KR20180021922A - 경량의 히트 싱크와 이를 구비하는 발광 다이오드 램프 - Google Patents

경량의 히트 싱크와 이를 구비하는 발광 다이오드 램프 Download PDF

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KR20180021922A
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아쉬파큘 아이. 초두리
개리 알. 알렌
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지이 라이팅 솔루션스, 엘엘씨
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Abstract

히트 싱크(10)는 어떤 실시예에서는 플라스틱 히트 싱크 바디인 히트 싱크 바디(12)를 포함하고, 히트 싱크 바디 위에 배치되는 열적 전도성 층(14)을 포함한다. 어떤 실시예에서 열적 전도성 층은 구리 층을 포함한다. 발광 다이오드 기반 램프는 앞서 언급한 히트 싱크와 하나 또는 그 이상의 발광 다이오드 기기(32)를 가지고 상기 히트 싱크에 고정되어 상기 히트 싱크와 열적 교환을 하는 발광 다이오드 모듈(32)을 포함한다. 이러한 어떤 발광 다이오느 기반 램프는 A-라인 전구 구성이나 MR 또는 PAR 구성을 가질 수 있다. 개시된 방법 실시예에서는 히트 싱크 바디를 형성하는 단계 그리고 열적 전도성 층을 히트 싱크 바디위에 배치하는 단계를 포함한다. 헝성하는 단계는 플라스틱일 수 있는 히트 싱크 바디를 몰딩하는 것을 포함한다. 어떤 일실시예에서 히트 싱크 바디는 핀들과 핀들 위에 열적 전도성 층을 배치하는 것을 포함한다.

Description

경량의 히트 싱크와 이를 구비하는 발광 다이오드 램프{LIGHTWEIGHT HEAT SINKS AND LED LAMPS EMPLOYING SAME}
본 출원서는 2010년 4월 2일에 출원된 미국 가출원 제61/320/417의 우선권을 주장하며, 상기 가출원특허는 여기에 전체가 참조로써 통합된다.
본 출원은 조명 기술, 발광 기술, 솔리드-상태 발광 기술, 열 관리 기술 및 그 관련된 기술에 관한 것이다.
백열, 할로겐, 고휘도 방전(HID) 광원은 상대적으로 높은 작동 온도를 가지고, 결과적으로 복사나 대류의 열전달 경로에 의한 열 방출이 가장 두드러진다. 예를 들어, 복사 열 방출은 온도의 4제곱으로 상승하기 때문에 복사 열전달 경로는 작동 온도 증가에 따라 더욱 지배적이게 된다. 따라서, 백열, 할로겐, HID 광원에 대한 열 관리는 일반적으로 효과적인 복사 또는 전도 열전달을 위하여 램프 주변에 충분한 공기 공간을 공급하는 것에 달려있다. 특히, 이러한 타입의 광원에서는, 필요한 램프의 작동 온도를 얻기 위하여 복사 또는 대류를 개선하고자 램프의 표면을 증가하거나 변형 시키는 것은 필요하지 않다.
반면에, 발광 다이오드(light emitting diode, LED)기반의 램프는 기기 수행과 신뢰성을 가지면서 충분히 낮은 온도에서 작동할 수 있다. 예를 들어, 일반적인 발광 다이오드 기기의 작동 온도는 200℃ 아래이며, 어떠한 발광 다이오드 기기들은 100℃ 또는 더 낮은 온도를 가진다. 이러한 낮은 온도에서는 주변에 대한 복사 열 전달 경로가 약하므로 주변에 대한 대류나 전도 열전달이 지배적이다. 발광 다이오드 광원에 있어서, 램프 또는 발광체의 표면으로부터의 대류 및 복사 열전달은 히트 싱크의 추가로 개선될 수 있다.
히트 싱크는 발광 다이오드 기기로부터 복사나 대류 열전달을 배출하는 넓은 표면을 가진 부품이다. 종래의 디자인으로의 히트 싱크는 예를 들어 표면에 핀(fin)이나 기타 열 배출 구조를 가지도록 가공된 넓은 표면을 가진 상대적으로 크고 무거운 금속 소재로 이루어진다. 넓은 단면적과 높은 열전도율을 가지는 히트 싱크는 효과적으로 발광 다이오드램프에서 발생하는 열을 핀으로 전달하고 넓은 표면적을 가지는 핀은 복사와 대류에 의하여 효과적으로 열을 배출한다. 고출력의 발광 다이오드 램프는 열제거를 향상하기 위하여 팬(fan), 인공 제트(synthetic jets), 열-전기 쿨러, 또는 냉각수 펌프를 이용하는 능동적 냉각 수단을 포함하고 있다.
실례로서 여기에 개시된 일부 실시 예들에서, 히트 싱크는 히트 싱크 바디(heat sink body)와 히트 싱크 바디 위에 배치되는 열적 전도성 층(thermally conductive layer)를 포함한다. 이와 같은 실시 예에서 히트 싱크 바디는 플라스틱 히트 싱크 바디이다. 이와 같은 실시 예에서 열적 전도성 층은 구리 층을 포함한다.
실례로서 여기에 개시된 일부 실시 예들에서, 발광 다이오드 기반 램프는 다음 단락에서 개시되는 히트 싱크와 하나 또는 그 이상의 발광 다이오드 기기를 가지는 발광 다이오드 모듈을 포함하고 발광 다이오드 모듈은 히트 싱크로 고정되고 히트 싱크와 열 교환(communication)한다. 이와 같은 실시예에서발광 다이오드 기반 램프는 A-라인 전구 구성을 포함한다. 이와 같은 실시예에서 발광 다이오드 기반 램프는 MR 또는 PAR 구성을 포함한다.
실례로서 여기에 개시된 일부 실시 예들에서, 방법은 히트 싱크 바디를 형성하는 것; 히트 싱크 바디에 열적 전도성 층을 배치하는 것을 포함한다. 이와 같은 실시예에서 형성하는 것은 몰드된 플라스틱 히트 싱크 바디처럼 히트 싱크 바디를 몰드하는 것을 포함한다. 이와 같은 실시예에서 히트 싱크 바디는 핀들과 핀들 위에 열적 전도성 층을 배치하는 것을 포함한다.
도 1과 도 2는 열 모델를 도시한 것으로 도 1은 금속 요소를 가지는 전통적인 히트 싱크에 관한 열 모델이고, 도 2는 본 출원에 따른 히트 싱크에 대한 열 모델을 도시한다.
도 3과 도 4는 각각 MR 또는 PAR 램프에서 적절하게 사용되는 히트 싱크에 대한 측단면도 및 측배경도이다.
도 5는 도 3과 도 4의 히트 싱크를 포함하고 있는 MR 또는 PAR 램프의 측단면도이다.
도 6은 도 5의 MR 또는 PAR 램프의 광학/전기 모듈에 대한 측면도이다.
도 7은 경량의 히트 싱크를 생산하기 위한 적절한 생산 과정에 대하여 도시한 순서도이다.
도 8은 단순화된 "슬래브(slab)"형 히트 싱크를 위하여 코팅 두께 대 등가 K 데이터를 표시한다.
도 9와 도 10은 벌크 금속 히트 싱크에 대한 열전도에 따른 온도 변화를 나타낸 도표이다.
도 11은 여기에 개시된 것과 같이 히트 싱크를 통합하는 "A-라인 전구(A-line bulb)" 램프의 측단면도이다.
도 12는 핀을 포함하는 히트 싱크를 가진 도 9의 "A-라인 전구" 램프의 변형 실시 예에 대한 측배경도이다.
도 13과 도 14는 핀이 있는 "A-라인 전구" 램프들의 부가적인 실시 예의 측배경도이다.
도 15는 본 출원에서 개시한 구리 판과 플라스틱 히트 싱크 바디를 사용한 PAR-38 히트 싱크의 중량과 재료비에 대한 계산값을 도시한 것이다.
도 16과 도 17에서 도 16은 히트 싱크 바디에 대한 측배경도를 나타낸 것이고, 도 17은 열 전환 경로를 포함하는 완전한 히트 싱크에 대한 측배경도이다.
빛에서 열을 배출하는 백열, 할로겐, HID 광원에 있어서, 램프 근처의 공기로 열을 전달하는 것은 광원의 작동하는 동안 상승된 목표 온도를 얻기 위하여 복사와 대류 열경로를 디자인 하는 것에 의하여 운영된다. 반면에, 발광 다이오드 광원에 있어서는 광자들은 열반응이 아니고 p-n 결합 반도체의 구멍에서 전자들의 재배치에 의하여 생성된다. 상승된 목표 온도에서 작동하는 것보다는 발광 다이오드의 p-n접합의 작동 온도를 최소화 하는 것에 의하여 광원의 성능과 수명이 최적화된다. 핀 또는 기타 표면적인 증가된 구조을 가지는 히트 싱크를 제공함으로써, 대류와 복사 열전달을 위한 표면이 향상된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 블럭으로 표시된 핀을 가진 금속 히트 싱크(MB)와 타원형으로 표시된 히트 싱크의 핀들(MF)이 도시되어 있다. 기재되어 있는 히트 싱크 표면(예를 들어 MF)은 열이 둘러싸인 주변으로 대류 및/또는 복사로 통과하는 표면은 발광 다이오드 기기(LD)가 안정된 작동 상태에서 있도록 충분한 히트 싱크가 되기 위하여 넓은 면적을 가져야 한다. 히트 싱크 표면(MF)에서 주변으로 대류와 복사되는 방열은 열저항 Rconvection과 RIR, 각각 또는 동등하게 열 전도도(conductance)로 모델링 될 수 있다. 저항 Rconvection은 히트 싱크의 표면에서 근처 주변로 자연적 또는 인공적인 공기 흐름으로 대류되는 것을 모델로 한다. 저항 RIR은 히트 싱크의 표면에서 떨어진 주변으로 적외선(IR) 복사되는 것을 모델로 한다. 추가적으로, 발광 다이오드 기기(LD)와 히트 시크 표면(MF)사이에서 열전도되는 것을 대표하는 열전도 경로(저항 Rspreader와 Rconductor로 도 1에서 표시되어 있음)는 발광 다이오드 기기(LD)와 히트 싱크 표면(MF) 사이에서 서로 연결되어 있다. 이 일련의 열전도 경로의 높은 열 전도도는 발광 다이오드 기기에서 히트 싱크 표면을 통해 근처 공기로 방출되는 열이 일련의 열 전도도에 의해 제한되지 않는 것을 보장한다. 이는 일반적으로 히트 싱크 표면을 정의하는 핀들이 형성된 또는 다른 방식으로 향상된 표면을 갖는 상대적으로 큰 블록의 금속으로서 히트 싱크(MB)를 구성함으로써 달성되는데, 금속 히트 싱크 바디는 발광 다이오드 기기들 및 히트 싱크 표면 사이에 원하는 높은 열 전도도를 제공한다. 이 디자인에서, 히트 싱크 표면은 근본적으로 높은 열 전도도 경로를 제공하는 금속 히트 싱크 바디와 지속적이고 밀접하게 열접촉되어 있다.
