KR20160031145A

KR20160031145A - 면광원 uv led 램프와 그 제조방법

Info

Publication number: KR20160031145A
Application number: KR1020140120467A
Authority: KR
Inventors: 김재조; 신선웅
Original assignee: 서울바이오시스 주식회사
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2016-03-22
Also published as: TWI593915B; CN105423234A; CN107606583B; CN107606583A; US20160076726A1; KR102256589B1; TW201619547A; CN105423234B; US9506623B2

Abstract

본 발명은 UV LED 램프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가장 간단한 구조로 점광원의 UV LED 광을 면광원화하여 출사시키는 램프에 관한 것이다.
본 발명의 UV LED 램프는, 커버를 이루는 PMMA 또는 석영의 내면과 외면을 각각 조면 처리(roughening) 처리함으로써, 커버의 내면을 통해 들어오는 자외선의 굴절과 확산이 크게 이루어지도록 하며, 내면을 통해 입사된 자외선을 커버에서 외면을 통해 외부로 방출할 때 한번 더 굴절과 확산이 일어나도록 함으로써, 점광원인 자외선을 확실히 면광원화되도록 하였고, 이에 더불어, 커버 외면에서 일어나는 반사 비율을 커버 내면에서 일어나는 반사 비율보다 작도록 하여 커버에서 외면을 통해 방출되는 자외선이 외면에서 반사되는 현상을 줄임으로써 자외선의 투과율을 높이고, 또한 커버의 외면에서 반사된 자외선이 내면에서 다시 반사되는 현상을 높임으로써 자외선이 램프 안쪽으로 돌아가 소실되지 않고 다시 커버의 외면 쪽으로 입사되도록 하여, 점광원을 면광원화하면서도 이에 따라 소실되는 자외선 양을 줄일 수 있도록 하였다.

Description

면광원 UV LED 램프와 그 제조방법{UV LED Lamp Having Surface Lighting Source and Manufacturing Method thereof}

본 발명은 UV LED 램프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 간단한 구성과 구조만으로 점광원의 UV LED 광을 면광원화하는 UV LED 램프와 그 제조방법에 관한 것이다.

UV 광원은 살균, 소독 등의 의료 목적, 조사된 UV 광의 변화를 이용한 분석 목적, UV 경화의 산업용 목적, UV 태닝의 미용목적, 포충, 위폐검사 등의 다양한 목적으로 사용되고 있다.

이러한 UV 광원으로 사용되는 전통적인 UV 광원 램프는 수은 램프(mercury lamp), 엑시머 램프(excimer lamp), 중수소 램프(deuterium lamp) 등이 있었다. 하지만 이러한 종래의 램프들은 모두 전력소모와 발열이 심하고, 수명이 짧으며, 내부에 충진되는 유독가스로 인해 환경이 오염된다는 문제가 있었다.

상술한 종래의 UV 광원 램프들이 가지고 있는 문제를 해결하기 위해 UV LED가 각광을 받아오고 있다. UV LED는 전력소모가 적고, 환경오염의 문제가 없는 장점이 있다. 그런데, UV 영역에서 발광하는 LED 패키지의 제조비용은 가시광선에서 발광하는 LED 패키지의 제조비용 보다 상당히 높고, UV 광의 특성에 의해 LED 패키지를 이용한 다양한 응용제품들이 개발되지 못하고 있는 실정이다.

일례로 UV LED를 이용한 램프제품을 만들기 위해서는 이하의 사항을 고려해야 하는데, 그 중 하나는 램프 커버와 관련된 것이다. UV LED 칩을 사용하여 램프를 제작하기 위해서는 UV LED 칩을 덮어 칩을 보호하면서도 UV 광을 투과하기 위한 적절한 투명소재의 램프 커버가 필요한데, 석영(유리)의 경우 단파장의 UV 광을 투과시킬 수 있지만 깨지기 쉬운 성질로 인해 취급상의 주위가 요할 뿐 아니라, 성형성이 매우 떨어지고 방열성능이 좋지 않다는 문제가 있다.

이에 대해, 석영에 비해 성형성이 좋고 취급이 쉬우며 내구성이 좋은 폴리머를 생각할 수 있겠지만, 폴리머는 그 분자 구조상 원자핵 주위에 존재하며 UV에 해당하는 공진주파수를 갖는 전자구름(electron cloud)에 의해 400nm 이하 파장(자외선 파장 영역)의 광이 흡수되어 광 투과율이 현저히 떨어질 뿐만 아니라 자외선에 의해 재질 자체가 열화되기 때문에 폴리머를 램프 커버로 사용하기에는 적절하지 않은 문제가 있다. 그런데, 순수한 PMMA(poly methyl methacrylate)는 주로 탄소와 수소로 구성되어 전자구름이 희박하기 때문에 UV 투과율이 높은 것으로 알려져 있다.

