KR100996462B1 - 공랭식 히트싱크 및 그를 채용한 발광다이오드 램프 - Google Patents

공랭식 히트싱크 및 그를 채용한 발광다이오드 램프 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수평으로 배치되는 알루미늄 재질의 히트싱크판들을 구리 재질의 튜브가 관통하는 격자 구조를 가지고 상기 구조 내부에서 열전도 및 공기의 자연 대류 현상에 의하여 방열을 유도하는 공랭식 히트싱크와 상기 공랭식 히트싱크를 채용한 발광다이오드 램프를 개시하며, 상기 공랭식 히트싱크는 제1 수평싱크들 및 제2 수평싱크들을 포함하고 상기 제1 수평싱크는 상기 제2 수평싱크보다 큰 직경을 가지며 상기 제1 수평싱크들 사이에 상기 제2 수평싱크가 하나씩 배치되는 수평싱크부 및 일단에 닫힌 면이 형성된 제1 튜브 및 제2 튜브들 그리고 양단이 열린 제3 튜브들을 포함하며 상기 제1 튜브 및 상기 제2 튜브들은 상기 제1 및 제2 수평싱크들을 관통하면서 이들과 결합되며 상기 제3 튜브들은 적어도 상기 제1 수평싱크들을 관통하는 수직싱크부를 포함하며, 상기 수평싱크부와 상기 수직싱크부 간의 열전도와 상기 제1 내지 제3 튜브들의 열린 면을 출입하는 공기의 대류로 열을 방출함을 특징으로 한다.

Description

공랭식 히트싱크 및 그를 채용한 발광다이오드 램프{Air-cooled heat sink and light emitting diode lamp using the heat sink}
본 발명은 공랭식 히트싱크 및 그를 채용한 발광다이오드 램프에 관한 것으로서, 특히 수평으로 배치되는 알루미늄 재질의 히트싱크판들을 구리 재질의 튜브가 관통하는 격자 구조를 가지고 상기 구조 내부에서 열전도 및 공기의 자연 대류 현상에 의하여 방열을 유도하는 공랭식 히트싱크와 상기 공랭식 히트싱크를 채용한 발광다이오드 램프에 관한 것이다.
최근 발광다이오드(Light Emitting Diode; LED) 소자는 조명등이나 액정표시장치(Liquid Crystal Display; LCD)의 백라이트 유닛 등 이용되는 분야가 확대되고 있다.
그러나, 발광다이오드(Light Emitting Diode; LED) 소자는 발광 다이오드(이하, 'LED'라 함)에서 발생하는 열 문제로 인해 광원으로 사용하는데 제약이 많다. 발광다이오드는 대략 20~30% 정도의 광 효율을 가지며, 발광다이오드의 광 효율을 30%로 가정하면 발광다이오드 한 개당 열로 소모하는 전력은 전체 소비 전력의 70% 정도로 추산될 수 있다.
파워 LED 램프 칩 또는 파워 LED 칩이 실장된 인쇄회로기판(Printed Circuit Board: PCB)은 열의 발생 비율이 상대적으로 높다. 이들은 발생되는 열을 자체의 히트싱크를 통하여 효율적으로 처리하지 못하면 단위 면적당 발열량이 커지며, 그에 따라서 파워 LED 램프 칩이 실장된 인쇄회로기판이나 백라이트 유닛 내부의 온도가 상승될 수 있다.
결과적으로 파워 LED 램프 칩이 동작되지 않거나 비정상적으로 동작되는 상태가 야기될 수 있으며, 관련 전자회로 등의 동작의 신뢰성이 저하될 수 있다. 뿐만 아니라 내부 온도차에 의한 부품이나 케이스에 열응력이 발생할 수 있으며, 열응력에 의하여 제품이 변형될 수 있다.
따라서, 파워 LED 램프 칩 또는 파워 LED 칩이 실장된 인쇄회로기판의 자체 히트싱크를 통하여 열을 빠르게 방출시킬 수 있는 다양한 연구가 현재 진행되고 있다.
가장 일반적인 방열 방법으로 히트싱크(Heat Sink)나 냉각팬(Cooling Fan)의 사용이 고려되고 있다. 그러나, 일반적인 히트싱크나 냉각팬은 열 방출 속도와 효율이 떨어지기 때문에 방열 효율을 높이기 위하여 열을 강제로 방출하기 위한 장치 등이 부가적으로 필요한 문제점이 있다.
이러한 방열 문제를 해결하기 위해 금속으로 이루어진 방열판을 구비하여 열을 방출하는 방법이 제안된 바 있다. 이 경우 금속 방열판 상부에 절연층이 적층되고, 상기 절연층 상부에 회로 패턴이 형성되며, 상기 회로 패턴 상부에 발광다이오드와 같은 반도체 소자가 실장 된다. 상기 금속 방열판은 알루미늄으로 주로 구성되며, 알루미늄은 열전도도가 좋고 가벼우며 가격이 저렴한 이점이 있다.
상술한 금속으로 이루어진 방열판에서 상기 절연층의 열전도도가 전체 인쇄회로기판의 열전도도를 좌우한다. 그러나, 일반적으로 절연층은 낮은 열전도도를 갖기 때문에, 파워 LED 램프 칩 또는 파워 LED 칩을 실장한 인쇄회로기판에서 발생하는 열이 효과적으로 방출되지 못한다. 즉, 파워 LED 램프 칩에서 발생하는 열이 상기 절연층의 차단 효과에 의하여 금속 방열판에 충분히 전달되지 못하기 때문에 상술한 금속으로 이루어진 방열판은 열 방출 효율이 떨어진다.
