ＬＥＤ 어레이 그리드, ＬＥＤ 어레이 그리드의 제조를 위한 방법 및 장치 및 ＬＥＤ 어레이 그리드에서 사용하기 위한 ＬＥＤ 구성부품{LED ARRAY GRID, METHOD AND DEVICE FOR MANUFACTURING SAID GRID AND LED COMPONENT FOR USE IN THE SAME}
본 발명은 조명 시스템의 제조 방법, 상기 방법으로 제조된 조명 시스템, 및 감김 장치(winding device)에 관한 것이다.
발광 다이오드(LEDs)들은 얼마동안, 상당 수의 저전력 LED가 어레이로 배치된 디스플레이 및 조명 패널용 백라이트로서 이용되어 왔다. LED들은 몇 가지 이유로 이러한 목적에 매우 적합하다. 예를 들면, 이들은 긴 수명시간을 가지는 내구성있는(durable) 구조로 되어 있어, 요구되는 유지비용(maintenance)을 줄여준다. 또한, 이들은 저전력인 소비량(low power consumption)을 가지고 저전압으로 동작하여, 고전압 응용에 관련된 위험부담 및 동작 비용을 줄여준다. 이와 관련하여 이 LED들은 높은 광 출력을 갖는다. 종래 기술은 PCB(printed circuit boards)들 상에 LED들을 배치하는 구성을 포함한다. 그러나, 이는 특히 보다 넓은 면적이 조명되도록 LED들이 넓은 피치로 배치되어(on a large pitch)있을 때, 특히, 비용이 많이 드는 해결책이다.
넓은 면적의 조명이 필요한 상술한 목적 및 다른 목적에 적절하고 동시에 종래의 해결책에 있어서의 단점을 해결하는 LED 어레이를 제공하기 위하여 본 발명은 LED 어레이 그리드의 제조 방법을 제공하며, 이 LED 어레이 그리드의 제조 방법은: N개(N은 1 보다 큰 정수)의 전기 도선들(W 1 -W N )을 평행하게 배치하여, 배선들의 어레이를 생성하는 단계 - 상기 어레이는 배선들의 길이 방향에 직교하는 너비 D를 가짐 - , 각 LED 구성부품이 적어도 2개의 인접하는 배선들에 전기적으로 연결되도록 LED 구성부품들을 배선들의 어레이에 배치하는 단계, 너비 D가 증가하도록 배선들의 어레이를 늘리는(stretching) 단계, 및
늘어난 LED 어레이 그리드를 하나의 판에 또는 2개의 판 사이에 배치하는 단계 를 포함한다. 매우 소형의 PCB들 상에서의 저가의 어셈블리 공정 및 이들 PCB의 신규의 설계를 이용함으로써 간단한 감김(winding)/납땜(soldering) 공정에 의해 배선들을 가지고 대면적 어레이들을 위한 상호접속을 구축하는 것이 가능하다. PCB의 신규의 설계는 최종(resulting) LED 구성부품이 바람직하게는 배선과 접촉하도록 적응된 LED 구성부품들 상의 전용 위치, 예를 들면, 전기적 접촉이 용이하고/거나 배선이 제자리에 있도록 하는 위치를 제공함으로써 본 발명의 방법에서 사용되도록 적응된다는 것을 말한다. 또한, 대면적 PCB 대신에 배선을 이용하면 LED 어레이 그리드의 비용을 더 줄이게 된다. 본 발명의 방법을 이용함으로써 공지된 기술에 비교해볼 때 몇 가지 이점을 달성하는 것이 가능하다. 이 방법에 따르면 제조 단계들은 제한된 공간에서 수행될 수 있는데, 이는 구축 비용을 줄이는 작업을 용이하게 하는 한편, 최종 결과물이 임의의 원하는 피치(pitch)를 가지는 대형 LED 어레이 그리드가 될 수 있다. 