KR20180000816A

KR20180000816A - 자유로운 형상의 필라멘트를 가지는 led 조명

Info

Publication number: KR20180000816A
Application number: KR1020160078970A
Authority: KR
Inventors: 오지원
Original assignee: 오지원
Priority date: 2016-06-24
Filing date: 2016-06-24
Publication date: 2018-01-04

Abstract

본 발명은 LED 조명기기에 대한 것으로, 더 상세하게는 판형 필라멘트를 가진 백열전구를 대체하고 색온도 및 단색 및 다색광의 발현으로 인한 더욱 우수한 장식적 효과를 지니며, 불활성 가스에 의한 냉각과 열전도 시트에 의한 방열효과가 우수하며, 일반 LED 전구에 필적하는 수명이 보장되는 필라멘트형의 발광체에 의한 입체적인 배광을 가지는 LED 조명기기에 관한 것이다.

Description

자유로운 형상의 필라멘트를 가지는 LED 조명 { LED lighting with free shaped curve filaments}

본 발명은, LED 전구에 관한 것으로, 보다 상세하게는 판형 필라멘트를 가지는 장식성이 강한 백열전구 및 이를 대체하려고 하는 LED 필라멘트 전구의 단점을 상호보완하면서 미적 감각을 높인 LED 필라멘트 구조 및 이를 사용한 전구의 발명에 관한 것이다.

조명분야에서 LED는 주로 건축조명, 환경조명, 간접조명 등 특수 용도에 주로 사용되었으나, 점차 일반 조명용으로 시장이 빠르게 확대되어서 시장의 주류를 형성, 주택에서의 평판조명, 컨버터 내장형 LED 전구 등으로 침투되고 있다.

조명기기 시장은 에너지 절약 및 일상의 단순한 영역에서, 점차 인테리어 요소 및 힐링 개념을 넣은 고차원화 조명 시장으로 개념 변화, 영역 확대가 이루어지고 있다.

이러한 추세에서 최근 “에디슨 전구”라고 일반적으로 통용되는 백열전구 사용이 매우 증가하고 있다. 이는 에너지 절약 및 장 수명으로 가는 조명의 추세에는 크게 역행하는 제품이나, 제품의 장식적인 요소가 특히 카페나 매장 디스플레이 등 상업 조명 분야에서 환영받고 있다.

상기 제품은 백열전구의 텅스텐 필라멘트를 판형으로 만들어 구부린 것으로 전구 형상이 에디슨이 발명한 백열전구 초기 모형에 가까운 복고적인 장식적 요소 및 여러 개의 판형 필라멘트를 전구유리 내에 배치해서. 입체적으로 빛이 퍼지는 구조로 되어 있는 특징이 있다. 이 제품의 특징은 필라멘트의 다양한 형상과 유리에 비친 반사광에 의한 “심미감”이 고객에게 매력이 있는 디자인으로, 특히 카페, 음식점, 옷가게 등의 매장 및 인테리어, 상업조명에 주로 사용되고 있다. 그러나 한편으로는 에디슨 전구를 사용하는 조명 기구는 3.6 lm/W 정도로 발광효율이 백열전구의 10~20 lm/W, LED 전구의 100~120 lm/W에 비해 비교할 수 없을 정도로 비효율적인 조명이며, 수명이 불과 2~3개월 사용 정도이므로 교체비용이 매우 큰 조명이다.

출원 시점 현재 “에디슨 전구”의 시장가격은 백열 필라멘트 대비 10배 가까운 소매점 가격으로, 기존 백열등에 비하여 매우 비싼 가격으로, 백열전구 가격이 1 $ 이하에 불과 하는 데 비해서 단가가 매우 높다.

"에디슨 전구"는 LED 및 백열전구를 포함하는 다른 어떤 조명보다도 수명 및 발광효율에서는 훨씬 뒤처지나, 미적분위기에서는 매우 탁월하다. 이것은 판형 텅스텐 와이어를 매우 길게 늘어뜨리면서 자유자재로 굽히면서 필라멘트 형상을 만들 수 있으므로, 루프형 (Loop Type), 다람쥐장형 (Squirrel Cage Type), 스파이럴 (Spiral) 형 등의 다양한 필라멘트 형상을 가진 전구가 제작 가능한 강점을 가지므로, 인테리어, 상업조명 분야에 활발히 사용되고 있다.

LED 필라멘트를 사용한 에디슨 전구도 중국 등에서 개발되어, 국내에 수입 사용되고 있으나, 이 기술에 사용되는 필라멘트는 세라믹 부도체를 가늘게 자른 직사각형 투명 기판 위에 LED 칩을 COB (Chip-on-Board)로 실장한 휘어지지 못하는 구조로 인해 밋밋한 직선 외에는 다른 필라멘트 형상을 만들지 못해서, 에디슨 백열전구처럼 "심미감"에 호소하는 것이 근본적으로 불가능한 단점이 있다.

이에 비해 상술한 것처럼 에디슨 전구는 필라멘트를 칭칭 휘감거나 (Spiral Type), 매우 길게 하거나 (Long Filament Type) 하는 등, 필라멘트 모양이 구부러지고 자유로운 형상을 가지는 장점을 가지고 있다. 에디슨 백열전구에 비해 현재 LED 필라멘트를 사용한 에디슨 전구의 효율성은 전기절약 (1/8 수준), 수명 (20배 이상) 등에서 비교가 안 될 정도로 우수하며 사용 후 고효율, 장수명으로 인한 전기요금 절약을 고려하면 오히려 경제적으로 유리하나, 이러한 인테리어 성이 강한 상업 조명시장에서는 아직 존재가 미약하다.

카페나 매장은 대량의 전력을 소비하는 곳임에도, 매우 낮은 효율로 에너지 절약에는 역행하며, “에디슨 전구”는 단선 필라멘트 구조로 수명이 기존 백열전구에조차 미치지 못하여 교체가 잦아, 사용자로서도 번거롭고 불만족인 상황이나 매장을 돋보이게 하려고 사용이 줄지 않고 있다.

"에디슨 전구"를 대체하는 LED 에디슨 전구가 필요한 가장 큰 이유는, 국내 (2016년) 및 외국에서의 점차적인 백열전구 및 수은 등 유해물질을 사용하는 형광등의 사용금지 및 수출 및 생산이 금지됨과 함께, 에디슨 백열전구는 선진국에서 사용 금지될 전망이며, 현재도 주로 중국 및 베트남 등에서 노동집약적으로 백열등 전구 및 에디슨 전구를 생산하고 있으나, 에너지 절약 및 환경보호 및 점차 상승하고 있는 임금의 압박으로 제조생산 총수는 하향 곡선을 그릴 것이 확실하다.

