KR20140051923A - Led 조명 장치, 시스템들 및 제조 방법들 - Google Patents

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Abstract

발광 다이오드 (LED) 칩들의 어레이가 장착된 적어도 하나의 인쇄 회로 기판(120), LED 칩들(108)의 어레이 중 적어도 일부와 전기적으로 결합시키기 위해 구성된 분할된 도체 경로(128)를 포함하는 인쇄 회로 기판(120), 및 카드 에지 커넥터(132)를 형성하는 인쇄 회로 기판(120)의 일부, 분할된 도체 경로를 전원에 전기적으로 결합시키도록 구성되는 전기 접촉(136, 140)을 제공하는 분할된 도체 경로(128)의 일부를 포함하는 카드 에지 커넥터를 포함하는 조명 장치(100)를 포함하는 발광 다이오드 (LED) 조명 시스템.

Description

LED 조명 장치, 시스템들 및 제조 방법들{LED LIGHTING APPARATUS, SYSTEMS AND METHODS OF MANUFACTURE}
본 출원은, "LED 조명 장치, 시스템들 및 제조 방법들(LED LIGHTING APPARATUS, SYSTEMS AND METHODS OF MANUFACTURE)"이란 명칭의, 2011년 6월 28일에 출원된, 미국 특허 출원 번호 제 13/170,256호의 우선권을 주장하고, 그 전체 내용들이 여기에 참조에 의해 포함된다.
본 개시는 발광 다이오드(LED) 조명 장치, LED 조명 시스템들 및 그 제조 방법들에 관한 것이다.
LED 광 엔진(light engine)은 LED 칩을 포함할 수 있고, LED 칩에 의해 방출되는 색과 다른 색의 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 형광체(phosphor)는 LED 칩으로부터 방출되는 광을 변환시켜, 원하는 방출 색을 생성하는데에 사용될 수 있다. 특정 형광체는 LED 칩에 의해 방출될 파장, 및 광 엔진에 의해 방출되는 광의 전체적인 색/파장에 따라 선택될 수 있다.
예를 들어, 한 구성에서, 청색 광 LED 칩이, 실리콘과 같이 비교적 높은 굴절률을 갖는 깨끗한(투명한) 중합체(polymer)로 만들어진 LED 옵틱(optic)과 결합될 수 있다. 제 1 파장 범위를 갖는 LED 칩으로부터의 청색 광을 제 2 파장 범위를 갖는 황색 광으로 변환시키는 형광체(예를 들어, YAG:Ce 형광체)는 상기 중합체와 혼합되어 용적형 청색 광 변환(volumetric blue light conversion)을 제공할 수 있다. 형광체에 의해 방출되는 황색 광은, LED 칩으로부터 변환되지 않고 남은 청색 광과 결합하여 LED 광 엔진으로부터 전체적으로 백색의 방출을 생성할 수 있다.
형광체를 통해 통과하는 광의 일부는, 하나의 파장 범위에서 다른 파장 범위로 변환될 때, 스토크스 시프트(Stokes shift)를 경험할 수 있다(undergo). 따라서, 형광체-기반(phosphor-based) LED들은, 스토크스 시프트로부터 열 손실 때문에 다른 특정 LED들보다 더 낮은 효율을 보일 수 있다. 게다가, LED 칩에 대한 형광체의 근접성(proximity)은, LED 칩에 의해 그리고 스토크스 시프트에 의해 생성되는 열 때문에 패키지(package)의 저하(degradation)를 야기할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 형광체 방법은 백색 LED들을 제조하기 위한 통상적인 기술이다. 따라서, LED 광 엔진들, 특히 백색 광을 생성하는 LED 광 엔진들은 사려 깊은 설계를 요구한다.
LED 칩들에 의해 방출되는 색과 다른 색의 광을 방출하도록 구성되는 LED 광 엔진들의 제조는 노동 및 시간 집약적일 수 있다. 다수의 이러한 LED 광 엔진들을 갖는 장치에 대해, 각각의 LED 광 엔진은 관련된 LED 칩에 각각의 LED 옵틱을 별도로 부착함으로써 조립될 수 있다. 이는 시간 소모적인 프로세스이고, LED 칩뿐 아니라 LED 칩에의 전기적 연결들을 손상시킬 가능성을 갖고, 이는 좋지 않은 수율(yield)을 초래한다. 예를 들어 로봇 또는 다른 픽-앤드-플레이스(pick-and-place) 장비를 이용한 LED 옵틱 부착의 자동화는 어셈블리 시간을 감소시킬 수 있지만, 여전히 상업적 실행 가능성은 매우 낮을 수 있다. 게다가, 최종 용도 애플리케이션들(end-use applications)에서 LED들의 제거 및 설치는 또한 노동 및 시간 집약적일 수 있고, 이는 또한 LED 장치에 잠재적인 손상을 노출시킬 수 있다.
일반적으로, 본 명세서에서는 LED 조명 기술을 향상시킬 수 있는 LED 조명 장치, 시스템들 및 그 제조 방법들이 제공되고, 이는 최종 용도 애플리케이션들로부터의 제거 및 설치뿐만 아니라, 제조 및 어셈블리의 편이성을 증가시키는 것을 포함한다.
이하의 도면들과 함께 판독되어야 하는 이하의 상이한 설명들이 참조되어야 하고, 여기에서 유사한 숫자들은 유사한 부분들을 나타낸다:
도 1은 본 개시에 따른 대표적인 LED 조명 장치의 개략적인 정면도이다;
도 2는 도 1의 대표적인 LED 조명 장치의 인쇄 회로 기판의 개략적인 정면도이다;
도 3은 도 2의 원(152)으로 경계 지어진 인쇄 회로 기판 일부의 개략적인 근접(close-up) 정면도이다;
도 4는 도 2의 원(152)으로 경계 지어진 인쇄 회로 기판 일부의 개략적인 근접 단면도이다;
도 5는 LED 칩이 장착되어 LED 기판 모듈을 제공하는, 도 2의 원(152)으로 경계 지어진 인쇄 회로 기판 일부의 개략적인 근접 단면도이다;
도 6은 LED 칩 위에 놓인 제 1 옵틱 엘리먼트가 있는, 도 2의 원(152)으로 경계 지어진 인쇄 회로 기판 일부의 개략적인 근접 단면도이다;
도 7은 제 1 옵틱 엘리먼트들로 덮인, LED 칩들이 장착되는, 도 2의 인쇄 회로 기판을 도시하는 개략적인 평면도이다;
도 8은 제 1 옵틱 엘리먼트들로 덮인(캡슐화된), LED 칩들이 장착된, 인쇄 회로 기판을 도시하는 평면도이다;
도 9는 제 1 옵틱 엘리먼트들로 덮인(캡슐화된), LED 칩들이 장착된, 인쇄 회로 기판을 도시하는 사시도이다;
도 10은 LED 기판 모듈의 위에 놓인 커버의 개략적인 평면도이다;
도 11은 도 10의 선(11-11)을 따라 취해진 커버의 캐리어의 연결부의 개략적인 단면도이다;
도 12는 도 10의 선(12-12)을 따라 뺀 커버의 캐리어의 구멍의 개략적인 단면도이다;
도 13은 제 2 옵틱 엘리먼트에 의해 채워지고, 제 2 옵틱 엘리먼트를 포함하는 커버의 캐리어의 구멍의 개략적인 단면도이다;
도 13A는 제 2 옵틱 엘리먼트에 의해 채워지고, 제 2 옵틱 엘리먼트를 포함하는 커버의 캐리어의 구멍의 개략적인 확대 단면도이다;
도 14는 도 1의 선(14-14)을 따라 취해진 도 1의 조명 장치의 개략적인 단면도이다;
도 15는 도 1의 선(15-15)을 따라 취해진 도 1의 조명 장치의 개략적인 단면도이다;
도 16은 조명 기구에 결합되어 본 개시에 따른 조명 시스템을 제공할 수 있는, 도 1의 조명 장치의 개략적인 도면이고;
도 17는 본 개시에 따른 하나의 예시적인 방법의 블록 흐름도이다.
