KR20160116813A - 방열판 및 이를 구비하는 조명기기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구성이 간단하여 제작 및 설치가 용이하고, 열방출 경로가 효율적으로 설계되었으며, 우수한 기계적 특성 및 방열성을 나타내는 동시에 조명기구의 무게를 경감시킬 수 있는 방열판 및 이를 구비하는 조명기기에 관한 것이다.

Description

방열판 및 이를 구비하는 조명기기{Heat Sink, and Lighting Device Including The Same}
본 발명은 방열판 및 이를 구비하는 조명기기에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 구성이 간단하여 제작 및 설치가 용이하고, 열방출 경로가 효율적으로 설계되었으며, 우수한 기계적 특성 및 방열성을 나타내는 동시에 조명기기의 무게를 경감시킬 수 있는 방열판 및 이를 구비하는 조명기기에 관한 것이다.
일반적으로 조명 기구는 광원의 빛을 반사, 굴절 또는 투과시켜 밝기를 조절하고 광원을 고정하거나 보호하는 기구를 말하며, 이러한 조명기구는 배광에 따라 간접 조명기구, 반간접 조명기구, 전반확산 조명기구, 반직접 조명기구 및 직접 조명기구로 구분될 수 있고, 사용목적에 따라, 백열등, 형광등, 스탠드, 투광기, 가로등 및 무대용 조명 등으로 분류될 수 있다.
상기에서 살펴본 조명기구 중 일반적으로 가장 많이 사용되는 것으로 백열등이나 형광등을 들 수 있는데, 종래의 백열등이나 형광등은 발광 시, 가시광선의 흘림 현상으로 초점이 흐려져 사용자의 시력을 급속히 저하시킬 수 있고, 높은 전력을 필요로 하며, 수명이 짧다는 문제점이 있었다.
따라서, 최근에는 백열등이나 형광등에 비하여 여러가지 측면에서 유리한 LED(Light Emitting Diode)로 구현되는 LED 조명기기가 개발되어 판매되고 있다. LED란 빛을 발하는 반도체 소자인 발광 다이오드를 말하는 것으로서, 적색, 녹색, 청색, 황색 등의 다양한 색상의 광을 발산한다. 일반적으로, 발광다이오드 즉, LED는 pn접합구조를 가지며 다이오드에 순방향 전류를 인가하면 칩의 n영역에 있는 전자가 전계에 의해 가속되어 p영역으로 이동하게 되고, p영역에는 엑셉터 준위(Acceptor Level) 또는 가전자대 상태의 정공과 재결합하여 칩의 재료에 따라 그 전위차에 상당하는 에너지를 가진 빛이 방사되는데 이러한 현상을 주입형 전계발광이라 하며, 이러한 소자를 LED라고 한다.
LED로 구현되는 램프는 백열등으로 구현되는 종래의 램프에 비하여 약 19%의 소비전력만을 필요로 하며, 형광등으로 구현되는 종래의 램프에 비하여 약 50%의 소비전력만을 필요로 한다. LED램프는 장시간 사용으로도 눈의 피로를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 수명도 백열등 램프에 비하여 약 10배, 형광등 램프에 비하여 약 8배 정도로 긴 장점을 갖는다.
이러한 LED로 구현되는 LED 조명기기는 그 성능이 매우 우수하지만, 한편으로 LED에서 발생하는 열을 적절히 배출하지 못하면 LED나 그 구동회로의 열화를 초래하여 수명이 단축될 수 있다.
이를 해결하기 위해, LED 조명기기에는 열전도도가 우수한 방열판이 부착되어 상기 LED 조명기기에서 발생되는 열이 공기 중으로 배출되도록 설계되는 것이 일반적이다.
여기서, 종래의 LED 조명기기에 구비되는 방열판은, LED 회로기판이 장착되는 방열헤드, 상기 방열헤드에 장착되어 열을 방출시키는 방열판, 및 상기 방열판이 내부에 수용되는 방열캡과 같이, 상기 방열판을 구성하는 각각의 구성요소를 따로 제작한 후 결합하는 방식을 취함으로써, 구성요소가 복잡해 지고, 제작 비용이 많이 소요될 뿐만 아니라 상기 방열판을 상기 LED 조명기기에 설치할 시에도 많은 시간이 소요된다는 문제가 있다.
또한, 상기 방열판을 구성하여 상기 LED 조명기기에서 발생하는 열을 방출시키는 열방출 경로가 효율적으로 설계되지 못함에 따라, 상기 열방출 경로의 표면적이 제한되거나 통풍이 원활하지 않아 방열성이 저하되는 문제가 있다.
또한, 현재 널리 사용되는 방열판 소재는 알루미늄과 같은 금속 소재인데, 이러한 금속 소재의 방열판은 열전도도가 우수하여 방열특성이 뛰어나지만 조명기구의 무게를 증가시켜 조명기구의 경량화 추세에 부합하지 않는 문제가 있다.
