KR20200124415A - 실시간으로 정션 온도의 측정이 가능한 표면 실장형 발광장치 및 이를 이용한 표면 실장형 발광장치의 정션 온도 측정 방법 - Google Patents
실시간으로 정션 온도의 측정이 가능한 표면 실장형 발광장치 및 이를 이용한 표면 실장형 발광장치의 정션 온도 측정 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 실시간으로 정션 온도의 측정이 가능한 표면 실장형 발광장치 및 이를 이용한 표면 실장형 발광장치의 정션 온도 측정 방법에 관한 것으로, 상기 표면 실장형 발광장치는 기판과 발광소자의 정션 영역에 온도 측정 센서를 도입함으로써 발광소자가 작동하는 동안에도 온도 측정 센서의 저항값을 측정하여 표면 실장형 발광장치의 정션 온도를 실시간으로 용이하게 산출할 수 있으므로 발광소자의 손상/고장 여부 확인이나 성능 및/또는 수명 평가 등에 유용하게 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 실시간으로 정션 온도의 측정이 가능한 표면 실장형 발광장치 및 이를 이용한 표면 실장형 발광장치의 정션 온도 측정 방법에 관한 것이다.
표면 실장형 발광장치(surface mounted light emitting devide)는 기판 상에 발광소자(LED)가 그대로 실장되어 있는 장치로서, 전자부품의 경박 단소화가 가능하며, 전구 등의 종래 발광장치에 비하여 고성능을 나타내고, 제조가 간편하다는 점에서 첨단 사업 분야를 중심으로 하는 산업 전반에서 널리 활용되고 있다.
그러나, 이러한 표면 실장형 발광장치에 있어서 열 분산기(heat spreader)의 부재는 효과적인 열 분산을 방해하여 모듈의 열저항을 증가시키고, 발광소자의 장착 시 사용되는 솔더 조인트에 열을 축적시킨다. 이는 발광소자(LED)의 열-기계적 스트레스를 유발하여 솔더 조인트에서의 박리 및/또는 균열을 발생시키므로 표면 실장형 발광장치의 내부, 특히 정션 온도를 측정하여 제어하는 내부 열 관리가 중요하다고 볼 수 있다.
종래 발광소자의 정션온도를 측정하기 위한 방법으로는 광학 스펙트럼 분석, 순방향 전압 방법, 열 과도 시험 측정법 등이 알려져 있다. 이러한 방법들은 높은 정확도로 정션 온도를 제공하나, 측정된 정션 온도를 보정하기 위해 소요되는 시간이 길고, 비싸고 복잡한 장비들이 필요하므로 작업성과 경제성이 낮은 문제가 있다. 무엇보다, 상기 방법들은 사용하지 않는 발광소자를 측정 대상으로 하므로, 실제 사용 시 변하는 조건에 따라 달라지는 발광소자의 정션 온도를 실시간으로 측정하는 것은 어려운 한계가 있다.
따라서, 표면 실장형 발광장치의 열화 방지 및 수명 개선을 위하여 표면 실장형 발광장치의 정션 온도를 높은 정확도로 실시간 측정이 가능한 기술의 개발이 요구되고 있다.
Y. Xi, et. al., Appl. Phys. Lett., 2005, 86, 031907;
Y. Xi, and E.F.Schubert, Appl. Phys. Lett., 2004, 85, pp.2163-2165;
V. Szιkely, Mocroelectron J., 1997, 28, pp.277-292.
본 발명의 목적은 발광소자의 열화 방지 및 수명 개선을 위하여 정션 온도를 높은 정확도로 실시간 측정이 가능한 표면 실장형 발광장치 및 이를 이용한 정션 온도 측정 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일실시예에서,
기판;
상기 기판 상에 마련된 발광소자;
상기 기판과 발광소자 사이의 정션 영역에 위치하며, 정션 영역의 온도에 따라 값이 달라지도록 마련된 저항을 갖는 온도 측정 센서; 및
온도 측정 센서와 전기적으로 연결되며, 측정된 온도 측정 센서의 저항으로부터 정션영역의 온도를 산출하도록 마련된 연산부를 포함하는 표면 실장형 발광 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 일실시예에서, 상기 표면 실장형 발광장치의 제조방법을 제공한다.
아울러, 본 발명은 일실시예에서,
기판, 발광소자, 온도 측정 센서 및 연산부를 포함하고;
상기 온도 측정 센서는 기판과 발광소자 사이의 정션 영역에 위치하며;
상기 연산부는 온도 측정 센서와 전기적으로 연결되고, 측정된 온도 측정 센서의 저항으로부터 정션 영역의 온도를 산출하도록 마련된 표면 실장형 발광장치의 정션 온도 측정 시스템을 제공한다.
나아가, 본 발명은 일실시예에서,
상기 정션 온도 측정 시스템을 이용하여 실시간으로 정션 온도 측정이 가능한 표면 실장형 발광장치의 정션 온도 측정 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 표면 실장형 발광장치는 기판과 발광소자의 정션 영역에 온도 측정 센서를 도입함으로써 발광소자가 작동하는 동안에도 온도 측정 센서의 저항값을 측정하여 표면 실장형 발광장치의 정션 온도를 실시간으로 용이하게 산출할 수 있으므로 발광소자의 손상/고장 여부 확인이나 성능 및/또는 수명 평가 등에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 온도 변화에 따른 발광소자(LED)의 전기적 물성을 나타낸 그래프이다: (a) 24.6~95.3℃ 범위에서 측정된 발광소자의 전류-전압 그래프; 및 (b) 인가 전류(0.05~0.3A)별 온도에 따른 순방? 전압을 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 표면 실장형 발광장치를 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 표면 실장형 발광장치에 구비된 온도 측정 센서의 형태를 나타낸 이미지이다.
