KR101010866B1 - Ｕｖ ｌｅｄ 모듈 냉각장치 - Google Patents

Abstract

여기에서는 냉매를 이용하여 발광소자를 냉각시키기 위한 발광소자용 냉각장가 개시된다. 개시된 냉각장치는, 열전도에 의해 하나 이상의 발광소자로부터 열을 전달받도록 배치된 냉각블록과, 상기 냉각블록 내에 냉매를 공급하기 위한 제1 냉매라인과, 상기 냉매를 상기 냉각블록 외부로 강제 배출하기 위한 제2 냉매라인을 포함하며, 상기 냉각블록은 냉매의 표면적을 넓혀 수용하고 상기 제2 냉매라인으로 향하는 이동 경로를 제공하는 수용부를 포함한다.

Description

ＵＶ ＬＥＤ 모듈 냉각장치{UV LED MODULE COOLING DEVICE}

본 발명은 UV LED 모듈 냉각장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는, UV ㅣLED 모듈을 효율적으로 냉각할 수 있는 장치에 관한 것이다.

LED(Light Emitting Diode)와 같은 반도체 발광소자가 다양한 산업 분야에서 이용되고 있다. LED는, p형 반도체층과 n형 반도체층 사이의 경계 영역에서 전자와 정공의 재결합에 의해 광을 발생하는 대표적인 발광소자로서, 발생 광의 파장에 따라 다양한 분야에서 이용되고 있다.

일 예로, UV 수지 또는 도료의 경화에 이용되던 UV 램프가 UV LED로 대체되고 있는 추세이다. UV 램프는 소비 전력이 약 300~500watts로 크고, Xe(Xenon), Hg와 같은 환경 유해 물질을 유발하며, 원치 않는 단파장을 유발하여 경화하고자하는 수지 또는 도료에 황변 현상을 야기하는 문제점이 있다. 반면, UV LED는 소비 전력이 UV 램프에 비해 훨씬 작고 원하는 파장대의 UV로 수지 또는 도료를 경화시킬 수 있다. 또한, LED는 UV 램프와 비교할 때 환경 유해 물질의 발생이 없고 수명이 긴 장점을 갖는다.

하지만, LED 구동시 광으로 변환되지 못한 에너지가 열로써 LED 내에서 지체하며, 이는 LED의 성능, 효율 및 수명을 저하시키는 원인이 된다. 게다가, 이러한 문제는 UV 수지 경화장치에 이용되는 UV LED의 경우 더욱 심각할 수 있다. 이에 대해, 종래에는 LED로부터 나온 열을 외부로 빨리 내보내도록, 메탈 PCB, 금속 방열판 및/또는 히트싱크를 이용하고 있지만 한계가 있다. 또한, 반도체 발광소자와 같은 전자부품을 금속 방열구조에 배치하고, 그 금속 방열구조에 냉매를 분사함으로써, 분사된 냉매가 열을 흡수해 기화하는 작용을 통해 전자부품을 냉각하는 장치가 PCT 공개번호 WO 2005/011350호에 개시된 바 있다. 그러나, 개시된 종래의 기술은 냉각 온도를 조절하기 쉽지 않고, 냉매의 작용을 제어하는 것도 쉽지 않은 단점이 있다.

본 발명의 하나의 목적은, UV LED가 배치된 발광블록 내로의 냉매 주입 및 배출의 제어가 가능하여, UV LED 모듈에 대한 냉각효율을 높일 수 있는 냉각장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, UV LED들과 그 LED들이 배치된 발광블록을 포함하는 UV 수지 경화장치에 있어서, 발광블록 내로 냉매의 주입과 기화된 냉매의 수용 및 배출을 통해, LED들의 열에 의한 성능, 효율 및 수명 저하를 저감할 수 있는 UV 경화시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면 따라 냉매를 이용하여 반도체형 UV 발광소자를 냉각시키는 UV LED 모듈 냉각장치가 제공된다. 상기 UV LED 모듈 냉각장치는, 열전도에 의해 하나 이상의 발광소자로부터 열을 전달받도록 배치된 냉각블록과, 상기 냉각블록 내에 냉매를 공급하기 위한 제1 냉매라인과, 상기 냉매를 상기 냉각블록 외부로 강제 배출하기 위한 제2 냉매라인을 포함하며, 상기 냉각블록은 냉매의 표면적을 넓혀 수용하고 상기 제2 냉매라인으로 향하는 이동 경로를 제공하는 수용부를 포함한다.

