KR101055771B1 - 대류 냉각식 ｌｅｄ 모듈 - Google Patents

Abstract

여기에서는, 반강제적인 대류 방식으로 냉각이 이루어지는 LED 모듈이 개시된다. 개시된 LED 모듈은, 앞면에 하나 이상의 LED가 실장된 기판과, 상기 기판의 뒷면에 결합된 히트싱크와, 상기 LED 부근에 발생된 열 기류를 외부로 빼내도록, 상기 기판과 상기 히트싱크를 연속 관통해 형성된 유로를 포함한다.

대류, LED 모듈, LED, 기판, 히트싱크, 유로 터널부, 중공

Description

대류 냉각식 ＬＥＤ 모듈{CONVECTION COOLING TYPE LED MODULE}

본 발명은, 대류 냉각식 LED 모듈에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 유로에 의한 반강제적 대류 방식에 의해, LED로부터의 방열을 더욱 촉진시킬 수 있는 반강제 대류 냉각식 LED 모듈에 관한 것이다.

오랜 기간 동안, '형광등'이라 칭해지는 냉음극 형광램프가 상업용 빌딩 또는 주택의 실내공간, 비행기, 자동차, 선박, 기차, 전철 등 운송수단의 실내공간을 밝히는 조명장치 또는 임의의 객체를 비추는 백라이트용 조명장치로 이용되어 왔다. 그러나, 냉음극 형광램프는 짧은 수명, 열악한 내구성, 광의 제한된 컬러 선택 범위 및 낮은 에너지 효율과 같은 단점이 있다.

이에 대하여, LED(Light Emitting Diode)를 광원으로 이용하는 LED 모듈이 근래 개발되어 많이 이용되고 있다. LED는 긴 수명, 우수한 내구성, 넓은 광의 컬러 선택 범위, 그리고, 높은 에너지 효율의 이점을 갖는다. 그러나, LED는, 매우 좁은 영역에서 전기 에너지로부터 빛 에너지와 열 에너지로의 변환이 이루어지므로, 열의 집적도가 과도하게 높다는 문제점이 있다. 특히, 고출력의 LED를 이용하는 LED 모듈에서는 열의 발생량이 더욱 크다.

종래의 LED 모듈은, 전체적으로 막힌 구조의 기판 앞면에 복수의 LED들이 실장되고, 그 기판의 뒷면에 열전도성이 큰 금속 재질의 히트싱크를 부착하여 이루어진다. 이러한 종래의 LED 모듈은, 자연 대류에 의한 냉각 방식을 전적으로 이용하는 것으로서, 방열 성능 또는 냉각 성능이 히트싱크의 재료와 히트싱크의 방열 면적에만 의존한다는 점에서 효율이 크게 떨어진다.

따라서, 본 발명의 목적은, LED에서 발생한 열을 포함하는 기류의 반강제적인 흐름을 촉진하는 유로 구조를 히트싱크에 마련하여, 방열 성능 및 그에 따른 냉각 효율을 보다 향상시킨 LED 모듈을 제공하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따른 대류 냉각식 LED 모듈은, 앞면에 하나 이상의 LED가 실장된 기판과, 상기 기판의 뒷면에 결합된 히트싱크와, 상기 LED 부근에 발생된 열 기류를 외부로 빼내도록, 상기 기판과 상기 히트싱크를 연속 관통해 형성된 유로를 포함한다.

바람직하게는, 상기 유로는 상기 열 기류의 속도를 증가시키기 위한 유로 다면 감소 영역을 포함하며, 더 바람직하게는, 상기 유로 단면 감소 영역은 상기 유로의 입구 부근에 형성된다.

바람직하게는, 상기 기판은 상기 유로의 입구를 한정하는 중공부를 구비하며, 상기 기판의 중공부 주변에는 복수의 LED가 실장된다. 상기 히트싱크는, 상기 유로를 한정하도록, 상기 중공부에 접속된 채 출구를 통해 외부로 이어진 터널부를 구비하며, 상기 터널부는, 상기 유로 단면 감소 영역을 형성하도록, 입구 측에 급경사부를 포함한다.

