KR101375730B1 - 아웃도어용 고출력 led등기구 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 아웃도어용 고출력 LED등기구 조명장치에 있어서, 단축거리와 장축거리의 비율이 1:1~1:1.5이고 10~50㎠ 면적을 갖는 집중광원영역(21)을 고방열성 기판(20) 상에 형성하고 상기 집중광원영역(21)내에는 30~80W의 고휘도 LED발광이 가능한 갯수의 LED칩(3)들이 집중 배열되게 하여서 광효율이 증대 가능한 집속빔형 LED광원부(2)를 구성하며, 등기구용 히트싱크 케이스(10)의 실장공간부(14) 천장면에 30~80W 고출력의 집속빔형 LED광원부(2)를 갖는 고방열성 기판(20)을 밀착 고정하고, 집속빔형 LED광원부(2)의 하방에 하나로 된 배광용 렌즈(30)가 위치되게 고정한 커버플레이트(40)를 히트싱크 케이스(10)에 체결하되, 배광용 렌즈(30)는 포물면형 오목내면(32)과 비구면형 볼록외면(34)으로 형성되게 구성하여서, 집속빔형 LED광원부(2)로부터 방사된 단일 집속광빔이 배광용 렌즈(30)의 포물면형 오목내면(32)에서의 1차 굴절에 이은 비구면형 볼록외면(34)에서의 2차 굴절을 통해서 해당 등기구용 배광분포가 형성되게 구성한 것이다.

Description

아웃도어용 고출력 LED등기구 장치{OUTDOOR LIGHT EMITTING DIODE LIGHTING APPARAUTS}

본 발명은 아웃도어용 LED(Light Emitting Diode) 조명장치에 관한 것으로, 특히 가로등, 보안등, 공원등, 도로터널등, 지하 차도등과 같은 아웃도어(outdoor)용으로 적용이 가능한 고출력 LED등기구 조명장치에 관한 것이다.

국내외 LED 조명시장이 본격 확대되고 있다. 현재 시장에 보급된 LED조명은 산업분야나 아웃도어용으로 적용하기에는 에너지 소모가 크다는 지적이 있다.

특히 가로등, 보안등, 공원등, 도로터널등, 지하 차도등, 발전소와 같은 대규모 설비, 기타 등등으로 규정될 수 있는 아웃도어(outdoor)용 조명에 있어 LED조명을 적용하기에는 저효율 방전 등의 문제가 있다. 또 여기에 일반적으로 보급된 방전램프의 수명이 짧아 유지 보수 비용이 많이 소요되는 문제도 있다. 또 LED램프 구동에 필요한 LED모듈 전원공급용 컨버터 즉 SMPS(Switching Mode Power Supply)와 같은 부속 장치도 별도로 필요하다.

대규모 설비나 아웃도어용으로서의 LED조명등은 40W, 60W, 80W, 100W급 LED가 있으며, 이들 30~80W의 LED조명등은 높은 설치 높이(가로등 설치높이 8m, 보안등 설치높이 4~6m)에서도 바닥 조도를 확보할 수 있는 고출력(high-power) LED조명이다.

아웃도어용 고출력 LED조명등 장치중 하나인 LED 가로등은 색도가 좋고 보수가 필요 없으며 수명이 길다는 장점과 아울러 현재 설치된 일반적인 가로등에 비해 에너지를 절약할 수 있는 이점이 있다. 그러므로 현행의 가로등을 LED 가로등으로 대체하는 것은 공공사업 부분에서 혁명이라 할 수 있을 만큼 파급력이 크다. 하지만 고출력 LED가로등을 보급하는데에는 많은 걸림돌이 있다.

LED가로등을 포함한 아웃도어용 고출력 LED조명등은 고효율 인증(KS 인증은 75lm/W이상)을 얻어야 한다. 구체적으로는 해당 등기구로서 요구되는 높은 설치높이에서도 바닥조도를 확보할 수 있어야 하고, 규정된 수평면 조도도 확보할 수 있어야 한다. 그리고 광효율(lm/W), 광속유지율, 연색성 등의 시험기준도 요구 규정에 맞추어야 한다.

또 보통 일반 가로등과 유사한 사이즈를 채용할 수 있으면서도 쿨러를 통해 고출력 발광에 따른 방열이 원활히 이루어질 수 있어야 하고, LED등기구의 형태에 따라 규정된 배광범위도 맞춰주어야 한다. 가로등이나 보안등과 같은 등기구는 컷 오프형(Cut Off), 세미컷 오프형(Semi Cut Off), 논 컷 오프형(Non Cut Off)으로 분류될 수 있으며 그에 따른 배광의 범위도 엄격히 규정된다. 예를 들면, 컷 오프형은 주변이 어두워서 밝은 조명이 필요한 곳에 설치되는 것으로 수평광을 엄격히 제한하고 눈부심을 느끼지 않게 하기 위해, 연직각 90°에서 1000lm당 10cd이하, 연직각 80°에서 1000lm당 30cd이하가 되어야 하는 것이다.

그러나 고출력 LED조명등의 구현에 있어 여러가지 시험기준에 따른 고효율 인증과 등기구에 적합한 크기 유지, 및 직진성을 갖는 LED칩에서의 가로등에서 요구하는 배광범위 확보, LED모듈의 고출력 발광에 따른 과도의 방열문제 예를 들면, LED칩 수명단축, 인쇄회로기판 고장 유발, SMPS의 잦은 교체 등의 문제를 해결하는 것이 여간 쉽지 않다.

더욱이 고출력 LED조명등 중에서 가로등이나 보안등은 일반적인 실내조명과는 다르게 좀 더 밝은 조도와 까다로운 조건이 요구되는바, 이러한 고출력 고휘도 LED는 고열을 발생시키며 이러한 고열은 LED의 수명을 단축하게 하거나 인쇄회로기판 유닛의 고장을 유발시키는 원인이 되므로, 발열이 낮거나 발열을 신속하게 냉각시킬 수 있는 방열 구조가 요구된다.

등록특허공보 제10-1069317호 "LED 가로등"

따라서 본 발명의 목적은 30W이상의 고출력인 가로등, 보안등, 공원등, 도로터널등, 지하 차도등과 같은 아웃도어용 LED조명에 적용되어서 고효율로 작동되고, 배광 및 방열, 그리고 전기 안전성이 보장되도록 작동하는 아웃도어용 고출력 LED등기구 조명장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 고출력 아웃도어용이면서 LED부품 고장시 형광등이나 백열전구와 같이 부분 교체가 가능케 하는 아웃도어용 고출력 LED등기구 조명장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 SMPS없이도 30W이상의 고출력인 가로등, 보안등, 공원등, 도로터널등, 지하 차도등과 같은 아웃도어용 LED조명에 적용되어 사용가능하며 고효율 작동, 배광 및 방열 그리고 전기 안전성이 보장되게 작동하는 아웃도어용 고출력 LED등기구 조명장치를 제공함에 있다.

