KR20040093686A - Led 및 led램프 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광다이오드(LED) 및 LED들로 구성된 LED램프에 관한 것이다. LED는 높은 열전도성의 기부 상에 탑재되며 회로기판을 통해 인가전원에 접속된다. 또한 LED칩은 투명매체층을 가진다. 기부상단면은 광반사면으로서 작용하거나, 광반사면이 기부 주위에 제공되고, LED는 LED를 히트싱크에 기계적으로 연결하기 위해 기부바닥으로부터 아래쪽으로 연장하는 나사 또는 기부바닥에 있는 나사구멍을 포함한다. LED는 인출전선들을 통해 구동기판에 전기적으로 접속된다. 구동회로는 하우징을 통해 전기커넥터에 전기적으로 접속된다. LED가 투명벌브하우징으로 봉지된 후에 LED램프가 제조될 수 있다. LED는 고효율, 고출력 및 긴 수명을 가지며 LED교통신호등, LED면광원 등을 제조하는데 사용될 수 있다.

Description

LED 및 LED램프{A LED and LED lamp}
LED는 신호표시, 대화면표시에 광범위하게 사용되어 왔고, 긴 수명, 양호한 칼라, 견고성(sturdiness) 등의 이점들을 가진다. 현재, 저출력LED만이 제작될 수 있다. 전형적인 LED의 전력은 겨우 200㎃×4V = 80㎽이다. 이것은 동작전류의 증가가 LED칩의 온도를 급격히 증가시킬 수 있어 발광효율이 칩온도의 상승에 대해 거의 선형적으로 감소될 것이기 때문이다. LED에 의해 생겨난 대량의 열의 효율적인 발산은 LED 및 LED램프를 제조함에 있어 열쇠가 된다.
도 1에 보인 바와 같이 개발된 종래의 전형적인 고전력LED의 경우, LED칩(101)이 금속기부(103)의 광반사면(102)상에 고정되며, 금속기부는 에폭시층(111)에 의해 회로기판(106)에 결합된다. LED칩(101)의 리드들(104)과 다리들(105)은 회로기판(106)의 전기도체층(107)에 연결된다. 광학적접착층(108)과 렌즈(109, 110)가 칩(101)상에 제공된다. 요소(110)는 고정용이다.
LED칩이 금속기부(103)(열저항 RB), 에폭시층(111)(열저항 RE), 회로기판(열저항 RP) 및 결합접착제(112)(열저항 RA)를 통해 히트싱크(113)에 연결된다. 총 열저항 ΣR = RB+ RE+ RP+ RA은 크고, 그래서 칩온도가 쉽사리 증가되고 발광효율이 급속히 감소된다. 동시에, 칩탑재용 금속기부는 회로기판(106)에 접착된다. 에폭시접착제는, 회로기판 및 금속기부 사이의 다른 열팽창계수와 다른 온도증가속도 때문에, 차고 뜨겁고 반복적으로 팽창 및 수축하는 상황 하에서 긴 동작사이클 후에는 파열되기 쉽다. 접착제의 파열은 RE를 증가시켜, 과열에 의해 LED가 손상되게 한다. 요컨대, 고출력, 높은 발광효율 및 긴 수명의 발광용 LED는 종래기술에 의해 제조가 곤란하였다.
본 발명은 발광다이오드(LED) 및 LED램프에 관한 것으로 더 상세하게는 조명등, 교통신호등(traffic lamp) 및 정보표시기기 등과 같은 고출력, 고효율 및 긴 수명의 LED 및 LED램프에 관한 것이다.
