KR100907472B1 - 엘이디를 이용한 광원 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엘이디를 이용한 광원 장치에 관한 것으로, 하나 이상의 안착홈이 형성되는 메탈PCB와, 상기 각각의 안착홈에 장착되는 LED칩과, 그 LED칩의 상측에 폴리이미드 수지를 몰딩하여 형성되는 광학렌즈부와, 상기 LED칩이 장착되어 발광시 반사효율을 증대하기 위하여 상기 메탈PCB의 안착홈에 니켈(Ni)과 크롬(Cr)의 합금을 도금하여 형성되는 제1반사경과, 상기 안착홈의 외부에 구비되어 상기 LED칩에서 발생되는 광을 2차 반사하는 제2반사경과, 상기 제2반사경의 외부를 감싸 광을 확산 및 증폭시키는 직진렌즈와, 상기 직진렌즈의 외측에 구비되어 광을 확산 시키는 프레넬 렌즈로 구성된다.

본 발명에 따르면 메탈PCB 상에 안착홈을 형성하고 니켈(Ni)과 크롬(Cr)의 합금을 도금한 후 LED칩을 장착한 칩인보드(Chip in Board)의 구조를 통해 광의 반사효율을 증대하고, 그 안착홈의 외부에 제2반사경과 직진렌즈 및 프레넬 렌즈를 더 구비하여 발산되는 광을 모아 반사 및 증폭 확산하여 줌으로서 광 조사 효율을 증대시키는 장점이 있다.

엘이디, 광원, 가로등

Description

엘이디를 이용한 광원 장치 { light sourcing apparatus using LED }

본 발명은 엘이디를 이용한 광원 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 설명하면, LED칩을 메탈PCB에 실장하여 가로등이나 자동차 전조등과 같은 다양한 조명장치의 광원으로 사용가능한 광원 장치에 관한 것이다.

일반적으로 엘이디(LED; Light Emitting Diode)라 함은 반도체 P-N접합구조를 이용하여 주입시킨 소수 캐리어를 생성시킨 후 다시 상기 소수 캐리어들의 재결합에 의하여 발광되는 소자이다.

이러한 LED소자를 이용한 광원 장치를 가로등에 적용하기 위해 다양한 종류의 LED광원 장치가 연구 및 개발되고 있는 실정이다.

그와 같은 LED 조명장치에 대한 일예로서 도 1에 도시한 바와 같이 미국의 'Lumileds'사에 의하여 개발된 LED 조명장치가 있다.

상기 LED 조명장치는 LED(10)에서 빛이 방출되면 LED(10)의 중앙부분에서 방출된 빛은 중앙부분에 설치된 렌즈(11)에 의하여 준-평행 광선으로 각도가 변경되 어 LED 조명장치로부터 벗어나게 된다. 그리고, 상기 중앙부분 이외에서 방출된 빛은 플라스틱 광학계의 내부를 통과한 후, 외부의 포물형상의 면(12)에서 전반사 하여 마찬가지로 준-평행광으로 각도가 변경되어 조명광학계를 벗어나게 된다.

그런데 이와 같은 LED 조명장치는 1개의 사출 광학 부품만으로 구현이 가능하므로 그 구성이 간단하지만, 그 중심에서 큰 각도로 방출되는 광(光)에 대해서는 전환 효율의 감소가 심하다는 단점을 가지고 있다.

또한, 빛의 지향성을 위한 다른 공지발명으로는 도 2에 도시한 바와 같이 일본의 'Cateye'사에 의하여 공개특허 EP 제1452797호의 'illumination Apparatus'가 있다. 이는 LED장치(5)가 LED 칩(6), 제1 반사경(4) 및 제2 반사경(2)을 포함하여 구성되며, 그 LED 칩(6)으로부터 방출된 중앙 부분의 광은 내부에 위치하는 제 2반사경(2)에 의하여 준-평행 광으로 각도가 변경된다.

이때, 제2 반사경(2)에 의하여 처리되지 못한 LED 칩(6)의 바깥부분의 각도가 큰 방출광은 외부에 위치하는 제1 반사경(4)에 의하여 평행 광으로 각도가 변경됨으로서 LED 방출 광 전체를 준-평행 광으로 변경시키게 된다.

