KR20120074070A - 방열성능이 개선된 조명용 엘이디 모듈 - Google Patents

방열성능이 개선된 조명용 엘이디 모듈 Download PDF

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Abstract

조명용으로 사용되는 고휘도 LED셀이 금속인쇄회로기판(MPCB)에 실장될 때 LED에서 발생한 열이 효율적으로 방열되도록 한 방열성능이 개선된 조명용 엘이디 모듈이 소개된다.
상기의 엘이디 모듈은 금속인쇄회로기판(110); 상기 금속인쇄회로기판(110)의 상면에 배치되며, 일정한 간격으로 장착홀(121)이 천공되고, 상기 장착홀(121) 주위로 회로패턴(122)이 구비된 절연층(120); 상기 금속인쇄회로기판(110)에 직접 접촉되도록 상기 장착홀(121)에 설치되는 LED셀(130); 상기 금속인쇄회로기판(110)의 하면에 배치되어 금속인쇄회로기판(110)으로부터 전달받은 열을 방출하는 방열강판(140);을 포함한다.

Description

방열성능이 개선된 조명용 엘이디 모듈{LED MODULE FOR LIGHTING HAVING ADVANCED RADIANT HEAT PERFORMANCE}
본 발명은 방열성능이 개선된 조명용 엘이디 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 조명용으로 사용되는 고휘도 LED셀이 금속인쇄회로기판(MPCB)에 실장될 때 LED에서 발생한 열이 효율적으로 방열되도록 한 방열성능이 개선된 조명용 엘이디 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 조명을 위한 백색 광원으로 LED(Light Emitting Diode)를 사용하기 위해서 적(Red), 녹(Green), 청색(Blue)의 LED를 단일 패키지로 하여 3원광에 의한 백색광을 내거나(이 경우에 각 LED에 인가되는 전압 및 전류를 정밀하게 조정하여 각 빛의 조도가 균일하게 이루어지도록 해야 한다), 청색이나 황색의 LED에서 나오는 빛을 황색이나 청색 형광체를 통과하게 하여 단파장이 여러 가지 장파장의 빛으로 변하게 하여 의사 백색을 얻거나, 근자외선이 형광체를 통과하면서 형광 램프와 같이 백색을 내는 방식을 이용하고 있다.
이 중에서 청색 LED나 자외선 LED와 형광 물질을 조합한 백색 광원이 주류를 이루고 있는 실정이다. 상기 형광 물질은 조명 기구의 반구형 커버에 코팅하거나, 형광체 테이프를 전면에 부착하는 방식을 이용하며, 경우에 따라서는 LED의 표면에 형광체를 코팅하여 구성할 수 있다.
상기와 같은 LED를 이용한 백색 광원은 발광 효율이 매우 우수하면서 광도가 높고, 고속 응답성이 우수하며 수명이 길기 때문에 새로운 조명 광원으로 각광받고 있다. 즉, 40~60W의 백열전구의 조도는 약 80개의 LED를 이용하여 5~10W의 전력으로 대체할 수 있으며, 100W의 백열전구는 128개의 LED를 이용하여 약 13W의 전력으로 같은 조도를 구현할 수 있다. 따라서 같은 조도 환경을 구현하기 위해서 소모되는 전력이 기존 "A" 타입 백열전구는 물론 형광 램프에 비해서도 매우 적게 소모된다.
그런데, 상기와 같은 특성을 가지는 LED 조명장치는 방출되는 광에 열 에너지가 포함되어 있지 않은 냉광원의 특성을 지닌다. 하지만, 반도체의 정션(JUNCTION) 부분에서는 인가되는 전력량에 비례하는 열이 발생하게 되며, 이러한 정션의 발열은 광의 색온도를 변화시키는 등 광원의 품질을 악화시킬 뿐만 아니라 LED 소재의 수명을 단축시키는 요인으로 작용하는 문제점이 있다.
따라서, LED 조명을 효율적으로 이용하기 위해서는 LED가 정상적으로 동작할 수 있는 온도 조건을 필수적으로 갖추어야 하는바, 이를 위해 종래의 LED 조명장치는 도1에 나타낸 바와 같은 방열구조를 채택하였다.
도1은 종래 LED 조명장치의 방열구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도1에서 보면, 기존의 통상적인 인쇄회로기판(PCB)와 달리 알루미늄과 같은 경금속을 사용하는 금속인쇄회로기판(10)을 마련하고, 상기 금속인쇄회로기판(10)의 상면에 전기적인 절연을 위하여 에폭시층(11)을 형성한다.
상기 금속인쇄회로기판(10)은 금속이므로 반드시 전기적 절연이 필요하다. 또한 상기 에폭시층(11)의 상부에는 일정간격 이격되게 회로패턴(12)을 마련하고, 상기 회로패턴(12)의 상부에 전기 에너지를 받으면 광에너지를 방출하는 LED셀(13)이 설치된다.
