WO2014077631A1 - Led 조명장치 - Google Patents

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WO2014077631A1
WO2014077631A1 PCT/KR2013/010422 KR2013010422W WO2014077631A1 WO 2014077631 A1 WO2014077631 A1 WO 2014077631A1 KR 2013010422 W KR2013010422 W KR 2013010422W WO 2014077631 A1 WO2014077631 A1 WO 2014077631A1
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WO
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layer
heat dissipation
led
led chip
lighting device
Prior art date
Application number
PCT/KR2013/010422
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English (en)
French (fr)
Inventor
박병규
박재현
이종국
서일경
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서울반도체 주식회사
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Publication date
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Priority claimed from KR1020120131752A external-priority patent/KR20140070710A/ko
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21K—NON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21K9/00—Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
    • F21K9/20—Light sources comprising attachment means
    • F21K9/27—Retrofit light sources for lighting devices with two fittings for each light source, e.g. for substitution of fluorescent tubes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V19/00—Fastening of light sources or lamp holders
    • F21V19/001—Fastening of light sources or lamp holders the light sources being semiconductors devices, e.g. LEDs
    • F21V19/003—Fastening of light source holders, e.g. of circuit boards or substrates holding light sources
    • F21V19/0045—Fastening of light source holders, e.g. of circuit boards or substrates holding light sources by tongue and groove connections, e.g. dovetail interlocking means fixed by sliding
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V29/00—Protecting lighting devices from thermal damage; Cooling or heating arrangements specially adapted for lighting devices or systems
    • F21V29/50—Cooling arrangements
    • F21V29/502—Cooling arrangements characterised by the adaptation for cooling of specific components
    • F21V29/507—Cooling arrangements characterised by the adaptation for cooling of specific components of means for protecting lighting devices from damage, e.g. housings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2103/00—Elongate light sources, e.g. fluorescent tubes
    • F21Y2103/10—Elongate light sources, e.g. fluorescent tubes comprising a linear array of point-like light-generating elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the present invention relates to an LED lighting device that can replace a fluorescent lamp, and more particularly, to an LED lighting device having excellent light uniformity while applying a smaller number of LED packages than conventional fluorescent lighting LED lighting devices. will be.
  • a fluorescent lamp is a lighting device that converts electrical energy into light energy and provides light to identify an object indoors or outdoors at night.
  • fluorescent lamps have a larger energy consumption than LEDs, and have a short lifespan, so the amount of light rapidly decreases over time, and thus periodic management is required.
  • fluorescent lamps may cause environmental pollution due to mercury that may occur when discarding them.
  • an LED lighting device having a light emitting diode (LED) which has a semi-permanent life, low power consumption, and high efficiency illuminance can be obtained. Is being developed. This LED lighting device is expected to replace the existing fluorescent lamps.
  • LED light emitting diode
  • FIG 1 schematically shows a cross section of a conventional fluorescent lamp type LED lighting device.
  • the conventional fluorescent type LED lighting device 10 is disposed in the housing 20, the housing 20 of the long cylindrical shape similar to the appearance of the conventional fluorescent lamp, the plurality of LED package 30 is It includes a printed circuit board (PCB) 40 mounted in an array form.
  • the LED package 30 is mounted on the PCB 40 using Surface Mounting Technology (SMT) using screen printing and reflow.
  • SMT Surface Mounting Technology
  • the LED chip 31 is disposed in the LED chip receiving portion 33 above the package body 32, and is surrounded by the reflector 34 formed along the circumference of the package body 32.
  • the part 33 is molded with the sealing material 35 which mixed resin, such as silicone, and fluorescent substance.
  • the diameter and length, such as the diameter and length should be the same as the existing fluorescent lamp in order to be installed directly in the installation position of the existing fluorescent lamp without a separate replacement. Accordingly, the spacing between the LED package 30 and the housing 20 is limited, and the spacing between the LED packages 30 is also limited to produce a fluorescent lamp type LED lighting apparatus having a high light uniformity. Therefore, a large number of LED packages 30 are required in one fluorescent lamp type LED lighting device. For example, a typical bar type fluorescent lamp has a length of 120 cm and when the fluorescent type LED lighting device is manufactured in accordance with this standard, about 120 to 140 LED packages are required to secure light uniformity. Done.
  • An object of the present invention is to provide an LED lighting device having the same or better light uniformity as in the prior art, while reducing the number of LED packages and improving the productivity and cost competitiveness of the product. It is done.
  • an object of the present invention is to provide an LED lighting device that is formed farther from the LED light source to the cover than in the prior art.
  • an object of the present invention is to provide an LED lighting device that is applied to the LED chip having a wider light directivity than in the prior art.
  • the heat radiation frame A substrate coupled to a lower side of the heat dissipation frame and having a plurality of LED chips mounted on a surface thereof; And a cover coupled to a lower portion of the heat dissipation frame so as to protect the substrate, wherein the cover is configured to transmit light emitted from the LED chip, wherein the LED chip comprises: a first conductivity type semiconductor layer; A plurality of mesas spaced apart from each other on the first conductive semiconductor layer, each of the mesas including an active layer and a second conductive semiconductor layer; Reflective electrodes positioned on the plurality of mesas, respectively, for ohmic contact with a second conductivity-type semiconductor layer; And openings covering the plurality of mesas and the first conductivity type semiconductor layer, the openings being located in the upper region of each mesa and exposing the reflective electrodes, ohmic contacting the first conductivity type semiconductor layer, and the plurality of mesas. And
  • the reflective electrodes may each include a reflective metal layer and a barrier metal layer, and the barrier metal layer may cover the top and side surfaces of the reflective metal layer.
  • the LED chip may further include an upper insulating layer covering at least a portion of the current spreading layer and having openings exposing the reflective electrodes; And a second pad disposed on the upper insulating layer and connected to the reflective electrodes exposed through the openings of the upper insulating layer.
  • the LED lighting apparatus may further include a first pad connected to the current spreading layer.
  • the LED chip may further include a lower insulating layer positioned between the plurality of mesas and the current spreading layer to insulate the current spreading layer from the plurality of mesas. It may have openings located in the mesa upper region and exposing the reflective electrodes.
  • each of the openings of the current spreading layer may have a wider width than the openings of the lower insulating layer so that all of the openings of the lower insulating layer are exposed.
  • the LED chip may further include an upper insulating layer covering at least a portion of the current spreading layer and having openings exposing the reflective electrodes, wherein the upper insulating layer is formed on sidewalls of the openings of the current spreading layer. Can be covered
  • the heat dissipation frame may include a support part on which the substrate is seated, a first rail formed on both sides of the support part in a width direction thereof, and on which both sides of the first rail slide;
  • Each of the cover may include a second rail to which the top of the cover is slide coupled.
  • the heat dissipation frame may further include a heat dissipation unit formed on an upper portion of the support unit such that a space is formed between the support unit.
  • the heat dissipation part may include a pair of extension parts extending upwardly from both sides in the width direction of the support part, and a connection part connecting the upper ends of the pair of extension parts in an arc shape in cross section.
  • the heat dissipation part may further include a plurality of heat dissipation fins spaced apart from each other in a width direction or a length direction of the heat dissipation part on a surface thereof.
  • the heat radiation frame A substrate coupled to a lower side of the heat dissipation frame and having a plurality of LED chips mounted on a surface thereof; And a cover coupled to a lower portion of the heat dissipation frame so as to protect the substrate, wherein the cover is configured to transmit light emitted from the LED chip, wherein the LED chip includes a semiconductor layer including an active layer, and the semiconductor layer on the semiconductor layer. It includes a light transmitting layer for transmitting the light output from the active layer, the thickness of the light transmitting layer is 150 ⁇ m to 300 ⁇ m.
  • the LED chip may be a frameless LED chip.
  • the light transmitting layer may be a growth substrate made of a transparent material.
  • the LED lighting apparatus may further include a lens formed by dotting a resin on the LED chip.
  • the heat dissipation frame may include a support part on which the substrate is seated, a first rail formed on both sides of the support part in a width direction, and formed on both sides of a width direction of the first rail, respectively, on the first rail to slide the substrate.
  • the slide may include a second rail coupled.
  • the heat dissipation frame may further include a heat dissipation unit formed on the support unit such that a space is formed between the support unit.
