 리세스(16)의 마운팅 패드(20)에 장착된다. 상기 LED 칩(12) 의 상부 표면 상의 전극 컨택트(electrode contact)들은 본드 와이어(30)들에 의해 상기 리세스의 바닥 상의 대응 전기 컨택트 패드에 전기적으로 연결되고, 각 리세스(16)는, 상기 LED 칩(12)의 노출된 표면들이 형광체/폴리머 물질 혼합물에 의해 커버링(covering)되는 것을 확실히 하도록 분말화된 형광체 물질(34)로 로딩(loading)되는, 예를 들어, 실리콘과 같은 투명 폴리머 물질(32)로 완전히 충진(fill)된다. 상기 디바이스의 방출 세기(광 플럭스)를 향상시키기 위하여, 상기 리세스의 벽들은 각 리세스가 반사기(reflector)를 포함하도록 경사져 있다. 이러한 디바이스 패키지는 전기적 그리고 열적으로 양호하게(즉 열 저항이 일반적으로 8 내지 10 C/W임) 동작되나, 위와 같은 패키지들은 상대적으로 제조하는데 비용이 많이 들어 비용 집약적인 적용(application)들을 제한시킬 수 있다.
다른 패키징 배열은, 금속 코어 인쇄 회로 보드(MCPCB) 상에 직접 LED 칩을 장착하고 그리고나서 형광체 인캡슐레이션(phosphor encapsulation)으로 상기 LED 칩을 캡슐화하는 것을 포함한다. 이러한 구성은 종종 칩 온 보드(chip on board)(COB)라고 일컬어진다. 공지된 바와 같이 MCPCB는, 열적 전도성 베이스, 일반적으로 알루미늄, 전기적 비전도성/열적 전도성 유전체층 및 일반적으로 구리로 이루어진 전기 전도성 회로층을 포함한다. 상기 유전체층은, 상기 회로층에 장착된 구성요소들로부터 상기 베이스로 열을 전도할 수 있도록 매우 얇다. 리(Li) 등의 "형광체 파장 변환을 갖는 광 방출 디바이스 및 이의 제조 방법(Light emitting devices with phosphor wavelength conversion and methods of manufacture thereof)"(2010년 1월 19일 출원)이라는 발명의 명칭으로 함께 계류중인 미합중국 특허출원 일련번호 제12/689,449호에 개시된 바와 같이, 형광체 인캡슐레이션은 LED 칩 상에 몰딩되는 실질적으로 컨포멀한 코팅(substantially conformal coating)의 형태일 수 있다. 대안적으로, 리(Li) 등의 "형광체 파장 변환을 갖는 광 방출 디바이스(Light emitting devices with phosphor wavelength conversion )"(2009년 12월 16일 출원)라는 발명의 명칭으로 함께 계류중인 미합중국 특허출원 일련번호 제12/639,688호에 개시된 바와 같이, 형광체 물질은 수분/가스 기밀성 엔클로우저(moisture/gas tight enclosure)를 형성하도록 LED칩 위에 장착되는 광 투과성 반구형 셸(light transmissive hemispherical shell)의 내부 표면 상에 제공될 수 있다. 예를 들어 몰딩에 의해 LED칩 위에 형성되는 반구형 렌즈 내에 형광체 물질을 통합하는 것 또한 공지되어 있다. MCPCB의 열 저항은 우수하고 1.5℃/W만큼 낮을 수 있으나, 이러한 패키징 배열의 비용, 특히 개별적인 LED칩에 형광체 물질을 적용하는 비용은, 높은 경쟁력의 비용 인식 일반 라이팅 분야(highly competitive cost conscious general lighting sector)에서는 금지될 정도로 비쌀 수 있다. 게다가 위와 같은 패키징 배열에 의해서는 일관된 CCT를 갖는 디바이스를 생산하는 것이 어려울 수 있다.
MCPCB 상에 LED칩들의 어레이를 장착시키고 그 후, 상기 LED 칩들의 어레이를 둘러싸도록 상기 MCPCB에 장착된 주변 프레임[예를 들어 원형의 고리모양 프레임(circular annular frame)] 내에 포함되는 형광체 코팅으로 전체 LED 칩의 어레이를 캡슐화하는 것도 제안되었다. 단일 리세스를 갖는 패키지는 제조하는 것이 용이할 수 있지만, 그러한 배열은, 인접 칩들 사이의 영역들을 충진하는 추가의 형광체 물질을 필요로 하며 이러한 형광체 물질은 표면 방출 LED 칩들을 위한 광 발생에 거의 기여하지 않거나 전혀 기여하지 않는다. 이는, 추가의 형광체 물질이 광을 흡수하고 상기 디바이스의 전체적인 열 방출을 감소시킬 수 있다고 믿어진다. 초기 테스트에 의하면 LED칩들을 하우징하는 단일 리세스를 갖는 패키지는, 각자의 캐비티 내에 각각 하우징된 동일 수의 LED칩들을 갖는 패키지에 비하여(예를 들면 70 내지 80lm/W) 낮은 시감도(luminous efficacy)(예를 들어 50 내지 55lm/W)을 갖는다는 것이 판명되었다. 게다가, 단일 리세스가 복수의 LED칩들을 하우징하는 디바이스에서 상기 형광체 물질의 열적 열화가 더 높을 수 있다고 믿어진다.
MCPCB와 비교될 수 있고 열 저항을 가지며 하나 이상의 형광체 물질들의 용이한 적용을 가능하게 하는 보다 저렴한 광 방출 디바이스 패키지에 대한 필요가 아직도 존재한다.
본 발명은, 양호한 열적 특성, 특히 적어도 500루멘이상의 광플럭스를 갖는 광을 발생시키는 LED 칩들에 적합한 낮은 열 저항을 갖는 광 방출 디바이스용 패키징 배열을 제공하고자 안출된 것이다.
본 발명에 따르면 광 방출 디바이스는: 제 1 파장 범위 내의 우세 파장(dominant wavelength)을 갖는 광을 발생시키도록 동작 가능한 복수의 LED 칩들; 및 상기 칩들을 하우징시키기 위한 패키지를 포함하고, 상기 패키지는: 상기 LED 칩들이 장착되는 열 전도성 기판; 및 복수의 관통홀(through hole)을 갖는 커버를 포함하되, 각 홀은 상기 LED칩들 중 각자의 칩에 대응하고, 상기 홀들은, 상기 커버가 상기 기판에 장착될 때 상기 기판과 관련하여 각 홀이, 각자의 LED 칩이 하우징되는 리세스를 한정하도록 구성된다. 유리하게는 상기 패키지는 약 5℃/W 이하, 보다 바람직하게는 약 2℃/W 이하의 열저항을 갖는다.
상기 디바이스가 광의 원하는 색 또는 선택된 상관 색 온도(CCT)를 갖는 백색광을 발생시키기 위해서, 각 리세스는 적어도 하나의 형광체 물질 및 광 투과 물질의 혼합물로 적어도 부분적으로 충진(fill)된다. 상기 적어도 하나의 형광체 물질은 상기 LED 칩들에 의해 방출된 광의 적어도 일부분을 흡수하고 제 2 파장 범위 내의 우세 파장(dominant wavelength)을 갖는 광을 방출하도록 구성된다. 일반적으로 상기 디바이스의 방출 프러덕트(emission product)는 색에 있어서 백색으로 보이고 상기 제 1 및 제 2 파장 범위의 광의 조합을 포함한다. 대안적으로 상기 디바이스의 방출 프러덕트는 상기 적어도 하나의 형광체 물질에 의해 발생된 광을 포함할 수 있다. 각 LED 칩에 대해 각자의 리세스를 제공하는 것은, 단일 리세스가 LED 칩들의 어레이를 하우징시키는데 사용되는 공지된 패키지들과 비교하여 요구되는 형광체 물질의 양을 감소시킨다는 이점을 제공한다. 게다가 이러한 패키지는 공지된 패키지들과 비교하여 증대된 휘도를 갖는다는 것이 발견되었다. 일반적으로 상기 커버는 필수적으로 평면형이고 상기 리세스들은 닥터 블레이드(doctor blade), 스퀴기 등과 같은 플렉서블 블레이드를 사용하여 캐비티 커버의 표면 위에 형광체/폴리머 혼합물을 스위핑(sweeping)[드로잉(drawing)]함으로써 편리하게 충진될 수 있다. 이러한 방법의 이점은, 각 리세스 내로 형광체들의 측정된 양을 디스펜스(dispense)할 필요를 제거하고 이에 의해 비용이 감소된다는 점이다.
