KR101546832B1 - 엘이디 조명장치용 액상 폴리머 구조의 방열액 및 엘이디 조명장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 LED 조명장치에 관한 것으로 LED 조명장치에서 사용되던 금속계열의 방열판 구조를 대체할 수 있는 LED 조명장치용 방열액 및 상기 방열액을 사용하는 LED 조명장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 LED 조명장치용 방열액 및 LED 조명장치는 열전도도 및 대류열전달계수가 높은 액상의 열전달 매체를 사용함으로써 종래의 금속계열의 방열판을 사용하는 경우에 비해 경제적이고 더 높은 방열효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.

Description

엘이디 조명장치용 액상 폴리머 구조의 방열액 및 엘이디 조명장치{Radiating liquid for LED illumination device with liquified polymer type and LED illumination device}
본 발명은 LED 조명장치에 관한 것으로 LED 조명장치에서 사용되던 금속계열의 방열판 구조를 대체할 수 있는 LED 조명장치용 액상 폴리머 구조의 방열액 및 상기 방열액을 사용하는 LED 조명장치에 관한 것이다.
LED(Light Emitting Diode:발광다이오드)는 P형 및 N형 반도체의 접합 구조를 가져 전력 인가 시 전자와 정공의 결합으로 반도체의 밴드 갭(band gap)에 해당하는 에너지의 빛을 방출하는 광전 소자이다.
이러한 발광다이오드는 광 변환 효율이 높으므로 소비전력이 상대적으로 매우 낮으며, 수명이 반영구적이며, 예열이 불필요하여 응답 속도가 신속하고, 환경오염 유발 요인이 적고, 풀 칼라의 구현이 가능하다는 많은 장점이 있어서, 근래 들어 실내외 조명으로 널리 적용되고 있으며, 고출력 및 고효율 발광다이오드의 상업적 시판에 따라 그 용도 및 사용처 또한 급속히 확대되고 있다.
한편, 발광다이오드를 이용한 광학 조명장치의 개발은 지난 1970년대 이후 세계적인 에너지절감 추세와 더불어 눈부시게 발전하였다. LED 조명장치는 대규모로 상업화되기 시작하면서 기술적으로는 크게 발광소자의 효율성, 장치의 내구성(수명), 장치의 경제성 부분에서 기업간 치열한 경쟁이 지속되고 있다.
통상적으로 LED 조명 램프는 다수의 LED 소자를 직렬 및/또는 병렬로 높은 밀도로 동일 평면상에 집적 배열하는 구조를 이용함으로써, LED 조명 램프의 광도 또는 휘도를 획기적으로 증가시키는 방식을 채택하고 있으나, LED의 집적 밀도가 증대될수록 구동 발생열도 현저히 증가하게 되었다. 이러한 발생열은 조명장치의 출력 특성 즉, 광효율을 저하시키고, LED 조명장치의 내구성을 떨어뜨리는 등의 문제를 일으킨다.
따라서 고출력 및 고효율 LED 조명장치의 광학특성을 일정하게 유지하기 위해서는 LED 조명장치로부터 발생한 열을 충분히 방열하는 것이 매우 중요한 문제로 대두되었다.
상기한 바와 같은 LED 조명장치의 문제점을 해소하기 위하여 열전도성이 우수한 구리나 알루미늄과 같은 금속 또는 세라믹 계열의 소재로 제작된 넓은 표면적을 가지는 방열판을 사용하여 LED 조명장치에서 발생하는 열을 대기 중으로 방열시키는 방식이 광범위하게 적용되어 왔다.
그러나 이러한 금속계열의 방열판은 열전도도가 높은 금속을 사용함으로써 비용이 고가이고, 효율도 떨어지며, 중량이 무거워 조명장치에 방열판을 부착하여 사용하는 경우 안전성 등에서도 문제가 있었다.
한편, 실제 현실에 적용되어지는 다양한 LED 조명장치는 사용 목적에 따라, 실내에서 사용되는 적은 용량(주로 50Watt미만) 외에도, 야외, 교량, 해안가, 선박용, 군사용 등은 그 용량이 50Watt 이상에서 수백와트까지 다양하다.
이와 같이 LED 조명장치의 용량이 커짐에 따라, 발생되는 열량이 더욱 높아져 조명장치의 효율이 떨어지게 되고 이로 인해 LED 조명장치 자체의 수명을 단축시키며 장치를 연결하는 부속자재의 비용이 증가하고 재해 등에 의한 추락 시에도 안전하지 못한 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, LED 조명장치에서 사용되던 금속계열의 방열판 구조를 대체할 수 있는 LED 조명장치용 액상 폴리머 구조의 방열액을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, LED 조명장치에서 금속계열의 방열판 대신 액상의 방열액을 사용하여 방열효율을 향상시킨 LED 조명장치를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 LED 조명장치용 액상 폴리머 구조의 방열액은, 엘이디 조명장치의 외부케이스에 채워지며 상기 외부케이스의 내부에 형성된 발광다이오드 소자로부터 발생하는 열을 방열시키는 방열액으로서, 상기 방열액은 폴리 실리콘 알칸 구조를 가진 제1성분, 알칸 구조의 유기폴리머로 이루어진 제2성분 및 실리콘 단량체의 미네랄 구조를 가진 제3성분을 공중합시켜 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 엘이디 조명장치는 외부 전원에 전기적으로 접속되는 소켓; 상기 소켓에 연결되며 밀폐구조를 갖는 하우징; 상기 하우징의 내부에 설치되는 발광다이오드 소자; 상기 소켓에 연결되며 상기 발광다이오드 소자에 전원을 공급하는 전원공급부; 및 상기 하우징의 내부에 채워지며 상기 발광다이오드 소자에서 발생되는 열을 방열시키는 방열액;을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 LED 조명장치용 액상 폴리머 구조의 방열액 및 LED 조명장치는 열전도도 및 대류열전달계수가 높은 액상의 열전달 매체를 사용함으로써 종래의 금속계열의 방열판을 사용하는 경우에 비해 경제적이고 더 높은 방열효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.
도 1은 방열액을 사용하는 LED 조명장치에서 각 계면에서의 온도차이를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 방열액을 사용하는 직관형태의 LED 조명장치에서의 방열양을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 방열액을 사용하는 전구형태의 LED 조명장치에서의 방열양을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 방열액을 사용하는 LED 조명장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 LED 조명장치의 외부용기를 구성하는 소재의 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 LED 조명장치의 외부용기의 형태 및 외부용기 내에서의 발광소자의 위치를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 LED 조명장치의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 LED 조명장치의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 LED 조명장치의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 LED 조명장치의 연결부 또는 접속부의 접합을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 LED 조명장치에 사용되는 접착제의 성질을 나타내는 도면이다.
도 12는 형광등형 LED 조명장치의 누수방지 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 LED 조명장치에서 외부용기가 다층 복합구조로 형성된 것을 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명에 따른 LED 조명장치의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하도록 한다.
일반적으로 액체를 이용한 방열 또는 열교환 방식은 냉각을 하는 방식에 따라 자동차 라디에이터, 베어링의 오일 및 자동차 엔진 오일 등 다양하게 개발 적용 되어왔다.
그러나 지금까지 사용되어진 냉각 또는 열교환을 목적으로 하는 액상방식이 LED 조명장치라고 하는 작고 닫혀진 계(Small & Closed System)안에서 이루어져야 될 때, 이를 효율적으로 실현하는 것은 간단한 문제가 아니며, 매우 복잡한 메커니즘을 구현하고 이에 적합한 장치와 소재를 고안해야 한다.
액상 형태의 방열액이 금속계열의 방열판을 대체하기 위해서는 먼저 금속계열의 방열판과 같은 방열효과를 낼 수 있는지, 누수의 염려는 없는지, 방열액의 변질로 인해 내구성이 저하되는 것은 아닌지, 환경적 문제는 없는지, 액상이 기체 상태로 변하거나 고형화되어 침전 등이 일어나지는 않는지 등과 같은 문제들이 해결되어야 한다.
본 발명은 이러한 문제들을 해결하여 보다 경제적이고 안정적이며 고내구성을 갖는 LED 조명장치용 방열액 및 액상방열 LED 조명장치를 그 핵심적인 특징으로 한다.
열(Heat)이 주변 계와 교환되는 장치를 제작할 때 열전달장치의 크기, 재료 등이 밀접한 관계를 갖는데, 그 이유는 열전도(Heat conduction 혹은 Heat transfer)가 아래 두 가지 방법에 의하여 이루어지기 때문이다.
첫째는 분자들 간의 작용으로, 보다 높은 에너지(온도)를 가지고 있는 분자는 주위의 낮은 에너지를 가지고 있는 분자들에 에너지를 나누어 주기 위해 활동이 심해진다. 이러한 형태의 전달은 온도 구배가 있는 계나 고체, 액체 또는 기체의 분자들 간에 거의 대부분 존재한다.
둘째는 자유전자(free electron)에 의해 일어난다. 자유전자 메커니즘은 순수한 금속고체에서 가장 현저하게 나타난다. 열을 전도하는 고체의 전도도는 자유전자의 농도에 따라 직접적으로 변하는데, 경험적으로 알 수 있듯이 순수한 금속이 가장 좋은 열전도체가 된다.
그러나 열이 주변 계와 교환되는 장치를 제작할 때는 효율과 경제성, 그리고 제작의 간편성 등을 고려하여, 분자의 이동현상에서 큰 효과가 나타나는 형태를 선택하는 것이 효율적이다.
왜냐하면, 열은 열역학 제1법칙에 따르며, 형태는 스칼라(scalar)양이기 때문이다. 계가 한 사이클 동안 외계로부터 받은 전체열량은 계가 외계에 행한 일에 비례하고, 액상내의 분자는 자유로운 확산, 대류 등의 활동으로 인하여, 열전달이 훨씬 더 효율적이기 때문이다.
운동량 분자전달을 설명한 베르누(Bernoulli)의 정리와 퓨리어(fourier)의 열전달 속도식을 살펴보더라도 열전달매체로서 액상의 형태를 선택하는 것이 매우 유리한 것임을 알 수 있다.
이와 같이 액상 형태의 방열액은 열전달 속도 및 에너지(온도, 운동량) 면에서 금속보다도 뛰어난 효율과 경제성을 가지며 제작의 간편성 등의 장점이 있지만, 제작이나 유통 시에 또는 소형의 제작물에 적용할 때에는 액상의 누수 또는 내구성을 고려하여 디자인과 구조에 있어서 세심한 공정과 제작이 필요하다.
본 발명에서 LED의 조명장치의 방열 소재로서 액상을 택한 것은 소재의 열전도도에 의한 분자에너지의 이동을 훨씬 더 배가시키는 대류효과(Convection Effect) 때문이다. 에너지를 얻은 분자는 직접적으로 주위의 에너지가 낮은 분자로 열을 전도하기도 하지만, 직접적인 대류효과에 의한 에너지 전달이 일어나는 경우 외부계로의 열방출 효과는 매우 높아진다. 왜냐하면, 대류에 의한 열전달에서는 표면과 인접유체 사이의 에너지 교환이 일어날 때 매우 효과적이기 때문이다.
