KR20110136288A - 열전대를 이용한 매립형 광소자 패키지 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광소자의 광출력효율을 증진시키고, 고출력을 갖는 광소자에서 발생하는 높은 온도의 열을 신속하게 방출하여 열화현상을 방지함과 아울러 폐열을 전기에너지로 전환한 후 광소자의 전력원으로 공급해 자원을 재활용함에 따라 광소자에 공급하는데 소요되는 전력소비량을 줄이며 비용의 최소화를 제공하도록, 전도성을 갖는 금속재질로 형성되고 상면에 중공된 형태를 이루는 복수의 실장공간이 형성되는 금속회로기판과; 상기 금속회로기판의 실장공간 내부로 각각 매립되어 위치하는 광소자와; 상기 금속회로기판의 상단에 설치되어 상기 광소자가 매립된 상기 실장공간을 폐쇄하고 투명한 수지로 형성되는 몰딩부와; 상기 금속회로기판의 하단에 설치되고 복수의 방열핀이 형성되어 열을 방출하는 방열판;을 포함하고, 상기 방열판에는 상기 방열핀 상에 바둑판식 배열로 배치되어 상기 광소자에서 전달되는 열에너지를 열기전력형태로 전환하고 서로 열전도가 다른 두 종류의 금속이 교차접촉하는 접점에서 열전류를 생성하는 열전대와, 상기 열전대의 외곽테두리부분에 연결되고 생성된 열전류를 회수하여 전기에너지로 전환한 후 상기 광소자에 공급하도록 전도성의 금속재질로 형성되는 외부공급단자를 포함하는 열전대를 이용한 매립형 광소자 패키지 모듈을 제공한다.
Description
본 발명은 열전대를 이용한 매립형 광소자 패키지 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 방열 및 빛에 대한 반사효율이 우수한 금속재질로 형성된 기판에 광소자를 매립하는 구조로 이루어져, 광소자의 광출력효율을 증진시키고, 고출력을 갖는 광소자에서 발생하는 높은 온도의 열을 신속하게 방출하여 열화현상을 방지함과 아울러 폐열을 전기에너지로 전환한 후 광소자의 전력원으로 공급해 자원을 재활용함에 따라 광소자에 공급하는데 소요되는 전력소비량을 줄이며 비용을 최소화하는 것이 가능한 열전대를 이용한 매립형 광소자 패키지 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 엘이디(LED:Light Emitting Diode) 등을 비롯한 광소자는 차세대의 조명원으로 점차 응용분야가 넓어지고 있다. 그 중에서도 LED는 특정한 화합물로 된 반도체의 특성을 이용하여 전기에너지를 빛에너지로 전환하는 반도체소자의 일종으로서, 백열등, 형광등 등의 재래식 조명과는 달리 광 전환 효율이 높기 때문에 최고 90%까지 에너지를 절감할 수 있고, 광원이 소형이므로 소형화 및 경량화에 적합하면서도 무한한 확장설치가 가능하며, 수명이 반영구적으로 매우 긴 이점이 있다.
또한, LED는 열적 발광이나 방전 발광이 아니므로 예열이 불필요하여 응답속도가 신속하고, 점등회로가 매우 간단하며, 방전용 기체 및 필라멘트를 사용하지 않으므로 내충격성이 커서 안전함과 아울러 환경오염을 유발하는 요인이 적고, 고반복 펄스동작이 가능하며, 시신경의 피로가 덜함과 동시에 풀 칼라의 구현이 가능하다는 장점이 있으므로, 다양한 디지털제품이나 가전기기 및 주변기기에 널리 사용되고 있으며, 특히 종래 LED의 일반적인 문제점이었던 저휘도 문제를 개선한 고휘도 LED가 상업적 규모로 시판됨으로 인해 그 용도 및 사용처는 급속히 확대되고 있는 실정이다.
특히, 백색 LED는 실내외의 조명용으로 매우 유용하므로, 그 사용빈도는 급격히 증대되고 있으며 형광등에 의한 백열등의 축출경향과 함께 정부에서도 고에너지효율과 친환경적인 장점을 감안해 보급률을 끌어올리기 위한 계획을 추진하고 있어 오래되지 않아 조면 시장을 석권하게 될 것으로 전망되고 있다.
상기와 같은 LED와 관련하여 대한민국 특허등록 제10-0958024호에는 1개 이상의 비아홀이 형성된 금속기판과, 상기 비아홀의 내측면을 포함한 상기 금속기판의 표면에 형성된 절연층과, 상기 절연층 상에 형성되고, 전기적으로 서로 분리된 복수의 금속패턴 및 상기 금속패턴 상에 실장된 LED 칩으로 구성되어 LED 칩에서 발생하는 열이 상기 금속기판을 통해 외부로 효과적으로 방출될 수 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드(광소자) 패키지가 공지되어 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 광소자 패키지는 최종적으로 빛을 내는 광소자가 금속기판 상부면에 위치하여 돌출된 구조를 이룸에 따라 외부의 충격에 파손될 위험도가 높고, 전력에 의해 전달되는 에너지가 그대로 적용된 광출력으로 발산하게 되며, 더욱 강한 고출력의 광원을 얻기 위해서는 그만큼 많은 에너지가 공급되야 함으로서 전력소비를 유발하게 되는 문제점이 있었다.
