KR101495052B1 - 탄소나노튜브를 포함하여 우수한 방열 특성을 가지는 엘이디(led) 조명등기구 - Google Patents

탄소나노튜브를 포함하여 우수한 방열 특성을 가지는 엘이디(led) 조명등기구 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 어레이 기판에 LED 소자가 배열 설치되는 구조의 LED 어셈블리와, 상기 LED 어셈블리가 내장되는 본체와, 상기 어레이 기판의 표면에 형성되며 상기 LED 소자에서 발생한 열을 상기 본체에 전달하는 열전달층과, 상기 본체의 외측면에 형성된 방열층을 포함하는 엘이디(LED) 조명등기구에 있어서, 상기 열전달층은, 접착성 수지층과, 상기 접착성 수지층 상에 형성되며 탄소나노튜브를 함유하는 열전달 코팅층을 포함하며, 상기 방열층은, 옥사졸린기를 갖는 수지를 포함하는 프라이머층과, 상기 프라이머층 상에 형성되며 탄소나노튜브를 함유하는 방열 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 엘이디(LED) 조명등기구를 제공한다. 본 발명에 따르면, 우수한 방열 특성을 가짐과 동시에, 내후성 및 내구성 등이 효과적으로 개선된다.

Description

탄소나노튜브를 포함하여 우수한 방열 특성을 가지는 엘이디(LED) 조명등기구 {LED LAMP DEVICE HAVING EXCELLENT HEAT-RADIANT PROPERTY BY USING CARBON NANOTUBE}
본 발명은 엘이디(LED) 조명등기구에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소나노튜브(CNT)를 포함하여 우수한 방열 특성을 가지며, 이와 함께 내후성 및 내구성 등이 개선된 엘이디(LED) 조명등기구에 관한 것이다.
최근 LED 조명등기구나 전자제품부품 등의 성능향상을 위한 방안에 있어 방열문제는 매우 큰 해결과제로 대두 되고 있다. 일반적으로 방열을 위한 방법으로는 알루미늄이나 구리의 압출성형을 통해 표면적을 극대화한 방열판을 제조하거나 방열구조체를 흑화처리(에노다이징) 또는 송풍장치를 장착하여 방열판을 냉각시키고 있는 것이 현실이다.
그러나 디스플레이 관련제품에 주로 적용되는 알루미늄의 경우, LED 조명등기구에 적용 시 냉각효율이 낮다. 이에, 대한민국 등록특허 제10-0865771호에서는 바인더 수지 40 내지 70 중량%, 산화알루미늄 5 내지 20 중량%, 질화붕소 5 내지 30 중량%, 규산지르코늄 5 내지 10 중량%, 산화티탄 5 내지 10 중량% 및 분산제, 침강방지제, 소포제, 슬립제, 레벨링제, 부착증진제로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 첨가제 10 내지 40 중량%를 포함하는 방열용 코팅제 조성물을 제시하였다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1035011호에서는 적외선 방사체 분말과 바인더로 이루어져 전기전자부품의 방열판 표면에 코팅되는 방열 코팅제에 있어서, 상기 적외선 방사체 분말은 옥, 세르사이트, 코디에라이트, 게르마늄, 산화철, 운모, 이산화망간, 실리콘카바이드, 맥섬석, 카본, 산화구리, 산화코발트, 산화니켈, 오산화안티몬, 산화주석, 산화크롬 중 어느 하나 또는 이들을 둘 이상 혼합한 혼합물이고, 상기 바인더는 실란 바인더, 유기 바인더, 실리콘 화합물 바인더, 무기바인더, 유무기하이브리드 바인더, 글래스 프릿(glass frit) 중 어느 하나이며, 상기 적외선 방사체 분말은 실리콘 카바이드와 옥은 반드시 포함되어 구성됨을 특징으로 하는 방열 코팅제를 제시하였다.
아울러, 대한민국 공개특허 제10-2013-0067337호에는 전기, 전자부품의 방열 장치에 코팅하는 코팅제로서 복사열을 내는 방열성능이 우수한 산화금속분말과 그라파이트. 탄소나노튜브, 카본블랙 파우더 중에서 선택된 둘 이상의 물질을 혼합한 파우더와 변성실리콘오일이나 폴리에테르실리콘오일 등을 포함하는 전기, 전자부품의 방열 장치에 코팅하는 코팅제가 제시되어 있다.
