KR20070048635A - 싸이클링 ｌｅｄ 열 확산기 - Google Patents

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KR20070048635A
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데이비드 스말크 마틴
브리안 제이. 레이저
스테픈 코스트야크 게리
스칸다쿠마란 프래씨브
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Abstract

그라파이트 열 확산기는 휴대전화와 같은 휴대용 장치의 카메라용 플래쉬 LED 광원으로 사용하도록 제공된다. 실질적으로 증가된 전력 레벨에 크게 감소된 작동 온도가 제공되어 전자 부품의 개선된 조명 및 개선된 작동 수명을 모두 제공한다.
그래파이트, 열 확산기, 폴리이미드

Description

싸이클링 ＬＥＤ 열 확산기 {CYCLING LED HEAT SPREADER}
도 1은 종래 기술의 휴대용 셀 전화기(cell phone)의 정면도이고, 이의 뒷부분 상에 장착된 카메라를 도시하며, 유리 파이버 라미네이트 베이스(glass fiber laminate base) 상에 장착된 가요성 회로 상에 장착된 LED를 갖는 회로 어셈블리의 위치를 점선으로 도시한다.
도 2는 도 1의 종래 기술의 기구에서 이용되는 회로 어셈블리의 확대 정면도이다.
도 3은 도 2의 종래 기술의 회로 어셈블리의 선(3-3)을 따라 절단된 정면 단면도이다.
도 4는 본 발명의 회로 어셈블리의 정면도이고, 이 경우 LED는 흑연 방열판 상에 장착된 가요성 회로 상에 장착된다. 도 4의 실시예에서, 가요성 회로는 방열판의 거의 중심에 장착된다.
도 5는 방열판 상에서 중심에서 벗어나 장착된 가요성 회로를 도시한다.
도 6 내지 9는 도 4의 선(X-X)을 따라 절단된 정면 단면도이고, 본 발명의 회로 어셈블리의 다양한 대안적인 실시예를 도시한다.
도 6은 흑연 방열판 상에 장착된 가요성 회로 상에 장착된 LED를 도시한다.
도 7은 가요성 회로 및 흑연 방열판을 통한 연장을 통해 열의 추가가 없는, 도 6과 유사한 회로 어셈블리를 도시한다.
도 8은 흑연 방열판 상에 장착된 유리 파이버 라미네이트 베이스 상에 장착된 가요성 회로 상에 장착된 LED를 도시한다.
도 9는 흑연 방열판 상에 장착된 프린트된 회로 보드 상에 장착된 LED를 도시한다.
도 10은 본 발명의 휴대용 기구의 정면도이고, 휴대용 기구의 하우징 내에 본 발명의 흑연 방열판의 대략적인 위치를 점선으로 도시한다.
도 11은 플래쉬 모드에서 작동하는 도 1 내지 3과 같은 종래 기술의 LED에 대한 온도 대 시간이 그래프이다.
도 12는 플래쉬 모드에서 작동하는 본 발명의 광원에 대한 온도 대 시간의 그래프이고, 도 11의 종래 기술의 결과와 비교하여 상당히 낮은 작동 온도 및 훨씬 빠른 회복 시간을 도시한다.
도 13은 본 발명의 흑연 방열판의 다양한 가능한 치수 대 최대 온도의 막대 차트도이다.
도 14는 LED 및 그 밑의 기판 사이의 접합에서, LED 광원을 통해 위치한 최대 전력 및 상응하는 최대 온도의 차트도이다.
도 15는 도 14의 데이터의 막대 차트도이다.
도 16은 연속 또는 "토치(torch)" 모드에서 작동하는 도 1 내지 3이 종래 기술의 구조의 LED 광원에 대한 온도 대 시간의 그래프이다.
도 17은 본 발명의 회로 어셈블리에 대한 온도 대 시간의 그래프이고, 본 발 명에 따른 토치 모드에서 이루어진 상당히 낮은 작동 온도를 도시한다.
본 발명은, 라이드(Reid) 등에 의해 "바이어스를 구비한 열 확산기(Heat Spreader With Vias)"로 명명되고 2006년 1월 25일 출원된 미국 특허 출원 제 11/339,338호 및 라이스 등에 의해 "열 확산 회로 어셈블리(Heat Spreading Circuit Assembly)"로 명명되고 2006년 11월 4일 출원된 미국 특허 출원 제 11/267,933호의 연속 출원이며, 각각의 상세한 설명이 본원 발명에서 참조된다.
기술 분야
본 발명은, 예를 들어 카메라용 플래시에서와 같이 사용되는 LED를 포함하는 PDA(personal digital assistant) 또는 휴대폰에서와 같은 발광 소자(light emitting diode; LED) 광원을 포함하는 휴대용 장치에 관한 것이다. 따라서, LED 광원은 온 및 오프 사이클이 있어야 한다. 본 발명은, 광원의 온도 작동을 감소시키고, 보다 빠른 사이클링 시간을 가능하게 하며, 보다 긴 온(on) 시간을 가능하게 하고, 보다 밝게 하고 및/또는 그 수명 동안 LED 공급원의 신뢰성 및 밝기를 보다 높게 하는 광원의 사이클링을 위한 열 확산기를 제공한다.
배경 기술
휴대폰, PDA 등과 같은 휴대용 장치는, 일반적으로 카메라를 포함하며, 전형적으로 카메라용 플래시 역할을 하는 LED와 같은 사이클링 광원을 포함한다.
LED는 회로 어셈블리에 전기적으로 연결될 것이다. 회로 어셈블리는 본 기술 분야에서 일반적으로 "인쇄 회로 기판"으로 불리는 형식이거나 또는 "플랙스 회로(flex circuit)"으로 불리는 형식일 수 있다. 각각의 경우에서 전기 회로가 절연 물질의 기판 상에 제공된다.
플랙스 회로의 경우, 구리 회로와 같은 전기 회로가 절연 물질의 역할을 하는 폴리이미드 또는 폴리에스테르와 같은 폴리머 물질의 표면 상에 제공된다. 명칭에서 알 수 있듯, 이러한 기판 물질은 플랙서블하며 심지어 롤(roll) 물질로서 제공될 수 있다. 이러한 플랙스 회로는, 금속, 플라스틱, 또는 일반적으로 FR4 물질로 공지된 유리 섬유 라미네이트 물질 패드와 같은 다른 물질일 수 있는 스티프너(stiffener)에 의해 지지되며, 이는 어셈블리의 보다 높은 구조적 강성을 제공하여, 휴대용 장치 내에서 LED 광원의 정렬 및 지지 목표를 이루게 한다.
인쇄 회로의 경우, 전통적으로 이는 (가끔 FR4 보드로 공지된) 유리 섬유 라미네이트, 폴리테트라플로오르에틸렌(polytetrafluoroethylene) 등과 같은 절연 물질로 제조된다. 이러한 보드의 표면 중 하나 상에 또는 절연 물질들의 층 사이에 일반적으로 구리로 형성되는 회로가 존재한다. 회로들은 일반적으로 사진식각(photolithographic) 방법, 스퍼터링, 스크린 프린팅 등과 같은 방법으로 형성된다. (층 사이에 배치된 회로를 위해, 회로가 라미네이트 형성 전에 절연 물질에 적용된다.) 광원은 보드 표면 상에 배치되어 표면 상의 회로와 접촉할 수 있다. "플래시" 광원이 적용되면, 광원은 단시간 내에 소정의 열을 생성하며, 이는 장치에 방산되어 의도된 수행 레벨로 신뢰성있게 장치를 작동해야 한다. 사실, LED 광원 에서, LED의 접합 온도(junction temperature)를 냉각시킬수록 LED의 순간적인 밝기가 증가하고 출력 광도의 감쇠는 느려지는 것으로 공지되어 있다. (다른 말로, LED의 접합 온도가 상승할 때, LED는 보다 낮은 순간적인 밝기 및 증가된 시간 동안 광도의 감쇠가 빨라진다.)
핸드폰 및 다른 소형 휴대용 장치들의 카메라를 위한 광원의 사이클링은 비교적 단 시간(예를 들어, 약 1초 미만 또는 전형적으로 약 500millisecond(ms) 이하의 차수) 내에 열의 중요한 양을 생성하며, 이는 카메라 및 플래시 작동에 있어 제한적 요소를 제공한다. 플래시와 플래시 사이에서 과열 문제로 인해 중요한 지연(공급원을 위한 회복 시간(recovery time)으로서 연속적인 플래시 사이의 시간)이 일어날 수 있다. 사실, 5초보다 긴 회복 시간은 일반적이지 않으며, 본 산업 분야에서의 목적은 매우 짧은 시간을 가능하게 하는 것이다. 더욱이, 연속적인 발광에서, 또는 "횃불(torch)" 모드로 불리는 발광에서, 광도 수준은 과열 조건에 의해 다시 제한된다. 이러한 과열 문제를 위해 가능한 해결책이, 휴대용 장치 내에서 매우 제한된 가용 공간에 의해 이루어진다.
보다 큰 전기 장치의 넓은 범위에서, 다양한 열 교환기 기술이 개발되었다. 소위 "열적 보드(thermal boards)"가 개발되어, 구리, 알루미늄, 또는 그 합금과 같은 열 확산 물질의 층이 여기에서 절연 물질로 라미네이트되며, 그 반대쪽 표면에서 또는 회로와 열-생성 성분 반대쪽 층들 내에서 전기적 성분으로 생성된 열을 위한 열 확산기로서 작용한다. 열 교환기 물질이 전형적으로 전도성있어서 이들이 접촉한다면 회로 작동을 간섭하기 때문에, 열 교환기가 적어도 하나의 절연 물질 층이 회로(들)로부터 열 교환기로 분리되도록 위치하는 것이 중요하다.
The Bergquist Company 의 Insulated Metal SubstrateTMM 열적 보드, Theramgon 의 T-CladTM 열적 보드, Denka의 HITT Plate 보드, 및 TT Electronics 의 AnothermTM 보드 등과 같이, 때때로 금속 코어 인쇄회로기판(MCPCB)라고 불리는, 상업적으로 이용가능한 몇 가지의 "열적 보드"가 있다. 이러한 열적 보드는, 처음 세가지 예에서처럼 유전층을 열적 전도성의 입자로 채움으로써, 또는 Anotherm 방식에서와 같이 알루미늄 열 확산기층 상부의 얇은 양극산화 층(anodization layer)을 통하여 열적으로 전도성인 유전층(dielectric layers)을 활용한다. 그러나, 열적 전도성의 입자는 비쌀 수 있으며, 또한 후속되는 층은 구성에 열적 저항을 증가시키는 핀홀(pin-hole)이 없는 것을 보장하기에 충분하게 두꺼워야 한다. 이러한 접근 방식의 추가적인 문제점은 구부러지거나 평평하지 않은 회로 구조체를 제조하기 위한 유연성의 결여 및 유전 물질이 열 확산기 층의 전체 표면을 덮는다는 사실로부터 발생된다. 유전층으로서의 양극산화피막(anodization)의 활용은 이러한 이슈들 중 몇 가지를 극복하고자 하지만, 구리는 양극산화처리될 수 없으므로 그 열 확산기 층으로서 알루미늄을 사용해야만 한다. 알루미늄의 열 전도도는 구리의 열 전도도보다 상당히 낮으므로, 이러한 점은 열적인 핸디캡이 될 수 있다. 그러나, 전술한 접근방식 모두는 납땜에 있어 문제점을 갖는데, 이는 인쇄회로기판 및 구성부품의 작동 중에 유용한 동일한 열 확산 특성이 (예를 들어, 핫바(hot bar) 접합과 같이) 납땜을 위해 포인트 열원(point sources of heat)을 필요로 하는 조립 공 정을 방해하기 때문이다.