최근에 파워 LED 램프 칩 또는 파워 LED 램프 칩이 실장된 인쇄회로기판의 자체 히트싱크의 단위 면적을 크게 함으로써 자체의 히트싱크의 단위 면적당 발열량을 작게 하고, 열전도도(trermal conductivity) 및 열전도율(Thermal conduction rate)을 향상시키려는 연구가 끊임없이 이루어지고 있다.
그러나, 파워 LED 램프 칩 또는 파워 LED 칩을 실장한 인쇄회로기판은 자체의 히트싱크에서 발생하는 단위 면적당 발열량이 매우 크기 때문에 열로 인하여 파워 LED 램프 칩의 수명이 저하되는 문제점이 있다. 그러므로 별도의 방열판이 없이는 파워 LED 램프 칩이 독자적으로 사용되기 어렵다.
그러므로, 파워 LED 램프 칩 제품을 설계함에 있어서 가격 대비 성능이 뛰어난 고(高) 방열성 및 고(高) 효율성을 갖는 새로운 타입의 히트싱크의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 발열성 칩의 자체 히트싱크에 접촉되어서 상기 발열성 칩의 상기 자체 히트싱크의 열을 전도 및 공기 대류로 방열하는 새로운 타입의 공랭식 히트싱크를 제공함을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 열전도도(trermal conductivity) 및 열전도율(Thermal conduction rate)이 각기 다른 두 종류 이상의 순금속(metal, 純金屬)의 물질(matter)을 수평싱크부와 이들을 관통하는 튜브들로 각각 구성하여서 열전도와 공기의 자연 대류를 이용하여 높은 효율로 열을 방출하는 상기 공랭식 히트싱크를 제공함을 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 히트싱크를 발광다이오드 램프 칩을 실장한 기판모듈에 조립하여 높은 열 방출 효율을 갖는 발광다이오드 램프를 제공함을 또다른 목적으로 한다.
본 발명에 따른 공랭식 히트싱크는, 제1 수평싱크들 및 제2 수평싱크들을 포함하고 상기 제1 수평싱크는 상기 제2 수평싱크보다 큰 직경을 가지며 상기 제1 수평싱크들 사이에 상기 제2 수평싱크가 적어도 1개 배치되는 수평싱크부 및 일단에 닫힌 면이 형성된 제1 튜브 및 제2 튜브들 그리고 양단이 열린 제3 튜브들을 포함하며 상기 제1 튜브 및 상기 제2 튜브들은 상기 제1 및 제2 수평싱크들을 관통하면서 이들과 결합되며 상기 제3 튜브들은 상기 제1 수평싱크를 관통하는 수직싱크부를 포함하며, 상기 수평싱크부와 상기 수직싱크부 간의 열전도와 상기 제1 내지 제3 튜브들의 열린 면을 출입하는 공기의 대류로 열을 방출함을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 제1 튜브는 닫힌 면이 제1 방향의 최외곽의 상기 제1 수평싱크를 관통하여 노출되며 상기 닫힌 면을 포함하는 단부가 발열성 칩의 자체 히트싱크와 도전성 접착제로 접착되며, 상기 제2 튜브들은 상기 닫힌 면이 상기 제1 튜브의 것과 반대 방향에 위치하도록 배치되면서 열린 면이 상기 제1 방향의 최외곽의 상기 제2 수평싱크를 관통하여 노출되도록 구성될 수 있다.
그리고, 상기 제1 튜브의 열린 면은 상기 수평싱크부 내부의 상기 제1 수평싱크나 상기 제2 수평싱크 중 어느 하나를 관통하면서 노출되도록 구성될 수 있다.
그리고, 상기 제2 튜브의 닫힌 면은 상기 수평싱크부 내부의 상기 제1 수평싱크나 상기 제2 수평싱크 중 어느 하나를 관통하면서 노출되도록 구성될 수 있다.
그리고, 상기 제1 튜브의 상기 닫힌 면에는 상기 발열성 칩의 상기 자체 히트싱크에 형성되는 홈과 조립가능한 돌기가 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제1 튜브는 상기 수평싱크부의 중심에 배치되며 원형 또는 사각형 튜브 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 제3 튜브들은 상기 제2 수평싱크들을 더 관통하도록 구성될 수 있다.
그리고, 상기 제3 튜브들은 양단의 최외곽에 배치된 상기 제2 수평싱크들을 관통하며 열린 면이 노출되도록 구성될 수 있다.
그리고, 상기 수평싱크부는 상기 제1 수평싱크들과 상기 제2 수평싱크들 사이에 배치되며 상기 제1 튜브가 관통되는 와셔를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 수평싱크와 상기 제2 수평싱크는 알루미늄 재질의 원형 디스크로 형성되며 상기 제1 내지 제3 튜브는 구리 재질로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 발광다이오드 램프는, 전면에 발광다이오드 램프 칩이 실장되고 후면에 상기 발광다이오드 램프 칩의 열을 방열하는 자체 히트싱크를 가지는 에폭시 베이스계 기판, 메탈 베이스계 기판 또는 세라믹 베이스계 기판 중 어느 하나의 계열로 구성되는 기판모듈 및 상기 기판모듈의 상기 후면에 조립되는 상기 공랭식 히트싱크를 포함하며, 상기 공랭식 히트싱크는, 제1 수평싱크들 및 제2 수평싱크들을 포함하고 상기 제1 수평싱크는 상기 제2 수평싱크보다 큰 직경을 가지며 상기 제1 수평싱크들 사이에 상기 제2 수평싱크가 적어도 1개 배치되는 수평싱크부 및 일단에 닫힌 면이 형성된 제1 튜브 및 제2 튜브들 그리고 양단이 열린 제3 튜브들을 포함하며 상기 제1 튜브 및 상기 제2 튜브들은 상기 제1 및 제2 수평싱크들을 관통하면서 이들과 결합되며 상기 제3 튜브들은 상기 제1 수평싱크를 관통하는 수직싱크부를 포함한다.
