KR100919760B1 - 집광구조 엘이디 조명장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 엘이디에서 발광되는 빛을 광 지향성이 향상된 빛으로 조사되게 하는 집광구조 엘이디 조명장치에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명은, 하방으로 돌출된 다수의 방열핀(111)을 구비하는 방열판(110), 상기 방열판(110)의 상부면에 부착되는 기판(121), 및 상기 기판(121)에 실장되는 엘이디(120) 를, 포함하여 구성되는 방열구조 엘이디모듈(100); 상기 엘이디(120)의 상부에 위치하는 볼록렌즈 형태의 제1 집광렌즈(210)와, 상기 제1 집광렌즈(210)를 둘러싸는 형태로 상기 엘이디(120)의 상부에 배치되어, 상기 제1 집광렌즈(210)의 광각범위를 벗어나는 엘이디(120)의 방출 빛을 상부로 반사시키는 포물경(220), 을 포함하여 구성되는 집광부(200); 원통형으로 형성되고, 상기 방열구조 엘이디모듈(100)의 방열판(110)에 고정되며, 상부 개구부에 상기 집광부(200)가 지지되게 끼워지는 지지통(300); 상측이 개구되고 하측이 폐구된 원통형으로 형성되어 내부공간에 상기 방열구조 엘이디모듈(100)을 수용하는 엘이디모듈 수용통(400); 상기 엘이디모듈 수용통(300)의 상부에 끼움 결합되는 원통형 몸체로 이루어지고, 볼록렌즈 형태의 제2 집광렌즈(510)를 상부측 개구부(511)에 구비하는 경통(500); 을 포함하여 구성되며, 상기 다수의 방열핀(111)들 사이의 공간(113)에는 실리콘 또는 에폭시로 충진된 제1 열전이매체(130)가 조성된다.

엘이디, 조명장치, 광 지향성, 집광, 평행광, 방열, 열전이, 실리콘, 에폭시

Description

집광구조 엘이디 조명장치{LED LIGHTING APPARATUS HAVING LIGHT COLLECTING STRUCTURE}

본 발명은 집광구조를 갖는 엘이디(LED:Light Emitting Siode) 조명장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 엘이디에서 발광되는 빛을 광 지향성이 향상된 빛으로 조사되게 하고, 엘이디의 열을 효과적으로 방출할 수 있는 집광구조 엘이디 조명장치에 관한 것이다.

일반적으로 엘이디(LED)는 기존 광원에 비해 수명이 길고, 전력소비 대비 발광효율이 높으며, 소형으로 협소한 공간에도 손쉽게 설치할 수 있는 이점을 갖고 있어서, 최근에는 엘이디를 채용한 다양한 조명장치가 출시되고 있다.

이러한 엘이디를 채용한 조명장치는 엘이디를 점광원으로 가정하여 빔을 모으는 구조로 설계된다. 예를 들면, 공개특허공보 제10-2006-0071033호 "엘이디 조명 장치 및 광학시스템"와, 등록실용신안공보 제20-0440387호 "듀얼 타입 램프" 가 있었다.

도 1은 종래기술에 따른 엘이디 조명장치의 단면도(도 1a)와 또다른 종래기 술에 따른 엘이디 조명장치의 단면도(도 1b)이다.

상기 도 1a에 도시된 종래의 엘이디 조명장치에 따르면, 엘이디(10)에서 방출되는 빛은 방출각의 기준 중심선 상에 배치된 집광구조의 렌즈(20)에 의해 평행 광선으로 변경되어 조명장치의 외부로 출사되고, 상기 렌즈(20) 부분을 벗어나서 측면 방향으로 방출되는 엘이디(10)의 방출 빛은 외부의 포물 형상의 반사면(21)에서 전반사되어 마찬가지로 평행 광선으로 변경되어 조명장치의 외부로 출사된다.

상기 도 1b는 다른 종래기술에 따른 엘이디 조명장치의 단면도이다. 상기 도 1b에 도시된 엘이디 조명장치는, 엘이디(10)로부터 방출 기준선에 대하여 큰 각으로 방출되는 광을 반사하여 준-평행 광으로 만드는 외부 포물경(40)과, 엘이디(10)로부터 방출 기준선에 대하여 작은 각으로 방출되는 광을 준-평행 광으로 변형시키는 커플러 렌즈(30), 를 구비하며, 상기 커플러 렌즈(30)는 방출기준선에 대하여 보다 큰 각으로 방출되는 광을 반사시키는 포물면(31) 및 방출기준선에 대하여 보다 작은 각으로 방출되는 광을 투과시키는 집속 렌즈면(32)을 포함한다.