상기한 목적에 따른 본 발명은, 아웃도어용 고출력 LED등기구 조명장치에 있어서, 단축거리와 장축거리 비율이 1:1~1:1.5이고 10~50㎠ 면적을 갖는 집중광원영역(21)을 고방열성 기판(20) 상에 형성하고 상기 집중광원영역(21)내에는 30~80W의 고휘도 LED발광이 가능한 갯수의 LED칩(3)들이 집중 배열되게 하여서 광효율이 증대 가능한 집속빔형 LED광원부(2)를 구성하며,

등기구용 히트싱크 케이스(10)의 실장공간부(14) 천장면에 30~80W 고출력의 집속빔형 LED광원부(2)를 갖는 고방열성 기판(20)을 밀착 고정하고,

집속빔형 LED광원부(2)의 하방에 하나로 된 배광용 렌즈(30)가 위치되게 고정한 커버플레이트(40)를 히트싱크 케이스(10)에 체결하되, 배광용 렌즈(30)는 포물면형 오목내면(32)과 비구면형 볼록외면(34)으로 형성되게 구성하여서, 집속빔형 LED광원부(2)로부터 방사된 단일 집속광빔이 배광용 렌즈(30)의 포물면형 오목내면(32)에서의 1차 굴절에 이은 비구면형 볼록외면(34)에서의 2차 굴절을 통해서 해당 등기구용 배광분포가 형성되게 구성함을 특징으로 한다.

또 본 발명에서는, 집속광빔의 입체각도를 줄이기 위해 집속광빔의 단면형상을 규정하는 투광채널공(26)을 갖는 브라켓(24)을 배광용 렌즈(30)와 집속빔형 LED광원부(2) 사이에 설치함을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 집속빔형 LED광원부(2)를 갖는 고방열성기판(20)의 배면에 열전도성 절연패드(22)가 면접되게 구성함을 특징으로 하며,

상기의 열전도성 절연패드(22)는 0.5~1.5㎜두께와 3~10W/m-k의 열전도성을 갖는 절연재 패드임을 특징으로 한다.

또 고방열성 기판(20)이 설치되는 실장공간부(14)의 천장면에는 조명빛으로 인한 공해 방지를 위한 경사안착면(16)이 형성되게 구성함을 특징으로 한다.

그리고 본 발명에서 배광용 렌즈(30)의 재질은 PMMA(polymethyl methacrylate)나 유리, PC(polycarbonate)중 하나로 형성함을 특징으로 한다.

또 본 발명은, 고방열성 기판(30) 상에는, 입력되는 교류전원을 정류하는 정류회로부(4), 집중광원영역(21)내에 다수 LED칩(3)들이 집중 배열된 LED광원부(2), LED광원부(2)의 LED칩(3)들을 구동시키는 구동회로부(6), 상기 구동회로부(6)의 제어 하에 교류전원의 미리 설정된 전압값 이상상태에서 전류가 흐르는 경로에 연결된 저항소자부(8)가 구비되며, 열발생 근거지인 LED광원부(2)와 구동회로부(6) 및 저항소자부(8)는 고방열성 기판(20) 내에서 분산 배치되게 구성함을 특징으로 한다.

본 발명은 가로등, 보안등, 공원등, 도로터널등, 지하 차도등과 같은 30W이상의 고출력 아웃도어용 LED조명등으로 실제 적용하여서 고효율 작동이 가능하고, 가로등이나 보안등과 같은 등기구 조명장치에서 요구하는 배광기준이나 방열기준에 문제가 없고 전기 안전성도 우수한 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 집속빔형 LED광원부를 갖는 고방열성 기판의 배치 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 집속빔형 LED광원부를 갖는 고방열성 기판의 실제 사진 일예도,
도 3은 본 발명의 아웃도어용 고출력 LED등기구 조명장치를 가로등과 같은 등기구에 적용한 분해 사시 구성도,
도 4는 도 3의 아웃도어용 고출력 LED등기구의 결합 외관도,
도 5는 도 4에 도시된 LED등기구의 종단면 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 배광용 렌즈의 사시 구성도,
도 7은 도 6의 배광용 렌즈의 Y-Y선 단면에서의 배광선도,
도 8은 도 6의 배광용 렌즈의 X-X선 단면에서의 배광선도,
도 9는 본 발명의 배광용 렌즈의 지향각 그래프 특성도,
도 10은 본 발명의 아웃도어용 고출력 LED등기구의 광분포 특성도,
도 11은 본 발명의 히트싱크 케이스의 사시도,
도 12는 히트싱크 케이스의 실장부에 관련된 요부 분해 사시도.
도 13은 본 발명의 아웃도어용 고출력 LED등기구 조명장치중 AC구동형 고출력 LED조명등 회로 구성 일예도,
도 14a 및 도 14b는 본 발명에 따른 고출력 LED등기구 조명장치의 히트싱크 케이스의 열분포도,
도 15a 및 도 15b는 본 발명에 따라 제조된 LED등기구 조명장치에 대한 고효율을 포함한 각종 테스트 결과표 및 배광 분포도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에서는 일반 가로등이나 보안등에 대응되는 등기구의 규격 사이즈나 형태를 거의 그대로 유지하면서도 30~80W의 고출력 LED등기구 조명장치를 구현하며, LED를 이용한 가로등이나 보안등의 등기구 제조에 대한 표준 기준에도 부합하게 구현한다. 예컨대, KS인증 기준으로서 LED등기구의 고효율 인증은 75ml/W이상이다.

본 발명에서는 40W가 넘는 고출력 LED등기구에 관련한 여러가지 시험기준에 따른 인증에 부합한 것이고, 아울러 일반적인 아웃도어용 고출력 등기구와 유사하거나 오히려 작은 크기와 무게를 유지하면서도 아웃도어용 고출력 LED등기구에 적합한 배광구조, 방열구조, 방수구조, 전기 안정성, 고효율성을 갖추도록 구현한다.

광원으로서 LED를 사용할 경우 광 효율이 낮다는 문제가 있다. LED는 기본적으로 에텐듀(etendue)가 높기 때문에 광 효율에 한계가 있다. 이를 해소하기 위해 LED의 출력(power)을 높이는 대안을 사용하지만 근본적인 해결책은 되지 못한다.

본 발명에서는 주어진 LED 광효율을 집속빔형 LED광원부(도 1의 2)를 형성하여서 효과적으로 증대시킨다.

LED칩은 통상 발광면에서 180°로 빛이 방출되며, 빛이 방출되는 면적이나 입체각도는 LED의 광효율을 결정하는 에텐듀(etendue)와 관련된다.

에텐듀(etendue)는 LED광원에서 광빔의 면적과 입체각(solid angle)의 곱으로 표현된다. 에텐듀는 빛이 방출되는 면적과 입체각도에 비례하며, 따라서 빛이 방출되는 면적이나 입체각도가 작아지면 에텐듀도 작아진다.

이러한 에텐듀는 광효율과 반비례 관계에 있다. 예컨대 에텐듀가 1/5로 낮아지면 광효율은 5배 향상된다. 그러므로 에텐듀를 최소화하는 것이 광효율을 높이는 방법이다.