하나 이상의 실시예에 따르면 LED 구성부품들은 이 LED 구성부품들이 그리드를 늘린 후에 규칙적으로 분포되도록 배치되고 하나 이상의 실시예에서 LED 구성부품들은 이 배선들의 길이 방향에 직교하는 방향으로, 인접하는 배선들 간의 갭(gap)을 하나 걸러서 브리징(bridging)하는 LED 구성부품의 행이 존재하도록 배치된다. 하나 이상의 실시예에서 LED 구성부품들의 인접하는 행들은 첫 번째 행이 첫 번째 갭에서 시작하는 인접하는 배선들 간의 갭을 하나 걸러서 브리징한다면, 이 인접하는 행이 인접하는 갭, 예컨대 첫 번째 갭에 인접하는 갭에서 시작하는 인접 배선들 간의 갭을 하나 걸러서 브리징하도록 시프팅된다. 늘어난다면 그 배선들이 다이아몬드 형상의 개구를 형성하는 LED 그리드 어레이가 생성될 수 있다. 하나 이상의 실시예에서 상기 행들은 행 쌍(row pairs)들로 배치되고 LED 구성부품들의 인접하는 행 쌍들은 첫 번째 행 쌍이 첫 번째 갭에서 시작하는 인접 배선들 간의 갭을 하나 걸러서 브리징한다면, 인접하는 행 쌍이 인접하는 갭, 예컨대 첫 번째 갭에 인접하는 갭에서 시작하는 인접하는 배선들 간의 갭을 하나 걸러서 브리징하도록 시프팅된다. 늘어난 이후에는 이 배치는 행과 열들이 등거리로 배치된 LED 어레이 그리드를 생성할 수 있다. 하나 이상의 실시예에서 배선들의 어레이는 어셈블리 드럼 주변을 따라 나선형으로 배선을 감음으로써 형성되고 감겨진 배선들의 어레이는 각 LED 구성부품을 이 감긴 배선들에 포함된 상기 2개의 인접하는 배선들에 안전하게 고정시키는 단계가 완료된 이후에 어셈블리 드럼을 벗어날 수 있으므로, 원통형인 LED 구성부품들 및 배선들의 그리드를 생성한다. 어셈블리 드럼을 이용하면 구성부품들이 한쪽 끝에 감겨지고(feed in) 다른 쪽에서는 정련된 제품이 이루어지는 지속적인 어셈블 공정을 발생하는 것이 가능해진다. 하나 이상의 실시예에서 이 방법은 감겨진 원통형인 그리드 각각을 따라 배선을 적어도 한번 자르는 단계를 더 포함한다. 이 단계는 평평한 LED 어레이 그리드가 바람직한 경우에 유리하다. LED 구성부품들은 내구성있는 LED 어레이 그리드를 제공하고 신뢰성있는 전기적 접촉을 보장하기 위하여 바람직하게는 배선들에 납땜되거나, 접착되거나, IDC형 정착기(fasteners)들(IDC - insulation displacement connector)을 포함한다. 하나 이상의 실시예에 따르면 이 방법은: 기판용으로 리드프레임(leadframe) 재료를 준비하는 단계, 배선에 대한 "스냅-락(snap-lock)" 위치를 획득하기 위하여 기판을 접는 단계, 배선 본딩 또는 플립-칩에 의해 LED들을 위치/상호접속하는 단계, 투명 화합물(clear compound)로 LED들을 오버 몰딩(over moulding)하는 단계, 캐리어 기판을 백에칭(back etch)하는 단계, 구성부품들로 다이싱하는 단계 를 더 포함한다. 이 최종적인 LED 구성부품들은 본 발명의 LED 어레이 그리드에서의 이용 뿐만 아니라 다른 응용분야에서도 적절하다. 본 발명은 또한 LED 어레이 그리드의 제조를 위한 감김 장치(winder device)에 관한 것인데, 일 실시예에 따른 감김 장치는 감김 드럼을 형성하도록 본질적으로는 동일한 방향으로 연장되며 원주를 따라서 배치되는 회전가능한 핀들을 포함하며, 상기 회전가능한 핀들에는 드럼 주변을 따라 감겨지는 전기 도선을 효과적으로 위치시키도록, 즉 평행한 배선들의 어레이를 생성하도록 적응된 쓰레드(threads)들이 제공되고, 상기 핀들의 회전은 이 핀들의 길이에 따라 배선들의 어레이를 이송(transport)하고, 상기 장치는 LED 구성부품들을 상기 배선들의 어레이에 배치하기 위한 수단, 및 각 LED 구성부품을 상기 2개의 인접하는 배선들에 안전하게 고정하기 위한 수단을 더 포함한다. 