KR20120110093A - Ｌｅｄ 램프 - Google Patents

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KR20120110093A
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데이빗 씨. 두딕
조슈아 아이. 린타마키
게리 알. 앨런
글렌 에이취. 쿠엔즐러
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지이 라이팅 솔루션스, 엘엘씨
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Abstract

발광 장치(10)는 투광성 엔빌로프(14)내에 LED-기반 광원을 포함하는 적어도 실질적으로 전체방향성인 광조립체를 포함한다. 전자부품은 LED-기반 광원을 구동하도록 형성되며, 상기 전자부품은 45°이상의 차단각을 갖는 기초부(16)내에 배치된다. 다수의 열손실 요소(18)는 기초부와 열 소통관계로 있고 엔빌로프에 인접하여 신장된다.

Description

ＬＥＤ 램프{LED LAMP}
본원은 조명 기술, 발광 기술, 솔리드-상태 발광 기술, 및 그 관련 기술에 관한 것이다.
백열광과 할로겐 램프는 통상적으로 전방향 및 방향성 광원 모두로 사용된다. 전방향 램프는 램프로부터 1m 이상으로 떨어진 원거리 필드에서 각도에 대한 대체로 균일한 세기의 분포로, 모든 방향으로의 균일한 광의 분포를 원하는 예를 들어 책상 램프, 테이블 램프, 장식용 램프, 샹들리에, 천정 고정물 및 그외 다른 용품과 같이 각종 용도에서 사용되는 것이다.
도1을 참조하며, 여기에서는 백열광 램프에 의하거나 일반적으로 전방향 조명을 생성할 수 있는 어떤 램프에 의해 발생되는 조명의 공간적 분포를 설명하기 위해 좌표계를 사용하여 설명한다. 좌표계는 구형 좌표계 유형이며, 백열등 A-19스타일 램프(L)를 참고로 도시하였다. 원거리 필드 조명 분포를 설명할 목적으로 상기 램프(L)는 지점(L0)에 위치한 것으로 간주되며, 그 지점은 예를 들어 백열등 필라멘트의 위치와 일치할 수 있다. 통상적으로 지오그래픽 아트에 사용되는 구형 좌표 표시법을 채택하여, 조명의 방향을 해발 고도 또는 위도 좌표와 방위각 또는 경도 좌표로 설명할 수 있다. 그러나, 지오그래픽 아트로부터의 편차에 여기서 사용된 고도 또는 위도 좌표가 범위 [0°, 180°]를 이용하며, 여기서: θ = 0°는 "지리적 북쪽" 또는 "N"에 해당한다. 이것은 조명이 방향(θ = 0°)을 따라 비추어져 전방-지향하는 광에 대응하게 하기 때문에 안정적이다. 북쪽 방향, 즉, 방향(θ = 0°)도 여기에서는 광학 축으로 언급된다. 이런 표시법을 사용하여, θ = 180°는 "지리적 남쪽"또는 "S" 또는, 조명 관계에서 후방-지향하는 광에 해당한다. 고도 또는 위도 θ = 90°는 "지리적 적도" 또는 조명 관계에서 측방-지향하는 광에 해당한다.
계속하여 도1을 참조하여, 주어진 고도 또는 위도에 대해 방위각 또는 경도 좌표(φ)도 정의될 수 있으며, 모든 장소에서 고도 또는 위도(θ)에 대해 직교한다. 상기 방위각 또는 경도 좌표(θ)는 범위가 [0°, 360°]이며, 지리적 표시법에 따른다.
정확하게 북쪽이나 남쪽에서, 즉, θ = 0° 또는 θ = 180°에서(즉, 광학 축을 따라), 방위각 또는 경도 좌표는 아무런 의미가 없거나, 아마도 더 정확하게는 퇴화된 것으로 간주될 수도 있을 것이다. 다른 "특별한" 좌표는 θ = 90°이며, 광원을 포함하는(또는, 더 정확하게는 원거리 필드를 계산하기 위한 광원의 공칭 위치, 예를 들어 지점(L0)을 포함) 광학 축에 대해 횡단하는 평면을 한정한다.
실질적으로, 전체 길이방향 길이(span)φ = [0°, 360°] 에 걸쳐 균일한 광의 세기를 이룬다는 것은 광이 직선적으로 향하여 광학 축에 대해 회전 대칭(즉, 축에 대해 θ = 0°)으로 광원을 형성하기 때문에 일반적으로 어렵지 않다. 예를 들어, 백열광 램프(L)는 대체로 전체방향의 광을 방출하게 설계될 수 있는 좌표 중심(L0)에 위치한 백열등 필라멘트를 적절히 사용하여, 어떤 위도에 대한 방위각(θ)에 대해 각각이 균일한 세기의 분포를 제공한다.
그러나, 일반적으로 고도 또는 위도 좌표에 대해 각각의 이상적인 전체-지향성의 세기를 이루는 것이 실제적이지는 않다. 예를 들어, 램프(L)는 표준 "에디슨 기초부" 램프 고정물에 설치되게 제조되며, 그 단부를 향하는 방향으로 백열광 램프(L)는 나사식 에디슨 기초부(EB)를 포함하며, 예를 들어 숫자가 기초부(EB)에서 나사회전부의 외부직경(mm)을 나타내는 E25, E26 또는 E27가 있을 수 있다. 에디슨기초부(EB)(또는, 보다 일반적으로 광원 '뒤에' 배치된 임의적인 전력 입력 시스템)는 광원 위치(L0) "뒤에" 광학 축에 위치하며, 따라서 후방방향 방출 광을 차단하고 (즉, 남쪽 위도를 따른 조명을 차단, 즉, θ = 180°를 따른 조명을 차단), 따라서 백열광 램프(L)는 위도 좌표에 대해 각각의 이상적인 전체방향 조명을 제공할 수 없다.
60W 소프트 화이트 백열광 램프(미국 뉴욕에 소재하는 제너럴 일렉트릭 회사제)와 같은 상용 백열광 램프는 도2에 도시된 바와 같이 위도 범위에 걸쳐 평균 세기(라인 C)의 ±20% 내에서 균일하게 있는 위도 길이 θ= [0°, 135°]를 횡단하는 세기를 제공하는 구조로 용이하게 이루어진다. 항적(A)은 광학 축에 수평적으로 배치된 필라멘트를 가진 백열광 램프에 대한 세기 분포를 나타내며, 항적(B)은 광학 축에 정렬된 필라멘트를 가진 백열광 램프의 세기 분포를 나타낸다. 이것은 일반적으로 전체방향 램프에 대한 허용할 수 있는 균일한 세기의 분포로 고려되지만, 어떤 관심사는 여전히 추가로 예를 들어 ±10% 균일성을 가진 θ = [0°, 150°]의 위도 범위까지 이런 균일한 길이를 신장시키는데 있다. 이런 균일한 길이는 미국 DoE 에너지 스타 드레프트2 및 미국 DoE 라이팅 프라이즈와 같은 LED 램프에서의 미팅 전류와 미결 조정에 효과적이다.
백열광과 할로겐 램프와 비교함으로써, 발광 다이오드(LED) 장치와 같은 솔리드-상태 라이팅 기술이 자연적으로 고도의 지향성이며, 이들은 일 측으로부터만 발광하는 플랫 장치이다. 예를 들어, LED 장치는 캡슐로 싸였거나 싸이지 않고, 전형적으로 범위 θ = [0°, 150°]에서 cos(θ)로 변하며, θ> 90°에 대해 제로 세기를 가진 지향성 램버시안 공간적 세기 분포로 발광한다. 반도체 레이저는 자연적으로 훨씬 더한 지향성이며, 실제로는 기본적으로 θ = 0°부근의 좁은 원추로 제한되는 전방-지향된 광의 빔으로 설명될 수 있는 분포로 발광한다.
솔리드-상태 조명과 관련된 다른 과제는 백열광 필라멘트와 다르게 LED 칩 또는 기타 솔리드-상태 조명장치가 일반적으로 표준 110V 또는 220V AC를 효율적으로 사용하여 작동하지 않을 수 있다. 오히려, 온-보드 전자가 일반적으로 AC 입력 전력을 LED 칩을 구동시키기 위해 보정 할 수 있는 낮은 전압의 DC 전력으로 변환하기 위해 제공된다. 다르게는, 충분한 수의 LED 칩의 일련의 스트링이 직접 110V 또는 220V에서 동작할 수 있고, 적절한 극성 제어를 가진 그런 스트링의 병렬 장비(예 : 제너 다이오드)가 110V 또는 220V AC 전력에서 동작할 수 있어서, 실질적으로 전력 효율이 떨어진다. 양쪽 경우에, 전자는 일체형 백열광이나 할로겐 램프에 사용되는 간단한 에디슨 기초부에 비해 램프기초부의 추가 요소를 구성한다.
