KR102374330B1 - 나노소재가 첨가된 특수방열기능과 전자파 흡수기능이 접목된 led 조명등 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방열 성능과 전자파 흡수능을 향상시킨 LED 조명등에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 복수의 엘이디가 실장된 기판이 설치되는 베이스; 상기 베이스를 덮는 투광성의 덮개; 상기 베이스의 배면에 마련되는 방열체; 및 상기 방열체에 부착 또는 도포되고, 나노다이아몬드 분말을 포함하는 방열조성물에 의해 형성되는 방열층;을 포함하는 것이 특징이다.

Description

나노소재가 첨가된 특수방열기능과 전자파 흡수기능이 접목된 LED 조명등 {LED lamp with special heat dissipation function with added nano material and electromagnetic wave absorption function}

본 발명은 방열 성능과 전자파 흡수능을 향상시킨 LED 조명등에 관한 것이다.

일반적으로 조명등은 실내외에서 어두운 공간을 밝게 하기 위한 목적으로 사용된다. 가장 많이 사용하는 조명등으로 형광등은 형광물질이 도포된 진공의 유리관에 수은과 아르곤을 넣고 수은의 방전으로 생긴 자외선을 가시광선으로 전환시켜 조명용도로 사용되는 조명기구이다.

그러나 형광등은 백열등에 비하면 소비전력은 작지만 수명이 짧아 교체주기가 다소 짧은 문제도 있다. 더욱이 형광등의 초기 방전을 위하여 고전압을 걸어주기 위한 안정기 등이 적용된다. 이러한 형광등의 소비전력 및 수명과 대비하여 오랜 수명과 저전력에서의 발광, 그리고 콤팩트한 사이즈와 제조에 따른 친환경성을 강조한 엘이디(발광다이오드)가 주요 조명등으로 대두되고 있다. 그러나 엘이디 조명등은 제조단가가 높다는 단점은 있지만 적용범위의 확대에 따른 양산의 경우에는 낮은 가격으로 설치가 가능할 것이고, 특히 통상 10만 시간의 수명을 자랑하므로 초기 설치비용은 다소 높지만 전력절감과 더불어 사용시간에 따른 사용비용의 절감이 예상된다.

종래에 다양한 엘이디 조명등에 관한 기술이 제시되고 있는 바, 대한민국 특허등록 제1217464호에서는 베이스의 내부에 다수의 엘이디가 PCB에 실장되어 구성된 광원모듈이 설치되고, 빛이 출사되는 베이스의 개방부분에 투과커버가 장착되며, 상기 베이스의 내부벽면과 PCB의 표면에는 재반사 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 엘이디 등기구를 제시하고 있는 바, 재반사 코팅층이 구성되도록 하여 재반사 효율을 향상시켜 투과커버에 음영이 발생되는 것을 방지하도록 하는 것이다.

그러나 이러한 기술에 의해서 반사효율을 증대시킬 수는 있으나 엘이디의 작동에 따라 발생되는 열이 베이스와 투과커버에 축적되는 문제가 있으며, 이러한 열은 상기 기술에서 제시된 바는 없으나 방열패드를 통해 발생된 열을 외부로 충분히 배출할 수 없어 LED소자의 수명을 단축시키는 등 기기고장을 유발할 수 있는 문제가 있다.

또한 LED소자 등에서 방출되는 전자파의 경우도 기기고장 등을 유발할 수 있는 요인으로 작용될 수 있다.

대한민국 특허등록 제1217464호

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 방열 성능을 배가시킴과 동시에 전자파를 흡수할 수 있는 LED 조명등을 제공하고자 함이다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명의 나노소재가 첨가된 특수방열기능과 전자파 흡수기능이 접목된 LED 조명등(이하 "본 발명의 조명등"이라 칭함)은, 복수의 엘이디가 실장된 기판이 설치되는 베이스; 상기 베이스를 덮는 투광성의 덮개; 상기 베이스의 배면에 마련되는 방열체; 및 상기 방열체에 부착 또는 도포되고, 나노다이아몬드 분말을 포함하는 방열조성물에 의해 형성되는 방열층;을 포함하는 것이 특징이다.

하나의 예로써, 상기 방열조성물은, 수지 바인더, 나노다이아몬드 분말, 페라이트 분말 및 셀룰로오스 나노섬유를 포함하는 것이 특징이다.

