KR101651277B1 - 광 방출 다이오드 조명 장치 - Google Patents

Abstract

LED 조명 장치는: 내부에서 캐비티와 연결되는 적어도 하나 이상의 개구를 갖는 열 전도성 몸체부 및 상기 몸체부의 일면과 열적 교류 상태가 되도록 장착되고 상기 개구 주위에 배치되는 복수 개의 LED를 포함한다. 하나 이상의 통로는 상기 캐비티로부터 상기 몸체부의 외면까지 상기 몸체부를 통과하고 동작 시 열적 대류에 의해 상기 캐비티를 통과하여 공기가 이동하고 이에 의해 상기 몸체부의 냉각을 제공하도록 구성된다. 각 통로는 상기 일면으로부터 멀어지게 상기 몸체부의 상기 외면을 향하여 상기 몸체부의 축과 평행한 선에 대하여 약 45도의 각도 방향으로 확장된다. 상기 몸체부는 그 외면이 백열 전구 또는 할로겐 반사 램프와 유사한 폼 팩터를 갖도록 구성될 수 있다.

Description

광 방출 다이오드 조명 장치{Light Emitting Diode(LED) lighting device}

본 발명은 광 방출 다이오드(LED) 기반의 조명 장치와 특히 이러한 장치의 냉각에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 이에 제한하는 것은 아니지만, 본 발명은 종래의 필라멘트 램프, 예를 들어 백열 전구(incandescent light bulb) 도는 할로겐 반사 램프(halogen refelctor lamp)를 대체할 수 있는 LED 조명 장치에 관한 것이다. 더 나아가서 본 발명은 고압(110/220V) 전원 공급 장치에 의해 동작될 수 있는 교류 구동(AC driven) LED 조명 장치에 관한 것이다.

또한, 본 출원은 발명의 명칭이 "LIGHT EMITTING DIODE(LED) LIGHTING DEVICE" 이고, 리이춘에 의해 2008년 9월 8일 출원된 미국 특허출원번호 12/206,347의 우선권을 주장하며, 상기의 출원이 본 명세서에 참조로써 통합된다.

백색광 발생 LED인 백색 LED는 비교적 최신의 기술이고 에너지 효율이 우수한 차세대 조명 시스템을 현실화시킬 수 있는 잠재력을 제공한다. 백색 LED는 100,000시간을 훨씬 뛰어넘는 긴 수명과 저전력 소모에 따른 고효율을 가지므로 필라멘트 형광등(filament(incandescent) fluorescent)과 컴팩트 형광 조명원(compact fluorescent sources)을 대체할 수 있을 것으로 예측된다.

전자기 스펙트럼의 블루/자외선(blue/ultraviolet) 기반의 백색 광원의 개발이 실질적으로 이루어졌다. 예를 들어 미국특허 5,998,925호에서 기재된 바와 같이, 백색 LED(white LEDs)는 LED에 의해서 방출되는 방사선(radiation)의 일부를 흡수하고 다른 색(파장)의 방사선을 재방출하는 적어도 하나 이상의 형광 물질(phosphor materials)들, 다시 말해서 광-루미네센스 물질들(photo-luminescent materials)을 포함한다.

전형적으로 LED 칩(chip) 또는 다이(die)는 블루광을 발생시키고 형광체들(phosphor(s))은 블루광의 일정 퍼센트를 흡수하고 옐로우광을 재방출하거나 또는 그린광과 레드광의 혼합광, 그린광과 엘로우광의 혼합광, 및 그린광과 레드광의 혼합광을 재방출한다.

형광체에 의해 흡수되지 않으며 LED에 의해 발생되는 블루광 중 일정 부분은, 사람의 눈에서 백색과 유사하게 보이는 광을 제공할 수 있도록 형광체에 의해 방출되는 광과 조합된다.

지금까지 고휘도(high brightness) 백색 LED는 종래의 백열 전구(incandescent light bulbs), 할로겐 반사 램프(halogen reflector lamps), 및 형광 램프(fluorescent lamps)를 대체할 목적으로 사용되어 왔다.

LED를 활용하는 대부분의 조명 장치는 복수의 LED가 종래의 광원 구성 요소(convenient light source component)를 대체한다. 예를 들어, 백열 전구(incandescent light bulb)의 필라멘트 어셈블리를 백색 LED 또는 레드, 그린, 및 블루 광 방출 LED의 그룹으로 대체하는 것이 공지되어 있다.

국제 특허번호 WO 2006/104553호에서는, 다수의 백색 LED가 일반적인 사각 기판(프린팅된 회로 보드)의 전면(front face), 후면(back face), 및 상부 모서리(top edge)에 장착되어 그들의 조합된 LED의 광방출이 일반적으로 구형이고(spherical) 종래의 백열광 전구의 광출력을 복제하는(replicate) 광투과 커버(light transmissive cover)로 둘러 쌓이고 상기 전구를 전원과 커플링(coupling) 하기 위한 커넥터 베이스(connector base)(예를 들어, 스크류 캡(screw cap))에 장착된다.

미국 특허번호 6,220,722호와 6,793,794호는, 백색 LED 그룹이 적어도 4개의 면을 갖는(예를 들어, 큐빅(cubic) 또는 사면체(tetrahedral)인) 다면체 지지부(polyhedral support)의 평면(planar face)에 장착되는 LED 램프(전구)를 개시한다. 상기 다면체 지지부는 열 방산 컬럼(heat dissipating column)에 의해 커넥터 베이스(conncector base)와 연결된다. 전체 어셈블리는 투면 전구(엔벌로프(envelope)) 내부에 둘러싸여서 종래의 백열 전구와 유사한 구조를 갖는다.

실실적인 LED 조명 장치 특히, 형광 전구(incandescent light bulbs)에 대한 직접적인 대체품으로써 사용될 수 있는 소형 장치(compact device)의 발전에 있어서 검토를 필요로 하는 문제점은, 그러한 장치에서 요구되는 다수의 LED(the large number of LEDs)에 의해 발생되는 열을 적절하게 방산시키는 것이고 그렇게 함으로써 LED들(LEDs)의 과열을 방지하는 것이다.

다양한 해결책이 제안되었다. 하나의 해결책은 LED 장치의 몸체부를 포함하는 히트 싱크에 LED(LEDs)를 장착하는 것인데, 여기에서 상기 히트 싱크는, 상기 LED 조명 장치가 종래의 조명 소켓에 사용될 수 있도록 하는 종래의 커넥터 캡(connector cap)에 장착된다.

미국 특허번호 6,982,518 호에 기재된 일 예를 들자면, 히트 싱크는 히트 싱크의 표면적을 증가시키기 위한 다수의 위도 방향 핀들(latitudinal fins)을 포함할 수 있다. 상기 장치가 종래의 전구(light bulb)와 유사성을 갖도록 투명 또는 반투명의 돔 형태 커버가 LED(LEDs) 상부에 제공될 수 있다.

미국 특허번호 6,982,518 호에서는 백열 전구(incandescent light bulb)의 외부 표면 프로파일(outer surface profile)을 실질적으로 모방하도록 상기 히트 싱크의 폼 팩터(form factor)가 형성된다.

미국 특허번호 6,793,374호에서는 열 방산을 돕기 위해 상기 열 방산 컬럼(heat dissipating column)은: 히트 싱크를 포함하거나;, 엘벌로프(envelope) 내부에서 공기 흐름을 돕기 위한 유입(inlet) 및 유출(outlet) 개구(aperture)를 포함하거나;, 캡과의 열적 교류(thermal communication)가 이루어지도록 하고, 또는 램프 내부에서 공기의 흐름을 발생시키기 위한 팬을 포함할 수 있다.

CA 2 478 001 호는 열 전도 실린더 코어 어셈블리(thermally conducting cylindrical core assembly) 상부에 LED들이 장착된 LED 전구(LED light bulb)를 개시한다. 상기 코어 어셈블리는 세그먼트 구조(segmented structure)이고, 로드(rod)위에 장착되는 세 개의 상이한 디스크들의 스택(stack)을 포함한다.

상기 LED들은(LEDs) 절연체 디스크(insulator disks)와 금속 디스크(metallice disk) 사이에 끼워진(interposed) 회로 디스크(circuit disks)에 연결된다. 상기 코어 어셈블리는 확산 커버(diffusing cover) 내부에 엔클로징되고, 상기 확산 커버는, 상기 코어 위쪽 그리고 캡 내의 구멍 바깥으로의 공기의 균일한 난기류(turbulent flow)를 생성하기 위한 임펠러(impeller) 및 베이스 내부의 개구를 포함한다.

국제 특허번호 WO 2007/130359 호는 물, 미네랄 오일, 또는 겔과 같은 열 전도성 유체로 LED 전구의 셀(shell)[엔벌로프(envelope)]을 완전히 또는 부분적으로 채우는 것을 개시한다. 상기 열 전도성 유체는 LED들에 의해 발생되는 열을 상기 셀 측으로 전달하고, 백열 전구(incandescent light bulb) 내부에서와 같이 복사(radiation)와 대류(convection)를 통하여 방산되도록 한다. 이와 유사하게 국제 특허번호 WO 2007/130358 호는 엔벌로프(envelope)를 열 전도성 플라스틱 물질, 예를 들어 겔 또는 액체 플라스틱 물질과 같은 것으로 채우는 것을 개시한다.

미국 특허번호 7,144,135 호는, 종래의 백열 PAR(parabolic aluminized reglector) 타입 램프와 같은 폼 팩터를 갖는 외부 셀(exterior shell)을 포함하는 LED 램프를 개시한다. 상기 LED 램프는, 상기 셀 내부에 배치되고 적어도 하나 이상의 LED들(LEDs)에 의해 방출된 광을 지향(direct)시키는 광학 반사체(optical reflector)를 포함한다.

상기 광학 반사체와 상기 셀은 상기 램프를 냉각시키도록 공기를 채널링(channel)하는데 사용되는 공간을 한정하고, 상기 LED 들은 상기 셀과 상기 반사체 사이의 상기 공간 내에 배치되는 히트 싱크에 장착된다. 상기 셀은 공기 유입부(air inlet) 및 배기 어퍼처들(exhaust apertures)의 역할을 수행하는 적어도 하나 이상의 어퍼처를 포함하고, 히트 싱크 위쪽 및 상기 배기 어퍼처 바깥쪽으로 공기를 이동시키기 위하여 상기 공간 내부에 팬이 제공된다.

상기와 같은 구성은 냉각 효과를 개선시킬 수 있는 한편, 팬이 포함되어 있으므로 과도한 소음이 발생하거나, 다수의 장치들에 적용하기 위해서는 고비용이며, 팬의 구동을 위한 전력이 필요하므로 에너지 효율이 낮아지는 문제점이 있다.

공지된 바와 같이 LED들은 본질적으로(intrinsically) 오직 단일 방향에서만(single direction) 전류를 통과시킬 수 있는 직류 장치이다. 대다수의 조명 장치에 있어서 정류 회로의 사용이 요구되는 고압(110/250V) 교류 메인 전원 공급 장치(mains power supply)로부터 LED 조명 장치들을 동작할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

커넥터 캡(connector cap) 내부에 구동 회로(driver circuitry)를 하우징하는 것이 알려져 있다. 또한 교류 전원 장치에 의해 LED들을 직접적으로 동작시키는 것이 알려져 있고 자가-정류 구성(self-rectifying configuration)으로 상기 LED들을 연결시키는 것에 의해 구동 회로(driver circuitry)에 대한 필요성을 없애는 것이 또한 알려져 있다.

