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KR101554055B1 - Ｌｅｄ 장치 - Google Patents

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KR101554055B1
KR101554055B1 KR1020107025376A KR20107025376A KR101554055B1 KR 101554055 B1 KR101554055 B1 KR 101554055B1 KR 1020107025376 A KR1020107025376 A KR 1020107025376A KR 20107025376 A KR20107025376 A KR 20107025376A KR 101554055 B1 KR101554055 B1 KR 101554055B1
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 인접하게 배치되고 거의 동일한 방향으로 방사하며 평면 연장된 광원을 형성하기 위한 다수의 LED들(1)로 구성된 LED 장치(발광 다이오드)에 관한 것이며, 이 경우 LED는 금속 다중막 캐리어(2) 상에 장착되며 상기 캐리어는 샌드위치형으로 절연되는 중간층(3)과, 스텝형으로 형성되고 하나 이상의 스텝을 구비한 구조를 포함하며, 이 경우 하나의 스텝에서 각각 하나 이상의 LED 칩(1)은 금속막 상에 위치하고 금속막 위에 놓인 각각의 금속층은 LED가 조립될 수 있도록 상응하게 단축되거나 컷아웃된다.

Description

ＬＥＤ 장치{LED ARRANGEMENT}
본 발명은 하나의 공통 캐리어 상에 장착되고 거의 동일한 방향으로 방사함으로써 평면 연장된 광원을 형성하는 다수의 LED(발광 다이오드) 장치에 관한 것이다.
다수의 발광 다이오드들(이하에서는 LED 칩 또는 짧게 LED들로 표현한다)의 조합에 기초한 매우 집약적인 광원 구조의 경우, 하나의 공통 캐리어 상에 복수의 상기 소자들이 장착된다. 상기 공통 캐리어의 외부에서 접촉이 발생하며, 이때 개별 소자들은 서로 연결된다. 예컨대 2개 내지 3개의 LED들이 포함되거나 2개 내지 n개의 LED들이 포함되는 더 작은 배치 구조들을 위해 상기 방법이 바람직하게 적용될 수 있다.
하나의 면을 공지된 바와 같이 LED로 2차원적으로 채우기 위해, 지금까지는 다수의 LED들을 조립하기 위해 LED들 사이에 사이 공간이 제공되었으며, 이는 예컨대 US 2004/0233671 A1호에 설명되어 있는 바와 같다.
또한, 전개 상태에 따라 의도된 발광 다이오드의 밀집 패킹은 상응하게 고려되어야 하는 열 전개를 야기한다.
종래의 해결 가능성은 예컨대 칩 면적이 확대됨에 따라 추구되었으며, 상기 칩 면에 의해 LED의 광이 방사된다. 그러나 넓은 면적의 LED들은 제조가 어려우며 크기가 커짐에 따라 효율이 심하게 저하된다. 실제로 이는 높은 생산 비용이 고려되어야 하는 것을 의미한다. 광원의 평면 배치의 광 효율을 최적화할 또 다른 가능성은 하나의 공통 캐리어 상에 LED들을 배치하는 데 있다. 그러나 이는 단위 면적에 따른 LED들의 패킹 밀도가 최적이 아니라는 단점을 갖는다.
본 발명의 목적은 가급적 컴팩트한 구조를 갖는 동시에 더 유리하게 열이 방출되는 LED 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구범위 제1항의 특징들의 조합에 의해 달성된다. 바람직한 실시예들은 종속 청구항에 제시된다.
본 발명은, 하나의 방향으로 방사되는 최적의 평면 조명을 나타내도록 LED들이 평면 배치 구조 상에 밀집 패킹될 수 있다는 인식에 기초한다. 상기 LED들은 하나의 공통 평면 상에 전체가 조립되는 것이 아니라, 방사 방향으로 높이 차이를 갖는다. 그러나 서로 나란히 배치된 LED들은 측방향 배치 구조와 관련해서 서로 간의 상대적인 방향 설정에 변동 없이 위치하거나 본 발명에 상응하게 밀집되게 또는 촘촘하게 패킹되는 방식으로 유지된다.
본 발명에 상응하게, 복수의 금속막(금속층으로도 칭한다)으로 구성된 샌드위치 구조가 캐리어를 위해 사용되며, 이때 막들 사이에는 각각 하나의 절연층이 삽입된다.
