KR20200066799A - 방열 구조를 갖는 led 조명장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 LED 조명장치는 다수의 렌즈 형상을 하면에 구비한 렌즈부(101); 상기 다수의 렌즈 형상에 각각 대응하는 LED 칩(112)을 아래면에 실장한 PCB부(110); 상기 PCB부(110)의 상면에 구비된 제 1 방열부(120); 상기 제 1 방열부(120)의 상면에 구비된 제 2 방열부(130); 상기 제 2 방열부(130)의 상면에 구비된 제 3 방열부(140); 및 상기 제 2 방열부(130)와 제 3 방열부(140)를 둘러싸고 상기 렌즈부(101)의 테두리에 결합하는 가이드 플레이트(150);를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 LED 조명장치는 제 1 방열부, 제 2 방열부 및 제 3 방열부를 이용한 수냉식 및 공냉식의 열전달, 열축적 및 방열 작용에 의해 방열 효율을 증가시키고, 종래의 무거운 히트싱크 대신에 경량화를 도모할 수 있는 효과가 있다.

Description

방열 구조를 갖는 LED 조명장치 { LED LIGHT APPARATUS WITH HEAT RADIATING STRUCTURE }
본 발명은 방열 구조를 갖는 LED 조명장치에 관한 것으로, 특히 수냉식 및 공냉식으로 방열을 수행하고 경량화를 도모할 수 있는 방열 구조를 갖는 LED 조명장치에 관한 것이다.
일반적으로 소비전류가 0.3W 미만의 고휘도 발광다이오드를 이용한 조명 장치는 발광다이오드에서 발열되는 열이 적어, 다수개의 발광다이오드를 배열함으로써 작은 에너지의 소모로 높은 휘도를 얻을 수 있고, 램프 소자의 수명이 길기 때문에 신호등 및 전광판과 같은 사인물 조명에 널리 사용되고 있다.
그러나 가로등, 터널등, 자동차 전도등과 같이 높은 조도를 요구하는 곳에 사용되는 파워급 고휘도 발광다이오드 소자는 일반 고휘도 발광다이오드 소자에 비해 소비전류가 10배 이상인 3W급의 고출력 발광다이오드 소자를 사용한다.
이때, 파워급 고휘도 발광다이오드 소자를 사용한 가로등은 종래 메탈 할라이드 램프나 수은 램프를 사용한 가로등에 비하여 광량이 매우 적으므로, 파워급 고휘도 발광다이오드를 다수 개 밀집하여, 사용하게 되는데, 단위 면적당 열이 급격히 상승하여, 발광다이오드 소자의 열화 현상을 급속히 진행시킴으로써 발광다이오드의 조도와 수명이 급격히 저하되는 현상을 야기하게 된다.
따라서, 파워 급의 고 출력 발광다이오드 소자를 이용한 조명등기구를 개발할 시에는 발광소자의 광원에서 나오는 열을 효과적으로 방열할 수 있는 구조로 설계되어야 한다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 종래에는 다수개의 발광다이오드가 안착되는 알루미늄 방열판을 적층시켜 만든 인쇄회로기판과 다수개의 열 방출 돌기가 형성된 알루미늄 방열판을 밀착시켜 발광다이오드에서 발산되는 열을 외부의 공기로 신속하게 방열하는 방식을 이용하고 있다.
이러한 방열을 위해 종래에는 히트싱크를 이용하고 있으며, 이러한 히트싱크는 특허문헌에 기재된 바와 같이, 수직방향의 방열핀이 각각 판상인 RSF(Rectangular Straight Fin) 타입을 기본으로, SRSF(Splitted Rectangilar Straight Fin) 타입 및 PF(Pin Fin) 타입 등도 폭넓게 사용되고 있다.
이러한 종래의 히트싱크는 발열원에서 히트싱크의 밑면인 방열판으로 열전도되어 히트싱크 밑면에서 방열핀으로 열전도되고, 다시 방열핀을 통해 공기와 접촉하여 냉각되는 방식을 수행한다.
그러나 종래에 사용되고 있는 대부분의 히트싱크는 압출형으로 사용되고 있으나 방출열량의 문제점으로 사용상의 한계를 나타내고 있고, 이를 해결하기 위해 히트싱크를 크게 제작하여 무게가 무겁고 제작 비용이 많이 비싸지는 문제점이 있다.
