KR20140048078A - Led(발광 다이오드) 광원 모듈 - Google Patents

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KR20140048078A
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피에르-이브 라아리
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솔베이 아세토우 게엠베하
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Abstract

LED(발광 다이오드) 광원 모듈을 위한 중합체성 광학 렌즈, 특히 상기 광학 렌즈를 포함한 LED 광원 모듈, 및 상기 모듈을 포함한 LED 램프에 관한 것이다. LED(발광 다이오드) 광원 모듈을 위한 광학 렌즈는 셀룰로오스 및 그 유도체, 스타치 및 그 유도체, 알기네이트 및 그 유도체, 구아 및 그 유도체, 키틴질 및 그 유도체, 그리고 펙틴 및 그 유도체 중에서 선택된 중합체를 포함한다.

Description

LED(발광 다이오드) 광원 모듈{LED(LIGHT-EMITTING DIODE) LUMINOUS SOURCE MODULE}
본 발명은 LED(발광 다이오드) 광원 모듈을 위한 렌즈와 같은 중합체성 광학 요소, 특히 상기 광학 요소를 포함한 LED 광원 모듈, 및 상기 모듈을 포함한 LED 램프에 관한 것이다.
발광 다이오드(대개 LED로 지칭됨) 조명 장치가 알려져 있다. 이러한 다이오드는 사용수명이 길고, 전력 소모가 낮으며, 과열을 발생시키지 않는다.
밝기면에서 갈수록 더 효율적이고 강력하고, 백열등 또는 할로겐등을 대체시킬 수 있는 백색 LED는 특히 최근에서야 발견되었다.
일반적으로 LED 램프는 1개 이상의 LED(발광 다이오드) 칩, 및 1개 이상의 광학 요소(이를테면, 렌즈)를 구비한 광학 시스템을 포함한다. 이들 광학 요소는 유리 또는 중합체성 재료로 만들어져, 대체로 투명하다. 광학 시스템은 특히 LED 칩(들)에 의해 발생한 빛의 투과를 최적화시킬 수 있도록 한다.
신규 고성능 재료가 지속적으로 요구되고 있다.
이러한 목적을 위해, 본 발명은, 그 첫 번째 주제로, LED(발광 다이오드) 광원 모듈을 위한 렌즈와 같은 광학 요소를 제시하며, 상기 광학 요소는 셀룰로오스 및 그 유도체, 스타치 및 그 유도체, 알기네이트 및 그 유도체, 구아 및 그 유도체, 키틴질 및 그 유도체, 그리고 펙틴 및 그 유도체 중에서 선택된 적어도 1종의 중합체를 포함한다.
두 번째 주제로, 본 발명은 전술된 바와 같은 광학 요소를 적어도 1개 구비한 광학 시스템을 포함하는 LED(발광 다이오드) 광원 모듈을 제시한다.
끝으로, 세 번째 주제로, 본 발명은 상기 모듈을 포함하는 LED(발광 다이오드) 램프를 제시한다.
첫째로 본 발명은 LED(발광 다이오드) 광원 모듈을 위한 중합체성 광학 요소에 관한 것이다.
광학 요소의 중합체는 예를 들면 다음 중합체 중 하나일 수 있다: 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 프로피오네이트, 셀룰로오스 부티레이트, 셀룰로오스 트리아세테이트, 에틸 셀룰로오스, 하이드록시 에틸 셀룰로오스, 메틸 셀룰로오스, 하이드록시 메틸 셀룰로오스, 스타치, 하이드록시프로필 스타치, 스타치 아세테이트, 스타치 프로피오네이트, 스타치 부티레이트 또는 혼합 스타치 에스테르, 아라빅검, 한천(agar-agar), 알긴산, 소듐 알기네이트, 포타슘 알기네이트, 칼슘 알기네이트, 트라가칸스검, 구아검 및 카로브검.
특히, 중합체는 셀룰로오스의 유도체, 예를 들어 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 프로피오네이트, 셀룰로오스 부티레이트, 셀룰로오스 트리아세테이트, 에틸 셀룰로오스, 하이드록시 에틸 셀룰로오스, 메틸 셀룰로오스 및 하이드록시 메틸 셀룰로오스일 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 구현예에 따르면, 셀룰로오스 유도체는 고급 목재 펄프에서 유도된 셀룰로오스로부터 수득되거나, 또는 무명 린터에서 유도된 셀룰로오스로부터 수득된다. "고급 목재 펄프"란 표현은 α-셀룰로오스를 95 중량% 이상 포함한 목재 펄프를 뜻하는 것으로 이해하면 된다. α-셀룰로오스의 양은 ISO 692 표준에 따라 결정된다. 무명 린터에서 유도된 셀룰로오스에 관해서는, 아세테이트 등급이 바람직하다.