그러나 상기 종래 기술에 따른 코팅제의 경우, LED 조명등기구에 적용 시, 방열 특성이 떨어져 열을 효과적으로 방출하는 데에 어려움이 예상된다. 또한, 상기 종래 기술에 따른 코팅제는 내후성 및 내구성 등이 떨어지고, 부착력이 낮은 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-0865771호 대한민국 등록특허 제10-1035011호 대한민국 공개특허 제10-2013-0067337호
이에, 본 발명은 우수한 방열 특성을 가짐과 동시에 내후성 및 내구성 등이 개선되고, 또한 높은 부착력이 가지는 엘이디(LED) 조명등기구를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
ED 소자와, 상기 LED 소자가 배열 설치되는 어레이 기판을 포함하는 LED 어셈블리;
상기 LED 어셈블리가 내장되는 본체;
상기 어레이 기판의 표면에 형성되며, 상기 LED 소자에서 발생한 열을 상기 본체에 전달하는 열전달층; 및
상기 본체의 외측면에 형성된 방열층을 포함하고,
상기 열전달층은, 고분자 수지 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 1 ~ 10 중량부, 부착증진제 0.1 ~ 3 중량부, 레벨링제 0.1 ~ 3 중량부 및 무기안료 5 ~ 30 중량부를 포함하며,
상기 방열층은, 옥사졸린기를 갖는 수지를 포함하는 프라이머층과, 상기 프라이머층 상에 형성된 방열 코팅층을 포함하되,
상기 방열 코팅층은 고분자 수지 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 1 ~ 10 중량부, 부착증진제 0.1 ~ 3 중량부, 레벨링제 0.1 ~ 3 중량부 및 무기안료 5 ~ 30 중량부를 포함하며,
상기 방열 코팅층에 포함되는 고분자 수지는, 에폭시 변성 실리콘 수지와, 비닐리덴 플루오라이드(VDF)와 테트라플루오로에틸렌(TFE)의 공중합체를 포함하고,
상기 탄소나노튜브는 표면에 카르복실기가 도입된 것이며,
상기 무기안료의 평균입자 크기는 10㎛ 내지 25㎛이고,
상기 비닐리덴 플루오라이드(VDF)와 테트라플루오로에틸렌(TFE)의 공중합체는 비닐리덴 플루오라이드(VDF) 30 ~ 90중량%와 테트라플루오로에틸렌(TFE) 10 ~ 70중량%의 공중합체인 것을 특징으로 하는 엘이디(LED) 조명등기구를 제공한다.
이 때, 상기 열전달층은 20 ~ 25㎛의 두께를 가질 수 있다. 또한, 상기 방열 코팅층은 2 ~ 50㎛의 두께를 가질 수 있으며, 고분자 수지 100 중량부에 대하여 흑색안료 1 ~ 5 중량부를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시형태에 따라서, 상기 방열 코팅층에 포함되는 고분자 수지는 에폭시 변성 실리콘 수지; 및 비닐리덴 플루오라이드(VDF)와 테트라플루오로에틸렌(TFE)의 공중합체를 20 ~ 80 : 80 ~ 20의 중량비로 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 우수한 방열 특성을 가짐과 동시에 내후성 등이 개선되는 효과를 갖는다. 또한, 높은 부착력에 의해 우수한 내구성 등을 갖는다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 엘이디(LED) 조명등기구의 사시도이다.
도 2는 상기 도 1에 보인 엘이디(LED) 조명등기구의 요부 단면도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 따른 엘이디(LED) 조명등기구의 이미지이다.
본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나 이상을 포함하는 의미로 사용된다.
본 명세서에서 "상에 형성" 및 "상부에 형성" 등은, 당해 구성요소들이 직접 접하여 적층 형성되는 것만을 의미하는 것은 아니고, 당해 구성요소들 간의 사이에 다른 구성요소가 더 형성되어 있는 의미를 포함한다. 예를 들어, "상에 형성된다"라는 것은, 제1구성요소의 표면 위에 제2구성요소가 직접 접하여 형성되는 의미는 물론, 상기 제1구성요소와 제2구성요소의 사이에 제3구성요소가 더 형성될 수 있는 의미를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 첨부된 도 1 및 도 2는 본 발명의 예시적인 실시형태를 보인 것으로서, 도 1은 엘이디(LED) 조명등기구의 일례를 보인 사시도이고, 도 2는 도 1의 요부 단면도이다.
본 발명에 따른 엘이디(LED) 조명등기구는 방열층(25)을 포함한다. 본 발명에 따른 엘이디(LED) 조명등기구는, 적어도 1층 이상의 방열층(25)이 형성된 것이면 특별히 제한되지 않는다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 엘이디(LED) 조명등기구는 LED 어셈블리(assembly)(10)와, 상기 LED 어셈블리(10)가 내장되는 본체(20)와, 방열 특성을 위한 방열층(25)을 포함한다. 또한, 상기 LED 어셈블리(10)는 LED 소자(15)와, 상기 LED 소자(15)가 배열 설치되는 어레이(array) 기판(16)을 포함한다.