다음으로 고려해야 할 것은 LED의 배광 특성과 관련한 것이다. 앞서 언급한 순수한 PMMA는 투명한 소재이기 때문에 UV LED 램프의 투명커버로 사용할 경우 광원 및 회로부가 외부에 노출되어 미관상 좋지 않은데, 이와 더불어, LED 배광 특성으로 인해 광원부위가 집중적으로 밝게 보일 수밖에 없어 균일한 조명을 구현하기가 어렵다. 그렇다고 균일한 조명을 이루기 위해 LED를 보다 조밀하게 배치하게 되면 UV LED 패키지의 높은 가격 때문에 UV LED 램프의 가격이 더욱 상승하는 문제가 있다.

뿐만 아니라, UV LED 램프를 포충 램프로 사용하는 경우 핫스팟에 의해 곤충의 유인효과가 떨어지는 문제가 있었다. 또한 UV 경화 등의 상업용 목적이나 태닝의 미용 목적에 있어서도 균일한 UV 면광원이 점광원들보다 더 바람직하기 때문에, UV LED 램프의 면광원화에 대한 요구는 높아지고 있다.

이러한 점들로 인해 점광원인 UV LED 램프를 면광원화하는 것이 UV LED 분야의 적용분야를 비약적으로 증가시키는 열쇠라고 할 수 있다.

한편 가시광선 영역의 LED 점광원을 면광원화하는 기술은 이미 보편화되어 있는데, 이들 기술은 대부분 도광판, 확산판이나 필름류의 확산제를 사용하여 점광원이나 선광원을 면광원화 한다. 하지만 이러한 방식을 자외선 영역에 그대로 적용하고자 하여도, 통상적인 PC(polycarbonate)계열의 확산제는 UV 광을 흡수해버려, 외부로 방출되는 자외선의 양을 현격하게 줄여버림은 물론, 자외선에 의해 황변이 일어나는 등 열화가 급격히 진행되어, 변색 내지 변성에 의해 광원을 사용할 수 없게 되어버린다는 문제가 있다.

그렇다고 LED 백라이트 TV 등에 사용되는 점광원 LED를 면광원화하기 위해 사용하던 확산판, 도광판 등의 구조를 단순한 LED 램프에 적용한다는 것 역시 쓸데 없이 구조를 복잡하게 만들어버리고 제조비용을 높이는 등, 종래의 UV 램프를 UV LED 램프로 교체하는 의미를 무색하게 만들어 버리는 문제가 있다.

본 발명은 자외선 투과율이 좋은 투명 재질의 석영이나 PMMA를 사용하여 UV LED 램프를 구성함에 있어서, 복잡한 구성 없이 간단하게 면광원을 방출할 수 있는 UV LED 램프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 자외선을 면광원화하며 발생할 수 있는 광 투과율 저하를 줄일 수 있는 UV LED 램프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 커버를 이루는 PMMA 또는 석영의 내면과 외면을 각각 조면 처리(roughening) 처리함으로써, 커버의 내면을 통해 들어오는 자외선의 굴절과 확산이 크게 이루어지도록 하며, 내면을 통해 입사된 자외선을 커버에서 외면을 통해 외부로 방출할 때 한번 더 굴절과 확산이 일어나도록 함으로써, 점광원인 자외선을 확실히 면광원화되도록 하였다.

또한 본 발명은 이에 더불어, 커버 외면에서 일어나는 반사 비율을 커버 내면에서 일어나는 반사 비율보다 작도록 하여 커버에서 외면을 통해 방출되는 자외선이 외면에서 반사되는 현상을 줄임으로써 자외선의 투과율을 높이고, 또한 커버의 외면에서 반사된 자외선이 내면에서 다시 반사되는 현상을 높임으로써 자외선이 램프 안쪽으로 돌아가 소실되지 않고 다시 커버의 외면 쪽으로 입사되도록 하여, 점광원을 면광원화하면서도 이에 따라 소실되는 자외선 양을 줄일 수 있도록 하였다.

이에 따라 본 발명은, UV LED 칩(70); 상기 UV LED 칩이 실장된 PCB 기판(60); 및 상기 UV LED 칩과 이격되어 설치되며 상기 UV LED 칩이 발산하는 점광원의 자외선을 면광원의 자외선으로 확산시키는 커버(10);를 포함하는 UV LED 램프로서, 상기 커버에 있어서 상기 UV LED 칩과 마주하는 내면(12)과, 상기 내면의 이면인 외면(16)은 조면 처리(roughening)가 되어 있으며, 상기 조면 처리된 내면에서 발생하는 전반사 비율이 상기 조면 처리된 외면에서 발생하는 전반사 비율보다 더 큰 것을 특징으로 하는 UV LED 램프를 제공한다.

또한 본 발명은, 상기 커버의 외면(16)에서 기준거리(L)에 대한 중심선평균거칠기(Ra_O)를 해당 기준거리(L) 내의 요철평균간격(Sm_O) 값으로 나눈 값(T_O)이, 상기 커버의 내면(12)에서 기준거리(L)에 대한 중심선평균거칠기(Ra_I)를 해당 기준거리(L) 내의 요철평균간격(Sm_I) 값으로 나눈 값(T_I)보다 작은 것을 특징으로 하는 UV LED 램프를 제공한다.

또한 본 발명은, 상기 두 값이 T_I>1.5T_O를 만족하는 것을 특징으로 하는 UV LED 램프를 제공한다.

