KR20130103080A - Ｌｅｄ 조명장치 - Google Patents

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KR20130103080A
KR20130103080A KR1020120024426A KR20120024426A KR20130103080A KR 20130103080 A KR20130103080 A KR 20130103080A KR 1020120024426 A KR1020120024426 A KR 1020120024426A KR 20120024426 A KR20120024426 A KR 20120024426A KR 20130103080 A KR20130103080 A KR 20130103080A
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김은주
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서울반도체 주식회사
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Abstract

LED 조명장치를 제공한다. LED 조명장치는 기판 상에 실장된 LED 칩과, LED 칩 상에 입광부가 위치하도록 기판에 체결되며, 측면부에 형성된 측면 반사막을 구비하는 렌즈와, LED 칩과 상기 렌즈 사이에서 LED 칩과 이격되어 위치하거나, 렌즈 내부에 위치하는 형광체층을 포함한다. 형광체층은 LED 조명장치에서 착탈이 가능하도록 체결될 수 있다. 이에 따르면, 광 효율을 향상시킬 수 있고, 고출력 조명제품으로 적용이 가능하다. 또한, 형광체층의 열화에 의한 제품의 수명 저하를 방지할 수 있으며, 다양한 상관 색온도를 구현할 수 있다.

Description

ＬＥＤ 조명장치{LED illumination apparatus}
본 발명은 조명장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 LED를 이용한 조명장치에 관한 것이다.
발광다이오드(Light Emitting Diode, 이하 'LED'라 한다)는 낮은 소비전력, 높은 수명 및 친환경성 등의 장점을 바탕으로, 각종 표시장치, 백라이트 광원 등에 널리 사용되고 있다. 또한, 적색, 녹색 및 청색 광을 각각 방출하는 3개의 LED 칩들을 이용하거나, 형광체를 사용하여 LED 방출 광의 파장을 변환시킴으로써 백색광을 구현하는 기술이 개발되어 조명장치로도 그 적용 범위를 넓히고 있다.
조명시장이 확대됨에 따라 다양한 패키지 제조기술이 개발되고 있으며, LED 칩과 형광체의 조합으로 구성되는 패키지 분야에서 최근 컨포멀 코팅(conformal coating)이 형광체층의 형성 방법으로 사용되고 있다. 이를 통해 양산수율 향상 및 광 지향에 따른 색 편차 개선의 효과를 얻을 수 있다.
그러나, 위와 같은 방법으로 형성된 형광체층은 LED 칩 바로 위에 형광체층이 코팅되므로 형광체층에서 후방 산란되는 광의 상당 부분이 다시 LED 칩으로 흡수되어 광 효율이 감소된다. 또한, LED 칩으로부터 발생한 열에 의해 형광체층이 열화되기 쉽다. 또한, 형광체가 LED 칩과 고착된 상태이므로 LED 패키지에서 형광체 부분만을 별도로 분리하여 교체할 수 없다. 이는 형광체의 열화에 의해 제품 전체의 신뢰성 및 수명에 문제를 일으키게 된다. 특히, LED를 고출력 사양을 요구하는 조명 제품에 사용하는 경우 이러한 문제는 더욱 심각해진다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 고출력에서도 높은 광 효율 및 안정성을 가지며, 다양한 상관 색온도를 구현할 수 있는 LED 조명장치를 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면은 LED 조명장치를 제공한다. 상기 LED 조명장치는 기판 상에 실장된 LED 칩; 상기 LED 칩 상에 입광부가 위치하도록 상기 기판에 체결되며, 측면부에 형성된 측면 반사막을 구비하는 렌즈; 및 상기 LED 칩과 상기 렌즈 사이에서 상기 LED 칩과 이격되어 위치하거나, 상기 렌즈 내부에 위치하는 형광체층을 포함한다.
또한, 상기 렌즈의 상면부의 일부는 상면 반사막을 구비하여 상기 상면 반사막에 입사된 광을 상기 렌즈의 측면 반사막으로 반사시킬 수 있다.