도 4는 본 발명에 따른 표면 실장형 발광장치의 제조방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 5는 표면 실장형 발광장치를 대상으로 전기적 물성을 평가한 결과이다: (a) 0.1mA의 인가 전류에서, 발광소자의 온도별 전압을 나타낸 그래프; 및 (b) 열 과도 시험 측정법(T3Ster 장비 사용)을 이용하여 인가된 전류별(150~300mA), 전류 차단 직후 시간에 따른 정션온도를 나타낸 그래프.
도 6은 표면 실장형 발광장치에 포함된 온도 측정 센서의 온도에 따른 저항 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 발광소자에 150~300mA의 전류 인가 시 시간에 따른 온도 측정 센서의 저항 및 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 표면 실장형 발광장치에 구비된 온도 측정 센서의 온도와 정션 온도 간의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 표면 실장형 발광장치를 대상으로 전류 조건에 따른 발광소자와 온도 측정 센서의 온도 변화를 시뮬레이션한 이미지이다.
도 10은 시뮬레이션을 통해 얻어진 결과를 나타낸 그래프이다: (a) 본 발명에 따른 표면 실장형 발광장치를 대상으로 센서 온도에 따른 정션 온도 산출을 시뮬레이션한 결과와 열 과도 시험 측정법(T3Ster 장비 사용)을 이용한 실측 결과의 선형 상관 관계를 나타내는 그래프; 및 (b) 열 과도 시험 측정법(T3Ster 장비 사용)을 이용하여 발광소자의 구조 함수 및 정션 영역에서 온도 측정 센서까지의 열저항을 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 표면 실장형 발광장치를 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 표면 실장형 발광장치에 구비된 온도 측정 센서의 형태를 나타낸 이미지이다.
도 4는 본 발명에 따른 표면 실장형 발광장치의 제조방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 5는 표면 실장형 발광장치를 대상으로 전기적 물성을 평가한 결과이다: (a) 0.1mA의 인가 전류에서, 발광소자의 온도별 전압을 나타낸 그래프; 및 (b) 열 과도 시험 측정법(T3Ster 장비 사용)을 이용하여 인가된 전류별(150~300mA), 전류 차단 직후 시간에 따른 정션온도를 나타낸 그래프.
도 6은 표면 실장형 발광장치에 포함된 온도 측정 센서의 온도에 따른 저항 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 발광소자에 150~300mA의 전류 인가 시 시간에 따른 온도 측정 센서의 저항 및 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 표면 실장형 발광장치에 구비된 온도 측정 센서의 온도와 정션 온도 간의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 표면 실장형 발광장치를 대상으로 전류 조건에 따른 발광소자와 온도 측정 센서의 온도 변화를 시뮬레이션한 이미지이다.
도 10은 시뮬레이션을 통해 얻어진 결과를 나타낸 그래프이다: (a) 본 발명에 따른 표면 실장형 발광장치를 대상으로 센서 온도에 따른 정션 온도 산출을 시뮬레이션한 결과와 열 과도 시험 측정법(T3Ster 장비 사용)을 이용한 실측 결과의 선형 상관 관계를 나타내는 그래프; 및 (b) 열 과도 시험 측정법(T3Ster 장비 사용)을 이용하여 발광소자의 구조 함수 및 정션 영역에서 온도 측정 센서까지의 열저항을 나타낸 그래프.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 상세한 설명에 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.
본 발명에서, "포함한다" 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 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 실시간으로 정션 온도의 측정이 가능한 표면 실장형 발광장치 및 이를 이용한 표면 실장형 발광장치의 정션 온도 측정 방법에 관한 것이다.
표면 실장형 발광장치(surface mounted light emitting device)는 기판 상에 발광소자(LED)가 그대로 실장되어 있는 장치로서, 첨단 사업 분야를 중심으로 하는 산업 전반에서 널리 활용되고 있다.
그러나, 표면 실장형 발광장치 내, 특히 정션에서 발생하는 열이 효과적으로 분산되지 않는 경우 모듈의 열저항을 증가시키고, 발광소자의 장착 시 사용되는 솔더 조인트에 열을 축적하게 되어, 발광장치의 열-기계적 스트레스를 유발하여 솔더 조인트에서의 박리 및/또는 균열을 발생시키므로, 표면 실장형 발광장치의 정션 온도를 높은 정확도로 간편하게 실시간 측정할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.
이에, 본 발명은 실시간으로 정션 온도의 측정이 가능한 표면 실장형 발광장치 및 이를 이용한 표면 실장형 발광장치의 정션 온도 측정 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 표면 실장형 발광장치는 기판과 발광소자의 정션 영역에 온도 측정 센서를 도입함으로써 온도 측정 센서의 저항값을 측정하여 실시간으로 표면 실장형 발광장치의 정션 온도를 실시간으로 용이하게 산출할 수 있는 이점이 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
표면
실장형
발광장치
본 발명은 일실시예에서,
기판;
상기 기판 상에 마련된 발광소자;
상기 기판과 발광소자 사이의 정션 영역에 위치하며, 정션 영역의 온도에 따라 값이 달라지도록 마련된 저항을 갖는 온도 측정 센서; 및
온도 측정 센서와 전기적으로 연결되며, 측정된 온도 측정 센서의 저항으로부터 정션영역의 온도를 산출하도록 마련된 연산부를 포함하는 표면 실장형 발광 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 표면 실장형 발광장치는 기판 상에 발광소자(LED)가 장착된 표면 실장형 발광장치의 정션 온도를 측정하기 위하여, 온도 측정 센서 및 연산부가 도입된 구성을 갖는다.
