KR101044987B1 - 발광다이오드를 이용한 조명장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광다이오드를 이용한 조명장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방출하는 빛의 직진성이 강한 발광다이오드(light emitting diode, LED)를 조명소재로 이용하되, LED의 빛을 감쇠시키기 않은 상태에서 LED와의 거리에 따라 방출되는 광량을 조절하므로써 조명등으로서의 가치를 창출하고 백열등 및 형광등을 대체할 수 있도록 하는 발광다이오드를 이용한 조명장치에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 하나 이상의 발광다이오드와; 상기 발광다이오드의 구동을 위한 구동부와; 표면에 하나 이상의 패턴이 형성되어, 상기 발광다이오드와의 거리가 멀어질수록 상기 패턴의 밀도가 조밀하게 형성되는 도광체;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드를 이용한 조명장치를 제공한다.

발광다이오드, LED, 조명, 광량, 패턴

Description

발광다이오드를 이용한 조명장치{Lighting equipment using light emitting diode}

본 발명은 발광다이오드를 이용한 조명장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방출하는 빛의 직진성이 강한 발광다이오드(light emitting diode, LED)를 조명소재로 이용하되, LED의 빛을 감쇠시키기 않은 상태에서 LED와의 거리에 따라 방출되는 광량을 조절하므로써 조명등으로서의 가치를 창출하고 백열등 및 형광등을 대체할 수 있도록 하는 발광다이오드를 이용한 조명장치에 관한 것이다.

일반적으로 LED(light emitting diode)란 p형과 n형이 접합된 반도체 양쪽에 전극 단자를 만들고 단자간에 전압을 인가하면 전류가 흘러 p-n접합 부근 혹은 활성층에서 빛을 방출하는 소자로서 발광다이오드라고도 한다.

반도체에 전압을 가할 때 생기는 발광현상은 전기 루미네센스(전기장발광)라고 하며, 1923년 탄화규소 결정의 발광 관측에서 비롯되었는데, 1923년에 비소화갈륨 p-n 접합에서의 고발광효율이 발견되면서부터 그 연구가 활발하게 진행되었으 며, 1960년대 말에는 실용화되기에 이르렀다.

발광다이오드에 적합한 재료로는 ①발광파장이 가시(可視) 또는 근적외영역(近赤外領域)에 존재할 것, ②발광효율이 높을 것, ③p-n접합의 제작이 가능할 것 등의 조건을 만족시키는 것으로서, 주로 비소화갈륨(GaAs), 인화갈륨(GaP), 갈륨-비소-인(GaAs1-x Px), 갈륨-알루미늄-비소(Ga1-xAlxAs), 인화인듐(InP), 인듐-갈륨-인(ln1-xGaxP) 등 3B 및 5B족인 2원소 또는 3원소 화합물 반도체가 사용되고 있으며, 2B 및 6B족이나 4A, 4B족인 것에 대하여도 연구가 진행되고 있다.

이러한 발광다이오드의 특성을 살펴보면, 첫째 높은 광변환효율 즉 백열전구의 1/8, 형광등의 1/3에 해당하는 매우 적은 소비전력, 둘째 매우 작은 크기로 인해 장착기기의 소형화 및 경량화, 셋째 반영구적인 수명, 넷째 빠른 반응속도, 다섯째 내충격성 및 친환경성을 가지며 다양한 용도로 사용되고 있다.

이와 같이 LED는 매우 낮은 전력으로 오랜 시간 동안 발광상태를 유지할 수 있는 장점을 가지므로 그 활용도를 높일 수 있는 기술들을 개발하고 있는 추세이다.

그러나, LED의 빛은 휘도(luminance)가 높고, 발광되는 빛이 분산 및 확산되지 않는 직진성을 가지기 때문에 전기, 전자기기 및 일반 백라이트 등의 표시용 광원소자로 사용되고 있으며, 일반 조명용으로 사용되는 것은 광원의 확산 및 분산을 위하여 면적당 비례적으로 많은 LED 소자를 사용해야 하므로 일반 조명용으로 사용하기에는 비용 및 전력소모량의 과다 등 여러가지 문제점이 있다.

즉, LED를 조명용으로 사용할 경우 LED의 직선성과 높은 휘도로 인해 극히 한정적인 일부 영역만 비추게 되어 조명 범위가 좁게 되고, 또한 낮은 조도와 높은 휘도 때문에 사용자의 눈이 부시게 되어 눈의 피로를 가중시키게 된다. 이러한 경우 눈부심을 방지하기 위하여 적절한 커버수단을 구비하게 되며, 이로 인해 감소하게 되는 조도를 만회하기 위하여 수많은 LED 소자를 이용해야 하는 문제가 발생한다.