일 실시예에 따라, 상기 터널부는 하나의 입구와 하나의 출구만을 포함하는 단일 터널부일 수 있으며, 대안적인 실시예에 따라, 상기 터널부는, 입구로부터 중간까지 이어진 메인 터널부와, 상기 메인 터널부로부터 분기되어 두개 이상의 출구로 이어진 분기 터널부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 LED 모듈은, 상기 기판 앞면과 상기 LED들을 전체적으로 덮는 투광 부재를 포함하며, 상기 투광 부재와 상기 기판 사이에는 상기 유로로 들어갈 수 있는 공기가 존재한다.

본 발명의 다른 실시예에 따라, 상기 LED들을 덮도록 상기 기판 상에 형성된 투광 부재를 더 포함하며, 상기 투광 부재는 상기 기판의 중공부 주변을 둘러싸는 형상을 포함한다.

본 발명에 따른 LED 모듈은, LED가 실장된 기판 및 그 기판이 결합된 히트싱크를 연속 관통하는 유로 구조를 포함하는 반강제 대류식 냉각 구조를 채용함으로써, LED 점등시 그 LED에서 발생한 높은 열의 기류가 전술한 유로를 통해 외부로 신속하게 빠져나게 되어, 기존 자연대류 냉각 방식의 LED 모듈에 비해, 냉각 효율이 훨씬 우수하다는 장점이 있다. 위와 같은 반강제 대류식 냉각 구조의 채택을 통해, LED 모듈의 성능을 향상시키고, LED 모듈의 수명 또한 증가시킬 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 모듈을 도시한 부분 절개 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 LED 모듈의 하부에 있는 기판 및 LED들을 도시한 저면도이며, 도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 LED 모듈에서의 열 기류의 거동을 나타낸 단면도이다.

도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 대류 냉각식 LED 모듈(1)은, 복수의 LED(2)들, 기판(10), 그리고, 히트싱크(20)를 포함한다. 이때, 상기 LED(2)들은 LED 패키지들인 것이 바람직하지만, 베어(bare) LED칩일 수도 있다.

상기 기판(10)은 상기 LED(2)들에 전력을 입력하기 위한 도전성 패턴(미도시함)을 구비한 PCB(Printed Circuit Board)일 수 있다. 상기 기판(10)의 앞면에는 LED(2)들이 실장되며, 상기 기판(10)은 그 뒷면에서 상기 히트싱크(20)에 부착, 결합된다. 상기 히트싱크(20)는, 방열 성능이 큰 재료로 형성된 것으로서, 특히, 열전도성이 우수한 금속 재료가 가장 선호된다. 상기 LED(2)들, 상기 기판(10) 및 히 트싱크(20)는, 모두 열전도적으로 연결되어 있고, 외부 공기와는 직,간접적으로 접해 있어서, 본질적으로 자연 대류에 의한 냉각이 가능하다.

본 실시예에 따른 LED 모듈(1)은, LED(2)들 부근에서의 기류를 반강제적으로 상승시킴과 동시에 그 기류의 흐름을 허용하는 유로 구조에 의해, 대류에 의한 냉각 효율을 향상시킨다. 이를 위해, 상기 LED 모듈(1)은, 상기 기판(10)과 상기 히트싱크(20)를 연속 관통해 형성된 유로(F)를 포함한다.

상기 기판(10)의 국한된 면적 위에서, 상기 LED(2)들이 점등됨으로써, 상기 LED(2)들 또는 그 부근에는 집적도 높은 열 발생이 이루어지며, 이러한 열 발생은, 온도 역전층을 만든다.