발광소자(LED)는 백열전구, 형광등, 메탈할리아드 등의 일반적인 광원과 비교하여 사용 시 많은 열이 발생되는데, 이러한 열은 도 1에 나타낸 바와 같이 발광소자(LED)에 전기적 물성을 저하시키는 한편 소자의 열화를 유도하여 수명을 단축시킬 수 있다. 따라서, 발광소자(LED), 특히 발광소자의 정션 영역에서 발생되는 열을 제어하기 위해서는 정션 온도를 실시간으로 측정 및/또는 관측하는 것이 중요하다.
본 발명에 따른 표면 실장형 발광장치는 도 2에 나타낸 바와 같이 온도 측정 센서를 발광소자(LED)의 하부, 즉 기판과 발광소자(LED) 사이 정션 영역에 도입하고, 온도 측정 센서와 연결되어 온도 측정 센서에서 측정된 정보로부터 정션 온도를 산출하는 연산부를 포함하는 구성을 가짐으로써 발광소자(LED)의 정션 온도를 실시간으로 용이하게 측정할 수 있다.
여기서, 상기 온도 측정 센서는 발광소자(LED)의 사용 시 발생되는 열을 저항 및/또는 저항 변화량의 형태로 연산부에 제공하는 역할을 수행한다. 구체적으로, 발광소자(LED)의 사용 시 발생되는 열은 정션 영역에 위치하는 온도 측정 센서 자체의 온도를 직접적으로 상승시키고, 온도가 상승된 온도 측정 센서는 내부 저항이 증가하게 된다. 상기 온도 측정 센서는 정션 영역의 온도에 직접적으로 의존하는 온도 측정 센서의 내부 저항값을 연산부에 제공함으로써 정션 온도 측정 시스템이 정션 온도를 실시간으로 측정 및/또는 관측할 수 있게 한다.
또한, 상기 온도 측정 센서는 발광소자(LED) 및/또는 정션 영역의 온도 변화에 보다 민감하게 반응하기 위하여 기판 상에 서로 다른 방향으로 각각 연장된 복수개의 영역을 갖는 패턴부로 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 패턴부는 그 형태가 특별히 제한되는 것은 아니나 주변 온도에 민감하게 반응할 수 있도록 일정한 폭과 길이를 갖는 선형 구조로 패턴화될 수 있으며, 상기 선형 구조의 패턴부는 단일 방향으로 연장되거나 또는 도 3에 나타낸 바와 같이 서로 다른 방향으로 연장된 세펜타인(serpentine)이거나, 또는 격자(lattice), 서클(circle) 등의 형태로 패턴화될 수 있다.
아울러, 상기 패턴부는 평균 폭이 1㎛ 내지 50㎛이고, 평균 길이가 1,000㎛ 내지 20,000㎛이며, 패턴 간격이 1㎛ 내지 50㎛인 선 형태로 기판에 도입될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 패턴부는 1㎛ 내지 40㎛, 1㎛ 내지 35㎛, 1㎛ 내지 30㎛, 1㎛ 내지 25㎛, 1㎛ 내지 20㎛, 1㎛ 내지 10㎛, 10㎛ 내지 50㎛, 25㎛ 내지 50㎛, 20㎛ 내지 40㎛, 25㎛ 내지 35㎛, 10㎛ 내지 20㎛, 3㎛ 내지 15㎛, 2㎛ 내지 8㎛, 또는 1㎛ 내지 50㎛의 평균 폭을 갖고, 1,000㎛ 내지 15,000㎛, 1,000㎛ 내지 10,000㎛, 1,000㎛ 내지 8,000㎛, 1,000㎛ 내지 5,000㎛, 5,000㎛ 내지 20,000㎛, 8,000㎛ 내지 20,000㎛, 10,000㎛ 내지 20,000㎛, 15,000㎛ 내지 20,000㎛, 5,000㎛ 내지 15,000㎛, 또는 8,000㎛ 내지 11,000㎛의 평균 길이를 갖는 선형 구조로 기판에 마련될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 패턴부는 서로 다른 방향으로 각각 연장된 복수 개의 영역을 갖는 선형 구조를 가질 수 있고, 상기 선형 구조는 평균 폭이 3㎛ 내지 7㎛이고, 평균 길이가 10,000㎛ 내지 11,000㎛이며, 서로 다른 방향으로 연장되어 이격된 패턴부간 거리(즉, 패턴 간격)가 2㎛ 내지 10㎛일 수 있다.
본 발명은 패턴부의 평균 폭과 평균 길이를 상기 범위로 조절함으로써 넓은 폭으로 인해 온도 측정 센서의 온도 민감성이 저하되거나 짧은 길이로 인해 온도 측정 센서의 표면적이 감소하고, 이로 인해 정션 영역의 온도 분포를 적게 반영하여 결과값의 신뢰성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 온도 측정 센서는 주변 온도 변화에 민감하게 반응하고, 내부 온도 변화에 따라 저항 변화가 큰 금속을 포함할 수 있다. 구체적으로, 온도 측정 센서는 제1 금속층 및 제2 금속층을 포함하는 구조를 가질 수 있고, 상기 제1 금속층 및 제2 금속층은 각각 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu) 또는 폴리-실리콘(poly-silicon)을 포함하되, 서로 다른 금속을 포함할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 온도 측정 센서는 제1 금속층에 외부 반응성이 낮고, 온도 변화에 따른 저항 변화에 민감한 백금(Pt)을 포함하고, 센서는 제2 금속층에 티타늄(Ti)을 포함하는 구성을 가질 수 있으며, 이 경우 온도 측정 센서의 감도를 보다 향상시킬 수 있다.