따라서, 구성이 간단하여 제작 및 설치가 용이하고, 설치되는 LED 조명기기에서 발생될 수 있는 열을 효율적으로 배출시킬 수 있으며, 더 나아가, LED 조명기기의 무게를 줄여 취급과 설치의 용이성 및 안정성을 확보할 수 있는 방열판의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 조명기구에서 발생되는 열을 효과적으로 배출시킬 수 있도록 열방출 경로의 효율적 설계가 이루어진 방열판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 구성을 간단하게 하여 제작 및 설치가 용이하고 제작비용이 감소된 방열판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 우수한 기계적 특성 및 방열성을 나타내는 동시에 상기 조명기구의 무게를 경감시킬 수 있는 방열판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
전등 기판이 장착되는 하부면 및 하나 이상의 관통홀을 갖는 플레이트 부재, 상기 플레이트 부재의 상기 관통홀과 연결되는 하부홀 및 전등 소켓에 결합되는 전등베이스가 장착될 수 있는 상부홀을 포함하는 배기관 부재, 및 상기 배기관 부재의 내벽 또는 내부에 전체적으로 또는 부분적으로 형성된 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 방열판을 제공한다.
또한, 상기 방열판은, 아래 수학식 1에 따른 등방성 열전도도(K)가 0.5 내지 50 W/m·K 인 것을 특징으로 하는, 방열판을 제공한다.
[수학식 1]
Figure pat00001
상기 수학식 1에서,
kxy는 상기 방열판의 수평 열전도도(In-Plane Thermal Conductivity)이고,
kz는 상기 방열판의 수직 열전도도(Through-Plane Thermal conductivity)이다.
그리고, 상기 수평 열전도도(kxy)는 1.5 W/m·K 이상이고, 상기 수직 열전도도(Kz)는 0.4 W/m·K 이상인 것을 특징으로 하는, 방열판을 제공한다.
여기서, 상기 금속층은 열전도도가 100 W/m·K 이상이며, 녹는점이 800 J/mol?K 이상인 것을 특징으로 하는, 방열판을 제공한다.
이 경우, 상기 금속층은 알루미늄, 구리 및 마그네슘으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 방열판을 제공한다.
또한, 상기 플레이트 부재, 상기 배기관 부재, 또는 이들 모두의 표면에 형성된 하나 이상의 방열핀을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 방열판을 제공한다.
그리고, 상기 방열핀을 제외한 상기 방열판의 두께(T)에 따라, 상기 방열핀은 두께가 0.4T 내지 0.8T mm이고, 높이가 2T 내지 4T mm이며, 상기 방열핀이 복수개인 경우, 복수개의 상기 방열핀은 0.6T 내지 4T mm의 간격으로 이격되어 구비되는 것을 특징으로 하는, 방열판을 제공한다.
여기서, 상기 방열핀은, 상기 플레이트 부재의 상부면 및 상기 배기관 부재의 외측 중 하나 이상에서 직선 형태 및 원형 형태의 선택적 조합에 의해 형성되고, 직선형태의 상기 방열핀은 두께가 0.9 내지 2 mm이고, 높이가 5 내지 15 mm이며, 인접한 다른 직선형태의 방열핀과 2 내지 3 mm의 간격으로 이격되어 형성되고, 원형형태의 상기 방열핀은 두께가 1.2 내지 2.3 mm이고, 높이가 1 내지 10 mm이며, 인접한 다른 원형형태의 방열핀과 5 내지 15 mm의 간격으로 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는, 방열판을 제공한다.
이 경우, 상기 방열판은, 충격강도가 3.0 kgfcm/㎠ 이상이고, 인장강도가 500 kgf/㎠ 이상인 것을 특징으로 하는, 방열판을 제공한다.
또한, 상기 플레이트의 하부면은 직경이 155 내지 175 mm 이며, 상기 배기관 부재의 직경은 20 내지 35 mm 이고, 상기 방열판은 총높이가 70 내지 100mm 인 것을 특징으로 하는, 방열판을 제공한다.
그리고, 상기 배기관 부재는 측면에 하나 이상의 배기홀을 포함하는 것을 특징으로 하는, 방열판을 제공한다.
여기서, 상기 방열판은, 열가소성 고분자 수지와, 탄소나노튜브(Carbon NanoTube), 그래핀나노플레이트(Graphene Nano-Plate) 및 팽창흑연(Expanded Graphite)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 열전도성 첨가제를 포함하는 방열성 고분자 복합소재로부터 형성된 것을 특징으로 하는, 방열판을 제공한다.
이 경우, 상기 방열성 고분자 복합소재는, 상기 열가소성 고분자 수지 100 중량부를 기준으로, 상기 탄소나노튜브 0.1 내지 100 중량부, 상기 그래핀나노플레이트 2 내지 20 중량부 및 상기 팽창흑연 5 내지 30 중량부를 포함하고, 분산제 0.2 내지 5 중량부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 방열판을 제공한다.
또한, 상기 분산제는 탄소수가 10 이상인 포화, 불포화 또는 방향족 형태인 탄화수소 화합물이며, 점도가 10 내지 10,000 cP인 액상의 화합물인 것을 특징으로 하는, 방열판을 제공한다.
그리고, 상기 열가소성 고분자 수지는 폴리카보네이트(Polycarbonate) 수지, 폴리아미드(Polyamide) 수지, 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(Acrylonitrile-butadiene-styrene) 수지, 폴리스티렌(Polystyrene) 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephtalate) 수지, 폴리에틸렌(Polyethylene) 수지, 스티렌아크릴로니트릴(Styrene acrylonitrile) 수지, 셀룰로오스(Cellulose), 폴리술폰(Polysulfone), 스티렌부타디엔스티렌(Styrene-butadiene-styrene) 수지 및 아크릴(Acrylic) 수지로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 방열판을 제공한다.
