WO2020139025A1 - 방열구조체 일체형 ｐｃｂ가 구비된 차량용 램프 - Google Patents

방열구조체 일체형 ｐｃｂ가 구비된 차량용 램프 Download PDF

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WO2020139025A1
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heat dissipation
heat
graphite
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문규식
최훈석
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문규식
최훈석
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Definitions

  • the present invention relates to a vehicle lamp having a heat dissipation structure integrated PCB, and more specifically, a circuit for driving an LED is formed on a heat dissipation structure made of a carbon-based material having excellent heat conductivity and heat emissivity to constitute a heat dissipation structure integrated PCB,
  • the LED is mounted to reduce the weight, as well as to provide a vehicle lamp having a heat dissipation structure-integrated PCB with excellent heat dissipation effect.
  • a number of lamps are provided in vehicles such as automobiles. That is, a fog lamp that illuminates the road when driving on the road in fog, snow, or rain, and a head lamp that is attached to the front of the vehicle and illuminates the front when driving on a night road.
  • Daytime running lamps are provided on the front and rear corners to help other drivers or pedestrians easily recognize the vehicle and prevent traffic accidents when driving, and are installed on the rear of the vehicle to step on the brake pedal.
  • Rear Combination Lamp that makes it easier for the driver of the rear car to recognize when it is lit.
  • Halogen lamps or gas discharge lamps have been used as light sources for automobile lamps, but halogen lamps have a slightly red color range of about 3200K and a short lifetime of up to 1000 hours, and gas discharge lamps have a color temperature. It is about 4300K, which has the advantage of being close to white and having a long service life, but it is only used limitedly in luxury vehicles because of its high cost.
  • a light-emitting diode that reduces eye fatigue due to its color temperature of about 5500K and is close to sunlight has attracted attention as a light source for automobile lamps. Since the LED can be made small in size, the design freedom of the lamp is high and the life is semi-permanent, but it is weak in temperature.
  • a heat sink is used in an automobile lamp using the LED as a light source.
  • a typical heat sink for a vehicle lamp has a structure in which a plurality of heat dissipation fins are provided on the opposite side of a surface on which an LED-equipped substrate is attached, and is manufactured by die casting aluminum or aluminum alloy. Corrosion resistance is improved by anodizing to form a film on the surface.
  • the above-described conventional vehicle lamp heat sink not only has a weight of approximately 131 g due to a large number of heat dissipation fins, but also has a minimum temperature when the LED is turned on because the heat dissipation is limited as shown in FIG. 2. It rises from 28.1°C to 52.5°C, and as it is manufactured by die casting method, there is a problem that product design and size are restricted.
  • Korean Patent Publication No. 10-2007-0027947 is provided on the front of a conventional headlight for a vehicle equipped with a reflector that reflects light from the lamp forward only to the outside of the housing with a lens on the front and a lamp mounted on the rear.
  • Injection lens is made of synthetic resin material, and a mounting groove of a certain depth is formed in the front diameter of the reflector to insert light and transmit heat while blocking the heat.
  • a heat shielding device for a vehicle headlight which is configured to secure a heat dissipation space that maintains a certain distance, is configured between the lens and the lamp to prevent the high heat emitted from the lamp from being conducted to the lens so that the lens can be prevented from being deformed.
  • Disclosed is a heat shielding device for a vehicle headlight.
  • Korean Patent Publication No. 10-2016-0047384 includes a metal thin film containing a hydroxy functional group (-OH), and a coating layer comprising carbon nanotubes on at least one surface of the metal thin film and containing a hydrophilic functional group.
  • the hydroxy functional group and the hydrophilic functional group are bonded by hydrogen bonding to disclose a heat sink for an LED, a car headlamp, and a method of manufacturing the coating layer attached to a metal thin film.
  • Korean Patent Registration No. 10-1841119 includes 89 to 92 parts by weight of magnesium (Mg), 3 to 5 parts by weight of aluminum (Al), 4 to 6 parts by weight of zinc (Zn), and 0.3 to 0.6 parts by weight of manganese (Mn)
  • Mg magnesium
  • Al aluminum
  • Zn zinc
  • Mn manganese
  • the present invention has been devised in order to solve the above-mentioned prior art, and instead of a metal material, after forming a heat dissipation structure using a carbon-based material having excellent heat conductivity and heat emissivity, a direct circuit is provided on the heat dissipation structure, and then a lamp module is provided.
