KR20120011572A - Led lighting apparatus comprising led module embedded thermoelectric cooling module - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명기구에 관한 것이다.The present invention relates to an LED lighting device including an LED module with a built-in thermoelectric cooling module.
발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED)는 반도체의 p-n 접합구조를 이용하여 주입된 소수 캐리어(전자 또는 정공)를 만들어 내고, 이들의 재결합에 의하여 전기 에너지를 빛 에너지로 바꾸어 주어 발광시키는 금속간 화합물 접합 다이오드를 말한다. 즉, 특정 원소의 반도체에 순방향 전압을 가하면 양극과 음극의 접합 부분을 통해 전자와 정공이 이동하면서 서로 재결합하는데 전자와 정공이 떨어져 있을 때보다 작은 에너지가 되므로 이때 발생하는 에너지의 차이로 인해 빛을 방출한다. 이러한 LED는 일반적인 표시 장치는 물론이고 조명 장치나 LCD 표시 장치의 백라이트 소자에도 응용되는 등 적용 영역이 점차 다양해지고 있다.Light Emitting Diodes (LEDs) produce a small number of carriers (electrons or holes) injected using the pn junction structure of a semiconductor, and intermetallic compound junctions that emit light by converting electrical energy into light energy by recombination. Refers to a diode. In other words, when a forward voltage is applied to a semiconductor of a specific element, electrons and holes move through the junction of the anode and the cathode and recombine with each other, which is less energy than when the electrons and holes are separated. Release. Such LEDs are applied to a wide range of applications, such as not only general display devices but also lighting devices or backlight devices of LCD displays.
특히 LED 소자는 비교적 낮은 전압으로 구동이 가능하면서도 높은 에너지 효율로 인해 수명이 긴 장점을 가지고 있어 기존의 형광등, 백열등을 대체하는 조명기구의 광원소자로 활용되고 있다.In particular, the LED device can be driven at a relatively low voltage, but has a long lifespan due to high energy efficiency, and thus is used as a light source device of a luminaire replacing a fluorescent lamp and an incandescent lamp.
도 1은 종래의 기술에 따른 LED 조명기구의 단면도를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 종래의 LED 조명기구는 회로기판(11) 상에 하나 이상의 LED 소자(12)가 실장된 LED 모듈(10), 상기 LED 소자(12)에서 발생되는 열을 방열시키기 위해 상기 LED 모듈 하부에 형성된 방열부(30), 전원공급을 위한 전원모듈(50) 및 외부로부터 전원을 공급받기 위한 외부연결단자부(70)를 포함하여 구성되어 있다. 하지만, 종래의 LED 조명기구의 경우 방열부재(Heat Sink)(31)를 이용한 공냉식을 주로 사용함으로써 냉각효율이 떨어지며, LED 소자(12)의 온도가 높아져 LED 소자(12) 자체 또는 패키징 수지가 열화되 발광효율이 떨어지게 되어 결국에는 LED 조명의 수명을 단축시키는 문제점이 있다.1 is a view showing a cross-sectional view of a conventional LED lighting fixture. Referring to FIG. 1, a conventional LED luminaire includes an
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 LED 소자가 실장된 회로기판과 열전냉각모듈을 일체화시킨 LED 모듈을 형성함으로써 LED 소자에 의한 발생하는 열을 효율적으로 냉각시키고, 현재의 방열용 히트 싱크의 크기를 획기적으로 감소시키는 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명기구를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to efficiently cool the heat generated by the LED element by forming an LED module in which a circuit board on which the LED element is mounted and a thermoelectric cooling module are integrated. In addition, the present invention provides an LED lighting device including an LED module with a thermoelectric cooling module that significantly reduces the size of a current heat dissipation heat sink.