LED 필라멘트 구조의 전구 디자인은 2008년도에 일본의 Ushio Lighting에 의해 첫 특허 등록되었으며, 일본 특허 제 JP-P-2009-039462 호 (2009.02.23 등록) 에 우선권 주장하고 있으며, 국내에서도 출원 ( 대한민국 공개 특허 제10-2010-0009951 호, 제 10-2010-0009952호)되었으나 현재 취하된 상태임 실용적인 LED 필라멘트 구조의 전구 디자인은 중국의 Zhejiang Ledison Optoelectronics Co., Ltd 에 의한 유럽 특허 EP 2535640 B1 (2010.09.08 우선일), "Led lamp bulb and led lighting bar capable of emitting light over 4 pi"이며 기본적인 LED 에디슨 전구 혹은 필라멘트 구조 전구의 모습을 갖추었음. 또한 Shenzen Runlight Technology 의 미국 특허 제 US 20140369036A1,(2013.06.17 우선일), "Led light and filament thereof "는 투명전극 (주로 유리, 사파이어 등을 사용)과 LED Resin을 사용한 단면 LED 필라멘트를 개발하였으며, 이것은 현재 대부분의 업체가 사용하는 기본 구조가 되었음 기타 Nanya Photonics Tech.의 미국특허 US 2014/0362586 A1, (2013.06.11 우선일), "Led light bulb" 등이 있으나, 기본적인 구조는 Ushio 사의 직선형 필라멘트의 개념과 Shenzen Runlight Tech의 투명전극에 단면 칩-on-Board 구조를 응용하는 것에 지나지 않는다. 상기 중국 기업에 의한 필라멘트 제조공정은, 백열전구의 필라멘트를 모방한 투명 기판을 제작하고, 형광체와 실리콘을 혼합한 봉지재는 디스펜서등에 의해 세라믹 필라멘트 위에 단면 혹은 양면 도포되며, 건조된 필라멘트 양단에 금속 커넥터를 연결하여 공정을 완료한다. 투명기판재료가 딱딱한 부도체인 유리, 세라믹, 사파이어 등이어서, 어쩔 수 없이 막대기 형상으로 구조를 만들어 (LED 필라멘트) LED를 부착하여 조명 제품화되고 있다. 상기 특허들은 다수의 칩을 COB 구조로 직렬로 연결하고 있으며, 외부에 노출된 골드와이어가 진동이나 열충격에 매우 약한 구조이다. 상기 특허를 이용한 LED 에디슨 전구의 색 온도는 전구색 (2200~2700 K) 제품이 주력으로 단면 LED 실장으로 주광색 (5700K), 붉은빛, 푸른 색등 다양한 색을 가지는 보다 장식성을 가지는 조명을 만들기엔 어려운 구조이다. 국내 발명자에 의한 유사 특허로는 아이라이트 테크놀로지스, 인코포레이티드에 의한 대한민국 공개 특허 제10-2008-0025725 (2008.03.21 공개), "나선형 섬유 필라멘트를 갖는 LED 조명 시스템" 특허, GE 라이팅 솔루션스, 엘엘씨에 의한 대한민국 공개 특허 제10-2014-7015899 (2014.08.06 공개)," 필라멘트 효과를 생성하기 위한 LED 전구 상의 측면 발광 가이드파이프" 특허가 있으며, 그 외 한국광기술원에 의한 대한민국 등록 특허 제10-2011-0058887 (2012.10.09 등록), "백열등의 배광 패턴을 갖는 LED 등 기구" 특허 등이 있으나, 필라멘트 자체에 의한 발광이 아니라 나선형 광-투과성 섬유와 LED를 결합시켜서 섬유에서 빛이 나오는 것처럼 보이는 효과를 노린 것이며, 후자의 특허도 광학계를 이용하여 LED 광원으로부터 발광 되는 빛을 전반사를 통해 유도하고 굴절시켜 백열등과 유사한 배광 패턴을 형성시키는 것으로 필라멘트에 의한 빛 발생과는 엄연한 차이가 있다. 또한 PCB 기판에 실장된 LED 패키지를 직접 전구에 넣어서 백열전구와 유사한 배광을 노리는 특허는 다수가 출원되어 있으나, 장식적인 미감은 전혀 없을 분더러, 점 광원이 바로 노출되어 공업용 전구에 가까운 외형을 지닌다. 대한민국 등록 특허 제10-0885197호 (2009.02.17 등록) "다면 다각형형상 구현이 용이한 엘이디조명 램프용 인쇄용회로기판"은 플렉서블 PCB 및 이를 지지지하는 베이스판을 포함하는 구조를 제시하여 본 발명과 유사한 점이 있다. 그러나 본 발명은 상기 발명이 형광체가 포함된 발광다이오드 자체를 플렉서블 PCB에 실장하는데 비하여, LED 칩 자체를 플렉서블 PCB에 직접 실장 후, PCB 전체를 덮는 형광체 시트에 의해 백색광을 구현하는 데 차이가 있다. 또한, 상기 유사 발명에 의하면 절곡부가 형성된 베이스판이 PCB와 일체성형되는 것으로 다각형의 LED 조명을 만드는 것으로 국내 모든 유사특허들이 그러하듯이 점광원 조명, 즉 하나하나의 LED 소자들이 그대로 점점으로 보이는 조명밖에 만들 수 없다. 그에 비해 본 발명에 의한 PCB를 지지하는 금속 시트 혹은 천공된 금속시트를 절단하여 금속지주로 사용하고 이것과 PCB와의 접착을 방열시트에 의해 행하며, 확산필름을 통해 선광원 (필라멘트) 으로서 곡선을 가지는 LED 필라멘트 전구를 만들 수 있다.

본 발명은 기존의 세라믹 기판 위에 칩이 실장 된 일자형 LED 필라멘트를 사용한 LED 에디슨 전구의 필라멘트 자체의 장식적 요소의 부족 및 수명저하 등의 단점을 해소하기 위해 고안된 것으로, 이에 의하면 자유로운 필라멘트 형상으로 인한 장식적인 미감에 다양한 색온도 및 단색광을 내는 구조로 색감을 더한 LED 필라멘트 에디슨 전구의 개발이 가능하며, 방열시트 및 대류를 사용한 이중 방열 구조의 사용 등으로 광효율 및 신뢰성이 확보된 고품질의 차별화된 제품을 제공하는데, 그 목적이 있다. 또한, 전구 내 진공 배기를 위해 유리구를 열로 녹이는 공정이 반드시 들어가는 기존 전구 공정에 F-PCB에 의한 본 발명의 결합구조가 열에 약한 이유로 공정에 어려울 경우를 극복하고자, 차폐판 및 LED 드라이버의 위치를 변경시켜서, 공정상의 어려움도 극복할 수 있는 LED 에디슨 전구구조를 제공하는 것이다.

본 발명에 의한 LED 전구의 특징은 다음과 같다: 복수의 LED가 칩 상태로 연성 인쇄회로기판 (Flexible Printed Circuit Board: F-PCB)에 실장 되어 전기적으로 연결되어 있으며, F-PCB 는 금속 지주에 접착 결합하여 있으며, 이들 금속 지주는 구부러지는 금속의 특성을 살려서 입체적인 필라멘트 구조를 가지면서도 방열기능을 높여서 LED 수명을 높이는 한편, 입체적인 배광이 가능하면서 어느 정도 강도를 가져 형상을 유지하도록 한다. 이러한 금속 지주는 그대로 사용하는 것도 가능하나, 삼각형, 사각형, 원형 등의 홀을 가지면서, F-PCB의 접착강도를 향상시키기 위해서 요철부의 형상을 가지는 것도 가능하며, 이런 형상의 금속 지주는 프레스 성형 및 절단 가공에 의해 제조가 가능하다.

본 발명에 사용되는 LED 칩은 주로 0.1 W 급 이하의 LED 칩을 다량으로 사용하며, 대형 전구에는 0.5 W 급 LED 칩의 다수 실장도 가능하나, "심미감"을 나타낼 수 있는 사이즈의 에디슨 전구 (예를 들어 E29 베이스의 10W 급 이하의 LED 전구)에서는 0.01~ 0.05 W급의 LED 칩을 예를 들어 5cm 길이당 LED 필라멘트에 20~30개 정도 실장 하여 사용한다. 본 발명에 의해 LED 에디슨 전구를 약 30cm 길이의 LED 필라멘트에로 만들자면, 120~150개의 칩이 필요하다.

선행 특허문헌 2는 질화갈륨 LED 칩과 낮은 색 온도를 내는 형광체의 결합에 의한 필라멘트를 사용하며, 투명 세라믹 위에 실장된 질화갈륨 칩 위에 실리콘과 형광체가 혼합된 봉지재를 두껍게 도포하여, 청색 (LED 칩) + 노란색 (형광체)의 결합에 의한 백색광을 내면서, 적색 LED 칩이 청색 LED 칩 배열에 군데군데 더해져서 전구색 (2200~2700K)을 낸다. 또한, 투명세라믹 위에 실장하여 칩 배광 중 일부가 투명한 뒤편을 통해 빠져나가서 양방향 배광이 가능하며 칩 수도 줄일 수 있는 구조이지만 세라믹 기판이 부도체이므로 방열문제가 심각하여 일반 LED 전구보다 수명이 1/3 이하 (10,000시간 이하)로 매우 짧은 단점이 있다. 점광원인 칩을 무리하게 선광원 (필라멘트) 모양으로 만들고자 봉지재가 매우 두껍게 도포되어서 역시 신뢰성 문제 및 구부러진 형상의 필라멘트 제작이 불가능한 단점이 있다.