본 발명에서는 LED발광 광원면적 자체를 최소화시키고 LED광원의 입체각도(180°)를 줄이는 방식으로 LED광원의 광효율을 향상시킨다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 집속빔형 LED광원부(2)를 갖는 고방열성 기판(20)의 배치 구성도로서, 도 1는 60W의 고출력 LED등기구에 적용된 것이고 도 2는 80W의 고출력 LED등기구에 적용된 사진도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에서는 30~80W의 고출력 LED발광을 하는 다수의 LED칩(3)들을 고방열성 기판(20) 상에 배열하되, LED발광 광원면적 자체를 줄이는 방식으로 집중광원영역(21)을 마련하고, 그 집중광원영역(21)에 30~80W의 고휘도 LED발광이 가능한 갯수의 LED칩(3)들을 집중 배열한다.

고방열성 기판(20) 상에 형성되는 집중광원영역(21)은 단축거리와 장축거리의 비율이 1:1~1:1.5이고 10~50㎠ 면적을 가지며, 더욱 바람직한 면적으로는 15~30㎠ 이다.

집중광원영역(21)이 단축 및 장축 거리의 비율 1:1.5 및 50㎠ 면적을 초과하면 단하나로 되는 배광용 렌즈(30)의 채용이 힘들고 무엇보다도 광원자체면적이 넓어짐으로 인해 광효율이 떨어지게 되며, 집중광원영역(21)이 10㎠ 면적 미만이면 30~80W 고출력에 필요한 LED칩(3) 갯수를 모두 수용하지 못하게 된다는 데에 그 임계적 의의가 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 집중광원영역(21)은 정원으로서 그 직경이 5.5cm로서 약 23.7㎠의 면적을 갖는다.

본 발명에서의 집중광원영역(21)은 원형 형상나 다각형 형상으로 형성되며, 원형의 경우는 정원이나 타원형이 되고 다각형인 경우에는 삼각형 내지 팔각형 등이 될 수 있다.

상기와 같은 본 발명에서는 광원면적이 최소화된 집중광원영역(21)에 30~80W의 고휘도 발광이 가능한 개수의 LED칩(3)들을 집중배열하여 집속빔형 LED광원부(2)를 구성함으로써 광효율이 85ml/W 이상 거의 88~95ml/W가 되게 한다.

광효율의 증대가 가능한 집속빔형 LED광원부(2)에서 발생되는 고열이 신속하게 외부로 전달되도록 하기 위해 고방열성 기판(20)에 탑재된다. 고방열성 기판(20)은 메탈베이스기판으로서 30~80W와 같은 고출력의 LED광원부(2)가 탑재됨에 따라 생기는 고열을 신속히 히트싱크 케이스(10)로 전달하기 위해서 적용된다.

한편 본 발명에서는 가로등이나 보안등과 같은 고출력 LED등기구용 배광을 위해 기존의 반사판이나 반사갓을 이용하는 원리를 사용하지 않고 렌즈를 사용하며, 더욱이 면적 최소화된 집중광원영역(21)에 LED칩(3)들을 집중 배열된 집속빔형 LED광원부(2)와 함께 단하나로 된 배광용 렌즈(30)를 이용한다.

일반적으로 LED조명기구를 설계함에 있어 빛을 원하는 영역에 비추기 위해서는 렌즈나 반사판을 이용한다. 렌즈를 이용하는 경우는 LED등기구에 렌즈를 부착하여 원하는 배광패턴을 생성하고, 반사판을 이용하는 경우에는 LED광원에서 출사하는 빛을 한곳으로 모아서 원하는 배광패턴을 형성되도록 반사판을 설계하여 조명기구를 제작한다. 하지만 이러한 기존의 LED조명 설계방식은 빛의 특성에 따라 필요한 조사영역보다 넓고 중복된 빛을 빛추게 되고, 빛이 필요없는 영역에도 빛을 비추게 되어 에너지 절감측면에서 비효율적이다.

보다 구체적으로 설명하면, 일반적인 렌즈는 외측면이 볼록하게 구배진 형상이다. 이러한 렌즈는 LED광원의 빛이 렌즈를 지나면서 일정한 각도로 굴절되어 사용자가 원하는 범위 이내로 분포되게 하지만, 렌즈의 가운데 부위 즉 광축주변에 빛이 집중되어서 광량이 고르게 분포되지 못한다는 단점이 있다.

가로등이나 보안등과 같은 고출력 LED등기구 조명장치에서는 노면휘도 분포의 균일한 정도를 나타내는 휘도의 비 즉 종합 조도 균제도(overrall unifromity)의 기준치(KS규정에서 LED가로등기구에서는 최소허용치 0.4)나 도로조명 등급별(한국의 경우 M1~M5) 노면조도가 있는데 그 기준치를 만족하지 못하면 LED등기구로서 사용하질 못한다. 그러므로 광축 주변에만 빛이 집중되게끔 하는 일반 렌즈로는 고출력 LED등기구를 제조하기가 힘들다.

현재 시판되고 있는 30W이상의 아웃도어용 고출력 LED등기구 조명장치의 구현 일 예로는 GE에서 제조된 반사판을 이용하는 방식인데 반해, 본 발명에서는 반사판 원리를 이용하지 않고 단하나로 된 배광렌즈(30)를 사용함과 동시에 집속빔형 LED광원부(2)의 단일 집속광빔을 이용해서 고출력 LED등기구에서 요구하는 종합조도 균제도, 광속 유지도 등을 확보한다.

도 3은 본 발명의 아웃도어용 고출력 LED등기구 조명장치를 가로등과 같은 등기구(A)에 적용한 분해 사시 구성도이고, 도 4는 도 3에 도시된 아웃도어용 고출력LED 등기구(A)의 외관 사시도이며, 도 5는 도 4에 도시된 LED등기구(A)의 종단면 구성도이다.

본 발명의 아웃도어용 고출력 LED등기구(A)는, 기존의 가로등이나 보안등과 유사한 사이즈를 갖는 히트싱크 케이스(10), 집속빔형 LED광원부(2)를 갖는 고방열성 기판(20), 투광채널공(26)을 갖는 브라켓(24), 가로등이나 보안등과 같이 해당 등기구에 적합한 배광을 위한 형상을 갖는 하나의 배광용 렌즈(30)를 갖는 커버플레이트(40)를 포함한다.

본 발명에서는 도 1 및 도 2에서와 같은 광원면적이 최소화된 집속빔형 LED광원부(도 1의 2)를 고방열성 기판(20)상에 설치하여서 미리 주어진 LED 광효율을 효과적으로 증대시키고, 투광채널공(26)을 갖는 브라켓(24)을 이용해서 빛의 방사 입사각도를 제한하여서 광효율이 더욱 증대되게 한다.

본 발명에서는 광효율 증대구조를 갖도록 면적 최소화된 집중광원영역(21)에 LED칩(3)들이 집중 배열된 집속빔형 LED광원부(2)에서 나오는 단일 집속광빔이 하나로 된 배광용 렌즈(30)로 입사되도록 하며, 하나의 배광용 렌즈(30)를 이용해서 가로등이나 보안등과 같은 등기구에 적합한 배광범위가 확보되게 구현한다.

