KR101809184B1 - 경량의 히트 싱크 및 이를 구비한 발광 다이오드 램프 - Google Patents

경량의 히트 싱크 및 이를 구비한 발광 다이오드 램프 Download PDF

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Abstract

히트 싱크(10)는 중합체성 호스트 내에 배치되는 적어도 하나의 풀러렌 및 나노튜브를 포함하는 열 전도성 층을 포함한다. 열 전도성 층은 열 절연성 및/또는 플라스틱일 수 있는 히트 싱크 바디 상에 배치되고, 핀들(16)과 같은, 표면적 증가 열 방사 구조체를 포함할 수 있으며, 열 전도성 층은 적어도 표면적 증가 열 방사 구조체 위에 배치된다. 발광 다이오드 기반 램프 실시 예는 히트 싱크 및 히트 싱크로 고정되고 히트 싱크와 열 연결되는 하나 또는 그 이상의 발광 다이오드 장치들(32)을 포함하는 발광 다이오드 모듈을 포함한다. 방법의 실시 예는 히트 싱크 바디를 형성하는 단계 및 히트 싱크 바디 상에 열 전도성 층을 배치하는 단계를 포함한다. 배치하는 단계는 스프레이 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 중합체성 호스트 내의 나노튜브들에 규칙 배향을 주기 위하여 스프레이 코팅 동안에 외부 에너지 필드가 적용될 수 있다.

Description

경량의 히트 싱크 및 이를 구비한 발광 다이오드 램프{LIGHTWEIGHT HEAT SINKS AND LED LAMPS EMPLOYING SAME}
본 출원서는 2010년 4월 2일에 출원된 미국 가출원 제 61/320/431의 우선권을 주장하며, 상기 가출원특허는 여기에 전체가 참조로서 통합된다.
본 발명은 조명 기술, 고체 상태 조명 기술, 열 관리 기술, 및 관련 기술에 관한 것이다.
백열등, 할로겐, 및 고휘도방전(high intensity discharge, HID) 광원들은 상대적으로 높은 작동 온도를 가지며, 그 결과 열 방출은 방사(radiative) 또는 대류(convective) 열 전달 경로들에 의해 주도된다. 예를 들면, 방사 열 방출은 4배까지 상승된 온도를 수반하고, 따라서 방사 열 방출 경로는 작동 온도가 증가함에 따라 초선형으로(superlinearly) 더 지배적이 된다. 따라서, 백열등, 할로겐, 및 고휘도방전 광원들을 위한 열 관리는 일반적으로 효율적인 방사 및 대류 열 전달을 위하여 램프에 근접한 적절한 공기 공간을 제공하기에 이른다. 일반적으로, 이러한 형태의 광원들에 있어서, 램프의 원하는 작동 온도를 달성하기 위하여 방사 또는 대류 열 전달을 향상시키기 위하여 램프의 표면적을 증가시키거나 변형할 필요는 없다.
다른 한편으로는, 발광 다이오드 기반 램프들은 일반적으로 장치 성능 및 안정성 이유를 위하여 실질적으로 낮은 온도에서 작동한다. 예를 들면, 일반적인 발광 다이오드 장치를 위한 접합 온도(junction temperature)는 200℃ 이하이어야 하고, 일부 발광 다이오드 장치들은 100℃ 이하 또는 심지어 더 낮아야만 한다. 이러한 낮은 작동 온도에서, 주변으로의 방사 열 전달 경로는 취약하며, 따라서 주변으로의 대류 및 전도성 열 전달이 일반적으로 지배적이다. 발광 다이오드 광원에 있어서, 램프 또는 조명기구의 외부 표면적으로부터의 대류 및 방사 열 전달은 히트 싱크(heat sink)의 추가에 의해 향상될 수 있다.
히트 싱크는 발광 다이오드 장치들로부터 떨어져 열을 방사하고 대류하기 위한 큰 면적을 제공하는 부품이다. 일반적인 디자인에서, 히트 싱크는 예를 들면, 그것의 외부 표면상에 핀(fin)들 또는 다른 열 소산 구조체를 가짐으로써, 크게 제작된 표면적을 갖는 상대적으로 거대한 금속 소자이다. 많은 양의 히트 싱크는 발광다이오드 장치들로부터 열 핀들로 열을 효율적으로 전도하며, 큰 면적의 열 핀들은 방사 및 대류에 의한 효율적인 열 방출을 제공한다. 고전력 발광 다이오드 기반 램프들을 위하여 또한 열 제거를 향상시키기 위하여 팬(fan) 또는 합성 제트(synthetic jet) 또는 열 파이프 또는 열-전기 냉각기 또는 양수식 냉각액(pumped coolant fluid)을 사용하여 활발한 냉각을 이용하는 것이 알려진다.
실례로서 여기에 개시된 일부 실시 예들에서, 히트 싱크는 중합체성 호스트(polymeric host) 내에 배치되는 적어도 하나의 풀러렌(fullerene) 및 나노튜브를 포함하는 열 전도성 층(thermally conductive layer)을 포함한다. 히트 싱크는 또한 열 절연성이거나 및/또는 그 위에 열 전도성 층이 배치되는 플라스틱일 수 있는, 히트 싱크 바디(heat sink body)를 포함한다. 히트 싱크 바디는 핀들과 같은, 표면적 증가 열 방사 구조체를 포함할 수 있으며, 열 전도성 층은 적어도 표면적 증가 열 방사 구조체 위에 배치된다.
실례로서 여기에 개시된 일부 실시 예들에서, 발광 다이오드 기반 램프는 이전 단락에서 언급한 히트 싱크, 및 하나 또는 그 이상의 발광 다이오드 장치를 포함하는 발광 다이오드 모듈을 포함하는데, 발광 다이오드 모듈은 A 라인 전구 구성일 수 있는, 발광 다이오드 기반 램프를 형성하기 위하여 히트 싱크와 고정되고 히트 싱크와 열 연통한다. 다른 램프 실시 예들에서, 히트 싱크 바디는 중공인 대략 원뿔형의 히트 싱크 바디를 포함하고 히트 싱크는 열 전도성 층이 중공인 대략 원뿔형의 히트 싱크 바디의 적어도 외부 표면 위에 배치되는 중공인 대략 원뿔형의 히트 싱크를 포함하며, 발광 다이오드 기반 램프는 MR 또는 PAR 기반 램프이다.
실례로서 여기에 개시된 일부 실시 예들에서, 방법은 히트 싱크 바디를 형성하는 단계 및 열 전도성 층을 히트 싱크 바디 상에 배치하는 단계를 포함하는데, 열 전도성 층은 중합체성 호스트 내에 배치된다. 형성하는 단계는 히트 싱크 바디를 몰딩된 플라스틱 히트 싱크 바디로 몰딩하는 단계를 포함한다. 배치하는 단계는 히트 싱크 바디 상의 열 전도성 층을 스프레이 코팅(spray coating)하는 단계를 포함한다. 선택적으로, 배치하는 단계는 중합체성 호스트 내에 배치되는 나노튜브들에 규칙 배향(non-random orientation)을 주기 위하여 스프레이 코딩 동안에 외부 에너지 필드(energy field)를 적용시키는 단계를 더 포함한다.
도 1 및 2는 금속 히트 싱크 부품을 사용하는 종래의 히트 싱크(도 1) 및 여기에 개시된 것과 같은 히트 싱크(도 2)를 위한 열 모델을 도시한다.
도 3 및 4는 각각 MR 또는 PAR 램프에 적절하게 사용되는 히트 싱크의 측단면도 및 측배경도를 도시한다.
도 5는 도 3 및 4의 히트 싱크를 포함하는 MR 또는 PAR 램프의 측단면도를 도시한다.
