KR20110078874A - 방열 촉진 기구 및 그 기구가 장착된 전기-전자 장치 - Google Patents

방열 촉진 기구 및 그 기구가 장착된 전기-전자 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 각종 전기-전자 부품에서 발생하는 열을 효과적으로 방출하는 방열 수단에 관한 것으로, 방열 기구의 표면을 가공하여 최적의 방열 효과를 낼 수 있는 방열 촉진 기구에 관한 것이다.
방열, LED, 발열, 마이크로 핀, 표면

Description

방열 촉진 기구 및 그 기구가 장착된 전기-전자 장치{Heatsink and Electric-Electronic device having the Heatsink}
본 발명은 각종 전기-전자 부품에서 발생하는 열을 효과적으로 방출하는 방열 수단에 관한 것으로, 방열 기구의 표면을 가공하여 최적의 방열 효과를 낼 수 있는 방열 촉진 기구에 관한 것이다.
산업화의 발전으로 전기 에너지의 수요는 급증하고 있고 화석 에너지는 고갈 위기에 처해 있다. 또한, 무분별한 화석 에너지의 사용에 따라 환경오염으로 인한 지구 온난화 문제도 심각해지고 있다. 따라서 에너지를 효율적으로 사용하는 문제가 전 세계적으로 이슈가 되고 있다.
한편 조명에 사용되는 전기 에너지의 양이 총 전기 에너지 사용량의 20%에 육박하고 있으며, 이 문제를 해결하기 위해 기존의 조명 수단을 대체할 새로운 조명 수단을 개발하려는 노력이 활발히 진행중이다.
이중 기존 광원에 비해 에너지 절감 효과가 뛰어나고 반영구적으로 사용할 수 있는 발광다이오드(Light Emitting Diode, 이하 'LED'라 함)가 차세대 광원으로 각광받고 있다. 특히 LED의 한계였던 밝기 문제가 최근 들어 크게 개선되면서 LED를 응용하는 시장의 범위가 거의 모든 산업 분야로 확산되고 있으며, 조만간 본격적인 LED의 시대가 올 것으로 기대되고 있다.
하지만 기존의 조명 기구에 비해 LED가 가격 경쟁력을 가지려면 LED 칩의 수는 줄이고 칩당 광 출력을 높여야 한다. 그런데 칩의 광 출력을 높이기 위해서는 높은 전류를 써야 하는데, 높은 전류의 사용은 발열 문제를 가져온다. 즉, LED가 높은 효율로 기능을 발휘하기 위해서는 방열(Heat dissipation) 문제가 해결되어야 한다. LED 조명에서 열이 원활하게 방출되지 않을 경우 LED 광효율의 감소, 색온도 변이, LED 및 주변 부품의 수명단축, 시스템의 신뢰성 불량 등의 문제가 발생하게 된다. 즉, 방열 대책을 마련하지 않으면 LED 칩의 온도가 너무 높아져 칩 자체 또는 패키징 수지가 열화하게 되며 결국 발광 효율의 저하와 칩의 수명 단축으로까지 이어진다.
이를 해결하기 위해 종래에는 도1에 도시된 바와 같이 LED(10)를 부착한 기판(20) 후면에 LED 기판(20)보다 체적과 크기가 훨씬 큰 히트싱크(방열판)(30)를 부착시켜 LED(10)에서 발생된 열이 히트싱크(30)를 통해 공기 중으로 방출되도록 하였다. 즉 종래의 방열을 위한 수단은 방열 효과를 높이기 위해 히트싱크(30)의 크기를 키워 공기와의 접촉면적을 넓히는데 한정되어 있었다. 따라서 제품의 크기가 커져야만 하는 또 다른 문제점이 발생하게 되었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, LED 조명이나 마이크로프로세서 등의 전기-전자 제품에 장착되는 방열 수단의 표면을 가공하여 최적의 방열 성능을 발휘하도록 하는 방열 촉진 기구를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 방열 촉진 기구는 핀의 너비가 250㎛ 내지 450㎛이고, 상기 핀들간의 간격이 각각 250㎛ 내지 450㎛인 핀들이 표면에 형성되어 있다.
여기서, 상기 핀의 단면은 사각형 형태인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명은 상기 방열 촉진 기구가 장착된 전기-전자 장치를 포함한다.