한편, 상기 방열판을 구성하는 상기 배기관 부재의 상부홀에 결합되는 전등베이스, 상기 방열판을 구성하는 상기 플레이트 부재의 하부면에 장착되는 LED 기판, 및 상기 방열판을 구성하는 상기 플레이트 부재의 하부면에 창작되어 상기 LED 기판을 보호하는 보호커버를 포함하는, LED 조명기기를 제공한다.
그리고, 상기 보호커버의 표면에는 방충 특성을 갖는 물질이 도포된 것을 특징으로 하는, LED 조명기기를 제공한다.
본 발명에 다른 방열판은 분리되는 구성없이 일체화되어 제작될 수 있으므로, 그 구성이 간단하고, 제작 및 설치가 용이하며, 더 나아가, 조명기구의 발광회로에 대한 호환성을 증가시킬 수 있는 효과를 나타낸다.
본 발명에 따른 방열판은 열방출 경로의 공기 중 접촉면적을 효율적으로 설계함으로써, 상기 방열판을 구비하는 조명기기에서 발생될 수 있는 열을 효율적으로 배출시키는 효과를 나타낸다.
본 발명에 따른 방열판은 기계적 성질이 우수한 열가소성 고분자 수지 및 상기 열가소성 고분자 수지에 열전도도를 증가시키는 열전도성 첨가제를 포함하는 방열성 고분자 복합소재로부터 형성됨으로써, 우수한 기계적 성질뿐만 아니라 방열성도 우수한 효과를 나타낸다.
본 발명에 따른 방열판은 금속 소재로 형성된 종래의 방열판에 비해 무게가 경감되어 상기 방열판 등이 사용되는 조명기구 등의 취급과 설치의 용이성 및 안정성을 향상시키는 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열판의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열판의 하부면을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열판의 절개사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열판과 금속층을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열판을 구비하는 조명기기의 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열판을 구비하는 조명기기의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열판을 구비하는 조명기기의 하부면을 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열판을 구비하는 LED 조명기기에 장착된 LED 기판을 도시한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 방열판을 구비하는 LED 조명기기의 온도변화를 도시한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열판의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방열판의 하부면을 도시하며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열판의 절개사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 방열판(100)은, 전등 기판이 장착되는 하부면(112) 및 하나 이상의 관통홀(114)을 갖는 플레이트 부재(110), 상기 플레이트 부재(110)의 상기 관통홀(114)과 연결되는 하부홀(122) 및 전등 소켓에 결합되는 전등베이스가 장착될 수 있는 상부홀(124)을 포함하는 배기관 부재, 및 상기 배기관 부재(120)의 내벽 또는 내부에 전체적으로 또는 부분적으로 형성된 금속층(140)을 포함할 수 있다.
상기 방열판(100)은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 하부면(112)이 원형 형상인 상기 플레이트 부재(110)와, 상기 플레이트 부재(110)의 하부면(112) 보다 작은 직경을 갖고 내부에 공간을 구비하는 원통형 형상인 상기 배기관 부재(120)가 결합된 형상일 수 있다.
그러나, 상기 방열판(100)의 형상은 도 1 내지 도 3에 도시된 형상에 한정되지 않으며, 상기 플레이트 부재(110)의 하부면(112)에 전등 기판이 장착될 수 있으며, 상기 배기관 부재(120)의 상부홀(124)에 상기 전등베이스가 장착될 수 있는 형상이라면 어떠한 형상도 가능하다.
상기 방열판(100)은 상기 플레이트 부재(110)와 상기 배기관 부재(120)가 하나의 사출물로 제작될 수 있다. 따라서, 그 제작이 용이하여 제작시간 및 제작비용을 절감할 수 있다. 그러나, 상기 방열판(100)은 각각 제작된 상기 플레이트 부재(110)와 상기 배기관 부재(120)가 결합된 구조일 수도 있다.
상기 방열판(100)은 앞서 기술한 바와 같이 상기 플레이트 부재(110)와 상기 배기관 부재(120)를 포함하고 상기 배기관 부재(120)의 내벽 또는 내부에 전체적으로 또는 부분적으로 금속층(140)이 형성된 구조에 의해 전등 기판(미도시)에서 발생되는 열을 다량으로 그리고 신속하게 전달받아 효과적으로 방열시키기 위한 최적의 열용량, 표면적 및 열전달 경로를 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 플레이트 부재(120)는 상기 플레이트 부재(120)를 구성하는 상기 하부면(112)에 장착될 수 있는 상기 전등 기판에서 발생되는 열을 상기 플레이트 부재(120)의 상부면 외측으로 전도하여 방출할 수 있다.
여기서, 상기 전등기판에서 발생되는 열은 상기 플레이트 부재(110)의 관통홀(114)을 통해 상기 배기관 부재(120)의 내측 공간으로 대류 이동할 수 있으며, 상기 대류 이동된 열은 상기 배기관 부재(120)의 내벽 및 상기 배기관 부재(120)의 내벽 또는 내부에 형성된 금속층(140)을 통해 상기 배기관 부재(120)의 외측면으로 전도되어 방출될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열판과 금속층을 도시한다.
상기 금속층(140)은 상기 배기관 부재(120)에 포함됨으로써, 상기 배기관 부재(120)의 열전도도를 증가시켜, 상기 배기관 부재(120) 내부로 전달된 상기 전등 기판의 발생열을 상기 방열판(100)의 외부로 효과적으로 전도시켜 방출시킬 수 있다.
