KR102041737B1 - 방열성능이 향상된 차량 램프용 히트싱크 및 그 제조방법 - Google Patents

방열성능이 향상된 차량 램프용 히트싱크 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열전도도와 열방사율이 우수한 탄소계 코팅액을 히트싱크의 표면에 도포하여 방열성능을 향상시킴과 아울러 방열핀을 생략하여 경량화를 달성할 수 있는 방열성능이 향상된 차량 램프용 히트싱크 및 그 제조방법에 관한 것으로,
방열성능이 향상된 차량 램프용 히트싱크 제조방법은, 탄소계 코팅액을 준비하는 단계(S1)와; 표면처리된 소재의 표면에 탄소계 코팅액을 코팅하는 단계(S2)와; 탄소계 코팅액을 경화 및 냉각시키는 단계(S3)와; 표면검사후 코팅된 소재를 절단 및 포장하는 단계(S4);를 포함하는 차량 램프용 히트싱크 제조방법에 있어서, 상기 탄소계 코팅액을 준비하는 단계(S1)는, 중량%로, 무기물 세라믹 40~55%, 카본블랙 40~55%, 탄소나노튜브 1~4%, 그래핀 0.5~1%로 이루어진 탄소나노 혼합분말을 제조하는 단계(S10)와; 중량%로, 상기 탄소나노 혼합분말 30~50%와, 증류수 30~50%, 분산제 1~10%, 유기산 0.1%, 폴리실록산 5~20%, 유기용제 1~10%를 혼합하여 분산시킨 후 교반 및 응축시켜 탄소나노 혼합용액을 제조하는 단계(S20)와; 중량%로, 상기 탄소나노 혼합용액 50~60%, 에폭시 10~20%, 에폭시 수지 10~20%, 경화제 10~20% 및 시너(Thinner) 10~20%를 혼합하여 코팅액을 형성하는 단계(S30);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

방열성능이 향상된 차량 램프용 히트싱크 및 그 제조방법{Heatsink for Car Lamp with Enhanced Heat Dissipating and Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 차량 램프용 히트싱크 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전도도와 열방사율이 우수한 탄소계 코팅액을 히트싱크의 표면에 도포하여 방열성능을 향상시킴과 아울러 방열핀을 생략하여 경량화를 달성할 수 있는 방열성능이 향상된 차량 램프용 히트싱크 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차 등의 차량에는 다수의 램프가 구비되어 있다. 즉, 안개나 눈, 비바람 속에서 도로를 주행할 때 도로를 밝혀주는 안개등(Fog Lamp)과, 차량의 전방에 부착되어 밤길을 주행할 때 앞을 환하게 비추어주는 전조등(Head Lamp)과, 차량의 전방과 후방의 모서리에 각각 구비되어 차량 운행시 다른 운전자나 보행자가 차량를 쉽게 인지하여 교통사고의 발생을 예방할 수 있도록 하는 주간주행등(Daytime Running Lamp)과, 차량의 후방에 설치되어 브레이크 페달을 밟았을 때 점등됨으로써 뒷차의 운전자가 쉽게 인지할 수 있도록 하는 브레이크등(Rear Combination Lamp)이 있다.
이러한 자동차용 램츠는 광원으로 할로겐 램프나 가스방전식 램프가 사용되어 왔으나, 할로겐 램프의 경우 색온도가 3200K 정도로 약간 붉은 색 계열을 띠고 수명도 최고 1000 시간 정도로 짧은 문제점이 있고, 가스방전식 램프는 색온도가 약 4300K로 백색에 가깝고 수명이 긴 장점이 있으나 가격이 비싼 단점때문에 고급차량에 제한적으로 사용되고 있을 뿐이다.
이에 따라, 색온도가 약 5500K로 태양광에 가까워 눈의 피로를 적게하는 발광다이오드(LED)가 자동차용 램프의 광원으로 주목받고 있다. LED는 크기를 작게 할 수 있어 램프의 디자인 자유도가 높고 수명이 반영구적인 장점이 있으나, 온도에 취약한 것이 단점이다.