솔리드-상태 조명의 다른 과제는 열 싱킹의 필요성이다. 백열광이나 할로겐 필라멘트와 대비되는 LED 장치는 성능과 안정성이란 양면에서 고온도에서 민감한 것이다. 이것은 LED 장치와 접촉하는 다량의 열 싱킹재료(즉, 열 싱크)를 배치하거나 다르게 양호한 열 접촉 상태로 하여 해결되었다. 열 싱크에 의해 점유된 공간은 발광된 광을 차단하며, 따라서 부가로 전체방향 LED-기초부 램프를 발생하도록 능력을 추가로 제한한다. 이런 제한은 LED 램프가 광원, 전자, 광학 요소 및 열 관리를 포함한 모든 램프 부품에 대해 최대 크기를 정의하는 현재의 규제 한도의 물리적 크기의 제한치(ANSI, NEMA 등)의 물리적 크기로 제한된다.
전자 및 열 싱킹의 조합은 "후방" 조명을 차단하는 대형 기초부를 초래하여, LED 교체 램프를 사용하여 전체방향 조명을 생성하는 능력을 대체로 제한하였다. 특히 열 싱크는 바람직하게 대류 및 방사선의 조합에 의해 램프로부터 멀어지는 방향으로 열을 분산하기 위한 대형 용적과 대형 면적을 갖는다.
현재, 백열등 대체품으로 선정된 대부분의 상용 LED 램프는 백열광 램프와 유사한 균일한 세기의 분포를 제공하지 않는다. 예를 들어, 반구형 요소가 LED 광원 위에 배치될 수 있다. 합성된 세기의 분포는 주로 상향하여 나아가고, 적도 아래에서 발광되는 광은 거의 없다. 분명히, 이것은 만족스럽게 백열광 램프를 모방하는 세기의 분포를 제공하지 않는다.
본원의 실시예는 본원을 설명하는 예로서 기술된다. 1실시예에서, 발광 장치는 LED 광원을 둘러싸는 광 투과성 엔빌로프를 포함한다. 광원은 열 싱킹 기초부 요소와 열 소통하게 구성된다. 복수개의 표면적 향상 요소가 기초부 요소와 열 소통하게 있으며 발광 엔빌로프에 인접하는 방향으로 신장 된다. 적절히 설계된 표면적 향상 요소는 LED 광원으로부터 나온 광 세기의 분포를 심하게 방해하지 않으면서 충분한 발열을 제공할 것이다.
다른 실시예에 따라, 발광 다이오드 광원을 포함하는 발광 장치가 제공된다. 발광 다이오드는 기초부 요소와 열 소통 관계로 있다. 기본 요소는 15°~ 45°의 광차단 각도를 갖는다. 복수개의 표면적 향상 요소는 기본 요소와 열 소통 관계로 있게 배치되며, 4X의 인수로 장치의 발열 용량을 증가시키고 발광 플럭스(emitted light flux)의 10% 미만을 흡수한다.
다른 실시예에서, 발광 장치는 금속코어 인쇄회로기판(MCPCB)에 탑재된 복수개의 발광 다이오드를 포함하며, 그로부터 나오는 전력을 받는다. 제1원통형 섹션과 제2절두원추형 섹션을 가진 열 싱크가 제공되며, 상기 MCPCB는 열 싱크의 절두원추형 섹션과 열 소통 관계로 있다. 에디슨 나사 기초부는 열 싱크의 원통형 섹션에 인접하여 제공된다. 전기 접속부는 상기 나사 기초부, 즉 원통형 섹션에 포함된 필요한 전자기와 MCPCB 사이에 제공된다. 광 방산(diffusing) 엔빌로프는 열 싱크의 절두원추형 섹션으로부터 신장되며, 발광 다이오드를 포위한다. 바람직하게, 최소한 4개의 열 방산 핀(fin)이 열 싱크와 열 소통 관계에 있으며, 엔빌로프에 인접하여 그로부터 신장된다. 상기 핀은 열 싱크에 인접하여 있는 비교적 얇은 제1섹션과, 열 싱크로부터 멀리있는 엔빌로프에 인접하여 있는 비교적 얇은 제2섹션과, 비교적 두꺼운 층간 섹션을 갖는다. 바람직하게, 상기 장치는 ANSI C78.20-2003의 요건을 충족하는 치수로 된다.
도1은 종래의 백열광 전구를 참고로, 조명 분포를 설명하기 위해 본원에 사용되는 좌표계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도2는 다양한 위도에서의 백열광 램프의 광 세기의 분포를 나타낸 도면이다.
도3은 본 발명의 램프를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도4는 평면 LED-기반 램버시안(램버시안) 광원과 구형 엔빌로프, 그리고 둘레 핀이 설치된 고 반사성(반사성) 열 싱킹을 사용하는 전체방향 LED-기반 램프의 측면 입면도이다.
도5는 다른 방사형 열 싱킹 전체방향 LED-기반 램프의 측면 입면도이다.
도6은 열 싱크가 광원으로부터 방출된 광을 차단하는 물리적 차단 각도와, 수용가능한 광 분포 균일성을 얻는 컷오프 각도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도7은 평면 핀의 기하형상과 관련된 용어를 설명하기 위한 도면이다.
도8은 광학 광선 경로를 나타내는 수직한 평면 핀을 사용하는 램프의 예를 상부에서 보고 나타낸 도면이다.
도9는 도5의 전체방향 LED-기반 램프에 대한 다양한 위도 각도에서 광의 세기를 나타낸 도면이다.
도10은 도4와 도5의 램프의 적도 둘레를 세로 각도 360°변하는 광의 세기를 나타낸 도면이다.
도11은 서로 다른 마무리 표면(반사와 확산)을 가진 12개의 열 핀을 가진 1예의 램프 둘레를 세로 각도 360°변하는 광의 세기의 광학 모델링 데이터를 나타낸 도면이다.
도12는 위도 각도의 함수로 램프의 세기 분포에 따른 표면 반사성의 효과를 나타내는 광선 추적 모델링 데이터를 나타낸 도면이다.
도13은 광원을 포함하는 엔빌로프 근방에서 열 핀을 사용하는 서멀 열 싱크 설계의 다른 실시예을 나타낸 도면이다.
도14는 광원에 인접하여 있는 다른 수의 표면적 향상 요소를 가진 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도15는 전형적인 실시예에서 위도 각도의 광 세기의 분포에 대한 열 핀의 증가 효과를 나타낸 도면이다.
도16은 세로방향 세기 분포에 대한 열 핀의 두께 증가의 효과를 나타낸 도면이다.
도17은 디자인 컷오프 각도와 세기 균일성에 대한 열 싱크의 차단 각도의 효과를 나타내는 광학선 추적 모델링 데이터를 나타낸 도면이다.
도18은 가변 길이 열 핀 요소를 사용하는 서멀 열 싱크 설계의 실시예를 나타낸 도면이다.
도19는 방열을 위한 유사한 표면적을 유지하면서 다양한 수와 폭의 열 핀을 사용하는 서멀 열 싱크 설계의 실시예를 나타낸 도면이다.
도20은 다양한 폭의 열 핀 요소를 사용하는 서멀 히트싱크 설계의 실시예를 나타낸 도면이다.
도21은 다양한 두께의 열 핀 요소를 사용하는 서멀 히트싱크 설계의 실시예를 나타낸 도면이다.
도22는 가는 못(pin) 또는 비-평면 핀 형상으로 표면적 향상 요소를 사용하는 서멀 히트싱크 설계의 실시예를 나타낸 도면이다.
도23은 광원에 인접해 있고 광학 축에 대비되는 각도 또는 곡률로 있는 평면 핀 형상으로 직교하지 않은 표면을 사용하는 서멀 히트싱크 설계의 실시예를 나타낸 도면이다.
도24는 비-구형 엔빌로프 둘레의 서멀 히트싱크 설계의 실시예를 나타낸 도면이다.
도25는 양호한 실시예를 위해 광학 및 열 제약 조건에 따라 생성된 설계 공간을 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 부품과 부품의 배치 및, 다양한 방법의 공정 및 공정 배열로 이루어진다. 본원의 도면은 본 발명을 구현하는 실시예를 설명할 목적으로 나타낸 것이며, 본 발명을 제한하는 것이 아니다.
LED 교체 램프의 성능은 유용한 사용수명에 따라 정량화될 수 있으며, 시간이 경과 함에 따라 루멘 유지 보수 및 신뢰성에 의해 결정된다. 백열광과 할로겐 램프의 수명은 일반적으로 1000 ~ 5000시간의 범위를 갖는데 비해서, LED 램프의 수명은 > 25,000시간, 아마도 100,000시간 이상 일수 있다.