아울러, 제1 금속층 및 제2 금속층은 각각 1nm 내지 50nm의 평균 두께를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 금속층 및 제2 금속층의 평균 두께는 각각 1nm 내지 40nm, 1nm 내지 30nm, 1nm 내지 20nm, 1nm 내지 10nm, 5nm 내지 50nm, 5nm 내지 40nm, 10nm 내지 40nm, 15nm 내지 40nm, 20nm 내지 40nm, 25nm 내지 35nm, 2nm 내지 8nm, 2nm 내지 12nm, 4nm 내지 15nm, 또는 1nm 내지 6nm일 수 있다.
또한, 온도 측정 센서의 총 두께는 60nm 이하일 수 있으며, 구체적으로는 1nm 내지 60nm, 1nm 내지 50nm, 1nm 내지 40nm, 1nm 내지 30nm, 1nm 내지 20nm, 5nm 내지 40nm, 10nm 내지 40nm, 15nm 내지 40nm, 20nm 내지 40nm, 20nm 내지 50nm, 25nm 내지 60nm, 30nm 내지 60nm, 30nm 내지 45nm 또는 25nm 내지 40nm일 수 있다.
하나의 예로서, 상기 제1 금속층 및 제2 금속층은 각각 23nm 내지 27nm 및 3nm 내지 7nm의 평균 두께를 가질 수 있으며, 상기 제1 금속층 및 제2 금속층을 포함하는 온도 측정 센서의 총 두께는 25nm 내지 34nm일 수 있다.
본 발명에 따른 표면 실장형 발광장치는 상기와 같은 온도 측정 센서의 구성을 가짐으로써 정션 온도를 보다 민감하게 측정할 수 있다.
나아가, 상기 연산부는 온도 측정 센서에 전기적으로 연결되어 온도 측정 센서의 저항/저항 변화를 감지 및/또는 관측하여 이를 측정하고, 측정된 저항/저항 변화량으로부터 발광소자의 정션 온도/정션 온도 변화량을 산출하는 역할을 수행한다.
구체적으로, 상기 연산부는,
전기적으로 연결된 온도 측정 센서의 저항을 측정하는 단계;
측정된 저항값으로부터 온도 측정 센서의 온도를 산출하는 단계; 및
산출된 온도 측정 센서의 온도로부터 하기 수학식 1에 따라 발광소자의 정션 온도를 산출하는 단계;
를 통하여 정션 영역의 온도를 산출할 수 있다:
[수학식 1]
T=aR-b
상기 수학식 1에서,
T는 발광소자의 정션 영역의 온도(단위: ℃)를 나타내고,
R은 온도 측정 센서의 온도(단위: ℃)를 나타내며,
a 및 b는 계수로서, 5.6≤a≤5.9 및 91.5≤b≤93.0을 만족한다.
여기서, 상기 수학식 1은 온도 측정 센서의 온도와 상기 온도 측정 센서가 장착된 발광소자(LED)의 정션 영역 온도의 상관관계를 나타내는 식으로서, 실제 표면 실장형 발광장치의 사용 시 변화하는 정션 온도를 열 과도 시험 측정기로 측정한 결과와 발광소자의 구조 열분석을 통해 얻은 정션 온도 변화 결과를 반영한 것일 수 있으며, 상기 a 및 b는 5.7≤a≤5.8 및 92.0≤b≤92.5를 만족할 수 있다.
한편, 상기 발광소자(LED)는 발광부 및 상기 발광부와 전기적으로 연결된 제1 전극과 제2 전극을 더 포함하고, 기판과 제1 전극 사이 및/또는 기판과 제2 전극 사이에 온도 측정 센서를 마련할 수 있다. 또한, 상기 발광소자(LED)는 발광부를 기판으로 투영시킨 가상의 제1 평면 내에 위치하도록 온도 측정 센서를 마련할 수 있고, 이때, 상기 온도 측정 센서는 미세 가공 기술(micro fabrication)을 이용하여 제1 평면 내에 복수 개로, 구체적으로는 n개 이상(단, 1≤n≤10의 정수) 구비될 수 있다. 이 경우, 복수개로 마련된 온도 측정 센서에서 측정된 각 저항값으로부터 온도 측정 센서가 위치하는 영역별 온도를 측정할 수 있으므로, 발광소자의 영역별 온도 편차를 관측할 수 있고, 가장 열이 많이 발생하는 영역이나 열로 인한 손상/고장에 취약한 영역을 실시간으로 관측 및/또는 평가하는 것이 가능하다.
또한, 상기 기판은 당업계에서 통상적으로 표면 실장형 발광장치에 사용하는 기판을 사용할 수 있으며, 상기 기판은 절연층이 형성된 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판으로는 인쇄 회로 기판(PCB)이나 폴리이미드(PI)와 같은 플라스틱 웨이퍼 혹은 실리콘 웨이퍼에 SiO2 박막 등의 절연층이 형성된 것을 사용할 수 있다.
