KR101088049B1 - 방열 장치 및 이를 이용한 발광 소자 방열 시스템 - Google Patents

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Abstract

방열 장치 및 이를 이용한 발광 소자 방열 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 장치는, 발광 소자 패키지의 하부면에 결합되며, 폐루프 형태의 히트 파이프를 포함한다. 폐루프 형태의 히트 파이프는 히트 파이프 내의 작동 유체가 일정한 방향으로 순환하면서 열을 방출하도록 각 구간의 히트 파이프들의 내경이 조절된다. 폐루프 형태의 히트 파이프에는 하나 이상의 방열판이 결합되어 발광 소자 패키지에서 발생하는 열을 외부로 방출시킨다.

Description

방열 장치 및 이를 이용한 발광 소자 방열 시스템{HEAT RADIATING APPARATUS AND SYSTEM FOR HEAT RADIATING OF LIGHTING DIVICE USING THE SAME}
본 발명의 실시예들은 발광 소자에서 발생하는 열을 외부로 방출하는 기술에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED)는 백열등 및 형광등과 같은 종래의 광원에 비해 소형으로 제작할 수 있고, 수명이 길다(약 5만 ~ 10만 시간)는 장점을 갖고 있다. 그리고, 발광 다이오드는 전기 에너지가 빛 에너지로 직접 변환되기 때문에 에너지 효율이 우수하며, 그로 인해 소비 전력이 적게 드는 장점을 갖는다. 또한, 발광 다이오드의 경우 색 온도가 약 5500 K로 태양광에 가까워 사람의 눈에 피로를 적게 준다.
이런 특성으로 인해, 발광 다이오드는 각종 디스플레이 장치의 광원으로 사용될 뿐만 아니라, 실내외 조명, 간판 조명 및 일반 주거 조명 등에서 백열등 및 형광등을 대체할 수 있는 차세대 조명 장치로도 각광 받고 있다.
발광 다이오드를 조명 장치로 사용하기 위해서는 다수 개의 발광 다이오드로 구성되는 LED 모듈이 요구된다. 여기서, 다수 개의 발광 다이오드로 구성된 LED 모듈을 동작시키면, LED 모듈에서 많은 열이 발생하게 된다. 이때, 발광 다이오드는 온도가 상승하면 발광 효율이 급격히 떨어지고 수명이 줄어들기 때문에, 발광 다이오드에서 발생하는 열을 외부로 신속히 방출해야 한다.
상기 발광 다이오드의 특성을 저하시키지 않기 위해서는 LED 모듈의 온도를 70 ℃ 이하로 유지하는 것이 필요하다. 일반적으로, LED 모듈에서 발생하는 열을 방출하기 위해 방열판이 사용되는데, LED 모듈의 온도를 70 ℃ 이하로 유지하려면 방열판의 크기가 커지는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예들은 발광 소자 패키지의 하부면에 결합되는 히트 파이프를 폐루프 형태로 형성함으로써, 히트 파이프 내의 작동 유체가 일정한 방향으로 순환하면서 발광 소자 패키지의 열을 방출하도록 한다.
본 발명의 실시예들에 의한 다른 기술적 해결 과제는 하기의 설명에 의해 이해될 수 있으며, 이는 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방열 장치는, 발광 소자 패키지의 하부에 형성되어, 상기 발광 소자 패키지에서 발생하는 열을 외부로 방출시키는 방열 장치에 있어서, 상기 발광 소자 패키지의 하부면에 결합되는 폐 루프 형태의 히트 파이프를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 방열 시스템은, 열 전달 부재; 상기 열 전달 부재의 상부면에 장착되며, 하나 이상의 발광 소자로 구성되는 발광 소자 모듈; 및 상기 열 전달 부재의 하부면에 결합하고, 상기 열 전달 부재로부터 상기 발광 소자 모듈의 열을 전달받아 외부로 방출하는 방열 장치를 포함하며, 상기 방열 장치는 상기 열 전달 부재의 하부면에 결합되는 폐 루프 형태의 히트 파이프를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 방열 장치를 구성하는 제1 히트 파이프 내지 제3 히트 파이프를 폐루프 형태로 구성하고, 히트 파이프에서 작동 유체가 일정한 방향으로만 순환하도록 구현함으로써, 히트 파이프 내에서 작동 유체 간의 충돌을 방지할 수 있다. 그로 인해, 히트 파이프 내에서 작동 유체의 빠른 순환이 이루어져 우수한 방열 효과를 낼 수 있다.
