WO2011040671A1 - 발광다이오드 조명기구 - Google Patents

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WO2011040671A1
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heat dissipation
dissipation member
light emitting
emitting diode
heat
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PCT/KR2009/006869
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이강민
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주식회사 렌즈
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    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the present invention relates to a luminaire, and more particularly, to a light emitting diode luminaire having a horizontal radiating fin and a vertical radiating fin and having a PCB made of alumina-based ceramic.
  • a light-emitting diode (LED) as a light source for generating light has a small power and a long life compared to a conventional light source, and has low power consumption and high-speed response characteristics because electrical energy is directly converted into light energy. I have it.
  • the lighting apparatus using the light emitting diode has a structure in which a printed circuit board (PCB) provided with a light emitting diode is accommodated in a case.
  • PCB printed circuit board
  • An object of the present invention is to provide a light emitting diode lighting device that can effectively radiate heat generated from the light emitting diode to the outside because it has a heat radiation fin in the horizontal direction and a heat radiation fin in the vertical direction.
  • Still another object of the present invention is to provide a light emitting diode luminaire capable of effectively dissipating heat generated from the light emitting diode to the outside because it includes a PCB made of alumina-based ceramic.
  • Still another object of the present invention is to provide a light emitting diode lighting device, which includes the first and second heat dissipation members and / or housings made of alumina-based ceramics, which can effectively discharge heat generated from the light emitting diodes to the outside. .
  • a light emitting diode lighting device comprises: a PCB in which a light emitting diode is installed; A first heat dissipation member installed under the PCB and provided with a plurality of first direction heat dissipation fins; And a second heat dissipation member installed under the first heat dissipation member to be in contact with the first heat dissipation member, the second heat dissipation member having a plurality of second direction heat dissipation fins formed in a direction different from the first direction. At least one of the second heat dissipation members may be in contact with the PCB to transfer heat generated from the light emitting diodes.
  • the first heat dissipation member may include a fin part in which the first direction heat dissipation fin is installed; And an insertion part in which the first direction heat dissipation fin is not installed, and at least a portion of the second heat dissipation member is installed to be inserted into the insertion part.
  • the first heat dissipation member is formed by stacking at least two heat sinks, a heat sink is formed with a spacer, and spaced between the heat sinks due to the spacers when the heat sink is stacked.
  • a through portion is formed in the center of the first heat dissipation member, and a second protrusion of the second heat dissipation member is inserted into the through portion to contact the PCB.
  • the first heat dissipation member is a body; And the first direction heat dissipation fin formed in a plurality of layers around the body.
  • a first protrusion protruding upward is formed around the second heat dissipation member, and the first protrusion is inserted into the insertion portion to perform heat transfer between the first heat dissipation member and the second heat dissipation member.
  • the second direction heat dissipation fin is formed on the outer surface of the first protrusion, the second heat dissipation member is accommodated in the housing, and the housing has a cutout formed at a position corresponding to the first protrusion.
  • the first heat dissipation member is exposed to the outside through the cutout, and the first direction heat dissipation fin is exposed to the outside.
  • the first direction is horizontal and the second direction is vertical.
  • the light emitting diode lighting device may be provided with a plurality of through holes penetrating the first direction heat radiation fins.
  • the PCB is preferably made of an alumina-based ceramic and has a substrate body on which the light emitting diodes are installed.
  • the alumina-based ceramic has an emissivity of at least 0.97 and an insulation strength of at least 10 KV / mm.
  • first heat dissipation member and the second heat dissipation member may be made of alumina-based ceramics.
  • the housing may also be made of alumina-based ceramics.
  • Figure 1a is a perspective view showing a light emitting diode lighting fixture according to a first embodiment of the present invention.
  • Figure 1b is a front view showing the light emitting diode luminaire of Figure 1;
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing the light emitting diode lighting fixture of FIG.
  • Figure 3 is a perspective view showing that the diffusion member is installed on the cover of the light emitting diode lighting fixture of FIG.
  • Figure 4 is an exploded perspective view showing a light emitting diode lighting fixture according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view showing a light emitting diode lighting fixture according to a third embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is an exploded perspective view showing a light emitting diode lighting fixture according to a fourth embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a graph showing the temperature change of each part over time after the power is supplied to the light emitting diode lighting fixture of FIG.
  • 9a to 9c are views showing the temperature of each part when the temperature change of each part reaches a steady state after power is supplied to the light emitting diode luminaire according to the present invention.
  • 100, 100a, 100b, 100c light emitting diode lighting fixture
  • the present invention is characterized in that it can effectively transfer the heat generated in the light emitting diode to the outside.
  • the heat transfer is performed by the first and second heat dissipation members, and at least one of the first and second heat dissipation members may be in contact with the PCB on which the light emitting diode is installed to receive heat.
  • FIG. 1A is a perspective view showing a light emitting diode lighting fixture according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a front view of the light emitting diode lighting fixture
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the light emitting diode lighting fixture.
  • the light emitting diode lighting device 100 includes a PCB 10 in which the light emitting diodes 1 are installed, and first and second heat dissipation members 30 for dissipating heat generated from the light emitting diodes 1 to the outside. 50 is provided.
  • the PCB 10 is provided with a substrate body 11, an electrode provided on the substrate body 11 and electrically connected to an external power source (not shown), and electrically connected to the electrode and generating light by application of an external power source.
  • a light emitting diode 1 is provided.
  • the electrode and the light emitting diode 1 may be provided with an appropriate number to obtain the desired brightness.
  • the substrate body 11 may have a first through hole 12 for fixing the leg 22 of the lens member 21 and a second through hole 13 through which an electric wire (not shown) passes. .
  • the first and second through holes 12 and 13 may be formed as many as necessary according to product specifications.
  • the substrate body 11 is installed in the through part 36 to be in contact with the second heat dissipation member 50.
