KR100900932B1 - Ｌｅｄ 가로등 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LED 가로등에 관한 것으로서, 빛을 발생시키는 LED 칩 패키지와, LED 칩 패키지로부터 제1설정각 이하로 방사되는 빛을 직진부로 반사시키는 제1반사부와, LED 칩 패키지로부터 제2설정각 이상으로 방사되는 빛과 제1반사부로부터 출사되는 빛을 전방향으로 직진시키는 직진부와, 제1설정각과 제2설정각 사이로 방사되는 빛을 전방향으로 확산시켜 반사시키는 제2반사부로 이루어진 다수의 광원 어셈블리와, 광원 어셈블리의 LED 칩 패키지의 저면이 접촉되며 광원 어셈블리의 출사각이 결정되는 플레이트를 구비하고, 플레이트에 직교하는 다수의 수직 판형핀을 플레이트에 형성시킴과 아울러 수직 판형핀에 직교하는 다수의 수평 판형핀을 수직 판형핀에 형성시켜서 이루어지며, 플레이트, 수직 판형핀 및 수평 판형핀에 대해 표면 개질 및 내부 물성의 전하성을 제거하는 사전 처리를 수행한 방열기판과, 광원 어셈블리 및 방열기판을 수납하는 기능을 수행함과 아울러 광원 어셈블리로부터 출사되는 빛을 회절시키는 커버로 구성하여, 먼거리에서도 원하는 조도를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 방열기판 표면에서 공기와의 대류 현상이 원활하게 이루어지도록 하여 LED로부터 발생되는 열을 효과적으로 방열시킴으로써 LED 수명 및 가로등의 수명을 연장시킬 수 있다.

LED, 가로등

Description

ＬＥＤ 가로등{STREET LAMP COMPRISING LIGHT EMITTED DIODE}

본 발명은 LED 가로등에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 LED로부터 발생된 빛의 직진 및 확산을 수행하는 광원 어셈블리를 이용하여 충분한 조도(Lux)를 확보함과 아울러, 사전 처리된 방열기판을 이용하여 다수의 LED로부터 발생되는 열을 방출하는 LED 가로등에 관한 것이다.

일반적으로 가로등은 길가, 교량 양측, 고속도로 양측의 갓길에 일정간격으로 배치되어 길을 밝히는 기능을 수행한다. 이러한 가로등의 기능 덕택에 안전한 자동차 주행 뿐만 아니라 도심의 어둠을 밝혀 다양한 효과를 연출하기도 한다. 이러한 가로등은 주로 중앙관제에 의해 점등이 제어되게 되며, 그 기능을 충실하게 수행하기 위해서는 최소한의 조도가 확보되어야 하므로 주로 고압 나트륨 램프 등을 이용하게 된다. 그런데, 이 고압 나트륨 램프는 조도가 확보되는 장점이 있는 반면 소비전력이 높아 에너지 소모가 많다는 단점을 가지고 있다.

이에 최근에는 최소의 전력량으로 조명할 수 있는 LED 조명기구가 많이 제안되고 있다. 그러나, 이 LED 조명기구는 근거리, 예를 들어 가정용 스탠드 등에 효과적으로 적용될 수는 있으나, 가로등과 같이 비교적 높은 곳에 설치될 경우에는 적용하기 어렵다는 문제점이 있다. 즉, 소비 전력은 낮출 수 있으나 현저히 낮아지는 조도로 인해 가로등 기능을 제대로 못한다는 단점이 있다.

이에 대한 대안으로서, 1W LED 칩(Chip)을 패키징한 모듈을 PCB(FR-4) 상에 다수개 패키징하여 가로등의 기능을 수행하고자 하였으나, 여전히 원하는 조도를 얻을 수 없을 뿐만 아니라, 다수의 LED 칩에서 발생되는 열로 인해 가로등 수명에 치명적인 영향을 끼치고 있다. LED를 이용하여 전기를 빛으로 변환시킬 때에는 필연적으로 열이 발생하게 되며, 더욱이 조도를 높이기 위해 LED에 공급되는 전기량을 높일수록 열은 더욱 많이 발생하게 된다. 즉, LED를 이용하여 원하는 조도를 얻기 위해서는 반드시 LED로부터 발생되는 열을 제어해야하는 선결과제가 요구된다. 다시 말해, 방열문제가 해결되지 않는다면 LED 가로등은 그 의미가 없어지는 것이다.

