KR20190131290A - 고출력 발광 다이오드 패키지 - Google Patents

고출력 발광 다이오드 패키지 Download PDF

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KR20190131290A
KR20190131290A KR1020180055986A KR20180055986A KR20190131290A KR 20190131290 A KR20190131290 A KR 20190131290A KR 1020180055986 A KR1020180055986 A KR 1020180055986A KR 20180055986 A KR20180055986 A KR 20180055986A KR 20190131290 A KR20190131290 A KR 20190131290A
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light
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원경일
장준혁
이상필
김민정
최용석
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(주)코아시아
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Abstract

고출력 발광 다이오드 패키지가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 고출력 발광 다이오드 패키지는, 외부로부터 전원을 전달 받는 전극; 상기 전극의 상부에 구비되며, 상기 전극으로부터 상기 전원을 공급받아 전달하는 전기 회로가 형성된 기판; 상기 기판의 상부에 구비되며 상기 전기 회로를 통해 상기 전원을 공급받아 제 1광을 발광하는 발광부; 및 상기 제 1광을 제 2광으로 변환시키는 형광체를 포함하여 상기 발광부를 보호하도록 상기 기판 및 상기 발광부와 접하도록 형성되는 봉지재;를 포함하고, 상기 형광체는 상기 봉지재 함량의 75% 이상의 비중이다.