또한 본 발명은, 상기 커버(10)의 재질은 PMMA인 것을 특징으로 하는 UV LED 램프를 제공한다.

또한 본 발명은, 상기 PMMA는 MMA 단량체 단위를 85 내지 100 중량% 포함하는 아크릴 중합체인 것을 특징으로 하는 UV LED 램프를 제공한다.

또한 본 발명은, 상기 커버의 재질은 석영인 것을 특징으로 하는 UV LED 램프를 제공한다.

또한 이에 따라 본 발명은, UV LED 램프에 사용되며, UV LED 칩과 이격되어 설치되어 상기 UV LED 칩이 발산하는 점광원의 자외선을 면광원의 자외선으로 확산시키는 커버(10)의 제조 방법으로서, 상기 커버에 있어서 상기 UV LED 칩과 마주하는 내면(12)과, 상기 내면의 이면인 외면(16)을 조면 처리(roughening)하되, 상기 커버의 외면(16)에서 기준거리(L)에 대한 중심선평균거칠기(Ra_O)를 해당 기준거리(L) 내의 요철평균간격(Sm_O) 값으로 나눈 값(T_O)이, 상기 커버의 내면(12)에서 기준거리(L)에 대한 중심선평균거칠기(Ra_I)를 해당 기준거리(L) 내의 요철평균간격(Sm_I) 값으로 나눈 값(T_I)보다 작도록 조면 처리되는 것을 특징으로 하는 UV LED 램프의 커버 제조 방법을 제공한다.

또한 본 발명은, 상기 커버(10)의 재질은 PMMA로서, 커버가 압출 성형된 후 압출된 커버의 내면과 외면에 샌드 블라스트 처리가 이루어지는 것을 특징으로 하는 UV LED 램프의 커버 제조 방법을 제공한다.

또한 본 발명은, 상기 커버(10)의 재질은 PMMA로서, 커버의 형상을 가지는 몰드에 있어서 커버의 내면이 형성되는 면과 커버의 외면이 형성되는 면에 샌드 블라스트 처리가 이루어지고, 상기 샌드 블라스트 처리가 이루어진 몰드에 PMMA를 사출하여 커버를 성형하는 것을 특징으로 하는 UV LED 램프의 커버 제조 방법을 제공한다.

또한 본 발명은, 상기 커버(10)의 재질은 석영이고, 석영을 커버 형상으로 성형한 후 커버의 내면과 외면에 샌드 블라스트 처리가 이루어지는 것을 특징으로 하는 UV LED 램프의 커버 제조 방법을 제공한다.

또한 본 발명은, 상기 커버의 내면에 대한 연마사의 분사 속도가 외면에 대한 연마사의 분사 속도보다 큰 것을 특징으로 하는 UV LED 램프의 커버 제조 방법을 제공한다.

또한 본 발명은, 상기 커버의 내면과 외면에 대해 동일한 연마사 군으로 샌드 블라스트 처리가 이루어지는 것을 특징으로 하는 UV LED 램프의 커버 제조 방법을 제공한다.

또한 본 발명은, 상기 커버의 내면에 대한 샌드 블라스트 처리에 사용되는 연마사 군의 평균 직경이 상기 커버의 외면에 대한 샌드 블라스트 처리에 사용되는 연마사 군의 평균 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 UV LED 램프의 커버 제조 방법을 제공한다.

또한 본 발명은, 상기 조면 처리는 화학적 처리를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 UV LED 램프의 커버 제조 방법을 제공한다.

또한 본 발명은, 상기 두 값이 T_I>1.5T_O 를 만족하는 것을 특징으로 하는 UV LED 램프의 커버 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 점광원의 확산을 위한 별도의 구성 없이 커버 자체가 확산판이 되도록 함으로써 램프의 구조를 단순하게 하면서도 확실히 면광원화하고, 아울러 자외선의 투과율을 최대한 유지할 수 있어 UV LED 램프의 활용 범위를 크게 확대할 수 있는 효과를 가진다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 본 발명에 따른 UV LED 램프의 일실시예를 도시한 단면도,
도 2는 광의 파장에 따른 각종 재질의 굴절율을 나타낸 도표,
도 3은 본 발명의 램프 커버의 확대도로서, 커버 내면에 자외선이 입사되는 상태를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 램프 커버의 확대도로서, 커버 외면에 자외선이 입사되어 방출되는 상태를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 램프 커버의 내면과 외면에서 반사가 나타나는 것을 도식화한 도면, 그리고
도 6은 본 발명에 따라 조면 처리된 표면의 형상을 확대 도식화한 도면이다.

본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

이하, 상기한 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 구체적으로 살펴보기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 UV LED 램프의 일실시예를 도시한 단면도로서, 도시된 바와 같이, 본 발명의 UV LED 램프는 UV LED 칩(70), 상기 UV LED 칩(70)이 실장된 PCB 기판(60), 상기 PCB 기판(60)을 지지하며 내부에 히트 싱크와 전기 제어 회로 등이 설치된 하우징(80), 및 상기 하우징에 의해 지지되며 UV LED 칩을 이격된 위치에서 덮는 커버(10)를 포함한다.

이러한 UV LED 램프는 형광등과 같이 긴 봉 형상의 것일 수도 있고, 벌브와 같이 백열등 형태로 이루어질 수도 있다.