이와 같이 조도를 확보하는 문제와 열을 제어하는 문제로 인해 아직까지 LED 가로등으로 상용화하는데 어려움을 겪고 있는 것이다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 빛의 증폭성(Amplification), 빛의 직진성(go straight ahead) 및 빛의 확산성(Diffusion)을 융합한 광원 어셈블리를 이용하여 충분한 조도를 확보함과 아울러, 내부 물성 변화 및 표면 개질을 통해 얻어진 방열기판을 이용하여 다수의 LED로부터 발생되는 열을 효과적으로 방출하는 LED 가로등을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 전원공급부로부터 전원을 공급받아 빛을 발생시키는 LED 칩 패키지와, 상기 LED 칩 패키지로부터 제1설정각 이하로 방사되는 빛을 직진부로 반사시키는 제1반사부와, 상기 LED 칩 패키지로부터 제2설정각 이상으로 방사되는 빛과 제1반사부로부터 출사되는 빛을 전방향으로 직진시키는 직진부와, 상기 제1설정각과 제2설정각 사이로 방사되는 빛을 전방향으로 확산시켜 반사시키는 제2반사부로 이루어진 다수의 광원 어셈블리; 상기 광원 어셈블리의 LED 칩 패키지의 저면이 접촉되며 광원 어셈블리의 출사각이 결정되는 플레이트를 구비하고, 상기 플레이트에 직교하는 다수의 수직 판형핀을 상기 플레이트에 형성시킴과 아울러 상기 수직 판형핀에 직교하는 다수의 수평 판형핀을 상기 수직 판형핀에 형성시켜서 이루어지며, 상기 플레이트, 수직 판형핀 및 수평 판형핀에 대해, (a) 0∼-10℃, 60∼100분 범위내에서 전기도금을 통해 산화막 층을 형성시키는 단계와, (b) 질소, 암모니아, 이산화탄소 분위기에서 500℃∼600℃, 100∼140분 범위내로 열처리를 수행하여 상기 산화막 층 표면을 질화처리하는 단계와, (c) 상기 질화처리된 500℃∼600℃ 결과물을 순수로 냉각시키는 단계와, (d) 상기 (c) 단계의 결과물의 표면에 산화방지막을 코팅하는 단계를 진행하여 표면 개질 및 내부 물성의 전하성을 제거하는 사전 처리를 수행한 방열기판; 및 상기 광원 어셈블리 및 방열기판을 수납하는 기능을 수행함과 아울러 상기 광원 어셈블리로부터 출사되는 빛을 회절시키는 커버를 포함하는 LED 가로등을 제공하는데 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 LED 가로등은, 광원 어셈블리를 이용하여 빛을 원거리에 이르게 함으로써 충분히 먼거리에서도 원하는 조도를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 사전 처리된 방열기판의 물성변화를 통해 방열기판 표면에서 공기와의 대류 현상이 원활하게 이루어지도록 하여 LED로부터 발생되는 열을 효과적으로 방열시킴으로써 LED 수명 및 가로등의 수명을 연장시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 LED 가로등에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1a는 본 발명의 일실시예에 의한 LED 가로등의 광원 어셈블리와 방열기판 결합 상태도이다.

통상 가로등주의 일정 높이에 가로등이 설치되게 되는데, 통상의 가로등과 같이 본 발명의 LED 가로등은 빛이 향하는 전방향에 투명성질의 커버(Cover)가 형성되어 있으며, 이 커버 내부에 도 1a에 도시된 바와 같이, 광원 어셈블리(1)와 방 열기판(2)이 설치되어 있다.

광원 어셈블리(1)는 빛의 증폭성(Amplification), 빛의 직진성(go straight ahead), 빛의 확산성(Diffusion) 및 빛의 회절 프레넬(Fresnel) 기능을 갖도록 각각의 부품이 조합된 결과물이거나 하나의 렌즈 형태를 가지며, 이 광원 어셈블리(1) 다수개가 방열기판(2)에 표면접촉되어 있다. 이 광원 어셈블리(1)의 구성은 도 2에서 상세히 설명하기로 한다.

방열기판(2)은 베이스 플레이트 양측에 판형 핀을 형성시키고 있으며, 광원 어셈블리(1)와 표면접촉되는 부분은 면접촉이 이루어지도록 돔형 플레이트가 형성되어 있다.

한편, 광원 어셈블리(1) 각각에는 전원을 공급함과 아울러 각각의 LED 점등 제어를 수행하는 콘솔박스가 접속되어 있다.

도 1b는 본 발명의 LED 가로등에 전원을 공급하는 전원공급부의 구성도이다.

도 1b에 도시된 바와 같이, 전원공급부(3)는 상기한 콘솔박스에 수납되는 것이 일반적이며, 이 전원공급부(3)는 교류전원을 평활화시켜 직류전원으로 변환하는 평활부(31)와, 직류전원을 공급받아 전원 공급 제어를 수행하는 제어부(32)와, 외부에 형성된 솔라셀로부터 전달되는 전원을 축적시키는 배터리(33)와, 배터리(33)의 전압을 체크하여 체크된 전압값을 제어부(32)로 전달하는 전압검출부(34)와, 배터리(33)에 축적된 전원을 LED 가로등으로 공급할 수 있도록 제어부(32)에 의해 제어되는 스위칭부(35)와, 조도를 체크하여 체크된 조도값을 제어부(32)로 전달하는 조도센서(36)를 포함하여 구성되어 있다.

