KR20200133375A

KR20200133375A - 열 전도 코팅

Info

Publication number: KR20200133375A
Application number: KR1020207030135A
Authority: KR
Inventors: 레메쉬 쿠지칼리; 아루나칼라 파라메쉬와라; 벤카테샤 나라야나스와미; 프란치스코 페트루스 마리아 머크; 프랑수와 기욤 세바스티앙 쿠르테쿠이스; 한스-오토 슐로타우어
Original assignee: 사빅 글로벌 테크놀러지스 비.브이.
Priority date: 2018-05-01
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2020-11-27
Also published as: WO2019211757A1; CN112041612A; US20210048185A1; EP3788302A1

Abstract

개시된 다양한 실시예는 경제적인 열 전도 코팅에 관한 것이다. 본 발명은 방열을 용이하게 하는 조명기구와 함께 사용하기에 적합한 금속 코팅을 포함한다.

Description

열 전도 코팅

본 발명은 일반적으로 열 전도 코팅에 관한 것이다.

발광 다이오드(LED) 조명 제조 산업의 최근 동향은 LED 조명 내 금속 하우징을 열가소성 수지(예를 들어, 열 전도성 열가소성 수지)로 대체하는 것과 관련이 있다. 열가소성 수지는 설계, 제조 가능성, 및 제품 차별화에 있어 이점을 제공한다. 또한, 열가소성 수지는 중량 절감, 설계 유연성, 부품 통합에 도움이 될 수 있으며, 드릴링, 탭핑, 페인팅 또는 분말 코팅과 같은 2차 작업의 제거에 도움이 될 수 있다.

그러나 열전도율이 낮기 때문에 열가소성 히트 싱크는 열을 관리하는 데 더 큰 문제가 있다. 열 전달의 효율성/효과에 영향을 미칠 수 있는 몇 가지 요소는 다음을 포함한다: (i) 열 전달 계수, (ii) 히트 싱크 재료의 열 전도율, (iii) 열원과 히트 싱크의 접촉 면적, (iv) 대기에 노출된 히트 싱크 표면적. 열전달 계수는 팬, 송풍기 등의 강제 대류로 공기 흐름을 증가시키는 방법으로 증가될 수 있다. 표면적 또한 하우징 내에 적합한 핀을 설계하여 증가될 수 있다. 그러나 이러한 방법은 시스템에 복잡성과 비용을 추가한다. 따라서 히트 싱크가 하우징으로도 사용될 때 기계적 및 열 관리와 관련하여 성능 기준을 충족하는 플라스틱 해결책을 고안하는 것이 바람직하다.

본 발명이 해결하려는 과제는 기계적 및 열 관리와 관련하여 성능 기준을 충족하는 플라스틱 해결책을 제공하는 것이다.

본 개시는 무엇보다도 적어도 하나의 LED를 포함하는 기판, 내부 표면 및 외부 표면을 갖는 비-열 전도 플라스틱 히트 싱크, 상기 히트 싱크의 적어도 내부 표면상의 열 전도 코팅을 포함하며, 상기 히트 싱크의 내부 표면은 상기 기판과 열적으로 소통(예를 들어, 직접 접촉)한다.

이러한 장치의 제조 방법도 여기에 제공된다. 상기 방법은, 내부 표면 및 외부 표면을 갖는 비-열 전도 플라스틱 히트 싱크를 제공하되, 상기 히트 싱크는 적어도 상기 히트 싱크의 내부 표면 상에 열 전도층을 갖고, 상기 히트 싱크를 적어도 하나의 LED를 포함하는 기판과 연결하는 것을 포함한다.

다양한 실시예에서, 본 개시는 적어도 하나의 LED를 포함하는 기판; 0.1 W/mK 내지 0.5 W/mK 범위의 열 전도율을 갖는 비-열 전도 플라스틱 컴포넌트를 포함하고, 내부 표면 및 외부 표면을 갖는 히트 싱크; 및 상기 플라스틱 컴포넌트의 적어도 내부 표면상에서 상기 기판과 열적으로 소통하는 전도 코팅(예: 금속 또는 비금속 코팅, 예를 들면, 알루미늄 또는 구리 코팅)을 포함하고, 상기 알루미늄은 또는 구리 코팅은 상기 기판과 직접 접촉한다.

유리하게는, 여기에 개시된 장치는 플라스틱 히트 싱크와 예를 들어 PCB(인쇄 회로 보드) 사이의 계면에 열 전도 코팅 사용을 통해 향상된 열 전달 능력을 제공하여 히트 싱크의 유효 열 전도율이 향상시킨다. 이러한 배열은 여기에 설명된 특징을 포함하는 장치 또는 시스템의 개선 된 열 전달 및 더 나은 열 관리를 제공한다.

