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KR101057064B1 - 엘이디 조명장치 및 그 제조방법 - Google Patents

엘이디 조명장치 및 그 제조방법 Download PDF

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KR101057064B1
KR101057064B1 KR1020100062951A KR20100062951A KR101057064B1 KR 101057064 B1 KR101057064 B1 KR 101057064B1 KR 1020100062951 A KR1020100062951 A KR 1020100062951A KR 20100062951 A KR20100062951 A KR 20100062951A KR 101057064 B1 KR101057064 B1 KR 101057064B1
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South Korea
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led lighting
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led
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조한규
김현하
문은아
Original Assignee
엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 엘이디 조명장치 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명은 엘이디 소자를 가지는 엘이디 모듈, 상기 엘이디 모듈이 구비되는 히트싱크, 상기 엘이디 모듈에서 조사되는 빛을 정의된 조사영역으로 유도하는 렌즈유닛과, 상기 조사영역 이외로 빛이 조사되는 것을 최소화하는 조절부를 포함하는 엘이디 조명장치를 제공한다.

Description

엘이디 조명장치 및 그 제조방법{LED based Lamp and Method for manufacturing the same}
본 발명은 조명장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광원으로서 엘이디를 사용하는 엘이디 조명장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
전통적으로 조명장치로서 백열등, 할로겐등, 방전등 등이 많이 사용되고 있다. 근래에는 엘이디(LED : Light Emiting Diode)를 이용한 조명장치가 주목받고 있다. 엘이디 조명장치는 엘이디 소자를 광원(light source)으로 이용하는 것이다. 엘이디 소자는 반도체의 P-N 접합 구조를 이용하여 주입시킨 소수 캐리어를 생성시킨 후, 다시 상기 소수 캐리어들의 재결합에 의하여 발광이 되도록 하는 장치이다.엘이디 소자의 발광 파장은 첨가되는 불순물의 종류에 따라 다르며, 이에 따라 적색, 청색, 황색을 만들 수 있으며 이들을 적절히 조합하여 백색도 구현할 수 있다. 이러한 엘이디 조명장치는 백열등, 할로겐등과 같은 광원에 비하여 소형이고, 수명이 길고, 효율이 좋으며 그리고 고속 응답이라는 이점이 있다.
엘이디 조명장치가 단순 조명으로 사용되는 경우에는 불투명한 확산캡 등을 사용하여 빛의 방향성을 상쇄할 수 있다. 엘이디 조명장치가 특정 목적을 위하여 방향성 있는 투사광이 필요한 경우에는, 엘이디 소자에서 나오는 빛을 안내하는 렌즈구조를 채용하여 출사되는 빛에 특정한 방향성을 제공할 수 있다.
방향성이 요구되는 엘이디 조명장치는 렌즈유닛 또는 렌즈유닛과 반사부재의 조합을 사용하는 것이 일반적이다. 즉 렌즈유닛과 반사부재를 이용하여, 엘이디 소자에서 나오는 빛에 일정한 방향성을 갖게 하고 또한 원하는 조사영역에 조사되도록 한다. 그런데 도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 엘이디 조명장치에서는 일정한 조사영역(B)을 가지도록 렌즈유닛 및 반사부재를 설계하여도, 의도된 조사영역의 밖(BS)으로 빛이 나오는 현상을 피하기 어렵다. 의도된 조사영역의 밖(BS)으로 나오는 빛의 형태는 통상 별모양이 된다. 따라서 종래의 엘이디 조명장치에서는 원치않는 조사영역으로 조사되는 빛(BS) 때문에 배광형태, 총광속이 저하하는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 배광형태를 향상시킬 수 있는 엘이디 조명장치 및 그 제조방법를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 총광속을 향상시킬 수 있는 엘이디 조명장치 및 그 제조방법를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 엘이디 소자를 가지는 엘이디 모듈; 상기 엘이디 모듈이 구비되는 히트싱크; 상기 엘이디 모듈에서 조사되는 빛을 정의된 조사영역으로 유도하는 렌즈유닛과; 상기 조사영역 이외로 빛이 조사되는 것을 최소화하는 조절부를 포함하는 엘이디 조명장치를 제공한다.
상기 조절부는 상기 조사영역의 경계에 상당하는 부분에 위치하는 것이 바람직하다. 상기 렌즈유닛은 집광렌즈와; 상기 집광렌즈의 둘레에 구비되는 윈도우를 포함하는 경우에는, 상기 조절부는 상기 집광렌즈와 상기 윈도우에 경계를 포함하는 부분에 위치되는 것이 바람직하다.