상술한 과제를 해결하기 위하여 제공되는 본 발명의 구성은 하나 이상의 LED소자가 실장된 LED 모듈, 방열부, 전원을 공급하는 전원모듈 및 외부연결단자부로 이루어진 LED 조명기구에 있어서, 상기 LED 모듈은, 양면에 전극패턴이 형성된 상부 절연기판; 상기 상부 절연기판 상면의 전극패턴 상에 실장된 하나 이상의 LED 소자; 상면에 전극패턴이 형성된 하부 절연기판; 상기 상부 및 하부 절연기판의 전극패턴사이에 형성된 다수의 열전소자;를 포함하는 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명기구를 제공하여 안정적인 냉각이 가능하게 하고 방열부재의 크기를 감소시킬 수 있다.In the configuration of the present invention provided to solve the above problems is an LED lighting device consisting of an LED module, a heat dissipation unit, a power supply module for supplying power and an external connection terminal unit mounted with one or more LED elements, the LED module, An upper insulating substrate having electrode patterns formed on both surfaces thereof; At least one LED device mounted on an electrode pattern on an upper surface of the upper insulating substrate; A lower insulating substrate having an electrode pattern formed on an upper surface thereof; It provides a LED lighting device including an LED module with a thermoelectric cooling module including a plurality of thermoelectric elements formed between the electrode pattern of the upper and lower insulating substrate to enable stable cooling and reduce the size of the heat radiation member Can be.
특히, 상기 다수의 열전소자는, N형 및 P형 열전 반도체 소자가 소정 간격으로 이격되어 교대로 배열되어 형성되어 있되, 상기 상부 및 하부 절연기판의 전극패턴을 매개로 직렬연결하는 것이 바람직하다.Particularly, the plurality of thermoelectric elements are formed by alternately arranging N-type and P-type thermoelectric semiconductor elements at predetermined intervals, and are preferably connected in series through the electrode patterns of the upper and lower insulating substrates.
또한, 상기 전극패턴과 열전소자 사이에 확산방지층이 형성될 수 있다.In addition, a diffusion barrier layer may be formed between the electrode pattern and the thermoelectric element.
또한, 상기 확산방지층은, 납(Pb) 또는 주석(Sn)으로 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, the diffusion barrier layer is preferably made of lead (Pb) or tin (Sn).
아울러, 상기 전극패턴과 확산방지층 사이에 버퍼층을 더 포함할 수 있다.In addition, a buffer layer may be further included between the electrode pattern and the diffusion barrier layer.
특히, 상기 버퍼층은 니켈(Ni)인 것이 바람직하다.In particular, the buffer layer is preferably nickel (Ni).
또한, 상기 상부 및 하부 절연기판은 알루미나(Al2O3)인 것이 바람직하다.In addition, the upper and lower insulating substrates are preferably alumina (Al 2 O 3 ).
또한, 상기 전극패턴은 구리(Cu)패턴인 것이 바람직하다.In addition, the electrode pattern is preferably a copper (Cu) pattern.
본 발명에 의하면, LED 조명기구에 있어서, LED 소자가 실장된 절연기판에 열전냉각모듈을 일체화시킴으로써 효율적인 냉각을 가능하게 하고 방열부재의 크기를 획기적으로 줄일 수 있어 전체 LED 조명기구의 크기 자체도 감소시킬 수 있게 된다.According to the present invention, in the LED lighting fixture, by integrating a thermoelectric cooling module into an insulating substrate on which the LED element is mounted, efficient cooling is possible and the size of the heat dissipation member can be drastically reduced, thereby reducing the size of the entire LED lighting fixture itself. You can do it.
도 1은 종래의 기술에 따른 LED 조명기구의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명기구의 단면도이다.
도 3은 도 2의 LED 모듈의 단면도이다.
도 4a는 도 2의 상면도이며, 도 4b는 도 3에서의 상부 절연기판 하부의 상면도이다.1 is a cross-sectional view of an LED lighting fixture according to the prior art.
2 is a cross-sectional view of an LED lighting device including an LED module with a thermoelectric cooling module according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view of the LED module of FIG.
4A is a top view of FIG. 2, and FIG. 4B is a top view of a lower portion of the upper insulating substrate of FIG. 3.