이러한 기판의 두께는 50 ㎛ 내지 3,000 ㎛일 수 있으며, 구체적으로는, 50 ㎛ 내지 2,500 ㎛, 50 ㎛ 내지 2,000 ㎛, 50 ㎛ 내지 1,500 ㎛, 50 ㎛ 내지 1,000 ㎛, 50 ㎛ 내지 500 ㎛, 50 ㎛ 내지 400 ㎛, 50 ㎛ 내지 300 ㎛, 50 ㎛ 내지 200 ㎛, 50 ㎛ 내지 140 ㎛, 30 ㎛ 내지 130 ㎛, 40 ㎛ 내지 120 ㎛, 50 ㎛ 내지 110 ㎛, 1,000 ㎛ 내지 3,000 ㎛, 1,500 ㎛ 내지 3,000 ㎛, 1,000 ㎛ 내지 2,000 ㎛, 500 ㎛ 내지 1,000 ㎛, 800 ㎛ 내지 1,200 ㎛, 1,500 ㎛ 내지 2,200 ㎛, 1,800 ㎛ 내지 2,500 ㎛, 100 ㎛ 내지 500 ㎛, 100 ㎛ 내지 200 ㎛, 300 ㎛ 내지 1,000 ㎛, 500 ㎛ 내지 800 ㎛, 400 ㎛ 내지 700 ㎛, 600 ㎛ 내지 900 ㎛, 60 ㎛ 내지 100 ㎛, 70 ㎛ 내지 90 ㎛, 또는 95 ㎛ 내지 105 ㎛일 수 있다.
또한, 상기 절연층의 평균 두께는 10 nm 내지 1 ㎛일 수 있고, 구체적으로는 10 nm 내지 750 nm, 10 nm 내지 500 nm, 10 nm 내지 250 nm, 10 nm 내지 100 nm, 50 nm 내지 200 nm, 50 nm 내지 150 nm, 80 nm 내지 120 nm, 또는 90 nm 내지 110 nm일 수 있다.
표면
실장형
발광장치의 제조방법
또한, 본 발명은 일실시예에서,
기판 상에 포토레지스트를 이용하여 온도 측정 센서를 패터닝 하는 단계;
패터닝된 온도 측정 센서 상에 발광부를 장착하는 단계; 및
패터닝된 온도 측정 센서의 말단에 연산부를 연결하는 단계를 포함하는 상기 표면 실장형 발광장치의 제조방법을 제공한다.
도 4는 본 발명에 따른 표면 실장형 발광장치의 제조방법에 대한 공정과정을 나타낸 플로우 차트이다.
상기 도 4를 참고하여 보다 구체적으로 설명하자면, 도 4의 (a)는 실리콘 웨이퍼에 SiO2이 증착된 절연층을 형성하여 기판을 준비하는 단계이다.
다음으로, 도 4의 (b) 및 (c)는 리프트 오프(lift-off) 공정을 이용하여 기판 상에 온도 측정 센서의 패턴부를 도입하는 단계로서, 상기 패턴부는 포토레지스(photoresist)를 이용하여 수행될 수 있다.
여기서, 상기 온도 측정 센서의 패턴부는 그 형태가 특별히 제한되는 것은 아니나 주변 온도에 민감하게 반응할 수 있도록 일정한 폭과 길이를 갖는 선형 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 패턴부는 평균 폭이 1㎛ 내지 50㎛이고, 평균 길이가 1,000㎛ 내지 20,000㎛이며, 패턴 간격이 1㎛ 내지 50㎛인 선형 구조로 기판에 도입될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 온도 측정 센서의 패턴부는 평균 폭이 3㎛ 내지 7㎛이고, 평균 길이가 10,000㎛ 내지 11,000㎛이며, 패턴 간격이 2㎛ 내지 10㎛인 선형 구조로 기판에 도입될 수 있다.
또한, 상기 온도 측정 센서는 주변 온도 변화에 민감하게 반응하고, 내부 온도 변화에 따라 저항 변화가 큰 금속을 포함할 수 있다. 구체적으로, 온도 측정 센서는 기판 상에 제2 금속층이 형성되고, 이후 제1 금속층이 형성된 구조를 가질 수 있고, 상기 제1 금속층 및 제2 금속층은 각각 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu) 또는 폴리 실리콘(poly-silicon)을 포함하되, 서로 다른 금속을 포함할 수 있다.
아울러, 제1 금속층 및 제2 금속층은 각각 1nm 내지 50nm의 평균 두께를 가질 수 있으며, 이들을 포함하는 온도 측정 센서의 총 두께는 60nm 이하일 수 있다.
하나의 예로서, 상기 제1 금속층 및 제2 금속층은 각각 백금(Pt) 및 티타늄(Ti)을 포함하고, 23nm 내지 27nm 및 3nm 내지 7nm의 평균 두께를 가질 수 있으며, 상기 제1 금속층 및 제2 금속층을 포함하는 온도 측정 센서의 총 두께는 25nm 내지 34nm일 수 있다.
다음으로, 도 4의 (d)는 온도 측정 센서 상에 써멀 그리스(thermal grease)를 약 80~120㎛ 두께로 도포하고, 제1 전극 및 제2 전극을 장착하는 단계로서, 상기 써멀 그리스는 온도 측정 센서와 전극들을 절연시키는 역할을 수행할 수 있다.
다음으로, 도 4의 (e) ? (f)는 발광소자를 장착하는 단계는 솔더 조인트를 이용하여 패터닝된 온도 측정 센서 상에 발광소자를 장착하는 단계로서, 기판 상에 발광소자를 장착하는 통상적인 방식으로 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 표면 실장형 발광장치의 제조방법은 표면 실장형 발광장치의 제조 시 기판 상에 발광소자를 장착하기 이전에 정션 영역에 온도 측정 센서를 도입하고, 도입된 온도 측정 센서 상에 발광소자를 장착시키는 방식으로 수행되므로, 당업계에서 수행되는 일반적인 표면 실장형 발광장치 제조 시 적용이 용이하다는 이점이 있다.
