KR101822600B1 - 열전냉각모듈이 내장된 ｌｅｄ 모듈을 포함하는 ｌｅｄ 조명기구 - Google Patents

열전냉각모듈이 내장된 ｌｅｄ 모듈을 포함하는 ｌｅｄ 조명기구 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 LED 소자가 실장된 LED 모듈, 방열부, 전원을 공급하는 전원모듈 및 외부연결 단자부로 이루어진 LED 조명기구에 있어서, 상기 LED 모듈은, 양면에 전극패턴이 형성된 상부 절연기판, 상기 상부 절연기판 상면의 전극패턴 상에 실장된 하나 이상의 LED 소자, 상면에 전극패턴이 형성된 하부 절연기판 및 상기 상부 및 하부 절연기판의 전극패턴 사이에 형성된 다수의 열전소자를 포함하는 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명기구에 관한 것이다. 이에 의해 LED 소자에서 발생하는 열을 효과적으로 냉각시킬 수 있으며 히트 싱크의 크기도 획기적으로 감소시킬 수 있다.

Description

열전냉각모듈이 내장된 ＬＥＤ 모듈을 포함하는 ＬＥＤ 조명기구{LED LIGHTING APPARATUS COMPRISING LED MODULE EMBEDDED THERMOELECTRIC COOLING MODULE}
본 발명은 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명기구에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED)는 반도체의 p-n 접합구조를 이용하여 주입된 소수 캐리어(전자 또는 정공)를 만들어 내고, 이들의 재결합에 의하여 전기 에너지를 빛 에너지로 바꾸어 주어 발광시키는 금속간 화합물 접합 다이오드를 말한다. 즉, 특정 원소의 반도체에 순방향 전압을 가하면 양극과 음극의 접합 부분을 통해 전자와 정공이 이동하면서 서로 재결합하는데 전자와 정공이 떨어져 있을 때보다 작은 에너지가 되므로 이때 발생하는 에너지의 차이로 인해 빛을 방출한다. 이러한 LED는 일반적인 표시 장치는 물론이고 조명 장치나 LCD 표시 장치의 백라이트 소자에도 응용되는 등 적용 영역이 점차 다양해지고 있다.
특히 LED 소자는 비교적 낮은 전압으로 구동이 가능하면서도 높은 에너지 효율로 인해 수명이 긴 장점을 가지고 있어 기존의 형광등, 백열등을 대체하는 조명기구의 광원소자로 활용되고 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 LED 조명기구의 단면도를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 종래의 LED 조명기구는 회로기판(11) 상에 하나 이상의 LED 소자(12)가 실장된 LED 모듈(10), 상기 LED 소자(12)에서 발생되는 열을 방열시키기 위해 상기 LED 모듈 하부에 형성된 방열부(30), 전원공급을 위한 전원모듈(50) 및 외부로부터 전원을 공급받기 위한 외부연결단자부(70)를 포함하여 구성되어 있다. 하지만, 종래의 LED 조명기구의 경우 방열부재(Heat Sink)(31)를 이용한 공냉식을 주로 사용함으로써 냉각효율이 떨어지며, LED 소자(12)의 온도가 높아져 LED 소자(12) 자체 또는 패키징 수지가 열화되 발광효율이 떨어지게 되어 결국에는 LED 조명의 수명을 단축시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 LED 소자가 실장된 회로기판과 열전냉각모듈을 일체화시킨 LED 모듈을 형성함으로써 LED 소자에 의한 발생하는 열을 효율적으로 냉각시키고, 현재의 방열용 히트 싱크의 크기를 획기적으로 감소시키는 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명기구를 제공하는데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 제공되는 본 발명의 구성은 하나 이상의 LED소자가 실장된 LED 모듈, 방열부, 전원을 공급하는 전원모듈 및 외부연결단자부로 이루어진 LED 조명기구에 있어서, 상기 LED 모듈은, 양면에 전극패턴이 형성된 상부 절연기판; 상기 상부 절연기판 상면의 전극패턴 상에 실장된 하나 이상의 LED 소자; 상면에 전극패턴이 형성된 하부 절연기판; 상기 상부 및 하부 절연기판의 전극패턴사이에 형성된 다수의 열전소자;를 포함하는 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명기구를 제공하여 안정적인 냉각이 가능하게 하고 방열부재의 크기를 감소시킬 수 있다.
특히, 상기 다수의 열전소자는, N형 및 P형 열전 반도체 소자가 소정 간격으로 이격되어 교대로 배열되어 형성되어 있되, 상기 상부 및 하부 절연기판의 전극패턴을 매개로 직렬연결하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전극패턴과 열전소자 사이에 확산방지층이 형성될 수 있다.
또한, 상기 확산방지층은, 납(Pb) 또는 주석(Sn)으로 이루어지는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 전극패턴과 확산방지층 사이에 버퍼층을 더 포함할 수 있다.
특히, 상기 버퍼층은 니켈(Ni)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 상부 및 하부 절연기판은 알루미나(Al2O3)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 전극패턴은 구리(Cu)패턴인 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, LED 조명기구에 있어서, LED 소자가 실장된 절연기판에 열전냉각모듈을 일체화시킴으로써 효율적인 냉각을 가능하게 하고 방열부재의 크기를 획기적으로 줄일 수 있어 전체 LED 조명기구의 크기 자체도 감소시킬 수 있게 된다.