도 1은 본 개시에 따른 예시적인 발광 다이오드(LED) 조명 장치(100)를 도시한다. 상기 LED 조명 장치(100)는 어레이로 배치된 다수의 LED 광 엔진들(104)을 포함한다. 상기 어레이는 특히 상기 LED 광 엔진들(104)의 다수의 열들을 포함하는 정돈된 기하학적 패턴이다. 상기 도시된 예시적인 실시예에서, LED 조명 장치(100)는 LED 광 엔진들(104)의 6×4(6행 및 4열) 어레이를 포함하지만, 상기 어레이는 특정한 애플리케이션에서 유용한 다수의 LED 광 엔진들(104)의 임의의 적합한 배치이다.
각각의 LED 광 엔진(104)은 LED 칩(108) 위에 놓인 LED 옵틱(optic)(112)을 포함한다. 상기 LED 옵틱(112)은 제 1 옵틱 엘리먼트(184) 및 제 2 옵틱 엘리먼트(200)를 포함한다. 상기 제 2 옵틱 엘리먼트(200)는 제 1 옵틱 엘리먼트(184)를 위에 놓는 반면에, 제 1 옵틱 엘리먼트(184)는 상기 LED 칩(108)을 위에 놓는다. 제 1 옵틱 엘리먼트(184) 및/또는 제 2 옵틱 엘리먼트(200)는 제 1 파장을 갖는 상기 LED 칩(108)의 광 출력의 적어도 일부를 제 2 파장을 갖는 상기 광 엔진으로부터의 광 출력으로 변환하도록 구성되는 형광체 또는 형광체들의 혼합물을 포함한다.
예를 들어, 일 실시예에서, 상기 LED 옵틱 안의 상기 형광체(들)는 상기 LED 칩(108)으로부터의 청색 광 출력을 제 2 파장으로 변환하여 상기 LED 광 엔진들(104)로부터 전체적으로 백색의 광 출력을 만들어낼 수 있다. 여기에서 사용되는 "백색 광"이란 용어는 2600-8000K 범위의 상관 색온도(CCT; correlated color temperature)를 나타내는 출력을 지칭한다. 하지만, LED 광 엔진들(104)은 또한 백색 광이 아닌 광을 제공하도록 구성될 수 있다.
본 개시의 LED 조명 장치(100)의 제조 방법들뿐만 아니라, LED 조명 장치의 구조도 이제 상세히 논의될 것이다. 이제 도 2를 참조하면, 인쇄 회로 기판(PCB; printed circuit board)(120)이 도시되어 있고, 이는 또한 인쇄 배선 기판(printed wiring board) 또는 식각 배선 기판(etched wiring board)로 지칭될 수 있다. 상기 인쇄 회로 기판(120)은 LED 광 엔진들(104)(도 1) 특히 인쇄 회로 기판에 설치될 LED 칩들(108)의 어레이뿐 아니라 LED 광 엔진들(104)의 LED 칩들(108)에 전기적으로 결합되도록 구성되는 적어도 하나의 분할된 도체 경로(128)를 기계적으로 지지하기 위해 사용되는 전기적으로 비전도성인 경성(rigid)의 평면 기판(124)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 상기 분할된 도체 경로(128)는 상기 기판(124)의 겉면에 걸쳐 뱀모양의 패턴(serpentine pattern)을 따를 수 있다.
기판(124)은 인쇄 회로 기판에 적합한 임의의 유전 절연체일 수 있다. 기판(124)은 적합한 보강 섬유들과 혼합된 열경화성 수지와 같은 프리프레그(prepreg) 합성 재료로부터 형성될 수 있다. 기판 재료들은 FR-2(코튼지(cotton paper) 및 페놀(phenolic)), FR-3(코튼지 및 에폭시(epoxy)), FR-4(유리 직포(woven glass) 및 에폭시), FR-5(유리 직포 및 에폭시). FR-6(유리 매트(matte glass) 및 폴리에스테르(polyester)), G-10(유리 직포 및 에폭시), CEM-1(코튼지 및 에폭시), CEM-2(코튼지 및 에폭시), CEM-3(유리 직포 및 에폭시), CEM-4(유리 직포 및 에폭시), CEM-5(유리 직포 및 폴리에스테르)를 포함할 수 있다. 앞서 말한 것 중, 기판(124)은 특히 더 낮은 비용으로 특히 FR-4로부터 만들어질 수 있다. 다른 가능한 재료들은 폴리이미드(polyimide), 높은 유리 전이(high glass transition) (Tg) FR-4, 비스말레이미드 트리아진(BT; bismaleimide-triazine) 수지, 시아네이트 에스테르(cyanate ester), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 및 아라미드(aramid)를 포함할 수 있다.
LED 광 엔진들(104) 중 적어도 일부는 분할된 도체 경로(128)와 직렬로 전기적 결합될 수 있고, 그에 따라 직렬 연결되어 있는 각각의 LED 광 엔진(104)으로의 전류는 동일한 것으로 이해될 수 있다. 도시된 바와 같이, 모든 LED 광 엔진들(104)은 경로(128)와 전기적 직렬인 것으로서 구성된다.
분할된 도체 경로(128)는 또한 분할된 도체 경로(128)를 전원에 전기적으로 결합시키도록 구성되는 적어도 하나의 전기 접촉부(136 또는 140)를 제공하도록 구성될 수 있다. 상술하면, 분할된 도체 경로(128)는 또한 전기 접촉부(136)를 제공하여 전원으로부터 전력을 받도록 하고, 전기 접촉(140)을 제공하여 전원으로 전력이 돌아가도록 구성될 수 있다. 전기 접촉부(140)는 전원 장치의 음의 접촉부와 전기적으로 결합시키도록 구성되는 음의 접촉부로 구성될 수 있는 반면에, 전기 접촉부(136)는 전원 장치의 양의 접촉부와 전기적으로 결합시키도록 구성되는 양의 접촉부일 수 있다. 따라서 분할된 도체 경로(128)는 전기 접촉부(136)로부터 전기 접촉부(140)로 연장하는 것으로 이해될 수 있다. 도시된 바와 같이, 전기 접촉부들(136, 140)의 쌍은 평평한 단자(flat terminals)들로 제공될 수 있다. 인쇄 회로 기판(120)의 일부는 적어도 하나의 카드 (수형) 에지 커넥터(card (male) edge connector)(132)를 형성할 수 있고, 이는 분할된 도체 경로(128)를 전원에 전기적으로 결합시키도록 구성되는 전기 접촉부(136 및/또는 140)를 제공하는 분할된 도체 경로(128)의 일부 및 기판(124)의 별개로 돌출부에 의해 형성될 수 있다. 이는 또한 인쇄 회로 기판(120)의 표면 위 및 에지 근처에서 종료하는 전기 접촉부들(136, 140)에 의해 제공되는 것과 같은, 일련의 금속 트랙들(metal tracks)을 포함하는 단일 조각의 인쇄 회로 기판 플러그(single piece printed circuit board plug)로 지칭될 수 있고, 이는 카드 에지 리셉터클(card edge receptacle)(242)에 플러그-인 되는 것을 가능하게 하여 전력 및 데이타 전송을 위한 전기 접촉부들을 제공한다.
간단히 도 16을 참조하면, 카드 에지 커넥터(132)는 방향(134)으로 밀어지는(삽입되는) 것에 의해 적합한 카드 에지 (암형(female)) 리셉터클(242)에(예를 들어, 억지 끼워맞춤을 통해 기계적으로) 물리적으로 연결되도록, 및/또는 전기적으로 결합되도록 구성되어, 상기 리셉터클(242)에 기계적으로 맞물리고 그로부터 전력을 공급받으며, 그 후 LED 칩들(108)에 전력을 전달할 뿐만 아니라 LED 칩들(108)로부터 전력을 반환받는다. 게다가, 카드 에지 커넥터(132)는 LED 조명 장치(100)의 용이한 교체, 또는 그 일부의 교체 또는 수리를 위해, 방향(138)으로 당겨지는(제거되는) 것에 의해 카드 에지 리셉터클(242)로부터 물리적으로 접속해제 및 연결해제되도록 구성된다. 카드 에지 커넥터(132)는 또한 카드 에지 리셉터클(242)과 단단하게 관련된 인쇄 회로 기판(120)의 나머지를 지지한다. 도시된 바와 같이, 카드 에지 리셉터클(242)은 카드 에지 커넥터(132)를 수용하기 위해 연장된 직각 슬롯(243)을 포함할 수 있고, 접촉부들(136, 140)과 작동하기 위한 금속 접촉부들(245)을 포함할 수 있다. 카드 에지 리셉터클(242)은 움직임을 억제하기 위해서 나사와 같은, 기계적 파스너(mechanical fastener)(247)로 고정체(fixture)(240)의 하우징(249)에 고정될 수 있다. 고정체(240)는 다수의 조명 장치(100)를 포함할 수 있다.