이어, LED 등과 같이 광원을 사용하는 광소자는 본질적으로 반도체소자이므로, 백열등이나 형광등 등의 발광소자에 비해 상대적으로 열에 취약하다. 이에, 반도체소자 내부의 접합부(junction)의 온도를 일정한 온도로 유지하였을 때 장점인 높은 발광 효율 및 긴 수명을 유지할 수 있게 된다. 즉, LED의 경우에는 반도체소자의 접합부 온도를 85℃이하로 항시 유지해 주어야 본래의 장점을 그대로 유지할 수 있는 것이다.
따라서, 종래에는 LED 등의 광소자 관련기술이 LED 칩의 발광효율을 향상시키고 이를 효율적으로 추출하기 위한 연구 위주로 활발하게 진행되어 광소자 광원을 매우 다양한 분야에 적용하기 위한 연구가 진행되어 왔으나, 광소자 구동시 발생 된 열에 의한 영향이 광소자 광원의 광효율에 직접적인 영향을 미치고, 나아가 램프로 응용되는 등의 광소자가 점차 고출력화 되면서, 발생 열로 인한 문제는 더욱 심각해지고 있다.
이에, 광소자에는 발광시에 자체적으로 발생하는 열을 내보내는 역할을 하도록 반도체소자에 방열판이 연결결합되어 열을 방출하는 구조로 구성된다.
상기와 같은 LED에 적용된 방열판에 관련하여 대한민국등록실용신안 제20-0448163호에는 LED 등기구에 설치되는 LED 등기구용 방열판에 있어서, 상기 등기구의 케이스체에 결합되고, 충분한 방열면적을 가지도록 그 상부에 형성되는 적어도 하나의 방열핀과, 적어도 하나 이상의 LED가 탑재된 회로기판을 고정하기 위한 지지대와, 상기 지지대를 삽입하기 위해 상기 방열판의 하부에 형성되는 적어도 하나의 연결고정홈과, 상기 회로기판을 상기 지지대에 고정하기 위한 고정나사를 포함하여 구성되고, 상기 지지대는, 그 중심부를 따라 일정 간격으로 형성되는 적어도 하나의 나사공을 포함하며, 상기 회로기판은, 상기 지지대의 상기 나사공에 대응하도록, 그 중심부를 따라 형성되는 적어도 하나의 조임공을 포함하고, 상기 LED는 상기 조임공의 사이마다 배치되며, 상기 LED 등기구용 방열판은 상기 고정나사를 상기 나사공 및 상기 조임공에 결합하여 상기 회로기판을 상기 지지대에 고정함으로써, 각각의 상기 LED를 상기 LED 등기구용 방열판과 일체로 설치하도록 구성되고, 상기 방열핀과 상기 연결고정홈이 일체로 구성되며, 전체적으로 알루미늄 압출물로 이루어지도록 구성되어 열저항을 최소화함에 따라 방열효과를 극대화할 수 있도록 한 LED 등기구용 방열판이 개발되어 있다.
그러나, 상기 종래의 방열판은 단순히 광소자의 발광으로 발생하는 반도체소자의 열을 외부로 내보내는 기능을 제시하고 있으며, 이는 일방적으로 열을 방출할 뿐 에너지로서 활용하지는 못하고 있다. 최근 자원부족현상에 따른 문제점이 점점 심화되고 있는 시점에서 자원을 절약할 수 있는 해결방안은 항시 절실하게 요구되고 있으며, 앞으로도 활용도가 높은 광소자분야에서 불필요하게 발생하는 폐열을 활용할 수 있는 요구를 개선하기 위한 기술개발이 더욱 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 점에 착안하여 이루어진 것으로서, 방열기능과 빛에 대한 반사효율이 우수한 금속재질로 이루어진 기판에 광소자를 매립시키는 구조로서, 적은 전력량을 사용하여 광소자의 광원을 고출력화 및 고효율화 할 수 있는 열전대를 이용한 매립형 광소자 패키지 모듈을 제공하는데, 그 목적이 있다.
뿐만 아니라, 고출력을 갖는 광소자에서 발생하는 높은 온도의 열을 신속하게 방출하여 열화현상으로 인한 수명저하를 방지하고, 폐열을 전기에너지로 전환한 후 광소자의 구동에 필요한 전력원으로 공급해 자원을 재활용함에 따라 광소자에 공급하는데 소요되는 전력소비량을 최소화함과 아울러 광소자에 소요되는 에너지 효율을 극대화할 수 있는 열전대를 이용한 매립형 광소자 패키지 모듈을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 제안하는 열전대를 이용한 매립형 광소자 패키지 모듈은 전도성을 갖는 금속재질로 형성되고 상면에 중공된 형태를 이루는 복수의 실장공간이 형성되는 금속회로기판과; 상기 금속회로기판의 실장공간 내부로 각각 매립되어 위치하는 광소자와; 상기 금속회로기판의 상단에 설치되어 상기 광소자가 매립된 상기 실장공간을 폐쇄하고 투명한 수지로 형성되는 몰딩부와;상기 금속회로기판의 하단에 설치되고 복수의 방열핀이 형성되어 열을 방출하는 방열판;을 포함하여 이루어진다.
