KR20200073010A

KR20200073010A - 방열구조체 일체형 ｐｃｂ가 구비된 조명용 ｌｅｄ 모듈 및 이를 구비한 ｌｅｄ 등기구

Info

Publication number: KR20200073010A
Application number: KR1020180161232A
Authority: KR
Inventors: 문규식
Original assignee: 문규식
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2020-06-23
Also published as: KR102259867B1

Abstract

본 발명은 열전도도와 방사율이 우수한 탄소계 소재로 이루어진 방열구조체에 LED를 구동하기 위한 회로가 형성되어 방열구조체 일체형 PCB를 구성하고 여기에 LED 패키지를 실장함으로써 전체적인 부피가 감소되어 천장 등에 설치하기가 쉽고 경량화로 인해 낙하 위험이 방지되는 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 조명용 LED 모듈 및 이를 구비한 LED 등기구에 관한 것으로,
방열구조체 일체형 PCB가 구비된 조명용 LED 모듈은, 탄소계 방열구조체(111)에 회로가 형성된 전기전도층(113)이 절연본딩시트(112)에 의해 부착되어 형성된 방열구조체 일체형 PCB(110)와; 전기전도층(113)에 부착되는 절연 및 반사층(120)과; 솔더층(130)에 의해 전기전도층(113)에 연결되는 LED 패키지(140);로 이루어지고, 탄소계 방열구조체(111)는 총 중량을 기준으로 40~60중량%의 탄소계 혼합재료와 40~60중량%의 고분자 수지를 포함하는 탄소계 소재로 형성되며, 상기 탄소계 혼합재료는 탄소재료 분산물과 흑연재료를 포함하고, 상기 탄소재료 분산물을 탄소나노튜브, 그래핀 및 카본블랙으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소재료와 용매를 포함하며, 상기 흑연재료는 인상흑연과 팽창흑연, 판상흑연, 구상흑연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 2종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

방열구조체 일체형 ＰＣＢ가 구비된 조명용 ＬＥＤ 모듈 및 이를 구비한 ＬＥＤ 등기구{LED Module for Lighting with Heat Dissipating PCB and LED Lighting Apparatus with It}

본 발명은 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 조명용 LED 모듈 및 이를 구비한 LED 등기구에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전도도와 방사율이 우수한 탄소계 소재로 이루어진 방열구조체에 LED를 구동하기 위한 회로가 형성되어 방열구조체 일체형 PCB를 구성하고 여기에 LED 패키지를 실장함으로써 전체적인 부피가 감소되어 천장 등에 설치하기가 쉽고 경량화로 인해 낙하의 위험이 방지됨은 물론 방열효과가 우수한 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 조명용 LED 모듈 및 이를 구비한 LED 등기구에 관한 것이다.

일반적으로 LED는 전력소비가 적고, 수명이 긴 장점을 갖고 있는 광원 소자로 알려져 있다. 이러한 LED 소자를 등기구에 적용하게 되면, 등기구의 소비전력을 낮춰 줄 수 있으면서, 반사갓 기술의 발달로 인해 LED를 이용하고도 기존 할로겐 램프 또는 수은등에 버금가는 조도를 제공하는 등기구를 제공할 수 있게 되었다.

한편, 상기 LED를 이용한 등기구는 경관조명등, 신호등, 가로등 등 다수가 제공되고 있다. 그런데, LED 등기구는 다수의 LED가 결합 된 기판을 밀폐된 등기구의 내부에 결합한 상태에서 다수의 LED에 전원을 공급하도록 하고 있어, 등기구의 내부 공기는 LED의 불빛에 의해 고열이 되고, 그 고열에 의해 LED의 수명이 단축되거나 또는 파손되는 문제점이 있다. 이에 따라, LED용 등기구에는 기판의 열을 신속하게 배출할 수 있도록 하는 방열구조체가 설치된다.

또한, 가정용이나 산업용 전자기기에는 다양한 종류의 방열구조체(Heat Sink)가 사용되고 있다. 컴퓨터의 경우 CPU(Central Processing Unit)에서 고속의 연산이 이루어지는 동안 고열이 발생하기 때문에 이를 냉각시키기 위한 냉각판이나 방열판 등의 방열구조체가 반드시 장착되고 있으며, 각종 전자장치의 회로를 형성하기 위한 인쇄회로기판에도 방열구조체가 장착되고 있다. 특히, 최근 조명용으로 널리 사용되고 있는 LED(Light Emitting Diode) 조명장치의 경우에도 조명회로의 동작에 따라 열이 발생하게 되므로 인쇄회로기판(Printed Circuit Board)에 방열구조체가 장착되고 있다.

인쇄회로기판(Printed Circuit Board)은 절연재로 형성되는 기판의 표면에 각종 전자부품이 실장됨과 아울러 이들 전자부품들을 연결하는 회로가 인쇄된 것으로, 보통 'PCB'라 한다. 이러한 인쇄회로기판은 전자산업의 발전에 따라 회로의 고속화와 고밀도화가 요구되고 있으며, 이로 인해 인쇄회로기판은 미세회로화와 고기능화 및 고신뢰성과 우수한 전기적 특성 등의 문제 해결이 필요하다.

