KR101711892B1 - 열전도율이 우수한 플라스틱 사출수지 조성물 및 이를 적용한 led패키지 - Google Patents

열전도율이 우수한 플라스틱 사출수지 조성물 및 이를 적용한 led패키지

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Abstract

본 발명은 기존 사출수지 대비 열전도율을 획기적으로 개선된 LED패키지의 외형을 구성하는 플라스틱 사출수지를 성형하는 열전도율이 우수한 플라스틱 사출수지 조성물 및 이를 적용한 LED패키지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유리섬유(Glass Fiber)와 이산화티타늄(TiO2)를 일정량 함유하는 고분자 수지 100중량부에 대하여, 열전도성 필러 6~12중량부를 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전도율이 우수한 플라스틱 사출수지 조성물 및 이를 적용한 LED패키지가 제공된다.

Description

열전도율이 우수한 플라스틱 사출수지 조성물 및 이를 적용한 LED패키지{Plastic injection resin composition having excellent thermal conductivity and LED package using it}
본 발명은 열전도율이 우수한 플라스틱 사출수지 조성물 및 이를 적용한 LED패키지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존 사출수지 대비 열전도율을 획기적으로 개선된 LED패키지의 외형을 구성하는 플라스틱 사출수지를 성형하는 플라스틱 사출수지 조성물 및 이를 적용한 LED패키지에 관한 것이다.
기존 가정용 조명, TV 및 전장용의 발광 소재로써, 저전력 소모 및 우수한 광 효율을 보이는 발광다이오드(LED; Light Emitting Diode)는 차세대 광원을 대체할 주자로 많은 각광을 받고 있다. 이러한 고효율의 LED에 대한 다양한 응용을 위하여 출력이 증가됨에 따라 발열 등의 이슈를 해결하기 위해 많은 기술이 도입되고 있다.
현재 LED칩 구동으로 발생하는 열에 의한 광 손실 및 수명저하를 유발하는 방열 기술을 개선하기 위하여 방열판의 증가 및 방열 소재의 열용량 개선 등이 다양하게 진행되고 있으나, LED패키지(LED Package)의 사이즈(Size) 증가 또는 소재 개선의 한계로 LED 소재의 발열을 효과적으로 방열하지 못하여 고출력 LED생산이 제한되고 있는 실정이다. 또한 별도의 히트싱크(Heat Sink)를 적용하여 LED제조 비용 상승의 원인이 되기도 한다.
종래의 고출력 LED를 구현하기 위하여 칩(Chip)에서 발생하는 열을 효율적으로 방열하는 다양한 방법이 하기와 같은 방식으로 구현되었다. 칩의 발열을 해결하기 위하여 방열판을 확장하거나, 메탈 기판층을 기형적으로 크게(예, COB)하는 등의 구조적 변경을 시도하는 방식을 적용하고 있다.
또한, 래터럴칩(Lateral Chip)의 경우 고 열용량의 증착층(Adhesion Layer)을 적용하거나, 칩 하단부에 반사메탈 형성 후 메탈 증착(Adhesion)으로 구성하는 방식을 적용하였다. 칩에서 발생하는 열이 사파이어층으로 집중되는 것을 해결하기 위하여 사파이어층을 바꾸는 수직 칩구조 또는 플립칩(Flip Chip)구조 등을 적용하여 발열을 해결하기도 하였다. 하지만, 리드프레임타입(Lead Frame Type) LED패키지 또한 고출력량으로 진행되면서 발열에 대한 해결이 필요하나, 래터럴칩의 기본 구조에 리드(Lead)에만 의존하는 등 방열 기술에 제한적이었다.
1. 대한민국공개특허공보 제10-2009-0088134호 2. 대한민국공개특허공보 제10-2011-0003706호 3. 대한민국공개특허공보 제10-2013-0063108호 4. 대한민국공개특허공보 제10-2016-0089891호
본 발명에서는 LED Package Size 및 제한된 방열소재로 인한 고출력 LED 제작을 효율적으로 개선하기 위하여 방열판 외에 지지기판으로의 방열을 확대하여 LED Size 확대 및 추가 비용을 최소화하여 방열이 우수한 고출력 LED 를 구현하고자 하였다.
이를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 LED패키지를 구성하는 플라스틱 사출수지를 형성함에 있어 열전도율이 1W/mK이하의 기존 사출대비 열전도성이 우수한 열전도성 필러를 첨가하여 열전도율이 1W/mK이상으로 개선되면서 광 효율 또한 개선된 우수한 열전도율 및 광반사 특성을 가지는 플라스틱 사출수지 조성물을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.
또한, 본 발명에서는 열전도율이 개선된 플라스틱 사출수지를 적용하여 LED패키지의 외형(이하, '몰드'라 한다)을 구성함으로써 LED패키지의 우수한 방열성을 확보하고, 광반사 특성이 향상된 경제성 있고 외관이 우수한 LED패키지를 제공하는 것을 다른 해결과제로 한다.