그리고, 제1 히트 파이프 및 제3 히트 파이프에 많은 양의 작동 유체를 채움으로써, 많은 양의 작동 유체를 열 전달에 이용할 수 있게 되고, 그로 인해 열 방출 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 제1 히트 파이프에서 기화된 작동 유체가 이동하여 응축되는 제2 히트 파이프에 방열판을 결합시킴으로써, 제2 히트 파이프 내부의 기화된 작동 유체를 빠른 시간에 응축시킬 수 있으며, 상기 방열판을 통해서도 열을 배출시킬 수 있어 방열 장치의 전체 크기를 줄일 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 방열 시스템을 나타낸 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 방열 시스템의 정면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 방열 시스템의 측면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 방열 시스템의 작동 원리를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 장치의 단면을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 방열 시스템을 이용한 경우의 온도 변화를 나타낸 그래프.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 방열 장치 및 이를 이용한 발광 소자 방열 시스템의 구체적인 실시예를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시적 실시예에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
또한, 이하 실시되는 본 발명의 실시예는 본 발명을 이루는 기술적 구성요소를 효율적으로 설명하기 위해 각각의 장치 기능구성에 기 구비되어 있거나, 또는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 구비되는 장치 기능 구성은 가능한 생략하고, 본 발명을 위해 추가적으로 구비되어야 하는 기능 구성을 위주로 설명한다. 만약 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 하기에 도시하지 않고 생략된 기능 구성 중에서 종래에 기 사용되고 있는 구성요소의 기능을 용이하게 이해할 수 있을 것이며, 또한 상기와 같이 생략된 구성 요소와 본 발명을 위해 추가된 구성 요소 사이의 관계도 명백하게 이해할 수 있을 것이다.
결과적으로, 본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하 실시예는 진보적인 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 방열 시스템을 나타낸 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 방열 시스템의 정면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 방열 시스템의 측면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 발광 소자 방열 시스템(100)은 발광 소자 모듈(110), 열 전달 부재(120), 및 방열 장치(130)를 포함한다. 여기서, 상기 방열 장치(130)는 제1 히트 파이프(131), 제2 히트 파이프(133), 방열판(135), 및 제3 히트 파이프(137)를 포함한다.
상기 발광 소자 모듈(110)은 하나 이상의 발광 소자로 구성된다. 상기 발광 소자로는 예를 들어, LED(Light Emitting Diode), OLED(Organic Light Emitting Diode), 및 LD(Laser Diode) 중 어느 하나일 수 있으며, 그 이외의 빛을 발생시키는 다양한 소자가 사용될 수도 있다.
상기 발광 소자 모듈(110)은 상기 열 전달 부재(120)의 상부에 장착된다. 예를 들어, 상기 발광 소자 모듈(110)은 상기 열 전달 부재(120)의 상부에 접착되어 장착될 수 있다. 이때, 상기 발광 소자 모듈(110) 및 상기 열 전달 부재(120)를 접착시키는 접착제로는 열 전도성이 우수한 페이스트를 사용할 수 있다.
상기 열 전달 부재(120)는 상기 발광 소자 모듈(110)에서 발생하는 열을 상기 방열 장치(130)로 전달하는 역할을 한다. 상기 열 전달 부재(120)는 열 전도성이 우수한 재질 예를 들어, 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg) 중에서 선택되는 어느 하나의 물질 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 그러나, 상기 열 전달 부재(120)가 이에 한정되는 것은 아니며, 열 전도성이 좋은 다른 다양한 재질로 이루어질 수 있다.
상기 열 전달 부재(120)의 상부면에는 상기 발광 소자 모듈(110)이 안착되어 장착되도록 안착홈(121)이 형성된다. 이때, 상기 발광 소자 모듈(110)은 상기 안착홈(121)에서 접착제를 통해 상기 열 전달 부재(120)와 접착될 수 있다.
상기 열 전달 부재(120)의 하부면에는 상기 방열 장치(130)가 장착될 수 있도록 하나 이상의 파이프 홈(124)들이 형성된다. 예를 들어, 상기 방열 장치(130)의 제1 히트 파이프(131)가 상기 파이프 홈(124)들에 각각 삽입되면서 상기 방열 장치(130)가 상기 열 전달 부재(120)의 하부면에 장착된다. 이때, 열 전도성이 우수한 페이스트를 이용하여 상기 방열 장치(130)와 상기 열 전달 부재(120)를 접착시킬 수 있다.
