KR101437881B1

KR101437881B1 - 발광다이오드 조명용 렌즈

Info

Publication number: KR101437881B1
Application number: KR1020140032146A
Authority: KR
Inventors: 이슬기
Original assignee: (주)썬래이; 이슬기
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2014-09-04

Abstract

본 발명은 발광다이오드 조명용 렌즈에 관한 것으로 특히, 원통 형상의 집광 홈 천정면에 호형의 굴절 렌즈가 형성된 형태를 갖고 기판에 납땜 고정된 LED에서 발생되는 빛을 원하는 조사각도 범위 내로 조사시켜 주는 발광다이오드 조명용 렌즈에 있어서, 상기 렌즈의 집광 홈 내면에 원통형으로 성형한 고광택 부싱을 일체로 설치하여 LED에서 조사되는 빛이 집광 홈 내면에서 1차 굴절되지 않고 고광택 부싱의 내면에서 굴절 렌즈 측으로 직접 반사되도록 한 것을 특징으로 한다.
따라서, 발광다이오드에서 토출되는 빛이 하측 면으로 누출되는 것을 최소화하고, 렌즈 내부에서 2차 굴절 지점에서의 광 손실을 줄일 수 있으며, 2차 굴절 후 렌즈로부터 방사되는 광 줄기를 1차만 굴절한 후 빛이 렌즈로부터 방사되도록 하여 집광 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

발광다이오드 조명용 렌즈{The lens for a light emitting diode}

본 발명은 집광율(集光率)과 광 효율이 향상된 발광다이오드 조명용 렌즈에 관한 것으로 보다 구체적으로는 하나 이상의 발광다이오드를 이용하여 소정의 배광 특성과 조도를 갖는 각종 스포츠 시설용 투광등 또는 가로등이나 보안등 및 경관 조명등을 구성함에 있어서, 그 조명들은 사용 환경 및 조명 설치 목적에 따라 소정의 배광 특성이 제공되게 하기 위해, 발광다이오드에서 토출되는 빛을 집광 또는 확광을 목적으로 렌즈 및 반사판 등을 이용한 발광다이오드 조명용 렌즈에 관한 것이다.

다시 말해서 본 발명은 골프장이나 스포츠 경기장 등에서 원거리의 공간 및 바닥면에 빛을 조사하는 조명으로 널리 사용되고 있는 발광다이오드를 사용한 투광등을 구성함에 있어서, 빛을 멀리(예로 수십 내지 수백 미터의 원거리) 조사하기 위해 사용되는 중각 및 협각도(예를 들어 8～65°)로 빛을 방사시키는 용도로 구비되는 렌즈를 구성할 때, 발광다이오드와 근접되는 렌즈의 집광 홈의 위치에 고광택 부싱(Bushing; 실시 일례로, 알루미늄 또는 스테인레스 등의 고광택 금속재를 가공하여 제공되거나, 사출 수지 재 내지는 유리 및 세라믹 재의 가열 성형을 한 후 빛 반사면에 니켈, 크롬, 은분 등의 고광택 재를 코팅 내지는 증착 가공 공정을 더하여, 고광택 반사막을 형성시키는 것으로 제공되는 원통 및 원통 유사 형상의 구조 물)을 설치하여 발광다이오드의 광 토출 면의 측면 플렌지부에 가깝게 안착시켜 구성함으로서, 발광다이오드에서 토출되는 빛이 하측 면으로 누출되는 것을 최소화하고, 렌즈 내부에서 2차 굴절 지점에서의 광 손실을 줄일 수 있으며, 2차 굴절 후 렌즈로부터 방사되는 광 줄기를 1차만 굴절한 후 빛이 렌즈로부터 방사되도록 하여 집광 효율을 향상시키고, 빛의 분산에 따른 목표 지점에서의 균제도가 낮아지는 문제점이 개선되게 하며, 조명의 사용 환경과 사용 목적에 따른 소정의 배광 특성을 최대한 만족시킬 수 있도록 제공됨은 물론, 특히 원거리 조명용 투광등에서 지정된 각도 범위 바깥으로 산란 되어버리는 빛을 감소시켜, 3차 렌즈를 추가로 사용하지 않고도 원거리에 보낼 수 있는 협각(15~20°이하)의 배광 특성을 용이하게 목적 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 실광효율(實光效率) 및 균제도를 향상시킬 수 있고, 광 효율 상승에 따른 조명의 소비 전력 절감을 도모할 수 있도록 한 발명한 발광다이오드 조명용 렌즈에 관한 것이다.

일반적으로 종래의 투광등이나 가로등 또는 보안등 등은 주로 수은, 나트륨, 메탈 할리이드 등의 방전관 램프를 광원으로 사용하여 조명하는 것으로서, 실제 방출되는 광량에 비하여 반사 갓에 의한 광 손실이 커서 빛의 조사 공간 및 조사면의 밝기가 떨어져 실광효율이 낮아진다.

또한 발광다이오드 조명에 비하여 에너지 소비가 크다는 문제점과 수명이 짧다는 단점과 시간경과에 따라 광량이 급격하게 저하되어 주기적인 관리가 필요하다는 단점이 있다.

뿐만 아니라, 목적하는 조명의 배광 특성을 만족시키기 위하여 소정의 형상으로 특수 설계되어진 고광택 반사 갓이 사용되어짐으로써 다소나마 배광 특성에는 만족하지만, 균제도가 결코 좋지 않으며, 특히 10~15°이하의 협각 앵글을 갖는 배광 특성을 갖도록 하는 것의 실현이 반사 갓만으로 구현하기가 어려워 유리나 특수 수지재로 볼록 렌즈를 만들어 그 반사판 입구에 별도로 추가 설치하여 해소하고 있으나, 광 효율이 저하되는 단점이 나타나는 문제점이 있었다.

