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태현 사
5 years ago
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1 한국산학기술학회논문지 Vol. 11, No. 7 pp , W LED 조명등방열설계최적화에관한연구 황순호 1, 박상준 1, 이영림 1* 1 공주대학교기계자동차공학부 A Study of Optimal Thermal Design for a 10W LED lamp Soon Ho Hwang 1, Sang Jun Park 1 and Young Lim Lee 1* 1 Department of Mechanical and Automotive Engineering, Kongju National University 요약신성장동력산업으로분류된 LED 조명등은점차수요가확대되고있으나본격적인대중화를이루기위해서는여전히 LED 방열설계최적화를통한긴수명과고효율확보가매우중요하다고하겠다. 본연구에서는기존 10W LED 조명등에비하여방열성능이더욱개선된 LED 조명등을개발하고자하였다. 이를위하여기존램프의방열성능실험을통하여수치해석모델을완성하였고이러한수치모델을이용하여방열핀형상, PCB 종류및 LED 개수등과같은방열설계인자들을최적화하였다. 또한, 시제품을제작한후방열성능을실험으로검증함으로써방열성능이획기적으로개선된 10W LED 조명등을성공적으로개발하였다. Abstract Market for LED lights as a newly-growing industry has been growing, and secureness of high efficiency and long life through optimal thermal design are crucial for further popularization. In this study, considerable improvement in thermal performance for a 10W LED light has been done compared to a previous model. For this, numerical model has been established through experiments and used to optimize design factors in heat release such as fin shape, PCB kind or LED number etc. Furthermore, prototype of a LED light has been made and the improved thermal performance was verified with heat release experiments. Key Words : LED, Lamp, Thermal design, MCPCB, CFD 1. 서론 고효율조명기기인 LED 조명제품은전력소비가적을뿐만아니라긴수명으로인해환경및에너지에대한범국가적문제해결에중요한요소로작용한다. 또한진동및충격에상당히우수하며, 색상효율이높을뿐만아니라자외선및적외선방출이없다. 하지만공급전력의 80 85% 가열로변환되며, 발생된열은직접적으로칩 (chip) 에악영향을끼쳐광출력효율저감, 색온도변이및전구수명을단축시킨다 [1]. 백열등대체용으로제작되는 3 10W급 LED 조명기기개발시열저항과복사를통해상승한고온의칩을적정범위내로낮추는것이중요하다. 온도와밀접한관계를가지고있는 LED 조명제품의효율을증가시키기위하여방열면적증가나팬, 히트파이프 (heat pipe) 및액체 * 교신저자 : 이영림 (ylee@kongju.ac.kr) 냉각기술등을사용하여온도를감소시키고있다. 하지만방열면적증가나, 강제냉각기술을적용시킬경우제품단가가상승하는원인이된다. 특히팬을이용해표면열전달계수를증가시키는경우칩의온도가획기적으로감소하는것과는달리짧은팬수명으로인해 LED의수명도감소하는요인으로작용한다. 그러므로 LED 조명기기의특성에맞는적합한온도감소방식의선택이중요하다. Kim 등 [2] 은다수의저출력칩을이용하여히트파이프유무에따른정션온도를비교하였으며, Liu 등 [3] 은마이크로제트 (micro jet) 를이용하여강제냉각기술을연구하였는데개발된마이크로제트의최적화를통하여 LED 기판온도를추가적으로 23 감소시킬수있음을보였다. Chen 등 [4] 은 LED 칩과 MCPCB(metal core printed 접수일 10 년 05 월 10 일수정일 10 년 06 월 15 일게재확정일 10 년 07 월 06 일 2317

본연구에서는기존 10W급전구타입 LED 램프의방열성능을더욱개선시키기위하여실험과의검증을통해수치해석모델을완성하고이러한모델을사용하여각종방열설계인자를변화시켜보았다. 또한, 도출된방열성능개선안을적용한시제품을제작하고실험을통하여성공적으로방열성능이향상되었음을보였다. [ 그림 1] 10W 급 LED 램프구성도 2. 수치해석및실험방법 2.

