KR100924911B1 - Ｌｅｄ 조명장치 - Google Patents

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Abstract

여기에서는, LED 조명장치가 개시된다. 개시된 LED 조명장치는, 중심축선 및 상기 중심축선의 주변을 둘러싸는 출광면을 구비한 투광성 엔벨롭(envelop)과, 상기 엔벨롭 내에 광을 발생시키도록 설치되는 LED 발광부를 포함한다. 상기 엔벨롭의 일단부에는, 상기 LED 발광부와 마주하게 위치한 채, 광을 측방향으로 반사시켜 상기 출광면으로 보내는 뿔형의 반사면이 형성된다.
엔벨롭, LED, 발광부, 조명장치, 반사부, 전반사, 뿔형, 원뿔형

Description

ＬＥＤ 조명장치{LED ILLUMINATION APPARATUS}
본 발명은, LED 조명장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 백열등, 형광등 또는, 할로겐 램프 등을 이용하는 기존 조명장치의 수요를 대체할 수 있는 LED 조명장치에 관한 것이다.
일반적으로, LED(Light Emitting Diode)는 전류 인가에 의한 p-n 반도체 접합(p-n junction)에서 전자와 정공이 만나 빛을 발하는 소자이다. 이러한 LED는 배어 칩(bare chip) 형태로 이용되거나, 또는, 패키지 구조로 제작되어 이용되고 있다. 흔히, 배어 칩 형태의 LED는 'LED칩'이라 칭해지고, 패키지 구조의 LED는 'LED 패키지'라 칭해진다.
LED는 좁은 지향각으로 빛을 발산하는 발광 특성, 즉, 직진성이 큰 발광 특성을 갖는다. 이러한 LED의 발광 특성은 LED가 일정 범위의 특정 조사면에 빛을 조사하는, 예를 들면, 백라이트 광원으로의 적용에 어울리도록 해준다. 하지만, 그와 같은 LED의 발광 특성은, 형광등, 백열등 또는 할로겐 램프 등을 이용하던 기존 조명기구에 LED가 응용되는 것을 제한하는 하나의 원인이 되고 있다. LED는 예를 들면, 비교적 싼 가격, 변조의 용이성 및 동작의 안정성 등과 같은 여러 장점들에도 불구하고, 직진성이 큰 발광 특성으로 인해, 주변을 전체적으로 밝게 조명하는 기존 조명장치를 대신하는 데에는 한계가 있었다.
종래에는, 형광등 또는 백열등과 같은 기존 조명장치를 LED를 이용하여 대체하는 기술로서, 많은 수의 LED를 평면 상에 2차원적으로 배열하여 발광 영역을 넓힌 것이 있다. 그러나, 이러한 기술은, LED들이 평면 상에 2차원으로 배치된다는 점에서 광을 사방으로 폭 넓게 방출하는 것이 어렵고, 과도하게 많은 수의 LED를 이용함에 따라, 비경제적이라는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 기술적 과제는, 뿔형(특히, 원뿔형)의 반사면을 LED 발광부와 마주하는 위치에 마련한 투광성 엔벨롭(envelop) 구조를 이용하여, 엔벨롭의 둘레를 포함하는 대략 전방향으로 광을 방출할 수 있는 LED 조명장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 LED 조명장치는, 중심축선 및 상기 중심축선의 주변을 둘러싸는 출광면을 구비한 투광성 엔벨롭(envelop)과, 상기 엔벨롭 내에 광을 발생시키도록 설치되는 LED 발광부를 포함하며, 상기 엔벨롭의 일단부에는, 상기 LED 발광부와 마주하게 위치한 채, 광을 측방향으로 반사시켜 상기 출광면으로 보내는 뿔형의 반사면이 형성된다.
바람직하게는, 상기 출광면은 상기 중심축선을 중심으로 하는 원통형의 면이 며, 상기 반사면은 상기 중심축선 상에 놓이는 꼭지점을 갖는 원뿔형의 면이다.
바람직하게는, 상기 LED 발광부는, 상기 엔벨롭의 타단부에서 상기 반사면과 마주하게 위치하는 PCB와, 상기 PCB 상에 실장되되, 상기 중심축선을 중심으로 배열되는 적어도 하나의 원형 LED 어레이를 구성하는 복수의 LED를 포함한다. 더욱 바람직하게는, 상기 LED 발광부는, 상기 중심축선 상에 위치하는 하나의 LED를 더 포함한다. 또한, 상기 LED는 LED 패키지거나 또는 LED칩일 수 있다.
바람직하게는, 상기 LED 발광부는 서로 반대 방향으로 광을 발하는 제 1 및 제 2 발광부로 구성되고, 상기 엔벨롭은 상기 제 1 및 제 2 발광부 각각에 결합되는 제 1 및 제 2 엔벨롭으로 구성된다.
바람직하게는, 상기 엔벨롭은 투광성 수지로 형성된 중실 원통형의 구조이며, 상기 반사면은 수지와 그 외측의 굴절율 차이에 의해 광을 반사하는 원뿔형의 전반사면이다. 이때, 반사효율을 높이기 위해, 상기 반사면에는 반사물질이 형성될 수 있다. 이에 더하여, 상기 반사면에 형광체를 코팅하는 것도 고려될 수 있다.
대안적으로, 상기 엔벨롭은 내부가 가스 또는 공기로 채워진 중공 원통형의 구조이며, 이때, 상기 반사면은 반사물질 또는 반사체에 의해 반사특성을 갖게 된다.