액상으로 이루어진 LED 조명장치의 닫힌계로부터 외부용기 및 외부로의 열전달은 계와 계사이의 밀도와 온도 차에 의해서도 빠르게 일어난다. 대류효과는 자동차의 라디에이터와 같이 외력에 의하여, 빠른 유체의 흐름을 유발하는 효과와 마찬가지 현상이다.
대류에 관한 열전달식은 잘 알려진 바와 같이 뉴톤의 속도식 (Newton rate equation) 또는 뉴톤의 냉각법칙 (law of Cooling)을 이용하여 해석 될 수 있다.
LED 조명장치의 닫힌 계안에서 일어나는 대류 현상의 열전달 계수 h는 다음과 같이 정의할 수 있다.
q/A = hΔT
여기서 q는 W 또는 Btu/hr로 나타내는 대류 열전달 속도이며 A는 m2 또는 ft2으로서 열흐름 방향에 수직한 면적이며, T는 절대온도(K) 또는 화씨온도(℉)로 표면과 유체 사이의 온도차이이고, h는 대류 열전달계수로서, 단위는 Btu/hr ft2 ℉ 혹은 W/(m2K)로 나타낼 수 있다.
LED 조명장치 내의 방열액이 대류가 일어나는 것에 대하여 이 계수를 결정하여야 하는데, 유체가 표면을 난류로 흐를 때도 표면에 유체층이 생기게 된다. 따라서 LED 조명장치의 방열액 또는 장치를 감싸고 있는 유리나 수지와 같은 고체표면과 유체사이의 열전달은 표면에 형성된 유체층을 통해 일어나는 전도까지 수반하게 된다. 이러한 유체의 경막은 대류 열전달의 저항으로 나타나므로 종종 계수 h를 경막계수(film coefficient)라 부르기도 한다.
조명장치 또는 방열액을 감싸고 있는 고체표면의 국부 열전달 계수를 hx라 하고 전체를 h라 하면 다음과 같이 식을 나타 낼 수 있다.
dq = hx * ΔT * dA
평균 열전달 계수 h는 hx와 다음의 관계가 있다는 것을 정리할 수 있다.
Figure 112012093174775-pat00001
여기서 평균 대류 열전달 계수 h의 근사값은 다음의 표 1과 같다.
[표 1]
Figure 112012093174775-pat00002
대류 열전달에 의한 효과는 Lennard-Jones 포텐셜에 기준한 충돌적분을 보면 그 위력을 짐작할 수 있다. 본 발명에서 사용되어지는 Si-O계보다도 훨씬 점도가 떨어지는 알콜(n-Butanol, methanol) 등에서도 1.28 m2/s x 109 정도의 확산속도를 가진다.(용질농도 1.0 in g mole/liter) 이것은 Lennard-Jones 상수로 정리하여 공개한 점도와 열전도율 상관식 도표로 널리 알려져 있다.
점도와 열전도율(Ωμ = Ωk)은 같은 개념으로 움직이며, 물질확산도 Ωd와의 충돌적분값 (kT/ε)을 구할 수 있다. 충돌 적분값 이란 물질의 직접적인 에너지 이동을 말하는 것으로, 분자간 대류/확산에 의한 직접적인 에너지 전달은 금속표면을 통한 자유전자 혹은 열전도도를 통하여 전달되는것 보다는 훨씬 더 규모가 크게 일어난다는 것을 알 수 있다.
이러한 이유로 인해 본 발명에서는 방열액의 열전도도를 높이기 위한 소재 개발 이외에 방열액의 점도도 중요하게 고려되었다.
본 발명에 사용된 방열액이 LED 조명장치의 닫힌 계안에서의 열전도도와 대류에 의한 열전달계수에 대하여, 장치에 미치는 영향을 계산하면 다음과 같은 계수간의 상관관계 유도식을 얻을 수 있다.
Figure 112012093174775-pat00003
본 발명에 따른 액상형 LED 조명장치 안에서는 대류에 의해서 전체적인 등방향성을 가지므로 다음과 같이 qx = q 의 관계를 갖는다. 이것은 본 발명의 특징 중 하나인 닫혀진 계에서 장치 내부 전체적으로 매우 일정한 온도구배를 가지기 때문이다.
다만 조명장치의 외부에 부착된 리브를 통해 열을 방열시키는 경우에는 열전달속도를 산출할 때는 방향성을 반드시 고려하여야 한다.
즉, 열전도도에 의한 열의 방출은 대류에 의한 열전달계수의 방출과 상관관계가 있으며, 이는 실질적으로 어떤 일정한 관안에 유체가 멈추어 있는것 보다는 본 발명에 따른 LED 조명장치 내에서의 대류와 같이 속도를 가지고 흐름으로서 열을 방출하는 것이 훨씬 더 효율적인 것을 보면 알 수 있다.
LED 조명장치 내의 방열액은 열전도도 및 열전달계수의 영향으로 LED 조명장치 내의 온도를 60 ℃ 미만으로 유지하고자할 때가 계면에서 대류가 없을 때 즉, 경막 효과가 없을 때보다 평균 25000배의 열전달 효과 즉, 방열효과를 가지게 된다. 이는 열교환이 실제 장치에 적용될 때에 열전도도 이외에 대류에 의한 열전달 계수 등의 복합적인 과정을 통하여 전달되기 때문이다.
이는 본 발명에 따른 LED 조명장치에 적용된 오일의 평균 열전도도가 3.3 X 10-4 cal/(cm.sec.℃)임을 고려할 때, 액상이므로 대류열전달계수에 의한 복합적인 효과가 합쳐져서, 8.25 cal/(cm.sec.℃)의 전체 열전달속도를 가지게 되며, 이는 같은 단면적을 가진 동 재질의 열전도도 (0.934 cal/cm.sec.℃) 보다 3.5배, 순수 알루미늄보다는 7배, 철보다는 10.5배의 열전달 효과를 가지게 된다.
이는 자유전자에 의존하는 고체의 열전도도와 비교하여 액체는 열전도도 이외에 대류에 의한 열전달 계수를 복합적으로 가지기 때문이다.
그러나, 실질적인 알루미늄 방열판은 장치가 외부계인 대기와 직접적인 열교환이 이루어지는 반면, 방열액을 사용한 본 발명에 따른 LED 조명장치는 조명장치 내에 포함된 소재 또는 유리로 감싸여져 있어, 각 계면에서의 열저항을 포함한 복합적인 열전달 과정을 규명하고, 저항에 의해 감소되는 효과를 추가로 고려하여야만 한다.
지금까지 3가지의 열전달 형태를 구분하여 설명하였으며, 실제적으로도 LED 조명장치의 방열액에 의한 열방출은 한 장치 안에서 세 가지 형태가 복합적으로 일어난다.
도 1은 LED 조명장치에서의 각 계면에서의 온도 차이를 나타내는 도면으로, TO > T1 > T2 이다.
대부분의 LED 조명장치가 직관 혹은 구의 형태를 이루고 있으므로, q = kA/L (T1-T2)로 표현될 수 있다.
여기서, T0-T1 = q (1/h0 A), T1-T2 = q (L / k1A), T2-T외부계면 = q(1/h계면A)로 각 접촉표면구간에서 일어 날 수 있다
그러므로 아래의 식과 같이 각 계면에서의 열전달의 차이는 다음과 같이 대류 또는 전도에 의한 저항 값으로 나타낼 수 있다.
Figure 112012093174775-pat00004
또한 전기이론으로부터 직렬로 연결된 전기회로에서 다음의 관계식을 얻을 수 있다
Figure 112012093174775-pat00005
열흐름과 전기흐름은 유사성이 있으며 서로 대응되는 양은 다음과 같다.
Figure 112012093174775-pat00006
LED 조명장치는 원통형이나 혹은 구형이므로 원통형 전도체에서의 연전달 저항은 이런 수식의 형태가 된다.
그러면 실제로 적용시키고자 하는 방열액과 해당 방열액을 사용한 LED 조명장치에서의 방출량을 계산하는 과정을 설명하기로 한다.
도 2는 방열액을 사용하는 직관형태의 LED 조명장치에서의 방열양을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 방열액을 사용하는 전구형태의 LED 조명장치에서의 방열양을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 편의상 16W를 사용하는 LED 조명장치를 예로 들어 설명하기로 하며, 이를 소형 또는 대용량의 LED 조명장치에 적용할 수 있음은 당연하다.
16W를 사용하는 LED 조명장치에 사용되는 방열액의 양, 장치의 크기, 열전달 구조와 열전달속도 및 도달되는 장치내부의 임계온도를 계산하면 다음과 같다. 16W를 사용하는 LED 조명장치에서의 평균효율을 고려할 때, 빛으로 전환하지 않은 84%에 해당하는 에너지는 열로 전환된다. 이하에서는 LED 조명장치의 효율을 세계적으로 상업화된 평균 효율을 16%로 산정하여 계산하였다.
그러므로 용량의 84%에 해당하는 13.76W의 에너지가 시간당 모두 열로 변환되며 이 열이 방출되지 않을 경우, 에너지의 양(Scalar 양)에 의하여 장치는 지속적으로 온도가 상승되어 LED 소자의 수명과 효율 등에 영향을 미친다.
(실시예 1)
도 2에 도시된 바와 같이 실시예 1에서는 방열액을 감싸고 있는 장치의 외부용기를 두께 1 mm, 내부직경 3cm, 외부직경 3.2cm, 길이 20cm의 크기를 갖는 직관 형태로 하였고 그 재질을 유리로 하였다.
우선 각 저항은 방열액이 담긴 장치의 내부 열저항을 R1, 장치의 외부 용기의 소재인 유리의 저항을 R2, 외부계인 공기의 저항을 R3로 하였을 경우 각각의 식은 다음과 같다.
R1 = R convention inside = 1 / h1 A1
여기서, h1 = 방열액의 대류열전달계수 = 25000 W/m2 K, A는 계면에서의 표면적이다.
R2 = R glass conduction = In (r1/r2) / 2∏ k L
여기서, k = 유리의 열전도도(17 W/m K), r1 = 외부 용기의 내경, r2 = 외부 용기의 외경이다.
R3 = R convention air, outside = 1/hair A2
여기서, hair = 외부표면 공기의 대류 열전달계수(22.7 W/m2 K, 20℃에서)
따라서 각각의 값은 다음과 같다
R1 = 1 / [ (25000 W/m2 K) (∏) (0.03m) (0.2m) ] = 0.002123 K/W
R2 = ln (3.2/3) / [ 2∏ (17 W/m K) (0.2m) ] = 0.064539 / 21.352 = 0.00303 K/W
R3 = 1 / [ (22.7 W/m2 K) (∏) (0.032m) (0.2m) ] = 2.1922 K/W
∑R = 2.197353 K/W
그러므로, 본 발명에 따른 LED 조명장치의 작동 시의 온도를 20℃ 로 가정하였을 때, LED 조명장치 내의 온도를 60℃ 이하로 유지하기 위한 단위 시간당 열 방출 속도는 다음과 같다.