또한, 인쇄회로기판에는 IC(집적회로)나 TR(트랜지스터) 등의 반도체 소자와 발광다이오드(Light Emitting Diode) 등의 발열소자가 실장되는데, 이들의 작동 과정에서 많은 열이 발생한다. 특히, 발광다이오드와 같은 광소자의 경우에는 매우 많은 열을 발생하게 된다. 따라서, 발열소자가 실장된 회로기판에서 원활한 방열이 이루어지지 않으면 인쇄회로기판 자체의 온도가 상승하고, 이로 인해 발열소자의 오작동 및 동작불능이 야기되며, 제품의 신뢰성을 저하시키는 요인으로 작용하고 있다.

따라서, 인쇄회로기판에는 플라스틱 등의 절연재 또는 알루미늄과 같은 금속으로 이루어진 인쇄회로기판에 별도의 방열구조체를 부착하는 방식으로 방열 문제를 해결하고 있으며, 경우에 따라 인쇄회로기판을 구성하는 알루미늄 판재나 엔지니어링 플라스틱에 방열 기능성 도료를 직접 코팅함으로써 방열이 이루어지도록 하거나, 압출 방식으로 기판을 형성할 때 알루미늄 판재 또는 압출제에 방열 기능성 도료를 코팅함으로써 방열이 이루어지도록 하고 있다.

그러나, 인쇄회로기판에 설치되는 금속제 방열구조체는 중량이 무겁기 때문에, 인쇄회로기판의 경량화에 방해가 되고 있고 있으며, 인쇄회로기판과 방열구조체가 별개의 구조로 형성됨에 따라 인쇄회로기판에 방열구조체를 설치하는 작업이 요구되는 문제점이 있다.

한편, 종래의 LED 등기구에 대하여 살펴보면, 도 1에 도시된 바와 같이, 대략 원판 형상의 PCB(11)에 다수의 LED(12)가 설치되어 형성되는 조명용 LED 모듈(10)과, 내부에 상기 조명용 LED 모듈(10)이 수용되는 케이스(20)와, 상기 LED 모듈(10)의 LED(12)를 보호하도록 상기 케이스(20)의 전방에 설치되는 커버(30)와; 상기 LED 모듈(10)에서 발생하는 열을 배출하도록 상기 LED 모듈(10)의 후방에 장착되는 알루미늄 히트싱크(40)와, 상기 LED 모듈(10)로 전원을 공급하는 전원공급수단(50)과, 상기 케이스(20)의 후방에 결합되고 상기 전원공급수단(50)이 설치되는 SMPS 가이드(60)를 포함하고 있다.

그러나, 상기한 종래의 LED 등기구는 LED 모듈의 후방에 알루미늄 히트싱크가 장착되도록 하고 있어 전체적인 부피가 크고 무거운 중량으로 인해 천장에 설치할 때 낙하사고가 발생할 수 있는 문제점이 있다.

한편, 본 발명과 관련한 선행기술을 조사한 결과 다수의 특허문헌이 검색되었으며, 그 중 일부를 소개하면 다음과 같다.

특허문헌 1은, 하부케이스의 양측에 결합홀을 형성하고, 상기 결합홀에 각각 유입관과 유출관을 결합하여 유입관과 유출관을 통해 하부케이스 내측으로 외부의 공기가 유입 또는 유출될 수 있게 하며, 상기 하부케이스의 내부에 송풍팬을 설치하여 강제적으로 하부케이스의 내부의 공기를 유출관으로 유출하고, 상기 하부케이스의 내측에 돌출된 걸림부에 다수의 LED가 결합 된 기판을 결합하며, 상기 기판과 걸림부의 가장자리에 제1 및 제2유동홀을 각각 형성하고, 상기 제1 및 제2유동홀에 각각 연결관을 관통 결합 구성함으로써, 상기 유입관을 통해 하부케이스의 내부로 유입된 공기는 연결관을 통해 기판의 상부에 형성된 공간으로 유입되고, 그 유입된 공기는 다시 연결관과 유출관을 통해 외부로 방출되어 LED가 설치된 기판과 상부케이스의 유리 사이에 존재하는 열기를 효율적으로 방열하여 LED가 고열에 의해 수명이 단축되거나 또는 파손되는 것을 방지할 수 있도록 형성된 엘이디를 이용한 등기구의 방열 장치에를 개시하고 있다.