상기 LED 어셈블리(10)와 본체(20)는 통상과 같이 구성될 수 있다. 상기 LED 어셈블리(10)는, 예를 들어 복수 개의 LED 소자(15)를 포함하되, 상기 복수 개의 LED 소자(15)는 어레이 기판(16) 상에 배열 설치된 구조를 가질 수 있다. 상기 어레이 기판(16)은 통상의 인쇄회로기판(PCB 기판) 등으로부터 선택될 수 있다. 상기 어레이(array) 기판(16)은 알루미늄 소재로 구성될 수 있다. 그리고 상기 LED 어셈블리(10)는 본체(20)에 내장, 결합될 수 있다. 구체적으로, 본체(20)의 내면에 어레이 기판(16)이 볼트(17)로 고정된다. 상기 LED 소자(15)에서 발생된 열은 어레이 기판(16)을 통하여 본체(20)로 열전달되고, 이후 방열층(25)을 통하여 방출된다.
또한, 도 1에 예시한 바와 같이, 상기 LED 어셈블리(10)는 LED 소자(15)를 보호하기 위한 커버재(12)를 더 포함할 수 있다. 상기 커버재(12)는, 예를 들어 투명 또는 반투명으로서, 유리재나 플라스틱재 등으로부터 선택될 수 있다. 아울러, 상기 본체(20)는 방열핀 구조를 가질 수 있다. 이러한 방열핀 구조는 본체(20)의 외측면에 형성되되, 본체(20)과 일체로 성형될 수 있다.
본 발명에서, 엘이디(LED) 조명등기구의 종류나 구조 등은 특별히 제한되지 않는다. 도 3 내지 도 6에는 여러 가지 종류의 엘이디(LED) 조명등기구가 예시되어 있다. 본 발명에 따른 엘이디(LED) 조명등기구는, 예를 들어 투광 조명등, 가로등, 보안등, 터널등, 다운라이트 및 면조명 등으로부터 선택될 수 있다.
상기 방열층(25)은 위와 같은 엘이디(LED) 조명등기구의 외부 표면, 즉 본체(20)의 외측면에 형성된다. 첨부된 도 1 및 도 2에는 상기 방열층(25)이 본체(20)의 외측면에 형성된 모습이 예시되어 있다.
또한, 상기 방열층(25)은 적어도 1층 이상의 프라이머층(primer layer)과, 적어도 1층 이상의 방열 코팅층(heat-radiant coating layer)을 포함한다. 이때, 상기 프라이머층은 엘이디(LED) 조명등기구를 구성하는 구성 부재에 코팅을 통해 형성된다. 상기 프라이머층은, 예를 들어 본체(20)의 외부 표면에 코팅, 형성될 수 있다. 또한, 상기 방열 코팅층은 프라이머층 상에 코팅을 통해 형성된다.
상기 방열 코팅층은, 본 발명에 따라서 고분자 수지 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브(CNT) 1 ~ 10 중량부, 부착증진제 0.1 ~ 3 중량부, 레벨링제 0.1 ~ 3 중량부 및 무기안료 5 ~ 30 중량부를 포함한다. 하나의 예시에서, 상기 방열 코팅층은 고분자 수지 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브(CNT) 1 ~ 10 중량부, 부착증진제 0.1 ~ 3 중량부, 레벨링제 0.1 ~ 3 중량부, 무기안료 5 ~ 30 중량부 및 용매 90 ~ 120 중량부를 포함하는 방열 코팅 조성물이 프라이머층 상에 분사 코팅된 후, 열 건조(경화)를 통해 형성될 수 있다.
또한, 상기 방열 코팅층에 적용되는 고분자 수지는 적어도 2종의 수지 성분으로서, 에폭시 변성 실리콘 수지(제1수지); 및 비닐리덴 플루오라이드(VDF)와 테트라플루오로에틸렌(TFE)의 공중합체(제2수지)를 포함한다. 이때, 제1수지로서의 에폭시 변성 실리콘 수지는 입자상의 성분, 즉 탄소나노튜브(CNT)와 무기안료 입자의 결집력(접착력)을 효과적으로 개선한다. 그리고 제2수지로서의 비닐리덴 플루오라이드(VDF)와 테트라플루오로에틸렌(TFE)의 공중합체(이하, "VDF-TFE 공중합체"로 약칭한다.)는 층간 접착력은 물론, 방열 코팅층의 내후성 등을 효과적으로 개선한다.
즉, 본 발명에 따르면, 상기 방열 코팅층을 구성하는 고분자 수지가 에폭시 변성 실리콘 수지(제1수지)와 VDF-TFE 공중합체(제2수지)의 혼합을 포함하여, 우수한 접착력 및 내후성 등을 갖는다. 특히, VDF-TFE 공중합체(제2수지)에 의해, 가혹한 외부 환경에 장시간 노출되는 경우에도 우수한 내후성을 가져 노화나 변색이 없거나 최소화된다. 이때, 상기 VDF-TFE 공중합체(제2수지)는 비닐리덴 플루오라이드(VDF) 30 ~ 90중량%와 테트라플루오로에틸렌(TFE) 10 ~ 70중량%가 공중합된 것으로부터 선택된다. 또한, 예시적인 구현예에 따라서, 상기 고분자 수지는 에폭시 변성 실리콘 수지(제1수지)와 VDF-TFE 공중합체(제2수지)를 20 ~ 80 : 80 ~ 20의 중량비로 혼합 조성될 수 있다. 이러한 혼합 조성에서 보다 양호한 특성을 가질 수 있다.
