KR101783392B1 - 탄소나노튜브 방열소재 제조 방법과 이를 구비한 조명장치용 방열프레임 - Google Patents

탄소나노튜브 방열소재 제조 방법과 이를 구비한 조명장치용 방열프레임 Download PDF

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Abstract

본 발명은 방열몸체 및 방열 어셈블리들의 재질을 종래의 알루미늄이 아닌 탄소나노튜브 방열소재로 대체함으로써 열전도율, 열방출속도 및 열방출율을 현저히 높일 수 있고, 방열 어셈블리들이 방열몸체의 외측면에 슬라이딩 방식으로 부착되도록 구성됨으로써 장비점검 및 교체가 용이하게 이루어질 수 있으며, LED 기판에 대접되는 방열 어셈블리의 대접판들이 만곡부에 의해 서로 이격되게 형성됨으로써 열 교환이 더욱 활발하게 이루어지도록 하여 방열효율을 더욱 높일 수 있으며, 탄소나노튜브 방열소재 제조 시 1차 볼밀링 단계 및 2차 볼밀링 단계를 통해 열전도율이 높은 탄소복합소재 및 금속분말을 미세 입자로 파쇄 및 혼합시킴과 동시에 분산단계를 통해 탄소복합소재의 분산성을 확보하도록 함으로써 종래의 알루미늄에 비교하여 열전도율이 우수함과 동시에 부피 및 체적을 절감하여 경량화 제작을 유도할 수 있으며, 생산 원가를 절감시킬 수 있는 탄소나노튜브 방열소재 제조 방법과 이를 구비한 조명장치용 방열프레임에 관한 것이다.

Description

탄소나노튜브 방열소재 제조 방법과 이를 구비한 조명장치용 방열프레임{manufacturing method of carbon nanotube composite for heat dissipation and heat dissipation for lighting apparatus therewith}
본 발명은 탄소나노튜브 방열소재 제조 방법과 이를 구비한 조명장치용 방열프레임에 관한 것으로서, 상세하게로는 탄소나노튜브 방열소재를 이용하여 제작됨으로써 종래의 알루미늄과 비교하여 방열효율을 높임과 동시에 생산원가를 절감시키며, 간단한 구조 변경을 통해 조립 및 분해가 용이하게 이루어져 장비점검 및 교체가 간단하게 이루어질 뿐만 아니라 방열이 더욱 효율적으로 이루어지도록 하는 탄소나노튜브 방열소재 제조 방법과 이를 구비한 조명장치용 방열프레임에 관한 것이다.
조명장치는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 특정영역으로 광원을 제공하는 장치로서, 최근 들어 조명산업 및 인프라가 발달함에 따라 전체 전기사용량의 대략 20%가 조명을 위한 목적으로 사용될 정도로 다양한 장소, 목적 및 분야 등에 사용되고 있다.
특히 LED 조명장치는 소비전력이 낮아 에너지 자원을 절감시킬 수 있으며, 수은, 온실가스(CO2) 등과 같은 폐기물 배출이 적은 친환경 소재이며, 다양한 조명연출이 가능하고, 수명이 길어 운영비용을 절감시킬 수 있는 장점으로 인해 차세대 조명으로 각광받고 있다.
그러나 LED 조명장치는 작은 소자에서 고휘도의 빛이 출사되기 때문에 소자에서 국부적인 열이 발생하며, 특히 최근 들어 제품의 소형화 및 집적화가 요구됨에 따라 LED 칩이 밀집되게 설치되는 경우 LED 발광 시 발생되는 열에 의하여 회로가 정상적으로 동작되지 않거나, LED 수명이 단축되는 등의 문제점이 발생하게 된다.
즉 LED 조명장치는 LED 발광 시 발생되는 열을 적절하게 방열시키지 못할 경우, 본래의 성능 및 수명에 심대한 영향이 발생하기 때문에 방열효율을 극대화시키기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.
이에 따라 본 발명의 출원인은 국내등록특허 제10-1147962호(발명의 명칭 : LED 등기구), 국내등록특허 제10-1239123호(발명의 명칭 : LED 등기구), 국내등록특허 제10-1256865호(발명의 명칭 : 조명용 엘이디 램프), 국내등록특허 제10-1200309호(발명의 명칭 : LED 증기구)를 통해 방열 효율을 높일 수 있는 방열프레임을 연구하여 특허 등록받았고, 이들 중 하나를 예를 들어 설명하기로 한다.
도 1은 국내등록특허 제10-1200309호(발명의 명칭 : LED 등기구)에 개시된 방열 프레임을 나타내는 사시도이다.
도 1의 방열 프레임(이하 종래기술이라고 함)(100)은 상하 길이방향을 갖는 사각 기둥형상으로 형성되며, 사각 기둥의 각면에 형성되는 기판 접촉면(137), (137'), (137''), (137''')들과, 기판 접촉면(137), (137'), (137''), (137''')들의 연접부에 형성되는 통풍부(145), (145'), (145''), (145''')들로 이루어진다.
또한 종래기술(100)은 길이 방향으로 내부에 공기가 통과되는 통로인 통공(133)이 형성되고, 통공(133)은 상하부가 개구되어 외부의 차가운 공기가 하부 개구부를 통해 유입되되 내부에서 열 교환된 더운 공기들은 상부 개구부를 통해 외부로 배출된다.
또한 종래기술(100)의 내면에는 내면으로부터 내측으로 돌출되는 방열날개(134)들이 길이 방향으로 연결되게 형성되고, 방열날개(134)는 LED 모듈(미도시)에 의해 발생된 열이 외부로부터 유입된 차가운 공기에 접촉되는 방열면적을 증가시킨다.
이와 같이 구성되는 종래기술(100)은 다양한 각도를 갖는 각면에 형성된 기판 접촉면에 LED 모듈이 설치됨으로써 빛의 균제도가 개선되며, 확산 커버의 외측으로 방열 프레임의 통풍부가 돌출되도록 함으로써 통풍부가 공기에 노출되도록 함으로써 열 교환이 활발하게 이루어지도록 하여 방열효율을 극대화시킬 수 있다.
다시 말하면, LED 등기구에 적용되는 방열 프레임의 방열효율을 높이기 위한 방법은 1)도 1에서 전술하였던 바와 같이 프레임의 구조 및 형상의 변형을 이용한 것과, 2)프레임을 형성하는 조성물 자체의 열전도성을 높이는 것으로 이루어질 수 있으나, 종래기술(100)은 단순히 알루미늄 재질로 제조되는 프레임의 구조 및 형상을 변형시킨 것이기 때문에 방열효율의 증가율에 한계를 갖게 된다.
또한 종래기술(100)은 알루미늄이 높은 비중을 갖는 특성으로 인해 소망의 방열효과를 갖기 위해서는 제품의 무게 및 체적이 과도하게 증가하고, 이에 따라 최근 추세인 소형화 및 집적화를 충족시키지 못하는 단점을 갖는다.
또한 종래기술(100)은 고비용의 알루미늄 재질로 프레임을 제조함에 따라 제품의 제조원가를 증가시키는 문제점이 발생한다.
또한 프레임의 구조 및 형상의 관점으로 바라보았을 때, 종래기술(100)은 LED 기판이 대접되는 기판 접촉면(137), (137‘), (137’‘), (137’‘’)들이 공기와 접촉되는 면이, 통공(133)에 연결되는 후면으로만 한정되기 때문에 방열 효율을 높이는데 구조적 한계를 갖는다.