따라서, 대류 방열을 위한 히트 싱크(MB)를 포함하는 발광 다이오드 기반의 램프는 근처 공기에 노출되어 있는 넓은 면적의 히트 싱크 표면(MF)를 가지는 금속(또는 금속 합금) 블록을 포함한다. 금속 히트 싱크 바디는 발광 다이오드 기기와 히트 싱크 표면 사이에서 높은 열 전도도를 제공한다. 도 1에서 저항 Rconductor는 히트 싱크 바디(MB)를 통한 전도를 모델링 한다. 발광 다이오드 기기는 금속 회로 보드에 설치되거나 열 확산기(spreader)를 포함하는 기타 서포트(support)에 설치되고, 발광 다이오드 기기에서 발생하는 열은 열확산기에서 히트 싱크로 전도된다. 이것은 저항 Rspreader에 의하여 모델링이 된다.
히트 싱크 표면(저항 Rconvection과 RIR) 을 통하여 주변으로 방열되는 것에 추가하여, 일반적으로 또한 에디슨 베이스(Edison base) 또는 기타 램프 컨넥터 또는 램프 베이스(LB) (도 1에서 원형의 점선으로 표시된 부분에서 도시되어 있음)를 통하여 종래의 열 방출(예를 들어 히트 싱킹)이 있다. 이 램프 베이스(LB)를 통한 열 방출은 도 1에서 저항 Rsink이라고 표시되는 모델로 대표되고, 이는 고체 또는 열 파이프에서 떨어진 주변 또는 건설된 기반시설(building infrastructure)로의 전도를 대표한다. 하지만, 일반적인 형태의 에디슨 타입 베이스와 열 전도도, 그리고 베이스(LB)의 온도 한계는 베이스를 통한 열유동을 약 1와트(watt)까지로 제한하는 것이 알려져 있다. 대조적으로, 방과 같은 실내 발광 또는 외부 조명에 제공되도록 하고자 하는 발광 다이오드 기반의 램프에서, 감소하는 열 배출은 일반적으로 약 10와트 또는 그 이상이다. 따라서, 램프 베이스(LB)는 주요 방열 경로를 제공할 수 없는 것으로 알려져 있다. 다만, 발광 다이오드 기기로부터 열 방출은 금속 히트 싱크 바디에서 대류(Rconvection)과 (적은 범위의) 복사(RIR)에 의하여 열이 둘러싸인 주변으로 방출되는 히트 싱크의 히트 싱크 외부 표면을 거친 전도가 주된 것이다. 히트 싱크 표면은 핀(예를 들면 도 1에서 표시된 핀들(MF))이 있을 수 있거나 방열을 증가할 수 있게 개선하도록 변형될 수 있다.
이러한 히트 싱크는 몇가지 단점들이 있다. 예를 들어, 히트 싱크는 히트 싱크(MB)를 구성하는 금속 또는 금속 합금의 큰 부피 때문에 무겁다. 무거운 금속 히트 싱크는 깨지거나, 전기적인 위험을 줄 수 있는 고장(failre) 모드를 초래할 수 있는 기계적인 스트레스를 베이스나 소켓에 줄 수 있다. 히트 싱크의 다른 문제점은 생산 비용이다. 벌크 금속 히트 싱크 부품을 가공하는 것은 비싸고, 어떤 금속을 선택하는 지에 따라 재료비가 높아질 수 있다. 더구나, 히트 싱크는 때때로 전기 기구의 하우징이나 에디슨 베이스의 설치 지점 또는 발광 다이오드 기기 회로 보드의 지지대로 사용할 수 있다, 이러한 사용예들은 히트 싱크의 가공 비용이 상승하게 되는 정밀한 가공이 되는 것을 요구한다.
본 출원은 이러한 문제점들을 도 1에서 단순화된 모델로 도시하여 분석한다. 도 1에서 열 모델은 대수학적으로 열 임피던스(impedances)의 직-병렬 회로로 표시될 수 있다. 정상 상태에서, 램프 자신의 열중량 또는 램프 컨넥터, 전선 그리고 구조물과 같은 근처 주변의 물체의 열중량과 같은 모든 일시적인 임피던스들은 열 캐패시턴스(capacitance)로 취급된다. 일시적인 임피던스(예를 들어 열 개패시턴스)는 정상 상태에서는 직류(DC) 전기 회로에서 전기 캐패시턴스와 같이 무시되고, 단지 저항들만이 고려가 된다. 발광 다이오드 기기 및 주변 사이에서 전체 열저항 (Rthermal)은 아래와 같이 표현될 수 있는데:
Rthermal = Rspreader + Rconduction +〔1/Rsink + 1/Rconvection + 1/RIR〕-1,
여기서 Rsink는 에디슨 커넥터(또는 다른 램프 커넥터)를 통하여 "주변" 전선(clectical witing)으로 통과한 열의 저항; Rconvection은 대류 열 전달에 의해 히트 싱크 표면으로부터 인근 주변 내로 통과한 열의 열 저항; 및 Rspreader + Rconduction은 히트 싱크 표면에 도달하기 위하여 발광 다이오드 기기들로부터 열 확산기(Rspreader)를 통하여 그리고 금속 히트 싱크 바디(Rconduction)을 통하여 통과한 열의 직렬 열 저항이다. 용어 1/Rsink를 위하여, 상응하는 직렬 열 저항은 정확하게 Rspreader + Rconduction이 아닌데, 그 이유는 직렬 열 저항이 히트 싱크 표면에 대한 것보다는 램프 커넥터에 대한 것이기 때문이다. 그러나 베이스 커넥터를 통한 열 전도(1/Rsink)가 일반적인 램프를 위하여 작기 때문에 이러한 에러는 무시된다. 실제로, 베이스를 통한 방열을 완전히 무시한 단순화된 모델은 아래와 같이 표현될 수 있다.
Rthermal = Rspreader + Rconduction +〔1/Rconvection + 1/RIR〕-1.
이 단순화된 식은 히트 싱크 바디를 통하여 연결된 열저항 Rconduction은 열모델을 조절하는 파라미터(paramater)로 설명하고 있다. 특히, 매우 낮은 연결된 열 저항값 Rconduction을 제공하는 벌크 금속 히트 싱크(MB)를 포함하는 전통적인 히트 싱크 디자인에서 적합하다. 이러한 점들을 볼 때, 전통적인 히트 싱크와 비교하여 감소된 중량(또한, 더 좋게는 비용 감소도)을 가지면서도 낮은 직렬 열저항 Rconduction을 가지는 히트 싱크를 달성하는 것이 바람직하다.
베이스의 열 방열 Rsink를 개선하기 위하여 성취될 수 있는 한가지 방법은 이 경로가 10 와트 이상의 방열 비율을 제공하는 것이다. 하지만 기존의 백열 또는 형광 또는 HID 램프들을 대체하는 발광 다이오드 램프와 같은 개조된 광원장치(applications)에서 발광 다이오드 대체 램프는 백열 또는 형광 또는 HID 램프에 맞게 디자인된 기존 타입의 베이스 또는 소켓 또는 조명기구에 설치된다. 이러한 연결을 위하여, 건설된 기반시설 또는 인근 먼 주변(예를 들어 접지)에 대한 열 저항 Rsink은 Rconvection과 RIR에 비해서 크기 때문에 대류와 복사에 의한 주변으로의 열경로가 지배적이다.
추가적으로, 발광 다이오드 조립체(assembly)의 상대적으로 낮은 정상 상태 작동 온도 때문에, 열경로는 일반적으로 대류 경로에 의하여 주도된다.(즉, Rconvection << RIR). 그러므로, 종래 발광 다이오드 기반 램프의 주도적인 열경로는 Rconduction과 Rconvection로 구성되는 직렬 열회로이다. 그러므로 히트 싱크의 중량을 줄이면서(그리고 더 좋게는 비용까지), 낮은 직렬 열 저항 Rconduction + Rconvection가 제공되는 것이 요구된다.
본 출원은 발광 다이오드 기반 램프에 있어서 열제거의 문제를 첫번째 원칙에 따른 관점에서 조심스럽게 고려한다. 여기서 인식하게 된 바, 중요하게 여겨지는 파라미터(히트 싱크 부피, 히트 싱크 중량 대비 전도율, 히트 싱크 표면적 그리고 베이스를 통한 전도성(conductive) 열제거와 방출(sinking)) 중 두 가지 지배적인 디자인 요소는 발광 다이오드와 히트 싱크 사이 경로에 대한 열 전도도(즉, Rconduction)와 주변으로 대류와 복사 열전달을 위한(그리하여 Rconvection , RIR에 영향을 주는) 히트 싱크의 외측 표면적이다.
