WO2013151380A1 - 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리 - Google Patents

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WO2013151380A1
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light emitting
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particles
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고정호
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주식회사 지앤씨
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    • F21W2131/10—Outdoor lighting
    • F21W2131/103—Outdoor lighting of streets or roads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the present invention relates to a light emitting diode lighting device assembly having an excellent heat dissipation effect, thereby ensuring the operating life of a light emitting diode and a power supply module.
  • the LED Light Emitting Diode
  • LED Light Emitting Diode
  • LEDs are used in the form of bare chips or manufactured in a package structure.
  • a bare chip type LED is called an LED chip
  • a package structure LED is called an LED package.
  • LEDs have advantages such as high reliability, easy modulation, and stable operation at an appropriate price.
  • a white light emitting illumination device that provides illumination of white light using a white LED has been conventionally proposed. According to the needs of the user, the purpose of use, the use space, or the like, another kind of white light emitting lighting device having a unique color temperature is selected and used. Among them, white light-emitting lighting apparatuses that provide white light of daylight or warm white light have been widely used.
  • the color change of the light that is, the change in the color temperature due to the change in the wavelength band of the light may be caused.
  • a lighting device made to provide warm white white illumination may emit light changed to a bluish wavelength by increasing temperature. This is pointed out as a big problem in that it loses the lighting characteristics of the original lighting device.
  • the heat generation during the LED lighting process is to shorten the life of the lighting device, it is very necessary to have excellent heat dissipation characteristics for LED development in that it may create a risk of fire or burn.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a light emitting diode lighting device assembly having excellent heat dissipation efficiency, which can lower manufacturing costs and increase economic efficiency, and improve heat dissipation efficiency to extend the guaranteed life of the LED lighting device. It is to.
  • the LED lighting device assembly which is an embodiment of the present invention to be solved to solve the above-mentioned object, the light emitting diode lighting device including a first heat radiation insulating solution therein; And an auxiliary tank in communication with the lighting device and filled with a second heat dissipation insulating liquid.
  • the LED lighting device is a light emitting diode package installed on a substrate installed therein, and a power supply for supplying power to the LED package installed therein It may include a supply module.
  • the LED lighting device is a street light
  • the auxiliary tank may be installed in the lampshade or street lamp of the street light.
  • the LED lighting device assembly may further include a connection pipe for communicating the LED lighting device with the auxiliary tank.
  • a feed line for supplying power to the LED lighting device may be installed in the connection pipe.
  • the connecting pipe may be formed of a corrugated pipe.
  • it may further include a metal plate attached to the auxiliary tank for dissipating heat from the heat radiation insulating liquid.
  • the first heat dissipating insulating liquid and the second heat dissipating insulating liquid may be the same material, and the first heat dissipating insulating liquid may include thermally conductive particles.
  • the thermally conductive particles are magnetic particles
  • the LED lighting device assembly is installed on one side of the connecting pipe to allow the first heat radiation insulating liquid to move to the auxiliary tank. It may further comprise an electromagnetic stirrer.
  • the thermally conductive particles may include one of amorphous carbon nanotube particles, magnetic body-graphite particles, magnetic body-ceramic particles, magnetic body-graphene particles, magnetic metal particles. .
  • each of the first heat dissipating insulating liquid and the second heat dissipating insulating liquid has a convective heat transfer coefficient of 15000-70000 (W / m 2 K) at 20 ° C. to 80 ° C.
  • silicone oil methyl panyl silicone oil, and poly methyl hydrogen siloxane.
  • each of the first heat dissipating insulating liquid and the second heat dissipating insulating liquid may form a gap between each molecule of the dimethyl silicone oil, methyl panyl silicone oil, and polymethyl hydrogen siloxane.
  • it may further comprise liquid silica.
  • the heat dissipation insulating liquid in the lighting device is not only electrically insulating, but also has a high heat transfer coefficient, non-reactivity with the substrate or the electronic component, and changes in physical properties even when used for a long time. It is possible to increase the durability of the lighting equipment.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a light emitting diode lighting device assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a case where a light emitting diode lighting device assembly according to an embodiment of the present invention is applied to a street light.
  • FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a street lamp according to one embodiment of the present invention described in FIG.
  • a light emitting diode lighting device assembly according to an embodiment of the present invention is applied to a street light
  • the present invention is not limited thereto, and general lighting devices such as household lighting devices and industrial lighting devices, as well as pick lamps and search lamps
  • the present invention can be applied to high power lighting equipment such as transmission lamps.
  • the LED lighting device assembly 1000 which is an embodiment of the present invention, includes a LED lighting device 100, an auxiliary tank 200, a connector 300, and an external power source 400. Can be configured.
  • the LED lighting apparatus 100 is configured to supply power to the LED package 101 installed on the substrate 105 installed therein and the LED package 101 installed therein. Including a power supply module 103 and a first heat dissipation insulating liquid 110 (filled in a watertight housing) for dissipating heat generated from the light emitting diode package 101 and the power supply module 103. Can be configured.
  • LED package 101 may be a printed circuit board (PCB), a flexible printed circuit board (FPCB), or a chip on board (COB) in which one or more light emitting diodes are mounted according to lighting characteristics.
  • PCB printed circuit board
  • FPCB flexible printed circuit board
  • COB chip on board
  • the light emitting diode used in the light emitting diode package 101 mainly uses a white light emitting diode as a light emitting source, but red, blue, and green may be individually or mixed according to lighting characteristics.
  • the light emitting diode package is illustrated as a light source, but a light emitting diode chip may be used.