또한, 상기 형광체층은 상기 상면 반사막에 의해 반사된 광의 적어도 일부가 상기 형광체층에 입사되도록 상기 렌즈의 내부에 배치될 수 있다.
또한, 상기 형광체층은 상기 LED 조명장치에 착탈 가능하게 체결될 수 있다.
본 발명에 따르면, 형광체층에서 후방 산란되는 광의 흡수에 의한 열 손실로 인해 광 효율이 감소하는 것을 방지할 수 있으며, 고출력 조명제품으로의 적용이 용이하다. 또한, 휘도 및 색의 균일성을 향상시킬 수 있으며, 특히 스포트라이트용 조명 장치에의 적합성을 제공할 수 있다. 또한, 형광체층을 착탈 가능하게 체결하여 교체 사용할 수 있으므로, 형광체의 열화에 의한 제품 전체의 수명 저하를 방지할 수 있다. 이와 더불어, 조명이 사용되는 목적에 따라 다양한 상관 색온도를 구현할 수 있는 장점이 있다.
다만, 본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명장치를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명장치의 상면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 조명장치를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상면 반사막이 형성된 LED 조명장치를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 형광체층이 렌즈 내부에 삽입된 LED 조명장치를 나타낸 단면도이다.
도 6 및 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 형광체층이 렌즈 외부에서 착탈되는 LED 조명장치를 나타낸 단면도들이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 형광체층이 렌즈 내부에서 착탈되는 LED 조명장치를 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한, 본 명세서에서 위쪽, 상(부), 상면 등의 방향적인 표현은 그 기준에 따라 아래쪽, 하(부), 하면 등의 의미로 이해될 수 있다. 즉, 공간적인 방향의 표현은 상대적인 방향으로 이해되어야 하며 절대적인 방향을 의미하는 것으로 한정 해석되어서는 안 된다.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장 또는 생략된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명장치(100)를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명장치(100)의 상면도이다.
도 1 및 2를 참조하면, LED 조명장치(100)는 기판(110) 상에 실장된 LED 칩(120); 상기 LED 칩(120) 상에 입광부(151)가 위치하도록 상기 기판(110)에 체결되며, 측면부(152)에 형성된 측면 반사막(153)을 구비하는 렌즈(150)를 포함한다. 여기서, 형광체층(140)은 상기 LED 칩(120)과 상기 렌즈(150) 사이에 위치하되, 상기 형광체층(140)과 상기 LED 칩(120) 사이에는 이격 공간(130)이 존재한다. 즉, 본 실시예에서 상기 형광체층(140)은 상기 렌즈(150)의 외부에 존재하되, 상기 LED 칩(120)과 소정 거리로 떨어져 있다.
상기 LED 칩(120)과 상기 형광체층(140) 사이의 이격 공간(130)에는 상기 LED 칩(120)을 봉지하는 몰딩부가 형성될 수 있다. 상기 몰딩부는 상기 LED 칩(120)을 외부 환경으로부터 보호한다. 상기 몰딩부(130)는 투광성 물질, 예를 들어, 에폭시 수지, 실리콘 수지, 폴리카보네이트(PC) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 등과 같은 투광성 수지로 이루어질 수 있다.
그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 이격 공간(130)은 공기에 의해 채워지거나 기타 다른 투광성 물질로 채워질 수도 있다.
도 1에서는 상기 LED 칩(120)이 상기 기판(110)에 직접 실장된 상태를 도시하였다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 LED 칩(120)이 패키지 본체(112)의 캐비티 내에 위치한 상태로 상기 기판(110)에 실장될 수 있다. 따라서, 이하 본 발명을 설명함에 있어서 LED 칩(120)이 기판(110)에 실장되는 구조는 도 1 및 도 3에서 나타낸 구조를 모두 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 즉, 패키지 본체(112)는 경우에 따라 기판(110)의 일부로 간주되어 본 발명의 범위로 고려되어야 한다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 LED 칩(120)은 인가 전류에 의해 소정의 지향각을 갖는 광을 방출하는 광원으로서, 상기 LED 칩(120)에서 방출되는 광은 자외선, 청색광, 녹색광 또는 적색광일 수 있다. 상기 LED 칩(120)에서 방출되는 광은 상기 형광체층(140)에서 파장 변환된 광과 혼합되어, 최종적으로 LED 조명장치(100)에서 출사되는 광의 색을 결정한다. 따라서, 백색광을 구현하고자 하는 경우, 일 예로 청색 LED 칩과 황색 형광체를 조합할 수 있다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서 제시된 실시예들은 하나의 LED 칩과 하나의 형광체층을 사용한 경우를 기준으로 하고 있으나, 필요에 따라 복수의 LED 칩과 복수의 형광체층을 사용할 수 있음은 자명하다.