Description

고출력 발광 다이오드 패키지{High power light emitting diode package}
본 발명은 고출력 발광 다이오드 패키지에 관한 것으로, 특히, 높은 출력을 공급 받더라도, 안정적인 열 방출이 이루어지며 균일한 광을 방출할 수 있는 고출력 발광 다이오드 패키지에 관한 것이다.
일반적인 발광 다이오드의 경우, 외부로부터 전원을 전달 받는 전극, 전극의 상부에 형성되어 발광부에 전원을 전달하는 기판, 기판의 상부에 형성되어 기판으로부터 전원을 전달 받아 제 1광을 방출하는 발광부, 필요에 따라 발광부 상부에 형성되어 발광부에서 방출하는 제 1광을 다른 파장의 제 2광으로 변환하는 형광체 및 발광부와 형광체를 보호하고 내구성을 증가시키기 위한 봉지재로 형성된다.
이때, 형광체는 발광부와 봉지재 사이에 존재할 수도 있지만, 사용되는 위치와 사용자의 요구에 따라 봉지재와 혼합되어 봉지재 층에 포함됨으로써 발광 다이오드의 소형화를 구현할 수도 있다.
최근 들어 발광 다이오드는 전원 효율에서의 장점을 이용하여 자동차 등 높은 전원 효율이 요구되는 분야에 사용되고 있다. 하지만, 발광 다이오드는 충분한 방열을 통한 온도 조절이 선행되지 않으면, 열로 인해 발광 다이오드의 수명 및 성능이 저하되는 단점을 가지고 있다.
이러한 단점은, 발광 다이오드가 밝은 빛을 방출하기 위해서 고출력의 전원을 공급받게 되면 열로 인해 발광 다이오드의 광출력이 하락하게 되고, 이러한 광출력의 하락으로 인해 균일한 색을 출력하기 어려운 문제점을 발생시킨다. 또, 이러한 문제점은 높은 출력과 균일한 색 유지가 중요한 자동차 외장용 소자에 발광 다이오드를 적용하기 어렵다는 또다른 문제점을 발생시킬 수 있다.
KR 10-2016-0133484 A
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 고출력에서 온도가 상승하더라도 균일한 광출력 및 색상 균일성을 유지할 수 있어 자동차 외장용 소자로 사용할 수 있는 고출력 발광 다이오드 패키지를 제공하고자 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 고출력 발광 다이오드 패키지가 제공된다. 상기 고출력 발광 다이오드 패키지는, 외부로부터 전원을 전달 받는 전극; 상기 전극의 상부에 구비되며, 상기 전극으로부터 상기 전원을 공급받아 전달하는 전기 회로가 형성된 기판; 상기 기판의 상부에 구비되며 상기 전기 회로를 통해 상기 전원을 공급받아 제 1광을 발광하는 발광부; 및 상기 제 1광을 제 2광으로 변환시키는 형광체를 포함하여 상기 발광부를 보호하도록 상기 기판 및 상기 발광부와 접하도록 형성되는 봉지재;를 포함하고, 상기 형광체는 상기 봉지재 함량의 75% 이상의 비중이다.
상기 형광체는 상기 봉지재 함량의 85% 이하의 비중일 수 있다.
상기 제 1광은, 청색 발광 다이오드에서 방출되는 청색광이며, 상기 제 2광은 앰버색광일 수 있다.
상기 발광부는, 상기 기판과 열 안정성을 위한 유텍틱(Eutectic) 공정으로 접착될 수 있다.
상기 발광부는, 상기 기판의 각 변과 적어도 300um 이격하도록 형성될 수 있다.
상기 봉지재는 상기 제 1광을 상기 제 2광의 6% 이하로 투과시킬 수 있다.
상기 봉지재는, 적어도 2회의 교반 작업을 수행하여 상기 형광체가 균일하게 분산될 수 있다.
상기 봉지재는, 상기 기판 상부에 0.38 내지 0.48mm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 기판은, 질화 알루미늄(AlN) 또는 산화 알루미늄(Al2O3) 계열의 세라믹으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 발광 다이오드 패키지는 높은 출력을 전달 받아도 발광 특성을 유지할 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 발광 다이오드 패키지는, 온도가 증가하더라도 균일한 발광 특성을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 발광 다이오드 패키지는, 안정적으로 앰버색을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 발광 다이오드의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광부와 기판을 접착하기 위한 공정의 모습을 간단히 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 저항-열 용량 모의실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광부와 기판 사이의 간격에 따른 발광 성능을 비교한 도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 형광체 함량 및 제 1광의 투과 정도에 따른 색좌표 성능 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 형광체의 교반 횟수에 따른 형광체 분산 형태를 비교한 도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 발광 다이오드의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광부와 기판을 접착하기 위한 공정의 모습을 간단히 나타낸 도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 저항-열 용량 모의실험 결과를 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광부와 기판 사이의 간격에 따른 발광 성능을 비교한 도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 형광체 함량 및 제 1광의 투과 정도에 따른 색좌표 성능 실험 결과를 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 형광체의 교반 횟수에 따른 형광체 분산 형태를 비교한 도이다. 이하에서는 도 1 내지 도 6을 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 발광 다이오드 패키지에 대해 상세히 설명하도록 하지만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 발광 다이오드 패키지(100)는, 전극(110), 기판(120), 발광부(130) 및 봉지재(140)를 포함하여 형성된다.
전극(110)은, 외부로부터 전원을 전달 받아 후술되는 기판(120)에 공급한다. 이를 위해 전극(110)은 일 측이 기판(120)과 접하도록 형성될 수 있다. 또, 전극(110)은 직류 전원을 전달 받을 수 있으며, 이 때 전극(110)은 직류 전원의 양 극이 서로 접함으로써 발생할 수 있는 합선을 방지하기 위해 서로 다른 극성이 각각 연결될 수 있도록 두 개로 형성될 수도 있다.
기판(120)은 전극(110)으로부터 전원을 전달 받아 후술되는 발광부(130)에 전원을 공급한다. 이때, 기판(120)은 전극(110)으로부터 발광부(130)에 전원을 공급하기 위한 전기회로를 내부 또는 외부에 더 포함할 수 있으며, 전극(110)과 접하는 면과 대응하는 면이 발광부(130)와 접하도록 형성된다. 즉, 기판(120)은 도 1에 도시된 바와 같이 하부에는 전극(110)이, 상부에는 발광부(130)가 접하도록 형성될 수 있다.
또, 기판(120)은 열 전도율을 증가시켜 후술되는 발광부(130)에서 발생하는 열을 전달받아 안정적으로 방열을 수행하기 위해서 질화 알루미늄(AlN) 또는 산화 알루미늄(Al2O3) 계열의 세라믹 기판으로 형성될 수 있다.
발광부(130)는 기판(120)과 접하도록 형성되어, 기판(120)에 형성된 전기 회로를 통해 전원을 공급받아 제 1광을 발광한다. 이때, 발광부(130)는 바람직하게는 기판(120)의 상부에 형성되며, 기판(120) 반대 방향으로 제 1광인 청색을 발광하는 청색 발광 다이오드로 형성될 수 있다.
