KR20200034114A - 탄소나노튜브 방열소재 제조방법과, 이를 구비한 led 등기구 - Google Patents

탄소나노튜브 방열소재 제조방법과, 이를 구비한 led 등기구 Download PDF

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Abstract

본 발명은 히트싱크부 및 보조방열체들의 재질을 종래의 알루미늄이 아닌 탄소나노튜브 방열소재로 대체함으로써 열전도율, 열방출속도 및 열방출율을 현저히 높일 수 있으며, 프레임 몸체의 구조 변경을 통해 방열면적을 극대화시킴과 동시에 자연대류현상을 유도하여 LED모듈로부터 발생되는 열을 효율적으로 방열시킬 수 있으며, 탄소나노튜브 방열소재의 보조방열체들이 프레임 몸체의 내면에 탈부착 가능하도록 구성함으로써 다른 부품의 분해 없이 보조방열체만의 간단한 교체를 통해 방열효과를 장기간 지속시킬 수 있고, 전면 확산커버를 곡면으로 형성함으로써 빛의 균제도를 개선시킬 수 있으며, 히트싱크부의 상면에 내측으로 형성되되 외측면까지 연장되는 배출홈들을 형성하여 방열효과를 더욱 개선시킬 수 있는 탄소나노튜브 방열소재 제조방법과 이를 구비한 LED 등기구에 관한 것이다.

Description

탄소나노튜브 방열소재 제조방법과, 이를 구비한 LED 등기구{Manufacturing method of carbon nanotube composite for heat dissipation and LED light therewith}
본 발명은 탄소나노튜브 방열소재 제조방법과 이를 구비한 LED 등기구에 관한 것으로서, 상세하게로는 탄소나노튜브 방열소재를 이용하여 히트싱크부를 제조함으로써 종래의 알루미늄과 비교하여 방열효율을 높임과 동시에 생산원가를 절감시키며, 방열프레임의 간단한 구조변경을 통해 방열효율을 극대화시킬 수 있는 탄소나노튜브 방열소재 제조방법과 이를 구비한 LED 등기구에 관한 것이다.
통상적으로 조명장치는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 빛을 출사하는 장치로서, 조명 인프라가 발달함과 동시에 조명의 사용분야가 다양해짐에 따라 전체 전기 사용량의 20%가 조명을 위한 용도로 사용되고 있고, 이에 따라 에너지 효율이 높은 고휘도 조명에 연구가 다양하게 이루어지고 있다.
특히 LED 조명장치는 소비전력이 낮아 에너지 자원을 절감시킬 수 있을 뿐만 아니라 수은 및 온실가스(CO2)등의 폐기물 배출을 절감시킬 수 있는 친환경 소재이면서 다양한 색상 및 조명연출이 가능하고, 수명이 긴 장점으로 인해 각종 조명등의 광원소자로서 널리 사용되고 있다.
그러나 이러한 LED 조명장치는 작은 소자에서 고휘도의 빛을 출사하기 때문에 소자에서 국부적인 열을 발생시키는 단점을 갖는다. 특히 최근 들어 제품이 소형화 및 집적화됨에 따라 LED 칩이 밀집되어 설치될 때, LED 발광 시 발생되는 열로 인해 회로가 정상적으로 동작되지 않거나, LED의 수명이 단축되며, 조도가 떨어지게 되는 문제점이 발생하게 된다.
즉 LED 조명장치는 LED 발광 시 발생되는 열을 적절하게 방열시키지 못할 경우, 본래의 성능 및 수명에 심대한 영향이 발생하기 때문에 방열효율을 극대화시키기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.
이에 따라 본 발명의 출원인은 국내등록특허 제10-1147962호(발명의 명칭 : LED 등기구), 국내등록특허 제10-1239123호(발명의 명칭 : LED 등기구), 국내등록특허 제10-1256865호(발명의 명칭 : 조명용 엘이디 램프), 국내등록특허 제10-1200309호(발명의 명칭 : LED 등기구)를 통해 방열 효율을 높일 수 있는 방열프레임을 연구하여 특허 등록받았고, 이러한 상기 LED 등기구들은 다양한 각도를 갖는 각면에 형성된 기판 접촉면에 LED 모듈이 설치되도록 구성됨으로써 빛의 균제도를 개선시킴과 동시에 확산 커버의 외측으로 방열 프레임의 통풍부가 돌출되도록 함으로써 통풍부가 공기에 노출되도록 함으로써 열 교환이 활발하게 이루어지도록 하여 방열효율을 극대화시킬 수 있었다.
그러나 상기 LED 등기구들은 알루미늄이 높은 비중을 갖는 특성으로 인해 소망의 방열효과를 갖기 위해서는 제품의 무게 및 체적이 과도하게 증가하고, 이에 따라 최근 추세인 소형화 및 집적화를 충족시키지 못하는 단점을 갖는다.
또한 상기 LED 등기구들은 고비용의 알루미늄 재질로 프레임을 제조함에 따라 제품의 제조원가를 증가시키는 문제점이 발생한다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 출원인은 방열프레임에 탄소나노튜브를 적용시킴 방열프레임을 출원하여 특허 등록받았다.
도 1은 국내등록특허 제10-1783392호(발명의 명칭 : 탄소나노튜브 방열소재 제조방법과 이를 구비한 조명장치용 방열프레임)에 개시된 방열프레임을 나타내는 사시도이다.
도 1의 방열프레임(이하 종래기술이라고 함)(100)은 방열플레이트(101)와, 방열몸체(103), 방열 어셈블리(105)들로 이루어진다.
방열플레이트(101)는 원판으로 형성되되, 중앙에 양면을 관통하는 통공이 형성된다.
방열몸체(103)는 상하부가 개구되어 내부에 공기 이동공이 형성되는 원통 형상으로 형성되며, 외측면에 내측으로 형성되어 높이 방향으로 연장되어 원호를 따라 간격을 두고 형성되는 가이드 홈들이 형성되며, 공기 이동공이 방열플레이트(101)의 통공에 연결되도록 방열플레이트(101)의 일면에 수직 설치된다.
방열 어셈블리(105)들은 LED 모듈(112)들이 실장된 LED 기판(111)이 대접되는 대접판과, 대접판의 일면에 수직으로 연결되는 판재 형상의 지지부와, 지지부의 단부에 수직 연결되어 대응되는 가이드 홈으로 슬라이딩 방식으로 삽입되는 삽입부로 이루어진다.
이와 같이 구성되는 종래기술(100)은 방열몸체(103) 및 방열 어셈블리(105)들의 재질을 종래의 알루미늄이 아닌 탄소나노튜브 방열소재로 대체함으로써 열전도율, 열방출속도 및 열방출율을 현저히 높일 수 있는 장점을 갖는다.
그러나 종래기술(100)은 방열몸체(103) 및 방열어셈블리(105)들이 고가의 탄소나노튜브 방열소재로 제작됨에 따라 제조비용이 증가하는 단점을 갖는다.
일반적으로, 탄소나노튜브(CNT, Carbon nanotube)는 시간의 경과 및 지속적인 열을 받는 경우, 고분자 물질의 변형에 의해 성능이 저하되기 때문에 장기 신뢰성(Long term stability)이 떨어지는 단점을 갖는다.
그러나 종래기술(100)은 이러한 탄소나노튜브의 특성을 전혀 감안하지 않은 것으로서, 방열몸체(103) 및 방열어셈블리(105)들이 모두 탄소나노튜브 방열소재로 제작됨에 따라 장기 신뢰성이 떨어지고, 이러한 부품의 장기 신뢰성이 떨어지는 경우, 해당 장비를 일일이 교체해야하기 때문에 조립성이 떨어질 뿐만 아니라 장비교체 비용이 증가하는 단점을 갖는다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 해결과제는 히트싱크부 및 보조방열체들의 재질을 종래의 알루미늄이 아닌 탄소나노튜브 방열소재로 대체함으로써 열전도율, 열방출속도 및 열방출율을 현저히 높일 수 있는 탄소나노튜브 방열소재 제조방법과 이를 구비한 LED 등기구에 관한 것이다.