이러한 문제점을 전부는 아니더라도 어느 정도 극복하기 위하여, 종래의 인쇄회로기판이 별도의 공정에서 별도의 금속 열 확산기 층과 결합될 수 있다. 이러한 구성에서는, 인쇄회로기판의 충전되지 않은 유전층을 통해 보다 열을 전달하기 위하여 열적 바이스(통상적으로 구리로 도금된 드릴 구멍)를 구비하여 구성될 수 있으나, 이러한 구성은 구성부품 간의 전기적 절연이 요구되지 않는 장치에서만 사용될 수 있다.
더욱이, 구리나 알루미늄과 같은 종래의 열 확산 재료는 보드에 상당한 무게를 더하여 바람직하지 않으며, 또한 이러한 재료들의 열 팽창 계수(coefficient of thermal expansion; CTE)는 유리섬유 적층물의 열 팽창 계수와 밀접하게 맞지 않아서, 열 장치를 구비하는 인쇄회로기판 상에 물리적 응력을 초래하게 되며, 잠재적으로는, 얇은 조각으로 갈라지는 현상(delamination)이나 크랙킹(cracking)을 유발할 수 있다.
또한, 이러한 보드 상의 열 확산기는 등방성의 (그 길이나 폭에 비하여 상대적으로) 얇은 금속 재료로 이루어지므로, 열이 쉽게 열 확산기의 두께를 통해 유동하는 경향을 갖게 되고, 따라서 열원의 바로 반대편에 위치하는 지점에 열점(hot-spots)이 발생될 수 있다.
산업분야에서 "가요성 회로(flex circuit)" 라고 일컬어지는 또 다른 타입의 회로 조립체도 유사한 열 관리 문제를 제공한다. 가요성 회로는 폴리이미드(polyimide)나 폴리에스테르(polyester)와 같이 유전층으로서 기능하는 폴리머 재료의 표면상에, 앞서 기술한 구리 회로와 같은 회로를 제공함으로써 형성된다. 명칭에서 암시하듯이, 이러한 회로 재료는 가요성을 갖으며, 이후에 구리나 알루미늄과 같은 열 확산기 층과 결합될 수 있는 둘둘 말린 형태(roll)의 회로 재료로서 제공될 수도 있다. 매우 얇은 반면에, 가요성 회로 내의 유전층은 여전히 주어진 구성에 상당한 양의 열적 저항을 가하게 되며, 또한 인쇄회로기판에서 관찰되었던 동일한 몇 가지 문제점들을 갖게 된다. 열적 비아의 사용도 역시 전술한 바와 같이 전기적 절연 장치로 인해 제한된다. 명백히 알 수 있듯이, 구리나 알루미늄과 같은 강성 금속층을 사용하게 되면, 최종 용도 장치(end-use application)에 있어서 중요한 특성인 가요성 회로의 가요성에 대한 장점을 얻을 수 없게 된다.
(본 명세서에 참조되는 미국 특허 US 5,091,025호에 개시된 바와 같이) 박리된 그래파이트의 압축된 입자(compressed particles of exfoliated graphite)나 흑연화된 폴리머 필름으로 이루어진 시트(들)로 형성된 열 확산기를 사용하게 되면, 구리나 알루미늄을 사용함으로써 발생되었던 많은 단점들을 개선할 수 있는데, 이는 이와 같은 그래파이트 재료는 인쇄회로기판의 표면에 걸쳐 열을 확산시키기 위하여 필요한 수평 열 전도도에 있어 구리의 열 전도도에 비교할 정도이거나 또는 그 이상의 수평 열 전도도를 가지면서도, 중량을 구리에 비하여 80% 감소시킬 수 있는 장점을 제공하기 때문이다.
하나 이상의 층이 가요성 그래파이트 시트로 이루어진 적층물은 공지되어 있다. 이러한 구조체는, 예를 들어 가스킷 제조에 있어 유용하다. 이와 관련하여서는 Howard에게 허여된 미국 특허 US 4,961,991 호를 참조하기 바란다. Howard의 특허에서는 가요성 그래파이트 시트 사이에 접합된 금속 또는 플라스틱 시트를 포함하는 다양한 적층 구조체를 개시하고 있다. Howard의 특허에서는, 이러한 구조체가 금속 네트(metal net) 양 측면 상의 가요성 그래파이트 시트를 냉간가공하고 이후 그래파이트를 금속 네트에 압착접합(press-adhering) 함으로써 마련될 수 있다고 개시한다. 또한, Howard의 특허에서는 천(cloth)으로 코팅된 폴리머 수지를 두 개의 가요성 그래파이트 시트 사이에 위치시키면서 동시에 폴리머 수지를 부드럽게 하기에 충분하도록 온도를 가열하여, 가요성 그래파이트 적층물을 제조하도록 천으로 코팅된 폴리머 수지를 두 개의 가요성 그래파이트 시트 사이에 접합시키는 방식이 개시되어 있다. 유사하게, Hirschvogel 에게 허여된 미국 특허 US 5,509,993 호에서는, 제1 단계로서 접합될 표면들 중 하나에 표면 활성제(surface active agent)를 도포하는 공정에 의해 마련되는 가요성 그래파이트/금속 적층물을 개시하고 있다. 또한, Mercuri의 미국 특허 US 5,192,605 호에서도, 금속, 유리섬유 또는 탄소일 수 있는 코어 재료에 접합되는 가요성 그래파이트 시트로부터 적층물을 형성하는 것이 개시되어 있다. Mercuri의 특허에서는 적층물을 형성하기 위하여 압착롤러를 통해 코어 재료 및 가요성 그래파이트를 공급하기에 앞서, 코어 재료상에 열 가소성 제품의 입자 및 에폭시 수지의 코팅을 증착한 후 경화시킨다.
그래파이트 적층물은, 가스킷 재료로서 활용하는 것 이외에, 열 전달 또는 냉각 장치로서 사용될 수 있다. 열 운반체로서의 다양한 강성 구조체의 사용이 공지되어 있다. 예를 들어, Banks의 미국특허 US 5,316,080 및 US 5,224,030 호에는 다이아몬드 및 가스 유도된(gas-derived) 그래파이트 섬유를 적절한 접합제로 결합 하여 열 전달 장치로서 사용하는 것이 개시되어 있다. 이러한 장치들은 반도체와 같은 열원으로부터 히트 싱크(heat sink)로 열을 수동적으로 전도하는데 사용된다.
앞서 기술된 바와 같이, 본원발명의 열 확산기 재료로서 사용되기에 바람직한 그래파이트 재료는 박리된 그래파이트의 압축된 입자 또는 폴리머 재료의 흑연화에 의해 형성된 그래파이트 필름의 시트이다.
천연 그래파이트는, 미세한 크기로 볼 때, 탄소 원자의 망상 구조 또는 육방 배열의 층 평면들로 구성되어 있다. 육방으로 배열된 탄소 원자의 이들 층 평면들은 실질적으로 편평하고 서로 실질적으로 평행하고 동일 거리에 있도록 배향(orient) 또는 정렬(order)된다. 일반적으로 그래팬(graphene)층 또는 바탕면(basal planes)으로 지칭되는, 실질적으로 편평하고 평행한 동일 거리의 탄소 원자의 시트 또는 층은 서로 링크되거나 결합되며 이들 그룹은 결정 상태로 배열된다. 잘 정렬된 그래파이트는 상당한 크기의 결정으로 구성되며, 이러한 결정은 서로 잘 정렬되거나 배향되며 잘 정렬된 탄소층을 갖는다. 즉, 잘 정렬된 그래파이트는 매우 바람직한 결정 방향을 갖는다. 그래파이트가, 자명하게, 이방성(anisotropic) 구조를 가져 높은 방향성을 갖는 열전도도 및 전기 전도도 그리고 유체 확산(fluid diffusion)과 같은 많은 특성을 나타내거나 가짐을 주목해야 한다.
요컨대, 천연 그래파이트는 탄소의 라미네이트된 구조(laminated structure)를 특징으로 하며, 즉 상기 구조는 약한 반데르바알스 힘에 의해 서로 결합된 탄소 원자의 중첩된 층 또는 라미내(laminae)로 구성된다. 그래파이트 구조를 고려할 때, 두 개의 축 또는 방향, 즉 "c" 축 또는 방향과 "a" 축 또는 방향이 일반적으로 언급된다. 단순히, "c" 축 또는 방향은 탄소층에 수직한 방향으로 간주될 수도 있다. "a" 축 또는 방향은 탄소층에 평행한 방향 또는 "c" 방향에 수직한 방향으로 간주될 수도 있다. 가요성 그래파이트 시트를 제조하는데 적절한 그래파이트는 매우 높은 방향성(orientation)을 갖는다.
전술한 것처럼, 탄소 원자의 평행한 층을 서로 유지시키는 결합력은 단지 약한 반데르바알스 힘이다. 천연 그래파이트는 중첩된 탄소층 또는 라미내 사이의 공간이 다소 개방되어 층에 수직한 방향, 즉 "c" 방향으로 현저한 팽창을 제공하여, 탄소층의 층 특성이 실질적으로 유지되는 팽창된 또는 부푼 그래파이트 구조를 형성하도록 처리될 수 있다.
화학적 또는 열적으로 팽창된, 보다 구체적으로 초기 "c" 방향 치수보다 약 80배 이상 큰 "c" 방향 치수 또는 최종 두께를 갖도록 팽창된 천연 그래파이트 플레이크는 바인더의 사용 없이 예를 들어 웨브, 종이, 스트립, 테이프 등(일반적으로 "가요성 그래파이트"로 지칭됨)과 같은 팽창된 그래파이트의 접착성 시트 또는 일체식(integrated) 시트로 형성될 수 있다. 초기 "c" 방향 치수보다 약 80배 이상 큰 "c" 방향 치수 또는 최종 두께를 갖도록 팽창된 그래파이트 입자를, 소정의 바인딩 재료를 사용하지 않고, 압축에 의해 일체식 가요성 시트로 형성하는 것은 큰 부피로 팽창된 그래파이트 입자 사이에서 달성되는 기계적 인터로킹(interlocking), 또는 접착으로 인해 가능하다고 믿어진다.