  • the heat dissipation part may include a pair of extension parts extending upwardly from both sides in the width direction of the support part, and a connection part connecting the upper ends of the pair of extension parts in an arc shape in cross section.
  • the heat dissipation part may further include a plurality of heat dissipation fins spaced apart from each other in a width direction or a length direction of the heat dissipation part on a surface thereof.
  • the frameless LED chip is mounted directly on the substrate, a separate package body is not required, and thus, the LED chip is spaced farther apart from the cover by the height of the package body, thereby reducing the space between the LED packages.
  • By increasing the spacing it is possible to provide an LED lighting device that can secure high light uniformity while reducing the number of LED packages.
  • the LED chip having a wider light directing angle is applied to the LED lighting apparatus of the present invention, productivity and price competitiveness can be improved by reducing the number of LED packages mounted on the substrate.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a conventional fluorescent lamp type LED lighting device.
  • Figure 2 is an exploded perspective view for explaining the LED lighting apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a cross-sectional view in the width direction for explaining the LED lighting apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a longitudinal cross-sectional view illustrating an arrangement of an LED package in a conventional LED lighting apparatus and an arrangement of a frameless LED chip in the LED lighting apparatus according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a frameless LED chip according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a plan view and a cross-sectional view for explaining a frameless LED chip according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing a change in the directivity angle characteristic according to the thickness change of the light transmission layer of the frameless LED chip.
  • the term "frame-less LED chip” used in the present specification is for distinguishing from a conventional LED chip, the main body, reflector (integrally formed with the main body to form the appearance of the LED chip)
  • a package that does not include a lead frame it refers to a package in which an LED chip excluding a lens unit forms an appearance of an LED chip.
  • Such a frameless LED chip may be a wafer level package in that most packages are configured before dicing the LED chip from the wafer, and the chip scale in that the shape of the package is close to the size of the LED chip.
  • the package may be a chip scale package, or may be a chip on board (COB) type LED package in terms of mounting an LED chip on a substrate without additional components such as leadframes or submounts.
  • “Frameless LED chip” in the present invention means a chip having a LED package that does not include a lead frame, a reflector, and a main body forming a conventional LED package body. As such a frameless LED chip, a light emitting diode disclosed in Korean Patent Application No. 10-2011-0139385 can be exemplified.
  • the frameless LED chip does not include additional components, and since most of the processes are completed in a semiconductor production process, it is possible to reduce time and cost required for manufacturing and to improve reliability. In addition, since there is no component forming the package outline, the size of the package can be reduced, and the heat dissipation efficiency is improved because the LED chip is mounted close to the substrate.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view for explaining the LED lighting apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a cross-sectional view in the width direction for explaining the LED lighting apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the LED lighting device 100 As shown in Figure 2 and 3, the LED lighting device 100 according to an embodiment of the present invention, the heat dissipation frame 200, the substrate 300 is coupled to the lower side of the heat dissipation frame 200, The cover 400 is coupled to the lower portion of the heat dissipation frame 200 to protect the substrate 300.
  • a plurality of LED chips 500 may be mounted on the substrate 300 in an array form toward the cover 400.
  • the heat dissipation frame 200 includes a support part 210 on which the substrate 300 to be described later is mounted, a first rail 211 and a first rail 211 protruding downward from both sides in the width direction of the support part 210. It may include a second rail 212 protruding from the outside in the width direction of the, and may further include a heat dissipation unit 230 located on the upper portion of the support (210).
  • the heat dissipation unit 230 is a pair of extension parts 231 extending upwardly from both sides in the width direction of the upper end of the support part 210, and a connection part connecting the upper ends of the pair of extension parts 231 in an arc shape in cross section ( 232 may be included, and thus, a heat dissipation space 220 is formed between the support 210 and the heat dissipation part 230.
  • the heat dissipation unit 230 may further include a heat dissipation fin (not shown) formed on an outer surface thereof to improve the heat dissipation effect, and the plurality of heat dissipation fins may be spaced apart from each other in the width direction or the length direction of the heat dissipation unit 230. In this case, the cooling effect is improved as the surface area of the heat dissipation unit 230 in contact with air is increased.
  • the heat dissipation frame 200 may function to dissipate heat generated from the LED chip 500 to the outside.
  • the heat dissipation frame 200 may be formed of a material having excellent thermal conductivity.
  • the heat dissipation frame 200 may include a metal such as aluminum or copper.
  • the above-described configuration of the heat dissipation frame 200 corresponds to an example, and may be variously modified and implemented according to the shape of the LED lighting apparatus 100.
  • Both sides of the substrate 300 in the width direction thereof are inserted along the first rail 211 of the heat dissipation frame 200 and slide-bonded to the lower support part 210 of the heat dissipation frame 200.
  • a plurality of LED chips 500 are mounted in an array form, and further, an electrical connection capable of applying a voltage to the LED chips 500 such as a wiring pattern. Means may be further provided.
  • the surface of the substrate 300 may be processed through a predetermined process to improve light efficiency, for example, the surface of the substrate 300 may be coated with a white material.
  • one side of the substrate 300 converts the connector 310 to which the connection terminal 311 of the external power supply is connected, the fuse 320 for protecting the circuit at the time of high current or high voltage, and converts the external power source, which is AC, into DC.
  • Various electronic devices such as a bridge diode 330 for supplying the chip 500 and a resistor 340 for controlling current, may be provided.
  • At least one LED chip 500 may be disposed on one surface of the substrate 300.
  • a frameless LED chip is applied as the LED chip 500, so that the number of LED packages mounted on the substrate 300 can be reduced as compared with the related art.
  • the LED chip 500 may include the frameless LED chip 600 or 600a illustrated in FIG. 5 or 6. This will be described later in detail.
  • the substrate 300 may include at least one of plastic and metal, may be formed of one member, or two or more members may be electrically connected to each other.
  • the substrate 300 may include a PCB substrate, a silicon substrate, a ceramic substrate, and the like.
  • the substrate 300 may further include a conductive connection for electrically connecting the various electronic devices and the LED chip 500.
  • the cover 400 may include a plastic having a translucent material, and the cover 400 may be coupled to the lower portion of the heat dissipation frame 200 to protect the substrate 300 and to uniformly transmit the light emitted from the LED chip 500. can do.
  • the cover 400 may form an arc shape in cross section in the width direction as a whole, and the bent portion 410 for corresponding coupling with the second rail 212 of the heat dissipation frame 200 may be formed on both sides of the upper end of the cover 400. It may be formed long along the longitudinal direction of the (400).
  • the bent part 410 of the cover 400 is formed on the second rail 212 of the heat dissipation frame 200.
  • the cover 400 together with the heat dissipation frame 200 forms a cylindrical appearance similar to a conventional fluorescent lamp.
  • FIG. 4 is a longitudinal cross-sectional view illustrating an arrangement of an LED package in a conventional LED lighting apparatus and an arrangement of a frameless LED chip in the LED lighting apparatus according to embodiments of the present invention.
  • 5 is a cross-sectional view illustrating a frameless LED chip according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a plan view and a cross-sectional view illustrating a frameless LED chip according to another embodiment of the present invention.
  • an LED lighting apparatus including a frameless LED chip according to the present invention will be described with reference to FIGS. 4 to 6.
  • the embodiments described below are exemplary and are not limited thereto.
  • a plurality of frameless LED chip 600 is mounted on the substrate 300 in the form of an array (array), compared to the conventional package of the LED package mounted on the substrate 300
  • the number can be reduced.
  • the frameless LED chip 600 does not include a separate package body 32, a reflector 34, and a lead frame, and forms the appearance of the LED package as the LED chip itself.
  • the distance from the cover 400 is greater than that of the conventional LED chip 31 by the thickness of the package body 32.
  • a resin 610 may be further formed by dotting an epoxy or the like on the frameless LED chip 600.
  • the frameless LED chip 600 is electrically connected to the light emitting structure 615, the light transmitting layer 610 disposed on the light emitting structure 615, and the light emitting structure 615.
  • the first pad 681 and the second pad 682 may be connected to each other.
  • the light transmitting layer 610 may include a substrate, and may include, for example, a sapphire substrate, a nitride substrate, a silicon substrate, a silicon carbide substrate, and the like, and is not limited to a transparent substrate through which light can be transmitted. .