본 발명에 의한 구조는 단면 F-PCB 상에 LED 칩을 실장시키며, 금속지주의 양편에 각각 단면 F-PCB를 실장시켜서 양방향 배광이 가능한 구조이며, 단면 F-PCB의 각각에 형광체를 얇은 시트 형태로 접착 및 코팅시키는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 사용되는 칩이 실장된 F-PCB 기판은 우수한 열전도체인 금속지주 위에 접착되는데, 접착제로서 탄소 계열의 방열시트를 사용함으로써 방열 성능을 더 높일 수 있다. 또한, 형광체 시트와 결합한 F-PCB 상의 LED 칩에서 나오는 점광원 형태의 빛을 선광원 형태로 만들기 위해 확산필름이 보조적으로 사용되어 상기 구조에 결합될 수 있다.

본 발명에 의한 해결수단은 상술한 투명 세라믹 재료가 매우 견고한 재료로 가공과 절삭이 어려운 데 비하여, 매우 유연하고 가공과 절단이 쉬어 입체적인 형상의 재현이 가능하다. 세라믹 재료는 곡선형태로 억지로 만들려면 세라믹 결정 성장시부터 미리 금형에 재료를 채우고 단결정을 성장시키는 등의 방법이 가능할 수는 있으나, 원가 및 제작의 어려움으로 인해 비현실적이며 다양한 형상 및 길이의 제작은 사실상 어렵다. 또한, 가공 전에 미리 판형의 형광체 시트를 칩이 실장된 PCB 기판에 붙여서 형광체와 칩이 결합된 판형시트를 만든 후, 필라멘트 형상으로 가늘고 길게 곡면 혹은 직선으로 절단 가공할 수 있다.

또한, 상기 PCB의 재질로는 기존의 FR4를 사용한 염가의 박형 PCB가 LED 조명의 제작에 많이 사용되고 있으며 사용되는 기판재료가 가지는 굴곡성 및 내결성이 우수한 경우에는, 이를 사용한 PCB 제작도 가능하나, 본 발명에서는 주로 F-PCB에 의한 유연성이 있는 절연기판을 사용하는 것을 특징으로 한다. 최근의 휴대폰 및 플렉시블 디스플레이의 발전에 의해서 F-PCB 기술은 소형화, 직접화가 가능하며, 특히 휴대폰의 LED 실장기술에도 응용되고 있으며, 양면 PCB 및 투명 PCB의 제작도 가능하여, 본 발명에서 활용도가 높다. 단 F-PCB는 양면이더라도 회로 두께가 50~60 um 에 불과하여 그 자체가 자립하여 유리구 안에서 다양한 형상을 만들기는 어렵고, Polyimide 혹은 PET base film 소재로서 수명에 직결되는 열전도성이 나쁜 단점을 가지고 있다.

그러므로 적당한 연성과 강성을 가진 금속 시트에의 접착이 반드시 필요하게 된다. 현재의 박형 전자기기용 F-PCB는 금속시트 등에 접착시켜서 사용하고 있지 않으나, 본 발명에는 금속시트에 접착시켜서 적당한 연성 및 강성을 가지게 하여, 필라멘트 형상으로 절단한 후에 굽히고 꼬아서 여러 가지 모양을 만드는 것이 가능하게 한다.

상기 금속 시트의 재질은 열 전도성이 뛰어나며 적당한 연성 및 강성을 가지는 소재로서, 구리 및 그 합금, 알루미늄 합금 등이 사용될 수 있으며, 금속 시트와 F-PCB의 접착을 그래핀등의 열전도도가 뛰어난 소재가 배합된 방열 시트 또한 사용된다. 본 발명에 의하면 상기 금속 시트 및 PCB 및 형광체 시트가 순서에 따라 결합된 결합시트는 필라멘트화를 위해 절단되나, 전원이 공급되는 부위는 커넥터등의 실장을 위해 형광체 시트는 도포되지 않는다. 상기 금속지주는 양면에 F-PCB를 각각 접착했을 경우는, 각각 색온도가 다른 형광체 시트를 접착시킴으로써, 발광면 양면이 색온도가 다른 필라멘트를 만드는 것이 가능하다. 또한, 금속 지주 및 그 근원이 되는 금속 시트는 좋은 열전도체이므로, 방열성능을 높일 수 있으며, 금속시트에 미세한 구멍이 천공되어 있을 경우, F-PCB상의 LED 칩에서 발생한 빛이 상부가 아닌 하부로도 진행하여, 금속 지주에 양면으로 F-PCB를 붙여서 사용하는 경우를 줄일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시에 따르면 형광체가 포함되지 않은 칩 자체와 확산필름에 의한 단색광 필라멘트를 제작할 수 있다. 즉 형광체와 봉지재 혼합체를 사용하지 않고, 단색광 자체를 확산시켜서 필라멘트 형상을 달성한다. 이를 실현하기 위한 구체적인 수단은 다음과 같다. 먼저, 단색광 칩을 F-PCB 기판에 실장 시킨 후에, 확산필름을 F-PCB 기판 전면 혹은 양면에 부착시킨다. 확산필름을 부착시킴으로서 점광원인 빛이 고르게 퍼져나가 단색 선광원으로 보이게 된다. 금속지주 단면에 단색광 LED 칩이 실장된 F-PCB를 실장시키더라도, 후면에 확산필름만을 금속지주에 부착시킬 수도 있다. 확산필름만을 추가로 배후에 부착시킴은 F-PCB 기판은 매우 얇고, 천공된 금속지주를 사용하는 경우, 앞면에서는 필라멘트 형의 선광원 빛이 나오지만, 실제로는 일부의 빛이 F-PCB와 금속지주의 반대면에 세어나와 배후에 점선으로 비치기 때문에, 이를 막기 위해 확산필름을 금속지주 후면에 부착시킨다.

상술한 구조에서 빛을 확산시키는 확산 필름은 폴리카보네이트, 아크릴, 유리등의 소재를 사용한 제품 등이 사용될 수 있다.

본 발명에 의한 유연한 LED 필라멘트 제작을 위해 금속 시트, 방열 시트가 결합한 F-PCB 상에 형광체 시트 및 확산필름이 결합된 구조의 제작 공정은 다음과 같다. F-PCB 위에 칩이 실장되며, 칩 사이의 전극 직렬연결 및 직렬연결된 칩 군들 ( 10~20개) 의 연결은 구리박판에 패턴된 회로 및 골드와이어로 연결한다. 형광체 시트를 칩이 실장된 PCB 위에 접착 결합하며, 또는 단색광을 분산 발광하기 위해서 확산 시트가 접착 결합하여 진다. 상기 확산필름는 형광체 시트와 결합하여 사용될 수가 있다. 즉 확산 필름을 칩이 실장된 PCB 위에 먼저 접착 결합시킨 후에, 형광체 시트를 접착 결합시킬 수 있으며, 이 경우는 보다 면광원에 가까운 LED 칩이 보이지는 않는 필라멘트 형의 광선을 만들 수가 있다. 열 전도는 PCB 자체에 의해서도 이루어지지만, 보다 원할한 열 전도를 위해 금속 시트가 PCB 뒤에 접착 결합 되며, 상기 5가지 구성요소 (금속지주/F-PCB/LED 칩/형광체 시트/ 확산필름) 가 결합한 시트는 절단 및 가공을 거쳐서 직선 및 원하는 곡선을 가진 LED 필라멘트 형상으로 만들어진다.

상기 구조에 의해 F-PCB 및 금속 지주, 방열 시트 및 형광체 시트 및 확산필름이 결합한 5중 결합 구조의 LED 필라멘트에 의한 전구의 형상 및 길이에 따라 변형이 가능하며, 루프 구조 및 다람쥐장 형 및 스파이럴 필라멘트 형상을 형성하기 위해서는 앵커라는 보조지주를 가지며 이에 의해서 상기 결합 구조의 길이가 길어져도 쳐지지 않고, 형상의 제어가 가능하다. 상기 앵커는 전통적인 백열전구 구조에서 필라멘트의 처짐을 방지하는 구조로 사용되었던 것과 기능상 동일하며. 재질로 알루미늄, 몰리브덴 등의 내식성과 열전도성이 좋은 금속이 사용된다.

