KR101005785B1 - 열전도성 그리스 및 이를 이용한 등기구의 방열 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방열장치에서 계면에 도포되어 열전도성을 향상시키는 열전도성 그리스 및 이를 이용한 등기구의 방열 장치에 관한 것으로, 알루미나, 세라믹, 산화아연 분말 중에서 하나 혹은 두개 이상 선택하여 구성되는 열전도성 금속 분말 60-70중량%, 기유 10-30중량%, 바셀린 15-25중량%로 구성되는 열전도성 그리스와, 이를 기판과 히트싱크 사이에 도포한 방열 장치를 제공하여, LED사용에도 충분한 열발산효율을 갖도록 하는 것이다.

그리스, LED, 히트싱크

Description

열전도성 그리스 및 이를 이용한 등기구의 방열 장치{thermal grease and cooling unit with it}

본 발명은 방열장치에서 계면에 도포되어 열전도성을 향상시키는 열전도성 그리스 및 이를 이용한 등기구의 방열 장치에 관한 것이다.

인쇄 회로 기판(PCB) 상에 실장되는 전자 부품, 예를 들면 CPU, 발광다이오드(LED) 등은 사용시의 발열에 의한 온도 상승으로 인해 그 성능이 저하되거나 파손되는 경우가 있다.

특히 최근에 등기구의 광원으로 각광받고 있는 발광다이오드는 전기 에너지를 광반사(optical radiation)로 변환하는 반도체 소자로서, 사용 목적 또는 형태에 따라, 칩 발광다이오드를 선택적으로 박막 패턴이 형성된 인쇄 회로 기판 또는 리드 단자의 상부 면에 실장한 후, 칩과 기판 또는 리드 단자를 전기적으로 연결하고, 그 상부에 에폭시 등을 사용하여 몰드 성형부를 형성함으로써 구현되는 것으로, 고전류, 고휘도의 칩의 사용으로 인하여 자체 열이 많이 발생한다.

따라서 상기한 발광 다이오드를 포함한 각종 전자부품에서 발생되는 열을 방출하기 위한 연구가 다양하게 이루어지고 있으며, 그 예로서 대한민국 등록특허 10-0879818호, 10-0854084호 및 대한민국 등록실용신안 20-0442041호 등에 발광다이오드로부터 발생되는 열을 방열핀을 구비한 히트싱크를 사용하여 냉각시키는 기술들이 공개되어 있다.

이와 같이 방열에 주로 사용되는 히트싱크는 열전도성 물질을 사용하여, 전자부품으로부터 발생된 열을 복사 혹은 전도의 방법으로 전달받아 외부로 발산하는 역할을 하는 것으로, 다수의 방열핀을 구비한 것을 주로 사용하고 있다.

그리고, 이러한 히트싱크는 통상적으로 등기구 적용시에서는 배기공이 천공된 케이스의 내부에 램프와 접하도록 설치되어 램프로부터 히트싱크로 전달된 열을 송풍팬의 작용으로 케이스 외부로 배출시키도록 하고 있다. 그러나, 이와 같이 케이스 내부에 설치되는 경우에는 송풍팬으로 강제 배기하더라도 케이스 내부에 고온의 공기가 남게되므로 충분한 방열효과를 얻지 못하는 문제점이 있었다.그릭, 상기한 송풍팬의 채용으로 인하여 구성이 복잡하며, 제조 단가가 상승하는 문제가 발생하였다. 또한, 방열팬 작동을 위한 전력이 소비되면서 방열팬에서 부가적인 열이 발생하는 문제가 있었다.

그리고, 상기한 바와 같이 히트싱크와 발열원인 전자부품 사이에는 계면에서의 접촉저항을 줄이는 것도 매우 중요하게 부각되고 있다. 접촉저항의 발생원인은 가공된 고체표면에서의 표면거칠기가 존재하여 공극이 발생되기 때문이다. 연삭가공 등으로 매우 정밀하게 가공된 고체 두 표면이 접촉되는 경우, 면적대비 실 접촉률은 5%미만이라고 알려지고 있다.