상기 조절부는 다수의 요철부가 될 수 있다. 상기 요철부의 표면거칠기는 상기 렌즈유닛의 총광속의 저하를 최소화하도록 결정될 수 있다. 상기 요철부의 표면거칠기는 수십 마이크론인 것이 바람직하다. 그리고 상기 요철부의 상기 렌즈유닛의 전면 및 후면 중의 최소한 한 곳에 위치되는 것이 가능하다.
한편, 상기 조절부의 광투과율은 상기 렌즈유닛의 다른 부분보다 작은 것을 할 수 있다. 상기 조절부는 실질적으로 빛을 투과하지 않은 것을 할 수 있다. 이때 상기 조절부는 실질적으로 빛을 반사시키는 것이 될 수 있다.
한편, 상기 조절부는 빛을 난반사하도록 구비되는 것이 가능하다. 또한 상기 조절부는 빛을 전반사하도록 구비되는 것이 가능하다.
한편, 상기 조절부는 상기 렌즈유닛과 일체로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 본 발명은 엘이디 모듈에서 조사되는 빛을 정의된 조사영역으로 유도하도록 렌즈유닛을 결정하는 단계와; 상기 조사영역 이외로 빛이 조사되는 것을 최소화하는 조절단계를 포함하는 엘이디 조명장치의 제조방법을 제공한다.
상술한 본 발명에 따른 엘이디 조명장치 및 그 제조방법의 효과는 다음과 같다.
본 발명에 따른 엘이디 조명장치 및 그 제조방법에 의하면, 의도된 조사영역 밖으로 조사되는 빛을 최소화하여 배광형태를 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 엘이디 조명장치 및 그 제조방법에 의하면, 의도된 조사영역 밖으로 조사되는 빛을 다시 조사영역으로 조사시킴으로써 총광속 및 배광효율을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 종래의 엘이디 조명장치의 배광형태를 개략적으로 도시한 도면
도 2는 본 발명에 따른 엘이디 조명장치의 바람직한 실시예를 도시한 사시도
도 3은 도 2의 분해 사시도
도 4는 도 2의 결합 단면도
도 5a 내지 도 5c는 도 2의 렌즈유닛을 도시한 배면 사시도, 정면 사시도 및 단면도
도 6은 본 발명에 따른 엘이디 조명장치의 작동 원리를 개략적으로 도시한 도면
도 7a 내지 도 7b는 종래 기술 및 본 발명에 따른 엘이디 조명장치의 작동을 나타낸 사진
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 아래에서 설명하는 엘이디 조명장치는 하나의 예이며, 다른 형식의 엘이디 조명장치에 본 발명을 적용하는 것도 물론 가능하다.
먼저, 도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 엘이디 조명장치의 전체적인 구성을 설명한다.
엘이디 조명장치(1000)는 엘이디 모듈(미도시, 도 3 참조)이 구비되는 히트싱크(600)의 전방에는 상기 엘이디 모듈에서 제공되는 빛을 소정 조사각을 가지고 소정 조사영역으로 조사되도록 유도하는 렌즈유닛(200)이 구비된다. 히트싱크(600)의 후방에는 엘이디 모듈에 전원을 공급하고 제어신호를 전달하는 전장부를 가지는 베이스(700)가 구비된다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 엘이디 조명장치의 전체적인 구성을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
엘이디 소자(420)가 장착된 엘이디 모듈(400)은 작동시에 열이 발생하므로 방열 성능이 우수한 히트싱크(600)에 장착된다. 히트싱크(600)에는 통상 소정 형상의 안착부(630)가 구비되며, 상기 안착부(630)에 볼트(b1) 등과 같은 결합부재에 의하여 엘이디 모듈(400)이 장착된다. 그리고, 히트싱크(600)는 엘이디 모듈(400)에서 발생한 열이 효과적으로 발산될 수 있도록 금속재질을 사용하는 것이 일반적이며, 외면에는 방열핀이 구비되는 것이 일반적이다.
