KR102154747B1 - 감지 센서를 장착한 등기구용 led 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 감지 센서를 장착한 등기구용 LED 모듈은 복수의 LED가 행렬 구조로 배치된 상태에서, 상기 LED 사이에 적어도 하나의 동작 감지 센서 및 열 감지 센서 중 어느 하나인 감지 센서를 구비한 기판; 상기 기판에 장착된 것으로, 상기 감지 센서의 감지로 상기 LED를 점멸 제어하는 제어부; 상기 기판 상에 적층된 것으로, 상기 LED 및 감지 센서에 대응되는 위치에 각각 형성된 렌즈를 구비한 커버; 상기 기판의 저면 측에 위치한 방열판; 상기 기판과 방열판 사이에 위치한 것으로, 상기 기판의 열을 상기 방열판으로 전달하는 방열 시트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 표준 LED 모듈에 적용된 감지 센서를 장학한 LED 모듈은 표준화된 소켓이 있는 제품들과 쉽게 호환되어 기존의 감지 센서 LED 모듈에서의 문제점이던 적용하고자 하는 제품이 달라질 때마다 금형 및 제작을 새로 해야 하는 문제를 해결할 수 있다.

Description

감지 센서를 장착한 등기구용 LED 모듈{LED MODULE FOR LIGHTING FIXTURE FITTED WITH DETECTING SENSOR}
본 발명은 감지 센서가 감지한 정보를 기반으로 점등되는 등기구용 LED 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 표준 LED 모듈의 표준화된 소켓에 적어도 하나의 동작 감지 센서 및 열 감지 센서 중 어느 하나인 감지 센서를 장착하여 제작비용을 절감하면서 감지 센서의 센싱에 의해 LED를 점멸 제어할 수 있는, 등기구용 LED 모듈에 관한 것이다.
조명장치는 발광부를 포함하여 전원을 받아 점등시키는 기능을 제공하는 것으로서 형광등, 할로겐등, LED 등이 있고 이중 LED는 낮은 전력소모, 높은 휘도, 긴 수명 등의 장점이 있어 상술한 조명장치 중에서 널리 사용되고 있다.
이러한 LED의 장점에 따라 생기는 많은 수요에 의해 LED 모듈의 규격을 표준화한 표준 LED 모듈이 제작되고 있다.
여기서 표준 LED 모듈이라 함은 LED의 배치 및 구조가 여러 제품에 호환될 수 있도록 규격화한 것으로서 광역지자체등의 대규모 사업에서는 새로운 규격이 제시될 수도 있다.
이러한 표준 LED 모듈은 표준화된 LED 모듈 소켓에 LED 모듈을 바로 적용할 수 있도록 하여 제작비용 및 시간을 절약할 수 있으며, 기존의 표준화 되지 못한 LED 모듈이 사용될 경우의 문제점이던 LED 모듈을 적용하는 제품의 형태가 바뀔 때 마다 회로 및 금형을 새로 제작해야 한다는 문제와 함께 행정처리 기간이 길어지는 것 또한 해결할 수 있어 이에 따라 금전적 및 시간적인 부분에서 이득을 볼 수 있다.
한편, LED를 이용한 조명장치에서 일명 센서등이라 하여 동작 감지 센서 및 열 감지 센서 등의 감지센서에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 조명장치는 센서가 움직임 및 존재를 감지하였을 경우에만 LED 조명을 점등하여 필요한 시기에만 조명을 가동하고, 전력소비를 최소화 하는 목적을 가지며, 센서 및 조명장치의 종류에 따라 다양한 센서등이 개발되고 있다.
이에 관련된 선행기술의 예로서, 한국 공개특허공보 제 10-2019-0018191호인'모션 감지 센서가 구비된 LED 조명장치'가 게시되어 있다. 이 선행기술은 LED 구동부; 특정 지역에 인체의 움직임을 감지하여 상기 인체의 움직임에 대한 감지신호를 생성하되, 특정 지역 주변의 조도를 측정하여, 상기 측정된 특정 지역 주변의 조도에 따라 상기 감지신호의 생성 여부를 결정하는 감지부; 및 상기감지신호의 수신 여부에 따라 상기 LED 구동부의 동작 여부를 결정하는 제어부;를 포함한다. 이에 의해, 별도의 입력신호가 없는 경우에도, 인체의 동작이 감지되거나 주변의 조도 등을 고려하여, LED 조명장치의 동작이 필요한 경우에만, LED 조명기구의 밝기가 조절되도록 하거나 또는 점등 제어가 가능하도록 하고, 복수의 LED 모듈이 마련되는 경우에도, 인체의 동작이 감지되거나 주변의 조도 등을 고려하여, 분할 점등 제어가 가능하도록 하는 LED 조명장치를 제시하고 있다.
상기 발명은, 동작 감지 센서를 기반으로 한 LED 조명장치를 제시하고 있으나 표준 LED 모듈이 사용되지 않아 적용되는 제품 및 사용처 마다 다른 형태로 제작해야 하여 시간적, 금전적 및 행정적인 문제점을 안고 있다.
따라서 표준 LED 모듈을 사용하고 동작 감지 센서는 물론 열 감지 센서와 같은 감지 센서를 구비하여 제작비용이 저렴하고 신규하며 진보한 감지 센서를 기반으로 점등되는 등기구용 LED 모듈을 개발할 필요성이 대두되는 실정이다.