광자가 생성되는 반도체 재료의 PN 접합의 온도는 LED 램프의 수명을 결정하는 중요한 요인이다. 긴 램프 수명은 약 100℃ 이하의 접합 온도에서 이루어지며, 현격하게 짧은 수명은 중간 온도에서 수명이 점진적으로 기울어지는 상태로 약 150℃ 이상의 온도에서 일어난다. 대략 2009년경에 전형적인 고휘도 LED의 반도체 재료에서 방산된 전력 밀도(~ 1와트, 50-100루멘, ~ 1 x 1㎟)는 약 100와트/㎠ 이다. 대조적으로, 세라믹 금속-할라이드(CMH) 아크관의 세라믹 엔빌로프에서 방산된 전력은 전형적으로 20-40와트/㎠ 이다. CMH 램프 내의 세라믹이 최고 열점(hot spot)에서 약 1200-1400K에서 동작되는 반면에, LED 장치의 반도체 재료는 CMH 램프보다 2 * 더 높은 전력 밀도를 가졌음에도 불구하고, 약 400 K 이하에서 동작되어야 한다. 램프 내의 열점과 전력이 방산되어야 하는 주변환경과의 사이에서의 온도차는 CMH의 경우에 약 1000 K이지만, LED 램프에 대해서는 약 100 K이다. 따라서, 열 관리는 일반적인 HID 램프에 대한 효과에 비해 LED 램프에 대한 효과가 10배 정도 더 있다.
히트싱크의 설계에서, 수동적으로 냉각되는 서멀 회로에서 제한된 서멀 임피던스는 통상적으로 주변 공기에 대한 대류 임피던스(즉, 주변 공기로의 열 방산)이다. 이런 대류 임피던스는 일반적으로 히트싱크의 표면적에 비례한다. 교체 램프 용도의 경우에는 LED 램프가 교체되는 전통 에디슨-타입의 백열광 램프와 동일한 공간에 설치되어야 하며, 주위 공기에 노출된 사용할 수 있는 표면 영역에 고정된 한도가 있다. 따라서, 광원 둘레나 인접한 곳에 열 핀이나 다른 열 방산 구조를 배치하는 것과 같이, 주변으로 열을 방산시키기 위한 가능한 이용가능한 표면적을 많이 사용하는 이점이 있다.
이 실시예는 일체적 교체 LED 램프에 관한 것이며, 램프로의 입력은 메인 전기 공급이며, 출력은 필요한 세기의 패턴이며, 바람직하게 램프 외부에 부수적인 전자적 또는 광학 부품은 없다. 도3을 참조하여, LED-기반 램프(10)는 LED-기반 램버시안 광원(12)과 광전달 구형 엔빌로프(14)를 포함한다. 본원에서 사용된 "구형"은 일반적인 구형의 형상을 설명하는 것으로 한다. 또한, 그것은 다른 형상도 비슷하게 유용한 세기의 분포를 제공할 것으로 이해한다. 또한, 구형으로부터의 일탈도 이 설명 내에 포함되며, 사실상, 디퓨저와 히트싱크 사이의 상호 작용을 향상시키기 위한 특정 실시예에서 바람직할 수 있다. 광-전달 구형 엔빌로프(14)는 바람직하게 광을 확산시키는 면을 갖는다. 일부 실시예에서, 구형 엔빌로프(14)는 유리요소이며, 플라스틱이나 세라믹 같은 다른 광-전달 재료의 디퓨저가 고려될 수 있다. 엔빌로프(14)는 본질적으로 광-확산성이 있으며, 다음과 같은 다양한 방법으로 광-확산성이 만들어진다: 광 확산성을 증진시키는 프로스팅(frosting) 또는 다른 텍스쳐링; 백열전구의 유리 벌브에 광 확산제를 도포하여 사용되는 형식의 소프트-화이트 확산 코팅(미국 뉴욕의 제저널 일렉트릭 회사에서 제조품을 이용)과 같은 광-확산 코팅제로 코팅; 엔빌로프를 이루는 유리, 플라스틱, 또는 그밖의 재료 내에 광-산란 미립자를 매립; 이들 방식의 조합; 등,등. 그러나, 기본적으로 엔빌로프가 비-확산되는 것도 본 발명의 범위 내에 있음에 유념한다. 또한, 이런 설계 매개변수는 다른 광-산란 메커니즘이 엔빌로프에 내부에 사용되어도 실현될 수 있는 것이다.
엔빌로프(14)는 또한 선택적으로 예를 들어 엔빌로프 표면에 인광물질을 포함하여 다른 색상으로 LED로부터의 광을 변환, 예를 들면 LED로부터의 청색 또는 자외선(UV) 광을 백색광으로 변환할 수도 있다. 일부 그런 실시예에서는 인광물질이 디퓨저(14)의 단독 성분이 되는 것이 고려된다. 그런 실시예에서 인광물질은 확산 형광체가 될 수 있다. 다른 고려되는 실시예에서, 디퓨저는 상술된 바와 같은 프로스팅, 에나멜 페인트, 코팅 등과 같은 추가적인 확산 요소가 더해진 인광물질을 포함한다. 다르게는 상기 인광물질은 LED 패키지와 관련될 수 있다.
LED-기반 램버시안 광원(12)은 적어도 1개의 LED 장치를 포함하며, 실시예에서는 원하는 색 온도와 CRI를 백색광이 되게 혼합하는 각각의 스펙트럼과 세기를 가진 복수개의 장치를 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 제1LED 장치는 녹색 연출(예를 들어, 적합한 "백색" 인광물질로 코팅되는 청색 또는 자색 발광 LED 칩을 사용하여 달성)을 하는 광을 출력하고, 제2LED 장치는 적색 광(예를 들어, 자연적으로 적색 광을 방출하는 GaAsP 또는 AIGalnP 또는 에피텍시(epitaxy) LED 칩을 사용하여 달성)을 출력하고, 그리고 제1 및 제2LED 장치로부터의 광은 개량된 백색 연출을 생성하도록 함께 혼합시킨다. 반면에, 그것은 또한 평면 LED-기반 램버시안 광원이 단일 LED 장치를 포함하는 것도 고려되며, 단일 LED 장치는 백색 LED 장치 또는 포화된 색의 LED 장치 등이다. 또한 레이저 LED 장치가 램프에 포함되는 것을 고려할 수도 있다.
한 바람직한 실시예에서, 광-전달 구형 엔빌로프(14)는 LED-기반 램버시안 광원을 수용하거나 부합하는 크기의 개구를 포함하여, LED-기반 램버시안 광원(12)의 광-방출 기본 면이 구형 엔빌로프(14)의 내부 쪽으로 마주하며 구형 엔빌로프(14)의 내부로 광을 방출한다. 구형 엔빌로프는 LED-기반 램버시안 광원(12)의 영역과 대비하여 크다. LED-기반 램버시안 광원(12)은 구형 엔빌로프(14)의 곡선 표면에 대해 거의 접선적으로 배치된 광-방출 면을 가진 개구에 또는 그 안에 탑재된다.
LED-기반 램버시안 광원(12)은 열 싱킹과 전자 부품을 수용하기 위해 공간을 제공하는 기초부(16)에 탑재된다. LED 장치는 선택적으로 금속코어 인쇄회로기판(MCPCB)인 회로 보드에서 평면 방향으로 탑재된다. 기초부 요소(16)는 LED 장치용 지지부를 제공하며 (열 싱킹)열 전도성이다. 충분한 방열를 제공하기 위해, 기초부(16)는 복수개의 열 전도성 핀(18)과 열 소통 관계로 있다. 핀(18)은 램프의 북극(θ = 0°)쪽으로 구형 엔빌로프(14)에 인접하여 신장된다. 핀(18)은 열 전도성 재료로 제조되며, 높은 열 전도성을 가진 것이 양호하며, 용이하게 제조할 수 있는 금속 또는 적절한 성형성을 가진 플라스틱이 보다 양호하며, 주조 또는 알루미늄이나 구리가 특히 양호하다. 바람직하게, 그것은 A-19 백열 전구(ANCI C78.20-2003)용의 ANSI 개요 내의 LED-기반 광원을 제공한 설계에서 볼 수 있다.
도4 및 도5를 참조하여 설명한다. 전자 드라이버는 램프 기초부(20, 22)에 포함되며, 히트-싱킹 재료로 제조된 각 기초부의 평형부(즉, 각각의 전자부품에 의해 점유되지 않은 각 기초부의 부분)를 갖는다. 전자 드라이버는 스스로 충분하게, 에디슨 기초부(23)에 수용되는 AC 전원(예, 미국 주거 및 사무실 장소의 에디슨-타입 램프 소켓에 통상적으로 사용할 수 있는 형식의 110볼트 AC, 또는 유럽 주거 및 사무실 장소의 에디슨-타입 램프 소켓에 통상적으로 사용할 수 있는 형식의 220볼트 AC)을 적절한 포맷 형태로 변환하여 LED-기반 광원을 구동시킬 수 있다. (이것은 또한 예를 들어 유럽의 백열 전구에 사용되는 형식의 소총 마운트와 같은, 임의적인 형식의 전기 커넥터를 사용하는 것도 고려된다.)
램프는 추가로 핀(24, 26)을 포함하며, 상기 핀은 구형 엔빌로프(14)의 일 부분 위로 신장되어 LED 칩에 의해 발생된 열의 주위 환경에 대한 방사 및 대류 동작을 더욱 향상시킨다. 도4 및 도5의 핀은 유사한 것이며, 이들은 원하는 결과를 달성할 수 있는 설계를 어떻게 다양하게 하는지를 보여준다. 또한, 핀(26)은 핀(24)보다 약간 더 길며, 각각 기초부(22, 20) 안으로 더 깊게 신장된다.
