WO2020050690A2 - Led 조명 모듈 - Google Patents

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WO2020050690A2
WO2020050690A2 PCT/KR2019/011564 KR2019011564W WO2020050690A2 WO 2020050690 A2 WO2020050690 A2 WO 2020050690A2 KR 2019011564 W KR2019011564 W KR 2019011564W WO 2020050690 A2 WO2020050690 A2 WO 2020050690A2
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printed circuit
circuit board
heat dissipation
led lighting
lighting module
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PCT/KR2019/011564
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허정욱
배언수
김항모
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엘이디라이텍(주)
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Publication date
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    • H01L33/486—Containers adapted for surface mounting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21K—NON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21K9/00—Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
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    • H01L33/64—Heat extraction or cooling elements
    • H01L33/642—Heat extraction or cooling elements characterized by the shape

Definitions

  • the present invention relates to an LED lighting module (LED module), and more particularly, to an LED lighting module having a heat dissipation structure with improved heat dissipation efficiency.
  • LEDs Light emitting diodes
  • LEDs Light emitting diodes
  • LEDs are more widely used as new lighting devices because they are eco-friendly, have less power consumption, and have a longer lifespan than fluorescent or incandescent lamps.
  • the LED chip which is a high-brightness lighting element, emits light by supplying a large current to a small element, and a high heat of heat is generated in the LED chip according to the current supply.
  • the heat generated by the LED device is determined by the product of the current supplied to the device and its own net voltage.
  • the light output efficiency of 100 [%] at 25 [°C] is 60 [%] at 80 [°C]. Efficiency tends to decrease rapidly. Therefore, the design and manufacturing technology of a heat sink for heat management generated in the LED chip greatly affects the efficiency of the LED lighting device using the LED chip.
  • the problem to be solved by the present invention is to improve the heat dissipation efficiency of the LED lighting module.
  • the LED lighting module of the present invention for solving the above problems is an LED chip, a back plane board positioned under the LED chip, and located at a lower part of the back plane board, positioned in a first direction and transmitted from the back plane board
  • a first printed circuit board having a via hole for transferring heat in the first direction and an internal heat dissipation pattern positioned in a second direction intersecting the first direction and transferring the heat transferred from the via hole in the second direction
  • the first printed circuit board includes a first heat dissipation portion that is formed of metal and faces the via hole.
  • the first heat dissipation portion may include a body made of the metal and a coupling portion made of the metal and protruding from the upper surface of the body toward the first printed circuit board and in contact with a via hole of the first printed circuit board. .
  • the body may be filled with metal inside.
  • the body may include a hollow filled with a refrigerant therein.
  • the refrigerant may be made of acetone or distilled water.
  • the first heat dissipation unit may further include a plurality of pillars positioned in contact with the lower surface and the upper surface of the main body in the hollow and spaced apart from each other.
  • the plurality of pillars may be made of metal.
  • the LED lighting module according to the above feature may further include a second printed circuit board positioned below the first printed circuit board and coupled to the coupling unit.
  • the first printed circuit board may further include a coupling hole into which the coupling portion of the first heat dissipation portion is inserted.
  • the LED lighting module according to the above feature may further include a heat conductor positioned between the first printed circuit board and the first heat dissipation unit facing each other and between the second printed circuit board and the first heat dissipation unit.
  • the first printed circuit board may be made of an FR-4 printed circuit board or a metal printed circuit board.
  • the first printed circuit board is made of FR-4 printed circuit board
  • the first printed circuit board may be made of a multilayer printed circuit board.
  • the internal heat dissipation pattern may be made of copper.
  • the LED lighting module according to the above feature may further include a second heat dissipation part located under the first heat dissipation part.
  • the second heat dissipation unit may include a heat dissipation plate in contact with the first heat dissipation unit.
  • the LED chip and the back plane board may be connected by wire bonding.
  • the heat generated from the LED chip is radiated to the outside or transmitted to the first heat dissipation unit through the back plane board and the first and second printed circuit boards located immediately below, so that rapid heat dissipation is achieved. For this reason, the heat dissipation efficiency of the LED chip is improved.
  • the heat dissipation effect is further improved due to convection of the refrigerant due to the heat being transferred.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of an LED lighting module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view schematically showing a heat dissipation path in the LED lighting module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing an example of a first printed circuit board when the first printed circuit board of the LED lighting module according to an embodiment of the present invention is composed of a multilayer printed circuit board.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of an LED lighting module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic exploded perspective view of the first heat dissipation unit of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a picture obtained by photographing the first heat dissipation unit of the embodiment with a thermal imaging camera in order to test the heat dissipation effect of the first heat dissipation unit according to embodiments of the present invention, and is a picture taken when the LED module is turned on .
  • FIG. 7 is a picture obtained by photographing the first heat dissipation unit of the embodiment with a thermal imaging camera to test the heat dissipation effect of the first heat dissipation unit according to embodiments of the present invention, when 10 minutes elapse after the LED module is turned off This is a picture taken.
  • an LED lighting module includes at least one LED chip 10, a backplane board 20 positioned under the LED chip 10, and a backplane board (20)
  • First heat dissipation unit 50 located below printed circuit boards 30 and 40, and heat conductor 61 positioned between first heat dissipation unit 50 and first and first printed circuit boards 30 and 40
  • a second heat dissipation part 70 positioned under the first heat dissipation part 50.
  • the LED chip 10 is a semiconductor device having an LED element, and is a light source for outputting light, and the LED lighting module of this example includes at least one LED chip 10.
  • the back plane board 20 is a driving chip for individually driving each LED chip 10 mounted thereon, as well as driving the LED chip 10 and stably positioning the LED chip 10 positioned thereon. Is fixed with.
  • the back plane board 20 supplies individual power to the LED chip 10 mounted thereon.
  • the at least one LED chip 10 is mounted on the back plane board 20 in a serial or parallel structure using a mounting technology such as surface mount technology (SMT) or chip bonding, and also An electrical network (not shown) is formed on the plane board 20 in order to drive the LED chip 20 in a matrix structure.
  • a mounting technology such as surface mount technology (SMT) or chip bonding
  • An electrical network (not shown) is formed on the plane board 20 in order to drive the LED chip 20 in a matrix structure.
  • the back plane board 20 may be manufactured through a semiconductor CMOS or thin-film transistor (TFT) process.
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • TFT thin-film transistor
  • the first printed circuit board 30 is a printed circuit board on which electrical circuits and electrical and electronic devices for driving the LED chip 10 are mounted.
  • the first printed circuit board 30 is a FR-4 printed circuit board having an insulating layer made of an epoxy resin or a metal printed circuit board made of an insulating metal (eg, Al) or a non-insulating metal (eg, Cu) ( metal PCB).
  • the first printed circuit board 30 may be made of a double-sided printed circuit board or a multilayer printed circuit board made of multiple layers such as four layers.
  • the first printed circuit board 30 is electrically and physically connected to the back plane board 20 located on the upper side through wire bonding, so that signal transmission and power transmission with the back plane board 20 are made.
  • a back plane is provided on the upper surface of the first printed circuit board 30 adjacent to the back plane board 20 and the lower surface of the first printed circuit board 30 adjacent to the second printed circuit board 40.
  • a wiring pattern L30 such as a wiring and a pad for electrical connection between the board 20 and the second printed circuit board 40 is printed.
  • the first printed circuit board 30 of this example is provided with a plurality of via holes 31 and a plurality of internal heat dissipation patterns 32, which serve as heat transfer passages from the back plane board 20.
  • the plurality of via holes 31 are formed along the thickness direction (eg, the vertical direction or the first direction) of the first printed circuit board 30 perpendicular to the installation surface of the first printed circuit board 30 ( 30) as a hole penetrating the first printed circuit board 30 in the width direction.
  • the plurality of internal heat dissipation patterns 32, the first printed circuit board 30 along the width direction (i.e., the direction crossing the thickness direction) (e.g., in the horizontal direction or the second direction) of the first printed circuit board As a heat radiation pattern positioned across the first printed circuit board 30 in parallel with the installation surface of 30), adjacent inner heat radiation patterns 32 are spaced apart in the thickness direction of the first printed circuit board 30.
