KR20090008634U - 엘이디 조명장치 - Google Patents

엘이디 조명장치

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KR20090008634U
KR20090008634U KR2020080015005U KR20080015005U KR20090008634U KR 20090008634 U KR20090008634 U KR 20090008634U KR 2020080015005 U KR2020080015005 U KR 2020080015005U KR 20080015005 U KR20080015005 U KR 20080015005U KR 20090008634 U KR20090008634 U KR 20090008634U
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circuit board
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led
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김상복
서명덕
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(주)케이엔텍
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Abstract

본 고안은 발광 효율 및 수명을 증대 또는 극대화할 수 있는 엘이디(LED) 조명장치에 관한 것으로, 외부에서 인가되는 직류 전압에 의해 발광되는 엘이디 칩(LED Chip)을 실장하는 회로 기판의 하부에 회로 기판 또는 엘이디 칩(LED Chip)을 냉각시키는 열전 소자와 같은 냉각기를 이용 하여 회로기판 및 엘이디 칩(LED Chip)을 일정한 온도로 냉각시킴에 따라 엘이디 칩의 특성을 최상으로 유지시켜 엘이디 칩(LED Chip)의 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 그리고 상기 열전 소자는 펠티어효과(Peltier effect)를 이용하여 엘이디 칩(LED Chip)의 발열을 흡수하여 엘이디 칩(LED Chip)을 냉각시킬 수 있다. 따라서 엘이디 칩(LED Chip)의 과열을 방지하여 수명을 증가시킬 수 있다.

Description

엘이디 조명장치{Apparatus for lighting LED}
본 고안은 엘이디 조명장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엘이디를 냉각시켜 발광효율을 향상시킬 수 있는 엘이디 조명장치에 관한 것이다.
일반적으로 광 방출 소자는 단순한 발광을 이용한 표시 장치로서 연구개발되었으나, 최근에는 다양한 파장 및 에너지를 가지는 광원으로서의 가능성이 연구되고 있다. 현재 활발하게 사용되는 발광 소자로서는 엘디(LD : Laser Diode)와 엘이디(LED : Light Emitting Diode)로 크게 나눌 수 있는 데, 엘디는 광통신 분야에서 광원으로 널리 사용되고 있으며, 엘이디는 일반적인 표시장치뿐만 아니라 조명장치로 응용되는 등 적용 영역이 점차 확대되고 있다.
특히, 엘이디는 비교적 낮은 전압으로 구동이 가능하면서도 높은 에너지 효율로 인해 발열이 낮고 수명이 긴 장점을 가지고 있으며, 종래에는 구현이 어려웠던 백색광을 고휘도로 제공할 수 있는 기술이 속속 개발됨에 따라 현재 사용되는 대부분의 조명장치를 대체할 꿈의 기술로 기대되고 있다.
종래 기술에 따른 엘이디 조명장치는 크게 엘이디 칩, 회로 기판 및 케이스로 나누어진다. 여기서 엘이디 칩은 PN 접합을 갖는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체를 주요 구성요소로 하고 있으며, 발광 효율이 약 95%이상으로 매우 높다. 회로 기판은 복수개의 엘이디 칩을 실장시키면서 외부에서 인가되는 직류 전압을 인가토록 형성되어 있다. 케이스는 회로 기판 및 엘이디 칩을 둘러싸면서 보호하고, 엘이디 칩의 상부를 개방시켜 엘이디 칩에서 발광되는 빛을 일방향으로 진행시키도록 형성되어 있다. 또한, 엘이디 칩 또는 회로 기판을 자연 냉각시키는 방열판이 형성되어 있다. 이때, 방열판의 크기는 케이스의 크기에 비례하여 증가될 수 있다. 따라서, 엘이디 칩 또는 회로 기판을 자연 냉각시키는 방열판의 크기에 제약이 따른다.
그러나, 종래 기술에 따른 엘이디 조명장치는 주변의 환경이 고온이거나 엘이디 칩의 발열이 증가됨에 따라 엘이디 칩의 발광효율이 떨어지는 문제점이 있었다. 또한, 엘이디 칩이 과열될 경우 상기 엘이디 칩의 수명이 단축되는 문제점이 있었다.
