KR101175931B1 - Ｌｅｄ를 이용한 면광원 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르는 LED를 이용한 면광원 장치는, 상부 표면에 절연층이 형성된 금속 기판; 절연물질로 구성되며, 격벽에 의해 분리된 다수 개의 소자 실장홈이 배열 형태로 형성되어 있으며, 상기 금속 기판의 상부에 배치된 격벽 구조체; 상기 격벽 구조체의 소자 실장홈들에 각각 배치되는 다수 개의 LED 소자들; 상기 금속 기판의 절연층의 상부 표면에 형성되되, 소자 실장홈들에 배치되는 LED 소자들의 전극들에 대응되는 위치에 형성되는 다수 개의 금속 배선; 상기 격벽 구조체의 상면에 위치하는 광학 패널;을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

ＬＥＤ를 이용한 면광원 장치{Surface light source device using LED}
본 발명은 면광원 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 격벽 구조체를 이용하여 WLP(Wafer-Level Packaging) 공정을 이용하여 플립 칩(Flip Chip) 또는 버티컬 칩 구조의 LED(Light Emitting Diode)의 발광 셀을 배열하여 면광원을 형성하는 장치에 관한 것이다.
LED는 반도체의 p-n 접합구조를 이용하여 주입된 소수 캐리어(전자 또는 정공)를 만들어내고, 이들의 재결합에 의하여 소정의 빛을 발산하는 소자를 지칭한다. 이러한 LED는 표시 소자 및 백 라이트로 이용되고 있으며, 최근에는 일반 조명용도로 이를 적용하기 위해 활발한 연구가 진행중이다.
이는 LED가 기존의 전구 또는 형광등에 비해 소모 전력이 작고 수명이 길기 때문이다. 즉 LED의 소모 전력이 기존의 조명 장치에 비해 수 내지 수 십분의 1에 불과하고, 수명이 수 내지 수십 배에 이르러, 소모 전력의 절감과 내구성 측면에서 월등하기 때문이다.
이러한 LED를 조명용으로 사용하기 위해서는 LED가 가정용 전원에서 구동할 수 있어야 할 뿐만 아니라, LED에서 생성되는 열이 외부로 효과적으로 방출되야 하는 문제점이 있다.
한편, 종래의 일반적인 LED들은, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 단일의 LED 다이(die)(10)를 기판에 부착시키고 와이어 본딩(wire bonding)(12)한 후 패키징하였다. 이러한 LED들은 히트싱크(16)와 캐소드와 애노드의 리드(18,20)를 포함하므로, LED 다이(10)를 지지하고 연결하는 패키지(package)(14)의 크기에 비해 빛을 내는 부분의 면적이 적어 점광원 형태를 갖는다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, COB(Chip-On-Board) 기술이 개발되었다. 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, COB 기술은 여러 개의 LED 다이(die)를 하나로 패키징하는 기술로서, 여러 개의 LED 다이(die)를 연결하여 면광원을 구현하였다. 그러나 이는 LED 다이들이 집약적으로 연결되어 있어 글레어(Glare), 즉 눈부심이 너무 심하여, 면광원으로 채용되기에는 적합하지 않았다.
또한 도 1의 (c),(d)에 도시한 바와 같이, 웨이퍼 상태에서 패키징하는 WLP(Wafer-Level Package) 기술이 개발되었으며, 이러한 WLP 소자들은 와이어 본딩이 아닌 솔더 볼(solder ball)을 사용하여 기판상의 배선과 다이렉트 본딩(direct bonding)된다. 이는 소자 면적을 최소화시킬 수 있으며 방열 특성도 향상시킬 수 있으므로, WLP 기술이 적용된 플립 칩 형태의 LED에 대한 관심이 날로 높아지고 있다.
도 2는 종래의 플립 칩 구조의 LED의 개략 구성도이다. 상기 도 2를 참조하여 상기 플립 칩 구조의 LED의 제조과정을 설명한다. 기판(1)상에 N형 반도체층(5), 활성층(6), P형 반도체층(7)을 순차적으로 형성한 후, 상기 P형 반도체층(7)과 활성층(6)의 일부를 식각하여 N형 반도체층(5)을 노출시킨 후, P형 반도체층(7)상에 투명전극층(8)을 형성하여 발광 셀을 형성한다.