본 발명에 의한 새로운 타입의 공랭식 히트싱크는 발열성 칩의 자체 히트싱크에 접촉되어서 상기 발열성 칩의 상기 자체 히트싱크의 열을 전도 및 공기 대류로 방열함으로써 높은 효율로 방열을 수행할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 상기 공랭식 히트싱크는 열전도도(trermal conductivity) 및 열전도율(Thermal conduction rate)이 각기 다른 두 종류 이상의 순금속(metal, 純金屬)의 물질(matter)을 수평히트싱크부와 이들을 관통하는 튜브로 각각 구성됨으로써 열전도와 공기의 자연 대류를 이용하여 높은 효율로 열을 방출하는 효과가 있다.
그리고, 전면 중앙에 발광다이오드 램프 칩을 탑재하고 후면에 자체 히트싱크를 갖는 에폭시 베이스계 기판, 메탈 베이스계 기판 또는 세라믹 베이스계 기판 중 임의의 기판 재료로 구성되는 기판모듈에 상기 공랭식 히트싱크가 조립되어서 발광다이오드 램프가 구성됨으로써 높은 방열성이 보장되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 공랭식 히트싱크의 제1 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 제1 실시예의 평면도이다.
도 3은 도 1의 1-1 부분 단면도이다.
도 4는 도 1의 2-2 부분 단면도이다.
도 5는 도 1의 제1 튜브(14)의 평면도 및 종단면도이다.
도 6은 도 1의 제2 튜브(16)의 평면도 및 종단면도이다.
도 7은 도 1의 제3 튜브(18)의 평면도 및 종단면도이다.
도 8은 도 1에 설치가능한 와셔의 예시적 평면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 공랭식 히트싱크의 제2 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 10은 도 9의 제2 실시예의 평면도이다.
도 11은 도 10의 3-3 부분 단면도이다.
도 12는 도 10의 4-4 부분 단면도이다.
도 13은 도 9의 제1 튜브(14a)의 평면도 및 종단면도이다.
도 14는 본 발명에 따른 공랭식 히트싱크의 제3 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 15는 도 14의 제3 실시예의 평면도이다.
도 16은 도 14의 제1 튜브(14b)의 평면도 및 종단면도이다.
도 17은 본 발명에 따른 공랭식 히트싱크의 제4 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 18은 도 17의 제 4 실시예의 평면도이다.
도 19는 기판모듈(30)을 예시적으로 도시한 사시도이다.
도 20은 도 19의 기판모듈(30)의 자체 히트싱크의 일예를 도시하는 사시도이다.
도 21은 도 19의 기판모듈(30)의 자체 히트싱크의 다른 일예를 도시하는 사시도이다.
도 22는 본 발명에 따른 발광다이오드 램프의 바람직한 실시예를 나타내는 조립 상태 사시도이다.
도 23은 파워를 인가하여 발광다이오드 칩의 광속을 측정한 그래프이다.
도 24는 알루미늄 재질의 히트싱크 중 직경이 큰 제1 히트싱크의 온도를 나타내는 그래프이다.
도 25는 IR 카메라로 촬영한 발광다이오드 램프 칩이 탑재된 에폭시 기판 베이스 표면의 기판 전면 온도 분포를 IR 카메라로 촬영한 사진이다.
도 26은 본 발명에 따른 공랭식 히트싱크의 초기 온도 분포를 나타내는 측면 사진이다.
도 27 및 도 28은 도 26의 상태에서 파워 인가 20분 후 본 발명에 따른 공랭식 히트싱크의 온도 분포를 나타내는 측면 사진이다.
도 29는 도 27 및 도 28의 상태에 대응되는 히트싱크의 온도 측정 그래프이다.
도 30은 파워 인가 20분 후 본 발명에 따른 공랭식 히트싱크를 채용한 발광다이오드 램프의 평면에 대한 온도 분포를 나타내는 사진이다.
도 31은 도 30의 상태에 대응되는 히트싱크의 온도 측정 그래프이다.
도 32는 파워 인가 20분 후 본 발명에 따른 공랭식 히트싱크를 채용한 발광다이오드 램프의 배면에 대한 온도 분포를 나타내는 사진이다.
도 33은 도 32의 상태에 대응되는 히트싱크의 온도 측정 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명에 따른 공랭식 히트싱크의 바람직한 실시예들에 대하여 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.
먼저, 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 제1 실시예에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 공랭식 히트싱크는 수평싱크부와 수직싱크부를 포함하며, 수평싱크부는 제1 수평싱크들(10) 및 제2 수평싱크들(12)을 포함하고, 제1 및 제2 수평싱크들(10, 12)은 원형 디스크 형상으로 제작될 수 있으며, 제1 수평싱크들(10)은 제2 수평싱크들(12) 보다 큰 직경을 가지고, 제1 수평싱크들(10) 사이에 제2 수평싱크(12)가 하나씩 배치된다. 즉, 제1 수평싱크(10)와 제2 수평싱크(12)는 수직으로 일정 간격 이격되면서 교번되게 배치된다. 상기 수직싱크부는 일단에 닫힌 면이 형성된 제1 튜브(14) 및 제2 튜브들(18) 그리고 양단이 열린 제3 튜브들(16)을 포함하며, 상기 제1 튜브(14) 및 상기 제2 튜브들(18)은 제1 수평싱크들(10) 및 제2 수평싱크들(12)을 관통하면서 이들과 결합되며, 상기 제3 튜브들(16)은 제1 수평싱크(10)를 관통하게 형성된다.