또한 종래기술(100)은 장비점검 및 교체 시 기판 접촉면(137), (137‘), (137’‘), (137’‘’)들에 부착된 LED 기판 및 확산판을 슬라이딩 방식으로 상부로 밀어 LED 기판 및 확산판을 기판 접촉면으로부터 분해시켜야 하나, 이러한 경우 장비점검 및 교체가 완료된 LED 기판 및 확산판을 기판접촉면으로 슬라이딩 삽입시킨 이후 방수처리를 위한 후처리를 별도로 수행하여야하기 때문에 작업이 번거롭고 복잡한 구조적 한계를 갖는다.
즉 제품의 슬림화 및 발열이 높은 LED 모듈의 특성에 따라 1)방열프레임의 구조 및 형상의 변형을 통해 방열효율 뿐만 아니라 조립성을 높일 수 있고, 2)기존의 알루미늄 소재를 대체할 수 있는 소재 변형을 통해 방열효율을 극대화시키기 위한 연구가 시급한 실정이다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 해결과제는 방열몸체 및 방열 어셈블리의 재질을 종래의 알루미늄이 아닌 탄소나노튜브 방열소재로 대체함으로써 열전도율, 열방출속도 및 열방출율을 현저히 높일 수 있는 탄소나노튜브 방열소재 제조 방법과 이를 구비한 조명장치용 방열프레임을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 다른 해결과제는 방열몸체의 외측면에 가이드 홈들을 구비하되, 방열 어셈블리들이 가이드 홈들로 슬라이딩 방식으로 부착되도록 구성됨으로써 조립 및 분해가 용이하게 이루어져 장비점검 및 교체가 용이하게 이루어질 수 있는 탄소나노튜브 방열소재 제조 방법과 이를 구비한 조명장치용 방열프레임을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 해결과제는 LED 기판에 대접되는 방열 어셈블리의 대접판들이 만곡부에 의해 서로 이격되게 형성됨으로써 열 교환이 더욱 활발하게 이루어지도록 하여 방열효율을 더욱 높일 수 있는 탄소나노튜브 방열소재 제조 방법과 이를 구비한 조명장치용 방열프레임을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 해결과제는 조립 시 방열플레이트의 방열판에 대접되는 방열 어셈블리의 만곡부의 하단부의 내주면에 나사산을 형성함과 동시에 이에 대응되는 위치의 방열판에 볼트공들을 형성함으로써 방열 어셈블리를 방열몸체 및 방열플레이트에 견고하게 결합시킬 수 있을 뿐만 아니라 볼트의 헤드가 방열판의 대접면에 대향되는 면에 노출되어 볼트 체결 및 분해가 용이하게 이루어질 수 있는 탄소나노튜브 방열소재 제조 방법과 이를 구비한 조명장치용 방열프레임을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 해결과제는 탄소나노튜브 방열소재 제조 시 1차 볼밀링 단계 및 2차 볼밀링 단계를 통해 열전도율이 높은 탄소복합소재 및 금속분말을 미세 입자로 파쇄 및 혼합시킴과 동시에 분산단계를 통해 탄소복합소재의 분산성을 확보하도록 함으로써 종래의 알루미늄에 비교하여 열전도율이 우수함과 동시에 부피 및 체적을 절감하여 경량화 제작을 유도할 수 있으며, 생산 원가를 절감시킬 수 있는 탄소나노튜브 방열소재 제조 방법과 이를 구비한 조명장치용 방열프레임을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 해결수단은 상기 방열몸체와, 상기 방열 어셈블리들 중 적어도 하나 이상은 탄소나노튜브 방열소재의 재질이고, 상기 탄소나노튜브 방열소재의 제조방법은 금속분말 70 ~ 90 중량%와, 탄소복합소재 10 ~ 30 중량%를 교반시키는 교반단계; 상기 교반단계에 의해 교반된 금속분말 및 탄소복합소재를 유기용매에 혼합시킨 후 볼밀링(ball milling) 시키는 볼밀링 단계; 상기 볼밀링 단계에 의해 미세입자로 파쇄된 파쇄물과, 폴리에틸렌글리콜(PEG, Polyethylene glycol), 폴리에스테르계 바인더를 혼합시키며, 혼합된 혼합물을 가열하면서 블렌딩 시켜 방열소재를 제조하는 열처리 및 분산단계를 포함하고, 상기 볼밀링 단계는 상기 교반단계에 의해 교반된 금속분말 및 탄소복합소재를 볼들이 수용된 볼밀 자(ball mill jar)로 공급한 후 200 ~ 250rpm의 속도로 회전시켜 상기 교반된 금속분말 및 탄소복합소재를 1차 파쇄하는 1차 볼밀링 단계; 상기 1차 볼밀링 단계에 의해 파쇄된 파쇄물을 상기 1차 볼밀링 단계에 사용되는 볼 보다 작은 직경의 볼들을 이용하여 200 ~ 250rpm의 속도로 회전시켜 2차 파쇄하는 2차 볼밀링 단계를 포함하고, 상기 1차 볼밀링 단계 및 상기 2차 볼밀링 단계는 금속분말 및 탄소복합소재의 혼합물 15 ~ 20 중량% 및 유기용매 80 ~ 85 중량%를 혼합하여 밀링 시키고, 상기 볼밀링 단계에는 상기 탄소복합소재의 분산을 촉진시키기 위한 스테아르산(Stearic acid)이 전체 중량 대비 1.5 ~ 2.5 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 대접판은 상호 이격되게 형성되는 제1 대접판 및 제2 대접판으로 이루어지고, 상기 방열 어셈블리들은 단면이 ‘U’자 형상으로 형성되며, 양단부가 상기 제1 대접판 및 상기 제2 대접판의 단부들에 각각 연결되며, 타측에 상기 지지부가 결합되는 만곡부; 상기 만곡부에 연결되는 단부들에 대향되는 상기 제1 대접판 및 상기 제2 대접판의 외측단부들에 경사지게 설치되는 경사판들을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 방열 어셈블리들은 상기 방열몸체의 가이드 홈들로 삽입될 때 하단부가 상기 방열플레이트의 대접면에 대접되고, 상기 방열 어셈블리들은 조립 시 상기 방열플레이트에 대접되는 단부에 인접한 상기 만곡부의 내주면에 나사산이 형성되고, 상기 방열플레이트에는 상기 통공을 중심으로 원호를 따라 이격되는 볼트공들이 형성되고, 상기 방열 어셈블리들은 볼트 체결을 통해 상기 방열플레이트에 결합되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 방열플레이트에는 통공 및 볼트공들 사이에 양면을 관통하는 삽입공들이 형성되고, 상기 방열 어셈블리들은 조립 시 상기 방열플레이트에 대접되는 상기 지지부의 단면에 돌출 형성되는 이탈방지 돌출부를 더 포함하고, 상기 방열 어셈블리들은 상기 방열플레이트에 결합될 때 이탈방지 돌출부들이 상기 방열플레이트의 삽입공들로 각각 삽입되어 상기 방열 어셈블리들의 진동 및 흔들림을 방지하는 것이 바람직하다.
