KR20160047384A - Led용 방열판, 자동차 헤드램프, 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Led용 방열판, 자동차 헤드램프, 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

히드록시 작용기(-OH)를 함유하는 금속박막, 및 상기 금속박막의 적어도 일면에 위치하고, 친수성 작용기를 함유하는 탄소나노튜브를 포함하는 코팅층을 포함하고, 상기 히드록시 작용기와 상기 친수성 작용기는 수소결합으로 결합되어 상기 코팅층이 상기 금속박막에 부착된 LED용 방열판, 자동차 헤드램프, 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

LED용 방열판, 자동차 헤드램프, 및 이의 제조 방법{COOLING DEVICE FOR LIGHT EMITTING DIODE, HEAD LAMP FOR AUTOMOBILE AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 LED용 방열판과 이를 포함하는 자동차 헤드램프, 그리고 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 알려진 바와 같이, 열을 많이 발생하는 전자 부품에는 이동통신 중계기의 HPA (High Power Amplifier)와 LPA (Linear Power Amplifier), 개인용 컴퓨터의 CPU (Central Processor Unit), 서버급 워크스테이션의 MPU(Multiple Processor Unit), 중계 기지국의 PAU (Power Amplifier Unit) 등이 있다. 이러한 전자 부품들은 최대의 부하로 동작할 때 발생되는 열로 인해 그 표면 온도가 상승함과 아울러 전자 부품의 과열 현상으로 인해 전자 부품들의 오동작 및 파손 가능성이 매우 커지게 된다.
상술한 오동작과 파손 가능성을 미연에 방지하고자 열을 전자장비에서 배출하도록 하는 장치에는 대표적인 구성으로서, 방열핀을 이용하여 열원에서 발생된 열을 배출하도록 하는 핀히트싱크(Fin Heat Sink)와, 열원에서 발생된 열을 모세관구조로 통하여 외부로 이동시켜서 배출하도록 하는 히트파이프(Heat Pipe)를 이용하는 방법이 주로 사용되고 있다.
그러나, 핀히트싱크의 경우, 방열면적을 극대화하기 위해서는 핀의 밀도를 높이거나 또는 방열핀의 길이나 크기를 늘려야 하는데, 핀의 밀도를 높이면 냉각 효율이 저하되고, 방열핀의 길이나 크기를 늘리면 방열판도 커지므로 제조 비용이 증가하게 된다.
또한, 히트파이프의 경우 기본적으로 설비 확충 등에 필요한 제반 비용이 고가이므로, 대량 생산이 어렵다.
일 구현예는 가볍고 냉각 성능이 향상된 LED용 방열판을 제공하는 것이다.
다른 일 구현예는 상기 LED용 방열판을 포함하는 자동차 헤드램프를 제공하는 것이다.
또 다른 일 구현예는 저비용, 고효율의 방법으로 상기 방열판을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현예에서는 히드록시 작용기(-OH)를 함유하는 금속박막, 및 상기 금속박막의 적어도 일면에 위치하고, 친수성 작용기를 함유하는 탄소나노튜브를 포함하는 코팅층을 포함하고, 상기 히드록시 작용기와 상기 친수성 작용기는 수소결합으로 결합되어 상기 코팅층이 상기 금속박막에 부착된 LED용 방열판을 제공한다.
일 실시예에서, 상기 수소결합의 결합 에너지는 15 KJ/mol ~ 40 KJ/mol 일 수 있다.
상기 친수성 작용기는 카르복시 작용기(-COOH)일 수 있다.
상기 코팅층의 두께는 10 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다.
상기 탄소나노튜브의 평균 직경은 10 nm 내지 30 nm 일 수 있다.
상기 탄소나노튜브의 평균 길이는 1 ㎛ 내지 20 ㎛일 수 있다.
상기 금속박막은 알루미늄, 철, 구리, 니켈, 은, 주석, 아연, 텅스텐, 및 이들의 조합에서 선택될 수 있다.
상기 금속박막은 복수개의 돌출된 방열핀을 더 포함할 수 있다.
상기 방열핀은 알루미늄, 철, 구리, 니켈, 은, 주석, 아연, 텅스텐, 및 이들의 조합에서 선택될 수 있다.
다른 일 구현예에서는 상기 LED용 방열판을 포함하는 자동차 헤드램프를 제공한다.
