KR101039073B1 - 방열장치 및 이를 이용한 전구형 ｌｅｄ 조명장치 - Google Patents

방열장치 및 이를 이용한 전구형 ｌｅｄ 조명장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다각형 금속 기판(metal PCB)을 사용하여 기판 표면에 다수의 LED를 실장함과 동시에, 금속 기판을 지지하는 LED 장착부가 방열장치와 일체로 형성하여 전도된 열을 다수의 방열핀 내부를 관통하여 순환하는 대류 공기에 의해 효과적인 방열이 이루어질 수 있는 방열장치 및 이를 이용한 전구형 LED 조명장치에 관한 것이다.
본 발명의 방열장치는 다수의 LED가 집적된 LED 패키지와 상기 LED 패키지로 전원을 인가하기 위한 스크류 캡 사이에 배치된 몸체; 상기 몸체의 외주에 상기 몸체의 길이방향을 따라 간격을 두고 방사방향으로 연장 형성되며, 각각 몸체의 길이방향을 따라 동일지점에 관통 형성된 적어도 하나의 공기통로를 구비하여, 상기 LED 패키지로부터 상기 몸체로 전달되는 열을 외부 공기의 대류에 의한 공랭방식으로 방열하기 위한 다수의 방열핀;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
LED, 조명, 방열, 공랭방식, 방열핀, 열전도, 대류

Description

방열장치 및 이를 이용한 전구형 ＬＥＤ 조명장치{Radiator and Bulb Type LED Lighting Apparatus Using the Same}
본 발명은 방열장치 및 이를 이용한 전구형 LED 조명장치에 관한 것으로, 특히 전구형 LED 조명장치에서 발생되는 열을 효율적으로 방열하여 발광 특성과 수명을 극대화한 방열장치 및 이를 이용한 전구형 LED 조명장치에 관한 것이다.
일반적으로 조명을 위한 백색 광원으로 LED(Light Emitting Diode)를 사용하기 위해서 적(Red), 녹(Green), 청색(Blue)의 LED를 단일 패키지로 하여 3원광에 의한 백색광을 내거나(이 경우에 각 LED에 인가되는 전압 및 전류를 정밀하게 조정하여 각 빛의 조도가 균일하게 이루어지도록 해야 한다), 청색이나 황색의 LED에서 나오는 빛을 황색이나 청색 형광체를 통과하게 하여 단파장이 여러 가지 장파장의 빛으로 변하게 하여 의사 백색을 얻거나, 근자외선이 형광체를 통과하면서 형광 램프와 같이 백색을 내는 방식을 이용하고 있다.
이 중에서 청색 LED나 자외선 LED와 형광 물질을 조합한 백색 광원이 주류를 이루고 있는 실정이다.
상기 형광 물질은 조명 기구의 반구형 커버에 코팅하거나, 형광체 테이프를 전면에 부착하는 방식을 이용하며, 경우에 따라서는 LED의 표면에 형광체를 코팅하여 구성할 수 있다.
상기와 같은 LED를 이용한 백색 광원은 발광 효율이 매우 우수하면서 광도가 높고, 고속 응답성이 우수하며 수명이 길기 때문에 새로운 조명 광원으로 각광받고 있다.
즉, 40~60W의 백열전구의 조도는 약 80개의 LED를 이용하여 5~10W의 전력으로 대체할 수 있으며, 100W의 백열전구는 128개의 LED를 이용하여 약 13W의 전력으로 같은 조도를 구현할 수 있다. 따라서 같은 조도 환경을 구현하기 위해서 소모되는 전력이 기존 "A" 타입(즉, 벌브 형) 백열 전구는 물론 형광 램프에 비해서도 매우 적게 소모된다.
그런데, 상기와 같은 특성을 가지는 조명용 LED는 전기 에너지를 광으로 변환하는 과정에서 많은 열이 발생되고, 이러한 열은 LED의 발광 특성을 저하시키는 것은 물론, LED의 수명을 단축시키는 요인으로 작용하는 문제점을 가지고 있다.
따라서, LED 조명을 효율적으로 이용하기 위해서는 LED가 정상적으로 동작할 수 있는 온도 조건을 필수적으로 갖추어야 한다.
이러한 방열 문제를 해소하기 위해 LED에 공급되는 전류량을 저감시켜 발광시키는 방법도 있으나, 이는 LED의 광도를 직접적으로 저하시키기 때문에 광원으로서의 가치를 저하시켜 효용성이 떨어지는 방법이다.
이러한 문제점을 해소하기 위해, 종래에는 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 엘이디(LED) 조명기구(100)는 PCB(113)에 복수의 LED(111)가 설치되는 광원부 와, 상기 PCB(113)에 접합되는 방열수단(130) 및 상기 광원부 및 방열수단(130)을 수용하여 지지하는 하우징(150)으로 구성되고, 상기 하우징(150)에 상기 PCB(113)와 전원을 연결하는 전원연결부(151)를 포함하여 이루어져 있다.
상기 방열수단(130)은 상기 하우징(150) 둘레에 수직 원기둥 형태로 형성되고 방열 면적을 확장하기 위한 방열핀(133)이 주변에 일정 간격으로 돌출 형성되어 있어서, 상기 방열핀(133)과 방열핀 틈새공간(131)이 교호로 요철 배치되어 이루어진다.