특허문헌 2는, 다수의 LED가 길이방향으로 배열된 LED기판과; 양측에 길이방향으로 융기된 한 쌍의 안치부를 가지며 상기 안치부의 저면에 상기 LED기판이 한 쌍으로 수용결합되는 반사판과; 천정 또는 벽면에 고정되며 하부에 상기 반사판을 수용하는 등기구몸체와; 상기 반사판의 하부에 배치되어 상기 등기구몸체와 결합하며 LED로부터 조사되는 빛이 원활하게 확산되도록 하는 확산판;을 포함하여 이루어지되, 상기 반사판의 상부면에는 이와 저면부가 형상적으로 대응되도록 형성되어 결합되며 상기 저면부 상부측으로 다수의 방열핀이 형성되고 상기 다수의 방열핀 중 중앙측 한 쌍의 방열핀 사이에는 SMPS를 수용하도록 이루어지는 방열판체가 결합됨으로써, 기존 형광등 방습등에 반사판만을 교체하는 것으로 LED 방습등을 구성할 수 있어 교체비용의 절감과 방수, 방습효과는 물론 방열효율을 증대시킬 수 있는 SMPS 일체 결합형 LED 방습등을 개시하고 있다.

특허문헌 3은, 방열층이 프라이머층과, 상기 프라이머층 상에 형성된 방열 코팅층을 포함하되, 상기 프라이머층은 옥사졸린기를 가지는 수지를 포함하며, 상기 방열 코팅층은 고분자 수지 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 1 ~ 10 중량부, 부착증진제 0.1 ~ 3 중량부, 레벨링제 0.1 ~ 3 중량부 및 무기안료 5 ~ 30 중량부를 포함함으로써, 우수한 방열 특성을 가짐과 동시에, 내후성 및 내구성 등이 효과적으로 개선되도록 한, 탄소나노튜브를 포함하여 우수한 방열 특성을 가지는 엘이디(LED) 조명등기구를 개시하고 있다.

특허문헌 4는, 질화붕소 분체, 및 상기 질화붕소 분체에 담지된 실란 커플링제를 포함하는 담지체; 에폭시 수지; 및 광개시제;를 포함하고, 상기 질화붕소 분체는 상기 질화붕소 분체의 표면에 형성되는 2가 금속착체층을 포함하는 방열 도료 조성물 및 이를 이용한 우수한 방열특성을 가지는 엘이디(LED) 조명등기구를 개시하고 있다.

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10-2009-0106082

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10-1144876

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10-1483758

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10-1822587

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본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 열전도도와 방사율이 우수한 탄소계 소재로 이루어진 방열구조체에 LED를 구동하기 위한 회로가 형성되어 방열구조체 일체형 PCB를 구성하고 여기에 LED 패키지를 실장함으로써 전체적인 부피가 감소되어 천장 등에 설치하기가 쉽고 경량화로 인해 낙하의 위험이 방지됨은 물론 방열효과가 우수한, 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 조명용 LED 모듈 및 이를 구비한 LED 등기구를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 조명용 LED 모듈은, 탄소계 방열구조체에 회로가 형성된 전기전도층이 절연본딩시트에 의해 부착되어 형성되는 방열구조체 일체형 PCB와; 상기 전기전도층에 부착되며 다수의 LED 설치용 구멍이 형성된 절연 및 반사층과; 다수의 솔더로 이루어진 솔더층에 의해 상기 전기전도층에 연결되는 LED 패키지;로 이루어지고, 상기 탄소계 방열구조체는 총 중량을 기준으로 40~60중량%의 탄소계 혼합재료와 40~60중량%의 고분자 수지를 포함하는 탄소계 소재로 형성되며, 상기 탄소계 혼합재료는 탄소재료 분산물과 흑연재료를 포함하고, 상기 탄소재료 분산물을 탄소나노튜브, 그래핀 및 카본블랙으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소재료와 용매를 포함하며, 상기 흑연재료는 인상흑연과 팽창흑연, 판상흑연, 구상흑연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 2종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 조명용 LED 모듈에 따르면, 상기 방열구조체를 형성하기 위한 탄소계 소재는, 고분자의 자외선에 의한 분해방지를 위한 분해방지제와 산화방지제를 각각 1~5중량% 더 포함하며, 상기 분해방지제는 히드록시벤조페논계(Hydroxy Benzophenone), 히드록시페닐 벤조트리아졸계(Hydroxypheny Benzotriazole), 아릴에스테르계(Arylester), 옥사닐라이드계(Oxanilides), 포름아미딘계(Formamidine)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 이루어지고, 상기 산화방지제는 페놀계　산화방지제, 인계　산화방지제, 황계　산화방지제, 아민계　산화방지제로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 조명용 LED 모듈에 따르면, 상기 방열구조체는 절연본딩층이 위치하는 평면 형태의 표면부와, 방열면적을 증가시킬 수 있도록 요철 형태로 형성되는 이면부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명의 LED 등기구는 상기한 조명용 LED 모듈과; 후방에 상기 조명용 LED 모듈이 설치되고 전방에 커버가 구비된 하우징과; 상기 조명용 LED 모듈에 전원을 공급하도록 상기 하우징의 후방에 착탈 가능하게 결합되어 상기 조명용 LED 모듈을 고정하는 전원공급수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 LED 등기구에 따르면, 상기 하우징은 테이퍼 형상의 몸체와, 상기 조명용 LED 모듈의 LED 패키지는 수용되고 상기 LED 모듈의 가장자리가 결합되도록 상기 몸체의 후방에 구비되는 후방 플랜지와, 상기 LED 모듈의 LED 패키지를 보호하도록 상기 몸체의 전방에 구비되는 커버를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 조명용 LED 모듈 및 이를 구비한 LED 등기구는 탄소계 소재로 이루어진 방열구조체에 전기전도층이 부착되어 LED를 구동하기 위한 회로를 형성하여 PCB 기판으로 활용하게 되므로 히트싱크와 같은 별도의 방열구조물을 설치할 필요가 없을 뿐 아니라 LED 모듈의 부피와 중량이 감소되어 LED 등기구의 설치가 쉬워지고 천장에 설치하더라도 쉽게 떨어지지 않음으로써 낙하로 인한 사고가 방지되는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 조명용 LED 모듈 및 이를 구비한 LED 등기구에 따르면, 방열구조체가 열전도도와 방사율이 우수한 탄소계 소재로 형성됨에 따라 LED 패키지 및 구동회로에 실장된 전자부품에서 발생한 열이 신속하게 배출되어 열누적으로 인한 사고가 발생하지 않게 되는 효과가 있다.