상기 방열판에는 상기 방열핀 상에 바둑판식 배열로 배치되어 상기 광소자에서 전달되는 열에너지를 열기전력형태로 전환하고 서로 열전도가 다른 두 종류의 금속이 교차접촉하는 접점에서 열전류를 생성하는 열전대와, 상기 열전대의 외곽테두리부분에 연결되고 생성된 열전류를 회수하여 전기에너지로 전환한 후 상기 광소자에 공급하도록 전도성의 금속재질로 형성되는 외부공급단자를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 외부공급단자에 연결되고 상기 열전대의 열전류를 통해 생성된 전기에너지를 회수한 후 충전하였다가 필요할 때 상기 광소자에 공급하는 충전장치를 더 포함하여 구성하는 것도 가능하다.
상기 외부공급단자는 상기 열전대에서 생성된 열전류를 모아 상기 광소자의 전력원으로 공급하되 양극단자와 음극단자로 나뉘어 형성되도록 이루어진다.
상기 금속회로기판은 금속재질 중 방열기능이 우수한 MCPCB(Metal Core Printed Circuit Board)로 형성된다.
상기 열전대는 상기 방열판 및 상기 제2방열판의 평면상에 횡방향으로 길게 배치되고 등간격을 이루며 복수로 형성되는 제1금속체와, 상기 제1금속체에 교차하도록 종방향으로 배치되고 상기 방열판 및 상기 제2방열판 상에 등간격으로 형성되는 복수의 제2금속체를 포함하여 이루어진다.
상기 열전대의 제1금속체 및 제2금속체는 상기 방열핀 상에 증착하도록 얇은 금속박판으로 형성하는 것도 가능하고, 상기 방열핀 상에 실크스크린 인쇄하는 형태로 형성할 수 있도록 나노분말로 구성하는 것도 가능하다.
상기 열전대의 제1금속체 및 제2금속체는 각각 열전도가 다른 구성재료로 형성되고, 상기 광소자에 의해 상기 금속회로기판에 전달된 열을 방출할 때 동일한 열에 대한 다른 열전도도로 인해 상이하게 발열 온도를 형성하여 상기 제1금속체와 상기 제2금속체의 서로 다른 온도차로 열전류를 생성하도록 이루어진다.
상기 열전대의 제1금속체 및 제2금속체는 각각 높은 전위가 생성되는 양전극과 낮은 전위를 생성하는 음전극 중 하나의 전극을 생성하되, 서로 다른 전극을 생성하도록 이루어진다.
상기 열전대의 제1금속체 및 제2금속체는 백금-로듐, 백금로듐-백금, 크로멜-알로멜, 크로멜-콘스탄탄, 철-콘스탄탄, 동-콘스탄탄의 합금재료 중에서 선택된 1종의 합금재료를 사용하여 이루어진다.
상기 열전대는 상기 제1금속체 및 제2금속체를 이루는 구성합금재료의 합금비율, 금속종류, 금속선 지름, 상용한도, 과열사용한도, 전기저항 중 한가지 이상을 다르게 선택하여 다른 유형으로 열전류를 생성하도록 이루어진다.
본 발명에 따른 열전대를 이용한 매립형 광소자 패키지 모듈에 의하면, 방열기능 및 빛에 대한 반사효율이 우수한 금속재질의 기판에 광소자가 매립되는 구조로 이루어져 적은 전력량의 공급으로도 광소자의 광원을 고출력화시킴으로 광소자의 효율성을 극대화시킬 수 있는 효과를 얻는다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 열전대를 이용한 매립형 광소자 패키지 모듈은, 금속회로기판에 광소자의 고출력으로 발생하는 높은 온도의 열을 신속하게 방출하여 열화현상으로 인한 광소자 및 금속회로기판의 수명이 저하되는 현상을 미연에 방지하고, 무방비로 방출되는 폐열을 광소자를 구동시키는데 필요한 전기에너지로 전환한 후 전력원으로 공급하여 폐자원을 이용해 재활용함에 따라 광소자의 구동에 소요되었던 전기에너지의 양을 줄임으로 전력소비량을 최소화함과 아울러 광소자에 소요되는 에너지효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명에 따른 열전대를 이용한 매립형 광소자 패키지 모듈은, 폐열로부터 전환된 전기에너지를 비축하였다가 광소자의 작동 전원으로 사용하는 것으로, 전원의 공급이 없는 정전(停電)시에도 전원공급이 가능하여 광소자를 발광시킬 수 있으며, 방출되던 폐열을 최대한 활용하여 전력소비량에 따른 에너지효율을 극대화하는 것이 가능하다,
도 1은 본 발명에 따른 일실시예를 나타내는 분해사시도.
도 2는 본 발명에 따른 일실시예를 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명에 있어서 열전대의 종류를 나타내는 표.
도 4는 본 발명에 있어서 열전대를 나타내는 개념도.
도 5는 본 발명에 따른 다른 실시예 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 다른 실시예의 열전대를 나타내는 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 일실시예를 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명에 있어서 열전대의 종류를 나타내는 표.
도 4는 본 발명에 있어서 열전대를 나타내는 개념도.
도 5는 본 발명에 따른 다른 실시예 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 다른 실시예의 열전대를 나타내는 개념도.
