KR101395804B1 - 발광다이오드 조명장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광다이오드 조명장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상부에 전원 공급부, 하부에 발광다이오드 소자가 실장된 기판, 및 내측부의 일부에 열전소자가 배열된 열전모듈이 구비된 하우징을 포함하는 조명장치로, 상기 발광다이오드 소자가 실장된 기판의 후면에 제1 방열핀부와, 상기 열전모듈과 대응되는 하우징의 외측부에는 제2 방열핀부가 각각 형성되고, 상기 하우징은 그 내부에 액상의 열매체가 저장되되, 상기 열매체는 열전모듈을 침지시키면서 하우징 총 부피의 70% 이하가 되도록 저장되며, 상기 기판과 열전모듈은 상호 이격 형성되어 열매체의 순환 대류를 유도함으로써, 조명장치의 수명을 연장시킬 수 있고 동시에 종래와 동등 이상의 소자의 냉각 효율을 유지할 수 있는 발광다이오드 조명장치에 관한 것이다.

Description

발광다이오드 조명장치{LIGHT EMITTING DIODE LAMP}

본 발명은 조명장치의 수명을 연장시킬 수 있고 동시에 종래와 동등 이상의 소자의 냉각 효율을 유지할 수 있는 발광다이오드 조명장치에 관한 것이다.

일반적으로 발광다이오드(LED: Light-Emitting Diode) 소자는 N형 반도체와 P형 반도체를 접합한 광전변환소자로서 휘도, 전력소모, 수명 등에 있어서 큰 장점을 보여 주기 때문에 각종 조명장치의 광원으로 널리 사용되고 있다.

상기 발광다이오드 소자는 다른 일반적인 다이오드와 동일하게 극성을 가지고 있으며, 캐소드(음극)에서 애노드(양극)로 정전압을 가해서 사용한다. 전압이 낮은 동안에는 전압을 올려도 전류가 거의 흐르지 않고 발광도 하지 않으나, 어느 전압 이상이 되면 전류가 빠르게 흘러서 전류량에 비례해서 발광한다.

이처럼 발광다이오드 소자가 발광할 때 소비전류는 표시등 용도에서 수 내지 50mA 정도이지만, 조명 용도에서 소비전력이 수W 단위의 대출력 발광다이오드도 있으며 구동 전류가 1A를 넘는 제품도 있다.

통상 실리콘, 금속 등으로 이루어진 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board)에 전극 패턴이 형성되고, 전극 패턴에 상기한 발광다이오드 소자가 부착되어 발광다이오드 모듈을 구성하게 된다.

상기 발광다이오드 모듈은 동일한 전력을 소비하더라도 온도를 낮게 유지할수록 출력되는 광속(Luminous Flux)의 양이 많으므로 조명 장치의 점등 효율이 높은 반면, 점등시 소자에서 매우 높은 열이 발생하기 때문에 소자의 적절한 냉각이 이루어지지 않게 되면 조명장치의 휘도와 사용 수명이 급격이 떨어지는 문제점이 발생된다.

이러한 발광다이오드 소자의 냉각 문제를 해결하기 위하여 한국등록특허 제1,038,414호에서는 발광다이오드 소자의 냉각 수단으로 열전소자를 발광다이오드 모듈의 후면에 밀착 설치한 조명장치를 개시하고 있다.

일반적으로 열전소자는 냉각 효율이 우수하고 소음의 발생이 적으나 열에 취약한 단점이 있다. 따라서 상기 발광다이오드 모듈의 후면에 바로 열전소자가 밀착 설치되면 발광다이오드 소자에서 발생된 열의 직접적인 영향으로 열전소자가 쉽게 열화되므로 조명장치의 수명이 단축되는 문제점이 발생된다.

