KR102321632B1 - 3d 프린터를 이용한 엘이디 조명 히트싱크 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 히트싱크 제조방법에 관한 것으로써, 개시된 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 히트싱크 제조방법은 엘이디 모듈의 방열을 위한 히트싱크를 3D 프린터를 이용하여 제조하는 방법에 있어서, 열전도성이 높은 프린트 원료를 이용하여 엘이디 모듈의 발열영역에 대응되는 형상을 가지도록 열수용부가 형성되는 열수용부 형성단계 및 상기 열수용부에 사용된 열전도성이 높은 프린트 원료 보다 열전도성이 더 높은 프린트 원료를 사용하여 상기 열수용부에 적층되도록 방열부를 형성하는 방열부 형성단계가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의할 경우 히트싱크를 입체형상으로 다양하고 간단하게 제작할 수 있어, 히트싱크의 제작성 향상은 물론 다양한 입체형상을 가지는 히트싱크를 통해 방열의 효율성과 내구성 및 디자인의 완성도를 더욱 높여주는 엘이디 조명기구를 제공할 수 있는 효과를 가진다.
Description
본 발명은 3D 프린터를 이용하여 다양한 형상을 가질 수 있는 엘이디 조명 히트싱크를 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근 제 3차 산업혁명을 유발할 기술로 주목받는 분야는 3D 프린팅 기술이다. 3D 프린팅은 디지털 설계 도면과 3D 프린터만 있으면 누구나 전 세계 어디서든 필요한 제품 생산이 가능하여, 제조 공정의 획기적인 간소화를 통한 제조업 패러다임 변화의 핵심으로 주목받고 있다.
3D 프린팅 자체는 이미 1980 년대 말부터 생산현장에서 시제품 제작에 주로 이용되어 왔지만, 최근 소재 기술의 발달로 플라스틱 뿐만 아니라 유리, 금속으로까지 적용되면서 제작 범위가 다양해졌다. 수억 원대에 달했던 제품 가격이 수천만 원대로 하락하였으며 수백만 원대의 보급형 제품의 출시로 대중화가 눈앞에 있다.
개인의 요구가 다양화됨에 따라 기존의 표준화된 대량생산 공정으로는 생산하기 힘든 개인화된 제품들을 3D 프린터로 직접 제작할 수 있으며, 제조 산업에서는 제품 기획부터 시제품 구현까지의 시행착오가 획기적으로 단축되어 개발의 혁신이 가속화될 것으로 전망된다
3D 프린팅 기술은 사용하는 재료가 액체인지 고체인지 혹은 파우더인지, 또 이 재료를 가지고 어떤 방식으로 형상을 만드느냐에 따라 분류된다. 지금까지 약 20가지의 방식이 상용화된 것으로 알려졌지만 공통점은 '미분'과 '적분'의 원리에 따라 만들어지고 있으며, 3D 프린팅 과정은 크게 3단계로 나뉜다.
먼저 컴퓨터에서 3D 디자인 프로그램 등을 이용해 디자인한 후 이를 정해진 데이터 양식으로 저장하고, 3D 프린터는 이렇게 그려진 입체적인 디자인을 '미분'하듯이 얇은 가로 층으로 나눠 분석하고,이후 디자인 파일에 그려진 형태대로 재료를 바닥부터 꼭대기까지 차곡차곡 쌓아올리게 되면 입체 모형이 완성된다. 즉 하나의 모형을 한없이 잘게 썰어 가는 미분과, 이 잘게 썰어진 조각을 합쳐 원래의 모형으로 환원시키는 적분의 원리를 모두 사용하고 있는 셈이다.
가장 보편적인 3D 프린팅 방식으로는 FDM(수지압출법), SLA(광경화수지조형), DLP(디지털광학기술), SLS(파우더 기반 쾌속조형기술)가 알려져 있다.
FDM(수지압출법) 방식의 경우, 열에 녹는 고체 플라스틱과 같은 재료를 실타래처럼 뽑아 이것을 조금씩 녹여가며 쌓는 방식으로, 재료가 전후좌우 이동이 가능한 분사기에 삽입되면 분사기는 재료를 순간적으로 녹여 모형을 만드는 자리를 오가며 조금씩 재료를 분사해 형체를 만든다.
