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KR20100110770A - Ｌｅｄ 광원용 확산기 - Google Patents

Ｌｅｄ 광원용 확산기 Download PDF

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KR20100110770A
KR20100110770A KR1020107011289A KR20107011289A KR20100110770A KR 20100110770 A KR20100110770 A KR 20100110770A KR 1020107011289 A KR1020107011289 A KR 1020107011289A KR 20107011289 A KR20107011289 A KR 20107011289A KR 20100110770 A KR20100110770 A KR 20100110770A
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KR
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led
led light
filler material
panel
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Inventor
캐롤 렌크
Original Assignee
슈퍼불브스, 인크.
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Publication date
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Abstract

본 발명의 LED 광원은 적어도 하나의 LED, 광원의 발광 표면과 LED 사이의 패널, 및 적어도 하나의 LED로부터의 광을 미 산란에 의해 확산시키는 재료를 포함하는 패널 내측의 필러 재료를 포함한다.

Description

ＬＥＤ 광원용 확산기{DIFFUSER FOR LED LIGHT SOURCES}
본 발명은 발광 다이오드(LED) 소스로부터의 균일하게 분산된 광의 제공과, LED에 의해 생성된 열의 효율적인 제거에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 균일한 조도(illumination)의 표면을 제공하기 위해 상당한 광 손실 없이 광원에서 LED에 의해 생성된 광을 균일하게 분산시키는 것과, LED가 고출력(higher power)으로 작동되는 것을 가능하게 하는 것에 관한 것이다.
LED는 접합부(junction)를 통해 흐르는 전류로 인해 광을 방출하는 반도체 접합부로 구성된다. 통상적으로, 화이트 LED는 블루 또는 자외선 LED 다이(blue or ultraviolet LED die)를 사용하고 이에 인광체(phosphor)를 함유하는 플라스틱 코팅을 부가함으로써 제조된다. 인광체는 LED 다이에 의해 방출된 블루 또는 자외선 광을, 화이트 광 또는 흑체 방사선과 다소 매우 유사한 광의 스펙트럼으로 변환시키는데 사용된다.
일견하여, 화이트 LED는 전형적인 광원의 우수한 대체물이어야 하는 것으로 보인다. 동등한 전력에서, 이는 백열 전구보다 훨씬 큰 광 출력을 제공하거나, 마찬가지로 동등한 광을 위해 훨씬 적은 전력을 사용하고, 그의 작동 수명은 수 배 더 크고 즉 대략 1만 내지 10만 시간 대 1천 내지 2천 시간이다. 유사하게, 그의 궁극적인 효율은 형광등보다 더 높고, 그의 수명도 형광등보다 실질적으로 길다.
그러나, LED는 지금까지는 이들이 전형적인 광원으로서 널리 채택되는 것을 못하게 하는 다수의 결점을 갖는다. 이들 중 하나는 LED가 개별의 광원이라는 점이다. 이는 그의 출력의 빔 내에서는 강한 광을 생성하지만, 빔의 외측에서는 광이 어둡다. 다수의 LED를 사용하는 것은 광에 간섭 패턴이 발생하기 때문에 이러한 문제점을 완전히 해소하지 못한다.
종래에, LED는 점 광원 문제점에 대한 해결책으로서 LED로부터의 광을 분산시키기 위해 그의 쉘(shell) 또는 본체(body)에 부가된 확산기를 가졌다. 또 다른 방법은 LED 패키지의 표면을 거칠게 하는 것이었다. 이들 방법 모두는 LED 광원을 위한 균일한 광 분포를 달성하지 못하고, 발광 효율(luminous efficiency)을 낮출 수 있다. 또한, 대략적인 각도 균일성을 달성하는 방법은 발광 효율을 더 저하시키는, 부분적 흡수 공정을 필요로 한다.
LED가 갖는 또 다른 결점은, LED가 소정의 광 출력을 위해 백열 전구보다 실질적으로 더 작은 전력을 필요로 하지만, 조명을 위한 적절한 광을 생성하기 위해서는 여전히 수 와트를 소비한다. 반도체인 LED는 대부분 열의 포인트 소스이고, 대략 85℃ 내지 150℃의 범위보다 더 고온이 되도록 허용될 수 없다. 따라서, LED는 상당한 열 문제점을 갖는다.
