KR100925048B1 - 대류현상을 이용한 ｌｅｄ 램프의 방열구조 - Google Patents

대류현상을 이용한 ｌｅｄ 램프의 방열구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 LED 모듈에서 발생하는 열을 효과적으로 방출하여 LED 모듈의 수명을 연장하고 발광효율을 향상시킬 수 있는 대류현상을 이용한 LED 램프의 방열구조에 관한 것으로, 메인 플레이트의 상면에 방열구가 마련되는 방열프레임과, 상기 메인 플레이트의 하면에 설치되는 LED 모듈을 포함하여 구성되되, 상기 메인 플레이트에는 공기의 대류를 유도하여 상기 LED 모듈을 냉각하기 위한 방열공이 형성된다. 또한, 상기 방열프레임의 상부에 LED 전원회로가 마련되며, 상기 LED전원회로는 외부에서 인가된 교류를 직류로 변환하는 정류기를 포함하여 구성된다.
LED 램프, LED 모듈, 방열프레임, 방열구, 방열슬릿, 방열홈, LED 전원회로

Description

대류현상을 이용한 ＬＥＤ 램프의 방열구조{HEAT DISSIPATION STRUCTURE OF LED LAMP USING CONVECTIVE FLOW}
본 발명은 대류현상을 이용한 LED 램프의 방열구조에 관한 것으로, 구체적으로는 LED 모듈에서 발생하는 열을 효과적으로 방출하여 LED 모듈의 수명을 연장하고 발광효율을 향상시킬 수 있는 대류현상을 이용한 LED 램프의 방열구조에 관한 것이다.
일반적으로 LED(Light Emitting Diode; 발광다이오드)는 화합물 반도체의 P-N 접합 구조를 이용하여 주입된 소수캐리어(전자 또는 정공)를 만들어내고, 이들의 재결합에 의하여 소정의 빛을 발산하는 반도체 소자를 지칭한다. 이러한 LED는 기존의 전구 또는 형광등에 비하여 소모 전력이 작고 수명이 수 내지 수십 배에 이르러, 소모 전력의 절감과 내구성 측면에서 월등하다. 이를 위하여 종래에는 발광다이오드, 좀 더 상세하게 LED 소자(Chip)를 리드 프레임에 실장하여 LED 패키지를 구성하고, 다수의 LED 패키지가 기판 상에 장착하여 LED 모듈을 구성하였다.
한편, 상술한 LED 소자는 인가되는 전류의 크기에 따라 그 밝기가 조절되는데, 최근 LED 소자에 대한 기술이 점점 발달함에 따라 고전류를 인가하여 LED 소자 의 밝기를 획기적으로 향상시킬 수 있게 되었다. 하지만 LED 소자에 고전류를 인가할 경우 밝은 빛과 함께 많은 열이 발생하므로, 이를 해결하지 아니할 경우 LED 소자가 열화되어 수명이 급격히 단축되고 밝기가 감소하는 등의 문제를 야기할 수 있다.
이를 방지하기 위하여 종래에는 LED 패키지의 리드 프레임 및 기판 상에 마련되어 상기 리드 프레임과 연결되는 방열부재를 통해 발생된 열을 외부로 배출하도록 하였다. 그러나 밝은 빛을 발생하기 위한 고휘도 LED 소자를 사용하는 LED 모듈의 경우 패키지의 리드 프레임과 기판의 방열부재만으로는 한계가 있었으며, 이들만으로는 LED 소자의 수명이 단축되는 문제점을 해결하기에는 역부족이었다.
본 발명은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서 LED 모듈에서 발생하는 열을 효과적으로 방출하여 LED 모듈의 수명을 연장하고 발광효율을 향상시킬 수 있도록 대류현상을 이용한 LED 램프의 방열구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 대류현상을 이용한 LED 램프의 방열구조는, 메인 플레이트의 상면에 방열구가 마련되는 방열프레임과, 상기 메인 플레이트의 하면에 설치되는 LED 모듈을 포함하여 구성되되, 상기 메인 플레이트에는 공기의 대류를 유도하여 상기 LED 모듈을 냉각하기 위한 방열공이 형성된다.
한편, 상기 메인 플레이트의 상면에 마련되는 방열구는 다양한 형태로 제작 될 수 있으며, 일례로 일 방향으로 평행하게 설치되는 다수의 방열판 또는 원형을 포함하는 다각형 단면의 방열파이프로 제작될 수 있다.
이때, 상기 방열구가 방열판인 경우 인접한 한 쌍의 방열판 사이에 방열슬릿이 형성되고, 상기 방열공은 상술한 방열슬릿과 연결되며, 상기 방열판에는 인접한 한 쌍의 방열슬릿을 연결하는 관통공이 형성된다. 또한, 상기 방열구가 방열파이프인 경우 그 내부에 방열홈이 형성되고, 상기 방열공은 방열홈과 연결되며, 상기 방열파이프에는 관통공이 형성된다.