추가적인 분석은 제거 프로세스에 의하여 진행될 수 있다. 히트 싱크 부피는 히트 싱크 중량과 표면적에 영향을 주는 경우에만 중요한 것이다. 히트 싱크 중량은 일시적인 상황에서 중요하나, 정상 상태의 열 제거 성능에 강하게 영향을 미치지 않는데, 금속 히트 싱크 바디가 낮은 직렬 저항(Rconvection)을 제공하는 정도까지를 제외하고는, 연속적인 작동 램프에서는 흥미롭다. PAR 또는 MR 또는 리플렉터(reflector) 또는 A-라인 램프와 같은 교체 램프의 베이스를 통하는 히트 싱크 경로(path)는 낮은 출력(power) 램프에는 중요한 것이나, 에디슨 베이스의 열적 전달도는 히트 싱크에서 주변으로 약 1와트만 제공하여도 충분하고(그리고 핀 타입과 같은 기타 베이스 타입은 비슷하거나 보다 적은 열적 전달도를 가진다), 베이스에서 주변으로의 전도성(conductive) 방열은 정상 상태에서 수십 내지 수백배(several orders of magnitude) 가열 로드(loads)를 발생하는 상업적인 발광 다이오드 기반의 램프에서는 중요한 것으로 기대되지 않는다.
도 2에서 도시된 바와 같이, 본 출원에서 개시되는 열적 전도성이 필요하지 않는 경량의 히트 싱크 바디(LB)와 히트 싱크 표면을 정의하기 위해(define) 열적 전도성 층(CL)이 히트 싱크 바디에 배치되어있는 것을 포함하는 개선된 히트 싱크가 개시되어 있다. 히트 싱크 바디는 열적 회로의 일부분이 아니나(또는, 선택적으로, 히트 싱크 바디의 어떤 열적 전도성을 통하여 작은(minor) 요소일 수 있다), 히트 싱크 바디(LB)는 히트 싱크 표면을 정의하는 열적 전도성 층(CL)의 형상을 정의한다. 예를 들어, 히트 싱크 바디(LB)는 열적 전도성 층(CL)에 의하여 코팅되어 있는 핀(LF)들을 가질 수 있다.히트 싱크 바디(LB)가 열적 회로의 구성요소가 아니기 때문에(도 2에서 도시된 것처럼), 구조적 견실함 및 낮은 중량과 같은 특성이나 제조 편의성(manufacturability)을 가지도록 디자인될 수 있다. 어떤 히트 싱크 바디(LB)는 열적 절연성(thermally insulating)이나 상대적으로 낮은 열적 전도성을 가지는 플라스틱으로 된 몰드된 플라스틱 부품일 수 있다.
경량의 히트 싱크 바디(LB)위에 배치되어 있는 열적 전도성 층(CL)은 히트 싱크 표면의 기능을 수행하고, 둘러싸인 주변으로 방열하는 것에 관련된 성능(Rconvection , RIR로 표현되는)은 도 1에서 모델링된 기존의 히트 싱크와 거의 동일한 것으로 여겨진다. 또한, 열적 전도성 층(CL)은 발광 다이오드 기기로부터 히트 싱크 표면까지의 열적 경로(Rconduction 로 표현되는)를 정의한다. 이것 역시 도 2에 도시되어 있다. 충분히 낮은 값의 Rconduction를 얻기 위하여, 열적 전도성 층(CL)은 충분히 두께를 가지고 있어야 하며(Rconduction은 두께에 반비례하여 낮아지기 때문에), 충분히 낮은 재료(material) 열 전도율을 가져야 한다(Rconduction은 재료 열 전도율에 비례하여 낮아지기 때문에). 열적 전도성 층(CL)의 적절한 재료와 두께를 선택한다면, 경량의(그리고 열적 절연성일 수도 있는) 히트 싱크 바디(LB)와 히트 싱크 바디에 배치되어 히트 싱크 표면을 정의하는 열적 전도성 층(CL)을 포함하여 구성되는 히트 싱크가, 같은 크기와 모양을 가지는 벌크금속의 히트 싱크와 동일하거나 더 좋은 방열 퍼포먼스를 가지면서, 같은 크기와 모양을 가지는 벌크금속의 히트 싱크보다 충분히 가볍고 생산하기 저렴하다. 또한, 히트 싱크의 성능을 결정하는 것은 주변으로의 복사/대류 방열을 위하여 이용가능한 표면 영역 뿐만 아니라, 주변으로 열 전달하는 히트 싱크 층에 의해 정의되는 외부 표면을 가로지르는 열의 열 전도도(즉, 직렬 저항(Rconduction)에 상응하는)이다. 더 높은 표면 전도도는 히트 싱크 표면 전체에 대하여 더 효율적인 열 분배를 향상시키고 주변으로의 복사 또는 대류 방열을 향상시킨다.
앞서 살펴본 바와 같이, 개시된 히트 싱크의 구성요소(embodiments)는 히트 싱크 바디와 히트 싱크의 적어도 히트 싱크 표면 위에 히트 싱크 바디 상에 배치되는(또는 정의되는) 열적 전도성 층을 포함한다. 히트 싱크 바디의 재료는 열적 전도성 층의 재료보다 낮은 열 전도율을 가진다. 게다가, 히트 싱크 바디는 열적 절연성일 수 있다. 한편, 열적 전도성 층은 발광 다이오드 기반 램프의 발광 다이오드기기의 p-n 반도체 결합(junction)이 일반적으로는 200℃ 그리고 어떤 경우에는 100℃ 이하의 특정된 최대 온도에 충분히 유지되도록 주변로의 복사/대류 방열을 제공하기 위하여 (i)면적 (ii)두께 그리고 (iii)충분한 열 전도율을 가져야 한다.
열적 전도성 층의 두께와 재료 열 전도율은 함께 전기 시트(sheet) 전도율과 유사한(또는, 역으로, 전기 시트 저항) 열적 전도성 층의 열적 시트 전도율을 정의한다. 열적 시트 저항은 (Rs=ρ/d=(σㆍd)- 1)로 정의할 수 있는데, ρ는 재료의 열적 저항율(resistivity)이며 σ는 재료의 열적 전도계수이며, d는 열적 전도성 층의 두께이다.열적 시트 저항은 K/W 단위가 적절한 것으로 보인다. 그 반대는 열 시트 전도도(Ks = σㆍd)를 나타내며 단위는 W/K 단위가 적절한 것으로 보인다. 따라서 열적 전도성 층의 두께 d와 열적 전도성 층의 재료 열 전도율 σ은 균형(trade-off)이 될 수 있다. 높은 열 전도율 재료를 위하여, 열적 전도성 층은 얇게 만들어 질수 있고 결과적으로 중량, 부피, 비용이 감소할 수 있다.
본 출원에서 개시된 실시예(embodiments)에 따르면, 열적 전도성 층은 구리, 알루미늄, 다양한 합금, 또는 기타의 금속 층을 포함하고 이들은 전기도금, 진공 증착(vacuum evapotation), 스퍼터링(sputtering), 물리적 증기 증착(physical vapor deposition, PVD), 플라즈마 화학적 증기 증착(plasma-enhanced chemical v?apor evaporation, 또는 충분히 낮은 온도에서 플라스틱 또는 다른 재료의 히트 싱크 바디와 조화할 수 있는 기타 적절한 층-형성 기술로 배치된다. 도시된 어떤 실시예에 따르면, 열적 전도성 층은 전기 도금에 따라 비전해 도금(electroless plating)를 포함하는 시컨스에 의하여 형성되는 구리 층을 가진다.
히트 싱크 바디(즉, 열적 전도성 층을 포함하지 않는 히트 싱크)는 열확산기(spreading)를 수행하는 (도 2의 열적 모델로 연결 저항 Rconduction에 의하여 수치화된 열적 전도성 층의 모양을 정의하고), (도 2의 열적 모델로 저항 Rconvection , RIR에 의하여 수치화 된)히트 싱크 표면을 정의하는 것을 제외하는 한, 열제거에는 강한 영향을 주지는 않는다. 히트 싱크 바디에 의하여 제공되는 표면적은 복사와 대류를 통한 연속적인 열 제거에 영향을 준다. 결과적으로, 히트 싱크 바디는 저중량, 낮은 비용, 구조적인 강성(rigidity) 또는 견고성(robustness), 열적 견고성(예를 들어 히트 싱크 바디는 작동 온도에서 녹거나 지나치게 부드러워지는 것을 견뎌야 한다), 생산 편의성, 최대 표면적(결과적으로 열적 전도성 층의 표면적을 조절할 수 있는) 또는 기타와 같은 요구되는 성능을 위하여 선택될 수 있다. 도시된 어떤 실시예에 따르면, 히트 싱크 바디는 폴리(methyl methacrylate), 나일론, 폴리에틸렌, 에폭시 수지, 폴리이소프렌, 에스비에스 루버(SBS rubber), 폴리디크로펜타디엔(polydicyclopentadiene), 폴리테트라플루오로에쓰렌(polytetrafluroethulene), 폴리(phenylene sulfide), 폴리(phenylene oxide), 실리콘, 폴리케톤(polyketone), 서모플라스틱(thermoplastic), 또는 기타 플라스틱 요소로 성형된다. 히트 싱크 바디는 핀이나 다른 열 복사/대류/표면적을 향상할 수 있도록 성형될 수 있다.