도 6은 도 5의 MR 또는 PAR 램프의 광학/전자 모듈의 측면도를 도시한다.
도 8은 단순화된 "슬래브"형 히트 싱크를 위하여 코팅 두께 대 등가 K 데이터를 표시한다.
도 9 및 10은 벌크 금속 히트 싱크를 위한 재료 열 전도도의 기능으로서 열 성능을 도시한다.
도 11은 여기에 개시된 것과 같이 히트 싱크를 통합하는 "A 라인 전구" 램프의 측면 배경도를 도시한다.
도 12는 히트 싱크가 핀들을 포함하는, 도 9의 "A 라인 전구" 램프의 변형의 실시 예의 측면 배경도를 도시한다.
도 13 및 14는 핀이 있는 "A 라인 전구" 램프들의 부가적인 실시 예의 측면 배경도를 도시한다.
모두 광의 열 방사체들인, 백열등, 할로겐, 및 고휘도방전 광원들의 경우에 있어서, 램프에 인접한 공기 공간으로의 열 전달은 광원의 작동 동안에 상승된 표적 온도를 달성하기 위하여 방사 및 대류 열 경로들의 디자인에 의해 관리된다. 이와 대조적으로, 발광 다이오드 광원의 경우에 있어서, 광자들은 열적으로 여기되지(excited) 않고, 오히려 반도체의 p-n 접합에서 홀(hole)들을 갖는 전자들의 조합에 의해 발생된다. 광원의 성능 및 수명 모두 상승된 타겟 온도에서의 작용보다는, 발광 다이오드의 p-n 접합의 작동 온도를 최소화함으로써 최적화된다. 핀들 또는 다른 표면적 증가 구조체를 갖는 히트 싱크를 제공함으로써, 대류 및 방사 열 전달을 위한 표면이 증대된다.
도 1을 참조하면, 핀들을 갖는 금속 히트 싱크(MB)가 블록에 의해 표시되고, 히트 싱크의 핀들(MF)이 타원의 점선으로 표시된다. 이를 통하여 열이 대류 및/또는 방사에 의해 인근 주변 내로 전달되는 표면은 여기서 히트 싱킹 표면(heat sinking surface, 예를 들면, 핀들(MF))으로 언급되고, 정상 상태에서 발광 다이오드 장치(LD)들을 위한 충분한 히트 싱킹을 제공하도록 큰 영역이어야 한다. 히트 싱킹 표면(MF)으로부터 주변 내로의 대류 및 방사 히트 싱킹은 각각 열 저항들(Rconvection 및 RIR), 또는, 동등하게, 열 전도도들에 의해 모델링될 수 있다. 저항(Rconvection)은 자연적 또는 강제적 공기 흐름에 의해 히트 싱크의 외부 표면으로부터 근접한 주변으로 대류를 모델링한다. 저항(RIR)은 히트 싱크의 외부 표면으로부터 근접한 주변으로 적외선(IR) 방사를 모델링한다. 부가적으로, 열 전도 경로(저항들(Rconvection 및 RIR)에 의해 도 1에 표시)는 발광 다이오드 장치들(LD) 및 히트 싱킹 표면(MF) 사이에서 연속적인데, 이는 발광 다이오드 장치들(LD)로부터 히트 싱킹 표면(MF)으로의 열 전도를 나타낸다. 이러한 일련의 열 전도성 경로를 위한 높은 열 전도도는 발광 다이오드 장치들로부터 히트 싱킹 표면을 거쳐 근접한 공기로의 열 방출이 일련의 열 전도도에 의해 한정되지 않는다는 것을 보장한다. 이는 일반적으로 핀들 또는 히트 싱킹 표면을 정의하는 향상된 표면을 갖는 상대적으로 큰 블록의 금속으로서 히트 싱크(MB)를 구성함으로써 달성되는데, 금속 히트 싱크 바디는 발광 다이오드 장치들 및 히트 싱킹 표면 사이에 원하는 높은 열 전도도를 제공한다. 이러한 디자인에서, 히트 싱킹 표면은 본질적으로 높은 열 전도도 경로를 제공하는 금속 히트 싱크 바디와 지속적이고 밀접한 열 접촉을 한다.
따라서, 발광 다이오드 기반 램프들을 위한 종래의 히트 싱킹은 근접한 공기 공간에 노출되는 큰 영역의 히트 싱킹 표면을 갖는 금속(또는 금속 합금)의 블록을 포함하는 히트 싱크(MB)를 포함한다. 금속 히트 싱크 바디는 발광 다이오드 장치들 및 히트 싱킹 표면 사이에 높은 열 전도도 경로(Rconductor)를 제공한다. 도 1의 저항(Rconductor)은 금속 히트 싱크 바디(MB)를 통한 전도를 모델링한다. 발광 다이오드 장치들은 열 확산기(heat spreader)를 포함하는 금속 코어 회로 판 또는 다른 지지체 상에 장착되고, 발광 다이오드 장치들로부터의 열을 열 확산기를 통하여 히트 싱크로 전도한다. 이는 저항(Rspreader)에 의해 모델링된다.
히트 싱킹 표면 저항들(Rconvection 및 RIR)을 거쳐 주변 내로의 히트 싱킹에 부가적으로, 일반적으로 또한 에디슨(Edison) 베이스 또는 다른 램프 커넥터 또는 램프 베이스(lamp base, LB, 원형의 점선에 의해 도 1의 모델에 표시)를 통한 일부 열 방출(예를 들면, 히트 싱킹)이 존재한다. 램프 베이스(LB)를 통한 이러한 열 방출은 고체 또는 열 파이프를 통한 먼 주변 또는 빌딩 기반시설로의 전도를 나타내는, 저항(Rsink)에 의해 도 1의 도표 모델에 표시된다. 그러나, 에디슨형 베이스의 통상의 경우에 있어서, 램프 베이스(LB)의 열 전도도 및 온도 제한은 베이스를 통한 열 유속을 약 1 와트(watt)로 한정할 것이다. 이와 대조적으로, 실내와 같은 내부 공간을 위한 조명을 제공하도록 의도되는 발광 다이오드 기반 램프들을 위하여, 또는 예를 들면, 실외 조명을 위하여, 싱킹되는 열 출력은 일반적으로 약 10 와트 또는 그 이상이다. 따라서, 여기서 램프 베이스(LB)는 1차 히트 싱킹 경로를 제공할 수 없는 것으로 인식된다. 오히려, 열은 발광 다이오드 장치들로부터 대부분 전도를 거쳐 금속 히트 싱크 바디를 통하여 열이 대류(Rconvection) 및 (어느 정도는) 방사(RIR)에 의해 인근 주변 내로 싱킹되는, 히트 싱크의 외부 히트 싱킹 표면으로 방출한다. 히트 싱킹 표면은 핀을 가지거나(예를 들면, 도 1에서의 핀들(MF)) 또는 그렇지 않으면 표면 영역을 향상시키도록 변형될 수 있는데 따라서 히트 싱킹을 증가시킨다.
그러한 히트 싱크들은 일부 단점들을 갖는다. 예를 들면, 히트 싱크들은 히트 싱크(MB)를 포함하는 금속 또는 금속 합금의 큰 볼륨 때문에 무겁다. 무거운 금속 히트 싱크는 고장 및 일부 고장 모드에 있어서, 전기 사고 위험을 야기할 수 있는, 베이스 및 소켓 상에 기계적 스트레스를 가한다. 벌크(bulk) 금속 히트 싱크 부품의 매칭은 비쌀 수 있으며, 금속의 선택에 따라 재료비가 또한 높을 수 있다. 게다가, 히트 싱크는 때때로 전자장치(electronics)용 하우징으로서 또는 에디슨 베이스용 장착 지점으로서, 또는 발광 다이오드 장치 회로 기판용 지지체로서 사용될 수 있다. 이러한 적용들은 히트 싱크가 다시 제조 비용을 증가시키는, 일부 정밀하게 기계가공되도록 요구한다.