제1 수평싱크(10)와 제2 수평싱크(12)의 이격된 간격은 와셔(17)에 의하여 지지되도록 구성될 수 있으며, 와셔(17)는 오(O)형 링 타입으로 구성되는 것으로서 후술되는 제1 튜브(14)에 삽입되어 구성될 수 있다.
그리고, 상술한 바와 같이 배치된 수평싱크부의 제1 수평싱크들(10) 및 제2 수평싱크들(12)은 동심(同心)을 갖도록 배치되면서 제1 내지 제3 튜브(14, 18, 16)와 결합되어서 본 발명에 따른 공랭식 히트싱크를 이룬다.
제1 튜브(14) 및 제2 튜브(18)는 일단에 닫힌 면이 형성되고 제 3 튜브(16)는 양단이 열린 형상을 갖는다. 그리고, 제1 튜브(14)는 횡단면이 직사각형 또는 정사각형 형상을 갖는 튜브로 구성될 수 있고, 제2 튜브(18)와 제3 튜브(16)는 횡단면이 원 형상을 갖는 튜브로 구성될 수 있다.
여기에서 제1 튜브(14)는 적층된 제1 및 제2 수평싱크들(10, 12)의 중심을 관통하여 이들과 결합되도록 구성된다.
그리고, 제2 튜브(18)는 복수 개 구성되며, 제1 튜브(14)로부터 동일한 직경을 갖는 원주 상에 서로 이격되게 배치되고, 제1 및 제2 수평싱크들(10, 12)을 관통하여 이들과 결합되도록 구성된다. 제2 튜브(18)는 본 발명의 실시예로 4개가 구성된 것이 예시되고 있으나, 이에 국한하지 않고 제작자의 의도에 따라 보다 다양하게 구성될 수 있다.
그리고, 제3 튜브(16)도 복수 개 구성되며, 제1 튜브(14)로부터 동일한 직경을 갖는 원주 상에 서로 이격시켜서 배치되되 제2 튜브(18)보다 제1 튜브(14)에서 먼 위치에 배치되고 제1 및 제2 수평싱크들(10, 12)을 관통하여 이들과 결합되도록 구성된다. 제3 튜브(16)는 본 발명의 실시예로 4개가 구성된 것이 예시되고 있으나, 이에 국한하지 않고 제작자의 의도에 따라서 보다 다양하게 구성될 수 있다. 특히, 제1 실시예에서 제3 튜브(16)는 제2 수평싱크(12)의 테두리에 접하는 위치에 배치된다.
상술한 구성에 있어서, 수평싱크부에 포함되는 제1 수평싱크(10)와 제2 수평싱크(12)의 수와 이들의 직경 그리고 제1 내지 제3 튜브(14, 18, 16)의 수와 이들의 직경 및 길이는 본 발명에 따른 공랭식 히트싱크와 결합되는 발광다이오드 램프의 발광다이오드 램프 칩과 같은 발열성 칩의 발열량을 고려하여 결정될 수 있다.
그리고, 제1 수평싱크(10)와 제2 수평싱크(12)의 이격 거리와 제1 내지 제3 튜브들(14, 18, 16)이 배치되는 조밀도는 방열 효율을 고려하여 결정될 수 있다.
그리고, 제1 및 제2 수평싱크(10, 12)와 제1 내지 제3 튜브들(14, 18, 16)은 서로 다른 종류의 순금속 물질을 이용할 수 있으며, 제1 내지 제3 튜브들(14, 18, 16)이 제1 및 제2 수평싱크(10, 12) 보다 열전도율이 좋은 재질로 구성됨이 바람직하다.
상술한 바에서 제1 내지 제3 튜브들(14, 18, 16)은 구리를 이용하여 제작될 수 있다. 구리는 원소기호 Cu, 원자번호 29, 원자량 63.546, 녹는점 1084.5℃, 끊는점 2595℃ 그리고 비중 8.92(20℃)로 특유한 적색 광택을 가진 금속이며, 전성(展性), 연성(延性) 및 가공성이 뛰어날 뿐만 아니라 강도도 있다. 구리의 열전도율은 300 내지 340 Kcal/m·hr·℃이고, 구리의 열 및 전기의 전도율은 은에 이어 2번째로 크고 결정계는 등축정계(等軸晶系)이다.
상기 구리는 제1 내지 제3 튜브들(14, 18, 16) 뿐만 아니라 와셔(17)의 재질로 이용될 수 있다.
그리고, 제1 튜브(14)의 닫힌 면의 상부는 발광다이오드 램프 칩의 자체 히트싱크와 접합될 수 있으며, 이때 접합은 은 재질의 도전성 접착제를 이용하여 이루어질 수 있다.
은 재질의 도전성 접착제는 통상적으로 탄탈륨 칩 커패시터( Tantalum Chip Capacitor)의 은 전극과 리드 프레임(Lead Frame)의 접착 등을 위하여 판매되는 일액형 도전성 접착제가 이용될 수 있으며, 디스펜싱(Dispensing) 작업에 알맞은 점도 특성과 틱소트로픽 인덱스(Thixotropic lndex)를 가지고, 자연 경화시 수축률이 적으며, 용제의 함량이 1%이하로 매우 적어서 균일한 본드 라인(Bond line)을 형성할 수 있고, 접착력이 우수하며, 2.0×10-4Ω㎝의 높은 전기전도도를 가지며, 고온에서 내열 및 내습성이 우수하고, 온도에 따른 전기전도도의 변화가 적다.