  • the object of the present invention is to provide a lamp for a vehicle equipped with a heat-dissipating structure-integrated PCB that prevents problems due to heat accumulation and at the same time that it is possible to simultaneously achieve weight reduction and improvement of heat dissipation performance.
  • the PCB is a carbon-based material
  • the carbon-based mixed material includes a carbon material dispersion and a graphite material, the carbon material dispersion group consisting of carbon nanotubes, graphene and carbon black It includes at least one carbon material and a solvent selected from, and the graphite material is characterized by consisting of two or more types selected from the group consisting of impression graphite, expanded graphite, plate graphite, and spherical graphite.
  • the carbon-based material further includes 1 to 5% by weight of a decomposition inhibitor and an antioxidant for preventing decomposition by polymer ultraviolet rays
  • the decomposition inhibitor 1 is selected from the group consisting of hydroxybenzophenone, hydroxyphenyl benzotriazole, arylester, oxanilides, and formamidine.
  • the antioxidant is characterized in that it consists of at least one selected from the group consisting of phenol-based antioxidants, phosphorus-based antioxidants, sulfur-based antioxidants, amine-based antioxidants.
  • the heat-dissipating structure is composed of a flat surface portion to which an insulating bonding sheet is attached, and a rear surface portion formed in an uneven shape to increase the heat dissipation area. It is characterized by.
  • the heat dissipation structure is characterized in that it is formed by an injection method.
  • the heat dissipation structure is formed in a bent shape at a right angle, and is characterized in that it is divided after injection molding in a continuously bent state in the form of stairs.
  • a vehicle lamp having a heat-dissipating structure-integrated PCB forms a heat dissipating structure by injecting a pellet made of a carbon-based material having excellent heat conductivity and heat emissivity, and then uses the flat portion of the heat dissipation structure as a substrate, thereby in the LED module.
  • the generated heat is quickly discharged to prevent the problem of heat accumulation, as well as reducing the overall volume and reducing the weight of the product.
  • the carbon-based material includes a decomposition inhibitor and an antioxidant
  • the polymer resin of the PCB is prevented from being decomposed or oxidized by ultraviolet rays.
  • FIG. 1 is a reference view showing a heat sink of a conventional vehicle lamp.
  • Figure 2 is a thermal image showing the temperature distribution in the heat sink of a conventional vehicle lamp.
  • Figure 3 is a conceptual diagram for explaining the heat dissipation structure integrated PCB applied to a vehicle lamp according to the present invention.
  • Figure 4 is a reference diagram for explaining the manufacturing form of the heat dissipation structure according to the present invention.
  • Figure 5 is a thermal image showing the temperature distribution in the heat-radiating structure integrated PCB according to the present invention.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining an integrated heat dissipation structure PCB applied to a vehicle lamp according to the present invention
  • FIG. 4 is a reference view for explaining a manufacturing form of the heat dissipation structure according to the present invention
  • FIG. This is a thermal image showing the temperature distribution in a heat-dissipating structure-integrated PCB.
  • a vehicle lamp provided with an integrated heat dissipation structure PCB includes a heat dissipation structure integrated PCB 100 and a lamp module (not shown).
  • a heat dissipation structure integrated PCB 100 and a lamp module (not shown).
  • the lamp module is mounted on a PCB as is well known, a detailed description thereof will be omitted.
  • the heat dissipation structure-integrated PCB 100 is formed by attaching an electric conductive layer 130 having a circuit formed on a heat dissipation structure 110 made of a carbon-based material by an insulating bonding sheet 120, as shown in FIG. .
  • a protective film 140 is attached to one surface of the electric conductive layer 130 to protect the electric conductive layer 130 until a circuit is formed on the electric conductive layer 130.
  • the heat dissipation structure 110 is preferably made of a flat surface portion 111 to which the insulating bonding sheet 120 is attached, and a back surface portion 112 formed in an uneven shape so as to increase the heat dissipation area, and injection It is more preferably formed in a manner. Accordingly, the design of the heat dissipation structure 110 can be variously changed. In addition, although the heat dissipation structure 110 is formed in a shape bent at a right angle, it is more preferable that it is not injection molded one by one, but injection molded in a continuously bent state and then divided.