Figure 112012093174775-pat00007
즉, 16 W의 16% 효율의 LED 조명장치를 사용할 경우 발생되는 단위 시간당 총량인 13. 76 W의 열을 단위 시간당 18.2 W의 속도로 모두 방출 할 수 있게 된다. 이러한 효과를 최종적으로 열전도도 및 열전달 계수, LED 장치내부에서 외부계로의 복합적 열전달 계면을 정리하여 비교하면, LED 조명장치에서 사용되어지는 동 재질의 방열판과 대비하여 1.2 배, 알루미늄 재질의 방열판과 대비하여 1.8배 이상의 높은 방열 효과를 발휘함을 알 수 있다.
실질적으로 사용 시에, 장치가 최고 상태로 가열되어 정상 상태에 도달 하였을 경우의 최고 온도는 50.23 ℃ 이다.
이러한 계산으로부터 주목할 사항은 열전달 과정에 있어서, 어떤 부분의 저항은 무시할 수 도 있다. 각 단계별로 계산된 식을 해석하면 열전달속도가 증가되면 대류저항은 다른 저항에 비해 200배 정도 증가한다. 이는, 기본적으로 유체를 이용한 열전달매체는 비록 금속계열보다 열전도도는 낮을 지라도, △T = 1K 만큼 상승될 때, 대류 또는 확산에 의한 열전달 계수는 200이상씩 증가한다는 것을 의미한다.
후술하는 바와 같이 방열액을 제조할 때, Si-O 계열의 기본적 구조를 가지도록 하는 것은 보통의 Si-O 구조는 고체상이든 액체상이든 우수한 전기절연 효과를 보여주면서 열전달성능은 우수하기 때문이다. 또한 분자결합 구조가 매우 높아, 일반적 전기조명장치로 작동 시에 공급되는 에너지준위로는 분해가 불가능하기 때문이다.
즉, 액상 형태의 방열액을 이용하여 LED 조명장치를 제조할 경우에는 사용되어지는 LED 소자의 전력량에 따라 장치의 크기 즉, 방열액의 양, 방열액의 열전도도와 대류열전달계수, 장치를 감싸고 있는 소재의 열전도도와 두께 및 사용되는 장치의 외부계의 온도 등을 설계를 결정할 수 있다.
에너지가 높은 닫힌 계가 에너지가 낮은 외부의 계와 끊임없이 열교환을 할 때, 외부의 에너지양과 자체 열량을 보유한 내부의 에너지를 채우고 난 뒤의 에너지 양이 열전달속도로 인하여 내부에 적체되어 최고의 정상상태로 도달 했을 경우를 내부 최고 임계온도라 하면, 16W의 16% 효율을 가진 LED 장치는 도 2에 도시된 표면적을 가지고 있는 방열액과 장치를 구성한 소재의 열전달율로 인하여, 50.23℃에 도달 하게 된다. 이는 60℃ 이하를 유지해야 하는 LED 방열 작동 조건을 만족하게 된다는 것을 의미한다.
이와 같은 방법으로, 4W, 8W, 12W, 100W, 200W등의 전력소비규모가 다른 LED 조명장치에도 적용하여, 그 구조와 디자인, 열전달량을 계산 적용하여 제작할 수 있다
(실시예 2)
도 3에 도시된 바와 같이 실시예 2에서는 길이 10cm, 지경이 6cm이며 두께가 1mm인 전구 형태에 방열액을 사용할 경우 최고 임계온도 = 51.19℃ 까지 상승할 수 있다. 이때,
R1 = 1 / [ (25000 W/m2 K) (∏) (0.06m) (0.1m) ] = 0.002123 K/W
R2 = ln (6.2/6) / [ 2∏ (17 W/m K) (0.1m) ] = 0.03279 / 10.678 = 0.0030708 K/W
R3 = 1 / [ (22.7 W/m2 K) (∏) (0.062m) (0.1m) ] = 2.2628 K/W 이고,
따라서,
∑R = 2.267 K/W이고 q = 17.64 W이다.
즉, q = 17.64 W > 13.76 W이므로 16W의 LED에서 발생하는 양을 충분히 외부로 방출할 수 있음을 알 수 있다.
액상형의 방열구조에서 열전도도와 열전달계수에 대한 상관식으로 부터, 구조 및 방열액의 용량 등이 정해지는 열전달 메커니즘이 결정되었다면, 동일 메커니즘에서, 열전도도와 대류열전달계수가 높은 방열액을 선택하여야 한다. 또한 방열액을 감싸고 있는 LED 조명장치의 외부용기의 소재도 고려하여야 한다. 이는 열전달 효율을 높임으로서, 상대적으로는 제품의 크기를 줄이거나, 열전달이 우수한 LED 조명장치를 만들 수 있기 때문이다.
먼저, LED 조명장치용 방열액에 대해 설명하면 다음과 같다
LED를 이용한 조명장치에서 방열판 대신에, 액상 형태의 방열액을 사용하는 경우 방열액은 다음의 조건을 만족 시켜야 한다.
즉, 열전달 매체로서의 열전도도가 우수하고, 액상의 점도(viscosity)와 온도에 따른 운동량이 높고 분자구조가 고온에서 안정적이어야 한다. 또한 다른 장치와 화학반응 , 부식성, 이온교환 등이 발생하지 않는 내약품성, 내화학성이 우수하고, 빛의 투과율이 97% 이상이며, 고온에서 지속적으로 작동 시 굴절율의 변화가 적은 것이어야 한다.
또한 빛의 굴절, 소멸, 간섭 등을 일으키는 헤이즈(Haze) 현상이 없어야 하며, 비등점이 높아, 고온에서 지속 작동 시에 기화 증발 등의 손실이 없어야 한다. 한편, 유체를 둘러싸고 있는 소재의 빠른 열전달이 필요하고 온도변화에 따른 압축성이 적어야 하고 전기장치에 대한 절연성 및 전기적 내아크성이 높고 환경적으로 친환경적이며 무독성이어야 한다.
본 발명에 따른 엘이디 조명장치용 방열액은 엘이디 조명장치의 외부용기에 채워지며 상기 외부용기의 내부에 형성된 발광다이오드 소자로부터 발생하는 열을 방열시키는 방열액으로서, 폴리 실리콘 알칸 구조를 가진 제1성분, 알칸 구조의 유기폴리머로 이루어진 제2성분 및 실리콘 단량체의 미네랄 구조를 가진 제3성분을 공중합시켜 형성된 것을 특징으로 한다.
즉, Si-O 구조를 가진 Poly silicon alkan 구조(-[Si-(R2)-O]-)를 기반으로 하여, 이와 주사슬 구조가 유사한 탄소화합물로 이루어진 유기고분자로 이루어진 알칸 구조의 유기폴리머를 선형고분자(linear polymer)의 형태로 (R2) 사슬 자리에 공중합(co-polymer)시켜 만든 것이다.
추가로, 공중합 형성 시에, 발생하는 불필요한 열전달 공극을 메꾸기 위하여, 비액상 계열의 실리콘 또는 실리콘 활성기를 가진 미네랄 형상을 멜팅(melting)시켜, -A-B-C- 구조로 공중합 시켜, 하나의 결합력이 약한 선상 결합 액상 고분자를 제조하였다.
여기서. 제1성분은 Si-O 구조를 가진 실리칸(silican) 구조이고, 제2성분은 알칸(alkan) 구조를 가진 유기폴리머이고, 제3성분은 멜팅(melting)되면 치환될 수 있는 Si 단량체 미네랄 구조이며, 3개의 사슬이 공중합 되어 하나의 고분자로 형성된다. 이때 형성된 고분자는 선형 고분자(linear polymer)구조이며, 각각은 일정한 BLOCK POLYMER 등의 규칙을 가지지 않고, 제조 시 필요에 따라, 몰당 비율(wt% / mol)에 따라 결정되는 랜덤 공중합 폴리머(random co-polymer) 구조를 갖는다.
그러므로 본 발명에 따른 방열액은 액체(Liquid)가 아닌 액상 형태(Liquefied)의 공중합된 고분자로서, 실리콘(silion)이 단량체로 공중합되어 고분자 사슬의 공극 구조에 안착되거나, 알칸(alkan)의 구조로 주사슬에도 공중합 되어 있기 때문에 Liquefied synthetic poly organic silicon-silican liner co-polymer 또는 Liquefied synthetic poly organic silicon-alkan liner co-polymer라 명명할 수 있다.
즉, 본 발명은 실리콘 단량체 모노머 분자로 이루어진 액체(Liquid)가 아니라 실리콘 고분자 단량체로 이루어진 액상화된(Liquefied) 구조를 갖는다.
실리콘 단량체 모노머 분자로 이루어진 액체(Liquid)의 경우 지속적인 고분자화가 불가능하여 단량체 상태로 점도 변화만을 가지고 분해될 때까지 액상으로만 존재하는 실리콘화합물이다.
이에 반해 본 발명에 따른 실리콘 고분자 단량체로 이루어진 액상화된(Liquefied) 구조의 방열액은 지속적인 모노머의 사슬로 연결되어 고분자량의 엘라스토머의 성질을 가진 트랜스 구조를 이루게 되며, 고분자 합성이 호모지니어스하게 진행될 경우에는 고체상의 시스구조로 형성될 수도 있다.
실리콘 단량체 모노머 분자로 이루어진 액체(Liquid)의 경우 일반적인 고분자 폴리머가 가지는 매트릭스 포어가 존재하지 아니하나 본 발명에 따른 실리콘 고분자 단량체로 이루어진 액상화된(Liquefied) 구조의 방열액은 약한 고분자를 형성한 매트릭스가 형성되며 매트릭스 내에 포어가 존재한다.
따라서 본 발명에 따른 실리콘 고분자 단량체로 이루어진 액상화된(Liquefied) 구조의 방열액은 전하의 이동에 의한 라디칼 이온 방식의 열전달과 액상이 대류하는 대류작용에 의한 열전달의 두 가지 방식이 존재하게 되어 열전달 효과가 더욱 커지게 된다.
또한 실리콘 단량체 모노머 분자로 이루어진 액체(Liquid)의 경우 유동성이 좋을수록 열전달 효과가 좋으나 본 발명에 따른 실리콘 고분자 단량체로 이루어진 액상화된(Liquefied) 구조의 방열액의 경우 점도가 높을수록 열전달 효과가 좋아지는 점에서 차이가 있다.