다음으로 본 발명에 따른 열전대를 이용한 매립형 광소자 패키지 모듈의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도면에서 동일한 구성은 동일한 부호로 표시하고, 중복되는 상세한 설명은 생략한다.
그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 발명의 실시예들은 해당 기술분야에서 보통의 지식을 가진 자가 본 발명을 이해할 수 있도록 설명하기 위해서 제공되는 것이고, 도면에서 나타내는 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 예시적으로 나타내는 것이다.
먼저, 본 발명에 따른 열전대를 이용한 매립형 광소자 패키지 모듈의 일실시예는 도 1 내지 도 4에 나타낸 바와 같이, 금속회로기판(10)과, 광소자(20)와, 몰딩부(30)와, 방열판(40)을 포함하여 이루어진다.
상기 금속회로기판(10)은 전도성을 갖는 금속재질로 형성된다. 즉, 상기 금속회로기판(10)은 합성수지나 세라믹에 비하여 열전도율이 매우 우수한 재료로서 금속재질로 이루어진다.
상기 금속회로기판(10)은 금속재질 중 방열기능이 우수한 MCPCB(Metal Core Printed Circuit Board)로 형성된다.
예를 들면, 실리콘이나 에폭시 등과 같이 보통 전기적으로 부전도의 특성을 가지고 있는 절연층을 이루는 재료와, 알루미나 및 구리파우더 등의 열전도 특성을 개선하기 위한 재료를 혼합하여 형성된다.
또한, 상기 금속회로기판(10)은 알루미늄산화막을 절연층으로 형성하는 것도 가능하다. 즉, 알루미늄 표면을 전해질 용액과 전기적으로 반응시켜 절연층을 형성하도록 한다.
또, 상기 금속회로기판(10)은 양극산화 등의 방식으로 산화시켜 순수 산화알루미늄 층을 이루도록 하여 산화알루미늄의 고유 열전도도(30~35W/mK)를 유지할 수 있는 열전도율이 뛰어난 재질을 이루도록 형성하는 것도 가능하다.
상기 금속회로기판(10)은 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 상면에 일정한 깊이로 홈 형태를 이루며 중공된 복수의 실장공간(12)이 형성된다.
상기 실장공간(12)은 매립되어 설치되는 상기 광소자(20)의 높이보다 깊게 형성된다.
상기 실장공간(12)은 에칭(etching)이나 드릴링(drilling) 등의 방법을 사용하여 형성하는 것이 가능하고, 그 외에도 두께가 얇은 기판을 중공하여 홈을 형성할 수 있는 다양한 방법을 사용하여 형성하는 것도 가능하다.
상기 실장공간(12)은 상측으로 상기 광소자(20)를 유입시킬 수 있게 상면이 개방된 원형상(평면에서 봤을 때)으로 형성된다. 상기 실장공간(12)은 사각형태의 단면을 이루는 형상 등의 다양한 형상으로 형성하는 것도 가능하되, 상기 광소자(20)의 형상에 상응하는 형상으로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 실장공간(12)을 형성하는 벽면은 상기 실장공간에서 수평을 이루는 바닥면에서부터 수직으로 상향하여 상기 광소자(20)가 매립된 후 상기 광소자(20)의 측면과 평행을 이루도록 형성함으로, 상기 광소자(20)에서 발열하는 열손실을 최소화하도록 형성하는 것도 가능하고, 상기 실장공간(12)의 벽면은 상측에서 바닥면을 향하여 하향할수록 단면적이 작아지는 경사면을 이루어 상기 광소자(20)에서 방출되는 빛을 전면으로 반사시켜 발광효율을 높일 수 있는 컵형으로 형성하는 것도 가능하다.
상기 실장공간(12)을 이루는 벽면은 상기 금속회로기판의 재질에 따른 영향으로 우수한 반사효율을 갖게 된다. 이에 더불어 상기 실장공간(12)의 벽면을 반사경으로 구현하기 위하여 상기 실장공간(12)의 내면에 더욱 빛에 대해 반사효율이 우수한 재질로 형성하는 것도 가능하다.
예를 들면, 빛의 반사율이 우수한 금, 은, 구리, 백금 등의 금속 및 금속합금 중에 선택하여 상기 실장공간(12)의 내면에 도포하거나 금속혼합물을 얇은 필름형태로 가공하여 증착시키는 등의 방식으로 반사층(도면에 미도시)을 형성한다.
상기 광소자(20)는 상기 금속회로기판(10)의 실장공간(12) 내부에 위치하도록 매립된다.
상기 광소자(20)는 매립시 상기 실장공간(12)의 내부 정중앙에 위치하도록 실장하여 상기 광소자(20)로부터 생성되는 빛의 발광이 사방으로 균일하게 유지할 수 있도록 한다.
상기 광소자(20) 및 상기 실장공간(12)에는 상기 광소자(20)가 상기 실장공간(12) 내의 정중앙에 위치할 수 있도록 사방에서 동일한 길이로 돌출된 돌기(도면에 미도시)를 형성하는 것도 가능하다.
상기 몰딩부(30)는 상기 금속회로기판(10)의 상단에 설치되어 상기 광소자(20)가 매립된 상기 실장공간(12)을 폐쇄하고, 상기 실장공간(12)에 매립된 상기 광소자(20)를 보호하거나 지지하는 역할을 한다.