커버(10)의 재질은 투명하면서도 자외선 투과율이 높은 재질로 이루어진다. 바람직한 실시예에서 상기 커버의 재질은 PMMA임이 바람직하다. 모든 종류의 PMMA가 자외선 투과율이 좋은 것은 아니며, 메틸메타크릴레이트(MMA) 단량체 단위를 85~100중량% 포함하는 아크릴 중합체와 같이 첨가물의 첨가량이 매우 적은 순수 아크릴에 가까울수록 자외선 투과율이 더욱 뛰어난 것으로 확인되었다.

다만 PMMA의 투과율을 높이기 위한 특수 아크릴은, 일반적인 폴리머와 대비하였을 때 성형성이 좋은 편은 아니어서, 통상적인 폴리머에 비해 제작 과정이 까다로울 수 있지만, 투과율이 높다는 점, 강도가 좋고 잘 깨지지 않아 취급이 쉽다는 점을 감안하면 UV LED 램프의 커버 재질로서 매우 합리적이라 하겠다.

또한 석영 또한 커버의 재질로서 선택될 수 있다. 석영은 어떠한 파장 영역에서도 광 투과율이 높다는 점에서 이상적이지만, 제작이 어렵고 취성이 매우 커 취급시 주의를 요한다는 점에서 폴리머보다 신중해야 하는 면이 있다.

한편, 가시광선 영역에서와 달리 본 발명에서 별도의 확산판과 같은 구조 없이 커버 자체에 후술할 조면 처리(roughening)를 하여 점광원을 면광원화할 수 있는 것은, 광의 파장에 따른 각종 재질의 굴절율을 나타낸 도표인 도 2에 도시된 바와 같이, 동일한 재질에 대해서도 이를 통과하는 광의 파장이 줄어들수록 굴절율이 커지고, 파장이 더 짧아질수록 굴절율의 증가율은 비약적으로 커지는 현상에 근거한다. 즉, 자외선 영역에서 면광원화를 함에 있어서 다른 구조나 구성 없이 커버 자체에 샌딩 처리를 하는 것만으로 면광원화가 가능한 것은, 자외선은 파장이 굉장히 짧아 굴절율이 상당히 크다는 점에 기인한 것이다.

하지만 이러한 자외선의 성질로 인해 자외선을 면광원화 함에 있어서 새로운 난관에 봉착하게 되었는데, 이는 가시광선에 비해 자외선 영역에서는 조면 처리된 표면으로 통해 자외선이 투과되는 효율이 많이 떨어진다는 것이다. 이는 굴절율이 클수록 전반사가 일어나기 시작하는 임계각이 점점 작아지기 때문인데, 즉 자외선은 파장이 짧아 굴절율이 크고 이에 따라 반사도 잘 일어나기 때문에, 자외선이 조면 처리된 커버 외면을 통과하고자 할 때 반사가 많이 일어나 광 투과율이 떨어지는 현상이 발생함을 확인하였다.

이처럼 자외선 영역에서 굴절율이 커지는 현상은, 별다른 구성 없이 커버의 양면을 샌딩 처리하는 것만으로도 면광원화가 어느 정도 가능하다는 점에서 유리한 것이지만, 한편으로는 자외선이 커버로부터 외부로 방출될 때 반사되는 비율도 높게 만들어 광 손실이 커지는 불리한 점도 있다는 것에 주목할 필요가 있다.

이러한 현상에 대해, 본 발명에서는 이하와 같은 방법으로 면광원화와 광투과 효율 확보라는 두 가지 과제를 해결하게 되었다.

도 3은 본 발명의 램프 커버의 확대도로서, 커버 내면에 자외선이 입사되는 상태를 나타낸 도면, 도 4는 본 발명의 램프 커버의 확대도로서, 커버 외면에 자외선이 입사되어 방출되는 상태를 나타낸 도면, 그리고 도 5는 본 발명에 따른 램프 커버의 내면과 외면에서 반사가 나타나는 것을 도식화한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 UV LED 램프의 커버(10)는 UV LED 칩(70)과 마주하는 내면(12)과 램프의 외부를 향해 있는 외면(16), 그리고 내면과 외면 사이의 매질 부분으로 구분된다.

먼저 UV LED 칩(70)에서 방출되는 자외선은 커버(10)의 내면(12)을 통해 커버에 입사하게 된다. 커버의 내면은 조면 처리가 되어 있어 그 표면이 가령 도 6과 같은 형태를 이루고 있다. 따라서 내면(12)을 통해 입사되는 자외선들은 일정 수준 이상의 조도가 있는 내면의 형상에 의해 도 3과 같이 난 굴절이 이루어져 마치 산란이나 확산이 이루어지는 효과를 가지게 된다.

다음으로 내면(12)을 통해 입사된 자외선들은 커버(10)를 이루는 매질을 통과하고, 도 4에 도시된 바와 같이 외면(16)에 이르게 된다. 외면(16) 또한 도 6에 도시된 바와 같이 조면 처리되어 있으므로, 외면(16)에 이르게 된 자외선 역시 도 4에 도시된 것처럼 한번 더 산란 굴절하며 출사되어 확산이 다시 한번 이루어지는 효과를 가지게 된다.