도 1은 종래의 기술에 따른 LED 조명기구의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명기구의 단면도이다.
도 3은 도 2의 LED 모듈의 단면도이다.
도 4a는 도 2의 상면도이며, 도 4b는 도 3에서의 상부 절연기판 하부의 상면도이다.
이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명기구의 단면도를 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명은 하나 이상의 LED 소자(190)가 실장된 LED 모듈(100), 방열부(300), 전원을 공급하는 전원모듈(400) 및 외부연결 단자부(500)로 이루어진 LED 조명기구로서 상기 LED 모듈(100) 상부에는 LED 소자(190)와 회로기판의 보호 및 LED 소자(190)로 부터 발생되는 빛의 투과를 위해 커버부(600)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 특히 상기 LED 모듈(100)은 열전냉각모듈이 임베디드 되어 있어 효율적인 냉각이 가능할 뿐 아니라 방열부(300)에서의 히트 싱크(310)의 크기를 획기적으로 줄일 수 있게 된다. LED 모듈(100)에 대해서는 이하 도 3에서 더욱 자세히 설명하기로 하고 기타 방열부(300), 전원모듈(400) 등의 요소는 공지요소이므로 그 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 도 2의 LED 조명기구에서 방열부 상부에 형성된 LED 모듈을 확대한 단면도를 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, LED 모듈(100)은 양면에 전극패턴(130, 140)이 형성된 상부 절연기판(110), 상기 상부 절연기판(110) 상면의 전극패턴(130) 상에 실장된 하나 이상의 LED 소자(190)와 일면에 전극패턴(150)이 형성된 하부 절연기판(120) 및 상기 상부와 하부 절연기판의 전극패턴(140, 150) 사이에 형성된 다수의 열전소자(180)로 이루어져 있다.
또한, 상기 전극패턴(140, 150)과 열전소자(180) 사이에 접착력 개선을 위한 버퍼층(160, 161)과 확산방지를 위한 확산방지층(170, 171)이 순차적으로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 버퍼층(160, 161)은 니켈(Ni), 확산방지층(170, 171)은 주석(Sn) 또는 납(Pb)으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이때, 상기 다수의 열전소자(180)는 N형 및 P형 열전 반도체 소자가 소정 간격으로 이격되어 교대로 배열되어 형성되어 있되, 상기 상부 및 하부 절연기판(110, 120)의 전극패턴(140, 150)을 매개로 연결하여 전기적으로는 직렬, 열적으로는 병렬로 연결되는 구성을 이루고 있으며, 상기 절연기판(110, 120)은 세라믹 기판으로서 알루미나(Al2O3)인 것이 바람직하다.
이와 같이 LED 소자(190)가 실장된 회로기판(110)에 열전냉각모듈을 일체화시킨 LED 모듈(100)을 형성하게 된다. 열전냉각모듈은 전류에 의해 열의 흡수 또는 발생이 생기는 현상인 펠티어 효과(Peltier effect)를 이용한 것으로 전류의 방향에 따라 한쪽 단자에서는 흡열하고, 다른 쪽 단자에서는 발열을 일으키게 된다. 상기 도 3에서 열전냉각모듈의 열전소자(180)에 전원을 공급하면, N형 열전 반소체 소자에서 상부 절연기판(110) 상의 전극패턴(140)을 통해 P형 열전 반도체 소자와 하부 절연기판(120) 상의 전극패턴(150)으로 전류가 흐르면서 상부 절연기판(110)에서는 흡열현상이, 하부 절연기판(120)에서는 발열현상이 이루어지게 된다. 이렇게 열전냉각모듈이 임베디드된 LED 모듈(100)을 형성함으로써 LED 소자(190)에서 발생하는 빛을 효과적으로 냉각시켜 방열부(300)의 히트 싱크(310)로 전달할 수 있으며, 방열부(300)에서의 히트 싱크(310) 크기를 80~90% 가량 줄일 수 있게 되어 전체 LED 조명기구의 크기도 감소시킬 수 있게 된다.
도 4a는 상부 절연기판(110) 상의 전극패턴(130)에 LED 소자(190)가 실장된 도 2의 상면도로서 이러한 도넛 형태의 원형뿐 아니라 사각형 등 다양한 형태의 구조도 가능하다.
도 4b는 도 3에서의 상부 절연기판 하면의 상면도를 도시한 도면으로서 . 도 4b를 참조하면, 상부 절연기판 하면에 형성된 전극패턴(140) 하부에는 P형 및 N형 열전 반도체 소자쌍(180)이 형성되어 있으며, 전기적인 직렬 연결을 위해 하부 절연기판(120)상에 전극패턴(150)이 형성되어 있어 상기 하부 절연기판(120)의 전극패턴(150)을 통해 전원이 공급되면 상부 절연기판(110)에서는 흡열현상이 일어나고 하부 절연기판(120)에는 발열현상을 이루어져 효과적인 냉각이 가능해지며 히트 싱크의 크기를 획기적으로 감소시킬 수 있게 된다.
이상 도면과 명세서에서 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10, 100: LED 모듈 30, 300: 방열부
50, 400: 전원모듈 70, 500: 외부연결 단자부
110: 상부 절연기판 120: 하부 절연기판
130, 140, 150; 전극패턴 160, 161: 버퍼층
170, 171: 확산방지층 180: 열전 반도체 소자
190: LED 소자