도 1은 종래의 LED의 구조설명도,
도 2는 본 발명에 따른 LED의 실시예의 구조설명도,
도 3은 본 발명에 따른 LED의 하부리드들의 실시예의 구조설명도,
도 4는 광반사체가 제공된 본 발명에 따른 LED의 실시예의 구조설명도,
도 5는 광반사체가 제공된 본 발명에 따른 LED의 다른 실시예의 구조설명도,
도 6은 본 발명에 따른 LED램프의 구조설명도,
도 7a는 포물선모양 히트싱크가 제공된 본 발명에 따른 LED램프의 구조설명도,
도 7b는 원통원뿔형 히트싱크가 제공된 본 발명에 따른 LED램프의 다른 실시예의 구조설명도,
도 8은 초고열전도성튜브들이 제공된 본 발명에 따른 LED램프의 실시예의 구조설명도,
도 9는 벌브히트싱크가 제공된 본 발명에 따른 LED램프의 실시예의 구조설명도,
도 10은 본 발명에 따른 LED로 구성된 교통신호등의 구조설명도,
도 11은 본 발명에 따른 LED들로 구성된 면광원의 구조설명도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
101 : LED칩 103 : 금속기부
106 : 회로기판 112 : 접착제
104 : 리드들 105 : LED다리
108 : 광학적접착제 109 : 렌즈
204 : 나사 206 : 열전도성접착제
213 : 광변환재 303 : 절연층
409 : 색혼합물 408 : 나사구멍
410 : 칩들 간의 접속리드 407 : 열전도층
604 : 구동회로의 하우징 607 : 입력리드
609 : 광변환재층 608 : 투명벌브하우징
801 : 초고열전도성튜브 803 : 열흡수단
1008 : 투명창 1103 : 열소산판
1107 : 광학판 1106 : 제2회로기판
102 : 반사면 113 : 히트싱크
107 : 전도층 110 : 고정기기
209 : 인출전선 406 : 광반사체
404 : 열소산플랜지 603: 구동회로
605 : 전기커넥터 701 : LED
908 : 제2투명벌브하우징 1104 : 도광판
본 발명의 목적은 LED 및 히트싱크 사이의 큰 열저항, 칩온도의 급속한 증가로 인한 LED발광효율의 급속한 저하의 단점을 해소하며, 금속베이스 및 회로기판 사이에는 이것들 간의 열팽창계수의 차이로 인해 긴 작동시간 후에 접착제가 파열하며, LED 및 히트싱크 간의 큰 열저항 감소로 인해 LED가 가열로 손상되는 단점을 해소하고, 그래서 고출력, 고효율 및 긴 수명의 LED 및 LED램프가 제공될 수 있게 하는 것이다.
본 발명의 목적은, 본 발명의 LED가 높은 열전도성의 기부 상에 탑재된 적어도 하나의 LED칩을 포함하여 달성된다. 이 LED칩은 인가전원에 전기접속되며 그 위에 투명매체를 가진다. 기부의 상단면은 광반사면으로서 작용하거나 광반사면이 기부 주위에 제공되며, 회로기판은 기부 위나 주위에 제공된다.
또한, 이 LED는 LED를 히트싱크에 기계적으로 연결하는 적어도 하나의 나사 또는 나사구멍을 구비한다.
광반사체가 LED칩의 앞면에 제공된다.
투명매체는 광학적 접착제 및 렌즈를 구비한다.
LED칩들은 동일한 색의 광 또는 다른 색의 광을 방출하며 직렬 및/또는 병렬형태로 서로 연결된다.
기부는 금속기부, 금속기부의 바닥에 제공된 초고열전도성튜브들 또는 금속기부 및 초고열전도성튜브들의 조립체이다.
광반사체는 광반사면을 가지며 이 광반사면은 LED축에 대하여 10°와 70°사이 범위의 각을 이룬다.
광변환재(light converting material)가 광학적접착층 내에 또는 광학적접착층 및 렌즈 사이에 제공된다.
위의 LED로 구성된 LED램프는, 적어도 하나의 상기 LED가 히트싱크에 기계적으로 연결되며 LED의 리드들이 그것의 하우징을 통해 전기도체에 전기적으로 접속되고 LED는 투명벌브(bulb)하우징 내에 봉지된다는 것을 특징으로 한다.
전기도체는 이중다리삽입형(double leg bayonet)램프헤드, 다중다리삽입형램프헤드 또는 나사식램프헤드이다.
투명벌브하우징은 유리 또는 플라스틱으로 만들어진 투명, 착색형(colored), 또는 광산란 벌브하우징이다.
광변환재층이 투명벌브하우징의 내표면에 제공된다.