더 구체적으로, 중합체는 셀룰로오스 에스테르일 수 있다. 이들은 일반적으로 유기 에스테르, 특히 지방족 유기 에스테르이다.
유리하게, 셀룰로오스 에스테르는 2개 내지 4개의 탄소 원자를 가진 아실기를 에스테르기로서 함유한다. 이들은 혼합형 셀룰로오스 에스테르일 수 있다. 본 발명의 범위 내에서 적합한 셀룰로오스 에스테르의 예로, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 프로피오네이트, 셀룰로오스 부티레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프탈레이트 및 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 부티레이트를 언급할 수 있다. 부티레이트를 형성하는 부티릴기는 선형이거나 분지형일 수 있다.
유리하게, 셀룰로오스의 치환도는 2 내지 3, 바람직하게는 2.3 내지 2.9이다. 셀룰로오스의 치환도는 ASTM D871-72 표준에 따라 결정된다.
본 발명의 중합체의 고유점도는 유리하게 0.3 내지 0.4, 바람직하게는 0.32 내지 0.35이다. 고유점도는 ASTM D871-72 표준에 따라 측정된다.
광학 요소의 중합체는 여러 중합체의 블렌드일 수 있다.
바람직하게, 중합체는 셀룰로오스 아세테이트이다.
광학 요소는 중합체를 유리하게는 50 중량% 이상, 바람직하게는 55 중량% 이상 포함한다.
본 발명의 구체적인 일 구현예에 따르면, 광학 요소는 가소제를 포함한다. 가소제의 예로, 트리아세틴, 디에틸 프탈레이트, 디메틸 프탈레이트, 부틸 프탈릴 부틸 글리콜레이트, 디에틸 사이트레이트, 디메톡시 에틸 프탈레이트, 에틸 프탈릴 에틸 글리콜레이트, 메틸 프탈릴 에틸 글리콜레이트, n-에틸-o/p-톨루엔설폰아미드, 트리페닐 포스페이트, 트리크레실 포스페이트, 디부톡시에틸 프탈레이트, 디아밀 프탈레이트, 트리부틸 사이트레이트, 트리부틸 아세틸 사이트레이트, 트리프로필 아세틸 사이트레이트, 트리프로피오닌, 트리부티린, o/p-톨루엔설폰아미드, 펜타에리스리톨 테트라아세테이트, 디부틸 타르트레이트, 디에틸렌 글리콜 디아세테이트, 디에틸렌 글리콜 디프로피오네이트, 디부틸 아디페이트, 디옥틸 아디페이트, 디부틸 아젤레이트, 트리클로로에틸 포스페이트, 트리부틸 포스페이트, 디-n-부틸 세바케이트, 디부틸 프탈레이트, 디옥틸프탈레이트, 부틸벤질 프탈레이트, 2-에틸헥실 아디페이트 및 디-2-에틸헥실 프탈레이트를 언급할 수 있다. 가소제의 양은 광학 요소의 중량을 기준으로 유리하게는 10 중량% 내지 45 중량%, 바람직하게는 20 중량% 내지 40 중량%이다.
본 발명의 구체적인 일 구현예에 따르면, 광학 요소는 (열분해 및/또는 열-산화 분해를 방지하는) 열안정제 및/또는 항산화제를 포함한다. 열안정제의 예로, 글리시딜 에테르, 약산의 금속염, 치환된 페놀 등을 언급할 수 있다. 구체적으로는, 하이드로퀴논 모노글리시딜 또는 디글리시딜 에테르, 포타슘 옥살레이트, 스트론튬 나프테네이트, 레조르시놀 디글리시딜 에테르, 마그네슘 또는 알루미늄 포메이트, 마그네시아 등을 언급할 수 있다.
항산화제의 예로, 입체장애 페놀성 항산화제를 언급할 수 있다. 이러한 항산화제에 대해 예를 들면 특허출원 WO 2004/000921 및 WO 02/053633에 기재되어 있다. Irganox 1076®(옥타데실 3,5-디-tert-부틸-4-하이드록시하이드로신나메이트) 및 Irganox 1010®(테트라키스(메틸렌(3,5-디-tert-부틸-4-하이드록시하이드로신나메이트)메탄))은 이러한 항산화제의 예이다.
