KR100697664B1 - LED using carbon nano tube - Google Patents
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도1은 종래의 발광 다이오드 단면을 나타낸다.1 shows a cross section of a conventional light emitting diode.
도2 및 도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 단면을 나타낸다.2 and 3 show a cross-sectional view of a light emitting diode according to an embodiment of the present invention.
도4는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 열방출 경로를 나타낸다.4 shows a heat dissipation path of a light emitting diode according to the present invention.
도5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 단면을 나타낸다.5 is a cross-sectional view of a light emitting diode according to another embodiment of the present invention.
도6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 단면을 나타낸다.6 is a cross-sectional view of a light emitting diode according to another embodiment of the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 설명** Description of the main parts of the drawings *
21 : CNT 기판 22 : 발광칩21: CNT substrate 22: light emitting chip
23 : 와이어 24 : 전극23: wire 24: electrode
25 : 열방출 경로 26 : 메탈층25: heat release path 26: metal layer
21a,21b : CNT층21a, 21b: CNT layer
본 발명은 열 방출 효율이 개선된 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a light emitting diode having improved heat dissipation efficiency and a method of manufacturing the same.
보다 구체적으로, 본 발명은 종래의 발광 다이오드용 인쇄회로기판 대신에, 평면 형상으로 가공시 그 평면에 수직한 방향뿐만 아니라 평행한 방향으로도 열전도도가 높은 탄소 나노 튜브(CNT; Carbon nano tube)로 이루어진 기판을 사용함으로써 열방출 효율이 개선된 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.More specifically, the present invention is a carbon nanotube (CNT) having high thermal conductivity not only in a direction perpendicular to the plane but also in a parallel direction when processing into a planar shape instead of a conventional light emitting diode printed circuit board. The present invention relates to a light emitting diode having improved heat dissipation efficiency and a method of manufacturing the same.
발광 다이오드(light emission diode; 이하 'LED'라 칭함)는 GaAs, AlGaAs, GaN, InGaN 및 AlGaInP 등의 화합물 반도체(compound semiconductor) 재료의 변경을 통해 발광원을 구성함으로써 다양한 색을 구현할 수 있는 반도체 소자를 말한다. 상술한 LED의 밝기는 발광 칩에 인가되는 전류에 비례하고, 발광 칩에 인가되는 전류는 발광 칩이 발산하는 열에 비례한다. 이에 발광 다이오드의 밝기를 밝게 하기 위해서는 고전류를 인가하여야 하지만 발광 칩이 발산하는 열로 인해 발광 칩이 손상을 받기 때문에 무한정 높은 전류를 인가할 수 없는 문제점이 있다. 즉 발광 칩에 인가되는 전류를 높이면 발광 칩이 발산하는 열이 높아진다. A light emitting diode (hereinafter referred to as an LED) is a semiconductor device capable of realizing various colors by forming a light emitting source by changing compound semiconductor materials such as GaAs, AlGaAs, GaN, InGaN, and AlGaInP. Say. The brightness of the LED described above is proportional to the current applied to the light emitting chip, and the current applied to the light emitting chip is proportional to the heat emitted by the light emitting chip. In order to brighten the brightness of the light emitting diode, a high current must be applied, but the light emitting chip is damaged due to heat emitted from the light emitting chip. In other words, when the current applied to the light emitting chip is increased, the heat emitted by the light emitting chip is increased.
종래의 발광 다이오드 중 칩 발광다이오드(Chip Light Emitting Diode)는 일반적으로, 표시소자 및 백라이트(back light)로 이용되며, 최근에는 핸드폰이나 휴대용 개인정보단말기 (personal digital assistants; PDA) 등에 그 적용이 증대되고 있는 추세이다.Chip light emitting diode (Chip Light Emitting Diode) of the conventional light emitting diode is generally used as a display element and a backlight (back light), and recently, its application is increasing in mobile phones, personal digital assistants (PDAs), etc. It is becoming a trend.