접촉되지 못한 부분은 매우 낮은 열전도계수(0.026W/mK)를 갖는 공기로 채워 져 접촉저항이 클 수 밖에 없다. 이러한 접촉저항을 줄여주기 위해서 접촉계면에 열계면재료(Thermal Interface Materials)를 사용한다.

현재 시판중인 열계면재료의 열전도계수는 0.2~20W/mK 정도로 공기에 비하여 10배~100배 정도 높은 값을 갖는다.

열계면재료의 종류에는 신축성 있는 패드형태, 반유동성인 그리스형태, 경화되는 본드형태가 있다. 이러한 열계면재료는 열전도성이 높을수록 열을 빠르게 전달하여 열저항을 줄여줄 수 있다.

열계면재료 중 그리스는 고점도를 갖는 유동성 재료로 기유인 실리콘 오일 등에 열전도성을 부가하기 위한 금속입자 등을 충진시켜고, 부가 특성을 위한 첨가제를 투입하여 제조된다. 금속입자 등 열전도성 충진제 사이에 실리콘 오일 등 기유가 모세관력에 의하여 접착을 유지하고 있지만, 온도가 상승되는 분위기에서 장시간 사용하면 오일의 일부가 증발 또는 분리되는 경우가 발생하게 되어 그리스의 열전도 능력을 감소시킬 수 있다.

또한, 현재까지 개발되어 사용되는 열전도성 그리스는 그 효과가 만족스럽지 못한 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 종래에 사용되고 있는 열전도성 그리스의 열전도효율을 향상시키고, 발광다이오드를 사용하는 등기구에서 상기한 열전도성 그리스를 사용하면서 방열장치의 구조를 개선하여 발광다이오드를 사용하는데 있어서 발광다이오드가 정상동작할 수 있는 온도인 80℃이하 온도조건을 만족하도록 하는 데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 총 중량에 대하여 알루미나분말 15-35중량%, 산화아연 분말 40-65중량%, 기유 10-30중량%로 구성되는 열전도성 그리스에 있다.

그리고, 상기한 열전도성 그리스 총 중량에 대하여 1-5중량% 바세린이 더 포함된다.

상기에서 기유는 디메틸폴리실록산을 사용하며, 이는 열전도성 그리스 전체의 평활도를 조절해주는 표면조정제의 역할을 한다.

또한, 바셀린은 석유에서 얻는 것으로, 녹는점이 38-54℃이고 끓는점 260℃이상이며, 공기의 산화작용이나 화학 약품의 작용을 받지 않아서 녹방지제, 감마제, 방수제로 사용되고 있다. 특히 본 발명에서는 상기한 바셀린은 끓는 점이 높기 때문에 발광다이오드로부터 발생되는 고열에도 증발로 인한 문제가 발생하지 않고, 기유에 녹아서 열전도성 그리스를 열에 대하여 안정한 상태를 유지하도록 도와주 며, 특히 실내등에 사용할 경우 발화를 방지하는 역할을 한다.

그리고, 본 발명의 다른 특징은 구리층, 세라믹층, 금속층이 순차적으로 일체로 적층되어 구리층이 LED와 직접 접촉되는 방열기판과, 상기한 방열기판의 금속층 상에 상기한 열전도성 그리스를 매개로 다수의 방열핀을 구비한 히트 싱크를 밀착 설치한 등기구의 방열장치에 있다.

본 발명의 또 다른 특징은 LED와 전기적으로 접속되는 상기한 방열기판, 상기한 방열기판이 열전도성 그리스를 매개로 내주면에 설치되는 열전도성 케이스, 상기한 열전도성 그리스를 매개로 케이스의 외주면에 밀착 설치되는 다수의 방열핀을 구비한 히트 싱크로 구성되는 등기구의 방열 장치에 있다.

상기에서 케이스는 방열기판 및 히트싱크와의 밀착력 향상을 위하여 평판형으로 형성된다.