솔라셀은 이미 잘 알려진 바와 같이, p-n접합 다이오드로 구성되며 반도체 구조내에서 전자들이 비대칭적으로 존재하도록 구성된다. 통상 n-type 반도체는 큰 전자밀도(electron density)와 작은 정공밀도(hole density)를 가지고, p-type 반도체는 상기와 반대이다. 따라서 열적 평형상태에서 p-type 반도체와 n-type 반도체의 접합으로 이루어진 다이오드는 케리어(carrier)의 확산으로 전하의 불균형이 생기고, 이때문에 전기장이 형성되어 더이상 케리어의 확산이 일어나지 않는다. 상기 다이오드에 상기 다이오드를 구성하는 물질의 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band) 사이의 에너지 차이인 밴드갭(band gap)이상의 빛을 가한 경우, 이 빛에너지를 흡수한 전자들이 가전자대에서 전도대로 여기(excite)된다. 이때 전도대로 여기된 전자들은 자유롭게 이동가능하며, 가전자대에서 전자들이 빠져나간 자리에 정공(hole)이 형성된다. 상기에서 형성된 정공을 익세스 케리어(excess carrier)라 부르며, 상기 익세스 케리어(excess carrier)들은 전도대와 가전자대 내에서 확산한다. 이때 p-type 반도체 내에서 여기된 전자들과 n-type 반도체 내에서 만들어진 정공을 각각의 마이너러티케리어(minority carrier)라고 부르며, 상기 마이너러티 케리어의 확산에 의해 물질내부의 차지 뉴트렐러티(charge neutrality)가 파괴되므로써 전압차가 생긴다. 이때 상기 p-n 접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력에 의해 전기가 생성되는 것이다.

이와 같은 회로 구성을 통해, 태양빛이 존재하는 대낮의 경우에는 솔라셀로부터 전달된 전원을 배터리(33)에 충전시키고, 조도센서(36)에서 설정값 이하의 조 도센싱값을 제어부(32)로 전달하면, 제어부(32)에서는 스위칭부(35) 제어를 통해 배터리(33)에 충전된 전원을 공급하도록 한다. 이때, 전압검출부(34)로부터 배터리(33)의 전압값을 전달받아 설정값 이하로 배터리(33) 잔량이 떨어질 경우에 제어부(32)에서는 스위칭부(35)를 오픈시키는 제어를 수행함과 아울러 제어부(32) 자체적으로 내장된 스위치(미도시)의 스위칭제어를 수행하여 교류전원을 전원공급원으로 사용하게 된다.

도 2는 본 발명에 적용되는 광원 어셈블리의 구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 광원 어셈블리는 LED 칩 패키지(11)와, 상기한 바와 같이 빛의 증폭성(Amplification), 빛의 직진성(go straight ahead), 빛의 확산성(Diffusion) 및 빛의 회절 프레넬(Fresnel) 기능을 갖는 4개 부분으로 구성되어 있다. 즉, 빛을 증폭시키는 제1반사부재(12)와, 빛을 직진시키는 직진렌즈(13)와, 빛을 확산시키는 제2반사부재(14)와, 회절 확산시키는 커버(미도시)로 이루어져 있다. 여기서, 커버가 광원 어셈블리에 포함되는 것으로 설명하고 있으나, 실질적으로 제1반사부재(12), 직진렌즈(13) 및 제2반사부재(14)로 이루어진 광원 어셈블리로부터 출사되는 빛을 최종적으로 출사하는 케이스 영역에 포함된다. 그러나, 기능설명의 편의를 위해 커버를 광원 어셈블리에 포함되는 것으로 하여 설명하기로 한다.

LED 칩 패키지(11)는 기판 상에 LED 칩, N형 전극패드 및 P형 전극패드가 형성되어 있으며, LED 칩과 N형 전극패드, LED 칩과 P형 전극패드는 각각 세금선(Gold Wire)으로 연결되어 있다. 한편, LED 칩 상부에는 형광체를 포함하는 몰드 층이 형성되어 있으며, 이 몰드층 상부에 반구형의 실리콘층이 형성되어 있다.

이 LED 칩 패키지(11)의 제조과정을 간단히 설명하면, 방열 기판 상에 1W Bare Die Chip을 직접 COB 패키징(Packing)한다. 즉, Bare Die Chip을 먼저 방열 기판 상에 본딩(Bonding)하고 오븐에서 150℃ 소성(Curing)한 다음, 세금선으로 Bare Die Chip 상에 있는 전극패드와 N형 전극패드 및 P형 전극패드를 연결한다. 그 다음으로 수축변화가 없는 폴리이미드(Poly Imide) 파우더 수지를 화학 처리하여 투명 액상 코팅제를 만들고, 와이어 본딩(Wire Bonding)된 면 위에 옵티컬 몰딩(Optical Molding)을 돔 형태로 형성한 후 180℃에서 소성한다. 이러한 형태를 몰딩한 액상수지 몰딩을 200℃에서 20,000시간 열 테스트를 하면 수축 변화와 변색(Discoloration)이 없고 빛의 투과 효율이 95％까지 나오면서 LED Chip 사용 수명은 100,000시간까지 갈 수가 있는 LED 칩 패키지(11)가 완성되는 것이다. 이때, 몰딩 형태의 구조는 원형 돔 형태이며 지름은 5㎜ 내외이고 높이는 4㎜ 내외이다.