또한 본 발명의 다른 해결과제는 탄소나노튜브 방열소재 제조 시 1차 볼밀링 단계 및 2차 볼밀링 단계를 통해 열전도율이 높은 탄소복합소재 및 금속분말을 미세 입자로 파쇄 및 혼합시킴과 동시에 분산단계를 통해 탄소복합소재의 분산성을 확보하도록 함으로써 종래의 알루미늄에 비교하여 열전도율이 우수함과 동시에 부피 및 체적을 절감하여 경량화 제작을 유도할 수 있으며, 생산 원가를 절감시킬 수 있는 탄소나노튜브 방열소재 제조방법과 이를 구비한 LED 등기구에 관한 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 해결과제는 프레임 몸체의 구조 변경을 통해 방열면적을 극대화시킴과 동시에 자연대류현상을 유도하여 LED모듈로부터 발생되는 열을 효율적으로 방열시킬 수 있는 탄소나노튜브 방열소재 제조방법과 이를 구비한 LED 등기구에 관한 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 해결과제는 탄소나노튜브 방열소재의 보조방열체들이 프레임 몸체의 내면에 탈부착 가능하도록 구성함으로써 다른 부품의 분해 없이 보조방열체만의 간단한 교체를 통해 방열효과를 장기간 지속시킬 수 있는 탄소나노튜브 방열소재 제조방법과 이를 구비한 LED 등기구에 관한 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 해결과제는 전면 확산커버를 곡면으로 형성함으로써 빛의 균제도를 개선시킬 수 있는 탄소나노튜브 방열소재 제조방법과 이를 구비한 LED 등기구에 관한 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 해결과제는 히트싱크부의 상면에 내측으로 형성되되 외측면까지 연장되는 배출홈들을 형성하여 방열효과를 더욱 개선시킬 수 있는 탄소나노튜브 방열소재 제조방법과 이를 구비한 LED 등기구에 관한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 해결수단은 제2 LED기판들과, 방열프레임을 포함하는 LED 등기구에 있어서: 상기 방열프레임은 상하부가 개구되는 다각기둥 형상으로 형성되며, 각면을 형성하는 외측면에 상기 제2 LED기판들이 각각 대접되는 기판접촉면들이 형성되는 프레임 몸체; 탄소나노튜브 방열소재로 제작되어 상기 프레임 몸체의 상기 기판접촉면들에 대응되는 내면에 탈부착 가능하도록 설치되는 보조방열체들을 더 포함하는 것이다.
또한 본 발명에서 상기 프레임 몸체는 상하부가 개구되어 내부에 통공이 형성되는 원통 형상으로 형성되며, 상기 프레임 몸체의 내부 공간의 중앙에 수직 배치되는 통공부; 상기 프레임 몸체의 각 내면과 상기 통공부의 외주면을 연결시키며, 높이 방향으로 연장되는 보강벽들을 더 포함하고, 상기 보조방열체들은 조립 시 상기 통공부를 향하는 일면에 ‘∪’자 형상으로 형성되되 높이 방향으로 연장되는 방열날개가 돌출 형성되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 프레임 몸체의 각 내면에는 내면으로부터 외측으로 형성되되, 상기 프레임 몸체의 상단부 및 하단부까지 연장되는 보조방열체 삽입홈들이 폭 방향으로 대향되게 형성되고, 상기 프레임 몸체의 보조방열체 삽입홈들은 상기 프레임 몸체의 내면으로부터 외측으로 형성되되 단부가 확장되어 연장홈들을 더 형성하고, 상기 보조방열체들은 길이를 갖는 막대 형상으로 형성되되 일면에 상기 방열날개가 돌출 형성되며, 조립 시 상기 프레임 몸체의 보조방열체 삽입홈으로 상부에서 하부를 향하는 방향으로 슬라이딩 방식으로 삽입되는 고정체; 상기 고정체의 타면과 인접한 양측부로부터 양측으로 확장되어 상기 프레임 몸체의 보조방열체 삽입홈의 연장홈들 각각으로 삽입되는 삽입체들을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 LED 등기구는 상면이 상기 프레임 몸체의 하부에 결합되어 열을 방열시키는 히트싱크부; 상기 히트싱크부의 하부에 결합되는 베이스를 더 포함하고, 상기 히트싱크부는 상면에 상면으로부터 내측으로 형성되되 외측면까지 연장되는 복수개의 배출홈들이 형성되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 히트싱크부 및 상기 보조방열체들은 탄소나노튜브 방열소재의 재질이고, 상기 탄소나노튜브 방열소재의 제조방법은 금속분말 70 ~ 90 중량%와, 탄소복합소재 10 ~ 30 중량%를 교반시키는 교반단계; 상기 교반단계에 의해 교반된 금속분말 및 탄소복합소재를 유기용매에 혼합시킨 후 볼밀링(ball milling) 시키는 볼밀링 단계; 상기 볼밀링 단계에 의해 미세입자로 파쇄된 파쇄물과, 폴리에틸렌글리콜(PEG, Polyethylene glycol), 폴리에스테르계 바인더를 혼합시키며, 혼합된 혼합물을 가열하면서 블렌딩 시켜 방열소재를 제조하는 열처리 및 분산단계를 포함하고, 상기 볼밀링 단계는 상기 교반단계에 의해 교반된 금속분말 및 탄소복합소재를 볼들이 수용된 볼밀 자(ball mill jar)로 공급한 후 200 ~ 250rpm의 속도로 회전시켜 상기 교반된 금속분말 및 탄소복합소재를 1차 파쇄하는 1차 볼밀링 단계; 상기 1차 볼밀링 단계에 의해 파쇄된 파쇄물을 상기 1차 볼밀링 단계에 사용되는 볼 보다 작은 직경의 볼들을 이용하여 200 ~ 250rpm의 속도로 회전시켜 2차 파쇄하는 2차 볼밀링 단계를 포함하고, 상기 1차 볼밀링 단계 및 상기 2차 볼밀링 단계는 금속분말 및 탄소복합소재의 혼합물 15 ~ 20 중량% 및 유기용매 80 ~ 85%를 혼합하여 밀링 시키고, 상기 볼밀링 단계에는 상기 탄소복합소재의 분산을 촉진시키기 위한 스테아르산(Stearic acid)이 전체 중량 대비 1.5 ~ 2.5 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 열처리 및 분산단계는 상기 폴리에틸렌글리콜(PEG)을 기 설정된 시간 동안 50 ~ 70rpm의 속도로 회전시킴과 동시에 가열시키고, 가열된 폴리에틸렌글리콜(PEG)에 상기 파쇄물 및 상기 폴리에스테르계 바인더를 혼합시킨 후 혼합된 혼합물을 회전시킴과 동시에 가열시키고, 상기 열처리 및 분산단계의 가열온도는 상기 폴리에틸렌글리콜(PEG)의 융점이고, 상기 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 및 금속분말의 부피분율이 4, 탄소복합소재-PEG 전구체의 부피분율이 6이고, 상기 1차 볼밀링 단계는 1시간 주기 동안 공정을 수행한 후 30분 동안 공정을 멈추고, 1시간의 주기 동안 수행되는 공정을 4회 반복하고, 상기 2차 볼밀링 단계는 대략 3 ~ 5시간 동안 밀링공정을 수행하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 탄소복합소재는 단일벽 카본나노튜브(SWCNT, single-walled carbon nanotube), 이중벽 카본나노튜브(DWCNT, double-walled carbon nanotube), 다중벽 카본나노튜브(MWCNT, multi-walled carbon nanotube), 다발형 탄소나노튜브(rope carbon nanotube) 또는 이들의 조합이고, 상기 열처리 및 분산단계의 상기 폴리에틸렌글리콜(PEG)은 15,000 ~ 20,000MW의 분자량을 갖는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 프레임 몸체의 인접하는 기판접촉면들 사이의 연접부들 각각에는 외면으로부터 내측으로 형성되어 상기 프레임 몸체의 내부 공간과 연결되는 통과공들이 각각 형성되고, 상기 통과공들은 인접하는 기판접촉면들 각각에 연결되되 상기 프레임 