KR101369378B1 - 빛 효율을 높일 수 있는 ｌｅｄ - Google Patents

Abstract

본 발명은 LED의 직진성을 보완하여 램프로의 활용을 위해 LED 광 조사각을 LED 구조 자체에서 확장시킬 수 있고, 나아가 LED의 최단점이라 할 수 있는 LED 사용시 발생되는 높은 열을 LED 구조 자체에서 효율적으로 방출시킬 수 있는 구조를 구비한 조사각 확장 및 방열 기능을 구비한 LED에 관한 것으로,
기판과, 상기 기판에 안치되는 발광소자와, 그리고 상기 발광소자 상부에 위치하는 렌즈를 포함하되,
상기 발광소자와 렌즈 사이를 이격시키는 이격부재가 더 구비되어, 발광소자와 렌즈 사이에 외부와 연통되는 공간부가 형성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

빛 효율을 높일 수 있는 ＬＥＤ{LED}

본 발명은 빛 효율을 높일 수 있는 LED에 관한 것으로,

보다 구체적으로 LED의 직진성을 이용하여 LED 지향각을 LED 구조 자체에서 확장시키거나 축소시킬 수 있어 종국적으로는 빛 효율을 높일 수 있으며, 나아가 LED의 최단점이라 할 수 있는 LED 사용시 발생되는 높은 열을 LED 구조 자체에서 효율적으로 방출시킬 수 있는 구조를 구비한 지향각 확장 내지 축소 및 방열 기능을 구비한 LED에 관한 것이다.

최근 LED(발광다이오드) 소자를 이용한 조명이 각광을 받고 있는데, 백열전구나 형광등과 같은 전통적인 광원에서 LED를 광원으로 사용하는 방향으로 발전되고 있다. LED를 광원으로 사용하는 이유는 환경오염 유발 요인이 적고 소비전력도 매우 적고 수명이 오래간다는 장점이 있다는 이유인데, 통상 수명은 50,000시간에서 100,000시간으로 거의 반영구적이라는 장점을 가진다.

이러한 LED는 발광소자와, 이를 감싸는 투명한 렌즈로 이루어진다.

상기 렌즈를 구성하는 재질로는 에폭시가 주로 사용되는데, 결국 에폭시 패키징과 같은 소재로 발광소자가 몰딩되기 때문에 충격에 강해 내구성 면에서 우수한 장점을 갖는다.

그리고 이 경우 투명한 렌즈에서 발광소자로부터의 광이 확산되어 발산되는데, 이때의 각도(조사각/지향각)가 120도 정도가 일반적이다.

지향각을 크게는 140도 정도까지 넓힐 수는 있는데 이는 발광소자를 감싸는 렌즈의 재질에 따라 달라질 수 있다.

또는 램프에 구비되는 반사판을 비롯한 각종 부품을 이용하여 원하는 지향각으로 좁히기도 한다.

LED가 광원으로 사용되기 시작되면서 LED의 단점을 보완하기 위한 여러 기술들이 제시되어 있는데,

LED의 단점 중 하나는 지향각 조절이 광원 자체에서 어렵다는 점 외에도 LED 구동시 높은 열이 발생되기에 램프에서는 별도의 방열구조가 요구된다는 점이다. 이에 따라 최근 LED를 광원으로 한 조명등을 살펴보면 LED로부터 발생된 열을 외부로 방출하기 위한 방열구조를 LED가 안치되는 광원부와는 별도로 구비하는 것이 보통이다.

즉 기존 제시되고 있는 LED조명등들은 광원부와는 별도의 방열구조를 마련하여 LED로부터 발생된 열을 외부로 방출시키고자 한 것인데,

한편으로 렌즈가 열이 발생되는 발광소자를 감싸고 있는 구조이기에 광원부자체가 아닌 별도로 마련된 방열구조를 통해 열을 방출시키기에는 한계가 있다.

또한 LED 조명의 경우 LED의 직진성으로 조사각이 전통적인 광원에 비해 좁다는 단점을 가지는데, 이 점 역시 조명의 광원으로 LED를 사용하고자 하는 경우 풀어야 할 숙제와도 같은 것이다.

이와 관련하여 공개특허 제10-2011-0059136호(2011.06.02)『타원형의 광 방사 프로파일을 가진 LED용 집광렌즈』에서는 발광소자를 덮는 렌즈에 다양한 각을 형성시켜 굴절을 통해 조사각을 보다 확장시키는 기술을 개시하고 있다.