앞서 언급한 바와 같이, 상기 형광체층(140)은 상기 LED 칩(120)으로부터 이격되어 위치한다. 따라서, 형광체층(140)에 의해 후방 산란되어 LED 칩(120)으로 흡수되는 광량을 줄일 수 있고, LED 칩(120)으로부터 발생한 열에 직접적으로 영향을 받지 않아 형광체층(140)이 열화되는 것을 방지할 수 있다. 상기 형광체층(140)은 일 예로, 상기 LED 칩(120) 상에 몰딩부를 형성한 후, 상기 몰딩부 상에 형광체 입자가 분산된 투광성 수지를 직접 코팅하여 형성할 수 있다.
이와는 달리, 상기 형광체층(140)을 돔(dome) 또는 필름과 같은 소정의 형상으로 분리 성형한 후, 상기 기판(110)에 접착하거나 기타 기계적 방법에 의해 체결할 수 있다. 이처럼, 상기 형광체층(140)을 분리 성형 후 조립하는 경우에는, 후술하는 바와 같이 상기 형광체층(140)을 LED 조명장치(100)로부터 착탈 가능하게 사용할 수 있다. 상기 형광체층(140)은 형광제 입자가 분산된 수지를 경화하여 제조한 물질이거나, 형광체 입자를 소결하여 제조한 세라믹 플레이트일 수 있다.
본 실시예에서, 상기 렌즈(150)는 상기 상기 LED 칩(120) 및 상기 형광체층(140)을 감싸면서 상기 기판(110)에 체결된다.
상기 렌즈(150)는 LED 칩(120)으로부터 방출되는 광이 입사되는 입광부(151), 상기 입광부(151)에 대향하는 상면부(154) 및 상기 기판(110)으로부터 상기 상면부(154) 방향으로 갈수록 곡률 반경이 증가하는 측면부(152)를 갖는다. 그리고, 상면부(154)는 LED 칩(120)에 대응하는 중앙부 및 중앙부를 제외한 주변부를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 상면부(154)의 곡률은 다양한 형태로 구현될 수 있다. 도 1에서는 상면부(154)의 중앙부가 오목한 형상이고, 상기 주변부는 볼록한 형상인 것을 예시하였다.
상기 렌즈(150)는 예를 들어, 아크릴 수지, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC) 및 사이클로올레핀폴리머(COP) 등과 같은 중합체를 사출성형하여 제조한 플라스틱 렌즈일 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 렌즈(150)는 접착법 또는 기타 다양한 기계적 결합 방법에 의해 상기 기판(110)과 체결될 수 있다.
상기 렌즈(150)의 측면부(152)에는 측면 반사막(153)이 구비된다. 상기 측면 반사막(153)은 상기 렌즈(150)의 측면부(152)에 금속 박막을 부착하거나 금속 페이스트를 코팅하여 형성할 수 있다. 이와 달리, 상기 렌즈(150)의 성형 과정에서 측면부(152)에 금속 박막이 일체로 부착되어 성형되도록 할 수 있다.
상기 측면 반사막(153)은 기판(110)에 수직하는 축(A)에 소정의 각도만큼 기울어진 형상이므로, 측면 반사막(153)으로 입사된 광(L1, L2)을 렌즈(150)의 상면부(154)로 반사시킨다. 상기 측면 반사막(153)에서 반사된 광(L1´, L2´)은 기판(110)에 수직하거나 실질적으로 수직한 방향으로 렌즈(150)의 상면부(154)로 입사된 후 외부로 출사된다. 따라서, 렌즈(150)의 측면부(152)에 인접한 부분에서 출사되는 광을 기판(110)에 수직한 방향으로 집광시킬 수 있다. 이러한 시스템은 특히 스포트라이트용 조명 장치에 적용이 가능하다.