한국공개특허공보 제10-2002-0048844호
본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 수냉식 및 공냉식으로 방열을 수행하고 경량화를 도모할 수 있는 방열 구조를 갖는 LED 조명장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 LED 조명장치는 다수의 렌즈 형상을 하면에 구비한 렌즈부(101); 상기 다수의 렌즈 형상에 각각 대응하는 LED 칩(112)을 아래면에 실장한 PCB부(110); 상기 PCB부(110)의 상면에 구비된 제 1 방열부(120); 상기 제 1 방열부(120)의 상면에 구비된 제 2 방열부(130); 상기 제 2 방열부(130)의 상면에 구비된 제 3 방열부(140); 및 상기 제 2 방열부(130)와 제 3 방열부(140)를 둘러싸고 상기 렌즈부(101)의 테두리에 결합하는 가이드 플레이트(150);를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 LED 조명장치에서 상기 제 1 방열부(120)는 상기 PCB부(110)의 상면에 맞닿는 열전달판(121); 상기 열전달판(121)의 상면에서 막대형상으로 길이방향으로 대칭 구비된 열전달바(122-1,122-2); 및 상기 열전달바(122-1,122-2) 사이에 구비된 다수의 열전달핀(123);을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 LED 조명장치에서 상기 제 2 방열부(130)는 상기 제 1 방열부(120)의 상면에 접하는 제 1 케이스; 상기 제 1 케이스의 테두리에 접합되고 상기 제 1 케이스에 압착 접합된 다수의 홈(131)을 구비한 제 2 케이스; 및 상기 제 1 케이스와 제 2 케이스 사이의 공간에 담긴 냉매 유체(A);를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 LED 조명장치에서 상기 제 3 방열부(140)는 3차원으로 서로 관통 연결된 다수의 공극으로 이루어진 통기성 다공 구조체를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 LED 조명장치에서 상기 공극은 수십 마이크로 크기부터 수 밀리미터 크기의 직경으로 형성되고, 다른 공극과 다수의 연결통로를 형성하여 3차원으로 서로 연결된 오픈(open) 구조로 형성될 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고, 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 실시예에 따른 LED 조명장치는 제 1 방열부, 제 2 방열부 및 제 3 방열부를 이용한 수냉식 및 공냉식의 열전달, 열축적 및 방열 작용에 의해 방열 효율을 증가시키고, 종래의 무거운 히트싱크 대신에 경량화를 도모할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 LED 조명장치의 분해사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LED 조명장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 LED 조명장치를 구성하는 제 2 방열부를 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 LED 조명장치를 구성하는 제 3 방열부를 나타낸 사진이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 LED 조명장치의 분해사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LED 조명장치의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 LED 조명장치를 구성하는 제 2 방열부를 나타낸 사진이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 LED 조명장치를 구성하는 제 3 방열부를 나타낸 사진이다.
본 발명의 실시예에 따른 LED 조명장치는 렌즈부(101), 다수의 LED 칩(112)이 아래면에 실장된 PCB부(110), PCB부(110)의 상면에 맞닿는 제 1 방열부(120), 제 1 방열부(120)의 상면에 맞닿는 제 2 방열부(130), 제 2 방열부(130)의 상면에 맞닿는 제 3 방열부(140) 및 제 2 방열부(130)와 제 3 방열부(140)를 둘러싸고 렌즈부(101)와 결합하는 가이드 플레이트(150)를 포함한다.
렌즈부(101)는 다수의 렌즈 형상을 하면에 구비하여 광을 투과 및 산란시키고 외부요인에 대한 보호를 수행하는 판형 부재이다. 이러한 내구성과 투명성을 고려할 때, 렌즈부(101)는 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에테르술폰(PES), 고리형 올레핀 고분자(COC), TAC(Triacetylcellulose), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리스틸렌(Polystyrene, PS), 이축연신폴리스틸렌(biaxially oriented PS, BOPS), 유리 또는 강화유리 등으로 형성할 수 있다. 특히, 렌즈부(101)는 투명성, 강도 및 휨성을 위해 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 사용할 수 있고, 내열성 및 내화학성이 필요한 경우에는 폴리카보네이트(Polycarbonate)를 사용할 수 있다. 물론 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
PCB부(110)는 아래면에 렌즈부(101)의 렌즈에 대응하는 다수의 LED(112)를 구비하고 렌즈부(101)에 맞물려 장착되며 내부에 회로를 구비한다.