이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in many different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Therefore, the shapes and the like of the elements in the drawings are exaggerated in order to emphasize a clearer description, and elements denoted by the same symbols in the drawings denote the same elements.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명기구의 단면도를 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명은 하나 이상의 LED 소자(190)가 실장된 LED 모듈(100), 방열부(300), 전원을 공급하는 전원모듈(400) 및 외부연결 단자부(500)로 이루어진 LED 조명기구로서 상기 LED 모듈(100) 상부에는 LED 소자(190)와 회로기판의 보호 및 LED 소자(190)로 부터 발생되는 빛의 투과를 위해 커버부(600)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 특히 상기 LED 모듈(100)은 열전냉각모듈이 임베디드 되어 있어 효율적인 냉각이 가능할 뿐 아니라 방열부(300)에서의 히트 싱크(310)의 크기를 획기적으로 줄일 수 있게 된다. LED 모듈(100)에 대해서는 이하 도 3에서 더욱 자세히 설명하기로 하고 기타 방열부(300), 전원모듈(400) 등의 요소는 공지요소이므로 그 설명은 생략하기로 한다.2 is a view showing a cross-sectional view of an LED lighting device including an LED module with a thermoelectric cooling module according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the present invention includes an
도 3은 도 2의 LED 조명기구에서 방열부 상부에 형성된 LED 모듈을 확대한 단면도를 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, LED 모듈(100)은 양면에 전극패턴(130, 140)이 형성된 상부 절연기판(110), 상기 상부 절연기판(110) 상면의 전극패턴(130) 상에 실장된 하나 이상의 LED 소자(190)와 일면에 전극패턴(150)이 형성된 하부 절연기판(120) 및 상기 상부와 하부 절연기판의 전극패턴(140, 150) 사이에 형성된 다수의 열전소자(180)로 이루어져 있다.3 is an enlarged cross-sectional view of the LED module formed on the heat dissipation unit in the LED lighting device of FIG. Referring to FIG. 3, the
또한, 상기 전극패턴(140, 150)과 열전소자(180) 사이에 접착력 개선을 위한 버퍼층(160, 161)과 확산방지를 위한 확산방지층(170, 171)이 순차적으로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 버퍼층(160, 161)은 니켈(Ni), 확산방지층(170, 171)은 주석(Sn) 또는 납(Pb)으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이때, 상기 다수의 열전소자(180)는 N형 및 P형 열전 반도체 소자가 소정 간격으로 이격되어 교대로 배열되어 형성되어 있되, 상기 상부 및 하부 절연기판(110, 120)의 전극패턴(140, 150)을 매개로 연결하여 전기적으로는 직렬, 열적으로는 병렬로 연결되는 구성을 이루고 있으며, 상기 절연기판(110, 120)은 세라믹 기판으로서 알루미나(Al2O3)인 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the
이와 같이 LED 소자(190)가 실장된 회로기판(110)에 열전냉각모듈을 일체화시킨 LED 모듈(100)을 형성하게 된다. 열전냉각모듈은 전류에 의해 열의 흡수 또는 발생이 생기는 현상인 펠티어 효과(Peltier effect)를 이용한 것으로 전류의 방향에 따라 한쪽 단자에서는 흡열하고, 다른 쪽 단자에서는 발열을 일으키게 된다. 상기 도 3에서 열전냉각모듈의 열전소자(180)에 전원을 공급하면, N형 열전 반소체 소자에서 상부 절연기판(110) 상의 전극패턴(140)을 통해 P형 열전 반도체 소자와 하부 절연기판(120) 상의 전극패턴(150)으로 전류가 흐르면서 상부 절연기판(110)에서는 흡열현상이, 하부 절연기판(120)에서는 발열현상이 이루어지게 된다. 이렇게 열전냉각모듈이 임베디드된 LED 모듈(100)을 형성함으로써 LED 소자(190)에서 발생하는 빛을 효과적으로 냉각시켜 방열부(300)의 히트 싱크(310)로 전달할 수 있으며, 방열부(300)에서의 히트 싱크(310) 크기를 80~90% 가량 줄일 수 있게 되어 전체 LED 조명기구의 크기도 감소시킬 수 있게 된다. As such, the
도 4a는 상부 절연기판(110) 상의 전극패턴(130)에 LED 소자(190)가 실장된 도 2의 상면도로서 이러한 도넛 형태의 원형뿐 아니라 사각형 등 다양한 형태의 구조도 가능하다.FIG. 4A is a top view of FIG. 2 in which the
도 4b는 도 3에서의 상부 절연기판 하면의 상면도를 도시한 도면으로서 . 도 4b를 참조하면, 상부 절연기판 하면에 형성된 전극패턴(140) 하부에는 P형 및 N형 열전 반도체 소자쌍(180)이 형성되어 있으며, 전기적인 직렬 연결을 위해 하부 절연기판(120)상에 전극패턴(150)이 형성되어 있어 상기 하부 절연기판(120)의 전극패턴(150)을 통해 전원이 공급되면 상부 절연기판(110)에서는 흡열현상이 일어나고 하부 절연기판(120)에는 발열현상을 이루어져 효과적인 냉각이 가능해지며 히트 싱크의 크기를 획기적으로 감소시킬 수 있게 된다.FIG. 4B is a top view of the bottom surface of the upper insulating substrate in FIG. 3. FIG. Referring to FIG. 4B, P-type and N-type thermoelectric
이상 도면과 명세서에서 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.The best embodiments have been disclosed in the drawings and specification above. Although specific terms have been used herein, they are used only for the purpose of describing the present invention and are not used to limit the scope of the present invention as defined in the meaning or claims. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible from this. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
