KR20200141177A - Uv led의 복사 에너지 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 UV LED UV LED의 복사 에너지를 제어하여 다양한 분야에 활용할 수 있는 장치에 관한 것이다. 이는 실장면(113)과 이면(114)을 구비하는 기판(11)과, 상기 기판(11)의 실장면(113)에 실장된 UV LED(12)를 구비하는 광원(10); 상기 기판(11)의 실장면(113)으로부터 소정 간격 이격되어 배치되고, 상기 UV LED(12)의 출사면을 마주하는 입사면(31)과, 상기 입사면(31)과 대향하는 출사면(32)을 구비하는 렌즈(30); 및 상기 기판(11)과 상기 렌즈(30)를 지지하고, 상기 기판(11)의 열을 전도 받아 상기 장치 외부로 방출하는 지지부재(20);를 포함한다. 상기 렌즈(30)는, 상기 UV LED(12)에서 출사된 자외선을 비롯한 복사 에너지를 상기 입사면(31)과 상기 출사면(32)에서 굴절시켜 집중시킬 수 있다.

Description

UV LED의 복사 에너지 제어 장치{Radiation Energy Controller for Ultraviolet Light Emitting Diode}
본 발명은 UV LED(Ultraviolet Light Emitting Diode, 자외선 발광 다이오드)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 UV LED의 복사 에너지를 제어하여 다양한 분야에 활용할 수 있는 장치에 관한 것이다.
광에너지를 집중시키는 에너지 제어에 관한 기술은 널리 알려져 있다. 대표적인 광에너지 제어 기술이 적용된 장치는 레이저 가공 장치이다. 레이저 가공 장치는 광에너지를 원포인트에 집중시켜 조사시킴으로써, 레이저가 조사되는 표면에 강한 에너지를 전달하여 표면을 가공하는 기술이다.
상기 레이저 가공 장치에는 레이저 발생 장치가 설치된다. 상기 레이저 발생 장치에서 출사되는 레이저의 파장으로서는 532nm의 녹색 레이저나 355nm의 자외선(UV)이 이용된다. 355nm의 자외선(UV)의 짧은 파장은 높은 에너지를 가지며, 이를 집광하여 에너지를 집중시키면 표면 가공이 가능하다.
이러한 종래의 레이저 발생 장치는, Nd:YAG 고체 매질의 레이저 로드(laser rod)의 활성 원자가 외부로부터 에너지를 받아 여기와 환원을 반복하는 과정에서 발생하는 1064nm 빛을 광 공진기(optical cavity)에서 발진(유동 방출)시키는 원리를 이용한 것이다. 기본 파장인 1064nm의 레이저는 광학계를 거쳐 제2고조파인 532nm의 녹색 레이저나 제3고조파인 355nm의 자외선 레이저로 다이오드 펌핑된다.
그러나 상술한 방식에 의해 발생되는 자외선의 파장은 355nm로 고정된다. 또한 이와 같은 자외선 레이저 발생 장치는, 구조가 매우 복잡하고, 컴팩트한 장치 구성이 어려우며, 제조 단가가 높다. 또한 위와 같은 자외선 레이저 발생 장치의 원리를 이용하면 극히 냉각 장치를 통해 열에너지를 모두 방출시키고 광 에너지만을 집중시키는 결과, 에너지 효율이 낮다.
WO 94/09713 JP 2006-315031A
본 발명은, 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 구조가 단순하여 컴팩트하게 제작 가능하고, 제조 단가가 낮은 UV LED의 복사 에너지 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 자외선의 파장을 조절할 수 있는 UV LED의 복사 에너지 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 에너지 효율이 높은 UV LED의 복사 에너지 제어 장치 및 이를 이용한 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, UV LED의 복사 에너지를 제어하는 장치로서, 실장면(113)과 이면(114)을 구비하는 기판(11)과, 상기 기판(11)의 실장면(113)에 실장된 UV LED(12)를 구비하는 광원(10); 상기 기판(11)의 실장면(113)으로부터 소정 간격 이격되어 배치되고, 상기 UV LED(12)의 출사면을 마주하는 평면 형상의 입사면(31)과, 상기 입사면(31)과 대향하는 볼록한 형상의 출사면(32)을 구비하는 PMMA 또는 석영 재질의 렌즈(30); 및 상기 기판(11)과 상기 렌즈(30)를 지지하고, 상기 기판(11)의 열을 전도 받아 상기 장치 외부로 방출하는 지지부재(20);를 포함하고, 상기 렌즈(30)는, 상기 UV LED(12)에서 출사된 자외선을 상기 입사면(31)과 상기 출사면(32)에서 굴절시켜 집광하는 UV LED의 복사 에너지 제어 장치를 제공한다.
상기 UV LED의 복사 에너지 제어 장치는, 상기 복사 에너지의 피조사물(80)을 바라보도록 상기 지지부재(20)에 설치되어, 상기 피조사물(80) 표면의 조도와 온도를 측정하는 센서모듈(60); 및 상기 센서모듈(60)에서 측정된 조도와 온도에 기초하여 상기 광원(10)을 제어하는 제어부(51);를 더 포함할 수 있다. 이로써, 광원과 제어부를 일체화할 수 있다.