비전도성 기판(124) 및 카드 에지 커넥터(132)를 구비한 인쇄 회로 기판(120)의 사용은 고정체로의 기계적 부착 및 전기 접촉을 위한 표면 실장 기술(SMT; surface mount technology) 커넥터를 구비한 금속 외장(metal-clad) 인쇄 회로 기판에 비해 특정 장점들을 제공할 수 있다. 첫째로, 상기 SMT 커넥터는 이마스크(emask)를 변색시키고, 그 반사율을 상당히 낮출 수 있는 고온(260℃) 리플로우(reflow) 동작의 이용을 요구하는 것으로 이해될 수 있다. 균일한 출력을 전달하는 디퓨져(diffuser)를 요구하는 애플리케이션들에 대해, 감소된 반사율은 출력(루멘)을 상당히 낮추는 결과를 가져올 수 있다. 리플로우 프로세스를 제거하는 것은 LED 광 엔진(104) 성능을 향상시키는 결과를 가져올 수 있다.
게다가, SMT 커넥터가 있는 금속 외장 인쇄 회로 기판은 처음에는 금속 외장 인쇄 회로 안의 관통 구멍들을 통해 고정체/히트 싱크(heat sink)로 연장하는 나사들 및/또는 양면 테이프로 고정체/히트 싱크에 설치되는 것으로 이해될 수 있다. 나사들 및/또는 양면 테이프로 금속 외장 인쇄 회로 기판을 부착하는 것은 세심하고, 시간 소모적이며, 나사 드라이버가 미끄러져 LED 광 엔진들에 손상을 야기할 수 있다. 일단 금속 외장 인쇄 회로 기판이 나사들로 고정체에 기계적으로 부착되면, 그 후에 전자 납들이 SMT 커넥터에 플러그-인 된다. 그 결과, 기계적 및 전기적 부착은 두 단계의 프로세스를 요구하는 것으로 이해될 수 있다. 그러나 카드 에지 커넥터(132)의 사용은 고정체(240)에 단일의 단계/작동으로 LED 조명 장치(100)의 기계적 및 전기적 연결을 가능하게 한다 (이 경우에, 고정체(240)는 조명 장치(100)를 작동시키기 위해 전원 장치(246) 및 회로(244)를 포함할 수 있다).
대부분의 LED 모듈들은 (알루미늄이 뒤에 위치되는) 금속 외장 인쇄 회로 기판들 위에 장착되고, 판을 통한 냉각(thru-board cooling)을 위해 설계된다고 인식되어야 한다. 일반적으로 이 모듈들은 열 페이스트(thermal paste)를 사용하여 히트 싱크에 직접 부착되어, LED들로부터 고정체로의 열을 약화시킨다(sink). 인쇄 회로 기판의 알루미늄 뒷면은 상기 모듈을 단락(short circuit)시킬 수 있기 때문에, 금속 외장 인쇄 회로 기판들은 카드 에지 커넥터(132)의 사용을 배제하는 것으로 이해될 수 있다(카드 에지 커넥터(132)는 상기 인쇄 회로 기판의 앞면 및 뒷면 모두와 접촉하는 것으로 이해될 수 있다). 게다가, 냉각이 본 설계의 앞면에서 이루어지고, 어떠한 판(기판)을 통한 냉각도 요구하지 않기 때문에, 알루미늄 뒷판(aluminum backing)의 사용뿐만 아니라 금속 외장 회로 기판의 히트 싱크도 요구되지 않는다. 결과적으로, 이는 카드-에지 커넥터(132)의 사용을 가능하게 하는데, 왜냐하면 인쇄 회로 기판의 기판(124)은 절연체이고, 뒷면에서 합선시키지 않을 것이기 때문이다. 게다가, 관통 구멍들을 사용하여 모듈을 고정체에 부착시키는 것은 세심하고, 시간 소모적이며, LED 광 엔진들(104)에 손상을 입히기 쉽다. 이러한 이슈들은 고정체(240)에 LED 조명 장치(100)를 부착하기 위해 카드 에지 커넥터(132)를 사용함으로써 제거될 수 있다. (이 경우에, 고정체(240)는 조명 장치(100)를 작동시키기 위한 전원 장치(246) 및 회로(244)를 포함할 수 있다).
다시 도 2를 참조하면, 분할된 도체 경로(128)는 기판(124) 상에 적층된, 구리 시트와 같은, 평면 금속 시트로부터 에칭될 수 있다. 상기 평면 금속 시트는 특히 평방 피트당 0.5 내지 4 온스(ounces) 사이의 범위 및 모든 증분들의 무게를 가질 수 있다. 평면 금속 시트는 특히 15-150μm 사이의 범위 및 모든 증분들의 두께를 가질 수 있다.
분할된 도체 경로(128)는 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, LED 칩들(108)에 전기적으로 결합될 수 있는 다수의 전기적으로 전도성인 세그먼트들(144)에 의해 형성될 수 있다. 상기 전기적으로 전도성인 세그먼트들(144)은 임의의 적합한 형태 예를 들어, 연장된 직사각형 및/또는 정사각형을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 전기적으로 전도성인 세그먼트들(144)의 특정한 더 큰 패드 일부들(148)은 특히 넓은 표면적을 통해 히트 싱크들과 같이 동작하여, 기판(124)을 통하지 않고, LED 칩들(108)의 측면으로 열을 제거하도록 구성될 수 있다.
결과적으로, 인쇄 회로 기판(120)의 뒷면에 있는 별개의 히트 싱크로 열을 전달할 필요없이 각각의 LED 광 엔진들(104)로부터 열이 제거될 수 있다. 상기 도시된 설계로, 열은 분할된 도체 경로(128)에 의해 각각의 LED 광 엔진들(104)로부터 멀어지도록 측면 방향으로 전달될 수 있다. 따라서, 분할된 도체 경로(128)는 LED 광 엔진들(104)에 전력을 제공하는 것 및 LED 광 엔진들(104)로부터 떨어지도록 열을 전달하는 것의 두 가지 목적들을 제공한다. 이러한 이중 목적을 제공함에 있어, 설계의 효율이 증가되고 별개의 히트 싱크의 비용이 제거된다.
전기적으로 전도성인 세그먼트들(144), 및 특히 히트 싱크 패드 일부들(148)은 특히 전도 및 그 후의 대류에 의해 LED 광 엔진들(104)로부터 멀어지게 열을 전달하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 전기적으로 전도성인 세그먼트들(144), 및 특히 히트 싱크 패드 일부들(148)은 LED 광 엔진들(104)의 접합 온도가 미리 결정된 최대 전력 등급에서 작동될 때 125℃ 이하를 유지하여 125℃를 초과하지 않도록, 적합한 열 전달로 LED 광 엔진들(104)로부터 멀어지게 열을 전달하도록 구성될 수 있다. 상기 접합 온도는 LED 광 엔진들(104) 또는 p-n 접합의 발광 지점에서의 온도로서 이해될 수 있다.
보다 더 구체적으로, 전기적으로 전도성인 세그먼트들(144), 및 특히 히트 싱크 패드 일부들(148)은 LED 광 엔진들(104)의 접합 온도가 50℃ 이하로 유지되어 50℃를 초과하지 않도록, LED 광 엔진들(104)로부터 멀어지게 열을 전달하도록 구성될 수 있다. 50℃의 접합 온도를 제공하기 위해, 전기적으로 전도성인 세그먼트들(144)은 적어도 90㎟(제곱 밀리미터)의 표면적을 가질 수 있다. 앞서 말한 바로부터, 더 작은 크기의 전기적으로 전도성인 세그먼트들(144)로 50℃ 내지 125℃ 사이의 범위에서 (예를 들어, 55℃, 60℃, 65℃, 70℃, 75℃, 80℃, 85℃, 90℃, 95℃, 100℃, 105℃, 115℃, 120℃) 다양한 최대 접합 온도들이 성취될 수 있고, 이에 따라 LED 광 엔진들(104)의 공간 밀도는 원한다면 증가될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
이제 도 3에서 확대되고, 도 4에서 단면이 도시된, 원(152)을 참조하면, 인접한 전기적으로 전도성인 세그먼트들(144)은 갭(gap)(156)에 의해 분리된다. 인쇄 회로 기판(120)에 조립될 때, LED 칩들(108)은 전기 접촉부(136)로부터 전기 접촉부(140)까지 연속적인 분할된 도체 경로(128)를 만들기 위해 인접한 전기적으로 전도성인 세그먼트들(144)을 전기적으로 결합시키는 브리지를 형성하는데 사용되고, 그 후에 이 LED 칩들은 전기 접촉부(136)와 전기 접촉부(140) 사이에 전기적으로 전도성인 회로를 제공할 수 있다.