여기서 본 발명은 단순히 커버(10)의 내면(12)과 외면(16)을 조면 처리하여 UV 점광원의 면광원화를 도모한다는 점에서 더 나아가, 조면 처리된 커버(10)에서 면광원화가 이루어지면서 발생하는 자외선의 소실을 줄이고자 두 면에서의 반사율 정도를 조정하여 자외선 투과율의 손실을 줄인 것을 특징으로 한다. 즉 본 발명은, 밀한 매질인 커버(10)에서 그 밖으로 자외선이 나가려고 할 때, 커버(10)의 외면(16)에서는 반사가 적게 일어나고, 내면(12)에서는 반사가 많이 일어나게 함으로써, 커버(10) 매질 속을 통과하는 자외선이 외면(16)을 통해 외부로 빠져나가는 비중을 늘이고 도 5와 같이 외면(16)에서 다시 반사되어 되돌아가는 비중을 줄이며, 외면(16)에서 반사되어 다시 내면(12) 쪽으로 오게 된 자외선들은 도 5와 같이 내면(12)에서 다시 반사되어 외면(16) 쪽으로 되돌아가도록 함으로써, 전체적으로 자외선의 투과율을 높게 한 것이다.

도 6은 본 발명에 따라 조면 처리된 표면의 형상을 확대 도식화한 도면으로서, 이하 도 6을 참조하여, 본 발명에서 조면의 거칠기 정도에 따라 반사가 일어나는 정도를 어떻게 정량적 또는 정성적으로 분석하고 있는지, 또 이를 통해 자외선의 투과율을 어떻게 향상시킬 수 있는지 살펴본다.

하지만 이에 앞서, 먼저, 중심선평균거칠기(Ra; centerline average roughness)의 개념에 대해 간단히 설명할 필요가 있어 이에 대해 간단히 언급하고자 한다.

거칠기의 피측정면의 평균 표면에 수직으로 피측정면을 절단하였을 때 그 단면에 나타나는 피측정면의 윤곽을 단면곡선(profile)이라 하는데, 이는 도 6에 도시된 곡선과 같은 형태가 된다.

그리고 기준길이 내에서 평균 단면곡선과 평행한 직선을 그었을 때, 이 직선과 단면곡선으로 둘러싸인 부분 중 직선의 윗부분(산)의 면적과 직선의 아랫부분(골)의 면적이 같게 되는 곡선을 기하학적 중심선(graphical centerline)이라 하며, 이는 도 6에 도시된 중심선(C)와 같다.

여기서 기준길이(L; roughness sampling length)라 함은 거칠기의 평균을 계산하기 위해 정한 기준이 되는 길이를 말한다.

중심선평균거칠기(Ra)는 중심선(C)에서 표면의 단면곡선까지 길이의 절대값들의 기준 길이 내에서의 평균값으로, 도 6에서 산과 골의 면적의 합을 기준길이(L)로 나눈 값이 중심선평균거칠기가 되며 단위는 μm(micrometer)이다.

한편, 거칠기 간격(roughness spacing)은 기준길이 내에서 거칠기를 측정할 때 인접한 산과 산 사이의 평균거리를 의미한다. 이는 주로 요철평균간격(Sm, mean width of the profile elements)으로 나타내는데, 도 6에 도시된 바와 같이 하나의 산(골)이 중심선(C)과 교차하는 점에서 이웃하는 산(골)의 대응점까지의 거리의 합을 산술 평균한 값을 mm(millimeter)로 나타낸 것이다.

이러한 중심선평균거칠기(Ra)는 거칠기의 단면곡선에 대한 정보를 주지는 못한다. 가령 도 6의 (c)는 도 6의 (a)와 비교하였을 때 같은 파형이지만 폭이 1/2인 단면곡선이 2회 반복된 형태로서, 이러한 경우 도 6의 (c)와 도 6의 (a)의 중심선평균거칠기(Ra)는 같다. 하지만 도 6(c)는 요철평균간격(Sm)이 도 (a)의 1/2이 된다.

한편 도 6의 (b)를 살펴보면, 도 6의 (b)는 도 6의 (a)와 요철평균간격(Sm)은 같지만, 평균 높이가 1/3 수준이어서 중심선평균거칠기(Ra) 값 역시 도 6의 (a)의 1/3이 된다.

밀한 매질에서 소한 매질로 가는 경계부분에 빛이 입사될 때, 빛의 입사각이 임계각보다 크면 전반사가 일어난다. 또한 밀한 매질에서 소한 매질로 가는 경계부분에 입사되는 빛은 빛의 입사각이 임계각보다 크기 않더라도 그 일부가 반사된다. 즉 매질의 경계면에 빛이 비스듬히 갈수록 반사가 잘 일어나고 매질의 경계면에 빛이 수직으로 들어갈수록 반사는 잘 안 일어난다.

