KR101467639B1 - 엘이디 칩과 색필터를 이용하는 조명장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LED 칩과 색필터를 이용하는 조명장치를 개시한다.
본 발명에 따르면, LED 패키지를 생략한 LED 칩과, 광확산기능과 동시에 형광염료로 이루어져 색온도를 변환시키는 색필터를 이용함으로써, 광효율을 극대화하고, 공정을 단순화하여 생산단가를 절감하며, 얇고 미려한 평판형 조명장치를 제공할 수 있다.

Description

엘이디 칩과 색필터를 이용하는 조명장치{LIGHTING DEVICE HAVING LED CHIP AND COLOR-TEMPERATURE TRANSFORM FILTER}

본 발명은 LED 칩과 색필터를 이용하는 조명장치에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는, LED 패키지를 생략한 LED 칩과, 광확산기능과 동시에 색온도를 변환시키는 색필터를 이용함으로써, 광효율을 극대화하고, 공정을 단순화하여 생산단가를 절감하며, 얇고 미려한 평판형 디자인을 제공할 수 있는 조명장치에 관한 것이다.

조명에 필요한 광원기술은 백열램프로부터 형광램프, 할로겐램프, 나트륨램프, 메탈할라이드램프, 무전극램프, LED, OLED 등에 이르기까지 다종다양하다. 조명으로써 가장 유리한 조건은 효율과 생산단가 및 디자인 등이 종합적으로 고려된 상태에서 결정되어야 한다. 효율을 강조한다면 LED를 이용한 조명을 활용하면 되겠지만 이는 점광원이라는 단점을 극복해야 하며, 생산단가를 강조한다면 백열전구를 이용한 조명을 활용하면 되겠지만 효율면에서 범세계적 퇴출대상이고, 디자인을 강조한다면 OLED를 이용한 조명을 활용하면 되겠지만 높은 생산단가를 극복해야 한다.

LED를 이용한 조명장치는, 자외선 또는 청색 등의 단일 파장대의 광을 방출하는 칩을 제조하는 칩 단계, 리드프레임에 칩을 실장한 후 형광체를 포함하는 수지를 충진하는 패키지 단계, 다수의 패키지를 이용하여 종합적인 조립과정을 거쳐 최종장치를 생산하는 조명 단계 등으로 이루어짐으로써, 다소 복잡한 공정으로 인한 생산단가의 불리한 문제점이 발생하며, 조명기구의 발광표면 전체에서 발광하지 않고 조그마한 패키지들에서만 발광하는 점광원이라는 단점으로 인해 디자인면에서 불리한 문제점이 발생한다.

따라서, 보다 완성된 조명장치는, 보다 간략한 공정단계로 생산단가를 절감하고, 점광원의 단점을 극복하며, 광효율을 극대화시키고, 미려한 디자인을 제공해야 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 복잡한 공정의 LED 패키지 대신 LED 칩만을 이용하고, 확산체에 색변환기능을 부여함으로써, 공정을 단순화함과 동시에 생산단가를 절감할 수 있는 최적화된 조명장치를 제공한다.

또한, 형광염료를 이용하여 색온도를 변환하여 광효율을 극대화시킴과 동시에 미려한 디자인의 경량 박형 평판조명장치를 제공한다.

본 발명의 일 특징에 따른 LED 칩과 색필터를 이용하는 조명장치는, PCB기판상에 LED 칩이 실장되는 LED부와, 상기 LED부에서 나오는 빛이 측면으로 입사되어 조사면에 균일하게 퍼지는 도광판과, 상기 도광판의 일면에 위치되어 상기 LED부에서 나오는 빛이 조사면으로 반사되는 반사체와, 상기 LED부에서 발광되는 파장대를 특정 파장대로 색변환하는 형광염료를 포함하고, 상기 도광판에서 입사되는 빛이 산란되어 조사면으로 고루 퍼지는 색변환확산부를 포함한다.

본 발명의 다른 특징에 따른 LED 칩과 유기 색필터를 이용하는 조명장치는, PCB기판상에 LED 칩이 실장되는 LED부와, 상기 LED부에서 나오는 빛이 측면으로 입사되며, 상기 LED부에서 발광되는 파장대를 특정 파장대로 색변환하는 형광염료를 포함하고, 조사면에 균일하게 퍼지는 도광판과, 상기 도광판의 일면에 위치되어 상기 LED부에서 나오는 빛이 조사면으로 반사되는 반사체를 포함한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 LED 칩과 유기 색필터를 이용하는 조명장치는, PCB기판상에 LED 칩이 실장되는 LED부와, 상기 LED부에서 나오는 빛이 측면으로 입사되어 조사면에 균일하게 퍼지는 도광판과, 상기 도광판의 일면에 위치되어 상기 LED부에서 나오는 빛이 조사면으로 반사되는 반사체와, 상기 LED부에서 발광되는 파장대가 특정 파장대로 색변환되도록 기판 사이에 유기물이 밀봉되고, 상기 도광판에서 입사되는 빛이 산란되어 조사면으로 고루 퍼지도록 상기 유기물이 밀봉되는 기판의 일면이 확산처리되는 색변환확산부를 포함한다.

