KR20120039224A - 엘이디 조명 램프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LED(Light Emitting Diode) 조명 램프에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 LED 조명 램프는 히트싱크(heat-sink) 상면의 COB(Chip on Board) 타입의 단색광 LED 칩과, 단색광 LED 칩으로부터 공간부를 사이에 두고 이격하여 위치하는 백색광 변환용 형광체 필터와, 백색광 변환용 형광체 필터의 상방 주변부에 위치하는 리플렉터로 구성되며, 본 발명에 따른 LED 조명 램프는 LED 칩의 방열 특성 저하로 인한 LED 램프의 수명 단축 문제를 효과적으로 해소함과 아울러, 상대적으로 단수명이고 고가인 고휘도 백색 LED의 사용 필요성 없이 상대적으로 장수명의 고휘도 청색 LED나 보라색 LED 또는 자외선 LED로부터 간단하고도 저렴하게 조명용 백색광을 얻을 수 있어 경제성이 높으며, 원하는 색온도를 가지는 백색광으로의 교체 시 램프 전체의 교환 필요 없이 사용자나 시공자가 간단하고 용이하게 원하는 색온도의 백색광을 구현할 수가 있고, 선택적으로는 렌즈를 사용하지 아니함에 따른 투과율 저하를 방지함으로써 상대적으로 높은 조도 및 휘도를 나타낼 수가 있음과 아울러, 눈부심 현상을 효과적으로 제거함으로써 보다 안온한 분위기의 조명을 구현할 수가 있다.

Description

엘이디 조명 램프{LED LAMP HAVING REFLECTOR}

본 발명은 LED(Light Emitting Diode: 발광소자) 조명 램프에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 칩 실장 보드(chip on board) 타입의 LED에 있어서 칩 표면에 백색광 변환용 형광체를 직접 피복 또는 몰딩함으로써 발생되는 방열 특성의 저하로 인한 LED 수명 단축 문제 및 렌즈 사용으로 인한 투과율 저하에 따른 저휘도 문제를 개선함과 아울러, 상대적으로 단수명이고 고가인 고휘도 백색 LED의 사용 필요성을 제거하고 장수명의 고휘도 청색 LED나 보라색 LED 또는 자외선 LED로부터 간단하고도 저렴하게 조명용 또는 디스플레이용 백색광을 얻을 수 있어 경제적 효용성을 효과적으로 구현 가능함과 동시에, 원하는 색온도의 백색광으로 교체를 위하여 램프 전체를 교환할 필요 없이 생산자가 아닌 사용자나 시공자가 간단하고 용이하게 필터만을 교체하는 것에 의하여 원하는 색온도의 다양한 백색광을 구현할 수가 있으며, 선택적으로는 조명으로 이용 시 고휘도 LED 조명으로 인한 눈부심 현상을 효과적으로 완화시켜 보다 온화하고 안락한 조명을 얻을 수 있는 리플렉터(reflector)를 구비한 LED 조명 램프에 관한 것이다.

LED는 반도체의 p-n 접합 구조를 이용하여 주입된 소수 캐리어(전자 또는 정공)를 형성시키고 이들의 재결합에 의하여 소정 파장의 광을 발산하는 소자로서, GaAsP 등을 이용한 적색 발광소자, GaP 등을 이용한 녹색 발광소자, InGaN/AlGaN 더블 헤테로 구조를 이용한 청색 발광소자 등 다양한 종류가 알려져 있다.

LED는 광 변환 효율이 높으므로 소비전력이 상대적으로 매우 낮으며, 광원이 소형이므로 소형화, 박형화 및, 경량화에 적합하면서도 무한 확장 설치가 가능하고, 휘도가 초기의 약 80%에 도달할 때까지의 저감 여명을 일컫는 수명이 반영구적으로 매우 길며(청색, 보라색, 또는 자외선 LED의 경우 대략 100,000 시간의 수명을 가지며 백색 LED의 경우 대략 30,000 시간의 수명), 열적 또는 방전 발광이 아니므로 예열이 불필요하여 응답 속도가 대단히 신속하고, 점등회로가 간단하며, 방전용 기체 및 필라멘트를 사용하지 않으므로 내충격성이 크고 안전하며 환경오염 유발 요인이 적고, 고(高)반복 펄스 동작이 가능하며, 시신경의 피로가 덜하고, 풀 칼라의 구현이 가능하다는 장점이 있어서, 고급 실내외 조명용으로 널리 사용되고 있으며, 특히 종래 LED의 일반적인 문제점이었던 저휘도 문제를 개선한 고휘도 LED가 상업적 규모로 시판됨으로 인하여 그 용도 및 사용처는 급속히 확대되고 있다.

특히 백색 LED는 실내외 고급 조명용으로 매우 유용하므로 그 사용 빈도가 급격히 증대되고 있어 형광등에 의한 백열전구의 시장 축출과 마찬가지로 머지않은 장래에 형광등을 대체하여 조명등의 대부분을 차지할 것으로 예상되고 있으며, 현재 LED 조명 시장은 매년 급속히 성장하고 있어 2012년경에 이르러서는 세계 시장 규모는 120억 달러를 상회할 것으로 전망되고 있다.

LED에 있어서 백색을 구현하는 방식은 크게 두 가지로 대별될 수 있다.

먼저, 고전적인 방식으로서 적색, 녹색, 청색의 3가지 LED를 인접하게 조합하고 각 소자의 발광을 혼색하여 백색을 구현하는 것이나, 상기한 3가지 LED 칩은 서로 열적, 시간적 및, 색온도 특성이 상이하므로 사용 환경에 따라 색조가 변화되고 색 얼룩이 발생할 염려가 있는 등 제품의 광학적 특성 및 신뢰성이 열등하다는 문제점이 있음과 아울러, 제작비용이 상대적으로 높고 구동회로가 복잡하여 제품의 크기가 커진다는 문제점으로 인하여 현재는 거의 사용되고 있지 않은 실정이다.

