KR20100102643A - 저전력 백열 전구의 ｌｅｄ 램프 대체 - Google Patents

저전력 백열 전구의 ｌｅｄ 램프 대체 Download PDF

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KR20100102643A
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led
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레이몬드 지. 자닉
칼로 사이아나
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괴켄 그룹 코포레이션
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Abstract

백열 전구를 대신 사용할 수 있는 LED 램프가 제공된다. 상승된 광원이 스크류 타입 베이스 위에 위치한다. 제1 복수의 LED가 편평한 기판의 한쪽에 직렬로 연결되고, 제1 복수의 LED와 수가 같은 제2 복수의 LED가 기판의 반대쪽에 직렬로 연결된다. 제1 및 제2 복수의 LED의 각각의 LED는 방열판 가까이에 장착되고 이러한 LED를 위해 구동 회로가 제공되며, 이 구동 회로는 스크류 베이스에 가까이 위치하고 전기적으로 연결된다.

Description

저전력 백열 전구의 ＬＥＤ 램프 대체{LED LAMP REPLACEMENT OF LOW POWER INCANDESCENT LAMP}
본 발명은 LED(발광 다이오드) 램프에 관한 것이며, 특히 표준 백열 전구를 대체할 LED 램프에 관한 것이다.
백열 전구는 백 년간 지속하여 왔다. 백열 전구는 높은 연색지수(CRI: Color Rendering Index) 및 따뜻한 색 온도로 인해 매력적이고 미관상으로도 좋다. 그렇지만, 낮은 효율성, 짧은 수명 및 에너지 소모는 주요 단점으로 지적되어 왔기에, 소비자는 형광등과 같이 더 효율적인 광원으로 바꾸려고 한다.
형광등이 CRI가 낮고, 물리적으로 크고, 명멸 효과가 나타나며 수은과 같은 유해한 물질을 포함한다는 사실이 아니었더라면 백열 전구는 수십 년 전에 폐기되었을 것이다.
1980년대 후반까지, LED는 전자 장비의 지시등(indicator light)으로서 주로 사용되고 있었다. 백열 전구에 비해 효율성이 높기 때문에 매우 인기가 있었다. 1990년대 후반 무렵에는, 백색 LED를 포함한 고강도 LED가 나오기 시작하였다. 오늘날에는, LED 칩 설계 및 제조의 발달로 그 어느 때보다도 백열 전구를 대체할 가능성이 높다.
그렇지만, LED 램프의 보급을 더디게 하는 몇 가지 장애가 남아 있다:
1. 낮은 최대 LED 접합 온도(junction temperture) 및 열 소산
LED는 전압 강하 Vd와 구동 전류 ID의 적(product)과 동등한 비율로 열을 발생시킨다.
Figure pct00001
여기서 P는 전력이고 Q는 LED가 생성하는 열 에너지이다. LED 접합 온도 상승은 발생된 열과 소산된 열 간의 차이의 함수이다. 열 소산은 방열판 표면 영역(heat sink surface area), 상이한 매질과 경계면의 열 전도성, 및 방열판과 주위 온도 간의 온도차의 함수이다. 대부분의 LED의 최대 접합 온도는 125℃인데, 수 개의 제조업체는 180℃까지 광고하기도 한다. LED의 광출력은 얼마나 빨리 열이 다이(die)에서 소산될 수 있느냐로 결정된다. LED의 휘도 출력은 접합 온도가 상승할수도록 감소한다. 도 1은 통상적인 LED의 휘도 출력 대 접합 온도를 나타낸다.
2. 휘도 출력 및 효율성
휘도 효율성은 휘도 플럭스(Lm) 대 인가된 전력(Watts)의 비이다. 저 전력 백열 전구 효율성의 일반적인 값은 다음과 같다:
휘도 효율성 LM /W
연소 양초 0.3
5W 백열 전구 5
40W 백열 전구 12
LED 효율성은 최근 수년간에 개선되어 100 Lm/W를 초과하고 있다. 흔하게 구입할 수 있는 전력 LED는 85 Lm/W까지 측정할 수 있다. 그렇지만, 이러한 측정은 25℃ 접합 온도에서 취해지고 구동 전류가 감소하게 되었다.
전술한 바와 같이, 다이 온도가 증가할 때 휘도 출력은 감소한다. 구동 전류를 증가시키면 효율성 감소에 훨씬 큰 영향을 미친다. 전류가 증가함에 따라, 광출력은 도 2에 도시된 바와 같이 비선형으로 증가하지만, 도 3은 전압도 마찬가지로 증가한다는 것을 보여주고 있다.
