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KR101053634B1 - 엘이디 조명장치 및 그 제조방법 - Google Patents

엘이디 조명장치 및 그 제조방법 Download PDF

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KR101053634B1
KR101053634B1 KR1020100063728A KR20100063728A KR101053634B1 KR 101053634 B1 KR101053634 B1 KR 101053634B1 KR 1020100063728 A KR1020100063728 A KR 1020100063728A KR 20100063728 A KR20100063728 A KR 20100063728A KR 101053634 B1 KR101053634 B1 KR 101053634B1
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South Korea
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microlens
led lighting
led
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microlenses
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조한규
백동기
문은아
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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 렌즈유닛에 구비되며 다수의 단위 마이크로렌즈를 가지는 마이크로렌즈 어레이를 포함하며 엘로우 링을 방지하기 위하여 상기 단위 마이크로렌즈의 형상은 인접한 마이크로렌즈 사이의 공극을 없앨 수 있는 형상인 것을 특징으로 하는 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.
한편 렌즈유닛의 표면 즉 광출사면에는 다수의 단위 마이크로렌즈의 조합 즉 마이크로렌즈 어레이(MLA : Microlens Array)가 구비되는 것이 일반적이다. 마이크로렌즈 어레이는 원하는 배광형태를 얻는 기능을 하며, 또한 CBCP(Center Beam Candle Power)를 높이는 기능을 한다. 더 나아가 마이크로렌즈 어레이는 렌즈유닛에서 제대로 집광되지 않는 빛을 다시 한 번 집광시켜주는 역할을 한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 마이크로렌즈 어레이의 단위 마이크로렌즈는 통상 반구 형상이며, 이러한 종래의 마이크로렌즈 어레이는 다음과 같은 문제가 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 배광형태가 찌그러지는 현상을 피하기 어렵고, 도 3에 도시한 바와 같이, 출사되는 빛의 일부가 노랗게 보이는 엘로우 링(Yellow Ring : YR)의 발생을 피하기 어렵다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 배광 형태를 향상시킬 수 있는 엘이디 조명장치 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 엘로우 링 현상을 방지할 수 있는 엘이디 조명장치 및 그 제조방법을 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 렌즈유닛에 구비되며, 다수의 단위 마이크로렌즈를 가지는 마이크로렌즈 어레이를 포함하며, 엘로우 링을 방지하기 위하여, 상기 단위 마이크로렌즈의 형상은 인접한 마이크로렌즈 사이의 공극을 없앨 수 있는 형상인 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치를 제공한다.
이를 위하여, 상기 단위 마이크로렌즈들은 서로 선접촉하는 것이 바람직하다. 상기 마이크로렌즈의 형상은 다각형인 것이 바람직하며, 상기 마이크로렌즈는 육각돔 형상인 것이 더욱 바람직하다.
한편, 상기 마이크로렌즈의 크기는 소정 크기 이하인 것이 바람직하다. 상기 마이크로렌즈의 크기는 1.2mm 이하인 것이 바람직하며, 0.7 - 1.2mm 인 것이 더눅 바람직하다.
본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 본 발명은 다수의 마이크로렌즈를 가지는 마이크로렌즈 어레이를 가지는 렌즈유닛을 포함하는 엘이디 조명장치에 있어서, 엘로우 링을 방지하기 위하여, 상기 마이크로렌즈와 인접한 마이크로렌즈 사이의 공극을 없앨 수 있도록 상기 마이크로렌즈의 형상을 결정하는 단계를 포함하는 엘이디 조명장치의 제조방법을 제공한다. 또한, 빛을 광 경로차를 없애도록, 상기 마이크로렌즈의 크기를 결정하는 단계를 더욱 포함하는 것이 바람직하다.
상술한 본 발명에 따른 엘이디 조명장치 및 그 제조방법의 효과는 다음과 같다.
본 발명에 따른 엘이디 조명장치 및 그 제조방법에 의하면, 집광 효과를 높여 배광 형태를 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 엘이디 조명장치 및 그 제조방법에 의하면, 엘로우 링 현상을 방지할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 종래의 엘이디 조명장치의 마이크로렌즈 어레이를 확대한 사진
도 2는 도 1의 엘이디 조명장치에서 나타나는 배광 형태를 도시한 사진
도 3은 도 1의 엘이디 조명장치에서 나타나는 엘로우 링 현상을 도시한 사진
도 4는 본 발명에 따른 엘이디 조명장치의 바람직한 실시예를 도시한 사시도
도 5는 도 4의 분해 사시도
도 6a 내지 도 6c는 도 4의 렌즈유닛을 도시한 배면 사시도, 정면 사시도 및 단면도
도 7은 도 6의 마이크로렌즈 어레이를 확대한 사진
도 8은 도 6의 단위 마이크로렌즈의 형상의 일예를 도시한 도면
도 9는 본 발명에 따른 엘이디 조명장치에서 나타나는 배광 형태를 도시한 사진
도 10는 본 발명에 따른 엘이디 조명장치에서 엘로우 링 현상이 나타나지 않은 것을 나타내는 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 4를 참조하여, 본 발명에 따른 엘이디 조명장치의 전체적인 구성을 설명한다.
엘이디 조명장치(1000)는 엘이디 모듈(미도시, 도 5 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 5를 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 6를 참조하여, 렌즈유닛(200)을 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 6(a)는 렌즈유닛(200)을 배면에서 바라본 사시도이며, 도 6(b)는 렌즈유닛(200)을 전면에서 바라본 사시도이며, 도 6(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.
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 5 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.
한편 마이크로렌즈 어레이(210a)는 원하는 배광 형태를 얻는 기능을 한다. 그런데 마이크로렌즈의 크기가 크면 배광 형태가 찌그러지는 현상 및 엘로우 링 현상을 피하기 어렵다. 따라서 단위 마이크로렌즈의 크기를 줄여 즉 밀도를 높이는 것이 바람직하다. 그런데 종래의 반구 형태의 마이크로렌즈는 크기를 줄이면 마이크로렌즈와 인접한 마이크로렌즈 사이의 공극(갭)이 커져 이로 인한 빛의 손실이 발생한다. 왜냐하면, 반구 형태의 마이크로렌즈에서는, 마이크로렌즈와 인접한 마이크로렌즈는 원형과 원형이 접하므로 점접촉을 하게 되고, 따라 마이크로렌즈의 사이에 필연적으로 공극이 발생하고, 이러한 공극은 마이크로렌즈의 크기(즉 구의 직경)이 작을수록 많아지기 때문이다.
따라서 본 발명에서는 마이크로렌즈와 인접한 마이크로렌즈 사이의 공극을 줄이거나 없앨 수 있는 형태의 마이크로렌즈를 사용한다. 즉 도 7에 도시한 바와 같이, 육각 돔 형태를 사용하면 마이크로렌즈와 인접한 마이크로렌즈를 서로 접하게 특히 선접촉시킬 수 있으므로 공극이 발생하지 않는다. 따라서 육각돔 형태의 마이크로렌즈는 크기를 줄이더라도 공극 면적 증가로 인한 빛의 손실이 발생하지 않고 엘로우 링의 현상의 발생을 줄일 수 있다.
한편 단위 마이크로렌즈의 크기는 엘로우 링의 현상을 방지하면서도 마이크로렌즈 어레이의 본래의 기능을 해치지 않는 범위에서 적절하게 실험 또는 시뮬레이션에 의하여 결정할 수 있다. 연구 결과, 단위 마이크로렌즈의 크기(W, 도 8 참조)는 1.2mm 이하가 바람직하였으며, 0.7mm - 1.2mm가 더욱 바람직하였다. 엘로우 링 현상이 심할수록 단위 마이크로렌즈의 크기를 작게 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 웜 화이트 램프(Warm White Lamp)용 렌즈의 경우는 1.2mm가 바람직하였다. 그런데 콜드 화이트 램프(Cold White Lamp)용 렌즈의 경우는 엘로우 링 현상이 더욱 심하게 나타나서 빛의 광 경로차를 없애기 위하여 마이크로렌즈의 크기를 더욱 작게 예를 들어 0.7mm로 하는 것이 바람직하였다.
한편 상술한 실시예에서는 육각 돔 형상의 마이크로렌즈를 도시 및 설명하였지만 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉 단위 마이크로렌즈와 인접한 마이크로렌즈를 점접촉시키지 않고 예를 들어 선접촉시켜 마이크로렌즈 사이의 공극을 줄일 수 있는 형상이면 사용 가능하다.
도 9 및 도 10을 참조하여, 상술한 본 발명에 따른 엘이디 조명장치의 실시예의 작용을 설명하면 다음과 같다. 도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따르면 배광 형태가 찌그러지는 것을 방지할 수 있다. 또한 도 10에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따르면, 엘로우 링 현상을 방지할 수 있었다.
200 : 렌즈유닛 220 : 집광렌즈
300 : 반사부재 400 : 엘이디 모듈
600 : 히트싱크 700 : 베이스
210a : 마이크로렌즈