뿐만 아니라, 위에 열거한 등은 수은가스를 이용하고 있으므로 폐기시 환경오염의 원인으로 작용하는 문제점을 갖고 있었다.

따라서, 최근에는 전력소모가 적고 수명이 긴 발광다이오드(LED)를 광원으로 사용하는 조명등이 개발 출시되고 있다.

여기서 균제도(uniformity ratio of illumination, uniformity factor, 均齊度)라 함은 가로등이나 보안등 투광등 등을 이용하여 일정 공간에서 빛의 균일한 분포 정도를 말하며, 조도균 제도와 휘도 균제도가 있다. 일반적으로 균제도란 주로 조도 균제도를 말하는데 어떤 면의 조도 값 중 한정된 범위에 있어서의 평균 조도 값에 대한 최소 조도 값의 비로 나타낸다.

또한, 공간 균제도는 해당 스포츠 경기에서 사용되는 물품(예를 들어 축구공, 골프공, 테니스공 등)이 이동하는 모든 공간을 포함하여 투광등을 이용하여 주변 공간까지 비치는 빛의 균일한 분포 정도를 말하는 것으로, 어떤 공간의 조도 값 중 한정된 공간범위에 있어서의 평균 조도 값에 대한 최소 조도 값의 비로 나타낸다.

한편, 상기 발광다이오드(LED : Light Emitting Diode)는 빠른 응답속도, 저 전력 소모, 긴 수명 등의 장점을 가진 반도체의 P-N 접합 구조를 이용하여 주입된 소수캐리어(전자 또는 양공)를 만들어내고 이들의 재결합에 의해 발광시키는 것을 이용한 것으로, 종래의 조명용 백열전구 및 할로겐 전구보다 소비전력이 1/10 정도 소요되어 전기에너지를 크게 절감할 수 있는 장점을 가지고 있다.

특히, 교통신호등이나 투광등, 가로등 또는 보안등, 경관조명등 및 하우스나 축사용 조명등 등과 같이 전력이 많이 소요되는 부분에 있어서는, 이들 조명 등기구에 많이 사용되는 고압 수은 내지는 나트륨 방전등을 발광다이오드로 교체하게 되면 소비전력 절감효과는 매우 크다.

이와 같이 발광다이오드를 이용한 조명등기구 중 예를 들어 발광다이오드형 투광등이나 가로등 또는 보안등기구는 일반 형광등의 투광등이나 가로등 또는 보안등과는 달리 점등회로가 단순하고, 인버터 회로와 철심형 안정기가 불필요하며, 전력 소모가 적고 수명이 길기 때문에 유지나 보수비용이 적은 장점이 있다.

그런데, 종래 대부분의 발광다이오드형 조명등 또는 조명모듈에 있어서 광원인 발광다이오드 전면에 설치되는 단독 또는 통합 렌즈(일명 2차 렌즈)를 사용하여 소정의 배광 특성 및 광 조사 각도 특성을 만족하도록 하는 형태의 조명으로서 제공되고 있으나, 그 2차 렌즈의 채용에 따른 광 손실로 인한 광 효율 감소 및 균제도 저하의 문제점이 있는 것이 사실이다.

상기에서 언급된 배광곡선(또는 배광 특성) 중 배광(light distribution, 配光)이라 함은 광원의 광도에 대한 공간분포를 말하는 것으로, 이와 같은 배광에는 두 종류가 있는데, 그 하나는 광원의 중심을 지나는 평면상의 배광인 수평면 배광이고, 다른 하나는 광원의 연직 축을 지나는 연직면 상의 배광인 연직면 배광이라 한다.

또, 상기에서 광원의 중심을 지나는 평면상의 배광을 수평면 배광, 광원의 연직 축을 지나는 연직면 상의 배광을 연직면 배광이라 하며, 광원의 연직 축에 대해 대칭인 것(내부에 백열전구를 넣은 구형의 기구 같은 것)의 배광은 한 연직면 배광으로 나타낼 수 있으나, 대칭이 아닌 것(반사기나 루버를 단 형광등 기구 등)의 배광은 그 기구의 축을 지나는 한 연직면 상의 배광과, 그것에 수직인 평면상의 배광 및 그 각각의 면과 45°의 각을 이루는 평면상의 배광으로 나타내는 때가 많다.

또한, 상기 배광곡선(luminous intensity distribution curve, 配光曲線)이라 함은 광원 또는 조명기구의 중심을 포함하는 어느 면 내의 광도를 방향의 함수로서 나타낸 곡선을 말하는 것으로, 이와 같은 배광곡선은 곡선. 보통, 광원 등의 중심을 원점으로 하는 극좌표로 나타낸다.

한편, 상기한 각종 조명기구 중 건물의 외벽 면이나 기념비, 조각상, 경기장 등과 같은 스포츠 시설에 많이 사용되고 있는 투광등은 가로등이나 보안등 등과 같이 면 조명이 아닌 해당 스포츠 경기에서 사용되는 각종 물품이 이동하는 모든 공간을 포함하여 주변 공간까지 빛이 균일하게 분포되는 배광곡선을 필요로 하게 되므로 공간 균제도가 매우 높아야만 된다.

이와 같이 스포츠 시설 등에서 널리 사용되고 있는 투광등을 발광다이오드를 이용한 조명모듈을 이용하여 제작하기 위해서는 각각의 발광다이오드 조명모듈에서 사용되는 렌즈가 다양한 각도를 가져야만 된다.