따라서 근자에는 다양한 형광체를 백색 이외의 단색 LED 칩의 표면에 직접 코팅하거나 또는 단색 LED 칩을 직접 몰딩하여 형성되는 렌즈 내에 균질하게 분산시킴으로써 단색 LED 칩에 의한 1차 발광의 일부와 형광체에 의해 파장 변환된 2차 발광의 혼색에 의해 백색을 구현하는 방식이 주로 이용되고 있다.

그러나 이러한 종래의 방법은 청색, 보라색, 또는 자외선 LED의 표면에 직접 형광체를 코팅하거나 또는 그 주변부나 렌즈부에 형광체를 혼합하여 몰딩(molding)하는 방법을 사용하고 있으므로, 방열 특성이 저하되어 LED의 열화로 인하여 LED의 수명이 약 1/3 이하로 현저하게 단축된다는 문제점이 있으며, 특히 형광체의 대단히 균질한 코팅 또는 분산 분포가 이루어지지 않으면 발광 색조가 불균질하게 된다는 문제점이 있고 형광체의 균질한 코팅 또는 분산 분포를 달성하기 상당히 곤란하다는 심각한 문제점이 있다.

널리 실용화된 가장 전형적인 형태의 백색 LED는 InGaN계 청색 LED에 황색 형광체(일반적으로는 이트륨-알루미늄-가넷: Y₃Al₅O₁₂ : Ce, YAG계 화합물)를 코팅하거나 또는 몰딩하여 상기 청색 LED의 청색광이 YAG 황색 형광체를 여기(exciting)시켜 상기 청색 LED의 좁은 피크를 갖는 청색광과 YAG 계 황색 형광체에 의한 넓은 피크의 황색광으로 된 단 2파장역을 보강간섭(complementary)시켜 인간의 눈에 백색광으로 인식되게 한 것이다.

그러나 이 백색광은 완전한 상보 관계에 있지 않은 두 파장의 광이 혼합된 것으로서 가시광선 영역의 일부 스펙트럼만을 보유할 뿐이므로 연색성이 60~75 정도로서 전체적으로 자연광에 가까운 백색광으로 인식되지 못하므로 일반 실내조명용으로는 그다지 만족스럽지 못하며 일반적으로 청색 LED는 약 405㎚의 여기광원에 가장 높은 효율을 나타내는 반면 YAG계 형광체는 450~460nm의 청색광에 여기되므로 휘도가 낮고, 특히 YAG계 형광체의 코팅 또는 몰딩에 있어 균질하고도 일정한 분산성을 담보하기 곤란하므로 백색광의 휘도 및 분광 분포 등에 있어 제품의 균일성과 재현성이 낮으며 LED 수명도 현저히 단축된다는 문제점이 있다.

다른 형태의 백색 LED는 상기한 청색 LED와 YAG계 형광체에 의한 백색 LED가 갖는 문제점을 해결하기 위해 여기광원으로서 250㎚ 내지 390㎚ 파장의 고휘도 UV LED를 사용하고 적색, 녹색 및 청색 형광체를 조합함으로써 연색성이 높은 3 파장의 자연색에 가까운 백색광을 구현하는 방법이 제안되어 있으나, 청색과 녹색 형광체는 만족스러운 발광효율을 나타내지만 적색 형광체의 발광효율이 떨어진다는 문제점과 함께, 각각의 형광체의 균질한 혼합 및 그 균질한 분포를 정밀 제어하기가 용이하지 않으며 방열 특성의 저하에 따른 LED 칩의 수명 단축 문제가 있고, 특히 자외선 LED는 강한 에너지를 갖는 자외선이 유기 수지를 열화시킬 뿐만 아니라 LED 수명을 현저히 단축시킨다는 문제점이 있다.

또 다른 형태의 백색 LED는 390㎚~410㎚ 파장의 보라색 LED를 사용하고 적색, 청색, 및 녹색 형광체를 조합함으로써 백색광을 구현하는 것으로서, 고휘도 보라색 LED는 미국의 크리코퍼레이션(Cree Corporation)에 의해 상업적으로 구입 가능하며 390~410㎚ 범위의 자색광에 의해서 적색, 청색 및 녹색 형광체가 고르게 발광하여 비교적 자연스러운 3파장의 백색광을 내는 것으로 알려져 있으나, 각각의 형광체의 균질한 혼합 및 그 균질한 분포를 정밀 제어하기가 용이하지 않으며 방열 특성의 저하에 따른 LED 칩의 수명 단축을 피할 수는 없다는 문제점이 있다.

백색 LED소자로부터 방출되는 백색광의 특성에 영향을 미치는 요소로서는, 예컨대, LED로부터의 방출광의 세기, LED로부터의 방출광과 형광체에 의해 형광 변환된 광의 조합 적성, 형광체의 성분 및 함량과 형광체의 분산 상태 등을 들 수 있으며, 이들 요소에 의해 방출광은 상당한 영향을 받는다.

우수한 발광 특성을 갖는 백색 LED를 얻기 위해서는 형광체가 투광성 매트릭스 수지 중에 균질하게 분산되어야 하나, 제조 과정에서 매트릭스 수지가 완전히 경화되기도 전에 비중이 훨씬 큰 형광체(형광체의 종류에 따라 다르나 비중은 약 3.8~6.0)가 비중이 작은 투광성 매트릭스 수지(에폭시 수지의 경우 비중 약 1.1~1.5)의 하부에 침전되므로 우수한 광 특성을 갖는 백색광을 얻기 곤란하며, 형광체의 분산도를 정밀하게 제어하는 것과 2종 이상의 형광체를 혼합 사용할 경우 전체적으로 균질한 혼합 분포를 달성한다는 것이 결코 용이하지 않으므로 양질의 백색 LED 장치를 제조하기가 용이하지 않으며 제조 재현성도 좋지 않다는 문제점이 있다.