삭제
또한 본 발명에서 상기 열처리 및 분산단계는 상기 폴리에틸렌글리콜(PEG)을 기 설정된 시간 동안 50 ~ 70rpm의 속도로 회전시킴과 동시에 가열시키고, 가열된 폴리에틸렌글리콜(PEG)에 상기 파쇄물 및 상기 폴리에스테르계 바인더를 혼합시킨 후 혼합된 혼합물을 회전시킴과 동시에 가열시키고, 상기 열처리 및 분산단계의 가열온도는 상기 폴리에틸렌글리콜(PEG)의 융점이고, 상기 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 및 금속분말의 부피분율이 4, 탄소복합소재-PEG 전구체의 부피분율이 6인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 1차 볼밀링 단계는 1시간 주기 동안 공정을 수행한 후 30분 동안 공정을 멈추고, 1시간의 주기 동안 수행되는 공정을 4회 반복하고, 상기 2차 볼밀링 단계는 3 ~ 5시간 동안 밀링공정을 수행하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 탄소복합소재는 단일벽 카본나노튜브(SWCNT, single-walled carbon nanotube), 이중벽 카본나노튜브(DWCNT, double-walled carbon nanotube), 다중벽 카본나노튜브(MWCNT, multi-walled carbon nanotube), 다발형 탄소나노튜브(rope carbon nanotube) 또는 이들의 조합이고, 상기 열처리 및 분산단계의 상기 폴리에틸렌글리콜(PEG)은 15,000 ~ 20,000MW의 분자량을 갖는 것이 바람직하다.
상기 과제와 해결수단을 갖는 본 발명에 따르면 방열몸체 또는 방열 어셈블리의 재질을 종래의 알루미늄이 아닌 탄소나노튜브 방열소재로 대체함으로써 열전도율, 열방출속도 및 열방출율을 현저히 높일 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 방열몸체의 외측면에 가이드 홈들을 구비하되, 방열 어셈블리들이 가이드 홈들로 슬라이딩 방식으로 부착되도록 구성됨으로써 조립 및 분해가 용이하게 이루어져 장비점검 및 교체가 용이하게 이루어질 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의하면 LED 기판에 대접되는 방열 어셈블리의 대접판들이 만곡부에 의해 서로 이격되게 형성됨으로써 열 교환이 더욱 활발하게 이루어지도록 하여 방열효율을 더욱 높일 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의하면 조립 시 방열플레이트의 방열플레이트에 대접되는 방열 어셈블리의 만곡부의 하단부의 내주면에 나사산을 형성함과 동시에 이에 대응되는 위치의 방열플레이트에 볼트공들을 형성함으로써 방열 어셈블리를 방열몸체 및 방열플레이트에 견고하게 결합시킬 수 있을 뿐만 아니라 볼트의 헤드가 방열플레이트의 대접면에 대향되는 면에 노출되어 볼트 체결 및 분해가 용이하게 이루어질 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의하면 탄소나노튜브 방열소재 제조 시 1차 볼밀링 단계 및 2차 볼밀링 단계를 통해 열전도율이 높은 탄소복합소재 및 금속분말을 미세 입자로 파쇄 및 혼합시킴과 동시에 분산단계를 통해 탄소복합소재의 분산성을 확보하도록 함으로써 종래의 알루미늄에 비교하여 열전도율이 우수함과 동시에 부피 및 체적을 절감하여 경량화 제작을 유도할 수 있으며, 생산 원가를 절감시킬 수 있다.
도 1은 국내등록특허 제10-1200309호(발명의 명칭 : LED 등기구)에 개시된 방열 프레임을 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 방열프레임에 적용되는 탄소나노튜브 방열소재의 제조방법을 나타내는 공정순서도이다.
도 3은 FESEM(Field Emission Scanning Electron Microscope) 표면 분석에 의해 측정된 실시예 1과 비교예 1, 2의 표면을 보여주는 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진이다.
도 4는 실시예 1, 2 및 비교예 1의 XRD 패턴 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시예 1, 2 및 비교예 3의 FT-IR에 의한 구조분석을 나타내는 그래프이다.
도 6은 실시예 1, 2 및 비교예 3의 열전도율을 나타내는 그래프이다.
도 7은 실시예 1, 2 및 비교예 2를 LED 램프에 설치하여 빛이 출사되는 2시간 동안의 온도를 측정한 그래프이다.
도 8의 (a)는 종래의 알루미늄 소재가 적용된 방열체의 방열특성을 나타내고, (b)는 본 발명의 탄소나노튜브 방열소재가 적용된 방열체의 방열특성을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일실시예인 탄소나노튜브 방열프레임을 나타내는 사시도이다.
도 10은 도 9의 방열플레이트를 나타내는 사시도이다.
도 11은 도 9의 방열몸체를 나타내는 사시도이다.
도 12는 도 11을 상부에서 바라본 평면도이다.
도 13은 도 9의 방열 어셈블리를 나타내는 사시도이다.
도 14는 도 13을 하부에서 바라본 저면도이다.
도 15는 도 13의 방열 어셈블리가 도 11의 방열몸체에 설치되는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 16은 본 발명의 방열 어셈블리 및 방열플레이트의 결합된 모습을 나타내는 측단면도이다.
도 17은 본 발명의 방열플레이트, 방열몸체 및 방열 어셈블리가 설치된 모습을 나타내는 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 방열프레임에 적용되는 탄소나노튜브 방열소재의 제조방법을 나타내는 공정순서도이다.
탄소나노튜브 방열소재의 제조방법(S1)은 발광 시 발생되는 열을 방출시키기 위한 후술되는 도 9 내지 17의 방열프레임(1)의 방열 어셈블리(7)들 및 방열몸체(5)에 적용되는 조성물인 탄소나노튜브 방열소재를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
즉 탄소나노튜브 방열소재는 조명장치에 설치되어 LED로부터 발생된 국부적인 열을 방열시키기 위한 방열프레임의 소재로 적용될 수 있다.
또한 탄소나노튜브 방열소재의 제조방법(S1)은 도 2에 도시된 바와 같이, 교반단계(S10)와, 1차 볼밀링 단계(S20), 2차 볼밀링 단계(S30), 열처리 및 분산단계(S40)로 이루어진다.
교반단계(S10)는 금속분말 70 ~ 90 중량%와, 탄소복합소재 10 ~ 30 중량%를 교반하는 공정 단계이다. 이때 탄소복합소재는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT, single-walled carbon nanotube), 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT, double-walled carbon nanotube), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT, multi-walled carbon nanotube), 다발형 탄소나노튜브(rope carbon nanotube) 또는 이들의 조합일 수 있고, 탄소나노튜브(CNT)는 탄소 6개로 이루어지는 육각 모양이 서로 연결되어 튜브 형상을 형성하고, 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)는 복수개의 관들이 동심원 형상을 형성한다.
이때 금속분말은 열전도성이 높은 금속의 분말로 구성될 수 있으며, 상세하게로는 알루미늄 분말인 것이 바람직하다.
또한 교반단계(S10)에서, 탄소복합소재는 방열체의 형상에는 영향을 미치지 않으나, 만약 함유량이 10 중량% 미만이면 탄소복합소재의 함유량이 과도하게 줄어들어 열전도도 및 열 방출속도, 열방출율이 떨어지고, 만약 함유량이 30 중량% 이상이면 분산이 어려워져 방열체의 물리적 특성이 저하되는 문제점이 발생한다.
또한 교반단계(S10)에 의해 교반된 금속분말 및 탄소복합소재인 혼합물은 1차 볼밀링 단계(S20)로 공급된다.
