KR20090023038A - 엘이디 발광체 열 제어방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엘이디 발광체 열 제어방법 및 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 엘이디 발광체 열제어방법은, 적어도 하나의 엘이디를 구비하여, 상기 적어도 하나의 엘이디에 규정전류보다 일정 레벨 높은 초과전류를 인가하는 단계와; 상기 적어도 하나의 엘이디에의 상기 초과전류의 공급 및 차단을 스위칭을 통해 반복적으로 수행하여, 상기 적어도 하나의 엘이디에의 초과전류의 공급시간을 제어하는 단계를 구비한다. 본 발명에 따르면, 엘이디의 열화 및 열 누적을 방지 또는 최소화할 수 있어 엘이디의 신뢰성을 높일 수 있다.

엘이디, 초과전류, 규정전류, 발열, 제어신호

Description

엘이디 발광체 열 제어방법 및 장치{Method and apparatus for LED device thermal control}

본 발명은 엘이디 발광체 열 제어방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, 규정전류보다 높은 레벨의 초과전류를 엘이디에 공급하고, 초과전류의 공급시간을 조절하는 엘이디 발광체 열 제어방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적인 조명장치의 예로는 광고판, 신호등, 비상등 등을 들 수 있다. 이러한 조명장치는 발광부를 구비하여 빛을 방출하는 것에 의해 조명을 수행하거나 신호를 출력하게 된다.

상기 발광부의 일예로는 엘이디(Light Emitting Diod: LED 또는 발광다이오드)를 사용한 것을 들 수 있으며, 상기 엘이디를 구비하는 발광부는 저전력을 소모함에도 불구하고 고휘도를 방출하는 장점이 있으며, 다양한 색상을 출력하는 소자들이 개발되어 조명장치, 광고판, 신호등 등의 조명장치에 널리 적용되고 있다.

상술한 바와 같은 엘이디 등의 발광소자는 발광효율이 70% 정도로 저하되는 경우 수명을 다하는 것으로 판단하게 되며, 이러한 수명은 발광지속시간에 의해 정 해져 있으나 발광시 발생하는 열에 의한 열화 현상에 의해 수명이 현저히 차이가 난다. 즉 열화현상에 의해 수명이 줄어들게 된다.

이 문제를 해결하기 위하여 엘이디를 부착하는 기판 구조를 알루미늄으로 사용하여 발열문제를 해결하고 있으며, 추가적으로 열 방출을 위한 방열판을 크게 형성하여 부착하기도 한다. 경우에 따라서는 방열팬까지도 사용되고 있다.

이는 부피면이나 비용면에서 상당한 부담으로 작용하고 있다.

종래의 엘이디의 경우에는 상기 엘이디에 규정된 규정전류 이하의 전류를 지속적으로 공급하여 발광하는 방식을 취하고 있다.

도 1은 종래의 엘이디에 공급되는 시간(t) 대 전류(I) 그래프를 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 엘이디 발광체의 경우에는 규정전류 이하의 전류(I1) 전류를 지속적으로 공급하여 발광하는 구조를 가지고 있어, 발열되는 열의 누적으로 인한 엘이디의 열화로 엘이디의 수명이 단축되는 문제점이 있다.

이를 방지하기 위해 도 2의 구조와 같이, 엘이디(9)에 부착되는 부착물질(10) 또는/및 부착기판(11)을 크게 하여 발열문제를 해결하고자 하고 있으나, 근본적인 해결은 되지 않는다.