2 한국산학기술학회논문지제 11 권제 7 호, 2010 circuit board) 의결합시발생하는접촉저항이방열성능에미치는영향을수치해석과실험을통해비교해보았다. 또한 Christensen과 Graham[5] 은다수의고출력 LED 를 10cm 10cm 히트싱크에장착하고, LED간의간격과대류열전달계수를변화시키면서 1차원열저항모델과 3 차원유한요소법을사용하여 LED 방열성능을살펴보았다. Lee 등 [6] 은히크싱크의형상최적화를통한 3W 단일 LED 패키지가장착된 MR16 조명등을성공적으로개발하였다. 본연구에서는기존 10W급전구타입 LED 램프의방열성능을더욱개선시키기위하여실험과의검증을통해수치해석모델을완성하고이러한모델을사용하여각종방열설계인자를변화시켜보았다. 또한, 도출된방열성능개선안을적용한시제품을제작하고실험을통하여성공적으로방열성능이향상되었음을보였다. [ 그림 1] 10W 급 LED 램프구성도 2. 수치해석및실험방법 2.1 수치해석 그림 1에전형적인 10 W LED 조명기기의구성도를나타내었다. 수치해석에서는 LED 패키지내부는고려하지않고 lumped 물체로가정하므로 LED 칩온도인정션온도를예측하기위하여 LED 패키지의열저항을접촉저항으로간주하여구현하였다. 또한, 입력전력은컨버터저항 85%, 역률 95%, 열변환 80% 로가정하였는데사용된칩의열저항은 SMD 타입으로각각 1 /W를가정하였다. 그림 2에정션온도부터대기온도까지 1차원열저항모델의구성도를나타내었으며, T는온도, R은열저항, j 는 junction, s는 soldering point, b는 PCB, h는 heatsink, a는 ambient를의미한다. 여기서, 각각의 LED 정션온도를구하기위해 Rj-s와 Rs-b는접촉저항의형태로 3차원코드에서모델링되었다. 3차원 CFD 해석을위해 3차원, 정상상태, 압축성유체로가정하였고 Rayleigh number가약 10 7 정도이므로층류유동으로가정하였다. 또한, 복사 (radiation) 를고려하기위해 DO(discrete oridinate) 모델을이용하였다. 효율적인격자사용을위해 1/8 모델을이용하였고격자에무관한해 (grid independent solution) 를얻기위해약 70만개정도의사면체 (tetrahedral) 격자를사용하였다. 그림 3은 10W LED 조명기기해석에사용한격자시스템을보여준다. T b R b-h T h R h-a [ 그림 2] 1차원열저항모델 [ 그림 3] 기존조명등격자시스템 T a 2318

10W LED 조명등방열설계최적화에관한연구 [ 표 1] 방열설계최적화를위한수치모델 Model no.

MC 7 형상4 32 18 64 MC IR camera Thermocouple Compact lamp Computer Recorder [ 그림 6] 10W 조명기기실험개략도 (a) 36개 (b) 64개 [ 그림 4] LED

LED 패키지의개수는그림 4와같이 36개및 64개를고려하였고핀의형상은그림 5에서와같이핀의높이와개수를변경시킨 4가지경우를고려하였다. 이때, 핀의높이는 PCB의지름을넘지않도록하면서중심쪽의길이를변경시켜조절하였다.

(a) 기본 (b) 형상1 (c) 형상2 (d) 형상3 (e) 형상 4 [ 그림 5] LED 조명등핀형상 2.

LED 조명기기의광택으로인한빛반사는열화상카메라의정확도를저감시키므로흑연 (graphite) 을표면에도포하여온도측정의정확성을기하였다.