1차 볼밀링 단계(S20)는 교반단계(S10)에 의해 교반된 금속분말 및 탄소복합소재인 혼합물을 공지된 볼밀링(Ball milling) 장비를 이용하여 1차 분쇄, 파쇄시키는 공정 단계이다.
또한 1차 볼밀링 단계(S20)는 교반된 금속분말 및 탄소복합소재인 혼합물 15 ~ 20 중량%와, 유기용매 80 ~ 85 중량%를 볼들이 수용되는 포트인 볼밀 자(ball mill jar)로 공급하며, 회전속도 200 ~ 250rpm으로 볼밀 자를 회전시킴으로써 금속분말 및 탄소복합소재를 파쇄시킨다. 이때 유기용매로는 에테르나 아세톤, 알코올 등이 적용될 수 있고, 상세하게로는 에탄올인 것이 바람직하다.
또한 1차 볼밀링 단계(S20)는 금속분말, 탄소복합소재 및 유기용매의 중량 대비 1.5 ~ 2.5 중량%의 분산촉진제를 첨가할 수 있고, 이때 분산촉진제는 탄소복합소재의 분산을 촉진시키는 성질을 갖는 스테아르산(Stearic acid)인 것이 바람직하다.
또한 1차 볼밀링 단계(S20)는 대략 1시간의 주기(T) 동안 공정을 수행하고, 마찰 시 열을 발생시키는 에탄올의 특성을 감안하여 한 번의 공정 이후에 대략 30분 동안 회전을 멈춰 공정을 수행하지 않고, 1시간의 주기(T) 동안 수행되는 공정을 1회라고 할 때 4 ~ 5회의 공정을 수행한다.
또한 1차 볼밀링 단계(S20)에 의해 1차 파쇄된 1차 파쇄물은 2차 볼밀링 단계(S30)로 공급된다.
2차 볼밀링 단계(S30)는 1차 볼밀링 단계(S20)에 의해 1차 파쇄된 1차 파쇄물을 공지된 볼밀링 장비를 이용하여 더욱 미세하게 파쇄시키기 위한 공정 단계이다.
이때 2차 볼밀링 단계(S30)에 적용되는 볼들은 1차 볼밀링 단계(S20)에 적용되는 볼들보다 작은 직경으로 이루어진다.
또한 2차 볼밀링 단계(S30)는 1차 볼밀링 단계(S30)에 의해 1차 파쇄된 1차 파쇄물(금속분말 ＋ 탄소복합소재) 및 유기용매를 볼들이 수용된 볼밀 자(Ball mill jar)로 공급한 후 200 ~ 250rpm의 회전속도로 대략 3 ~ 5시간 동안 볼밀 자를 회전시킴으로써 1차 파쇄물을 더욱 미세하게 파쇄시킨다.
또한 2차 볼밀링 단계(S30)에 의해 파쇄된 2차 파쇄물(금속분말 ＋ 탄소복합소재)은 열처리 및 분산단계(S40)로 공급된다.
열처리 및 분산단계(S40)는 2차 볼밀링 단계(S30)로부터 공급된 2차 파쇄물의 탄소복합소재가 응집력이 높아 분산력이 떨어짐과 동시에 금속분말 및 탄소복합소재의 기계적 특성이 상이하여 임베디드가 어려운 특성을 감안하여 미세 파쇄된 금속분말에 탄소복합소재를 분산 및 임베디드 시키기 위한 공정 단계이다.
이때 임베디드란 1, 2차 볼밀링 단계(S20), (S30)들을 통해 미세 파쇄되면서 표면이 비정질화된 금속분말의 일부에 탄소복합소재가 붙어 있는 현상으로 정의된다.
또한 열처리 및 분산단계(S40)는 2차 볼밀링 단계(S30)로부터 공급된 2차 파쇄물의 금속분말 및 탄소복합소재의 혼합을 위한 용매로 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol, 이하 PEG라고 함)을 사용한다.
이때 폴리에틸렌글리콜(PEG)은 대략 15,000 ~ 20,000MW의 분자량을 갖는 폴리에틸렌글리콜을 적용한다.
또한 열처리 및 분산단계(S40)는 혼합물의 점성이 증가되도록 폴리에스테르계 바인더를 첨가한다.
또한 열처리 및 분산단계(S40)는 우선 폴리에틸렌글리콜(PEG)을 공지된 트윈 스크류 믹서를 이용하여 50 ~ 70rpm의 속도로 회전시킴과 동시에 폴리에틸렌글리콜(PEG)의 융점인 65 ~ 75℃로 대략 20분 정도 가열시킨다. 그 이후 2차 파쇄물(금속분말 ＋ 탄소복합소재) 및 폴리에스테르계 바인더를 가열된 상태의 폴리에틸렌글리콜(PEG)에 투입하고, 이러한 화합물(PED ＋ 금속분말 ＋ 탄소복합소재 ＋ 폴리에스테르계 바인더)을 50 ~ 70rpm의 속도로 회전함과 동시에 65 ~ 75℃의 온도로 30분 동안 가열한다.
즉 열처리 및 분산단계(S40)는 화합물을 용융시키면서 블렌딩(blending) 함으로써 탄소복합소재가 금속분말에 균일하게 분산 및 임베디드 되도록 함으로써 본 발명의 탄소나노튜브 방열소재가 제조된다.
이때 열처리 및 분산단계(S40)는 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 및 금속분말의 부피분율이 4, 탄소복합소재-PEG 전구체의 부피분율이 6인 것이 바람직하다.
이와 같이 도 2에 의해 제조되는 탄소나노튜브 방열소재는 금속분말, 탄소복합소재, 바인더 및 PEG를 포함하고, 방열체 제조 시 가공을 위해 열이 가해지면 바인더는 회멸되고, PEG는 휘발됨에 따라 미세구조의 공극이 형성되고, 이러한 공극을 통해 LED 방열구조에서 고온의 열이 방출하여 방열효율이 증가하게 된다.
실시예 1은 도 2의 교반단계(S10)에서 탄소나노튜브(CNT) 20 중량% 및 알루미늄 분말 80 중량%를 첨가한 방열소재에 의한 방열체이다.
실시예 2는 교반단계(S10)에서 탄소나노튜브(CNT) 30 중량% 및 알루미늄 분말 70 중량%를 첨가한 방열소재에 의한 방열체이다.
비교예 1은 교반단계(S10)에서 탄소나노튜브(CNT)의 첨가 없이 알루미늄 분말 100 중량%를 첨가한 방열소재에 의한 방열체이다.
비교예 2는 교반단계(S10)에서 탄소나노튜브(CNT) 40 중량% 및 알루미늄 분말 60 중량%를 첨가한 방열소재에 의한 방열체이다.
도 3은 FESEM(Field Emission Scanning Electron Microscope) 표면 분석에 의해 측정된 실시예 1과 비교예 1, 2의 표면을 보여주는 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진이다.
비교예 1은 교반단계(S10)에서 탄소나노튜브(CNT)의 첨가 없이 알루미늄 분말만이 첨가되기 때문에 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 파단면에 결함(Defect)이 많이 발생하는 것을 알 수 있다.
실시예 1은 교반단계(S10)에서 탄소나노튜브(CNT) 20 중량% 및 알루미늄 80 중량%가 첨가되기 때문에 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 탄소나노튜브(CNT)가 20 중량%가 첨가됨에 따라 파단면에 공극이 발생하는 것을 알 수 있고, 비교예 2는 탄소나노튜브(CNT) 40 중량%가 첨가되어 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이 파단면에 공극이 더 많이 발생하는 것을 알 수 있다.
