KR101540106B1

KR101540106B1 - 렌즈형 커버를 포함하는 led 조명장치

Info

Publication number: KR101540106B1
Application number: KR1020130164281A
Authority: KR
Inventors: 박준근
Original assignee: (주)한성스마트엘이디
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2015-07-30
Also published as: KR20150075888A

Abstract

본 발명은 LED 조명장치에 관한 것으로서, 기판; 상기 기판 상에 장착되며, LED 소자를 포함하는 LED 패키지; 상기 LED 소자의 광을 변환하고 상기 LED 소자를 보호하는 렌즈형 커버를 포함하는 LED 조명장치로서, 상기 렌즈형 커버는, 상기 LED 소자로부터 상기 광이 입사하는 입사면과 출사하는 출사면을 구비하는 커버본체, 상기 입사면에 부착되며, 상기 광을 확산시키는 제1시트, 및 상기 출사면에 부착되며, 표면에 프레넬 패턴이 구비되어 상기 광의 조사각을 80 내지 110ㅀ로 조절하는 제2시트를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

렌즈형 커버를 포함하는 LED 조명장치{LED lighting device}

본 발명은 LED 조명장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광의 균일도를 높이면서도 조사각이 제어되는 커버형 렌즈를 포함하는 LED 조명장치에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light Emitting Diode, 이하에서는 LED로 칭함)는 전기에너지를 직접 빛 에너지로 변환하기 때문에 백열전구, 형광등, 할로겐 램프 등에 비해 빛 에너지로의 변환 효율이 높고 발광 시에 열이 발생하지 않는다는 특징이 있다.

특히 LED는 전기 에너지를 빛 에너지로 변환시킬 때 20% 이상의 효율 달성이 가능하여, 백열전구나 형광등에 비해 약 100배 이상의 변환효율을 용이하게 달성할 수 있다. 또한 LED는 반영구적이라고 할 정도로 긴 수명을 가진다.

그리고 LED에서 발광되는 빛은 형광등에서 발광되는 빛과 같이 깜빡 거림이 없기 때문에 사람의 눈이 피로감을 덜 느끼도록 한다. 이와 같이 LED는 우수한 특성을 가지고 있으므로 각종 디스플레이 장치등의 전자기기 뿐만 아니라 조명장치에도 적용범위가 확대되고 있다.

이러한 LED를 이용한 조명 장치는 그 적용에 따라 서로 다른 광학적 성능이 요구된다. 예컨대 LED투광등, 무대조명장치와 같은 LED 조명장치의 경우 조사각을 좁고, 조사각 내에서 최대의 휘도 특성을 요구하며, 이를 위해서는 조사각 내에서 휘도 분포가 균일하여야 하고 해당 영역만을 최대한 집중 조명하여야 하는 특징을 가진다.

이에, LED에 구면 렌즈 또는 프레넬 렌즈등을 부가하고 있으나, 효율면에서 성능개선이 필요한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 조사각이 좁으면서도 조사각 내에서 휘도 분포가 균일한 LED 조명장치를 제공하는 데 있다.

또한, LED 소자의 렌즈와 커버의 기능을 동시에 수행하는 렌즈형 커버를 포함하고, 그 제조공정이 간단한 LED 조명장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 일측면에 따른 LED 조명장치는,

기판;

상기 기판 상에 장착되며, LED 소자를 포함하는 LED 패키지;

상기 LED 소자의 광을 변환하고 상기 LED 소자를 보호하는 렌즈형 커버를 포함하는 LED 조명장치로서,

상기 렌즈형 커버는,

상기 LED 소자로부터 상기 광이 입사하는 입사면과 출사하는 출사면을 구비하는 커버본체,

상기 입사면에 부착되며, 상기 광을 확산시키는 제1시트, 및

상기 출사면에 부착되며, 표면에 프레넬 패턴이 구비되어 상기 광의 조사각을 80 내지 110°로 조절하는 제2시트를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 제1시트는 탄산칼슘, 황산바륨, 실리카, 산화티탄, 글래스비드로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 1 종이상의 광확산제가 포함되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2시트의 프레넬 패턴은 중앙부에 광원반대방향으로 볼록한 볼록부, 상기 볼록부를 대칭으로 광이 출사되는 출사부, 출사부에서 출사된 광이 전반사되는 전반사부를 가지는 복수의 성형패턴이고, 상기 성형패턴은 가장자리로 갈수록 간격이 좁아지는 형상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 커버본체는 투과율 90%이상이고, 굴절율은 1.49 내지 1.54의 재료로서, 유리, PI(Polyimide), PEI(Polyetherinide), PC(Polycarbonate;), PEN(Polyethylenenaphthalate), PET(Polyethyleneterephtalate), COC(cyclic olefin copolymer), PMMA(polymethylmethacrolate), PC/PMMA, 실리콘(silicone), 플루오로카본 폴리머(fluorocarbon polymer)로 구성되는 군에서 선택되는 1종의 재료로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 커버본체의 입사면은 오목한 구면을 이루는 것이 바람직하다.