몸체의 상단부 및 하단부까지 높이 방향으로 연장되게 형성됨으로써 인접하는 기판접촉면들이 통과공에 의해 서로 이격되게 형성되며, 상기 프레임 몸체의 각 연접부에는 인접하는 기판접촉면들 각각의 측부로부터 외측으로 경사지게 돌출되되 높이 방향으로 연장되며 서로 이격되게 형성되어 해당 통과공을 외부로 노출시키는 판재 형상의 보조 연장부들이 돌출 형성되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 방열보조체들의 상기 고정체에는 적어도 하나 이상의 볼트공이 형성되고, 상기 프레임 몸체의 내면들에는 상기 방열보조체들의 볼트공에 대응되는 볼트홈이 형성됨으로써 상기 프레임 몸체 및 상기 방열보조체는 볼트 체결에 의해 고정되고, 상기 프레임 몸체의 상기 기판접촉면들의 양측부에는 상기 제2 LED기판들의 양측부가 슬라이딩 방식으로 삽입되는 슬라이딩 홈들이 형성되고, 상기 LED 등기구는 상기 기판접촉면들의 슬라이딩 홈들로 삽입되어 상기 기판접촉면들에 대접된 제2 LED기판으로부터의 빛을 출사시키는 제2 확산커버들을 더 포함하고, 상기 LED 등기구는 상기 베이스의 내부에 설치되는 전원공급장치를 포함하고, 상기 전원공급장치는 상기 제2 LED기판들로 전원을 공급하는 메인 전력공급모듈; 상기 메인 전력공급모듈과 분리 가능하도록 커넥터로 접속되는 보조 전력공급모듈을 더 포함하고, 상기 보조 전력공급모듈은 상기 메인 전력공급모듈의 출력단과 상기 제2 LED기판들 사이에 병렬로 접속되며, 상기 메인 전력공급모듈의 리플을 검출한 후 검출된 리플이 기 설정된 기준값 이상이면 출력전압에 리플을 제거하고, 상기 LED 등기구는 상기 프레임 몸체의 상단부에 설치되는 제1 LED기판과, 상기 제1 LED기판의 빛을 확산시키는 전면 확산커버를 포함하고, 상기 전면 확산커버는 일측이 개구된 구 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 과제와 해결수단을 갖는 본 발명에 따르면 히트싱크부 및 보조방열체들의 재질을 종래의 알루미늄이 아닌 탄소나노튜브 방열소재로 대체함으로써 열전도율, 열방출속도 및 열방출율을 현저히 높일 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의하면 탄소나노튜브 방열소재 제조 시 1차 볼밀링 단계 및 2차 볼밀링 단계를 통해 열전도율이 높은 탄소복합소재 및 금속분말을 미세 입자로 파쇄 및 혼합시킴과 동시에 분산단계를 통해 탄소복합소재의 분산성을 확보하도록 함으로써 종래의 알루미늄에 비교하여 열전도율이 우수함과 동시에 부피 및 체적을 절감하여 경량화 제작을 유도할 수 있으며, 생산 원가를 절감시킬 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 프레임 몸체의 구조 변경을 통해 방열면적을 극대화시킴과 동시에 자연대류현상을 유도하여 LED모듈로부터 발생되는 열을 효율적으로 방열시킬 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의하면 탄소나노튜브 방열소재의 보조방열체들이 프레임 몸체의 내면에 탈부착 가능하도록 구성함으로써 다른 부품의 분해 없이 보조방열체만의 간단한 교체를 통해 방열효과를 장기간 지속시킬 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 전면 확산커버를 곡면으로 형성함으로써 빛의 균제도를 개선시킬 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 히트싱크부의 상면에 내측으로 형성되되 외측면까지 연장되는 배출홈들을 형성하여 방열효과를 더욱 개선시킬 수 있게 된다.
도 1은 국내등록특허 제10-1783392호(발명의 명칭 : 탄소나노튜브 방열소재 제조방법과 이를 구비한 조명장치용 방열프레임)에 개시된 방열프레임을 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 방열프레임에 적용되는 탄소나노튜브 방열소재의 제조방법을 나타내는 공정순서도이다.
도 3은 FESEM(Field Emission Scanning Electron Microscope) 표면 분석에 의해 측정된 실시예 1과 비교예 1, 2의 표면을 보여주는 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진이다.
도 4는 실시예 1, 2 및 비교예 1의 XRD 패턴 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시예 1, 2 및 비교예 3의 FT-IR에 의한 구조분석을 나타내는 그래프이다.
도 6은 실시예 1, 2 및 비교예 3의 열전도율을 나타내는 그래프이다.
도 7은 실시예 1, 2 및 비교예 2를 LED 램프에 설치하여 빛이 출사되는 2시간 동안의 온도를 측정한 그래프이다.
도 8의 (a)는 종래의 알루미늄 소재가 적용된 방열체의 방열특성을 나타내고, (b)는 본 발명의 탄소나노튜브 방열소재가 적용된 방열체의 방열특성을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일실시예인 LED 등기구를 나타내는 분해사시도이다.
도 10은 도 9의 방열프레임을 나타내는 사시도이다.
도 11은 도 10의 일부 분해사시도이다.
도 12는 도 10의 평면도이다.
도 13은 도 10의 프레임 몸체를 나타내는 사시도이다.
도 14는 도 10의 보조방열체를 나타내는 사시도이다.
도 15는 도 10의 방열프레임의 방열구조를 설명하기 위한 평면 예시도이다.
도 16의 (a)는 도 9의 방열프레임 및 히트싱크부의 방열구조를 설명하기 위한 예시도이고, (b)는 (a)의 다른 예시도이다.
도 17은 도 9의 베이스의 내부에 설치되는 전원공급장치를 나타내는 예시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 방열프레임에 적용되는 탄소나노튜브 방열소재의 제조방법을 나타내는 공정순서도이다.
탄소나노튜브 방열소재의 제조방법(S1)은 발광 시 발생되는 열을 방출시키기 위한 후술되는 도 9 내지 17의 LED 등기구(1)의 히트싱크부(4)에 적용되는 조성물인 탄소나노튜브 방열소재를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
즉 탄소나노튜브 방열소재는 조명장치에 설치되어 LED로부터 발생된 국부적인 열을 방열시키기 위한 방열소재로 적용될 수 있다.
또한 탄소나노튜브 방열소재의 제조방법(S1)은 도 2에 도시된 바와 같이, 교반단계(S10)와, 1차 볼밀링 단계(S20), 2차 볼밀링 단계(S30), 열처리 및 분산단계(S40)로 이루어진다.
교반단계(S10)는 금속분말 70 ~ 90 중량%와, 탄소복합소재 10 ~ 30 중량%를 교반하는 공정 단계이다. 이때 탄소복합소재는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT, single-walled carbon nanotube), 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT, double-walled carbon nanotube), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT, multi-walled carbon nanotube), 다발형 탄소나노튜브(rope carbon nanotube) 또는 이들의 조합일 수 있고, 탄소나노튜브(CNT)는 탄소 6개로 이루어지는 육각 모양이 서로 연결되어 튜브 형상을 형성하고, 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)는 복수개의 관들이 동심원 형상을 형성한다.