도면에서, 반드시 축적대로 도시되지 않으며, 유사한 번호들은 여러 도면에 걸쳐 실질적으로 유사한 구성 요소를 설명한다. 서로 다른 문자 접미사를 갖는 동일한 번호는 실질적으로 유사한 구성 요소의 서로 다른 경우를 나타낸다. 도면은 일반적으로 제한하는 방식이 아니라 예로서 본 발명의 다양한 실시예를 예시한다.
도 1a는 다양한 실시예에 따른 제1 주면(110)을 갖는 원형 하우징(100)의 상부 사시도이다.
도 1b는 다양한 실시예에 따른 제2 주면(140)을 갖는 원형 하우징(120)의 저면 사시도이다. 도 1b는 융기 구조(130)를 보여준다.
도 2a는 다양한 실시예에 따른 제1 주면(210)을 갖는 팔각형 하우징(200)의 상부 사시도이다.
도 2b는 다양한 실시예에 따른 제2 주면(240)을 갖는 팔각형 하우징 (220)의 저면 사시도이다. 도 2b에서 하우징은 융기된 핀(fin) 구조(230)를 보여준다.
도 3a는 다양한 실시예에 따라 열 전도 물질이 해쉬(hash) 패턴을 갖는 부분에만 증착된 히트 싱크로서 제2 주면(310)을 갖는 도 2b에서와 같은 팔각형 하우징의 바닥 부분의 사시도이다. 해쉬 패턴이 없는 제2 주면(300)의 일부는 또한 그 위에 증착된 열 전도 물질을 갖지 않는다.
도 3b는 다양한 실시예에 따라 열 전도 물질이 모든 제2 주면(320) 상에 증착된 히트 싱크로서 제2 주면을 갖는 도 2b에서와 같은 팔각형 하우징의 하부 사시도이다.
도 4는 열원 및 온도 레벨이 샘플링된 위치를 갖는 장치의 개략도이다.
도 5는 다양한 실시 예들에 따라, 구리 금속 코팅이 히트 싱크 상에 사용될 때와 금속 코팅 상에 플라스틱이 있는 경우 영역별 온도 감소를 보여주는 차트이다. 도 5에서 번호가 매겨진 위치는 도 4에서의 숫자에 대응한다.
도 6은 LED를 포함하는 PCB로부터 열을 발산하기 위해 하우징 상의 코팅으로 사용되는 다양한 재료의 열전도 능력 및 및 코팅되지 않은 구성에서의 열전도 능력에 대한 차트이다.
도 7은 열전도율 시뮬레이션에 사용된 히트 싱크의 기본 설계이다.
도 8은 코팅되지 않은 장치를 사용한 시뮬레이션의 열 지도로, 95℃의 최대 장치 온도(Tmax)를 보인다.
도 9는 열전도율이 1.8 W/mK이고 두께가 50 마이크론인 열 인터페이스 재료(TIM)로 코팅된 장치를 사용한 시뮬레이션의 열 지도이며, 87℃의 최대 장치 온도(Tmax)를 보인다.
도 10은 알루미늄으로 코팅된 장치를 사용한 시뮬레이션의 열 지도로, 83℃의 최대 장치 온도(Tmax)를 보인다.
도 11은 구리로 코팅된 소자를 사용한 시뮬레이션의 열 지도로, 82℃의 최대 장치 온도(Tmax)를 보인다.

이제 개시된 주제의 특정 실시예에 대한 참조가 상세하게 이루어질 것이며, 그 예는 첨부 도면에서 부분적으로 예시된다. 개시된 주제는 열거된 청구 범위와 관련하여 설명될 것이지만, 예시된 주제는 청구 범위를 개시된 주제로 제한하려는 것이 아님을 이해할 것이다.

본 문서 전반에 걸쳐 범위 형식으로 표현된 값은 범위의 한계로 명시적으로 언급된 수치뿐만 아니라 각 수치와 하위 범위가 명시적으로 언급된 것처럼 그 범위 내에 포함된 모든 개별 수치 또는 하위 범위를 포함하도록 유연한 방식으로 해석되어야 한다. 예를 들어, "0.1% 내지 5%"의 범위 또는 "0.1% 내지 5 %"는 0.1% 내지 5%뿐만 아니라 표시된 범이 내의 개별 값(예를 들어, 1%, 2%, 3% 및 4 %) 및 하위 범위 (예를 들어, 0.1% 내지 0.5%, 1.1% 내지 2.2%, 또는 3.3% 내지 4.4 %)를 포함하도록 해석되어야 한다. "X 내지 Y"라는 문구는 달리 명시되지 않는 한 "X 내지 Y"와 동일한 의미를 갖는다. 마찬가지로, "X, Y 또는 Z"라는 문구는 달리 명시되지 않는 한 "X, Y 또는 Z"와 동일한 의미를 갖는다.

본 명세서에서, 용어 "하나의(a)", "하나의(an)" 또는 "상기(the)"는 문맥이 달리 명확하게 지시하지 않는 한 하나 이상을 포함하도록 사용된다. 용어 "또는"은 달리 표시되지 않는 한 비배타적인 "또는"을 지칭하는 데 사용된다. "A 및 B 중 적어도 하나" 또는 "A 또는 B 중 적어도 하나"는 "A, B 또는 A 및 B"와 동일한 의미를 갖는다. 또한, 본원에 사용되며 달리 정의되지 않은 어법 또는 용어는 단지 설명을 위한 것이며 제한을 위한 것이 아님을 이해해야 한다. 섹션 제목의 사용은 본 명세서의 독해를 돕기 위한 것이며 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다; 섹션 제목과 관련된 정보는 해당 특정 섹션의 내부 또는 외부에서 생길 수 있다.