  • the heat dissipation structure 110 is formed of a carbon-based material comprising 40 to 60% by weight of a carbon-based mixed material and 40 to 60% by weight of a polymer resin based on the total weight, and the carbon-based mixed material is carbon Material dispersions and graphite materials.
  • the carbon material dispersion includes at least one carbon material and a solvent selected from the group consisting of carbon nanotubes, graphene and carbon black.
  • the graphite material is composed of two or more types selected from the group consisting of impression graphite, expanded graphite, plate-like graphite, and spherical graphite.
  • the polymer resin is made of either polyamide resin or polyphenylene sulfide as a binder.
  • the above-described graphite material has high thermal conductivity, excellent mechanical properties and corrosion resistance, and has light properties, so that it can exhibit excellent performance when used as a material for heat dissipation structures and printed circuit boards. Then, by crushing and homogenizing the graphite material, the graphite material in a raw material state having an inhomogeneous particle size distribution has a homogeneous particle size distribution. As such, as the particle size distribution of the graphite material is uniformly controlled, the thermal conductivity and heat dissipation performance by the graphite material are greatly improved.
  • the graphite material When the graphite material is crushed and homogenized, it may be performed using a conventional physical method, but it may also be performed using liquid nitrogen. That is, the graphite material can be crushed and homogenized by allowing liquid nitrogen to flow into the container containing the graphite material and then leaving it for about 30 minutes to 2 hours. This is the use of the finely crushed graphite material in the process of vaporization after the liquid nitrogen is impregnated in the graphite material. In addition, when crushing and homogenizing the graphite material, it is preferable to repeatedly perform crushing and homogenization until a graphite material having a desired particle size and uniform particle size distribution can be obtained, and the crushed and homogenized graphite material is 60 to 80°C. It is desirable to dry at a temperature of 12 to 36 hours.
  • the particle size of the graphite material is appropriately selected in consideration of the specific characteristics or process conditions and working environment of the heat dissipation structure, which is the final product, and it is preferable to perform it repeatedly until the particle size of the graphite material becomes 1-50 ⁇ m. .
  • the particle size of the graphite material is less than 1 ⁇ m, it is difficult to crush, and the change in the square shape performance is small due to the reduction in size.
  • the particle size exceeds 50 ⁇ m, the ratio of the resin to the surface layer of the molded article increases, so that thermal conductivity and heat dissipation performance are improved. Since it acts as a deteriorating factor, it is not appropriate.
  • the polymer resin is made of the polyamide resin or polyphenylene sulfide, and serves as a binder connecting the carbon-based mixed material. As the polymer resin is added, it has easy processability and economical efficiency for molding into a heat dissipation structure, and is mixed with a carbon-based mixed material composed of a graphite material and a carbon material dispersion having excellent thermal conductivity to form a molded structure having heat dissipation properties. To form.
  • a silicon-containing compound consisting of at least one selected from the group consisting of potassium silicate, sodium silicate, silicon oxide, silicon nitride and silicon carbide 3 It is also possible to add about 20% by weight.
  • the carbon-based material since it cannot be used as it is, it may be stored in a pellet form. In this case, it is preferable to further add 1 to 5% by weight of a decomposition inhibitor and an antioxidant for preventing decomposition of the polymer by ultraviolet rays.
  • the decomposition inhibitor is from a group consisting of hydroxybenzophenone, hydroxyphenyl benzotriazole, arylester, oxanilides, and formamidine. It consists of one or more selected, the antioxidant is made of at least one selected from the group consisting of phenol-based antioxidants, phosphorus-based antioxidants, sulfur-based antioxidants, amine-based antioxidants.
  • the insulating bonding sheet 120 is to insulate the electric conductive layer 130 from being attached to the heat dissipation structure 110 and to prevent the current flowing through the electrical conductive layer 130 from being transmitted to the heat dissipation structure 110.
  • the electrical conductive layer 130 is for forming a circuit on which a plurality of electronic components are mounted, and is preferably made of copper foil. The electrical conductive layer 130 forms a circuit connecting a plurality of electronic components through a process such as etching.