바람직하게는, 상기 수용부는 다공질 재료를 포함한다. 더 바람직하게는, 상기 냉각블록은 상기 다공질 재료를 감싸는 외부 블록부를 포함하며, 상기 외부 블록부에는 상기 제1 냉매라인과 상기 다공질 재료 사이를 연결하는 관로가 위치한다. 상기 관로는 주 관로와 상기 주 관로로부터 분기되어 상기 다공질 재료로 이어지는 복수의 미세 관로들을 포함하는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 상기 냉매는 상기 발광소자로부터 상기 냉각블록으로 전달된 열에 의해 기화될 수 있는 물질이 이용된다.

바람직하게는, 상기 제1 냉매라인에는 상기 냉각블록 내 공급되는 냉매의 유량 조절을 통해 상기 냉각블록의 온도를 조절하는 냉매 유량 조절밸브가 설치되고, 상기 제1 냉매라인의 일단은 냉매저장용기와 연결될 수 있다. 또한, 상기 2 냉매라인의 일단은 상기 냉매의 기화를 돕는 진공펌프와 연결될 수 있다.

바람직하게는, 상기 냉각블록으로부터 기화되어 나온 냉매를 응축하여 회수하도록, 상기 제2 냉매라인의 상기 진공펌프의 전단에는 응축기가 설치될 수 있다.

바람직하게는, 상기 냉각장치는 상기 냉각블록과 상기 발광소자 사이의 열전도 경로에 배치된 열전소자를 더 포함한다. 상기 발광소자는 메탈 PCB 상에 실장된 채로 상기 냉각블록 상에 배치되며, 상기 열전소자는 상기 메탈 PCB와 상기 냉각블록 사이에 개재된다.

바람직하게는, 상기 냉각블록은, 냉매의 입구가 상기 발광소자와 가깝도록 상부에 위치하고, 냉매의 출구는 상기 입구보다 낮게 위치하며, 상기 입구와 출구 사이에 다공질 재료가 위치한다.

본 발명의 다른 측면에 따라, UV 경화용 LED가 실장된 열전도성 기판이 냉각블록 상에 장착되어 구성된 UV 수지 경화장치가 제공된다. 이때, 상기 냉각블록은, 냉매가 인입되는 입구와, 냉매를 배출하기 위한 출구와, 상기 출구를 향해 여러 갈래로 이동 경로를 제공하는 다공질 금속 재료를 포함한다. 바람직하게는, 상기 기판은 메탈 PCB일 수 있고, 상기 메탈 PCB와 상기 냉각블록 사이에는 시트상의 열전소자가 개재될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따라, 상면에 위치한 발광소자를 냉매로 냉각하는 냉각장치의 냉각블록이 제공된다. 이때, 상기 냉각블록은, 냉매의 입구와 출구를 포함하되, 상기 냉매의 입구는 상기 발광소자와 가깝도록 상기 냉각블록의 상면 가까이 위치하고, 상기 냉매의 출구는 상기 발광소자와 멀도록 상기 입구 아래쪽에 위치한다. 바람직하게는, 상기 냉각블록은, 상기 입구로부터 상기 냉각블록 내측으로 이어진 관로와, 상기 관로의 아래에서 상기 관로와 통해 있는 다공질 재료를 포함한다.

본 발명에 따르면, 발광소자가 배치된 발광블록 내로의 냉매 주입 및 배출의 제어가 가능하여, 발광소자에 대한 냉각효율을 높일 수 있다. 또한, UV 경화용 LED들과 그 LED들이 배치된 발광블록을 포함하는 UV 경화시스템에 적용될 때, 발광블록 내로 냉매의 주입과 기화된 냉매의 수용 및 배출을 통해, LED들의 열에 의한 성능, 효율 및 수명 저하를 저감할 수 있다. 또한, 본 시스템은 냉매를 발광블록 내에 연속적으로 흘려보내는 방식으로서, 진동이나 소음이 없다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 냉각장치가 적용된 UV 수지 경화장치를 설명하기 위한 구성도.
도 2는 도 1에 도시된 냉각장치 중의 냉각블록을 더 자세히 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 UV 수지 경화장치를 설명하기 위한 구성도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 또한, 본 발명의 실시예는 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치가 적용된 UV 수지 경화장치가 도시되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, UV 수지 경화장치는 수지 또는 도료의 UV 경화에 이용되는 발광소자들인 UV 경화용 LED(102)들을 포함한다. 상기 UV 경화용 LED(102)들은 열전도성이 좋은 메탈 PCB(104) 상에 실장된다. 또한, 상기 UV 수지 경화장치는 상기 메탈 PCB(104) 및 그 위의 LED(102)들을 냉각시키기 위한 UV ㅣLED 모듈 냉각장치를 포함하고 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치는, 냉각블록(110)과, 제1 및 제2 냉매라인(120, 130)을 포함한다. 상기 제1 냉매라인(120)은 상기 냉각블록(110) 내에 냉매를 공급하도록 설치되고, 상기 2 냉매라인(130)은 상기 냉각블록(110) 내에서 열을 흡수한 후 기화된 냉매를 냉각블록(110)의 외부로 배출시키도록 설치된다. 냉매는 예를 들면, 물, 알코올, 아세톤 등과 같이 비등점이 낮은 물질이 이용된다.

