KR101489476B1 - 전자소자 냉각 장치 및 제조 방법 - Google Patents

Abstract

전자소자 냉각 장치 및 제조 방법이 개시된다. 개시된 전자소자 냉각 장치는 작동 시 열을 발생시키는 전자소자 모듈; 및 상기 전자소자 모듈의 일면에 열적으로 연결되어 상기 발생된 열을 흡수하며, 실리콘이나 에폭시 재질로 이루어지고 방열 필러를 포함하는 히트 싱크;를 포함하되, 상기 히트 싱크의 내부에는 열경화에 따른 상기 방열 필러의 상기 히트 싱크 내부에서의 움직임에 의해 다수의 기공이 형성된다. 본 발명에 따르면, 전자소자에서 발생되는 열을 보다 효율적으로 방열시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 제품의 경량화가 가능하여 설치의 안정성을 도모할 수 있고, 제조 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 방열 대상의 형태에 제한을 받지 않고 다양한 형상으로 제조될 수 있으며, 방열 효과와 함께 방수 및 방진 효과를 기대할 수 있는 장점이 있다.

Description

전자소자 냉각 장치 및 제조 방법{DEVICE FOR COOLING ELECTRONIC ELEMENT AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명의 실시예들은 전자소자 냉각 장치 및 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전자소자에서 발생되는 열을 보다 효율적으로 방열시킬 수 있는 전자소자 냉각 장치 및 제조 방법에 관한 것이다.

LED(Light-Emitting Diode)는 반도체를 이용한 조명 장치로서, 반도체의 특성상 열에 취약하며, 특히, 고온에서 광출력 감소와 수명 감소 현상이 뚜렷이 나타난다.

이에, LED를 광원으로 이용하기 위해서는 냉각 장치가 필수적이며, 대한민국 공개특허 제2010-0081262호(발명명칭: LED 조명용 히트싱크)는 냉각 핀을 이용한 LED 냉각 장치를 개시하고 있다.

상기의 종래특허는 LED에서 발생된 열이 LED에 부착된 히트 싱크로 전달되면, 히트 싱크에 결합된 냉각 핀을 이용하여 열을 방출하는 구성을 통하여 LED를 냉각시킨다.

그러나, 이러한 냉각 핀은 일반적으로 알루미늄 소재를 이용하여 제작되므로, 알루미늄 소재의 특성상 낮은 열전도성 및 낮은 방열성 등으로 인해 냉각 효율을 최대화할 수 없는 문제점을 갖는다.

또한, 히트 싱크 외에 냉각 핀을 추가로 구비함에 따라, 공정수의 증가로 인하여 제조 공정의 간소화가 불가능하고 수반되는 비용이 증가되는 문제점을 갖게 된다.

상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 전자소자에서 발생되는 열을 보다 효율적으로 방열시킬 수 있는 전자소자 냉각 장치 및 제조 방법을 제안하고자 한다.

본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 작동 시 열을 발생시키는 전자소자 모듈; 및 상기 전자소자 모듈의 일면에 열적으로 연결되어 상기 발생된 열을 흡수하며, 실리콘이나 에폭시 재질로 이루어지고 방열 필러를 포함하는 히트 싱크;를 포함하되, 상기 히트 싱크의 내부에는 열경화에 따른 상기 방열 필러의 상기 히트 싱크 내부에서의 움직임에 의해 다수의 기공이 형성되는 전자소자 냉각 장치가 제공된다.

상기 방열 필러는 세라믹 계열, 메탈 계열 및 탄소 계열 중 적어도 하나의 재질로 이루어지는 마이크로 파우더일 수 있다.

상기 발생된 열을 더 흡수하기 위한 냉매 배관이 형성된 하나 이상의 히트 파이프;를 더 포함하되, 상기 히트 파이프는 상기 전자소자 모듈의 배면에 적층되는 열전도층에 수직 하방으로 연결되고, 상기 히트 싱크는 상기 열전도층의 배면에 순차적으로 적층되어 상기 히트 파이프는 상기 히트 싱크에 의해 일부 매립될 수 있다.