본 명세서에 설명된 방법에서, 행위는 시간적 또는 동작적 시퀀스가 명시적으로 언급되는 경우를 제외하고는 본 발명의 원리를 벗어나지 않으면서 임의의 순서로 수행될 수 있다. 나아가, 명시적인 청구항 언어에서 별도로 수행한다고 언급하지 않는 한 특정 행위들이 동시에 수행될 수 있다. 예를 들어, X를 수행하는 청구된 행위와 Y를 수행하는 청구된 행위는 단일 동작 내에서 동시에 수행될 수 있으며, 그에 따른 프로세스는 청구된 프로세스의 문언 범위 내에 속한다.

본원에 사용된 용어 "약"은 예를 들어, 언급된 값의 10% 이내, 5% 이내, 또는 1% 이내에서 값 또는 범위에서의 어느 정도의 변동성을 허용하며, 정확한 명시된 값 또는 범위를 포함한다.

본원에 사용된 용어 "실질적으로"는 적어도 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.9%, 99.99%, 또는 적어도 99.999% 이상, 또는 100%에서와 같이 대다수 또는 대부분을 지칭한다. 본원에 사용된 용어 "실질적으로 없는"은 전혀 갖지 않거나, 조성비가 물질의 0 중량% 내지 5 중량%, 또는 0 중량% 내지 1 중량%, 또는 5 중량% 이하, 또는 4.5 중량% 이하, 4, 3.5, 3, 2.5, 2, 1.5, 1, 0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 0.1, 0.01 또는 0.001 중량% 이하로, 존재하는 물질의 양이 그 물질을 포함하는 조성물의 물성에 영향을 미치지 않을 정도로 미미한 양을 갖는 것을 의미할 수 있다. 용어 "실질적으로 없는"은 조성비가 물질의 0 중량% 내지 5 중량%, 또는 0 중량% 내지 1 중량%, 또는 5 중량% 이하, 또는 4.5 중량% 이하, 4, 3.5, 3, 2.5, 2, 1.5, 1, 0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 0.1, 0.01, 또는 0.001 중량% 이하, 또는 0 중량%, 또는 이 값들 사이의 임의의 범위 정도로 미미한 양을 갖는 것을 의미할 수 있다.

본원에 사용된 용어 "코팅"은 코팅된 표면 상의 연속적 또는 불연속적인 재료 층을 지칭하며, 상기 재료 층은 표면을 관통할 수 있고 기공과 같은 영역을 채울 수 있으며, 상기 재료 층은 평면 또는 곡면을 포함하는 임의의 3차원 형상을 가질 수 있다. 하나의 예에서, 코팅은 코팅 재료의 욕조에 침지함으로써 하나 이상의 표면 상에 형성될 수 있는데, 이들 표면은 다공성 또는 비 다공성일 수 있다.

본 명세서에서 사용된 용어 "표면"은 물체의 경계 또는 측면을 지칭하며, 여기서 경계 또는 측면은 임의의 둘레 형상을 가질 수 있고, 평평하거나, 굴곡지거나, 각진 형상을 포함하는 임의의 3차원 형상을 가질 수 있으며, 여기서 경계 또는 측면은 연속적이거나 불연속적일 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "열적 소통"은 열 복사가 한 영역 또는 소스에서 다른 영역으로 전달될 수 있음을 의미한다.

다양한 실시예에서, 본 발명은 적어도 하나의 LED를 포함하는 기판, 내부 표면 및 외부 표면을 갖는 비-열 전도 플라스틱 히트 싱크, 상기 히트 싱크의 적어도 내부 표면 상의 열 전도 코팅을 포함하는 장치를 제공하며, 상기 히트 싱크의 내부 표면은 상기 기판과 열적으로 소통한다.

열 전도 코팅은 금속 코팅일 수 있다. 금속은 아연, 구리, 은, 금, 백금, 알루미늄과 같은 실질적으로 순수한 금속뿐만 아니라 황동 및 청동과 같은 이들 금속의 합금 및 이들 금속 및/또는 합금의 조합을 포함할 수 있다. 열 전도 코팅은 열 전도성 비금속 물질을 포함할 수 있다. 전도성 비금속 물질의 예는 그래핀, 질화 붕소(비정질 및 결정질), 탄소나노튜브(예를 들어, 단일 벽 탄소나노튜브 및 다중 벽 탄소나노튜브)를 포함할 수 있다. 열 전도 코팅은 또한 임의의 적절한 비율로 금속 및 비금속 열 전도성 물질의 혼합물을 포함할 수 있다. 다양한 실시 예에서, 금속 대 비금속 비율은 99.9:0.1, 99.75:0.25, 99.5:0.5, 99:1, 98:2, 97:3, 96:4, 95:5, 94:6, 93:7, 92:8, 91:9, 90:10, 80:20, 70:30, 60:40, 50:50, 40:60, 30:70, 20:80, 10:90, 9:91, 8:92, 7:93, 6:94, 5:95, 4:96, 3:97, 2:98, 1:99, 0.5:99.5, 0.25:99.75, 또는 0.1:99.9일 수 있다.

다양한 실시 예에서, 비-열 전도 플라스틱은 0.7 와트/미터 켈빈(W/mK) 미만의 열 전도율을 갖는 열가소성 수지이다. 다양한 실시예에서, 비-열 전도 플라스틱은 0.65 W/mK, 0.5 W/mK, 0.45 W/mK, 0.40 W/mK, 0.35 W/mK, 0.30 W/mK, 0.25 W/mK, 0.20 W/mK, 0.15 W/mK, 또는 0.10 W/mK 미만, 또는 이들 값 사이의 임의의 범위의 열 전도율을 가질 수 있다. 다양한 실시예에서, 비-열 전도 플라스틱은 0.7과 0.1 W/mK 사이, 0.65 W/mK와 0.15 W/mK 사이, 0.55 W/mK와 0.25 W/mK 사이, 또는 0.45 W/mK와 0.35 W/mK 사이의 열전도율을 갖는다. 다양한 실시예에서, 상기 플라스틱의 열전도율은 0.1 W/mK와 0.5 W/mK 사이이다.

