KR20140120044A - 엘이디 램프에서 세라믹을 코팅한 히트싱크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엘이디 램프에서 세라믹을 코팅한 히트싱크에 관한 것으로서, 방열도료가 코팅된 LED 램프에서, 상기 램프에는 열을 방출하기 위한 히트 싱크가 구비되고, 상기 히트싱크에 표면처리를 하고, 또한 무기피막을 형성하고, 상기 무기 피막이 형성된 표면 위에 방열 도료를 더 코팅하고, 상기방열 도료에는 세라믹 혹은 금속의 고체 입자가 포함되므로서, 엘이디 램프의 외부 케이스에 방열 도료를 코팅할 때, 상기 도료의 수지에 고체 입자를 혼합하고 혼압 비율을 조절하며, 최적의 설계가 된 방열판에 상기 도료를 코팅하는 방법을 제안하므로서, 적외선 방사를 높일 수 있고 방열 효과도 향상시킬 수 있게 된다.

Description

엘이디 램프에서 세라믹을 코팅한 히트싱크{HEAT SINK COATED WITH THE SERAMIC FOR THE LED LAMP}

본 발명은 엘이디(LED) 램프(lamp)에서 히트 싱크(방열판)를 통한 방열을 향상시키기 위해, 상기 히트싱크에 세라믹과 방열 도료를 코팅하는 엘이디(LED) 램프 제품에 관한 것이다.

LED 조명기기에 있어서 가장 중요한 부품 중의 하나는, LED 동작시 많은 열을 용이하게 방출시키도록 하는 히트싱크이다. 히트싱크가 LED에서 발생되는 열을 외부로 신속히 방출시키지 못하게 되면, 조명기기의 광원으로 작용하는 LED 소자의 성능이 급격히 저하되거나 LED 소자의 파손으로 인해 고장을 일으키게 된다.

따라서, 히트싱크의 방열성능을 극대화하기 위하여 다양한 방법들이 제안되고 있으며, 그 일예로서 LED에서 발생되는 열을 신속히 외부로 방출시킬 수 있도록 하기 위하여 히트싱크를 외부에서 보일 수 있도록 노출형으로 설계하는 것이 보다 방열성능의 관점에서 유리하게 된다.

그런데, 히트싱크를 노출형으로 설계하게 되면, 히트싱크를 성형된 상태 그대로 사용하는 것은 부식의 우려 뿐만 아니라 미관상으로도 좋지 못하게 되므로 히트싱크의 표면에 아크릴 수지 도료계 또는 우레탄 수지 도료계 등의 도료로 도장을 실시하여 부식을 방지하고 또 미관을 향상시키고 있다.

그러나, 원하는 색상을 내기 위해 히트싱크의 표면에 실시되는 스프레이 도장은 양호한 도장층을 형성시키기 위해서는 수차례 반복해서 도장작업을 해야 한다. 이때, 도장 소재는 유기물 소재이므로, 방열 효과를 떨어뜨리는 치명적인 약점이 존재하게 된다. 그러므로, LED 소자에서 발생한 열이 히트싱크 외부로 방출되기 어려워지므로, 히트싱크의 방열성능이 현저하게 떨어지는 문제점이 있게 된다.

한편, 대한민국 공개특허 제10-2012-0013914 에는 표면 "개질된 탄소소재를 포함하는 분산액 80 ~ 99 중량%와 내열성 첨가제 1 ~ 20 중량%를 포함하는 방열도료 조성물 및 표면 개질된 탄소소재를 포함하는 분산액 80 ~ 95 중량%, 내열성 첨가제 1 ~ 15 중량%, 및 점착성 향상 에멀젼 1 ~ 10 중량%를 포함하는 방열도료 조성물" 에 대한 기술이 존재하지만, LED 조명장치에서 방열 효과를 높이기 위한 구체적인 방법이 제시되지는 않고 있는 실정이다.

선행기술 1 : 대한민국 공개특허 제10-2012-0013914 (2012년02월15일)

본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 기존의 LED 조명기기용 히트싱크의 제조 공정상의 문제점들을 해결할 수 있는 새로운 LED 조명기기용 히트싱크를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은, 엘이디 램프의 방열 특성을 향상시키기 위해 방열판의 설계 구조를 최적화 하고, 최적의 방열 수지를 선정하여 효과적으로 열이 전도되도록 하는 방렬 도료의 코팅 방법을 제공하고자 한다.

본 발명에 따른 LED 조명기기용 히트싱크의 표면처리 방법은, LED 조명기기용 히트싱크의 소재를 원하는 형상으로 가공하는 소재 가공단계; 상기 소재가공단계에서 원하는 형상으로 가공된 소재의 표면을 표면처리하여, 소재의 표면저항이 0.1 ~ 10 Ω/cm² 이고, 동시에 평균표면조도가 0.1 ~ 10 ㎛으로 처리하는 표면처리단계; 및 상기 표면처리단계에서 표면처리된 소재 위에 무기피막을 형성하는 피막형성단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 LED 조명기기용 히트싱크의 표면처리 방법은, 기존의 공정을 이용하여 표면처리를 하는 경우에 비하여, 내식성이 우수하고, 방열성능이 뛰어날 뿐만 아니라, 양호한 도막 밀착성을 확보할 수 있었다.