본 발명에 따르면, 광효율을 극대화함과 동시에 공정을 단순화하여 생산단가를 절감할 수 있는 최적화된 조명장치를 제공할 수 있다.

또한, LED 점광원을 면광원으로 전환함과 동시에 미려한 디자인의 경량 박형 평판조명장치를 제공할 수 있다.

도 1은 일반적인 LED 조명장치의 일예이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명장치의 분해사시도이고,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 조명장치의 분해사시도이고,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 조명장치의 색변환확산부의 단면도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 1은 일반적인 LED 조명장치의 일예이다. 도 1에 나타낸 LED 조명장치는 LED를 사용한 백라이트유닛(Back Light Unit, 이하 BLU)의 분해사시도이다. BLU는 TFT-LCD 패널 전체에 고르게 빛을 전달하는 조명장치이다.

후면샤시(Bottom-Chassis, 10)는 후면을 감싸며 BLU의 강도를 높여주는 역할을 한다. 반사체(Sheet-Reflector, 20)는 도광판(30)의 하면에 위치하여 LED에서 나오는 빛을 상면으로 반사시킨다. 도광판(Light Guide Panel, LGP, 30)은 LED에서 나오는 빛을 화면 전체에 균일하게 퍼지게 하는 역할을 한다. 프레임(Mold-Frame, 40)은 BLU의 각 부품을 고정하는 틀이다. LED부(50)는 광원 역할을 하며 LED 패키지(51)에서 나온 빛을 도광판(30)으로 입광시킨다. 확산체(Sheet-Diffuser, 60)는 도광판(30) 상면에 위치하여 도광판(30)에서 빠져 나가는 빛을 산란시켜 전면으로 고루 퍼지도록 한다. 프리즘시트(Sheet-Prism, 70, 80)는 확산된 빛을 정면으로 모아서 휘도를 상승시키는 역할을 한다. 차광테잎(90)은 이물질 유입을 방지하고 LCD 패널을 부착하는 역할을 한다.

여기서 LED부(50)는, 리드프레임에 단일 파장대의 LED 칩을 실장한 후 형광체를 포함하는 수지를 충진하여 이루어지는 LED 패키지(51)를 PCB기판에 다수 탑재하여 형성된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명장치의 분해사시도이다. 도 2에 나타낸 조명장치는, 도 1에 나타낸 LED 조명장치보다 간략한 공정단계를 적용하여 생산단가를 절감하고, 점광원의 단점을 극복하면서도, 미려한 디자인을 완성할 수 있는 것이다.

후면샤시(Bottom-Chassis, 10)는 후면을 감싸며 조명장치의 강도를 높여주는 역할을 한다. 반사체(Sheet-Reflector, 20)는 도광판(30)의 하면에 위치하여 LED 칩(52)에서 나오는 빛을 상면으로 반사시킨다. 도광판(Light Guide Panel, LGP, 30)은 LED에서 나오는 빛을 조사면 전체에 균일하게 퍼지게 하는 역할을 한다. 프레임(Mold-Frame, 40)은 조명장치의 각 부품을 고정하는 틀이다. LED부(50)는 광원 역할을 하며 LED 칩(52)에서 나온 빛을 도광판(30)으로 입광시킨다. 색변환확산부(61)는 LED 칩(52)에서 발광하는 파장대를 원하는 파장대로 색변환하는 역할을 함과 동시에 도광판(30)에서 빠져 나가는 빛을 산란시켜 전면으로 고루 퍼지도록 할 수 있다. 차광테잎(90)은 이물질 유입을 방지하며, 구비유무는 선택적으로 취할 수 있다.

도 2에 나타낸 조명장치의 LED부(50)는, LED 칩을 PCB기판에 다수 실장하여 형성된다. 도 1의 LED부는 복잡하고 고가의 공정을 거쳐 생산된 LED 패키지(51)를 다수 탑재하는 반면, 도 2의 LED부는 COB(Chip On Board)타입으로 PCB기판상에 직접 LED 칩(52)을 실장함으로써 LED 패키지 공정을 생략하고 단가를 절감할 수 있다. LED 칩(52)은, LED 칩이라면 파장대와 관계없이 모두 실장할 수 있으며, 바람직하게는 460nm 내외의 블루칩을 실장할 수 있다.