다양한 실시예에서, 상기 기판은 회로 보드이다. 회로 보드는 종래의 글래스 에폭시 절연 기판 및 전도성 트랙, 패드, 또는 식각된 구리로 제조된 다른 특징부들을 갖는 인쇄 회로 보드(PCB)일 수 있다. 다양한 실시예에서, 상기 회로 보드는 단일 층(단면이라고도 함)을 포함하며, 여기서 단일 구리층만이 PCB에 존재한다. 상기 기판은 단일 LED 또는 복수의 LED를 가질 수 있으며, 상기 기판은 LED 어레이 일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판은 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 85, 100개 이상의 LED를 포함할 수 있다. LED 어레이는 의도된 조명 응용에 의해 결정된 임의의 적절한 패턴을 가질 수 있으며, 예를 들어 원형 패턴, 격자 패턴 및 라인 패턴을 포함한다.

다양한 실시예에서, 열 전도 코팅은 PCB의 최대 온도를 1 내지 20℃, 2 내지 19℃, 3 내지 18℃, 4 내지 17℃, 5 내지 16℃, 6 내지 15℃, 7 내지 14℃, 8 내지 13℃ 또는 9 내지 12℃만큼 감소시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 열 전도 코팅은 PCB의 최대 온도를 1℃, 2℃, 3℃, 4℃, 5℃, 6℃¸ 7℃, 8℃, 9℃, 10℃, 11℃, 12℃, 13℃, 14℃, 15℃, 16℃, 17℃, 18℃, 19℃, 20℃, 또는 이들 값 사이의 임의의 범위 또는 하위 범위로 감소시킬 수 있다.

상기 장치는 조명 기구일 수 있다. 조명 기구는 실내 사용, 실외 사용, 또는 실내 및 실외 적용의 혼합에 적합할 수 있다.

비-열 전도 플라스틱은 단일 플라스틱 또는 플라스틱들의 혼합일 수 있다. 적합한 플라스틱은 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 폴리스티렌, 폴리염화비닐, 폴리 카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 또는 임의의 이들 플라스틱의 혼합물을 포함한다. 일 예에서, 상기 플라스틱은 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌이다. 비-열 전도 플라스틱은 또한 제한 없이 아크릴 수지, 에폭시 기능성 수지, 폴리우레탄 수지, 페놀 수지 및 이들의 공중합체와 같은 열경화성 플라스틱을 포함할 수 있다.

다양한 실시예에서, 히트 싱크의 비-열 전도성 컴포넌트 상의 내부 표면 상의 실질적으로 모든 열 전도 코팅은 상기 기판과 열적으로 소통한다. 예를 들어, 금속 코팅은 금속 코팅과 기판 사이에 열 페이스트와 같은 임의의 개재 물질이 있든 없든 상기 기판과 열적으로 소통할 수 있다. 유사하게, 열 전도성 비금속 코팅은 기판과 열적으로 소통할 수 있다. 예를 들어, 열 전도 코팅은 구리 트레이스 또는 다른 전도성 특징부들을 포함하지 않는 PCB 측과 접촉할 수 있다. 일부 예에서, 금속 코팅은 구리 트레이스 또는 다른 전도성 특징부들을 포함하는 PCB 측과 접촉할 수 있다.

상기 장치는 제1 주면 및 제2 주면을 갖는 하우징을 더 포함할 수 있으며, 여기서 히트 싱크는 하우징의 일부 상에 형성된다. 하우징은 임의의 적절한 장식용 디자인일 수 있으며, 태양, 바람, 및 비와 같은 기상 조건으로부터 상기 적어도 하나의 LED, 기판, 및 히트 싱크를 보호하는 인클로저를 형성하기 위해 함께 부착될 수 있는 두 개의 부품을 갖는 디자인을 포함할 수 있다. 서로 연결되거나 부착될 수 있는 두 개의 부품을 갖는 하우징이 도 1a-1b 및 2a-2b에 도시되어있다. 도 1a 및 1b는 각각 원형 하우징의 상부 및 하부 부분을 도시한다. 도 1a는 제1 주면(110)을 갖는 원형 하우징(100)의 상부 사시도이다. 원형 하우징(100)의 반대측은 원형 하우징(100)이 원형 하우징(120)에 부착될 때 형성되는 장치의 내부를 대면하는 제1 반대 표면이다. 도 1b는 제2 주면(140)을 갖는 원형 하우징(120)의 저면 사시도이다. 하우징(120)의 반대측은 원형 하우징(100)이 원형 하우징(120)에 부착될 때 형성되는 장치의 외부를 향하는 제2 반대 표면이다. 도 1b는 PCB 또는 히트 싱크와 같은 임의의 적절한 구조를 지지하는 데 사용될 수 있는 융기 구조(130)를 도시한다. 상부 원형 하우징(100) 및 하부 원형 하우징(120)은 기계적 패스너 및 접착제를 포함하는 임의의 적절한 수단에 의해 서로 연결되거나 부착될 수 있다. 서로 연결되거나 부착될 때, 원형 하우징(100)의 제1 반대 표면과 원형 하우징(120)의 제2 주면은 서로 마주하고 둘 다 장치의 내부에 있으며 외부 환경에 노출되지 않는다. 다양한 실시예에서, 상부 원형 하우징(100) 및 하부 원형 하우징(120)은 각각의 하우징의 에지들이 어느 부분도 하우징의 에지를 지나 튀어나오지 않고 중첩되게 정렬되도록 서로 연결되거나 부착된다.