히트싱크는 열소산(heat dispersing)플랜지들을 가진다.
열소산플랜지는 단일의 나선형(spiral)플랜지 또는 복수의 나선형 플랜지들을 포함한다.
히트싱크의 내표면은 광반사성이다.
히트싱크의 내표면은 원통원뿔형 또는 포물선모양이다.
상기 LED로 구성된 교통신호등은, LED가 3°와 60°사이의 발산(divergence)각을 가지며 교통신호등의 포물선모양 반사체의 초점 부근에서 히트싱크 상에 탑재된다는 것을 특징으로 한다. LED들의 일부로부터의 광은 원래의 교통신호등의 창 밖으로 방출되며 나머지 광은 원래의 교통신호등의 포물선모양 광반사체로부터 반사된 후에 밖으로 방사되어 소망의 초점 및 균일한 분포를 가진 광방사를 얻을 수 있다.
상기 LED들로 구성된 LED면광원은, 적어도 하나의 LED가 열소산평판으로 구성된 히트싱크 상에 탑재된다는 것을 특징으로 한다. 히트싱크는 면광원 또는 액정디스플레이를 위해 후방조명원의 도광판 뒤쪽 및 주위에 위치된다. 광반사체들은 LED들의 양 측면들 또는 주위에 놓여진다.
이 LED는 동일한 색의 광 또는 다른 색의 광을 방출하는 복수의 LED들을 포함한다.
본 발명의 이점들은 다음과 같다:
(1) 히트싱크는 기부에 직접 긴밀하게 연결되어 칩과 히트싱크 사이의 열저항은 거의 영이고, LED에 의해 생겨난 열을 효율적으로 사라지게 한다. 더구나, 금속기부는 금속나사들에 의해 히트싱크에 연결되고 그러므로 그것들 사이의 열접속은 장시간의 동작 후에도 신뢰성이 있고 변화되지 않을 수 있다. 그러므로, 고출력, 고효율 및 긴 수명의 LED가 제조될 수 있다.
(2) 회로기판은 금속기부 위나 주위에 배치되어, 칩과 히트싱크 사이의 열저항의 증가 없이, 칩들 간의 접속을 용이하게 하고 밀집한 설치를 용이하게 한다.
(3) LED램프들과 LED면광원이 제조될 수 있다.
요약하면, 본 발명의 LED는 열저항이 크고 종래의 LED의 접착제가 파열하는 문제들을 해소할 수 있고 또 종래의 LED보다 훨씬 작은 부피를 가질 수 있어 밀집한 설치에 적합하다.
제1실시예
황색발광LED와 같은 적어도 하나의 LED칩(101)이 금속기부(103)의 반사면에 탑재된 도 2에 보인 본 발명의 LED가 제조된다. 2이상의 LED칩들(101)이 사용되는 경우, LED칩들은 동일한 색의 광 또는 다른 색의 광들을 출사할 것이다. 금속기부(103)는 적어도 하나의 나사(204)를 통해 히트싱크(103)에 열역학적 및 기계적으로 긴밀하게 연결된다. 열전도성접착제(206)는 더 나은 열접속을 얻기 위해 금속기부(103) 및 히트싱크(113) 사이에 제공된다. 회로기판(106)은 금속기부(103)상에 배치되고, 인출리드들(209)이 접속되는 전기전도층(107)을 가진다. 인출리드들(209)은 금속기부 및 히트싱크(113)로부터 절연되고 인가전원에 접속된다. LED칩(101)은 리드들(104)을 통해 회로기판(106)에 접속된다. 광학적접착제(108)와 렌즈(109)는 LED칩(101)상에 제공되며, 광변환재(213)는 광학적접착제(108) 및 렌즈(109) 사이에 제공되어 LED칩(101)으로부터 방출된 광을 다른 색의 광으로 변환한다. 금속기부는 매우 낮은 열저항성의 구리로 만들어지고, 그래서, LED칩(101)에 의해 생겨난 열은 쉽사리 흩어지고, LED칩은 높은 발광효율으로 저온에서 동작할 수 있다.