즉, LED는 온도의 상승에 따라 급격하게 발광효율이 떨어지므로, LED 자체의 정션온도를 높이거나 주위의 온도를 낮출 필요가 있다. 하지만 LED의 정션 온도를 높이는 것에는 한계가 있으므로, 방열 시스템을 사용하여 주위의 온도를 낮출 수밖에 없으며, 그로 인해 LED를 광원으로 사용하는 자동차용 램프에서는 히트싱크를 사용하고 있다.
통상적인 차량 램프용 히트싱크는 도 1에 도시된 바와 같이, LED가 구비된 기판이 부착되는 면의 반대쪽에 다수의 방열핀이 구비된 구조로 되어 있으며, 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 다이캐스팅하여 제작하고 있으며, 그 표면에 피막을 형성하는 아노다이징처리를 통해 내식성을 향상시키고 있다.
그러나, 상기한 종래의 차량 램프용 히트싱크는 다수의 방열핀으로 인해 중량이 대략 131g에 달할 뿐만 아니라, 도 2에 도시된 바와 같이 실제로 열이 방출되는 부분이 제한되어 LED가 점등되었을 때 온도가 최저 28.1℃에서 52.5℃까지 상승하며, 다이캐스팅 방식으로 제작됨에 따라 제품 디자인과 크기에 제약이 발생하는 문제점이 있다.
한편, 본 발명과 관련한 선행기술을 조사한 결과 다수의 특허문헌이 검색되었으며, 그 중 일부를 소개하면 다음과 같다.
특허문헌 1은, 전면에 렌즈를 구비하고 그 후부에 램프를 장착시킨 하우징 외부로 램프의 빛을 전방으로만 반사시키는 반사경을 전조등 본체에 장착 구성한 통상의 차량용 전조등 전면에 구성되는 렌즈를 합성수지재로 사출형성하고, 반사경 전면 구경에 일정 깊이의 장착홈을 형성하여 빛은 투과하면서도 열은 차단하는 코팅판과 장착환을 차례로 삽입하여 내열접착제로 고착함으로써 코팅판이 렌즈와 접촉하지 않고 일정거리를 유지하는 방열공간을 확보하도록 구성시킨 차량용 전조등의 방열차단장치를 렌즈와 램프 사이에 구성하여 램프에서 발산되는 고열이 렌즈에 전도되는 것을 방지하여 렌즈가 변형되는 것을 방지할 수 있도록 한, 차량용 전조등의 방열차단장치를 개시하고 있다.
특허문헌 2는, 히드록시 작용기(-OH)를 함유하는 금속박막, 및 상기 금속박막의 적어도 일면에 위치하고, 친수성 작용기를 함유하는 탄소나노튜브를 포함하는 코팅층을 포함하고, 상기 히드록시 작용기와 상기 친수성 작용기는 수소결합으로 결합되어 코팅층이 금속박막에 부착된 LED용 방열판, 자동차 헤드램프, 및 이의 제조 방법을 개시하고 있다.
특허문헌 3은, 마그네슘(Mg) 89~92중량부, 알루미늄(Al) 3~5중량부, 아연(Zn) 4~6중량부, 망간(Mn) 0.3~0.6중량부를 포함하는 합금조성물을 이용하여 히드싱크를 제조함으로써, 알루미늄 히트싱크에 비해 경량이면서 열전도도가 우수하고 칙소몰딩(Thixomolding) 공정 및 압출 공정에 적용할 수 있어다이캐스팅 공정에 비해 성형 제품의 응고수축, 기공 등의 결함이 적고, 기계적 특성 향상, 금형수명 향상, 치수 정밀도 개선이 가능한 자동차 헤드램프용 마그네슘 히트싱크 합금조성물 및 이를 이용한 자동차 헤드램프용 마그네슘 히트싱크를 개시하고 있다.