즉, 본 발명에 따른 실리콘 고분자 단량체로 이루어진 액상화된(Liquefied) 구조의 방열액은 지속적인 사슬구조를 이어갈 수 있어서 초고분자 상태로 형성가능하며, 분자량이 작은 상태에서는 액상화(liquified)되며, 포어를 가진 매트릭스 형태로 형성가능하며, 탄소사슬에 실리콘이 치환결합하여 그라프팅 중합체로 형성가능하게 되며, 결국 금속방열판과 같이 자유라디칼에 의해 열전도도가 상승하게 된다.
추가로, 상기 방열액은 열전도도 상승, 전기절연성 증가, 고온유동성증가, 온도에 따른 수축비 조절 등과 같이 적용하고자 하는 기능적 목적 및 원가 절감 등의 목적에 따라 , 기존 실리콘 오일 중, 선형고분자의 구조의 디메틸실리콘오일(dimethylsilicon oil), 메틸페닐실리콘오일 (methyl phenyl silicon oil) 또는 폴리메틸하이드로젠 실록산 (Polymethyl hydrogen siloxane) 중 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 혼합하여 사용할 수 있으며, 혼합 시에는 다음의 고분자 물성한계 내에서 비율을 조절하여야 한다.
상기 방열액을 제조할 때에는 스톡스(Stokes)식에 따른 점도(viscosity) 값이 25℃에서 0.65 mm2/sec ~ 106 mm2/sec인 것을 선택하여 사용한다. 또한 상기 방열액은 비중이 25℃에서 0.760 ~ 1.1의 범위에 있어야 하고, 열전도도는 1.9 x 10-4 ~ 4.2 x 10-1 (cal/cm.sec.℃)의 범위 안에 포함되어야 한다.
한편, 본 발명에 따른 방열액은 열전전도, 점도 및 절연성을 향상시키기 위해 알칸계열의 화이트 오일을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 미네랄계 오일 중, 액체 석유 혹은 광유를 정제하는 과정에 생성 되는 부산물로, 주성분이 알칸(alkan) 계열인 화이트오일(white oil = 백유)을 사용한다. 이때 열전도도와 점도, 그리고 절연성을 위하여, 순도 92~99.99%의 고순도 정제 오일만을 사용한다.
본 발명에 따른 방열액은 열전전도를 향상시키기 위해 탄소나노튜브 입자, 그라파이트 입자, 세라믹 입자 및 그라핀 입자 중 적어도 하나 이상으로 이루어진 열전도성 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 열전도도를 증가하기 위한 탄소나노튜브(CNT)를 굴절율 방해하지 않는 범위 또는 헤이즈(haze)를 발생하지 않은 범위에서, 1 x 10-7 PHRS(PHRS = 중량비) 이하로 첨가하며, 첨가시에 방열액은 (C2H6OSi)n 구조를 기본으로 하여야 한다.
또한 본 발명에 따른 방열액은 LED 조명장치라는 닫혀진 계에 담겨져 있는 상태이므로 열에 의한 방열액의 부피 팽창을 고려하여, -40℃, 25℃, 50℃, 100℃ 및 200℃의 범위에서 각기0.941, 1, 1.023, 1.070 및 1.176의 비중 범위를 단계적으로 유지하여야 한다. 이는 온도에 따른 급격한 팽창 변화로 인해 닫혀진 계 안의 포화증기압의 불필요한 온도 상승을 유발할 수 있고 이로 인해 장치에 무리가 갈 수 있기 때문이다.
따라서 상기 방열액을 제조 할 때는 정확한 혼합용액의 제조과정을 통해 점도와 비중 등을 제어하여야 한다.
즉, 상기 방열액은 대류열전달계수는 20℃ 내지 80℃에서 15,000~70,000(W/m2K)이고, 열전도도는 1.9 x 10-4 ~ 4.2 x 10-1 (cal/cm.sec.℃)이며, 비중은 25℃에서 0.76 ~ 1.10 이고, 점도는 25℃에서 0.65 ~ 106 mm2/sec인 것이 바람직하다.
추가로 굴절률은 광원으로부터 나오는 빛을 왜곡 시키지 않기 위하여, 나트륨 D선에 대한 굴절률은, 2.0 CS 이하에서는 1.374~1.392을 유지시키고, 10 CS 이상에서는 1.398~1.404로 거의 일정한 수치를 유지시켜야 한다.
상기 소재를 바탕으로 제조된 본 발명에 따른 LED 조명장치용 방열액은 안정적이고 뛰어난 열전달 매체로서 다음과 같은 특징과 장점을 가지고 있다.
1) 무색투명하여 광투과율이 99% 이상이고, 온도에 따른 점도변화가 작으며, 증기압이 낮아서 장기적으로 장치에 대한 누수 걱정이 없다.
2) 인화점이 높아서 400℃의 고온에서도 상변화가 전혀 없이 매우 안정적이고, 응고점이 낮아서 -80℃ 이하에서도 전혀 상변화가 없다.
3) 열산화 안정성이 뛰어나므로, 장치가 깨져서 공기가 유입되어도 장치의 성능저하가 전혀 없으며, 표면장력이 작아서 빠른 열교환과 온도구배를 유지할 수 있다.
4) 분자 간의 에너지전달이 일반적인 열매체로 사용되는 오일보다 3배 이상 빠르고, 전기절연성 및 전기적 내 아크성이 매우 높아 LED 소자의 내구수명을 증가 시킨다.
5) 600℃ 미만에서는 어떠한 화학변화를 일으키지 않으며 장치의 상용 작동 온도 범위인 -50 ~ 100 ℃ 사이에서 장치내의 어떠한 부품소재와 반응하지 않으며, 품질기준인 60℃미만에서는 당연히 내화학성 및 내약품성이 우수하다.
6) 부식성이 전혀 없고 발수성이 있어서 장치의 미세한 균열 및 파괴에도 어느 정도의 안정적인 물성 유지가 가능하며, 이물질, 외부 환경오염의 침투로 인한 이물질 발생을 억제할 수 있다.
7) 온도 상승 시에 발포로 인한 빛의 굴절, 왜곡 및 그림자가 발생하지 않으며, 생리적으로 불활성이고 무독성이어서 환경친화적이다. 또한 비휘발성으로 매우 안전하다
8) 열전도도는 동종 경제성을 가진 열전달매체 오일보다도 뛰어나며, 특히 대류열전달계수는 max 70,000 W/m2. K 의 높은 수치를 가짐으로써 냉각제로서의 열전달매체로 매우 뛰어나다.
9) LED 주변의 온도 상승을 막아 LED 광의 파장대 변화에 의한 광의 색깔 변화, 즉 색 온도 변화를 방지할 수 있으며 LED 조명장치의 품질요구기준인 60℃ 미만을 유지하여, 과열에 의한 LED 소자의 수명단축을 방지하고, 화재나 화상의 위험에 대하여 지극히 안전하다.
10) 평균 비중이 25℃에서 0.978 미만이라, 장치 전체의 무게는 일반적인 금속계의 방열판을 사용한 것보다 가볍다. 이는 실내 실외에서 장치 추락에 대한 안정성이 상대적으로 높다는 것을 의미한다.
이하에서는 본 발명에 따른 방열액을 사용하는 액상 LED 조명장치에 대해 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 방열액을 사용하는 액상 LED 조명장치를 나타내는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 액상 LED 조명장치는 소켓(110), 하우징(120), 발광다이오드부(130), 전원공급부(140), 방열액(150)을 구비한다.
상기 소켓(110)은 외부의 교류 전원에 전기적으로 연결되며 전원공급부(140)를 통해 엘이디 조명장치에 전원을 공급하는 것으로 E26 소켓과 같은 일반적인 것이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 하우징(120)은 상기 소켓에 연결되고 밀폐구조를 가지며, 상기 방열액이 채워지는 외부용기(121)와, 상기 외부용기(121)를 밀폐시키는 내부마개(122) 및 상기 내부마개(122)의 외부에서 추가적으로 상기 외부용기를 밀폐시키는 외부마개(123)를 구비한다.
한편 상기 하우징(120)은 방열액이 팽창하는 경우 내부마개(122)의 압력 수축률에 따라 열 팽창압을 조절하며, 외부마개(123)를 이용하여 방열액의 누수를 방지한다.
또한 상기 하우징(120)의 내부마개(122)와 외부마개(123)의 사이에는 방열액이 팽창하는 경우에 대비한 공간이 형성되어 있다.
상기 발광다이오드부(130)는 상기 하우징의 내부에 설치되며, 상기 소켓(110) 및 전원공급부(140)를 통해 공급되는 전기에너지를 빛에너지로 변환하여 출력하는 발광다이오드 소자가 반도체 기판에 형성된 것으로 이러한 구성은 공지의 것이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 전원공급부(140)는 상술한 바와 같이 배선에 의해 상기 소켓(110) 및 발광다이오드부(130)에 연결되며 소켓(110)을 통해 공급되는 전원을 발광다이오드부(130)에 공급한다.
상기 방열액(150)은 상기 하우징(120)의 내부에 채워지며 상기 발광다이오드부(130)에서 발생되는 열을 외부로 방열시킨다.
한편, 하우징(120)의 내부에는 발광다이오드부(130)에서 발생되는 열을 방열시키기 위해 내부 방열판을 더 구비할 수도 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 액상 LED 조명장치에서 방열액을 감싸고 있는 하우징의 각 구성들의 재질에 대해 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 LED 조명장치에서는 열전달매체로서 방열액 뿐만 아니라, 방열액을 감싸고 있는 외부용기의 재질 역시 간과할 수 없는 방열 요소(Factor)이다. 이러한 방열액을 감싸고 있는 외부용기의 재질은 특히, 다음과 같은 기본적인 특징을 가지고 있어야 한다.
투명하고 굴절율이 높아서 투과율이 97% 이상이 되어야 하고 외부환경에 노출되므로 안정적인 분자구조로 이루어져야 하며 제조하기 쉽고 경제성이 있어야 한다. 또한 내화학성과 내약품성이 있어야 하고, 경도가 비교적 높아서 스크레치 등의 헤이즈(haze) 현상을 일으키기 어려운 것이어야 한다. 강도가 높고 열전도도가 높아야 하며 난연성이 있어야 한다.
한편, 장치 및 외부환경의 온도변화에 대한 수축팽창율 이나 휨 특성이 적어야 하며, 사출 혹은 압출에 의하여 대량생산이 가능해야 하며 형광등과 같은 광확산 효과를 구현하고자 할 때 광확산제의 컴파운딩이 가능하거나, 표면에 빛을 산란/확산/증폭/휘도의 은폐 또는 통제시킬 수 있는 광량코팅이 가능해야 한다.
상기 기준을 충족하기 위해 본 발명에 따른 액상 LED 조명장치의 외부용기(121)는 다음과 같은 소재를 사용한다.
먼저 광확산 효과가 필요 없을 경우에는 투과율이 93% 이상인 유리, 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리 메틸 메타 아크릴레이트(Poly methyl-meta-acrylate), 아크릴로 스티렌(Acrylo styrene), 폴리스티렌(Polystyrene), 투명 아크릴로 부타디엔 스티렌(ABS) 중에서 선택되는 적어도 하나의 소재로 이루어진 베이스 소재로 제조된다.