도 2에 나타낸 조명장치의 색변환확산부(61)는, LED 칩(52)에서 발광하는 파장대를 원하는 파장대로 색온도를 변환한다. 또한, 색변환확산부(61)는 도광판(30) 상면에 위치하여 도광판(30)에서 빠져 나가는 빛을 산란시켜 전면으로 고루 퍼지도록 할 수 있다. 도 1에 나타낸 확산체(60)가 단순히 빛을 산란시키는 확산 역할만을 수행하는 것이라면, 도 2에 나타낸 색변환확산부(61)는 확산 역할 뿐만 아니라 색온도변환 역할을 동시에 수행할 수 있다. 이러한 색변환확산부(61)의 역할로 인해 도 1에 나타낸 LED 패키지(51)가 불필요할 뿐 아니라 확산체(60) 역할이 혼합된 형태로 색변환확산부(61)가 형성됨으로써 단가를 더욱 절감할 수 있다.

색변환확산부(61)는 형광 및/또는 인광 역할을 함으로써 LED 칩(52)에서 발광되는 파장대를 원하는 파장대로 색변환할 수 있다. 색변환확산부(61)는 도 1에 나타낸 확산체(60)와 혼합된 형태로 구성되기 위해 필름형태로 형성될 수 있다. LED 칩(52)에서 발광되는 파장영역이 460nm 내외의 블루영역이라면, 색변환확산부(61)는 600nm 내외의 옐로우영역의 형광물질 및/또는 인광물질이 수지물과 혼합된 필름형태로 형성되어 백색광을 낼 수 있다. 색변환확산부(61)는 형광물질 및/또는 인광물질이 도광판(30) 일면에 도포된 형태로 형성될 수 있음은 물론이며, 이 때에는 확산체가 별도로 구비될 수 있다. 색변환확산부(61)에 사용되는 형광물질 및/또는 인광물질은, 그 종류에는 필요에 따라 제한을 두지 않으며, LED 칩(52)에서 발광되는 파장영역을 색변환하여 원하는 파장영역(예를 들어, 백색광)으로 색변환될 수 있도록 한다. 예를 들어, 황화물계, 규산염계, 인산염계, 텅스텐산염계 등의 물질을 응용할 수 있다. LED 칩(52)에서 발광하는 빛은 색변환확산부(61)에 광전효과를 가져오게 함으로써 보다 광효율을 증대시킬 수 있으며, 색변환확산부(61)는 LED 조명의 단점인 점광원을 면광원으로 변환시킴으로써 보다 슬림하고 미려한 평판조명을 구성할 수 있도록 한다. 색변환확산부(61)는 UV시트용재료에 형광 또는 인광물질을 섞은 후 UV를 쬐어 필름형태로 구성될 수 있다.

색변환확산부(61)는, 형광염료를 포함하며 LED 칩(52)에서 방출되는 광의 경로상에 배치될 수 있다. 색변환확산부(61)는 LED 칩(52)의 방출광의 색온도를 다른 색온도로 변환하여 출광시키는 역할을 할 수 있다. 색변환확산부(61)는 투광성 물질, 예를 들어 폴리카보네이트(PC)로 형성될 수 있으며, LED 칩(52)의 방출광의 색온도를 변화시키기 위해 형광염료를 포함할 수 있다. 본 실시형태에 따른 색변환확산부(61)는 형광염료 분말을 액상의 폴리카보네이트에 혼합하여 펠렛(pellet)을 제조한 후 상기 펠렛을 사출공정에 의해 원하는 형태의 색변환확산부(61)로 형성할 수 있다.

형광염료는 제1파장에서 빛을 흡수하고 제1 파장보다 긴 제2 파장의 빛을 발산하는 염료일 수 있다. 본 실시형태에서는, 조명장치가 백색광을 방출하도록 하기 위해서, LED 칩(52)에서는 400nm ~ 460nm 대역의 청색광을 방출하고, 색변환확산부(61)에 사용되는 형광염료는 황색계열을 사용할 수 있다. 구체적으로 형광염료는 데이글로(dayglo)사에서 제조된 솔벤트 옐로 98, 솔벤트 옐로 160:1 중 하나를 사용할 수 있다. 이처럼, LED 칩(52)의 방출광과 색변환확산부(61) 내부의 형광염료에 의해 조명장치에서는 백색광이 출력될 수 있다.

