KR20160070779A - 태양광 또는 인공광을 전기 에너지로 변환하기 위한 led 모듈 및 이를 제조하기 위한 방법 - Google Patents

태양광 또는 인공광을 전기 에너지로 변환하기 위한 led 모듈 및 이를 제조하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

태양광 또는 인공광을 전기 에너지로 변환하기 위한 LED(발광 다이오드) 모듈로서, LED 모듈은 직렬로 연결되어 행을 형성하는 하부 LED(E1s; E1p)의 어레이를 포함하고, 행들은 서로, 출력 와이어로 이어지는 브랜치에 의해, 병렬로 연결되며, 상기 출력 와이어 상에 조사에 의해 발생된 직류 전류를 전기 그리드로 공급되는 교류 전류로 변환하기 위한 인버터(5)가 제공되며, 하부 LED(E1s; E1p) 각각 상에 복수의 포개진 LED(E2s ... Ens; E2p ... Enp)가 장착되어 서로 전기적으로 연결된 LED(E1s ... Ens; E1p ... Enp)의 스택을 형성한다.

Description

태양광 또는 인공광을 전기 에너지로 변환하기 위한 LED 모듈 및 이를 제조하기 위한 방법{LED MODULE FOR THE CONVERSION OF SUNLIGHT OR ARTIFICIAL LIGHT INTO ELECTRICAL ENERGY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 태양광 또는 인공광을 전기로 변환하기 위한 LED(발광 다이오드) 모듈과 관련된다. 또한, 본 발명은 상기 모듈을 제조하기 위한 방법과 관련된다.
당연히 발광체인 LED는 광기전 전지에 비교될 때 이의 작은 크기 때문에 효율은 낮지만 태양 전지로서 역할 할 수 있음이 잘 알려져 있다. 이러한 이유로, 과거에는 LED가 광 센서(light sensor)로서는 사용됐지만 광기전 전지로서는 사용되지 않았다. 실제로, 적은 수의 LED가 모듈 내에 배치된 경우, 생산되는 전류 측면에서 각각의 LED의 효율이 매우 낮기 때문에 수율이 주목할만하지 않았다. 대신, 많은 수의 LED의 직렬 연결체가 병렬로 배열되는 경우, 각각의 행(row)의 각각의 직렬 연결체가 LED의 점등을 결정하는 피크 전류(peak current)를 획득하고 따라서 기대되는 것과 반대 결과와 함께, 전류의 흐름에 의해 광 에너지의 외부의 발산이 야기된다.
동일 발명자에 의한 이전 특허 출원 RM2011A000439 및 PCT/IT2013/000187이 태양광 또는 인공광을 전기 에너지로 변환하기 위한 LED(발광 다이오드) 광기전 모듈을 기재하며, 상기 모듈은 행으로 배열되며 전기적으로 직렬 연결되며 각각의 행의 그룹으로 분할되는 LED들로 구성된 반도체 변환 요소의 어레이를 포함하는데, 이때, 상기 그룹들은 다음 그룹의 LED를 점등할 수 있는 전류 피크를 제한할 수 있는 장치에 의해 서로 분리된다. 전기 그리드로 제공되는 전력의 수집을 위한 출력 와이어로 이어지는 브랜치에 의해, LED 행들이 이들의 단부에서 병렬로 연결된다.
그러나 앞서 인용된 이탈리아 특허 출원에서 만족스러운 수준이라고 규정되는 추정된 수율과 비교할 때, 시험 결과가 LED들이 행으로 배열되고 그 후 단지 2차원 배열만 갖는 어레이가 구비된 패널에 의해서는 이 수율에 도달하지 못했음을 보여줬다. 실제로, 앞서 언급된 본 발명의 목적이 매우 많은 수의 LED를 갖는 광기전 모듈을 제공하는 것일지라도, 획득되는 LED 밀도, 즉, 단위 표면당 LED의 개수가, 이러한 2차원 배열을 이용해, 동일 표면의 전통적인 광기전 패널에 비교되는 에너지를 생성하기에 불충분하다.
이러한 맥락에서, 본 발명의 바탕이 되는 기술적 작업이 앞서 언급된 종래 기술의 단점을 극복하는 발광 다이오드 모듈을 제안하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 앞서 언급된 특허 출원에서 기재된 유형의 LED 패널이 획득하는 것보다 훨씬 더 많은 전기 에너지를 공급할 수 있는 모듈을 제공하는것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 원하는 LED 밀도를 갖는 LED 모듈이 단순하고 빠른 방식으로 제조될 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 첫 번째 양태에서, 언급된 기술 작업 및 특정된 목적이, 청구항 1 내지 9에 정의된 발광 다이오드(LED) 모듈에 의해 실질적으로 달성되며, 상기 LED 모듈은, 직렬 연결되어 행들을 형성하는 LED들의 어레이를 포함하며, 상기 행들은 외부 인버터로 이어진 브랜치에 의해 병렬로 연결되며, 상기 LED 어레이의 LED들 각각 상에 복수의 LED가 포개어 장착되어 다 함께 전기적으로 연결된 LED들의 스택을 형성할 수 있다.