Claims (9)

  1. 엘이디 소자를 가지는 엘이디 모듈;
    상기 엘이디 모듈이 구비되는 히트싱크;
    상기 엘이디 모듈에서 조사되는 빛을 정의된 조사영역으로 유도하기 위한 집광렌즈와, 상기 집광렌즈의 둘레에 구비되는 윈도우를 가지는 렌즈유닛과;
    상기 렌즈유닛에 구비되며, 다수의 단위 마이크로렌즈를 가지는 마이크로렌즈 어레이를 포함하며,
    엘로우 링을 방지하기 위하여, 상기 단위 마이크로렌즈의 형상은 인접한 마이크로렌즈 사이의 공극을 없앨 수 있는 형상인 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단위 마이크로렌즈들은 서로 선접촉하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 마이크로렌즈의 형상은 다각형인 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 마이크로렌즈는 육각돔 형상인 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로렌즈의 크기는 소정 크기 이하인 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 마이크로렌즈의 크기는 1.2mm 이하인 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  7. 제6항에 있어서, 마이크로렌즈의 크기는 0.7 - 1.2mm 인 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  8. 엘이디 모듈에서 조사되는 빛을 정의된 조사영역으로 유도하기 위한 집광렌즈와 상기 집광렌즈의 둘레에 구비되는 윈도우를 가지는 렌즈유닛과, 상기 렌즈유닛에 구비되며 다수의 마이크로렌즈를 가지는 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 엘이디 조명장치에 있어서,
    엘로우 링을 방지하기 위하여, 상기 마이크로렌즈와 인접한 마이크로렌즈 사이의 공극을 없앨 수 있도록 상기 마이크로렌즈의 형상을 결정하는 단계를 포함하는 엘이디 조명장치의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 빛을 광 경로차를 없애도록, 상기 마이크로렌즈의 크기를 결정하는 단계를 더욱 포함하는 엘이디 조명장치의 제조방법.
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