상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 고안의 목적은, 엘이디 칩의 발열에 의한 발광 효율을 증대 또는 극대화할 수 있는 엘이디 조명장치를 제공함에 있다.
본 고안의 다른 목적은, 엘이디 칩의 과열에 의한 엘이디 칩의 수명을 증대 또는 극대화할 수 있는 엘이디 조명장치를 제공함에 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 고안의 양태(aspect)에 따른 엘이디 조명장치는, 소정 크기의 내부 공간을 갖는 케이스; 상기 케이스 내에서 발광되는 엘이디 칩; 상기 엘이디 칩을 실장시키는 회로 기판; 및 상기 회로 기판 또는 상기 엘이디 칩에서 발생되는 발열을 제거하기 위해 상기 엘이디 칩이 실장되는 상기 회로기판의 일측에 대향되는 상기 회로 기판의 타측에서 상기 회로 기판 또는 상기 엘이디 칩을 냉각시키도록 형성된 냉각기를 포함함을 특징으로 한다.
여기서, 상기 냉각기는 열전 소자를 포함하고, 상기 냉각기는 상기 회로 기판 또는 상기 엘이디 칩의 온도를 감지하는 온도 센서와, 상기 온도 센서에서 감지되는 온도에 따라 상기 열전 소자의 동작을 제어하는 제어신호를 출력하는 제어부를 더 포함함이 바람직하다.
또한, 상기한 목적들을 달성하기 위한 본 고안의 다른 양태에 따른 엘이디 조명장치는, 소정 크기의 내부 공간을 갖는 케이스; 상기 케이스 내부의 중앙에 형성된 렌즈; 상기 렌즈의 가장자리를 둘러싸면서 상기 렌즈를 상기 케이스 내부에 고정시키는 베이스 링; 상기 렌즈의 내부에서 발광되는 엘이디 칩; 상기 엘이디 칩을 실장시키는 회로 기판; 및 상기 회로 기판 또는 상기 엘이디 칩에서 발생되는 발열을 제거하기 위해 상기 엘이디 칩이 실장되는 상기 회로기판의 일측에 대향되는 상기 회로 기판의 타측에서 상기 회로 기판 또는 상기 엘이디 칩을 냉각시키도록 형성된 냉각기를 포함함을 특징으로 한다.
본 고안에 의하면, 엘이디 칩에 대향되는 회로 기판의 하부에 냉각기를 형성하여 엘이디 칩에서 발생되는 발열을 제거토록 할 수 있기 때문에 엘이디 칩의 발광 효율을 증대 또는 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 냉각기를 이용하여 엘이디 칩이 과열되는 것을 방지하여 엘이디 칩의 수명을 증대 또는 극대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 고안의 실시예에 따른 엘이디 조명장치를 나타내는 사시도이다.
도 2 내지 도 4는 도 1의 분해 사시도, 평면도, 및 구조 단면도이다.
도 5는 도 4의 베이스 링(62)을 확대한 단면도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 엘이디 칩 20 : 회로 기판
30 : 냉각기 40 : 케이스
50 : 볼록 렌즈 60 : 베이스
70 : 단면
이하, 본 고안에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 본 고안을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 고안의 실시예에 따른 엘이디 조명장치를 나타내는 사시도이고, 도 2 내지 도 4는 도 1의 분해 사시도, 평면도, 및 구조 단면도이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 고안의 엘이디 조명장치는 엘이디 칩(10)이 실장되는 회로 기판(20)의 하부에서 상기 엘이디 칩(10) 또는 상기 회로 기판(20)의 발열을 냉각시키는 냉각기(30)가 형성되어 있다. 여기서, 냉각기(30)는 엘이디 칩(10)에 대향되는 회로 기판(20)에 접촉되도록 형성되어 있다. 예컨대, 냉각기(30)는 외부에서 인가되는 직류 전압에 의해 냉각되는 열전 소자를 포함하여 이루어진다.
통상적으로, 열전 소자는 열과 전기의 상호작용으로 나타나는 각종 효과를 이용한 소자이다. 이러한 열전 소자는 크게 전기저항의 온도 변화를 이용한 소자인 서미스터, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제베크 효과를 이용한 소자, 전류에 의해 열의 흡수(또는 발생)가 생기는 현상인 펠티어 효과를 이용한 소자인 펠티어 소자 등이 있다.