  • the light transmitting layer 610 may be a sapphire substrate.
  • the thickness of the light transmitting layer 610 may be variously adjusted as necessary, and the thickness may be determined according to the orientation angle of the frameless LED chip 600. This will be described later in detail.
  • the light emitting structure 615 may include an n-type semiconductor layer, a p-type semiconductor layer, and an active layer, and is not limited as long as it has a structure capable of emitting light.
  • the first pad 681 and the second pad 682 may be connected to semiconductor layers having different polarities, respectively, and may serve to connect an external power source to the semiconductor layer.
  • the first and second pads 681 and 682 may function similar to a lead frame of a conventional LED package, and thus, the frameless LED chip 600 does not need to include a separate lead frame.
  • the frameless LED chip 600 is not limited as long as it includes a substrate, a light emitting structure, and pads. An example of the frameless LED chip will be described below with reference to FIG. 6.
  • FIG. 6A is a plan view of a frameless LED chip
  • FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 5A.
  • the frameless LED chip 600 includes a first conductive semiconductor layer 620, mesas 630, reflective electrodes 640, and current dispersion.
  • the layer 660 may further include a light transmitting layer 610, a lower insulating layer 650, an upper insulating layer 670, and a first pad 681 and a second pad 682.
  • the light transmitting layer 610 may be a growth substrate for growing gallium nitride-based epi layers.
  • the light transmitting layer 610 may be a sapphire, silicon carbide, silicon, gallium nitride substrate.
  • the light transmitting layer 610 may be a sapphire substrate.
  • the top and side surfaces of the light transmitting layer 610 may be a light exit surface from which the light emitted from the active layer 631 is emitted.
  • the first conductive semiconductor layer 620 is continuous, and the plurality of mesas 630 are spaced apart from each other on the first conductive semiconductor layer 620.
  • the mesas 630 include an active layer 631 and a second conductivity type semiconductor layer 632, and have an elongated shape extending toward one side.
  • the mesas 630 may be a stacked structure of a gallium nitride compound semiconductor.
  • the mesas 630 may be limitedly positioned in the upper region of the first conductivity type semiconductor layer 620. Alternatively, the mesas 630 may extend to the edge of the upper surface of the first conductivity type semiconductor layer 620 in one direction. The upper surface of the first conductivity type semiconductor layer 620 may be divided into a plurality of regions. In this case, it is possible to further reduce current concentration near the edges of the mesas 630 to further enhance the current spreading performance.
  • Each of the reflective electrodes 640 is positioned on the plurality of mesas 630 to make ohmic contact on the second conductivity-type semiconductor layer 632.
  • the reflective electrodes 640 may include a reflective layer 642 and a barrier layer 641, and the barrier layer 641 may cover the top and side surfaces of the reflective layer 642.
  • the reflective layer 642 may be formed by depositing and patterning an Ag, Ag alloy, Ni / Ag, NiZn / Ag, TiO / Ag layer
  • the barrier layer 641 may be Ni, Cr, Ti, Pt. , Rd, Ru, W, Mo, TiW, or a composite layer thereof, and prevents the metal material of the reflective layer 642 from being diffused or contaminated.
  • the current spreading layer 660 covers the mesas 630 and the first conductivity type semiconductor layer 620.
  • the current spreading layer 660 is located in an upper region of each mesa 630 and has openings 661 exposing the reflective electrodes 640.
  • the current spreading layer 660 is ohmic contacted to the first conductivity type semiconductor layer 620 and insulated from the plurality of mesas 630.
  • the current spreading layer 660 may include a high reflective metal layer such as an Al layer, and the high reflective metal layer may be formed on an adhesive layer such as Ti, Cr, or Ni.
  • a protective layer of a single layer or a composite layer structure such as Ni, Cr, Au, or the like may be formed on the highly reflective metal layer.
  • the current spreading layer 660 may have a multilayer structure of Ti / Al / Ti / Ni / Au.
  • the current spreading layer 660 may be insulated from the plurality of mesas 630 by the lower insulating layer 650.
  • the lower insulating layer 650 may be positioned between the mesas 630 and the current spreading layer 660 to insulate the current spreading layer 660 from the plurality of mesas 630.
  • the lower insulating layer 650 may be formed of an oxide film such as SiO 2 , a nitride film such as SiN x, or an insulating film of SiON or MgF 2 using a technique such as chemical vapor deposition (CVD).
  • the lower insulating layer 650 may be formed of a single layer, but is not limited thereto and may be formed of multiple layers.
  • the lower insulating layer 650 may be formed of a distributed Bragg reflector (DBR) in which a low refractive material layer and a high refractive material layer are alternately stacked.
  • DBR distributed Bragg reflector
  • an insulating reflective layer having a high reflectance can be formed by applying a layer such as SiO 2 / TiO 2 or SiO 2 / Nb 2 O 5 .
  • the lower insulating layer 650 may have openings 651 located in the upper region of each mesa 630 and exposing the reflective electrodes 640 and openings exposing the first conductive semiconductor layer 620. 652).
  • the current spreading layer 660 may be connected to the first conductive semiconductor layer 620 through openings 652 exposing the first conductive semiconductor layer 620.
  • the openings 651 of the lower insulating layer 650 have a smaller area than the openings 661 of the current spreading layer 660, and are all exposed by the openings 661.
  • the upper insulating layer 670 may be formed using an oxide insulating layer, a nitride insulating layer, a mixed layer or a cross layer of these insulating layers, or a polymer such as polyimide, teflon, parylene, and the like. Cover at least some.
  • the upper insulating layer 670 has openings 672 exposing the reflective electrodes 640.
  • the upper insulating layer 670 may have an opening 671 exposing the current spreading layer 660.
  • the upper insulating layer 670 may cover sidewalls of the openings 661 of the current spreading layer 660.
  • the first pad 681 may be positioned on the current spreading layer 660 and may be connected to the current spreading layer 660 through, for example, an opening 671 of the upper insulating layer 670.
  • the second pad 682 connects to the exposed reflective electrodes 640 through the openings 672.
  • the first pad 681 and the second pad 682 may be used as a pad for SMT or a bump for mounting the LED to a submount, package, or printed circuit board, for example, Ti, Cr, Ni It may include an adhesive layer such as, and a highly conductive metal layer such as Al, Cu, Ag or Au.
  • the current spreading layer 660 covers almost the entire area of the first conductivity-type semiconductor layer 620 between the mesas 630 and the mesas 630. Thus, current can be easily distributed through the current spreading layer 660. Furthermore, the current spreading layer 660 includes a reflective metal layer such as Al, or the lower insulating layer 650 is formed as an insulating reflecting layer, so that the light not reflected by the reflecting electrodes 640 is applied to the current spreading layer 660. Alternatively, the light may be reflected by using the lower insulating layer 650 to improve light extraction efficiency.
  • the directing angle of the conventional LED package 30 is represented by ⁇
  • the directing angle of the frameless LED chip 600 according to an embodiment of the present invention Is denoted by ⁇
  • the directivity angle of the frameless LED chip 600a according to another embodiment of the present invention is denoted by ⁇ .
  • the frameless LED chip 600 of the present invention does not include a reflector 34, a larger orientation angle than the conventional LED package 30 ( ⁇ ⁇ ). Accordingly, the distance between the largest LED chips to uniformly form the light emitted to the cover 400 can be larger than in the conventional case (d 2 > d 1 ). Therefore, while mounting a smaller number of LED chips on the same length of the substrate 300 it is possible to ensure sufficient light uniformity.
  • the frameless LED chip 600 does not include the package body 32. Therefore, the distance from the light emitting point to the cover 400 is longer than in the conventional case (h 2 > h 1 ). Accordingly, the distance between the largest LED chips to uniformly form the light emitted to the cover 400 can be larger than in the conventional case (d 2 > d 1 ). Therefore, while mounting a smaller number of LED chips on the same length of the substrate 300 it is possible to ensure sufficient light uniformity.
  • the frameless LED chip 600 of Figure 4 (c) has a larger direct angle than the frameless LED chip 600 of Figure 4 (b) It can have ( ⁇ > ⁇ ). Accordingly, the distance between the largest LED chips for uniformly forming the light emitted to the cover 400 can be made larger than in the conventional case and the case of FIG. 4 (b) (d 3 > d 2 > d). 1 ). Therefore, while mounting a smaller number of LED chips on the same length of the substrate 300, it is possible to ensure sufficient light uniformity.