도 2는 상기 도 1에 따른 엘이디 조명장치에서 출사되는 빛을 추적한 시뮬레이션 도면이다. 상기 도 2를 참조하면, 출사되는 빛은 대부분 기준 중심선상에 평행한 광선의 형태로 출사되고 있음을 볼 수 있다.

하지만, 상기 도 1의 구성에 의한 도 2의 출사 빛을 살펴보면, 반사면(21) 또는 포물경(40)의 테두리 내에 해당되는 방향으로 대부분의 빛이 출사되기는 하지만, 반사면(21) 또는 포물경(40)의 테두리 외측으로 산란되어 출사되는 빛이 상당히 발생함을 볼 수 있으며, 이와 같이 산란되는 빛은 평행광에서 이탈됨에 따라 종 래기술에 의한 엘이디 조명장치는 산란된 빛의 광량만큼 광 지향의 성능이 저하되는 문제점이 있었다.

이와 같은 산란 빛은, 엘이디(10)가 점광원이라는 가정하에 상기 도 1a의 렌즈(20) 및 반사면(21)을 광학설계하거나, 또는 상기 도 1b의 렌즈(30) 및 포물경(40)을 광학설계함에 따라 발생되는 것이다. 즉, 실제의 엘이디(10)는 점광원이 아니므로, 가정으로 설정된 점광원 중심점에서 조금이라도 벗어나 방출되는 빛은 근접되게 배치된 렌즈(20, 30) 또는 반사수단(21, 40)에 의해 방향이 전환되더라도 평행광이 되지 아니하고 원하지 아니하는 방향으로 산란되며, 조명장치의 외부로 출사되어 원하는 목표지점의 조사면에 이르러서는 더욱 목표지점에서 벗어난 부위를 조사하는 결과에 이르게 된다.

따라서, 실제로는 엘이디(10)가 점광원이 아님을 고려하여 광학설계를 함으로써, 조명장치에서 출사되는 빛이 평행광을 형성하도록 해야만 하는 것이다.

더불어, 엘이디를 광원으로 사용할 경우에는, 일반적으로 엘이디의 발광효율을 높이기 위하여 방열수단을 조명장치에 부가하여 설치해야만 한다.

하지만, 상기 도 1에 도시된 조명장치는 집광구조를 갖게 하기 위하여 하나의 엘이디(10)를 구비하는데, 하나의 엘이디(10)를 위해 별도의 방열수단을 설치한다는 것은 매우 비효율적이다. 보다 상세히 고찰해보면, 조명장치에 엘이디(10)를 다수개 설치할 경우에는 집광구조를 갖도록 설계하기가 매우 어렵고 구조 또한 복잡하며, 만약 그렇게 제조한다 하더라도 집광 성능이 낮게 되므로, 일반적으로 상기 도 1에 도시된 바와 같이 하나의 엘이디로 조명장치를 구성한다. 그런데, 하나 의 엘이디(10)를 위해서 복잡한 방열구조 또는 방열장치를 설치하게 되면, 조명장치가 커지거나 복잡해지고 방열장치의 잔고장에 따른 유지보수도 번거롭게 될 뿐만아니라, 엘이디 조명장치의 소형화라는 이점을 이용하지도 못하는 어려움이 있는 것이다.

따라서, 집광 성능, 즉 광 지향 성능을 보장하는 엘이디 조명장치에 있어서, 간단한 구조의 방열수단을 구비하게 하는 것이 요구된다.