상기 자동차 헤드램프는 냉각팬을 더 포함할 수 있다.
또 다른 일 구현예에서는 탄소나노튜브를 산화시키는 단계; 상기 산화된 탄소나노튜브를 중화시킨 후, 초음파 처리하여 탄소나노튜브 분산액을 제조하는 단계; 및 상기 탄소나노튜브 분산액에 금속박막을 담그고, 가열하여 금속박막 상에 상기 탄소나노튜브를 코팅하는 단계를 포함하는 상기 LED용 방열판의 제조방법을 제공한다.
상기 분산액은, 소듐 도데실 설페이트, 리튬 도데실 설페이트, 트리톤-x, 및 이들의 조합에서 선택된 분산제를 더 포함할 수 있다.
상기 가열은, 150 W/cm2 내지 400 W/cm2의 열용량으로 30분 내지 2시간 동안 가열함으로써 수행될 수 있다.
상기 히드록시 작용기와 상기 친수성 작용기가 수소결합으로 결합되어 상기 코팅층은 상기 금속박막에 부착된다.
본 발명의 구현예에 따른 LED용 방열판은 가볍고, 높은 열전도도로 인하여 냉각 특성이 우수하다.
도 1은 화학 처리되지 않은 탄소나노튜브와 관능기화 된 탄소나노튜브를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2 및 도 3은 관능기화 된 탄소나노튜브의 주사전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscopy) 사진이다.
도 4는 실시예 1과 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 방열판에 대하여 냉각 성능을 평가한 결과를 전력에 대한 온도 변화로 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 2와 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 방열판에 대하여 냉각 성능을 평가한 결과를 전력에 대한 온도 변화로 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 1에서 제조된 방열판에 대하여, 방열핀의 바닥온도 (Tbase)와 끝단온도(Ttip) 차이(ΔT)의 변화를 시간에 대하여 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
일 구현예에 따른 LED용 방열판은 히드록시 작용기(-OH)를 함유하는 금속박막, 및 상기 금속박막의 적어도 일면에 위치하고, 친수성 작용기를 함유하는 탄소나노튜브를 포함하는 코팅층을 포함하고, 상기 히드록시 작용기와 상기 친수성 작용기는 수소결합으로 결합되어 상기 코팅층이 상기 금속박막에 부착될 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 무게가 가벼우며, 높은 길이/직경 비를 가지고 있어 단위면적당 표면적이 매우 크고 물리적으로는 강철의 약 100배에 달하는 강도를 지니면서 화학적으로도 안정한 특성을 지닌다. 특히, 탄소나노튜브의 열전도도는 1600~6000W/mK로서, 구리(열전도도: 약 400W/mK)나 알루미늄(열전도도: 약 205W/mK)에 비해 수십에서 수백 배 우수하다. 따라서, 표면적과 열전도도가 기존의 재료에 비해 매우 큰 탄소나노튜브가 금속박막의 적어도 일면에 포함되는 경우, 탄소나노튜브가 위치하는 표면을 통한 열교환 효율을 높일 수 있다.
상기 수소결합의 결합 에너지는 약 15 KJ/mol 내지 40 KJ/mol 일 수 있다.
구체적으로, 수소결합으로 유도된 정전기적 인력에 의해 별도의 접착층 없이도 작용기 간 강한 결합을 형성할 수 있다.
이로 인하여 별도의 접착층 형성을 위한 추가의 공정과 별도의 접착층이 요구되지 않으므로, 공정의 단순화와 방열판의 경량화가 가능해 진다.
상기 결합 에너지는 구체적으로 15 KJ/mol 내지 40 KJ/mol 일 수 있다.
상기 친수성 작용기는 가장 구체적으로 카르복시 작용기(-COOH)일 수 있다.
상기 코팅층의 두께는 10 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다.
코팅층의 두께가 10 ㎛ 미만인 경우, 금속박막이 탄소나노튜브 코팅층으로 코팅되지 않은 부분이 존재할 수 있어 열 발산이 균일하게 이루어지지 않을 수 있고, 코팅층의 두께는 반응 시간에 비례하며, 일정 시간 이상에서는 코팅층의 두께가 포화되어 100 ㎛를 초과하지 않는다.
구체적으로는 10 내지 50 ㎛, 더욱 구체적으로는 10 내지 30 ㎛일 수 있다.