도 1은 종래의 칩 발광다이오드의 단면도이다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 종래의 칩 발광다이오드(10)는, 인쇄회로기판(11, Printed Circuit Board)상에 제1전극(12)와 제2전극(15)이 마련되고, 제1전극(12)상에 실장된 발광칩(13)과 제2전극(15)이 와이어(14)를 매개하여 연결되어 있다. 그리고, 발광칩(13)과 제2전극 (15)이 와이어(14)로 연결된 인쇄회로기판(11)의 상면에는 에폭시 몰드 컴파운드(Epoxy Mold Compound; EMC)를 몰딩한 몰딩부(16)가 형성되어 있다.1 is a cross-sectional view of a conventional chip light emitting diode. As can be seen in the drawing, in the conventional chip
인쇄회로기판(11)은 절연 성질을 갖는 수지로 이루어지며, 응용예에 따라서는 발광효율을 높이기 위해 그 상부에는 발광 다이오드(10)의 주위를 둘러싸는 형태의 반사부를 형성하기도 한다.The printed
이러한 구성의 종래 발광 다이오드는 발광 칩에서 발생되는 열이 제1전극(12) 및 제2전극(15)을 통하여 방출된다. 그러나 발광 다이오드의 전극들에 의해서만 이루어지는 방열에는 한계가 있다. 특히 최근에는 고출력 발광 다이오드가 출시되면서 종래의 발광 다이오드의 열 전도만으로는 충분히 열을 방출시킬 수 없다. 즉 발광 다이오드외에 방열 구조가 적절히 형성되어있지 않은 경우 발광 칩에서 발산되는 열을 효과적으로 방출할 수 없으며 이로 인해 발광 다이오드의 수명이 단축되는 문제점이 있다.In the conventional light emitting diode having such a configuration, heat generated from the light emitting chip is emitted through the
또한, 종래의 칩 발광다이오드(10)에서는, 작동시 발생하는 열이 그 모서리 부분에 집중되기 때문에, 소자 전체의 열적/기계적 변형이 초래되는 문제도 있다.In addition, in the conventional chip
더욱이, 종래의 칩 발광다이오드는, 박형화를 위하여 발광칩과 몰딩부의 외면 사이의 간격을 축소시킬 경우 몰드 금형의 캐스트부분을 정밀하게 제작하여야 하는 어려움이 있고, 이에 의해, 금형의 제작비용이 증가한다. 그리고, 박형화시키는 경우 두께가 얇은 일측부분으로 응력이 집중될 수 있으며, 이러한 경우 인쇄회로기판과 몰딩부 사이의 접착력이 약화되어 제품의 신뢰성이 저하되는 문제가 있다.Furthermore, the conventional chip light emitting diode has a difficulty in precisely manufacturing the cast part of the mold mold when the gap between the light emitting chip and the outer surface of the molding part is reduced for thinning, thereby increasing the manufacturing cost of the mold. . In addition, when thinning, stress may be concentrated on one side of a thin thickness, and in this case, the adhesive force between the printed circuit board and the molding part is weakened, thereby degrading reliability of the product.
이와 같은 열 방출 문제 때문에, 발광 칩이 발산하는 열을 효과적으로 방출하기 위한 많은 연구들이 수행되고 있다. 그 결과로, 한국공개특허 특2002-0089785에서는 소정의 방열 구멍을 뚫어 발광 칩이 발산하는 열을 줄이도록 하였고, 한국공개특허 특2003-0013813에서는 소정의 금속판으로 발광 칩을 둘러싸고 이를 히트 싱크로 사용하여 소자가 발산하는 열을 줄이도록 하였다. Because of the heat dissipation problem, many studies have been conducted to effectively dissipate heat emitted by a light emitting chip. As a result, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2002-0089785 reduces the heat emitted by the light emitting chip by drilling a predetermined heat dissipation hole, and in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2003-0013813, the LED is enclosed by a predetermined metal plate and used as a heat sink. The device is designed to reduce the heat dissipated.
상기의 기술과 같이 소정의 방열 구멍과 금속판을 통하여 발광 칩이 발산하는 열을 외부로 방출하여 발광 칩을 보호하고 발광 다이오드의 밝기를 향상시키는 효과를 얻을 수 있다. As described above, the heat emitted from the light emitting chip through the predetermined heat dissipation hole and the metal plate may be emitted to the outside, thereby protecting the light emitting chip and improving the brightness of the light emitting diode.
그러나 소정의 방열 구멍을 발광 칩 하부에 뚫을 경우 이러한 방열 구멍으로 인해 외부의 불순물이 첨가되어 발광 칩뿐만 아니라 발광 다이오드 전체에 손상을 입힐 수 있다. However, when a predetermined heat dissipation hole is drilled under the light emitting chip, external impurities may be added due to the heat dissipation hole to damage not only the light emitting chip but the entire light emitting diode.