상기 몰딩부(30)는 상기 광소자(20)가 사용되는 용도에 따라 상기 광소자(20)에서 발생하는 빛을 증폭시키거나 모으는 등의 광학적인 효과가 발휘되도록 하여 빛의 발산범위를 설정하는 것이 가능하다. 구체적으로 설명하면, 상기 금속회로기판(10)의 실장공간(12)에 매립되어 위치하는 상기 광소자(20)의 위치를 기준으로 상기 몰딩부(30)의 중앙부분이 더 두껍고 양측방향으로 갈수록 두께가 점점 얇아지도록 형성하여 볼록렌즈와 같은 효과가 적용되어 빛이 증폭되게 할 수 있고, 상기 광소자(20)를 기준으로 상기 몰딩부(30)의 중앙부분은 얇고 양측방향으로 갈수록 두께가 두꺼워지게 형성함에 따라 오목렌즈와 같은 효과가 적용되어 빛을 모으도록 하는 것도 가능하다.
상기 몰딩부(30)는 하나의 상기 금속회로기판(10)에 여러 개의 상기 실장공간(12)을 형성하여 복수의 상기 광소자(20)가 매립된 구조를 이룰 시에는 상기 금속회로기판(10)의 상측에 단판으로 형성하는 것도 가능하고, 상기 광소자(20)가 매립된 상기 실장공간(12)마다 개별로 설치하는 것도 가능하다.
상기 몰딩부(30)는 투명한 수지로 형성된다. 즉, 상기 몰딩부(30)를 형성하는 재료물질에는 상기 광소자(20)가 쓰이는 사용용도 및 필요에 따라 상기 광소자(20)의 발광에 따른 빛을 통해 다양한 배경효과를 구현할 수 있도록 형광물질 등을 혼합하여 형성하는 것도 가능하다.
상기 방열판(40)은 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 금속회로기판(10)의 하단에 설치되고 상기 광소자(20)에서 전달되는 열을 방출하도록 형성되는 것으로서, 열전대(50)와, 외부공급단자(60)를 포함하여 이루어진다.
상기 방열판(40)에 형성된 열전대(50)는 상기 광소자(20)의 발열로 전달되는 열에너지를 열기전력형태로 전환하여 열전류를 생성하도록 한다.
상기 열전대(50)는 열전현상을 일으키는 열전소자(熱電素子, thermoelectric element)의 기본적인 작용을 기초로 구성된다.
상기에서 열전소자란 열에너지와 전기에너지의 변환을 행하는 반도체소자를 뜻한다. 즉, 열과 전기의 상호작용으로 나타나는 각종 효과를 이용한 소자를 총칭하는 것으로서. 회로의 안정화와 열, 전력, 빛 검출 등에 사용하는 서미스터, 온도를 측정할 때 사용하는 제베크효과를 이용한 소자, 냉동기나 항온조 제작에 사용되는 펠티에소자 등이 있다.
상기 열전대(50)는 상기 열전소자의 다양한 효과 중에서 제베크효과(seebeck effect)를 응용하여 이루어진다.
여기서, 제베크효과는 두 개의 서로 다른 금속 접합부의 온도 차에 의하여 기전력이 발생하는 현상이다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 두 종류의 금속을 고리 모양으로 연결하고, 한쪽 접점을 고온으로 하며 다른 쪽은 저온으로 했을 때 그 금속회로에 전류가 생기는 현상을 말한다.
이때, 제베크효과에서 발생하는 기전력(起電力, electromotive force)은 두 접점 간의 온도차에 비례한다. 그리고, 열전류의 크기는 짝을 이룬 금속의 종류 및 두 접점의 온도차에 따라 다르며, 금속선의 전기저항도 열전류의 크기에 관여한다.
상기 열전대(50)는 상기 방열핀(45) 상에 바둑판식 배열로 배치된다. 즉, 상기 열전대(50)는 상기 방열판(40)에 복수로 형성된 방열핀(45)의 평탄한 측면 상에 복수의 금속재질의 선이 바둑판처럼 가로세로를 일정한 간격으로 직각을 이루며 배치되는 격자형태로 형성된다.
상기 열전대(50)는 하나의 상기 방열핀(45)을 기준으로 한쪽 측면 상에만 형성하는 것도 가능하고, 양쪽 측면 상에 각각 형성하는 것도 가능하다. 상기 열전대(50)는 상기 광소자(20)에서 발생하는 폐열이 효율적으로 전달되도록 상기 방열핀(45)의 양쪽 측면 상에 형성하는 것이 바람직하다.
상기 열전대(50)는 상기 광소자(20)에서 전달되는 열에너지를 열기전력형태로 전환하고, 서로 열전도가 다른 두 종류의 금속이 교차접촉하는 접점에서 열전류를 생성한다.
상기 열전대(50)는 서로 열전도가 다른 두 종류의 금속으로, 제1금속체(51)와 제2금속체(53)를 포함하여 이루어진다.
상기 제1금속체(51)는 상기 방열핀(45)의 양쪽 평면상에 각각 횡방향으로 길게 배치되어 등간격을 이루며 복수로 형성되고, 상기 제2금속체(53)는 상기 방열핀(45)의 양쪽 평면상에서 제1금속체(51)에 교차하도록 종방향으로 배치되고 등간격을 이루며 복수로 형성된다.