한편, 종래 LED를 이용한 조명등으로는 직광형 타입과 도광판을 이용한 측광형이 있다. 직광형 타입은 빛의 확산 면적 비율에 따라 수없이 많은 LED 소자를 장착하여 사용해야 함에 따라 면적당 소비 전력이 과다하게 소모되며, 확산성도 대부분 떨어지게 된다. 또한, 고가의 LED 소자를 다수로 사용함에 따라 제작비용이 과다 지출되고, 특히 LED 소자에서 발생하는 열을 처리하기 위한 발열처리장치에 투입되는 비용이 많이 소요된다.

측광형 타입은 평판형의 도광판의 측면에 LED 소자를 부착하는 것으로, 광원이 하나의 일정한 방향으로만 비추어지며 확산성을 높이기 위해 높은 곳에 설치해야 하며 조도가 매우 낮은 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 광원인 발광다이오드(LED)와의 거리에 따라 방출되는 광량을 조절할 수 있도록 하기 위하여, 발광다이오드에서 멀어질수록 조밀하게 형성되는 패턴이 구비된 도광체(Light Guide Plate)를 이용하므로써 직진성을 갖는 LED의 빛을 감쇠시키지 않고 일정 공간에 균등한 조도를 제공하는 발광다이오드를 이용한 조명장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 하나 이상의 발광다이오드와; 상기 발광다이오드의 구동을 위한 구동부와; 표면에 하나 이상의 패턴이 형성되어, 상기 발광다이오드와의 거리가 멀어질수록 상기 패턴의 밀도가 조밀하게 형성되는 도광체;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드를 이용한 조명장치를 제공한다.

바람직하게, 상기 도광체는 내측면에 패턴이 형성된 중공 타입의 입체형으로 구성되고, 상단부를 따라 발광다이오드가 배치되며, 그 외주면을 통해 입사광이 방출되는 것을 특징으로 한다.

또는 바람직하게, 상기 도광체는 상단면에 패턴이 형성되는 판형으로 구성되고, 측면을 따라 발광다이오드가 접하도록 배치되고, 그 하단면을 통해 입사광이 방출되되, 상기 발광다이오드가 배치되는 측면 중 적어도 하나 이상의 측면 안쪽에 발광다이오드가 삽입 설치되는 장착홈이 경사지게 형성되어 입사면이 테이퍼지는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 상기 도광체에 입사된 발광다이오드의 빛이 방출되는 면(방출면)을 제외한 하나 이상의 도광체면에 반사체가 부착되되, 상기 도광체에서 패턴이 형성된 면(패턴면)에 상기 반사체가 부착되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 LED를 이용한 조명장치는 광원에서 멀어질수록 패턴의 밀도가 조밀해지는 도광체를 이용하여 LED와의 거리에 따라 방출되는 광량을 조절하므로써 LED의 빛이 방출되는 전면에서 균일한 조도가 형성되는 효과를 얻을 수 있다.

따라서, LED를 이용하여 조명등으로서의 가치를 창출하여 백열등 및 형광등과 같은 일반 조명에 적용할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 도광체를 통해 LED를 사용하므로써 광 효율성이 향상되어 LED의 내구성이 강화되어 수명을 연장하는 효과를 얻을 수 있으며, 유지 및 관리를 위한 비용을 최소화할 수 있게 된다.

또한, 일정 공간의 조도가 일정하게 유지되어 사용자의 눈부심을 방지하고 눈의 피로를 가중시키지 않는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 설명에 있어서 종래의 기술과 동일한 부분에 대하여 중복되는 설명은 생략되는 것도 있다.

본 발명은 LED를 이용하여 일반 조명등에 적용할 수 있는 조명장치를 구성하는 것으로, 광원에서 멀어질수록 밀도가 조밀해지는 패턴이 구비되는 도광체를 이 용하여 LED의 빛을 확산, 방출시키므로써 LED와의 거리에 따라 방출되는 광량을 조절하여 균일한 조명효과를 얻을 수 있도록 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 LED를 이용한 조명장치의 일실시예를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 LED를 이용한 조명장치의 다른 실시예를 도시한 사시도이며, 도 3은 도 2의 부분 단면도이다.

또한, 도 4는 본 발명에 따른 LED를 이용한 조명장치의 또 다른 실시예를 도시한 사시도이고, 도 5는 도 4의 단면도이다.