상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 열전소자가 열화되는 것을 방지하여 조명장치의 수명을 연장시킬 수 있고, 동시에 종래 동등 이상의 발광다이오드 소자의 냉각 효율을 유지할 수 있는 발광다이오드 조명장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상부에 전원 공급부, 하부에 적어도 하나 이상의 발광다이오드 소자가 실장된 기판, 및 내측부의 일부에 적어도 하나 이상의 열전소자가 배열된 열전모듈이 구비된 하우징을 포함하는 조명장치로, 상기 발광다이오드 소자가 실장된 기판의 후면에 제1 방열핀부와, 상기 열전모듈과 대응되는 하우징의 외측부에는 제2 방열핀부가 각각 형성되고, 상기 하우징은 그 내부에 액상의 열매체가 저장되되, 상기 액상의 열매체는 열전모듈을 침지시키면서 하우징 총 부피의 70% 이하가 되도록 저장되며, 상기 기판과 열전모듈은 상호 이격 형성되어 열매체의 순환 대류를 유도하는 것임을 특징으로 하는 발광다이오드 조명장치를 제공한다.

또한, 상기 발광다이오드 소자는 하우징의 외부를 향하도록 돌출 형성된 것일 수 있다.

또한, 상기 하우징은 발광다이오드 소자로부터 발생된 빛이 외부로 조사될 수 있도록 투광부가 더 구비된 것일 수 있다.

바람직하기로는 상기 액상의 열매체는 플루오르화카본, 플루오르화케톤, 하이드로플루오르화카본, 실리콘 오일, 폴리디메틸실록산, 글리콜 및 미네랄 오일로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 냉매인 것일 수 있다.

보다 바람직하기로는 상기 열매체는 끓는점이 120℃ 이하인 것일 수 있다.

또한, 상기 하우징은 열전도성 수지로 형성된 것일 수 있다.

본 발명에 따른 발광다이오드 조명장치는 하우징의 내측부 일부에 열전모듈을 구비하여, 발광다이오드 소자에서 발생된 고온의 열이 열전모듈로 직접 전달되는 것을 방지할 수 있으므로 조명장치의 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 발광다이오드 소자가 실장된 기판과 열전모듈을 상호 이격 형성하고 열매체의 자연 순환대류를 유도함으로써 종래와 동등 이상의 소자의 냉각 효율을 유지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 별도로 열매체를 강제 순환하기 위한 펌프 등의 장치가 필요하지 않아 구조가 간단하고 경제성이 우수하다.

도 1은 본 발명에 따른 발광다이오드 조명장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

본 발명은 조명장치의 수명을 연장시킬 수 있고 동시에 종래와 동등 이상의 소자의 냉각 효율을 유지할 수 있는 발광다이오드 조명장치에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 따른 발광다이오드 조명장치를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 발광다이오드 조명장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1과 같이, 본 발명에 따른 발광다이오드 조명장치(10)는 상부에 전원 공급부(20), 하부에 적어도 하나 이상의 발광다이오드 소자(31a)가 실장된 기판(30), 및 내측부의 일부에 적어도 하나 이상의 열전소자가 배열된 열전모듈(40)이 구비된 하우징(50)을 포함한다.

본 발명에 따른 발광다이오드 조명장치(10)는 반도체에 전압을 가할 때 생기는 발광(전기장 발광) 현상을 이용하여 외부로 빛을 방출하는 장치이다.

상기 조명장치(10)는 낮은 전력 소모량, 긴 수명, 우수한 초기 구동특성 등의 장점을 가지고 있어 백라이트, 전광판, 자동차용 브레이크, 방향지시등, 가로등, 집어등 등 다양한 용도로 활용되고 있다.

조명장치(10)을 구성하는 상기 하우징(50)은 조명장치(10)의 각 구성품들을 보호하기 위한 케이스로서, 그 내부에는 액상의 열매체(60)가 저장된다. 상기 하우징(50)은 우수의 유입이나 습기에 의해 각 구성품들이 손상되는 것을 방지하고 열매체(60)가 외부로 누설되지 않도록 밀폐된 구조인 것이 바람직하다.

이때, 상기 하우징(50)은 발광다이오드 소자(31a)에서 발생된 열이 효율적으로 외부로 방출될 수 있도록 열전도성이 우수한 소재로 형성되는 것이 바람직하다. 일례로 상기 하우징(50)은 구리, 구리 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 및 전도성 세라믹 복합소재로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.

또한, 상기 하우징(50)의 형상은 조명장치(10)의 용도 및 사용 공간에 따라 변경 가능하며 일례로 단면이 사각형 또는 원형일 수 있다.