또한, 본 발명에 따르면, 엘이디 램프의 외부 케이스에 방열 도료를 코팅할 때, 상기 도료의 수지에 고체 입자를 혼합하고 혼압 비율을 조절하며, 최적의 설계가 된 방열판에 상기 도료를 코팅하는 방법을 제안하므로서, 적외선 방사를 높일 수 있고 방열 효과도 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 휴대 단말기용 밧데리의 외관을 나타낸 실시예의 도면이다.
도 2와 도 3은 히트싱크에 코팅된 방열 도료 단층의 모양을 더 상세히 나타낸 도면이다.
도 4는 방열 도료를 형성하는 방법에 대한 실시예의 도면이다.
도 5 과 도 6은 방열판의 설계 구조를 나타낸 실시예의 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LED 조명기기용 히트싱크의 표면처리 방법에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

이하, 본 발명에 따른 방열 도료를 코팅한 엘이디(LED) 램프에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에서 히트싱크(20)는 도 1과 도 4에서 보는 것처럼 다수개의 핀(Fin)이 형성되고, 공기와의 접촉 면적을 늘여 열 방출 효과를 늘이도록 만들어진 통상의 히트 싱크를 이야기 하는 것이다.

그리고, 도면에서 편의상 엘이디 램프는 도시 생략하였지만, 상기 히크 싱크가 엘이디 램프의 외부에 형성되는 것이다,

엘이디 램프의 히트싱크에 방열 도료를 코팅하는 것을 특징으로 한다. 따라서 먼저 본 발명에서 사용되는 방열 도료를 실시예를 통해 설명하고자 한다. 방열 도료의 원리는 수지에 열 전도성이 뛰어난 금속 분이나 세라믹 분말을 혼합하는 것이다.

- 실시예 1 -

실시예 1에서 사용되는 분말은 “아연 및 아연- 알루미늄 혼합 계”이다.

상기 금속 분말의 모양은 판형 혹은 구형이 모두 사용될 수 있다. 구형이 표면이 반드시 매급럽지 않아도 된다, 그리고 입자의 평균 크기는 2-10㎛이지만, 효과를 높이기 위해서는 1-2㎛ 정도의 작은 입자를 사용하게 된다. 판형인 경우도 길이가 10 ㎛ 넘지 않는 것이 좋다. 물론 판형 이외에 바형을 사용할 수 있으며, 이 경우도 10 ㎛ 넘지 않는 것이 좋다. 당연히 최적의 사이즈는 3-4 ㎛ 이다.

이러한 혼합 입자를 사용하면, 상기 아연도료를 구성하는 안료 성분인 아연분말을 구형 아연분말과 판형 알루미늄 분말로 된 혼합분말로 대체함으로써, 도료의 방식성 뿐만 아니라 판형 알루미늄의 열반사성에 의한 방열성이 개선된 고내후성 아연계 방식, 방열도료가 된다.

또한, 상기 입자 이외에 산화알루미늄(Al oxide),탄산칼슘(CaCO3 ) 및 마이카(Si) 등을 첨가할 수 있으며, 상기 성분들을 5-10%(상기의 아연 및 알루미늄 혼합 입자를 기준으로 하여 무게 질량비를 나태내는 퍼센트임.) 혼합하게 된다. 그밖에 첨가물질로는 염수산용액이 0.2-0.8%(상기의 아연 및 알루미늄 혼합 입자를 기준으로 하여 무게 질량비를 나태내는 퍼센트임.) 첨가될 수 있다. 상기 염수산 용액은 도막 건조를 빠르게 하는 효과를 가진다.

그리고, 상기 혼합물에 용매를 사용하게 되는 데, 유기용매로는 에폭시 혹은 염화 고무계 용매가 사용된다, 때로는 무기 용매도 사용되며 무기 용매로는 실리케이트 용매가 있다.

이때, 용매와 첨가제 및 혼합 입자(아연 및 알루미늄 혼합 입자)를 모두 합한 무게를 100이라고 했을 때, 상기 혼합 입자의 비율은 40 - 85% 정도가 적당하다.

상기와 같은 재료를 기반으로 엘이디 램프의 외부 케아스에 50 ㎛ - 60 ㎛ 이내의 두께로 코팅하게 된다.

물론 상기이 분말 이외에, 은(Ag) 분말을 사용할 수 있고, 세라믹 분말(Low Temperature Cofired Ceramic), 알루미늄나이트라이드 분말, 보론나이트라이드 분말, 알루미나 분말도 사용이 가능하다, 그리고, 수지 용매로는 상기의 제품 이외에 페녹시계 수지, 우레탄계 촉매 경화수지, 실리콘계 촉매 경화수지도 사용은 가능하다.

- 실시예 2 -

실시예 2에서는 다양한 안료 입자를 사용하는 것을 특징으로 한다, 고체 분말 입자(혹은 혼합 입자)로 사용할 수 있는 것은 다음과 같다.