여기서, 펠티어 효과는 2종류의 금속 끝을 접속시켜, 여기에 전류를 흘려보내면, 전류 방향에 따라 한쪽 단자는 흡열하고, 다른 쪽 단자는 발열을 일으키는 현상이다. 2종류의 금속 대신 전기전도 방식이 다른 비스무트(Bi) 텔루르(Te) 등 반도체를 사용하면, 효율성 높은 흡열 발열 작용을 하는 펠티어 소자를 얻을 수 있다. 펠티어 소자와 같은 열전 소자는 전류 방향에 따라 흡열 발열의 전환이 가능하고, 전류량에 따라 흡열 발열량이 조절되므로, 용량이 적은 냉각기(30)에 채용될 수 있다.
따라서, 본 고안의 실시예에 따른 엘이디 조명장치는 엘이디 칩(10)에 대향되는 회로 기판(20)의 하부에 냉각기(30)를 형성하여 엘이디 칩(10)에서 발생되는 발열을 제거토록 할 수 있기 때문에 엘이디 칩(10)의 발광 효율을 증대 또는 극대화할 수 있다. 또한, 엘이디 칩(10)이 과열되는 것을 방지하여 엘이디 칩(10)의 수명을 증대 또는 극대화할 수 있다.
그리고, 냉각기(30)는 엘이디 칩(10) 및 회로 기판(20)을 외부로부터 보호하는 케이스(40) 내에 장입되어 있다. 도시되지는 않았지만, 냉각기(30) 및 회로 기판(20)은 케이스(40)와 단열재에 의해 단열처리 되도록 형성되어 있다. 왜냐하면, 냉각기(30)가 엘이디 칩(10) 및 회로 기판(20)을 독립적으로 냉각시킬 수 있기 때문이다. 예컨대, 케이스(40)는 벽체에 고정되면서 엘이디 칩(10) 및 회로 기판(20)을 일측으로 개방시키는 케이스 몸체(42)와, 상기 케이스 몸체(42)에서 개방되는 엘이디 칩(10) 및 회로 기판(20)의 전면을 보호하도록 형성된 보호 창(44)과, 상기 보호 창(44)의 가장자리에서 상기 보호 창(44) 및 상기 케이스 몸체(42)를 결합시키는 케이스 커버(46)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 케이스 몸체(42)는 보호 창(44)과 접촉되는 부분의 기밀성을 높이는 제 1 패킹 링(48)을 포함하여 구성된다.
상기 제 1 패킹 링(48)은 상기 케이스 몸체(42)에서 형성된 제 1 홈(도시되지 않음) 내에 삽입되도록 형성되어 있다. 그리고, 상기 보호 창(44)은 엘이디 칩(10)에서 생성된 빛을 외부로 노출시키는 투명 재질의 유리 또는 플라스틱으로 형성되어 있다.
그리고, 상기 케이스(40)의 내부에는 엘이디 칩(10)에서 발광되는 빛을 발산시키는 볼록 렌즈(50)가 형성되어 있다. 상기 볼록 렌즈(50)는 엘이디 칩(10)에서 발광되는 빛이 진행되는 방향으로 볼록한 면이 형성되어 있다.
또한, 상기 볼록 렌즈(50)를 고정시키면서 상기 볼록 렌즈(50)의 주변을 둘러싸는 베이스(60)가 형성되어 있다. 예컨대, 상기 베이스(60)는 볼록 렌즈(50)의 가장자리를 지지하면서 회로 기판(20) 또는 케이스(40)에 고정되는 베이스 링(62)과, 상기 베이스 링(62)에 결합되면서 상기 베이스 링(62) 상에서 상기 볼록 렌즈(50)를 고정시키는 렌즈 커버(64)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 베이스 링(62)은 상기 볼록 렌즈(50)를 지지하는 면에 형성된 제 2 홈(도시되지 않음) 내에 결합되면서 볼록 렌즈(50)의 제 2 패킹 링(66)을 포함하여 이루어진다. 또한, 베이스 링(62)은 엘이디 칩(10)에서 발광되는 빛을 전방의 볼록 렌즈(50)로 반시키는 경사면을 갖는다.