상기한 과제를 해결한 본 발명의 열전도율이 우수한 플라스틱 사출수지 조성물은 유리섬유(Glass Fiber)와 이산화티타늄(TiO2)를 일정량 함유하는 고분자 수지 100중량부에 대하여, 열전도성 필러 6~12중량부를 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 고분자수지는 폴리프탈아마이드(Polyphthalamide; PPA), 열가소성 폴리에스터 엔지니어링 수지(Thermiplastic Polyester Engineering Resins; PCT 수지)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 열전도성 필러는 입자크기 1~100㎛의 크기를 가지는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크로뮴(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 납(Pd), 은(Ag), 카드뮴(Cd), 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 메탈파우더(Metal Powder)인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 열전도성 필러는 입자크기 1~100㎛ 크기의 그라핀(Graphine) 또는 탄소나노튜브(CNT)인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는 상기 열전도율이 우수한 플라스틱 사출수지 조성물을 적용한 몰드를 포함하여 구성되는 LED패키지를 제공한다.
또한, 본 발명에서는 상기 열전도율이 우수한 플라스틱 사출수지 조성물이 적용된 몰드를 포함하는 LED패키지로 구성된 조명기구를 제공한다.
본 발명에서 제공되는 열전도율이 우수한 플라스틱 사출수지 조성물을 적용함으로써 방열판 외에 지지기판으로의 방열을 확대하여 LED Package Size 및 제한된 방열소재로 인한 고출력 LED 제작을 효율적으로 개선하고, LED Size 확대 및 추가 비용을 최소화하여 방열이 우수한 고출력 LED를 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명의 열전도율이 우수한 플라스틱 사출수지 조성물을 적용한 LED패키지의 기본구조를 도시한 것이다.
도 2 는 본 발명의 열전도율이 우수한 플라스틱 사출수지 조성물을 적용한 LED패키지의 다른 실시형태의 변형구조를 도시한 것이다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에서는 LED Package Size 및 제한된 방열소재로 인한 고출력 LED 제작을 효율적으로 개선하기 위하여 방열판 외에 지지기판으로의 방열을 확대하여 LED Size 확대 및 추가 비용을 최소화하여 방열이 우수한 고출력 LED를 구현하기 위해 안출한 것이다.
방열 효율을 개선해야 하는 Lead Frame Type LED는 플라스틱 사출 수지로 외형을 구성하고 있다. 플라스틱 사출 수지는 LED 제품 기준, 전극으로 분리된 금속재질의 Lead 단자를 연결하며, R, G, B 각 파장의 반사율을 극대화하여 광 효율을 개선하고자, 주로 Glass Fiber, TiO2 및 Base 수지 등으로 구성되어 있다. 하지만, 기본 구성인 Polymer 재질의 성분으로 인하여 방열에 기여하는 바는 미미하였다. 이에 본 발명의 발명자들은 열전도도가 기존 사출수지 대비 열전도성 필러로 Metal Powder를 수지대비 일정량 첨가하여 열전도율이 개선되고 (1W/mK 이상) 동시에 광반사율이 우수한 플라스틱 수지를 적용하여 방열 효과 및 광반사율을 개선하고자 본 발명을 완성하였다.
본 발명에 따른 열전도율이 우수한 플라스틱 사출수지 조성물은 유리섬유(Glass Fiber)와 이산화티타늄(TiO2)를 일정량 함유하는 고분자 수지 100중량부에 대하여, 열전도성 필러 3~15중량부를 혼합하여 이루어지는 것에 그 기술적 특징이 있으며, 보다 바람직한 실시형태로 상기 열전도 필러의 혼합량은 6~12중량부인 것이 더욱 좋다.
만일, 상기 열전도성 필러의 함량이 6중량부 미만일 경우에는 반사율은 90%이상 확보가 가능하나, 열전도율이 본발명이 목적하는 1W/mK 이하가 되는 단점이 있고, 15중량부를 초과할 경우에는 10W/mK이상의 우수한 열전도율을 가지나 반사율이 85%이하가 되어 광반사율이 낮아지는 단점이 있다.
상기 고분자 수지에 함유된 유리섬유와 이산화티타늄은 수지의 강성 증가 및 백색도를 높이기 위한 것으로, 그 함량은 특별히 한정하는 것은 아니며, 본 발명을 저해하지 않는 범위내에서 통상 LED패키지용 사출수지에 적용되는 함량이 적용되어 혼합된 통상의 고분자 수지를 사용하였다. 바람직하게는 상기 고분자 수지 총량에 대하여 유리섬유 5 ~ 30중량%, 이산화티타늄 5 ~ 50중량%를 포함하는 수지를 적용하는 것이 좋다.
본 발명에 따르면, 상기 고분자수지는 폴리프탈아마이드(Polyphthalamide; PPA), 열가소성 폴리에스터 엔지니어링 수지(Thermiplastic Polyester Engineering Resins; PCT 수지)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용한다.
본 발명에 따르면, 바람직하게 상기 열전도성 필러는 입자크기 1~100㎛의 크기를 가지는 것으로, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크로뮴(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 납(Pd), 은(Ag), 카드뮴(Cd), 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 메탈파우더(Metal Powder)를 사용한다. 보다 바람직하게는 상기 메탈파우더의 입자크기는 1~100㎛, 더욱 좋게는 2~50㎛의 입자크기를 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 만일, 상기 메탈파우더의 입자크기가 1㎛미만 또는 100㎛를 초과할 경우 제품 구현을 위한 사출시 유동성을 저해할 단점이 있다.
본 발명에 따르면, 상기 열전도성 필러는 입자크기 1~100㎛ 크기의 그라핀(Graphine) 또는 탄소나노튜브(CNT)를 사용할 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 입자크기는 2~50㎛의 입자크기를 가지는 것을 사용하는 것이 좋다. 만일, 그 입자크기가 1㎛미만 또는 100㎛를 초과할 경우 제품 구현을 위한 사출시 유동성을 저해할 단점이 있다.