알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 실리카(SiO2), 지르콘(ZrSiO4), 마그네시아(MgO), 이트륨(Y2O3), 코지라이트(2MgO·2Al2O3·5SiO2), β스포듀민(Li2O·Al2O3·4SiO2), 멀라이트(Al2O3·3SiO2), 티탄산알루미늄(Al2O3·TiO2)등올 대표되는 금속 산화물을 사용한다. 그리고 상기 입자들은 카본 블랙을 주 소재로 하여 혼합되게 된다. 즉 카본 블랙과 상기 입자의 비율은 1: 10 - 10 :1 정도가 바람직하다. 하지만 상황에 따라 5; 5 정도로 할 수 있다.

그리고, 상기 도막에는 본 발명의 작용을 해치지 않는 범위에서 카본블랙등의 흑색첨가제 외에, 방청안료, 실리카등의 안료를 첨가하여도 좋다. 또는, 흑색첨가제 이외의 다른 방열성을 가지는 첨가제(예를 들면, TiO2, 세라믹스, 산화철, 산화알루미늄, 유산바륨, 산화규소등을 1 종 또는 2 종이 상에서 적어도 1 종)도 본 발명의 작용을 해치치 않는 범위에서 첨가할 수 있다.

한편, 상기 입자들의 바인더로서 수지를 사용할 수 있으며, 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리올레핀 수지, 불소 수지를 사용할 수 있다. 그리고 상기 수지에, 멜라민계, 벤조그아나민계, 이소시아네이트계 등의 가교제를 함유시켜도 된다.

한편, 경우에 따라서는 미량 첨가재 사용도 가능한데, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산염 등의 분산제 사용도 가능하다.

그리고, 수지와 첨가제 및 고체 입자(혹은 혼합 입자)및 첨가제를 모두 합한 무게를 100이라고 했을 때, 상기 고체 입자의 비율은 40 - 85% 정도가 적당하다.

상기와 같은 재료를 기반으로 엘이디 전기제품 외관에 50 ㎛ - 60 ㎛이내의 두께로 코팅하게 된다.

- 실시예 3 -

실시예 3은 멜라민 수지에 카본 블랙을 주재료로 하여 방열성과 내구성을 높이는 조성물에 관한 것이다.

수지로는 멜라민 수지를 사용하지만, 폴리에스터 수지도 가능하고 안료로는 카본 블랙이 사용된다. 물론 당연하세는 상기 카본 블랙 대신에. Fe, Co, Ni, Cu, Mn, Mo, Ag, Sn 등의 산화물, 유화물, 카바이드나 흑색의 금속 미분, 혹은 세라믹 분말 등을 사용할 수 있다. 그러나 본 실시예에서는 가장 바람직한 것은 카본블랙이다.

그리고, 상기 고체 입자를 하나 만 사용할 수도 있지만, 상기 고체 입자 중에서 2 개 이상을 혼합해서 사용할 수 있음은 당연하다.

또한, 수지로는 에폭시변성폴리에스테르계 수지, 및/또는 페놀유도체를 골격으로 도입한 폴리에스테르계 수지를 선택하여 추가로 사용할 수 있다. 그리고 상기 수지에 이소시아네이트계 수지등을 가교재로서 혼합하여 사용할 수 있다. 하지만, 본 실시예에서는 멜라민계 수지가 추전되어진다.

그리고, 본 실시예의 금속 입자의 크기는 앞의 실시예를 따르게 된다.

첨가재로는 전체 무게(수지와 첨가제 및 고체 입자)를 기준으로 해서 경화 촉진재와 분산재를 5% 이내로 사용한다. 용제로른 케톤계와 타화수소계와 아세테이트계를 사용한다. 그리고 상기 조성물은 10 % 이내로 사용한다.

한편, 수지와 첨가제 및 고체 입자(혹은 혼합 입자)및 첨가제를 모두 합한 무게를 100이라고 했을 때, 상기 고체 입자의 비율은 40 - 85% 정도가 적당하다.

한편, 본 발명에서 사용되는 방열 도료는 적외선 적외선(4.5∼15.4㎛)의 방사를 향상 시키는 것이 중요한 목적 중에 하나이다. 그리고, 이러한 적외선 방사를 측정할 수도 있는데 적분방사율[상기 E(T=100℃)]로 나타내기도 한다.

상기 적외선(파장 4.5∼15.4㎛)의 임의의 파장역에 있어서의 분광방사율의 최대치 A 와 최소치 B 와의 차(A-B)는 0.35 이하인 것이 바람직하다. 이「A-B」는 상기 적외선 파장역에 있어서「방사율의 변화폭」을 나타내는 것으로,「A-B ≤0.35」는 상기 적외선 파장역의 어느 것에 있어서도 안정되고 높은 방사특성을 발휘하는 것을 나타내고 있다.

참고적으로, 일반 물체의 방사 발산도와 같은 온도의 흑체(黑體) 방사 발산도의 비. 임의의 특정 파장에 대하여 일반 물체의 방사 발산도와 같은 온도의 흑체 방사 발산도의 비를 단색 방사율 또는 분광 방사율이라고 한다.

한편, 본 실시예에서 예시한 수지 이외에도 다양한 수지의 사용이 가능하며, 도막중에 첨가되는 수지(방열도막을 형성하는 베이스수지)의 종류는 방열특성의 관점에서는 특별히 한정하지 않고, 아크릴계 수지, 우레탄계 수지, 포리올레핀계 수지, 폴리에스테르계 수지, 불소계 수지, 실리콘계 수지 및 이 들의 혼합 또는 변성한 수지등을 적절히 사용할 수 있다.