  • the substrate body 11 is formed of an alumina-based ceramic material having excellent heat dissipation and insulating properties in order to integrate the functions of a conventional printed circuit board and a heat sink into one.
  • the ceramic material has a high emissivity and a high dielectric strength instead of low thermal conductivity.
  • Alumina-based ceramic materials that satisfy these characteristics include N-9H of Nishimura, Japan.
  • the N-9H contains a small amount of impurities in 96% or more of alumina (Al 2 O 3 ).
  • the ceramic material emits heat generated in the light emitting diode 1 by emitting radiant heat, that is, thermal energy in the far infrared region, unlike conventional heat sinks emitting heat through heat conduction and convection.
  • Table 1 below shows the emissivity and thermal conductivity according to the material.
  • N-9H has a high emissivity of 0.97 and a low thermal conductivity of 39 W / mK.
  • N-9H is a material having a high insulation property with an insulation strength of 10KV / mm or more.
  • N-9H has the advantage that the price is low.
  • the substrate body 11 is formed by using a ceramic material such as N-9H having excellent emissivity and insulation and low cost, thereby maximizing heat dissipation efficiency using radiant heat and integrating the functions of a conventional printed circuit board and a heat sink. In this way, manufacturing cost can be reduced.
  • the LED lighting apparatus 100 includes a lens member 21 installed on the PCB 10, a cover 24 covering the lens member 21, and a guide member for guiding the lens member 21 ( 27).
  • the lens member 21 has a number of holes 25 corresponding to the number of light emitting diodes 1. Light of the light emitting diode 1 passes through the hole 25.
  • the cover 24 may be provided with a diffusion member 26 for uniformly diffusing the light of the light emitting diode (1).
  • the diffusion member 26 is a transparent or translucent material through which light can pass, and is a member widely used in lighting fixtures.
  • the cover 24 and the guide member 27 has a conventional structure and function.
  • the first heat dissipation member 30 is installed to be in contact with the second heat dissipation member 50 to receive heat from the second heat dissipation member 50.
  • the first heat dissipation member 30 is formed by stacking at least two heat dissipation plates 31.
  • the heat sink 31 includes a fin portion and an insertion portion.
  • the fin direction first heat radiation fins 32 are installed.
  • the heat sink 31 has a spacer 33 formed to protrude downward.
  • the spaces between the heat sinks 31 are separated by the spacers 33.
  • the first direction heat dissipation fins 32 are not housed in the housing 60 but are exposed to the outside. As such, the air may move through the spaced gaps between the heat sinks 31 and the first direction heat dissipation fins 32 may be exposed to the outside and directly contact with the outside air, thereby making the heat transfer more effective.
  • the drawing shows that the spacer 33 protrudes downward, but the spacer may protrude upward. Even when the spacer protrudes upward, the heat sink 31 may be spaced apart by the spacer 33.
  • the first heat dissipation member 30 has a through portion 36 formed at the center thereof.
  • the second protrusion 56 of the second heat dissipation member 50 is inserted into the through part 36 so that the second protrusion 56 is in contact with the PCB 10 to perform heat transfer.
  • a plurality of heat sinks 31 are inserted and stacked between the first protrusion 53 and the second protrusion 56.
  • the first direction radiation fin 32 is preferably formed in a horizontal direction, more preferably a plurality of through-holes 34 are formed in the first direction radiation fin 32. Since air may move through the through hole 34, heat emission may be effectively performed.
  • the first heat dissipation member 30 is made of aluminum alloy or made of alumina-based ceramic material.
  • alumina-based ceramic material examples include N-9H and N-6H of Nishimura, Japan.
  • N-6H has a high emissivity of 0.963 and a low thermal conductivity of 21.8 W / mK.
  • N-6H is a material having a high insulation property with an insulation strength of 10KV / mm or more.
  • the second heat dissipation member 50 is installed to contact the PCB 10 so that heat of the light emitting diode 1 can be transferred.
  • the second heat dissipation member 50 includes a second direction heat dissipation fin 52 formed in a plurality of directions different from the first direction, and first and second protrusions 53 and 56 protruding upward.
  • the second direction radiation fins 52 are preferably formed in the vertical direction.
  • the first protrusion 53 is formed at a position that can be inserted into the insertion portion. That is, the first protrusion 53 is inserted between the first direction heat dissipation fins 32 to transfer heat to the first heat dissipation member 30.
  • a plurality of second direction heat dissipation fins 52 are formed on the outer surface of the first protrusion 53, and the second direction heat dissipation fins 52 discharge heat transferred from the PCB 10 to the outside.
  • the second protrusion 56 is formed at the center of the second heat dissipation member 50.
  • the second protrusion 56 is in contact with the PCB 10 to receive heat.
  • a second direction heat dissipation fin 52 may be formed around the second protrusion 56.
  • the second protrusion 56 has a through hole 56a penetrating through the center thereof.
  • the second heat dissipation member 50 is installed to be received in the housing 60.
  • the housing 60 includes a cutout 62 formed at a position corresponding to the first protrusion 53, and a plurality of through holes 63.
  • the second direction heat dissipation fins 52 are directly exposed to the outside through the cutout 62.
  • the second heat dissipation member 50 and the housing 60 may be made of aluminum alloy or made of alumina-based ceramic material.
  • alumina-based ceramic material examples include N-9H and N-6H of Nishimura, Japan.
  • reference numeral 65 denotes a main PCB board controlling the operation of the light emitting diode 1 and electrically connected to an external power source and the PCB 10, and 66 is a connection pin for connecting to an external power source.
  • Figure 4 is an exploded perspective view showing a light emitting diode lighting fixture according to a second embodiment of the present invention.
  • the luminaire 100a has the same structure as the above-described first embodiment except for the number of heat sinks 32 and the substrate body 11a.
  • the same reference numerals as used in FIGS. 1 and 2 denote the same components having the same functions.