이와 같은 하우징(50)의 상부에는 전원 공급부(20), 하부에는 기판(30) 및 내측부의 일부에는 열전모듈(40)이 구비된다.

상기 전원 공급부(20)는 후술할 발광다이오드 소자(31a) 및 열전소자에 전원을 공급하는 역할을 한다. 또한, 상기 전원 공급부(20)는 도면에는 도시하지는 않았으나 소켓, 플러그, 통전선 등을 포함할 수 있으며 당업자라면 용이하게 형성할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

또한, 상기 기판(30)의 전면에는 전원 공급부(20)로부터 인가되는 전원을 공급받아 발광하는 발광다이오드 소자(31a)가 적어도 하나 이상 실장된다.

구체적으로 상기 발광다이오드 소자(31a)는 빛이 외부로 조사될 수 있게 함과 동시에 액상의 열매체(60)와의 접촉을 방지하기 위하여 하우징(50)의 외부를 향하도록 돌출 형성되는 것이 바람직하다.

상기 기판(30)은 통상 인쇄회로기판(PCB)을 사용할 수 있으며, 이때 기판(30)의 개수 및 상기 하나의 기판(30)에 실장되는 발광다이오드 소자(31a)의 개수는 조명장치(10)의 정격 용량(Rated Capacity)을 고려하여 적절히 형성될 수 있으며 본 발명은 특별히 한정하지는 않는다.

또한, 상기 기판(30)의 후면에 제1 방열핀부(70)가 형성된다. 상기 제1 방열핀부(70)는 발광다이오드 소자(31a)에서 발생된 열의 방출 면적을 증대시키는 역할을 한다.

상기 제1 방열핀부(70)로부터 방출된 열은 액상의 열매체(60)와 열교환이 이루어지게 됨에 따라 열매체(60)의 온도가 상승하게 된다.

이때, 제1 방열핀부(70)는 열매체(60)에 접촉되는 표면적을 최대한 넓게 하기 위해서 핀 형상의 방열핀이 일정 간격을 두고 다수개 형성되는 것이 바람직하다.

이렇게 제1 방열핀부(70)와의 열교환으로 온도가 상승된 열매체(60)는 하우징(50)의 내측부 일부에 형성된 열전모듈(40)에 의해 냉각된다.

상기 열전모듈(40)은 적어도 하나 이상의 열전소자가 배열된 것이다. 상기 열전소자는 통상 p형 및 n형 열전반도체(Thermolelectric Semicinductor)를 전기적(직렬) 및 열적(병렬)으로 연결된 형태로 구성된다.

열전소자에 전원을 공급하게 되면 펠티에 효과(Peltier Effect)에 의하여 모듈의 양면에 온도차가 발생되어 냉각면(흡열) 및 열면(발열)을 가지게 되고 동시에 제베크 효과(Seebeck Effect)에 의하여 열전발전이라는 발전현상이 일어나 전기가 생산되게 된다. 생산된 전기는 조명장치(10)로 공급되는 전력의 일부로 사용 가능하므로 조명장치(10)의 구동에 따른 전력 소비량을 절감할 수 있다.

이러한 열전소자는 일반적으로 열에 취약하므로 종래 발광다이오드 소자의 후면에 설치함으로써 발생된 조명장치의 단축된 수명을 방지하고자 본 발명에서는 열전소자로 배열된 열전모듈(40)이 하우징(50)의 내측부 일부에 형성된다.

더불어, 상기 소자(31a)가 실장된 기판(30) 및 열전모듈(40)은 상호 이격하고, 열매체(60)의 온도차에 의한 자연 순환대류를 유도함으로써 종래와 동등 이상의 소자(31a)의 냉각 효율을 유지할 수 있다.

구체적으로 열전소자의 냉각면은 발광다이오드 소자(31a)가 실장된 기판(30)과 인접하게 형성되어 온도가 상승된 열매체(60)의 열을 흡수하고, 열전소자의 열면은 하우징(50)의 내측부에 밀착 형성되어 흡수된 열을 외부로 방출시킨다.

따라서, 온도가 상승된 열매체(60)의 열은 냉각면에 의해 냉각되고, 냉각된 열매체(60)는 하우징(50)의 하부로 이동됨에 따라 열매체(60)의 온도차에 의한 반복적인 순환 대류가 가능하게 된다.