발명자들은 도 1에 도시된 단순환된 열 모델을 사용하여 이러한 문제점들을 분석하였다. 도 1의 열 모델은 열 임피던스의 직병렬의(series-parrel) 회로로서 대수적으로 표현될 수 있다. 정상 상태에서, 램프 커넥터들, 배선, 및 구조적 장착과 같은, 근접 주변에서의 램프 자체의 열 질량, 또는 대상들의 열 질량과 같은, 모든 과도 임피던스는 열 용량성으로서 취급될 수 있다. 과도 임피던스는(즉, 열 용량성)은 전기 용량이 직렬 전기 회로에서 무시되는 것과 같이, 정상 상태에서 무시될 수 있으며, 단지 저항만이 고려될 필요가 있다. 발광 다이오드 장치들 및 주변 사이의 전체 열 저항(Rthermal)은 아래와 같이 표현될 수 있는데:
Rthermal = Rspreader + Rconduction +〔1/Rsink + 1/Rconvection + 1/RIR〕-1,
여기서 Rsink는 에디슨 커넥터(또는 다른 램프 커넥터)를 통하여 "주변" 전선(electrical wiring)으로 통과한 열의 열 저항; Rconvection은 대류 열 전달에 의해 히트 싱킹 표면으로부터 인근 주변 내로 통과한 열의 열 저항; RIR은 방사 열 전달에 의해 히트 싱킹 표면으로부터 인근 주변 내로 통과한 열의 열 저항; 및 Rspreader + Rconduction은 히트 싱킹 표면에 도달하기 위하여 발광 다이오드 장치들로부터 열 확산기(Rspreader)를 통하여 그리고 금속 히트 싱크 바디(Rconduction)를 통하여 통과한 열의 직렬 열 저항이다. 용어 I/Rsink를 위하여, 상응하는 직렬 열 저항은 정확하게 Rspreader + Rconduction이 아닌데, 그 이유는 직렬 열 저항이 히트 싱킹 표면에 대한 것보다는 램프 커넥터에 대한 것이기 때문이다. 그러나 베이스 커넥터를 통한 열 전도(I/Rsink)가 일반적인 램프를 위하여 작기 때문에 이러한 에러는 무시된다. 실제로, 베이스를 통한 히트 싱킹을 완전히 무시한 단순화된 모델은 아래와 같이 표현될 수 있다:
Rthermal = Rspreader + Rconduction +〔1/Rconvection + 1/RIR〕-1.
이러한 단순화된 공식은 히트 싱크 바디를 통한 직렬 열 저항(Rconduction)이 열 모델의 제어 파라미터라는 것을 설명한다. 실제로, 이는 벌크 금속 히트 싱크(MB)를 사용하는 종래의 히트 싱크 디자인을 위하여 타당하다. 히트 싱크 바디는 직렬 열 저항(Rconduction)을 위하여 매우 낮은 값을 제공한다. 전술한 내용을 고려하면, 종래의 히트 싱크와 비교하여 낮은 직렬 열 저항(Rconduction)을 가지나, 동시에 감소된 중량(및, 바람직하게는, 감소된 경비)를 갖는 히트 싱크를 달성하는 것이 바람직할 수 있다는 것이 인식된다.
이것이 달성될 수 있는 한 가지 방법은 베이스를 통한 열 히트 싱킹을 향상시키는 것인데, 따라서 이러한 경로는 10 와트 또는 그 이상의 히트 싱킹 비율을 제공하도록 향상될 수 있다. 그러나, 종래의 백열등 또는 할로겐 또는 고휘도 방전 램프를 대체하기 위하여 발광 다이오드 램프가 사용되는 개선된 광원 적용에 있어서, 발광 다이오드 대체 램프는 종래의 베이스 혹은 소켓 혹은 원래 백열등, 할로겐, 또는 고휘도 방전 램프를 위하여 디자인된 형태의 조명기구 내에 장착된다. 그러한 연결을 위하여, 빌딩 기반시설 또는 인근 먼 주변(예를 들면, 접지)에 대한 열 저항은 Rconvection 또는 RIR과 비교하여 크며 따라서 대류 및 방사에 의한 주변으로의 열 경로가 지배적이다.
부가적으로, 발광 다이오드 어셈블리의 상대적으로 낮은 정상 상태 작동 온도에 기인하여, 방사 경로는 일반적으로 대류 경로(즉, Rconvection ≪ RIR)에 의해 지배된다, 따라서, 일반적인 발광 다이오드 기반 램프를 위한 지배적인 열 경로는 Rconvection 및 RIR를 포함하는 직렬 회로이다. 따라서 낮은 직렬 열 저항(Rconvection + RIR)을 제공하고, 반면에 히트 싱크의 중량(및, 바람직하게는, 비용)을 감소시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 발명자들은 첫 번째 원칙의 관점으로부터 발광 다이오드 기반 램프에서 열 제거의 문제점을 신중히 고려하였다. 여기서, 일반적으로 중요하게 고려되는 파라미터들(히트 싱크 볼륨, 히트 싱크 질량 대 전도도 비율, 히트 싱크 표면 영역, 및 전도성 열 제거 및 베이스를 통한 싱킹) 중에서, 두 개의 지배적인 디자인 특성들은 발광 다이오드들 및 히트 싱크(즉, Rconduction) 사이의 경로의 열 전도도, 및 주변(Rconduction 및 RIR에 영향을 미치는)으로의 대류 및 방사 열 전달을 위한 히트 싱크의 외부 표면 영역이라는 것이 인식된다.
또 다른 분석은 제거 과정에 의해 진행된다. 히트 싱크 볼륨은 그것이 히트 싱크 질량 및 히트 싱크 표면 영역에 영향을 미칠 때만 중요하다. 히트 싱크 질량은 일시적인 상황에서 중요하나, 정상 상태의 열 제거 성능에 강하게 영향을 미치지는 않는데. 금속 히트 싱크 바디가 낮은 직렬 저항(Rconduction)을 제공하는 정도 까지를 제외하고는, 연속적인 작동 램프에서 흥미롭다. PAR 또는 MR 또는 반사기 또는 A-라인 램프와 같이, 대체 램프의 베이스를 통한 히트 싱킹 경로는 낮은 전력의 램프들을 위하여 중요할 수 있으나, 에디슨 베이스의 열 전도도는 약 1 와트의 주변으로의 히트 싱킹을 제공하기에만 충분하며(그리고 핀 형태 베이스들과 같은 다른 베이스 형태들은 비슷하거나 또는 적은 열 전도도를 가질 것 같다), 따라서 베이스를 통한 주변으로의 전도성 히트 싱킹은 상업적으로 성공할 수 있는 발광 다이오드 기반 램프들을 위하여 중요한 원칙으로 기대되지 않으며, 정상 상태에서 수개의 자릿수보다 높은 열 하중을 발생시키는 것으로 기대된다.