또한, 발광다이오드를 이용한 조명모듈에서 사용되는 렌즈는 통상 협각이라 불리는 15° 이하, 중각이라 불리는 15 내지 35°, 광각(와이드 각)이라 불리는 35~90°의 렌즈를 많이 사용하고 있는데, 예를 들어 협각인 15~20°이하 렌즈의 경우는 빛의 확산 폭은 매우 좁고 조사 길이는 길어 수직 배광곡선이 도 1의 (a)와 같이 폭은 매우 좁고 거리는 많이 나가는 대략 긴 타원형의 형태로 성형되고, 15 내지 35°의 중각 렌즈 경우는 상기 협각 렌즈에 비해 상대적으로 빛의 확산 폭은 점차 넓어지고 조사 길이는 점차 짧아지어 수직 배광곡선이 도 1의 (b) 내지 도 1의 (d)와 같이 타원이 차츰 원형 측으로 변화되는 형태로 성형되며, 60~90°광각 렌즈의 경우는 도 1의 (e)와 같이 상기한 렌즈들에 비해 좀 더 원형에 가까운 형태의 수직 배광곡선이 형성된다.

그런데, 종래 대부분의 발광다이오드형 가로등 또는 보안등 또는 투광등의 경우 소정 면적을 갖는 투광판의 외면 중 각각의 발광다이오드가 설치된 위치에 대응하는 위치에 일정한 조사 각도를 갖는 광각 조절형 렌즈를 일체로 성형하거나, 또는 발광다이오드 별로 소정의 조사 각도를 갖는 광각 조절형 렌즈들을 조합 설치하여 원하는 배광곡선을 얻으려 하고 있다.

즉, 광원으로 발광다이오드를 사용하는 가로등이나 보안등 및 투광등은 발광다이오드에서 빛을 발광함에 있어서 직진성을 갖기 때문에 각각의 가로등 또는 보안등 또는 투광등용 발광다이오드 조명모듈을 제작하고 다양한 각도로 틸팅하여 광역 배광을 얻는데, 이때 렌즈를 사용하여 보다 먼 곳으로 빛을 발산하지만 각각의 렌즈에서 발광다이오드의 빛을 모두 정해진 각도 범위 내로 포집하여 조사시키지 못하며, 도 2와 같이 광 흡수구 부분의 산란이나 렌즈 내에서의 2차 굴절로 인한 손실 등으로 광 효율이 낮아지게 된다.

도 3은 집광 홈(41)의 천정면에 호형의 굴절 렌즈(42)가 형성된 형태를 갖고 발광다이오드 조명용으로 널리 사용되고 있는 종래 반구형 렌즈(4)의 단면도를 도시한 것으로, 렌즈의 부분 각도가 집광 각을 결정하게 되는데, 협각일수록 그 각이 좁아지면서 LED(2) 표면과, 집광 홈(41)의 내측면인 1차 굴절면(43) 및 내부 전반사 면인 바깥 측 2차 굴절면(44)의 광선이 증가하므로 손실이 더욱 커지며, 이를 줄이기 위해 "Reflective Wall(TIR) 부분을 코팅하거나 또는 별도의 홀더를 사용하는 등의 조치를 취하여 개선하기도 하지만, 그 또한 렌즈의 상면인 광 출구면(45)의 직경이 커질 수밖에 없는 것을 선행 전제 조건으로 하기에, 이는 결국 조명 제품의 소형화를 가로 막는 문제점으로 고스란히 남게 된다.

또한 발광다이오드 조명은 발광다이오드의 발열 때문에 LED 패키지 접촉면과 일정 간격을 띄워야 하는데 이는 렌즈의 원료인 수지재가 황변 및 열화 및 실 금(크랙) 발생 등을 위해서이지만, 결국 이 부분으로 공간이 발생되므로 렌즈의 집광 홈 하부와 발광다이오드 사이에서 형성된 공간을 통해 도 2와 같이 산란 빛의 누출은 많아지게 된다.

한편, 도 4는 집광 홈(41)의 천정면에 호형의 굴절 렌즈(42)가 형성된 형태를 갖고 종래 발광다이오드 조명용 렌즈(4)의 외측에 합성수지 등으로 성형한 반사용 커버(5)를 설치하거나, 또는 상면 중앙에 광 토출 굴절을 위한 볼록부(46)를 일체로 성형한 예를 도시한 것으로, 반사용 커버(5)를 설치한 경우는 제품을 소형화하기 힘들 뿐만 아니라 빛 누설을 100% 차단하기 어렵고, 볼록부(46)를 성형한 경우는 렌즈 상면의 광 출구면(45)과 볼록부(46) 사이에 형성된 홈에 오염물질이 끼어 광 투과효율이 저하됨은 물론 틈새에 끼인 오염물질을 청소하는데도 많은 어려움이 있다.

또, 도 5의 (a)는 렌즈(4)의 2차 굴절면(44)에 백색 반사판(61)을 일체로 더 설치한 예를 도시한 것이고, 도 5의 (b)는 리켈 등과 같은 반사재(62)를 도금 또는 증착을 통해 일체로 설치한 예를 도시한 것이다.

이 경우 빛에 대한 누설 차단은 효과적으로 이루어지나, 2차 굴절면(44)에 백색 반사판(61)을 일체로 더 설치하거나, 리켈 등과 같은 반사재(62)를 도금 또는 증착하는 방법이 매우 어려워 제품의 생산성이 매우 나쁘고, 후 가공비가 많이 들게 되는 등의 문제점이 있다.