도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 30~80W 고출력의 집속빔형 LED광원부(2)를 갖는 고방열성 기판(20)은 등기구용 히트싱크 케이스(10)의 실장공간부(14) 천장면에 밀착 고정되고, 배광용 렌즈(30)는 집속빔형 LED광원부(2)의 직하방에 근접 위치된다.

배광용 렌즈(30)는 커버플레이트(40)에 체결 고정되며, 배광용 렌즈(30)를 갖는 커버플레이트(40)는 히트싱크 케이스(10)의 하부면에 바로 체결 고정된다.

이때 집속광빔의 입체각도를 줄이고 배광의 소스(source)가 되는 단일 집속광빔을 배광용 렌즈(30)로 입사시키기 위해 집속광빔의 단면형상을 규정하는 투광채널공(26)을 갖는 판형 브라켓(24)을 배광용 렌즈(30)와 집속빔형 LED광원부(2) 사이에 개재시키며, 브라켓(24)내 투광채널공(26)의 테두리턱 두께 만큼 배광용 렌즈(30)와 집속빔형 LED광원부(2)가 이격된다.

커버플레이트(40)에 장착되는 배광용 렌즈(30)는 도 5의 결합 단면도에서 볼 수 있듯이 LED광원부(2)의 LED칩(3)들이 집중 배열된 집중광원영역(21)과 마주보되 집중광원영역(21)의 경계범위 내에 위치됨과 동시에 근접 이격되게 구성하여서, 집속빔형 LED광원부(2)에서 나온 단일 집속광빔 거의 전부가 배광용 렌즈(30)로 바로 입사되게 한다. 즉 LED광원부(2)의 입체각도를 상당히 줄여준다.

배광용 렌즈(30)는 PMMA(polymethyl methacrylate)나 유리, PC(polycarbonate) 재질중 하나로 형성되며, 등기구에 맞는 적절한 배광분포가 이루어지게 하기 위해서 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 포물면형 오목내면(32)과 비구면형 볼록외면(34)을 함께 갖는다.

집속빔형 LED광원부(2)로부터 방사된 단일 집속광빔은 브라켓(24)의 투광채널공(26)을 통과하고 그후 배광용 렌즈(30)의 포물면형 오목내면(32)에서의 1차 굴절에 이은 비구면형 볼록외면(34)에서의 2차 굴절을 통해서 해당 등기구에 맞는 배광분포가 형성된다.

배광용 렌즈(30)의 재질중 PMAA는 1.48~1.50의 굴절율을 가지고, 유리는 1.46~1.6의 굴절율을 가진다. 배광용 렌즈(30)에서의 굴절율은 1차 굴절 및 2차 굴절의 정도를 정할 때 반영이 된다.

배광용 렌즈(30)의 재질중 PMMA(Poly Methyl Metha Acrylate)소재는 맑은 유리보다 빛의 투과율이 높고 인체에 무해하며 내충격성 및 강도면에 있어서도 유리보다 몇 배 강하고 또 깨어지더라도 인체에 상해를 입히는 정도가 유리에 비해 현저하게 낮다. 또 PMMA소재는 수지특성상 매우 가볍고 가공이 편리한 특성이 있으며, 배광용 렌즈(30)를 대량 생산하기에 있어 적합하다.

본 발명에서는 집속빔형 LED광원부(2)에서의 단일 집속광빔과 하나로 구성된 배광용 렌즈(30)를 이용해서 가로등이나 보안등에 적합한 광량의 균일분산이 이루어지게 하며 또 가로등이나 보안등에서 요구하는 배광범위 확보가 되게 하고, 더욱이 지속적인 광속(발광량) 유지가 되게 한다.

도 6은 본 발명에 따른 배광용 렌즈(30)의 사시 구성도이고, 도 7은 도 6의 Y-Y선 단면에서의 배광선도이고, 도 8은 도 6의 X-X선 단면에서의 배광선도이다.

본 발명에서는 단일 집속광빔이 입사된 배광용 렌즈(30)에서의 1차 굴절과 2차 굴절로 배광범위가 확보가능하도록 하기 수학식 1과 같은 비구면 방정식을 이용해서 포물면형 오목내면(32)과 비구면형 볼록외면(34)을 형성한다.

여기서,

H는 광축에 수직방향으로의 거리,

Z는 렌즈 비구면 정점의 접평면에서 그 비구면 상의 높이 H점까지의 거리,

R은 렌즈 비구면 정점에서의 곡률변경,

k는 코닉(conic)상수이다.

도 7에서와 같이 배광용 렌즈(30)의 Y-Y선 단면에서 장방향 오목내면(32)인 A면의 조건은, 17 ＜ R ＜ 19, -1 ＜ k ＜ -0.90 이고, 장방향 볼록외면(34)인 B면의 조건은, 32 ＜ R ＜ 36, -0.3 ＜ k ＜ -0.1 이다.

그리고, 도 8에서와 같이 배광용 렌즈(30)의 X-X선 단면에서 단방향 오목내면(32)인 C면의 조건은 식으로 표현이 불가능하고, 단?향 볼록외면(34)인 D면의 조건은, 33 ＜ R ＜ 35, -0.35 ＜ k ＜ -0.25 이다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 배광용 렌즈(30)의 지향각 그래프 특성도이고, 도 10은 본 발명의 아웃도어용 고출력 LED등기구의 광분포 특성도이다.

도 9를 참조하여 본 발명의 배광용 렌즈(30)를 이용한 지향각 분포도를 살펴보면, 발광각 70도에서 -70도 사이에서 빛의 분포도가 고르게 나타남을 알 수 있다. 이와 같이 본 발명에서의 고출력 LED등기구(A)는 특정 부위에 광량이 집중되지 않으며 또 가로등이나 보안등에서 요구하는 종합 조도 균제도의 기준치를 충족한다.

그리고 도 10에서는 본 발명의 광량 분포를 도시한 그래프로서, 배광용 렌즈(30)의 위치로부터 빛이 충분히 퍼지고 고르게 분포함을 알 수 있다. 또한 가로등이나 보안등과 같은 등기구에서 요구하는 따른 균일분산 조성과 아울러 광속(발광량)과 조도를 유지할 수 있음도 예시적으로 보여주고 있다.

LED를 광원으로 사용하는 LED등기구 조명장치는 전자의 작용을 통해 빛을 발산하기 때문에 높은 열이 발생되며, 특히 본 발명에 따라 적용되는 30~80W의 아웃도어용 고출력 LED등기구 조명장치는 더욱 높은 열이 발생된다.

그러므로 고출력 LED등기구 조명장치에서는 필히 히트싱크와 같은 방열대책이 필요하다. 적절한 방열이 되지 않을 경우에는 LED 수명이나 성능이 현저하게 떨어지거나 연기나 불꽃으로 인해서 화재가 발생될 수 있다. LED등기구 조명장치는 크게 두가지 부품에서 열이 주로 발생하는데, 그 하나는 LED광원 자체이고 다른 하나는 AC를 DC로 바꾸어 LED에 전기적인 에너지를 공급하는 SMPS이다. SMPS가 필요없는 교류형 LED광원방식일 경우에는 LED소자들의 발광을 제어하는 스위칭회로부에서 열이 발생한다.

