KR20070104029A

KR20070104029A - Ｌｅｄ 모듈

Info

Publication number: KR20070104029A
Application number: KR20060036107A
Authority: KR
Inventors: 송영재; 김창욱
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2007-10-25
Also published as: KR100809225B1

Abstract

LED 모듈을 제공한다. 본 발명에 따른 LED 모듈은 인쇄회로기판과; 상기 인쇄회로기판 상에 표면실장된 적어도 하나의 LED 패키지와; 상기 LED 패키지 상면 전체 및 상기 LED 패키지에 인접한 인쇄회로기판 상면의 일부를 덮도록 상기 인쇄회로기판 상에 부착된 렌즈를 포함한다.

LED(Light Emitting Diode), LED 모듈(Light Emitting Diode Module), 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB)

Description

ＬＥＤ 모듈{LIGHT EMITTING DIODE MODULE}

도 1a 및 도1b는 각각 종래의 일례에 따른 LED 모듈의 단면도 및 평면도이다.

도 1c는 도 1a의 LED 모듈의 조도를 나타내는 그래프이다.

도 2a 및 도2b는 각각 종래의 다른 예에 따른 LED 모듈의 단면도 및 평면도이다.

도 2c는 도 2a의 LED 모듈의 조도를 나타내는 그래프이다.

도 3는 종래의 지향각 향상을 위한 렌즈의 단면도이다.

도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 일 실시형태에 따른 LED 모듈의 단면도 및 평면도이다.

도 4c는 도 4a의 LED 모듈의 조도를 나타내는 그래프이다.

도 5은 종래기술에 따른 LED 모듈과 본 발명에 따른 LED 모듈의 지향각 특성을 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

101: 인쇄회로기판 102: LED 칩

103: 렌즈 104: LED 패키지 본체부

105: 수지포장부

본 발명은 LED(Light Emitting Diode, 발광 다이오드) 모듈에 관한 것으로서, 특히 지향각을 증대시킬 수 있는 LED 모듈에 관한 것이다.

일반적으로, 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기적인 신호를 빛으로 변화시키는 LED는 다른 발광체에 비해 수명이 길고, 구동 전압이 낮으며, 소비 전력이 적다는 장점이 있다. 또한, 응답속도 및 내충격성이 우수할 뿐만 아니라 소형 경량화가 가능하다는 장점도 가지고 있다.

이러한 LED는 휴대폰 등 휴대용 전자기기의 광원으로 사용될 뿐만 아니라 최근에는 액정표시장치(Liquid Crystal Display, LCD)의 백라이트 유닛(Back Light Unit, BLU) 및 조명의 광원 등으로 사용되고 있다. 또한 다양한 색 구현이 가능하며, 고연색성, 안정성, 에너지 절약 등의 장점으로 그 적용범위가 상당히 많이 늘어나고 있다. 그러나, 보다 더 많은 분야에 사용되기 위해서는 광속(flux of light) 및 배광(light distribution) 등의 특성에 있어서 개선이 필요하다.

현재 LED를 간접조명에 적용하기 위해서는 LED의 지향각이 중요한 문제이다. LED 자체의 지향각을 증가시키는 방법으로 렌즈를 이용하여 지향각을 증가시키는 방법이 사용되고 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 일례에 다른 렌즈를 사용하지 않은 고출력 LED 패키지를 적용한 LED 모듈(LED Module)(20)의 단면도 및 평면도이다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, LED 모듈(20)은 인쇄회로기판(11)과 인쇄회로기판(11) 상에 실장된 LED 패키지(10)로 구성되며, LED 패키지(10)는 LED 칩(12)이 실장된 LED 패키지 본체부(13)와 상기 LED 칩(12)을 봉지하는 수지포장부(14)를 갖는다. 이러한 LED 모듈(20)은 약 110~120°정도의 지향각을 가지고 있다. LED 모듈(20)에서 LED와 LED 사이의 간격이 넓어지면 광의 중첩량이 적어지게 되어 광원의 균일성이 감소한다. 이와 달리, 광원의 균일성을 증가시키기 위하여 LED의 수를 늘리면 LED와 LED 사이의 간격이 좁아짐으로써 많은 열이 발생하는 문제점이 있다. 또한 많은 수의 LED를 사용함으로써 제조비용이 증가하게 되는 문제점이 있다.