도 2를 참조하면, 전술한 내용을 기초로 하여, 개량된 반드시 열 전도성이 필요하지는 않는 경량의 히트 싱크 바디(LB), 및 히트 싱킹 표면을 정의하기 위하여 히트 싱크 바디 위에 배치되는 열 전도성 층(CL)을 포함하는, 히트 싱크가 여기에 개시된다. 히트 싱크 바디는 열 회로의 일부(또는 선택적으로, 히트 싱크 바디의 일부 열 전도를 거쳐 중요하지 않은 부품일 수 있는)는 아니나, 히트 싱크 바디(LB)는 히트 싱킹 표면을 정의하는 열 전도성 층(CL)의 형태를 정의한다. 예를 들면, 히트 싱크 바디(LB)는 열 전도성 층(CL)에 의해 코팅되는 핀들(LF)을 가질 수 있다. 히트 싱크 바디(LB)가 열 회로의 일부가 아니기 때문에(도 2에 도시된 것과 같이), 구조적 견실함 및 낮은 중량과 같은 제조능력 및 특성을 위하여 디자인될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 히트 싱크 바디(LB)는 열 절연성이거나 또는 상대적으로 낮은 열 전도도를 갖는 플라스틱을 포함하는 몰딩된 플라스틱 부품이다.
경량의 열 전도성 층(CL)은 히트 싱킹 표면의 기능을 실행하며, 인근 주변으로의 히트 싱킹과 관련된 성능(열 저항(Rconvection + RIR)에 의해 수량화)은 실질적으로 도 1에 모델링된 종래의 히트 싱크와 동일하다. 그러나, 부가적으로, 열 전도성 층(CL)은 발광 다이오드 장치들로부터 히트 싱킹 표면으로의 열 경로를 정의한다(직렬 저항(Rconduction)에 의해 수량화). 이는 또한 도 2에 도시된다. Rconduction을 위한 충분히 낮은 값을 달성하기 위하여, 열 전도성 층(CL)은 충분히 큰 두께를 가져야만 하고(두께가 증가함에 따라 Rconduction이 감소하기 때문에) 충분히 낮은 재료 열 전도도를 가져야만 한다(재료 열 전도도가 증가함에 따라 Rconduction이 또한 감소하기 때문에). 열 전도성 층(CL)의 재료 및 두께의 적절한 선택에 의해, 경량의(그리고 가능하면 열 절연성의) 히트 싱크 바디(LB), 및 히트 싱크 바디 위에 배치되고 히트 싱킹 표면을 정의하는 열 전도성 층(CL)을 포함하는 히트 싱크는 동일하게 크기화되거나 또는 형태화되는 벌크 금속의 히트 싱크와 동일하거나 또는 더 나은 성능을 가질 수 있으며, 동시에 실질적으로 벌크 금속의 동일한 히트 싱크보다 경량이고 비용이 덜 들 수 있다는 사실이 여기에 개시된다. 다시, 히트 싱크의 성능을 결정하는 것은 주변으로의 방사/대류 히트 싱킹을 위하여 이용가능한 표면 영역뿐만 아니라, 주변과 열 연통하는 히트 싱킹 층(즉, 직렬 저항((Rconduction)과 상응하는)에 의해 정의되는 외부 표면을 가로지른 열의 열 전도도이다. 높은 표면 전도도는 전체 히트 싱킹 표면 영역에 걸쳐 열의 더 효율적인 분산을 촉진하고 따라서 주변으로의 방사 및 대류 열 싱킹을 촉진한다.
전술한 내용을 고려하여, 히트 싱크 바디 및 히트 싱크의 적어도 히트 싱킹 표면 위에 히트 싱크 바디 상에 배치되는(그리고 정의하는) 열 전도성 층을 포함하는 히트 싱크 실시 예들이 개시된다. 히트 싱크 바디의 재료는 열 전도성 층보다 낮은 열 전도성을 갖는다. 실제로, 히트 싱크 바디는 열 절연성일 수 있다. 다른 한편으로는, 열 전도성 층은 충분한 열 전도성 재료의 (ⅰ) 영역 및 (ⅱ) 두께를 가져야 하며 (ⅲ) 충분한 열 전도성 재료로 만들어져야 하는데 따라서 이는 일반적으로 200℃ 이하이고 때때로 100℃ 이하인, 명시된 최대 온도에서 또는 그 아래에서 발광 다이오드 기반 램프의 발광 다이오드 장치들의 p-n 반도체 접합을 유지하기에 충분한 주변으로의 방사/대류 히트 싱킹을 제공한다.
열 전도성 층의 두께 및 재료 열 전도성은 열 전도성 층의 열 시트 전도성(thermal sheet conductivity)을 함께 정의하는데, 이는 전기 시트 전도성(또는 역으로, 전기 시트 저항)과 유사하다. 열 시트 저항(Rs=ρ/d=(σㆍd)-1)이 정의될 수 있는데, 여기서 ρ는 재료의 열 저항력이고 σ는 재료의 열 열 전도성이며, d는 열 전도성 층의 두께이다. 그 반대는 열 시트 전도도(Ks = σㆍd)를 나타낸다. 따라서 열 전도성 층의 두께(d) 및 재료 열 전도성(σ) 사이에 균형(trade-off)이 만들어질 수 있다. 높은 열 전도성 재료들을 위하여, 열 전도성 층은 얇게 만들어질 수 있으며, 이는 감소된 중량, 볼륨, 및 비용을 야기한다.
여기에 개시된 실시 예들에서, 열 전도성 층은 중합체성 호스트 내에 배치되는 탄소 나노튜브들을 포함하는 탄소 나노튜브 층이다. Elhard 등이 2009년 4월 23일에 공개한 국제특허출원 제 WO 2009/052110 A2가 실례로서, 여기에 일부 적절한 탄소 나노튜브 층들이 개시되는데, 이는 여기에 전체로서 참조하여 통합되며, Heintz 등이 2008년 7월 17일에 공개한 국제특허출원 제 WO 2008/085550 A2가 실례로서 개시되고, 이는 여기에 전체로서 참조하여 통합된다. 탄소 나노튜브는 튜브를 따라 매우 높은 열 전도도를 가지고 튜브를 따라 매우 높은 전기 전도도를 갖는 것으로 알려졌다. 국제특허출원 제 WO 2009/052110 A2 및 국제특허출원 제 WO 2008/085550 A2에 개시된 탄소 나노튜브 층들은 중합체성 호스트 내에 배치되는 임의로 배향되는 탄소 나노튜브들을 포함하는데, 탄소 나노튜브들은 이웃하는 탄소 나노튜브들을 가로지르는 전기 전도성이 또한 매우 높다는 것에 근접한다. 따라서, 탄소 나노튜브 층 재료는 매우 높은 전기 전도성을 갖는다.
탄소 나노튜브 구조에서 달성될 수 있는 매우 높은 열 전도를 나타내기 위하여, Berber 등이 발표한 "Unusually High Thermal Conductivuty of Carbon Nanotubes", Physical Revier Letters vol. 84 no. 20, pages 4613-16(2000)이 참조되는데, 이는 여기에 전체로서 참조로 통합된다. 다양한 탄소 나노튜브 합성물 특성을 위한 데이터가 Berber 등에 의해 발표되었다. Berber 등에 의한 예로서, 도 2는 온도의 기능으로서 탄소 나노튜브 열 전도도를 도시하며, 열 전도도는 100 K의 온도에서 37000 W/mㆍK에서 피크를 이루고 그 위의 온도에서는 전도도가 점차로 감소하는 사실을 발견하였다. 실내 온도에서, 전도도는 6600 W/mㆍK이다. 도 3은 제한된 흑연화 단층 및 200과 400 K 사이의 온도를 위한 AA 흑연의 기저 평면과 비교하여, (10, 10) 탄소 나노튜브를 위한 열 전도도 데이터를 도시한다. 이러한 데이터는 분리된 나노튜브가 이론적인 분리된 그래핀(graphene) 단층과 비교하여 매우 유사한 열 전달 행동을 갖는다는 것을 나타낸다. Berber 등에 의해 발표된 이러한 데이터는 중합체성 호스트 내에 배치되는 탄소 나노튜브들을 포함하는 탄소 나노튜브 층을 위하여 달성가능한 높은 열 전도도를 나타낸다. 특정 탄소 나노튜브 층의 정확한 열 특성은 중합체성 호스트 내의 나노튜브 밀도 및 배향(예를 들면, 임의의, 또는 일부 선호하는 배향), 나노튜브 형태(예를 들면, 단일 벽 대 다중 벽) 등과 같은 다양한 파라미터에 따르는 것으로 기대되는 것을 이해하여야 한다.