한편, 전술한 엔벨롭의 출광면에는 형광체가 형성될 수 있고, 상기 반사면에는 광 반사 특성을 조절하는 요철이 형성될 수 있다. 또한, 상기 LED 발광부는, 복수의 LED칩과, 상기 복수의 LED칩으로부터 발생한 열을 외부로 방출하기 위한 히트 싱크를 포함할 수 있다.
본 발명은, 뿔형의 반사면 구조에 의해, 투광성 엔벨롭의 둘레를 포함하는 대략 전방향으로 광을 방출할 수 있다. 따라서, 본 발명은 직진성이 큰 LED를 이용함에도 불구하고, 기존 조명장치를 대신할 수 있는 LED 조명장치를 구현한다. 또한, 본 발명에 따른 LED 패키지는, 적은 수의 LED만으로도 넓은 발광영역을 만들 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1 및 도 2 각각은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명장치를 도시한 사시도 및 측면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 본 실시예의 LED 조명장치(1)는, LED 발광부(10)와, 투광성 엔벨롭(20)을 포함한다. 상기 투광성 엔벨롭(20)은 가상의 중심축선(y)을 갖는 중실 원통형 구조로 이루어진다. 이때, 상기 엔벨롭(20)은, 투광 성 재질, 바람직하게는, 투광성의 PMMA(Poly Methyl Methacrylate) 수지를 몰딩 성형하여 형성된다. 상기 엔벨롭(20)의 일단에는 원뿔형의 반사면(21)이 형성되고, 그 엔벨롭(20)의 타단에는 상기 LED 발광부(10)가 상기 원뿔형의 반사면(21)과 마주하도록 위치한다.
본 실시예에서, 상기 원뿔형의 반사면(21)은, 공기와의 굴절율 차이에 의해 광을 엔벨롭(20) 안쪽에서 측방으로 반사시키는 전반사면으로, 그것의 꼭지점(c)은 상기 중심축선(y) 상에 놓인다. 또한, 상기 엔벨롭(20)은 상기 중심축선(y)을 중심으로 하고, 그 중심축선(y)을 360도 전 범위에 걸쳐 둘러싸는 원통형의 출광면(22)을 포함한다.
본 실시예에서, 상기 LED 발광부(10)는, 상기 엔벨롭(20)의 직경과 거의 동일한 직경의 원형 PCB(12)를 포함한다. 상기 PCB(12)는 전술한 엔벨롭(20)의 반사면(21)과 마주하게 위치된다. 상기 PCB(12) 상에는 복수의 LED(14)가 실장된다. 상기 LED(14)는 LED칩 및 그것을 수용하는 하우징 등을 포함하는 LED 패키지이다. 하지만, 상기 LED(14)는 LED 패키지가 아닌 LED칩 그 자체일 수도 있다.
상기 LED(14)는 상기 중심축선(y)을 중심으로 하여 원형의 LED 어레이로 배열된다. 본 실시예에서는, 원형으로 배열된 LED의 어레이가 하나이지만(도 1참조), 원형의 LED 어레이가 중심축선(y)과 다른 거리를 갖고 복수로 마련되는 것도 가능하다. 또한, 상기 복수의 LED(14) 중 하나의 LED는, 상기 중심축선(y) 상에 놓이도록, 상기 PCB(12) 상에 실장된다.
도 2에 잘 도시된 것과 같이, 상기 LED 발광부(10)의 각 LED(14)로부터 상기 엔벨롭(20) 내로 광이 제공되며, 그러한 광의 상당 부분은 상기 엔벨롭(20)의 원뿔형 반사면(21)으로 향한다. 상기 원뿔형 반사면(21)은, 공기와 수지와의 굴절율 차이에 의한 전반사에 의해, 광을 측방향으로 반사시키며, 그 반사된 광은 상기 엔벨롭(20)의 원통형 외주면인 출광면(22)을 통해 상기 엔벨롭(20)의 외주면 둘레로 폭 넓게 방출된다.
상기 엔벨롭(20)의 반사면(21)은 원뿔형의 면인 것이 바람직하지만, 다른 뿔형(예컨대, 삼각뿔, 사각뿔, 또는 기타 다각뿔형)의 면으로 하는 것도 고려될 수 있을 것이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 LED 조명장치(1)의 지향각 특성을 보여주는 그래프이다. 도 3을 참조하면, 엔벨롭(20)의 외주면에 상응하는 측방향으로 광량 많음을 확인할 수 있다. 또한, 전반사에 의해 반사가 이루어지는 원뿔형 반사면(21)을 통과하는 광에 의해, 광의 양이 엔벨롭(20)의 측전방(30 내지 60도 및 330 내지 360)에 치우쳐져 많이 존재함을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 조명장치(1)를 도시한 측면도이다. 도 4에 도시된 LED 조명장치(1)는, 원뿔형 반사면(21)이 반사물질(212)을 포함하는 것을 제외하고는 앞선 실시예와 같다. 상기 반사물질(212)은 엔벨롭(20) 일단의 원뿔형 면에 코팅되는 물질로, 예를 들면, Ag 등과 같은 높은 반사율의 금속물질이 이용된다. 또한, 상기 반사면에는 삭이 반사물질과 더불어 형광체가 형성될 수 있다.