표면
실장형
발광장치의
정션
온도 측정 시스템
아울러, 본 발명은 일실시예에서,
기판, 발광소자, 온도 측정 센서 및 연산부를 포함하고;
상기 온도 측정 센서는 기판과 발광소자 사이의 정션 영역에 위치하며;
상기 연산부는 온도 측정 센서와 전기적으로 연결되고, 측정된 온도 측정 센서의 저항으로부터 정션 영역의 온도를 산출하도록 마련된 표면 실장형 발광장치의 정션 온도 측정 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 표면 실장형 발광장치의 정션 온도 측정 시스템은 기판 상에 발광소자(LED)가 장착된 표면 실장형 발광장치의 정션 온도를 측정하기 위하여 온도 측정 센서 및 연산부가 도입된 구성을 갖는다.
본 발명에 따른 표면 실장형 발광장치의 정션 온도 측정 시스템은 온도 측정 센서를 발광소자(LED)의 하부, 즉 기판과 발광소자(LED) 사이 정션 영역에 도입하고, 온도 측정 센서와 연결되어 온도 측정 센서에서 측정된 정보로부터 정션 온도를 산출하는 연산부를 포함하는 구성을 가짐으로써 발광소자(LED)의 사용 중에도 정션 영역의 온도를 실시간으로 용이하게 측정할 수 있다.
표면
실장형
발광장치의
정션
온도 측정 방법
나아가, 본 발명을 일실시예에서,
본 발명에 따른 상기 표면 실장형 발광장치의 정션 온도 측정 시스템을 이용하여, 기판과 발광소자 사이의 정션 영역에 위치하는 온도 측정 센서의 저항을 측정하는 단계; 및
측정된 온도 측정 센서의 저항값으로부터 발광소자의 정션 온도를 산출하는 단계를 포함하는 표면 실장형 발광장치의 정션 온도 측정 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 표면 실장형 발광장치의 정션 온도 측정 방법은 상술된 정션 온도 측정 시스템을 이용하여 표면 실장형 발광장치의 정션 온도를 측정할 수 있다.
구체적으로, 상기 표면 실장형 발광장치의 정션 온도 측정 방법은 상술된 정션 온도 측정 시스템을 이용하여 기판과 발광소자 사이의 정션 온도 측정 시스템을 이용하여 기판과 발광소자(LED) 사이의 정션 영역에 위치하는 온도 측정 센서의 저항을 연산부를 통해 측정하는 단계를 포함한다.
상기 단계에서는 연산부를 통해 온도 측정 센서의 저항 또는 저항 변화량이 측정되고, 온도 측정 센서의 저항은 온도 측정 센서의 상부측에 인접한 발광소자(LED)의 발열로 인한 정션 영역의 온도 변화에 직접적으로 영향을 받아 민감하게 감응하는 특징을 갖는다.
또한, 상기 표면 실장형 발광장치의 정션 온도 측정 방법은 연산부가 측정된 온도 측정 센서의 저항값으로부터 발광소자의 정션온도를 산출하는 단계를 포함한다.
보다 구체적으로, 상기 단계는,
측정된 온도 측정 센서의 저항값으로부터 온도 측정 센서의 온도를 산출하는 단계; 및
산출된 온도 측정 센서의 온도로부터 하기 수학식 1을 이용하여 발광소자의 정션 온도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다:
[수학식 1]
T=aR-b
상기 수학식 1에서,
T는 발광소자의 정션 영역의 온도(단위: ℃)를 나타내고,
R은 온도 측정 센서의 온도(단위: ℃)를 나타내며,
a 및 b는 계수로서, 5.6≤a≤5.9 및 91.5≤b≤93.0을 만족한다.
상기 수학식 1은 온도 측정 센서의 온도와 상기 온도 측정 센서가 장착된 발광소자(LED)의 정션 영역 온도의 상관관계를 나타내는 식으로서, 발광소자의 사용 시 변화하는 정션 온도를 열 과도 시험 측정기로 측정한 결과와 발광소자의 구조 열분석을 통해 얻은 정션 온도 변화 결과를 반영한 것일 수 있다.
본 발명은 측정된 온도 측정 센서의 저항값으로부터 직접적으로 정션 영역의 온도를 산출하는 것이 아니라, 연산부를 이용하여 온도 측정 센서의 저항값으로부터 온도 측정 센서의 온도를 산출하고, 수학식 1을 통해 도출된 온도 측정 센서의 온도로부터 표면 실장형 발광장치의 정션 온도를 산출하는 과정을 거침으로써 복잡한 장비 등을 사용하지 않고도 높은 신뢰성의 정션 온도값을 실시간으로 용이하게 얻을 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
.
지름 4 인치(inch)인 실리콘(Si) 웨이퍼를 준비하고, 상기 웨이퍼 상에 SiO2층(평균 두께: 0.1 ㎛)을 증착하여 기판을 준비하였다. 그런 다음, 포토레지스트를 도포하고, 광원에 노출시킨 후 식각하여 표면에 약 30㎛ 두께로 패터닝하고, 패터닝된 표면에 5±0.5 ㎛ 두께의 티타늄(Ti)층과 25±1㎛ 두께의 백금(Pt)층을 순차적으로 증착시켰다. 그 후, 포토레지스트를 제거하여 기판 상에 서펜타인 형태(평균 폭: 30±2㎛, 평균 길이: 10,500±100㎛)로 티타늄(Ti)층 및 백금(Pt)층으로 구성된 온도 측정 센서를 형성하고, 상기 온도 측정 센서 상에 써멀 그리스(thermal grease)를 100±2㎛ 두께로 도포하고, 그 위에 제1 전극 및 제2 전극을 위치시켜 전극들을 장착하였다. 장착된 제1 전극과 제2 전극 상에 솔더 조인트(SAC 305 solder paste)를 도포하고, InGaN 및 Ge:YAC phosphor로 구성된 발광소자를 장착하여 표면 실장형 발광장치의 정션 온도를 측정하기 위한 측정 시스템을 제조하였다.