히트싱크 기초부의 각도는 높은 각도(예를 들어, 최소한 150°)에 대한 균일한 광 분포의 유지를 돕는다. 도6은 서멀 히트싱크에 부착된 전형적인 LED에 대한 각도 용어를 정의하여 나타낸 도면이다. 이 예에서, 디퓨저 요소(60)는 균일하게 발광한다. 서멀 히트싱크(62)는 히트싱크 상의 지점으로의 광학축으로부터 취해진 차단 각도(64)(αblock)로 상기 방출되는 광을 차단하며, 히트싱크는 광원(60)의 기하학적 중심에서 오는 광을 물리적으로 차단한다. 서멀 히트싱크의 물리적인 방해로 인해 차단 각도(64)(αblock)보다 작은 각도에서 상당히 큰 세기의 광을 생성하기는 어려울 것이다. 실제로, 서멀 히트싱크의 물리적 방해가 최소한의 영향을 끼치는 지점에서는 컷오프 각도(66)(αcutoff)로 있을 것이다.
도17은 αblock 값을 변경시키기 위한 위도 각도의 함수로 세기의 분포를 나타낸 도면이다. 135° (45°의 αcutoff에 상응)의 위도 각도에서, 23.6°, 30°, 36.4°, 42.7°의 αblock 값의 정상적인 세기는 도17에서 H, I, J, K로 각각 나타낸 바와 같이 79 %, 78%, 76 %, 72% 이다. 이것은 명확히 αblock가 αcutoff에 접근함으로써 세기의 균일도가 급격하게 감소 됨을 보여준다. 세기의 5 % 미만 감소의 실질적 한계의 경우에 αblock은 방정식: αcutoff = αblock + 10°로 나타나는 원하는 10-15°αblock 미만이어야 한다. 45°의 αcutoff에서의 이 예는 분명히 다른 αcutoff 각도와 세기의 다른 원하는 감소 수준에 적용시킬 수 있다. A-라인형 LED 램프의 경우에는 만일 컷오프 각도가 > 35°이면, 위도 각도에서(전방방향에서 후방방향으로 방출되는 광) 매우 균일한 세기의 분포를 갖기는 어려울 것이다. 또한, 컷오프 각도가 <15°로 너무 낮다면, LED 드라이버 전자 부품과 램프 기초부를 포함하기에 램프의 나머지 부분에는 충분한 공간이 없을 것이다. 20-30°의 최적한 각도는 균일한 광 분포를 유지하기에 바람직하면서, 램프에 작용 요소를 위한 공간을 남긴다. 현재의 LED 램프는 0°로부터 적어도 120°까지, 바람직하게는 135°까지, 보다 바람직하게는 150°까지 균일한 출력을 제공한다. 이것은 전통적인 A19 백열 전구를 우수하게 대체한다.
바람직하게 전자부품을 수용하고 적절한 열 싱킹을 제공하도록 기초부(20, 22)를 대형으로 제조하지만, 상기 기초부는 또한 차단 각도 즉, 전체방향 광 분포가 전자부품, 히트싱크 기초부, 및 히트싱크의 핀과 같은 다른 램프 부품의 존재에 의해 현격하게 변경되는 위도 각도를 최소로 하게 구성된다. 예를 들어, 이 각도는 135 °또는 그 유사한 각도에서 백열광 광원이 제시하는 것과 유사한 균일한 광 분포를 제공할 수 있다. 이런 다양한 고려 사항은 대략 LED-기반 광원과 동일한 크기로 된 LED-기반 광원 섹션(28, 30)을 위해 작은 수신 영역을 사용하며, 바람직하게 절두원추 형상을 사용하는 원하는 차단 각도 미만으로 각도진, 구부려진, 또는 다르게 형성된 측면을 가져서 각각의 기초부(20, 22)에 수용되게 한다. 기초부의 측면은 전자부품을 수용하기에 충분한 대형 직경의 기초부(32, 34)에 부합하고 적절한 전기 연결부에 어울리기에 충분한 거리로 LED-기반 광원으로부터 멀어지는 방향으로 신장된다.
서멀 히트싱크의 광학 특성은 합성 광 세기 분포에 큰 영향을 미친다. 광이 표면에 부딪치면, 그것은 흡수되거나, 전송되거나, 반사될 수 있다. 대부분의 공학 재료의 경우에, 이들은 가시 광선에 대해 불투명하고, 따라서, 가시 광선은 표면에 흡수되거나 반사될 수 있다. 광학 효율성, 광학 반사성 및 반사성의 관심은 여기에서는 가시 광선의 효율과 반사율에 대해 언급할 것이다. 표면의 절대 반사율은 램프의 전체 효율성과 또한 광원의 고유한 광 세기 분포를 가진 히트싱크의 간섭에 영향을 미칠 것이다. 광원으로부터 방출되는 광의 소량 부분 만이 광원 둘레에 배치된 열 핀을 가진 히트싱크와 부딪칠 것이지만, 만일 반사율이 매우 낮으면, 대량의 플럭시가 히트싱크 표면에서 소실되어, 램프의 전체 효율을 떨어뜨릴 것이다. 마찬가지로, 광 세기 분포는 광원으로부터 발광되는 광의 재방향성 및 히트 싱크에 의한 플럭시의 흡수 모두에 의한 영향을 받게 된다. 만일 반사율이 70% 보다 큰 높은 수준으로 유지되면, 광 세기 분포에서의 왜곡을 최소로 할 수 있다. 마찬가지로, 세로 및 위도 세기 분포도 서멀 히트싱크 및 표면 향상 요소의 표면 마무리에 의해 영향을 받을 수 있다. 높은 반사성(거울형)의 원만한 표면은 상기 광이 히트싱크 또는 열 핀 표면에 직각 이외의 입사 각도를 따라 외향할 때 확산(램버시안) 면보다 덜한 밑에 있는 세기의 분포를 왜곡시킨다.
도8은 전형적인 램프 실시예에서 상부에서 보고 나타낸 도면이다. 소스의 직경은 광 투과성 엔빌로프의 직경이나 기타 한정되는 최대 치수를 의미하는 것으로 정해진다. 이것은 램프의 발광 영역의 크기와 방출되는 광과 상호 작용할 서멀 히트싱크의 표면 향상 요소의 폭 또는 기타 다른 특징적인 치수 간의 상호관계를 한정할 것이다. 방출되는 플럭스의 100%가 광 투과성 엔빌로프를 떠난다. 일부 부분은 표면적 향상 요소 및 서멀 히트싱크와 상호 작용할 것이다. 평면 열 핀의 경우, 이것은 일반적으로 열 핀의 수, 열 핀의 방사상 너비, 그리고 광 투과성 엔빌로프의 직경에 의해 한정될 것이다. 전반적인 효율은 서멀 히트싱크와 부딪치는 플럭스 부분 및 표면적 향상 요소와 히트싱크 표면의 광 반사율의 곱에 의해 간단하게 줄어들 것이다.
열 싱크 재료의 열 속성은 램프 시스템에 의해 방사될 수 있는 전체 전력과, LED 장치 및 드라이버 전자부품의 생성 온도에 상당한 영향을 미친다. LED 장치 및 드라이버 전자 부품의 성능과 안정성은 일반적으로 작동 온도에 의해 제한되기 때문에, 그것은 적합한 특성을 가진 열 싱크 재료를 선택하는 것이 중요하다. 재료의 열전도성은 열을 생성하는 재료의 능력을 한정한다. LED 장치가 매우 높은 열 밀도를 갖기 때문에, LED 장치용 열 싱크 재료는 양호하게 높은 열 전도성을 가져서 발생된 열이 LED 장치로부터 신속하게 이동될 수 있다. 일반적으로 금속 재료는 각각, 50 W/m-K, 170 W/m-K, 390 W/m-K의 열 전도성을 가진 합금강, 압출 알루미늄 및 구리와 같은 보통 구조의 금속으로 높은 열전도성을 갖는다. 높은 전도성 재료는 더 많은 열이 서멀 로드로부터 주변으로 이동하도록 하여, 서멀 로드의 온도 상승의 감소를 초래할 것이다.