본 발명에서는 자외선이 다양한 방향으로 산란되면서 매질의 경계에 다다르지만, 이를 평균적으로 보았을 때 도 6의 (b)와 같은 경계면 형태보다는 도 6의 (c)와 같은 경계면 형태에서 반사가 더 많이 일어남을 직관적으로 알 수 있다. 즉 거칠기 단면곡선의 기울기가 클수록, 다시 말하면 경사가 심하면 심할수록 밀한 매질에서 소한 매질로 가는 경계면에서 반사는 더 많이 일어난다고 할 수 있다.

따라서 조면 처리가 된 커버의 외면과 내면에 있어서, 외면의 조면은 도 6의 (b)에 가까울수록, 그리고 내면의 조면은 도 6의 (c)에 가까울수록, 외면에서는 반사가 적게 일어나고 내면에서는 반사가 많이 일어나게 된다.

앞서 도 6의 단면곡선을 분석한 사항을 종합하면, 다음과 같이 정리할 수 있다.

	Ra	Sm	T=Ra/Sm
도 6의 (a)의 단면곡선	R	S	R/S
도 6의 (b)의 단면곡선	R/3	S	(1/3)*(R/S)
도 6의 (c)의 단면곡선	R	S/2	2*(R/S)

여기서 T는 거칠기 단면곡선의 기울기를 대표하는 값이라고 볼 수 있다. 역으로 말하면 T 값이 클수록 기울기가 커져서 밀한 매질에서 소한 매질로 갈 때 경계면에서 반사율이 커진다는 것이다.

이처럼 조면 처리된 경계면의 밀한 매질에서 소한 매질로 빛이 입사할 때의 반사율은 기울기와 직접적으로 관련되어 있으므로, 조면의 반사율은 중심선평균거칠기와 요철평균간격 중 어느 하나의 값으로만 대표할 수는 없으며, 중심선평균거칠기와 비례하고, 요철평균간격에 반비례하는 것을 확인할 수 있다(T∝Ra/Sm).

따라서 내면(12)의 중심선평균거칠기(Ra)를 외면(16)의 거칠기보다 크게 할수록, 그리고 내면(12)의 요철평균간격(Sm)을 외면(16)의 요철평균간격보다 좁게 할수록 커버의 자외선 투과율은 높아진다.

상술한 사항은 단면 곡선이 계단형과 같은 형태가 아니라 파형처럼 이루어짐을 전제로 설명한 것인데, 실제 빛의 확산을 위한 정도의 수치 단위(수~수백 마이크로미터)에서 물리적 또는 화학적 조면 처리를 할 경우, 거의 항상 파형과 같은 단면 곡선이 형성되므로, 이러한 전제는 현실에 적절히 부합된다.

이하에서는 이러한 조면 처리를 어떻게 하여 위와 같은 조건에 부합하는 표면 가공을 하는지 그 방법들에 대해 설명한다.

샌딩 가공은 샌드 블라스트 등으로 피가공물의 표면에 고속으로 샌딩 입자 내지 연마사를 분사하여 표면과 충돌시킴으로써 표면에 입자가 부딪힌 흔적을 남겨, 결과적으로 표면에 일정 수준의 조도를 형성하는 가공이다.

본 발명은 커버(10)의 내면(12)과 외면(16)을 동일한 연마사로 샌딩가공하되, 내면을 샌딩 가공할 때 분사속도를 외면을 샌딩 가공할 때보다 더 크게 함으로써 표면 거칠기에 의도적으로 차이를 둔 것을 특징으로 한다. 특히 동일한 연마사로 서로 다른 분사속도를 주어 표면 가공을 하게 되면 도 6의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이 거칠기의 간격은 거의 동일하면서도 산의 높이와 골의 깊이에 차이가 생기게 됨을 확인할 수 있었다.

즉 고속으로 샌드 블라스트 처리가 이루어진 커버 내면(12)은 동일한 요철평균간격에 대해 도 6의 (a)와 같이 중심선평균거칠기가 크게 되어 단면 곡선의 경사도가 큰 반면, 상대적으로 저속으로 샌드 블라스트가 이루어진 외면(16)은 도 6의 (b)와 같이 동일한 요철평균간격에 대해 중심선평균거칠기가 작게 되어 단면 곡선의 경사도가 상대적으로 작게 된다.

이와 같이 커버를 제작할 경우에는, 커버(10)의 외면(16)의 경사각이 내면(12)보다 작기 때문에 상대적으로 반사율이 낮아지고, 일단 외면(16)을 통과하지 못하고 반사된 빛이 다시 내면(12) 쪽으로 입사될 때에는 내면(12)에 형성된 보다 큰 경사각에 의해 내면(12)에서 다시 반사가 일어나도록 함으로써, 외면에서 반사된 자외선이 다시 외면을 향해 반사되는 정도가 커져서, 전체적으로 커버를 통과하는 자외선의 투과율이 높아지게 된다.

또한, 본 발명은 커버(10)의 내면(12)과 외면(16)을 샌딩가공하되, 외면을 샌딩 가공하는 연마사 군(群)의 평균직경이 내면을 샌딩 가공하는 연마사 군의 평균직경보다 크게 하여, 외면(16)의 조면의 요철평균간격을 내면의 요철평균간격보다 크게 하여 반사율을 조절할 수 있다.