한편, 고출력 및 고효율의 백색 LED 조명 램프는 고유의 높은 발열 특성으로 인하여 광학 출력 특성이나 효율의 저하 및, 수명 단축과 주변 부품이나 소자의 열화를 초래하게 되므로 히트싱크(heat sink) 또는 히트스프레더(heat spreader)에 의한 충분한 방열이 중요한 문제로 대두되고 있으며, 따라서 LED 조명 램프는 방열성 향상을 위하여 히트싱크나 히트스프레더를 본체 외표면에 노출시키는 한편, 그 크기 또는 면적을 증대시키는 방식을 채택하고 있기는 하나, 청색, 보라색, 또는 자외선 LED의 표면에 형광체를 직접 도포하거나 또는 그에 몰딩 형성시킨 렌즈 중에 균질하게 혼입시킴으로써 백색광을 구현하는 종래의 구조로서는 칩의 방열 특성 저하로 인한 LED 칩의 열화와 수명 단축은 불가피한 것으로 인식되어 왔다.

종래 기술에 관한 전술한 문제점을 전제로 하여, 종래의 리플렉터를 구비한 몇 가지 LED 램프에 관하여 설명하기로 한다.

도 6은 종래의 전형적인 청색 LED 칩과 황색 발광 형광체를 사용한 램프 형태의 백색 LED(10′)를 도시한 단면도로서, 그 구조는 LED 칩(14)이 안착되는 리플렉터부(13)가 형성된 마운트 리드(11)와 그에 이격한 인너 리드(12)를 가지며, 상기한 LED 칩(14)의 n 전극과 p 전극은 각각 도전성 와이어(15)에 의해 상기한 마운트 리드(11)와 인너 리드(12)에 전기적으로 접속되고, 상기한 LED 칩(14)은 형광체가 균질하게 혼합된 내열성 투명 수지(16)로 몰딩됨과 아울러, 전체적으로 발광의 지향성 향상을 위한 봉함형 렌즈부(17)가 몰딩 형성된다.

도 7은 한국특허 제0944008호에 제안되어 있는 백색 LED 램프(10″)에 대한 단면 모식도로서, 리플렉터(13)의 저면에 패키지 기판(미도시)을 개재하여 실장되는 단색광 LED 칩(14)과 상기한 단색광 LED 칩(14) 주변을 몰딩하여 형성되는 투명 수지 봉지부(17)와 상기한 투명 수지 봉지부(17)의 상면에 형성되는 형광층(16)과 다시 그 상면에 형성되는 광 투과층(18)으로 구성되며, 상기한 형광층(16)은 투명수지(도면부호 미부여)에 형광체(16a)가 균질하게 분포된 층이고, 상기한 광 투과층(18)은 전반사가 일어나는 임계각을 증가시키기 위하여 표면에 반구 형상의 엠보싱 패턴을 형성하는 구형 입자(18a)들로 구성된다.

도 8은 한국등록실용신안 제0426124호에 제안된 렌즈 프리(lens-: 렌즈 비사용) 형태의 백색 LED 램프(′″)를 도시한 단면도로서, 열전도성 플라스틱제 케이스(19)와, 입력측 및 출력측 전극(11,12)을 가지는 PCB 어셈블리(14b)와, 열전도성 플라스틱제의 방열판(14a)과, 형광체 도포 LED(14)와, 리플렉터(13)로 구성된다.

그러나 전술한 바와 같은 종래의 백색 LED 램프(10′,10″,10′″)는 어느 것이나 단색광 LED 칩 주변을 형광체 혼입 투명 수지로 몰딩한 것이거나 또는 투명 수지 몰딩 후 그 상면에 형광체 층을 몰딩 형성시킨 형태로서, LED 칩의 방열 특성 저하로 인한 수명 단축은 피할 수 없는 문제임과 아울러, 사용자가 원하는 색온도의 백색광 조명으로 교체를 원할 경우 전체를 교환하여야만 한다는 문제점이 있다.

따라서 상기한 바와 같은 종래 기술의 본질적인 문제점을 극복한 새로운 형태의 백색 LED 조명 램프의 개발이 당업계에 요망되어 왔다.

따라서 본 발명의 첫 번째 목적은 LED 칩의 방열 특성 저하로 인한 LED 램프의 수명 단축 문제를 효과적으로 해소한 LED 조명 램프를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 두 번째 목적은 상대적으로 단수명이고 고가인 고휘도 백색 LED의 사용 필요성을 제거하고, 상대적으로 장수명의 고휘도 청색 LED나 보라색 LED 또는 자외선 LED로부터 간단하고도 저렴하게 조명용 백색광을 얻을 수 있어 경제적 효용성을 효과적으로 구현 가능한 LED 조명 램프를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 세 번째 목적은 상기한 제반 목적에 더하여 원하는 색온도를 가지는 백색광으로의 교체 시 램프 전체의 교환 필요 없이 사용자나 시공자가 간단하고 용이하게 원하는 색온도의 백색광을 구현할 수가 있는 LED 조명 램프를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 네 번째 목적은 전술한 제반 목적에 더하여 높은 조도 및 휘도를 나타내는 LED 조명 램프를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다섯 번째 목적은 전술한 제반 목적에 더하여 눈부심 현상이 효과적으로 제거되어 보다 온화하고 안락한 조명을 구현할 수가 있는 LED 조명 램프를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 첫 번째 및 두 번째 목적을 원활히 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 양태(樣態)에 따르면, 히트싱크 상면의 COB(Chip on Board) 타입의 단색광 LED 칩과, 상기한 단색광 LED 칩으로부터 공간부를 사이에 두고 이격하여 위치하는 백색광 변환용 형광체 필터와, 상기한 백색광 변환용 형광체 필터의 상방 주변부에 위치하는 리플렉터로 구성되는 LED 조명 램프가 제공된다.

본 발명의 첫 번째 및 두 번째 목적을 원활히 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 다른 일 양태에 따르면, 상기한 백색광 변환용 형광체 필터가 링 형상의 하우징 내에 장착되는 LED 조명 램프가 제공된다.

본 발명의 첫 번째 및 두 번째 목적을 원활히 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 또 다른 일 양태에 따르면, 상기한 하우징의 측면 하방에 복수의 측향 방열구를 가지는 LED 조명 램프가 제공된다.

본 발명의 첫 번째 및 두 번째 목적을 원활히 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 여전히 또 다른 일 양태에 따르면, 상기한 백색광 변환용 형광체 필터가 내열성 투명 수지와 그에 균질하게 분산 분포되어 있는 형광체로 구성되는 LED 조명 램프가 제공된다.

