KR20110085922A

KR20110085922A - 엘이디 조명기구 및 이를 이용한 조명장치

Info

Publication number: KR20110085922A
Application number: KR1020110005233A
Authority: KR
Inventors: 명범영
Original assignee: 명범영
Priority date: 2010-01-19
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2011-07-27
Also published as: KR101297340B1

Abstract

LED 조명기구 및 이를 이용한 조명장치가 개시된다. 열전달 충진제가 LED 광원부가 수용된 히트싱크의 광원수용부의 내부의 빈 공간을 전부 메우도록 채워진다. 또한 LED 소자의 앞쪽 출광면 위에 투명한 열전도성 물질이 도포되면서 광원수용부에 마련된 출광용 개구가 폐쇄된다. LED 소자에서 발생한 열의 일부는 LED 소자가 장착된 PCB를 거쳐 히트싱크에 전달되지만, 나머지 일부는 열전달 충진제에 의한 열전도를 통해 히트싱크로 전달되어 방열되고 또 다른 나머지는 투명한 열전도성 물질을 통해 열전도로 히트싱크 및 바깥공기로 방열된다. 또한, 각 LED 소자는 히트싱크를 '최근접' 배치되도록 설계하여 열전달 충진제에 의한 열전도 경로가 최단거리화 된 구조이다. 열전도성 물질이 LED 소자의 모든 접촉 부위로부터 열을 직접 흡수하여 열전도로 전방위적 최단경로를 통해 고르게 히트싱크로 전달함으로써, 방열이 효과적으로 이루어져 LED 소자의 과열이 예방되고 그에 따라 우수한 광학적 특성과 소자의 수명이 길어진다. 이러한 LED 조명기구를 여러 개 결합하여 실내외용 LED 조명장치를 구성할 수 있다.

Description

엘이디 조명기구 및 이를 이용한 조명장치{LED illumination device and illuminating apparatus employing the same}

본 발명은 조명장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 LED 소자를 광원으로 채용하는 조명장치의 열발산 최적화 설계에 관한 것이다.

LED가 구동될 때 필연적으로 빛과 함께 열이 발생한다. LED가 빛으로 발산하는 량은 입력에너지 대비 약 20%정도 이며 나머지 80%는 열로 발산한다. 조명용 LED는 높은 광 출력(optical power)을 얻기 위해 높은 전류를 사용하며, 그에 따라 열이 크게 발생하므로 열적 고려가 특히 중요하다. LED 소자에서 발생되는 열이 외부로 배출되지 않으면 고스란히 LED 광원모듈 내부에 머무르게 되어 LED 칩이나 구동용 인쇄회로기판(printed circuit board: PCB)이 상당한 고온의 상태로 장시간 유지되게 한다. 열 방출이 제대로 되지 않은 상태로 장시간 LED 소자를 구동하게 되면 LED 칩이나 PCB의 신뢰성 저하, 전기적 및 광학적 특성의 악화 등의 현상을 유발하고 제품의 수명이 현저히 단축된다. 뿐만 아니라, 심할 경우에는 LED 소자 자체에 심각한 손상을 초래하는 등의 전기적 과부하 고장을 일으킨다.

한편으로는, LED 소자 내의 열팽창계수가 서로 다르기 때문에 최대정격 이상의 높은 내부 온도에 노출시키거나 열 순환을 반복하면 각기 다른 유형의 치명적 열적 과부하 고장을 초래할 수 있다. 높은 주변 온도와 과도한 자체 열 발생으로 패키지 내부온도가 상승하여 칩과 보호막 간의 층간분리가 유발될 수 있고 이로 인해, 패키지 내의 칩-실리콘 간의 접촉면이 얇아져 광출력을 지속적으로 저하되고, 백색광 LED 칩의 경우 형광체 코팅과 실리콘보호막 사이 또는 칩과 형광체 코팅 사이의 층간분리가 발생할 수 있다. 또한, 과도한 주변의 온도변화는 실리콘의 수축팽창을 유도하여 리드프레임 와이어의 끊김 현상을 유도할 수도 있다.

따라서 LED 소자에서 발생되는 열을 신속하게 외부로 배출될 수 있도록 할 필요가 있다. 특히 LED 소자를 옥내 또는 옥외용 조명장치의 광원으로 이용하는 경우, 많은 수의 LED 소자들이 좁은 영역에 밀집 배치되므로 LED 칩 소자에서 발생하는 열이 주변의 공간까지 방열이 잘 될 수 있는 방열경로의 최적화 설계가 무엇보다 중요하다.

그런데 종래의 LED 소자를 이용한 조명장치의 경우, 방열 경로의 설계에 문제가 있다. 도 1은 종래의 일반적인 LED 조명장치(10)의 구성을 나타낸 단면도이다. LED 소자(20)들이 장착된 PCB(16)이 접합된 히트싱크(14)가 보호커버(12)와 일체형으로 구성되고, 그 LED 소자 앞에는 소자보호를 위한 전방 투명 커버(18)가 마련된 구조이다.

LED 조명장치(10)에서 주 발열체는 LED 소자(20)들이다. 그 LED 소자(20)에서 발생한 열은 아래쪽으로는 소자 칩과 공기에 노출된 리드프레임 부분으로부터 '공기'를 통해 전방 투명 커버(18)에 전달되고 그것을 거쳐 바깥 공기로 방열되고, 위쪽으로는 LED 소자(20)의 접합부에서 열전도에 의해 PCB(16)와 히트싱크(14)를 거쳐(일부 열은 리드프레임을 통한 열전도에 의해 히트싱크(14)에 전달됨) 보호 커버(12) 안쪽의 '공기'로 전달된 다음 보호커버(12)를 거쳐 바깥 공기로 방열된다.

이처럼 종래의 LED 조명장치(10)의 구조에 따르면, 열전달 경로가 발열체인 LED 소자(20)에서 바깥 공기까지 열이 전달되는 과정에 반드시 '공기'를 통한 전달 과정을 거치게 되는데, 기체인 공기는 열전달 속도가 액체나 고체에 비해 훨씬 낮아 LED에서 발생한 열이 효과적으로 배출되지 못한다. 게다가 LED 모듈(16,20)과 히트싱크(14)가 일체형으로 구성된 밀폐된 구조여서, LED 소자(20)에서 발생한 열이 효과적으로 빠져나가지 못하는 보온효과가 나타난다. 만약 여름철에 가로등 제어기가 비정상적으로 작동하여 낮에 점등이 되는 이상이 발생하는 경우, 히트싱크(14)를 통해 전달되는 그 고온의 태양열이 LED 소자(20) 자체의 발열 온도와 합쳐져서 LED 소자(20)가 견딜 수 있는 온도 이상으로 급속히 상승할 수 있다. 그리고 이로 인해 LED 특성이 나빠질 뿐만 아니라 수명에도 치명적인 역작용을 초래한다.

또한 히트싱크(14)가 LED 소자(20) 전체에 대해 일체로 되어 있기 때문에 각 LED 소자(20)에서 방출되는 열이 히트싱크(14)를 통하여 다른 LED 소자(20)에게 전달되어 서로의 온도가 상승적으로 높아져 소자 열화를 촉진시킬 수 있다. 특히 많은 수의 LED 소자를 그룹지어 광원으로 사용하는 LED 조명장치는 하나의 PCB에 다수의 LED 소자를 가로 및/또는 세로로 3줄 이상 밀집 배치한 구조이어서 각 LED 소자가 동일한 방열 조건을 가지지 못한다. 즉, 각각의 LED 소자로부터 히트싱크까지의 열전달 경로, 그리고 각 LED 소자의 주변의 다른 LED 소자의 배치 등이 각 LED 소자의 배치 위치에 따라 다르고, 그에 따라 각 LED 소자가 열을 발산하는 속도도 달라서 온도 편차가 심하게 나타난다. LED 소자(20)의 배치 위치가 외곽에서 안쪽으로 갈수록 주변의 LED 소자(20)들의 열을 더 많이 전달받게 되어 발광에 관한 동작 특성이나 수명 등에서 더 나쁜 영향을 받게 된다(LED 소자(20)들의 수명 불균일도가 커짐). 조명장치의 수명이 가장 짧은 LED의 수명으로 되기 때문에 각 LED 소자간의 수명 편차가 큰 것은 바람직하지 않다.