이제 도 5를 참조하면, LED 칩들(108)이 인쇄 회로 기판(120)에 장착된 것으로 도시된다. 인쇄 회로 기판(120)이 LED 칩들(108)로 채워질 때(populate), 이는 본 명세서에서 LED 기판 모듈(160)로 지칭될 수 있다. 대안적으로, 상기 LED 기판 모듈(160)은 칩-온-보드(COB; chip-on-board) 인쇄 회로 기판 어셈블리(assembly), LED 인쇄 회로 어셈블리, 또는 LED 인쇄 회로 기판 어셈블리로 지칭될 수 있다.
LED 칩들(108)은, LED 칩들(108)의 바닥 또는 베이스(base)에 위치하고, 애노드에 대응하는 제 1 전기 접촉부(164)를 포함할 수 있어, 상기 제 1 전기 접촉부(164)가 장착되어 있는 전기적으로 전도성인 세그먼트(144)를 통해 전원 장치로부터 전력을 공급받는다. LED 칩들(108)은 전기 접촉부(164) 및 전기적으로 전도성인 세그먼트(144) 사이에 위치한, 은으로 채워진 에폭시 수지(silver-filled epoxy resin)와 같은, 전기적으로 전도성인 접합제(bonding agent)(168)에 의해 전기적으로 전도성인 세그먼트(144)에 장착될 수 있다. 제 2 전기 접촉(172)은 LED 칩(108)의 상부(top)에 위치될 수 있고, 캐소드에 대응할 수 있어, 인접한 전기적으로 전도성인 세그먼트(144)를 통해 전원 장치로 전력을 반환한다. LED 칩들(108)은 기계를 접합시키는 와이어를 사용하여 연결될 수 있는 본딩 와이어(bonding wire)(176)에 의해 인접한 전기적으로 전도성인 세그먼트(144)에 연결될 수 있다.
대안적으로, 전기 접촉부들(164 및 172) 모두는 LED 칩(108)의 바닥에 위치할 수 있고, (서로 전기적으로 절연됨) 하나의 접촉부는 갭(156)의 각 측면에 있어 분리된 전기적으로 전도성인 세그먼트들(144)에 장착되며, 이에 의해 전기 접촉부(164)는 하나의 전기적으로 전도성인 세그먼트(144)를 통해 전력을 공급받을 수 있고, 전기 접촉부(172)는 다른 전기적으로 전도성인 세그먼트(144)를 통해 전력을 반환할 수 있다. 이런 식으로, 본딩 와이어(176)가 제거될 수 있다.
LED 칩들(108)이 기판(124) 및 전기적 연결들 (즉, 전기 접촉부들(136, 140)을 갖는 카드 에지 커넥터(132))에 장착되는 위치들 이외에, 전기적으로 전도성인 세그먼트들(144)이 접합된 기판(124)의 앞면(126)이 전기적으로 절연성인 재료(180)로 덮여질 수 있고, 예를 들어 솔더 마스크 코팅에 의해 제공될 수 있다. 전기적으로 절연성인 코팅(180)은 특히 LED 광 엔진(104)에 의해 제공되는 광과 매칭되도록 채색될 수 있고, 그리고 반사 코팅(reflective coating)일 수 있다. 따라서, 전기적으로 절연성인 코팅(180)은 특히 백색의 전기적으로 절연성인 코팅일 수 있고, 이는 Taiyo PSR4000 LEW1과 같은 백색의 솔더 마스크 코팅에 의해 제공될 수 있다.
이제 도 6을 참조하면, 전기적으로 절연성인 코팅(180)의 도포(application) 및 후속하는 LED 칩들(108) 및 와이어 본드들(176)의 배치 후에, LED 칩들(108)의 어레이가 제 1 옵틱 엘리먼트들(184)의 어레이로 커버될 수 있다. 보다 구체적으로, 제 1 옵틱 엘리먼트들(184)의 어레이는, LED 칩들(108)의 어레이 위에 놓이고, 각각의 LED 칩들(108) 중 하나는 각각의 제 1 옵틱 엘리먼트들(184) 중 하나 내에 위치한다. 이는 LED 베이스 모듈(162)로서 지칭될 수 있다. 바람직하게는 형광체들처럼, 제 1 옵틱 엘리먼트(184)의 열적 버짓(heat budget)에 영향을 미치는 것이 제 1 옵틱 엘리먼트(184)에는 없다.
각각의 제 1 옵틱 엘리먼트들(184)은 각각의 LED 칩(108) 위에 놓여진 깨끗하고 (투명하고), 고체인 돔(dome)(188)을 포함할 수 있다. 여기서 사용된, "투명한"은, 제 1 옵틱 엘리먼트들(184)이 낮은 정도의 산란으로 또는 산란없이, 제 1 옵틱 엘리먼트들(184)을 통해 광을 전달하는 특성을 갖는다는 것을 의미하는 것으로 이해될 수 있다. LED 칩(108)을 커버(covering) 및 캡슐화(encapsulating)하는 것에 더하여, 제 1 옵틱 엘리먼트(184)는 또한 본딩 와이어(176)를 커버하고 캡슐화할 수 있다. 이런 식으로, LED 칩(108) 및 본딩 와이어(176)가 후속하는 처리, 운송 및 테스트를 위해 제 1 옵틱 엘리먼트(184)에 의해 보호될 수 있다.
제 1 옵틱 엘리먼트(184)가 사출 성형(injection molding), 압축 성형(compression molding), 또는 사출-압축 성형에 의하는 것처럼, 인쇄 회로 기판(120)에 직접 그리고 LED 칩(108) 위에 위치하도록 성형된 중합체 재료로 만들어질 수 있다. 이는 LED 기판 모듈(160)을 몰드(mold)의 구멍에 위치시키고, 그 후 LED 기판 모듈(160)에 직접 몰딩하여, 거기에 접착시키는 중합체 재료를 구멍에 인도함으로써 수행될 수 있다. 이는 또한 LED 기판 모듈(160)이 삽입되는, 삽입 성형으로 지칭될 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 옵틱 엘리먼트(184)는 실리콘(예를 들어, 도우 코닝(Dow Corning) OE6630)처럼 비교적 높은 굴절률을 갖는 유연하고, 탄력 있는 열경화성 중합체 재료로 형성될 수 있고, 이는 LED 칩(108) 위에서 압축 몰딩되어 상기 LED 칩(108)을 캡슐화할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 돔(188)은 특히 대응하는 반구형의 발광면(192)을 갖는 반구형의 돌출 형태를 가질 수 있다. 여기에서 사용되는 바로서, "반구(hemisphere)" 또는 "반구형의(hemispherical)" 용어는 일반적으로 구 형태의 임의의 일부를 지칭하고, 일반적으로 구 형태의 정확한 반(one-half)에 한정되는 것이 아니다. 도시된 실시예에서, 돔(188) 및 발광면(192)의 반구형 형태들은 일정한 반지름으로 정의되는, 약 180도의 곡률을 갖는다. 돔(188)의 크기는 돔(188)이 장착될 LED 칩들(108)의 수 및 특정 애플리케이션에 의존할 수 있고, 예를 들면, 지름이 수 밀리미터 내지 수 센티미터일 수 있다(예를 들어, 지름이 4-8 밀리미터, 보다 구체적으로는 지름이 6 밀리미터). 바람직하게 돔(188)은 표준 크기 또는 크기들을 갖고 있어서, 아래에 더 상세히 논의되듯이, 제 2 옵틱 엘리먼트(200)는 더 일반적으로 돔(188)과 호환될 수 있고, 다른 방출 색들의 광 엔진들(104)의 제조를 용이할 수 있다.