본 발명은 상기 기술의 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로, 등기구용 LED 모듈을 표준 LED 모듈로 하여 적용의 편의성과 함께 제조공정을 단순화 하며 복수의 LED가 행렬구조로 배치된 상태에서 LED 장착될 위치 중 적어도 하나를 동작 감지 센서 및 열 감지 센서 중 어느 하나로 구비한 등기구용 LED 모듈을 제공하는 것을 주요 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, LED 및 감지 센서를 구비한 기판의 일부 일 측에 제어부를 실장하여 감지 센서의 센싱에 의해 LED를 점멸 제어하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 제어부는 사용자로부터 작동환경을 선택하는 기능을 포함하여 감지 센서의 감지시간대를 설정하도록 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 방열 시트를 열전도도가 높은 물질로 하여 기판에서 발생한 열을 방열판으로 효과적으로 전달하도록 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 감지 센서를 장착한 등기구용 LED 모듈은, 복수의 LED가 행렬 구조로 배치된 상태에서, 상기 LED 사이에 적어도 하나의 동작 감지 센서 및 열 감지 센서 중 어느 하나인 감지 센서를 구비한 기판; 상기 기판에 장착된 것으로, 상기 감지 센서의 감지로 상기 LED를 점멸 제어하는 제어부; 상기 기판 상에 적층된 것으로, 상기 LED 및 감지 센서에 대응되는 위치에 각각 형성된 렌즈를 구비한 커버; 상기 기판의 저면 측에 위치한 방열판; 상기 기판과 방열판 사이에 위치한 것으로, 상기 기판의 열을 상기 방열판으로 전달하는 방열 시트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 감지 센서는, 상기 LED의 행 사이의 특정 행에 배치되는 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 제어부는, 상기 감지 센서의 감지 시간대를 설정하여 사용자로부터 작동 환경을 선택하도록 하는 기능을 포함하는 것을 특징으로 한다.
더하여, 상기 방열 시트는, 구리, 철, 주석합금, 알루미나(Alumina) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 감지 센서를 장착한 등기구용 LED 모듈에 의하면,
1) 표준 LED 모듈에서 LED가 장착되는 소켓 중 적어도 어느 하나에 동작 감지 센서 및 열 감지 센서 중 어느 하나인 감지 센서를 장착하여 표준화된 LED 모듈소켓이 있는 모든 제품에 호환이 되도록 함으로서 제작비용을 절감 시킬 수 있고,
2) 사용자가 원하는 작동환경에 따라 감지 센서의 감지시간대를 설정할 수 있으며,
3) 방열 시트를 열전도도가 높은 금속, 무기재료, 고분자 등으로 하여 기판에서 발생한 열을 방열판으로 효과적으로 전달하여 등기구용 LED 모듈의 기능을 강화 시킬 수 있을 뿐 아니라,
4) 방열 시트에 열전도를 강화하는 하는 물질을 추가 및 첨가하여 열을 효과적으로 방열판에 전달해 기판의 열을 방사하는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 감지 센서를 장착한 등기구용 LED 모듈의 분해사시도이다.
도 2는 본 발명의 감지 센서를 장착한 등기구용 LED 모듈의 조립사시도이다.
도 3은 본 발명의 열전도 코팅제의 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 열방사 보조층의 제조과정을 도시한 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 첨부된 도면은 축척에 의하여 도시되지 않았으며, 각 도면의 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 감지 센서를 장착한 등기구용 LED 모듈의 분해사시도이고, 도 2는 본 발명의 감지 센서를 장착한 등기구용 LED 모듈의 조립사시도이다.
도 1을 보아 알 수 있듯이 본 발명의 감지 센서를 장착한 등기구용 LED 모듈은 크게 기판, 제어부, 커버, 방열판, 방열 시트를 포함한다.
본 발명의 등기구용 LED 모듈(10)은 LED(110)가 장착되는 소켓 중 적어도 어느 하나에 동작 감지 센서 및 열 감지 센서 중 어느 하나인 감지 센서(120)를 장착하여 표준화된 LED 모듈소켓이 있는 모든 제품에 호환이 되도록 함으로서 제작비용을 절감 시킬 수 있고, LED(110)의 구조 및 원리는 이미 잘 알려진 것으로 자세한 설명은 생략한다.
다시 말해, 본 발명의 등기구용 LED 모듈(10)은 공지의 표준 LED 모듈의 구조를 이용하여 감지 센서(120)를 장착한 것을 기본적인 특징으로 한다.
기판(100)은 PCB(Printed Circuit Board)로서 LED(110)와 감지 센서(120)를 구동하기 위한 회로를 포함한다. 이러한 기판(100) 상에는 복수의 행렬 구조로 배치된 소켓이 구비된다. 이 소켓에는 LED(110)가 실장되며, 이때, LED(110)는 소켓에 탈착되거나 아니면 납땜처리 방식으로 실장될 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 LED(110)는 기판(100)에 행렬 구조로 배치될 수 있다.
여기서, 행렬 구조라 함은 LED(110)가 a*b형식으로 규칙에 따라 배열된 구조이고, 본 발명에서는 편의상 행과 열중 큰 것을 행, 작은 것을 열이라 정의한다. 도 1 및 도 2에서는 5*2인 행렬 구조를 예시적으로 도시하였다.
감지 센서(120)는 동작 감지 센서 또는 열 감지 센서 중 어느 하나인 것으로 감지범위 내의 물체의 움직임 또는 존재를 감지하는 역할을 수행한다.