일반적으로 2 스트링(two strings)의 직렬 연결된 LED들이 반파 정류 구성으로(in a half-wave rectifier configuration) 반대 극성의 LED들과 병렬 연결되어 상기 LED들이 자가-정류(self-recifying)를 수행한다.

LED들에 인가되는 총 소스 전압(total source voltage)을 낮추기 위하여 스트링줄 각각에 충분한 숫자의 LED들이 제공된다. 교류 사이클의 양의 반주기(positive half)동안 LED들의 하나의 스트링이 순방향 바이어스(forward biased)되어 전류가 통하게 되는(energized) 한편, LED들의 다른 하나의 스트링은 역방향 바이어스된다.(reverse biased).

교류 사이클의 음의 반주기(negative half)에서 LED들의 상기 다른 하나의 스트링은 순방향 바이어스되어 전류가 통하게 되는 한편, LED들의 상기 하나의 스트링은 역방향 바이어스되어 전류가 통하지 않게 된다.

그리하여 상기 2개의 스트링은 각각 교류 전원의 주파수(50-60Hz)에서 교류적으로 전류가 통하게 되고 상기 장치는 지속적으로 전류가 통하게 되는 것처럼 보이게 된다. 비록 자가-정류 구성(self-rectifying configuration)이 별도의 구동 회로의 필요성을 없애주긴 하지만, 어느 시간에 오직 하나의 LED 스트링만이 전류가 통하게 되므로, 단지 50%의 페이로드(payload)를 가지므로 전력 비효율이 발생하는 문제점이 있다.

더 나아가서, 항시 스위치 모드(constantly switched mode)에서 그것들을 동작시키는 경우 LED들의 장 기간의 안정성(long term reliability)에 있어서의 효과에 대한 우려들이 표현되고 있다.

본 발명의 실시예들은 종래의 장치의 한계점들을 적어도 부분적으로나마 극복하고, 특히 이에 제한하는 것은 아니지만 열 관리 문제(thermal management issues)를 개선한 LED 조명 장치를 제공하기 위한 시도에서 도출되었다.

본 발명의 실시예들은 열 전도 몸체부(thermally conducting body)의 하나 또는 복수의 면(faces)에 장착된 복수의 LED들을 포함하는 LED 조명 장치에 관한 것이다. 상기/각각의 면은 상기 몸체부 내부의 적어도 하나 이상의 캐비티(cavity)와 교류하는(in communication with) 적어도 하나 이상의 개구를 가지며, 상기 LED들은 상기 개구 주위에 장착되고, 상기 몸체부의 각각의 면과 열적 교류 (thermal communication) 상태에 있다.

상기 적어도 하나 이상의 캐비티로부터 상기 몸체부 외면까지 상기 몸체부를 통과하는 적어도 하나 이상의 통로(passage)는, 상기 적어도 하나 이상의 통로를 통한 열적 대류(thermal convection)에 의해 상기 캐비티를 통과하는 공기의 움직임을 촉진시키고 이에 의해 상기 몸체부와 상기 LED들의 냉각(cooling)을 제공하도록 구성된다.

상기 캐비티와 통로(들)는 모두 굴뚝(chimney)(연통(flute))과 유사한 역할을 수행하는데, “굴뚝 효과(chimney effect)”에 의해 공기가 연통(flue) 내부의 뜨거운 가스의 상승에 따라 연소를 위한 공기가 끌어들여지며(drawn in), 결과적으로 상기 캐비티와 통로는 연통을 포함하는 것으로 집합적으로(collectively) 간주될 수 있다.

본 발명에 따른 광 방출 다이오드 조명 장치는: 내부의 적어도 하나 이상의 캐비티(cavity)와 연결되는 적어도 하나 이상의 개구(opening)를 갖는 열 전도 몸체부(thermally conducting body);, 상기 몸체부의 면과 열 교류(thermal communication) 상태가 되도록 장착되고 상기 오프닝 주위에 위치하는 복수 개의 LED;, 및 상기 캐비티로부터 상기 몸체부의 외면까지 상기 몸체부를 따라 통과하며(passing through), 동작 시 열적 대류에 의해 적어도 하나 이상의 상기 캐비티를 통과하도록 공기가 이동하고 이에 의해 상기 몸체부의 냉각(cooling)을 제공하도록 구성되는 적어도 하나 이상의 통로 (passage)를 포함한다.

하나 혹은 복수 개의 상기 캐비티와 통로는 (i) 상기 몸체부의 열 방출 표면적(heat emitting surface area)을 대략 30퍼센트까지 증가시킬 수 있고, (ii) 각각의 LED의 히트 싱크 효율(heat sink performance)에 있어서 편차(variation)를 감소시킬 수 있으며, (iii) 열 방산(heat dissipation)을 15% 내지 25%까지 증가시킬 수 있다.

하나 혹은 복수 개의 상기 캐비티에 대한 상기 개구(들) 주변에 복수 개의 LED를 배열하는 것은, 상기 몸체부의 열 방출 표면에 대한 각 장치의 열 전도 경로(thermal conduction path)의 길이를 줄일 수 있고 보다 균일한 LED들의 냉각을 촉진시킨다.

대조적으로 중앙 캐비티 (central cavity)가 포함되지 않고 LED들이 어레이로서 배열되는 장치에서는, 상기 어레이의 중심부에서 LED들에 의해 발생되는 열이, 상기 어레이의 모서리에서 상기 장치에 의해 발생되는 열의 열 전도 경로보다 긴 길이의 열 방출 표면(heat emitting surface)에 대한 열 전도 경로를 가질 것이며, 결과적으로 상기 어레이의 중심부에서 LED들에 대한 보다 낮은 히트 싱크 효율이 야기된다.

비록 상기 캐비티가 상기 몸체부의 열 전도 표면적(heat emitting surface area)을 증가시키지만, 만약 그러한 공기가 탈출할 수 있도록 하는 적어도 하나 이상의 통로(passage)가 없다면 장치가 하부 방향으로 지향되는(oriented) 면과 개구를 갖는 장치가 동작될 때 상기 캐비티는 가열된 공기를 트래핑(trapping)시킬 수 있고, 이렇게 함으로써 장치의 보다 나은 냉각을 제공하는 상기 캐비티/통로를 통한 공기의 흐름을 확립시킨다.

공기의 흐름을 촉진시키기 위하여, 상기 적어도 하나 이상의 통로(passage)는 상기 몸체부의 축(axis)으로부터 상기 몸체부의 외부 표면 방향으로 상기 면(face)으로부터 멀어지게 확장되도록 형성된다. 상기 통로(들)는 상기 몸체부의 축과 평행한 선에 대하여 0 도 내지 90도 범위의 각도 방향으로 확장될 수 있다.

상기 장치가 동작될 오리엔테이션(orientation)이 알려지지 않았고 다양한 사용자 별로 다를 것이기 때문에, 상기 통로(들)은 상기 장치의 오리엔테이션과 무관하게 공기 흐름을 촉진시키기 위하여 전형적으로 30도 내지 60도 범위, 보다 바람직하게는 45도 각도로 확장될 것이다.

일 실시예에서 상기 몸체부는 실질적으로 원뿔추대(a frustrum of cone)[원뿔대형(frustconical)]이고 상기 베이스는 상기 LED들이 장착되는 면을 포함한다. 바람직하게는 상기 적어도 하나 이상의 캐비티(cavity)가 또한 형태상 실질적으로 원뿔추대형이거나 원뿔형이고, 상기 몸체부와 실질적으로 동축(coaxial)이다.

상기 장치가 상용되는 조명 기구들(exsisting lighting fixtures)에 직접적으로 사용될 수 있도록 하기 위해, 상기 몸체부는, 그것의 외부 표면이 백열 전구, MR-16 할로겐 반사 램프(MR-16 halogen reflector lamp), 또는 MR-11 할로겐 반사 램프의 엔벌로프(전구)와 유사한 폼 팩터(form factor)를 갖도록 형성될 수 있다.

상기 몸체부는 다른 형태를 가질 수 있고 일 실시예에서는 실질적으로 실린더 형태일 수 있다.

공기의 흐름을 증가시키기 위하여 상기 장치는 상기 몸체부의 외부 표면에 상기 캐비티를 연결시키는 복수의 통로를 포함하는 것이 유리하다. 상기 복수의 통로는 원주 방향으로 이격될 수 있거나(circumferentially spaced) 및/또는 축방향으로 이격될 수 있다.(axially spaced). 상기 통로들은 상기 장치의 동작의 오리엔테이션에 무관하게 공기의 흐름을 최대화시킬 수 있도록 상기 몸체부의 축과 평행한 선에 대하여 상이한 각도 방향들로 확장될 수 있다.

열 방산에 보다 도움이 되도록 하기 위하여 상기 몸체부는 복수의 열 방사 핀(heat radiating fins)[결(vein)] 또는 상기 몸체부의 표면으로부터 확장되는 다른 열 방사 피처(feature)들을 더 포함할 수 있다.

상기 복수의 열 방사 핀은 상기 몸체부의 외부 표면으로부터 확장될 수 있거나 및/또는 적어도 하나 이상의 상기 캐비티 또는 하나 혹은 복수 개의 상기 통로로부터 확장될 수 있다.

상기 몸체부는, 예를 들어 구리, 알루미늄, 양극 산화 처리된 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 또는 금속이 로딩된 플라스틱 물질(metal loading plastics material), 또는 알루미늄 실리콘 카바이드(AlSiC)와 같은 열 전도성 세라믹과 같은 높은 열 전도성(일반적으로 150Wm^-1K^-1 이상이고 바람직하게는 200Wm^-1K^-1 이상)을 갖는 여하한의 물질로부터 제조될 수 있다.

보다 바람직하게는 상기 몸체부는 상기 몸체부로부터 열의 복사를 더욱 증가시킬 수 있는 어두운 마감재(dark finish), 바람직하게는 흑색 마감재를 더 포함할 수 있다.

LED들은 상기 장치에 의해 방출된 빛의 강도(intensity)가 대체적으로 균일하도록(generally uniform) 상기 개구 주위에서 간격(separation)을 갖도록 배치되는 것이 유리하다.

본 명세서의 맥락(context)에서 “대체적으로 균일함”(generally uniform)이란 약 25퍼센트 미만의 강도 편차 보다 바람직하게는 10퍼센트 미만의 강도 편차를 의미한다. 일반적으로, LED는 1mm 내지 5mm의 범위의 간격으로 분리된다. 상기 장치의 광 방출의 강도를 증가시키기 위해 상기 LED들은 어레이 형태로 그룹화될 수 있고 상기 LED들의 어레이들은 상기 개구 주위에 위치될 수 있다. 일반적으로 상기 LED 어레이들은 1mm 내지 5mm의 범위의 간격을 가지도록 분리될 수 있다.(separated with a spacing)

상기 장치가 광의 대체적으로 균일한 방출을 생성하도록 상기 개구 주위에 LED들의 간격을 유지하는 것은 상기 장치가 일반적으로 균일한 빛을 생산하도록 하는 것은 자신의 발명의 권리로서(in its own right) 진보적인(inventive) 것으로 판단된다. 따라서 본 발명의 다른 관점에 따르면, LED 조명 장치는: 몸체부를 포함하는데 상기 몸체부는 상기 몸체부의 면을 통과하는 개구 및 상기 면에 장착되고 상기 개구 주위에 위치하는 복수의 LED를 가지며: 상기 LED들은 상기 장치로부터 방출된 광의 강도가 실질적으로 균일하도록 하는 간격을 가지고 상기 개구 주위에 이격된다.