항산화제의 예로, 인-함유 안정제, 이를테면 알킬 및/또는 아릴 라디칼에 의해 치환된 포스파이트, 예를 들면 Irgafos 168®(트리스-(2,4-디-tert-부틸페닐)포스파이트)을 또한 언급할 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 구현예에 따르면, 광학 요소는 광 안정제를 포함한다.
광 안정제의 예로, 적어도 1개의 입체장애 아민 단위를 가진 안정제(입체장애 아민 광 안정제 H.A.L.S.)를 언급할 수 있다. 이러한 첨가제에 대해 예를 들면 특허출원 WO 2004/000921 및 WO 2005/040262에 기재되어 있다.
광 안정제의 예로, 자외선 흡수제를 또한 언급할 수 있다. 이러한 자외선 흡수제에 대해 특히 특허출원 WO 2004/0000921에 기재되어 있다. 자외선 흡수제의 예로, 옥사닐라이드; 벤조페논, 이를테면 Uvinul 400®(2,4-디하이드록시벤조페논); 벤조트리아졸, 이를테면 Tinuvin 360®(이량체 2-하이드록시페닐벤조트리아졸) 또는 2,2'-메틸렌비스[6-(2H-벤조트리아졸-2-일)-4-(1,1,3,3-테트라메틸부틸)페놀]; 2-하이드록시페닐트리아진, 이를테면 Tinuvin 1577FF®(2,4-디페닐-6-(2-하이드록시-4-헥실옥시페닐)-s-트리아진; 및 Tinuvin 234®(2-(2H-벤조트리아졸-2-일)-4,6-비스(1-에틸-1-페닐에틸)페놀)을 언급할 수 있다.
광학 요소는 또한 충전재, 염료, 안료, 대전방지제, 계면활성제, 윤활제, 분산제, 난연제, 몰딩조제(molding aid) 및 충격개질제 중에서 선택된 1종 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 이러한 목록에 대한 제한은 없다.
광학 요소는 그 구성 화합물(들)을 성형시켜 수득되는 물체/물품이다. 예를 들어 광학 요소는 사출된 부품 및 몰딩된 부품으로 이루어진 군에서 선택되는 물품일 수 있다. 유리하게, 광학 요소의 두께는 0.4 내지 40 mm, 바람직하게는 1 내지 30 mm, 훨씬 더 바람직하게는 2 내지 25 mm이다.
광학 요소는 유리하게 렌즈이다. 프레넬(Fresnel) 렌즈일 수 있다. 볼록 렌즈이거나 오목 렌즈일 수 있다.
바람직하게, 본 발명의 광학 요소는 광학적으로 투명하다. 즉, ASTM D1003 표준에 따른 광투과율이 88% 이상이다.
본 광학 요소는 광학 요소(특히, 렌즈)의 제조를 위한 임의의 공지된 방법에 따라 제조될 수 있다.
예를 들면, 광학 요소를 형성하는 중합체 또는 상기 중합체를 포함한 조성물을 막대 형태로 압출시킨 다음, 이러한 막대를 절단하여 그래뉼로 형성함으로써, 광학 요소의 구성 화합물(들)로 이루어진 그래뉼을 초기에 제조하는 것이 가능하다. 가소제, 안정제 등과 같은 첨가제를 압출 장치의 다양한 위치에, 가령 이축 압출기의 다양한 위치에 도입할 수 있다. 이어서, 그래뉼을 변형 및 성형 장치, 이를테면 몰딩, 사출몰딩, 압출, 주조몰딩 등을 위한 장치 내에 투입할 수 있다. 이러한 공정들은 당업자가 공지하고 있다.
본 발명은 또한 전술된 바와 같은 광학 요소를 적어도 1개 가진 광학 시스템을 포함하는 LED(발광 다이오드) 광원 모듈에 관한 것이다.
상기 LED(발광 다이오드) 광원 모듈은
- 에폭시 수지와 같은 봉합재 물질 안에 봉합된 적어도 1개의 LED(발광 다이오드) 칩;
- 전술된 바와 같은 광학 요소를 적어도 1개 포함한 적어도 1개의 광학 시스템; 및
- 2개의 전극(양극 및 음극)을 포함한다.
LED(발광 다이오드) 광원 모듈의 구조는 당업자가 공지하고 있다.
본 발명의 LED 광원 모듈의 LED(발광 다이오드) 칩은 가시광선, 자외선 또는 적외선을 방출하는 임의의 칩일 수 있다.
