KR101000014B1 - 엘이디 가로등 장치 - Google Patents

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KR101000014B1
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Abstract

엘이디 가로등 장치가 개시된다. 개시된 엘이디 가로등 장치는, 하우징과; 상기 하우징 내에 고정 설치되고, 다수개의 LED가 장착된 회로기판과; 상기 회로기판에 설치되어 상기 LED의 광을 확대 발산시키며, 상기 LED의 광이 소정 광 지향각도 범위 내로 발광되도록 구비된 광학렌즈와; 상기 광학렌즈를 외부로 노출시키도록 관통공이 형성되며, 상기 관통공의 주위에 상기 광 지향각도를 벗어난 상기 LED 광을 소정 반사각도 내로 반사되도록 광반사수단이 구비되며 상기 회로기판의 상부에 설치된 반사판;을 포함하되,
상기 광반사수단은, 상기 관통공의 주위를 상기 반사각도가 형성되도록 하부로 경사지며 형성된 반사홈부와; 상기 광학렌즈로부터 출사되는 상기 LED의 광이 반사되도록 상기 반사홈부에 다수개가 형성된 반사돌기;를 포함하여 된 것을 그 특징으로 한다.

Description

엘이디 가로등 장치{LED STREETLIGHT DEVICE}
본 발명은 엘이디 가로등 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배광 및 방열 성능이 향상되도록 하기 위해 그 구조가 개선된 엘이디 가로등 장치에 관한 것이다.
일반적으로 가로등은 길가, 교량 양측, 고속도로 양측의 갓길에 일정간격으로 배치되어 길을 밝히는 기능을 수행한다. 이러한 가로등의 기능 덕택에 안전한 자동차 주행뿐만 아니라 도심의 어둠을 밝혀 다양한 효과를 연출하기도 한다.
이와 같은 가로등은 주로 중앙관제에 의해 점등이 제어되며, 그 기능을 충실하게 수행하기 위해서는 최소한의 조도가 확보되어야 한다.
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.
이러한 단점을 해결하기 위해 1W LED 칩(Chip)을 패키징한 모듈을 인쇄회로기판(PCB) 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 제어해야 하는 선결과제가 요구된다.
상기한 바와 같이 LED 조명장치는 특히, LED 가로등 장치에 있어서 가장 중요시되는 부분은 방열과 광학렌즈 설계에 있음을 알 수 있다.
그리고 광효율 개선을 위하여 등록특허 제10-0973755호(2010. 07. 28)가 고안된 바 있다. 이 등록특허는 LED램프의 빛 확산각도를 좁혀서 빛의 직진성 및 난반사성을 개선할 수 있도록 일정 간격으로 다수개의 반사공을 경사지며 형성하고 금속재로 된 반사판과 렌즈를 적용하였다. 이때 상기 반사공의 경사 각도는 75~95도로 하였다.
그런데, 본 발명의 출원인에 의해 시험에 의하면, 상기 반사공의 경사진 각도를 75~95도로 하는 경우, 전혀 원하는 배광 성능을 구현하지 못하고, 가로등의 광효율도 반사판의 반사공의 각도에 따라 30%까자 떨어지는 것을 확인하였다.
이와 같이 반사판의 반사공의 경사 각도는 매우 예민하게 반응하기 때문에 반사판을 잘못 설계하여 적용하는 경우 배광 및 광속이 상당히 나빠진다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 광학렌즈를 적절한 지향각도로 빛이 발산되도록 설계하고, 광학렌즈의 지향각도를 벗어난 빛을 다시 최적의 광 지향각도로 반사되도록 한 반사판을 적용하여 광효율을 향상시킬 수 있도록 한 엘이디 가로등 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 엘이디 가로등 장치는, 하우징과; 상기 하우징 내에 고정 설치되고, 다수개의 LED가 장착된 회로기판과; 상기 회로기판에 설치되어 상기 LED의 광을 확대 발산시키며, 상기 LED의 광이 소정 광 지향각도 범위 내로 발광되도록 구비된 광학렌즈와; 상기 광학렌즈를 외부로 노출시키도록 관통공이 형성되며, 상기 관통공의 주위에 상기 광 지향각도를 벗어난 상기 LED 광을 소정 반사각도 내로 반사되도록 광반사수단이 구비되며 상기 회로기판의 상부에 설치된 반사판;을 포함하며,
그리고, 상기 광반사수단은, 상기 관통공의 주위를 상기 반사각도가 형성되도록 하부로 경사지며 형성된 반사홈부와; 상기 광학렌즈로부터 출사되는 상기 LED의 광이 반사되도록 상기 반사홈부에 다수개가 형성된 반사돌기;를 포함하여 된 것을 그 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 120도 정도의 광 지향각도를 갖는 광학렌즈를 장착하고, 상기 광 지향각도를 벗어난 광을 140도 내에서 다시 반사되도록 한 반사판을 설치함으로써 LED 조명장치의 광효율을 향상시킬 수 있다.