이 감김 장치는 본 발명의 LED 어레이 그리드의 제조에 매우 적합하다. 하나 이상의 실시예에서 이 감김 장치는 드럼이 한번 회전하면(one revolution) 각 핀이 한번 회전하게 되도록 드럼의 회전을 핀들 각각의 회전에 연결(coupling)시키는 기어(gear)를 더 포함한다. 이러한 특징은 드럼의 각 회전 마다 결과물인 원통형 LED 어레이 그리드의 1권회(turn)에 의해 이 드럼이 감겨질 것이다. 이는 그리드가 이 장치에서 풀려지는(feed off) 비율이 배선이 장치에 감겨지는 비율과 동일함을 의미하여, 바람직하다.
도 1은 본 발명의 방법의 일 실시예의 윤곽을 도시하는 그래픽적인 흐름도. 도 2는 납땜된 변형에 이용되는 PCB 상에 배치된 LED 구성부품들을 도시하는 사시도. 도 3a 내지 3c는 IDC(insulation displacement connector)형인 LED 구성부품들에 대한 제조 단계들을 도시하는 사시도. 도 4는 본 발명의 방법을 수행하는 장치의 상세한 사항을 도시한 부분 사시도. 도 5는 도 4의 장치의 후방의 사시도. 도 6은 본 발명의 방법의 대안적인 실시예의 개략도. 도 7은 2개의 유리판 사이에 배치된 LED 어레이 그리드(array grid)의 사시도. 도 8a 및 8b는 상호접속용으로서 납땜되거나 접착된 배선들에 적응된 LED 구성부품의 구조를 도시하는 개략도.
도 1은 본 발명의 방법의 주된 단계들을 도시한다. 이 도면은 본 발명에서 이용되는 LED(102)들이 어떻게 PCB(104) 상에 배치될 수 있는 지의 일례를 도시하며, 도 2에서도 이를 도시한다. LED(102)들은 미리패키징된(prepackaged) LED 또는 노출된 다이(naked dyes)일 수 있다. 이 예에서 PCB(104)에 특정 홀 패턴이 제공되고 PCB(104)가 분리된 LED 구성부품(106)들로 다이싱될 때 본 발명의 방법에서 추후의 땝납 공정에 이용될 부착점을 제공하도록 홀(108)들이 정해질 수 있다. PCB(104) 상에 좁은 피치로 LED(102)를 배치하여 가능한 PCB 재료를 많이 사용하게 하는 것이 비용효율적이다. 이러한 준비 단계 이후에 실제 어셈블리(assembly)가 일어난다. 추후에 보다 상세히 기술될 바와 같이 어셈블리 드럼(112) 주변에 배선(110)이 감기고 배선(110)이 부착점을 형성하는 홀(108)들에 감겨지기 전에 분리된 LED 구성부품(106)들이 이들을 위치시키는 특정 슬롯(114)들 내에 배치된다. 배선은 일반적으로 참조번호(110)로 나타내지만, 배선의 각 개별적인 "권회(turn)"는 W n , n=1, 2, 등으로 지정되며, W 1 은 배선(110)의 첫번째 권회이고, W 2 는 두번째 권회이며, 그 밖의 배선들도 마찬가지로 지정된다. 어셈블리 드럼(112)은 도 4에서 참조번호(116)로 개략적으로 도시된 피드(feed) 장치(이 피드 장치(116)는 LED 구성부품(106)들의 세트를 포함함)가 LED 구성부품(106)들은 슬롯(114)들에 올바르게 위치시키기 위하여 이동될 필요가 없다는 점에서 고정된 장치가 될 수 있도록 회전한다. 