비용이 상대적으로 저렴하다는 장점과, 재료를 다양하게 투입할 수 있고 만들어진 모형의 내구성도 강한 편이지만 재료 분사기의 굵기 때문에 표면에 층이 확연히 드러나고 제작 속도도 오래 걸리며 정밀도가 아주 높지 않고, 완성된 제작물의 표면이 거칠기 때문에 표면을 다듬는 후처리 과정이 필요하다.
SLA(광경화수지조형) 방식은 빛에 반응하는 액체 형태의 광경화성 플라스틱이 들어있는 수조에 레이저를 쏘아 한 층씩 굳히는 방법으로, 조형판이 수조 안에서 아래로 내려가면서 조금씩 굳어진 재료가 쌓이게 되므로, 표면이 매끄럽고 복잡하거나 섬세한 형상을 만드는 데 적합하지만 재료 가격과 비용이 고가인 문제점이 있다.
DLP(디지털광학기술) 방식은 레이저나 강한 자외선에 반응하는 광경화 플라스틱을 판 위에 얇게 분사해 가며 결과물을 얻는 방식으로, 분사된 액체는 분사기 양 옆에 달려 있는 자외선 램프에 의해 즉시 굳게 되며 이렇게 굳은 층 위에 다시 원료를 분사해 가면서 쌓아올린다. 정밀도는 가장 높아 섬세한 표현까지 가능하지만 시간이 오래 걸리고 가격이 비싸다는 단점이 있다. 정밀도와 표면마감, 제작속도는 DLP 방식이 유리하지만 재료 강도는 FDM 방식이 유리하다.
이와 같이 3D 프린터는 입체적으로 그려진 물건을 마치 미분하듯이 가로로 1만 개 이상 잘게 잘라 분석한 데이터를 만들고, 아주 얇은 막(레이어)을 한 층씩 쌓아 물건의 바닥부터 꼭대기까지 완성한다.
한편, 조명기구는 백열전구나 형광등과 같은 전통적인 광원에서 엘이디(발광다이오드; Light Emitted Diode; LED)를 광원으로 사용하는 것으로 발전되고 있다.
엘이디를 광원으로 사용하는 조명기구는 환경오염 유발 요인이 적고 수명이 오래 간다는 장점이 있다는 이유로 전통적인 조명기구를 대체할 수 있는 조명기구로 기대를 받고 있으며, 근래 이에 관한 많은 연구 및 개발이 이루어지고 있다.
이러한 엘이디는 발광에 의해 수반되는 발열을 방열하기 위한 방열은 통상적으로 엘이디칩이 실장된 PCB 저면에 알루미늄과 같이 열전달률이 높은 히트싱크를 접촉시켜 구성하는 것인데, 방열효율이 만족할 만한 수준에 이르지 못하였다.
이에 따라 방열효율을 높이기 위하여 선행기술을 통해 히트싱크의 개선된 구조가 이미 개시된 바 있다.
그러나 히트싱크는 알루미늄이 주로 사용되고 있으며, 알루미늄제품은 다이캐스팅이라는 제조방식을 사용하는데 주조시 알루미늄의 재질 자체의 점도가 높아 세밀한 형상 제작이 불가능해 형상이 투박해지고, 특히 기존 알루미늄 히트싱크 방열부 날개는 1.5mm이하로 제작시 성형이 되지 않는 단점도 있어 불량 발생 빈도가 높아 설계자가 지향하는 형상이 거의 불가능한 문제점을 안고 있었다
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 3D 프린터를 이용하여 다양한 형상으로 엘이디 조명 히트싱크를 제작하여 제작성은 물론 냉각 효율성을 극대화시킬 수 있도록 한 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 PCB 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한될 필요는 없으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
바람직한 일 실시 예에 따른 본 발명은 엘이디 모듈의 방열을 위한 히트싱크를 3D 프린터를 이용하여 제조하는 방법에 있어서, 열전도성이 높은 프린트 원료를 이용하여 엘이디 모듈의 발열영역에 대응되는 형상을 가지도록 열수용부가 형성되는 열수용부 형성단계 및 상기 열수용부에 사용된 열전도성이 높은 프린트 원료 보다 열전도성이 더 높은 프린트 원료를 사용하여 상기 열수용부에 적층되도록 방열부를 형성하는 방열부 형성단계를 포함한다.
더 바람직하게 상기 방열부 표면에는 외부 공기와의 접촉 면적을 높이기 위한 다수의 방열돌기 또는 방열홈이 형성된다.