  • the frameless LED chip 600 of FIG. 4C having a relatively wider directivity can be provided by adjusting the thickness of the light transmitting layer 610. This will be described in detail with reference to FIGS. 7 to 11.
  • the light transmitting layer 610 is a sapphire substrate.
  • FIG. 7 is a graph illustrating a change in the direction angle characteristic of the frameless LED chip 600 according to the thickness change of the light transmission layer.
  • the thickness of the light transmitting layer 610 of the frameless LED chip 600 may be 150 ⁇ m to 300 ⁇ m. If the thickness of the light transmitting layer 610 is less than 150 ⁇ m, there is almost no difference from the general direction angle (120 °). If the thickness of the light transmitting layer 610 exceeds 300 ⁇ m, the change is slowed at the angle of 140 °. Because it becomes.
  • the number of LED packages may be reduced by mounting the frameless LED chip 600 on the substrate 300 of the LED lighting apparatus 100.
  • the frameless LED chip 600 If the light directivity of the is wider than that of a typical LED chip, the effect of reducing the number of packages is further increased.
  • the LED lighting device to replace a conventional 120cm long fluorescent lamp, conventionally requires 120 to 140 LED package, according to an embodiment of the present invention, 80 to 90 frameless LED chip ( 600, the light uniformity can be sufficiently secured.

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Abstract

본 발명은 기존의 형광등 램프를 대체할 수 있는 LED 조명장치에 있어서, 더 적은 개수의 LED 칩을 적용하면서도 광균일성이 우수한 것으로, 본 발명의 일실시예에 의하면, 방열 프레임, 상기 방열 프레임의 하측에 결합되며 복수의 LED 칩이 표면에 실장되는 기판, 및 상기 기판을 보호하도록 상기 방열 프레임의 하부에 결합되며 상기 LED 칩에서 발산된 광이 투과되는 커버를 포함하고, 상기 LED 칩은 프레임리스 LED 칩인 LED 조명장치가 제공된다.

Description

LED 조명장치
본 발명은 형광등을 대체할 수 있는 LED 조명장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 기존의 형광등 대체용 LED 조명장치에 비해 더 적은 개수의 LED 패키지를 적용하면서도 광균일성이 우수한 LED 조명장치에 관한 것이다.
일반적으로, 형광등은 전기에너지를 빛에너지로 변환하여 야간에 실내나 실외에서 물체를 식별할 수 있도록 광을 제공하는 조명장치이다. 그러나, 형광등은 LED에 비해 에너지 소비가 크며, 수명이 짧아 시간 경과에 따라 광량이 급격하게 저하되어 주기적인 관리가 필요하다. 또한, 형광등은 그것을 폐기할때 발생할 수 있는 수은으로 인한 환경오염이 발생될 수 있다.
최근, 대한민국 공개특허 제2010-0012952호 등에 개시된 바와 같이, 수명이 반 영구적이고, 소비전력이 적으면서 고효율의 조도를 얻을 수 있는 LED(Light Emitting Diode; 발광 다이오드)를 광원으로 하는 LED 조명장치가 개발되고 있다. 이러한 LED 조명장치는 기존의 형광등을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 종래의 형광등 타입 LED 조명장치의 단면을 개략적으로 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 형광등 타입 LED 조명장치(10)는 기존 형광등 램프의 외관과 유사한 긴 원기둥 형태의 하우징(20), 하우징(20) 내에 배치되며 복수의 LED 패키지(30)가 어레이(array) 형태로 실장된 PCB(Printed Circuit Board; 인쇄회로기판)(40)를 포함한다. 이때, LED 패키지(30)는 스크린 프린팅(screen printing)과 리플로우(reflow)를 이용한 표면실장기술(Surface Mounting Technology; SMT)을 이용하여 PCB(40) 상에 실장된다. 그리고, LED 칩(31)은 패키지 몸체(32) 상측의 LED 칩 수용부(33)에 배치되어, 패키지 몸체(32)의 둘레를 따라 형성되는 리플렉터(34)에 의해 둘러싸이게 되며, LED 칩 수용부(33)에는 실리콘 등의 수지와 형광체를 혼합한 봉지재(35)가 몰딩된다.
이와 같은 형광등 타입 LED 조명장치는 기존 형광등을 대체하기 위한 것이므로, 기존 형광등의 설치 위치에 별도의 설비 교체 없이 바로 장착되기 위해서 직경과 길이 등 그 규격이 기존 형광등과 동일해야 한다. 이에 따라, LED 패키지(30)와 하우징(20) 사이 간격이 제한되며, 높은 광 균일도를 가지는 형광등 타입 LED 조명장치를 제작하기 위해서 LED 패키지(30)들 간의 간격 역시 제한된다. 따라서 하나의 형광등 타입 LED 조명장치 내에는 많은 수량의 LED 패키지(30)가 요구된다. 예를 들어, 통상적인 바 타입(bar type) 형광등의 길이는 120cm이며 이 규격에 맞춰 형광등 타입 LED 조명장치를 제작하는 경우, 광 균일도 확보를 위해 약 120개 내지 140개 정도의 LED 패키지를 필요로 하게 된다.
따라서, 생산성 향상과 제품의 가격 경쟁력 확보를 위해서는, 소요되는 LED 패키지의 개수가 감축되면서도 높은 광 균일도가 보장되는 형광등 타입 LED 조명장치를 개발할 필요가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 필요에 의해 안출된 것으로, 종래와 동일하거나 더 우수한 광 균일도를 가지는 한편, LED 패키지의 개수 감축에 의해 생산성과 제품의 가격 경쟁력 향상 효과가 있는 LED 조명장치의 제공을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 종래에 비해 LED 광원으로부터 커버까지의 간격이 더 멀게 형성되는 LED 조명장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
아울러, 본 발명은 종래에 비해 더 넓은 광 지향각 특성의 LED 칩이 적용되는 LED 조명장치의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 일 태양에 따른 LED 조명장치는, 방열 프레임; 상기 방열 프레임의 하측에 결합되며 복수의 LED 칩이 표면에 실장되는 기판; 및 상기 기판을 보호하도록 상기 방열 프레임의 하부에 결합되며, 상기 LED 칩에서 방출된 광이 투과되는 커버;를 포함하고, 상기 LED 칩은, 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 서로 이격되어 배치되고, 각각 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 복수의 메사들; 각각 상기 복수의 메사들 상에 위치하여 제2 도전형 반도체층에 오믹 콘택하는 반사 전극들; 및 상기 복수의 메사들 및 상기 제1 도전형 반도체층을 덮되, 상기 각각의 메사 상부 영역 내에 위치하고 상기 반사 전극들을 노출시키는 개구부들을 가지며, 상기 제1 도전형 반도체층에 오믹 콘택하고 상기 복수의 메사들로부터 절연된 전류 분산층을 포함한다.
상기 반사 전극들은, 각각 반사 금속층과 장벽 금속층을 포함할 수 있고, 상기 장벽 금속층이 상기 반사 금속층의 상면 및 측면을 덮을 수 있다.
또한, 상기 LED 칩은, 상기 전류 분산층의 적어도 일부를 덮되, 상기 반사 전극들을 노출시키는 개구부들을 갖는 상부 절연층; 및 상기 상부 절연층 상에 위치하고 상기 상부 절연층의 개구부들을 통해 노출된 반사 전극들에 접속하는 제2 패드를 더 포함할 수 있다.
나아가, 상기 LED 조명장치는 상기 전류 분산층에 접속하는 제1 패드를 더 포함할 수 있다.
상기 LED 칩은, 상기 복수의 메사들과 상기 전류 분산층 사이에 위치하여 상기 전류 분산층을 상기 복수의 메사들로부터 절연시키는 하부 절연층을 더 포함할 수 있고, 상기 하부 절연층은 상기 각각의 메사 상부 영역 내에 위치하고 상기 반사 전극들을 노출시키는 개구부들을 가질 수 있다.
덧붙여, 상기 전류 분산층의 개구부들은 각각 상기 하부 절연층의 개구부들이 모두 노출되도록 상기 하부 절연층의 개구부들보다 더 넓은 폭을 가질 수 있다.