또한 소정의 슬러그나 금속판을 히트 싱크로 사용하는 경우에, 몰딩부는 에폭시 수지를 사용하고 별도의 슬러그 및 금속판을 소자에 추가하기 때문에 발광 칩을 봉지하는 몰딩부를 형성할 때, 금속과 에폭시 수지 경계면에 소정의 공기층이 형성되거나 두 물질간의 결합이 들뜨는 문제가 발생할 수 있고, 발광 다이오드의 제조 공정이 복잡해지게 된다.In addition, when a predetermined slug or a metal plate is used as the heat sink, the molding part uses an epoxy resin and adds a separate slug and a metal plate to the element, so that when forming a molding part for encapsulating a light emitting chip, a predetermined part is formed on the metal and epoxy resin interface. The formation of an air layer or the coupling between the two materials may be a problem, and the manufacturing process of the light emitting diode is complicated.
위와 같은 종래 기술에서는 열방출을 위해 하나의 층을 더함으로써 열저항이 증가하여, 열적인 변형이나 열 하중이 발광 다이오드에 가해지게 된다. 그럼으로써, 제품의 신뢰성이 떨어지게 되고, 열저항이 많이 발생하여 광학적인 출력이 줄어들게 된다. In the prior art as described above, the heat resistance is increased by adding one layer for heat dissipation, and thermal deformation or heat load is applied to the light emitting diode. As a result, the reliability of the product is reduced, and a lot of thermal resistance is generated to reduce the optical output.
본 발명은 열저항을 줄임으로써 신뢰성이 향상된 발광 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a light emitting diode having improved reliability and a method of manufacturing the same by reducing thermal resistance.
또한, 본 발명은 광출력을 향상시킬 수 있는 발광 다이오드 및 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is also an object of the present invention to provide a light emitting diode and a manufacturing method which can improve the light output.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드는, 탄소 나노 튜브(CNT;Carbon nano tube)로 이루어진 기판 및 상기 기판 상에 실장된 적어도 하나의 발광 칩을 포함한다.A light emitting diode according to an embodiment of the present invention includes a substrate made of carbon nanotubes (CNT) and at least one light emitting chip mounted on the substrate.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드는, 복수의 탄소 나노 튜브층 및 상기 탄소 나노 튜브층들 사이에 삽입된 메탈층을 포함하는 기판; 상기 기판 상에 실장된 적어도 하나의 발광 칩 및 상기 발광 칩을 봉지하는 몰딩부를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, a light emitting diode includes: a substrate including a plurality of carbon nanotube layers and a metal layer interposed between the carbon nanotube layers; At least one light emitting chip mounted on the substrate and a molding unit encapsulating the light emitting chip.
이하 도2 및 도3에 도시된 실시예를 참조하여, 본 발명에 따른 발광 다이오드의 구성 및 제조 방법을 보다 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the embodiment shown in Figures 2 and 3, the configuration and manufacturing method of the light emitting diode according to the present invention will be described in detail.
도2와 같이 평면 형상으로 가공된 CNT 기판(21)을 준비한다.A
최근 주목 받고 있는 CNT (Carbon Nano Tube: 탄소 나노 튜브)에 대해 간단히 살펴보면, 탄소를 기본으로 하여 생성된 새로운 반도체 재료 중 하나로서, CNT는 21세기 선도기술로 주목 받고 있는 나노미터 크기의 극미세 영역을 기반으로 하는 나노 테크놀러지를 대표하는 전략 핵심 소재 중의 하나로서, 최근에 이를 소재로서 이용뿐만이 아니라 적용 제품을 통해서도 실용화와 연결시키려는 노력이 활발히 진행 되고 있다. A brief look at the recent CNT (Carbon Nano Tube) is one of the new semiconductor materials based on carbon, and CNT is a nanometer-sized micro-area that has attracted attention as a leading technology in the 21st century. As one of the strategic core materials that represent nanotechnology based on, recent efforts have been actively made to connect them to practical use not only as a material but also as an applied product.
탄소 나노 튜브를 전자 방출원으로서 적용한 광 소자, 즉 전계 방출 디스플레이(Field Emission Display: FED)와 형광 표시관(Vacuum Fluorescent Display: VFD)과 같은 전계 방출 평판 표시 소자(Field Emission Devices) 분야와 광원(Light source)이 주목을 받고 있다.Fields of light emitting devices such as field emission displays (FEDs) and field emission devices (VFDs) and light sources employing carbon nanotubes as electron emission sources Light source is attracting attention.