이때 금속분말은 열전도성이 높은 금속의 분말로 구성될 수 있으며, 상세하게로는 알루미늄 분말인 것이 바람직하다.
또한 교반단계(S10)에서, 탄소복합소재는 방열체의 형상에는 영향을 미치지 않으나, 만약 함유량이 10 중량% 미만이면 탄소복합소재의 함유량이 과도하게 줄어들어 열전도도 및 열 방출속도, 열방출율이 떨어지고, 만약 함유량이 30 중량% 이상이면 분산이 어려워져 방열체의 물리적 특성이 저하되는 문제점이 발생한다.
또한 교반단계(S10)에 의해 교반된 금속분말 및 탄소복합소재인 혼합물은 1차 볼밀링 단계(S20)로 공급된다.
1차 볼밀링 단계(S20)는 교반단계(S10)에 의해 교반된 금속분말 및 탄소복합소재인 혼합물을 공지된 볼밀링(Ball milling) 장비를 이용하여 1차 분쇄, 파쇄시키는 공정 단계이다.
또한 1차 볼밀링 단계(S20)는 교반된 금속분말 및 탄소복합소재인 혼합물 15 ~ 20 중량%와, 유기용매 80 ~ 85 중량%를 볼들이 수용되는 포트인 볼밀 자(ball mill jar)로 공급하며, 회전속도 200 ~ 250rpm으로 볼밀 자를 회전시킴으로써 금속분말 및 탄소복합소재를 파쇄시킨다. 이때 유기용매로는 에테르나 아세톤, 알코올 등이 적용될 수 있고, 상세하게로는 에탄올인 것이 바람직하다.
또한 1차 볼밀링 단계(S20)는 금속분말, 탄소복합소재 및 유기용매의 중량 대비 1.5 ~ 2.5 중량%의 분산촉진제를 첨가할 수 있고, 이때 분산촉진제는 탄소복합소재의 분산을 촉진시키는 성질을 갖는 스테아르산(Stearic acid)인 것이 바람직하다.
또한 1차 볼밀링 단계(S20)는 대략 1시간의 주기(T) 동안 공정을 수행하고, 마찰 시 열을 발생시키는 에탄올의 특성을 감안하여 한 번의 공정 이후에 대략 30분 동안 회전을 멈춰 공정을 수행하지 않고, 1시간의 주기(T) 동안 수행되는 공정을 1회라고 할 때 4 ~ 5회의 공정을 수행한다.
또한 1차 볼밀링 단계(S20)에 의해 1차 파쇄된 1차 파쇄물은 2차 볼밀링 단계(S30)로 공급된다.
2차 볼밀링 단계(S30)는 1차 볼밀링 단계(S20)에 의해 1차 파쇄된 1차 파쇄물을 공지된 볼밀링 장비를 이용하여 더욱 미세하게 파쇄시키기 위한 공정 단계이다.
이때 2차 볼밀링 단계(S30)에 적용되는 볼들은 1차 볼밀링 단계(S20)에 적용되는 볼들보다 작은 직경으로 이루어진다.
또한 2차 볼밀링 단계(S30)는 1차 볼밀링 단계(S30)에 의해 1차 파쇄된 1차 파쇄물(금속분말 ＋ 탄소복합소재) 및 유기용매를 볼들이 수용된 볼밀 자(Ball mill jar)로 공급한 후 200 ~ 250rpm의 회전속도로 대략 3 ~ 5시간 동안 볼밀 자를 회전시킴으로써 1차 파쇄물을 더욱 미세하게 파쇄시킨다.
또한 2차 볼밀링 단계(S30)에 의해 파쇄된 2차 파쇄물(금속분말 ＋ 탄소복합소재)은 열처리 및 분산단계(S40)로 공급된다.
열처리 및 분산단계(S40)는 2차 볼밀링 단계(S30)로부터 공급된 2차 파쇄물의 탄소복합소재가 응집력이 높아 분산력이 떨어짐과 동시에 금속분말 및 탄소복합소재의 기계적 특성이 상이하여 임베디드가 어려운 특성을 감안하여 미세 파쇄된 금속분말에 탄소복합소재를 분산 및 임베디드 시키기 위한 공정 단계이다.
이때 임베디드란 1, 2차 볼밀링 단계(S20), (S30)들을 통해 미세 파쇄되면서 표면이 비정질화된 금속분말의 일부에 탄소복합소재가 붙어 있는 현상으로 정의된다.
또한 열처리 및 분산단계(S40)는 2차 볼밀링 단계(S30)로부터 공급된 2차 파쇄물의 금속분말 및 탄소복합소재의 혼합을 위한 용매로 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol, 이하 PEG라고 함)을 사용한다.
이때 폴리에틸렌글리콜(PEG)은 대략 15,000 ~ 20,000MW의 분자량을 갖는 폴리에틸렌글리콜을 적용한다.
또한 열처리 및 분산단계(S40)는 혼합물의 점성이 증가되도록 폴리에스테르계 바인더를 첨가한다.
또한 열처리 및 분산단계(S40)는 우선 폴리에틸렌글리콜(PEG)을 공지된 트윈 스크류 믹서를 이용하여 50 ~ 70rpm의 속도로 회전시킴과 동시에 폴리에틸렌글리콜(PEG)의 융점인 65 ~ 75℃로 대략 20분 정도 가열시킨다. 그 이후 2차 파쇄물(금속분말 ＋ 탄소복합소재) 및 폴리에스테르계 바인더를 가열된 상태의 폴리에틸렌글리콜(PEG)에 투입하고, 이러한 화합물(PED ＋ 금속분말 ＋ 탄소복합소재 ＋ 폴리에스테르계 바인더)을 50 ~ 70rpm의 속도로 회전함과 동시에 65 ~ 75℃의 온도로 30분 동안 가열한다.
즉 열처리 및 분산단계(S40)는 화합물을 용융시키면서 블렌딩(blending) 함으로써 탄소복합소재가 금속분말에 균일하게 분산 및 임베디드 되도록 함으로써 본 발명의 탄소나노튜브 방열소재가 제조된다.
이때 열처리 및 분산단계(S40)는 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 및 금속분말의 부피분율이 4, 탄소복합소재-PEG 전구체의 부피분율이 6인 것이 바람직하다.
이와 같이 도 2에 의해 제조되는 탄소나노튜브 방열소재는 금속분말, 탄소복합소재, 바인더 및 PEG를 포함하고, 방열체 제조 시 가공을 위해 열이 가해지면 바인더는 회멸되고, PEG는 휘발됨에 따라 미세구조의 공극이 형성되고, 이러한 공극을 통해 LED 방열구조에서 고온의 열이 방출하여 방열효율이 증가하게 된다.
실시예 1은 도 2의 교반단계(S10)에서 탄소나노튜브(CNT) 20 중량% 및 알루미늄 분말 80 중량%를 첨가한 방열소재에 의한 방열체이다.
실시예 2는 교반단계(S10)에서 탄소나노튜브(CNT) 30 중량% 및 알루미늄 분말 70 중량%를 첨가한 방열소재에 의한 방열체이다.
비교예 1은 교반단계(S10)에서 탄소나노튜브(CNT)의 첨가 없이 알루미늄 분말 100 중량%를 첨가한 방열소재에 의한 방열체이다.
비교예 2는 교반단계(S10)에서 탄소나노튜브(CNT) 40 중량% 및 알루미늄 분말 60 중량%를 첨가한 방열소재에 의한 방열체이다.
도 3은 FESEM(Field Emission Scanning Electron Microscope) 표면 분석에 의해 측정된 실시예 1과 비교예 1, 2의 표면을 보여주는 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진이다.
비교예 1은 교반단계(S10)에서 탄소나노튜브(CNT)의 첨가 없이 알루미늄 분말만이 첨가되기 때문에 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 파단면에 결함(Defect)이 많이 발생하는 것을 알 수 있다.