특히 15~20°이하의 협각 렌즈의 경우 빛 전체가 정해진 각도 범위 내로 반사되지 않아 균제도가 떨어져 광 효율이 수 내지 수십% 낮아짐으로써, 정해진 거리에서의 실 광효율이 매우 떨어지는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 10-1095868호(2011년 12월 13일) 대한민국 공개실용신안공보 20-2009-0008810호(2009년 09월 01일) 대한민국 공개특허공보 10-2011-0128434호(2011년 11월 30일) 대한민국 등록특허공보 10-1195169호(2012년 10월 22일)

본 발명은 이와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 골프장이나 스포츠 경기장 등에서 원거리의 공간 및 바닥면에 빛을 조사하는 조명으로 널리 사용되고 있는 발광다이오드를 사용한 투광등을 구성함에 있어서, 빛을 멀리(예로 수십 내지 수백 미터의 원거리) 조사하기 위해 사용되는 중각 및 협각도(예를 들어 8～65°)로 빛을 방사시키는 용도로 구비되는 렌즈를 구성할 때, 발광다이오드와 근접되는 렌즈의 집광 홈의 위치에 고광택 부싱(Bushing; 실시 일례로, 알루미늄 또는 스테인레스 등의 고광택 금속재를 가공하여 제공되거나, 사출 수지 재 내지는 유리 및 세라믹 재의 가열 성형을 한 후 빛 반사면에 니켈, 크롬, 은분 등의 고광택 재를 코팅 내지는 증착 가공 공정을 더하여, 고광택 반사막을 형성시키는 것으로 제공되는 원통 및 원통 유사 형상의 구조 물)을 설치하여 발광다이오드의 광 토출 면의 측면 플렌지부에 가깝게 안착시켜 주어 발광다이오드에서 토출되는 빛이 하측 면으로 누출되는 것을 최소화하고, 렌즈 내부에서 2차 굴절 지점에서의 광 손실을 줄일 수 있으며, 2차 굴절 후 렌즈로부터 방사되는 광 줄기를 1차만 굴절한 후 빛이 렌즈로부터 방사되도록 하여 집광 효율을 향상시키고, 빛의 분산에 따른 목표 지점에서의 균제도가 낮아지는 문제점이 개선되게 하며, 조명의 사용 환경과 사용 목적에 따른 소정의 배광 특성을 최대한 만족시킬 수 있고, 특히 원거리 조명용 투광등에서 지정된 각도 범위 바깥으로 산란 되어버리는 빛을 감소시켜, 3차 렌즈를 추가로 사용하지 않고도 원거리에 보낼 수 있는 협각(15~20°이하)의 배광 특성을 용이하게 목적 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 실광효율(實光效率) 및 균제도를 향상시킬 수 있고, 광 효율 상승에 따른 조명의 소비 전력 절감을 도모할 수 있는 발광다이오드 조명용 렌즈를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 원통 형상의 집광 홈 천정면에 호형의 굴절 렌즈가 형성된 형태를 갖고 기판에 납땜 고정된 LED에서 발생되는 빛을 원하는 조사각도 범위 내로 조사시켜 주는 발광다이오드 조명용 렌즈에 있어서, 상기 렌즈의 집광 홈 내면에 원통형으로 성형한 고광택 부싱을 일체로 설치하여 LED에서 조사되는 빛이 집광 홈 내면에서 1차 굴절되지 않고 고광택 부싱의 내면에서 굴절 렌즈 측으로 직접 반사되도록 한 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 고광택 부싱의 높이는 상기 렌즈의 집광 홈의 깊이를 1로 가정할 때, 1/3 ~ 1 사이 중 어느 한 높이를 갖도록 하되, 상기 고광택 부싱의 높이가 상기 렌즈의 집광 홈의 깊이인 1보다 작을 경우 상단부가 집광 홈 천정면에 형성된 호형의 굴절 렌즈에 근접되게 설치한 것을 특징으로 한다.

또, 상기 고광택 부싱은 알루미늄 또는 스테인레스와 같은 고광택 금속재로 성형한 것을 포함함을 특징으로 한다.

또한, 상기 고광택 부싱은 합성수지 또는 유리 또는 세라믹을 이용하여 가열 성형한 후 빛이 반사되는 내면에 니켈이나, 크롬 또는 은분과 같은 고광택 재를 코팅 내지는 증착 가공하는 공정을 통해 고광택 반사막을 형성한 것을 포함함을 특징으로 한다.

또, 상기 고광택 부싱은 상단부에서 하단부로 갈수록 부싱의 두께가 두꺼워지도록 성형하여 내면이 상광하협의 형태를 갖도록 성형한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고광택 부싱의 저단부에서 내측을 향해서는 상기 LED의 측면부를 통해 방출되거나, 또는 고광택 부싱의 내면을 통해 하방부로 반사되어 LED 측으로 산란되는 빛을 다시 굴절 렌즈 측으로 반사시켜 주기 위한 2차 반사판을 와셔 형태로 일체로 더 절곡 성형한 것을 특징으로 한다.