또한 상기 공개특허에서는 발광소자에 바로 렌즈를 몰딩시키는 것이 아니라 발광소자와 렌즈 사이에 스페이스를 형성하여 발광소자로부터 출사되는 광을 효율적으로 집광시킬 수 있도록 하였다.

그러나 상기 공개특허에 개시된 구조만으로는 이하 본 발명을 통해서 얻고자 하는 효과를 기대할 수 없다는 단점을 가진다.

본 발명은 조명으로의 LED 활용을 높이기 위해 LED 사용시 요구되는 문제점을 해결하고자 한 것으로,

발광소자 상부에 위치하는 렌즈를 복층구조로 하되 각 층끼리의 굴절률을 이용하여 발광소자로부터의 지향각을 넓히거나 좁힐 수 있는 LED를 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.

또한 발광소자 자체에서 발생하는 열을 외부로 효율적으로 배출할 수 있는 구조를 구비하는 LED를 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 지향각을 넓힘으로써 본 발명의 빛 효율을 높일 수 있는 LED는,

기판과, 상기 기판에 안치되는 발광소자와, 그리고 상기 발광소자 상부에 위치하는 렌즈를 포함하되,

상기 렌즈는 복층으로 형성되고, 굴절률이 낮은 층에서 굴절률이 높은 층으로 적층되는 것을 기술적 특징으로 한다.

또는 지향각을 좁힘으로써 본 발명의 빛 효율을 높일 수 있는 LED는,

기판과, 상기 기판에 안치되는 발광소자와, 그리고 상기 발광소자 상부에 위치하는 렌즈를 포함하되,

상기 렌즈는 복층으로 형성되고, 굴절률이 높은 층에서 굴절률이 낮은 층으로 적층되는 것을 기술적 특징으로 한다.

또한 본 발명의 LED에는 상기 발광소자와 렌즈 사이를 이격시키는 이격부재가 더 구비되어, 발광소자와 렌즈 사이에 외부와 연통되는 공간부가 형성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

또한 본 발명의 렌즈의 저층은 상기 발광소자로부터 발생되는 열로 인해 렌즈 형상이 변형되는 것을 방지하기 위해 실리콘으로 이루어지는 것을 기술적 특징으로 한다.

또한 본 발명의 상기 이격부재는 상기 렌즈와 일체 형성되는 것으로, 단부가 기판에 착탈결합되는 것을 기술적 특징으로 한다.

상기한 구성에 의한 본 발명의 LED에 의하면,

굴절률이 작은 매체로부터 큰 매체로 적층된 복층으로 이루어진 렌즈를 구비하여 기존 LED에 비해 큰 지향각을 확보할 수 있거나, 반대로 굴절률이 높은 매체로부터 작은 매체로 적층된 복층으로 이루어진 렌즈를 구비하여 기존 LED에 비해 좁은 지향각을 확보할 수 있어,

원하는 상황에 맞게 LED를 적용시킬 수 있어 종국적으로는 기존 LED에 비해 빛 효율을 높일 수 있다는 효과를 가진다.

뿐만 아니라 상기 복층의 렌즈에서 하부에 위치한 저층을 열에 강한 실리콘 재질로 형성하여 발광소자로부터 발생되는 열에 의해 렌즈 형상이 변형되는 것을 방지할 수 있다는 효과를 가진다.

그리고 본 발명에 따른 이격부재를 통해 발광소자와 렌즈 사이에 외부와 연통되는 공간부를 형성시켜 발광소자로부터 발생되는 열을 직접적으로 외부로 방출시킬 수 있는 구조가 되어 기존 LED조명에 비해 높은 열방출률을 기대할 수 있다는 효과를 가진다.

또한 이격부재는 렌즈와 일체 형성되고 단부에 형성된 후크를 통해 기판에 장착되는 구조인바, 기판에 대한 이격부재 조립이 용이하다는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명에 의한 LED를 도시한 도면으로 A는 이격부재가 구비된 구성이고, B는 이격부재가 없는 구성을 도시한 것임.
도 2는 본 발명에 의한 LED 내부구조확인을 위한 단부를 도시한 도면으로 역시 A는 이격부재가 구비된 구성이고, B는 이격부재가 없는 구성을 도시한 것임.
도 3은 본 발명에 의한 다른 LED를 도시한 도면.
도 4 및 도 5는 본 발명에 의한 LED의 제조과정을 간략히 도시한 도면으로 도 4는 금형내에서의 경화과정까지 도시한 도면이고, 도 5는 경화 후의 과정을 도시한 도면.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 의한 LED를 설명하도록 한다.