실시예 1은 교반단계(S10)에서 탄소나노튜브(CNT) 20 중량% 및 알루미늄 80 중량%가 첨가되기 때문에 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 탄소나노튜브(CNT)가 20 중량%가 첨가됨에 따라 파단면에 공극이 발생하는 것을 알 수 있고, 비교예 2는 탄소나노튜브(CNT) 40 중량%가 첨가되어 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이 파단면에 공극이 더 많이 발생하는 것을 알 수 있다.
이때 공극은 탄소나노튜브 방열소재를 제조한 후 열을 가하여 방열체 샘플을 만들 때 바인더가 화멸되고 PEG가 휘발됨에 따라 형성된다.
즉 탄소나노튜브(CNT)의 함유량이 증가하면 할수록 공극이 활발하게 형성되어 열 방출효율이 증가하는 것을 알 수 있다.
도 3의 (b), (c)를 참조하여 살펴보면, 탄소나노튜브(CNT)의 함유량이 증가함에 따라 방열체 표면에서 알루미늄 분말에 결합하는 탄소나노튜브(CNT)의 수가 증가하는 것과, 비교적 탄소나노튜브(CNT)의 분산이 균일하게 이루어지는 것을 알 수 있다.
도 4는 실시예 1, 2 및 비교예 1의 XRD 패턴 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 탄소나노튜브 방열소재는 2θ = 26.50, 54.60일 때 결정화가, 2θ = 26.50일 때 주요 결정화가 이루어지고, 탄소나노튜브(CNT)의 함유량이 증가할수록 탄소나노튜브 방열소재의 결정화 피크의 강도는 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
특히 탄소나노튜브 방열소재는 탄소나노튜브(CNT)가 30 중량% 이상으로 함유되는 경우 주요 피크의 강도가 가장 큰 폭으로 줄어들어 탄소나노튜브(CNT)의 함유량이 피크의 강도에 영향, 상세하게로는 탄소나노튜브(CNT)의 함유량이 증가할수록 방열소재의 피크의 강도는 줄어드는 것을 알 수 있다.
즉 도 3과 4에 도시된 바와 같이 탄소나노튜브(CNT)의 함유량은 탄소나노튜브 방열소재의 미세구조, 미세공극 및 결정화에 영향을 미치게 된다.
도 5는 실시예 1, 2 및 비교예 3의 FT-IR에 의한 구조분석을 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하여 본 발명을 살펴보면, 탄소나노튜브 방열소재는 탄소나노튜브(CNT)의 함유량에 상관없이 유사한 피크에서 강도를 나타낸다.
또한 탄소나노튜브 방열소재의 2,937
Figure pat00001
및 3,450
Figure pat00002
의 피크는 각각 전형적인 C - H기 및 -OH기를 나타내고, 1,758
Figure pat00003
및 1,200
Figure pat00004
의 피크는 C = O 결합 및 아세틸(acetyl)의 피크를 각각 나타낸다.
또한 FT-IR 스펙트럼에서 1,266
Figure pat00005
, 1,369
Figure pat00006
, 1,446
Figure pat00007
등의 피크는 탄소나노튜브(CNT)의 함유량에 따라 증가하는 것을 확인 할 수 있다.
즉 탄소나노튜브(CNT)의 고유 피크에 의하여 방열 소재의 피크가 결정되고, 결론적으로 탄소나노튜브 방열소재 내에 포함되는 탄소나노튜브(CNT)의 결합이 증가되었다는 것을 나타낸다.
도 6은 실시예 1, 2 및 비교예 3의 열전도율을 나타내는 그래프이고, 도 7은 실시예 1, 2 및 비교예 2를 LED 램프에 설치하여 빛이 출사되는 2시간 동안의 온도를 측정한 그래프이고, 도 8의 (a)는 종래의 알루미늄 소재가 적용된 방열체의 방열특성을 나타내고, (b)는 본 발명의 탄소나노튜브 방열소재가 적용된 방열체의 방열특성을 나타낸다.
도 6을 참조하여 본 발명을 살펴보면, 탄소나노튜브(CNT)의 함유량이 증가할수록 탄소나노튜브 방열소재의 열전도도가 증가하는 것을 알 수 있다. 즉 탄소나노튜브(CNT)의 우수한 열전도를 갖는 특성에 따라 탄소나노튜브 방열소재의 열전도가 향상되는 것을 알 수 있다.
이때 탄소나노튜브(CNT)는 대략 3,000W/m.k 이하의 열전도 값을 갖기 때문에 탄소나노튜브 방열소재의 열전도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 알루미늄 분말과의 함유량 조절에 따라 열전도율을 향상시킬 수 있다.
도 7을 참조하여 본 발명을 살펴보면, 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2의 방열체에서 측정되는 초기 온도는 27℃이나, 시간이 경과할수록 LED 램프에서 발생되는 열에 의하여 온도가 증가하게 된다.
이러한 상태로 1시간 경과하면, 탄소나노튜브(CNT)가 첨가되지 않은 비교예 1은 72℃ 이상으로 과열되는 것을 확인할 수 있다.
그러나 탄소나노튜브(CNT)가 첨가되는 실시예 1, 2 및 비교예 2를 살펴보면, 2시간 동안의 온도 범위가 70℃ 미만으로 측정되어 열방출효율이 개선되는 것을 확인할 수 있다.
즉 본 발명은 도 8의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 열전도가 우수한 탄소복합소재를 함유하여 종래의 알루미늄 소재의 방열체에 비교하여 열 방출속도 및 열 방출효율을 현저히 높일 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예인 LED 등기구를 나타내는 분해사시도이다.
본 발명의 일실시예인 LED 등기구(1)는 도 9에 도시된 바와 같이, 방열프레임(3), 히트싱크부(4), 베이스(5), 제1 LED기판(6), 전면 확산커버(7), 제2 LED기판(8)들, 측면 확산커버(9)들, 패킹수단(10)으로 이루어진다.
베이스(5)는 히트싱크부(4)의 하부와 결합되며, 단부에 외부 소켓(미도시)과 접속하기 위한 접속부(51)가 형성됨으로써 외부로부터의 전력을 LED기판(6), (8)들로 공급한다.
이때 베이스(5)의 내부에는 후술되는 도 17의 전원공급장치(20)가 설치된다.
히트싱크부(4)는 상면이 방열프레임(3)에 결합되며, 하부가 베이스(5)와 결합된다.
또한 히트싱크부(4)는 상면에 내부 열을 외부로 배출시키기 위한 복수개의 배출홈(41)들이 형성된다.
또한 히트싱크부(4)의 상면은 접촉되는 방열프레임(3)의 형상에 대응되는 형상으로 형성됨으로써 방열프레임(3)이 견고하게 결합될 수 있게 된다.
또한 히트싱크부(4)는 전술하였던 도 2 내지 8의 탄소나노튜브 방열소재로 제작됨으로써 방열효과를 극대화시키도록 하였다.
제1 LED기판(6)은 복수개의 LED모듈(61)들이 실장되어 실장된 LED모듈(61)들을 점등 및 점멸시키기 위한 회로가 인쇄되는 기판이다. 이때 LED모듈(61)들은 상부를 향하여 빛을 출사한다.
또한 제1 LED기판(6)은 방열프레임(3)의 상단부에 결합됨으로써 상부를 향하여 빛을 출사하게 된다. 이때 제1 LED기판(6) 및 방열프레임(3)의 결합 지점에는 패킹수단(10)이 설치되어 수밀성을 높일 수 있다.
전면 확산커버(7)는 일측이 개구되는 반구 형상으로 형성되며, 개구부로 제1 LED기판(6)이 삽입되어 제1 LED기판(6)으로부터 출사되는 빛을 확산시킨다.
이때 전면 확산커버(7)는 외면이 반구형상의 곡면(71)으로 형성됨으로써 빛의 균제도를 개선시키도록 하였다.