그런데, 이 LED 칩 패키지(11)만으로는 빛을 멀리 발산할 수 없다. 이에 본 발명에서는 이 LED 칩 패키지(11)에 빛의 증폭성(Amplification), 빛의 직진성(go straight ahead), 빛의 확산성(Diffusion) 및 빛의 회절 프레넬(Fresnel) 기능을 융합시킨다.

먼저, 제1반사부재(12)는 LED 칩 패키지(11)로부터 방사상으로 퍼지는 빛을 집광하는 기능을 수행하게 되는데, 즉 반사면을 이용하여 빛을 증폭시켜 조도를 향상시키는 기능을 수행하게 된다. 제1반사부재(12)의 재료로는 폴리메타아크릴산메틸(PMMA) 고순도 아크릴 소재를 이용하며, 반사율은 95％ 이상이다. 이 제1반사부재(12)를 제작하기 위해서는 특수 금속인 스타박스로 렌즈 금형을 제작하고, 슈퍼 경면(람다라) 연마를 통해 렌즈화한 것이다. 이러한 렌즈 금형으로 사출하여 그 렌즈면에 슈퍼 반사 알루미늄 반사 코팅을 한다(진공상태에서 PVD 코팅). 이에 따라 제1반사부재(12)는 빛을 모아주는 45°내외의 슈퍼 반사면을 통해 빛을 증폭시키는 것이다. 이 제1반사부재(12)는 LED 칩 패키지(11)의 LED 칩을 에워싸는 형태를 갖는다.

직진렌즈(13)는 제1반사부재(12)에 의해 집광된 빛을 직진시키는 기능을 수행하고, 10m 내외까지 도달하도록 장대형 볼륨렌즈를 사용한다. 이 장대형 볼륨렌즈는 증폭된 빛을 멀리 나가게 하는 원리, 즉 빛의 Focus Type으로 45°각도 빛을 10m 이상 직진시키는 렌즈로서 제작된다. 그 재료는 폴리메타아크릴산메틸 고순도 아크릴 수지이며, 투과율은 95％ 이상이다. 이 장대형 볼륨렌즈를 제작하기 위해 금형을 제작하여 슈퍼 경면 연마로서 렌즈화한 것이다. 이 장대형 볼륨렌즈의 크기는 지름 18㎜, 길이 22㎜ 볼록렌즈 형태로 제작한다. 이 장대형 볼륨렌즈는 상기한 제1반사부재(12)가 내삽되도록 중공되어 있으며 상단에 볼록렌즈가 형성되어 있다. 이 직진렌즈(13)는 컵형상을 하며, 그 하단에는 제1반사부재(12)가 내삽되어 있으며, 그 상단에는 렌즈가 형성되어 있다. 이 렌즈는 입사면에서 (-)초점거리를 가지며 출사면에서 (+)초점거리를 갖는다.

제2반사부재(14)는 제1반사부재(12)의 영역을 벗어난 빛 및 직진렌즈(13) 측면으로 향하는 빛을 전방향으로 진행시킴과 아울러 일정범위로 확산시키는 기능을 수행한다. 이 제2반사부재(14)는 발산 렌즈 즉, 프레넬 확산렌즈 구조로 조명을 밝게, 면적을 넓게 밝히게 되는데, 이러한 프레넬 확산렌즈 구조를 램버시안(Lambertian)이라 하며, 밝기는 cgs 단위를 사용한다. 이 제2반사부재(14)의 재료는 폴리메타아크릴산메틸 고순도 아크릴 수지이며, 반사율은 95％ 이상이다. 이 제2반사부재(14)를 제작하기 위해 확산 광학 금형을 제작하여 반사면을 광학 연마하여 사출한 제품을 확산 반사면에 슈퍼 알루미늄 반사코팅을 한다(진공상태에서 PVD 코팅). 이 제2반사부재(14)의 내벽에 직진렌즈(13) 저면 외벽이 끼워져 체결된다.

커버(미도시)는 빛의 확산, 회절, 프레넬 렌즈(Fresnel Lens) 기능 부품들을 장착하여, 제1반사부재(12), 직진렌즈(13), 제2반사부재(14)에서 출사되는 빛을 더욱 더 증폭, 확대하여 더 넓은(Wide Vast) 면적에 빛을 퍼지게 하고, 전체 180°면적을 균일하게 밝힌다. 한편, 빛의 눈부심을 제거하기 위하여 커버 사출시에 나노 확산 비드와 사파이어 비드를 혼합하여 제작함으로써 눈부심을 제거하며, 동시에 빛의 증폭과 균일성을 유지하도록 한다. 또한, LED로부터 발산되는 빛의 종류에 따라 커버 제작시에 백색이나 주황색에 나노 형광물질을 혼합하여 빛이 더욱 밝아지도록 하는 것도 바람직할 것이다. 이 커버는 투과율 95％ 이상의 폴리메타아크릴산메틸 고순도 아크릴 수지를 이용하여 제조된다.