  • the power supply module 103 is a device that supplies AC power (external power 400) supplied from the outside of the lighting device 100 to DC power according to the characteristics of the LED package 101.
  • the first heat dissipation insulating solution 110 filled in the watertight housing of the LED device 100 is electrically insulative, and is non-reactive with respect to the substrate 105, the LED package 101, and the like. It is a substance.
  • the first heat dissipating insulation 110 may include one of ultrapure water (D.I water), propylene glycol, and transformer oil.
  • the first heat dissipation insulating solution 110 may include one or two or more of dimethylsilicone oil, methylphenyl silicon oil, or polymethyl hydrogen siloxane in order to increase the heat dissipation effect. It may be a mixture. This will be described later.
  • ultrapure water is pure water without any impurities except ions formed by removing all ions dissolved in water and self-ionizing the water, and there is no electrical conductivity.
  • Propylene glycol is a material having excellent solubility, and thermally conductive particles described later are dissolved by this propylene glycol, and are environmentally friendly materials in that they are transparent and non-toxic.
  • the surfactant is added to the heat dissipation insulating solution, it is possible to further increase the solubility of the thermally conductive particles. At this time, it is sufficient that the surfactant is contained in a small amount of less than 1% by weight.
  • the heat radiation insulating liquid (110, 210) contains the thermally conductive particles, it is possible to increase the effect of the absorption and discharge of heat.
  • the thermally conductive particles may include one of amorphous carbon nanotube particles, purified nanotubes, graphite particles, and ceramic particles.
  • As the carbon nanotube particles one of single wall carbon nanotube particles, double wall carbon nanotube particles, and multiwall carbon nanotubes may be used. At this time, since a small amount of thermally conductive particles is contained, only the thermally conductive effect can be increased while maintaining the characteristics as the insulating liquid.
  • the carbon nanotubes are carbon nanotubes prior to the purification process in the manufacturing process, and have magnetic properties because metal catalysts for growing the carbon nanotubes remain.
  • the thermally conductive particles are magnetic materials, the thermally conductive particles acting by the electromagnetic stirrer installed in the connecting pipe 300 to be described later diffuse more effectively into the auxiliary tank 200. It becomes possible. This will be described in more detail with reference to FIG. 3.
  • the auxiliary tank 200 may be filled with a second heat radiation insulating liquid that is the same material as the first heat radiation insulating liquid 110.
  • the auxiliary tank 200 and the LED lighting device 100 may be communicated with each other through the connection pipe 300, so that when the first heat radiation insulating solution 110 is heated, the connection pipe 300 by thermal diffusion The second heat dissipating insulating liquid is moved to the auxiliary tank 200 through the light emitting diode 100 and diffuses into the LED lighting apparatus 100.
  • connection pipe 300 may be formed of a corrugated pipe of a watertight structure.
  • a power supply line 310 may be installed therein for the external power supply 400 to be supplied to the power supply module 103.
  • the auxiliary tank 200 including the heat dissipation insulating liquid is configured to communicate with each other through the lighting device 100 and the connection pipe 300, thereby generating heat generated from the LED package 101 and the power supply module 103. Since the amount of the heat dissipation insulating liquid that can emit a larger, it is possible to maximize the heat dissipation efficiency.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a case where a light emitting diode lighting device assembly according to an embodiment of the present invention is applied to a street lamp
  • FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the street lamp according to an embodiment of the present invention described with reference to FIG. 2.
  • the street lamp protects the LED lighting device 100 and the LED lighting device 100 that are responsible for lighting in the street lamp, and the LED lighting device 100 emits light in all directions.
  • a reflecting plate for reflecting some of the light is configured to include a hood 600 (street lampshade) and a street lamp column 500 provided therein.
  • the LED lighting device 100 includes a substrate 105 in a watertight housing, and a plurality of LED packages 101 are installed on one side of the substrate 105. The other side of the substrate 105 is attached to the power supply module 103. In this housing, the first heat dissipation insulating liquid 110 is filled.
  • the streetlight column 500 is provided with an auxiliary tank 200. In this embodiment, the auxiliary tank 200 is installed in the street lamp column 500, it may be installed to make a space in the street lamp shade 600.
  • the auxiliary tank 200 is in communication with the LED lighting device 100 through the connecting pipe 300, the auxiliary tank 200 includes the same second heat radiation insulating liquid 110 as the first heat radiation insulating liquid 110.
  • a metal plate 220 may be attached to one side of the auxiliary tank 200.
  • the metal plate 220 may be made of copper or aluminum having high thermal conductivity. Accordingly, heat generated in the light emitting diode package 101 and the power supply module 103 is finally discharged to the outside through the metal plate 220.
  • an electromagnetic stirrer 320 may be installed at one side of the connection pipe 300. Magnetic particles contained in the heat dissipation insulating solution 110 are accelerated by the magnetic field generated by the electromagnetic stirrer 320 to enhance heat dissipation efficiency by further strengthening the tropical flow of the heat dissipating insulating liquid.
  • the heat dissipation insulating liquid must be 1) excellent thermal conductivity as a heat transfer medium, 2) molecular transfer state to transfer thermal energy (ie, the viscosity of liquid phase must be high in motion according to temperature, and 3) the molecular structure must be stable at high temperature. 4) Excellent chemical resistance and chemical resistance (non-reactive) that does not cause chemical reaction, corrosion, ion exchange, etc. with other devices, 5) Excellent light transmittance, no change in refractive index at high temperature, 6) Refractive index is controlled freely, and there should be no haze phenomenon that gel or foreign substances are generated by self-synthesis or self-crosslinking.