예를 들어, 도4 및 도5에 도시된 바와 같은 일반적인 히트싱크 실시예에서, 즉, 서멀 로드의 ~ 8W의 열방사에서, 주변 온도로부터의 온도 상승의 차이는 열로 사용되는 고 전도성(390 W/m-K) 재료와 대비되는 저 열 전도성(50 W/m-K)에서 ~ 8℃ 더 높았다. 또한, 다른 재료 타입도 열 싱킹 용도로 유용할 수 있다. 탄소 나노튜브(CNT) 또는 다른 재료와의 CNT 복합 재료와 같은 고 열 전도성 플라스틱, 플라스틱 복합 재료, 세라믹, 세라믹 복합 재료, 나노 재료는 유용한 범위 내에서 열 전도성을 갖고, 알루미늄의 열 전도성과 같거나 초과하는 것으로 실증되어 있다. 이런 제조 공정이나 비용과 같은 실질적인 고려 사항도 열적 성질에 영향을 미칠 것이다. 예를 들어, 일반적으로 대량으로 저렴한 비용의 주조 알루미늄은 압출 알루미늄의 약 절반의 열전도도 값을 갖는다. 바람직하게 이것은 용이하고 저렴한 비용의 제조가 대부분의 히트싱크용으로 하나의 히트 싱킹 재료로 사용하지만, 동일한 재료의 주조/압출 방법의 조합, 또는 냉각을 최대로 하기 위해 히트싱크 구조에 2개 이상의 서로 다른 히트 싱킹 재료를 통합하는 것도 당 기술분야의 기술인에게는 분명하게 이해되는 사실이다. 전자기 방사 스펙트럼의 적외선 영역의, 대략 5-15미크론 영역의 방사선 방사율, 또는 효율성도 또한 서멀 히트싱크의 표면에 대한 중요한 성질이다. 일반적으로, 매우 반짝이는 금속 표면은 0.0-0.2 정도의 매우 낮은 방사율을 갖는다. 따라서 코팅이나 표면 마무리 같은 종류의 페인트 (0,7-0.95) 또는 양극처리되는 코팅(0.55-0.85)과 같은 것이 바람직할 수 있다. 히트싱크의 높은 방사율 코팅은 낮은 방사율을 가진 노출된 금속 표면보다 약 40% 이상 더 열을 방사시킬 것이다. 예를 들어, 서멀 로드의 ~ 10W 를 방사시키는 도4 및 도5에 도시된 바와 같은 일반적인 히트싱크 실시예에서, 주변 온도와의 온도차 상승은 히트 싱크의 고 방사율(0.92)에 대비되는 저 방사율(0.02)용으로 15℃ 이다. 고-방사율 코팅의 선정도 코팅의 광학 특성을 고려하여 취해질 수 있어야 하지만, 낮은 반사율이나 낮은 반사성은 상술한 바와 같이 램프의 전반적인 효율성 및 광 분포에 역효과를 줄 수 있다.
핀은 컷오프 각도의 평면에 대해 "지리적 북쪽"(0°)으로부터 신장하며, 전자부품 및 램프 기초부 실린더의 물리적 한계부에 대한 컷오프 각도를 넘어서 신장한다. 컷오프 각도의 평면에 대한 "지리적 북쪽"(0°) 사이에 핀 만이 실질적으로 방출되는 광의 분포와 광학적으로 상호 작용할 것이다. 컷오프 각도 아래의 핀은 제한된 상호 작용을 할 것이다. 핀의 광학 상호 작용은 핀의 물리적 치수 및 표면 특성 모두에 따라 달라진다. 도7에 도시된 바와 같이, 광 분포와 상호 작용하는 핀의 물리적 치수는 폭, 두께, 높이, 그리고 핀의 수로 단순히 정의할 수 있다. 핀의 너비는 주로 광 분포의 위도 균일성에 영향을 미치고, 핀의 두께는 주로 광 분포의 종방향 균일성에 영향을 미치고, 핀의 높이는 얼마나 위도 균일성을 방해하는 지에 영향을 미치고, 그리고 핀의 수는 주로 위도와 세로 효과로 인해 방출되는 광의 총 감소를 결정한다. 일반적인 관점에서, 방출되는 광의 동일한 부분은 모든 각도에서 히트싱크와 상호 작용하여야 한다. 기능적 측면에서, 소스의 현존하는 광 세기의 분포를 유지하기 위해, 핀의 너비와 두께에 의해 생성된 광원의 관점에서 표면적은 이들이 포위하는 발광면의 표면적과 일정한 비율로 머물러야만 한다.
위도 효과를 최소로 하기 위해, 핀의 너비는 90°적도에 최대로부터 "지리적 북쪽"(0°)에 최소까지 그리고 컷오프 각도의 평면에 부분 비율까지 이상적으로 경사져야 한다. 그러나, 기능적으로, 양호한 핀의 너비는 현재 규정의 제한치의 물리적 램프 프로필(ANSI, NEMA 등) 뿐만 아니라 소비자의 미학 또는 제조 제약 조건과도 부합하게 다양해야 할 것이다. 비-이상적인 너비는 위도 세기 분포와 순차적인 조명 분포에 부정적인 영향을 미칠 것이다.
설계에 의한 사실상 평면의 열 핀은 일반적으로 표면적을 최대로 하도록 얇게 되어, 세로 방향으로 즉, 두께가 대체로 제한된 범위를 가진다. 즉, 각 핀은 평면에 위치하고, 따라서 실질적으로 세로방향 세기 분포의 전체방향 성질에 대체로 역으로 부딪치지 않는다. 8 : 1 과 같거나 큰 최대의 각각의 핀의 두께에 대한 광원의 위도 둘레의 비율이 바람직하다. 추가로 표면적을 최대로 하기 위해, 핀의 숫자를 증가시킬 수 있다. 핀 두께의 이전에 양호한 비율에 따르는 핀의 최대 수는 열 핀의 표면에 의한 광의 흡수 및 재방향으로 인해 남극에 인접한 각도에서 광학 효율과 세기 수준의 감소에 의해 일반적으로 제한된다. 도15는 위도 각도에서 세기의 균일성으로 명목상의 설계로 된 핀의 수를 증가시키는 효과를 나타낸 도면이다. 예를 들어, 북극(0°)으로부터 135 °의 각도에서, 세기는 각각 8, 12 및 16개의 열 핀에 대해 0 - 135°로부터 평균 세기의 79%, 75%, 71% 이다. 이것은 90% 광학 반사율의 핀과 50% 반사 표면을 나타낸 것이다. 이 경우에 핀의 수를 늘리면 또한 각 4개의 핀의 증가를 위해 ~3%로 전체 광학 효율을 감소시킨다. 이 효과는 또한 히트싱크 표면의 고유 반사율을 곱하게 된다.
상술된 바와 같이, 핀은 열 싱킹용으로 제공되었다. 상향 광학 축을 따라 일부 광을 제공하기 위해, 이들은 일반적으로 비교적 두꺼운 중간 섹션을 가진 얇은 단부 섹션을 가질 것이다. 또한, 균일한 광 세기 분포를 유지하는데 매우 중요한 것은 히트싱크의 표면 마무리이다. 확산(램버시안) 표면에 대한 반사성(반사율)을 변경하는 표면 마무리의 범위는 선택될 수 있다. 반사성 설계는 반사성 기본 재료 또는 적용되는 고-반사율 코팅으로 할 수 있다. 확산 표면은 기본 히트싱크 재료로 마무리되거나, 또는 용도 페인트 또는 기타 확산 코팅으로 마무리될 수 있다. 각각은 어떤 장점과 단점을 제공한다. 예를 들어, 높은 반사 표면은 광 세기 분포를 유지하는 능력이 있지만, 노출된 금속 표면의 일반적으로 낮은 방사율로 인해서 열적으로 불리할 것이다. 또한, 높은 반사율의 표면은 일반적으로 25,000-50,000 시간의 LED 램프의 수명 동안 유지하기가 어려울 것이다. 다르게는, 확산 표면을 가진 히트싱크는 비교할 수 있는 반사 표면보다 감소된 광 세기 분포의 균일성을 가질 것이다. 그러나 표면의 유지 관리는 일반적인 LED 램프의 수명 동안 보다 강력할 것이고, 또한 현재의 백열등 전체방향 광원과 유사한 시각적 외관도 제공할 것이다. 확산 마무리도 또한 상술한 바와 같이 히트싱크의 열 방사 능력을 향상시킬 반사표면과 대비되는 증가된 방사성을 가질 것이다. 바람직하게, 코팅은 높은 반사성 마무리나 코팅을 통한 높은 반사성의 표면 또는 높은 방사율 코팅과 같은 높은 반사율 표면과 높은 방사율 코팅도 포함한다.