도 2a 및 도 2b는 각각 팔각형 하우징의 상부 및 하부 부분을 도시한다. 도 2a는 제1 주면(210)을 갖는 팔각형 하우징(200)의 상부 사시도이다. 팔각형 하우징(200)의 반대측은 팔각형 하우징(200)이 팔각형 하우징(220)에 연결되거나 부착될 때 형성되는 장치의 내부를 향하는 제1 반대 표면이다. 도 2b는 다양한 실시예에 따른 제2 주면(240)을 갖는 팔각형 하우징(220)의 저면 사시도이다. 팔각형 하우징(220)의 반대측은 팔각형 하우징(200)이 팔각형 하우징(220)에 연결되거나 부착될 때 형성되는 장치의 외부를 향하는 제2 반대 표면이다. 도 2b에서 하우징은 융기된 핀(fin) 구조(230)를 보여준다. 도 2a는 하우징의 제1 주면(210)을 도시하는데, 이것은 외부 환경을 대면한다. 도 2b는 하우징의 제2 주면(240)을 도시한다. 도 2b에서 제2 주면(240)은 투피스(two-piece) 하우징의 제2 부품 상에 형성되며, 상기 두 개의 부품들이 결합될 때 형성되는 내부에 위치한다. 제2 주면(240)은 실외 환경에 노출되지 않는다. 상기 하우징이 투피스 디자인인 경우, 상기 하우징의 상부 및 하부 부분은 예를 들어 접착제 또는 기계식 패스너를 사용하여 서로 결합되거나 본딩될 수 있다. 서로 연결되거나 부착될 때, 팔각형 하우징(200)의 제1 반대 표면과 팔각형 하우징(220)의 제2 주면은 서로 마주하고, 둘 다 장치의 내부에 있으며 외부 환경에 노출되지 않는다. 다양한 실시예에서, 상부 원형 하우징(200) 및 하부 원형 하우징(220)은 각각의 하우징의 에지들이 어느 부분도 하우징의 에지를 지나 튀어나오지 않고 중첩하게 정렬되도록 서로 연결되거나 부착된다.

다양한 실시 예에서, 히트 싱크는 투피스 하우징으로 구축된 장치 내의 하나의 하우징 부품일 수 있다. 예를 들어, 히트 싱크는 원형 하우징(120) 또는 팔각형 하우징(220)일 수 있지만, 히트 싱크로 기능하는 구조는 여기에 설명된 장치의 임의의 적합한 부분일 수 있다. 일 예로, 히트 싱크의 내부 표면은 본 명세서에 설명된 임의의 제2 주면 상에 형성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 히트 싱크의 내부 표면은 제2 주면이다. 도 3a는 도 2b에서와 같은 팔각형 하우징의 하부 부분의 사시도로, 열 전도 물질이 해쉬 패턴을 갖는 부분에만 증착된 히트 싱크로서 제2 주면(310)을 갖는다. 도 3a는 히트 싱크의 내부 표면에 형성된 (해쉬 패턴으로 표시된) 열 전도 코팅을 보여준다. 도 3a에서, 열 전도 코팅은 히트 싱크의 실질적으로 평평한 표면 상에 형성된다. 해쉬 패턴이 없는 제2 주면(300) 부분들은 또한 그 위에 증착된 어떠한 열 전도성 물질도 갖지 않는다.

도 3b는 도 2b에서와 같은 팔각형 하우징의 하부 사시도로, 열 전도 물질이 모든 제2 주면(320) 상에 증착된 히트 싱크로서 제2 주면을 갖는다. 도 3b에서, 열전도 코팅은 히트 싱크의 전체 표면 상에 형성된다. 도 3a 및 도 3b에서, 히트 싱크의 표면 상에 배치된 기판은 히트 싱크의 실질적으로 평평한 부분들과 접촉할 것이다. 다양한 실시 예에서, 히트 싱크의 내부 표면은 실질적으로 평평하다.

열 전도 코팅은 1mm 내지 100mm의 평균 두께를 가질 수 있다. 금속 코팅은 1 밀리미터(㎜) 내지 100㎜, 2㎜ 내지 98㎜, 3㎜ 내지 97㎜, 4㎜ 내지 96㎜, 5㎜ 내지 95㎜, 6㎜ 내지 94㎜, 7㎜ 내지 93㎜, 8㎜ 내지 92㎜, 9㎜ 내지 91㎜, 10㎜ 내지 90㎜, 20㎜ 내지 80㎜, 30㎜ 내지 70㎜, 40㎜ 내지 60㎜, 또는 그 사이의 임으의 범위 또는 하위 범위의 두께를 가질 수 있다.