단일 벽 나노튜브들 또는 흑연화 다중벽 나노튜브들과 같은 탄소 나노튜브 스톡을 사용하여 구성되는 탄소 나노튜브 층은 예를 들면, 탄소 나노튜브 재료로서 형성될 때 σ=2000 W/mㆍK 까지 또는 그 이상의 매우 높은 열 전도도를 갖는다, 더 일반적으로, 중합체성 호스트 내의 풀러렌들(즉, 탄소 나노튜브들, 또한 "버키볼(Buckyballs)"로서 알려진 버크민스터 풀러렌(Buckminster fullerenes) 등 또는 전술된 다양한 혼합물들과 같은 탄소 나노구조체들)을 포함하는 풀러렌 층의 열 전도성 층을 형성하는 것이 고려되는데, 이웃하는 풀러렌들을 가로질러 매우 효율적인 열 전도를 촉진하기 위하여 중합체성 호스트 내의 풀러렌들은 충분히 높은 밀도를 갖는다.
히트 싱크 바디(즉, 열 전도성 층을 포함하지 않는 히트 싱크)는 그것이 열 확산(도 2의 열 모델에서 직렬 저항(Rconduction)에 의해 수량화)을 실행하고 히트 싱킹 표면(도 2의 열 모델에서 저항(Rconvection 및 RIR))에 의해 수량화)을 정의하는 열 전도성 층의 형태를 정의하는 한에 있어서를 제외하고는, 열 제거에 강력하게 영향을 주지 않는다. 히트 싱크 바디에 의해 제공되는 표면 영역은 방사 및 대류를 거쳐 뒤따르는 열 제거에 영향을 미친다. 그 결과, 히트 싱크 바디는 낮은 중량, 낮은 비용, 구조적 단단함 또는 견고함, 열 견고함(예를 들면, 히트 싱크 바디는 용해 또는 과도한 연화 없이 작동 온도를 견뎌야만 한다), 제조의 편리성, 최대 표면 영역(차례로 열 전도성 층의 표면 영역을 제어하는) 등과 같은 원하는 특성을 달성하도록 선택될 수 있다. 여기에 개시된 일부 실시 예들에서, 히트 싱크 바디는 예를 들면, 폴리(메타크릴산 메틸), 나일론, 폴리에틸렌, 에폭시 수지, 폴리이소프렌, 스티렌-부타디엔-스티렌 고무, 폴리디시클로펜타디엔(polydicyclopentadiene), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리(페닐렌 설파이드), 폴리(페닐렌 옥사이드), 실리콘, 폴리케톤(polyketone), 열가소성 수지 등과 같은 중합체성 재료로 만들어지는, 몰딩된 플라스틱 소자이다. 히트 싱크 바디는 핀들 또는 기타의 열 방사/대류/표면적 증가 구조체를 갖도록 몰딩될 수 있다.
다음에서, 일 부 실시 예들이 설명된다.
도 3 및 4를 참조하면, 히트 싱크(10)는 MR 또는 PAR 형태 발광 다이오드 기반 램프에서의 사용을 위한 적절한 구성을 갖는다. 히트 싱크(10)는 플라스틱 또는 이미 설명된 다른 적절한 재료로 만들어지는 히트 싱크 바디(12), 및 히트 싱크 바디(12) 상에 배치되는 탄소 나노튜브 층을 포함하는 열 전도성 층(14)을 포함한다. 더 일반적으로, 열 전도성 층(14)은 중합체성 호스트 내에 배치되는 풀러렌들(탄소 나노튜브들, 또한 "버키볼"로서 알려진 버크민스터 풀러렌들, 20면체 풀러렌 등과 같은)을 포함하는 풀러렌 층일 수 있다.
도 4에 가장 잘 도시된 것과 같이, 히트 싱크(10)는 최후의 방사 및 대류 열 제거를 향상시키기 위한 핀들(16)을 갖는다. 도시된 핀들(16) 대신에, 다중 세그먼트화 핀들, 로드(rod)들, 마이크로/나노 스케일 표면 및 볼륨 특성 등과 같은, 다른 표면적 증가 구조체들이 사용될 수 있다. 도시된 히트 싱크 바디(12)는 내부 표면들(20) 및 외부 표면들(22)을 갖는 중공인 대략 원뿔형의 히트 싱크로서의 히트 싱크를 정의한다. 도 3에 도시된 실시 예에서, 열 전도성 층(14)은 두 내부 표면들(20) 및 외부 표면들(22) 상에 배치된다. 대안으로서, 열 전도성 층은 도 7의 히트 싱크(10')의 대안의 실시 예에 도시된 것과 같이, 외부 표면들(22)에만 배치될 수 있다.
도 3과 4 및 도 5와 6을 참조하면, 도시된 중공인 대략 원뿔형의 히트 싱크(10)는 중공의 버텍스(vertex)를 포함한다. 발광 다이오드 모듈(30, 도 6에 도시)은 MR 또는 PAR 기반 램프를 정의하기 위하여 도 5에 도시된 것과 같이, 버텍스(26)에 적절하게 배치된다. 발광 다이오드 모듈(30)은 예를 들면, 금속 코어 인쇄 회로 기판(34)의 금속 층을 포함하는 열 확산기(36)를 포함하는 금속 코어 인쇄 회로 기판(34) 상에 장착되는 하나 또는 그 이상의(도시된 실시 예에서는 세 개) 발광 다이오드 장치(32)를 포함한다. 도시된 발광 다이오드 모듈(30)은 나사산의 에디슨 베이스(40)를 더 포함한다; 그러나 베이어닛(bayonet) 핀 형태의 베이스, 또는 피그 테일(pig tale) 전기 커넥터와 같은, 다른 형태의 베이스들은 도시된 에디슨 베이스(40)를 대신할 수 없다. 도시된 발광 다이오드 모듈(30)은 전자장치(42)를 더 포함한다. 전자장치는 도시된 것과 같은 밀폐된 전자장치 유닛(42)을 포함할 수 있거나, 또는 분리된 하우징이 없는 히트 싱크(10)의 중공의 버텍스(26) 내에 배치되는 전자장치 부품들일 수 있다. 전자장치(42)는 교류 전기 전력(예를 들면, 미국 주거용의 110 볼트, 미국 산업용 또는 유럽의 220 볼트 등)을 발광 다이오드 장치들(32)을 작동하에 적절한 (일반적으로 낮은) 직류 전압으로 변환하기 위한 전원 공급 회로를 적절하게 포함한다. 전자장치(42)는 선택적으로 정전 방전 보호 회로, 퓨즈 또는 다른 안전 회로, 조광 회로 등과 같은, 다른 부품들을 포함할 수 있다.
