KR101633334B1

KR101633334B1 - Ｌｅｄ 조명 장치

Info

Publication number: KR101633334B1
Application number: KR1020090111060A
Authority: KR
Inventors: 박칠근; 김상천; 최문구
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2009-11-17
Filing date: 2009-11-17
Publication date: 2016-06-24
Also published as: KR20110054428A

Abstract

본 발명은 LED 조명 장치에 관한 것으로 특히, 천장에 매립하여 설치할 수 있는 LED 조명 장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 방열핀과, 상기 방열핀과 일체를 이루며 제1체결부를 가지는 연결부를 포함하는 히트싱크; 상기 히트싱크에 설치되는 LED 광원; 및 상기 LED 광원에서 발광된 빛의 출사 지향각을 설정하고, 상기 빛이 출사되는 개구부를 가지며, 상기 제1체결부에 체결되는 제2체결부를 가지는 셰이드를 포함하여 구성된다.

히트싱크, LED, 셰이드, 회로 기판, 조명.

Description

ＬＥＤ 조명 장치 {Lighting device using LED}

본 발명은 LED 조명 장치에 관한 것으로 특히, 천장에 매립하여 설치할 수 있는 LED 조명 장치에 관한 것이다.

일반적으로 다운라이트(Down light; 매립등)는 천장에 홀을 뚫고 그 속에 광원을 매입하는 조명 방식으로서, 조명과 건물을 일체화시키는 건축 조명기법으로서 널리 사용되는 방식이다.

이러한 매립등은 천장에 매입되는 구조로서 조명기구의 노출이 거의 없어 천장면이 정돈되어 보이는 장점이 있으며, 더욱이 천장면이 어두워지는 특징이 있어 분위기 있는 실내공간을 연출하기에 적합한방식이라 할 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 열방출이 우수하고, 점 광원인 LED에서 발광되는 광을 효율적으로 집속하여 일정 지향각을 가지며, 광 효율 향상시킬 수 있는 LED를 이용한 조명 장치를 제공하고자 한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 것으로서, 본 발명은, 방열핀과, 상기 방열핀과 일체를 이루며 제1체결부를 가지는 연결부를 포함하는 히트싱크; 상기 히트싱크에 설치되는 LED 광원; 및 상기 LED 광원에서 발광된 빛의 출사 지향각을 설정하고, 상기 빛이 출사되는 개구부를 가지며, 상기 제1체결부에 체결되는 제2체결부를 가지는 셰이드를 포함하여 구성된다.

본 발명은 친환경, 장수명의 고효율 LED를 이용하여, 전력 소모가 적고, 열이 효율적으로 방출되며, 우수한 조도 및 균일성을 가지면서 LED 광에 의한 눈 부심을 방지할 뿐만 아니라 광 투과율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.

도 1에서 도시하는 바와 같이, 조명 장치는, 히트싱크(10)와, 이 히트싱크(10)에 설치되는 LED(light emitting diode) 광원(20)과, LED 광원(20)에서 발광된 빛의 출사 지향각을 설정하는 셰이드(30)를 포함하여 구성된다.

히트싱크(10)는 다수의 방열핀(11)을 포함하고, 이 방열핀(11)에 일체를 이루며 돌출되어 제1체결부(13)를 가지는 연결부(12)가 구성된다.

이러한 연결부(12)는 도 2에서와 같이, 방열핀(11)에 대하여 돌출된 원통형 형상을 이룰 수 있으며, 이러한 연결부(12)의 제1체결부(13)는 상술한 원통형 형상의 외주부 형성되는 제1나사산일 수 있다.

이와 같은 히트싱크(10)는 LED 광원(20)에서 발생하는 열을 외부로 방출하기 위하여 다수의 방열핀(11)을 일체로 형성한 것이다.

LED 광원(20)은 히트싱크(10)의 연결부(12) 상에 부착되어 설치되는 회로 기 판(printed circuit board; PCB; 21) 상에 구비되는 적어도 하나 이상의 LED(22)를 포함할 수 있으며, 다수의 LED(22)가 회로 기판(21) 상에 배열되어 구비될 수 있다.

셰이드(30)는 LED 광원(20)에서 발광되는 광을 집속하여 일정 지향각을 가지고 개구부를 통하여 출사될 수 있도록 하며, 내측면에는 미러면(Reflector; 32)을 가질 수 있다.