탄소는 열 전도도가 Cu보다 훨씬 높은 값을 가지나, 벌크(bulk) 형태로 가공이 어려우며 일정한 강도를 가지기 위해서는 고온 고압의 공정을 필요로 한다. 또한 탄소의 열전도도는 슬라이스 또는 평면 형상으로 가공하였을 때, 일정 축방향으로 열전도도가 크고, 그와 직교하는 타축 방향으로는 열전도도가 낮다. Carbon has a much higher thermal conductivity than Cu, but it is difficult to process in a bulk form and requires a high temperature and high pressure process to have a constant strength. In addition, thermal conductivity of carbon has a high thermal conductivity in a constant axial direction when processed into a slice or planar shape, and low thermal conductivity in the other axis direction orthogonal thereto.
탄소 나노 튜브는 이러한 탄소의 성질을 가지면서 일정 두께를 갖는 평면 형상으로 제작이 가능하며, 이 때 평면에 수직한 방향뿐만 아니라 평행한 방향으로도 열전도도가 높은 특징을 가진다. Carbon nanotubes can be manufactured in a planar shape having a certain thickness while having the properties of carbon, and at this time, the thermal conductivity is high not only in the direction perpendicular to the plane but also in the parallel direction.
이러한 탄소 나노 튜브 재료를 평면 형상으로 가공하여, 도 2와 같은 하나의 발광 다이오드 크기에 맞는 사이즈로 만든다.This carbon nanotube material is processed into a planar shape to make it sized to fit the size of one light emitting diode as shown in FIG.
그리고 나서, 도3에 도시된 바와 같이 CNT 기판(21)상에 절연성 물질(미도시)이 형성되며, 상기 절연성 물질이 형성된 CNT 기판(21)상에 발광칩(22)을 실장하고, 전극 패드(24) 또는 리드 프레임에 발광칩을 와이어 본딩(23) 등의 접속 방식으로 접합시켜, 전기적으로 연결시킨다. Then, as shown in FIG. 3, an insulating material (not shown) is formed on the
종래의 발광 다이오드는 전술한 바와 같이 전극을 통해 대부분의 열이 방출되도록 열전도 경로를 형성하였으며, 이를 위한 방열을 설계를 하였다. 그러나, 본 발명에서와 같이, 탄소 나노 튜브를 이용하게 되면, 열 전달 경로의 변화없이 횡축방향으로의 높은 열전도도 때문에 열원으로부터 발생된 열이 쉽게 그리고 고르게 방열될 수 있다. 또한 탄소 나노 튜브의 반도체 성질은 제조 공정과 제조 법에 따라 달라지게 되지만, 이러한 물성이 달라지더라도 본 발명이 해결하고자 하는 방열 문제에는 영향을 끼치지 않는다. As described above, the conventional light emitting diode has formed a heat conduction path so that most of the heat is emitted through the electrode, and designed a heat radiation for this. However, as in the present invention, using carbon nanotubes, the heat generated from the heat source can be easily and evenly dissipated due to the high thermal conductivity in the transverse direction without changing the heat transfer path. In addition, the semiconductor properties of the carbon nanotubes will vary depending on the manufacturing process and manufacturing method, even if the physical properties do not affect the heat dissipation problem to be solved by the present invention.
즉, 탄소 나노 튜브를 이용함으로써 전기적인 회로를 구성하는 동시에 방열 효과를 개선할 수 있다는 장점이 생긴다.In other words, the use of carbon nanotubes has the advantage of constituting an electrical circuit and improving heat dissipation effect.
도3과 같이 CNT 기판(21)에 발광칩(22)을 실장한 후에 발광칩(22)과 전극(24) 및 와이어(23)를 보호하고, 발광 특성을 조정하기 위해 에폭시 수지나 실리콘 수지와 같은 투명 수지 재질로 몰딩부를 형성하여 준다. After mounting the
실시예에 따라서는, 몰딩부 내에 발광칩으로부터의 광을 산란시켜, 다양한 파장의 광을 형성할 수 있도록 형광체나 확산제를 포함할 수 있다. In some embodiments, a phosphor or a diffusing agent may be included in the molding to scatter light from the light emitting chip to form light having various wavelengths.