  • the substrate body 11a of the PCB 10a is formed of an alumina-based ceramic material having excellent heat dissipation and insulation properties, for example, N-9H, etc. in order to integrate the functions of a conventional printed circuit board and a heat sink into one.
  • grooves 14 are formed at edges at predetermined intervals, and the first protrusions 53 are inserted in the grooves 14.
  • Figure 5 is an exploded perspective view showing a light emitting diode lighting fixture according to a third embodiment of the present invention.
  • the lighting device 100b has the same structure as the first embodiment described above except that the structure of the first heat dissipation member 30b and the PCB 10 are installed to contact the first heat dissipation member 30b. .
  • the same reference numerals as those of FIGS. 1 and 2 denote the same components having the same functions.
  • the first heat dissipation member 30b includes a body 31b and a first direction heat dissipation fin 32b formed of a plurality of layers around the body 31b.
  • the first heat dissipation member 30 of the above-described embodiment is formed by stacking a plurality of heat dissipation plates 31, the first heat dissipation member 30b includes only one body 31b and has a first circumference around the body 31b.
  • Directional radiation fins 32b are formed of a plurality of layers.
  • the groove portion 35b is formed on the upper surface of the body 31b to allow the PCB 10 to be seated. Therefore, heat of the PCB 10 is transferred to the first heat dissipation member 30b, and heat of the first heat dissipation member 30b is transferred to the second heat dissipation member 50.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view showing a light emitting diode lighting fixture according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the lighting device 100c has a first structure except that the structure of the substrate body 11a, the structure of the first heat dissipation member 30c, and the PCB 10 are installed to contact the first heat dissipation member 30c. It has the same structure as in the embodiment.
  • FIG. 6 the same reference numerals as those of FIGS. 1 to 5 denote the same components having the same functions.
  • the substrate main body 11a has the same structure as the substrate main body 11a of the second embodiment.
  • the first heat dissipation member 30c is the third embodiment except that the groove 35b is not formed in the center of the body 31c and the number of the first direction heat dissipation fins 32c is different. 1 It has the same structure as the heat radiating member 30b. Therefore, heat of the PCB 10 is transferred to the first heat dissipation member 30c, and heat of the first heat dissipation member 30c is transferred to the second heat dissipation member 50.
  • FIG. 7 is a graph illustrating a temperature change of each part with time after power is supplied to the LED lighting fixture of FIG. 2.
  • the graph shows that the substrate body 11 is made of an alumina-based ceramic material (N-9H), the first and second heat dissipation members 30 and 50 are made of aluminum alloy, and the light emitting diodes 1 are formed of 3W. It is the result of numerical analysis that causes heat to be generated.
  • the temperature of the electrode is about 58 degrees
  • the temperature of the first heat dissipation member 30 is about 31 degrees
  • the temperature of the second heat dissipation member 50 is about 43 degrees. Since the second heat dissipation member 50 is in contact with the PCB 10, the temperature of the second heat dissipation member 50 is higher than the temperature of the second heat dissipation member 30.
  • Figure 8 is a graph showing the temperature change of each part over time after the power is supplied to a general light emitting diode lighting fixture.
  • the lighting fixture has a structure disclosed in FIG. 7, etc. of Korean Patent No. 10-899089.
  • the graph shows a case where 3 W of heat is generated in the light emitting diodes.
  • the temperature of the electrode is about 79 degrees
  • the temperature of the heat sink (corresponding to the first and second heat dissipation members 30b and 50 of the present invention) is about 64 degrees.
  • the lifetime of the light emitting diode is reduced by about 30% and the brightness is reduced by about 20%.
  • the lifetime of the light emitting diode is not reduced and the brightness is kept constant.
  • FIG. 9A and 9B show the temperature of each part when the temperature change of each part reaches a steady state after power is supplied to the LED lighting device according to the present invention.
  • the luminaire is the same as the luminaire of FIG. 5 except that the recess 35b is formed to pass therethrough. Therefore, in the luminaire, the PCB 10 is in direct contact with the second heat dissipation member 50.
  • the temperature distribution is obtained by numerical analysis, wherein the substrate body 11 is made of alumina-based ceramic material (N-9H), and the first and second heat dissipation members 30b and 50 are made of aluminum alloy. 100b).
  • 9A is a result of numerical analysis for generating 4W of heat
  • FIG. 9B is a result of numerical analysis for generating 3.2W of heat.
  • 9A shows that the substrate body 11 is about 68 to 69 ° C, the first heat dissipation member 30b is about 67 ° C, and the second heat dissipation member 50 is about 68 ° C.
  • 9B shows that the substrate body 11 is about 60 to 61 ° C, the first heat dissipation member 30b is about 59 ° C, and the second heat dissipation member 50 is about 60 ° C.
  • Figure 9c shows the temperature of each part when the temperature change of each part reaches a steady state after power is supplied to the light emitting diode luminaire of FIG.
  • the temperature distribution is that 4W heat is applied to the luminaire 100 of which the substrate body 11 is made of alumina-based ceramic material (N-9H) and the first and second heat dissipation members 30 and 50 are made of aluminum alloy. This is the result of numerical analysis.
  • the substrate body 11 is about 67 ⁇ 68 °C
  • the first heat dissipation member 30 is about 66 °C
  • the second heat dissipation member 50 is about 67 °C
  • this temperature is the same heat This is about 1 ° C. lower than in the case of FIG. 9A where this occurs.
  • the first heat dissipation member 30 of FIG. 9C is formed by stacking the heat dissipation plates 31 and the through hole 34 is formed in the first direction heat dissipation fin 32, so that the air flow is more smooth.
  • the lighting device 100, 100a, 100b, 100c according to the present invention is the first, second direction radiation fins 32 (for example, formed in different directions (for example, horizontal and vertical)) 32b, 32c, and 52, the first direction heat dissipation fins 32, 32b, and 32c are exposed to the outside, and the second direction heat dissipation fins 52 formed on the first protrusion 53 are exposed to the outside. Since the substrate bodies 11 and 11a are made of a ceramic material, heat generated from the light emitting diodes can be easily discharged to the outside.