그리고 광 손실을 감소시켜 보다 많은 광을 외부로 집중적으로 발산시킴으로써 배광 성능을 향상시킬 수 있다.
또한 하우징에 내부 및 외부에 다수의 방열핀이 형성되어 있으므로, 방열 성능을 향상시킬 수 있다.
따라서 본 발명은 엘이디 가로등 장치뿐만 아니라 다양한 배광 특성을 가지는 렌즈가 적용된 터널등, 항만등, 공장등, 또는 투광등으로 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 엘이디 가로등 장치의 구성을 나타낸 조립 사시도.
도 2는 도 1의 분해 사시도.
도 3a는 도 2의 하우징의 상세 사시도.
3b는 도 3a의 B-B 단면도.
도 4는 도 2의 회로기판의 상세 사시도.
5a는 도 2의 광학렌즈의 상세 사시도.
5b는 도 5a의 A-A 단면도.
도 6은 도 2의 반사판의 상세 사시도.
도 7은 본 발명에 따른 엘이디 가로등 장치의 작동을 나타낸 조립 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명에 따른 엘이디 가로등 장치의 구성을 나타낸 조립 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 분해 사시도가 도시되어 있으며, 도 3a에는 도 2의 하우징의 상세 사시도가 도시되어 있고, 3b에는 도 3a의 B-B 단면도가 도시되어 있다.
그리고 도 4에는 도 2의 회로기판의 상세 사시도가 도시되어 있고, 5a에는 도 2의 광학렌즈의 상세 사시도가 도시되어 있으며, 5b에는 도 5a의 A-A 단면도가 도시되어 있고, 도 6에는 도 2의 반사판의 상세 사시도가 도시되어 있다.
또한 도 7에는 본 발명에 따른 엘이디 가로등 장치의 작동을 나타낸 조립 단면도가 도시되어 있다.
이들 도면을 각각 참조하면, 본 발명에 따른 엘이디 가로등 장치(100)는, 하우징(10)과, 도 7에 도시된 바와 같이, 이 하우징(10) 내에 고정 설치되고 다수의 LED(50)가 장착된 회로기판(20)과, 광학렌즈(30)와, 반사판(40)을 포함하여 구성된다.
특히, 상기 광학렌즈(30)는, 상기 LED(50)를 수용하며 회로기판(20)에 다수개가 설치되어 LED(50)의 광을 더욱 확대 발산시키고, LED의 광이 소정 광 지향각도 범위 내로 발광되도록 구비된다.
또한 상기 반사판(40)은, 광학렌즈(30)를 외부로 노출시키도록 관통공(46)이 형성되며, 이 관통공(46)의 주위에 소정의 광 지향각도를 벗어난 LED(50)의 광을 소정 반사각도 내로 반사되도록 광반사수단이 구비되며, 회로기판(20)의 상부에 설치된다.
그리고 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(10) 내부 안쪽과 상기 하우징(10)의 외부 배면에는 일정 간격으로 방열핀(13,17)이 다수개 형성된다.
또한 상기 광학렌즈(30)는 도 7에 도시된 바와 같이 가로 120~135도와, 세로 65~75도 범위의 광 지향각도의 배광 특성을 가지도록 구비된다. 상기 광학렌즈(30)는 후술하는 바와 같이, 최적의 배광 특성이 나타나도록 광 지향각도는 가로가 120도, 세로가 70도로 구비되는 것이 바람직하다.
상기한 특성을 지닌 광학렌즈(30)는, 비구면 렌즈(aspheric lens)로 이루어진 것으로, 안착부(31), 몸체부(33), 삽입부(32) 및 요홈부(34)를 포함하여 구성된다.