환언하면, 전류가 인자(1+K, 단 0<K<1)에 의해 증가하는 경우, 휘도 출력이 인자(k+1, 단 0<k<K)에 의해 증가할 뿐만 아니라, LED 전압 V도 인자(1+v)에 의해 증가할 것이다. 새로운 LED 전력 소비는 다음과 같이 될 것이다:
P = (I+K)×(V+v) = (I+K)×V+(I+K)×v
여기서, 첫 번째 항은 전류만의 증가에 따른 전력의 증가를 나타내고, 두 번째 항은 전류와 전압의 증가에 따른 전력을 증가를 나타낸다.
그러므로 LED 전류를 증가시키면 그 효율성이 감소하는 대가를 치르면서 LED 출력이 증가할 것이다. 루멘의 백분율 증가는 전류의 백분율 증가보다 낮고, 이것은 훨씬 높은 비율로 효율성을 감소시킬 것이다.
3. LED는 단방향 광원이다.
LED는 반 공간(half space)보다 작은 원뿔로 발광하는 데, 도 4에 도시된 바와 같이 종래의 "A" 타입 램프에서는 사용하기가 곤란하다. 방열판에 장착되어 전구형 쉘(bulb-like shell)에 위치하면, 일부의 광이 패키지 및 렌즈 물질에 의해 흡수될 것이고 이는 시스템의 효율성을 떨어뜨린다. 'A' 타입 램프에서 LED를 성공적으로 구현하기 위해서는, LED가 전구의 중심으로 올라가야 하지만, 이것은 열 소산 성능을 떨어뜨린다.
4. 전력 변환의 필요성
LED는 정전류원 파워 서플라이(constant current source power supply)(도 5)를 필요로 하는 전류 구동 디바이스이다. 도 3에 도시된 바와 같이, LED에 의해 반영되는 전압은 구동 전류의 지수 함수이다. LED는 소스 전압이 LED 전압과 일치해야 하기 때문에 전압원에 의해서는 구동될 수 없다. 그 밖의 경우에는, 전체 회로 저항에 의해 분압된 전압 차로 인해 전류가 최대 LED 정격(rating)을 쉽게 초과하게 되어 디바이스는 실패로 끝나 버릴 것이다.
정전류원 파워 서플라이는 비용이 상승하고 LED 램프 시스템의 신뢰성 및 효율성을 떨어뜨린다. 5 와트 이하의 플라이-백 파워 서플라이(fly-back power supply)는 전체적인 효율성이 80% 미만인데 이는 전체 램프 시스템의 휘도 효율성을 떨어뜨린다.
파워 서플라이는 램프 시스템에서 귀중한 공간(valuable real estate)을 차지하고, LED가 발생시키는 열로부터 파워 서플라이를 보호하기 위해 특별한 수단을 필요로 한다.
5. 조광성(Dimmability)
조광기(dimmer)는 AC 입력 전압을 위상 제어함으로써 광출력을 제어한다. 그렇지만, 정전류원 파워 서플라이는 입력 전압의 변화를 보상하여 출력 전류를 일정하게 유지한다. 조광성을 허용하는 전문 파워 서플라이가 있다. 이러한 파워 서플라이는 RMS 입력 전압에 비례하는 출력 전류를 생성하도록 설계되어 있다. 이러한 파워 서플라이는 일반적으로 더 복잡하고 낮은 효율성을 보인다.
도 5는 오프-라인 스위치 모드 파워 서플라이의 블록도이다. 스위치 모드 파워 서플라이는 120V ac 라인 전압을 낮은 DC 전류(12mA - 350mA)로 변환시키기 위해 필요한다. 5 와트 출력 미만의 파워 서플라이는 거의 항상 플라이-백 타입이며, 전체적으로 효율성이 80% 미만이다. 파워 서플라이는 또한 고전압의 스파이크가 MOSFET 스위치에 손상을 입힐 수 있는 서지가 발생하는 경우, 특히 MOV(산화 금속 배리스터)와 같은 서지 차단기(surege suppressor)가 일체화되어 있지 않은 경우, 고장나기 쉽다.
저 전압 LED를 구동하는 다른 공통적인 방법은 전류를 제한하여 LED에 걸리는 과도한 전압을 강하시키도록 AC 라인과 직렬인 임피던스를 사용하는 것이다. 임피던스는 저항, 커패시터 또는 인덕터가 될 수 있다. 저항은 가장 저렴하고 가장 많이 통용되지만, 소산되는 에너지 E=I2.R.Δt는 없어지고 복구되지 않는다. 도 6에 도시된 방와 같이, 소스 전압과 LED 전압 간의 전압차의 증가에 따라 손실은 증가한다.