LED등기구 조명장치에서 발생하는 열은 LED소자의 광속(light flux)(발광량)을 저하시키고 LED소자와 SMPS(또는 스위칭회로부)의 수명을 단축시키는 원인이 된다. 따라서 LED광원으로 제작하는 조명기구 특히 고출력 LED등기구 조명장치에서는 열을 효과적으로 외부로 전달할 수 있는 방열기술을 강구하여야 한다.

방열기술이 적용된 LED등기구 조명장치는 LED광원의 접합온도가 65℃ 이하로 유지해야 하며, LED광원의 수명을 50,000시간 이상 유지하기 위해서는 LED접합온도가 80~85℃ 이하가 되어야 한다.

본 발명에서는 고열이 발생하는 30~80W 고출력의 집속빔형 LED광원부(2)에서의 신속한 열전달을 위해서 메탈베이스기판으로 된 고방열성 기판(20)을 구비한다(도 1 내지 도 3 참조). 집속빔형 LED광원부(2)를 갖는 고방열 기판(20)은 히트싱크 케이스(10)로의 신속한 열전달을 위해서 히트싱크 케이스(10)의 실장공간부(14)내 천장면에 밀착되게 실장된다.

본 발명에 따라 고출력 LED등기구용으로서 사용되는 히트싱크 케이스(10)는 1~2kg의 중량을 가지며, 열전도성이 뛰어나고 비교적 중량이 가벼운 재질의 비철금속이나 열전도성 높은 수지재질로 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명에서의 히트싱크 케이스(10)의 재질중 바람직한 일 예로서는 구리가 소량 함유(3~6중량% 함유)된 캐스트 알루미늄재질이다. 캐스트 알루미늄 재질은 알루미늄에 비해 내구성이 훨씬 뛰어나고 열전도성은 130~200W/m-k로서 순수 알루미늄의 열전도성 237W/m-k에 비해 별로 떨어지지 않는 이점이 있고, 열전도성이 아주 우수하지만 너무 무거운 구리(열전도성은 401W/m-k)에 비해서는 훨씬 가볍고 생산단가도 낮다는 이점이 있다.

히트싱크 케이스(10)는 도 11에서와 같이 상방 등부에 다수의 방열핀(12)들을 구비하며, 하방 복부측의 실장 공간부(14)에는 열발생원이 되는 집속빔형 LED광원부(2)를 탑재한 고방열성기판(20)이 밀착 고정된다.

가로등이나 보안등에 적용되는 등기구(A)로서의 히트싱크 케이스(10)는 10~20kg중량을 갖도록 구성하며 자연대류 열전달방식이 주요 방열수단이 된다.

대류열전달율

은 단순히 온도차에 비례하는데, 하기의 뉴턴의 냉각법칙(Newton's law of cooling)으로 표시된다.

여기서, h는 대류열전달계수이며, A는 대류열전달이 발생하는 히트싱크 케이스(10)의 표면적, Ts는 히트싱크 케이스(10)의 평균 표면온도이고, T_∞는 표면에서 충분히 멀리 떨어진 곳에서의 공기 온도임.

따뜻한 공기는 상승하고 차가운 공기는 하강하는 부력(buoyancy) 효과와 같은 자연 대류에 의해서 유체의 이동이 발생된다. 히트싱크 케이스(10)에서의 자연대류 열전달을 증가시키는 방법으로서, 수학식2에서 알 수 있듯이 대류열전달계수 h를 증가시키는 방법과 히트싱크케이스(10)의 표면적 A를 증가시키는 방법이 있다.

대류열전달계수 h는 히트싱크 케이스(10)의 특성이 아니며, 이 값은 실험적으로 결정되고, 대류에 영향을 주는 모든 변수들, 예를 들면 히트싱크 케이스(10) 표면의 기하학적 형상, 유체유동, 유체 특성, 유체 속도 등에 의해 영향을 받는다.

본 발명에서의 히트싱크 케이스(10)는 자연대류 형태로 방열을 해야하므로 접촉하는 기체와 서로 상대적으로 움직일때마다 그 움직임의 반대방향으로 접촉표면에 마찰력이 생기는 것을 고려해서 히트싱크 케이스(10)의 표면적 A를 증가시키는 방법을 모색한다. 상기 마찰력은 공기의 유동률을 감속시킨다.

그러므로 본 발명에서는 서로 상반되는 부력효과와 마찰력 효과가 서로 평형을 이루는 최적의 방열핀(12)을 구성하는 표면적 A값과 히트싱크 케이스(10)의 형태 및 방열핀(12)의 형태 등을 얻는다. 예컨대, 히트싱크 케이스(10) 등부의 방열핀(12)을 너무 조밀하게 형성하면 공기의 마찰력에 의해서 방열효과가 감소되고 표면적을 너무 좁게 하면 대류열전달이 감소된다.

본원 발명자는 실험을 통해서 30W~80W의 고출력을 갖는 본 발명의 고방열성 기판(20)내 집속빔형 LED광원부(2)에서 발생하는 열로 말미암는 온도를 체크하고, 그 열이 1~2kg중량의 히트싱크 케이스(10)를 이용한 대류 열전달로 신속히 냉각되도록 하여 집속빔형 LED광원부(2)를 구성하는 LED칩(3)의 LED접합온도가 85℃ 이하로 유지되는데에 요구되는 히트싱크 케이스(10)의 열방출 능력을 상기 수학식 2를 이용해서 해석하여 얻고 실험을 통해서 확인하였다.

본원 발명자는 히트싱크 케이스(10)의 재질을 캐스트 알루미늄으로 정하고, 1~2kg중량을 갖는 방열핀(12) 등으로 조절가능한 히트싱크 케이스(10)의 표면적 A를 구하되 요구되는 가로등 규격크기와 함께 부력효과와 마찰력효과를 고려하여 0.255㎡가 되게 하였으며, 80W의 고출력일 경우를 기준으로 할 경우 히트싱크 케이스(10)로부터 초당 약 61.6J의 열을 대기로 방출되게 하여서 LED접합온도가 85℃ 이하가 되게 하였다.

참고로, 40W의 고출력 LED등기구(A)의 경우에는 초당 33.7J의 열을 대기로 방출하면 되고, 60W의 고출력 LED등기구(A)의 경우는 초당 47.7J의 열을 대기로 방출하면 된다.

이러한 실험결과에 의거하여 본 발명에서는 캐스트알루미늄재질의 1~2kg을 갖는 히트싱크 케이스(10)를 열방출량을 정하되 30~80W의 고출력 LED광원부(2)를 탑재된 상태에서는 초당 30~70J의 열량 방출이 이루어지게 구성한다. 그래서 LED광원부(2)를 구성하는 LED칩(3)의 LED접합온도가 85℃ 이하가 되게 하여서 LED광원의 수명이 길어지게 하였다.

다른 한편, 본 발명의 고출력 LED등기구(A)의 전기안전성 등이 고려된 등기구(A)의 구성을 설명하면 하기와 같다.