제조의 관점에서, 상기 커버는 상기 기판에 장착될 수 있고, 그 후 LED 칩들이 각자의 리세스 내에서 상기 기판에 장착될 수 있다. 대안적으로 상기 LED 칩들이 장착되고 상기 기판에 전기적으로 연결되며, 그 후 상기 커버가 상기 기판에 장착될 수 있다. 이러한 구성은, 칩 온 보드(COB) 제조 기술들의 사용을 허용하는 기본적으로 평면형의 기판 상에서 상기 LED 칩들의 장착 및 연결이 수행되는 것을 가능하게 한다.
상기 패키지의 열 저항을 최소화하고 열 방산을 최대화하기 위하여, 상기 기판은 가능한 높은 열 전도도를 가지며 적어도 200Wm-1K-1 오더(order)가 바람직하다. 상기 기판은 바람직하게는 금속이고 구리 또는 구리 합금이 유리하나, 다른 금속 또는 합금, 예를 들면 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 또는 알루미늄 실리콘 카바이드(AlSiC) 또는 카본 합성물(carbon composite)와 같은 열 전도성 세라믹을 포함할 수 있다.
상기 커버는 또한 양호한 열 컨덕터(thermal conductor)이고 적어도 150Wm-1K-1, 바람직하게는 200Wm-1K-1의 열 전도도(thermal conductivity)를 갖는 물질로 이루어지는 것이 유리하다. 이러한 커버는 상기 형광체 물질의 열 싱킹(heat sinking)을 제공하고 상기 형광체 물질의 잠재적인 열적 열화를 감소시킬 수 있다. 상기 커버는 바람직하게는 금속을 포함하며, 구리 또는 구리 합금을 포함하는 것이 유리하나, 다른 금속 또는 합금, 예를 들면 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 또는 알루미늄 실리콘 카바이드(AlSiC) 또는 카본 합성물(carbon composite)와 같은 열 전도성 세라믹을 포함할 수 있다.
LED 전극들 양자가 동일 면, 일반적으로 표면 방출 LED(surface emitting LED)의 광 방출 표면 상에 위치하는 "측면" 전도 구조("lateral" conducting structure)를 갖는 LED 칩들을 위해 의도된 실시예에서, 상기 디바이스는, 각 칩이 직접 상기 기판에 장착되도록 구성된 복수의 관통홀(through-hole)들을 갖는 상기 기판 상에 장착된 전기 회로 장치(electric circuit arrangement)를 더 포함한다. 본 명세서에서 "직접 장착된"("directly mounted")은 게재하는 층(들)[intervening layer(s)] 없이 직접 열적 교류하도록(in direct thermal communication) 장착된 것을 의미하여 상기 기판으로의 상기 칩들의 솔더링(soldering)을 포함한다. 각 LED 칩은 예를 들어 본드 와이어들을 사용하여 상기 회로 장치에 전기적으로 연결된다. 상기 회로 장치는 바람직하게는 FR-4 PCB와 같은 인쇄 회로 보드(PCB)를 포함한다. 이 패키징 장치의 특별한 이점은, 각 LED 칩이 높은 열 전도도의 기판과 직접 열적 교류하도록 장착되며 이는 공지된 해결책들과 비교하여 상기 칩들의 매우 낮은 열 저항 및 개선된 열 싱킹을 제공한다는 점이다. 부가적으로 상기 LED 칩들의 전기적 연결을 제공하기 위해 상기 칩들 위에 놓이는 회로 층의 사용은, 상기 기판으로부터의 완전한 전기 아이솔레이션(electric isolation)을 확실하게 한다. 이는, 종종 110V 또는 220V의 고 전압 교류 전류 공급원(supply)들부터 작동되는 것이 요구되는, 일반 라이팅에 사용되는 것이 의도되는 디바이스들에 유익하다.
LED 전극들이 상기 칩의 반대 면들에 위치하는 "수직" 전도 구조("vertical" conducting structure)를 갖는 LED 칩들을 위한 대안적인 패키징 실시예에서는, 상기 LED 칩들이 상기 기판의 표면 상의 회로 장치 상에 장착되고 이에 전기적으로 연결된다. 본 실시예에서 상기 LED 칩들은 상기 기판에 직접 장착되지 않는다. 상기 회로 장치는 바람직하게는, 그 표면 상에 전기 컨덕터의 배열을 갖는 전기적 절연 열적 전도성 층(electrically insulating thermally conductive layer)을 가지며 각 LED 칩이 하나의 전기 컨덕터에 장착된다. 열 전도성 층은 바람직하게는, "비정질 카본(amorphous carbon)" 또는 "비정질 다이아몬드(amorphous diamond)"라고도 일컬어지는 다이아몬드 라이크 카본(diamond like carbon)(DLC)을 포함한다. 상기 DLC는 바람직하게는 박막(일반적으로 5 내지 50㎛)의 형태이고 예를 들어 화학 증기 증착법(chemical vapor deposition)을 사용하여 상기 기판 상에 증착될 수 있다.
광 방출을 포커스(focus)시키거나 다른 방식으로 지향(direct)시키기 위해, 상기 디바이스는, 하나 또는 그 이상의 리세스들 위에 놓이는, 일반적으로 렌즈인 광학 구성요소를 더 포함할 수 있다. 상기 렌즈는 개별적인 구성요소의 형태일 수 있거나 어레이의 형태로 집적될(integrated) 수도 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 광 방출 디바이스는: 열 전도성 기판; 복수의 LED 칩들; 상기 기판 상에 장착되는 전기 회로 장치를 포함하되, 상기 전기 회로 장치는, 각 LED 칩이 상기 기판에 직접 장착될 수 있도록 구성된 복수의 관통-홀들을 포함하고; 복수의 관통홀들을 갖는 커버를 포함하되, 각 홀이 상기 LED 칩들 중 각자의 칩에 대응하고, 상기 홀들은, 상기 커버가 상기 회로 장치에 장착될 때 상기 기판과 관련하여 각 홀이, 각자의 LED 칩이 하우징되는 리세스를 한정하도록 구성되고; 그리고 각 리세스는 적어도 하나의 형광체 물질 및 광 투과성 물질의 혼합물로 적어도 부분적으로 충진되며, 상기 적어도 하나의 형광체 물질은 상기 제 1 파장 범위의 광의 적어도 일부분을 흡수하고 제 2 파장 범위 내의 우세 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성된다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 광 방출 디바이스는: 열 전도성 기판; 복수의 LED 칩들; 그 표면 상에 전기 컨덕터들의 배열을 갖는 전기적 절연 열적 전도성 층을 포함하고 각 LED 칩이 하나의 전기 컨덕터에 장착되는 회로 장치; 복수의 관통홀들을 갖는 커버를 포함하되, 각 홀이 상기 LED 칩들 중 각자의 칩에 대응하고, 상기 홀들은, 상기 커버가 상기 회로 장치에 장착될 때 상기 기판과 관련하여 각 홀이, 각자의 LED 칩이 하우징되는 리세스를 한정하도록 구성되고; 그리고 각 리세스는 적어도 하나의 형광체 물질 및 광 투과성 물질의 혼합물로 적어도 부분적으로 충진되며, 상기 적어도 하나의 형광체 물질은 상기 제 1 파장 범위의 광의 적어도 일부분을 흡수하고 제 2 파장 범위 내의 우세 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성된다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 제 1 파장 범위의 파장을 갖는 광을 발생시키도록 동작 가능한 복수의 LED 칩들을 포함하는 광 방출 디바이스를 위한 패키지가 제공되는데; 상기 패키지는: 상기 LED 칩들이 장착될 수 있는 열 전도성 기판; 및 복수의 관통홀들을 갖는 커버를 포함하되, 각 홀이 상기 LED 칩들 중 각자의 칩에 대응하고, 상기 홀들은, 상기 커버가 상기 기판에 장착될 때 상기 기판과 관련하여 각 홀이, 각자의 LED 칩이 하우징되는 리세스를 한정하도록 구성된다.