비용을 최소화 하기 위하여, 히트 싱크 바디는 한번의 성형(molding) 과정을 거쳐 균일한 밀도의 재료를 가지며 균일하게 전체를 가지는 것이 선호되고(반대되면, 예를 들어, 다른 재료의 플라스틱을 다양한 성형 작업을 통하여 형성되는 히트 싱크 바디는 불균일한 밀도의 재료와 불균일하게 전체를 가진다), 비용이 적게 드는 것이 선호된다. 후자의 목적을 위하여, 히트 바디 몸체의 재료는 금속 필러 재료를 가지지 않는 것이 선호되며, 어떠한 전기적 전도성 필러 재료를 가지지 않는 것이 더 선호되며, 어떠한 필러 재료도 가지지 않는 것은 더욱 더 선호된다, 하지만, 어떤 열적 전도성 향상을 제공하기 위하여 흩어진(dispersed) 금속 조각같은 금속 필러나, 향상된 기계적 성능을 제공하기 위하여 비금속성 필러 조각 같은 다른 필러를 포함하는 것도 역시 선호된다.
다음에서부터, 도시된 어떤 실시예에 대하여 서술한다.
도 3과 도4에 따르면, 히트 싱크(10)는 MR 또는 PAR 타입의 발광 다이오드 기반 램프에 사용되기 위하여 적절한 구성을 가진다. 히트 싱크(10)는 이미 서술한 바와 같이, 플라스틱 또는 기타 적절한 재료로 이루어진 히트 싱크 바디(12)와 히트 싱크 바디 위에 배치된 열적 전도성 층(14)을 가진다. 열적 전도성 층(14)는 구리 층, 알루미륨 층 또는 다양한 합금과 같은 금속층으로 될 수 있다. 도시된 실시예에 따르면, 열적 전도성 층(14)은 전기 도금에 따라 비전해 도금(electroless plating)에 의하여 형성되는 구리층을 가진다.
도 4에서 가장 잘 도시된 바와 같이, 히트 싱크(10)는 궁극적으로(ultimate) 복사와 대류 열제거를 향상시키는 핀(16)들을 가진다. 도시된 핀들(16) 대신에, 구조물을 향상시키는 다분할(multi-segment) 핀, 막대(rods), 마이크로/나노 단위 표면과 부피의 구조 또는 기타의 다른 표면적이 구조물을 향상시키는 것이 사용될 수 있다. 도시된 히트 싱크 바디(12)는 히트 싱크(10)을 내부 표면(20)과 외부 표면 (22)을 가지는 내부가 빈 일반적인 원뿔형의 히트 싱크로 정의한다. 도 3에서 도시된 바와 같이, 열적 전도성 층(14)은 내부 표면(20)과 외부 표면(22) 두가지 모두에 배치된다. 대체적으로(alternatively), 도 7에서 도시된 히트 싱크(10')와 같이, 열적 전도성 층(14)은 단지 외부 표면(22)에만 배치될 수 있다.
도 3과 도 4에서 계속적으로 도시되는 것과 도 5와 도 6에서 추가적으로 도시되는 바와 같이, 도시된 내부가 빈 원뿔형의 히트 싱크(10)는 중공의 버텍스(vertex)(26)을 가진다. (도 6에서 도시된)발광 다이오드 모듈(30)은 MR 또는 PAR 기반의 램프를 정의하기 위하여 버텍스(26)에 적절하게 배치된다(도 5에서 도시된). 발광 다이오드 모듈(30)은 예를 들어 메탈 코어 프린트 회로 기판(metal core printed circuit board, MCPCB)의 금속층인 열확산기(36)을 포함하는 메탈 코어 프린트 회로 기판(MCPCB)(34)에 설치되는 하나 또는 그 이상(도시된 예에서는 3개)의 발광 다이오드 기기(32)를 포함한다. 도시된 발광 다이오드 모듈(30)은 추가적으로 나사 가공된(threaded) 에디슨 베이스(Edison-base)(40)을 포함하나, 도시된 에디슨 베이스(40) 대신에 돌기(bayonet) 핀 타입의 베이스 또는 돼지 꼬리 전기 컨넥터와 같은 다른 타입의 베이스가 포함될 수 있다. 도시된 발광 다이오드 모듈(30)은 전자 부품(elcetronics)(42)을 포함한다. 전자 부품은 도시된 밀봉된(enclosed) 전자 부품 유닛(42) 또는 분리된 하우징 없이 히트 싱크(10)의 중공의 버텍스(26) 안에 설치된 전자 부품을 포함할 수 있다. 전자 부품(42)은 교류(AC) 전압(미국에서는 가정용은 110볼트미국 산업용, 유럽 또는 기타는 220볼트)을 발광 다이오드 기기 작동에 적절한 직류(DC) 전압(일반적으로는 낮은)로 변환하는 전원 공급 회로를 적합하게 포함한다. 전자 부품(42)은 선택적으로 전기 방전(electrostatic discharge, ESD) 보호 회로, 퓨즈, 기타 안전 회로, 조광(dimming) 회로, 또는 기타 등등의 다른 부품들을 포함할 수 있다.
이미 사용한 바와 같이, 용어 "발광 다이오드 기기"는 순수한 비유기체 또는 유기체 발광 다이오드의 반도체 칩을 포함하고, 비유기체 또는 유기체 발광 다이오드의 반도체 칩이 싸여(encapulated) 있으며, 발광 다이오드 칩 "패키지"는 서브 마운트나 리트 프레임, 표면 지지대 또는 기타 하나 이상의 매개(intermediate) 요소들이 장착되고, 비유기체 또는 유기체의 반도체 칩은 봉합재(encapsulant)가 코팅이 되어 있던지 코팅이 되어 있지 않는 파장-변환 인광체(phosphor)를 포함하며(예를 들어 노란색, 흰색, 호박색(amber), 초록색, 오렌지색, 빨강색 또는 기타 협력하여 백생광을 생산하도록 디자인되어 있는 인광체으로 코팅되어 있는 자외선 또는 보라 또는 파란 발광 다이오드 칩), 다중-칩 유기체 또는 비유기체 발광 다이오드 기기(예를 들어 흰색 발광 다이오드 기기는 빨간색, 초록색, 그리고 파란색 및 각각 합쳐서 흰색을 발생하기 위한 가능한 빛의 다른 색을 방출하는 세가지 칩들 포함한다.)들을 포함하는 것으로 이해된다. 하나 또는 그 이상의 발광 다이오드 기기(32)는 결합하여 흰색광 빔(beam)을 방출하는 노란색광 빔(baem), 빨간색광 빔 또는 주어진 광 기기(aplication)의 필요한 대체적인 어떠한 기타 색의 광빔을 가진다. 또한, 하나 또는 그 이상의 발광 다이오드 기기(32)는 다른 색깔의 빛을 방출하는 발광 다이오드 기기들을 포함하고, 조절되는 색 출력을 제공하기 위해 다른 색의 발광 다이오드 기기를 독립적으로 작동하게 하는 적절한 회로를 가지는 전자 부품(42)을 포함하는 것도 예상된다.
열 확산기(36)는 발광 다이오드 기기(32)로부터 열적 전도성 층(14)까지 열적 교환(communication)을 제공한다. 열 확산기(36)과 열적 전도성 층(14)의 좋은 열적 결합은 납땜(soldering), 열적 전도성 접착제(adhesive), 발광 다이오드 모듈 (30)과 히트 싱크(10)의 버텍스(26)를 높은 열전도 패드(pad)의 도움으로 기계적인 조임 맞춤(tight mechanical fit) 또는 기타 등등과 같은 다양한 방법들을 통하여 성취될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 열적 전도성 층(14)은 열 확산기(36)과 열적 전도성 층(14)의 좋은 열적 결합을 제공하기 위하여 버텍스(26)의 내부 직경 표면에도 배치되는 것이 예상된다.
도 7에서는, 적절한 생산 방법(approach)이 설명된다(set forth). 이 방법에서 히트 싱크 바디(12)는 히트 싱크 바디(12)가 플라스틱 또는 기타 고분자(polymeric) 재료로 구성되어 형성되는 데 편리하도록 몰딩(molding)과 같은 적절한 방법의 작업 S1에 의하여 먼저 형성된다. 기타 히트 싱크 바디(12)를 형성하는 방법에는 주물(casting), 압출(excluding, 예를 들어 원통형의 히트 싱크의 경우에) 또는 기타 등등을 포함한다. 선택적인 작업 S2에서, 몰드된 히트 싱크 바디(12)는 고분자 층(일반적으로 약 2 내지 10 마이크론)을 표면 러프닝(roughening), 또는 기타 표면 처리를 적용하는 것에 의하여 진행된다. 선택적 표면 진행 작업 S2는 이어지는(subsequently) 판형 구리의 향상된 접착, 응력(stress) 제거 제공, 그리고/또는 주변으로의 방열을 위한 개선된 표면과 같은 다양한 기능을 수행할 수 있다. 후자 기능에서, 플라스틱 히트 싱크 바디 표면에 러프닝이나 피팅(pitting)하는 것에 의하여, 이어지게 적용된 구리 코팅에서도 보다 큰 히트 싱크 표면을 제공하기 위하여 러프닝이나 피팅을 할 것이다.
작업 S3에서 구리의 초기 층은 무전해 도금(elcetroless plating)에 의하여 적용된다. 무전해 도금은 유리하게 전기적 절연(예를 들어 플라스틱) 히트 싱크 바디에 수행될 수 있다. 하지만, 무전해 도금은 용착 속도(deposition rate)가 느리다. 디자인 고려 측면에서, 특히 충분히 낮은 열적 저항 Rconduction을 제공하기 위하여 수 백 마이크론 수준의 두께를 가지는 판형 구리 층을 적용하는 것이 유발된다(motivate). 또한, 무전해 도금은 초기 구리 층을 가지는 플라스틱 히트 싱크 바디가 전기 전도성을 가지도록 초기 구리층(선호하기는 10 마이크론 미만의 두께를 가지는, 어떤 상황에서는 약 2 또는 더 적은 마이크론의 두께를 가지는)이 융착되는데 사용된다. 초기 무전해 도금 S3 이후에는 예를들어 일반적으로 수 백 마이크론 두께의 밸런스로 빠르게 융착되게 하는 전기도금 작업 S4가 이어진다. 전기도금 S4는 무전해 도금 S3에 비교하여 훨씬 빠른 용착 속도를 가진다.