그리고 히트싱크는 알루미늄 95%에 철,동합금 5%로 형성되고 표면이 아노다이징처리된 것을 사용하는데, 이러한 히트싱크는 녹발생이 방지되고 알루미늄의 사용량이 많아서 열발산 효율이 우수하며 방열핀 자체에 진동효과가 있어서 냉각효율이 향상된다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 의하면 열전도성 그리스를 구성하는 바셀린에 의하여 열전도성 그리스가 안정한 상태를 유지하게 되고, 고온에서도 변화가 없으며, 열전도성 그리스를 물과 공기 등이 접촉되는 외부에 사용하더라도 녹발생을 방지해주고 방수성을 구비하는 등 열전도성 그리스 사용부위의 부품이 수분과 열 및 공기의 산화에 안정한 특성을 갖도록 해주는 효과가 있다.

이와 같이 열과 수분 공기 등에 안정하므로 열전도성 그리스를 가로등의 케이스 외주면에 도포하더라도 등기구 케이스와 방열핀 사이의 체결부위를 상기한 열전도성 그리스가 막아주면서 내부로 물과 수분등이 침투되는것을 막아주게 되어 히트싱크를 케이스의 외주면에 설치할 수 있게 되므로 히트싱크의 열을 방출하기 위한 별도의 송풍팬이 요구되지 않아서 제품의 생산비가 감소되는 효과가 있고, 등기구 내부의 공간활용도가 우수해지는 효과가 있다.

그리고, 등기구의 케이스가 평면으로 형성되어 있어서, 발광다이오드가 설치된 PCB와 히트 싱크의 접촉면적이 넓어지고, 이들 사이의 계면을 열전도성 그리스가 채워줌으로 열전도효율이 대폭 향상되어 발광다이오드를 사용하는 등기구의 수명을 대폭 연장할 수 있게 되는 효과가 있다.

본 발명에 의하면 열전도성 그리스에 사용되는 알루미나 분말에 의하여 열전도효율이 향상되어 방열 효과가 향상된다. 이때, 알루미나 분말이 15%이하로 사용될 경우에는 열발산 특성이 저하되어 LED온도가 상승되고, 알루미나 분말이 35%이상 사용될 경우에는 기유 등에 의한 모세관현상이 저하되어 열발산효율이 저하되어 LED온도가 상승되는 문제점이 있었다.

또한, 히트싱크의 제조시에 알루미늄의 사용을 많이하므로 열전도효율이 대폭 향상되고 아노다이징 처리를 함으로서 녹이 방지되고, 열반산 효율이 향상되는 효과가있다.

따라서, 본 발명의 열전도성 그리스와 이를 채용한 등기구는 LED사용시에 LED부분의 온도가 규정온도인 80℃를 넘지 않게 되므로 LED를 다양한 제품에 적용할 수 있게 되는 효과가 있다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 살펴본다.

우선,본 발명에 따른 열전도성 그리스는 총중량을 기준으로 알루미나 분말 30중량%, 산화아연분말 50중량%, 기유인 디메틸폴리실록산 20중량%로 구성되며, 경우에 따라 상기한 열전도성 그리스 100중량부에 대하여 바셀린 3중량부가 더 포함된다.

상기에서 알루미나분말과 산화아연분말은 열전도성을 갖는 물질로서 그 사용량은 많을수록 좋으나, 총 중량의 85% 이상 사용되면 기유 및 바셀린에 의한 분말의 접착력이 저하되어 분말들이 도포위치로부터 이탈하게 되는 문제점이 있고, 분말들 사이에 기유 및 바셀린에의한 모세관현상이 대폭 감소되어 방열효과가 오히려 저감 된다. 또한, 70중량%이하로 사용될 경우에는 열전도성이 만족스럽지 못하다.

그리고, 바셀린 성분은 그 자체가 연고상으로 형태안정성이 뛰어난 물질이므로 사용 중 발생되는 열에 의해서 구리스가 증발되거나 상태가 변화하더라도 열전도성 분말들을 잡아주는 역할을 하며, 특히 실내등에 사용될 경우에는 발화를 억제하는 역할을 한다.

한편, 상기한 열전도성 그리스를 사용하는 본 발명의 등기구용 방열 장치의 구성을 하기에서 도 1 내지 도 3을 참조하여 살펴보며 본 발명의 실시예에서 등기구는 LED를 사용한다.

도 1은 등기구의 외부를 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 부분 단면도이며, 도 3은 방열장치의 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.