VS=166V, V=36V, I=20mA이라고 하자. 이 경우,
Figure pct00002
저항 양단의 전력 소비는 PR = I2 × R = 2.6W이다.
시스템의 효율성은 다음과 같이 된다.
Figure pct00003
분명하게 시스템은 실현 가능성이 없다.
다른 솔루션은 인덕터 또는 커패시터와 같이, 에너지를 소산하지 않는 임피던스로 R을 대체하는 것이다. 커패시터는 크기 면에서 더 유용하며 인덕터보다 가치가 있다. 유일한 제한적 요소는 커패시터 양단의 최대 허용 가능한 전압 강하이다. 그렇지만, 이 솔루션에 의하면 LED의 조광성이 없어지고 또한 라인 전압 플러스 마진에 정격이 되어야 하는 AC 커패시터의 크기가 크기 때문에 회로 보드의 크기가 커져 버린다.
전압차(VS-V)가 감소되면 전력 소모가 감소되어 이 저항 임피던스 솔루션은 실현 가능하게 된다. 이것은 전체 LED 전압 강하가 소스 전압 VS에 근접하게 될 때까지 직렬 접속의 LED의 수를 증가시킴으로써 행해지며 이에 따라 전압차(VS-V)가 감소할 뿐만 아니라 전류를 제한하는 데 필요한 R의 값도 감소한다.
예를 들어, 전체 부하 전압 V=136V를 생성하기 위해 수 개의 LED가 직렬로 접속되어 있다고 하자. R의 새로운 값은 다음과 같다.
Figure pct00004
새로운 전력 소모는 다음과 같다.
PR = I2 LOADR = 0.6W
새로운 시스템 효율성은 다음과 같이 된다.
Figure pct00005
분명하게, 파워 서플라이 효율성에 대한 받아들일 수 있는 범위 내에 있게 되어, 낭비된 전력을 더 유용한 전력으로 만들 수 있게 된다.
본 발명은 베이스 및 상승된 광원(elevated light source)을 포함하는 LED 램프에 관한 것이다. 광원은, 직렬로 연결되어 있고, 상기 베이스로부터 떨어져 있으면서 전체적으로 편평한 기판의 한쪽에 장착되어 있는 제1 복수의 LED, 및 상기 제1 복수의 LED와 수가 같으며, 직렬로 연결되어 있고 상기 전체적으로 편평한 기판의 반대쪽에 장착되어 있으며, 상기 제1 복수의 LED와 함께 일반적으로 표시부(registration)에 위치하는 제2 복수의 LED를 포함한다. 기판에 방열판(heat sink)이 있고, 상기 제1 및 제2 복수의 LED의 각각의 LED가 방열판에 인접해서 장착된다. 상기 복수의 LED를 위해 구동 회로가 제공되고, 상기 구동 회로는 상기 베이스에 인접해서 위치하고 전기적으로 접속된다.
본 발명의 바람직한 형태에 따르면, 상기 베이스는 스크류 타입 베이스이다. 상기 구동 회로는, 상기 편평한 기판으로부터 상기 베이스까지 확장하는 회로 보드 상에 장착된다.
본 발명의 한 형태에 따르면, 상기 방열판은 상기 기판의 양쪽에 적어도 하나의 전도성 열 아일랜드(heat island)를 포함하며, 상기 제1 복수의 LED의 각각의 LED가 상기 기판의 한쪽에 있는 열 아일랜드에 가까이 있고, 상기 제2 복수의 LED의 각각의 LED가 상기 기판의 반대쪽에 있는 열 아일랜드에 가까이 있다. 상기 방열판은 적어도 하나의 전도성 열 확산기(heat spreader)를 포함하며, 상기 열 확산기에 각각의 열 아일랜드가 연결되어 있다. 상기 열 확산기는 상기 기판 내에 위치하고 상기 베이스까지 확장한다. 바람직하게, 제1 열 확산기 및 제2 열 확산기가 있으며, 상기 기판의 상기 한쪽의 각각의 열 아일랜드는 상기 제1 및 제2 열 확산기에 연결되어 있고 상기 반대쪽의 각각의 열 아일랜드는 상기 제2 열 확산기에 연결되어 있다. 각각의 열 확산기는 서로 연결된 일련의 전도성 요소가 될 수 있어도, 바람직하게 일체로 되어 있다.