도 1c는 도 1a의 LED 모듈(20)의 조도에 대한 시뮬레이션(모의 실험) 결과를 나타내는 그래프이다. 도 1c의 (a)를 참조하면, LED 모듈(20)에서 LED가 위치한 곳에서 광원이 집중되어 있다. LED가 위치한 곳에서의 광량의 집중으로 광의 중첩량이 적어지게 되어 선형광원 형태의 균일성을 가지지 못한다. 실험결과 73%의 균일성을 갖는 것으로 나타났다. 도 1c의 (b)는 X축 방향에서 시뮬레이션한 조도값을 나타낸다. 도 1c의 (b)를 참조하면, LED가 위치한 곳에서의 조도값이 LED가 위치하지 않는 곳의 조도값에 비해 더 크다. 이는 LED에서의 방출광의 지향각이 크지 않아 방출광의 중첩이 충분히 일어나지 않은 결과이다. 이와 같이 렌즈를 사용하지 않은 LED 모듈은 선형광원으로 사용하는데 문제가 있다.

도 2a 및 도 2b는 종래의 다른 일례를 따른 렌즈를 사용한 LED 모듈(40)의 단면도 및 평면도이다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, LED 모듈(40)은 인쇄회로기판(31)과 인쇄회로기판(31) 상에 실장된 LED 패키지(30)와 LED 패키지(30) 상에 형상된 렌즈(35)로 이루어진다. LED 패키지(30)는 LED 칩(32)이 실장된 LED 패키지 본체부(33)와 상기 LED 칩(32)을 봉지하는 수지포장부(34)를 갖는다. 빛을 굴절시키는 역할을 하는 렌즈(25)에 의해서 지향각이 증가한다. 이러한 LED 모듈(40)은 렌즈가 없는 LED 모듈의 지향각보다 20°정도 증가하여 대략 130~140°정도의 지향각을 갖는다. 지향각이 증가함으로써 선형광원의 균일성이 향상된다.

도 2c는 도 2a의 LED 모듈의 조도에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다. 도 2c를 참조하면, 렌즈가 없는 LED 모듈에 비해 광원이 비교적 선형광원을 형성한다. 이는 렌즈에 의해 지향각이 향상되어 LED 방출광이 중첩되어 선형광원의 균일성이 향상되었기 때문이다. 실험결과 78%의 균일성을 갖는 것으로 나타나서 렌즈가 없는 LED 모듈보다 다소 균일성이 향상된 것으로 나타났다. 도 2c의 (b)는 X축 방향에서 시뮬레이션한 조도값을 나타낸다. 도 2c의 (b)를 참조하면, 렌즈 가 없는 LED 모듈보다 균일성이 향상되었음을 알 수 있으나 여전히 LED가 위치한 곳에서의 조도값이 크게 나타나 선형광원으로 사용하는데는 문제가 있다.

LED의 지향각을 더욱 증가시키기 위해 다양한 형태의 렌즈가 개발되었다. 도 3은 지향각을 증가시키기 위해 개발된 렌즈들이다. 도 3의 (a)를 참조하면, 패키지(51) 상에 LED 칩(52)이 실장되어 있으며, 패키지(51) 상에는 렌즈(53)이 부착되어 있다. 또한 도 3의 (b)를 참조하면, 도 3의 (a)와 같이 패키지(61) 상에는 렌즈(63)이 부착되어 있다. 상기 렌즈(53, 63)는 지향각을 증가시키기 위해 복잡한 형태를 하고 있다. 이와 같이 복잡한 형태의 렌즈(33)를 형성하기 위해서는 렌즈를 제작할 수 있는 재료가 제한되며 렌즈의 사출 성형 공정이 복잡해 지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 단순한 형태의 렌즈 형상으로도 지향각을 향상시킬 수 있는 LED 모듈을 제공하는 데에 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 LED 모듈은 인쇄회로기판과; 상기 인쇄회로기판 상에 표면실장된 적어도 하나의 LED 패키지와; 상기 LED 패키지 상면 전체 및 상기 LED 패키지에 인접한 인쇄회로기판 상면의 일부를 덮도록 상기 인쇄회로기판 상에 부착된 렌즈를 포함한다. 상기 LED 패키지는 실장영역을 갖는 LED 패키지 본체부와, 상기 실장영역에 실장된 LED 칩과, 상기 LED 칩을 봉지하는 수지포장부를 갖는다. 바람직하게는 상기 수지포장부는 형광체를 포함할 수 있으며 또한 확산제를 포함할 수 있다.

