KR100700201B1 - 발광 램프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 집광 효율을 높이고 제작 및 조립이 간편한 발광 램프에 관한 것이다.

본 발명에 따른 발광 램프는, 빛을 발산하는 광원으로서의 복수의 발광 칩과, 상기 복수의 발광 칩에 대응되어 상기 발산된 빛을 집광하는 복수의 광학 렌즈를 포함하는 광학 렌즈 총합체를 구비하며, 상기 복수의 광학 렌즈 각각은 발산된 빛 중 소정 각도 이내의 빛을 전방향으로 굴절시키는 집광부와, 상기 발산된 빛 중 소정 각도 이외의 빛을 전방향으로 전반사 시키는 전반사부를 포함하고, 상기 복수의 광학 렌즈는 동일한 재료에 의하여 일체의 광학 렌즈 총합체로 성형 제작된다.

광학 렌즈, 사출 성형, 발광 칩, 전반사

Description

발광 램프{Luminescent lamp}

도 1은 종래의 발광 램프(10)의 구성을 도시한 도면.

도 2는 상기 공개 특허에 따른 발광 램프의 구성을 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 렌즈 총합체의 형상을 도시한 사시도.

도 4는 도 3의 광학 렌즈 총합체를 위에서 바라본 평면도.

도 5는 도 3의 광학 렌즈 총합체를 구성하는 광학 렌즈의 단면도.

도 6은 도 3의 광학 렌즈 총합체를 A-A' 단면에 따라 절단한 단면도.

도 7은 도 3의 광학 렌즈 총합체의 저면 사시도.

도 8은 사출 전 사출 장치의 구성을 나타낸 도면.

도 9는 사출 후 사출 장치의 구성을 나타낸 도면.

도 10은 발광 램프를 도시한 사시도.

도 11a는 내부 렌즈 타입으로 된 종래의 발광 램프를 나타낸 도면.

도 11b는 반사경 타입으로 된 종래의 발광 램프를 나타낸 도면.

도 11c는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 램프를 나타낸 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

13 : 인쇄회로기판 44 : 발광 칩

50 : 광학 렌즈 51 : 집광부

52 : 전반사부 54 : 반구형 홀

59 : 리드 프레임 60 : 연결부

71 : 컴파운드 72 : 호퍼

73 : 가열실 74 : 피스톤

75 : 금형 90 : 광학 렌즈 총합체

100 : 발광 램프

본 발명은 발광 칩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 집광 효율을 높이고 제작 및 조립이 간편한 발광 램프에 관한 것이다.

일반적으로, 발광 다이오드(luminescent diode)는 반도체의 p-n 접합구조를 이용하여 주입된 소수 캐리어(전자 또는 양공)를 만들어내고, 이들의 재결합(再結合)에 의하여 발광시키는 반도체 소자로서, LED(light emitting diode)라고도 한다.

발광다이오드에 적합한 재료로는 발광파장이 가시(可視) 또는 근적외영역(近赤外領域)에 존재할 것, 발광효율이 높을 것, p-n접합의 제작이 가능할 것 등의 조건을 만족시키는 것으로서 주로 비소화갈륨 GaAs, 인화갈륨 GaP, 갈륨-비소-인 GaAs1-x Px, 갈륨-알루미늄-비소 Ga1-xAlxAs, 인화인듐 InP, 인듐-갈륨-인 ln1- xGaxP 등 3 B 및 5 B족인 2원소 또는 3원소 화합물 반도체가 사용되고 있는데, 2 B, 6 B족이나 4 A, 4 B족인 것에 대하여도 연구가 진행되고 있다.

이러한 발광 다이오드는 고속응답의 특성을 가지고 있어서, 자동차 계기류의 표시소자, 광통신용 광원 등 각종 전자기기의 표시용 램프, 숫자표시 장치나 계산기의 카드 판독기 등에 쓰이고 있다. 특히 근래 들어, 저전력, 장수명의 발광 다이오드가 자동차 및 일반 조명용으로의 사용이 점차 증가하고 있는 추세이다. 그런데, 발광 다이오드를 램프(Lamp)로 사용하기 위해서는 빛을 집광, 분산 시켜주는 별도의 장치가 필요하다. 또한 각 각의 발광 다이오드를 별도의 또는 인쇄회로기판(PCB)에 일일이 조립하고, 이를 다시 램프 내에 장착하여 사용하는 불편함이 있었다.