광 방출 장치들(light emission devices)의 광의 강도(intensity)의 균일성을 더욱 증가시키기 위해 본 발명의 다양한 측면에 있어서 LED 들의 위에 놓이는(overlying) 렌즈 장치(a lens arrangement)들을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 장치들은, 조명 프로덕트(illumination product)가 거의 종종 백색광인 일반 조명에 특별히 적용될 수 있다. 그러한 적용에 있어서 LED들은 형광 물질을 포함하는 백색광 방출 LED 소위 “백색 LED”(white LEDs)일 수 있다. 대안적으로 다른 장치에서는, 상기 복수 개의 LED 위에 놓이는 적어도 하나 이상의 형광 물질이 제공될 수 있고, 상기 형광 물질은 관련된 LED에 의해 방출된 광의 적어도 일부분을 흡수하고 다른 파장의 광을 재방출하도록 동작할 수 있다. 일반적으로 파우더 형태를 갖는 상기 형광체는, 폴리머 물질[예를 들어, 열적 또는 자외선 경화성(curable) 실리콘 또는 에폭시 물질]과 같은 광 투과성 바인더 물질(light transmissive binder material)과 혼합될 수 있고, 상기 폴리머/형광체는 그리고 나서 시트 형태로 압출될 수 있다.

상기 형광체 시트는 적당한 형태의 조각들로 커팅되거나 또는 스탬핑(stamping)되어 LED들의 위에 놓이도록 장착될 수 있다. 형광체를 함유한 물질의 시트를 개별적으로 제조(separately fabricating)하는 것의 한가지 장점은, 방출된 광의 보다 일관된(consistent) 색상 그리고/또는 상관 색 온도(correlated color temperature: CCT)를 발생시키는 것이 가능하다는 점인데, 그 이유는 형광체가 LED 패키지의 부분으로써 통합될 때의 영역과 비교하여 보다 넓은 영역에서 형광체의 광-루미네센스(photo-luminescence)에 의한 광의 발생이 이루어지기 때문이다.

또 다른 장점은 제조 비용의 감소인데, 그 이유는 전형적으로 블루(400nm 에서 480nm) 광 방출 LED인 단일 LED는, 형광체를 함유한 물질의 적절한 시트의 적용(application of an appropriate sheet)에 의해 선택된 장치에 의해 발생되는 광의 CCT 및/또는 색조(color hue)가 요구되기 때문이다. 또 다른 장점은 형광체가 직접적으로 LED 칩과 열 교류가 이루어지지 않기 때문에 형광체의 열적 저하(thermal degration)를 줄일 수 있기 때문이다.

상술하는 바와 같이 본 발명의 장치는 일반적 조명 용도이고 상기 장치는 백열 전구 또는 할로겐 반사 램프의 대체품으로 구성될 수 있다. 이러한 적용에 있어서 상기 장치는, 보다 바람직하게 에디슨 스크류 베이스[(Edison screw base (E26 or E27))), 바요넷 커넥터 베이스[(a bayonet connector base (BC))], 이중 접촉 바요넷 커넥터 베이스[(a double contact bayonet connector base (B22d))), 바이핀 베이스[(a bipin (2-pin) base (GU5.3 or GX5.3))), 또는 GU10( “턴 앤 락”) (a GU10 “turn and lock”) 과 같이 종래의 조명 소켓을 사용하는 전원에 상기 장치를 연결시키기 위한 전기 커넥터를 더 포함할 수 있다.

LED들은 자가-정류 구성으로 연결되어 교류 전원에 의해 직접적으로 구동될 수 있다. 대안적으로 상기 LED들은, 개별적인 다이오드들을 포함하는 브릿지 정류기의 정류 노드들 사이에 연결될 수 있다. 용이하게(conveniently) 상기 브릿지 정류기는 커넥터 내부에 하우징될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면 엘이디LED 조명 장치는: 열 전도성 몸체부(thermally conducting body)를 포함하는데, 상기 몸체부는 상기 몸체부의 외부 표면과 상기 몸체부 내의 개구를 연결시키는 적어도 하나 이상의 플루(flue)를 갖고, 상기 몸체부의 일면과 열적 교류(thermal communication) 상태로 장착되고 상기 플루 개구(flue opening) 주위에 배치되는 복수의 LED를 포함하며, 여기서 상기 적어도 하나 이상의 플루는 동작 시 공기가 열적 대류(thermal convenction)에 의해 상기 적어도 하나 이상의 플루를 통과하여 이동하고 이에 의해 상기 몸체부의 냉각을 제공하도록 구성된다.

본 발명이 보다 잘 이해되도록 본 발명에 따른 광 방출 조명 장치들이, 단지 예시로서, 아래의 도면들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 조명 장치의 개략적인 사시도,
도 2는 도 1의 LED 조명 장치의 부분 절개(part sectional)되고 부분 분해 조립(partially exploded)된 사시도,
도 3은 상기 장치의 광 방출면을 향한 방향에서의 도 1의 LED 조명 장치에 대한 평면도,
도 4는 동작의 제 1 오리엔테이션을 위한 도 1의 LED 조명 장치의 A-A 평면에서의 개략적 단면도,
도 5의 (a) 내지 (d)는, (a) 45도, (b) 90도, (c)0도, 및 (d) 10도와 30도의 각도 θ로 각각 확장되는 예시적 통로 구성들을 도시한 열 전도 몸체부(thermally conducting body)의 개략적 단면도,
도 6은 동작의 제 2 오리엔테이션을 위한 도 1의 LED 조명 장치의 A-A 평면에서의 개략적 단면도,
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 LED 조명 장치의 개략적 단면도,
도 8은 도 7의 LED 장치의 B-B 평면에 대한 개략적 단면도,
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 LED 조명 장치의 개략적 단면도,
도 10은 도 9의 LED 조명 장치의 C-C 평면에 대한 개략적 단면도,
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 LED 조명 장치의 개략적 단면도, 및
도 12는 도 11의 LED 조명 장치의 D-D 평면에 대한 개략적 단면도이다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 백색광 방출 LED 조명 장치(10)는 첨부한 도면들 중 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명될 것이다. LED 조명 장치(10)는 북 아메리카지역에서 사용되는 110V(r.m.s.) 교류(60Hz) 메인 전원 공급에 의해 동작하도록 구성되어 있고 백열 전구/반사 램프에 대한 직접적 대체물로서 사용하도록 의도되었다.

도 1 내지 도 3을 참조하면 LED 조명 장치(10)는 일반적인 원뿔 형상(conical shaped)의 열 전도성 몸체부(thermally conducting body)(12)를 포함한다. 몸체부(12)는 외면이 일반적으로 원뿔추대(frustrum of a cone)와 유사한 형태의 고체 몸체부(solid body)이다.

다시 말해서 정점(apex) 또는 꼭지점(vertex)이 베이스에 평행한 평면(plane)에 의해 잘라진(truncated) 원뿔[실질적으로 원뿔대(frustoconical)]을 의미한다.

몸체부(12)는 높은 열 전도율(일반적으로 150Wm^-1K^-1 이상이고, 보다 바람직하게는 200Wm^-1K^-1 이상)을 갖는 물질로 만들어질 수 있는데, 예를 들어, 구리(열전도율이 약 400Wm^-1K^-1), 알루미늄(열전도율이 약 250Wm^-1K^-1), 양극 산화처리된(adonized) 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 폴리머(polymer) 와 같이 금속 로딩된(metal loaded) 플라스틱 물질, 예를 들어 에폭시 또는 열 전도성 세라믹 물질(예를 들어 알루미늄 실리콘 카바이트(AlSiC)(열전도율이 약 170 내지 200 Wm^-1K^-1) 일 수 있다.

용이하게 (conveniently) 상기 몸체부(12)는 금속 합금을 포함하는 경우 다이 캐스팅될 수 있고 금속 로딩된 폴리머 또는 열 전도 세라믹을 포함하는 경우 몰딩될 수 있다.

복수 개의 위도 방향 열 방사 핀들(latitudinal heat radiating fins)[(결들(veins)](14)은 몸체부의 외부 곡면(curved surface) 주위를 따라 원주 방향으로 이격된다.(circumferentially spaced). 상기 조명 장치는 종래의 백열 전구를 대체하는 것으로 의도되기 때문에 장치의 치수들(dimensions)이 종래의 조명 기구(lighting fixture)를 피팅(fitting)하는 것을 보장하도록 선택되어야 하고, 그 결과로 상기 몸체부의 길이는 축 방향으로 65 내지 100mm 범위, 전형적으로는 90mm이고, 열 방사 핀을 포함한 최대 직경(실질적으로 베이스의 직경임)이 60 내지 80mm 범위, 전형적으로는 약 65mm 이다.

동축의 실질적으로 직각(coaxial substantially right) 원형의 원뿔 캐비티(circular conical cavity)[보어(bore)](16)는 몸체부 베이스 내부에서 원형의 개구(18)로부터 몸체부(12) 내측으로 확장한다. 열 두개의 대체적으로 원형이며 가늘어지는(tapering) 형태의 통로(passage)[관로(conduit)])(20)들은 캐비티(16)를 몸체부의 외부 곡면과 연결한다.

예시적인 실시예에서 상기 통로들(20)은, 캐비티 내부의 통로들의 개구들이 몸체부의 베이스에 근접하도록 위치하며 8개의 첫 번째 그룹, 그리고 캐비티의 내부의 통로들의 개구들이 캐비티의 꼭대기(apex)를 향하여 배치되는 4개의 두 번째 그룹으로 그룹화된다. 상기 통로들은 원주 방향으로 이격되고 각각의 통로(20)는 일반적으로 몸체부 베이스로부터 멀어지는 방향에서 방사상의 방향으로, 즉 도시된 바와 같이 대체적으로 위쪽을 향해 확장되는 방향으로 확장된다.

도시된 바와 같이 통로의 경사각 θ는 약 25도이고 몸체부의 축(axis)에 평행하고 캐비티 내부의 개구의 중심부를 통과하는 선에 대하여 측정된다. 통로들의 숫자, 크기, 좌표, 그루핑(grouping), 및 경사각은 단지 예시적이고 주어진 적용을 위하여 기술 분야의 당업자에 의해 쉽게 조정될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

이하에 기술되는 바와 같이, 상기 통로들(20)은 몸체부를 통과하는 공기의 흐름을 가능하게 하여 상기 장치의 냉각 성능을 증가시킬 것이다. 열의 방산에 보다 큰 도움을 주기 위하여 상기 통로들(20) 및/또는 캐비티(16)는 또한 일련의 열 방사 핀들을 포함할 수 있다. 그러나, 편의상 이하 도면들에서는 캐비티(16) 또는 통로들(20) 내부의 핀들이 도시되지 않는다.

상기 장치(10)는, 상기 장치가 표준의 전기 조명 스크류 소켓을 사용하는 메인 전력 공급원(mains power supply)과 직접 연결될 수 있도록 E26 커넥터 캡(에디슨 스크류 램프 베이스)(22)를 더 포함한다. 의도되는 적용에 따라 E26 커넥터 캡 외의 다른 종류의 커넥터 캡들, 예를 들어 통상적으로 영국, 아일랜드, 호주, 뉴질랜드, 및 다른 영 연방 국가들에서 사용되는 이중 접촉 바요넷 커넥터(double contact bayonet connector)(즉, B22d 또는 BC와 같은) 또는 유럽 지역에서 주로 사용되는 커넥터 캡인 E27 스크류 베이스(에디슨 스크류 램프 베이스)가 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 커넥터 캡(22)은 몸체부(12)의 절단된 정점(apex)에 장착되고 몸체부는 캡(22)으로부터 전기적으로 절연된다.