또 다른 종래의 일 방향 방열구조의 LED 조명장치(30)가 도 2에 도시된다. LED 소자(32)가 장착된 PCB(34)에는 히트싱크(36)가 직접 접촉되지만, 그 LED 소자(32)의 광이 나오는 앞쪽은 투명 보호커버(38)로 밀폐된 구조이다. 이 구조에 의하면, 앞쪽의 투명 보호커버(38)는 열전도율이 나빠서 그것을 통한 방열은 거의 일어나지 않고 그 보호커버(38) 안쪽은 온실효과가 나타난다. 대부분의 열은 배면 쪽의 히트싱크(36)를 통해 한 방향으로만 빠져나간다. 이와 같은 일방향성 방열로 인해 방열효율이 낮다. 그 결과 LED 소자(32)는 앞에서 언급하였듯이 고온으로 과열되어 여러 가지 부작용들이 나타난다.

이처럼, LED 소자를 광원으로 채용한 종래의 조명장치들의 경우, 주 발열원인 LED 소자에서 발생한 열은 대부분이 리드프레임을 통해 LED 소자가 장착된 인쇄회로기판(PCB)을 거쳐 히트싱크로 빠져나간다고 본다. 그에 따라 LED 소자가 장착된 PCB와 히트싱크 간의 접촉면에 열전달 그리스(thermal grease)나 열전달 테이프로 접합한다. LED 소자의 나머지 부분(LED 소자 칩패키지의 측면과 리드프레임 일부)은 공기에 노출된다. 이러한 방열구조에 따르면, 공기의 열전달율이 아주 나쁘기 때문에 LED 소자에서 발생한 열의 대부분은 LED 소자 칩의 바닥면과 PCB를 거쳐 히트싱크를 통해 방열되고, 공기를 거쳐 히트싱크에 전달되어 방열되거나 바깥 공기로 직접 방열되는 열량은 미미하다. 이렇게 일방향성 열전달 경로이므로 열발산 속도가 아주 느리다. 그에 따라 LED 소자에서의 축열현상이 생겨 LED 소자가 과열된다. 과열로 인해 형광체가 열화되어 황변현상이 나타나고 칩 와이어의 단락 문제가 발생할 수 있다.

상기 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 LED 소자에서 발생한 열을 보다 신속하고 효율적으로 방열할 수 있는 LED 조명장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한 광원으로 채용된 LED 소자들 각각으로부터 열을 고르게 뺏어 그 LED 소자들의 광의 세기를 균일화 하면서 그 소자들 간의 수명 편차를 최소화 할 수 있는 LED 조명장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

본 발명은 또한 상기 LED 조명장치를 필요한 개수만큼 채용하여 구성할 수 있는 실내외용 조명장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 회로기판 상에 복수의 LED소자가 장착된 LED 광원부와, 상기 LED소자의 발광면이 노출되도록 상기 LED 광원부를 수용하는 광원수용부가 마련되고 상기 LED 광원부에서 발생한 열을 전달받아 대기 중으로 발산하는 히트싱크를 포함하는 LED 조명기구에 있어서, 열전달율이 공기보다 더 높은 열전도성 물질로 만들어지며, 상기 LED 광원부가 수용된 상기 광원수용부 내의 빈 공간에 충진되어 상기 LED 광원부와 접촉하는 부위로부터 열을 흡수하여 상기 히트싱크로 전달하는 열전달 충진제를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명기구가 제공된다.

상기 LED 조명기구에 있어서, 상기 열전달 충진제가 상기 광원수용부 내의 빈 공간을 남김없이 메우도록 충진되어, 상기 복수의 LED 소자 각각에서 상기 히트싱크까지 전달되는 열은 그 일부가 상기 회로기판을 통하여 상기 히트싱크에 이르는 경로를 통하고 나머지는 상기 열전달 충진제를 통하여 상기 히트싱크에 이르는 경로를 통하여 열전도로 전달되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 복수의 LED 소자들은 동일한 방열 조건을 갖는 것이 바람직하다. 상기 동일한 방열 조건은 각 LED 소자별로 주변의 열원(다른 LED 소자)의 배치조건, 히트싱크의 배치 조건, 그리고 열전달 충진제의 배치 조건을 동일하게 하는 것에 의해 확보될 수 있다.

상기 열전달 충진제는 상기 빈 공간 전부를 메우면서 상기 복수의 LED 소자 각각을 사방에서 포위하도록 충진되어 상기 LED 광원부에서 상기 광원수용부의 내벽까지 최단거리 열전달 경로를 형성하도록 하는 것이 바람직하다.

상기 동일한 방열 조건을 갖도록 하기 위한 한 가지 방안으로, 상기 LED 광원부는 상기 복수의 LED소자가 길게 연장된 상기 회로기판에 길이방향으로 1열 또는 2열로 배치되고, 상기 히트싱크가 각 LED 소자를 전방위로 최근거리에서 포위하는 것이 바람직하다.

상기 히트싱크는, 길이방향으로 길게 연장되고 한쪽 면의 길이방향으로 가운데 부분을 따라 터널 형태로 상기 광원수용부가 형성되고 상기 광원수용부에는 상기 LED 소자들의 발광면이 노출되도록 출광용 개구들이 마련된 기부(base)와, 열 발산 표면적을 극대화하기 위해 상기 기부의 바깥 면과 안쪽 면 중 적어도 어느 한쪽에서 임의의 높이로 돌출된 복수의 방열핀 또는 임의의 높이로 돌출되어 임의의 길이로 연장된 복수의 방열날개가 마련된 구조인 것이 바람직하다.

상기 히트싱크의 구조의 일예는, 상기 길이방향으로 길게 연장되고 한쪽 면의 길이방향으로 가운데 부분을 따라 홈이 형성된 제1 기부와, 상기 제1기부의 표면에 형성된 상기 복수의 방열핀 또는 방열날개의 적어도 일부를 포함하는 제1 히트싱크; 및 상기 길이방향을 따라 복수의 상기 출광용 개구들이 마련되고 상기 광원수용부의 개방된 상부 및 상기 제1 기부의 적어도 일부를 덮으면서 접합되어 터널 형태의 상기 광원수용부를 형성하는 제2히트싱크를 포함하는 것일 수 있다. 이 경우, 상기 제2히트싱크는 상기 출광용 개구들이 형성되고 상기 광원수용부의 개방된 상부 및 상기 제1 기부의 적어도 일부를 덮으면서 접합되는 제2기부와, 상기 제2기부의 표면에 형성된 상기 복수의 방열핀 또는 방열날개의 나머지 일부를 포함하는 것일 수 있다.

상기 히트싱크에 있어서, 상기 복수의 방열날개의 적어도 일부에는 방열날개들 사이로 공기가 통과할 수 있는 하나 이상의 좌우통풍구가 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 히트싱크의 상기 기부에는 상기 기부의 하방의 열이 상승할 수 있도록 하나 이상의 상하통풍구가 형성된 것이 바람직하다.