바람직하게 본 발명의 상기 패키지는 5℃/W 이하 또는 보다 바람직하게는 2℃/W 이하의 열 저항을 갖는다.
본 발명이 보다 잘 이해되기 위해서 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여, 오직 예시로서, 이하에 기재될 것이다:
도 1은 상술한 공지된 광 방출 디바이스의 개략적인 단면도이고;
도 2a 및 도 2b는 a) "측면(lateral)" 및 b) "수직(vertical)" 전도성 표면 방출 LED 칩 구조(conducting surface emitting LED chip structure)들을 개략적으로 나타내고;
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 "측면" 전도성 LED들을 사용하는 광 방출 디바이스의 개략적인 사시도이고;
도 4 는 도 3의 디바이스의 구조를 설명하는 부분 분해 사시도이고;
도 5 는 도 3의 광 방출 디바이스의 선 A-A의 개략 단면도를 나타내고;
도 6a 및 도 6b는 a) 480mA 및 b) 600mA의 구동 전류에 대하여 본 발명에 따른 광 방출 디바이스에 대한 각 LED 칩의 측정된 표면 온도를 나타내고;
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 "수직" 전도성 LED 칩들을 사용하는 광 방출 디바이스의 개략적인 사시도이고;
도 8은 도 7의 디바이스의 구조를 설명하는 부분 분해 사시도이고; 그리고,
도 9 는 도 7의 광 방출 디바이스의 선 A-A의 개략 단면도를 나타낸다.
본 발명의 실시예들은, 선택된 CCT를 갖는, 일반적으로 백색광인 원하는 색의 광을 발생시키기 위하여 하나 이상의 형광체 물질들을 포함하는 광 방출 디바이스들을 위한 패키징 장치들에 관련된 것이다. 본 명세서에서 유사한 도면 부호들은 유사한 부분을 나타내도록 사용된다.
패키징 관점으로부터, LED 칩들(다이들)은 측면으로 전기적 전도하는 것과 수직으로 전기적 전도하는 것으로 넓게 카테고리화될 수 있다. 도 2a 및 도 2b는 각각 "측면(lateral)" 및 "수직(vertical)" 전도성 표면 방출 GaN (gallium nitride) LED 칩 구조들의 단순화된 개략적 도면들이다.
공지된 바와 같이 "측면" 전도성 LED 칩(50a)는, 순서대로 후면 플레이트(back plate)(52a), 기판(54a)(일반적으로 사파이어), n-형 GaN 층(56a) 및 p-형 GaN 층(58a)를 포함한다(도 2a). 양(+)(60a) 및 음(-)(60b) 전극 컨택트(62a)가 각각 p형 층(58a) 및 n-형 층(56a)의 노출된 표면들상에 제공된다. 상기 LED 칩(50a)은 양 및 음 전극 컨택트들에 전기 파워를 인가함으로써 동작된다. 도 2a에 도시된 바와 같이, "측면" LED 칩 구조 내에서의 전기 전도(electrical conduction)(64a)는 전극 컨택트들 사이에서 일반적으로 측면 방향으로 발생한다. 요약하면 "측면" 전도성 LED 칩에서 양 및 음 전극 컨택트들 양자는 상기 칩의 동일한 면, 일반적으로 광 방출면에 위치된다.
유사하게, "수직" 전도성 LED 칩(50b)은, 순서대로 양 전극 평면(60a), 전기 전도성 기판(54b), p-형 GaN 층(58b) 및 n-형 GaN 층(56b)을 포함한다(도 2b). "수직" 전도성 구조에서는 음 전극 컨택트(62a)가 n-형 층(56b)의 상부 표면에 제공되고 전기 전도(64b)는 전극 컨택트들 사이에서 일반적으로 수직인 방향으로 발생한다. 따라서 "수직" 전도성 LED 칩에서는 양 및 음 전극 컨택트들이 상기 칩의 대향면들에 위치된다.
상이한 전극 컨택트 구성들로 인하여, "측면" 및 "수직" 전도성 LED 칩들에 기초한 광 방출 디바이스들에 대하여 상이한 패키징 배열이 요구된다.
"측면" 전도성 LED 칩들을 갖는 광 방출 디바이스
본 발명의 제 1 실시예에 따른 광 방출 디바이스(100)이 도 3, 4, 및 5에 도시되는데, 도 3은 상기 디바이스의 사시도, 도 4는 상기 디바이스의 구조를 보여주는 분해 사시도 그리고 도 5는 도 3의 선 A-A의 개략 단면도이다. 이해의 편의를 위해 형광체 물질은 도 3 및 4에 도시되지 않는다. 상기 디바이스(100)는 선택된 CCT (예를 들면 5500K) 및 600 루멘의 광 플럭스(luminous flux)(약 12W 입력 파워)를 발생시키도록 구성된다.
상기 디바이스(100)은 층(라미네이트된) 구조이고 3개의 층을 포함한다: 열적 전도성 베이스(기판)(102), 회로 층(104), 캐비티 커버(106) 및 렌즈(108)들의 어레이(도 3에는 렌즈들(108)이 생략됨). 상기 디바이스는 24개의 500mW 블루(즉, 약 400 내지 480nm의 우세 파장) 표면 방출 "측면" 전도성 InGaN/GaN (인듐 갈륨 니트라이드/갈륨 니트라이드)계 LED 칩들(50a)을 포함하는데, 이들은 5개의 행 및 5개의 열의 정사각형 어레이로서 배열되고 중앙 위치(110)는 열전지(thermocouple)와 같은 다른 구성요소(미도시)를 위해 남겨진다. 비록 상기 디바이스(100)는 LED 칩들(50a)의 정사각형 어레이를 포함하는 것으로 도시되었으나, 본 발명의 디바이스는 원하는 방출 세기(광 플럭스)에 따라 다른 LED 칩 구성[예를 들면 6각형 밀집 팩(hexagonal close packed)] 및 다른 수의 LED 칩들에 적용됨이 이해될 것이다.
상기 열적 전도성 베이스(102)는, 상기 베이스의 아래쪽으로의 열의 전도(conduction)를 최적화하기 위해 가능한 높은 전도도, 전형적으로 적어도 200Wm-1K-1의 오더(order)를 갖는 물질을 포함한다. 일반적으로 상기 베이스(102)는 금속을 포함할 수 있고 열 전도도가 약 400Wm-1K-1인 구리(Cu)가 바람직하다. 대안적으로 상기 베이스(102)는 구리 합금, 알루미늄(약 250Wm-1K-1), 양극 처리된 알루미늄(anodized aluminum), 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 또는 가능하게는 예를 들어 알루미늄 실리콘 카바이드(AlSiC) 또는 카본 합성물(carbon composite)와 같은 열 전도성 세라믹(thermal conducting ceramic)을 포함할 수 있다. 각 LED 칩(50a)은, 은 로딩된 에폭시(silver loading epoxy)와 같은 금속 로딩된 에폭시를 사용하거나 주석 또는 은 솔더 페이스트(tin or silver solder paste)와 같은 솔더 페이스트를 사용하여, 예를 들어 금-주석 공정 솔더(gold-tin eutectic solder)에 의한 솔더링에 의한 그 베이스 플레이트(52a)에 의해 상기 베이스(102) 상에 직접 장착(directly mounted)되고 상기 베이스(102)와 양호한 열적 교류(thermal communication)를 한다. 상기 베이스에 상기 LED 칩들(다이들)(52a)를 부착시키는 다른 방법들은 본 발명의 당업자에게는 명백할 것이다. 본 명세서에서 "직접 장착된(directly mounted)"은 게재하는 층(intervening layer)(들) 없이 직접 열적 교류하도록 장착되는 것을 의미한다.