그렇지만, 5중 결합 구조는 열에 약한 단점을 가지며, 전구 제작 공정상에서 유리구와 스템을 결합시키거나, 전구 베이스를 유리구와 결합시키기 위해 화염분사에 의해 유리를 녹이는 공정에 의해 열에 의한 손상을 입을 수 있다. LED 드라이버 또한 전구제조 공정에서 유리구 내부를 진공배기 및 불활성 가스로 채우는 공정 다음에, 배기관을 봉입하기 위해 고열로 유리를 녹이는 열기가 전달되어 필라멘트를 손상시킬 가능성이 있다.

본 발명에 의한 전구 양산 공정상에 문제점으로 드러난 상기 문제를 해결하기 위해, 제작공정에서 화염에 의한 열복사를 막는 차폐판을 설치고, LED 드라이버의 위치를 전구 베이스 내부가 아닌 스템위에 위치시켜서 열에 의한 신뢰성 문제를 해결하였다.

또한, LED 칩에서 발생한 열이 형광체를 가열하여 기화된 형광체가 유리구 내부에 점차 부착하여 유리의 투명도가 저하하는 문제는, LED 칩과 형광체 시트 사이에 확산 필름을 넣으며, 추가로 방열시트를 삽입함으로써 1차 적으로 해결하였고, 근본적으로 LED 칩에서 발생한 열로 뜨거워진 형광체 시트를 헬륨 및 헬륨 혼합가스를 유리구 내부에 봉입하여, 가스 대류에 의한 방열로 발생한 열이 즉시 빠지도록 하는 것으로 완전히 해결을 하였다.

본 발명에 의한 F-PCB, 방열 시트, 금속지주, 형광체시트, 확산필름의 5중 결합체는 기존 LED 필라멘트 전구에서 불가능했던 자유로운 디자인 조명이 가능하여, 불활성 가스, 금속지주 및 방열시트에 의한 방열특성 개선으로 장수명화가 가능하다.

또한, LED 칩이 표면실장된 F-PCB를 전도체인 금속에 부착시키고, 경우에 따라 대칭형 배광을 위한 홀을 다수 천공하여, 방열성과 절연성능을 높일 수 있다.

금속 지주 양방향으로 단면 F-PCB를 부착시킬 경우, 각각의 F-PCB에 색 온도가 다른 형광체 시트 및 단색 칩을 실장 가능해서 상품성이 강화된 디자인 조명 개발 가능하다. 즉 결합체의 양방향으로 색온도 /색깔이 다른 빛을 출력할 수 있는 양방향성을 갖는 LED 조명이 가능하다. 즉 전구색 (2700K), 주광색 (5700K)를 동시에 한 전구로 구현 가능하며, 형광체 시트를 생략하고 LED 칩 고유의 발광파장에 의해서 오렌지색/ 하늘색 등의 단색 조명을 가진 필라멘트와 백색광을 내는 필라멘트가 조합된 전구도 제작 가능하다.

또한, 본 발명은 기존의 LED 에디슨 전구에서 문제되었던 방열문제를 5중 결합구조에서의 방열시트 및 금속지주로 1차 해결함은 물론, 전구 유리구 내에 헬륨등의 불활성 가스를 혼입한 기체냉각에 의해 2차 냉각시킴으로써 전구의 수명연장 및 작동의 안정성을 보장하는 우수한 구조이다.

그리고 5중 결합구조를 LED 전구와 결합하는 구조에서, 전구 제조공정에서 배기관의 봉입을 위해 어쩔 수 없이 필요한 고열공정에 의해, F-PCB가 녹거나 손상을 입는 문제를 열을 차폐하는 차폐판을 도입함으로써 방지하는 LED 에디슨 전구의 실시 예에 대해서도 나타낸다. 거기에 더해서 일반적으로 베이스 내에 위치하는 LED 드라이버 또한, 상기의 고열공정에 의해 전자부품이 손상을 입을 수 있으므로, 전구구조에서 스템 상부에 LED 드라이버를 위치시켜서 배기관의 봉입 부위에서 멀어지게 하는 LED 에디슨 전구 구조에 대해서도 예시하였다.

도 1 은 상기 발명에 의한 칩이 장착된 F-PCB 및 확산 필름, 형광체 시트, 금속 시트등을 결합시킨 시트를 만든 후, 절삭 및 가공에 의해서 필라멘트를 만드는 공정의 모식도이다.
도 2 는 상기에 의해 제작된 5중 결합체 시트의 각 구성을 더욱 자세히 나타낸 단면도이다.
도 3 은 상기 발명에 의한 단면 F-PCB 상에 LED 칩이 직병렬 연결된 구성을 나타낸 회로도 및 필라멘트화된 실시 예를 나타낸다.
도 4는 필라멘트화된 F-PCB에 금속지주가 방열시트와 결합하고 그 위에 형광체 시트 및 확산필름가 덧붙여진 5중 결합체 구조의 모식도이다
도 5는 금속지주 양면에 도 4의 결합구조가 좌·우 부착되어 양면에서 발광하는 5중 결합 구조를 가질 경우의 모식도이다. 이 경우 양면이 다른 색 온도를 가지면서 입체적인 구조의 LED 필라멘트 구조를 가지는 전구를 제작할 수 있다.
도 6은 상기 발명에 의한 LED 필라멘트를 가지고 LED 전구를 만들기 위해 필라멘트를 지지하는 보조 앵커와 전구의 주요 구조를 결합하여 LED 전구가 된 형태를 설명하는 것이다.
도 7은 상기 발명에 의한 5중 결합구조의 필라멘트가 손상을 받을 수 있는 공정상의 문제를 해결하기 위한 전구구조를 나타낸 것이다. 배기관 상부에 스템 및 전원도입선에 의해 지지되는 차폐판을 넣어서, 필라멘트 손상을 방지하는 LED 에디슨 전구 구조의 모식도이다.
도 8은 상기 배기관 봉입 공정에서 LED 드라이버가 열에 의해 손상을 받을 가능성이 있으므로 이를 방지하기 위해, 이의 위치를 전구 베이스 (31) 위치에서 스템 상부로 이동시키어, 드라이버 내의 전자소자를 보호하는 구조의 LED 에디슨 전구의 모식도이다.

본 발명은 LED 칩 (20), 형광체 시트 (12), F-PCB (10) 등과 함께 백열전구의 구성요소 등의 다양한 구성요소 및 그것을 결합한 구성요소의 배치에 의해 이루어진다. 도면에서 제시된 각 구성요소는 크기의 과장, 길이의 변형, 구성요소의 개수의 달라짐이 있을 수 있으며, 단지 실시 예를 설명하기 위한 것이므로, 본 발명을 제한하는 것으로 구성되지 않는다.

본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 F-PCB (10) 에 표면 실장 된 LED 칩 (20) 을 광원으로 사용하며, 이에 형광체 시트 (12), 확산필름 (11) 등이 결합한 필라멘트 형의 5중 결합구조 (30) 는 LED 전구 내에서 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 쉽게 전달되도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게 발명의 범주를 알려주기 위해, 도식화되는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 5중 결합구조의 각 요소가 시트 형태 일 때의 구성 및 결합 순서를 나타낸 것이다. LED 칩 (20) 이 실장된 F-PCB (10) 위에는 확산필름 (11) 가 그림과 같이 접착 결합하며, 일반적으로 LCD 산업 및 LED 조명기기에서 사용되는 확산필름과 기능적으로 동일하다. F-PCB (10) 의 크기는 예를 들어 A4 사이즈에서 A0 사이즈까지의 다양한 크기를 가질 수 있다. 확산 필름 (11) 의 재질은 고분자 수지 등에 패턴이 형성된 구조 및 확산 산란을 위한 입자가 포함된 구조 등이 있을 것이다. 확산 필름을 결합시키는 방법으로는 스크린 프린팅 및 형광체 시트 (12) 하부의 접착제 (13(b)) 에 의한 결합 방법 등이 사용된다. 상기 확산 필름은 형광체 시트 (12) 와 결합하기 전 혹은 결합한 후에도 사용해도 무방하며, 예를 들어 형광체 시트 (12) 가 매우 두꺼울 경우 생략하는 것도 가능하다. 즉 확산필름 (11) 과 형광체 시트 (12) 의 순서는 서로 바뀔 수 있으며, LED 칩 (20) 이 단색광 혹은 R,G,B 칩의 배열에 의한 백색광이 아닌 특정 색깔을 가질 경우, 확산필름만을 사용하면 형광체 시트가 부수적으로 가지는 광 확산 효과를 확산필름이 단독으로 담당한다.