한편, 도 5는 도 4에 도시되어 있는 베이스 링(62)의 확대 단면도를 나타낸다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 베이스 링(62) 하부 경사면에는 회로 기판(20)에 수직하는 단층(70)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 단층(70)의 내부 영역에는 다수개의 엘이디 칩(10)이 형성되어 있으며, 상기 엘이디 칩(10)에서 발광되는 빛의 파장을 변경시키는 화합물인 야그(12)가 상기 단층(70)의 높이만큼 채워져 있다. 상기 야그(12)는 상기 엘이디 칩(10)에서 발생된 빛의 파장을 바꾸기 위한 화합물로서, 통상적으로 투명 실리콘과 혼합된 상태로 이용되고 있다.
상기 단층(70)은 베이스 링(62) 내부에 채워지는 야그(12)의 두께를 보다 용이하게 조절하기 위해 형성된 영역이다. 즉, 상기 단층(70)의 높이를 조절함으로써, 그 내부에 채워지는 야그(12)의 두께를 조절할 수 있게 된다.
따라서, 종래에는 베이스 링 내부 영역 전체에 야그와 투명실리콘의 혼합물을 채워 넣음으로써 야그의 두께가 두꺼워지고, 그로 인해 광학적 특성이 비효율적이며 원가가 높아지는 문제점이 있었다.
그러나, 본 고안에서는 상기 도 4 및 도 5에 도시된 것과 같이, 베이스 링(62) 하단에 소정 깊이의 단층(70)을 형성하고, 상기 단층(70)의 높이에 해당되는 두께로만 야그(12)를 형성함으로써, 야그(12)의 두께를 원하는 두께로 보다 용이하게 조절할 수 있도록 함으로써, 광효율을 상승시키고 생산 원가 또한 절감시킬 수 있게 된다.
상기 엘이디 칩(10)은 각각 5% 및 25%의 에너지 효율을 갖는 백열 전구 및 형광등에 비해 월등히 높은 95%이상의 에너지 효율을 갖는다. 따라서, 상기 엘이디 칩(10)은 일명 발광다이오드라 칭하여지며, 크게 SMD타입과 램프타입으로 구분된다.
이하에서 설명될 엘이디 칩(10)은 램프 타입에 대하여 설명하기로 한다. 도시되지는 않았지만, 엘이디 칩(10)의 아래에는 두발이 달려있는데, 이 두 발은 전극의 역할을 한다. 몰드 내부에는 반도체 칩에 전원을 공급하기 위한 음전극과 양전극이 있으며, 반도체 칩은 그 중 한 전극 위에 올려져 있다. 이 전극과 반도체 칩을 연결하기 위해 금으로 된 가는 전선(GOLD Wire)을 사용한다.
반도체 칩은 기본적으로 PN 접합 다이오드이다. 실리콘 PN 접합이 전자정보 혁명의 주역이었다면 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체의 PN 접합은 빛 혁명의 주역이다. Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는 원소 주기율표 상에서 Ⅲ족과 Ⅴ족의 원소가 화합하여 만들어진 것으로 발광효율이 거의 95%이상에 가깝다는 장점이 있다. 그러나, 엘이디 칩(10)은 주변의 온도에 따라 발광효율이 달라질 수 있다. 왜냐하면, 반도체 및 도체의 특성 상 온도가 증가함에 따라 저항이 증가되기 때문이다.
따라서, 본 고안의 실시예에 따른 엘이디 조명장치는 냉각기(30)를 이용하여 엘이디 칩(10)을 일정 수준 이하의 온도로 냉각시킬 수 있기 때문에 발광효율을 증대 또는 극대화할 수 있다.
상기 엘이디 칩(10)을 실장시키는 회로 기판(20)은 도전성이 우수한 구리 또는 알루미늄과 같은 도전성 금속을 포함하여 이루어진다. 도전성 금속은 엘이디 칩(10)의 발열을 냉각기(30)로 전달시키는 역할을 할 수도 있다. 이때, 냉각기(30)의 상하부에는 열전도율을 높이기 위한 써멀 패드(32)가 형성되어 있다. 또한, 케이스(40)와 회로 기판(20) 사이에서 냉각기(30)를 제외한 영역은 단열재(22)로 단열 처리되어 있다. 상술한 바와 같이, 회로 기판(20)과 케이스(40)는 열적으로 서로 독립되기 때문이다.
