KR20110042611A

KR20110042611A - Ｌｅｄ 조명장치

Info

Publication number: KR20110042611A
Application number: KR1020090099360A
Authority: KR
Inventors: 현 근 안; 태 현 김
Original assignee: 주식회사 에스엘전자
Priority date: 2009-10-19
Filing date: 2009-10-19
Publication date: 2011-04-27
Also published as: KR101077137B1

Abstract

본 발명은 전력소모가 적고 수명이 긴 LED를 광원으로 한 LED 조명장치를 개시한다. 개시된 본 발명에 의한 LED 조명장치는, 광을 발생하는 LED 모듈; 상기 LED 모듈을 수용하여 지지하는 케이스; 및 상기 케이스에 결합되어 상기 LED 모듈을 보호함과 아울러 LED 모듈에서 발생된 광을 확산 투과시키는 것으로서, 다수의 오목렌즈가 어레이 구조로 배열된 형태의 확산렌즈;를 포함한다.

본 발명의 LED 조명장치는, LED에서 발생한 광을 확산렌즈를 이용하여 확산시켜 확산각을 크게 함으로써 직접 조명등 및 간접 조명등으로 적용할 수 있고, LED에 의해 발생하는 열을 PCB의 상,하면 방열단과 대류 공간 등을 통하여 효율적으로 방열시킬 수 있고, 실부재 및 충진제의 적용으로 방진 및 방수성이 뛰어난 조명장치를 구현할 수 있다. 또한, 일반적인 가전제품의 DC 공급 전윈인 12V DC에 적합하도록 최소의 부품수로 최저의 가격을 맞추어 최대의 전력효율을 낼 수 있는 조명장치를 구현할 수 있다.

LED, 조명, 방열, 확산, 렌즈, 어레이, 오목렌즈, 방수, 방진

Description

ＬＥＤ 조명장치{LED ILLUMINATION APPARATUS}

본 발명은 조명장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는 전력소모가 적고 수명이 긴 엘이디(Light Emitted Diode:이하, 'LED'라 총칭함)를 광원으로 한 LED 조명장치에 관한 것이다.

일반적으로, 조명장치는 광원으로부터의 빛을 반사, 굴절, 투과시켜서 조명의 목적을 달성시키는 것으로, 백열등, 형광등 및 할로겐등이 많이 이용되고 있다.

백열등은 동작 속도가 빠른 장점이 있으나, 필라멘트를 가열하여 빛을 발생시키는 방식으로 효율성이 떨어지는 단점이 있으며, 형광등은 형광체를 발광시키는 방식으로 빛을 발생시키는 것으로 백열등에 비해 전력소모가 적은 장점이 있으나, 내부에 형광체로 사용되는 수은(Ag)이 환경 유해물질이어서 그 적용범위가 줄어들고 있는 추세이다.

한편, 근래에는 종래 사용하던 백열등이나 형광등 등의 조명등 대신에 LED를 이용한 조명기술이 각광받고 있다. LED는 수명이 길고 전력소모량이 적으면서 색상 구현 능력이 뛰어나고 광도와 효율이 높은 특성이 있어, 조명등 시장에서도 LED를 이용한 기술개발이 많이 이루어지고 있는 추세이다. LED를 이용한 조명은 일반 형 광등에 비해 수명이 약 3배 이상 길며, 밝기에 있어서도 형광등에 준하는 밝기를 가지므로, LED는 차세대 조명등의 광원으로서 적극 사용될 것이다.

그러나, LED는 광원으로서 밝기는 뛰어나지만 광원이 작고 시야각이 크지 않아 조명으로 사용하기에는 어려움이 있으며, LED 칩의 발열 문제로 인해 조명으로의 이용이 극히 제한적인 문제가 있다.

따라서, 조명등으로 LED의 사용범위가 점가 증가하고 있는 추세에 있는 상황에서 LED를 이용한 조명등의 문제점인 열 발산을 효과적으로 할 수 있는 구조와 빛의 확산성을 개선시켜, LED를 조명등의 광원으로 적극 사용할 수 있도록 하는 기술적 개발의 필요성이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 고휘도 LED의 휘도 상승에 따른 발열을 효율적으로 제거하는 방열구조와, LED의 빛을 확산시켜 확산각을 크게 하는 확산구조를 갖는 LED 조명장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 가전제품의 일반적인 전원 전압인 12V DC를 공급 전원으로 한 최적 효율의 LED 조명장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 환경 신뢰성이 우수한 SMD LED 적용시 측면 조도를 높일 수 있는 LED 조명장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 방수 및 방진 기능을 갖는 LED 조명장치를 제공하는데 있다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 의한 LED 조명장치는, 광을 발생하는 LED 모듈; 상기 LED 모듈을 수용하여 지지하는 케이스; 및 상기 케이스에 결합되어 상기 LED 모듈을 보호함과 아울러 LED 모듈에서 발생된 광을 확산 투과시키는 것으로서, 다수의 오목렌즈가 어레이 구조로 배열된 형태의 확산렌즈;를 포함한다.