F-PCB (10) 및 확산필름 (11) 이 결합한 구조에는 형광체 시트 (12) 가 추가되어서 LED 칩 (20) 이 실장된 F-PCB (10) 에서 나오는 청색광 혹은 UV 광을 백색광으로 변환시킨다. F-PCB (10) 의 상부 광 경로에 확산필름 (11) 및 형광체 시트 (12) 가 층층이 쌓이는 구조는, 확산필름 (11) 과 형광체시트 (12) 를 통과한 청색광의 일부와 형광체 시트 (12) 에 분산된 형광체 입자에 흡수된 청색 광이 변환되어서 나오는 황색 광이 확산필름 (11) 상에서 혼합되어서 최종적으로 백색 선광원을 이루게 된다. 상기 형광체 시트 (12)는 확산필름 (11) 과 마찬가지로, 그 두께 및 시트 내부에 분산된 형광체의 양을 조절할 수 있으며, 또한 분산된 형광체의 농도 및 고유 변환파장에 의해 색온도를 조절할 수 있다.

양방향 배광이 필요한 경우에 금속 지주 (29) 양면에 F-PCB (10) 및 형광체시트 (12) 등이 붙은 구조가 사용 가능한데, 여기에 좌우 각각의 F-PCB (10) 에서 나오는 청색 광 스펙트럼을 일정한 범위로 정해놓고, 형광체 시트 (12) 를 서로 다른 고유변환 스펙트럼을 가지는 것을 결합시킬 수 있다. 즉, 좌우의 F-PCB 상의 LED 칩의 파장 및 광도는 동일하거나 일정한 범위 이내라도, 청색광을 형광체 시트가 변환시켜서 나오는 황색 광의 파장 및 강도가 다르므로 좌우로 색온도가 다른 LED 필라멘트 구조를 제작할 수 있다 (도 5).

상기 LED 칩 (20) 및 형광체 시트 (12) 가 결합한 F-PCB (10) 는 시트형으로 F-PCB 하부에는 접착성을 가진 방열시트 (13(a)) 가 금속 시트 (14) 와 F-PCB 사이에 들어가서 F-PCB를 금속 시트 (14) 에 결합시킨다. 상기 방열 시트 (14) 는 접착력을 가지는 그래파이트, 탄소나노튜브 등의 탄소계 소재에 의한 방열 시트 혹은 구리 박판과 탄소계 소재가 적층된 구조에 의한 것도 사용 가능하다. 상기 방열 시트(14) 는 박막코팅, 압연 등의 방식으로 얇게 시트화 된 것이나 필름 위에 도포된 방열 테이프 형태로 만든 것등이 본 발명에서는 사용 가능하다.

방열용 히트싱크와 PCB를 결합시키기 위해서 방열접착제가 널리 사용되고 있으나, 본 발명에서는 판 형태의 방열시트를 상기 F-PCB (10) 및 형광체 시트 (12), 확산필름 (11) 이 결합한 구조 및 금속 시트 (14) 사이에 넣어서 5중 결합구조 (30) 를 가지는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면 5중 결합구조 (30) 는 절단 가공만 하면 긴 LED 필라멘트 형태로 제작이 간단하게 가능하며, 굴곡지게 절단시에는 글자와 같은 특정 형상의 판형 필라멘트 제작도 가능하게 된다.

도 2는 상기 5중 결합구조의 적층 구조 및 상부에 보조 방열시트 (13(b)) 를 사용할 경우의 실시 예이다. F-PCB (10) 표면에 실장된 LED 칩 (20) 은 모든 구성 요소가 결합한 후에 필라멘트모양으로 가늘고 길게 절단되는 공정을 위해 특정한 방향으로 길이를 가지고 배열된다. 도2의 구조에서는 LED 칩에서 나오는 열이 직접 형광체 시트에 전달되지 않도록 하기 위해 보조방열시트 (13(b))가 형광체 시트 (12), 확산필름 (11) 사이에 삽입된다. 형광체 시트 (12) 는 고분자 수지에 형광체가 분산된 구조로 열에 취약하여 어느 정도 LED 칩 (20) 에서 떨어진 광경로에 위치할 필요가 있으며, 확산필름 (11) 만으로는 LED 칩에서 발생하는 열을 수평으로 확산시키는 능력이 부족할 수 있다. 보조 방열시트 (13 (b)) 는 형광시트 (12) 가 받는 열을 신속하게 확산필름 (11) 으로 전달시켜서 고르게 열이 빠지도록 한다. 그 외의 구성요소는 금속시트 (14) 및 F-PCB (10) 및 방열시트 (13(a)) 로 동일하다.

도 3은 본 발명에 실시 예에 따른 LED 칩 (20) 과 F-PCB (10) 가 필라멘트로 결합한 것의 구성을 나타낸 것이다. 상기 그림에서 LED 칩 (20) 은 직렬 및 병렬연결되며 상호 간 전기적 연결은 구리도금에 의한 회로 배열 혹은 부분적으로 골드와이어에 의한 연결(21) 을 가진다. 도 3에 제시된 실시 예처럼 배열할 경우 LED 칩 (20) 의 크기는 0.5 W 급 이하의 칩으로 주로 0.01 ~ 0.1 W 급 칩이 직선 혹은 곡선으로 F-PCB (10) 위에 실장 된다. 상기 칩들의 크기는 9*12 mil 사이즈에서 9*12, 12*15 mil 사이즈 칩을 사용할 수 있다. 또한, 만들고자 하는 LED 필라멘트 (27) 의 길이 및 형상이 복잡할 경우에는 병렬을 혼합한 직병렬 방식을 사용할 수 있다.

또한, LED 칩 (20) 에 전원 및 제어신호를 공급하기 위해 회로패턴 (22-1) 이 형성되며, F-PCB (10) 의 상면 혹은 하면, 또는 양면 F-PCB의 경우 양면에 형성되는 것이 가능하다. 통상 상기 사이즈의 직렬 칩을 20~30개 연결할 경우에 구동 전류는 20mA 전후로 하며, 전압은 15~20V를 사용할 수 있다.

도 3 에서는 8개의 LED 칩이 직렬배열된 구조 2개가 (24, 25) 가 제시되어 있고 이 직렬배열 구조 (24,25) 들은 서로 간에 회로패턴 (22-1) 에 의해 연결되어 있다. 상기 직렬구조에서 사용되는 구동전압이 높을 경우 이를 직렬배열에서 상쇄시키기 위해서 저항 (22) 및 정류 및 스위칭 구실을 하는 트랜지스터 (23) 등이 부가적으로 F-PCB (10) 상에 위치할 수 있다. 상기 저항 (22) 및 트랜지스터 (23) 는 도 3이 나타내는 위치에 국한되지 않고, 병렬연결을 보완하기 위해 회로패턴 (22-1) 상의 적합한 위치에도 삽입할 수 있으며 그 복수개가 사용될 수 있다. 상기 칩을 F-PCB (10) 위에 실장시키는 방법은 기존 세라믹 LED 필라멘트의 COB 제작공정에서 사용되는 에폭시 수지, 은 페이스트 등에 의한 접착 방법이 가능하며, 보다 바람직하게는 eutectic bonding 혹은 bumping 등에 의한 접착이 가능하다.

