KR100953528B1

KR100953528B1 - Ｌｅｄ 렌즈용 수지 조성물 및 이를 이용한 ｌｅｄ 렌즈

Info

Publication number: KR100953528B1
Application number: KR1020080026833A
Authority: KR
Inventors: 심현섭
Original assignee: 심현섭
Priority date: 2008-03-24
Filing date: 2008-03-24
Publication date: 2010-04-21
Also published as: KR20090101598A

Abstract

본 발명은 LED 렌즈용 수지 조성물 및 이를 이용한 LED 렌즈에 관한 것으로서, 실리콘 수지, 폴리메칠 펜텐 수지, 폴리에테르 설폰 수지, 폴리에테르 이미드 수지, 폴리아릴레이트 수지, 또는 폴리메틸메타크릴레이트 수지의 내열성 투명 수지 50∼99중량%, 조명색 변환용 형광체 0.8∼30중량%와, 평균 입경 0.2∼30㎛의 광확산체 0.2∼20중량%로 이루어지는 LED 렌즈용 수지 조성물과 통상적인 LED 렌즈의 내측에 이중사출 성형된 백색광 발광용 성형체가 결합된 LED 렌즈 또는 그 클러스터가 제공되며, 청색, 보라색, 또는 자외선 LED 자체를 건드리는 일 없이 독립적으로 백색광 발광용 LED 렌즈만을 사용하는 것에 의해 기존의 백색광 LED와 마찬가지로 백색광 내지 황백색광을 발광시킬 수가 있으므로 상대적으로 고가이고 단수명인 백색 LED를 사용할 필요가 없으며, 원할 경우 기존의 LED 렌즈를 사용자나 시공자가 손쉽게 본 발명의 LED 렌즈로 교체하는 것에 의해 원하는 휘도의 온화한 백색광으로 교체할 수가 있으므로 고휘도 백색 LED 조명으로 인한 눈부심 현상을 효과적으로 완화시켜 보다 온화하고 안락한 조명을 얻을 수 있으며, 우수한 내열성으로 인한 조명 기기의 열화 우려를 저감시킬 수가 있으므로 효율적이고 경제적이다.

LED, 렌즈, 형광체, 광확산체, 성형체

Description

ＬＥＤ 렌즈용 수지 조성물 및 이를 이용한 ＬＥＤ 렌즈{Resin Compositions for ＬＥＤ Lens and ＬＥＤ Lens Using the Same}

본 발명은 LED(Light Emitting Diode) 렌즈용 수지 조성물 및 이를 이용한 LED 렌즈에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 내열성 투명 수지 매트릭스(matrix)에 조명색 변환용 형광체와 광학산체, 그리고 선택적으로는 안료가 혼입되어, 상대적으로 단수명이고 고가인 고휘도 백색 LED를 사용하지 않고서도 장수명의 고휘도 청색 LED나 보라색 LED 또는 자외선 LED로부터 간단하고도 저렴하게 조명용 백색광 내지 황백색광을 얻을 수 있음과 아울러, 광확산체에 의한 산란 작용에 의해 조명색 변환용 형광체를 엄격히 균일하게 분포시키거나 코팅시켜야할 필요성이 없고, 고휘도 LED 조명으로 인한 눈부심 현상을 효과적으로 완화시켜 보다 온화하고 안락한 조명을 얻을 수 있으며, 아울러 내열성이 우수한 LED 렌즈용 수지 조성물과 이를 이용한 조명 부재 및 그 LED 렌즈에 관한 것이다.

LED는 특정한 화합물로 된 반도체의 특성을 이용하여 전기 에너지를 빛 에너지로 변환시키는 반도체 소자의 일종으로서, 광 변환 효율이 높기 때문에 소비전력이 매우 적으며, 광원이 소형이므로 소형화, 박형화 및, 경량화에 적합하면서도 무 한 확장 설치가 가능하고, 수명이 반영구적으로 매우 길며(청색, 보라색, 또는 자외선 LED의 경우 수명은 대략 100,000 시간이고 백색 LED의 경우 대략 30,000 시간)이고, 열적 또는 방전 발광이 아니므로 예열이 불필요하여 응답 속도가 대단히 신속하고, 점등회로가 매우 간단하며, 방전용 기체 및 필라멘트를 사용하지 않으므로 내충격성이 크고 안전하며 환경오염 유발 요인이 적고, 고(高)반복 펄스 동작이 가능하며, 시신경의 피로가 덜하고, 풀 칼라의 구현이 가능하다는 장점이 있으므로, 휴대폰, 캠코더, 디지털 카메라 및 개인 휴대 정보 단말기(PDA) 등의 액정 디스플레이(LCD) 배면 조명(back light)용 광원, 신호등, 전광판, 차량 전조등 및 후미등, 각종 전자기기, 사무기기, Fax 기기 등의 디스플레이부 발광등, 리모콘이나 감시카메라의 야간조명, 적외선 통신용, 적녹청 픽셀(pixel)의 다양한 조합에 의한 옥외 광고판의 정보전달용 디스플레이용, 초정밀 전광판 디스플레이용, 고급 실내외 조명용으로 널리 사용되고 있으며, 특히 종래 LED의 일반적인 문제점이었던 저휘도 문제를 개선한 고휘도 LED가 상업적 규모로 시판됨으로 인하여 그 용도 및 사용처는 급속히 확대되고 있다.

특히 백색 LED는 액정 디스플레이(LCD) 배면 조명(back light)용 광원과 실내외 조명용으로 매우 유용하므로 그 사용 빈도는 급격히 증대되고 있으며 형광등에 의한 백열전구의 시장 축출 경향과 동일하게 오래지 않아 조명 시장을 석권하게 될 것으로 예상되고 있다.

LED에 의해 백색광을 얻기 위한 방법은 다음과 같다.

