KR20100045970A - 형광등 호환형 ｌｅｄ 조명 장치 - Google Patents

형광등 호환형 ｌｅｄ 조명 장치 Download PDF

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Abstract

형광등에 이용되는 유리 형광관(2)과, 심자외선(Deep ultraviolet)을 사출하는 LED(3)와, 상기 형광관(2) 내에 수용 또는 배치되어 LED(3)으로부터의 광을 확산 또는 산란시키는 광 산란 부재(5)와, 상기 형광관(2)에 장착되어 형광등에 고유의 전기 변환 회로(A1)로부터의 출력을 재변환하여, 상기 LED(3)에 공급하는 재변환 회로(4)를 구비하여 이루어지며, 상기 LED(3)의 표면에는 표면 전극(32)을 마련하고, 상기 표면 전극(32)에 걸쳐 간헐적으로 복수의 관통구멍(321)을 형성하며, 상기 관통구멍(321)에 심자외광 또는 자외광을 집광하여 투과하는 유전체 안테나(36)를 마련한 전체 광량이나 조도 등에서 종래부터의 형광등에 뒤지지 않으며, 또한 고효율인 형광등 호환형 LED 조명기(1)를 제공한다.

Description

형광등 호환형 ＬＥＤ 조명 장치{FLUORESCENT LAMP COMPATIBLE LED ILLUMINATING DEVICE}
본 발명은, LED를 광원으로 하면서도 기존의 형광등을 대치할 수 있는 형광등 호환형 LED 조명 장치에 관한 것이다.
형광등은, 형광 유리관의 내부에 봉입되어 있는 기체의 수은과, 형광관 필라멘트로부터 튀어나온 전자와의 충돌에 의해 발생하는 자외선이, 형광 유리관의 내측에 도포되어 있는 형광체에 닿고, 그 형광체가 발광하여, 형광관 외에 가시광선을 조사하는 것이다. 이러한 형광등은, 백열등과 비교하면 같은 밝기라도 소비 전력을 낮게 억제하며 발열량이 작다고 하는 특징을 가지고 있어, 일본에서는 널리 일반적으로 보급되어 대량으로 생산되고 있다.
한편, 최근에는 LED의 개발이 진행되어, 청색이나 자외광을 발하는 데다가 하이파워인 것도 개발되어, 종래와 같이 인디케이터(indicator) 용도뿐만 아니라, 일반적인 조명 장치에도 그 용도가 확대되어 가고 있다.(특허 문헌 1, 2 참조)
LED는 형광등에 비해 수명이 길고 광량도 안정적이어서, 시동에 시간이 걸리거나 폐기의 문제가 있거나 하는 일은 없다. 그러나, 전체 광량이나 조도 등이라고 하는 점에서, LED는 아직 형광등에 뒤지고 있으며, 하이파워화가 진행되어 단위발광 면적당의 광량이 증대되고 있다고는 하나, 전체적으로 형광등과 같은 수준의 광량을 얻으려고 하면, 많은 LED가 필요한데다가, 발열량도 매우 많아져서, 예를 들어 특허 문헌 1, 2에 나타난 바와 같이, 방열 부재가 필요해진다.
특허문헌1:일본특개2005-166578호공보 특허문헌2:일본특개2007-109504호공보
본원 발명은, 이와 같은 LED의 결점을 해소하여, 일반 조명 장치에 대한 LED의 이용 가능성을 크게 추진할 수 있도록 이루어진 것으로서, 이미 시판되어 널리 표준품으로 되어 있는 형광등의 본체를 그대로 이용할 수 있는 형광등 호환형 LED 조명 장치를 제공하는 것을 그 주된 목적으로 한 것이다.
