KR20180001244A - 조명장치 - Google Patents

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KR20180001244A
KR20180001244A KR1020160080129A KR20160080129A KR20180001244A KR 20180001244 A KR20180001244 A KR 20180001244A KR 1020160080129 A KR1020160080129 A KR 1020160080129A KR 20160080129 A KR20160080129 A KR 20160080129A KR 20180001244 A KR20180001244 A KR 20180001244A
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resin
circuit board
printed circuit
thermally conductive
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KR1020160080129A
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곽준섭
이동규
박현정
김형진
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순천대학교 산학협력단
주식회사 서광
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Abstract

본 발명에 따른 조명장치는 빛을 방출하는 발광다이오드 칩; 상기 발광다이오드 칩이 실장되는 인쇄회로기판; 상기 발광다이오드 칩의 전방에 구비되어 상기 발광다이오드 칩에서 방출되는 빛의 경로를 조절하는 외부렌즈; 및 상기 외부렌즈의 가장자리가 안착되어 고정되는 렌즈안착부를 포함하며, 상기 발광다이오드 칩으로부터 발생되는 열을 방출시키는 히트싱크를 포함하고, 상기 히트싱크는, 열전도성 플라스틱으로 이루어진 수지 사출성형물; 및 상기 수지 사출성형물에 의해서 인서트 몰딩되는 금속 구조체를 포함하며, 인서트 사출법에 의해서 일체로 형성될 수 있다.

Description

조명장치{Lighting device}
본 발명은 조명장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수지 사출성형물에 의해서 금속 구조체가 인서트 몰딩되어 방열 성능을 향상시킬 수 있는 조명장치에 관한 것이다.
일반적으로, 조명장치는 넓은 장소에 원하는 밝기의 빛을 조사하여 특정 구역을 밝게 비추어 주는 역할을 하기 위해 제작되는 조명 기구의 일종으로서, 각종 경기장, 건물의 외곽 등에 설치하여 사용하거나 터널, 지하 공간, 역이나 항만의 구내, 천장이 높은 공장 등의 옥내에 설치하여 사용하는 등 다양하게 사용되고 있다.
종래에는 신속한 방열을 위하여 열전달효율이 우수한 금속재질로 조명장치의 히트싱크를 제조하여 사용하고 있는데 비중이 큰 금속재질은 제품을 경량화 시키는데 한계가 있어 조명장치의 무게 자체가 중량화되고, 열전도도가 높은 재질을 사용하기에는 높은 단가로 인해 제조비용이 증대되어 산업상 이용가능성이 떨어지는 문제점이 있다. 게다가, 금속재질은 상대적으로 가공성이 떨어지므로 특정 형상으로 가공하기 위해 많은 시간과 비용이 소요되는 문제점이 있다.
따라서, 히트싱크의 중량화 문제점을 해결하기 위해 금속재질 대신 열전도성 플라스틱을 사용할 수 있고, 히트싱크의 방열 효율을 증가시키기 위해 금속 구조체를 물리적으로 추가하여 히트싱크를 형성할 수 있다.
하지만, 금속 구조체를 물리적으로 열전도성 플라스틱 내에 삽입하여 히트싱크를 형성하는 경우 열전도성 플라스틱으로 이루어진 히트싱크와 금속 구조체 사이에 빈 공간이 형성되어 발광다이오드 칩에서 발생되는 열이 히트싱크로 전달되는데 열저항이 증가되어 열전도도가 감소하고 이에 따라 방열 특성이 저하되는 문제점이 있다.
게다가, 종래의 조명장치는 외부렌즈와 히트싱크를 체결하기 위해 나사를 이용하거나, 방수를 위하여 나사에 고무패킹을 넣고 체결하는 방법을 통해 방수기능을 확보하고 있다. 이에 조명장치의 제조비용이 상승하고, 공정시간이 증가하는 문제점이 있다.
한국공개특허공보 제10-2015-0012555호
본 발명은 열 저항을 감소시켜 방열 성능을 향상시킬 수 있는 조명장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 조명장치는 빛을 방출하는 발광다이오드 칩; 상기 발광다이오드 칩이 실장되는 인쇄회로기판; 상기 발광다이오드 칩의 전방에 구비되어 상기 발광다이오드 칩에서 방출되는 빛의 경로를 조절하는 외부렌즈; 및 상기 외부렌즈의 가장자리가 안착되어 고정되는 렌즈안착부를 포함하며, 상기 발광다이오드 칩으로부터 발생되는 열을 방출시키는 히트싱크를 포함하고, 상기 히트싱크는, 열전도성 플라스틱으로 이루어진 수지 사출성형물; 및 상기 수지 사출성형물에 의해서 인서트 몰딩되는 금속 구조체를 포함하며, 상기 수지 사출성형물 및 금속 구조체는 인서트 사출법에 의해서 일체로 형성될 수 있다.
상기 금속 구조체는 그 표면의 일부가 노출되는 노출면을 포함하고, 상기 금속 구조체의 노출면과 상기 인쇄회로기판은 서로 대향할 수 있다.
상기 수지 사출성형물은 상기 렌즈안착부에서 연장되어 상기 금속 구조체의 노출면 가장자리의 적어도 일부를 덮는 돌출부를 포함할 수 있다.
상기 인쇄회로기판과 상기 금속 구조체의 노출면 사이에 개재되는 열전도부재를 더 포함할 수 있다.
상기 열전도부재는 연질 수지 및 열전도성 필러로 이루어질 수 있다.
상기 금속 구조체는 상기 금속 구조체의 표면에 형성되어 상기 금속 구조체의 표면 거칠기를 증가시키는 표면개질층을 포함할 수 있다.
상기 금속 구조체는, 상기 인쇄회로기판과 대향하는 판상의 제1 금속 구조체; 및 상기 제1 금속 구조체로부터 후방으로 연장되는 제2 금속 구조체를 포함할 수 있다.