상기 금속박막은 열전도율이 높은 금속으로 이루어진 것이면 가능하고, 순수 금속 또는 합금을 포함할 수 있다. 구체적으로 알루미늄(Al), 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 은(Ag), 주석(Sn), 아연(Zn), 및 텅스텐(W) 등으로부터 선택된 1종의 금속으로 된 순수 금속이거나, 상기 금속들 중에서 2종 이상이 선택되어 구성된 합금이 사용될 수도 있다. 구체적으로는, 비용, 중량 및 열전도도 등에서 유리한 알루미늄, 구리, 및 주석으로부터 선택된 순수 금속 또는 이들의 합금이 사용될 수 있으며, 더 구체적으로는 순수 알루미늄 또는 알루미늄을 주재료로 한 알루미늄 합금 박막이 사용될 수 있다.
상기 금속박막의 두께는 전자제품에 따라서 자유롭게 설정될 수 있으며, 바람직하게는 0.01 mm 내지 5.0 mm 범위의 두께가 바람직하다. 더욱 구체적으로, 노트북용으로는 0.1 mm 이하의 두께, 즉 0.01 mm 내지 0.1 mm 범위의 두께를 가지는 금속박막이 바람직하며, 플라즈마 디스플레이용으로는 0.1 mm 이상의 두께, 즉 0.1 mm 내지 5.0 mm 범위의 두께를 가지는 금속박막이 바람직하다.
상기 금속박막은 표면적을 넓혀 열전달 효율을 극대화하기 위해 평면의 금속박막을 변형시켜 복수개의 돌출된 방열핀을 더 포함하는 형태일 수 있다. 상기 방열핀은 금속박막과 동일한 재질인 알루미늄, 철, 구리, 니켈, 은, 주석, 아연, 텅스텐 등에서 선택된 재료로 이루어질 수 있다.
다른 일 실시예에 따른 자동차 헤드램프는 상기 LED용 방열판을 포함할 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따른 LED용 방열판의 제조 방법은,
탄소나노튜브를 산 수용액 내에서 산화시키는 단계; 상기 산화된 탄소나노튜브를 중화시킨 후, 초음파 처리하여 탄소나노튜브 분산액을 제조하는 단계; 및 상기 탄소나노튜브 분산액에 금속박막을 담그고, 가열하여 금속박막 상에 상기 탄소나노튜브를 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 공정이 복잡한 양극산화처리 방법 대신에 산 처리 및 수용액에서 가열하는 방법에 의해 냉각 효율이 향상된 방열판을 제조할 수 있다.
탄소나노튜브는 단일벽 나노튜브(Single-wall Nanotube), 다중벽 나노튜브(Multi-wall Nanotube), 다발형 나노튜브(Rope Nanotube), 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 직경 10 nm 내지 30 nm, 길이 1 ㎛ 내지 20 ㎛인 탄소나노튜브를 사용하였다.
상기 탄소나노튜브의 직경은 구체적으로 10 내지 20 nm, 더욱 구체적으로는 10 nm 내지 15 nm 일 수 있고,
상기 탄소나노튜브의 길이는 구체적으로 1 내지 10 ㎛, 더욱 구체적으로는 1 ㎛ 내지 5 ㎛일 수 있다.
탄소나노튜브를 산 수용액 내에서 산화시킴으로써, 탄소나노튜브를 관능기화(functionalization) 시킬 수 있다. 즉, 탄소나노튜브의 표면에 친수성 작용기가 생성되어 금속박막의 표면에 흡착이 잘 이루어질 수 있다.
상기 알루미늄 표면의 히드록시 작용기와 비공유성 수소결합을 형성하는 친수성 작용기로서 카르복시 작용기를 들 수 있다.
상기 산 수용액의 pH를 1 내지 2로 조절함으로써, 탄소나노튜브의 표면에 친수성 작용기의 생성을 최적화할 수 있다.
관능기화 된 탄소나노튜브 분말은 상기 탄소나노튜브 산 수용액을 pH 7 이하가 되도록 중화한 후, 증류 및 건조함으로써 얻을 수 있다.
관능기화된 탄소나노튜브 분말을 수용액 상에서 균일하게 분산시키기 위하여 상기 분산액은 분산제를 더 포함할 수 있다.
