KR101477473B1 - 발광 모듈 및 열적 보호 방법 - Google Patents

Abstract

반도체 발광 디바이스(10) 및 열적 스위치(20)를 포함하는 발광 모듈(1)이 제안된다. 열적 스위치(20)는 디바이스(10)를 과열로부터 보호하도록 구성된다. 상승된 온도에서 디바이스(10)의 정션이 장치의 심각한 파손을 유발하는 임계 온도 수준에 도달할 수 있다. 본 발명에 따르면, 열적 스위치가 반도체 발광 디바이스를 션트하도록 구성된다. 이는 특히 스위치(20)에 의해 제공된 열적 보호가 디바이스(10)의 (정션) 온도에 직접 상관하므로 유리하다.

Description

발광 모듈 및 열적 보호 방법{LIGHT EMITTING MODULE AND THERMAL PROTECTION METHOD}

본 발명은 발광 모듈에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 반도체 발광 디바이스 및 열적 스위치를 포함하는 모듈에 관한 것이다. 또한, 이는 그러한 발광 모듈들의 열적 보호 방법에 관한 것이다.

여기서 설명하는 종류의 발광 모듈의 실시예는 JP2006060165에 공지되어 있다. 이 문헌은 바이메탈(bimetal) 요소와 직렬로 전기적으로 연결된 LED를 포함하는 발광 디바이스를 개시한다. 이 디바이스를 외부 전원에 연결하면 LED가 깜박이게 된다. 이러한 효과는 전류가 디바이스를 통해 흐를 때는 에너지가 안으로 방산해 들어가고, 회로가 개방될 때는 에너지가 그로부터 방산해 나감에 따른, 바이메탈 요소의 반복되는 가열 및 냉각 사이클로부터 기인한 것이다.

바이메탈 요소의 액션을 통한 회로의 반복되는 개방 및 폐쇄는 과열, 및 그에 따라 정션 온도가 임계수준에 도달할 경우의 심각한 파손으로부터 LED를 보호할 수 있다.

그러나, JP2006060165에서 LED를 통해 흐르는 전류를 중단시키는 것은 LED의 (정션) 온도에 주로 의존하는 것은 분명히 아니다. 사실상, 바이메탈 요소의 기능을 위한 주요 인자(driver)는 요소 자체 내의 저항성 전기적 에너지 방산이다. 따라서, 이 문헌은 LED 자체의 정션 온도에 상관되고 잘 조절되는 열적 보호는 제공하지 않는다.

본 발명의 목적은 반도체 발광 디바이스의 정션 온도에 상관되고 조절되는 열적 보호를 제공하는 설명된 종류의 발광 모듈을 제공하는 것이다. 이 목적은 특허청구범위 제1항에 정의된, 본 발명의 제1 양태에 따른 모듈을 이용하여 달성된다. 발광 모듈은 정션을 포함하는 반도체 발광 디바이스, 및 열적 스위치를 포함하는데, 열적 스위치는 반도체 발광 디바이스를 션트(shunt)하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

전자공학에서, 션트는 전류가 회로의 한 지점을 돌아 흐르도록(pass around) 허용한다. 회로 내 그 지점에 대해 병렬로 션트를 조립함으로써 이를 달성한다. 또한 본 발명의 열적 스위치는 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드에 대해 전기적으로 병렬로 배열된다. 유리하게는, 동작 환경하에서 열적 스위치 내로 전기 에너지가 직접적으로 방산하지 않는다. 대신에, 이러한 조건하에서 반도체 발광 디바이스(의 정션)는 전기 에너지의 광으로의 비-이상적 변환으로 인해 가열된다. 열적 스위치를 디바이스에 인접하여(또는 적어도 디바이스의 가까운 근방에) 조립함으로써, 복사 에너지 전달을 통해 또는 모듈의 구성 요소들을 경유하는 전도 에너지 전달을 통해 디바이스가 스위치를 가열한다는 이로운 결과를 얻는다. 그 결과 그리고 유리하게는, 스위치에 의해 제공된 열적 보호가 반도체 디바이스의 (정션) 온도에 직접 상관한다. 또한, 다수의 모듈들을 직렬 스트링으로 커플링하는 경우, 본 발명은 스트링 내의 다른 모듈들을 통하는 전류 흐름을 방해하지 않아 과열로부터 단일 모듈을 보호해준다.

일 실시예에서 열적 스위치는 동작 조건하에서 임계 온도에 도달하지 않도록 정션을 보호하는 미리정해진 션트 온도에서 동작하도록 구성된다. 유리하게는, 이는 심각한 손상이 일어나기 전에 모듈에 공급되는 전류를 차단하게 해준다.