가요성 외에, 시트 재료는, 상기한 바와 같이, 롤러 프레싱과 같은 매우 큰 압축으로 인해 시트의 대향면에 실질적으로 평행한 팽창된 그래파이트 입자의 방향성으로 인해서, 열 및 전기 전도도와 유체 확산에 있어 천연 그래파이트 기초 물질보다는 다소 적지만 비교할 수 있을 정도의 큰 이방성을 갖는다는 것이 알려져 있다. 이렇게 제조된 시트 재료는 우수한 가요성, 양호한 강도 및 매우 높은 방향성을 갖는다. 이러한 특성의 이점을 더욱 완전하게 취할 수 있는 공정이 필요하다.
요컨대, 예를 들어 웨브, 종이, 스트립, 테이프, 호일, 매트 등과 같은 가요성이 있고 바인더가 없는 이방성 그래파이트 시트 재료를 제조하는 방법은 실질적으로 편평하고, 가요성이 있는 일체식 그래파이트 시트를 형성하기 위해 소정의 하중 하에서 바인더 없이 초기 입자의 "c" 방향 치수보다 약 80배 이상 큰 "c" 방향 치수를 갖는 팽창된 그래파이트 입자를 압축하는 단계를 포함한다. 일반적으로 외형이 벌레 모양인 팽창된 그래파이트 입자는 일단 압축되면, 압축 상태와 시트의 대향 주요면과의 정렬 상태를 유지한다. 시트의 특성은 압축 단계 이전에, 코팅 및/또는 접합제의 첨가나 첨가제에 의하여 변경될 수 있다. 이와 관련하여서는 Shane 등에게 허여된 미국 특허 US 3,404,061 호를 참조하라, 시트 재료의 밀도와 두께는 압축 정도를 조절함으로써 변할 수 있다.
더 낮은 밀도는 엠보싱(embossing) 이나 몰딩(molding)을 필요로 하는 세부 표면에 유리하며, 또한 더 낮은 밀도는 세부(detail)를 양호하게 하는데 도움을 준다. 그러나, 보다 밀도가 높은 시트에는 대체로 더 높은 수평 강도 및 열 전도도가 유리하다. 통상적으로 시트 재료의 밀도는 약 0.04g/cm2 내지 약 1.4g/cm2 범위 내에 있을 수 있다.
상술한 바와 같이 제조되는 천연 그래파이트 시트 재료는, 통상적으로, 시트의 대향하고 평행한 주요면에 평행한 그래파이트 입자의 정렬로 인해 상당한 정도의 이방성을 나타내며, 이방성의 정도는 높은 밀도로 시트 재료를 롤러 프레싱할 때 증가한다. 롤러 프레스된 이방성 시트 재료에서, 두께, 즉 대향하고 평행한 시트 표면에 수직한 방향은 "c" 방향을 포함하고 길이 및 폭을 따른, 즉 대향된 주요면을 따른 또는 대향된 주요면에 평행한 방향은 "a" 방향을 포함하며 시트의 열적 특성은 "c" 및 "a" 방향에 대하여 통상적으로 그 크기가 매우 상이하게 된다.
흑연화된 폴리머 필름의 형성에 있어서, 높은 결정성을 갖는 그래파이트 필름은, 방향족 폴리이미드 필름 또는 폴리멜리티미드(polymellitimide) 필름과 같은 폴리머릭 필름의 고체 상태 탄화 이후에 형태의 변화가 없이(비록 상당한 수축은 일어나지만) 탄화된 필름을 생성하기 위하여 고열 열처리를 함으로써 형성될 수 있으며, 이는 탄소 필름이 불활성 분위기에서 후속적인 열 처리를 통해 흑연으로 전환될 수 있기 때문이다.
폴리이미드는 다양한 전기제품 분야에서 열 저항성 폴리머로서 사용하기 위해 개발되었다. 이와 같이, 필름 특성을 구체적인 장치에 보다 잘 맞추기 위하여 다른 분자 구조를 갖는 다양한 폴리이미드 필름이 제작되었다. 이러한 사실은 제조된 그래파이트 필름의 특성을 질적으로 다르게 하며, 흑연화 기술에 결합된 폴리이미드 필름의 구성은 결과적인 그래파이트 성질을 제어한다.
폴리이미드 필름과 같은 필름은 먼저 절단되어 탄화 단계동안 후속적인 수축 이 일어나도록 형성된다. 탄화 과정 동안에, 필름의 실질적 수축에 동반하여 필름으로부터 다량의 일산화탄소가 발생될 수 있다. 탄화는 두 단계로 일어나는데, 제 1 단계는 제 2 단계보다 실질적으로 높은 온도에서 일어난다. 폴리이미드 필름 탄화의 제1 단계동안, 대부분의 중량 손실은 폴리이미드 필름의 이미드 파트 내에 있는 카르보닐 그룹에서의 손상에 기인한다. 구체적으로, 제 1 단계의 말미에서 에테르 산소가 손실되는 것으로 보인다. 탄화의 제2 단계에서, 질소 가스가 필름의 이미드 그룹의 분해 과정동안 방출된다.
흑연화 과정은 탄소 원자의 다른 정렬에 따른 열 처리의 열로 고열 열처리하는 단계를 포함한다. 구체적으로, 선택된 필름에 따라, 일정한 온도에서의 흑연화 이후에 탄소층 더미 사이에 기공이 존재한다. 예를 들어, 2450℃ 에서, 폴리이미드 필름은 흑연화 과정 이후에 평평하게된 기공이 탄소층 사이에서 배향되므로 여전히 터보스트레틱(turbostratic) 하게 된다. 역으로, 2500℃ 에서는, 동일한 필름이 사실상 완전한 탄소 층을 갖는 그래파이트 필름을 초래하는 기공 붕괴를 갖는다.
본 발명의 일 태양에서, 휴대용 전자 기구는 회로 어셈블리를 갖는 LED 광원 및 하우징을 포함한다. 회로 어셈블리는 LED의 사이클링을 켜고 끄기 위한 구조를 가진 전기 회로를 포함하는 기판을 포함하는데, 일반적으로 LED는 약 1초 또는 미만, 더욱 자주 500ms 또는 미만, 그리고 가장 자주 250ms 또는 미만 동안 켜진다. LED는 기판의 제 1 주요면에 인접하여 위치하고 전기 회로에 연결된다. 흑연화 폴 리머 필름 또는 박리된 자연적 흑연의 압축된 입자의 시트로 이루어질 수 있는 방열판은 기판의 제 2 주요면과 열 전도 관련하여 위치하고, 이 경우 방열판은 기판과 접촉한 LED의 표면적보다 더 큰 표면적을 갖는다. 방열판은, 광원이 사이클로부터 사이클로 최고 온도에서 상당한 상승없이 적어도 두 사이클 동안 10초 안에 켜지고 꺼지는 사이클이 될 수 있도록 하는 기능을 한다.
본 발명의 목적은, 향상된 방열 능력을 갖는 회로 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 휴대용 기구에서 광원을 켜고 끄는 사이클링을 하는데 사용되는 방열판을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 가요성 재료로 만들어진 방열판을 제공하는 것인데, 이로 인해 휴대용 기구 내에 LED 및 부착된 기판 및 방열판의 쉬운 설치를 가능하게 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 휴대용 전자 기구에서 LED를 위한 회로 어셈블리를 제공하는 것인데, 이는 증가된 강도, 밝기, 광도 및/또는 휘도에서 광원의 조작을 가능하게 한다.
이러한 목적 및 다른 목적은 본 발명에 의해 수행되고, 이 경우 흑연 재료로 만들어진 방열판이 이용되며 광원은 휴대용 기구의 방열판에 부착된 기판 상에 장착된다.
본 발명의 다른 그리고 추가적인 목적, 특징, 및 장점은 첨부된 도면을 참고하여 이하의 명세서를 읽을 때, 당업자에게 쉽게 이해될 것이다.
본원발명은 그래파이트로 이루어진 열 확산기를 첨가함으로써 휴대용(handheld) 장치내의 싸이클링 광원의 열적 작용이 실질적으로 향상될 수 있다는 것을 발견한 것에 기초한다. 바람직하게는 LED 인 광원 실질적으로 향상된 전력 수준에서 작동할 수 있으며, 따라서, 상당히 감소된 작동 온도에서 작동하면서도 향상된 광을 제공할 수 있다. 그래파이트를 열 확산기로서 사용함으로써 휴대용 장치(handheld device) 내에서 조립체의 용이한 설치와 같은 기계적 인자에 도움이 된다.
용어 "회로 어셈블리"는 유전물질 상에 위치하는 하나 이상의 전자 회로를 포함하는 의미이며, 또한 하나 이상의 회로가 유전물질 층 사이에 샌드위치되는 적층물(laminate)을 포함하는 의미이다. 이러한 회로 어셈블리의 구체적인 예로는 본원발명이 속하는 기술분양의 당업자에게 널리 알려져 있는 인쇄회로기판 및 가요성 회로가 있다.
본원발명이 현재의 재료를 향상시키는 방식을 설명하기에 앞서, 본원발명의 제품을 형성하는 주요 열 확산기인, 그래파이트 및 가요성 시트로의 형성과정에 대한 간략한 설명을 먼저 한다.
그래파이트는 평면 사이에 약한 결합을 갖는 편평한 층 평면 내에 공유 결합된 원자를 포함하는 탄소의 결정 구조이다. 천연 그래파이트 플레이크(flake)와 같은 그래파이트 입자를, 예를 들어 황산과 질산의 용액의 인터카랜트(intercalant)로 처리함으로써, 그래파이트의 결정 구조가 그래파이트와 인터카 랜트의 화합물을 형성하도록 반응한다. 처리된 그래파이트의 입자는 그 후 "인터카레이트된 그래파이트 입자(particles of intercalated graphite)"로 지칭된다. 고온에 노출되면, 그래파이트 내의 인터카랜트는 분해되고 기화되어, 인터카레이트된 그래파이트 입자가 "c" 방향, 즉 그래파이트의 결정면에 수직한 방향으로 아코디언 형태로 초기 치수보다 약 80배 이상 큰 치수로 팽창한다. 팽창된 그래파이트 입자는 외형이 벌레 모양이어서, 통상 벌레(worms)로 지칭된다. 벌레는 가요성 시트 내에 함께 압축될 수도 있고, 초기의 그래파이트 플레이크와 달리 다양한 형태로 형성 및 절단될 수 있다.