바람직하게, 본 발명은 종래의 전구의 형상으로 되어 있다. 그러므로 상기 베이스에 연결되어 있는 글로브(globe)를 포함한다. 제1 및 제2 복수의 LED는 상기 글로브 내측의 원호(arc)에서 일반적으로 지향되어 있다.
구동 회로는 서지 억제기(surge suppressor), 정류기, 평활 커패시터 및 저항으로 포함하며, 상기 제1 및 제2 복수의 LED는 상기 저항에 병렬로 연결되어 있다.
본 발명의 한 형태에서, 상기 기판은 상기 베이스로부터 연장하는 라인에 평행하게 지향한다. 본 발명의 제2 형태에서, 상기 기판은 상기 베이스로부터 연장하는 라인에 수직으로 지향한다. 본 발명의 이러한 형태에서, 상기 방열판은 상기 베이스의 근처에서부터 상기 기판으로 연장하는 복수의 전도성 열 확산기 로드(heat spreader rod)를 포함한다.
본 발명의 최적의 모드를 구현하는 이하의 상세한 설명 및 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 전체적인 LED의 휘도 세기(luninous intensity) 대 접합 온도에 대한 그래프이다.
도 2는 LED의 광 출력 대 전류 구동에 대한 그래프이다.
도 3은 LED 전압 대 LED 전류에 대한 그래프이다.
도 4는 LED의 원뿔 발광에 대한 그래프이다.
도 5는 LED에 대한 오프-라인 스위치 모드 파워 서플라이에 대한 도면이다.
도 6은 소스 전압과 LED 전압 간의 전압 차의 증가에 따라 손실이 얼마나 증가하는지를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 회로 보드의 입면도이다.
도 8은 LED를 직렬 접속하는 간략 회로도이다.
도 9는 본 발명과 결합하여 사용되는 통상적인 회로도이다.
도 10은 도 9의 회로에 대한 입력 AC 전압, 정류 전압 및 LED 전류에 대한 파형도이다.
도 11a는 도 7과 유사하게, 본 발명의 한 형태를 나타내는 입면도이다.
도 11b는 도 11a의 측입면도이다.
도 11c는 열 확산기를 나타내는 도 11a 및 도 11b의 기판에 대한 도면이다.
도 12a는 본 발명의 다른 형태를 나타내는 입면도이다.
도 12b는 본 발명의 다른 형태를 나타내는 입면도이다.
도 12c는 본 발명의 또 다른 형태를 나타내는 입면도이다.
도 13a는 LED들이 본 발명의 이전의 실시예에 대해 수직으로 배치된 본 발명의 다른 형태의 사시도이다.
도 13b는 완성된 램프로서, 도 13a에 도시된 본 발명의 한 형태의 사시도이다.
도 14는 도 13b에 도시된 램프의 전개도이다.
도 15는 도 11에 도시된 본 발명의 약간 수정된 버전으로서, 도 15a는 베이스를 나타내고, 도 15b는 회로 및 광원을 나타내고, 도 15c는 글로브를 나타낸다.
본 발명은 종래 기술의 전술한 제한을 극복하는 LED 기반의 램프를 생성한다. 즉,
Figure pct00006
간단하고 단단한 전력 컨버터
Figure pct00007
높은 시스템 휘도 효율성
Figure pct00008
조광성(dimmable)
Figure pct00009
효과적인 360°광출력
Figure pct00010
효과적인 열 관리 시스템
Figure pct00011
저 전력 백열등에 대한 직접 대체
Figure pct00012
제조 가능성을 위한 설계
본 발명은 회로 보드 상에 직렬 접속된 복수의 저렴한 표면 장착 LED를 사용함으로써 부하 전압 강하뿐만 아니라 유용한 광출력 및 시스템 효율성을 향상시킨다(도 7 및 도 8). 이것은 또한 LED 다이들을 동일한 직렬 콤비네이션으로 인쇄 회로 보드 상에 직접 조립(칩 온 보드)함으로써 달성될 수 있다.
LED 에미터는 정격 전류로 높은 결합 LED 전압을 생성하기 위해 LED 다이를 직렬로 결합함으로써 패키지화될 수 있다. 이러한 LED 시리즈는 동일한 전류를 단일의 LED로서 도출할 수 있지만, 정류 소스 전압에 매우 가까운 전압을 반영할 것이다. 이것은 서울 반도체 "아크리치(Acriche)" LED와는 다른데, 이 아크리치에서는 다이들이 역평행(antiparallel)으로 연결되어 정류기가 필요없고 LED를 고전압 AC LED로 변환시킨다. LED들을 직렬로 연결하면 고전압 DC LED로 되고 이것은 AC 소스로부터 동작하는 정류기를 필요로 한다. 장점은 평활 커패시터를 부가하여 전류 리플(current ripple)을 감소시키고 플리커(fliker)가 없는 안정한 광원을 얻을 수 있다는 점이다. 아크리치 LED는 정류 공정이 패키지 내에 있기 때문에 평활 커패시터가 설치되지 않는다.