상기 수지 사출성형물은 상기 열전도성 플라스틱보다 열전도도가 높은 열전도성 필러를 더 포함할 수 있다.
상기 외부렌즈와 상기 렌즈안착부 사이에 제공되고, 광에너지에 의해 경화되는 수지로 이루어지는 접합부재를 더 포함할 수 있다.
상기 수지는, 올리고머; 상기 올리고머와 반응하는 희석제인 모노머; 및 상기 올리고머와 상기 모노머의 중합반응을 유도하는 광개시제를 포함할 수 있다.
상기 히트싱크의 적어도 일부를 관통하고, 상기 인쇄회로기판과 전원 공급원을 전기적으로 연결하는 방수 커넥터를 더 포함할 수 있다.
상기 수지 사출성형물은 상기 제2 금속 구조체에서 외측 방향으로 방사되어 형성되는 방열핀을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 조명장치는 히트싱크에 열전도성 플라스틱을 적용하여 조명장치를 경량화시킬 수 있고, 수지 사출성형물에 의해서 금속 구조체가 인서트 몰딩되는 인서트 사출법을 통하여 수지 사출성형물과 금속 구조체를 일체로 형성함으로써 금속 구조체를 물리적으로 추가하여 히트싱크를 형성한 경우보다 방열핀으로 전달되는 열저항을 낮출 수 있어 방열 성능을 향상시킬 수 있다.
게다가, 인쇄회로기판의 일면과 금속 구조체의 노출면 사이에 열전도부재를 개재시켜 인쇄회로기판과 금속 구조체의 표면 결함들을 채우고 공기 보이드층을 제거함으로써 인쇄회로기판에서 금속 구조체로 흐르는 열전도도를 개선시켜줄 수 있다.
또한, 금속 구조체의 노출면 가장자리를 덮는 돌출부를 형성하여 금속 구조체를 고정 지지함으로써 금속 구조체가 수지 사출성형물로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있어 안정적인 성능을 구현할 수 있다.
그리고 수지를 이용한 접합을 통해 외부렌즈와 히트싱크를 결합시킴으로써, 나사 체결이 없이도 외부렌즈와 히트싱크를 결합할 수 있다. 이에 따라 나사 체결이 없도록 할 수 있으므로 공정시간을 단축할 수 있고, 공정비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 조명장치를 나타내는 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크를 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 조명장치를 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수지 사출성형물과 방수 커넥터를 나타내는 평면도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 조명장치를 나타내는 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크를 나타내는 단면도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 조명장치는 빛을 방출하는 발광다이오드 칩(110); 상기 발광다이오드 칩(110)이 실장되는 인쇄회로기판(120); 상기 발광다이오드 칩(110)의 전방에 구비되어 상기 발광다이오드 칩(110)에서 방출되는 빛의 경로를 조절하는 외부렌즈(140); 및 상기 외부렌즈(140)의 가장자리가 안착되어 고정되는 렌즈안착부(222)를 포함하며, 상기 발광다이오드 칩(110)으로부터 발생되는 열을 방출시키는 히트싱크(200)를 포함할 수 있다. 상기 히트싱크(200)는, 열전도성 플라스틱으로 이루어진 수지 사출성형물(220); 및 상기 수지 사출성형물(220)에 의해서 인서트 몰딩되는 금속 구조체(210)를 포함하며, 인서트 사출법에 의해서 일체로 형성될 수 있다.
발광다이오드 칩(110)은 빛을 방출할 수 있는데, 효과적인 광 분포 및 후술될 제2 금속 구조체(212)로의 열 전달을 위해 인쇄회로기판(120)의 중앙부에 실장될 수 있고, 1차적으로 빛의 경로를 조절하기 위해 발광다이오드 칩(110) 상에 내부렌즈(또는 1차렌즈, 미도시)가 제공될 수도 있다.
인쇄회로기판(120)은 그 중앙부에 발광다이오드 칩(110)이 실장될 수 있고, 발광다이오드 칩(110) 주변에 발광다이오드 칩(110)의 발광을 위한 여러 전자 부품들이 장착될 수 있다.
외부렌즈(140)는 하부에 제공되는 발광다이오드 칩(110)과 대응되도록 인쇄회로기판(120)의 전방에 구비되어 발광다이오드 칩(110)에서 방출되는 빛의 경로를 조절하는 역할을 할 수 있는데, 발광다이오드 칩(110) 상에 내부렌즈가 제공될 경우에는 발광다이오드 칩(110)에서 방출되는 빛이 내부렌즈를 통해 1차적으로 빛의 경로가 조절될 수 있고, 외부렌즈(140)에서 2차적으로 빛의 경로가 조절될 수 있다.
히트싱크(200)는 인쇄회로기판(120)과 열적으로 접촉되어 발광다이오드 칩(110)으로부터 발생되는 열을 방출시킬 수 있다. 히트싱크(200)는 외부렌즈(140)의 가장자리가 안착되어 고정되는 렌즈안착부(222)를 포함할 수 있는데, 렌즈안착부(222)는 외부렌즈(140)가 히트싱크(200)에 안정적으로 안착되도록 할 수 있다.
히트싱크(200)는 열전도성 플라스틱으로 이루어진 수지 사출성형물(220)과 수지 사출성형물(220)에 의해서 인서트 몰딩되는 금속 구조체(210)를 포함할 수 있다.
히트싱크(200)가 발광다이오드 칩(110)으로부터 발생하는 열을 신속히 전달시켜 외부로 방출하기 위해 열전도율이 높은 금속재질로 형성되는 경우에는 조명장치의 무게가 중량화될 수 있으며, 전기전도성이 좋은 금속의 특성상 조명장치의 작동시 감전의 문제가 발생할 수도 있다.
따라서, 수지 사출성형물(220)은 금속재질 이외에도 플라스틱 등의 수지재질로 형성될 수 있지만 본 발명의 조명장치는 금속재질로 수지 사출성형물(220)을 제조하지 않음으로써 발생하는 방열성능의 저하를 방지하기 위해 열전도성 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 열전도성 플라스틱이란 열전도성이 우수한 플라스틱을 말하며 기존의 일반 플라스틱에 비해 약 5~100배에 달하는 열전달계수를 갖는다.