상기 히트 파이프의 단부는 상기 열전도층에 형성된 결합홈으로 솔더링되어 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전자소자 모듈의 배면에 적층되는 열전도층에 실리콘이나 에폭시 재질로 이루어지고 방열 필러를 포함하는 몰딩액을 주입하는 단계; 및 상기 방열 필러의 상기 몰딩액 내부에서의 움직임에 따라 다수의 기공이 상기 몰딩액 내부에 형성되도록 상기 몰딩액을 열경화하는 단계를 포함하는 전자소자 냉각 장치의 제조 방법이 제공된다.

본 발명에 따르면, 전자소자에서 발생되는 열을 보다 효율적으로 방열시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 제품의 경량화가 가능하여 설치의 안정성을 도모할 수 있고, 제조 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 방열 대상의 형태에 제한을 받지 않고 다양한 형상으로 제조될 수 있으며, 방열 효과와 함께 방수 및 방진 효과를 기대할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자소자 냉각 장치의 단면도를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자소자 냉각 장치의 단면도를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라, 히트 파이프를 포함하는 전자소자 냉각 장치의 단면도를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자소자 냉각 장치의 제조 방법을 시간의 흐름에 따라 상세히 도시한 순서도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자소자 냉각 장치의 단면도를 도시하는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자소자 냉각 장치(100)는 열을 발생시키는 전자소자 모듈(110) 및 발생된 열을 흡수하는 히트 싱크(120)를 포함한다.

먼저, 전자소자 모듈(110)은 작동 시 열을 발생시키며, 일례로, 전자소자 모듈(110)은 LED 모듈일 수 있다. LED 모듈은 LED(112)와 인쇄회로기판(114)으로 구성될 수 있으며, LED(112)는 빛을 발생시킴과 동시에 열을 발생시킨다.

이때, 인쇄회로기판(114)은 통상적으로 열전도율이 낮은 절연재질로 제작되므로, LED(112)에서 발생되는 다량의 열을 효율적으로 방출할 수 없으며, 이에, LED 성능 유지를 위해서는 별도의 냉각 장치가 필수적이게 된다.

이하에서는 설명의 편의를 위하여, 전자소자 모듈(110)이 LED 모듈인 것으로 가정하여 설명하기로 하나, 이에 한정되지 않고 작동 시 열이 발생되어 냉각이 필요한 다양한 전자소자 모듈이 본 발명에 적용될 수 있다.

다음으로, 히트 싱크(120)는 전자소자 모듈(110)의 일면에 열적으로(thermally) 연결되어 이러한 전자소자 모듈(110)에서 발생되는 열을 흡수한다.

이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 싱크(120)는 실리콘이나 에폭시 재질로 이루어지고, 방열 필러(미도시)를 포함하며, 내부에는 다수의 기공(122)이 형성되게 된다.

보다 상세하게, 히트 싱크(120)는 실리콘이나 에폭시 재질로 이루어지고 방열 필러를 포함하게 됨에 따라, 히트 싱크(120)에 열경화가 수행되는 경우, 내부에는 다수의 기공(122)이 형성되게 된다.

예를 들어, 히트 싱크(120)에 열경화가 수행되기 직전 실리콘 재질의 매질 내에서 이동하고 있던 방열 필러는 열경화의 진행에 따라 멈추게 되고, 이때, 멈추기 전의 방열 필러의 위치에는 방열 필러가 존재하던 자리로서, 방열 필러의 크기에 상응하거나 작은 크기로 기공이 형성될 수 있는 것이다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 기공(122)은 방열 필러(미도시)의 이동 경로를 따라 사방으로 랜덤하게 형성될 수 있으며, 방열 필러(미도시)에 인접하여 형성될 수 있다.

그리고, 하나의 방열 필러(미도시)의 이동 경로에는 열경화에 따라 적어도 하나 이상의 기공이 형성될 수 있다.

이러한 내부에 형성된 다수의 기공(122)은 히트 싱크(120)의 전체 부피당 단위 면적을 증가시켜 열 발생 대상으로부터 열을 보다 효율적으로 방출시키는 장점을 갖는다.