3 10W LED 조명등방열설계최적화에관한연구 [ 표 1] 방열설계최적화를위한수치모델 Model no. 핀형상핀개수핀높이 LED (mm) 개수 PCB 1 기본 FR4 2 기본 FR4 3 기본 MC 4 형상 MC 5 형상 MC 6 형상 MC 7 형상 MC IR camera Thermocouple Compact lamp Computer Recorder [ 그림 6] 10W 조명기기실험개략도 (a) 36개 (b) 64개 [ 그림 4] LED 개수변경에따른배치수치해석모델은기존 LED 조명등에대한실험과의비교를통하여검증하였고, 칩의개수, PCB 종류변경에따른정션온도를예측하였다. 또한, 조명등의형상변경을통한정션온도를변화를고찰하였다. LED 패키지의개수는그림 4와같이 36개및 64개를고려하였고핀의형상은그림 5에서와같이핀의높이와개수를변경시킨 4가지경우를고려하였다. 이때, 핀의높이는 PCB의지름을넘지않도록하면서중심쪽의길이를변경시켜조절하였다. 표 1에수치해석모델에대한상세한정보를정리하였다. 3차원형상설계에는 Catia[7], 격자생성에는 Gambit[8], 3차원 CFD해석에는상용프로그램인 Ansys CFX[9] 를사용하였다. (a) 기본 (b) 형상1 (c) 형상2 (d) 형상3 (e) 형상 4 [ 그림 5] LED 조명등핀형상 2.2 실험방법 LED 조명등을점등한후두시간정도경과되면충분히열평형에도달하는데이때온도는 K타입열전대와열화상카메라를이용하여측정하였다. LED 조명기기의광택으로인한빛반사는열화상카메라의정확도를저감시키므로흑연 (graphite) 을표면에도포하여온도측정의정확성을기하였다. 또한접촉식열전대를이용하여온도를측정할경우열전도성접착제등을이용하여램프에확실히부착시켜야온도측정의불확실성을최소화할수있다. 그림 6은방열성능실험의개략도를보여주고있다. 3. 결과및고찰 3.1 기존제품의방열성능실험및수치해석그림 7에열화상카메라로측정한기존조명등제품의온도분포를나타내었다. 이때대기온도는 25 이다. 히트싱크의역할을하는알루미늄조명등커버의온도는평균 47.9 이며 LED 패키지의상부표면온도는최고 를나타내었다. 실험에서정션온도는측정이불가능하기때문에그림 2와같은 1차원열저항모델을이용하여예측한정션온도는 88.4 이다. 그림 8에수치해석온도와적외선카메라로측정한온도를비교하였다. 여기서 T h 는히트싱크온도, T b 는 PCB 온도, 는정션온도를나타낸다. 수치해석을통해예측된정션온도는대기온도 25 대비 86.1 이며실험과수치해석에서의정션온도차이는약 3~6% 정도발생하는것을알수있었다. 따라서, 본연구에서사용한수치해석 2319

한국산학기술학회논문지제 11 권제 7 호, 2010 모델의정확성이검증되었고이수치해석모델을이용하여추가방열최적화를수행하였다. 한편적외선카메라와접촉식열전대로측정한온도편차는약 2 정도로이것은적외선카메라측정시발생하는 ±2% 의오차를고려할때적외선카메라온도측정은신뢰할만한수준이라는것을보여준다. Tamb=25 47.

2 LED 개수에따른방열성능수치해석일반적으로 SMD 타입의경우칩의최대동작온도가 110 이며, 이것은대기온도 대비정션온도가 7 0 이내이어야만한다는것을알려준다. 본연구에서는상대적으로고출력인 LED 36개를저출력 64개로변화시켰을때방열성능변화를알아보았다. 수치해석시대기온도는 25 를고려하였고출력과핀형상은동일하다고가정하였다.