더 바람직하게 상기 방열부 내부에는 외부와 연통되는 다수의 기공이 형성된다.
더 바람직하게 상기 열수용부 또는 방열부 또는 열수용부 및 방열부 중 어느 하나의 내부에는 외부로부터 공급되는 액체 또는 기체의 냉매부재가 순환될 수 있도록 냉각통로가 더 형성된다.
더 바람직하게 상기 3D 프린터의 노즐헤드는 3축 내지 5축 방향으로 프린트 원료를 공급하기 위한 관절링크를 갖도록 구성된다.
더 바람직하게 상기 열수용부의 밀도 또는 순도보다 상기 방열부의 밀도나 순도가 더 높도록 구성된다.
더 바람직하게 상기 열수용부와 방열부는 수직 또는 수평방향으로 적층구조를 가지도록 구성된다.
더 바람직하게 상기 열수용부 또는 상기 방열부 또는 상기 열수용부 및 방열부 중 어느 하나는 2D곡면, 3D곡면, 구형, 비구형, 반구형, 3/4구형, 자유곡면형 중 선택된 입체형상으로 구성된다.
더 바람직하게 상기 열수용부와 상기 방열부의 표면 중 어느 하나 또는 모두에는 부식방지층이 더 형성된다.
더 바람직하게 상기 프린트 원료는 자연방치, 복사열, 자외선, 레이저조사 방식 중 어느 하나를 이용하여 경화되도록 하는 단계가 더 포함된다.
더욱 바람직하게 상기 프린트 원료에는 열 경화성 또는 자외선 경화성 성분이 더 포함된다.
더 바람직하게 상기 3D 프린터는 FDM(Fused Deposition Modelling), DLP(Digital Light Processing), SLA(Stereolithography), SLS(Selective Laser Sintering), PolyJet(Photopolymer Jetting Technology), DMT(Direct Metal Tooling), PBP(Powder Bed & inkjet head 3dprinting), LOM(Laminated Object Manufacturing) 방식 중 어느 하나를 이용하여 구성된다.
본 발명은 엘이디모듈의 발열부위에 밀착 결합되어 엘이디모듈의 열을 외부로 방출시키는 히트싱크를 3D프린터를 통해 2D곡면, 3D곡면, 구형, 비구형, 반구형, 자유곡면형, 3/4구형과 같이 평면에서 벗어나는 다양한 형상으로 제작 가능함에 따라 형상의 자유로움을 통해 엘이디 조명 기구의 설계의 다양성과 효율성을 높이고, 발열부위에 상응하는 최적화된 설계를 통해 히트싱크를 제작함에 따라 엘이디모듈의 방열효과를 극대화시킬 수 있는 효과를 가진다.
아울러, 이와 같이 기재된 본 발명의 효과는 발명자가 인지하는지 여부와 무관하게 기재된 내용의 구성에 의해 당연히 발휘되게 되는 것이므로 상술한 효과는 기재된 내용에 따른 몇 가지 효과일 뿐 발명자가 파악한 또는 실재하는 모든 효과를 기재한 것이라 인정되어서는 안 된다.
또한, 본 발명의 효과는 명세서의 전체적인 기재에 의해서 추가로 파악되어야 할 것이며, 설사 명시적인 문장으로 기재되어 있지 않더라도 기재된 내용이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 명세서를 통해 그러한 효과가 있는 것으로 인정할 수 있는 효과라면 본 명세서에 기재된 효과로 보아야 할 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 히트싱크 제조방법을 단계별로 예시한 흐름도이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 토대로 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 기재된 내용을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이며, 이로 인해 기재된 내용의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
또한, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있으며, 기재된 내용의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있고, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
우선, 본 발명에 따른 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 히트싱크 제조방법의 단계는 크게 엘이디 모듈의 발열영역에 대응되는 열수용부를 형성하는 단계와, 그러한 열수용부에 방열부가 형성되는 단계를 포함하는 구성으로 구분될 수 있으며, 이하 각 구성요소에 대하여 예시된 도면을 통해 살펴보면 다음과 같다.
여기서 3D 프린터는 FDM(Fused Deposition Modelling), DLP(Digital Light Processing), SLA(Stereolithography), SLS(Selective Laser Sintering), PolyJet(Photopolymer Jetting Technology), DMT(Direct Metal Tooling), PBP(Powder Bed & inkjet head 3dprinting), LOM(Laminated Object Manufacturing) 방식 중 어느 하나를 적용하여 사용할 수 있으며, 3D 프린터의 노즐헤드는 3축 내지 5축 방향으로 프린트 원료를 공급하기 위한 관절링크를 가질 수 있다.