즉, 본 발명에 관한 형광등 호환형 LED 조명 장치는, 이하의 (1)~(4)를 구비한 것이다. (1) 형광등에 이용되는 형광관, (2) 얇은 판 모양을 이루어 그 두께 방향의 중간에 형성된 발광층으로부터 심자외광(Deep ultraviolet) 또는 자외광을 방사하는 반도체소자 본체, 그 반도체소자 본체의 표면에 마련된 표면 전극, 및 그 표면 전극의 전체에 걸쳐 간헐적으로 마련된 복수의 관통구멍에 각각 형성되어 상기 반도체소자 본체로부터 방사되는 심자외광 또는 자외광을 집광하여 투과시키는 유전체 안테나를 구비하여, 상기 형광관의 안쪽을 향해 심자외광 또는 자외광을 사출하도록 해당 형광관에 장착된 LED, (3) 상기 형광관 내에 수용 또는 배치되어 상기 LED로부터의 광을 확산 또는 산란시키는 광 산란 부재, (4) 상기 형광관에 각각 장착되어, 안정기, 점등관, 인버터 등 형광등에 고유의 전기 변환 회로로부터의 출력을 재변환하여, 상기 LED에 공급하는 재변환 회로.
이와 같은 것이면, 형광관에 LED나 광 산란 부재, 재변환 회로가 일체로 장착되어 있기 때문에, 새로운 어댑터나 기기를 필요로 하는 일 없이 기존의 형광등 본체에 장착하는 것만으로 작동시킬 수 있다.
또, 수은 기체와 대략 같은 파장의 광을 조사하는 심자외광 조사 타입의 LED를 이용하면, 기존의 형광관을 그대로 전용(轉用)할 수 있어, 새로운 개발비나 제조비용을 가급적으로 삭감할 수 있다.
또한, 본 발명에서는, (표)면전극에 의해 반도체소자 본체에 한결같은 전계가 주어지므로, LED를 이상적으로 면(面) 발광시켜 대광량(大光量)을 얻는 것을 용이하게 할 수 있다. 한편, 면 전극으로 하면, 통상은 이 면 전극이 광을 차단하기 때문에, 외부로의 광의 취출 효율이 극단적으로 나빠진다. 이에 대해, 본 발명에서는, 전극에 다수의 유전체 안테나를 관통시키고 있으므로, 전자파인 광이 이들 유전체 안테나에 집광되어 외부로 사출되게 되어, 전극에서의 차광 영향을 크게 저감할 수 있다. 즉, 이상적인 면 발광을 행하면서도 거기에서 발생한 대광량을 외부로 고효율로 취출할 수 있다. 그 효율은 종래의 2배 이상으로도 할 수 있으며, 그 결과 본 발명에 의하면, 일반 조명에 필요하게 되는 광량을 담보하면서도, 고효율인 만큼 발열을 억제할 수 있게 되어, 방열 부재를 필요로 하지 않아 기존의 형광관을 완전히 대치할 수 있는 조명 장치를 제공할 수 있다.
상기 LED의 구체적 배치 형태로는, LED를, 그 발광면을 형광관의 길이 방향과 직교시킨 자세로, 해당 형광관의 양단부에 각각 장착해 두는 것이 바람직하다. 이와 같은 것이면, 형광관의 축을 중심으로 한 회전 대칭 구조가 되므로, 형광관 전체 면을 매우 바람직하게 발광시킬 수 있어, 해당 형광관을, 형광등 본체에 어떠한 회전 각도로 장착해도 같은 조명을 얻을 수 있다.
한편, 상기 LED를, 그 발광면을 형광관의 길이 방향과 평행하게 한 자세로, 해당 형광관 내에 배치하도록 해도 된다. 이와 같이 하면 LED의 대면적화, 나아가서는 대광량화를 보다 용이하게 실현할 수 있다.
LED로부터의 광이 고르게 형광관에 조사되어, 형광관 전체가 빛나도록 하기 위해서는, 예를 들어, 상기 광 산란 부재로서, 형광관 내에 봉입한 부유(浮遊)하는 광 산란 입자를 이용하면 된다.