본 발명에 따라 단하나의 배광용 렌즈(30)를 갖는 커버플레이트(40)는 히트싱크 케이스(10)의 실장공간부(14)를 닫아주면서 수밀가능케 체결한다. 커버플레이트(40)는 아크릴 혹은 수지계열 재질로 구성되며, 실리콘이나 연질고무와 같은 수밀용 가스켓(42)을 이용해서 수밀처리하며 다수 볼트로 히트싱크 케이스(10)에 체결되게 한다.

히트싱크 케이스(10)의 실장공간부(14) 천장면에는 도 12에 도시된 바와 같이 본 발명의 고방열성 기판(20)이 설치될 경사안착면(16)이 제공되고, 또 라인필터 등과 같은 내장전기부품(44)이 설치되는 내장부품 삽입홈(18)과 습기제거구(17)가 삽입되는 습기제거구 삽입홈(15)이 구비된다.

상기 경사안착면(16)에는 집속빔형 LED광원부(2)를 갖는 고방열 기판(20)이 체결 고정되며, 집속빔형 LED광원부(2)를 갖는 고방열성 기판(20)이 있는 실장공간부(14)는 수밀 상태와 동시에 항시 건조한 상태가 유지된다.

만일 상기 실장공간부(14)에 만일 외부 기온과의 온도차 등에 의해서 습기나 이슬이 맺히게 되면 집속빔형 LED광원부(2)의 회로손상이 야기될 수 있다.

이를 방지하기 위해 본 발명에서는 알루미늄바에 강력 흡습제를 내장되게 구성한 습기제거구(17)를 실장공간부(14)의 습기제거구 삽입홈(15)에 삽입 설치하여서 내부에 생길 수 있는 습기를 제거함으로써 외부와의 온도차에 의해서 히트싱크 케이스(10)의 실장공간부(14)에 맺힐 수 있는 결로를 원천적으로 차단한다.

우리나라의 보안등은 주로 40W용량의 LED조명을 사용하는데, 이때는 LED조명으로 인한 내부 온도상승이 크지 않아 실장공간부(14) 내부에 습기제거구(17)를 설치할 필요가 없다.

그리고, 내장부품 삽입홈(18)에 삽입 고정되는 내장전기부품(44)도 방수 및 전기절연을 위해서 전기부품 본체가 에폭시와 같은 수지몰딩으로 피복되고 플라스틱 케이스에 내장되게 구성하고, 고방열성 기판(20)에 전원공급을 위한 전선인입공(19)도 배선후 수밀처리되게 구성하여서 외부환경에 영향을 받지 않도록 한다.

또 집속빔형 LED광원부(2)를 갖는 좌우 8~15cm 크기 즉 성인 손바닥만한 고방열성 기판(20)이 히트싱크 케이스(10)의 실장공간부(14)에 마련된 경사안착면(16)에 체결고정 시에는, 고방열성 기판(20)의 배면에 열전도성 절연패드(22)가 먼저 덧대어지거나 열전도성 절연코팅막을 형성한 후 체결 고정되게 한다.

열전도성 절연패드(22)는 고방열성 기판(20)에 인가되는 220V 등의 상용교류전원 등에 의한 전류 감전을 방지하기 위한 것이다. 열전도성 절연패드(22)는 외부로 누전되지 않도록 하기 위해 절연성을 가지며 고방열성 기판(20)에서의 열방출이 열전도성 절연패드(22)를 통과해 히트싱크 케이스(10)로 신속히 전달될 수 있도록 하기 위해 우수한 열전도성을 가진다.

본 발명에 따른 열전도성 절연패드(22)는 그 두께가 0.5~1.5㎜이며 열전도성은 3~10W/m-k이다. 열전도성은 높을수록 양호하나 전기절연성은 열전도성에 반비례관계를 가지므로 집속빔형 LED광원부(2)에서의 방열 및 관련부품들의 방열을 고려할 때 상기 3~10W/m-k범위의 열전도성이 의미를 가진다.

상기와 같은 열전도성 절연패드(22)는 상용교류전원을 사용시에 전기 안전성을 확보함과 동시에 고방열성 기판(20)상에 집속빔형 LED광원부(2)를 집중배치 함에 따른 고열 방출도 히트싱크 케이스(10)를 통해 수월하게 이루어질 수 있게 해준다. LED광원부(2)가 직류전원을 사용하는 직류구동용이면 감전의 위험은 별로 없으므로 이 경우에는 열전도성 절연패드(22) 대신에 열전도성 절연코팅막을 고방열성 기판(20)의 배면에 형성하는 것이 경제적으로 바람직하다.

열전도성 절연패드(22)나 열전도성 절연코팅막을 매개로 고방열성 기판(20)이 면접 설치되는 실장공간부(14) 바닥의 경사안착면(16)은 등기구 조명빛에 의한 공해가 야기되는 것을 방지를 위해 5~10°정도로 경사 형성하는 것이 바람직하다.

고방열 기판(20)을 히트싱크 케이스(10)의 실장공간부(14)에 형성된 경사안착면(16)에 체결시 절연을 위해서 플라스틱 스크류볼트를 사용하며, 고방열성 기판(20) 및 라인필터와 같은 내장전기부품(44)나 습기제거구(17)를 실장시킨 이후에는 배광용 렌즈(30)를 갖는 커버플레이트(40)의 볼트 체결로 실장공간부(14)를 밀봉시킨다.

본 발명의 구체적인 구현 예로서, 별도의 SMPS 없이 220V와 같은 상용교류전원을 사용하면서 성인 손바닥만한 고방열성 기판(20)으로 가로등이나 보안등과 같은 고출력용 등기구(A)를 위한 회로를 구현할 수도 있다.

도 13은 그에 관련된 회로 구성도이고, 도 1 및 도 2에서는 집중광원영역(21)에 LED칩(3)이 집중 배열된 고출력용 LED광원부(2)를 갖는 고방열성 기판(20)의 구현 일예 배치도와 예시 사진을 보여주고 있다.

도 13을 참조하면, 본 발명의 바람직한 회로 설계 예시로서 도 1이나 도 2와 같은 성인 손바닥 크기의 고방열성 기판(20) 상에는, 입력되는 교류전원을 정류하는 정류회로부(4), 집중광원영역(21)내에 LED칩(3)들이 배열 설치된 LED광원부(2), LED광원부(2)의 LED칩(3)들을 구동시키는 구동회로부(6), 상기 구동회로부(6)의 제어 하에 교류전원이 정류된 맥류전원이 미리 설정된 전압값 이상상태에서 전류가 흐르는 경로에 연결된 저항소자부(8)가 구비되며, 미설명된 저항 Rs는 전류센싱저항이다.

30~80W의 고휘도 발광이 가능한 집속빔형 LED광원부(2)는 LED칩(3)들이 직렬 또는 병렬이나 직병렬로 연결되어서 도 13에서와 같이 하나의 LED블록(2-k)(k는 자연수)들을 구성하며, 복수개의 LED블록(2-k)이 직렬로 연결되고 상기 LED블록(2-k)의 마지막단에는 저항소자부(8)가 연결되게 구성한다.