한편, 본 발명에서는 설명의 편의를 위하여, 히트 싱크(120)의 높이를 LED 모듈(110)보다 상대적으로 높게 도시하였으나, 히트 싱크(120)의 내부 기공(122)에 의한 방열 효과는 히트 싱크(120)의 높이가 적정 범위 내일 때 최대화된다는 점에서, 일례로, 2cm 이하로 설정될 수 있다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 내부 기공(122)의 형성을 위한 열경화는 200℃이하에서 수행될 수 있으며, 일례로, 내부 기공(122)이 충분히 형성될 수 있도록, 열경화는 170℃에서 수행될 수 있다.

방열 필러(미도시)는 세라믹 계열, 메탈 계열 및 탄소 계열 중 적어도 하나의 재질로 이루어지는 마이크로 파우더일 수 있으며, 세라믹 계열은 주로 산화알루미늄으로 구성되며, 메탈 계열에는 구리, 알루미늄, 마그네슘, 철 등이 포함될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 방열 필러(미도시)는 100μm 이하의 파우더인 것이 바람직하다 할 것이나, 이에 한정되는 것은 아니며, 방열 필러(미도시)는 탄소 계열의 나노 파우더로서, 탄소나토튜브(CNT, Carbon NanoTube), 그래핀(graphene) 등일 수도 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 싱크(120)는 실리콘이나 에폭시 재질로 이루어지고 방열 필러(미도시)를 포함함에 따라 열경화에 의해 다수의 기공(122)이 내부에 형성되어 방열 효과를 증대시킬 수 있는 장점을 갖는다.

한편, 히트 싱크(120)가 실리콘이나 에폭시 재질로 이루어지는 경우에 메탈 소재로 이루어지는 경우보다 냉각 장치의 경량화가 가능하고 방열 효과와 동시에 LED 모듈(110)을 위한 방수 및 방진 기능을 기대할 수 있다는 점에서 유리하다.

그리고, 본 발명에서는 히트 싱크(120)의 형상이 직육면체인 것으로 가정하여 설명하였으나, 히트 싱크(120)는 사용 분야 또는 열을 발생시키는 전자소자 모듈(110)의 형상에 따라, 다양한 형상으로 제조될 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자소자 냉각 장치의 단면도를 도시하는 도면이며, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라, 히트 파이프를 포함하는 전자소자 냉각 장치의 단면도를 도시하는 도면이다.

먼저, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 전자소자 냉각 장치(100)의 히트 싱크(120)는 전자소자 모듈(110)의 배면에 적층되는 열전도층(130)에 순차적으로 적층될 수 있다.

즉, LED 모듈(110)의 배면에 열전도층(130)이 적층되고, 열전도층(130)의 배면에 다시 히트 싱크(120)가 적층된 상태로, 히트 싱크(120)는 LED 모듈(110)에서 발생한 열을 흡수할 수 있다.

이때, 열전도층(130)은 LED 모듈(110)에서 발생된 열을 히트 싱크(120) 내지는 이하 설명하는 히트 파이프(140)로 전달하는 역할을 수행하는 것으로서, 일례로, 열전도성이 우수한 실리콘 소재로 이루어질 수 있다.

또한, 열전도층(130)은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 싱크(120)와 동일한 소재로 이루어져 내부에 기공이 형성될 수도 있으며, 이 경우, 단위면적 증가로 인하여 방열 효과가 최대로 될 수 있는 장점을 갖게 된다.

계속하여, 도 3을 참조하면, 전자소자 냉각 장치(100)는 LED 모듈(110)에서 발생된 열을 더 흡수하기 위한 냉매 배관이 형성된 하나 이상의 히트 파이프(140)를 더 포함할 수 있다.

보다 상세하게, 히트 파이프(140)는 도 3에 도시된 바와 같이, 열전도층(130)에 형성된 결합홈(132)에 수직 하방으로 연결될 수 있으며, 히트 파이프(140)가 결합홈(132)에 연결된 상태에서 히트 싱크(120)가 열전도층(130)의 배면에 다시 적층됨으로써, LED 모듈(110)에서 발생되는 열은 히트 싱크(120)와 함께 히트 파이프(140)에 의해 흡수될 수 있다.