우선, 도 1 및 도 2의 등기구의 방열장치는 케이스(10)내부에 설치되며 발광다이오드(L)가 설치되는 방열기판(20)을 열전도성 그리스(30)를 매개로 설치하고, 상기한 케이스(10) 외주면에 설치되며 다수의 방열핀을 갖는 히트 싱크(40) 역시 열전도성 그리스(30)를 매개로 설치한다.

상기에서 케이스(10)는 방열기판(20) 및 히트싱크(40)와 접촉면적을 크게 하기 위하여 평평하게 형성하고, 열전도성이 있는 재질로 형성한다.

그리고, 상기한 방열기판(20)은 구리층, 세라믹층, 금속층이 순차적으로 일체로 적층되고 구리층에 발광다이오드(L)가 접속된다.

또한, 상기한 히트 싱크(40)는 알루미늄 95%에 철과 동이 5% 사용된 재질로 형성되고 표면은 아노다이징 열처리하여 자체 탄성을 가지고 있어서 열반산효율이 우수하면, 녹이 생기지 않도록 한다.

그리고, 상기한 등기구는 히트싱크(40)가 케이스(10) 외부에 설치된 것을 예로서 설명하였으나, 히트싱크(40)가 케이스(10) 내부에 설치되는 경우에는 도 3에 나타내는 바와 같이 발광다이오드(L)가 설치된 방열기판(20)와 히트싱크(40) 사이에 열전도성 그리스(30)가 도포되어 등기구를 구성하는 케이스 내부에 설치된다.

이상과 같이 구성된 본 발명에 의하면 발광다이오드(L)에 의하여 발생된 열이 열전도성 그리스(30)를 구성하는 열전도성물질(알루미나, 세라믹 분말 등)을 통해서 히트싱크(40)로 전달되어 방출되는 것으로, 상기한 열전도성 물질이 방열기판(20)과 히트 싱크(40) 사이의 계면에 발생되는 공극을 채워주어 열이 보다 신속하게 전도될 수 있도록 하는 것으로, 상기한 열전도성 그리스를 사용하지 않을 경우 히트 싱크의 온도가 80-90℃이면, 상기한 열전도성 그리스를 사용한 경우에는 히트싱크의 온도가 100-110℃로 상승되므로, 열전도효율이 향상됨을 알 수 있다.

또한, 상기한 본 발명에 따른 등기구에서 LED의 점등 상태에서 LED주변의 온도가 56℃로 측정되어 규정된 80℃보다도 월등하게 낮음을 알 수 있다.

도 1은 등기구의 외부를 나타내는 사시도.

도 2는 도 1의 부분 단면도.

도 3은 방열장치의 다른 실시예를 나타내는 단면도.

Claims (5)

1. 알루미나분말 15-35중량%, 산화아연 분말 40-65중량%, 기유 10-30중량%를 포함하는 열전도성 그리스에 있어서, 상기한 열전도성 그리스 총 중량에 대하여 1-5중량% 바세린이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 열전도성 그리스.
2. 제 1항에 있어서, 상기한 기유는 디메틸폴리실록산을 사용하는 것을 특징으로 하는 열전도성 그리스.
3. 삭제
4. 구리층, 세라믹층, 금속층이 순차적으로 일체로 적층되어 구리층이 LED와 직접 접촉되는 방열기판과, 상기한 방열기판의 금속층 상에 청구항 1항에 따른 바세린이 포함된 열전도성 그리스를 매개로 다수의 방열핀을 구비한 히트 싱크를 밀착 설치한 것을 특징으로 하는 등기구의 방열장치.
5. 구리층, 세라믹층, 금속층이 순차적으로 일체로 적층되어 구리층이 LED와 직접 접촉되는 방열기판과, 상기한 방열기판이 청구항 1에 따른 바세린을 포함한 열전도성 그리스를 매개로 내주면에 설치되는 열전도성 케이스, 청구항 1 에 따른 바세린을 포함한 열전도성 그리스를 매개로 케이스의 외주면에 밀착 설치되는 다수의 방열핀을 구비한 히트 싱크를 포함하여 구성되며, 상기 케이스는 방열기판 및 히트싱크와의 밀착부위가 평판형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 등기구의 방열 장치.

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