또, 상기 고광택 부싱의 저단부에서 외측을 향해서는 렌즈의 2차 굴절면 외측에 밀착 고정되어 2차 굴절면을 통한 빛의 산란방지를 포함하여 LED에서 발생되어 LED 패키지 접촉면을 통해 렌즈로 전달되는 열을 방열하는 방열겸 산란 방지판을 일체로 더 절곡 성형한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기판에 설치되는 LED를 포함하여 상기 렌즈는 다 수개가 일체로 설치 및 성형된 것을 포함하되, 상기 렌즈는 소정두께를 갖는 광 출구판 저면에 정해진 간격 또는 각도를 두고 일체로 돌출 성형한 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 발광다이오드 조명용 렌즈에 의하면, 골프장이나 스포츠 경기장 등에서 원거리의 공간 및 바닥면에 빛을 조사하는 조명으로 널리 사용되고 있는 발광다이오드를 사용한 투광등을 구성함에 있어서, 빛을 멀리(예로 수십 내지 수백 미터의 원거리) 조사하기 위해 사용되는 중각 및 협각도(예를 들어 8～65°)로 빛을 방사시키는 용도로 구비되는 렌즈를 구성할 때, 발광다이오드와 근접되는 렌즈의 집광 홈의 위치에 고광택 부싱(Bushing; 실시 일례로, 알루미늄 또는 스테인레스 등의 고광택 금속재를 가공하여 제공되거나, 사출 수지 재 내지는 유리 및 세라믹 재의 가열 성형을 한 후 빛 반사면에 니켈, 크롬, 은분 등의 고광택 재를 코팅 내지는 증착 가공 공정을 더하여, 고광택 반사막을 형성시키는 것으로 제공되는 원통 및 원통 유사 형상의 구조 물)을 설치하여 발광다이오드의 광 토출 면의 측면 플렌지부에 가깝게 안착시켜 주어 발광다이오드에서 토출되는 빛이 하측 면으로 누출되는 것을 최소화하고, 렌즈 내부에서 2차 굴절 지점에서의 광 손실을 줄일 수 있으며, 2차 굴절 후 렌즈로부터 방사되는 광 줄기를 1차만 굴절한 후 빛이 렌즈로부터 방사되도록 하여 집광 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 빛의 분산에 따른 목표 지점에서의 균제도가 낮아지는 문제점이 개선되게 하며, 조명의 사용 환경과 사용 목적에 따른 소정의 배광 특성을 최대한 만족시킬 수 있고, 특히 원거리 조명용 투광등에서 지정된 각도 범위 바깥으로 산란 되어버리는 빛을 감소시켜, 3차 렌즈를 추가로 사용하지 않고도 원거리에 보낼 수 있는 협각(15~20°이하)의 배광 특성을 용이하게 목적 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 실광효율(實光效率) 및 균제도를 향상시킬 수 있고, 광 효율 상승에 따른 조명의 소비 전력 절감을 도모할 수 있는 등 매우 유용한 발명인 것이다.

도 1의 (a)-(e)는 일반적으로 널리 사용되고 있는 8∼10°와 20°, 40°, 53.5° 및 60°렌즈를 발광다이오드 조명모듈에 설치하였을 때 각각 나타나는 배광곡선도.
도 2는 종래 렌즈에서 발광다이오드의 빛을 집광시킬 때 광 흡수구 부분의 산란을 포함하여 렌즈 내에서의 2차 굴절로 인한 손실이 일어나는 형태를 촬영한 사진.
도 3은 종래 발광다이오드 조명용으로 널리 사용되고 있는 반구형 렌즈의 단면도.
도 4는 종래 발광다이오드 조명용 렌즈 중 외측에 반사용 커버가 설치되거나 또는 상면 중앙에 볼록부가 일체로 성형된 렌즈의 단면도.
도 5의 (a)(b)는 종래 또 다른 발광다이오드 조명용 렌즈들의 결합상태 종단면도.
도 6은 본 발명의 일 실시 예가 적용된 발광다이오드 조명용 렌즈의 분해 사시도.
도 7의 (a)(b)는 본 발명의 일 실시 예인 고광택 부싱의 높이를 서로 다르게 형성하여 집광 홈 내에 설치한 상태를 보인 발광다이오드 조명용 렌즈의 결합상태 종단면도.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예가 적용된 발광다이오드 조명용 렌즈의 결합상태 종단면도.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예가 적용된 발광다이오드 조명용 렌즈의 결합상태 종단면도.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시 예가 적용된 발광다이오드 조명용 렌즈의 결합상태 종단면도.
도 11은 본 발명의 일 실시 예인 고광택 부싱의 높이를 서로 다르게 형성하여 집광 홈 내에 설치할 경우 외측으로 산란되는 광선을 반사 및 굴절시킬 수 있는 상태로 설명하기 위한 광선 굴절 상태도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예가 적용된 발광다이오드 조명용 렌즈의 분해 사시도를 나타낸 것이고, 도 7의 (a)(b)는 본 발명의 일 실시 예인 고광택 부싱의 높이를 서로 다르게 형성하여 집광 홈 내에 설치한 상태를 보인 발광다이오드 조명용 렌즈의 결합상태 종단면도를 나타낸 것이다.

또한, 도 8은 본 발명의 다른 실시 예가 적용된 발광다이오드 조명용 렌즈의 결합상태 종단면도를 나타낸 것이고, 도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예가 적용된 발광다이오드 조명용 렌즈의 결합상태 종단면도를 나타낸 것이다.

또, 도 10은 본 발명의 또 다른 실시 예가 적용된 발광다이오드 조명용 렌즈의 결합상태 종단면도를 나타낸 것이고, 도 11은 본 발명의 일 실시 예인 고광택 부싱의 높이를 서로 다르게 형성하여 집광 홈 내에 설치할 경우 외측으로 산란되는 광선을 반사 및 굴절시킬 수 있는 상태로 설명하기 위한 광선 굴절 상태도를 나타낸 것이다.

이에 따르면 본 발명은,

원통 형상의 집광 홈(41) 천정면에 호형의 굴절 렌즈(42)가 하방부를 향해 돌출 형성된 형태를 갖고 기판(1)에 납땜 고정된 LED(2)에서 발생되는 빛을 원하는 조사각도 범위 내로 조사시켜 주는 발광다이오드 조명용 렌즈(4)에 있어서,

상기 렌즈(4)의 집광 홈(41) 내면에 원통형으로 성형한 고광택 부싱(7)을 일체로 설치하여 LED(2)에서 조사되는 빛이 집광 홈(41) 내면에서 1차 굴절되지 않고 고광택 부싱(7)의 내면에서 굴절 렌즈(42) 측으로 직접 반사되도록 한 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 고광택 부싱(7)의 높이(h)는 상기 렌즈(4)의 집광 홈(41)의 깊이(ℓ)를 1로 가정할 때, 1/3 ~ 1 사이 중 어느 한 높이를 갖도록 하되, 상기 고광택 부싱(7)의 높이(h)가 상기 렌즈(4)의 집광 홈(41)의 깊이(ℓ)인 1보다 작을 경우 상단부가 집광 홈(42) 천정면에 형성된 호형의 굴절 렌즈(42)에 근접되게 설치한 것을 특징으로 한다.