또한, 상기 LED 칩은, 상기 전류 분산층의 적어도 일부를 덮고, 상기 반사 전극들을 노출시키는 개구부들을 갖는 상부 절연층을 더 포함할 수 있으며, 상기 상부 절연층은 상기 전류 분산층의 개구부들의 측벽들을 덮을 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 방열 프레임은, 상기 기판이 안착되는 지지부와, 상기 지지부의 폭 방향 양측에 각각 형성되어 상기 기판이 슬라이드 결합되는 제1레일과, 상기 제1레일의 폭 방향 양측에 각각 형성되어 상기 커버의 상단이 슬라이드 결합되는 제2레일을 포함할 수 있다.
또한, 상기 방열 프레임은, 상기 지지부와의 사이에 공간부가 형성되도록 상기 지지부의 상부에 형성되는 방열부를 더 포함할 수 있다.
상기 방열부는, 상기 지지부의 폭 방향 양측에서 상향 연장 형성되는 한 쌍의 연장부와, 상기 한 쌍의 연장부 상단을 단면상 원호 형태로 연결하는 연결부를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 방열부는 그 표면에 상기 방열부의 폭 방향 또는 길이 방향으로 서로 이격하는 복수의 방열핀을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양에 따른 LED 조명장치는, 방열 프레임; 상기 방열 프레임의 하측에 결합되며, 복수의 LED 칩이 표면에 실장되는 기판; 및 상기 기판을 보호하도록 상기 방열 프레임의 하부에 결합되며, 상기 LED 칩에서 발산된 광이 투과되는 커버;를 포함하고, 상기 LED 칩은, 활성층을 포함하는 반도체층, 및 상기 반도체층 상에 상기 활성층에서 출력되는 광을 투과하는 광투과층을 포함하며, 상기 광투과층의 두께는 150㎛ 내지 300㎛이다.
상기 LED 칩은 프레임리스 LED 칩일 수 있다.
상기 광투과층은 투명한 재질의 성장기판일 수 있다.
상기 LED 조명장치는, 상기 LED 칩 상에 수지가 도팅(dotting)되어 형성된 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 방열 프레임은, 상기 기판이 안착되는 지지부와, 상기 지지부의 폭 방향 양측에 각각 형성되어 상기 기판이 슬라이드 결합되는 제1레일과, 상기 제1레일의 폭 방향 양측에 각각 형성되어 상기 커버의 상단이 슬라이드 결합되는 제2레일을 포함할 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 방열 프레임은, 상기 지지부와의 사이에 공간부가 형성되도록 상기 지지부의 상부에 형성되는 방열부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 방열부는, 상기 지지부의 폭 방향 양측에서 상향 연장 형성되는 한 쌍의 연장부와, 상기 한 쌍의 연장부 상단을 단면상 원호 형태로 연결하는 연결부를 포함할 수 있다.
나아가, 상기 방열부는 그 표면에 상기 방열부의 폭 방향 또는 길이 방향으로 서로 이격하는 복수의 방열핀을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 프레임리스 LED 칩이 기판에 직접 실장되므로 별도의 패키지 본체를 필요로 하지 않고, 이에 따라 LED 칩이 커버로부터 패키지 본체의 높이만큼 더 멀리 이격하여 배치되어, 종래에 비해 LED 패키지 간의 간격을 더 넓혀 LED 패키지의 개수를 줄이면서도 높은 광 균일도를 확보할 수 있는 LED 조명장치를 제공할 수 있다.
아울러, 본 발명의 LED 조명장치에는 종래에 비해 광 지향각이 더 넓은 특성을 가진 LED 칩이 적용되므로, 기판에 실장되는 LED 패키지의 수량 감소에 따른 생산성과 가격 경쟁력 향상의 효과가 있다.
도 1은 종래의 형광등 타입 LED 조명장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 LED 조명장치를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 LED 조명장치를 설명하기 위한 폭 방향 단면도이다.
도 4는 종래의 LED 조명장치에 있어서 LED 패키지의 배치, 및 본 발명의 실시예들에 따른 LED 조명장치에 있어서 프레임리스 LED 칩의 배치를 설명하기 위한 길이 방향 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 프레임리스 LED 칩을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 프레임리스 LED 칩을 설명하기 위한 평면도 및 단면도이다.
도 7은 프레임리스 LED 칩의 광투과층 두께 변화에 따른 지향각 특성 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8 내지 도 11은 프레임리스 LED 칩의 광투과층 두께가 각각 120㎛, 150㎛, 250㎛, 400㎛일 때 지향각 특성을 나타내는 그래프들이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 또한, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에" 또는 "상에" 있다고 기재된 경우 각 부분이 다른 부분의 "바로 상부" 또는 "바로 상에" 있는 경우뿐만 아니라 각 구성요소와 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
아울러, 본 명세서에서 사용하는 용어인 "프레임리스 LED 칩(Frame-less LED chip)"은, 종래의 LED 칩과 구분하기 위한 것으로, LED 칩의 외형을 형성하는 본체, 리플렉터(본체와 일체로 형성되기도 함), 리드프레임을 포함하지 않는 패키지로서, 렌즈부를 제외한 LED 칩이 LED 칩의 외형을 형성하는 패키지를 의미한다. 이러한 프레임리스 LED 칩은 LED 칩을 웨이퍼에서 다이싱하기 전에 대부분의 패키지가 구성된다는 측면에서 웨이퍼레벨 패키지(wafer level package)일 수 있고, 패키지의 외형이 LED 칩의 크기에 근접한다는 측면에서 칩스케일 패키지(chip scale package)일 수 있으며, 리드프레임이나 서브마운트와 같은 부가 구성요소 없이 LED 칩이 기판에 실장되는 측면에서 COB(chip on board) 타입 LED 패키지일 수도 있다. 본 발명에서의 "프레임리스 LED 칩"은 종래의 LED 패키지 본체을 형성하는 리드프레임, 리플렉터 및 본체를 포함하지 않는 LED 패키지를 가지는 칩을 의미한다. 이러한 프레임리스 LED 칩으로는, 대한민국 특허출원 제10-2011-0139385호에 공개된 발광 다이오드를 예시할 수 있다.
프레임리스 LED 칩은 부가 구성요소를 포함하지 않고, 대부분의 공정이 반도체 생산공정으로 완료되기 때문에, 제조에 소요되는 시간 및 비용을 절감할 수 있고, 신뢰성이 향상되는 효과가 있다. 또한, 패키지 외형을 형성하는 구성요소가 없기 때문에, 패키지의 크기를 소형화할 수 있는 효과가 있고, LED 칩이 기판에 근접하게 실장되기 때문에 열방출 효율이 개선되는 효과가 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 LED 조명장치를 설명하기 위한 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 LED 조명장치를 설명하기 위한 폭 방향 단면도이다.
도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 LED 조명장치(100)는, 방열 프레임(200)과, 방열 프레임(200)의 하측에 결합되는 기판(300)과, 기판(300)을 보호하도록 방열 프레임(200)의 하부에 결합되는 커버(400)를 포함한다. 나아가, 기판(300)에는 커버(400)를 향하여 복수의 LED 칩(500)이 어레이(array) 형태로 실장될 수 있다.
방열 프레임(200)은, 후술하는 기판(300)이 안착되는 지지부(210)와, 지지부(210)의 폭 방향 양측에 각각 하향 돌출 형성되는 제1레일(211)과, 제1레일(211)의 폭 방향 외측에 각각 돌출 형성되는 제2레일(212)을 포함할 수 있으며, 또한, 지지부(210)의 상부에 위치하는 방열부(230)를 포함할 수 있다.
또한, 방열부(230)는 지지부(210) 상단의 폭 방향 양측에서 상향 연장 형성되는 한 쌍의 연장부(231)와, 한 쌍의 연장부(231) 상단을 단면상 원호 형태로 연결하는 연결부(232)를 포함할 수 있으며, 이에 따라 지지부(210)와 방열부(230) 사이에 방열 공간부(220)가 형성된다. 방열부(230)는 그 외측 표면에 형성되어 방열 효과의 향상을 위한 방열핀(미도시)을 더 포함할 수 있는데, 이러한 방열핀은 방열부(230)의 폭 방향 또는 길이 방향으로 서로 이격하여 복수 개 형성될 수 있으며, 이 경우 공기와 접촉하는 방열부(230)의 표면적이 증가함에 따라 냉각효과가 향상된다.