또한, 상술한 바에서 제1 및 제2 수평싱크(10, 12)는 알루미늄을 이용하여 제작될 수 있다. 알루미늄(Aluminium)은 원소기호 Al, 원자번호 13, 원자량 26.9815, 녹는점 660.4℃, 끊는점 2519℃, 밀도 2.70g/cm3(20℃)로 녹이 잘 슬지 않고, 은백색의 가볍고 무른 금속이다. 알루미늄은 연성이 크며, 열전도율이 175Kcal/m·hr·℃이고 전기 전도성 또한 좋기 때문에 고전압용 전선을 만드는데 이용된다. 알루미늄은 구리보다 열전도율이 떨어진다.
제1 실시예에서 제1 튜브(14)는 닫힌 면이 발광다이오드 램프 칩과 같은 발열성 칩이 배치되는 쪽의 최외곽 제1 수평싱크(10)를 관통하여 노출되도록 구성되며, 열린 상태의 반대쪽 단부는 수평싱크부에 포함되는 최외곽 제2 수평싱크(12)를 관통하여 노출되도록 구성된다. 그리고 제2 튜브(18)는 열린 단부가 제1 튜브(14)의 닫힌 면이 배치되는 방향의 최외곽 제2 수평싱크(12)를 관통하여 노출되도록 구성되며, 닫힌 면은 반대쪽 최외곽 제2 수평싱크(12)를 관통하여 노출되도록 구성된다. 그리고, 제3 튜브(16)는 열린 상태의 양단이 양방향의 최외곽 제1 수평싱크(10)를 관통하여 노출되도록 구성된다.
상술한 바와 같은 제1 실시예는 제1 및 제2 수평싱크(10, 12) 및 제1 내지 제 3 튜브들(14, 18, 16) 간의 열전도와 제1 내지 제3 튜브(14, 18, 16) 내부 및 격자형태로 수평싱크들과 튜브들이 결합된 구조체 내부의 자연적인 공기 대류에 의하여 공랭이 이루어진다.
보다 구체적으로 제1 내지 제3 튜브들(14, 18, 16)은 제1 및 제2 수평싱크(10, 12) 보다 열전도율이 높기 때문에 발열성 칩의 자체 히트싱크의 열을 빠르게 펌핑하여 제1 및 제2 수평싱크(10, 12)들에 전도할 수 있어서 효율적인 방열을 가능하게 한다.
그리고, 제1 내지 제3 튜브들(14, 18, 16)들은 일면 또는 양면이 개방된 튜브 형상을 가짐으로써 자연 대류하는 공기에 의하여 방열하는 시스템을 이룬다. 즉, 도면에 도시된 화살표와 같이 찬 외부 공기가 제1 내지 제3 튜브들(14, 18, 16)의 내부 공간에 유입되고 제1 내지 제3 튜브들(14, 18, 16)의 내벽의 열을 흡수한 공기는 외부로 방출되는 자연 대류 현상이 발생함으로써 제1 내지 제3 튜브들(14, 18, 16)이 보다 효과적인 방열을 수행할 수 있다.
아울러, 제1 및 제2 수평싱크(10, 12)는 서로 다른 직경을 가짐으로써 제1 수평싱크(10)들 사이에 공기의 대류를 위한 공간이 형성됨으로써 보다 효율적으로 공기의 자연 대류가 보장될 수 있고 그에 따른 방열 효과가 상승될 수 있다.
그리고, 제1 및 제2 튜브(14, 18)의 개방된 단부가 서로 반대 방향에 배치됨으로써 공기의 대류 및 방열이 특정 부분에 집중되지 않고 분산됨으로써 효과적인 방열이 이루어질 수 있다.
그리고, 적층된 제1 및 제2 수평싱크(10, 12)들이 제1 내지 제3 튜브(14, 18, 16)들과 결합되어 격자구조를 이룸으로써 열의 전도가 효과적으로 이루어질 수 있고, 특히 제1 및 제2 수평싱크(10, 12)의 주연부에 배치되는 제3 튜브(18)는 양단이 개방된 튜브가 이용됨으로써 말단에서 방열을 촉진시킴으로써 열전달이 순조롭게 이루어질 수 있다.
한편, 제2 실시예는 도 9 내지 도 13을 참조하여 설명될 수 있다.
제2 실시예는 도 1 내지 도 8에 도시된 제1 실시예와 비교하여 제2 수평싱크(12a)와 제3 튜브(16a)가 서로 분리된 점에 차이가 있고, 제1 튜브(14a)는 횡단면이 원형인 것으로 구성된 점에 차이가 있다.
상술한 구성상 차이점에 의하여 제1 수평싱크(10a)와 결합되는 제3 튜브(16a)는 제1 실시예의 제3 튜브(16) 보다 좀 더 외곽에 배치되거나, 제 2 수평싱크(12a)가 제1 실시예의 제2 수평싱크(12) 보다 작은 직경을 갖도록 설계될 수 있다. 제 1 내지 제3 튜브(14a, 18a, 16a)의 서로 간의 배치 관계는 제1 실시예와 동일하게 유지될 수 있다. 그리고, 제1 수평싱크(10a)와 제2 수평싱크(12a) 간의 이격 거리를 유지하기 위하여 도 8의 와셔(17)가 이용될 수 있다.
제2 실시예에서 제3 튜브(16a)가 제2 수평싱크(12)의 방열에 관여하지 않을 뿐 전체적인 방열 메카니즘은 제1 실시예와 실질적으로 동일하므로 중복되는 구성 및 작용 설명은 생략한다.
그리고, 제3 실시예는 도 14 내지 도 16을 참조하여 설명될 수 있다.
제3 실시예는 제2 실시예와 전체적인 구성이 동일하면서 제1 튜브(14b)의 형상이 다르다. 제3 실시예의 제1 튜브(14b)는 횡단면이 원형인 튜브가 이용되고 닫힌 일단에 장방체를 이루는 돌기(15)가 형성된다.