또, 본 발명의 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 조명용 LED 모듈 및 이를 구비한 LED 등기구에 따르면, 탄소계 소재에 분해방지제 및 산화방지제가 포함됨에 따라 PCB의 고분자 수지가 자외선에 의해 분해되거나 산화되는 것이 방지되는 효과가 있다.

도 1은 종래의 LED 등기구가 도시된 분해사시도.
도 2는 본 발명에 따른 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 조명용 LED 모듈이 도시된 분해 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 LED 등기구가 도시된 분해사시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 조명용 LED 모듈 및 LED 등기구에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 조명용 LED 모듈이 도시된 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 LED 등기구가 도시된 분해사시도이다.

본 발명에 의한 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 조명용 LED 모듈은 도 2에 도시된 바와 같이, 탄소계 방열구조체(111)에 회로가 형성된 전기전도층(113)이 절연본딩시트(112)에 의해 부착되어 형성되는 방열구조체 일체형 PCB(110)와; 상기 전기전도층(113)에 부착되며 다수의 LED 설치용 구멍(125)이 형성된 절연 및 반사층(120)과; 다수의 솔더로 이루어진 솔더층(130)에 의해 상기 전기전도층(113)에 연결되는 LED 패키지(140);로 이루어진다.

여기서, 상기 탄소계 방열구조체(111)는 총 중량을 기준으로 40~60중량%의 탄소계 혼합재료와 40~60중량%의 고분자 수지를 포함하는 탄소계 소재로 형성된다.

상기 탄소계 혼합재료는 탄소재료 분산물과 흑연재료를 포함하는 것으로, 상기 탄소재료 분산물을 탄소나노튜브, 그래핀 및 카본블랙으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소재료와 용매를 포함한다. 그리고, 상기 흑연재료는 인상흑연과 팽창흑연, 판상흑연, 구상흑연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 2종 이상으로 이루어진다. 또, 상기 고분자 수지는 바인더로서 폴리아미드 수지 또는 폴리페닐렌 설파이드 중 어느 하나로 이루어진다.

상기 탄소재료 분산물은 탄소나노튜브, 그래핀 및 카본블랙으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소재료를 파쇄 및 균질화한 후, 용매에 분산시켜 형성한다. 탄소재료의 파쇄 및 균질화는 불균질한 입도 분포를 갖는 원료 상태의 탄소재료를 파쇄하여 균질한 입도 분포를 갖도록 하는 것으로, 물리적인 방법을 사용하거나 액체질소를 이용하여 파쇄 및 균질화한다. 그리고, 탄소나노튜브를 파쇄 및 균질화하는 단계 역시 원하는 입도와 균일한 입도 분포를 갖는 흑연재료를 얻을 수 있을 때까지 반복수행되는 것이 바람직하다.

이때, 탄소재료의 입자크기는 최종 생성물인 방열구조체의 구체적인 특성이나 공정 조건 및 작업환경을 고려하여 적절하게 선택되며, 탄소재료의 입자크기가 20~500㎚로 될 때까지 파쇄 및 균질화를 반복 수행하는 것이 바람직하다. 탄소재료의 입자크기가 20㎚ 미만인 경우에는 응집이 일어나기 어렵고, 500㎚를 초과하는 경우에는 이미 응집이 일어난 상태로서 후속 공정에서 탄소재료를 균일하게 분산시키기 어렵기 때문에 적절하지 못하다.