하우징은 복수의 융기 구조를 포함할 수 있다. 상기 융기 구조는 임의의 적합한 형상 또는 패턴을 가질 수 있는데, 동심원들, 원의 원주를 따라 규칙적으로 이격된 페그들(pegs)을 갖는 동심원들, 선들, 리브들(ribs), 핀들(fins), 정다각형들, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 융기 구조는 본 명세서에 설명된 제1 주면과 같은 하우징의 임의의 외부 표면 상에 형성될 수 있다. 융기 구조는 본 명세서에 설명된 제2 주면과 같은 하우징의 임의의 내부 표면 상에 형성될 수 있다. 융기 구조의 높이는 1㎜ 내지 40㎜, 5㎜ 내지 35㎜, 10㎜ 내지 30㎜, 15㎜ 내지 25㎜, 또는 이들 값 사이의 임의의 범위 또는 하위 범위일 수 있다. 융기 구조는 높이가 1㎜, 2㎜, 3㎜, 4㎜, 5㎜, 10㎜, 15㎜, 20㎜, 25㎜, 30㎜, 35㎜, 40㎜ 또는 45㎜일 수 있다. 도 1b에서, 융기 구조는 원의 원주를 따라 규칙적으로 이격된 페그를 갖는 일련의 동심원이다. 히트 싱크가 융기된 페그 상에 놓이면, 페그들 사이 및 그 주변의 증가된 공기 흐름에 기인하여 히트 싱크의 방열 특성이 강화될 수 있다. 도 2b는 히트 싱크의 원주를 따라 배치된 일련의 리브를 도시한다.

다양한 실시예에서, 본 발명은 적어도 하나의 LED를 포함하는 기판, 내부 표면 및 외부 표면 및 0.1 W/mK 내지 0.5 W/mK 범위의 열 전도율을 갖는 비-열 전도 플라스틱 히트 싱크, 상기 히트 싱크의 내부 표면 상의 알루미늄 또는 구리 코팅을 포함하는 장치를 제공하며, 여기서 히트 싱크의 내부 표면은 상기 기판과 직접 접촉하며 열적으로 소통한다.

다양한 실시 예에서, 조명기구를 제조하는 방법은, 내부 표면 및 외부 표면을 갖는 비-열 전도 플라스틱 히트 싱크를 형성하고, 상기 히트 싱크의 적어도 내부 표면 상에 열 전도 층을 증착하고, 상기 히트 싱크를 적어도 하나의 LED를 갖는 기판과 접촉시키는 것을 포함한다.

다양한 실시예에서, 상기 장치는 하우징 내에 기판을 봉입하는 것을 더 포함한다. 상기 하우징은 여기에 설명된 임의의 적절한 장식 디자인일 수 있다. 다양한 실시예에서, 열 전도 층은 금속 층일 수 있다.

다양한 실시예에서, 상기 형성은 인젝션 몰딩을 포함한다. 도 1a-1b 및 2a-2b에서 처럼, 하우징이 투피스로 구축될 때, 제1 주면을 갖는 하우징 부분과 제 2주면을 갖는 하우징 부분은 모두 인젝션 몰딩에 의해 제조될 수 있다.

다양한 실시예에서, 금속 층은 진공 금속화, 아크(arc) 및 화염(flame) 스프레잉 또는 도금, 또는 인-몰드 데코레이션을 사용하여 증착될 수 있다. 다양한 실시 예에서, 금속 층은 알루미늄, 구리 또는 이들의 조합을 포함한다.

다양한 실시예에서, 하우징은 복수의 융기 구조를 포함하는데, 이들은 본 명세서에 설명된 임의의 융기 구조일 수 있다. 다양한 실시예에서, 히트 싱크의 내부 표면은 기판과 직접 접촉한다. 다양한 실시예에서, 기판은 인쇄 회로 보드를 포함한다.

다양한 실시예에서, 본 발명의 장치 제조 방법은, 내부 표면 및 외부 표면을 갖는 비-열 전도 플라스틱 히트 싱크를 형성하고, 상기 히트 싱크의 적어도 내부 표면 상에 알루미늄 또는 구리 층을 증착하고, 상기 히트 싱크와 적어도 하나의 LED를 포함하는 기판을 접촉시키고, 상기 기판을 하우징 내에 봉입하는 것을 포함한다.

실시예

본 발명의 다양한 실시예들이 예시로서 제공되는 하기 예를 참조하여 더 잘 이해될 수 있다. 본 발명은 여기에 주어진 실시예에 제한되지 않는다.

열 관리에서 열가소성 수지에 대한 금속 코팅의 효능

열가소성 수지에 대한 금속 코팅의 효능을 평가하기 위해, 베어(bare) 및 구리 코팅된 열가소성 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS) CYCOLAC ™ 플레이트에서 실험이 수행된다. ABS의 열전도율은 거의 0.2 W/mK이고, 구리의 열전도율은 385 W/mK이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 5W 전력의 열원이 플레이트의 중앙에 배치된다. 코팅 유무의 두 ABS 샘플의 열 성능을 평가하고 비교하기 위해 열전대와 IR 카메라를 사용하여 서로 다른 위치에서 온도가 측정된다. 도 5의 챠트는 구리 코팅된 ABS 플레이트의 경우에 피크 온도(열원 근처)가 상당히 감소한 것을 보여준다. 이러한 피크 온도의 감소는 구리로 코팅된 ABS 플레이트의 향상된 면내 열전도율 때문이다. 더 높은 면내 열전도율은 열원으로부터 열을 멀리 분산시키는데 도움되 되며, 이는 열원 근처의 온도를 낮춘다. 그러나 열원에서 멀리 떨어진 위치는 평이한 플레이트에 비해 증가된 열량을 수용하고 증가된 온도를 보인다. LED 칩(열원)의 성능 관점에서 볼 때 더 낮은 온도는 금속 코팅된 히트 싱크를 사용하는 장치의 수명, 광 출력 및 색상 안정성을 향상시킬 수 있다.