도 2의 그래프는 엘이디 부착구조에서의 온도 분포를 나타낸 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 엘이디(9)의 위치를 피크(peak)점으로 하여 온도가 가장 높으며, 엘이디(9)의 위치에서 거리가 멀어질수록 온도가 낮아지는 구조를 이루고 있다. 이 때 엘이디의 발열로 인한 열화 및 수명연장을 위하여 엘이디(9) 발광체의 온도가 전체적으로 12℃ ~ 60℃의 범위에서 안정화되도록 하기 위하여, 방열판이나 기타 방열팬을 부착하고 있는 실정에 있으나 근본적인 해결방법이 되지 못하며, 이로 인한 부피의 증가 및 비용의 증가가 커지는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 극복할 수 있는 엘이디 발광체 열 제어방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 엘이디 발광체의 수명을 연장시킬 수 있는 엘이디 발광체 열 제어방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 엘이디의 열화 및 열 누적을 방지 또는 최소화할 수 있는 엘이디 발광체 열 제어방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 비용 및 부피를 줄일 수 있는 엘이디 발광체 열 제어방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 구체화에 따라, 본 발명에 따른 엘이디 발광체 열제어방법은, 적어도 하나의 엘이디를 구비하여, 상기 적어도 하나의 엘이디에 규정전류보다 일정 레벨 높은 초과전류를 인가하는 단계와; 상기 적어도 하나의 엘이디에의 상기 초과전류의 공급 및 차단을 스위칭을 통 해 반복적으로 수행하여, 상기 적어도 하나의 엘이디에의 초과전류의 공급시간을 제어하는 단계를 구비한다.

상기 초과전류의 공급시간은 상기 적어도 하나의 엘이디가 열화되어 파괴되지 않을 정도의 수준에서 정해지며, 상기 초과전류의 차단시간은 상기 적어도 하나의 엘이디의 발열 정도에 의해 정해질 수 있다.

상기 적어도 하나의 엘이디는 방열 및 열 분산을 위한 베이스 기판에 부착될 수 있다.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 다른 구체화에 따라, 본 발명에 따른 엘이디 발광체 열제어 장치는, 적어도 하나의 엘이디가 배열되는 엘이디 발광부와; 상기 적어도 하나의 엘이디의 규정전류보다 일정레벨 높은 초과전류를 상기 적어도 하나의 엘이디에 공급하는 전원과; 상기 초과전류의 공급 및 차단을 통하여 상기 초과전류의 공급시간을 제어하기 위한 제어신호를 발생하는 제어신호 발생부와; 상기 엘이디 발광부와 접지단자사이에 연결되어, 상기 제어신호에 응답하여 스위칭을 수행하는 스위칭부를 구비한다.

상기 제어신호는 구형파 또는 PWM 신호일 수 있다.

상기 스위칭부는 적어도 하나의 전계효과트랜지스터(FET) 또는 적어도 하나의 트랜지스터(TR)를 포함하는 적어도 하나의 스위칭소자를 구비할 수 있다.

상기 적어도 하나의 엘이디는 방열 및 열 분산을 위한 베이스 기판에 부착될 수 있다.

본 발명에 따르면, 엘이디의 열제어를 통해 엘이디의 수명을 늘릴 수 있으며, 제조시의 비용 및 원자재의 사용을 줄일 수 있다. 소형화가 가능하여 세밀한 모양이나 연출이 가능한 효과가 있다. 그리고, 엘이디의 열화 및 열 누적을 방지 또는 최소화할 수 있어 엘이디의 신뢰성을 높일 수 있다. 또한, 엘이디의 색상이 여러 가지인 경우, 이를 이용하여 엘이디의 휘도, 조도의 변화를 창출함으로 다양한 색도를 만들 수 있는 효과가 있다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 발광체 열 제어장치(300)의 회로도를 나타낸 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 발광체 열제어장치(300)는 엘이디 발광부(320), 제어신호 발생부(310), 및 스위칭부(330)를 구비한다. 추가적으로 상기 엘이디 발광부(320), 상기 제어신호 발생부(310), 및 상기 스위칭부(330)가 탑재되는 베이스 기판(도 5의 11)을 구비할 수 있다. 상기 베이스 기판(11)은 방열 및 열 분산을 위해 구비될 수 있다.

상기 엘이디 발광부(320)는 적어도 하나의 엘이디(D)와 적어도 하나의 저 항(R1)이 연결되는 구조를 가진다. 상기 저항(R1)의 일단은 전원과 연결되고, 상기 저항(R1)의 타단은 상기 엘이디(D)의 플러스 단자(+)와 연결된다. 상기 저항(R1)은 엘이디(D)의 보호를 위한 보호저항이다.

도 3에서는 하나의 엘이디(D)가 구비되는 경우를 도시하였으나, 상기 엘이디 발광부(320)는 도 3에 도시된 엘이디(D)와 저항(R1)의 연결구조와 동일한 구조의 엘이디와 저항구조가 복수개로 구비되어 병렬로 연결되는 구조를 가질 수 있다.