상기 탄소재료 중 탄소나노튜브는 6개의 탄소 원자가 육각형 모양을 이룬 후 튜브 모양으로 이어진 그물 구조의 나선형 물질로서, 3차원 구조로 이루어진다. 이러한 탄소나노튜브는 그래파이트(Graphite)가 변형된 형태로서, 한 겹의 그래파이트가 튜브 형태로 밀려 있는 단일벽 탄소나노튜브(Single-wall Carbon Nanotube)와 여러 겹으로 구성된 다중벽 탄소나노튜브(Multi-wall Carbon Nanotube)로 구분되고 있다. 이러한 탄소나노튜브는 뛰어난 역학절 특징을 가지며, 매우 높은 형상비(길이/직경)를 가지고 있어 인장응력이 우수하고 열전도성이 탁월한 특징이 있어 매우 많은 범위에 적용되고 있다. 또한, 감긴 형태에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 가지며, 직경에 따라 에너지 갭이 달리지고, 3차원 구조이면서도 준 일차원적 구조를 가지고 있어 특이한 양자효과를 나타낸다. 또한, 탄소나노튜브의 가장 중요한 열적 성질은 열전도가 6,600W/mK으로 아주 높다는 것이며, 포논(phonon)의 평균 자유경로가 아주 큰 것에 기인하는 것으로 알려져 있다.

그리고, 상기한 탄소재료를 후속 공정에서 흑연재료와 혼합하게 되면, 흑연재료 사이에 탄소재료가 공유결합에 의해 연결됨으로써 열전도도를 향상시키고 우수한 방열성능을 발휘할 수 있게 된다.

이어, 파쇄 및 균질화된 탄소재료를 용매에 분산시켜 탄소재료 분산물을 형성한다. 즉, 분산액 전체 중량을 기준으로 2~20중량%의 함량이 되도록 파쇄된 탄소재료를 용매에 분산시키는 것이다. 이때, 용매는 증류수, 알코올, 디메틸포름아마이드(DMF), 메틸에틸케톤(MEK) 및 폴리올로 이루어진 군 중에서 선택되는 일종 이상으로 이루어질 수 있으며, 침전성과 장기성, 소재 단가, 제조 환경 등 다양한 공정 조건을 고려하여 적합하게 선택한다.

탄소재료 분산물 형성에 있어서, 탄소재료는 분산액 전체 중량을 기준으로 2~20중량%의 양으로 함유되는데, 이는 탄소재료의 함량이 2중량% 미만인 경우 분산성의 문제는 발생하지 않지만 후속 공정에서 흑연재료와 혼합하였을 때 열전도도 및 방열 효과의 특성을 발휘할 수 없고, 탄소재료의 함량이 20 중량%를 초과하는 경우 분산성의 문제가 발생할 우려가 있을 뿐 아니라 함량 증가에 따른 더 이상의 효과 증대를 기대할 수 없기 때문이다.

탄소재료 분산물의 제조는 초음파, 롤 밀링, 볼 밀링, 제트 밀링, 스크루 혼합, 어트리션 밀링, 비즈 밀링, 바스켓 밀링, 공자전 혼합 및 수퍼밀로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 방식을 사용할 수 있다. 즉, 탄소재료 분산물 제조시 이용되는 각각의 방식에서 구체적인 작동 조건 등은 균일한 분산물이 형성될 수 있도록 적절하게 선택하는 것이다.

또한, 탄소재료 분산물 제조시에는 탄소재료의 분산성 향상, 공정 편의성 등을 위하여 필요에 따라 분산제, 중화제 및 소포제로 이루어진 군으로부터 선택되는 일종 이상을 첨가할 수 있다. 그리고, 탄소재료 분산물 형성 단계 후에 탄소재료 분산물을 50~70℃의 온도에서 12~36시간 동안 건조시킬 수도 있다.

상기한 흑연재료는 열전도도가 높고, 기계적 물성 및 내부식성이 우수하며, 가벼운 특성을 지니고 있으므로, 방열구조체 및 인쇄회로기판용 재료로 사용될 때 우수한 성능을 발휘할 수 있도록 한다. 그리고 흑연재료를 파쇄 및 균질화함으로써, 불균질한 입도 분포를 갖는 원료 상태의 흑연재료가 균질한 입도 분포를 갖도록 한다. 이와 같이, 흑연재료의 입도분포가 균질하게 조절됨에 따라, 흑연재료에 의한 열전도 및 방열성능이 대폭 향상된다.

흑연재료를 파쇄 및 균질화할 때에는 통상적인 물리적인 방법을 사용하여 수행할 수도 있지만, 액체질소를 이용하여 수행할 수도 있다. 즉, 흑연재료가 들어 있는 용기 내에 액체질소를 흘려넣은 후 대략 30분 내지 2시간 정도 방치함으로써, 흑연재료가 파쇄 및 균질화되도록 할 수 있다. 이는 흑연재료에 액체질소가 스며든 후 기화되는 과정에서 흑연재료가 미세하게 파쇄되는 것을 이용한 것이다. 그리고, 흑연재료를 파쇄 및 균질화할 때에는 원하는 입도와 균일한 입도 분포를 갖는 흑연재료를 얻을 수 있을 때까지 파쇄 및 균질화를 반복수행되는 것이 바람직하며, 파쇄 및 균질화된 흑연재료는 60~80℃의 온도에서 12~36시간 건조되는 것이 바람직하다.