또, 상기 고광택 부싱(7)은 알루미늄 또는 스테인레스와 같은 고광택 금속재로 성형한 것을 포함함을 특징으로 한다.

또한, 상기 고광택 부싱(7)은 합성수지 또는 유리 또는 세라믹을 이용하여 가열 성형한 후 빛이 반사되는 내면에 니켈이나, 크롬 또는 은분과 같은 고광택 재를 코팅 내지는 증착 가공하는 공정을 통해 고광택 반사막(71)을 형성한 것을 포함함을 특징으로 한다.

또, 상기 고광택 부싱(7)의 내면은 상단부에서 하단부로 갈수록 부싱의 두께가 두꺼워지도록 성형하여 내면이 상광하협의 형태를 갖도록 성형한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고광택 부싱(7)의 저단부에서 내측을 향해서는 상기 LED(2)의 측면부를 통해 방출되거나, 또는 고광택 부싱(7)의 내면을 통해 하방부로 반사되어 LED(2) 측으로 산란되는 빛을 다시 굴절 렌즈(42) 측으로 반사시켜 주기 위한 2차 반사판(72)을 와셔 형태로 일체로 더 절곡 성형한 것을 특징으로 한다.

또, 상기 고광택 부싱(7)의 저단부에서 외측을 향해서는 렌즈(4)의 2차 굴절면(44) 외측에 밀착 고정되어 2차 굴절면(44)을 통한 빛의 산란방지를 포함하여 LED(2)에서 발생되어 LED 패키지 접촉면을 통해 렌즈(4)로 전달되는 열을 방열하는 방열겸 산란 방지판(73)을 일체로 더 절곡 성형한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기판(1)에 설치되는 LED(2)를 포함하여 상기 렌즈(4)는 다 수개가 일체로 설치 및 성형된 것을 포함하되, 상기 렌즈(4)는 소정두께를 갖는 광 출구판(3) 저면에 정해진 간격 또는 각도를 두고 일체로 돌출 성형한 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 발광다이오드 조명용 렌즈에 대한 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명은 도 6 및 도 7의 (a)(b)과 같이 기본적으로 공지된 발광다이오드 조명용 렌즈(4)의 집광 홈(41) 내면에 원통형으로 성형한 고광택 부싱(7)을 일체로 설치하여 LED(2)에서 조사되는 빛이 집광 홈(41) 내면에서 1차 굴절되지 않고 상기한 고광택 부싱(7)의 내면을 통해 직접 반사된 다음 굴절 렌즈(42) 측으로 굴절되도록 하여 빛의 산란을 최대한 방지할 수 있도록 함과 동시에 원하는 협각(예를 들어 15~20°이하) 범위 내로 빛을 최대한 조사시킬 수 있도록 한 것을 주요기술 구성요소로 한다.

이때, 공지된 발광다이오드 조명용 렌즈(4)는 기판(1)에 납땜 고정된 LED(2)에서 발생되는 빛을 원하는 조사각도 범위 내로 조사시켜 주기 반구형을 갖는 렌즈(4)의 중심선 상에 원통 형상을 갖는 LED 수납겸 집광 홈(41)이 형성된 형태를 가질 뿐만 아니라 상기 집광 홈(41)의 천정면에는 빛을 소정각도로 모아주기 위한 호형의 굴절 렌즈(42)가 하방부를 향해 돌출 형성된 형태를 갖는다.

한편, 본 발명에서 상기 렌즈(4)의 집광 홈(41) 내에 설치하는 고광택 부싱(7)은 알루미늄이나 스테인레스 등과 같이 광택이 매우 좋은 고광택 금속재로 성형하여 설치할 수도 있고, 또 합성수지나 유리 또는 세라믹 등을 이용하여 사출 또는 압출 성형하는 형태로 가열 성형한 후 LED(2)의 빛을 반사시키고자 하는 내면에 니켈이나 크롬 또는 은분 등과 같은 고광택 재를 코팅 내지는 증착 가공하는 공정을 통해 고광택 부싱(7)의 내면에 비교적 얇은 두께의 고광택 반사막(71)을 성형하여 설치할 수도 있다.

이때, 상기 고광택 부싱(7)의 높이(h)는 도 7의 (a)(b)와 같이 상기 렌즈(4)의 집광 홈(41)의 깊이(ℓ)를 1로 가정할 때, 1/3 ~ 1 사이 중 어느 한 높이를 갖도록 하되, 상기 고광택 부싱(7)의 높이(h)가 도 7의 (a) 와 같이 상기 렌즈(4)의 집광 홈(41)의 깊이(ℓ)인 1보다 작을 경우(도면 상 1/2) 상단부가 집광 홈(42) 천정면에 형성된 호형의 굴절 렌즈(42)에 근접되게 설치하는 것이 바람직하다.