LED 칩(108) 위에 놓인 각각의 제 1 옵틱 엘리먼트(184)는 삽입 성형에 의하는 것처럼, 따로따로 몰딩될 수 있다. (즉, 별개로 몰딩되거나 또는 서로 격리됨) 그러나 어레이 몰딩의 편이를 증진시키기 위해, 제 1 옵틱 엘리먼트들(184)의 적어도 일부는 얇은 웹(thin web)(196)에 의해 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 제 1 옵틱 엘리먼트들(184) 모두는 상기 웹(196)에 의해 연결될 수 있다.
도 7을 참조하면, 제 1 옵틱 엘리먼트들(184)에 의해 캡슐화된 LED 칩들(108)이 있는 LED 베이스 모듈(162)이 도시되어 있고, 제 1 옵틱 엘리먼트들(184)은 모두 전기적으로 절연성인 코팅(180) 위에 놓인 웹(196)에 의해 연결되어 있다. 유사하게, 도 8-9들은 각각 평면도 및 사시도로 제 1 옵틱 엘리먼트들(184)에 의해 캡슐화된 0.5 mm LED 칩들(184)을 도시한다. 앞서 말한 구조로, LED 칩들(108)은 특히 위에 놓인 제 1 옵틱 엘리먼트들(184) 발광면(192)을 통해 제 1 파장 범위의 광을 방출하도록 구성된다. 게다가, 제 1 옵틱 엘리먼트들(184) 각각은 단일 플라스틱 몰딩의 부분으로서 인쇄 회로 기판(120)에 동시에 조립될 수 있고, 이는 LED 베이스 모듈(162)의 제조 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1을 다시 간단히 참조하면, LED 광 엔진(104)의 발광 특성들을 변경하기 위해, 제 1 옵틱 엘리먼트(184)가 제 2 옵틱 엘리먼트(200)에 의해 커버된다. 이제 도 10을 참조하면, 제 2 옵틱 엘리먼트(200)는 캐리어(carrier)(208)를 포함하는 커버(cover)(204)의 부분일 수 있다. 도시된 바와 같이, 상기 캐리어(208)는 베이스 모듈(162) 위에 놓이도록 구성된 평면 프레임부(212) 및 베이스 모듈(162)과 연결하도록 구성된 적어도 하나의 연결부(216)를 포함할 수 있다.
캐리어(208)는 단단한 열가소성 중합체 재료를 포함할 수 있다. 예시적인 열가소성 재료들은 사출 성형에 의해 몰딩될 수 있는 폴리프로필렌(PP; polypropylene), 폴리카보네이트(PC; polycarbonate), 또는 아크릴로나이트릴-부타디엔-스티렌(ABS; acrylonitrile-butadiene-styrene)을 포함할 수 있다. 캐리어(208)는 가시 스펙트럼에서 고-반사성이도록 만들어질 수 있고, 예를 들면 반사성 칼라(reflective color)(예를 들어, 백색)로 캐리어를 몰딩함으로써, 또는 캐리어(208)를 사출 성형하는 것 이전에 고-반사성 코팅으로 몰드 표면을 스프레잉하고, 그 후에 몰딩 이후 캐리어(208)가 반사성 코팅으로 코팅되게 함으로써 수행될 수 있다. 캐리어(208)는 또한 세라믹 또는 금속 가루/입자들(예를 들어, 구리, 청동 및 니켈 가루)로 채워지는 것에 의한 것처럼, 높은 열 전도도 및 적외선 영역에서 높은 방사도를 갖도록 만들어질 수 있다.
도 11에서 가장 잘 도시된 바와 같이, 연결부들(216)은 기계적 맞물림 부재들(220)을 포함하고, 보다 구체적으로 평면 프레임부(212)에 실질적으로 수직이고, 그로부터 캔틸레버 스냅 테브들(cantilevered snap-tabs) 형태의 캔틸레버 기계적 맞물림 부재들(220)을 포함한다. 아래에서 더 상세히 논의되듯이, 기계적 맞물림 부재들(220)은 베이스 모듈(162)의 인쇄 회로 기판(120)과 기계적으로 맞물리도록 구성된다. 도시된 바와 같이, 기계적 맞물림 부재들(220)은 캐리어(208)의 모든 면들에 위치하여 베이스 모듈(162)과 커버(204)의 적절한 어셈블리를 더 확실하게 할 수 있다.
대안적으로, 다른 연결부들(216)은 적어도 인쇄 회로 기판(120)의 관통 구멍을 통해 연장하는 파스너 수단(fastener means)(221)을 포함할 수 있다. 이런 식으로, 주변의 캔틸레버 스냅 테브들이 제거될 수 있고, 인접한 모듈들이 서로 보다 조밀하게 인접 위치될 수 있다. 예를 들어, 캐리어(208)의 뒷면은, 각 돌출부가 인쇄 회로 기판(120)의 구멍을 통해 연장하도록 구성되는, 하나 이상의 일체 원통형(integral cylindrical) 돌출부들을 포함할 수 있다. 그 후 (도 14에 도시된) 너트(223)는 상기 돌출부에 부착되어 캐리어(208) 및 인쇄 회로 기판(120)을 함께 고정시킬 수 있다. 대안적으로, 너트(223)는 제거되고, 원통형 돌출부는 압력하에서 변형되고 가열되는 열 막대 핀(heat stake pin)으로 사용되어, 캐리어(208) 및 인쇄 회로 기판(120)을 함께 고정시키는 헤드(head)를 형성할 수 있다. 또한, 다른 실시예들에서, 캐리어(208) 및 인쇄 회로 기판 모두는 서로 정렬되도록 구성되는 관통-구멍들을 포함할 수 있고, 상기 관통 구멍들을 통해 나사형(예를 들어, 나사) 또는 연장가능한(예를 들어, 푸시 핀(push pin), 푸시 리벳(push rivet), 핀 락(pin lock)) 연장된 파스너와 같은 기계적 파스너가 삽입될 수 있고, 이를 통해 연장될 수 있다.
평면 프레임부(212)는 다수의 원형 구멍들(224)을 포함할 수 있고, 그 단면도가 도 12에 도시되어 있다. 도 13에서 도시된 바와 같이, 구멍들(224)은 후속하여 내부에 부착된 제 2 옵틱 엘리먼트(200)를 포함하여 제 2 옵틱 엘리먼트들(200)의 어레이를 형성한다. 제 2 옵틱 엘리먼트들(200) 각각은 반구형의 외부 표면(228)을 갖는 균일한 단면 두께(약 1-2 mm)의 반구형 형태를 가질 수 있다. 제 2 옵틱 엘리먼트들은 또한, 제 1 옵틱 엘리먼트(184)의 반구형 돌출부에 일치하는 리셉터클을 제공하도록 구성되는 반구형 리세스(232)를 정의하는 반구형의 내부 표면(230)을 가질 수 있다. 비록 도시된 예시적인 실시예는 반구형 형태의 제 1 옵틱 엘리먼트들(184) 및 제 2 옵틱 엘리먼트(200)들을 포함하더라도, 상기 제 1 옵틱 엘리먼트들(184) 및 제 2 옵틱 엘리먼트(200)들은 임의의 형태일 수 있고, 상보적 형태 또는 비상보적 형태일 수 있다.
도 13A에 가장 잘 도시된 바와 같이, 제 2 옵틱 엘리먼트(200)는 후방부(233)가 원형의 상승된 리지(ridge)를 형성하도록, 평면 프레임부(212)와 인접해 있는 후방 표면(237)에 대해서 오프셋(offset)되는(즉, 후방부(237)와 동일 평면이 아닌) 후방부(233)로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 앞서 말한 점에서, 후방(233)의 후방 표면(235)은 베이스 모듈(162)과의 접촉 피트(contact fit)(예를 들어, 압축 또는 간섭 피트) 및 대응하는 밀봉(seal)(예를 들어, 웹(196)으로 또는 웹(196)이 없을 때는 코팅(180)으로)을 형성하도록 보다 더 보장할 수 있다.