상기 탄소나노튜브(CNT)는 방열 특성을 개선한다. 상기 탄소나노튜브(CNT)는 단일벽 탄소나노튜브, 이중 이상의 다중벽 탄소나노튜브 및/또는 다발형 탄소나노튜브 중에서 선택될 수 있다. 아울러, 상기 탄소나노튜브(CNT)는 경제적, 열적, 기계적 특성 및/또는 분산성 등을 고려하여, 예를 들어 10 ~ 20㎛의 다중벽 탄소나노튜브를 사용할 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브(CNT)는 표면 개질을 통해 표면에 카르복실기가 도입된 것으로부터 선택된다. 이와 같이, 표면에 카르복실기가 도입된 탄소나노튜브(CNT)를 사용하는 경우, 예를 들어 내열성 및/또는 방열 특성 등의 개선에 유리하며, 또한 상기 고분자 수지의 혼화성에도 유리할 수 있다. 상기 탄소나노튜브(CNT)는, 예를 들어 황산과 질산을 3:1로 혼합한 혼합산에 5~8일 동안 함침하여 숙성시킨 후 500 ~ 1,000rpm의 원심분리기로 분리한 상등액을 폴리카르보네이트 필터로 여과한 다음, 110 ~ 120℃의 건조기에서 1시간 동안 건조시켜 표면 개질될 수 있다. 상기 표면 개질 조건이 상기 조건 미만일 경우에는 탄소나노튜브 표면에 카르복실기가 충분히 도입되지 않을 우려가 있고, 상기 조건을 초과할 경우에는 탄소나노튜브 표면에 카르복실기는 보다 많이 도입될 수 있지만 에너지 소모량에 비해 그 효과가 미약할 수 있다.
아울러, 상기 탄소나노튜브(CNT)는 고분자 수지 100 중량부에 대하여 1 ~ 10 중량부로 포함된다. 이때, 상기 탄소나노튜브(CNT)의 사용량이 1 중량부 미만일 경우에는 고분자 수지 사용량에 비해 탄소나노튜브(CNT)의 사용량 저하로 방열 특성이 미미할 수 있으며, 10 중량부를 초과할 경우에는 고분자 수지의 사용량 저하로 코팅층의 기계적 물성이 저하될 수 있다.
상기 부착증진제는 방열 코팅 조성물을 프라이머층 상에 코팅할 때, 부착력을 높여 내열성, 내구성 등의 기계적 물성을 향상시킨다. 상기 부착증진제는, 예를 들어 글리시독시프로필트리메톡시실란을 사용할 수 있다. 이러한 부착증진제는 고분자 수지 100 중량부에 대하여 0.1 ~ 3 중량부로 포함된다. 이때, 부착증진제의 사용량이 0.1 중량부 미만일 경우에는 방열 코팅층의 부착력 개선이 미미할 수 있고, 3 중량부를 초과할 경우에는 그 사용량에 비해 부착력 개선 효과가 미약할 수 있다.
상기 레벨링제는 방열 코팅 조성물의 흐름성을 향상시켜 도막을 고르고 매끈하게 유지시킨다. 이러한 레벨링제는 방열 코팅 조성물의 흐름성을 향상시킬 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않으나, 이는 예를 들어 Disperbyk-310, Disperbyk-3105, Disperbyk-3155, Disperbyk-3160, Disperbyk-320, Disperbyk-321, Disperbyk-322, Disperbyk-323, Disperbyk-325, Anti-Terra-330, Anti-terra-331, Anti-terra-333, Anti-terra-335, Bykumen, Disperbyk-336, Disperbyk-337, Disperbyk-341, Disperbyk-344, Disperbyk-345, Disperbyk-347, Disperbyk-348 제품 중에서 1종 이상을 선택하여 사용할 수 있다. 또한, 상기 레벨링제는 고분자 수지 100 중량부에 대하여 0.1 ~ 3 중량부로 포함된다. 이때, 상기 레벨링제의 사용량이 0.1 중량부 미만일 경우에는 흐름성 향상 효과가 미미할 수 있으며, 3 중량부를 초과할 경우에는 코팅층의 두께가 너무 얇아지거나, 높은 흐름성으로 인해 코팅 작업성이 떨어질 수 있다.