상기 기판(11)은 평판 형상일 수 있다.
상기 UV LED(12)는 칩 형태 및/또는 패키지 형태로 상기 기판(11)에 실장될 수 있다. 상기 UV LED(12)는 어레이 형태일 수 있다. 상기 어레이는 직선 형태일 수 있다. 상기 UV LED(12)는 평판 상에 배열될 수 있다. 상기 UV LED(12)는 칩온보드(Chip in Board) 모듈이거나 패키지 모듈일 수 있다. 상기 UV LED(12) 칩온보드 패키지 모듈일 수 있다.
상기 렌즈(30)의 입사면(31)은 평면 형상을 이룰 수 있고, 상기 렌즈(30)의 출사면(32)은 볼록한 형상일 수 있다.
상기 렌즈(30)는 석영 또는 단량체 비율이 85% 이상의 PMMA일 수 있다.
상기 UV LED(12)는 직선 어레이 형태로 배열되고, 상기 렌즈(30)는, 상기 입사면(31)이 평평하고 상기 출사면(32)이 볼록한 반원기둥 형상을 포함하여, 소정의 폭과 길이를 가지는 선분 형태로 자외선을 집광 제어할 수 있다.
상기 UV LED(12)는 칩 형태이고, 상기 렌즈(30)는, 상기 입사면(31)이 평평하고 상기 출사면(32)이 볼록한 반구 형상을 포함하여, 소정의 면적을 가지는 점 형태로 자외선을 집광 제어할 수 있다.
상기 광원은 복수 개의 UV LED(12)를 구비하고, 상기 복수 개의 UV LED(12)는 서로 나란한 복수 개의 직선 어레이 형태로 배열되고, 상기 복수 개의 직선 어레이는 2 이상의 채널을 구성할 수 있다.
상기 제어부(51)는 상기 채널 별로 상기 UV LED(12)를 제어하여 자외선이 조사되는 폭 또는 면적을 조절할 수 있다.
상기 UV LED(12)의 피크파장은 360nm 이상 460nm 이하의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 복수 개의 UV LED(12)의 피크파장은 서로 다를 수 있다.
상기 복수 개의 UV LED(12)의 피크파장은 서로 다를 수 있다. 이에 따라 서로 다른 피크파장의 자외선이 피조사물에 조사될 수 있다.
상기 복수 개의 UV LED(12)의 피크파장은 채널 별로 서로 다를 수 있다.
상기 제어부(51)는 상기 채널 별로 상기 UV LED(12)를 제어하여 피조사물에 조사되는 자외선의 피크파장을 제어할 수 있다.
상기 지지부재(20)는, 상기 기판(11)을 지지하는 광원 지지부재(21)와, 상기 렌즈(30)를 지지하는 렌즈 지지부재(22)를 포함하고, 상기 광원 지지부재(21)는 상기 기판(11)의 실장면(113) 또는 상기 기판(11)의 테두리면(115) 중 적어도 어느 하나를 지지하며, 상기 렌즈 지지부재(22)는 상기 렌즈(30)의 가장자리 형상과 상보적인 형상의 파지형상부(223)를 구비할 수 있다.
상기 지지부재(20)의 내면(201)의 적어도 일부분에는 산란 또는 비반사 표면 처리가 이루어질 수 있다.
상기 산란 또는 비반사 표면 처리는 샌드 블라스트(sand blast) 또는 아노다이징(anodizing)에 의해 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, UV LED를 사용하여 자외선을 집광할 수 있는 장치를 제공하므로, 구조가 단순하고 컴팩트하게 제작할 수 있으며, 제조 단가가 낮은 장치로, 자외선을 집광하여 다양한 분야에 활용할 수 있게 된다.
본 발명에 따르면, UV LED를 사용하여 자외선을 집광할 수 있는 장치를 제공하므로, 집광하여 활용하는 자외선의 파장을 선택할 수 있다.
본 발명에 따르면, UV LED에서 발생하는 광 에너지와 열 에너지를 모두 포함하는 복사 에너지를 집중시키는 제어가 가능하므로, 에너지 사용 효율이 매우 높다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명에 따른 UV LED의 복사 에너지 제어 장치의 제1실시예를 나타낸 측면도이다.
도 2는 UV LED의 복사 에너지 제어 장치의 제2실시예를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 제어 장치의 측면도이다.
도 4는 도 2의 제어 장치의 광원의 사시도이다.
도 5는 렌즈가 적용되지 않은 UV LED의 복사 에너지 제어 장치를 피조사물의 표면에 조사하였을 때 피조사물의 표면의 온도 분포를 나타낸 것이다.
도 6은 렌즈가 적용되었으나, 지지부재의 내면을 표면 처리하지 않은 UV LED의 복사 에너지 제어 장치를 피조사물의 표면에 조사하였을 때 피조사물의 표면의 온도 분포를 나타낸 것이다.
도 7은 렌즈가 적용되고 지지부재의 내면을 비반사(산란) 표면 처리한 UV LED의 복사 에너지 제어 장치를 피조사물의 표면에 조사하였을 때 피조사물의 표면의 온도 분포를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 UV LED의 복사 에너지 제어 장치의 제3실시예를 나타낸 부분도이다.