다른 한편, 상기 방열프레임의 상부에 LED 전원회로가 마련되며, 상기 LED전원회로는 외부에서 인가된 교류를 직류로 변환하는 정류기를 포함하여 구성된다.
본 발명에 의한 대류현상을 이용한 LED 램프의 방열구조는 방열프레임에 방열공이 형성되고 상기 방열공은 방열핀 사이의 슬릿과 방열파이프의 방열홈에 각각 연결되어 LED 모듈의 주변 공기를 순환시켜 대류를 유도하므로, LED 모듈에서 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있으며 LED 모듈의 수명을 연장함과 동시에 발광효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 방열프레임에는 정류기를 포함하는 LED 전원회로가 마련되어 외부에서 인가된 교류를 직류로 변환하여 안정적으로 공급하므로 전원공급효율을 향상시킬 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 대류현상을 이용한 방열구조가 적용된 LED 램프의 제1실시예를 도시하는 부분단면사시도이고, 도 2는 본 발명에 의한 대류현상을 이용한 방열구조가 적용된 LED 램프의 제1실시예를 도시하는 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 LED 램프(100)는 전원 인가 시 빛을 발생하는 LED 모듈(110)과, 상기 LED 모듈(110)에서 발생하는 열을 효과적으로 방출하기 위한 방열프레임(120)과, 상기 LED 모듈(110)을 보호함과 동시에 LED 모듈(110)에서 발생된 빛을 고르게 분산하기 위한 커버(130)를 포함하여 구성된다.
상기 LED 모듈(110)은 다수의 LED 패키지(112)와, 상기 LED 패키지(112)가 장착되는 기판(114)을 포함한다. 이 중에서 상기 LED 패키지(112)는 도면에 도시되진 않았지만 그 내부에 LED 칩이 실장되어 전원이 인가될 경우 빛을 발생시키는 구조로, 예를 들어 리드프레임에 상기 LED 칩이 실장된 구조로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 기판(114)은 상기 LED 패키지(112), 좀 더 상세하게는 LED 칩에 전원을 인가하고 LED 패키지(112)의 동작 시 발생되는 열을 빠르게 방출하기 위한 것으로, 인쇄회로기판(Printed Circuit Board; PCB), 금속 심 인쇄회로기판(Metal Core Printed Circuit Board; MCPCB), FR4, BT 수지(Bismaleimide Triazine Resin; BT Resin) 등을 포함할 수 있다. 이때, 본 실시예에서는 상술한 여러 종류의 기판 중 인쇄회로기판을 일례로 설명하도록 한다.
상기 방열프레임(120)은 상기 기판(114)을 통해 전달된 열, 즉 LED 패키지(112)의 동작 시 발생되는 열을 효과적으로 방출하기 위한 것으로, 하면에 상기 LED 모듈(110)이 장착되는 메인 플레이트(122)와, 상기 메인 플레이트(122)의 상면에 마련되는 방열구(124)를 포함한다. 이때, 본 실시예에서는 상기 메인 플레이트(122)의 형상을 사각형으로 예시하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 원형을 포함한 다각형으로 형성될 수 있다.
본 발명의 가장 핵심적인 구성요소인 상기 방열프레임(120)에 대해 좀 더 상세히 살펴보면, 상기 방열프레임(120)은 대류(convection)현상을 이용하여 상기 LED 모듈(110)에서 발생된 열을 효과적으로 방출하여 냉각하기 위한 수단이다. 이를 위하여 상기 방열프레임(120)의 메인 플레이트(122)에는 그를 상하로 관통하는 다수의 방열공(122h)이 형성된다. 또한, 상기 방열구(124)는 일 방향으로 평행하게 설치되는 다수의 방열판(124p)과, 인접한 한 쌍의 방열판(124p) 사이에 형성되는 방열슬릿(124s)을 포함한다. 이때, 상기 방열공(122h)은 방열슬릿(124s)과 연결되고, 상기 방열판(124p)에는 인접한 한 쌍의 방열슬릿(124s)이 서로 연결될 수 있도록 관통공(124h)이 형성된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 LED 램프(100)는 상기 다수의 방열슬릿(124s)이 상기 방열공(122h)과 관통공(124h)에 의해 서로 연결되므로 상기 LED 램프(100)의 하부에서 상향으로 이동하는 공기(차가운 상승기류)가 다수의 방열슬릿(124s)을 거쳐 상부로 이동한다. 따라서 상기 LED 패키지(112)의 동작 시 발생되어 방열슬릿(124s)에 머물던 열은 상기 방열공(122h)과 관통공(124h)을 통해 지속적으로 유입되는 상승기류에 의해 외부로 방출되므로, 열을 효과적으로 방출하여 LED 모듈의 수명을 연장함과 동시에 발광효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 메인 플레이트(122)와 방열구(124)를 포함하는 방열프레임(124)은 열전도율이 우수한 금속재질로 제작하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 열전도율이 우수하면서도 가벼운 알루미늄 재질인 것이 좋다.