또, 상기 고광택 부싱(7)의 높이(h)가 도 7의 (b) 와 같이 상기 렌즈(4)의 집광 홈(41)의 깊이(ℓ)와 같을 경우는, 상기 렌즈(4)의 집광 홈(41) 내에 설치된 상기 고광택 부싱(7)의 저단부는 LED(2)의 광 토출 면 측면 플렌지부에 가깝게 안착되게 설치하여 LED(2)에서 토출되는 빛이 집광 홈(41) 및 상기 고광택 부싱(7) 하측 면 사이의 틈새를 통해 누출되는 것을 최소화해 주는 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 고광택 부싱(7)의 높이(h)를 도 7의 (a) 와 같이 상기 렌즈(4)의 집광 홈(41)의 깊이(ℓ)인 1보다 1/3 또는 1/2 정도 작게 성형하여 설치할 경우 도 11과 같이 "가" 또는 "나"와 같이 산란되는 광선까지 중앙부로 반사 또는 굴절시켜 줄 수 있고, 상기 고광택 부싱(7)의 높이(h)를 도 7의 (b) 와 같이 상기 렌즈(4)의 집광 홈(41)의 깊이(ℓ)와 같게 성형하여 설치할 경우는 "다". "라", "마"와 같이 산란되는 광선까지 중앙부로 반사 또는 굴절시켜 줄 수 있어 빛의 조사각도가 매우 좁은 협각 렌즈로써 더욱 바람직한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명 다른 실시 예에서는 도 8과 같이 상기 고광택 부싱(7)을 단순히 일정 두께를 갖는 원통형으로 성형하지 않고, 상기 고광택 부싱(7)의 내면 형상이 상단부에서 하단부로 갈수록 두꺼워지도록 즉, 부싱의 내면 두께가 두꺼워지도록 성형하여 내면의 단면 형상이 상광하협(上廣下狹)의 형태를 갖도록 성형하여 주었다.

이와 같이 상기 고광택 부싱(7)의 내면을 상광하협 형태로 성형하게 되면, 상기 LED(2)의 측방부로 토출되는 빛의 일부가 경사진 고광택 부싱(7)의 내면에 부딪힌 다음 곧 바로 상기 집광 홈(41)의 천정면에 형성된 호형의 굴절 렌즈(42) 측으로 집중되므로 종래에 2차 굴절 지점에서 발생하던 광 손실을 완벽히 줄일 수 있을 뿐만 아니라 종래에는 2차 굴절 후 렌즈로부터 방사되는 광 줄기를 상기 고광택 부싱(7)의 내면을 통한 1차 굴절만 한 후 빛이 호형의 굴절 렌즈(42)를 통해 방사되므로 집광 효율을 그만큼 대폭 향상시킬 수 있다.

또, 본 발명의 다른 실시 예에서는 도 9와 같이 상기 고광택 부싱(7)의 저단부에서 내측을 향해 와셔 형상을 갖는 2차 반사판(72)을 일체로 더 절곡 성형하여 상기 LED(2)의 측면부를 통해 방출되거나, 또는 상기 고광택 부싱(7)의 내면을 통해 하방부로 반사되어 LED(2) 측으로 산란되는 빛을 다시 굴절 렌즈(42) 측으로 반사시켜 줄 수 있도록 하였다.

따라서, 상기 고광택 부싱(7)의 내면을 포함하여 상기 2차 반사판(72)을 통해 LED(2)에서 토출되는 대부분의 빛을 모두 굴절 렌즈(42) 측으로 1차 또는 2차에 걸쳐 반사시켜 줄 수 있으므로 조명의 사용 환경과 사용 목적에 따른 소정의 배광 특성을 최대한 만족시킬 수 있음은 물론 원거리 조명용 투광등에서 지정된 각도 범위 바깥으로 산란 되어버리는 빛을 감소시킬 수 있다.

또, 본 발명의 다른 실시 예에서는 도 10과 같이, 상기 고광택 부싱(7)의 저단부에서 외측을 향해 렌즈(4)의 2차 굴절면(44) 외측에 밀착 고정되는 방열겸 산란 방지판(73)을 일체로 더 절곡 성형하여, 렌즈(4)의 외면인 2차 굴절면(44)을 통한 빛의 산란을 방지할 수 있도록 함과 동시에 LED(2)에서 발생되어 LED 패키지 접촉면을 통해 렌즈(4)로 전달되는 열을 원활히 방열할 수 있도록 하였다.

이와 같이 상기 집광 홈(41) 내에 설치되는 고광택 부싱(7) 자체에 렌즈(4)의 2차 굴절면(44) 외측까지 감싸는 형태의 방열겸 산란 방지판(73)을 일체로 더 절곡 성형시캬 주게 되면, 혹시라도 2차 굴절면(44) 까지 조사된 LED(2)의 빛까지 상기 방열겸 산란 방지판(73)을 통해 호형의 굴절 렌즈(42) 측으로 반사시켜 줄 수 있으므로 별도의 3차 렌즈를 사용하지 않고도 원거리까지 빛을 보낼 수 있는 협각(15~20°이하)의 배광 특성을 용이하게 달성할 수 있음은 물론, 실광효율(實光效率) 및 균제도를 향상시킬 수 있고, 광 효율 상승에 따른 조명의 소비 전력 절감을 도모할 수 있다.