본 발명의 세 번째 목적을 원활히 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 양태에 따르면, 상기한 하우징이 상기한 리플렉터의 하단부에 나사 결합 또는 강제 압입 또는 양면 접착테이프에 의해 결착되는 분리형으로 형성되어 있는 LED 조명 램프가 제공된다.

본 발명의 네 번째 목적을 원활히 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 양태에 따르면, 전술한 구성에 있어서 렌즈를 포함하지 않는 구조의 LED 조명 램프가 제공된다.

본 발명의 다섯 번째 목적을 원활히 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 양태에 따르면, 상기한 백색광 변환용 형광체 필터가 내열성 투명 수지와 그에 균질하게 분산 분포되어 있는 형광체 및 광확산체로 구성되는 LED 조명 램프가 제공된다.

본 발명에 따른 LED 조명 램프는 LED 칩의 방열 특성 저하로 인한 LED 램프의 수명 단축 문제를 효과적으로 해소함과 아울러, 상대적으로 단수명이고 고가인 고휘도 백색 LED의 사용 필요성 없이 상대적으로 장수명의 고휘도 청색 LED나 보라색 LED 또는 자외선 LED로부터 간단하고도 저렴하게 조명용 백색광을 얻을 수 있어 경제적 효용성을 효과적으로 구현 가능하며, 원하는 색온도를 가지는 백색광으로의 교체 시 램프 전체의 교환 필요 없이 사용자나 시공자가 간단하고 용이하게 원하는 색온도의 백색광을 구현할 수가 있고, 선택적으로는 렌즈를 사용하지 아니함에 따른 투과율 저하를 방지함으로써 상대적으로 높은 조도 및 휘도를 나타낼 수가 있으며, 또한 선택적으로는 눈부심 현상을 효과적으로 제거함으로써 보다 안온한 분위기의 조명을 구현할 수가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 LED 조명 램프의 측단면도이다.
도 2는 도 1의 분해 조립 상태 설명도이다.
도 3은 본 발명에 적용 가능한 리플렉터의 평면도이다.
도 4는 본 발명에 적용 가능한 COB의 평면도이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명에 적용 가능한 필터 하우징에 대한 예시 단면도이다.
도 6은 종래의 전형적인 LED 램프에 대한 예시 구조 단면도이다.
도 7은 종래의 리플렉터 실장형 Led 램프에 대한 구조 단면도이다.
도 8은 종래의 렌즈 프리 타입 LED 램프의 구조 단면도이다.

이하, 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 1 및 도 2는 각각 본 발명에 따른 LED 조명 램프(1)의 측단면도 및 분해 조립 상태 설명도로서 편의상 함께 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 LED 조명 램프(1)는 단색광 LED 칩(2a)이 회로 기판 상에 실장된 COB(Chip on Board)(2)와, 그 저면의 히트싱크(3)와, 상기한 단색광 LED 칩(2a)으로부터 공간부(4)를 사이에 두고 이격하여 위치하는 백색광 변환용 형광체 필터(5)와, 상기한 백색광 변환용 형광체 필터(5)의 상방 주변부에 위치하는 리플렉터(8)로 구성된다.

본 발명에 있어서는 상기한 단색광 LED 칩(2a) 상에 직접 투명 수지를 몰딩하거나 또는 그 표면에 직접 백색광 변환용 형광체를 도포하지 않는 일 없이, 상기한 단색광 LED 칩(2a)은 그대로 두고 상기한 공간부(4)를 격하여 백색광 변환용 형광체 필터(5)를 배치하는 구성은 상기한 단색광 LED 칩(2a) 표면으로부터의 방열 저해를 제거함과 동시에, 상기한 공간부(4)를 통한 원활한 방열을 가능케 하며, 더욱이 형광체에 의한 빛의 후방산란 시 밀한 매질에서 소한 매질로의 입사각은 법선으로부터 멀어지는 방향이 되므로 LED 소자의 손상을 저감시킴으로써 발광 모듈의 안정화에 기여하게 되고, 결과적으로 상대적으로 고가이며 단수명인 백색 LED의 사용 필요성 없이 상대적으로 저가이고 장수명인 단색광 LED 칩(2a)을 이용하여 보다 용이하게 원하는 색온도의 백색 조명을 구현할 수가 있게 된다.

상기한 단색광 LED 칩(2a)은 복수개의 청색 LED, 보라색 LED, 또는 자외선 LED의 어느 하나일 수 있으며, 그 수효 및 배열은 본 발명에 있어서 임의적이다.

또한 상기한 히트싱크(3)는 알루미늄과 같은 방열 특성이 양호한 금속재로 형성되며, 은(Ag) 충진 에폭시 등과 같은 열전도성 접착제에 의하여 다수의 도전성 트레이스가 형성된 회로 기판(도면 부호 미부여)의 저면에 부착된다.

상기한 히트싱크(3)는 도시된 바와 같이 평판상으로 형성될 수도 있으나, 필요하다면 그 하방으로 다수의 방열핀을 형성할 수도 있음은 물론이다.

한편, 상기한 백색광 변환용 필터(5)는 링 형상의 하우징(6) 내에 장착되나, 상기한 하우징(6)의 형태는 본 발명에 있어서 제한적이지 않으며 임의 선택적이다.

또한 상기한 하우징(6)의 측면 하방에 복수의 측향 방열구(후술하는 도 5a 및 도 5b에서의 도면부호 6d 참조)를 형성함으로써 방열특성의 향상을 도모하는 것이 바람직할 수 있다.

상기한 하우징(6)은 상기한 리플렉터(8)의 하단부에 나사 결합 또는 강제 압입 또는 양면 접착테이프에 의해 결착되는 분리형으로 형성된다.