상기 무기안료는 방열 코팅층의 기계적 강도를 보강한다. 상기 무기안료는, 예를 들어 탄산칼슘, 마이카(mica), 탈크, 실리콘카바이트, 알루미늄실리케니트 및 규조토 등으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 이러한 무기안료의 첨가에 의해, 방열 코팅층의 표면 경도 및/또는 내마모성 등의 기계적 강도가 개선될 수 있다. 상기 무기안료는 고분자 수지 100 중량부에 대하여 5 ~ 30 중량부로 포함된다. 이때, 상기 무기안료의 사용량이 5 중량부 미만일 경우에는 기계적 강도의 개선 효과가 미미할 수 있으며, 30 중량부를 초과할 경우에는 코팅 작업성 및/또는 표면성이 떨어질 수 있다. 또한, 무기안료는 10㎛ 내지 25㎛의 평균입자 크기를 가지는 것으로부터 선택된다. 이때, 상기 무기안료의 평균입자 크기가 10㎛ 미만일 경우에는 방열 코팅 조성물의 용액 안정성이 떨어져 응집이 발생될 수 있고, 이러한 응집에 의해 코팅 작업성이 떨어질 수 있다. 그리고 무기안료의 평균입자 크기가 25㎛를 초과하는 경우에는 표면성이 떨어질 수 있다.
상기 용매는 코팅성 및/또는 균일한 분산성 등을 위한 것으로서, 이는 예를 들어 셀로솔브계, 탄화수소계, 알코올계, 에스테르계 및/또는 케톤계 중에서 선택될 수 있다. 상기 셀로솔브계 용매는 메틸솔로솔브, 에틸셀로솔브, 부틸셀로솔브 정재등유 및 이소프로필셀로솔브 등이 사용될 수 있고, 상기 탄화수소계 용매는 cis-1,2-디메틸시클로헥산, cis-1,3-디메틸시클로헥산, cis-1,4-디메틸시클로헥산, trans-1,2-디메틸시클로헥산, trans-1,3-디메틸시클로헥산, trans-1,4-디메틸시클로헥산 및 에틸시클로헥산 등이 사용될 수 있으며, 상기 알콜계 용매는 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올, 부탄올, 디아세톤알코올, 셀로솔브아세테이트, 에틸 아세토아세테이트 등이 사용될 수 있고, 상기 에스테르계 용매는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트 또는 에틸 락테이트 등이 사용될 수 있으며, 상기 케톤계 용매는 아세톤, 메틸에틸케톤, 디에틸케톤, 디아세톤알콜 등이 사용될 수 있다. 상기 용매는 고분자 수지 100 중량부에 대하여 90 ~ 120 중량부로 사용될 수 있다. 이때, 상기 용매의 사용량이 90 중량부 미만일 경우에는 균일한 분산성을 도모하기 어려울 수 있으며, 120 중량부를 초과할 경우에는 균일한 두께를 도모하기 어렵거나 건조(경화) 시간이 너무 오래 걸릴 수 있다.
또한, 예시적인 실시형태에 따라서, 상기 방열 코팅층은 흑색안료를 더 포함할 수 있다. 상기 흑색안료는 흑색의 발현과 방열 특성을 위한 것으로서, 이는 고분자 수지 100 중량부에 대하여 1 ~ 5 중량부로 포함될 수 있다. 이때, 상기 흑색안료의 사용량이 1 중량부 미만일 경우에는 흑색의 발현이나 방열 특성 개선능이 미미할 수 있고, 5 중량부를 초과할 경우에는 점도가 높아져 코팅 작업성 등에 악영향을 끼칠 수 있다. 상기 흑색안료는, 예를 들어 카본블랙, 그래핀 및/또는 산화철 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
아울러, 상기 방열 코팅층은 필요에 따라 탈응집제, 습윤제 및/또는 제정제 등의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 탈응집제는 알칼리금속, 알칼리 토금속 염, 알칼리금속 또는 알칼리 토금속 염 산화물, 크라운 에스테르, 금속 킬레이트, 이온성 착화제 중에서 선택하여 사용할 수 있고, 상기 습윤제는 불소계 계면활성제, 인산계 계면활성제, 카르복실산계 계면활성제, 에스테르계 계면활성제, 에테르계 계면활성제 중에서 선택하여 사용할 수 있다. 아울러, 상기 제정제는 먼지 등의 이물질 부착을 방지하기 위한 것으로서, 이는 예를 들어 실란 화합물을 사용할 수 있다.
또한, 상기 방열 코팅층은 특별히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어 0.5 ~ 100㎛의 두께를 가질 수 있다. 이때, 상기 방열 코팅층의 두께가 0.5㎛ 미만인 경우, 방열 특성 개선 효과가 미미할 수 있다. 그리고 상기 방열 코팅층의 두께가 100㎛를 초과하는 경우, 두께 대비 방열 특성이 그다지 크지 않을 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 상기 방열 코팅층은 2 ~ 50㎛의 두께를 가지는 것이 바람직할 수 있다.
한편, 상기 프라이머층은 층간 부착력(접착력)의 개선을 위해 엘이디(LED) 조명등기구의 구성 부재와 방열 코팅층의 사이에 형성된다. 구체적으로, 상기 프라이머층은 엘이디(LED) 조명등기구의 구성 부재와 방열 코팅층 간의 부착력을 개선한다. 이때, 상기 프라이머층은 접착성을 가지는 프라이머(접착성 수지)로서, 예를 들어 아크릴 수지, 에폭시 수지 및/또는 우레탄 수지 등을 포함할 수 있으나, 이는 본 발명에 따라서 옥사졸린기(oxazoline group) 함유 수지를 포함한다. 구체적으로, 상기 프라이머층은 분자 내에 적어도 하나 이상의 옥사졸린기(oxazoline group)를 가지는 수지를 포함한다.