제2실시예
하부리드들이 사용되는 도 3에 보인 본 발명의 LED가 제조된다. 적어도 하나의 LED칩(101), 예를 들면 2개의 LED칩들이 금속기부(103)의 광반사면(102)상에 탑재된다. 이 LED칩은 다른 색의 광들을 방출한다. 금속기부(103)는 금속기부(103)를 히트싱크(113)에 열역학적 및 기계적으로 긴밀하게 연결하는 적어도 하나의 나사(204)를 가진다. 회로기판(106)은 금속기부(103) 주위에 배치되며 인출리드들(209)을 연결하기 위한 전기전도층(103)을 가진다. 인출전선들(인출리드들)은 절연층(303)을 통해 곧장 아래쪽으로 연장하고 인가전원에 접속된다. 투명매체는 LED칩(101)상에 제공되며 소망의 출력광분포에 의존하는 구형 또는 타원형이 되도록 설계된 상단면을 가진다. 금속기부(103)는 낮은 열저항성의 알루미늄 또는 그것의 합금으로 만들어진다. 나머지 부분은 제1실시예와 동일하다.
제3실시예
광반사체가 제공되며 도 4에 보인 본 발명의 LED가 제조된다. 이 LED에서, 광반사체는 적어도 하나의 LED칩(101) 위에 추가되어, LED측면들로 방출된 광(402)이 LED칩(101) 또는 광반사면(102)으로 반사된 다음 앞쪽으로 방출된다. 그러므로, 광가용율이 증가된다. 2이상의 LED칩들이 사용되고 다른 색의 광들을 방출하는 경우, 광의 색혼합효과를 향상시키기 위해 색혼합물이 광반사체(406)와 LED칩(101) 사이에 제공되어도 좋다. 하나의 LED칩(101)의 하나의 전극은 금속기부(103)에 접속되고, 그 후 나사구멍(408) 및 나사(204) 중의 적어도 하나를 통해 밖으로 인출된다. LED칩(101)의 다른 전극의 리드는 리드(104)를 통해 인출전선(209)에 접속된다. 인출전선(209)은 절연층(303)을 통해 외부로 연장된 다음 인가전원에 접속된다. 리드(410)는 각각 2개의 인접한 LED칩들간에 접속된다. 히트싱크는 열소산플랜지들을 가진다. 열전도층(407)은 전기절연층이다. 나머지부분은 제2실시예와 동일하다.
제4실시예
도 5에 보인 바와 같이 광반사체가 제공된 본 발명의 LED가 제조되며, 이 LED에서, 광반사체(406)는 측면들 쪽으로 방출된 광(503)이 앞쪽으로 반사되어 광의 가용성을 증가시키도록 LED칩(101) 위쪽에 추가된다. 광변환재(213)는 LED칩(101)의 표면에 제공된다. 회로기판(106)의 적어도 2개의 인출전선들(209)은 금속기부(103)를 통해 곧장 아래쪽으로 외부로 연장된 다음 인가전원에 접속된다. 나머지부분은 제3실시예와 동일하다.
제5실시예
도 6에 보인 바와 같은 본 발명의 LED로 구성된 LED램프가 제공되며, 이 LED램프에서는, 적어도 하나의 LED칩(101)이 히트싱크(113)상에 탑재된다. LED의 인출전선들(209)은 구동회로(603)에 전기적으로 접속된다. 구동회로(603) 및 그것의 하우징은 입력전선(607)을 통해 전기커넥터(605)에 접속된다. 구동회로(603)는 입력전압을 LED동작과 LED의 발광에 적합한 전압으로 변환한다. 유리로 만들어진 투명벌브하우징(608)은 LED를 수용하고, 투명벌브하우징의 내표면은 LED에 의해 방출된광을 소망의 색의 광으로 변환하는 광변환재층(609)으로 도포된다.