본 발명에 의한 LED는 도1 및 도 2에 도시된 바와 같이,

기판(10)과, 상기 기판에 안치되는 발광소자(20)와, 그리고 상기 발광소자 상부에 위치하는 렌즈(30)를 포함하여 구성되는데,

상기 기판(10)은 발광소자가 안치되는 통상적인 PCB기판이 고려될 수 있고, 재질에 따라서는 반사판의 역할도 하게 되는바 LED 조명의 빛 손실을 줄이는 역할을 한다.

다음으로 본 발명에 의한 렌즈(30)를 살펴보면,

상기 렌즈는 복층으로 이루어지는 것을 특징으로 하고, 복층으로의 적층시 굴절률이 낮은 층에서 굴절률이 높은 층으로 각 층이 적층된다.

즉 도 2에 도시된 렌즈는 두 개의 층으로 이루어지는데,

발광소자와 마주하는 저층은 실리콘 재질로 이루어진 실리콘렌즈(32)이고, 상기 실리콘렌즈 상부로 플라스틱 재질로 형성된 플라스틱렌즈(31)가 형성된다.
그리고 도면에서 확인되는 바와 같이 상기 렌즈(30)를 형성하는 각각의 층 즉, 실리콘렌즈(32)와 플라스틱렌즈(31)는 만곡진 층상 형태로 형성된다.

이 경우 실리콘의 굴절률은 통상 1.4 정도이고, 플라스틱의 굴절률은 통상 1.5 정도의 값을 가지게 되는데,

따라서 발광소자로부터 발산된 빛이 실리콘렌즈로 진입되고, 이후 굴절률이 높은 플라스틱렌즈로 진입되는 과정을 거치면서, 기존 LED에 비해 넓은 지향각을 형성하게 된다.

즉 동일한 광량을 가지는 LED라도 상기 구성을 가지는 렌즈를 사용하게 되면 넓은 지향각 확보가 가능하여, 광량이 높은(와트수가 높은) LED를 사용하되 사용되는 LED 갯수의 감소가 가능하게 되고, 이로 인해 빛의 효율을 높일 수 있게 되는 것이다.

특히, 본 발명에서는 실리콘이 열에 강하다는 점을 고려하여 상기 렌즈의 저층을 실리콘렌즈로 형성함으로써 발광소자(20)로부터 발생되는 열에 의해 렌즈의 형상이 변형되는 것을 방지한다.

다르게는 복층의 렌즈 구성을 굴절률이 높은 층에서 낮은 층으로의 적층도 가능한데, 이 경우 전술된 효과와는 반대로 지향각을 좁힐 수 있다는 효과를 가진다. 이는 집중 조명이 필요한 경우에 적용되는 구조인 것으로, 역시 종국적으로는 빛 효율을 높일 수 있게 된다.

다음으로 본 발명의 LED는 도 1 및 도 2의 A에 도시된 바와 같이 발광소자(20)와 렌즈(30) 사이를 이격시키는 이격부재(40)가 더 구비되는데, 상기 이격부재가 구비됨에 따라 발광소자와 렌즈 사이에 외부와 연통되는 공간부(S)가 마련된다.

상기 공간부(S)를 통해 발광소자로부터 발생된 열을 외부로 방출시키게 된다.

상기 이격부재(40)는 여러 형상으로 고안될 수 있으나 렌즈 하부의 특정부위에 다리 형상으로 다수 개 구비되어 렌즈(30)를 효율적으로 지지할 수 있는 형태가 바람직하다 할 것이다.

즉 돔 형상으로 형성되는 렌즈의 경우 기판과 마주하게 되는 렌즈 저면에 3개 또는 4개로 이격부재가 구비되어 렌즈를 지지하는 것이 바람직하다.

또한 상기 이격부재와 기판과의 결합은 단순한 접착제를 이용하여 이격부재를 기판에 장착시킬 수 있으나,

보다 효율적인 조립작업을 위하여 이격부재(40)의 단부가 위치할 기판(10)에는 끼움공(11)을 형성하고, 상기 이격부재 단부에는 끼움공에 끼움결합되는 후크(41)를 형성시켜 작업자가 이격부재가 구비된 렌즈를 기판쪽으로 가압시킴으로써 기판에 대한 이격부재 장착이 이루어지도록 한다.