한편, 도 2 및 도 3을 참조하면, 기판(120)과 발광부(130)는 도 2b에 도시된 바와 같이 유텍틱(Eutectic) 공정을 이용하여 서로 접착될 수 있다. 도 2a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판(120)과 발광부(130)를 솔더(solder) 공정을 이용하여 접착시킨 X-Ray 도이며, 도 2b는 유텍틱 공정을 이용하여 기판(120)과 발광부(130)를 접착시킨 X-Ray 도이다.
또, 도 3의 열 저항-열 용량 그래프에서, B의 범위에 포함되는 Test 1은, 솔더 공정을 적용한 발광 다이오드 패키지에 다양한 크기의 전류를 공급한 결과이며, C는 유텍틱 공정을 적용한 발광 다이오드 패키지에 다양한 크기의 전류를 공급한 결과이다.
두 공정의 차이를 비교한 결과, 솔더 공정은, 다양한 크기의 전류를 공급하는 경우, 높은 열 저항 값에서 열 용량 값에 큰 차이가 나타나는 것을 확인하였다(도 3 B 범위). 하지만, 이에 반해 유텍틱 공정은, 열 용량 값이 0.1을 초과하지 않는 범위에서 동일한 열 용량 값에 대한 대부분의 열 저항 값이 솔더 공정에 비해 높은 값으로 나타났지만, 다양한 크기의 전류를 공급 받더라도 일정한 크기의 열 저항 값을 나타내는 것을 확인하였다.
이는, 솔더 공정의 경우, 기판(120)과 발광부(130) 사이의 접합면에 도 2a의 A로 표현되는 빈 공간이 발생하기 때문이며, 이러한 빈 공간으로 인해 솔더 공정의 경우 출력이 증가할수록 안정적인 열 방출이 이루어지지 않을 수 있을 뿐 아니라 방출되지 않은 열로 인해 발광 소자의 탄화와 같은 불량이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 발광 다이오드 패키지(100)는, 기판(120)과 발광부(130)사이의 접합을 위해 유텍틱 공정을 적용함으로써, 기존의 솔더 공정을 적용한 발광 다이오드 패키지에 대비하여 고출력에서의 안정적인 열 방출이 가능한 효과를 가질 수 있다.
또, 발광부(130)는, 기판(120)의 각 변과 적어도 300um 이격되어 기판(120)의 상부에 형성될 수 있다. 도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광부(130)와 기판(120) 사이의 이격 거리에 따른 성능 변화를 실험한 실험 결과가 도시되고 있다.
도 4a는 기판(120)의 일 변과 발광부(130)의 일 변 사이의 거리가 D로 표현되며, 300um일 때 발광 성능을 촬영한 실험 결과이며, 도 4b는 기판(120)의 일 변과 발광부(130)의 일 변 사이의 거리가 E로 표현되며, 250um일 때 발광 성능을 촬영한 실험 결과이다.
도 4a 및 4b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 발광 다이오드 패키지는, 기판 간격이 300um 미만인 경우, 도 4b와 같이 발광부(130)의 중앙 부분에서는 앰버색이 구현될 수 있지만, 측면으로 이동할수록 제 1광인 청색광이 후술되는 앰버색 형광체와 반사할 수 있는 반사면적이 작아져 붉은 색이 나타날 수 있다.
반면, 도 4a의 경우, 기판과의 간격이 300um 이상으로 충분한 이격 거리를 가지고 있기 때문에 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 발광 다이오드 패키지(100)는 발광부(130)의 모든 영역에서 안정적인 앰버색을 구현하는 것을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 다른 고출력 발광 다이오드 패키지(100)는, 기판(120)과 발광부(130)사이의 이격 거리를 적어도 300um로 하여 발광부(130)를 접합함으로써, 기존의 발광 다이오드 패키지에 대비하여 발광부(130) 전 영역에서 안정적인 앰버색을 구현할 수 있는 효과가 있다.
한편, 봉지재(140)는 발광부(130)에서 발광한 제 1광을 제 2광으로 변환하며, 발광부(130)를 보호하도록 구비된다. 이를 위해 봉지재(140)는 일정 함량의 형광체를 포함하여 형성될 수 있으며, 특히 발광부(130)의 보호를 위해 기판 및 발광부와 접하도록 형성될 수 있다.
봉지재(140)는 제 1광을 제 2광으로 변환하기 위한 형광체로 앰버색 형광체를 포함하여 형성될 수 있으며, 발광부(130) 상부에 0.38 내지 0.48mm의 두께로 형성될 수 있다. 이때, 앰버색 형광체는 바람직하게는 봉지재(140) 함량의 75% 내지 85%의 비중을 가지도록 봉지재(140)에 포함될 수 있다.
이와 관련된 모의 실험 결과가 도 5a에 도시되고 있다. 도 5a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 봉지재(140)는, 형광체 함량이 95%인 경우, 형광체 함량이 80%일 때에 비해, 색좌표의 오른쪽 아래에 위치하여 색좌표를 벗어나게 되고, 이로 인해 색재현율이 하락하는 것을 확인할 수 있다. 또, 형광체 함량이 80%인 경우에도, 도 5a에서는 봉지재(140)의 두께를 달리하여 총 4번의 실험을 더 수행하였으며, 그 결과, 형광체 함량이 80%, 봉지재(140) 두께가 0.40 내지 0.45mm일 때 색좌표계 내부에 가장 잘 포함되는 것을 확인하였다.
여기서, 형광체 함량이 80%인 경우, 봉지재(140) 두께가 0.38mm인 경우부터 색좌표계에 포함되며, 색좌표계를 벗어나기 직전의 봉지재(140) 두께는 0.48mm인 것을 확인할 수 있었다.
하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 형광체 함량을 조절하여야 하는 경우, 추가 실험을 통해 봉지재(140) 두께를 조절하여 다른 형광체 함량에서도 제 2광이 색좌표계에 포함되도록 할 수 있다.
또, 봉지재(140)는, 제 1광을 제 2광의 6% 이하로 투과시키도록 형성될 수 있다. 도 5b를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 봉지재(140)를 통과하에 최종적으로 방출되는 광은, 제 2광인 앰버색광에 청색광이 6% 이상 포함되는 경우, 색재현율이 감소하여 색좌표를 벗어난 F 영역에 형성되는 것을 확인할 수 있으며, 앰버색광에 청색광이 6% 이하가 포함되는 경우 색좌표 내부인 G 영역에 형성되는 것을 확인할 수 있다.
한편, 봉지재(140)는 색재현율을 증가시키기 위해 형광체를 균일하게 분산시켜 형성될 수 있다. 이를 위해 봉지재(140)는 적어도 2회의 교반 작업을 수행할 수 있으며, 각각 1회, 2회 및 3회 교반 작업을 수행한 결과가 도 6에 도시되고 있으며, 특히 교반 평가를 위한 교반 조건은 도 6a에 도시된 표와 같이 적용하였고, 스크류 형태의 펌프를 사용하여 토출한 후 교반 작업을 수행하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 형광체 교반 작업 횟수에 따른 교반 결과를 분석해보면, 도 6b는 교반을 1회 수행한 결과이며, 이 경우 형광체 입자 사이즈 등에 의해 교반이 원활하게 이루어지지 않아 스크류 펌프 내부에서 형광체와 금속이 갈리는 현상이 발생하게 되며, 이를 통해 형광체와 이물이 함께 도포가 되는 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 이러한 교반 토출 결과는 균일한 색재현이 불가능한 발광 다이오드 소자의 불량을 발생시킬 수 있다.
또, 도 6d는 교반을 3회 수행한 결과이며, 이 경우 교반 작업 중 발생되는 열에 의해 봉지재의 가경화가 발생하며, 형광체가 가라앉는 현상이 나타나 발광 다이오드 소자의 광학적 특성을 일정하게 유지하기 어려운 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 6c에는 교반을 2회 수행한 결과가 나타나고 있다. 도 6c를 참조하면, 2회 교반 작업을 수행한 결과는, 봉지재(140) 내부에 형광체가 3회 교반 시보다 안정적으로 분산되며, 스크류 형태의 펌프에서 1회 교반 수행 시 형성되는 형광체와 금속이 갈리는 갈림 현상 역시 개선된 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100 : 고출력 발광 다이오드 패키지
110 : 전극 120 : 기판
130 : 발광부 140 : 봉지재