제 1 방열부(120)는 PCB부(110)의 상면에 맞닿는 열전달판(121), 열전달판(121)의 상면에서 막대형상을 하고 길이방향으로 대칭 구비된 열전달바(122-1,122-2) 및 열전달바(122-1,122-2) 사이에 구비된 다수의 열전달핀(123)을 포함한다. 여기서, 열전달바(122-1,122-2)는 PCB부(110)의 열원에 대응하는 면적을 갖고 서로 대칭 구비된 일측의 제 1 열전달바(122-1)와 타측의 제 2 열전달바(122-2)를 포함하고, 제 1 열전달바(122-1)와 제 2 열전달바(122-2)는 열을 축적하면서 제 2 방열부(130)로 열을 최대로 전달될 수 있는 합금 또는 금속 재질로 형성된다.
이러한 제 1 방열부(120)는 PCB부(110)에서 발생한 열을 열전달바(122-1,122-2)에서 축적하면서 제 2 방열부(130)로 전달하거나, 또는 다수의 열전달핀(123)을 통해 열을 방출할 수 있다.
제 2 방열부(130)는 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 아래에 평판형의 제 1 케이스, 위에서 제 1 케이스의 테두리에 접합되고 제 1 케이스에 압착 접합된 다수의 홈(131)을 구비한 제 2 케이스 및 제 1 케이스와 제 2 케이스 사이의 공간에 담긴 냉매 유체(A)를 포함한다.
구체적으로, 제 1 케이스와 제 2 케이스는 금속 재질로 형성되고 테두리를 따라 접합되며 홈(131) 부분에서 제 1 케이스와 제 2 케이스가 접합하며 홈(131) 부분을 둘러싸는 내부 공간을 형성한다. 이때, 다수의 홈(131)은 예컨대 기계 가공, 주조, 프레스 몰딩 또는 그 이외의 공정으로 형성될 수 있고, 특히 제 2 케이스가 금속으로 제조되는 경우에 프레스 가공으로 동시에 형성될 수 있다. 이러한 다수의 홈(131)은 원형 형상의 단면으로 도시하지만, 이에 한정되지 않고 다각형 등의 다양한 형상의 단면으로 형성될 수 있다.
냉매 유체(A)는 예컨대 물(H2O)을 주성분으로 냉각제를 혼합한 용액으로서, 예를 들어 (ⅰ) 물(H2O)을 60 ~ 80 중량%로 LiBr 또는 LiSCN 을 혼합한 용액, (ⅱ) 물(H2O)을 60 ~ 80 중량%로 3불소에탄올(CF3CH2OH) 등과 같은 불화알코올을 혼합한 용액 및 (ⅲ) 물(H2O)을 60 ~ 80 중량%로 에틸렌글리콜 또는 프로필렌글리콜 등과 같은 알킬렌글리콜을 혼합한 용액 중 어느 하나를 이용할 수도 있다. 여기서, 혼합되는 냉각제에 의해 제 1 케이스와 제 2 케이스가 부식되는 것을 방지하기 위해, 냉매 유체(A)는 부식 방지제를 추가 혼합할 수도 있다.
이러한 냉매 유체(A)는 비열(specific heat)이 낮은 액체 상태로 제 1 케이스와 제 2 케이스 사이의 내부 공간에 5 ~ 50%의 체적 비율로 구비되고, 제 1 케이스를 통해 전달된 열에 의해 상(phase)이 변화되어 충분한 엔트로피 에너지까지 열을 흡수하고 증발된다. 이때, 증발에 의한 냉매 기체는 제 1 케이스와 제 2 케이스 사이의 내부 공간을 통해 퍼지며, 제 2 케이스를 통해 외부로 열을 방출한 후 다시 액상으로 복귀한다. 이러한 흡열 및 기화 작용은 각각의 홈(131) 부분을 중심으로한 유로와 대류를 형성하며 냉각시킬 수 있다. 여기서, 냉매 유체(A)의 체적 비율이 5 ~ 50%의 범위를 벗어나면 흡열이 저하되거나 기화가 원활하지 않아 냉각 효율이 떨어지는 문제가 있다.