이 경우, 히트 파이프(140)는 히트 싱크(120)에 의해 일부 매립되게 되며, 히트 싱크(120) 내부 기공(122)에 의한 방열 효과뿐만 아니라 히트 파이프(140)에 의한 방열 효과가 더해짐으로써, LED 모듈(110)에서 발생된 열은 보다 효율적으로 방출될 수 있다.

이러한 매립 구조는 이하 설명하는 공정과 같이, 히트 싱크의 제조를 위한 몰딩액을 열전도체(130)에 주입하는 방식으로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 열전도층(130)에 형성된 결합홈(132)은 히트 파이프(140)의 단부가 결합될 수 있도록 히트 파이프(140)의 단면적과 상응하는 크기로 형성될 수 있으며, 결합홈(132)에 도포된 솔더 크림에 의해 히트 파이프(140)는 결합홈(132)에 수직 하방으로 연결될 수 있다.

본 발명에서는 히트 파이프(140)의 단부가 직접 열전도층(130)의 결합홈(132)에 연결되는 것으로 가정하여 설명하기로 하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 히트 파이프(140)의 단부에는 별도의 연결부재(미도시)가 형성되어 결합홈(132)에 연결될 수도 있다. 이 경우, 결합홈(132)은 연결부재의 단면적에 상응하는 크기로 형성된다.

한편, 히트 파이프(140)는 방열 특성이 우수한 금속성의 재질로 제작될 수 있으며, 일례로, 알루미늄이나 알루미늄 합금으로 제조될 수 있다.

그리고, 냉매 배관으로 흐르는 냉매에는 액체, 기체 등 다양한 상태의 냉매가 적용될 수 있으며, 액체 상태의 냉매는 LED 모듈(110)로부터 발생된 열을 흡수하여 기체 형태로 기화함으로써 방열 기능을 수행하게 된다. 기체 상태의 냉매의 경우에는 냉매 배관 내부의 압력 조절을 통하여 방열 기능이 수행될 수도 있다.

이하, 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자소자 냉각 장치(100)의 제조 공정을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자소자 냉각 장치(100)의 제조 방법을 시간의 흐름에 따라 상세히 도시한 순서도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자소자 냉각 장치(100)의 제조 방법은 히트 파이프를 연결하는 단계(S410), 몰딩액을 주입하는 단계(S420) 및 몰딩액을 열경화하는 단계(S430)를 포함할 수 있다.

먼저, 단계(S410)에서는 전자소자 모듈의 배면에 적층되는 열전도층에 형성된 결합홈으로 냉매 배관이 형성된 하나 이상의 히트 파이프를 수직 하방으로 연결한다.

히트 파이프는 앞서 설명한 바와 같이, 결합홈에 도포된 솔더 크림에 의해 솔더링되어 열전도층으로 연결될 수 있으며, 전자소자 모듈로부터 발생된 열을 흡수할 수 있다.

결합홈은 히트 파이프의 단부가 적절히 연결될 수 있도록 히트 파이프의 단면적과 상응하는 크기로 형성될 수 있으며, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 결합홈은 히트 파이프의 단부에 형성된 별도의 연결부재와 결합될 수 있도록 연결부재의 단면적과 상응하는 크기로 형성될 수도 있다.

그리고, 단계(S420)에서는 실리콘이나 에폭시 재질로 이루어지고 방열 필러를 포함하는 몰딩액을 열전도층에 주입한다.

방열 필러(미도시)는 세라믹 계열, 메탈 계열 및 탄소 계열 중 적어도 하나의 재질로 이루어지는 마이크로 파우더일 수 있다.

이러한 몰딩액은 이하 설명하는 단계(S430)에서 열경화가 수행됨에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 싱크로 제조되며, 단위면적의 증가를 위한 기공이 내부에 형성되게 된다.

즉, 몰딩액은 실리콘이나 에폭시 재질로 이루어지고 방열 필러를 포함함에 따라 열경화에 의해 다수의 기공(122)이 내부에 형성될 수 있다.

이때, 내부 기공에 의한 방열 효과는 히트 싱크의 높이가 적정 범위 내에 있을 때 최대화된다는 점에서 몰딩액의 주입 높이는 2cm 이하로 설정되는 것이 바람직하다.

계속하여, 단계(S430)에서는 방열 필러의 몰딩액 내부에서의 움직임에 따라 다수의 기공이 몰딩액 내부에 형성되도록 몰딩액을 열경화한다.