실험예
1.
표면 실장형 발광장치에 포함된 온도 측정 센서와 정션 영역의 온도 상관 관계를 도출하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.
먼저, ① 실시예 1에서 제조된 정션 온도 측정 시스템을 이용하여 정션 온도에 영향을 주지 않는 미세 전류 조건(0.1mA)에서 발광소자의 온도에 따른 순방향 전압(forward voltage)을 측정하였다.
이와 별도로, ② 발광부에 4곳의 열 과도 시험 측정기(T3Ster)를 연결하고, 상기 발광부에 150mA, 200mA, 250mA 및 300mA의 전류를 각각 인가한 다음, 연결된 열 과도 시험 측정기(T3Ster)를 이용하여, 인가된 각 전류를 멈춘 직후 시간에 따른 정션 온도를 실측하였다. 그 결과는 표 1 및 도 5에 나타내었다.
또한, ③ 온도 측정 센서의 온도에 따른 저항을 측정하고, 저항 온도 계수(≒0.0039 %/℃)로 측정된 결과를 보정하여 온도 측정 센서의 온도에 따른 저항 변화량을 도출하였으며, 그 결과는 도 6에 나타내었다. 아울러, ④ 실시예 1에서 제조된 표면 실장형 발광장치에 150 mA(0.46W) 내지 300mA(0.95W)의 전류를 인가하여, 인가 전류별 온도 측정 센서의 저항과 온도 변화를 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 1과 도 7에 나타내었다.
| 인가 전류 | 평균 정션 온도 | 평균 온도 측정 센서 온도 |
| 150 mA | 30.11℃ | 78.90℃ |
| 200 mA | 33.08℃ | 99.19℃ |
| 250 mA | 37.60℃ | 123.62℃ |
| 300 mA | 42.67℃ | 147.89℃ |
상기 표 1의 측정 결과로부터 온도 측정 센서의 온도와 발광소자의 정션 온도 간의 상관 관계를 나타내는 도 8을 도출하였으며, 이를 통해 하기 수학식 1의 관계식을 얻었다:
[수학식 1]
T=aR-b
상기 수학식 1에서,
T는 발광소자의 정션 영역의 온도(단위: ℃)를 나타내고,
R은 온도 측정 센서의 온도(단위: ℃)를 나타내며,
a 및 b는 계수로서, 5.6≤a≤5.9 및 91.5≤b≤93.0을 만족한다.
실험예 2.
본 발명에 따른 표면 실장형 발광장치의 정션 온도 측정 시스템의 성능을 평가하기 위하여, 실시예 1에서 제조된 표면 실장형 발광장치의 정션 온도 측정 시스템을 대상으로 150~300mA 전류 조건에서 발광소자(LED)와 온도 측정 센서의 온도 변화를 시뮬레이션하였으며, 그 결과를 도 9 및 도 10에 나타내었다.
도 9 및 도 10을 살펴보면, 본 발명에 따른 표면 실장형 발광장치의 정션 온도 측정 시스템은 높은 정밀도로 정션 온도를 실시간 측정하는 것을 알 수 있다.
구체적으로, 도 9는 전류 조건에 따른 발광소자와 온도 측정 센서의 온도 변화를 나타낸 이미지로서, 도 9를 참고하면, 발광소자에 흐르는 전류가 150mA에서 300mA으로 증가함에 따라 발광소자와 온도 측정 센서의 색상이 녹색에서 적색으로 변화하는 것을 알 수 있다. 이는 발광소자와 온도 측정 센서의 온도가 증가함을 나타내는 것이다.
또한, 도 10의 (a)은 시뮬레이션된 발광소자와 온도 측정 센서의 접점 온도간 선형 관계를 나타내는 그래프이고, (b)는 정션 영역에서 온도 측정 센서까지의 열저항을 계산한 그래프이다.
상기 도 10을 참고하면, 시뮬레이션된 발광소자와 온도 측정 센서는 선형 상관 관계(R2=0.997)를 가지며, 시뮬레이션을 통해 얻은 결과는 열 과도 시험 측정기(T3Ster)를 이용하여 얻은 실제 정션온도와의 오차가 4.9% 이내로 정밀도가 높을 것으로 확인되었다. 또한, 정션 영역에서 온도 측정 센서까지의 열저항은 106.77~110.56 K/W로, 열 과도 시험 측정기(T3Ster)를 이용하여 얻은 실제 열저항과 매우 유사하였으며, 정션 온도가 78.83~147.89℃일 때 발광소자 하부에 위치하는 솔더 조인트의 온도가 62.78~91.29℃인 것으로 예측되었다.
이는 실시예 1의 표면 실장형 발광장치의 정션 온도 측정 시스템이 별도의 복잡한 장비 없이 높은 정밀도로 정션 영역의 온도를 실시간으로 측정할 수 있음을 의미하며, 동시에 측정된 정션 온도로부터 표면 실장형 발광장치에 구비된 부재들의 온도도 측정 가능함을 나타낸다.