상기 전원은 상기 적어도 하나의 엘이디의 규정전류보다 일정레벨 높은 초과전류를 상기 적어도 하나의 엘이디(D)에 공급한다. 상기 전원은 상기 저항(R1)을 통해 상기 초과전류를 상기 적어도 하나의 엘이디(D)에 공급하게 된다.

상기 제어신호 발생부(310)는 상기 초과전류의 공급 및 차단을 통하여 상기 초과전류의 공급시간을 제어하기 위한 제어신호를 발생한다.

상기 제어신호 발생부(310)는 일정 주기의 구형파 또는 PWM(pulse width modulation) 신호를 발생한다. 상기 구형파 및 PWM 신호는 통칭하여 구형파로 표현하기로 한다. 상기 제어신호 발생부(310)는 프로그램 방식으로 상기 구형파를 발생하며, 상기 구형파의 주기와 듀티비를 가변할 수 있는 구조를 가진다. 즉 상기 구형파의 듀티비 및 주기는 조절 가능하다. 상기 제어신호 발생부(310)는 상기 구형파의 발생을 제어하는 마이크로 프로세서(MPU;micro-processor unit)를 구비할 수 있다.

상기 스위칭부(330)는 상기 엘이디 발광부(320)와 접지단자사이에 연결되어, 상기 제어신호발생부(310)에서 발생되는 상기 제어신호에 응답하여 스위칭을 수행 한다.

상기 스위칭부(330)는 상기 제어신호에 응답하여 상기 엘이디 발광부(320)의 전원을 스위칭하여, 상기 엘이디 발광부(320)를 구성하는 상기 적어도 하나의 엘이디(D)가 일정간격으로 점등과 소등이 반복되도록 한다. 상기 스위칭부(330)는 고속 스위칭을 위하여, 적어도 하나의 전계효과트랜지스터(FET) 또는 적어도 하나의 트랜지스터(TR)를 구비할 수 있다. 이외에도 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 잘 알려진 스위칭소자를 구비할 수 있다.

상기 스위칭부(330)는 적어도 하나의 저항(R2) 및 적어도 하나의 스위칭 소자(Q)를 구비한다.

상기 스위칭소자(Q)의 베이스는 상기 저항(R2)과 연결되고, 컬렉터는 상기 저항(R1)의 상기 엘이디들(D)와 연결되지 않은 단자와 연결된다. 그리고 이미터는 접지된다. 상기 스위칭소자(Q)가 전계효과 트랜지스터로 구성되는 경우, 게이트는 상기 저항(R2)과 연결되고, 소스는 상기 저항(R1)의 상기 엘이디들(D)와 연결되지 않은 단자와 연결되며, 드레인은 접지된다.

상기 스위칭부(330)에 구비되는 상기 스위칭 소자는, 상기 엘이디 발광부(320)를 구성하는 엘이디가 하나인 경우에는 일대일로 대응하도록 하나가 구비되고, 상기 엘이디 배열부(320)가 복수의 엘이디를 구비하는 경우에는 일대일 대응 또는 일정개수의 엘이디들에 대하여 하나의 스위칭소자가 대응되도록 구비될 수 있다. 예를 들어, 5개의 엘이디들이 구비되는 경우에는, 일대일 대응방식으로 5개의 스위칭소자들이 구비될 수 있고, 2개의 엘이디들에 하나의 스위칭 소자가 연결되 고, 나머지 3개의 엘이디들에 하나의 스위칭 소자가 연결되는 방식으로 2개의 스위칭 소자가 구비될 수 있다. 이외에도 다양한 대응방식에 의해 복수의 엘이디들에 연결되는 스위칭 소자의 개수를 조절할 수 있다.

이하 도 4를 통해 엘이디 발광체 열 제어장치(300)의 동작을 살펴보면 다음과 같다. 도 4는 상기 엘이디(D)에 공급되는 시간에 대한 전류 그래프이다. 도 4에 표시된 전류(I1)는 엘이디의 규정전류이고, 전류(I2)는 상기 규정전류보다 일정레벨 높은 초과전류를 의미한다.

우선 상기 전원으로부터 초과전류(I2)가 공급된다. 상기 제어신호 발생부(310)에서 제어신호가 발생되면, 이에 응답하는 스위칭부(330)의 고속 스위칭에 의해 상기 초과전류(I2)의 공급시간이 제어된다.