여기에서 사용되는 것과 같이, 용어 "발광 다이오드 장치"는 무기 또는 유기 발광 다이오드들의 베어(bare) 반도체 칩들, 무기 또는 유기 발광 다이오드들의 캡슐화 반도체 칩들, 발광 다이오드 칩들이 서브 마운트(sub-mount), 리드 프레임(lead-frame), 표면 마운트 지지체 등과 같은, 하나 또는 그 이상의 중간 소자들 상에 장착되는 발광 다이오드 칩 "패키지", 봉합체(encapsulant)를 갖거나 또는 봉합체가 없는 파장 변환 인광체(phosphor) 코팅(예를 들면, 노란색, 백색, 황색(anber), 녹색, 오렌지색, 적색, 또는 백색을 생산하도록 디자인되는 다른 인광체로 코팅된 자외선 또는 자색 또는 청색 발광 다이오드 칩)을 포함하는 반도체 칩들, 다중 칩 무기 또는 유기 발광 다이오드 장치들(예를 들면, 각각 선택적으로 백색을 발생시키기 위하여, 적색, 녹색, 그리고 청색, 및 가능하게는 광의 다른 색들을 방출하는 세 개의 발광 다이오드 칩들을 포함하는 백색 발광 다이오드 장치) 등을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 하나 또는 그 이상의 발광 다이오드 장치들(42)은 선택적으로 백색 광 빔(beam), 노란색 광 빔, 적색 광 빔, 또는 주어진 조명 적용에 관심 있는 실질적으로 모든 다른 색의 광 빔을 방출하도록 구성될 수 있다. 또한 그 이상의 발광 다이오드 장치들(32)을 위하여 서로 다른 색의 광을 방출하는 발광 다이오드 장치들을 포함하고, 전자장치(42)를 위하여 조절가능한 색 출력을 제공하기 위하여 서로 다른 색의 발광 다이오드 장치들을 독립적으로 작동하기에 적합한 회로를 포함하는 것이 고려된다.
열 확산기(36)는 발광 다이오드 장치들(32)로부터 열 전도성 층(14)으로 열 연통을 제공한다. 열 확산기(36) 및 열 전도성 층(14) 사이의 뛰어난 열 결합은 납땜(soldering), 열 전도성 접착제, 발광 다이오드 모듈(30) 및 히트 싱크(10)의 버텍스(26) 사이에서 높은 열 전도 패드에 의해 선택적으로 지원되는 기계적 끼워맞춤 등과 같은, 다양한 방법으로 달성될 수 있다. 비록 도시되지는 않으나, 또한 열 확산기(36) 및 열 전도성 층(14) 사이의 열 결합을 제공하거나 향상시키기 위하여 버텍스(26)의 내부 직경 표면 위에 배치되는 열 전도성 층(14)을 갖는 것이 고려된다.
도 7을 참조하여, 제조 방법이 설명된다. 본 방법에서 히트 싱크 바디(12)가 플라스틱 또는 다른 중합체성 재료를 포함하는 실시 예들에서 히트 싱크 바디(12)를 형성하기에 편리한, 몰딩에 의한 것과 같은 적절한 방법에 의해 히트 싱크 바디(12)가 우선 형성된다. 히트 싱크 바디(12)를 형성하기 위한 다른 방법들은 캐스팅(casting), 압출(예를 들면, 실린더형 히트 싱크의 경우에) 등을 포함한다. 외부 표면들(22)을 중합체성 호스트 내에 배치되는 탄소 나노튜브들과 같은 풀러렌들을 포함하는 열 전도성 층으로 코팅하기 위하여 스프레이 코팅(50, 화살표에 의해 표시))이 적용된다. 마스크 담금 코팅(masked dip coating), 브러시 적용과 같은 다른 코팅 방법들이 또한 사용될 수 있다. 그 결과는 내부 표면들(20')이 열 전도성 층으로 코팅되지 않는 점에서 도 3 및 5의 히트 싱크(10)와는 다른 변형된 히트 싱크(10')이다. 만일 외부 표면들(22, 선택적으로 핀들 또는 다른 표면적 증가 구조체들을 포함하는) 상에 배치되는 열 전도성 층(14)이 충분한 최종 방사/대류 히트 싱킹을 제공하면 이는 허용할 수 있다. 그러한 실시 예들에서, 내부 표면들(20)은 MR 또는 PAR 또는 반사기 램프를 위한 수집 반사기를 형성하기 위하여 선택적으로 반사식 코팅(52)으로 코팅된다. 또한 MR 또는 PAR 또는 반사기 램프는 하나 또는 그 이상의 프레스넬(Fresnel) 또는 다른 렌즈들, 하나 또는 그 이상의 산광기(diffuser) 소자들 등과 같은, 다른 선택적 부품들(도시되지 않음)을 포함할 수 있다.
만일 부가적으로 내부 표면들(20) 상에 열 전도성 층(14)을 배치하도록(도 3 및 5의 실례로서 도시된 것과 같이) 원한다면, 도 7의 스프레이 코팅이 스프레이를 마주보는(즉, 180도 회전된 도 7에 도시된 히트 싱크로) 내부 표면들(22)로 반복될 수 있다. 대안으로서, 내부 및 외부 표면들(20, 22) 상에 모두 허용을 허용하는 페인팅과 같은 또 다른 코팅 방법이 사용될 수 있다.
일반적으로, 열 전도성 코팅(14)에서 풀러렌들은 중합체성 호스트 내에 임의로 배향된다. 이는 일반적인 구성이며 예로서, 국제특허 WO 2009/052110 A2 및 WO 2008/085550 A2에 개시된 탄소 나노튜브 층들 내에서, 이는 사실이다. 그러나, 탄소 나노튜브와 같은 이방성의(anisotropic) 풀러렌의 경우에 있어서, 탄소 나노튜브들이 열 전도성 층(14)의 평면과 평행하게 선택된 배향을 향하여 바이어스되는(biased) 탄소 나노튜브 층과 같은 열 전도성 층(14)을 형성하는 것이 또한 고려된다. 열 전도성은 면내 값(in-plane value, σⅡ) 및 "관통 층" 값(through-layer value, σⅠ)을 갖는 텐서(tensor)가 된다. 열 전도성 층(14)의 평면에서 배향되는 탄소 나노튜브들을 향한 바이어싱을 위하여, σⅡ＞σⅠ)이고 시트 전도성은 Ks = σⅠㆍd이다. 만일 부가적으로 탄소 나노튜브들이 열 전도성 층(14)의 평면과 평행하게 선택된 배향을 향하여 바이어스되면, 그때 텐서는 또 다른 부품들을 가지며(즉, 서로 다른 면내 방향들을 위하여 면내 값(σⅡ)이 서로 다른 면내 값들로 나누어진다), 만일 선택된 배향이 열 흐름의 원하는 방향과 평행하면 그대 최종 방사/대류 히트 싱킹의 효율은 더 향상될 수 있다. 탄소 나노튜브들의 그러한 우선적 배향을 달성하는 한 가지 방법은 스프레이 코팅 동안에 전기장(electric field, E, 점선으로 그려진 큰 화살표에 의해 도시된)의 적용에 의한 것이다. 더 일반적으로, 중합체성 호스트 내에 배치되는 탄소 나노튜브들에 규칙 배향을 주기 위하여 스프레이 코딩 동안에 외부 에너지 장이 적용된다. 탄소 나노튜브들의 우선적 배향을 달성하기 위한 또 다른 방법은 바람직한 배향을 향하여 탄소 나노튜브들을 기계적으로 바이어스하기 위하여 바람직한 배향을 따라 그려진 페인트 스트로크를 갖는, 페인팅을 사용하여 히트 싱크 바디(12) 상에 열 전도성 층(14)을 배치하는 것이다.
일부 실시 예들에서, 열 전도성 층(14)은 히트 싱크 바디 상에 배치된 후에 가열, 자외선 노출 등에 의해 적절하게 보존된다. 그러한 실시 예들에서, 나노튜브들에 우선 배향을 주기 위하여 전기장의 적용, 또는 폴리이미드(polyimide) "정렬 층들"이 일부 액정 장치 내에 형성되는 것과 유사한 기계적 연마(polishing)가 사용될 수 있다.