도 1은 종래의 발광 다이오드 램프(10)의 구성을 도시한 도면이다. 발광 다이오드 램프(10)은 케이싱(casing; 12)의 전면에 설치된 집광용 볼록 렌즈(11)와, 볼록 렌즈(11)의 초점 위치에 구비된 발광 다이오드(14)와, 발광 다이오드(14) 및 기타 전자 부품을 포함하는 인쇄회로기판(13)과, 이들을 둘러싼 케이싱(12)으로 구성된다. 그런데, 실제로 발광 다이오드(14)가 발생하는 빛은 ray 형태로서 임의의 방향으로 방사되기 때문에, 볼록 렌즈(11)로 투과될 수 있는 소정 각도 이외의 빛은 허비되게 되어 발광 다이오드 램프(10)의 집광 효율은 낮아진다.

이에 일본 공개 특허 제1996-0107235호는 발광 다이오드 램프에 볼록 렌즈 외에 전반사를 유도할 수 있는 반사 렌즈를 구비하여 집광 효율을 높이고자 하였다. 도 2는 상기 공개 특허에 따른 발광 다이오드 램프(20)의 구성을 도시한 도면 이다. 발광 다이오드 램프(20)은 투광 렌즈(25)와, 상기 투광 렌즈(25)를 수납하는 케이싱(23)과, 발광 다이오드(14)를 포함하고, 상기 투광 렌즈(25)는 볼록 렌즈(24)와 투광 렌즈(25) 주위에 형성된 반사 렌즈(22)로 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다.

도 2의 발광 다이오드 램프(20)은 도 1의 발광 다이오드 램프(10)에 비하여 훨씬 넓은 각도의 빛을 전방향으로 방사할 수 있어서, 집광 효율이 상당히 개선된다.

그러나, 도 2의 발광 다이오드 램프(20) 또한 발광 다이오드(14) 별로 별도의 집광 렌즈(25) 및 케이싱(23) 등을 별도로 제작하여야 하므로 비용이 상승될 수 있다. 또한, 집광 렌즈(25), 발광 다이오드(14), 및 케이싱(23)을 일일이 조립하여야 하는 불편함이 존재한다. 그리고, 장기 사용시 케이싱(23)과 집광 렌즈(25) 간의 결합이 헐거워져서 발광 다이오드(14)가 발산하는 빛을 정확히 포커싱(focusing)하지 못하는 경우도 발생할 수 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 고려하여 창안된 것으로, 각각의 발광 칩에서 광학 렌즈가 적절한 형상을 갖도록 하여, 별도의 반사경(reflector)이나 내부의 광학 렌즈(Inner Optic Lens)가 필요 없는 간편한 발광 램프 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 발광 램프의 용도에 맞게 발광 칩용 광학 렌즈를 일체형으로 사출하여 제작함으로써 개별적으로 발광 칩을 조립하는데 소요되는 시간과 비용을 절감하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 발광 램프는, 빛을 발산하는 광원으로서의 복수의 발광 칩과, 상기 복수의 발광 칩에 대응되어 상기 발산된 빛을 집광하는 복수의 광학 렌즈를 포함하는 광학 렌즈 총합체를 구비하는데, 상기 복수의 광학 렌즈 각각은 발산된 빛 중 소정 각도 이내의 빛을 전방향으로 굴절시키는 집광부와, 상기 발산된 빛 중 소정 각도 이외의 빛을 전방향으로 전반사 시키는 전반사부를 포함하고, 상기 복수의 광학 렌즈는 동일한 재료에 의하여 일체의 광학 렌즈 총합체로 성형 제작된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 렌즈 총합체(90)의 형상을 도시한 사시도이고 도 4는 광학 렌즈 총합체(90)을 위에서 바라본 평면도이다. 광학 렌즈 총합체(90)은 발광 칩으로부터 발산된 빛을 전방향으로 집광하는 역할을 하는데, 복수의 광학 렌즈(50)를 포함하여 이루어지며, 상기 복수의 광학 렌즈(50)는 동일 재질의 연결부(60)에 의하여 소정의 간격을 갖도록 배치될 수 있다.

