KR100767678B1 - Ｌｅｄ 냉각 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 LED에서 발생하는 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있는 LED 냉각 시스템을 제공하는 데 있다.
이를 위해 본 발명은 원통 형상의 히트 파이프(heat pipe); 상기 히트 파이프의 일단을 감싸고, 상부에 인쇄회로기판이 일체로 형성된 히트 플레이트(heat plate), 상기 히트 플레이트에 형성된 인쇄회로기판의 상면에 장착되어 고출력의 광을 출사하는 LED; 그리고, 상기 히트 파이프의 타단에 설치되어 LED에서 발생되는 열을 방열시키는 냉각핀을 포함하여 이루어지는 LED 냉각 시스템을 제공한다.
LED, 원통형 히트 파이프, 히트 플레이트, 냉각핀

Description

ＬＥＤ 냉각 시스템{Cooling System of Light Emitting Diode}
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 LED 냉각 시스템을 개략적으로 나타내는 사시도 및 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 LED 냉각 시스템의 제 1실시예를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 LED 냉각 시스템의 제 2실시예를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 LED 냉각 시스템의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 제 2실시예에 따른 LED 냉각 시스템의 블록도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100: 히트 파이프(heat pipe) 110: 히트 플레이트
120: 인쇄회로기판 130: LED
140: 냉각핀 150: TIM(Thermal interface material)
160: 금속 플레이트
본 발명은 각종기기에 광원을 공급하는 LED(Light Emitting Diode)에 관한 것으로, 특히 높은 발열량을 가지는 LED의 냉각을 위한 냉각 시스템(cooling system)에 관한 것이다.
최근 상당한 밝기의 빛을 제공해줄 수 있는 고출력 특성을 장점으로 하고 있는 LED가 프로젝터, 프로젝션 TV, LCD(liquid crystal display device) 백라이트 유닛, Head Lamp등의 광원으로서 서서히 시장을 확대하고 있다. 또한, 앞으로 낮은 전력소모, 전원입력시 즉시 동작하는 instant on 특성, 10만 시간에 이르는 긴 수명, 색 재현 범위 향상(color gamut 향상) 등으로 인하여 LED에 대한 수요가 폭발적으로 증가할 것으로 예상된다.
하지만, 이러한 LED는 고출력 특성이라는 장점을 가지는 반면에 광효율이 낮은 단점을 가진다. 상기 LED의 광효율은 대략 20~30%정도이며, LED 한개당 소모전력은 1W 정도이다. 따라서, 1W의 소모 전력에서 광효율을 30%로 보았을 때, 열로 발생되는 소모전력 비율이 70%에 이르게 된다.
이와 같이 LED는 고출력 특성에 따른 높은 소모전력을 가지기 때문에, LED를 다양한 제품에 적용하는데 큰 장애요인이 되고 있다. 특히, 밝기 향상을 위해 한 개의 LED가 아닌 다수개의 LEDs(Multi-Array LEDs)를 사용할 경우 그 발열량은 시스템에 큰 문제점이 될 수 있음은 충분히 예상할 수 있다.
따라서, 종래에도 LED에서 발생하는 열을 효과적으로 방열시키기 위한 다양한 냉각 시스템이 제안되고 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 LED 냉각 시스템을 개략적으로 나타내는 사시도 및 단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 종래 기술에 따른 LED 냉각 시스템은 열전도성이 우수한 금속판(30) 상부에 인쇄회로기판(20)을 형성시키고, LED(10)를 인쇄회로기판의 상부에 적층하는 구조를 가진다. 그리고, 상기 금속판(30)의 하부에는 냉각핀(40)이 형성된다.
상기 금속판(30)은 LED(10)에서 발생된 열을 보다 효과적으로 냉각핀(40)으로 전달하는 역할을 수행한다. 즉, 상기 LED(10)에서 발생한 고온의 열은 인쇄회로기판(20)과 금속판(30)을 거쳐 냉각핀(40)으로 전달된 후 외부로 방열된다.
하지만, 이러한 종래 기술에 따른 LED 냉각 시스템은 다음과 같은 문제점을 가지고 있었다.