이와 같은 열매체(60)의 순환 대류를 통해 발광다이오드 소자(31a)에서 발생된 열의 전달 현상을 효율적으로 수행할 수 있어 소자(31a)의 냉각 효율을 극대화시킬 수 있다.

이때, 상기 열전모듈(40)은 p형 및 n형 열전반도체를 박막 형태로 하여 크기를 최소화할 수 있으며, 조명장치(10)의 사용 공간 및 사양 등에 따라 열전모듈(40)의 두께는 변경 가능하다.

상기 열전모듈(40)의 열면으로부터 방출된 열은 효과적으로 외부로 방출하기 위해서 열전모듈(40)과 대응되는 하우징(50)의 외측부에 제2 방열핀부(80)가 형성된다.

상기 제2 방열핀부(80)는 상술한 제1 방열핀부(70)와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

또한, 상기 하우징(50)은 발광다이오드 소자(31a)로부터 발생된 빛이 외부로 조사될 수 있도록 투광부(90)가 더 구비될 수 있다.

상기 투광부(90)는 발광다이오드 소자(31a)의 전면에 장착되어 소자(31a)에서 방출되는 빛을 입사시켜 외부로 확산시키는 역할을 한다.

이때, 상기 발광다이오드 소자(31a)는 방전 램프와 다르게 빛이 확산되는 각도가 작기 때문에 소자(31a)의 전면, 즉 빛이 방출되는 방향으로 볼록한 형상의 투광부(90)를 장착한다. 이에 따라 빛이 조사되는 각도가 확장되어 조명되는 면적을 증가시킬 수 있어 보다 효율적인 조명 효과를 얻게 된다.

또한, 상기 투광부(90)의 재질은 빛의 투과율을 향상시키기 위하여 투명한 아크릴(acrylic), 폴리카보네이트(polycarbonate) 또는 유리가 사용될 수 있다. 또한 투광부(90)의 형상은 반구형에 한정되지 않으며, 사각돔, 다각돔 또는 타원돔 등 다양한 형태로 변형이 가능하다.

본 발명에서 사용되고 있는 액상의 열매체(60)는 당해 분야에서 통상적으로 사용되는 것을 제한 없이 적용할 수 있으며, 구체적으로 열전도성이 우수하고 발광다이오드 소자(31a)의 구동시 열매체(60)를 통해 전기가 흐르지 않도록 전기 절연성이 우수한 것이 바람직하다.

바람직하기로는 상기 액상의 열매체(60)는 플루오르화카본, 플루오르화케톤, 하이드로플루오르화카본, 실리콘 오일, 폴리디메틸실록산, 글리콜 및 미네랄 오일로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 냉매인 것일 수 있다.

보다 바람직하기로는 상기 열매체(60)가 발광다이오드 소자(31a)에서 발생된 열을 흡수하여 소자(31a)가 적정 온도로 일정하게 유지할 수 있도록 끓는점이 120℃ 이하인 플루오르화카본인 것이 좋다. 상기 플루오르화카본은 안정적인 탄소-불소 결합으로 화학적으로 비반응성이고, 인화성 및 폭발성이 없어 냉매로 유용하게 사용된다.

이때, 도 1과 같이 상기 액상의 열매체(60)는 하우징(50)의 내부에 전부 저장되지는 않는다. 구체적으로 상기 열매체(60)의 부피 팽창정도를 고려하여 열매체(60)는 하우징(50) 총 부피의 70% 이하가 되도록 저장되는 것이 바람직하다.

이렇게 하우징(50) 내부에 저장된 열매체(60)는 열전모듈(40)을 완전히 침지시키면서 전원 공급부(20)가 침지되지 않도록 한다.

이러한 액상의 열매체(60)는 상기 제1 방열핀부(70)로부터 방출된 열에 의해 온도가 상승하고 열전모듈(40)에 의해 냉각되어 순환 대류하면서 제1 방열핀부(70)로부터 전달받은 열은 제2 방열핀부(80)을 통해 외부로 방출한다.

상기한 본 발명에 따른 발광다이오드 조명장치(10)의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.