그러나 상술한 바와 같은 종래 LED 조명장치의 방열구조는 전기적인 절연을 위해 LED셀(13)과 금속인쇄회로기판(10) 사이에 배치된 에폭시층(11)이 LED셀(13)의 열이 금속인쇄회로기판(10) 쪽으로 전달되지 못하도록 차단하는 역할을 하고 있어서 LED셀(13)의 방열성능을 저하시키는 문제점이 있다.
또한, LED셀(13)을 회로패턴(12) 위에 설치하는 경우 도1에 도시된 바와 같이 회로패턴(12) 내부에 공간이 발생하게 되고, 이 공간을 채우기 위해 에폭시를 이용하여 충진하게 되지만, 이 경우 LED셀의 위치 고정 및 절연효과는 상승하는 반면 방열성능은 더욱 저하되어 광원의 품질 악화 및 LED의 수명을 단축하게 된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 고휘도의 LED셀에서 발생하는 열이 신속하게 주위로 열전도되어 방열되도록 함으로써 장시간 LED를 사용해도 광원의 품질이 저하되거나 LED 수명이 단축되지 않도록 함에 있다.
상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위하여 본 발명은,
금속인쇄회로기판;
상기 금속인쇄회로기판의 상면에 배치되며, 일정한 간격으로 장착홀이 천공되고, 상기 장착홀 주위로 회로패턴이 구비된 절연층;
상기 금속인쇄회로기판에 직접 접촉되도록 상기 장착홀에 설치되는 LED셀;
상기 금속인쇄회로기판의 하면에 배치되어 금속인쇄회로기판으로부터 전달받은 열을 방출하는 방열강판;을 포함하는 방열 성능이 개선된 조명용 엘이디 모듈을 제공한다.
여기서 상기 금속인쇄회로기판은 열전도성이 우수한 마그네슘 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 상기 절연층은 유리질 성분을 갖는 DLC(Diamond Like Carbon) 코팅층인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 금속인쇄회로기판과 상기 방열강판은 열전달이 좋은 고온경화형 금속접합에폭시를 통해 접합되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, LED셀이 금속인쇄회로기판에 직접 접촉되어 LED에서 발생한 열이 금속인쇄회로기판으로 신속하게 열전달되고, 방열강판은 금속인쇄회로기판으로부터 열을 전달받아 방출함으로써 LED가 항상 일정한 온도를 유지할 수 있는바, 이에 따라 오랫동안 LED를 사용하여도 광원의 품질이 저하되지 않고 내구성이 향상되는 특유의 효과가 있다.
도1은 종래 LED 조명장치의 방열구조를 개략적으로 나타낸 단면도,
도2는 본 발명에 따른 방열 성능이 개선된 조명용 LED 모듈를 개략적으로 나타낸 단면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.
도2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 방열성능이 개선된 조명용 엘이디 모듈(100)은 크게 금속인쇄회로기판(110)과, 절연층(120)과, LED셀(130) 및 방열강판(140)을 포함하여 이루어진다.
상기 금속인쇄회로기판(110)은 LED 모듈의 방열 및 냉각효율을 극대화하기 위하여 열전도성이 우수하고 경량 구조체인 마그네슘 재질의 판재가 사용되는바, 이 마그네슘 판재는 0.2 ~ 0.4mm 두께의 박판이 사용된다.
마그네슘 재질의 상기 금속인쇄회로기판(110)은 LED에서 발생한 열을 상기 방열강판(140)으로 효과적으로 전달하는 중간 매개체 역할을 하는 것으로, 마그네슘의 주된 특성인 우수한 열전도성을 이용하여 금속인쇄회로기판(110)의 전체온도를 균일하게 냉각하게 된다.
상기 절연층(120)은 상기 금속인쇄회로기판(110)의 상면에 배치되는 것으로, 상기 절연층(120)에는 일정한 간격으로 장착홀(121)이 천공되고, 상기 장착홀(121) 주위로 소정두께를 갖는 회로패턴(122)이 설치되어 상기 장착홀(121)에 의해 금속인쇄회로기판(110)의 일부분이 외부로 노출된다.
상기 절연층(120)은 종래와 같이 레진 또는 에폭시 성분이 아니고 유리질 성분을 갖는 DLC(Diamond Like Carbon)코팅층인 바, 상기 절연층(120)은 수지계통의 소재에 비해 얇고 안정적인 절연효과를 나타내며 상대적으로 우수한 방열특성을 갖도록 할 수 있으며, 고유 특성상 2 ~ 5um의 박막 형태를 이루도록 하는 것이 용이하다.