또한, 상기 렌즈(150)의 상면부(154)의 곡률을 적절히 조절함으로써 상기 측면 반사막(153)에서 반사되어 출사되는 광(L1´, L2´)과 상기 LED 칩(120) 및 상기 형광체층(140)으로부터 상기 렌즈(150)의 상면부(154)로 직접 출사되는 광(L3, L4)의 지향각을 조절할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상술한 LED 조명장치(100)는 상기 렌즈(150)의 상면부(154)의 일부면에 상면 반사막을 더 포함한다. 상기 상면 반사막에 의해 상기 렌즈(150)의 상면부(154)에 입사된 광 중 적어도 일부를 측면 반사막(153)으로 효과적으로 유도할 수 있다.
도 4는 상면 반사막(155)이 형성된 일 예로서, 도 1에 도시된 LED 조명장치(100)에서 렌즈(150)의 상면부(154)의 중앙부에 상면 반사막(155)이 형성된 구조를 나타낸 단면도이다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 상면 반사막(155)은 상기 상면 반사막(155)에 입사된 광(L5)을 상기 측면 반사막(153)으로 반사시킬 수 있다.
그러나, 상기 상면 반사막(155)의 배치 및 형상은 이에 한정되는 것은 아니며, 상면부(154)의 곡률 및 상면부(154)로 입사되는 광의 입사각에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 조명장치를 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 1에서 제시된 LED 조명장치(100)에서 특히 형광체층의 형상과 위치를 변경시킨 것이다. 도 5를 참조하면, 형광체층(140)은 렌즈(150)의 내부에 위치한다. 또한, 상기 형광체층(140)은 상면 반사막(155)에 의해 반사된 광(L6)의 적어도 일부가 상기 형광체층(140)에 입사될 수 있도록 상기 상면 반사막(154)에 근접하여 배치된다. 여기서, 상기 형광체층(140)은 LED 칩(120)에서 방출되는 광의 지향각에 대응하는 크기를 가지는 것이 바람직하다. 즉, LED 칩(120)에서 방출되는 광의 대부분이 먼저 상기 형광체층(140)에 입사되어 여기되고, 상기 형광체층(140)에 의해 여기되지 않은 광은 상기 상면 반사막(155)에 의해 상기 형광체층(140)에 재입사되어 여기됨으로써 광 변환 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 이러한 형광체층(140)의 배치에 의해 형광체층(140)과 LED 칩(120)과의 이격 거리를 더욱 증가시킬 수 있으므로 후방 산란에 의한 광 효율 저하를 최소화할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 형광체층(140)은 상기 LED 조명장치(100)에서 교체 가능하도록 결합될 수 있다.
이를 위해, 형광체층(140)이 LED 칩(120)과 렌즈(150) 사이에 위치하는 경우(도 1의 경우), 상기 렌즈(150)는 상기 기판(110)과 착탈 가능한 제1 체결수단 의해 체결되고, 상기 형광체층(140)은 상기 렌즈(150) 또는 상기 기판(110)과 착탈 가능한 제2 체결수단에 의해 체결될 수 있다.
상기 체결수단은 다양한 방법으로 구현될 수 있다. 다만, 부품의 부가를 최소화하고 용이한 착탈을 위하여 상기 제1 체결 수단 및 상기 제2 체결 수단 중 적어도 하나는 끼움 결합 방식을 사용할 수 있다. 즉, 체결되는 요소들 중 어느 하나에 끼움홈(끼움공 포함)을 형성하고, 다른 하나에 끼움돌기를 형성한 후, 이들을 체결하는 기계적 결합 방식을 사용할 수 있다.