도 9는 도 8의 점선 부분의 확대도이다.
도 10은 도 8의 X-X 단면도이다.
도 11은 도 8의 UV LED의 복사 에너지 제어 장치의 광원 지지부재와 렌즈 지지부재 간의 거리를 멀게 조절한 상태를 나타낸 부분도이다.
도 12는 도 11의 점선 부분의 확대도이다.
도 13은 도 11의 XIII-XIII 단면도이다.
도 14는 도 8의 UV LED의 복사 에너지 제어 장치의 측면도이다.
도 15는 도 8의 UV LED의 복사 에너지 제어 장치의 사시도이다.
도 16은 도 15의 UV LED의 복사 에너지 제어 장치의 부분 사시도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 다양한 변경을 가할 수 있고 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 어느 하나의 실시예의 구성과 다른 실시예의 구성을 서로 치환하거나 부가하는 것은 물론 본 발명의 기술적 사상과 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면에서 구성요소들은 이해의 편의 등을 고려하여 크기나 두께가 과장되게 크거나 작게 표현될 수 있으나, 이로 인해 본 발명의 보호범위가 제한적으로 해석되어서는 아니 될 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예나 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 그리고 단수의 표현은, 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 명세서에서 ~포함하다, ~이루어진다 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이다. 즉 명세서에서 ~포함하다, ~이루어진다 등의 용어는. 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들이 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에 있다"거나 "하부에 있다"고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 바로 위에 배치되어 있는 것뿐만 아니라 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
[제1실시예]
도 1을 참조하여 본 발명에 따른 UV LED의 복사 에너지 제어 장치의 제1실시예를 설명한다. UV LED의 복사 에너지 제어 장치(1)는 광원(10), 상기 광원(10)과 이격 배치된 렌즈(30) 및 상기 광원(10)과 렌즈(30)를 지지하는 지지부재(20)를 포함한다. 광원(10)은 UV LED(12)가 실장된 기판(11)일 수 있다. 상기 기판(11)은 평판 형상일 수 있으며, 금속 기판이거나 PCB일 수 있다.
상기 기판(11)의 실장면(113)에는 UV LED(12)가 실장된다. UV LED(12)는 기판(11)의 중앙부에 배치될 수 있다. 상기 UV LED(12)는 칩 형태일 수 있다. 상기 기판(11)의 이면(114)은 지지부재(20)의 광원 지지부재(21)에 밀착 설치되어 UV LED(12)에서 발생한 열이 광원 지지부재(21)로 전도되도록 할 수 있다. 즉 상기 광원 지지부재(21)는 기판(11)의 열을 외부로 방출하는 방열의 기능을 수행할 수 있다. 상기 광원 지지부재(21)는 히트 싱크 또는 모터 팬 등을 통해 냉각될 수 있다. 이에 따라 UV LED(12)의 냉각을 원활히 하여 UV LED(12)의 발광효율을 높일 수 있다.
상기 광원(10)을 지지하는 광원 지지부재(21)는 상기 기판(11)의 이면(114)과 밀착되고 상기 광원(10)의 측방 둘레를 에워싼다. 이에 따라 상기 광원 지지부재(21)는 상기 UV LED(12)의 전방으로 이물질이 유입되는 것을 방지할 수 있다.
렌즈(30)는 상기 광원(10)의 실장면(113)과 마주보고 상기 UV LED(12)와 소정 간격 떨어진 위치에 설치된다. 상기 렌즈(30)는 지지부재(20)의 렌즈 지지부재(22)에 의해 지지될 수 있다. 상기 렌즈 지지부재(22)는 상기 렌즈(30)의 가장자리의 형상과 대응하는 파지형상부(223)를 구비한다. 상기 렌즈 지지부재(22)는 상기 광원 지지부재(21)와 연결될 수 있다. 상기 렌즈 지지부재(22)는 상기 광원 지지부재(21)와 일체로 제작되거나, 상기 광원 지지부재(21)에 대해 슬라이드 이동 가능하게 고정될 수 있다. 상기 광원 지지부재(21)에 대해 렌즈 지지부재(22)가 슬라이드 이동함에 따라, 상기 렌즈(30)와 UV LED(12) 사이의 거리를 조정할 수 있다.
상기 렌즈(30)의 입사면(31)은 상기 UV LED(12)와 마주본다. 상기 입사면(31)은 평면 형상일 수 있다. 이로써 고밀도의 매질인 렌즈(30)로 입사되는 자외선이 반사되는 비율을 낮출 수 있다. 파장이 짧은 자외선은 반사율이 크기 때문에, 렌즈(30)의 입사면(31)은 평면으로 구성하는 것이 바람직하다.
상기 렌즈(30)의 출사면(32)은 출사 방향으로 볼록한 면을 이룬다. 이에 따라 상기 렌즈(30)는 입사면(31)에서 입사된 자외선을 다시 집광하여 출사한다.
상기 렌즈(30)는 반구 형태일 수 있다.
상기 렌즈(30)는 자외선을 투과시킬 수 있는 매질이다. 상기 렌즈의 재질은 고 에너지의 자외선에 의해 열화가 이루어지지 않는 석영이나 단량체 비율이 85% 이상으로 높은 PMMA(poly methyl methacrylate), 또는 테플론의 불소계 합성수지 계열일 수 있다.