그런데, 상기 'Cateye'사의 방식은 상기 'Lumileds'사의 발명에 비하여 각도가 큰 방출광의 전달 효율은 높지만 제2반사경(2)에 도달하지 못하고 방출되는 중심 부근의 광을 평행광으로 만들 수 없다는 단점을 가진다.

또 다른 공지발명으로는 도 3에 도시한 바와 같은 한국의 'LG'사의 공개특허 제10-2006-0071033호의 'LED 조명장치 및 광학시스템'이 있다.

상기 LED조명장치는 LED칩(31)을 고정시키기 위한 LED기관(30) LED칩(31)의 중앙부분에서 방출되는 빛을 준-평행광으로 만들기 위한 커플러렌즈(coupler lens)(33) 및 LED칩(31)의 중앙부분에 대하여 큰 각을 형성하면서 방출되는 광을 준 평행광으로 만들기 위한 포물경(32)를 포함하고 있다.

그런데, LG사의 LED조명장치는 미국의 'Lumileds'사에 의하여 개발된 LED 조명장치에 비해서는 광의 직진성 및 펴짐성이 다소 개량된 장치이지만 궁극적인 LED가로등 적용에는 미치지 못하는 기술적 한계를 가지고 있다.

또한 별도의 렌즈계를 설치해야 하는 구조라 조립 및 조정이 용이하지 못하다는 문제점도 가지고 있다.

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 LED칩을 메탈PCB에 실장하여 고휘도를 가지도록 설계하여 일반 메탈할라이드램프 만큼의 주위(Area)를 밝혀 주는 엘이디를 이용한 광원 장치를 제공하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은;

하나 이상의 안착홈이 형성되는 메탈PCB와, 상기 각각의 안착홈에 장착되는 LED칩과, 그 LED칩의 상측에 폴리이미드 수지를 몰딩하여 형성되는 광학렌즈부와,상기 LED칩이 발광시 반사효율을 증대하기 위하여 상기 메탈PCB의 안착홈에 니켈(Ni)과 크롬(Cr)의 합금을 도금하여 형성되는 제1반사경과, 상기 안착홈의 외부에 구비되어 상기 LED칩에서 발생되는 광을 2차 반사하는 제2반사경과, 상기 제2반사경의 외부를 감싸 광을 확산 및 증폭시키는 직진렌즈와, 상기 직진렌즈의 외측 메탈PCB상에 구비되어 광을 확산 시키는 프레넬 렌즈로 구성된다.

본 발명에 따르면 메탈PCB 상에 안착홈을 형성하고 니켈(Ni)과 크롬(Cr)의 합금을 도금한 후 LED칩을 장착한 칩인보드(Chip in Board)의 구조를 통해 광의 반사효율을 증대하고, 그 안착홈의 외부에 제2반사경과 직진렌즈 및 프레넬 렌즈를 더 구비하여 발산되는 광을 모아 반사 및 증폭 확산하여 줌으로서 광 조사 효율을 증대시키는 장점이 있다.

특히, 메탈PCB상에 다수의 안착홈을 형성하고 각각의 안착홈에 LED칩을 장착하여 일체형으로 제작함에 따라 광원 장치의 사이즈를 크게 줄일 수 있고, 효과적으로 LED광원에서 발생된 열을 제거하여 고수명과 고휘도를 발휘하도록 하여 가로등이나 자동차 전조등과 같은 다양한 종류의 광원으로 적용할 수 있고, 그 유지 및 보수가 간단하고, 교체비용의 절감을 가져올 수 있는 장점도 있다.

본 발명에 따른 엘이디를 이용한 광원 장치를 첨부한 도면을 참고로 하여 이하에 상세히 기술되는 실시예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

이때, 도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 엘이디를 이용한 광원 장치의 구성을 설명하기 위해 순차적으로 도시한 단면도이고, 도 8은 본 발명에 따른 메탈PCB의 후면에 방열판을 부착한 상태를 도시한 도면이다.

먼저 본 발명에 따른 엘이디를 이용한 광원 장치는 적절한 형상 등의 단순 설계 변경을 통해 여러 광원시스템 분야에 적용 가능한 것은 자명하다.

그 적용가능한 분야들로는 도로의 가로등, 보안등, 안개등, 지시등, 교통신호등, 위험예고등, 자동차 전조등 등이 있으며, 이러한 장치들에 본 발명에 따른 엘이디를 이용한 광원 장치의 기술적 구성이 모두 포함되는 경우 동일한 기술로 이 해해야 한다.