방열 프레임(200)은 LED 칩(500)에서 발생되는 열을 외부로 방열하는 기능을 할 수 있으며, 따라서, 방열 프레임(200)은 열전도성이 우수한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 방열 프레임(200)은 알루미늄 또는 구리 등의 금속을 포함할 수 있다.
상술한 방열 프레임(200)의 구성은 예시적인 것에 해당하며, LED 조명장치(100)의 형태에 따라 다양하게 변형되어 구현될 수 있다.
기판(300)은 그것의 폭 방향 양측이 방열 프레임(200)의 제1레일(211)을 따라 삽입되어, 방열 프레임(200)의 하측 지지부(210)에 슬라이드 결합된다. 기판(300)의 표면, 즉 기판(300)의 하면에는 복수의 LED 칩(500)이 어레이(array) 형태로 실장되며, 나아가 배선패턴 등 LED 칩(500)에 전압을 인가할 수 있는 전기적 연결수단이 더 구비될 수 있다. 또한, 기판(300)의 표면은 광 효율 향상을 위하여 소정의 공정을 거쳐 처리될 수 있고, 예를 들어, 기판(300)의 표면은 백색 물질로 코팅될 수 있다.
나아가, 기판(300)의 일측에는 외부 전원의 접속단자(311)가 연결되는 커넥터(310)와, 고전류 또는 고전압시 회로 보호를 위한 퓨즈(320)와, 교류인 외부 전원을 직류로 변환하여 LED 칩(500)으로 공급하기 위한 브릿지 다이오드(bridge diode)(330) 및, 전류 조절을 위한 저항(340) 등 각종 전자 소자가 구비될 수 있다.
한편, 기판(300)의 일 표면에는 적어도 하나 이상의 LED 칩(500)이 배치될 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 LED 칩(500)으로서 프레임리스 LED 칩이 적용되어, 종래에 비해 기판(300) 상에 실장되는 LED 패키지의 개수를 줄일 수 있다. LED 칩(500)은 도 5 또는 도 6에 도시된 프레임리스 LED 칩(600 또는 600a)을 포함할 수 있다. 이에 대하여는 후술하여 상세하게 설명한다.
기판(300)은 플라스틱 및 금속을 적어도 하나 포함할 수 있으며, 하나의 부재로 이루어지는 것도 가능하고, 둘 이상의 부재가 전기적으로 서로 연결되어 이루어지는 것도 가능하다. 예를 들어, 기판(300)은 PCB기판, 실리콘 기판, 세라믹 기판 등을 포함할 수 있다. 기판(300)이 절연성 물질로 형성된 경우, 상기 각종 전자 소자와 LED 칩(500)을 전기적으로 연결할 수 있는 도전성 연결부를 더 포함할 수 있다.
커버(400)는 반투명한 재질의 플라스틱을 포함할 수 있으며, 방열 프레임(200)의 하부에 결합되어 기판(300)을 보호하고 LED 칩(500)에서 발산되는 광이 균일하게 투과되도록 하는 역할을 할 수 있다. 이때, 커버(400)는 전체적으로 폭 방향 단면상 원호 형태를 이룰 수 있고, 커버(400)의 상단 양쪽에는 방열 프레임(200)의 제2레일(212)과 대응 결합하기 위한 절곡부(410)가 커버(400)의 길이 방향을 따라 길게 형성될 수 있다.
이처럼, 커버(400)와 방열 프레임(200)의 방열부(230)가 각각 원호 형상을 이룸에 따라, 방열 프레임(200)의 제2레일(212)에 커버(400)의 절곡부(410)가 슬라이드 결합되면, 커버(400)는 방열 프레임(200)과 함께 종래의 형광등 램프와 유사한 원기둥 형태의 외관을 이루게 된다.
도 4는 종래의 LED 조명장치에 있어서 LED 패키지의 배치, 및 본 발명의 실시예들에 따른 LED 조명장치에 있어서 프레임리스 LED 칩의 배치를 설명하기 위한 길이 방향 단면도들이다. 또한, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 프레임리스 LED 칩을 설명하기 위한 단면도이며, 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 프레임리스 LED 칩을 설명하기 위한 평면도 및 단면도이다. 이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따른, 프레임리스 LED 칩을 포함하는 LED 조명장치에 대해서 설명한다. 다만, 후술하는 실시예는 예시적인 것이며, 이에 본 발명에 제한되는 것은 아니다.
이하 설명되는 본 발명의 실시예들에 의하면, 기판(300) 상에 복수 개의 프레임리스 LED 칩(600)이 어레이(array) 형태로 실장됨으로써, 종래에 비해 기판(300)에 실장되는 LED 패키지의 개수를 줄일 수 있다. 이는, 프레임리스 LED 칩(600)이 별도의 패키지 몸체(32)나 리플렉터(34), 리드프레임을 포함하지 않고, LED 칩 자체로서 LED 패키지의 외형을 형성하기 때문인데, 이에 따라 프레임리스 LED 칩(600)은 종래의 LED 칩(31)에 비해 패키지 몸체(32)의 두께만큼 커버(400)와의 거리가 더욱 멀어지게 된다. 이때, 프레임리스 LED 칩(600) 상에 에폭시 등 수지가 도팅(dotting)되어 렌즈(610)가 더 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 5를 참조하면, 프레임리스 LED 칩(600)은 발광 구조체(615), 상기 발광 구조체(615) 상에 위치하는 광투과층(610), 및 발광 구조체(615)에 전기적으로 연결되며, 그 아래에 위치하는 제1 패드(681) 및 제2 패드(682)를 포함할 수 있다.
광투과층(610)은 기판을 포함할 수 있고, 예를 들어, 사파이어 기판, 질화물계 기판, 실리콘 기판, 실리콘 카바이드 기판 등을 포함할 수 있으며, 광이 투과될 수 있는 투명 기판이면 한정되지 않는다. 특히, 본 실시예에 있어서, 상기 광투과층(610)은 사파이어 기판일 수 있다. 광투과층(610)의 두께는 필요에 따라 다양하게 조절될 수 있으며, 프레임리스 LED 칩(600)의 지향각에 따라 그 두께가 결정될 수 있다. 이와 관련하여서는 후술하여 상세하게 설명한다.
발광 구조체(615)는 n형 반도체층, p형 반도체층 및 활성층을 포함할 수 있으며, 광을 발광할 수 있는 구조이면 한정되지 않는다.
제1 패드(681) 및 제2 패드(682)는 각각 서로 다른 극성의 반도체층에 연결되어 외부의 전원을 반도체층에 연결하는 역할을 할 수 있다. 상기 제1 및 제2 패드(681, 682)는 종래 LED 패키지의 리드 프레임과 유사한 기능을 할 수 있으며, 이에 따라, 프레임리스 LED 칩(600)은 별도의 리드 프레임을 포함할 필요가 없다.
이와 같이 프레임리스 LED 칩(600)은 기판, 발광 구조체 및 패드들을 포함하는 구조이면 한정되지 않으며, 이하 도 6을 참조하여 프레임리스 LED 칩의 일례에 대해서 설명한다.
도 6을 참조하면, 도 6의 (a)는 프레임리스 LED 칩의 평면도이고, 도 6의 (b)는 도 5(a)의 A-A' 단면도이다.
프레임리스 LED 칩(600)은 도 6(a)와 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 제1 도전형 반도체층(620), 메사들(630), 반사 전극들(640), 전류 분산층(660)을 포함하며, 광투과층(610), 하부 절연층(650), 상부 절연층(670) 및 제1 패드(681)와 제2 패드(682)를 더 포함할 수 있다.
광투과층(610)은 질화갈륨계 에피층들을 성장시키기 위한 성장기판일 수 있다. 예컨대, 광투과층(610)은 사파이어, 탄화실리콘, 실리콘, 질화갈륨 기판일 수 있다. 특히, 본 실시예에 있어서, 광투과층(610)은 사파이어 기판일 수 있다. 또한, 광투과층(610)의 상면 및 측면은 활성층(631)에서 방출된 광이 출사되는 광 출사면일 수 있다.
제1 도전형 반도체층(620)은 연속적이며, 제1 도전형 반도체층(620) 상에 복수의 메사들(630)이 서로 이격되어 위치한다.
