KR20060081220A - 압전기 팬을 이용한 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전기 팬을 이용한 LED 냉각시스템에 관한 것으로 미소 면적에서 발열되는 LED의 효율적인 냉각을 통해서 LED 구동전류의 증가 및 LED 광원의 밝기를 향상시키며, LED 열 신뢰성을 확보하기 위한 것으로서, 발광과 함께 열을 발생시키는 광원과, 상기 광원에서 발생되는 열을 자연냉각 방식을 통해 방열하는 방열판과, 상기 방열판과 일정거리를 두고 위치하여 압전 현상을 이용한 움직임에 따라 발생된 유동을 통해 광원 혹은 방열판을 냉각시키는 압전기 팬을 포함하여 구성되는데 있다.

압전기 팬, 방열판, 냉각장치, LED

Description

압전기 팬을 이용한 냉각장치{apparatus for cooling using piezo-electric fan}

도 1 은 일반적인 방열판만 사용한 자연냉각 방식의 시스템 개략도

도 2 는 일반적인 팬과 방열판을 조합한 강제냉각 방식의 시스템의 개략도

도 3, 4 는 본 발명에 따른 압전기 팬을 이용한 냉각장치의 구성을 나타낸 도면

도 5 는 본 발명에 따른 냉각장치에서 압전기 팬의 구동원리를 나타낸 도면

도 6 은 본 발명에 따른 냉각장치에서 위상 각도에 따라 심의 시간에 따른 위치를 계산하여 나타낸 그래프

도 7 은 본 발명에 따른 냉각장치에서 심의 끝 표면의 경계층으로 인해 발생되는 속도 벡터의 형상을 나타낸 도면

도 8 은 본 발명에 따른 냉각장치에서 심 끝에서의 속도분포를 나타낸 도면

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 광원 20 : 방열판

30 : 냉각 팬 40 : 열 확산기

50 : 심 60 : 압전패치

70 : 클램프 80 : 증폭기

90 : 전원

본 발명은 냉각 장치에 관한 것으로, 특히 압전기 팬(piezo-electric fan)을 이용한 LED 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로 디스플레이 시스템에는 빛을 공급하는 광원으로 UHP(Ultra-High Pressure)램프를 사용하고 있다. 하지만, 이러한 UHP 램프는 색 구현의 한계성, 높은 단가, 낮은 광 효율성 등으로 인해 새로운 광원이 필요하게 되었다.

최근 LED(Light Emitting Diode)를 광원으로 이용하는 디스플레이 시스템이 개발되고 있다. 특히, LED의 접합(Junction) 온도는 LED의 발광재(luminous flux), 냉각기(Color), 입력 전압 등에 영향을 주게 된다.

따라서, LED 접합 온도를 조절하기 위해서 적절한 LED 냉각 시스템이 필요하게 되었다.

종래에는 이를 위해 방열판을 이용한 자연냉각방식이 사용되었다.

도 1 은 일반적인 방열판만 사용한 자연냉각 방식의 시스템 개략도이다.

도 1과 같이, 자연냉각 방식의 시스템은 LED(10)와 방열판(20)으로 구성되며, 상기 방열판(20)에 형성된 방열핀의 개수 및 형상, 면적에 따라 냉각성능이 좌우된다.

그러나 이와 같이 방열판(20)만을 이용한 자연냉각은 낮은 열 전달 효율로 인해 LED의 온도상승을 초래하게 되어 거의 사용되지 않는다.

이러한 문제를 해결하기 위해 방열판과 팬을 조합한 강제냉각 방식이 사용되었다.

도 2 는 일반적인 팬과 방열판을 조합한 강제냉각 방식의 시스템의 개략도이다.

도 2와 같이, 강제냉각 방식의 시스템은 LED(10)와 방열판(20) 그리고 냉각 팬(30)으로 구성되며, 상기 냉각 팬(30)은 방열판(20)과 수직하게 배치하며, 대부분 축류 팬을 사용하게 된다.

이러한 방식은 자연냉각대비 냉각효율은 향상되었지만, 냉각시스템 설치에 필요한 공간확보, 팬 소음, 낮은 냉각효율 등의 문제점이 있었다.

실제적으로 LED의 발열부의 면적은 매우 미소하여 유량과 압력특성이 높은 팬을 사용한다 하더라도 냉각에 기여하는 유량은 매우 작게 된다. 또한, 종래 팬은 회전에 의한 복잡한 유동특성으로 인해 미소면적의 냉각에는 취약한 특성을 가지고 있다. 덧붙여서 유량증가를 위해 팬 속도를 증가하면 소음이 증가하는 문제점도 발생한다.