본 발명은 고휘도와 빛의 직진성을 가지는 조명소재인 LED(혹은 발광다이오드) 소재를 이용하여 일반 조명장치를 구성하기 위한 것으로, 도시된 바와 같이, 다수의 LED(100)와, LED(100)의 구동을 위한 구동부(미도시)와, LED(100)의 빛을 효율적으로 확산시키는 도광체(200)와, 빛의 확산 효율을 극대화 하기 위한 반사체(300) 등을 포함하여 구성된다.

본 발명에서 발광다이오드(100)는 일반적인 LED이거나 혹은 휘도와 조도가 비교적 우수한 발광다이오드로 구성될 수 있으며, 성능이 우수한 LED를 이용할수록 조명장치에서 방출되는 광량이 증대될 수 있다. 그리고 LED(100)의 색상은 백색이나 주황색, 적색, 청색 등 어느 것이든 상관 없으며, 사용목적에 따라 다양한 색상을 구사할 수 있다.

상기 도광체(200)는 광원이 되는 발광다이오드(100)의 광 확산을 위한 수단 으로서, 높은 휘도를 가지는 LED(100)의 조도를 효율적으로 변환시키게 된다. 이를 위하여 도광체(200)는 그 일면에 LED(100)의 빛을 고르게 분산시켜 빛의 확산을 최대화시키는 패턴이 형성되어 도광체(200)를 투과하는 입사광이 90°로 절곡되어 수평 360°, 수직 300° 이상으로 확산되고, LED(100)의 크기에 상응하는 광로를 가지며, 상기 LED(100)는 도광체(200)의 광로에 LED의 빛이 진입 가능하게 접하도록 배치된다.

이러한 도광체(200)는 광로를 통해 입사된 LED의 빛을 외부를 향한 어느 면으로 투과시켜 방출하며, 여기서 패턴이 형성된 도광체면을 패턴면이라 하고, LED(100)의 빛을 확산시켜 고르게 방출하는 도광체면을 방출면이라 하고, LED(100)의 빛이 진입되는 도광체면을 입사면이라고 할 수 있다.

본 발명에서 도광체(200)의 입사면과 접촉하는 LED(100)는 적어도 하나 이상으로 배치 구성되며, LED(100)의 수가 증가할수록 더욱 밝은 발광효과를 얻을 수 있다.

그리고, 이와 같은 도광체(200)는 통상적으로 LED(100)의 빛의 확산이 용이한 투명 아크릴이나 투과성 합성수지 등으로 이루어질 수 있다.

도광체(200)는 패턴에 따라 스크러치형 또는 도트형 및 비트형으로 분류될 수 있고, 각 패턴은 여러 형태의 깊이와 넓이로 형성될 수 있다. 스크러치형 패턴 중 대표적인 것으로 브이커팅(V-cutting) 방식으로 형성된 패턴이 있으며, 이는 빛의 반사 및 확산 효율이 가장 우수하고 도광체의 두께와 크기 등에 따라 브이커팅 깊이 및 브이커팅 골과 골(라인) 사이의 거리를 조절하여 최대의 빛 효율을 얻을 수 있다.

이러한 도광체(200)의 패턴은 방출면을 제외한 나머지 면들에 형성될 수 있으며, 도광체(200)는 그 면적에 따라 광원으로부터 멀어질수록 적은 양의 빛이 방출되고 또한 빛의 세기가 약화되므로 극대의 난반사를 위하여 계산하에 형성된 패턴을 구비할 수 있다.

따라서, 본 발명의 도광체(200)는 광원인 발광다이오드(100)로부터 멀어질수록 패턴의 밀도를 조밀하게 형성하여 도광체(200)의 모든 방출면에서 동일한 광량이 고르게 방출되도록 한다.

이에 따라 도광체(200)의 패턴은 발광다이오드(100)의 조도 효율을 최대화할 수 있는 최적의 형태로 형성되어 LED(100)를 이용한 조명장치의 발광효과를 극대화시킨다.

한편, 상기 도광체(200)의 방출면을 제외한 나머지 면들에 부착 가능하게 형성되는 반사체(300)는, 상기 발광다이오드(100)의 빛(입사광)이 도광체(200)의 광로를 따라 전파되면서 방출면을 향해 확산되도록 광로를 유도하며, 발광다이오드(100)의 빛은 방출면 전체로부터 외부를 향하여 확산되면서 균일하게 방출된다.