LED(발광 다이오드) 칩의 구조는 하나의 반도체 재료층을 포함한다. 예를 들어, LED 칩은 원소 주기율표의 III족 및 IV족 반도체 물질, 이를테면 GaAs, GaAlAs, GaN, InGaN, GaP 등의 층들, 또는 원소 주기율표 II족 내지 VI족 반도체 물질, 이를테면 ZnSe, ZnSSe, CdTe 등의 층들, 또는 원소 주기율표의 IV족 및 V족 반도체 물질, 이를테면 SiC의 층들을 포함할 수 있다. LED 칩은 또한 다른 층들도 포함할 수 있다.
본 발명의 LED(발광 다이오드) 광원 모듈은 복수의 LED 칩을 포함할 수 있다.
LED(발광 다이오드) 광원 모듈의 광학 시스템의 구조는 당업자가 숙지하고 있다. 그 구조는 복잡, 다양할 수 있다.
광학 시스템은 특히 상기 모듈의 LED 칩(들)이 발생시킨 빛의 투과를 최적화시키는 것이 가능하다.
광학 시스템은 적어도 1개의 광학 요소를 포함한다. 광학 시스템은 여러 개의 광학 요소를 조합하여 포함하기도 한다.
광학 시스템은 다양한 형상으로 다양하게 배치될 수 있다. 이들 형상 및 배치는 당업자가 숙지하고 있다.
본 발명의 구체적인 일 구현예에 따르면, 광학 요소는 LED 칩을 덮는 렌즈이다. 광학 요소는 예를 들면 비드, 반구형(dome) 등의 형상일 수 있다.
본 발명의 모듈의 구체적인 일 구현예에 따르면, 광학 요소는 콜리메이터(시준기), 집광기 또는 발산기이다. 콜리메이터는 광속을 집중시키는 광학 요소이다.
끝으로 본 발명은 적어도 본 발명에 의한 LED 광원 모듈을 포함한 LED(발광 다이오드) 램프에 관한 것이다.
본 발명의 특정한 다른 구현예에 따르면, 램프는 또한 LED 광원 모듈을 덮는 전구 또는 랩어라운드형 확산기를 포함한다. 이러한 전구 또는 랩어라운드형 확산기는 대개 LED 광원 모듈을 보호하는 역할을 한다.
전구는 다양한 형상의 전구일 수 있다. 예를 들면, 원형, 곡선형, 원통형 등일 수 있다.
본 발명의 상기 특정 구현예에 따르면, 전구 또는 랩어라운드형 확산기는 바람직하게 다음 중합체 중에서 선택된 적어도 1종의 중합체를 포함한다: 셀룰로오스 및 그 유도체, 스타치 또는 그 유도체, 알기네이트 및 그 유도체, 구아 및 그 유도체, 키틴질 및 그 유도체, 그리고 펙틴 및 그 유도체. 광학 요소의 중합체에 관해 전술한 모든 사항이 여기서도 전구 또는 랩어라운드형 확산기에 적용된다.
본 발명의 광학 요소는 LED 광원 모듈에 적용하기에 매우 양호한 특성을 지닌다. 구체적으로, 본 광학 요소는 투명(광투과율이 높음)하고, 유리보다 가벼우며, 특히 탄성률 면에서 양호한 기계적 물성을 지닌다. 다양한 크기 및 다양한 형상으로 얻을 수 있으며, 대량생산에 적합하다. 본 발명의 광학 요소의 또 다른 장점은 바이오계 물질로 제조된다는 것이다.
본 발명의 기타 상세사항 또는 장점은 아래에 제공된 실시예를 고려하여 더욱 명확하게 분명해질 것이다.
실시예
실시예 1:
본 실시예에서는, LED 광원 모듈 내 광학 요소용으로 가소화된 셀룰로오스 아세테이트의 디스크를 마련하였다.
ASTM D871-72 표준에 따라 2.45의 치환도 및 0.342의 고유점도를 가진 셀룰로오스 아세테이트를 Eastman사가 시판 중인 트리아세틴 30 중량%으로 압출법에 의해 가소화시켰다.
상기 물질은 다음과 같은 조건 하에 제조되었다. Clextral사가 시판 중이며, 직경 D = 32 mm, 직경에 대한 전장의 비(유효장) L/D = 44인 Evolum 32® 동회전 이축 압출기를 사용하였다. 공급 호퍼를 통해 셀룰로오스 아세테이트 분말을 투입하고, 특정 공급 채널을 통해 액체 가소제(트리아세틴)을 스크류의 입구측에 유입하였다. 적용된 가공처리 조건은 아래와 같다:
- 스크류의 회전 속도: 100 rpm;
- 처리속도: 10 kg/h;
- 공급 호퍼에서 다이까지의 온도 프로파일: 80℃ 내지 160℃.
압출기에서 배출되는 즉시, 가소화된 셀룰로오스 아세테이트의 막대를 그래뉼화하였다.