제3 실시예의 제1 및 제2 수평싱크(10b, 12b) 및 제2 및 제3 튜브(18b, 16b)의 구성은 제2 실시예와 동일하고, 제1 내지 제3 튜브(14b, 18b, 16b)의 서로 간의 배치관계도 동일하므로, 이들에 대한 중복되는 구성 및 작용 설명은 생략한다.
발열성 칩의 자체 히트싱크에는 돌기(15)와 결합될 수 있는 요부(도 21의 40 참조)가 형성될 수 있으며, 제3 실시예의 돌기(15)는 도 21의 요부(40)에 삽입되어서 은 도전성 접착제를 이용하여 방열을 위한 결합을 이룰 수 있다.
그리고, 제4 실시예는 도 17 및 도 18을 참조하여 설명될 수 있다.
제4 실시예는 제2 실시예와 전체적인 구성이 동일하면서 일방향 즉 발열성 칩과 결합되는 방향의 제1 수평싱크(10c)에 발열성 칩과 결합을 위한 배선을 수납하기 위한 수납홈(20)이 형성되는 것이다. 제4 실시예의 제2 수평싱크(12c), 제1 내지 제3 튜브(14c, 18c, 16c)의 구성은 제2 실시예와 동일하고, 제1 내지 제3 튜브(14c, 18c, 16c)의 서로 간의 배치관계도 동일하므로, 이들에 대한 중복되는 구성 및 작용 설명은 생략한다.
제4 실시예는 발열성 칩과 도 22와 같이 결합을 이룰 수 있으며, 수납홈(20)은 배선(44)을 정리하는데 이용될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 공랭식 히트싱크가 제1 내지 제4 실시예와같이 구성될 수 있으며, 이에 국한되지 않고 다양한 형상으로 제1 및 제2 수평싱크 그리고 제1 내지 제3 튜브가 변형될 수 있을 것이다.
한편, 상술한 발열성 칩은 발광다이오드 램프를 구성하는 발광다이오드 램프 칩과 같이 고열을 발생하는 칩류를 포함하는 것이며, 발광다이오드 램프 칩을 실장한 기판모듈은 도 19 및 도 20과 같이 구성될 수 있다.
기판모듈(30)은 기판(32)의 전면에 발광다이오드 램프 칩(도시되지 않음)을 실장하고 이를 보호하기 위한 캡(34)이 구성될 수 있으며, 기판(32)의 후면에 발광다이오드 램프 칩의 열을 방열하는 자체 히트싱크(36)가 형성될 수 있다. 기판(32)은 에폭시 베이스계 기판(예컨대, FR4), 메탈 베이스계(리지드(Rigid)계) 기판 또는 세라믹(예컨대, Al2O3, Al2O3-TiC, Si3N4, CaTiO3, AlN, ZrO2)베이스계 기판 중 어느 하나의 계열로 구성될 수 있다.
그리고, 기판모듈(30)은 도 21을 참조하여 상술한 바와 같이 공랭식 히트싱크의 제1 수평싱크의 중앙에 돌출되는 돌기(15)와 결합될 수 있는 요부(40)가 형성될 수 있다.
상술한 바와 같은 기판모듈(30)은 상술한 도 1 내지 도 18을 참조하여 설명된 제1 내지 제4 실시예 중 어느 하나와 결합되어서 발광다이오드 램프를 이룰 수 있으며, 발광다이오드 램프를 구성함에 있어서 제4 실시예와 같이 수납홈(20)에 배선(44)이 정리될 수 있다.
이상과 같이 발광다이오드 램프가 구성됨으로써 기판모듈(30)의 열이 상술한 공랭식 히트싱크에 의하여 방열될 수 있으며, 본 발명에 의한 발광다이오드 램프는 열전도 및 자연 공기 대류 현상을 이용한 방열이 공랭식 히트싱크에 의하여 이루어지므로 발광다이오드 램프 칩의 수명을 향상시키고 광효율을 개선시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 효과는 도 23 내지 도 33을 참조하여 이해될 수 있다.
도 23은 광속측정(CAS140) 장비를 이용하여 12V, 750mA의 파워를 인가한 상태에서 발광다이오드 램프 칩의 광속을 측정한 그래프이며, 도 23의 수평축은 시간(분)을 의미하고 수직축은 루멘(lumen)(lm)을 의미한다.
그리고, 도 24는 도 23과 같이 파워를 인가한 상태에서 알루미늄 재질의 수평싱크부 중 직경이 큰 제1 수평싱크의 온도를 나타내는 그래프이며, 도 24의 수평축은 시간(분)을 의미하고 수직축은 온도(℃)를 의미한다.
도 25는 IR 카메라(온도측정) 측정 장비를 이용하여 파워 발광다이오드 램프 칩 또는 칩이 탑재되어 있는 일반 메탈 기판 베이스의 표면 온도를 보여주는 사진이며, 도 25에 나타난 바와 같이 중심부는 80.7℃로 온도를 나타내었다.
도 26 내지 도 33은 본 발명에 따른 공랭식 히트싱크를 채용한 발광다이오드 램프 칩의 측면, 평면 및 저면에 대한 온도 분포를 보여주는 사진들과 온도 측정 그래프들이다.
도 26은 본 발명에 따른 공랭식 히트싱크의 초기 온도 분포를 나타내는 측면 사진이다. 도 26에서 포인트 A 내지 E에 대응하여 표기된 값은 온도이다.