상기 투명전극층(8)으로는 P형 반도체층(7)과 오믹 접촉을 이루는 금속층을 형성하는데, 일반적으로 Au와 Ni을 함유하는 재료를 사용한다. 또한 별도의 서브 마운트 기판(2)을 준비하여 제1 및 제2전극(3,4)을 형성하고, 제1전극(3) 상에는 P형 솔더(9)를 형성하고, 제2전극(4) 상에는 N형 솔더(10)를 형성한다. 이후 상기 발광 셀은 상기 서브 마운트 기판(2)에 본딩되며, 이때 발광 셀의 P 전극은 P형 솔더(9)에 본딩되고, N 전극은 N형 솔더(10)에 본딩된다. 상기 발광 셀이 본딩된 기판은 몰딩부(미도시)에 의해 봉지됨으로써 플립 칩 구조의 LED의 제작이 완료된다.
상기한 플립 칩 구조의 LED는 기존의 LED에 비해서 열 방출 효율이 높고, 광의 차폐가 거의 없어 광효율이 기존의 LED에 비해 50% 이상 증가하는 효과가 있고, 발광 소자의 구동을 위한 금선(gold wire)을 필요로 하지 않기 때문에 여러 소형 패키지의 제작에 많은 응용을 고려하고 있다.
본 발명은 플립 칩 또는 버티컬 칩 구조의 LED의 발광 셀 다수, 및 각 발광 셀의 전극과 금속 기판상의 금속배선 사이의 연결을 위한 솔더 볼 다수를 내삽하는 다수의 소자 실장홈이 형성된 격벽 구조체를 이용하여 발광셀 사이의 간격을 넓게 하고, 광학 렌즈가 구비된 광학 패널(optical lens plate)을 이용하여 넓은 면적에서도 균일(uniform)하며 눈부심(Glare)이 적게 하고 또한 제조 과정을 단순화시킴은 물론이고 면광원 장치의 두께를 얇게 만들 수 있게 하는 면광원 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르는 LED를 이용한 면광원 장치는, 상부 표면에 절연층이 형성된 금속 기판; 절연물질로 구성되며, 격벽에 의해 분리된 다수 개의 소자 실장홈이 배열 형태로 형성되어 있으며, 상기 금속 기판의 상부에 배치된 격벽 구조체; 상기 격벽 구조체의 소자 실장홈들에 각각 배치되는 다수 개의 LED 소자들; 상기 금속 기판의 절연층의 상부 표면에 형성되되, 소자 실장홈들에 배치되는 LED 소자들의 전극들에 대응되는 위치에 형성되는 다수 개의 금속 배선; 상기 격벽 구조체의 상면에 위치하는 광학 패널;을 구비하는 것을 특징으로 한다.
특히 상기 절연층은 금속 기판에 평탄도(roughness)가 적은 산화층(Oxide layer)으로 형성된다.
상기한 본 발명은 플립 칩 또는 버티컬 칩 구조의 LED의 발광 셀 다수, 및 각 발광 셀의 전극과 금속 기판상의 금속배선 사이의 연결을 위한 솔더 볼 다수를 내삽하는 다수의 소자 실장홈이 형성된 격벽 구조체를 이용하여 제조 과정을 단순화시킴은 물론이고 면광원 장치의 두께를 얇게 만들 수 있게 하는 효과가 있다.
도 1의 (a) 내지 (e)는 종래 기술에 따른 LED 소자를 예시한 도면.
도 2는 종래 기술에 따른 플립 칩 또는 버티컬 칩 구조의 LED의 구조도.
도 3은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 플립 칩 또는 버티컬 칩 구조의 LED를 구비하는 면광원 장치의 분해사시도.
도 4는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 면광원 장치의 부분 절개도.
도 5는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 면광원 장치의 단면도.
도 6은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 면광원 장치의 분해 사시도.
도 7은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 면광원 장치의 부분 절개도.
본 발명은 플립 칩 또는 버티컬 칩 구조의 LED의 발광 셀 다수, 및 각 발광 셀의 전극과 금속 기판상의 금속배선 사이의 연결을 위한 솔더 볼 다수를 내삽하는 다수의 소자 실장홈이 형성된 격벽 구조체를 이용하여 제조 과정을 단순화시킴은 물론이고 면광원 장치의 두께를 얇게 만들 수 있게 한다. 또한 상기 격벽 구조체는 발광셀과 발광셀 사이의 간격을 넓게 형성하여 글레어 현상을 최소화한다.
또한 본 발명은 격벽 구조체의 소자 실장홈의 측면에 반사층을 더 구비함으로써, 발광 셀의 측면으로 발산하는 광이 전면으로 반사되게 하여 광효율을 높인다.