본 발명에 사용되기에 적절한 그래파이트 출발 물질은 할로겐화물 뿐만 아니라 유기산 및 무기산을 인터카레이트시킬 수 있고 이후 열에 노출될 때 팽창할 수 있는 고도의 그래파이트 탄소질 재료(highly graphitic carbonaceous material)를 포함한다. 이들 고도의 그래파이트 탄소질 재료는 가장 바람직하게 약 1.0의 흑연화도(a degree of graphitization)를 갖는다. 본원에서 사용되는 것처럼, "흑연화도"란 용어는 g = [3.45-d(002)]/0.095에 따른 값 g를 지칭하며, 여기서 d(002)는 옹스트롱 단위로 측정된 결정 구조 내의 탄소의 그래파이트 층 사이의 거리이다. 그래파이트 층 사이의 거리는 표준 X-선 회절 기술에 의해 측정된다. (002), (004) 및 (006) 밀러 지수에 대응하는 회절 피크의 위치가 측정되고, 이들 모든 피크에 대한 전체 에러를 최소화시키는 거리를 유도하기 위해 표준 최소 자승법 기술이 이용된다. 고도의 그래파이트 탄소질 재료의 예로는 다양한 소스로부터의 천연 그래파이트를 포함한다.
본 발명에 사용되는 그래파이트 출발 물질은 출발 물질의 결정 구조가 요구된 흑연화도를 유지하고 출발 물질이 박리될 수 있는 한 비-그래파이트 성분을 함유할 수도 있다. 일반적으로, 결정 구조가 요구된 흑연화도를 소유하고 박리될 수 있는 탄소 함유 재료는 본 발명에 사용되기에 적절하다. 이러한 그래파이트는 바람직하게 80% 이상의 순도를 갖는다. 더욱 바람직하게, 본 발명에 사용된 그래파이트는 약 94% 이상의 순도를 가질 것이다. 가장 바람직한 실시예에서, 사용된 그래파이트는 약 98% 이상의 순도를 가질 것이다.
그래파이트 시트를 제조하는 통상적인 방법은 쉐인(Shane) 등에게 허여된 미국 특허 제 3,404, 061호에 개시되어 있고, 그 개시는 본원에 참고로 병합된다. 쉐인 등에게 허여된 특허의 방법의 실행에서, 천연 그래파이트 플레이크는 예를 들어 질산과 황산의 혼합물을 함유하는 용액 내에 유리하게 100 중량부의 그래파이트 플레이크(pph) 당 약 20 내지 약 300 중량부의 인터카랜트 용액 레벨로 플레이크를 분산킴으로써 인터카레이트된다. 인터카레이션 용액은 본 발명이 속하는 기술분야에서 공지된 산화제와 다른 인터카레이팅제를 함유한다. 그 예로는 예를 들어 농축된 질산 및 클로레이트, 크롬산 및 인산, 황산 및 질산과 같은 혼합물, 또는 강 유기산 예를 들어 트리플루오로아세트산의 혼합물 또는 질산, 칼륨 클로레이트, 크롬산, 과망간산 칼륨, 칼륨 크로메이트, 칼륨 디크로메이트, 과염소산 등을 함유하는 용액 및 유기산에 용해가능한 강 산화제와 같은 산화제 및 산화 혼합물을 함유하는 것을 포함한다. 대안적으로, 전기 포텐셜이 그래파이트의 산화를 발생시키기 위해 사용될 수 있다. 전해질 산화를 이용하여 그래파이트 결정에 유입될 수 있는 화학종은 황산 뿐만 아니라 다른 산을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 인터카레이팅제는 황산, 또는 황산과 인산, 및 산화제, 즉 질산, 과염소산, 크롬산, 과망간산 칼륨, 과산화수소, 요오드산 또는 과옥소산 등의 혼합 용액이다. 덜 바람직할 수도 있지만, 인터카레이션 용액은 염화제1철(ferric chloride), 및 황산과 혼합된 염화제1철과 같은 금속 할로겐화물, 또는 브롬 용액으로서의 브롬 및 유기 용매 내의 황산 또는 브롬과 같은 할라이드를 함유할 수도 있다.
인터카레이션 용액의 양은 약 20 내지 약 350pph 그리고 보다 일반적으로 약 40 내지 약 160pph 범위일 수도 있다. 플레이크가 인터카레이트된 후에, 임의의 과잉 용액은 플레이크로부터 유출되고 플레이크는 수세척된다. 대안적으로, 인터카레이션 용액의 양은 약 10 내지 약 40pph 범위로 제한될 수도 있는데, 이로 인해 참고로 본원에 병합된 미국 특허 제 4,895,713호에 개시되고 설명된 것처럼 세척 단계가 제거될 수 있다.
인터카레이션 용액으로 처리된 그래파이트 플레이크 입자는 예를 들어 25℃ 내지 125℃ 범위의 온도에서 산화 인터카레이팅 용액의 표면 필름과 반응하는 알코올, 설탕, 알데히드 및 에스테르로부터 선택되는 유기 환원제와 혼합됨으로써 선택적으로 접촉될 수 있다. 적절한 특정 유기제로는 헥사데카놀, 옥타데카놀, 1-옥탄올, 2-옥탄올, 데실알코올, 1,10 데칸디올, 데실알데히드, 1-프로판올, 1,3프로판디올, 에틸렌글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 덱스트로스, 프럭토스, 락토스, 수크로스, 포테이토 스타치, 에틸렌 글리콜 모노스테아레이트, 디에틸렌 글리콜 디벤조에 이트, 프로필렌 글리콜 모노스테아레이트, 글리세롤 모노스테아레이트, 디메틸 옥실레이트, 디에틸 옥실레이트, 메틸 포르메이트, 에틸 포르메이트, 아스코르빈산 및 소듐 리그노술페이트와 같은 리그린 유도 화합물을 포함한다. 유기 환원제의 양은 적절하게 그래파이트 플레이크 입자의 약 0.5 내지 4 중량%이다.
인터카레이션 전에, 중에 또는 직후에 적용된 팽창 보조제의 이용이 또한 개선점을 제공할 수 있다. 이들 개선점 중 박리 온도는 감소될 수 있고 팽창된 부피(또한 "벌레 부피"로 지칭됨)는 증가될 수 있다. 본원에서 팽창 보조제는 유리하게 팽창 개선을 달성하기 위해 인터카레이션 용액 내에 충분히 용해 가능한 유기 재료일 것이다. 더욱 좁게, 탄소, 수소 및 산소를 함유하는 이러한 형태의 유기 재료가, 바람직하게는 배타적으로, 이용될 수도 있다. 카르복실산이 특히 효과적이라고 알려져 있다. 팽창 보조제로서 유용한 카르복실산은 1 개 이상의 탄소 원자, 바람직하게 약 15 개 이하의 탄소 원자를 갖는 방향족, 지방족 또는 지환족, 직쇄 또는 분지쇄의, 포화 및 불포화 모노카르복실산, 디카르복실산 및 폴리카르복실산으로부터 선택될 수 있고, 박리의 하나 이상의 측면의 개선을 제공하기에 효과적인 양으로 인터카레이션 용액에 용해 가능하다. 적절한 유기 용매는 인터카레이션 내의 유기 팽창 보조제의 용해성을 개선시키기 위해 사용될 수 있다.
포화 지방족 카르복실산의 대표적인 예는 화학식 H(CH2)nCOOH와 같은 산이고, 포름산, 아세트산, 프로피온산, 낙산, 펜탄산, 헥산산 등을 포함하며, 여기서 n은 0에서 약 5까지의 수이다. 카르복실산을 대신하여, 무수물 또는 알킬 에스테 르와 같은 반응성 카르복실산이 또한 사용될 수 있다. 알킬 에스테르의 대표적인 예는 메틸 포르메이트 및 에틸 포르메이트이다. 황산, 질산 및 다른 공지된 수용성 인터카랜트는 포름산을 궁극적으로 물과 이산화탄소로 분해시킬 수 있다. 이 때문에, 포름산과 다른 민감한 팽창 보조제는 유리하게 수용성 인터카랜트 내에 플레이크를 주입시키기 전에 그래파이트 플레이크와 접촉된다. 대표적인 디카르복실산은 2-12 개의 탄소 원자를 갖는 지방족 디카르복실산, 특히 옥살산, 푸마르산, 말론산, 말레산, 숙신산, 글루타르산, 아디프산, 1,5-펜탄디카르복실산, 1,6-헥산디카르복실산, 1,10-데칸디카르복실산, 시클로헥산-1,4-디카르복실산 및 프탈산 또는 테레프탈산과 같은 방향족 디카르복실산이다. 대표적인 알킬 에스테르는 디메틸 옥실레이트 및 디에틸 옥실레이트이다. 대표적인 지환족 산은 시클로헥산 카르복실산이고 대표적인 방향족 카르복실산은 벤조산, 나프토산(naphthoic acid), 안트라닐산, p-아미노벤조산, 살리실산, o-, m-, 및 p-토릴산, 메톡시 및 오톡시 벤조산, 아세토아세트아미도벤조산 및, 아세트아미도벤조산, 페닐아세트산 및 나프토산이다. 대표적인 하이드록시 방향족 산은 하이드록시 벤조산, 3-하이드록시-1-나프토산, 3-하이드록시-2-나프토산, 4-하이드록시-2-나프토산, 5-하이드록시-1-나프토산, 5-하이드록시-2-나프토산, 6-하이드록시-2-나프토산 및 7-하이드록시-2-나프토산이다. 폴리카르복실산 중에는 구연산이 대표적이다.
인터카레이션 용액은 수용성일 것이고 바람직하게 약 1 내지 10%의 팽창 보조제를 함유하며, 이 양은 박리를 향상시키는데 효과적이다. 팽창 보조제가 수용성 인터카레이션 용액 내에 주입되기 전 또는 주입된 후에 그래파이트 플레이크와 접촉되는 실시예에서, 팽창 보조제는 그래파이트와 일반적으로 약 0.2중량% 내지 약 10중량% 범위의 양으로 V-블렌더와 같은 적절한 수단에 의해 혼합될 수 있다.
그래파이트 플레이크를 인터카레이트하고, 그 후 인터카레이트된 그래파이트 플레이크와 유기 환원제를 혼합한 후에, 상기 혼합물은 25℃ 내지 125℃ 범위의 온도에 노출되어 환원제와 인터카렌트 코팅의 반응을 촉진시킬 수 있다. 가열 기간은 약 20시간 이하이며, 전술한 범위보다 높은 온도에 대해서는 더욱 짧은 가열 기간, 예를 들어 적어도 약 10분이다. 30분 이하의 시간, 예를 들어 10 내지 25분 정도가 보다 높은 온도에서 사용될 수 있다.