엘이디(D)는 순간적인 초과전류의 인가시 엘이디의 파괴나 열저항이 현저하게 작아진다는 점을 이용하여, 상기 초과전류(I2)의 공급시간을 조절하게 된다.

엘이디(D)의 공급되는 순간적인 초과전류(I2)는 빛의 효율을 증대시키게 되는 효과가 있으나, 공급시간이 길어지면, 엘이디의 열누적으로 파괴되게된다. 따라서, 상기 초과전류(I2)의 공급시간을 조절하여 엘이디(D)가 파괴되지 않도록 한다. 여기서 시간은 uSEC(마이크로세컨드)단위가 된다. 이후 상기 초과전류(I2)가 차단되면, 그동안 발생된 열은 베이스 기판을 통해 방열되고, 방열이 충분히 이루어진 시점에서 다시 상기 초과전류(I2)를 인가하는 동작을 반복하게 된다.

예를 들어 도 4에 도시된 바와 같이, 제1시간구간(t1) 동안 초과전류를 공급하고, 제2시간구간(t2) 동안 초과전류를 차단하는 등의 방식으로, 제3시간구 간(t3), 제5시간구간(t5), 및 제7시간구간(t7)에는 상기 초과전류(I2)를 공급하고, 제4시간구간(t4) 및 제6시간구간(t6)에는 상기 초과전류(I2)를 차단할 수 있다.

여기서 상기 1시간구간(t1), 제3시간구간(t3), 제5시간구간(t5), 및 제7시간구간(t7)의 시간길이는 동일할 수도 있고 경우에 따라 서로 다를 수 있다. 또한 상기 제2시간구간(t2), 제4시간구간(t4), 및 제6시간구간(t6)의 시간길이는 서로 동일할 수도 있고 경우에 따라 서로 다를 수 있다. 특히 상기 제2시간구간(t2), 제4시간구간(t4), 및 제6시간구간(t6)의 시간길이를 짧게 하는 경우, 즉 충분한 방열이 되지 않은 상태에서 다시 초과전류가 공급되는 경우, 열화 및 열누적이 발생될 수 있으므로, 충분한 시간길이를 확보하여야 한다.

여기서, 상기 제어신호인 구형파의 하이레벨 간격과 상기 초과전류(I2)의 공급시간간격은 동일하고, 상기 구형파의 로우레벨 간격과 상기 초과전류(I2)의 차단시간간격은 동일하다. 이는 상기 구형파에 의해 상기 초과전류(I2)의 공급 및 차단이 제어되기 때문에 당연한 결과이다.

상기 초과전류(I2)의 레벨 및 상기 초과전류의 공급 및 차단시간은, 서로 연동되어 제어될 수 있다. 예를 들어, 상기 초과전류(I2)의 레벨이 높아지면, 상기 초과전류(I2)의 공급시간구간은 줄어들 수 있고, 상기 초과전류(I2)의 차단시간 구간도 줄어들 수 있다. 상기 초과전류(I2)의 레벨은 다양하게 변화될 수 있으나, 일단 상기 초과전류(I2)의 레벨이 정해지는 경우에는, 상기 초과전류(I2)의 공급시간 및 차단시간을 제어하게 된다. 이 시간은 수십 마이크로초(uSEC)에서 수백마이크로 초(uSEC)가 될 수 있다. 이는 다수의 실험을 통해 정의될 수 있을 것이다. 또한, 각 소자마다 패키징 방법과 엘이디가 부착된 구조가 다르고, 각 구조에 따라 열전달 정도가 다르므로 각 소자의 특성을 효율적으로 실험하여 시간 값을 얻어 내야만 한다. 이러한 결과는 상기 제어신호 발생부(310)에 입력되어 상기 구형파를 제어하게 된다.

상술한 바와 같은 동작을 수행하게 되면, 엘이디의 수명을 늘릴 수 있으며, 엘이디에 연결된 보호용 저항(R1)의 열 발생도 억제할 수 있고 발생된 열 또한 제거할 수 있다. 또한, 지속적인 규정전류 이하의 공급으로 인하여 대전류를 위한 소자를 사용해야 만 했던 종래의 문제점을 개선하고, 소형 패키지가 가능하므로, 소형화 및 신뢰성을 높일 수 있다. 특히 방열판을 대규모로 사용하지 않아도 되므로 소형화에 유리하다.