광학 렌즈 총합체(90)는 사출 성형이 가능하며, 높은 투명도를 갖는 임의의 단일 재질로 제작될 수 있다. 예를 들어, 광학 렌즈 총합체(90)은 일반적으로 열 및 자외선에 강한 아크릴 수지, 폴리 카보네이트(poly carbonate)와 같이 투명 플라스틱으로 제작될 수 있다.

하나의 광학 렌즈(50)의 형상을 살펴보기 위하여 B-B'의 단면을 나타내면 도 5와 같다. 다만, 도 5는 집광 메커니즘을 설명하기 위하여 발광 칩(44) 및 인쇄회로기판이 장착된 광학 렌즈 총합체(90)의 B-B' 단면을 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 칩(44)은 단일 칩으로 구성되며 발광 다이오드 기타 다양한 형태의 발광 회로에 의하여 구현될 수 있다.

광학 렌즈(50)는 빛의 굴절을 이용하여 발광 칩(44)로부터 발산된 빛 중 소정 각도(θ) 이내의 빛을 전방향으로 굴절시키는 집광부(51)와, 상기 발산된 빛 중 소정 각도(θ) 이외의 빛을 전반사 현상을 이용하여 전방향으로 전반사 시키는 전반사부(52), 및 인쇄회로기판(13) 및 발광 칩(44)를 수용할 수 있도록 집광부(51)의 반대편에 형성된 반구형 홀(hole; 54)를 포함하여 구성된다. 상기 집광부(51)는 비구면 렌즈로 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 반구형 홀(54)은 정확한 구면으로 이루어지는 것이 바람직하다.

이와 같은 광학 렌즈(50)의 단면 형상은 회전 대칭 형상으로 되어 있어서, 광학 렌즈의 중심 부분을 통과하는 어떤 방향으로 단면을 구하여도 마찬가지의 형 상을 갖게 된다.

도 5를 참조하면, 인쇄회로기판(13)에 장착된 발광 칩(44)는 소정의 인쇄회로기판(13)에 장착되어 있다. 인쇄회로기판(13)에는 이외의 다양한 전자 부품이 더 구비되어야 하지만 발명의 핵심 부분은 아니므로 미도시된다.

집광부(51)는 볼록 렌즈의 형상을 가지며, 구면 렌즈 또는 비구면 렌즈의 형상을 가질 수 있지만, 비구면 렌즈의 형상을 갖는 것이 보다 바람직하다. 발광 칩(44)으로부터 발산되어 집광부(51)에 도달되는 빛은 굴절되어 대체적으로 전방향으로 향하게 된다.

전반사부(52)는 상기 각도(θ) 이외의 빛을 전반사 할 수 있도록 포물면(parabolic surface)으로 이루어질 수 있다. 이와 같이 포물면을 갖게 되면 발광 칩(44)로부터 발산되어 전반사부(52)에 도달된 빛의 입사각은 도달 위치에 무관하게 렌즈 재질이 갖는 임계각(예를 들어, 아크릴 수지와 공기와의 계면에 있어서 임계각은 약 43도이다)보다 크도록 할 수 있다.

반구형 홀(54)의 개구부에는 인쇄회로기판(14)이 배치되고, 반구형 홀(54) 전체는 실리콘, 에폭시 등의 투명 충진재에 의하여 채워진다. 이와 같이 충진재를 사용하는 것은, 인쇄회로기판(13)에 장착된 발광 칩(44), 및 와이어(wire) 등이 직접 공기 중에 노출되어 장시간 사용에 따라 열화되는 것을 방지하기 위함이다. 다만, 광학 렌즈(50)와 상기 충진재 간의 굴절률 차이에 의하여 양자 간의 경계면에서의 굴절을 방지하기 위하여 상기 반구형 홀(54)의 곡면은 구면에 가깝게 제작되어야 한다.