LED로부터 나오는 열은 긴 수명을 보장하기 위해 충분히 낮은 LED의 접합 온도를 유지하도록 방사되는 것이 바람직하다. 놀랍게도, 발광 광원 자체 주위에 복수개의 얇은 열 핀을 배치하여 세로 각도에서 균일한 광의 세기가 방해받지 않았다. 도16을 참조하면, 램프 적도에서의 세로 방향 세기의 분포에서 열 핀의 두께 변화의 효과를 나타내었다. 이 실시예는 80% 광 반사율을 가진 핀, 확산 표면 마무리, 및 40mm 직경의 발광 엔빌로프를 포함한다. 균일한 세기 분포의 왜곡의 크기는 최대 피크 거리에 대한 최소 피크 거리에 의해 특징 될 수 있다. 0.5mm 두께의 열 핀의 경우, 왜곡은 단지 ±2% 이며, 6.5mm 두께에서 왜곡은 ±9% 이다. 중간 값은 중간 결과를 제공한다. 또한, 전체 광학 효율은 광원으로부터의 대량의 플럭스가 서멀 히트싱크에 부딪쳐 0.5mm 핀 두께에서 93%로부터 6.5mm에서 76%로 변화하는 것과 같이 핀 두께의 증가로 감소된다. 다시 말하지만, 중간 값은 중간 결과를 생성한다. 왜곡의 원하는 수준이 ±5% 미만에서는, 핀 두께에 대한 광원의 직경은 대략 8 : 1의 비율 위에서 지켜져야 한다. 또한, 전체 광학 효율의 원하는 수준은 원하는 핀의 두께를 제한하는 보통 80% 보다 큰 값으로 선택되어야 하며, 바람직하게는 90% 보다 큰 값으로 선택되어야 한다. 예를 들어, A19 실시예에서, 열 핀은 5.0mm 미만, 양호하게는 3.5 mm 미만, 가장 양호하게는 1.0 ~ 2.5mm 사이에서 최대 두께를 유지하여 광 차단을 피하면서, 방열을 위한 표면적과 횡단면적을 제공할 수 있다. 최소 두께는 기계가공, 주조, 사출 성형, 또는 산업분야에서 알려진 다른 기술과 같은 특정 제조 기술을 사용하여 바람직하게 할 수 있다. 모양은 완전히 방출되는 광을 차단하지 않는 0°(램프 위)에서 최소 너비를 갖는 상태로 광원 둘레에 양호하게 경사진 형상이다. 열 핀은 히트싱크 기초부에서 시작하여 램프 위 0°밑에 임의 지점까지 신장하여 광학축을 따르는 광의 차단을 피하면서, LED 광원으로부터 나오는 다량의 열을 방사시키기에 충분한 표면적을 제공한다. 상기 설계는 열 요구 사항을 충족하기 위해, 소수의 대형 폭 열 핀 또는 다수의 소형 폭 열 핀을 포함할 수 있다. 열 핀의 수는 일반적으로 램프의 LED 광원 및 전자 부품에 의해 생성된 열을 방사시키는 데 필요한 필수적인 열 핀 면적에 따라 결정될 것이다. 예를 들어, 60W 백열등 대체 LED 램프는 약 10W의 전력을 소비할 것이며, 그 열의 약 80%는 긴 수명의 제품을 보장하기 위해 충분히 낮은 온도에서 LED 및 전자 부품을 유지하도록 히트 싱크에 의해 방사되어야 한다.
실질적으로 높은 반사율(> 70%)의 히트싱크 표면이 바람직하다. 완전하게 흡수하는 히트싱크(0% 반사)가 보통 설계에서 발광량의 약 30%를 흡수하는 동안, 핀이 80-90% 반사율을 가졌으면 약 1%가 차단된다. 흔히 LED 광원, 광학 재료, 형광체, 엔빌로프, 그리고 LED 램프의 서멀 히트싱크 재료 사이에서 복합 도약이 있으므로, 반사율은 램프의 전반적인 광학 효율에 증식(multiplicative) 효과를 갖는다. 히트싱크 표면의 반사성도 유리하게 할 수 있다. 반사 표면이 구형 디퓨저 근방에 열 핀을 가지게 하여 생성되는 세로방향 세기의 분포의 피크를 원만하게 하면서, 피크는 동일한 전체 효율에서도 확산 표면으로 더 강하다. 확산 표면 마무리 히트싱크에 존재하는 열 핀 간섭으로 대략 ±5%의 피크가 반사 히트싱크를 사용하여 완전히 제거될 수 있다. 세로방향 광 세기 분포에서의 왜곡이 ~10%(±5%) 미만을 유지하면, 사람의 눈은 균일한 광 분포로 인식할 것이다. 마찬가지로, 위도 각도에서의 세기 분포가 유익하게 된다. 평균 세기의 5~10%는 확산을 통해 반사 표면을 사용하여 램프 아래의 각도(예를 들어, 135-150°로부터)에서 구해질 수 있다.
도10을 참조하면, 램프의 길이방향 광 세기 분포에서 핀의 놀라울 정도로 제한된 충돌이 입증되었다. 이 경우, 설계는 1.5mm의 두께를 가진 8개의 수직한 평면 핀을 가진 서멀 히트싱크로 형성하며, 그리고 확산 또는 반사 면 마무리를 한다. 양쪽 설계에서의 핀은 ~ 1:4 의 발광 엔빌로프 직경에 대한 반경 폭 "W"의 비율을 갖는다. 이 실시예는 도4 및 도5에 나타내었다. 분명히, θ = 90°에서 광 세기의 변화는 양쪽 확산 및 반사 핀에 대해 φ = 0-360°전체를 통해 최소이며, 확산 열 핀을 측정한 세기에서 E에 도시된 ±5% 변화와, 반사 열 핀을 사용하는 ±2% 미만의 변화를 갖는다. 이것은 길이방향 광 세기의 분포를 방해하지 않는 표면적을 얻도록 광원 둘레나 근방에 적절한 치수의 표면적 향상 요소를 배치하는 이점을 설명한다. 더우기, 확산 표면과 대비되는 대략적인 반사 표면 마무리의 이점은 실행 시에 나타나게 된다. F에서의 세기의 심한 감소는 측정 시스템으로부터의 가공품이다.
도11은 전형적인 8 핀 램프 설계의 광학 모델링 결과를 나타낸 도면이다. 모두 완벽하게 반사와 확산 핀 표면이 평가되었다. 각각의 세기 분포는 광학선 추적 모델링을 사용하여 램프의 적도 둘레 0-360°에서 길이방향 각도에서 평가되었다. 반사 표면은 거의 아무런 변화를 보여주지 않았지만, 확산 핀는 세기에서 약 ±4%의 변화를 나타내었다. 분명히 반사 또는 근방-반사 마무리를 한 표면에서 양호하게 나타나면서, 어느 쪽이든 균일한 광 분포를 제공할 것이다.
도12를 참조하면, 전형적인 LED 램프로부터 방출되는 광과 상호 작용하는 서멀 히트싱크 영역에 반사 표면 마무리를 사용하는 이점은, 위도 각도에서 광 세기의 분포의 균일성을 나타내는 것이다. 남극에 인접한 각도(이 예에서는 화살표로 지칭된 135°)에서의 세기 수준은, 0 - 135°에서 평균 세기와 대비 시에 확산 표면과 대비되는 반사 표면에 대해 23% 더 높게 나타난다. 또한, 평균 세기에서 완전한 반사 표면의 이득을 약 절반 캡처하는 50% 반사와 50% 확산 표면의 세기 분포도 나타내었다. 상기 표면의 반사성의 효과는 그것이 광 세기 분포의 균일성의 이득을 취하는 이중효과를 갖는 것으로 말할 수 있다. 그래프 상의 지점(G)은 명목상 이 설계 도면에서 적도에 위치하고 있으며 세기 분포의 '피벗' 점으로 지칭되는 지점을 한정한다. 히트싱크 표면의 반사성의 증가로, 피벗의 북쪽으로의 세기가 감소하고, 그리고 피벗의 우측으로의 세기가 증가한다. 이것은 균일성이 달성되는 남쪽방향의 각도를 증가시키면서 평균 세기를 감소시킨다. 이것은 남극에 인접한 가능한 최고 각도까지 아래로 균일한 세기의 분포를 생성하는데 중요한 것이다.
도8을 다시 참조하면, 현재의 램프 설계의 효과가 예시되었다. 더욱이, 그것은 반사(도2) 또는 확산(도3) 표면이 제공된 경우에 핀이 광을 효과적으로 향하게 하는 광선을 추적하여 나타내었다. 또한, 그것은 높은 반사율의 히트싱크 재료 또는 코팅이 램프 실시예에 사용되는 경우, 높은 전체적인 광학 효율을 구할 수 있는 것을 볼 수 있다. 확산 LED 광원에 의해 방출되는 광의 일부(~ 1/3) 만이 히트싱크 표면에 부딪치기 때문에, 높은 반사율의 히트싱크 표면 만이 확산 LED 광원으로부터 방출되는 전체 플럭스의 작은 비율(<5%)을 흡수한다.
도9를 참조하면, 도면은 현재 설계(도5)가 남극 근방에 적절한 광의 세기를 제공하는 것을 나타낸다. 도면에서 점선 라인은 광 세기 분포의 전체방향 성질을 특성화하는데 유용한 각도인 135°와 150°모두에서 측정된 세기 데이터를 나타낸 것이다. 또한, 이것은 0 ~ 135°시야각의 평균 세기의 ±10% 변화보다 크지 않으며, 상기 시야각은 수개의 분리가 가능한 광 세기의 균일성 요구 사항을 충족하거나 초과할 것이다. 그것은 현재 양호하게 있는 이용가능한 전체방향 광원인, 표준 소프트 화이트 백열 램프(135°에서 ±16%)의 성능과 같고 미국 DoE 에너지 스타가 제안한 드레프트2 스펙(135°에서 ±20%)을 능가할 것이다. 150°시야각에서, ±20%의 변화는 표준 소프트 화이트 백열 램프의 성능을 능가하고, 미국 DoE 브라이트 투모로 라이팅 프라이즈(150°에서 ±10%)에 거의 부합할 것이다. 도9는이 결과를 얻는 현재의 램프 설계의 효과를 나타내었다.