또, 다른 예로는, 상기 광 산란 부재가, 외주면에 복수의 광 산란부를 가짐과 동시에 LED 사이에 걸쳐져 그 양단면으로부터 내부로 심자외광 또는 자외광을 도입하는 길이가 긴 모양의 라이트 가이드(light guide)이며, 그 내부에 도입된 심자외광 또는 자외광이 광 산란부에서 산란하여 바깥쪽에 방사되도록 구성한 것 등도 들 수 있다.
이와 같이 구성한 본 발명에 의하면, LED 조명 장치를 기존의 형광등 본체에 장착하는 것만으로, 방열 부재 등을 필요로 하는 일 없이 작동시킬 수 있다. 또, LED가 심자외광 또는 자외광을 조사하므로, 기존의 형광관을 그대로 전용할 수 있어 새로운 개발비나 제조비용을 가급적으로 삭감할 수 있다. 또한, LED에는, 다수의 유전체 안테나와 표면 전극을 이용하고 있기 때문에, 고효율로 면 발광을 행하게 할 수 있다. 게다가, 그 광을 광 산란 부재에 의해 산란시키므로 형광관 전체를 빛나게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 있어서의 형광등 호환형 LED 조명 장치의 내부 구조를 나타내는 개관도이다.
도 2는 상기 실시형태에 있어서의 면 발광 LED의 모식적 단면도이다.
도 3은 상기 실시형태에 있어서의 면 발광 LED의 모식적 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 면 발광 LED의 모식적 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시형태에 있어서의 형광등 호환형 LED 조명 장치의 내부 구조를 나타내는 개관도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 있어서의 형광등 호환형 LED 조명 장치의 내부 구조를 나타내는 개관도이다.
이하, 본 발명의 일실시형태에 대해 도 1~도 6을 참조하여 설명한다.
본 실시형태에 관한 형광등 호환형 LED 조명 장치(1)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 형광등에 이용되는 유리의 형광관(2)과, 그 형광관(2)의 양단부에 발광면을 대향시키고, 즉 발광면을 길이 방향과 직교시킨 자세로 각각 장착된 면 발광형의 심자외광 LED(3)와, 그들 LED(3)에 적절한 전력을 공급하기 위한 재변환 회로(4)와, 각 LED(3)로부터 사출된 광을 확산 또는 산란시키는 광 산란 입자(5)를 구비하고 있다.
각 부(部)를 설명한다.
형광관은 형광재를 도포한 유리제의 원통상의 것이며, 기존의 형광등 본체(A)에 장착된다.
LED(3)는, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, PN 접합 구조를 가진 얇은 판 모양을 이루는 반도체소자 본체(31)와, 그 반도체소자 본체(31)의 표면을 대략 덮도록 마련된 표면 전극(32)과, 반도체소자 본체(31)의 이면을 대략 덮도록 마련된 이면 전극겸 반사판(33)을 구비하고 있어, 그 중간의 PN 경계 영역(34)으로부터 심자외(약 50㎚~약 300㎚, 바람직하게는 수은 파장(253.7㎚ 근방))의 광을 사출하는 것이다. 또한, 전력 공급용의 리드 선(35)은 반도체소자 본체(31)의 주연부(周緣部)에 접속되어 있다.
상기 표면 전극(32)에는, 상기 표면 전극(32)의 대략 전체에 걸쳐 일정 피치로 복수의 관통구멍(321)이 두께 방향으로 형성되어 있고, 그들 각 관통구멍(321)에는, 상기 반도체소자 본체(31)로부터 방사되는 심자외광을 집광하여 투과시킬 크기의 유전체 안테나(36)를 마련하고 있다. 이 유전체 안테나(36)가, 광에 대해 유전체 안테나(36)로서의 기능을 유효하게 발휘하기 위해서는, 구체적인 크기로서, 높이, 폭(지름) 모두 광 파장의 수분의 1로부터 수십 배 정도일 필요가 있다. 보다 바람직하게는 1/3로부터 3배 정도가 좋다. 또, 유전체 안테나(36)의 형상은, 도 2 및 도 3에서는 원기둥상이지만, 다각형기둥, 타원기둥 등이라도 된다. 또한, 유전체 안테나(36)는, 반도체소자 본체(31)와 연속 일체의 것이라도 되며, 도 4에 나타내는 바와 같이 유전율이 다른 별도의 부재로 해도 된다.