  • one or a mixture of two or more of dimethyl silicone oil, methyl phenyl silicone oil, and poly methyl hydrogen siloxane may be used as the heat radiation insulating liquid.
  • the physical and chemical properties of the heat radiation insulating liquid comprising one or a mixture of two or more of dimethyl silicone oil, methyl panyl silicone oil, and poly methyl hydrogen siloxane will be described as follows.
  • the thermal conductivity is not higher than that of a general metal, but due to the convection effect of doubling the energy transfer of molecular energy, the heat release effect to the external system is very high.
  • the heat radiation insulating solution according to the present invention has a large convection effect (convetion effect) is significantly higher heat dissipation efficiency than other materials.
  • the thermal conductivity of the heat dissipation insulating solution having the above-described configuration which is one embodiment of the present invention, has a range of 1.9 ⁇ 10 ⁇ 4-4.2 ⁇ 10 ⁇ 1 (Cal / cm ⁇ sec ⁇ ° C.).
  • the light emitting diode packages 101 and 60 may be thermally shocked, and thus durability may deteriorate rapidly.
  • Thermal conductivity is the ability of energy to move between molecules. As the thermal conductivity is higher, heat generated by the LED package 101 and the power supply module 103 may be emitted. This thermal conductivity has a very close proportionality with the viscosity, and when the thermal conductivity becomes higher than the upper limit, the convective heat transfer coefficient rapidly deteriorates. In addition, when the thermal conductivity is lower than the lower limit, despite the heat transfer effect, the function as the heat medium is so weak that only meaningful convective transfer is achieved.
  • the heat emission of the LED package 101 and the power supply module 103 is smoothly made.
  • liquid silica which is an embodiment of the present invention.
  • Liquid silica is for filling the voids between each molecule of the dimethyl silicone oil, methyl panyl silicone oil, and polymethyl hydrogen siloxane.
  • the liquid silica may be contained in about 1-3% by weight. This is determined in consideration of the change in specific gravity with temperature.
  • Viscosity is related to the convective heat transfer effect and accounts for much more than the heat transfer rate in a liquid phase device, rather than one of the important components of heat transfer media.
  • Viscosity of the heat radiation insulating solution according to an embodiment of the present invention, the viscosity of the heat radiation insulating solution, may be 0.65mm 2 / sec -10 6 mm 2 / sec at 25 °C. If the viscosity is greater than the upper limit, the convection heat transfer effect is drastically reduced (exactly, the film coefficiency of the membrane effect is reduced) and the heat transfer efficiency is drastically reduced.
  • the viscosity is lower than the lower limit, the intermolecular energy transfer between the liquid phase molecules with Si as the basic structure occurs and the function as a heat transfer medium decreases rapidly (molecular distance-even if the liquid phase is a polymer structure, the binding energy between molecules is very high). Near the weak monomer-(freedom, oscillation distance 1 / r2)) The substantial convective heat transfer effect moves without the medium and drops sharply, reducing overall heat transfer.
  • the specific gravity of the heat dissipation insulating solution according to an embodiment of the present invention may be 0.76 to 1.10 at 25 ° C.
  • This specific gravity is closely related to the volume change with temperature change.
  • the lighting device operates at a room temperature of 20 ° C. in general, when the temperature of the LED package rises to 60 ° C. or more, the life of the product is drastically reduced due to heat damage. That is, in the case of an indoor light, it has a use range of 20 ° C. to 60 ° C. At this time, when the specific gravity is outside the above range, there is a fear that the housing itself is physically damaged due to rapid expansion and contraction.
  • the heat dissipation insulating solution according to one embodiment of the present invention is a mixture of one or two or more of dimethyl silicone oil, methyl panyl silicone oil, and polymethyl hydrogen siloxane, and their boiling point is 800 ° C. or higher. Therefore, when 60 ° C is viewed as the maximum temperature of the operating temperature, there is no loss due to vaporization during the operation of the LED lighting device, thereby ensuring a semi-permanent life.
  • the heat dissipation insulating solution according to an embodiment of the present invention has a chemically non-reactive reaction with respect to the substrate 105, the light emitting diode package 101, the housing, and the like, there is no haze phenomenon due to chemical reaction with the substrate even if used for a long time.
  • substrate, can be ensured.
  • dimethyl silicone oil methyl panyl silicone oil, and poly methyl hydrogen siloxane are easy to handle in that they are non-toxic and have a low cost for disposal.
  • the heat dissipation insulating solution according to the embodiment of the present invention maintains the refractive index of the sodium D line of 2.0CS or less at 1.374-1.392 and 1.398-1.404 at 10CS or more. Accordingly, the light emitted from the light emitting diode package as the light source is not distorted.
  • the heat dissipation insulating liquid in the lighting device is not only electrically insulating, but also has a high heat transfer coefficient, non-reactivity with the substrate or electronic components, and changes in physical properties even when used for a long time. It is possible to increase the durability of the lighting equipment.
  • the LED lighting device assembly described above may not be limitedly applied to the configuration and method of the above-described embodiments, and the embodiments may be selectively combined with each or all of the embodiments so that various modifications may be made. It may be configured.

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Abstract

본 발명은, 그 내부에 제 1 방열 절연액이 포함되는 발광 다이오드 조명 기기; 및 상기 조명 기기와 연통되며,제 2 방열 절연액로 채워지는 보조 탱크를 포함하는, 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리에 관한 것이다.