뿐만 아니라, LED(2)에서 발생되어 LED 패키지 접촉면을 통해 렌즈(4)로 전달되는 열을 원활히 방열할 수 있으므로 수지재로 성형되는 렌즈(4) 자체의 황변을 포함한 열화 및 크랙 등의 발생을 미연에 방지할 수 있어 렌즈(4)의 집광 홈(41) 하부와 LED(2) 사이에서 형성되는 공간부를 통한 빛의 산란 및 누출을 방지할 수 있가,

한편, 상기 기판(1)에 설치되는 LED(2)는 물론 상기 렌즈(4)는 단독으로 설치 및 성형하여 각종 조명기구로 사용할 수도 있고, 다 수개가 일체로 설치 및 성형하여 가로등이나 보안등 및 투광등 등으로 사용할 수 있는데, 상기 렌즈(4)의 경우는 소정두께를 갖는 광 출구판(3) 저면에 정해진 간격 또는 각도를 두고 일체로 돌출 성형하여 사용하면 된다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명이 적용된 발광다이오드 조명용 렌즈를 사용하는 가로등이나 보안등 또는 투광등을 제작하게 되면 빛의 산란에 의한 손실율을 대폭 줄일 수 있음은 물론 렌즈의 상면인 광 출구면의 직경을 크게 하지 않고도 예를 들어 15~20°이하의 협각으로 빛의 조사각도를 줄이는데 큰 효과를 얻을 수 있어 각각 정해진 종합 균제도 또는 공간 균제도를 만족시킬 수 있다.

뿐만 아니라 본 발명이 적용된 발광다이오드 조명용 렌즈를 가로등 및 보안등에 적용시킬 경우, 가로등 및 보안등 불빛에 의한 도로상의 명암 편차를 크게 줄일 수 있으므로 균제도 불균일로 인해 야기되는 교통사고를 감소시킬 수 있음은 물론 쾌적한 도시 미관을 보장할 수 있고, 또 투광등에 적용할 경우는 불빛에 의한 스포츠 시설의 공간 명암 편차를 줄일 수 있으므로 공간 균제도 불균일로 인해 발생될 수 있는 스포츠 경기자들의 기량 저하 및 관람자들의 불쾌감을 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 불필요하게 가로등이나 보안등 및 투광등을 많이 설치함으로 인해 발생될 수 있는 경제적 손실 및 에너지 낭비를 방지할 수 있다.

상술한 실시 예는 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만, 상기한 실시 예 및 특허청구범위에 기재된 내용만으로 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.

1 : 기판
2 : LED
3 : 광 출구판
4 : 렌즈
41 : 집광 홈 42 : 굴절 렌즈
44 : 2차 굴절면
7 : 고광택 부싱
71 : 고광택 반사막 72 : 2차 반사판
73 : 방열겸 산란 방지판

Claims

원통 형상의 집광 홈 천정면에 호형의 굴절 렌즈가 형성된 형태를 갖고 기판에 납땜 고정된 LED에서 발생되는 빛을 원하는 조사각도 범위 내로 조사시켜 주는 발광다이오드 조명용 렌즈에 있어서,
상기 렌즈의 집광 홈 내면에 원통형으로 성형한 고광택 부싱을 일체로 설치하여 LED에서 조사되는 빛이 집광 홈 내면에서 1차 굴절되지 않고 고광택 부싱의 내면에서 굴절 렌즈 측으로 직접 반사되도록 한 것을 특징으로 하는 발광다이오드 조명용 렌즈.
청구항 1에 있어서,
상기 고광택 부싱의 높이는 상기 렌즈의 집광 홈의 깊이를 1로 가정할 때, 1/3 ~ 1 사이 중 어느 한 높이를 갖도록 한 것을 특징으로 하는 발광다이오드 조명용 렌즈.
청구항 2에 있어서,
상 고광택 부싱의 높이가 상기 렌즈의 집광 홈의 깊이인 1보다 작을 경우,
상단부가 집광 홈 천정면에 형성된 호형의 굴절 렌즈에 근접되게 설치한 것을 특징으로 하는 발광다이오드 조명용 렌즈.
청구항 1에 있어서,
상기 고광택 부싱은,
알루미늄 또는 스테인레스와 같은 고광택 금속재로 성형한 것을 포함함을 특징으로 하는 발광다이오드 조명용 렌즈.
청구항 1에 있어서,
상기 고광택 부싱은,
합성수지 또는 유리 또는 세라믹을 이용하여 가열 성형한 후 빛이 반사되는 내면에 니켈이나, 크롬 또는 은분과 같은 고광택 재를 코팅 내지는 증착 가공하는 공정을 통해 고광택 반사막을 형성한 것을 포함함을 특징으로 하는 발광다이오드 조명용 렌즈.
청구항 1에 있어서,
상기 고광택 부싱은,
상단부에서 하단부로 갈수록 부싱의 두께가 두꺼워지도록 성형하여 내면 형상이 상광하협의 형태를 갖도록 한 것을 특징으로 하는 발광다이오드 조명용 렌즈.
청구항 1에 있어서,
상기 고광택 부싱의 저단부에서 내측을 향해서는 상기 LED의 측면부를 통해 방출되거나, 또는 고광택 부싱의 내면을 통해 하방부로 반사되어 LED 측으로 산란되는 빛을 다시 굴절 렌즈 측으로 반사시켜 주기 위한 2차 반사판을 와셔 형태로 일체로 더 절곡 성형한 것을 특징으로 하는 발광다이오드 조명용 렌즈.
청구항 1에 있어서,
상기 고광택 부싱의 저단부에서 외측을 향해서는 렌즈의 2차 굴절면 외측에 밀착 고정되어 2차 굴절면을 통한 빛의 산란방지를 포함하여 LED에서 발생되어 LED 패키지 접촉면을 통해 렌즈로 전달되는 열을 방열하는 방열겸 산란 방지판을 일체로 더 절곡 성형한 것을 특징으로 하는 발광다이오드 조명용 렌즈.
청구항 1에 있어서,
상기 기판에 설치되는 LED를 포함하여 상기 렌즈는 다 수개가 일체로 설치 및 성형된 것을 포함하되, 상기 렌즈는 소정두께를 갖는 광 출구판 저면에 정해진 간격 또는 각도를 두고 일체로 돌출 성형한 것을 특징으로 하는 발광다이오드 조명용 렌즈.