KR100738933B1

KR100738933B1 - 조명용 ｌｅｄ 모듈

Info

Publication number: KR100738933B1
Application number: KR1020060024716A
Authority: KR
Inventors: 윤영노; 강우석
Original assignee: (주)대신엘이디
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2026-03-17
Also published as: WO2007108600A1; EP1996856A1; US20090122514A1; EP1996856A4; US7740373B2

Abstract

본 발명은 조명용 LED 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상부에 전극 패턴이 형성되는 절연 기판의 두께를 최소화하고, 절연 기판의 저면에 방열체를 일체로 부착하여 방열 기판을 구성하고, LED 소자를 열전도도가 좋은 실버 에폭시를 접착제로 사용하여 방열 기판의 전극 패턴에 부착함으로써, LED 소자에서 발생하는 열을 방열체를 통하여 효율적으로 방출시킬 수 있는 동시에, LED 소자에서 방출되는 광으로부터 효율적으로 백색광을 발생시키고 이를 최대한 외부로 조사시킬 수 있는 발광 구조를 구비하여 발광 효율을 개선한 조명용 LED 모듈에 관한 것이다.

본 발명에 따른 조명용 LED 모듈은, 상부에 전극 패턴이 형성되어 있는 절연 기판과, 상기 절연 기판의 하부에 일체로 접착되는 방열체로 구성되는 방열 기판과; 상기 방열 기판에 실장되는 다수의 LED 소자들과; 중심부에 상하면을 관통하는 중공부가 형성되고 저면에 상기 방열 기판이 부착되어, 상기 LED 소자들이 상기 중공부의 내부에 위치하도록 구성되는 케이스; 및 상기 케이스의 상부에 구비되는 렌즈;를 포함하여 구성되되, 상기 중공부 내부에 위치하는 상기 방열 기판의 상면에는 투명 재질로 이루어진 하부 발광막과, 형광체를 포함하는 형광막 및 투명 재질로 이루어진 상부 발광막이 순차적으로 도포되어 있는 점을 특징으로 한다.

LED 모듈, 조명 장치, 방열, 발광막

Description

조명용 ＬＥＤ 모듈{LED module for illumination}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 조명용 LED 모듈의 분해사시도.

도 2는 도 1에 도시된 조명용 LED 모듈의 사시도.

도 3은 도 2에 도시된 조명용 LED 모듈을 C-C'선을 따라 절단하여 도시한 단면도.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 조명용 LED 모듈의 단면도.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 조명용 LED 모듈의 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 방열 기판 11 : 전극 패턴

12 : 절연 기판 13 : 방열체

16 : 장착홀 20 : 케이스

21 : 렌즈홈 22 : 중공부

26 : 고정핀 27 : 나사 삽입구

30 : 렌즈 41, 141 : 하부 발광막

42, 142 : 형광막 43 : 상부 발광막

51 : LED 소자 52 : 전선

230 : 평면 렌즈

발광다이오드(light emitting diode; LED)는 화합물 반도체에 전압을 가할 때 발광 현상이 일어나는 특성을 이용하여 개발되었으며, 종래의 광원에 비해 소형이고, 수명이 길며, 전기 에너지가 빛 에너지로 변환시키는 효율이 뛰어나다. 특히, 최근에 반도체 기술의 발전으로 고휘도의 백색 LED에 대한 상용화가 이루어짐에 따라, 이를 이용한 다양한 조명 장치가 등장하고 있는 실정이다.

특히, 다수의 LED 소자를 직·병렬로 배열하는 형태로 고밀도로 집적시켜 단위 면적당 광도, 즉 휘도를 수천 cd/m² 이상으로 높여줌으로써, 충분히 먼 거리를 조명할 수 있는 조명용 LED 모듈에 대한 연구·개발이 활발하게 이루어지고 있다.

그러나, LED 모듈의 집적 밀도가 증가할 수록 동일 면적에서 발생하는 열도 증가하게 되므로, LED 소자에서 발생하는 대량의 열로 인해 LED 소자에 손상이 발생할 수 있는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 종래의 조명용 LED 모듈로는 일반 인쇄회로기판(printed circuit board; PCB)보다 방열 효과가 우수한 메탈 PCB(metal-printed circuit board)에 LED 소자를 집적시켜 방열 성능을 높인 LED 모듈이 있다. 메탈 PCB는 열전도도가 높은 금속 성분의 방열체 상부에 합성수지 필름으로 구성된 플렉시블 PCB(flexible PCB)를 접착제를 통해 부착시켜 방열 성능을 향상시킨 인쇄회로기판이다.