상기 LED 조명기구에 있어서, 상기 열전달 충진제는 공기보다 열전도성이 더 좋은 물질로서, 겔 상태의 물질이나 충진 후 경화되는 특성을 갖는 물질인 것이 바람직하다. 상기 열전달 충진제로는 열전도성 그리스와 열전도성 실리콘 중 적어도 어느 한 가지인 것이 바람직하다.

상기 LED 조명기구는 또한, 상기 히트싱크에서 노출된 상기 LED 소자의 발광면을 덮어 그 발광면을 보호하면서 그로부터 나오는 열을 바깥 공기와 상기 히트싱크 중 적어도 어느 하나로 전달하는 투명 열전달 보호부를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 투명 열전달 보호부는 상기 출광용 개구를 전부 메우면서 상기 LED 소자의 발광면에 도포되어 상기 발광면으로부터 열을 뺏어 상기 히트싱크와 바깥 공기로 전달하는 투명 열전도성 실리콘과, 상기 출광용 개구를 포함하여 그 주위의 히트싱크의 일부 표면에 접합되는 투명 보호필름 중 적어도 어느 한 가지인 것이 바람직하다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 의하면, 회로기판 상에 복수의 LED소자들이 동일한 방열조건을 갖도록 장착된 LED 광원부와, 상기 LED소자의 발광면이 아래쪽을 향하여 노출되도록 상기 LED 광원부를 수용하는 광원수용부가 마련되고 전달되는 열을 대기 중으로 발산하는 히트싱크와, 열전달율이 공기보다 더 높은 열전도성 물질이며 상기 LED 광원부가 수용된 상기 광원수용부 내의 빈 공간에 충진되어 상기 LED 광원부와 접촉하는 부위로부터 열을 흡수하여 상기 히트싱크로 전달하는 열전달 충진제와, 상기 히트싱크에서 노출된 상기 LED 소자의 발광면을 덮어 그 발광면을 보호하면서 그로부터 나오는 열을 바깥 공기와 상기 히트싱크 중 적어도 어느 하나로 전달하는 투명 열전달 보호부를 포함하며, 하나의 모듈 형태로 조립된 LED 광원모듈; 및 옆으로 나란히 복수 열로 배치된 복수의 상기 LED 광원모듈들을 위쪽을 덮으면서 붙잡아 고정하는 램프케이스부를 포함하며, 상기 복수의 LED 소자 각각에서 발생한 열은 그 일부가 상기 회로기판을 통하여 열전도로 상기 히트싱크에 전달되고, 나머지 일부는 상기 열전달 충진제를 통하여 열전도로 상기 히트싱크에 전달되고, 나머지 일부는 상기 투명 열전달 보호부를 통하여 열전도로 상기 히트싱크에 전달되거나 외부 공기에 직접 방열되는 것을 특징으로 하는 LED 조명기구가 제공된다.

또 한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 하나의 모듈로 결합된 상기 LED 조명기구가 복수 개 병렬 또는 직렬 또는 직병렬 혼합 형태로 배치된 광원모듈 세트; 및 상기 광원모듈 세트의 상기 복수 개의 LED 조명기구를 붙잡아 고정하면서 적어도 그 상부를 덮는 램프케이스부를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치가 제공된다.

상기 조명장치는 상용전원을 상기 LED 소자들을 구동하는 데 적합한 전원으로 변환하여 상기 회로기판으로 공급하는 전원부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 램프케이스부는 상기 광원모듈 세트를 덮는 커버로서 상기 커버에는 상기 LED 조명기구에서 방열되는 열이 바깥으로 신속히 배출될 수 있는 통풍구가 마련된 램프커버를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 램프케이스부는 옥내 또는 옥외 조명기구의 지주 또는 지지물에 연결하기 위한 지주연결브라켓을 더 포함하는 것이 바람직하다.

나아가, 상기 램프케이스부는 상기 광원모듈 세트를 덮는 램프커버를 포함하여, 상기 커버는 상기 광원모듈 세트의 각 LED 조명기구와는 분리되어 있어 직접적인 열전도가 일어나지 않는 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 열전달 충진제가 LED 광원부가 수용된 히트싱크의 광원수용부의 내부의 빈 공간을 전부 메우도록 채워진다. 또한 LED 소자의 앞쪽 출광면 위에 투명한 열전도성 물질이 도포되면서 광원수용부에 마련된 출광용 개구가 폐쇄된다. LED 소자에서 발생한 열의 상당부분이 열전달 충진제와 투명한 열전도성 물질을 통해 열전도로 히트싱크 및 바깥공기로 방열된다. 또한, 히트싱크가 최 근거리에서 각 LED 소자를 감싸는 형태로 구성되어, 열전달 충진제 및 투명한 열전도성 물질에 의한 열전도 경로가 최단거리화 된 구조이다. 이렇게 열전도성 물질이 LED 소자의 모든 접촉 부위로부터 열을 직접 흡수하여 열전도로 전방위적 최단경로를 통해 고르게 히트싱크로 전달함으로써, 방열이 매우 빠르게 그리고 효과적으로 이루어져 LED 소자의 과열이 예방되고 그에 따라 우수한 광학적 특성과 소자의 수명이 길어진다. 또한, LED 소자 하나 하나가 독립적이면서 거의 같은 방열 환경을 가지므로, LED 소자들 상호간에 열 간섭(중첩)이 적어 축열현상이 거의 없고, 또한 복수의 LED 소자들 간 온도 편차가 거의 없어 LED 소자들이 균일한 빛을 발산하고 그들의 수명 또한 안정적이고 균일하게 나타난다.

LED 소자들을 1열 또는 2열로 배치하므로, 각 LED 소자에 균일한 방열환경을 제공하기 위한 설계가 쉽고 LED 광원장치의 독립형 모듈화가 가능하다.

여러 개의 LED 광원모듈을 집합적으로 묶어서 조명장치를 구성한 경우, 특정 LED 소자가 고장을 일으켜도 그 조명장치 전체를 분해하여 수리하거나 교체할 필요가 없이, 그 고장 난 LED 소자가 속한 해당 광원모듈만 수리 내지 교체하면 되므로 유지보수가 용이하고 관리비용이 경감된다. 또한, LED 광원모듈들의 배치에 변화를 주어 조명장치의 디자인을 다양하게 할 수 있다.

또한, 상기 조명장치는 태양 빛을 가려주는 커버가 각 LED 광원모듈과 독립적으로 분리되어 있는 구조이므로 자동 점등 시스템 오작동으로 낮에 점등되더라도 LED 칩을 보호하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 일반적인 밀폐형 LED 옥외조명장치의 단면도이다.
도 2는 종래의 일방향 방열구조를 갖는 LED 조명장치의 단면도이다.
도 3 내지 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광원모듈(120)의 구성을 나타낸 것으로, 도 3(a)와 3(b)는 조립상태를 나타내는 사시도이고, 도 5는 LED 소자들이 1열로 배치된 LED 광원모듈(120)의 저면을 나타내며, 도 6은 도 2의 (a)의 절단선 A-A'에서 본 단면도이다.
도 7과 8은 각각 본 발명의 제2 실시예에 따른 광원모듈(220)의 구성을 나타낸 분해사시도와 조립사시도이다.
도 9와 10은 본 발명의의 제3 실시예에 따른 조명장치로서, 본 발명에 따른 광원모듈을 복수 개 묶어서 하나의 조명장치를 구성한 것이며, 도 9의 (a)와 (b)는 측면도와 저면도이고, 도 10은 도 9의(a)에서의 절단선 B-B'에서 본 단면도이다.
도 11의 (a)와 (b)는 각각 도 10의 조명장치(100) 2개 및 3개를 복수 개 방사상으로 연결하여 구성한 조명장치를 위에서 내려다본 평면도이다.
도 12의 (a)와 (b)는 각각 본 발명의 제2실시예에 따른 LED 광원모듈(220)을 복수 개 묶어서 하나의 조명장치를 구성한 다른 예를 나타내는 단면도와 저면도이다.
도 13의 (a)는 종래기술에 따른 LED 조명장치를 직접 촬영한 사진이며, (b)와 (c)는 각각 그 LED 조명장치의 구동초기와 구동 후 충분한 시간이 경과한 후에 각각 측정한 열화상 사진이다.
도 14의 (a)는 본 발명에 따른 LED 광원모듈(220)을 복수 개 병렬로 배치하여 구성된 LED 조명장치를 직접 촬영한 사진이며, (b)와 (c)는 각각 그 조명장치의 구동초기와 구동 후 충분한 시간이 경과한 후에 각각 측정한 열화상 사진이다.