KR 10-2007-0027947 A KR 10-2016-0047384 A KR 10-1841119 B1
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 열전도도와 열방사율이 우수한 탄소계 코팅액을 히트싱크의 표면에 도포하여 방열성능을 향상시킴과 아울러 방열핀을 생략하여 경량화를 달성할 수 있는 방열성능이 향상된 차량 램프용 히트싱크 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방열성능이 향상된 차량 램프용 히트싱크 제조방법은, 탄소계 코팅액을 준비하는 단계와; 표면처리된 소재의 표면에 탄소계 코팅액을 코팅하는 단계와; 탄소계 코팅액을 경화 및 냉각시키는 단계와; 표면검사후 코팅된 소재를 절단 및 포장하는 단계;를 포함하는 차량 램프용 히트싱크 제조방법에 있어서, 상기 탄소계 코팅액을 준비하는 단계는, 중량%로, 무기물 세라믹 40~55%, 카본블랙 40~55%, 탄소나노튜브 1~4%, 그래핀 0.5~1%로 이루어진 탄소나노 혼합분말을 제조하는 단계와; 중량%로, 상기 탄소나노 혼합분말 30~50%와, 증류수 30~50%, 분산제 1~10%, 유기산 0.1%, 폴리실록산 5~20%, 유기용제 1~10%를 혼합하여 분산시킨 후 교반 및 응축시켜 탄소나노 혼합용액을 제조하는 단계와; 중량%로, 상기 탄소나노 혼합용액 50~60%, 에폭시 10~20%, 에폭시 수지 10~20%, 경화제 10~20% 및 시너(Thinner) 10~20%를 혼합하여 코팅액을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 방열성능이 향상된 차량 램프용 히트싱크 제조방법에 따르면, 상기 탄소나노 혼합분말을 형성하는 단계는 무기물 세라믹, 카본블랙, 탄소나노튜브 및 그래핀으로 이루어진 탄소 충진제 각각을 밀링하는 원소재 밀링 단계와; 밀링된 원소재의 표면을 처리하는 표면처리 단계와; 표면처리가 끝난 원소재를 진공 교반기에서 혼합하여 교반하는 혼합교반 단계와; 혼합된 원소재를 액화질소에 크랙킹한 후 건조처리하여 혼합분말이 형성되도록 하는 동결건조 단계;를 포함하는것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 방열성능이 향상된 차량 램프용 히트싱크 제조방법에 따르면, 상기 탄소나노 혼합용액을 제조하는 단계는 탄소나노 혼합분말에 유기 용제를 혼합하는 용제혼합 단계와; 유기용제가 혼합된 탄소나노 혼합분말을 증류수에 투입한 후 분산제와 유기산 및 폴리실록산을 첨가하고 초음파를 이용하여 분산시키는 초음파 분산 단계와; 분산된 탄소나노 혼합용액을 60~90℃의 교반기에서 3~6시간 동안 교반 응축시키는 교반 응축 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 방열성능이 향상된 차량 램프용 히트싱크 제조방법에 따르면, 상기 탄소계 코팅액을 경화 및 냉각시키는 단계는 코팅라인에서의 코팅이 끝난 후 200~280℃의 온도 조건으로 경화시킨 후 상온까지 냉각시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 차량 램프용 히트싱크 및 그 제조방법은, 열전도도와 방사율이 우수한 탄소나노 혼합용액을 수지와 혼합하여 형성한 코팅액을 소재에 코팅하게 되므로 별도의 방열핀을 설치하지 않고도 LED 주변의 열을 신속하게 배출할 수 있어 바열성능이 향상됨은 물론 방열핀의 생략으로 인해 전체적인 중량이 감소되어 램프가 경량화되는 효과가 있다.
또, 본 발명의 방열성능이 향상된 차량 램프용 히트싱크 및 그 제조방법에 따르면, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 소재의 표면을 코팅하게 되므로 아노다이징과 같은 별도의 표면처리공정을 생략하더라도 내구성 및 내식성이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 통상적인 차량 램프용 히트싱크가 도시된 참고도.
도 2는 종래의 차량 램프용 히트싱크에서의 온도분포를 나타낸 열화상 사진.
도 3은 본 발명에 따른 차량 램프용 히트싱크의 제조과정을 개략적으로 나타낸 순서도.
도 4는 본 발명에 따른 탄소계 코팅액을 제조하는 과정을 나타낸 순서도.
도 5는 본 발명에 따른 히트싱크가 적용된 차량 램프의 일부가 도시된 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 차량 램프용 히트싱크의 온도분포를 나타낸 열화상 사진.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 차량 램프용 히트싱크 및 그 제조방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 차량 램프용 히트싱크의 제조과정을 개략적으로 나타낸 순서도이고, 도 4는 본 발명에 따른 탄소계 코팅액을 제조하는 과정을 나타낸 순서도이며, 도 5는 본 발명에 따른 히트싱크가 적용된 차량 램프의 일부가 도시된 구성도이고, 도 6은 본 발명에 따른 차량 램프용 히트싱크의 온도분포를 나타낸 열화상 사진이다.