따라서 본 발명의 목적은, 엘이디를 점광원으로 가정하여 광 지향성을 갖게 광학설계된 종래기술의 조명장치에 별도의 집광구조를 부가하여 점광원이 아닌 엘이디에서 발산되는 빛을 더욱 향상된 광 지향성을 갖도록 하는 집광구조 엘이디 조명장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 방열구조의 엘이디를 사용함으로써 별도의 방열수단을 구비하지 아니하더라도 효과적으로 방열할 수 있는 집광구조 엘이디 조명장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 엘이디(120)의 발광빛을 지향성을 갖는 빛으로 조사할 수 있는 집광구조 엘이디 조명장치에 있어서, 하방으로 돌출된 다수의 방열핀(111)을 구비하는 방열판(110), 상기 방열판(110)의 상부면에 부착되는 기판(121), 및 상기 기판(121)에 실장되는 엘이디(120) 를, 포함하여 구성되는 방열구조 엘이디모듈(100); 상기 엘이디(120)의 상부에 위치하는 볼록렌즈 형태의 제1 집광렌즈(210)와, 상기 제1 집광렌즈(210)를 둘러싸는 형태로 상기 엘이디(120)의 상부에 배치되어, 상기 제1 집광렌즈(210)의 광각범위를 벗어나는 엘이디(120)의 방출 빛을 상부로 반사시키는 포물경(220), 을 포함하여 구성되는 집광부(200); 원통형으로 형성되고, 상기 방열구조 엘이디모듈(100)의 방열판(110)에 고정되며, 상부 개구부에 상기 집광부(200)가 지지되게 끼워지는 지지통(300); 상측이 개구되고 하측이 폐구된 원통형으로 형성되어 내부공간에 상기 방열구조 엘이디모듈(100)을 수용하는 엘이디모듈 수용통(400); 상기 엘이디모듈 수용통(300)의 상부에 끼움 결합되는 원통형 몸체로 이루어지고, 볼록렌즈 형태의 제2 집광렌즈(510)를 상부측 개구부(511)에 구비하는 경통(500); 을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, 상기 다수의 방열핀(111)들 사이의 공간(113)에는 실리콘 또는 에폭시로 충진된 제1 열전이매체(130)가 조성될 수 있음을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, 상기 방열판(110)의 상부면과, 상기 포물경(220)의 외측면과, 상기 지지통(300)의 내측면, 으로 에워싸진 공간에 실리콘 또는 에폭시로 충진된 제2 열전이매체(140)가 조성될 수 있음을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, 상기 포물경(220)을 엘이디(120)의 방출 빛을 반사시켜 상기 제2 집광렌즈(510) 방향으로 평행광을 이루도록 형성하고, 방출 광의 기준선(600)을 중심으로 집광부(200)가 투영되는 상기 제2 집광렌즈(510)의 중앙 렌즈면(511)을 평면경 형태로 형성할 수 있음을 특징으로 한다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명은, 엘이디(120)를 점광원으로 가정하여 광학설계된 조명장치에서 평행광 범위를 벗어나 산란되는 빛(630)을 제2 집광렌즈(510)를 이용하여 평행광으로 출사되게 하여, 광 지향성을 더욱 향상시킬 수 있 다.

또한, 본 발명은, 제2 집광렌즈(510)에 평면경 형태의 렌즈면(511)를 형성함으로써, 광학설계된 평행광 범위의 빛(600, 610, 620)이 굴절 없이 투과되게 하여 종래기술에 따른 광 지향성능을 그대로 유지시킬 수 있다.

또한, 본 발명은, 방열판(110)의 상하부에 열전이매체(130, 140)를 조성하여 엘이디(120)의 열을 신속하게 흡수함으로써, 엘이디(120)의 온도를 일정한 적정 온도범위로 유지할 수 있어서, 복잡한 방열수단을 구비하지 아니하더라도 엘이디(120)의 발광효율을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 첨부된 도면들에서 구성 또는 작용에 표기된 참조번호는, 다른 도면에서도 동일한 구성 또는 작용을 표기할 때에 가능한 한 동일한 참조번호를 사용하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 집광구조 엘이디 조명장치의 단면도이다.

상기 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 집광구조 엘이디 조명장치 는 방열구조 엘이디모듈(100), 집광부(200), 지지통(300), 엘이디모듈 수용통(400) 및 경통(500)을 포함하여 구성된다.

상기 방열구조 엘이디모듈(100)은, 하방으로 돌출된 다수의 방열핀(111)을 구비하는 방열판(110)과; 엘이디(120)가 실장된 상태에서 상기 방열판(110)의 상부면에 부착되고 엘이디(120)에 전기적으로 연결된 전선이 인출되는 기판(121);을 포함하여 구성된다. 상기 방열판(110)은 엘이디(120)의 점등시에 발생되는 열을 흡수하여 외부로 방출하기 위한 구성으로서, 일반적인 알루미늄 또는 구리 재질로 제작될 수 있으며, 다수의 방열핀(111)으로 표면적을 넓혀 방열효과를 증대시키도록 형성된다. 상기 기판(121)은, 엘이디(120)를 실장하여 전원공급용 전선(미도시)에 연결하기 위한 것이며, 또한 상기 방열판(110)에 전기적으로 절연되게 하는 기능도 한다.

상기 집광부(200)는, 상기 엘이디(120)가 설치된 방열판(110)의 상부에 배치되며, 상기 엘이디(120)를 점광원으로 가정하여 상기 엘이디(120)에서 방출되는 빛을 상부로 방출되게 경로를 변환하되 방출되는 빛이 상부방향으로 평행광을 형성하게 한다. 이를 위해 상기 집광부(200)는 제1 집광렌즈(210) 및 포물경(220)으로 구성된다.

상기 제1 집광렌즈(210)는, 상기 엘이디(120)의 상부에 위치하는 볼록렌즈 로서, 상기 엘이디(120)의 위치를 볼록렌즈의 초점에 놓이도록 배치 높이가 결정되어 상기 엘이디(120)의 발광 빛을 상부 방향으로 향하는 평행광이 되게 한다.