1. 제1 실시예

도 3a와 3b 내지 6은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 LED 조명장치의 광원모듈(120)의 구조를 도시하는 사시도와 이의 분해사시도이다. 광원모듈(120)은 LED 광원부(105), 히트싱크(110), 그리고 열전달 충진제(126)를 포함하는 LED 조명기구이다.

LED 광원부(105)는 LED 구동에 필요한 회로 패턴이 형성된 PCB(124)에 장착된 복수의 LED소자(102)를 포함한다. PCB(124)의 회로 패턴은 전원공급부(후술함)와 연결되어 전력을 제공받아 각 LED 소자(102)에 구동전류를 공급한다. LED 소자(102)는 LED 칩(102a)과 그 위를 덮는 형광체로 된 발광면(102b)으로 구성되며, LED 칩(102a)에 전류가 흐르면 형광체에서 빛을 발생하여 발광면(102b)으로 그 빛이 출광된다. LED 광원부(105)는 LED 소자(102)의 앞쪽 발광면이 노출되도록 광원수용부(122) 안에 수용된다. 이 광원수용부(122)는 히트싱크(110)의 일부로서 마련된다. 히트싱크(110)는 발열원인 LED 광원부(105)에서 발생한 열을 전달받아 대기 중으로 신속히 발산할 수 있는 구조와 재질로 구성된다. 광원수용부(122)의 바닥면에는 LED 광원부(105)의 PCB(124)가 상업적으로 판매되고 있는 열전도성 그리스(thermal grease)나 열전도성 테이프 등으로 접합된다.

이러한 기본적인 구성에 더하여, 본 발명은 LED 광원부(105)가 광원수용부(122) 내에 수용되었을 때 생기는 공간을 공기로 채워진 자연 상태로 방치하지 않고, 열전달율이 공기보다 더 우수한 열전달 충진제(126)로 채워 넣는다는 데 중요한 특징을 갖는다. 열전달 충진제(126)는 열전도성 특성을 가지는 물질이라면 어느 것이나 무방하고, 충진 물질은 투명하거나 불투명한 물질 어느 것이나 가능하다. 열전달 충진제(126)로 사용될 수 있는 열전달 물질(thermal interface material)은 공기보다 열전도성이 더 좋은 물질로서, 빈 공간을 남김없이 채우기가 용이하며 취급이 용이한 겔 상태의 물질이나 충진 후 경화되는 특성을 갖는 물질이 바람직하다. 그 대표적인 예로는 탄소성분을 함유하는 열전도성 그리스, 열전도성 실리콘 등을 들 수 있다. 하지만 반드시 겔 상태일 필요는 없으며, 유연성이 있는 고체 상태나 또는 액체 상태의 물질이라도 열전도성이 좋고 전기적으로 절연성이 좋으면 채용될 수도 있을 것이다.

열전달 충진제(126)를 통한 방열효과를 극대화하기 위해, 광원수용부(122) 내의 빈 공간을 열전달 충진제(126)로 빈틈없이 전부 채우는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 열전달 충진제(126)는 PCB(124)는 물론이고 LED 소자(102)의 모든 측면과 리드프레임, 그리고 광원수용부(122)의 내벽 전체를 덮는다. 그러면 각 LED 소자(102)의 사방 측면에서 히트싱크(110)(즉, 광원수용부(122)의 내벽)까지는 열전달 충진제(126)를 통해 '열전도'에 의한 열전달 경로가 마련된다.

LED 소자(102)들은 실질적으로 동일한 방열 조건을 갖도록 하는 것이 바람직하다. LED 소자(102)들이 구성하는 광원모듈(120)의 수명은 LED 소자(102)들 중에서 가장 짧은 LED 소자의 수명에 의해 결정된다. 각 LED 소자(102)별 방열조건에 편차가 심할 경우 전체 LED 소자(102)들 중에서 수명이 일찍 마감하는 것들이 생기는데, 이는 결국 광원모듈(120)의 수명을 그 만큼 짧게 하는 결과를 초래하는 것이다. LED 소자(102)들 간의 방열조건이 동일하면, 발광 특성과 소자의 수명이 균일하게 되는 이점이 있다. 따라서 광원모듈(120)의 평균 수명도 그만큼 늘어나는 효과를 제공한다. LED 소자(102)들의 방열 조건은 각 LED 소자(102)별로 주변의 열원(다른 LED 소자)의 배치조건, 히트싱크(110)의 배치 조건, 그리고 열전달 충진제(후술함)의 배치 조건 등으로 결정될 수 있다. 이들 조건들이 각 LED 소자(102)별로 균일하게 되게 하여 동일한 방열조건을 제공한다.

또한, 각 LED 소자(102)와 히트싱크(110)는 가능한 한 근접되게 배치하여 각 LED 소자(102)에서 발생한 열을 최대한 빨리 히트싱크(110)로 전달할 수 있는 구조가 바람직하다. 이를 위한 방안으로 PCB(124)에 장착하는 전체 LED 소자(102)들을 1열로 배치하거나 또는 2열로 나란히 배치하는 것이 바람직하다. 이러한 배치는 LED 소자(102)들에게 동일한 방열조건을 제공하기 위한 방안으로서도 유리하다. 또한 각 LED 소자(102)에서 광원수용부(122)의 내벽까지의 거리를 가능한 한 짧게 하는 것도 열전달 충진제(126)에 의한 열전달 경로가 짧아져 신속한 방열에 유리하다.

물론 전체 LED 소자(102)들을 3열 이상으로 배치할 수도 있지만, 그 경우 각 LED 소자(102)가 동일한 방열조건을 갖도록 설계, 제작하는 것이 간단하지도 않을 뿐만 아니라, 동일한 방열조건에 관한 양보를 하지 않을 경우 PCB(124), 히트싱크(110) 등의 설계상의 비효율성이 유발된다.

PCB(124)도 LED 소자(102)들의 배치형태에 맞춰 직사각형으로 길게 마련한다. 1열 배치의 경우, 예컨대 LED 소자(102)들을 등간격으로 배치하면서 각 LED 소자(102)의 좌우에 히트싱크(110)와 열전달 충진제(126)가 대칭적으로 배치되도록 하면 된다. 2열 배치의 경우에도 각 LED 소자(102)별로 히트싱크(110)와 열전달 충진제(126)를 동일한 조건으로 배치할 수 있음은 자명하다. 그러나 3열 이상으로 배치하는 경우, 최외곽 열에 배치된 LED 소자(102)들은 그의 한 쪽 옆에만 다른 열의 LED가 배치되는데 비해 안쪽 열에 배치된 LED 소자들(102)은 그의 양 쪽 옆에 LED가 배치되므로 주변의 열원 배치 조건이 다르고, 또한 좌우 양방향으로 히트싱크까지의 거리 등에서 차이가 나므로, 바깥쪽 열에서 안쪽 열로 갈수록 LED 소자(102)들의 방열속도가 느려서 온도가 더 높게 나타난다.