이때 공극은 탄소나노튜브 방열소재를 제조한 후 열을 가하여 방열체 샘플을 만들 때 바인더가 화멸되고 PEG가 휘발됨에 따라 형성된다.
즉 탄소나노튜브(CNT)의 함유량이 증가하면 할수록 공극이 활발하게 형성되어 열 방출효율이 증가하는 것을 알 수 있다.
도 3의 (b), (c)를 참조하여 살펴보면, 탄소나노튜브(CNT)의 함유량이 증가함에 따라 방열체 표면에서 알루미늄 분말에 결합하는 탄소나노튜브(CNT)의 수가 증가하는 것과, 비교적 탄소나노튜브(CNT)의 분산이 균일하게 이루어지는 것을 알 수 있다.
도 4는 실시예 1, 2 및 비교예 1의 XRD 패턴 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 탄소나노튜브 방열소재는 2 = 26.50, 54.60일 때 결정화가, 2 = 26.50일 때 주요 결정화가 이루어지고, 탄소나노튜브(CNT)의 함유량이 증가할수록 탄소나노튜브 방열소재의 결정화 피크의 강도는 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
특히 탄소나노튜브 방열소재는 탄소나노튜브(CNT)가 30 중량% 이상으로 함유되는 경우 주요 피크의 강도가 가장 큰 폭으로 줄어들어 탄소나노튜브(CNT)의 함유량이 피크의 강도에 영향, 상세하게로는 탄소나노튜브(CNT)의 함유량이 증가할수록 방열소재의 피크의 강도는 줄어드는 것을 알 수 있다.
즉 도 3과 4에 도시된 바와 같이 탄소나노튜브(CNT)의 함유량은 탄소나노튜브 방열소재의 미세구조, 미세공극 및 결정화에 영향을 미치게 된다.
도 5는 실시예 1, 2 및 비교예 3의 FT-IR에 의한 구조분석을 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하여 본 발명을 살펴보면, 탄소나노튜브 방열소재는 탄소나노튜브(CNT)의 함유량에 상관없이 유사한 피크에서 강도를 나타낸다.
또한 탄소나노튜브 방열소재의 2,937
Figure 112017054063101-pat00001
및 3,450
Figure 112017054063101-pat00002
의 피크는 각각 전형적인 C H기 및 OH기를 나타내고, 1,758
Figure 112017054063101-pat00003
및 1,200
Figure 112017054063101-pat00004
의 피크는 C = O 결합 및 아세틸(acetyl)의 피크를 각각 나타낸다.
또한 FT-IR 스펙트럼에서 1,266
Figure 112017054063101-pat00005
, 1,369
Figure 112017054063101-pat00006
, 1,446
Figure 112017054063101-pat00007
등의 피크는 탄소나노튜브(CNT)의 함유량에 따라 증가하는 것을 확인 할 수 있다.
즉 탄소나노튜브(CNT)의 고유 피크에 의하여 방열 소재의 피크가 결정되고, 결론적으로 탄소나노튜브 방열소재 내에 포함되는 탄소나노튜브(CNT)의 결합이 증가되었다는 것을 나타낸다.
도 6은 실시예 1, 2 및 비교예 3의 열전도율을 나타내는 그래프이고, 도 7은 실시예 1, 2 및 비교예 2를 LED 램프에 설치하여 빛이 출사되는 2시간 동안의 온도를 측정한 그래프이고, 도 8의 (a)는 종래의 알루미늄 소재가 적용된 방열체의 방열특성을 나타내고, (b)는 본 발명의 탄소나노튜브 방열소재가 적용된 방열체의 방열특성을 나타낸다.
도 6을 참조하여 본 발명을 살펴보면, 탄소나노튜브(CNT)의 함유량이 증가할수록 탄소나노튜브 방열소재의 열전도도가 증가하는 것을 알 수 있다. 즉 탄소나노튜브(CNT)의 우수한 열전도를 갖는 특성에 따라 탄소나노튜브 방열소재의 열전도가 향상되는 것을 알 수 있다.
이때 탄소나노튜브(CNT)는 대략 3,000W/m.k 이하의 열전도 값을 갖기 때문에 탄소나노튜브 방열소재의 열전도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 알루미늄 분말과의 함유량 조절에 따라 열전도율을 향상시킬 수 있다.
도 7을 참조하여 본 발명을 살펴보면, 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2의 방열체에서 측정되는 초기 온도는 27℃이나, 시간이 경과할수록 LED 램프에서 발생되는 열에 의하여 온도가 증가하게 된다.
이러한 상태로 1시간 경과하면, 탄소나노튜브(CNT)가 첨가되지 않은 비교예 1은 72℃ 이상으로 과열되는 것을 확인할 수 있다.
그러나 탄소나노튜브(CNT)가 첨가되는 실시예 1, 2 및 비교예 2를 살펴보면, 2시간 동안의 온도 범위가 70℃ 미만으로 측정되어 열방출효율이 개선되는 것을 확인할 수 있다.
즉 본 발명은 도 8의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 열전도가 우수한 탄소복합소재를 함유하여 종래의 알루미늄 소재의 방열체에 비교하여 열 방출속도 및 열 방출효율을 현저히 높일 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예인 탄소나노튜브 방열프레임을 나타내는 사시도이다.
본 발명의 일실시예인 탄소나노튜브 방열프레임(1)은 1)구조 및 형상의 변형을 통해 조립성 및 방열효율을 높이면서, 2)재질 변경을 통해 방열효율을 극대화시키기 위한 것이다.
또한 방열프레임(1)은 도 2에 도시된 바와 같이, 방열플레이트(3)와, 방열몸체(5), 방열 어셈블리(7)들로 이루어진다.
이때 본 발명에서는 설명의 편의를 위해 방열프레임(1)의 방열 어셈블리(7)들에 LED 기판(9)이 설치되는 것으로 예를 들어 설명하기로 한다.
이와 같이 구성되는 방열프레임(1)은 다양한 형상 및 구성의 LED 조명장치에 적용될 수 있고, 상세하게로는 방열몸체(5) 및 방열프레임(7)들의 상단부에 LED 기판(미도시) 및 확산판(미도시)이 결합될 수 있고, 방열플레이트(3)의 하부면에 전력을 공급하기 위한 소켓부가 결합될 수 있다.
도 10은 도 9의 방열플레이트를 나타내는 사시도이다.
방열플레이트(3)는 도 10에 도시된 바와 같이, 원판 형상의 방열판(31)과, 방열판(31)의 외측 테두리로부터 수직 연결되는 수직부(33)와, 수직부(33)의 외측면에 수직 돌출되되, 높이 방향으로 연장되어 원호를 따라 간격을 두고 형성되는 방열핀(35)들로 이루어진다.
방열판(31)은 알루미늄 등과 같이 열전도성이 높은 금속재질로 이루어지며, 원 형상의 판재로 형성된다.
또한 방열판(31)은 중앙에 양면을 관통하는 통공(311)이 형성된다.
또한 방열판(31)은 통공(311)을 중심으로 복수개의 볼트공(313)들이 원호를 따라 간격을 두고 형성된다. 이때 볼트공(313)들의 내주면에는 나사산(7131)이 형성된다.