여기서, 동작 감지 센서는 90 내지 150°의 설정된 감지각도 내의 움직임을 포착하기 위한 센서로서 가격이 저렴하고 감도가 낮은 특징이 있으며, 감도가 낮은 이유로는 움직이는 인체 및 물체를 대상으로 하기 위하여 미세한 움직임은 무시하고 걷거나 팔을 휘두르는 정도의 동작을 감지하기 위함이다.
열 감지 센서는 감지범위에서 열의 절대량 또는 변화량을 감지하는 센서로서 보편적으로 등기구 등에 사용되는 열 감지 센서는 비접촉 방식으로 열을 감지하는 역할을 수행하며, 센싱을 통해 생명체를 감지하는 것은 물론이고 화재 발생 등을 감지하여 비상유도등을 켜는 식의 활용도 가능함은 물론이다.
이러한 감지 센서(120)는 하나의 행에 서로 다른 종류(동작 감지 센서 또는 열 감지 센서)로 구성된 복수 개로 이루어지는 것도 가능하다. 이와 같이 감지 센서(120)가 복수 개로 이루어 질 경우 감지 기능을 강화할 수도 있고, 감지각도의 사각을 상호 보완할 수도 있으며, 감지방식으로 적외선 및 가시광선뿐만 아니라 마이크로파 및 초음파 등의 벽을 투과할 수 있는 입력신호를 사용하는 감지 센서(120)도 목적에 따라 사용가능할 수 있다.
이러한 감지 센서(120)는 상술한 소켓 중 어느 하나에 장착될 수 있다. 예를 들어 특정 소켓의 LED(110)를 제거하거나 LED(110)가 장착되지 않은 위치에 장착될 수 있다. 구체적으로, 기판(100)의 특정 행에 배치될 수 있으며, 도 2를 예로 들자면 5*2의 행렬 구조에서 3행의 두 곳의 위치에 감지 센서(120)가 장착될 수 있다.
제어부(130)는 상술한 기판(100)에 구비되는 것으로서 전원공급과 LED(110) 및 감지 센서(120)의 구동을 제어하는 기능을 수행한다. 도 1을 참조하면, 제어부(130)는 기판(100)의 일 측(도 1 기준으로 기판(100)의 왼쪽)에 장착된 것을 알 수 있다.
여기서, 제어부(130)는 감지 센서(120)가 감지한 감지 신호를 수신하여 이를 기반으로 LED(110)를 점등하거나 소등할 수 있다. 예를 들어, 감지 센서(120)가 동작 감지 센서일 경우 이 동작 감지 센서가 움직이는 물체를 감지했다면 제어부(130)는 이 신호에 따라 LED(110)를 점등제어하고, 움직이는 물체가 사라졌다면 반대로 LED(110)를 off제어 할 수 있다. 이때, 제어부(130)는 움직이는 물체가 멈추거나 감지범위에서 사라졌을 시 3초 또는 5초의 텀(term)으로 점등을 얼마나 지속할지도 제어할 수 있으며, 움직이는 물체란 차량, 자전거 등의 사물 및 사람, 반려동물 등의 생명체일 수도 있다.
또한, 감지 센서(120)가 열 감지 센서일 경우 기 설정된 온도 범위를 감지하였다면 LED(110)를 점등 제어할 수 있다. 예를 들어, 기 설정된 감지 온도 범위가 100℃이고, 본 발명의 LED 모듈이 가로등에 설치되었을 때, 가로등 주변에서 화재가 발생하여 주변 온도가 100℃를 넘었을 경우 화재가 발생하였다는 식별 기능을 제공하기 위해 LED(110)을 점등 제어하고, 100℃미만일 경우 감지 온도 범위에 해당되는 온도를 감지하지 못하였다면 LED(110)을 off제어할 수 있다.
또한, 제어부(130)의 전원공급은 교류전기, 직류변환 등의 상시전원은 물론 1차 전지, 축전지 등의 일시전원도 사용처에 따라 사용될 수 있음은 물론이며, 전원공급은 공지의 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.
추가적으로, 제어부(130)는 감지 센서(120)의 감지 시간대를 설정하여 사용자로부터 작동 환경을 선택하도록 하는 기능을 포함할 수 있다.
여기서, 감지 센서(120)의 감지 시간대를 설정할 필요가 있는 요인들로는 시간, 외출여부, 날씨, 설치장소 등이 있다.
구체적으로, 시간 요인은 해가 떠있어 LED(110)를 켜지 않아도 충분히 밝은 시간대를 말하고, 외출여부 요인은 사용자가 통근, 등교 등의 이유로 고정적으로 외출하는 시간대를 설정하거나 쇼핑, 모임 등의 이유로 잠시 외출해야 하는 경우에 일시적으로 LED(110) 및 감지 센서(120)의 작동을 중지할 수 있으며, 날씨 요인은 구름 또는 안개가 많이 끼었거나 비가 내리는 등의 어두운 날에 사용자가 작동 여부를 선택할 수 있고, 설치장소는 예를 들어 설치 된 곳이 침실이라면 사용자가 잠에 들어야할 때는 작동을 멈추거나, 드레스룸이라면 옷을 갈아입을 때에 사용하며 환복 중 조명이 꺼져선 안되므로 동작 감지 센서(120)의 작동을 멈추지 않을 수 있다.
이러한 감지 시간대 설정은 LED(110) 및 감지 센서(120)의 불필요하거나 사용자가 원치 않는 작동을 멈추게 하여 사용만족도 증진 및 전력소비 감소효과를 볼 수 있음은 물론이며, 동작 감지 센서 및 열 감지 센서 중 어느 하나에 국한되지 않고 사용자가 원하는 감지 시간대를 설정할 수 있다.