이 중 상기 안착부(31)는 회로기판(20) 상면에 안착되게 몸체부(33)보다 넓게 형성된다. 그리고 상기 몸체부(33)는 안착부(31)의 상부로 연장되되 가운데는 직선 형태로 형성되고, 양단은 라운드 형태로 형성된다. 또한 상기 삽입부(32)는 안착부(31)의 저부에 돌출 형성되어 회로기판(20)에 삽입되게 적어도 하나 구비된다.
그리고 요홈부(34)는, 안착부(31)와 몸체부(33)의 내부에 걸쳐 상부로 파이며 형성되어 LED(50)를 수용하며, LED(50)의 광 입사면(34a)은 비구면으로 형성된다. 이러한 광학렌즈(30)는 투명한 합성수지 또는 유리로 성형되어 이루어진다.
또한 상기 반사판(40)의 관통공(46)의 주위에는 도 7에 보다 상세하게 도시된 바와 같이, 광반사수단은, 관통공(46)의 주위를 반사각도(140)가 형성되도록 하부로 경사지며 형성된 반사홈부(43)와, 상기 광학렌즈(30)로부터 출사되는 LED(50)의 광이 반사되도록 반사홈부(43)에 다수개가 형성된 반사돌기(45)를 포함하여 구성된다.
그리고 상기 반사홈부(43)의 반사각도는 130~150도로 이루어지고, 상기 반사돌기(45)는 불규칙하게 배치된다. 특히, 상기 광학렌즈(30)의 구조(또는 특성)상 반사홈부(43)의 반사각도는 140도로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 상기 반사돌기(45)는 반사 효율을 높이기 위해 불규칙적으로 형성되며, 금속재로 이루어진 반사판(40)과 일체로 형성된다. 이 반사돌기(45)는 지름이 0.5~1.5mm의 반구 돌기 형태로 이루어진다.
따라서 상기 반사판(40)에서 반사홈부(43)와 반사홈부(43) 사이에 형성된 갭(g)은 평면으로 형성된다.
그리고 상기 반사판(40)은 도 1 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기한 배광 특성이 나타나도록 일정 간격마다 단차를 형성하며 설치된다. 이 단차를 용이하게 형성하기 위해 반사판(40)을 여러 개(41-1,41-2,41-3)로 제작하고, 단차가 형성되는 연결부를 결합돌기(48)와 결합홈(49)을 형성하여 결합함으로써 간단하게 형성할 수 있다.
상기 반사판(40)을 여러 개(41-1,41-2,41-3)로 제작하는 이유는, 보다 소형으로 제작하기 때문에 제작이 용이하고, 후술하는 회로기판(20)과 같이 출력에 따라 간단히 대응할 수 있기 때문이다.
이와 같은 반사판(40)은 금속재로 이루어지고, 표면(또는 반사면)에는 반사 효율을 높이기 위해 금, 은, 알루미늄, 황하아연, 또는 로듐 등을 코팅한다.
한편, 도3a에서 도면부호 14는 회로기판(20)을 하우징(10) 내에 고정하기 위한 제1보스부재이며, 15는 하우징(10) 전면을 커버하기 위한 캡(미도시)을 고정하기 위한 제2보스부재이고, 그리고 16은 하우징(10)과 램프포스트(lamp post, 미도시)를 연결하기 위한 브라켓이다. 상기 제1,2보스부재(14,15) 및 브라켓(16)은 하우징(10)이 주조(casting)될 때 함께 성형된다.
또한 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 회로기판(20)도 여러 개(21-1~21-5)로 분리되어 하우징(10)의 제1보스부재에 소정의 체결부재(예컨대, 스크루; 미도시)가 이용되어 고정된다. 그 이유는, 회로기판(20)에서 발생되는 열을 분산시킬 수 있고, 램프장치의 출력에 따라 LED(50)의 개수를 쉽게 조절할 수 있기 때문이다.
즉, 상기 회로기판(20)을 모듈 형태로 구비되게 하고, 여기에 맞추어 광학렌즈(30) 및 반사판(40)을 분리하여 구비하게 함으로써, 엘이디 가로등 장치(100)의 출력 사양 변경에 따라 즉시 대응할 수 있도록 한 것이다.