금속 코팅 유무에 따른 PCB 및 LED를 갖는 구성들의 열 성능 비교는 도 6에 도시되어 있다. 금속 코팅은 코팅되지 않은 구성 및 열 인터페이스 재료(TIM: Thermal Interface Material)를 사용하는 구성에 비해 PCB 온도를 상당히 낮춘다. 도 6의 데이터는 알루미늄 층 또는 구리 층과 같은 열 전도 층이 LED 계면에서 PCB 내 최대 온도를 크게 낮출 수 있음을 보여준다. 예를 들어 알루미늄 코팅은 PCB의 최대 온도를 최대 12℃까지 낮출 수 있고 구리 코팅은 PCB의 최대 온도를 최대 13℃까지 낮출 수 있다. 도 6에 도시된 결과에 상응하며 장치 전체에 걸친 열 분포를 보여주는 개별 시뮬레이션들이 도 7-11에 있다.

채용된 용어 및 표현은 제한이 아닌 설명의 용어로 사용되며, 이러한 용어 및 표현의 사용에 도시 및 설명된 특징 또는 그것의 부분들의 균등물을 배제하려는 의도는 없으며, 본 발명의 실시예의 범위 내에서 다양한 변형이 가능함을 알 수 있다. 따라서, 본 발명이 특정 실시예 및 부가적 특징에 의해 구체적으로 개시되었지만, 여기에 개시된 개념의 수정 및 변형이 당업자에 의해 이용될 수 있으며, 그러한 수정 및 변형은 본 발명의 실시예의 범위 내에 있는 것으로 간주됨이 이해되어야 한다.

다음의 예시적인 양태가 제공되며, 그 번호는 중요도 수준을 지정하는 것으로 해석되어서는 안된다:

양태 1: 적어도 하나의 LED를 포함하는 기판; 내부 표면 및 외부 표면을 갖는 비-열 전도 플라스틱 컴포넌트를 포함하는 히트 싱크; 및 상기 플라스틱 컴포넌트의 적어도 내부 표면 상에서 상기 기판과 열적으로 소통하는 열 전도 코팅을 포함하는 장치.

양태 2: 양태 1에 있어서, 열 전도 코팅이 금속, 열 전도성 비금속 물질, 또는 금속 및 비금속 열 전도성 물질의 혼합물을 포함하는 장치.

양태 3: 앞선 양태들 중 어느 하나에 있어서, 열 전도 코팅은 아연, 구리,은, 금, 백금, 알루미늄, 이들 금속의 합금, 또는 이들 금속의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 장치.

양태 4: 앞선 양태들 중 어느 하나에 있어서, 상기 열 전도 코팅은 그래핀, 질화 붕소 또는 탄소나노튜브 중 적어도 하나를 포함하는 장치.

양태 5: 상기 양태 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서, 열 전도 코팅이 금속 코팅인 장치.

양태 6: 앞선 양태들 중 어느 하나에 있어서, 히트 싱크의 내부 표면 상의 실질적으로 모든 열 전도 코팅이 기판과 열적으로 소통하는 장치.

양태 7: 앞선 양태들 중 어느 하나에 있어서, 상기 기판은 회로 보드인 장치.

양태 8: 양태 7에 있어서, 상기 회로 보드는 단일 층을 포함하는 장치.

양태 9: 앞선 양태들 중 어느 하나에 있어서, 상기 열 전도 코팅은 구리 또는 알루미늄을 포함하는 장치.

양태 10: 앞선 양태들 중 어느 하나에 있어서, 열 전도 코팅은 1㎛ 내지 100㎛의 평균 두께를 갖는 장치.

양태 11: 앞선 양태들 중 어느 하나에 있어서, 제1 주면 및 제2 주면을 갖는 하우징을 더 포함하고, 상기 히트 싱크는 상기 하우징의 일부 상에 형성된 장치.

양태 12: 양태 11에 있어서, 상기 하우징은 복수의 융기 구조를 포함하는 장치.

양태 13: 앞선 양태들 중 어느 하나에 있어서, 상기 기판은 LED 어레이를 포함하는 장치.

양태 14: 앞선 양태들 중 어느 하나에 있어서, 상기 장치는 조명 기구인 장치.

양태 15: 앞선 양태들 중 어느 하나에 있어서, 상기 플라스틱의 열 전도율은 0.01 W/mK 내지 0.7 W/mK인 장치.

양태 16: 앞선 양태들 중 어느 하나에 있어서, 상기 플라스틱의 열 전도율은 0.1 W/mK 내지 0.5 W/mK인 장치.

양태 17: 앞선 양태들 중 어느 하나에 있어서, 상기 플라스틱은 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌인 장치.

양태 18: 앞선 양태들 중 어느 하나에 있어서, 상기 히트 싱크의 내부 표면은 상기 기판과 직접 접촉하는 장치.

양태 19: 앞선 양태들 중 어느 하나에 있어서, 상기 히트 싱크의 내부 표면은 실질적으로 평평한 장치.