먼저, 도 4 내지 도 7을 참고하면, 본 발명에 따른 엘이디를 이용한 광원 장치는 특수발열기판인 메탈PCB(100) 위에 원형의 안착홈(110)을 형성하고, 그 안착홈(110)에 Bare die Chip인 LED칩(120)을 장착하여서 이루어지는 CIB(Chip In Board) 타입의 패키지이다.

이와 같은 본 발명은 하나 이상의 안착홈(110)이 형성되는 메탈PCB(100)와, 상기 각각의 안착홈(110)에 장착되는 LED칩(120)과, LED칩(120)의 상측에 폴리이미드 수지를 몰딩하여 형성되는 광학렌즈부(130)로 이루어지며, 상기 메탈PCB(100)의 안착홈(110)은 그 내측 테두리를 일정한 경사를 이루도록 경사면(110a)을 형성하게 된다.

또한, 상기 LED칩(120)이 장착되어 발광시 반사효율을 증대하기 위하여 니켈(Ni)과 크롬(Cr)의 합금을 안착홈(110)에 도금하여 형성되는 제1반사경(112)과, 상기 안착홈(110)의 외부에 구비되어 상기 LED칩(120)에서 발생되는 광을 2차 반사하는 제2반사경(140)과, 상기 제2반사경(140)의 외부를 감싸 광을 확산 및 증폭시키는 직진렌즈(150)와, 상기 직진렌즈(150)의 외측 메탈PCB(100)상에 구비되어 광을 확산 시키는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)(160)이 더 구비된다.

이하, 각각의 구성요소들을 좀 더 구체적으로 설명한다.

먼저, 상기 LED칩(120)을 상기 메탈PCB(100)에 장착하기 위해서는 먼저 메탈PCB(100)에 대략 1mm 정도의 깊이의 안착홈(110)을 가공한 후, LED칩(120)을 장착시키게 되며, LED칩(120)을 장착한 후 오븐(oven)에서 대략 150℃로 열처리(curing)한 다음, 골드 와이어(gold wire)(122)로 LED칩(120)와 절연재(102) 상부에 위치하는 전극기판(104)의 회로에 본딩(bonding)한다.

그 다음에는 수축 변화가 없는 Poly imide 파우더 수지를 특수 화학처리 하여 특수 투명 액상 코팅제를 만들어서 와이어 본딩 된 위에 광학 몰딩을 돔 형태로 형성한 후 대략 180℃도에서 열처리(curing)하여 광학렌즈부(130)를 형성한다. 이와 같은 상태는 도 4에 도시한 바와 같다.

이때, 상기 도 4에 도시한 바와 같은 형태로 몰딩(molding)한 액상수지 몰딩(molding)을 섭씨 200℃도에서 20,000시간 열 테스트를 하면 수축 변화와 변색이 없고 빛의 투과효율을 95%까지 나오게 하고 수명이 100,000시간까지 유지되며, 몰딩(molding)형태의 구조는 원형 돔 형태로서 지름은 3mm정도이고 LED칩(120)의 상면에서 높이는 대략 2mm정도로 광학렌즈부(130)를 형성함이 바람직하다.

이때, 상기 몰딩을 통해 광학렌즈부(130)를 형성하는 경우에는 LED칩(120)의 발광(發光)시 조도가 낮고 멀리 전달되지 않으며, 넓은 면적(wide area)을 밝게 비춰주는 것은 불가능하다.

따라서, 빛의 증폭성(Amplification)과, 빛의 직진성(go straight ahead)과, 빛의 확산성(diffusion)을 위한 회절 프레넬(Fresnel) 기능 등이 융합된 기술을 필요로 한다.

이를 위해 상기 메탈PCB(100)는 메탈PCB(100)의 표면에 대략 1mm 정도의 깊이의 안착홈(110)을 가공하고, 그 안착홈(110)의 네측 테두리를 일정한 경사를 이 루도록 경사면(112)을 형성하고, 니켈(Ni)과 크롬(Cr)의 합금을 안착홈(110)에 도금하여 제1반사경(112)을 형성한 후 LED칩(110)을 장착하여 발광시 반사효율을 증대시키게 된다. 이와 같은 제1반사경(112)은 LED칩(120)에서 발산되는 광을 모아 직진성을 돕는 역할을 하게 된다.