엘이디 모듈(400)의 전방(도면 상에는 상부)에는 엘이디 소자(420)에서 나오는 빛이 일정한 조사영역이 조사되도록 유도하는 렌즈유닛(200)이 구비된다. 렌즈유닛(200)은 통상 전반사를 이용하여 빛이 원하는 조사영역으로 조사되도록 한다. 그런데 일반적으로 사용되는 플라스틱 렌즈는 수십 나노미터에서 수백 나노미터의 거칠기를 가지고 있어서 엘이디 소자(420)에서 나오는 빛을 전부 전반사 시키지 못하고 일부 소량의 빛을 투과시키게 된다. 따라서 일부 투과된 소량의 빛을 다시 재반사시키기 위하여 렌즈유닛(200)의 외부를 둘러싸는 반사부재(300)를 사용하는 것이 일반적이다. 그리고 렌즈유닛(200) 및 반사부재(300)는 커버링(100)에 의하여 히트싱크(600)에 결합되는 것이 바람직하다.
히트싱크(600)의 후방(도면 상에는 하부)에는 베이스(700)가 결합된다. 베이스(700)는 외부 전원을 엘이디 모듈(400)에서 사용되는 전원으로 변환하는 전장부(730) 및 상기 전장부(730)를 수용하는 하우징(750)을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 엘이디 모듈(400)에서는 직류, 교류 등이 사용될 수 있으며, 전압도 다양한 크기의 전압이 사용될 수 있다. 따라서 이를 적절한 변환하는 AC-DC 컨버터, 전압의 크기를 조절하는 트랜스 등의 부품이 전장부(730)에 포함될 수 있다. 그리고 하우징(750)에는 체결보스(755)가 구비되어 상기 체결보스(755)를 볼트(b2)로 히트싱크(600)에 결합하는 것이 바람직하다.
도 5를 참조하여, 렌즈유닛(200)을 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 5(a)는 렌즈유닛(200)을 배면에서 바라본 사시도이며, 도 5(b)는 렌즈유닛(200)을 전면에서 바라본 사시도이며, 도 5(c)는 렌즈유닛(200)의 단면도이다.
렌즈유닛(200)은 엘이디 모듈에서 나오는 빛을 안내하는 집광렌즈(220)와, 상기 집광렌즈(220)의 둘레에서 외측으로 연장되어 구비되는 부분(240, 이하 '윈도우'라 함)를 포함하여 구성된다.
집광렌즈(220)는 엘이디 모듈 방향으로 돌출된다. 집광렌즈(220)의 내부에는 엘이디 소자가 대략 위치하는 중공부(220g)가 구비되며, 외면은 빛을 전반사시키도록 미리 결정된 곡률을 가지는 경사면(220s)이다. 렌즈유닛(200)의 전면이 광출사면(210)이 되며, 상기 광출사면(210)에는 마이크로 렌즈 어레이(Microlens Array)(210a)가 구비되는 것이 바람직하다. 마이크로 렌즈 어레이(210a)는 미세한 크기의 연속된 마이크로 렌즈들이 광출사면(210)에 구비되는 것을 의미한다. 광출사면(210)에 마이크로 렌즈 어레이를 구비하여, 배광효율을 증가시키고, 출사광의 품질을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에서는 정의된 조사영역 이외로 빛이 조사되는 것을 최소화하는 조절부(900)가 구비된다. (조절부의 상세한 내용에 대하여는 후술함)
도 6을 참조하여, 렌즈유닛(200)의 각각의 구성 요소의 기능을 설명하면 다음과 같다.
중공부(220g)에는 엘이디 모듈의 엘이디 소자(420)가 위치하게 되어, 상기 엘이디 소자(420)에서 나오는 빛이 상기 중공부(220g)로 입사된다. 중공부(220g)에 입사된 빛은 경사면(220s)에서 전반사되어 광출사면(210)으로 향하게 된다. 즉 기본적으로는 경사면(220s)에서의 전반사에 의하여 엘이디 소자(420)에서 나오는 빛이 원하는 조사영역으로 조사되게 된다. 그렇지만 실질적으로는 모든 빛을 전반사하기는 곤란하여 렌즈유닛의 외부에 감싸도록 반사부재(미도시, 도 4 참조)가 사용되는 것이 일반적이다.
윈도우(240)는 엘이디 소자(420)에서 나오는 빛이 직접 입사되는 영역은 아니므로 원칙적으로는 렌즈기능을 하는 것은 아니다. 렌즈유닛(200)의 전체 크기가 규격화된 경우가 일반적이어서 이를 위하여 사용되는 부분이며 조립의 편의성을 위하여 사용되는 부분이기도 하다. 그런데 렌즈유닛(220)을 투과하여 반사부재에서 불규칙 반사 또는 산란된 빛이 윈도우(420)로 입사될 수도 있다.