이러한 열 문제에 대한 한가지 가능한 해결책은 LED에 부착된 큰 금속 히트 싱크를 사용하는 것이다. 이 히트 싱크는 전구로부터 멀리 연장되어, LED로부터 열을 제거한다. 그러나, 히트 싱크는 광원이 원하는 형태 요소로 맞춰지는 것을 어렵게 할 수도 있기 때문에, 이 해결책은 바람직하지 않다.
본 발명은 전술된 주요 문제점이 효과적으로 해소되도록 LED용 확산기를 개발하려는 목적을 갖는다. LED 광원에 부착될 수도 있고 매우 적은 광 손실로 광원의 표면에 광을 균일하게 분포시키고 방열을 위한 큰 단면적을 제공하는 확산기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 장치는 양호하게는 폴리카보네이트와 같은 플라스틱으로 형성되는 밀봉된 패널과, 양호하게는 유체, 플라스틱 또는 겔로 형성되는 필러 재료를 포함한다. 유체, 겔 또는 플라스틱은 미 산란체(Mie scatterer)의 시스템을 포함하거나 자체적으로 이러한 시스템을 형성하도록 구성된다. 부가적으로, 유체, 겔 또는 플라스틱은 LED로부터 열을 효율적으로 제거하고 제거를 위한 적절한 표면으로 이를 이송하는 재료이거나 재료를 포함하도록 구성된다.
일 실시예에서, 밀봉된 패널은 직사각형 단면을 갖는다. 유체, 겔 또는 플라스틱은 열 팽창을 위한 공간을 제공하기에 적절하도록 대략 70% 내지 99%로 패널을 충전한다. 패널은 LED 광원 조립체의 일체 부분으로서 만들어질 수 있거나, 여러 공지된 방법들 중 임의의 방법에 의해 애드-온(add-on) 부착될 수도 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 유체, 겔 또는 플라스틱은 밀봉된 패널에 불균일 공간 분포로 분포될 수도 있다. 이는 다른 방향보다 일 방향으로 더 강한 광을 생성하는데 사용될 수도 있다.
첨부 도면은 본 발명의 추가 이해를 제공하도록 포함되고 이 명세서에 포함되고 이 명세서의 일부를 구성한다. 도면은 본 발명의 실시예를 도시하고, 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하도록 돕는다.
도 1은 광 출력의 방향성의 근거를 도시하는 현 최신 기술의 LED 광원의 도면이다.
도 2는 초-파장 입자(supra-wavelength particle)로부터의 미 산란(Mie scattering)을 갖는 LED로부터 방출된 광의 단면도이다.
도 3은 LED의 전방에 장착된 확산기를 도시하는 LED 광원의 단면도이다.
도 4는 불균일 공간 분포를 갖는 확산기를 도시하는 LED 광원의 단면도이다.
이제 본 발명의 양호한 실시예가 상세히 참조될 것이고, 실시예들의 일례는 첨부 도면에 도시된다. 가능한 어디서든지, 동일하거나 유사한 부품을 지칭하도록 동일한 도면부호가 도면 및 설명에서 사용된다.
구성 특성에 따르면, 양호한 실시예와 실시의 상세한 설명이 아래에 주어진다.
도 1은 광 출력의 방향성의 근거와 열을 제거하기 위해 사용되는 구성을 도시하는 현 최신 기술의 LED 광원(10)의 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, LED(20)는 회로 기판(30)에 장착된다. 상기 LED들이 점 광원이기 때문에, 상기 LED 광원으로부터 방출된 광은 빔에서 집중되는 것으로 보인다. 상기 회로 기판이 LED(20)에 전기 상호연결부를 제공하고, 전기적 절연을 또한 제공할 수도 있다. 와이어(50)는 파워 소스(도시 안됨)로부터 LED에 전력을 공급하도록 회로 기판으로부터 이어진다. 회로 기판(30)은 낮은 열 저항 재료로 제조되는 히트싱크(40)에 장착되는데, 그 목적은 LED(20)에 의해 생성된 열을 위해 주변으로의 낮은 열 저항 경로를 제공하기 위한 것이다. 도면에서, 히트싱크(40)는 그로부터 돌출된 휜(42)을 갖지만, 어떤 형상의 히트싱크도 사용될 수 있다.
도 2는 복수의 초-파장 입자(70)로부터의 미 산란과 추가 실시예에 따른 파장(80) 각각의 동등한 산란을 갖는 LED로부터 방출된 광의 단면도를 도시한다. 통상적으로, 들어오는 광(60)은 LED 내에 사용되는 발광 재료에 기초한 파장(62)을 포함하는 복수의 파장 성분을 포함할 것이다. 예컨대, 통상적인 LED 발광 스펙트럼에서, 컬러 블루에 대응하는 LED로부터 방출된 파장(62)은 대략 410 nm 내지 450 nm일 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 들어오는 광(60)은 유효 직경(90)을 갖는 분산된 세트 또는 복수의 입자(70)에 충돌하고, 유효 직경(90)은 LED로부터 방출된 광의 우세 파장(62)보다 크다. 분산된 입자(70)의 유효 직경(90)은 양호하게는 발광원의 우세 파장(62)보다 1배 내지 수배 더 큰 사이즈를 갖는다. 예컨대, 블루 광을 생성하는 LED에 있어서, 분산된 세트의 입자(70)는 대략 1.1미크론의 평균 직경을 갖는 알루미나 삼수화물(alumina trihydrate)일 수 있다. LED 또는 발광원의 우세 파장(62)보다 크고 미 산란을 생성시키는, 유효 직경(90)을 갖는 임의의 적절한 입자가 사용될 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 입자는 구형이거나 대략 구형일 필요가 없고 디스크형 또는 로드형 입자와 같은 다른 형상이 사용될 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 이는 들어오는 광(60)의 미 산란을 위한 조건을 생성하고, 들어오는 파장(62) 각각은 나가는 파장(80)으로 산란된다. 따라서, 투과 광 또는 나가는 파장(80)은 광도(light intensity)에 크게 영향을 미치지 않으면서, 들어오는 광(60)에 대해 일정 방향들로 분산된다.