사각 형상의 하우징(50)의 상부에 전원 공급부(20), 하부에 발광다이오드 소자(31a)가 실장된 기판(30), 및 내측부의 일부에 열전모듈(40)을 구비하고, 기판(30) 및 열전모듈(40)과 대응되는 하우징(50)의 외측부 각각에 제1 방열핀부(70)와 제2 방열핀부(80)를 형성시켜 발광다이오드 조명장치(10)를 형성한다.

이때, 상기 하우징(50)의 내부는 액상의 열매체(60)를 저장하되, 열전모듈(40)을 침지시키면서 하우징(50) 총 부피의 70% 이하가 되도록 저장한다.

소정 전원을 기판(30)으로 공급하게 되면 상기 기판(30)에 배열된 발광다이오드 소자(31a)가 구동되면서 높은 광량의 빛을 외부로 발산하게 된다. 이때, 상기 발광다이오드 소자(31a)의 구동 시에 발생된 고온의 열은 기판(30) 및 제1 방열핀부(70)를 통해 하우징(50) 내부에 저장된 열매체(60)로 전달되게 된다.

이에 따라, 상기 하우징(50) 내부에 저장된 열매체(60) 중 상기 기판(30)과 인접한 하우징(50) 하부의 열매체(60)는 온도가 상승하면서 하우징(50) 상부로 이동됨과 동시에, 하우징(50) 상부의 비교적 차가운 열매체(60)는 하우징(50) 하부로 하강하게 된다.

또한, 상기 발광다이오드 소자(31a)의 발열에 의해 온도가 상승하면서 하우징(50) 상부로 이동한 열매체(60)는 상기 열전모듈(40)의 냉각면에 의해 냉각되면서 온도가 낮춰진 후, 다시 하우징(50)의 하부로 내려와 상기 발광다이오드 소자(31a)의 구동에 따른 열을 흡수하게 되면서 열매체(60)의 자연 순환대류가 가능함에 따라 종래와 동등 이상의 소자(31a)의 냉각 효율을 유지할 수 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.

10: 발광다이오드 조명장치 20: 전원 공급부
31a: 발광다이오드 소자 30: 기판
40: 열전모듈 50: 하우징
60: 액상의 열매체 70: 제1 방열핀부
80: 제2 방열핀부 90: 투광부

Claims (6)

1. 상부에 전원 공급부, 하부에 적어도 하나 이상의 발광다이오드 소자가 실장된 기판, 및 내측부의 일부에 적어도 하나 이상의 열전소자가 배열된 열전모듈이 구비된 하우징을 포함하는 조명장치로,
   상기 발광다이오드 소자가 실장된 기판의 후면에 제1 방열핀부와, 상기 열전모듈과 대응되는 하우징의 외측부에는 제2 방열핀부가 각각 형성되고,
   상기 하우징은 그 내부에 액상의 열매체가 저장되되, 상기 액상의 열매체는 열전모듈을 침지시키면서 하우징 총 부피의 70% 이하가 되도록 저장되며,
   상기 기판과 열전모듈은 상호 이격 형성되어 열매체의 순환 대류를 유도하는 것임을 특징으로 하는 발광다이오드 조명장치.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 발광다이오드 소자는 하우징의 외부를 향하도록 돌출 형성된 것임을 특징으로 하는 발광다이오드 조명장치.
   
3. 청구항 2에 있어서, 상기 하우징은 발광다이오드 소자로부터 발생된 빛이 외부로 조사될 수 있도록 투광부가 더 구비된 것임을 특징으로 하는 발광다이오드 조명장치.
   
4. 청구항 1에 있어서, 상기 액상의 열매체는 플루오르화카본, 플루오르화케톤, 하이드로플루오르화카본, 실리콘 오일, 폴리디메틸실록산, 글리콜 및 미네랄 오일로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 냉매인 것임을 특징으로 하는 발광다이오드 조명장치.
   
5. 청구항 4에 있어서, 상기 열매체는 끓는점이 120℃ 이하인 것임을 특징으로 하는 발광다이오드 조명장치.
   
6. 청구항 1에 있어서, 상기 하우징은 열전도성 수지로 형성된 것임을 특징으로 하는 발광다이오드 조명장치.

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