하나의 예로써, 상기 셀룰로오스 나노섬유는 카복시메틸화 된 것이 특징이다.

하나의 예로써, 상기 방열조성물은, 이소스테아릭애씨드가 더 포함되는 것이 특징이다.

하나의 예로써, 상기 방열조성물은, 이트륨옥사이드가 더 포함되는 것이 특징이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 조명등은 방열체에 부착 또는 도포되는 방열층을 통해 방열 성능을 배가시킴과 동시에 전자파를 흡수하여 전자파의 방출을 감소시킴으로써, 조명등의 수명 연장과 내구성이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 조명등의 구성을 나타내는 측단면도.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열체와 방열층을 나타내는 측단면도.

본 발명을 설명함에 있어서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 조명등(1)은, 복수의 엘이디(11)가 실장된 기판(10)이 설치되는 베이스(100)와, 상기 베이스(100)를 덮는 투광성의 덮개(200)와, 상기 베이스(100)의 배면에 마련되는 방열체(300) 및 상기 방열체(300)에 부착 또는 도포되고, 나노다이아몬드 분말을 포함하는 방열조성물에 의해 형성되는 방열층(400)을 포함한다.

상기 베이스(100)는 내부공간이 마련되어 상기 기판(10)이 설치될 수 있도록 하며, 상부가 개구되어 상기 기판(10)에 실장된 복수의 엘이디(11)의 빛이 개구된 상부로 조사될 수 있도록 한다.

일 예로 상기 베이스(100)는 기판(10)이 장착되는 고정면(101)과 상기 고정면(101)의 양단에서 경사구배를 형성하는 경사면(102)으로 구성되는 역사다리꼴 형상을 가질 수 있다.

이때 상기 경사면(102)의 경우 도면에 도시된 바 없으나, 반사코팅층이 도포되어 베이스(100)의 내부에서 광원의 반사 성능이 향상되게 함으로써, 엘이디(11) 수를 줄이면서도 상기 덮개(200) 전체 영역으로 빛이 투과되도록 하여 음영 발생이 최소화되게 함이 바람직하다.

상기 기판(10)은 공지의 구성으로 상기 엘이디(11) 소자의 단자와 전기적으로 연결이 되도록 하며 외부로부터 공급되는 전원을 상기 엘이디(11) 소자로 전달하여 엘이지 광원이 조사되게 한다.

상기 방열체(300)는 상기 베이스(200)의 배면에 마련되어 엘이디(11) 광원으로부터 발생하는 열을 베이스(200)의 배면으로 발산시킨다.

이러한 방열체(300)는 공지의 다양한 구조 내지 재질 등을 적용하여 구현될 수 있다.

일 예로 상기 방열체(300)는 도 2a에 도시된 바와 같이 상기 베이스(200)의 재질 자체가 열전도도가 우수한 알루미늄 또는 알루미늄 합금(300-1)으로 구성되어 내부에서 발생되는 열을 직접적으로 발산할 수 있다.

다른 예로 상기 방열체(300)는 도 2b에 도시된 바와 같이 상기 베이스(200)의 배면에 밀착 장착되어 베이스(200)로부터 전달되는 열을 외부로 발산하는 싱트싱크(heat sink)(300-2)일 수 있다.

본 발명에서는 도 2a 및 도 2b에 도시된 일반적인 인도어 형태의 조명등을 실시 예로서 설명하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 도 2c 및 도 2d에 도시되는 아웃도어 형태의 투광등에도 상술한 실시 예의 방열체(300) 구조가 동일하게 적용될 수 있음은 당연하다.

한편 상기 방열층(400)은 상기 방열체(300)의 표면에 부착 또는 도포되는 것으로, 방열체(300)를 통한 방열 효율을 향상시킴과 더불어 방열층(400)을 형성하는 방열조성물의 재질에 의해 전자파가 흡수되도록 한다.

구체적으로 상기 방열층(400)을 구성하는 방열조성물은, 수지 바인더, 나노다이아몬드 분말, 페라이트 분말, 셀룰로오스 나노섬유를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 수지 바인더 100중량부에 대해 나노다이아몬드 분말 5 내지 50중량부, 페라이트 분말 1 내지 10중량부, 셀룰로오스 나노섬유 0.01 내지 1중량부를 포함하도록 배합되는 것이 타당하다.

상기 수지 바인더는 그 종류를 한정하지 않으며 실리콘, 수성 아크릴 에멀젼 등이 적용될 수 있다.