히트싱크(110)는 LED소자(102)들의 앞쪽 발광면이 노출되도록 그 LED 광원부(105)를 수용하는 광원수용부(122)를 가진다. 히트싱크(110)는 LED 광원부(105)에서 발생한 열을 전달받아 대기 중으로 발산하기 좋도록 열전도성이 좋은 금속재(예컨대 알루미늄이나 이를 주원료로 한 알루미늄 합금, 또는 동이나 동을 주재료로 포함하는 동 합금 등)로 만드는 것이 바람직하다. 히트싱크(110)는 구조적으로는 길이방향으로 길게 연장된 기부(base)(111)와, 열 발산 표면적을 극대화하기 위해 그 기부(111)의 바깥 면과 안쪽 면 중 적어도 어느 한쪽에서 임의의 높이로 돌출된 복수의 방열핀(비도시) 또는 임의의 높이로 돌출되어 임의의 길이로 연장된 복수의 방열날개(112)가 마련된다. 기부(111)는 대략 긴 사각판재 모양이며, 그것의 한쪽 면에 길이방향으로 가운데 부분을 따라 터널 형태로 광원수용부(122)가 형성되고 그 광원수용부(122)에는 LED 소자(102)들의 발광면이 노출되도록 출광용 개구(119)들이 마련된다. 방열표면적을 넓게 하기 위한 수단으로 방열날개(112) 외에도 핀 형상으로 된 방열돌기(비도시)나 여러 가지 다양한 돌출형상의 구조체를 채용할 수 있음은 물론이다. 광원수용부(122)는 LED(102)의 형상에 따라 달라질 수 있으며, 직각, 원형, 타원형 등 어느 것이나 무방하다. 광원수용부(122)의 위치는 히트싱크(110)의 중앙에 위치시키는 것이 바람직하나 반드시 중앙에 한정될 필요는 없으며, 필요에 따라 좌우측으로 치우치게 두는 것도 가능하다. 아울러, 히트싱크(110)의 측면에는 측면에 커버를 설치할 경우 나사 고정을 위한 측면커버 체결홈(127)을 둘 수도 있다.

히트싱크(110)는 도 3a와 3b 및 4에 도시된 것처럼 제작상의 편의를 위해 LED 광원부(105)를 사이에 두고 상부 히트싱크(제1히트싱크)(110a)와 하부 히트싱크(제2 히트싱크)(110b)가 접합된 구조로 만들 수 있다. 물론, 히트싱크(110)는 일체형으로 만드는 것도 무방하다. 상부 히트싱크(110a)는 길이방향으로 길게 연장되고 한쪽 면의 길이방향으로 가운데 부분을 따라 기다란 직사각형 홈이 형성된 제1 기부(111a)와, 그 제1기부(111a)의 표면에 방열면적을 극대화하기 위해 형성된 복수의 방열핀 또는 방열날개(112)를 포함한다. 하부 히트싱크(110b)는 길이방향을 따라 복수의 출광용 개구(119)들이 마련되고 광원수용부(122)의 개방된 상부 및 제1 기부(111a)의 적어도 일부를 덮으면서 접합되어 터널을 형성하는 제2 기부(111b)를 포함한다. 제2기부(111b)의 표면에도 방열핀 또는 방열날개(112)가 마련될 수도 있다. 터널형으로 만들어진 광원수용부(122)는 그 안에 LED 광원부(105)를 수납하였을 때 열전달 충진제(126)를 채워 넣을 수 있는 여유 공간이 마련된다. 그 여유 공간은 각 LED 소자(102)의 사방 측면에 모두 마련되는 것이 바람직하다.

히트싱크(110)에 방열날개(114)를 형성하는 경우, 그 방열날개(114)들 사이로 공기가 통과할 수 있도록 방열날개(114)의 수직방향으로 관통하는 좌우통풍구(114a)가 형성되는 것이 바람직하다. 좌우통풍구(114a)는 모든 방열날개에 설치할 수도 있고, 가장 바깥쪽 날개에만 설치할 수도 있다. 또한, 히트싱크(110)의 기부(111)에는 히트싱크(110)의 아래쪽 열이 상승하여 바깥으로 원활하게 빠져나갈 수 있도록 하나 이상의 상하통풍구(114b)가 형성될 수도 있다. 이러한 좌우통풍구(114a) 및/또는 상후통풍구(114b)에 의해 히트싱크(110)는 외부 공기와 열교환을 더욱 빠르게 할 수 있어 방열이 더욱더 활성화된다.

위와 같은 구조에 의하면, LED 소자(102)들은 그 발광면이 출광용 개구(119)를 통해 외부에 노출되어 있기에 외부 환경으로부터 손상의 위험이 있다. 또한, 열전달 충진제(126)가 겔 상태인 경우 그 개구(119)의 틈새를 통해 누설될 염려도 있다. 또한 LED 소자(102)의 발광면으로부터도 열을 효과적으로 방열할 필요가 있다. 이러한 점들을 고려하여, 히트싱크(100)의 출광용 개구(119)를 통해 노출된 LED 소자(102)의 발광면(102b)을 덮으면서 그 출광용 개구(119)를 밀봉하여 그 발광면을 보호하면서 그로부터 나오는 열을 바깥 공기 및/또는 히트싱크(110)로 전달하는 투명 열전달 보호부를 더 포함하는 것이 바람직하다. 출광용 개구(119)를 봉쇄하는 물질로는 예컨대 투명한 열전도성 실리콘(128)을 사용하는 것이 바람직하다. 그 봉쇄에 의해 투명 열전도성 실리콘(128)이 출광용 개구(119)를 통해 노출된 LED 소자(102)의 발광면(102b)에 도포된다. 그리고 그 열전도성 실리콘(128)은 하부 히트싱크(110b)와도 직접 접촉되는 것이 더 바람직하다. 그러한 직접 접촉에 의해, 열전도성 실리콘(128)이 LED 소자(102)의 발광면(102b)으로부터 뺏은 열을 히트싱크(110)를 통해 신속하게 방열할 수 있기 때문이다. 이처럼 투명 열전도성 실리콘(128)은 LED 소자(102)의 발광면 표면에 직접 접촉하여 열을 효율적으로 방열시키므로 광원모듈(120)의 방열속도를 더욱 높여준다. 다른 방안으로, 투명 보호필름(129)으로 그 발광면(102b)을 덮는 방식으로 봉쇄할 수도 있다. 또한, 이 두 가지 방법을 혼용하는 방안 즉, LED 소자(102)의 발광면(102b)에 열전도성 실리콘(128)을 도포한 다음, 그것을 포함하여 그 주변 영역을 투명 보호필름(129)으로 더 덮는 방안도 가능하다. 이런 것들에 의해 LED 소자(102)를 보호하면서, 그 발광면(102b)으로부터 열을 흡수하여 바깥으로 발열한다.