구리 도금하는 것의 한가지 문제점은 변색(tarnish)되는 것으로, 이는 표면으로 부터 주변에 방열하는 열적 전달에 악영향을 주며, 미관상(aesthetically)으로도 좋지않은 문제가 있다. 또한, 선택적인 작업 S5에서 예를 들어 니켈, 크롬(chromium) 또는 백금(platinum) 같은 부동태 금속을 전기도금하는 것에 의하여 부동태(passivating) 층이 구리 위에 놓여진다. 부동채 층은, 가능하다면, 일반적으로 10 마이크론 이내의 두께를 가지고 어떤 실시예에서는 약 2 또는 더 작은 마이크론의 두께를 가진다. 표면 러프닝 또는 표면 보호와 같은 다양한 표면 향상을 제공하거나, 얇은 페인트 코팅, 래커(lacquer) 또는 폴리머(polymer) 또는 금속 산화물 분말(metal oxide powder, 예를 들어 티타늄 이산화 분말, 알루미늄 산화물 선 또는 그것들의 혼합물등)과 같은 분말 코팅 이나 기타 등등의 요구되는 미적 외관을 제공할 수 있는 선택적 작업 S6을 수행할 수 있다. 이러한 표면 처리 방법들은 히트 싱크 표면에서 주변로 대류 그리고/또는 복사를 통하여 향상된 열 전달을 위한 것이다.
도 8에 따르면, 200 내지 500 W/mㆍK 범위 내에서의 다양한 구리(copper) 타입을 위한 일반적인 재료 열 전도율들에 따른 최적의 열적 전도성 층의 두께에 대한 시뮬레이션 자료(data)들이 도시되고 있다.(여기에서 사용되는 "구리"의 용어는 다양한 구리 합금 또는 다양한 구리의 변형물을 포함하는 것이다). 이 시뮬레이션에서의 히트 싱크 바디는 2 W/mㆍK 의 재료 열 전도율을 가지나, 그 결과들은 단지 이 값에 약하게 의존한다는 것이 알려져 있다. 도 8의 값은 길이 0.05m, 두께 0.0015m, 폭 0.01m를 가지고 양 면이 모두 열적 전도성 재료 코팅이 되어 있는 단순화된 "평판(slab)" 히트 싱크의 값이다. 이것은, 예를 들어, 플라스틱 히트 싱크 바디와 200 내지 500 W/mㆍK 의 구리 두께로 도금된 평면의 핀과 같은 히트 싱크 부분과 대응된다. 도 8에서 도시된 바와 같이, 약 200 W/mㆍK 의 열 전도율 재료에서 350 마이크론의 두께의 구리가 100 W/mㆍK 의 열 전도율과 동일(대략)하게 제공한다. 대조적으로 500 W/mㆍK 이상의 열 전도율 재료에서는 150 마이크론보다 작은 두께에서도 충분하게 100 W/mㆍK 의 열 전도율과 동일(대략)하게 제공한다. 따라서, 100 W/mㆍK 의 열 전도율을 가지는 벌크 히트 싱크와 비교하여 수 백 마이크론의 두께로 도금된 구리 층은 복사와 대류를 통하여 주변으로 열 전도와 추가로 열 제거하는 정상 상태 수행을 충분하게 제공한다.
일반적으로, 열적 전도성 층(14)의 시트(sheet) 열적 전도도(conductance)는 발광 다이오드 기기(32)로부터 배출되는 열이 열 복사/대류 표면적에 균일하게 배출될 수 있도록 충분히 높아야 한다. 발명자에 의하여 수행된 시뮬레이션에 의하면, (주어진 재료 열 전도율에 따라)열적 전도성 층(14)의 두께의 증가에 따라 성능이 개선되는 것이 어떤 레벨에서 이르러서는 차츰 평평(flattened out)해지는 것(또는, 보다 정확하게는, 퍼포먼스에 대한 두께 곡선은 대략적으로 기하급수적으로(exponetially) 떨어진다)을 확인할 수 있었다. 어떠한 특정 작동 이론에 한정됨이 없이, 더 높은 (벌크) 재료 열전도율에서 주변으로의 방열이 제한되는 것은 열적 전도성 층을 통한 열적 저항 Rconduction 보다는 복사/대류 열적 저항 Rconvection 과 RIR 에 의해서이기 때문이다. 다른 말로 말하면, 더 높은 (벌크) 재료 열 전도율에서는 Rconvection 과 RIR 에 비교해서 직렬 열적 저항 Rconduction 는 무시할 수 있다는 것이다.
도 9와 도 10에 따르면, 벌크 메탈 히트 싱크의 열적 시뮬레이션에서 증가하는 재료 열 전도율에 따라 평평해지는 유사한 퍼포먼스가 보여진다. 도 9는 20 W/mㆍK ; 40 W/mㆍK ; 60 W/mㆍK ; 그리고 80 W/mㆍK 의 네가지 다른 재료 열 전도율에서 벌크 히트 싱트의 열적 이미지에 대한 결과를 보여준다. 각 시뮬레이션의 발광 다이오드 보드(board) 온도(Tboard)가 도 9에서 도표로 도시되어 있다. 80 W/mㆍK 레벨에서 Tboard가 안정되기 시작하는 것을 볼 수 있다. 도 10은 열 전도율이 600 W/mㆍK 를 벗어나는 벌트 히트 싱크 재료의 재료 열 전도율에 대한 Tboard 를 도표로 도시하는데, 이는 100-200 W/mㆍK 범위에 의해 기울기가 평평해지는 실질적 성능을 도시한다. 어떠한 특정 작동 이론에 한정됨이 없이, 높은 두께에서 주변로의 방열이 제한되는 것은 열적 전도성 층을 통한 열적 저항 Rconduction 보다는 복사/대류 열적 저항 Rconvection 과 RIR 에 의해서이기 때문이다. 다른 말로 말하면, 더 높은 층 두께에서는 Rconvection 과 RIR 에 비교해서 연결된 열적 저항 Rconduction 는 무시할 수 있다는 것이다.
앞서 설명한 것을 기반으로 하여, 예상되는 어떠한 실시예에서의 열적 전도성 층(14)는 500 마이크론 또는 적은 두께를 가지고 50 W/mㆍK 또는 더 높은 열 전도율을 가진다. 더 높은 재료 열 전도율의 구리 층을 위하여, 상당히 얇은 층이 사용된다. 예를 들어, 순수한 알루미늄이 약 240 W/mㆍK 만큼 높은 전도율을 가지는데 반하여, 흔한 생산 과정에 의하여 형성되는 흔히 사용되는 알루미늄 합금은 일반적으로 약 100 W/mㆍK 의 열 전도율을 가진다. 도 8에서, 150 마이크론 또는 더 두꺼운 두께를 가지는 500 W/mㆍK 구리 층의 방열 퍼포먼스(heat sinking performance)는 일반적인 벌크 알루미늄 히트 싱크를 초과하여 성취할 수 있다. 180 마이크론 또는 더 두꺼운 두께를 가지는 400 W/mㆍK 구리 층의 방열 퍼포먼스(heat sinking performance)는 일반적인 벌크 알루미늄 히트 싱크를 초과하여 성취할 수 있다. 250 마이크론 또는 더 두꺼운 두께를 가지는 300 W/mㆍK 구리 층의 방열 퍼포먼스(heat sinking performance)는 일반적인 벌크 알루미늄 히트 싱크를 초과하여 성취할 수 있다. 370 마이크론 또는 더 두꺼운 두께를 가지는 200 W/mㆍK 구리 층의 방열 퍼포먼스(heat sinking performance)는 일반적인 벌크 알루미늄 히트 싱크를 초과하여 성취할 수 있다. 일반적으로, 재료 열 전도율과 층 두께 스케일(scale)은 열적 시트 전도도 Ks = σㆍd와 일치한다. 어떠한 실시예에서는, 열적 시트 전도도 Ks 는 적어도 0.05 W/K이다. 더 적은 열을 생산하는 더 효율적인 발광 다이오드 광엔진은 적어도 0.025 W/K의 더 낮은 Ks 와 같은 열적 전도도를 가지는 것도 역시 예상할 수 있다.
도 11과 도12에 따르면, 개시된 히트 싱크 측면(aspects)는 다양한 타입의 발광 다이오드 기반 램프에 포함될 수 있다.
도 11은 백열 A-라인 전구의 개량(retrofitting)에 적합한 "A-라인" 램프의 측단면도를 도시한다. 히트 싱크 바디(62)는 구초적 기초를 형성하고, 예를 들어 폴리 프로필렌(poly propylene), 폴리 카보네이트(poly carbonate), 폴리이미데(plyimide), 폴리에스더리미데(polyetherimide), 폴리(methyl methacrylate), 나일론(nylon), 폴리에틸렌(polyethylene), 에폭시 수지(epoxy resin), 폴리이소프렌(polyisoprene), 에스비에스 루버(SBS rubber), 폴리디크로펜타디엔(polydicyclopentadiene), 폴리테트라플루오로에쓰렌(polytetrafluroethulene), 폴리(phenylene sulfide), 폴리(phenylene oxide), 실리콘(silicon), 폴리케톤(polyketone), 서모플라스틱(thermoplastic), 또는 기타 고분자 재료로 만들어지는 몰드된 플라스틱 요소로 적합하게 가공된다. 열적 전도성 층(64)은, 예를 들어 구리 층을 포함하는, 히트 싱크 바디(62)에 배치된다. 열적 전도성 층(64)은 도 3 내지 5 및 도 7, 도 8의 작업 S2, S3, S4, S5, S6와 일치하는 MR/PAR 램프 실시예의 열적 전도성 층(14)과 같은 방식으로 제조될 수 있다.