단, 본 발명 도장체는 전자 기기의 틀체로서 사용되기 때문에, 방열성외에도 가공성의 향상도 요구되는 것을 고려하면 상기 베이스수지는 비친수성 수지인 것도 사용 가능하다.

이와 같은 비친수성(非親水性)는 예를 들면, 폴리에스테르계 수지, 폴리올레핀계 수지, 불소계 수지, 실리콘계 수지 및 그 들의 혼합 또는 변성된 수지등의 사용이 바람직하고, 그 중에서도 폴리에스테르계 수지 또는 변성된 폴리에스테르계 수지(에폭시변성폴리에스테르계 수지, 페놀유도체를 골격으로 도입한 폴리에스테르계 수지등의 열경화성(熱硬化性) 폴리에스테르계 수지 또는 불포화 폴리에스테르계 수지)의 사용이 가능할 수가 있는 것이다.

- 실시예 4 -

한편 엘이디 램프 자체가 열을 많이 방출하기도 하고, 또한 엘이디 램프가 외부에서 장기간 노출되면서 강렬한 햇빛을 받을 경우에는 외부 케이스의 온도가 상당히 상승할 수가 있다. 이러한 경우를 대비하여 내열성 수지를 혼합할 수 있다.

즉, 전체 수지에서 10- 25 % 정도 내열성 수지를 혼합하도록 하는 것이다. 이때 내열성 수지로는 엔지니어링 플라스틱 소재가 사용될 수 있는 것이다. 내열성 엔지니어링 플라스틱으로서는 폴리에테르에테르케톤(PEEK, Polyether ether ketone), 서모플라스틱폴리이미드(TPI, thermoplastic polyimide), 폴리에테르이미드(PEI, Polyether imide), 폴리에테르술폰(PES, Polyether sulfone), 폴리아크릴설폰(PAS, Polyacrylsulfone) 등이 사용된다. 즉, 상기 내열성 엔지니어링 플라스틱 미세 분말(입자 1-2 ㎛)을 앞의 실시예의 수지에 혼합하여 사용한다.

상기 전도성 엔지니어링 플라스틱 내에 카본화이버, 휘스커, 카본파우더, 니켈코팅카본화이버, 스테인레스스틸파이버, 구리코팅화이버 등의 입자가 3-5 % 혼합된어 사용된다.

그리고 내 마모성을 향상 시키기 위해 불소수지 혹은 가장 바람직한 것은 폴리테트라 플루오르에틸렌(PTFE,polytetrafluoroethylene)(상표명 테프론으로 널리 알려져 있다.)를 내열성 플라스틱의 2-10 ％(무게 기준)로 소량 첨가한다.

이러한 조성으로 하므로서, 고열의 환경에 사용되는 엘이디 램프의 방열 도료에 사용이 가능하게 되는 것이다.

그리고, 지금까지 설명한 방열 도료를 히트싱크에 코팅하기 전에 코팅하기 전에 본 발명에서는, 표면 처리와 세라믹 피막을 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 LED 조명기기용 히트싱크의 표면처리 방법은 소재 가공단계와, 표면처리단계와, 피막형성단계로 이루어진다.

상기 소재 가공단계는 LED 조명기기용 히트싱크의 소재를 원하는 형상으로 가공하는 단계이다. 여기서, 상기 소재는 알루미늄합금 혹은 마그네슘 합금이 이용될 수 있다. 상기 알루미늄 합금은 대표적인 예로서 ADC12종, ADC10종 등이 있으며, 상기 마그네슘 합금의 예로서는 AZ91D 및 AZ31B 등이 사용될 수 있다.

상기 소재는 LED용 조명기기의 성능과 용량에 따라 다양한 형상으로 제조되며, 조명기기의 조도가 높을수록 우수한 방열성능을 갖도록 형상이 설계되어야 한다.

상기 표면처리단계는 상기 소재가공단계에서 원하는 형상으로 가공된 소재의 표면을 표면처리하는 단계로서, 소재의 표면저항이 0.1 ~ 10 Ω/cm² 이고, 동시에 평균표면조도가 0.1 ~ 10 ㎛가 되도록 표면처리한다.

상기 소재의 표면저항이 10 Ω/cm² 이상으로 저항이 높아지면 후술된 무기피막을 형성하는 단계에서 무기피막의 형성이 잘 되지 않으며, 표면저항이 0.1 Ω/cm² 미만인 경우에는 후술된 무기피막층을 원활히 형성될 수 있지만 내식성이 떨어지는 문제점이 있다. 상기 표면저항이 0.1 Ω/cm² 내지 10 Ω/cm² 사이에 있도록 처리한 경우라도 평균 표면조도가 0.1 ㎛이하이면 표면이 너무 매끄러워 후술된 무기피막의 밀착성을 떨어뜨리며, 평균표면조도가 10 ㎛이상으로 되면 표면의 거칠기가 너무 커서 최종 제품의 외관을 해치게 되며, 아울러, 평균표면조도가 위의 범위에서는 방열되는 표면적을 보다 늘릴 수 있으므로 방열성능을 보다 향상시키게 된다.

상기 표면처리단계는 다양한 방법들이 이용될 수 있으며, 그 구체적인 예로서는 화성피막법과 PEO법이 이용될 수 있다.