상기 회로 층(104)은 바람직하게는 FR-4 (Fire Retardant-4) PCB와 같은 인쇄 회로 보드(PCB)를 포함하며, 각 관통홀(through-hole)(112)이 상기 LED 칩들(50a) 중 각자의 칩에 대응하도록 구성된 원형 관통홀(112)의 정사각형 어레이를 포함한다. 상기 관통홀(112)들의 크기는, 상기 회로 증(104)이 상기 베이스(102)에 장착될 때 상기 베이스(102)와 관련하여 각 관통홀(112)이 각자의 LED 칩(50a)을 하우징하기 위한 원형 리세스를 한정하도록 선택된다. 도 4에서 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 원하는 회로 구성으로 상기 LED 칩(50a)들을 전기적으로 연결하기 위한 전기 회로 구성을 한정하는 전기 컨덕터들(114)의 패턴이 상기 PCB (104)의 상부 표면에 제공된다. 도시된 실시예에서는 상기 회로 층이 양(+) 및 음(-) 전기 연결 패드들(116, 118) 사이에서 4개의 평행한 시리즈 스트링들로서 전기적으로 상호 연결되도록 구성되며, 각 스트링은 5개의 직렬로 연결된 LED 칩들을 포함한다. 상기 전기 연결 패드들은 또한 상기 PCB(104)의 상부 표면에 위치된다. 이러한 회로 구성은, 19.1 내지 20.4V의 디바이스 구동 전압에 대해 약 3.2 내지 3.4 V의 각 LED 칩을 가로지르는 순방향 전압 강하(forward voltage drop)의 결과를 초래한다. 각 LED 칩(50a) 상의 양 및 음 연결 컨택트들(60a 및 62a)은 하나 또는 그 이상의 본드 와이어(120)(도 5 참조)에 의해 상기 PCB 상의 대응 컨덕터(114)와 전기적으로 연결된다.
상기 캐비티 커버(106)는 형태에 있어서 실질적으로 평면형이고, 각 관통홀(122)이 상기 LED 칩들 중 각자의 칩에 대응하도록 구성된 원형의 관통홀(122)들의 정사각형 어레이를 갖는다. 일반적으로 각 관통홀(122)은 상기 회로 층(104) 내의 대응 관통홀(122)과 동축(coaxial)이다. 상기 관통홀(122)의 크기는, 상기 캐비티 커버(106)가 상기 회로 층(104)에 장착될 때 각 관통홀(12)이 각자의 LED 칩(50a)과 본드 와이어(120)들을 에워싸는 얕은 원형 리세스(컵)를 한정하도록 선택된다. 상기 캐비티 커버(106)는 일반적으로는 적어도 150Wm-1K-1의 오더, 그리고 바람직하게는 200Wm-1K-1의 오더인, 가능한 높은 열 전도도를 갖는 열적 전도성 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 커버는 전기 절연 물질 또는 전기 전도성 물질일 수 있으며, 구리(Cu), 구리 합금, 알루미늄, 양극 처리된 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금과 같은 금속, 예를 들어 알루미늄 실리콘 카바이드(AlSiC), 카본 합성물 또는 고온 폴리머 물질과 같은 열 전도성 세라믹을 포함할 수 있다. 각 관통홀(122)의 벽은 기울어질 수 있으며, 은, 알루미늄 또는 크롬의 금속화 층(metallization layer)과 같은 광 반사성 표면을 포함할 수 있다. 상기 LED 칩(50a)들을 상기 베이스(102)에 장착시키고 상기 회로 층(104)에 각각 전기적으로 연결되고, 상기 캐비티 커버(106)가 상기 PCB에 장착된다. 대안적으로, 상기 커버가 상기 기판에 장착되고, 이후에 상기 LED 칩들이 각자의 리세스 내에 장착될 수 있다.
각 리세스(컵)은 이후에 하나 이상의 형광체 물질 및 일반적으로 실리콘 또는 에폭시와 같은 액체 폴리머(liquid polymer)인 광 투과성(투명) 물질(124)의 혼합물로 충진(fill)된다. 광 투과성 폴리머 물질의 예시들은 신-에츄 마이크로시 주식회사(Shin-Etsu MicroSi, Inc)의 플렉시블 실리콘 KJR-9022 및 지이(GE)사의 열 경화 실리콘 RTV615를 포함할 수 있다. 상기 캐비티 커버(106)는 기본적으로 평면형이기 때문에 상기 리세스들은 닥터 블레이드(doctor blade), 스퀴기(squeegee) 등과 같은 플렉시블 블레이드를 사용하여 상기 캐비티 커버의 표면 위에 상기 형광체/폴리머 혼합물을 스위핑(sweeping)[드로잉(drawing)]함으로써 편리하게 충진될 수 있다. 이러한 방법의 장점은 각 리세스 내로 측정된 양의 형광체들을 디스펜싱(dispensing)할 필요를 제거한다는 점이다. 대안적으로 측정된 양의 형광체/폴리머 혼합물은 각 캐비티 내로 디스펜싱될 수 있다. 폴리머 물질에 대한 형광체 물질의 웨이트 로딩(weight loading)은 일반적으로 100당 10 내지 50 파트(10 to 50 parts per 100)의 범위이며 상기 디바이스의 타겟 방출 색/CCT에 달려 있다. 유리하게는 상기 광 투과성 폴리머는, 그 굴절율 n이 실행가능할 정도로 상기 LED 칩(50a)들의 굴절율과 가깝게 선택된다. 예를 들어, InGaN/GaN LED 칩의 굴절율 n이 약 2.4 내지 2.5인 한편, 높은 굴절율 실리콘은 약 1.2 내지 1.5의 굴절율 n을 갖는다. 따라서 실제로 상기 폴리머 물질은 일반적으로 1.2 이상의 굴절율 n을 갖는다. 높은 굴절율 폴리머의 사용은, 어느 정도의 굴절율 매칭(matching)을 제공함에 의해 상기 LED 칩(50a)들로부터 광의 방출을 증가시킬 수 있다. 각자의 렌즈(108)는 이후에 상기 디바이스(100)로부터의 방출 프러덕트(emission product)를 포커스(focus)시키거나 또는 다른 방식으로 지향(direct)시키기 위해 각 리세스(122) 위에 장착될 수 있다. 상기 렌즈(108)들은 실리콘 또는 폴리카보네이트와 같은 광 투과성 유리 또는 폴리머 물질로부터 제조되며, 개별적인 렌즈들 또는 렌즈들의 어레이의 형태일 수 있다.