이와 같이 백색광 변환용 필터(5)가 장착되는 하우징(6)을 일체형이 아닌 분리형으로 제작함으로써, 사용자가 특정한 색온도를 가지는 백색광, 예컨대 약 3000K 정도의 색온도를 가지는 백열등과 유사한 따뜻한 백색(온백색), 또는 약 4000K 정도의 색온도를 가지는 백색, 또는 약 5000K 정도의 색온도를 가지는 주백색, 또는 약 6700K 정도의 색온도를 가지는 주광색 중 특정한 색온도의 조명을 원하거나 교체를 희망할 경우 상기한 백색광 변환용 필터(5)가 장착되는 하우징(6)만을 교체하는 것에 특정한 색온도를 가지는 조명을 간단하고도 용이하게 구현할 수가 있게 된다.

상기한 백색광 변환용 형광체 필터(5)는 내열성 투명 수지와 그에 균질하게 분산 분포되어 있는 형광체로 구성되며, 선택적으로는 광확산체를 더욱 포함할 수도 있으나, 이에 대해서는 뒤에서 다시 구체적으로 언급하기로 한다.

또한 필요하다면, 도시하지는 않았지만 상기한 백색광 변환용 형광체 필터(5)의 저면에, 예컨대, 500㎚ 이하의 파장의 광은 통과시키고 그 이상의 파장의 광은 반사시키는 굴절율 1.4~1.6의 이색성 필터를 위치시킬 수도 있다. 상기한 이색성 필터는 형광체가 존재하는 쪽의 상면에 네오디움 또는 홀미늄과 같은 유전층을 형성함으로써 형광체에 의한 빛의 후방산란에 의한 LED 소자의 손상을 저감시킴으로써 발광 모듈의 안정화에 기여하여 LED 소자의 수명 증대를 도모할 수도 있다.

본 발명에 따른 LED 조명 램프(1)는 원칙상 도시된 바와 같은 렌즈 프리(lens-free) 타입이나, 원한다면 상기한 백색광 변환용 형광체 필터(5)의 상방에 통상의 렌즈(미도시)를 장착할 수도 있음은 물론이며, 이 또한 본 발명의 영역 내이다.

이어서, 도 3에 나타낸 본 발명에 적용 가능한 리플렉터(8)의 평면도를 함께 참조하여 이에 대해 설명하면, 도시된 예에서의 리플렉터(8)는 상하 2개의 원형 단턱(8a)을 가지며 내주연부에는 종방향으로 파형부(8b)가 형성되어 있어 빛의 반사가 균질하게 이루어질 수 있도록 형성된다.

상기한 리플렉터(8)는 상단 개구부(8d)와 하단 개구부(8c)를 가지며, 그 외주연 하단부에는 히트싱크(3)와의 고정에 이용하기 위한 고정부(8e)를 형성할 수도 있다.

상기한 리플렉터(8)는 금속 소재로 형성할 수도 있기는 하지만 경량화 및 성형 용이성 측면에서 수지 소재로 몰딩 형성한 후, 그 내주면(또한 필요하다면 외주면도 포함)을 알루미늄이나 은, 또는 크롬 등을 진공 증착시킴으로써 반사경화한 것이다.

그러나 본 발명에 있어서 상기한 리플렉터(8)의 형태나 재질, 그리고 치수 등은 임의 선택적이다.

이어서 본 발명에 적용 가능한 COB(2)의 평면도를 나타내는 도 4를 함께 참조하여 이에 대해 설명하면, 히트싱크(3) 상에 부착된 상기한 COB(2)의 중앙에는 복수개의 단색광 LED 칩(2a)가 소정의 형태 및 수효로 배열되며, 그 주변부에는 원형 돌출부(2e)를 형성하여 전술한 하우징(6)의 저면부 내주연과 밀접하게 접촉하도록 형성된다.

COB(2)의 일 구성요소인 PCB(2d)의 표면은 절연성 도막으로 피복되며, + 단자부(2b)와 - 단자부(2c)는 외부로 절연 없이 노출된다.

도시된 예에서는 히트싱크(3)에 고정공(3a)과 고정홈(3b)이 형성된 경우를 나타내고 있으며, 이는 히트싱크(3)상에 부착된 COB(2)의 대응개소에도 마찬가지로 형성된다.

다시 도 1 및 도 2로 환원하여 전체적인 구성에 대하여 설명하면, 상부에 리플렉터(8)가 위치하고, 바로 그 아래에는 내주연부에 형성된 삽입홈(6a)에 백색광 변환용 필터(5)가 장착되고 상면의 압입 홈(6b)에 의해 상기한 리플렉터(8)의 하단과 강제 압입 결착되는 링 형상의 하우징(6)이 배치되며, 다시 그 하방에는 히트싱크(3)가 부착된 COB(2)가 예컨대 중앙에 개구를 가지는 양면 접착테이프(7)를 개재(介在)하여 부착된 다음, 상기한 히트싱크(3)에 형성된 고정공(3a)을 통하여 고정수단(9)이 삽입되고 상기한 리플렉터(8)의 고정부(8e)에 견고하게 고정된다.

여기서, COB(2)에 형성된 원형 돌출부(2e)의 외주연은 하우징(6)의 하단 내주연부(도 5a 및 도 5b에서의 도면부호 6e 참조)에 밀착되며, 이때 단색광 LED 칩(2a)의 상면과 백색광 변환용 필터(5) 사이에는 공간부(4)가 형성되도록 함으로써, 단색광 LED 칩(2a)이 자신의 방열에 의해 열화(劣化)되는 것을 효과적으로 방지할 수가 있다.

이에 대해 본 발명에 적용 가능한 하우징(6)에 대한 각각의 예시 단면도인 도 5a 및 도 5b를 참조하여 부연하면, 비록 이에 한정되는 것은 아니지만 상하 개구(도면부호 미도시)를 가지는 링 형태의 하우징(6)의 내주연부 중앙에는 백색광 변환용 필터(5)를 장착하기 위한 삽입 홈(6a)이 형성되고 상기한 삽입 홈(6a)의 하방에 복수개의 측향 방열구(6d)를 형성함으로써 단색광 LED 칩(2a)으로부터 방산되는 열의 원활환 외부 배출을 유도하는 것이 바람직하다.