상기 프라이머층은, 구체적인 예를 들어 2-메틸옥사졸린의 단독 중합체 및/또는 공중합체를 포함할 수 있으며, 보다 구체적인 예를 들어 폴리(2-메틸옥사졸린)을 포함하거나, 2-메틸옥사졸린과 비닐리덴 플루오라이드의 공중합체를 포함할 수 있다. 상기 프라이머층이 위와 같은 옥사졸린기 함유 수지를 포함하는 경우, 다른 수지를 사용하는 경우보다 층간 접착력이 효과적으로 개선된다. 즉, 옥사졸린기가 방열 코팅층을 구성하는 상기 VDF-TFE 공중합체와 상호침투 네트워크(IPN: Interpenetrating Polymer Networks)를 형성하여, 층간 접착력을 효과적으로 개선한다. 보다 구체적으로, 상기 VDF-TFE 공중합체의 C-F2결합 쌍극자는 상기 옥사졸린기 함유 수지가 가지는 옥사졸린기와 반데르발스 결합에 의한 상호 작용을 유도하여 접촉 계면에서의 결합력을 효과적으로 향상시켜 우수한 층간 접착력을 갖게 할 수 있다.
상기 프라이머층은, 특별히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어 0.1 ~ 10㎛의 두께를 가질 수 있다. 이때, 프라이머층의 두께가 0.1㎛ 미만인 경우, 층간 접착력 개선 효과가 미미할 수 있으며, 10㎛를 초과하는 경우 방열 특성이 저하될 수 있다.
한편, 상기 LED 어셈블리(10)는 LED 소자(15)에서 발생한 열을 본체(20)에 전달하는 열전달층(18)을 더 포함할 수 있다. 열전달층(18)은 어레이 기판(16)의 표면에 형성되며, 어레이 기판(16)과 본체(20) 사이의 체결에 의해 본체(20)와 접촉되는 구성을 갖는다. LED 소자(15)에서 발생한 열은 어레이 기판(16)을 통해 열전달층(18)으로 전달되며, 이는 본체(20)를 거쳐 방열층(25)을 통해 최종적으로 외부로 방출하게 되는 것이다.
열전달층(18)은 방열층(25)의 방열 코팅층과 동일한 화학적 조성을 가질 수 있다. 즉, 열전달층(18)은 고분자 수지 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 1 ~ 10 중량부, 부착증진제 0.1 ~ 3 중량부, 레벨링제 0.1 ~ 3 중량부 및 무기안료 5 ~ 30 중량부를 포함하는 구성을 가질 수 있다. 이하 열전달층(18)을 이루는 물질에 대한 설명은 앞서 설명된 방열층(25)의 방열 코팅층에 설명에 갈음하기로 한다.
열전달층(18)은 20 ~ 25㎛의 두께를 가질 수 있다. 이때, 상기 열전달층(18)의 두께가 20㎛ 미만인 경우, 방열 특성 개선 효과가 미미할 수 있으며, 열전달층(18)의 두께가 25㎛를 초과하는 경우, 두께 대비 열전달 특성이 그다지 크지 않을 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 열전달 코팅층은 20 ~ 25㎛의 두께를 가지는 것이 바람직하다.
이와 같이 어레이 기판(16)의 표면에 탄소나노튜브를 함유하는 열전달층(18)을 형성한 구조를 통해 엘이디 조명기구의 방열 특성을 보다 증대시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예들을 제시하나, 하기 실시예들은 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예들에 의해 한정되는 것은 아니다. 또한, 하기의 비교예들은 실시예들과의 비교를 위해 제시되는 것일 뿐, 종래 기술을 의미하는 것은 아니다.
[실시예 1 ~ 4]
(1) 탄소나노튜브(CNT)의 표면 개질
먼저, 황산과 질산을 3:1의 중량비로 혼합한 혼합산을 얻은 다음, 상기 혼합산에 탄소나노튜브를 7일 동안 함침하여 숙성시킨 후, 원심분리기로 약 700rpm의 회전속도로 분리하여 상등액을 얻었다. 이후, 상기 상등액을 폴리카르보네이트 필터로 여과한 다음 120℃의 건조기에서 1시간 동안 건조시켜 탄소나노튜브(CNT)의 표면에 카르복실기를 도입시켰다.