도 3은 본 발명에 적용되는 광원 어셈블리의 광경로를 나타낸 개념도이다.

도 3a에 도시된 바와 같이, LED 칩 패키지에서는 빛이 방사상으로 발산되게 되며, 방사상으로 진행하는 빛에 대해 특히 측면으로 방사되는 빛에 대해 도 3b에 도시된 바와 같이 반사부재 기울기에 대응한 빛의 반사를 통해 빛이 전방향으로 진행하도록 함으로써 빛을 집광시키게 된다. 이때, 반사부재에 반사되는 빛은 전방향을 향하게 되지만, 반사부재에 반사되지 않는 빛은 여전히 방사상으로 퍼지게 된다. 이에, 도 3c에 도시된 바와 같이, 반사부재의 영역을 벗어나 방사되는 빛 중에서 직진렌즈 상단에 형성된 볼록렌즈에 입사되는 빛은 볼록렌즈의 곡률반경에 의해 전방향을 향하게 된다. 한편, 직진렌즈의 볼록렌즈에 입사되지 않거나 반사부재에 의해 반사되지 않은 빛은 전방향을 향하지 않고 직진렌즈의 측면을 통해 계속 방사상으로 진행하게 되므로, 도 3d에 도시된 바와 같이 제2반사부재 또는 프레넬 렌즈를 이용하여 이들 빛을 전방향으로 진행시킴과 아울러 일정영역으로 확산되도록 한다.

이에 따라 빛이 원거리로 직진 및 확산됨으로 인해 거리등으로서의 기능을 제대로 수행하게 되는 것이다.

본 실시예에서 제안하는 LED 가로등은 55W 이하에 적용할 경우에 광원은 8m∼10m 이상 진행하며, 빛의 조도는 8m에서 100Lux, 10m에서는 70Lux 이상 유지한다.

한편, 본 발명은 다수의 광원 어셈블리로부터 발생되는 열을 방출할 수 있는 방안을 제시하고 있다. 이하, 방열기판에 대해 상세히 설명한다.

방열기판(Radiation Substrate)은 대기와의 접촉면적을 넓혀 열을 제거함으로써 열이 발생하는 물체에서의 온도 상승을 방지하는 기능을 수행한다. 그러나, 다양한 이론에도 불구하고 이론대로 방열이 이루어지지 않음으로 인해 강압적으로 팬을 사용하여 방열 작용을 대신하고 있다. 즉, 방열에 대한 확실한 이론과 정의가 정립되어 있지 못하고 있다.

여기서, 열이동 방식을 3가지 현상에 대해 설명한다.

대류 현상(Convection) : 열이 표면체에서 대류 현상을 통해 흘러가는 현상이다. 다시 말하면 열이 공기를 통해 이동(전달)되는 것을 말한다.

열전도 현상(Heat Energy and Conduction) : 열이 전도율에 의해 이동하는 것이다. 즉, 열을 발생시키는 물체에 다른 물체를 접촉하면 다른 물체로 열이 전달되는 현상을 말한다.

복사열 현상(Radiation) : 열이 발생하여 상대방 쪽으로 이동하는 것을 복사열 또는 방사열이라 한다. 즉, 태양에서 발생하는 열이 지구 상의 사람이나 동식물 쪽으로 이동하는 열을 의미한다.

본 발명에서는 상기한 열이동 방식중 열전도 현상과 대류 현상을 이용하게 된다.

한편, 방열기판으로 가장 많이 사용되는 것이 알루미늄 소재이다. 이 알루미늄 방열기판은 대기와 접촉하는 표면적을 넓히기 위하여 알루미늄 평판 일측에 다수의 판형 핀을 형성시키는데, 이 구조를 Heat Sink라고 하다. 다른 방법으로 알루미늄 Sheet 판 위에 플라스틱 PCB판을 결합시켜 사용하는 것을 Metal PCB 즉, M-PCB라고 한다. 이러한 형태의 구조나 알루니늄 자체 성질만으로는 실질적으로 이론적인 방열기능을 수행하지 못하는게 현실이다.

그 이유는 물질이 갖는 비중량과 열전도율에 기인하는데, 이에 대해 간략하게 설명한다. 여기서, 비중량의 단위는 ㎏/㎡이고, 열전도율의 단위는 열량단위인 ㎉ 또는 W/m.k을 사용한다.

예를 들어, 철(Fe)은 비중량 7900 ㎏/㎡, 열전도율 60 ㎉로서 방열재료로서 매우 좋지 않다. 스텐레스 강은 비중량 7820 ㎏/㎡, 열전도율 14 ㎉로서 이 역시 방열재료로서 매우 좋지 않다. 구리(Cu)은 비중량 8300 ㎏/㎡, 열전도율 320 ㎉로서 구리는 비중량이 높아 열을 많이 지니게 된다. 대신 열전도율은 아주 좋다. 알루미늄(Al)은 비중량 2710 ㎏/㎡, 열전도율 228 ㎉로서 다른 재료보다 비중이 낮고 열전도율이 우수하다.