상기 하나 이상의 파이프 홈(124)의 단면은 반원호 형상을 갖는다. 이 경우, 상기 열 전달 부재(120) 하부면의 전체 표면적을 넓게 할 수 있다. 이와 같이, 상기 열 전달 부재(120)의 하부면에 상기 하나 이상의 파이프 홈(124)을 형성하면, 상기 열 전달 부재(120)와 상기 방열 장치(130) 간의 접촉 면적을 크게 할 수 있기 때문에, 상기 발광 소자 모듈(110)에서 발생하는 열을 상기 방열 장치(130)로 신속히 전달할 수 있게 된다.
여기서, 상기 하나 이상의 파이프 홈(124)의 직경은 상기 제1 히트 파이프(131)와 동일하게 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 히트 파이프(131)가 상기 파이프 홈(124)에 삽입되어 장착될 때, 상기 제1 히트 파이프(131)와 상기 파이프 홈(124) 간에 틈이 생기지 않게 함으로써, 열 전도율이 감소되는 것을 방지할 수 있다.
상기 방열 장치(130)는 상기 열 전달 부재(120)로부터 전달되는 열을 외부로 방출하여 상기 발광 소자 모듈(110)의 온도를 소정 온도(예를 들어, 70℃) 이하로 유지하는 역할을 한다. 상기 방열 장치(130)는 제1 히트 파이프(131), 제2 히트 파이프(133), 방열판(135), 및 제3 히트 파이프(137)를 포함한다.
상기 제1 히트 파이프(131)는 상기 열 전달 부재(120)의 하부면에 형성된 파이프 홈(124)에 장착된다. 상기 제1 히트 파이프(131) 내에는 작동 유체가 채워지는데, 상기 제1 히트 파이프(131)가 상기 열 전달 부재(120)의 열을 흡수하면 상기 작동 유체가 기체로 증발하면서 상기 제2 히트 파이프(133)로 이동하게 된다. 여기서, 상기 제1 히트 파이프(131) 내부에 채워지는 작동 유체로는 비점이 낮고 증발 잠열(Latent Heat)이 큰 메탄올, 무수 에탄올, 증류수, 프로파논 계열의 액체, 수은 등의 액체를 사용할 수 있다.
상기 제2 히트 파이프(133)의 일단은 상기 제1 히트 파이프(131)의 상단과 결합하고, 상기 제2 히트 파이프(133)의 타단은 상기 제3 히트 파이프(137)의 상단과 결합한다. 예를 들어, 상기 제2 히트 파이프(133)는 ∩ 자 형상으로 이루어질 수 있으며, 상기 제2 히트 파이프(133)의 일단이 상기 제1 히트 파이프(131)의 상단과 결합하고 상기 제2 히트 파이프(133)의 타단이 상기 제3 히트 파이프(137)의 상단과 결합하게 된다.
상기 방열판(135)은 상기 열 전달 부재(120)로부터 전달받은 열을 외부로 방출하는 역할을 한다. 상기 방열판(135)에는 상기 제2 히트 파이프(133)의 양 측이 각각 결합된다. 이때, 상기 방열판(135)은 소정 간격을 두고 복수 개가 상기 제2 히트 파이프(133)의 양 측과 결합될 수 있다. 이 경우, 상기 방열판(135)의 전체 면적이 넓어져 상기 열 전달 부재(120)로부터 전달받은 열을 신속히 외부로 방출할 수 있게 된다.
상기 방열판(135)에는 소정 크기의 하나 이상의 관통홀(136)들이 형성될 수 있다. 상기 방열판(135)에 상기 관통홀(136)을 형성하면 공기(바람)가 상기 관통홀(136)을 통해 이동할 수 있게 된다. 이 경우, 상기 방열판(135)의 방열 효과를 향상시킬 수 있다.
상기 제3 히트 파이프(137)의 상단은 상기 제2 히트 파이프(133)의 타단과 결합하고, 상기 제3 히트 파이프(137)의 하단은 상기 제1 히트 파이프(131)의 하단과 결합한다. 여기서, 상기 제3 히트 파이프(137)는 소정의 경사를 가지고 형성된다.