상기 열전대(50)의 제1금속체(51) 및 제2금속체(53)는 상기 방열핀 상에 증착하도록 얇은 금속박판으로 형성하여 구성하는 것도 가능하고, 상기 방열핀(45) 상에 실크스크린(silk screen) 인쇄하는 형태로 형성할 수 있도록 나노분말(nano powder)을 사용하여 구성하는 것도 가능하다.
상기 열전대(50)의 제1금속체(51) 및 제2금속체(53)는 서로 열전도가 다른 구성재료로 형성되고, 상기 광소자(20)로부터 전달되는 열전도도에 따라 상이한 온도로 발열하며, 서로 다른 온도의 온도차에 의해 열전류가 생성되도록 이루어진다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 상기 제1금속체(51) 및 제2금속체(53) 중 하나의 금속체는 열전도가 우수하여 열전도도가 높은 양도금속체로 형성함에 따라 높은 온도로 발열하게 되고, 상기 제1금속체(51) 및 제2금속체(53) 중 다른 하나의 금속체는 열전도가 떨어져 열전도도가 낮은 절연금속체로 형성하여 낮은 온도로 발열하도록 구성함으로, 서로 다른 발열온도의 온도차로 인해 전압이 발생되어 전류를 흐르게 하는 힘인 열기전력형태로 전환됨에 따라 상기 제1금속체(51)와 제2금속체(53)가 교차접촉하는 접점에서 열전류가 발생하게 된다.
상기 열전대(50)의 제1금속체(51) 및 제2금속체(53)는 각각 높은 전위가 생성되는 양전극과 낮은 전위를 생성하는 음전극 중 하나의 전극을 생성하되, 서로 다른 전극을 생성하도록 이루어진다. 즉, 상기 제1금속체(51) 및 제2금속체(53) 중 열전도가 우수한 금속체에는 전하가 갖는 위치에너지인 전위가 높게 생성되어 양전극을 이루고, 열전도가 낮은 금속체에는 전위도 낮게 생성됨에 따라 음전극을 생성하게 된다.
상기 열전대(50)의 제1금속체(51) 및 제2금속체(53)는 도 3에 나타낸 바와 같이, 백금-로듐, 백금로듐-백금, 크로멜-알로멜, 크로멜-콘스탄탄, 철-콘스탄탄, 동-콘스탄탄의 합금재료 중에서 선택된 1종의 합금재료를 사용하여 이루어진다.
상기 열전대(50)는 상기 제1금속체(51) 및 제2금속체(53)를 이루는 구성합금재료의 합금비율을 각각 다른 유형으로 선택하여 열전류를 생성하도록 한다.
예를 들면, 상기 열전대(50)를 이루는 상기 제1금속체(51) 및 제2금속체(53)가 모두 백금-로듐으로 동일한 합금재료로 이루어지되, 상기 제1금속체(51) 및 제2금속체(53) 중 높은 전위를 생성할 열전도가 높은 금속체의 합금은 백금 70%와 로듐 30%의 비율로 형성하여 높은 온도로 발열하게 하고, 상기 제1금속체(51) 및 제2금속체(53) 중 낮은 전위를 생성할 열전도가 낮은 금속체의 합금은 백금94%와 로듐 6%의 비율로 형성하여 낮은 온도로 발열하게 함에 따라 서로 다른 온도차에 의해 교차되어 만나는 상기 접점에서는 열기전력형태로 전환됨으로 열전류를 생성하게 된다. 즉, 상기 광소자(20)에서 발생하는 폐열의 동일한 발열 온도조건이 적용되지만 상기 제1금속체(51) 및 제2금속체(53)는 각각 상이한 온도로 발열하여, 그 온도차에 따른 열기전력의 영향으로 열전류가 발생한다.
상기 열전대(50)는 상기 제1금속체(51) 및 제2금속체(53)를 이루는 구성합금재료의 금속종류를 각각 다른 유형으로 선택하여 열전류를 생성하도록 이루어진다.
예를 들면, 상기 열전대(50)를 이루는 상기 제1금속체(51) 및 제2금속체(53)를 각각 크로멜과 알로멜로 두 금속체의 종류를 서로 다르게 적용하는 것으로서, 높은 열전도를 갖는 금속체는 니켈과 크롬을 주로한 합금(니켈 90%, 크롬 10%)으로 형성하고, 낮은 열전도를 갖는 금속체는 니켈을 주로한 합금(니켈 94%, 알루미늄 3%, 안티몬 1%, 망간 2%)으로 형성하여 상기 열전대(50)를 이루는 상기 제1금속체(51) 및 제2금속체(53)의 상이한 열전도도에 따른 온도차로 열전류가 발생하게 된다.
또한, 상기 열전대(50)의 제1금속체(51) 및 제2금속체(53)는 전술한 바와 같이, 구성합금재료의 합금비율 및 금속종류를 다른 유형으로 선택하여 열전류를 생성하는 것 이외에도 금속선의 지름, 상용한도, 과열사용한도, 전기저항이 다른 유형으로 선택하여 열전류를 생성하도록 이루어지고, 이에 대한 자료는 도 3를 참조한다.