이와 같이 커버에 조면 처리를 할 경우에는 외면이 도 6의 (a)와 같은 형태이면서, 내면이 도 6의 (c)와 같은 형태일 수 있다. 따라서 자외선 투과율은 높아지게 된다.

그리고 이에 더불어 외면을 샌딩 가공할 때 분사속도를, 내면을 샌딩 가공할 때보다 더 작게 하면, 외면은 도 6의 (b)와 같은 형태로, 그리고 내면은 도 6의 (c)와 같은 형태로 가공할 수 있다. 이 경우 자외선 투과율을 더더욱 높아지게 된다.

즉 이처럼 샌딩 가공을 하는 경우에는 연마사 군의 평균직경과, 그 분사속도에 차등을 두어 내면과 외면을 가공함으로써, 내면과 외면의 T 값의 차이를 크게 하는 것이 가능하다.

아울러 압출 등으로 제작된 커버의 외면과 내면에 직접 이러한 샌드 블라스트 처리를 하거나, 커버를 제작하기 위한 사출 금형에 샌드 블라스트 처리를 하고 사출성형을 함으로써 간접적으로 조면 처리가 된 커버를 생산하는 것도 가능하다.

이 외에 비용이 많이 들지 않는 다른 방법, 가령 염소 처리와 같은 화학적 처리에 의해 조면을 형성할 수도 있다.

다음은 닛또 사의 S-O, S-O-L 아크릴(2014년 4월~6월 생산분)로 동일한 PMMA 재질의 커버를 제작하고, 이들의 샌딩 처리 정도를 달리 하여 자외선 투과율을 측정한 결과이다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4
T(상대값) (기준길이 0.8mm)	샌딩 처리 안함	내면 T₂ 외면 T₂	내면 T₃ 외면 2.5T₃	내면 2.5T₄ 외면 T₄
자외선 투과율	93%	80%	75%	83%

살펴보면 샌딩 처리를 한 커버가 샌딩 처리를 하지 않은 커버보다 자외선 투과율의 저하가 있지만, 적어도 내면의 T값이 외면보다 큰 경우가, 그 반대의 경우보다 광투과율이 좋아진다는 것을 확인할 수 있었다.

또한 PMMA 대신, SiO₂ 75.0%, B₂O₃ 11.0%, Al₂O₃ 5.4%, Na₂O₃ 6.5%의 성분비를 가지고 2.31~2.32g/cm³의 밀도를 가지며 AT(annealing point logη=13^oC/annealing temperature)와 ST(softening point logη=7.6^oC/softening temperature)가 779~783^oC인 석영을 커버의 재질로 하여 커버를 제작하고, 이들의 샌딩 처리 정도를 달리 하여 자외선 투과율을 측정한 결과이다.

	실시예 5	실시예 6	실시예 7	실시예 8
T(상대값) (기준길이 0.8mm)	샌딩 처리 안함	내면 T₆ 외면 T₆	내면 T₇ 외면 2.1T₇	내면 2.2T₈ 외면 T₈
자외선 투과율	97%	85%	81%	88%

살펴보면 PMMA의 경우와 마찬가지로 샌딩 처리를 한 커버가 샌딩 처리를 하지 않은 커버보다 자외선 투과율의 저하가 있지만, 적어도 내면의 T값이 외면보다 큰 경우가, 그 반대의 경우보다 광투과율이 좋아진다는 것을 확인할 수 있었다.

따라서 재질의 종류에 상관없이, 외면의 T값(T_O)을 내면의 T값(T_I)보다 작게 하면, 자외선의 광투과율이 향상된다는 것을 확인할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 커버의 내면과 외면을 조면 처리할 때 이론 상 내면의 T 값이 외면보다 크게 하면 되지만, 실험 결과, 제조의 오차, 그리고 측정의 오차를 감안하여 내면의 T 값이 외면보다 1.5배 이상 크게 되도록 제조할 때 제조상 그리고 측정상의 오차에 의해 오류가 발생하지 않고 광투과율의 상승 효과를 볼 수 있었다.

PMMA 커버를 제작할 때에는, 금형에 샌드 블라스트 처리를 하여 금형 표면이 샌딩 처리된 상태에서 사출성형을 하여 커버를 제작하는 방법, 커버를 반튜브 형식으로 압출한 후 커버의 내외면에 각각 샌드 블라스트 처리를 하여 샌딩처리를 하는 방법이 사용될 수 있고, 이 외에도, 앞서 설명한 바와 같이 화학적 처리를 통해 표면 가공을 하는 것, 즉 사출금형 자체를 화학적 처리한 후 사출성형하거나, 압출된 커버를 화학적으로 처리하는 것 역시 가능하다.

본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다.