  • the light emitting diode lighting device has the following effects.
  • the PCB is made of alumina-based ceramics, it is possible to effectively discharge the heat generated from the light emitting diode to the outside.
  • first and second heat dissipation members and / or housings made of alumina-based ceramics are provided, heat generated from the light emitting diodes can be effectively discharged to the outside.

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Abstract

본 발명에 따른 발광다이오드 조명기구는 수평방향의 방열핀과 수직방향의 방열핀을 구비하고 알루미나 계열의 세라믹으로 만들어진 PCB를 구비하기 때문에 발광다이오드에서 발생된 열을 외부로 효과적으로 방출할 수 있다는 특징을 가진다.

Description

발광다이오드 조명기구
본 발명은 조명기구에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 수평방향의 방열핀과 수직방향의 방열핀을 구비하고 알루미나 계열의 세라믹으로 만들어진 PCB를 구비하는, 발광다이오드 조명기구에 관한 것이다.
일반적으로, 광을 발생시키는 광원으로서 발광다이오드(LED, light-emitting diode)는 종래의 광원에 비하여 소형이고 수명이 길 뿐만 아니라 전기에너지가 빛에너지로 직접 변환되기 때문에 전력 소모가 작고 고속 응답 특성을 지니고 있다.
발광다이오드를 사용하는 조명기구는 발광다이오드가 설치된 PCB(인쇄회로기판)가 케이스에 수납된 구조를 가진다.
발광다이오드에서는 많은 열이 발생하는데, 상기 열이 외부로 원활히 방출되지 못할 경우에는 발광다이오드의 수명이 단축되고 조도가 떨어지게 된다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 PCB에 히트 싱크(heat sink)를 부착하는 방법, 팬을 부착하는 방법, 히트 싱크의 접촉면을 넓게 하는 방법, 히트 싱크에 열전소자를 부착하여 냉각시키는 방법 등이 제안되었다. 그러나, 상기 방법들은 효율 및/또는 비용면에서 많은 단점을 가지고 있다.
한편, 이러한 방열문제를 해결하기 위해서 발광다이오드에 정격전류보다 작은 전류가 흐르도록 하면 발광다이오드의 밝기가 떨어지고, 발광다이오드의 밝기가 떨어지면 설정 조도를 맞추기 위해 발광다이오드의 개수를 증가시켜야 하므로 비용이 증가한다는 문제점이 있다.
본 발명은 수평방향의 방열핀과 수직방향의 방열핀을 구비하기 때문에 발광다이오드에서 발생된 열을 외부로 효과적으로 방출할 수 있는, 발광다이오드 조명기구를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 알루미나 계열의 세라믹으로 만들어진 PCB를 구비하기 때문에 발광다이오드에서 발생된 열을 외부로 효과적으로 방출할 수 있는, 발광다이오드 조명기구를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 알루미나 계열의 세라믹으로 만들어진 제1,2 방열부재 및/또는 하우징을 구비하기 때문에 발광다이오드에서 발생된 열을 외부로 효과적으로 방출할 수 있는, 발광다이오드 조명기구를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 발광다이오드 조명기구는, 발광다이오드가 설치된 PCB; PCB의 아래에 설치되고, 제1 방향 방열핀이 다수 구비된 제1 방열부재; 및, 제1 방열부재와 접촉되도록 제1 방열부재의 아래에 설치되고, 제1 방향과는 상이한 방향으로 형성된 제2 방향 방열핀이 다수 구비된 제2 방열부재;를 구비하고, 제1 방열부재와 제2 방열부재 중 적어도 어느 하나는 PCB와 접촉되어 발광다이오드에서 발생된 열이 전달될 수 있다. 상기 제1 방열부재는, 상기 제1 방향 방열핀이 설치된 핀부; 및 제1 방향 방열핀이 설치되지 않은 삽입부;를 포함하고, 제2 방열부재 중 적어도 일부분은 삽입부에 삽입되도록 설치된다.
바람직하게, 제1 방열부재는 적어도 두 개 이상의 방열판이 적층되어 이루어지며, 방열판에는 스페이서가 형성되고, 방열판의 적층시 스페이서로 인하여 방열판 사이가 이격된다.
바람직하게, 제1 방열부재의 중앙에는 관통부가 형성되고, 상기 관통부에는 제2 방열부재의 제2 돌출부가 삽입되어 제2 돌출부가 PCB에 접촉된다.
바람직하게, 제1 방열부재는 몸체; 및 몸체의 둘레에 복수 개의 층으로 형성된 상기 제1 방향 방열핀;을 구비한다.
바람직하게, 제2 방열부재의 둘레에는 위로 돌출된 제1 돌출부가 형성되며, 제1 돌출부가 삽입부에 삽입되어 제1 방열부재와 제2 방열부재 사이에 열전달이 이루어진다.
더욱 바람직하게, 제1 돌출부의 외부면에는 상기 제2 방향 방열핀이 형성되고, 제2 방열부재는 하우징에 수납되며, 하우징은 제1 돌출부와 대응되는 위치에 형성된 절개부를 구비하여 상기 제2 방향 방열핀이 절개부를 통하여 외부에 노출되고, 제1 방열부재는 제1 방향 방열핀이 외부에 노출된다.
바람직하게, 제1 방향은 수평방향이고 제2 방향은 수직방향이다.
한편, 상기 발광다이오드 조명기구는 제1 방향 방열핀을 관통하는 다수 개의 관통공을 구비할 수 있다.
여기에서, PCB는, 알루미나 계열의 세라믹으로 만들어지고 상기 발광다이오드가 설치되는 기판본체를 구비하는 것이 바람직하다.