상기 렌즈는 오목한 형태, 볼록한 형태, 또는 반구형상일 수 있다. 상기 렌즈는 에폭시 수지, 실리콘 수지, 우레탄계 수지 또는 그 혼합물로 이루어질 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나. 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 일 실시형태에 따른 LED 모듈(200)의 단면도 및 평면도이다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명에 따른 LED 모듈(200)은 인쇄회로기판(101)과 인쇄회로기판(101) 상에 실장된 LED 패키지(100)와 상기 LED 패키지(100) 상면 전체 및 상기 LED 패키지(100)에 인접한 인쇄회로기판(101) 상면의 일부를 덮도록 상기 인쇄회로기판(101) 상에 부착된 렌즈를 포함한다. 상기 LED 패키지(100)는 실장영역을 갖는 LED 패키지 본체부(104)와, 상기 실장영역에 실장된 LED 칩(102)과, 상기 LED 칩(102)을 봉지하는 수지포장부(105)를 갖는다.

상기 인쇄회로기판(101) 상면에는 LED 패키지(104)의 금속패턴(미도시)과 전기적으로 연결될 수 있는 금속배선(미도시)이 형성되어 있다. 전극배선은 도전성 비아홀을 통해 배면 전극에 연결된 전극구조로 이해될 수 있다.

상기 LED 칩(102)은 반도체에 전압을 가할 때 생기는 발광현상('전기장발광'이라고도 함)을 이용하여 빛을 발생시키는 발광소자이다. 상기 LED 칩(102)의 재료로는 발광 파장이 가시 또는 근적외영역에 존재하고, 발광효율이 높으며, p-n 접합의 제작이 가능할 것 등의 조건을 만족시키는 재료들이 적합하다. 이러한 재료로는 질화갈륨(GaN), 비소화갈륨(GaAs), 인화갈륨(GaP), 갈륨-비소-인(GaAs1-x Px), 갈륨-알류미늄-비소(Ga1-xAlxAs), 인화인듐(InP), 인듐-갈륨-인(In1-xGaxP) 등의 화합물 반도체들이 사용되고 있다.

발광은 크게 나누어 자유캐리어의 재결합에 의한 것과 불순물 발광중심에서의 재결합에 의한 것이 있다. 이때, 불순물 발광중심에의 재결합에 의해 발생되는 빛의 파장은 반도체에 첨가되는 불순물의 종류에 따라 달라지게 된다. 예를 들어, 인화갈륨인 경우에는 아연 및 산소 원자가 관여하는 발광은 적색(파장 700nm)이고, 질소 원자가 관여하는 발광은 녹색(파장 500nm)이다. 즉, 불순물의 종류와 반도체 재료에 따라 상기 LED 칩(102)으로부터 발생되는 빛은 각기 다른 고유의 색(파장)을 지니게 된다. LED 칩(102)에서 발생하는 빛은 수지포장부(105)의 형광체(미도시)에 의해 백색광을 낼 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.

상기 LED 패키지 본체부(104)는 내부에 LED 칩(102)를 실장할 수 있는 캐비티가 형성되어 있으며, LED 칩(102)과 전기적으로 연결될 수 있는 전기패턴(미도시)을 갖고 있다. 여기서, 상기 캐비티가 형성된 부분은 일정한 각도로 경사를 이루도록 하여 빛을 모을 수 있는 구조로 형성할 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않으며 LED 패키지 본체부(104)는 칩 실장을 위한 컵구조를 갖는 다른 LED 패키지 본체부일 수 있다.

LED 패키지 본체부(104)는 전형적으로 열가소성 수지로 이루어진다. 열가소성 수지로서는, 예컨대 나일론계인 것으로, 불활성의 결합기를 갖는 것을 이용할 수 있다. 열가소성 수지로서는, 예컨대 액정폴리머(LCP), 열가소성 플리스틱(폴리페닐렌설파이드, PPS), 결정성 폴리스티렌(신디오타크틱폴리스티렌, SPS) 등의 고내열성 수지를 이용할 수 있다.