  • the electrical conductive layer 130 is placed on the upper side of the insulating bonding layer 120, and heat and heat are generated by a hot press method.
  • the electric conductive layer 130 is attached to the heat dissipation structure 110 by the insulating bonding sheet 120.
  • the circuit is formed through a process such as etching on the electrical conductive layer 130 and various electronic components are mounted, the heat dissipation structure-integrated PCB 100 is completed.
  • the vehicle lamp equipped with the heat dissipation structure integrated PCB of the present invention configured as described above does not need to attach a separate heat sink as the circuit for the LED module is not formed on a separate substrate but is formed on the heat dissipation structure, and the overall volume and Weight is reduced.
  • heat generated from the LED module and electronic components mounted on the heat-dissipating structure-integrated PCB is discharged through the heat-dissipating structure as it is, and the heat dissipation effect is improved.
  • the heat dissipation structure is formed of a carbon-based material having excellent thermal conductivity and emissivity, the heat dissipation effect is improved. It is greatly improved.
  • the surface was anodized, attached to a substrate equipped with the LED module, and then measured for temperature change while operating the LED module.
  • the temperature change was measured while operating the LED module after attaching the substrate equipped with the LED module.
  • Forming a heat dissipation structure by injecting a carbon-based mixed material, laminating an insulating bonding sheet and an electrical conductive layer thereon, and then attaching the electrical conductive layer to the heat dissipation structure through a hot press process, and then performing a heat dissipation structure through processes such as etching.
  • a circuit was formed on the electrical conductive layer of, and after mounting the LED module on the circuit, the temperature change was measured while operating the LED module.
  • the initial temperature was set to 25°C, and the maximum temperature was confirmed by measuring up to 120 minutes at 10-minute intervals.
  • the plate was made of a carbon-based material composed of 50% by weight of graphite sheet material and 50% by weight of polyamide resin, heat conductivity in the horizontal direction and heat conductivity and emissivity in the vertical direction were measured and set as standards.
  • the plate was made of a carbon-based material composed of 35% by weight of plate graphite, 20% by weight of spherical graphite, 3% by weight of carbon nanotubes, and 42% by weight of polyamide resin, thermal conductivity in the horizontal direction and thermal conductivity in the vertical direction Degrees and emissivity were measured respectively.
  • the plate was made of a carbon-based material consisting of 25% by weight of plate graphite, 30% by weight of spherical graphite, 5% by weight of carbon nanotubes, and 40% by weight of polyamide resin, thermal conductivity in the horizontal direction and thermal conductivity in the vertical direction Degrees and emissivity were measured respectively.
  • the plate was made of a carbon-based material composed of 30% by weight of plate graphite, 20% by weight of spherical graphite, 8% by weight of carbon nanotubes, and 42% by weight of polyamide resin, thermal conductivity in the horizontal direction and thermal conductivity in the vertical direction Degrees and emissivity were measured respectively.
  • the carbon-based material for forming the heat dissipation structure of the vehicle lamp equipped with the heat dissipation structure integrated PCB spherical graphite and carbon nanotubes are further included, and thus thermal conductivity in the horizontal and vertical directions is further included.
  • thermal conductivity and emissivity increased as the content of carbon nanotubes increased compared to that of spheroidal graphite.

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Abstract

본 발명은 열전도도와 열방사율이 우수한 탄소계 소재로 이루어진 방열구조체에 LED를 구동하기 위한 회로가 형성되어 방열구조체 일체형 PCB를 구성하고 여기에 LED가 실장됨으로써 경량화됨은 물론 방열효과가 우수한 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 차량용 램프에 관한 것으로, PCB의 전기전도층에 연결되는 하나 이상의 LED를 구비한 램프모듈을 포함하는 차량용 램프에 있어서, 상기 PCB는 탄소계 소재로 이루어진 방열구조체(110)에 회로가 형성된 전기전도층(130)이 절연본딩시트(120)에 의해 부착되어 형성되는 방열구조체 일체형 PCB(100)이고, 상기 방열구조체(110)를 형성하는 탄소계 소재는 총 중량을 기준으로 40~60중량%의 탄소계 혼합재료와 40~60중량%의 고분자 수지를 포함하며, 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 차량용 램프
본 발명은 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 차량용 램프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전도도와 열방사율이 우수한 탄소계 소재로 이루어진 방열구조체에 LED를 구동하기 위한 회로가 형성되어 방열구조체 일체형 PCB를 구성하고 여기에 LED가 실장됨으로써 경량화됨은 물론 방열효과가 우수한 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 차량용 램프에 관한 것이다.