상기 포물경(220)은, 상기 제1 집광렌즈(210)를 둘러싸는 형태로 상기 엘이 디(120)의 상부에 배치되어, 상기 제1 집광렌즈(210)의 광각범위를 벗어하는 엘이디(120)의 방출 빛, 즉 상기 제1 집광렌즈(210)의 광각범위보다 큰 각의 범위로 방출되는 빛을 상부로 반사시키며, 이때 상기 포물경(220)의 내측 곡면은 상부로 반사되는 빛이 상기 제1 집광렌즈(210)에 의해 상부로 경로 변환되어 방출되는 빛과 평행되도록 형성된다.

상기 집광부(200)는 상기 도 3에 도시된 것에 한정되지 아니하며, 종래기술에 의해 구성될 수 있음에 유의해야 한다. 예를 들면, 상기 집광부(200)는, 공개특허공보 제10-2006-0071033호 "엘이디 조명 장치 및 광학시스템"에 제안된 도 1b의 구성, 또는 등록실용신안공보 제20-0440387호 "듀얼 타입 램프"에 제안된 반사캡에 렌즈를 구비한 구성으로도 구성될 수 있는 것이다.

상기 지지통(300)은, 상기 집광부(200)를 상기 방열판(110)의 상부에 배치되도록 상기 집광부(200)를 지지한다. 이를 위한 상기 지지통(300)은 원통형으로 형성되어 상부 개구부로 상기 집광부(200)를 끼울 수 있게 하고, 상부 개구부의 내측에 걸림돌출테(320)를 조성하여 상기 집광부(200)의 포물경(220)의 테두리가 걸릴 수 있게 한다. 그리고, 상기 집광부(200)의 이탈을 방지하기 위하여, 상기 지지통(300)의 상부 개구부에는 상기 집광부(200)가 설치된 상태에서 환형테(310)가 볼트결합으로 고정된다.

상기 엘이디모듈 수용통(400)은, 상측이 개구되고 하측이 폐구된 원통형으로 형성되며, 원통형의 내부공간에 상기 방열구조 엘이디모듈(100)을 수용한다. 이때, 집광부(200)가 설치된 상기 방열구조 엘이디모듈(100)은 집광부(200)를 상측으로 향하게 하고 방열판(110)의 방열핀(111)이 하측으로 향하게 하여 상기 엘이디모듈 수용통(400)의 내부공간에 수용된다. 그리고, 상기 도 3의 실시예를 살펴보면, 상기 방열구조 엘이디모듈(100)의 방열판(110)에는 플랜지(112)가 조성되고, 상기 엘이디모듈 수용통(400)의 내측벽에는 돌출테(320)가 조성되어, 상기 플랜지(112)와 돌출테(320)를 볼트결합으로 견고하게 고정할 수 있다. 상기 엘이디모듈 수용통(400)은 외부 공기에 의해 환기될 수 있도록 하기 위하여 다수의 통공(미도시)을 구비할 수도 있으며, 이러한 통공(미도시)에 의해 환기되는 공기로 내부의 방열구조 엘이디모듈(100)의 열을 외부로 방출할 수 있게 한다.

상기 경통(500)은, 상측 및 하측이 개구된 원통형으로 형성되어 상기 엘이디모듈 수용통(300)의 상부에 끼움 결합된다. 이를 위해, 상기 경통(500)의 하측 개구부의 내측벽에는 암나사(520)가 조성되고, 상기 엘이디모듈 수용통(300)의 상측 외측면에는 숫나사(420)가 조성되어, 상기 경통(500)과 상기 엘이디모듈 수용통(300)을 나사결합(420, 520)할 수 있게 된다.

그리고, 상기 경통(500)의 상측 개구부(511)에는 볼록렌즈 형태의 제2 집광렌즈(510)가 구비된다. 따라서, 상기 엘이디모듈 수용통(400)에 수용된 방열구조 엘이디모듈(100)의 엘이디(120)에서 방출되는 빛은, 상기 집광부(200)에 의해 집광되어 상기 경통(500)의 내부를 통과한 후에 상기 제2 집광렌즈(510)에 의해 다시 집광되어 외부로 출사된다. 이와 같은 빛의 경로와 상기 제2 집광렌즈(510)의 초점에 대해서는 하기의 도 6에서 상세히 설명한다.

상기 도 3을 다시 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 집광구조 엘이디 조명장치는, 방열판(110)의 방열핀(111)들 사이에 조성되는 제1 열전이매체(130)와, 엘이디(120) 위치를 제외한 방열판(110) 상부면에 조성되는 제2 열전이매체(140)를 구비함을 볼 수 있다.

상기 제1 열전이매체(130)는 상기 다수의 방열핀(111)들 사이의 공간에 실리콘수지 또는 에폭시수지로 충진하여 성형하는 형태로 조성된다.