두 번째 양태에서, 청구항 10에 따라 LED 모듈을 제조하기 위한 방법이 기재된다.
본 발명의 추가 특징 및 이점이 첨부된 도면에 도시된 바와 같은 바람직한, 그러나 배타적이지 않은 LED 모듈의 실시예의 비제한적 기재로부터 자명해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따르는 LED 모듈의 감광성 셀의 확대도의 개략적 투시도이다.
도 2는 도 1의 감광성 셀의 개략적 평면도이다.
도 3은 도 1의 감광성 셀의 측면도로서 이의 구성요소가 추가되어 있다.
도 4는 도 1의 감광성 셀의 열 요소의 상부 부분의 자세한 부분 투시도이다.
도 5는 도 1의 감광성 셀의 기둥형 요소의 하부 부분의 자세한 부분 투시도이다.
도 6은 도 1의 감광성 셀의 복수의 직렬 연결된 LED의 개략적 부분 회로도이다.
도 7은 도 1의 감광성 셀의 복수의 병렬 연결된 LED의 개략적 부분 회로도이다.
도 8은 하나의 열 요소를 형성하는 도 6의 복수의 직렬 연결된 LED의 개략도이다.
도 9는 하나의 열 요소를 형성하는 도 7의 복수의 병렬 연결된 LED의 부분 개략도이다.
먼저 본 발명에 따르는 LED 모듈의 일부로서 감광성 셀(photosensitive cell)의 확대 투시도인 도 1이 참조된다. 예를 들어, 감광성 셀은 인쇄 회로 기판(1)으로 형성되는 베이스를 포함하며, 상기 인쇄 회로 기판(1)은 약 4㎠의 사각형이다. 상기 인쇄 회로 기판(1) 상에 하부 LED라고 지칭되는 LED의 어레이가 장착되며, 하부 LED의 핀이 도 5의 부분 투시도에서 + 및 -로 나타나고, 상기 하부 LED들은 직렬로 연결되어 행을 형성하고, 행들은 서로, 출력 와이어로 이어지는 브랜치에 의해, 병렬로 연결된다. 이러한 배열(도시되지 않음)이 본원에 참조로서 포함되는 특허 출원 RM2011A000439에 이미 개시된 바 있다. 일반적으로 인쇄 회로 기판(1)과 접촉하는 하부 LED 어레이의 LED를 E1이라고 지칭한다. 본 발명에 따르면, 각각의 하부 LED E1 상에 복수의 LED가 중첩되어 장착됨으로써 서로 전기적으로 연결된 LED들의 스택을 형성할 수 있다. 하부 LED E1 위에 놓이는 각각의 스택의 각각의 LED가 하부 LED E1에 연결될 수 있으며, 도 6 및 7에서 이러한 연결이 직렬인 경우 E1s라고 지시되고 연결이 병렬인 경우 E1p라고 지시된다. 하나의 스택의 n개의 LED의 개략적 부분 회로도인 이들 도면에서, 잇달아 직렬 및 병렬로 연결된 LED들은 LED들이 직렬로 연결될 때 Els ... Ens로 지시되고, 병렬로 연결될 때 Elp ... Enp로 지시된다. LED들의 스택은 직렬 연결되거나 병렬로 연결되거나에 무관하게, 본 발명에 따르는 광 에너지, 특히, 태양광 에너지를 포착할 수 있다.
직렬 및 병렬로 연결된 복수의 LED(도 6 및 7)의 부분 개략도인 도 8 및 9에 5개의 직렬 연결된 LED(E1s , E2s , E3s , E4s , E5s) 및 5개의 병렬 연결된 LED(E1p, E2p, E3p, E4p, E5p)가 도시되어 있고, 이러한 연결을 갖는 LED의 회로 구성요소가 고저항성 제1 투명 플라스틱 물질의 코팅(3)에 매립되어 상기 LED들은 기둥형 요소(columnar element)(2s 및 2p)를 형성한다.
기둥형 요소, 일반적으로 도 1에서 (2)로 지시되는 요소가 인쇄 회로 기판(1) 상에 장착된다. 도 1의 감광성 셀의 개략적 평면도인 도 2에, 감광성 셀의 열 요소 (2)가 이들의 바람직한 타원형 횡단면으로 도시된다. 바람직하게는, 타원의 장축의 길이는 1.95 mm이고 단축의 길이는 1.2 mm이다. 기둥형 요소의 높이는 30 mm이다.