  • the number of via holes 31 is three, but is not limited thereto, and may be one or more than four, and the number of internal heat dissipation patterns 32 is also two, but is not limited to one or three. It may be abnormal.
  • the plurality of via holes 31 receive heat transmitted through the back plane board 20 and transfer the heat to the first heat dissipation unit 50 located at the bottom.
  • each internal heat dissipation pattern 32 receives heat transmitted through the corresponding via hole 31 intersecting at the crossing point and transfers it to the outside of the side surface of the first printed circuit board 30 to discharge it to the outside.
  • the inside of the via hole 31 is plated with a metal having good thermal conductivity, such as copper (Cu), and the internal heat dissipation pattern 32 is also made of a metal (eg, copper) having good thermal conductivity, the via hole ( 31) and the heat dissipation efficiency using the internal heat dissipation pattern 32 is further improved.
  • a metal having good thermal conductivity such as copper (Cu)
  • the internal heat dissipation pattern 32 is also made of a metal (eg, copper) having good thermal conductivity
  • the heat generated by the operation of the first printed circuit board 30 is more easily via hole 31 And through the internal heat dissipation pattern 32 can be more easily dissipated.
  • the multi-layered first printed circuit board 30 sequentially comprises an upper solder mask layer 301 from the top, a top layer made of a copper plating film and a copper foil layer. ) 302, an upper prepreg layer 303, an inner heat dissipation pattern, which is a copper layer located on the top (hereinafter referred to as the 'inner heat dissipation pattern') 304 , A core layer 305, an inner heat dissipation pattern (hereinafter referred to as a 'lower heat dissipation pattern') 306, a lower prepreg layer (bottom) A prepreg layer 307, a bottom layer 308 made of a copper plated film and a copper foil layer, and a top solder mask layer 309 may be provided.
  • an upper prepreg layer 303 an inner heat dissipation pattern, which is a copper layer located on the top (hereinafter referred to as the 'inner heat dissipation pattern') 304 ,
  • heat generated from the first printed circuit board 30 is also transferred to the outside of the side surfaces of the first printed circuit board 30 along the upper and lower internal heat dissipation patterns 304 and 306 to be discharged to the outside.
  • the inner layers 304 and 306 located between the upper layer 302 and the lower layer 308 are made of copper layers having good thermal conductivity, these inner layers, that is, the upper and lower inner heat dissipation patterns 304 and 306 are first In order to dissipate heat generated from the printed circuit board 30, it functions as a heat path layer through which heat moves.
  • the second printed circuit board 40 stably positions the first printed circuit board 30 positioned thereon and may be formed of a metal printed circuit board made of copper (Cu) or aluminum (Al) or a ceramic printed circuit board.
  • the second printed circuit board 40 of this example serves as a power supply and heat dissipation, and a wiring pattern for power supply and a wiring pattern L40 for connection with the first printed circuit board 30 are printed. , Components such as a power supply unit connected to these wiring patterns L40 are mounted.
  • the first and second printed circuit boards 30 and 40 are electrically and physically connected to each other using these wiring patterns L30 and L40. At this time, for the connection of the first and second printed circuit boards 30 and 40, a soldering operation or a ball grid array method may be used.
  • the insulating portion of the second printed circuit board 40 where the wiring pattern L40 is not located may be formed of an insulator such as a prepreg.
  • the second printed circuit board 40 has a coupling hole H40 into which the first heat dissipation unit 50 is inserted and coupled to the center portion.
  • the coupling hole H40 is a through hole that completely penetrates the second printed circuit board 40 in the thickness direction, and a part of the first heat dissipation unit 50 is inserted into the coupling hole H40 to form a second printed circuit.
  • the coupling between the substrate 40 and the first heat dissipation unit 50 is made.
  • the coupling hole (H40) is a first printed circuit board (so that the corresponding portion of the first heat dissipation portion 50 located in the coupling hole (H20) can efficiently receive heat transmitted through the via hole (31) 30) may be located on a portion of the second printed circuit board 40 facing the portion where the via hole 31 is located.
  • the first heat dissipation unit 50 is for rapidly dissipating to the outside by receiving heat transmitted through the via hole 31 of the first printed circuit board 30, and has a heat conduction efficiency such as copper (Cu). It is made of good materials (eg metal).
  • the first heat dissipation unit 50 is in the upward direction (ie, the first printed circuit board 30) in the center of the main body 501 and the upper surface of the main body 501, which are formed in a plate shape having a square or circular plane shape. ) In the direction of the lower surface.
  • the body 501 is for dissipating heat transferred from the first printed circuit board 30 through the protrusion 502 and has a much larger surface area than the protrusion 502.
  • the protrusion 502 is a coupling portion inserted into the coupling hole H40 of the second printed circuit board 40 and coupled with the second printed circuit board 40.
  • the flat shape of the protrusion 502 is the same as the flat shape of the mounting hole H40, and for example, may have a square flat shape.
  • the protrusion 502 is a via hole 31 of the first printed circuit board 30. It faces the formed part.
  • All of the first heat dissipation unit 50 is made of a material having good heat conduction efficiency, so that the inside of the main body 501 and the protrusion 502 of the first heat dissipation unit 50 are all without the empty space (for example, Copper).
  • the first heat dissipation unit 50 is made of copper.
  • the main body 501 radiates heat transmitted through the protrusion 502 in all directions, so the heat transferred to the main body 501 is discharged to the outside through the side surface of the main body 501 and is also located at the bottom.
  • the heat dissipation operation is performed through the operation of the second heat dissipation unit 70 by transferring to the second heat dissipation unit 70.
  • the heat conductor 61 is between the first printed circuit board 30 and the first heat dissipation unit 50 facing each other, and between the second printed circuit board 40 and the first heat dissipation unit 50 facing each other. Located in.
  • the heat conductor 61 contains a thermal interface material (TIM).
  • the heat conductor 61 transfers the heat of the first and second printed circuit boards 30 and 40 to the first heat dissipation unit 50.
  • the heat conductor 61 is made of an adhesive or a film or tape form including a heat transfer material, and not only serves as a shear for heat, but also a bonding operation between the first printed circuit board 30 and the first heat dissipation unit 50 and the second The bonding operation between the printed circuit board 40 and the first heat dissipation unit 50 is performed.
  • the heat conductor 61 the heat generated from the LED chip 10 is quickly transferred to the first heat dissipation unit 50, so that the heat generated from the LED chip 10 can be quickly dissipated. do.
  • the first heat dissipation unit 50 facing the lower surfaces of the first and second printed circuit boards 30 and 40 ) Apply or attach an adhesive member, such as an adhesive having heat transfer material to the corresponding surface of the upper surface, or an adhesive tape on both surfaces.
  • an adhesive member such as an adhesive having heat transfer material to the corresponding surface of the upper surface, or an adhesive tape on both surfaces.
  • the protrusion 502 is located in contact with the lower surface of the first printed circuit board 30 and the upper portion of the main body 501 The surface is located in contact with the lower surface of the second printed circuit board 40.
  • the first heat dissipation unit 50 is attached to the corresponding portions of the first and second printed circuit boards 30 and 40, and the thermal conductor 61 is provided between them. Will be located.
  • the second heat dissipation unit 70 includes a heat sink 71 and a cooling fan (not shown) made of metal.
  • the heat sink 71 is located at the bottom of the first heat sink 50, a plurality of heat sink fins 712 protruding in the form of a pin from the top 711 and the top 711 having a flat shape made of a rectangular flat surface ).
  • the heat dissipation plate 71 receives heat transmitted from the first heat dissipation unit 50 located at the upper portion of the main body 501 to the upper portion 711 and dissipates heat to the outside through the heat dissipation fin 712.
  • the heat sink 71 may be made of a metal material having good thermal conductivity, such as copper (Cu) or aluminum (Al).
  • the cooling fan is positioned facing the heat sink 71 of the second heat sink 70, and sends the wind generated by the rotational operation of the provided fan to the second heat sink 70, thereby providing a second heat sink.
  • the heat present at 70 is dissipated.