상기 절연층(120)에는 장착홀(121)이 천공되는데, 상기 장착홀(121)은 LED셀(130)의 저면이 절연층(120)에 의해 가로막히지 않고 상기 금속인쇄회로기판(110)에 직접 접촉될 수 있도록 하는 구성으로서, 상기 장착홀(121)이 형성될 부위에는 포토 마스크(photo mask)를 설치한 다음 DLC 코팅을 실시하여 포토 마스크가 위치한 곳에는 DLC층이 생성되지 않도록 함으로써 상기 장착홀(121)이 형성된다.
이때, 상기 장착홀(121) 주위에는 도2에 도시된 바와 같이 회로패턴(122)이 설치되는데, 상기 LED셀(130)은 종래와 같이 회로패턴(122)의 상부에 얹혀지는 것이 아니라 도시된 바와 같이 회로패턴(122)을 관통하여 금속인쇄회로기판(110)에 직접 실장되므로 구조적으로 방열성능이 향상될 수 있다.
따라서, 상기 LED셀(130)은 상기 장착홀(121)에 삽입되어 금속인쇄회로기판(110)의 상면에 접합됨으로써 LED셀(130)의 저면이 금속인쇄회로기판(110)에 직접 접촉된다.
한편, 상기 방열강판(140)은 상기 금속인쇄회로기판(110)의 하면에 배치되는 구성으로서, 상기 방열강판(140)은 금속인쇄회로기판(110)으로부터 전달받은 열을 외부로 방출하는 기능을 담당한다.
상기 방열강판(140)은 방열용 흑색강판이 사용되는 것이 바람직한데, 흑색강판은 전열성능이 우수한 대신 열방출성이 떨어지는 상기 금속인쇄회로기판(110)의 단점을 보완하기 위한 것으로, 상기 금속인쇄회로기판(110)의 하면에 공간 열방출률이 높은 흑색강판을 부착하여 열전도성은 금속인쇄회로기판(110)이 담당하고 열방출은 방열강판(140)이 담당하도록 한다.
상기 방열강판(140)은 기계적 강도가 충분하므로 대형의 LED 모듈을 조명기구에 부착하는 경우 후면에 배치되어 있는 상기 방열강판(140)을 직접적인 지지구조로 사용할 수 있어 바람직하다.
여기서, 상기 금속인쇄회로기판(110)과 방열강판(140)은 서로 면접촉하도록 직접 체결되어도 무방하지만, 본 발명에서는 열전달이 좋은 고온경화형 금속접합에폭시(150)를 통해 접합되는 것으로 구현된다.
즉, 상기 금속인쇄회로기판(110)과 방열강판(140) 사이에는 금속접합에폭시(150) 층이 형성되는데, 상기 금속접합에폭시(150)는 금속인쇄회로기판(110)과 방열강판(140)의 접합을 가능하게 하되, 금속인쇄회로기판(110)으로부터 방열강판(140)으로의 열전달을 저해하지 않도록 마련된다.
상기 금속접합에폭시(150)는 고온에서 유기용제 및 바인더 성분이 증발하고 금속 성분의 경화에 의하여 접착층이 유지되므로 보다 효과적인 방열성 접착층이 형성될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 설명된 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위 내에서 얼마든지 구성요소의 치환과 변형이 가능한바, 이 또한 본 발명의 권리에 속하게 된다.
100 : LED 모듈 110 : 금속인쇄회로기판
120 : 절연층 121 : 장착홀
122 : 회로패턴 130 : LED셀
140 : 방열강판 150 : 금속접합에폭시

Claims (4)

  1. 금속인쇄회로기판(110);
    상기 금속인쇄회로기판(110)의 상면에 배치되며, 일정한 간격으로 장착홀(121)이 천공되고, 상기 장착홀(121) 주위로 회로패턴(122)이 구비된 절연층(120);
    상기 금속인쇄회로기판(110)에 직접 접촉되도록 상기 장착홀(121)에 설치되는 LED셀(130);
    상기 금속인쇄회로기판(110)의 하면에 배치되어 금속인쇄회로기판(110)으로부터 전달받은 열을 방출하는 방열강판(140);을 포함하는 방열 성능이 개선된 조명용 엘이디 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 금속인쇄회로기판(110)은 열전도성이 우수한 마그네슘 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 방열 성능이 개선된 조명용 엘이디 모듈.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 절연층(120)은 유리질 성분을 갖는 DLC(Diamond Like Carbon) 코팅층인 것을 특징으로 하는 방열 성능이 개선된 조명용 엘이디 모듈.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 금속인쇄회로기판(110)과 상기 방열강판(140)은 열전달이 좋은 고온경화형 금속접합에폭시(150)를 통해 접합되는 것을 특징으로 하는 방열 성능이 개선된 조명용 엘이디 모듈.
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