또한 본 발명은 격벽 구조체의 상면에 광학 패널을 위치시켜 광을 확산 출력시킴과 아울러, 상기 광학 패널의 배면에 형광 물질을 도포하여 상기 발광 셀로부터의 광을 백색광으로 변환한다. 또한 상기 광학 패널에는 확산 렌즈가 형성되어, 광의 일
또한 본 발명은 상기 격벽 구조체의 하면에 발광 셀 배열 위치에 대응되게 금속배선을 형성하고, 그 금속배선의 하면에 금속 기판을 위치시킨다. 상기 금속 기판은 방열 효과를 향상시키기 위해 이중화된다.
<제1실시예>
이러한 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 면광원 장치의 구조 및 동작을 도면을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 면광원 장치의 분해사시도이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 면광원 장치의 부분 절개도이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 면광원 장치의 단면도이다.
상기 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 면광원 장치의 구조 및 동작을 설명한다.
상기 면광원 장치는 금속 기판(100)과 금속배선(106)과 플립 칩 또는 버티컬 칩 구조의 LED의 발광 셀(124) 및 솔더 볼(138,140)이 다수 내삽된 격벽 구조체(112)과 광학 패널(130)이 순차적으로 적층되어 형성된다.
상기 금속 기판(100)은 면광원 장치의 배면에 위치하며, 절연층인 고밀도 알루미나 층(102)과 알루미늄 기판(104)으로 구성된다. 상기 고밀도 알루미나 층(102)의 열전도율은 33W/mK로서, 상기 고밀도 알루미나 층(102)은 발광 셀(124)로부터의 열을 신속하게 알루미늄 기판(104)으로 전달하여 방열 효율을 높인다. 이와 같이 알루미늄 판(104)에 직접 평탄도가 적은 산화층(Oxide layer)인 알루미나 층(102)을 형성하여 방열 효율을 높이는 것은 LED 조명 성능을 약 20% 향상시킨다.
상기 금속배선(106)은 발광 셀(124)의 전극들의 배열 위치에 대응되는 금속배선 쌍으로 구성된다. 여기서, 본 발명의 실시예에 따른 발광 셀(124)의 배열이 매트릭스 형태를 가지므로, 상기 금속배선(106)은 금속배선 쌍(108,110) 다수가 일렬로 배열되게 형성된다.
상기 금속배선(106)의 상측에는 발광 셀(124) 및 솔더 볼(138,140)이 내삽된 격벽 구조체(112)가 위치한다. 여기서, 상기 격벽 구조체(112)는 절연물질로 구성된다.
상기 격벽 구조체(112)에는 가로 세로 방향으로 배열된 격벽들로 이루어지며 격벽들에 의해 다수의 소자 실장홈(136)이 배열 형태로 형성된다. 상기 다수의 소자 실장홈(136) 사이의 간격은 COB 기술에 따른 면광원 장치에 비해 넓은 간격을 가지도록 형성되어, 상기 글레어 현상을 최소화시킨다.
상기 소자 실장홈(136)에는 발광 셀(124)들이 장착된다. 여기서 본 발명의 실시예에 따른 발광 셀(124) 다수가 매트릭스 형태로 배열되므로, 상기 소자 실장홈(136) 역시 매트릭스 형태로 다수 구비된다. 상기 소자 실장홈(136)은 육면체의 발광 셀(124)의 내삽을 위한 제1개구부(114)와, 발광 셀(124)의 전극 쌍과 금속배선 쌍(108,110)을 연결하기 위한 솔더 볼(138,140)이 내삽되기 위한 제2 및 제3개구부(116,118)로 구성된다. 상기 제2 및 제3개구부(116,118)의 하면은 금속배선 쌍(108,110)의 상면과 연결되게 위치하며, 상면은 발광 셀(124)의 P형 전극 및 N형 전극과 맞닿게 위치하고, 제1 및 제2개구부(116,118) 사이는 절연을 위해 차단된다. 이에따라 상기 두 개구부(116,118)는 "11"자 형상으로 형성되며, 내부에는 솔더 볼(138,140)이 내삽되어 발광 셀(124)의 P형 전극 및 N형 전극과 금속배선 쌍(108,110)을 연결한다.