이와 같이 통상 알루미늄은 상대적으로 낮은 비중량을 가지면서 열전도율이 뛰어나 방열에 우수한 소재라고 생각하고 있다. 물론, 철, 스텐레스 강, 구리에 대비하여 방열 소재로서 적합하기는 하나, 실질적으로 LED로부터 발생된 열이 알루미늄 기판으로 이동하면 전하성을 띤 성질에 의하여 알루미늄 기판은 열을 자체적으로 가지게 된다. 시간이 지날수록 알루미늄 기판은 엄청난 열을 보유하게 되어 80℃∼95℃ 이상 열의 누적현상이 발생한다. 결국에는 이런 성질 때문에 팬 등을 통해 강제 순환을 시켜 방열시키게 된다.

이에 본 발명에서는 알루미늄 기판 자체의 물성을 변화시켜 방열 성능을 향상시키고자 한다. 즉, 열전도 현상에 의해 광원 어셈블리로부터 전달된 열을 대류 현상을 통해 방열시키고자 한다. 이를 위해 알루미늄 자체에 다양한 처리를 통해 내부 물성을 변화시킴과 아울러 외부 표면을 개질시킨다. 이에 대한 과정은 도 5에서 상세히 설명한다.

이와 같이 알루미늄에 다양한 처리가 이루어지면 비중량이 공정 처리된 알루 미늄은 비중량 1010 ㎏/㎡, 열전도율 650 ㎉ 이다. 이에 따라, 처리전 알루미늄에 대비하여 공정 처리가 이루어진 알루미늄은 2.5배 이상의 방열 효과를 가지게 된다. 이 공정 처리된 알루미늄을 이용하여 1W LED 48개, 총 48W를 실장하여 실험 테스트한 결과, 외부 온도는 평균 36℃를 유지하였으며, 가로등을 조립하여 테스트한 결과는 가로등 내부 온도는 46℃를 유지하였다.

도 4는 본 발명에 적용되는 방열기판의 구성도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 방열기판(2)은 베이스 플레이트(21)의 일측에 일정간격을 갖고 배치되는 다수개의 판형 핀이 결합되고, 베이스 플레이트(21)의 타측에도 판형 핀이 결합되어 있다. 이때, 베이스 플레이트(21)의 일측에 형성되는 판형 핀(22)은 베이스 플레이트(21)에 수직하게 결합되며, 이 수직하게 결합된 판형 핀(22)들에는 베이스 플레이트(21)에 수평하며 일정간격을 갖고 배치되는 판형 핀(23)이 다시 결합되어 있다. 이 구조를 본 실시예에서는 “직병렬구조”라고 정의하기로 한다. 한편, 베이스 플레이트(21)의 타측에 형성되는 판형 핀(24)은 각 높이가 다르게 결합되어 있는데, 돔형상으로 배열되어 있으며, 이 돔형상의 판형 핀(24) 끝단에는 돔형 플레이트(25)가 결합되어 있다. 이 돔형 플레이트(25)에는 광원 어셈블리가 부착되어 LED에서 발생되는 열을 전달하는 기능을 수행하게 된다. 또한, 돔형 플레이트(25)의 형상에 의해 지면을 향하는 빛의 방향 및 넓이가 조절될 수 있다. 그리고, 광원 어셈블리와의 접촉 면적을 최대화하기 위해 돔형상을 각지게 하는 것이 바람직할 것이다. 이와 같이 돔형 플레이트(25)를 형성시키는 이유 는, 광원 어셈블리로부터 발산되는 빛이 직진성향을 가짐으로 인해, 일정면적을 조명하기 위해 빛의 방향성을 갖도록 하기 위함이다.

이와 같은 방열기판(2)은 입체적인 알루미늄 압출 금형을 제작하여 아주 단순하게 압출 인발로서 제작한다. 구조와 형태는 직열방향인 수직방향의 알루미늄 두께는 3㎜이며, 병렬방향인 수평방향의 알루미늄 두께는 1.5㎜ 두께로 한다. 알루미늄 재질은 6060으로 사용한다. 물론, 방열기판(2)의 크기와 치수는 가로등 크기 및 그 용도에 대응하여 다양하게 제작될 수 있다.

한편, 방열 효율을 더욱 높일 수 있는 방안으로서, 방열기판(2)에 전달된 열을 타 영역으로 전달하여 더욱 효과적인 방출을 수행할 수도 있다. 즉, 방열기판(2)에 전도라인을 접촉하여 이 전도라인을 통해 타 방열소재로 열을 전달시킴으로써 방열기판(2) 자체의 온도를 강하시키는 것도 바람직할 것이다.

도 5는 본 발명에 적용되는 방열기판 제작 과정을 나타낸 흐름도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 방열기판의 제작은 크게 5 단계의 공정을 거치게 된다.