상기 LED 모듈은, 다수의 LED; 및 상기 다수의 LED가 실장되며, 상기 각각의 LED에 마련된 히트싱크와 접촉하는 상면 방열단을 구비한 PCB;를 포함하고, 상기 PCB의 하면에는 PCB에 형성한 다수의 관통공에 채워진 동박에 의해 상기 상면 방열단과 연결되는 하면 방열단을 설치하여, LED에서 발생한 열이 PCB의 상,하면 방열 단을 통하여 신속하게 방열되도록 구성할 수 있다.

또한, 상기 LED 모듈은, 서로 직렬 연결되어 상기 PCB에 배치된 다수개의 LED; 상기 LED 정격전류에 맞춘 1개의 저항; 및 역전압 방지를 위한 1개의 다이오드;를 더 포함할 수 있으며, 상기 직렬연결된 다수개의 LED가 병렬로 다수개 연결되어 구성될 수 있다.

또한, 상기 LED 모듈은, 전력용량 신뢰성 증대를 위한 제2저항; 및/또는 외부회로 보호용 제2다이오드;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 PCB는 상기 케이스와 접촉하는 외주면에 열 대류용 틈새를 형성하기 위하여 다수의 개소가 직선 가공될 수 있다.

또한, 상기 확산렌즈는, 전면부와 측면부를 구비하고, 상기 전면부에는 다수의 벌집형 오목렌즈가 배열되고, 상기 측면부에는 다수의 원통형 오목렌즈가 배열될 수 있다.

또한, 상기 다수의 벌집형 오목렌즈 및 상기 다수의 원통형 오목렌즈는, 상기 확산렌즈의 내면 또는 외면에 배열될 수 있다.

또한, 상기 케이스와 상기 확산렌즈는 후크 결합되며, 상기 케이스와 상기 확산렌즈의 접촉부에는 방진 및 방수용 원형 실부재가 개재될 수 있다.

상기 원형 실부재는 실리콘링 또는 EPDM 계열의 고무링으로 구성될 수 있다.

또한, 상기 케이스는 상기 LED 모듈에 전원을 공급하는 와이어를 연결하기 위한 와이어 관통구를 구비하고, 상기 와이어 관통구 주위의 케이스 안쪽에는 방수용 충진제를 채우기 위한 충진제 벽이 형성될 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 LED 조명장치는, LED에서 발생한 광을 확산렌즈를 이용하여 확산시켜 확산각을 크게 함으로써 직접 조명등 및 간접 조명등으로 적용할 수 있다.

또한, LED에 의해 발생하는 열을 PCB의 상,하면 방열단과 대류 공간 등을 통하여 효율적으로 방열시킬 수 있고, 실부재 및 충진제의 적용으로 방진 및 방수성이 뛰어난 조명장치를 구현할 수 있다.

또한, 일반적인 가전제품의 DC 공급 전윈인 12V DC에 적합하도록 최소의 부품수로 최저의 가격을 맞추어 최대의 전력효율을 낼 수 있는 조명장치를 구현할 수 있다.

결론적으로, 본 발명에 의하면, 크기, 가격, 제조공정 및 성능에 최적화 된 LED 조명장치를 구현할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 참고로 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 LED 조명장치의 조립도 및 분해 사시도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 LED 조명장치는, LED 모듈(10), 케이스(20) 및 확산렌즈(30)를 구비한다.

상기 LED 모듈(10)은 조명용 광을 발생하는 것으로, 다수의 LED(11), 상기 LED(11)가 실장되는 PCB(12)를 구비한다. 또한, 상기 LED 모듈(10)은 도 3a 내지 3c에 도시된 바와 같이, 저항(13), 다이오드(14) 등과 같은 소자를 구비한다.