상기 제3 히트 파이프(137)의 내부에는 작동 유체가 채워지는데, 상기 제2 히트 파이프(133)를 따라 이동하는 기화된 작동 유체가 다시 액화되는 경우, 상기 제3 히트 파이프(137)로 유입되게 된다.
구체적으로, 상기 제1 히트 파이프(131)에서 기화된 작동 유체는 상기 제2 히트 파이프(133)의 일단으로 유입되어 상기 제2 히트 파이프(133)를 따라 이동하다가 온도가 내려감에 따라 상기 제2 히트 파이프(133)의 타단에서 응축되면서 다시 액화되게 된다. 이때, 상기 액화된 작동 유체는 상기 제3 히트 파이프(137)에 채워지게 된다.
여기서, 상기 제3 히트 파이프(137)와 상기 제1 히트 파이프(131)는 서로 연결되어 있으므로, 상기 제3 히트 파이프(137) 내로 유입된 작동 유체는 상기 제1 히트 파이프(131)에서 다시 기화되어 제2 히트 파이프(133)를 따라 이동하다가 응축되어 상기 제3 히트 파이프(137)로 유입되는 과정을 반복하게 된다.
즉, 상기 제1 히트 파이프(131)에 채워진 작동 유체는 상기 열 전달 부재(120)의 열을 흡수하여 기화되고, 상기 제2 히트 파이프(133)를 따라 이동하다가 응축되면서 액화되어 제3 히트 파이프(137)로 복귀하는데 이 과정에서 열을 배출하게 된다. 이때, 상기 작동 유체의 상 변화 과정에서 매우 큰 열 전달 성능을 발휘하므로, 상기 열 전달 부재(120)로부터 전달받은 열을 신속히 외부로 배출할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서는 제1 히트 파이프(131) 내지 제3 히트 파이프(137)를 폐 루프 형태로 구현함으로써, 작동 유체가 제1 히트 파이프(131) → 제2 히트 파이프(133) → 제3 히트 파이프(137) → 제1 히트 파이프(131)의 순서로 순환하게 된다.
여기서, 상기 제1 히트 파이프(131)의 내경을 상기 제3 히트 파이프(137)의 내경 보다 작게 형성하면, 상기 제1 히트 파이프(131)에 채워지는 작동 유체의 부피가 상기 제3 히트 파이프(137) 내에 채워지는 작동 유체의 부피보다 작게 된다. 따라서, 상기 제1 히트 파이프(131)에 채워지는 작동 유체가 상기 제3 히트 파이프(137)에 채워지는 작동 유체보다 먼저 기화된다.
이 경우, 작동 유체는 항상 제1 히트 파이프(131) → 제2 히트 파이프(133) → 제3 히트 파이프(137) → 제1 히트 파이프(131)의 순서로 정순환하게 되며, 역순환하지 않게 된다. 즉, 상기 제1 히트 파이프(131)의 작동 유체가 상기 제3 히트 파이프(137)의 작동 유체보다 먼저 기화되도록 함으로써, 작동 유체가 역류하는 것을 방지한다.
또한, 상기 제1 히트 파이프(131)에서 기화된 작동 유체의 양이 상기 제3 히트 파이프(137)로 그대로 채워져 상기 제1 히트 파이프(131)로 유입되므로, 상기 제1 히트 파이프(131)와 상기 제3 히트 파이프(137) 내의 작동 유체가 수평을 이루게 된다. 즉, 상기 제1 히트 파이프(131)와 상기 제3 히트 파이프(137) 내의 작동 유체 간에 항상 수평이 이루어지므로, 작동 유체가 역류하지 못하게 된다.
이와 같이, 작동 유체가 항상 정순환하도록 하고 역류하는 것을 방지하게 되면, 작동 유체 간에 충돌이 발생하지 않기 때문에 더욱 더 빠른 순환이 이루어져 우수한 방열 효과를 나타내게 된다.
다시 말하면, 기존의 히트 파이프는 해당 히트 파이프 내에서 작동 유체의 순환이 이루어졌다. 구체적으로, 히트 파이프의 일단에서 열을 흡수하여 작동 유체가 기화되면 해당 히트 파이프를 따라 이동하다가 히트 파이프의 타단에서 액화되면서 열을 배출한 후, 액화된 작동 유체가 히트 파이프의 표면을 따라 히트 파이프의 일단으로 귀환하게 된다.