일반적으로 자동차 등의 차량에는 다수의 램프가 구비되어 있다. 즉, 안개나 눈, 비바람 속에서 도로를 주행할 때 도로를 밝혀주는 안개등(Fog Lamp)과, 차량의 전방에 부착되어 밤길을 주행할 때 앞을 환하게 비추어주는 전조등(Head Lamp)과, 차량의 전방과 후방의 모서리에 각각 구비되어 차량 운행시 다른 운전자나 보행자가 차량를 쉽게 인지하여 교통사고의 발생을 예방할 수 있도록 하는 주간주행등(Daytime Running Lamp)과, 차량의 후방에 설치되어 브레이크 페달을 밟았을 때 점등됨으로써 뒷차의 운전자가 쉽게 인지할 수 있도록 하는 브레이크등(Rear Combination Lamp)이 있다.
이러한 자동차용 램츠는 광원으로 할로겐 램프나 가스방전식 램프가 사용되어 왔으나, 할로겐 램프의 경우 색온도가 3200K 정도로 약간 붉은 색 계열을 띠고 수명도 최고 1000 시간 정도로 짧은 문제점이 있고, 가스방전식 램프는 색온도가 약 4300K로 백색에 가깝고 수명이 긴 장점이 있으나 가격이 비싼 단점때문에 고급차량에 제한적으로 사용되고 있을 뿐이다.
이에 따라, 색온도가 약 5500K로 태양광에 가까워 눈의 피로를 적게하는 발광다이오드(LED)가 자동차용 램프의 광원으로 주목받고 있다. LED는 크기를 작게 할 수 있어 램프의 디자인 자유도가 높고 수명이 반영구적인 장점이 있으나, 온도에 취약한 것이 단점이다.
즉, LED는 온도의 상승에 따라 급격하게 발광효율이 떨어지므로, LED 자체의 정션온도를 높이거나 주위의 온도를 낮출 필요가 있다. 하지만 LED의 정션 온도를 높이는 것에는 한계가 있으므로, 방열 시스템을 사용하여 주위의 온도를 낮출 수밖에 없으며, 그로 인해 LED를 광원으로 사용하는 자동차용 램프에서는 히트싱크를 사용하고 있다.
통상적인 차량 램프용 히트싱크는 도 1에 도시된 바와 같이, LED가 구비된 기판이 부착되는 면의 반대쪽에 다수의 방열핀이 구비된 구조로 되어 있으며, 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 다이캐스팅하여 제작하고 있으며, 그 표면에 피막을 형성하는 아노다이징처리를 통해 내식성을 향상시키고 있다.
그러나, 상기한 종래의 차량 램프용 히트싱크는 다수의 방열핀으로 인해 중량이 대략 131g에 달할 뿐만 아니라, 도 2에 도시된 바와 같이 실제로 열이 방출되는 부분이 제한되어 LED가 점등되었을 때 온도가 최저 28.1℃에서 52.5℃까지 상승하며, 다이캐스팅 방식으로 제작됨에 따라 제품 디자인과 크기에 제약이 발생하는 문제점이 있다.
한편, 본 발명과 관련한 선행기술을 조사한 결과 다수의 특허문헌이 검색되었으며, 그 중 일부를 소개하면 다음과 같다.