(2) 방열 코팅 조성물의 제조
교반기에 고분자 수지, 용매(정제 등유) 및 상기 표면 개질된 탄소나노튜브(CNT)를 넣고 혼합하되, 약 600rpm의 교반속도로 30분 동안 혼합 교반한 후, 상기 교반 용액에 부착증진제, 레벨링제 및 무기안료를 더 첨가하여 2시간 동안 비드 밀링(bead milling) 처리하였다. 이후, 400mesh 스테인레스(STS) 필터로 여과하여 방열 코팅 조성물을 제조하였다. 이때, 하기 [표 1]에 보인 바와 같이, 각 성분의 사용은 고분자 수지 100 중량부를 기준으로 하여, 각 실시예에 따라 함량을 달리하였다. 또한, 상기 무기안료로는 마이카(mica)를 사용하되, 각 실시예에 따라 평균입자 크기가 다른 마이카(mica)를 사용하였다. 하기 [표 1]에 보인 함량은 중량부를 나타낸다.
(3) 코팅 시편의 제조
먼저, LED 조명등의 본체(20)를 준비하고, 상기 본체(20)의 외측면에 프라이머를 코팅하여 두께 3㎛의 프라이머층을 형성하였다. 이때, 프라이머로는 2-메틸옥사졸린 15중량%와 비닐리덴 플루오라이드 85중량%가 공중합된 수지를 사용하였다.
다음으로, 상기 본체(20)의 프라이머층 상에 상기 제조된 방열 코팅 조성물을 분사 코팅(spray coating)하여 도막을 형성한 후, 약 200℃의 오븐에서 2시간 동안 경화시켜 두께 20㎛의 방열 코팅층이 형성된 코팅 시편을 제작하였다.
[비교예 1 및 2]
상기 실시예 1과 비교하여, 방열 코팅 조성물의 성분 및 함량을 달리한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. 본 비교예 1 및 2에 따른 방열 코팅 조성물의 성분 및 함량은 하기 [표 1]에 보인 바와 같다.
[비교예 3]
상기 실시예 1과 비교하여, 코팅 시편을 제작함에 있어 프라이머층을 형성하지 않은 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. 즉, 본 비교예 3에 따른 시편은 본체(20)와 방열 코팅층의 사이에 프라이머층이 형성된 않은 구조이며, 상기 방열 코팅층의 조성은 실시예 1과 동일하다.
< 각 실시예 및 비교예에 따른 방열 코팅 조성물의 성분 및 함량 >
비 고 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1 비교예 2 비교예 3
수지 수지1) 40 60 10 90 100 100 40
수지2) 60 40 90 10 - - 60
탄소나노튜브 10 1 5 5 - 0.1 10
정제 등유 100 90 100 100 100 90 100
부착증진제 3 0.1 1 1 5 - 3
레벨링제 0.1 3 2 2 3 0.1 0.1
무기안료 함량 15 15 15 15 15 - 15
크기 10㎛ 25㎛ 20㎛ 20㎛ 5㎛ - 20㎛
- 수지1) : 에폭시 변성 실리콘 수지
- 수지2) : 비닐리덴 플루오라이드(VDF) 70중량%와 테트라플루오로에틸렌(TFE) 30중량%의 공중합체(VDF-TFE 공중합체)
- 부착증진제 : 글리시독시프로필트리메톡시실란
- 레벨링제 : Disperbyk-337 제품
- 무기안료 : 마이카(mica)
< 물성 평가 >
상기 각 실시예 및 비교예에 따른 방열 코팅 조성물 및 코팅 시편에 대하여 아래와 같이 물성을 평가하고, 그 결과를 하기 [표 2]에 나타내었다.
(1) 부착성 시험
각 실시예 및 비교예에 따른 코팅 시편의 코팅면에 가로 x 세로 1mm 간격으로 11줄을 긋고 이와 수직방향으로 3M사의 SCOTCH Brand No.600 테이프를 시험편의 코팅면에 밀착한 후, 테이프를 박리시켰을 때, 100개의 정사각형 중 남아있는 정사각형 도막의 개수로 부착성을 평가하였다. 평가기준은 우수: 박리 없음, 양호: 5% 미만 박리, 불량: 5%이상 박리로 하였다.
(2) 경도 시험
각 실시예 및 비교예에 따른 코팅 시편의 코팅면에 미스비시(mitsubishi) 경도 측정용 연필을 이용하여 750g/cm2 하중을 가한 상태에서 45°각도로 전방으로 밀어서 도막에 긁힘 흔적이 생기지 않을 때를 표시하는 방법으로 평가하였다.
(3) 용액 안정성 시험
각 실시예 및 비교예에 따른 방열 코팅 조성물을 60±1℃ 항온조 내에 2주간 방치한 후, 방열 코팅 조성물의 점도상승을 육안으로 관찰하여 평가하였다. 평가기준은 양호: 점도상승 없음, 불량: 점도상승 발생으로 하였다.
(4) 층간 박리력 시험
각 실시예 및 비교예에 따른 코팅 시편에 대하여, 접착강도 측정기(일본, SHIMADZU 사의 AGS-1kNX 모델)를 사용하여 200mm/min의 속력으로 상승하는 하중을 가하여, 본체(20)와 방열 코팅층 간의 층간 박리강도(kgf/15mm)를 180도 박리각도에서 측정하였다.