Description

발광 다이오드 조명 기기 어셈블리
본 발명은, 우수한 방열효과를 가지게 함으로써, 발광 다이오드 및 전원 공급 모듈등의 동작 수명을 보장하는 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리에 관한 것이다.
기존의 백열램프 또는 형광램프를 대신하여, LED(Light Emitting Diode)를 백색 광원으로 이용하는 조명 장치의 개발이 늘고 있다. LED(Light Emitting Diode)는 전류 인가에 의한 p-n 반도체 접합(p-n junction)에서 전자와 정공이 만나 빛을 발하는 소자이다. 이러한 LED는 배어 칩(bare chip) 형태로 이용되거나, 또는, 패키지 구조로 제작되어 이용되고 있다. 흔히, 배어 칩 형태의 LED는 'LED칩'이라 칭해지고, 패키지 구조의 LED는 'LED패키지'라 칭해진다. 위와 같은 LED는 적정가로 신뢰성이 높고 변조가 쉬우며 동작이 안정되어 있다는 등의 이점이 있다.
백색 LED를 이용하여 백색광의 조명을 제공하는 백색 발광 조명 장치가 종래에 제안된 바 있다. 사용자의 요구, 사용 목적, 또는, 사용 공간 등에 따라, 고유의 색온도를 갖는 다른 종류의 백색 발광 조명 장치가 선택되어 이용된다. 그 중에서도, 주광색(daylight) 또는 온백색(warm white light)의 백색 조명을 제공하는 백색 발광 조명 장치가 많이 이용되고 있다.
한편, 종래의 백색 발광 조명 장치는, LED의 점등 과정 또는 LED 주변의 온도 상승으로 인해, 광의 파장대 변화에 의한 광의 색깔 변화, 즉, 색온도의 변화가 야기될 수 있다. 예컨대, 온백색의 백색 조명을 제공하도록 제조된 조명 장치가, 온도 증가에 의해, 푸른색이 도는 파장대로 변화된 광을 발할 수 있다. 이는 원래의 조명 장치의 조명 특성을 상실한다는 점에서 큰 문제점으로 지적되고 있다. 또한, LED 점등과정 중에서의 발열은 조명 장치의 수명을 단축시키고, 화재나 화상의 위험을 만들 수 있다는 점에서 LED 개발을 위해 우수한 방열 특성을 가지는 것이 매우 필요하게 되었다.
이러한, LED의 방열 문제를 해결하기 위하여 수냉식 방열 구조를 제안되고 있으나, 직접적인 방열을 위해 액체가 LED 기판이나 전원 공급 모듈에 닿게 되는 경우, 전기적인 문제가 발생할 소지가 있고, 이러한 액체가 온도가 상승됨에 따라 부피가 커지거나 변성이 발생될 우려가 있다.
본 발명은, 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 제조 단가를 낮추어 경제성을 높이고, 방열 효율을 높여 LED 조명 장치의 보장 수명을 연장할 수 있는, 방열 효율이 우수한 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리를 제공하기 위한 것이다.
상술한 목적을 해결하기 위해 안출되는 본 발명의 일실시예인 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리는, 그 내부에 제 1 방열 절연액이 포함되는 발광 다이오드 조명 기기; 및 상기 조명 기기와 연통되며,제 2 방열 절연액로 채워지는 보조 탱크를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 발광 다이오드 조명 기기는, 그 내부에 설치되는 기판상에 설치되는 발광 다이오드 패키지와, 그 내부에 설치되는, 상기 발광 다이오드 패키지에 전원을 공급하기 위한 전원 공급 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 발광 다이오드 조명 기기는, 가로등이고, 상기 보조 탱크는, 상기 가로등의 등갓 또는 가로등주에 설치될 수 있다.
본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리는, 상기 발광 다이오드 조명 기기와 상기 보조 탱크를 연통시키는 연결관을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 연결관내에는, 상기 발광 다이오드 조명 기기에 전원을 공급하기 위한 급전선이 설치될 수 있다.
본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 연결관은, 주름관으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 보조 탱크에 부착되어서, 상기 방열 절연액으로부터의 열을 방출하기 위한 금속판을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 제 1 방열 절연액과 상기 제 2 방열 절연액은 동일한 물질이고, 상기 제 1 방열 절연액은 열전도성 입자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 열전도성 입자는 자성체 입자이고, 상기 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리는, 상기 제 1 방열 절연액이 상기 보조 탱크로 이동하도록 하는 상기 연결관의 일측에 설치되는 전자기 교반기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 열전도성 입자는, 비정제 탄소 나노 튜브 입자, 자성체 -그라파이트 입자, 자성체-세라믹 입자, 자성체-그라핀 입자, 자성 메탈 입자 중 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 제 1 방열 절연액 및 상기 제 2 방열 절연액 각각은, 20℃에서 80℃에서 대류열전달 계수가 15000-70000(W/m2 K)인, 디메틸 실리콘 오일, 메틸 패닐 실리콘 오일, 및 폴리 메틸 하이드로겐 실록산 중 하나 또는 둘이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 제 1 방열 절연액 및 상기 제 2 방열 절연액 각각은, 상기 디메틸 실리콘 오일, 메틸 패닐 실리콘 오일, 및 폴리 메틸 하이드로겐 실록산의 각 분자 사이의 공극을 채우기 위한, 액상 실리카를 더 포함할 수 있다.