이는 또한 (도시되지 않은) 납땜 장치와 같은 장비가 고정된 위치를 가질 수 있음을 의미한다. 어셈블리 드럼(112)이 회전하는 동안, 이 드럼(112) 상에 감겨지고 있는 배선(110)은 점차적으로 드럼으로부터 풀려질(feed off) 것이며, 이는 또한 도 4 및 도 5에 관련하여 추후에 기술될 것이다. 어셈블리 공정은 필요로 하는 한 막연히, 또는 실질적으로 계속될 수 있다. 이와 같이, 생성된, 원통형의 LED 어레이 그리드는 일반적으로 절단되어 전개되며, 이는 도 1의 흐름도의 다음 예시적인 단계로서 도시된다. 마지막으로 LED 어레이 그리드를 늘려서 그 면적이 의도된 용도에 맞게 적응된 대면적 LED 어레이 그리드(100)를 생성한다. 적어도 이론상으로는 어셈블리 드럼(112)의 직경(또는 원주)의 함수인 그리드의 도 1 및 상술한 설명으로부터 너비는 제한되는 반면, LED 어레이 그리드(100)의 길이는 무한하다는 것이 명백하다. 최종 조명 제품을 획득하기 위한 몇 가지 공정 단계들이 남아있다. 납땜은 이용될 수 있는 고착(fasten) 기술의 단지 일례일 뿐임을 언급해야 한다. 레이저 용접(laser welding), 초음파 기술, 등과 같은 대안들이 있다. 명백하게, 배치 형태(arrangement)는 반대가 될 수 있다. 즉, 드럼(112)이 고정되어 있고 다른 장비가 이 드럼 주변을 회전할 수 있다. 이들 2개의 극단적인 수단(extremes)들의 조합들 또한 예상할 수 있다. 도 2는 PCB 재료 상에서의 LED(102)들의 좁은 피치 어셈블리를 도시한다. 개별적인 LED 구성부품(106)들로 다이싱된 후의 어셈블리가 도시된다. 홀(108)들을 적절한 납땜점들로 변형하기 위해 다이싱이 어떻게 오프셋(offset)되어야 하는지가 주목될 수 있다. 도 3a 내지 도 3c는 IDC-형 LED 구성부품(206)들의 구축(construction)의 몇 가지 단계를 도시한다. LED(202)가 금속 기판(204) 또는 리드 프레임 상에 어떻게 배치되어야 하는지가 도시되며, 이렇게 배치된 후에 기판(204)은 분리된 LED 구성부품(206)들로 잘라지거나 펀칭(punch)된다(도 3c 참조). IDC-형 LED 구성부품(206)들에서의 이점은 이 구성부품들이 배선(110)에 납땜될 필요가 없다는 점이다. 또한, 배선(110)은 절연되면서도 IDC-형 LED 구성부품(206)을 고착시키고 배선(110)에 전기적으로 접속시킬 수 있다. IDC-형 LED 구성부품(206)들을 이용하면 LED 구성부품(206)들을 배선(110)에 부착하는 단계가 좀 더 융통성있게 된다. LED 구성부품들은, 배선(110)이 어셈블리 드럼(112) 주변에 감겨지기 전에 슬롯(114)에 대응하는 슬롯에 배치될 수 있지만, 상기 배선이 어셈블리 드럼(112)에 감겨진 이후에는 이 LED 구성부품들이 배선(110) 상에 똑같이 잘 배치될 수 있다. 도 4는 어셈블리 공정 중의 어셈블리 드럼(112)의 상세한 사항을 도시한다. 드럼(112)은 소정의 속도로 축 A 주변을 회전하는 메인 본체(118)를 가진다. 드럼(112)은 또한 회전 핀(120)을 포함한다. 이들 핀(120)은 드럼(112)이 회전함에 따라, 예를 들면, (도시되지 않은) 벨트 또는 기어에 의해 회전하도록 구동된다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 이 핀들(120)에는 한쪽 끝에 굵은 쓰레드(threads)(122)들이 제공된다. 