본 발명의 패키징 장치의 특별한 이점은, 각 LED 칩이 높은 열 전도도의 베이스와 직접 열적 교류하도록 장착되기 때문에 이는 낮은 열 저항을 갖는 패키지가 제공될 수 있다는 점이다. 부가적으로, 상기 LED 칩들의 전기적 연결을 제공하기 위해 상기 칩들 위에 놓이는 회로 층의 사용은 상기 베이스로부터의 완전한 전기 절연을 보장할 수 있다는 점이다. 이는, 종종 110V(예를 들어 북미) 또는 220V(예를 들어 유럽)의 교류 전류 공급원으로부터 동작하는 것이 요구되는 일반 라이팅(general lighting)에 사용되도록 의도된 디바이스들에 유익하다. 또한, 각 LED 칩을 위한 각자의 리세스(122)를 갖는다는 것은, LED 칩의 어레이를 하우징하는데 단일 리세스가 사용되는 공지된 패키지들과 비교하여 요구되는 형광체 물질의 양을 감소시킨다는 이점을 제공한다. 게다가, 본 발명자들은 위와 같은 패키지가, 동일한 양의 형광체 물질 및 동일한 수의 LED 칩을 갖는 공지된 패키지들과 비교하여 보다 증가된 휘도[시감도(luminous efficacy)]를 갖는다는 것을 발견하였다. 부가적으로 상기 커버가 양호한 열 컨덕터인 물질로 이루어진 경우, 이와 가은 커버는 상기 형광체 물질의 열 싱킹(heat sinking)을 제공할 수 있고 상기 형광체 물질의 잠재적인 열적 열화를 감소시킬 수 있다. 게다가, 별도의 캐비티 커버(106)의 사용은, 상기 LED 칩들의 장착 및 연결이, 칩 온 보드(COB) 제조 기술들의 사용을 허용하는 기본적으로 평면형인 기판상에서 수행될 수 있는 것이 가능하도록 한다. 대안적으로, 상기 커버는 상기 기판에 장착될 수 있고 이후 상기 LED 칩들이 각자의 리세스 내에서 상기 기판에 장착될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는, 순방향 구동 전류 IF가 a) 480mA 그리고 b) 600mA인 경우 "측면" 전도성 LED 칩들을 갖는 본 발명에 따른 600 루멘 광 방출 디바이스(100)에 대해 24개의 LED 칩(50a)들 각각의 측정된 온도(표면 온도)이다. 이 도면들에서의 숫자들은 실제의 LED 칩 표면 온도들이다. 표 1은 순방향 구동 전류 IF가 a) 480mA 그리고 b) 600mA인 경우 본 발명에 따른 상기 600 루멘 광 방출 디바이스에 대한 온도 데이터(thermal data)를 도시한다. 상기 온도 데이터는 정지된 공기 엔클로저(크기 600x600x600mm) 내에 60x60x38mm의 양극 처리된 알루미늄 열 싱크(전체 표면 영역이 약 82,302 mm2) 상에 상기 디바이스(100)가 장착된 경우에 대해 측정되었다.
표 1에서 Tmin, Tmax 및 Tmean 은 각각 LED 칩 표면 온도의 최소, 최대 및 평균값이고, σ는 LED 칩 표면 온도의 표준 편차이며, TC는 중앙 캐비티(100)에 대한 온도이며, △T는 평균 칩 온도 Tmean과의 온도 차이, 그리고 Ta는 주변 온도(ambient temperature)이다. 표 1은, 패키지의 열 저항 RJC가 1.2 내지 1.4℃/W 오더임을 보여준다. 비교를 위해 세라믹(예를 들어 LRCC) 패키지는 일반적으로 8 내지 10℃/W 오더의 열저항을 가지며 플라스틱 패키지는 15℃/W 오더의 열저항을 갖는다. 따라서 본 발명의 패키지는, LED 칩들이 MCPCB의 표면 상에 장착되는 COB 배열과 필적할만한 열 저항을 갖는다. 계산에 의하면 폴리머 엔캡슐레이션(polymer encapsulation)의 열 저항은 240℃/W 오더임을 알 수 있다.
순방향 구동 전류 IF가 480mA 그리고 600mA인 경우 측면 전도성 LED 칩들을 갖는 600 루멘 광 방출 디바이스에 대한 온도 데이터(thermal data)
IF(mA) VF(V) T(℃) TC(℃) △T(℃) Ta(℃) RJC(℃/W)
Tmin Tmax Tmean Σ
480 19.14 75.5 85.2 80.0 2.775 67.2 12.8 25.6 1.360
600 19.62 86.3 97.3 92.0 2.868 77.6 14.4 26.1 1.214
표 2 및 표 3은 각각 5500K 및 2700K의 공칭(nominal) CCT에 대해 본 발명에 따른 600 루멘 광 방출 디바이스의 방출 데이터를 나타낸다. 데이터는 렌즈(108)가 있는 경우와 없는 경우의 디바이스들에 대해 순방향 구동 전류 IF 가 480mA 및 600mA인 경우에 대해 주어진다.
렌즈가 있는 경우와 없는 경우에 대해 순방향 구동 전류 IF 가 480mA 및 600mA인 경우 측면 전도성 LED 칩들을 갖는 600 루멘(5500K) 광 방출 디바이스의 방출 데이터
IF (mA) VF (V) 광 플럭스(lm) 시감도(luminous efficacy)(lm/W) 색도 CCT(K) CRI
CIE x CIE y
렌즈 없음
480 19.64 485 54.7 0.3289 0.3233 5711 60.3
600 20.31 588 51.1 0.3297 0.3250 5622 60.1
렌즈 있음
480 19.70 541 61.5 0.3108 0.2944 7154 64.8
600 20.37 656 58.0 0.3177 0.2961 7051 63.8
렌즈가 있는 경우와 없는 경우에 대해 순방향 구동 전류 IF 가 480mA 및 600mA인 경우 측면 전도성 LED 칩들을 갖는 600 루멘(2700K) 광 방출 디바이스의 방출 데이터
IF (mA) VF (V) 광 플럭스(lm) 시감도(luminous efficacy)(lm/W) 색도 CCT(K) CRI
CIE x CIE y
렌즈 없음
480 19.64 517 51.3 0.4421 0.4025 2902 48.2
600 20.30 624 48.1 0.4420 0.4033 2912 48.0
렌즈 있음
480 19.70 587 57.2 0.4255 0.3911 3095 50.9
600 20.35 708 53.7 0.4255 0.3920 3102 50.8
"수직" 전도성 LED 칩들을 갖는 광 방출 디바이스
본 발명의 제 2 실시예에 따른 광 방출 디바이스(100)가 도 7, 8 및 9를 참조하여 이하에 기재되는데, 도 7은 상기 디바이스의 사시도이고, 도 8은 상기 디바이스의 구조를 도시하는 분해 사시도이고, 도 9는 도 7의 선 A-A의 개략적 단면도이다. 상기 디바이스(100)는 선택된 CCT 및 1000루멘(약 21W 입력 파워) 오더의 광 플럭스를 갖는 백색광을 발생시키도록 구성된다.
상술한 디바이스와 공통적으로 상기 디바이스(100)는 3개의 층을 포함한다: 열 전도성 베이스(102), 회로 층(104), 캐비티 커버(106) 및 렌즈(108)들의 어레이. 상기 베이스(102)는 금속과 같은 가능한 높은 열 전도도(일반적으로 적어도 200Wm-1K-1 오더)를 갖는 물질을 포함하며 바람직하게는 구리로 이루어진다. 본 실시예에서 상기 회로 층(104)은, 상기 베이스 상에 증착된 전기적 절연, 열적 전도성 필름(126)을 포함하고, 그 위에 전기 컨덕터(114)의 패턴이 형성된다. 바람직하게는 상기 열 전도성 필름(126)은 "비정질 카본" 또는 "비정질 다이아몬드"로 알려진 다이아몬드 라이크 카본(diamond like carbon)(DLC)를 포함하는데, 이는 금속에 필적할 수 있는 열 전도도를 갖는 전기 절연체라고 알려져 있다. 일반적으로 상기 DLC 필름(126)은 5 내지 50㎛의 오더의 두께이며 예를 들어 CVD(화학 기상 증착법)을 사용하여 상기 베이스(102) 상에 증착된다. 상기 전기 컨덕터(114)들은 바람직하게는 상기 DLC 필름(126) 상에 증착된 구리 층(128)을 포함한다. 도시된 예시에서 상기 디바이스는 16개의 1.3W 블루(즉 파장이 약 400 내지 480nm) 표면 방출 "수직" 전도성 InGaN/GaN(인듐 갈륨 니트라이드/갈륨 니트라이드)계 광 방출 다이오드(LED) 칩(50b)들을 포함하는데, 이들은 4행 4열의 정사각형 어레이로서 배열된다.