먼저, 열수용부 형성단계(S100)는,
열전도성이 높은 프린트 원료를 이용하여 엘이디 모듈의 발열영역과 대응되는 형상을 가지도록 열수용부를 형성하는 단계이다.
여기서, 열전도성이 높은 프린트 원료는 예를 들면 알루미늄이 될 수 있으며, 이러한 열전도성이 높은 프린트 원료를 이용하여 3D 프린터의 노즐헤드가 3D 캐드나 3D 모델링 프로그램 또는 3D 스캐너를 통해 입력된 데이타에 의해 움직이면서 0.01~0.08mm의 층으로 겹겹이 쌓아 입체 형상을 만들게 된다.
열수용부는 단일 재질의 한층으로 구성될 수도 있지만 서로 다른 재질로 이루어진 다층으로 구성될 수도 있다.
방열부 형성단계(S200)는,
전술한 열수용부의 일면에 열수용부에 사용된 프린트 원료의 열전도성보다 더 높은 열전도성을 가지는 프린트 원료를 이용하여 방열부를 형성하는 단계이다.
여기서, 열수용부에 사용된 프린트 원료보다 열전도성이 더 높은 프린트 원료는 일 예로 열수용부에 사용된 프린트 원료가 알루미늄일때 열전도성이 더 높은 동이 될 수 있다.
따라서, 열전도성이 높은 프린트 원료와 열전도성이 더 높은 프린트 원료를 이용하여 3D 프린터의 노즐헤드가 3D 캐드나 3D 모델링 프로그램 또는 3D 스캐너를 통해 입력된 데이타에 의해 움직이면서 0.01~0.08mm의 층으로 겹겹이 쌓아 열수용부와 방열부가 하나의 입체 형상을 만들게 된다.
이때, 열수용부 또는 방열부는 개별적으로 입체형상을 가지거나, 열수용부 및 방열부가 함께 입체형상을 가질 수 있다.
입체형상의 실시 예로는 2D곡면, 3D곡면, 구형, 비구형, 반구형, 3/4구형, 자유곡면형 등이 될 수 있다.
한편, 전술한 방열부의 열전도성을 더욱 높이기 위한 실시 예로써, 전술한 방열부를 열수용부와 접면되는 면을 제외한 나머지 표면에 외부 공기와의 많은 접촉을 위하여 미세한 방열돌기 또는 방열홈이 복수개로 형성될 수 있으며, 필요에 따라 다수의 방열돌기와 방열홈이 함께 형성될 수도 있다.
아울러, 열수용부 또한 엘이디 모듈 및 방열부와 접면되지 않는 부위에 방열돌기 또는 방열홈 또는 방열돌기 및 방열홈이 형성될 수 있다.
이와 같이 열수용부 또는 방열부 또는 열수용부와 방열부 모두에 형성되는 방열돌기나 방열홈은 동일한 형상이면서 일정한 규칙적인 형상으로 구성될 수도 있지만 3D 프린터의 장점을 살려 서로 다른 형상 및 불규칙한 배열로 구성될 수도 있다.
또한, 전술한 방열부의 내부에는 외부와 통하는 다수의 기공이 형성될 수 있으며, 기공 또한 복수개가 규칙 또는 불규칙하게 배열되어 형성될 수 있으며, 엘이디 모듈의 발열되는 부위를 고려하여 기공을 효과적으로 배치시켜 구성할 수도 있다.
그리고 전술한 열수용부와 방열부에는 외부로부터 공급되는 액체나 기체와 같은 냉매부재가 순환될 수 있도록 냉각통로가 더 구비될 수 있다.
냉각통로는 열수용부 또는 방열부 또는 열수용부 및 방열부에 선택되어 형성될 수 있으며, 이러한 냉각통로 또한 복수개가 규칙 또는 불규칙하게 다양한 형태로 간단하게 형성될 수 있다.
아울러, 전술한 열수용부와 방열부는 그 밀도나 순도에 있어서, 열수용부에서 방열부로 갈수록 높은 밀도 또는 높은 순도를 가지도록 구성될 수 있다.