도13A-D는 현재 공개된 범위 내에서 다른 양호한 핀과 엔빌로프 설계를 나타낸 것이다. 도13A는 수직 열 핀이 대체로 구형의 발광 디퓨저를 둘러싸는 실시예를 나타낸 것이다. 열 핀은 지리적으로 북쪽을 향해 경사지며, 양호한 광 세기 분포를 제공한다. 도13B는 수직 열 핀이 광-전달 엔빌로프의 적도로만 신장하는 실시예를 나타낸 것이다. 이것은 LED 광원과 엔빌로프가 쉽게 히트싱크의 상부(지리적으로 북쪽)로부터 삽입될 수 있으며, 도13A에서와 같이 히트싱크에 의해 완전하게 포위되지 않아서, 조립 및 제조가 용이하다는 추가 이점을 제공한다. 도13C는 발광 영역의 작은 부분도 포위하는 수직 열 핀을 가진 광-전달 엔빌로프를 나타낸 것이다. 도13D는 추가 표면적이 도13B의 조립 및 제조 이점을 보유하게 적도를 지나며 적도에 대해 접선으로 수직 열 핀을 신장하여 얻어진 도13A와 도13B의 조합을 나타낸 것이다. 또한, 도13B와 도13C는 다양한 엔빌로프와 광원체 둘레에 표면적 향상 요소를 적용한 것을 나타낸 것이다.
도4A-F는 현재 공개의 범위 내에서 추가된 표면적 향상 요소를 더한 효과를 나타낸 것이다. 도14A와 도14D는 8개의 수직 평면 열 핀을 가진 전형적인 램프 실시예의 측면과 상부면을 나타낸 것이다. 도14B와 도14E는 12개의 수직 평면 열 핀을 가진 전형적인 램프 실시예의 측면과 상부면을 나타낸 것이다. 도14C와 도14F는 16개의 수직 평면 열 핀을 가진 전형적인 램프 실시예의 측면과 상부면을 나타낸 것이다. 분명히, 많은 갯수의 핀을 사용하는 설계의 방열 용량이 도15에 도시되고 논의된 바와 같이 위도 각도에서 광 세기 균일성의 비용에서, 주변 환경에 노출되는 증가된 표면적에 의해 향상되었다. 하나의 특히 유용한 실시예에서는 미적 또는 제조와 관련하여 핀의 수를 변경할 수 있으며, 광학축으로부터 멀어지는 방향으로 순수 각도로부터 각도(θ)까지 열 핀의 방향을 이동시킬 수 있다. 열 핀이 동일한 수직 높이를 갖고 제공되면, 이들은 순수한 수직 핀보다 1/cosθ 큰 표면적의 인수를 가질 것이다. 이 경우, 핀의 숫자는 1/cos(θ)의 인수에 의해 감소될 수 있고, 시스템은 대체로 동일한 열 및 광학 성능을 가질 것이다.
도18A-B는 다른 길이의 표면적 향상 요소의 다른 실시예를 나타낸 것이다. 원하는 방열 수준을 달성하기 위해, 서로 다른 수직 길이와 모양의 열 핀을 사용할 수 있다. 예를 들어, 도18A는 2개의 형상과 길이의 열 핀을 나타내며, 짧은 것은 램프의 발광 영역을 가진 비례성 표면적을 보유하여 광 세기 분포의 간섭을 최소로 하게 설계된 테이퍼 형상을 갖는다. 이것은 광 세기 분포에 크게 간섭하지 않는 방열을 위한 추가 표면적을 제공한다. 도18B는 실질적으로 광 세기 균일성을 감소시키지 않고 표면적을 증가시키는 다른 방법을 나타낸 것이다. 만일 더해진 짧은 길이의 열 핀이 αcutoff(도6 참조) 아래에 더해지는 경우, 세기 분포에 미치는 영향을 최소로 되지만 표면적은 히트 싱크에 더해진다.
도19A-D는 유사한 표면적을 갖지만 표면적 향상 요소를 다르게 사용하는 전형적인 램프 실시예의 다른 실시예를 나타낸 것이다. 도19A 및 도19C는 발광 엔빌로프 직경의 약 6/1의 반경 폭을 가진 16개의 수직 평면 핀을 포함하는 전형적인 실시예의 측면과 상부면을 나타낸 것이다. 도19B와 도19D는 발광 엔빌로프의 약 1/3의 반경 폭을 가진 8개의 수직 평면 핀을 포함하는 전형적인 램프 실시예의 측면과 상부면을 나타낸 것이다. 그것은 열 핀의 표면적과 비례적 열 방사 및 광학 효율이 양 경우에 상응함을 분명하게 나타낸다. 소수개 또는 다수개의 핀의 갯수의 선택은 미학적, 제조과정, 기타 실질적인 고려사항에 따라 선택된다. 또한 다수개의 소형 폭의 핀은 백열등 대체 램프 용도와 같이, 제한된 기하형상 내에 히트 싱크, 전자부품, 광원 및 광학 요소를 위한 더 큰 내부 용적을 제공할 수 있을 것이다.
도20A-B는 수직 평면 열 핀의 다른 폭의 조합을 사용하는 전형적인 램프 실시예의 측면 및 상부면을 나타낸 것이다.
도21A-B는 반경 폭을 따라 가변 두께를 가진 열 핀을 사용하는 전형적인 램프 실시예의 측면 및 상부면을 나타낸 것이다. 예를 들어 주조, 기계가공, 또는 사출 성형과 같은 특정 제조기술이 도시된 바와 같은 드레프트 각도를 갖게 하는데 유익하게 사용된다, 평면 핀의 표면적은 주로 핀의 반경 폭에 의해 구동되기 때문에, 두께의 경사는 열 방사, 광학 효율 또는 광 세기 분포에 최소한의 영향을 미칠 것이다.
도22는 핀 및 비-평면 핀 대 솔리드 핀을 이용하는 램프 실시예의 측면과 상부면을 나타낸다. 상기 핀은 큰 표면적이 핀과 같은 동일한 용적을 점유할 수 있게 하며, 히트싱크 핀 용적을 통하는 대류 열 흐름도 돕는다. 유사한 이점이 솔리드 핀을 통해 구멍 또는 슬롯으로 이루어질 수 있지만, 이 방법은 특히 일부 금속 주조 기술로 제조하기 어려울 수 있다. 마찬가지로, 막대형, 타원형 또는 핀보다는 크지만 시트 또는 평면구조보다는 작은 가늘고 긴 횡단면 면비를 가진 구조도 이 용도에는 유용할 것이다.
도23은 곡선 핀을 사용하는 서멀 히트싱크 설계의 램프 실시예의 측면 및 상부면을 나타낸다. 핀은 수직 축으로부터 어느 한 방향으로 구부러질 수 있다. 동일한 수의 핀의 경우, 곡선 핀은 증가된 표면적 대 순수 수직 핀을 가질 것이다. 이들이 수직과 수평 공간을 차지하고, 수직 핀을 가진 이전 실시예와 같이 평면을 배제하지 않기 때문에, 곡선 핀의 물리적 치수(두께, 폭, 높이)가 광의 위도와 길이방향 분포에 영향을 미칠 것이다.
도24는 열 핀에 의해 둘러싸인 장형(도24a 및 도24c)과 편평원(도24b 및 도24D) 타원 형상의 광-전달 엔빌로프를 나타낸다. 비-구형 엔빌로프의 이런 범위에 대한 내부 및 외부를 포함하는 변경이 취해진다.