이렇게 처리된 그래파이트 입자는 종종 "인터카레이트된 그래파이트"로 지칭된다. 고온, 예를 들어 약 160℃ 이상의 온도 및 특히 약 700℃ 내지 1000℃ 이상의 온도에 노출될 때, 인터카레이트된 그래파이트의 입자는 "c" 방향, 즉 구성성분인 그래파이트 입자의 결정면에 수직한 방향으로 아코디언 형태로 초기 부피보다 약 80배 내지 1000배 이상 팽창한다. 팽창된, 즉 박리된 그래파이트 입자는 외형이 벌레 모양이어서, 통상 벌레로 지칭된다. 벌레는 초기 그래파이트 플레이크와 달리 다양한 형태로 형성 및 절단될 수 있는 가요성 시트로 압축 성형될 수도 있다.
가요성 그래파이트 시트 및 호일은 양호한 처리 강도를 가지면서 응집성이 있으며, 예를 들어 롤러 압착에 의해 약 0.075mm 내지 3.75mm의 두께 및 약 0.1 내지 1.5g/cm3의 전형적인 밀도로 적절히 압축된다. 약 1.5 내지 30 중량%의 세라믹 첨가제가 최종 가요성 그래파이트 생성물에 향상된 수지 주입을 제공하기 위해 미국 특허 제 5,902,762호(본원에 병합됨)에 개시된 것처럼 인터카레이트된 입자 플레이크와 혼합될 수 있다. 첨가제는 약 0.15 내지 1.5mm의 길이를 갖는 세라믹 섬유 입자를 포함한다. 입자의 폭은 적절하게 약 0.04 내지 0.004mm 범위이다. 세라믹 섬유 입자는 그래파이트에 비반응성 및 비접착성이며 약 1100℃, 바람직하게 약 1400℃ 이상까지의 온도에서 안정하다. 적절한 세라믹 섬유 입자는 매서레이티드(macerated) 석영 유리 섬유, 탄소 및 그래파이트 섬유, 지르코니아, 보론 나이트라이드, 실리콘 카바이드 및 마그네시아 섬유, 칼슘 메타실리케이트 섬유, 칼슘 알루미늄 실리케이트 섬유, 알루미늄 옥사이드 섬유 등과 같은 자연 발생 광 섬유로부터 형성된다.
그래파이트 플레이크를 인터카레이트시키고 박리시키는 전술한 방법은, 그 내용이 본원발명에 참조되는 국제 특허 출원 제 PCT/US02/39749호에 개시된 바와 같이, 흑연화 온도, 즉 약 3000℃ 범위의 온도에서 그래파이트 플레이크의 예비 처리 및 인터카랜트에 유연성 첨가제의 함유에 의해 유리하게 향상될 수도 있다.
그래파이트 플레이크의 예비처리, 또는 어닐링은 플레이크가 후속적으로 인터카레이션 및 박리될 때 상당히 증가된 팽창(즉, 300% 이상의 팽창 부피 증가)을 야기한다. 사실, 바람직하게, 팽창의 증가는 어닐링 단계 없는 유사한 프로세싱과 비교할 때 적어도 약 50%이다. 어닐링 단계에 사용되는 온도는 3000℃보다 상당히 낮아서는 안 되며, 이는 100℃보다 낮은 온도가 실질적으로 감소된 팽창을 야기하기 때문이다.
본 발명의 어닐링은 인터카레이션 및 후속적인 박리 시에 향상된 정도의 팽창을 갖는 플레이크를 야기하기에 충분한 시간 동안 수행된다. 일반적으로 요구된 시간은 1 시간 이상, 바람직하게 1 내지 3시간이고 가장 유리하게 불활성 분위기에서 진행한다. 최대의 유익한 결과를 위해, 어닐링된 그래파이트 플레이크는 팽창 정도를 향상시키기 위해 본 발명이 속하는 기술분야에서 공지된 다른 프로세스, 즉 유기 환원제, 유기 산과 같은 인터카레이션 보조제, 및 인터카레이션 후 계면활성제 세척제의 존재 하에서의 인터카레이션을 거칠 것이다. 더욱이, 최대의 유익한 결과를 위해, 인터카레이션 단계는 반복될 수도 있다.
본 발명의 어닐링 단계는 흑연화 분야에서 공지되고 인식된 유도로 또는 다른 유사한 장치에서 수행되고, 여기서 사용되는 온도는 3000℃ 범위이고, 흑연화 프로세스에서 일어날 수 있는 높은 범위의 온도이다.
예비 인터카레이션 어닐링을 거친 그래파이트를 이용하여 생성된 벌레는 종종 "응집(clump)"되어, 충격 면적 중량 균일성에 악영향을 줄 수 있다고 관찰되었기 때문에, "자유 유동" 벌레의 형성을 보조하는 첨가제가 매우 바람직하다. 인터카레이션 용액에 유연성 첨가제를 첨가하면 압축 장치(그래파이트 벌레를 가요성 그래파이트 시트로 압축(또는 "칼랜더링")하는데 통상적으로 사용되는 칼랜더 스테이션의 베드와 같은)의 베드를 가로질러 벌레의 보다 균일한 분포가 용이하게 된다. 그러므로 결과적인 시트는 보다 큰 면적 중량 균일성과 인장 강도를 갖는다. 유연성 첨가제는 장쇄(long chain) 탄화수소인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 약 10개 이상의 탄소를 갖는 탄화수소인 것이 좋다. 다른 작용기가 존재하지 만, 장쇄 탄화수소기를 갖는 다른 유기 화합물이 또한 사용될 수 있다.
더욱 바람직하게, 유연성 첨가제는 오일이며, 광유가 특히 장기간 저장에 있어 중요한 고려사항인 악취 및 냄새가 덜 하다는 사실을 고려할 때 가장 바람직하다. 전술한 소정의 팽창 보조제가 유연성 첨가제의 정의를 충족시킴을 주목한다. 이들 재료가 팽창 보조제로 사용될 때, 인터카랜트 내에 별도의 유연성 첨가제를 포함할 필요가 없다.
유연성 첨가제는 약 1.4pph 이상, 더욱 바람직하게 약 1.8pph 이상의 양으로 인터카랜트 내에 존재한다. 유연성 첨가제 함유의 상한이 하한보다 중요하진 않지만, 약 4pph 정도 이상 유연성 첨가제를 함유한다고 하여 상당한 추가적인 장점이 있는 것은 아니다.
본원발명의 가요성 그래파이트 시트는, 필요하다면, 그 개시 내용이 본 명세서에 참조되는 레이놀드(Reynolds), 놀리(Norley), 그레인크(Greinke) 에게 허여된 미국 특허 제 6,673,289호에 개시된 바와 같이, 새로이 팽창된 벌레보다는 재가공된(reground) 가요성 그래파이트 입자를 사용할 수 있다. 이러한 시트는 새롭게 형성된 시트 재료, 재생된 시트 재료, 작은 조각(scrap)의 시트 재료, 또는 기타 적절한 소스(source)가 될 수 있다.
또한 본원발명의 처리 과정은 순수 재료(virgin material)와 재생된 재료의 혼합물을 사용할 수도 있다.
재생된 재료의 소오스 재료는 전술한 것처럼 압축 성형된 시트 또는 시트의 마무리부분, 또는 예를 들어 예비 칼랜더링 롤로 압축되지만 수지로 주입되지 않은 시트일 수도 있다. 더욱이, 소오스 재료는 수지로 주입되었지만 아직 경화되지 않은 시트 또는 시트의 마무리부분, 또는 수지로 주입되고 경화된 시트 또는 시트의 마무리부분일 수도 있다. 소오스 재료는 플로우 필드 플레이트 또는 전극과 같은 재생된 가요성 그래파이트 양성자 교환 막(proton exchange membrane; PEM) 연료 전지 성분일 수도 있다. 다양한 그래파이트 소오스 각각은 그대로 또는 천연 그래파이트 플레이크와 혼합된 채로 사용될 수도 있다.
가요성 그래파이트 시트의 소오스 재료가 이용가능하면, 입자를 생성하기 위해 제트 밀, 에어 밀, 블렌더 등과 같은 공지된 프로세스 또는 장치와 연결될 수 있다. 바람직하게, 대부분의 입자는 20 U.S. 메쉬를 통과하고 보다 바람직하게 대부분(약 20% 초과, 더욱 바람직하게 약 50% 초과)이 80 U.S. 메쉬를 통과하지 않는 지름을 갖는다. 가장 바람직하게 입자는 약 20 U.S. 메쉬 이하의 입자 크기를 갖는다. 가요성 그래파이트 시트는 분쇄 프로세스 중에 수지 시스템에 열 손상을 방지하기 위해 분쇄되기 때문에 수지 주입될 때 가요성 그래파이트 시트를 냉각시키는 것이 바람직할 수도 있다.
분쇄된 입자의 크기는 요구된 열적 특성과 그래파이트 입자의 기계가공성 및 성형성을 균형맞추도록 선택될 수도 있다. 그러므로, 더욱 작은 입자는 기계가공 및/또는 성형을 용이하게 하는 그래파이트 입자를 야기하는 반면, 보다 큰 입자는 보다 큰 이방성, 및 보다 큰 인-플레인(in-plane) 전기전도도 및 열전도도를 야기할 것이다.
소오스 재료가 분쇄되면, 이는 재팽창된다. 재팽창은 인터카레이션과 박리 프로세스 및 그레인크(Greinke) 등에게 허여된 미국 특허 제 4,895,713호 및 쉐인(Shane)에게 허여된 미국 특허 제 3,404,061호에 개시된 내용을 이용함으로써 발생할 수도 있다.
일반적으로, 인터카레이션 후에 입자는 노 내에서 인터카레이트된 입자를 가열함으로써 박리된다. 이러한 박리 단계 중에, 인터카레이트된 천연 그래파이트 플레이크는 재생되고 인터카레이트된 입자에 추가될 수도 있다. 바람직하게, 재팽창 단계 중에 입자는 약 100cc/g 이상 그리고 약 350cc/g 또는 그 이상까지의 범위의 비부피를 갖도록 팽창된다. 마지막으로, 재팽창 단계 후에, 재팽창된 입자는 전술한 것처럼 가요성 시트로 압축될 수도 있다.
본원발명에 따르면, 상술한 바와 같이 준비된 그래파이트 시트(통상적으로 약 0.075mm 에서 약 10mm 의 두께를 가지나, 예를 들어 사용된 압축 정도에 따라서 달라질 수 있다)는 수지로 유리하게 처리될 수 있고 흡수된 수지는 경화 후에 내습성 및 처리 강도, 즉 가요성 그래파이트 시트의 강성도를 향상시킬 뿐만 아니라 시트의 형상을 고정시킨다. 에폭시가 함유된 그래파이트 시트 내의 수지의 양은 압축된 그래파이트 구조체와 관련된 이방성 열 전도도에 불리한 영향을 끼치지 않으면서 최종적으로 조립되고 경화된 층 구조체가 고밀도의 접착성을 갖는 것을 보장하기에 충분한 양이어야 한다. 적절한 수지 함량은 바람직하게 약 5 중량% 이상, 더욱 바람직하게 약 10 내지 35 중량%, 그리고 적절하게 약 60 중량% 이하이다.