열전도성 플라스틱이 아닌 일반적인 플라스틱을 사용하게 되면 발광다이오드 칩(110)에서 발생한 열을 효과적으로 배출 및 확산시키지 못하므로, 일반적인 플라스틱의 일 부분에 핫 스팟을 발생시키고, 이로 인해 발광다이오드 칩(110)에 치명적인 문제가 발생할 수 있다. 하지만, 열전도성 플라스틱은 발광다이오드 칩(110)에서 발생한 열을 효과적으로 확산 및 배출시키므로, 발광다이오드 칩(110) 및 히트싱크(200)의 온도를 전체적으로 낮출 수 있다. 또한, 금속재질의 히트싱크보다 그 무게를 약 3배 정도 감소시킬 수 있어 조명장치의 무게를 경량화시킬 수 있고, 플라스틱 소재는 절연성이 있어 조명장치의 작동시 발생할 수 있는 감전의 문제도 해결할 수 있다.
상기 수지 사출성형물(220)은 상기 열전도성 플라스틱보다 열전도도가 높은 열전도성 필러를 더 포함할 수 있다.
수지 사출성형물(220)은 열전도성 플라스틱으로 이루어진 수지 사출성형물(220)의 열전도도를 향상시키기 위해서 열전도성 플라스틱으로 형성되는 고분자 수지에 높은 열전도도를 가지는 열전도성 필러를 첨가시킴으로써 제조될 수 있다.
고분자 수지로는 폴리아마이드(Polyamide), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리아마이드66(Polyamide 66), 폴리패닐렌설파이드(Polyphenylene sulfide) 및 폴리에스터 수지(Polyester resin) 등의 고분자 수지를 사용할 수 있고, 200도 이상의 고온에서 기계적, 전기적 성질을 포함하는 물리적 성질을 유지할 수 있는 고분자 물질이면 제한 없이 사용할 수 있다.
표 1은 열전도성 필러의 종류를 나타내는 표이다.
열전도성 필러 열전도율/[W/m·k] 고유저항/[Ω·cm] 내흡습성 경도/(모스 경도)
Al2O3 26~36 1×1015 Best 12
SiO2(Crystal) 10~12 1×1015 Good 7
SiO2(Melting) 1 >1×1014 Good 8
BN 31~60 1×1014 Good 2
AIN 180~270 >1×1014 Difficult 8
MgO 48~60 1×1017 Good 6
표 1 을 참조하면, 수지 사출성형물(220)을 구성하는 복합재료의 열전도성 필러는 알루미나(Al2O3), 산화마그네슘(MgO), 보론 나이트라이드(BN), 알루미늄 나이트라이드(AIN), 이산화규소(SiO2) 등으로 이루어질 수 있다.
알루미나는 우수한 열전도율뿐만 아니라 경도와 내흡습성이 우수하며, 액체 상태의 이산화규소는 열전도율은 상대적으로 낮지만 내흡습성 및 우수한 경도를 가지고 있고, 알루미늄 나이트라이드는 우수한 열전도도 및 경도를 가지지만 내흡습성면에서는 상대적으로 좋지 않은 특성을 가지고 있다. 또한, 보론 나이트라이드는 열전도도와 내흡습성면에서는 우수하지만 경도면에서는 상대적으로 좋지 않은 특성을 가지고 있다.
열전도성 필러는 열전도율뿐만 아니라 열전도성 플라스틱의 특성 향상을 위해 경도, 내흡습성 등이 좋아야 하며 이에 따라 열전도율을 포함한 복수의 기능을 합쳐서 가지는 알루미나 및 이산화규소의 열전도성 필러를 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 열전도성 필러는 열전도율뿐만 아니라 전반적으로 경도, 내흡습성의 밸런스를 좋게 조합시켜서 최적화시킬 수 있는 것으로 판단하여 선택하였으며, 이러한 열전도성 필러는 열전도율뿐만 아니라 복수의 특성을 발휘함으로써 열전도성 플라스틱의 특성을 향상시켜줄 수 있다.
열전도성 필러는 수지 사출성형물에서 대략 10-30 중량%를 차지할 수 있다. 열전도성 필러가 10 중량%보다 적으면 열전도도의 효과가 크지 않을 수 있고, 열전도성 필러의 함량을 높여서 30 중량%보다 크게 되면 고열전도성 플라스틱을 만들 수 있다. 하지만 높은 열전도도를 달성하기 위해서 많은 양의 열전도성 필러가 들어가게 되면 가공 조건이 난해해지고 조명장치의 물리적 성질이 저해되어 인서트 사출이 좋지 않게 되는 문제점이 있기 때문에, 고분자 수지와 적정량의 열전도성 필러의 복합재료를 통해 열전달 효과를 개선하여 방열 특성을 개선할 수 있다.
또한, 히트싱크(200)는 보다 신속한 열 전달을 위해서 열전도성이 뛰어난 금속 구조체(210)를 포함할 수 있다.
금속 구조체(210)는 열전도성 플라스틱보다 열전도성이 좋으므로, 열전도성 플라스틱의 방열 특성을 보완하여 줄 수 있다. 또한, 금속 구조체(210)는 열전도성이 좋기 때문에 발광다이오드 칩(110)에서 발생되는 열을 흡수하여 신속하게 전도시키고 분산시켜 이후에 제시되는 수지 사출성형물(220)의 방열핀(221)에 원활하게 열을 전달시킬 수 있어 히트싱크(200)를 통한 방열 성능을 향상시킬 수 있다.
금속 구조체(210)는 금속 구조체(210)를 사출금형(미도시) 내부에 위치시킨 후, 용융된 열전도성 플라스틱의 주입으로 이루어지는 인서트 사출법을 통해 금속 구조체(210)를 인서트 몰딩하여 수지 사출성형물(220)과 금속 구조체(210)를 일체로 사출성형할 수 있다.