그리고, 도 27 및 도 28은 도 26의 상태에서 12V, 750mA의 파워 인가 20분 후 본 발명에 따른 공랭식 히트싱크의 온도 분포를 나타내는 측면 사진이고, 도 29는 도 27 및 도 28의 상태에 대응되는 공랭식 히트싱크의 온도 측정 그래프이다. 도 27에서 포인트 A 내지 포인트 E에 대응하여 표기된 값은 온도이고, 도 28은 최대치 35.9℃와 최소치 22.0℃ 사이에 온도가 분포되는 상태를 표시하고 있으며, 도 29에서 수평축은 시간(분)을 의미하고 수직축은 온도를 의미한다.
그리고, 도 30은 12V, 750mA의 파워 인가 20분 후 본 발명에 따른 공랭식 히트싱크를 채용한 발광다이오드 램프의 평면에 대한 온도 분포를 나타내는 사진이고, 도 31은 도 30의 상태에 대응되는 공랭식 히트싱크의 온도 측정 그래프이다. 도 30은 최대치 36.0℃와 최소치 22.0℃ 사이에 온도가 분포되는 상태를 표시하고 있으며, 도 31에서 수평축은 시간(분)을 의미하고 수직축은 온도를 의미한다.
그리고, 도 32는 12V, 750mA의 파워 인가 20분 후 본 발명에 따른 공랭식 히트싱크를 채용한 발광다이오드 램프의 저면에 대한 온도 분포를 나타내는 사진이고, 도 33은 도 32의 상태에 대응되는 히트싱크의 온도 측정 그래프이다. 도 32는 최대치 30.2℃와 최소치 22.0℃ 사이에 온도가 분포되는 상태를 표시하고 있으며, 도 33에서 수평축은 시간(분)을 의미하고 수직축은 온도를 의미한다.
앞서 살펴본 바와 같이, 일반 금속 기판 베이스 표면에서의 전면 온도가 80.7℃를 나타내지만, 본 발명의 공랭식 히트싱크가 설치된 후면에서는 온도가 22℃를 나타내는 것을 볼 수 있다. 이는 파워 LED 램프 칩이 탑재되어 있는 일반 금속 기판 베이스 전면과 본 발명의 공랭식 히트싱크 후면(저면) 사이의 온도차는 58.7℃로서, 본 발명의 공랭식 히트싱크는 온도가 높아진 자연적 공기 흐름을 이용한 자연대류(Natural convection) 현상을 극대화하여 자연 공랭(空冷)식 방법으로 효율적인 열전도도(trermal conductivity) 및 열전도율(Thermal conduction rate)로 열을 방출한다는 것을 확인할 수 있다.
10, 10a, 10b, 10c : 제1 수평싱크 12, 12a, 12b, 12c : 제2 수평싱크
14, 14a, 14b, 14c : 제1 튜브 15 : 돌기
16, 16a, 16b, 16c : 제3 튜브 17 : 와셔
18, 18a, 18b, 18c : 제2 튜브 20 : 수납홈
30 : 기판모듈 32 : 기판
34 : 캡 36 : 자체 히트싱크
40 : 요부 44 : 배선

Claims (20)

  1. 제1 수평싱크들 및 제2 수평싱크들을 포함하고 상기 제1 수평싱크는 상기 제2 수평싱크보다 큰 직경을 가지며 상기 제1 수평싱크들 사이에 상기 제2 수평싱크가 적어도 1개 배치되는 수평싱크부; 및
    일단에 닫힌 면이 형성된 제1 튜브 및 제2 튜브들 그리고 양단이 열린 제3 튜브들을 포함하며 상기 제1 튜브 및 상기 제2 튜브들은 상기 제1 및 제2 수평싱크들을 관통하면서 이들과 결합되며 상기 제3 튜브들은 상기 제1 수평싱크를 관통하는 수직싱크부;를 포함하며,
    상기 수평싱크부와 상기 수직싱크부 간의 열전도와 상기 제1 내지 제3 튜브들의 열린 면을 출입하는 공기의 대류로 열을 방출하며,
    상기 제1 튜브는 닫힌 면이 제1 방향의 최외곽의 상기 제1 수평싱크를 관통하여 노출되며 상기 닫힌 면을 포함하는 단부가 발열성 칩의 자체 히트싱크와 도전성 접착제로 접착되며,
    상기 제2 튜브들은 상기 닫힌 면이 상기 제1 튜브의 것과 반대 방향에 위치하도록 배치되면서 열린 면이 상기 제1 방향의 최외곽의 상기 제2 수평싱크를 관통하여 노출되는 것을 특징으로 하는 공랭식 히트싱크.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 튜브의 열린 면은 상기 수평싱크부 내부의 상기 제1 수평싱크나 상기 제2 수평싱크 중 어느 하나를 관통하면서 노출되는 공랭식 히트싱크.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 튜브의 닫힌 면은 상기 수평싱크부 내부의 상기 제1 수평싱크나 상기 제2 수평싱크 중 어느 하나를 관통하면서 노출되는 공랭식 히트싱크.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 튜브의 상기 닫힌 면에는 상기 발열성 칩의 상기 자체 히트싱크에 형성되는 홈과 조립가능한 돌기가 형성되는 공랭식 히트싱크.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 튜브는 상기 수평싱크부의 중심에 배치되며 원형 또는 사각형 튜브 중 어느 하나로 구성되는 공랭식 히트싱크.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제3 튜브들은 상기 제2 수평싱크들을 더 관통하는 공랭식 히트싱크.
  8. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제3 튜브들은 양단의 최외곽에 배치된 상기 제2 수평싱크들을 관통하며 열린 면이 노출되는 공랭식 히트싱크.