상기 각각의 LED(11)는 도 4에 도시된 바와 같이, 칩(11a), 인캡슐런트(11b), 외부 패키지(11c), 리드(11d) 및 히트싱크(11e) 등을 포함하여 구성된다. 본 발명의 일 실시예에서는 상기와 같이 구성된 3개의 LED(11)가 도 3a에 나타낸 바와 같이, PCB(12)의 표면에 배치되어 실장되며, 이 3개의 LED(11)는 서로 직렬 연결된다.

PCB(12)의 표면에 배치되는 LED는 방사형, 원형 등을 비롯하여 다양한 형태로 실장될 수 있다.

또한 상기 직렬연결된 다수개의 LED가 다시 병렬로 다수개 연결되어 구성될 수도 있다.

상기 PCB(12)에는 도 3c에 나타낸 바와 같이, 상기 LED(11)의 실장시 그 LED(11)의 히트싱크(11e)와 접촉하는 상면 방열단(12a)이 표면에 형성되며, 이면에는 도 3b에 도시된 바와 같이, 허용하는 최대 면적의 방열용 동판으로 패턴 설계하여 형성한 하면 방열단(12b)이 형성된다.

또한, 상기 PCB(12)에는 상기 상,하면 방열단(12a,12b)을 서로 열적으로 연결하기 위한 구조로서, 다수의 관통공(12c)이 형성되고, 이 관통공(12c)들에 동박(12d)이 채워져 상,하면 방열단(12a,12b)이 열적으로 연결되어 있다. 따라서, LED(11) 동작시 발생된 열은 히트싱크(11e), 상면 방열단(12a) 및 하면 방열 단(12b)을 통하여 신속하게 방열될 수 있다.

또한, 본 발명의 LED 조명장치는 상기와 같은 열전도에 의한 방열구조에 더하여 열 대류에 의한 방열구조도 채용되어 있는 바, 이를 도 5a 및 5b를 참조하여 설명한다.

즉, 도 5a에 나타낸 바와 같이, PCB(12)의 서로 마주보는 4개소를 직선 가공 하여(L) 케이스(20) 내주면과의 사이에 소정의 틈새(S)(도 5b 참조)가 형성되도록 하였다. 이 틈새(S)를 통하여 LED(11)가 장착된 PCB(12) 상단에서 발생된 열이 하단으로 쉽게 대류됨으로써 방열이 보다 신속히 이루어질 수 있는 것이다.

상기와 같은 방열구조에 의해, LED 동작시 발생하는 열은 PCB(12)의 상,하면 방열단과 열대류용 틈새를 통하여 보다 신속하게 방열됨으로써, LED 조명장치에서 문제가 되는 열 문제를 해소할 수 있는 것이다.

또한, 본 발명에 의한 LED 조명장치는, 일반적인 가전제품의 DC 공급 전원인 12V를 사용하기에 적합하도록 구성되어 있는 바, 이를 살펴보면 다음과 같다.

우선, 본 발명에서는 LED(11) 3개를 직결 연결하여 구성하였다. LED를 2개 사용할 경우 저항의 소모전력이 높아지고, 4개일 경우 승압 회로가 필요하므로, 이러한 점을 감안하여 3개의 LED를 사용하여 구성하였다. 다음, LED 정격전류에 맞춘 1개이 저항(13)을 사용하였으며, 역전압 방지를 위한 1개의 다이오드(14)를 사용하여 구성하였다. 상기 저항(13)과 다이오드(14)는 도 3b에 도시된 바와 같이, PCB(12)의 이면에 실장되어 있다.

한편, 상기 저항 및 다이오드는 필요에 따라 전력용량 신뢰성 증대를 위한 제2저항(미도시)과 외부회로 보호용 제2다이오드(미도시)을 동시에 더 추가하거나, 제2저항 또는 제2다이오드를 선택적으로 더 추가할 수도 있다. 도 3a 및 3b에서 부호 15는 와이어 솔더부이다.

상기와 같이, LED 모듈(10)를 구성함으로써, 최소의 부품수로 최저의 가격을 맞추어 최대의 전력 효율을 낼 수 있는 LED 조명장치를 구성할 수 있는 것이다.

다음, 광확산 구조에 대하여 설명한다.

일반적으로, 공간에 최적화된 조명 설계에서는 좁은 공간에 실장하므로 저온, 고온에 신뢰성이 우수한 SMD LED를 적용하는 것이 좋다. 이 SMD LED는 광 직진성은 우수하나 광각이 좁은 단점이 있어 이를 개선하기 위한 광확산 구조가 필요하다.