따라서, 수지 사출성형물(220)에 의해서 금속 구조체(210)가 인서트 몰딩되는 인서트 사출법을 통하여 수지 사출성형물(220)과 금속 구조체(210)를 일체로 형성함으로써 발광다이오드 칩(110)으로부터 발생되는 열이 방열핀으로 전달되는 열저항을 낮출 수 있어 방열 성능을 향상시킬 수 있다.
금속 구조체(210)는 인서트 몰딩 시 사출금형(미도시)에 구비된 위치고정 핀(미도시)이 위치하여 사출금형 내에서 금속 구조체(210)의 움직임을 방지하는 위치고정 홀이 더 포함할 수 있다.
열전도성 플라스틱의 경우 일반 플라스틱보다 고온으로 유지해야 하기 때문에 일반 플락스틱을 사출하는 사출부 및 사출성형하는 사출금형보다 높은 온도에서 온도제어가 가능해야 한다. 즉, 금속 구조체(210)와 열전도성 플라스틱으로 이루어진 수지 사출성형물(220)의 온도 차이가 크게 생기게 되면 수지 사출성형물(220)에 의해 금속 구조체(210)가 인서트 몰딩되어 수지 사출성형물(220)과 금속 삽입체(210)가 일체로 접합되는 경우 금속 구조체(210) 또는 수지 사출성형물(220)에서 균열 또는 깨짐이 발생할 수 있기 때문에 사출부 또는 사출금형의 온도를 제어하여 온도차이를 감소시켜야 한다.
따라서, 열전도성 플라스틱을 사출하는 사출부는 200도 내지 250도의 고온에서 온도제어가 가능해야 하며, 사출성형하는 사출금형은 핫 러너 시스템(히터)을 별도로 장착하여 120도 내지 150도의 높은 금형 온도에서 온도제어가 가능해야 한다.
상기 금속 구조체(210)는 그 표면의 일부가 노출되는 노출면을 포함하고, 상기 금속 구조체(210)의 노출면과 상기 인쇄회로기판(120)은 서로 대향할 수 있고, 상기 수지 사출성형물(220)은 상기 렌즈안착부(222)에서 연장되어 상기 금속 구조체(210)의 노출면 가장자리의 적어도 일부를 덮는 돌출부(223)를 포함할 수 있다.
금속 구조체(210)는 금속 구조체(210)의 표면 일부가 노출되는 노출면을 포함하고, 금속 구조체(210)의 노출면과 인쇄회로기판(120)은 서로 대향할 수 있다.
금속 구조체(210)의 노출면이 형성되지 않고 열전도성 플라스틱으로 이루어진 수지 사출성형물(220)이 금속 구조체(210)의 표면을 모두 덮게 되면, 수지 사출성형물(220)은 금속 구조체(210)보다 열전도도가 좋지 않기 때문에 발광다이오드 칩(110)에서 발생하는 열이 방열핀(221)으로 전달되는데 많은 열저항이 생길 수 있고 이에 따라 열전도도가 감소하여 방열 성능이 저하될 수 있다.
따라서, 열전도도가 좋은 금속 구조체(210)의 적어도 일부를 노출하는 노출면을 형성하여 금속 구조체(210)의 노출면과 인쇄회로기판(130)을 열적으로 접촉시킬 수 있다. 금속 구조체(210)의 노출면은 인쇄회로기판(120)과 열적으로 연결되어 발광다이오드 칩(110)이 실장된 인쇄회로기판(120)에서 발생되는 열을 효과적으로 전도시키고 분산시킴으로써 방열핀(221)에 효과적으로 열을 전달할 수 있다.
표면에 일부가 노출되는 노출면을 포함하는 금속 구조체는 금속 구조체를 사출금형 내부에 위치시킨 후, 용융된 열전도성 플라스틱을 주입하기 전에 금속 구조체의 일면을 커버부재로 덮고 열전도성 플라스틱을 주입하여 사출성형함으로써 금속 구조체의 표면에 일부가 노출되는 노출면을 형성할 수 있다.
또한, 수지 사출성형물(220)은 렌즈안착부(222)에서 연장되어 금속 구조체(210)의 노출면 가장자리의 적어도 일부를 덮는 돌출부(223)가 형성될 수 있는데, 돌출부(223)는 금속 구조체(210)의 노출면 적어도 일부가 외부로 노출되도록 하고, 그 가장자리의 적어도 일부를 덮음으로써 금속 구조체(210)를 고정 지지할 수 있다.
인서트 몰딩되는 금속 구조체(210)가 수지 사출성형물(220)의 돌출부(223)로부터 고정 지지되지 않는 경우 금속 구조체(210) 노출면의 가장자리가 수지 사출성형물(220)과 잘 결합이 되지 않아 들뜨는 현상이 발생하여 안정적인 성능 구현이 어려워질 수 있고, 금속 구조체(210)가 수지 사출성형물(220)로부터 과도하게 들뜸 현상이 발생하는 경우 조명장치의 신뢰성이 떨어질 수 있다. 또한, 히트싱크(200)에 충격이 가해질 경우 금속 구조체(210)가 수지 사출성형물(220)로부터 이탈되어 안정적인 성능 구현이 어려워질 수 있다.
따라서, 수지 사출성형물(220)의 돌출부(223)는 인서트 몰딩 시 금속 구조체(210)가 인쇄회로기판(120)과 접촉되는 해당 위치를 제외한 금속 구조체(210)의 노출면 가장자리 적어도 일부에 용융된 열전도성 플라스틱이 덮인 형태로 사출성형할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 조명장치를 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 조명장치는 상기 인쇄회로기판(120)과 상기 금속 구조체(210)의 노출면 사이에 개재되는 열전도부재(130)를 더 포함할 수 있고, 상기 열전도부재(130)는 연질 수지 및 열전도성 필러로 이루어질 수 있다.