  9. 제1 수평싱크들 및 제2 수평싱크들을 포함하고 상기 제1 수평싱크는 상기 제2 수평싱크보다 큰 직경을 가지며 상기 제1 수평싱크들 사이에 상기 제2 수평싱크가 적어도 1개 배치되는 수평싱크부; 및
    일단에 닫힌 면이 형성된 제1 튜브 및 제2 튜브들 그리고 양단이 열린 제3 튜브들을 포함하며 상기 제1 튜브 및 상기 제2 튜브들은 상기 제1 및 제2 수평싱크들을 관통하면서 이들과 결합되며 상기 제3 튜브들은 상기 제1 수평싱크를 관통하는 수직싱크부;를 포함하며,
    상기 수평싱크부와 상기 수직싱크부 간의 열전도와 상기 제1 내지 제3 튜브들의 열린 면을 출입하는 공기의 대류로 열을 방출하며,
    상기 수평싱크부는 상기 제1 수평싱크들과 상기 제2 수평싱크들 사이에 배치되며 상기 제1 튜브가 관통되는 와셔를 더 포함하는 공랭식 히트 싱크.
  10. 제1 수평싱크들 및 제2 수평싱크들을 포함하고 상기 제1 수평싱크는 상기 제2 수평싱크보다 큰 직경을 가지며 상기 제1 수평싱크들 사이에 상기 제2 수평싱크가 적어도 1개 배치되는 수평싱크부; 및
    일단에 닫힌 면이 형성된 제1 튜브 및 제2 튜브들 그리고 양단이 열린 제3 튜브들을 포함하며 상기 제1 튜브 및 상기 제2 튜브들은 상기 제1 및 제2 수평싱크들을 관통하면서 이들과 결합되며 상기 제3 튜브들은 상기 제1 수평싱크를 관통하는 수직싱크부;를 포함하며,
    상기 수평싱크부와 상기 수직싱크부 간의 열전도와 상기 제1 내지 제3 튜브들의 열린 면을 출입하는 공기의 대류로 열을 방출하며,
    상기 제1 수평싱크와 상기 제2 수평싱크는 알루미늄 재질의 원형 디스크로 형성되며 상기 제1 내지 제3 튜브는 구리 재질로 형성되는 공랭식 히트싱크.
  11. 전면에 발광다이오드 램프 칩이 실장되고 후면에 상기 발광다이오드 램프 칩의 열을 방열하는 자체 히트싱크를 가지는 에폭시 베이스계 기판, 메탈 베이스계 기판 또는 세라믹 베이스계 기판 중 어느 하나의 계열로 구성되는 기판모듈; 및
    상기 기판모듈의 상기 후면에 조립되는 공랭식 히트싱크;를 포함하며,
    상기 공랭식 히트싱크는,
    제1 수평싱크들 및 제2 수평싱크들을 포함하고 상기 제1 수평싱크는 상기 제2 수평싱크보다 큰 직경을 가지며 상기 제1 수평싱크들 사이에 상기 제2 수평싱크가 적어도 1개 배치되는 수평싱크부; 및
    일단에 닫힌 면이 형성된 제1 튜브 및 제2 튜브들 그리고 양단이 열린 제3 튜브들을 포함하며 상기 제1 튜브 및 상기 제2 튜브들은 상기 제1 및 제2 수평싱크들을 관통하면서 이들과 결합되며 상기 제3 튜브들은 상기 제1 수평싱크를 관통하는 수직싱크부;를 포함하며,
    적어도 상기 제1 튜브의 상기 닫힌 면이 상기 기판모듈의 상기 자체 히트싱크에 도전성 접착제로 접착되며 상기 수평싱크부와 상기 수직싱크부 간의 열전도와 상기 제1 내지 제3 튜브들의 열린 면을 출입하는 공기의 대류로 상기 기판모듈의 상기 자체 히트싱크의 열을 방출함을 특징으로 하는 발광다이오드 램프.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 튜브는 닫힌 면이 제1 방향의 최외곽의 상기 제1 수평싱크를 관통하여 노출되며,
    상기 제2 튜브들은 상기 닫힌 면이 상기 제1 튜브의 것과 반대 방향에 위치하도록 배치되면서 열린 면이 상기 제1 방향의 최외곽의 상기 제2 수평싱크를 관통하여 노출되는 발광다이오드 램프.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 튜브의 열린 면은 상기 수평싱크부 내부의 상기 제1 수평싱크나 상기 제2 수평싱크 중 어느하나를 관통하면서 노출되는 발광다이오드 램프.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제2 튜브의 닫힌 면은 상기 수평싱크부 내부의 상기 제1 수평싱크나 상기 제2 수평싱크 중 어느하나를 관통하면서 노출되는 발광다이오드 램프.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제1 튜브의 상기 닫힌 면에는 상기 발광다이오드 램프 칩의 상기 자체 히트싱크에 형성되는 홈과 조립가능한 돌기가 형성되는 발광다이오드 램프.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 제1 튜브는 상기 수평싱크부의 중심에 배치되며 원형 또는 사각형 튜브 중 어느 하나로 구성되는 발광다이오드 램프.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제3 튜브들은 상기 제2 수평싱크들을 더 관통하는 발광다이오드 램프.
  18. 제11항 또는 제17항에 있어서,
    상기 제3 튜브들은 양단의 최외곽에 배치된 상기 제2 수평싱크들을 관통하며 열린 면이 노출되는 발광다이오드 램프.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 수평싱크부는 상기 제1 수평싱크들과 상기 제2 수평싱크들 사이에 배치되며 상기 제1 튜브가 관통되는 와셔를 더 포함하는 발광다이오드 램프.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 제1 수평싱크와 상기 제2 수평싱크는 알루미늄 재질의 원형 디스크로 형성되며 상기 제1 내지 제3 튜브는 구리 재질로 형성되는 발광다이오드 램프.
KR1020100049519A 2010-05-27 2010-05-27 공랭식 히트싱크 및 그를 채용한 발광다이오드 램프 KR100996462B1 (ko)

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