도 6은 광학 렌즈 총합체(90)를 도 3의 A-A' 단면에 따라 절단한 단면도이고, 도 7은 도 3에 나타난 광학 렌즈 총합체(90)의 저면 사시도이다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 각각의 광학 렌즈(50)는 연결부(60)에 의하여 연결되며, 각각 렌즈의 후면에 반구형 홀(54)가 구비되어 있음을 알 수 있다.

이와 같은 광학 렌즈 총합체(90)는 플라스틱의 성형가공법, 예를 들어, 주조(cast molding) 사출 성형(射出成形; injection molding) 등의 성형 방법에 의하여 제작될 수 있다. 이 중에서 사출 성형법은 열가소성수지(熱可塑性樹脂)를 성형하는 방법의 중심을 이루고 있는데, 그 공정을 보면 다음과 같다.

사출 전 사출 장치의 구성은 도 8에, 사출 후 사출 장치의 구성은 도 9에 도시된다. 먼저 플라스틱에 안료(顔料), 안정제, 가소제, 충전제 등을 첨가하여 원통형 또는 사각형으로 된 수 mm의 칩으로 만든 것, 즉 컴파운드(compound; 71)를 호퍼(72)에 넣어 둔다. 투입구 바로 앞에 가열실(73)이 있어, 여기서 전열(電熱) ·고압수증기 등으로 가열하면, 상기 컴파운드(71)는 용융상태로 된다.

상기 융용 상태로 된 컴파운드(71)를 피스톤(74)으로 투입구를 통해서 광학 렌즈 총합체를 위한 금형(75) 속으로 사출한다. 금형의 구석까지 용융된 컴파운드(71)가 흘러 들어가면 피스톤은 원래의 위치로 되돌아오게 된다. 이 후, 금(75)형을 원래의 두 쪽으로 나누면 금형(75) 속에서 굳은 광학 렌즈 총합체(90)를 금형(75) 밖으로 꺼내게 된다.

이러한 사출 성형법은 매우 작은 크기의 제품부터 무게 10kg에 이르는 큰 제품까지 성형이 가능하며, 반복해서 사출함으로써 대량생산을 할 수 있어 작업능률 이 높고 제조 비용이 저렴하다. 용융온도는 컴파운드의 재질에 따라서 다르지만 대략 170℃에서 300℃ 정도이고, 성형압력은 대략 500∼1,500kg/㎢이다.

이러한 사출 성형법에 사용되는 컴파운드로는 주로 열가소성 수지가 이용되지만, 근래에는 베이클라이트 계(系)의 열경화성(熱硬化性)수지도 부속 설비가 고안되어 사출 성형이 가능하므로 광학 렌즈 재질을 선택하는 데 있어서 제한이 다소 줄어 들게 되었다.

도 10은 상기 광학 렌즈 총합체(90)에 발광 칩(44) 등의 전자 부품을 장착하여 완성되는 발광 램프(100)를 도시한 사시도이다. 전술한 바와 같이, 도 7과 같은 광학 렌즈 총합체(90)가 제조되면 그에 포함된 각각의 광학 렌즈(50)의 반구형 홀(54)에 실리콘, 에폭시 등의 충진재로 채워 넣은 후, 반구형 홀(54)의 개구면에 발광 칩(44)을 구비한 인쇄회로기판(13)을 장착함으로써 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 램프(100)가 완성된다. 인쇄회로기판(13)내의 각종 전자 부품들은 리드 프레임(lead frame; 59)를 통하여 외부와 전기적으로 연결될 수 있다.

도 10에서는 각 광학 렌즈(50) 별로 별도의 인쇄회로 기판(13)을 장착하는 것으로 하여 설명하였지만, 광학 렌즈 총합체(90) 하나에 대하여 하나의 인쇄회로 기판을 설계하여 장착하는 것도 가능하다.