상기 화성피막법에는 논크로메이트 피막처리법이 사용될 수 있다. 상기 화성피막의 기본적인 처리 공정은 예비탈지, 본탈지, 수세, 산세, 수세, 표면조정, 인산염피막형성, 수세, 탈세, 건조의 복잡한 공정으로 이루어져 있다. 이 중에서 중요한 공정은 산세공정, 표면조정 공정, 인산염 피막형성 공정을 들 수 있다. 상기 논크로메이트 피막처리법에서의 핵심공정에 사용되는 처리액으로는 인산, 금속염, 불화물(弗化物) 등이 주성분인 것이 주로 사용된다.

상기 PEO법은 일명 plasma electrolytic oxidation이라 칭하는 표면처리 방법으로서 상기 히트싱크의 소재와 대향되는 전극을 이격지게 전해액 중에 침지시키고, 상기 히트싱크의 소재와 대향되는 전극에 각각 서로 다른 극성이 가해지도록 통전시키게 되면, 상기 히트싱크 소재의 표면에 산화물 및 금속간화합물(intermetallic compound) 형태가 형성된다. 이때, 전해액, 인가 전압, 인가 전류밀도 및 인가 주파수를 적절히 조정함으로써, 원하는 코팅층의 두께나, 소재의 표면저항, 및 평균표면조도를 갖도록 할 수 있다.

상기 전극의 재료는 일반적으로 부식에 강하고, 전기화학적으로 안정한 재료가 사용되며, 대표적 재료로서 스테인리스강이 있으며, 티타늄 혹은 흑연이 전극재료로 이용되기도 한다. 본 발명에서는 스테인리스강을 전극 재료로 이용하였으며, 대향되는 전극에 해당되는 것이 상기 원하는 형상으로 가공된 히트싱크의 소재이다. 전류의 형태를 교류로 사용할 경우에는 각각의 전극의 극성이 정해지지 않으며, 직류로 사용할 경우에는 스테인리스를 음극으로 사용하고, 상기 원하는 형상으로 가공된 히트싱크의 소재를 양극으로 사용한다.

상기 전해액은 기본적으로 소량의 강알칼리성 수용액 및 산화물층의 한 성분으로서 역할을 할 수 있는 모든 종류의 수용성 염 중의 하나 또는 그 이상의 조합으로 이루어진다. 본 발명에 따른 상기 전해액은 수산화칼륨(KOH)과 규산나트륨(Na₂O-nSiO₂, n=1~4)를 함유하는 것이 바람직하다. 수산화칼륨 대신 수산화나트륨(NaOH)과 같은 강알칼리성 용질을 이용할 수도 있으며, 그 함량은 0.1~100 g/L 정도인 것이 좋다. 여기서, 규산나트륨 대신 알루민산나트륨(Na₂AlO₃)과 같은 약 알칼리성 용질을 이용할 수도 있고, 그 함량은 0.1~50 g/L 가 좋으며, 보다 적절하게는 3~10 g/L가 바람직하다.

상기 전해액 중에서 상기 히트싱크의 소재 표면에 코팅층을 형성시키기 위해서는 서로 다른 극성을 갖는 상기 히크싱크의 소재와 전극 사이에 교류 혹은 직류의 전류를 흘려주면 된다. 이때 인가되는 전압과 전류 밀도 및 인가 주파수를 적절히 조정하면 상기 표면저항이 0.1 내지 10 Ω/□ 이고, 동시에 평균표면조도가 0.1 내지 10 ㎛인 표면처리 층을 얻을 수 있다. 이때 적정한 인가전압은 50 ~ 150 V 사이에 존재하며, 보다 적절하게는 70 ~ 100 V 범위에 있다. 적정한 인가 전류 밀도는 0.1~30 A/dm²의 범위에 있는 것이 좋으며, 보다 적절하게는 0.2~3 A/dm² 범위에 있는 것이 좋다. 인가되는 주파수는 인가 전류가 교류일 경우에는 보통 30 Hz ~1 GHz 이하인 것이 좋으며, 더욱 좋게는 50~700 Hz 범위가 좋다. 인가 전류가 직류일 경우에는 보통 60 Hz를 이용하여도 좋으나, 펄스파 형태의 인가 전류를 가질 경우에는 최대 1 GHz의 높은 주파수를 이용할 수도 있다. 상기 가해지는 전류의 파형은 정방향의 전류 파형과 역방향의 전류 파형이 시간의 경과와 더불어 교대로 나타나도록 조정하며, 정방향 전류파와 역방향 전류파의 각각의 유지 시간과 진폭을 적절히 조정할 수도 있으며, 전류파와 전류파 사이에 전류가 전혀 흐르지 않게 하는 휴지시간을 둘 수도 있다. 이때, 가해지는 전류파의 모양은 정현파 외에도 삼각파, 사각파, 톱니파 혹은 이들의 불규칙한 조합 등을 사용할 수 있다.

위와 같은 방법에 의해 형성된 상기 표면처리에 의해 처리된 표면처리층은, 히트싱크 소재의 표면에 내식성을 갖도록 하면서도 후술하는 무기피막층이 히트싱크 소재의 표면으로부터 박리되지 아니하고 히트싱크 소재의 표면에 밀착되도록 하는 매개체의 역할을 하는 동시에 표면조도를 적정범위로 조절하여 방열되는 표면적을 늘려 방열성능을 향상시키는 역할을 한다.