상기 커버(130)는 상술한 바와 같이 LED 모듈(110)을 보호함과 동시에 그에서 발생된 빛을 고르게 분산하기 위한 수단으로, 상기 LED 모듈(110)의 적어도 일부를 감싸도록 설치되는 것이 바람직하다. 일례로, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 LED 모듈(130)의 내부가 밀봉되도록 감싸는 반구형상 또는 일부 개방되도록 감싸는 ∪자 형상으로 형성될 수 있다. 그 이외에도 사용자의 필요 및 제작자의 의도 등에 따라 다양한 형상으로 변경될 수 있음은 물론이다.
도 3은 본 발명에 의한 대류현상을 이용한 방열구조가 적용된 LED 램프의 제2실시예를 도시하는 단면도로, 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 LED 램프(200)는, 전원 인가 시 빛을 발생시키기 위한 것으로 LED 패키지(212) 및 기판(214)를 포함하는 LED 모듈(210)과, 상기 LED 모듈(210)에서 발생하는 열을 효과적으로 방출하기 위한 것으로 메인 플레이트(222) 및 방열구(224)를 포함하는 방열프레임(220)과, 상기 LED 모듈(210)을 보호함과 동시에 LED 모듈(210)에서 발생된 빛을 고르게 분산하기 위한 커버(230)와, 외부 전원을 LED 모듈(210)로 공급하는 LED 전원회로(240)를 포함한다.
상기 각 구성요소 중 상기 LED 전원회로(240)를 제외한 다른 구성요소(210~230)는 전술한 본 발명의 LED 램프(100)의 제1실시예와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 LED 전원회로(240)는 LED 모듈(210)과 전기적으로 연결되어 외부 전원 을 LED 모듈(210)로 공급하는 수단으로, 외부에서 인가된 교류를 직류로 변환하는 정류기(242)가 내부에 마련되어, 외부 전원의 종류에 관계없이 LED 램프(200)의 설치 및 사용이 가능하므로 전원공급효율을 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 LED 전원회로(240)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 방열프레임(220)의 상부에 마련되므로, 공기의 대류를 유도하여 지속적으로 유입되는 상승기류를 통해 LED 전원회로(240)에서 발생된 열을 효과적으로 방출할 수 있다. 따라서 상기 LED 전원회로(240)에서 발생된 열이 LED 모듈(210)로 전달되지 않아 상기 LED 모듈(210)의 수명과 발광효율에 아무런 영향을 미치지 아니하므로, 상기 LED 전원회로(240)가 일체인 LED 램프(200)의 제작이 가능하다.
도 4는 본 발명에 의한 대류현상을 이용한 방열구조가 적용된 LED 램프의 제3실시예를 도시하는 부분단면사시도이고, 도 5는 본 발명에 의한 대류현상을 이용한 방열구조가 적용된 LED 램프의 제3실시예를 도시하는 단면도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 LED 램프(300)는 전원 인가 시 빛을 발생시키는 LED 모듈(310)과, 상기 LED 모듈(310)에서 발생하는 열을 효과적으로 방출하기 위한 방열프레임(320)과, 상기 LED 모듈(310)을 보호함과 동시에 LED 모듈(310)에서 발생된 빛을 고르게 분산하기 위한 커버(330)를 포함하여 구성된다. 또한, 도면에 도시되진 않았지만 사용자의 필요 및 제작자의 의도 등에 따라 LED 전원회로가 추가될 수 있다.
상기 각 구성요소 중 상기 방열프레임(320)을 제외한 다른 구성요소(310,330)는 전술한 본 발명의 LED 램프(100)의 제1실시예와 동일하므로 이에 대 한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 방열프레임(320)에 대해 좀 더 상세히 살펴보면, 본 실시예의 방열프레임(320)은 제1실시예와 동일하게 공기의 대류를 유도하여 상기 LED 모듈(310)에서 발생된 열을 효과적으로 방출하여 냉각하는 수단으로, 하면에 상기 LED 모듈(310)이 장착되는 메인 플레이트(322)와, 상기 메인 플레이트(322)의 상면에 마련되는 방열구(324)를 포함한다.