먼저, 종래 LED 냉각 시스템은 상술한 다수개의 LEDs(10)(Multi-Array LEDs)가 사용될 경우 발생되는 열을 냉각시키기에는 한계가 있었다. 예를 들어, 32인치 TFT-LCD의 LED 백 라이트유닛에 사용되는 LED(10)의 개수는 약 400개에 달하며, 이 경우 발생하는 열은 약 280W정도에 이르게 되는데 종래 LED 냉각 시스템은 LED(10)에서 발생한 열을 제대로 처리하지 못하여 LED(10)를 동작시키는 인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board)과 백 라이트 내부의 온도를 상승시킴과 동시에 LED(10)의 동작 불능상태를 야기하는 문제점을 유발하였다.
그리고, 이와 같이 종래 LED 냉각 시스템이 열을 제대로 처리하지 못함에 따라 내부 온도차에 의한 부품이나 케이스에 열응력이 발생되어 LED(10)가 적용되는 제품의 변형을 초래하는 문제점을 유발하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 LED에서 발생하는 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있는 LED 냉각 시스템을 제공하는데 있다.
삭제
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 LED 냉각 장치는 원통 형상의 히트 파이프(heat pipe), 히트 파이프의 일단을 감싸고, 상면에 인쇄회로기판이 일체로 형성된 히트 플레이트(heat plate), 히트 플레이트에 형성된 인쇄회로기판의 상면에 장착되어 고출력의 광을 출사하는 LED 그리고 히트 파이프의 타단에 설치되어 LED에서 발생하는 열을 방열시키는 냉각핀을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 히트 플레이트는 알루미늄, 마그네슘, 구리 중에 적어도 어느 하나로 이루어지는 금속층, 금속층 위에 얇은 막으로 형성되는 절연층, 절연층상에 전도성 라인으로 형성되는 인쇄회로기판층 및 상기 인쇄회로기판 층의 배선을 보호하기 위한 절연층으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 히트 플레이트의 양측면에는 LED에서 전달되는 열의 효율적인 방열을 위한 리브가 형성된다.
한편, 상기 인쇄회로기판의 하면에는 열전도율 향상을 위한 열전도성 금속 플레이트가 설치되고, 상기 열전도성 금속 플레이트와 히트 파이프 사이에는 열전도 및 접착률 향상을 위한 TIM이 더 구비될 수 있다.
이하, 상기 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.
도 2는 본 발명에 따른 LED 냉각 시스템의 제 1실시예를 나타내는 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 LED 냉각 시스템의 제 1실시예는 크게 히트 파이프(heat pipe)(100), 인쇄회로기판(120)이 일체로 형성된 히트 플레이트(heat plate)(110), LED(130), 냉각핀(140)으로 이루어진다.
상기 히트 파이프(100)는 원통 형상으로 이루어지며, 내부에는 증류수등 냉각을 위한 작동 유체가 주입된다. 그리고, 상기 히트 플레이트(110)는 금속재질로 이루어지며, 히트 파이프(100)의 일단을 감싸도록 구성된다. 이러한 상기 히트 플레이트(110)는 열전도율이 우수한 알루미늄 또는 마그네슘, 구리 등으로 이루어짐이 바람직하다.
또한, 상기 인쇄회로기판(120)은 히트 플레이트(110)의 상면에 일체로 형성된다.
상기 인쇄회로기판이 일체된 히트 플레이트(110)의 형성 과정에 대해 설명하면, 먼저 히트 플레이트(110)의 상면을 연마하여 불순물을 제거한 후 얇은 막의 절연층(121)을 형성한다. 그리고, 상기 절연층(121) 위에 전기적 도금, 라미네이터 공정, 박리공정등을 거쳐 회로기판(122)을 형성한 후 상기 과정으로 형성된 회로기판(122)의 배선을 보호하기 위해 절연층(123)을 다시 형성한다. 도 2에서는 인쇄회로기판과 히트 플레이트를 별개의 소자로 표시하였으나, 이는 상기 히트 플레이트의 구성을 보여주기 위한 것에 불과하며, 도시되지는 않았으나 완성된 히트 플레이트는 인쇄회로기판과 히트 플레이트가 일체로 하나의 부품이 된다.
여기서, 상기 회로기판(122) 양면에 형성되는 절연층(121, 123)을 회로기판(122)의 한면 또는 양면 모두 제거하여 직접 회로기판(122)을 히트 플레이트(110) 상면에 형성하는 것도 가능하다.
그리고, 상기 LED(130)는 상기 인쇄회로기판(120) 상면에 장착되어 고출력의 광을 출사한다. 이를 위해 상기 인쇄회로기판(120)에는 LED(130)가 장착될 전극이 별도로 형성되어 진다.