즉, 상기 방열수단(130)의 둘레에 방열핀(133)과 틈새공간(131)이 일정 간격으로 배열된 원통형태로 되며, 이와 같은 구성은 통풍이 원활하게 이루어지는 환경에서는 방열핀(133)에 의한 표면적 확장으로 인하여 방열이 이루어진다.
그러나, 이와 같은 구조의 조명기구가 천장에 형성된 매입공에 삽입 설치되는 경우와 같이 통풍이 자연적으로 이루어지지 못하는 환경에서는 상기 PCB(113)에 인접하는 하부지점(133a)과 PCB(113)로부터 가장 먼 상부 지점(133b) 간의 온도차가 10％ 미만이고(도 1 참조), 상기 방열핀(133)과 틈새공간(131)의 온도차가 10％ 미만에 그친다(도 2 참조).
방열을 위한 열교환은 방열핀(133)과 상기 틈새공간(131) 사이의 온도차가 클수록 효율이 증가하는데 상기와 같이 온도차가 불과 10％ 미만일 경우에는 방열이 제대로 이루어지지 않는다.
이는 상기 방열핀(113)의 틈새 공간(131)에 체류 중인 공기가 열을 흡수한 상태에서 정체되어 있기 때문에 상기 방열핀(113)의 최외곽 일부분을 제외한 대부 분의 공간에서는 방열이 제대로 이루어지지 않는 문제점이 있다.
이와 같은 LED의 방열 문제점을 해소하기 위해 LED에 공급되는 전류량을 정격 전류량보다 적게 공급하는 방식은, 각 LED의 조도가 낮아져 전체 조도를 맞추기 위해서는 더 많은 수의 LED를 이용해야 하고, 그에 따라 조명기구 전체의 크기가 증가되는 것은 물론 제조 원가가 증가하는 문제점이 있다.
또한, 효율적인 방열을 위해 공기를 강제로 대류시켜 주는 팬을 이용하는 경우도 있지만, 팬의 수명이 LED의 수명에 비해 짧아서 LED 조명기구의 수명 요인으로 작용하는 문제점과 팬의 동작에 따른 소음 발생의 문제점이 있다.
상기와 같은 기술의 문제점을 해소하기 위해, 특허등록번호 제 10-0778235호의 무팬 방열 엘이디 조명기구가 개시되어 있으며, 이를 도시한 도 3을 참고하여 설명한다.
즉, LED(210)가 실장된 PCB(200)의 측단부에 갓 구조를 가지고 그 표면에 요철부(231)가 형성된 방열판(230)을 부착함으로써 방열 면적을 조명기구 본체로부터 멀리 확장함으로써 방열에 필요한 대류 공간을 확장하는 기술이다.
그러나, PCB(200)와 방열판(230)이 일체화되어 있지 않기 때문에 열전달 경로상에 계면이 형성됨으로써 계면 효과에 의해 열 전달성이 떨어져 LED의 실장수가 적은 경우에는 적합하지만 고조도인 경우에는 발열량에 대비해 열전달 속도 및 방열 면적의 한계로 인하여 적합하지 않은 문제점을 안고 있다.
또한, 도 3과 같은 구조의 조명기구는 방열판(230)의 구조로 인하여 완전 매입형 조명기구로는 사용할 수 없는 문제점을 안고 있으며, 평면 구조의 PCB에 LED 가 실장되어 있어서 직하 부분은 밝지만 측 방향으로는 상대적으로 어두워서 배광 특성이 나쁘며, 이를 해소하기 위해서 별도의 반사판을 중심에 설치하여 사용해야 하는 경우에는 조명 기구의 크기가 커지는 문제점이 있다.
한편, 고조도를 위해 다수개의 메탈 PCB에 다수의 LED를 실장하여 히트 싱크(heat sink) 역할을 하는 다각형의 파이프에 부착시킨 구조의 LED 패키지가 있으나, 이는 메탈 PCB와 파이프 간에 상기 설명과 같은 열 전달 계면으로 인하여 원활한 열 방출이 이루어지지 않아 고조도(즉, 고와트) LED 조명기구의 방열 구조로 적합하지 않은 문제점이 있다.
또한, 종래에 알려진 "A" 타입 LED 전구는 원형 기판에 다수의 LED를 실장하고 그 상측에 방열 구조를 구비하며 AC 구동방식인 경우 2~5.3W급의 LED 전구를 구현하는 것이 가능하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 다각형 금속 기판(metal PCB)을 사용하여 기판 표면에 다수의 LED를 실장함과 동시에, 금속 기판을 지지하는 LED 장착부가 방열장치와 일체로 형성하여 전도된 열을 다수의 방열핀 내부를 관통하여 순환하는 대류 공기에 의해 효과적인 방열이 이루어질 수 있는 방열장치 및 이를 이용한 전구형 LED 조명장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 다각형으로 이루어진 금속 기판(metal PCB)을 사용하여 기판 표면에 다수의 LED가 실장된 LED 패키지를 방열장치와 결합시킴에 의해 고 조도와 배광특성이 우수한 LED 조명 기구를 구현하면서 고조도의 LED 조명 기구를 콤팩트한 크기로 구현함으로써 매입형 조명 기구로 용이하게 활용할 수 있는 LED 조명장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 고조도이면서 배광특성이 우수한 LED 조명 기구를 간단하고 용이하게 제조할 수 있게 하여 조립성 및 양산성이 높고 제조 원가를 절감할 수 있는 LED 조명장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 다수의 LED가 집적된 LED 패키지와 상기 LED 패키지로 전원을 인가하기 위한 스크류 캡 사이에 배치된 몸체; 상기 몸체의 외주에 상기 몸체의 길이방향을 따라 간격을 두고 방사방향으로 연장 형성되며, 각각 몸체의 길이방향을 따라 동일지점에 관통 형성된 적어도 하나의 공기통로를 구비하여, 상기 LED 패키지로부터 상기 몸체로 전달되는 열을 외부 공기의 대류에 의한 공랭방식으로 방열하기 위한 다수의 방열핀;을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치용 방열장치를 제공한다.