도 11a는 내부 렌즈 타입으로 된 종래의 발광 다이오드 램프 어셈블리(30)를, 도 11b는 반사경 타입으로 된 종래의 발광 다이오드 램프 어셈블리(40)를, 도 11c는 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 렌즈 타입의 발광 램프 어셈블리(150)를, 도 11d는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사경 타입의 발광 램프 어셈블리(160)를 각각 나타낸 도면들이다.

종래에는 도 11a와 같이 각각의 발광 다이오드를 장착한 기판(34)에 내부 렌즈(inner lens) 내지 프레넬 렌즈(fresnel lens; 33), 스프레드 렌즈(spread lens; 32), 및 외부 렌즈(31; outer lens)를 별도로 제작하여 부착하여야 했다. 또는 다른 방식으로, 도 11b와 같이 상기 기판(34)에 반사경(41), 및 외부 렌즈(31)를 별도로 부착하여야 했다.

그러나, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 광학 렌즈(50)가 결합된 광학 렌즈 총합체(90)를 일체로 제작하고(이에 따라 인쇄회로 기판도 일체로 제작할 수도 있다) 여기에 직접 발광 칩(44)을 장착함으로써, 제작 공정 및 조립 공정을 단순화하고 제작 비용을 감소시킬 수 있게 되었다.

도 11c에 도시되는 발광 램프 어셈블리(150)는, 외부 렌즈(31)과, 스프레드 렌즈(32)와 적어도 하나 이상의 발광 램프(100)가 구비된 램프 기판(35)을 포함하여 이루어질 수 있다. 따라서, 도 11a와 같은 종래의 발광 램프 어셈블리(30)와 같이 내부 렌즈 내지 프레넬 렌즈(33)를 별도로 장착할 필요가 없게 된다.

한편, 도 11d에 도시되는 발광 램프 어셈블리(160)는, 외부 렌즈(31)과, 베젤(bezel; 33)과 적어도 하나 이상의 발광 램프(100)가 구비된 램프 기판(35)을 포함하여 이루어질 수 있다. 따라서, 도 11b와 같은 종래의 발광 램프 어셈블리(40)와 같이 반사경(41)을 별도로 장착할 필요가 없게 된다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수 적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.

본 발명에 따르면, 발광 램프 제작에 소요되는 재료비를 절감하고 그 조립 과정을 단순화하면서도 발광 램프의 집광 효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (7)

1. 빛을 발산하는 광원으로서의 복수의 발광 칩과, 상기 복수의 발광 칩에 대응되어 상기 발산된 빛을 집광하는 복수의 광학 렌즈를 포함하는 광학 렌즈 총합체를 구비한 발광 램프로서,

   상기 복수의 광학 렌즈 각각은 발산된 빛 중 소정 각도 이내의 빛을 전방향으로 굴절시키는 집광부와, 상기 발산된 빛 중 소정 각도 이외의 빛을 전방향으로 전반사 시키는 전반사부를 포함하고,

   상기 복수의 광학 렌즈는 동일한 재료에 의한 일체의 광학 렌즈 총합체로서 사출 성형법에 의하여 제작되는, 발광 램프.
2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 광학 렌즈 각각은

   상기 발광 칩을 수용할 수 있도록 상기 집광부의 반대편에 형성된 반구형 홀을 더 포함하는, 발광 램프.
3. 제2항에 있어서,

   상기 반구형 홀은 투명 충진재에 의하여 채워지는, 발광 램프.
4. 제3항에 있어서,

   상기 집광부는 비구면 렌즈로 구성되고 상기 전반사부의 표면은 포물면을 갖 는, 발광 램프.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 광학 렌즈는

   동일 재질의 일체로 된 연결부에 의하여 상기 복수의 광학 렌즈 간에 소정 간격을 갖도록 연결되는, 발광 램프.
7. 제1항에 있어서, 상기 광학 렌즈 총합체에 대응하여 일체로 제작되며, 상기 복수의 발광 칩과 전기적으로 연결되는 인쇄회로기판을 더 포함하는, 발광 램프.

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