이러한 냉매 유체(A)를 담은 제 2 방열부(130)는 내부에 모세관 대류현상(capillary convection)에 의한 유로를 형성하기 위해 미세 섬유다발(도시하지 않음)을 추가 구비할 수 있다. 이때, 미세 섬유다발은 고온에서 형태를 유지하는 튜브형으로 구비되도록 예를 들어 탄소나노튜브로 형성되어, 각각의 홈(131)을 둘러싸는 형태로 구비될 수 있다.
제 3 방열부(140)는 통기성 다공 구조체로 이루어진 부재로서, 3차원으로 서로 관통 연결된 다수의 공극으로 이루어진 통기성 다공 구조체로 구성되어 공극률(porosity)이 90% 이상을 갖는 단면적을 극대화한 형태이다. 이때, 제 3 방열부(140)는 도 1에서 평판형으로 도시되지만, 이에 한정되지 않고 LED 장치의 형태에 따라 굴곡을 갖는 다양한 형태로 구비될 수 있다.
구체적으로, 제 3 방열부(140)는 예를 들어 카본(carbon), 탄소나노튜브, 실리콘 등의 비금속 재질, 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄 등의 금속 재질, 산화마그네슘, 알루미나, 이산화티타늄(TiO2)의 금속 산화물 및 금속 질화물 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 여기서, 공극은 수십 마이크로 크기부터 수 밀리미터 크기의 직경으로 형성될 수 있고, 다른 공극과 다수의 연결통로를 형성하여 3차원으로 서로 연결된 오픈(open) 구조로 형성된다.
이러한 제 3 방열부(140)는 공극이 3차원으로 서로 연결된 통기성 다공 구조체로 구현되어 제 2 방열부(130)에 방열 도료를 이용하여 경화 접합될 수 있다. 이렇게 구현된 제 3 방열부(140)는 3차원으로 서로 연결된 통기성 다공 구조에 의해, 공냉식으로 자연대류 및 공극률 극대화에 의해 단위 체적당 열 방출량을 증가시켜 방열 효율을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 LED 조명장치는 제 1 방열부(120), 제 2 방열부(130) 및 제 3 방열부(140)를 이용한 수냉식 및 공냉식의 열전달, 열축적 및 방열 작용에 의해 방열 효율을 증가시키고, 종래의 무거운 히트싱크 대신에 경량화를 도모할 수 있다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.
또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
101: 렌즈부 110: PCB
112: LED 칩 118: 실링부
120: 제 1 방열부 121: 열전달판
122-1,122-2: 열전달바 123: 열전달핀
130: 제 2 방열부 131: 홈
140: 제 3 방열부 150: 가이드 플레이트
A: 냉매 유체

Claims (5)

  1. 다수의 렌즈 형상을 하면에 구비한 렌즈부(101);
    상기 다수의 렌즈 형상에 각각 대응하는 LED 칩(112)을 아래면에 실장한 PCB부(110);
    상기 PCB부(110)의 상면에 구비된 제 1 방열부(120);
    상기 제 1 방열부(120)의 상면에 구비된 제 2 방열부(130);
    상기 제 2 방열부(130)의 상면에 구비된 제 3 방열부(140); 및
    상기 제 2 방열부(130)와 제 3 방열부(140)를 둘러싸고 상기 렌즈부(101)의 테두리에 결합하는 가이드 플레이트(150);
    를 포함하는 LED 조명장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 방열부(120)는
    상기 PCB부(110)의 상면에 맞닿는 열전달판(121);
    상기 열전달판(121)의 상면에서 막대형상으로 길이방향으로 대칭 구비된 열전달바(122-1,122-2); 및
    상기 열전달바(122-1,122-2) 사이에 구비된 다수의 열전달핀(123);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 방열부(130)는
    상기 제 1 방열부(120)의 상면에 접하는 제 1 케이스;
    상기 제 1 케이스의 테두리에 접합되고 상기 제 1 케이스에 압착 접합된 다수의 홈(131)을 구비한 제 2 케이스; 및
    상기 제 1 케이스와 제 2 케이스 사이의 공간에 담긴 냉매 유체(A);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 방열부(140)는 3차원으로 서로 관통 연결된 다수의 공극으로 이루어진 통기성 다공 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 공극은 수십 마이크로 크기부터 수 밀리미터 크기의 직경으로 형성되고, 다른 공극과 다수의 연결통로를 형성하여 3차원으로 서로 연결된 오픈(open) 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
KR1020180153336A 2018-12-03 2018-12-03 방열 구조를 갖는 led 조명장치 KR102151856B1 (ko)

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