LED들의 발광면에 대한 직접적인 관찰 방향이 정확한 도시를 위해 선택되면, 이에 상응하게 LED들의 전방면을 볼 수 있다. 이 경우 LED 소자들은 평면으로 촘촘하게 서로 나란히 패킹된다. 도 3a, 도 3c 및 도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 도면에서는 다중막 샌드위치 구성이 스텝형 구조를 갖는 것을 알 수 있다. 이 경우 상기 막들은 금속막 평면의 각각의 노출된 단부 또는 에지 상에 하나 이상의 LED가 위치할 수 있도록 다층 금속막의 에지 방향으로 연속적으로 끝난다. 이러한 접촉은 상응하는 접촉 와이어에 의해 구현된다.
하나의 캐리어 상에 LED들을 촘촘하게 패킹하는 것이 본 발명에 의해 가능해진 경우, 스텝형 실시예에 대해 추가로 예컨대 코움형(comb form) 캐리어의 핑거 상에 장착된 LED들이 직렬 접속되는 것이 또한 바람직하다. 이 경우 LED 칩의 전방면에 위치한 접속 패드로부터 접촉 와이어 또는 접합 와이어가 상응하게 접속된 인접 금속막으로 각각 당겨진다. 이로써 하나의 핑거 상에 제공되어 스텝 형태로 위치한 LED들이 직렬 접속된다.
직렬 접속 외에 추가로 적어도 부분적으로 병렬 접속된 영역이 형성되는 것이 또한 바람직하다. 컴팩트한 구성 외에 LED들의 양호한 열 결합(thermal coupling)이 각각의 금속막에 제공되는 구성 형태가 특히 바람직하게 주어지며, 이 경우 금속막들은 바람직하게 후방의 지점에서 히트 싱크에 연결된다.
샌드위치 형태를 형성하는 금속막들의 다층 배치 구조가 LED가 제공되지 않은 영역의 한쪽 측면에 예컨대 90°의 각으로 제공되는 것이 또한 바람직하다. 이로써 접촉 또는, 후방에 지지된 시스템으로의 열 방출이 간단한 방식으로 구현될 수 있다.
이하에서는 본 발명을 제한하지 않는 실시예들이 개략적 도면들에 의해 도시되어 있다.
도 1은 패킹 밀도가 높은 LED 표면 방사의 원리적 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 각각의 핑거 단부에 위치한 3개의 LED 칩을 구비한 금속막 코움을 도시한 도면이다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 LED 표면 방사기의 평면도, 측면도 및 3차원 도면을 각각 도시한 도면이다.
도 4는 구부러지게 구현되고 절연층이 삽입된 금속막 캐리어의 측면도를 도시하며 핑거를 구비한 코움을 부분적으로 단면도로 도시한 도면이다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 대칭된 이중 실시예로 구현된 LED 표면 방사기의 평면도, 측면도 및 3차원 도면을 도시한 도면이다.
도 6은 조명 광학 유닛 및 냉각 시스템을 구비한 표면 방사기에 대한 구조 원리를 도시한 도면이다.
본 발명에 상응하게, 발광 다이오드(LED)는 하나의 공통면 상에 조립되는 것이 아니라, 복수의 금속막들로 구성되며 절연층이 삽입된 샌드위치 구성이 제안된다. 이때 측방향으로 볼 때, 상기 구성에 의해 LED 칩이 매우 밀집되게 위치할 수 있다는 것이 중요하다. 추가로, LED들의 작동 시 발생한 열은 금속막을 통해 각각 LED로부터 방출될 수 있다.
또한, 표면 방사기를 구현하기 위한 캐리어에 대한 상기 점유 배치 개념은 바람직하게 이하의 특징들을 가질 수 있다.
그룹별로 직렬 접속된 다양한 LED들을 병렬 접속하기 위해, 금속막은 예컨대 도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같이 코움의 형태로 구현된다. 평면도에는 수직으로 연장된 핑거를 구비한 코움의 메인 웨브가 도시되며, 이때 다층막은 하나의 핑거의 단부까지 각각 상이한 간격으로 연장된다. 이로써 균등한 스텝 구조가 형성되며, 이 경우 하부 쪽으로 금속막에 접촉하거나 상부 쪽으로는 상응하게 극성을 갖는 다음 번 금속막을 향해 접촉하는 하나의 LED가 하나의 핑거의 단부에 각각 위치한다.
바람직하게, 하나의 코움 구조는 상부에서부터 하부까지 연속되게 하나의 금속막 시스템으로 형성된다. 그러나 부분적인 실시예도 마찬가지로 가능하다.
금속막은 표면 방사기의 공간적 및/또는 열적 설계를 개선하기 위해, 상기 금속막이 상위의 시스템에 쉽게 부착되도록, 돌출한 단부들에서 구부러질 수 있다.