이 경우, 히트 파이프 내에서 작동 유체의 상반되는 방향으로의 두 흐름이 존재하기 때문에, 작동 유체 간에 충돌이 발생하여 작동 유체의 순환이 빠르게 진행되지 못하게 되며, 그로 인해 히트 파이프를 통한 열 전달 효율이 떨어지게 된다.
또한, 기존의 히트 파이프는 히트 파이프에 수용되는 작동 유체의 양이 작아서 열 방출 효율이 떨어졌다. 구체적으로, 기존의 히트 파이프는 해당 히트 파이프 내에서 작동 유체의 순환이 이루어지므로 해당 히트 파이프 내에 많은 양의 작동 유체를 채울 수 없었으며, 이 경우 작은 양의 작동 유체를 통해 열 전달이 이루어지므로 열 방출 효율이 떨어질 수 밖에 없다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따르면 제1 히트 파이프(131) 내지 제3 히트 파이프(137)를 폐 루프 형태로 구현함으로써, 히트 파이프 내에서 작동 유체 간의 충돌이 일어나지 않아 작동 유체의 순환이 빠르게 진행된다.
그리고, 제1 히트 파이프(131) 및 제3 히트 파이프(137) 내에 충분한 양의 작동 유체를 채울 수 있으므로, 많은 양의 작동 유체를 열 전달에 사용할 수 있게 되어 열 방출 효율을 향상시킬 수 있다.
이때, 작동 유체가 기화되는 부분(제1 히트 파이프)과 응축되어 채워지는 부분(제3 히트 파이프)이 서로 다르게 구성되므로, 상기 작동 유체의 순환이 끊기지 않고 연속적으로 진행될 수 있게 된다. 이 경우, 상기 발열 장치(130)를 작게 형성한다 하더라도(예를 들어, 기존의 방열 장치의 1/4 수준) 상기 작동 유체의 순환이 원활하고 신속히 이루어지게 된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 의하면 열 방출 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 동시에 발열 장치의 크기를 줄일 수 있게 된다.
한편, 상기 발광 소자 모듈(110) 및 상기 열 전달 부재(120)를 발광 소자 패키지로 일체화하여 형성할 수 있으며, 이 경우 상기 방열 장치(130)는 발광 소자 패키지의 하부에 연결되어 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 방열 시스템의 작동 원리를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 장치의 단면을 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 제1 히트 파이프(131)가 열 전달 부재(120)의 하부면에 형성된 파이프 홈(124)에 장착되어 상기 열 전달 부재(120)의 열을 흡수하게 된다.
상기 제1 히트 파이프(131)의 내부에는 작동 유체가 채워지는데, 상기 제1 히트 파이프(131)의 내경은 제3 히트 파이프(137) 보다 작게 형성된다. 이 경우, 상기 제1 히트 파이프(131)의 내부에 채워지는 작동 유체의 부피가 제3 히트 파이프(137)의 내부에 채워지는 작동 유체의 부피 보다 작기 때문에, 상기 열 전달 부재(120)의 열을 흡수하는 경우 빠르게 끊어올라 기체로 증발하게 된다. 부연하여 설명하면, 상기 제3 히트 파이프(137)의 작동 유체가 기화하는 것이 아니라 상기 제1 히트 파이프(131)의 작동 유체가 기화하게 된다.
상기 제1 히트 파이프(131)에서 기화된 작동 유체는 상기 제1 히트 파이프(131)의 상단과 결합된 제2 히트 파이프(133)로 유입되게 된다. 상기 제2 히트 파이프(133)는 상기 제1 히트 파이프(131)의 상단과 결합되며 상기 기화된 작동 유체가 유입되는 유입부(133-1), 상기 유입부(133-1)의 말단에서 내측으로 수직하게 절곡되어 형성되고, 상기 기화된 작동 유체가 이송되는 이송부(133-2), 및 상기 이송부(133-2)의 말단에서 하방으로 수직하게 절곡되어 형성되고, 상기 기화된 작동 유체가 응축되는 응축부(133-3)를 포함한다. 즉, 상기 유입부(133-1)로 유입된 작동 유체는 상기 이송부(133-2)를 따라 이동하다가 상기 응축부(133-3)에서 응축되어 다시 액화되게 된다.
