KR20170132824A - 고휘도 발광 디바이스들을 위한 주변 히트 싱크 배열 - Google Patents

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Abstract

발광 요소 위의 파장 변환 요소의 발광 표면 영역의 상당한 양이 반사 열 전도 요소에 의해 덮인다. 이 반사 요소에 의해 반사된 광은 발광 구조체 내에서 '재순환되고' 반사 요소에 의해 덮이지 않은 더 작은 영역을 통해 구조에서 빠져 나간다. 열 전도 요소는 투명할 필요가 없기 때문에, 비교적 두꺼운 금속 층이 사용될 수 있고; 열 전도 요소는 파장 변환 요소의 상당한 영역을 덮기 때문에, 이 배열의 열적 효율은 매우 높다. 반사 열 전도 요소는 열 전도 서브마운트 상에 장착될 수 있는 열 전도 기둥들에 결합될 수 있다.

Description

고휘도 발광 디바이스들을 위한 주변 히트 싱크 배열
본 발명은 발광 디바이스들의 분야에 관한 것으로, 특히 고휘도 발광 디바이스들(HB-LED: high brightness light emitting devices)을 위한 주변 히트 싱크 배열에 관한 것이다.
솔리드 스테이트 발광 디바이스들(LED들)과 관련된 기술의 계속되는 개선들로 차량용 및 가정용 조명, 외부 지역 조명 등과 같이, 고휘도를 요구하는 응용들에서 발광 디바이스들이 사용 가능하게 되었다.
발광 구조체에 의해 발생될 수 있는 휘도의 양에 대한 제한은, 특히 발광 구조체가 인광체 층과 같은 파장 변환 요소를 포함하는 경우에, 구조체에 의해 발생된 열을 발산하는 능력이다. 발광 구조체에서 발생된 초과 열은 구조체 내의 요소들을 조기에 열화시킬 수 있고, 파장 변환의 효율에 상당히 영향을 줄 수 있고, 결과적으로 추가 열을 발생시킨다. 일부 응용들에서, 발광 요소가 매우 높은 휘도를 발생할 수 있다 하더라도, 그것은 낮은 전류에서 동작되어야만 하고, 결과적으로 열 손상을 피하기 위해, 휘도를 떨어뜨려야만 한다.
도 1a-1b는 Wada 등에 의해 2014년 6월 19일자 공개되고, 본원에 참조로 포함된 USPA 2014/0167087, "LIGHT EMITTING DEVICE AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME"에 개시된 것과 같은, 열 발산 특징들을 포함하는 종래 기술의 발광 구조체를 도시한다.
도 1a의 평면도는 발광 구조체가 발광 요소(10) 위에 광 추출 영역(15)을 갖는 것을 도시한다. 광 추출 영역(15)은 열 발산 서브마운트(33) 상에 장착된 열 전도 프레임(27)에 의해 둘러싸인다.
도 1b의 단면도는 발광 요소(10) 위에 걸쳐서 연장되는 파장 변환 플레이트(7)를 도시한다. 투명한 열 전도 막(21)은 파장 변환 플레이트(7)를 덮고, 광 추출 영역(15)을 제공한다. 열 전도 막(21)은 솔더(26)를 통해 열 전도 프레임(27)에 결합된다. 파장 변환 플레이트(7)로부터의 열은 열 전도 막(21)에 의해 분산되어, 다음에 열 전도 프레임(27) 및 열 발산 서브마운트(33)에 의해 발산된다.
도 1a-1b의 구조체가 파장 변환 플레이트(7)에 의해 발생된 열을 발산하는 데 잘 맞지만, 막(21)이 투명할 뿐만 아니라 열 전도성이어야 한다는 요건은 막(21)이 그 둘 모두를 성취할 능력들을 제한하는데, 왜냐하면 열 전도성을 증가시키면 투명성을 감소시키고, 그 반대도 그렇기 때문이다. 또한, 이러한 투명한 열 전도 막을 제조하는 비용은 비교적 높다.
발광 요소가 종래의 발광 구조체들보다 더 높은 휘도로 동작되게 하는 열 발산 능력들을 갖는 발광 구조체를 제공하는 것이 유리할 것이다. 열 발산 능력들을 갖는 발광 구조체를 제조하는 비용을 감소시키는 것이 또한 유리할 것이다.
이들 문제 중 하나 이상을 더 잘 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에서, 발광 요소 위의 파장 변환 요소의 발광 표면 영역의 상당한 양이 반사 열 전도 요소에 의해 덮인다. 이 반사 요소에 의해 반사된 광은 발광 구조체 내에서 '재순환되고' 반사 요소에 의해 덮이지 않은 더 작은 영역을 통해 구조체에서 빠져 나간다. 반사율이 충분히 높으면, 광이 감소된 출사 윈도우를 통해 탈출할 때 휘도의 순수한 증가가 실현될 수 있다. 열 전도 요소는 투명할 필요가 없기 때문에, 비교적 두꺼운 금속 층이 사용될 수 있고; 열 전도 요소는 파장 변환 요소의 상당한 영역을 덮기 때문에, 이 배열의 열적 효율은 매우 높다. 반사 열 전도 요소는 열 전도 서브마운트 상에 장착될 수 있는 열 전도 기둥들에 결합될 수 있다.
본 발명의 실시예는 발광 요소; 발광 요소에 결합된 파장 변환 요소; 파장 변환 요소의 표면 영역의 대부분을 덮는 반사 열 전도체; 파장 변환 요소의 대향하는 측들 상에 위치한 적어도 한 쌍의 열 기둥들; 및 반사 열 전도체를 한 쌍의 열 기둥들에 결합시키는 열 결합 요소를 포함한다.