표면-장착 디바이스(SMD)의 어셈블리는 자동화된 저비용 공정이다. 그러므로 모든 구성요소가 SMD 타입인 것은 위험하다. 구성요소들이 SMD에서 찾는 것이 어렵기 때문에 이것은 고전압 AC 커패시터가 실현되지 않는 다른 이유이다.
도 9는 본 발명에 따른 통상적인 회로도이며, 도면 부호 10으로 표시되어 있다. 본 발명은, 직류를 이용할 수 있는 경우 정류기가 필요하지 않다는 것이 분명하여도 교류원(12)과 비교하여 설명한다. 교류원(12)은 휴즈를 통해 정류기(16)에 공급된다. 정류기(16)는 교류를 정류하여 도면부호 18로 개략적으로 도시된 전압원을 생성한다. 전술한 바와 같은 시리즈 저항(20) 다음에는 직렬의 LED(22) 및 직렬의 LED(24)로 이루어진 두 개의 병렬 조합이 뒤이어진다. 회로(10)의 신뢰성을 높이기 위해, 표면 장착 MOV(산화 금속 배리스터) 서지 억제기(26)가 또한 포함된다. 평활 커패시터(28)는 전류 리플을 감소시키고 플리커를 제거한다.
더 많은 LED를 직렬로 부가하면 효율성이 더 향상될 수 있고, 이에 따라 전체 전압 강하가 증가한다.
일반적으로, ΔV = Vs - V라 하면, 이것은 저항(20) 양단의 전압이다. 주어진 부하 전류 I에 있어서, 다음이 성립한다.
Figure pct00013
및
Figure pct00014
저 ΔV의 역효과는 레귤레이션이 조잡하다는 점이다. LED 전압 강하는 전류에 민감하지 않기 때문에(도 3), 입력 전압이 변화는 ΔV에만 인가될 것이고, 이에 따라 전류는 비례해서 변화할 것이다.
δV가 소스 전압 VS의 변화인 경우, 그 동일한 변화가 R에 인가될 것이며, 이것은 항상 일정하다. 새로운 전류는 다음과 같이 될 것이다.
Figure pct00015
여기서 δV는 양일 수도 있고 음일 수도 있다. δI가 부하 전류의 변화를 나타낸다고 하면, 다음과 같다.
Figure pct00016
레귤레이션은 출력의 백분율 변화로서 정의될 것이다:
Figure pct00017
레귤레이션은 입력이 변화함에 따른 출력의 변화를 최소화하기 위해 가능한 작게 이루어져야 한다. 그러나 레귤레이션에 대한 낮은 값은 ΔV에 대한 큰 값을 의미하며, 이것은 전술한 바와 같이 손실을 증가시키고 효율성을 감소시킨다. 다음을 회상하라.
Figure pct00018
및 효율성
Figure pct00019
본 발명의 하나의 목적은 소스 전압 VS에서의 주어진 변화 ΔV에 대한 가장 큰 받아들일 수 있는 레귤레이션을 명기하는 것이다. 이것은 가장 작은 ΔV를 정의하며, 이 ΔV는 R 및 시스템의 효율성을 결정하는 데 사용될 것이다.
도 10은 입력 AC 전압, 정류된 전압 및 LED 전류의 파형을 나타낸다.
LED는 손실이 가장 낮은 상대적으로 낮은 전류에서 구동될 때 가장 효과적이다. 그렇지만, 이것은 총 루멘이 낮다는 것도 의미한다. 예를 들어, LED가 0.03 W에서 100 Lm/W의 효율성을 가지는 경우, 그 출력은 3 루멘이 될 것이다. 효과적인 LED가 반드시 밝은 LED를 의미하지는 않는다. 대조적으로, 가장 효율적인 LED는 너무 흐릿하여 휘도용 광원으로서 사용하지 못할 수도 있다.
일부의 종래의 LED는 절연 알루미늄 기판 상에 장착된 복수의 작은 LED로 이루어졌지만, 직렬 및 병렬 조합으로 배치되어 전체 LED 전압이 낮게 유지되고, 그 전류는 높게 유지된다. LED들은 서로 가깝게 패키지화되기 때문에, 모든 광이 방출되는 것은 비효율적이며, 그중 일부는 인접하는 LED들에 의해 흡수될 수 있다. LED를 높은 전류로 구동하면 효율성은 더 떨어지게 될 것이다.