다시 말하면, 상기 반사체(300)는 발광다이오드(100)의 빛이 도광체(200)의 방출면으로 균일하게 확산되도록 유도하기 위하여 상기 발광다이오드(100)의 빛이 도광체(200)를 벗어나지 않으면서 고르게 분산되도록 유도하며, 도광체(200)의 방출면을 제외한 다른 면으로 발광다이오드(100)의 빛이 방출되어 손실되는 것을 방지하고 도광체(200) 패턴에 의한 입사광의 난반사를 극대화하여 빛의 확산 및 분산 을 돕는다.

이러한 반사체(300)는 판넬 혹은 시트 형상으로 구성될 수 있으며, 발광다이오드(100)의 빛을 반사시킬 수 있는 재질로 이루어진다.

본 발명에 따른 도광체(200)는 중공 타입의 원통형, 직육면체형, 원뿔형 등 여러 가지 형상의 입체형으로 구성될 수 있으며, 도광체(200)의 내부 측면에 패턴이 형성되고, 그 외주면을 통해 확산광(도광체에 입사되어 확산된 발광다이오드의 빛)이 방출된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 원통형 조명장치는 하단부가 대략 구형으로 밀폐된 원통형의 도광체(201)를 이용하여 구성될 수 있다.

본 실시예에서 도광체(201)는 내측면에 브이커팅 방식으로 형성된 격자 무늬의 스크러치형 패턴이 구비되고, 패턴면(패턴이 형성된 내측면)에 원통형의 반사체(301)가 부착되며, 상단부를 따라 다수의 발광다이오드(101)가 접하도록 배치된다.

상기 도광체(201)의 패턴은 발광다이오드(101)에 가까운 상단부에는 스크러치(혹은 브이커팅 라인)의 폭이 비교적 넓게 형성되고 하단부로 갈수록 스크러치의 폭이 점점 좁아지면서 방출되는 광량이 조정되어, 그 외주면(하단부의 외주면 포함)을 통해 방출되는 광량이 LED(101)와의 거리와 상관없이 모든 부분에서 동일하도록 한다.

다른 실시예로서 도 2에 도시된 바와 같이, 직육면체형 조명장치는 도 1과 달리 하단부가 개구된 사각통형의 도광체(202)를 이용하여 구성된다. 상기 도광체(202)는 격자 무늬의 스크러치형 패턴이 구비되고, 패턴면에 사각통형의 반사체(302)가 부착되며, 상단부를 따라 다수의 발광다이오드(102)가 접하도록 배열된다.

도 1의 실시예에서와 마찬가지로 상기 도광체(202)의 패턴은 발광다이오드(102)에 가까운 상단부에는 스크러치의 폭이 비교적 넓게 형성되고 하단부로 갈수록 스크러치의 폭이 점점 좁아지면서 방출되는 광량이 조정되어, 그 외주면(하단면 포함)을 통해 방출되는 광량이 LED(102)와의 거리와 상관없이 동일하도록 한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 발광다이오드(100)의 구동을 위한 구동부는 AC교류상용전원을 DC직류전원으로 변환하여 발광다이오드에 공급하는 AC220V 용 PCB(printed circuit board) 모듈로 구성될 수 있으며, 상기 구동부와 발광다이오드(100)를 외부로부터 보호하기 위한 케이스(500)가 상기 도광체(200)의 상단에 고정되게 구성된다.

그리고, 상기 발광다이오드(100)는 도광체(200)의 상단부 형상에 상응하는 원형 또는 사각형의 구조로 배열되기 위하여 상기 구동부가 구성되는 어레이 기판(Array board)(400)에 전기적으로 연결되게 구성 가능하다.

또 다른 실시예로서 도 4 및 도 5에 도시된 조명장치는 상단부에 스크러치형 패턴이 형성되어 하단부를 통해 입사광을 방출하는 판형의 도광체(203)와, 상기 도광체(203)의 양측 입사면에 접하도록 구성되는 다수의 발광다이오드(103)와, 상기 도광체(203)의 패턴면에 부착 구성되는 반사체(303)와, 상기 발광다이오드(103)를 보호하는 케이스(503)를 포함하여 구성된다. 그리고, 상기 케이스(503) 내부에는 발광다이오드(103)의 구동을 위한 구동부가 구비될 수 있다.

본 실시예는 도광체(203)에 입사되는 발광다이오드(103)의 빛의 입사 효율 및 방출면에서 방출되는 빛의 시야각(viewing angle)이 증대되도록 하기 위하여, 발광다이오드(103)가 접하게 되는 도광체(203)의 양측 입사면 중 적어도 하나 이상의 입사면이 테이퍼지게 형성되는 것이 바람직하고, 도광체(203)의 양측 입사면이 모두 테이퍼지게 형성되는 것이 가장 바람직하다.