도 8을 참조하면, 4000 W/mㆍK의 재료 열 전도성을 위하여 열 전도성 층의 두께를 최적화하기 위한 시뮬레이션 데이터가 도시된다. 이러한 시뮬레이션에서의 히트 싱크 바디는 2 W/mㆍK의 재료 열 전도성을 가지나, 결과는 이러한 값에 약하게 의존한다는 사실이 알려졌다. 도 8의 값들은 열 전도성 재료가 슬래브(slab)의 양 면들을 코팅한, 0.05 m의 길이, 0.0015 m의 두께, 및 0.01 m의 폭을 갖는 단순화된 "슬래브" 히트 싱킹을 위한 것이다. 약 15-20 마이크론 이상의 열 전도성 층 두께를 위하여, 등가 저항은 두께에 매우 약하게 의존한다. 따라서, 수십 마이크론 또는 그 이하의 얇은 층은 열 전도 및 뒤따르는 벌크 금속 히트 싱크의 성능과 필적하는 방사 및 대류를 거쳐 주변으로의 열 제거와 관련하여 정상 상태 성능을 제공하기에 충분하다.
일반적으로, 열 전도성 층(14)의 시트 열 전도도는 발광 다이오드 장치들(32)로부터의 열이 열 방사/대류 표면 영역을 가로질러 균일하게 확산되는 것을 보장하도록 충분히 높아야만 한다. 발명자들에 의해 실행된 시뮬레이션에서(도 8과 같은), 열 전도성 충(14)의 두께의 증가를 갖는 성능 향상은 일단 두께가 특정 레벨을 초과하면 증가세가 꺾인다(또는, 더 정확히는, 성능 대 두께 곡선은 대략 기하급수적으로 감쇠한다). 어떠한 특정 작동 이론에 한정됨이 없이, 이는 열 전도성 층을 통한 열 전달의 열 저항(Rconduction)에 의한 것보다는 방사/대류 열 저항(Rconvection 및 RIR)에 의해 더 높은 두께에서 한정되는 주변으로의 히트 싱킹 때문으로 여겨진다. 다르게 말하면, 직렬 열 저항(Rconduction)은 더 높은 층 두께에서 Rconvection 및 RIR과 비교하여 무시된다.
도 9 및 10을 참조하면, 벌크 금속 히트 싱크에서 재료 열 전도성의 증가에 따라 기울기가 평평해지는 유사한 성능이 도시된다. 도 9는 네 개의 서로 다른 재료 열 전도성: 20 W/mㆍK; 40 W/mㆍK; 60 W/mㆍK; 및 80 W/mㆍK;에 대하여 벌크 히트 싱크의 시뮬레이션되는 열 이미지에 의해 획득되는 결과들을 도시한다. 각각의 시뮬레이션에 대한 발광 다이오드 기판("칩 온 보드(chip-on-board)", 즉, CoB 또는 Tboard) 온도가 도 9에 표시된다. 칩 온 보드 온도 강하는 80 W/mㆍK에서 안정되기 시작한다. 도 10은 칩 온 보드 온도 대 벌크 히트 싱크 재료의 재료 열 전도성을 표시하는데, 이는 100-200 W/mㆍK 범위에 의해 기울기가 평평해지는 실질적 성능을 도시한다. 어떠한 특정 작동 이론에 한정됨이 없이, 이는 열 전도성 층을 통한 열 전달의 열 저항(Rconduction)에 의한 것보다는 방사/대류 열 저항(Rconvection 및 RIR)에 의해 더 높은 (벌크) 재료 전도성에서 한정되는 주변으로의 히트 싱킹 때문으로 여겨진다. 다르게 말하면, 직렬 열 저항(Rconduction)은 더 높은 층 두께에서 Rconvection 및 RIR과 비교하여 무시된다.
전술한 내용을 기초로 하여, 일부 실시 예들에서, 열 전도성 층(14)은 500 마이크론 또는 그 이하의 두께 및 수 자릿수에 의해 50 W/mㆍK 또는 그 이상의 열 전도도를 갖는다. 그러나, 탄소 나노튜브 층은 수 자릿수에 의해 50 W/mㆍK를 초과하는 열 전도도를 갖기 때문에(예를 들면, 위의 Berber 등 참조), 실질적으로 얇은 탄소 나노튜브 층이 사용될 수 있다. 예를 들면, 알루미늄은 일반적으로 약 100 W/mㆍK를 열 전도도성을 갖는다. 도 8로부터, 약 20 마이크론 또는 그 이상의 두께를 갖는 4000 W/mㆍK 탄소 나노튜브 층을 위하여 벌크 알루미늄 히트 싱크의 그것을 초과하는 히트 싱킹 성능이 달성될 수 있을 것으로 보인다. 열 시트 전도성(Ks = σㆍd, 본 실시 예에서 σ=4000 W/mㆍK 및 d=20 ㎛, Ks = 0.08 W/K를 생산)에 따른 스케일링에서, 약 80 마이크론의 두께를 갖는 800 W/mㆍK 탄소 나노튜브 층을 위하여, 또는 약 200 마이크론의 두께를 갖는 400 W/mㆍK 탄소 나노튜브 층을 위하여, 벌크 알루미늄 히트 싱크의 그것을 초과하는 히트 싱킹 성능이 달성될 수 있다. 주어진 탄소 나노튜브 층 두께를 위하여, 탄소 나노튜브 층 열 전도성의 증가는(예를 들면, 층 내의 탄소 나노튜브들의 밀도를 증가시키거나, 또는 더 높은 개별 열 전도성의 탄소 나노튜브들을 사용함으로써) 히트 싱킹 성능을 향상시킨다. 유사하게, 주어진 탄소 나노튜브 층 열 전도성을 위하여, 탄소 나노튜브 층 두께의 증가는 히트 싱킹 성능을 향상시킨다.
도 11 및 12를 참조하면, 개시된 히트 싱크 양상이 다양한 형태의 발광 다이오드 기반 램프들과 통합될 수 있다.
도 11은 백열 A 라인 전구를 개량하기에 적합한 형태의 A 라인 전구의 측면도를 도시한다. 히트 싱크 바디(62)가 구조적 기반을 형성하고, 예를 들면, 폴리(메타크릴산 메틸), 나일론, 폴리에틸렌, 에폭시 수지, 폴리이소프렌, 스티렌-부타디엔-스티렌 고무, 폴리디시클로펜타디엔, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리(페닐렌 설파이드), 폴리(페닐렌 옥사이드), 실리콘, 폴리케톤, 열가소성 수지 등과 같은 중합체성 재료로 만들어지는, 몰딩된 플라스틱 소자로서 적합하게 제조될 수 있다. 열 전도성 층(64)은 히트 싱크 바디(62) 상에 배치되는 탄소 나노튜브 층을 포함한다. 더 일반적으로는, 열 전도성 층(64)은 중합체성 호스트 내에 배치되는 풀러렌들(즉, 탄소 나노튜브들, 또한 "버키볼"로서 알려진 버크민스터 풀러렌 등) 또는 전술된 다양한 혼합물들과 같은 탄소 나노구조체들)을 포함하는 풀러렌 층일 수 있다. 열 전도성 층(64)은 도 3-5 및 7의 MR/PAR 램프 실시 예들의 열 전도성 층(14)과 동일한 방법으로 제조될 수 있다.
램프 바디(lamp body)를 형성하기 위하여 램프 베이스 섹션(66)이 히트 싱크 바디(62)로 고정된다. 램프 베이스 섹션(66)은 도 3-5, 및 7의 MR/PAR 램프 실시 예들의 에디슨 베이스(40)와 유사한 나사산 에디슨 베이스(70)를 포함한다. 일부 실시 예들에서, 히트 싱크 바디(62) 및/또는 램프 베이스 섹션(66)은 중공의 영역(71)을 정의한다. 에디슨 베이스(70)에서 수신되는 전기전력을 램프 광 출력을 제공하는 발광 다이오드 장치들(72)을 구동하기에 적합한 전력을 작동하도록 변환하는 전자장치(도시되지 않음)를 포함한다. 발광 다이오드 장치들(72)은 열 전도성 층(64)과 열 연통되는 금속 코어 인쇄 회로 기판 또는 다른 열 확산 지지체(73) 상에 장착된다. 열 확산기(73) 및 열 전도성 층(64) 사이의 뛰어난 열 결합이 선택적으로 납땜, 열 전도성 접착제 등에 의해 향상될 수 있다.