메사들(630)은 활성층(631) 및 제2 도전형 반도체층(632)을 포함하며, 일측을 향해 연장하는 기다란 형상을 갖는다. 여기서 메사들(630)은 질화갈륨계 화합물 반도체의 적층 구조이다.
이때, 메사들(630)은 제1 도전형 반도체층(620)의 상부 영역 내에 한정되어 위치할 수 있으며, 이와 달리, 일측 방향을 따라 제1 도전형 반도체층(620)의 상부면 가장자리까지 연장되어 제1 도전형 반도체층(620)의 상부면을 복수의 영역으로 구획하는 것도 가능하다. 이 경우, 메사들(630)의 모서리 근처에 전류가 집중되는 것을 완화하여 전류 분산 성능을 더 강화할 수 있다.
반사 전극들(640)은 각각 복수의 메사들(630) 상에 위치하여 제2 도전형 반도체층(632) 상에 오믹 콘택한다. 반사 전극들(640)은 반사층(642)과 장벽층(641)을 포함할 수 있으며, 장벽층(641)이 반사층(642)의 상면 및 측면을 덮을 수 있다. 이때, 예를 들어 반사층(642)은 Ag, Ag 합금, Ni/Ag, NiZn/Ag, TiO/Ag 층을 증착 및 패터닝하여 형성될 수 있고, 장벽층(641)은 Ni, Cr, Ti, Pt, Rd, Ru, W, Mo, TiW 또는 그 복합층으로 형성될 수 있으며, 반사층(642)의 금속 물질이 확산되거나 오염되는 것을 방지한다.
전류 분산층(660)은 복수의 메사들(630) 및 제1 도전형 반도체층(620)을 덮는다. 이때 전류 분산층(660)은 각각의 메사(630) 상부 영역 내에 위치하고, 반사 전극들(640)을 노출시키는 개구부들(661)을 갖는다. 또한, 전류 분산층(660)은 제1 도전형 반도체층(620)에 오믹 콘택하고 복수의 메사들(630)로부터 절연된다. 한편, 전류 분산층(660)은 Al층과 같은 고반사 금속층을 포함할 수 있으며, 고반사 금속층은 Ti, Cr 또는 Ni 등의 접착층 상에 형성될 수 있다. 또한, 고반사 금속층 상에 Ni, Cr, Au 등의 단층 또는 복합층 구조의 보호층이 형성될 수 있다. 예컨대, 전류 분산층(660)은 Ti/Al/Ti/Ni/Au의 다층 구조를 가질 수 있다.
전류 분산층(660)은 하부 절연층(650)에 의해 복수의 메사들(630)로부터 절연될 수 있다. 예컨대, 하부 절연층(650)은 복수의 메사들(630)과 전류 분산층(660) 사이에 위치하여 전류 분산층(660)을 복수의 메사들(630)로부터 절연시킬 수 있다.
이때, 하부 절연층(650)은 화학기상증착(CVD) 등의 기술을 사용하여 SiO2 등의 산화막, SiNx 등의 질화막, SiON, MgF2의 절연막으로 형성될 수 있다. 하부 절연층(650)은 단일층으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 다중층으로 형성될 수도 있다. 나아가, 하부 절연층(650)은 저굴절 물질층과 고굴절 물질층이 교대로 적층된 분포 브래그 반사기(DBR)로 형성될 수 있다. 예컨대, SiO2/TiO2나 SiO2/Nb2O5 등의 층을 적용함으로써 반사율이 높은 절연 반사층을 형성할 수 있다.
하부 절연층(650)은 각각의 메사(630) 상부 영역 내에 위치하고 반사 전극들(640)을 노출시키는 개구부들(651)을 가질 수 있고 제1 도전형 반도체층(620)을 노출시키는 개구부들(652)을 가질 수 있다. 이때, 전류 분산층(660)은 제1 도전형 반도체층(620)을 노출시키는 개구부들(652)을 통해 제1 도전형 반도체층(620)에 접속할 수 있다.
하부 절연층(650)의 개구부들(651)은 전류 분산층(660)의 개구부들(661)보다 좁은 면적을 가지며, 개구부들(661)에 의해 모두 노출된다.
상부 절연층(670)은 산화물 절연층, 질화물 절연층, 이들 절연층의 혼합층 또는 교차층, 또는 폴리이미드, 테플론, 파릴렌 등의 폴리머를 이용하여 형성될 수 있으며, 전류 분산층(660)의 적어도 일부를 덮는다.
또한, 상부 절연층(670)은 반사 전극들(640)을 노출시키는 개구부들(672)을 갖는다. 나아가, 상부 절연층(670)은 전류 분산층(660)을 노출시키는 개구부(671)를 가질 수 있다. 또한, 상부 절연층(670)은 전류 분산층(660)의 개구부들(661)의 측벽들을 덮을 수 있다.
제1 패드(681)는 전류 분산층(660) 상에 위치할 수 있으며, 예컨대 상부 절연층(670)의 개구부(671)를 통해 전류 분산층(660)에 접속할 수 있다. 또한, 제2 패드(682)는 개구부들(672)을 통해 노출된 반사 전극들(640)에 접속한다.
이때, 제1 패드(681) 및 제2 패드(682)는 LED를 서브마운트, 패키지, 또는 인쇄회로보드 등에 실장하기 위해 범프를 접속하거나 SMT를 위한 패드로 사용될 수 있으며, 예컨대 Ti, Cr, Ni 등의 접착층과 Al, Cu, Ag 또는 Au 등의 고전도 금속층을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 프레임리스 LED 칩(600)은, 전류 분산층(660)이 메사들(630) 및 메사들(630) 사이의 제1 도전형 반도체층(620)의 거의 전 영역을 덮는다. 따라서, 전류 분산층(660)을 통해 전류가 쉽게 분산될 수 있다. 나아가, 전류 분산층(660)이 Al과 같은 반사 금속층을 포함하거나, 하부 절연층(650)을 절연 반사층으로 형성함으로써, 반사 전극들(640)에 의해 반사되지 않는 광을 전류 분산층(660) 또는 하부 절연층(650)을 이용하여 반사시킬 수 있어 광 추출 효율이 향상된다.
다시 도 4를 참조하여 본 발명의 LED 조명장치에 관해 설명한다. 도 4의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이, 종래의 LED 패키지(30)의 지향각은 α로 표시되며, 본 발명의 일 실시예에 따른 프레임리스 LED 칩(600)의 지향각은 β로 표시되고, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 프레임리스 LED 칩(600a)의 지향각은 γ로 표시된다.
먼저, 도 4의 (a) 및 (b)를 비교하면, 본 발명의 프레임리스 LED 칩(600)은 리플렉터(34)를 포함하지 않으므로, 종래의 LED 패키지(30)에 비해 더 큰 지향각을 갖는다(α < β). 이에 따라, 커버(400)에 방사되는 광이 균일하게 형성되도록 하는 최대의 LED 칩 간의 간격을 종래의 경우에 비해 더 크게 할 수 있다(d2 > d1). 따라서 동일 길이의 기판(300)에 더욱 적은 개수의 LED 칩을 실장하면서도 광 균일성을 충분히 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 프레임리스 LED 칩(600)과 종래의 LED 패키지(30)의 지향각이 대체로 동일한 경우(α ≒ β)에도, 프레임리스 LED 칩(600)은 패키지 몸체(32)를 포함하지 않으므로, 발광점으로부터 커버(400)까지의 거리가 종래의 경우에 비해 길어진다(h2 > h1). 이에 따라, 커버(400)에 방사되는 광이 균일하게 형성되도록 하는 최대의 LED 칩 간의 간격을 종래의 경우에 비해 더 크게 할 수 있다(d2 > d1). 따라서 동일 길이의 기판(300)에 더욱 적은 개수의 LED 칩을 실장하면서도 광 균일성을 충분히 확보할 수 있다.
다음, 도 4의 (a) 내지 (c)를 비교하면, 도 4(c)의 프레임리스 LED 칩(600)은 도 4(b)의 프레임리스 LED 칩(600)에 비해 더 큰 지향각을 가질 수 있다(γ > β). 이에 따라, 커버(400)에 방사되는 광이 균일하게 형성되도록 하는 최대의 LED 칩 간의 간격을 종래의 경우 및 도 4(b)의 경우에 비해 더 크게 할 수 있다(d3 > d2 > d1). 따라서 동일 길이의 기판(300)에 더욱 적은 개수의 LED 칩을 실장하면서도 광 균일성을 충분히 확보할 수 있다.
