KR101034046B1 - 팽창 그라파이트 시트를 포함하는 전자부품용 기판 및 이를 포함하는 발광다이오드 조명등 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저탄소 녹색성장의 한 분야로 촉망 받는 LED 조명 관련 분야로서 팽창 그라파이트 시트를 이용한 IP64등급의 방수방진 기능을 가진 LED 조명등 하단에 관한 것이다. 본 발명은 LED 조명등 하단에 열전도도가 뛰어나고 개스킷의 역할을 하는 팽창 그라파이트 시트를 부착함으로써, 우수한 방열효과를 가져올 수 있고, LED 조명등 내부에 물이나 먼지 등의 유입을 차단할 수 있다.
본 발명에 의하여, LED 조명등의 온도 상승을 억제하게 되어서 저 전력 소모 및 LED 조명등의 성능이 향상되고 수명이 길어져 비용 절감은 물론이고 LED 조명등 중 가로등, 보안등, 방폭등 등의 무게를 획기적으로 감소시킴과 동시에 제조비용 및 원자재 절감으로 인하여 세계적인 추세인 저 에너지 정책, 저탄소 녹색 성장의 한 축을 이룰 수 있는 진보적 발명이 될 것이다.
본 발명에 의하여, LED 조명등의 온도 상승을 억제하게 되어서 저 전력 소모 및 LED 조명등의 성능이 향상되고 수명이 길어져 비용 절감은 물론이고 LED 조명등 중 가로등, 보안등, 방폭등 등의 무게를 획기적으로 감소시킴과 동시에 제조비용 및 원자재 절감으로 인하여 세계적인 추세인 저 에너지 정책, 저탄소 녹색 성장의 한 축을 이룰 수 있는 진보적 발명이 될 것이다.
Description
본 발명은 팽창 그라파이트 시트와 이를 포함한 전자부품용 기판에 관한 것으로서, 상세하게는 방열재로서 우수한 성능을 가지는 팽창 그라파이트 시트를 포함하는 전자부품용 기판 및 이를 포함하는 발광다이오드 조명등에 관한 것이다.
최근 전 세계적으로 저탄소 녹색 성장의 일환으로 에너지 사용량을 줄이고 온실가스를 감축하기 위해서 저공해 친환경 제품으로 인정받고 있는 발광다이오드(LED)를 각종 조명등으로 사용이 증가하고 있다.
이에 따라 산업계에서는 고효율, 고집적, 고기능, 경박단소화 등을 고려하여 발광다이오드(LED)를 부품, 모듈(Module), 세트(Set) 등으로 설계하고 있다. 각 분야의 설계자들이 상기 열거한 기술적 경향을 만족시키기 위해 설계를 하다 보면, 종래의 설계 기술에서 발생하는 열보다 더 많은 열이 방출 되는 경우가 있고 이러한 열에 의해서 시스템 등의 성능 저하등과 같은 문제 등이 발생하는 경우가 나타난다. 따라서 관련 산업계에서는 발생하는 열의 열적인 문제(즉, 방열, 열확산, 열분산, 열수집, 열전달 등)를 효율적으로 처리하기 위한 연구를 끊임없이 지속하고 있다.
발광다이오드(LED)를 이용한 조명등은 에너지 효율이 높은 발광다이오드(LED) 소자와, 발광다이오드(LED) 소자에 공급하는 전원의 안정화 장치, 상기 두 부분에서 발생하는 열을 대기 중으로 방열시키는 방열부분으로 구성되어 있다.
발광다이오드(LED)는 화합물 반도체로서 사용 온도가 높아지면 원자들의 열진동으로 전자의 흐름이 방해를 받아 조도가 떨어지는 현상이 일어나고, 온도가 더욱 높아지게 되면 반도체의 확산층의 확산이 일어나 급격한 조도 저하와 사용 수명이 급격히 짧아지게 된다.
또한 전원 안정화 장치의 불안정은 발광다이오드(LED)에 전기적 충격으로 작용 되며 전원 안정화 장치의 AC/DC 변환 시 다량의 열이 발생하여 고온으로 동작시 전원 안정화 장치를 구성하고 있는 반도체 소자의 성능저하를 가져옴으로써 발광다이오드(LED) 조명등의 수명을 단축하게 된다.
또한 발광다이오드(LED) 조명등의 사용 환경에 따라 방수뿐만 아니라 방진, 방폭 등에 대비할 필요성이 대두 되고 있다.