한국 공개특허 제10-2007-0027947호는, 전면에 렌즈를 구비하고 그 후부에 램프를 장착시킨 하우징 외부로 램프의 빛을 전방으로만 반사시키는 반사경을 전조등 본체에 장착 구성한 통상의 차량용 전조등 전면에 구성되는 렌즈를 합성수지재로 사출형성하고, 반사경 전면 구경에 일정 깊이의 장착홈을 형성하여 빛은 투과하면서도 열은 차단하는 코팅판과 장착환을 차례로 삽입하여 내열접착제로 고착함으로써 코팅판이 렌즈와 접촉하지 않고 일정거리를 유지하는 방열공간을 확보하도록 구성시킨 차량용 전조등의 방열차단장치를 렌즈와 램프 사이에 구성하여 램프에서 발산되는 고열이 렌즈에 전도되는 것을 방지하여 렌즈가 변형되는 것을 방지할 수 있도록 한, 차량용 전조등의 방열차단장치를 개시하고 있다.
한국 공개특허 제10-2016-0047384호는, 히드록시 작용기(-OH)를 함유하는 금속박막, 및 상기 금속박막의 적어도 일면에 위치하고, 친수성 작용기를 함유하는 탄소나노튜브를 포함하는 코팅층을 포함하고, 상기 히드록시 작용기와 상기 친수성 작용기는 수소결합으로 결합되어 코팅층이 금속박막에 부착된 LED용 방열판, 자동차 헤드램프, 및 이의 제조 방법을 개시하고 있다.
한국 등록특허 재10-1841119호는, 마그네슘(Mg) 89~92중량부, 알루미늄(Al) 3~5중량부, 아연(Zn) 4~6중량부, 망간(Mn) 0.3~0.6중량부를 포함하는 합금조성물을 이용하여 히드싱크를 제조함으로써, 알루미늄 히트싱크에 비해 경량이면서 열전도도가 우수하고 칙소몰딩(Thixomolding) 공정 및 압출 공정에 적용할 수 있어다이캐스팅 공정에 비해 성형 제품의 응고수축, 기공 등의 결함이 적고, 기계적 특성 향상, 금형수명 향상, 치수 정밀도 개선이 가능한 자동차 헤드램프용 마그네슘 히트싱크 합금조성물 및 이를 이용한 자동차 헤드램프용 마그네슘 히트싱크를 개시하고 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술이 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 금속소재 대신 열전도도와 열방사율이 우수한 탄소계 소재를 이용하여 방열구조체를 형성한 후 방열구조체에 직접 회로가 구비되도록 한 후 램프모듈을 실장함으로써 제품의 경량화와 방열성능의 향상을 동시에 달성할 수 있도록 함과 아울러 열누적으로 인한 문제가 발생하지 않도록 한 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 차량용 램프를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 차량용 램프는, PCB의 전기전도층에 연결되는 하나 이상의 LED를 구비한 램프모듈을 포함하는 차량용 램프에 있어서, 상기 PCB는 탄소계 소재로 이루어진 방열구조체에 회로가 형성된 전기전도층이 절연본딩시트에 의해 부착되어 형성되는 방열구조체 일체형 PCB이고, 상기 방열구조체를 형성하는 탄소계 소재는 총 중량을 기준으로 40~60중량%의 탄소계 혼합재료와 40~60중량%의 고분자 수지를 포함하며, 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 차량용 램프에 따르면, 상기 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 차량용 램프에 따르면, 상기 방열구조체는 절연본딩시트가 부착되는 평면 형태의 표면부와, 방열면적을 증가시킬 수 있도록 요철 형태로 형성되는 이면부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 차량용 램프에 따르면, 상기 방열구조체는 사출방식으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 차량용 램프에 따르면, 상기 방열구조체는 직각으로 절곡된 형상으로 형성되되, 계단 형태로 연속 절곡된 상태로 사출 성형된 후 분할되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 방열구조체 일체형 PCB를 구비한 차량용 램프는, 열전도도와 열방사율이 우수한 탄소계 소재로 이루어진 펠릿을 사출하여 방열구조체를 형성한 후 방열구조체의 평면 부분을 기판으로 활용함에 따라 LED 모듈에서 발생한 열이 신속하게 배출되어 열누적으로 인한 문제가 발생하지 않게 됨은 물론 전체적인 부피가 감소하고 제품이 경량화되는 효과가 있다.
또, 본 발명의 방열구조체 일체형 PCB를 구비한 차량용 램프에 따르면, 탄소계 소재에 분해방지제 및 산화방지제가 포함됨에 따라 PCB의 고분자 수지가 자외선에 의해 분해되거나 산화되는 것이 방지되는 효과가 있다.