먼저, 고전적 방법으로서 적색, 녹색, 청색의 3가지 LED를 조합하여 백색광 을 얻는 방법이 있으나, 제작비용이 상대적으로 높고 구동회로가 복잡하여 제품의 크기가 커지며 3가지 LED의 온도특성이 상이하여 제품의 광학적 특성 및 신뢰성이 열등하다는 문제점이 있으므로 현재 거의 사용되고 있지 못하다.

따라서, 근자에는 백색광을 생성하는 단일 LED로서의 백색 LED를 채택하고 있으며, 상기한 백색 LED의 표면을 형광체로 코팅하거나 또는 그 주변부나 렌즈를 형광체를 혼합하여 몰딩하고, 특정한 파장의 단일 LED에 의해 생성된 광이 형광체를 여기시켜 다른 파장의 광을 생성하고 이를 상기 단일 LED 칩에 의해 생성된 광과 혼합하여 백색광을 얻는 방법이 사용된다.

그러나 이러한 종래의 방법은 청색, 보라색, 또는 자외선 LED의 표면에 직접 형광체를 코팅하거나 또는 그 주변부나 렌즈부에 형광체를 혼합하여 몰딩하는 방법을 사용하고 있으므로, 방열 특성이 저하되어 LED의 열화로 인하여 LED의 수명이 약 1/3 이하로 현저하게 단축된다는 문제점이 있으며, 특히 형광체의 대단히 균질한 코팅 또는 분산 분포가 이루어지지 않으면 발광 색조가 불균질하게 된다는 문제점이 있고 형광체의 균질한 코팅 또는 분산 분포를 달성하기 상당히 곤란하다는 심각한 문제점이 있다.

널리 실용화된 가장 오래된 형태의 백색 LED는 450㎚의 파장을 가지는 InGaN계 청색 LED에 황색 형광체(일반적으로는 이트륨-알루미늄-가넷: Y₃Al₅O₁₂ : Ce, YAG계 화합물)를 코팅하거나 또는 몰딩하여 상기 청색 LED의 청색광이 YAG 황색 형광체를 여기(exciting)시켜 상기 청색 LED의 좁은 피크를 갖는 청색광과 YAG 계 황색 형광체에 의한 넓은 피크의 황색광으로 된 단 2파장역을 보강간섭(complementary)시켜 인간의 눈에 백색광으로 인식되게 한 것으로서, 이 기술은 Nichia사에 의한 미국특허 제5,998,925호에 개시(開示)되어 있다.

그러나 이 백색광은 완전한 상보 관계에 있지 않은 두 파장의 광이 혼합된 것으로서 가시광선 영역의 일부 스펙트럼만을 보유할 뿐이므로 연색성이 60-75 정도로서 전체적으로 자연광에 가까운 백색광으로 인식되지 못하므로 일반 실내조명용으로는 그다지 만족스럽지 못하며 청색 LED는 약 405㎚의 여기광원에 가장 높은 효율을 나타내는 반면 YAG계 형광체는 450∼460nm의 청색광에 여기되므로 휘도가 낮다는 문제점이 있고, 특히 YAG계 형광체의 코팅 또는 몰딩에 있어 균질하고도 일정한 분산성을 담보하기 곤란하므로 백색광의 휘도 및 분광 분포 등에 있어 제품의 균일성과 재현성이 낮으며 LED 수명도 현저히 단축된다.

다른 형태의 백색 LED는 상기한 청색 LED와 YAG계 형광체에 의한 백색 LED가 갖는 문제점을 해결하기 위해 여기광원으로서 250㎚ 내지 390㎚ 파장의 고휘도 UV LED를 사용하고 적색, 녹색 및 청색 형광체를 조합함으로써 연색성이 높은 3 파장의 자연색에 가까운 백색광을 얻는 기술로서, Solidlite사의 미국특허 제 5,952,681호에 개시되어 있다. 그러나 청색과 녹색 형광체는 만족스러운 발광효율을 나타내지만 적색 형광체의 발광효율이 떨어지므로 실용화에 걸림돌이 되고 있으며, 특히 자외선 LED는 강한 에너지를 갖는 자외선에 의해 유기 수지를 열화시킬 뿐만 아니라 LED 수명도 현저히 단축된다.

또 다른 형태의 백색 LED는 Solidlite사에 의해 390㎚-410㎚ 파장의 보라색 LED를 사용하고 적색, 청색, 및 녹색 형광체를 조합함으로써 백색광을 얻는다. 고휘도 보라색 LED는 미국의 크리 코퍼레이션(Cree Corporation)에 의해 상업적으로 구입 가능하며 390∼410㎚ 범위의 자색광에 의해서 적색, 청색 및 녹색 형광체가 고르게 발광하여 비교적 자연스러운 3파장의 백색광을 내는 것으로 알려져 있다.

백색 LED소자로부터 방출되는 백색광의 특성에 영향을 미치는 요소로서는, 예컨대, LED로부터의 방출광의 세기, LED로부터의 방출광과 형광체에 의해 형광 변환된 광의 조합 적성, 형광체의 성분 및 함량과 형광체의 분산 상태 등을 들 수 있으며, 이들 요소에 의해 방출광은 상당한 영향을 받는다. 특히, 청색 LED와 YAG계 형광체에 의한 백색 LED의 경우 황색 형광체의 첨가량 조절 및 균질한 분산상의 어려움으로 인해 흔히 발광색이 청색이나 황색으로 치우치는 문제점이 발생하기 쉽다.

우수한 발광 특성을 갖는 백색 LED를 얻기 위해서는 형광체가 투광성 매트릭스 수지 중에 균질하게 분산되어야 하나, 제조 과정에서 매트릭스 수지가 완전히 경화되기도 전에 비중이 훨씬 큰 형광체(형광체의 종류에 따라 다르나 비중은 약 3.8∼6.0)가 비중이 작은 투광성 매트릭스 수지(에폭시 수지의 경우 비중 약 1.1∼1.5)의 하부에 침전되므로 우수한 광 특성을 갖는 백색광을 얻기 곤란하며, 형광체의 분산도를 정밀하게 제어하는 것도 용이하지 않으므로 양질의 백색 LED 장치를 제조하기가 용이하지 않으며 제조 재현성도 좋지 않다는 문제점이 있다.