본 발명에 따르면, 상기 조성물에 선택적으로 내흡수성수지, 산화방지제, 광 안정제, 이형제, 가소제, 핵형성제, 안료, 가교제, 형광증백제 등을 더 첨가하거나, 개질을 하는 것도 가능하다.
이하, 본 발명의 플라스틱 사출수지 조성물을 적용한 일 예로서 일 구현예에 따른 LED패키지를 도 1 및 2를 참고하여 설명한다.
도 1 은 본 발명의 플라스틱 사출수지 조성물이 적용된 LED패키지의 기본 구조로, LED패키지(100)는 상기 플라스틱 사출수지 조성물을 사용하여 사출하여 형성되어 외관을 구성하는 몰드(110); 상기 몰드(110)내에 배치되는 리드 프레임 등의 도전층(120, 130); 상기 도전층(130)상에 실장되어 배치되는 LED칩(140); 상기 리드프레임(120, 130)과 LED칩을 연결하는 본딩와이어(150); LED칩을 덮고 있는 봉지재(160)로 구성된다. 이때, 상기 도전층(120)과 도전층(130)의 사이에 사출수지가 배치되어 형성된다.
상기 몰드(110)는 본 발명의 사출수지 조성물이 적용된 것으로 열전도율이 1W/mK이상이고, 반사율이 90%이상을 가지게 됨으로써, 열전도 효율 뿐만 아니라 광반사율이 매우 우수한 물성을 확보하게 된다. 이때, 상기 몰드는 생산자의 목적 또는 요구되는 열전도율 및 반사율에 따라 상기 사출수지를 열전도율이 1W/mK 이상이고, 반사율이 90% 이상을 갖는 고분자수지를 적용하거나, 또는 열전도율이 2W/mK 이상이고, 반사율이 90% 이상을 갖는 고분자수지를 적의 선택하여 적용할 수 있는 것이다. 그에 따라 고효율 및 고방열의 LED패키지를 제공할 수 있는 것이다.
도 2의 (a) 및 (b)는 본 발명의 플라스틱 사출수지가 적용된 몰드의 구성과 리드프레임의 구성의 변형된 구조를 도시한 것으로, 이에 한정하지 않고, LED패키지의 구조는 다양하게 변형하여 구성될 수 있는 것이다.
도 1 및 2는 리드프레임타입 LED패키지의 일예로, 이외에도 플립칩(Filp Chip) 타입 LED패키지 또는 버티컬칩(Vertical Chip) 타입 LED패키지 등에도 적용가능하다.
바람직하게 상기 몰드(110)를 형성하는 플라스틱 사출수지의 열전도율을 개선하기 위하여 열전도성 필러가 특정부위에 집중되어 통전되는 것을 방지하기 위하여 리드프레임과 몰드사이에 절연층을 구성하여 분리될 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 열전도율이 우수한 플라스틱 사출수지 조성물이 적용된 몰드를 포함하는 LED패키지는 다양한 LED조명기구에 사용되어질 수 있는 것이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 보다 상세히 설명하기로 한다. 단 하기의 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 예시로서 하기 실시예로 본 발명을 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 얼마든지 변형가능한 것이다.
[실시예 1~3]
수지 총량에 대하여 유리섬유 5 ~ 30중량%, 이산화티타늄 5 ~ 50중량%를 포함하는 폴리프탈아마이드(Polyphthalamide; PPA)를 준비하고, 열전도성 필러로 5~ 100㎛의 입자크기를 가지는 알루미늄 분말(실시예1), 구리분말(실시예2), 은 분말(실시예3)의 열전도성 필러를 준비하여, 상기 PPA수지 100중량부에 대하여 상기 각각의 열전도성 필러를 0~30중량부를 포함하도록 혼합하여 펠렛 상태로 제조하였다. 수득된 펠렛을 충분히 제습건조하여 사출기로 열전도도 및 광 반사율을 측정하기위한 시편을 얻었으며, 열전도성 필러의 함량에 따른 반사율과 열전도율 변화를 측정하여 보았으며, 그 결과는 표 1에 나타내었다.
이때, 열전도도 측정은 ASTM E1461의 측정방법을 사용하였고, 광 반사율은 스펙트로메터의 D65 광원을 이용한 전반사율을 측정하는 방법으로 측정하여 그 측정결과를 얻었다.
구 분 실시예1 실시예2 실시예3
열
전
도
율
(W/mK)		 0 0.17 0.30 0.31
3 0.45 0.70 0.79
6 1.03 1.71 1.79
10 2.05 3.47 3.63
15 2.65 4.51 4.72
20 3.45 5.80 6.01
30 6.05 9.89 10.12
반
사
율
(%)		 0 97.5 97.5 97.5
3 96.1 95.8 96.3
6 94.5 93.7 95.1
10 92.5 91.5 93.2
15 90.1 89.5 90.8
20 83.4 77.5 84.7
30 70.5 58.7 72.2
상기 표 1의 결과로 살펴본 바, 열전도성 필러의 첨가량에 따라 반사율과 열전도율의 변화를 측정한 결과, 메탈파우더 또는 탄소나노튜브 함량이 PPA수지 100중량부 대비 3중량부이상 포함되도록 혼합시 반사율은 90%이상으로 보이며, 열전도율은 1W/mK 이상으로써, LED광효율 감소를 최소화하며, 매우 우수한 방열효율 효과를 볼 수 있는 것을 알 수 있었다. 그 측정결과를 살펴본 바, 바람직하게 열전도성 필러의 함량이 PPA수지 100중량부에 대하여 6~15중량부의 범위에서 반사율이 90%이상의 효과를 볼 수 있으며, 그 이상에서는 열전도율이 증가하지만 반사율이 90%이하로 감소하므로 고효율 및 고방열 LED에 효과적이라고 볼 수 없음을 알 수있었다.
이상에서 본 발명에 기재된 구체적인 실시예를 중심으로 상세히 설명하였지만, 본 발명의 범주 및 기술사상의 범위내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정은 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
100: LED 패키지
110: 몰드
120, 130: 리드프레임
140: LED칩
150: 본딩와이어
160: 봉지재