종래의 발광다이오드(LED) 조명등 방열재로 널리 사용되고 있는 소재로서는 열전도성이 좋은 금속으로 주로 구리나 알루미늄 등이 있다. 일반적으로 구리의 열전도도는 300W/mk, 알루미늄의 열전도도는 175W/mk로 알려져 있으며 금속결합의 특성으로 열과 전기의 도체이나 열과 전기의 전도방향은 자유전자에 의하여 등방성을 갖게 되며 고온에서는 격자들의 열진동으로 열과 전기의 전도성이 저하되며 열원에서 방출된 열은 금속소재의 방열재는 등방성의 열확산에만 의하여 방열됨으로써 핫 스팟(hot spot)과 같은 온도 분포를 갖게 되어 방열효과를 저하시킨다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 열확산이 빠른 구리나 알루미늄의 방열판 기구의 두께를 두껍게 하거나 표면적을 크게 함으로써 대류면(공기나 물) 접촉면을 넓게 하거나, 방열판 표면에 상하방향으로 홈을 내기도 하지만, 이로 인해 형상이 복잡하게 되고 공정이 복잡해지며, 무게가 무거워지는 문제가 있다. 또한 금속 자원이 한정되어 있어서 가격이 고가이며 국제경기에 민감하여 수급이 원활하지 못하고 원광석 제련 시 많은 에너지가 소비 된다.
이에 본 발명의 발명자들은 이러한 문제를 해결하기 위하여 이전에 LED 조명등에 사용된 적이 없는 팽창 그라파이트 시트를 방열재로 채택하여 본 발명에 이르게 되었다.
그런데 종래의 팽창 그라파이트 시트는 그 내부에 공극(공기의 열전도도 0.028W/mK)을 포함하고 있고, 이로 인하여 팽창 그라파이트 시트가 우수한 방열재로서의 역할을 수행하기 어렵다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기된 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명은 방열재로서 우수한 성능을 가지는 팽창 그라파이트 시트를 포함하는 전자부품용 기판 및 이를 포함하는 발광다이오드 조명등을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명에 의한 팽창 그라파이트 시트를 포함하는 전자부품용 기판은 열원에 해당하는 전자부품들이 실장되어 있는 인쇄 회로기판 및 상기 인쇄회로기판 하단에 적층되며 상기 인쇄회로기판 보다 더 넓게 설계되어진 열 확산을 위한 방열재로서 사용되는 팽창 그라파이트 시트를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 전자부품용 기판은 상기 팽창 그라파이트 시트의 하단에 적층되는 지지대를 추가로 포함하고 있다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 전자부품용 기판에서 상기 인쇄회로기판과 상기 팽창 그라파이트 시트 사이 및 상기 팽창 그라파이트 시트와 상기 지지대 사이에는 열과 전기의 고전도성 특성을 갖는 접착제가 사용된다.
본 발명에 의한 발광다이오드 조명등은 상기된 팽창 그라파이트 시트를 포함하는 전자부품용 기판을 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 팽창 그라파이트 시트의 제조방법은 진동 프레스 방식으로 압축성형하여 단일층으로 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 진동 프레스 방식으로 압축하는 과정에서 나노 치밀질 비정질 카본 또는 흑연 미립자 분말을 충진재로 사용한다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 충진재는 전체 팽창 그라파이트 시트에 대하여 5 내지 30 중량% 포함되어 있다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 나노 치밀질 비정질 카본 또는 흑연 미립자 분말은 입경이 입경이 10 내지 110 nm이다.
상술한 구성상의 특징에 따르면, 팽창 그라파이트의 시트를 인쇄회로 기판보다 크게 설계함으로써, 팽창 그라파이트 시트가 공기나 물과의 접촉 면적이 넓어져서 보다 효과적인 방열 구조를 가질 수 있다.
또한 본 발명에 의한 팽창 그라파이트 시트는 개스킷(gasket)의 역할을 할 수 있으며, 이로 인하여 방진 및 방수 효과를 볼 수 있다. 특히 본 발명에서는 치밀질 비정질 카본을 사용한 팽창 그라파이트 시트를 진동 프레스 방식으로 압연하여 제조함으로서 원하는 두께의 단일 층으로 만들 수 있고 이로 인하여 IP64등급의 방수방진 등급을 얻을 수 있다.