상기 몸체는 상기 LED 패키지를 지지하며 LED 패키지로부터 열을 전달받는 LED 장착부와 일체로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 몸체와 LED 장착부의 중앙에는 길이방향의 중앙통로가 형성되는 것이 바람직하다.
더욱이, 상기 몸체에는 상기 중앙통로와 외부를 연통시키는 다수의 관통구멍을 구비할 수 있다.
상기 LED 조명장치용 방열장치는, 상기 몸체의 상단으로부터 원주방향으로 연장 형성되어 스크류 캡이 결합되는 상측 플랜지부와, 상기 몸체와 LED 장착부 사이에 돌출 형성되어 상기 LED 패키지를 케이싱 처리하는 글로브가 결합되는 하측 플랜지부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 몸체 및 다수의 방열핀은 알루미늄으로 이루어지며 다이캐스팅을 통해 일체로 형성되며, 상기 몸체 및 다수의 방열핀은 구리로 이루어지며 단조 또는 주조를 통해 일체로 형성될 수 있다.
또한, 상기 다수의 방열핀은 인서트 몰딩에 의해 상기 몸체에 결합되는 것도 가능하다. 이 경우, 상기 몸체는 알루미늄으로 이루어지며, 상기 다수의 방열핀은 알루미늄 또는 구리로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 다수의 방열핀은 각각 외측으로 갈수록 하향 경사진 스커트 형상으로 이루어지며, 상기 다수의 방열핀은 각각 하측에 배치된 방열핀으로부터 상측에 배치된 방열핀으로 갈수록 점차적으로 큰 직경을 가지는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 방열장치를 이용하여 전구형 LED 조명장치를 구성할 수 있으며, 상기 조명장치는 금속 기판에 다수의 LED가 실장된 LED 패키지; 상기 LED 패키지로 전원을 인가하기 위한 스크류 캡; 일측에는 상기 LED 패키지가 장착되고, 타측에는 상기 스크류 캡이 장착되는 방열장치; 및, 상기 LED 패키지를 케이싱 처리하기 위해 상기 방열장치의 일측에 결합되는 글로브;를 포함하며, 상기 방열장치는 상기 LED 패키지와 스크류 캡 사이에 배치되며 상기 스크류 캡과 상기 LED 패키지를 전기적으로 연결하기 위한 다수의 전원선이 관통하는 중앙 통로를 구비한 몸체; 상기 몸체의 외주에 상기 몸체의 길이방향을 따라 간격을 두고 방사방향으로 연장 형성되며, 각각 몸체의 길이방향을 따라 동일지점에 관통 형성된 적어도 하나의 공기통로를 구비하여, 상기 LED 패키지로부터 상기 몸체로 전달되는 열을 외부 공기의 대류에 의한 공랭방식으로 방열하기 위한 다수의 방열핀;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 경우, 상기 다수의 방열핀은 각각 외측으로 갈수록 하향 경사진 스커트 형상으로 이루어지며, 상기 다수의 방열핀은 각각 하측에 배치된 방열핀으로부터 상측에 배치된 방열핀으로 갈수록 점차적으로 큰 직경을 가지는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 다수의 방열핀은 그 외주단이 하측에서 상측으로 갈수록 상기 몸체의 중심축선에 대하여 외측으로 예각을 형성함으로써, 대류현상에 의해 LED 조명장치를 따라 상승하는 공기가 다수의 방열핀 사이에 골고루 유입될 수 있도록 하여 유입되는 공기량을 증가시켜 방열효과를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 몸체의 상단으로부터 원주방향으로 연장 형성되어 스크류 캡이 결합되는 상측 플랜지부를 더 포함하며, 상기 상측 플랜지부와 다수의 방열핀 중 최상부 방열핀은 상기 다수의 방열핀 사이로 유입되어 상기 공기통로를 따라 이동한 유입공기가 배출되는 공기배출공간을 이루는 것도 가능하다.
더욱이, 상기 몸체로부터 LED 패키지로 연장 형성되며 외표면에 상기 금속 기판이 결합되는 LED 장착부와, 상기 몸체와 LED 장착부 사이에 돌출 형성되어 상기 글로브가 결합되는 하측 플랜지부를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 금속 기판과 LED 장착부는 다각형으로 이루어지는 것이 바람 직하다. 또한, 상기 금속 기판은 다수의 단위기판 또는 다각형으로 절곡된 일체형 단일기판으로 이루어질 수 있다.