본 발명에 따른 차량 램프용 히트싱크의 제조방법은, 도 3에 도시된 바와 같이, 탄소계 코팅액을 준비하는 단계와; 표면처리된 소재의 표면에 탄소계 코팅액을 코팅하는 단계와; 탄소계 코팅액을 경화 및 냉각시키는 단계와; 표면검사후 코팅된 소재를 절단 및 포장하는 단계;를 포함한다.
여기서, 상기 탄소계 코팅액을 준비하는 단계는, 도 2에 도시된 바와 같이, 탄소나노 혼합분말을 제조하는 단계(S10); 탄소나노 혼합용액을 제조하는 단계(S20); 코팅액을 형성하는 단계(S30);를 포함한다.
상기 탄소나노 혼합분말을 제조하는 단계(S10)에서는 중량%로, 무기물 세라믹 40~55%, 카본블랙 40~55%, 탄소나노튜브 1~4%, 그래핀 0.5~1%로 이루어진 탄소나노 혼합분말을 제조하게 된다. 구체적으로, 상기 탄소나노 혼합분말을 제조하는 단계(S10)는, 무기물 세라믹, 카본블랙, 탄소나노튜브 및 그래핀으로 이루어진 탄소 충진제 각각을 밀링하는 원소재 밀링 단계(S11)와; 밀링된 원소재의 표면을 처리하는 표면처리 단계(S12)와; 표면처리가 끝난 원소재를 진공 교반기에서 혼합하여 교반하는 혼합교반 단계(S13)와; 혼합된 원소재를 액화질소에 크랙킹한 후 건조처리하여 혼합분말이 형성되도록 하는 동결건조 단계(S14);로 이루어진다.
상기 탄소나노 혼합용액을 제조하는 단계(S20)에서는 중량%로, 상기 탄소나노 혼합분말 30~50%와, 증류수 30~50%, 분산제 1~10%, 유기산 0.1%, 폴리실록산 5~20%, 유기용제 1~10%를 혼합하여 분산시킨 후 교반 및 응축시켜 탄소나노 혼합용액을 제조하게 된다. 구체적으로, 상기 탄소나노 혼합용액을 제조하는 단계(S20)는 탄소나노 혼합분말에 유기 용제를 혼합하는 용제혼합 단계(S21)와; 유기용제가 혼합된 탄소나노 혼합분말을 증류수에 투입한 후 분산제와 유기산 및 폴리실록산을 첨가하고 초음파를 이용하여 분산시키는 초음파 분산 단계와(S22); 분산된 탄소나노 혼합용액을 60~90℃의 교반기에서 3~6시간 동안 교반 응축시키는 교반 응축 단계(S23);로 이루어진다.
상기 코팅액을 형성하는 단계(S30)에서는 중량%로, 상기 탄소나노 혼합용액 50~60%, 에폭시 10~20%, 에폭시 수지 10~20%, 경화제 10~20% 및 시너(Thinner) 10~20%를 혼합하여 코팅액을 형성하게 된다. 여기서, 상기 시너로는 백유, 아세톤, 테레빈유, 나프타, 톨루엔, 메틸에틸케톤, 디메틸포름아미드 등을 사용할 수 있다.
그리고, 상기 탄소계 코팅액을 경화 및 냉각시키는 단계에서는 코팅라인에서의 코팅이 끝난 후 200~280℃의 온도 조건으로 경화시킨 후 상온까지 냉각시키게 된다.
한편, 상기한 방법에 의해 제조된 본 발명의 방열성능이 향상된 차량 램프용 히트싱크는 도 5에 도시된 바와 같이, 방열핀이 없이 평평하게 형성되며, 표면이 매끈하도록 소재가 프레스 가공된다. 그리고, 히트싱크(10)에는 LED(30)가 구비된 PCB(20)가 설치되어 차량 램프를 형성하게 된다. 또, 본 발명의 차량 램프용 히트싱크는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 소재로 하여 형성되되, 소재의 매끈한 표면에 코팅액이 코팅되어 형성됨에 따라 아노다이징 처리와 같은 별도의 표면처리 작업을 생략할 수 있게 된다.