더 나아가 기존 LED 조명등에서 내부 온도의 상승으로 인한 압력제거를 위해 사용하였던 멤브레인(membrane), 외부 케이스 등의 부수적인 부품들이 필요 없어 제품의 소형화 등에 유리하고 저가로 만들 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 의한 팽창 그라파이트 시트의 사용으로 인한 효과를 정리하면 다음과 같다.
1. 무거운 금속의 사용을 자제함으로써 제품의 무게를 줄일 수 있다.
2. 수평축 열확산 효과에 의해서 핫 스팟의 문제를 해결할 수 있다.
3. 물과 공기와 직접 접촉함으로써 방열 효과를 극대화 할 수 있다.
4. 공정을 단순화할 수 있어서 제조비를 줄일 수 있다.
5. IP64등급의 방수방진 등급을 구현할 수 있어서 다양한 적용 사례가 가능하다 6. 진동 프레스 방식을 이용하여 원하는 두께를 임의로 만들 수 있다.
도 1의 (a)는 본 발명에 의한 LED 기판과 그를 포함하는 발광 다이오드 조명등을 단면 처리하여 분해한 상태를 도시한 것이며 (b)는 결합된 발광다이오드 조명등의 단면을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 기판과 그를 포함하는 발광 다이오드 조명등을 단면 처리하여 도시한 것이다. (a)는 LED 기판을 단면 처리하여 분해한 상태를 도시한 것이며 (b)는 결합된 LED기판의 단면을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 기판과 그를 포함하는 발광 다이오드 조명등을 단면 처리하여 도시한 것이다. (a)는 LED 기판을 단면 처리하여 분해한 상태를 도시한 것이며 (b)는 결합된 LED기판의 단면을 도시한 것이다.
본 발명에 의한 방열재로서 팽창 그라파이트 시트를 포함하는 전자부품용 기판은 인쇄회로기판과 팽창 그라파이트 시트를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
인쇄회로기판은 LED를 비롯한 열원에 해당하는 전자부품들이 실장되어 있는 부분이고, 팽창 그라파이트 시트는 상기 인쇄회로기판의 하단에 적층되며 상기 인쇄회로기판 보다 더 넓게 설계되어져 열원에서 발생한 열을 확산시키는 역할을 한다.
또한 본 발명에 의한 발광다이오드 조명등은 상기된 방열재로서 팽창 그라파이트 시트를 포함하고 있는 전자부품용 기판을 포함하고 있다.
이하 예시도면에 의거하여 본 발명의 일실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명한다.
도 1의 (a)는 본 발명에 의한 LED 기판과 그를 포함하는 발광 다이오드 조명등을 단면 처리하여 분해한 상태를 도시한 것이며 (b)는 결합된 발광다이오드 조명등의 단면을 도시한 것이다. 도 1에서 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 발광다이오드 조명등은 그 내부에 방열재로서 팽창 그라파이트 시트를 포함하고 있는 전자부품용 기판을 포함하고 있다. LED(20)에서 발생하는 열은 보호 캡(10) 내부의 온도를 상승시킨다. 이러한 열을 외부로 빼주기 위해서 PCB(30)와 팽창 그라파이트 시트(40)를 직접 접촉함으로써 상기의 열이 방열 효과가 높은 팽창 그라파이트 시트에 직접 전달되게 된다. 이때에 팽창 그라파이트 시트의 크기를 PCB보다 크게 함으로써, 외부 케이스 없이 팽창 그라파이트 시트가 바로 공기 또는 물과 직접 접촉함으로써, 방열 효과를 더욱 높일 수 있다.
또한 팽창 그라파이트 시트를 지지대(45)와 결합함으로서 방열 효과를 높일 수 있고 이러한 지지대와 결합하기 위한 결합 장치(46)가 필요하다.여기서 지지대는 팽창 그라파이트 시트의 하단에 적층되어 팽창 그라파이트 시트를 지지하는 역할을 하는 것으로서, 그 재질에 대해서는 특별한 제한은 없지만, 알루미늄과 같은 금속재질을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 결합 장치(46)는 지지대, 캡, 팽창 그라파이트 시트를 결합시키는 것으로서 볼트와 같은 다양한 결합장치가 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 기판과 그를 포함하는 발광 다이오드 조명등의 단면도를 예시한 것으로, 도 1과 비교해 볼 때 팽창 그라파이트 시트 상하면에 열전도성 접착제(35)를 사용하여 PCB 및 금속 지지대와의 결합함으로써 방열효과를 극대화 한 것으로 열전도성 접착제를 제외하고는 도 1에서 언급한 것과 동일한 구조, 재질 특성을 갖는다.