상술한 구성을 가진 본 발명의 일실시예에 따르면, 조명 기기 내의 방열 절연액과 조명 기기 외에 상기 조명 기기와 연결된 보조 탱크 내의 방열 절연액의 열대류를 통해 발광 다이오드 패키지 및 전원 공급 모듈에서 발생되는 열을 방열하기 때문에, 방열 효율을 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 조명 기기 내의 방열 절연액은 전기적으로 절연성을 가질 뿐 아니라, 열전달계수가 높고, 기판이나 전자 부품과 비반응성이며, 오랜 기간동안 사용되더라도 물성 변화가 적기 때문에 조명 기기의 내구성을 높일 수 있게 된다.
도 1은, 본 발명의 일실시예인 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리의 개념도.
도 2는, 본 발명의 일실시예인 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리가 가로등에 적용된 경우를 나타내기 위한 도면.
도 3은, 도 2에서 설명되는 본 발명의 일실시예인 가로등의 부분 단면도.
이하, 본 발명과 관련된 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
본 명세서에서는, 본 발명의 일실시예인 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리가 가로등에 적용된 예를 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 가정용 조명 기기, 산업용 조명 기기와 같은 일반 조명 기기 뿐만 아니라, 집어등, 서치등, 투과등과 같은 고출력 조명 기기에도 적용될 수 있음이 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예인 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리의 개념도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예인 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리(1000)는, 발광 다이오드 조명 기기(100)와, 보조 탱크(200), 연결관(300) 및 외부 전원(400)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 발광 다이오드 조명 기기(100)는, 그 내부에 설치되는 기판(105)상에 설치되는 발광 다이오드 패키지(101)와, 그 내부에 설치되는, 상기 발광 다이오드 패키지(101)에 전원을 공급하기 위한 전원 공급 모듈(103)과, 상기 발광 다이오드 패키지(101)와 전원 공급 모듈(103)로부터 발생되는 열을 방출하기 위한 제 1 방열 절연액(110)(수밀 구조의 하우징에 채워지는)을 포함하여 구성될 수 있다.
발광 다이오드 패키지(101) 한 개 이상의 발광 다이오드를 조명 특성에 맞게 실장한 PCB (Printed Circuit Board) 혹은 FPCB (Flexible Printed Circuit Board), COB (Chip on Board) 일 수 있다.
발광 다이오드 패키지(101)에 사용되는 발광 다이오드는 발광원으로 백색 발광 다이오드를 주로 사용하나, 조명 특성에 따라 적색, 청색, 녹색을 개별적 혹은 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에서는 발광 다이오드 패키지를 광원으로 예시하고 있으나, 그 외에 발광 다이오드 칩이 이용될 수도 있다.
전원 공급 모듈(103)는 조명 기기(100) 외부로부터 공급되는 교류 전원(외부 전원(400))을 발광 다이오드 패키지(101)의 특성에 맞게 직류 전원으로 공급해 주는 장치로서 교류-직류 변환기와 일정한 직류 전압을 공급해 주는 정류 회로 및 상기 직류 전압의 전류량을 조절하여 빛의 밝기를 조절할 수 있는 디밍 회로로 구성될 수 있다.
발광 다이오드 기기(100)의 수밀 구조의 하우징에 채워지는 제 1 방열 절연액(110)은 전기적으로 절연성을 가지며, 기판(105)이나 발광 다이오드 패키지(101)등에 대하여 비반응성이며, 투광성을 가져야 하는 물질이다. 이러한 제 1 방열 절연액(110)으로는 초순수물(D.I water), 프로필렌 글리콜, 트랜스포머 오일(transformer oil) 중 하나를 포함할 수 있다. 또는, 제 1 방열 절연액(110)은, 방열효과를 높히기 위하여, 디메틸실리콘오일(dimetylsilicon oil), 메틸페닐실리콘 오일(methylphenyl silicon oil) 또는 폴리메틸 하이드로젠 실리콘(Polymethyl hydrogen siloxane) 중 하나 또는 둘이상의 혼합물일 수 있다. 이에 대해서는, 후술하도록 한다. 한편, 초순수물이란, 물속에 녹아있는 이온조차 모조리 제거하여 물이 자체이온화하여 생긴 이온을 제외하고는 불순물이 하나도 없는 순수한 물로서,전기전도도가 없다. 프로필렌 글리콜은 용해성이 우수한 물질로서, 후술하는 열전도성 입자가 이 프로필렌 글리콜에 의해 용해되며, 투명하고 무독성이라는 점에서 친환경적인 소재이다. 한편, 상기 방열 절연액에 계면활성제를 추가하게 되면, 열전도성 입자의 용해도를 더욱 높일 수 있게 된다. 이 때 계면활성제는 1중량% 미만으로 소량 들어가는 것으로 충분하다. 한편, 상기 방열 절연액(110,210)에는, 열전도성 입자가 함유되어 있어서, 열의 흡수 및 배출의 효과를 증대시킬 수 있다. 상기 열전도성 입자는, 비정제 탄소 나노 튜브 입자, 정제 나노 튜브, 그라파이트 입자, 세라믹 입자 중 하나를 포함할 수 있다. 탄소 나노 투브입자로서 단일벽 탄소 나노튜브 입자, 이중벽 탄소 나노튜브 입자, 다중벽 탄소 나노 튜브 중 하나가 이용 될 수 있다. 이 때, 열전도성 입자는 미량 함유되므로, 절연액으로서의 특징을 그대로 유지하면서, 열전도성 효과만을 상승시킬 수 있게 된다. 특히, 비정제 탄소 나노 튜브의 경우, 탄소 나노 튜브를 제조공정 중 정제과정 전 단계의 탄소 나노 튜브로서, 탄소 나노 튜브를 성장시키기 위한 메탈 촉매가 남아 있기 때문에 자성체 성질을 갖게 된다. 이와 같이, 상기 열전도성 입자가 자성체인 경우, 후술하는 연결관(300)에 설치된 전자기 교반기에 의해 작용되어서, 조명 기기(100) 내에서 가열된 방열 절연액이 더욱더 효과적으로 보조 탱크(200)내로 확산될 수 있게 된다. 이에 대해서는 도 3에서 보다 상세하게 설명하도록 한다.