본 실시형태에 사용되는 형광염료는 종래에 청색 LED 광을 백색으로 변환하기 위해 사용하던 형광체와는 다른 물질이다. 본 실시형태에서는 종래의 YAG 계열, Silicate 계열, Nitride 계열 등의 형광체를 사용하지 않고 저렴한 형광염료를 사용함으로서 LED 조명장치의 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있다.

본 실시형태에서는 청색광을 방출하는 LED 소자와 황색계열의 형광염료를 사용하였으나, 청색광 LED 소자 대신 녹색광 LED 소자 또는 적색광 LED 소자를 사용할 수 있고, LED 조명장치에서 출력하고자 하는 색온도에 따라 색변환확산부(61)에 포함되는 형광염료의 종류를 다양하게 조절할 수 있다. 즉, 형광염료는 솔벤트 옐로 98, 솔벤트 옐로 160:1, 솔벤트 레드 197, 솔벤트 레드 196, 및 솔벤트 오렌지63 으로 구성된 군 중에서 선택된 적어도 하나의 형광염료일 수 있다.

색변환확산부(61)는 광확산물질(미도시)을 더 포함할 수 있다. 광확산물질은 LED 소자로부터 색필터로 유입된 광을 확산시킬 수 있다. 이러한 광확산 물질은 색변환확산부(61) 내부에서 광이 골고루 퍼지게 하여 색변환확산부(61)를 통과하는 광이 색변환확산부(61) 내부에서 한쪽으로 몰리는 현상을 방지할 수 있다. 본 실시형태에 사용될 수 있는 광확산 물질로는 BaSO4, 폴리스티렌 또는 가교 플라스틱 등이 사용될 수 있다. 광확산 물질의 첨가에 의해 상기 색필터의 광산란계수는 0.5 이상이 될 수 있다.

도 2에 나타낸 본 발명의 실시예를 변형하여 다른 실시예를 창출할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서는 도 2에 나타낸 색변환확산부(61)의 기능 중에서 색변환 기능을 분리하여 도광판(30)에 그 기능을 부여하여 구성될 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에서의 도광판은 빛을 조사면 전체에 균일하게 퍼지게 하는 기존의 기능 외에 형광 또는 인광물질이 혼합되어 색변환 기능을 할 수 있도록 구성된다. 또한, 조명장치의 보호 및 빛의 확산을 더욱 증대시키기 위한 확산기능을 수행할 수 있는 광확산평판유리(미도시)가 추가 구성될 수 있으며, 광확산평판유리는 본 발명의 어떠한 실시예에서도 추가 구성될 수 있다. 광확산평판유리 등을 제작할 시 미세한 알갱이로 구성되는 광확산제를 추가하면 광학산효과를 증대할 수 있다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 조명장치의 분해사시도이다. 도 3에 나타낸 조명장치는, 도 1에 나타낸 LED 조명장치보다 간략한 공정단계를 적용하여 생산단가를 절감하고, 점광원의 단점을 극복하면서도, 미려한 디자인을 완성할 수 있는 것이다.

후면샤시(Bottom-Chassis, 10)는 후면을 감싸며 조명장치의 강도를 높여주는 역할을 한다. 반사체(Sheet-Reflector, 20)는 도광판(30)의 하면에 위치하여 LED 칩(52)에서 나오는 빛을 상면으로 반사시킨다. 도광판(Light Guide Panel, LGP, 30)은 LED에서 나오는 빛을 조사면 전체에 균일하게 퍼지게 하는 역할을 한다. 프레임(Mold-Frame, 40)은 조명장치의 각 부품을 고정하는 틀이다. LED부(50)는 광원 역할을 하며 LED 칩(52)에서 나온 빛을 도광판(30)으로 입광시킨다. 색변환확산부(62)는 LED 칩(52)에서 발광하는 파장대를 원하는 파장대로 색변환하는 역할을 함과 동시에 도광판(30)에서 빠져 나가는 빛을 산란시켜 전면으로 고루 퍼지도록 할 수 있다. 차광테잎(90)은 이물질 유입을 방지하며, 구비유무는 선택적으로 취할 수 있다.

도 3에 나타낸 조명장치의 LED부(50)는, LED 칩을 PCB기판에 다수 실장하여 형성된다. 도 1의 LED부는 복잡하고 고가의 공정을 거쳐 생산된 LED 패키지(51)를 다수 탑재하는 반면, 도 3의 LED부는 COB(Chip On Board)타입으로 PCB기판상에 직접 LED 칩(52)을 실장함으로써 LED 패키지 공정을 생략할 수 있다. LED 칩(52)은, LED 칩이라면 파장대와 관계없이 모두 실장할 수 있으며, 바람직하게는 460nm 내외의 블루칩을 실장할 수 있다.