도 1은 상응하게 스텝을 갖는 LED 표면 방사기의 원리적 구조를 도시한다. 기본적으로 LED들은 상이한 금속막들 상에 조립된다. 금속막들은 샌드위치 구조의 형태로 적층 배치된다. 막들 사이에 위치한 각각의 절연층은 도면 부호 3으로 표시된다. 도 1에 상응하게 금속막 코움(2)은 2개의 층들을 가지며, 전기 접촉부(4)에 의해 외부 쪽으로 접속되는 상부의 커버층을 추가로 갖는다. 도 1에는 각각 2개의 LED들의 직렬 접속이 도시되어 있다. 상기 직렬 접속은 금속막(2)과, 가장 근접해 있는 LED들의 접합 패드(9) 사이의 접촉 와이어(5)에 의해 상응하게 구현된다. 3개의 LED들(1)의 최하부 배치 구조는, 도 1에서 최후방에 있으며 코움 형태로 형성되고 하부에 놓인 금속막 쪽으로 상응하는 LED 칩에 의해 접촉하며 상기 지점으로부터는 마찬가지로 전기 단자에 의해 외부쪽으로 접속된다.
도 2는 금속막 코움(2)의 도면을 도시하고 있다. 상기 평면도에는 좌측을 향하는 3개의 핑거들을 구비한 메인 웨브가 도시되어 있다. LED 칩(1)은 각각의 단부들에 조립되며 하부 쪽으로는 접촉 와이어(5)에 의해 다른 금속막에 접촉한다. 더욱이 상기 LED 칩(1)은 상기 칩의 작동열이 해당 금속막을 통해 방출될 수 있도록 각각의 금속막 상에 조립된다. LED 칩(1) 상의 중앙에는 소위 접합 패드(9)가 제공된다. 접합 패드는 또 다른 접촉 와이어(5), 소위 접합 와이어에 의해 상부 쪽으로 접촉된다. 이상적으로 볼 때, 금속막 두께는 하나의 LED 칩(1)의 두께에 상응한다.
도 3a는 직렬 접속된 복수의 LED들이 구현되는 것을 평면도로 도시한다. 본 도면에서도 금속막 코움(2)은 3개의 핑거를 포함한다. 각각의 금속막이 하나의 핑거에서 상기 핑거의 단부까지 전방 쪽으로 상이한 간격으로 연장됨으로써, 각각의 핑거에는 총 4개의 스텝으로 이루어진 스텝형 구조가 형성된다. 이 경우 최하부의 금속막은 완전하게 형성된다. 하나의 핑거의 첨두에는 각각 하나의 칩이 상응하게 장착된다. 하나의 금속막에서 다음 번으로 더 높은 층은 LED 칩이 평면 연장된 만큼 단축된다. 또 다른 LED 칩(1)이 상응하는 자유 단부 상에 각각 다시 장착된다. 도 3a에서 제3 및 제4 LED가 동일한 방식으로 조립되며 접촉 와이어(5)에 의해 전기적으로 직렬 접속된다.
도 3b는 도 3a에 상응하는 도면의 측면도를 도시하며, 이는 부분적으로 분해도로 도시된다. 하나의 금속막 다층 캐리어의 샌드위치 구조의 스텝형 실시예를 본 도면에서 분명하게 인식할 수 있다. 최하부 및 최상부 금속막들에는 외부 쪽으로의 접촉을 위한 전기 단자(4)가 제공된다. 상기 금속막들은 각각 하나의 LED 칩(1)과 하부에서부터 접촉한다. LED 칩(1)에 속하는 접합 패드(9)는 접촉 와이어(5)에 의해, 더 높지만 위에 놓이지는 않는 금속막과 접촉한다.
도 3c는 도 3a 또는 도 3b에 상응하는 도면의 3차원 도면을 도시한다.
직렬 접속된 LED들은 그 아래에 놓인 금속막 상에 위치한 LED의 상응하는 접합 패드(9)에 금속막이 연결됨으로써 이상적인 방식으로 배치된다.
기본적으로 전기적 접촉은, 직렬 또는 병렬의 경우 단락이 발생하지 않도록 실행된다. 다층 금속막의 샌드위치 구성은, 개별 평면들의 금속막들이 1개보다 많은 코움을 갖도록 구현될 수도 있으며, 이때 도 5에 상응하거나 또한 도 1에 상응하게 최상부 금속막은 환형 전기 접촉부를 포함하며, 상기 전기 접촉부에 의해 하나의 평면의 전체 코움들이 전기적으로 전력을 공급을 받을 수 있다.
적어도 전체 표면 방사기는 LED를 지지하는 금속막들로 구성되며 추가로 조명 광학 유닛 및 냉각 시스템을 포함한다.