상기 방열장치의 몸체 및 다수의 방열핀은 다이캐스팅, 단조 또는 주조를 통해 일체로 형성될 수 있으며, 상기 몸체 및 다수의 방열핀은 알루미늄 또는 구리로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 다수의 방열핀은 인서트 몰딩에 의해 상기 몸체에 결합되며, 상기 몸체는 알루미늄으로 이루어지며, 상기 다수의 방열핀은 알루미늄 또는 구리로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 금속 기판에 다수의 LED가 실장된 LED 패키지; 상기 LED 패키지로 전원을 인가하기 위해 소켓에 체결되는 스크류 캡; 및, 상기 LED 패키지 및 상기 스크류 캡 사이에 배치되며, 상기 LED 패키지로부터 발생되는 열을 공랭방식으로 발열하기 위해 원형 몸체의 외주에 길이방향으로 간격을 두고 설치됨과 동시에, 각각 외측으로 갈수록 하향 경사진 형상으로 이루어지고 일측으로부터 타측으로 갈수록 점차적으로 큰 직경을 가지며, 상기 몸체의 길이방향으로 적어도 하나의 공기통로가 관통 형성되는 다수의 방열핀을 구비한 방열장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전구형 LED 조명장치를 제공한다.
이 경우, 상기 몸체로부터 LED 패키지로 연장 형성되며 외표면에 상기 금속 기판이 결합되는 LED 장착부와, 상기 몸체와 LED 장착부 사이에 돌출 형성되어 상기 글로브가 결합되는 하측 플랜지부를 더 포함할 수 있다.
상기 금속 기판과 LED 장착부는 다각형으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 몸체와 LED 장착부의 중앙에는 길이방향의 중앙통로가 형성되는 것이 바람직하다.
상기 LED 조명장치는 하방향 조명용 또는 상방향 조명용으로 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 각각 다수의 LED가 실장된 다수의 단위기판으로 이루어진 금속 기판이 다각형 LED 장착부에 결합되며 LED 장착부 내부에 제1중앙통로를 구비한 LED 패키지; 상기 LED 패키지의 LED 장착부로부터 연장 형성되어 LED 패키지로부터 열전달이 이루어지며 내부에 상기 제1중앙통로와 연통된 제2중앙통로와 상기 제2중앙통로로부터 외부와 연통하기 위한 적어도 하나의 관통구멍을 구비하고 있는 몸체와, 상기 몸체의 외주에 상기 몸체의 길이방향을 따라 간격을 두고 방사방향으로 연장 형성되며, 각각 몸체의 길이방향을 따라 동일지점에 관통 형성된 적어도 하나의 공기통로를 구비하여, 상기 LED 패키지로부터 상기 몸체로 전달되는 열을 외부 공기의 대류에 의한 공랭방식으로 방열하기 위한 다수의 방열핀을 구비하는 방열장치; 상기 LED 패키지를 케이싱 처리하기 위해 상기 방열장치의 일측에 결합되며 전체적으로 원통형상으로 이루어지고, 상단부가 몸체의 하측 플랜지부에 착탈 가능하게 결합되고 하단부가 LED 장착부의 제1중앙통로에 결합되도록 점차적으로 직경이 축소된 형상을 이루는 글로브; 및, 상기 방열장치의 타측에 결합되며 상기 LED 패키지로 전원을 인가하기 위한 스크류 캡;을 포함하며, 상기 제1 및 제2 중앙통로와 다수의 관통구멍을 통하여 외부 공기의 대류가 이루어지는 것을 특징으로 하는 전구형 LED 조명장치를 제공한다.
상기 다수의 방열핀은 각각 외측으로 갈수록 하향 경사진 형상으로 이루어지고 하측으로부터 상측으로 갈수록 점차적으로 큰 직경을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 몸체의 하측 플랜지부는 그의 하단부에는 LED로부터 방사된 빛이 내부 반사가 이루어져서 하향하도록 반사시키기 위한 반사경사면을 구비하는 것이 바람직하다.
더욱이, 상기 제1 및 제2 중앙통로를 통하여 상기 스크류 캡과 상기 LED 패키지를 전기적으로 연결하기 위한 전원선이 배치될 수 있다.
또한, 상기 방열장치의 상측에 스크류 캡으로 외부 전원이 인가될 때 상기 전원선을 통하여 LED 패키지로 LED 구동전압을 인가하기 위한 구동회로를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이 본 발명에 있어서는, 다각형 파이프로 이루어진 금속 기판을 사용하여 기판 표면에 다수의 LED를 밀집시켜 실장함에도 불구하고 LED 패키지로부터 전달되는 열을 방열장치를 통해 대류현상에 의해 LED 조명장치를 따라 상승하는 공기로 효과적으로 열을 전달하는 공냉구조를 채용함에 따라 방열 효과를 극대화 할 수 있어 고조도의 LED 조명장치를 구현할 수 있다. 이러한 효과적인 방열은 동일한 전력을 소모하는 종래의 LED 조명장치에 비해 더 많은 LED를 실장할 수 있도록 하여 종래에 비해 더 큰 조도를 가질 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 방열장치 및 이 를 이용한 전구형 LED 조명장치의 구성을 상세히 설명한다.
첨부한 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전구형 LED 조명장치를 나타내는 각각 정면도 및 분해 사시도, 도 6은 본 발명의 금속 기판의 상세 구조를 나타내는 단면도, 도 7은 도 4의 Ⅶ-Ⅶ선을 따라 나타낸 전구형 LED 조명장치의 단면도, 도 8은 도 4의 Ⅷ-Ⅷ선을 따라 나타낸 방열장치의 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전구형 LED 조명장치(1)는 LED 패키지(10), 방열장치(30), 글로브(50) 및 스크류 캡(70)을 포함한다.