광확산의 최적 구조는 우선, 3개의 LED를 방사형으로 배치하는 것이며, 이와 같이 방사형으로 배치하는 것이 모든 각도에 고르게 광을 확산시킬 수 있다. 본 실시예에서는 위와 같은 점을 감안하여 도 3a에 나타낸 바와 같이 3개의 LED(11)를 PCB(12)에 방사형으로 배치하여 구성하였다.

또한, 본 발명의 실시예에서는, LED(11)에서 발생한 광을 확산 투과시키기 위하여, 도 6에 나타낸 바와 같은 확산렌즈(30)를 채용하였다. 이 확산렌즈(30)는 상기한 케이스(20)에 결합되어 LED 모듈(10)를 보호함과 아울러 LED에서 발생한 광을 확산 투과시키는 역할을 한다.

본 발명의 실시예에 의한 상기 확산렌즈(30)는 전면부와 측면부를 가지며, 상기 전면부에는 다수의 벌집형 오목렌즈(31)가 어레이 형태로 배열되어 있고, 상 기 측면부에는 다수의 원통형 오목렌즈(32)가 배열되어 있다. 오목렌즈로 구성하는 것이 광확산이 잘 이루어진다. 상기 오목렌즈(31)(32)는 도시예와 같이 확산렌즈(30)의 외면에 형성될 수도 있고, 확산렌즈(30)의 내면에 형성될 수도 있다.

상기와 같은 본 발명의 실시예에 의한 확산렌즈(30)를 사용하면, LED에서 발생한 광이 상기 확산렌즈(30)의 오목렌즈(31,32)들에 의해 랜덤하게 확산됨으로써 광각을 넓힐 수 있으며, 따라서, LED 조명장치의 단점인 좁은 시야각 문제를 해소할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한 확산렌즈(30)는 그에 일체로 형성된 3개 또는 4개의 록커(33)에 의해 케이스(20)에 후킹 결합된다. 확산렌즈(30)와 케이스(20)의 조립부는 초음파 융착이나 본딩 등의 방법을 사용하여 실링할 수도 있으나, 불량율이 가장 낮은 방법은 확산렌즈(30)와 케이스(20) 접합부 크기에 딱 맞는 링으로 렌즈면과 케이스면을 압력을 가지고 접촉시키는 것이다.

따라서, 본 실시예에서는 도 7a 내지 7c에 나타낸 바와 같이, 확산렌즈(30)와 케이스(20)의 접촉부에 실부재(40)를 개재하여 방수 및 방진이 이루어질 수 있도록 하였다. 상기 실부재(40)는 장기간 사용시에도 변형이 잘 일어나지 않는 실리콘링이나 합성고무(EPDM)계열 또는 불소고무(FPM)계열의 고무링으로 구성하는 것이 좋다.

또한, 본 발명의 LED 조명장치에서 방수 등이 필요한 부분은 상기한 확산렌즈(30)와 케이스(20)의 결합부 이외에도 PCB(12)에 전원 공급을 하는 와이어를 연결하기 위하여 상기 케이스(20)에 형성한 와이어 관통구(21) 부분이다.

상기 와이어 관통구(21)를 밀봉하기 위하여, 주로 실리콘 충진제를 케이스의 와이어 관통구(21)와 와이어 사이를 메운다. 이 때, 충진제가 옆으로 퍼지지 않도록 하기 위하여, 본 실시예에서는 도 7c에 나타낸 바와 같이, 케이스(20) 안쪽의 상기 와이어 관통구(21) 주위에 충진제 벽(22)을 형성하였다. 이 충진제 벽(22)에 의해 실리콘 충진제를 사용하여 와이어 관통구(21)와 와이어 사이를 메울 때 충진제가 퍼지지 않고 완벽하게 실링을 할 수 있는 것이다.