상기 제1개구부(114)의 하면은 상기 제2 및 제3개구부(116,118)의 상면과 맞닿고, 상면은 발광 셀(124)로부터의 광의 출사를 위해 개방된다. 상기 제1개구부(114)의 측면은 미리 설정된 일정 각도로 기울어지게 형성되어, 상기 제1개구부(114)의 측면에는 반사층이 형성되어 발광 셀(124)이 측면으로 발산하는 광을 반사하여 전면으로 출사시키게 한다. 상기 격벽 구조체(112)는 백색 소재로 제조되어 반사층을 형성하거나, 더 나은 반사효과를 위해 반사물질을 상기 제1개구부(114)의 내부면에 도포하여 반사층을 형성할 수 있다. 상기 미리 설정된 일정 각도는 45°에서 ±15°이다.
또한 상기 제1개구부(114)의 하면에는 발광 셀(124)의 지지를 위한 다수의 지지턱(120,122,126)이 형성된다.
상기 광학 패널(130)은 발광 셀(124)의 배열 위치에 대응되는 위치에 확산 렌즈(132) 다수가 구비된다. 여기서, 본 발명의 실시예에 따른 발광 셀(124) 다수가 매트릭스 형태로 배열되므로, 상기 확산 렌즈(132) 역시 다수가 매트릭스 형태로 배열된다. 상기 확산 렌즈(132)는 상기 발광 셀(124)로부터의 광을 확산하며, 내측이 오목한 형태의 렌즈가 채용된다. 또한 상기 확산 렌즈(132)의 배면에는 형광 물질(134)이 도포된다. 상기 형광 물질(134)은 청색의 LED 광을 백색으로 변환한다.
플립 칩 또는 버티컬 칩 구조의 LED의 발광 셀(124)은 다수가 매트릭스 형태로 배열되며, 전극쌍(108,110)을 통해 전극을 공급받아 발광하여 광을 출사한다. 여기서, 상기 플립 칩 또는 버티컬 칩 구조의 LED의 발광 셀(124)로는 소비전력이 0.06watt인 저전력 LED가 채용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 발광 셀(124)의 크기에 따라 발광 셀과 발광 셀 사이의 거리를 조정하여 무결점(seamless)한 발광면을 형성할 수 있게 한다. 예를 들어, 상기 발광 셀(124)의 크기가 100mm×100mm인 경우에 발광 셀과 발광 셀 사이의 거리는 1~10mm로 정해질 수 있다.
<제2실시예>
이러한 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 면광원 장치의 구조 및 동작을 도면을 참조하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 면광원 장치의 분해사시도이고, 도 7은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 면광원 장치의 부분 절개도이다.
상기 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 면광원 장치의 구조 및 동작을 설명한다.
상기 면광원 장치(200)는 기판(202)과 플립 칩 또는 버티컬 칩 구조의 LED의 발광 셀(204) 및 솔더 볼이 다수 내삽된 격벽 구조체(206)와 광학 패널(210)이 순차적으로 적층되어 형성된다.
상기 기판(202)은 면광원 장치의 배면에 위치하며, 절연층인 고밀도 알루미나 층과 알루미늄 기판으로 구성된다. 상기 고밀도 알루미나 층의 열전도율은 33W/mK로서, 상기 고밀도 알루미나 층은 발광 셀(204)로부터의 열을 신속하게 알루미늄 기판으로 전달하여 방열 효율을 높인다. 이와 같이 알루미늄 판에 직접 평탄도가 적은 산화층(Oxide layer)인 알루미나 층을 형성하여 방열 효율을 높이는 것은 LED 조명 성능을 약 20% 향상시킨다.
상기 금속배선은 발광 셀(204)의 전극들의 배열 위치에 대응되는 금속배선 쌍으로 구성되며, 이는 도 7 및 도 8에서는 그 도시가 생략된다. 여기서 본 발명의 실시예에 따른 발광 셀(204)의 배열이 매트릭스 형태를 가지므로, 상기 금속배선은 금속배선 쌍 다수가 일렬로 배열되게 형성된다.
상기 금속배선의 상측에는 발광 셀(204) 및 솔더 볼이 내삽된 격벽 구조체(206)가 위치한다. 여기서, 상기 격벽 구조체(206)는 절연물질로 구성된다.
상기 격벽 구조체(206)에는 가로 세로 방향으로 배열된 격벽들로 이루어지며 격벽들에 의해 다수의 소자 실장홈(208)이 배열 형태로 형성된다. 상기 다수의 소자 실장홈(208) 사이의 간격은 COB 기술에 따른 면광원 장치에 비해 넓은 간격을 가지도록 형성되어, 상기 글레어 현상을 최소화시킨다.