커버(200)는 기판(100) 상면에 적층된 것으로 LED(110) 또는 감지 센서(120)에 대응되는 위치에 각각 형성된 렌즈(210)를 구비할 수 있다. 이때, 렌즈(210)와 LED(110) 및 감지 센서(120)가 대응되는 위치는 도 2에 도시되어 있듯이 5*2의 행렬 구조를 가진 렌즈(210)가 구비된 상태에서 각각의 렌즈(210)가 LED(110) 또는 감지 센서(120)의 바로 위의 위치에 있다는 의미이다. 물론 렌즈(210)의 사이즈는 LED(110) 또는 감지 센서(120)의 사이즈보다 커서 이들을 안정적으로 덮을 수 있다. 또한, 렌즈(210)는 투명 또는 반투명 재질로 이루어져 감지 센서(120)의 감지성능과 LED(110)의 조도를 보장한다.
더불어, 렌즈(210)는 전기적 또는 회로적 기능을 요구하지 않으므로 투명성과 내구성을 가지는 재료를 중점으로 사용하는 것이 바람직하다. 추가적으로, 커버(200)는 본 발명의 등기구용 LED 모듈(10)의 기능을 유지하기 위해 외부충격 및 습기침투 등으로부터 내부를 보호하는 역할을 수행할 수 있어야 한다.
방열판(400)은 기판(100)의 저면 측에 위치하는 것으로 기판(100)에서 발생한 열을 방출하는 역할을 수행한다. 방열판(400)은 히트싱크(Heatsink)라고도 불리고, 방열판(400) 설치의 주요목적으로는 어떤 부품으로부터 발생하는 열을 방열판(400) 전체로 분산시켜 공기 중으로 발열이 일어나도록 하는 것이다.
이를 위해 방열판(400)은 복수 개의 핀을 구비하여 표면적을 확보한 상태에서, 접합부 없이 일체형으로 제작되는 것과 함께 열전도도와 성형성이 우수한 금속재질인 것이 바람직하고, 여기에는 은, 구리, 알루미늄 등이 대표적이지만 상술한 조건에 부합한다면 방열판(400)은 합금, 무기재료, 고분자 등으로도 제조될 수도 있다.
더하여, 방열판(400)은 본 발명의 등기구용 LED 모듈(10)의 최하층에 위치하며 최상층에 위치하는 커버(200)와 그 사이에 있는 기판(100) 등을 결합하기 위해 볼트, 너트, 스크류 등의 패스너가 체결될 수 있다.
방열 시트(300)는 상술한 기판(100)과 방열판(400) 사이에는 위치하는 것으로 기판(100)의 열을 효율적으로 방열판(400)으로 전달하는 기능을 수행하고, 자세한 설명은 후술하도록 한다.
이러한 구성을 통하여 본 발명의 등기구용 LED 모듈(10)은 표준 LED 모듈에 감지 센서(120)를 구비하여 표준 LED 모듈이 적용 되는 사업 또는 제품에 호환되는 감지 센서(120)를 장착한 등기구용 LED 모듈(10)이며, 이를 통해 제작에 드는 비용과 시간을 낮출 수 있다.
추가적으로, 방열 시트는 높은 열전도도를 가지는 물질로 구리, 철, 주석합금 등의 금속 또는 알루미나(Alumina) 등의 무기재료 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 방열 시트가 금속이라면 방열 시트에는 알루미나 등의 무기재료가 함유, 도포 등의 방식으로 포함될 수 있고, 기능의 강화 및 보조를 위하여 추가적인 첨가물 또는 코팅층을 추가할 수 있다.
이때, 알루미나는 산화알루미늄(Al2O3)의 관용명으로 1x1014 내지 1x1015 Ωcm의 우수한 전기절연성과 금속에 가까운 25 내지 35W/mK의 열전도도를 가지는 물질이다. 알루미나의 열전도도는 열전도 특화 물질에 비하여 매우 높은 수치를 보이는 것은 아니지만 우수한 기계적 성질을 가지고 있어 방열 시트의 물질로 사용될 수 있으며, 알루미나의 기계적 성질로는 높은 경도, 압축강도, 내부식성, 내열성 등과 함께 밀도가 낮아 다른 물질을 첨가 및 추가하여도 하중에 대한 부담이 적어 방열 시트가 금속일 경우 방열 시트에 추가적으로 포함될 수 있다.
도 3은 본 발명의 열전도 코팅제의 제조방법을 도시한 순서도이다.
나아가, 방열 시트 상에는 탄소를 포함한 열전도 코팅제가 도포될 수 있다. 이때, 열전도 코팅제는 기판(100)의 열을 효과적으로 방열판(400)으로 전달할 수 있도록 하는데, 구체적으로 열전도 코팅제는 열전도율이 매우 높은 물질 중 하나인 탄소를 포함할 수 있다.
이러한 열전도 코팅제를 제조하는 단계는 혼합액 제조 단계(S100), 상등액 취득 단계(S110), 열전도 코팅제 완성 단계(S120)를 포함할 수 있다.
먼저, 혼합액 제조 단계(S100)는 전체 물 80 내지 99중량부, 계면활성제 0.1 내지 10중량부, 원재료 0.1 내지 10중량부를 혼합하여 혼합액을 제조하는 과정이다.