상기 후크(41)는 상부로 갈수록 확장된 테이퍼진 형상으로 형성하여 기판으로의 끼움작업은 용이하게 하면서도 일단 끼워진 이격부재가 기판으로부터 분리·이탈되는 현상을 방지하게 된다.

물론, 도 1 및 도 2의 B와 같이 이격부재 없이 바로 렌즈(30)가 기판(10)에 장착될 수 있음은 물론이다. 이 경우 전술된 후크 등의 결합방식이 아니라 접착제를 이용한 단순한 본딩결합이 요구된다.

다음으로 도 3은 세 개의 층으로 그리고 이격부재를 구비한 렌즈를 구성한 예를 도시한 것인데,

역시 발광소자(20)로부터 발생되는 열로 인한 렌즈의 변형을 방지하기 위해 상기 렌즈의 저층은 실리콘렌즈(31)로 이루어지고,

외부와 연통된 공간부(S)를 통해 발광소자에서 발생된 열이 방출되는 구조임을 알 수 있다.

다만, 도 3에 개시된 LED는 이격부재에 별도로 후크 구성을 구비하지 않고 기판(10)에 이격부재를 바로 접착시키는 구성을 도시하고 있다.

그리고 본 발명에서의 렌즈 저층은 실리콘렌즈에 한정되는 것이 아니라 해당 굴절률이 상면에 위치하는 층의 굴절률보다 낮으면서 열에 강한 재질이라면 충분하다. 물론 이는 넓은 지향각을 목적으로 하는 경우인 것으로, 좁은 지향각을 목적으로 하는 경우라면 본 발명에서의 렌즈 저층은 굴절률이 상면에 위치하는 층의 굴절률보다 높으면서 열에 강한 재질이 요구된다 하겠다.

다음으로 상기 같이 구성되는 본 발명 LED에 대한 제조방법을 설명한다.

특히 도 4 및 도 5에 도시된 LED는 이격부재를 함께 구비하는 구성인 것으로, 물론 이격부재 없는 구성 역시 하기 설명될 성형방법에 적용가능함을 물론이다.

우선 본 발명의 발광소자 상부에 위치하는 렌즈(30)는 낱개로 성형되는 것이 아니라 도 5에 도시된 바와 같이 다수 개의 렌즈(30)가 배열된 시트(P)로 제조된 후(이하, 렌즈시트라 명하며, 재질에 따라 플라스틱 시트, 실리콘 시트 등으로 칭한다) 낱개의 렌즈(30)로 커팅되어 기판에 장착된다.

그리고 본 발명의 이격부재(40)는 렌즈(30)와 일체로 성형되는데, 즉 렌즈시트(P) 성형시 시트에 배열되는 각각의 렌즈 주변에 이격부재(40)가 돌출 형성되도록 렌즈시트를 성형한다.

특히 본 발명의 렌즈는 복층으로 이루어지는 것으로, 상기 이격부재는 렌즈의 외곽층 성형시 이와 일체되어 성형되는 것이 바람직하다.

도 2에 도시된 렌즈는 외곽으로 플라스틱으로 이루어진 플라스틱 렌즈(31)가 형성되고 그 내부로 실리콘으로 이루어진 실리콘 렌즈(32)가 구비되는 구성인데,

도 2의 A에 도시된 렌즈의 제조방법을 도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

우선 다수 개의 플라스틱 렌즈(31)가 배열된 플라스틱 시트(P1)를 사출성형한다(시트 성형단계). 이때 플라스틱 렌즈(31) 주변으로 이격부재(40)가 돌출 형성되도록 이격부재를 함께 사출성형한다.

다음으로 이격부재(40)가 일체 성형된 플라스틱 시트(P1)를 금형(M)에 위치시키는데, 상기 금형(M)에는 플라스틱 시트에 형성된 플라스틱 렌즈(31)가 수용되는 공간이 형성되고, 상기 공간으로 플라스틱 렌즈가 수용되면서 금형(M)에 플라스틱 시트(P1)가 배치된다(금형위치단계).

그리고 상부금형을 위치시킨 후 금형에 배치된 플라스틱 시트(P1) 상부로 실리콘 수지를 주입하는바(복층형성단계), 주입 후 경화과정을 거치면 두 개의 층으로 이루어지고 렌즈 주변으로 이격부재가 구비되어 있는 렌즈시트(P)가 완성된다.