이상에서, 본 발명은 예시적인 방법으로 설명하였다. 여기서 사용된 용어들은 설명을 위한 것이며 한정의 의미로 이해되어서는 안될 것이다. 상기 내용에 따라 본 발명의 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 따로 부가 언급하지 않는 한 본 발명은 청구범위의 범위 내에서 자유로이 실행될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 LED 조명장치의 조립도,

도 2는 도 1의 분해 사시도,

도 3은 본 발명에 의한 LED 조명장치의 제1방열구조를 설명하기 위한 도면으로서, a는 LED 모듈의 평면도, b는 LED 모듈의 저면도, c는 LED 모듈의 단면도,

도 4는 본 발명의 LED 조명장치에 사용되는 LED의 내부 구조를 보인 단면도,

도 5는 본 발명에 의한 LED 조명장치의 제2발열구조를 설명하기 위한 도면으로서, a는 PCB의 직선 가공부를 나타낸 도면, b는 LED 모듈을 케이스에 장착한 상태의 평면도,

도 6은 본 발명의 요부인 확산렌즈의 구조를 나타낸 사시도, 그리고,

도 7은 본 발명에 의한 LED 조명장치의 방진, 방수 구조를 설명하기 위한 도면으로서, a는 실부재가 케이스에 설치된 상태의 평면도, b는 실부재를 개재하여 케이스와 확산렌즈를 결합한 상태의 단면도, c는 케이스에 구성되는 충진제 벽을 나타낸 케이스의 사시도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10;LED 모듈 11;LED

12;PCB 12a,12b;상,하면 방열단

12c;관통공 12d;동박

13;저항 14;다이오드

15;와이어 솔더부 20;케이스

21;와이어 관통구 22;충진제 벽

30;확산렌즈 31;벌집형 오목렌즈

32;원통형 오목렌즈 33;록커

40;실부재

Claims

광을 발생하는 LED 모듈;

상기 LED 모듈을 수용하여 지지하는 케이스; 및

상기 케이스에 결합되어 상기 LED 모듈을 보호함과 아울러 LED 모듈에서 발생된 광을 확산 투과시키는 것으로서, 다수의 오목렌즈가 어레이 구조로 배열된 형태의 확산렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
제1항에 있어서, 상기 LED 모듈은,

다수의 LED; 및 상기 다수의 LED가 실장되며, 상기 각각의 LED에 마련된 히트싱크와 접촉하는 상면 방열단을 구비한 PCB;를 포함하고,

상기 PCB의 하면에는 PCB에 형성한 다수의 관통공에 채워진 동박에 의해 상기 상면 방열단과 연결되는 하면 방열단을 설치하여, LED에서 발생한 열이 PCB의 상,하면 방열단을 통하여 방열되도록 구성한 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
제2항에 있어서, 상기 LED 모듈은,

서로 직렬 연결되어 상기 PCB에 배치된 다수개의 LED;

상기 LED 정격전류에 맞춘 1개의 저항; 및

역전압 방지를 위한 1개의 다이오드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
제3항에 있어서, 상기 LED 모듈은,

전력용량 신뢰성 증대를 위한 제2저항; 및

외부회로 보호용 제2다이오드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
제3항에 있어서, 상기 LED 모듈은,

전력용량 신뢰성 증대를 위한 제2저항; 또는

외부회로 보호용 제2다이오드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
제3항에 있어서, 상기 LED 모듈은,

직렬연결된 다수개의 LED가 병렬로 다수개 연결되는 점을 특징으로 하는 LED 조명장치.
제2항에 있어서,

상기 PCB는 상기 케이스와 접촉하는 외주면에 열 대류용 틈새를 형성하기 위하여 다수의 개소가 직선 가공된 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
제1항에 있어서,

상기 확산렌즈는, 전면부와 측면부를 구비하고, 상기 전면부에는 다수의 벌집형 오목렌즈가 배열되고, 상기 측면부에는 다수의 원통형 오목렌즈가 배열된 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
제8항에 있어서,

상기 다수의 벌집형 오목렌즈 및 상기 다수의 원통형 오목렌즈는, 상기 확산렌즈의 내면 또는 외면에 배열된 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
제1항에 있어서,

상기 케이스와 상기 확산렌즈는 후크 결합되며, 상기 케이스와 상기 확산렌즈의 접촉부에는 방진 및 방수용 원형 실부재가 개재된 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
제10항에 있어서,

상기 원형 실부재는 실리콘링이거나, 합성고무(EPDM)계열 또는 불소고무(FPM)계열의 고무링인 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
제10항에 있어서,

상기 케이스는 상기 LED 모듈에 전원을 공급하는 와이어를 연결하기 위한 와 이어 관통구를 구비하고, 상기 와이어 관통구 주위의 케이스 안쪽에는 방수용 충진제를 채우기 위한 충진제 벽이 형성된 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.