도 1 및 2의 감광성 셀의 기둥형 요소(2)의 상부 부분(top portion)의 부분 투시도인 도 4의 상세사항에서 도시되는 바와 같이, 각각의 기둥형 요소가 위를 향하는 오목부를 갖는 상부에서 종료된다. 제1 플라스틱 물질 내에 매립되는 스택의 모든 LED를 점등하기 위해, 오목부(4)에 의해 태양 에너지가 기둥형 요소 상으로 전달될 수 있다. 플라스틱 물질의 투명성은 LED의 조명에 바람직하다.
앞서 언급된 바와 같이, 각각의 기둥형 요소(2)가 모듈의 기둥형 요소들에게 공통되는 인쇄 회로 기판(1)과 연관된다. 각각의 기둥형 요소의 LED의 스택의 전기적 연결을 가능하게 하는 인쇄 회로 기판(1)은 조사(irradiation)에 의해 생성된 직류 전류를 전기 그리드로 공급되는 교류 전류로 변환하기 위한 인버터(5)가 매립되는 하부를 가진다. 이는 도 1의 감광성 셀의 측면도인 도 3에 도시되어 있다. 알루미늄 프레임(6), 템퍼링된 유리의 시트(7), 및 관련 개스킷(gasket)(도시되지 않음)으로 만들어진 보호 케이스가 감광성 셀에 추가되어 있다.
보호 케이스 내부에서, 높은 열 전도성을 갖는 제2 투명 플라스틱 물질(8)에 LED 모듈의 감광성 셀의 기둥형 요소(2)가 매립됨으로써, 태양 패널로서 역할 할 수 있다. 바람직하게는 상기 플라스틱 물질이 에폭시 수지일 수 있다.
태양광 또는 인공광을 전기 에너지로 변환하기 위한 본 발명에 따르는 LED 모듈의 제조 방법이 이하에서 기재되는 단계들을 포함한다.
상부 LED에서 2개의 핀이 구비된 하부 LED까지 2개의 전도체에 의해 전기적으로 직렬 또는 병렬 연결된 LED로 구성된 복수의 스택이 제조된다. 각각의 LED 스택이 고저항성 제1 투명 플라스틱 물질의 코팅(3)에 매립되어, 위를 향하는 오목부(4)를 있는 상부에서 종료되고 하부 LED의 핀 + 및 -이 아래에 있는 기둥형 요소(2)를 형성할 수 있으며, 핀 + 및 -가 플라스틱 코팅(3)으로부터 돌출되어 있다. 복수의 하부 LED의 핀이 인쇄 회로 기판(1)에 접합되고 직렬로 연결되어 행을 형성하고, 상기 행들은 출력 와이어로 이어지는 브랜치에 의해 함께 병렬로 연결되며, 상기 출력 와이어 상에서 인버터(5)가 제공되어 조사에 의해 생성된 직류 전류를 전기 그리드로 공급되는 교류 전류로 변환할 수 있다. 상기 인버터(5)는 인쇄 회로 기판(1) 내에 매립되는 것이 바람직하다. 그 후 복수의 기둥형 요소(2)가 고전도성 제2 투명 플라스틱 물질(8)에 매립되어, 보호 개스킷에 의해 알루미늄 프레임(6) 상에 장착되며 템퍼링된 유리의 시트(7)로 덮이는 컴팩트한 태양 패널(solar panel)을 형성할 수 있다.
본 발명에 따르는 LED 모듈의 수율을 대략적으로 나타내기 위해, 각각의 기둥형 요소로부터 0.0025W의 전력을 획득함으로써 1㎡ 패널 요소의 개수가 425,530이기 때문에, 1㎡ 패널에 의해 생성되는 총 전력(gross power)이 약 1063W임이 계산되었다. 시스템 손실이 10%라고 가정하면, 1㎡ 패널에 의해 생성되는 순 전력이 956W이다.
본 발명에 따르는 LED 모듈의 이점이 다음과 같이 많고 상당하다: 실리콘의 부재, 상기 모듈을 이용하는 설비의 서비스 수명의 증가, 태양 조사(solar irradiation) 포착용량이 높음, 태양과 관련해 어떠한 배향도 가능한 설치, 다양한 형태 및 크기, 전통적인 광기전 기법과 유사한 비용, 폐기에 대한 특정 비용이 없음, 설치 비용 감소, 모듈 내에 인버터가 존재함.