상기 LED 조명장치(1)는, 반사물질(212)이 코팅된 반사면(21)을 포함하는 구조에 의해, 도 5에 도시된 그래프와 같은 지향각 특성을 보여준다. 도 5를 참조하면, 엔벨롭(20)의 외주면에 해당하는 지향각 범위, 즉 210 내지 330도와 60 내지 150도 범위에서 광량이 넓게 분포됨을 보여준다.
이와 같은 지향각은, 상기 반사물질(212)이 상기 반사면(21)을 통해 나가는 광을 차단하는 것에 의해 구현되는 것으로, 상기 차단된 광은, 엔벨롭(20)의 외주면인 출광면(22)을 통해, 즉, 엔벨롭(20)의 전 둘레에 걸쳐 넓게 방출된다. 도 5의 그래프에서, 광의 양이 측후방으로 약간 치우쳐 있음을 확인할 수 있는데, 이는 반사물질(212)에 의해 엔벨롭(20) 측후방으로 향하는 광에 기인한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 조명장치(1)를 도시한 도면이다. 본 실시예의 LED 조명장치(1)는, 배면끼리 접해 있는 PCB(12, 12') 상의 LED(14, 14')가 서로 반대되는 방향으로 광을 발하는 제 1 및 제 2 LED 발광부(10, 10')를 포함하고, 제 1 및 제 2 LED 발광부(10, 10')와 결합되는 도 4 실시예와 같은 구조의 제 1 및 제 2 엔벨롭(20, 20')을 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 엔벨롭(20, 20')은 앞선 실시예와 같은 구조의 반사면(21, 21')과 반사물질(212, 212')을 포함한다.
도 7은 도 6에 도시된 LED 조명장치의 지향각 특성을 보여주는 그래프로, 측방향으로 더 넓고 더 균형 있는 지향각으로 광을 방출함을 확인할 수 있게 해준다. 도시된 것과 같이, 본 실시예의 LED 조명장치도, 앞선 실시예와 마찬가지로, 210 내지 330도와 60 내지 150도 범위에서 광량이 많지만, 그 분포가 앞선 실시예에 비해, 균형 있게 이루어짐을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 조명장치(1)를 도시한 측단면도이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예의 LED 조명장치(1)는, PCB(12) 상에 설치되는 복수의 LED칩(14)을 포함하는 LED 발광부(10)의 구조를 포함하며, 중실형이 아닌 중공 원통형의 엔벨롭(20)을 포함한다. 상기 엔벨롭(20)은 유리관 또는 투명수지로 형성된 관일 수 있다. 또한, 원뿔형의 반사면(21)은 엔벨롭(20)의 일단에 설치되는 반사체(210)의 면에 의해 한정된다. 이때, 상기 반사체(210)의 측면, 즉 원뿔형 반사면(21)에 요철을 형성할 수 있다. 또한, 상기 엔벨롭(20) 내에는 N2 또는 아르곤과 같은 불황성 가스 또는 공기가 채워질 수 있다.
또한, 상기 엔벨롭(20)의 외측면에는 LED칩(14)으로부터 광에 의해 여기되어 변환된 광을 방출하는 형광체(220)가 코팅될 수 있다. 또한, 상기 LED 발광부(10)는 LED칩(14)들의 동작 중 발생한 열에너지를 방출하기 위한 히트싱크(16)을 추가로 포함할 수 있다. 히트싱크(16)가 금속재질인 경우, 그 히트싱크(16)와 금속재질의 리드전극 사이를 전기적으로 절연하는 절연체를 마련하는 것도 고려될 수 있다.또한, 상기 반사면(21)에는 광의 반사 성능을 향상시키거나 광의 반사각을 조절하는 용도의 요철(217)이 형성될 수 있다.
중공 원통형의 엔벨롭(20)을 포함하는 본 실시예의 LED 조명장치에 대하여, 그 LED 조명장치가, 상술한 것과 같은, 형광체(220), 히트싱크(16) 및 요철(217)을포함하는 것으로 설명되었다.
또한, 앞선 실시예에서 설명된 중실형의 엔벨롭을 포함하는 LED 조명장치에서는, 상기와 같은 형광체, 히트싱크, 요철에 대한 설명이 이루어지지 않았지만, 그 형광체, 히트싱크 및 요철은 중공형 엔벨롭을 포함하는 LED 조명장치에 국한되는 것이 아니며, 중실형 엔벨롭을 포함하는 LED 조명장치에도 적용 가능한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명장치의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 LED 조명장치의 측면도.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 LED 조명장치의 지향각 특성을 설명하기 위한 그래프.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 조명장치의 측면도.
도 5는 도 4에 도시된 LED 조명장치의 지향각 특성을 설명하기 위한 그래프.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 조명장치의 측면도.
도 7은 도 6에 도시된 LED 조명장치의 지향각 특성을 설명하기 위한 그래프.
도 8은 본 발명의 변형 실시예에 따른 LED 조명장치를 도시한 단면도.