그리고 구동회로부(6)는 도 13에 도시된 바와 같이 NMOS FET와 같은 로직(logic) 스위치(6-k)(k는 자연수)들로 회로 구성하여서, 복수개의 스위치(6-k)들을 포함한 전류센싱저항 Rs에 흐르는 n번째 스위치의 전류 및 n+1번째 스위치의 전류의 합에 의해서 상기 n번째의 스위치(6-k)의 채널이 제어되게 함으로써 LED광원부(2)의 LED블록(2-k)들이 맥류전원전압 레벨에 따라 차례대로 점등되어 전체 점등이 완료되고 미리 설정된 전압값(예컨대 맥류전압 최고치 부근) 이상이 되면 저항소자부(8)로 전류가 흘리게 해주어 스위치들의 열화나 소손을 방지해준다.

상기와 같은 LED관련 회로부품들중에서 열발생이 많은 소자(능동소자나 수동소자)들 즉 LED광원부(2)와 구동회로부(6) 및 저항소자부(8)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 고방열성 기판(20) 내에서 분산배치되게 구성함으로써 열의 분산방출이 가능케 한다.

즉, 집중배치된 30~80W의 집속빔형 LED광원부(2)를 구동시키는 구동회로부(6)의 각 스위치(6-k)들의 잦은 스위칭에 따른 발열이 최소화되고 집속빔형 LED광원부(2)의 점등에 따라 생기는 발열도 히트싱크 케이스(10)를 통해 외부로 분산 및 신속방출시켜준다. AC전원으로 구동되는 구동회로부(6)는 AC구동형 고출력용이며 원칩(one chip) 집적회로로 구성할 수 있어 동일 면적 대비한 LED칩 배치 비율을 기존보다 상당히 높일 수 있으며, 별도의 SMPS 구비없이 상용교류전원을 입력원으로 하면서도 내구성과 신뢰성 있는 작동을 수행한다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 아웃도어용 고출력 LED등기구 조명장치는 AC구동형 아웃도어용 고출력 LED 등기구 조명장치로서, 고방열성 기판(20)에서의 방출열은 히트싱크 케이스(24)을 통해서 외부로 신속하게 배출된다.

본 발명의 아웃도어용 고출력 LED등기구(A)는 그 크기가 일반적인 가로등 구격을 충분히 만족하고 필요에 따라 오히려 적은 사이즈로 구현가능하며, 그 무게는 1~2kg이고 개당 30~80W 출력용량을 갖는다.

KS표준 인증에서는 150W이하의 LED등기구 무게를 10kg이하로 규정하고 있는데, 본 발명의 LED등기구(A)는 상당히 양호하게 만족하고 있다.

이렇게 가볍게 구현된 본 발명의 고출력 LED등기구(A)를 단위 모듈화하여 몇개씩 묶어서 LED 모듈 등기구를 구성하면 수요자가 요구하는 다양한 고출력 용량을 맞출 수 있다. 또 그중에 부분적으로 고장이 나면 마치 백열전구를 교체하듯이 LED광원부(2)를 갖는 고방열성 기판(20)만을 갈아주면 수리가 되는 이점도 있다.

본 발명에 따른 40W이상급 아웃도어용 고출력 LED등기구(40W, 60W, 80W) 조명장치에 대한 시험의 일예는 하기와 같다.

1) 고출력 LED등기구 조명장치의 방열시험

본 발명의 고출력 LED등기구 조명장치의 방열기능을 시험을 금오공대 에너지융합센터에 의뢰하여 현 한국산업표준(KS) 인증 심사기준중 하나인 KS C 60598에 따라 실험을 실시하였다. 이때의 발열조건은 LED칩당 0.6825W이고, 외부조건은 30℃ 밀폐공간으로서, 아웃도어용 고출력 LED등기구가 열적으로 안정화 상태를 이룬 후에 측정하여서 도 14a 및 도 14b의 예시와 같은 열분포도를 얻었다. LED등기구가 열적으로 안정화 상태를 이루게 되면 LED광원부(2)의 온도와 히트싱크 케이스(10)의 온도가 비슷하게 된다.

실험 결과, 고출력 LED등기구 조명장치에 대해서 LED 60W의 경우에는 도 14a에서 도시된 바와 같이 히트싱크 케이스(10)의 표면의 최대온도가 약 84℃이며 평균온도는 약 70℃로서, 그 평균온도가 85℃이하로서 LED광원의 긴수명 유지에 요구되는 기준에 충분히 부합되는 것이다.

그리고, LED 80W의 경우에는 도 14b에서 도시된 바와 같이 히트싱크 케이스(10)의 표면의 최대온도가 약 99℃이며 평균온도는 약 80℃로서, 그 평균온도가 85℃이하가 되므로 LED광원의 긴 수명 유지에 요구되는 기준에 부합하는 것이다.

2) LED등기구 조명장치의 배광 및 고효율 시험

전술한 본 발명의 구성에 따른 배광구조와 고효율 실험을 (주)제이엔씨테크 연구소에 의뢰하여 KS C 60598기준에 따라 실시하였으며, 실시결과는 도 15a 및 도 15b와 같다.

도 15a는 본 발명에 따라 제조된 LED등기구 조명장치에서 고효율을 포함한 각종 테스트 결과표를 보여주고 있는데, 본 발명의 LED등기구는 93.61 lm/W의 고효율(고효율 인증에 대한 KS 인증은 75 lm/W 이상임)을 나타냄을 확인할 수 있다. 또 도 15b에서는 배광 분포도로서 매우 양호한 배광구조를 나타내고 있다.

상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위 및 그 특허청구범위와 균등한 것에 의해 정해 져야 한다.

(2)-- 집속빔형 LED광원부 (3)-- LED칩
(4)-- 정류회로부 (6)-- 구동회로부
(8)-- 저항소자부 (10)-- 히트싱크 케이스
(12)-- 방열핀 (14)-- 실장 공간부
(15)-- 습기제거구 삽입홈 (16)-- 경사안착면
(17)-- 습기제거구 (18)-- 내장부품 삽입홈
(19)-- 전선인입공 (20)-- 고방열성 기판
(21)-- 집중광원영역 (22)-- 열전도성 절연패드
(24)-- 브라켓 (26)-- 투광채널공
(30)-- 배광용 렌즈 (32)-- 포물면형 오목내면
(34)-- 비구면형 볼록외면 (40)-- 커버플레이트
(42)-- 가스켓 (44)-- 내장전기부품

Claims (12)