이렇게 제조된 그래뉼을 Arburg 350-90® 프레스(금형 형폐력: 35톤)로 사출몰딩시켜 성형하였다. 85 mm의 직경과 3 mm의 두께를 지닌, 가소화된 셀룰로오스 아세테이트 디스크를 아래와 같은 조건 하에 수득하였다:
- 공급 호퍼로부터 단일축 압출기의 온도 프로파일: 160℃ - 172℃ - 172℃ - 179℃;
- 금형 온도: 70℃;
- 사출 주기 기간: 37.8초.
그런 후에는 Konica Minolta CM-5® 분광 광도계를 사용하여, ASTM D1003 표준에 따라 투과율을 측정하였다. 상기 두께 3 mm 시료의 경우, 700 nm에서의 투과율이 94.3%였다.
실시예 2:
본 실시예에서는, Eastman사가 시판 중인 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트 CAB 381-2®를 Aldrich사가 시판 중인 트리아세틴 10 중량%으로 가소화시켰다. 이러한 제제에 다음과 같은 첨가제들을 첨가하였다:
- 항산화제;
· 0.5 중량%의 Irganox 1010®(테트라키스(메틸렌-(3,5-디-(tert)-부틸-4-하이드로신나메이트))메탄) (Ciba사가 시판 중임);
· 0.5 중량%의 Irgafos 168®(트리스(2,4-디-tert-부틸페닐)포스파이트) (Ciba사가 시판 중임);
- 자외선 흡수제:
· 0.3 중량%의 Tinuvin 234®(2-(2H-벤조트리아졸-2-일)-4,6-비스(1-에틸-1-페닐에틸)페놀) (Ciba사가 시판 중임).

Claims (16)

  1. 셀룰로오스 및 그 유도체, 스타치 및 그 유도체, 알기네이트 및 그 유도체, 구아 및 그 유도체, 키틴질 및 그 유도체, 그리고 펙틴 및 그 유도체 중에서 선택된 중합체를 적어도 1종 포함하는 것을 특징으로 하는, LED(발광 다이오드) 광원 모듈을 위한 광학 요소.
  2. 제1항에 있어서, 중합체가 에스테르인 것을 특징으로 하는 LED(발광 다이오드) 광원 모듈을 위한 광학 요소.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 중합체가 셀룰로오스 에스테르인 것을 특징으로 하는 LED(발광 다이오드) 광원 모듈을 위한 광학 요소.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체가 셀룰로오스 아세테이트인 것을 특징으로 하는 LED(발광 다이오드) 광원 모듈을 위한 광학 요소.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체를 50% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 LED(발광 다이오드) 광원 모듈을 위한 광학 요소.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 가소제를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED(발광 다이오드) 광원 모듈을 위한 광학 요소.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 열 안정제를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED(발광 다이오드) 광원 모듈을 위한 광학 요소.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 광 안정제를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED(발광 다이오드) 광원 모듈을 위한 광학 요소.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 렌즈인 것을 특징으로 하는, LED(발광 다이오드) 광원 모듈을 위한 광학 요소.
  10. - 에폭시 수지와 같은 봉합재 물질 안에 봉합된 적어도 1개의 LED(발광 다이오드) 칩;
    - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 광학 요소를 적어도 1개 포함한 광학 시스템; 및
    - 2개의 전극(양극 및 음극)
    을 포함하는 LED(발광 다이오드) 광원 모듈.
  11. 제10항에 있어서, 광학 요소는 LED 칩을 덮는 렌즈인 것을 특징으로 하는 LED(발광 다이오드) 광원 모듈.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 광학 요소는 콜리메이터(collimator), 집광기 또는 발산기(diverger)인 것을 특징으로 하는 LED(발광 다이오드) 광원 모듈.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 복수개의 LED 칩을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED(발광 다이오드) 광원 모듈.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 기재된 LED 광원 모듈을 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 LED(발광 다이오드) 램프.
  15. 제14항에 있어서, LED 광원 모듈을 덮는 랩어라운드(wrap-around)형 확산기 또는 전구를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 LED(발광 다이오드) 램프.
  16. 제15항에 있어서, 전구 또는 랩어라운드형 확산기는 셀룰로오스 및 그 유도체, 스타치 및 그 유도체, 알기네이트 및 그 유도체, 구아 및 그 유도체, 키틴질 및 그 유도체, 그리고 펙틴 및 그 유도체 중에서 선택된 중합체를 적어도 1종 포함하는 것을 특징으로 하는 LED(발광 다이오드) 램프.
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