상기 외부공급단자(60)는 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 열전대(50)의 외곽테두리부분에 연결된다.
상기 외부공급단자(60)는 전도성의 금속재질로 형성된다. 즉, 상기 외부공급단자(60)의 금속재질은 은, 구리, 알루미늄 등이 사용가능하다.
상기 외부공급단자(60)는 상기 열전대(50)에서 생성된 열전류를 회수하여 전기에너지로 전환한 후 상기 광소자(20)에 공급한다.
상기 외부공급단자(60)의 둘레에는 절연체(도면에 미도시)를 형성하여 외부와는 절연이 이루어진다.
상기 절연체는 전기가 통하지 않는 부도체인 절연재질을 적용하여 형성한다. 즉, 상기 절연체는 절연재질인 합성수지나 실리콘, 세라믹 등을 이용하여 전기가 통하지 못하도록 형성된다.
상기 외부공급단자(60)는 상기 열전대(50)에서 생성된 열전류를 회수하되 양극단자(61)와 음극단자(63)로 나뉘어 형성되도록 이루어진다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 상기 양극단자(61)는 상기 열전대(50)의 제1금속체(51) 및 제2금속체(53) 중에서 높은 열전류를 생성하는 금속체와 연결되어 양전하가 전달되고, 상기 음극단자(63)는 상기 제1금속체(51) 및 제2금속체(53) 중 낮은 열전류가 생성되는 금속체에 연결되어 음전하가 전달됨으로, 전기를 발생시킨다.
상기와 같이, 작동스위치 등을 이용한 동력의 전달로 광소자(20)를 발광시키게 되면, 광소자(20) 및 금속회로기판(10)에서 열이 발생하고, 발생된 열은 금속회로기판(10)의 하부에 설치된 방열판(40)으로 이동되어 열전대(50)를 통해 열을 전기에너지로 전환한 후 다시 광소자(20)의 전원으로 공급함에 따라 폐열을 재활용하여 광소자(20)를 발광시킬 수 있는 전력원으로 사용하게 된다. 구체적으로 설명하면, 매립된 구조를 이루는 광소자(20)의 발광 및 금속회로기판(10)에서 많은 량의 열이 방열판(40)으로 방출하게 되면, 방열판(40)에 형성된 제1금속체(51) 및 제2금속체(53)를 이루는 열전대(50)로 열이 전도됨으로 각각 상이한 온도로 발열하게 되고, 서로 다른 온도로 반응하는 제1,2금속체(51)(53) 간의 온도차로 인해 열기전력형태로 전환되어 교차접촉되는 접점에서는 열전류가 발생하며, 발생된 열전류는 외부공급단자(60)를 따라 이동한 후 전기에너지로 전환되면서 금속회로기판(10)의 전력으로 공급되어 광소자(20)의 전력원에 사용하게 된다.
즉, 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 열전대를 이용한 매립형 광소자 패키지 모듈에 의하면, 방열기능 및 빛에 대한 반사효율이 우수한 금속재질의 기판에 광소자가 매립되는 구조로 이루어져 적은 전력량의 공급으로도 광소자의 광원을 고출력화시킴으로 광소자의 효율성을 극대화시키는 것이 가능하다.
뿐만 아니라, 금속회로기판에 광소자의 고출력으로 발생하는 높은 온도의 열을 신속하게 방출하여 열화현상으로 인한 광소자 및 금속회로기판의 수명이 저하되는 현상을 미연에 방지하고, 무방비로 방출되는 폐열을 광소자를 구동시키는데 필요한 전기에너지로 전환한 후 전력원으로 공급하여 폐자원을 이용해 재활용함에 따라 광소자의 구동에 소요되었던 전기에너지의 양을 줄임으로 전력소비량을 최소화함과 아울러 광소자에 소요되는 에너지효율을 극대화할 수 있는 것이 가능하다.
그리고, 본 발명에 따른 열전대를 이용한 광소자 방열판의 다른 실시예는 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 외부공급단자(60)에 연결되고 상기 열전대(50)의 열전류를 통해 생성된 전기에너지를 회수한 후 충전하였다가 필요할 때 상기 광소자(5)에 공급하는 충전장치(70)를 더 포함하여 이루어진다.
상기 충전장치(70)에는 양과 음의 전극판과 전해액 등으로 구성되고, 전기에너지를 화학에너지로 바꾸어 모아 두었다가 필요할 때에 전기로 재생하는 축전지가 구성된다.
상기 충전장치(70)는 자동차용 배터리 등에 사용되는 일반적인 축전지나 상용건전지 등의 구조를 축소적용하여 실시하는 것이 가능하므로 상세한 설명은 생략한다.
즉, 상기한 다른 실시예와 같이 본 발명을 구성하면, 폐열로부터 전환된 전기에너지를 비축하였다가 광소자의 작동 전원으로 사용하는 것으로, 전원의 공급이 없는 정전(停電)시에도 전원공급이 가능하여 광소자를 발광시킬 수 있으며, 방출되던 폐열을 최대한 활용하여 전력소비량에 따른 에너지효율을 극대화하는 것이 가능하다,
상기한 다른 실시예에 있어서도 상기한 구성 이외에는 상기한 일실시예와 마찬가지의 구성으로 실시하는 것이 가능하므로 상세한 설명은 생략한다.