이상에서 설명한 제1 실시예에 따른 광원모듈(120)의 방열 구조에 의하면 방열을 위한 수단들이 발열원을 중심으로 사방에 배치되어 공기와 접촉되기 때문에 방열 효율이 극대화된다. 즉, 주 발열원인 LED 소자(102)들은 전체 부위가 일부는 히트싱크(110), 다른 일부는 열전달 충진제(126), 또 다른 일부는 열전도성 실리콘(128), 그리고 또 다른 일부는 PCB(124)-열전달 접착제(비도시)와 직접 접촉되어 열전도를 통해 열을 1차로 빼앗기고, 열전달 충진제(126), 열전도성 실리콘(128), 그리고 PCB(124)-열전달접착제에 빼앗긴 열은 또한 2차적으로 히트싱크(110)로 전달되어 방열되어서, 전체적인 방열 메커니즘이 매우 효율적으로 구성된다. 어느 경로를 통하든지 열전도를 통해 외기로 방열되고, 열전도를 통한 전달이어서 LED 광원부(105)의 모든 지점에서 광원수용부의 내벽까지의 열전달은 사방으로 분산되어 이루어지나 각 방향의 열전도는 최단경로를 통하여 이루어진다. 이처럼 본 발명의 광원모듈(120)은 LED 소자(102)에서 발생한 열의 상당부분이 특히 LED 소자(102)들과 사방에서 직접 접촉하고 있는 열전달 충진제(126)를 통해서 그리고 이에 더하여 투명 열전도성 실리콘(128)을 통해서도 높은 열전도로 열을 히트싱크(110)까지 전방위로 분산 전달하는 열전달 메커니즘을 더 가지므로, 종래기술들에 비해 방열속도가 훨씬 더 빠르다.

2. 제2 실시예

도 7과 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광원모듈(220)을 도시한다. 이 광원모듈(220)은 기부(314)의 가운데 부분을 따라 길이방향으로 사각형 홈 형상으로 마련된 광원수용부(312)를 포함하는 히트싱크(310)를 갖는다. 그 광원수용부(312) 바닥에는 길이방향으로 길게 연장된 LED 광원부(105)의 PCB(124)가 열전달 접착제를 매개로 접착된다. 광원수용부(312)를 가운데 두고 기부(314)의 위와 좌우 양옆에서 다수의 방열날개(316)가 대칭적으로 마련된다. 히트싱크(310) 전체가 LED 광원부(105)를 가운데 두고 감싸면서 반사갓 모양을 취하는 형태이다. LED 광원부(105)가 수용된 광원수용부(312)의 개방된 상부는 수용부 덮개(320)로 덮는다. 수용부 덮개(320)에는 출광용 개구(322)들이 LED 소자(102)들의 위치에 대응하여 마련된다. 그 출광용 개구(322)는 제1실시예와 마찬가지로 열전도성 실리콘(128)으로 밀봉된다. 수용부 덮개(320)로 덮인 광원수용부(312) 내부 공간은 전부 열전달 충진제(126)로 채운다. 수용부 덮개(320)의 바닥면 및 광원수용부(312) 내벽은 열전달 충진제(126)와 직접 접촉한다. 수용부 덮개(320)의 출광용 개구(322)의 내벽은 열전도성 실리콘(128)과 직접 접촉한다. 히트싱크(310)와 수용부 덮개(320)는 열전도성이 우수한 금속재를 사용하여 만든다.

따라서 열전달 충진제(126)는 각 LED 소자(102)의 사방 측면과 PCB(124)에서 발생하는 열의 상당부분을 빼앗아 히트싱크(310)와 수용부 덮개(320)로 전달하여 외기로 방열되도록 한다. 또한 열전도성 실리콘(128) 역시 각 LED 소자(102)의 발광면으로부터 열을 뺏어 직접 외기로 방열하거나 또는 수용부 덮개(320)로 전달한다. 수용부 덮개(320)도 결국 히트싱크로서 역할을 한다(이런 관점에서 히트싱크(310)를 상부 히트싱크로, 수용부 덮개(320)를 하부 히트싱크로 볼 수 있다). 이러한 방열 메커니즘은 앞의 실시예 1과 거의 같다.

광원모듈(220)은 수용부 덮개(320) 위를 덮는 보호필름(330)을 더 포함할 수도 있다. 또한, 히트싱크(310)의 길이방향의 양끝에는 히트싱크(310), LED 광원부(105), 수용부 덮개(320)를 하나의 모듈로 조립하는 조립캡(340)이 나사결합(342, 344)된다. 그리고 PCB(124)는 LED 구동전원을 공급하는 전원부(134)에 연결되는 전선(350)이 연결된다.

3. 제3 실시예

앞에서 설명한 제1 실시예 및/또는 제2 실시예에 따른 광원모듈(120, 220)은 구동전원이 PCB(124)에 공급되기만 하면 정상적으로 동작하여 발광을 하는, 그 자체로서 완전한 하나의 조명기구이지만, 용도에 맞게 이들을 복수 개 조합하여 더 큰 조명장치(100)를 구성할 수도 있다. 도 9와 10에 도시된 제3 실시예에 따른 조명장치(100)는 그러한 구성에 관한 것이다.

조명장치(100)는 4개의 광원모듈(120)을 한 세트로 구성한 광원모듈 세트(130)와, 이들을 한 세트로 묶어서 지지하는 램프케이스부(150)를 포함한다. 4개의 광원모듈(120)을 한 세트로 구성한 것은 일예에 불과하고, 광원모듈 세트(130)는 하나 이상의 광원모듈(120 및/또는 220)로 구성할 수 있음은 물론이다. 램프케이스부(150)는 LED 광원모듈 세트(130)와 전원부(134)를 고정하기 위한 틀의 역할을 하면서 외부의 눈, 비, 안개, 습기, 햇빛 등 광원모듈 세트(130)와 전원부(134)를 열화시킬 수 있는 요인으로부터 이들을 보호하기 위한 보호부로서의 역할을 한다. 구체적으로, 복수 개의 광원모듈(120)은 램프케이스(140) 안에 옆으로 나란히 배치되고(병렬 배치) LED 소자(102)의 발광면이 아래쪽으로 향하게 하면서 고정되어 광원모듈 세트(130)를 구성한다. 복수 개의 광원모듈(120)은 필요에 따라 직렬 또는 직병렬 혼합형으로 배치될 수도 있다. 램프케이스(140)는 하면이 투명하거나 각 광원모듈(120)이 위치하는 부분이 개방된다. 램프케이스(140)는 필요에 따라 그 형상을 다양하게 설계할 수 있다.

이 광원모듈 세트(130)는 광 반사갓 형태의 램프커버(142)로 덮인다. 램프커버(142)에는 광원모듈(120)에서 발열된 열이 바깥으로 신속히 배출될 수 있도록 하기 위한 통풍구(143)가 마련될 수도 있다. 특히 램프커버(142)는 광원모듈 세트(130)의 각 LED 광원모듈(120 또는 220)과는 분리되어 있어 직접적인 열전도가 일어나지 않도록 구성된다. 옥외에서는 램프커버(142)가 태양 빛을 가려주는 역할을 하면서도, 태양 빛에 달궈진 열을 각 LED광원모듈(120 또는 220)에 직접 열전도로 전달하지 않는다. 자동 점등 시스템 오작동으로 낮에 점등되더라도 LED 칩이 과열되는 것을 보호해준다.

램프커버(142)의 상부 일 측에는 연결부재(146)가 결합되어 그 내부에 수용공간을 마련한다. 그 연결부재(146)에는 예컨대 가로등과 같은 조명기구의 지주와 연결하기 위한 지주연결브라켓(144)이 연결된다. 또한 연결부재(146)의 내부 공간에는 지주연결브라켓(144)을 통해 상용전원에서 연장된 전선과 이에 연결되어 광원모듈(120)의 구동을 제어하는 콘트롤러(145)가 수납된다. 그 콘트롤러(145)는 전원부(134)의 일부 또는 전부이다. 전원부(134)는 상용전원을 LED 소자(102)가 구동하여 빛을 발생시키는데 적합한 전원으로 변환하여 PCB(124)에 공급하는 전원공급장치를 말한다. 전원부(134)는 교류-직류 변환기, 직류-직류 변환기, 직류-교류 변환기, 교류-교류 변화기 어느 것이나 될 수 있다.