도 3은 LED의 전방에 장착된 확산기(9)를 도시하는 LED 광원(10)의 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, LED(20)는 회로 기판(30)에 장착되고, 도시되지 않은 파워 소스로 이어지는 파워 와이어(50)를 갖는다. 확산기 패널(90)이 상기 LED의 전방에 배치된다. 상기 확산기 패널은 LED(20) 및 회로 기판(30)에 형태 맞춤되는 것으로 도시되어 있고, 상기 회로 기판으로 전달되는 상기 LED의 열과 상기 LED들의 열을 위한 낮은 열 저항 경로를 제공한다. 확산기 패널(90)에 의해 전도된 열은 발광 표면(92)으로부터의 복사 및 전도에 의해 주위로 전달될 수도 있다. 또한, 확산기 패널(90)은 LED(20)로부터의 광을 분산시키고, 발광 표면(20) 상에 대략 균일한 광 출력을 생성한다. 확산기 패널(90)은 단면이 직사각형일 필요가 없고 디스크와 같은 다른 형상이 사용될 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 확산기 패널(90)은 편평한 발광 표면을 가질 필요가 없고 반구형과 같은 다른 형상이 사용될 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 또한, 확산기 패널(90)은 LED(20)에 형태 맞춤될 필요가 없고 LED의 전방에 간단히 위치될 수도 있다는 것이 이해될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 광원(10)은 적어도 하나의 LED, 광원의 발광 표면과 적어도 하나의 LED(20) 사이의 패널(90), 및 적어도 하나의 LED(20)로부터의 광을 산란시키도록 패널(90) 내측에 있는 필러 재료(91)를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 필러 재료(91)는 탄산 칼슘과 같은 무기 입자로 약간 코팅된(lightly coated), 복수의 입자를 갖는 폴리(아크릴아미드) 하이드로겔[poly(acrylamide) hydrogel]이다.
다른 실시예에 따르면, LED 광원(10)은 적어도 하나의 LED(20), 적어도 하나의 LED(20)와 광원(10)의 발광 표면 사이의 패널, 및 적어도 하나의 LED(20)로부터의 광을 산란시키도록 패널(90) 내측에 있는 필러 재료(91)를 포함하고, 필러 재료(91)는 제2 상이한 밀도 성분에 더하여 작은 미 셀(Mie cell)을 포함한다. 실시예에 따르면, 필러 재료(91)는 탄화수소(hydrocarbon)계 오일을 포함하고, 상기 제2 상이한 밀도 성분은 물 및 소량의 계면 활성제를 포함한다. 필러 재료(91)는 개별적으로 각각 광에 대해 투과성인 성분들을 포함한다는 것이 이해될 수 있다.
도 4는 불균일한 공간 분포를 갖는 확산기(90)를 도시하는, 도시되지 않은 LED 광원의 단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 확산기(90)는 유체, 겔, 플라스틱 필러 재료의 밀도가 상기 확산기(90)의 다른 영역(96)에서 보다 낮은 2개의 직사각형 영역(94)을 갖는다. 저밀도 필러 재료 영역(94)은 확산기(90) 내에 형성되는 개별 박스들로 형성될 수 있거나, 간단하게 사용된 재료의 밀도의 변조일 수 있다. 저밀도 필러 재료 영역(94)의 효과는 확산기(90)의 다른 영역(96)에서 보다 더욱 직진이고 강한 저밀도 필러 재료 영역(94)으로부터의 광을 생성하는 것이다. 다른 영역(96)은 더 확산되고 덜 강한 광을 생성한다. 저밀도 필러 재료 영역(94)은 직사각형일 필요가 없고 원형 및 환형(annuli)과 같은 다른 형상일 수도 있다는 것이 이해될 수 있다. 또한, 필러 재료는 균일한 밀도일 수 있고 미 산란체만이 밀도를 변화시킬 수 있다는 것이 이해될 수 있다.
다양한 변형 및 변경이 본 발명의 범주 또는 기술사상으로부터 벗어나지 않으면서 본 발명의 구조로 이루어질 수 있다는 것이 당해 기술분야의 숙련자에게 이해될 것이다. 상기로부터, 본 발명은 이하 특허청구범위와 그의 균등물의 범주 내에 있다면 본 발명의 변형 및 변경을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (25)