또한, 상기 출사면의 표면에는 굴절율이 상기 제2시트의 재료의 굴절율보다 높은 투명 코팅 조성물로서 형성되며, 표면저항이 10⁴Ω/sq. 내지 10¹¹Ω/sq. 인 방오코팅층을 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 LED 조명장치는 조사각이 좁고, 휘도 및 휘도 균일성이 높일 수 있게 된다.

또한, 커버와 렌즈를 별도로 제조할 필요가 없이 하나의 커버로 렌즈효과를 가지게 할 수 있으며, 이를 가능하게 하는 렌즈형 커버를 간단히 제조할 수 있어 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 LED 조명장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LED 조명장치의 광조사 경로를 설명하는 설명도이다.
도 3은 제1시트에서 광이 확산되는 원리를 설명하는 도면이다.
도 4는 제2시트에서 광의 경로를 설명하는 도면이다.

이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.

본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한, 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.

한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히, 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 렌즈형 커버를 가지는 LED 조명 장치의 단면도이다. 이에 따르면, 조명장치는 기판(100), LED 패키지(200), 및 렌즈형 커버(300)를 포함한다.

기판은 LED 패키지(200)가 장착될 수 있는 기판으로서, 본 발명의 실시예에 따른 기판(100)은 LED 소자(210)가 장착되는 장착홈(110)을 구비할 수 있다. 장착홈(110)은 장착되는 LED 소자(210)에서 반사되는 광의 일정범위의 방사각을 부여하기 위해 포물선 형상으로 구비될 수 있다. 또한, 장착홈(110)의 내면에는 표면의 반사막(120)을 코팅하는 것이 바람직하다. LED 소자(210)로부터 나오는 광의 효율성을 증대하기 위함이다.

렌즈형 커버(300)는 LED 소자(210)로부터 광이 입사하는 입사면(340)과, 렌즈형 커버(300)를 통과하여 광이 출사하는 출사면(350)을 포하는 커버본체(345), 입사면(340)에 부착되는 제1시트(310), 출사면(350)에 부착되는 제2시트(320)를 포함한다.

제1시트(310)는 LED 소자로부터 나온 광을 확산시킨다. 개별 LED 소자는 일정한 방사각을 가지고 있으나, 광량이 균일하지 않으므로 광을 균일한 강도를 가지게 하여 점광원을 면광원으로 바꾸어 정면방향으로 휘도균일도를 높게 한다.

제1시트(310)는 투명수지필름에 광확산제가 코팅되거나 분산되어 있는 시트이다. 투명수지필름 재료로는 PET 또는 PC 수지를 사용할 수 있고, 광확산제로는 탄산칼슘, 황산바륨, 실리카, 산화티탄, 글래스비드등을 사용할 수 있다.

커버본체(345)의 입사면(340)은 제1시트(310)로부터 확산된 광이 입사되는 면으로서, 보다 광을 균일하게 분포시키기 위해 입사면(340)은 광원방향으로 오목한 형상을 가지는 것이 바람직하며, 입사면(340)의 반대편에는 출사면(350)이 구비된다.

커버본체(345)는 투명재질로서, 투과율 90%이상, 굴절율은 1.49 내지 1.54의 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 유리, PI(Polyimide), PEI(Polyetherinide), PC(Polycarbonate;), PEN(Polyethylenenaphthalate), PET(Polyethyleneterephtalate), COC(cyclic olefin copolymer), PMMA(polymethylmethacrolate), PC/PMMA, 실리콘(silicone), 플루오로카본 폴리머(fluorocarbon polymer) 등이 사용될 수 있다.