상기 수성 아크릴 에멀젼은 내구성, 코스트면, 수지설계 자유도의 높이 등이 뛰어난 점에서 유리하다. 상기 수성 아크릴 에멀젼은 상기 배합범위로 배합이 이루어져야 하는데 수성 아크릴 에멀젼의 양이 상기 배합범위 미만이면 부착성, 내수성이 불량해지며, 상기 배합범위를 초과하면 전체 페이스트의 열전도성이 저하되는 문제가 있는 바, 적정의 배합범위를 유지하여야 한다.

상기 나노 다이아몬드 분말은 우수한 열전도 특성과 함께 미세 공극(micro pore)이 형성되어 있어 표면적 증대를 통한 방열기능이 발현되도록 하는 것이다. 상기와 같이 나노 다이아몬드의 배합량을 한정하는 이유는 배합량 미만으로 첨가되는 경우 충분한 방열기능을 기대하기 어려우며, 상기 배합량을 초과하는 경우 타 조성간 결합력이 약화로 부착성이 저하되는 문제가 있어 상기와 같이 한정하는 것이다.

그런데 이러한 방열층(400)은 도포 후 경화과정 등에서 온도차 등에 의해 미세균열이 유발될 수 있는데, 이러한 미세균열은 열전도율을 저하시켜 결과적으로 방열 기능을 방해하는 요인이 되며, 미세균열을 통해 부식원이 유입되므로 방청기능도 저하시키는 요인이 된다.

이에 본 발명의 방열조성물에서는 셀룰로오스 나노섬유가 더 첨가되도록 하여 페이스트의 가교작용이 이루어지도록 하여 경화과정 등에서 페이스트에 발생하는 인장력을 완화시켜 페이스트의 미세균열을 제어토록 하는 것이다.

셀룰로오스 나노섬유란 원료인 목재 펄프에서 헤미셀룰로오스(hemicellulose)와 리그닌(lignin)을 제거한 후 전단력을 가하여 나노화된 것을 의미한다. 셀룰로오스 나노섬유는 높은 결정화도를 가지며 특히 열 안정성, 기계적 강도, 탄성계수가 높아 가교작용에 의한 미세균열의 제어에 우수한 효과를 발현한다. 상기 셀룰로오스 나노섬유는 물에 펄프를 분산시킨 후, 그라인더(grinder) 또는 고압 균질기인 호모게나이져(homogenizer)를 이용하여 기계적 처리를 하여 제조될 수 있다.

호모게나이져 등의 장비를 이용하는 경우 셀룰로오스 섬유에 전단력, 마찰력, 또는 충격력과 같은 물리적인 힘을 가하게 되어 펄프의 나노화가 이루어진다. 이를 통해, 셀룰로오스 나노섬유가 셀룰로오스 나노섬유를 포함하는 전체 수용액 100 중량 대비 1 내지 10중량부인 수용액이 제조된다. 펄프의 나노화는 해섬화를 의미할 수 있다.

셀룰로오스 나노섬유들에 포함되는 셀룰로오스 나노섬유의 직경은 10 내지 90nm일 수 있으며, 셀룰로오스 나노섬유의 길이는 100 nm 내지 10 ㎛일 수 있다.

이에 더하여 상기 셀룰로오스 나노섬유는 카복시메틸화 된 것을 적용하는 것이 타당하다.

카복시메틸화 란, 셀룰로오스를 구성하고 있는 글루코오스잔기의 C6에 치환된 히드록시기(celluose-OH)를 카복시메틸기(-CH2COOH)로 치환하는 것을 의미한다(celluose-O-CH2COOH).

셀룰로오스 나노섬유에 도입되는 카복시메틸기는 친수성이며 카복시메틸기 사이 또는 셀룰로오스 나노섬유에 포함된 히드록시기와의 수소 결합이 가능하므로 수분의 함유량을 더욱 높일 수 있게 되는데, 이렇게 셀룰로오스 나노섬유를 카복시메틸화 하여 개질함으로써 상기에서 언급한 가교작용에 의한 미세균열의 제어는 물론 경화과정에서 수분의 증발에 의한 건조수축을 제어할 수 있게 되는 것이다.

즉 카복시메틸화 된 셀룰로오스 나노섬유의 첨가에 의해 물리적 가교작용 및 보습작용으로 페이스트의 균열에 대한 저항성을 향상시켜 균열에 의한 방열효능의 저하를 방지토록 하는 것이다.