인쇄회로기판(120)의 일면과 금속 구조체(210)의 노출면과 같은 고체의 두 표면이 서로 접촉할 때 마이크로 스케일의 거친 계면 때문에 실제 접촉면적은 작을 수 있다. 따라서, 인쇄회로기판(120)의 일면과 금속 구조체(210)의 노출면 사이의 공극은 열전도도가 낮은 공기로 채워질 수 있고 이에 따라 인쇄회로기판(120)과 금속 구조체(210) 사이의 계면을 통한 열전도가 효과적으로 이루어지지 않을 수 있다. 공기의 열 전도성은 0.03W/m·k로 매우 낮기 때문에, 공기에 의한 공극은 인쇄회로기판(120)으로부터 금속 구조체(210)로의 열 전달을 방해하여 열 전도에 방해가 될 수 있다.
이러한 열 접촉 저항을 최소화하기 위해서는 인쇄회로기판(120)의 일면과 금속 구조체(210)의 노출면이 만나는 접촉면에 열 저항을 감소시키기 위한 열전도부재(130)를 개재시켜 인쇄회로기판(120)의 일면과 금속 구조체(210)의 노출면 사이의 공극을 메우고 이에 따라 인쇄회로기판(120)과 금속 구조체(210)의 접촉을 강화시킬 수 있다.
열전도부재(130)는 인쇄회로기판(120)의 열을 전도하고 인쇄회로기판(120)의 일면과 금속 구조체(210)의 노출면 사이의 공극 즉, 표면 결함들을 채우도록 연질 수지(예를 들어, 실리콘 수지)에 열전달에 기여하는 나노 크기의 열전도성 필러를 첨가하여 연질의 열전도부재(130)를 형성할 수 있다.
실리콘 수지는 표면 결함들을 채울 수 있는 연질의 열전도부재를 형성하기 위해 비닐 실리콘, 비닐 큐 수지, 하이드라이드 작용성 실록산, 백금-비닐실록산으로 이루어지는 실리콘 수지 혼합물을 포함할 수 있다.
열전도성 필러로는 알루미나, 질화알루미나, 이산화규소, 질화붕소 및 산화마그네슘 중에서 하나의 재료만을 사용하거나 이러한 재료들을 혼합하여 사용할 수 있다. 열전도성 필러로 사용되는 재료들은 높은 열전도율을 가지므로 인쇄회로기판(120)에서 발생하는 열을 효과적으로 금속 구조체(210)로 전도하여 히트싱크(200)의 방열 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
열전도부재(130)는 인쇄회로기판(120)의 일면 또는 금속 구조체(210)의 노출면 중 한 표면에 도포한 후, 다른 표면을 눌러서 밀착시키면 공극 안으로 흘러 들어가며 이에 따라 모든 공극들은 열전도부재(130)로 채워질 수 있다. 이러한 열전도부재(130)는 방열그리스, 방열패드, 방열테이프 등으로 이루어질 수 있으며, 인쇄회로기판(120)의 일면 또는 금속 구조체(210)의 노출면에 접착될 수 있는 접착 속성을 더 포함할 수도 있다.
따라서, 열전도부재(130)는 인쇄회로기판(120)의 일면과 금속 구조체(210)의 노출면 사이에 개재되어 발광다이오드 칩(110)에서 발생되는 열을 전도하는 열 전도 역할 뿐만 아니라 인쇄회로기판(120)과 금속 구조체(210) 사이에 표면 결합들을 플렉시블하게 채워 공기 보이드층을 제거함으로써 인쇄회로기판(120)에서 금속 구조체(210)로 흐르는 열의 흐름을 개선해줄 수 있다.
또한, 상기 금속 구조체(210)는 상기 금속 구조체(210)의 표면에 형성되어 상기 금속 구조체(210)의 표면 거칠기를 증가시키는 표면개질층을 포함할 수 있다.
금속 구조체(210)의 표면을 아노다이징 처리를 하여 표면 거칠기를 증가시키는 표면개질층을 형성할 수 있는데, 아노다이징 처리란 예를 들어 알루미늄으로 이루어진 금속 구조체(210)가 양극으로 작용하도록 함으로써 금속 구조체(210) 표면의 산화작용을 촉진시켜 균일한 두께의 산화피막(산화알루미늄 : Al2O3)을 가지는 표면개질층을 형성하기 위한 방법으로, 전해액 내에서 금속 구조체(210)를 양극으로 한 상태에서 통전시켜 양극에서 발생하는 산소에 의해 금속 구조체(210)의 표면이 산화될 수 있다.
아노다이징 처리에 의해 금속 구조체(210)의 표면에 형성된 산화알루미늄으로 이루어진 표면개질층은 산화물인 일정한 격자구조를 갖는 물질특성으로 인하여 표면구조가 금속 표면보다 훨씬 더 평탄하여, 금속 구조체(210)의 표면에 산화알루미늄이 형성되면 금속 구조체(210)의 거칠기를 증가시켜 표면을 거칠게 함으로써 열전도성 플라스틱으로 이루어진 수지 사출성형물(220)에 의해 금속 구조체(210)가 인서트 몰딩될 때 수지 사출성형물(220)과 금속 구조체(210)의 접촉면이 증가하여 열전도도가 증가될 수 있다. 뿐만 아니라, 아노다이징 처리하여 금속 구조체(210)의 표면에 형성되는 표면개질층이 열전도율이 높은 산화알루미늄으로 형성됨으로써 열전도가 더 효과적으로 일어날 수 있다.
아노다이징 처리는 산화알루미늄을 형성하는 다른 방법들에 비해 공정비용이 저렴하고 간단하다는 장점이 있으나, 표면개질층이 이에 한정되는 것은 아니고 금속 구조체(210)의 표면 거칠기를 증가시킬 수 있는 층(layer)이면 족하다.
상기 금속 구조체(210)는, 상기 인쇄회로기판(120)과 대향하는 판상의 제1 금속 구조체(211); 및 상기 제1 금속 구조체(211)로부터 후방으로 연장되는 제2 금속 구조체(212)를 포함할 수 있다.