그러나, LED 소자로부터 하부의 방열체까지의 열전달은 그 중간에 위치한 열전도도가 낮은 플렉시블 PCB와 접착제에 의하여 방해를 받기 때문에, LED 소자를 고밀도로 집적하여 발생하는 대량의 열을 모두 방열시키는 데에는 한계가 있으며, 결국 발광시 수반되는 열로 인해 LED 소자에 손상이 발생할 위험성이 높은 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 조명용 LED 모듈의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 본 발명의 목적은 상부에 전극 패턴이 형성되는 절연 기판의 두께를 최소화하고, 절연 기판의 저면에 방열체를 일체로 부착하여 방열 기판을 구성하고, LED 소자를 열전도도가 좋은 실버 에폭시를 접착제로 사용하여 방열 기판의 전극 패턴에 부착함으로써, 조명용으로 요구되는 고휘도의 광을 발생시키기 위해 고밀도로 집적 배열된 조명용 LED 모듈의 방열 성능을 향상시키는 데에 그 목적이 있다.

또한, LED 소자에서 방출되는 광으로부터 효율적으로 백색광을 발생시키고 이를 최대한 외부로 조사시킬 수 있는 발광 구조를 구비함으로써, LED 모듈의 발광 효율을 개선시키는 데에 또 다른 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서의 본 발명은,

상부에 전극 패턴이 형성되어 있는 절연 기판과, 상기 절연 기판의 하부에 일체로 접착되는 방열체로 구성되는 방열 기판과; 상기 방열 기판에 실장되는 다수의 LED 소자들과; 중심부에 상하면을 관통하는 중공부가 형성되고 저면에 상기 방열 기판이 부착되어, 상기 LED 소자들이 상기 중공부의 내부에 위치하도록 구성되는 케이스; 및 상기 케이스의 상부에 구비되는 렌즈;를 포함하여 구성되되,

상기 중공부 내부에 위치하는 상기 방열 기판의 상면에는 투명 재질로 이루어진 하부 발광막과, 형광체를 포함하는 형광막 및 투명 재질로 이루어진 상부 발광막이 순차적으로 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 조명용 LED 모듈을 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 조명용 LED 모듈의 분해사시도이고, 도 2 는 도 1에 도시된 조명용 LED 모듈의 사시도이며, 도 3은 도 2에 도시된 조명용 LED 모듈을 C-C'선을 따라 절단하여 도시한 단면도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 조명용 LED 모듈은 LED 소자(51)를 실장하는 방열 기판(10)과, 저면에 방열 기판(10)을 부착하여 고정시키는 케이스(20) 및 케이스(20)의 상부에 구비되는 렌즈(30)를 포함하여 구성된다.

렌즈(30)는 투명한 소재인 에폭시 수지나 유리 또는 투명 실리콘(clear silicon)으로 이루어져 LED 소자 측에서 방출되는 광을 상부 공간으로 균일하게 조사해 주는데, 조사 범위 및 용도에 따라 다양한 형태를 가질 수 있다.

LED 소자(51)는 질화물계 청색 LED 소자로서 후술하여 설명할 형광막(phosphor; 42)이 도포되어 백색광을 발광시키게 되는데, 반도체 박막을 절연 기판인 사파이어(sapphire) 기판에 성장시킨 구조나, 질화갈륨(GaN) 기판과 같은 금속 합금(metal alloy) 기판에 성장시킨 구조를 갖는 LED 소자를 모두 사용할 수 있으나, 본 실시예에서는 열 전도도가 보다 좋은 금속 합금(metal alloy) 기판 구조의 LED 소자를 사용함으로써, 저면의 금속재 기판을 통해 LED 소자(51)에서 발생한 열이 하부의 방열체로 효율적으로 방출되도록 한다.