상기 냉각블록(110) 상에는 UV 경화용 LED(102)들이 실장된 메탈 PCB(104)가 장착된다. 따라서, UV 경화용 LED(102)들로부터 발생한 열은 메탈 PCB(104)를 거쳐 냉각블록(110)까지 열전도에 의해 흐른다.

상기 냉각블록(110)은 열전도성이 좋은 Al, Cu 등의 금속 재료를 기본으로 하여 만들어지는 것이 좋다. 다음에 더 자세히 설명되는 바와 같이, 상기 냉각블록(110)은, 다공질 금속 재료를 내부에 포함하며, 그 다공질 금속 재료(114; 도 2 참조)는 금속 재질의 외부 블록부 내에 내장될 수 있다. 다공질 금속 재료를 이용하는 대신, 냉매를 넓게 수용할 수 있는 다른 종류의 수용부를 이용하는 것도 고려할 수 있다.

제1 냉매라인(120)의 일단은 냉매저장용기(121)에 연결되며, 상기 제1 냉매라인(120)의 중간에는 상기 냉각블록(110)내로 공급되는 냉매의 유량을 조절하기 위한 냉매 유량 조절밸브(122)가 설치된다. 냉매 유량 조절밸브(122)에 의한 냉매의 유량 조절을 통해, 상기 냉각블록(110) 내로 공급되는 냉매의 양을 제어할 수 있고, 이에 의해, 냉각블록(110)의 온도 조절 및 제어가 가능하다. 냉각블록(110)의 온도는 LED(102)의 p-n 정션(junction) 온도, 예컨대, 70~80℃를 기준으로 하여 제어될 수 있다. 그리고, 상기 냉각블록(110)의 온도를 조절하기 위해, 본 실시예의 냉각장치는 냉각블록(110)의 온도를 측정하는 센서(119)를 더 포함할 수 있다. 센서(119)에서 측정된 온도를 기초로 하여, 상기 냉매 유량 조절밸브(122)의 유량 조절이 이루어질 수 있다. 더 나아가, 본 실시예의 냉각장치는, 센서(119)의 온도 정보를 이용해 상기 냉매 유량 조절밸브(122)를 자동으로 제어하는 컨트롤러(미도시됨)를 더 포함할 수 있다. 결로 현상의 방지를 위해, 주변온도에 대해 ㅁ 2 ℃ 범위에 있도록 냉각블록(110)의 온도를 조절하는 것이 고려될 수 있다.

또한, 상기 제2 냉매라인(130)의 일단은 냉각블록(110) 내 냉매의 기화를 돕도록 냉매를 감압할 수 있는 진공펌프(131)가 설치된다. 상기 진공펌프(131)는 냉매가 제1 냉매라인(120)을 통해 상기 냉각블록(110) 내로 들어와 냉각블록(110)의 열을 흡수한 후 제2 냉매라인(130)을 통해 외부로 강제 배출되는 작용들 전반을 이루어지게 한다. 또한, 상기 제2 냉매라인(130)의 중간에는 압력게이지(133)와 압력 조절 밸브(132)가 설치된다. 압력게이지(131)에서 측정된 압력을 기초로 상기 압력 조절 밸브(132)는 냉매의 압력을 일정 압력으로 유지시킬 수 있다.

추가로, 본 실시예에 따른 냉각장치는 UV LED(102)들에 대핸 냉각 작용을 돕도록 열전소자(140)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 상기 열전소자(140)는 메탈 PCB(104)와 냉각블록(110) 사이에 개재되도록 접합되어 있다.