양 전극 평면(60b)을 수단으로 하여 각 LED 칩(50a)은, 은 로딩된 에폭시(silver loading epoxy)와 같은 금속 로딩된 에폭시를 사용하거나 예를 들어 주석 또는 은 솔더 페이스트(tin or silver solder paste)와 같은 솔더 페이스트를 사용하여, 예를 들어 금-주석 공정 솔더(gold-tin eutectic solder)에 의한 솔더링에 의해 각자의 전기 컨덕터(114) 상에 장착되고 이에 전기적으로 연결된다. 도 7에서 가장 잘 이해할 수 있는 바와 같이, 일반적으로 직사각형 형태인 전기 컨덕터(114)들의 패턴은, 각 LED 칩에 가능한 넓은 표면적을 제공하여 상기 필름(126)을 통한 상기 베이스(102)로의 열 방산을 최대화시키도록 구성된다. 도시된 예시에서 상기 LED 칩(50b)들은, 양(+) 및 음(-) 전기 연결 패드들(116, 118) 사이에서4개의 평행한 시리즈 스트링들로서 상호 연결되며, 각 스트링은 4개의 직렬로 연결된 LED 칩들을 포함한다. 이러한 회로 구성이 결과로서 디바이스 구동 전압 VF 가 14.3 내지 14.8V(예시임) 오더인 경우 각 LED 칩을 가로지르는 순방향 전압 강하가 약 3.5 내지 3.7V가 된다. 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 각 LED 칩(50b)의 음 전극 컨택트(62b)들은 하나 또는 그 이상의 본드 와이어(120)들에 의해 대응 컨덕터(114)에 전기적으로 연결된다.
제 1 실시예에서와 같이, 평면형의 캐비티 커버(106)은, 각 관통홀(122)가 상기 LED 칩(50b)들 중 각자의 칩에 대응하도록 구성된 원형 관통홀(122)들의 정사각형 어레이를 갖는다. 상기 관통홀(122)의 크기는, 상기 캐비티 층(106)이 상기 회로 층(104)에 장착될 때 각 관통홀(122)이 각자의 LED 칩(50b)을 둘러싸는 원형 리세스(컵)을 한정하도록 선택된다. 각 관통홀(122)의 벽은 도시된 바와 같이 기울어질 수 있고, 은, 알루미늄 또는 크롬의 금속화 층과 같은 광 반사면을 포함할 수 있다. 경사각은 광 방출을 최대화시키고 원하는 방출 패턴을 제공하도록 선택될 수 있으며, 상기 커버의 표면에 대해 일반적으로 30°내지 60°의 범위이다. 각 LED 칩(50b)을 각자의 컨덕터(114)에 장착시키고 상기 회로 층(104)에 각각 전기적으로 연결시키고 나서, 상기 캐비티층(106)이 상기 회로층(104)에 장착된다. 상기 캐비티 커버(106)는 적어도 150Wm-1K-1 오더, 바람직하게는 적어도 200Wm-1K-1 오더의, 가능한 높은 열 전도도를 갖는 열 전도성 물질을 포함한다. 상기 캐비티 커버는 전기 절연 물질 또는 전기 전도성 물질일 수 있으며, 구리(Cu), 구리 합금, 알루미늄, 양극 처리된 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금과 같은 금속, 예를 들어 알루미늄 실리콘 카바이드(AlSiC), 카본 합성물 또는 고온 폴리머 물질과 같은 열 전도성 세라믹을 포함할 수 있다.
마지막으로 각 리세스(122)는 하나 이상의 형광물질 및 일반적으로 실리콘 또는 에폭시와 같은 폴리머인 광 투과성(투명) 물질의 혼합물(124)로 포팅(potting)(충진)될 수 있다. 폴리머 물질에 대한 상기 하나 이상의 형광체 물질의 웨이트 로딩은 일반적으로 100당 10 내지 50 파트(10 to 50 parts per 100)의 범위이며 이는 상기 디바이스의 타겟 방출 색/CCT에 달려 있다.
도시된 바와 같이 렌즈(108)들은 그 후 상기 디바이스로부터의 방출 프로덕트를 포커싱하거나 다른 방식으로 지향시키도록 각 리세스(122) 위에 장착될 수 있다.
표 4는 3000K의 공칭 CCT로 "수직" 전도성 LED 칩들을 갖는 본 발명에 따른 1000루멘 광 방출 디바이스에 대해 측정된 방출 데이터를 도시한다. 데이터는 렌즈(108)들이 없는 디바이스와 렌즈(108)들이 있는 디바이스에 대해 주어진다.
렌즈가 있는 경우와 없는 경우에 대해 수직 전도성 LED 칩들을 갖는 1000 루멘(30000K) 광 방출 디바이스의 방출 데이터
VF (V) 광 플럭스(lm) 시감도(luminous efficacy)(lm/W) 색도 CCT(K) CRI
CIE x CIE y
렌즈 없음
14.83 916 44.17 0.4312 0.3913 2993 49.4
렌즈 있음
14.32 999 47.89 0.4196 0.3815 3123 51.6
상기 실시예들에 따른 본 발명의 디바이스들("측면" 또는 "수직" LED 전도성 칩들에 기초한 디바이스들)에서는, 일단 상기 LED 칩들이 상기 회로 층에 장착되고 연결되면 상기 캐비티 커버(106)가 상기 회로 층(104)에 부착되는 것이 바람직하다. 이는 자동화된 칩 온 보드(COB) 제조 기술들의 사용을 가능하게 하는 일반적으로 평면형인 기판 상에 상기 LED 칩들이 장착되고 있기 때문에 상기 디바이스의 제조를 보다 용이하게 할 수 있다. 부가적으로 별도의 캐비티 커버는 용이한 렌즈 부착을 가능하게 하며 또한 단일 캐비티가 많은 수의 LED 칩들을 하우징하는 공지된 디바이스들과 비교하여 요구되는 형광체 물질의 양을 감소시킨다. 게다가 열 전도성인 캐비티 커버의 사용은 형광체 물질의 열 싱킹(heat sinking)을 제공하며 상기 형광체 물질의 잠재적인 열적 열화를 감소시킨다.
본 발명의 디바이스는 분말 형태의 임의의 형광체 물질(들)에 대해 적합하고, 예를 들어 일반 조성식 A3Si(O,D)5 또는 A2Si(O,D)4 의 실리케이트계 형광체로서 여기서 Si는 실리콘이고, O는 산소, A는 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 또는 칼슘(Ca)을 포함하고 D는 염소(Cl), 불소(F), 질소(N) 또는 황(S)을 포함하는 것과 같은 무기 또는 유기 형광체를 포함할 수 있다. 실리케이트계 형광체들의 예시들은 함께 계류중인 미합중국 특허공개번호 제2007/0029526 A1호, 미합중국 특허번호 제　7,311,858　B2호, 제　7,575,697　B2호 및 제　7,601,276　B2호에 개시되어 있으며, 이들 각각의 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다.