Claims (9)

  1. 외부로부터 전원을 전달 받는 전극;
    상기 전극의 상부에 구비되며, 상기 전극으로부터 상기 전원을 공급받아 전달하는 전기 회로가 형성된 기판;
    상기 기판의 상부에 구비되며 상기 전기 회로를 통해 상기 전원을 공급받아 제 1광을 발광하는 발광부; 및
    상기 제 1광을 제 2광으로 변환시키는 형광체를 포함하여 상기 발광부를 보호하도록 상기 기판 및 상기 발광부와 접하도록 형성되는 봉지재;를 포함하고,
    상기 형광체는 상기 봉지재 함량의 75% 이상의 비중인 고출력 발광 다이오드 패키지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 형광체는 상기 봉지재 함량의 85% 이하의 비중인 고출력 발광 다이오드 패키지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1광은, 청색 발광 다이오드에서 방출되는 청색광이며, 상기 제 2광은 앰버색광인 고출력 발광 다이오드 패키지.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 발광부는, 상기 기판과 열 안정성을 위한 유텍틱(Eutectic) 공정으로 접착되는 고출력 발광 다이오드 패키지.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 발광부는, 상기 기판의 각 변과 적어도 300um 이격하도록 형성되는 고출력 발광 다이오드 패키지.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 봉지재는 상기 제 1광을 상기 제 2광의 6% 이하로 투과시키는 고출력 발광 다이오드 패키지.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 봉지재는, 적어도 2회의 교반 작업을 수행하여 상기 형광체가 균일하게 분산된 고출력 발광 다이오드 패키지.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 봉지재는, 상기 기판 상부에 0.38 내지 0.48mm의 두께로 형성되는 고출력 발광 다이오드 패키지.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 기판은, 질화 알루미늄(AlN) 또는 산화 알루미늄(Al2O3) 계열의 세라믹으로 형성되는 고출력 발광 다이오드 패키지.
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