상기 소자 실장홈(208)에는 발광 셀(204)들이 장착된다. 여기서 본 발명의 실시예에 따른 발광 셀(208) 다수가 매트릭스 형태로 배열되므로, 상기 소자 실장홈(208) 역시 매트릭스 형태로 다수 구비된다. 상기 소자 실장홈(208)은 육면체의 발광 셀(208)의 내삽을 위한 제1개구부와, 발광 셀(208)의 전극 쌍과 금속배선 쌍을 연결하기 위한 솔더 볼이 내삽되기 위한 제2 및 제3개구부로 구성된다. 상기한 소장 실장홈에 구비되는 제1 내지 제3개구부의 구조는 제1실시예와 동일하므로, 그 상세한 도시는 생략한다.
상기 소자 실장홈(208)의 상면은 사각뿔 형태로 식각되어, 발광 셀(208)로부터의 광이 전면으로 출사되게 한다.
상기 격벽 구조체(206)는 백색 소재로 제조되어 반사층을 형성하거나, 더 나은 반사효과를 위해 반사물질을 상기 소자 실장홈(208)의 외부면에 도포하여 반사층을 형성할 수 있다.
상기 광학 패널(210)은 상기 발광 셀(208)로부터의 광을 확산하며, 내측이 오목한 형태의 렌즈가 채용된다. 또한 상기 광학 패널(210)의 배면에는 형광 물질이 도포된다.
플립 칩 또는 버티컬 칩 구조의 LED의 발광 셀(208)은 다수가 매트릭스 형태로 배열되며, 전극쌍을 통해 전극을 공급받아 발광하여 광을 출사한다. 여기서, 상기 플립 칩 또는 버티컬 칩 구조의 LED의 발광 셀(208)로는 소비전력이 0.06watt인 저전력 LED가 채용될 수 있다.
상기한 본 발명은 발광 셀과 발광 셀 사이의 거리를 크게 하여, 중대형 LED TV에도 적용가능하게 한다.
또한 본 발명의 실시예에서는 백색 면광원을 제공하는 것만을 예시하였으나, RGB LED를 채용하여 대형 디스플레이 장치를 구현할 수도 있다.
100 : 금속 기판
106 : 금속 배선
112 : 격벽 구조체
124 : 플립 칩 또는 버티컬 칩 구조의 LED의 발광 셀
130 : 광학 패널

Claims (9)

  1. LED를 이용한 면광원 장치에 있어서,
    상부 표면에 절연층이 형성된 금속 기판;
    절연물질로 구성되며, 격벽에 의해 분리된 다수 개의 소자 실장홈이 배열 형태로 형성되어 있으며, 상기 금속 기판의 상부에 배치된 격벽 구조체;
    상기 격벽 구조체의 소자 실장홈들에 각각 배치되는 다수 개의 LED 소자들;
    상기 금속 기판의 절연층의 상부 표면에 형성되되, 소자 실장홈들에 배치되는 LED 소자들의 전극들에 대응되는 위치에 형성되는 다수 개의 금속 배선;
    상기 격벽 구조체의 상면에 위치하는 광학 패널;을 구비하며,
    상기 소자 실장홈은, 상면에 LED 발광 셀을 수용하는 제1개구부;
    상기 제1개구부의 하단에 위치하여 LED 소자의 전극쌍과 상기 금속 배선 쌍을 본딩하는 솔더 볼들을 각각 수용하는 제2 및 제3개구부를 구비함을 특징으로 하는 LED를 이용한 면광원 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 격벽 구조체의 각 소자 실장홈의 측면은 사전에 설정된 일정 각도로 기울어지며, 소자 실장홈에 배치된 LED 소자의 측면으로 발산되는 광을 전면으로 반사시키는 반사층이 형성됨을 특징으로 하는 LED를 이용한 면광원 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 LED 소자들은 WLP(Wafer Level Packaging)의 LED 소자들인 것을 특징으로 하는 LED를 이용한 면광원 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광학 패널은 격벽 구조체의 각 소자 실장홈에 대응되는 위치에 각각 형성된 확산 렌즈들을 구비하는 것을 특징으로 하는 LED를 이용한 면광원 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광학 패널의 배면에는 형광물질이 도포되어, 상기 LED 소자로부터의 광을 백색광으로 변환시킴을 특징으로 하는 LED를 이용한 면광원 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 금속 기판은 알루미늄으로 구성되며, 상기 절연층은 산화층임을 특징으로 하는 LED를 이용한 면광원 장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 LED 발광셀은 RGB LED 발광셀임을 특징으로 하는 LED를 이용한 면광원 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 소자 실장홈의 전면은 사각뿔 형태로 식각됨을 특징으로 하는 LED를 이용한 면광원 장치.

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