상기 렌즈(30)의 출사면(32)의 전방에는 자외선을 집중시켜야 하는 피조사물(80)이 놓여진다. 상기 피조사물(80)은 표면(81)의 특정 부위가 가열되어야 하는 조건일 수 있다. 상기 피조사물(80)은 자외선 에너지를 이용하여 절단되어야 하는 피가공물일 수 있다.
상기 UV LED(12)에 전원이 공급되면, UV LED(12)에서 자외선이 발생한다. 유브의 발광 효율은 낮기 때문에, UV LED(12)에 공급된 전기에너지 중 빛 에너지로 변환되지 않은 에너지가 열 에너지로 전환된다. 이처럼 UV LED(12)에서 발생한 열에너지 중 일부는 기판(11)과 지지부재(20)를 통해 전도되어 외부로 방출된다. 이에 따라 UV LED(12)의 온도는 발광 효율에 영향을 미치지 않을 정도로 높게 오르지 않는다.
UV LED(12)에서 발생한 자외선은 UV LED(12)의 전방으로 조사된다. 뿐만 아니라 UV LED(12)에서 발생한 열 에너지 중 일부 역시 UV LED(12)의 전방으로 복사된다. UV LED(12)에서 전방으로 조사되는 복사 에너지 중 자외선 에너지는 약 20% 정도이고 열 에너지의 비율은 대략 80% 정도이다.
UV LED(12)는 종래의 자외선 램프처럼 방사상으로 광을 조사하지 않고, 발광면이 바라보는 어느 한 쪽으로 자외선을 집중적으로 조사한다. 비록 UV LED(12)에서 조사되는 광은 UV LED(12)의 전면 180도의 범위에서 확산되기는 하지만, 광이 집중되는 중심축이 존재한다. 이러한 중심축은 UV LED(12)의 발광면과 수직을 이루는 축일 수 있으며, 이에, 상기 렌즈(30)의 출사면(32)의 볼록한 형상의 중심을 이와 정렬함으로써, UV LED(12)의 복사 에너지를 피조사물의 표면에 집중시킬 수 있다.
자외선은 그 자체가 높은 에너지를 갖는다. 또한 UV LED(12)에서 발생하는 열 에너지의 일부는 복사의 형태로 UV LED(12)의 전방으로 확산된다. 따라서 UV LED(12)의 복사에너지를 렌즈(30)를 통해 피조사물(80)의 표면(81)에 집중시키면, 피조사물의 표면을 매우 효과적으로 가열할 수 있다.
상기 제1실시예에 따르면, 칩 형태의 UV LED(12)의 복사에너지는 렌즈(30)에 의해 일 지점에 집광될 수 있다. 상기 UV LED(12)에 전원을 더욱 공급하여 광원(10)의 출력(W; optical power)을 더욱 상승시키면, 피조사물의 표면에 도달하는 자외선의 조도(mW/cm2) 역시 더욱 높아지게 된다.
따라서 기존의 레이저 발생 장치의 구조를 적용하지 않고, UV LED(12)와 렌즈(30), 그리고 이를 지지하는 지지부재(20)의 구성만으로도, UV LED(12)의 복사 에너지를 집중시켜 피조사물의 특정 지점의 용융이나 절단을 유도할 수 있을 정도로 피조사물에 상당히 큰 양의 에너지를 집중시킬 수 있다.
[제2실시예]
이하 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 UV LED의 복사 에너지 제어 장치의 제2실시예를 설명한다. 제2실시예를 설명함에 있어서는, 제1실시예와의 차이점을 위주로 설명한다.
상기 광원(10)을 구성하는 기판(11)은 긴 직사각형 평판 형상일 수 있다. 상기 기판(11)의 실장면(113)의 중앙부에 실장되는 UV LED(12)는 복수 개의 UV LED 칩이 상기 기판(11)의 길이방향을 따라 일 방향으로 길게 배열된 어레이 형태일 수 있다.
상기 기판(11)의 테두리면(115)은 지지부재(20)의 광원 지지부재(21)에 의해 지지되고, 상기 기판(11)의 이면(114)은 후방으로 노출될 수 있다. 상기 기판의 이면(114)에는 히트 싱크가 부착되거나, 냉각 팬 등에 의해 발생하는 유체 유동에 노출될 수 있다. 상기 기판(11)은 히트 싱크 또는 모터 팬 등을 통해 냉각될 수 있다. 이에 따라 UV LED(12)의 냉각을 원활히 하여 UV LED(12)의 발광효율을 높일 수 있다.
상기 광원(10)을 지지하는 광원 지지부재(21)는 상기 기판(11)의 테두리면(115)과 밀착되고 상기 광원(10)의 측방 둘레를 에워싼다. 이에 따라 상기 광원 지지부재(21)는 상기 UV LED(12)의 전방으로 이물질이 유입되고 지지부재 내부 공간의 열에너지가 외부로 빠져 나가는 것을 방지할 수 있다.