재변환 회로(4)는 안정기, 점등관, 인버터 등 형광등에 고유의 전기 변환 회로(A1)로부터 출력되어 오는 전기 신호를, LED(3)의 구동에 바람직한 파형으로 변환하는 것이다. 구체적으로는, 예를 들어 형광등의 기동시에 상기 전기 변환 회로(A1)로부터 인가되는 고전압을 저감시키고, 그 후의 안정 전압은 그대로 LED(3)에 인가하는 것과 같은 정전압 회로를 포함하고 있다. 이러한 재변환 회로(4)는, 예를 들어 LED(3)의 기판의 이면에 장착되어, 형광관(2)의 양단부에 LED(3)와 함께 수용되고 있다.
광 산란 입자(5)는, 예를 들어 여기서는, 부유하면서 브라운 운동(Brownian motion) 등을 하여 랜덤으로 돌아다니는 매우 미세한 입자이다. 이 광 산란 입자(5)는 형광관(2) 내에 봉입되어 있다.
그리고, 이와 같이 형광관(2)에 LED(3), 재변환 회로(4), 광 산란 입자(5)를 모두 수용하도록 하여, 기존의 형광관과 대치 가능하게 구성하여, 새로운 어댑터나 기기를 필요로 하는 일 없이, 기존의 형광등 본체(A)에 장착하는 것만으로 작동시킬 수 있도록 하고 있다.
또, 수은 기체와 대략 같은 파장의 광을 조사하는 심자외광 조사 타입의 LED(3)를 이용하고 있기 때문에, 기존의 형광관(2)을 그대로 전용할 수 있어 새로운 개발비나 제조비용을 가급적으로 삭감할 수 있다.
또한, 반도체소자 본체(31)를 표리(表裏)로부터 덮는 표면 및 이면 전극에 의해 반도체소자 본체(31)에 한결같은 전계가 주어지므로, 반도체소자 본체(31)를 이상적으로 면 발광시켜 대광량을 얻는 것이 용이하게 할 수 있다. 게다가, 표면 전극(32)은 반도체소자 본체(31)의 발광 영역을 덮고 있음에도 불구하고, 거기에는 다수의 유전체 안테나(36)를 관통시키고 있기 때문에, 전자파인 광이 이들 유전체 안테나(36)에 집광되어 외부로 사출되게 되어, 전극에서의 차광 영향을 크게 저감할 수 있다. 즉, 이상적인 면 발광을 행하면서도 거기에서 발생한 대광량을 외부로 고효율적으로 취출할 수 있다. 그리고 그 효율은 종래의 2배 이상이나 되며, 그 결과, 본 실시형태에 의하면, 일반 조명에 필요하게 되는 광량을 담보하면서도, 고효율인 만큼 발열을 억제할 수 있게 되어, 방열 부재를 필요로 하는 일 없이 작동시킬 수 있다. 즉, 형광등을 대신할 LED 조명 장치(1)를 제공할 수 있는 것이다.
또한, 형광관(2) 내에 광 산란 입자를 봉입하여 부유시키고 있기 때문에, LED(3)로부터의 광이 산란하여 고르게 형광관(2)에 조사되어 형광관(2)의 전체가 빛나도록 할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 LED(3)를 그 발광면을 형광관(2)의 길이 방향과 평행하게 한 자세로, 해당 형광관(2) 내에 배치해도 상관없다. 300㎚ 이상의 근자외광을 이용해도 상관없다.