여기서 상기 방열프레임(320)의 메인 플레이트(322)에는 그를 상하로 관통하는 다수의 방열공(322h)이 형성된다. 또한, 상기 방열구(324)는 원형을 포함하는 다각형 단면의 방열파이프(324p)와, 그 내부에 형성되는 방열홈(324g)을 포함한다. 이때, 상기 방열홈(324g)이 내부에 형성되는 방열파이프(324p)는 도 4에 도시된 바와 같이 일정한 패턴으로 반복되는 구조로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 방열공(322h)은 방열홈(324g)과 연결되고, 상기 방열파이프(324p)에는 관통공(324h)이 형성되어 방열패턴의 구조에 따라 상기 방열홈(324g)이 외부 또는 인접한 다른 방열홈과 연결될 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 LED 램프(300)는 상기 다수의 방열홈(324g)이 상기 방열공(322h)과 관통공(324h)에 의해 서로 연결되므로 상기 LED 램프(300)의 하부에서 상향으로 이동하는 공기(차가운 상승기류)가 다수의 방열홈(324g)을 거쳐 상부로 이동한다. 따라서 상기 LED 패키지(312)의 동작 시 발생되어 방열홈(324g)에 머물던 열은 상기 방열공(322h)과 관통공(324h)을 통해 지속적으로 유입되는 상승기류에 의해 외부로 방출되므로, 열을 효과적으로 방출하여 LED 모듈의 수명을 연장함과 동시에 발광효율을 향상시킬 수 있다.
아래의 [표 1]은 본 발명에 의한 대류현상을 이용한 방열구조가 적용된 LED 램프와 일반적인 방열구조가 적용된 종래의 LED 램프의 방열효과 및 발광효율을 비교한 표로, LED 램프의 주변 온도를 약 25℃로 설정한 상태에서 동일한 크기의 전원을 동일한 시간동안 인가하여 실험한 결과이다.
[표 1]
본 발명에 의한 LED 램프 종래의 LED 램프
Ambient Temperature 25.00℃ 25.00℃
Maximum T 53.83℃ 101.54℃
Total luminous flux 169.6 lumens 150.3 lumens
[표 1]에 기재된 바와 같이, 본 발명에 의한 LED 램프의 LED 모듈은 약 54℃ 이하의 온도로 유지되는 반면, 종래의 LED 램프의 LED 모듈은 약 100℃ 이상의 온도로 상승함을 알 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 의한 LED 램프와 종래의 LED 램프는 약 170과 150 lumens의 밝기를 조사한다. 즉, 종래의 LED 램프에 비하여 본 발명에 의한 LED 램프의 발광효율이 우수함을 알 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광다이오드 램프의 방열구조에 대한 구성 및 동작을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 대류현상을 이용한 방열구조가 적용된 LED 램프의 제1실시예를 도시하는 부분단면사시도.
도 2는 본 발명에 의한 대류현상을 이용한 방열구조가 적용된 LED 램프의 제1실시예를 도시하는 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 대류현상을 이용한 방열구조가 적용된 LED 램프의 제2실시예를 도시하는 단면도.
도 4는 본 발명에 의한 대류현상을 이용한 방열구조가 적용된 LED 램프의 제3실시예를 도시하는 부분단면사시도.
도 5는 본 발명에 의한 대류현상을 이용한 방열구조가 적용된 LED 램프의 제3실시예를 도시하는 단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100: LED 램프 110: LED 모듈
120: 방열프레임 130: 커버
240: LED 전원회로

Claims (11)

  1. 메인 플레이트(122)의 상면에 방열구(124)가 마련되는 방열프레임(120); 및
    상기 메인 플레이트(122)의 하면에 설치되는 LED 모듈(110)을 포함하여 구성되되,
    상기 메인 플레이트(122)에는 공기의 대류를 유도하여 상기 LED 모듈(110)을 냉각하기 위한 방열공(122h)이 형성되고,
    상기 방열구(124)는 일 방향으로 평행하게 설치되는 다수의 방열판(124p)이며, 인접한 한 쌍의 방열판(124p) 사이에 방열슬릿(124s)이 형성되며,
    상기 방열공(122h)은 방열슬릿(124s)과 연결되고,
    상기 방열판(124p)에는 인접한 한 쌍의 방열슬릿(124s)을 연결하는 관통공(124h)이 형성되는 것을 특징으로 하는 대류현상을 이용한 LED 램프의 방열구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방열프레임(120)의 상부에 LED 전원회로(240)가 마련되는 것을 특징으로 하는 대류현상을 이용한 LED 램프의 방열구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 LED 전원회로(240)는 외부에서 인가된 교류를 직류로 변환하는 정류기(242)를 포함하는 것을 특징으로 하는 대류현상을 이용한 LED 램프의 방열구조.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
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