본 발명의 일 실시예에서 열적 스위치는 열팽창 계수 α_h를 갖는 높은 열팽창 계수(HCTE) 물질 및 열팽창 계수 α_l을 갖는 낮은 열팽창 계수(LCTE) 물질을 포함하고 α_h>α_l이다. 유리하게는, 이는 스위치가 폐쇄되어 반도체 디바이스로의 전류 공급을 차단되게 하는 기하학적 변형을 스위치에 허용한다.

일 실시예에서, HCTE 물질은 금속을 포함하고 LCTE 물질은 세라믹을 포함한다. 유리하게는, 이들 물질 유형은 당해 분야에 공지된 통상의 제조 방법들로 쉽게 조립될 수 있다. 일반적으로, 금속들은 세라믹보다 큰 계수를 갖는다. 예를 들어, 몇몇 유용한 금속들의 열팽창 계수는: Cu ~18·10^-6/℃, Al ~24·10^-6/℃, 및 MnPd(일반적으로 강도를 위해 Ni가 소량 추가된 80%/20%의) 합금 ~30·10^-6/℃이다. 유사하게, 몇몇 유용한 세라믹의 계수는: Si₃N₄ ~3·10^-6/℃, AIN ~4·10^-6/℃, 및 Al₂O₃ ~8·10^-6/℃이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 열적 스위치는 바이메탈릭 요소를 포함한다. 유리하게는, 이러한 요소들이 쉽게 이용가능하고 매우 경제적이다.

본 발명에 따른 발광 모듈의 일 실시예에서 HCTE 물질은, 서로 거리를 두고 배열되어 갭을 형성하는, 두 개의 부분들로 제공된다. 유리하게는, 이는 HCTE 물질의 제1 부분은 반도체 디바이스의 n-측에 그리고 제2 부분은 p-측에 전기적으로 연결하는 것을 허용한다.

본 발명의 일 실시예에서 갭은 션트 온도를 정하는 미리정해진 사이즈를 갖도록 구성된다. 유리하게는, 열팽창 계수는 두 부분이 갭을 브리지하는 데 필요한 온도 상승을 정하도록 허용한다. 모듈의 설계(물질, 기하학적 형태 인자, 등)는 정션의 온도 상승과 열적 스위치 간의 고정된 관계를 도출할 것이다. 따라서, 갭 사이즈는 정션의 열 용량에 맞는 보호적 션트 온도 수준에서 브리지되도록 쉽게 설계될 수 있다.

제2 양태에 따라 본 발명은 반도체 발광 디바이스를 과열로부터 보호하는 방법으로서, 정션을 갖는 반도체 발광 디바이스를 제공하는 단계, 열적 스위치를 제공하는 단계를 포함하고, 열적 스위치로 반도체 발광 디바이스를 션팅하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다. 유리하게는, 이러한 방법이 반도체 발광 디바이스를 포함하는 발광 모듈의 열적 설계를 제어 및 테스팅하는 데 사용될 수 있다.

본 발명의 이들 및 기타 양태들은 이하에 설명되는 실시예들로부터 이해되고 그것들을 참조하여 밝혀질 것이다.

본 발명의 추가 세부사항들, 특징들 및 장점들이 도면과 관련하여 이하의 예시적이고 선호되는 실시예들의 설명에서 개시된다.
도 1은 종래 기술에 따른 발광 모듈을 도시하는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예의 도식적인 표현을 도시하는 도면.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 일 실시예의 제조 단계들을 도시하는 도면.

도 1은 종래 기술에 따른 발광 모듈(500)을 도시한다. 모듈은 제1 리드 프레임 부(520)의 컵 안에 위치된 LED(510)를 포함한다. 또한 모듈은 제2 리드 프레임 부들(530a, b)을 포함하는데, 이것들은 절연부(isolation; 540)에 의해 제1 부분으로부터 분리되어 있다. LED(510)는 다이오드 정션을 개재한 n-형 및 p-형 반도체층을 포함하는 에피텍셜 패키지(511)를 갖는다. n-접촉층(512)은 LED(510)를 제1 리드 프레임부(520)에 연결하는 반면에, p-접촉층(513) 및 본드 와이어(550)는 LED를 제2 리드 프레임부(530a)에 연결한다. 제1 리드 프레임부(520) 및 제2 리드 프레임부(530b)는 전원 장치로의 연결을 제공한다. 결국, 모듈은 LED(510)와 직렬로 조립된 바이메탈릭 요소(560)를 포함한다. 모듈을 통하도록 전류를 제공하면 LED로부터의 광 방출 뿐만 아니라 요소의 설계에 의해 미리정해진 온도에 전기 회로가 일단 도달하면 그 전기 회로를 개방하도록 구성된 전기 저항성 바이메탈릭 요소(560)에서 에너지 방산이 일어난다. 개방일 때, LED는 광 방출을 중지하고 바이메탈릭 요소는 냉각한다. 그 결과 이는 회로를 폐쇄하여, 전류가 모듈을 통해 흐르고 사이클을 재시작하게 해준다. 따라서, LED는 자동 깜박임 효과를 표시할 것이다. 바이메탈릭 요소(560)의 기능을 위한 주요 인자는 요소 자체 내의 저항성 전기 에너지 방산이므로, 명백하게 전기 회로의 중단은 LED 자체의 (정션) 온도에 주로 의존하지 않는다.