열 기둥들은 파장 변환 요소를 둘러쌀 수 있거나, 다수의 발광 디바이스들의 선형 배열을 가능하게 하기 위해 파장 변환 요소의 선택 측들 상에 위치할 수 있다.
전체 구조체는 열 전도 기판 상에 장착될 수 있고, 반사 유전체 재료는 발광 요소 및 파장 변환 요소를 둘러쌀 수 있다.
반사 열 전도 요소는 반사 층 및 열 분산 층을 포함할 수 있고, 반사 층은 분산 브래그 반사기(DBR)를 포함하고, 열 분산 층은 적어도 10㎛ 두께의 금속 층을 포함한다. 열 전도 요소는 적어도 10㎛ 두께인 금속을 포함할 수 있고, 열 응력을 수용하기 위해 가요성 라미네이트일 수 있는 열 결합 요소에 의해 열 기둥들에 결합될 수 있다.
파장 변환 요소는 세라믹 인광체 플레이트를 포함할 수 있고, 광 추출 영역은 파장 변환 요소의 표면의 면적의 25% 미만일 수 있다.
본 발명이 첨부 도면을 참조하여 더 상세히, 그리고 예로서 설명된다.
도 1a-1b는 파장 변환 요소를 덮는 투명한 열 전도 막을 갖는 종래 기술의 발광 구조체를 도시한다.
도 2a-2b는 파장 변환 요소의 상당한 표면 영역을 덮는 반사 열 전도체를 포함하는 예시적인 발광 구조체를 도시한다.
도 3a-3b는 파장 변환 요소의 상당한 표면 영역을 덮는 반사 열 전도체를 포함하는 예시적인 대안적 발광 구조체를 도시한다.
도 4a-4b는 파장 변환 요소의 상당한 표면 영역을 덮는 반사 열 전도체를 포함하는 또 하나의 예시적인 발광 구조체를 도시한다.
도면 전체에 걸쳐, 동일한 참조 번호들은 유사하거나 대응하는 특징들 또는 기능들을 포함한다. 도면은 예시 목적들을 위해 포함되고 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니다.
다음의 설명에서, 제한하기보다는 설명의 목적들을 위해, 본 발명의 개념들의 철저한 이해를 제공하기 위해, 특정한 구조, 계면들, 기술들 등과 같은 특정한 상세들이 기술된다. 그러나, 본 발명이 이들 특정한 상세들에서 벗어난, 다른 실시예들에서 실시될 수 있다는 것이 본 기술 분야의 통상의 기술자들에게 분명할 것이다. 마찬가지 방식으로, 본 설명의 텍스트는 도면에 도시된 것과 같은 예시적인 실시예들에 관한 것이고, 청구된 발명을 청구범위에 명확히 포함된 제한들을 넘어서 제한하려는 것이 아니다. 간단성 및 명료성의 목적들을 위해, 공지된 디바이스들, 회로들, 및 방법들의 상세한 설명들은 본 발명의 설명을 불필요한 상세로 불명하지 않게 하기 위해 생략된다.
도 2a-2b는 파장 변환 요소(120)의 표면 영역의 상당한 양을 덮는 반사 열 전도체(130)를 포함하는 예시적인 발광 구조체(200)를 도시한다. 파장 변환 요소는 발광 요소(110)에 의해 조명(펌프)될 수 있다. 본 개시내용의 맥락에서, 열 전도체는 적어도 25W/moK, 바람직하게는 100W/moK보다 큰 열 전도율을 갖는 재료이고, 반사 요소는 파장 변환 요소(120)에 의해 방출된 광 및/또는 발광 요소(110)에 의해 방출된 광에 대해 반사율을 갖는 요소이다. 반사율은 적어도 90%, 바람직하게는 98%보다 높은 거울 반사율 또는 확산 반사율일 수 있다.
반사 열 전도체(130)는 발광 요소(110) 및 파장 변환 요소(120)로부터의 광이 추출되는 윈도우(135)를 포함한다. 반사 요소(130)에 충돌하는 광은 파장 변환 요소(120) 내로 다시 반사된다. TiO2와 같은 반사 충전재 재료(170)가 파장 변환 요소(120) 및 발광 요소(110)를 둘러쌀 수 있고, 또한 광을 반사하는 역할을 한다. 이들 반사의 효과는 광이 윈도우(135)를 통해 나갈 때까지 광의 "재순환"에 해당한다. 추출된 광의 윈도우(135)의 보다 작은 면적으로의 이 집중은 구조체(200)로부터 더 높은 휘도(주어진 방향으로 이동하는 단위 면적 당 광의 세기)를 초래한다.
반사 열 전도체(130)는 은 또는 다른 고 반사 재료와 같은, 두꺼운(~10-20㎛) 반사 금속 층일 수 있다. 그러나, 광학 손실을 최소화하기 위해, 고 반사 코팅이 임의의 열 전도 재료 상에 제공될 수 있다. 예를 들어, 열 전도체(130)는 파장 변환 요소(120)와 열 전도체(130)의 10-20㎛ 두께 금속과 같은, 열 전도 재료 사이의 계면에 광대역 전방향성 분산 브래그 반사기(DBR)를 제공하기 위해 광학적으로 얇은 유전체 층들의 스택을 포함할 수 있다.
반사 열 전도체(130)는 열 결합 요소(140))를 통해, 파장 변환 요소(120)를 둘러싸는 열 전도 벽들, 또는 '열 기둥들'(150)에 결합된다. 열 기둥들(150)은 적어도 1㎜ 두께의 금속 기둥들과 같은 것으로서, 열 전도체(130)를 통해 히트 싱크로서 효율적으로 기능하기에 충분한 질량을 갖는 임의의 열 전도 재료일 수 있다. 열 기둥들(150)은 후속하여 인쇄 회로 기판 또는 다른 고정물 상에 장착될 수 있는, 히트 싱크로서 또한 기능하는 열 전도 서브마운트(160)에 더 결합될 수 있다. 절연된 접점들(165)은 발광 요소(110)의 접점들(115)과의 전기적 결합을 제공하기 위해 서브마운트 내에 제공될 수 있다.