본 발명의 실시에서 특히 유용하다고 알려진 수지는 아크릴-, 에폭시- 및 페놀-계 수지 시스템, 플루오르-계 폴리머 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 적절한 에폭시 수지 시스템은 디글리시딜 에테르 또는 비스페놀 A(DGEBA) 및 다른 다기능성 수지 시스템에 기초한 것을 포함하며; 사용될 수 있는 페놀 수지는 레졸(resole) 및 노볼락(novolak) 페놀을 포함한다. 선택적으로, 가요성 그래파이트에는 수지에 추가하여 또는 수지를 대신하여 섬유 및/또는 염이 주입될 수 있다. 추가적으로, (접착성, 물질 유동(material flow), 친수성 등과 같은) 특성을 변경시키기 위하여 반응성 또는 비반응성 첨가제가 수지 시스템에 사용될 수 있다.
수지가 함유되고 압축된 가요성 그래파이트 재료를 연속적으로 형성하는 장치 중 하나가 머큐리(Mercuri), 카프(Capp), 와드립(Warddrip), 웨버(Weber)에게 허여된 미국 특허 제 6,706,400호에 개시되어 있으며, 상기 특허의 내용은 본 명세서에 참조된다.
바람직하게는, (캘린더링과 같은) 압축 단계 이후에 박리된 그래파이트의 압축된 입자로 이루어진 시트에 수지가 침투되면, 침투된 물질은 적당한 크기의 조각으로 잘려져서 프레스에 놓이며, 여기서 수지는 높은 온도에서 경화된다. 또한, 가요성 그래파이트 시트는 적층물의 형태로 사용될 수도 있는데, 이러한 적층물은 프레스에 있는 각각의 그래파이트 시트를 서로 적층시킴으로써 마련될 수 있다.
프레스에서 사용되는 온도는 구조체의 열적 특성에 불리한 영향을 끼치지 않으면서도, 경화 압력에서 그래파이트 구조체가 고밀도화되기에 충분한 온도이어야 한다. 대체로, 이를 위해서는 적어도 약 90℃ 이상, 그리고 일반적으로는 약 200℃ 까지의 온도가 요구된다. 가장 바람직하게는, 약 150℃ 내지 200℃ 사이의 온도에서 경화가 이루어지는 것이 좋다. 경화에 사용되는 압력은 어느 정도는 사용 된 온도의 함수가 될 것이나, 구조체의 열적 특성에 불리한 영향을 미치지 않으면서 그래파이트 구조체가 고밀도화되는 것을 보장하기에 충분해야 할 것이다. 일반적으로, 제조의 편리를 위해, 요구되는 정도까지 구조체를 고밀도화시키기 위해 필요한 최소 압력이 사용될 것이다. 이러한 압력은 약 7 Mpa (1Mpa는 약 1000 psi 에 해당한다) 이상 약 35Mpa (5000 psi 에 해당한다) 이하가 일반적이며, 더욱 널리 사용되는 값은 약 7 내지 21Mpa (1000 내지 3000psi) 이다. 경화 시간은 사용된 압력, 온도 및 수지 시스템에 따라 다르게 되나, 대체로 약 0.5 내지 2 시간 사이이다. 경화가 완료된 이후에, 상기 재료는 약 1.8g/cm3 이상, 일반적으로는 약 1.8 내지 2.0g/cm3 의 밀도를 갖는다.
바람직하게는, 가요성 그래파이트 시트 자체가 적층물로서 제공될 때, 침투된 시트 내에 존재하는 수지는 상기 적층물을 위한 접착제로서 작용할 수 있다. 그러나 본원발명의 다른 실시예에 따르면, 캘린더링되고 침투된 가요성 그래파이트 시트는 가요성 시트가 적층되어 경화되기 전에 접착제로 코팅된다. 적절한 접착제로는 에폭시-, 아크릴-(acrlylic-), 및 페놀- 계 수지가 있다. 본원발명에 실시에 있어 특히 유용한 페놀 수지는 레졸(resole) 및 노볼락(nobolak) 페놀을 포함하는 페놀-계 수지 시스템을 포함한다.
비록 캘린더링이나 몰딩을 통한 시트의 형성이 본원발명의 실시에 유용한 그래파이트 재료의 형성방법으로서 가장 일반적이기는 하나, 다른 형성방법이 사용될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 사용되는 그래파이트는 흑연화된(graphitized) 폴리머 필름일 수도 있다.
본원발명에 따라 열 확산기로서 사용하는데 있어서, 그래파이트 시트는 구리 중량의 일부를 갖고도, 구리의 수평 열 전도도와 동일하거나 이보다 큰 수평 열전도도를 갖는다. 보다 구체적으로 복합체는, 적어도 약 220W/m°K 이상, 보다 바람직하게는 약 300W/m°K 이상의 수평 열 전도도와 약 15W/m°K 이하, 보다 바람직하게는 약 10W/m°K 이하의 수직 열 전도도를 갖는다.
도 1 내지 도 3의 종래 기술 구성
도 1 내지 도 3을 참조하면, 이러한 휴대용 장치 셀 폰 내의 플래쉬 LED를 위한 통상의 종래 기술 구성이 도시되어 있다.
도 1에는 셀 폰(10)의 배면도가 도시되어 있다. 이 셀 폰(10)은 카메라(12)와 근접해서 광원(14)을 갖는 후면 배향 카메라(12)를 포함한다.
참조 부호 16으로 표시된 점선에는 도 2 및 도 3에서 확대도로 도시된 회로 조립체(18)의 셀 폰(10)의 하우징 내부에서의 개략적이며 전체적인 위치가 도시되어 있다.
이 회로 조립체(18)는 스티프너 패드(24)에 의해 지지되는 플렉스 회로(22) 상에 위치한 플래쉬 LED(20)를 포함한다.
예컨대, 노키아 모델 6280과 같은 전형적인 종래 기술의 카메라에서, 플래쉬 LED(20)는 Lumileds LUXEON 플래쉬 모델 LXCL-PWF1일 수 있으며, 이 모델은 대략 2.0mm의 길이(26), 1.6mm의 폭(28), 및 0.7mm의 두께(30)를 갖는다. 플렉스 회 로(22)는 폴리아미드 베이스 상에 형성되며 5mm의 길이(32), 5mm의 폭(34) 및 도 3에 도시된 바와 같은 0.0254mm의 두께를 갖는다. 폴리아미드 기반 플렉스 회로(22)는 0.37 W/mK의 열 전도도를 갖는다. 폴리아미드 물질은 보다 일반적으로 유전층이라고 할 수 있으며, 예컨대 알루미나와 같이, 폴리머 물질 또는 심지어 세라믹 층으로 종종 형성된다.
스티프너 패드(24)는 플렉스 셸(24)과 동일한 길이 치수(32) 및 폭 치수(34) 즉, 5 mm ×5 mm를 가지며, 도 3에 도시된 바와 같이 0.381 mm의 두께를 갖는다. 이 스티프너 패드(24)는 종종 FR4와 같은 물질인데, 이 물질은 약 0.4 W/mK의 열 전도도를 갖는다.
셀 폰(10)은 3.0인치(inch)의 길이(11), 1.5인치의 폭(13), 및 도 1의 평면과 수직인 대략 0.25인치의 두께를 갖는다.
도 1 내지 도 3의 종래 기술의 구성은 전형적으로 플래쉬 모드에 대해서 500 mA 전력, 토치 모드에 대해서는 단지 100 mA에서 작동된다. 토치 모드는 비디오를 슈팅하기 위해 사용될 수 있지만 현재 주요 용도는 주변 빛이 충분하지 않을 때 항시 카메라 자동 초점 기능을 위해 사용된다. 이것은 사진 품질에 직접적인 영향을 준다.
도 4 내지 도 10의 본 발명
도 10을 참조하면, 본 발명의 셀 폰 또는 다른 휴대용 전자 장치(100)를 도시하고 있다. 이 장치(100)는 내부에 위치한 카메라(102)를 구비하며 이 카메라(102)와 근접한 LED 광원(104)을 구비한다. LED 광원(104)의 외부 프로파일의 외형과 연관된 회로 조립체(110)가 참조 부호 106의 점선으로 도시된다.
도 4는 장치(100)의 LED 광원(104)의 회로 조립체(110)의 정면도를 도시한다.
도 6, 도 7, 도 8 및 도 9는 모두 도 4의 X-X선을 따라 절취한 회로 조립체(110)이 횡단면도이며, 이러한 도 6, 도 7, 도 8 및 도 9는 회로 조립체(110)의 대안의 구성을 나타낸다. 도 6, 도 7, 도 8 및 도 9의 실시예들은 110A, 110B, 110C 및 110D로 각각 식별된다.
각각의 경우에, 회로 조립체(110)는 기판(112)을 포함하며, 이 기판(112)은 전기 회로(113)를 포함한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 기판(112)은 대체로 평면인 제 1 및 제 2 주요 표면(major surface)을 구비한다. 도 6에 도시된 실시예에서, 기판(112A)은 플렉스 회로이다. 이 기판(112A)은 폴리아미드와 같은 폴리머 물질로 형성된 것과 같이, 형성된 유전층을 포함한다.
도 4의 정면도에서, 기판(12)은 사각형 형상을 가지며, 물론, 기판(112)은 사각형, 원형 또는 불규칙 형상과 같이 임의의 원하는 형상을 가질 수 있다.
회로 조립체(10)는 기판(112)의 제 1 주요 평면(114)에 근접해서 위치하며 전기 회로(113)에 연결되는 발광 다이오드(LED)(122)를 포함한다. 복수의 LED 소스가 사용될 수 있다. LED(122)는 LED(122)의 특정 표면을 가로질러 기판(112)의 표면(114)과 접촉하며, 특정 영역 즉, 표시된 프로파일(122a) 위로 기판(112)의 표면(114)과 열 접촉 상태에 있다(이 열 접촉 상태는 LED(122)에 의해 발생되는 열이 프로파일(122a)을 가로질러 기판(112)으로 전달될 정도로 충분히 밀접하는 공간적 관계를 의미한다).