제2 LED기판(8)들은 복수개의 LED모듈(81)들이 실장되어 실장된 LED모듈(81)들을 점등 및 점멸시키기 위한 회로가 인쇄되는 기판이다.
또한 제2 LED기판(8)들은 후술되는 도 6의 방열프레임(3)의 기판접촉면(313)들 각각에 대접되게 설치됨으로써 측방을 향하여 다각도로 빛을 출사시킬 수 있게 된다.
이때 LED모듈(81)들은 측부를 향하여 빛을 출사시킨다.
도 10은 도 9의 방열프레임을 나타내는 사시도이고, 도 11은 도 10의 일부 분해사시도이고, 도 12는 도 10의 평면도이다.
방열프레임(3)은 도 10 내지 12에 도시된 바와 같이, 상하부가 개구되어 내부에 공간이 형성되는 사각기둥 형상의 프레임 몸체(31)와, 탄소나노튜브 방열소재 재질로 형성되어 프레임 몸체(31)에 탈부착 가능하도록 결합되는 판재 형상의 보조방열체(33)들로 이루어진다.
도 13은 도 10의 프레임 몸체를 나타내는 사시도이다.
프레임 몸체(31)는 도 13에 도시된 바와 같이, 상하부가 개구되어 내부에 공간이 형성되는 사각기둥 형상으로 형성되며, 하단부가 히트싱크부(4)에 결합되되, 상단부에는 전면 확산커버(7) 및 제1 LED기판(6)이 결합된다.
또한 프레임 몸체(31)는 내부에 동일한 길이를 갖되, 상하부가 개구되어 높이 방향으로 통공(3111)이 형성되는 통공부(311)가 설치된다.
이때 통공부(311) 및 프레임 몸체(31)의 각 내측면 사이에는 보강벽(312)들에 의해 서로 연결된다.
이러한 통공부(311)는 하부 개구부로부터 차가운 공기가 유입되되, 상부 개구부를 통해 내부 더운 공기가 외부로 배출되도록 구성됨으로써 공기순환을 활성화시켜 방열프레임(3)의 열교환 및 방열이 효과적으로 이루어지도록 한다.
즉 통공부(311)는 프레임 몸체(31)로부터 보강벽(312)들을 통해 열을 전달받게 되고, 전달받은 열들을 통공(3111)을 통해 외부로 배출시킴으로써 방열효율을 높일 수 있게 된다.
또한 프레임 몸체(31)의 각면들 각각에는, 평평한 판재로 형성되어 제2 LED기판(8)들이 각각 대접되는 기판접촉면(313)들이 형성된다. 이때 본 발명에서는 설명의 편의를 위해 프레임 몸체(31)가 사각기둥 형상으로 형성되어 기판접촉면(313)들이 4개로 형성되는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 프레임 몸체(31)의 형상은 이에 한정되지 않으며, 원기둥 또는 다각기둥 형상으로 형성될 수 있고, 기판접촉면(313)의 수량은 프레임 몸체(31)의 형상에 대응되는 수량으로 구성될 수 있음은 당연하다.
또한 기판접촉면(313)들의 양측부에는 슬라이딩 홈(3131), (3131‘)들이 높이 방향으로 연장되게 형성되고, 기판접촉면(313)들의 슬라이딩 홈(3131), (3131’)들로는 제2 LED기판(8)의 양측부가 상부에서 하부를 향하는 방향으로 슬라이딩 방식으로 삽입되어 결합됨으로써 조립성을 높일 수 있도록 하였다. 이때 기판접촉면(313) 및 제2 LED기판(8)은 대향되는 면이 서로 대접되게 설치되고, 제2 LED기판(8)이 설치되는 기판접촉면(313)의 슬라이딩 홈(3131), (3131‘)들로는 측면 확산커버(9)의 양측부가 재 삽입되어 결합되게 된다.
또한 프레임 몸체(31)의 인접하는 기판접촉면(313)들 사이의 연접부(315)들에는 외면으로부터 내측으로 형성되어 내부 공간과 연결되는 통과공(3151)들이 각각 형성된다. 이때 통과공(3151)들은 인접하는 기판접촉면(313)들에 형성되되 상단부 및 하단부까지 높이 방향으로 연장되게 형성됨으로써 프레임 몸체(31)의 인접하는 기판접촉면(313)들은 통과공(3151)들에 의해 서로 이격되게 형성되게 된다.
이러한 연접부(315)들의 통과공(3151)들은 방열프레임(3)의 방열면적을 더욱 증가시킴으로써 방열효율을 높일 수 있게 된다.
또한 프레임 몸체(31)의 각 연접부(315)에는, 인접하는 기판접촉면(313)들의 각 측부로부터 외측으로 경사지게 돌출되되, 높이 방향으로 연장되게 형성되는 보조 연장부(3153), (3154)들이 돌출 형성된다. 이때 보조 연장부(3153)는 대향되는 보조 연장부(3154)와 서로 이격되게 형성됨으로써 통과공(3151)을 외측으로 연장시켜 공기순환이 더욱 활발하게 이루어지게 된다.
또한 프레임 몸체(31)의 내면(316)에는 내면(316)으로부터 외측으로 형성되되, 높이 방향으로 연장되어 프레임 몸체(31)의 상하부면까지 연장되는 보조방열체 삽입홈(317), (317‘)들이 폭방향으로 대향되게 형성된다.
이때 보조방열체 삽입홈(317), (317‘)들은 프레임 몸체(31)의 내면(316)으로부터 외측으로 형성되되, 양측으로 확장되는 연장홈(3171), (3171’)들이 형성되고, 이들 사이의 프레임 몸체(31)의 내면(316)에는 방열벽(312)이 수직 연결되게 된다.
또한 이러한 보조방열체 삽입홈(317)으로는 후술되는 도 7의 보조방열체(33)가 상부에서 하부를 향하는 방향으로 슬라이딩 방식으로 삽입됨으로써 보조방열체(33)를 형성하는 탄소나노튜브 방열소재가 고온에서 시간이 경과할수록 장기신뢰성이 떨어지는 특성을 감안하여 보조방열체(33)의 주기적인 교체가 간단하고 신속하게 이루어질 수 있게 된다.
도 14는 도 10의 보조방열체를 나타내는 사시도이다.
도 14의 보조방열체(33)는 전술하였던 도 2 내지 8의 탄소나노튜브 방열소재로 제조되며, 전술하였던 도 13의 프레임 몸체(31)의 각 내면(316)의 보조방열체 삽입홈(317)으로 상부에서 하부를 향하는 방향으로 슬라이딩 방식으로 삽입되어 기판접촉면(313)에 대접됨으로써 기판접촉면(313)을 통해 제2 LED기판(8)으로부터 전달받은 열을 효과적으로 방열시킴과 동시에 보조방열체(33)의 주기적인 교체가 가능하게 된다.
또한 보조방열체(33)는 길이 및 면적을 갖는 막대 형상의 고정체(351)와, 고정판(351)의 양측면에 외측으로 확장되는 삽입체(353), (354)들과, ‘∪’자 형상으로 형성되어 고정체(351)의 전면에 돌출 형성되되 높이 방향으로 연장되게 형성되는 방열날개(355)로 이루어진다.
이때 보조방열체(33)의 고정체(351)의 전면에는 볼트공(3511)들이 복수개가 형성됨으로써 보조방열체(33)가 프레임 몸체(31)의 보조방열체 안착홈(317)으로 삽입되면, 볼트(B) 체결을 통해 더욱 견고하게 프레임 몸체(31)와 결합할 수 있게 된다.