본 발명에 따른 방열 촉진 기구에 의하면, 전기-전자 부품에 장착되어 발생되는 열을 공기중으로 방출시키되, 최적의 방열 성능을 갖도록 표면을 가공시킴으로써 같은 체적과 크기이더라도 월등한 방열 효과를 얻을 수 있다. 또한 별도 구성의 추가 없이 표면 가공 처리만으로도 방열 효과를 높일 수 있기 때문에 비용이 저렴하다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하되, 발명의 요지와 무관한 일부 구성은 생략 또는 압축할 것이나, 생략된 구성이라고 하여 반드시 본 발명에서 필요가 없는 구성은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 결합되어 사용될 수 있다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 방열 촉진 기구(130)가 장착된 전기-전자 장치인 LED 조명의 일부 구성을 나타낸 도면이다. 도2에 도시된 LED 조명은 다수의 LED(110)가 장착된 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB)(120)의 후면에 방열 촉진 기구(130)가 장착되어 있다. 물론 도2에 도시된 방열 촉진 기구(130)의 형태는 하나의 예시에 불과하며 실제로는 다양한 형태로 제작될 수 있다.
여기서 인쇄회로기판(120) 후면에 장착된 방열 촉진 기구(130)는 최적의 방열 효과를 내기 위해 매우 작은 사각기둥 형상의 마루(131)와 골(132)로 이루어진 표면을 갖는다. 이러한 표면을 '마이크로 핀 표면'이라 한다. 이때 마이크로 핀 표면의 마루(131)와 골(132)은 도3에 도시된 바와 같이 너비(W1, W2)와 높이(H)가 각각 250㎛ 내지 450㎛(마루와 골의 중심 간격(C)은 500㎛ 내지 900㎛)인 것이 바람직하다. 마이크로 핀 표면에서 마이크로 핀(131)의 너비(W1)가 250㎛ 내지 450㎛일 때 가장 좋은 효율의 방열이 이루어지는 사실은 실험을 통해 알 수 있다.
도4a 및 도4b는 마이크로 핀(131)의 크기에 따른 방열 성능을 실험하기 위한 장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 먼저 본 실험에서 제작한 방열 테스트 시험부(300)는 너비 9.53mm, 길이 9.53mm, 높이 4mm의 크기로 제작된다. 또한 방열 테스트 시험부(300)는 열을 공기중으로 방출시키는 금속부(310)(구리 혹은 알루미늄)와 금속부(310)에 열을 전달하는 발열부(320)로 구성된다. 발열부(320)에는 적당한 용량의 니크롬 히터가 삽입되어 있어서 외부에서 열유속(단위 면적 당 열량)을 정확하게 조절할 수 있다. 또한 금속부(310)와 발열부(320)는 직접 접합된다.
공기 중에서 대류 열전달계수를 정확히 측정하기 위해서는 열전달 표면에서의 온도를 정확하게 측정해야 한다. 도4a 및 도4b에 도시된 바와 같이 본 실험에서는 열전달 표면에 변화를 주지 않고 표면 온도를 정확하게 측정하기 위해, 발열부(320) 상에 부착된 금속부(310)에 드릴을 이용하여 직경 1.0mm, 깊이 5.0mm의 구멍 네 개를 동일한 간격으로 내고 그 안에 열전대(350)들을 심었다.
한편 방열 테스트 시험부(300)는 단열 블록(200) 상에 안착된다. 단열 블록(200)은 발열부(320)에서 발생하는 열이 금속부(310)의 위쪽으로만 전달되도록 하기 위해 열전도도가 매우 낮은 나일론으로 제작되며, 상단에 가로 18mm, 세로 15mm, 깊이 6mm의 안착홈(210)이 형성되고, 안착홈(210)에 방열 테스트 시험부(300)가 안착된다. 또한 단열 블록(200)의 옆면에 직경 13mm, 깊이 15mm의 안착홈(210)까지 연결되는 삽입공(220)이 형성되어 있으며, 삽입공(220)에 도4b에 도시된 바와 같이 스테인리스 스틸 관(360)이 삽입된다.
이후 단열 블록(200)의 안착홈(210)에 안착된 방열 테스트 시험부(300)의 발열부(320) 양 끝단에 전선(330)을 달고 은을 이용하여 납땜(340) 처리를 하며, 전 선(330)은 스테인리스 스틸 관(360)을 통해 외부의 직류 전원 공급기와 연결된다. 방열 테스트 시험부(300)의 전선(330)과 열전대(350)를 스테인리스 스틸 관(360)을 통해 바깥으로 연결시키는 작업을 마치면 단열 블록(200)의 안착홈(210)에 안착된 방열 테스트 시험부(300) 주위를 열전도도가 매우 낮은 에폭시(370)를 이용하여 막아준다. 이로써 발열부(320)로부터 공급된 열은 금속부(310)의 윗부분으로만 방열된다.