이를 위해, 상기 도광체(203)의 측면 안쪽에 발광다이오드(103)가 삽입되어 설치되는 장착홈(203a)이 형성되는 것이 바람직하다.

상기 장착홈(203a)은 도광체(203)의 일방향으로 길게 형성되되, 도 4 또는 도 5와 같이 입사면이 테이퍼지도록 경사지게 형성되어 발광다이오드(103)가 기울어진 형태로 장착되게 한다.

이러한 장착홈(203a)은 도 4 및 도 5와 같이 도광체(203)의 상측에서 하측 방향으로 형성되는 것은 물론이고, 도광체(203)의 하측에서 상측 방향으로 형성되는 것도 가능하다.

그리고, 본 실시예의 판형 도광체(203) 역시 발광다이오드(103)로부터 멀어질수록 패턴의 밀도가 조밀하게 형성되어 도광체(203)의 방출면의 모든 부분에서 방출되는 광량이 동일하도록 설계된다. 따라서, 발광다이오드(103)와 근접한 도광체(203)의 입사면 부근은 브이커팅 라인의 폭이 넓게 형성되고, 발광다이오드(103)와 가장 먼 위치가 되는 도광체(203)의 가운데 부분은 브이커팅 라인의 폭 이 가장 좁게 형성되어 좌우 대칭구조의 패턴이 형성된다.

도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 실시예를 가정용 백열등에 적용할 수 있도록 구성하여 나타낸 예시도이다.

도 1 및 도 2와 같은 중공 타입의 입체형 조명장치는 도 6 및 도 7과 같이 가정용 백열전구용 소켓(600)을 장착하여 구성하므로써 기존 사용하던 조명기구에 교체용으로 사용할 수 있으며, 도 4와 같은 판형의 조명장치는 기존에 사용하던 형광등 대체용으로 사용할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 빛의 직진성을 가지는 LED의 빛을 감쇠시키지 않은 상태에서 일정한 공간에 균등한 확산광을 제공하여 광 효율성을 증대하고 조도를 효율적으로 변환시켜 일정한 조도를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 도광체를 통해 LED를 사용하므로써 LED의 사용수명을 연장하고 요구되는 LED의 개체수를 줄여 비용을 절감할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

도 1은 본 발명에 따른 LED를 이용한 조명장치의 일실시예를 도시한 사시도

도 2는 본 발명에 따른 LED를 이용한 조명장치의 다른 실시예를 도시한 사시도

도 3은 도 2의 일측을 나타낸 부분 단면도

도 4는 본 발명에 따른 LED를 이용한 조명장치의 또 다른 실시예를 도시한 사시도

도 5는 본 발명에 따른 LED를 이용한 조명장치의 또 다른 실시예를 도시한 단면도

도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 실시예를 가정용 백열등에 적용할 수 있도록 구성하여 나타낸 예시도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100,101,102,103 : 발광다이오드(LED)

200,201,202,203 : 도광체

300,301,302,303 : 반사체

400,401,402 : 어레이 기판

500,501,502,503 : 케이스

600,601,602 : 소켓

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. 발광다이오드와 구동부를 포함하는 조명장치에 있어서,

   하나 이상의 발광다이오드와, 상기 발광다이오드의 구동을 위한 구동부와, 표면에 하나 이상의 패턴이 형성되어 상기 발광다이오드와의 거리가 멀어질수록 상기 패턴의 밀도가 조밀하게 형성되는 도광체를 포함하여 구성되며,

   상기 도광체는 상단면에 패턴이 형성되는 판형으로 구성되고, 측면을 따라 발광다이오드가 접하도록 배치되고, 그 하단면을 통해 입사광이 방출되되,

   상기 발광다이오드가 배치되는 측면 중 적어도 하나 이상의 측면 안쪽에 발광다이오드가 삽입 설치되는 장착홈이 경사지게 형성되어 입사면이 테이퍼지는 것을 특징으로 하는 발광다이오드를 이용한 조명장치.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 도광체에 입사된 발광다이오드의 빛이 방출되는 면(방출면)을 제외한 하나 이상의 도광체면에 반사체가 부착되되, 상기 도광체에서 패턴이 형성된 면(패턴면)에 상기 반사체가 부착되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드를 이용한 조명장치.

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