또한 보조방열체(33)는 조립 시, 고정체(351)가 프레임 몸체(31)의 방열체 삽입홈(317)으로 삽입되되, 삽입체(353), (354)들은 방열체 삽입홈(317)의 연장홈(3171), (3171’)들로 삽입됨으로써 외부 충격 및 진동이 발생하더라도, 삽입체(353), (354)들이 연장홈(3171), (3171‘)들을 형성하는 측벽에 지지되어 보조방열체(33)가 프레임 몸체(31)에 견고하게 고정될 수 있게 된다.
도 15는 도 10의 방열프레임의 방열구조를 설명하기 위한 평면 예시도이고, 도 16의 (a)는 도 9의 방열프레임 및 히트싱크부의 방열구조를 설명하기 위한 예시도이고, (b)는 (a)의 다른 예시도이다.
방열프레임(3)은 도 15에 도시된 바와 같이, 제2 LED기판의 LED모듈로부터 발생되는 열이 기판접촉면 -> 보조방열체 및 방열벽 -> 연접부 및 통공부를 통해 전달된다. 이때 방열프레임(3)의 기판접촉면이 넓은 면적으로 형성됨과 동시에 내부에 통공부가 형성되며, 각 연접부에 통과공이 형성됨으로써 방열면적을 극대화시키도록 구성되었고, 각 기판접촉면의 내측에 탄소나노튜브 방열소재의 보조방열체를 설치함으로써 방열효율을 더욱 높일 수 있게 된다.
이때 통공부의 내측으로 방출되는 더운 공기는 통공의 자연대류 현상에 의해 열교환이 신속하게 이루어지게 되고, 통공부의 외측으로 방출되는 더운 공기는 내부 공간에 머무르지 않고 연접부의 통과공들을 통해 외부로 신속하게 배출되기 때문에 LED로부터 발생되는 열을 효과적으로 방열시킬 수 있게 된다.
또한 도 16의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 방열프레임(3)의 하부에 결합되는 히트싱크부(4)는 접촉되는 상면에 배출홈들이 형성됨으로써 방열프레임(3)의 통공 및 내부 공간을 통해 유입되는 공기를 외부로 신속하게 배출시킬 수 있게 된다.
도 17은 도 9의 베이스의 내부에 설치되는 전원공급장치를 나타내는 예시도이다.
본 발명의 전원공급장치(20)는 도 17에 도시된 바와 같이, 메인 전력공급모듈(21)과, 메인 전력공급모듈(21)과 연결되어 보조전원을 공급하는 보조 전력공급모듈(23)과, 이들 사이에 연결되는 커넥터(25)로 이루어진다. 이때 보조 전력공급모듈(23)은 메인 전력공급모듈(21)의 출력단과 전기적으로 연결되어 절체동작으로 LED기판(6), (8)들로 전력을 공급하게 된다.
또한 보조 전력공급모듈(23)은 메인 전력공급모듈(21)의 출력단 및 LED기판(6), (8)들 사이에 병렬로 접속되며, 메인 전력공급모듈(21)의 출력단으로부터 리플을 검출한 후 검출된 리플 측정값이 기 설정된 기준값 이상으로 검출될 때 출력전압에 리플을 제거한 전압을 LED기판들로 출력함으로써 메인 전력공급모듈(23)의 리플 발생으로 인해 전해콘덴서의 손상으로 전력공급이 정상적으로 이루어지지 못하는 현상을 방지할 수 있게 된다.
또한 커넥터(25)는 메인 전력공급모듈(21) 및 보조 전력공급모듈(23)을 전기적으로 연결 또는 분리시키도록 설치된다.
즉 보조 전력공급모듈(23)은 커넥터(25)를 통해 메인 전력공급모듈(21)과 연결되거나 또는 분리되도록 구성되기 때문에, 예를 들어 보조 전력공급모듈(23)의 불량이나 고장 시 커넥터(25)기 메인 전력공급모듈(21)과 분리됨으로써 메인 전력공급모듈(21) 및 보조 전력공급모듈(23) 모두를 교체하지 않고 보조 전력공급모듈(23)만의 교체가 가능하게 되고, 이에 따라 교체작업 및 시간을 개선시킬 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명의 일실시예인 LED 등기구(1)는 히트싱크부 및 보조방열체들의 재질을 종래의 알루미늄이 아닌 탄소나노튜브 방열소재로 대체함으로써 열전도율, 열방출속도 및 열방출율을 현저히 높일 수 있게 된다.
또한 본 발명의 LED 등기구(1)는 탄소나노튜브 방열소재 제조 시 1차 볼밀링 단계 및 2차 볼밀링 단계를 통해 열전도율이 높은 탄소복합소재 및 금속분말을 미세 입자로 파쇄 및 혼합시킴과 동시에 분산단계를 통해 탄소복합소재의 분산성을 확보하도록 함으로써 종래의 알루미늄에 비교하여 열전도율이 우수함과 동시에 부피 및 체적을 절감하여 경량화 제작을 유도할 수 있으며, 생산 원가를 절감시킬 수 있다.
또한 본 발명의 LED 등기구(1)는 프레임 몸체의 구조 변경을 통해 방열면적을 극대화시킴과 동시에 자연대류현상을 유도하여 LED모듈로부터 발생되는 열을 효율적으로 방열시킬 수 있게 된다.
또한 본 발명의 LED 등기구(1)는 탄소나노튜브 방열소재의 보조방열체들이 프레임 몸체의 내면에 탈부착 가능하도록 구성함으로써 다른 부품의 분해 없이 보조방열체만의 간단한 교체를 통해 방열효과를 장기간 지속시킬 수 있다.
또한 본 발명의 LED 등기구(1)는 전면 확산커버를 곡면으로 형성함으로써 빛의 균제도를 개선시킬 수 있게 된다.
또한 본 발명의 LED 등기구(1)는 히트싱크부의 상면에 내측으로 형성되되 외측면까지 연장되는 배출홈들을 형성하여 방열효과를 더욱 개선시킬 수 있게 된다.
S1:탄소나노튜브 방열소재의 제조방법 S10:교반단계
S20:1차 볼밀링 단계 S30:2차 볼밀링 단계
S40:열처리 및 분산단계;
1:LED 등기구 3:방열프레임 4:히트싱크부
5:베이스 6:제1 LED기판 7:전면 확산커버
8:제2 LED기판 9:측면 확산커버 10:패킹수단
20:전원공급장치 21:메인 전력공급모듈 23:보조 전력공급모듈
25:커넥터 31:프레임 몸체 33:보조방열체
311:통공부 312:보강벽 313:기판접촉면
315:연접부 316:내면 317:보조방열체 삽입홈
351:고정체 353, 354:삽입체들 355:방열날개

Claims (9)

  1. 제2 LED기판들과, 방열프레임을 포함하는 LED 등기구에 있어서:
    상기 방열프레임은
    상하부가 개구되는 다각기둥 형상으로 형성되며, 각면을 형성하는 외측면에 상기 제2 LED기판들이 각각 대접되는 기판접촉면들이 형성되는 프레임 몸체;
    탄소나노튜브 방열소재로 제작되어 상기 프레임 몸체의 상기 기판접촉면들에 대응되는 내면에 탈부착 가능하도록 설치되는 보조방열체들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 등기구.
  2. 청구항 제1항에 있어서, 상기 프레임 몸체는
    상하부가 개구되어 내부에 통공이 형성되는 원통 형상으로 형성되며, 상기 프레임 몸체의 내부 공간의 중앙에 수직 배치되는 통공부;
    상기 프레임 몸체의 각 내면과 상기 통공부의 외주면을 연결시키며, 높이 방향으로 연장되는 보강벽들을 더 포함하고,
    상기 보조방열체들은 조립 시 상기 통공부를 향하는 일면에 ‘∪’자 형상으로 형성되되 높이 방향으로 연장되는 방열날개가 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 LED 등기구.