상기 5중 결합체를 절단한 필라멘트의 양단 부분에는 전기적인 연결을 위한 커넥터 (상) (26-a)과 커넥터 (하) (26-b) 가 연결되며 이는 상기 회로패턴과 전기적으로 연결되어 필라멘트 내의 LED 칩에 전기를 공급하는 구실을 한다. 상기 커넥터들의 형태는 F-PCB (10) 생산공정에서 전원공급을 위한 구리 패트등의 형태로 만드는 것도 가능하며, 보다 바람직하게는 전구구조에서 전원 공급선과 연결되어 포인트 용접할 수 있도록, 구리가 도금된 알루미늄, 텅스텐등의 금속단자가 사용된다.

상기 LED 칩 (20) 이 실장된 F-PCB (10) 는 Polyimide (PI), Polyester (PE)등의 재료를 사용한 F-PCB (10) 에 의한 것이 제일 바람직하나, 적당한 굴곡성과 내결성을 가지는 Rigid F-PCB의 사용도 가능하다. 성형 전에 단계에서 F-PCB (10) 의 양단에 장착된 커넥터 (상) (26-a)과 커넥터 (하) (26-b) 에서 전원을 공급받을 수 있도록 모양이 만들어진다. 상기 커넥터는 LED 드라이버 (32) 에 직접 전원도입선 (30) 을 통해 연결되어 전원을 공급받는다. 도 3의 우측은 직렬연결 구성요소 (23,25) 가 다수 사용되고 저항 (22) 및 커넥터 (상) (26-a)과 커넥터 (하) (26-b)가 PCB 상에 결합된 LED 필라멘트 (27) 을 나타낸 것이다. 이것은 도 1,2에서 제시한 5중 결합구조에서 시트를 원하는 길이, 방향에 따라 절단하여 생성된다.

도 4는 도 3에서 제시된 LED 필라멘트의 사이즈에 맞게, 5중 결합구조 (30) 를 형성시킬 경우의 단면도이다. 금속 시트를 절단한 금속지주 (29) 와 방열시트 (13), 확산필름 (11), 형광체 시트 (12) 가 LED 필라멘트 (27) 에 순차적으로 결합하여지며, 금속지주 (29)의 양측 단에는 스폿 용접등에 의해 LED 드라이버 (32) 와 전기적으로 연결하기 위한 용접부위 (상) (28-a)과 용접부위 (하) (28-b) 가 구비될 수 있으며, 이들은 F-PCB (10) 상의 커넥터 (상) (26-a)과 커넥터 (하) (26-b)와 전기적으로 연결되어 LED 필라멘트 (27) 에 전력을 공급할 수 있다. 도 4의 결합구조는 전체로 5중 결합구조 (30) 에 의한 단면 LED 필라멘트를 형성한다.

상기 절단되어 직선화한 5중 결합구조 (30) 의 크기는, E29 사이즈의 전구에 적합한 사이즈로 절단된 경우의, 너비는 일반적으로 0.1 mm에서 0.8 mm의 폭을 가지며 길이는 자유로운 길이로 제작 가능하다. 만일 A0 크기의 F-PCB (10)/방열시트 (13)/형광체시트 (12) / 확산필름 (11) / 금속지주 (29) , 5중 결합구조 (30) 를 절단하여 필라멘트를 만들 경우 최대 110cm의 길이의 5중 결합구조 (30) 필라멘트 제작이 가능할 것이다. 이 길이는 세라믹 기판 필라멘트를 사용한 기존 LED 에디슨 전구의 필라멘트 길이가 5cm 남짓한 것에 비하면 매우 긴 길이의 제작이 가능한 것이다.

상기 5중 결합구조 (30) 각각의 두께를 나타내면 F-PCB (10) 가 최대 50~60 um, 방열시트 (13) 가 0.3~2mm, 형광체 시트 (12) 가 0.8~20mm 두께를 가지며, 확산필름 (11) 은 70~ 200 um, 금속지주 (29) 는 0.5 ~ 2mm 두께가 바람직하다. 각각의 열전도율을 보면 F-PCB (10) 가 2~9 W/mK (폴리이미드 구조의 경우임), 금속지주 (29) 는 204W/m°C (알루미늄), 방열시트 (13) 는 300~1000 W/m°C (카본) 등의 열전도율을 가진다. 이들 결합체의 열전도율은 방열시뮬레이션 결과, 60~75 W/m°C (0.5 mm 폭이며 두께는 3mm의 경우) 정도로, 부도체인 사파이어, 유리, 세라믹 등의 열전도율이 30~45 W/m°C 에 불과하는데 비해 훨씬 우수한 열전도율을 가진다.

도 5는 도 4에서 제시된 5중 결합구조 (30) 가 금속지주 (29) 에 5중 결합구조 (좌) (30-a)와 5중 결합구조 (우) (30-b)으로 결합하여 양면 배광을 할 수 있는 LED 필라멘트 구조의 모식도이다.

도 5에서 제시된 결합구조의 특징은, 형광체 시트 (12) , 확산필름 (11) 을 황색 형광체의 단독혼합 혹은 3% 이내에서의 기타 형광체 예를 들어 질화갈륨 계열의 적색 형광체를 혼합한 경우의 5중 결합구조 (좌) (30-a)는 일반적인 주광색 (5700K)의 색온도 구현이 가능하며, 5중 결합구조 (우) (30-b) 에 적색 형광체 혼합비를 늘릴 경우 색온도가 낮아져서 전구색 (2700~2800 K) 의 조명이 가능하다. 즉 왼쪽에 주백색을 내는 형광체 시트가 접착된 5중 결합구조 (좌) (30-a) 를 사용하고, 오른쪽에 전구색을 내는 형광체 시트가 접착된 5중 결합구조 (우) 30-b)를 사용시에는 필라멘트 양쪽에서 다른 색온도를 가지는 보다 장식성이 높은 필라멘트형 LED 에디슨전구를 제작할 수 있다. 또한, 양면 5중 결합구조에서 5중 결합구조 (좌) (30-a)는 형광체 시트 (12) 와 청색 LED 칩에 의해 주백색 및 전구색의 빛을 내면서, 5중 결합구조 (우) (30-b) 에서는 형광체 시트 (12) 가 생략되고 확산필름 (11) 이 삽입된 F-PCB상의 단색 LED 칩에 의한 단색발광이 구현되어, 좌우에서 색깔이 다른 양면 5중 결합구조를 가지는 LED 에디슨 전구를 제작하는 것이 가능하다.

도 5에서 제시된 양면 5중 결합구조 (30-a, 30-b)는, 형광체가 포함되지 않은 칩 자체와 확산필름에 의한 단색광 필라멘트를 제작할 수 있다. 단색광 칩을 F-PCB 기판에 실장 시킨 후에, 확산필름을 F-PCB 기판 전면 혹은 양면에 부착시킨다. 확산필름을 부착시킴으로써 점광원인 빛이 고르게 퍼져 나가 단색 선광원으로 보이게 된다. 금속지주 단면에 단색광 LED 칩이 실장된 F-PCB를 실장시키더라도, 후면에 확산필름을 금속지주에 부착시키는 이유는 상술하였다. 또한, 당연히 5중 결합구조 (좌) (30-a)와 5중 결합구조 (우) (30-b) 에 색깔을 달리하는 LED 칩을 각각 실장할 수 있어서, 예를 들어 오렌지색 (610nm) / 초록색 (550nm )을 내는 LED 칩이 각각 좌측, 우측에 결합한 5중 결합구조 (30-a, 30-b)을 가진 LED 에디슨 전구를 제작할 수 있다.