방열 기판(10)은 상부에 동(Cu)으로 된 전극 패턴(11)이 형성되어 있는 절연 기판(12)과, 절연 기판의 하부에 일체로 접착되는 방열체(13)로 구성되어, 방열 성능이 향상된 구조를 가지는 기판으로서, 후술하여 설명할 케이스의 고정핀(26)이 삽입되는 네 개의 장착홀(16)이 형성된다.

여기서, 절연 기판(12)은 두께를 약 35 μm 이하로 최소화하여 LED 소자(51)에서 발생하는 열이 방열체(13)로 보다 잘 전달되도록 하는 것이 좋다.

또한, 전극 패턴(11)은 절연 기판(12) 상에 양전극과 음전극의 조합을 직렬 및 병렬 구조가 혼합된 매트릭스 형태로 형성하고, 본 실시예에서와 같이 금속 합금 기판 구조의 LED 소자를 사용하는 경우, 각각의 음전극 상에 LED 소자를 탑재하고 양전극과 LED 소자(51)를 전선(52)으로 연결하여 전기를 도통시키게 된다. 여기서, LED 소자(51)를 전극 패턴(11)에 접착시키는 데에 있어서 열전도도가 좋은 실버 에폭시(silver epoxy)를 접착제로 사용함으로써, LED 소자(51)에서 발생한 열이 방열 기판(10) 측으로 효율적으로 전달되도록 한다.

케이스(20)는 상면에 렌즈(30)가 안착되는 렌즈홈(21)이 형성되어 있고, 저면으로부터 렌즈홈(21)의 바닥면 중심부를 수직으로 관통하는 장방형의 중공부(22)가 형성되어 있는 육방체로서, 저면부 가장자리에 중공 원통형으로 형성되어 있는 네 개의 고정핀(26)을 방열 기판(10)의 장착홀(16)에 삽입시킴으로써, 방열 기판(10)을 부착시킬 수 있다. 여기서, 중공부(22)는 케이스(20)의 저면에 방열 기판(10)이 부착되었을 때 방열 기판(10) 상부의 LED 소자(51)들이 모두 중공부(22) 내부에 위치할 수 있도록 구성하여, LED 소자(51)에서 방출되는 광이 케이스(20)의 중공부(22) 내부를 통하여 상방으로 조사되도록 한다.

방열 기판(10)의 청색 LED 소자(51)로부터 조명용으로 가장 적합한 백색광을 얻기 위해서는 LED 소자(51)의 상부에 형광체(phosphor)를 포함하는 형광층을 구비하여 LED 소자(51)에 의해 방출된 청색광을 형광층에서 여기광으로 흡수하여 백색 광을 발광하도록 하게 되는데, 통상 형광층이 형태를 갖추도록 경화는 과정에서 내부의 형광체가 상당수 밑으로 가라 앉아 형광체의 밀도 분포가 하부에 집중되는 경우가 많이 발생한다. 따라서, 형광층이 방열 기판(10)의 상면에 바로 형성되어 LED 소자(51)를 둘러싸게 되면, 상당량의 형광체가 LED 소자(51)의 측면 또는 하측에 분포하게 되어, LED 소자(51)의 상면에서 상부 방향으로 발광되는 청색광으로부터의 백색광 생성 효율이 상대적으로 저하되게 된다.

본 실시예에서는 방열 기판(10)이 케이스(20)의 저면에 부착되어 방열 기판(10)의 상면과 중공부의 내주면 하단이 밀착하게 되면, 중공부(22) 내부에 위치하게 되는 방열 기판(10)의 상면에 먼저 투명 재질로 이루어진 하부 발광막(41)을 도포하여 LED 소자(51)들을 둘러싸도록 하고, 하부 발광막(41)의 상부에 형광체(phosphor)를 포함하는 형광막(42)을 도포하여 형광체가 LED 소자의 상면보다 상측에 위치하도록 구성함으로써, 형광막을 기판 상면에 바로 도포한 경우에 비하여 보다 효과적인 백색 발광을 일으킬 수 있다.