상기 페라이트 분말은 전자파를 흡수토록 하는 구성으로서, 특히 상기 엘이디(11) 소자에서 발생되는 저주파 대역의 전자파를 흡수할 수 있도록 하여 전자파에 의해 발생될 수 있는 기기고장 등의 문제가 제어되도록 하는 것이다.

한편 상기 페라이트는 표면이 불규칙하고 복잡한 다공성 구조로 되어 있는 친수성(hydrophilic) 물질로서 페라이트 분말은 겉보기 비중(Bulk density)이 가벼운 물질로서 입자간 흡착이 이루어지는 문제가 있을 수 있다.

특히 친수성으로 인해 수분이 흡착된 상태에서 입자간 흡착에 의해 결국 페이스트에서 응집에 의해 비균일한 물성 즉 전자파 흡수에 있어 비균일한 물성이 발현될 수 있는 문제가 있다.

이에 본 발명의 방열조성물은 이소스테아릭애씨드가 더 포함되는 예를 제시하고 있다. 상기 이소스테아릭애씨드가 첨가되도록 하여 페라이트 입자 간 흡착을 제어토록 하는 것이다. 상기 이소스테아릭애씨드는 페라이트 분말의 표면장력을 낮추어줌으로써 페라이트 입자의 응집을 제어하고 분산성을 향상시키는 역할을 하는 것이다.

이와 같은 이소스테아릭애씨드는 수지 바인더 100중량부에 대해 0.01 내지 0.1중량부를 배합하는 것이 타당하다.

한편 상기 방열층(400)은 상기 방열체(300)와의 접합면에서 공극이 발생되는 경우 들뜸현상에 의해 방열효율을 저하시킬 수 있다.

이러한 접합면에서 공극은 페이스트의 알카리 성분과 금속성분 등이 반응하여 수소가스를 발생시켜 수소고용 능력이 과포화 되면 경화과정 등에서 수소가 페이스트 조직 외부로 방출되면서 접합면에 공극이 형성됨에 기인한 것이다.

이에 본 발명의 방열조성물에서는 이트륨옥사이드가 더 첨가되도록 하는 바, 이러한 이트륨옥사이드는 반응과정에서 발생되는 수소를 고정시켜 상기에서 언급한 접합면에서 공극의 형성을 제어토록 하는 것이다.

상기 이트륨옥사이드는 수지 바인더 100중량부에 대해 0.01 내지 0.1중량부를 배합하는 것이 타당하다.

이하 본 발명의 실험예를 설명한다.

<비교예>

수지 바인더 100중량부에 대해 나노다이아몬드 분말 30중량부를 포함하도록 하여 시료를 제작하였다.

<실시예 1>

수지 바인더 100중량부에 대해 나노다이아몬드 분말 30중량부, 페라이트 분말 5중량부, 셀룰로오스 나노섬유 0.5중량부를 포함하도록 하여 시료를 제작하였다.

<실시예 2>

수지 바인더 100중량부에 대해 나노다이아몬드 분말 30중량부, 페라이트 분말 5중량부, 카복시메틸화 된 셀룰로오스 나노섬유 0.5중량부를 포함하도록 하여 시료를 제작하였다.

<실시예 3>

수지 바인더 100중량부에 대해 나노다이아몬드 분말 30중량부, 페라이트 분말 5중량부, 카복시메틸화 된 셀룰로오스 나노섬유 0.5중량부, 이소스테아릭애씨드 0.05중량부를 포함하도록 하여 시료를 제작하였다.

<실시예 4>

수지 바인더 100중량부에 대해 나노다이아몬드 분말 30중량부, 페라이트 분말 5중량부, 카복시메틸화 된 셀룰로오스 나노섬유 0.5중량부, 이소스테아릭애씨드 0.05중량부, 이트륨옥사이드 0.05중량부를 포함하도록 하여 시료를 제작하였다.

상기 각각의 시료에 대해 열전도도 실험을 하였는 바, 열전도도는 ASTM D 5470 방법에 따라 W/m·K 단위로 측정하였다.