1. 아웃도어용 고출력 LED등기구 조명장치에 있어서,
   단축거리와 장축거리의 비율이 1:1~1:1.5이고 10~50㎠ 면적을 갖는 집중광원영역(21)을 고방열성 기판(20) 상의 일부에 형성하고 상기 집중광원영역(21)내에는 30~80W의 고휘도 LED발광이 가능한 갯수의 LED칩(3)들이 집중 배열되게 하여서 아웃도어용 고출력 LED등기구에서 요구하는 광효율을 만족케 하는 집속빔형 LED광원부(2)를 구성하되 고방열성 기판(20)에는 LED칩(3) 구동에 관련된 회로부품들이 함께 탑재되어 고방열성 기판(20)의 교체로 LED모듈 수리가 가능케 구성하며,
   등기구용 히트싱크 케이스(10)의 실장공간부(14) 천장면에 30~80W 고출력의 집속빔형 LED광원부(2)를 갖는 고방열성 기판(20)을 밀착 고정하고,
   집속빔형 LED광원부(2)의 하방에는 집속빔형 LED광원부(2)를 구성하는 다수 LED칩(3)들을 일괄 커버할 수 있는 수광면적을 갖는 단일의 배광용 렌즈(30)가 위치되며 상기 단일의 배광용 렌즈(30)를 고정한 커버플레이트(40)를 히트싱크 케이스(10)에 체결하되, 상기 단일의 배광용 렌즈(30)는 포물면형 오목내면(32)과 비구면형 볼록외면(34)으로 형성되게 구성하여서, 집속빔형 LED광원부(2)의 다수 LED칩(3)들로부터 방사된 단일 집속광빔이 배광용 렌즈(30)의 포물면형 오목내면(32)에서의 1차 굴절에 이은 비구면형 볼록외면(34)에서의 2차 굴절을 통해서 해당 등기구용 배광분포가 형성되게 구성함을 특징으로 하는 아웃도어용 고출력 LED등기구 조명장치.
   
2. 제1항에 있어서, 집속광빔의 입체각도를 줄이기 위해 집속광빔의 단면형상을 규정하는 투광채널공(26)을 갖는 브라켓(24)을 배광용 렌즈(30)와 집속빔형 LED광원부(2) 사이에 설치함을 특징으로 하는 아웃도어용 고출력 LED등기구 조명장치.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 배광용 렌즈(30)의 재질은 PMMA(polymethyl methacrylate)나 유리중, PC(polycarbonate)중 하나임을 특징으로 하는 아웃도어용 고출력 LED등기구 조명장치.
   
4. 제1항에 있어서, 배광용 렌즈(30)는 포물면형 오목내면(32)에서의 1차 굴절과 비구면형 볼록외면(34)에서의 2차 굴절로 등기구가 요구하는 배광범위가 확보가능하도록 하기 수학식의 비면구 방정식을 이용해서 포물면형 오목내면(32)과 비구면형 볼록외면(34)을 형성함을 특징으로 하는 아웃도어용 고출력 LED등기구 조명장치.
   [수학식]
   

   

   
   여기서,
   H는 광축에 수직방향으로의 거리,
   Z는 렌즈 비구면 정점의 접평면에서 그 비구면 상의 높이 H점까지의 거리,
   R은 렌즈 비구면 정점에서의 곡률변경,
   k는 코닉(conic)상수.
   
5. 제4항에 있어서, 배광용 렌즈(30)의 오목내면(32)의 장방향 면의 조건은, 17 ＜ R ＜ 19, -1 ＜ k ＜ -0.90 이고, 볼록외면(34)의 장방향 면의 조건은, 32 ＜ R ＜ 36, -0.3 ＜ k ＜ -0.1 이며, 배광용 렌즈(30)의 단?향 볼록외면(34)의 단방향 면의 조건은, 33 ＜ R ＜ 35, -0.35 ＜ k ＜ -0.25 임을 특징으로 하는 아웃도어용 고출력 LED등기구 조명장치.
   
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8. 제1항에 있어서, 고방열성 기판(20)이 설치되는 실장공간부(14)의 바닥에는 조명빛에 의해 공해 방지를 위해 경사 형성된 경사안착면(16)이 형성되게 구성함을 특징으로 하는 아웃도어용 고출력 LED등기구 조명장치.
   
9. AC구동형의 아웃도어용 고출력 LED등기구 조명장치에 있어서,
   집중광원영역(21)을 고방열성 기판(20) 상의 일부에 형성하고 상기 집중광원영역(21)내에는 30~80W의 고휘도 LED발광이 가능한 갯수의 LED칩(3)들이 집중 배열되게 하여서 아웃도어용 고출력 LED등기구에서 요구하는 광효율을 만족케 하는 집속빔형 LED광원부(2)를 구성하며,
   등기구용 히트싱크 케이스(10)의 실장공간부(14) 천장면에 고출력의 집속빔형 LED광원부(2)를 갖는 고방열성 기판(20)을 밀착 고정하고, 집속빔형 LED광원부(2)의 하방에 집속빔형 LED광원부(2)를 구성하는 다수 LED칩(3)들을 일괄 커버할 수 있는 수광면적을 갖는 단일의 배광용 렌즈(30)가 위치되며 상기 단일의 배광용 렌즈(30)를 고정한 커버플레이트(40)를 히트싱크 케이스(10)에 체결하게 구성하되,
   상기의 고방열성 기판(30) 상에는, 집중광원영역(21)내에 다수 LED칩(3)들이 집중 배열된 LED광원부(2) 외에, 입력되는 상용교류전원을 맥류파로 정류하는 정류회로부(4), LED광원부(2)의 LED칩(3)들을 정류회로부(4)의 맥류파 전원으로 구동시키는 AC구동형 구동회로부(6), 상기 구동회로부(6)의 제어 하에 맥류파 전원의 미리 설정된 전압값 이상의 상태에서 전류가 흐르는 경로에 연결되어 구동회로부(6)내 스위치들의 열화나 소손을 방지하기 위한 저항소자부(8)를 포함하는 LED관련 회로부품이 함께 탑재되어서 고방열성 기판(30)의 교체로 LED모듈 수리가 가능케 구성되며, 열발생 근거지인 LED광원부(2)와 구동회로부(6) 및 저항소자부(8)는 고방열성 기판(20) 내에서 분산 배치되게 형성하여서 열분산이 이루어지게 함을 특징으로 하는 아웃도어용 고출력 LED등기구 조명장치.
   
10. 제9항에 있어서, 배광용 렌즈(30)는 포물면형 오목내면(32)과 비구면형 볼록외면(34)으로 형성되게 구성하여서, 집속빔형 LED광원부(2)로부터 방사된 단일 집속광빔이 배광용 렌즈(30)의 포물면형 오목내면(32)에서의 1차 굴절에 이은 비구면형 볼록외면(34)에서의 2차 굴절을 통해서 해당 등기구용 배광분포가 형성되게 구성함을 특징으로 하는 아웃도어용 고출력 LED등기구 조명장치.
    
11. 제1항 또는 제9항에 있어서, 히트싱크 케이스(10)는 구리가 함유된 캐스트 알루미늄 재질이나 열전도성수지 재질중 하나로 형성됨을 특징으로 하는 아웃도어용 고출력 LED등기구 조명장치.
    
12. 제1항 또는 제9항에 있어서, 히트싱크 케이스(10)는 구리가 함유된 캐스트알루미늄재질로서 1~2kg중량이며 초당 30~70J의 열량 방출이 이루어지게 구성함을 특징으로 하는 아웃도어용 고출력 LED등기구 조명장치.

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