한편, LED 조명 기기에 있어서는 전압 인가에 의한 LED의 확산 발광을 평행광선으로 만들고 방사(radiation) 강도를 지향각 내에서 증가시킬 목적으로 LED 렌 즈가 사용되며 광이 입사되는 렌즈의 하부면과 광이 사출되는 렌즈의 상부면의 곡률을 제어하는 것에 의해 지향각을 조절하게 되며, 사용하는 LED의 종류 및 파워, 사용 목적, 수요자의 기호, 원하는 조명의 강약 등과 같은 다양한 파라메타에 따라 수많은 다양한 형태 및 크기의 것들로부터 적절히 선택하여 사용할 수 있다.

도 4a 내지 4c는 각각 종래의 다양한 형태의 LED 렌즈(10a, 10b, 10c)에 대한 사진도로서, 상기한 종래의 LED 렌즈(10a, 10b, 10c)는 반드시 그런 것은 아니며 매우 다양한 형태가 있기는 하지만 일반적으로는 상광하협의 원구체 형태로서 환형 측부(11)와 플랜지(14)가 형성된 상면(11a, 11b, 11c)을 가지며 그 저면에는 LED 장착부(13)가 원통형으로 형성되고 상기한 LED 장착부(13)의 상방은 평면 형상도 있기는 하지만 대체적으로는 집광을 위한 내측 볼록부(12)가 형성된다.

상기한 LED 렌즈(10a, 10b, 10c)의 상면은 사출 조명광을 온화하게 하기 위한 빗살무늬 상면(11a) 또는 다수의 도트(dot)형 상면(11b)의 형태이거나 매끄러운 평활 상면(11c)의 형태일 수 있으며, 상면 중앙에 개구를 갖는 형태도 있을 수 있고, 조사각 조절을 위해 측부(11)의 각도 구배(gradiation)와 길이는 다양하며 또한 상면(11a, 11b, 11c)의 형태를 전방으로 돌출된 볼록한 형태로 하거나 평활면으로 하거나 또는 오목면으로 하거나, 또는 특정한 다른 형상으로 형성되기도 한다.

도 5는 종래의 LED 렌즈(4c)를 복수개 이용한 종래의 LED 조명 기기(60)에 대한 예시 사진도로서, 도시된 예는 소켓(50)에 LED 조명 기기(60)가 장착된 경우를 도시하고 있으며 복수개의 LED 렌즈(4c)는 도시하지는 않았으나 LED 조명 기기(60) 내의 기판에 실장된 복수개의 LED 칩에 각각 올려진 다음 전면 고정판에 의 해 별도의 접착제 없이 단순 협지 고정된다.

따라서, 본 발명의 첫 번째 목적은 상대적으로 단수명(사용 수명 약 30,000 시간)을 갖는 종래의 고휘도 백색 LED를 사용하는 일 없이 장수명(사용 수명 약 100,000 시간)의 고휘도 청색 LED나 보라색 LED 또는 선택적으로 자외선 LED로부터 간단하고도 용이하게 조명용 백색광 내지 황백색광을 얻음으로써 백색 발광용 LED 조명 기기의 수명을 획기적으로 증대시키기 위한 것이다.

본 발명의 두 번째 목적은 생산자가 아닌 사용자나 시공자가 저렴한 비용으로 손쉽게 직접 백색광을 원하는 강도로 조정하거나, 또는 기존의 고가인 고휘도 백색 LED 대신에 상대적으로 저가인 청색 LED나 보라색 LED 또는 자외선 LED를 이용하여 온화한 백색광을 얻을 수 있게 하기 위한 것이다.

본 발명의 세 번째 목적은 조명색 변환용 형광체의 불균일한 분포나 코팅으로 인한 발광 색조 불균일 문제 발생 우려를 효과적으로 손쉽게 제거하기 위한 것이다.

본 발명의 네 번째 목적은 고휘도 백색 LED 조명으로 인한 눈부심 현상을 효과적으로 완화시켜 보다 온화하고 안락한 조명을 얻기 위한 것이다.

본 발명의 다섯 번째 목적은 우수한 내열성으로 인하여 조명 기기의 열화 우려를 저감시키기 위한 것이다.

본 발명에 따른 LED 렌즈용 수지 조성물 및 이를 이용한 LED 렌즈에 의하면, 청색, 보라색, 또는 자외선 LED 자체를 건드리는 일 없이 독립적으로 백색광 발광용 LED 렌즈만을 사용하는 것에 의해 기존의 백색광 LED와 마찬가지로 백색광 내지 황백색광을 발광시킬 수가 있으므로 상대적으로 고가이고 수명이 1/3 정도에 불과한 단수명을 갖는 백색 LED를 사용할 필요가 없이, 원할 경우 장수명인 기존의 청색, 보라색, 또는 자외선 LED에 있어서 간단하고 용이하게 렌즈만을 교체하는 것에 의하여 백색광을 얻을 수가 있으므로 기존의 LED 렌즈를 생산자가 아닌 사용자나 시공자가 손쉽게 본 발명의 LED 렌즈로 교체하는 것에 의해 원하는 휘도의 온화한 백색광으로 교체할 수가 있음과 아울러, 고휘도 백색 LED 조명으로 인한 눈부심 현상을 효과적으로 완화시켜 보다 온화하고 안락한 조명을 얻을 수 있으며, 우수한 내열성으로 인한 조명 기기의 열화 우려를 저감시킬 수가 있으므로 효율적이고 경제적이다.