상기 표면처리하는 단계에서 표면처리가 완료되면 히트싱크의 방열성능과 내식성을 더욱 향상시키고 미려한 외관을 갖게 하기 위하여 상기 표면처리가 완료된 히트싱크의 표면에 무기피막을 형성시킨다.

상기 무기피막은 피도물(표면처리된 히트싱크)과 탱크(혹은 피도물에 대향하는 전극)를 양쪽 전극으로 하고 탱크 내의 수용성 도료 중에 전류를 통해서 피도물에 도막을 입히는 전착 도장을 이용하여 형성시키는 것이 바람직하다.

상기 전착도장은 상기 표면처리된 히트싱크의 표면의 내식성을 보다 향상시키고 동시에 방열성능을 더욱 향상시키기 위하여 실시하는 것으로서, 상기 전착도장의 도장층을 형성시키기 위하여는 먼저 상기 표면처리된 히트싱크를 세정한 후에 전착도장용 도료를 함유한 전해조 내에 침지시킨 후, 상기 표면처리된 히트싱크와 전극 간에 전압을 인가한다. 전압을 인가할 때, 0 ~ 250V 정도의 전압 범위 내에서 승압시키는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0 ~ 150V 전압 범위가 좋으며, 더욱 바람직하게는 0 ~ 120V의 전압 범위가 좋다. 전착 처리시 일정 전압까지의 승압시간은 30초 내지 60초 내에 이루어지며, 전착 처리 시간은 승압시간을 포함하여 3분을 넘기지 않는 게 바람직하다. 전착 처리시 사용하는 도료는 양이온성 도료와 음이온성 도료의 두가지 모두를 사용할 수 있으며, 내식성이 우수한 양이온성 에폭시계 도료를 사용하는 것이 바람직하지만, 목적에 따라 양이온성 아크릴계 도료나 음이온성 에폭시계 도료 등과 같은 모든 종류의 전착 도장용 도료를 이용할 수도 있다. 전착 도장 공정이 완료되면, 수세에 의한 세정 공정을 거친 후, 150 ℃ 내지 185 ℃의 온도에서 건조하면 원하는 전착도장 공정이 완료된다.

이와 같은 전착도장을 통해 얻어진 무기피막층은 히트싱크의 방열성능을 더욱 향상시키며 동시에 내식성을 향상시키는 역할을 할 뿐만 아니라, 상기 무기피막을 형성하는 단계 후에 원하는 색상의 도장층을 형성하는 단계가 더 수행될 때 상기 도장층의 밀착성을 향상시키는 역할을 수행하게 된다. 상기 원하는 색상의 도장층은 일반적인 스프레이 도장법을 이용하여 수행할 수 있으며, 이때, 상기 스프레이 도장은 종래의 방법과는 달리 1회의 스프레이 도장만을 실시한다 하더라도 도장층의 박리가 일어나지 않게 된다.

다음은 본 발명에 따른 실시예 및 비교예로서, 각 실시예 및 비교예에서 선정한 히트싱크용 재질은 AZ91D 마그네슘 주조합금과 ADC12 다이캐스팅용 알루미늄 합금이며, 모든 시편은 40mm x 40mm x 2mm 크기로 주조하여 제작하였다.

<실시예 1>

O 재질 : AZ91D (마그네슘 주조합금)

O 표면처리 층 형성 조건

- 표면처리 방법 : PEO

- 전해액 조성: KOH 5g/l + Na₂O-SiO₂ 8 g/l + 증류수

- 전원조건: 전류밀도 1.8 A/dm², 최종 인가 전압 120 V AC

O 무기피막 층 형성 조건

- F1 : F2 (Nv=1:3) 백색 아크릴계 수지

- 전압 범위 : 0 ~ 100 V DC

- 인가 전압 : 100 V DC

- 인가전압까지의 승압시간 : 55초

- 총 공정 시간(승압시간 포함) : 150초

<비교예 1>

O 재질 : AZ91D (마그네슘 주조합금)

O 표면처리 층 형성 조건

- 표면처리 방법 : 미실시

O 스프레이도장 층 형성 조건

- 백색 아크릴계 소부도장용 페인트

- 도장 방식 및 횟수 : 스프레이도장/4회(4-coating)

- 건조 온도/시간 : 150 ^oC, 1시간/1회

- 총 공정시간 : 4 hrs

<비교예 2>

O 재질 : AZ91D (마그네슘 주조합금)

O 표면처리 층 형성 조건

- 표면처리 방법 : 샌드블라스트(습식)

- 블라스트 미디어 : 금강석 분말 (80mesh)

- 분사압력/시간: 7 kg/cm² / 60초

O 스프레이도장 층 형성 조건

- 백색 아크릴계 소부도장용 페인트

- 도장 방식 및 횟수 : 스프레이도장/4회(4-coating)

- 건조 온도/시간 : 150 ^oC, 2시간/1회

- 총 공정시간 : 4 hrs

위의 실시예 및 비교예에 따른 시편에 대하여, 내식성 시험은 ASTM B117에 규정된 방법에 의하여 72시간 동안 중성 염수 분무시험을 행하였으며, 방열성능 시험은 KICM FIS-1005 시험 규격에 의하여 조명기기용 LED 히트싱크의 허용 최고온도인 60^oC에서의 열방사율을 측정하였다. 이와 함께, 실시예의 경우 표면처리층과 무기피막층간의 도막 밀착성 측정과, 비교예의 표면처리층과 스프레이 도장층간의 도막밀착성 측정을 위해 ISO 2409에 규정된 시험 절차에 따라, 크로스 컷팅(X-cutting) 시험을 행하였다.