또한, 엘이디의 색상이 여러 가지인 경우, 이를 이용하여 엘이디의 휘도, 조도의 변화를 창출함으로 다양한 색도를 만들 수 있는 효과가 있다.

도 5는 엘이디 부착구조에서의 온도 분포를 나타낸 그래프이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 엘이디(9)의 부착 위치를 피크(peak)점으로 하여 온도가 가장 높으며, 베이스 기판(11)의 엘이디(9) 부착 위치에서 거리가 멀어질수록 온도가 낮아지는 구조를 이루고 있다. 이 때 엘이디 발광체의 온도가 전체적으로 13℃ ~ 40℃의 범위에서 안정화되게 된다. 종래에 비하여 피크온도가 20℃ 이상 낮아지게 되는 효과가 있어, 엘이디의 열화 및 열누적으로 인한 엘이디의 파괴를 방지 또는 최소화할 수 있다. 여기서 설명되지 않은 도면부호 '10'은 엘이디 부착물질을 의미한다.

상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다.

도 1은 종래의 엘이디 발광체에 공급되는 시간(t) 대 전류(I) 그래프를 나타낸 것이고,

도 2는 종래의 엘이디 부착구조에서의 온도 분포를 나타낸 그래프이고,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 발광체 열제어장치의 간단한 회로도이고,

도 4는 도 3의 엘이디에 공급되는 시간에 대한 전류 그래프이고,

도 5는 도 3의 구조가 부착된 엘이디 부착구조에서의 온도 분포를 나타낸 그래프이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

310 : 제어신호 발생부 320 : 엘이디 발광부

330 : 스위칭부

Claims (7)

1. 엘이디 발광체 열제어방법에 있어서:

   적어도 하나의 엘이디를 구비하여, 상기 적어도 하나의 엘이디에 규정전류보다 일정 레벨 높은 초과전류를 인가하는 단계와;

   상기 적어도 하나의 엘이디에의 상기 초과전류의 공급 및 차단을 스위칭을 통해 반복적으로 수행하여, 상기 적어도 하나의 엘이디에의 초과전류의 공급시간을 제어하는 단계를 구비함을 특징으로 하는 엘이디 발광체 열제어방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 초과전류의 공급시간은 상기 적어도 하나의 엘이디가 열화되어 파괴되지 않을 정도의 수준에서 정해지며, 상기 초과전류의 차단시간은 상기 적어도 하나의 엘이디의 발열 정도에 의해 정해짐을 특징으로 하는 엘이디 발광체 열제어방법.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 적어도 하나의 엘이디는 방열 및 열 분산을 위한 베이스 기판에 부착됨을 특징으로 하는 엘이디 발광체 열제어방법.
4. 엘이디 발광체 열제어 장치에 있어서:

   적어도 하나의 엘이디가 배열되는 엘이디 발광부와;

   상기 적어도 하나의 엘이디의 규정전류보다 일정레벨 높은 초과전류를 상기 적어도 하나의 엘이디에 공급하는 전원과;

   상기 초과전류의 공급 및 차단을 통하여 상기 초과전류의 공급시간을 제어하기 위한 제어신호를 발생하는 제어신호 발생부와;

   상기 엘이디 발광부와 접지단자사이에 연결되어, 상기 제어신호에 응답하여 스위칭을 수행하는 스위칭부를 구비함을 특징으로 하는 엘이디 발광체 열 제어장치.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 제어신호는 구형파 또는 PWM 신호임을 특징으로 하는 엘이디 발광체 열제어장치.
6. 청구항 4에 있어서,

   상기 스위칭부는 적어도 하나의 전계효과트랜지스터(FET) 또는 적어도 하나의 트랜지스터(TR)를 포함하는 적어도 하나의 스위칭소자를 구비함을 특징으로 하 는 엘이디 발광체 열제어장치.
7. 청구항 4 또는 청구항 6에 있어서,

   상기 적어도 하나의 엘이디는 방열 및 열 분산을 위한 베이스 기판에 부착됨을 특징으로 하는 엘이디 발광체 열제어장치.

Images