이러한 셰이드(30)는 히트싱크(10)의 제1체결부(13)에 체결되는 제2체결부(31)에 의하여 히트싱크(10)와 결합될 수 있으며, 이러한 제2체결부(31)는 셰이드(30)의 상측 단부 내측에 형성되어 제1체결부(13)인 제1나사산에 결합되는 제2나사산일 수 있다.

한편, 이러한 셰이드(30)의 빛이 출사되는 개구부에는 확산 기판(40)이 구비될 수 있다.

이와 같은 조명 장치는 상술한 바와 같이, 다수의 LED(22)를 집속하여 빛을 얻는 조명등으로 사용될 수 있는 것으로서, 특히 건물의 천장이나 벽체 내에 매입되어 셰이드(30)의 개구부 측이 노출되게 장착 될 수 있도록 하는 매입등(다운라이트)으로 이용할 수 있다.

상술한 조명 장치는 LED 광원(20)에서 방출하는 열의 방출 효율을 높이기 위하여 다수의 방열핀(11)을 형성하여 외부와의 접촉면적을 크게 함으로써 쿨링팬 등의 추가적인 기구 없이 LED 광원(20)에서 발생하는 열을 충분히 방출할 수 있으며, 또한 외부에서 인가되는 전원을 히트싱크(10) 상부에 접합되는 LED 광원(20)의 회 로 기판(21)과 연결하기 위한 관통홀(14)이 형성될 수 있다.

또한, 히트싱크(10)의 제1체결부(13)는 히트싱크(10)의 바디를 이루는 방열핀(11)에서 돌출된 형태로 형성되어 LED(22)에서 발광된 빛이 이 제1체결부(13)에 부딪쳐 반사나 흡수 됨으로 인하여 전체 광량이 감소되는 것을 최소화 할 수 있어, 조명 장치의 발광 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

상술한 히트싱크(10)는 압출(extrusion molding) 방법과 다이케스팅(Die casting) 방법, 사출(injection molding) 방법 등에 의하여 제조할 수 있으며, 이러한 히트싱크(10)를 형성할 수 있는 대표적 물질로는 알루미늄이 있다.

또한 히트싱크(10) 표면에 나노물질을 코팅하거나 산화시켜 외부와의 접촉 면적을 크게 함으로써 열 방출 효율을 보다 향상시킬 수 있다.

이와 같은 조명 장치의 최적의 광학 설계를 위하여 먼저, 광원인 LED(22) 패키지를 모델링할 수 있다. LED 패키지 모델링 및 광 시뮬레이션을 위한 소프트웨어는 ORA사의 LightTools를 사용하였다. LightTools를 이용한 모델링은 정확한 데이터에 근거하여 설계하여야 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 있다.

LED 패키지 제조 회사에서 제공된 데이터 시트(Data sheet)를 근거로 실제 제품의 구조와 크기에 유사한 3차원 LED 패키지를 설계하고 반사 컵 및 실리콘 렌즈 등의 각 특성에 맞는 적절한 재질을 선택하고 그에 맞는 굴절률, 투과율과 반사율 등의 데이터를 입력하여 모델링 하였다.

모델링된 LED 패키지는 광속 87lm, 색온도 3490K, 방사각(FWHM) 110°의 일 반적인 램버시안(Lambertian) 배광분포를 갖으며, 시제품 제작에 사용된 LED 패키지(Cree, XLamp XP-E P4)의 광학 특성을 만족하였다.

또한 모델링된 LED 패키지를 이용하여 회로 기판(21)의 LED(22) 패키지 장착 위치에 따른 광 추출효율을 비교하기 위하여 조명 장치의 구성요소들을 모델링할 수 있다.

도 1 및 도 2의 조명 장치로서, 다운라이트 모델링 예와 같이 셰이드(30)의 몸통 길이는 105mm, 최대 내구경 Φ114mm의 유선형 곡면을 가지며, 회로 기판(21) 크기는 약 Φ70mm로 하여 6인치 다운라이트용으로 설계하였다.

또한 회로 기판(21) 중심과 셰이드(30) 몸통 중심이 일치하도록 하여 방열설계가 적용된 오목형태의 히트싱크(10)와 체결된 상태에서 LED(22)의 위치를 변화시켜 가며 시뮬레이션 하였다.