일반적으로 방열판(110)에 형성되는 방열핀(111)은 방열판(110)의 설치공간을 작게 하면서도 방열판(110)을 냉각시키는 매체와의 접촉면적을 크게 하는 것으로서, 종래기술에서는 환기수단으로 외부 공기를 방열핀(111)들 사이의 공간에 강제로 흐르게 하거나, 또는 냉매순환수단 및 냉매열방출수단을 이용하여 냉매를 방열핀(111)들 사이의 공간에 강제로 흘림으로써 방열판(110)을 냉각시켰다. 하지만, 하나의 엘이디(120)를 구비하는 본 발명과 같은 조명장치에서는, 조명장치가 커지는 문제점과 유지보수가 어려운 문제점으로 인하여, 환기수단이나 냉매순환수단 및 냉매열방출수단을 설치할 수 없었다.

따라서, 종래기술에서는, 하나의 엘이디(120)를 구비하며 크기가 작게 제작되어야 하는 조명장치에서, 방열판(110)의 방열핀(111)을 외부 공기에 노출시키는 형태를 취하였다.

반면에, 본 발명에서는, 방열핀(111)들 사이의 공간(113)에 제1 열전이매체(130)를 충진하여 방열판(110)의 열이 상기 제1 열전이매체(130)로 흡수되게 하였다.

그리고, 상기 제2 열전이매체(130)는 상기 방열판(110)의 상부면, 상기 집광부(200)의 포물경(220)의 외측면, 및 상기 지지통(220)의 내측면으로 에워싸진 공간에 실리콘수지 또는 에폭시수지로 충진하여 성형하는 형태로 조성된다.

상기 열전이매체(130, 140)의 조성물에 대한 특성을 살펴보면 다음과 같다.

실리콘수지는, 무기적인 성질과 유기적인 성질을 동시에 갖게 되며, 무기적인 성질에 의해 내열성, 화학적 안정성, 전기절연성, 내마모성 등을 갖고, 유기적인 성질에 의해 우수한 반응성 및 용해성으로 용도에 따라 제품을 제조하기에 용이한 장점을 갖는다. 특히, 실리콘은 온도 및 주파수에 관계없이 뛰어난 전기 절연성을 발휘하므로 전기/전자제품에 다용도로 사용되고 있으며, 사용온도가 일반적으로 150℃~250℃에 이르므로 엘이디(120)의 발열에 의해 그 물성이 변하지도 아니한다. 따라서, 본 발명에서와 같이 엘이디(120)의 방열수단에 사용하기에 적합한 것이다. 또한, 실리콘은 양호한 열전도율을 갖고 있어서, 본 발명에서와 같이 열을 흡수하여 공기중으로 방출하는 데에도 적합한 것이다.

에폭시수지는 전기적 성질, 내습성, 내열성, 기계 특성, 내약품성, 인서트품과의 접착성 등의 제반 특성을 균형있게 갖고 있어, 전자 부품 장치의 소자에 두루 사용되고 있다. 특히 전기 절연성 및 내습성이 우수하여 기판(121)을 절연함과 더불어 밀봉하는 효과도 있으며, 내열성이 우수하여 엘이디(120)의 발열에 의해 물성이 변하지도 아니한다. 그리고, 상기 열전이매체(130, 140)로 조성하기 위해 에폭시수지에 경화제 및 충진제 등을 첨가하여 성형하게 된다. 또한, 에폭시수지 조성물의 열전도성을 향상시키기 위한 기술들이 공지되고 있어서, 본 발명에서와 같이 열을 흡수하여 공기 중으로 방출하는 데에 있어 적합한 에폭시수지 조성물, 즉 상기 열전이매체(130, 140)을 당업자가 용이하게 조성할 수 있는 것이다.

즉, 본 발명은, 엘이디(120)의 열을 흡수한 방열판(110)의 열을 공기로 전달하지 아니하고, 대신에 전기 전도성이 양호한 열전이매체(130, 140)에 전달되게 하여, 방열판(110)의 열을 공기로 할 때보다는 신속하게 방출하는 것이다. 그리고, 열전이매체(130, 140)에 흡수된 열은 공기 중으로 또는 엘이디모듈 수용통(400)을 통해 서서히 방출되게 하는 것이다.

일반적으로, 고체(본 발명의 방열판(110)) 열을 공기 중으로 전도시키는 것보다는 고체 열을 다른 고체로 전도시키는 것이 더욱 용이하므로, 고체의 온도를 신속하게 낮추기 위해서는 다른 고체로 전도시키는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명은 방열판(110)의 열을 공기 중으로 전도시키는 것이 아니라 다른 고체 즉 공기보다는 열 전도율이 좋은 열전이매체(130, 140)로 전도시켜, 방열판(110)의 열을 신속하게 방출할 수 있게 하는 것이다.