명백히, 주요 이점은 전통적인 실리콘 반도체 광기전 패널에 비교할 때 더 작아진 표면으로 상응하는 에너지가 생성된다는 것이다. 실제로, LED 모듈을 이용함으로써, 많은 개수의 LED를 적층함으로써, 태양광을 흡수하는 층을 다층화하는 것이 가능하다. 태양광이 본 발명에 따라 제공되는 투명 플라스틱 물질의 코팅을 통과하기 때문에 위에 놓인 층에 의해 아래 놓인 층만 불리하다.

Claims (10)

  1. 태양광 또는 인공광을 전기 에너지로 변환하기 위한 LED(발광 다이오드, light-emitting diode) 모듈로서,
    상기 LED 모듈은 직렬로 연결되어 행(row)을 형성하는 하부 LED(E1s; E1p)의 어레이를 포함하고, 행들은 서로, 출력 와이어(output wire)로 이어지는 브랜치(branch)에 의해, 병렬로 연결되며, 상기 출력 와이어 상에 조사(irradiation)에 의해 발생된 직류 전류를 전기 그리드(electrical grid)로 공급되는 교류 전류로 변환하기 위한 인버터(5)가 제공되며, 하부 LED(E1s; E1p) 각각 상에 복수의 포개진 LED(E2s ... Ens; E2p ... Enp)가 장착되어 서로 전기적으로 연결된 LED(E1s ... Ens; E1p ... Enp)의 스택을 형성하는, LED 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스택의 LED(E1s ... Ens)는 서로 직렬로 연결되어 있는, LED 모듈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스택의 LED(E1p ... Enp)는 서로 병렬로 연결되어 있는, LED 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 각각의 LED 스택이 고저항성 제1 투명 플라스틱 물질(3)에 매립되어 기둥형 요소(columnar element)(2)를 형성하는, LED 모듈.
  5. 제4항에 있어서, 상기 기둥형 요소(2)는 타원형의 단면을 갖는, LED 모듈.
  6. 제4항에 있어서, 상기 각각의 기둥형 요소(2)는 위를 향하는 오목부(4)를 갖는 상부에서 종료되는, LED 모듈.
  7. 제4항에 있어서, 각각의 기둥형 요소(2)가 모듈의 기둥형 요소(2)에 공통인 인쇄 회로 기판(1)과 연관되며, 상기 인쇄 회로 기판(1)은 상기 인버터(5)가 매립되는 하부를 가지는, LED 모듈.
  8. 제7항에 있어서, 모듈의 상기 기둥형 요소(2)는 고전도성 제2 투명 플라스틱 물질(8) 내에 배립되어 태양 패널을 형성하는, LED 모듈.
  9. 제8항에 있어서, 상기 태양 패널은 알루미늄 프레임(6) 상에 장착되고 템퍼링된 유리(tempered glass)의 시트(7)로 덮이는, LED 모듈.
  10. 태양광 또는 인공광을 전기 에너지로 변환하기 위한 LED(발광 다이오드, light-emitting diode) 모듈을 제조하기 위한 방법으로서, 상기 방법은
    상부 LED에서 2개의 핀(+ 및 -)이 구비된 하부 LED까지 2개의 전도체에 의해 직렬 또는 병렬로 전기적으로 연결된 LED(E1s ... Ens; E1p ... Enp)의 복수의 스택을 제조하는 단계,
    LED(E1s ... Ens; E1p ... Enp)의 각각의 스택을 고저항성 제1 투명 플라스틱 물질(3) 내에 매립하여, 위를 향하는 오목부(4)가 있는 상부에서 종료하는 기둥형 요소(2)를 형성하는 단계 - 하부 LED(E1s; E1p)의 핀(+ 및 -)이 상기 고저항성 제1 투명 플라스틱 물질(3)로부터 아래로 돌출되어 있음 - ,
    복수의 직렬 연결된 하부 LED(E1s; E1p)의 핀(+ 및 -)을 인쇄 회로 기판(1)으로 통합시켜 하부 행을 형성하는 단계 - 행들은 서로, 출력 와이어로 이어지는 브랜치에 의해 병렬로 연결되어, 인버터(5)가 조사에 의해 연속으로 생성되는 전류를 전기 그리드로 공급되는 교류 전류로 변환함 - ,
    복수의 기둥형 요소(2)를 고전도성 제2 투명 플라스틱 물질(8) 내에 매립시켜 태양 패널을 형성하는 단계,
    상기 인버터를 태양 패널의 반대 측 상에 인쇄 회로 기판(1) 내에 제공하는 단계, 및
    보호 개스킷을 이용해 상기 태양 패널을 알루미늄 프레임(6) 상에 장착하고 템퍼링된 유리의 시트(7)로 덮는 단계
    를 포함하는, LED 모듈을 제조하기 위한 방법.
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