상기에서는 본 발명에 따른 열전대를 이용한 매립형 광소자 패키지 모듈의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.
10 : 금속회로기판 12 : 실장공간
20 : 광소자 30 : 몰딩부
40 : 방열판 45 : 방열핀
50 : 열전대 51 : 제1금속체
53 : 제2금속체 60 : 외부공급단자
61 : 양극단자 63 : 음극단자
70 : 충전장치
20 : 광소자 30 : 몰딩부
40 : 방열판 45 : 방열핀
50 : 열전대 51 : 제1금속체
53 : 제2금속체 60 : 외부공급단자
61 : 양극단자 63 : 음극단자
70 : 충전장치
Claims (11)
- 전도성을 갖는 금속재질로 형성되고 상면에 중공된 형태를 이루는 복수의 실장공간이 형성되는 금속회로기판과;
상기 금속회로기판의 실장공간 내부로 각각 매립되어 위치하는 광소자와;
상기 금속회로기판의 상단에 설치되어 상기 광소자가 매립된 상기 실장공간을 폐쇄하고 투명한 수지로 형성되는 몰딩부와;
상기 금속회로기판의 하단에 설치되고 복수의 방열핀이 형성되어 열을 방출하는 방열판;을 포함하고,
상기 방열판에는 상기 방열핀 상에 바둑판식 배열로 배치되어 상기 광소자에서 전달되는 열에너지를 열기전력형태로 전환하고 서로 열전도가 다른 두 종류의 금속이 교차접촉하는 접점에서 열전류를 생성하는 열전대와, 상기 열전대의 외곽테두리부분에 연결되고 생성된 열전류를 회수하여 전기에너지로 전환한 후 상기 광소자에 공급하도록 전도성의 금속재질로 형성되는 외부공급단자를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전대를 이용한 매립형 광소자 패키지 모듈.
- 청구항 1에 있어서,
상기 외부공급단자에 연결되고 상기 열전대의 열전류를 통해 생성된 전기에너지를 회수한 후 충전하였다가 필요할 때 상기 광소자에 공급하는 충전장치를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전대를 이용한 매립형 광소자 패키지 모듈.
- 청구항 2에 있어서,
상기 외부공급단자는, 상기 열전대에서 생성된 열전류를 모아 상기 광소자의 전력원으로 공급하되 양극단자와 음극단자로 나뉘어 형성되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 열전대를 이용한 매립형 광소자 패키지 모듈.
- 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속회로기판은, 금속재질 중 방열기능이 우수한 MCPCB(Metal Core Printed Circuit Board)로 형성되는 것을 특징으로 하는 열전대를 이용한 매립형 광소자 패키지 모듈.
- 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열전대는, 상기 방열판 및 상기 제2방열판의 평면상에 횡방향으로 길게 배치되고 등간격을 이루며 복수로 형성되는 제1금속체와,
상기 제1금속체에 교차하도록 종방향으로 배치되고 상기 방열판 및 상기 제2방열판 상에 등간격으로 형성되는 복수의 제2금속체를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전대를 이용한 매립형 광소자 패키지 모듈.
- 청구항 5에 있어서,
상기 열전대의 제1금속체 및 제2금속체는, 상기 방열핀 상에 증착하도록 얇은 금속박판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전대를 이용한 매립형 광소자 패키지 모듈.
- 청구항 5에 있어서,
상기 열전대의 제1금속체 및 제2금속체는, 상기 방열핀 상에 실크스크린 인쇄하는 형태로 형성할 수 있도록 나노분말로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전대를 이용한 매립형 광소자 패키지 모듈.
- 청구항 5에 있어서,
상기 열전대의 제1금속체 및 제2금속체는, 각각 열전도가 다른 구성재료로 형성되고, 상기 광소자에 의해 상기 금속회로기판에 전달된 열을 방출할 때 동일한 열에 대한 다른 열전도도로 인해 상이하게 발열 온도를 형성하여 상기 제1금속체와 상기 제2금속체의 서로 다른 온도차로 열전류를 생성하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전대를 이용한 매립형 광소자 패키지 모듈.
- 청구항 5에 있어서,
상기 열전대의 제1금속체 및 제2금속체는, 각각 높은 전위가 생성되는 양전극과 낮은 전위를 생성하는 음전극 중 하나의 전극을 생성하되, 서로 다른 전극을 생성하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전대를 이용한 매립형 광소자 패키지 모듈.
- 청구항 5에 있어서,
상기 열전대의 제1금속체 및 제2금속체는, 백금-로듐, 백금로듐-백금, 크로멜-알로멜, 크로멜-콘스탄탄, 철-콘스탄탄, 동-콘스탄탄의 합금재료 중에서 선택된 1종의 합금재료를 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전대를 이용한 매립형 광소자 패키지 모듈.
- 청구항 10에 있어서,
상기 열전대는, 상기 제1금속체 및 제2금속체를 이루는 구성합금재료의 합금비율, 금속종류, 금속선 지름, 상용한도, 과열사용한도, 전기저항 중 한가지 이상을 다르게 선택하여 다른 유형으로 열전류를 생성하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전대를 이용한 매립형 광소자 패키지 모듈.
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