4 한국산학기술학회논문지제 11 권제 7 호, 2010 모델의정확성이검증되었고이수치해석모델을이용하여추가방열최적화를수행하였다. 한편적외선카메라와접촉식열전대로측정한온도편차는약 2 정도로이것은적외선카메라측정시발생하는 ±2% 의오차를고려할때적외선카메라온도측정은신뢰할만한수준이라는것을보여준다. Tamb= Experiment Numerical analysis [ 그림 8] 기존 LED 조명제품의방열성능 100 (a) heatsink Tamb= Model 1 Model (b) chip and pcb [ 그림 7] LED 조명등온도분포 3.2 LED 개수에따른방열성능수치해석일반적으로 SMD 타입의경우칩의최대동작온도가 110 이며, 이것은대기온도 대비정션온도가 7 0 이내이어야만한다는것을알려준다. 본연구에서는상대적으로고출력인 LED 36개를저출력 64개로변화시켰을때방열성능변화를알아보았다. 수치해석시대기온도는 25 를고려하였고출력과핀형상은동일하다고가정하였다. 그림 9에수치해석을통해예측된각부분의온도를나타내었다. 칩개수를 64개로증가시킨 model 2가기본모델인 model 1에비하여정션온도가약 14 정도하강하여정션온도를약 16% 정도저감시키는효과가있다. 이는열밀도가높은고출력의 LED보다는저출력의칩이열을분산시키는효과가있어방열성능을확보하는데유리하다고말할수있다. [ 그림 9] LED 개수증가에따른수치해석온도비교 3.3 PCB 종류에따른방열성능수치해석 64개의 LED를장착한조명등의정션온도를더욱저감시키기위하여 FR-4재질의 PCB를 MCPCB로대치하고이에따른방열성능변화를살펴보았다. 수치해석시대기온도는 25 를고려하였고출력과핀형상은동일하다고가정하였다. 그림 10에수치해석을통해예측된각부분의온도를나타내었다. LED 64개와 MCPCB로이루어진 model 3은기본모델인 model 1에비하여정션온도가약 26 정도하강하였고 model 2에비해서는약 12 감소하였다. 따라서, LED 개수및 PCB 변경을통하여정션온도를전체적으로약 30% 정도저감시켰다. 이는열밀도가높은 LED 조명등의방열성능향상을위하여 MCPCB를사용하는것역시매우효율적이라는것을알려준다. 2320

10W LED 조명등방열설계최적화에관한연구 100 80 20 0 Model 1 Model 2 Model 3 [ 그림 10] PCB 변경에따른수치해석온도비교 [ 그림 12] 10W LED 조명등을위한 64 개 LED MCPCB 시제품 70 47.7 50 Model 4 Model 5 Model 6 Model 7 49.0 46.

그림 11에방열해석결과를나타내었는데핀형상변경에따른정션온도변화는크지않았고정션온도기준최대 2.5 저감이가능함을보였다. 3.5 시제품방열성능실험그림 12에 64개의 LED 및 MCPCB를이용하여제작한 10W LED 조명등기판을보여주고있다. 이를기존의 36개 LED 및 FR4 PCB에사용되었던히트싱크에장착하여방열실험을수행하였다.

5 10W LED 조명등방열설계최적화에관한연구 Model 1 Model 2 Model 3 [ 그림 10] PCB 변경에따른수치해석온도비교 [ 그림 12] 10W LED 조명등을위한 64 개 LED MCPCB 시제품 Model 4 Model 5 Model 6 Model Tamb=25 [ 그림 13] 시제품온도분포 [ 그림 11] 핀형상변경에따른수치해석온도비교 3.4 핀형상변경에따른방열성능수치해석핀형상을변경을통한정션온도저감정도를살펴보기위하여 model 3을기준으로하여핀형상을 model 4에서 model 7과같이변경하였다. 단전체 LED 조명등의외곽크기는고정하였고주로핀형상및핀높이를변경하였다. 그림 11에방열해석결과를나타내었는데핀형상변경에따른정션온도변화는크지않았고정션온도기준최대 2.5 저감이가능함을보였다. 3.5 시제품방열성능실험그림 12에 64개의 LED 및 MCPCB를이용하여제작한 10W LED 조명등기판을보여주고있다. 이를기존의 36개 LED 및 FR4 PCB에사용되었던히트싱크에장착하여방열실험을수행하였다. 그림 13에방열성능실험결과를나타내었는데다수의저출력 LED 사용및 MCPCB 의사용으로정션온도를기존 LED 조명등대비약 29% 감소시킬수있었다. 4. 결론 본연구에서는 LED 조명등에대한수치해석을수행하여실험과비교하였고칩개수, PCB 물성및히트싱크형상을변경등을통해고효율 LED 조명등을개발하였다. 본연구를통해얻은결론은다음과같다. LED 조명등의방열설계를위한수치해석모델을실험과의검증을통해성공적으로개발하였다. 또한, LED 조명등을개발할때열밀도를분산시키기위하여저출력 LED 칩의개수를증가시키거나열전도율이높은 PCB를사용하는방법은정션온도를감소시키는데매우효율적임이판명되었다. 본연구에서고려한 LED 조명등의경우 PCB의재질을 FR-4에서 MCPCB로변경하였고 LED 도 36개에서저출력 64개로변경하였는데이경우약 29% 의정션온도를감소시킬수있었다. 하지만, LED 조명등의핀형상최적화를통한정션온도감소효과는조명등의전체외곽크기를변경하지않는한효율적이지않았고, 본연구에서는최대 2.5 의온도저감이가능함을보였다. 2321