이후 성형된 렌즈시트(P)를 각각의 렌즈로 커팅하여 이격부재가 일체 형성된 렌즈(30)가 완성되고(커팅단계),

이를 발광소자가 위치한 기판(10)에 이격부재(40)를 통해 장착함으로써 본 발명에 의한 LED가 완성된다.

즉 본 발명에 따른 렌즈의 성형은,

렌즈의 외곽층을 형성하게 될 다수 개의 렌즈가 배열된 시트를 사출성형하는 시트 성형단계와, 상기 시트를 금형에 위치시키는 금형위치단계와, 상기 시트 상부로 다른 재질의 수지를 주입하여 복층을 형성하는 복층형성단계와, 그리고 수지 경화 후 렌즈 낱개로 커팅하는 커팅단계를 거쳐 이루어지는데,

특히 이격부재는 시트 성형단계에서 시트와 일체되어 성형된다.

물론, 도 1 및 2의 B에 도시된 구성과 같이 본 발명의 LED는 이격부재를 구비하지 않고 기판에 본딩 결합으로 장착될 수도 있은데, 이 경우 상기 시트 성형단계에서 이격부재를 없이 시트 자체만을 성형하게 된다.

또한 상기 과정은 렌즈가 실리콘렌즈 상부에 굴절률이 높은 플라스틱 렌즈가 적층되도록 하는 구성인 것으로,

지향각을 좁히기 위한 렌즈 성형시에는,

시트 성형단계에서 사출 성형되는 플라스틱 시트는 외곽층이 아닌 렌즈 저층을 형성하기 위한 것으로, 상기 금형위치단계에서 사용되는 금형을 달리하면 된다.

즉, 좁은 지향각 형성을 위한 렌즈 성형에 사용되는 금형은 플라스틱 시트에 형성된 플라스틱 렌즈가 얹혀지는 돔부가 형성되는 것으로, 상기 돔부에 플라스틱 렌즈가 얹혀지면서 플라스틱 시트가 배치되도록 한다. 이후 플라스틱 시트 상부로 실리콘을 주입하여 복층의 렌즈 시트를 형성하게 된다.

다음으로 상기 금형 내로 주입되는 실리콘은 열경화성 실리콘인 것으로 실리콘 주입 후 금형에 열을 가하여 경화과정을 거친 후 렌즈 시트가 완성되는데,

상기 열경화성 실리콘을 대체하여 UV경화성 실리콘이 주입될 수도 있다.

또한 UV경화성 실리콘을 사용하는 경우 본 발명에 사용되는 금형은 투명금형으로 하는 것이 실리콘 경화에 바람직하다. 즉, 투명금형을 통해 외부 빛이 내부로 투과되면서 금형 내 주입된 실리콘의 경화가 이루어지는바, 기존 경화과정에 비해 작업이 단순해졌다는 효과를 기대할 수 있다.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 형상과 구조를 갖는 "LED"를 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 기판 20: 발광소자
30: 렌즈 40: 이격부재
S: 공간부
31: 플라스틱렌즈 32: 실리콘렌즈
P: 렌즈시트 P1: 플라스틱시트
M: 금형

Claims (6)

1. 기판;
   상기 기판에 안치되는 발광소자; 및
   상기 발광소자 상부에 위치하는 렌즈;를 포함하되,
   상기 렌즈는 만곡진 층상이 복수 개 적층된 복층으로 형성되고,
   상기 복층으로 구성된 렌즈에서 저층은 발광소자로부터 발생되는 열로 인해 렌즈 형상이 변형되는 것을 방지하기 위해 실리콘으로 이루어지고, 이외의 층은 실리콘의 굴절률과는 다른 굴절률을 가지는 상이한 재질로 이루어지되, 각 층의 굴절률이 순차적으로 높아지거나 순차적으로 낮아지는 것을 특징으로 하고,
   상기 복수 개 적층된 복층의 렌즈는 사출성형되는 것을 특징으로 하는 빛 효율을 높일 수 있는 LED.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 발광소자와 렌즈 사이를 이격시키는 이격부재가 더 구비되어, 발광소자와 렌즈 사이에 외부와 연통되는 공간부가 형성되는 것을 특징으로 하고,
   상기 이격부재는 복층으로 구성된 렌즈의 최고층과 일체 형성되고,
   상기 이격부재의 단부에는 상부로 갈수록 확장된 테이퍼진 형상의 후크가 형성되어 기판에 형성된 끼움공으로 후크를 가압 삽입시켜 기판에 대한 렌즈의 장착이 이루어지는 것을 특징으로 하는 빛 효율을 높일 수 있는 LED.
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