바람직하게, 상기 알루미나 계열의 세라믹은 0.97 이상의 방사율을 가지고 10KV/mm 이상의 절연내력을 가진다.
또한, 제1 방열부재와 제2 방열부재는 알루미나 계열의 세라믹으로 만들어질 수도 있다.
아울러, 상기 하우징도 알루미나 계열의 세라믹으로 만들어질 수 있다.
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광다이오드 조명기구를 보여주는 사시도.
도 1b는 도 1의 발광다이오드 조명기구를 보여주는 정면도.
도 2는 도 1의 발광다이오드 조명기구를 보여주는 분해 사시도.
도 3은 도 1의 발광다이오드 조명기구의 커버에 확산부재가 설치된 것을 보여주는 사시도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광다이오드 조명기구를 보여주는 분해 사시도.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 발광다이오드 조명기구를 보여주는 분해 사시도.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 발광다이오드 조명기구를 보여주는 분해 사시도.
도 7은 도 2의 발광다이오드 조명기구에 전원이 공급된 후에 시간에 따른 각 부분의 온도변화를 나타낸 그래프.
도 8은 일반적인 발광다이오드 조명기구에 전원이 공급된 후에 시간에 따른 각 부분의 온도변화를 나타낸 그래프.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명에 따른 발광다이오드 조명기구에 전원이 공급된 후 각 부분의 온도변화가 정상상태(steady state)에 도달한 경우에 각 부분의 온도를 보여주는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 10a : PCB 30, 30b, 30c : 제1 방열부재
50 : 제2 방열부재 60 : 하우징
100, 100a, 100b, 100c : 발광다이오드 조명기구
이하, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 실시예들에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 발광다이오드에서 발생된 열을 외부로 효과적으로 전달할 수 있다는 특징을 가진다. 상기 열전달은 제1,2 방열부재에 의해서 이루어지는데, 상기 제1,2 방열부재 중 적어도 어느 하나는 발광다이오드가 설치된 PCB와 접촉되어 열을 전달받을 수 있다.
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광다이오드 조명기구를 보여주는 사시도이고, 도 1b는 상기 발광다이오드 조명기구의 정면도이며, 도 2는 상기 발광다이오드 조명기구의 분해 사시도이다.
도면을 참조하면, 발광다이오드 조명기구(100)는 발광다이오드(1)가 설치된 PCB(10)와, 발광다이오드(1)에서 발생된 열을 외부로 배출하기 위한 제1,2 방열부재(30)(50)를 구비한다.
PCB(10)는 기판본체(11)와, 기판본체(11)에 마련되고 외부전원(미도시)과 전기적으로 연결된 전극과, 상기 전극에 전기적으로 연결되고 외부전원의 인가에 의해서 광을 발생시키는 발광다이오드(1)를 구비한다. 상기 전극과 발광다이오드(1)는 원하는 밝기를 얻기 위해서 적절한 개수가 구비될 수 있다.
상기 기판본체(11)에는 렌즈부재(21)의 다리(22)를 고정시키기 위한 제1 관통홀(12)과, 전선(미도시)이 통과하는 제2 관통홀(13)이 형성될 수 있다. 제1,2 관통홀(12)(13)은 제품 사양에 따라 필요한 개수만큼 형성될 수 있다. 기판본체(11)는 관통부(36)에 설치되어 제2 방열부재(50)와 접촉된다.
바람직하게, 상기 기판본체(11)는 기존의 인쇄회로기판과 히트 싱크의 기능을 하나로 일체화하기 위하여 방열특성과 절연특성이 우수한 알루미나 계열의 세라믹 물질로 형성된다.
상기 세라믹 물질은 열전도율이 낮은 대신에 방사율(ε)이 높으며 절연내력이 크다. 이러한 특성을 만족하는 알루미나 계열의 세라믹 물질로는 일본 니시무라社의 N-9H 등이 있다. 상기 N-9H는 96% 이상의 알루미나(Al2O3)에 소량의 불순물이 포한된 것이다. 상기 세라믹 물질은, 기존의 히트 싱크가 열전도 및 대류를 통해서 열을 방출하는 것과는 달리, 방사전열 즉, 원적외선 영역의 열에너지를 방출함으로써 발광다이오드(1)에서 발생한 열을 방출한다.
아래의 표 1은 재질에 따른 방사율 및 열전도율을 나타낸 것이다.
표 1
재질 방사율(ε) 열전도율(W/mK)
N-9H 0.97 39
구리 0.1이하 394
알루미늄(Al) 0.1이하 238
표 1에 나타난 바와 같이, 구리 또는 알루미늄 등의 금속은 열전도율이 높은 대신 방사율이 상당히 낮은 반면, N-9H는 0.97의 높은 방사율과 39W/mK의 낮은 열전도율을 가진다. 또한, N-9H는 절연내력이 10KV/mm 이상으로 절연특성이 높은 물질이다. 아울러, N-9H는 가격이 저렴하다는 장점을 가진다.
따라서, 방사율 및 절연성이 우수하고 가격이 저렴한 N-9H 등의 세라믹 물질을 이용하여 기판본체(11)를 형성함으로써 방사전열을 이용한 방열 효율을 극대화시키고 기존의 인쇄회로기판과 히트 싱크의 기능을 일체화시킴으로써 제조원가를 절감할 수 있다.
바람직하게, 상기 발광다이오드 조명기구(100)는 PCB(10)에 설치되는 렌즈부재(21)와, 렌즈부재(21)를 덮는 커버(24)와, 렌즈부재(21)를 가이드하는 가이드 부재(27)를 구비한다.
렌즈부재(21)는 발광다이오드(1)의 개수와 상응하는 개수의 홀(25)을 구비한다. 상기 홀(25)을 통하여 발광다이오드(1)의 빛이 통과한다. 한편, 도 3에 나타난 바와 같이, 커버(24)에는 발광다이오드(1)의 빛을 균일하게 확산하는 확산부재(26)가 설치될 수 있다. 확산부재(26)는 빛이 통과할 수 있는 투명 또는 반투명 재질로서, 조명기구에 널리 사용되는 부재이다. 한편, 상기 커버(24)와 가이드 부재(27)는 통상적인 구조와 기능을 가진다.