렌즈(30)는 상기 광원(10)의 실장면(113)과 마주보고 상기 UV LED(12)와 소정 간격 떨어진 위치에 설치된다. 상기 렌즈(30)는 지지부재(20)의 렌즈 지지부재(22)에 의해 지지될 수 있다. 상기 렌즈 지지부재(22)는 상기 렌즈(30)의 가장자리의 형상과 대응하는 파지형상부(223)를 구비한다. 상기 렌즈 지지부재(22)는 상기 광원 지지부재(21)와 연결될 수 있다.
상기 지지부재(20)의 내면(201)에는 산란 내지 비반사 표면처리가 이루어질 수 있다. 이러한 산란 내지 비반사 표면처리는 샌드 블라스트에 의해 표면 거칠기를 상승시키거나 또는 아노다이징을 통해 지지부재(20) 내면(201)의 표면에 피막을 입힘으로써 이루어질 수 있다.
상기 렌즈(30)의 입사면(31)은 상기 UV LED(12)와 마주본다. 상기 입사면(31)은 평면 형상일 수 있다. 상기 렌즈(30)의 출사면(32)은 출사 방향으로 볼록한 면을 이룬다. 이에 따라 상기 렌즈(30)는 입사면(31)에서 입사된 자외선을 다시 집광하여 출사한다. 상기 렌즈(30)는 반원기둥 형태일 수 있다.
상기 렌즈(30)의 출사면(32)의 전방에는 자외선을 집중시켜야 하는 피조사물(80)이 놓여질 수 있다.
제2실시예에 따르면, 상기 광원(10)과 렌즈(30)의 형태에 의해, 상기 피조사물(80)에 집중되는 복사에너지는 직선 형태의 영역에 분포될 수 있다.
도 5에는 제2실시예에서 렌즈(30)를 제거한 상태로 광원(10)의 복사에너지가 피조사물(80)에 조사되도록 하였을 때 표면(81)의 온도 분포가 나타나 있다. 광원(10)은 도면 상 중심에서 세로 방향으로 배열된 것(점선 참조)으로 이해할 수 있다. 이에 따르면 광원(10)의 복사 에너지는 고루 확산되어 피조사물의 표면에 도달하여, 온도 분포가 전체적으로 퍼져 있음을 이해할 수 있다.
도 6에는 제2실시예에서 지지부재의 내면을 비반사(산란) 처리하지 않은 상태에서 복사에너지를 피조사물(80)에 조사하였을 때 표면(81)의 온도 분포가 나타나 있다. 지지부재(20)의 내면(201)에서 반사가 일어나는 경우, 도 6에 도시된 바와 같이 집광이 이루어지는 영역의 양측에 제2집광부가 더 나타나게 된다. 제2집광부가 발생하면, 지지부재의 내면에서 반사된 누설광이 가열 타겟 영역 외의 다른 부분에 집광되어 가열을 일으키게 되므로, 원하지 않는 영역의 온도를 상승시키는 원인이 된다. 따라서, 제2집광부가 나타날 경우, 소기의 목적을 이루기 위해 피조사물의 표면에 대한 UV LED(12)의 복사에너지를 집중시키는 제어 과정에 어려움을 일으킬 수 있다. 즉, 가열 범위를 제어하는 것이 어려워진다. 가령 특정 부위에만 온도 상승을 일으켜야 하는 광 제어가 요구되는 상황에서 제2집광부의 출현은 이러한 제어를 어렵게 만든다.
도 7에는 제2실시예의 UV LED의 복사 에너지 제어 장치를 적용한 결과가 나타나 있다. 지지부재(20)의 내면(201)에 비반사 처리(반사율 20% 이하)가 된 경우, 누설광이 감소하여 제2집광부는 거의 나타나지 않는다. 따라서 특정 부위(가열 타겟 영역)의 온도 상승을 일으키는 제어가 한층 용이하다.
도 5 내지 도 7은 렌즈(30)가 없는 경우(도 5)와 지지부재(20)의 내면(201)을 비반사 표면 처리하지 않은 경우(도 6) 외에 모두 동일 조건 하에서 이루어진 결과를 나타낸다. 도 5의 경우 복사에너지가 조사되는 영역 내에서 피크 광량은 1,051mW/cm2이었고, 도 6의 경우 복사에너지가 조사되는 영역 내에서 피크 광량은 8,535mW/cm2이었으며, 도 7의 경우 복사에너지가 조사되는 영역 내에서 피크 광량은 8,428mW/cm2이었다.
즉 제2실시예에 따르면, 3열의 UV LED 어레이에서 발산되는 복사 에너지가 선 형상으로 집광되는데, 렌즈(30)가 단순히 자외선 광만을 집광하는 것이 아니라, 전자파 형태의 복사 열에너지를 집열하는 기능을 함께 하게 된다. 이러한 집광렌즈로 인해 타겟에 도달하는 에너지는 약 8배 이상 증가함을 확인하였다.
한편 종래의 레이저 발생장치는 Nd:YAG의 기본 파장인 1064nm의 제3고조파인 355nm의 자외선에 고정된 레이저를 발생시킬 수밖에 없으나, 실시예와 같이 UV LED(12)를 이용하면 자외선의 파장을 자유롭게 조정할 수 있다. 따라서 실시예의 복사 에너지 제어 장치를 적용하면 피조사물의 특성에 맞는 파장의 자외선을 적용하는 것이 가능하다.