Claims (12)

  1. 중심축선 및 상기 중심축선의 주변을 둘러싸는 출광면을 구비한 투광성 엔벨롭(envelop)과;
    상기 엔벨롭 내에 광을 발생시키도록 설치되는 LED 발광부를 포함하며,
    상기 엔벨롭의 일단부에는, 상기 LED 발광부와 마주하게 위치하여, 광을 측방향으로 반사시켜 상기 출광면으로 보내는 뿔형의 반사면이 형성되며,
    상기 LED 발광부는,
    상기 엔벨롭의 타단부에서 상기 반사면과 마주하게 위치하는 PCB와;
    상기 PCB 상에 실장되되, 상기 중심축선을 중심으로 하는 원형 LED 어레이 내에 있도록 배열되어, 광의 축 각각이 상기 반사면을 지나는 복수의 LED들을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 출광면은 상기 중심축선을 중심으로 하는 원통형의 면이며, 상기 반사면은 상기 중심축선 상에 놓이는 꼭지점을 갖는 원뿔형의 면인 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 LED 발광부는, 상기 중심축선 상에 위치하는 하나의 LED를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 LED는 LED 패키지 또는 LED칩인 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 LED 발광부는 서로 반대 방향으로 광을 발하는 제 1 및 제 2 발광부로 구성되고, 상기 엔벨롭은 상기 제 1 및 제 2 발광부 각각에 결합되는 제 1 및 제 2 엔벨롭으로 구성된 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  7. 청구항 2에 있어서, 상기 엔벨롭은 투광성 수지로 형성된 중실 원통형의 구조이며, 상기 반사면은 수지와 그 외측의 굴절율 차이에 의해 광을 반사하는 원뿔형의 전반사면인 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 반사면에는 반사물질 또는 형광체가 형성된 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  9. 청구항 2에 있어서, 상기 엔벨롭은 내부가 가스 또는 공기로 채워진 중공 원통형의 구조이며, 상기 반사면은 반사물질 또는 반사체에 의해 반사특성을 갖는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 엔벨롭의 출광면에는 형광체가 형성된 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 반사면에는 광 반사 특성을 조절하는 요철이 형성된 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 LED 발광부는, 복수의 LED칩과, 상기 복수의 LED칩으로부터 발생한 열을 외부로 방출하기 위한 히트싱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
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KR20060033572A (ko) * 2004-10-15 2006-04-19 삼성전기주식회사 Ｌｅｄ 광원용 렌즈
KR200425437Y1 (ko) * 2006-03-28 2006-09-06 박동홍 고휘도 발광다이오드를 이용한 조명장치.

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