일 예로, 도 6에 도시된 바와 같이, 렌즈(150)는 기판(100)과 끼움 결합(P)으로 체결되고, 형광체층(140)은 기판(110)과 끼움 결합(Q)으로 체결될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 형광체층(140)은 상기 기판(110)이 아닌 상기 렌즈(150)와 끼움 결합으로 체결될 수도 있다.
다른 예로, LED 칩(120)이 패키지 본체(112)에 위치하는 경우(도 3 참조), 구체적으로는 도 7에 도시된 바와 같이, 형광체층(140)이 패키지 본체(112)와 끼움 결합(R)으로 체결될 수 있다.
한편, 형광체층(140)이 렌즈(150)의 내부에 위치하는 경우(도 5의 경우), 상기 렌즈(150) 내에 마련된 공간에 상기 형광체층(140)을 착탈할 수 있다.
일 예로, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 렌즈(150)는 서로 착탈 가능하게 체결되는 적어도 2개의 서브 렌즈들(제1 서브 렌즈(156), 제2 서브 렌즈(157))로 구성되며, 상기 형광체층(140)은 상기 서브 렌즈들(156, 157) 간의 접합면들에 형성된 홈(156', 157')에 삽입될 수 있다. 도 8에서는 서브 렌즈들이 끼움 결합(S)에 의해 서로 체결되는 예를 보여준다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 형광체층(140)이 삽입되는 홈은 상기 서브 렌즈들(156, 157) 중 어느 하나에만 형성될 수도 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
100: LED 조명장치 110: 기판
112: 패키지 본체 120: LED 칩
130: 이격 공간 140: 형광체층
150: 렌즈 151: 입광부
152: 측면부 153: 측면 반사막
154: 상면부 155: 상면 반사막
156: 제1 서브 렌즈 157: 제2 서브 렌즈

Claims (10)

  1. 기판 상에 실장된 LED 칩;
    상기 LED 칩 상에 입광부가 위치하도록 상기 기판에 체결되며, 측면부에 형성된 측면 반사막을 구비하는 렌즈; 및
    상기 LED 칩과 상기 렌즈 사이에서 상기 LED 칩과 이격되어 위치하거나, 상기 렌즈 내부에 위치하는 형광체층을 포함하는 LED 조명장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈의 측면부는 상기 기판으로부터 상기 렌즈의 입광부에 대향하는 상기 렌즈의 상면부 방향으로 갈수록 곡률 반경이 증가하는 LED 조명장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈의 입광부에 대향하는 상기 렌즈의 상면부의 일부는 상면 반사막을 구비하여 상기 상면 반사막에 입사된 광을 상기 렌즈의 측면 반사막으로 반사시키는 LED 조명장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 렌즈의 상면부는 중앙부가 오목한 형상이고 상기 중앙부 이외의 부분은 볼록한 형상이며, 상기 상면 반사막은 상기 상면의 중앙부에 형성되는 LED 조명장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 상면 반사막에 의해 반사된 광의 적어도 일부가 상기 형광체층에 입사되도록 상기 렌즈의 내부에 상기 형광체층이 배치되는 LED 조명장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 LED 칩과 상기 형광체층 사이에서 상기 LED 칩을 봉지하는 몰딩부를 더 포함하는 LED 조명장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 형광체층은 상기 LED 칩과 상기 렌즈 사이에 위치하고,
    상기 렌즈는 상기 기판과 착탈 가능한 제1 체결수단에 의해 체결되고, 상기 형광체층은 상기 렌즈 또는 상기 기판과 착탈 가능한 제2 체결수단에 의해 체결되는 LED 조명장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 체결수단 및 상기 제2 체결수단 중 적어도 하나는 끼움 결합인 LED 조명장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 형광체층은 상기 렌즈의 내부에 위치하고,
    상기 렌즈는 서로 착탈 가능하게 체결되는 적어도 2개의 서브 렌즈들로 구성되며, 상기 형광체층은 상기 서브 렌즈들 간의 접합면들 중 적어도 한 면에 형성된 홈에 삽입되는 것인 LED 조명장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 서브 렌즈들은 끼움 결합에 의해 서로 체결되는 LED 조명장치.
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