커버본체(345)의 출사면(350)의 표면에는 제2시트(320)가 부착된다. 제2시트(320)의 외면에는 광의 조사각을 좁히는 기능(조사각 : 80 내지 110ㅀ)을 구비한다. 즉, 출사면(350)의 중앙부에는 광원반대방향으로 볼록한 볼록부(321)가 구비되고, 중심선을 대칭으로 출사부(323a)와 전반사부(323b)를 포함하는 복수의 성형패턴(323)이 구비되고, 각 성형패턴(323)들은 출사면(350)의 가장자리로 갈수록 간격이 좁아지는 형상으로 성형된다. 이 때, 출사부(323a)와 전반사부(323b)는 예각을 이루며, 출사부(323a)의 길이는 전반사부(323b)의 길이보다 긴 형상을 가진다.

제2시트(320)는 기재에 형성되는 성형패턴은 인쇄방식 또는 무인쇄방식으로 제조될 수 있다. 인쇄방식으로 성형패턴을 형성하는 경우 패턴잉크로 렌즈형 커버와 동일한 재료의 잉크를 사용하여 동일한 굴절율의 변화를 가지지 않게 하는 것이 바람직하다. 이 때, 접착력을 강화하기 위해서 접착력 증가제를 포함할 수 있으며, 예컨대, 기재는 PET, 패턴잉크는 PMMA, 접착력 증가제는 PVA(Polyvinyl alchhol)가 사용될 수 있다.

무인쇄방식으로 성형패턴을 형성하는 경우 물리적으로 홈을 형성하거나, 레이저, 화학적 부식등의 방법을 사용할 수 있다. 한편, 제2시트(320)의 각 성형 패턴의 산의 형태, 각도등은 제품특성에 맞게 설계할 수 있다.

선택적으로 제2시트(320)의 상부에는 방오코팅층(330)이 구비되는 것이 바람직하다. LED 조명장치가 장기간 사용될 경우 제2시트(320)의 성형패턴들 사이에 오염물질이 쌓이게 되어, 광량 및 광강도를 감소시키는 것을 방지하기 위함이다.

방오코팅층(330)은 굴절율이 제2시트(320)의 굴절율보다 높은 투명 코팅 조성물로서 형성되며, 굴절율은 1.55 내지 1.9이 바람직하고, 표면저항이 10⁴Ω/sq. 내지 10¹¹Ω/sq. 인 것이 사용될 수 있다. 방오코팅층(330)은 정전기를 방지하기 위한 전도성 고분자가 바인더와 함께 혼합된 코팅액이 사용되거나, 과불소 폴리에테르 화합물과, 탄화수소계 다관능기 아크릴레이트를 혼합한 코팅액이 사용될 수 있다.

예를 들어, 코팅액은 전도성 고분자 0.05-10 중량%, 고분자 바인더 5-40 중량%, 및 희석제인 용매 50-95 중량%를 포함한다. 예를 들면 전도성 고분자는 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리티오펜 및 이들의 변성된 전도성고분자로서 3번위치에 각각 탄소수가 5-12개로 이루어진 알킬기를 포함하는 폴리티오펜, 3,4번위치에 에틸렌디옥시기가 치환된 3,4-폴리에틸렌디옥시티오펜, 2,3번위치에 탄소수 1-4개를 포함한 알콕시기를 포함하거나 아미노기, 술폰기를 포함하는 폴리아닐린, 탄소수 5-12개로 이루어진 알킬기를 포함하는 폴리피롤에서 선택된 어느 하나를 포함한다. 전도성 고분자의 함량에 따라서 굴절율은 조절될 수 있다.

고분자 바인더는 아크릴, 우레탄, 에폭시, 아미드, 이미드, 에스터, 카복실, 수산기, 실란계, 티타네이트, 실리케이트 등 각종 기능기 한개 이상 함유하고 있는 바인더를 단독 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있다.

사용가능한 용매의 예로서는 코팅액에 따라 증류수, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 노르말부탄올을 포함하는 탄소수 1-4의 알콜 톨루엔, 자일렌, 아세톤, 메틸에틸케톤, 에틸아세테이트 및 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 에틸렌글리콜모노부틸레에르 군에서 선택된 적어도 1종의 용매가 이에 포함된다. 바람직하기로는 상기 용매 중에서 비중이 높고 낮으며 전체 조성에 대해 상용성이 있는 것을 2종 이상 선택하여 혼합사용하도록 하며 전체 코팅조성물에 대해 50-95중량%로 포함시켜 사용할 수 있다.

전도성고분자 용액의 예를 들면 수용성 타입으로 수용액 중에 폴리티오펜계 전도성 고분자를 1% 정도로 분산시켜 놓은 바이트론 피에치(상품명: Baytron PH, 독일 H.C. Starck)용액이 있으며, 용제타입으로는 더블류 원 그린 (상품명: W1-Green, 독일 오메콘사), panipol 사 Panipol Toluene Solution (Panipol, Germany)등도 상용화 되어 있는 전도성 고분자 코팅액이다.