제6실시예
히트싱크가 제공된 본 발명의 LED램프가 제조되고, 이 LED램프에서는, LED(701)가 도 7a에 보인 것처럼 포물선모양 히트싱크(113) 내에 탑재되거나 도 7b에 보인 것처럼 원통원뿔형 히트싱크(113) 내에 탑재된다. 이 히트싱크는 열소산플랜지들(404)을 가지며 그것의 내표면은 광반사면(702)이다. 도 7a에서 전기커넥터(605)는 이중다리삽입형 램프헤드이고 인가전원에 접속된다. 도 7b에서 전기커넥터(605)는 3중다리삽입형 램프헤드이고 인가전원에 접속된다. 구동회로(603)의 하우징은 구동회로(603)를 수용한다. 나머지부분은 제1실시예와 동일하다.
제7실시예
초고열전도성튜브들이 도 8에 보인 것처럼 제공된 본 발명의 LED램프가 제조되며, 이 LED램프에서는, 적어도 하나의 LED(701)가 초고열전도성튜브(줄여서 "열튜브"라 함; 801)의 흡수단(803)에 탑재되고 열튜브(801)의 다른 끝은 히트싱크(113)에 연결된다. 열튜브는 구리가 가지는 것보다 1500배 큰 열전도도를 가지고 그것의 열저항은 거의 영이므로, LED칩(101)에 의해 생겨난 열은 열튜브(801)를 통해 히트싱크로 전해진 후 흩어질 수 있다. 나머지부분은 제5실시예와 동일하다.
제8실시예
초고열전도성튜브 및 벌브히트싱크가 도 9에 보인 것처럼 제공되는 본 발명의 LED램프가 제조된다. 이 LED램프에서는 적어도 하나의 LED칩(101) 또는 LED(701)이 금속기부(103)상에 탑재된다. 금속기부는 낮은 저항성의 합금으로 만들어지고 초고열전도성튜브(801)의 상단에 탑재된다. 히트튜브(801)의 다른 끝은 히트싱크에 연결된다. 히트싱크는 플랜지들 사이의 공기흐름을 가속하여 히트싱크의 열소산효과를 향상시키는 벌브외형의 복수의 나선형 열소산플랜지들을 가진다. 광반사면(102)이 히트싱크(113)위와 금속기부(103) 주위에 제공된다. 투명벌브하우징(608)은 LED 위쪽에 탑재되고 그것의 내표면에 광변환재층을 가진다. 제2의 투명벌브하우징(908)이 도 9에 보인 것처럼 제공된다. 나머지부분은 제5실시예와 동일하다.
제9실시예
도 10에 보인 바와 같은 본 발명의 LED들로 구성된 교통신호등이 제조되며, 이 교통신호등에서는, 적어도 하나의 LED(701)가 양호한 열전도성의 금속기부(103)상에 탑재된다. 금속기부(103)는 열소산기기(113)에 연결된다. LED는 3°~ 60°의 발산각을 가지며 원래의 교통신호등의 포물선모양 광반사체의 초점 근처에서 히트싱크(113)상에 탑재된다. 일부의 LED들로부터 방출된 원래의 교통신호등의 광은 투명창(1008)을 통해 외부로 방출되고, 나머지 광은 포물선모양 광반사체(406)로부터 반사된 후 외부로 방출된다. LED교통신호등은 종래의 텅스텐교통신호등을 곧바로 대체할 수 있다. 나머지부분은 제5실시예와 동일하다.
제10실시예
도 11에 보인 본 발명의 LED들로 구성된 면광원이 제조되며, 이 면광원에서는, LED(701)가 큰 면적의 평평한 열소산판(1103)을 갖는 히트싱크(1103)상에 탑재된다. 열소산판(1103)은 면광원의 도광판(1104)의 뒤쪽 및 주위에 위치된다. 제2의회로기판이 LED들(701)을 접속하고 또 인가전원에 접속되도록 히트싱크(113)의 뒤쪽 및 외부에 제공된다. 열소산판(1103)은 열소산플랜지들(404)을 가질 수도 있다. 광반사체(406)는 LED(701)로부터 방출된 광을 도광판(1104)에 효율적으로 결합하기 위해 LED(701)의 양 측면들 또는 주위에 위치된다. 광학판(optical plate; 1107)은 액정표시판, 광향상판, 패턴 및/또는 텍스쳐를 갖는 산란판 또는 투명판 등으로서 제공된다. 적어도 하나의 LED(701)는 동일한 색의 광 또는 다른 색들의 광들을 방출한다. 다른 색온도의 백색광, 색광 또는 색을 바꿀 수 있는 광의 면광원 및 후방조명광원이 다른 색의 광을 방출하는 개별 LED의 휘도제어를 통해 달성될 수 있다.