상기 도 4의 회로기판(20)에서, 도면부호 22a는 스크루 홀이며, 22b는 후술하는 엠보싱부(47)가 회로기판의 일정 위치에 안착되도록 하는 안착홈이며, 23은 LED(50)가 장착되기 위한 장착부이고, 24a 및 24b는 광학렌즈(30)의 삽입부(32)가 삽입되는 삽입홀이다.
그리고 도 6에서 도면부호 47은 상기 스크루가 체결될 수 있는 동시에 반사판(40)의 높이를 조절하며 하우징(10)에 고정될 수 있도록 한 엠보싱부이고, 44는 상기 제2보스부재(15)의 외주면에 끼워져 하우징(10) 내에 장착되어 반사판(40)이 일정 위치를 유지할 수 있도록 하는 끼움홈이다.
상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 엘이디 가로등 장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.
도면을 다시 참조하면, 하우징(10) 내에 LED(50)가 다수개의 장착된 회로기판(20)을 고정 설치하고, 그리고 LED(50) 위의 회로기판(20)에 LED(50)의 광을 120~135도(바람직하게는 120도)의 지향각도를 갖도록 설계된 광학렌즈(30)를 장착하며, 또한 빛의 직진성 및 난반사성을 개선할 수 있도록 금속재의 반사판(40)을 설치하면, 도 1과 같은 본 발명에 따른 엘이디 가로등 장치(100)의 조립이 완성된다. 그리고 미도시한 캡(cap)을 하우징(10)의 전면에 고정 체결한다.
따라서 본 발명에 따른 엘이디 가로등 장치(100)의 구성 및 구조는 매우 단순하여 조립이 쉽다.
또한 상기 반사판(40)을 단차를 형성하며 하우징(10)에 장착하고, 여기에 관통공(46)의 주변에 140도 경사진 반사홈부(43)를 형성하고, 이 반사홈부(43)에 반사돌기(45)를 불규칙적으로 형성하며, 특히 반사돌기(45)를 지름이 1mm 내외의 반구 형상으로 형성하여 도 7에 도시된 바와 같이, 광학렌즈(30) 측면에서 불가피하게 출사되는 약 7~10%의 무효 배광 영역의 빛을 광학렌즈(30) 내부로 다시 전반사시키거나, 지향각의 영역방향으로 전반사시킬 수 있다.
따라서 종래에 손실로 잡혀져 잃어버린 무효 광속 약 5%의 빛을 원하는 지향각으로 반사하여 기존에 비해 보다 많은 빛을 더 멀리 보낼 수 있어 광효율을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에서 상기 반사판(40)의 반사홈부(43)의 반사각도는 140도가 최적의 경사각이었으며, 이 반사판(40)은 지향각이 가로 120~135도의 광학렌즈(30) 적용시에도 효율 향상을 확인 할 수 있었다.
이와 같이 조명(광) 효율은 광학렌즈(30)의 지향각과, 관통공(46)이 형성된 반사판(40)의 반사홈부(43)의 경사각도가 매우 중요하다는 의미이다.
이를 좀 더 구체적으로 설명하면, 광학렌즈가 120~135도의 광 지향각도를 넘는 영역에서는 원하지 않는 7~10%의 무효 배광 영역의 빛을 불가피하게 발산하고 있다.
이렇게 광 손실 영역대에서 발산되고 있는 광을 반사판(40)의 반사홈부(43) 및 반사돌기(45)를 이용하여 전반사되도록 유도하고, 기존에 손실되고 있었던 광을 광학렌즈(30) 내부로 다시 반사시키거나, 지향각 영역 방향으로 반사시켜 종래에 손실 영역 무효 광속 빛을 원하는 지향각으로 반사시킨다. 이에 따라 광 손실을 최소화하여 총 광속을 높이고, 엘이디 가로등 장치(100)의 광효율을 향상시킬 수 있다.
그리고 기존에 불가피하게 손실 부분이었던 7~10%의 광은 도 7에 도시된 바와 같이, 반사판(40)의 반구형 반사돌기(45)에서 반사되어 다시 광학렌즈(30)로 돌아오거나 유효 지향각 안으로 반사됨을 확인 할 수 있다.