여기서, 상기 제2 히트 파이프(133)의 내경은 상기 제1 히트 파이프(131) 보다 크게 형성한다. 이 경우, 상기 기화된 작동 유체의 순환을 빠르게 할 수 있다. 즉, 상기 작동 유체가 기화되면 부피가 팽창하게 되므로 상기 제2 히트 파이프(133)의 내경을 상기 제1 히트 파이프(131) 보다 크게 형성하여 기화된 작동 유체가 상기 제2 히트 파이프(133) 내에서 빠르게 순환하도록 한다. 또한, 상기 제2 히트 파이프(133)의 내경을 상기 제1 히트 파이프(131) 보다 크게 형성하면, 상기 제2 히트 파이프(133) 자체적으로도 방열시키는 효과를 얻을 수 있다.
상기 제2 히트 파이프(133)의 유입부(133-1) 및 응축부(133-3)에는 하나 이상의 방열판(135)이 각각 결합되어 형성된다. 상기 방열판(135)은 상기 방열 장치(130)가 상기 열 전달 부재(120)로부터 전달받은 열을 외부로 방출시킨다. 이때, 상기 제2 히트 파이프(133)의 온도를 낮출 수 있기 때문에 상기 제2 히트 파이프(133)를 따라 이동하는 기화된 작동 유체를 응축시킬 수 있게 된다. 여기서, 상기 기화된 작동 유체는 온도가 2℃ 정도만 내려가도 응축되어 액화되게 된다.
상기 방열판(135)이 없어도 상기 제2 히트 파이프(133)의 일단으로 유입되는 기체는 제2 히트 파이프(133)의 타단에서 응축되지만, 이 경우 상기 제2 히트 파이프(133)의 길이는 상기 제2 히트 파이프(133)의 일단의 온도와 상기 제2 히트 파이프(133)의 타단의 온도 차이가 2℃ 날 정도로 충분히 길게 형성해야 한다.
그러나, 상기 제2 히트 파이프(133)에 하나 이상의 방열판(135)을 결합시킴으로써, 상기 제2 히트 파이프(133)의 온도를 빠른 시간에 하강시켜 상기 제2 히트 파이프(133)의 전체 길이를 줄일 수 있게 된다. 그로 인해, 상기 방열 장치(130)의 전체 크기도 줄일 수 있게 된다.
상기 제2 히트 파이프(133)의 응축부(133-3)에서 응축되어 액체로 환원된 작동 유체는 상기 제2 히트 파이프(133)의 타단과 결합된 제3 히트 파이프(137)로 유입되어 채워진다. 상기 제3 히트 파이프(137)의 내경은 상기 제1 히트 파이프(131) 보다 크게 형성되기 때문에 상기 제1 히트 파이프(131) 보다 더 많은 양의 작동 유체를 수용할 수 있게 된다.
이때, 상기 제3 히트 파이프(137)의 내경은 상기 방열 장치(130)의 히트 파이프들 중 가장 크게 형성될 수 있다. 예를 들어, 각 히트 파이프들의 내경의 크기는 제1 히트 파이프(131), 제2 히트 파이프(133), 및 제3 히트 파이프(137) 순으로 크게 형성할 수 있다.
반면에, 각 히트 파이프들의 외경의 크기는 예를 들어, 제2 히트 파이프(133), 제1 히트 파이프(131), 및 제3 히트 파이프(137) 순으로 크게 형성할 수 있다. 여기서, 상기 제1 히트 파이프(131)의 외경의 크기를 상기 제2 히트 파이프(133)의 외경의 크기보다 크게 형성하는 이유는, 상기 제1 히트 파이프(131)가 상기 열 전달 부재(120)와 접촉하는 부분이기 때문이다. 즉, 상기 제1 히트 파이프(131)의 외경을 크게 형성함으로써, 상기 열 전달 부재(120)와 접촉되는 면적을 넓게 한 것이다.
본 발명의 일 실시예에서는 제1 히트 파이프(131) 내지 제3 히트 파이프(137)를 폐 루프 형태로 구현함으로써, 작동 유체가 제1 히트 파이프(131) → 제2 히트 파이프(133) → 제3 히트 파이프(137) → 제1 히트 파이프(131)의 순서로 연속적으로 순환하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 작동 유체가 역류할 염려가 없으므로 작동 유체 간에 충돌이 발생하지 않게 된다. 따라서, 작동 유체들이 히트 파이프들을 따라 빠르게 순환할 수 있게 되며, 그로 인해 방열 장치(130)의 열 방출 속도 및 열 방출 효율을 향상시킬 수 있게 된다. 그리고, 작동 유체가 방열 장치(130)의 히트 파이프들에서 계속하여 순환하므로, 방열 장치(130)를 교체할 필요가 없으며 반 영구적으로 사용할 수 있게 된다.