제1 방열부재(30)는 제2 방열부재(50)와 접촉되도록 설치되어 제2 방열부재(50)의 열을 전달받는다. 제1 방열부재(30)는 적어도 두 개 이상의 방열판(31)이 적층되어 이루어진다.
상기 방열판(31)은 핀부와 삽입부를 포함한다. 핀부에는 제1 방향 방열핀(32)이 설치된다. 삽입부에는 제2 방열부재(50)의 적어도 일부분, 바람직하게는 제1 돌출부(53)가 삽입된다.
바람직하게, 방열판(31)은 아래로 돌출되도록 형성된 스페이서(33)를 구비한다. 방열판(31)이 적층되는 경우에 스페이서(33)로 인해서 방열판(31) 사이가 이격된다. 또한, 제1 방향 방열핀(32)은 하우징(60)의 내부에 수납되지 않고 외부에 노출된다. 이와 같이, 방열판(31) 사이의 이격된 틈을 통해서 공기가 이동할 수 있고 제1 방향 방열핀(32)이 외부에 노출되어 외부공기와 직접 접하기 때문에 열전달이 더욱 효과적으로 이루어질 수 있다.
한편, 도면은 스페이서(33)가 아래로 돌출된 것을 보여주고 있지만 스페이서는 위로 돌출될 수도 있다. 스페이서는 위로 돌출된 경우에도 방열판(31)은 스페이서(33)로 인해서 이격될 수 있다.
바람직하게, 제1 방열부재(30)는 그 중앙에 형성된 관통부(36)를 구비한다. 상기 관통부(36)에는 제2 방열부재(50)의 제2 돌출부(56)가 삽입되어 제2 돌출부(56)가 PCB(10)와 접촉됨으로써 열전달이 이루어진다. 이 경우에 제2 돌출부(56)가 관통부(36)에 삽입되면 다수의 방열판(31)이 제1 돌출부(53)와 제2 돌출부(56) 사이에 삽입되어 적층된다.
한편, 제1 방향 방열핀(32)은 수평방향으로 형성되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 제1 방향 방열핀(32)에 다수의 관통공(34)이 형성된다. 상기 관통공(34)을 통해서 공기가 이동할 수 있기 때문에 열방출이 효과적으로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 제1 방열부재(30)는 알루미늄 합금으로 제조되거나, 알루미나 계열의 세라믹 물질로 만들어진다. 상기 알루미나 계열의 세라믹 물질의 예로는 일본 니시무라社의 N-9H, N-6H가 있다. N-6H는 0.963의 높은 방사율과 21.8W/mK의 낮은 열전도율을 갖는다. 또한, N-6H는 절연내력이 10KV/mm 이상으로 절연특성이 높은 물질이다.
제2 방열부재(50)는 발광다이오드(1)의 열이 전달될 수 있도록 PCB(10)에 접촉되도록 설치된다. 제2 방열부재(50)는 제1 방향과는 상이한 방향으로 다수 형성된 제2 방향 방열핀(52)과, 위로 돌출된 제1,2 돌출부(53)(56)를 구비한다.
제2 방향 방열핀(52)은 수직방향으로 형성되는 것이 바람직하다.
제1 돌출부(53)는 삽입부에 삽입될 수 있는 위치에 형성된다. 즉, 제1 돌출부(53)는 제1 방향 방열핀(32) 사이에 삽입되어 제1 방열부재(30)로 열을 전달한다. 제1 돌출부(53)의 외부면에는 다수의 제2 방향 방열핀(52)이 형성되어 있는데, 제2 방향 방열핀(52)은 PCB(10)로부터 전달된 열을 외부로 방출한다.
제2 돌출부(56)는 제2 방열부재(50)의 중앙에 형성된다. 제2 돌출부(56)는 PCB(10)와 접촉되어 열을 전달받는다. 제2 돌출부(56)의 둘레에는 제2 방향 방열핀(52)이 형성될 수 있다. 바람직하게, 제2 돌출부(56)는 그 중앙을 관통하는 관통홀(56a)을 구비한다.
제2 방열부재(50)는 하우징(60)에 수납되도록 설치된다. 하우징(60)은 제1 돌출부(53)와 대응되는 위치에 형성된 절개부(62)와, 다수의 통공(63)을 구비한다. 절개부(62)를 통하여 제2 방향 방열핀(52)이 외부에 직접 노출된다.
제2 방열부재(50)와 하우징(60)도, 제1 방열부재(30)와 마찬가지로, 알루미늄 합금으로 제조되거나 알루미나 계열의 세라믹 물질로 만들어질 수 있다. 상기 알루미나 계열의 세라믹 물질의 예로는 일본 니시무라社의 N-9H, N-6H가 있다.
한편, 미설명 참조부호 65는 발광다이오드(1)의 작동을 제어하고 외부전원 및 PCB(10)와 전기적으로 연결된 메인 PCB보드이고, 66은 외부전원과 연결하기 위한 접속핀이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광다이오드 조명기구를 보여주는 분해 사시도이다.
상기 조명기구(100a)는 방열판(32)의 개수와 기판본체(11a)를 제외하고는 전술한 제1 실시예와 동일한 구조를 가진다. 도 4에서 도 1 및 도 2의 참조부호와 동일한 참조부호는 동일한 기능을 하는 동일한 구성요소를 나타낸다.
PCB(10a)의 기판본체(11a)는 기존의 인쇄회로기판과 히트 싱크의 기능을 하나로 일체화하기 위하여 방열특성과 절연특성이 우수한 알루미나 계열의 세라믹 물질 예를 들어, N-9H 등으로 형성된다. 기판본체(11a)에는 소정 간격으로 테두리에 요홈(14)이 형성되는데, 요홈(14)에는 제1 돌출부(53)가 삽입된다.