보조 탱크(200)에는 제 1 방열 절연액(110)과 동일한 물질인 제 2 방열 절연액으로 채워질 수 있다. 한편 보조 탱크(200)와 상기 발광 다이오드 조명 기기(100)는 연결관(300)을 통해 상호 연통될 수 있어서, 상기 제 1 방열 절연액(110)이 가열되면, 열확산에 의하여 연결관(300)을 통해 보조 탱크(200)로 이동하게 되고, 상대적으로 차가운 제 2 방열 절연액은 발광 다이오드 조명 기기(100) 내로 확산되게 된다.
한편, 상기 연결관(300)은 수밀 구조의 주름관으로 형성될 수 있다. 그 내부에는 외부 전원(400)이 전원 공급 모듈(103)에 공급되기 위한 전원 공급선(310)이 설치될 수 있다. 이와 같이, 주름관으로 상기 연결관(300)을 형성하게 되면, 조명 기기(100)의 위치 이동이 가능하게 되어서, 사용자가 원하는 위치로 조명 기기(100)를 이동시킬 수 있게 된다.
이와 같이 방열 절연액을 포함하는 보조 탱크(200)를 조명 기기(100)와 연결관(300)을 통해 상호 연통하게 구성함으로써, 발광 다이오드 패키지(101) 및 전원 공급 모듈(103)에서 발생되는 열을 방출할 수 있는 방열 절연액의 양이 더 커지기 때문에, 방열 효율을 극대화할 수 있게 된다.
이하에서는 상술한 구성을 가진 본 발명의 일실시예인 조명 기기 어셈블리가 가로등에 적용된 예를 도 2 및 도 3을 통해 보다 상세하게 설명하도록 한다. 본 발명의 일실시예로서 가로등에 적용된 것일 뿐, 본 발명은 이에 한정되어서 해석되어선 안되며, 다양한 형태의 조명 기기(예컨대, 집어등, 투광등등)에도 적용될 수 있음이 이해되어야 한다.
도 2는, 본 발명의 일실시예인 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리가 가로등에 적용된 경우를 나타내기 위한 도면이고, 도 3은, 도 2에서 설명되는 본 발명의 일실시예인 가로등의 부분 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 가로등은 가로등에서 조명을 담당하는 발광 다이오드 조명 기기(100)와, 상기 발광 다이오드 조명 기기(100)를 보호하고, 발광 다이오드 조명 기기(100)가 전방향으로 광을 조사하는 경우, 그 광중 일부 반사하기 위한 반사판이 그 내측에 설치되는 후드(600:가로등갓) 및 가로등주(500)를 포함하여 구성된다.
다시 도 3에 도시된 바와 같이, 발광 다이오드 조명 기기(100)는 수밀 구조의 하우징 내에 기판(105)이 설치되고, 그 기판(105)의 일측에 다수의 발광 다이오드 패키지(101)가 설치되고, 그 기판(105)의 타측에는 전원공급 모듈(103)에 이 부착된다. 그리고 이 하우징 내에는 제 1 방열 절연액(110)이 채워진다. 그리고, 가로등주(500)에는 보조 탱크(200)가 설치된다. 본 실시예에서는 이 보조 탱크(200)는 가로등주(500)에 설치되나, 가로등갓(600)에도 공간을 만들어 설치될 수 있다.
한편, 이 보조 탱크(200)는 연결관(300)을 통해 발광 다이오드 조명 기기(100)와 연통되며, 보조 탱크(200)에는 제 1 방열 절연액(110)과 동일한 제 2 방열 절연액이 포함될 수 있다. 그리고, 이 보조 탱크(200)의 일측에는 금속판(220)이 부착될 수 있다. 이 금속판(220)은 열전도도가 높은 구리나 알루미늄으로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 발광 다이오드 패키지(101) 및 전원 공급 모듈(103)에서 발생되는 열은 최종적으로 이 금속판(220)을 통해 외계로 방출되게 한다. 한편, 연결관(300)의 일측에는 전자기 교반기(320)가 설치될 수 있다. 전자기 교반기(320)를 통해 생성된 자계에 의해 방열 절연액(110)에 포함되어 있는 자기성 입자가 가속되어서 방열 절연액의 열대류를 보다 강화시킴으로써 방열 효율을 높일 수 있게 된다.
상기 본 발명의 일실시예에 따른 방열 절연액의 물리적 화학적 특징에 대하여 다음과 같이 설명하도록 한다.
방열 절연액은 1) 열전달매체로서 열전도도가 우수하여야 하며, 2) 열에너지를 전달하기 위한 분자 전달 상태(즉, 액상의 점도가 온도에 따른 운동량이 높아야 하며, 3) 분자구조가 고온에서 안정적이어야 하며, 4) 다른 장치와 화학반응, 부식성, 이온 교환등이 발생하지 않는 내약품성, 내화학성이 우수하며(비반응성), 5)광투과율이 우수하며, 고온에서 굴절율의 변화가 없으며, 6) 굴절율이 자유자조로 조절되고, 자가 합성 또는 자가 가교에 의한 gel 또는 이물질 이 생성되는 헤이즈(haze:빛의 굴절, 소멸 간섭등을 일으키는 가로막힘 현상)현상이 없어야 하며, 7)비등점이 높아, 고온에서 동작시 기화 증발이 발생하지 말하야 하며, 8)유체를 둘러싸고 있는 소재에 대하여 빠른 열전달이 이루어져야 하며(계면에서 반데르발스 반발력에 의한 미분공극이 없어야 한다), 9) 온도변화에 따라 변화가 적어야 하며, 10) 전기 장치에 대한 절연성이 높아야 하며, 11) 환경적으로 친환경적이며, 무독성이어야 한다.