따라서, 상기 케이스(40) 내부의 회로 기판(20)과 엘이디 칩(10)은 독립적으로 온도 조절이 되도록 형성되어 있다. 도시되지는 않았지만, 냉각기(30)는 회로 기판(20) 또는 상기 엘이디 칩(10)의 온도를 감지하는 온도 센서와, 상기 온도 센서에서 감지되는 온도에 따라 상기 열전 소자의 동작을 제어하는 제어신호를 출력하는 제어부를 더 포함하여 구성된다. 여기서, 온도 센서는 제베크 효과를 갖는 소자로 이루어진 열전대(thermo couple)를 포함하여 이루어진다.
이때, 온도 센서는 회로 기판(20)에 접촉되도록 형성될 수 있다. 따라서, 온도 센서 및 제어부는 엘이디 칩(10) 및 회로 기판(20)의 온도를 감지하고, 열전 소자를 동작시켜 상기 엘이디 칩(10) 및 회로 기판(20)을 설정된 온도로 냉각시키도록 형성되어 있다.
더욱이, 열전 소자에 의해 회로 기판(20) 및 엘이디 칩(10)이 과도하게 냉각되는 것을 방지토록 할 수도 있다. 예컨대, 온도 센서 및 제어부는 열전 소자의 냉각에 의해 회로 기판(20) 및 엘이디 칩(10)에서 결로 현상이 발생되는 것을 방지토록 할 수 있다.
따라서, 본 고안의 실시예에 따른 엘이디 조명장치는 엘이디 칩(10) 또는 회로 기판(20)을 일정한 온도로 냉각시키는 냉각기(30)를 이용하여 엘이디 칩(10)의 발광효율 및 수명을 증대 또는 극대화할 수 있다.
한편, 상기한 실시예의 설명은 본 고안의 더욱 철저한 이해를 제공하기 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 고안을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 그리고, 본 고안의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 고안의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 물론이다.

Claims (5)

  1. 내부 공간을 갖는 케이스;
    상기 케이스 내부의 중앙에 형성된 렌즈;
    상기 렌즈의 가장자리를 둘러싸면서 상기 렌즈를 상기 케이스 내부에 고정시키는 베이스;
    상기 렌즈의 내부에서 발광되는 엘이디 칩;
    상기 엘이디 칩을 실장시키는 회로 기판; 및
    상기 회로 기판 또는 상기 엘이디 칩에서 발생되는 발열을 제거하기 위해 상기 엘이디 칩이 실장되는 상기 회로기판의 일측에 대향되는 상기 회로 기판의 타측에서 상기 회로 기판 또는 상기 엘이디 칩을 냉각시키도록 형성되고, 상기 회로 기판 또는 상기 엘이디 칩의 온도를 감지하는 온도 센서와, 상기 온도 센서에서 감지되는 온도에 따라 상기 열전 소자의 동작을 제어하는 제어신호를 출력하는 제어부를 구비하며, 상기 회로 기판과 상기 케이스 사이에 형성되는 냉각기;를 포함함을 특징으로 하는 엘이디 조명 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스와 상기 회로 기판 사이에서 상기 냉각기를 제외한 영역은 단열재로 단열 처리된 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스는 상기 렌즈의 가장자리를 지지하는 베이스 링과, 상기 베이스 링에 결합되면서 상기 렌즈를 고정시키도록 형성된 베이스 커버를 포함함을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 베이스 링은, 상기 렌즈와 접촉되는 부분에 형성된 홈에 결합되어 상기 베이스 링 및 상기 렌즈 사이를 밀폐시키는 패킹링을 포함하고, 상기 베이스 링의 상기 경사면의 하단에는 상기 회로 기판에 수직하는 단층이 형성된 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 베이스 링은 상기 엘이디 칩에서 발광되는 빛을 전방의 상기 볼록 렌즈로 반시키는 경사면을 갖는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
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