알루미늄 물성 및 특성을 갖는 방열기판 압출 인발(S1)

상기한 바와 같이 압출 금형을 제작하여 압출 인발로서 방열기판을 제작한다. 이후, 이 방열기판을 용도에 맞게 커팅한다. 이 커팅된 방열기판은, 도 6a에 도시된 바와 같이, 알루미늄 자체 내에 수많은 분자와 다양한 형태로 구성되어 있으며, 이를 개성질체(個性質體)라고 하며, 이러한 구조를 Micro Cell 또는 소공동 부(小空洞部)라고 한다. 다른 정의에 의하면, 전하성(電荷性)이라고도 한다. 한편, 전하성을 가진 구조는 열을 가지려는 성질을 지닌다. 그러므로 일반 알루미늄 물성 및 특성을 갖는 방열기판에 열이 전달되면, 그 열이 점점 누적되어 방열기판 자체의 온도가 상승하게 되어, 방열 기능을 효과적으로 수행할 수 없을 뿐만 아니라 결국에는 부가적으로 방열을 위한 팬을 사용해야 하는 상황에 이르게 된다.

알루미늄 표면 개질(S2)

알루미늄은 일반적으로 표면이 강하지 못하며 또한 연질성을 가지고 있으므로, 도 6b에 도시된 바와 같이, 알루미늄 표면을 알루미늄이 아닌 다른 표면으로 개질한다. 즉, 그 표면에 강한 산화막을 코팅 처리하는 것이다. 저온인 0∼-10℃에서 60∼100분 정도 진행하여, 이온발생에 의한 전기도금(Electroforming)을 통하여 양극성과 음극성 작용으로 새로운 산화막 층을 형성한다. 이러한 막을 하드막 코팅 또는 경질막 코팅이라고 한다. 이 산화막 층의 두께는 40㎛ 정도가 바람직하다.

알루미늄 T-4 융체화 처리(S3)

도 6c에 도시된 바와 같이, 산화막 층이 형성된 알루미늄에 T-4 융체화 처리를 수행한다. T-4 융체화 처리는, 알루미늄 물질을 온도 500℃∼600℃ 정도로 열처리하며, 공정 과정중에 N₂ 질소, 암모니아, 이산화탄소 분위기 하에서 100∼140분 동안 열처리한다. 이에 따라 산화막 층 표면이 알루미늄 질화처리(Alumimum niteniting)가 이루어진다. 이 과정에서 알루미늄 자체 분자 구조인 Micro Cell 또는 소공동부의 수만개 분자들이 중앙으로 축소되어 모아지면서 8각형 내지 원형으 로 축소된다. 이에 따라 열을 지니려는 성질이 소멸되는 것이다. 그리고 물성이 강화되고 비중은 낮아지게 되는 것이다. 열이 머무르는 곳이 작아지며 소멸됨으로 인해 열전도율이 더욱 높아지게 된다. 또한, 열이 머무르는 곳이 없어지게 되어 대류 현상에 의해 알루미늄 외부로 빠르게 빠져나가게 된다. 이러한 현상을 Black Hole 현상으로 표현하는 것이다.

알루미늄 (물 컨칭) 처리(S4)

상기한 융체화 처리를 수행한 500℃∼600℃ 이상의 알루미늄을 순간적으로 순수물로 급냉 처리한다. 이 과정에서, 도 6d에 도시된 바와 같이, 열에 의해 알루미늄 분자로 구성된 Micro Cell 또는 소공동부가 응축되며 그 상태에서 순간적으로 표면 밖으로 튀어나온다. 이와 같이, 알루미늄의 표면 강화된 산화막 층과 물, 공기, 열이 혼합되어 폭발하면서 새롭게 변화된 표면막을 형성하게 되는 것이다. 이렇게 형성된 표면층을 제4의 물질변화라 하며, 재 창조물질이라고 한다. 이 상태에서 그 표면 위에 TiO₂ 코팅을 하게 되면 공기마찰로 인해 대류 현상을 띄게 된다. 상기 TiO₂ 코팅의 두께는 1㎛ 이다. 알루미늄에서 높은 열이 방출되면 대류 현상을 통하여 열이 공기로 전달된다. 이러한 열의 이동하는 과정에 의해 방열을 수행하게 되는 것이다.

산화방지막 형성(S5)

마지막으로, 상기한 결과물의 표면 산화를 방지하기 위하여 탄소나노튜브(CNT) 파우더와 비스무트 금속, 파인 세라믹(Fine Ceramic) 광물 파우더를 혼합, 코팅한다. 코팅의 두께는 30㎛으로 한다.

이와 같이 처리된 알루미늄 방열기판을 사용할 경우에 LED 자체의 온도는 35℃∼40℃를 유지하였으며, 가로등의 내부 온도는 45℃∼50℃ 전후를 유지하였다.

이상에서 몇 가지 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.

도 1a은 본 발명의 일실시예에 의한 LED 가로등의 광원 어셈블리와 방열기판 결합 상태도이다.