또한 방열판(31)은 볼트공(313)들 각각으로부터 중앙으로부터 이격된 일직선 상의 지점에 삽입공(315)들이 원호를 따라 간격을 두고 형성된다. 이때 삽입공(315)들로는 후술되는 도 14의 방열 어셈블리(7)들의 이탈방지 돌출부(731)들이 각각 삽입된다.
수직부(33)는 방열판(31)의 외측 테두리로부터 수직 연결되며, 원호를 따라 연결되게 형성된다.
또한 수직부(33)의 외측면에는 방열핀(35)들이 간격을 두고 형성된다.
방열핀(35)들은 수직부(33)의 외측면으로부터 외측으로 돌출 형성되되, 높이 방향으로 연결되게 형성된다.
또한 방열핀(35)들은 수직부(33)의 외측면에 원호를 따라 간격을 두고 형성된다.
이와 같이 구성되는 방열플레이트(3)는 수직부(33)가 연결되는 방향인 방열판(31)의 대접면(310)에 방열몸체(5) 및 방열 어셈블리(7)들이 수직으로 설치됨으로써 방열몸체(5) 및 방열 어셈블리(7)들로부터 열을 전달받게 되고, 전달받은 열은 방열핀(35)들을 통해 열교환되어 방열효율을 현저히 높일 수 있게 된다.
도 11은 도 9의 방열몸체를 나타내는 사시도이고, 도 12는 도 11을 상부에서 바라본 평면도이다.
도 11과 12의 방열몸체(5)는 상하부가 개구되어 내부에 공기 이동공(55)이 형성되는 원통 형상으로 형성된다.
또한 방열몸체(5)는 외측면에 내측으로 가이드 홈(51)들이 높이 방향으로 연장되게 형성된다. 이때 가이드 홈(51)들은 방열몸체(5)의 외측면에 간격을 두고 형성된다.
또한 방열몸체(5)는 전술하였던 도 2 내지 8에 의해 제조되는 탄소나노튜브 방열소재로 제작된다.
또한 가이드 홈(51)은 방열몸체(5)의 외측면으로부터 수직으로 내측으로 연결되는 수직면(513), (513‘)들과, 평탄한 면으로 형성되어 양단부가 수직면(513), (513‘)들에 연결되는 바닥면(511)으로 이루어진다.
이때 수직면(513), (513‘)들은 방열몸체95)의 외측면에 연결되는 지점에, 서로를 향하는 방향으로 걸림턱(515), (515’)들이 높이 방향으로 연장되게 형성된다.
즉 가이드 홈(51)들로는 후술되는 도 13 내지 15의 방열 어셈블리(7)의 슬라이딩부(75)가 상부에서 하부를 향하는 방향으로 슬라이딩 방식으로 삽입됨으로써 방열 어셈블리(7)들은 방열몸체(5)의 외측면에 간단한 방식으로 조립 및 분해가 이루어질 수 있게 된다.
또한 방열몸체(5)는 인접한 가이드 홈(51)들 사이의 외측면이 곡면부(53)로 형성됨으로써 외부 공기와의 면적을 극대화시켜 방열 어셈블리(7)들로부터 전달받은 열을 효율적으로 방열시키도록 한다.
이와 같이 구성되는 방열몸체(5)는 전술하였던 도 10의 방열플레이트(3)의 방열판(31)의 대접면(310)에 수직으로 설치되되, 공기 이동공(55)이 방열판(31)의 통공(311)에 연설되도록 설치됨으로써 방열 어셈블리(7)들을 통해 전달받은 열을 방열시킴과 동시에 방열플레이트(3)로 전달하여 방열몸체(5) 및 방열플레이트(3)에서 열 교환이 2중으로 이루어지게 된다.
도 13은 도 9의 방열 어셈블리를 나타내는 사시도이고, 도 14는 도 13을 하부에서 바라본 저면도이고, 도 15는 도 13의 방열 어셈블리가 도 11의 방열몸체에 설치되는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
방열 어셈블리(7)는 도 13 내지 15에 도시된 바와 같이, 기판 접촉부(71)와, 지지부(73), 슬라이딩부(75), 방열날개(77)들로 이루어진다.
이때 방열 어셈블리(7)는 전술하였던 도 2 내지 8에 의해 제조되는 탄소나노튜브 방열소재로 제작됨으로써 종래의 알루미늄 재질로 제작되는 경우와 비교하여 방열효율을 높일 수 있게 된다.
기판 접촉부(71)는 평탄면으로 형성되어 상호 이격되게 형성되는 대접판(711), (711‘)들과, 이격된 제1, 2대접판(711), (711‘)들 사이의 단부들을 연결시키는 만곡부(713)와, 제1, 2 대접판(711), (711‘)들의 외측 단부에 경사지게 설치되는 경사판(715), (715’)들로 이루어진다.
제1, 2 대접판(711), (711‘)들은 평평한 면으로 형성되어 상호 이격되게 형성된다.
또한 제1, 2 대접판(711), (711‘)들로는 복수개의 LED 모듈(91)들이 실장된 LED 기판(9)이 대접됨으로써 LED 모듈(91) 발광 시 발생되는 열을 직접적으로 전달받게 된다. 이때 도면에는 도시되지 않았지만 제1, 2 대접판(711), (711’)들 및 경사판(715), (715‘)들이 연결되는 지점에는 확산커버(미도시)가 슬라이딩 삽입되는 가이드 홈들이 형성될 수 있고, 이러한 확산커버의 형상 및 구성은 국내등록특허 제10-1706253호(발명의 명칭 : 엘이디 등기구)에서와 같이 구성될 수 있다.
또한 제1, 2 대접판(711), (711‘)들은 서로를 향하는 방향을 내측이라고 할 때, 외측 단부들에 경사판(715), (715’)들이 각각 경사지게 설치된다.
또한 제1, 2 대접판(711), (711‘)들은 내측 단부들이 만곡부(713)의 양단부에 연결된다.
만곡부(713)는 단면이 ‘U’자 형상으로 형성되며, 양단부가 제1, 2 대접판(711), (711‘)들의 내측 단부들에 각각 연결된다. 이때 만곡부(713)는 만곡된 부위가 슬라이딩부(75)를 향하도록 제1, 2 대접판(711), (711‘)들에 연결된다.
즉 본 발명의 방열 어셈블리(7)들은 제1, 2 대접판(711), (711‘)들이 평평한 면으로 형성되어 LED 기판(9)에 넓은 면적으로 대접되도록 구성됨으로써 LED 기판(9)으로부터 열을 1차적으로 전달받을 수 있도록 구성되되, 제1, 2 대접판(711), (711‘)들이 만곡부(713)에 의해 연결되어 상호 이격되게 형성됨으로써 외부 공기와의 접촉면적을 극대화시켜 제1, 2 대접판이 하나의 평평한 면으로 형성될 때와 비교하여 동일 부피소모 대비 방열효율을 현저히 높일 수 있게 된다.
또한 만곡부(713)는 조립 시 방열플레이트(3)의 방열판(31)에 대접되는 단부에 인접한 지점의 내주면에 나사산(7131)이 형성된다. 이때 만곡부(713)의 내측 공간은 방열판(31)의 볼트공(313)에 연설되게 형성됨으로써 볼트 체결을 통해 방열 어셈블리(7)를 견고하게 고정시킬 수 있게 된다.
또한 만곡부(713)는 슬라이딩부(75)를 향하는 단부에 지지부(73)가 수직 연결된다.