열 기둥들(150) 및 서브마운트(160)는 기둥들을 형성하도록 '펀치된(punched)' 금속 플레이트, 또는 주조되어 소결된 금속과 같은 단일의 요소일 수 있다. 열 기둥들(150)이 파장 변환 요소(120)를 둘러싸는 연속적인 벽을 형성하는 것으로 도시되지만, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 분리된 별개의 기둥들(150)이 또한 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
열 결합 요소(140)는 열 전도체(130)를 솔더(145) 또는 다른 열 전도 재료를 통해 열 기둥들(150)에 결합시킬 수 있다. 결합 요소(140)는 열 응력과 관련된 문제들을 완화하기 위해, 가요성일 수 있다. 약 20-50㎛ 두께의 라미네이트된 열 분산기는 이러한 가요성을 제공할 수 있다. AvCarb® 열 분산기들이 예들 들어, 0.025㎜ 두께 가요성 시트들에서 가용하고 1650W/moK의 열 전도율을 제공한다.
도 3a-3b는 다수의 LED 응용들에 특히 잘 맞는 예시적인 대안적 발광 구조체들(300, 310)을 도시한다. 구조체들(300, 310)은 도 2a-2b의 구조(200)와 유사하다. 이들 구조체는 도 2b의 프로필에 적어도 하나의 방향에서 대응하는 프로필(도시 안됨)을 갖는다. 직교 방향의 프로필들은 도 3a, 3b와 도 2b의 조합에 기초하여 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 분명할 것이다.
구조체들(300, 310)은 발광 구조체들의 선형 배열을 형성하도록 구성된다. 구조체(300)는 구조체(200)의 주위의 기둥들(150)과 대조적으로 한 쌍의 대향하는 열 기둥들(150A, 150B) 및 한 쌍의 대향하는 열 결합 요소들(140A, 140B)을 형성하도록 구성된다. 대향하는 측들 상에 열 기둥들이 없으면 구조체들(300) 사이에 최소의 공간으로, 일렬로 다수의 구조체들(300)을 배치하는 것이 가능하게 된다. 구조체(310)는 3면 기둥(150D), 및 3면 열 결합 요소(140D)를 갖는 것으로 구성되고 구조체들의 위에 언급된 선형 배열들에의 목적 구조체로서 기능할 수 있다. 3면 기둥(150D)이 단일의 연속하는 바디로 제시되지만 그것은 다수의 바디들, 예를 들어, 3개의 분리된 기둥들, 모서리 기둥 및 분리된 기둥 또는 기타 적합한 구성으로 구성될 수 있다. 마찬가지로 기둥들(150A, 150B)은 다수의 바디들 또는 섹션들로 구성될 수 있다.
도 4a-4b는 광범위한 열 발산을 요구하지 않는 응용들을 위해 사용될 수 있는 또 하나의 예시적인 대안적 발광 구조체(400)를 도시한다. 본 실시예에서, 열 커버(450)가 구조체(200)의 열 기둥들(150)을 대체하고, 반사 열 전도체(130)를 통해, 파장 변환 요소(120)를 위한 히트 싱크로서 기능한다. 열 커버(450)가 반사 열 전도체(130)와 분리된 요소로 도시되지만, 그것은 반사 열 전도체(130)의 열 전도 소자일 수 있다. 즉, 예를 들어, 열 커버(450)는 위에 언급된 DBR와 같은, 반사 코팅을 포함할 수 있음으로써, 반사 열 전도체를 형성한다.
구조체(400)가 전체 열 커버(450) 아래에 펼쳐있는 반사 충전재(170)를 갖는, 큐브 형으로 도시되지만, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 열 커버(450)는 구조체의 반사 충전재 부분을 지나 연장하여 캔틸레버될 수 있어서, 열을 발산하기 위해 대기에 노출되는 표면적을 증가시킨다는 것을 인식할 것이다.
본 발명이 도면 및 상기 설명에서 상세히 도시되고 설명되었지만, 이러한 도시 및 설명은 설명적이거나 예시적이고 제한하는 것으로 고려되지 않아야 하고, 본 발명은 개시된 실시예들로 제한되지 않는다.
개시된 실시예들에 대한 다른 변형들이 도면, 개시내용, 및 첨부된 청구범위를 검토한다면, 청구된 발명을 실시하는 기술의 통상의 기술자에 의해 이해되고 이루어질 수 있다. 청구범위에서 단어 "포함하는"은 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않고, 단수 표현은 복수를 배제하지 않는다. 소정의 수단들이 상호 상이한 종속 청구항에서 나열된다는 사실만으로 이들 수단의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다. 청구범위 내의 임의의 참조 부호들은 그 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.