한편, 도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 발광다이오드 조명기구를 보여주는 분해 사시도이다.
상기 조명기구(100b)는 제1 방열부재(30b)의 구조와, PCB(10)가 제1 방열부재(30b)에 접촉되도록 설치된다는 점을 제외하면 전술한 제1 실시예와 동일한 구조를 가진다. 도 5에서 도 1 및 도 2의 참조부호와 동일한 참조부호는 동일한 기능을 하는 동일한 구성요소를 나타낸다.
제1 방열부재(30b)는 몸체(31b)와, 몸체(31b)의 둘레에 복수 개의 층으로 형성된 제1 방향 방열핀(32b)을 구비한다. 전술한 실시예의 제1 방열부재(30)는 복수 개의 방열판(31)이 적층되어 이루어지지만, 제1 방열부재(30b)는 하나의 몸체(31b)만을 구비하고 몸체(31b)의 둘레에 제1 방향 방열핀(32b)이 복수 개의 층으로 형성된다.
바람직하게, 몸체(31b)의 상면에는 PCB(10)가 안착될 수 있도록 요홈부(35b)가 형성된다. 따라서, PCB(10)의 열이 제1 방열부재(30b)에 전달되고, 제1 방열부재(30b)의 열이 제2 방열부재(50)로 전달된다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 발광다이오드 조명기구를 보여주는 분해 사시도이다.
상기 조명기구(100c)는 기판본체(11a)의 구조와, 제1 방열부재(30c)의 구조 및, PCB(10)가 제1 방열부재(30c)에 접촉되도록 설치된다는 점을 제외하면 제1 실시예와 동일한 구조를 가진다. 도 6에서 도 1 내지 도 5의 참조부호와 동일한 참조부호는 동일한 기능을 하는 동일한 구성요소를 나타낸다.
기판본체(11a)는 제2 실시예의 기판본체(11a)와 동일한 구조를 가진다. 또한, 제1 방열부재(30c)는 몸체(31c)의 중앙에 요홈부(35b)가 형성되지 않는 점과, 제1 방향 방열핀(32c)의 개수가 상이하다는 점을 제외하면 제3 실시예의 제1 방열부재(30b)와 동일한 구조를 가진다. 따라서, PCB(10)의 열이 제1 방열부재(30c)에 전달되고, 제1 방열부재(30c)의 열이 제2 방열부재(50)로 전달된다.
도 7은 도 2의 발광다이오드 조명기구에 전원이 공급된 후 시간에 따른 각 부분의 온도변화를 나타낸 그래프이다. 상기 그래프는 기판본체(11)가 알루미나 계열의 세라믹 물질(N-9H)로 만들어지고, 제1,2 방열부재(30)(50)가 알루미늄 합금으로 이루어지며, 발광다이오드(1)에서 3W의 열이 발생하도록 하여 수치해석을 실시한 결과이다. 도 7에 나타난 바와 같이, 전극의 온도가 약 58도이고, 제1 방열부재(30)의 온도가 약 31도이며, 제2 방열부재(50)의 온도가 약 43도이다. 제2 방열부재(50)가 PCB(10)에 접촉되기 때문에 제2 방열부재(50)의 온도가 제2 방열부재(30)의 온도보다 높다.
한편, 도 8은 일반적인 발광다이오드 조명기구에 전원이 공급된 후에 시간에 따른 각 부분의 온도변화를 나타낸 그래프이다. 상기 조명기구는 대한민국 등록특허 제10-899089호의 도 7 등에 개시된 구조를 가진다. 상기 그래프는 발광다이오드에서 3W의 열이 발생된 경우를 나타낸다.
도 8에 나타난 바와 같이, 전극의 온도가 약 79도이고, heat sink(본 발명의 제1,2 방열부재(30b)(50)와 대응)의 온도가 약 64도이다.
알려진 바와 같이, 전극의 온도가 대략 80도이면 발광다이오드의 수명이 약 30% 줄어들고 밝기가 대략 20% 줄어든다. 이에 비해서, 본 발명의 조명기구(100)에서는 전극의 온도가 대략 58도이기 때문에 발광다이오드의 수명이 줄어들지 않고 밝기도 일정하게 유지된다.
도 9a와 도 9b는 본 발명에 따른 발광다이오드 조명기구에 전원이 공급된 후 각 부분의 온도변화가 정상상태(steady state)에 도달한 경우에 각 부분의 온도를 보여준다. 상기 조명기구는 요홈부(35b)가 관통되도록 형성된 점을 제외하면 도 5의 조명기구와 동일하다. 따라서, 상기 조명기구에서 PCB(10)는 제2 방열부재(50)와 직접 접촉된다.
상기 온도분포는 수치해석에 의한 것으로서, 기판본체(11)가 알루미나 계열의 세라믹 물질(N-9H)로 만들어지고, 제1,2 방열부재(30b)(50)가 알루미늄 합금으로 이루어진 조명기구(100b)에 대한 것이다. 도 9a는 4W의 열이 발생하도록 하여 수치해석을 실시한 결과이고, 도 9b는 3.2W의 열이 발생하도록 하여 수치해석을 실시한 결과이다.
도 9a는 기판본체(11)가 약 68∼69℃, 제1 방열부재(30b)가 약 67℃, 제2 방열부재(50)가 약 68℃임을 보여준다. 도 9b는 기판본체(11)가 약 60∼61℃, 제1 방열부재(30b)가 약 59℃, 제2 방열부재(50)가 약 60℃임을 보여준다.