도 3은 회로 기판(21; PCB) 중심에 LED(22)를 위치시켰을 때 거리를 “0“로 하여 중심으로부터 외각 방향으로 5mm 단위씩 LED(22) 위치를 변화시켜가며 광 추출 효율을 시뮬레이션 한 결과이다.

이와 같이 LED 다운라이트는 LED(22)에서 발광된 빛을 셰이드(30) 몸통 안에서의 간섭 또는 계속되는 중첩반사 없이 최대한 밑으로 내려가게 하여 조명 효율을 극대화하는 형상설계가 중요할 수 있다.

또한 작은 점광원과 높은 지향성을 가진 LED(22)를 다수 결합하여 만드는 조명기기는 사용자에게 글레어를 초래하여 불쾌감 및 피로감을 줄 수 있으므로 글레어 발생을 완화시키는 것이 유리하다.

이를 위하여 앞서 모델링 된 LED 다운라이트에서 15W급 LED 다운라이트에 필요한 LED 패키지 12EA를 회로 기판(21) 상에 균등하게 배치하고 셰이드(30) 길이 및 반사성질, 반사율 변화에 따른 시뮬레이션을 실시하여 원거리(farField Receiver)에서의 광도를 비교하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.

이때 셰이드(30) 최대 내구경 크기는 동일하게 하였으며, 반사성질은 램버시안(Lambertian) 반사와 미러(Mirror) 반사로 구분하였고 반사율은 각각 95%와 70%로 하였다. 셰이드(30)를 체결하지 않은 상태(Shade 길이: 0mm)에 비하여 셰이드(30)의 길이가 증가할수록 모든 조건에서 광 추출효율은 감소하였으며, 70% 반사율의 램버시안 반사성질의 경우 셰이드(30) 길이가 증가할수록 광 추출 효율은 크게 감소한 반면, 95% 미러반사 성질의 경우 광 추출 효율 감소는 크지 않음을 알 수 있다.

또한 셰이드(30) 길이변화에 따른 조명 글레어를 해결하기 위하여 셰이드(30) 길이를 5mm 단위로 더욱 세분하여 Raster Chart를 비교하였다. 이때 셰이드(30) 내부 반사면(32)의 반사성질은 95% 미러반사 성질 조건으로 하였다. 그 결과 셰이드(30) 길이가 45mm일 때 조도 균일도가 가장 우수하였으며 그때의 휘도 분포를 도 5에 나타내었다.

이와 같이 다운라이트 시뮬레이션 결과 셰이드(30)는 미러반사 성질의 우수한 반사도를 가지며, 또한 광원으로부터 셰이드(30)의 길이가 45mm일 때 광 추출 효율이 우수할 뿐만 아니라 균일한 조도분포를 가질 수 있으며, 글레어를 해결 할 수 있음을 알 수 있다.

한편, LED 칩의 발열을 효과적으로 방출할 수 있는 히트싱크(10)의 설계에 의하여 LED 칩 자체 또는 패키징 수지의 열화를 방지하는 것이 중요하다.

LED 다운라이트의 고신뢰성 확보를 위하여 히트싱크 방열 설계를 하였다. 히트싱크의 방열 설계는 15W급 LED 다운라이트에 적합 할 뿐만 아니라 20W급 LED 다운라이트에도 공용으로 사용되도록 설계 하였다.

20W급 LED 다운라이트에서 드라이브 효율 등을 감안하여 18W 정도가 LED에 인가되고 또한 광 효율을 고려하면 발열파워는 약 15.3W 정도이나, 일반적으로 방열 설계 시 20W 모두 발열로 전환한다고 가정하고 방열 시뮬레이션을 하였다.

시뮬레이션 조건은 아래와 같다.

- Boundary : 202mm * 202mm * 202mm Natural Air convection

- Flow: Laminar Flow

- Semi-closed space or opened space

- Room Temperature : 25℃

- Conduction, Convection, Radiation considered

- Source : Equivalent Thermal Resistance

- Power : 20W

- Reflector Emissivity ~ 0.77 (Anodized surface)

이와 같은 조건으로 열저항(Rth) 약 9K/W인 XP-E 패키지를 이용하여 오픈된(opened) 공간에서의 시뮬레이션 결과를 도 6에 나타내었다.