도 2에는 도 1에 도시된 냉각블록의 일부가 절개된 채 도시되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 냉각블록(110)은 예컨대, Cu, Al 재질로 이루어진 외부 블록부(111)와, 상기 외부 블록부(111) 내에 위치한 다공질 재료(112)를 포함한다. 다공질 재료는, 미세한 기공들이 넓게 형성되어 있고 열전도성 좋은 재료로서, 예컨대, Al 소결 재료와 같은 금속 소결 재료가 이용될 수 있다. 다공질 재료(112)는, 기화된 냉매를 일시적으로 넓게 수용하는 수용부서의 역할과, 냉매가 이동하는 경로들을 크게 늘려주는 냉매의 다중 이동 경로로서의 역할을 한다.

또한, 상기 외부 블록부(111)에는 제1 냉매라인(120)과 접속되는 입구로부터 다공질 재료(112)에 이르기까지 냉매의 흐름을 허용하는 관로가 마련된다. 상기 관로는 상기 입구와 직접 이어지는 하나의 주 관로(1112)와 상기 주 관로(1112)로부터 여러 갈래로 분기되어 상기 다공질 재료(112)까지 냉매의 흐름을 허용하는 복수의 미세 관로(1124)들을 포함한다. 상기 복수의 미세 관로(1114)들에는 상기 다공질 재료(112)를 향해 개방된 토출구들이 형성된다.

이때, 냉매의 입구와, 상기 주 관로(1112) 및 상기 미세 관로(1114)들은, 발광소자들, 즉, UV LED(102) 및/또는 메탈 PCB(104)의 열을 쉽게 흡수해 기화할 수 있도록, UV LED(102)들과 가까운 냉각블록(110)의 상면에 근접해 형성되는 것이 좋다. 그리고, 상기 냉매의 출구는 상기 입구의 아래쪽에 위치하는 것이 바람직하고, 상기 입구와 출구 사이에 상기 다공질 재료(112)가 위치하는 것이 좋다. 상기 주 관로(1112)와 상기 미세 관로(1114)들은 상기 다공질 재료(112) 위쪽에 위치하며, 이에 따라, 냉매는 상부로부터 전해진 열에 의해 충분하게 기화된 후, 다공질 재료(112) 내로 들어간다.

기화된 냉매는 다공질 재료(112)를 거쳐 냉각블록(110)의 출구와 그에 접속된 제2 냉매라인(130)을 통해 외부로 배출된다. 앞서 언급한 바와 같이, 제2 냉매라인(130)의 일단은 진공펌프(131; 도 1 참조)에 연결되고, 그 진공펌프(131)의 구동에 의해, 상기 냉각블록(110)내에서 기화된 냉매가 상기 제2 냉매라인(130)을 통해 감압 상태로 강제 배출된다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각장치 및 UV 수지 경화장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 냉각장치는 제2 냉매라인(130)에 설치된 응축기(150)를 더 포함한다. 상기 응축기(150)는 상기 진공펌프(131)의 전단 측, 즉, 진공펌프(131)와 냉각블록(110) 사이에 위치하며, 수냉식 또는 공랭식으로 기화 상태의 냉매 온도를 낮추어 응축시킨다. 응축된 냉매를 회수하여 재사용할 수 있다. 이를 위해, 응축된 냉매를 냉매저장용기(121)로 보낼 수 있다. 나머지 구성은 앞선 실시예와 같으며, 도 3에서는 앞에서 사용된 부재번호들이 그대로 쓰였다.

102: UV LED(발광소자) 104: 메탈 PCB(기판)
110: 냉각블록 120:제1 냉매라인
130: 제2 냉매라인 111: 외부 블록부
112: 다공질 재료 1112: 주 관로
1114: 미세 관로 150: 응축기

Claims (21)