한편, 도 9c는 도 2의 발광다이오드 조명기구에 전원이 공급된 후 각 부분의 온도변화가 정상상태(steady state)에 도달한 경우에 각 부분의 온도를 보여준다. 상기 온도분포는 기판본체(11)가 알루미나 계열의 세라믹 물질(N-9H)로 만들어지고 제1,2 방열부재(30)(50)가 알루미늄 합금으로 이루어진 조명기구(100)에 4W의 열이 발생하도록 하여 수치해석을 실시한 결과이다.
도 9c에 나타난 바와 같이, 기판본체(11)가 약 67∼68℃, 제1 방열부재(30)가 약 66℃, 제2 방열부재(50)가 약 67℃임을 보여주는데, 이러한 온도는 동일한 열이 발생하는 도 9a의 경우보다 약 1℃가 낮은 것이다. 이것은 도 9c의 제1 방열부재(30)가 방열판(31)이 적층되어 이루어지고 제1 방향 방열핀(32)에 관통공(34)이 형성되기 때문에 공기흐름이 더 원활하기 때문이다.
위에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 조명기구(100)(100a)(100b)(100c)는 서로 다른 방향(예를 들어, 수평방향과 수직방향)으로 형성된 제1,2 방향 방열핀(32)(32b)(32c)(52)을 구비하고, 제1 방향 방열핀(32)(32b)(32c)이 외부에 노출되고 제1 돌출부(53)에 형성된 제2 방향 방열핀(52)이 외부에 노출되며, 기판본체(11)(11a)가 세라믹물질로 이루어지기 때문에 발광다이오드에서 발생된 열을 용이하게 외부로 방출할 수 있다.
본 발명에 따른 발광다이오드 조명기구는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 수평방향의 방열핀과 수직방향의 방열핀을 구비하고 수평방향의 방열핀과 수직방향의 방열핀이 외부에 직접 노출되기 때문에 발광다이오드에서 발생된 열을 외부로 효과적으로 방출할 수 있다.
둘째, 알루미나 계열의 세라믹으로 만들어진 PCB를 구비하기 때문에 발광다이오드에서 발생된 열을 외부로 효과적으로 방출할 수 있다.
셋째, 알루미나 계열의 세라믹으로 만들어진 제1,2 방열부재 및/또는 하우징을 구비하기 때문에 발광다이오드에서 발생된 열을 외부로 효과적으로 방출할 수 있다.

Claims (12)

  1. 발광다이오드가 설치된 PCB;
    PCB의 아래에 설치되고, 제1 방향 방열핀이 다수 구비된 제1 방열부재; 및,
    제1 방열부재와 접촉되도록 제1 방열부재의 아래에 설치되고, 제1 방향과는 상이한 방향으로 형성된 제2 방향 방열핀이 다수 구비된 제2 방열부재;를 구비하고,
    제1 방열부재와 제2 방열부재 중 적어도 어느 하나는 PCB와 접촉되어 발광다이오드에서 발생된 열이 전달될 수 있고,
    제1 방열부재는,
    상기 제1 방향 방열핀이 설치된 핀부; 및
    제1 방향 방열핀이 설치되지 않은 삽입부;를 포함하고, 제2 방열부재 중 적어도 일부분은 삽입부에 삽입되도록 설치된 것을 특징으로 하는, 발광다이오드 조명기구.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 방열부재는 적어도 두 개 이상의 방열판이 적층되어 이루어지며,
    방열판에는 스페이서가 형성되고, 방열판의 적층시 스페이서로 인하여 방열판 사이가 이격되는 것을 특징으로 하는, 발광다이오드 조명기구.
  3. 제1항에 있어서,
    제1 방열부재의 중앙에는 관통부가 형성되고,
    상기 관통부에는 제2 방열부재의 제2 돌출부가 삽입되어 제2 돌출부가 PCB와 접촉되는 것을 특징으로 하는, 발광다이오드 조명기구.
  4. 제1항에 있어서,
    제1 방열부재는,
    몸체; 및
    몸체의 둘레에 복수 개의 층으로 형성된 상기 제1 방향 방열핀;을 구비하는 것을 특징으로 하는, 발광다이오드 조명기구.
  5. 제1항에 있어서,
    제2 방열부재의 둘레에는 위로 돌출된 제1 돌출부가 형성되며,
    제1 돌출부가 삽입부에 삽입되어 제1 방열부재와 제2 방열부재 사이에 열전달이 이루어지는 것을 특징으로 하는, 발광다이오드 조명기구.
  6. 제5항에 있어서,
    제1 돌출부의 외부면에는 상기 제2 방향 방열핀이 형성되고,
    제2 방열부재는 하우징에 수납되며, 하우징은 제1 돌출부와 대응되는 위치에 형성된 절개부를 구비하여 상기 제2 방향 방열핀이 절개부를 통하여 외부에 노출되고, 제1 방열부재는 제1 방향 방열핀이 외부에 노출되는 것을 특징으로 하는, 발광다이오드 조명기구.
  7. 제1항에 있어서,
    제1 방향은 수평방향이고 제2 방향은 수직방향인 것을 특징으로 하는, 발광다이오드 조명기구.
  8. 제1항에 있어서,
    제1 방향 방열핀을 관통하는 관통공이 다수 개 형성된 것을 특징으로 하는, 발광다이오드 조명기구.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    PCB는,
    알루미나 계열의 세라믹으로 만들어지고, 상기 발광다이오드가 설치되는 기판본체를 구비하는 것을 특징으로 하는, 발광다이오드 조명기구.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 알루미나 계열의 세라믹은 0.97 이상의 방사율을 가지고 10KV/mm 이상의 절연내력을 가지는 것을 특징으로 하는, 발광다이오드 조명기구.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 방열부재와 제2 방열부재는 알루미나 계열의 세라믹으로 만들어진 것을 특징으로 하는, 발광다이오드 조명기구.
  12. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 방열부재는 하우징에 수납되고, 상기 하우징은 알루미나 계열의 세라믹으로 만들어진 것을 특징으로 하는, 발광다이오드 조명기구.
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