상기한 본 발명의 제반 목적은 실리콘(silicon) 수지, 폴리메칠 펜텐(polymethyl pentene) 수지, 폴리에테르 설폰(polyether sulfon) 수지, 폴리에테르 이미드(polyether imide) 수지, 폴리아릴레이트(polyarylate) 수지 및, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacylate) 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 내열성 투명 수지 50∼99중량%, 바람직하게는 82∼97중량%와, 조명색 변환용 형광체 0.8∼30중량%, 바람직하게는 2.0∼15중량%와, 평균 입경 0.2∼30㎛, 바람직하게는 0.5∼5㎛, 특정하게는 1.0∼3.5㎛의 광확산체(light diffusing beads) 0.2∼20중량%, 바람직하게는 0.5∼10중량%, 특정하게는 1.0∼3.0중량%로 이루어지는 LED 렌즈용 수지 조성물에 의해 원활히 달성될 수 있다.

또한, 상기한 본 발명의 제반 목적은 안료가 0.1∼3.0중량%, 바람직하게는 0.1∼1.0중량% 더욱 포함된 상기한 LED 렌즈용 수지 조성물에 의해 원활히 달성될 수 있다.

또한, 상기한 본 발명의 제반 목적은 상기한 LED 렌즈용 수지 조성물로 된 발광색 변환용 성형체(또는 시트나 필름)에 의해 원활히 달성될 수 있다.

아울러 상기한 본 발명의 제반 목적은 LED 렌즈의 LED 장착부 상단부에 상기한 LED 렌즈용 수지 조성물이 이중 사출 성형되거나, 또는 시트 혹은 필름이 고정된 LED 렌즈에 의해 원활히 달성될 수 있다.

또한, 상기한 본 발명의 제반 목적은 상기한 LED 렌즈용 수지 조성물 성형체의 저면에 이색성 필터가 형성된 LED 렌즈에 의해 원활히 달성될 수 있다.

이하, 본 발명에 관하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명에 있어서 매트릭스 수지로서는 투명성과 내열성이 우수한 것들이 바람직하게 사용될 수 있으며, 투명성과 내열성이 양호한 것이라면 본 발명에 있어 특별한 제한은 없지만, 바람직한 내열성의 투명한 매트릭스 수지로서는 실리콘(silicon) 수지, 폴리메칠 펜텐(polymethyl pentene) 수지, 폴리에테르 설폰(polyether sulfon) 수지, 폴리에테르 이미드(polyether imide) 수지, 폴리아릴레이트(polyarylate) 수지, 또는 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacylate) 수지를 들 수 있으며, 이들 매트릭스 수지의 첨가량은 조성물 전 중량 기준으로 50 ∼99중량%, 바람직하게는 82∼97중량%의 범위이다.

이들 내열성의 투명한 매트릭스 수지의 함량이 조성물 전 중량 기준으로 50중량% 미만인 경우에는 투명성이 열등하게 되고 산란에 의한 후광 효과로 인하여 휘도가 지나치게 저하될 우려가 있으므로 바람직하지 못하며 역으로 99중량%를 초과하는 경우에는 조명색 변환 효과가 미흡하거나 고휘도로 인한 눈부심 현상의 완화 정도가 충분하지 못하게 될 우려가 있으므로 바람직하지 못하다.

상기한 수지 모두는 당업계에 내열성의 투명한 수지로서 공지된 것들이므로 이에 대한 부연은 생략하기로 한다.

한편, 본 발명에 적용 가능한 백색광으로의 조명색 변환용 형광체로서는, 청색 LED를 이용할 경우에는 당업계 공지의 YAG계 황색 형광체만을 이용할 수도 있으나, 바람직하게는 녹색 형광체 및 적색 형광체를 사용하는 것이 3파장의 자연스러운 백색광을 얻을 수 있다는 점에서 바람직하며, 보라색 LED 또는 자외선 LED를 이용할 경우는 녹색 형광체 및 적색 형광체와 청색 형광체를 사용하는 것이 마찬가지의 이유로 바람직하다.

청색 LED와 YAG 황색 형광체를 사용할 경우 얻어지는 백색 LED는 Nichia 사가 개발한 (YGd)₃Al₅O₁₂: Ce가 전형적이며 상기한 YAG 황색 형광체는 550∼560㎚에서 여기된다.

한편, 청색 LED(425㎚∼475㎚ 파장 영역)와 녹색 형광체 및 적색 형광체와 청색 형광체를 사용할 경우, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 당업계 공지의 다양한 것들이 사용될 수 있기는 하지만 430㎚-480㎚의 파장 영역에서 여기될 수 있는 적색 형광체의 예로서는 Y₂O₂S:Eu,Gd, Li₂TiO₃: Mn, LiAlO₂: Mn, 6MgOㅇ As₂O₅:Mn₄ ⁺, 또는 3.5MgOㅇ 0.5MgF₂ㅇ GeO₂: Mn₄ ⁺를 들 수 있으며, 515㎚-520㎚의 파장 영역에서 여기될 수 있는 녹색 형광체의 예로서는 ZnS:Cu,Al, Ca₂MgSi₂O₇:Cl, Y₃(Ga_xAl_1-x)₅O₁₂: Ce(0<x<1), La₂O₃ㅇ 11Al₂O₃: Mn, Ca₈Mg(SiO₄)₄Cl₂: Eu, Mn를 들 수 있다.

청색 LED와 적색 및 녹색 형광체 이용한 3 파장 백색 LED는 적색 및 녹색형광체 혼합물을 여기시켜 상기 청색 LED 칩의 청색광과 혼합되는 적색광 및 녹색광을 생성함으로써 3파장 백색광을 발광하게 된다.

또한, 상기한 청색 LED 칩에 의해 여기될 수 있는 적색 및 녹색 형광체는 산화물 형태로서 안정성이 크고 연장된 수명을 갖는다.

본 발명에 있어서는 상기한 녹색 형광체와 적색 형광체를 적절한 비율로 혼합하여 직간접적으로 청색 LED 칩에 직접 코팅하여 3 파장 백색광을 얻는 것이 아니라, LED 와는 직접적인 관련이 없이 그에 별도의 부재(member)로서 장착하는 렌즈에 이중 사출 성형 또는 필름이나 시트를 부착시키는 것에 의해 3 파장 백색광을 얻는 것임을 유의할 필요가 있다.