복수의 LED 장치(24)(도면상에는 여섯개로 도시됨)는 고리 형상의(annular) 금속 코어 인쇄 회로 기판(MCPCB : metal core printed circuit board) (26) 상부에 고리 모양의 어레이로 장착된다. 알려진 바와 같이 MCPCB는 일반적으로 알루미늄인 금속 코어 베이스, 열 전도성/전기적 절연 유전층, 및 원하는 회로 구성으로전기 구성 요소들을 전기적으로 연결시키기 위한 구리 회로층으로 구성되는 적층 구조를 포함한다. MCPCB(26)의 금속 코어 베이스는, 열 전도 복합체(compound) 예를 들어 베릴륨 옥사이드(beryllium oxide) 또는 알루미늄 니트라이드(aluminum nitride)를 포함하는 표준 히트 싱크 복합체를 포함하는 접착제의 도움으로 몸체부(12)의 베이스와 열적 교류가 이루어지도록 장착된다.

회로 기판(26)은 몸체부(12)의 베이스와 거의 동일한 치수를 가지며 원형의 개구(18)에 대응하는 홀(hole)을 포함한다. 메인 전력 공급원으로부터 조명 장치(10)을 직접적으로 동작시키기 위한 정류 회로(28)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 커넥터 캡(22) 내부에 하우징될 수 있다. 몸체부의 베이스와 정점(apex) 사이에서 몸체부(12)를 통과하는 관로(도시되지 않음) 내부에 위치한 연결 선(30)에 의해 LED 장치(24)에 전력이 공급된다.

각각의 LED 장치(24)는 바람직하게 복수 개의 공동-패키지된(co-packaged) LED 칩을 포함한다. 일 예로 동시 계류중인 미국 출원 시리얼 번호 12/127,749호(2008년 5월 27일에 출원)에서 해당 내용이 제시되고 있고, 전체 내용이 참조로써 본 명세서에 포함된다. 기재된 실시예에서 각 LED 장치(24)는, 단일 세라믹 패키지로 패키징되는(packaged) 49개까지의 LED 칩들을 인에이블링시키도록 각각의 LED 칩을 각각 하우징할 수 있는 49개의 원형 리세스(recesses)[블라인드 홀(blind holed)]의 정사각형 어레이(가로 7줄, 세로 7줄이)를 갖는 정사각형의 다중 적층된(multilayered) 세라믹 패키지를 포함한다.

일반적으로 세라믹 패키지는 12mm의 정사각형이고 각각의 리세스는 인접한 리세스의 중심들 사이에서 2mm의 간격을 가지며 직경은 1mm이다. 110V 교류 동작을 위해 각각의 LED 장치(24)는 일반적으로 45개가 직렬 연결된 65mV 갈륨 니트라이드 기반의 블루광 방출 LED 칩(24)을 포함하는데, 동작하는 동안에 각각의 LED 칩은 3.426V로 피크 전압이 떨어지게 된다. [(교류 피크 전압 - 정류 다이오드들 양 단에서의 전압 강하) ÷ LED들의 숫자 : (110*1.414-2*0.68)/45=3.426] LED 장치(24)는 다이오드 브릿지 정류기의 정류 노드들 사이에 병렬로 연결된다. 백색광을 발생하여야 하므로 각각의 리세스는 형광체(phosphor) 물질(광 루미네센스 물질)로 포팅될 수 있다(potted).

일반적으로 파우더 형태를 갖는 형인광체 물질은, 폴리머 물질과 같은 투명 바인더 물질 [예를 들어 열 또는 자외선 경화성(curable) 실리콘 또는 에폭시 물질] 과 혼합되고 각각의 LED 칩의 방출면에는 폴리머/형광체 혼합물이 인가(apply)된다.

본 발명의 광 방출 장치는 특히 일반식 A₃Si(O,D)₅ 또는 A₂Si(O,D)₄ 인 실리케이트계 형광체와 같은 무기 형광체와의 사용에 적합한데, 여기에서 Si는 실리콘이고 O는 산소이며, A는 스트론튬(Sr), 바륨(Br), 마그네슘(Mg), 또는 칼슘(Ca)을 포함하고 D는 염소(Cl), 불소(F), 나트륨(N), 또는 황(S)을 포함한다.

참조로서 본 명세서에 그 내용들이 통합되는 동시 계류중인 US2006/0145123, US2006/0261309, US2007/0029526, 및 특허번호 US7,311,858 (또한 Intermatix Corporation에 양도됨) 에 실리케이트계 형광체들의 예시가 도시된다.

US2006/0145123에 개시된 바와 같이, 유로퓸 [europium (Eu^{2 +})]에 활성화된 실리케이트계 그린 형광체는 일반적인 화학식 (Sr,A₁)x(Si,A₂)(O,A₃)_2+x:Eu^{2 +}을 갖는다. 여기서 A₁은 예를 들어 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 징크 (Zn), 소듐(Na), 리튬(Li), 비스무스 (Bi), 이트륨(Y) 또는 세륨(Ce)과 같은 적어도 2⁺ 양이온, 1⁺ 및 3⁺ 양이온 조합이고;, A₂는 예를 들어 보론 (B), 알루미늄 (Al), 갈륨(Ga), 카본(C), 게르마늄(Ge), N 또는 포스포러스(P)와 같은 3⁺, 4⁺ 또는 5⁺ 양이온이며;, A₃ 는 예를 들어 플루오르(F), 염소(Cl), 브로마인 (Br), N 또는 S와 같은 1^-, 2^- 또는 3^- 음이온이다. 상기 화학식은, A₁ 양이온이 Sr을 치환하며, A₂ 양이온은 Si를 치환하며, A₃ 양이온은 산소를 치환하는 것을 나타내도록 사용된다. x의 값은 1.5 내지 2.5 사이의 정수 또는 비정수(non-integer) 이다.

US 7,311,858는 A₂SiO₄:Eu^{2 +} D 의 화학식을 갖는 실리케이트계 옐로우-그린 형광체를 개시한다. 여기서 A는 Sr, Ca, Ba, Mg, Zn 또는 카드뮴(Cd)를 포함하는 2가 금속 중 적어도 하나이고;, D는 F, Cl, Br, 이오다인(I), P, S 및 N을 포함하는 도펀트(dopant)이다. 도펀트 D는 약 0.01 내지 20몰 퍼센트 범위로 형광체 내에 존재할 수 있고 도펀트의 적어도 몇몇은 형광체의 결정 격자 내에 통합되도록 산소 양이온들을 치환한다. 상기 형광체는 (Sr_{1 -x- y}Ba_xM_y)SiO₄:Eu^{2 +}D를 포함할 수 있는데, 여기서 M 은 Ca, Mg, Zn 또는 Cd로 구성되고 0≤x≤1 및 0≤y≤1이다.

US2006/0261309는 2상의 실리케이트계 형광체를 개시하는데, 제 1 상(phase)은 (M1)₂SiO₄과 동일한 결정구조를 가지며, 제 2 상은 (M2)₃SiO₅과 동일한 결정구조를 갖는다. 여기서 M1과 M2는 각각 Sr, Ba, Mg, Ca 또는 Zn를 포함한다. 적어도 하나의 상은 2가 유로퓸 (Eu^{2 +})으로 활성화되고 적어도 하나의 상은 F, Cl, Br, S 또는 N를 구성되는 도펀트(D)를 포함한다. 규산염 결정 모체의 산소 원자 격자 위치에 도펀트 원자들의 적어도 몇몇이 위치되는 것으로 믿어진다.

US2007/0029526는 화학식 (Sr_{1 - x}M_x)_yEu_zSiO₅을 갖는 실리케이트계 오렌지 형광체를 개시한다. 여기서 M은 Ba, Mg, Ca 또는 Zn로 구성된 2가 금속 중 적어도 하나이고;, 0<x<0.5이며;, 2.6<y<3.3이며;, 0.001<z<0.5이다. 형광체는 약 565 nm보다 큰 최대 방출 파장을 갖는 가시광을 방출하도록 구성된다.

또한 상기 형광체는, 참조로서 본 명세서에 그 내용이 통합되는 동시 계류중인 US2006/0158090 및 특허 US 7,390,437 (또한 Intematix Corporation 에 양도됨)에서 개시하는 바와 같은 알루미네이트계 물질 또는 동시 계류중인 US2008/0111472에서 개시하는 바와 같은 알루미네이트계 형광체를 포함할 수도 있다.

US2006/0158090는 화학식이 M_{1 - x}Eu_xAl_yO_[1+3y/2] 인 알루미네이트계 그린 형광체를 개시한다. 여기서 M은 Ba, Sr, Ca, Mg, Mn, Zn, Cu, Cd, Sm 또는 툴륨(Tm)을 포함하는 2가 금속 중 적어도 하나이며, 0.1<x<0.9이고 0.5 ≤y ≤12이다.

US 7,390,437는 화학식이 (M_{1 - x}Eu_x)_{2- z}Mg_zAl_yO_[2+3y/2]인 알루미네이트계 블루 형광체를 개시한다. 여기서 M은 Ba 또는 Sr의 2가 금속 중 적어도 하나이다. 하나의 조성물에 있어서, 형광체는 약 280nm 부터 420nm까지의 파장 범위의 방사선을 흡수하고, 약 420nm부터 560nm까지의 파장 범위를 갖는 가시광을 방출하도록 형성되며, 0.05<x<0.5 또는 0.2<x<0.5이고; 3 ≤ y ≤12이며; 0.8 ≤ z ≤1.2이다. 나아가서 상기 형광체는 Cl, Br 또는 I와 같은 할로겐 도펀트(H)로 도핑될 수 있고 일반적인 조성식이 (M_{1 - x}Eu_x)_{2- z}Mg_zAl_yO_[2+3y/2]:H일 수 있다.

US2008/0111472는 일반적인 화학식이 (Sr_{1 -x- y}M_xT_y)_{3- m}Eu_m(Si_{1 - z}Al_z)O₅인 2가와 3가 양이온으로 혼합된 알루미네이트계 오랜지-레드 형광체를 개시한다. 여기서 M은 0≤x≤0.4의 범위내의 양으로 Ba, Mg 또는 Ca에서 선택된 적어도 하나의 2가 금속이며;, T는 0≤y≤0.4 의 범위내의 양으로 Y, 란타눔(La), Ce, 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 테르븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 올뮴(Ho), 에르븀(Er), Tm, 이테르븀(Yt), 루테튬(Lu), 토륨(Th), 프로탁디늄(Pa) 또는 유라늄(U)에서 선택된 3가 금속이며, z 및 m은 0≤z≤0.2 및 0.001≤m≤0.5의 범위이다. 상기 형광체는, 할로겐이 실리케이트 결정 내의 산소 격자 사이트에 존재하도록 구성된다.

여기서 설명되는 예시들에 형광체가 한정되지 않으며 유기질 또는 무기질 형광체 모두를 포함하는 어떠한 형광체 물질도 포함할 수 있는데, 예를 들어 니트라이드(nitride) 및/또는 술페이트(sulfate) 형광체 물질들, 옥시-니트라이드(oxy-nitrides) 및 옥시-술페이트(oxy-sulfate) 형광체들 또는 가멧(garnet) 물질들(YAG)와 같은 물질을 포함할 수 있다.

선택적으로, 상기 조명 장치(10)는 포커싱, 확산(diffusing), 또는 다른 방법으로 상기 장치에 의해 방출되는 광(34)을 원하는 패턴/각도 분포로 지향(directing)하기 위하여 고리 모양의 렌즈 어레이(32)를 추가적으로 포함한다.

렌즈 어레이(32)의 경우 도 1에서는 LED 장치(24)의 구성을 보이도록 하기 위하여 도시하지 않았다. 렌즈 어레이(32)는 일반적으로 고리 형태이고 몸체부의 베이스에서 개구(18)를 통과하는 공기의 자유로운 통로가 될 수 있도록 원형 개구(18)에 대응하는 중심부의 원형 어퍼처를 구비한다.