또한, 필요에 따라서는 도 10의 조명장치(100)를 도 11에 도시된 바와 같이 2개 또는 3개를 한 세트로 연결하여 예컨대 가로등과 같은 조명장치로 사용할 수 있을 것이다. 예컨대 복수의 조명장치(100)를 방사상으로 배치하고 각각의 지주연결브라켓(144)을 지주연결브라켓 수용부(148)에 한 몸체가 되도록 결합하여 한 세트의 조명장치를 구성할 수 있다. 그 한 세트의 조명장치의 지주연결브라켓 수용부(148)를 예컨대 가로등 지주(비도시)에 연결하면 가로등 조명장치(비도시)가 구성될 것이고, 예컨대 다른 지지물(비도시)에 연결하여 실내외의 각종 조명장치로 구성될 수도 있다.

위와 같은 본 발명에 따른 조명장치(100)는 LED 광원모듈, 램프커버, 전원부가 각각 독립적인 구조와 역할을 하고 조합이 자유로운 구조이어서 디자인 응용폭이 크다. 또한, 빛 조사 분포 범위를 상황에 맞게 조절하기 쉬우며 제작비가 적게 든다.

당업자라면 이상의 설명을 바탕으로 본 발명에 따른 광원모듈(120, 220)을 이용하여 여러 가지로 다양한 형태의 조명장치를 구성할 수 있을 것이다. 도 12는 또 다른 조명장치의 구성예를 보여준다. 제2실시예에 따른 광원모듈(220) 5개를 옆으로 나란히 배치하여 반사갓 형태의 램프케이스(240) 안에 고정한 구조이다. 각 광원모듈(220)의 하면에는 투명한 광원보호커버(230)로 덮여있다. 램프케이스(240)의 상부에는 다른 조명용 지지기구에 연결될 수 있도록 연결부재(235)가 마련된다.

4. 본 발명 및 종래기술에 따른 조명장치들의 방열 특성 비교

LED소자에서 공기를 통해 히트싱크까지 열전달이 이루어지도록 구성된 종래기술들과 열전달 충진제(126)의 전방위적 열전도 작용에 의해 열전달을 하는 본 발명 간의 열전달속도를 비교해 보았다. 도 13의 (a)는 도 1에 도시된 종래기술에 따라 구성된 LED 조명장치의 저면을 직접 촬영한 사진이며, (b)와 (c)는 각각 그 LED 조명장치의 구동초기와 구동 후 충분한 시간이 경과한 후에 각각 측정한 열화상 사진이다. 또한, 도 14의 (a)는 본 발명의 도 7에 도시된 LED 광원모듈(220)을 복수 개 병렬로 배치하여 도 12에 도시된 형태로 구성된 LED 조명장치(260)를 직접 촬영한 사진이며, (b)와 (c)는 각각 그 조명장치의 구동초기와 구동 후 충분한 시간이 경과한 상태에서 각각 측정한 열화상 사진이다.

종래기술에 따른 LED 조명장치에 관한 열화상 사진(도 13의 (b)와 (c))에 따르면, LED 소자의 구동시간이 경과함에 따라 LED 소자와 히트싱크 간의 온도차가 점점 더 커지는데, 이는 효과적인 방열이 되지 않기 때문이다. 구체적인 온도 데이터를 살펴보면, LED 소자를 구동하기 시작한 초기에는 LED 소자와 히트싱크의 온도는 각각 49.5℃와 37.5℃로 측정되어 이들 간의 온도 차이는 12℃이었다. 그리고 구동 후 충분한 시간이 경과한 상태에서는 LED 소자와 히트싱크는 온도가 각각 56℃와 34.7℃로 변하였으며 그들 간의 온도 차이도 21.3℃가 되어 더 커졌음을 확인할 수 있었다. 이 측정 결과는 구동시간이 경과함에 따라 LED 소자가 과열되었고 히트싱크를 통한 방열이 효율적으로 이루어지지 못하였음을 의미한다.

이에 비해, 본 발명에 따른 LED 조명장치에 관한 열화상 사진(도 14의 (b)와 (c))에 따르면, LED 소자의 구동시간이 경과하더라도 온도색상에 거의 변화가 없음을 확인할 수 있는데, 이는 전체적으로 효과적인 방열이 이루어지고 있음을 의미한다. 구체적인 온도 데이터를 보면, LED 소자를 구동하기 시작한 초기에 LED 소자와 히트싱크의 온도는 각각 36.2℃와 27.5℃로 측정되었고 이들 간의 온도 차이는 8.7℃로 계산되었다. 그리고 구동 후 충분한 시간이 경과한 상태에서는 LED 소자와 히트싱크는 온도가 각각 37.5℃와 28.0℃로 측정되었고 양자의 온도 차이는 9.5℃로 계산되었다. LED 소자와 히트싱크는 각각 구동 초기에 비해 불과 1.3℃와 0.5℃밖에 상승하지 않았음을 알 수 있다. 이러한 측정 결과는 구동시간이 경과하더라고 LED 소자에서 발생한 열이 히트싱크를 통해 신속하게 방열되어 LED 소자가 거의 과열되지 않음을 의미한다. 결국, 열화상 사진을 통해서도 본 발명이 훨씬 더 우수한 방열속도를 나타냄을 확인할 수 있었다. 당연히 LED 소자의 수명도 본 발명이 더 길게 된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

조명장치로서 특별히 적용상의 제한 없이 널리 이용될 수 있다. 예컨대 옥외나 옥내 조명장치, 건축용 인테리어 조명은 물론, 광고용 디스플레이나 LCD의 백라이트용과 같은 다양한 용도의 조명장치로 널리 사용될 수 있다.

100: 조명장치 102: LED 소자
105: LED 광원부 110, 310: 히트싱크
110a: 상후 히트싱크 110b: 하부 히트싱크
112, 316: 방열날개 114a: 좌우통풍구
114b: 상하통풍구 122, 312: 광원수용부
124: PCB 126: 열전달 충진제
128: 투명 열전달 실리콘 120, 220: 광원모듈
130: 광원모듈 세트 134: 전원부
142: 램프커버 143: 통풍구
144: 지주연결브라켓 150: 램프케이스부
140, 240: 램프케이스 146, 235: 연결부재
320: 수용부 덮개 322: 출광용 개구