한편 장치에 광확산 효과가 필요할 경우에는 베이스 소재에 첨가제를 첨가하여 그라프팅 중합 (Grafting polymerization)으로 제조한다.
베이스 소재는 투과율이 93% 이상인 소재로 유리, 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리 메틸 메타 아크릴레이트(Poly methyl-meta-acrylate), 아크릴로 스티렌(Acrylo styrene), 폴리스티렌(Polystyrene), 투명 아크릴로 부타디엔 스티렌(ABS) 중에서 선택되는 적어도 하나의 소재로 이루어진다.
첨가제로는 Potasium계-GLC, Silica (Si- 계), 탄소나노튜브(CNT), 유리가루(Glass powder, particle size =>5000 mesh), 산화마그네슘(MgO), MgFr, 탄산칼슘(CaCO3), 칼슘 포스페이트(Calcium Phosphate), 멜라민 가루(Melamine powder, particle size > 2000mesh) 중에서 선택되는 적어도 하나의 소재를 사용한다.
이때 베이스소재의 함량을 중량비 90% 이상으로 하고 첨가제를 1~10 중량%를 투입하여 고분자 매트릭스(matrix) 내에서 균일(homogeneous)하게 안착 시켜서 제조한다.
확산제 효과를 가진 장치의 소재를 첨가제를 투입하여 그라프팅 중합을 할 때에는 확산제가 들뜬 상태로 전위되거나 광확산을 위하여, 소멸, 간섭 및 헤이즈(Haze) 현상 등의 작용을 하므로, 투입 된 다른 첨가제와 상호작용(화학작용, gel화, 간섭, 응집)이 일어나지 않도록 균일하게 안착시키고, 필요에 따라 커플링 시약(coupling agent)을 첨가한다.
또한 제작하고자 하는 제품의 요구에 따라, 둘 이상의 소재를 선택하여 제조한 복합층 (Multi-layer) 또는 공 압출로도 제조할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 액상 LED 조명장치의 외부용기를 구성하는 소재의 구조를 나타내는 도면이다.
일반적으로 플라스틱 소재는 도 5의 (a)에 도시된 바와 같은 분자 구조를 가지게 된다. 이에 따라 분자 사이에 공극이 존재하게 되고, 이러한 공극으로 인하여 열전도성이 매우 낮아지게 된다. 즉, 공극에 존재하는 공기 또는 진공상태는 열전도도가 매우 낮기 때문에 전체적으로 열전도도가 매우 낮다, 예컨대 통상적인 폴리머 소재의 열전도도는 0.15~0.32Kcal/Min℃ 정도에 불과하다.
이에 비해 본 발명에 따른 LED 조명장치의 외부용기를 구성하는 열전도성 수지는 도 5의 (b)와 같이 베이스소재(A)의 분자 사이의 공극에 유리섬유 등의 첨가제(B, C)가 채워지게 되어 공극이 적어지게 된다. 여기서 A는 베이스소재를 나타내며, B와 C는 첨가제를 나타낸다.
첨가제(B, C)의 경우 1차로 큰 분자구조를 가지는 실리카나 탄산칼슘 등을 베이스소재(A)의 공극 사이에 채우고 2차로 작은 분자구조를 가지는 탄소나노튜브나 산화마그네슘 등을 채우게 된다. 한편, 큰 분자구조를 가지는 실리카나 탄산칼슘 등도 사이즈를 달리하여 2차로 공극을 메울 수도 있다.
베이스소재에 첨가하는 열전도성 첨가제의 양은 모두 합하여 10 중량% 이상을 넘기는 어렵다.
안티몬인 경우에는 고가이나 소량이 투입되더라도, 열전도성, 전기전도성 및 난연성을 함께 부여 하므로, 0.5 중량% 미만으로 조심스럽게 동시에 투입할 수 있다.
용도에 따라 투광성 하우징에 난연이 필요한 경우, 첨가제가 분자사이에 그라프팅 중합을 이루는 경우에는 열전도성 효과 이외에도, 고분자의 분자량이나 밀도를 상승시키는 효과를 가져와서 동시에 난연과 내열안정성을 얻는 효과도 얻을 수 있다.
이로 인해 열전도성은 50 ~ 80Kcal/min℃로 상승되었으며, 비록 열전도도가 구리나 알루미늄에 비해 작지만 본 발명에 따른 방열액은 액상이므로 주로 50w 미만의 소용량의 LED 장치에서는 장치가 필요로 하는 충분한 열전달 효과를 얻을 수 있다.
도 5의 (a)를 보면 베이스소재(Base polymer - homo or Co-poly)는 전자현미경으로 보면 미세미분구조 (under sub-micron and Nano size)에서 많은 공극이 있음을 알 수 있다. 이것은 열전달 중 복사저항을 발생하여 미분구간의 보온효과가 나타날 수 있기 때문이다.
이를 방지하기 위하여 전도성이 높은 첨가제를 다종(multi-gradients) 선택하여, 각 공극을 도 5의 (b)와 같이 폴리머메트릭스구조(Polymer Matrix structure))를 완성한다.
즉, 본 발명에 따른 LED 조명장치의 외부용기는 위의 조건을 만족시키는 다음과 같은 소재를 컴파운딩(Grafting polymerization)으로 제조하여 사용할 수도 있다.
(1) Polybutylene Terephthalate : 60~90중량%을 기본 함량으로 포함하며, Non halogen 난연제(Potasium 계, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄) 10~40중량%, 유리섬유 10~30중량%, 안티몬(Sb2O3) 5~10중량%, CNT 0.0001~0.01 PHRS, 실리카 파우더 (3 micron under) 0.5~5중량%, 멜라민포스페리트 1~10중량%, Carbon 파우더 : 2000 mesh 이상 1~5중량%, 이오노머 (Ionomer-탄소계 계면활성제) 1~15중량%, MgO 0.1~0.005 PHR , CaCO3, Talc, White carbon 중에서 하나 혹은 두 가지 이상을 포함하여 그라프팅 중합한 것.
(2) 폴리카보네이트(Polycarbonate) : 60~90중량%을 기본 함량으로 포함하며, Non halogen 난연조제 (인계, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄,징크보레이트) 10~40중량%, 유리섬유 10~30중량%, 안티몬 (Sb2O3) 5~10중량%, CNT 0.0001~0.01 PHRS, 실리카 파우더 (1 micron under) 0.5~5중량%, Carbon 파우더 : 20,000 mesh 이상 1~5중량%, 이오노머 (Ionomer-탄소계 계면활성제) 1~15중량%, MgO 0.1~0.005 PHR, CaCO3, Talc, White carbon 중에서 하나 혹은 두 가지 이상을 포함하여 그라프팅 중합한 것.
(3) 폴리카보네이트(Polycarbonate) & 아크릴로-부타디엔-스티렌(Acrylronitril butadiene styrene) Alloy : 60~90중량%을 기본 함량으로 포함하며, Non halogen 난연조제(인계, 수산화마그네슘,징크보레이트,수산화알루미늄) 10~40중량%, 유리섬유 10~30중량%, 안티몬 (Sb2O3) 5~10중량%, CNT 0.0001~0.01 PHRS, 실리카 파우더 (3 micron under) 0.5~5중량%, Carbon 파우더 : 2,000 mesh 이상 1~5중량%, 이오노머 (Ionomer-탄소계 계면활성제) 1~15중량%, 멜라민포스포레이트 1~10중량%, MgO 0.1~0.005 PHR, CaCO3, Talc, White carbon 중에서 하나 혹은 두 가지 이상을 포함하여 그라프팅 중합한 것.
(4) 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(Modified PolyPhenylene Oxide:mPPO) : 60~90중량%을 기본 함량으로 포함하며, Non halogen 난연조제(인계, 수산화마그네슘,징크보레이트,수산화알루미늄) 10~40중량%, 유리섬유 10~30중량%, 안티몬 (Sb2O3) 5~10중량%, CNT 0.0001~0.01 PHRS, 실리카 파우더 (3 micron under) 0.5~5중량%, Carbon 파우더 : 2,000 mesh 이상 1~5중량%, 이오노머 (Ionomer-탄소계 계면활성제) 1~15중량%, MgO 0.1~0.005 PHR, CaCO3, Talc, White carbon 중에서 하나 혹은 두 가지 이상을 포함하여 그라프팅 중합한 것.
(5) 개질된 폴리페닐렌 에테르(Modified Polyphenylene ether:mPPE) : 60~90중량%을 기본 함량으로 포함하며, Non halogen 난연조제 (인계, 수산화마그네슘,징크보레이트,수산화알루미늄) 10~40중량%, 유리섬유 10~30중량%, 안티몬 (Sb2O3) 5~10중량%, CNT 0.0001~0.01 PHRS, 실리카 파우더 (3 micron under) 0.5~5중량%, Carbon 파우더 : 2,000 mesh 이상 1~5중량%, 이오노머 (Ionomer-탄소계 계면활성제) 1~15중량%, MgO 0.1~0.005 PHR, CaCO3, Talc, White carbon 중에서 하나 혹은 두 가지 이상을 포함하여 그라프팅 중합한 것.
(6) 폴리페닐렌 설파이드PPS (Poly phenylene Sulfide) : 60~90중량%을 기본 함량으로 포함하며, Non halogen 난연조제 (인계, 수산화마그네슘,징크보레이트,수산화알루미늄) 10~40중량%, 유리섬유 10~30중량%, 안티몬 (Sb2O3) 5~10중량%, CNT 0.0001~0.01 PHRS, 실리카 파우더 (3 micron under) 0.5~5중량%, Carbon 파우더 : 2,000 mesh 이상 1~5중량%, 이오노머 (Ionomer-탄소계 계면활성제) 1~15중량%, MgO 0.1~0.005 PHR, CaCO3, Talc, White carbon 중에서 하나 혹은 두 가지 이상을 포함하여 그라프팅 중합한 것.
이하에서는 본 발명에 따른 액상 LED 조명장치의 구조에 대해 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 LED 조명장치는 액상 방열액을 사용하는데 있어서 발생할 수 있는 누수 또는 보관상의 단점을 보완하고, 대류열전달효과를 발생시키는 액상형태의 장점을 최대한 살려서 방열효과를 높이거나, 현장 목적에 맞게 저중량으로 설계하거나, 해안이나 선박 등 부식성이 높은 환경에 사용되어지는 경우 내염성, 내화학성, 내약품성 및 안정성 등을 고려하여 설계함으로써, 경제성까지 확보할 수 있는 장점이 있다.
도 6은 본 발명에 따른 액상 LED 조명장치의 외부용기의 형태 및 외부용기 내에서의 발광소자의 위치를 나타내는 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 액상 LED 조명장치는 직관형태, 백열등 형태 및 형광등 형태로 제작될 수 있다. 또한 대부분의 발광소자의 광원은 외부용기를 4등분 한 상태에서 1/4지점에 위치하고 방열액은 4/4 지점까지 채워지게 된다.