램프 베이스 섹션(66)은 히트 싱크 바디(62)에 결합되어 램프 몸체를 형성한다. 램프 베이스 섹션(66)은 도 3 내지 5 및 도 7의 MR/PAR 램프의 에디슨 베이스 (40)와 유사한 나사산이 있는 에디슨 베이스(70)를 포함한다. 어떤 실시예에서는 히트 싱크 바디(62) 그리고/또는 램프 베이스 섹션(66)은 에디슨 베이스(70)로부터 받은 전력에서 램프 광 출력을 제공하는 발광 다이오드 기기(72)를 구동하는데 적합한 작동 전력으로 변환하는 전자부품(미도시된)을 가진 빈 공간(71)를 정의한다. 발광 다이오드 기기(72)는 금속 코어 인쇄회로기판(MCPCB) 또는 열적 전도성 층(64)과 열적 교환을 하는 다른 열-분사 지지대(73)에 설치된다. 열-분사 지지대(73)와 열적 전도성 층(64)의 좋은 열적 결합은 납땜, 열적 전도성 접착제(thermally conductive adhesive) 또는 기타 방법으로 선택적으로 개선될 수 있다.
큰 입체각(solid angle, 예를 들어 2π 스테라디언(steradian))을 가지는 충분히 전방향적인(omnidirectional) 광출력을 제공하기 위하여는 디퓨저(diffuser) (74)는 발광 다이오드 기기(72)에 설치된다. 어떤 실시예에서 디퓨저(74)는 파장-변환(wavelength-converting) 인광체를 포함한다(예를 들어 코팅). 발광 다이오드 기기(72)가 충분한 람버티안(Lambertian) 광출력을 생산하기 위하여 디퓨저(74)가 충분히 구형(spherical)이고 발광 다이오드 기기(72)는 디퓨저(74)의 주변부에 위치한 도시된 방식(illustrated arrangment)은 출력 조명의 전방향성을 개선한다.
도 12에 도시되는 변형된 "A-라인 전구" 램프는 도 11에서 에디슨 베이스(70)에 베이스 섹션(66)과 램프의 디퓨저(74)를 포함하고, 또한 (도12의 측면에서는 도시되지 않은)발광 다이오드 기기(72)를 포함한다. 도 12의 램프는 도 11에서 (도 12의 측사시도에서 십자-무늬로 표시된)열적 전도성 층(64)를 코팅하고 있는 (도 12의 측면도에서는 도시되지 않은)히트 싱크 바디를 가지는 램프의 히트 싱크(62, 64)와 유사한 히트 싱크(80)를 포함한다. 도 12의 램프는 도 11의 램프와 차이점은 히트 싱크(80)의 히트 싱크 바디는 핀(82)들이 디퓨저(74)의 부분으로 확장되어 성형되어 있다는 점이다. 도시된 핀(82)들 대신에, 히트 싱크 바디는 구조를 개선하는 다른 열 복사/대류 면적을 가질 수 있다.
도 12의 실시예에서, 히트 싱크(80)와 디퓨저(74)는 하나의 단일하게 몰드된 플라스틱 요소를 포함한다. 이 경우에, 하지만, 하나의 단일한 몰드된 플라스틱 요소는 광학적으로 투명하거나 반투명한 재료로 만들어져야 한다(디퓨저(74)가 광-투과성이 있도록). 추가적으로, 만약 열적 전도성 층(64)이 램프 광출력을 광학적으로 흡수한다면(예를 들어 구리와 같은 경우), 도 12에서 도시된 바와 같이 열적 전도성 층(64)은 디퓨저(74)에는 코팅되어서는 안되고 오직 히트 싱크(80)에만 코팅되어야 한다. 이것은 예를 들어 무전해 구리 도금 작업 S3에 의한 디퓨저 표면에 적절한 마스킹(masking)을 하는 것에서 성취될 수 있다(판형 구리에서 전기도금 작업 S4는 단지 전도성 표면에만 하는 것으로, 따라서 무전해 도금 작업 S3을 하는 동안 충분하게 마스킹은 디퓨저(74)에 전기도금되는 것을 피할 수 있다.
도 13과 14는 핀들이 디퓨저(74)로 확장되지 않는 것을 제외하면 히트 싱크(80)과 충분히 동일하고 대체적인 히트 싱크(80')와(80'')를 보여준다. 이러한 실시예에서 디퓨저(74)와 히트 싱크(80')과(80'')은 히트 싱크 바디에 열적 전도성 층(64)을 배치하는 과정을 단순하게 하도록 분리하여 몰드될 수 있다(또는 분리하여 가공).
도 15는 동일한 크기와 모양을 가진 벌크 알루미늄 히트 싱크와 비교하여, 본 발명에서 개시된 플라스틱 히트 싱크 바디에 구리 도금을 하여 가공되어 있는 도시된 PAR-38 히트 싱크의 중량과 재료 비용에 대한 계산식들을 보여준다. 이 예는 300 마이크론의 구리를 가진 폴리프로필렌(polypropylene) 히트 싱크 바디에 대하여 예상된다. 도 15에서 도시된 재료비는 단지 추정치이다. 중량과 재료비 둘 다 동일한 벌크 알루미늄 히트 싱크에 비교하여 절반 정도로 감소한다. 추가적인 비용 절감은 감소된 생산 과정 비용을 통하여 실현될 것이 예상된다.
도 16과 도 17에 다르면, 실시되는 어떤 히트 싱크는 추가적으로 향상된 열적 전도도를 제공하기 위하여 히트 싱크 바디의 벌크를 통한 열적 전환(shunting) 경로를 포함한다. 도 17에서는 열적 전도성 층(104)(예를 들어 구리 층)을 포함하는 히트 싱크(102)를 도시하고 있는 반면, 도 16은 열적 전도성 층(104)을 코팅하기 전에 플라스틱으로 만들어진 히트 싱크 바디(100)를 도시한다. 도 17에는 도시되어 있지 않지만 완전한 히트 싱크는 또한 표면 러프닝, 금속 산화 분말과 같은 백색 분말 코팅, 또는 기타 등등이 열 전달, 미관 또는 추가적인/다른 이점(benefit)을 위하여 열적 전도성 층(104)에 배치될 것이 예상된다.
히트 싱크 바디(100)는 폴리(methyl methacrylate), 나일론, 폴리에틸렌, 에폭시 수지, 폴리이소프렌, 에스비에스 루버(SBS rubber), 폴리디크로펜타디엔(polydicyclopentadiene), 폴리테트라플루오로에쓰렌(polytetrafluroethulene), 폴리(phenylene sulfide), 폴리(phenylene oxide), 실리콘, 폴리케톤(polyketone), 서모플라스틱(thermoplastic), 또는 기타와 같은 고분자 재료로 만들어진 적절하게 몰드된 플라스틱 요소이다. 히트 싱크 바디(100)는 핀(106)들을 가지도록 몰드되며, 도 14에서 도시된 히트 싱크(80'')와 비슷한 형상을 가진다. 그러나, 히트 싱크 바디(100)는 히크 싱크 바디(100)를 통하여 지나가는 통로(passage)(110)를 포함한다. 도 17에서 보여지는 것처럼, 열적 전도성 층(104)은 히트 싱크 바디(100)를 통한 열적 전환 경로(112)를 형성하기 위하여 통로(110)로 정의된 표면을 코팅한다. 이 목적을 위해서, 열적 전도성 층에 적용하는 코팅 과정은 전방향으로 해야 하고 진공 증착(vacuum deposition)의 경우와 같이 흔적(shadowing)을 나타내서는 안된다. 도 7의 전기 도금 과정은 예를 들어, 열적 전환 경로(112)를 제공하기 위한 통로(110) 내부를 코팅하기 위하여 전방향으로 적절하게 히트 싱크 바디(100)에 구리 코팅을 하여야한다.
도 17에 따르면, 열 전환 경로(112)의 이점은 아래와 같이 이해될 수 있다. 발광 다이오드 광 엔진의 주변부(periphery)에는 히트 싱크(102)의 고리형 레지(ledge)(114)에 놓여있는 (미도시된)원형의 회로 기판을 포함한다. 이 레지 (114)에서 열전도는 위, 아래 방향 모두에서 가능하다. 레지(114)의 아래 방향에서 열전도되는 부분은 핀과 일반적으로 히트 싱크의 "안쪽" 에서부터 떠나서 히트 싱크(102)의 내부 표면을 따라 움직인다. 핀(106)들에 도달하기 위해서 열은 히트 싱크(102)의 외부 주위에 흐르거나, 또는 (높은 열적 저항인)히트 싱크 바디(100)을 통해 흐른다. 유사하게도 길고 그리고/또는 열적 저항이 있는 열 흐름 경로(heat flow path)들은 히트 싱크(102)내부에 놓여있는 어떤 전자부품들로부터 열흐름에 의하여 만나게된다. 열적 전환 경로(112)는 이러한 길고 그리고/또는 열적 저항이 있는 열 흐름 경로를 히트 싱크 바디(100)내부와 외부 표면에 열적으로 결합되어 있는 높은 열적 전도성 경로들이 제공됨에 따라 우회하게 된다.