LED 패키지(10)는 금속 소재의 다각형(예를 들어, 8각형) 파이프로 이루어진 금속 기판(metal PCB)(11)과, 금속 기판(11)의 외표면에 실장된 다수의 LED(13)를 구비한다.
금속 기판(11)은 열 전도성이 우수한 소재(예를 들어, 알루미늄, 구리, 철 또는 이들의 합금)의 판재로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 금속 기판(11)이 예를 들어, 8각형(도 5 참고)으로 이루어지는 경우 직사각형 단위기판으로 이루어지며, 이들 단위기판에는 각각 다수, 예를 들어 5개의 LED(11)가 2열로 실장되고, 하나의 단위기판 일측에는 LED 구동회로(12)가 배치될 수 있다. 이러한 금속 기판(11)은 스크류(미도시)가 관통하는 다수의 관통구멍(15)을 형성하고 후술하는 방열장치(30)의 LED 장착부(33)에 나사구멍(15a)을 형성하여 스크류(미도시)를 사용하여 방열장치(30)의 LED 장착부(33)에 결합된다.
이와 같은 금속 기판(11)의 바람직한 구조는 금속 기판(11)의 표면에 다수의 LED(13)가 직접 실장되는 것이 열전달 경로상에 계면이 존재하는 것을 제거함으로써 계면 효과에 의해 열 전달성이 저하되는 것을 방지할 수 있게 된다.
한편, 금속 기판(11)의 각면은 도 6과 같이, 알루미늄 소재의 금속 기판(11)의 일측 표면에 절연막(11a)을 형성하고, 절연막(11a)의 표면에 상기 각 LED(13)에 전원 공급을 위해 배선을 형성하기 위한 Cu 도전패턴(11b)을 형성한 후에, 도전패턴(11b) 위에 상기 LED(13)를 실장한다. 이 경우, 상기 도전패턴(11b)에서 상기 LED(13) 사이의 노출 부분은 경우에 따라 마스킹용 절연 페인트를 사용하여 절연막(11c)으로 처리할 수도 있다.
이외에도 금속 기판(11)은 폴리이미드와 같은 폴리머 필름으로 이루어진 절연층에 Cu 도전 패턴이 인쇄된 플렉서블 PCB에 다수의 LED(13)를 실장하고 이를 상기한 다각형 금속 기판(11)의 각 면 또는 방열장치(30)의 LED 장착부(33) 각 면에 접합시키는 것도 물론 가능하다.
본 발명에서 금속 기판(11)은 도시된 실시예 도면에 예를 들어, 8각형 구조로 이루어져 있는데, 8각형 이외의 6각형, 10각형 또는 12각형의 다각형 파이프 구조를 사용할 수 있다. 이 경우 다각형 기판의 외측면에 다수의 LED(13)가 실장되어 입체 조명 구조를 형성하므로 조명장치의 직하부분과 측면 사이에 조도 차이가 크게 발생되는 문제를 해결할 수 있어 배광특성이 크게 개선된다.
상기한 LED 패키지(10)의 금속 기판(11)은 다수의 금속 기판으로 제작된 후 조립하는 방법 이외에도 제조공정의 효율화를 도모하기 위하여 8각면에 대응하는 크기로 설정되고, 각면에 대응하여 다수의 LED(13)를 각각 실장한 후 이를 8각형으로 절곡하여 방열장치(30)의 LED 장착부(33) 각 면에 결합시키는 것도 가능하다.
또한, 도 5에는 단위기판 일측에 LED 구동회로(12)가 배치되는 것을 예시하였으나, 후술하는 바와 같이, 방열장치(30)의 상측면에 LED 구동회로(12a)와 기판(12b)을 배치하는 것도 가능하다.
도 7 내지 도 9를 참고하면, 상기 방열장치(30)는 LED 패키지(10)에서 발생되는 열을 LED 조명장치(1) 외부로 방열시켜 주기 위한 것으로, 몸체(31), LED 장착부(33) 및 다수의 방열핀(35)을 포함하며, 일체로 형성된다.
상기 방열장치(30)는 열 전도성이 우수한 소재(예를 들어, 알루미늄, 구리, 철 또는 이들의 합금)로 이루어진다.
몸체(31)는 길이방향을 따라 내측으로 중앙통로(31a)가 형성되며, 이 중앙통로(31a)를 따라 배치된 8쌍의 전선(34a,34b)이 LED 패키지(10)의 8개의 단위기판에 접속되도록 몸체(31)를 비스듬히 관통하여 중앙통로(31a)와 연통되는 8쌍의 배선통로(32a,32b)를 구비한다. 그러나, 8개의 단위기판에 대한 전원 공급선을 미리 상호 연결한 후 한쌍의 전선(34a,34b)만을 중앙통로(31a)를 따라 상측으로 인출하는 것도 가능하다.
또한, 몸체(31)는 하측과 상측에 각각 플랜지부(31b,31c)가 형성되며, 하측 플랜지부(31b)에는 글로브(50)가 착탈 가능하게 결합되고, 상측 플랜지부(31c)에는 스크류캡(70)의 하단이 결합된다.