이때, 상기 광이 직진성을 더욱 확보하고, 반사율을 극대화시키기 위해 도 5에 도시한 바와 같이 안착홈(110)의 외부에 제2반사경(140)을 구비한다.

그리고, 빛을 더욱 확산 및 증폭시키기 위해 도 6에 도시한 바와 같이 상기 제2반사경(140)의 외부를 직진렌즈(150)로 감싸 밀봉하게 된다.

이때, 상기 직진렌즈(150)는 일예로 PC(poly carbonate)재질의 합성수지를 이용하여 사출성형하여서 이루어지며, 일종의 볼록렌즈의 기능을 하게 되어 광을 확산 및 증폭시켜 주게 된다.

이와 같은 직진렌즈(150)를 구비함으로서, 광이 8 ~ 10m이상의 거리까지 도달할 수 있으며, 빛의 휘도는 8m에서 100Lux, 10m에서 70Lux이상 나오도록 설계할 수 있게 된다.

그리고, 빛의 확산성을 위하여 도 7에 도시한 바와 같이 프레넬 렌즈(Fresnel lens)(160)를 직진렌즈(150)의 외부에 장착하여 줌으로서, 더 넓은 면적에 광을 퍼지게 하여 가로등용 광원으로 사용할 수 있게 된다.

한편, 도 8은 본 발명에 따른 엘이디를 이용한 광원 장치의 적용 예를 도시한 도면으로, 메탈PCB(100)상에 다수의 안착홈(110)을 형성하고, 그 안착홈(110)에 일대일로 LED칩(120)을 장착하고, 광학렌즈부(130), 제2반사경(140), 직진렌즈(150), 프레넬 렌즈(160)를 각각 개별적으로 구비하여 일체형으로 제조할 수 있다.

물론, 적용되는 조명장치의 형상 및 기능 등을 고려하여 얼마든지 변형실시가 가능함은 당연하다.

한편, 일반적으로 LED칩(120)에서 발생되는 열은 LED칩(120)의 수명과 휘도(LUX)에 막대한 영향을 미치어 LED칩(120)에서 발생되는 열을 효과적으로 방열하기 위해 알루미늄(Al)재질의 방열판(200)을 구비하게 된다.

물론, 이 경우 다양한 구조의 방열판(200)을 사용할 수 있으나, 다수의 방열핀을 다층으로 적재하여 열과 공기와의 접촉면적을 최대화하여 냉각효율을 극대화한 구조의 방열판을 사용함이 바람직하다.

이상과 같이 본발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 일실시예와 실질적으로 균등의 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미친다.

도 1 내지 도 3은 종래 일반적인 광원 장치의 일예를 도시한 도면.

도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 엘이디를 이용한 가로등용 광원 장치의 구성을 설명하기 위해 순차적으로 도시한 단면도.

도 8은 본 발명에 따른 메탈PCB의 후면에 방열판을 부착한 상태를 도시한 도면.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

100: 메탈PCB 110: 안착홈

110a: 경사면 120: LED칩

122: 골드 와이어 130: 광학렌즈부

140: 제2반사경 150: 직진렌즈

160: 프레넬 렌즈 200: 방열판

Claims (5)

1. 하나 이상의 안착홈(110)이 형성되는 메탈PCB(100)와, 상기 각각의 안착홈(110)에 장착되는 LED칩(120)과, LED칩(120)의 상측에 폴리이미드 수지를 몰딩하여 형성되는 광학렌즈부(130)로 이루어지는 엘이디를 이용한 광원 장치에 있어서;

   상기 메탈PCB(100)의 안착홈(110)은 그 내측 테두리를 일정한 경사를 이루도록 경사면(110a)을 형성하고, 상기 LED칩(120)이 장착되어 발광시 반사효율을 증대하기 위해 니켈(Ni)과 크롬(Cr)의 합금을 상기 안착홈(110)에 도금한 제1반사경(112)이 더 구비되고;

   상기 안착홈(110)의 외부에 상기 LED칩(120)에서 발생되는 광을 2차 반사하는 제2반사경(140)과, 상기 제2반사경(140)의 외부를 감싸 광을 확산 및 증폭시키는 직진렌즈(150)가 더 구비되며;

   상기 직진렌즈(150)의 외측 메탈PCB(100)상에는 광을 확산시키기 위한 프레넬 렌즈(160)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 엘이디를 이용한 광원 장치.
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