도 2를 참조하면 렌즈 어레이(32)는 렌즈 요소(element)들(32a)의 고리모양 어레이를 포함하고 각 렌즈 요소(32a)는 각각의 렌즈 장치(24) 위에 놓인다. 도시된 실시예에서 각각의 렌즈 요소(32a)는 일반적으로 방사상의 방향에서는 볼록하고 원주 방향에서는 오목하여 각각의 렌즈 요소의 표면은 “안장(saddle)” 표면(쌍곡선의 포물면)을 포함한다. 렌즈 어레이(32)가 원하는 방출 패턴에 따라 구성되고 다른 구성들에서는 각각의 렌즈 요소(32a)가 방사상 방향 그리고 원주 방향 모두에서 볼록하거나 또는 오목할 수 있는 것이 고려된다.

더욱이 렌즈 어레이는 렌즈 어레이의 표면 위에 광 확산 물질층을 더 포함할 수 있거나, 또는 렌즈 어레이의 볼륨(volume) 전체에 걸쳐 균일하게 분포되도록 렌즈 배열 물질내에 통합되는 광 확산 물질의 입자들을 더 포함할 수 있다. 적절한 광 확산 물질들의 일 예로 100 내지 200nm의 크기를 갖는 이산화규소(SiO₂), 산화 마그네슘(MgO), 및 황화 바륨(BaSO₄)을 포함할 수 있다.

도 1에 도시된 조명 장치(10)에 대한 A-A 평면에서의 단면도 인 도4를 참조하여 조명 장치(10)의 동작이 이하에 설명될 것이다. 도 4에서 조명 장치(10)는, 예를 들어 천장에 매달리는 펜던트 타입 기구(fixture)로 상기 장치를 사용할 때와 같이 상기 장치의 방출면(몸체부의 베이스)이 아래쪽으로 향하는 동작의 제 1 오리엔테이션으로 도시된다.

동작 시 LED 장치(24)에 의해 발생되는 열은 열 전도성 몸체부(12)의 베이스 내부로 전도(conduct)되고, 그리고 나서 몸체부를 통과하여 몸체부의 외부 표면과 캐비티(16)의 내부 표면으로 전도된 후 주변 공기로 방사된다. 방사되는 열은 주변 공기에 의해 대류(convect)되고, 가열된 공기는 도 4의 굵은 화살표(36)가 지시하는 바와 같이 장치를 통과하는 공기의 이동(흐름)이 성립할 수 있도록(예를 들어, 도 4에서 커넥터 캡을 향하는 방향으로)상승한다.

평형 상태(steady state)에서 공기가 캐비티(16) 내부에서 상승하는 상대적으로 더 뜨거운 공기에 의해 원형 개구(18)를 통과하여 장치 내부로 끌려오고, 상기 공기는 캐비티의 벽에 의해 방사되는 열을 흡수하고 캐비티(16)를 통과하여 상승하며 통로(20) 를 통과하여 밖으로 나간다. 추가적으로, 몸체부의 외부 표면 위로 상승하고 통로 개구들을 통과하는 따뜻한 공기는 상기 장치를 통과하도록 공기를 더욱 더 끌어올 것이다.

캐비티(16)와 통로(20) 모두 굴뚝(플루)과 유사한 역할을 수행하고, “굴뚝 효과”에 의해, 공기가 플루 내부의 뜨거운 가스 상승에 의해 공기는 연소를 위해 내부로 유입된다.

일반적으로 위쪽 방향으로(즉, 몸체부의 축에 평행한 선에 대하여) 확장되도록 캐비티(16)와 통로(20)의 벽들을 구성하는 것은,“굴뚝 효과”를 증가시키는 것에 의해 장치를 통과하는 공기의 흐름을 촉진시키고 이에 의해, 장치의 냉각 효과를 증가시킨다. 이러한 동작 모드에서 원형의 개구(18)는 공기 유입부(air inlet)의 역할을 수행하고 통로(20)가 배기 포트(exhaust ports)의 역할을 수행한다는 것이 이해될 것이다.

열을 방산시키는 몸체부(12)의 능력, 다시 말해서 몸체부의 히트 싱크 효율은 몸체부의 구성 물질(body material), 몸체부의 기하학적 구조(body geometry), 및 총 면적의 열 전달 계수(overall surface heat transfer coefficient)에 좌우될 것이다.

일반적으로 강제적 대류를 위한 히트 싱크 효율에 있어서 히트 싱크 장치는 (i) 히트 싱크 물질의 열 전도성 증가, (ii) 히트 싱크의 표면적 증가, (iii) 총 면적의 열 전달 계수 증가, 예를 들어 히트 싱크의 표면 위로 공기의 흐름을 증가시키는 것에 의해 개선될 수 있다. 본 발명의 조명 장치(10)에서 캐비티(16)는 몸체부의 표면적을 증가시키고 이에 의해 더 많은 열이 몸체부로부터 방사될 수 있도록 한다.

예를 들어 도시된 실시예에서 캐비티는 일반적으로 원뿔 형태이고 전형적으로 20mm 내지 30mm 범위의 직경을 가지며 45mm 내지 80mm 범위의 높이를 갖는다. 그리하여 캐비티는, 일반적으로 백열 전구와 대응되는 치수들(예를 들어 축방향의 몸체부 길이가 65 에서 100mm 이고 몸체 직경이 60 에서 80mm인)을 갖는 장치에 대하여 약 30퍼센트 까지의 열 방출발산 표면적(heat emitting surface area)의 증가를 의미하는 약 1,000mm² 내지 3,800mm² 의 표면적(surface area)를 갖는다.

열 방출 표면적을 증가시키는 것 뿐만 아니라 캐비티(16)는 또한 각각의 LED 장치의 히트 싱크 효율의 편차를 줄일 수 있다. 캐비티에 대한 개구 주위에 LED 장치들을 배열하는 것은, 각각의 LED 장치로부터 가장 최인접한 몸체부의 열 방출 표면까지의 열 전달 경로를 감소시키고, 이는 LED 장치의 보다 균일한 냉각을 촉진시킨다.

대조적으로 중심부의 캐비티를 포함하지 않고 LED 장치들이 어레이로써 배열되는 장치에서는 어레이의 중심부에서 상기 장치에 의해 발생되는 열은, 상기 어레이 모서리에서 상기 장치에 의해 발생되는 열보다 열 방출 표면에 대한 보다 긴 열 전달 경로를 가질 것이고, 이는 결국 어레이의 중심부에서 LED에 대한 보다 낮은 히크 싱크 효율을 야기한다. 캐비티의 크기를 선택하는데 있어서 몸체부의 총 열 방출 표면적을 최대화하는 것과 몸체부의 열 질량(thermal mass)을 실질적으로 감소시키지 않은 것과의 균형이 달성될 필요성이 있다.

비록 캐비티가 몸체부의 열 방출 표면적(heat emitting surface area)를 증가시키긴 하지만, 캐비티는 가열된 공기를 트래핑(trapping)시킬 수 있고, 상기 장치가 통로(20) 없이 아래쪽으로 오리엔트(orient)되는 면/개구를 가지고 동작될 때 캐비티 내부에서 열의 축적이 발생할 수 있다. 통로(20)는 가열된 공기가 캐비티로부터 벗어나도록 하고 그렇게 함으로써 원형 개구를 통해 캐비티 내부로의 공기 흐름과 통로 밖으로의 공기 흐름을 확립시켜 몸체부의 열 전달 계수(heat transfer coefficient)를 증가시킨다.

통로(20)가 수동적인 형태의 강제적 열 대류를 제공한다는 것이 이해될 것이다. 결과적으로 캐비티와 통로는 집합적으로 플루(flue)를 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 더 나아가서 캐비티 벽 및/또는 통로 벽의 경사각 θ가 공기 흐름의 속도(rate) 그리고 결과적으로 열 전달 계수에 영향을 끼칠 것이라는 점이 이해될 것이다.

예를 들어 만일 벽들이 실질적으로 수직에 가까우면 공기 흐름에 대한 저항이 최소화되어 “굴뚝 효과”는 최대가 되지만, 움직이는 공기에 대한 열전달이 보다 낮아질 것이다. 반대로 벽들이 보다 경사질수록(inclined), 벽들이 공기 흐름에 가하는(present to) 저항은 더욱 커지고, 보다 많은 열이 움직이는 공기 측으로 전달될 것이다. 많은 실제 적용에 있어서 몸체부의 축이 수직이 아닌 것을 포함하는 많은 오리엔테이션으로 상기 장치를 동작시킬 필요성이 요구되기 때문에, 통로(들)은 몸체부의 축에 평행한 선에 대하여 약 45도 방향으로 확장되어 공기의 흐름이 장치의 오리엔테이션과 무관하게 이루어도록 하는 것이 바람직하다.

캐비티 벽과 통로 벽의 기하학적 구조(geometry), 크기, 및 경사각은 CFD(Computation Fluid Dynamics) 분석을 이용하여 몸체부의 냉각을 최적화시킬 수 있도록 선택되는 것이 바람직하다. 통로(20)의 적절한 구성에 의해 30퍼센트까지 히트 싱크 효율을 증가시키는 것이 가능할 것이라는 점이 예상된다.

예비 계산(preliminary calculations)에서 통로와 연결된 캐비티의 포함(inclusion)이 히트 싱크 효율에 있어서 15퍼센트 내지 25퍼센트 증가시킬 수 있는 것이 확인되었다.

다양한 통로 구성에 대한 예시들이 도 5(a) 내지 5(d)에서 도시되는데, 도 5(a) 내지 5(d) 각각은 (a) 45도, (b) 90도, (c) 0도, 및 (d) 10도와 30도의 각도 θ로 확장하는 통로를 구비한 열 전도성 몸체부의 개략적 단면도를 나타낸다.

도 5(a)에서 열 전도성 몸체부(12)는 원뿔대의 형태이고 동축의 원뿔 캐비티(coaxial conical cavity)(16)를 구비한다. 열여섯 개의 원형 통로(20)는 각각 4개의 통로를 갖는 4개의 그룹으로 그룹화되고, 각 그룹의 통로(20)는 대체적으로 방사상의 방향으로 확장하고, 몸체부의 베이스로부터 멀어지는 방향으로 확장하며, 대체적으로 위쪽으로 확장한다.

도시된 바와 같이 통로의 경사 각은 약 45도이고 각도는 몸체부의 축에 평행한 선에 대하여 측정되며 통로가 캐비티와 만나는 통로의 중심을 통과한다. 통로의 45도 경사각은 오리엔테이션의 다양한 각도에서 동작되는 장치에 있어서 특히 선호된다.

다른 실시예들에서 그리고 도 5(b)에서 도시된 바와 같이 통로들은 90도의 경사각을 가질 수 있고, 그리하여 각 통로는 방사상의 방향으로 확장한다. 이와 같은 경사각은 장치가 수평 방향으로 동작하는 것으로 알려진 장치에 있어서 선호된다. 도 5(c)에서 도시된 바와 같이 통로들은 또한 0도의 경사각을 가질 수 있고, 그리하여 각 통로는 몸체부의 축에 대하여 평행한 방향으로 확장한다.

이와 같은 경사각은 수직으로 확장하는 통로가 굴뚝 효과를 최대화시킬 수 있으므로 수직 방향에 대하여 동작하는 것으로 알려진 장치에 있어서 선호된다. 다른 실시예들에서 통로들은 다른 경사각을 가질 수 있고 다른 경사각을 갖는 경로들을 포함할 수 있다. 도 5(d)는 각각 θ₁=10도와 θ₂=30도의 경사를 갖는 두 그룹의 통로들을 갖도록 구성된 예시를 도시한다.