Claims (10)

  1. LED패키지용 플라스틱 사출수지 조성물에 있어서,
    유리섬유(Glass Fiber)와 이산화티타늄(TiO2)를 일정량 함유하는 고분자 수지 100중량부에 대하여, 열전도성 필러 6~15중량부를 혼합하여 이루어지되,
    상기 고분자수지는 폴리프탈아마이드(Polyphthalamide; PPA), 열가소성 폴리에스터 엔지니어링 수지(Thermiplastic Polyester Engineering Resins; PCT 수지)로 이루어진 군에서 선택되고,
    상기 열전도성 필러는 입자크기 1~100㎛의 크기를 가지는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크로뮴(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 납(Pd), 은(Ag), 카드뮴(Cd), 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 메탈파우더(Metal Powder)로 구성되어,
    열전도율이 1W/mK 이상이고, 반사율이 90% 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 열전도율이 우수한 플라스틱 사출수지 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전도성 필러는 입자크기 1~100㎛ 크기의 그라핀(Graphine) 또는 탄소나노튜브(CNT)인 것을 특징으로 하는 열전도율이 우수한 플라스틱 사출수지 조성물.
  5. 청구항 제1항 또는 제4항 중 어느 한 항 기재의 열전도율이 우수한 플라스틱 사출수지 조성물을 적용한 몰드를 포함하여 구성되는 도전층상에 실장되어 배치되는 LED칩을 포함하는 LED패키지.
  6. 청구항 제5항의 열전도율이 우수한 플라스틱 사출수지 조성물이 적용된 몰드를 포함하는 LED패키지로 구성된 조명기구.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 LED칩은 Epi-Up Chip, Vertical Chip, Flip Chip으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 칩을 포함하는 LED패키지.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 LED칩을 구성하는 LED는 측면발광 LED, Top View LED, High Power LED, COB LED, CSP LED중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 LED패키지.
  9. 삭제
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 몰드는 열전도율이 2W/mK 이상이고, 반사율이 90% 이상을 갖는 고분자수지를 포함하는 LED 패키지.
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