상기 금속층(140)은 상기 방열판(100)에 전달되는 열을 전달받아 상기 방열판(100)의 외부로 전도시킬 수 있다면 특별히 제한되지 않으나, 상기 전등 기판의 발생열을 전도시키기 위해 높은 열전도도를 갖는 것이 바람직하며, 또한, 상기 발생열에 대한 내열성을 확보하기 위해 높은 녹는점을 갖는 물질로 구비되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 금속층(140)은 열전도도가 100 W/m·K 이상이며, 녹는점이 800 J/mol?K 이상인 금속, 일 예로, 알루미늄, 구리 및 마그네슘으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.
여기서, 상기 금속층은 인서트 사출방식으로 상기 방열판(100)의 제조과정 중에 상기 배기관 부재(120) 내에 삽입되어 포함될 수 있으며, 상기 배기관 부재(120) 내측면에 삽입 및 결합되는 방식으로 포함될 수 도 있다.
본 발명에 따른 상기 방열판(100)은 상기 플레이트 부재(110), 상기 배기관 부재(120), 또는 이들 모두의 표면에 형성된 하나 이상의 방열핀(130)을 추가로 포함할 수 있다.
상기 방열핀(130)은 상기 방열판(100)을 구성하는 플레이트 부재(110)의 하부면(112)에 장착될 수 있는 상기 전등 기판에서 발생되는 열을 방출시키기 위해, 상기 방열판(100)의 상부면에 구비될 수 있으며, 따라서, 상기 방열핀(130)은 상기 전등 기판에서 발생될 수 있는 열을 상기 방열핀(130)이 형성되는 상기 플레이트 부재(110), 상기 배기관 부재(120), 또는 이들 모두를 통해 열을 전달받아 공기중으로 방출할 수 있다.
따라서, 상기 방열핀(130)은 원활하고 신속한 열방출을 위해 공기와의 접촉면적이 충분히 확보되도록 설계될 수 있다.
일 예로, 상기 방열판(100)에서 상기 방열핀을 제외한 두께(T)에 따라, 상기 방열핀(130)은 두께가 0.4T 내지 0.8T mm이고, 높이가 2T 내지 4T mm가 되도록 설계될 수 있다. 여기서, 상기 방열핀(130)은 상기 방열판(100)에 하나 이상 포함될 수 있으나, 표면적을 높여 충분한 방열성을 획득하기 위해서는 복수개 구비되는 것이 바람직하다. 이 경우, 복수개가 구비된 상기 방열핀은 0.6T 내지 4T mm의 간격으로 이격되어 구비될 수 있다.
상기 방열핀(130)의 높이, 두께 및 복수개의 상기 방열핀(130) 간의 이격 간격이 상기 수치범위 미만인 경우, 상기 방열핀(130)은 작은 높이 및 두께에 따라 충분한 표면적을 확보하기 어렵고, 복수개의 상기 방열핀(130) 간의 이격 간격이 감소함에 따라 인접한 상기 방열핀(130) 간 상호 열복사에 의해 방열성이 저하된다는 문제점이 있다. 또한, 상기 방열핀(130)의 높이, 두께 및 복수개의 상기 방열핀(130) 간의 이격 간격이 상기 수치범위 초과일 경우, 상기 방열핀(130)은 높이가 증가함에 따라 수직방향으로 전도되는 열의 방출경로가 길어지므로 열방출이 원활이 진행되지 못하며, 상기 방열핀(130)의 두께가 증가함에 따라 상기 방열판(100)에 형성되는 상기 방열핀(130)의 개수가 제한될 수 있으며, 또한, 복수개의 상기 방열핀(130) 간의 이격 간격이 넓어짐에 따라 상기 방열판(100)에 많은 수의 상기 방열핀(130)을 구비할 수 없으므로 충분한 방열성을 확보하기 어려울 수 있다.
따라서, 상기 수치범위 내의 조건으로 상기 방열핀(130)을 구비하는 것이 충분한 방열성을 확보하는데 바람직하다.
본 발명에 따른 상기 방열핀(130)은, 상기 플레이트 부재(110)의 상부면 및 상기 배기관 부재(120)의 외측 중 하나 이상에서 직선 형태 및 원형 형태의 선택적 조합에 의해 형성될 수 있다. 도 1을 참조하면, 상기 방열판(130)은 상기 플레이트 부재(110)의 상부면 및 상기 배기관 부재(120)의 외측에 직선 형태(130s)로 구비된 것을 볼 수 있으며, 또한, 상기 플레이트 부재(110)의 상부면에 원형 형태(130c)로 구비된 것을 볼 수 있다. 그러나, 상기 방열판(130)은 원형 및 직선형 형태 중 선택적인 조합에 의해 형성 가능하므로, 상기 플레이트 부재(110) 및 상기 배기관 부재(120) 상에서 상술한 조합과 다른 조합으로 형성 가능할 수 있다.
여기서, 상기 방열판(100)의 최적의 열용량, 표면적 및 열전달 경로를 추가로 구현하기 위해, 상기 방열핀(130)이 직선 형태일 경우, 상기 직선 형태의 방열핀은, 두께가 0.9 내지 2 mm이고, 높이가 5 내지 15 mm이며, 인접한 다른 직선형태의 방열핀과 2 내지 3 mm의 간격으로 이격되어 형성될 수 있으며, 상기 방열핀(130)이 원형 형태일 경우, 상기 원형 형태의 방열핀은, 두께가 1.2 내지 2.3 mm이고, 높이가 1 내지 10 mm이며, 인접한 다른 원형형태의 방열핀과 5 내지 15 mm의 간격으로 이격되어 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이 상기 방열핀(130)은 직선 또는 원형의 형태로 구비 가능하나, 이에 한정되지 않고, 상기 플레이트 부재(110)의 상부면 및 상기 배기관 부재(120)의 외측 중 하나 이상에서 높은 표면적을 가질 수 있도록 구성된 형태라면 특별히 제한되지 않을 수 있다.