상기한 적색 및 녹색 형광체 중 적색 형광체는 발광 피크 파장이 약 659㎚일 경우에는 Li₂TiO₃:Mn이 바람직하며, 발광 피크 파장이 약 670㎚일 경우에는 LiAlO₂:Mn이 바람직하고, 발광 피크 파장이 약 650㎚일 경우에는 6MgO·As₂O₅:Mn₄ ⁺이바람직하며, 발광 피크 파장이 약 650㎚일 경우에는 3.5MgO·0.5MgF₂·GeO₂:Mn₄ ⁺이 바람직하다.

상기한 적색 및 녹색 형광체 중 녹색 형광체는 발광 피크 파장이 약 520㎚일 경우에는 La₂O₃·11Al₂O₃: Mn이 바람직하고, 발광 피크 파장이 약 516㎚일 경우에는 Y₃(Ga_xAl_1-x)₅O₁₂: Ce(0<x<1)이 바람직하며, 발광 피크 파장이 약 515㎚일 경우에는 Ca₈Mg(SiO₄)₄Cl₂: Eu, Mn이 바람직하다.

상기한 녹색 형광체와 적색 형광체는 다양한 비율로 혼합될 수 있으며 분홍 또는 청백색과 같은 중간색의 LED를 형성할 수도 있다. 한편, 상기한 청색 LED 칩은 InGaN형, SiC형 또는 ZnSe형일 수 있다.

한편, 보라색 LED 또는 자외선 LED의 경우에는 상기한 녹색 형광체와 적색 형광체 외에, 청색 형광체로서는 BaMgAl₁₀O₁₇ 또는 (Sr,Ca,BaMg)₁₀(PO₄)₆Cl₂:Eu를 사용할 수 있다.

상기한 적색, 청색 및 녹색 형광체의 적절한 배합에 의해 백색광 또는 다양한 색상의 광이나 또는 색 온도가 상이한 다양한 광을 얻을 수가 있다.

얻어지는 백색광은 적색, 청색 및 녹색 형광체의 적절한 배합에 의해 수요자의 요구에 따라 3200∼7500K 범위 내에서 적절히 조절될 수 있음은 물론이다.

상기한 적색 형광체, 청색 형광체, 녹색 형광체, 또는 이들의 조합물의 함량은 전 조성물 중량 기준으로 0.8∼30중량%, 바람직하게는 2.0∼15중량%이며, 청색 LED에 대하여 적색 형광체와 녹색 형광체를 사용할 경우 그 중량 비율은 1: 0.2∼1.2의 비율, 바람직하게는 1:0.3∼0.8의 비율이며, 보라색 LED 또는 자외선 LED에 대하여 적색 형광체, 청색 형광체 및, 녹색 형광체를 사용할 경우의 그 중량 비율도 1: 0.2∼1.2: 0.2∼1.2의 비율, 바람직하게는 1:0.3∼0.8:0.3∼0.8의 비율이다.

상기한 형광체의 함량이 전 조성물 중량 기준으로 0.8중량% 미만인 경우에는 만족스러운 백색광이 얻어지지 않을 우려가 있으며 역으로 30중량%를 초과하면 휘도가 지나치게 저하될 우려가 있으므로 바람직하지 못하다.

한편, 첨가되는 광확산체의 예로써는, 실리콘 수지(silicon resin: 굴절율 1.43), 폴리아크릴레이트(polyacrylate: 굴절율 1.49), 폴리우레탄(polyurethane: 굴절율 1.51), 폴리에틸렌(polyethylene: 굴절율 1.54), 폴리프로필렌(polypropylene: 굴절율 1.46), 나일론(Nylon: 굴절율 1.54), 폴리스티렌(polystyrene: 굴절율 1.59), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate: 굴절율 1.49), 폴리카보네이트(polycarbonate: 굴절율 1.59) 등의 호모 중합체나 이들의 단량체의 공중합체 등과 같은 유기계 광확산제와; 실리카(silica: 굴절율 1.47), 알루미나(alumina: 굴절율 1.50∼1.56), 글래스(glass: 굴절율 1.51), 탄산칼슘(CaCO3: 굴절율 1.51), 탈크(talc: 굴절율 1.56), 마이카(mica: 굴절율 1.56), 황산바륨(BaSO₄: 굴절율 1.63), 산화아연(ZnO: 굴절율 2.03), 산화세슘(CeO₂: 굴절 율 2.15), 이산화티탄(TiO₂: 굴절율 2.50∼2.71), 산화철(2.90) 등의 무기계 광확산제, 또는 이들의 임의의 혼합물을 들 수 있으나, 바람직한 것은 유기계 광확산제이며, 가장 바람직한 것은 높은 투명성 측면에서 폴리메틸메타크릴레이트이고, 매트릭스 수지와 같은 종류를 첨가하지 않는 것이 의도하는 적절한 광확산에 의한 형광체의 충분한 여기를 담보한다는 측면에서 필요하다.

상기한 광확산체는 평균 입경 0.2∼30㎛, 바람직하게는 0.5∼5㎛, 특정하게는 1.0∼3.5㎛인 것이 사용되며, 그 첨가량은 조성물 전 중량 기준으로 0.2∼20중량%, 바람직하게는 0.5∼10중량%, 특정하게는 1.0∼3.0중량%이다.

광확산체의 평균 입경이 0.2㎛ 미만일 경우에는 투명성이나 투광성이 열등하게 될 우려가 있어 바람직하지 아니하며 역으로 30㎛를 초과하는 경우에는 형광체의 여기가 불충분하거나 균일하지 못하게 될 우려가 있어 마찬가지로 바람직하지 못하다.

상기한 광확산체의 전 조성물에 대한 첨가량이 0.2 중량% 미만에서는 형광체의 여기가 불충분하거나 균일하지 못하게 될 우려가 있어 바람직하지 못하며, 역으로 20중량%를 초과하면 투명성이나 투광성이 열등하게 될 우려가 있어 바람직하지 아니하다.