여기서 열전도성 접착제는 열과 전기의 고전도성 특성을 갖는 접착제로서, 상기 인쇄회로기판과 상기 팽창 그라파이트 시트 사이 및 상기 팽창 그라파이트 시트와 상기 지지대 사이에 사용된다. 본 발명에서의 열전도성 접착제는 특별한 제한은 없고 다만 열과 전기의 고전도성 특성을 갖고 있으면 되며, 바람직하게는 에폭시 계열의 접착제를 들 수 있다.
나아가 본 발명의 발명자들은 상기된 바와 같이 팽창 그라파이트 시트를 전자회로기판에 적용하면 그 방열효과가 우수하다는 점을 인식하고 상기된 발명을 하였을 뿐 아니라, 이에 더 나아가 종래의 팽창 그라파이트 시트 보다 더욱 우수한 방열효과를 발휘할 수 있는 새로운 팽창 그라파이트 시트의 제조방법에 대하여 발명하게 되었다.
즉, 종래의 팽창 그라파이트 시트를 사용할 경우에는 종래의 팽창 그라파이트 시트가 내부에 공극(공기의 열전도도 0.028W/mK)을 포함하고 있고, 이로 인하여 방열효과가 일부 저하되는 점에 착안하여 후술하는 팽창 그라파이트 시트의 제조방법을 발명하였다.
이하 팽창 그라파이트 시트의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명에서는 천연 인상을 황산처리로 층간 화합물을 형성하고 이를 고온로에서 순간적으로 팽창시켜 그래핀(Graphene)을 만들고 이를 압연하여 팽창 그라파이트 시트를 제조한다.
종래의 흑연 시트 제조는 압축률 30% 이상으로 팽창 부피가 약 180-250㎖/g을 사용하여 롤러(roller) 압축 성형하여 사용한다. 롤러 압축 성형 후의 시트의 밀도는 0.8-1.25 g/㎤까지 가능하며 팽창의 입자와 롤러에 가하여지는 압력으로 조절할 수 있고, 두께는 0.1-6.0mm까지 제조 가능하나, 두께가 두꺼워지면 밀도저하는 피할 수 없다.
이에 본 발명에서의 팽창 그라파이트 시트는 종래 기술과 달리 팽창 부피를 250ml/g 이상으로 고배율 팽창시킴으로서 팽창 그라파이트 시트가 되며, 팽창 그라파이트 시트의 제조과정에서 저항매체인 공극(공기의 열전도도 0.028W/mK)의 양을 줄이기 위하여 진동 프레스 방식을 이용하거나 나노 치밀질 비정질 카본을 첨가하였다.
일반적으로 롤러의 압축 성형시 표면의 밀도가 내부보다 빨리 증가하므로 표면이나 하부면은 공기의 방출이 어렵게 되어 내부에 남아 있는 공기는 압축 롤링 되는 시트의 양 옆면이나 시트 진행 방향의 반대쪽으로 배출되면서 시트의 밀도가 증가하나 두께가 두꺼워 지면 내부의 밀도는 표층부에 비하여 현저하게 떨어져 열확산이 어려워져 방열성능의 저하를 가져온다. 이러한 문제점을 해결하는 방법으로는 얇은 시트의 적층 방법이 있는데 이는 적층 시 시트 층간에 공기층이 존재하거나 열적으로 부도체인 접착제 사용으로 인한 방열성능의 저하는 피할 수 없다.
위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 시트의 롤러 압축에 의한 방법을 진동 프레스를 이용하여 초당 수회 진동하면서 서서히 압축하여 표층이나 내부의 밀도가 보다 균질하게 하는 방법을 채택하였다.
또한 팽창 그라파이트 시트 내부의 공극을 최소화시키기 위하여 팽창 그라파이트 시트의 압축과정에서 시트의 두께에 따라 팽창 된 그라파이트에 나노 치밀질 비정질 카본 또는 흑연 미립자 분말을 충진재로서 충진하여 압축한다. 여기서 나노 치밀질 비정질 카본 또는 흑연 미립자 분말의 입자 크기에 대해서는 특별한 제한은 없으나, 그 입경이 10 내지 110 nm인 것이 바람직하다. 이러한 범위의 비정질 탄소 미립자를 이용할 때 방열 효과가 최대화될 수 있으며, 흑연의 압축 성형 시 흑연 입자와 입자 사이에 쉽게 침입된다. 또한 나노 치밀질 비정질 카본은 전체 팽창 그라파이트 시트에 대하여 5 내지 30중량% 혼합하여 롤러의 압축 성형하면 공극량이 줄어 그 밀도를 1.5~1.8 g/㎤까지 증가시킬 수 있으므로 수평 방향 400W/mK 이상, 수직 방향 15W/mK 이상의 열전도도를 얻을 수 있어서 배면으로부터 방열과 수평면으로부터 열확산을 획기적으로 개선 할 수 있다.