  1. LED 광원이며,
    적어도 하나의 LED와,
    광원의 발광 표면과 적어도 하나의 LED 사이의 패널과,
    적어도 하나의 LED로부터의 광을 미 산란에 의해 확산시키기 위한 재료를 포함하는, 패널 내측의 필러 재료를 포함하는
    LED 광원.
  2. 제1항에 있어서,
    필러 재료는 유체인
    LED 광원.
  3. 제1항에 있어서,
    필러 재료는 겔인
    LED 광원.
  4. 제1항에 있어서,
    필러 재료는 플라스틱인
    LED 광원.
  5. 제1항에 있어서,
    필러 재료는 미 산란에 의해 광을 확산시키는
    LED 광원.
  6. 제1항에 있어서,
    필러 재료는 열 전도성인
    LED 광원.
  7. 제1항에 있어서,
    필러 재료는 패널 전체에 걸쳐 균일하게 분포되는
    LED 광원.
  8. 제1항에 있어서,
    미 산란체는 패널 전체에 걸쳐 균일하게 분포되는
    LED 광원.
  9. 제1항에 있어서,
    필러 재료는 패널 전체에 걸쳐 불균일 분포를 갖는
    LED 광원.
  10. 제1항에 있어서,
    미 산란체는 패널 전체에 걸쳐 불균일 분포를 갖는
    LED 광원.
  11. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 LED는 인광체를 갖지 않는 블루 또는 자외선 LED이고, 패널은 적어도 하나의 인광체를 포함하는
    LED 광원.
  12. 제1항에 있어서,
    패널은 밀봉되는
    LED 광원.
  13. 제1항에 있어서,
    패널은 LED에 형태 맞춤되도록 성형되는
    LED 광원.
  14. 제1항에 있어서,
    필러 재료는 패널을 완전히 충전하지 않는
    LED 광원.
  15. 제1항에 있어서,
    필러 재료는 하이드로겔인
    LED 광원.
  16. LED 광원이며,
    적어도 하나의 LED와,
    광원의 발광 표면과 적어도 하나의 LED 사이의 패널과,
    적어도 하나의 LED로부터의 광을 산란시키도록 패널 내측에 있는 필러 재료를 포함하고,
    필러 재료는 폴리(아크릴아미드) 하이드로겔인
    LED 광원.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 폴리(아크릴아미드)는 무기 입자로 약간 코팅된, 복수의 입자를 포함하는
    LED 광원.
  18. 제17항에 있어서,
    무기 입자는 탄산 칼슘인
    LED 광원.
  19. LED 광원이며,
    적어도 하나의 LED와,
    광원의 발광 표면과 적어도 하나의 LED 사이의 패널과,
    적어도 하나의 LED로부터의 광을 산란시키도록 패널 내측에 있는 필러 재료를 포함하고,
    상기 필러 재료는 제2 상이한 밀도 성분에 더하여 작은 미 셀을 포함하고,
    상기 필러 재료는 탄화수소계 오일을 포함하고,
    상기 제2 상이한 밀도 성분은 물 및 소량의 계면 활성제를 포함하는
    LED 광원.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 필러 재료는 개별적으로 각각 광에 대해 투과성인 성분들을 포함하는
    LED 광원.
  21. LED 광원이며,
    적어도 하나의 LED와,
    적어도 하나의 LED로부터의 광을 산란시키는 재료를 포함하고,
    상기 재료는 폴리(아크릴아미드) 하이드로겔인
    LED 광원.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 폴리(아크릴아미드) 하이드로겔은 무기 입자로 약간 코팅된, 복수의 입자를 포함하는
    LED 광원.
  23. 제22항에 있어서,
    무기 입자는 탄산 칼슘인
    LED 광원.
  24. LED 광원이며,
    적어도 하나의 LED와,
    적어도 하나의 LED로부터 광을 산란시키는 재료를 포함하고,
    상기 재료는 제2 상이한 밀도 성분에 더하여 작은 미 셀을 포함하는
    LED 광원.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 재료는 탄화수소계 오일을 포함하고,
    상기 제2 상이한 밀도 성분은 물 및 소량의 계면 활성제를 포함하는
    LED 광원.
KR1020107011289A 2007-10-24 2008-10-21 Ｌｅｄ 광원용 확산기 KR20100110770A (ko)

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