한편 하우징(6)의 리플렉터(8)에 대한 결착은 도 5a의 경우에는 나사부(6c)에 의한 나사결합(이 경우 리플렉터(8)의 하단 외주연부에도 나사부(미도시)를 형성) 구조를, 그리고 도 5b의 경우에는 단턱(6f)에 의한 강제 압입 결착 구조를 각각 나타낸다.

이어서, 전술한 백색광 변환용 필터(5)에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에 적용되는 백색광 변환용 필터(5)는 내열성 투명 수지 25~98중량%와, 형광체 2~75중량%로 구성되며, 상기한 단색광 LED 칩(2a)이 청색 LED 칩인 경우 상기한 형광체는 황색 형광체 단독 또는 황색 및 적색의 혼합 형광체를 사용할 수 있으며, 황색 및 적색의 혼합 형광체를 사용할 경우 그 혼합비는 제한적인 것은 아니지만 일반적으로는 중량비로 1:0.05~0.35의 범위이다.

형광체의 총 중량이 전 조성물 중량 기준으로 2중량% 미만인 경우에는 스펙트럼 강도가 낮아짐과 동시에 원활한 백색화가 곤란하여 조명광의 시인성을 해칠 우려가 있으므로 바람직하지 못하며, 역으로 75중량%를 초과하면 경제적이지 못할 뿐만 아니라 니딩(kneading)에 문제를 초래하며 휘도가 지나치게 저하될 우려가 있으므로 역시 바람직하지 못하다.

또한 선택적으로 연색성을 높이기 위하여 녹색 형광체를 포함시킬 수도 있다.

본 발명에 적용되는 백색광 변환용 필터(5)에 사용되는 매트릭스(matrix) 수지로서는 투명성과 내열성이 양호한 것이라면 본 발명에 있어 특별한 제한은 없지만, 바람직한 내열성 투명 수지로서는 실리콘(silicon) 수지, 폴리메칠 펜텐(polymethyl pentene) 수지, 폴리에테르 설폰(polyether sulfon) 수지, 폴리에테르 이미드(polyether imide) 수지, 폴리아릴레이트(polyarylate) 수지 및, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacylate) 수지 중 어느 1종, 또는 우레탄 아크릴레이트, 에폭시 아크릴레이트, 폴리에스터 아크릴레이트 및, 아크릴 아크릴레이트와 같은 UV 경화형 수지 어느 1종을 사용할 수 있으며, 이들 매트릭스 수지의 첨가량은 백색광 변환용 필터(5)의 전 중량 기준으로 25~98중량%, 바람직하게는 30~90중량%의 범위이다.

이들 내열성 투명 수지의 함량이 25중량% 미만인 경우에는 투명성이 열등하게 되고 니딩(kneading)에 문제를 초래하며 산란에 의한 후광 효과로 인하여 휘도가 지나치게 저하될 우려가 있으므로 바람직하지 못하며, 역으로 98중량%를 초과하는 경우에는 형광체에 의한 백색광 변환 효과가 미흡하게 될 우려가 있으므로 역시 바람직하지 못하다.

한편, 상기한 UV 경화형 수지 모두는 당업계에 있어 자외선에 의해 중합이 개시되는 내열성의 투명한 수지로서 관용되는 것들이며, 다른 내열성 투명 수지 역시 공지된 것들이므로 이에 대한 부연 설명은 생략하기로 한다.

한편, 단색광 LED 칩(2a)으로서 보라색 LED 칩 또는 자외선 LED 칩을 이용할 경우에도 위와 마찬가지이지만, 이 경우에는 청색 대역의 파장을 방사시킬 필요가 있으므로 청색 형광체를 첨가할 필요가 있으며, 이 경우 황색 형광체, 적색 형광체, 녹색 형광체 및, 청색 형광체의 혼합비는 제한적인 것은 아니지만 중량비로 1:0.05~0.35:0.01~0.20:0.10~0.30의 범위가 일반적이다.

상기한 황색 형광체로서는 250~450nm에서 여기되어 545~580nm 범위의 파장을 방사하는 것이라면 특별한 제한은 없으며, 황색 형광체로서는 예컨대 (YGd)₃Al₅O₁₂: Ce, (YGd)₃(AlGa)₅O₁₂: Ce, Sr₂Ga₂S₅:Eu^{2 +}, Sm₃Al₅O₁₂:Ce, Tb₃Al₅O₁₂:Ce, (Sr_1-x-yBa_xCa_y)₂SiO₄:Eu²⁺F(0≤x≤0.8, 0≤y≤0.8), (Y_1-rSmr, Gd_1-rSmr)₃ (Al_1-sGa_s)₅O₁₂:Ce(0≤r＜1, 0≤s≤1), (Y_1-x-y-zCe_xTb_yGd_z)₃Al₅O₁₂(0.008≤x≤0.05, 0.005≤y≤0.06, 0.01≤z≤0.06, x+y+z＜0.21), (Sr_1-x-y(Mg,Ca,Ba)_x)₂SiO₄:Eu_y, (Sr_1-x-y(Mg,Ca,Ba,Ra)_x)₂SiO₂:Eu_y (0≤x<1, 0.001≤y≤0.3, Z는 1~5), Ca_0.75Eu_0.25Si_8.625Al_3.375O_1.125N_14.87, (Ca,Sr,Mg,Ln)SiAlN_w-δO_δ :Ce³⁺ (W=3, 0≤δ＜3) 및, (Mn,Ce,Eu,Gd,Tb,Yb,Lu)La₃Si₈N₁₁O₄를 들 수 있다.

한편, 고휘도성 측면에서는 (YGd)₃Al₅O₁₂: Ce, (YGd)₃(AlGa)₅O₁₂: Ce, Sm₃Al₅O₁₂:Ce, Tb₃Al₅O₁₂:Ce, (Al_{1 - s}Ga_s)₅O₁₂:Ce(0≤r＜1, 0≤s≤1), (Y_{1 -x-y- z}Ce_xTb_yGd_z)₃Al₅O₁₂ (0.008≤x≤0.05, 0.005≤y≤0.06, 0.01≤z≤0.06)와 같은 알루미네이트계 형광체를 보조적으로 사용하는 것도 바람직할 수 있다.