상기 온도 역전층과 상기 유로(F)에 의해, 상승 열 기류가 생기며, 이 상승 열 기류는 상기 LED(2) 부근의 유로(F) 입구를 통해 상기 유로(F)를 지난 후 유로 출구(F)를 통해 히트싱크(20)의 외부로 방출된다. 따라서, 열 기류, 즉, 열을 포함한 공기의 흐름이 상기 유로(F)를 통해 신속하게 히트싱크(20)의 외부로 빠져나가면서 LED 모듈(1) 전체에 대한 냉각이 보다 빨리 이루어질 수 있다.

상기 유로(F)는, 그 내부의 기류 속도를 증가시키도록, 유로 단면 감소 영역을 포함한다. 상기 유로 단면 감소 영역은 도 1에서 점선의 타원 A로 표시된다. 잘 알려진 베루누이 정리에 의하면, 유로 단면적의 감소는 유로를 흐르는 유체의 속도 수도를 증가시켜, 그 유체의 속도를 증가시킨다. 본 실시예에서, 상기 유로 단면 감소 영역(A)은, 온도가 높은 공기가 상기 유로(F) 내에 쉽게 들어가도록, 상기 유로(F)의 입구 부근에 형성된다.

상기 유로(F)는 기판(10)의 대략 중앙에 형성된 원형의 중공부(12; 도 2에 잘 도시됨)와, 그 중공부(12)와 연결되는 히트싱크(20) 측 터널부(22)의 입구에 의해 한정된다. 또한, 상기 터널부(22)는, 자신의 입구, 즉, 상기 중공부(12)와 대략 동일한 내경으로 만나는 구역에 급경사부(222)를 포함한다.

상기 급경사부(222)에 의해, 상기 유로(F)는 입구 부근에서 유로 단면적이 급격히 감소된다. 입구 부근의 유로 유로 단면 감소는, LED(2)에서 발생된 열을 포함한 상승 기류가 유로(F) 내로 빨리 들어가, 그 유로(F) 내를 빨리 흘러 외부로 나가도록 해준다. 도 7은 유로를 흐르는 공기의 속도와 열전당량의 관계를 나타낸 그래프서, 이를 참조하면, 공기의 유동 속도가 클수록 열전달량도 커짐을 알 수 있다.

상기 기판(10)은, 도 2에 잘 도시된 바와 같이, 앞면에 규칙적인 방사상 배열로 실장된 복수의 LED(2)들을 구비하며, 중앙에는 터널부(22)의 급경사부(222)와 함께 유로(F)의 입구를 한정하는 중공부(12)가 원형으로 형성되어 있다. 상기 복수의 LED(2)들은 유로(F) 입구를 형성하는 중공부(12)의 주변을 둘러싼다. 따라서, 상기 복수의 LED(2)들에서 발생한 열을 포함한 공기가 상승 기류에 의해 중공부(12)에서 모인 후 유로(F) 내로 흘러 들어갈 수 있다. 이때, 상기 터널부(22)는 급경사부(222)가 있는 하나의 입구로부터 하나의 출구로 이어지는 구조이다.

도 4 및 도 5는 본 실시예의 LED 모듈에 적용 가능한 투광부재의 예들을 보여준다.

도 4를 참조하면, 얇은 두께를 갖는 투명유리 또는 투명 수지 재료의 투광부 재(50)가 LED(2)들이 실장된 기판(10)과 유로(F)의 입구를 모두 덮도록 설치된 것을 볼 수 있다. 따라서, 상기 투광 부재(50)의 안쪽, 즉, 상기 기판(10)과 투광 부재(50) 사이에는 공기가 존재하며, 그 공기는 유로(F)와 통해 있다. 따라서, 도 4에 도시된 투광부재(50)의 구조는 상기 유로(F)를 이용한 반강제적 대류 방식으로 LED(2)들 및 이를 포함한 LED 모듈을 반강제 대류에 의해 냉각시킬 수 있는 구조이다.

도 5를 참조하면, 도넛형의 투광부재(60)가 기판(10) 상에서 LED(2)들을 전체적으로 덮도록 형성된다. 상기 투광 부재(60)는 기판(10)의 중공부(12) 주변을 둘러싸는 형상을 가지며, 따라서, 상기 투광부재(60)의 중앙에 유로(F)로 들어갈 수 있는 공기가 존재하게 된다. 따라서, LED(2)에 발생한 열은 투광부재(60) 중앙을 향하는 상승기류를 유발하고, 그 상승기류는 투광부재(60) 중앙을 거쳐 유로(F)를 향하게 된다.