이와 같이, 강제냉각 방식의 시스템은 축류 팬의 복잡한 유동과 방열판의 다양한 형상으로 인한 불균일한 냉각과 미소한 LED의 발열면적에 따른 열 저항발생으로 LED 발열부를 효과적으로 냉각하는데 문제점이 있다.

이외에도 열전소자(TEC)를 이용하는 냉각방식 있다. 이 열전소자를 이용하는 방식은 LED의 온도를 효과적으로 감소시킬 수 있는 장점이 있으나, 높은 비용, 낮 은 COP(성적계수), 응결문제 등으로 제품에 적용하기에 많은 어려움을 가지고 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 압전(Piezo) 현상을 이용하는 압전기 팬을 이용한 효과적인 냉각장치를 구성하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 압전기 팬을 이용하여 LED를 효과적으로 냉각하여 LED 구동전류 증가를 통하여 LED의 밝기를 향상시키고, LED의 열 신뢰성을 확보하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 미소 면적의 발열을 효과적으로 냉각할 수 있으며, 저소음 냉각을 구현할 수 있는 냉각장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압전기 팬을 이용한 냉각장치의 특징은 발광과 함께 열을 발생시키는 광원과, 상기 광원에서 발생되는 열을 자연냉각 방식을 통해 방열하는 방열판과, 상기 방열판과 일정거리를 두고 위치하여 압전 현상을 이용한 움직임에 따라 발생된 유동을 통해 광원 혹은 방열판을 냉각시키는 압전기 팬을 포함하여 구성되는데 있다.

바람직하게 상기 광원은 LED로 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 광원과 방열판 사이에 접촉되어 확산 열 저항을 줄이는 열 확산기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 압전기 팬은 유동을 통해 광원 혹은 방열판을 부딪히면서 냉각을 이루는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 압전기 팬은 압전 물질(PZT)로 구성된 압전패치와, 상기 압전패치의 압전 현상으로 상하로 변위를 가지는 심(shim)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 압전패치는 외부에서 인가되는 일정 주파수의 전압으로 전기적 에너지가 기계적 에너지로 변환되면서 수축과 팽창을 반복하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 일정 주파수은 인간의 가청주파수 대역을 벗어나는 저주파 대역 혹은 울트라 음속(ultra-sonic) 대역 중 어느 하나의 주파수인 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 심은 넓은 판 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 심은 적어도 1개 이상으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 심은 상기 광원의 위치와 인접되는 위치에 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 압전기 팬을 이용한 냉각장치의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3, 도 4 는 본 발명에 따른 압전기 팬을 이용한 냉각장치의 구성을 나타 낸 도면이다.

도 3, 4를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 냉각장치는 발광과 함께 열을 발생시키는 광원(10)과, 상기 광원(10)에서 발생되는 열을 자연냉각 방식을 통해 방열하는 방열판(20)과, 상기 광원(10)과 방열판(10) 사이에 접촉되어 확산 열 저항을 줄이기 위한 열 확산기(40)와, 상기 방열판(10)과 일정거리를 두고 위치하여 압전 현상을 이용한 움직임에 따라 발생된 유동을 통해 광원(10) 혹은 방열판(10)을 부딪히면서 냉각을 이루는 압전기 팬으로 구성된다.

이때, 상기 광원(10)은 LED로 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 압전기 팬은 압전 물질(PZT)로 구성된 압전패치(60)와, 상기 압전패치(60)의 압전 현상으로 상하로 변위를 가지는 심(shim)(50)으로 구성된다. 그리고 상기 심(50)은 넓은 판 형태로 구성되며, 적어도 1개 이상으로 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 심(50)은 상기 광원(10)의 위치와 인접되는 위치에 구성되는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 압전기 팬을 이용한 냉각장치의 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, LED(10) 바닥면과 방열판(20)사이에 열 확산기(heat spreader)(40)를 부착하여 접촉 및 확산 열 저항을 줄이게 된다. 그리고 압전기 팬(Piezo-Electric Fan)은 효과적인 냉각을 위해서 상기 방열판(20)으로부터 일정거리를 두고 위치한다.

이때, 상기 압전기 팬은 크게 압전 물질(PZT)로 구성된 압전패치(60)와 상하로 변위를 가지는 심(shim)(50)으로 구성되는데, 이와 같이 구성되는 압전기 팬의 구동원리를 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 5와 같이, 전원(90)을 통해 인가되는 일정 주파수의 전압이 증폭기(80)를 거쳐 압전패치(120)에 인가되면, 상기 압전패치(60)는 전기적 에너지가 기계적 에너지로 변환되면서 수축과 팽창을 반복하게 된다.