도 1은 통상적인 차량용 램프의 히트싱크가 도시된 참고도.
도 2는 종래의 차량용 램프의 히트싱크에서의 온도분포를 나타낸 열화상 사진.
도 3은 본 발명에 따른 차량용 램프에 적용되는 방열구조체 일체형 PCB를 설명하기 위한 개념도.
도 4는 본 발명에 따른 방열구조체의 제작 형태를 설명하기 위한 참고도.
도 5는 본 발명에 따른 방열구조체 일체형 PCB에서의 온도분포를 나타낸 열화상 사진.
<부호의 설명>
100...방열구조체 일체형 PCB
110...방열구조체
111...표면부
112...이면부
120...절연본딩시트
130...전기전도층
140...보호필름
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 차량용 램프에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 차량용 램프에 적용되는 방열구조체 일체형 PCB를 설명하기 위한 개념도이고, 도 4는 본 발명에 따른 방열구조체의 제작 형태를 설명하기 위한 참고도이며, 도 5는 본 발명에 따른 방열구조체 일체형 PCB에서의 온도분포를 나타낸 열화상 사진이다.
본 발명에 의한 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 차량용 램프는 방열구조체 일체형 PCB(100)와, 램프모듈(도시 생략)을 포함한다. 여기서, 상기 램프모듈은 주지된 바와 같이 PCB에 실장되는 것이므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
상기 방열구조체 일체형 PCB(100)는 도 3에 도시된 바와 같이, 탄소계 소재로 이루어진 방열구조체(110)에 회로가 형성된 전기전도층(130)이 절연본딩시트(120)에 의해 부착되어 형성된다. 이때, 상기 전기전도층(130)의 일면에는 보호필름(140)이 부착됨으로써 전기전도층(130)에 회로가 형성될 때까지 전기전도층(130)을 보호하게 된다.
상기 방열구조체(110)는 절연본딩시트(120)가 부착되는 평면 형태의 표면부(111)와, 방열면적을 증가시킬 수 있도록 요철 형태로 형성되는 이면부(112)로 이루어지는 것이 바람직하며, 사출방식으로 형성되는 것이 더욱 바람직하다. 이에 따라, 상기 방열구조체(110)의 디자인을 다양하게 변화시킬 수 있게 된다. 그리고, 상기 방열구조체(110)는 직각으로 절곡된 형상으로 형성되지만, 하나씩 사출 성형되지 않고 계단 형태로 연속 절곡된 상태로 사출 성형된 후 분할되는 것이 더 바람직하다.
한편, 상기 방열구조체(110)는 총 중량을 기준으로 40~60중량%의 탄소계 혼합재료와 40~60중량%의 고분자 수지를 포함하는 탄소계 소재로 형성되고, 상기 탄소계 혼합재료는 탄소재료 분산물과 흑연재료를 포함한다.
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.
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 절연본딩시트(120)는 전기전도층(130)을 방열구조체(110)에 부착함과 아울러 전기전도층(130)을 흐르는 전류가 방열구조체(110)로 전달되지 않도록 절연시키기 위한 것으로, 상기 방열구조체(110)의 표면부(111)에 위치된다. 또, 상기 전기전도층(130)은 다수의 전자부품이 실장되는 회로를 형성하기 위한 것으로, 동박(copper foil)으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 전기전도층(130)은 에칭 등의 공정을 통해 다수의 전자부품을 연결하는 회로를 형성하게 된다. 따라서, 상기 방열구조체(110)의 표면부(111)에 절연본딩시트(120)를 위치시킨 후, 상기 절연본딩층(120)의 상측에 전기전도층(130)을 위치시키고 핫프레스 공법으로 열과 압력을 가하게 되면 상기 전기전도층(130)이 상기 절연본딩시트(120)에 의해 방열구조체(110)에 부착된다. 이어, 상기 전기전도층(130)에 에칭 등의 공정을 통해 회로를 형성하고, 각종 전자부품을 실장하게 되면 방열구조체 일체형 PCB(100)가 완성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 차량용 램프는 LED 모듈을 위한 회로가 별도의 기판에 형성되지 않고 방열구조체에 형성됨에 따라 별도의 히트싱크를 부착할 필요가 없어지고 전체적인 부피와 중량이 감소하게 된다.