또한, 제2 히트 파이프(133)의 응축부(133-1)에서 열을 배출할 뿐만 아니라, 상기 방열판(130)을 통해서도 열이 배출되어 이중으로 열이 배출되는 구조를 가짐으로써, 상기 방열 장치(130)의 전체 크기를 줄이고도 충분한 열 방출 효과를 낼 수 있게 된다.
이때, 상기 방열판(130)은 상기 제2 히트 파이프(133)의 양 측에 결합되어 형성되기 때문에, 상기 방열판(130)의 수가 늘어난다고 하더라도 상기 방열 장치(130)의 크기에는 별다른 영향을 주지 않으면서 방열 효과를 향상시킬 수 있게 된다.
표 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 방열 시스템을 이용한 경우의 온도 변화를 나타낸 표이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 방열 시스템을 이용한 경우의 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 여기서, 검은색은 열 전달 부재의 온도 변화, 노란색은 LED 모듈의 하부면의 온도 변화, 빨간색은 LED 모듈의 측면의 온도 변화, 및 분홍색은 방열 장치의 온도 변화를 나타낸다. 본 실험에서는 100W 급의 고휘도 발광 다이오드에 대해 실험한 결과를 나타내었다.
시 작 10분 경과 1시간 경과 2시간 경과 3시간 경과 최종상태
열 전달 부재 13.4 38.5 56.7 59 60.2 60.2
LED 모듈의 하부면 13.8 38.5 55.5 58.2 58.9 58.6
LED 모듈의 측면 13.6 30.1 45 46.7 47.4 47.5
방열 장치
 14.6 20.5 41.7 44 47.2 46.6
표 1 및 도 6을 참조하면, 열 전달 부재, LED 모듈의 하부면, LED 모듈의 측면, 및 방열 장치 모두 1시간이 경과하기까지는 온도가 급격히 상승하다가 2시간을 경과할 때는 온도의 상승폭이 줄어 들고, 3 시간을 경과하여서는 온도의 변화가 거의 없이 일정한 온도로 유지되는 것을 볼 수 있다.
특히, LED 모듈의 하부면 및 측면은 3시간을 경과한 이후에는 각각 58.6℃ 및 47.5℃로 온도가 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있는데, 이 경우 LED 모듈의 특성을 유지하기 위해 필요한 온도인 70 ℃ 이하를 충분히 만족하는 것을 볼 수 있다. 또한, 이러한 실험 데이터가 100W 급의 고휘도 발광 다이오드에 대해 측정한 결과임을 고려할 때, 고휘도 발광 다이오드에 대해서도 빠르고 우수한 방열 효과를 나타냄을 확인할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110 : 발광 소자 모듈 120 : 열 전달 부재
121 : 안착홈 124 : 파이프 홈
130 : 방열 장치 131 : 제1 히트 파이프
133 : 제2 히트 파이프 133-1 : 유입부
133-2 : 이송부 133-3 : 응축부
135 : 방열판 137 : 제3 히트 파이프

Claims (20)

  1. 발광 소자 패키지의 하부에 형성되어, 상기 발광 소자 패키지에서 발생하는 열을 외부로 방출시키는 방열 장치에 있어서,
    상기 발광 소자 패키지의 하부면에 결합되는 폐 루프 형태의 히트 파이프를 포함하며,
    상기 폐 루프 형태의 히트 파이프는,
    내부에 작동 유체가 채워지며, 상기 발광 소자 패키지의 하부면에 결합되어 상기 발광 소자 패키지에서 발생하는 열로 인해 상기 작동 유체가 기화되는 제1 히트 파이프;
    일단이 상기 제1 히트 파이프의 상단과 결합되고, 상기 제1 히트 파이프에서 기화된 작동 유체가 이동한 후 응축되는 제2 히트 파이프; 및
    상단이 상기 제2 히트 파이프의 타단과 결합되고, 하단이 상기 제1 히트 파이프의 하단과 결합되며, 상기 제2 히트 파이프에서 응축된 작동 유체가 내부에 채워지는 제3 히트 파이프를 포함하며,
    상기 제1 히트 파이프에 채워지는 작동 유체의 양은, 상기 제3 히트 파이프에 채워지는 작동 유체의 양 보다 작은, 방열 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 히트 파이프는,
    상기 제1 히트 파이프의 상단과 결합되며, 상기 제1 히트 파이프에서 기화된 작동 유체가 유입되는 유입부;
    상기 유입부에서 내측으로 수직하게 절곡되어 형성되고, 상기 기화된 작동 유체가 이송되는 이송부; 및
    상기 이송부에서 하방으로 수직하게 절곡되어 형성되고, 상기 기화된 작동 유체가 응축되는 응축부를 포함하는, 방열 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 방열 장치는,