  • first heat dissipation unit 50 and the second heat dissipation unit 70 may be coupled to each other using a fastening member such as a screw.
  • a heat conductor is positioned between the first heat dissipation unit 50 and the second heat dissipation unit 70, thereby simultaneously performing heat conduction and bonding functions.
  • the LED lighting module of this example having such a structure is heat dissipated through a path as shown in FIG. 2.
  • the heat generated by the LED chip 10 according to the operation of the LED chip 10 is transferred to the back plane board 20 located below the first printed circuit board. (30).
  • the heat transferred to the first printed circuit board 30 is first printed circuit by a plurality of via holes 31 and an internal heat radiation pattern 32 penetrating the first printed circuit board 30 in the thickness direction and the width direction. It is quickly transferred to the substrate 30.
  • the heat transferred to the protruding portion 502 of the first heat dissipation portion 50 is transmitted to the main body 501 that is seamlessly connected through the protruding portion 502.
  • heat transferred to the main body 501 is radiated to the outside or transferred to the second heat dissipation unit 70 located at the bottom thereof, thereby rapidly discharging heat to the outside.
  • the LED lighting module of the present example the power supply and heat dissipation are simultaneously performed to the LED chip 10. Accordingly, the heat generated from the LED chip 10 is radiated to the outside through the back plane board 20 and the first printed circuit board 30 located directly below or to the first and second heat dissipation units 50 and 70. It is transferred and rapid heat dissipation is achieved.
  • the LED module of this example also includes at least one LED chip 10, a back plane board 20 positioned under the LED chip 10, and a first printing located under the back plane board 20.
  • the first printed circuit board 30 has a plurality of via holes 31 and a plurality of via holes 31 that are printed with a wiring pattern L30 and serve as a heat transfer passage from the back plane board 20 as in FIG. 1. It has an internal heat dissipation pattern 32.
  • the second printed circuit board 40 is also provided with a coupling hole H40 for coupling with the second heat dissipation unit 50a in the center portion.
  • a heat conductor 60 is positioned between the first heat dissipation unit 50a and the first and second printed circuit boards 30 and 40.
  • the first heat dissipation unit 50a has a different structure from the first heat dissipation unit 50 of the LED module shown in FIG. 1.
  • the first heat dissipation unit 50a of this example is made of a heat spreader, and as shown in FIGS. 4 and 5, the substrate 51 and the body unit 52 coupled to the substrate 51 , A plurality of pillars 53 which are spaced apart in the space S50 formed inside the body portion 52 by the combination of the substrate 51 and the body portion 52 is provided.
  • the substrate 51 is formed of a plate shape having a square or circular planar shape as shown in FIG. 5 and forms a lower surface of the first heat dissipation unit 50a.
  • the body portion 52 includes an upper surface 521 and a side surface 522 connected to the upper surface 521, and the lower part is open. At this time, the interior of the body portion 52 is provided with a space surrounded by the upper surface 521 and the side 522.
  • the body portion 52 is provided with a protrusion 523 protruding upward from the outside of the upper surface 521.
  • the protrusion 523 of this example is also inserted into the coupling hole H40 of the second printed circuit board 40 and coupled with the second printed circuit board 40 It is a joint.
  • the planar shape of the protrusion 523 is the same as the planar shape of the mounting hole H40.
  • the body portion 52 is bonded to the edge portion of the substrate 51 in a sealed state as illustrated in FIG. 4, and completely encloses the substrate 51 and the body portion 52 inside the first heat dissipation portion 50a.
  • the enclosed empty space, that is, the hollow ( ⁇ ) (S50) is located.
  • the substrate 51 and the body portion 52 coupled to each other are referred to as a body, whereby the protruding portion 523 in the first heat dissipation portion 50a is toward the first printed circuit board 30 from the upper surface of the body. Protrudes.
  • the hollow (S50) is filled with a refrigerant for dissipating heat transferred through the first printed circuit board (30).
  • the refrigerant may be a fluid such as distilled water or acetone.
  • the heat transferred from the first printed circuit board 30 through the protrusion 523 is transferred to the refrigerant embedded in the space S50 of the first heat dissipation unit 50, and the refrigerant made of fluid is the temperature due to heat It causes convection according to the change.
  • the heat dissipation operation transferred from the first printed circuit board 30 is more efficiently performed due to the convection phenomenon of the refrigerant.
  • the plurality of pillars 53 are positioned in contact with the corresponding surface between the upper surface of the substrate 51 and the inner side of the upper surface 521 of the body portion 52 (that is, the inner upper surface and the inner lower surface).
  • the main body portion 52 stably maintains a predetermined distance from the substrate 51 by a plurality of pillars 53.
  • the substrate 51, the body portion 52, and the pillar 53 are all made of a material such as metal (eg, copper) having good thermal conductivity.
  • the pillars 53 made of a material having good thermal conductivity are positioned between the main body 52 and the substrate 51 so that each end is in contact with the main body 52 and the substrate 51.
  • the plurality of pillars 53 are located in the space H50 filled with the fluid, turbulence of the fluid occurs due to convection around the outer circumferential surface of the pillar 53, and heat conduction by the turbulence of the fluid The efficiency is improved, and the efficiency of heat dissipation conducted to the first heat dissipation unit 50a becomes even higher.
  • a fluid injection port H50 is provided on a corresponding surface (eg, side 522) of the first heat dissipation unit 50a as shown in FIG. 5.
  • the manufacturer places the plurality of pillars 53 at a predetermined position on the substrate 51, and then positions the main body 52 at the corresponding position of the substrate 53.
  • the joining portion of the substrate 51 and the main body portion 52 is completely joined through a process such as welding to manufacture a first heat dissipation portion 50a having a main body and a protrusion 523.
  • the substrate 51 constitutes the lower surface of the first heat dissipation unit 50a (that is, the main body), and the main body part 52 has side and upper surfaces of the first heat dissipation unit 50a (that is, the main body).
  • the interior space (S50) in which the pillars 53 are spaced apart at the corresponding position is formed inside the body sealed by the substrate 51 and the body part 52.
  • the protrusion 523 Is inserted into the coupling hole H40 of the second printed circuit board 40 and the thermal conductor 61 is formed through a curing operation or the like, so that the first heat dissipation unit 50a is the first and second printed circuit boards ( 30, 40).
  • the heat transferred to the first heat dissipation portion 50a along the via hole 31 is transferred to the protrusion 523 facing the formation portion of the via hole 31 to the refrigerant built in the body portion 52. Is transferred, the heat dissipation operation according to the convection phenomenon of the refrigerant is made.
  • the coupling between the first heat dissipation unit 50a and the second heat dissipation unit 70 may be made through a fastening member as in the case of FIG. 1.
  • the second printed circuit board 40 may be omitted if necessary.
  • a first heat dissipation unit (eg, the first embodiment) in which the entire first heat dissipation unit is made of copper is photographed with a thermal imaging camera. Screen.
  • a column is located inside the first heat dissipation unit, and a first heat dissipation unit having a hollow filled with distilled water (eg, the second embodiment) Is a screen shot with a thermal imaging camera.
  • the LED modules were mounted and driven in the first and second embodiments, and the LED module was turned on by applying power of 45 watts (driving current: 1.1A).
  • FIG. 6 is a picture obtained when the LED module is in the lit state, and the measurement temperature in the adjacent portion A1 of the LED module attached to the second embodiment was 129 degrees.
  • FIG. 7 is a photograph obtained when 10 minutes have elapsed since the LED module was turned off, and the measurement temperature at the edge portion A2 of the first embodiment was 26.5 degrees.
  • the color of the first heat dissipation unit is darker black (substantially dark blue) than the photo of (a), and particularly, the edge portion is red. It had a lower temperature color (i.e., substantially yellow or light blue) than the floating (a).
  • the temperature at the edge portion of the second embodiment could be estimated at approximately 20 degrees.
  • the portion where the LED module is located also has a gray (substantially yellow), which is a much lower temperature in the case of the second embodiment, the second embodiment has more heat dissipation efficiency than the first embodiment. It can be seen that it is greatly improved.