한편, 상기 LED(130)와 인쇄회로기판(120) 사이에는 열전도율 및 접착력 향상을 위한 TIM(Thermal Interface Material)(150)이 구비된다. 일반적으로 금속 물질의 표면은 불균일하여 결합을 위해서는 별도의 접착 물질을 필요로 한다. 상기 TIM(150)은 일종의 접착제로서 LED(130)가 인쇄회로기판(120) 상부에 견고히 고정될 수 있도록 한다. 또한, 상기 TIM(150)이 열전도율이 높은 물질로 구성되면 TIM(150)을 통해 LED(130)에서 발생한 열을 더욱 신속하게 방열할 수 있다.
상기 냉각핀(140)은 히트 파이프(100)의 타단에 설치되어 상기 LED(130)에서 발생된 열을 방열시키는 역할을 수행한다. 좀더 상세히 설명하면, 상기 LED(130)에서 발생한 열은 인쇄회로기판(120)을 통해 히트 플레이트(110)로 전달되고, 상기 히트 플레이트(110)에 전달된 열은 히트 플레이트(110) 내부에 삽입되어 있는 히트 파이프(120)를 통해 냉각핀(140)으로 전달되어 진다.
여기서, 비록 도시되어 있지는 않지만 상기 냉각핀(140)의 일측에는 냉각팬이 설치된다. 상기 냉각팬은 냉각핀(140)을 향해 공기를 송풍시켜 냉각핀(140)으로 전달된 열을 방열시킨다.
한편, 상기 히트 플레이트(110)의 양측면에는 LED(130)에서 전달된 열의 효율적인 방열을 위한 리브(111)가 형성된다. 사실, LED(130)에서 발생한 열은 냉각핀(140)으로 전달되는 도중 히트 플레이트(110)에서 어느 정도 방열된다. 즉, 상기 히트 플레이트(110)는 열전도율이 우수한 금속 재질로 이루어지며 넓은 면적을 가지고 있기 때문에 LED(130)에서 전달된 열을 방열시키는 역할도 일정부분 수행한다. 따라서, 상기 히트 플레이트(110)의 양측면에 리브(111)를 형성할 경우 리브(111)를 통한 보다 신속한 방열이 가능해진다.
도 3은 본 발명에 따른 LED 냉각 시스템의 제 2실시예를 나타내는 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 LED 냉각 시스템의 제 2실시예는 상술한 제 1실시예와 거의 동일한 구조를 가진다. 다만, 본 발명의 제 2실시예는 히트 플레이트(110)의 상부에 금속 플레이트(160)가 설치된다.
따라서, 상기 인쇄회로기판(120)은 금속 플레이트(160)의 상면에 형성되어진다. 즉, 상기 제 2실시예는 제 1실시예와 달리 인쇄회로기판(120)이 히트 플레이트(110)가 아닌 금속 플레이트(160) 상면에 형성되는 구조를 가진다. 여기서, 상기 금속 플레이트(160)는 히트 플레이트(110)와 같이 열전도율이 우수한 알루미늄, 마그네슘, 구리등과 같은 열전도성 금속으로 이루어진다.
그리고, 상기 금속 플레이트(160)는 히트 플레이트(110)의 상면에 장착된다. 이때, 상기 금속 플레이트(160)와 히트 플레이트(110) 사이에는 열전도율 및 접착 력 향상을 위한 TIM(150)이 구비된다.
이러한 구조는 인쇄회로기판(120)을 별도로 구비되는 금속 플레이트(160) 상면에 형성하기 때문에 상술한 인쇄회로기판(120)을 형성시키기 위해 히트 플레이트(110) 상면에 수행되는 세정, 연마 공정을 필요로 하지 않는다. 또한, 인쇄회로기판(120)을 별도로 형성한 후 히트 플레이트(110) 상면에 부착하기 때문에 히트 플레이트(110) 상면에 직접 인쇄회로기판(120)을 형성하는 것보다 작업이 보다 쉬워진다.
하지만, 상기 본 발명의 제 2실시예에 따른 LED 냉각 시스템은 구성요소의 증가에 따라 발열량이 제 1실시예에 비해 크다는 단점이 있다.