봉지제의 성형 방법으로는 트랜스퍼 몰딩이나 인젝션 몰딩 방법으로 형성하거나, 또는 격벽을 가진 성형기로 봉지제의 상부를 누른 후, 열이나 UV에 의해 경화시켜 몰딩부를 형성할 수 있다.The molding method of the encapsulant may be formed by a transfer molding or an injection molding method, or the upper part of the encapsulant may be pressed by a molding machine having a partition and then cured by heat or UV to form a molding part.
트랜스퍼 몰딩은 고체 형태의 태블릿을 고온 고압에서 가공하는 방법이고, 인젝션 몰딩은 틀에 액상 수지를 주입한 뒤에 열경화시키는 가공 방법이다.Transfer molding is a method of processing a tablet in a solid form at high temperature and high pressure, and injection molding is a process of thermosetting after injecting a liquid resin into the mold.
도4는 본 발명에 따른 발광 다이오드에서 CNT 기판(21)을 통한 열 방출 경로를 나타낸다.4 shows a heat release path through the
전술한 바와 같이, CNT는 탄소의 성질을 가지면서 일정 두께를 갖는 평면 형상으로 제작이 가능하며, 이 때 평면에 수직한 방향뿐만 아니라 평행한 방향으로도 열전도도가 높은 특징을 가진다. 도4에 도시된 바와 같이, 발광칩(22)에서 발생한 열은 리드 프레임이나 전극을 통하지 않고 CNT 기판(21) 자체를 통해 직접 방열되어 방열 효과가 우수한 발광 다이오드를 구성한다.As described above, CNTs can be manufactured in a planar shape having a certain thickness while having carbon properties, and in this case, CNTs have a high thermal conductivity not only in a direction perpendicular to the plane but also in a parallel direction. As shown in FIG. 4, heat generated in the
도5 및 도6은 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면을 나타낸다.5 and 6 show a cross-section of a light emitting diode according to another embodiment of the present invention, respectively.
CNT는 그 특성상 평판 형상으로 가공하였을 경우, 박리가 잘 일어나고 잘깨지므로 이를 보완하기 위해 도5에 도시된 바와 같이 복수의 CNT층(21a,21b) 사이에 메탈층(26)을 삽입할 수 있다. 도5에는 2개의 CNT층(21a,21b)과 한 개의 메탈층(26) 만을 사용하였으나, 실시예에 따라 그 이상의 CNT층과 메탈층을 사용할 수도 있다.When the CNT is processed into a flat plate shape due to its characteristics, peeling occurs well and breaks, so that the
또한, 도6에 도시된 실시예와 같이, 복수의 CNT층(21a,21b) 사이에 메탈층(26)을 삽입하고, 발광칩(22)이 실장되는 CNT 기판(27a)의 중심부에 리세스(recess) 영역을 형성하고, 그 내벽에 반사부(28)를 마련하고, 그 하부 평면 상에 발광칩을 실장하여, 발광칩의 상방으로 광을 집광시킴으로써 발광 다이오드의 발광 특성을 향상시킬 수도 있다. 역전된 절두원추 형상의 리세스 영역은 빛의 휘도 및 집광 능력을 향상시키기 위해 소정 기울기를 갖도록 형성할 수 있다.6, the
도6에 도시된 반사면이 마련된 실시예에서, 메탈층(26)을 없애고 단층의 CNT 기판을 형성하는 것도 물론 가능하다.In the embodiment provided with the reflective surface shown in Fig. 6, it is of course also possible to form the single layer CNT substrate by removing the
본 발명에 따르면 열저항을 줄임으로써 신뢰성이 향상된 발광 다이오드를 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a light emitting diode having improved reliability by reducing thermal resistance.
또한, 본 발명에 따르면 광출력을 유지하거나 향상시킬 수 있는 발광 다이오드 및 제조 방법을 제공할 수 있다.In addition, according to the present invention can provide a light emitting diode and a manufacturing method that can maintain or improve the light output.
이상 본 발명을 실시예를 참조하여 설명하였으나, 이상의 설명한 실시예들은 하나의 예시로서, 본 발명의 범위는 이하의 특허청구범위에 의해 정해지고, 당업자들은 본 발명의 범위에 속하는 범위 내에서 위 실시예 들에 다양한 변형 가할 수 있음을 이해할 것이며, 이들은 모두 본 발명의 범위에 포함된다.Although the present invention has been described above with reference to the embodiments, the above-described embodiments are exemplified as an example, and the scope of the present invention is defined by the following claims, and those skilled in the art can implement the above within the scope of the present invention. It will be understood that various modifications may be made to the examples, all of which are included in the scope of the present invention.
Claims (5)
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