미합중국 특허번호 제7,575,697 B2호에 개시된 바와 같이, 유로퓸(Eu2 +) 활성화된 실리케이트계 그린 형광체는 일반 화학식 (Sr,A1)x(Si,A2)(O,A3)2+x:Eu2 +를 갖는데, 여기서 A1은 예를 들어 Mg, Ca, Ba, 아연(Zn), 나트륨(Na), 리튬(Li), 비스무스(Bi), 이트륨(Y) 또는 세륨(Ce)과 같은 2+ 양이온 또는 1+ 및 3+ 양이온들의 조합이고; A2는 예를 들어 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 탄소(C), 게르마늄(Ge), N 또는 인 (P)과 같은 3+, 4+ 또는 5+ 양이온이며 그리고 A3 는 예를 들어 F, Cl, 브롬(Br), N 또는 S와 같은 1-, 2- 또는 3- 음이온이다. 상기 화학식은 A1 양이온이 Sr을 치환하며; A2 양이온이 Si를 치환하며 A3 음이온이 산소를 치환하는 것을 가리키는 것으로 쓰여졌다. x의 값은 1.5 및 2.5 사이의 정수 또는 비정수이다.
미합중국 특허번호 제7,311,858 B2호는 화학식 A2SiO4:Eu2 + D를 갖는 실리케이트계 옐로우 -그린 형광체를 개시하는데, 여기서 A는 Sr, Ca, Ba, Mg, Zn 또는 카드뮴(Cd)을 포함하는 적어도 하나의 2가 금속이고; D는 F, Cl, Br, 요오드(I), P, S 및 N을 포함하는 도펀트이다. 상기 도펀트 D는 약 0.01 내지 20 몰퍼센트의 범위의 양으로 상기 형광체 내에 존재할 수 있고 상기 도펀트 중 몇몇은 산소 음이온들을 치환하여 상기 형광체의 결정 격자 내에 통합된다. 상기 형광체는 (Sr1 -x-yBaxMy)SiO4:Eu2+D를 포함할 수 있는데 여기서 M은 Ca, Mg, Zn 또는 Cd이고 0≤x≤1 및 0≤y≤1이다.
미합중국 특허번호 제7,601,276 B2호는 (M1)2SiO4의 결정 구조와 실질적으로 동일한 결정 구조를 갖는 제 1 상(first phase); 및 (M2)3SiO5의 결정 구조와 실질적으로 동일한 결정 구조를 가는 제 2 상을 갖는 2상(two phase) 실리케이트계 형광체를 개시하는데, 여기서 M1 및 M2는 각각 Sr, Ba, Mg, Ca 또는 Zn을 포함한다. 적어도 하나의 상은 2가의 유로퓸(Eu2 +)으로 활성화되고 적어도 하나의 상은 F, Cl, Br, S 또는 N를 포함하는 도펀트 D를 포함한다. 도펀트 원자들 중 적어도 몇몇은 호스트 실리케이트 결정의 산소 원자 격자 사이트들에 위치된다고 믿어진다.
쳉(Cheng) 등에 대한 미합중국 특허공개번호 제　2007/0029526　A1호는 화학식 (Sr1-xMx)yEuzSiO5를 갖는 실리케이트계 오렌지 형광체를 개시하는데, 여기서 M은 Ba, Mg, Ca 또는 Zn을 포함하는 적어도 하나의 2가의 금속이고; 0<x<0.5; 2.6<y<3.3; 그리고 0.001<z<0.5이다. 상기 형광체는 약 565nm보다 큰 피크 방출 파장을 갖는 가시광을 방출하도록 구성된다.
상기 형광체는 또한 함께 계류중인 미합중국 특허공개 번호 제　2006/0158090　A1호 및 미합중국 특허번호 제　7,390,437　B2호에 개시된 알루미네이트계 물질 또는 함께 계류중인 미합중국 특허공개 번호 제　2008/0111472　A1호에 개시된 알루미늄-실리케이트 형광체를 포함할 수 있으며, 이들 각각의 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다.
왕(Wang) 등에 대한 미합중국 특허공개번호 제　2006/0158090　A1호는 화학식 M1-xEuxAlyO[1+3y/2] 를 갖는 알루미네이트계 그린 형광체를 개시하는데, 여기서 M은 Ba, Sr, Ca, Mg, Mn, Zn, Cu, Cd, Sm 또는 툴륨(Tm)을 포함하는 적어도 2가의 금속이고 0.1<x<0.9 및 0.5≤y≤12이다.
미합중국 특허번호 제 7,390,437 B2호는 화학식 (M1 - xEux)2- zMgzAlyO[2+3y/2]를 갖는 알루미네이트계 블루 형광체를 개시하는데, 여기서 M은 Ba 또는 Sr의 적어도 하나의 2가 금속이다. 일 조성에서 상기 형광체는 약 280nm 내지 420nm의 범위의 파장의 방사선을 흡수하고, 약 420nm 내지 560nm의 범위의 파장을 갖는 가시광을 방출하도록 구성되며, 0.05<x<0.5 또는 0.2<x<0.5; 3≤y≤12 그리고 0.8≤z≤1.2이다. 상기 형광체는 Cl, Br 또는 I와 같은 할로겐 도펀트로 더욱 도핑될 수 있고 일반 조성식이 (M1 - xEux)2- zMgzAlyO[2+3y/2]:H일 수 있다.
리우(Liu) 등에 대한 미합중국 특허공개번호 제　2008/0111472　A1호는 일반 화학식 (Sr1 -x- yMxTy)3- mEum(Si1 - zAlz)O5의 혼합된 2가 및 3가 양이온들을 가지는 알루미네이트-실리케이트 오렌지-레드 형광체를 개시하는데, 여기서 M은 0≤x≤0.4의 범위의 양으로 Ba, Mg 또는 Ca로부터 선택된 적어도 하나의 2가의 금속이고; T는 0≤y≤0.4의 범위의 양으로Y, 란탄(La), Ce, 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 테르븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 에르븀(Er), Tm, 이테르븀(Yt), 루테튬(Lu), 토륨(Th), 프로탁티늄(Pa) 또는 우라늄(U)로부터 선택된 3가의 금속이고, z 및 m은 0≤z≤0.2 및 0.001≤m≤0.5의 범위이다. 상기 형광체는 실리케이트 결정 내에 산소 격자 사이트들에 상기 할로겐이 주재(reside)하도록 구성된다.
상기 형광체는 또한, 함께 계류중인 "RGB(red-green-blue) 라이팅 시스템 내의 니트라이드계 레드-발광 형광체들(Nitride - based red - emitting phosphors in RGB ( red - green - blue ) lighting systems)"이라는 발명의 명칭으로 2009년 12월 7일에 출원된 일련번호 12/632,550 호 그리고 2009년 11월 19일에 공개된 미합중국 특허공개번호 제2009/0283721 A1호에 개시된 바와 같은 니트라이드계 레드 형광체를 포함할 수도 있는데, 이들의 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다. 제　2009/0283721　A1호 및 제12/632,550 호는 화학식 MmMaMbD3wN[(2/3)m+z+a+(4/3)b-w]Zx 을 갖는 니트라이드계 레드 형광체를 개시하는데, 여기서 Mm은 베릴륨(Be), Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd 또는 수은 (Hg)로부터 선택된 2가의 원소이고; Ma는 B, Al, Ga, In, Y, Se, P, As, La, Sm, 안티몬(Sb) 또는 Bi로부터 선택된 3가의 원소이고; Mb는 C, Si, Ge, tin (Sn), Ni, 하프늄(Hf), 몰리브덴 (Mo), 텅스텐(W), Cr, Pb, Ti 또는 지르코늄(Zr)으로부터 선택된 4가의 원소이며; D는 F, Cl, Br, 또는 I 로부터 할로겐이고, Z는 Eu, Ce, Mn, Tb 또는 Sm으로부터 선택된 활성제이고, N은 0.01≤m≤1.5, 0.01≤a≤1.5, 0.01≤b≤1.5, 0.0001≤w≤0.6 및 0.0001≤z≤0.5의 양을 갖는 질소이다. 상기 형광체는 640nm보다 큰 방출 피크 파장을 갖는 가시광을 방출하도록 구성된다.