UV LED Wavelength(nm) Optical Power(W) 온도 변화
365 820 5초이내 65℃ 도달
435 930 5초이내 80℃ 도달
455 840 5초이내 65℃ 도달
표 1에는 제2실시예에서 서로 다른 피크파장의 UV LED를 적용한 실험 결과가 나타나 있다. 이처럼 실시예에 따르면, 피크파장에 따라 광원의 출력이 다르고, 이에 따른 피조사물의 표면의 온도 변화에도 차이가 있음을 확인할 수 있다. 실험 결과 435nm의 피크파장을 가지는 UV LED를 적용할 경우 가장 효율이 좋음을 확인할 수 있다. UV LED의 복사에너지는 약 20%의 광에너지와 약 80%의 열에너지로 이루어지는바, 파장이 짧은 광이 에너지 수준이 높음에도 불구하고 435nm 부근에서 가장 효율성이 높게 된다고 이해할 수 있을 것이다. 약 360nm 이상 460nm 이하의 피크파장을 가지는 자외선을 발광하는 UV LED를 사용할 경우, 본 발명에 따른 복사에너지 제어 장치의 에너지 집중 효율을 가장 높일 수 있다.[제3실시예]
이하 도 8 내지 도 16을 참조하여 본 발명에 따른 UV LED의 복사 에너지 제어 장치의 제3실시예를 설명한다. 제3실시예를 설명함에 있어서는, 제1실시예 및 제2실시예와의 차이점을 위주로 설명한다.
상기 광원(10)을 구성하는 기판(11)은 긴 직사각형 평판 형상일 수 있다. 상기 기판(11)의 실장면(113)의 중앙부에 실장되는 UV LED(12)는 복수 개의 UV LED(12)가 상기 기판(11)의 길이방향을 따라 일 방향으로 길게 배열된 어레이 형태일 수 있다. 상기 UV LED(12)는 칩온보드 모듈 및/또는 패키지 모듈일 수 있다.
상기 기판(11)의 이면은 광원 지지부재(21)에 의해 지지된다. 상기 지지부재(21)의 이면에는 본체(50)가 고정될 수 있다. 본체(50)에는 광원(10)을 제어하는 제어회로(51)가 구비된다. 제어회로(51)는 광원(10)과, 후술할 센서모듈(60)을 제어할 수 있다. 실시예에 따르면 제어회로(51)는 본체(50)에 내장된 형태이다. 그러나 제어회로(51)는 다른 곳, 가령 광원 지지부재(21)에 내장될 수도 있음은 물론이다.
상기 본체(50) 또는 광원 지지부재(21)에는 히트 싱크가 부착될 수 있다.
렌즈(30)는 상기 UV LED(12)와 소정 간격 떨어진 위치에 설치된다. 상기 렌즈(30)는 지지부재(20)의 렌즈 지지부재(22)에 의해 지지될 수 있다. 상기 렌즈 지지부재(22)는 상기 렌즈(30)의 가장자리의 형상과 대응하는 파지형상부(223)를 구비한다.
상기 렌즈 지지부재(22)는 상기 광원 지지부재(21)에 슬라이드 이동 가능하게 연결될 수 있다. 상기 렌즈 지지부재(22)의 내주면은 상기 광원 지지부재(21)의 외주면과 접하고, 이들은 서로 접하며 상호 슬라이드 이동을 안내한다.
상기 렌즈 지지부재(22)와 광원 지지부재(21) 중 어느 한 쪽에는 슬라이드 방향으로 연장되는 장공(222)이 마련되고, 다른 한 쪽에는 상기 장공(222)에 끼워지는 돌기(213)가 마련될 수 있다. 실시예에서는 렌즈 지지부재(22)에 장공이 마련된 구조가 예시된다. 상기 렌즈 지지부재(22)와 광원 지지부재(21)의 최대 슬라이드 거리(stroke)는 상기 장공(222)의 길이에 의해 규제될 수 있다. 장공(222) 내에서 돌기(213)가 가지는 스트로크는 y 일 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이 렌즈 지지부재(22)가 광원 지지부재(21)에 가장 접근한 위치에서, UV LED(12)와 렌즈(30) 간의 거리는 도 10에 도시된 바와 같이 x 일 수 있다. 그리고, 도 9에 도시된 바와 같이 렌즈 지지부재(22)가 광원 지지부재(21)로부터 가장 멀리 떨어진 위치에서, UV LED(12)와 렌즈(30) 간의 거리는 도 13에 도시된 바와 같이 (x + y) 일 수 있다.
UV LED(12)와 렌즈(30)의 간격은 x 이상 (x + y) 이하에서 조절될 수 있다. 간격의 정도는 광원 지지부재(21)와 렌즈 지지부재(22)에 각각 마련된 제1눈금(41)과 제2눈금(42)으로 확인할 수 있다. 실시예에서는 제1눈금(41)에 복수 개의 눈금이 표시되고, 제2눈금(42)은 제1눈금(41)의 복수 개의 눈금 중 어느 한 눈금과 마주하는 눈금인 점이 예시된다.