본 발명에서는, 저비용의 효율적인 LED(22 및 24)가 인쇄 회로 보드 또는 기판의 양쪽 층 위에 직렬로 배치되어 있어서, 총 루멘 출력을 최대화하고 흡수를 최소화한다. LED들은 낮은 전류에서 구동되어 높은 효율성을 유지한다. 낮은 루멘 출력은 LED의 수를 증가시킴으로써 보상된다. LED 크기는 소형이고 표면 장착 구성요소의 PCB 대체 비용은 낮으므로 유일한 불이익은 LED 비용이다.
두 개의 휘도 세기, 즉 15 Watt/75 Lm 및 25 Watt/200 Lm의 백열 전구 등가 LED 램프를 고려한다.
57 Lm 시스템의 경우, 36개의 LED가 직렬로 배치되는 데, 회로 보드의 양쪽의 동일한 위치에 18개씩 배치된다. 이 시스템이 도 7에 도시되어 있고 도 9의 개략도에 따라 10 mA의 LED 전류에서 구동된다. 이 전류에서 LED 당 루멘 출력은 2 루멘이고, 1.2 W의 전체 입력 전력에서 총 75 루멘을 생성하고, 전체 시스템 루멘 효율성은 60 Lm/W이다.
고출력 버전은 도 11a 내지 도 11c에 도시된 바와 같이, PCB의 양쪽에 각각 36개의 LED로 이루어지는 두 개의 병렬 회로를 가진다. 각각의 직렬 회로에 대한 LED 전류는 30 mA로 증가된다.
LED들이 배치되고 램프 내측에 장착되는 방법에 따라, 흡수 및 장애가 감소하여 더 많은 루멘이 램프에 남겨진다.
각각의 회로에 있는 많은 수의 LED에 의해 동등한 전류 공유가 이루어지겠지만, 직렬 저항(30)이 각각의 회로(10)에 부가되어 더 높은 출력으로 인한 손실을 억제할 뿐만 아니라 전류 공유도 개선된다. 표면 장착 MOV 서지 억제기(26) 및 휴즈(14)도 부가되어 신뢰성을 높일 수 있다.
상술한 바는 두 가지 전력 레벨에 대해 제한되어 있으나, 40 Watt 이상의 더 높은 전력을 달성하는 데 동일한 원리를 적용할 수 있다. 더 많은 LED를 사용하고 구동 전쥬를 낮춤으로써 전체 시스템 효율성이 증가할 수 있다.
LED의 밝기는 최대 접합 온도에 의해 제한된다. 대부분의 경우, 접합 온도는 125℃이다. 접합과 케이스 간의 온도차가 10℃라 가정하면, 케이스 온도는 15℃ 마진으로 불과 95℃로 대략 유지된다. LED 접합으로부터 소산되는 열이 많을수록, 달성 가능한 광출력은 더 높아진다.
6 Watt 이상의 종래의 전력 LED 램프에 있어서는, 전체적으로 외부 방열판이 구현되는데 이것은 LED를 방열판에 직접 설치하는 구성이므로, 그 효율성이 떨어지고 비용이 증가한다.
본 발명은 LED 열 소산에 대해 대안의 방법을 제시한다. 하나의 전력 LED로부터 외부의 방열판을 통해 열을 소산하기보다는, 복수의 저 전력 LED(34 및 26)가 다층의 PCB 보드 또는 기판(36)의 상부 층 및 하부 층 위의 열 확산기 구리 아일랜드(heat spreader copper island)(34 및 34)를 통해 열을 소산한다. 열 확산기 구리 아일랜드(32 및 34)는 구리 열 확산기(38 및 40)의 두 개의 내부 층으로 열을 전달한다. 각각의 아일랜드는 외부 층 위의 열 아일랜드(34 및 34)에 매우 가까이 위치한다. 내부 확산기(38 및 40)는 열을 내부적으로 램프의 스크류 베이스(screw base)(42)에 전도하며, 이것은 고정 장치(fixture) 및 전기 배선(도시되지 않음)을 통해 다시 열을 소산할 것이다. 스크류 베이스(42)는 AC 라인에 접속되어 있으므로, 회로(10)의 나머지 부분과는 완전히 절연되어야 한다. 외부 아일랜드(32 및 34)와 내부 열 확산기(38 및 40) 간의 기판의 코어 두께(core thickness)는 최소 두께이어야 하며, 이에 따라 안전 규격에 의해 내열성이 최소 및 최대 열 전달로 감소할 수 있다.