도 3에 나타낸 조명장치의 색변환확산부(62)는, LED 칩(52)에서 발광하는 파장대를 원하는 파장대로 색온도를 변환한다. 또한, 색변환확산부(62)는 도광판(30) 상면에 위치하여 도광판(30)에서 빠져 나가는 빛을 산란시켜 전면으로 고루 퍼지도록 할 수 있다. 도 1에 나타낸 확산체(60)가 단순히 빛을 산란시키는 확산 역할만을 수행하는 것이라면, 도 3에 나타낸 색변환확산부(62)는 확산 역할 뿐만 아니라 색온도변환 역할을 동시에 수행할 수 있다. 이러한 색변환확산부(62)의 역할로 인해 도 1에 나타낸 LED 패키지(51)가 불필요할 뿐 아니라 확산체(60) 역할이 혼합된 형태로 색변환확산부(62)가 형성됨으로써 단가를 더욱 절감할 수 있다.

색변환확산부(62)는 형광 및/또는 인광 역할을 함으로써 LED 칩(52)에서 발광되는 파장대를 원하는 파장대로 색변환할 수 있다. 도 3의 색변환확산부(62)는 공기중에 노출되는 변질될 수 있는 유기물질을 이용할 경우, 도 4에 나타낸 바와 같이, 기판(62a, 62c) 사이에 유기물질(62b)을 밀봉하여 형성할 수 있다. 기판(62a, 62c)은 유리기판 및/또는 수지기판 등 그 종류에는 제한을 두지 않으며 유기물질(62b)을 밀봉할 수 있는 형태로 구성될 수 있다. 색변환확산부(62)는 도 1에 나타낸 확산체(60)와 혼합된 형태로 구성되기 위해 기판(62a) 일면에 샌딩처리 등으로 빛의 확산을 유도할 수 있도록 한다. LED 칩(52)에서 발광되는 파장영역이 460nm 내외의 블루영역이라면, 색변환확산부(62)는 600nm 내외의 옐로우영역의 유기물질이 밀봉될 수 있다. 색변환확산부(62)에 사용되는 유기물질은, 그 종류에는 필요에 따라 제한을 두지 않으며, LED 칩(52)에서 발광되는 파장영역을 색변환하여 원하는 파장영역(예를 들어, 백색광)으로 색변환될 수 있도록 한다. LED 칩(52)에서 발광하는 빛은 유기물질(62b)에 광전효과를 가져오게 함으로써 보다 광효율을 증대시킬 수 있으며, 색변환확산부(62)는 LED 조명의 단점인 점광원을 면광원으로 변환시킴으로써 보다 슬림하고 미려한 평판조명을 구성할 수 있도록 한다.

10: 후면샤시 20: 반사체
30: 도광판 40: 프레임
50: LED부 51: LED 패키지
52: LED 칩 60: 확산체
61, 62: 색변환확산부 70, 80: 프리즘시트
90: 차광테잎

Claims (5)

1. PCB기판상에 LED 칩이 실장되는 LED부;
   상기 LED부에서 나오는 빛이 측면으로 입사되어 조사면에 균일하게 퍼지는 도광판;
   상기 도광판의 일면에 위치되어 상기 LED부에서 나오는 빛이 조사면으로 반사되는 반사체; 및
   솔벤트 옐로 98, 솔벤트 옐로 160:1, 솔벤트 레드 197, 솔벤트 레드 196, 및 솔벤트 오렌지 63 으로 구성된 군 중에서 선택된 적어도 하나의 염료를 포함하여 상기 LED부에서 발광되는 파장대를 특정 파장대로 색변환하고, 상기 도광판에서 입사되는 빛이 산란되어 조사면으로 고루 퍼지는 색변환확산부를 포함하는 LED 칩과 색필터를 이용하는 조명장치.
   
2. PCB기판상에 LED 칩이 실장되는 LED부;
   상기 LED부에서 나오는 빛이 측면으로 입사되며, 솔벤트 옐로 98, 솔벤트 옐로 160:1, 솔벤트 레드 197, 솔벤트 레드 196, 및 솔벤트 오렌지 63 으로 구성된 군 중에서 선택된 적어도 하나의 염료를 포함하여 상기 LED부에서 발광되는 파장대를 특정 파장대로 색변환하고, 조사면에 균일하게 퍼지는 도광판; 및
   상기 도광판의 일면에 위치되어 상기 LED부에서 나오는 빛이 조사면으로 반사되는 반사체를 포함하는 LED 칩과 색필터를 이용하는 조명장치.
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