상술한 바와 같은 시뮬레이션을 통한 설계 조건을 고려하여, LED 광원(20)에 사용되는 LED(22)는 1W급 이상의 고출력(high power) 패키지가 이용될 수 있으며, 색온도 3000K 내지 7000K을 갖는 백색 LED 패키지를 적용하는 것이 유리하다.

LED 광원(20)에서 회로 기판(21)에 설치되는 LED(22)의 배치에 대한 일례로는 회로 기판(21) 상에 가상의 다수의 동심원 또는 동심 다각형 선상에 다수 배열하여 설치할 수 있다.

특히, 도 7에서와 같이, 회로 기판(21) 상에, 모서리와 변이 서로 접하는 가상의 동심 정사각형 선상에 LED(22)가 다수 배열되어 설치될 수 있다.

즉, 가상의 마름모 또는 정사각형의 모서리 부분에 배열할 수 있고, 그 변상에도 설치 가능하다. 또한 방열을 고려하되 가능한 회로 기판(21)의 중심부분에 LED(22)를 배치할 수 있다.

또한, 도 8에서와 같이, 회로 기판(21) 상에 다수의 가상의 동심원 상에 LED(22)를 배치할 수도 있다.

이와 같은 LED(22) 및 LED(22) 구동을 위한 IC 소자들(미도시)이 회로 기판(21)에 SMT(surface mounted technology) 표면실장 기술로 접합될 수 있으며, 회로 기판(21) 상면과 히트싱크(10)의 연결부(12)의 결합면을 열전도성이 우수한 접찹제를 사용하여 회로 기판(21)의 중심과 히트싱크(10)의 중심이 일치하도록 위치하여 접합한다.

이러한 회로 기판(21) 상에 접합되는 LED(22)의 위치는 도 9에서와 같이, 회로 기판(21) 중심으로부터 멀어질수록 즉, 체결된 셰이드(30)와 가까이 LED(22)가 위치할수록 LED(22)에서 발광된 빛이 셰이드(30)와의 충돌되는 회수가 증가하게 되어 외부로 방출되는 LED(22)의 광량이 감소하는 경향이 있으므로, 회로 기판(21)이 위치하는 가장 외곽에 위치하는 LED(22)와 셰이드(30)의 밑면 내부면(제2체결부)으로부터 10mm 이상 거리를 두고 LED(22) 패키지를 균등하게 위치하여 접합함으로써 다운라이트의 발광효율을 더욱 향상시킬 수 있고 피사체에 균일한 조도를 갖도록 할 수 있다.

이와 같이 배치된 LED(22) 패키지에서 발광된 빛을 집광할 뿐만 아니라 일정한 지향각을 갖도록 하는 셰이드(shade; 30)를 도 10에 나타내었다.

도 10에서 도시하는 바와 같은 셰이드(30)는 히트싱크(10) 체결부분인 제1체결부(13)와 결합되는 부분에 나선형의 제2체결부(31) 및 천정에 조명 장치를 고정하기 위한 고정홀(35), 확산판(40) 장착을 용이하게 하는 개구부 구조를 갖는 원통형으로서 다이케스팅(Die casting) 방법 및 사출(injection molding) 방법으로 제작 가능하다.

특히, 셰이드(30)의 원통형의 내부 반사면(32)은 LED(22) 패키지에서 발광된 빛이 충돌하게 되는데 이때 내부 반사면(32)의 광학 특성에 의하여 외부로 방출되는 효율과 크게 관련이 있다. 따라서 이러한 셰이드(30)의 내부 반사면(32)을 미러(mirror) 특성을 갖는 미러면으로 형성할 수 있다.

이러한 미러 특성을 갖는 미러면을 형성하기 위한 방법으로는 미러 특성을 갖는 광학 시트를 내부에 부착하거나, 은(Ag) 물질을 표면에 무전해 도금하여 형성할 수 있다. 또한 균일한 조도를 갖기 위하여는 셰이드(30)의 높이(H)가 일정 높이 이상인 경우가 유리하다.

따라서, 도 10에서와 같이, 셰이드(30)의 높이(H)를 30mm 내지 50mm 범위로 설정하는 것이 유리하다. 또한 확산 기판(diffuser flat; 40)은 LED(22) 패키지에서 발광되는 빛의 눈부심을 방지할 뿐만 아니라 빛을 확산함으로써 피사체에 균일하게 조사되도록 할 수 있다.