드럼(112)이 회전함에 따라 배선(110)은 드럼(112)에 감기고 쓰레드(112)들에 의해 위치된다. 핀들(120)의 회전은, 이 쓰레드(122)들에 의해, 점진적으로 배선(110)을 어셈블리 드럼(112)으로부터 풀려지게(feed off)할 것이다. 동시에 회전 핀(120)들은 배선(110)이 감기는 동작부(operation part)가 된다. 인접핀들 사이의, 그 쓰레드에 감긴 쪽 끝에서는(on their threaded end), LED 배치용 슬롯들(114)이 배치된다. 이 슬롯들은 배선(110)과 함께, LED 구성부품(106)들을, 이들이 배선(110)에 고정될 때까지, 위치시키는 작용을 한다. 구성부품 피드 장치(116)는 배치용 슬롯들에 LED 구성부품들(106, 206)을 위치시키도록 구성되며, 그 이후에 이 구성부품들은 배선(110)에 고정될 수 있다. 드럼 본체(118)의 회전, 회전 핀(120)의 회전, 및 핀 쓰레드(112)들은 LED 구성부품들(106, 206)의 고정 뿐만 아니라 구성부품 피드 장치(116)가 고정된 위치에서 동작할 수 있도록 구성되어, 이들 동작에 필요한 장비를 간단히 할 수 있게 한다. 도 5는 어셈블리 드럼(112)의 후방을 도시하며, LED 어레이 그리드(100)가 어떻게 드럼에 장전되기 시작하는지도 도시한다. 기술된 어셈블리 공정은 구성부품 장전 및 납땜 장치 등의 주변 장비의 간소화에 관련하여 몇 가지 이점을 가진다. 그러나, 본 발명의 사상은 또한, 하나의 감긴 배선(110) 및 어셈블리 드럼(112)이, LED 구성부품들(106, 206)이 배선(210)의 길이를 따라 부착된 실장영역(212) 면에 감겨지고(feed in) 있는 몇몇의 개별적이고 평행한 배선(210)으로 교체되는 도 6에 개략적으로 도시된 평면적 접근법으로 실현될 수 있다. 도 6의 화살표는 장전 방향을 나타낸다. 이전에 언급한 실시예에서와 매우 유사하게, 결과 LED 어레이 그리드(100)는 LED 어레이 그리드 상의 LED 구성부품들(106, 206)의 분포에 명백하게 의존된 원하는 길이로 늘어날 수 있다. 이 평면적 접근법은 최종 LED 어레이 그리드의 너비가 제조 장비에 따라서 잠 재적으로 보다 변하기 쉽다는 점에서 이점을 갖는다. 어셈블리 드럼을 이용한 어셈블리의 상술한 설명으로부터 드럼의 사용에 특별히 관련되지 않은 특징들이 평면 접근법에 적용될 수 있다. 기술되고 도시된 배선 그리드 상에서의 LED 구성부품의 분포는 단지 예로서 주어진 것임을 유의한다. LED 구성부품들(106, 206)에는 적절하게 늘릴 수 있는 기회들이 가능한 한, 대안적인 분포가 똑같이 잘 주어질 수 있다. 대안적인 분포의 일례는 LED 구성부품들이 대안으로 1개가 1조인 그룹들(groups of one)로 위치되는 것인데, 이는 도면의 LED 구성부품들(106, 206)이 대안으로 2개가 1조인 그룹들(groups of two)로 배치되는 상황에 관련하여 이해되어야 한다. 본 발명의 방법으로 생성되는 LED 어레이 그리드는 공지된 PCB 해결책, 즉, PCB가 어레이 그리드의 전체 영역을 형성하는 해결책에 비하여 훨씬 비용 효율적이다. PCB가 이용되는 경우 LED 어레이의 1 평방 미터 당 비용은 50 유로를 초과하는 반면, 배선 망(mesh) 해결책의 비용은 1 유로 보다 적다. 