회로 조립체(110)는 그라파이트로 구성된 열 확산기(124)를 더 포함하며, 상기 열 확산기는 그라파이트화된 폴리머 필름 또는 박리된 그라파이트의 압축된 입자 시트를 포함하는 것을 일반적으로 설명될 수 있을 것이다. 열 확산기(124)는 원하는 임의 두께를 가질 수 있고 또 전술한 바와 같이 다수의 그라파이트 시트의 라미네이션일 수도 있다. 열 확산기(124)는 기판(112)의 제 2 주요 표면(116)과 관련한 열 전도 상태로 위치된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 열 확산기(124) 자체는 LED(122)의 프로파일(122a) 보다 큰 표면적을 가진다. 도 4에 분명히 도시된 바와 같이, 최대 열 확산기 치수(126)는 LED(122)의 프로파일(122a) 보다 크며, 이는 LED(122)의 최대 온도 감소 및 열 에너지의 개선된 확산을 제공한다.
도 4의 기판 또는 플렉스 회로(112) 및 LED(122)의 치수는 예를 들어 도 2 및 도 3과 관련하여 전술한 종래의 LED(20) 및 플렉스 회로(22)와 동일할 것이다. 따라서, LED(122)가 최대 LED 치수를 가진다는 것이 명확할 것이고, 상기 최대 치수는 도 4에 도시된 바와 같은 사각형 LED(122)의 대각선이 될 것이며, 이는 최대 열 확산 치수(126) 보다 작다.
LED(122) 및 열 확산기(124)가 기판(112)의 제 1 및 제 2 주요 표면(114 및 116)에 직접 부착되거나 또는 여러 열적 계면에 의해 부착될 것이며, 이러한 열적 계면은 열 그리스, 가요성 그라파이트의 박막 시트, 또는 부품들간에 열 전도도를 제공하는 기타 임의 계면을 포함할 것이다. 그 대신에, 땜납을 포함하는 또는 어떠한 부착 수단도 없는 접착제 LED(122)를 이용하여, 열 스프레더(124)가 기 판(112)의 제 1 및 제 2 주요 표면(114 및 116)에 부착될 수 있다.
도 6의 가요성 회로상의 회로(113)는 포토리소그래픽 방법, 스퍼터링, 스크린 인쇄 등에 의해 유전체 층에 도포된 구리로 통상적으로 형성된다. 이러한 회로는 예를 들어 프린팅 또는 실크 스크리닝 프로세스에 의해 유전체에 도포된 전도성 잉크로 형성될 수도 있다.
도 7은, LED(122)가 형성된 열적 비아(128)의 부가를 제외하고, 도 6의 실시예와 유사한 다른 실시예를 도시한다. 열적 비아는 도 7에 도시된 바와 같이 구리일 수 있는 높은 열전도성 물질의 원통형 슬러그일 수 있다. 비아(128)는 기판 또는 가요성 회로(112B)를 통해 연장하고 열 스프레더(124B)의 그라파이트 물질을 통해 그 내부로 연장한다.
열적 비아(128)는 여러 가지 방법으로 제조될 수 있고, 본 출원인에게 양도되고 본 명세서에서 참조되는 2006년 1월 5일자의 "비아를 가지는 열 확산기"라는 명칭의 미국 특허 출원 제 11/339,338 호에 개새된 열적 비아의 실시예들 중 하나일 수 있다. 열적 비아(128)는 기판(112B)을 통해 연장하여 스프레더(124B)와 열적으로 결합되며, LED(122)는 열적 비아(128)상에 장착된다.
도 8은 회로 조립체(110℃)의 다른 실시예를 도시한다. 도 8의 실시예에서, 강화 패드(130)가 가요성 회로(112)와 그라파이트 열 스프레더(124) 사이에 위치된다. 이러한 경우에, 패드(130) 및 가요성 회로(112)는 함께 기판으로 규정될 수 있고, 이때 LED(122)는 기판의 제 1 주요 표면(114℃)상에 장착되고 열 스프레더(124)는 기판의 제 2 주요 표면(116℃)에 부착된다.
도 9에 도시된 회로 조립체(110D)의 최종 버전은 기판(112D)에 장착된 LED(122)를 구비하며, 이러한 실시예에서, 상기 기판은 전기 회로(113)가 인쇄되고 FR4 물질로 이루어진 인쇄회로기판이다. LED(122)는 인쇄회로기판(112D)의 제 1 주요 표면(114D)에 장착되고, 열 확산기(124)는 인쇄회로기판(112D)의 제 2 주요 표면(116D)에 부착된다.
인쇄회로기판 업계에서 통상적인 유리 섬유와 같은 유전체 층이 인쇄회로기판(112D)이 될 수가 있으며, 유리 섬유는 바람직하게 라이네이트로 형성되는 수지(FR4), Teflon® 상표 물질로서 상업적으로 이용가능한 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), ePTFE라고 표시되기도 하는 발포(expanede) PTFE, 및 상기 물질들의 주시 주입 또는 흡수(impregnated or imbibed) 버전, 알루미나 등의 세라믹을 포함한다.
도 5는 도면부호(110E)로 표시된 회로 조립체(110)의 다른 변형예를 도시한다. 도 5의 회로 조립체(110E) 및 도 4의 회로 조립체(110) 사이의 차이는 단지 기판(112)이 열 확산기(124)상의 임의의 원하는 위치에 배치될 수 있고 도 4에 도시된 바와 같이 반드시 중심일 필요가 없다는 것이다. 열 확산기(124)의 열 소오스 중심에서 통상적으로 최적의 열 분산이 얻어지지만, 이는 필수적인 것이 아니며, 열적 열 확산기(124)의 평면 열 전도도가 매우 크기 때문에 열상의 열 소오스의 중심에서 벗어나게 장착된 경우에도 여전히 허용될 수 있는 결과가 얻어질 수 있다는 것을 이해할 것이다.
비교예
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같은 종래 시스템에 대비한 본 발명의 비교 성능 데이터의 설명은 도 6의 실시예에 초점을 맞춘 것이며, 도 6의 실시예에서 LED(122)는 그라파이트 열 확산기(124)상에 장착된 5mm x 5mm 가요성 회로(112)상에 장착된다. 도 11 내지 도 17의 데이터는 컴퓨터 모델링에 의해 생성되었다.
LED(122)가 카메라(102)용 광 소오스로서 사용되는 통상적인 휴대용 장치에서, 광 소오스가 두 가지 모드 중에서 하나의 모드로 작동될 수 있다는 것을 이해할 것이다.플래시 모드로서 지칭되는 제 1 모드는, 명칭과 관련될 때, 화상(picture)을 받는 순간에 빛을 제공하기 위하여 매우 짧은 시간 동안에 걸쳐 매우 밝은 빛 세기를 이용한다. 작동의 제 2 모드는 "토치(torch)" 모드로서 지칭되며, 이 토치 모드의 경우 광원이 더 낮은 세기에서 작동하지만 예를 들면 비디오 화상을 받을 때 원하는 경우 더 긴 시간에 걸쳐 작동된다.
도 11 및 도 12는 도 11에서 도 1 내지 도 3의 종래기술 시스템에 대한 작동 온도 대 시간의 그래프와 도 12에서 도 4 및 도 6에 도시된 본 발명에 대한 작동 온도 대 시간의 그래프를 비교한다.
각각의 경우 디스플레이된 온도는 LED(122) 자체(도시안됨) 내의 p-n 접합부에서의 온도이며, 이러한 온도는 Tj로서 산업계에서 통상적으로 지칭된다. 도 11 및 도 12에서 분석된 플래시 모드는 250 ms의 펄스로 발생되는 3.0 W로서 모델링되며 2.5 초의 회복 시간을 허용한다. 3.0 W의 플래시 모드는 3.75 V에서 800 mA에 대응된다.
도 11에 도시된 바와 같이, 종래 기술 시스템에 대해 2.5 초 순환 시간 내에 약 110℃에 도달하는 제 1 플래시에 대한 작동 온도는 단지 약 75℃ 까지 냉각되며, 제 2 플래시는 약 170℃ 까지의 작동 온도를 가진다. 도 11에서 볼 수 있는 바와 같이, 종래 기술 시스템은 더 높은 작동 온도로 연속적으로 설정되어 제 3 플래시에서만, 이때 작동 온도가 실질적으로 200℃를 초과한다.
도 12에 도시된 본 발명과 비교하면, 제 1 플래시에서 본 발명에 대한 작동 모드는 단지 약 80℃에 도달하며 2.5 초 순환 시간 내에 대기 온도 근처로 회복하며 이때 제 2 및 제 3 플래시는 단지 80℃ 약간 위의 작동 온도에 도달한다. 따라서, 플래시 모드에서 작동하는 본 발명으로, 카메라는 단지 80℃ 바로 위의 매우 수용가능한 작동 온도로 2.5초 마다 반복적으로 플래시가 작동될 수 있는 반면, 종래 기술 시스템으로 단지 몇(a few) 플래시만으로 수용불가능한 작동 온도로 급격히 도달한다.
도 12의 데이터에서 볼 수 있는 바와 같이, 열 확산기(124)는 LED(122)가 적어도 약 20℃의 대기 온도에서, 약 2초 보다 크지 않은 회복 시간으로 적어도 약 250 ms의 플래시 지속으로 제 1 플래시 모드에서 작동될 수 있다. 이는 사용자가 더 밝은 화상을 얻을 수 있으며 또한 종래 기술 시스템으로 허용가능한 것 보다 분 당 더 많은 플래시 화상을 얻을 수 있다.
도 12에 도시된 플래시 모드에 대한 모델링에서, 열 확산기(124)는 어드밴스드 에너지 테크놀러지 아이엔씨.로부터 입수가능한 스프레더실드(등록상표) 천연 그하파이트 재료로 구성되고, 약 400 W/mK의 평면 내 열 전도도를 가지며, 25 mm x 25 mm의 길이 및 폭을 가진 0.8 mm의 두꺼운 열 확산기로서 모델링이다. 열 확산 기(124)는 적어도 약 220 W/mK 및 더욱 바람직하게는 적어도 400 W/mK의 평면 내 열 전도도를 가져야 한다.
토치 모드에서, 시스템들은 3.2 V의 전압에서 150 mA의 전류에 대응하는 LED 패키지에서 발생되는 0.5 W의 일정한 열을 이용하는 모델이다.
도 13은 바아 챠트 포멧으로 다양한 두께의 그라파이트 재료 및 다양한 길이 및 폭의 열 확산기(124)에 대해 계산된 Tj를 보여준다. 두께는 0.1 mm 내지 1.5 mm 범위로 분석되며, 평면 치수는 10 mm x 10 mm 내지 25 mm x 25 mm의 범위로 분석되며, 열 실드는 모든 경우 사각형 열 실드로서 분석된다.
데이터로부터 알 수 있는 바와 같이, 이러한 특별한 분석에서 열 확산기(124)에 대한 최적 치수는 25 mm x 25 mm의 면적을 가지는 0.8 mm 두께 이다. 이는 도 12에 도시되고 다음의 도 14, 도 15 및 도 17의 본 발명의 모델링에서 이용될 수 있는 열 확산기(124)에 대한 치수적 패키지이다.