요약하자면 통로들(20)의 경사각 θ는 몸체부/캐비티의 구성과 의도된 적용에 따라 통로의 경사각이 0도 내지 90도 범위에서 선택될 수 있고, 임의의 오리엔테이션으로 상기 장치를 동작시키도록 하기 위해서 30도 내지 60도의 범위 그리고 바람직하게는 45도일 것이라는 점이 이해될 것이다.

도 6을 참조하면 상방 조명 기구(up-lighting fixture) (예를 들어, 테이블, 책상, 또는 바닥 스탠딩 램프)에서 상기 장치를 사용하는 경우와 같이 장치의 광 방출면이 위쪽을 향하는 동작의 제 2 오리엔테이션에 대한 조명 장치(10)의 동작이 도시된다.

LED 장치(24)에 의해 발생되는 열은 열 전도성 몸체부(12)의 베이스 내부로 전도되고, 몸체부를 통과하여 몸체부의 외부 표면 및 열이 주변의 공기로 방사되는 장소인 캐비티의 외부 표면으로 전도된다. 캐비티(16) 내부에서 방사되는 열은 캐비티 내부의 공기를 가열하고 가열된 공기는 도 5의 굵은 화살표(36)가 지시하는 바와 같이 장치를 통한 공기의 흐름을 활성화시키기 위하여 (도 6의 커넥터 캡(22)으로부터 멀어지는 방향으로) 상승한다.

평형 상태에서, 보다 차가운 공기는, 상대적으로 더 뜨거운 공기가 캐비티(16) 내부에서 상승하는 것에 의해 통로(20)를 따라 장치 내부로 유입되고, 상기 공기는 통로와 캐비티의 벽에 의해 방사되는 열을 흡수한 후 캐비티(16)를 따라 상승하며 원형 개구(18) 외부로 배출된다.

이 동작 모드에서 통로(20)는 공기 유입구와 같이 동작하고 원형 캐비티 개구는 배기 포트(exhaust port)의 역할을 수행한다.

본 발명의 두 번째 실시예에 따른 백색광 방출 LED 조명 장치(10)가 도 7과 도 8을 이하에서 참조하여 설명될 것이다. LED 조명 장치(10)는 110V(r.m.s) 교류 (60Hz) 메인 전원 공급 장치로 동작하도록 구성되고 할로겐 램프에 대한 직접적 대체물로서 의도된다.

도 7은 LED 조명 장치(10)의 사시도이고, 대체적으로 원뿔대 형상이며, 외부 곡면의 둘레를 따라 원주 방향으로(circumferentially) 복수 개의 위도 방향(latitudinal) 열 방사핀[결(veins)](14)을 구비한 열 전도성 몸체부(12) 를 포함한다. 몸체부(12)의 폼 팩터는 표준 MR-16(MR-16)외형과 유사하게 형성되어 상기 장치가 현존하는 조명 기구에 직접적으로 사용될 수 있도록 한다.

몸체부는 높은 열 전도성을 갖는 물질, 다시 말해서 150Wm^-1K^-1 이상, 바람직하게는 200Wm^-1K^-1 이상의 열 전도성을 갖는 물질로써 예를 들자면 알루미늄, 양극 산화처리된 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 메탈 로딩 플라스틱 물질 또는 열 전도 세라믹과 같은 물질로 구성된다.

본 실시예에서 몸체부의 베이스는 오목하고 6개의 섹터 형태(six sector-shaped)의 면(38)들을 갖는 다면 구성이며, 각각의 면은 몸체부의 축을 지향하도록 한다.

동축의 실질적으로 원뿔형 캐비티[보어(bore)](16)가 몸체부 베이스 내부의 원형 개구(18)로부터 몸체부(12) 내부로 확장한다. 도 8을 참조하면, 가늘어지는 형태의(tapering) 8개의 통로(관로)(20)가 캐비티(16)를 몸체부의 외면과 연결한다. 통로들(20)은 각각 4개씩 두 개의 그룹으로 그룹화되는데, 첫번째 그룹은 몸체부의 베이스와 인접하도록 위치되며 두번째 그룹은 몸체부의 정점 가까이에 위치된다.

통로들은 원주 방향으로 이격되고, 각 통로(20)는 대체적으로 방사상의 방향으로 확장되며, 몸체부의 베이스로부터 멀어지는 방향에 있어서 몸체부의 축과 평행한 선에 대하여 θ의 각도로 기울어진다.

도 8에 있어서 첫번째 그룹의 통로들은 오더 15도(order 15°)의 경사각 θ₁을 가지며, 반면에 두번째 그룹의 통로들은 오더 40도(order 40°)의 경사각 θ₂를 갖는다. 두 그룹의 통로들이 각각 경사각 θ₁와 θ₂의 다른 각도를 갖기 때문에 각각의 그룹으로부터의 대응되는 통로들(20)은 커넥터 베이스 근처의 열 전도성 몸체부의 외부 표면에서 단일 개구를 형성하도록 수렴(converge)된다. 통로들(20)은 장치의 냉각을 제공하기 위해 몸체부를 통과하는 공기의 흐름을 촉진시킨다.

열 방산에 보다 도움을 주기 위하여 통로(20) 및/또는 캐비티(16)는 보다 바람직하게는 일련의 열 방사 핀을 포함하지만, 단순화를 위해 도면 상에서는 도시하지 않는다. 제조의 용이함을 위해서 몸체부(12)는 다이 캐스팅 또는 몰딩 방식에 의해 제조되는 것이 바람직하다.

상기 장치는, 상기 장치가 표준 소켓으로 메인 전원 공급 장치와 직접 연결될 수 있는 GU10 “턴 앤 락”(turn and lock) 커넥터 베이스(22)를 더 포함한다. 적용 목적에 따라 예를 들어 바요넷(bayonet) 또는 스크류-타입 커넥터 베이스와 같은 다른 종류의 커넥터 베이스가 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 커넥터 베이스(22)는 몸체부(12)의 정점에 장착된다.

각각의 LED 장치(24)는, 상기 장치가 개구 주위에 실질적으로 동일하게 이격되도록 몸체부(12) 베이스 상부의 관련 면(associated face)(38)과 열 교류가 이루어지도록 장착된다. 베이스를 오목하게 하고 다면체 형태를(multifaceted) 갖도록 함으로써 장치(10)가 종래의 할로겐 반사 램프의 방출 패턴과 거의 유사한 실질적으로 수렴하는(convergent) 광 방출(34) 이 가능하도록 한다.

조명 장치(10)가 메인 전원 공급장치에 의해 직접 동작되도록 하기 위한 정류 회로는 커넥터 캡(22) 내부에 하우징될 수 있다. 전력은 베이스와 정점 사이에서 몸체부를 통과하는 관로(도시되지 않음)를 따라 설치된(run) 연결 선에 의해 LED 장치(24)로 공급된다.

상기 조명 장치(10)의 동작은 도 1 내지 도 3에서 도시된 조명 장치와 유사하며, 도 7의 조명 장치(10)의 B-B 단면에 대한 개략적 단면도인 도 8을 참조하여 설명될 것이다.

도 8에서 조명 장치(10)는 예를 들어 천장에 설치되는 스포트 라이트(spotlights)로 상기 장치를 사용할 때의 경우와 같이 장치의 광 방출면이 아래쪽으로 지향되는 동작의 오리엔테이션을 나타낸다.

동작 시, 상기 LED 장치(24)에 의해 발생된 열은 열 전도성 몸체부(12)의 면들(38)내로 전도되고 그리고 나서 몸체부를 따라 몸체부의 외면 및, 주변 공기로 방사되는 장소인 캐비티의 외부 표면으로 전도된다.

방사된 열은 주변 공기에 의해 대류되고, 가열된 공기는 굵은 화살표(36)에 의해 지시되는 바와 같은 상기 장치를 통한 공기의 흐름이 확립되도록 (예를 들어, 도 8의 커넥터 베이스를 향한 방향으로) 상승한다. 평형 상태에서, 더 차가운 공기는 캐비티(16) 내부에서 상승하는 상대적으로 더 뜨거운 공기에 의해 원형 개구(18)를 따라 상기 장치로 유입되고, 더 차가운 공기는 캐비티 벽에 의해 방사되는 열을 흡수하고 캐비티(16)를 따라 상승하며 통로(20) 밖으로 배출된다.

캐비티와 통로는 집합적으로 상기 장치를 통한 공기의 흐름을 촉진시켜 장치의 냉각을 증가시킨다. 도 7에 도시된 바와 같이 원형 개구(18)는 공기 유입구의 역할을 수행하고 통로(20)는 배기 포트의 역할을 수행한다.

본 발명의 세번째 실시예에 따른 백색광 방출 LED 조명 장치(10)는 도 9와 도 10을 참조하여 설명될 것이다. LED 조명 장치(10)는 240V(r.m.s) 교류(50Hz) 메인 전원 공급 장치로 동작되도록 구성되고 백열 전구에 대한 직접적 대체물로서 의도된다.

도 9는 상기 LED 조명 장치(10)의 사시도이고, 외면이 표준 백열 전구의 엔벌로프(envelope)(전구)와 유사한 형태를 갖도록 하여 상기 장치가 현존하는 조명 기구에 직접적으로 사용될 수 있도록 하는 열 전도성 몸체부(12)를 포함한다.

몸체부는 높은 열 전도성(150Wm^-1K-¹ 이상 바람직하게는 200Wm^-1K^-1 이상)을 갖는 물질, 예를 들어 알루미늄, 양극 산화처리된 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 메탈 로딩 플라스틱 물질 또는 열 전도 세라믹과 같은 물질로 구성된다. 본 실시예에서 몸체부의 외면은 다면체 형상을 갖고 반구형의 단부 표면(end surface)을 포함하는 24개의 면들(40) 을 구비한다.

상기 몸체부(12) 내부의 동축의 실질적으로 타원체 형상의 캐비티(coaxial substantially ellipsoidal cavity)[보어(bore)](16)는, 8개의 개구(18) 각각에 의해 상기 몸체부의 면들을 교번하도록 연결되고 9번째의 실질적으로 원형의 축 방향개구(ninth substantially circular axial opening)(18)에 의해 몸체부의 단부에 (40)과 연결된다. 단부 면들(40) 내부의 4개의 개구는 대체적으로 슬롯 형상이고 원형 개구와 결합하여 십자가 형상의 개구를 형성한다.

도 10을 참조하면, 네 개의 통로(관로)(20)는 캐비티(16)를 커넥터 캡(22)의 부근에서 몸체부의 외면과 연결시킨다. 통로들은 원주 방향으로 이격되고, 각 통로(20)는 대체적으로 방사상의 방향으로 확장되며 커넥터 캡을 향하고 커낵터 캡으로부터 멀어지는 방향으로 몸체부의 축과 평행한 선에 대하여 20도 내지 60도의 각도 θ로 기울어진다.

통로들(20)은 장치의 냉각을 제공하기 위하여 몸체부를 따라 공기가 흐를 수 있도록 한다. 몸체의 외부 곡면 주위에서 원주 방향으로 이격된 복수의 위도 방향의(latitudinal) 열 방사핀[결(veins)](14)은, 커넥터 캡(22)과 면들(40) 사이에서 확장한다.

열의 방산에 도움을 주도록 통로들(20) 및/또는 캐비티(16)는, 비록 단순화를 위해 첨부된 도면에 도시되지는 않았지만, 일련의(a series of) 열 방사핀들을 포함하는 것이 바람직하다. 제조가 용이하도록 몸체부(12)는 다이 캐스팅 또는 몰딩 방식으로 제조되는 것이 바람직하다.