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Abstract

본 발명은 LED 조명 모듈에 관한 것으로서, 상기 LED 조명 모듈은 LED 칩, 상기 LED 칩의 하부에 위치하는 백 플레인 보드, 상기 백 플레인 보드의 하부에 위치하며, 제1 방향으로 위치하고 상기 백 플레인 보드로부터 전달되는 열을 상기 제1 방향으로 전달하는 비아홀 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 위치하고 상기 비아홀로부터 전달되는 상기 열을 상기 제2 방향으로 전달하는 내부 방열 패턴을 구비하는 제1 인쇄회로기판, 그리고 상기 제1 인쇄회로기판의 하부에 상기 비아홀과 대면하게 위치하고 금속으로 이루어져 있는 제1 방열부를 포함한다.

Description

LED 조명 모듈
본 발명은 LED 조명 모듈(LED module)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 방열 효능이 개선된 방열 구조를 갖는 LED 조명 모듈에 관한 것이다.
발광 다이오드인 엘이디(LED, light emitting diode)는 형광등이나 백열등에 비해, 친환경적이고 소비 전력이 적으며 수명이 오래 가, 새로운 조명 소자로 널리 이용되고 있다.
이러한 고휘도 조명 소자인 LED 칩은 작은 소자에 큰 전류를 공급하여 빛을 발광하는 것으로서, 이러한 전류 공급에 따라 LED 칩에서 고열의 열이 발생하는 문제가 발생한다.
LED 소자에서 발생하는 열을 소자로 공급되는 전류와 자체 순 전압의 곱으로 정해지는, 일반적으로 25[℃]일 때 100[%]의 광출력 효율은 80[℃]일 때 60[%]로 효율이 급격히 감소하는 경향이 있다. 따라서, LED 칩에서 발생하는 열 관리를 위한 히트 싱크의 설계 및 제작 기술이 LED 칩을 이용하는 LED 조명 장치의 효율에 많은 영향을 미친다.
선행기술문헌
특허문헌
대한민국 공개특허 제10-2008-0007961호(공개일자: 2008년 01월 23일, 발명의 명칭: 엘이디 모듈의 냉각 장치 및 그 제조 방법)
대한민국 등록특허 제10-1281340호(공고일자: 2013년07월02일, 발명의 명칭: 방열구조를 가지는 인쇄회로기판 및 이를 포함하는 ＬＥＤ 조명장치)
본 발명이 해결하려는 과제는 LED 조명 모듈의 방열 효율을 향상시키기 위한 것이다
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 LED 조명 모듈은 LED 칩, 상기 LED 칩의 하부에 위치하는 백 플레인 보드, 상기 백 플레인 보드의 하부에 위치하며, 제1 방향으로 위치하고 상기 백 플레인 보드로부터 전달되는 열을 상기 제1 방향으로 전달하는 비아홀 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 위치하고 상기 비아홀로부터 전달되는 상기 열을 상기 제2 방향으로 전달하는 내부 방열 패턴을 구비하는 제1 인쇄회로기판, 그리고 상기 제1 인쇄회로기판의 하부에 상기 비아홀과 대면하게 위치하고 금속으로 이루어져 있는 제1 방열부를 포함한다.
상기 제1 방열부는 상기 금속으로 이루어져 있는 본체 및 상기 금속으로 이루어져 있고 상기 본체의 상부면에서부터 상기 제1 인쇄회로기판 쪽으로 돌출되어 있고 상기 제1 인쇄회로기판의 비아홀과 접해 있는 결합부를 포함할 수 있다.
상기 본체는 내부가 금속으로 채워질 수 있다.
상기 본체는 내부에 냉매로 채워져 있는 중공을 포함할 수 있다.
상기 냉매는 아세톤이나 증류수로 이루어질 수 있다.
상기 제1 방열부는 상기 중공 내에서 상기 본체의 하부면과 상부면에 접하게 위치하고 서로 이격되어 있는 복수 개의 기둥을 더 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 기둥은 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 특징에 따른 LED 조명 모듈은 상기 제1 인쇄회로기판의 하부에 위치하고 상기 결합부가 결합되는 제2 인쇄회로기판을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 인쇄회로기판은 상기 제1 방열부의 상기 결합부가 삽입되는 결합 구멍을 더 포함할 수 있다.
상기 특징에 따른 LED 조명 모듈은 서로 대면하고 있는 제1 인쇄회로기판과 상기 제1 방열부 사이 그리고 상기 제2 인쇄회로기판과 상기 제1 방열부 사이에 위치하는 열전도체를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 인쇄회로기판은 FR-4 인쇄회로기판이나 금속 인쇄회로기판으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 인쇄회로기판이 FR-4 인쇄회로기판으로 이루어질 때, 상기 제1 인쇄회로기판은 다층 인쇄회로기판으로 이루어질 수 있다.
상기 내부 방열 패턴은 구리로 이루어져 있을 수 있다.
상기 특징에 따른 LED 조명 모듈은 상기 제1 방열부 하부에 위치하는 제2 방열부를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 방열부는 상기 제1 방열부와 접해 있는 방열판을 포함할 수 있다.
상기 LED 칩과 상기 백 플레인 보드는 와이어 본딩으로 연결될 수 있다
이러한 본 발명의 특징에 따르면, LED 칩에서 발생된 열은 바로 하부에 위치한 백 플레인 보드와 제1 및 제2 인쇄회로기판을 통해 외부로 발산되거나 제1 방열부로 전달되어, 신속한 열 발산이 이루어진다. 이로 인해, LED 칩의 열 발산 효율이 향상된다.
특히, 제1 방열부가 냉매로 채워져 있는 중공을 구비하는 경우, 전달되는 열에 의한 냉매의 대류 현상으로 인해 열 발산 효과는 더욱 더 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 모듈의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 모듈에서 열 발산 경로를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 모듈의 제1 인쇄회로 기판이 다층 인쇄회로기판으로 이루어져 있을 때, 제1 인쇄회로기판의 한 예를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 조명 모듈의 단면도이다.
도 5는 도 4의 제1 방열부에 대한 개략적인 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 제1 방열부의 열 발산 효과를 실험하기 위해 열화상 카메라로 해당 실시예의 제1 방열부를 촬영하여 얻은 사진으로서, LED 모듈이 점등 상태일 때 촬영된 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 제1 방열부의 열 발산 효과를 실험하기 위해 열화상 카메라로 해당 실시예의 제1 방열부를 촬영하여 얻은 사진으로서, LED 모듈이 소등 된 후 10분이 경과할 때 촬영된 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명하는데 있어서, 해당 분야에 이미 공지된 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명을 부가하는 것이 본 발명의 요지를 불분명하게 할 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명에서 이를 일부 생략하도록 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 실시예들을 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 해당 분야의 관련된 사람 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함하는'의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 모듈에 대해서 설명하도록 한다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 모듈은 적어도 하나의 LED 칩(10), LED 칩(10) 하부에 위치하는 백 플레인 보드(backplane board)(20), 백 플레인 보드(20) 하부에 위치하는 제1 인쇄회로기판(PCB, printed circuit board)(30), 제1 인쇄회로기판(30) 하부에 위치하는 제2 인쇄회로기판(40), 제1 및 제2 제2 인쇄회로기판(30, 40) 하부에 위치하는 제1 방열부(50), 제1 방열부(50)와 제1 및 제 인쇄회로기판(30, 40) 사이에 위치하는 열전도체(61), 그리고 제1 방열부(50) 하부에 위치하는 제2 방열부(70) 구비한다.
LED 칩(10)은 LED 소자를 구비하고 있는 반도체 소자로서, 빛을 출력하는 광원으로서, 본 예의 LED 조명 모듈은 적어도 하나의 LED 칩(10)을 구비한다.
백 플레인 보드(20)는 그 위에 실장되어 있는 각 LED 칩(10)을 개별적으로 구동하기 위한 구동 칩으로서, LED 칩(10)의 구동뿐만 아니라 그 위에 위치하는 LED 칩(10)의 위치를 안정적으로 고정한다.
또한, 백 플레인 보드(20)는 그 위에 실장되어 있는 LED 칩(10)으로의 개별 전원 공급을 실시한다.