	코팅층 두께(mm)	열전도도(W/m·k)
비교예	0.3	1.4
실시예1	0.3	2.9
실시예2	0.3	3.5
실시예3	0.3	3.4
실시예4	0.3	3.8

상기 [표 1]에서 나타난 바와 같이 비교예를 대비시 셀룰로오스 나노섬유가 더 첨가된 시료가 열전도도가 훨씬 유리한 것을 알 수 있다. 이는 상기에서 언급한 바와 같이 셀룰로오스 나노섬유가 가교작용에 의해 미세균열을 제어함에 기인한 것으로 판단된다.

또한 실시예 1보다 실시예 2 및 실시예 3이 더 열전도도가 높은 것은 카복시메틸화 된 셀룰로오스 나노섬유가 첨가됨에 의해 가교에 의한 미세균열의 제어에 더하여 수분증발을 제어함으로써 건조수축에 의한 미세균열도 제어함에 기인한 것으로 판단된다.

또한 실시예 4의 경우가 가장 열전도도가 높은 것으로 나타나는데, 이는 이트륨옥사이드가 첨가됨에 의해 상기에서 언급한 공극형성이 제어됨에 기인하는 것으로 판단된다.

한편 이하에서는 상기 시료들에 대해 전자파흡수율에 대한 실험을 진행하였다. 여기서 최소 투자율 실수(μr')값은 임피던스 분석기(Impedance Analyzer ; Agilent E4991A)와 투자율 측정치구(Agilent 16454A)를 이용하여 측정하였으며, 전자파 흡수 특성 평가는 벡터회로망 분석기(HP Network Analyzer 8753D)를 이용하여 KS C0305방법에 따라 50kHz 내지 6GHz의 주파수 대역에서 반사 손실(reflection loss)을 측정하여 평가 하였다.

	최소 투자율 실수(μr')	반사손실(dB)
비교예	063	-1.3
실시예1	125	-3.1
실시예2	124	-3.2
실시예3	147	-4.4
실시예4	146	-4.3

상기 [표 2]에서 알 수 있듯이, 비교예에 비해 실시예들이 우수한 최소 투자율 실수값 및 반사손실값을 나타내는 것을 알 수 있는데, 이는 페라이트 분말의 첨가에 기인한 것으로 판단되며, 특히 실시예 3의 경우가 실시예 1 및 2의 경우보다 우수한 최소 투자율 실수값 및 반사손실값을 나타내는 것을 알 수 있는데, 이는 실시예 3에서 이소스테아릭애씨드가 더 첨가되어 페라이트의 응집을 제어하여 균일한 분산이 유도됨에 기인한 것으로 판단된다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.

1 : 본 발명의 조명등 10 : 기판
11 : 엘이디 100 : 베이스
101 : 고정면 102 : 경사면
200 : 덮개 300 : 방열체
400 : 방열층

Claims (5)

1. 복수의 엘이디가 실장된 기판이 설치되는 베이스;
   상기 베이스를 덮는 투광성의 덮개;
   상기 베이스의 배면에 마련되는 방열체; 및
   상기 방열체에 부착 또는 도포되고, 나노다이아몬드 분말을 포함하는 방열조성물에 의해 형성되는 방열층;을 포함하고,
   상기 방열조성물은,
   수지 바인더 100중량부에 대해 나노다이아몬드 분말 5 내지 50중량부, 페라이트 분말 1 내지 10중량부, 셀룰로오스 나노섬유 0.01 내지 1중량부를 포함하되, 상기 셀룰로오스 나노섬유는 셀룰로오스를 구성하고 있는 글루코오스잔기의 C6에 치환된 히드록시기(celluose-OH)를 카복시메틸기(-CH2COOH)로 치환한 카복시메틸화로 개질되어 물리적 가교작용에 의한 미세균열을 제어하면서 경화과정에서 수분의 증발에 의한 건조수축을 제어하며,
   상기 수지 바인더 100중량부에 대해 이소스테아릭애씨드 0.01 내지 0.1중량부를 더 포함하고, 친수성을 가지는 페라이트 분말의 첨가에 따라 상기 페라이트 분말의 표면장력을 낮추어 페라이트 입자의 응집을 제어하면서 균일한 분산이 유도됨에 따라 최소 투자율 실수값 및 반사손실값이 향상되게 하는 것을 특징으로 하는 나노소재가 첨가된 특수방열기능과 전자파 흡수기능이 접목된 LED 조명등.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 방열조성물은,
   이트륨옥사이드가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 나노소재가 첨가된 특수방열기능과 전자파 흡수기능이 접목된 LED 조명등.

Images