Claims (19)

  1. 높은 열전도성의 기부 상에 탑재된 적어도 하나의 LED칩을 포함하며, 이 LED칩은 회로기판을 통해 인가전원에 전기적으로 접속되며 그 위에 투명매체층을 가지며, 기부의 상단면은 광반사면으로서 작용하거나 광반사면이 기부 주위에 제공되며, 회로기판들이 기부 위나 주위에 제공된 LED.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 나사 또는 나사구멍이 기부를 히트싱크에 기계적으로 연결하기 위해 기부의 바닥의 위나 내에 제공되는 LED.
  3. 제1항에 있어서, LED칩의 앞면에 광반사체를 포함하는 LED.
  4. 제1항에 있어서, 투명매체는 광학적 접착제 및 렌즈인 LED.
  5. 제1항에 있어서, LED칩들은 동일한 색의 광 또는 다른 색들의 광들을 방출하는 복수의 LED칩들이고, 이 칩들은 직렬 및/또는 병렬형태로 서로 연결되는 LED.
  6. 제1항에 있어서, 기부는 금속기부, 초고열전도성튜브 또는 금속기부와 금속기부 밑의 초고열전도성튜브의 조립체인 LED.
  7. 제3항에 있어서, 광반사체의 광반사면과 LED축 사이의 각도는 10°와 70°사이인 LED.
  8. 제4항에 있어서, 광학적접착층 내에 또는 광학적접착층 및 렌즈 사이에 광변환재를 더 포함하는 LED.
  9. 제1항의 LED들로 구성된 LED램프에 있어서,
    LED의 기부바닥의 나사들 또는 나사구멍들을 통해 히트싱크에 기계적으로 연결되는 적어도 하나의 LED;
    LED들의 인출리드들이 접속되는 구동회로; 및
    LED 위에 탑재된 투명벌브하우징을 포함하는 LED램프.
  10. 제9항에 있어서, 전기도체는 이중다리삽입형 램프헤드, 다중다리삽입형 램프헤드 또는 나사식 램프헤드인 LED램프.
  11. 제9항에 있어서, 투명벌브하우징은 유리 또는 플라스틱으로 만들어진 투명, 착색형, 또는 광산란 벌브하우징인 LED램프.
  12. 제9항에 있어서, 광변환재층이 투명벌브하우징의 내표면에 도포된 LED램프.
  13. 제9항에 있어서, 히트싱크는 열소산플랜지들을 가지는 LED램프.
  14. 제13항에 있어서, 히트싱크는 단일의 나선형 플랜지 또는 복수의 나선형 플랜지들을 포함하는 LED램프.
  15. 제13항에 있어서, 히트싱크의 내표면은 광반사면인 LED램프.
  16. 제15항에 있어서, 상기 내표면은 원통원뿔형 또는 포물선모양인 LED램프.
  17. 적어도 하나의 LED가 교통신호등의 포물선모양 광반사체의 초점 근처에서 히트싱크 상에 탑재되며, LED의 발산각이 3°와 60°사이의 각도이며, LED들의 일부에 의해 방출된 광은 교통신호등의 투명창을 통해 밖으로 방출되고 나머지 광은 교통신호등의 포물선모양 광반사체로부터 반사된 후에 밖으로 방출되어 소망의 초점을 얻는 LED교통신호등.
  18. 적어도 하나의 LED가 열소산평판을 가지는 히트싱크 상에 탑재되며, 히트싱크는 면광원 또는 액정디스플레이를 위해 후방조명광원의 도광판 뒤쪽 및 주위에 위치되고, 광반사체들은 LED의 양 측면들 또는 주위에 놓여진 LED면광원.
  19. 제18항에 있어서, LED면광원은 복수의 LED들을 포함하며, 복수의 LED들은 동일한 색의 광 또는 다른 색들의 광들을 방출하는 LED면광원.
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