도 14는 0.5 W 내지 3.0 W의 범위를 가지는 LED(122)에 대한 다양한 전력 입력을 위해 등급(C)의 접합부에서 최대 작동 온도의 관형 디스플레이이다. 이러한 시험은 20℃ 대기 온도를 가정하여 작동된다. 도 15는 도 14와 동일한 데이터의 바아 챠트 디스플레이이다.
루미엘이디 룩세온 플래시 엘엑스씨엘-피더블유에트(Lumileds LUXEON Flash LXCL-PWF)에 대한 최대 특정 작동 온도는 135℃이다. 도 14 및 도 15로부터 명백한 바와 같이, 25 mm x 25 mm x 0.8 mm 두께의 열 확산기(124)의 이용으로, 350 mA에 대응하는 1.5 W 까지의 토치(연속) 모드에서 LED(122)를 구동하는 것이 가능하 면서, 여전히 135℃의 선택된 작동 한계 보다 작은 맥스 Tj를 달성한다.
도 16 및 도 17은 토치 모드로 본 발명에서 대비한 바와 같이 도 1 내지 도 3의 종래 기술 시스템에 대한 온도 대 시간 곡선 대비를 보여준다. 도 16 및 도 17 상의 매우 상이한 수직 스케일에 주목하는 것이 매우 중요하다.
도 16 및 도 17의 데이터는 25 mm x 25 mm x 0.8 mm 두께의 열 확산기(124)를 이용하는 과도 응답을 보여주며, 이때 LED(122)는 20℃ 대기 온도에서 1.5 W 또는 350 mA 부하에서의 토치(연속) 모드에서 구동된다. 도 1 내지 도 3의 종래 기술 시스템으로 상기 유닛이 700 ℃에 접근하는 최대 온도에 도달하기 전에 실패하는 반면, 본 발명의 시스템으로 최대 온도는 100℃ 아래에 남아 있게 된다.
도 13에 도시된 데이터를 기초로 하여, 열 확산기(124)는 약 0.1 mm 내지 약 1.5 mm의 범위에 있는 두께, 및 10 mm x 10 mm 내지 25 mm x 25 mm의 범위를 가지는 평면 치수에 대해 120℃ 보다 크지 않은 Tj를 가진다. 바람직한 두께 범위는 그라파이트의 압축된 입자에 대해 약 0.1 mm 내지 1.0 mm 이며, 그라파이트화된 폴리머 막에 대해 약 0.005 mm 내지 약 0.1 mm이다.
따라서, 도 17의 데이터로 나타낸 바와 같이, 열 확산기(124)는 약 350 mA 이상의 전력 레벨 및 약 20℃ 이상의 주변온도의 토치 모드에서 LED(122)가 작동할 수 있는 크기로 만들어진다. 이러한 350 mA의 토치 모드는 약 1.5W 이상의 전력 레벨에 대응한다. 보다 일반적으로, 열 확산기(124)는 135℃ 미만의 Tj를 유지하면서, 약 20℃ 이상의 주변 온도 및 약 1.0W 이상, 보다 바람직하게 약 1.5W 이상의 전력 레벨의 토치 모드에서 LED(122)가 작동할 수 있는 크기로 만들어진다.
도 1 내지 도 3에 장치와 같은 종래 기술의 장치는 일반적으로 비교적 낮은 100mA의 전력 레벨에서만 토치 모드로 작동하지만, 본 발명의 열 확산기(124) 외에도 LED(122)는 1.5A만큼 더 높은 전류에서 구동되도록 허용될 것이며, 그에 따라 LED(122)와 가요선 회로(112) 사이의 접점의 최대 온도를 허용 가능한 레벨에서 유지하면서 광출력 및 휘도를 증가시킨다.
0.8mm의 두께를 갖는 천연 그라파이트 재료인 스프레더실드(SPREADERSHIELDTM)로 구성된 열 확산기(124)는 매우 가요성 있는 제품으로 가요선 회로(112A,112B 또는 112C)와 용이하게 정합되어 신축될 것이며, 휴대용 장치(100)의 하우징(108) 내에 설치되어 결합되도록 용이하게 구부러질 수 있음이 이해될 것이다. 당업자에게 이해되는 바와 같이, 소형 전자 장치에서는 공간이 중요하며, 하우징(108) 내에 결합되어야 하는 많은 부품들이 존재한다. 하우징(108) 내의 가용 공간에 삽입되어 결합되도록 용이하게 구부러질 수 있는 가요성 열 확산기(124)를 사용함으로써, 예를 들면 구리로 제조된 것과 같은 비교적 강성인 열 확산기보다 가요성 열 확산기에 의한 설치가 훨씬 용이해진다.
또한, 특정 상황에서, 열 확산기 층(124)을 적어도 부분적으로 캡슐화거나 열 확산기 층(124)의 표면 사에 코팅을 가하여, 미립자 물질이 열 확산기 층(124)으로부터 박리되는 것을 방지하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 그라파이트 재료는 박리되기 쉬운 일부 견해가 존재한다. 이것이 진실이든 아니든, 박리를 억제하기 위해 마일라 재료(Mylar material)와 같은 고분자 재료의 코팅을 제공하는 것은 이러한 견해를 누그러뜨릴 수 있다. 이 경우, 고분자 재료는 회로 조립체에 대한 유전층으로서 작용할 수 있는데, 이는 사용된 재료가 전기적으로 비전도성일 수 있지만, 실질적으로 열 확산기 층(124)에 대한 열 전도성을 방해하지 못하도록 충분히 얇기 때문이다.
열 확산기 층(124)은 반드시 평면일 필요는 없지만 하나 이상의 "굴곡"을 포함하여 3차원 형상을 형성할 수 있다. 이는 회로 조립체(110)가 열 확산기 층(124)과 상이한 평면상에 있는 것이 요구될 때 특히 유리하다.
본 출원서에 언급된 모든 인용 특허, 특허 출원서 및 공개공보는 본 발명에 참조된다.
전술한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 하기 위한 것이다. 이는 상세한 설명을 읽음으로써 당업자에게 자명해질 수 있는 모든 가능한 변경 및 수정을 열거하고자 함이 아니다. 그러나 이러한 모든 수정 및 변경은 하기의 특허청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 범주내에 포함될 것이다. 특허청구범위는 문맥이 특별히 반대 내용을 지시하지 않는 한, 지시된 구성요소 및 본 발명을 위한 목적들을 충족시키는데 효과적인 임의의 장치 또는 순서에 대한 단계들을 포함할 것이다.
본원발명에 의하여, 향상된 방열 능력을 갖는 회로 어셈블리를 제공할 수 있으며, 휴대용 기구에서 광원을 켜고 끄는 사이클링을 하는데 사용되는 방열판을 제공할 수 있으며, 가요성 재료로 만들어진 방열판을 제공하여 휴대용 기구 내에 LED 및 부착된 기판 및 방열판의 쉬운 설치를 가능하게 되며, 휴대용 전자 기구에서 LED를 위한 회로 어셈블리를 제공하여 증가된 강도, 밝기, 광도 및/또는 휘도에서 광원의 조작을 가능하게 된다.

Claims (13)

  1. 소형 전자 장치로서,
    하우징, 및
    상기 하우징 내에 배열되는 광원 조립체를 포함하며,
    상기 광원 조립체가,
    광원을 주기적으로 온 및 오프할 수 있는 성능을 제공하는 전기 회로를 포함하며 제 1 및 제 2 주 표면을 갖춘 기판과,
    상기 기판의 제 1 주 표면에 인접 위치되고 상기 전기 회로에 연결되는 광 방출 다이오드 광원, 및
    시이트 형태의 그라파이트를 포함하며, 사이클에서 사이클까지 최대 온도에 서 감지할 만한 상승 없이 적어도 두 개의 사이클 동안 10초 이내에 상기 광원이 주기적으로 온 및 오프될 수 있는 기판의 주 표면과 관련하여 열 전도되는 열 확산기를 포함하는,
    소형 전자 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 시이트 형태의 그라파이트는 시이트 형태의 박리된 그라파이트의 압축된 입자와 그라파이트화된 폴리머 필름으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는,
    소형 전자 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 시이트 형태의 박리된 그라파이트의 압축된 입자는 약 0.1mm 내지 약 1.5mm 범위의 두께를 가지는,
    소형 전자 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 가요성 기판이며,
    상기 열 확산기는 상기 회로 조립체를 소형 전자 장치에 설치하는데 도움을 주는 가요성 열 확산기인,
    소형 전자 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 확산기와 열적 결합되게 상기 기판을 통해 연장하는 써멀 비아(thermal via)를 더 포함하며, 상기 써멀 비아에는 LED가 장착되는,
    소형 전자 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 확산기는 상기 광원이 플래쉬 모드에서, 상기 LED와 기판 사이의 연결부에서 약 135℃ 이하의 온도를 유지하면서, 적어도 약 20℃의 주위 온도에서 약 2초 이하의 회복 시간을 갖는 적어도 약 250 ms의 플래쉬 기간으로 작동될 수 있는 크기인,
    소형 전자 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 시이트 형태의 그라파이트는 약 220 W/mK의 평면 열 전도율을 가지는,
    소형 전자 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 폴리머 재료로 형성되는 유전체 층을 갖는 가요성 회로를 포함하는,
    소형 전자 장치.
  9. 소형 전자 장치로서,
    하우징과,
    상기 하우징 내에 배열되는 카메라, 및
    상기 카메라에 인접한 하우징 내에 배열되는 광원 조립체를 포함하며,
    상기 광원 조립체가,
    기판과,
    상기 기판의 어느 한 측면에 장착되어서 주기적으로 온 및 오프될 수 있는 광 방출 다이오드 광원, 및
    상기 기판의 대향 측면에 부착되며, 평면 관통 열 전도율보다 실질적으로 큰 평면 열 전도율을 가지는 그라파이트 열 확산기를 포함하는,
    소형 전자 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 기판과 열 확산기는 상기 광 방출 다이오드 광원을 상기 장치 내에 설치하는데 도움을 주도록 모두 가요성을 가지는,
    소형 전자 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 그라파이트 열 확산기는 약 0.1mm 내지 약 1.5mm 범위의 두께를 가지는,
    소형 전자 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 그라파이트 열 확산기의 평면 열 전도율은 적어도 약 220 W/mK인,
    소형 전자 장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 열 확산기는 상기 광원이 플래쉬 모드에서, 적어도 약 20℃의 주위 온도에서 약 2초 이하의 회복 시간을 갖는 적어도 약 250 ms의 플래쉬 기간으로 작동될 수 있는 크기인,
    소형 전자 장치.
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