먼저 LED 조명장치의 용량이 4와트 내지 50와트 이하의 용량에 사용되는 기본구조를 설명하기로 한다.
기존의 금속 고체 방열판이 부착된 조명장치와 비슷한 장치의 크기로 사용되어지는 구조 이며, 또는 할로겐, 백열등과 비교하여도 큰 차이 없는 장치의 크기로 제작 될 수 있다. 해당 용량 이하에서는 광원으로부터 발생 되어지는 양보다 상용화된 장치규모에서 열방출량(열전달총량)이 여유 있게 높게 설계될 수 있어서, 장치 내부의 정상상태의 온도인 임계온도를 지속적으로 유지할 수 있다.
그러므로 방열액 및 외부용기의 소재는 위에서 설명한 소재를 사용하며, 구조 또한 도 6과 같은 기본구조로 제작 가능하다. 이것은 액상 방열액을 사용한 장치가 효율성 면에서 작은 장치로도 큰 방열효과를 얻을 수 있고 기존의 금속계열의 방열판과는 달리 기존의 전기계통의 구조물에 훨씬 더 쉽게 적용될 수 있기 때문이다. 그러므로 기존 건축물 혹은 조명인프라에 기존의 전원 연결부 장치의 인프라를 시설변경 없이 그대로 적용하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 액상 LED 조명장치는 형광등의 형태로도 제작 가능하다. 형광등의 형태로 제작하는 경우에는 장치 설계 시의 열방출 규모와 적정 용량을 산출하기 위하여 총괄 열전달속도를 구한 후, 상업적 크기와 경제성 및 용량을 고려하여 제작할 수 있다.
상업화하여야 하는 설계 방열량은 다음과 같은 이유에서 실질적으로 장치에서 발생하는 방열량의 2배를 유지하는 것이 좋다.
1) LED광원으로부터의 효율은 대부분이 제조회사가 평균적으로 계산하는 효율이며, 동일 제품 내에서도 효율의 편차가 심하며 적용되어지는 환경도 천차만별이므로 현재 수준에서 일반적으로 알려진 15~25%의 효율 중, 최악의 조건인 15%를 기준으로 하여, 설계하는 것이 좋다.
2) LED 조명장치의 설치환경에 따라, 먼지입자의 흡착 등이 발생하여 계면에서의 열전달 흐름을 방해 할 수 있는 작업 환경이 발생하게 되므로, 오랜 품질을 유지하기 위하여서는 5%의 품질 상향 기준을 설계에 반영하는 것이 좋다.
3) LED 조명장치의 방열기준은 대부분의 공인기관에서 권장하는 사항이며, 각 국가별로 규제 법규가 다르고, 기준이 모호한 것도 많다, 그러므로 현재 가장 많은 장치의 방열 조건에 대해 60℃ 이하를 기준으로 하였지만, 특수한 환경조건에서는 다를 수도 있으므로 여유 있게 방열규모를 설계하는 것이 좋다.
4) 본 발명에서 제시 된, 메카니즘에 따른 열방출규모 책정은 열전달메카니즘의 복잡성으로 발생하는 소소한 요인(장치자체/내부의 온도변화와 환경에 따른 온도변화로 인한 점도와 전도도등의 계수 변화. 대기의 공기분포도 등) 들을 모두 고려하고 설계에 반영하는 것은 불가능하므로 일반적인 공학적 기준의 이상적인 환경을 기준으로 값을 산출한 것이다. 그러므로 상업화 설계 시에는 이를 반영하는 것도 필요하다.
5) 장치 내에 방열액은 "열에 의한 방열액의 부피 팽창 (온도에 따른 용적(=비중 중량/체적) 변화)"를 고려하여, -40℃~50℃~100℃~200℃에서 각 0.941~1.023~1.070~1.176 으로 매우 낮은 수치이다. 그럼에도 불구하고, 본 액상형 조명장치는 닫혀진 계 이므로 팽창을 고려하여, 전체 장치내의 용적 대비 3%의 여유를 두어야 하며, 이는 전체 방열효과의 3%의 감소 비율을 가져온다. 그러므로, 24W 용량의 형광등 형태의 액상형 LED 조명장치는 이상적인 비효율을 산정하였을 경우 20.4 W의 열량을 시간당으로 생산한다. 이를 실제 설계에 반영할 때는, 그 2배인 장치 전체의 총괄 열전달 속도가 40.8 W인 열전달 속도를 가진 장치로 설계해야 한다.
이어서 LED 조명장치의 용량이 20와트 내지 100와트의 범위이거나, 외부환경이나 다른 목적에 따라 훨씬 높은 방열효과가 요구되는 상황에 사용되는 보완구조의 실시예를 설명하기로 한다.
LED 조명장치의 용량이 커질수록 방열규모에 따라 사이즈를 크게 하기도 하지만, 사이즈의 증가를 보완하거나, 열방출이 높은 방향으로 구조를 설계한다. 따라서 본 발명에서는 상기 설명한 방열액 및 외부용기의 소재를 그대로 사용하면서 디자인과 구조에 있어서는 리브(갈빗살)의 형태를 추가하는 것도 가능하다.
선택된 소재로 리브를 제작하는 것은 대량생산 공정에서 어렵지 않으므로, 큰 원가 상승 없이 경제적으로 제조 할 수 있다. 리브의 방향은 장치의 가로방향 혹은 세로 방향으로 하더라도 사출 혹은 압출공정에 별다른 어려움이 없다. 사출 시에 슬라이드를 사용하거나 압출 시에 금형구조 만으로 리브를 외부 또는 내부의 양쪽에 만드는 것도 가능하다.
왜냐하면, LED광원이 투입되는 전원부는 향후 열수축성형 및 열융착에 의한 방법과 금속유기접착 접착수지를 사용하여 결합하기 때문이다. 즉 장치 성형 후에 진행이 가능한 공정이므로 압출은 물론이고 사출 시에도 슬라이드 사용이 가능하다.
도 6에서 대부분의 광원은 ㅌ 지점에 위치하므로, 리브의 길이는 2/4 ~4/4 지점까지 선택할 수 있으며, 광원과 반사경 혹은 반사판에 의하여 그림자가 지지 않도록 고려하여 디자인 한다. 또한 리브의 폭과 두께, 그에 따른 리브의 갯수는 열전달속도와 열전달총량을 계산한 후에 알맞은 형태를 설계하여 결정할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 액상 LED 조명장치의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 액상 LED 조명장치의 다른 실시예는 기본형 구조에 리브가 확장된 것임을 알 수 있다.
이어서 LED 조명장치의 용량이 50와트 내지 300와트의 범위이거나, 해당 범위에서 훨씬 더 높은 방열효과가 요구되는 상황에 사용되는 대용량구조의 또 다른 실시예를 설명하기로 한다.
LED 조명장치의 용량이 커질수록 방열규모와 장치의 사이즈는 그에따라 계속 증가할 수밖에 없다. 이를 추가적으로 보완하기 위하여, 총괄 열전도도를 구한 후, 원하고자 하는 추가 방열 효과를 높이기 위하여 리브를 보완하되 도 8과 같이 상하를 분리하여 제작한다.
도 8은 본 발명에 따른 액상 LED 조명장치의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
이때, 분리된 윗부분인 장치는 불투명소재이어도 상관이 없다. 왜냐하면 LED의 광원은 1/4 지점에 위치하고 있고, 또한 아래 부분은 기존의 소재를 그대로 사용하고, 리브구조의 디자인은 기본적으로 같은 비율 혹은 총괄열전도율을 계산하여 원하고자하는 형태로 설계하여도 된다.
장치 윗부분의 소재는 열전도도가 높은 소재, 내열성이 높은 소재, 수치안정성이 있을 것, 전기절연성이 있을 것, 내화학성과 내약품성이 있을 것, 충격강도 (Izod impact) 와 인장강도 (Tensile strength)가 높은 것, 컴파운딩된 복합소재의 경우 Rubber계열의 소재를 함유하지 않은 것, 사출성형이 가능한 것, 50와트 이상은 장치가 크므로 소재의 Melt Flow Index 지수가 5 이상일 것, 전기제품이므로 시장상황에 따라 난연(Flame retardant) 기준이 UL-94 기준으로 V1 내지 5V 까지 제조 적용이 가능한 것, 가스차단성(Gas barrier)이 우수한 것, 열수축 성형이 가능하거나 열융착, 혹은 접착수지의 적용이 가능한 것이어야 한다.
이어서 기본구조에서 임의적으로 방열효과를 높이기 위한 부가 장치를 부속시킨 또 다른 실시예에 대해 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 액상 LED 조명장치에서 LED 사용 용량이 50와트 미만인 모든 장치를 맞춤형으로 제작하여 상품화 하기는 매우 곤란하다.
또한 LED 조명장치의 전압사용에 따른 종류의 다양성 요구와 함께 조명장치가 사용되는 다양한 환경에서의 필요에 대응하여 방열효과를 탄력적으로 조절하기 위하여 일종의 아답터(Adaptor) 개념으로 부가 부속장치를 개발하였다.
이러한 개념은 고용량 LED 조명장치로부터 저용량 LED 조명장치까지 다양하게 응용가능하다.
도 9는 본 발명에 따른 액상 LED 조명장치의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 9(a)는 아답터 (adaptor)를 열전도성 고분자로 제작한 것을 나타내는 도면이고, 도 9(b)는 아답터 (adaptor)를 금속재질의 스트립을 이용하여 간단히 형성한 구조를 나타내는 도면이다.
본 발명에 따른 방열액을 사용하는 액상형 LED 조명장치라 하더라도 외부용기의 외부에 리브를 아답터 형태로 부착함으로써 훨씬 더 높은 효율을 얻을 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 액상 LED 조명장치의 연결부 또는 접속부의 접합을 설명하기 위한 도면이다.
액상형 LED 조명장치를 개발하는데 있어서 기존의 금속재질의 방열판 구조보다 훨씬 더 신경을 써야 하는 부분은 연결부위의 연결 및 접합에 있어서 발생할 수 있는 누수에 대한 것과 접합부분의 열전도성 접합재료 (Conductivity bonding materials)에 대한 것이며, 이는 제품의 신뢰성과 내구성에 대한 것으로 직결된다.
도 10을 참고하여 본 발명에 따른 액상 형태의 LED 조명장치의 방열액이 담긴 용기와 전기접속부의 연결부위의 연결방법을 설명하기로 한다.
먼저 도 10의 ①과 ②와 같이 고온 열수축 성형 후 및 고온 열융착 및 압착을 한다. ①과 ②의 단일공정으로 끝낼 수도 있지만, ③, ④, ⑤, ⑥ 방식과 같이 내구성과 안전성 및 신뢰성을 고려하여 복합 방식으로 제조 할 수 있다.