도 6을 참조하여, 정의된 조사영역 이외로 빛이 조사되는 것을 최소화하는 조절부(900)를 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 6에서는 편의상 엘이디 소자(420)에서 나오는 빛들 중에서 하나의 빛의 흐름만을 도시하였다.
엘이디 소자(420)에서 나오는 빛은 렌즈유닛(200)에 의하여 안내되어 출사(B1, B2, BS)된다. 일부 광출사면(210)에서 반사되는 빛(BR)은 다시 집광렌즈(220)의 경사면(220s)에서 반사되어 나오거나 반사부재에서 반사되게 된다.
렌즈유닛(200)은 정의된 조사영역 즉 원하는 조사영역에 빛이 조사되도록 설계되므로, 이론적으로는 렌즈유닛(200)을 통하여 조사되는 빛은 정의된 조사영역에 조사되어야 한다. 그러나, 종래 기술에서 설명한 바와 같이, 실제로는 조사영역으로 출사되는 빛(B1, B2)와 조사영역에서 벗어나는 빛(BS)이 생기게 되어, 조사영역의 밖에 별모양의 빛(도 1 참조)의 형태가 생기게 된다. 이는 빛은 파장이 다른 여러 빛들의 조합이므로 어떤 파장대의 빛의 경우에는 정의된 조사영역 밖으로 굴절되기 때문으로 생각된다. 또한 렌즈유닛(200)의 제조시에 렌즈 표면의 미세한 거칠기도 영향을 줄 것으로 생각된다. 따라서 본 발명에서는 이러한 조사영역 밖의 빛(BS)을 방지하기 위하여, 렌즈유닛(200)의 소정 위치에 이러한 빛들이 상기 렌즈유닛(200)의 광출사면(210)으로 출사되는 것을 최소화하는 조절부(900)를 구비한다.
위에서 설명한 의도되지 않은 빛(BS)들은 주로 정의된 조사영역의 경계 부분에서 문제가 된다. 조사영역의 안의 빛은 일부가 굴절되더라도 통상 조사영역의 범위로 다시 포함되기 때문이다. 따라서 조절부(900)은 조사영역의 경계부분에 위치되는 것이 바람직하며, 링 형상으로 위치하는 것이 더욱 바람직하다. 렌즈유닛(200)에 윈도우(240)가 구비되는 경우에는 집광렌즈(220)와 윈도우(240)의 경계에서 원치 않는 빛이 출사되는 경우가 많기 때문에 상기 윈도우(240)을 포함하도록 조절부(900)가 구비되는 것이 바람직하다. 조절부(900)가 위치될 부분은 이에 한정되지는 않으며, 광학의 특성상 시뮤레이션 또는 실험에 의하여 결정할 수 있다. 예를 들어, 집광렌즈(220)에 소정 위치에 조절부(900)를 위치시키는 것도 가능하다.
한편 조절부(900)는 조사영역 밖으로 빛이 출사되는 것을 방지할 수 있는 것이면 그 방식은 제한되지는 않지만, 제작의 편의상 다수의 미세한 요철부 즉 표면거칠기가 렌즈유닛(200)의 표면거칠기보다 상대적으로 큰 부분을 구비하는 것이 바람직하였다. 왜냐하면, 다수의 미세 요철부는 해당 부분을 샌딩 또는 폴리싱하여 제작하는 것이 용이하기 때문이다. 실제로는 렌즈유닛(200)의 제조시에 렌즈유닛(200)의 금형의 해당 부분에 샌드 블라스팅을 하면, 해당 금형에 의하여 결과적으로 조절부(900)에 미세한 요철부가 생기게 된다. 그리고 요철부는 렌즈유닛의 전면 및 후면 중의 최소한 한 곳에 구비될 수 있다. 이렇게 구성하면, 조절부(900)의 표면거칠기가 렌즈유닛(200)의 다른 부분보다 상대적으로 커서 이 부분에서 빛이 반사와 굴절을 반복하면서 빛이 광출사면으로 나가지 않고 다시 렌즈유닛(200)으로 들어온 다음에, 다른 경로 즉 즉 조사영역의 안쪽으로 들어와 조사영역 밖으로 빛이 출사되는 것을 최소화할 수 있기 때문이다.