그리고, 방열구조체 일체형 PCB에 실장된 LED 모듈 및 전자부품에서 발생하는 열이 방열구조체를 통해 그대로 배출되어 방열효과가 향상되며, 방열구조체가 열전도도와 방사율이 우수한 탄소계 소재로 형성됨에 따라 방열효과가 대폭 향상된다.
한편, 본 발명에 따른 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 차량용 램프에 적용된 방열구조체의 효과를 검증하기 위하여 각각 다른 방식으로 방열구조체를 제작하여 램프 모듈을 설치하고, 램프 모듈을 작동시킨 상태에서 온도변화를 각각 측정한 결과, 다음의 표 1과 같이 나타났다.
<비교예 1>
종래의 방식대로 알루미늄 소재를 다이캐스팅하여 히트싱크를 제작한 후, 그 표면을 아노다이징 처리하고, LED 모듈이 구비된 기판에 부착한 후 LED 모듈을 작동시키면서 온도 변화를 측정하였다.
<비교예 2>
카본 혼합소재를 사출하여 히트싱크를 제작한 후, LED 모듈이 구비된 기판을 부착한 후 LED 모듈을 작동시키면서 온도 변화를 측정하였다.
<발명예>
탄소계 혼합소재를 사출하여 방열구조체를 형성하고, 그 위에 절연본딩시트와 전기전도층을 적층한 후 핫 프레스 공정을 통해 전기전도층을 방열구조체에 부착한 다음, 에칭 등의 공정을 통해 방열구조체의 전기전도층에 회로를 형성하고, 이 회로에 LED 모듈을 실장한 후, LED 모듈을 작동시키면서 온도변화를 측정하였다.
상기한 세 가지 예에서는 초기온도를 모두 25℃로 하였으며, 10분 간격으로 120분까지 측정하여 최고온도를 확인하였다.
Figure PCTKR2019018611-appb-T000001
상기한 표 1을 참조하면, 탄소계 혼합소재를 이용하여 방열구조체를 형성하게 되면, 알루미늄 소재를 사용한 경우에 비해 중량은 68g이 감소하고 최고온도는 1℃가 감소함을 알 수 있다. 물론, 비교예 2와 같이 카본 혼합소재를 사용하여 바열구조체를 형성할 경우에도 중량은 감소하지만, 방열성능이 좋지 않아 기존에 비해 최고온도가 상승됨이 확인되었다.
또, 한편, 본 발명에 따른 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 2와 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.
수평방향(In-plane) 수직방향(Through-plane) 방사율(Emissivity)
열전도도(W/mK) 증감율(%) 열전도도(W/mK) 증감율(%) E
비교예 15 Ref 3.14 Ref 0.901
실시예 1 17 13 3.38 8 0.905
실시예 2 19 11 3.97 17 0.909
실시예 3 23 21 4.76 20 0.915
상기한 표 2를 참조하면, 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 차량용 램프의 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.
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.

Claims (5)

  1. PCB의 전기전도층에 연결되는 하나 이상의 LED를 구비한 램프모듈을 포함하는 차량용 램프에 있어서,
    상기 PCB는 탄소계 소재로 이루어진 방열구조체(110)에 회로가 형성된 전기전도층(130)이 절연본딩시트(120)에 의해 부착되어 형성되는 방열구조체 일체형 PCB(100)이고,
    상기 방열구조체(110)를 형성하는 탄소계 소재는 총 중량을 기준으로 40~60중량%의 탄소계 혼합재료와 40~60중량%의 고분자 수지를 포함하며,
    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 차량용 램프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 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 차량용 램프.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 방열구조체(110)는 절연본딩시트(120)가 부착되는 평면 형태의 표면부(111)와, 방열면적을 증가시킬 수 있도록 요철 형태로 형성되는 이면부(112)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 차량용 램프.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방열구조체(110)는 사출방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 차량용 램프.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방열구조체(110)는 직각으로 절곡된 형상으로 형성되되, 계단 형태로 연속 절곡된 상태로 사출 성형된 후 분할되는 것을 특징으로 하는 방열구조체 일체형 PCB가 구비된 차량용 램프.
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