나아가 팽창된 그라파이트를 나노 치밀질 비정질 카본 또는 흑연 미립자 분말과 함께 금형에 충진한 후 초당 수회 진동하면서 서서히 압축하여 표층이나 내부의 밀도가 보다 균질한 팽창 그라파이트 시트를 제조할 수 있다.
본 발명에 의한 팽창 그라파이트 시트는 우수한 이방성의 열과 전기의 전도성, 내고온성, 내부식성, 마찰계수가 낮고, 자기 윤할성이 좋으며, 중성자를 받아드리며, 베타선과 감마선의 장기간 조사에서도 견디며, 유연성이 있어 쉽게 압축할 수 있으며 휘게 만들 수 있고 압축 후 회복율이 9% 이상으로 LED 조명등 제조 시 압축되도록 장착하면 액체나 가스에 대하여 불침투의 특성을 갖고 있다.
하기 표1을 참조해 보면, 본 발명의 실시 예에 따라 팽창 그라파이트 시트를 사용해서 만들어진 LED 조명등의 내부 온도가 팽창 그라파이트 시트를 사용하지 않은 비교예의 조명등의 내부 온도보다 낮아짐을 알 수 있다. 이는 곧 본 발명이 열확산 효과가 좋다는 것을 의미한다. 따라서 본 발명은 저가로 제조 가능한 발명인 동시에 열 확산 효율 면에서 어떠한 제품보다 우수한 성능을 가진다고 할 수 있다.
한편 본 발명은 도면에 도시된 실시 예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예를 들어 본 발명의 실시 예에 따른 조명용 LED 기판 및 조명등은 평판 패널용 백라이트와 같은 디스플레이 장치뿐만 아니라, 자동차용 방향지시등, 브레이크 등, 교통 신호등, 조명등, 광고판과 같이 광범위한 전자/전기기기 등에 폭 넓게 적용될 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10:보호 캡
20:LED
30:PCB
40:팽창 그라파이트 시트
20:LED
30:PCB
40:팽창 그라파이트 시트
Claims (8)
- 열원에 해당하는 전자부품들이 실장되어 있는 인쇄회로기판;
상기 인쇄회로기판 상부에 위치하는 보호캡; 및
상기 인쇄회로기판 하단에 적층되며 밀도가 1.5~1.8 g/㎤이고, 수평 방향 400W/mK 이상 및 수직 방향 15W/mK 이상의 열전도도를 갖으며, 상기 보호캡보다 더 넓게 설계되어져 가장자리가 외부로 돌출된 형상을 가지는 열 확산을 위한 방열재로서 사용되는 팽창 그라파이트 시트를 포함하며,
상기 팽창 그라파이트 시트는
천연 인상을 황산처리로 층간 화합물을 형성하고 이를 고온로에서 250ml/g 이상으로 팽창시키고 이를 압연하여 단일층으로 제조하되,
상기 압연은 10 내지 110nm 입경의 나노 치밀질 비정질 카본 또는 흑연 미립자 분말을 전체 팽창 그라파이트 시트에 대하여 5 내지 30중량%의 비율로 혼합하고 진동프레스를 이용하여 초당 수회 진동하면서 압축시키는 것을 특징으로 하는 팽창 그라파이트 시트를 포함하는 전자 부품용 기판. - 제1항에 있어서, 상기 전자부품용 기판은 상기 팽창 그라파이트 시트의 하단에 적층되는 지지대를 추가로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 팽창 그라파이트 시트를 포함하는 전자부품용 기판.
- 제2항에 있어서,
상기 전자부품용 기판에서 상기 인쇄회로기판과 상기 팽창 그라파이트 시트 사이 및 상기 팽창 그라파이트 시트와 상기 지지대 사이에는 열과 전기의 고전도성 특성을 갖는 접착제가 사용된 것을 특징으로 하는 팽창 그라파이트 시트를 포함하는 전자부품용 기판. - 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 의해 제조된 전자부품용 기판을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 조명등.
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