상대적으로 더 넓은 지향각을 갖는 도 4(c)의 프레임리스 LED 칩(600)은 광투과층(610)의 두께를 조절함으로써 제공될 수 있다. 이와 관련하여 도 7 내지 도 11을 참조하여 상세하게 설명한다. 한편, 도 7 내지 도 11의 데이터에 있어서, 광투과층(610)은 사파이어 기판이다.
도 7은 프레임리스 LED 칩(600)의 광투과층 두께 변화에 따른 지향각 특성 변화를 나타낸 그래프로서, 광투과층(610)의 두께가 증가할수록 지향각이 넓어지는 특성을 보임을 알 수 있다. 이때, 프레임리스 LED 칩(600)의 광투과층(610) 두께는 150㎛ 내지 300㎛일 수 있다. 이는 광투과층(610)의 두께가 150㎛ 미만이면 일반적인 지향각(120°)과 거의 차이가 없고, 광투과층(610)의 두께가 300㎛를 초과하면 지향각 140°에서 그 변화가 둔화되기 때문이다.
따라서, 본 발명의 실시예에 의하면, LED 조명장치(100)의 기판(300) 상에 프레임리스 LED 칩(600)을 실장시켜 LED 패키지 개수를 감소시킬 수 있으며 이때, 프레임리스 LED 칩(600)의 광 지향각이 일반적인 LED 칩의 광 지향각보다 더 넓은 경우에는 패키지 개수 감소 효과가 더욱 증대되는 것이다.
예를 들어, 일반적인 120cm 길이 형광등을 대체하는 LED 조명장치의 경우, 종래에는 120개 내지 140개의 LED 패키지를 필요로 하였으나, 본 발명의 일실시예에 의하면, 80개 내지 90개의 프레임리스 LED 칩(600)으로도 충분히 광 균일성을 확보할 수 있게 된다.
한편, 도 8 내지 도 11은 프레임리스 LED 칩의 광투과층 두께가 각각 120㎛, 150㎛, 250㎛, 400㎛일 때 지향각 특성을 나타낸 그래프로서, 광투과층(610)의 두께가 400㎛인 경우에는 광투과층(610)의 두께가 250㎛인 경우와 비교하여 그 차이점이 현저하게 나타나지 않으나, 광투과층(610)의 두께가 각각 120㎛, 150㎛, 250㎛인 경우를 서로 비교하면, 광투과층(610)의 두께가 두꺼울수록 지향각 특성이 향상됨을 알 수 있다.
이상, 상기 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 의한 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능하고, 본 발명은 특허청구범위에 의한 기술적 사상을 모두 포함한다.

Claims (19)

  1. 방열 프레임;
    상기 방열 프레임의 하측에 결합되며 복수의 LED 칩이 표면에 실장되는 기판; 및
    상기 기판을 보호하도록 상기 방열 프레임의 하부에 결합되며, 상기 LED 칩에서 방출된 광이 투과되는 커버;를 포함하고,
    상기 LED 칩은,
    제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 서로 이격되어 배치되고, 각각 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 복수의 메사들;
    각각 상기 복수의 메사들 상에 위치하여 제2 도전형 반도체층에 오믹 콘택하는 반사 전극들; 및
    상기 복수의 메사들 및 상기 제1 도전형 반도체층을 덮되, 상기 각각의 메사 상부 영역 내에 위치하고 상기 반사 전극들을 노출시키는 개구부들을 가지며, 상기 제1 도전형 반도체층에 오믹 콘택하고 상기 복수의 메사들로부터 절연된 전류 분산층을 포함하는 LED 조명장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 반사 전극들은,
    각각 반사 금속층과 장벽 금속층을 포함하되, 상기 장벽 금속층이 상기 반사 금속층의 상면 및 측면을 덮는 LED 조명장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 LED 칩은,
    상기 전류 분산층의 적어도 일부를 덮되, 상기 반사 전극들을 노출시키는 개구부들을 갖는 상부 절연층; 및
    상기 상부 절연층 상에 위치하고 상기 상부 절연층의 개구부들을 통해 노출된 반사 전극들에 접속하는 제2 패드를 더 포함하는 LED 조명장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 전류 분산층에 접속하는 제1 패드를 더 포함하는 LED 조명장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 LED 칩은,
    상기 복수의 메사들과 상기 전류 분산층 사이에 위치하여 상기 전류 분산층을 상기 복수의 메사들로부터 절연시키는 하부 절연층을 더 포함하되,
    상기 하부 절연층은 상기 각각의 메사 상부 영역 내에 위치하고 상기 반사 전극들을 노출시키는 개구부들을 갖는 LED 조명장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전류 분산층의 개구부들은 각각 상기 하부 절연층의 개구부들이 모두 노출되도록 상기 하부 절연층의 개구부들보다 더 넓은 폭을 갖는 LED 조명장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 LED 칩은,
    상기 전류 분산층의 적어도 일부를 덮고, 상기 반사 전극들을 노출시키는 개구부들을 갖는 상부 절연층을 더 포함하되,
    상기 상부 절연층은 상기 전류 분산층의 개구부들의 측벽들을 덮는 LED 조명장치.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 방열 프레임은,
    상기 기판이 안착되는 지지부와, 상기 지지부의 폭 방향 양측에 각각 형성되어 상기 기판이 슬라이드 결합되는 제1레일과, 상기 제1레일의 폭 방향 양측에 각각 형성되어 상기 커버의 상단이 슬라이드 결합되는 제2레일을 포함하는 LED 조명장치.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 방열 프레임은,
    상기 지지부와의 사이에 공간부가 형성되도록 상기 지지부의 상부에 형성되는 방열부를 더 포함하는 LED 조명장치.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 방열부는,
    상기 지지부의 폭 방향 양측에서 상향 연장 형성되는 한 쌍의 연장부와, 상기 한 쌍의 연장부 상단을 단면상 원호 형태로 연결하는 연결부를 포함하는 LED 조명장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 방열부는 그 표면에 상기 방열부의 폭 방향 또는 길이 방향으로 서로 이격하는 복수의 방열핀을 더 포함하는 LED 조명장치.
  12. 방열 프레임;
    상기 방열 프레임의 하측에 결합되며, 복수의 LED 칩이 표면에 실장되는 기판; 및
    상기 기판을 보호하도록 상기 방열 프레임의 하부에 결합되며, 상기 LED 칩에서 발산된 광이 투과되는 커버;를 포함하고,
    상기 LED 칩은,
    활성층을 포함하는 반도체층, 및
    상기 반도체층 상에 상기 활성층에서 출력되는 광을 투과하는 광투과층을 포함하며,
    상기 광투과층의 두께는 150㎛ 내지 300㎛인 LED 조명장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 LED 칩은 프레임리스 LED 칩인, LED 조명장치.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 광투과층은 투명한 재질의 성장기판인, LED 조명장치.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 LED 칩 상에 수지가 도팅(dotting)되어 형성된 렌즈를 더 포함하는 LED 조명장치.
  16. 청구항 12에 있어서, 상기 방열 프레임은,
    상기 기판이 안착되는 지지부와, 상기 지지부의 폭 방향 양측에 각각 형성되어 상기 기판이 슬라이드 결합되는 제1레일과, 상기 제1레일의 폭 방향 양측에 각각 형성되어 상기 커버의 상단이 슬라이드 결합되는 제2레일을 포함하는 LED 조명장치.
  17. 청구항 12에 있어서, 상기 방열 프레임은,
    상기 지지부와의 사이에 공간부가 형성되도록 상기 지지부의 상부에 형성되는 방열부를 더 포함하는 LED 조명장치.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 방열부는,
    상기 지지부의 폭 방향 양측에서 상향 연장 형성되는 한 쌍의 연장부와, 상기 한 쌍의 연장부 상단을 단면상 원호 형태로 연결하는 연결부를 포함하는 LED 조명장치.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 방열부는 그 표면에 상기 방열부의 폭 방향 또는 길이 방향으로 서로 이격하는 복수의 방열핀을 더 포함하는 LED 조명장치.
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