도 2는 본 발명에 따른 일 실시예의 도식적 표현을 도시한다. 이는 외부 전원(100)에 연결된 발광 모듈(1)을 도시한다. 그 모듈은 반도체 발광 디바이스(10) - 이하에서는 LED로서 표시되지만, 동일하게 기능하는 레이저 다이오드로 이해될 것임 - 및 열적 스위치(20)를 포함한다. LED는 미리정해진 파장의 광을 방출하도록 구성된 정션을 포함하는 (종래 기술에 공지된 대로 제조된) 에피텍셜 패키지를 포함한다. 열적 스위치는 LED를 션트한다. 유리하게는, 동작 조건 하에서 열적 스위치(20) 내로 전기 에너지가 직접 방산하지 않는다. 실제로, LED(10)는 열적 스위치(20)의 동작을 위한 열원으로서 기능한다. 따라서, 열적 스위치(20)를 LED(10)에 인접하게 위치시키면 열적 스위치가 LED에 의해, 복사 에너지 전달을 통하거나 모듈(1)의 구성 요소들(도시 생략)을 통한 전도 에너지 전달을 통하는 것 중 어느 하나로 가열되게 해준다. 따라서, 열적 스위치(20)에 의해 제공되는 열적 보호는 LED(10)의 (정션) 온도에 직접 상관한다. 명백히, 스위치는 보호해야 하는 LED(10)의 정션과 동일한 온도에서 동작하지 않는다. 발광 모듈(1) 설계의 기하학적 인자들은 정션과 열적 스위치(20) 간의 온도차를 결정한다. 따라서, 스위치는 임계 정션 온도보다 양호하게 낮은 미리정해진 션트 온도에서 동작하도록 구성 또는 조정될 수 있다. 유리하게는, 이는 LED(10)가 임계 정션 온도에 도달하지 않도록 보호하게 허용함으로써, 동작 환경하에서 심각한 파손으로부터 보호하게 해준다. 일단 열적 스위치(20)가 폐쇄되면, 전류가 LED(10)를 돌아 흘러 그것이 냉각하게 된다. LED(10)에서 감소된 열 방산은 다음 차례로 열적 스위치(20)가 냉각하여 재개방하게끔 할 것이다. 이는 모듈(1) 내에서 LED(10) 온도의 안정화를 허용한다.

도 3 내지 5는 본 발명에 따른 일 실시예의 제조 단계들을 도시한다. 도 3에서 시작하면, 이는 기판(5)을 포함하는 발광 모듈(1)을 도시한다. 기판(5)의 맨 위에는, LED(10)의 n 측과 p 측을 전기적으로 접촉시키기 위해 패턴들(12, 13)이 피착되어 있다. LED(10)에 인접한 위치에, 모듈(1)이 열적 스위치(20)를 포함한다. 일 실시예에서 스위치(20)는 HCTE 물질(30; 도 5) 및 LCTE 물질(40; 도 4)을 포함한다. HCTE 물질(30)은 열팽창 계수 α_h를 갖는다. 유사하게, LCTE 물질(40)은 열팽창 계수 α_l을 갖는다. 관계 α_h>α_l이 만족된다. LCTE 물질(40)은 유리하게는 Si₃N₄, Al₂O₃, 또는 AIN과 같은 세라믹을 포함하는 반면에 HCTE 물질(30)은 구리, 알루미늄, 또는 MnPd 합금과 같은 금속을 포함한다. 유리하게는, 이들 물질 유형들은 반도체 발광 디바이스들의 제조에 사용되는 통상의 제조 방법으로 쉽게 조합될 수 있다. 일 실시예에서, LCTE 물질(40)을 통하는 비아(35; 도 3)가 HCTE 물질(30)을 패턴(12, 13)에 연결한다. LCTE 물질(40)은 또한 전기 절연체로서 기능한다.

일 실시예에서, HCTE 물질(30)은 두 부분(31, 32; 도 5)을 포함한다. 이롭게는, 이들 부분들을 LCTE 물질(40)의 꼭대기에 서로 약간의 거리를 두고 배치하면 그들 사이에 갭(36)이 형성된다. 일 실시예에서, 갭(36)은 미리정해진 크기를 갖는다. 유리하게는, 이는 션트 온도를 정하게 해준다. 션트 온도와 동일한 온도 상승 △T는, 갭 사이즈가 d=α_h·△T이면 열적 스위치(20)가 폐쇄하도록 유도한다.