상기 장치는, 상기 장치가 표준 바요넷 조명 소켓(standard bayonet light socket)으로 메인 전원 공급 장치에 직접적으로 연결될 수 있도록 이중 접촉 바요넷(double contact bayonet cap) 커넥터 캡(22)(예를 들어, B22d 또는 BC)을 더 포함한다. 의도된 적용에 따라 예를 들어 스크류 타입 커낵터 캡과 같은 다른 종류의 커넥터 캡이 사용될 수 있다는 점이 이해될 것이다. 커넥터 캡(22)은 몸체부(12)에 장착된다.

열두 개의 LED 장치(24)는, 상기 몸체부(12)의 나머지 교번적인 면들(remaining alternate faces)(40)(즉 개구를 포함하지 않는 면들)과 열 교류 상태에 있도록 장착된다. 비록 상기 장치가 캐비티에 대한 9개의 개구를 가지고 있긴 하지만, 상기 LED 장치들은 여전히 각각의 개구 주위에 구비되는 것이 이해될 것이다.

몸체부를 오목하고 다면적으로 구성하는 것에 의해, 상기 장치(10)는 일반적으로 종래의 백열 전구의 광 방출과 유사한 실질적으로 수렴하는 광 방출(34)을 발생하는 것을 확실히 할 수 있다.

조명 장치(10)가 메인 전원 공급 장치로부터 직접적으로 동작되도록 하는 정류 회로는 커넥터 캡(22) 내부에 하우징될 수 있다. 전력은 커넥터 캡을 면들(40)에 연결하고 몸체부를 통과하는 관로(도시되지 않음)를 따라 설치된 연결 선들에 의해 상기 LED 장치들(24)에 공급된다.

상기 조명 장치(10)의 동작은 도 1 내지 도 3과 도 7에서 도시된 조명 장치와 유사하며, 도 9의 조명 장치(10)의 C-C 평면에서의 개략적 단면도인 도 10을 참조하여 간략하게 설명될 것이다.

도 10에서 조명 장치(10)는, 상기 장치가 예를 들어 테이블 또는 바닥의 스탠딩 램프로 사용되는 경우처럼, 커넥터 캡(22)이 아래쪽으로 지향되는 동작의 오리엔테이션으로 도시되고 있다. 동작 시, 상기 LED 장치들(24)에 의해 발생된 열은 열 전도성 몸체부(12)의 면들(40)로 전도되고 몸체부를 따라 몸체부의 외면 및 주변 공기에 방사되는 장소인 캐비티의 외부 표면으로 전도된다.

방사된 열은 주변 공기에 의해 대류되고 가열된 공기는 굵은 화살표(36)에 의해 지시되는 바와 같이 상기 장치를 따라 흐르는 공기의 흐름을 확립하도록 (예를 들어 도 10에서 커넥터 캡으로부터 멀어지는 방향으로) 상승한다. 평형 상태에서 보다 차가운 공기는, 캐비티(16) 내에서 상승하는 상대적으로 보다 뜨거운 공기에 의해 통로(20)를 따라 장치 내부로 유입되고, 더 차가운 공기는 캐비티 벽에 의해 방사되는 열을 흡수하고 캐비티(16)를 따라 상승한 후 개구(18) 밖으로 배출된다.

캐비티와 통로는 집합적으로 장치의 냉각을 증가시키기 위하여 상기 장치를 통과하여 흐르는 공기의 흐름을 촉진시킨다. 도 10에서 도시된 바와 같이 통로들(20)은 공기 유입구의 역할을 수행하고 개구들(18)은 배기 포트의 역할을 수행한다.

본 발명의 제 4 실시예에 따른 백색광 방출 LED 조명 장치(10)는 도 11과 도 12를 참조하여 설명될 것이다. 상기 LED 조명 장치(10)는 12V로 동작하도록 구성되고 할로겐 반사 램프를 직접 대체할 목적을 갖는다.

도 11은 상기 LED 조명 장치(10)의 사시도이고, 외면이 표준 MR-16 외형(body shape)과 유사한 폼 팩터를 갖도록 구성되어 상기 장치가 현존하는 조명 기구/홀더(holders)에 직접적으로 사용될 수 있는 열 전도성 몸체부(12) 를 포함한다.

다른 실시예들에 있어서 상기 몸체부(12)는, 외면이 MR-11과 유사한 폼 팩터를 갖도록 구성된다. 몸체부는 높은 열 전도성을 갖는 물질, 다시 말해서 150Wm^-1K^-1 이상 바람직하게는 200Wm^-1K^-1 이상의 열 전도도를 갖는 물질, 예를 들어 알루미늄, 양극 산화처리된 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 메탈 로딩 플라스틱 물질 또는 열 전도 세라믹과 같은 물질로 구성된다. 몸체부는 외부 곡면을 따라 원주 방향으로 이격되는 복수 개의 위도 방향 열 방사핀[결(vein)](14)을 더 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서 몸체부의 베이스는 평평한 바닥(flat floor)를 갖는 고리 모양의 채널(42)과 고리 모양의 포물선 반사체(annular parabolic reflector)를 형성하도록 설정된 벽들(44)을 포함한다. 벽들(44)은 바람직하게 광 반사 물질(light reflecting material)로 코팅될 수 있고, 도시된 바와 같이, 연속적인 완만한 곡면(continuous smooth curved surface)에 반대되도록 다면체 형상(multifaceted)일 수 있다.

동축의 실질적으로 원뿔 형태의 캐비티[보어(bore)](16)가 몸체부 베이스 내부의 원형 개구(18)로부터 몸체부(12) 내부로 확장한다. 도 11을 참조하면, 4개의 통로(관로)(20)가 캐비티(16)를 몸체부의 외면과 연결시킨다. 통로들(20)은 원주 방향으로 이격되, 각각의 통로(20)는 대체적으로 방사상의 방향으로 확장되며, 몸체부로부터 멀어지는 방향으로 상기 몸체부의 축과 평행한 선에 대하여 약 15도의 값을 갖는 각도 θ로 기울어진다.

통로들(20)과 캐비티(16)는 “굴뚝 효과”에 의해 장치의 냉각을 제공하기 위하여 몸체부를 통한 공기의 흐름을 촉진시킨다. 열 방산에 보다 도움을 주기 위하여 통로들(20) 및/또는 캐비티(16)는, 비록 단순화를 위해 첨부된 도면에는 도시되지 않았지만, 일련의 열 방사핀을 포함하는 것이 바람직하다. 제조의 용이성을 위해 몸체부(12)를 다이캐스팅 또는 몰딩 방식으로 제조하는 것이 바람직하다.

상기 장치는 GU5.3 또는 GX5.3 바이핀(bipin)(2-핀) 커넥터 베이스를 더 포함하여 상기 장치가 표준 바이핀 소켓을 사용하는 12V 전력 공급 장치에 직접 연결될 수 있도록 한다. 커넥터 베이스(22)는 몸체부(12)의 정점에 장착된다.

LED 장치(24)의 고리 모양의 어레이는, 고리 모양의 채널(42)의 바닥과 열 교류가 이루어지도록 장착되는 고리 형상의 MCPCB(26)에 장착된다. 고리 모양의 반사체 채널(annular reflector channel)(42) 바닥 상부에 상기 LED 장치를 장착하는 것은, 상기 장치(10)가 선택된 방출 프로파일(emission profile)(예를 들어 거의 일반적으로 10도, 15도, 25도, 및 40도의 빔 각도인 종래의 할로겐 반사 램프의 방출 패턴과 유사한 방출 프로파일)로 광 방출(34)을 생성하는 것을 보장한다.

전력은 베이스와 정점 사이에서 상기 몸체부를 통과하는 관로(도시되지 않음) 내부에 설치된 연결 선들에 의해 상기 LED 장치들(24)에 공급된다. 상기 LED 장치들(24)을 전력 서지(power surges)와 전압 변동(voltage fluctutations) 등으로부터 보호하기 위한 보호 회로는 커넥터 캡(22) 내부에 하우징될 수 있다.

선택적으로, 상기 조명 장치(10)는, 상기 몸체부(12)의 베이스에서 고리 모양 면들(48)에 장착되는 투명 고리 모양 전면 커버(46)(도 11에서는 도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 상기 전면 커버(46)는, 상기 LED 장치들(24)과 고리 모양 반사체의 반사성 벽들(reflective walls)(44)의 환경적 보호를 제공할 목적으로 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서는 방출된 광(34)의 원하는 색상 및/또는 상관 색 온도(Correlated Color Temperature:CCT)를 발생시키기 위하여 하나 혹은 복수의 형광 물질들을 전면 커버 내부에서 통합시키는 것이 고려될 수 있다.

조명 장치(10)의 동작은 도 1 내지 도 3과 도 7, 및 도 9에서 도시된 조명 장치와 유사하고, 도 11의 조명 장치(10)의 D-D 평면에서의 개략적 단면도인 도 12를 참조하여 설명될 것이다.

도 12를 참조하면 상기 조명 장치(10)는, 상기 장치가 예를 들어 천장에 장착되는 스포트 라이트로 사용될 때와 같이 상기 장치의 광 방출 면이 아래쪽으로 지향되는 방출 동작의 오리엔테이션으로 도시된다. 동작 시, 상기 LED 장치들(24)의 고리 모양 어레이에 의해 발생된 열은, 고리 모양 채널(42)의 바닥으로 전도되고 나서 열 전도성 몸체부를 따라 몸체부의 외면 및 주변 공기에 방사되는 장소인 캐비티의 외부 표면으로 전도된다.

방사된 열은 주변 공기에 의해 대류되고, 가열된 공기는, 굵은 화살표(36)에 의해 지시되는 바와 같이, 상기 장치를 따라 흐르는 공기의 흐름을 확립하도록 예를 들어 도 12에서 커넥터 베이스를 향하는 방향으로) 상승한다. 평형 상태에서 보다 차가운 공기는 캐비티(16) 내에서 상승하는 상대적으로 보다 뜨거운 공기에 의해 원형 개구(18)를 따라 장치 내부로 유입되고, 보다 차가운 공기는 캐비티 벽에 의해 방사되는 열을 흡수하고 캐비티(16)를 따라 상승한 후 통로(20) 밖으로 배출된다.

캐비티와 통로는 집합적으로“굴뚝 효과”에 의해 장치의 냉각을 증가시키기 위하여 상기 장치를 통과하여 흐르는 공기의 흐름을 촉진시킨다. 도 11에서 도시된 바와 같이 원형 개구(18)는 공기 유입구의 역할을 수행하고 통로들(20)은 배기 포트의 역할을 수행한다.

본 발명이 개시된 실시예들에 제한되지 않는 것은 분명하고 다양한 변형이 본 발명의 기술 분야 내에서 가능할 것이다. 예를 들어, 다른 실시예들의 경우 캐비티와 통로는 예를 들어 캐비티 내부에서 소용돌이 형태로(in a vortex) 공기의 흐름을 촉진시키기 위한 나선 형태(helical)와 같은 다른 형태를 포함할 수 있다. 더 나아가서, 몸체부의 외면의 상부에 형성되는 핀들은 공기의 통과 표면적을 더 크게 할 수 있도록 몸체부 주위에 나선 형태로 구비될 수 있다.

다른 기하학적 구조들이 해당 기술분야에 종사하는 당업자에 의해 용이하게 적용될 수 있으며, 예를 들어 의도된 적용에 따라 실린더 형태이거나 또는 반구 형태인 열 전도성 몸체부가 포함될 수 있다. 더 나아가서 몸체부는 하나 이상의 캐비티를 포함할 수 있는데, 각각의 캐비티가 개구를 구비하거나, 하나의 개구를 공유하거나 또는 더 많은 공통 개구들을 구비할 수 있다.