Claims (15)

  1. 발광 구조체로서,
    발광 요소;
    상기 발광 요소에 결합되고 상기 발광 요소로부터의 광이 이동하는 표면을 갖는 파장 변환 요소; 및
    상기 파장 변환 요소의 표면의 대부분을 덮고, 상기 표면의 면적보다 작은 광 추출 영역을 생성하는 반사 열 전도체
    를 포함하는 발광 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파장 변환 요소의 대향하는 측들 상에 위치한 적어도 한 쌍의 열 기둥들; 및
    상기 반사 열 전도체를 상기 한 쌍의 열 기둥들에 결합시키는 열 결합 요소를 더 포함하는 발광 구조체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 열 기둥들이 그 상에 위치하는 열 전도 기판을 더 포함하는 발광 구조체.
  4. 제2항에 있어서, 상기 한 쌍의 열 기둥들 사이에 연장하는 제3 열 기둥을 더 포함하는 발광 구조체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제3 열 기둥들에 대향하는 제4 열 기둥을 더 포함하는 발광 구조체.
  6. 제2항에 있어서, 상기 열 결합 요소는 적어도 10㎛ 두께인 금속을 포함하는 발광 구조체.
  7. 제2항에 있어서, 상기 열 결합 요소는 가요성 재료를 포함하는 발광 구조체.
  8. 제2항에 있어서, 상기 열 결합 요소는 라미네이트된 재료를 포함하는 발광 구조체.
  9. 제1항에 있어서, 상기 반사 열 전도체는 반사 층 및 열 분산 층을 포함하는 발광 구조체.
  10. 제9항에 있어서, 상기 반사 층은 분산 브래그 반사기(DBR)를 포함하는 발광 구조체.
  11. 제6항에 있어서, 상기 열 분산 층은 적어도 10㎛ 두께의 금속 층을 포함하는 발광 구조체.
  12. 제1항에 있어서, 상기 파장 변환 요소는 세라믹 인광체 플레이트를 포함하는 발광 구조체.
  13. 제1항에 있어서, 상기 광 추출 영역은 상기 파장 변환 요소의 표면의 면적의 25% 미만인 발광 구조체.
  14. 제1항에 있어서, 상기 발광 요소 및 상기 파장 변환 요소를 둘러싸는 반사 유전체 재료를 포함하는 발광 구조체.
  15. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 열 기둥을 더 포함하고, 상기 기둥은 상기 발광 요소를 둘러싸는 발광 구조체.
KR1020177031151A 2015-03-30 2016-03-23 고휘도 발광 디바이스들을 위한 주변 히트 싱크 배열 KR102556681B1 (ko)

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