이러한 특성 중 우수한 특성을 가지는 디메틸 실리콘 오일, 메틸 패닐 실리콘 오일, 및 폴리 메틸 하이드로겐 실록산 중 하나 또는 둘이상의 혼합물이 방열 절연액으로 이용될 수 있다.
본 발명에서, 디메틸 실리콘 오일, 메틸 패닐 실리콘 오일, 및 폴리 메틸 하이드로겐 실록산 중 하나 또는 둘이상의 혼합물을 포함하는 방열 절연액의 물리적, 화학적 특성을 다음과 같이 설명한다.
[대류 열전달계수]
발광 다이오드 조명 장치의 방열장치의 소재가 액상인 경우, 열전도도는 일반적인 금속에 비하여 높지 않지만, 분자 에너지의 에너지 이동을 배가시키는 대류 효과로 인하여 외부계로의 열방출 효과가 매우 높아진다.
대류 열전달 매체에 따른 대류 열전달 계수는 다음 표와 같다.
표 1
대류 열전달 매체(20℃-80℃) h.btu/hrft2 F h,W/(m2K)
공기(자연대류상태) 1-10 5-25
물 500-5000 2500-25000
오일 1000-20000 5000-50000
본 발명의 실시예 3000-30000 15000-70000
표 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 폴리디메틸 실록산(Polydemetylsiloxane)계 중 스트레이트 성격의 디메틸실리콘오일(dimetylsilicon oil), 메틸페닐실리콘 오일(methylphenyl silicon oil) 또는 폴리메틸 하이드로젠 실리콘(Polymethyl hydrogen siloxane) 중 하나 또는 둘이상의 혼합물은 20℃에서 80℃에서 대류열전달 계수가 15000-70000(W/m2 K)이기 때문에, 다른 매개체(공기, 물, 일반 오일)에 비하여 그 값이 크게 되어 열전달 효과가 높다.
즉, 본 발명에 따른 방열 절연액은 대류 효과(convetion effect)가 크기 때문에 방열 효율이 다른 물질에 비해 현격히 높아지게 된다.
[열전도도]
본 발명의 일실시예인 상술한 구성을 가진 방열 절연액의 열전도도는 1.9×10-4 - 4.2×10-1 (Cal/cm·sec·℃)의 범위를 가진다.
통상적으로, 발광 다이오드의 동작온도는 외부 온도가 20℃인 경우, 60℃를 넘어서게 되면, 발광 다이오드 패키지(101)(60)가 열충격을 받게 되어 내구성이 급격히 나빠질 수 있다.
열전도도는, 에너지가 분자간에 이동을 하게 되는 능력을 말한다. 열전도도가 높으면 높을수록 발광 다이오드 패키지(101) 및 전원 공급 모듈(103)에서 발생되는 열을 방출할수 있다. 이 열전도도는 점도와 매우 밀접한 비례관계를 갖게 되며, 열전도도가 상기 상한값보다 높아지게 되면, 상기 대류 열전달계수가 급격하게 나빠지게 된다. 또한, 열전도도가 상기 하한값보다 낮아지게 되면 열전달효과에도 불구하고, 열매체로서의 기능이 너무 약해저서 의미 없는 대류 전달만 이루어질 뿐이다.
따라서, 본 발명의 일실시예에서는 상기의 범위의 열전도도를 갖도록 하여, 발광 다이오드 패키지(101) 및 전원 공급 모듈(103)의 열배출이 원활하게 이루어지도록 한다.
한편, 열전도도를 높이기 위하여, 본발명의 일실시예인 액상 실리카를 더 포함할 수 있다. 액상 실리카는, 상기 디메틸 실리콘 오일, 메틸 패닐 실리콘 오일, 및 폴리 메틸 하이드로겐 실록산의 각 분자 사이의 공극을 채우기 위한 것이다. 상기 액상 실리카는 1-3중량% 정도로 함유될 수 있다. 이는 온도에 따른 비중 변화를 고려하여 결정된다.
[점도]
점도는 대류 열전달효과와 관련이 있으며, 열전달매체의 중요한 요소중에 하나인 열전도도보다 액상장치에서의 열전달속도보다 훨씬 더 많은 비중을 차지한다. 본 발명의 일실시예에 따른 방열 절연액의 점도는, 상기 방열 절연액의 점도는, 25℃에서, 0.65mm2/sec -106 mm2/sec일 수 있다. 상기 상한값 보다 점도가 크게 되면, 대류열전달효과가 급감하며 (정확히는 격막효과의 감소 film coefficiency) 열전달 효율이 급감하게 된다. 또한, 상기 하한값 보다 작게 되면, 점도가 너무 낮아서 Si를 기본 구조로 한 액상의 분자간 에너지전달 분자간 유격이 발생하여 열전달매체로서의 기능이 급감하여 (분자간거리 - 액상은 폴리머 구조라고 하더라도 분자간 결합에너지가 매우 약한 단량체에 가까운-(자유도, 진동거리 1/r2)) 실질적인 대류열전달효과는 매체없이 이동하여 또 다시 급감하여 총괄열전달량은 줄어들게 된다.