이때 원재료는 탄소를 유효 성분으로 하는 열전도 코팅제를 제조하기 위한 출발 물질로서, 이러한 열전도 코팅제가 높은 열전도율을 갖기 위해서는 원재료를 탄소를 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 원재료는 표면적이 큰 다공성의 탄소를 유효 성분으로 포함하는 것이 바람직하며 이러한 원재료를 제조하는 방법에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.
또한, 혼합액 제조 시 첨가하는 계면활성제는 구체적으로 SDBS(Sodium dodecylbenzenesulfate)일 수 있으며, 이러한 계면활성제는 탄소를 유효 성분으로 하는 원재료(소수성이므로 물속에서 뭉치는 현상이 발생할 수 있다.)가 서로 뭉치는 현상을 방지하고 수내 분산력을 향상시키는 기능을 제공한다.
이후, 상등액 취득 단계(S110)는 상기 혼합액을 10 내지 60분 동안 초음파 처리한 후 5 내지 30분 동안 원심 분리하여 상등액을 취득하는 과정이다.
이때 상등액이라 함은 혼합액의 원심 분리 결과물에서 아래에 가라앉은 물질을 제외한 상층의 용액을 의미하는 것으로서, 이러한 상등액은 원재료를 포함하여 이로부터 열전도 코팅제를 제조할 수 있다.
마지막으로, 열전도 코팅제 완성 단계(S120)는 물 60 내지 90중량부, 상등액 10 내지 40중량부를 혼합하여 열전도 코팅제를 완성하는 것으로서, 이때 상등액에는 원재료를 포함한다고 하였는데 이러한 상등액을 물과 혼합함으로써 상등액의 농도를 희석시킬 수 있고, 이를 열전도 코팅제로써 사용할 수 있다.
이러한 열전도 코팅제에 포함되는 원재료를 제조하는 단계는 구체적으로 제 1 용액 제조 단계, 포말 단계, 제 2 용액 제조 단계, 제 3 용액 제조 단계, 중간 생성물 제조 단계, 함침 처리 단계, 탄화 물질 생성 단계, 원재료 완성 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 제 1 용액 제조 단계는 물 75 내지 95중량부, 스티렌 1 내지 20중량부, SDS(Sodium dodecyl sulfate) 0.1 내지 10중량부를 혼합하여 제 1 용액을 제조하는 과정이다.
이때 스티렌은 제 1 용액의 유효 성분으로서, 다공성 탄소를 제조하기 위한 출발 물질이라고 할 수 있다. 즉, 스티렌을 이용하여 탄소로부터 다공성 탄소를 제조하는 것이다. 또한, SDS는 계면활성제로서 소수성의 스티렌과 물이 잘 혼합될 수 있도록 스티렌의 수분산을 높이는 기능을 제공한다.
여기서, 스티렌과 물 및 SDS를 혼합한 후 50 내지 70℃의 온도로 가열 교반함으로써 스티렌과 물의 혼합이 보다 잘 이루어지도록 할 수 있다. 이때 50℃ 미만의 온도에서 교반할 경우 충분한 혼합이 이루어지지 않을 수 있으며, 70℃ 초과의 온도에서 교반할 경우 SDS가 과포화되어 준비 용액 제조 후 냉각됨에 따라 SDS가 석출될 수 있으므로 상기 온도 조건(50 내지 70℃)에서 가열 교반하는 것이 바람직하다.
이후, 포말 단계는 제 1 용액에 질소 가스를 투입하여 포말을 형성하는 것으로서, 이는 제 1 용액의 버블링 처리를 통해 제 1 용액에 포함된 산소를 제거하여, 후술할 단계의 반응을 억제하는 산소를 제거하는 과정이라고 할 수 있다.
다음으로, 제 2 용액 제조 단계는 포말이 형성된 제 1 용액 80 내지 99중량부, 포타슘퍼설페이트(Potassium persulfate) 수용액 1 내지 20중량부를 혼합한 다음 60 내지 90℃에서 12 내지 40시간 동안 교반하여 제 2 용액을 제조하는 과정이다.
이때 포타슘퍼설페이트는 제 1 용액의 중합 반응을 개시하는 중합 개시제이며, 포타슘퍼설페이트 수용액을 버블링 처리된 제 1 용액과 혼합함으로써 제 1 용액의 유효 성분인 스티렌의 중합 반응이 발생하게 되고, 이로 인해 폴리스티렌이 생성된다. 즉, 제 2 용액은 폴리스티렌을 유효 성분으로 할 수 있다.
여기서 포타슘퍼설페이트 수용액을 1중량부 미만으로 첨가할 경우 충분한 중합 반응이 진행되지 않을 수 있으며, 20중량부를 초과할 경우 제 2 용액에 과도하게 많은 포타슘퍼설페이트가 존재하게 되어 후술할 단계를 통해 다공성 탄소를 제조할 시 방해가 될 수 있다.
이후, 제 3 용액 제조 단계는 제 2 용액 50 내지 80중량부, 실리카 용액 20 내지 50중량부를 1 내지 30분 동안 교반하여 제 3 용액을 제조하는 과정이다.
이때 실리카 용액은 전체 실리카 용액 중량 대비, 실리카 5 내지 30중량부와 물 70 내지 95중량부를 혼합하여 제조될 수 있으며, 이렇게 제조된 실리카 용액은 에멀젼 형상을 가질 수 있다. 이러한 실리카 용액의 유효 성분인 실리카는 다공성 탄소를 제조하기 위한 거푸집(template)과 같은 역할을 수행하는데, 구체적으로 폴리스티렌 입자 사이에 실리카 입자가 들어간 다음 후술할 단계의 탄화 과정을 거침에 따라 실리카 입자가 있던 자리에 탄소 입자가 들어가면서 다공성 탄소가 생성되는 것이며, 이에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.