비록 LED 장치들을 구동하기 위한 분리된 정류 회로를 사용하는 것이 바람직하나 다른 실시예들에서 복수의 LED 장치들이 예를 들어 동시 계류중인 US 12/127,749(2008년 5월 27일 출원)에서 개시된 바와 같이 자가 정류 구성(self-rectifying configuration)으로 연결될 수 있는 것이 이해될 것이다.

개시된 예시들에서 형광 물질은 LED 패키지의 각 리세스 내부에 캡슐화(encapsulation) 형태로 제공된다. 다른 실시예들에서는 형광체 함유 물질의 분리된 층이 리세스 각각의 상부에 놓이는 상태로 제공된다. 바람직하게는 형광체 함유 물질의 층이 개별적인 시트 형태로 제조되고 적당한 크기의 조각들로 잘라진 후 광 투명 접착제(예를 들어, 광학 특성(optical quality) 에폭시 또는 실리콘)에 의해 LED 장치 패키지 상면에 접착될 수 있다.

그러한 구성에서 각 LED 장치의 리세스는 바람직하게는 각 LED 칩을 덮거나 캡슐화하도록 투명 물질로 채워진다. 투명 물질은 LED 칩의 패시베이션(passivation) 코팅을 구성하므로 LED 칩과 본드된 와이어들에 대한 환경적 보호를 제공한다. 부가적으로, 투명 물질은 열 보호막 역할을 하고 상부에 놓인 형광체 층으로 전달되는 열을 감소시킨다.

파우더 형태인 형광체 물질(들)은 미리 선택된 비율로 투명 폴리머 물질(예를 들어, 폴리카보네이트 물질, 에폭시 물질, 열경화성(thermoserring) 또는 자외선 경화성(UV curable) 투명 실리콘)과 혼합된다. 실리콘에 대한 형광체 혼합물의 중량비 로딩(weigh ratio loading)은, 장치의 목표 상관 색 온도(Correlated Color Temperature:CCT) 또는 색상(color hue)에 따라 정확한 로딩으로, 일반적으로 100 당(per) 35 내지 65 파트(parts)의 범위일 수 있다.

그 후 형광체/폴리머 혼합물은, 그 볼륨 전체에 균일한 형광체 분포를 갖는 동종의 형광체/폴리머 시트 형성을 위해 압출될 수 있다. 폴리머에 대한 형인광체의 중량 로딩과 마찬가지로, 형광체 층(형광체/폴리머 시트)의 두께는 완성된 장치의 목표 CCT 및/또는 색상에 의존할 것이다.

대안적으로, 또다른 배치(arrangement)에 있어서 렌즈 어레이 또는 전면 커버의 상부면, 보다 바람직하게는 LED 장치(24)에 대면하는 실질적으로 평면인 면에 형광체 물질을 제공하는 것이 고려된다. LED 장치에 별도로 형광체를 제공하는 것은, 각 리세스가 형광체 함유 물질로 포팅된 LED 장치와 비교하여 다음과 같은 많은 장점을 갖는다.

단일 LED 장치가 적절한 형광체 함유 물질의 시트를 위에 놓는 것에 의해 원하는 광의 CCT 및/또는 색상을 발생시키기 위해 사용될 수 있으므로 제조 비용 감소;

더욱 일관된(consistent) CCT 및/또는 색상을 가짐; 및

형광체가 LED 칩에 대하여 멀리 떨어져 위치되므로 형광체의 열적 저하(thermal degradation)가 감소.

Claims (21)

1. 열 전도성 몸체부(thermally conduction body)를 포함하되, 상기 몸체부는 일면(face), 곡면(curved surface) 및 상기 몸체부 내부의 적어도 하나 이상의 캐비티(cavity)와 연결되는 적어도 하나 이상의 개구(opening)를 가지며;
   상기 몸체부의 일면과 열적 교류(in thermal communication)가 이루어지도록 장착되며 상기 개구 주위에 배치되는 복수의 광 방출 다이오드(light emitting diodes)를 포함하며; 그리고
   상기 캐비티로부터 상기 몸체부의 외면(outer surface)까지 상기 몸체부를 통과하고, 동작 시 열적 대류(thermal convection)에 의해 상기 적어도 하나의 상기 캐비티를 통과하도록 공기가 이동하고 이에 의해 상기 몸체부의 냉각을 제공하도록 구성되는 복수의 통로(passage)를 포함하는 것을 특징으로 하되,
   상기 복수의 통로는 상기 몸체부의 측벽을 통과하는 구멍들로 구성되는 광 방출 다이오드 조명 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 복수의 통로는 상기 몸체부의 축으로부터 상기 몸체부의 외면까지의 방향으로 상기 일면으로부터 멀어지게 확장하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광 방출 다이오드 조명 장치.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 복수의 통로는: 상기 몸체부의 축과 평행한 선에 대하여 0도 내지 90도;, 30도 내지 60도;, 및 45도로 구성되는 군으로부터 선택되는 각도 방향으로 확장하는 것을 특징으로 하는 광 방출 다이오드 조명 장치.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 몸체부는: 실질적으로 원뿔대 형태이고 베이스가 상기 LED들(LEDs)이 장착되는 상기 일면을 포함하는 것; 실질적으로 실린더 형태인 것으로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광 방출 다이오드 조명 장치.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 캐비티는: 실질적으로 원뿔 형태인 것; 실질적으로 원뿔대 형태인 것; 및 실질적으로 실린더 형태인 것으로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광 방출 다이오드 조명 장치.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 몸체부는 그 외면이: 백열 전구의 엔벌로프(envelope)와 유사한 형태인 것;, MR-16 할로겐 램프와 유사한 형태인 것; 및, MR-11 할로겐 반사 램프와 유사한 형태인 것으로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광 방출 다이오드 조명 장치.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 일면은 다면체 형상이고(multifaceted) 각각의 LED는 각 면에 장착되는 것을 특징으로 하는 광 방출 다이오드 조명 장치.
8. 제 1항에 있어서,
   상기 적어도 하나 이상의 캐비티를 상기 몸체부의 상기 외면과 연결시키는 복수 개의 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 방출 다이오드 조명 장치.
9. 제 1항에 있어서,
   상기 복수의 통로는 상기 몸체부의 상기 곡면을 통과하는 것을 특징으로 하는 광 방출 다이오드 조명 장치.
10. 제 1항에 있어서,
    상기 몸체부는 상기 몸체부의 표면으로부터 확장되는 복수 개의 열 방사 핀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 방출 다이오드 조명 장치.
11. 제 10항에 있어서,
    상기 복수 개의 열 방사 핀은: 상기 몸체부의 상기 외면;, 상기 적어도 하나 이상의 캐비티의 표면; 및, 상기 복수의 통로의 표면으로 구성되는 군으로부터 확장하는 것을 특징으로 하는 광 방출 다이오드 조명 장치.
12. 제 1항에 있어서,
    상기 몸체부는: 150Wm^-1K^-1 이상의 열 전도율(thermal conductivity)을 갖는 물질;, 200Wm^-1K^-1 이상의 열 전도율을 갖는 물질;, 알루미늄;, 알루미늄 합금;, 마그네슘 합금;, 금속 로딩된(metal loaded) 플라스틱 물질;, 탄소 로딩된(carbon loaded) 플라스틱 물질;, 열 전도 세라믹 물질;, 및 알루미늄 실리콘 카바이트로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 광 방출 다이오드 조명 장치.
13. 제 1항에 있어서,
    상기 복수 개의 광 방출 다이오드는 상기 장치에 의해 방출된 광의 강도 편차가 25퍼센트 미만이도록 상기 개구 주위에 간격을 가지고 이격되는 것을 특징으로 하는 광 방출 다이오드 조명 장치.
14. 제 13항에 있어서,
    상기 복수 개의 광 방출 다이오드는 1mm 내지 5mm 범위의 간격으로 분리되는 것을 특징으로 하는 광 방출 다이오드 조명 장치.
15. 제 13항에 있어서,
    상기 복수 개의 광 방출 다이오드는 어레이들로 그룹화되고(grouped in arrays) 상기 어레이들은 상기 적어도 하나 이상의 개구 주위에 위치되는 것을 특징으로 하는 광 방출 다이오드 조명 장치.
16. 제 15항에 있어서,
    상기 복수 개의 광 방출 다이오드 어레이들은 1mm 내지 5mm 범위의 간격으로 분리되는 것을 특징으로 하는 광 방출 다이오드 조명 장치.
17. 제 1항에 있어서,
    상기 광 방출 다이오드 위에 놓이고(overlying) 방출된 광의 강도를 실질적으로 균일하게 하도록 구성되는 렌즈 장치들(lens arrangement)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 방출 다이오드 조명 장치.
18. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 광 방출 다이오드 위에 놓이는 적어도 하나 이상의 형광 물질을(phosphor material)을 더 포함하고, 상기 형광 물질은 연관된(associated) 광 방출 다이오드에 의해 방출되는 광의 적어도 일부를 흡수하고 다른 파장의 광을 재방출하는 것을 특징으로 하는 광 방출 다이오드 조명 장치.
19. 제 1항에 있어서,
    상기 장치와 전력 공급 장치를 연결하기 위하여, 에디슨 스크류 베이스(Edison screw base);, 바요넷 커넥터 베이스(bayonet connector base);, 이중 접촉 바요넷 커넥터 베이스 (double contact bayonet connector base);, 바이핀 베이스(bipin base);, 및 GU10 턴 앤 락 커넥터 베이스(GU10 turn and lock connector base);으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 전기 커넥터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 방출 다이오드 조명 장치.
20. 열 전도성 몸체부(thermally conducting body)를 포함하되, 상기 몸체부는 일면(face), 곡면(curved surface) 및 상기 몸체부 내의 개구를 상기 몸체부의 외면과 연결하는 복수의 플루(flue)를 가지며; 그리고 상기 몸체부의 일면과 열적 교류 상태가 되도록 장착되며 상기 적어도 하나 이상의 플루 개구 주위에 위치하는 복수 개의 광 방출 다이오드를 포함하고,
    상기 복수의 플루는 열적 대류(thermal convection)에 의해 상기 복수의 플루를 통과하여 공기를 이동시키고 이에 의해 상기 몸체부의 냉각을 제공하도록 구성되고,
    상기 복수의 플루는 상기 몸체부의 측벽을 통과하는 구멍들로 구성되는 것을 특징으로 하는 광 방출 다이오드 조명 장치.
21. 광 방출 다이오드 조명 장치에 있어서,
    몸체부를 포함하되, 상기 몸체부의 일면을 통과하고 상기 몸체부 내의 적어도 하나의 캐비티와 연결되는 개구를 포함하는 상기 몸체부와;
    상기 일면에 장착되고 상기 개구 주위에 위치되는 복수 개의 광 방출 다이오드와;
    상기 캐비티로부터 상기 몸체부의 외면까지 상기 몸체부를 통과하고, 동작 시 열적 대류에 의해 상기 적어도 하나의 캐비티를 통과하도록 공기가 이동하고, 이에 의해 상기 몸체부의 냉각을 제공하도록 구성되는 복수의 통로를 포함하고,
    상기 복수의 통로는 상기 몸체부의 측벽을 통과하는 구멍들로 구성되며,
    상기 복수 개의 광 방출 다이오드는 상기 장치에 의해 방출된 광의 강도에서의 편차가 25퍼센트 또는 그 미만이도록 상기 개구의 주변부에 일정 간격으로 이격되는 것을 특징으로 하는 광 방출 다이오드 조명 장치.
    

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