제1 금속 구조체(211)는 발광다이오드 칩(110)에서 발생한 열을 흡수하여 빠른시간 내에 수평으로 넓게 확산시켜줄 수 있기 때문에 발광다이오드 칩(110)에서 발생한 열이 부분적으로 분포하지 않고 확산시켜 넓게 분포할 수 있도록 할 수 있다.
또한, 인쇄회로기판(130)의 중앙부는 인쇄회로기판(130)의 중앙부에 실장된 발광다이오드 칩(110)에 의해 다른 부분보다 열이 많이 발생하기 때문에 보다 효과적인 방열이 필요하므로, 제2 금속 구조체(212)는 제1 금속 구조체(211)의 중앙부에서 후방으로 연장되어 인쇄회로기판(130)의 중앙부에 실장된 발광다이오드 칩(110)에서 발생하는 열을 흡수하여 후방으로 확산시켜줄 수 있다.
제1 금속 구조체(211)는 발광다이오드 칩(110)이 실장된 인쇄회로기판(120)의 열을 효과적으로 방열시키기 위해 인쇄회로기판(120)의 면적과 같거나 인쇄회로기판(120)의 면적보다 넓게 형성할 수 있고, 인쇄회로기판(120)과 일체형으로 이루어져 방열 기판을 형성할 수도 있다.
또한, 제2 금속 구조체(212)는 제1 금속 구조체(211)로부터 후방으로 연장될 수 있는데, 본원에서 사용되는 용어 "전방"은 발광다이오드 칩(110)에서 방출되는 광이 외부렌즈(140)로 조사되는 방향을 의미하며, "후방"은 발광다이오드 칩(110)에서 방출되는 광이 외부렌즈(140)로 조사되는 방향과 반대방향인 제1 금속 구조체(211)의 저면을 향하는 방향을 의미한다. 다시 말해서, 제2 금속삽 입체는 제1 금속 구조체(211)의 중앙부에서 후방으로 연장되어 제2 금속 구조체(212)가 열전도성 플라스틱으로 이루어진 수지 사출성형물(220) 및 방열핀(221)과 밀착될 수 있다.
인쇄회로기판(120)의 중앙부는 인쇄회로기판(120)의 중앙부에 실장된 발광다이오드 칩(110)에 의해 다른 부분보다 열이 많이 발생하기 때문에 효과적인 방열이 필요한데, 제2 금속 구조체(212)가 제1 금속 구조체(211)의 중앙부에서 후방으로 연장되면, 인쇄회로기판(120)의 중앙부의 열을 제2 금속 구조체(212)를 통해 효과적으로 방열시킬 수 있다.
제1 금속 구조체(211) 및 제2 금속 구조체(212)는 열전도성이 우수하므로, 인쇄회로기판(120)의 중앙부에서 발생하는 열을 신속하게 흡수 및 전도하여 방열시킬 수 있다. 이에 따라 히트싱크(200)를 통해 효과적으로 방열이 이루어져 열전도성 플라스틱의 방열 특성을 보완하여 줄 수 있다.
금속 구조체(210)를 구성하는 제1 금속삽입체와 제2 금속삽입체는 일체형으로 형성되어 T자형 금속 구조체(210)를 이룰 수 있고, 히트싱크(200)는 열전도성 플라스틱으로 이루어진 수지 사출성형물(220)과 T자형 금속 구조체(210)가 한 번에 사출성형되어 열전도성 플라스틱으로 이루어진 수지 사출성형물(220) 부분과 금속 구조체(210)가 일체형으로 이루어질 수 있다. 이러한 경우, 수지 사출성형물(220)과 금속 구조체(210)가 서로 밀착할 수 있어 효과적으로 열 전도될 수 있고, 이에 따라 방열 성능이 향상될 수 있다.
상기 수지 사출성형물(220)은 상기 제2 금속 구조체(212)에서 외측 방향으로 방사되어 형성되는 방열핀(221)을 더 포함할 수 있다.
제2 금속 구조체(212)의 외측 방향으로 방사되어 형성되는 방열핀(221)은 공기와의 접촉면적을 넓혀서 더욱 효과적인 방열이 가능하도록 할 수 있다.
자세히 살펴보면, 방열핀(221)은 제2 금속 구조체(212)에서 외측 방향으로 방사되어 형성될 수 있는데, 각각의 방열핀(221)은 제2 금속 구조체(212)의 길이 방향을 따라 길게 형성되고, 각각의 방사 방향으로 연장되어 형성될 수 있다. 이러한 경우, 각각의 방열핀(221)이 제2 금속 구조체(212)의 길이 방향을 따라 길게 형성되어 제2 금속 구조체(212)로 전도된 열이 효과적으로 각각의 방열핀(221)에 전달될 수 있고, 방열핀(221)이 제2 금속 구조체(212)에서 방사되어 형성됨으로 인해 제2 금속 구조체(212)로 전도된 열이 사방으로 분산되어 모든 방열핀(221)에 균일하게 전달됨으로써, 방열핀(221)에 전달된 열이 넓은 면적에서 공기와 접촉하여 효과적으로 방열될 수 있다.
열 전달 경로를 다시 살펴보면, 발광다이오드 칩(110)이 실장된 인쇄회로기판(120)에서 발생된 열이 순차적으로 열전도부재(130), 제1 금속 구조체(211)로 전도, 확산되고, 최종적으로 제1 금속 구조체(211)에서 제2 금속 구조체(212)로 전도된 열은 제2 금속 구조체(212)의 길이 방향을 따라 전도되어 방열핀(221)으로 전달된다. 즉, 제2 금속 구조체(212)에서 외측으로 방사되어 방사형으로 형성된 방열핀(221) 각각으로 제2 금속 구조체(212)에 전도된 열을 분산시킬 수 있다.