상기 플레이트 부재(110)는 열 발생원인 상기 전등 기판과 직접적으로 접촉하여 상기 전등 기판에서 발생되는 열을 상기 방열판(100)의 외부로 방출하며, 상기 배기관 부재(120)는 대류 이동에 의해 상기 전등 기판으로부터 전달받은 열을 상기 방열판(100)의 외부로 방출할 수 있다. 따라서, 직접적인 접촉에 의한 열전도를 통한 방열을 하는 상기 플레이트 부재(110)가 상기 배기관 부재(120) 보다 더 많은 열방출을 할 수 있다.
앞서 기술한 바와 같이, 상기 방열판(100)이 최적의 열용량, 표면적 및 열전달 경로를 갖기 위해, 예를 들어, 상기 플레이트 부재(110)의 상기 하부면(112)은 직경이 155 내지 175 mm 일 수 있고, 상기 배기관 부재(120)의 직경은 20 내지 35 mm 일 수 있다. 또한, 상기 플레이트 부재(110) 및 상기 배기관 부재(120)를 포함하는 상기 방열판(100)의 총 높이는 70 내지 100 mm일 수 있다.
상기 배기관 부재(120)는, 상기 플레이트 부재(110)의 하부면(112)에 장착될 수 있는 상기 전등 기판에서 발생되는 열이 대류 이동하여 상부로 이동될 때, 상기 대류 이동된 열을 상기 방열판(100)의 외부로 직접 방출시킬 수 있는 배기홀(미도시)을 추가로 포함할 수 있다.
상기 배기홀은 상기 배기관 부재(120)의 측면에 하나 이상 구비될 수 있으며, 따라서, 상기 배기관 부재(120)는 상기 전등 기판으로부터 대류 이동된 열을 상기 방열판(100)의 외부로 상당량 방출할 수 있으므로, 상기 방열판(100)의 방열성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 방열판(100)은, 열가소성 고분자 수지와, 탄소나노튜브(Carbon NanoTube), 그래핀나노플레이트(Graphene Nano-Plate) 및 팽창흑연(Expanede Graphite)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 열전도성 첨가제를 포함하는 방열성 고분자 복합소재로부터 형성될 수 있다.
일반적으로 대다수의 열가소성 고분자 수지는 금속에 비해 가볍고, 녹슬지 않으며, 기계적 성질이 우수하고, 가공 및 성형이 용이하다는 특성이 있다. 따라서, 상기 열가소성 고분자 수지를 베이스 수지로 하는 복합소재에 의해 상기 방열판(100)을 구성하는 경우, 상기 방열판(100)을 구비하는 조명기구 등의 무게를 경감시켜 이의 취급과 설치의 용이성 및 안정성을 향상시킬 수 있다.
상기 열가소성 고분자 수지는 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어 폴리카보네이트(Polycarbonate) 수지, 폴리아미드(Polyamide) 수지, 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(Acrylonitrile-butadiene-styrene) 수지, 폴리스티렌(Polystyrene) 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephtalate) 수지, 폴리에틸렌(Polyethylene) 수지, 스티렌아크릴로니트릴(Styrene acrylonitrile) 수지, 셀룰로오스(Cellulose), 폴리술폰(Polysulfone), 스티렌부타디엔스티렌(Styrene-butadiene-styrene) 수지, 아크릴(Acrylic) 수지 등을 들 수 있다.
상기 열전도성 첨가제로서 첨가되는 탄소나노튜브(CNT), 그래핀나노플레이트(GNP) 및 팽창흑연(EG)은 상기 열가소성 고분자 수지 내에서 균일하게 분산됨으로써 상기 열가소성 고분자 수지 내부에서의 최적의 수평 및 수직 열전달 경로를 형성하게 되고, 이로써 방열성을 구현하게 된다.
본 발명에 따른 방열성 고분자 복합소재로부터 형성된 상기 방열판(100)은 아래 수학식 1에 의해 정의되는 등방성 열전도도(isotropic thermal conductivity) k가 약 0.5 내지 50 W/m·K일 수 있다. 여기서, 상기 등방성 열전도도 k가 0.5 W/m·K 미만인 경우 충분한 방열성이 구현될 수 없는 반면, 50 W/m·K 초과인 경우 상기 열전도성 첨가제가 과량 첨가되어야 하므로 이로 인해 상기 고분자 복합소재의 압출성 등의 성형성이 크게 저하되어 상기 방열판(100)의 정밀한 제조가 어려울 수 있다.
Figure pat00002
상기 수학식 1에서,
kxy는 상기 방열판(100)의 수평 열전도도(In-plane thermal conductivity)이며,
kz는 상기 방열판(100)의 수직 열전도도(Through-plane thermal conductivity)이다.