이는 밀도 또는 순도가 낮은 곳에서 밀도 또는 순도가 높은곳으로 이동되는 열의 특성을 이용한 것이다.
전술한 열수용부와 방열부는 하나씩 구성될 수도 있지만 복수개가 수직방향 또는 수평방향으로 적층구조를 가지면서 구성될 수도 있다.
열수용부와 방열부가 적층구조를 가짐에 있어서, 열수용부와 방열부가 순차적으로 적층되어 구성될 수도 있지만, 비순차적으로 적층되어 구성될 수도 있다.
또한, 열수용부와 방열부 중 어느 하나 또는 모두의 표면에는 부식방지층이 더 구비될 수도 있다.
아울러, 전술한 프린트 원료의 경우 경화의 방법에 있어서는 자연적으로 방치하여 경화시키거나, 복사열을 사용하여 경화시키거나, 자외선을 이용하여 경화시키거나, 레이저를 조사하여 경화시키는 방식 등이 이용될 수 있으며, 이러한 경우 프린트 원료에는 열 경화성 또는 자외선 경화성 성분이 더 포함될 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관한 설명을 하였으나, 기재된 내용의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 기재된 내용의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
S100 : 열수용부 형성단계 S200 : 방열부 형성단계
Claims (12)
- 엘이디 모듈의 방열을 위한 히트싱크를 3D 프린터를 이용하여 제조하는 방법에 있어서,
열전도성이 높은 프린트 원료를 이용하여 엘이디 모듈의 발열영역에 대응되는 형상을 가지도록 열수용부가 형성되는 열수용부 형성단계; 및
상기 열수용부에 사용된 열전도성이 높은 프린트 원료 보다 열전도성이 더 높은 프린트 원료를 사용하여 상기 열수용부에 적층되도록 방열부를 형성하는 방열부 형성단계가 포함되고,
상기 열수용부 또는 방열부 또는 열수용부 및 방열부 중 어느 하나의 내부에는 외부로부터 공급되는 액체 또는 기체의 냉매부재가 순환될 수 있도록 냉각통로가 더 구비되고,
상기 열수용부와 방열부는 수직 또는 수평방향으로 적층구조를 가지도록 구성되고,
상기 열수용부는 알루미늄 프린트 원료로 0.01~0.08mm의 층으로 겹겹이 쌓아 입체 형상으로 이루어지고,
상기 방열부는 동 프린트 원료로 0.01~0.08mm의 층으로 겹겹이 쌓아 입체 형상으로 이루어지는,
3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 히트싱크 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 방열부 표면에는 외부 공기와의 접촉 면적을 높이기 위한 다수의 방열돌기 또는 방열홈이 형성된 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 히트싱크 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 방열부 내부에는 외부와 연통되는 다수의 기공이 포함되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 히트싱크 제조방법. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 3D 프린터의 노즐헤드는 3축 내지 5축 방향으로 프린트 원료를 공급하기 위한 관절링크를 갖는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 히트싱크 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 열수용부의 밀도 또는 순도보다 상기 방열부의 밀도나 순도가 더 높도록 구성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 히트싱크 제조방법. - 삭제
- 제 1 항에 있어서
상기 열수용부 또는 상기 방열부 또는 상기 열수용부 및 방열부 중 어느 하나는 2D곡면, 3D곡면, 구형, 비구형, 반구형, 3/4구형, 자유곡면형 중 선택된 입체형상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 히트싱크 제조방법. - 제 1 항에 있어서
상기 열수용부와 상기 방열부의 표면 중 어느 하나 또는 모두에는 부식방지층이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 히트싱크 제조방법. - 제 1 항에 있어서
상기 프린트 원료는 자연방치, 복사열, 자외선, 레이저조사 방식 중 어느 하나를 이용하여 경화되도록 하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 히트싱크 제조방법. - 제 10 항에 있어서
상기 프린트 원료에는 열 경화성 또는 자외선 경화성 성분이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 히트싱크 제조방법. - 제 1 항에 있어서
상기 3D 프린터는 FDM(Fused Deposition Modelling), DLP(Digital Light Processing), SLA(Stereolithography), SLS(Selective Laser Sintering), PolyJet(Photopolymer Jetting Technology), DMT(Direct Metal Tooling), PBP(Powder Bed & inkjet head 3dprinting), LOM(Laminated Object Manufacturing) 방식 중 어느 하나를 이용하여 구성된 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 히트싱크 제조방법.
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