그리고, 제1 열전이매체(130)의 크기는 엘이디(120)의 용량 및 발열량, 조명장치의 점등 빈도 및 점등 지속시간 등을 고려하여 결정함으로써, 엘이디(120)의 온도가 일정한 범위 내로 유지할 수 있는 것이다.

또한, 본 발명은 집광부(300)의 구조적 특징에 따른 공간, 즉 상기 방열판(110)의 상부면, 상기 집광부(200)의 포물경(220)의 외측면, 및 상기 지지 통(220)의 내측면으로 에워싸진 공간을 활용하여 제2 열전이매체(140)를 충진하는 것이다.

본 출원인은 상기 열전이매체(130, 140)의 효과를 검증하기 위하여, 열전이매체(130, 140)를 구비하지 아니하는 종래기술의 엘이디모듈과, 열전이매체(130, 140)를 구비한 본 발명의 엘이디모듈(100)을 동일한 환경에서 점등시켜 엘이디(120)의 온도를 측정하여 보았다.

하기의 <표1>은 점등 후 60분동안의 엘이디 온도를 측정한 결과표이다.

<표1>

경과 시간	본 발명에서 엘이디 온도(℃)	종래기술에서 엘이도 온도(℃)
5분	49.2	75.3
10분	55.6	83.5
15분	60.0	87.0
20분	64.9	87.5
25분	68.8	87.7
30분	70.2	88.2
40분	74.0	88.8
50분	76.5	91.0
60분	77.3	90.7

상기 <표1>을 참조하면, 종래기술에 따른 엘이디모듈에 있어서(즉 열전이매체(130, 140)를 구비하지 아니한 엘이디모듈에 있어서), 엘이디의 온도는 점등후 5분이 경과한 후에 75.3℃, 그리고 점등후 15분이 경과한 후에 87.0℃에 이르렀으며, 이후에는 서서히 온도가 증가하여 60분이 경과한 후에는 90.7℃에 이르렀다. 즉, 종래기술에 따른 엘이디모듈의 엘이디는 점등후 15분 동안에 급격히 온도가 상승하였으며, 따라서 방열핀을 구비한 방열판만으로는 엘이디의 온도를 적정온도로 낮출 수 없는 것임을 알 수 있다. 그리고, 15분 이후에도 서서히 상승하여 90℃에 이르므로, 방열판을 냉각시키기 위한 별도의 수단을 구비하지 아니하면 적정온도로 낮출 수 없음도 확인할 수 있었다.

반면에, 본 발명에 따른 엘이디모듈(100)에 있어서, 엘이디(120)의 온도는 점등후 5분이 경과한 후에 49.2℃에 이르고 15분이 경과한 후에도 60.0℃에 이르렀다. 따라서, 본 발명에 따른 방열구조 엘이디모듈(100)은 엘이디(120)의 온도를 점등후 15분이 경과하는 동안에 종래기술에 비해 26.1~27℃만큼 낮추는 효과를 거둔다. 그리고, 본 발명에 따른 방열구조 엘이디모듈(100)은 60분이 경과한 후에도 종래기술에 비해 13.4℃만큼 엘이디(120)의 온도를 낮출 수 있다.

즉, 본 발명의 검증결과에 따르면, 본 발명은 열전이매체(130, 140)를 구비함에 따라 종래기술에 비해 방열판(110)의 열을 신속하게 흡수하여, 결국 엘이디(120)의 온도를 적정온도로 낮출 수 있는 것이다.

일반적으로, 엘이디는, 제작사마다 오차는 있지만, 점등효율을 90%이상 유지하기 위해 엘이디의 온도를 대략 65℃이하로 유지해야하고, 점등효율을 85%이상 유지하기 위해 엘이디의 온도를 대략 75℃이하로 유지해야한다. 이러한, 엘이디의 점등효율 특성을 고려하면, 본 발명은 엘이디의 온도를 점등후 40분이 경과하더라도 75℃이하로 유지할 수 있고 이후에도 종래기술에 비해 현저하게 낮게 유지하므로, 종래기술에 비해 점등효율 측면에서 매우 효과적임을 알 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 집광구조 엘이디 조명장치에 있어서, 집광부(200) 및 지지통(300)이 방열구조 엘이디모듈(100)에 결합되는 형태를 도시한 도면이다.

그리고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 집광구조 엘이디 조명장치의 분해 사시도이다.

상기 도 4를 참조하면, 방열구조 엘이디모듈(100), 지지통(300) 및 집광부(200)의 결합은, 엘이디(120)가 설치된 방열구조 엘이디모듈(100)의 상부면에 지지통(300)을 볼트체결로 고정하고, 상기 지지통(300)의 상부 개구부에 집광부(200)를 삽입한 후에 환형테(310)를 지지통(300)에 볼트체결로 고정하는 형태로 이루어진다.