구체적으로, 상기 방열성 고분자 복합소재로부터 형성된 상기 방열판(100)의 수평 열전도도(kxy)는 약 1.5 W/m·K 이상이고, 수직 열전도도(kz)는 약 0.4 W/m·K 이상일 수 있으며, 이로써 통상의 방열판(100)이 수평 열전도도에만 의존하여 방열기능을 수행하는 것과는 달리, 수평 및 수직 열전도도의 적절한 조화에 의해 최적의 방열기능을 수행할 수 있다.
이를 위해, 상기 방열판(100)을 형성하는 상기 고분자 복합소재는, 상기 열가소성 고분자 수지 100 중량부를 기준으로, 상기 탄소나노튜브 0.1 내지 100 중량부, 상기 그래핀나노플레이트 2 내지 20 중량부 및 상기 팽창흑연 5 내지 30 중량부를 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브, 상기 그래핀나노플레이트 및 상기 팽창흑연의 함량이 상기 각각의 수치범위 미만인 경우 상기 방열판(100)이 충분한 방열성을 구현할 수 없는 반면, 상기 수치범위 초과인 경우 상기 고분자 복합소재의 압출성 등의 성형성이 크게 저하될 뿐만 아니라, 상기 고분자 복합소재의 점도가 증가하여 내용제성 및 도막밀착성이 저하됨과 동시에 안정성까지 저하되어 상기 고분자 복합소재를 통한 상기 방열판(100)의 형성에 문제가 발생할 수 있다.
여기서, 상기 탄소나노튜브는 바람직하게는 지름이 5 내지 15 ㎚이고, 길이가 5 내지 500 ㎛이며, 겉보기 부피가 0.02 g/㎤ 이하인 다발형 형태일 수 있으며, 상기 그래핀나노플레이트는 바람직하게는 두께가 1 ㎛ 이하이고, 수평 길이가 3 내지 50 ㎛ 일 수 있으며, 상기 팽창흑연은 바람직하게는 수평 길이가 100 ㎛ 이하일 수 있다.
본 발명에 따른 상기 방열판(100)을 형성하는 상기 방열성 고분자 복합소재는 상기 열가소성 고분자 수지에 상기 열전도성 첨가제가 배합 및 분산되어 제조된 것이나, 필요에 따라서는 상기 열가소성 고분자 수지에 대한 상기 열전도성 첨가제의 분산성을 향상시키기 위해 분산제를 추가로 포함할 수 있다.
상기 분산제는 상기 열가소성 고분자 수지 내에서의 상기 열전도성 첨가제의 분산성을 추가로 향상시킴으로써, 상기 방열성 고분자 복합소재로 형성된 상기 방열판(100)의 우수한 열전도도 및 방열성을 구현할 수 있도록 하고, 나아가 상기 방열판(100)의 제조시간을 단축시킬 수 있다.
본 발명에 따른 상기 방열판(100)을 형성하는 상기 방열성 고분자 복합소재는, 상기 열가소성 고분자 수지 100 중량부를 기준으로, 상기 분산제 약 0.2 내지 5 중량부를 포함할 수 있다. 상기 분산제의 함량이 0.2 중량부 미만인 경우 상기 열전도성 첨가제의 목적한 분산성을 구현할 수 없는 반면, 5 중량부 초과인 경우 추가적으로 분산성 개선효과를 더 이상 기대하기 곤란하다.
상기 분산제는 상기 열가소성 고분자 수지에 대한 상기 열전도성 첨가제의 분산성을 향상시킬 수 있다면 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 탄소수가 10 이상인 포화, 불포화 또는 방향족 형태의 탄화수소 화합물일 수 있으며, 특히 점도가 약 10 내지 10,000 cP인 액상의 화합물로서, 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone), 세틸트리메틸암모늄브로마이드(cetyltrimethyl ammonium bromide) 등과 같은 분산제가 사용될 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 방열판(100)을 형성하는 상기 방열성 고분자 복합소재는 충분한 용융지수(melting index; MI)를 가져 압출성 등의 성형이 우수하고, 이로부터 형성된 상기 방열판(100)은 인장강도, 내충격성 등의 기계적 특성이 우수할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 상기 방열판(100)을 형성하는 상기 방열성 고분자 복합소재는 용융지수(melting index; MI)가 0.1 g/10min 이상일 수 있으며, 상기 방열성 고분자 복합소재로부터 형성된 상기 방열판(100)은, 충격강도가 3.0 kgfcm/㎠ 이상이고, 인장강도가 500 kgf/㎠ 이상일 수 있다.
상기 방열판(100)은 조명기기에 구비되어 사용될 수 있다. 이하 도 5 내지 도 7을 참조하여, 상기 방열판(100)이 구비된 조명기기에 대해 살펴볼 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열판을 구비하는 조명기기의 분해 사시도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열판을 구비하는 조명기기의 사시도이며, 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열판을 구비하는 조명기기의 하부면을 도시한다.
본 발명에 따른 상기 방열판(100)을 구비하는 상기 조명기기는 LED 조명기기(1000)일 수 있다. 상기 LED 조명기기(1000)는 상기 방열판(100), 상기 방열판(100)을 구성하는 상기 배기관 부재(120)의 상단홀(124)에 장착되고 상기 LED 조명기기(1000) 상부에 위치할 수 있는 전등 소켓(미도시)에 결합되어 상기 전등 소켓으로부터 전력을 공급받아 상기 LED 조명기기(1000)에 전력을 공급하는 전등베이스(300), 상기 방열판(100)에 구비된 상기 플레이트 부재(110)의 하단면(112)에 장착되고 복수의 LED 소자(205)를 구비하는 LED 기판(200), 및 상기 플레이트 부재(110)의 하단면(112)에 장착되어 상기 LED 기판(200)을 보호하는 보호커버(400)를 포함할 수 있다.