LED 패키지 본체부(104) 상에 형성된 전기패턴(미도시)은 다이본딩부(미도 시)와 와이어 본딩부(미도시)로 이루어진다. 다이본딩부와 와이어본딩부는 LED 패키지 본체부(104) 상에 얇은 판으로서 형성되며, 일정한 간격으로 이격되어 배열됨으로써 서로 다른 전극을 구성할 수 있게 된다.

상기 LED 칩(102)은 은 에폭시(Ag epoxy)나 공융접합체(entectic solder)와 같은 접착수단으로 다이본딩부상에 고정될 수 있다. 상기 LED 칩(102)과 전극패턴은 와이어(미도시)로 연결될 수 있으나, 이와 달리 플립칩 방식으로 연결될 수도 있다.

수지포장부(105)는 LED 칩(102)을 봉지하도록 LED 패키지 본체부(104)의 캐비티에 형성된다. 수지포장부(105)는 에폭시 수지, 실리콘계 수지 또는 그 혼합수지로 이루어질 수 있다. 이러한 수지포장부(104)의 투입공정으로는 디스펜싱(dispensing)공정과 같은 공지의 공정이 이용될 수 있다.

수지포장부(105)에는 형광체(미도시)가 포함될 수 있다. 형광체는 LED 칩(102)에서 방출된 빛을 흡수하여 발광하거나 다른 형광체로부터 방출된 빛을 흡수하여 발광하는 재료이다. 백색광은 적색, 녹색, 청색의 3원색의 혼합 또는 보색관계에 있는 2색의 혼합에 의해 실현할 수 있다. 3원색에 의한 백색광은 LED 칩(102)이 방출한 1차광을 흡수하여 적색을 발광하는 제1 형광체와, 녹색을 발광하는 제2 형광체 및 청색을 방출하는 제3 형광체를 이용함으로써 실현할 수 있다. 또 한 청색광을 방출하는 LED 칩(102)과, 그 청색광을 흡수하여 적색을 발광하는 제1 형광체와 녹색을 발광하는 제2 형광체를 이용하여 1차광과 2차광을 혼합시켜 실현할 수 있다.

보색에 의한 백색발광은, 상술한 구체예 외에, 예컨대 LED 칩(102)으로부터 1차광을 흡수하여 청색을 발광하는 제1 형광체와 그 청색광을 흡수하여 황색을 발광하는 제2 형광체를 이용하거나, LED 칩(102)으로부터의 발광을 흡수하여 녹색을 발광하는 제1 형광체와 그 녹색광을 흡수하여 적색을 발광하는 제2 형광체를 이용함으로써 실현할 수 있다.

청색 형광체에는 ZnS:Ag, ZnS:Ag+In₂O₃, ZnS:Zn+In₂O₃, (Ba, Eu)MgAl₁₀O₁₇ 등이 있으며, 녹색 형광체에는 ZnS:Cu, Y₂Al₅O₁₂:Tb, Y₂O₂S:Tb 등이 있으며, 적색 형광체에는 Y₂O₂S:Eu, Y₂O₃:Eu, YVO₄:Eu 등이 있다. 또한 황색 형광체로는 YAG:Ge, YAG:Ce 등이 있다.

수지포장부(103)에는 빛을 산란시키는 산란제나 확산제를 분산시킬 수 있다. 수지포장부(103)에 분산된 산란제나 확산제에 의해 빛을 산란 또는 확산시켜 광범위한 배광특성을 얻을 수 있으며, 이에 따라 지향각을 더욱 증가시킬 수 있다.