이때, 흑연재료의 입자크기는 최종 생성물인 방열구조체의 구체적인 특성이나 공정 조건 및 작업환경을 고려하여 적절하게 선택되며, 흑연재료의 입자크기가 1~50㎛로 될 때까지 반복 수행하는 것이 바람직하다. 흑연재료의 입자크기가 1㎛ 미만인 경우에는 파쇄하기가 어렵고, 크기 감소에 따른 방형 성능의 변화가 미미하며, 50㎛를 초과하는 경우에는 성형품의 표면층에 수지의 비율이 높아짐으로써 열전도와 방열성능이 저하되는 요인으로 작용하게 되므로, 적절하지 못하다.

그리고, 상기 탄소재료 분산물 2~20중량%와 흑연재료 80~98중량%를 혼합하여 탄소계 혼합재료를 형성하고, 상기 탄소계 혼합재료에 고분자 수지를 혼합하여 탄소계 소재를 형성한다. 즉, 중량%로, 40~60중량%의 탄소계 혼합재료와 40~60중량%의 고분자 수지를 혼합 및 교반하여 탄소계 소재를 형성하는 것이다. 교반시에는, 100~120rpm의 교반속도로 60~150분 동안 교반하는 것이 바람직하다.

상기 고분자 수지는 상기 폴리아미드 수지 또는 폴리페닐렌 설파이드로 이루어지는 것으로, 탄소계 혼합재료를 연결하는 바인더 역할을 수행한다. 상기 고분자 수지가 첨가됨에 따라 방열구조체로의 성형을 위한 용이한 가공성 및 경제성을 가지게 되며, 열전도도가 우수한 흑연재료와 탄소재료 분산물로 이루어진 탄소계 혼합재료와 혼합되어 방열 특성을 갖는 성형 구조체를 형성할 수 있도록 한다.

이때, 상기 탄소계 혼합재료의 함량이 55중량%를 초과하는 경우에는 방열구조체의 성형이 곤란해질 수 있을 뿐 아니라 성형된 구조체의 기계적 성질이 저하될 수 있고, 45중량% 미만인 경우에는 방열 성능이 미미하여, 방열구조체용 재료로 사용하기에 부적합하다.

또, 상기 탄소계 혼합재료의 표면 코팅과 상기 고분자수지의 내부식성 개선을 위하여, 규산칼륨, 규산나트륨, 산화규소, 질화규소 및 탄화규소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 이루어진 규소함유 화합물을 3~20중량% 정도 첨가할 수도 있다.

한편, 상기 탄소계 소재를 그대로 사용할 수 없으므로 펠릿으로 형성하여 보관할 수도 있다. 이 경우 고분자의 자외선에 의한 분해방지를 위한 분해방지제와 산화방지제를 각각 1~5중량% 더 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 분해방지제는 히드록시벤조페논계(Hydroxy Benzophenone), 히드록시페닐 벤조트리아졸계(Hydroxypheny Benzotriazole), 아릴에스테르계(Arylester), 옥사닐라이드계(Oxanilides), 포름아미딘계(Formamidine)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 이루어지고, 상기 산화방지제는 페놀계　산화방지제, 인계　산화방지제, 황계　산화방지제, 아민계　산화방지제로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상으로 이루어진다.

그리고, 상기 절연본딩층(112)은 전기전도층(113)을 방열구조체(111)에 부착함과 아울러 전기전도층(113)을 흐르는 전류가 방열구조체(111)로 전달되지 않도록 절연시키기 위한 부분으로, 상기 방열구조체(111)의 표면부(111a)에 위치된다. 또, 상기 전기전도층(113)은 다수의 전자부품이 실장되는 회로를 형성하기 위한 것으로, 동박(copper foil)으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 전기전도층(113)은 에칭 등의 공정을 통해 다수의 전자부품을 연결하는 회로를 형성하게 된다. 따라서, 상기 방열구조체(111)의 표면부(111a)에 절연본딩층(112)을 위치시킨 후, 상기 절연본딩층(112)의 상측에 전기전도층(113)을 위치시키고 핫프레스 공법으로 열과 압력을 가하게 되면 상기 전기전도층(113)이 방열구조체(111)에 부착된다. 이어, 상기 전기전도층(113)에 에칭 등의 공정을 통해 회로를 형성하고, 각종 전자부품을 실장하게 되면 방열구조체 일체형 PCB(110)가 완성된다.

또, 상기 절연 및 반사층(120)은 방열구조체 일체형 PCB(110)의 회로부를 보호함과 아울러 LED 패키지(140)에서 발생한 빛이 전방으로만 조사되도록 하는 것으로, 상기 LED 패키지(140)가 설치될 수 있도록 다수의 구멍(125)이 형성된 구조로 이루어진다. 그리고, 상기 솔더층(130)은 절연 및 반사층(120)에 형성된 구멍(125)에 배치되는 다수의 솔더로 이루어지며, 상기 LED 패키지(140)와 방열구조체 일체형 PCB(110)가 전기적으로 연결되도록 하게 된다. 즉, 상기 방열구조체 일체형 PCB(110)의 회로부에 절연 및 반사층(120)을 부착한 후, 상기 절연 및 반사층(120)의 구멍(125)에 각각 솔더를 도포하여 솔더층(130)을 형성하고, 상기 솔더층(130)의 솔더를 통해 다수의 LED 패키지(140)를 방열구조체 일체형 PCB(110)에 실장함으로써 조명용 LED 모듈(100)을 형성하게 되는 것이다.