이와 같이 손실된 빛의 양을 감소하게 함으로써 기존 대비 3~5% 더 많은 빛의 양으로 더 멀리 보낼 수 있어 광 효율성을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 엘이디 가로등 장치(100)와 기존의 장치를 대비하여 배광 측정기(gonio-phtometer)를 이용하여 다음과 같이 총 광속을 측정해보았다.
우선, 120도의 배광을 가지는 본 발명에 적용된 광학렌즈(30)와 기존의 일반적인 반사판을 적용한 경우 총 광속은 13,500(lm)이었다. 그리고 본 발명에 적용된 광학렌즈(30)와 반사판(40)을 적용한 경우에는 총 광속이 14,026.5(lm)이었다. 이에 따라 본 발명의 따른 엘이디 가로등 장치(100)의 경우에는 총 광속이 3.8%가 개선되었다.
따라서 본 발명에 따른 광학렌즈(30)와 반사판(40)이 개선된 엘이디 가로등 장치(100)는, 가로등뿐만 아니라, 항만등, 공장등, 실내등, 투광등 또는 보안등에 적용될 수 있음은 물론이다.
반면, 예컨대 100도 이상의 지향각을 가지는 렌즈의 경우 전술한 등록특허, 10-0973755호(2010. 07. 28)의 기술을 적용하는 경우, 오히려 광효율이 20%까지 감소되었다.
그리고 본 발명에 따른 엘이디 가로등 장치(100)의 하우징(10)의 경우에는 회로기판(20)이 장착되는 내부와 배면에 방열핀(13,17)이 형성되어 있고, 회로기판(20)이 여러 개(21-1~21-5)로 분리 가능하게 되어 있어 방열 효과도 크게 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10. 하우징
20. 회로기판
30. 광학렌즈
31. 안착부
32. 삽입부
33. 몸체부
34. 요홈부
40. 반사판
43. 반사홈부
45. 반사돌기
46. 관통공
50. LED
100. 엘이디 가로등 장치

Claims (7)

  1. 하우징과;
    상기 하우징 내에 고정 설치되고, 다수개의 LED가 장착된 회로기판과;
    상기 회로기판에 설치되어 상기 LED의 광을 확대 발산시키며, 상기 LED의 광이 소정 광 지향각도 범위 내로 발광되도록 구비된 광학렌즈와;
    상기 광학렌즈를 외부로 노출시키도록 관통공이 형성되며, 상기 관통공의 주위에 상기 광 지향각도를 벗어난 상기 LED 광을 소정 반사각도 내로 반사되도록 광반사수단이 구비되며 상기 회로기판의 상부에 설치된 반사판;을 포함하되,
    상기 광반사수단은,
    상기 관통공의 주위를 상기 반사각도가 형성되도록 하부로 경사지며 형성된 반사홈부와;
    상기 광학렌즈로부터 출사되는 상기 LED의 광이 반사되도록 상기 반사홈부에 다수개가 형성된 반사돌기;를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 엘이디 가로등 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사홈부의 상기 반사각도는 130~150도로 이루어지고, 상기 반사돌기는 불규칙하게 배치된 것을 특징으로 하는 엘이디 가로등 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반사돌기는 지름이 0.5~1.5mm의 반구형 돌기로 이루어진 것을 특징으로 하는 엘이디 가로등 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하우징 내부 안쪽과 상기 하우징의 외부 배면에는 일정 간격으로 방열핀이 형성된 것을 특징으로 하는 엘이디 가로등 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광학렌즈는,
    상기 회로기판 상면에 안착되게 형성된 안착부와;
    상기 안착부의 상부로 연장되되, 가운데는 직선 형태로 형성되고, 양단은 라운드 형태로 형성된 몸체부와;
    상기 안착부의 저부에 돌출 형성되어 상기 회로기판에 삽입되게 구비된 적어도 하나의 삽입부와;
    상기 안착부와 상기 몸체부의 내부에 걸쳐 상부로 파이며 형성되어 상기 LED가 수용되게 하며, 상기 배광 특성이 나타나도록 상기 LED의 광 입사면이 비구면으로 형성된 요홈부;를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 엘이디 가로등 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반사판은 다수개가 분리되어 이루어지고, 상기 각 판사판은 단차가 형성되며 결합된 것을 특징으로 하는 엘이디 가로등 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 회로기판은 적어도 두 개로 분리되어 이루어진 것을 특징으로 하는 엘이디 가로등 장치.
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