LED 장착부(33)는 몸체(31) 하부에 일체로 형성되며, 다수의 스크류(미도시)에 의해 LED 패키지(10)를 안정적으로 결합하도록 금속 기판(11)의 형상에 대응하도록 이루어지는 것이 바람직하다. 즉, 본 실시예에서 LED 장착부(33)의 외측면은 금속 기판(11)과 같이 8각형으로 이루어지고, 그의 중앙에는 상기 몸체(31)의 중앙통로(31a)와 연통되는 원통형 통로가 형성되어 있다.
상기 다수의 방열핀(35)은 몸체(31)의 상/하측 플랜지부(31b,31c) 사이에 소정 간격을 두고 몸체(31)의 외부를 따라 배치된다. 이 경우 방열핀(35) 사이의 공간은 대류현상에 의해 상승하는 공기가 유입되는 다수의 공기유입공간(S1)을 형성한다. 또한, 다수의 방열핀(35) 중 가장 상측에 배치된 방열핀(35)과 몸체(31)의 상측 플랜지부(31c) 사이의 공간은 상기 다수의 공기유입공간(S1)으로 유입되어 다수의 방열핀(35)을 관통하는 다수의 공기통로(36)를 따라 상승하는 공기를 방열장치(30) 외부로 배출시키기 위한 공기배출공간(S2)을 형성한다.
더욱이, 각각의 다수의 방열핀(35)은 외측으로 갈수록 하향 경사 배치되어 대략 스커트 형상으로 이루어지고, 또한 하측에서부터 상측으로 배치된 방열핀(35)으로 갈수록 방열핀(35)의 직경이 점차적으로 크게 형성된다. 즉, 도 7과 같이, 다수의 방열핀(35)은 외주단이 몸체(31)의 중심축에 평행한 축선(A)에 대하여 예각(α)을 갖도록 경사지게 이루어진다. 이는 LED 패키지(10) 주변의 공기가 대류현상에 의해 상승할 때, 상승하는 공기가 다수의 방열핀(35) 간의 다수의 공기유입공간(S1)으로 대체로 균일하게 유입될 수 있도록 하여 전체적으로 많은 양의 외부 공기가 다수의 방열핀(35)에 접촉하도록 유도함으로써, 방열효과를 극대화하기 위한 것이다.
또한, 다수의 방열핀(35)은 도 9와 같이, 방열핀(35)의 외주단 상부면(35a)을 소정 곡률로 완만하게 처리함에 의해 방열장치(30) 외측을 따라 상승하는 공기의 유입을 더욱 원활하게 안내할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 다수의 방열핀(35)이 스커트 형상으로 이루어지고, 상측에 배치된 방열핀(35)으로 갈수록 점차적으로 큰 직경을 갖는 것으로 설명하였으나, 이에 제한되지 않고 다수의 방열핀(35)은 평평한 원판 형상으로 이루어지거나 다수의 방열핀(35)이 모두 동일한 직경으로 형성되는 것도 물론 가능하다.
상기 방열장치(30)의 제조를 위해서는 다음과 같은 방법이 있다.
첫째는 알루미늄 다이캐스팅에 의해 몸체(31)와 다수의 방열핀(35)을 일체로 제작할 수 있다.
둘째는 구리(Cu)를 재료로 하여 단조 또는 주조에 의해 몸체(31) 및 다수의 방열핀(35)을 일체로 제작할 수 있다.
셋째는 다수의 방열핀(35)을 구리를 재료로 하여 평판의 핀(fin) 형상으로 제작한 후, 다수의 공기통로(36)를 형성하도록 다수의 구멍을 블랭킹 처리한다. 이어서, 중앙에 몸체(31)가 삽입될 수 있도록 알루미늄 인서트 몰딩을 통해 몸체(31)에 다수의 방열핀(35)을 결합한다. 그 후, 소성 변형을 통해 다수의 방열핀(35)을 스커트 형상으로 이루어지도록 플레어(flare) 가공한다. 상기 셋째 방법은 다수의 방열핀(35)을 구리(Cu) 대신 알루미늄(Al)으로 제작하는 것도 물론 가능하다.
글로브(50)는 투명 또는 반투명체로 일측이 개방된 대략 구(球) 형상으로 이 루어진다. 글로브(50)는 LED 패키지(10)를 케이싱 처리하여 이물질이 내부로 유입되는 것을 차단하도록 개방부가 몸체(31)의 하측 플랜지부(31b)에 착탈 가능하게 결합된다.
또한, 상기 LED 패키지(10)의 LED(13)를 청색이나 황색의 LED를 채용하고 글로브(50)에 황색이나 청색 형광체를 코팅 또는 함침하도록 처리함에 의해 LED(13)에서 나오는 빛이 황색이나 청색 형광체를 통과하면서 백색광이 얻어지도록 할 수 있다.
상기 스크류 캡(70)은 방열장치(30)의 상단에 결합되어 통상의 소켓에 삽입되며, 전선(34a,34b)을 통하여 연결되는 한쌍의 전기 접점(70a,70b)이 형성된다. 이러한 스크류 캡(70)은 연결부(71)에 의해 방열장치(30) 상측에 결합된다.
한편, 단위기판 일측에 LED 구동회로(12)를 배치하는 대신에 도 7과 같이 방열장치(30)의 상측면에 LED 구동회로(12a)와 회로기판(12b)을 배치하는 경우는 LED 패키지(10)로부터 인출된 전선(34a,34b)은 회로기판(12b)에 연결하고, 다시 회로기판(12b)으로부터 한쌍의 전기 접점(70a,70b)으로 전선(34a,34b)을 연결시킨다.