한국산학기술학회논문지제 11 권제 7 호, 2010 참고문헌 [1] N. Narendran and Y. Gu, "Life of LED-based White Light Sources, Journal of Display Technology, Vol. 1, No. 1, pp. 167 70, 2005.

Luo, "Structural Optimization of a Microjet Based Cooling System for High Power LEDs," International Journal of Thermal Sciences, Vol. 47, pp. 1086 095, 2008.

6 한국산학기술학회논문지제 11 권제 7 호, 2010 참고문헌 [1] N. Narendran and Y. Gu, "Life of LED-based White Light Sources, Journal of Display Technology, Vol. 1, No. 1, pp , [2] Lan Kim, Jong Hwa Choi and Moo Whan Shin, "Thermal analysis of LED array system with heat pipe," Thermochimica Acta, Vol 455, Issues 1-2,pp , 1 April 2007 [3] S. Liu, J. Yang, Z Gan and X. Luo, "Structural Optimization of a Microjet Based Cooling System for High Power LEDs," International Journal of Thermal Sciences, Vol. 47, pp , [4] Huanting Chen, Yijun Lu, Yulin Gao, Haibing Zhang, Zhong Chen, "The performance of compact thermal models for LED package", Thermochimica Acta, Volume 488, Issues 1-2, pp , 5 May 2009, [5] A. Christensen and S. Graham, "Thermal Effects in Packaging High Power Light Emitting Diode Arrays," Applied Thermal Engineering, Vol. 29, pp , [6] Young Lim Lee and Soon Ho Hwang, "Study on Thermal Design of a 3W MR16 Light with Single High-Power LED", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 11, No. 4, pp , April 2010 [7] Catia, V5R17, Dassault Systems, [8] Gambit, Fluent, Inc., Lebanon, NH [9] Ansys version 11. Ansys Inc. 박상준 (Sang Jun Park) [ 준회원 ] < 관심분야 > 열유체공학, 에너지공학 2010 년 2 월 : 공주대학교기계설계공학전공 ( 공학학사 ) 2010 년 3 월 ~ 현재 : 공주대학교대학원석사과정 이영림 (Young Lim Lee) [ 정회원 ] < 관심분야 > 열유체공학, 에너지공학, 자동차공학 1995 년 5 월 : U of Texas at Austin 기계공학과 ( 공학박사 ) 1996 년 8 월 ~ 2000 년 2 월 : 삼성자동차 삼성전자책임연구원 2000 년 3 월 ~ 현재 : 공주대학교기계자동차공학부교수 황순호 (Soon Ho Hwang) [ 준회원 ] 2009 년 2 월 : 공주대학교기계설계공학전공 ( 공학학사 ) 2009 년 3 월 ~ 현재 : 공주대학교대학원석사과정 < 관심분야 > 열유체공학, 에너지공학 2322

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<303720C0CCBFB5B8B22DB4DCC0CF204C4544B8A620BBE7BFEBC7D D C1B6B8EDB5EE2E687770> 한국산학기술학회논문지 Vol. 11, No. 4, pp. 1203-1209, 2010 이영림 1*, 황순호 1 1 공주대학교기계자동차공학부 Study on Thermal Design of a 3W MR16 Light with Single High-Power LED Young Lim Lee 1* and Soon Ho Hwang 1 1 Department of