본 실험은 방열 테스트 시험부(300)의 금속부(310) 표면의 변화에 따라 방열이 얼마만큼 이루어지는지 확인하기 위한 것이다. 이러한 방열 테스트는 일반적인 대기조건(외기 온도 25℃, 1기압)에서 이루어진다.
또한 실험 시 외부의 영향을 받지 않고 내부의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있도록 단열 블록(200)을 제작하고 그 안에 방열 테스트 시험부(300)를 넣고 실험을 진행하도록 한 것이며, 방열 테스트 시험부(300)의 금속부(310)에 온도를 정확하게 측정할 수 있는 열전대(350)들을 다수 설치하여 단열 블록(200) 내부의 온도를 측정하도록 한 것이다. 또한 실험 시에는 방열 테스트 시험부(300)에 들어가는 열량을 조절하여 표면의 온도와 외기 온도의 차이가 현재 시중에서 판매되는 LED 램프에서 나타나는 온도 차이와 비슷하게 유지되도록 하였다.
그리고 본 실험에서는 표면 형상을 변화시켜가며 테스트를 진행하고, 금속부(310)는 구리와 알루미늄 두 가지를 사용하여 방열 테스트를 수행하였다. 표면 형상은 사각 모양의 핀 형상으로 핀의 너비, 핀 간의 간격 및 핀의 높이가 동일하도록 하고, 너비를 각각 300㎛, 400㎛, 500㎛인 표면을 갖도록 하여 테스트를 진행 하였다.
구리
평판표면		 마이크로 핀 표면(300㎛) 마이크로 핀 표면(400㎛) 마이크로 핀 표면(500㎛)
표면 온도
(℃)		 74.9 67.0 67.7 74.2
대기 온도
(℃)		 29.7 28.3 29.6 27.7
온도차(ΔT)
(℃)		 45.2 38.7 38.1 46.5
열량
(W)		 1.41 1.46 1.46 1.44
열유속
(kW/m2)		 15.6 16.1 16.1 15.9
열전달계수
(W/m2·K)		 343.8 416.8 422.3 341.0
촉진율
(%)		 21.2 22.8 -0.8
표1은 구리 재질의 금속부(310)를 이용하여 마이크로 핀 표면을 제작하였을 때 마이크로 핀의 너비를 300㎛, 400㎛, 500㎛로 바꾸어 가며 측정한 방열 테스트 결과를 보여 준다. 방열 테스트에서 주어진 열량을 표면 온도와 대기 온도의 차이로 나누면 열전달계수를 구할 수 있으며 표면의 열전달 성능은 열전달계수의 크기에 따라 결정된다.
표1에서 확인할 수 있듯이 구리의 경우 핀의 너비가 300㎛, 400㎛일 때 매끄러운 평판에 비해 핀 가공으로 인한 방열 촉진 효과가 가장 크게 나타났으며 핀의 크기가 500㎛가 되면 핀 가공으로 인한 방열 촉진 효과가 크지 않은 것으로 나타났다.
알루미늄
평판표면		 마이크로 핀 표면(300㎛) 마이크로 핀 표면(400㎛) 마이크로 핀 표면(500㎛)
표면 온도
(℃)		 29.3 27.6 28.0 29.2
대기 온도
(℃)		 77.5 71.8 73.4 76.7
온도차(ΔT)
(℃)		 48.2 44.2 45.4 47.5
열량
(W)		 1.44 1.43 1.44 1.44
열유속
(kW/m2)		 15.8 15.8 15.9 15.9
열전달계수
(W/m2·K)		 333.2 357.7 350.0 334.6
촉진율
(%)		 6.8 4.8 0.4
표2는 알루미늄 재질의 금속부(310)를 이용하였을 때의 방열 테스트 결과를 나타낸다. 표2에서 확인할 수 있듯이 알루미늄의 경우에도 핀의 크기가 300㎛일 때 매끄러운 평판에 비해 핀 가공으로 인한 방열 촉진 효과가 가장 크게 나타났으며, 또한 핀의 크기가 500㎛가 되면 핀 가공으로 인한 방열 촉진 효과가 크지 않은 것으로 나타났다.