Claims

회로기판 상에 복수의 LED소자가 장착된 LED 광원부와, 상기 LED소자의 발광면이 노출되도록 상기 LED 광원부를 수용하는 광원수용부가 마련되고 상기 LED 광원부에서 발생한 열을 전달받아 대기 중으로 발산하는 히트싱크를 포함하는 LED 조명기구에 있어서,
열전달율이 공기보다 더 높은 열전도성 물질로 만들어지며, 상기 LED 광원부가 수용된 상기 광원수용부 내의 빈 공간에 충진되어 상기 LED 광원부와 접촉하는 부위로부터 열을 흡수하여 상기 히트싱크로 전달하는 열전달 충진제를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명기구.
제1항에 있어서, 상기 열전달 충진제가 상기 광원수용부 내의 빈 공간을 남김없이 메우도록 충진되어, 상기 복수의 LED 소자 각각에서 상기 히트싱크까지 전달되는 열은 그 일부가 상기 회로기판을 통하여 상기 히트싱크에 이르는 경로를 통하고 나머지는 상기 열전달 충진제를 통하여 상기 히트싱크에 이르는 경로를 통하여 열전도로 전달되는 것을 특징으로 하는 LED 조명기구.
제1항에 있어서, 상기 복수의 LED 소자들은 동일한 방열 조건을 갖는 것을 특징으로 하는 LED 조명기구.
제3항에 있어서, 상기 동일한 방열 조건은 각 LED 소자별로 주변의 다른 LED 소자의 배치조건, 히트싱크의 배치 조건, 그리고 열전달 충진제의 배치 조건을 동일하게 하는 것에 의해 확보되는 것을 특징으로 하는 LED 조명기구.
제1항에 있어서, 상기 열전달 충진제는 상기 빈 공간 전부를 메우면서 상기 복수의 LED 소자 각각을 사방에서 포위하도록 충진되어 상기 LED 광원부에서 상기 광원수용부의 내벽까지 최단거리 열전달 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 LED 조명기구.
제1항에 있어서, 상기 LED 광원부는 상기 복수의 LED소자가 길게 연장된 상기 회로기판에 길이방향으로 1열 또는 2열로 배치되고, 상기 히트싱크가 각 LED 소자를 전방위로 최근거리에서 포위하는 것을 특징으로 하는 LED 조명기구.
제1항에 있어서, 상기 히트싱크는, 길이방향으로 길게 연장되고 한쪽 면의 길이방향으로 가운데 부분을 따라 터널 형태로 상기 광원수용부가 형성되고 상기 광원수용부에는 상기 LED 소자들의 발광면이 노출되도록 출광용 개구들이 마련된 기부(base)와, 열 발산 표면적을 극대화하기 위해 상기 기부의 바깥 면과 안쪽 면 중 적어도 어느 한쪽에서 임의의 높이로 돌출된 복수의 방열핀 또는 임의의 높이로 돌출되어 임의의 길이로 연장된 복수의 방열날개가 마련된 구조인 것을 특징으로 하는 LED 조명기구.
제7항에 있어서, 상기 히트싱크는, 상기 길이방향으로 길게 연장되고 한쪽 면의 길이방향으로 가운데 부분을 따라 홈이 형성된 제1 기부와, 상기 제1기부의 표면에 형성된 상기 복수의 방열핀 또는 방열날개의 적어도 일부를 포함하는 제1 히트싱크; 및 상기 길이방향을 따라 복수의 상기 출광용 개구들이 마련되고 상기 광원수용부의 개방된 상부 및 상기 제1 기부의 적어도 일부를 덮으면서 접합되어 터널 형태의 상기 광원수용부를 형성하는 제2 히트싱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명기구.
제8항에 있어서, 상기 제2히트싱크는 상기 출광용 개구들이 형성되고 상기 광원수용부의 개방된 상부 및 상기 제1 기부의 적어도 일부를 덮으면서 접합되는 제2기부와, 상기 제2기부의 표면에 형성된 상기 복수의 방열핀 또는 방열날개의 나머지 일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명기구.
제7항에 있어서, 상기 복수의 방열날개의 적어도 일부에는 방열날개들 사이로 공기가 통과할 수 있는 하나 이상의 좌우통풍구가 형성된 것을 특징으로 하는 LED 조명기구.
제7항에 있어서, 상기 히트싱크의 상기 기부에는 상기 기부의 하방의 열이 상승할 수 있도록 하나 이상의 상하통풍구가 형성된 것을 특징으로 하는 LED 조명기구.
제1항에 있어서, 상기 열전달 충진제는 공기보다 열전도성이 더 좋은 물질로서, 겔 상태의 물질이나 충진 후 경화되는 특성을 갖는 물질인 것을 특징으로 하는 LED 조명기구.
제1항에 있어서 상기 열전달 충진제는 열전도성 그리스와 열전도성 실리콘 중 적어도 어느 한 가지인 것을 특징으로 하는 LED 조명기구.
제7항에 있어서, 상기 히트싱크에서 노출된 상기 LED 소자의 발광면을 덮어 그 발광면을 보호하면서 그로부터 나오는 열을 바깥 공기와 상기 히트싱크 중 적어도 어느 하나로 전달하는 투명 열전달 보호부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명기구.
제14항에 있어서, 상기 투명 열전달 보호부는 상기 출광용 개구를 전부 메우면서 상기 LED 소자의 발광면에 도포되어 상기 발광면으로부터 열을 뺏어 상기 히트싱크와 바깥 공기로 전달하는 투명 열전도성 실리콘과, 상기 출광용 개구를 포함하여 그 주위의 히트싱크의 일부 표면에 접합되는 투명 보호필름 중 적어도 어느 한 가지인 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명기구.
하나의 모듈로 결합된 상기 제1항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에 따른 상기 LED 조명기구가 복수 개 병렬 또는 직렬 또는 직병렬 혼합 형태로 배치된 광원모듈 세트; 및
상기 광원모듈 세트의 상기 복수 개의 LED 조명기구를 붙잡아 고정하면서 적어도 그 상부를 덮는 램프케이스부를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
제 16항에 있어서, 상용전원을 상기 LED 소자들을 구동하는 데 적합한 전원으로 변환하여 상기 회로기판으로 공급하는 전원부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
제16항에 있어서, 상기 램프케이스부는 상기 광원모듈 세트를 덮는 커버로서 상기 커버에는 상기 LED 조명기구에서 방열되는 열이 바깥으로 신속히 배출될 수 있는 통풍구가 마련된 램프커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
제16항에 있어서, 상기 램프케이스부는 옥내 또는 옥외 조명기구의 지주 또는 지지물에 연결하기 위한 지주연결브라켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
제16항에 있어서, 상기 램프케이스부는 상기 광원모듈 세트를 덮는 램프커버를 포함하여, 상기 커버는 상기 광원모듈 세트의 각 LED 조명기구와는 분리되어 있어 직접적인 열전도가 일어나지 않는 것을 특징으로 하는 조명장치.
회로기판 상에 복수의 LED소자들이 동일한 방열조건을 갖도록 장착된 LED 광원부와, 상기 LED소자의 발광면이 아래쪽을 향하여 노출되도록 상기 LED 광원부를 수용하는 광원수용부가 마련되고 전달되는 열을 대기 중으로 발산하는 히트싱크와, 열전달율이 공기보다 더 높은 열전도성 물질이며 상기 LED 광원부가 수용된 상기 광원수용부 내의 빈 공간에 충진되어 상기 LED 광원부와 접촉하는 부위로부터 열을 흡수하여 상기 히트싱크로 전달하는 열전달 충진제와, 상기 히트싱크에서 노출된 상기 LED 소자의 발광면을 덮어 그 발광면을 보호하면서 그로부터 나오는 열을 바깥 공기와 상기 히트싱크 중 적어도 어느 하나로 전달하는 투명 열전달 보호부를 포함하며, 하나의 모듈 형태로 조립된 LED 광원모듈; 및
옆으로 나란히 복수 열로 배치된 복수의 상기 LED 광원모듈들을 위쪽을 덮으면서 붙잡아 고정하는 램프케이스부를 포함하며,
상기 복수의 LED 소자 각각에서 발생한 열은 그 일부가 상기 회로기판을 통하여 열전도로 상기 히트싱크에 전달되고, 나머지 일부는 상기 열전달 충진제를 통하여 열전도로 상기 히트싱크에 전달되고, 나머지 일부는 상기 투명 열전달 보호부를 통하여 열전도로 상기 히트싱크에 전달되거나 외부 공기에 직접 방열되는 것을 특징으로 하는 LED 조명기구.
제21항에 있어서, 상기 LED 광원부는 상기 복수의 LED소자가 길게 연장된 상기 회로기판에 길이방향으로 1열 또는 2열로 배치되고, 상기 히트싱크가 각 LED 소자를 전방위로 최근거리에서 포위하는 것을 특징으로 하는 LED 조명기구.