열경화는 앞서 설명한 바와 같이, 내부 기공의 충분한 형성을 위해, 200℃이하, 바람직하게는 170℃에서 수행될 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 기공은 열경화의 진행에 따라 방열 필러가 멈추기 전에 존재하던 자리에 상기 방열 필러의 크기와 상응하거나 작은 크기로 형성되는 것이므로, 방열 필러의 이동 경로를 따라 사방으로 랜덤하게 형성될 수 있으며, 방열 필러에 인접하여 형성될 수 있다.

이러한 내부에 형성된 다수의 기공은 히트 싱크의 전체 부피당 단위 면적을 증가시켜 열 발생 대상으로부터 열을 보다 효율적으로 방출시키는 장점을 갖는다.

이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 파이프는 몰딩액, 즉, 히트 싱크에 의해 일부 매립되게 되며, 전자소자 모듈에서 발생된 열은 열적으로 연결된 히트 싱크와 함께 히트 파이프로도 방출되어 방열 효과가 최대화될 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따르면, 전자소자에서 발생되는 열을 보다 효율적으로 방열시킬 수 있으며, 제품의 경량화가 가능하여 설치의 안정성을 도모할 수 있고, 제조 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 방열 대상의 형태에 제한을 받지 않고 다양한 형상으로 제조될 수 있으며, 방열 효과와 함께 방수 및 방진 효과를 기대할 수 있다.

지금까지 본 발명에 따른 전자소자 냉각 장치(100)의 제조 방법의 실시예들에 대하여 설명하였고, 앞서 도 1 내지 도 3에서 설명한 전자소자 냉각 장치(100)에 관한 구성이 본 실시예에도 그대로 적용 가능하다. 이에, 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100 : 전자소자 냉각 장치 110 : 전자소자 모듈
112 : LED 114 : 인쇄회로기판
120 : 히트 싱크 122 : 다수의 기공
130 : 열전도층 132 : 결합홈
140 : 히트 파이프

Claims (6)

1. 작동 시 열을 발생시키는 전자소자 모듈;
   상기 전자소자 모듈의 일면에 열적으로 연결되어 상기 발생된 열을 흡수하며, 실리콘이나 에폭시 재질로 이루어지고 방열 필러를 포함하는 히트 싱크; 및
   상기 발생된 열을 더 흡수하기 위한 냉매 배관이 형성된 하나 이상의 히트 파이프;를 더 포함하되,
   상기 히트 싱크의 내부에는 열경화에 따른 상기 방열 필러의 상기 히트 싱크 내부에서의 움직임에 의해 다수의 기공이 형성되고,
   상기 히트 파이프는 상기 전자소자 모듈의 배면에 적층되는 열전도층에 수직 하방으로 연결되고, 상기 히트 싱크는 상기 열전도층의 배면에 순차적으로 적층되어 상기 히트 파이프는 상기 히트 싱크에 의해 일부 매립되는 것을 특징으로 하는 전자소자 냉각 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 방열 필러는 세라믹 계열, 메탈 계열 및 탄소 계열 중 적어도 하나의 재질로 이루어지는 마이크로 파우더인 것을 특징으로 하는 전자소자 냉각 장치.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 히트 파이프의 단부는 상기 열전도층에 형성된 결합홈으로 솔더링되어 연결되는 것을 특징으로 하는 전자소자 냉각 장치.
5. 전자소자 모듈의 배면에 적층되는 열전도층에 실리콘이나 에폭시 재질로 이루어지고 방열 필러를 포함하는 몰딩액을 주입하는 단계;
   상기 방열 필러의 상기 몰딩액 내부에서의 움직임에 따라 다수의 기공이 상기 몰딩액 내부에 형성되도록 상기 몰딩액을 열경화하는 단계; 및
   상기 열전도층에 형성된 결합홈으로 냉매 배관이 형성된 하나 이상의 히트 파이프를 수직 하방으로 연결하는 단계;를 포함하되,
   상기 히트 파이프는 상기 몰딩액에 의해 일부 매립되는 것을 특징으로 하는 전자소자 냉각 장치의 제조 방법.
6. 삭제

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