또한 확산 기판(40)은 광 투과율 우수한 것이 유리하므로 폴리카보네이트(PC) 기판, 아크릴 기판 등이 이용될 수 있다.

구체적인 예로, 상기의 투명 기판(41) 상에 광 투과율이 우수한 광학 확산 시트(42)를 부착함으로써 LED(22) 광에 의한 눈 부심을 방지할 뿐만 아니라 광 투과율을 더욱 향상시킬 수 있다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.

도 1은 조명 장치의 일 실시예를 나타내는 분해 단면도이다.

도 2는 조명 장치의 일 실시예를 나타내는 사시도이다.

도 3은 조명 장치의 광 추출율을 나타내는 그래프이다.

도 4는 셰이드의 길이에 따른 광 추출율을 나타내는 그래프이다.

도 5는 셰이드가 45mm인 경우의 강도 챠트이다.

도 6은 방열 시뮬레이션을 나타내는 시뮬레이션도이다.

도 7은 LED 배열의 일례를 나타내는 개략도이다.

도 8은 LED 배열의 다른 예를 나타내는 개략도이다.

도 9는 광원과 셰이드의 위치관계를 나타내는 개략도이다.

도 10은 셰이드의 설치 예를 나타내는 개략도이다.

Claims

Light Emitting Diode(LED) 조명 장치에 있어서,

방열핀과 상기 방열핀과 일체를 이루며 상기 방열핀에서 돌출되어 형성되고 제1체결부를 가지는 연결부를 포함하는 히트싱크;

상기 히트싱크의 연결부에 열전도성 접착제에 의하여 접착되어 설치되는 LED 광원;

상기 LED 광원에서 발광된 빛의 출사 지향각을 설정하고, 상기 빛이 출사되는 외측부에 개구부를 가지며, 상기 제1체결부에 체결되는 제2체결부를 가지는 셰이드; 및

상기 셰이드의 개구부에 구비되는 확산 기판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 LED 조명 장치.
제1항에 있어서, 상기 연결부는,

상기 방열핀에 대하여 상기 셰이드 측으로 돌출된 원통형 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 LED 조명 장치.
제2항에 있어서, 상기 제1체결부는,

상기 원통형 형상의 외주부에 형성된 제1나사산인 것을 특징으로 하는 LED 조명 장치.
제3항에 있어서, 상기 제2체결부는,

상기 제1나사산과 체결되며, 상기 셰이드의 단부 내측에 형성되는 제2나사산인 것을 특징으로 하는 LED 조명 장치.
제1항에 있어서, 상기 LED 광원은,

상기 연결부에 부착되는 회로 기판; 및

상기 회로 기판 상에 배열된 적어도 하나 이상의 LED인 것을 특징으로 하는 LED 조명 장치.
제5항에 있어서, 상기 LED는,

상기 회로 기판 상에, 가상의 원형 또는 다각형 선상에 다수 배열되는 것을 특징으로 하는 LED 조명 장치.
제5항에 있어서, 상기 LED는,

상기 회로 기판 상에 가상의 다수의 동심원 또는 동심 다각형 선상에 다수 배열되는 것을 특징으로 하는 LED 조명 장치.
제7항에 있어서, 상기 LED는,

상기 회로 기판 상에 모서리와 변이 서로 접하는 가상의 동심 정사각형 선상에 다수 배열되는 것을 특징으로 하는 LED 조명 장치.
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 LED 중 상기 회로 기판의 가장 외곽에 위치하는 LED와 상기 제2체결부 사이의 거리는 10mm 이상인 것을 특징으로 하는 LED 조명 장치.
제1항에 있어서, 상기 셰이드의 확산 기판이 설치되는 부분의 외측부에는 건물의 천정에 조명 장치를 고정하기 위한 고정홀이 구비되는 것을 특징으로 하는 LED 조명 장치.
제1항에 있어서, 상기 확산 기판은,

투명 기판; 및

상기 투명 기판 상에 위치하는 확산 시트를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 LED 조명 장치.
제1항에 있어서, 상기 셰이드의 높이는,

30mm 내지 50mm인 것을 특징으로 하는 LED 조명 장치.