독점적이지 않은 적절한 본 발명의 LED 어레이 그리드(100)에 대한 응용분야로는 LCD 디스플레이용 백라이팅이 있는데, 이는 발광 벽 또는 창과 유사한 구형 조명 및 컴팩트(compact)한 형광 램프의 대안이다. 신규의 사용은 도 7에 예시된 바와 같이 2개의 유리판들(302, 304) 사이에 샌드위치 되거나, 하나의 유리판 상에 있는 LED 어레이 그리드(100)의 배치를 포함한다. 유리판들 간의 공간은 PVB(polyvinyl butyral)로 채워질 수 있다. PVB는 유리판들을 본딩하는 강력한 샌드위치 구조를 제공하여 그 광 속성 때문에 반사 또 한 줄어든다. 전류용 도체로서, (일반적으로 ITO라 칭하는) 인듐 주석 산화물 또는 (일반적으로 FTO라 칭하는) 플루오르 도핑된 산화 주석과 같은, 유리판들 중 하나 상의 투명층이 이용될 수 있다. LED는, 예를 들면, 도전성 접착제 또는 땜납(solder)을 이용하여, 이 코팅된 유리에 본딩된다. 그러나, ITO 및 FTO는 모두 LED의 전력을 제한하는 높은 시트 저항을 가지며, 게다가 ITO층 또는 FTO층과 LED 간에 신뢰성있는 상호접속을 구축하는 것은 쉬운 일이 아니기 때문에, 이러한 관점에서 LED 어레이 그리드(100)의 이용이 바람직하다. LED 그리드 어레이는 또한 자가-본딩(self-bonding) 배선에 의해 유리판에 본딩될 수도 있다. 이러한 배선은 높은 용융점(>300℃)을 가지는 제1 강 절연층 및 낮은 용융점(<200℃)을 가지는 제2 절연층으로 코딩된다. 이 제2층은 단단하게 하기 위하여 배선들을 코일안으로 본딩하는 데에 이용되는 코일들을 제작하는 경우이다. 오븐에 코일을 위치시킴으로써 또는 배선을 통하는 전류에 의하여 열이 가해질 수 있는데, 접착력을 획득하기 위하여 용매를 이용하는 것 또한 가능하다. LED가 배선들보다 가는 경우에서도 유리-LED 샌드위치 구조에 열 및 압력을 가함으로써 동일한 본딩 원리가 이용될 수 있다. ITO 또는 FTO로 된 투명층에 비교해 볼 때 배선, 예를 들면, 0.3mm 직경인 구리 배선을 이용하면 효율성면에서 큰 이점을 얻는데, 이는 주로 상기 투명층의 길이 단위 당 저항이 훨씬 높아진다는 것에 관련된 것이다. 도 8a 및 8b는 본 발명의 LED 어레이 그리드(100)의 목적에 특히 적절한 LED 구성부품 구조, 또는 LED 패키지, 및 상술한 샌드위치 구조를 예시하는 개략도이 다. LED 패키지의 제조 방법은 기판용으로 리드프레임(leadframe) 재료(204)를 준비하는 단계, 이용 시에 부착될 배선(210)에 대한 각종 "스냅-락(snap-lock)" 위치(208)를 획득하기 위하여 상기 기판을 접는 단계, 배선 본딩 또는 플립-칩에 의해 LED(202)들을 위치/상호접속하는 단계, 투명 화합물(clear compound)(224)로 오버 몰딩(over moulding)하는 단계, 캐리어 기판을 백에칭(back etch)하는 단계, 구성부품들로 다이싱하는 단계 를 포함한다. 상술한 구조는 LED와의 열 접촉으로 생성된 히트싱크(heatsink)를 또한 포함할 수 있다. 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 필요하다면 각 배선은 2개 이상의 도체들로 이루어질 수 있음을 유의해야 한다. |