따라서, 적어도 하나의 LED 칩(10)은 SMT(surface mount technology) 또는 칩 본딩(Chip bonding)과 같은 실장 기술을 이용하여 직렬 또는 병렬 구조로 백 플레인 보드(20)에 실장되어 있고, 또한, 백 플레인 보드(20)에는 LED 칩(20)의 구동을 위해 전기 회로망(도시하지 않음)이 매트릭스 구조로 이루어져 있다.
이러한 백 플레인 보드(20)는 반도체 CMOS나 박막 트랜지스터(TFT, thin-film transistor) 공정을 통해 제작될 수 있다.
제1 인쇄회로기판(30)은 LED 칩(10)을 구동하기 위한 전기 회로 및 전기전자 소자들이 실장되어 있는 인쇄회로기판이다.
이러한 제1 인쇄회로기판(30)은 에폭시 수지로 이루어진 절연층을 구비하고 있는 FR-4 인쇄회로기판 또는 절연 금속(예, Al)이나 비절연 금속(예, Cu)으로 이루어진 금속 인쇄회로기판(metal PCB)일 수 있다.
제1 인쇄회로기판(30)이 FR-4 인쇄회로기판으로 이루어지는 경우, 제1 인쇄회로기판(30)은 양면 인쇄회로기판이나 4층과 같이 다층으로 제작된 다층 인쇄회로기판으로 이루어질 수 있다.
이러한 제1 인쇄회로기판(30)은 와이어 본딩(wire bonding)을 통해 상부에 위치한 백 플레인 보드(20)와 전기적 및 물리적으로 연결되어, 백 플레인 보드(20)와의 신호 전송 및 전원 전송이 이루어진다
따라서, 백 플레인 보드(20)과 인접해 있는 제1 인쇄회로기판(30)의 상부면과 제2 인쇄회로기판(40)과 인접해 있는 제1 인쇄회로기판(30)의 하부면에는 백 플레인 보드(20)와 제2 인쇄회로기판(40)과의 전기적 연결을 위한 배선과 패드(pad)와 같은 배선 패턴(L30)이 인쇄되어 있다.
본 예의 제1 인쇄회로기판(30)은 백 플레인 보드(20)로부터 전달되는 열의 전달 통로 역할을 하는 복수 개의 비아홀(31)과 복수 개의 내부 방열 패턴(32)을 구비하고 있다.
복수 개의 비아홀(31)은 제1 인쇄회로기판(30)의 두께 방향(예, 세로 방향 또는 제1 방향)을 따라서 제1 인쇄회로기판(30)의 설치면과 수직하게 제1 인쇄회로기판(30)을 관통하고 있는 구멍으로서 제1 인쇄회로기판(30)의 폭 방향으로 이격되어 있다.
반면, 복수 개의 내부 방열 패턴(32)은 제1 인쇄회로기판(30)을 폭 방향(즉, 두께 방향과 교차하는 방향)(예, 가로 방향 또는 제2 방향)을 따라서 제1 인쇄회로기판(30)의 설치면과 평행하게 제1 인쇄회로기판(30)을 가로질려 위치하는 방열 패턴으로서, 인접한 내부 방열 패턴(32)은 제1 인쇄회로기판(30)의 두께 방향으로 이격되어 있다.
이처럼, 서로 교차하는 방향으로 위치하는 복수 개의 비아홀(31)과 복수 개의 내부 방열 패턴(32)은 교차하는 지점에서 서로 연결되므로, 도 1에 도시한 것처럼, 비아홀(31)과 교차하는 부분에는 내부 방열 패턴(32)이 존재하지 않는다.
도 1에서, 비아홀(31)의 개수는 세 개이지만, 이에 한정되지 않고 한 개이거나 네 개 이상일 수 있고, 내부 방열 패턴(32)의 개수 역시 두 개이지만, 이에 한정되지 않고 한 개이거나 세 개 이상일 수 있다.
따라서, 복수 개의 비아홀(31)은 백 플레인 보드(20)를 통해 전달되는 열을 전달받아 하부에 위치하는 제1 방열부(50)로 전달한다.
또한, 각 내부 방열 패턴(32)은 교차하고 있는 해당 비아홀(31)을 통해 전달되는 열을 교차 지점에서 전달받아 제1 인쇄회로기판(30)의 측면 외측으로 전달하여 외부로 배출한다.
이러한 제1 인쇄회로기판(30)의 비아홀(31)과 내부 방열 패턴(32)을 통해, LED 칩(10)에서 발생되는 열은 신속하게 외부로 배출되거나 제1 및 제2 방열부(50, 70) 쪽으로 전달되므로 LED 칩(10)의 열 발산 효율이 향상된다.
본 예에서, 비아홀(31)의 내부는 구리(Cu)와 같은 열전도성이 양호한 금속으로 도금되어 있고, 내부 방열 패턴(32) 역시 열전도성이 양호한 금속(예, 구리)으로 이루어져 있으므로, 비아홀(31)과 내부 방열 패턴(32)을 이용한 열 발산 효율은 더욱더 향상된다.
또한, 제1 인쇄회로기판(30)의 하나의 예로서 도 3과 같은 다층 인쇄회로기판으로 이루어질 경우, 제1 인쇄회로기판(30)의 동작에 의해 발생된 열은 좀더 용이하게 비아홀(31)과 내부 방열 패턴(32)을 통해 더욱더 용이하게 발산될 수 있다.
즉, 도 3에 도시한 것처럼, 다층의 제1 인쇄회로기판(30)은 상부에서부터 순차적으로 상부 솔더 마스크층(top solder mask layer)(301), 구리 도금막과 구리박층으로 이루어진 상부층(top layer)(302), 상부 프리프레그층(top prepreg layer)(303), 상부에 위치하고 구리로 이루어진 구리층인 내부 방열 패턴(이하, 이 내부 방열 패턴을 '상부 내부 방열 패턴'이라 함)(304), 코어층(core layer)(305), 하부에 위치하고 구리로 이루어진 구리층인 내부 방열 패턴(이하, 이 내부 방열 패턴을 '하부 내부 방열 패턴'이라 함)(306), 하부 프리프레그층(bottom prepreg layer)(307), 구리 도금막과 구리박층으로 이루어진 하부층(bottom layer)(308) 및 하부 솔더 마스크층(top solder mask layer)(309)을 구비할 수 있다.
이러한 다층 구조의 제1 인쇄회로기판(30)에 높이 방향으로 비아홀(31)이 위치하면, 내부층인 상부 내부 방열 패턴(304)과 하부 내부 방열 패턴(306)은 높이 방향으로 위치하는 비아홀(31)과 교차되어 비아홀(31)과 연결된다.
따라서, 상부 및 하부 내부 방열 패턴(304, 306)의 열은, 방열을 위해, 연결되어 있는 비아홀(31)을 통해 상부와 하부에 위치한 백 플레인 보드(20)와 제2 인쇄회로기판(40)으로 신속하게 분산된다.
또한, 제1 인쇄회로기판(30)에서 발생되는 열은 상부 및 하부 내부 방열 패턴(304, 306)을 따라서 제1 인쇄회로기판(30)의 측면 외측으로도 전달되어 외부로 배출된다.
이처럼, 상부층(302)와 하부층(308) 사이에 위치한 내부층(304, 306)이 열전도율이 양호한 구리층으로 이루어질 경우, 이들 내부층 즉, 상부 및 하부 내부 방열 패턴(304, 306)은 제1 인쇄회로기판(30)에서 생성되는 열의 방열을 위해 열이 이동하는 열 경로층으로 기능한다.
제2 인쇄회로기판(40)은 그 위에 위치한 제1 인쇄회로기판(30)을 안정적으로 위치시키며 구리(Cu)나 알루미늄(Al)으로 이루어진 금속 인쇄회로기판이나 세라믹 인쇄회로기판으로 이루어질 수 있다.
본 예의 제2 인쇄회로기판(40)은 전원 공급과 방열 역할을 하는 것으로서, 전원 공급을 위한 배선 패턴 및 제1 인쇄회로기판(30)과의 연결을 위한 배선 패턴(L40) 등이 인쇄되어 있고, 이들 배선 패턴(L40)에 연결되는 전원부 등의 부품이 실장되어 있다.