[비중]
본 발명의 일실시예에 따른 방열 절연액의 비중은, 25℃에서, 0.76 - 1.10일 수 있다. 이 비중은 온도의 변화에 따른 부피 변화와 밀접한 관계를 가진다. 특히, 통상적으로 실내 20℃ 온도에서 조명 장치가 동작하는 경우, 60℃이상으로 발광 다이오드 패키지의 온도가 상승하게 되면 열손상으로 인해 제품의 수명이 급격하게 줄어들게 된다. 즉, 실내등의 경우 20℃에서 60℃의 사용 범위를 갖게 되는데, 이 때, 비중이 상기 범위 밖인 경우, 급격한 팽창 및 수축으로 인하여 하우징 자체가 물리적으로 파손될 우려가 있다.
[기타 특성]
본 발명의 일실시예인 방열 절연액은, 디메틸 실리콘 오일, 메틸 패닐 실리콘 오일, 및 폴리 메틸 하이드로겐 실록산 중 하나 또는 둘이상의 혼합물로서, 이들의 비등점은 800℃이상이다. 따라서, 60℃가 동작 온도의 최고온도로 보게 되면, 발광 다이오드 조명 장치 동작시 기화로 인한 손실이 전혀 없으며, 이에 따라 반영구적인 수명을 보장할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일실시예인 방열 절연액은 기판(105), 발광 다이오드 패키지(101) 및 하우징 등에 대하여 화학적으로 비반응성을 가지기 때문에, 오래동안 사용하더라도 기판등과의 화학적 반응으로 인한 헤이즈 현상이 없고, 기판등의 부품 수명이 보장될 수 있다.
또한, 디메틸 실리콘 오일, 메틸 패닐 실리콘 오일, 및 폴리 메틸 하이드로겐 실록산은 무독성이라는 점에서 취급이 용이하게 되고, 폐기 처리에 비용이 적게 들게 된다.
*또한, 본 발명의 일실시예에 따른 방열 절연액은 나트륨 D 선에 대한 굴절율은 2.0CS 이하가 1.374-1.392, 10CS 이상에서는 1.398-1.404로 유지된다. 이에 따라, 광원인 발광 다이오드 패키지로부터 나오는 광이 왜곡되지 않는다.
상술한 구성을 가진 본 발명의 일실시예에 따르면, 조명 기기 내의 방열 절연액과 조명 기기 외에 상기 조명 기기와 연결된 보조 탱크 내의 방열 절연액의 열대류를 통해 발광 다이오드 패키지 및 전원 공급 모듈에서 발생되는 열을 방열하기 때문에, 방열 효율을 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 조명 기기 내의 방열 절연액은 전기적으로 절연성을 가질 뿐 아니라, 열전달계수가 높고, 기판이나 전자 부품과 비반응성이며, 오랜 기간동안 사용되더라도 물성 변화가 적기 때문에 조명 기기의 내구성을 높일 수 있게 된다.
상기와 같이 설명된 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (13)

  1. 그 내부에 제 1 방열 절연액이 포함되는 발광 다이오드 조명 기기; 및
    상기 조명 기기와 연통되며, 제 2 방열 절연액로 채워지는 보조 탱크를 포함하는, 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드 조명 기기는,
    그 내부에 설치되는 기판상에 설치되는 발광 다이오드 패키지와,
    그 내부에 설치되는, 상기 발광 다이오드 패키지에 전원을 공급하기 위한 전원 공급 모듈을 포함하는, 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드 조명 기기는, 가로등이고,
    상기 보조 탱크는, 상기 가로등의 등갓 또는 가로등주에 설치되는, 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드 조명 기기와 상기 보조 탱크를 연통시키는 연결관을 더 포함하는, 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 연결관내에는, 상기 발광 다이오드 조명 기기에 전원을 공급하기 위한 급전선이 설치되는, 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 연결관은, 주름관으로 형성되는, 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 보조 탱크에 부착되어서, 상기 방열 절연액으로부터의 열을 방출하기 위한 금속판을 더 포함하는, 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 방열 절연액과 상기 제 2 방열 절연액은 동일한 물질인, 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 방열 절연액은 열전도성 입자를 포함하는, 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 열전도성 입자는 자성체 입자이고,
    상기 제 1 방열 절연액이 상기 보조 탱크로 이동하도록 하는 상기 연결관의 일측에 설치되는 전자기 교반기를 더 포함하는, 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 열전도성 입자는, 비정제 탄소 나노 튜브 입자, 자성체 -그라파이트 입자, 자성체-세라믹 입자, 자성체-그라핀 입자, 자성 메탈 입자 중 하나를 포함하는, 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 방열 절연액 및 상기 제 2 방열 절연액 각각은,
    20℃에서 80℃에서 대류열전달 계수가 15000-70000(W/m2 K)인, 디메틸 실리콘 오일, 메틸 패닐 실리콘 오일, 및 폴리 메틸 하이드로겐 실록산 중 하나 또는 둘이상의 혼합물을 포함하는, 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 방열 절연액 및 상기 제 2 방열 절연액 각각은,
    상기 디메틸 실리콘 오일, 메틸 패닐 실리콘 오일, 및 폴리 메틸 하이드로겐 실록산의 각 분자 사이의 공극을 채우기 위한, 액상 실리카를 더 포함하는, 발광 다이오드 조명 기기 어셈블리.
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