상기 분산제로는 소듐 도데실 설페이트, 리튬 도데실 설페이트, 트리톤-x, 및 이들의 조합에서 선택될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 가장 구체적인 예로는 소듐 도데실 설페이트를 들 수 있다.
이 때, 관능기화된 탄소나노튜브와 분산제의 농도는 각각 100 wppm 일 수 있다. 즉, 상온에서 물의 질량이 1g/ml임을 가정하면, 상기 관능기화된 탄소나노튜브 및 분산제는 각각 물 1L당 100 mg이 사용될 수 있다.
관능기화된 탄소나노튜브와 분산제가 상기 비율로 혼합될 경우, 탄소나노튜브가 금속박막 상에 균일하고 단단하게 부착될 수 있다.
적용 가능한 초음파(ultrasonification)의 조건은 관능기화된 탄소나노튜브에 손상을 주지 않은 조건으로, 일반적으로 40 KHz 내지 60 KHz 정도의 세기에서 1시간 정도면 충분하다.
한편, 상기 분산 용액에서 분산질인 관능기화된 탄소나노튜브가 분산매인 물에 균일하게 분산된 경우, 용액은 검은색일 수 있다.
금속박막 상에 탄소나노튜브를 코팅하는 단계는, 금속박막을 상기 분산 용액에 담근 상태에서 그대로 가열함으로써 수행될 수 있다. 이 때, 가열은 150 W/cm2 내지 400 W/cm2의 열용량으로 30분 내지 2시간 동안 수행될 수 있으며, 일 실시예에 따르면 200W/cm2의 열용량으로 약 1시간 가량 수행할 수 있다.
가열 조건이 상기와 같은 경우, 원하는 두께의 코팅층을 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방열판의 제조 방법은 탄소나노튜브를 관능기화 시킨 후, 수용액 상에서 가열함으로써 이루어지는 것으로써 제조 공정이 단순하고 제조 비용이 절감될 수 있다. 이 제조방법은 탄소나노튜브 코팅을 위해 금속박막 상에 전처리 등의 추가 공정이 요구되지 않아 단순화된 공정만으로도 효과적으로 냉각 효율이 향상된 방열판을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 방열판 구조는 노트북을 포함하는 컴퓨터 냉각장치(CPU 냉각장치, 그래픽 카드 냉각장치, 방열핀, 히트파이프 자체 냉각)뿐 아니라, 압축 및 응축을 통하여 열을 방출하는, 예를 들면 에어컨디셔너, 기계 장치에도 동일하게 적용될 수 있다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 하기한 실시예는 본 발명의 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예)
합성예 1: 화학처리된 CNT의 제조
36 % 염산(hydrochloric acid)과 함께 MWCNTs(Multi-walled CNTs)을 혼합하고, 중화한 뒤, 12 시간 동안 증류 및 건조하여 관능기화된 CNT를 제조하였다.　
상기 관능기화된 CNT를 글라인딩한 후, 100 wppm SDS(sodium dodecyl sulphate) 수용액에　100 wppm　관능기화된 CNT를 넣고 초음파 처리를 통해 1 시간　동안 혼합하여 관능기화된 CNT-SDS 분산 용액을 제조하였다.
실시예 1: CNT 증착된 방열판의 제작
알루미늄 방열판을 상기 합성예 1에서 제조된 관능기화된 CNT-SDS 분산 용액에 담그고, 약 200 W/cm2의 열용량을 가하여 1시간 동안　가열한 후, 꺼내어 증류수로 세척하여 방열판을 제작하였다.
상기 제작된 방열판으로 냉각 성능을 평가하였다.
실시예 2: 냉각팬이 설치된 방열판의 제작
상기 실시예 1에 따른 방열판을 냉각판이 설치된 장치에서 함께 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 방열판의 냉각 성능을 평가하였다.
비교예 1: 표면처리되지 않은 방열판의 제작
알루미늄 방열판을 별도의 처리 없이 사용하였다.
비교예 2: T HMG
현대자동차에서 양산되고 있는 알루미늄 아노다이징 법으로 표면처리하여 제작된 방열판을 사용하였다.
평가예 1: 방열판의 냉각 성능 평가
실시예 1, 실시예 2, 비교예 1, 및 비교예 2에 따른 방열판에 대하여 냉각 성능을 평가하여 그 결과를 도 4 및 도 5에 나타내었다.