따라서, 이들 배선 패턴(L30, L40)을 이용하여, 제1 및 제2 인쇄회로기판(30, 40)은 서로 전기적 및 물리적으로 연결된다. 이때, 제1 및 제2 인쇄회로기판(30, 40)의 연결을 위해, 납땜 동작이나 볼 그리드 어레이(ball grid array) 방식 등이 이용할 수 있다.
본 예에서, 배선 패턴(L40)이 위치하지 않는 제2 인쇄회로기판(40)의 절연 부분은 프리프레그와 같은 절연체(Insulator)로 이루어질 수 있다.
이러한 제2 인쇄회로기판(40)은, 도 1에 도시한 것처럼, 가운데 부분에 제1 방열부(50)가 삽입되어 결합되는 결합 구멍(H40)을 구비하고 있다.
결합 구멍(H40)은 제2 인쇄회로기판(40)을 두께 방향으로 완전히 관통하고 있는 관통구로서, 이 결합 구멍(H40) 속으로 제1 방열부(50)의 일부가 삽입되어 제2 인쇄회로기판(40)과 제1 방열부(50) 간의 결합이 이루어진다.
이때, 결합 구멍(H20)에 위치하는 제1 방열부(50)의 해당 부분이 비아홀(31)을 통해 전달되는 열을 효율적으로 수신할 수 있도록, 결합 구멍(H40)은 제1 인쇄회로기판(30)의 비아홀(31)이 위치한 부분과 대면하는 제2 인쇄회로기판(40)의 부분에 위치할 수 있다.
제1 방열부(50)는 제1 인쇄회로기판(30)의 비아홀(31)을 통해 전달되는 열을 수신하여 외부로의 발산을 신속하게 하기 위한 것으로서, 구리(Cu)와 같이 열 전도 효율이 좋은 재료(예, 금속)으로 이루어져 있다.
이러한 제1 방열부(50)는 사각형이나 원형의 평면 형상을 갖는 판 형태로 이루어져 있는 본체(501)와 본체(501) 상부면의 대략 가운데 부분에 위쪽 방향[즉, 제1 인쇄회로기판(30)의 하부면 방향]으로 돌출되어 있는 돌출부(502)를 구비하고 있다.
본체(501)는 돌출부(502)를 통해 제1 인쇄회로기판(30)으로부터 전달되는 열을 분산하기 위한 것으로서, 돌출부(502)보다 훨씬 큰 표면적으로 갖고 있다.
돌출부(502)는 제2 인쇄회로기판(40)의 결합 구멍(H40)에 삽입되어 제2 인쇄회로기판(40)와 결합되는 결합부이다.
따라서, 돌출부(502)의 평면 형상은 장착 구멍(H40)의 평면 형상과 동일하고, 한 예로, 사각형의 평면 형상을 가질 수 있다.
이러한 돌출부(502)가 도 1에 도시한 것처럼, 제2 인쇄회로기판(40)의 결합 구멍(H40) 속에 삽입됨에 따라, 돌출부(502)는 제1 인쇄회로기판(30)의 비아홀(31)이 형성되어 있는 부분과 접하게 대면하게 된다.
이러한 제1 방열부(50)는 전체가 열 전도 효율이 좋은 재료로 이루어져 있어, 제1 방열부(50)의 본체(501) 및 돌출부(502)의 내부는 빈 공간없이 모두 해당 재료(예, 구리)로 채워져 있다. 본 예의 경우, 제1 방열부(50)는 구리로 이루어져 있다.
따라서, 구리로 이루어져 있는 돌출부(502)를 통해 제1 인쇄회로기판(30)으로부터 전달되는 열은 전체가 구리로 이루어져 있는 하부의 제1 방열부(50)의 본체(501)로 전달된다.
이로 인해, 본체(501)는 돌출부(502)를 통해 전달되는 열을 사방으로 발산시키게 되므로, 본체(501)로 전달된 열은 본체(501)의 측면을 통해 외부로 배출하며 또한 그 하부에 위치한 제2 방열부(70)로 전달하여 제2 방열부(70)의 동작을 통한 열 발산 동작이 이루어진다. 열전도체(61)는 서로 대면하고 있는 제1 인쇄회로기판(30)과 제1 방열부(50) 사이, 그리고 서로 대면하고 있는 제2 인쇄회로기판(40)과 제1 방열부(50) 사이에 위치하고 있다.
이러한 열전도체(61)는 열전달 물질(TIM, thermal interface material)을 함유하고 있다.
따라서, 열전도체(61)는 제1 및 제2 인쇄회로기판(30, 40)의 열을 접해 있는 제1 방열부(50)로 전달한다.
이러한 열전도체(61)는 열전달 물질을 포함하는 접착제 또는 필름이나 테이프 형태 등으로 이루어져 있어, 열의 전단 역할뿐만 아니라 제1 인쇄회로기판(30)과 제1 방열부(50)의 접합 동작 및 제2 인쇄회로기판(40)과 제1 방열부(50)와의 접합 동작을 수행한다.
따라서, 이러한 열전도체(61)에 의해, LED 칩(10)에서 발생되는 열은 신속하게 제1 방열부(50) 쪽으로 전달되어, LED 칩(10)에서 발생되는 열의 발산이 신속하게 이루어질 수 있도록 한다.
본 예에서, 제2 인쇄회로기판(40)에 제1 방열부(50)를 결합하기 위해, 제1 및 제2 인쇄회로기판(30, 40)의 하부면과 대면하는 제1 방열부(50)의 해당 면, 즉 상부면에 열전달 물질을 합유하고 있는 접착제나 양면에 접착제가 부착된 테이프 등과 같은 접착 부재를 도포하거나 부착한다.
다음, 돌출부(502)를 제2 인쇄회로기판(40)의 결합 구멍(H40) 속에 삽입시켜, 돌출부(502)는 제1 인쇄회로기판(30)의 하부면과 접하게 위치하고 본체(501)의 상부면은 제2 인쇄회로기판(40)의 하부면과 접하게 위치한다.
이런 상태에서, 접착 부재의 경화 동작 등을 통해, 제1 방열부(50)는 제1 및 제2 인쇄회로기판(30, 40)의 해당 부분과 부착되고, 이들 사이에는 열전도체(61)가 위치하게 된다.
제2 방열부(70)는 금속으로 이루어져 있는 방열판(heat sink)(71)과 냉각팬(cooler)(도시하지 않음)을 구비한다.
방열판(71)은 제1 방열부(50) 하부에 위치하여 사각형의 평탄면으로 이루어진 평면 형상을 갖는 상부(711)와 상부(711)로부터 핀(pin) 형태로 돌출되어 있는 복수 개의 방열핀(712)을 구비한다.
방열판(71)은 그 상부에 위치한 제1 방열부(50의 본체(501)로부터 전달되는 열을 상부(711)로 전달받아 방열핀(712)을 통해 외부로 방열한다.
이러한 방열판(71)은 구리(Cu)나 알루미늄(Al)과 같이 열 전도성이 양호한 금속 재질로 이루어질 수 있다.
냉각팬은 제2 방열부(70)의 방열판(71)과 대면하게 위치하고, 구비되어 있는 팬(fan)의 회전 동작에 의해 발생되는 바람을 제2 방열부(70) 쪽으로 송출하여 제2 방열부(70)에 존재하는 열이 발산되도록 한다.
본 예에서, 제1 방열부(50)와 제2 방열부(70)는 나사 등과 같은 체결 부재를 이용하여 서로 결합될 수 있다. 하지만, 대안적인 예에서, 제1 방열부(50)와 제2 방열부(70) 사이에 열전도체가 위치하여, 열 전도 및 접합 기능을 동시에 수행할 수 있다.
이러한 구조를 갖는 본 예의 LED 조명 모듈은 도 2에 도시한 것과 같은 경로를 통해 열 발산이 이루어진다.
즉, 도 2에 화살표로 도시한 것처럼, LED 칩(10)의 동작에 따른 LED 칩(10)의 발생 열은 그 하부에 위치한 백 플레인 보드(20)로 전달되어 그 하부의 제1 인쇄회로기판(30) 쪽으로 전달된다.