조절부(900)의 표면거칠기는 한정되지는 않으나, 의도되지 않은 빛의 출사를 방지하면서도 총광속의 저하를 방지하는 크기를 선정하는 것이 바람직하다. 연구 결과, 표면거칠기가 수백 마이크론인 경우에는 표면거칠기 변화가 없는 것이 비하여, 총광속이 약 4% 이상이 저하하였으나, 수십 마이크론인 경우에는 표면거칠기 변화가 없는 것이 비하여, 총광속이 약 0.6% 이하가 저하하였다. 표면거칠기를 적절히 선정하여 총광속의 저하를 최소화하면 조절부(900)에 한정되지 않고 예를 들어 렌즈유닛의 전면 및/또는 후면의 전체에 소정의 표면거칠기를 두는 것도 가능하다. 이렇게 하면 렌즈유닛의 제작이 용이하다는 이점이 있다.
한편 본 발명에 따른 조절부(900)는 상술한 표면거칠기의 변화에 의하여 구현하는 것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 조절부(900)의 광투과율을 렌즈유닛(200)의 다른 부분보다 적게 하여 이 부분으로 빛이 출사하는 것을 최소화할 수도 있다. 예를 들어, 조절부(900)를 실질적으로 빛을 투과하지 않도록 할 수 있다. 이를 위하여, 조절부(900)에서 빛을 어느 정도 흡수하거나 반사시킬 수 있다. 조절부(900)에서 빛을 흡수하는 경우에는 반사부재에서 재반사되는 빛도 흡수되어 총광속이 떨어진 우려가 있으므로 빛을 반사시키는 것이 바람직할 것이다.
한편 상술한 실시예에서는 조절부(900)를 렌즈유닛(200)에 일체 성형하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 조절부(900)를 별도의 부재로 만들어 상기 조절부(900)와 렌즈유닛(200)을 적절히 결합하는 것도 가능하다.
도 7을 참조하여, 상술한 본 발명에 따른 실시예의 작용을 설명하면 다음과 같다. 도 7a는 렌즈유닛을 샌딩 처리하지 않는 것이며, 도 7b는 샌딩 처리한 것이다.
도 7a에서 알 수 있는 바와 같이, 샌딩 처리와 같은 방식으로 조절부(900)를 구비하지 않은 경우에는 원치않는 측면의 별모양의 빛 형태의 발생한다. 그러나 도 7b에서 알 수 있는 바와 같이, 샌딩 처리와 같은 방식으로 조절부(900)를 구비한 경우에는 조절부(900)에 의하여 원치않는 측면의 별모양의 빛 형태의 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한 조절부(900)에 의하여 조사영역 밖으로 출사되는 것이 방지된 빛은 다시 집광렌즈 및/반사부재에 의하여 다시 조사영역으로 출사되는 것이 가능하므로 총광속의 저하가 거의 없도록 할 수 있다.
200 : 렌즈유닛 220 : 집광렌즈
300 : 반사부재 400 : 엘이디 모듈
600 : 히트싱크 700 : 베이스
900 : 조절부

Claims (14)

  1. 엘이디 소자를 가지는 엘이디 모듈;
    상기 엘이디 모듈이 구비되는 히트싱크;
    상기 엘이디 모듈에서 조사되는 빛을 정의된 조사영역으로 유도하는 렌즈유닛과;
    상기 조사영역 이외로 빛이 조사되는 것을 최소화하는 조절부를 포함하며,
    상기 렌즈유닛은 집광렌즈와 상기 집광렌즈의 둘레에 구비되는 윈도우를 포함하며, 상기 조절부는 상기 집광렌즈와 상기 윈도우의 경계를 포함하는 부분에 위치되는 엘이디 조명장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 조절부는 상기 조사영역의 경계에 상당하는 부분에 위치하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 조절부는 다수의 요철부인 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 요철부의 표면거칠기는 상기 렌즈유닛의 총광속의 저하를 최소화하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 요철부의 표면거칠기는 수십 마이크론인 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 요철부의 상기 렌즈유닛의 전면 및 후면 중의 최소한 한 곳에 위치되는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 조절부의 광투과율은 상기 렌즈유닛의 다른 부분보다 작은 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 조절부는 실질적으로 빛을 투과하지 않은 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 조절부는 실질적으로 빛을 반사시키는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 조절부는 빛을 난반사하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 조절부는 빛을 전반사하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 조절부는 상기 렌즈유닛과 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  14. 삭제
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