지지부(73)는 평평한 판재로 형성되며, 만곡부(713)의 단부에 수직 연결되며, 단부에 슬라이딩부(75)가 형성된다.
또한 지지부(73)는 조립 시 방열플레이트(3)의 방열판(31)에 대접되는 하단면에 핀 형상의 이탈방지 돌출부(731)가 돌출 형성된다.
슬라이딩부(75)는 평평한 판재로 형성되어 지지부(73)의 단부에 수직 연결된다.
또한 슬라이딩부(75)는 조립 시 전술하였던 도 11과 12의 방열몸체(5)의 가이드 홈(51)들로 슬라이딩 방식으로 삽입됨으로써 방열 어셈블리(7)가 방열몸체(5)에 탈부착 가능하도록 한다.
또한 지지부(73)는 만곡부(713)와 연결되는 지점부터 슬라이딩부(75)가 연결되는 지점 사이의 외측면에 복수개의 방열날개(77)들이 설치됨으로써 LED 기판(9)으로부터 전달받은 열을 더욱 효율적으로 방열시킬 수 있게 된다.
도 16은 본 발명의 방열 어셈블리 및 방열판의 결합된 모습을 나타내는 측단면도이다.
본 발명의 방열 어셈블리(7)는 도 16에 도시된 바와 같이, 슬라이딩부(75)를 상부에서 하부를 향하는 방향으로 방열몸체(5)의 가이드 홈(51)으로 슬라이딩 시킴으로써 방열 어셈블리(7)가 방열몸체(5)에 결합하여 조립 및 분해가 용이하게 이루어질 수 있게 된다. 이때 방열몸체(5)에 부착된 방열 어셈블리는 높이 방향으로 하단부가 방열플레이트(3)의 방열판(31)에 대접되게 된다.
또한 방열 어셈블리(7)는 조립 시 하단면에 돌출 형성된 이탈방지 돌출부(731)가 방열플레이트(3)의 방열판(31)의 삽입공(315)으로 삽입됨과 동시에 만곡부(713)의 나사산(7131) 및 방열판(31)의 볼트공(313)이 볼트(B)에 의해 볼트 체결됨으로써 외부 진동 및 흔들림이 발생하더라도 방열몸체(5) 및 방열플레이트(3)와 견고하게 결합할 수 있게 된다.
다시 말하면 방열 어셈블리(7)는 슬라이딩부(75)가 가이드 홈(51)으로 삽입됨에 따라 슬라이딩부(75)는 방열몸체(5)로부터 견고하게 지지될 수 있으나, 슬라이딩부(75)로부터 대향되는 방향을 향할수록 지지력이 떨어져 흔들림 및 진동 시 기판 접촉부(71)의 흔들림이 증가하게 된다. 즉 본원 발명은 이러한 문제를 해결할 수 있는 것으로서, 지지부(73)의 하단에 돌출 형성된 이탈방지 돌출부(731)가 방열판(31)의 삽입공으로 삽입될 뿐만 아니라 만곡부(713)가 방열판과 볼트 체결되기 때문에 방열 어셈블리(7)가 견고하게 방열몸체(5) 및 방열플레이트(3)와 견고하게 결합 할 수 있게 된다.
도 17은 본 발명의 방열플레이트, 방열몸체 및 방열 어셈블리가 설치된 모습을 나타내는 사시도이다.
본 발명의 방열 프레임(1)은 도 17에 도시된 바와 같이, 방열플레이트(3)의 방열판(31)에 방열몸체(5)가 수직 결합되고, 방열몸체(5)의 외측면에 형성된 가이드 홈(51)들로 방열 어셈블리(7)들이 삽입된다.
이때 방열 어셈블리(7)들 및 방열몸체(5)는 전술하였던 도 2 내지 8에 의해 제조되는 탄소나노튜브 방열소재로 제작됨으로써 LED로부터 발생되는 국부적인 열을 효율적으로 방열시킬 수 있을 뿐만 아니라 탄소나노튜브 방열소재로 인해 비중이 절감되어 제품의 무게 및 체적이 낮아지게 되고, 이에 따라 최근 추세인 소형화 및 집적화를 충족시킬 수 있게 된다.
다시 말하면, 본 발명의 방열프레임(1)은 방열 어셈블리(7)들 및 방열몸체(5)가 탄소나노튜브 방열소재의 재질로 제작됨에 따라 고가의 알루미늄 재질로만 제작될 때와 비교하여 제조원가를 절감시킴과 동시에 열전도율, 열 방출속도 및 열방출율을 현저히 개선시킬 수 있게 된다.
또한 도 17의 방열 프레임(1)은 방열몸체(5) 및 방열프레임(7)들의 상단부에 LED 기판(미도시) 및 확산판(미도시)이 결합될 수 있고, 방열플레이트(3)의 하부면에 전력을 공급하기 위한 소켓부가 결합될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일실시예인 방열프레임(1)은 방열몸체(5) 및 방열 어셈블리(7)들의 재질을 종래의 알루미늄이 아닌 탄소나노튜브 방열소재로 대체함으로써 열전도율, 열방출속도 및 열방출율을 현저히 높일 수 있다.
또한 본 발명의 방열프레임(1)은 방열몸체(5)의 외측면에 가이드 홈(51)들을 구비하되, 방열 어셈블리(7)들이 가이드 홈(51)들로 슬라이딩 방식으로 부착되도록 구성됨으로써 조립 및 분해가 용이하게 이루어져 장비점검 및 교체가 용이하게 이루어질 수 있게 된다.
또한 본 발명의 방열프레임(1)은 LED 기판(9)에 대접되는 방열 어셈블리(7)의 제1, 2 대접판(711), (711‘)들이 만곡부(713)에 의해 서로 이격되게 형성됨으로써 열 교환이 더욱 활발하게 이루어지도록 하여 방열효율을 더욱 높일 수 있게 된다.
또한 본 발명의 방열프레임(1)은 조립 시 방열플레이트(3)의 방열판(31)에 대접되는 방열 어셈블리(7)의 만곡부(713)의 하단부의 내주면에 나사산(7131)을 형성함과 동시에 이에 대응되는 위치의 방열판(31)에 볼트공(313)들을 형성함으로써 방열 어셈블리(7)를 방열몸체(5) 및 방열플레이트(3)에 견고하게 결합시킬 수 있을 뿐만 아니라 볼트(B)의 헤드가 방열판(31)의 대접면(310)에 대향되는 면에 노출되어 볼트 체결 및 분해가 용이하게 이루어질 수 있게 된다.
또한 본 발명의 방열프레임(1)은 탄소나노튜브 방열소재 제조 시 1차 볼밀링 단계 및 2차 볼밀링 단계를 통해 열전도율이 높은 탄소복합소재 및 금속분말을 미세 입자로 파쇄 및 혼합시킴과 동시에 분산단계를 통해 탄소복합소재의 분산성을 확보하도록 함으로써 종래의 알루미늄에 비교하여 열전도율이 우수함과 동시에 부피 및 체적을 절감하여 경량화 제작을 유도할 수 있으며, 생산 원가를 절감시킬 수 있다.