또한, 방열구조 엘이디모듈(100)의 방열핀(111)들 사이의 공간(113)에는, 실리콘수지 또는 에폭시수지로 성형하여 제1 열전이매체(130)를 조성한다.

그리고, 바람직하게 지지통(300)의 외측면에는 다수의 통공(330)이 조성되어 있어서, 집광부(200) 및 지지통(300)을 방열구조 엘이디모듈(100)에 결합한 후에는, 실리콘수지 또는 에폭시수지를 상기 통공(330)을 통해 주입하여 제2 열전이매체(140)를 조성한다.

상기 도 4와 같이 결합된 방열구조 엘이디모듈(100), 집광부(200) 및 지지통(300)은 도 5에 도시된 바와 같이 엘이디모듈 수용통(400)의 내부에 수용되고, 경통(500)을 상기 엘이디모듈 수용통(400)에 나사결합(420, 520)하여 본 발명의 실시예를 완성할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 집광구조 엘이디 조명장치의 단면도에 있어서, 빛의 경로를 나타내는 도면이다.

상기 도 6에서는, 엘이디(120)의 중심점(즉 가상 점광원 위치), 제1 집광렌즈(210)의 중심점, 및 제2 집광렌즈(510)의 중심점을 잇는 방출 광의 기준선(600)을 중심으로, 상측의 광 경로만을 도시하였음에 유의해야 한다.

상기 도 6을 참조하면, 엘이디(120)의 가상 점광원 위치에서 발생되는 빛은, 제1 집광렌즈(210)의 광각 범위내의 빛과, 제1 집광렌즈(210)의 광각 범위를 벗어나 포물경(220)으로 향하는 빛으로 구분된다.

이때, 제1 집광렌즈(210)의 초점은 엘이디(120)의 가상 점광원 위치에 놓이도록 엘이디(120)와 제1 집광렌즈(210)의 사이의 이격거리가 정해지므로, 제1 집광렌즈(210)의 광각 범위내의 빛은 제1 집광렌즈(210)에 의해 굴절되어 제2 집광렌즈(510) 방향으로 평행광(610)을 형성한다.

또한, 포물경(220)의 곡면은 엘이디(120)의 가상 점광원 위치에서 발광하는 빛이 제2 집광렌즈(510) 방향으로 평행광이 되게 곡면이 형성되므로, 포물경(220)으로 향하는 빛은, 포물경(220)에 반사되어 평행광(620)이 된다.

따라서, 엘이디(120)를 점광원으로 가정하여 설계된 제1 집광렌즈(210) 및 포물경(220)이 상기 기준선(600)을 중심으로 상기 제2 집광렌즈(510)에 투영된 범위인 중앙 렌즈면(511:R1범위의 면)에는, 평행한 빛이 입사되는 것이다.

그리고, 실제의 엘이디(120)는 점광원이 아니고, 더욱이 조명장치를 제작함에 있어서 제1 집광렌즈(210)와 엘이디(120) 사이의 이격거리에 오차가 발생하고, 포물경(220)을 제작함에 있어서 곡면의 곡률반경에 오차가 발생하므로, 상기와 같은 평행광(610, 620)에서 이탈하는 빛(630)이 출사된다. 이때, 평행광(610, 620)에 서 이탈되는 빛(630)은 상기 투형한 중앙 렌즈면(511)을 벗어난 변두리 렌즈면(520)에 도달하게 되며, 이 빛은 제2 집광렌즈(510)에 의해 준-평행광으로 조명장치 외부로 출사된다.

상기 제2 집광렌즈(510)의 초점은 엘이디(120)와 제2 집광렌즈(510) 사이의 이격거리(L)보다는 약간 크게 하는 것이 바람직하다. 즉, 제2 집광렌즈(510)의 변두리 렌즈면(520)에 도달하는 빛은 제1 집광렌즈(210)에 의해 굴절되거나 또는 포물경(220)에 의해 반사되어 오는 빛이기 때문이며, 따라서 상기 제2 집광렌즈(510)의 초점은 엘이디(120), 제1 집광렌즈(210) 및 포물경(220)의 배치에 따라 상기 이격거리(L)를 정하여, 그에 맞는 곡률이 되도록 형성하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 변두리 렌즈면(520)에 의해 집광되는 빛은 광학설계상 평행광에 근접한 준평행광으로 할 수 있으므로, 본 발명의 조명장치에 요구되는 조명거리에 조명거리에 상기 제2 집광렌즈(510)의 초점(즉 렌즈의 곡률)을 결정할 수도 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 집광구조 엘이디 조명장치의 단면도에 있어서, 빛의 경로를 나타내는 도면이다.