또한 내부는 도 10의 ③과 같이 실리콘계 탄성팩킹링을 이용하여 외부용기와 접속캡을 기밀(sealing)시키며, 이때 패킹(packing)은 열융착 시 변성을 방지하기 위하여 접속캡과는 가급적 떨어져 있고 외부용기 쪽에 위치한다.
패킹링의 재질은 실리콘계 탄성체 (elastomer) 또는 우레탄계 (Polyurethane,) 에폭시계(Epoxy resin) 또는 천연고무, 합성부타디엔(Synthetic butadiene rubber or Nitrile butadiene)계의 가황고무 등을 사용하며 가급적 전기절연성이 좋은 것을 사용한다.
재질을 선택하는데 있어서는 가소제가 들어 있는 고무탄성체 또는 내열도가 낮은 것은 가급적 사용을 피하는 것이 좋지만 열전도성이 좋을 필요는 없다.
접착제의 재질은 실리콘 (Silicone type), 에폭시 (Epoxy type), 시안화아크릴 (α-Cyanoacrylate type), 아크릴수지(Acrylicanaerobic or emulsion 혐기성 또는 이멀젼), 우레탄(Polyurethane resin), 에테르 셀룰로오스(Ethercellulose), 이소시아네이트(Water based polymer-isocyanate), 페놀수지 (phenolic resin), 나이론 (Polyamide), 이미드(Polyimide), 스티렌 (Polystyrene solvent type), 폴리벤즈이미다졸 (Polybenzimidazole) 또는 폴리메타메틸아크릴(Polymethylmethacrylate)를 사용한다. 특성은 고온에서 변질되지 않아야 하지만 열전도성일 필요는 없다.
도 10의 ④의 배선통과 튜브와 ⑤의 배선 실링은 발광다이오드소자부와 연결되는 배선이 통과하는 곳으로 배선이 통과하는 부분을 상기한 소재의 접착제를 바르고, 다시 배선 실링 역시 상기한 팩킹링과 같은 작은 팩킹링을 추가한다.
도 10의 ⑥은 외부용기와의 접속부분에 조립할 때에 상기 접착제를 사용하는 것을 나타낸다.
한편, 분리형 용기와 분리형 아답터의 연결방법을 설명하기로 한다.
분리형 용기는 나사산의 형태로 결합되며, 팩킹링을 사용하여 실링을 하며, 재질은 상기한 바와 같다. 그러나 실링 팩킹링을 리브가 성형된 상체 안으로 넣는 구조로 만들고, 실링 팩킹링 부분에는 고주파로 열융착을 추가로 하는 방법도 가능하다. 이때도 결합에 사용되는 부품들이 열전도성일 필요는 없다.
분리형 아답터를 장치용기에 결합할 때는 외부용기의 외부에 부착되므로 열전도성 접착제를 사용하는 것이 중요하며 접착제가 칠해진 두께 역시 매우 중요하다.
본 발명에 따른 액상 LED 조명장치의 경우 접착제의 두께가 박막이고 (thickness 20㎛이하), 방열액의 우수한 열전달 성능으로 인해 20W/mK만 되어도 전체 열전달용량을 유지할 수 있다. 따라서 열전도도가 높은 전도성 본드(Conductivity bondage)가 요구된다.
도 11은 본 발명에 따른 LED 조명장치에 사용되는 접착제의 성질을 나타내는 도면이다.
도 11의 ①②에서 보는 바와 같이, 고분자 접착제는 상당히 많은 공간(crevice)을 가지게 된다. 이러한 공간은 열전달 흐름을 방해하므로, 열전도성 첨가제를 하나 또는 둘 이상을 상기 접착제와 혼합하여 제조하되, 혼합공정은 도 11의 ③④의 공정을 거쳐 도 11의 ⑤의 고분자 모폴러지 (morphology)가 형성되도록 해야 한다.
열전도성 첨가제로는 Non halogen 난연조제(인계, 수산화마그네슘,징크보레이트, 수산화알루미늄)10~40중량%, 유리섬유 10~30중량%, 안티몬(Sb2O3) 5~10중량%, 탄소나노튜브(CNT) 0.0001~0.01중량%, 실리카 파우더(3micron 이하) 0.5~5중량%, Carbon 파우더(2,000 mesh 이상) 1~5중량%, 이오노머(Ionomer-탄소계 계면활성제) 1~15중량%, 산화마그네슘(MgO) 0.1~0.005 중량%, 탄산칼슘(CaCO3), Talc,White carbon 중에서 하나 또는 두 가지 이상을 포함하여 그라프팅 중합한 것을 사용한다.
분리형 아답터의 재질이 금속 스트립(strip)인 경우에는 상기 접착제를 사용하여도 되지만 적용하고자 하는 사용 목적에 따라 일반적인 금속체결 방식을 사용할 수도 있다
본 발명에 따른 액상 LED 조명장치의 액상투입구의 누수 방지를 위한 기밀구조는 상기한 방식으로 진행하면 된다. 그러나 형광등 형태의 구조인 경우에는 기본적인 사용 재료는 같으나 구조는 도 12와 같이 설계한다.
도 12는 형광등형 LED 조명장치의 누수방지 구조를 설명하기 위한 도면으로 도 12의 (a)는 열수축 융착을 하지 않는 경우의 누수방지 공정을 나타내는 도면이고 도 12의 (b)는 열수축 융착을 하는 경우의 누수방지 공정을 나타내는 도면이다.
도 12의 (a)의 ①은 외부용기를 표시한다. 내부마개용 패킹링 ②를 제작하여 ③의 위치에 넣고 접착제를 사용하여 접합한다. ④는 소켓을 통해 발광다이오드 소자로 전원을 공급하기 위한 배선이 지나가는 통로이며 ⑤는 외부마개용 팩킹링으로 내부마개용 패킹링 ②와 소재가 같으며, 역시 동일한 접착제를 사용하여 접합한다. ⑥ 역시 동일한 접착제를 사용하여 접착한다.
도 12의 (b)는 열수축 융착을 하는 경우의 누수방지 공정을 나타내는 것으로 ⑤'와 같이 팩킹링의 디자인 구조만 바뀌며, ⑥의 접합방식 및 그 외의 과정은 도 12의 (a)에서의 방식과 동일하다.
한편, 액상의 방열액을 담는 외부용기가 유리재질과 투명 폴리머의 다중복합구조일 경우 두 재질의 밀착과 접합은 다음과 같이 수행한다.
형광등 형태의 구조를 갖는 LED 조명장치와 같이 길이가 길고 천장에 매달려 있으며 지속적으로 열을 받을 경우, 열수축에 의한 휨성이 발생할 수 있다. 이와 같이 수축에 대한 휨성 방지와 강한 내충격성이 필요한 경우에는 방열액을 담는 외부용기를 도 13과 같은 다층 복합 구조로 제조한다.
이중 유리와 다층결합을 이루는 폴리머층은 상술한 투명소재를 사용한다. 이러한 다층 복합구조는 외부는 유리(a)로 하고, 내부는 폴리머(b)로 한 형태로도 응용될 수 있으며, 안과 밖의 구조가 모두 폴리머이며 안쪽이 유리인 3중 구조로도 가능하다.
도 13과 같이 제조 시 거의 유격이 없으므로, 그대로 삽입하여 사용하거나, 혹은 삽입 시에 상기한 접착제와 열전도성 첨가제를 이용하여 결합시킬 수도 있다.
LED 조명장치에서 광원의 휘선을 은폐하거나 높고 균일한 휘도를 얻기 위하여 광원으로부터 나온 빛을 확산시킨 것을 사용하기도 하는데 이러한 장치는 액상 방열장치에서도 가능하며 매우 효과적이다.
광확산을 적용하는 형태에 따라 소재 및 구조로 나누어 설명한다.
먼저, 생산 공정이 간단하고, 소재가 경제성이 있는 것을 설계할 때는 방열액을 담는 외부용기를 유리로만 제작하며 외부용기의 내부 또는 외부의 벽에 광확산제가 함유된 코팅제를 사용한다.
즉, 탄산칼슘(CaCO3) 또는 Si-O, Si mineral, Calcium phosporate, MgFr를 포함한 금속염계열, 진주가루(2000 mesh 이상), 활석(Talc, 5000 mesh 이상) 중에서 하나 또는 둘 이상을 선택하여 사용하며, 코팅의 베이스(base) 액으로는 실리콘 베이스(Silicone base) 또는 아크릴레이트 베이스(Acrylate base, 혐기성 또는 emulsion), 비닐아세테이트 공중합체(Vinylacetate co-polymer), 에폭시 에멀젼(Epoxy emulsion), 메타크릴레이트(Metacrylate), 우레탄(Urethane), 폴리이미드(Polyamide), 멜라민(Melamine), 폴리메틸 아크릴레이트 공중합체(Polymethyl acrylate co-polymer) 중 하나 또는 둘 이상을 선택하여 공중합체(copolymer)의 형태로 사용하며 제품 성형 시에는 반드시 건조하여 사용해야 한다.
한편, 빛의 간섭을 이용한 것을 액상형에 그대로 적용하여 설계하는 경우에는 내부 또는 외부가 표면처리 된 것을 사용한다.
액상형을 사용하면, 표면 처리된 계면과 직접적으로 접촉을 이루어 굴절율의 왜곡 또는 변화 없이 빛의 산란을 유도하거나 휘도 은폐가 가능하다. 설계 시에는 오로지 장치의 표면 처리된 두께, 장치의 두께, 엠보싱이나 격자 또는 에칭과 같은 표면처리의 형태만을 고려하여 확산량을 제어할 수 있다.
한편, 사용 목적에 따라 시중의 확산 테이프를 붙여서 사용하는 것도 가능하다.
이어서, 방열액을 담는 외부용기를 투명한 폴리머 소재로 제작하는 경우에 대해 설명한다.
이 경우에는 첨가제로 탄산칼슘(CaCO3), Si-O 분말(Fumed fine powder), Si 함유 미네랄 파우더(mineral powder, Si 함량 20중량%이상), 칼슘 포스페이트(Calcium phosporate), MgFr를 포함한 금속염 계열, 진주가루(2000 mesh 이상), 활석(Talc, 5000 mesh 이상), 에폭시 에멀젼 파우더(Epoxy emulsion powder), 멜라민 파우더(Melamine powder), 폴리메틸메타아크릴레이트 파우더(Polymethylmetacrylate powder), San 아크릴로니트릴 스티렌(Acrylonitrile styrene), 우레탄(Urethane), 폴리스티렌(Polystyrene)을 하나 또는 둘 이상을 선택하여 본 발명에 따른 액상 LED 조명장치의 외부용기의 소재 80~99중량%의 함량과 그라프팅 중합(Grafting polymerization)의 방법으로 고분자 폴리머에 안착 시킨다.