제 2 옵틱 엘리먼트들(200)은 사출 성형, 압축 성형 또는 사출-압축 성형에 의하는 것처럼, 캐리어(208)에 직접 위치하도록 성형된 중합체 재료로 만들어질 수 있다. 이는 캐리어(208)를 몰드(mold)의 구멍에 위치시키고, 그 후 캐리어(208)에 직접 몰딩하여, 거기에 접착시키는 중합체 재료를 구멍에 인도함으로써 수행될 수 있다. 이는 또한 캐리어(208)가 삽입되는, 삽입 성형으로 지칭될 수 있다.
제 2 옵틱 엘리먼트들(200)은 실리콘(silicone)처럼 비교적 높은 굴절률을 갖는 유연하고 탄력 있는 열경화성 중합체 재료로 형성될 수 있고, 이는 사출 성형될 수 있다. 열경화성 중합체 재료는 제 1 옵틱 엘리먼트(184)로부터의 광을 다른 색의 광으로 변환시키는, 형광체 또는 그 안에서 혼합된 혼합 형광체들로 채워질 수 있다. 제 2 옵틱 엘리먼트(200)는 상기 형광체를 실리콘 재료에 혼합함으로써 만들어질 수 있고, 여기에서 형광체의 양은 제 2 옵틱 엘리먼트(200)의 두께에 기초하여 결정되고, 화합물이 몰드에 주입될 수 있다.
예를 들어, LED 칩(108)으로부터의 (제 1 파장 범위를 갖는) 청색 광을 (제 2 파장 범위를 갖는) 황색 광으로 변환시키는 형광체(예를 들어, YAG:Ce 형광체)는 상기 중합체와 혼합되어 용적형(volumetric) 청색 광 변환을 제공할 수 있다. 형광체에 의해 방출되는 황색 광은 LED 칩(108)으로부터 변환되지 않고 남은 청색 광과 결합하여 LED 광 엔진(104)으로부터 전체적으로 백색의 방출을 생성할 수 있다. 선택적으로, 증가되는 색 온기(increased color warmth)를 위한 적색-방출 형광체들과 같은 추가적인 형광체들이 포함될 수 있다. 다른 적합한 형광체들은 제 1 옵틱 엘리먼트(184)로부터 방출되는 제 1 파장 범위의 광 색 및 제 2 옵틱 엘리먼트(200)로부터 제 2 파장 범위를 결정하길 원하는 특정 색에 의존하여 사용될 수 있다.
제 2 옵틱 엘리먼트들(200)이 캐리어(208)에 몰딩된 후에, 커버(204)는 베이스 모듈(162)에 조립되도록 준비한다. 도 14에 도시된 바와 같이, 커버(204)는, 연결부(216)의 립(lip)(222)이 인쇄 회로 기판(120)의 기판(124) 후방 면(130)과 맞물려 그 위에 놓이게 함으로써, 베이스 모듈(162)에 조립될 수 있다. 도 15에 도시된 바와 같이, 실질적으로 동시에, 제 1 옵틱 엘리먼트들(184)의 돔(188)은 제 2 옵틱 엘리먼트들(200)과 짝을 지어, 작동하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 제 1 옵틱 엘리먼트들(184)은 제 2 옵틱 엘리먼트(200)의 리세스들(232) 안에 진입할 수 있고, 제 2 옵틱 엘리먼트(200)와 맞도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 옵틱 엘리먼트들(184)은 제 2 옵틱 엘리먼트(200)의 리세스들(232)에 진입하여, 제 2 옵틱 엘리먼트(200) 각각의 반구형 표면(230)의 적어도 일부가 제 1 옵틱 엘리먼트(184)의 반구형 표면(192)의 일부와 접촉할 수 있다.
제 1 옵틱 엘리먼트(184) 및 제 2 옵틱 엘리먼트(200) 사이에 존재하는 공극 가능성을 감소시키기 위해, 이들 조립 이전에, 제 1 옵틱 엘리먼트들(184) 및 제 2 옵틱 엘리먼트들(200) 중 임의의 옵틱 엘리먼트 또는 모두의 각각의 표면들(192 및 230) 중 하나 또는 모두에 액체(liquid)(236)가 적용될 수 있다. 액체(236)가 표면들(192, 230)에 스프레잉되거나, 부어지거나, 아니면 증착될 수 있고, 이는 실리콘을 포함할 수 있다.
앞서 말한 구조에서, 제 1 옵틱 엘리먼트들(184)의 어레이는 제 2 옵틱 엘리먼트들(200)의 어레이 아래에 놓이고, 각각의 제 1 옵틱 엘리먼트들(184) 중 하나가 각각의 제 2 옵틱 엘리먼트들(200) 중 하나 아래에 놓인다. 제 2 옵틱 엘리먼트들(200)은, 아래에 놓인 제 1 옵틱 엘리먼트(184)의 발광표면(192)을 통해 방출될 제 1 파장의 광을 제 1 파장 범위와 상이한 제 2 파장 범위의 광으로 변환시키도록 구성된다. 그 결과, LED 칩들(108)의 어레이가 제 1 파장의 광을 방출하고 있을 때, 제 2 파장의 광이 제 2 옵틱 엘리먼트들(200)의 어레이로부터 방출된다.
기계적 맞물림 부재들(220)을 이용해, 커버(204)는 베이스 모듈(162)과 맞물림 해제(disengagement)로 베이스 모듈(162)로부터 제거가능할 뿐만 아니라, 베이스 모듈(162)과의 기계적 맞물림으로 베이스 모듈(162)에 연결가능하다. 앞서 말한 방식으로, 만약 임의의 또는 모든 광 엔진들(104)로부터 방출되는 광의 색을 변경하는 것이 바람직하다면, 커버(204)가 제 2 옵틱 엘리먼트들(200)의 새로운 세트(set)를 포함하는 새로운 커버로 간단히 교체될 수 있다.
대안적으로, 특정 실시예들에서, 제 2 옵틱 엘리먼트(200)의 리세스(232) 안에 그 안에 부어진 깨끗한 실리콘으로 채우고, 그 후 LED 기판(160)의 부분으로서 LED 칩들(108)을 상기 깨끗한 실리콘에 삽입함으로써, 제 1 옵틱 엘리먼트(184)가 생성될 수 있다. 그 후, 전체 어셈블리(100)는 오븐(oven)에 위치하여, 깨끗한 실리콘을 가열 및 경화시키고(cure), 그리고 어셈블리를 서로 접착시킬 수 있다.
이제 도 16을 참조하면, 조명 장치(100)가 조명 시스템(250)의 부분으로서 도시된다. 조명 장치(100)에 더하여, 조명 시스템(250)은 카드 에지 리셉터클(242)을 포함할 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 카드 리셉터클(242)은 LED 조명 장치(100)를 작동시키도록 구성된 회로(244)에 전기적으로 결합되고, 회로(244)는 전원(246)에 전기적으로 결합되어, 전원(246)으로부터 전력을 공급받는다. 회로(244)는, 조명 시스템(250)을 작동시키는 소프트웨어뿐만 아니라, LED 구동기를 제어하는 컨트롤러 및 LED 드라이버와 같은 하드웨어를 포함할 수 있다.
도 17은, 본 개시에 따른 발광 다이오드(LED) 조명 장치를 조립하는 방법(1700)의 일 실시예의 블록 흐름도이다. 도시된 블록 흐름도는, 단계들의 특정 시퀀스를 포함하는 것으로서 도시되고 기술될 수 있다. 상기 도시된 단계들의 시퀀스는 단지 여기에 기술된 일반적 기능성이 어떻게 실행될 수 있는지에 대한 예시를 제공할 뿐이다. 상기 단계들은, 달리 표시되지 않는 한, 제시된 순서로 실행되어야 할 필요는 없다. 게다가, 본 개시에 따른 다른 실시예들은, 여기에 기술된 도시된 단계들 및/또는 추가적인 단계들의 부-조합(subcombination)을 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 여기에 제시된 청구항들은, 하나 이상의 도면들에서 도시되는 작동들 및/또는 컴포넌트들의 일부 또는 전부를 향할 수 있다.