1. 냉매를 이용하여 UV LED 모듈을 냉각시키기 위한 UV LED 모듈의 냉각장치로서,
   열전도에 의해 하나 이상의 발광소자로부터 열을 전달받도록 배치된 냉각블록;
   상기 냉각블록 내에 냉매를 공급하기 위한 제1 냉매라인;
   상기 냉매를 상기 냉각블록 외부로 강제 배출하기 위한 제2 냉매라인을 포함하며,
   상기 냉각블록은 냉매의 표면적을 넓혀 수용하고 상기 제2 냉매라인으로 향하는 이동 경로를 제공하는 수용부를 포함하며,
   상기 수용부는 금속 다공질 재료와, 상기 금속 다공질 재료를 감싸는 외부 블록부를 포함하며, 상기 외부 블록부에는 상기 제1 냉매라인과 상기 다공질 재료 사이를 연결하는 관로가 위치하는 것을 특징으로 하는 UV LED 모듈 냉각장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서, 상기 관로는 주 관로와 상기 주 관로로부터 분기되어 상기 다공질 재료로 이어지는 복수의 미세 관로들을 포함하는 것을 특징으로 하는 UV LED 모듈 냉각장치.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 냉매는 상기 발광소자로부터 상기 냉각블록으로 전달된 열에 의해 기화될 수 있는 물질이 이용되는 것을 특징으로 하는 UV LED 모듈 냉각장치.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 냉매라인에는 상기 냉각블록 내 공급되는 냉매의 유량 조절을 통해 상기 냉각블록의 온도를 조절하는 냉매 유량 조절밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 UV LED 모듈 냉각장치.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 제1 냉매라인의 일단은 냉매저장용기와 연결된 것을 특징으로 하는 수지 경화 UV 발광소자용 냉각장치.
8. 청구항 1에 있어서, 제2 냉매라인의 일단은 상기 냉매의 기화를 돕는 진공펌프와 연결된 것을 특징으로 하는 UV LED 모듈 냉각장치.
9. 청구항 8에 있어서, 상기 냉각블록으로부터 기화되어 나온 냉매를 응축하여 회수하도록, 상기 제2 냉매라인의 상기 진공펌프의 전단에는 응축기가 설치된 것을 특징으로 하는 UV LED 모듈 냉각장치.
10. 청구항 1에 있어서, 상기 냉각블록과 상기 발광소자 사이의 열전도 경로에 배치된 열전소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 UV LED 모듈 냉각장치.
11. 청구항 10에 있어서, 상기 발광소자는 메탈 PCB 상에 실장된 채로 상기 냉각블록 상에 배치되며, 상기 열전소자는 상기 메탈 PCB와 상기 냉각블록 사이에 개재된 것을 특징으로 하는 UV LED 모듈 냉각장치.
12. 청구항 1에 있어서, 상기 하나 이상의 발광소자는 복수의 UV 경화용 LED들인 것을 특징으로 하는 UV LED 모듈 냉각장치.
13. 청구항 11에 있어서, 상기 냉각블록의 온도 제어를 위해 상기 냉각블록의 온도를 측정하는 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 UV LED 모듈 냉각장치.
14. 청구항 1에 있어서, 상기 냉각블록은, 냉매의 입구가 상기 발광소자와 가깝도록 상부에 위치하고, 냉매의 출구는 상기 입구보다 낮게 위치하며, 상기 입구와 상기 출구 사이에 상기 금속 다공질 재료가 위치하는 것을 특징으로 하는 UV LED 모듈 냉각장치.
15. UV LED가 실장된 열전도성 기판이 냉각블록 상에 장착되어 구성된 UV 수지 경화장치로서, 상기 냉각블록은,
    냉매가 인입되는 입구와;
    냉매를 배출하기 위한 출구와;
    상기 출구를 향해 여러 갈래로 이동 경로를 제공하는 금속 다공질 재료와,
    상기 금속 다공질 재료를 감싸며 상기 입구와 상기 출구가 제공되는 외부 블록부를 포함하는 것을 특징으로 하는 UV 수지 경화장치.
16. 청구항 15에 있어서, 상기 기판은 메탈 PCB인 것을 특징으로 하는 UV 수지 경화장치.
17. 청구항 16에 있어서, 상기 메탈 PCB와 상기 냉각블록 사이에는 시트상의 열전소자가 개재된 것을 특징으로 하는 UV 수지 경화장치.
18. 청구항 15에 있어서, 상기 냉매를 감압하여 배출하기 위해 상기 출구에 연결되는 진공펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 UV 수지 경화장치.
19. 청구항 15에 있어서, 상기 냉매의 유량 조절을 통해 상기 냉각블록의 온도를 조절하기 위한 냉매 유량 조절밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 UV 수지 경화장치.
20. 상면에 위치한 UV 발광소자를 냉매로 냉각하는 냉각장치의 냉각블록으로서,
    냉매가 인입되는 입구와;
    냉매를 배출하기 위한 출구와;
    상기 출구를 향해 여러 갈래로 이동 경로를 제공하는 금속 다공질 금속 재료와,
    상기 금속 다공질 재료를 감싸며 상기 입구와 상기 출구가 제공되는 외부 블록부 포함하며,
    상기 냉매의 입구와 출구를 포함하되, 상기 냉매의 입구는 상기 발광소자와 가깝도록 상기 냉각블록의 상면 가까이 위치하고, 상기 냉매의 출구는 상기 발광소자와 멀도록 상기 입구 아래쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 UV LED 모듈용 냉각블록.
21. 삭제

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