연결부(71)는 하측에 외주를 따라 다수의 관통구멍(73)이 형성되고, 몸체(31)의 상측 플랜지부(31c)에는 상기 다수의 관통구멍(71)에 대응하는 다수의 체결구멍(38)이 형성된다. 이에 따라 연결부(71)는 다수의 관통구멍(71) 및 다수의 체결구멍(38)에 나사 결합되는 다수의 스크류(미도시)에 의해 몸체(31)의 상측 플랜지부(31c)에 착탈 가능하게 결합된다.
한편, 본 실시예에서 설명한 LED 조명장치(1)는 주로 하방향으로 빛을 비추 는 구조에 적합한 것이며, 이와 달리 도 10과 같이 상방향으로 조명을 하기 위한 LED 조명장치(3)인 경우, 방열장치(30)는 다수의 방열핀(35)이 스크류 캡(70)으로부터 글로브(50)로 갈수록 그 외주단이 점차적으로 넓게 형성된다. 이는 상술한 실시예와 마찬가지로 다수의 방열핀(35)의 외주단이 상측으로 갈수록 예각(α)을 갖도록 상측방향으로 경사지게 형성됨에 따라, LED 조명장치(1) 주변에서 상승하는 외부 공기가 균일하게 다수의 방열핀(35)의 공기유입공간(S1)으로 유입되어 LED 패키지(10)로부터 몸체(31)로 전달된 열을 다수의 방열핀(35)에 접촉되는 다량의 공기에 의해 방열을 효과적으로 행할 수 있다.
또한, 도 4 내지 도 7에 도시된 실시예에서는 글로브(50)가 상측이 개방된 대략 구(球) 형상으로 이루어진 것을 예시하고 있으나, 도 11에 도시된 다른 실시예와 같이, 전체적으로 원통형상으로 이루어지고, 글로브(55)의 상단부가 몸체(31)의 하측 플랜지부(31b)에 착탈 가능하게 결합되고 하단부가 LED 장착부(33)의 중앙통로(31a)에 결합되도록 점차적으로 직경이 축소된 형상을 이루고 있다.
즉, 상기 글로브(55)의 상단부(55a)는 상기 몸체(31)의 하측 플랜지부(31b)에 연결되면서 외향 경사지게 형성되고, 그 중간부는 원통 구조로 이루어지며, 그 하단부(55b)는 단면 형상이 반구형으로 중앙부로 갈수록 점차적으로 직경이 축소된 형상을 이룬다. 이 경우, 상기 하측 플랜지부(31b)의 하단부에는 LED(13)로부터 방사된 빛이 내부 반사가 이루어져서 하향하도록 반사시키기 위한 반사경사면(31d)이 구비되는 것이 바람직하다.
상기 원통형의 글로브(55)를 채용하는 경우 상기 LED(13)가 다각형 금속 기판(11)에 실장되어 있어서 길이 방향에 대해 수직 방향으로 조사 각도가 이루어져 있으므로 전방향에 대하여 균일하게 수평방향으로 조사가 이루어짐과 동시에 상기 상단부(55a)에서 내부 반사가 이루어져서 하향하는 빛과 반구형의 하단부(55b)를 통과하여 하향하는 빛은 하방으로 배광이 이루어지므로 측면과 하방이 균일한 배광 특성을 갖게 된다.
더욱이, 상기 글로브(55)의 하단부가 LED 장착부(33)의 중앙통로(31a)에 연통되어 있으므로, 외부 공기가 중앙통로(31a)로 유입되어 LED 장착부(33)와 몸체(31)의 열을 식히면서 몸체(31)에 형성된 다수의 관통구멍(37)을 통하여 외부로 배출시키는 것도 가능하다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 다각형 파이프로 이루어진 금속 기판을 사용하여 기판 표면에 다수의 LED를 밀집시켜 실장함에도 불구하고 LED 패키지로부터 전달되는 열을 방열장치를 통해 대류현상에 의해 LED 조명장치를 따라 상승하는 공기로 효과적으로 열을 전달하는 공냉 구조를 채용함에 따라 방열 효과를 극대화 할 수 있어 고조도의 LED 조명장치를 구현할 수 있다. 이러한 효과적인 방열은 동일한 전력을 소모하는 종래의 LED 조명장치에 비해 더 많은 LED를 실장할 수 있도록 하여 종래에 비해 더 큰 조도를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 LED 조명장치는 백열전구 및 형광등을 대체할 수 있는 새로운 조명장치에 적용될 수 있다.
도 1은 종래의 LED 조명기구의 구조를 나타내는 정면도.
도 2는 도 1에 도시된 종래의 LED 조명기구의 구조를 나타내는 단면도.
도 3은 종래의 다른 LED 조명기구의 구조를 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전구형 LED 조명장치를 나타내는 정면도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전구형 LED 조명장치를 나타내는 분해 사시도,
도 6은 본 발명의 금속 기판의 상세 구조를 나타내는 단면도,
도 7은 도 4의 Ⅶ-Ⅶ선을 따라 나타낸 전구형 LED 조명장치의 단면도,
도 8은 도 4의 Ⅷ-Ⅷ선을 따라 나타낸 방열장치의 단면도,
도 9는 도 7에 도시된 방열장치의 길이방향 확대 단면도이고,
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전구형 LED 조명장치를 나타내는 정면도,
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전구형 LED 조명장치를 나타내는 길이방향 단면도이다.