도시되어 있는 예시적인 방법은, 인쇄 회로 기판에 장착된 LED 칩들의 어레이를 커버하는 제 1 옵틱 엘리먼트들의 어레이를 포함하는 제 1 서브어셈블리(subassembly)를 형성하는 단계(1702), 제 1 옵틱 엘리먼트들의 어레이 위에 놓이도록 구성된 제 2 옵틱 엘리먼트들의 어레이를 포함하는 제 2 서브어셈블리를 형성하는 단계(1704), 및 조명 장치를 제공하기 위해 제 1 서브어셈블리 및 제 2 서브어셈블리를 결합시키는 단계(1706)를 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제 2 서브어셈블리가 제 1 서브어셈블리에 제거가능하게 결합되어, 원하는 특성들을 갖는 제 2 서브어셈블리를 제 1 서브어셈블리에 결합시키는 것을 가능하게 할 수 있다. 이런 구성으로, 제 1 서브어셈블리는, 제 2 서브어셈블리의 선택에 의해 조명 장치의 광 출력의 커스터마이제이션(customization)을 가능하게 하기 위해 다양한 제 2 서브어셈블리들로 유용한 범용 어셈블리(generic assembly)일 수 있다.
따라서, 본 개시는 향상된 인쇄 회로 기판(120)을 제공하고, 분할된 도체 경로(128)가 두 가지 목적들, 즉 LED 광 엔진들(104)에 전력을 제공하는 것; 및 LED 광 엔진(104)으로부터 멀어지게 열을 전달하는 것을 수행한다. 이러한 이중 목적을 수행함에 있어, 설계의 효율이 증가되고 별개의 히트 싱크의 비용이 제거된다.
본 개시는 또한, 적합한 리셉터클(242)에 전기적으로 결합되고 물리적으로 접속 및 접속해제되어, 리셉터클(242)로부터 전력을 공급받고, 그 후 LED 칩들(108)에 전력을 전달할 뿐 아니라 LED 칩들(108)로부터 반환하도록 구성된 커넥터(132)를 갖는 조명 장치(100)를 제공한다. 전술한 방식으로, 커넥터(132)는 기계적 및 전기적 접속의 목적들을 수행한다. 이 이중 목적을 수행함에 있어, 설계의 효율이 증가되고, 별개의 전기적 및 기계적 커넥터들의 비용은 제거된다.
본 개시는 또한 제 2 옵틱 엘리먼트들(200)의 어레이를 갖는 조명 장치(100)를 제공하고, 임의의 제 2 옵틱 엘리먼트 또는 모두는 상이한 제 2 옵틱 엘리먼트들(200)로 쉽게 교체되어, 임의의 또는 모든 광 엔진들(104)로부터 방출되는 광의 색을 변경할 수 있다. 이런 방식으로, LED 조명 장치(100)의 LED 모듈(160)을 변경하지 않고서도 임의의 또는 모든 광 엔진들(104)에 의해 방출되는 광의 색이 변화될 수 있다.
본 개시에 따른 조명 장치 및 시스템은 종래 기술의 LED 광 엔진들에 비해 어떤 장점들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 본 개시에서, 제 2 옵틱 엘리먼트(200)가 제 1 옵틱 엘리먼트(184)에 의해 LED 칩(108)으로부터 분리될 수 있고, 따라서 제 2 옵틱 엘리먼트(200)의 형광체는 LED 칩(108)로부터의 열에 의해 야기되는 루멘 저하(lumen degradation)에 덜 민감할 수 있다. 게다가, 제 2 옵틱 엘리먼트(200)의 표면적이 비교적 넓을 수 있기 때문에, 스토크스 시프트(Stokes shift)로부터의 열은 넓은 면적으로 퍼질 수 있고, 따라서 광 엔진(104)의 열적 버짓이 향상될 수 있다. 이러한 타입의 LED 광 엔진(104)은, 원격 형광체 변환된 LED 광 엔진(remote phosphor converted LED light engine)으로서 지칭될 수 있다.
게다가, 여기에 개시된 분산된 어레이 접근법(distributed array approach)은 (보다 더 많은 전형적인 1 mm LED 광 엔진들 대신에) 많은 수의 0.5 mm 광 엔진들(104)을 "언더-드라이빙(under-driving)" 함으로써 LED 광 엔진(104)으로부터 원하는 효율을 타겟팅하는 애플리케이션들에서 유용할 수 있다. 일반적인 조명(illumination)에서 LED들에 대한 통상적인 하나의 접근법은, 예측 수명(예를 들어 50,000 시간)에 따라 접합 온도를 유지하면서, 가능한 적은 수의 LED 광 엔진들을 사용하고 그들을 가장 높은 허용가능한 구동 전류(highest permissible drive current)로 구동하여 필요한 루멘 출력을 충족시키는 것으로 이해된다. 이러한 접근법은 패키지(package)로부터 더 높은 총 루멘의 결과를 낳지만, 더 작은 전류에서는 보다 더 낮은 효율이 획득될 수 있다. 게다가, 더 높은 입력 전력 밀도가 더 정교한 열적 관리 전략들을 요구하는 반면에, 이 LED 광 엔진들의 높은 휘도가 글레어(glare)를 최소화하도록 처리되어야 한다. 이러한 접근법은, 효율을 희생하면서 LED 광 엔진 당 총 루멘을 최적화하고, 균일하게 분산된 광원(light source)에 LED들을 혼합하는(blend) 조명 기술자의 업무를 복잡하게 한다.
그러나, 본 개시에 따른 분산된 어레이 접근법으로, 인쇄 회로 기판(120)은 추가적인 열적 관리가 요구되지 않는, 필수적인 히트 싱크를 제공할 수 있다. 더 넓은 면적에 더 많은 LED 칩들(108)을 사용하는 것은 또한, 복잡하고 고가의 2차 옵틱들의 필요를 배제할 수 있다. 일 실시예에서, 본 개시에 따른 분산된 어레이 접근법은, 구동 전류의 선택에 의해 관리되어, (예를 들어, 더 쉬운 혼합을 위한 12-15 mm 간격에서 0.5 mm LED 칩들을 사용하여) 자연 대류(natural convection)에 의해 소멸될 수 있는 입력 전력을 초과하지 않고, 목표로 하는 모듈 효율을 성취할 수 있다. 조명 장치의 앞면으로부터의 자연 대류 및 전술한 판을 통한 냉각(thru-board cooling)에 의존함으로써, 본 개시에 따른 시스템은, 여기에 개시된 설계 장점들에 더하여 비용 이익을 제공할 수 있는, 비교적 비싸지 않은, 예를 들어, FR-4 인쇄 회로 기판(PCB)을 사용할 수 있다. 본 개시에 따른 시스템은 또한 칩-온-보드(COB; chip-on-board) 구조를 갖는 청색 LED들을 사용하여 재료들 비용을 더 감소시킬 수 있고, 백색 광으로의 변환을 위해 비교적 작은, 예를 들어, 6 mm-지름의 원격 형광체 옵틱 엘리먼트들을 통합할 수 있다.
그러므로, 본 개시의 일 양상에 따르면, 발광 다이오드(LED) 조명 장치가 제공된다. 상기 장치는, 발광 다이오드(LED) 칩들의 어레이가 장착된 인쇄 회로 기판을 포함할 수 있다. 인쇄 회로 기판은, LED 칩들의 어레이 중 적어도 일부와 전기적으로 결합시키고, 분할된 도체 경로를 전원에 전기적으로 결합시키도록 구성된 전기 접촉을 제공하도록 구성된 분할된 도체 경로를 포함할 수 있다. 제 1 옵틱 엘리먼트들의 어레이는 LED 칩들의 어레이 위에 놓일 수 있고, 이것에 의해 LED 칩들 각각은 다른 관련된 제 1 옵틱 엘리먼트들 중 하나의 발광면을 통해 제 1 파장 범위의 광을 방출하도록 구성된다. 제 2 옵틱 엘리먼트들의 어레이는 제 1 옵틱 엘리먼트들의 어레이 위에 놓일 수 있고, 이것에 의해 제 2 옵틱 엘리먼트들 각각은 제 1 파장 범위의 광을 제 1 파장 범위와는 다른 제 2 파장 범위의 광으로 변환시키도록 구성된다.
본 개시의 다른 양상에 따르면, 발광 다이오드(LED) 조명 장치를 조립하는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 인쇄 회로 기판에 장착된 LED 칩들의 어레이를 커버하는 제 1 옵틱 엘리먼트들의 어레이를 포함하는 제 1 서브어셈블리를 형성하는 단계; 제 1 옵틱 엘리먼트들의 어레이 위에 놓이도록 구성되는 제 2 옵틱 엘리먼트들의 어레이를 포함하는 제 2 서브어셈블리를 형성하는 단계; 및 제 1 서브어셈블리 및 제 2 서브어셈블리를 결합시키는 단계를 포함한다.