본 발명에서는 전도를 통해 열이 스크류 베이스로 소산되기 때문에, 공기가 순환하지 않는 봉인된 글로브(sealed globe)(44)(도 12a 등) 내측에 램프가 위치할 수 있다. 또한, LED들이 상승되어 더 가시적이게 되므로 더 많은 광이 방사될 수 있다.
LED 기판(36)의 하부에는, 열 확산기(38 및 40)가 인쇄 회로 보드 비아에 의해 열적으로 함께 본딩되며, 이 열 확산기들은 한 층으로부터 다른 층으로 열을 열적으로 전도함으로써 스크류 베이스로의 열 소산을 최대화하기 위해, 회로 보드의 다양한 층 위의 트레이스들 간의 전기 접속을 제공하는 수단이다.
LED(22 및 24)는 기존의 형상을 유지할 의도로, 백열 전구의 필라멘트와 닮은 원호(arc)의 배열로 기판 위에 위치한다. 시스템의 전력 변환부는 비용을 최소화하고 어셈블리를 간략히 하기 위해 기판(36)의 회로 보드부 위에 설치된다. 모든 구성요소는 자동화가 가능한 표면 장착 디바이스이다.
LED(22 및 24)는 투명성의 인상을 주는 바람직하고 정확하게 동일한 상대적 위치에서 기판 한쪽의 표시부(registration)에 위치한다. 외부 방열판을 사용하지 않기 때문에, 램프 글로브(24)는 LED(22 및 24)가 최대 루멘 효율성으로 상승되어 있는 전체적으로 투명한 재료로 만들어질 수 있다. 백열 전구를 더 좋게 닮도록 하기 위해, LED 상관 색 온도(CCT: Correlated Color Temperature)는 2800°K이어야만 하며, 이 온도는 백열 전구의 CCT에 가깝고, 연색지수(CRI: Color Rendering Index)는 전체적으로 95이어야 한다. 그 효과는 백열 전구와 동일한 어플리케이션, 효과 및 형상을 만들게 하는 것이다.
LED는 기판을 안 보이게 하기 위해 기판(36) 한쪽에 정확하게 위치한다. 그 효과는 관찰자가 광의 트레이만을 볼 수 있도록 하는 것이다. LED의 형상 및 배치는 요구되는 효과에 따라 다를 수 있다.
도 12a는 A19 타입의 램프를, 도 12b 및 도 12c는 B10 타입의 램프를 도시하고 있다. 본 발명에 의하면 장식용 램프를 포함한 어떠한 저 전력 백열 전구 어플리케이션에서도 이러한 LED 배치를 사용할 수 있다. LED가 배열되는 패턴은 도 12에 도시된 것들에 제한되지 않으며, 원하는 효과를 달성하기 위한 임의의 배치로 확장할 수도 있다.
도 13a, 도 13b 및 도 14는 본 발명의 다른 실시예로서, 열 집속기(heat collector)가 열 아일랜드(heat island)에 결합된 고체 로드(solid rod)(46)이다. 이 경우, 램프는 종래의 백열 전구와 더 닮은 꼴이 된다. 요소들은 본 발명의 첫 번째 형태와 동일하지만, 기판이 수평이기 때문에, 모든 요소들에 식별자 "a"가 붙여져 있다. 파워 서플라이 회로(10)는 램프의 스크류 베이스(42)에 위치한다.
LED(22 및 24)는 필라멘트와 같은 형상으로 된 플라스틱 폴리머와 일체화될 수 있다. LED(22 및 24)는 이 플라스틱 폴리머를 조사하도록 배치될 수 있어서, 광을 효과적으로 전도하고 연속적으로 필라멘트를 백열하는 인상을 준다.
다른 실시예는 LED 다이를 동일한 패턴으로 기판(36)에 직접 장착하고(칩 온 보드), 인을 모든 다이에 즉시 적용하는 것이다. 이에 의해, LED 다이의 그룹이 하나로 백열하게 된다. 또한 LED들이 개별적으로 패키지화되는 것이 아니기 때문에 LED 비용을 줄일 수도 있다.
저항성 임피던스 R을 선택하면 백열 전구와 유사한 방식으로 종래의 트라이액 조광기(Triac dimmer)와 함께 사용하는 것이 가능하다. 유일한 제약은 트라이액 유지 전류(Triac Holding current)보다 더 높아야만 하는 LED 전류인 데, 이 전류는 전체적으로 낮은 세기의 B10 타입 램프들이 5개 이상의 샹들리에로 이루어지는 그룹들로 배치되는 통상적인 경우이다.