또한 드물게는 조명색과 같은 기호도에 따라 무기 또는 유기 안료를 0.1∼3.0중량%, 바람직하게는 0.1∼1.0중량% 포함시킬 수도 있으며, 투명성 측면을 고려하면 유기 안료가 바람직하며, 이러한 안료의 예로서는 니트로계 안료, 아조계 안 료, 인단트렌계 안료, 티오인디고계 안료, 페릴렌계 안료, 디옥사진계 안료, 퀴나트리돈계 안료, 프탈로시아닌계 안료, 퀴노프탈론계 안료 공지된 다양한 종류를 사용할 수 있다. 예컨대, 따뜻한 느낌을 주는 황색 안료의 경우로서는 모노아조, 디아조, 나프탈아조벤젠, 황벽, 황련 또는 이들의 임의의 혼합 안료를 들 수 있으나, 이는 어디까지나 본 발명에 있어서 선택적이다.

이어서 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 LED 렌즈용 수지 조성물을 이용한 LED 렌즈(10)의 종단면도로서, 본 발명에 따른 LED 렌즈(10)는 제한적인 것은 아니나 상광하협의 원구체 형태로서 환형 측부(11)와 플랜지(14)가 형성된 상면(11)을 가지며 그 저면에는 LED 장착부(13)가 원통형으로 형성되고 상기한 LED 장착부(13)의 상방에 평면 형상 또는 내측 볼록부(12)를 갖는 통상적인 에폭시 LED 렌즈에 있어서, 상기한 LED 장착부(13)의 상방의 평면부 또는 내측 볼록부(12)에 이중 사출 성형된 본 발명에 따른 LED 렌즈용 수지 조성물 성형체(1)가 부착되어, 청색 LED, 보라색 LED, 자외선 LED, 백색 LED와 같이 미리 정해진 색조와는 무관하게 본 발명에 따른 적절한 LED 렌즈(10)를 끼우는 것만으로 발광색을 간단하고 용이하게 변환시킬 수가 있다.

또한, 본 발명에 따른 LED 렌즈(10)의 상면은 사출 조명광을 온화하게 하기 위한 빗살무늬 상면 또는 다수의 도트형 상면의 형태이거나 매끄러운 평활 상면(11a)이거나 의 어느 형태일 수 있다. 아울러, 필요하다면 상면 중앙에 개구를 갖는 형태일 수도 있고, 전방으로 돌출된 볼록한 형태로 하거나 평활면으로 하거나 또는 오목면으로 하거나, 또는 특정한 다른 형상일 수도 있다.

도 2는 도 1에 적용된 백색광으로의 발광색 변환용 LED 렌즈용 수지 조성물 성형체(1a: 도 1에서의 도면부호 1과 동일)(시트나 필름일 수도 있다)가 매트릭스(matrix) 수지(2) 중에 형광체(3c 및/또는 4c)와 광확산체(비드)(3b 및/또는 4b), 그리고 안료(3a 및/또는 4a)가 균질하게 분산되어 있는 상태를 나타내는 확대 모식도이다.

도 2로부터 확인할 수 있는 바와 같이, LED 렌즈용 수지 조성물 성형체는 발광 LED 자체는 건드리는 일 없이 독립적으로 LED 렌즈(10)에 적용되어 간단하고도 저렴하게 LED의 발광색을 청색, 보라색, 자외선으로부터 백색광 내지 황백색광으로 전환시킬 수가 있음과 아울러, 광확산체(비드)(3b 및/또는 4b)에 의한 산란에 의해 형광체(3c 및/또는 4c)가 충분한 발광색 전환을 수행할 수 있게 하므로 형광체의 엄격히 균질한 분포가 특별히 문제가 되지 아니함과 동시에, 광원을 직접 바라볼 경우의 LED의 고휘도로 인한 눈 따가움이나 피로도를 현저히 경감 내지 완화시킬 수가 있다.

한편, 도 3은 도 1의 LED 렌즈(10)의 클러스터(cluster)(20)에 대한 사진도로서, 도 5에 나타낸 바와 같은 LED 조명 기기(60)의 LED 수효와 위치나 배열에 맞춰 본 발명에 따른 수지 조성물 성형체(1)가 이중 사출된 LED 렌즈(10)를 클러스터(cluster)(20) 형태로 성형하여 둠으로서 더욱 편리하게 LED 조명 기기(60)의 광 강도를 완화시키거나 또는 발광색 변환을 도모할 수가 있다.

또한 필요하다면, 도시하지는 않았지만 상기한 LED 렌즈용 수지 조성물 성형체의 저면에, 예컨대, 500㎚ 이하의 파장의 광은 통과시키고 그 이상의 파장의 광은 반사시키는 굴절율 1.4∼1.6의 이색성 필터를 위치시킬 수도 있다. 상기한 이색성 필터는 형광체가 존재하는 쪽의 상면에 네오디움 또는 홀미늄과 같은 유전층을 형성함으로써 형광체에 의한 빛의 후방산란에 의한 LED 소자의 손상을 저감시킴으로써 발광 모듈의 안정화에 기여하여 LED 소자의 수명 증대를 도모할 수도 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

실시예 1:

도 3에 나타낸 바와 같은 에폭시 수지로 된 LED 렌즈 클러스터를 사출 성형하고 이어서 실리콘(silicon) 수지(다우코닝사, 409 HS) 84중량%와, 황색 형광체로서의 (YGd)₃Al₅O₁₂: Ce 14중량%, 광확산체로서 평균 입경 2.0㎛의 폴리메틸메타크릴레이트(굴절율 1.50, 광투과율 91%) 2중량%로 이루어지는 발광색 변환을 위한 LED 렌즈용 수지 조성물을 이용하여 LED 장착부 내에 2㎜의 두께로 성형체를 이중 사출하여 LED 렌즈와 일체로 형성하였다.

상기와 같이 제조된 LED 렌즈 클러스터를 청색 LED가 구비된 도 5에 나타낸 바와 같은 LED 조명 기기에 장착하고 사용한 결과 약간 황색을 띄는 백색광이 얻어졌다.