도 4는 실시예 1과 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 방열판에 대하여 냉각 성능을 평가한 결과를 인가 전력에 대한 온도 변화로 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 2와 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 방열판에 대하여 냉각 성능을 평가한 결과를 인가 전력에 대한 온도 변화로 나타낸 그래프이다.
방열판 내 방열핀의 바닥온도를 Tb =124℃, 대기온도를 T0 = 25℃ (대기온도)로 설정하고, 인가 전력에 대한 방열핀의 바닥온도와 끝단온도의 차(ΔT= Tb-Ttip)를 측정하여 그래프로 나타내었다.
인가 전력에 대한 ΔT가 클수록 열 전달이 효과적으로 이루어짐을 의미한다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 인가 전력에 대한 온도 차(ΔT)가 실시예 1 및 실시예 2의 경우, 비교예 1 및 비교예 2에 비해 높음을 알 수 있다. 특히 알루미늄 아노다이징 법으로 표면처리하여 제작된 방열판에 대비 실시예 1의 경우 18% 내지 27%, 실시예 2의 경우 17% 내지 38%정도 냉각 성능이 향상되었음을 알 수 있다. 즉, 방열핀의 바닥온도(Tbase)와 끝단온도(Ttip)의 차이가 큰 결과로부터 실시예 1 및 2에 따른 방열판의 열 발산 효율이 더욱 우수함을 확인할 수 있다.
평가예 2: 방열판의 냉각 안정성 평가
실시예 1에 따른 방열판이 장시간 동일한 성능의 냉각 특성이 유지되는지 여부를 평가하기 위하여 0.29 W의 전력으로 250 시간 동안 냉각 성능을 평가한 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6은 실시예 1에서 제조된 방열판에 대하여, 방열핀의 바닥온도 (Tbase)와 끝단온도(Ttip) 차이(ΔT)의 변화를 시간에 대하여 나타낸 그래프이다.
도 6을 참고하면, 오차 범위 ± 0.18 K를 가지고 ΔT의 평균값이 약 9.25 K으로 유지되는 것을 확인할 수 있다.

Claims (14)

  1. 히드록시 작용기(-OH)를 함유하는 금속박막, 및
    상기 금속박막의 적어도 일면에 위치하고, 친수성 작용기를 함유하는 탄소나노튜브를 포함하는 코팅층을 포함하고,
    상기 히드록시 작용기와 상기 친수성 작용기는 수소결합으로 결합되어 상기 코팅층이 상기 금속박막에 부착된 LED용 방열판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수소결합의 결합 에너지는 15 KJ/mol 내지 40 KJ/mol 인 LED용 방열판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 작용기는 카르복시 작용기(-COOH)인 LED용 방열판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층의 두께는 10 ㎛ 내지 100 ㎛인 LED용 방열판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브의 평균 직경은 10 nm 내지 30 nm인 LED용 방열판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브의 평균 길이는 1 ㎛ 내지 20 ㎛인 LED용 방열판.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속박막은 알루미늄, 철, 구리, 니켈, 은, 주석, 아연, 텅스텐, 및 이들의 조합에서 선택된 금속의 박막인 LED용 방열판.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 금속박막은 복수개의 돌출된 방열핀을 더 포함하는 형태인 LED용 방열판.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 방열핀은 알루미늄, 철, 구리, 니켈, 은, 주석, 아연, 텅스텐, 및 이들의 조합에서 선택된 것인 LED용 방열판.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 LED용 방열판을 포함하는 자동차 헤드램프.
  11. 제10항에 있어서,
    냉각팬을 더 포함하는 자동차 헤드램프.
  12. 탄소나노튜브를 산 수용액 내에서 산화시키는 단계;
    상기 산화된 탄소나노튜브를 중화시킨 후, 초음파 처리하여 탄소나노튜브 분산액을 제조하는 단계; 및
    상기 탄소나노튜브 분산액에 금속박막을 담그고, 가열하여 금속박막 상에 상기 탄소나노튜브를 코팅하는 단계를 포함하는 LED용 방열판의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 분산액은, 소듐 도데실 설페이트, 리튬 도데실 설페이트, 트리톤-x, 및 이들의 조합에서 선택된 분산제를 더 포함하는 LED용 방열판의 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 가열은, 150 W/cm2 내지 400 W/cm2의 열용량으로 30분 내지 2시간 동안 수행되는 것인 LED용 방열판의 제조 방법.
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