그리고, 상기한 본 발명의 히트싱크는 도 6에 도시된 바와 같이, 전면에서 열이 방출됨에 따라 방열성능이 대폭 향상되어, LED가 점등되었을 때 온도가 최저 26.4℃에서 최대 44.5℃까지만 상승하게 된다. 즉, 다이캐스팅 방식으로 제작된 기존 히트싱크에 비해 최고 온도가 8.3℃가 낮아지게 되어 방열성능이 우수함을 알 수 있다. 또한, 방열핀을 형성하지 않음에 따라 프로그레시브 등의 프레스 방식으로 제작할 수 있게 되어 제작이 용이할 뿐만 아니라 중량이 56g까지 감소되어 차량 램프의 경량화에 기여할 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 몇 가지 실시 예들과 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 발명의 설명에 기재된 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 통상의 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
10...히트싱크
20...PCB
30...LED

Claims (5)

  1. 탄소계 코팅액을 준비하는 단계와; 표면처리된 소재의 표면에 탄소계 코팅액을 코팅하는 단계와; 탄소계 코팅액을 경화 및 냉각시키는 단계와; 표면검사후 코팅된 소재를 절단 및 포장하는 단계;를 포함하는 차량 램프용 히트싱크 제조방법에 있어서,
    상기 탄소계 코팅액을 준비하는 단계는,
    중량%로, 무기물 세라믹 40~55%, 카본블랙 40~55%, 탄소나노튜브 1~4%, 그래핀 0.5~1%로 이루어진 탄소나노 혼합분말을 제조하는 단계(S10)와;
    중량%로, 상기 탄소나노 혼합분말 30~50%와, 증류수 30~50%, 분산제 1~10%, 유기산 0.1%, 폴리실록산 5~20%, 유기용제 1~10%를 혼합하여 분산시킨 후 교반 및 응축시켜 탄소나노 혼합용액을 제조하는 단계(S20)와;
    중량%로, 상기 탄소나노 혼합용액 50~60%, 에폭시 10~20%, 에폭시 수지 10~20%, 경화제 10~20% 및 시너(Thinner) 10~20%를 혼합하여 코팅액을 형성하는 단계(S30);를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열성능이 향상된 차량 램프용 히트싱크 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노 혼합분말을 형성하는 단계(S10)는
    무기물 세라믹, 카본블랙, 탄소나노튜브 및 그래핀으로 이루어진 탄소 충진제 각각을 밀링하는 원소재 밀링 단계(S11)와;
    밀링된 원소재의 표면을 처리하는 표면처리 단계(S12)와;
    표면처리가 끝난 원소재를 진공 교반기에서 혼합하여 교반하는 혼합교반 단계(S13)와;
    혼합된 원소재를 액화질소에 크랙킹한 후 건조처리하여 혼합분말이 형성되도록 하는 동결건조 단계(S14);를 포함하는것을 특징으로 하는 방열성능이 향상된 차량 램프용 히트싱크 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노 혼합용액을 제조하는 단계(S20)는
    탄소나노 혼합분말에 유기 용제를 혼합하는 용제혼합 단계(S21)와;
    유기용제가 혼합된 탄소나노 혼합분말을 증류수에 투입한 후 분산제와 유기산 및 폴리실록산을 첨가하고 초음파를 이용하여 분산시키는 초음파 분산 단계와(S22);
    분산된 탄소나노 혼합용액을 60~90℃의 교반기에서 3~6시간 동안 교반 응축시키는 교반 응축 단계(S23);를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열성능이 향상된 차량 램프용 히트싱크 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄소계 코팅액을 경화 및 냉각시키는 단계(S3)는 코팅라인에서의 코팅이 끝난 후 200~280℃의 온도 조건으로 경화시킨 후 상온까지 냉각시키는 것을 특징으로 하는 방열성능이 향상된 차량 램프용 히트싱크 제조방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해서 제조되며, 표면이 매끈하도록 소재가 프레스 가공된 것을 특징으로 하는 방열성능이 향상된 차량 램프용 히트싱크.
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