본 발명에 따라 반도체 발광 디바이스(10)를 보호하는 방법은 모듈(1)을 포함하는 조명 어셈블리의 열적 설계를 테스팅하는 데 효과적으로 적용될 수 있다. 열적 설계를 검사하기 위해, 지금은 과도전류 테스터(transient tester) 및 IR 이미징과 같은, 값비싸고 에러가 많은 방법들이 사용되고 있지만, 본 발명의 방법의 응용은 이 영역에서 많은 문제점을 경감시킨다. 우선, 본 발명의 방법은 임계 설계 온도가 광 어셈블리에서 각각 발광 모듈(1)에 도달했는지가 맨눈에 바로 보이기 때문에 공지된 방법들이 쓸모없게 된다. 그리고 나서, 임계 온도 한계에 도달하면 LED(10)가 꺼질 것이다. 둘째로, 본 발명에 따른 발광 모듈들(1)은 낮은 가격으로 대량 제조될 수 있다. 셋째로, 모둘들(1)은 미리정해진 온도 수준에서 기능하도록 설계될 수 있다. 이러한 장점들은 모듈들이 광범위한 응용 및 온도에 대해 매우 다목적인 도구가 되게 한다.

비록 본 발명이 상술한 실시예들을 참조하여 논의되었지만, 동일한 목적을 달성하기 위해 대안적인 실시예들이 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 따라서 본 발명의 범주는 상술한 실시예들에 제한되지는 않는다. 예를 들면, 상술한 열적 스위치(20)의 대안으로 바이베탈 요소를 포함할 수 있다.

따라서, 본 발명의 범주 및 사상은 특허청구범위 및 그의 등가물에 의해서만 제한된다.

Claims (10)

1. 발광 모듈(1)로서,
   정션을 갖는 반도체 발광 디바이스(10), 및
   열적 스위치(20)
   를 포함하고,
   상기 열적 스위치는 상기 반도체 발광 디바이스를 션트하고, 상기 정션이 동작 조건 하에서 임계 온도에 도달하지 않도록 보호하는 미리 정해진 션트 온도에서 동작하도록 구성되고, 상기 열적 스위치(20)는 열팽창 계수 α_h를 갖는 HCTE 물질(30) 및 열팽창 계수 α_l을 갖는 전기 절연성 LCTE 물질(40)을 포함하고, α_h>α_l이고, 상기 HCTE 물질(30)은 상기 LCTE 물질(40) 상에서 두 부분들(31, 32)로 제공되고, 상기 부분들은 서로 거리를 두고 배치되어 갭(36)을 형성하고, 상기 갭(36)은 상기 미리 정해진 션트 온도를 정의하는 미리 정해진 사이즈를 갖도록 구성되는 발광 모듈.
2. 제1항에 있어서, 상기 HCTE 물질(30)은 금속을 포함하고, 상기 LCTE 물질(40)은 세라믹을 포함하는 발광 모듈.
3. 제1항에 있어서, 상기 열적 스위치(20)는 바이메탈릭 요소(bimetallic element)를 포함하는 발광 모듈.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열적 스위치(20)는 상기 반도체 발광 디바이스(10)에 인접하여 위치되는 발광 모듈.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 발광 디바이스(10)는 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드를 포함하는 발광 모듈.
6. 반도체 발광 디바이스(10)를 과열로부터 보호하는 방법으로서,
   정션을 갖는 반도체 발광 디바이스(10)를 제공하는 단계;
   열적 스위치(20)를 제공하는 단계; 및
   상기 열적 스위치(20)로 상기 반도체 발광 디바이스(10)를 션트하고, 상기 정션이 동작 조건 하에서 임계 온도에 도달하지 않도록 보호하는 미리 정해진 션트 온도에서 상기 열적 스위치를 동작시키는 단계
   를 포함하고,
   상기 열적 스위치(20)는 열팽창 계수 α_h를 갖는 HCTE 물질(30) 및 열팽창 계수 α_l을 갖는 전기 절연성 LCTE 물질(40)을 포함하고, α_h>α_l이고, 상기 HCTE 물질(30)은 상기 LCTE 물질(40) 상에서 두 부분들(31, 32)로 제공되고, 상기 부분들은 서로 거리를 두고 배치되어 갭(36)을 형성하고, 상기 갭(36)은 상기 미리 정해진 션트 온도를 정의하는 미리 정해진 사이즈를 갖도록 구성되는 방법.
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