상기 보호커버(400)는 표면에 방충 특성을 갖는 물질이 도포될 수 있다. 즉, 상기 보호커버(400)는 해충을 유인하는 파장, 일 예로 460 내지 550 mm의 파장의 빛을 흡수하거나 차단할 수 있는 물질이 도포되어, 해충의 유인을 방지할 수 있다.
상기 LED 조명기기(1000)는 상기 방열판(100)을 기본구조로 하고, 상기 전등베이스(300), 상기 LED 기판(200), 및 상기 보호커버(400)와 같이 조명기기에 있어서 필수적인 구성요소만 결합하여 구성된 것으로서, 그 제조 및 설치가 용이하고 제조비용 및 제조시간을 최소화 할 수 있다.
또한, 상기 방열판(100)을 통해 상기 LED 기판(200)에서 발생될 수 있는 열을 효과적으로 방출시킬 수 있으므로, LED 조명기기가 열화에 의해 손상되고 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있다.
상기 LED 조명기기(1000)는 상술한 설명 및 도면에 도시된 바에 한정되지 아니하며, 본 발명에 따른 상기 방열판(100)을 구비하여 구성될 수 있는 구조라면 어떠한 것이라도 가능하며, 상기 방열판(100)은 상기 LED 조명기기(1000)외에 다른 원리 및 형태로 작동하는 조명기기에도 구비되어 사용될 수 있다.
[실시예]
1. 제조예
베이스 수지로서 폴리아미드 수지에 열전도성 첨가제가 첨가된 방열성 고분자 복합소재로부터 형성되고, 플레이트 부재의 직경이 165 mm, 배기관 부재의 직경이 28.22 mm, 상기 플레이트 부재 및 상기 배기관 부재의 표면에 형성된 직선 방열핀의 두께, 높이 및 간격이 각각 1.4 mm, 10 mm 및 2.5 mm이고, 원형 방열핀의 두께, 높이 및 간격이 각각 1.74 mm, 6.5 mm 및 9.95 mm인 방열판을 제조했다.
여기서, 상기 배기관 부재 내에 알루미늄 금속층이 포함되었으며, 상기 금속층은 인서트 사출방식으로 상기 방열판의 제조과정 중에 상기 배기관 부재 내에 삽입되었다.
또한, 상기 방열판에 있어서, 상기 배기관 부재의 상부홀에 전등 베이스를 체결하고 상기 플레이트 부재의 하부면에 220V/60Hz/25W 규격의 LED 기판을 체결함으로써 LED 조명기기를 제조했다.
2. 방열성 평가
상기 제조예에서 제조한 LED 조명기기의 방열성을 평가하였다. 상기 방열성의 평가는 K-type의 열전대(Thermo couple)를 이용하여 측정하였으며, 상기 LED 조명기기에 전원을 인가한 후, 2시간 후의 LED 기판 및 방열핀의 온도와, 2시간동안 LED 기판 및 방열핀의 온도 변화를 측정함으로써 평가하였다.
여기서, 상기 LED 조명기기의 방열성 평가의 정확성을 높이기 위해 상기 LED 조명기기의 여러 영역에서 방열성을 평가하였다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열판을 구비하는 LED 조명기기에 장착된 LED 기판을 도시한다. 도 1 및 도 8을 참조하면, 상기 방열성 평가는 상기 LED 기판(200)상의 서로 다른 두 영역(①,②) 및 상기 방열핀(130)의 상기 플레이트 부재(110)의 외곽영역(⑤), 상기 배기관 부재(120)의 영역(③), 및 상기 플레이트 부재(110)와 상기 배기관 부재(120)의 경계 영역(④)에서 평가하였다.
그 결과는 아래 표 1과, 본 발명에 따른 방열판을 구비하는 LED 전등기판의 온도변화를 도시한 도 9에 나타낸 바와 같다.
① ② ③ ④ ⑤
실시예 70.5℃ 67.5℃ 55.5℃ 57.4℃ 52.2℃
표 1 및 도 9에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 방열판을 구비하는 LED 조명기기는, 상기 방열판의 최적의 방열성으로 인해 온도 및 온도 상승률이 낮은 것으로 확인되었다.
또한, 본 발명의 방열핀을 구비한 LED 조명기기는, 상기 LED 기판 상의 서로 다른 두 영역(①,②)에서 온도 차이가 크지 않은 것으로 확인되었으며, 상기 플레이트 부재의 상부면 및 상기 배기관 부재의 외측에 구비된 상기 방열핀 상의 서로 다른 영역(③,④,⑤)에서도 온도 차이가 크지 않은 것으로 확인 되었다. 즉, 상기 방열판(100)은 전체적인 영역에 걸쳐서 균일한 방열성을 갖고, 이에 따라, 상기 LED 기판 또한 거의 비슷한 온도로 유지되는 것을 확인하였다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명은 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
100 : 방열판 110 : 플레이트 부재
120 : 배기관 부재 130 : 방열핀
140 : 금속층 200 : 전등 기판
300 : 전등베이스 400 : 보호커버

Claims (17)

  1. 전등 기판이 장착되는 하부면 및 하나 이상의 관통홀을 갖는 플레이트 부재,
    상기 플레이트 부재의 상기 관통홀과 연결되는 하부홀 및 전등 소켓에 결합되는 전등베이스가 장착될 수 있는 상부홀을 포함하는 배기관 부재, 및
    상기 배기관 부재의 내벽 또는 내부에 전체적으로 또는 부분적으로 형성된 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 방열판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방열판은, 아래 수학식 1에 따른 등방성 열전도도(K)가 0.5 내지 50 W/m·K 인 것을 특징으로 하는, 방열판.