따라서 이렇게 에멀젼 형상을 지닌 두 용액인 제 2 용액과 실리카 용액을 혼합하여 제 3 용액을 제조할 수 있다.
다음으로, 중간 생성물 제조 단계는 제 3 용액을 50 내지 90℃에서 건조시킨 후 400 내지 600℃에서 3 내지 8시간 동안 가열하여 중간 생성물을 제조하는 과정이다.
이는 제 3 용액을 건조시켜 제 3 용액의 용매인 물을 제거하는 과정이며, 건조 과정 후 400 내지 600℃에서 가열하여 탄화 과정을 진행함으로써 제 3 용액에 포함된 폴리스티렌을 제거하고 탄소 및 실리카를 유효 성분으로 하는 중간 생성물을 제조하는 단계라고 할 수 있다.
여기서 탄화 과정이라 함은 유기물을 고온에서 일정 시간 동안 가열 처리하여 탄소만 남게 하는 과정으로서, 제 3 용액에 포함된 폴리스티렌이 충분히 탄화될 수 있도록 3 내지 8시간(바람직하게는 5 내지 6시간) 동안 제 3 용액을 가열하여 폴리스티렌이 제거되고 탄소와 실리카만 남은 중간 생성물을 얻을 수 있다.
이후, 함침 처리 단계는 디비닐벤젠 50 내지 90중량부, 반응 개시제 10 내지 50중량부를 혼합하여 함침 용액을 제조하고 함침 용액에 상기 중간 생성물을 함침시킨 후 60 내지 90℃에서 건조시키는 과정이다.
이때 디비닐벤젠은 함침 용액의 유효 성분으로서, 탄소를 유효 성분으로 하는 중간 생성물의 빈 공간에 디비닐벤젠 입자가 들어가 채워지는 기능을 제공한다.(이는 후술할 단계에서 탄화되어 메조포어(mesopore)를 생성하는 기능을 제공한다.)
또한, 반응 개시제는 디비닐벤젠의 중합 반응을 개시하는 것으로, 2,2'-아조비스이소부티로나이트릴(2,2'-azobisisobutyonitrile)이 될 수 있다. 이렇게 중간 생성물을 함침 용액에 함침시킴으로써 중합된 디비닐벤젠이 상기 실리카 입자 사이의 빈 공간으로 스며들게 된다.
나아가, 건조 과정은 중간 생성물을 함침시킬 시 함침 용액 내의 산소 및 잔존 공기를 제거하여 반응 억제를 방지하는 과정으로서, 이때 건조 과정은 일반적으로 유기 용매를 제거하는데 사용되는 freeze pump 방법을 이용할 수 있다.(이는 주지 관용의 기술이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.)
다음으로, 탄화 물질 생성 단계는 함침된 중간 생성물을 아르곤 분위기 하에 800 내지 1000℃에서 3 내지 10시간 동안 탄화시켜 탄화 물질을 생성하는 것으로서, 함침된 중간 생성물에 포함된 폴리디비닐벤젠을 탄화시켜 실리카 입자 사이에 존재하던 폴리디비닐벤젠은 제거되고 탄화 물질을 생성하는 단계이다.
이때 탄화 물질은 탄소뿐만이 아니라 실리카도 유효 성분으로 하며, 실리카 입자 사이에 존재하는 기공(즉, 폴리디비닐벤젠이 탄화되어 생성된 기공)에 탄소가 존재하는 형상을 띠게 된다.
마지막으로, 원재료 완성 단계는 탄화 물질을 플루오르화수소(HF) 수용액으로 세척한 후 여과하여 여과액을 수득한 후 상기 여과액을 증류수로 세척한 후 50 내지 80℃에서 건조시켜 원재료를 완성하는 과정이다.
이때 플루오르화수소 수용액은 탄화 물질에 잔존하는 실리카(즉, 미반응의 실리카)를 제거하기 위한 것이며, 이렇게 탄화 물질을 세척한 후 여과시킴으로써 실리카가 제거된 탄화 물질을 포함하는 여과액을 얻을 수 있다. 이때 상기 탄화 물질에는 실리카 입자 사이에 존재하는 기공(즉, 폴리디비닐벤젠이 탄화되어 생성된 기공)에 탄소가 존재하게 되는데, 이 상태에서 상기 탄화 물질의 실리카를 제거함으로써 빈 공간이 발생하게 되고 이로부터 다공성의 탄소가 형성되는 것이다.
또한, 여과액에 잔존하는 플루오르화수소 수용액을 제거하기 위해 증류수로 여과액을 세척하는 과정을 거치고, 세척액으로 사용된 물을 제거하기 위하여 건조 과정을 거침으로써 다공성의 탄소를 유효 성분으로 하는 원재료를 효율적으로 완성할 수 있다.
이때, 방열 시트 상에는 질화알루미늄(Aluminum nitride) 및 질화붕소(Boron nitride)중 어느 하나를 포함하는 열방사 보조층이 도포될 수 있으며, 방열 시트에 열방사 보조층과 열전도 코팅제가 함께 포함된다면 열방사 보조층이 하층이고 열전도 코팅제가 상층인 것이 바람직하다.
더하여, 열방사 보조층이 도포되는 경우 방열 시트는 알루미나 자체로 이루어지거나 알루미나가 도포된 것이 바람직하며, 이는 후술할 열방사 보조층을 제조할 시 방열 시트가 금속이라면 질소 및 붕소와 화합물을 형성할 수 있기 때문이다.