10, 100: LED 모듈 30, 300: 방열부
50, 400: 전원모듈 70, 500: 외부연결 단자부
110: 상부 절연기판 120: 하부 절연기판
130, 140, 150; 전극패턴 160, 161: 버퍼층
170, 171: 확산방지층 180: 열전 반도체 소자
190: LED 소자10, 100:
50, 400:
110: upper insulation board 120: lower insulation board
130, 140, 150;
170 and 171: diffusion barrier layer 180: thermoelectric semiconductor device
190: LED device
Claims (8)
상기 LED 모듈은,
양면에 전극패턴이 형성된 상부 절연기판;
상기 상부 절연기판 상면의 전극패턴 상에 실장된 하나 이상의 LED 소자;
상면에 전극패턴이 형성된 하부 절연기판;
상기 상부 및 하부 절연기판의 전극패턴 사이에 형성된 다수의 열전소자;
를 포함하는 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명기구.
In the LED lighting fixture consisting of an LED module, a heat dissipation unit, a power supply module for supplying power and an external connection terminal unit mounted with one or more LED elements,
The LED module,
An upper insulating substrate having electrode patterns formed on both surfaces thereof;
At least one LED device mounted on an electrode pattern on an upper surface of the upper insulating substrate;
A lower insulating substrate having an electrode pattern formed on an upper surface thereof;
A plurality of thermoelectric elements formed between electrode patterns of the upper and lower insulating substrates;
LED lighting fixture comprising a LED module with a thermoelectric cooling module including a.
상기 다수의 열전소자는,
N형 및 P형 열전 반도체 소자가 소정 간격으로 이격되어 교대로 배열되어 형성되어 있되,
상기 상부 및 하부 절연기판의 전극패턴을 매개로 직렬연결되는 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명기구.
The method according to claim 1,
The plurality of thermoelectric elements,
N-type and P-type thermoelectric semiconductor elements are formed are arranged alternately spaced apart at a predetermined interval,
LED lighting device including an LED module with a thermoelectric cooling module connected in series via the electrode pattern of the upper and lower insulating substrates.
상기 전극패턴과 열전소자 사이에 확산방지층이 형성된 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명기구.
The method according to claim 1,
LED lighting fixture comprising an LED module with a thermoelectric cooling module formed with a diffusion barrier layer between the electrode pattern and the thermoelectric element.
상기 확산방지층은,
납(Pb) 또는 주석(Sn)으로 이루어진 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 모듈.
The method according to claim 3,
The diffusion barrier layer,
LED module including an LED module with a thermoelectric cooling module made of lead (Pb) or tin (Sn).
상기 전극패턴과 확산방지층 사이에 버퍼층을 더 포함하는 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 모듈.
The method according to claim 3 or 4,
LED module including an LED module with a thermoelectric cooling module further comprises a buffer layer between the electrode pattern and the diffusion barrier layer.
상기 버퍼층은,
니켈(Ni)인 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명기구.
The method according to claim 5,
The buffer layer,
LED lighting fixture including an LED module with a built-in nickel (Ni) thermoelectric cooling module.
상기 상부 및 하부 절연기판은,
알루미나(Al2O3)인 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명기구.
The method according to claim 1,
The upper and lower insulating substrates,
LED lighting fixture comprising an LED module with a thermoelectric cooling module of alumina (Al 2 O 3 ).
상기 전극패턴은,
구리(Cu)패턴인 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명기구.
The method according to claim 1,
The electrode pattern is,
LED lighting fixture including an LED module with a thermoelectric cooling module of a copper (Cu) pattern.
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2011
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KR101514642B1 (en) * | 2014-11-28 | 2015-04-24 | 주식회사 서경라이텍 | LED lighting |
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