상기 시험결과를 분석하여 보면, 위의 표 1에서 보는 바와 같이, 모든 실시예들은 부식이 전혀 일어나지 않은 반면, 표 2에서 보는 바와 같이, 비교예들에서는 일부 부식현상이 발생하였으며, 방열성능에 있어서는 실시예들의 경우 85%(=0.850) 이상의 높은 방사율을 나타내는 반면, 비교예의 경우 최대 66.5%(=0.665)에 불과하여 상대적으로 실시예의 경우에 방열성능이 우수한 것으로 나타났다. 또한 도막 밀착성에 있어서도, 실시예의 경우, 가장 우수한 등급인 0 등급(100개의 도막조각 중에서 단 1개의 도막도 벗겨지 않은 경우)에 해당하는 결과를 나타내었지만, 비교예들의 경우에는 실시예에 비해 도막밀착성이 약한 1 등급(100개의 도막조각 중에서 5개 이하의 도막만 벗겨지는 경우)에 해당하는 결과를 얻었다.

한편, 위의 실시예와 비교예에서 표면처리층의 두께와 최종 외관 도막층의 두께를 합한 결과를 살펴 보면, 실시예들의 경우 20 ~35 ㎛ 의 두께를 가지고 있고, 비교예들의 경우 75~ 90 ㎛의 두께를 가지고 있는데, 표 1 및 표 2에서 보는 바와 같이 1/3 정도의 도막 두께로도 기존의 표면처리 방법에 비하여 월등히 우수한 성능을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 기술하기로 한다.

도 1은 히트 싱크의 모양을 나타낸 도면이다.

히트 싱크(20)의 단면을 확대하여 살펴보면, 가장 아래는 표면처리된 히트싱크 베이스(21)가 존재하며, 그 다음은 무기 피막층(22), 그리고 그 다음은 방열 도료 코팅층(23)이 존재함을 보이는 도면이다.

이때, 히트싱크 베이스(21) 표면 처리 조도는 0.1 ~ 10 ㎛ 이고, 무기 피막층은 20 ~35 ㎛ 두께를 가지며, 도료층은 60 ㎛ 이내 정도의 값을 갖는 것이 적당하다.

도 2와 도 3은 히트싱크에 코팅된 방열 도료 단층의 모양을 더 상세히 나타낸 도면이다.

도 2는 내부층(52)은 상부층(51)과 하부층(53)보다 금속 입자의 밀도가 더 높음을 보이고 있게 된다.

그리고, 내부층의 두께는 35μm(오차범위 프러스 마이너스 2-3 μm)이고, 상부층과 하부층의 두께는 7.5 μm(오차범위 프러스 마이너스 1-2 μm)이다. 즉, 두껍게 형성된 내부층에 금속 입자의 밀도를 높게 하므로서 방열도료 전체적으로는 금속 입자의 함량이 높아지게 된다.

종래에 통상 도료의 두께는 30 - 50 μm 이고, 고체 입자의 함?은 60 % 정도이다. 하지만, 본 발명에서 내부층의 두께가 35 μm 에서 고체 입자의 함량은 85 % 이고 상부층과 하부층의 두께는 7.5 μm 고체 입자의 함량은 50% 라면,

"0.7 x 85 + 0.3 x 50 = 74.5“ 가 된다.

즉, 도료의 접착성은 그대로 유지하면서 도료층 젼체에서 볼 때 74.5%의 고체 입자의 함량을 갖게 되어 그 만큼 열전도성이 증가된다.

또 한예로, 내부층의 두께가 24 μm이고, 상부층과 하부층의 두께가 각각 3 μm임며 각각 고체 입자의 함량은 상기와 같다면, 이때 상부층과 하부층에서 고체 입자의 크기는 1 μm 정도가 적당하다.

“(24/30) x 85 + (6/30) x 50 = 68 + 10 = 78” 가 된고, 78 % 가 함량이 된다.

즉, 3 개 층으로 하므로서. 고체 입자의 함량을 30%까지 증가 시키면서 도료의 접착력은 그대로 유지시킬 수가 있는 것이다. 그리고, 고체 입자의 함량이 증가 된 만큼 방열 도료의 방열성이 더 높아지게 되는 것이다.

도 3은 방열성을 더 높이기 위한 실시예의 도면으로. 금속 입자가 원형으로만 존재할 수도 있지만 판상형으로 존재할 수도 있게 된다. 그리고, 판상형으로 존재하게 되면, 적외선 방출의 효과가 증가되는 것은 당연하다.