열적 전환 경로(112)의 정확한 크기, 모양 그리고 배열은 열 소스(예를 들어 발광 다이오드 기기, 전자부품, 기타)의 위치와 특성에 기초하여 적절하게 선택된다. 도시된 히트 싱크(102)에서 열적 전환 경로(112)의 최상단의 고리 모양의 줄(annular row)은 대략 고리형 레지(114)의 근처에 있으면서 발광 다이오드 엔진에 의한 열 생성에 대하여 열적 전환을 제공한다. 열적 전환 경로(112)의 두 개의 낮은 고리 모양 줄은 대략 히트 싱크(102) 내부에 놓여진 어떤 전자부품 근처에 있으면서 전자부품에 의한 열 생성에 대하여 열적 전환을 제공한다. 더구나, 도시된 열적 전환 경로(112)는 전방향 램프에 적절하게 사용되는 히트 싱크(102)를 위하여 보여지는데(예를 들어 도 14), 열적 전환 경로는 또한 속이 빈 원뿔 모양과 같은 다른 경량의 히트 싱크들(도 3 내지 5에 있는)을 선택적으로 포함할 수 있다. 도 2의 열적 모델에 관하여, 열적 전환 경로들은 일반적으로 발광 다이오드 기기와 히트 싱크 표면 사이의 열적 전도도 경로 Rconductor의 열적 저항을 감소한다. 그러나, 열적 전환 경로에 의하여 증가된 표면 면적은 향상된 주변으로의 대류/복사 열 전달을 또한 제공할 수도 있다.
열적 전환 경로가 제공됨에 따른 다른 이점은 (이미 경량인) 히트 싱크의 전체 중량이 추가적으로 감소할 수 있다는 것이다. 그러나, 이러한 이점은 정의된 통로(110)에서 히트 싱크 바디의 중량이 "제거된" 것이 열적 전환 경로(112)를 형성하기 위하여 통로(110) 내부에 코팅한 추가적인 열적 전도성 층 재료보다 큰지 여부에 좌우된다.
도 16과 17에 따른 실시예에서, 통로(110)는 열적 전도성 층(104)이 완전히 가리거나 막지 못할 정도로 충분히 크다. 그러나, 전기도금이나 기타 다른 제조와 같이 통로를 완전히 가리거나 막을 수 있는 열적 전도성 층(104)을 형성할 수 있도록 통로가 충분히 작은 것도 예상된다. 열 전환은 열적 전도성 층의 두께가 폐쇄를 위한 충분한 두께를 넘어서 추가적으로 증가하는 것을 열적 전도도가 중지하는 것을 제외하고는 이와 같은 패쇄(occlusion)에 의하여 영향을 받지 않는다.
반면에, (예를 들어, 도 17의 경우와 같이)만약 통로(110)들이 열적 전도성 층(104)을 완전히 가리거나 막지 못할 정도로 충분히 크다면, 열적 전환 경로(112)에 의해 제공되는 유체 전도 경로는 선택적으로 추가적인 이점을 가질 수 있다. 이미 언급한 바와 같이, 한가지 이점은 주변으로의 열적 대류/복사를 향상할 수 있는 증가된 표면적이다. 다른 예상되는 이점은 열적 전환 경로(112)의 유체 경로가 인공의 제트(jet) 활동 그리고/또는 냉각 공기 흐름 패턴을 통하여 능동적인 냉각을 제공하는 능동적 구동 진동막(actively driven vibrational membrane), 회전 팬, 또는 기타 기기(미도시된)들과 결합하여 오리피스(orifices)의 역할을 할 수 있다.
바람직한 실시 예들이 도시되고 설명되었다. 자명하게, 변형 또는 변경들이 이전의 상세한 설명들의 해석 및 이해 상에 발생할 수 있다. 본 발명은 첨부된 청구항들의 범위 내에 있는 한 모든 그러한 변형 및 변경들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10, 80, 80', 80'', 102 : 히트 싱크
12, 62, 100 : 히트 싱크 바디
14, 64, 104 : 열적 전도성 층
16, 82, 106 : 핀
20 : 내부 표면
22 : 외부 표면
26 : 버텍스
30 : 발광 다이오드 모듈
32, 72 : 발광 다이오드 기기
34 : 금속 코어 인쇄 회로 기판
36 : 열 확산기
40, 70 : 에디슨 베이스
42 : 전자부품
66 : 램프 베이스 섹션
73 : 열-분사 지지대
74 : 디퓨저
110 : 통로
112 : 열적 전환 경로
114 : 레지

Claims (14)

  1. 히트 싱크 바디와 열을 복사하는 핀 - 상기 히트 싱크 바디와 핀은 금속 필러 재료나 전기적 전도성 필러 재료를 함유하고 있지 않은 플라스틱으로 구성됨 - 과, 상기 히트 싱크 바디 및 상기 핀 위에 배치되는 열적 전도성 금속층을 포함하는 히트 싱크; 및
    인쇄회로기판 상에 배치되는 하나 이상의 발광 다이오드 기기를 가지며 상기 히트 싱크에 고정되어 상기 히트 싱크와 열적 교환을 하는 발광 다이오드 모듈,
    을 포함하는 발광 다이오드 기반 램프.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 열적 전도성 금속층은 100 에서 500 마이크론 사이의 두께와 50 W/mㆍK 이상의 열 전도율을 가지는 발광 다이오드 기반 램프.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 열적 전도성 금속층은 적어도 0.025W/K의 열적 시트 전도도를 가지는 발광 다이오드 기반 램프.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 히트 싱크 바디는 어떠한 금속 필러 재료나 전기적 전도성 필러 재료도 함유하고 있지 않는 발광 다이오드 기반 램프.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 히트 싱크 바디가 열을 복사하는 핀을 포함하는 발광 다이오드 기반 램프.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 열적 전도성 금속층과 상기 히트 싱크 바디 중 적어도 하나는 러프닝된 표면을 가지는 발광 다이오드 기반 램프.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 히트 싱크 바디와 열적 전도성 금속층 사이에 고분자 층을 추가적으로 포함하는 발광 다이오드 기반 램프.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 열적 전도성 금속층은:
    상기 히트 싱크 바디에 인접하여 배치되는 구리 층; 및
    상기 구리 층 위에 배치되는 부동태 금속 층,
    을 가지는 발광 다이오드 기반 램프.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 구리 층은 적어도 150 마이크론의 두께를 가지고, 상기 부동태 금속 층은 10 마이크론 이하의 두께를 갖는 발광 다이오드 기반 램프.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 열적 전도성 금속층 위에 배치되는, 분말 코팅, 페인트, 래커, 그리고 고분자 중에서 적어도 하나를 추가로 포함하는 발광 다이오드 기반 램프.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 히트 싱크 바디는 플라스틱으로 구성되는, 발광 다이오드 기반 램프.
  12. 청구항 1에 있어서, 열적 전환 경로를 정의하도록, 상기 히트 싱크 바디 위에 배치되는 상기 열적 전도성 금속층에 의하여 코팅되는 통로를 포함하는 발광 다이오드 기반 램프.
  13. 히트 싱크 바디와 열을 복사하는 핀 - 상기 히트 싱크 바디와 핀은 금속 필러 재료나 전기적 전도성 필러 재료를 함유하고 있지 않은 플라스틱으로 구성됨 - 과 상기 히트 싱크 바디 및 상기 핀 위에 배치되는 열적 전도성 금속층을 포함하는 히트 싱크; 및
    인쇄회로기판 상에 배치되는 하나 이상의 발광 다이오드 기기를 가지며 상기 히트 싱크에 고정되어 상기 히트 싱크와 열적 교환을 하는 발광 다이오드 모듈,
    을 포함하는 발광 다이오드 기반 램프.
  14. 청구항 11에 있어서, 상기 발광 다이오드 기반 램프는 A-라인, MR 또는 PAR 구성을 가지는 발광 다이오드 기반 램프.