위와 같이, 본 실시예의 LED 모듈에 적용 가능한 투광부재는 유로(F)의 입구 부근에 공기층 존재를 허용하는 구조만으로도 족하다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 모듈을 보이는 단면도이다. 도 6을 참조하면, 본 실시예의 LED 모듈(1)은, 유로 또는 터널부가 단일 입구와 단일 출구를 갖는 앞선 실시예와 달리, 터널부(22)가 입구와 출구 사이에서 두 갈래로 분기되어 두개의 출구들 각각으로 연장된 구조를 포함하고 있다. 도 6에는 두 갈래로 분기된 터널부(22)가 도시되어 있지만, 세 갈래 또는 그 이상으로 분기되어 세 개 이상의 출구로 이어진 터널부의 구조도 본 발명의 범위 내에 있다.

도시하지 않았지만, 상기 LED 모듈은 PCB에 전력을 공급하기 위한 배선을 구비하며, 그 배선은 상기 유로를 피해 설치하는 것이 유리하다. 그러나, 이것이 본 발명을 제한하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 모듈을 도시한 부분 절개 사시도이고,

도 2는 도 1에 도시된 LED 모듈의 하부에 있는 기판 및 LED들을 도시한 저면도이며,

도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 LED 모듈에서의 열 기류의 거동을 나타낸 단면도이고,

도 4 및 도 5는 본 발명의 LED 모듈에 적용 가능한 투광 부재의 예들을 보여주는 도면들이고,

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 모듈을 도시한 단면도이며,

도 7은 공기의 속도와 열전달량의 관계를 보여주는 그래프.

Claims (9)

1. 앞면에 하나 이상의 LED가 실장된 기판과;

   상기 기판의 뒷면에 결합된 히트싱크와;

   상기 LED 부근에 발생된 열 기류를 외부로 빼내도록, 상기 기판과 상기 히트싱크를 연속 관통해 형성된 유로를 포함하며,

   상기 유로는 상기 열 기류의 속도를 증가시키기 위한 유로 단면 감소 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 대류 냉각식 LED 모듈.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서, 상기 유로 단면 감소 영역은 상기 유로의 입구 부근에 형성된 것을 특징으로 하는 대류 냉각식 LED 모듈.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 기판은 상기 유로의 입구를 한정하는 중공부를 구비하며, 상기 기판의 중공부 주변에는 복수의 LED가 실장된 것을 특징으로 하는 대류 냉각식 LED 모듈.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 히트싱크는, 상기 유로를 한정하도록, 상기 중공부에 접속된 채 출구를 통해 외부로 이어진 터널부를 구비하며, 상기 터널부는, 상기 유로 단면 감소 영역을 형성하도록, 입구 측에 급경사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 대류 냉각식 LED 모듈.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 터널부는 하나의 입구로부터 하나의 출구로 이어진 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 대류 냉각식 LED 모듈.
7. 청구항 5에 있어서, 상기 터널부는 입구와 출구 사이의 중간으로부터 두갈래 이상으로 분기되어 두개 이상의 출구들 각각으로 연장된 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 대류 냉각식 LED 모듈.
8. 청구항 4에 있어서, 상기 기판의 앞면과 상기 LED들을 전체적으로 덮는 투광 부재를 포함하며, 상기 투광 부재와 상기 기판 사이에는 공기가 존재하는 것을 특징으로 하는 대류 냉각식 LED 모듈.
9. 청구항 4에 있어서, 상기 LED들을 덮도록 상기 기판 상에 형성된 투광 부재를 더 포함하며, 상기 투광 부재는 상기 기판의 중공부 주변을 둘러싸는 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 대류 냉각식 LED 모듈.

Images