LED 램프에서 외부 케이스에 열이 전달되는 방향은 외부 케이스 판과 직각 방향이므로, 판상형으로 존재하면 열이 전달되는 방향으로 적외선 방출이 증가되므로 결과적으로 방열효과가 증가되게 되는 것이다.

하지만, 판상형 금속 입자는 접착력이 떨어지게 된다. 따라서 접?력이 떨어지는 판형 금속 입자는 내부층에 존재하도록 하는 것이다. 또한 내부 층에 판형 입자가 존재할 때에도 판형 입자만으로는 접착력을 약해질 수 있으므로, 구형 입자를 혼합하게 된다.

따라서, 상기 내부층에서 판형 입자와 구형 입자의 비는 3: 1에서 10: 1 정도의 비로 판형 입자를 많이 사용하지만, 접착력을 위해 구형 입자를 일부 함유하는 형태를 취하게 되는 것이다.

즉, 판형 입자를 사용하여 열 방사율을 높이면서 엘이디 램프 외부 케이스에 도료의 접착력도 증가시키는 효과를 갖게 되는 것이다.

도 4는 방열 도료를 형성하는 방법에 대한 실시예의 도면이다.

도면에서처럼 노즐(3)을 통해 분사가 일어나며, 표면 처리가 되고, 무기 피막이 형성된 히트 싱크(20)에 노즐로 방열 도료를 코팅함을 보이는 실시예이 도면인 것이다.

그리고, 본 발명에서 히트싱크(20)는 도면에서 보는 것처럼 다수개의 핀(Fin)이 형성되고, 공기와의 접촉 면적을 늘여 열 방출 효과를 늘이도록 만들어진 통상의 히트 싱크를 이야기 하는 것이다.

그리고, 도면에서 편의상 엘이디 램프는 도시 생략하였지만, 상기 히크 싱크가 엘이디 램프의 외관에 형성되는 것이다,

도 5 과 도 6은 방열판의 설계 구조를 나타낸 실시예의 도면이다.

도 5에서처럼 방열판(20)과 방열판(20) 사이의 간격(C)는 램프의 크기에 따라 차이가 나겠지만, 보통은 엘이디 램프 본체의 두께 B 룰 기준으로 할 때, 1/4 이에서 1 이하가 되는 것이 좋다.

그리고 방열판의 높이 A는 B(본체)의 1/2에서 2배 정도 이내가 좋다. 방열판이 너무 작으면 방열효과가 떨어지고 너무 크면 엘이디 램프의 외관이 좋지 않게 되기 때문이다.

또한 방열판의 폭 T는 1- 5mm 사이가 적당하다.

도 6은 방열판(20) 한 개(이하 방열핀이라고 함)를 나타낸 도면으로, 방열판을 경사 구조로 하였다. 상기와 같이 경사 구조로 하므로서 방열판의 면적을 더 크게 하여 공기와의 접촉 면적을 증가시키는 효과를 갖는다.

이때, 경사도를 나타내기 위해 방열핀(20) 아래의 폭(T)과 방열판 위쪽의 폭(T1)의 비율을 정할 수 있으며, T1/T의 비가 0.1 이상 1 이하가 되는 것이 적당하다.

특히 본 발명에서는 적외선 방사 효과가 극대화된 무기 피막층이 형성된 방열판을 제공하는 것이 그 목적이며, 상기와 같이 경사구조를 갖는 방열핀(여러개의 방열핀이 모여 방열판을 이룸)이 구비되므로서, 적외선 방사 면적을 높이는 효과를 갖게 된다.

20 : 히트 싱크 21 : 히트 싱크 베이스
22 : 무기 피막층 23 : 방열 도료 코팅층
51 : 상부층 53 : 하부층

Claims (4)

1. 방열도료가 코팅된 LED 램프에서, 상기 램프에는 열을 방출하기 위한 히트 싱크가 구비되고,
   상기 히트싱크에 표면처리를 하고, 또한 무기피막을 형성하고, 상기 무기 피막이 형성된 표면 위에 방열 도료를 더 코팅하고,
   상기방열 도료에는 세라믹 혹은 금속의 고체 입자가 포함되는 것을 특징으로 하는 엘이디 램프에서 세라믹을 코팅한 히트싱크.
2. 제1항에 있어서, 상기 고체 입자는 세라믹, 알루미늄(Al), 아연(Zn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 주석(Sn) 등의 산화물, 유화물, 카바이드나 흑색의 금속 미분 혹은 카본블랙 중에서 하나를 사용하거나 혹은 두 개 이상을 혼합 사용하는 것을 특징으로 하는 엘이디 램프에서 세라믹을 코팅한 히트싱크.
3. 제1항에 있어서, 상기 외부 케이스에 코팅된 방열 도료의 코팅 두께는 50 - 60 ?이고, 전체 도료의 무게를 기분으로 해서 평균 고체 입자의 비율도 50 - 78 % 인 것을 특징으로 하는 엘이디 램프에서 세라믹을 코팅한 히트싱크.
4. 제1항에 있어서, 상기 코팅된 방열 도료는 내부층 하부층 상부층의 세 개 층으로 구비되고, 내부층의 고체 입자의 비율이 하부층이나 상부층보다 더 높거나, 내부층에 판형 구조의 고체 입자를 함유하는 것을 특징으로 하는 엘이디 램프에서 세라믹을 코팅한 히트싱크.

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