상기 돌기(213)는 상기 광원 지지부재(21)에 나사결합된 볼트일 수 있다. 상기 볼트를 느슨하게 한 상태에서 렌즈 지지부재(22)와 광원 지지부재(21)의 거리를 조절하면, 볼트는 장공(222)을 따라 이동하게 된다. 렌즈 지지부재(22)와 광원 지지부재(21)의 거리가 조절된 상태에서 볼트를 조이면, 볼트가 장공(222)의 둘레를 압착하여 더 이상 장공(222)과 볼트는 상대적으로 이동하지 못하고 고정된다.
상기 렌즈(30)의 입사면(31)은 상기 UV LED(12)와 마주본다. 상기 입사면(31)은 평면 형상일 수 있다. 상기 렌즈(30)의 출사면(32)은 출사 방향으로 볼록한 면을 이룬다. 이에 따라 상기 렌즈(30)는 입사면(31)에서 입사된 자외선을 다시 집광하여 출사한다. 상기 렌즈(30)는 반원기둥 형태일 수 있다.
상기 렌즈(30)와 UV LED(12)의 간격은, UV LED(12)의 배열 및/또는 사용자가 적용하고자 하는 피조사물의 UV 조사 면적(폭)에 따라 변경될 수 있다.
상기 렌즈(30)의 반원의 직경, 즉 렌즈(30)의 크기는 UV LED(12)의 배열, 그리고 사용자가 적용하고자 하는 피조사물의 UV 조사 면적(폭)에 따라 결정될 수 있다.
도 14를 참조하면, 상기 렌즈(30)의 출사면(32)의 전방에는 자외선을 집중시켜야 하는 피조사물(80)이 놓여질 수 있다. 제3실시예에 따르면, 상기 광원(10)과 렌즈(30)의 형태에 의해, 상기 피조사물(80)에 집중되는 복사에너지는 직선 형태의 영역에 분포될 수 있다.
상기 광원(10)은 제어회로(51)에 의해 제어될 수 있다. 상기 제어회로(51)는 피조사물(80)에 조사되는 자외선의 조도와 피조사물의 표면(81)의 온도에 기초하여 광원(10)을 제어할 수 있다. 상기 자외선의 조도와 표면의 온도는 센서모듈(60)에서 감지하여 상기 제어회로(51)에 제공할 수 있다.
상기 센서모듈(60)은 온도센서(62)와 조도센서(61), 그리고 이들을 지지하는 브라켓(61)을 포함한다. 상기 온도센서(62)와 조도센서(61)는 기판에 고정되고, 상기 기판은 상기 브라켓(61)에 고정될 수 있다. 온도센서(62)는 적외선(IR) 센서일 수 있다.
상기 센서모듈(60)은 도 14와 도 15에 도시된 바와 같이 지지부재(20)와 별도의 부품으로 제작되고, 상기 지지부재(20)에 결합되는 형태일 수 있다. 즉 센서모듈(60)은 상기 지지부재(20)와 별도의 부품으로 이루어지는 브라켓(61)을 구비할 수 있다.
이와 달리, 상기 센서모듈(60)은 도 16에 도시된 바와 같이 지지부재(20)에 내장된 형태로 제공될 수도 있다. 즉 지지부재(20)가 센서모듈(60)의 브라켓을 이룰 수 있다.
상기 센서모듈(60)은 렌즈 지지부재(22)에 설치될 수 있다.
상기 센서모듈(60)의 센서들(62, 63)의 전방에 창 부재를 두지 않고 생략함으로써, 센서의 감지 정확도를 높일 수 있다.
상기 센서모듈(60)과, 지지부재(20)와, 제어회로(51)는 하나의 장치를 이룰 수 있다.
제2실시예와 유사하게, 상기 제3실시예의 광원(10)은 UV LED(12)의 직선형 어레이가 3열 구비된 형태일 수 있다. 각 열은 채널을 이룰 수 있다. 즉 상기 제3실시예의 광원(10)은 3개의 채널을 구비할 수 있다.
상기 광원(10)을 구성하는 복수 개의 UV LED(12)는 360nm 이상 460nm 이하에서 서로 다른 피크파장을 가지는 복수 종의 UV LED를 포함할 수 있다. 즉, 제3실시예에 따르면 광원(30)이 복수의 파장대를 동시에 발광하도록 구현할 수 있다. 상기 파장대는 채널 별로 다르게 배치될 수 있다. 하나의 채널 내에 구비되는 복수 개의 UV LED(12)는, 동일한 파장대로 발광하거나, 서로 다른 파장대로 발광할 수 있다.
상기 제어회로(51)는 상기 복수 개의 UV LED(12)의 온 오프와, 세기(출력)를 조절할 수 있다. 상기 복수 개의 UV LED(12)는 모두 개별적으로 제어되거나, 채널별로 제어될 수 있다. 가령 UV LED(12)의 자외선 조사 면적(폭)을 조절하기 위해, 각 채널 별로 UV LED(12)의 온 오프를 달리하고(거나) 세기를 달리 할 수 있다. 가령, UV LED(12)의 자외선 파장대를 조절하기 위해, 각 채널 별로 UV LED(12)의 온 오프를 달리하고(거나) 세기를 달리 할 수 있다.