실질적으로 큰 입체 각(예를 들면, 적어도 2π 스테라디안(steradian))에 걸쳐 전방향성(omnidirectional)의 광 출력을 제공하기 위하여, 발광 다이오드 장치들(72) 위에 산광기(74)가 배치된다. 일부 실시 예들에서, 산광기(74)는 파장 변환 인광체를 포함할 수 있다(예를 들면, 코딩될 수 있다). 실질적으로 램버트(Lambertian) 광 출력을 생산하는 발광 다이오드 장치들(72)을 위하여, 산광기(74)가 실질적으로 구형이고 발광 다이오드장치들(72)이 산광기(74)의 주변에 위치되는, 도시된 배치는 출력 조명의 전방향성을 향상시킨다.
도 12를 참조하면, 변형 "A 라인 전구" 램프가 도시되는데, 이는 에디슨 베이스(70)를 갖는 베이스 섹션(66) 및 도 11의 램프의 산광기(74)를 포함하며, 또한 발광 다이오드 장치들(74, 도 12의 측면도에는 보이지 않음)을 포함한다. 도 12의 램프는 도 11의 램프의 히트 싱크(62, 64)와 유사한 히트 싱크(80)를 포함하는데, 이는 히트 싱크 바디 상에 배치되는 탄소 나노튜브 층을 포함하는 열 전도성 층(64, 도 12의 측면에 교차 해칭으로 표시)으로 코팅되는 히트 싱크 바디(도 12의 측면도에는 보이지 않음)를 갖는다. 도 12의 램프는 히트 싱크(80)의 히트 싱크 바디가 산광기(74)의 부(portion)들 위로 확장하는 핀들(82)을 정의하도록 형성된다는 점에서 도 11의 램프와 다르다. 구조체를 향상시키는 다른 열 방사/대류 표면 영역을 갖기 위하여 도시된 핀들(82) 대신에, 히트 싱크 바디가 몰딩될 수 있다.
도 12의 실시 예에서, 히트 싱크(80)의 히트 싱크 바디 및 산광기(74)를 위하여 단일의 유닛형으로 몰딩된 플라스틱 소자를 포함하는 것이 고려된다. 그러나, 이 경우에 있어서, 단일의 유닛형으로 몰딩된 플라스틱 소자는 선택적으로 투명 또는 반투명 재료(따라서 산광기(74)는 광 전도성이다)로 만들어져야만 한다. 부가적으로, 만일 탄소 나노튜브 층(64)이 선택적으로 램프 광 출력을 위하여 흡수하면, 그때 도 12에 도시된 것과 같이 탄소 나노튜브 층(64)은 하트 싱크(80)만을 코팅하여야 하고, 산광기(74)를 코팅해서는 안 된다. 이는 예를 들면, 스프레이 코팅 동안에 산광기 표면의 적절한 마스킹에 의해 달성될 수 있다.
도 13 및 14는 핀들이 산광기(74) 위까지 확장하지 않는 것을 제외하고는, 실질적으로 히트 싱크(80)와 동일한 대안의 히트 싱크(89', 80")를 도시한다. 이러한 실시 예들에서 산광기(74) 및 히트 싱크((89', 80")의 히트 싱크 바디는 분리되어 몰딩되는(또는 그렇지 않으면 분리되어 제조되는) 소자들일 수 있으며, 이는 히트 싱크 바디 상의 탄소 나노튜브 층(64)을 배열하기 위한 과정을 단순화할 수 있다.
바람직한 실시 예들이 도시되고 설명되었다. 자명하게, 변형 및 변경들이 이전의 상세한 설명들의 해석 및 이해 상에 발생할 수 있다. 본 발명은 첨부된 청구항들의 범위 내에 있는 한 모든 그러한 변형 및 변경들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10, 10' : 히트 싱크
12 : 히트 싱크 바디
14 : 열 전도성 층
16 : 핀
20 : 내부 표면
22 : 외부 표면
26 : 버텍스
30 : 발광 다이오드 모듈
32 : 발광 다이오드 장치
34 : 금속 코어 인쇄 회로 기판
36 : 열 확산기
40 : 에디슨 베이스
42 : 전자장치
50 : 스프레이 코팅
52 : 반사식 코팅
62 : 히트 싱크 바디
64 : 열 전도성 층
66 : 램프 베이스 섹션
70 : 에디슨 베이스
72 : 발광 다이오드 장치
73 : 열 확산기
74 : 산광기
80 : 히트 싱크
82 : 핀

Claims (25)

  1. 하나 이상의 발광 다이오드 장치를 갖는 발광 다이오드 모듈; 및,
    중합체성 호스트 내에 배치되는 풀러렌과 나노튜브 중 적어도 하나를 포함하는 열 전도성 층을 포함하는 플라스틱 핀들을 갖는 히트 싱크 - 상기 열 전도성 층은 상기 플라스틱 핀들 상에 배치됨 - ;을 포함하고,
    상기 발광 다이오드 모듈은 상기 히트 싱크와 열 연통되는,
    발광 다이오드 기반 램프 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 열 전도성 층은 500 마이크론 이하의 두께를 가지며 50 W/mㆍK 이상의 열 전도도를 갖는 발광 다이오드 기반 램프 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 열 전도성 층은 100 마이크론 이하의 두께를 가지며 400 W/mㆍK 이상의 열 전도도를 갖는 발광 다이오드 기반 램프 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 열 전도성 층은 중합체성 호스트 내에 배치되는 탄소 나노튜브들을 포함하는 발광 다이오드 기반 램프 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브들은 열 전도성 층의 평면과 평행하게 선택된 배향을 향하여 바이어스되는 발광 다이오드 기반 램프 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서, 상기 히트 싱크는 상기 열 전도성 층이 위에 배치되는 히트 싱크 바디를 더 포함하고, 상기 히트 싱크 바디는 상대적으로 낮은 열 전도도를 가지며 상기 열 전도성 층은 상대적으로 높은 열 전도도를 갖는 발광 다이오드 기반 램프 장치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 히트 싱크 바디는 열 절연성인 발광 다이오드 기반 램프 장치.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 히트 싱크 바디는 플라스틱 히트 싱크 바디인 발광 다이오드 기반 램프 장치.
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  13. 제 1항에 있어서, 상기 발광 다이오드 기반 램프는 A-라인, MR 또는 PAR 구성을 갖는 발광 다이오드 기반 램프 장치.
  14. 제 9항에 있어서, 상기 히트 싱크 바디는 중공인 원뿔형의 히트 싱크 바디로 구성되고 상기 히트 싱크는 중공인 원뿔형의 히트 싱크로 구성되며, 상기 열 전도성 층이 상기 중공인 원뿔형의 히트 싱크 바디의 적어도 외부 표면 위에 배치되고; 및
    상기 발광 다이오드 기반 램프를 MR 기반 또는 PAR 기반 램프로서 한정하도록, 발광 다이오드 모듈이 상기 중공인 원뿔형의 히트 싱크의 버텍스에 배치되는 발광 다이오드 기반 램프 장치.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 열 전도성 층은 상기 중공인 원뿔형의 히트 싱크 바디의 외부 표면 위에만 배치되는 발광 다이오드 기반 램프 장치.
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