*도면 내 주요부분에 대한 부호설명*
10: LED 패키지 11: 금속 기판
13: LED 30: 방열장치
31: 몸체 31a: 중앙통로
31b: 하측 플랜지부 31c: 상측 플랜지부
32a,32b: 반사경사면 33: LED 장착부
35: 방열핀 36: 공기통로
50,55: 글로브 70: 스크류 캡

Claims (32)

  1. 다수의 LED가 다각형의 단면 형상을 갖는 파이프 형상의 금속기판에 집적된 LED 패키지와 상기 LED 패키지에 전원을 인가하기 위한 스크류 캡과의 사이에 배치된 몸체,
    상기 몸체의 외주에 상기 몸체의 길이방향을 따라 간격을 두고 방사방향으로 연장 형성되며, 상기 LED 패키지로부터 상기 몸체로 전달되는 열을 외부 공기의 대류에 의한 공랭방식으로 방열하기 위한 다수의 방열핀, 및
    상기 몸체의 하방으로 돌출 연장되어 상기 몸체와 일체로 형성되고, 상기 금속기판의 단면 형상에 대응하는 다각형의 단면 형상을 갖는 파이프 형상으로 구성되어 상기 LED 패키지를 지지하며, 상기 LED 패키지로부터 전달되는 열을 상기 다수의 방열핀으로 전달하기 위한 LED 장착부를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치용 방열장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 몸체와 상기 LED 장착부의 중앙에는 길이방향으로 중앙통로가 형성되는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치용 방열장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 몸체는 상기 중앙통로와 외부를 연통시키는 다수의 관통구멍을 구비하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치용 방열장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 몸체는,
    상기 몸체의 상단으로부터 원주방향으로 연장 형성되어 스크류 캡이 결합되는 상측 플랜지부와,
    상기 몸체와 상기 LED 장착부와의 사이에 돌출 형성되어 상기 LED 패키지를 케이싱 처리하는 글로브가 결합되는 하측 플랜지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치용 방열장치.
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  10. 제1항에 있어서, 상기 다수의 방열핀은 각각 외측으로 갈수록 하향 경사진 스커트 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치용 방열장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 다수의 방열핀은 각각 하측에 배치된 방열핀으로부터 상측에 배치된 방열핀으로 갈수록 점차적으로 큰 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치용 방열장치.
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  18. 제1항에 있어서, 상기 금속 기판은 다수의 단위기판 또는 다각형상으로 절곡된 일체형 단일기판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치용 방열장치.
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  28. 각각 다수의 LED가 실장된 다수의 단위기판으로 이루어진 금속 기판이 다각형 LED 장착부에 결합되며 LED 장착부 내부에 제1중앙통로를 구비한 LED 패키지;
    상기 LED 패키지의 LED 장착부로부터 연장 형성되어 LED 패키지로부터 열전달이 이루어지며 내부에 상기 제1중앙통로와 연통된 제2중앙통로와 상기 제2중앙통로로부터 외부와 연통하기 위한 적어도 하나의 관통구멍을 구비하고 있는 몸체와, 상기 몸체의 외주에 상기 몸체의 길이방향을 따라 간격을 두고 방사방향으로 연장 형성되며, 각각 몸체의 길이방향을 따라 동일지점에 관통 형성된 적어도 하나의 공기통로를 구비하여, 상기 LED 패키지로부터 상기 몸체로 전달되는 열을 외부 공기의 대류에 의한 공랭방식으로 방열하기 위한 다수의 방열핀을 구비하는 방열장치;
    상기 LED 패키지를 케이싱 처리하기 위해 상기 방열장치의 일측에 결합되며 전체적으로 원통형상으로 이루어지고, 상단부가 몸체의 하측 플랜지부에 착탈 가능하게 결합되고 하단부가 LED 장착부의 제1중앙통로에 결합되도록 점차적으로 직경이 축소된 형상을 이루는 글로브; 및,
    상기 방열장치의 타측에 결합되며 상기 LED 패키지로 전원을 인가하기 위한 스크류 캡;을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 중앙통로와 다수의 관통구멍을 통하여 외부 공기의 대류가 이루어지는 것을 특징으로 하는 전구형 LED 조명장치.
  29. 제28항에 있어서, 상기 다수의 방열핀은 각각 외측으로 갈수록 하향 경사진 형상으로 이루어지고 하측으로부터 상측으로 갈수록 점차적으로 큰 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 전구형 LED 조명장치.
  30. 제28항에 있어서, 상기 몸체의 하측 플랜지부는 그의 하단부에는 LED로부터 방사된 빛이 내부 반사가 이루어져서 하향하도록 반사시키기 위한 반사경사면을 구비하는 것을 특징으로 하는 전구형 LED 조명장치.
  31. 제28항에 있어서, 상기 제1 및 제2 중앙통로를 통하여 상기 스크류 캡과 상기 LED 패키지를 전기적으로 연결하기 위한 전원선이 배치되는 것을 특징으로 하는 전구형 LED 조명장치.
  32. 제31항에 있어서, 상기 방열장치의 상측에 스크류 캡으로 외부 전원이 인가될 때 상기 전원선을 통하여 LED 패키지로 LED 구동전압을 인가하기 위한 구동회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전구형 LED 조명장치.
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