여기서, 질화알루미늄과 질화붕소는 열적특성이 우수하여 높은 열전도도를 가지는 방열소재이며, 질화알루미늄은 열적특성 외에 우수한 내식성과 높은 기계적 강도를 가지는 특성이 있어 반도체 및 전자재료 부품 등에 사용되고 있고, 질화붕소는 질화알루미늄보다도 높은 열전도도를 가지고 내습성에 약한 단점을 보완하는 화학적으로 안정한 물질이며 전기전도도가 낮은 절연체로서 외부전압으로부터 기판(100)을 보호하거나 외부로 방전되는 것을 방지하는 것도 가능하고 필러 등의 형태로 사용되면 기판(100)에 유연성을 부여할 수도 있다. 상술한 두 물질 중 질화붕소를 사용하는 것이 높은 열전도도와 내습성을 활용할 수 있어 바람직하지만 질화알루미늄이 사용될 수 있음은 물론이다.
도 4는 본 발명의 열방사 보조층의 제조과정을 도시한 순서도이다.
이때, 상술한 열방사 보조층은 질화붕소일 수 있다.
질소와 붕소의 1:1화합물인 질화붕소의 결정구조 중 대표적인 것은 육방정계의 2차원 구조를 가지는 형태이며, 육각형의 내부구조를 가지고 적층구조가 흑연과 유사한 판상이다. 이러한 육방정계 형태의 질화붕소는 승화온도가 약 2800℃에 이르고 그 아래의 온도에서는 고체형태를 유지해 고온안정성을 가진 방열소재로서 열방사 보조층에 사용될 수 있다.
여기서, 열방사 보조층은 1차 용액 제조 단계(S200), 2차 용액 제조 단계(S210), 열방사 보조층 완성 단계(S220)를 거쳐 제조될 수 있다.
먼저, 1차 용액 제조 단계(S200)는 시클로트리보라잔(cyclotriborazane) 70 내지 80 중량부, 니켈 20 내지 30중량부를 혼합한 다음 800 내지 900℃에서 2 내지 4시간 동안 가열한 후 여과한 여과물을 제거하여 1차 용액을 제조하는 과정이다.
더하여, 시클로트리보라잔은 화학식이 B3H6N3으로 붕소와 질소를 함유한 물질로서 질화붕소를 제조하는데 있어 핵심물질이다. 시클로트리보라잔이 암모니아보레인(Ammonia borane)등의 질소와 붕소를 함유한 다른 물질에 비해 유용한 점으로는 상온에서 액상이기 때문에 버블러, 교반기 등으로 제어하기가 좋고 코팅제로 제조하기에 알맞다는 점이 있다.
니켈은 질화붕소를 성장시키기 위한 촉매의 역할을 수행하며, 매우 고밀도의 물질이기 때문에 용도에 대비하여 많은 중량부를 포함하는 것이 바람직하고, 니켈과 마찬가지로 질소 및 붕소와 화합물을 형성하지 않는 금, 백금, 루비듐 등을 사용할 수도 있지만 가격과 고온안정성 등을 고려하였을 때 니켈을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 니켈의 입자크기는 질화붕소를 성장시키고 완전히 여과되기에 적절하도록 500 내지 1000㎛의 입자크기로 사용될 수 있다.
다음, 2차 용액 제조 단계(S210)는 1차 용액 30 내지 40중량부, 포비돈(PVP, Polyvinylpyrrolidone) 10 내지 20중량부, 에탄올 40 내지 60중량부를 800 내지 900℃에서 10 내지 20분 동안 혼합하여 2차 용액을 제조하는 과정이다.
여기서, 포비돈은 1차 용액을 도포하기 쉽도록 점도를 부여하기 위해 사용되며, 이를 위해 사용되는 포비돈은 고분자로서 분자량이 60 내지 70kg/mol이상인 것이 바람직하다. 에탄올은 용매로서 1차 용액과 분말상인 포비돈의 혼합을 돕는 역할을 수행하고, 고온에서 진행되는 혼합과 도포과정 중 전량 휘발될 수 있다. 더하여, 이렇게 제조된 2차 용액은 코팅이 가능한 질화붕소전구체이다.
마지막으로, 열방사 보조층 완성 단계(S220)는 2차 용액을 1000 내지 1200℃로 가열한 방열 시트에 도포한 다음 8 내지 10시간에 걸쳐 20 내지 30℃까지 서서히 감온하여 열방사 보조층을 완성하는 과정이다.
이때, 상술하였듯 방열 시트는 알루미나일수 있으며, 녹는점이 약 2100℃에 달해 이러한 방식으로 코팅하는 것이 가능하고, 서서히 감온 함으로써 코팅층을 안정시킴과 함께 급속한 온도변화로 인한 크랙 발생을 예방할 수 있다. 더하여, 이러한 온도제어를 위한 장비로 오븐 및 퍼니스 등이 사용될 수 있으며, 요구하는 온도조건과 감온 세그먼트를 설정할 수 있다면 구체적인 제한은 두지 않는다.
이러한 과정을 통해 제조된 열방사 보조층은 준수한 열전도도를 보이는 알루미나의 약 10배 정도인 360W/mK의 열전도도를 가지는 질화붕소가 포함되어 열방사를 효과적으로 보조할 수 있으며, 질화붕소의 또 다른 특징 중 하나인 절연성을 통해 외부전압으로부터 기판(100)을 보호하고 외부로의 방전을 막는 역할 또한 수행할 수 있다.