여기서, 하부 발광막(41)의 재질로는 에폭시 수지나 투명 실리콘(clear silicon)을 사용하여 LED 소자에서 방출되는 광을 상부로 투과시켜줄 수 있다. 그러나, 에폭시 수지는 열에 장시간 노출되면 투명색에서 황색으로 변색되는 황변(yellowing) 현상이 일어날 수 있어 열에 계속 노출되는 장소에 구비되는 경우 미리 블루밍제를 첨가해 둠으로써 향후 황변 현상에 의한 변색을 보상할 수 있도록 해야 하므로, 비투명 재질인 첨가재로 인해 광투과율이 저하된다. 따라서, 바람직하게는 에폭시 수지보다 광투과율 및 열전도도가 높은 투명 실리콘을 하부 발광막 (41)의 재질로 사용하는 것이 좋다.

한편, 형광막(42)을 통해 상부로 조사되는 백색광은 케이스(20) 상부에 구비된 렌즈(30) 내부로 진입하여 상부 공간으로 조사되기 전에 형광막(42)과 렌즈(30) 사이의 빈 공간을 통과하게 되는데, 빈 공간과 투명 재질의 렌즈 사이의 매질 차이로 인하여 렌즈(30) 내부로의 광 전달이 방해를 받을 수 있다. 따라서, 렌즈(30)의 재질과 유사한 에폭시 수지나 투명 실리콘을 형광막(42) 상부와 렌즈(30)의 저면 사이에 형성된 공간에 완전히 충진하여 상부 발광막(43)을 형성함으로써, 매질의 차이를 최소화하여 광 전달 효율을 개선할 수 있다.

케이스(20)의 상면에는 고정핀(26)의 중공부와 연결되는 나사 삽입구(27)가 형성되어 있는데, 나사 삽입구(27)를 통해 LED 모듈이 부착되는 위치에 나사를 체결함으로써 케이스(20)를 안정되게 고정시킬 수 있다.

이러한 케이스(20)의 재질로는 다양한 열가소성 수지가 이용될 수 있는데, 바람직하게는 빛에 대한 반사 성능이 우수하고 내열·내충격성이 뛰어난 폴리카보네이트(polycarbonate)를 사용하여, LED 소자(51)에서 발생하는 광을 효과적으로 반사시켜 주는 것이 좋다.

이하, 본 발명의 제2 실시예에 따른 조명용 LED 모듈에 대하여 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 조명용 LED 모듈은 전술한 제1 실시예의 경우와 하부 발광막(41)만 제외하고는 동일한 구조를 가지고 있다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 조명용 LED 모듈의 단면도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 조명용 LED 모듈은 하부 발광막(141)을 전술한 제1 실시예에서와 같이 투명 실리콘(clear silicon)이 아닌 반사율이 좋은 반사성 물질을 도포하여 형성한다. 여기서, 반사성 물질로는 내부에 반사율이 뛰어난 산화 알루미나(Al₂O₃)가 함유된 에폭시 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 도포된 하부 발광막(141)의 상면이 LED 소자(51)의 상면과 일치하도록 그 도포량을 조절하여 반사성 물질이 LED 소자(51)의 측면만을 둘러싸도록 하부 발광막(141)을 구성함으로써, LED 소자(51)의 상면에서 방출되는 청색광은 상부의 형광막(142)에 아무 방해 없이 투입되도록 하고, 형광막(142)에서 청색광을 여기광으로 하여 발광되는 백색광 중 하부로 조사되는 성분은 하부 발광막(141)에 포함된 반사성 물질로 다시 상부로 반사시켜 상부로 진로를 변경시켜 준다.

이와 같이 LED 소자(51)의 측면을 반사성 물질이 함유된 하부 발광막(141)이 둘러싸도록 구성하여, LED 소자(51)에서 방출된 청색광으로부터 형광막(142)에서 발광되는 백색광을 상부로 집중시켜 줌으로써 발광 효율을 더욱 높일 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 제3 실시예에 따른 조명용 LED 모듈에 대하여 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.

본 실시예에 따른 조명용 LED 모듈은, 도 5에 도시된 바와 같이, 전술한 제2 실시예에 따른 조명용 LED 모듈에서 반구형 렌즈(30)를 제거하고, 투명 재질인 투명 실리콘 또는 에폭시 수지를 형광막(42) 상부에 도포된 상부 발광막(43) 상면에서부터 케이스(20)의 렌즈홈(21) 전체 공간까지 충진하여 상면이 평평한 평면 렌즈(230)를 형성한 것으로서, 평면 렌즈(230)의 표면을 유리창이나 유리문 등에 용이하게 부착하여 조명 장치로 사용하기 위한 것이다.