상술한 발명에 따르면, UV LED(12)를 사용하여 자외선과 복사 열 에너지를 집광할 수 있는 장치를 제공하므로, 구조가 단순하고 컴팩트하게 제작할 수 있으며, 제조 단가가 낮은 장치로, 다양한 분야에 활용할 수 있다. 또한 종래의 레이저 장치와 달리 UV LED를 사용하므로, 집광하여 활용하는 자외선의 파장을 선택하여 다양한 분야에 활용할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, UV LED에서 발생하는 광 에너지와 열 에너지를 모두 포함하는 복사 에너지를 집중시키는 제어가 가능하므로, 종래의 광에너지만을 이용하던 레이저 장치와 달리, 에너지 사용 효율이 매우 높다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
1: UV LED의 복사 에너지 제어 장치
10: 광원
11: 기판
113: 실장면
114: 이면
115: 테두리면
12: UV LED(어레이, 칩)
20: 지지부재(금속)
201: 내면(산란, 비반사 표면처리)
21: 광원 지지부재(방열)
213: 돌기
22: 렌즈 지지부재
222: 장공
223: 파지형상부
30: 렌즈(반원기둥, 반구)
31: 입사면(평면)
32: 출사면(볼록면)
41: 제1눈금
42: 제2눈금
50: 본체
51: 제어회로
60: 센서모듈
61: 브라켓
62: 온도센서
63: 조도센서
80: 피조사물
81: 표면

Claims (9)

  1. UV LED의 복사 에너지를 제어하는 장치로서,
    실장면(113)과 이면(114)을 구비하는 기판(11)과, 상기 기판(11)의 실장면(113)에 실장된 UV LED(12)를 구비하는 광원(10);
    상기 기판(11)의 실장면(113)으로부터 소정 간격 이격되어 배치되고, 상기 UV LED(12)의 출사면을 마주하는 입사면(31)과, 상기 입사면(31)과 대향하는 출사면(32)을 구비하는 렌즈(30); 및
    상기 기판(11)과 상기 렌즈(30)를 지지하고, 상기 기판(11)의 열을 전도 받아 상기 장치 외부로 방출하는 지지부재(20);를 포함하고,
    상기 렌즈(30)는, 상기 UV LED(12)에서 출사된 자외선을 상기 입사면(31)과 상기 출사면(32)에서 굴절시켜 집광하는 것을 특징으로 하는 UV LED의 복사 에너지 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 UV LED(12)는 직선 어레이 형태로 배열되고,
    상기 렌즈(30)는, 상기 입사면(31)이 평평하고 상기 출사면(32)이 볼록한 반원기둥 형상을 포함하여,
    소정의 폭과 길이를 가지는 선분 형태로 자외선을 집광 제어하는 것을 특징으로 하는 UV LED의 복사 에너지 제어 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 UV LED(12)는 칩 형태 또는 패키지 형태이고,
    상기 렌즈(30)는, 상기 입사면(31)이 평평하고 상기 출사면(32)이 볼록한 반구 형상을 포함하여,
    소정의 면적을 가지는 점 형태로 자외선을 집광 제어하는 것을 특징으로 하는 UV LED의 복사 에너지 제어 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 UV LED(12)의 피크파장은 360nm 이상 460nm 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 UV LED의 복사 에너지 제어 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 UV LED(12)는 복수 개 구비되고, 상기 복수 개의 UV LED(12) 중 적어도 일부의 UV LED는 서로 다른 피크파장을 가지는 것을 특징으로 하는 UV LED의 복사 에너지 제어 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지부재(20)는, 상기 기판(11)을 지지하는 광원 지지부재(21)와, 상기 렌즈(30)를 지지하는 렌즈 지지부재(22)를 포함하고,
    상기 광원 지지부재(21)는 상기 기판(11)의 실장면(113) 또는 상기 기판(11)의 테두리면(115) 중 적어도 어느 하나를 지지하며,
    상기 렌즈 지지부재(22)는 상기 렌즈(30)의 가장자리 형상과 상보적인 형상의 파지형상부(223)를 구비하는 것을 특징으로 하는 UV LED의 복사 에너지 제어 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지부재(20)의 내면(201)의 적어도 일부분에는 산란 또는 비반사 표면 처리가 이루어진 것을 특징으로 하는 UV LED의 복사 에너지 제어 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 복사 에너지의 피조사물(80)을 바라보도록 상기 지지부재(20)에 설치되어, 상기 피조사물(80) 표면의 조도와 온도를 측정하는 센서모듈(60); 및
    상기 센서모듈(60)에서 측정된 조도와 온도에 기초하여 상기 광원(10)을 제어하는 제어부(51);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 UV LED의 복사 에너지 제어 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 광원은 복수 개의 UV LED(12)를 구비하고,
    상기 복수 개의 UV LED(12)는 서로 나란한 복수 개의 직선 어레이 형태로 배열되고,
    상기 복수 개의 직선 어레이는 2 이상의 채널을 구성하고,
    상기 제어부(51)는 상기 채널 별로 상기 UV LED(12)를 제어하는 것을 특징으로 하는 UV LED의 복사 에너지 제어 장치.
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