상분리가 일어나지 않도록 반드시 균일(homogeneous)하게 리시피를 제어하고 중합 온도를 조절하며, 잔류모노머(residue monomer)를 진공으로 제거하여야 한다. 만일 잔류모노머를 제거하지 않게 되면 반응하지 않은 모노머가 통제하기 어려운 헤이즈(haze) 또는 가로막힘 현상을 유발하여 광확산 및 산란 효율이 매우 떨어지고, 광차단으로 인한 복사열이 대량으로 발생하게 된다.
한편, 장치의 내부 또는 외부에 코팅으로 광확산을 하는 경우에는 본 발명에 따른 소재가 극성기를 함유하고 있으므로 유리재질을 사용했을 경우보다 코팅효과가 매우 높고 코팅제의 제조가 쉽다.
이 경우에는 첨가제로 탄산칼슘(CaCO3), Si-O 분말(Fumed fine powder), Si 함유 미네랄 파우더(mineral powder, Si 함량 20%이상), 칼슘 포스페이트(Calcium phosporate), MgFr를 포함한 금속염 계열, 진주가루 (2000 mesh 이상), 활석(Talc, 5000 mesh 이상), 에폭시 에멀젼 파우더(Epoxy emulsion powder), 멜라민 파우더(Melamine powder), 폴리메틸메타아크릴레이트 파우더(Polymethylmetacrylate powder), San 아크릴로니트릴 스티렌(Acrylonitrile styrene), 우레탄(Urethane), 폴리스티렌(Polystyrene)을 하나 또는 둘 이상을 선택하여 사용한다.
한편 코팅의 베이스(base) 액으로는 실리콘 베이스(Silicone base) 또는 아크릴레이트 베이스(Acrylate base, 혐기성 또는 emulsion), 알파 올레핀(α-olefine), 비닐아세테이트 공중합체(Vinylacetate co-polymer), 에폭시 에멀젼(Epoxy emulsion), 알파 시아노아크릴레이트(α-Cyanoacrylate), 폴리머 이소시아네이트(Water based polymer-isocyanate), 니트로셀룰로오스(Nitrocellulose), 폴리아미드(Polyamide), 폴리비닐아세테이트 솔벤트(Polyvinylacetate solvent), 폴리비닐부티랄(Polyvinylbutyral), 폴리벤즈이미아졸(Polybenzimiazole), 요소수지(Urea resin), Resorcinol resin, 메타크릴레이트(Metacrylate), 폴리우레탄 솔벤트(Poly Urethane solvent), 에테르셀룰로오스(Ethercellulose), 멜라민(Melamine), 폴리메틸 아크릴레이트 공중합체(Polymethyl acrylate co-polymer) 중 하나 또는 둘 이상을 선택하여 copolymer 형태로 사용하며, 제품 성형시 반드시 건조하여 사용한다.
장치의 내부 또는 외부를 표면처리 하여 사용할 수 있으며 간편한 방법으로 시중에서 광확산 tape를 구매하여 붙여서 제작할 수도 있다.
마지막으로, 아답터형과 같이 분리형으로 되어 있거나 형광등 형태에서 용도에 따라 액상을 담는 외부용기를 이중으로 설계할 때와 같이 유리와 폴리머를 한 장치에 모두 사용하거나 필요에 따라 이중벽 복합구조로 설계하는 경우에는 액상을 담는 외부용기를 유리로만 제작하는 경우의 공정방식 및 소재와 투명한 폴리머 소재를 사용하는 경우의 공정방식 및 소재를 혼용하여 사용한다.
도 14는 본 발명에 따른 액상 LED 조명장치의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 14에 도시된 바와 같이 집어등과 같이 해안이나 선박 등에서 사용하는 액상형 LED 조명장치에 있어서 누수와 기밀에 대한 구조와 장치의 소재에 대한 것은 이미 설명한 바와 동일하다. 그러나 장치 외부에 내화학성, 내약품성, 내염해성을 소재를 추가로 설계 시에 고려해야 한다. 또한 염해에 견디기 위해서는 내약품성 수지를 사용한다.
도 14의 ①의 부분 또는 ②와 같이 전체를 도포한다. 도포 시 사용 되는 수지는 다음과 같다.
a) 폴리에틸렌(MDPE, LDPE, HDPE, LLDPE)의 재질 중, Melt flow index가 5 미만 (at 190℃, 2.16kg)인 것을 하나 또는 둘 이상을 선택하여, 100 micron 이하의 사이즈로 분쇄하여 코팅한다. 일반적으로 이종고분자는 코팅이 어려우므로 금속유기이온 결합수지와 컴파운딩하여 사용한다.
b) 테프론 파우더(PFTE- Polytetrafluoroethylene) 5~99%와 나이론 6(Polyamide 6)를 1~95%의 중량 비로 그라프팅 중합하여(Grafing polymerization) 금속유기이온 결합수지와 5~30 중량% 분량을 첨가하여, 제조한다. 소재의 가격이 높은 편이지만, 본 발명에 따른 장치 내에서는 박막의 형태로 극소량만을 사용하므로, 큰 원가상승은 없는 편이다.
c) Si-O 기를 가지고 있는 실리콘화합물은 도포한 후, 고온에서 어닐링(annualizing) 후 사용한다.
도 14의 ③ 부분의 전원 연결부와 전선피복은 모두 a)와 b)의 재질을 사용하되, 파우더를 제조할 필요 없이, 압출 하거나 수지 용융의 형태로 직접 사용하여도 되고, 상기한 a)와 b)의 재질을 사용하고 접합부분을 올레핀계열 핫멜트 접착제 (α-olefine hot melt adhesive)를 사용하여 보강한다.
집어등에 사용되는 전선 또는 전선 피복의 재질은 환경에 따라 부드러운 재질을 사용할 필요가 있다. 이러한 경우 전선 또는 피복의 유연성을 부여하기 위하여, 멜라민 파우더(melamine powder), Ingage rubber, SBS rubber, 알칸 화이트 오일 중 하나 또는 둘 이상을 선택하여 a)의 재료와 그라프팅 중합 (Grafting polymerization)하여 사용할 수 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (19)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 엘이디 조명장치에 있어서,
    외부 전원에 전기적으로 접속되는 소켓;
    상기 소켓에 연결되며 밀폐구조를 갖는 하우징;
    상기 하우징의 내부에 설치되는 발광다이오드 소자;
    상기 소켓에 연결되며 상기 발광다이오드 소자에 전원을 공급하는 전원공급부; 및
    상기 하우징의 내부에 채워지며 상기 발광다이오드 소자에서 발생되는 열을 방열시키는 방열액;을 구비하되,
    상기 하우징은
    상기 방열액이 채워지는 외부용기;
    상기 외부용기를 밀폐시키는 내부마개; 및
    상기 내부마개의 외부에서 추가적으로 상기 외부용기를 밀폐시키는 외부마개를 포함하는 것을 특징으로 하는 액상 엘이디 조명장치.
  7. 삭제
  8. 제 6항에 있어서, 상기 하우징은
    상기 방열액이 팽창하는 경우 상기 내부마개의 압력 수축률에 따라 열 팽창압을 조절하며, 상기 외부마개를 이용하여 상기 방열액의 누수를 방지하는 것을 특징으로 하는 액상 엘이디 조명장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 하우징은
    상기 내부마개와 상기 외부마개의 사이에는 상기 방열액이 팽창하는 경우에 대비한 공간이 형성된 것을 특징으로 하는 액상 엘이디 조명장치.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 발광다이오드 소자에서 발생되는 열을 방열시키는 내부 방열판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액상 엘이디 조명장치.
  11. 제 6항에 있어서,
    상기 하우징의 외부에 형성되며, 상기 방열액의 열을 외부로 방출시키는 리브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액상 엘이디 조명장치.
  12. 제 6항에 있어서, 상기 외부용기는
    폴리카보네이트, 폴리 메틸-메타-아크릴레이트, 아크릴로 스티렌, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 중에서 선택되는 적어도 하나의 소재로 이루어진 베이스소재로 제조된 것을 특징으로 하는 액상 엘이디 조명장치.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 외부용기는
    상기 베이스소재에 포타슘계-GLC, 실리카, 유리분말, 탄소나노튜브, 산화마그네슘(MgO), 탄산칼슘(CaCO3), 칼슘 포스페이트, 멜라민 분말 중에서 선택되는 적어도 하나의 소재로 이루어진 첨가제를 그래프팅 중합시켜 제조된 것을 특징으로 하는 액상 엘이디 조명장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 베이스소재에 대한 상기 첨가제의 비율은 1 내지 10 중량%인 것을 특징으로 하는 액상 엘이디 조명장치.
  15. 제 6항에 있어서, 상기 외부용기는
    폴리부틸렌 테레프탈레이트(Polybutylene Terephthalate), 폴리카보네이트, 폴리카보네이트와 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌의 공중합체, 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(Modified PolyPhenylene Oxide), 개질된 폴리페닐렌 에테르(Modified PolyPhenylene ether), 폴리 페닐렌 설파이드(Poly Phenylene Sulfide, PPS) 중에서 선택되는 적어도 하나의 소재로 이루어진 베이스소재로 제조된 것을 특징으로 하는 액상 엘이디 조명장치.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 외부용기는
    상기 베이스소재에 Non halogen 난연조제 10~40중량%, 유리섬유 10~30중량%, 안티몬(Sb2O3) 5~10중량%, 탄소나노튜브(CNT) 0.0001~0.01중량%, 3마이크로 미만의 실리카 파우더 0.5~5중량%, 2,000 mesh 이상의 탄소 파우더 1~5중량%, 탄소계 계면활성제인 이오노머 1~15중량%, 멜라민 포스포레이트 1~10중량%, 산화마그네슘(MgO) 0.1~0.005중량%, 탄산칼슘(CaCO3), 활석(Talc), 화이트카본(White carbon) 중에서 선택되는 적어도 하나의 소재로 이루어진 첨가제를 그래프팅 중합시켜 제조된 것을 특징으로 하는 액상 엘이디 조명장치.
  17. 제 6항에 있어서, 상기 액상 엘이디 조명장치는
    직관 형태, 백열등 형태 및 형광등 형태로 제작 가능한 것을 특징으로 하는 액상 엘이디 조명장치.
  18. 제 6항에 있어서, 상기 내부마개는
    실리콘계 탄성체, 폴리우레탄, 에폭시수지, 천연고무, 스티렌-부타디엔 러버(SBR) 또는 니트릴-부타디엔 러버(NBR)를 사용하여 제조된 것을 특징으로 하는 액상 엘이디 조명장치.
  19. 제 6항에 있어서,
    상기 외부마개와 상기 외부용기가 연결되는 부위에는 접착제를 추가로 사용하며, 상기 접착제는
    실리콘, 에폭시, 시안화아크릴, 아크릴수지, 폴리우레탄수지, 에테르 셀룰로오스, 이소시아네이트, 페놀수지, 나이론, 이미드, 스티렌, 폴리벤드이미다졸 또는 폴리메타메틸아크릴 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 액상 엘이디 조명장치.
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