이에 따라 인쇄회로기판(120)에 발생된 열(즉, 발광다이오드 칩(110)에서 발생되는 열)이 원활하게 방열핀(221)까지 전도될 수 있고, 방열핀(221)에서 공기와의 접촉면적이 넓어져 효과적으로 방열될 수 있다.
한편, 수지 사출성형물(220)은 전방을 향하는 면에 통기구(224)를 더 포함할 수 있는데, 통기구(224)는 공기가 여러 방향에서 유입되고 배출되도록 함으로써, 방열핀(221)에서 효과적으로 방열될 수 있도록 할 수 있고, 이에 따라 히트싱크(200)의 방열성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 조명장치는 상기 외부렌즈(140)와 상기 렌즈안착부(222) 사이에 제공되고, 광에너지에 의해 경화되는 수지로 이루어지는 접합부재(150)를 더 포함할 수 있다. 상기 수지는, 올리고머; 상기 올리고머와 반응하는 희석제인 모노머; 및 상기 올리고머와 상기 모노머의 중합반응을 유도하는 광개시제를 포함할 수 있다.
접합부재(150)는 외부렌즈(140)와 렌즈안착부(222) 사이에 제공되어 외부렌즈(140)와 수지 사출성형물(220)을 접합시킴으로써, 외부렌즈(140)와 히트싱크(200)를 결합시킬 수 있다. 이러한 경우, 나사 체결이 없이도 외부렌즈(140)와 히트싱크(200)를 결합할 수 있고, 수지 사출성형물(220)의 렌즈안착부(222)와 외부렌즈(140)의 사이가 실링(sealing)되어 방수기능을 확보할 수도 있다. 이에 따라 나사 체결이 없도록 할 수 있으므로 공정시간을 단축할 수 있고, 나사뿐만 아니라 나사 체결시 방수를 위해 사용되는 고무패킹도 사용하지 않을 수 있기 때문에 공정비용을 절감할 수 있다.
이러한 접합부재(150)는 렌즈안착부(222)와 외부렌즈(140) 사이에 수지를 채우고 수지를 경화시켜 형성할 수 있다. 즉, 접합부재(150)는 광에너지에 의해 수지(resin)가 경화된 것일 수 있는데, 광에너지에 의해 경화되는 수지는 자외선(UV) 경화 수지일 수 있다. 자외선 경화 수지는 경화 시간이 짧고, 경화 후에 투명색상을 유지할 수 있으며, 동종 물질 간의 접착력뿐만 아니라 이종 물질 간의 접착력도 우수하다는 장점이 있다. 접합부재(150)는 외부에 노출되는 부분이기 때문에 수지가 빨리 경화되지 않으면 외부렌즈(140)가 들뜰 수 있는데, 광에너지에 의해 경화되는 수지(예를 들어, 자외선 경화 수지)를 사용하면 짧은 시간에 경화시킬 수 있어 이를 방지할 수 있다.
광에너지(예를 들어, 자외선 경화)에 의해 경화되는 수지(예를 들어, 자외선 경화 수지)는 올리고머, 모노머 및 올러고머와 모노머의 중합반응을 유도하는 광개시제를 포함할 수 있다.
자외선 경화란, 화학 반응을 이용하여 페인트나 잉크처럼 묽은 액체 상태를 고체처럼 딱딱하게 굳게 만드는 것이다. 다시 말해서, 모노머, 올리고머, 광개시제를 분산 혼합시킨 상태로 자외선을 조사하게 되면, 자외선 조사에 의하여 광개시제로부터 생성된 라디칼이나 양이온에 의해 중합반응이 시작되어 반응성을 가진 모노머나 올리고머가 순간적으로 고분자 중합체인 폴리머가 되는 것이다.
올리고머는 수지의 특성을 결정하는 기본 골격이 되는 주요요소이다. 수지의 건조속도 등을 향상시킬 수 있으며 외부온도변화에 따른 내열성이 우수하고 내수성 및 내약품성이 우수한 에폭시 아크릴레이트, 폴리에스테르 아크릴레이트 등을 사용할 수 있다.
반응성 희석제라고 불리는 모노머는 1관능부터 6관능까지 있으며 일반적으로는 1~4관능기가 대부분이다. 여기서, 모노머는 관능기가 많을수록 경화성이 좋아질 수 있다. 일반적으로 반응성 희석제로 쓰이는 모노머는 2관능 모노모인 헥산 디올 디 아크릴레이트와 트리 메티롤 프로판 트리 아크릴레이트가 주로 사용될 수 있다.
또한, 광개시제는 자외선 램프에서 방출되는 자외선 에너지를 흡수하여 올리고머와 모노머가 중합반응을 시작하게 하는 개시제로서 투입할 수 있다. 즉, 모노머, 올리고머가 광 중합하는데 필요한 에너지를 가해서 고분자 물질로 바뀌게 광 중합을 개시시키는 역할을 할 수 있다.
수지는 올리고머, 모노머, 광개시제 뿐만 아니라 필러를 더 포함할 수 있는데, 필러를 추가함으로써 올리고머, 모노머와 화학적으로 결합하여 접합부재(150)의 내마모성을 향상시킬 수 있다.
외부렌즈(140)와 히트싱크(200)가 이종 물질로 이루어진 경우에는 수지를 통해 외부렌즈(140)와 히트싱크(200)가 잘 접착될 수 없지만, 본 발명에서는 성형의 용이성과 광 투과 및 굴절작용을 위해 폴리메틸메타크릴레이트(Poly Methyl Methacrylate; PMMA), 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride; PVC), 폴리카보네이트(Poly Carbonate; PC) 등의 투명 고분자 재료로 형성되는 외부렌즈(140)와 열전도성 플라스틱으로 이루어지는 히트싱크(200)가 모두 수지와 동종 물질인 고분자 재료(또는 유기물 재료)로 이루어져 있고, 접합부재(150)는 금속 구조체(210)와 접촉되지 않기 때문에 외부렌즈(140)와 히트싱크(200)가 수지를 통해 잘 접착될 수 있다.