대부분의 테이블 램프 또는 장식성 욕실/샹들리에 조명용으로 주위 온도는 25℃가 고려되지만, 40℃ 이상의 주위 온도가 특히 포위된 발광체(luminaries) 또는 천장 사용에서는 가능하다. 주위에서 온도가 상승하여도, LED 램프의 접합 온도 (Tjunction)는 허용할 수 있는 성능을 위해 100℃ 밑으로 유지되어야 한다. 모든 LED의 경우, 일반적으로 5℃ ~ 15℃ 정도에서 열 패드 온도(Tpad)와 Tjunction 사이에서 내열성이 있다. Tjunction 온도는 이상적으로 100℃ 미만으로 되기를 원하기 때문에 Tpad 온도는 85℃ 미만으로 있기를 원하게 된다. 도25를 참조하여, 10W LED 램프(8W 방사 서멀 로드)에 대한 LED 패드 온도(Tpad) 및 광 전송 효율은 40℃ 주위 공기 조건에서 나타내었다. 또한, 높은 광학 효율(낮은 흡수)을 가진 대체로 균일한 광 세기 분포를 원하게 된다. 높은 램프 효율을 유지하기 위해, 그것은 일반적으로 광 효율이 주어진 설계에 맞게 최대로 되며, 양호하게는 80%보다 크고, 보다 양호하게는 90%보다 크다. 광 세기 균일도는 남극에 인접한 어떤 각도에서 평균 세기로부터의 일탈, 바람직하게는 전체방향 램프에 대해 135℃에서 ±20%으로 한정될 수 있다. 도25를 활용하는 양호한 실시예의 핀 형상을 도4와 도5에 나타내었다. 열 핀의 두께는 0.5mm ~ 2.5mm에서 변경되며, 열 핀의 수는 8 내지 16 사이에서 변경되고, 열 및 광학 반응이 측정된다. 히트싱크 표면 반사율은 순 알루미늄의 평균인 85%에서 유지되며, 표면의 반사성은 75%에서 유지된다. 핀 두께와 핀 수의 증가로, Tpad는 유리하게 감소하고, 광 전송 효율은 불리하게 감소된다. 역으로, 핀 두께와 핀의 개수가 감소하면, Tpad가 증가하며, 광 전송 효율은 유리하게 증가한다. 이 실시예에서, 핀을 갖지 않은 절두워추 및 원통의 표면적은 ~ 37㎠ 이다. 도4 또는 도5에 도시된 바와 같은 각 쌍의 핀이 핀 표면적의 약 27 ~ 30㎠에 더해지며, 핀을 부착하는 ~ 1 내지 2㎠의 원추/원통형 표면적을 감소시킨다. 어떠한 핀도 없는 기준선인 경우로부터 두께 1.5mm를 가진 8개의 핀의 경우까지, 4X의 향상된 표면적(~148㎠ 대 ~37㎠)이 증가된 방열 용적을 제공하며 ~ 80℃의 Tpad를 가능하게 하며, 90% 보다 큰 광 전송 효율을 유지한다. 도25를 참조하여, 이 실시예를 위한 양호한 동작 영역은 < 85℃의 Tpad 와 > 90% 의 광 전송 효율에 의해 경계진다. 이 영역은 히트 싱크의 증가된 방열 용적을 제공하는 적어도 2x의 향상된 표면적을 갖는다. 또한, 80%에서 세기 균일성에 대한 경계선이 나타난다. 분명히, 다른 램프 실시예에 대해, 서로 다른 경계점이 양호한 영역을 제한하거나 확장시키는 특정 용도에 기초하여 Tpad 온도, 광 전송 효율, 또는 세기 균일성을 설정할 수 있다. 정확한 치수와 물리적 한계가 다를 수 있지만, 열 설계 매개 변수 및 광학 설계 매개변수와의 사이의 거래가 허용 설계 한계를 한정시키기 위해 경합할 것이다.
도면을 참고로 하여 상술한 양호한 실시예는 당업자가 상기 실시예의 기술구성을 참고로 하여 수정, 변경 및 조합할 수 있는 것이며, 본 발명은 첨부 청구범위의 정신을 이탈하지 않는 범위 내에서 이루어지는 본 발명의 수정, 변경 및 조합된 기술을 모두 포함하는 것이다.

Claims (34)

  1. 광 방출 장치는 투광성 엔빌로프와; 투광성 엔빌로프의 내부를 조명하며, 기초부 요소와 열 소통하게 있는 발광 다이오드 광원과; 상기 투광성 엔빌로프와 광학적으로 소통하도록 상기 기초부 요소와 열 소통하게 있는 복수개의 표면적 향상 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  2. 제1항에 있어서, 전체방향 광 세기 분포를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 표면적 향상 요소는 반사, 확산, 또는 그들의 조합시킨 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 표면적 향상 요소의 표면적은 출력 광 세기 분포에 맞게 위도 각도의 함수로 변하는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 표면적 향상 요소의 수량은 출력 광 세기 분포에 맞게 위도 각도의 함수로 변하는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 표면적 향상 요소는 광원으로부터 외향하여 신장되는 플랫 평면 핀 또는 플랫 곡선 핀, 막대, 또는 가는 못을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 표면적 향상 요소는 상기 기초부 요소 근방에 제1좁은 폭 부분과, 상기 엔빌로프 근방에 제2좁은 폭 부분 및 중간으로 상대적으로 넓은 폭 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 엔빌로프는 대체로 회전 타원체인 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 표면적 향상 요소는 적어도 약 60% 광학 반사성인 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 표면적 향상 요소는 적어도 약 75% 광학 반사성인 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 표면적 향상 요소는 적어도 약 90% 광학 반사성인 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  12. 제9항에 있어서, 상기 표면적 향상 요소는 적어도 0.5의 적어도 IR 방사비를 갖는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  13. 제1항에 있어서, 기초부 요소는 투광성 엔빌로프 쪽으로 상대적으로 작은 크기의 기부와 상기 엔빌로프로부터 상대적으로 큰 크기의 말단부를 갖는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 기초부 요소는 0° ~ 90°사이의 광 차단 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 기초부 요소는 전기접속을 위한 기초부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 기초부 요소에 의해 포위된 LED 드라이버 전자부품을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  17. 제1항에 있어서, 적어도 또는 약 80%의 광학 효율을 제공하는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  18. 제1항에 있어서, 적어도 또는 약 90%의 광학 효율을 제공하는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  19. 제1항에 있어서, 상기 표면적 향상 요소는 적어도 2X의 인수로 서멀 히트 싱크의 방열 용적을 증가시키고, 방출 광 플럭스의 20% 미만을 흡수하는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  20. 제1항에 있어서, 상기 표면적 향상 요소는 적어도 3X의 인수로 서멀 히트 싱크의 방열 용적을 증가시키고, 방출 광 플럭스의 15% 미만을 흡수하는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  21. 제1항에 있어서, 상기 표면적 향상 요소는 적어도 4X의 인수로 서멀 히트 싱크의 방열 용적을 증가시키고, 방출 광 플럭스의 10% 미만을 흡수하는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  22. 제1항에 있어서, 광원의 변경되지 않은 광의 세기 분포가 ±30보다 크게 변경되지 않는 평균 광 세기의 변화를 갖는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  23. 제1항에 있어서, ±30% 미만의 0 ~ 90°시야각 사이의 평균 광 세기의 변화를 갖는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  24. 제1항에 있어서, ±30% 미만의 0 ~ 120°시야각 사이의 평균 광 세기의 변화를 갖는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  25. 제1항에 있어서, ±20% 미만의 0 ~ 135°시야각 사이의 평균 광 세기의 변화를 갖는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  26. 제6항에 있어서, 상기 투광성 엔빌로프는 8:1보다 큰 핀 두께 비에 대한 외부 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  27. 제1항에 있어서, 상기 핀은 엔빌로프와 인접한 부분에서 덜 두꺼운 두께와 기초부 요소에 인접한 부분에서 더 두꺼운 부분을 갖는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  28. 제1항에 있어서, 상기 핀은 아치형 외부 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  29. 제1항에 있어서, 상기 표면적 향상 요소는 50%를 초과하는 반사성을 갖는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  30. 제1항에 있어서, 적어도 4개의 상기 표면적 향상 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  31. 제1항에 있어서, 상기 투광성 엔빌로프는 확산동작을 하는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  32. 제1항에 있어서, 상기 장치는 ANSI C78.20-2003을 충족하는 치수인 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  33. 광 방출 장치는 15°~ 45°사이의 광 차단 각도를 갖는 기초부 요소와; 상기 기초부 요소와 열 소통하는 관계로 있는 발광 다이오드 광원과; 상기 기초부 요소와 열 소통하는 관계로 있는 복수개의 표면적 향상 요소를 포함하며; 상기 표면적 향상 요소는 4X의 인수로 상기 장치의 방열 용적을 증가시키고, 방출 광 플럭스의 10% 미만을 흡수하는 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
  34. 광 방출 장치는 적어도 하나의 발광 다이오드와; 적어도 하나의 발광 다이오드 쪽으로 상대적으로 작은 크기의 기부와 상기 다이오드로부터 상대적으로 큰 크기의 말단부를 가진 히트싱크와; 상기 히트싱크의 말단부 근방에 배치된 전기접속부와; 히트싱크로부터 신장되고 적어도 하나의 발광 다이오드를 포위하는 광 확산 엔빌로프와; 상기 히트싱크와 열 소통하며 상기 엔빌로프 근방에 반경방향으로 그로부터 신장된 복수개의 확산 또는 반사 핀을 포함하며; 상기 적어도 하나의 발광 다이오드는 히트싱크와 열 소통하게 배치되며; 상기 핀은 히트싱크에 인접하여 제1 비교적 얇은 섹션과, 히트싱크로부터 엔빌로프 말단부에 인접하여 제2 비교적 얇은 섹션과, 비교적 두꺼운 중간 섹션을 갖고, 상기 장치는 ANSI C78.20-2003을 충족하는 치수인 것을 특징으로 하는 광 방출 장치.
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