도 1b는 본 발명의 LED 가로등에 전원을 공급하는 전원공급부의 구성도이다.

도 2는 본 발명에 적용되는 광원 어셈블리의 구성도이다.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 적용되는 광원 어셈블리의 광경로를 나타낸 개념도이다.

도 4는 본 발명에 적용되는 방열기판의 구성도이다.

도 5는 본 발명에 적용되는 방열기판 제작 과정을 나타낸 흐름도이다.

도 6a 내지 도 6d는 본 발명에 적용되는 방열기판의 물성변화 과정을 나타낸 개념도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 광원 어셈블리 11 : LED 칩 패키지

12 : 제1반사부재 13 : 직진렌즈

14 : 제2반사부재

2 : 방열기판 21 : 베이스 플레이트

22, 23, 24 : 판형 핀 25 : 돔형 플레이트

3 : 전원공급부 31 : 평활부

32 : 제어부 33 : 배터리

34 : 전압검출부 35 : 스위칭부

36 : 조도센서

Claims (11)

1. 전원공급부로부터 전원을 공급받아 빛을 발생시키는 LED 칩 패키지와, 상기 LED 칩 패키지로부터 제1설정각 이하로 방사되는 빛을 직진부로 반사시키는 제1반사부와, 상기 LED 칩 패키지로부터 제2설정각 이상으로 방사되는 빛과 제1반사부로부터 출사되는 빛을 전방향으로 직진시키는 직진부와, 상기 제1설정각과 제2설정각 사이로 방사되는 빛을 전방향으로 확산시켜 반사시키는 제2반사부로 이루어진 다수의 광원 어셈블리;

   상기 광원 어셈블리의 LED 칩 패키지의 저면이 접촉되며 광원 어셈블리의 출사각이 결정되는 플레이트를 구비하고, 상기 플레이트에 직교하는 다수의 수직 판형핀을 상기 플레이트에 형성시킴과 아울러 상기 수직 판형핀에 직교하는 다수의 수평 판형핀을 상기 수직 판형핀에 형성시켜서 이루어지며, 상기 플레이트, 수직 판형핀 및 수평 판형핀에 대해, (a) 0∼-10℃, 60∼100분 범위내에서 전기도금을 통해 산화막 층을 형성시키는 단계와, (b) 질소, 암모니아, 이산화탄소 분위기에서 500℃∼600℃, 100∼140분 범위내로 열처리를 수행하여 상기 산화막 층 표면을 질화처리하는 단계와, (c) 상기 질화처리된 500℃∼600℃ 결과물을 순수로 냉각시키는 단계와, (d) 상기 (c) 단계의 결과물의 표면에 산화방지막을 코팅하는 단계를 진행하여 표면 개질 및 내부 물성의 전하성을 제거하는 사전 처리를 수행한 방열기판; 및

   상기 광원 어셈블리 및 방열기판을 수납하는 기능을 수행함과 아울러 상기 광원 어셈블리로부터 출사되는 빛을 회절시키는 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 가로등.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1반사부는 LED 칩 패키지로부터 방사된 빛을 전반사시키는 경사면을 갖는 반사부재인 것을 특징으로 하는 LED 가로등.
3. 제2항에 있어서, 상기 직진부는 상기 반사부재를 내삽시키고, 그 상단에 빛을 직진시키는 곡률반경을 갖는 렌즈를 형성시켜서 이루어진 것을 특징으로 하는 LED 가로등.
4. 제3항에 있어서, 상기 렌즈는 입사면에서 (-)초점거리를 가지며 출사면에서 (+)초점거리를 갖는 것을 특징으로 하는 LED 가로등.
5. 제4항에 있어서, 상기 제2반사부는 상기 직진부 외벽이 그 내벽에 결합되며, 단차진 경사면을 갖는 반사부재인 것을 특징으로 하는 LED 가로등.
6. 제5항에 있어서, 상기 커버는 프레넬 확산렌즈인 것을 특징으로 하는 LED 가로등.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서, 상기 방열기판에는 열전도를 수행하는 전도라인이 접속되어 있으며, 이 전도라인은 타 방열소재와 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 LED 가로등.
9. 삭제
10. 제1항에 있어서, 상기 전원공급부는,

    교류전원을 평활화시켜 직류전원으로 변환하는 평활부;

    상기 직류전원을 공급받아 LED 가로등의 전원공급원으로 하거나 배터리를 LED 가로등의 전원공급원으로 하는 스위칭제어를 수행하는 제어부;

    솔라셀로부터 전달되는 전원을 축적시키는 배터리;

    상기 배터리의 전압을 체크하여 체크된 전압값을 제어부로 전달하는 전압검출부; 및

    상기 배터리에 축적된 전원을 LED 가로등으로 공급할 수 있도록 제어부에 의 해 제어되는 스위칭부

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 가로등.
11. 제10항에 있어서, LED 가로등 점등과 연동되는 조도를 체크하여 체크된 조도값을 제어부로 전달하는 조도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 가로등.

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