도 6~8은 본 발명에 의해서 F-PCB (10) 및 확산필름 (11), 형광체시트 (12) 등이 결합된 5중 결합체 LED 필라멘트 (38) 가 전구에 응용되었을 경우의 실시 예를 나타낸다. 상기 구조들은 백열전구의 구성요소 (배기관 (33) , 유리구 (34), 앵커 (상) (35-a) 및 앵커 (하) (35-b), 전원도입선 (36), 스템 (37))들을 이용하지만, 헬륨을 주체로 하는 불활성 가스 (40) 가 사용되는 점이 일반 백열전구의 불활성 가스 조성과는 상이하다. 백열전구에서도 텅스텐 와이어의 증발을 막고 이것이 유리구 (34) 내부에 부착하여 흑화하는 현상을 억제하기 위해 유리구 (34) 내에 아르곤, 질소등의 불활성 기체로 봉입하고, 할로겐 전구는 유리구안에 불활성 기체 외에 요드, 브롬, 염소 등의 할로겐 화합물을 미량 봉입한다. 본 발명에 의한 구조의 불활성 가스 (40) 은, 상술한 백열전구의 흑화현상과 유사한 현상이 LED 필라멘트를 사용한 전구에도 발생하는 것을 방열을 통해 막기 위해, 헬륨 기체 혹은 헬륨 기체와 질소, 아르곤의 혼합가스를 사용한다. 기존의 세라믹을 사용한 일자형 LED 필라멘트 전구에서는 물론 본 발명에 의한 5중 결합구조의 필라멘트 (38) 에서도 유리구가 주로 노란색으로 착색되어 투명도가 떨어지는 현상이 발생하였다. 추정되는 원인은 형광체가 LED 칩에서 발생하는 열에 의해 가스화되어서 유리구 내에 부착하는 것이다. 이를 막기 위해서 상술한대로 방열시트 (13) 를 형광체 시트 (12) 상부 혹은 순서를 변경하여 하부에 붙여도 이를 완전히 막기는 힘들다. 그러므로 상술한 금속지주 (29) 이외에 유리구 (34)내부의 기체를 보다 열전도성이 좋은 헬륨을 주체로 한 불활성가스 (40) 로 봉입함으로써 황변현상을 억제하려고 한다. 구체적으로 순수한 헬륨을 넣거나, 비용상의 문제가 있으면 헬륨과 질소, 혹은 아르곤가스의 혼합비 9:1~1:1을 유지시킨 혼합가스를 사용하여 가스에 의한 대류에 의한 열전도로 필라멘트에서 발생한 열을 유리구 내벽에 전달시켜 황변현상을 억제시킨다.

도 6은 5중 결합구조 필라멘트 (38) 가 백열 전구구조에 들어가서 "루프구조의 LED 에디슨 전구" (50) 의 모식도이다. 상기 구조는 전구 베이스 (31) 및 LED 드라이버 (32) 를 가지며, 유리구 (34) 와 결합하여 LED 전구의 역활을 한다. 유리구 (34) 내부에 배기관 (33) 및 스템 (37) 이, 전구 베이스 (31) 내부에는 LED 드라이버가 들어가 있으며, 여기서 나온 전류는 전원도입선 (36)을 통해, 앵커 (상) (35-a) 및 앵커 (하) (35-b)를 통해 지탱되는 5중 결합구조 필라멘트 (38) 의 양단에 도입된다. 도 6의 구조에서 상기 필라멘트는 일측단이 전기적으로 연결하기 위한 용접부위 (상) (28-a), 용접부위 (하) (28-b) 에 의해 전원도입선 (36) 에 연결되고, 상부앵커 (35-a)와 걸린 다음, 다시 하부앵커에 의해 굽혀진 후, 다시 상부앵커를 통해서 올라간 후에 다시 하부앵커를 통해 최종적으로 반대편 전원도입선 (36) 에 연결된다. 앵커 (상) (35-a) 및 앵커 (하) (35-b)는 필라멘트와 전기적으로 연결되지 않으며, 유리 재질의 스템에 의해 지지된다.

도 6에서 제시된 형태의 앵커 (35) 와 필라멘트 (27) , 전원도입선 (36) 이 결합한 "루프구조의 LED 에디슨 전구" (50) 은 초기의 에디슨이 발명한 백열전구의 루프 필라멘트 구조에 가까운 필라멘트 형상을 가진다.

도 7은 도 6에 제시된 전구 베이스 (31), LED 드라이버 (32), 배기관 (33) , 유리구 (34), 앵커 (상) (35-a) 및 앵커 (하) (35-b), 전원도입선 (36), 스템 (37), 5중 결합 구조 필라멘트 (38) 등이 결합된 LED 전구 구조에서, 차폐판 (39)를 추가로 도입한 방열판이 추가된 LED 에디슨 전구 (60) 을 나타낸다.

전구제조 공정에서 배기관 (33) 을 통해 유리구 (34) 내부를 진공배기 및 불활성 가스 (40) 로 채우는 공정의 마무리에서 배기관을 봉입하기 위해 고열로 배기관 (33) 의 하단을 녹이기 때문에 생기는 열기에 5중 결합구조 LED 필라멘트 (30) 가 손상을 받을 수 있는 공정상의 문제를 해결하기 위한 전구구조 (60) 를 나타낸 것이다. 배기관 (33) 하부 봉입 시에는, 유리의 녹는 점 이상의 고온이 30초 정도 화염에 노출된다. 온도를 낮추고 배기관 (33) 하부를 녹이는 시간을 늘려도, 고온이 필라멘트가 삽입된 유리구 (34) 내부로 들어가는 것을 막을 수는 없다. 하부에 화염이 접촉되므로 도 7의 전구 (60) 중앙에 위치하는 5중 결합 구조 (38) 와는 어느 정도 공간적으로 떨어져 직접 화염이 전파되지는 않으나, 그 열기가 유리구 (34) 내부에 전달되어 5중 결합구조 (30) 를 이루는 고분자 물질을 변성시킬 수 있으므로, 차폐판 (39) 은 위로 올라오는 열기를 반사하고 내열성을 가지는 금속이 적합하다. 재질은 스테인레스 스틸, 니켈 도금한 철, 몰리브덴, 텅스텐 등을 사용할 수 있으며 두께는 0.5~0.9 mm 정도가 적당하다. 상기 차폐판 (39) 은 전구 베이스 (31) 와 스템 (37) , 유리구 (34) 등을 접착하는 공정에서 전구 베이스 (31) 에 발라진 접착제를 응고시키기 위해서, 다시 화염에 의해 온도를 높일 경우의 열 손상을 방지하는 데에도 유용할 수 있다.

도 8은 도 6에 제시된 전구 베이스 (31), LED 드라이버 (32), 배기관 (33) , 유리구 (34), 앵커 (상) (35-a) 및 앵커 (하) (35-b), 전원도입선 (36), 스템 (37), 5중 결합 구조 필라멘트 (38) 등이 결합된 LED 전구 구조에서, LED 드라이버의 위치를 전구 베이스 (31) 내부 혹은 상부가 아니라, 스템 (37) 상부에 위치하도록 한 것으로 스템 (37) 상에 LED 드라이버가 있는 LED 에디슨 전구(70)를 나타낸다. 백열전구의 제조공정 및 LED 에디슨 전구 제조공정은 LED 드라이버 (32) 가 추가되고, 텅스텐 필라멘트에서 LED 필라멘트로 내용물이 바뀌는 것을 제외하고는 대부분 일치한다. 상이한 것은 기존의 LED 전구에서는 비어 있는 전구 베이스 (31) 내부에 일반적으로 LED 드라이버 (32) 가 위치하며, 스크류 모양의 전구 베이스 (31) 내부에 원형 SMPS 구조가 삽입되는 경우가 일반적이다. LED 드라이버 (32) 가 삽입된 전구 베이스 (31) 상부에 접착제가 발라지며, 유리구 (34) 및 스템 (37) 이 결합한 구조와 접합 되지만, 가스화염에 의해 고착시키기 때문에 전구 베이스 (31) 상부의 온도가 매우 올라간다. 이 경우 LED 드라이버 (32) 는 고열에 노출되며 구성품인 다이오드, 저항 등의 부품은 고열에 약하므로 신뢰성 문제가 발생할 수 있다. 또한, LED 드라이버 (32)가 스템 (37) 상부에 위치하면 크기 및 형상 설계가 자유로워지며, 부가적으로 전원도입선 (좌) (36-a), 전원도입선 (우) (36-b) 또한 스템상에 LED 드라이버가 있는 LED 에디슨 전구 (70) 상부에 위치하며, 열에 의한 손상을 방지할 수 있다.