Claims (8)

  1. 하나 이상의 LED 소자가 실장된 LED 모듈, 방열부, 전원을 공급하는 전원모듈 및 외부연결 단자부로 이루어진 LED 조명기구에 있어서,
    상기 LED 모듈은,
    양면에 전극패턴이 형성된 상부 절연기판;
    상기 상부 절연기판 상면의 전극패턴 상에 실장된 하나 이상의 LED 소자;
    상면에 전극패턴이 형성된 하부 절연기판;
    상기 상부 및 하부 절연기판의 전극패턴 사이에 형성된 다수의 열전소자;
    를 포함하고,
    상기 상부 절연 기판의 상부에 형성된 전극패턴은,
    상기 하나 이상의 LED 소자가 실장되고, 상기 상부 절연 기판에 대해 상기 상부 절연 기판의 하부에 형성된 전극 패턴과 마주보게 형성된
    열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명기구.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 다수의 열전소자는,
    N형 및 P형 열전 반도체 소자가 소정 간격으로 이격되어 교대로 배열되어 형성되어 있되,
    상기 상부 및 하부 절연기판의 전극패턴을 매개로 직렬연결되는 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명기구.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극패턴과 열전소자 사이에 확산방지층이 형성된 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명기구.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 확산방지층은,
    납(Pb) 또는 주석(Sn)으로 이루어진 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명기구.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 전극패턴과 확산방지층 사이에 버퍼층을 더 포함하는 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명기구.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 버퍼층은,
    니켈(Ni)인 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명기구.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 및 하부 절연기판은,
    알루미나(Al2O3)인 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명기구.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극패턴은,
    구리(Cu)패턴인 열전냉각모듈이 내장된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명기구.
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