도 6은 LED 구조가 중앙에 위치하고 냉각 시스템 또는 히트 싱크 또는 냉각 본체가 하부에 놓인 조명 광학 유닛을 구비한 표면 방사기의 원리적인 구조를 도시한다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 높은 패킹 밀도를 갖는 LED 표면 방사기의 평면도, 측면도 및 3차원 도면을 순서대로 도시한다. 이 경우 앞서 설명한 LED 표면 방사기의 대칭된 이중 실시예가 도 5b에 상응하게 쉽게 도시될 수 있다. 금속막으로도 구현될 수 있는 전기 연결부(6)에 의해, 전체 LED들의 전기적 접촉이 보장된다.
도 5c는 도 5a, 도 5b에 상응하는 도면을 3차원 도면으로 도시한다. 전기 연결부(6)는 도 5b에서만 인식될 수 있다.

Claims (14)

  1. 인접하게 배치되고 동일한 방향으로 방사하며 평면 연장된 광원을 형성하기 위한 복수의 LED 칩으로 구성된 LED 장치이며, LED 칩은 금속 다중막 캐리어 상에 장착되고, 상기 캐리어는 절연층과 금속막을 하나의 조로 하여 복수 개의 조를 적층하여 이루어지는 것이고, 복수의 스텝을 구비한 스텝형 구조를 포함하고,
    상기 스텝형 구조의 각 스텝은 하나의 스텝 바로 위에 놓인 다른 스텝의 하나의 조의 절연층 및 금속막의 자유 단부가, 상기 하나의 스텝에 놓인 하나의 조의 절연층 및 금속막의 자유 단부에 대하여 내측 방향으로 오프셋된 위치에서 종단되도록, 상기 절연층과 금속막과의 조합을 복수 개의 조로 적층함으로써 형성되고, 상기 오프셋된 위치는 상기 각 스텝의 금속막 상에 상기 LED 칩이 1개씩 배치되는 평면 면적을 확보하도록 설정되고,
    상기 복수의 LED 칩 각각은 각 스텝의 금속막 상에 상기 평면 면적에 하나씩 배치되고, 상기 LED 칩의 하나의 극이 상기 금속막에 대해 전기적으로 접촉하며,
    상기 각 스텝의 LED 칩은 상기 하나의 스텝 바로 위에 놓인 스텝의 금속막에 대해 상기 하나의 스텝에 배치된 LED 칩의 다른 극이 전기적으로 접속하는 LED 장치.
  2. 제1항에 있어서, LED 칩들은 적어도 그룹별로 직렬 접속되는 LED 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, LED 칩의 전기 회로는 적어도 부분적으로 직렬로 설계되거나, 적어도 부분적으로 병렬로 설계되거나, 적어도 부분적으로 직렬로 그리고 적어도 부분적으로 병렬로 설계되는 LED 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, LED 칩(1)은 전기 접속 패드(9)로부터 그 바로 위의 스텝의 반대 극으로 접속된 인접 금속막까지 접촉 와이어(5)에 의해 커플링되는 LED 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 금속막은 LED 칩이 배치되어 있는 상기 자유 단부 측과는 반대편 영역에서 전기 단자(4)에 의해 계속 접촉되는 LED 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, LED 칩은 열 방출을 위해 금속막 상에 커플링되는 LED 장치.
  7. 제6항에 있어서, 금속막은 LED 칩이 배치되어 있는 상기 자유 단부 측과는 반대편 영역에서 히트 싱크에 연결되는 LED 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, LED 장치를 적어도 부분적으로 커버하고 전기 도전성을 갖지 않는 재료로 구성된 조명 광학 유닛이 LED 칩의 발광 측면에 존재하는 LED 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속 다중막 캐리어는 LED 칩이 제공되지 않는 영역에서 90°만큼 구부러지는 LED 장치.
  10. 제5항에 있어서, 상기 LED 장치의 외부와의 접속을 위한 복수의 전기 단자(4)는 상기 금속 다중막 캐리어에서 최상부 금속막 및 최하부 금속막에 각각 부착되는 LED 장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, LED 칩은 복수의 핑거들을 구비하고 코움 형태로 형성된 금속막들의 구조 상에 장착되는 LED 장치.
  12. 제11항에 있어서, 복수의 코움 구조들은 적어도 부분적으로 연속되게 형성되고, 상기 금속 다중막 캐리어로 나타나는 LED 장치.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 발광 측면 상에 광학 유닛이 장착되며 후방 측면 상에는 냉각 시스템이 존재하는 LED 장치.
  14. 제1항 또는 제2항에 따른 복수의 LED 장치들이 기계적으로, 전기적으로, 또는 기계적 및 전기적으로 서로 커플링되는 LED 장치.
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