따라서, 본 발명에 따른 표면 실장형 발광장치의 정션 온도 측정 시스템은 기판과 발광소자의 정션 영역에 온도 측정 센서를 도입함으로써 온도 측정 센서의 저항값을 측정하여 실시간으로 표면 실장형 발광장치의 정션 온도를 용이하게 산출할 수 있고, 보다 정확한 온도 측정이 가능하므로 발광소자의 손상 여부 확인이나 성능 및/또는 수명 평가 등에 유용하게 사용될 수 있다.
Claims (14)
- 기판;
상기 기판 상에 마련된 발광소자;
상기 기판과 발광소자 사이의 정션 영역에 위치하며, 정션 영역의 온도에 따라 값이 달라지도록 마련된 저항을 갖는 온도 측정 센서; 및
온도 측정 센서와 전기적으로 연결되며, 측정된 온도 측정 센서의 저항으로부터 정션영역의 온도를 산출하도록 마련된 연산부를 포함하는 표면 실장형 발광장치.
- 제 1 항에 있어서,
연산부는,
전기적으로 연결된 온도 측정 센서의 저항을 측정하는 단계;
측정된 저항값으로부터 온도 측정 센서의 온도를 산출하는 단계; 및
산출된 온도 측정 센서의 온도로부터 하기 수학식 1에 따라 발광소자의 정션 온도를 산출하는 단계;
를 통하여 정션 영역의 온도를 산출하는 표면 실장형 발광장치:
[수학식 1]
T=aR-b
상기 수학식 1에서,
T는 발광소자의 정션 영역의 온도(단위: ℃)를 나타내고,
R은 온도 측정 센서의 온도(단위: ℃)를 나타내며,
a 및 b는 계수로서, 5.6≤a≤5.9 및 91.5≤b≤93.0을 만족한다.
- 제 1 항에 있어서,
온도 측정 센서는 기판 상에 서로 다른 방향으로 각각 연장된 복수 개의 영역을 갖는 패턴부로 구성되는 표면 실장형 발광장치.
- 제 3 항에 있어서,
온도 측정 센서의 패턴부는, 평균 폭이 1㎛ 내지 50㎛이고, 평균 길이가 1,000㎛ 내지 20,000㎛인 표면 실장형 발광장치.
- 제 1 항에 있어서,
온도 측정 센서는 제1 금속층 및 제2 금속층을 포함하고,
상기 제1 금속층 및 제2 금속층은 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu) 또는 폴리 실리콘(poly-silicon)을 포함하되, 서로 다른 금속을 포함하는 표면 실장형 발광장치.
- 제 1 항에 있어서,
온도 측정 센서는 백금(Pt)을 포함하는 제1 금속층과 티타늄(Ti)을 포함하는 제2 금속층을 구비하는 표면 실장형 발광장치.
- 제 5 항에 있어서,
제1 및 제2 금속층의 평균 두께는 각각 1nm 내지 50nm인 표면 실장형 발광장치.
- 제 1 항에 있어서,
발광소자는, 발광부 및 상기 발광부와 전기적으로 연결된 제1 전극과 제2 전극을 포함하고,
기판과 제1 전극 사이 및 기판과 제2 전극 사이에 온도 측정 센서가 위치하는 표면 실장형 발광장치.
- 제 8 항에 있어서,
온도 측정 센서는 발광부를 기판으로 투영시킨 가상의 제1 평면 내에 위치하도록 마련되고,
상기 온도 측정 센서는 제1 평면 내에 복수 개로 구비되는 표면 실장형 발광장치.
- 기판 상에 포토레지스트를 이용하여 온도 측정 센서를 패터닝 하는 단계;
패터닝된 온도 측정 센서 상에 발광부를 장착하는 단계; 및
패터닝된 온도 측정 센서의 말단에 연산부를 연결하는 단계를 포함하는 제1항에 따른 표면 실장형 발광장치의 제조방법.
- 제 10 항에 있어서,
발광부를 장착하는 단계 이전에,
패터닝된 온도 측정 센서 상에 제1 전극 및 제2 전극을 장착하는 단계를 더 포함하는 표면 실장형 발광장치의 제조방법.
- 기판, 발광소자, 온도 측정 센서 및 연산부를 포함하고;
상기 온도 측정 센서는 기판과 발광소자 사이의 정션 영역에 위치하며;
상기 연산부는 온도 측정 센서와 전기적으로 연결되고, 측정된 온도 측정 센서의 저항으로부터 정션 영역의 온도를 산출하도록 마련된 표면 실장형 발광장치의 정션 온도 측정 시스템.
- 제12항에 따른 표면 실장형 발광장치의 정션 온도 측정 시스템을 이용하여, 기판과 발광소자 사이의 정션 영역에 위치하는 온도 측정 센서의 저항을 측정하는 단계; 및
측정된 온도 측정 센서의 저항값으로부터 발광소자의 정션 온도를 산출하는 단계를 포함하는 표면 실장형 발광장치의 정션 온도 측정 방법.
- 제 13 항에 있어서,
발광소자의 정션 온도를 산출하는 단계는,
측정된 온도 측정 센서의 저항값으로부터 온도 측정 센서의 온도를 산출하는 단계; 및
산출된 온도 측정 센서의 온도로부터 하기 수학식 1을 이용하여 발광소자의 정션 온도를 산출하는 단계를 포함하는 표면 실장형 발광장치의 정션 온도 측정 방법:
[수학식 1]
T=aR-b
상기 수학식 1에서,
T는 발광소자의 정션 영역의 온도(단위: ℃)를 나타내고,
R은 온도 측정 센서의 온도(단위: ℃)를 나타내며,
a 및 b는 계수로서, 5.6≤a≤5.9 및 91.5≤b≤93.0을 만족한다.
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