더하여, 상술한 2차 용액 제조 단계(S210)에는 전체 2차 용액 중량대비, 탄화규소를 포함한 강도보조제 1 내지 5중량%가 추가로 포함될 수 있다.
이때, 강도 보조제는 용융실리카 40 내지 60중량부, 탄소 40 내지 60중량부를 혼합한 다음 1600 내지 1700℃에서 1 내지 3시간 동안 열처리한 것을 분쇄하여 제조될 수 있다. 추가적으로, 이 과정은 아르곤, 네온 등의 불활성기체 분위기에서 진행될 수 있으며 고온에서 불순물이 함유되는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 탄소는 흑연, 카본블랙 등의 순수한 탄소원이면 구체적 제한을 두지 않으며, 용융실리카는 SiO2의 화학식을 가지는 실리카의 용융상으로서 포함된 산소는 열처리 도중 탄소와 함께 CO2의 형태로 기화되어 탄소와 규소가 1:1 비율로 공유결합하고 있는 탄화규소의 결정구조를 흐트러트리지 않을 수 있다.
나아가, 탄화규소는 세라믹이면서도 비산화물이기 때문에 매우 우수한 경도와 고온 안전성을 보이며, 열전도도 또한 질화붕소에 근접한 270W/mK를 가져 방열성능을 저해하지도 않는 물질이다. 보다 높은 순도의 탄화규소를 제조하기 위한 방법으로 고온에서 산처리 하는 방법 및 규소와 탄소를 포함하는 가스를 고온에서 반응시키는 화학기상증착(CVD) 등이 있지만 이는 반도체등의 고순도로 소량이 필요한 제품에 사용하기 위한 방법으로서, 수득량이 낮음은 물론이며 정밀한 성능보다는 물성이 중요한 강도 보조제의 제조법으로 사용하기에 적합한 제조 방법은 아니다.
더하여, 분쇄한 탄화규소의 입자크기는 2차 용액 내에 적절히 분산될 수 있도록 10 내지 100㎛인 것이 바람직하며, 분쇄는 다이아몬드 분말을 제조하는 방식과 유사하게 진행될 수 있고 이는 주지 관용의 범위이므로 상세한 설명을 생략한다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 감지 센서를 장착한 등기구용 LED 모듈을 상기 설명 및 도면에 표현하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하여 본 발명의 사상이 상기 설명 및 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.
10: 등기구용 LED 모듈 100: 기판
110: LED 120: 감지 센서
130: 제어부 200: 커버
210: 렌즈 300: 방열 시트
400: 방열판 S100: 혼합액 제조 단계
S110: 상등액 취득 단계 S120: 열전도 코팅제 완성 단계
S200: 1차 용액 제조 단계 S210: 2차 용액 제조 단계
S220: 열방사 보조층 완성 단계

Claims (10)

  1. 감지 센서를 장착한 등기구용 LED 모듈로서,
    복수의 LED가 행렬 구조로 배치된 상태에서, 상기 LED 사이에 적어도 하나의 동작 감지 센서 및 열 감지 센서 중 어느 하나인 감지 센서를 구비한 기판;
    상기 기판에 장착된 것으로, 상기 감지 센서의 감지로 상기 LED를 점멸 제어하는 제어부;
    상기 기판 상에 적층된 것으로, 상기 LED 및 감지 센서에 대응되는 위치에 각각 형성된 렌즈를 구비한 커버;
    상기 기판의 저면 측에 위치한 방열판;
    상기 기판과 방열판 사이에 위치한 상태에서 상기 기판의 열을 상기 방열판으로 전달하는 것으로, 구리, 철, 주석합금, 알루미나(Alumina) 중 적어도 어느 하나로 이루어진 방열 시트;
    상기 방열 시트 상에 적층된 것으로, 질화붕소로 이루어진 열방사 보조층;을 포함하되,
    상기 열방사 보조층은,
    시클로트리보라잔(cyclotriborazane) 70 내지 80 중량부, 니켈 20 내지 30중량부를 혼합한 다음 800 내지 900℃에서 2 내지 4시간 동안 가열한 후 이를 여과한 여과물을 제거하여 1차 용액을 제조하는 단계;
    상기 1차 용액 30 내지 40중량부, 포비돈(PVP, Polyvinylpyrrolidone) 10 내지 20중량부, 에탄올 40 내지 60중량부를 800 내지 900℃에서 10 내지 20분 동안 혼합하여 2차 용액을 제조하는 단계;
    상기 2차 용액을 1000 내지 1200℃로 가열한 방열 시트에 도포한 다음 8 내지 10시간에 걸쳐 서서히 감온하여 열방사 보조층을 완성하는 단계;를 거쳐 제조되는 것을 특징으로 하는, 등기구용 LED 모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 감지 센서는,
    상기 LED의 행 사이의 특정 행에 배치되는 것을 특징으로 하는, 등기구용 LED 모듈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 감지 센서의 감지 시간대를 설정하여 사용자로부터 작동 환경을 선택하도록 하는 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는, 등기구용 LED 모듈.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 2차 용액은,
    전체 2차 용액 중량대비, 1 내지 5중량%의 탄화규소를 포함하는 강도 보조제를 포함하되,
    상기 강도 보조제는, 용융실리카 40 내지 60중량부, 탄소 40 내지 60중량부를 혼합한 다음 1600 내지 1700℃에서 1 내지 3시간 동안 열처리한 것을 분쇄하여 제조되는 것을 특징으로 하는, 등기구용 LED 모듈.
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