  3. 청구항 제2항에 있어서, 상기 프레임 몸체의 각 내면에는 내면으로부터 외측으로 형성되되, 상기 프레임 몸체의 상단부 및 하단부까지 연장되는 보조방열체 삽입홈들이 폭 방향으로 대향되게 형성되고,
    상기 프레임 몸체의 보조방열체 삽입홈들은 상기 프레임 몸체의 내면으로부터 외측으로 형성되되 단부가 확장되어 연장홈들을 더 형성하고,
    상기 보조방열체들은
    길이를 갖는 막대 형상으로 형성되되 일면에 상기 방열날개가 돌출 형성되며, 조립 시 상기 프레임 몸체의 보조방열체 삽입홈으로 상부에서 하부를 향하는 방향으로 슬라이딩 방식으로 삽입되는 고정체;
    상기 고정체의 타면과 인접한 양측부로부터 양측으로 확장되어 상기 프레임 몸체의 보조방열체 삽입홈의 연장홈들 각각으로 삽입되는 삽입체들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 등기구.
  4. 청구항 제3항에 있어서, 상기 LED 등기구는
    상면이 상기 프레임 몸체의 하부에 결합되어 열을 방열시키는 히트싱크부;
    상기 히트싱크부의 하부에 결합되는 베이스를 더 포함하고,
    상기 히트싱크부는 상면에 상면으로부터 내측으로 형성되되 외측면까지 연장되는 복수개의 배출홈들이 형성되는 것을 특징으로 하는 LED 등기구.
  5. 청구항 제4항에 있어서, 상기 히트싱크부 및 상기 보조방열체들은 탄소나노튜브 방열소재의 재질이고,
    상기 탄소나노튜브 방열소재의 제조방법은
    금속분말 70 ~ 90 중량%와, 탄소복합소재 10 ~ 30 중량%를 교반시키는 교반단계;
    상기 교반단계에 의해 교반된 금속분말 및 탄소복합소재를 유기용매에 혼합시킨 후 볼밀링(ball milling) 시키는 볼밀링 단계;
    상기 볼밀링 단계에 의해 미세입자로 파쇄된 파쇄물과, 폴리에틸렌글리콜(PEG, Polyethylene glycol), 폴리에스테르계 바인더를 혼합시키며, 혼합된 혼합물을 가열하면서 블렌딩 시켜 방열소재를 제조하는 열처리 및 분산단계를 포함하고,
    상기 볼밀링 단계는
    상기 교반단계에 의해 교반된 금속분말 및 탄소복합소재를 볼들이 수용된 볼밀 자(ball mill jar)로 공급한 후 200 ~ 250rpm의 속도로 회전시켜 상기 교반된 금속분말 및 탄소복합소재를 1차 파쇄하는 1차 볼밀링 단계;
    상기 1차 볼밀링 단계에 의해 파쇄된 파쇄물을 상기 1차 볼밀링 단계에 사용되는 볼 보다 작은 직경의 볼들을 이용하여 200 ~ 250rpm의 속도로 회전시켜 2차 파쇄하는 2차 볼밀링 단계를 포함하고,
    상기 1차 볼밀링 단계 및 상기 2차 볼밀링 단계는 금속분말 및 탄소복합소재의 혼합물 15 ~ 20 중량% 및 유기용매 80 ~ 85%를 혼합하여 밀링 시키고,
    상기 볼밀링 단계에는 상기 탄소복합소재의 분산을 촉진시키기 위한 스테아르산(Stearic acid)이 전체 중량 대비 1.5 ~ 2.5 중량%로 첨가되는 것을 특징으로 하는 LED 등기구.
  6. 청구항 제5항에 있어서, 상기 열처리 및 분산단계는
    상기 폴리에틸렌글리콜(PEG)을 기 설정된 시간 동안 50 ~ 70rpm의 속도로 회전시킴과 동시에 가열시키고, 가열된 폴리에틸렌글리콜(PEG)에 상기 파쇄물 및 상기 폴리에스테르계 바인더를 혼합시킨 후 혼합된 혼합물을 회전시킴과 동시에 가열시키고,
    상기 열처리 및 분산단계의 가열온도는 상기 폴리에틸렌글리콜(PEG)의 융점이고, 상기 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 및 금속분말의 부피분율이 4, 탄소복합소재-PEG 전구체의 부피분율이 6이고,
    상기 1차 볼밀링 단계는 1시간 주기 동안 공정을 수행한 후 30분 동안 공정을 멈추고, 1시간의 주기 동안 수행되는 공정을 4회 반복하고, 상기 2차 볼밀링 단계는 대략 3 ~ 5시간 동안 밀링공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 LED 등기구.
  7. 청구항 제6항에 있어서, 상기 탄소복합소재는 단일벽 카본나노튜브(SWCNT, single-walled carbon nanotube), 이중벽 카본나노튜브(DWCNT, double-walled carbon nanotube), 다중벽 카본나노튜브(MWCNT, multi-walled carbon nanotube), 다발형 탄소나노튜브(rope carbon nanotube) 또는 이들의 조합이고,
    상기 열처리 및 분산단계의 상기 폴리에틸렌글리콜(PEG)은 15,000 ~ 20,000MW의 분자량을 갖는 것을 특징으로 하는 LED 등기구.
  8. 청구항 제4항 또는 제6항에서, 상기 프레임 몸체의 인접하는 기판접촉면들 사이의 연접부들 각각에는 외면으로부터 내측으로 형성되어 상기 프레임 몸체의 내부 공간과 연결되는 통과공들이 각각 형성되고,
    상기 통과공들은 인접하는 기판접촉면들 각각에 연결되되 상기 프레임 몸체의 상단부 및 하단부까지 높이 방향으로 연장되게 형성됨으로써 인접하는 기판접촉면들이 통과공에 의해 서로 이격되게 형성되며,
    상기 프레임 몸체의 각 연접부에는 인접하는 기판접촉면들 각각의 측부로부터 외측으로 경사지게 돌출되되 높이 방향으로 연장되며 서로 이격되게 형성되어 해당 통과공을 외부로 노출시키는 판재 형상의 보조 연장부들이 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 LED 등기구.
  9. 청구항 제4항에 있어서, 상기 방열보조체들의 상기 고정체에는 적어도 하나 이상의 볼트공이 형성되고,
    상기 프레임 몸체의 내면들에는 상기 방열보조체들의 볼트공에 대응되는 볼트홈이 형성됨으로써 상기 프레임 몸체 및 상기 방열보조체는 볼트 체결에 의해 고정되고,
    상기 프레임 몸체의 상기 기판접촉면들의 양측부에는 상기 제2 LED기판들의 양측부가 슬라이딩 방식으로 삽입되는 슬라이딩 홈들이 형성되고,
    상기 LED 등기구는 상기 기판접촉면들의 슬라이딩 홈들로 삽입되어 상기 기판접촉면들에 대접된 제2 LED기판으로부터의 빛을 출사시키는 제2 확산커버들을 더 포함하고,
    상기 LED 등기구는 상기 베이스의 내부에 설치되는 전원공급장치를 포함하고,
    상기 전원공급장치는
    상기 제2 LED기판들로 전원을 공급하는 메인 전력공급모듈;
    상기 메인 전력공급모듈과 분리 가능하도록 커넥터로 접속되는 보조 전력공급모듈을 더 포함하고,
    상기 보조 전력공급모듈은 상기 메인 전력공급모듈의 출력단과 상기 제2 LED기판들 사이에 병렬로 접속되며, 상기 메인 전력공급모듈의 리플을 검출한 후 검출된 리플이 기 설정된 기준값 이상이면 출력전압에 리플을 제거하고,
    상기 LED 등기구는
    상기 프레임 몸체의 상단부에 설치되는 제1 LED기판과, 상기 제1 LED기판의 빛을 확산시키는 전면 확산커버를 포함하고,
    상기 전면 확산커버는 일측이 개구된 구 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 LED 등기구.

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