(5) 내후성 시험
각 실시예 및 비교예에 따른 코팅 시편에 대하여, 염수분무 테스트를 통해 내후성을 평가하였다. 염수분무 테스트는 염수의 농도 5중량%의 NaCl 수용액, 시험 온도 35 ± 0.5℃, 분무 압력 0.098 ± 0.002㎫, 분무량 1.4ml/h at 80㎠의 조건에서 72시간 동안 염수분무 환경에 노출시킨 후, 변색 발생 여부를 육안으로 확인하였다.
< 물성 평가 결과 >
비 고 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1 비교예 2 비교예 3
부착성 우수 우수 양호 우수 양호 불량 우수
경도 3H 3H 3H 3H 2H 1H 3H
용액 안정성 양호 양호 양호 양호 불량
(응집) 		양호 양호
층간 박리력
(kgf/15mm)		 1.45 1.35 1.52 1.28 1.21 1.20 0.82
내후성
(염수분무)		 변색 없음 변색 없음 변색 없음 약간 변색 변색 발생 변색 발생 변색 없음
상기 [표 2]에 나타낸 바와 같이, 실시예들에 따른 방열 코팅 조성물 및 코팅 시편의 경우, 모든 물성에서 개선된 결과를 보임을 알 수 있었다. 특히, 본 발명의 실시예들에 따라, 프라이머층이 형성됨과 동시에, 고분자 수지로서 에폭시 변성 실리콘 수지 이외에 VDF-TFE 공중합체가 더 사용되는 경우, 우수한 층간 박리력을 가지면서 내후성이 효과적으로 개선됨을 알 수 있었다.
한편, 상기 실시예 1 ~ 4 및 비교예 1 ~ 2에 따른 코팅 시편에 대하여, 방열 특성을 평가하고 그 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다. 이때, 방열 특성은 각 시편을 항온조에서 초기 100℃로 유지시킨 다음, 꺼내어 상온에서 30분 동안 방치한 후의 각 시편에 대한 온도를 측정하는 방법으로 평가하였다.
< 방열 특성 평가 결과 >

비 고		 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1 비교예 2
30분 상온 방치 후의 온도 72.2 75.4 73.2 73.5 85.4 81.5
상기 [표 3]에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 코팅 시편의 경우, 우수한 방열 특성을 가짐을 알 수 있었다.
10 : LED 어셀블리 　 　　　 12 : 커버재 　　
15 : LED 소자 18 : 열전달층
20 : 본체 25 : 방열층

Claims (5)

  1. LED 소자와, 상기 LED 소자가 배열 설치되는 어레이 기판을 포함하는 LED 어셈블리;
    상기 LED 어셈블리가 내장되는 본체;
    상기 어레이 기판의 표면에 형성되며, 상기 LED 소자에서 발생한 열을 상기 본체에 전달하는 열전달층; 및
    상기 본체의 외측면에 형성된 방열층을 포함하고,
    상기 열전달층은 고분자 수지 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 1 ~ 10 중량부, 부착증진제 0.1 ~ 3 중량부, 레벨링제 0.1 ~ 3 중량부 및 무기안료 5 ~ 30 중량부를 포함하며,
    상기 방열층은, 옥사졸린기를 갖는 수지를 포함하는 프라이머층과, 상기 프라이머층 상에 형성된 방열 코팅층을 포함하되,
    상기 방열 코팅층은 고분자 수지 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 1 ~ 10 중량부, 부착증진제 0.1 ~ 3 중량부, 레벨링제 0.1 ~ 3 중량부 및 무기안료 5 ~ 30 중량부를 포함하며,
    상기 방열 코팅층에 포함되는 고분자 수지는, 에폭시 변성 실리콘 수지와, 비닐리덴 플루오라이드(VDF)와 테트라플루오로에틸렌(TFE)의 공중합체를 포함하고,
    상기 탄소나노튜브는 표면에 카르복실기가 도입된 것이며,
    상기 무기안료의 평균입자 크기는 10㎛ 내지 25㎛이고,
    상기 비닐리덴 플루오라이드(VDF)와 테트라플루오로에틸렌(TFE)의 공중합체는 비닐리덴 플루오라이드(VDF) 30 ~ 90중량%와 테트라플루오로에틸렌(TFE) 10 ~ 70중량%의 공중합체인 것을 특징으로 하는 엘이디(LED) 조명등기구.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전달층은 20 ~ 25㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 엘이디(LED) 조명등기구.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 방열 코팅층은 2 ~ 50㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 엘이디(LED) 조명등기구.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방열 코팅층은 고분자 수지 100 중량부에 대하여 흑색안료 1 ~ 5 중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엘이디(LED) 조명등기구.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방열 코팅층에 포함되는 고분자 수지는 에폭시 변성 실리콘 수지; 및 비닐리덴 플루오라이드(VDF)와 테트라플루오로에틸렌(TFE)의 공중합체를 20 ~ 80 : 80 ~ 20의 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 엘이디(LED) 조명등기구.
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