이상에서는 절연 및 반사층(120)에 구멍(125)이 형성되는 것으로 기재하였으나, 실제로는 상기 절연 및 반사층(120)을 형성할 때 PSR 마스크 패턴을 이용하여 LED가 본딩되는 위치를 제외한 나머지 부분을 PSR 인쇄하게 된다. 이에 따라, 상기 절연 및 반사층(120)을 형성하기 위하여 PSR 인쇄하는 과정에서 인쇄가 이루어지지 않는 부분이 구멍(125)으로 작용하게 된다. 그리고, 솔더를 도포하여 상기 솔더층(130)을 도포하는 공정은 SMD(Surface Mount Device) 라인에서 솔더를 프린팅하는 방식으로 이루어진다. 또, 상기 LED 패키지(140)를 실장하는 공정은, 상기 솔더층(130)에 LED 패키지(140)를 칩 마운트(Chip Mount)하고, 리플로우(Reflow) 오븐에서 저온으로부터 최대 260℃까지 서서히 가열하여 대략 10초 정도 유지함으로써 상기 LED 패키지(140)의 본딩이 이루어지도록 한 후, 냉각(Cooling)하는 방식으로 이루어진다.

다시 말해서, 방열구조체 일체형 PCB(110)에 대한 PSR 공정을 통해 상기 절연 및 반사층(120)을 형성하고, SMD 라인에서의 솔더 프린팅하는 공정을 통해 상기 솔더층(130)을 형성하며, 상기 LED 패키지(140)의 칩 마운트 및 리플로우 오븐에서의 본딩 공정을 통해 LED 패키지(140)를 실장함으로써, 상기 조명용 LED 모듈(100)을 형성하게 되는 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 조명용 LED 모듈은 LED 패키지를 온/오프시키기 위한 PCB에 별도의 히트 싱크가 부착되지 않고 방열구조체에 회로가 형성되어 PCB를 구성하게 되므로 전체적인 부피가 감소함과 아울러 중량이 감소하여 경량화된다.

그리고, 방열구조체 일체형 PCB의 전기전도층에 실장된 다수의 전자부품에서 발생하는 열이 방열구조체를 통해 그대로 배출되어 방열효과가 향상되며, 방열구조체가 열전도도와 방사율이 우수한 탄소계 소재로 형성됨에 따라 방열효과가 대폭 향상된다.

그리고, 본 발명에 따른 조명용 LED 모듈의 방열구조체 일체형 PCB에 적용된 방열구조체를 형성하기 위한 탄소계 소재의 효과를 검증하기 위하여 탄소계 소재를 이용하여 플레이트를 제작한 후, 수평방향의 열전도도와 수직 방향의 열전도도 및 방사율을 각각 비교한 결과, 표 1과 같이 나타났다.

<비교예>

흑연재료인 판상 그래파이트 50중량%와 폴리아미드 수지 50중량%로 이루어진 탄소계 소재로 판을 제작한 후, 수평방향의 열전도도와 수직방향의 열전도도 및 방사율을 각각 측정하여 기준으로 설정하였다.

<실시예 1>

흑연재료인 판상 그래파이트 35중량% 및 구상 그래파이트 20중량%와, 탄소나노튜브 3중량%, 폴리아미드 수지 42중량%로 이루어진 탄소계 소재로 판을 제작한 후, 수평 방향의 열전도도와 수직방향의 열전도도 및 방사율을 각각 측정하였다.

<실시예 2>

흑연재료인 판상 그래파이트 25중량% 및 구상 그래파이트 30중량%와, 탄소나노튜브 5중량%, 폴리아미드 수지 40중량%로 이루어진 탄소계 소재로 판을 제작한 후, 수평 방향의 열전도도와 수직방향의 열전도도 및 방사율을 각각 측정하였다.

<실시예 3>

흑연재료인 판상 그래파이트 30중량% 및 구상 그래파이트 20중량%와, 탄소나노튜브 8중량%, 폴리아미드 수지 42중량%로 이루어진 탄소계 소재로 판을 제작한 후, 수평 방향의 열전도도와 수직방향의 열전도도 및 방사율을 각각 측정하였다.

상기한 표 1을 참조하면, 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 LED 모듈의 방열구조체를 형성하기 위한 탄소계 소재의 재료로 구상 그래파이트와 탄소나노튜브가 더 포함됨에 따라 수평방향 및 수직방향의 열전도도가 각각 증가하였고, 방사율 또한 증가함이 확인되었다. 특히, 구상 그래파이트에 비해 탄소나노튜브의 함량이 증가할수록 열전도도와 방사율이 더 증가함이 확인되었다.