도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 LED 냉각 시스템의 블록도이며, 도 5는 본 발명의 제 2실시예에 따른 LED 냉각 시스템의 블록도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 제 1실시예는 히트 플레이트(110) 상면에 인쇄회로기판(120)이 직접 형성됨에 따라 제 2실시예와 달리 금속 플레이트(160) 및 추가적인 TIM(150)을 필요로 하지 않는다.
즉, 본 발명의 제 1실시예는 열저항이 비교적 큰 인쇄회로기판(120)이 히트 플레이트(110)와 일체로 구성되어 히트 파이프(100)와 거의 맞닿는 구조를 가진다. 따라서, LED(130) 및 인쇄회로기판(120)에서 발생하는 열이 히트 파이프(100)를 통해 신속하게 배출될 수 있다.
또한, 상기 금속 플레이트(160)와 TIM(150)의 사용을 줄일 수 있어 온도 감 소 효과를 얻을 수 있다. 구체적으로, R =
Figure 112005057187333-pat00001
T/P (R: 열저항
Figure 112005057187333-pat00002
T: TLED-TFin, P: dissipated power)로 정의되는 열 저항이 도 4의 제 1실시예의 경우, 다음과 같은 값을 가지며,
Figure 112005057187333-pat00003
도 5의 제 2실시예의 경우, 다음과 같은 값을 가진다.
Figure 112005057187333-pat00004
따라서, 제 1실시예는 열 저항값이 제 2실시예에 비해
Figure 112005057187333-pat00005
만큼 줄어들어 이 크기 만큼의 냉각 효과를 더 가질 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 제 1, 2실시예는 각각의 장점을 가진다. 다만, 냉각 효과를 극대화하기 위해서는 제 1실시예에 따른 냉각 시스템이 보다 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 LED 냉각 시스템은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 본 발명은 LED에서 발생하는 열이 히트 플레이트를 통해 원통형 히트 파이프로 직접 전달되어 보다 효율적인 방열이 가능하다. 따라서, 종래와 같이 다수개의 LED가 적용됨에 따른 열에 의한 LED의 작동 불량등을 방지할 수 있다.
둘째, 본 발명은 히트 플레이트 상면에 직접 인쇄회로기판을 형성하여 금속 플레이트 및 TIM과 같은 부품의 개수를 줄여 제조단가를 낮추고, 제품 생산공정을 단축시킬 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해 져야만 할 것이다.

Claims (5)

  1. 원통 형상의 히트 파이프(heat pipe);
    상기 히트 파이프의 일단을 감싸고, 상면에 인쇄회로기판이 일체로 형성된 히트 플레이트(heat plate);
    상기 히트 플레이트에 형성된 인쇄회로기판의 상면에 장착되어 고출력의 광을 출사하는 LED; 그리고
    상기 히트 파이프의 타단에 설치되어 LED에서 발생하는 열을 방열시키는 냉각핀을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 LED 냉각 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 히트 플레이트는 알루미늄, 마그네슘, 구리 중에 적어도 어느 하나로 이루어지는 금속층; 상기 금속층 위에 얇은 막으로 형성되는 절연층; 상기 절연층상에 전도성 라인으로 형성되는 인쇄회로기판층; 및 상기 인쇄회로기판 층의 배선을 보호하기 위한 절연층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 LED 냉각 시스템.
  3. 제1항에 있어서
    상기 LED와 인쇄회로기판 사이에는 열전도율 및 접착력 향상을 위한 TIM을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 LED 냉각 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 히트 플레이트의 양측면에 LED에서 전달되는 열의 효율적인 방열을 위한 리브가 형성되는 LED 냉각 시스템.
  5. 히트 파이프와, 상기 히트 파이프의 일단을 감싸고 상면에 회로기판이 일체로 형성된 히트 플레이트(heat plate), 및 상기 히트 플레이트에 형성된 회로기판의 상면에 장착된 LED를 포함하여 구성되는 LED 냉각 시스템 제조 방법에 있어서,
    상기 회로기판이 일체로 형성된 히트 플레이트는,
    상기 히트 플레이트의 상면을 연마하여 불순물을 제거하는 단계;
    상기 히트 플레이트에 얇은 막의 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층 위에 전기적 도금, 라미네이터 공정, 및 박리 공정을 거쳐 회로기판을 형성하는 단계; 및
    상기 과정으로 형성된 회로기판의 배선을 보호하기 위해 절연층을 형성하는 단계;를 포함하여 제조하는 LED 냉각 시스템 제조 방법.
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