또한 상기한 적색 형광체는 250~450nm에서 여기되어 630~700nm범위의 파장을 방사하는 것이라면 특별한 제한은 없으며, 예컨대 Y₂O₂S:Eu,Gd, Li₂TiO₃: Mn, LiAlO₂: Mn, 6MgOㆍAs₂O₅:Mn⁴⁺, 3.5MgOㆍ0.5MgF₂ㆍGeO₂: Mn⁴⁺, Ba_1.746Ca_2.134Si₆N_10.08O_0.92:Eu_0.04, Ce_0.08Sr₃SiO₅:Eu, CaS:Eu, Sr_xBa_yCa_1-x-yAlSiN₃:Eu(0≤x+y≤1, 0≤x,y≤1), Sr_xBa_yCa_2-x-yS:Eu(0≤x+y≤2), Y(Ba,Sr,Ca)_1-xEu_xaSi_bO_cN_d(0<x<1, 1.8<a<2.2, 4.5<b<5.5, 0≤c<8, 0<d≤8 및 0<c+d≤8)를 들 수 있다.

또한 상기한 녹색 형광체는 첨가된다면 250~450nm에서 여기되어 500~540nm 범위의 파장을 방사하는 것이라면 특별한 제한은 없으며, 예컨대 ZnS:Cu,Al, Ca₂MgSi₂O₇:Cl, Y₃(Ga_xAl_1-x)₅O₁₂: Ce(0<x<1), La₂O₃ㆍ11Al₂O₃: Mn, Ca₈Mg(SiO₄)₄C_l2: Eu, Mn, Sr₂SiO₄:Eu, Ba₂SiO₄:Eu, Ca₂SiO₄:Eu, SrGa₂S₄:Eu, BaGa₂S₄:Eu, CaGa₂S₄:Eu, Sr₂Ga₂S₅:Eu, SrAl₂S₄:Eu, BaAl₂S₄:Eu, Sr₂Al₂S₅:Eu, Ba₂MgSi₂O₇:Eu, Ba₂ZnSi₂O₇:Eu, BaAl₂O₄:Eu, SrAl₂O₄:Eu, BaMgAl₁₀O₁₇:Eu, Mn²⁺, 및 BaMg₂Al₁₆O₂₇:Eu,Mn²⁺, (Ca,Sr,Mg,Ln)SiAlN₂O:Ce³⁺, Eu_{0 .0029}Si_{0 .40427}Al_{0 .0121}O_{0 .02679}N_{0 .5539}를 들 수 있다.

또한 본 발명에 있어서 단색광 LED 칩(2a)으로서 보라색 LED 칩 또는 자외선 LED 칩을 이용할 경우에 첨가되어야 하는 청색 형광체는 250~450nm에서 여기되어 420~480nm범위의 파장을 방사하는 것이라면 특별한 제한은 없으며, 예컨대 Sr₃MgSi₂O₈:Eu, Ba₃MgSi₂O₈:Eu, SrS:Ce, CaS:Ce, CaAl₂S₄:Eu, (Sr,Ba,Ca)₅(PO₄)₃Cl:Eu, BaMg₂Al₁₆O₂₇:Eu, Sr₄Al₁₄O₂₅:Eu, BaAl₈O1₃:Eu, (Sr,Mg,Ca,Ba)₅(PO₄)₃Cl:Eu, BaMgAl₁₀O₁₇:Eu, Sr₂Si₃O₈₂SrCl₂:Eu 및, Ce_0.000951Si_0.40894Al_0.021715O_0.0014265N_0.566968를 들 수 있다.

상기한 형광체 또는 형광체 혼합물을 이용한 백색광 변환용 필터(5)는 필터 자체로서 또는 필터 표면에의 UV 코팅층 또는 필름 형태로 적용되며, 이에 의해 생산자가 아닌 시공자나 사용자가 직접 저렴한 비용으로 간단하고도 용이하게 원하는 색온도의 조명으로 변경 교체 가능하다는 장점이 있음은 물론, 조명의 수명을 상당히 연장시킬 수가 있으므로 대단히 경제적이다.

부연하면, 상기한 백색광 변환용 필터(5)는 전술한 매트릭스 수지상 에 형광체 혼입 UV 코팅층으로서 도포 적용하면 형광체 사용량의 저감으로 경제적일 뿐만 아니라 휘발성 유기휘발물이 거의 생성되지 않으므로 친환경적이며, 열경화형보다 생산성이 현저히 높고, 형성된 도막은 높은 내스크래치성(anti-scratch property)을 가지며, 필요할 경우 당업계 공지의 대전방지제나 방오제(防汚劑) 등을 첨가함으로써 정전기 발생 방지성 또는 내오염성을 용이하게 부여할 수도 있다.

또한 얻어지는 백색광은 사용자의 기호나 원하는 분위기 등과 같은 다양한 조명 조건에 맞추어 간단하고도 용이하게 3000?7000K의 색온도 범위 내에서 적절히 조절될 수 있음은 물론이다.

한편, 본 발명에 있어서 선택적으로 첨가될 수도 있는 광확산체의 예로써는, 실리콘 수지(silicon resin: 굴절율 1.43), 폴리아크릴레이트(polyacrylate: 굴절율 1.49), 폴리우레탄(polyurethane: 굴절율 1.51), 폴리에틸렌(polyethylene: 굴절율 1.54), 폴리프로필렌(polypropylene: 굴절율 1.46), 나일론(Nylon: 굴절율 1.54), 폴리스티렌(polystyrene: 굴절율 1.59), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate: 굴절율 1.49), 폴리카보네이트(polycarbonate: 굴절율 1.59) 등의 호모 중합체나 이들의 단량체의 공중합체 등과 같은 유기계 광확산제와; 실리카(silica: 굴절율 1.47), 알루미나(alumina: 굴절율 1.50?1.56), 글래스(glass: 굴절율 1.51), 탄산칼슘(CaCO3: 굴절율 1.51), 탈크(talc: 굴절율 1.56), 마이카(mica: 굴절율 1.56), 황산바륨(BaSO4: 굴절율 1.63), 산화아연(ZnO: 굴절율 2.03), 산화세슘(CeO2: 굴절율 2.15), 이산화티탄(TiO2: 굴절율 2.50?2.71), 산화철(2.90) 등의 무기계 광확산제, 또는 이들의 임의의 혼합물을 들 수 있다.