상기 렌즈(103)는 상기 LED 패키지(100) 상면 전체 및 LED 패키지(100)에 인접한 인쇄회로기판(101) 상면의 일부를 덮도록 상기 인쇄회로기판(101) 상에 부착된다. 이와 같이 넓게 렌즈를 형성함으로써 지향각을 증가시킬 수 있다. 따라서, 각각의 LED 모듈(200)의 지향각이 증가하게 되면, LED 모듈의 선형광원 균일성이 개선된다. 렌즈(102)의 형태는 지향각을 크게 하기 위해 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 렌즈(102)는 볼록하거나 오목한 형상을 가질 수 있으며 또는 반구형상일 수 있다. 렌즈는 위로 볼록할 수 록 지향각이 좁아지게 된다. 상기 렌즈(102)는 주형을 통해서 제작될 수 있다. 렌즈(102)의 재료는 에폭시, 실리콘 수지, 우레탄계 수지 또는 그 혼합물로 이루어질 수 있다. 주형에 의해 제작된 렌즈(102)는 접착제에 의해 인쇄회로기판(101) 상에 부착된다. 접착제는 투명한 에폭시 수지가 바람직하다. 렌즈(102)의 굴절률은 수지포장부(105)의 굴절률보다 작은 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 굴절률차이에서 발생할 수 있는 전반사를 억제하여 광추출효율을 증가시킬 수 있다.

도 4c는 도 4a의 LED 모듈의 조도에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다. 도 4c의 (a)를 참조하면, LED(102)가 위치한 곳에서의 광원의 집중도가 낮아져서 비교적 선형광원과 유사하게 광원들이 분포되는 것을 확인할 수 있다. 이는 인쇄회로기판(101)의 일부까지 덮는 렌즈(103)를 통한 굴절에 의해 지향각이 향상되어 각 LED 칩(102)에 방출되는 빛이 중첩되어 균일성이 증대되었기 때문이다. 시뮬레이션 결과 대략 85%정도의 균일성을 가지는 것으로 나타났다. 도 4c의 (b)는 X 축 방향에서 측정된 LED 모듈의 조도를 나타내는 그래프이다. 도 4c의 (b)를 참조하면, LED 모듈(200) 전체에서 고른 조도값을 나타내는 것을 확인할 수 있다. LED 칩(102)이 위치한 곳이나 위치하지 않은 곳에서 비슷한 조도값을 나타냄으로써 선형광원으로 사용될 수 있다.

도 5은 종래의 LED 모듈과 본 발명에 따른 LED 모듈의 지향각 특성을 나타내는 그래프이다. 종래기술 1은 도 1a의 렌즈가 없는 LED 모듈(20)이고, 종래기술 2는 도 2a의 렌즈가 있는 LED 모듈(40)이다. 본 발명은 도 4a의 실시형태이다. 도 5을 참조하면, 본 발명의 지향각의 특성은 종래기술 1과 종래기술 2의 지향각에 비해 향상되었음을 확인할 수 있다. 이는 LED 패키지(100) 뿐만 아니라 인쇄회로기판(101)의 일부까지 덮는 렌즈(103)에 의해 LED 칩(102)에서 방출되는 빛이 굴절되어 넓게 퍼지기 때문이다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 패키지를 포함하여 패키지가 실장된 인쇄회로기판의 주변부까지 덮는 렌즈를 부착함으로써, LED 방출광의 지향각을 개선시킬 수 있으며, 선형 LED 모듈인 경우에는 선형광원의 균일성이 증가하게 된다.

Claims

인쇄회로기판;

상기 인쇄회로기판 상에 표면실장된 적어도 하나의 LED 패키지; 및

상기 LED 패키지 상면 전체 및 상기 LED 패키지에 인접한 인쇄회로기판 상면의 일부를 덮도록 상기 인쇄회로기판 상에 부착된 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 모듈.
제1항에 있어서,

상기 LED 패키지는 실장영역을 갖는 LED 패키지 본체부와, 상기 실장영역에 실장된 LED 칩과, 상기 LED 칩을 봉지하는 수지포장부를 갖는 것을 특징으로 하는 LED 모듈.
제1항에 있어서,

상기 수지포장부는 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 모듈.
제1항에 있어서,

상기 수지포장부는 확산제를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 모듈.
제1항에 있어서,

상기 렌즈는 오목한 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 LED 모듈.
제1항에 있어서,

상기 렌즈는 볼록한 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 LED 모듈.
제1항에 있어서,

상기 렌즈는 반구형인 것을 특징으로 하는 LED 모듈.
제1항에 있어서,

상기 렌즈는 에폭시 수지, 실리콘 수지, 우레탄계 수지 또는 그 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 LED 패키지.