    [수학식 1]
    Figure pat00003

    상기 수학식 1에서,
    kxy는 상기 방열판의 수평 열전도도(In-Plane Thermal Conductivity)이고,
    kz는 상기 방열판의 수직 열전도도(Through-Plane Thermal conductivity)이다.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수평 열전도도(kxy)는 1.5 W/m·K 이상이고, 상기 수직 열전도도(Kz)는 0.4 W/m·K 이상인 것을 특징으로 하는, 방열판.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속층은 열전도도가 100 W/m·K 이상이며, 녹는점이 800 J/mol?K 이상인 것을 특징으로 하는, 방열판.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 금속층은 알루미늄, 구리 및 마그네슘으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 방열판.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플레이트 부재, 상기 배기관 부재, 또는 이들 모두의 표면에 형성된 하나 이상의 방열핀을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 방열판.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 방열핀을 제외한 상기 방열판의 두께(T)에 따라, 상기 방열핀은 두께가 0.4T 내지 0.8T mm이고, 높이가 2T 내지 4T mm이며, 상기 방열핀이 복수개인 경우, 복수개의 상기 방열핀은 0.6T 내지 4T mm의 간격으로 이격되어 구비되는 것을 특징으로 하는, 방열판.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 방열핀은, 상기 플레이트 부재의 상부면 및 상기 배기관 부재의 외측 중 하나 이상에서 직선 형태 및 원형 형태의 선택적 조합에 의해 형성되고, 직선형태의 상기 방열핀은 두께가 0.9 내지 2 mm이고, 높이가 5 내지 15 mm이며, 인접한 다른 직선형태의 방열핀과 2 내지 3 mm의 간격으로 이격되어 형성되고, 원형형태의 상기 방열핀은 두께가 1.2 내지 2.3 mm이고, 높이가 1 내지 10 mm이며, 인접한 다른 원형형태의 방열핀과 5 내지 15 mm의 간격으로 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는, 방열판.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방열판은, 충격강도가 3.0 kgfcm/㎠ 이상이고, 인장강도가 500 kgf/㎠ 이상인 것을 특징으로 하는, 방열판.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플레이트의 하부면은 직경이 155 내지 175 mm 이며, 상기 배기관 부재의 직경은 20 내지 35 mm 이고, 상기 방열판은 총높이가 70 내지 100mm 인 것을 특징으로 하는, 방열판.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기관 부재는 측면에 하나 이상의 배기홀을 포함하는 것을 특징으로 하는, 방열판.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방열판은, 열가소성 고분자 수지와, 탄소나노튜브(Carbon NanoTube), 그래핀나노플레이트(Graphene Nano-Plate) 및 팽창흑연(Expanded Graphite)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 열전도성 첨가제를 포함하는 방열성 고분자 복합소재로부터 형성된 것을 특징으로 하는, 방열판.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 방열성 고분자 복합소재는, 상기 열가소성 고분자 수지 100 중량부를 기준으로, 상기 탄소나노튜브 0.1 내지 100 중량부, 상기 그래핀나노플레이트 2 내지 20 중량부 및 상기 팽창흑연 5 내지 30 중량부를 포함하고, 분산제 0.2 내지 5 중량부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 방열판.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 분산제는 탄소수가 10 이상인 포화, 불포화 또는 방향족 형태인 탄화수소 화합물이며, 점도가 10 내지 10,000 cP인 액상의 화합물인 것을 특징으로 하는, 방열판.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 열가소성 고분자 수지는 폴리카보네이트(Polycarbonate) 수지, 폴리아미드(Polyamide) 수지, 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(Acrylonitrile-butadiene-styrene) 수지, 폴리스티렌(Polystyrene) 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephtalate) 수지, 폴리에틸렌(Polyethylene) 수지, 스티렌아크릴로니트릴(Styrene acrylonitrile) 수지, 셀룰로오스(Cellulose), 폴리술폰(Polysulfone), 스티렌부타디엔스티렌(Styrene-butadiene-styrene) 수지 및 아크릴(Acrylic) 수지로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 방열판.
  16. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 방열판,
    상기 방열판을 구성하는 상기 배기관 부재의 상부홀에 결합되는 전등베이스,
    상기 방열판을 구성하는 상기 플레이트 부재의 하부면에 장착되는 LED 기판, 및
    상기 방열판을 구성하는 상기 플레이트 부재의 하부면에 창작되어 상기 LED 기판을 보호하는 보호커버를 포함하는, LED 조명기기.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 보호커버의 표면에는 방충 특성을 갖는 물질이 도포된 것을 특징으로 하는, LED 조명기기.
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KR20210060132A (ko) * 2019-11-18 2021-05-26 한국생산기술연구원 광소결된 금속-나노탄소 복합재 방열층을 포함하는 조명 장치

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20210060132A (ko) * 2019-11-18 2021-05-26 한국생산기술연구원 광소결된 금속-나노탄소 복합재 방열층을 포함하는 조명 장치

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