양태 20: 적어도 하나의 LED를 포함하는 기판; 0.1 W/mK 내지 0.5 W/mK 범위의 열 전도율을 갖는 비-열 전도 플라스틱 컴포넌트를 포함하고 내부 표면 및 외부 표면을 갖는 히트 싱크; 및 상기 플라스틱 컴포넌트의 적어도 내부 표면 상에서 상기 기판과 열적으로 소통하는 알루미늄 또는 구리 코팅을 포함하고, 상기 알루미늄 또는 구리 코팅은 기판과 직접 접촉하는 장치.

양태 21: 앞선 양태들 중 어느 하나의 장치를 제조하는 방법에 있어서, 상기 장치는 조명 기구이며, 내부 표면 및 외부 표면을 갖는 비-열 전도 플라스틱 히트 싱크를 제공하되, 상기 히트 싱크는 상기 히트 싱크의 적어도 내부 표면 상에 열 전도 층을 갖고; 상기 히트 싱크를 적어도 하나의 LED를 포함하는 기판과 접촉시키는 것을 포함하는 방법.

양태 22: 양태 21에 있어서, 상기 기판을 하우징 내에 봉입하는 것을 더 포함하는 방법.

양태 23: 양태 21-22에 있어서, 상기 히트 싱크는 인젝션 몰딩에 의해 형성된 방법.

양태 24: 양태 21-23 중 어느 하나에 있어서, 상기 열 전도 층이 진공 금속 화, 아크 및 화염 스프레잉 또는 도금, 또는 인-몰드 데코레이션에 의해 상기 히트 싱크 상에 증착되는 방법.

양태 25: 양태 21-24 중 어느 하나에 있어서, 상기 히트 싱크의 내부 표면이 상기 기판과 직접 접촉하는 방법.

Claims

적어도 하나의 LED를 포함하는 기판;
내부 표면 및 외부 표면을 갖는 비-열 전도 플라스틱 컴포넌트를 포함하는 히트 싱크; 및
상기 플라스틱 컴포넌트의 적어도 내부 표면 상에서 상기 기판과 열적으로 소통하는 열 전도 코팅을 포함하는 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 열 전도 코팅은 아연, 구리, 은, 금, 백금, 알루미늄, 이들 금속의 합금, 또는 이들 금속의 조합을 포함하며, 바람직하게 상기 열 전도 코팅은 알루미늄 또는 구리를 포함하는 장치.
앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서, 상기 열 전도 코팅은 그래핀, 질화붕산, 또는 탄소 나노튜브들을 포함하는 장치.
앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서, 상기 히트 싱크의 내부 표면 상의 거의 모든 상기 열 전도 코팅은 상기 기판과 열적으로 소통하는 장치.
앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서, 상기 기판은 회로 보드인 장치.
청구항 5에 있어서, 상기 회로 보드는 단일 층을 포함하는 장치.
앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서, 상기 히트 싱크의 내부 표면 상의 거의 모든 상기 열 전도 코팅은 상기 기판과 열적으로 소통하는 장치.
앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서, 상기 열 전도 코팅은 1㎛ 내지 100㎛의 평균 두께를 갖는 장치.
앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서, 제1 주면 및 제2 주면을 갖는 하우징을 더 포함하고, 상기 히트 싱크는 상기 하우징의 일부 상에 형성된 장치.
앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서, 상기 기판은 LED 어레이를 포함하는 장치.
앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서, 상기 장치는 조명 기구인 장치.
앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서, 상기 플라스틱의 열 전도율은 0.01 W/mK 내지 0.7 W/mK이며, 바람직하게 상기 플라스틱의 열 전도율은 0.1 W/mK 내지 0.5 W/mK인 장치.
앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서, 상기 플라스틱은 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌인 장치.
앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서, 제1 주면 및 제2 주면을 갖는 하우징을 더 포함하고, 상기 히트 싱크는 상기 하우징의 일부 상에 형성되며, 바람직하게 상기 하우징은 복수의 융기 구조를 포함하는 장치.
앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서, 상기 히트 싱크의 내부 표면은 상기 기판과 직접 접촉하고, 및/또는 상기 히트 싱크의 내부 표면은 실질적으로 평평하며, 바람직하게 평평한 장치.
앞선 청구항들 중 어느 하나의 장치를 제조하는 방법에 있어서, 상기 장치는 조명 기구이며,
내부 표면 및 외부 표면을 갖는 비-열 전도 플라스틱 히트 싱크를 제공하되, 상기 히트 싱크는 상기 히트 싱크의 적어도 내부 표면 상에 열 전도층을 갖고,
상기 히트 싱크를 적어도 하나의 LED를 포함하는 기판과 연결하는 것을 포함하는 방법.
청구항 16에 있어서, 상기 기판을 하우징 내에 봉입하는 것을 더 포함하는 방법.
청구항 16 또는 17에 있어서, 상기 히트 싱크는 인젝션 몰딩에 의해 형성된 방법.
청구항 16 내지 18의 어느 한 항에 있어서, 상기 열 전도층은 진공 금속화, 아크 스프레잉 또는 도금, 화염 스프레잉 또는 도금, 또는 인-몰드 데코레이션에 의해 상기 히트 싱크 상에 증착된 방법.
청구항 16 내지 19의 어느 한 항에 있어서, 상기 히트 싱크의 내부 표면은 상기 기판과 직접 접촉하는 방법.