이와 같이 압전기 팬은 일정 주파수의 전압을 인가하여 구동하게 되는데, 이때 사용되는 주파수는 일반적으로 매우 낮은 저주파 대역 혹은 울트라-음속(ultra-sonic) 대역에서 구동하게 된다. 이는 인간의 가청주파수 대역을 벗어난 영역에서 구동함으로써 소음을 없애기 위함이다.

또한, 냉각 성능 향상 및 구동전압을 최소화하기 위해서 공진 주파수에서 팬을 구동하는 것이 바람직하다.

압전패치(120)가 이와 같은 특성을 보이며 상기 압전패치(120)와 클램프(70)에 부착된 심(shim)(50)이 상하의 변위를 가지면서 유동을 발생하게 되는데, 이론적으로 주어진 각속도와 시간에 따라 위상 각도(phase angle)를 정의할 수 있다.

도 6 은 본 발명에 따른 냉각 장치에서 위상 각도에 따라 심의 시간에 따른 위치를 계산하여 나타낸 그래프이다.

이와 같이 압전기 팬은 상하의 변위를 가지고 유동이 발생되어 광원(10) 혹은 방열판(10)을 냉각시킨다.

즉, 상기 압전기 팬의 심 끝(tip)과 압전기 팬 주변에서의 유동을 살펴보면, 심(50)의 움직임에 따라 발생된 유동이 광원(10) 혹은 방열판(10)에 부딪히면서 냉각이 이루어진다.

또한, 상기 심(50) 끝 표면의 쉬어 레이어(shear layer)에서 떨어져 나간 경계층으로 인해 도 7과 같이 소용돌이(vortex)가 상하로 크게 형성되어 진다.

이에 따른 상기 심 끝에서의 속도분포를 보면, 도 8과 같이 중앙부에서 가장 높은 속도를 보이고 있으며, 주변으로 갈수록 속도가 작아지게 된다. 이는 충동제트의 유동특성과 유사하다 볼 수 있다.

아울러, 광원(10)의 발열량이 높아서 1개의 심(50)으로 냉각이 힘들 경우에는 도 4와 같이 2개의 심(50)을 부착한 압전기 팬을 이용할 수도 있다.

도 4와 같이, 2개의 심(50)을 이용하면 유동속도 및 난류성분의 증가를 초래하여 냉각성능을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

실제적으로 압전기 팬은 매우 작은 크기의 발열부의 냉각에 매우 유용하며, 저소음을 구현할 수 있고, LED과 같이 패키징화 할 수 있는 장점을 가지고 있는 매우 좋은 냉각 시스템이라 볼 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 압전기 팬을 이용한 냉각장치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 최적의 LED 냉각을 구현하여 구동전류 및 밝기를 증가시킬 수 있게 된다.

둘째, 추가적으로 압전기 팬과 방열판을 조합하여 사용하여 냉각효율을 증대할 수 있다.

셋째, LED의 발열량에 따라 구동주파수 및 진폭을 조절하여 효율적인 LED 냉각을 할 수 있다.

넷째, 가청주파수 영역을 벗어나 구동주파수를 설정하면 저소음 냉각의 구현이 가능하며, 단순한 크기와 구조의 압전기 팬과 LED가 패키징이 가능한 구조로 제작이 가능하다.

Claims (11)

1. 발광과 함께 열을 발생시키는 광원과,

   상기 광원과 일정거리를 두고 위치하여 압전 현상을 이용한 움직임에 따라 발생된 유동을 통해 광원을 냉각시키는 압전기 팬을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 광원과 방열판 사이에 위치하여 광원에서 발생되는 열을 자연냉각 방식을 통해 방열하는 방열판을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 광원과 방열판 사이에 접촉되어 확산 열 저항을 줄이는 열 확산기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 광원은 LED로 구성되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
5. 제 1, 2 항 중 어느 하나에 있어서,

   상기 압전기 팬은 팬의 움직임에 따라 발생된 유동이 광원 혹은 방열판에 부 딪히면서 냉각을 이루는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 압전기 팬은

   압전 물질(PZT)로 구성된 압전패치와,

   상기 압전패치의 압전 현상으로 상하로 변위를 가지는 심(shim)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 압전패치는 외부에서 인가되는 일정 주파수의 전압으로 전기적 에너지가 기계적 에너지로 변환되면서 수축과 팽창을 반복하는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 일정 주파수은 인간의 가청주파수 대역을 벗어나는 저주파 대역 혹은 울트라 음속(ultra-sonic) 대역 중 어느 하나의 주파수인 것을 특징으로 하는 냉각장치.
9. 제 6 항에 있어서,

   상기 심은 넓은 판 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
10. 제 6 항에 있어서,

    상기 심은 적어도 1개 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
11. 제 6 항에 있어서,

    상기 심은 상기 광원의 위치와 인접되는 위치에 구성되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.

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