제1 인쇄회로기판(30) 쪽으로 전달된 열은 제1 인쇄회로기판(30)을 두께 방향과 폭 방향으로 관통하고 있는 복수 개의 비아홀(31)과 내부 방열 패턴(32)에 의해 제1 인쇄회로기판(30)으로 신속하게 전달된다.
따라서, 비아홀(31)을 통해 전달되는 열의 일부는 내부 방열 패턴(32)을 통해 외부로 발산되고, 나머지 열은 제1 비아홀(31)과 대면하고 있는 제1 방열부(50)의 돌출부(502)로 전달된다.
제1 방열부(50)의 돌출부(502)로 전달된 열은 돌출부(502)를 통해 끊김없이 연결되어 있는 본체(501)로 전달된다.
이로 인해, 본체(501)로 전달된 열은 외부로 발산되거나 그 하부에 위치한 제2 방열부(70)로 전달되어 신속하게 외부로 열 배출이 이루어진다.
이와 같이, 본 예의 LED 조명 모듈은 LED 칩(10)으로 전원 공급과 열을 발산 동작이 동시에 이루어진다. 따라서, LED 칩(10)에서 발생된 열은 바로 하부에 위치한 백 플레인 보드(20)와 제1 인쇄회로기판(30)을 통해 외부로 발산되거나 제1 및 제2 방열부(50, 70)로 전달되어 신속한 열 발산이 이루어진다.
다음, 도 4를 참고로 하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 조명 모듈을 설명한다.
도 1과 비교할 때, 동일한 구조를 갖고 같은 기능을 수행하는 구성요소에 대해서는 같은 도면 부호를 부여하고 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 4를 참고로 하면, 본 예의 LED 모듈 역시 적어도 하나의 LED 칩(10), LED 칩(10) 하부에 위치하는 백 플레인 보드(20), 백 플레인 보드(20) 하부에 위치하는 제1 인쇄회로기판(30), 제1 인쇄회로기판(30) 하부에 위치하는 제2 인쇄회로기판(40), 제2 인쇄회로기판(40) 하부에 위치하는 제1 방열부(50a) 및 제1 방열부(50a) 하부에 위치하는 제2 방열부(70)를 구비한다.
이때, 제1 인쇄회로기판(30)은 도 1과 동일하게 배선 패턴(L30)이 인쇄되어 있고, 백 플레인 보드(20)로부터 전달되는 열의 전달 통로 역할을 하는 복수 개의 비아홀(31)과 복수 개의 내부 방열 패턴(32)을 구비하고 있다.
또한 제2 인쇄회로기판(40) 역시 가운데 부분에 제2 방열부(50a)와의 결합을 위한 결합 구멍(H40)을 구비하고 있다.
제1 방열부(50a)와 제1 및 제2 인쇄회로기판(30, 40) 사이에는 열전도체(60)가 위치한다.
하지만, 본 예의 LED 모듈에서, 제1 방열부(50a)는 도 1에 도시한 LED 모듈의 제1 방열부(50)과 다른 구조를 갖고 있다.
즉, 본 예의 제1 방열부(50a)는 히트 스프레더(heat spreader)로 이루어져 있고, 도 4 및 도 5에 도시한 것처럼, 기판(51) 및 기판(51)과 결합되어 있는 본체부(52), 기판(51)과 본체부(52)의 결합에 의해 본체부(52) 내부에 형성된 공간(S50) 내에 이격되게 위치하는 복수 개의 기둥(53)을 구비한다.
이때, 기판(51)은 도 5에 도시한 것처럼 사각형이나 원형의 평면 형상을 갖는 판 형상으로 이루어져 있고 제1 방열부(50a)의 하부면을 이룬다.
도 5를 참고하면, 본체부(52)는 상부면(521)과 상부면(521)과 연결된 측면(522)을 구비하고 있고, 하부는 개방되어 있다. 이때, 본체부(52)의 내부는 상부면(521)과 측면(522)으로 에워싸여져 있는 공간을 구비하고 있다.
또한, 본체부(52)는 상부면(521)의 외측으로부터 위쪽 방향으로 돌출된 돌출부(523)를 구비하고 있다.
제1 방열부(50)의 돌출부(502)와 동일하게, 본 예의 돌출부(523) 역시 제2 인쇄회로기판(40)의 결합 구멍(H40)에 삽입되어 제2 인쇄회로기판(40)와 결합되는 결합부이다.
따라서, 도 5에 도시한 것처럼, 돌출부(523)의 평면 형상은 장착 구멍(H40)의 평면 형상과 동일하다.
이러한 본체부(52)는 도 4에 도시한 것처럼 기판(51)의 가장자리부에 밀봉 상태로 접합되어, 제1 방열부(50a)의 내부에는 기판(51)과 본체부(52)로 완전히 에워싸여진 빈 공간, 즉 중공(中空)(S50)이 위치한다.
따라서, 서로 결합된 기판(51)과 본체부(52)는 본체라 칭하며, 이로 인해, 제1 방열부(50a)에서 돌출부(523)는 본체의 상부면에서부터 제1 인쇄회로기판(30) 쪽으로 돌출된다.
이러한 중공(S50)은 제1 인쇄회로기판(30)을 통해 전달되는 열을 방열하기 위한 냉매로 채워져 있다. 이때, 냉매는 증류수나 아세톤 등과 같은 유체일 수 있다.
따라서, 돌출부(523)를 통해 제1 인쇄회로기판(30)으로부터 전달되는 열은 제1 방열부(50)의 공간(S50) 속에 내장되어 있는 냉매로 전달되고, 유체로 이루어진 냉매는 열에 의한 온도 변화에 따라 대류 현상을 유발한다.
따라서, 이러한 냉매의 대류 현상에 의해 제1 인쇄회로기판(30)으로부터 전달되는 열의 발산 동작이 더욱더 효율적으로 이루어진다.
복수 개의 기둥(53)은 기판(51)의 상부면과 본체부(52)의 상부면(521) 내측 사이(즉, 본체의 내측 상부면과 내측 하부면) 사이에 해당 면과 접하게 위치하고 있다.
이로 인해, 본체부(52)는 복수 개의 기둥(53)에 의해 기판(51)과 정해진 간격을 안정적으로 유지한다.
본 예에서, 기판(51), 본체부(52) 및 기둥(53)은 모두 양호한 열전도성을 갖는 금속(예, 구리)과 같은 재료로 이루어져 있다.
이처럼, 열전도성이 양호한 재료로 이루어진 기둥(53)은 이미 기술한 것처럼 본체부(52)와 기판(51) 사이에서 각 단부가 본체부(52) 및 기판(51)과 접하게 위치한다.
따라서, 본체부(52)와 기판(51)은 기둥(75)을 통해 서로 연결되므로, 복수 개의 기둥(53)을 통해서도 본체부(52)에서 기판(51) 방향으로의 열 전도가 이루어진다. 이로 인해, LED 칩(10) 구동에 의해 발생하는 열의 외부 발산이 좀 더 효율적으로 이루어진다.
또한, 유체로 채워진 공간(H50) 속에 복수 개의 기둥(53)이 위치하므로, 기둥(53)의 외주면 주변으로는 대류 현상으로 인해 유체의 난류 현상이 발생하고, 이러한 유체의 난류 현상에 의해 열 전도 효율이 향상되어, 제1 방열부(50a) 쪽으로 전도된 열의 분산 효율은 더욱 더 높아지게 된다.
이러한 제1 방열부(50a) 내부로 유체 주입을 위해, 제1 방열부(50a)의 해당 면[예, 측면(522)]에는 도 5에 도시한 것처럼 유체 주입구(H50)가 구비되어 있다
따라서, 제작자는 기판(51) 위의 정해진 위치에 복수 개의 기둥(53)을 위치시킨 후, 기판(53)의 해당 위치에 본체부(52)를 위치시킨다.
그런 다음, 기판(51)과 본체부(52)가 접하는 접합 부분을 용접 등의 공정을 통해 완전히 접합시켜, 본체와 돌출부(523)을 구비하는 제1 방열부(50a)를 제작한다.