본 개시의 또 다른 양상에 따르면, 발광 다이오드(LED) 칩들의 어레이가 장착된 인쇄 회로 기판을 포함하는 발광 다이오드(LED) 조명 시스템이 제공된다. 상기 인쇄 회로 기판은, LED 칩들의 어레이 중 적어도 일부를 전기적으로 결합시키도록 구성되는 분할된 도체 경로를 포함한다. 인쇄 회로 기판의 일부는 카드 에지 커넥터를 형성한다. 상기 카드 에지 커넥터는 분할된 도체 경로를 전원에 전기적으로 결합시키도록 구성되는 전기 접촉을 제공하는 분할된 도체 경로의 일부를 포함한다.
여기에 쓰인 용어들 및 표현들은 제한이 아닌, 설명의 용어들로서 사용되고, 그러한 용어들 및 표현들의 사용에 있어서, 도시되고 설명된 특징들과 임의의 동등한 의미들(또는 그것의 일부들)을 배제하는 의도는 없으며, 청구항들의 범위 내에서 다양한 수정들(modifications)이 가능함이 인정된다. 다른 수정들, 변형들, 및 대안들이 또한 가능하다.

Claims (20)

  1. 발광 다이오드(LED) 조명 시스템으로서,
    발광 다이오드(LED) 칩들의 어레이가 장착된 적어도 하나의 인쇄 회로 기판을 포함하는 조명 장치 ― 상기 인쇄 회로 기판은 상기 LED 칩들의 어레이 중 적어도 일부를 전기적으로 결합시키도록 구성되는 분할된(segmented) 도체 경로를 포함함 ―; 및
    카드 에지 커넥터(card edge connector)를 형성하는 상기 인쇄 회로 기판의 일부 ― 상기 카드 에지 커넥터는 상기 분할된 도체 경로를 전원에 전기적으로 결합시키도록 구성되는 전기 접촉을 제공하는 상기 분할된 도체 경로의 일부를 포함함 ―
    를 포함하는,
    발광 다이오드(LED) 조명 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 카드 에지 커넥터와 결합시키기 위해 적어도 하나의 카드 에지 리셉터클(card edge receptacle)을 더 포함하고, 상기 카드 에지 커넥터는 상기 카드 에지 리셉터클로 접속되고 그리고 상기 카드 에지 리셉터클로부터 접속해제되도록 구성되는,
    발광 다이오드(LED) 조명 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 카드 에지 리셉터클은 조명 기구의 부분을 형성하고, 상기 조명 기구는 상기 조명 장치를 작동시키기 위한 회로를 포함하는,
    발광 다이오드(LED) 조명 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 인쇄 회로 기판은 유전체 기판을 갖는,
    발광 다이오드(LED) 조명 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 분할된 도체 경로는 전기적 직렬로 상기 LED 칩들의 적어도 일부를 전기적으로 결합시키도록 구성되는,
    발광 다이오드(LED) 조명 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 분할된 도체 경로는 상기 발광 다이오드(LED) 칩들의 어레이가 장착되는 것과 동일한, 상기 인쇄 회로 기판의 면으로부터 열을 발산시키도록 구성되는,
    발광 다이오드(LED) 조명 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 분할된 도체 경로는 전기적으로 절연성인 코팅을 통해서 열을 발산하도록 구성되는,
    발광 다이오드(LED) 조명 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 분할된 도체 경로는 솔더 마스크(solder mask)를 통해서 열을 발산하도록 구성되는,
    발광 다이오드(LED) 조명 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 분할된 도체 경로는 각각의 LED 칩들에 섭씨 125도 보다 낮은 최대 접합 온도(maximum junction temperature)를 제공하도록 구성되는,
    발광 다이오드(LED) 조명 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 조명 장치는,
    다수의 인쇄 회로 기판들 ― 각각의 인쇄 회로 기판에는 발광 다이오드(LED) 칩들의 어레이가 장착되고, 각각의 인쇄 회로 기판은 상기 LED 칩들의 어레이의 적어도 일부를 전기적으로 결합시키도록 구성되는 분할된 도체 경로를 포함함 ―; 및
    카드 에지 커넥터를 형성하는 각각의 인쇄 회로 기판의 일부 ― 상기 카드 에지 커넥터는 상기 분할된 도체 경로를 전원에 전기적으로 결합시키도록 구성되는 전기 접촉을 제공하는 상기 분할된 도체 경로의 일부를 포함함 ―
    를 포함하는,
    발광 다이오드(LED) 조명 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 다수의 카드 에지 커넥터들과 결합하기 위한 다수의 카드 에지 리셉터클들을 더 포함하는,
    발광 다이오드(LED) 조명 시스템.
  12. 발광 다이오드(LED) 조명 시스템을 제공하는 방법으로서,
    조명 장치를 제공하는 단계 ― 상기 조명 장치는
    발광 다이오드(LED) 칩들의 어레이가 장착된 인쇄 회로 기판 ― 상기 인쇄 회로 기판은 상기 LED 칩들의 어레이 중 적어도 일부를 전기적으로 결합시키도록 구성되는 분할된 도체 경로를 포함함 ―; 및
    카드 에지 커넥터를 형성하는 상기 인쇄 회로 기판의 일부 ― 상기 카드 에지 커넥터는 상기 분할된 도체 경로를 전원에 전기적으로 결합시키도록 구성되는 전기 접촉을 제공하는 상기 분할된 도체 경로의 일부를 포함함 ― 를 포함함 ―;
    카드 에지 리셉터클을 제공하는 단계 ― 상기 카드 에지 리셉터클은 상기 카드 에지 커넥터와 기계적으로 및 전기적으로 결합하도록 구성되고, 상기 카드 에지 리셉터클은 카드 에지 커넥터 전기 접촉과 전기적으로 결합하고, 상기 전원으로부터 상기 조명 장치에 전력을 제공하기 위해 전기 접촉을 포함함 ―; 및
    상기 카드 에지 커넥터 전기 접촉이 카드 에지 리셉터클 전기 접촉과 접촉하도록, 상기 카드 에지 커넥터를 상기 카드 에지 리셉터클에 기계적으로 및 전기적으로 결합시키는 단계
    를 포함하는,
    발광 다이오드(LED) 조명 시스템을 제공하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 카드 에지 리셉터클은 상기 카드 에지 커넥터를 수용하는 슬롯을 포함하고, 상기 카드 에지 리셉터클 전기 접촉은 상기 슬롯 안에 있는,
    발광 다이오드(LED) 조명 시스템을 제공하는 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 카드 에지 커넥터는 상기 카드 에지 리셉터클에 접속되고 그리고 상기 카드 에지 리셉터클로부터 접속해제되도록 구성되는,
    발광 다이오드(LED) 조명 시스템을 제공하는 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 카드 에지 커넥터는 상기 인쇄 회로 기판의 한 면에서 돌출되는,
    발광 다이오드(LED) 조명 시스템을 제공하는 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 카드 에지 리셉터클은 조명 기구의 부분을 형성하고, 상기 조명 기구는 상기 조명 장치를 작동시키기 위한 회로를 포함하는,
    발광 다이오드(LED) 조명 시스템을 제공하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 조명 기구는 하우징을 포함하고, 상기 카드 에지 리셉터클은 상기 하우징 안에서 고정되는,
    발광 다이오드(LED) 조명 시스템을 제공하는 방법.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 인쇄 회로 기판은 유전체 기판을 갖는,
    발광 다이오드(LED) 조명 시스템을 제공하는 방법.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 분할된 도체 경로는 전기적 직렬로 상기 LED 칩들의 적어도 일부를 전기적으로 결합시키도록 구성되는,
    발광 다이오드(LED) 조명 시스템을 제공하는 방법.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 분할된 도체 경로는 상기 발광 다이오드(LED) 칩들의 어레이가 장착되는 것과 동일한, 상기 인쇄 회로 기판의 면으로부터 열을 발산시키도록 구성되는,
    발광 다이오드(LED) 조명 시스템을 제공하는 방법.
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