10: 커버
12: 내면
16: 외면
60: PCB 기판
70: UV LED 칩
80: 하우징
L: 기준거리
Ra: 중심선평균거칠기
C: 중심선
Sm: 요철평균간격
T: 조면의 평균경사도

Claims

UV LED 칩(70);
상기 UV LED 칩이 실장된 PCB 기판(60); 및
상기 UV LED 칩과 이격되어 설치되며 상기 UV LED 칩이 발산하는 점광원의 자외선을 면광원의 자외선으로 확산시키는 커버(10);를 포함하는 UV LED 램프로서,
상기 커버에 있어서 상기 UV LED 칩과 마주하는 내면(12)과, 상기 내면의 이면인 외면(16)은 조면 처리(roughening)가 되어 있으며,
상기 조면 처리된 내면에서 발생하는 전반사 비율이 상기 조면 처리된 외면에서 발생하는 전반사 비율보다 더 큰 것을 특징으로 하는 UV LED 램프.
청구항 1에 있어서,
상기 커버의 외면(16)에서 기준거리(L)에 대한 중심선평균거칠기(Ra_O)를 해당 기준거리(L) 내의 요철평균간격(Sm_O) 값으로 나눈 값(T_O)이, 상기 커버의 내면(12)에서 기준거리(L)에 대한 중심선평균거칠기(Ra_I)를 해당 기준거리(L) 내의 요철평균간격(Sm_I) 값으로 나눈 값(T_I)보다 작은 것을 특징으로 하는 UV LED 램프.
청구항 2에 있어서,
상기 두 값이 T_I>1.5T_O 를 만족하는 것을 특징으로 하는 UV LED 램프.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 커버(10)의 재질은 PMMA인 것을 특징으로 하는 UV LED 램프.
청구항 4에 있어서,
상기 PMMA는 MMA 단량체 단위를 85 내지 100 중량% 포함하는 아크릴 중합체인 것을 특징으로 하는 UV LED 램프.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 커버의 재질은 석영인 것을 특징으로 하는 UV LED 램프.
UV LED 램프에 사용되며, UV LED 칩과 이격되어 설치되어 상기 UV LED 칩이 발산하는 점광원의 자외선을 면광원의 자외선으로 확산시키는 커버(10)의 제조 방법으로서,
상기 커버에 있어서 상기 UV LED 칩과 마주하는 내면(12)과, 상기 내면의 이면인 외면(16)을 조면 처리(roughening)하되,
상기 커버의 외면(16)에서 기준거리(L)에 대한 중심선평균거칠기(Ra_O)를 해당 기준거리(L) 내의 요철평균간격(Sm_O) 값으로 나눈 값(T_O)이, 상기 커버의 내면(12)에서 기준거리(L)에 대한 중심선평균거칠기(Ra_I)를 해당 기준거리(L) 내의 요철평균간격(Sm_I) 값으로 나눈 값(T_I)보다 작도록 조면 처리되는 것을 특징으로 하는 UV LED 램프의 커버 제조 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 커버(10)의 재질은 PMMA로서, 커버가 압출 성형된 후 압출된 커버의 내면과 외면에 샌드 블라스트 처리가 이루어지는 것을 특징으로 하는 UV LED 램프의 커버 제조 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 커버(10)의 재질은 PMMA로서, 커버의 형상을 가지는 몰드에 있어서 커버의 내면이 형성되는 면과 커버의 외면이 형성되는 면에 샌드 블라스트 처리가 이루어지고, 상기 샌드 블라스트 처리가 이루어진 몰드에 PMMA를 사출하여 커버를 성형하는 것을 특징으로 하는 UV LED 램프의 커버 제조 방법.
청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
상기 커버의 내면에 대한 연마사의 분사 속도가 외면에 대한 연마사의 분사 속도보다 큰 것을 특징으로 하는 UV LED 램프의 커버 제조 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 커버의 내면과 외면에 대해 동일한 연마사 군으로 샌드 블라스트 처리가 이루어지는 것을 특징으로 하는 UV LED 램프의 커버 제조 방법.
청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
상기 커버의 내면에 대한 샌드 블라스트 처리에 사용되는 연마사 군의 평균 직경이 상기 커버의 외면에 대한 샌드 블라스트 처리에 사용되는 연마사 군의 평균 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 UV LED 램프의 커버 제조 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 커버의 내면에 대한 연마사의 분사 속도가 외면에 대한 연마사의 분사 속도보다 큰 것을 특징으로 하는 UV LED 램프의 커버 제조 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 커버(10)의 재질은 석영이고, 석영을 커버 형상으로 성형한 후 커버의 내면과 외면에 샌드 블라스트 처리가 이루어지는 것을 특징으로 하는 UV LED 램프의 커버 제조 방법.
청구항 14에 있어서,
상기 커버의 내면에 대한 연마사의 분사 속도가 외면에 대한 연마사의 분사 속도보다 큰 것을 특징으로 하는 UV LED 램프의 커버 제조 방법.
청구항 15에 있어서,
상기 커버의 내면과 외면에 대해 동일한 연마사 군으로 샌드 블라스트 처리가 이루어지는 것을 특징으로 하는 UV LED 램프의 커버 제조 방법.
청구항 14 또는 청구항 15에 있어서,
상기 커버의 내면에 대한 샌드 블라스트 처리에 사용되는 연마사 군의 평균 직경이 상기 커버의 외면에 대한 샌드 블라스트 처리에 사용되는 연마사 군의 평균 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 UV LED 램프의 커버 제조 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 조면 처리는 화학적 처리를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 UV LED 램프의 커버 제조 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 두 값이 T_I>1.5T_O 를 만족하는 것을 특징으로 하는 UV LED 램프의 커버 제조 방법.