구리와 알루미늄 모두 마이크로 핀의 크기를 100㎛와 200㎛로 줄여 동일한 실험을 했으나 이 경우에는 핀 사이의 간격이 너무 좁아 방열 촉진 효과가 나타나지 않았다. 따라서 금속부(310)의 표면이 250㎛ 내지 450㎛의 너비 및 간격을 갖도록 마이크로 핀을 제작하면 최적의 방열 효과를 가질 수 있다는 것을 알 수 있다.
여기서, 마이크로 핀의 너비와 핀들 간의 간격에 비해 핀의 높이가 현저히 크면 높이에 비해 간격이 상대적으로 좁아져서 방열 성능의 저하가 우려된다. 따라서 마이크로 핀의 너비와 핀들 간의 간격에 비해 핀의 높이는 동일하거나 유사한 것이 바람직하다.
본 실험에서는 실험에 의한 결과에 따른 최적의 크기를 갖는 마이크로 핀 표면이 실제로 성능을 발휘하는지 알아보기 위해 시중에 유통되는 히트싱크가 장착된 LED 완제품 조명 기구를 통해 실험을 수행하였다. 우선 히트싱크가 장착된 완제품 조명 기구에 아무것도 변경시키지 않고 LED 표면과 대기온도를 측정하였다. 이후 조명기구에 장착된 히트싱크에 400㎛ 크기의 사각형 마이크로 핀을 가공한 뒤 LED 표면과 대기온도를 측정하였다. 측정 결과 히트싱크에 사각형의 마이크로 핀을 가공한 경우 온도차가 13% 이상 줄어들어 LED 표면의 온도가 마이크로 핀을 가공하지 않은 경우보다 6℃ 이상 감소함을 확인할 수 있었다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르는 너비 250㎛ 내지 450㎛인 사각기둥 형상의 골(132)과 마루(131) 표면을 갖도록 방열 촉진 기구(130)를 장착하면 LED 조명을 비롯한 열을 발생시키는 각종 전기-전자 장치의 방열 효과를 최적으로 만들어 낼 수 있다. 즉, 같은 크기의 히트싱크를 사용하더라도 표면 가공을 통해 더욱 월등한 방열 효과를 이끌어낼 수가 있는 것이다.
또한, 기존의 히트싱크 표면을 너비 250㎛ 내지 450㎛를 갖는 사각기둥 형상의 골(132)과 마루(131) 표면으로 가공함으로써(즉, 마이크로 핀 표면을 형성시킴으로써) 본 발명의 목적이 달성될 수도 있지만, 이러한 표면을 갖는 방열 촉진 기구(130)를 히트싱크로 대체함으로써 달성될 수도 있고, 기존의 히트싱크에 상기 마이크로 핀 표면을 갖는 방열 촉진 기구(130)를 부착함으로써 달성될 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 방열 촉진 기구의 표면에 형성된 마이크로 핀의 단면의 형태는 사각형인 것이 바람직하나, 모서리 부분이 굴곡진 대략의 사각형 형태로 제작되는 것도 충분히 가능하다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 발명의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도1은 종래의 히트싱크가 장착된 LED 조명을 설명하기 위한 도면.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 방열 촉진 기구가 장착된 LED 조명을 설명하기 위한 도면.
도3은 도2에 도시된 LED 조명의 방열 촉진 기구 표면을 설명하기 위한 도면.
도4a 및 도4b는 방열 촉진 기구의 표면 가공에 따른 방열 효과를 알아보기 위한 실험을 설명하기 위한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : LED
120 : 인쇄회로기판(PCB)
130 : 방열 촉진 기구
131 : 마루(마이크로 핀)
132 : 골
200 : 단열 블록
210 : 안착홈
220 : 삽입공
300 : 방열 테스트 시험부
310 : 금속부
320 : 발열부
330 : 전선
340 : 납땜
350 : 열전대
360 : 스테인리스 스틸 관
370 : 에폭시

Claims (2)

  1. 핀의 너비가 250㎛ 내지 450㎛이고, 상기 핀들간의 간격이 각각 250㎛ 내지 450㎛인 핀들이 표면에 형성된 방열 촉진 기구.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 핀의 단면은 사각형 형태인 것을 특징으로 하는 방열 촉진 기구.
KR1020090135786A 2009-12-31 2009-12-31 방열 촉진 기구 및 그 기구가 장착된 전기-전자 장치 KR101098877B1 (ko)

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