이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 LED조명장치의 작용에 대해서 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LED 조명장치의 광조사 경로를 설명하는 설명도이고, 도 3은 제1시트에서 광이 확산되는 원리를 설명하는 도면이고, 도 4는 제2시트에서 광의 반사경로를 설명하는 도면이다.

LED 소자(200)에서 광이 발산되면 LED 소자의 방사각에 따라서 일정한 각도로 광이 방사되며, 일부 광은 기재상의 장작홈 내면에 형성된 반사막(120)에서 반사된다.

이 때 광을 균일한 상태로 만들기 위해 먼저 제1시트(310)로 입사된다. 제1시트는 확산을 위한 시트로서, 제1시트(310)를 통과하면서 광은 균일하게 확산된다. 즉, 제1시트(310) 내부에는 광확산제(311)가 포함되어 있어서, 광의 휘도 균일도가 향상된다.(도 3 참조)

한편 제1시트(310)가 부착되는 커버본체(345)의 입사면(340)은 광원반대방향으로 볼록한 형상으로 구비되어, 광을 보다 균일하게 분산시키는 역할을 한다.

다음으로 커버본체(345)를 관통하면서 출사면(350)에 부착된 제2시트(320)를 통과한다.

제2시트(320)는 광을 중앙으로 모으는 프레넬 패턴을 구비하여 광이 중앙으로 집중하여 조사각을 좁게 만든다. 즉, 제2시트(320)의 출사부(323a)에서 출사한 광들은 전반사부(323b)에서 다시 전반사되어 조사각이 작은 광으로 조사되게 된다. (도 4 참조)

다음으로 방오코팅층(330)으로 광이 입사되어 굴절된 후 외부로 출사하게 된다. 이 때, 조사각(θ=θ1+θ2-90° )은 80 내지 110° 가 되게 할 수 있다.

전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 기판
120 : 반사막
200 : LED 어셈블리
210 : LED 소자
300 : 렌즈형 커버
310 : 제1시트
320 : 제2시트
330 : 방오코팅층
340 : 입사부
350 : 반사부

Claims

기판;
상기 기판 상의 장착홈에 장착되는 LED 소자를 포함하는 LED 패키지;
상기 LED 소자의 광을 변환하고 상기 LED 소자를 보호하는 원형의 렌즈형 커버를 포함하는 LED 조명장치로서,
상기 렌즈형 커버는,
상기 LED 소자로부터 상기 광이 입사되며, LED소자 방향으로 오목한 구면 입사면과 광이 출사하는 평판형의 출사면을 구비하는 커버본체,
상기 입사면에 부착되며, 상기 광을 확산시키는 제1시트, 및
상기 출사면에 부착되며, 표면에 프레넬 패턴이 구비되어 상기 광의 조사각을 80 내지 110°로 하는 제2시트를 포함하며,
상기 제2시트의 프레넬 패턴은 중앙부에 광원반대방향으로 볼록한 볼록부, 상기 볼록부를 대칭으로 광이 출사되는 출사부, 출사부에서 출사된 광이 전반사되는 전반사부를 가지는 복수의 성형패턴이고, 상기 성형패턴은 가장자리로 갈수록 간격이 좁아지는 형상이고,
상기 출사면의 표면에는 굴절율이 상기 제2시트의 재료의 굴절율보다 높은 투명 코팅 조성물로서 형성되며, 표면저항이 104Ω/sq. 내지 1011Ω/sq. 인 방오코팅층을 더 포함하는 LED 조명장치.
제1항에 있어서,
상기 제1시트는 탄산칼슘, 황산바륨, 실리카, 산화티탄, 글래스비드로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 1 종이상의 광확산제가 포함되는 LED 조명장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 커버본체는 투과율 90%이상이고, 굴절율은 1.49 내지 1.54의 재료로서, 유리, PI(Polyimide), PEI(Polyetherinide), PC(Polycarbonate;), PEN(Polyethylenenaphthalate), PET(Polyethyleneterephtalate), COC(cyclic olefin copolymer), PMMA(polymethylmethacrolate), PC/PMMA, 실리콘(silicone), 플루오로카본 폴리머(fluorocarbon polymer)로 구성되는 군에서 선택되는 1종의 재료로 이루어지는 LED 조명장치.
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