1:탄소나노튜브 방열프레임 3:방열플레이트 5:방열몸체
7:방열 어셈블리 9:LED 기판 31:방열판
33:수직부 35:방열핀 51:가이드 홈
53:곡면부 55:공기 이동공 71:기판 접촉부
73:지지부 75:슬라이딩부 77:방열날개
310:대접면 311:통공 313:볼트공
315:삽입공 511:바닥면 513, 513‘:수직면
515, 515‘:걸림턱 711, 711’:제1, 2 대접판
713:만곡부 715, 715‘:경사판 731:이탈방지 돌출부

Claims (8)

  1. 조명장치용 방열프레임에 있어서:
    원판으로 형성되되, 중앙에 양면을 관통하는 통공이 형성되는 방열플레이트;
    상하부가 개구되어 내부에 공기 이동공이 형성되는 원통 형상으로 형성되되, 외측면에 내측으로 형성되어 높이 방향으로 연장되어 원호를 따라 간격을 두고 형성되는 가이드 홈들이 형성되며, 상기 공기 이동공이 상기 방열플레이트의 통공에 연결되도록 상기 방열플레이트의 일면인 대접면에 수직 설치되는 방열몸체;
    LED 모듈들이 실장된 LED 기판이 대접되는 대접판과, 상기 대접판의 일면에 수직으로 연결되는 판재 형상의 지지부와, 상기 지지부의 단부에 수직 연결되어 대응되는 가이드 홈으로 슬라이딩 방식으로 삽입되는 삽입부를 포함하는 방열 어셈블리들을 포함하고,
    상기 방열 어셈블리들은 상기 삽입부가 상기 방열몸체의 상기 가이드 홈으로 삽입됨으로써 상기 방열몸체에 탈부착 되고,
    상기 방열몸체와, 상기 방열 어셈블리들 중 적어도 하나 이상은 탄소나노튜브 방열소재의 재질이고,
    상기 탄소나노튜브 방열소재의 제조방법은
    금속분말 70 ~ 90 중량%와, 탄소복합소재 10 ~ 30 중량%를 교반시키는 교반단계;
    상기 교반단계에 의해 교반된 금속분말 및 탄소복합소재를 유기용매에 혼합시킨 후 볼밀링(ball milling) 시키는 볼밀링 단계;
    상기 볼밀링 단계에 의해 미세입자로 파쇄된 파쇄물과, 폴리에틸렌글리콜(PEG, Polyethylene glycol), 폴리에스테르계 바인더를 혼합시키며, 혼합된 혼합물을 가열하면서 블렌딩 시켜 방열소재를 제조하는 열처리 및 분산단계를 포함하고,
    상기 볼밀링 단계는
    상기 교반단계에 의해 교반된 금속분말 및 탄소복합소재를 볼들이 수용된 볼밀 자(ball mill jar)로 공급한 후 200 ~ 250rpm의 속도로 회전시켜 상기 교반된 금속분말 및 탄소복합소재를 1차 파쇄하는 1차 볼밀링 단계;
    상기 1차 볼밀링 단계에 의해 파쇄된 파쇄물을 상기 1차 볼밀링 단계에 사용되는 볼 보다 작은 직경의 볼들을 이용하여 200 ~ 250rpm의 속도로 회전시켜 2차 파쇄하는 2차 볼밀링 단계를 포함하고,
    상기 1차 볼밀링 단계 및 상기 2차 볼밀링 단계는 금속분말 및 탄소복합소재의 혼합물 15 ~ 20 중량% 및 유기용매 80 ~ 85 중량%를 혼합하여 밀링 시키고,
    상기 볼밀링 단계에는 상기 탄소복합소재의 분산을 촉진시키기 위한 스테아르산(Stearic acid)이 전체 중량 대비 1.5 ~ 2.5 중량%로 첨가되는 것을 특징으로 하는 조명장치용 방열프레임.
  2. 청구항 제1항에 있어서, 상기 대접판은 상호 이격되게 형성되는 제1 대접판 및 제2 대접판으로 이루어지고,
    상기 방열 어셈블리들은
    단면이 ‘U’자 형상으로 형성되며, 양단부가 상기 제1 대접판 및 상기 제2 대접판의 단부들에 각각 연결되며, 타측에 상기 지지부가 결합되는 만곡부;
    상기 만곡부에 연결되는 단부들에 대향되는 상기 제1 대접판 및 상기 제2 대접판의 외측단부들에 경사지게 설치되는 경사판들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치용 방열프레임.
  3. 청구항 제2항에 있어서, 상기 방열 어셈블리들은 상기 방열몸체의 가이드 홈들로 삽입될 때 하단부가 상기 방열플레이트의 대접면에 대접되고,
    상기 방열 어셈블리들은 조립 시 상기 방열플레이트에 대접되는 단부에 인접한 상기 만곡부의 내주면에 나사산이 형성되고,
    상기 방열플레이트에는 상기 통공을 중심으로 원호를 따라 이격되는 볼트공들이 형성되고,
    상기 방열 어셈블리들은 볼트 체결을 통해 상기 방열플레이트에 결합되는 것을 특징으로 하는 조명장치용 방열프레임.
  4. 청구항 제3항에 있어서, 상기 방열플레이트에는 통공 및 볼트공들 사이에 양면을 관통하는 삽입공들이 형성되고,
    상기 방열 어셈블리들은 조립 시 상기 방열플레이트에 대접되는 상기 지지부의 단면에 돌출 형성되는 이탈방지 돌출부를 더 포함하고,
    상기 방열 어셈블리들은 상기 방열플레이트에 결합될 때 이탈방지 돌출부들이 상기 방열플레이트의 삽입공들로 각각 삽입되어 상기 방열 어셈블리들의 진동 및 흔들림을 방지하는 것을 특징으로 하는 조명장치용 방열프레임.
  5. 삭제
  6. 청구항 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열처리 및 분산단계는
    상기 폴리에틸렌글리콜(PEG)을 기 설정된 시간 동안 50 ~ 70rpm의 속도로 회전시킴과 동시에 가열시키고, 가열된 폴리에틸렌글리콜(PEG)에 상기 파쇄물 및 상기 폴리에스테르계 바인더를 혼합시킨 후 혼합된 혼합물을 회전시킴과 동시에 가열시키고,
    상기 열처리 및 분산단계의 가열온도는 상기 폴리에틸렌글리콜(PEG)의 융점이고, 상기 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 및 금속분말의 부피분율이 4, 탄소복합소재-PEG 전구체의 부피분율이 6인 것을 특징으로 하는 조명장치용 방열프레임.
  7. 청구항 제6항에 있어서, 상기 1차 볼밀링 단계는 1시간 주기 동안 공정을 수행한 후 30분 동안 공정을 멈추고, 1시간의 주기 동안 수행되는 공정을 4회 반복하고, 상기 2차 볼밀링 단계는 3 ~ 5시간 동안 밀링공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 조명장치용 방열프레임.
  8. 청구항 제7항에 있어서, 상기 탄소복합소재는 단일벽 카본나노튜브(SWCNT, single-walled carbon nanotube), 이중벽 카본나노튜브(DWCNT, double-walled carbon nanotube), 다중벽 카본나노튜브(MWCNT, multi-walled carbon nanotube), 다발형 탄소나노튜브(rope carbon nanotube) 또는 이들의 조합이고,
    상기 열처리 및 분산단계의 상기 폴리에틸렌글리콜(PEG)은 15,000 ~ 20,000MW의 분자량을 갖는 것을 특징으로 하는 조명장치용 방열프레임.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101238013B1 (ko) 2012-09-06 2013-02-26 네오마루 주식회사 Ｌｅｄ 조명에 이용되는 플레이크 타입의 필러를 이용한 방열시트 및 이의 제조방법
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