실시예 2:

LED 렌즈용 수지 조성물로서 실리콘(silicon) 수지(다우코닝사, 409 HS) 84중량%와, 황색 형광체로서의 (YGd)₃Al₅O₁₂: Ce 13.8중량%, 광확산체로서 평균 입경 2.0㎛의 폴리메틸메타크릴레이트 2중량% 및, 나프탈아조벤젠 0.2중량%로 이루어지는 발광색 변환을 위한 LED 렌즈용 수지 조성물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 LED 렌즈 클러스터를 제조하였다.

상기와 같이 제조된 LED 렌즈 클러스터를 청색 LED가 구비된 도 5에 나타낸 바와 같은 LED 조명 기기에 장착하고 사용한 결과 안료 첨가에 의한 황색광이 얻어졌다.

실시예 3:

LED 렌즈용 수지 조성물로서 폴리메칠 펜텐 수지(일본 미츠이가가꾸사, 내열온도 200℃, MTS 284) 83중량%와, 적색 형광체로서 Y₂O₂S:Eu,Gd 9중량%와 녹색 형광체로서 ZnS:Cu,Al 6중량%, 광확산체로서 평균 입경 2.0㎛의 폴리메틸메타크릴레이트 2중량%를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 LED 렌즈 클러스터를 제조하였다.

상기와 같이 제조된 LED 렌즈 클러스터를 청색 LED가 구비된 도 5에 나타낸 바와 같은 LED 조명 기기에 장착하고 사용한 결과 자연스러운 3파장 백색광이 얻어 졌다.

실시예 4:

LED 렌즈용 수지 조성물로서 폴리에테르 설폰 수지(영국 ICI사, 굴절율 1.65, 내열온도 200℃) 88중량%와, 적색 형광체로서 Li₂TiO₃: Mn 5중량%와 녹색 형광체로서 Ca₂MgSi₂O₇:Cl 4중량%, 광확산체로서 평균 입경 2.0㎛의 폴리메틸메타크릴레이트 3중량%를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 LED 렌즈 클러스터를 제조하였다.

상기와 같이 제조된 LED 렌즈 클러스터를 청색 LED가 구비된 LED 조명 기기에 장착하고 사용한 결과 자연스러운 3파장 백색광이 얻어졌다.

실시예 5:

LED 렌즈용 수지 조성물로서 폴리에테르 이미드 수지(미국 GE사, 굴절율 1.558, 내열온도 170℃) 86중량%와, 적색 형광체로서 LiAlO₂: Mn 5중량%와 녹색 형광체로서 Y₃(Ga_xAl_1-x)₅O₁₂: Ce(0<x<1) 4중량%, 청색 형광체로서 BaMgAl₁₀O₁₇3중량%, 광확산체로서 평균 입경 2.0㎛의 폴리메틸메타크릴레이트 2중량%를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 LED 렌즈 클러스터를 제조하였다.

상기와 같이 제조된 LED 렌즈 클러스터를 보라색 LED가 구비된 LED 조명 기기에 장착하고 사용한 결과 자연스러운 백색광이 얻어졌다.

실시예 6:

LED 렌즈용 수지 조성물로서 폴리아릴레이트 수지(미국 Cab Random사, 굴절율 1.57, 내열온도 260℃) 87중량%와, 적색 형광체로서 6MgOㅇ As₂O₅:Mn₄ ⁺ 4중량%와 녹색 형광체로서 La₂O₃ㅇ 11Al₂O₃: Mn 2.8중량%, 청색 형광체로서 (Sr,Ca,BaMg)₁₀(PO₄)₆Cl₂:Eu2.5중량%, 광확산체로서 평균 입경 2.0㎛의 폴리메틸메타크릴레이트 3.7중량%를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 LED 렌즈 클러스터를 제조하였다.

상기와 같이 제조된 LED 렌즈 클러스터를 자외선 LED가 구비된 LED 조명 기기에 장착하고 사용한 결과 자연스러운 백색광이 얻어졌다.

실시예 7:

LED 렌즈용 수지 조성물로서 폴리메틸메타크릴레이트(선진화학 S-200 굴절율 1.49. 광투과율 91%) 95중량%와, 적색 형광체로서 3.5MgOㅇ 0.5MgF₂ㅇ GeO₂: Mn₄ ⁺ 2중량%와 녹색 형광체로서 Ca₈Mg(SiO₄)₄Cl₂: Eu, Mn 1중량%, 청색 형광체로서 BaMgAl₁₀O₁₇1중량%, 광확산체로서 평균 입경 3.0㎛의 폴리카보네이트(polycarbonate: 굴절율 1.59) 1중량%를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동 일하게 LED 렌즈 클러스터를 제조하였다.

실시예 8:

실시예 7의 LED 렌즈 클러스터의 각각의 LED 렌즈에 효성사의 이색성 필터 V-10(네오디움 코팅) 및 HY-1(홀미늄 코팅)을 각각 변광용 성형체 하방에 삽지하였다.

상기와 같이 제조된 LED 렌즈 클러스터를 보라색 LED가 구비된 LED 조명 기기에 장착하고 사용한 결과 실시예 7에 비하여 육안상 현저히 증가된 휘도를 나타냈다.

도 1은 본 발명에 따른 LED 렌즈용 수지 조성물을 이용한 LED 렌즈의 종단면도이다.

도 2는 도 1에 적용된 LED 렌즈용 수지 조성물 시트 또는 필름의 확대 모식도이다.

도 3은 도 1의 LED 렌즈의 클러스터(cluster)에 대한 사진도이다.

도 4a 내지 4c는 각각 종래의 다양한 형태의 LED 렌즈에 대한 사진도이다.

도 5는 LED 렌즈를 이용한 LED 조명 기기에 대한 예시 사진도이다.