본 발명은 3개의 주요부(도 15), 즉 스크류 베이스(42), LED 회로(10), 램프 글로브(44)로 이루어진다. LED를 지지하는 기판(36)은 먼저 중간 단자를 땜납한 다음 도금된 측면들을 스크류 베이스(42)의 배럴에 결합시킴으로써 스크류 베이스(42)에 설치된다. 이에 의해 전기적 접촉이 이루어질 뿐만 아니라 LED(22 및 24)에 의해 발생되는 열을 스크류 베이스(42) 및 확장된 방열판으로 기능하는 전기 배선(도시되지 않음)으로 전도시키는 열 통로(thermal passage)를 제공한다.
이하의 청구의 범위의 정신 및 범주를 벗어남이 없이 본 발명에 대한 다양한 변형을 행할 수 있다.

Claims (15)

  1. LED(light-emitting diode) 램프에 있어서,
    a. 베이스,
    b.상승된 광원(elevated light source)으로서,
    ⅰ. 직렬로 연결되어 있고, 상기 베이스로부터 떨어져 있으면서 전체적으로 편평한 기판의 한쪽에 장착되어 있는 제1 복수의 LED, 및
    ⅱ. 상기 제1 복수의 LED와 수가 같으며, 직렬로 연결되어 있고 상기 전체적으로 편평한 기판의 반대쪽에 장착되어 있으며, 상기 제1 복수의 LED와 전체적으로 대응하도록 배치되어 있는 제2 복수의 LED
    를 포함하는 상기 광원,
    c. 상기 기판에 있는 방열판(heat sink)으로서, 상기 제1 및 제2 복수의 LED의 각각의 LED가 상기 방열판에 인접해서 장착되는, 상기 방열판, 및
    d. 상기 베이스에 인접해서 위치하고 전기적으로 접속되어 있는, 상기 제1 및 제2 복수의 LED를 위한 구동 회로
    를 포함하는 LED 램프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베이스는 스크류 타입의 베이스인, LED 램프.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구동 회로는, 상기 편평한 기판으로부터 상기 베이스까지 연장되어 있는 회로 보드 상에 장착되는, LED 램프.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방열판은 상기 기판의 양쪽에 적어도 하나의 전도성 열 아일랜드(heat island)를 포함하며, 상기 제1 복수의 LED의 각각의 LED가 상기 기판의 한쪽에 있는 열 아일랜드에 가까이 있고, 상기 제2 복수의 LED의 각각의 LED가 상기 기판의 반대쪽에 있는 열 아일랜드에 가까이 있는, LED 램프.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 방열판은 적어도 하나의 전도성 열 확산기(heat spreader)를 포함하며, 상기 열 확산기에 각각의 열 아일랜드가 연결되어 있는, LED 램프.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열 확산기는 상기 기판 내에 위치하고 상기 베이스까지 연장되어 있는, LED 램프.
  7. 제5항에 있어서,
    제1 열 확산기 및 제2 열 확산기를 포함하며,
    상기 기판의 상기 한쪽의 각각의 열 아일랜드는 상기 제1 열 확산기에 연결되어 있고 상기 반대쪽의 각각의 열 아일랜드는 상기 제2 열 확산기에 연결되어 있는, LED 램프.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 열 확산기는 일체로 되어 있는, LED 램프.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 베이스에 연결되어 있는 글로브(globe)를 포함하는, LED 램프.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 복수의 LED는 전체적으로 원호(arc)의 모양으로 배향되어 있는, LED 램프.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 구동 회로는, 서지 억제기(surge suppressor), 정류기, 평활 커패시터 및 저항으로 포함하며, 상기 제1 및 제2 복수의 LED는 상기 저항에 병렬로 연결되어 있는, LED 램프.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 상기 베이스로부터 연장되는 선에 평행하게 배향되어 있는, LED 램프.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 상기 베이스로부터 연장되는 선에 수직으로 배향되어 있는, LED 램프.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 방열판은 상기 베이스의 근처에서부터 상기 기판으로 연장하는 복수의 전도성 열 확산기 로드(heat spreader rod)를 포함하는, LED 램프.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 방열판은 상기 기판의 양쪽에 적어도 하나의 전도성 열 아일랜드를 포함하며, 상기 제1 복수의 LED의 각각의 LED가 상기 기판의 한쪽에 있는 열 아일랜드에 가까이 있고, 상기 제2 복수의 LED의 각각의 LED가 상기 기판의 반대쪽에 있는 열 아일랜드에 가까이 있는, LED 램프.
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