특히 본 발명에 의한 LED 필라멘트는 다량의 LED 칩이 사용되고, F-PCB의 길이가 상술한 것처럼 길어져서, 직병렬 구조로 LED 칩을 배열할 필요가 있음을 상기해야 한다. 이 경우, 정전류 및 정전압 양자를 조정할 수 있는 SMPS가 이상적이나, 다이오드,트랜지스터, 저항 등의 부품 수가 늘어나서 그 크기가 당연히 커진다. 특히 LED 에디슨 전구는 백열전구처럼 보이기 위해, 유리구와 베이스가 백열전구가 같은 사이즈를 사용하기 때문에, LED 드라이버의 배치에 곤란하여 무리하게 소형화 시킬 경우가 있다.

도 8의 스템 (37) 상에 LED 드라이버가 있는 LED 에디슨 전구 (70) 에 제시된 LED 드라이버 (32) 의 배치는, 촛대구처럼 작은 전구 베이스 (31) (E17, E19)를 가진 LED 에디슨 전구에서는 전구 베이스 (31) 내부가 협소하여 충분한 크기의 LED 드라이버 (32) 가 삽입되기 어려운 문제가 발생하므로 스템 (37) 상부에 LED 드라이버 (32) 를 위치시킨 구조는 소형전구에 본 발명 구조를 적용하는 데 도움이 된다. LED 드라이버 (32) 를 상부에 위치시키는 방법은 도 8에 제시된 상기 구조에 한정된 것이 아니며, 예를 들어, 도 7에 도시된 차폐판 (39) 과 LED 드라이버 (32)가 동시에 사용될 수 있다.

본 발명은 장식적인 효과가 강한 상업조명 분야에서 백열전구를 대체할 수 있을 것만이 아니라., 입체적인 배광을 가진 전구가 필요한 다른 산업 분야, 예를 들어 자동차 헤드램프용 전구 등에도 응용이 기대된다.

10:F-PCB 11: 확산필름
12:형광체시트
13-a:방열시트
13-b: 보조방열시트
14:금속시트
20: LED 칩 21:골드와이어
22:저항 22-1: 회로패턴
23:트랜지스터
24:LED 직렬구조 (1) 25: LED 직렬구조 (2)
26: 커넥터
26-a:커넥터 (상) 26-b: 커넥터 (하)
27: LED 필라멘트
28-a: 용접부위 (상) 28-b: 용접부위 (하)
29:금속지주
30: 5중 결합구조
30-a: 5중 결합구조 (좌), 30-a: 5중 결합구조 (우)
31:전구 베이스
32: LED 드라이버 33:배기관
34:유리구
35-a :앵커 (상), 35-a :앵커 (하)
36: 전원도입선
36-a: 전원도입선(좌), 36-b : 전원도입선 (우)
37:스템
38:5중 결합구조 필라멘트 39: 차폐판
40: 불활성 가스
50: 루프구조의 LED 에디슨 전구 60: 방열판이 추가된 LED 에디슨 전구
70: 스템상에 LED 드라이버가 있는 LED 에디슨 전구

Claims

F-PCB (10) 를 포함하는 LED 필라멘트 (27) , 단면 혹은 양면이 PCB로 구성되고, 이들이 금속 지주에 의해서 지지되는 구조: 상기 구조에서 F-PCB (10) 위에는 LED 칩 (20) 이 실장 되어서, 골드와이어 (21) 및 구리 박막에 의해 전기적으로 연결되는 구조: 상기 구조에서 형광체 시트 (12) 가 광경로 상에 위치하여 F-PCB (10) 와 결합하여서 청색광을 황색광으로 변환시키어 혼색에 의한 백색광이 나오는 구조: 상기 구조에서 각 요소를 결합시키기 위해서 방열 시트 (13-a) 및 보조방열시트 (13-b) 가 사용된 구조: 상기 요소들을 모두 결합시킨 시트를 절단 및 가공하여서 직선 "bar" 형태 혹은 곡선을 가지는 LED 필라멘트 (27) 를 제조하는 것은 특징으로 하는 LED 필라멘트 제조방법
청구항 1에서 언급된 구조에서 형성된 LED 필라멘트 (27) 가 직선 길이는 5.00 mm ~1300.00mm이며, 폭은 0.50~10.00mm 폭이며, 두께는 0.10~5mm이며, 방열 시트 (13) 가 0.3~2mm, 형광체 시트 (12) 가 0.8~20mm 두께를 가지며, 확산필름 (11) 은 70~ 200 um, 금속지주 (29) 는 0.5 ~ 2mm 두께임을 특징으로 하는 구조
청구항 1 에서 언급된 금속지주 (29) /방열시트 (13-a, 13-b) /F-PCB (10) / 형광체시트 (12) 구조에서 칩에서 나온 광을 확산시키기 위해 PCB와 형광체시트 사이 혹은 형광체시트 (12) 위에 확산 필름 (11) 이 접착 코팅된 구조
금속지주 (29) 에 양면으로 청구항 1, 혹은 청구항 3의 구조가 결합시에, 형광체 시트가 가지는 형광체들의 조성 및 입자크기, 배합비등을 양면에서 달리함으로써, 동일한 파장 피크, 파장폭을 가지는 LED 칩 (20) 이 양쪽에 사용하더라도 색 온도가 각각의 면에서 다른 빛이 입체적으로 나오는 것을 특징으로 하는 양방향 LED 필라멘트 구조
청구항 3에서 언급된 금속지주 (29) /방열시트 (13-a, 13-b) /F-PCB (10) / 형광체시트 (12) / 확산필름 (11) 구조에서 형광체시트 (12) 가 생략되고 금속지주 (29) /방열시트 (13-a, 13-b) /F-PCB (10) / 확산필름 (11) 만으로 구성된 구조로, 단색광 혹은 R,G,B 삼색의 LED 칩을 PCB에 실장시켜서, 단색광 혹은 혼색에 의한 색깔을 발현시키는 것을 특징으로 하는 구조
청구항 1에서 5까지 언급된 LED 필라멘트구조를 이루는 F-PCB (10) 상의 LED 칩 (20) 이 회로패턴 (22-1) 에 의해 직병렬회로를 만들고, 저항 (22) , 트랜지스터 (23) 등이 결합하여서 회로를 이루며, 자유로운 길이 및 너비를 가지는 LED 필라멘트 (27) 가 형성되도록 하는 구조
청구항 1~6에서 언급된 LED 필라멘트 구조를 가지고 전구 베이스 (31), LED 드라이버 (32), 배기관 (33) , 유리구 (34), 앵커 (상) (35-a) 및 앵커 (하) (35-b), 전원도입선 (36), 스템 (37), 5중 결합 구조 필라멘트 (38) 등을 조합하여 LED 전구를 만드는 구조
상기 청구항 7에서 언급된 구조에서 앵커 (상) (35-a) 및 앵커 (하) (35-b)에 의해 지지가 되는 자유로운 길이 및 너비를 가지는 LED 필라멘트 (27) 에 의해 루프형 (Loop Type), 다람쥐장형 (Squirrel Cage Type), 스파이럴 (Spiral) 형의 다양한 필라멘트 모양을 가지는 전구를 이루는 구조
상기 청구항 7에서 언급된 구조에서 앵커에 의해 지지가 되는 자유로운 길이 및 너비를 가지는 LED 필라멘트 (27) 가 복수 결합하여 글자 모양, 특정 로고모양을 가지게 하는 LED 전구구조
청구항 7 에서 언급된 LED 전구의 유리구 (34) 내에 불활성 가스 (40) 가 봉입되어 대류에 의한 냉각이 이루어지는 구조. 사용되는 가스의 혼합비는 헬륨 100% 에서 타 불활성 가스 (아르곤, 질소 등) 와 9:1~1:1까지의 범위로 한다.
청구항 7 에서 언급된 LED 전구에서 스템 (37) 상에서 스템 (37) 혹은 전원도입선 (36) 에 의해 지지되는 차폐판이 결합되어 전구를 이루는 구조. 상기 차폐판은 스테인레스 스틸, 니켈 도금한 철, 몰리브덴, 텅스텐 등을 사용할 수 있으며 두께는 0.5~0.9 mm로 되는 구조
청구항 7 에서 언급된 LED 전구에서 LED 드라이버 (32) 의 위치가 스템 (37) 혹은 전원도입선 (36) , 앵커 (35-a, 35-b)들에 의해 지지되어 유리구 (34) 상부에 위치하도록 하는 구조