이로 인해, 기판(51)은 제1 방열부(50a)(즉, 본체)의 하부면을 구성하고, 본체부(52)는 제1 방열부(50a)(즉, 본체)의 측면과 상부면을 구성하여, 기판(51)과 본체부(52)로 밀봉되어 있는 본체의 내부에는 해당 위치에 기둥(53)이 이격되게 위치하고 있는 내부 공간(S50)이 형성된다.
이런 상태에서, 제1 방열부(50a)의 유체 주입구(H50)를 통해 공간(S50) 속으로 해당 유체를 주입한 후 용접 공정 등을 통해 유체 주입구(H50)를 막아, 유체가 외부로 유출되지 않도록 한다.
그런 다음, 이미 기술한 것과 동일하게, 제1 방열부(50a)의 해당 부분에 열전달 물질을 합유하고 있는 접착제나 양면에 접착제가 부착된 테이프 등과 같은 접착 부재를 도포하거나 부착한 후, 돌출부(523)를 제2 인쇄회로기판(40)의 결합 구멍(H40) 속에 삽입하고 경화 동작 등을 통해 열전도체(61)을 형성하여, 제1 방열부(50a)를 제1 및 제2 인쇄회로기판(30, 40)와 결합시킨다.
따라서, 비아홀(31)을 따라 제1 방열부(50a) 쪽으로 전달되는 열은 비아홀(31)의 형성 부분과 대면하고 있는 돌출부(523)로 전달되어 본체부(52) 내부에 내장되어 있는 냉매로 전달되어, 냉매의 대류 현상에 따른 열 발산 동작이 이루어진다.
본 예에서, 제1 방열부(50a)과 제2 방열부(70) 간의 결합은 도 1의 경우와 동일하게 체결 부재를 통해 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 제2 인쇄회로기판(40)은 필요에 따라서 생략될 수 있다.
다음, 도 6 및 도 7을 참고로 하여, 본 발명의 실시예들에 따른 제1 방열부에 따른 열 발산 효과를 설명한다.
도 6의 (a)와 도 7의 (a)는 도 1에 도시한 것처럼 제1 방열부 내부 전체가 구리로 이루어져 있는 제1 방열부(예, 제1 실시예)를 열화상 카메라로 촬영한 화면이다.
도 6의 (b)와 도 7의 (b)는 도 4에 도시한 것처럼 제1 방열부 내부에 기둥이 위치하며 증류수로 채워진 중공을 구비하고 있는 제1 방열부(예, 제2 실시예)를 열화상 카메라로 촬영한 화면이다.
이러한 화면을 촬영하기 위해, 제1 실시예 및 제2 실시예에 LED 모듈을 장착하여 구동시켰고, 45와트(watt)(구동 전류: 1.1A)의 전원을 인가하여 LED 모듈을 점등시켰다.
도 6은 LED 모듈이 점등 상태일 때 획득된 사진으로서, 제2 실시예에 부착된 LED 모듈의 인접 부분(A1)에서의 측정 온도는 129도이었다.
이때, 도 6의 (b)의 화면에 도시되어 있는 것처럼, LED 모듈의 인접 부분으로 분산되는 열의 분포 범위(즉, 비록 도 6에서 원형의 흰색을 띄고 있지만 실질적으로 빨강색을 띄고 있는 부분)이 도 6의 (a)보다 훨씬 넓은 것을 알 수 있었다. 이는 제2 실시예가 LED 모듈에서 발생되는 열의 분산이 제1 실시예보다 신속하게 이루어짐을 말해주는 결과이다.
도 7은 LED 모듈이 소등된 후 10분이 경과한 상태일 때 획득된 사진으로서, 제1 실시예의 가장자리 부분(A2)에서의 측정 온도는 26.5도이었다.
도 7에 도시한 것처럼, 제2 실시예의 경우인 (b)의 사진에서 제1 방열부의 색깔이 (a)의 사진보다 짙은 검은색(실질적으로는 짙은 청색)을 나타내고 있고 특히 가장자리 부분은 빨간색을 띄고 있는 (a)보다 낮은 온도의 색(즉, 실질적으로는노란색이나 옅은 청색)을 띄고 있었다.
이로 인해, 제2 실시예의 가장자리 부분에서의 온도는 대략 20도로 추정될 수 있었다.
또한, LED 모듈이 위치하는 부분 역시 제2 실시예의 경우가 제1 실시예에 비해 훨씬 낮은 온도인 회색(실질적으로는 노란색)을 띄고 있으므로, 제1 실시예에 비해 제2 실시예가 열 분산 효율이 크게 향상됨을 알 수 있었다.
이상, 본 발명의 LED 조명 모듈의 실시예들에 대해 설명하였다. 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자의 관점에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 본 명세서의 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (16)

  1. LED 칩,
    상기 LED 칩의 하부에 위치하는 백 플레인 보드,
    상기 백 플레인 보드의 하부에 위치하며, 제1 방향으로 위치하고 상기 백 플레인 보드로부터 전달되는 열을 상기 제1 방향으로 전달하는 비아홀 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 위치하고 상기 비아홀로부터 전달되는 상기 열을 상기 제2 방향으로 전달하는 내부 방열 패턴을 구비하는 제1 인쇄회로기판, 그리고
    상기 제1 인쇄회로기판의 하부에 상기 비아홀과 대면하게 위치하고 금속으로 이루어져 있는 제1 방열부
    를 포함하는 LED 조명 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 방열부는 상기 금속으로 이루어져 있는 본체 및 상기 금속으로 이루어져 있고 상기 본체의 상부면에서부터 상기 제1 인쇄회로기판 쪽으로 돌출되어 있고 상기 제1 인쇄회로기판의 비아홀과 접해 있는 결합부를 포함하는 LED 조명 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 본체는 내부가 금속으로 채워져 있는 LED 조명 모듈.
  4. 제2항에서,
    상기 본체는 내부에 냉매로 채워져 있는 중공을 포함하는 LED 조명 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 냉매는 아세톤이나 증류수로 이루어져 있는 LED 조명 모듈.
  6. 제4항에서,
    상기 제1 방열부는 상기 중공 내에서 상기 본체의 하부면과 상부면에 접하게 위치하고 서로 이격되어 있는 복수 개의 기둥을 더 포함하는 LED 조명 모듈.
  7. 제6항에서,
    상기 복수 개의 기둥은 금속으로 이루어져 있는 LED 조명 모듈.
  8. 제2항에서,
    상기 제1 인쇄회로기판의 하부에 위치하고 상기 결합부가 결합되는 제2 인쇄회로기판을 더 포함하는 LED 조명 모듈.
  9. 제8항에서,
    상기 제1 인쇄회로기판은 상기 제1 방열부의 상기 결합부가 삽입되는 결합 구멍을 더 포함하는 LED 조명 모듈.
  10. 제8항에서,
    서로 대면하고 있는 제1 인쇄회로기판과 상기 제1 방열부 사이 그리고 상기 제2 인쇄회로기판과 상기 제1 방열부 사이에 위치하는 열전도체
    를 더 포함하는 LED 조명 모듈.
  11. 제1항에서,
    상기 제1 인쇄회로기판은 FR-4 인쇄회로기판이나 금속 인쇄회로기판으로 이루어져 있는 LED 조명 모듈.
  12. 제11항에서,
    상기 제1 인쇄회로기판이 FR-4 인쇄회로기판으로 이루어질 때, 상기 제1 인쇄회로기판은 다층 인쇄회로기판으로 이루어진 LED 조명 모듈.
  13. 제1항에서,
    상기 내부 방열 패턴은 구리로 이루어져 있는 LED 조명 모듈.
  14. 제1항에서,
    상기 제1 방열부 하부에 위치하는 제2 방열부를 더 포함하는 LED 조명 모듈.
  15. 제14항에서,
    상기 제2 방열부는 상기 제1 방열부와 접해 있는 방열판을 포함하는 LED 조명 모듈.
  16. 제1 항에서,
    상기 LED 칩과 상기 백 플레인 보드는 와이어 본딩으로 연결되어 있는 LED 조명 모듈.
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