- 도면 중 주요부에 대한 부호의 설명 -

1, 1a: 본 발명에 따른 LED 렌즈용 수지 조성물 성형체

2: 매트릭스(matrix) 수지 3a, 4a: 안료

3b, 4b: 광확산체(비드) 3c, 4c: 형광체

10: 본 발명에 따른 LED 렌즈 11: 측부

11a: 상면 12: 내측 볼록부

13: LED 장착부 14: 플랜지

20: LED 렌즈의 클러스터 30: 기판

40: LED 소자 몰딩 광 확산 렌즈 50: 소켓

60: LED 조명기기 61: 전면 고정판

Claims

실리콘(silicon) 수지, 폴리메칠 펜텐(polymethyl pentene) 수지, 폴리에테르 설폰(polyether sulfon) 수지, 폴리에테르 이미드(polyether imide) 수지, 폴리아릴레이트(polyarylate) 수지 및, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacylate) 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 내열성 투명 매트릭스 (matrix) 수지 50∼99중량%와;

조명색 변환용 형광체 0.8∼30중량%와;

평균 입경 0.2∼30㎛의 광확산체(light diffusing beads) 0.2∼20중량%로 이루어지는

LED 렌즈용 수지 조성물.
제1항에 있어서, 상기한 조명색 변환용 형광체가 YAG계의 (YGd)₃Al₅O₁₂: Ce 황색 형광체로서 청색 LED의 백색 LED로의 전환을 위한 LED 렌즈용 수지 조성물.
제1항에 있어서, 상기한 조명색 변환용 형광체가 적색 형광체와 녹색 형광체이며, 상기한 적색 형광체가 Y₂O₂S:Eu,Gd, Li₂TiO₃: Mn, LiAlO₂: Mn, 6MgOㅇ As₂O₅:Mn₄ ⁺, 또는 3.5MgOㅇ 0.5MgF₂ㅇ GeO₂: Mn₄ ⁺이고, 상기한 녹색 형광체가 ZnS:Cu,Al, Ca₂MgSi₂O₇:Cl, Y₃(Ga_xAl_1-x)₅O₁₂: Ce(0<x<1), La₂O₃ㅇ 11Al₂O₃: Mn, 또는 Ca₈Mg(SiO₄)₄Cl₂: Eu, Mn으로서, 청색 LED의 백색 LED로의 전환을 위한 LED 렌즈용 수지 조성물.
제3항에 있어서, 상기한 적색 형광체와 녹색 형광체의 중량 비율이 1: 0.2∼1.2인 LED 렌즈용 수지 조성물.
제1항에 있어서, 상기한 조명색 변환용 형광체가 적색 형광체와 녹색 형광체와 청색 형광체이며, 상기한 적색 형광체가 Y₂O₂S:Eu,Gd, Li₂TiO₃: Mn, LiAlO₂: Mn, 6MgOㅇ As₂O₅:Mn₄ ⁺, 또는 3.5MgOㅇ 0.5MgF₂ㅇ GeO₂: Mn₄ ⁺이고, 상기한 녹색 형광체가 ZnS:Cu,Al, Ca₂MgSi₂O₇:Cl, Y₃(Ga_xAl_1-x)₅O₁₂: Ce(0<x<1), La₂O₃ㅇ 11Al₂O₃: Mn, 또는 Ca₈Mg(SiO₄)₄Cl₂: Eu, Mn이며, 상기한 청색 형광체가 BaMgAl₁₀O₁₇ 또는 (Sr,Ca,BaMg)₁₀(PO₄)₆Cl₂:Eu로서, 보라색 LED 또는 자외선 LED의 백색 LED로의 전환을 위한 LED 렌즈용 수지 조성물.
제5항에 있어서, 상기한 적색 형광체, 청색 형광체 및, 녹색 형광체의 중량 비율이 1: 0.2∼1.2: 0.2∼1.2인 LED 렌즈용 수지 조성물.
제1항에 있어서, 상기한 광확산체가 실리콘 수지(silicon resin: 굴절율 1.43), 폴리아크릴레이트(polyacrylate: 굴절율 1.49), 폴리우레탄(polyurethane: 굴절율 1.51), 폴리에틸렌(polyethylene: 굴절율 1.54), 폴리프로필렌(polypropylene: 굴절율 1.46), 나일론(Nylon: 굴절율 1.54), 폴리스티렌(polystyrene: 굴절율 1.59), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate: 굴절율 1.49), 폴리카보네이트(polycarbonate: 굴절율 1.59), 실리카(silica: 굴절율 1.47), 알루미나(alumina: 굴절율 1.50∼1.56), 글래스(glass: 굴절율 1.51), 탄산칼슘(CaCO3: 굴절율 1.51), 탈크(talc: 굴절율 1.56), 마이카(mica: 굴절율 1.56), 황산바륨(BaSO₄: 굴절율 1.63), 산화아연(ZnO: 굴절율 2.03), 산화세슘(CeO₂: 굴절율 2.15), 이산화티탄(TiO₂: 굴절율 2.50∼2.71), 산화철(2.90), 또는 이들의 임의의 혼합물이고, 상기한 광확산체가 수지인 경우 상기한 내열성의 투명한 매트릭스 수지와 동일 수지는 아닌 LED 렌즈용 수지 조성물.
제7항에 있어서, 상기한 내열성 투명 매트릭스 수지가 실리콘이고, 광확산체가 폴리메틸메타크릴레이트인 LED 렌즈용 수지 조성물.
제1항에 있어서, 안료를 0.1∼3.0중량% 더욱 포함하는 LED 렌즈용 수지 조성물.
LED 장착부가 형성된 LED 렌즈에 있어서,

상기한 LED 렌즈의 LED 장착부 상방에 상기한 제1항 또는 제2항 또는 제3항 또는 제5항 또는 제7항에 따른 LED 렌즈용 수지 조성물로 된 성형체, 또는 필름 또는 시트가 장착된 LED 렌즈.
제10항에 있어서, 상기한 LED 렌즈용 수지 조성물 성형체, 또는 필름 또는 시트의 저면에 이색성 필터가 형성된 LED 렌즈.
상기한 제10항에 따른 LED 렌즈 클러스터(cluster).