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KR1020127028543A KR20130061140A (ko) 2010-04-02 2011-03-18 경량의 히트 싱크와 이를 구비하는 발광 다이오드 램프

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Families Citing this family (42)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10340424B2 (en) 2002-08-30 2019-07-02 GE Lighting Solutions, LLC Light emitting diode component
US9412926B2 (en) 2005-06-10 2016-08-09 Cree, Inc. High power solid-state lamp
US8593040B2 (en) 2009-10-02 2013-11-26 Ge Lighting Solutions Llc LED lamp with surface area enhancing fins
US9103507B2 (en) 2009-10-02 2015-08-11 GE Lighting Solutions, LLC LED lamp with uniform omnidirectional light intensity output
US9500325B2 (en) 2010-03-03 2016-11-22 Cree, Inc. LED lamp incorporating remote phosphor with heat dissipation features
US9310030B2 (en) 2010-03-03 2016-04-12 Cree, Inc. Non-uniform diffuser to scatter light into uniform emission pattern
US8562161B2 (en) 2010-03-03 2013-10-22 Cree, Inc. LED based pedestal-type lighting structure
US10359151B2 (en) 2010-03-03 2019-07-23 Ideal Industries Lighting Llc Solid state lamp with thermal spreading elements and light directing optics
US9062830B2 (en) 2010-03-03 2015-06-23 Cree, Inc. High efficiency solid state lamp and bulb
US9316361B2 (en) 2010-03-03 2016-04-19 Cree, Inc. LED lamp with remote phosphor and diffuser configuration
US9057511B2 (en) 2010-03-03 2015-06-16 Cree, Inc. High efficiency solid state lamp and bulb
US8632196B2 (en) 2010-03-03 2014-01-21 Cree, Inc. LED lamp incorporating remote phosphor and diffuser with heat dissipation features
US9275979B2 (en) 2010-03-03 2016-03-01 Cree, Inc. Enhanced color rendering index emitter through phosphor separation
US9625105B2 (en) 2010-03-03 2017-04-18 Cree, Inc. LED lamp with active cooling element
JP2013524439A (ja) * 2010-04-02 2013-06-17 ジーイー ライティング ソリューションズ エルエルシー 軽量ヒートシンク及びそれを使用するｌｅｄランプ
US10451251B2 (en) 2010-08-02 2019-10-22 Ideal Industries Lighting, LLC Solid state lamp with light directing optics and diffuser
US9234655B2 (en) * 2011-02-07 2016-01-12 Cree, Inc. Lamp with remote LED light source and heat dissipating elements
US9068701B2 (en) 2012-01-26 2015-06-30 Cree, Inc. Lamp structure with remote LED light source
US9518711B2 (en) 2011-09-27 2016-12-13 Truck-Lite Co., Llc Modular headlamp assembly
US11251164B2 (en) 2011-02-16 2022-02-15 Creeled, Inc. Multi-layer conversion material for down conversion in solid state lighting
JP5475732B2 (ja) * 2011-02-21 2014-04-16 株式会社東芝 照明装置
GB2488982B (en) * 2011-03-08 2014-10-08 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy Heat sink assembly for opto-electronic components and a method for producing the same LED heatsink
US8608347B2 (en) * 2011-07-22 2013-12-17 Ge Lighting Solutions Llc Lighting apparatus with a light source comprising light emitting diodes
US10436407B2 (en) 2011-09-27 2019-10-08 Truck-Lite, Co., Llc Modular headlamp assembly for producing a light distribution pattern
US9488359B2 (en) 2012-03-26 2016-11-08 Cree, Inc. Passive phase change radiators for LED lamps and fixtures
US8534875B1 (en) 2012-05-03 2013-09-17 Shiyong Zhang Customizable heat sink formed of sheet material for a lamp
US9500355B2 (en) 2012-05-04 2016-11-22 GE Lighting Solutions, LLC Lamp with light emitting elements surrounding active cooling device
US9587820B2 (en) 2012-05-04 2017-03-07 GE Lighting Solutions, LLC Active cooling device
US8974077B2 (en) 2012-07-30 2015-03-10 Ultravision Technologies, Llc Heat sink for LED light source
US8870410B2 (en) 2012-07-30 2014-10-28 Ultravision Holdings, Llc Optical panel for LED light source
US9062873B2 (en) 2012-07-30 2015-06-23 Ultravision Technologies, Llc Structure for protecting LED light source from moisture
WO2014092881A1 (en) 2012-12-11 2014-06-19 GE Lighting Solutions, LLC Active cooling device
US9360188B2 (en) 2014-02-20 2016-06-07 Cree, Inc. Remote phosphor element filled with transparent material and method for forming multisection optical elements
JP6349186B2 (ja) * 2014-07-25 2018-06-27 日立アプライアンス株式会社 照明装置
US9462656B2 (en) * 2014-12-16 2016-10-04 GE Lighting Solutions, LLC Lamp base having integral semiconductor transient protection device
DE102015206802A1 (de) * 2015-04-15 2016-10-20 Osram Gmbh Leuchtmittel mit LEDs
DE102015206805B4 (de) * 2015-04-15 2022-10-27 Ledvance Gmbh Leuchtmittel mit LEDs
CN205030031U (zh) * 2015-10-12 2016-02-10 中磊电子（苏州）有限公司 导热塑料散热器与通信装置
TWM526652U (zh) * 2016-02-01 2016-08-01 Xiao qiao an 照明裝置
TWI739007B (zh) * 2017-06-05 2021-09-11 加拿大商艾維吉隆股份有限公司 圓頂攝影機及功率消耗電子裝置
CN112041612A (zh) * 2018-05-01 2020-12-04 沙特基础工业全球技术公司 导热涂层
CN114007370A (zh) * 2020-07-27 2022-02-01 杜邦电子公司 用于电子设备的散热器

Family Cites Families (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4326086B2 (ja) * 1999-10-04 2009-09-02 株式会社イノアックコーポレーション ヒートシンクの製造方法
US7027304B2 (en) 2001-02-15 2006-04-11 Integral Technologies, Inc. Low cost thermal management device or heat sink manufactured from conductive loaded resin-based materials
US6965513B2 (en) * 2001-12-20 2005-11-15 Intel Corporation Carbon nanotube thermal interface structures
US7108055B2 (en) * 2002-03-29 2006-09-19 Advanced Energy Technology Inc. Optimized heat sink using high thermal conducting base and low thermal conducting fins
US6787999B2 (en) * 2002-10-03 2004-09-07 Gelcore, Llc LED-based modular lamp
US7679096B1 (en) 2003-08-21 2010-03-16 Opto Technology, Inc. Integrated LED heat sink
US20050116336A1 (en) * 2003-09-16 2005-06-02 Koila, Inc. Nano-composite materials for thermal management applications
CN100383213C (zh) * 2004-04-02 2008-04-23 清华大学 一种热界面材料及其制造方法
US7303315B2 (en) * 2004-11-05 2007-12-04 3M Innovative Properties Company Illumination assembly using circuitized strips
CN2783115Y (zh) * 2005-01-28 2006-05-24 高侨自动化科技股份有限公司 发光二极管灯具总成
CN101180498A (zh) * 2005-02-17 2008-05-14 费德罗-莫格尔公司 Led照明模块组件
US7284882B2 (en) * 2005-02-17 2007-10-23 Federal-Mogul World Wide, Inc. LED light module assembly
CN2800701Y (zh) 2005-06-10 2006-07-26 华为技术有限公司 移动终端壳体
CN1997271B (zh) * 2006-01-06 2010-07-21 聚鼎科技股份有限公司 散热装置和其制作方法
US7549772B2 (en) * 2006-03-31 2009-06-23 Pyroswift Holding Co., Limited LED lamp conducting structure with plate-type heat pipe
US7842960B2 (en) 2006-09-06 2010-11-30 Lumination Llc Light emitting packages and methods of making same
US8581393B2 (en) * 2006-09-21 2013-11-12 3M Innovative Properties Company Thermally conductive LED assembly
CN100572908C (zh) * 2006-11-17 2009-12-23 富准精密工业(深圳)有限公司 发光二极管灯具
US20110128742A9 (en) * 2007-01-07 2011-06-02 Pui Hang Yuen High efficiency low cost safety light emitting diode illumination device
US7806560B2 (en) * 2007-01-31 2010-10-05 3M Innovative Properties Company LED illumination assembly with compliant foil construction
CN101601130B (zh) * 2007-02-02 2012-10-03 帝斯曼知识产权资产管理有限公司 热传输组件
JP2008211060A (ja) * 2007-02-27 2008-09-11 Fujifilm Corp 金属膜付基板の製造方法
CN101296564B (zh) * 2007-04-27 2010-11-10 富士迈半导体精密工业（上海）有限公司 具良好散热性能的光源模组
US8075172B2 (en) * 2007-06-08 2011-12-13 A66, Incorporated Durable super-cooled intelligent light bulb
JP5029893B2 (ja) * 2007-07-06 2012-09-19 東芝ライテック株式会社 電球形ｌｅｄランプおよび照明装置
JP2009099533A (ja) * 2007-09-25 2009-05-07 Hitachi Maxell Ltd 放熱部材、反射部材および照明ユニット
JP4945433B2 (ja) * 2007-12-28 2012-06-06 シャープ株式会社 照明装置
JP5353216B2 (ja) * 2008-01-07 2013-11-27 東芝ライテック株式会社 Ｌｅｄ電球及び照明器具
JP5430645B2 (ja) * 2008-03-20 2014-03-05 ディーエスエム アイピー アセッツ ビー．ブイ． 熱伝導性プラスチック材料のヒートシンク
CN101567342B (zh) * 2008-04-23 2013-07-03 富准精密工业(深圳)有限公司 均热板散热装置
US20090279314A1 (en) * 2008-05-06 2009-11-12 Chung Wu Heat dissipating device with protection function and heat dissipating fins thereof
US7766514B2 (en) * 2008-06-05 2010-08-03 Hon-Wen Chen Light emitting diode lamp with high heat-dissipation capacity
JP5218751B2 (ja) * 2008-07-30 2013-06-26 東芝ライテック株式会社 電球型ランプ
CN101660716A (zh) * 2008-08-25 2010-03-03 富士迈半导体精密工业（上海）有限公司 光源装置
CN201285015Y (zh) * 2008-09-25 2009-08-05 深圳市九洲光电子有限公司 一种路灯散热片结构
CN201289055Y (zh) * 2008-11-19 2009-08-12 浙江晶皓光电科技有限公司 一种大功率led灯散热器
US8593040B2 (en) 2009-10-02 2013-11-26 Ge Lighting Solutions Llc LED lamp with surface area enhancing fins
US8541933B2 (en) 2010-01-12 2013-09-24 GE Lighting Solutions, LLC Transparent thermally conductive polymer composites for light source thermal management
US8668356B2 (en) 2010-04-02 2014-03-11 GE Lighting Solutions, LLC Lightweight heat sinks and LED lamps employing same
US8672516B2 (en) 2010-09-30 2014-03-18 GE Lighting Solutions, LLC Lightweight heat sinks and LED lamps employing same

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Publication number Publication date
JP2013524441A (ja) 2013-06-17
BR112012025156A2 (pt) 2017-10-17
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MY165672A (en) 2018-04-18
CN108343850A (zh) 2018-07-31
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TW201211452A (en) 2012-03-16
AU2015246096A1 (en) 2015-11-12
AU2011233568A1 (en) 2012-11-01
CN108343850B (zh) 2020-10-27
EP2553331B1 (en) 2016-10-19
CN102918323A (zh) 2013-02-06
KR20130061140A (ko) 2013-06-10

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