즉, 히트싱크(200)의 외형을 이루고 열전도성 플라스틱으로 이루어진 수지 사출성형물(220)과 수지로 이루어진 외부렌즈(140)는 모두 동종물질인 수지로 이루어져 있기 때문에 히트싱크(200)와 외부렌즈(140)를 접합시키기 위한 접합부재(150)는 수지로 이루어질 수 있으며, 외부렌즈(140), 접합부재(150) 및 히트싱크(200)는 모두 수지로 이루어져 일체로 형성되기 때문에 방수에 효과적일 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수지 사출성형물과 방수 커넥터를 나타내는 평면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 조명장치는 상기 히트싱크(200)의 적어도 일부를 관통하고, 상기 인쇄회로기판(120)과 전원 공급원(미도시)을 전기적으로 연결하는 방수 커넥터(230)를 더 포함할 수 있다.
나사 체결이 아닌 자외선 경화를 이용하여 외부렌즈(140)와 수지 사출성형물(220)을 접합하고, 금속 구조체(210)를 인서트 몰딩하여 수지 사출성형물(220)과 금속 구조체(210)가 일체로 형성된 히트싱크(200)와 같이 본 발명에 따른 조명장치는 방수 특성이 매우 우수할 수 있는데, 우수한 방수 특성을 유지하면서 발광다이오드 칩(110)이 실장된 인쇄회로기판(120)에 전원을 공급하기 위해 방수 커넥터(230)를 사용하여 인쇄회로기판(120)과 전원 공급원을 전기적으로 연결시킬 수 있다.
방수 커넥터(230)는 히트싱크(200)의 적어도 일부를 관통하여 인쇄회로기판(120)에서 나오는 전선 및 인쇄회로기판(120)에 전원을 공급하는 전원 공급원의 전선과 전기적으로 연결되어 인쇄회로기판(120)에 직접 전원을 공급할 수 있다. 즉, 인쇄회로기판(120)이 전기적으로 구동되기 위한 인쇄회로기판(120)과 전원 공급원의 체결은 방수 커넥터(230)를 이용한 전선으로 체결될 수 있다.
그리고, 방수 커넥터(230)는 히트싱크(200)의 적어도 일부를 관통하고 방수 커넥터(230)의 부피로 인해 제2 금속 구조체(212)에서 방사상으로 구획된 복수의(예를 들어, 2개) 방열핀(221)을 제거하여 배치될 수 있다. 또한, 방수 커넥터(230)는 제2 금속 구조체(212)의 하부에 배치되는 실시예의 적용도 가능하다. 방수 커넥터(230)가 배치되는 위치는 이에 한정되는 것은 아니며 인쇄회로기판(120)과 전원 공급원을 전기적으로 연결시킬 수 있는 위치면 상관없이 배치될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
110 : 발광다이오드 칩 120 : 인쇄회로기판
130 : 열전도부재 140 : 외부렌즈
150 : 접합부재 200 : 히트싱크
210 : 금속 구조체 211 : 제1 금속 구조체
212 : 제2 금속 구조체 220 : 수지 사출성형물
221 : 방열핀 222 : 렌즈안착부
223 : 돌출부 224 : 통기구
230 : 방수 커넥터

Claims (12)

  1. 빛을 방출하는 발광다이오드 칩;
    상기 발광다이오드 칩이 실장되는 인쇄회로기판;
    상기 발광다이오드 칩의 전방에 구비되어 상기 발광다이오드 칩에서 방출되는 빛의 경로를 조절하는 외부렌즈; 및
    상기 외부렌즈의 가장자리가 안착되어 고정되는 렌즈안착부를 포함하며, 상기 발광다이오드 칩으로부터 발생되는 열을 방출시키는 히트싱크를 포함하고,
    상기 히트싱크는,
    열전도성 플라스틱으로 이루어진 수지 사출성형물; 및
    상기 수지 사출성형물에 의해서 인서트 몰딩되는 금속 구조체를 포함하며,
    상기 수지 사출성형물 및 금속 구조체는 인서트 사출법에 의해서 일체로 형성되는 조명장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 구조체는 그 표면의 일부가 노출되는 노출면을 포함하고, 상기 금속 구조체의 노출면과 상기 인쇄회로기판은 서로 대향하는 조명장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 수지 사출성형물은 상기 렌즈안착부에서 연장되어 상기 금속 구조체의 노출면 가장자리의 적어도 일부를 덮는 돌출부를 포함하는 조명장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 인쇄회로기판과 상기 금속 구조체의 노출면 사이에 개재되는 열전도부재를 더 포함하는 조명장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 열전도부재는 연질 수지 및 열전도성 필러로 이루어진 조명장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 구조체는 상기 금속 구조체의 표면에 형성되어 상기 금속 구조체의 표면 거칠기를 증가시키는 표면개질층을 포함하는 조명장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 구조체는, 상기 인쇄회로기판과 대향하는 판상의 제1 금속 구조체; 및 상기 제1 금속 구조체로부터 후방으로 연장되는 제2 금속 구조체를 포함하는 조명장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 수지 사출성형물은 상기 열전도성 플라스틱보다 열전도도가 높은 열전도성 필러를 더 포함하는 조명장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부렌즈와 상기 렌즈안착부 사이에 제공되고, 광에너지에 의해 경화되는 수지로 이루어지는 접합부재를 더 포함하는 조명장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 수지는, 올리고머; 상기 올리고머와 반응하는 희석제인 모노머; 및 상기 올리고머와 상기 모노머의 중합반응을 유도하는 광개시제를 포함하는 조명장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 히트싱크의 적어도 일부를 관통하고, 상기 인쇄회로기판과 전원 공급원을 전기적으로 연결하는 방수 커넥터를 더 포함하는 조명장치.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 수지 사출성형물은 상기 제2 금속 구조체에서 외측 방향으로 방사되어 형성되는 방열핀을 더 포함하는 조명장치.
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