    상기 폐 루프 형태의 히트 파이프에 결합되는 하나 이상의 방열판을 더 포함하는, 방열 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하나 이상의 방열판은,
    소정 간격을 두고 상기 유입부 및 상기 응축부에 각각 결합되는, 방열 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하나 이상의 방열판은,
    각각 하나 이상의 관통홀을 포함하는, 방열 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 히트 파이프의 내경은,
    상기 제1 히트 파이프의 내경 보다 크게 형성되는, 방열 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3 히트 파이프의 내경은,
    상기 제2 히트 파이프의 내경 보다 크게 형성되는, 방열 장치.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 히트 파이프에 채워지는 작동 유체는,
    상기 제1 히트 파이프, 상기 제2 히트 파이프, 상기 제3 히트 파이프, 및 상기 제1 히트 파이프의 순서로 연속하여 순환되는, 방열 장치.
  11. 열 전달 부재;
    상기 열 전달 부재의 상부면에 장착되며, 하나 이상의 발광 소자로 구성되는 발광 소자 모듈; 및
    상기 열 전달 부재의 하부면에 결합하고, 상기 열 전달 부재로부터 상기 발광 소자 모듈의 열을 전달받아 외부로 방출하는 폐 루프 형태의 히트 파이프를 포함하는 방열 장치를 포함하며,
    상기 폐 루프 형태의 히트 파이프는,
    내부에 작동 유체가 채워지며, 상기 열 전달 부재의 하부면에 결합되어 상기 열 전달 부재로부터 전달된 열로 인해 상기 작동 유체가 기화되는 제1 히트 파이프;
    일단이 상기 제1 히트 파이프의 상단과 결합되고, 상기 제1 히트 파이프에서 기화된 작동 유체가 이동한 후 응축되는 제2 히트 파이프; 및
    상단이 상기 제2 히트 파이프의 타단과 결합되고, 하단이 상기 제1 히트 파이프의 하단과 결합되며, 상기 제2 히트 파이프에서 응축된 작동 유체가 내부에 채워지는 제3 히트 파이프를 포함하며,
    상기 제1 히트 파이프에 채워지는 작동 유체의 양은, 상기 제3 히트 파이프에 채워지는 작동 유체의 양 보다 작은, 발광 소자 방열 시스템.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서,
    상기 열 전달 부재는,
    상기 열 전달 부재의 하부면에 상기 제1 히트 파이프가 삽입되면서 장착되는 파이프 홈을 더 포함하는, 발광 소자 방열 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제2 히트 파이프는,
    상기 제1 히트 파이프의 상단과 결합되며, 상기 제1 히트 파이프에서 기화된 작동 유체가 유입되는 유입부;
    상기 유입부에서 내측으로 수직하게 절곡되어 형성되고, 상기 기화된 작동 유체가 이송되는 이송부; 및
    상기 이송부에서 하방으로 수직하게 절곡되어 형성되고, 상기 기화된 작동 유체가 응축되는 응축부를 포함하는, 발광 소자 방열 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 발광 소자 방열 시스템은,
    상기 폐 루프 형태의 히트 파이프에 결합되는 하나 이상의 방열판을 더 포함하는, 발광 소자 방열 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 하나 이상의 방열판은,
    소정 간격을 두고 상기 유입부 및 상기 응축부에 각각 결합되는, 발광 소자 방열 시스템.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 하나 이상의 방열판은,
    각각 하나 이상의 관통홀을 포함하는, 발광 소자 방열 시스템.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 제2 히트 파이프의 내경은,
    상기 제1 히트 파이프의 내경 보다 크게 형성되는, 발광 소자 방열 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제3 히트 파이프의 내경은,
    상기 제2 히트 파이프의 내경 보다 크게 형성되는, 발광 소자 방열 시스템.
  20. 삭제
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