한편, 본 발명의 LED 등기구는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 조명용 LED 모듈(100)과; 후방에 상기 조명용 LED 모듈(100)이 설치되고 전방에 커버(230)가 구비된 하우징(200)과; 상기 조명용 LED 모듈(100)에 전원을 공급하도록 상기 하우징(200)의 후방에 착탈 가능하게 결합되어 상기 조명용 LED 모듈(100)을 고정하는 전원공급수단(300);을 포함하여 이루어진다.

상기 전원공급수단(300)은 스위칭 트랜지스터 등을 이용하여 교류전원을 직류전원으로 변환하는 SMPS(Switches Mode Power Supply)를 사용하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 하우징(200)은 후방으로 갈수록 직경이 감소하는 테이퍼 형상의 몸체(210)와, 상기 조명용 LED 모듈(100)의 LED 패키지(140)는 수용되고 상기 LED 모듈(100)의 가장자리가 결합되도록 상기 몸체(210)의 후방에 구비되는 후방 플랜지(220)와, 상기 LED 모듈(100)의 LED 패키지(140)를 보호하도록 상기 몸체(210)의 전방에 구비되는 커버(230)를 포함하여 이루어진다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 LED 등기구는 조명용 LED 모듈에 별도의 히트싱크가 부착되지 않아 부피가 감소하게 되므로 상기 조명용 LED 모듈이 결합되는 하우징의 크기와 전체적인 부피가 줄어들게 되어 천장 등에 설치하기가 쉬워지고, 전체적인 중량이 감소하여 천장에 설치하였을 때 그 무게로 인한 낙하사고의 발생이 방지된다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 몇 가지 실시 예들과 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 발명의 설명에 기재된 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 통상의 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

100...LED 모듈
110...방열구조체 일체형 PCB
111...방열구조체
111a...표면부
111b...이면부
112...절연본딩시트
113...전기전도층
120...절연 및 반사층
125...LED 설치용 구멍
130...솔더층
140...LED 패키지
200...하우징
210...몸체
220...플랜지
230...커버
300...전원공급수단(SMPS)

Claims

탄소계 방열구조체(111)에 회로가 형성된 전기전도층(113)이 절연본딩시트(112)에 의해 부착되어 형성되는 방열구조체 일체형 PCB(110)와;
상기 전기전도층(113)에 부착되며 다수의 LED 설치용 구멍(125)이 형성된 절연 및 반사층(120)과;
다수의 솔더로 이루어진 솔더층(130)에 의해 상기 전기전도층(113)에 연결되는 LED 패키지(140);로 이루어지고,
상기 탄소계 방열구조체(111)는 총 중량을 기준으로 40~60중량%의 탄소계 혼합재료와 40~60중량%의 고분자 수지를 포함하는 탄소계 소재로 형성되며,
상기 탄소계 혼합재료는 탄소재료 분산물과 흑연재료를 포함하고,
상기 탄소재료 분산물을 탄소나노튜브, 그래핀 및 카본블랙으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소재료와 용매를 포함하며,
상기 흑연재료는 인상흑연과 팽창흑연, 판상흑연, 구상흑연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 2종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 조명용 LED 모듈.
제1항에 있어서,
상기 방열구조체(111)를 형성하기 위한 탄소계 소재는, 고분자의 자외선에 의한 분해방지를 위한 분해방지제와 산화방지제를 각각 1~5중량% 더 포함하며,
상기 분해방지제는 히드록시벤조페논계(Hydroxy Benzophenone), 히드록시페닐 벤조트리아졸계(Hydroxypheny Benzotriazole), 아릴에스테르계(Arylester), 옥사닐라이드계(Oxanilides), 포름아미딘계(Formamidine)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 이루어지고,
상기 산화방지제는 페놀계　산화방지제, 인계　산화방지제, 황계　산화방지제, 아민계　산화방지제로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 조명용 LED 모듈.
제1항에 있어서,
상기 방열구조체(111)는 절연본딩층(112)이 위치하는 평면 형태의 표면부(111a)와, 방열면적을 증가시킬 수 있도록 요철 형태로 형성되는 이면부(111b)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 조명용 LED 모듈.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 조명용 LED 모듈(100)과;
후방에 상기 조명용 LED 모듈(100)이 설치되고 전방에 커버가 구비된 하우징(200)과;
상기 조명용 LED 모듈(100)에 전원을 공급하도록 상기 하우징(200)의 후방에 착탈 가능하게 결합되어 상기 조명용 LED 모듈(100)을 고정하는 전원공급수단(300);을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 등기구.
제4항에 있어서,
상기 하우징(200)은 테이퍼 형상의 몸체(210)와, 상기 조명용 LED 모듈(100)의 LED 패키지(140)는 수용되고 상기 LED 모듈(100)의 가장자리가 결합되도록 상기 몸체(210)의 후방에 구비되는 후방 플랜지(220)와, 상기 LED 모듈(100)의 LED 패키지(140)를 보호하도록 상기 몸체(210)의 전방에 구비되는 커버(230)를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 등기구.