상기 형광체 물질은 상술한 예시에 한정되지 않으며 예를 들어 니트라이드 및/또는 술페이트(sulfate) 형광체 물질들, 옥시-니트라이드들 및 옥시-술페이트 또는 가넷 물질들(YAG)과 같은 유기 또는 무기 형광체 물질을 포함하는 임의의 형광체 물질을 포함할 수 있다는 점이 이해될 것이다.
또한 본 발명은 상술한 특정 실시예에만 한정되는 것이 아니고 본 발명의 범위 안에서 변형될 수 있다는 점이 이해될 것이다. 예를 들어 본 발명에 따른 디바이스는, 블루 또는 UV광을 방출하는 실리콘 카바이드(SiC), 징크 셀레나이드(ZnSe), 인듐 갈륨 니트라이드(InGaN), 알루미늄 니트라이드(AlN) 또는 알루미늄 갈륨 니트라이드(AlGaN)계 LED 칩들과 같은 다른 LED 칩들을 포함할 수 있다.
또한 상기 제 1 실시예에 따른 패키지는, 각 LED 칩의 전극 평면이 평행 회로 구성으로 함께 연결되는 것이 필요한 "수직" 전도성 LED칩을 패키징하는데 사용될 수도 있다.

Claims (21)

  1. 광 방출 디바이스에 있어서:
    a) 제 1 파장 범위 내의 우세 파장을 갖는 광을 발생시키도록 동작 가능한 복수의 LED 칩들; 및
    b) 상기 LED 칩들을 하우징시키기 위한 패키지를 포함하고,
    상기 패키지는:
    c) 상기 LED 칩들이 열적 교류하도록 장착되는 열 전도성 기판; 및
    d) 복수의 관통-홀들을 갖는 커버를 포함하되, 각 홀이 상기 LED 칩들 중 각자의 칩에 대응하고, 상기 홀들은, 상기 커버가 상기 기판에 장착될 때 상기 기판과 관련하여 각 홀이, 각자의 LED 칩이 하우징되는 리세스를 한정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광 방출 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 패키지는 5℃/W 이하 및 2℃/W 이하로 구성되는 그룹에서 선택된 열 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 광 방출 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 형광체 물질 및 광 투과성 물질의 혼합물로 적어도 부분적으로 충진된 각 리세스를 더 포함하되, 상기 하나 이상의 형광체 물질은 상기 광의 적어도 일부분을 흡수하고 제 2 파장 범위 내의 우세 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광 방출 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광 방출 디바이스의 방출 프러덕트는 상기 제 1 및 제 2 파장 범위들의 광의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 방출 디바이스.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 방출 프러덕트는 백색광인 것을 특징으로 하는 광 방출 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 적어도 200Wm-1K-1의 열 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 광 방출 디바이스.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 기판은: 구리, 구리 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 열 전도성 세라믹, 알루미늄 실리콘 카바이드 및 카본 합성물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광 방출 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 커버는 열 전도성이고, 적어도 150Wm-1K-1 및 적어도 200Wm-1K-1로 구성된 그룹으로부터 선택된 열 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 광 방출 디바이스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 커버는: 구리, 구리 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 열 전도성 세라믹, 알루미늄 실리콘 카바이드 및 카본 합성물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광 방출 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 상에 장착되는 전기 회로 장치를 더 포함하되, 상기 회로 장치는, 각 LED 칩이 직접 상기 기판에 장착되도록 구성된 복수의 관통-홀들을 갖는 것을 특징으로 하는 광 방출 디바이스.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 회로 장치에 각 LED 칩을 전기적으로 연결하는 구성을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 방출 디바이스.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 회로 장치는 인쇄 회로 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 방출 디바이스.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 LED 칩들은 "측면" 전도성 칩들인 것을 특징으로 하는 광 방출 디바이스.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 상에, 그 표면에 전기 컨덕터들의 배열을 갖는 전기적 절연성 열적 전도성 층을 더 포함하고, 각 LED 칩이 전기 컨덕터에 장착되는 것을 특징으로 하는 광 방출 디바이스.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 열 전도성 층은 다이아몬드 라이크 카본(diamond like carbon)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 방출 디바이스.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 LED 칩들은 "수직" 전도성 칩들인 것을 특징으로 하는 광 방출 디바이스.
  17. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 리세스 위에 놓이는 광학 구성요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 방출 디바이스.
  18. 광 방출 디바이스에 있어서,
    a) 제 1 파장 범위 내의 우세 파장을 갖는 광을 발생시키도록 동작 가능한 복수의 LED 칩들; 및
    b) 상기 LED 칩들을 하우징시키기 위한 패키지를 포함하고,
    상기 패키지는:
    c) 상기 LED 칩들이 직접 열적 교류하도록 장착되는 열 전도성 기판; 및
    d) 상기 기판 상에 장착되는 전기 회로 장치를 포함하되, 상기 전기 회로 장치는, 각 LED 칩이 직접 열적 교류하도록 상기 기판에 장착되는 방식으로 구성된 복수의 관통-홀들을 포함하고;
    e) 복수의 관통홀들을 갖는 커버를 포함하되, 각 홀이 상기 LED 칩들 중 각자의 칩에 대응하고, 상기 홀들은, 상기 커버가 상기 회로 장치에 장착될 때 상기 기판과 관련하여 각 홀이, 각자의 LED 칩이 하우징되는 리세스를 한정하도록 구성되고; 그리고
    f) 각 리세스는 적어도 하나의 형광체 물질 및 광 투과성 물질의 혼합물로 적어도 부분적으로 충진되며, 상기 적어도 하나의 형광체 물질은 상기 제 1 파장 범위의 광의 적어도 일부분을 흡수하고 제 2 파장 범위 내의 우세 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 광 방출 디바이스.
  19. 광 방출 디바이스에 있어서,
    a) 제 1 파장 범위 내의 우세 파장을 갖는 광을 발생시키도록 동작 가능한 복수의 LED 칩들; 및
    b) 상기 LED 칩들을 하우징시키기 위한 패키지를 포함하고,
    상기 패키지는:
    c) 열 전도성 기판;
    d) 상기 기판 상에 장착되는 전기 회로 장치를 포함하되, 상기 전기 회로 장치는, 그 표면 상에 전기 컨덕터들의 배열을 갖는 전기적 절연 열적 전도성 층을 포함하고 각 LED 칩이 하나의 전기 컨덕터에 장착되며;
    e) 복수의 관통홀들을 갖는 커버를 포함하되, 각 홀이 상기 LED 칩들 중 각자의 칩에 대응하고, 상기 홀들은, 상기 커버가 상기 회로 장치에 장착될 때 상기 기판과 관련하여 각 홀이, 각자의 LED 칩이 하우징되는 리세스를 한정하도록 구성되고; 그리고
    f) 각 리세스는 적어도 하나의 형광체 물질 및 광 투과성 물질의 혼합물로 적어도 부분적으로 충진되며, 상기 적어도 하나의 형광체 물질은 상기 제 1 파장 범위의 광의 적어도 일부분을 흡수하고 제 2 파장 범위 내의 우세 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 광 방출 디바이스.
  20. 제 1 파장 범위 내의 우세 파장을 갖는 광을 발생시키도록 동작 가능한 복수의 LED 칩들을 포함하는 광 방출 디바이스를 위한 패키지에 있어서: 상기 패키지는
    a) 상기 LED 칩들이 장착되는 열 전도성 기판; 및
    b) 복수의 관통홀들을 갖는 커버를 포함하되, 각 홀이 상기 LED 칩들 중 각자의 칩에 대응하고, 상기 홀들은, 상기 커버가 상기 기판에 장착될 때 상기 기판과 관련하여 각 홀이, 각자의 LED 칩이 하우징되는 리세스를 한정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광 방출 디바이스를 위한 패키지.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 패키지는 5℃/W 이하 및 2℃/W 이하로 구성되는 그룹에서 선택된 열 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 광 방출 디바이스를 위한 패키지.



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