상기한 광확산체는 첨가할 경우 평균 입경 0.2?30㎛, 바람직하게는 0.5?5㎛, 특정하게는 1.0?3.5㎛인 것이 사용되며, 그 첨가량은 조성물 전 중량 기준으로 0.01?10.0중량%, 바람직하게는 0.1?5.0중량%이다.

광확산체의 평균 입경이 0.2㎛ 미만일 경우에는 투명성이나 투광성이 열등하게 될 우려가 있어 바람직하지 아니하며 역으로 30㎛를 초과하는 경우에는 형광체의 여기가 불충분하거나 균일하지 못하게 될 우려가 있어 마찬가지로 바람직하지 못하다.

상기한 광확산체의 백색광 변환용 필터(5) 전 중량에 대한 첨가량이 0.01 중량% 미만에서는 소기의 광확산 효과를 얻기 곤란하며, 역으로 10.0중량%를 초과하면 투명성이나 투광성이 열등하게 될 우려가 있어 바람직하지 아니하다.

상기한 평균 입경 0.2?30㎛, 바람직하게는 0.5?5㎛, 특정하게는 1.0?3.5㎛의 광확산체가 0.01~10중량%, 바람직하게는 0.1~5중량%의 양으로 첨가될 경우, 내열성 투명 매트릭스 수지의 함량은 그 첨가량만큼 저감하여 제어하되 형광체의 함량은 불변이다.

한편, 본 발명에 따른 LED용 광합성 촉진 조성물을 UV 코팅층으로 적용할 경우, 그 도막 두께는 제한적인 것은 아니지만 일반적으로는 1~250㎛, 바람직하게는 3~100㎛ 정도이다.

한편 전술한 매트릭스 수지 중에 형광체를 균질하게 혼입시키는 경우 상기한 백색광 변환용 필터(5)의 두께는 본 발명에 있어 제한적인 것은 아니지만 0.5mm~5mm 범위일 수 있다.

지금까지 본 발명에 대하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 예증하기 위한 것일 뿐 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니며, 당업자라면 본 발명의 영역으로부터 일탈하는 일 없이도 다양한 변화 및 수정이 가능함은 물론이나 이 또한 본 발명의 영역 내이다.

1: 본 발명에 따른 LED 조명 램프
2: COB(Chip on Board)
2a: 단색광 LED 칩 2b: + 단자부
2c: - 단자부 2d: PCB
2e: 원형 돌출부
3: 히트싱크(heat sink)
3a: 고정공 3b: 고정홈
4: 공간부 5: (백색광 변환용 형광체) 필터
6: (필터) 하우징
6a: 삽입 홈 6b: 압입 홈
6c: 나사부 6d: 측향 방열구
7: 양면 접착테이프
8: 리플렉터 8a: 원형 단턱
8b: 파형부 8c: 하단 개구부
8d: 상단 개구부 8e: 고정부
9: 고정수단

Claims (10)

1. 히트싱크(heat-sink) 상면의 COB(Chip on Board) 타입의 단색광 LED 칩과;
   상기한 단색광 LED 칩으로부터 공간부를 사이에 두고 이격하여 위치하는 백색광 변환용 형광체 필터와;
   상기한 백색광 변환용 형광체 필터의 상방 주변부에 위치하는 리플렉터로 구성되는
   LED 조명 램프.
2. 제1항에 있어서, 상기한 백색광 변환용 형광체 필터가 링 형상의 하우징 내에 장착되는 LED 조명 램프.
3. 제2항에 있어서, 상기한 하우징의 측면 하방에 복수의 측향 방열구를 가지는 LED 조명 램프.
4. 제2항에 있어서, 상기한 백색광 변환용 형광체 필터가 내열성 투명 수지와 그에 균질하게 분산 분포되어 있는 형광체로 구성되는 LED 조명 램프.
5. 제4항에 있어서, 상기한 백색광 변환용 형광체 필터가 광확산체를 더욱 포함하는 LED 조명 램프.
6. 제2항에 있어서, 상기한 하우징이 상기한 리플렉터의 하단부에 나사 결합 또는 강제 압입 또는 양면 접착테이프에 의해 결착되는 분리형으로 형성되어 있는 LED 조명 램프.
7. 제1항에 있어서, 상기한 LED 조명 램프가 렌즈 프리(lens-free) 타입인 LED 조명 램프.
8. 제4항에 있어서,
   상기한 내열성 투명 수지가 실리콘(silicon) 수지, 폴리메칠 펜텐(polymethyl pentene) 수지, 폴리에테르 설폰(polyether sulfon) 수지, 폴리에테르 이미드(polyether imide) 수지, 폴리아릴레이트(polyarylate) 수지 및, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacylate) 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 수지, 또는 우레탄 아크릴레이트, 에폭시 아크릴레이트, 폴리에스터 아크릴레이트 및, 아크릴 아크릴레이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 UV 경화형 수지이고;
   상기한 형광체가 황색 형광체, 또는 적색 형광체, 녹색 형광체 및, 청색 형광체로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 형광체와 황색 형광체와의 혼합 형광체이며;
   상기한 백색광 변환용 형광체 필터가 내열성 투명 수지 25~98중량%와 형광체 2~75중량%로 구성되는
   LED 조명 램프.
9. 제8항에 있어서, 상기한 백색광 변환용 형광체 필터가 평균 입경 0.2~30㎛의 광확산체(light diffusing beads)를 상기한 백색광 변환용 형광체 필터의 전 중량 기준으로 0.01~10중량% 더욱 포함하는 LED 조명 램프.
10. 제1항에 있어서, 상기한 단색광 LED 칩이 청색 LED 칩, 보라색 LED 칩, 또는 자외선 LED 칩인 LED 조명 램프.

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