또, 상기 광 산란 부재(5)로서 예를 들어, 도 6에 나타낸 바와 같이 외주면에 복수의 광 산란부(61)를 가짐과 동시에 LED(3) 사이에 걸쳐져 그 양단면으로부터 내부로 심자외광 또는 자외광을 도입하는 원기둥상의 라이트 가이드(6)로 해도 된다. 이와 같은 것이면, 그 내부에 도입된 심자외광 또는 자외광이 광 산란부(61)에서 산란하여 바깥쪽에 방사된다.
그 외, 본 발명은 상기 도시 예나 실시형태로 한정되지 않고, 그 주지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변형이 가능하다.
산업상 이용 가능성
이상과 같이 구성한 본 발명에 의하면, LED 조명 장치를 기존의 형광등 본체에 장착하는 것만으로, 방열 부재 등을 필요로 하는 일 없이 작동시킬 수 있다. 또, LED가 심자외광 또는 자외광을 조사하므로, 기존의 형광관을 그대로 전용할 수 있어, 새로운 개발비나 제조비용을 가급적으로 삭감할 수 있다. 또한, LED에는, 다수의 유전체 안테나와 표면 전극을 이용하고 있기 때문에, 고효율로 면 발광을 행하게 할 수 있다. 게다가, 그 광을 광 산란 부재에 의해 산란시키므로 형광관 전체를 빛나게 할 수 있다.
2: 형광관 3: LED
4: 재변환 회로 5: 광산란 입자
31: 반도체소자 본체 32: 전극
33: 이면 전극겸 반사판 34: PN 경계 영역
35: 리드선 36: 유전체 안테나

Claims (5)

  1. 형광등에 이용되는 유리 형광관(2)과, 얇은 판 모양을 이루어 그 두께 방향의 중간에 형성된 PN 접합층(34)으로부터 심자외광(Deep ultraviolet) 또는 자외광을 방사하는 반도체소자 본체(31), 그 반도체소자 본체(31)의 표면에 마련된 표면 전극(32), 및 그 표면 전극(32)의 전체에 걸쳐 간헐적으로 마련된 두께 방향으로 관통하는 것으로서 상기 반도체소자 본체(31)로부터 방사되는 심자외광 또는 자외광을 집광하여 투과시키는 유전체 안테나(36)를 구비하고, 상기 형광관(2)의 내부 공간을 향해 심자외광 또는 자외광을 사출하도록 해당 형광관(2)에 장착된 LED(3)와, 상기 형광관(2) 내에 수용 또는 배치되어 상기 LED(3)로부터의 광을 확산 또는 산란시키는 광 산란 부재(5)와, 상기 형광관(2)에 장착되어 안정기, 점등관, 인버터 등 형광등에 고유의 전기 변환 회로(A1)로부터의 출력을 재변환하여, 상기 LED(3)에 공급하는 재변환 회로(4)를 구비한 것인 형광등 호환형 LED 조명 장치(1).
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 LED(3)가, 그 발광면을 형광관(2)의 길이 방향과 직교시킨 자세로, 해당 형광관(2)의 양단부에 각각 장착되어 있는 형광등 호환형 LED 조명 장치(1).
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 LED(3)가, 그 발광면을 형광관(2)의 길이 방향과 평행하게 한 자세로, 해당 형광관(2) 내에 배치되어 있는 형광등 호환형 LED 조명 장치(1).
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 산란 부재(5)가, 형광관(2) 내에 봉입한 부유(浮遊)하는 광 산란 입자(5)인 형광등 호환형 LED 조명 장치(1).
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 광 산란 부재(5)가, 외주면에 복수의 광 산란부를 가짐과 동시에 LED(3) 사이에 걸쳐져 그 양단면으로부터 내부로 심자외광 또는 자외광을 도입하는 길이가 긴 모양의 라이트 가이드(light guide)(6)이며, 그 내부에 도입된 심자외광 또는 자외광이 상기 광 산란부에서 산란하여 바깥쪽에 방사되도록 구성되어 있는 형광등 호환형 LED 조명 장치(1).
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