상기 도 7에 따른 본 발명에서는, 제2 집광렌즈(510')의 중앙 렌즈면(511)을 평면경 형태로 형성한다.

즉, 상기 중앙 렌즈면(511)으로 입사되는 빛은 엘이디(120)를 점광원으로 가정하여 제1 집광렌즈(210) 및 포물경(220)을 광학설계함에 따라 평행광으로 되므 로, 굴절시키지 아니하고 조명장치의 외부로 출사되게 하는 것이다. 상기 도 6과 같이 중앙 렌즈면(511)을 볼록렌즈면의 형태로 하게 되면 평행광으로 입사되는 빛을 굴절시켜 빛의 지향성이 오히려 낮아지게 되기 때문이다.

그리고, 상기 제2 집광렌즈(510')의 변두리 렌즈면(512)으로 입사되는 빛만을 변두리 렌즈면(512)의 곡률에 따라 굴절시켜 준평행광으로 변환하는 것이다.

따라서, 상기 제2 집광렌즈(510')를 통해 출사되는 빛은 평행광 또는 준평행광으로서 지향성을 갖게 된다.

이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

도 1은 종래기술에 따른 엘이디 조명장치의 단면도(도 1a)와 또다른 종래기술에 따른 엘이디 조명장치의 단면도(도 1b).

도 2는 상기 도 1의 종래기술에 따른 엘이디 조명장치에서 출사되는 빛을 추적한 시뮬레이션 도면.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 집광구조 엘이디 조명장치의 단면도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 집광구조 엘이디 조명장치에 있어서, 집광부(200) 및 지지통(300)이 방열구조 엘이디모듈(100)에 결합되는 형태를 도시한 도면.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 집광구조 엘이디 조명장치의 분해 사시도.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 집광구조 엘이디 조명장치의 단면도에 있어서, 빛의 경로를 나타내는 도면.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 집광구조 엘이디 조명장치의 단면도에 있어서, 빛의 경로를 나타내는 도면.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 방열구조 엘이디모듈 110 : 방열판 111 : 방열핀

120 : 엘이디 130 : 제1 열전이매체 140 : 제2 열전이매체

200 : 집광부 210 : 제1 집광렌즈 220 : 포물경

300 : 지지통 400 : 엘이디모듈 수용통

500 : 경통 510 : 제2 집광렌즈

Claims (3)

1. 삭제
2. 하방으로 돌출된 다수의 방열핀(111)을 구비하는 방열판(110), 상기 방열판(110)의 상부면에 부착되는 기판(121), 및 상기 기판(121)에 실장되는 엘이디(120) 를, 포함하여 구성되는 방열구조 엘이디모듈(100);

   상기 엘이디(120)의 상부에 위치하는 볼록렌즈 형태의 제1 집광렌즈(210)와, 상기 제1 집광렌즈(210)를 둘러싸는 형태로 상기 엘이디(120)의 상부에 배치되어, 상기 제1 집광렌즈(210)의 광각범위를 벗어나는 엘이디(120)의 방출 빛을 상부로 반사시키는 포물경(220), 을 포함하여 구성되는 집광부(200);

   원통형으로 형성되고, 상기 방열구조 엘이디모듈(100)의 방열판(110)에 고정되며, 상부 개구부에 상기 집광부(200)가 지지되게 끼워지는 지지통(300);

   상측이 개구되고 하측이 폐구된 원통형으로 형성되어 내부공간에 상기 방열구조 엘이디모듈(100)을 수용하는 엘이디모듈 수용통(400);

   상기 엘이디모듈 수용통(300)의 상부에 끼움 결합되는 원통형 몸체로 이루어지고, 볼록렌즈 형태의 제2 집광렌즈(510)를 상부측 개구부(511)에 구비하는 경통(500);

   을 포함하여 구성되며,

   상기 다수의 방열핀(111)들 사이의 공간(113)에는, 실리콘 또는 에폭시로 충진된 제1 열전이매체(130)가 조성되고,

   상기 방열판(110)의 상부면과, 상기 포물경(220)의 외측면과, 상기 지지통(300)의 내측면, 으로 에워싸인 공간에는,

   실리콘 또는 에폭시로 충진된 제2 열전이매체(140)가 조성됨을 특징으로 하는 집광구조 엘이디 조명장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 포물경(220)은,

   엘이디(120)의 방출 빛을 반사시켜 상기 제2 집광렌즈(510) 방향으로 평행광을 이루도록 형성되며,

   상기 제2 집광렌즈(510)는,

   방출 광의 기준선(600)을 중심으로 집광부(200)가 투영되는 중앙 렌즈면(511)을 평면경 형태로 형성하는 것임을 특징으로 하는 집광구조 엘이디 조명장치.

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