또한, 이와 같은 변형은 전술한 제1 실시예에 대해서도 동일하게 적용할 수 있음은 물론이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.

이상에서와 같이, 본 발명에 따른 조명용 LED 모듈은 LED 소자와 방열체 사이의 열저항을 최소화하여 방열 성능을 향상시킴으로써, LED 소자의 수명이 연장되어 장치의 유지 비용이 절감되는 효과가 있다.

또한, 발광 효율이 개선되어 소비 전력 대비 조명 성능이 뛰어난 LED 조명 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims

조명용으로 사용되는 LED 모듈에 있어서,

상부에 전극 패턴이 형성되어 있는 절연 기판과, 상기 절연 기판의 하부에 일체로 접착되는 방열체로 구성되는 방열 기판과;

상기 방열 기판에 실장되는 다수의 LED 소자들과;

중심부에 상하면을 관통하는 중공부가 형성되고 저면에 상기 방열 기판이 부착되어, 상기 LED 소자들이 상기 중공부의 내부에 위치하도록 구성되는 케이스; 및

상기 케이스의 상부에 구비되는 렌즈;

를 포함하여 구성되되,

상기 중공부 내부에 위치하는 상기 방열 기판의 상면에는 투명 재질로 이루어진 하부 발광막과, 형광체를 포함하는 형광막 및 투명 재질로 이루어진 상부 발광막이 순차적으로 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 조명용 LED 모듈.
제 1항에 있어서,

상기 케이스는,

상면에 원형의 렌즈홈이 형성되고,

상기 렌즈는,

상기 렌즈홈에 안착되는 것을 특징으로 하는 조명용 LED 모듈.
제 1항에 있어서,

상기 LED 소자들은,

상기 전극 패턴 위에 부착되는 것을 특징으로 하는 조명용 LED 모듈.
제 3항에 있어서,

상기 LED 소자들은,

실버 에폭시를 접착제로 사용하여 부착되는 것을 특징으로 하는 조명용 LED 모듈.
제 1항에 있어서,

상기 전극 패턴은,

직렬 및 병렬 구조가 혼합된 구조의 매트릭스 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 조명용 LED 모듈.
제 1항에 있어서,

상기 케이스의 중공부는,

장방형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 조명용 LED 모듈.
제 1항에 있어서,

상기 하부 발광막은,

투명 실리콘(clear silicon)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 조명용 LED 모듈.
제 7항에 있어서,

상기 하부 발광막은,

상기 LED 소자들을 완전히 둘러싸도록 도포되는 것을 특징으로 하는 조명용 LED 모듈.
제 1항에 있어서,

상기 하부 발광막은,

산화 알루미나(Al₂O₃)가 함유된 에폭시 수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 조명용 LED 모듈.
제 9항에 있어서,

상기 하부 발광막은,

상기 LED 소자들의 측면을 완전히 둘러싸도록 도포되는 것을 특징으로 하는 조명용 LED 모듈.
제 1항에 있어서,

상기 방열 기판은,

상하를 관통하는 둘 이상의 장착홀이 형성되고,

상기 케이스는,

저면부에 상기 방열 기판의 장착홀에 대응하는 위치를 따라 형성되어 상기 장착홀에 삽입되는 원통형의 고정핀이 구비되는 것을 특징으로 하는 조명용 LED 모듈.
제 1항에 있어서,

상기 절연 기판은,

두께가 35 μm 이하로 구성되는 것을 특징으로 하는 조명용 LED 모듈.
제 1항에 있어서,

상기 상부 발광막은,

투명 실리콘(clear silicon)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 조명용 LED 모듈.
제 1항에 있어서,

상기 상부 발광막은,

상기 형광막의 상면과 상기 렌즈의 저면 사이의 공간에 완전히 충진되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 조명용 LED 모듈.
제 1항에 있어서,

상기 케이스는,

상면에 원형의 렌즈홈이 형성되고,

상기 렌즈는,

상기 렌즈홈 내에 충진되어 상면이 평평하도록 형성된 평면 렌즈인 것을 특징으로 하는 조명용 LED 모듈.