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지우 팽
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1 한국산학기술학회논문지 Vol. 11, No. 4, pp , 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 Mechanical and Automotive Engineering, Kongju National University 요약신성장동력산업으로분류된 LED 조명제품은고효율에너지제품으로기존광원보다조도가높고수명이길어많은주목을받고있다. 본연구에서는기존의할로겐 MR16 조명등이나다수의 LED를사용한 MR16 조명등을대체할단일 LED를사용하는 MR16 조명등을개발하고자하였다. 이를위해 LED 패키지 MCPCB 장착기초실험, 3차원방열수치해석및시제품에대한방열성능실험을수행하여성공적으로고출력단일 LED MR16 조명등을개발하였다. Abstract LED lights as a newly-growing industry are highly energy-efficient and have drawn lots of attention due to higher illuminance and longer life compared to other light sources. In this study, MR16 lights with one high-power LED were considered for the replacement of the previous halogen lights or LED lamps with many LEDs. Thus, fundamental experiments of LED on a MCPCB, 3-dimensional numerical analysis for heatsink design and performance tests of the prototype lights have been done and the MR16 LED lights have been successfully developed. Key Words : LED Lights, MR16, Thermal Design, CFD 1. 서론 신성장동력으로분류된 LED 조명제품은기존광원보다조도가높고수명이길어에너지효율의상승효과가높기때문에세계정책에따른환경및에너지문제를해결하기위한중요한요소라할수있다. 일반적으로 LED 기술은적은전력소비, 긴수명, 진동과충격에강하며색상효율이높고자외선및적외선방출이없는장점을가지고있는반면방열문제로인한취약한단점을가지고있다. 선행연구에따르면 LED 고발열문제는 LED 광출력효율에직접적인영향을미치고고출력 LED의경우이러한문제가더욱대두된다 [1]. 이밖에도온도상승에따른색온도변이및 LED 수명 감소등의문제점들이발생한다 [2]. LED 조명등이약 3000 lm/lamp 이상의광속을가지는백열등이나형광등과경쟁하기위해서는많은광속이필요하다. 이에따라 1W 이상의고출력 LED가개발되고있고다수의고출력 LED를조합하여필요한광속을얻고있는실정이다. 따라서입력전류의 85% 이상이대부분열로변환되는고출력 LED의특성으로인해방열문제가필연적으로대두된다. 이러한방열문제를해결하기위해서주로자연및강제대류, 히트파이프, 액체냉각기술분야에서많은연구가이루어져왔다. Christensen과 Graham[3] 은다수의고출력 LED를 10cm 10cm 히트싱크에장착하고, LED간의간격과대류열전달계수를변화시키면서 1차원열저항모델과 3차원유한요소법을사용 본논문은 2009 이공계전문가서포터즈기술지원사업으로수행되었음. * 교신저자 : 이영림 (ylee@kongju.ac.kr) 접수일 09년 02월 01일수정일 (1차 10년 03월 25일, 2차 10년 04월 02일 ) 게재확정일 10년 04월 09일 1203

2 한국산학기술학회논문지제 11 권제 4 호, 2010 하여 LED 정션온도를살펴보았다. 또한, Lu 등 [4] 은루프히트파이프 (loop heat pipe) 를이용하여열부하나히트파이프경사각도에따른초기냉각성능, 온도균일도및열저항과같은방열성능을실험적으로고찰하였다. Liu 등 [5] 은마이크로제트 (micro jet) 를이용하여강제냉각기술을연구하였는데개발된마이크로제트의최적화를통하여 LED 기판 (substrate) 온도를추가적으로 23 감소시킬수있음을보였다. Eo[6] 는 LED 방열설계에있어서가장중요한히트싱크설계를위한다양한수치해석을수행하였다. Lee 등 [7] 은대용량알루미늄히트싱크를브레이징을통해제작하고이를실리콘접합히트싱크와의열성능을비교하였다. 본연구에서고려된 MR16 조명등은색감이중요시되는장소에포인트조명으로많이사용된다. MR16의출력은보통 3W이상으로사용되나고출력으로갈수록방열문제로인해신뢰도가떨어진다. MR16의 LED 칩에서발생한대부분의열은 MCPCB(metal-core printed circuit board) 를통하여조명등케이스즉, 히트싱크로전달되어대기로방출된다. 현재까지 MR16 조명등에장착되는 LED 패키지는방열및무게면에서우수한저출력패키지가주종을이룬다. 현재국내에서판매되는제품의대부분이저출력칩을이용하고있다. 하지만한개의조명기구에여러개의패키지를사용하면공간상의제약으로인하여조도를높이는데한계가있기때문에고출력칩의개발이필요하다. 그림 1은여러개의저출력패키지를사용한조명등과하나의고출력패키지를사용한조명등에대한개략도를보여준다. 본연구에서는다수의저출력 LED 대신단일고출력 LED를이용한 3~5W급 MR16 조명등을개발하고자하였다. 주로 MR16의방열구조및방열성능설계에대한연구가이루어졌는데 1차원열저항해석, 3차원 CFD 해석, LED 패키지단품방열성능실험, 조명등시제품방열성능실험등을수행하였다. 그림 2에본연구에서개발할고출력단일 LED MR16 조명등의구성도를나타내었다. (a) 저출력 LED (b) 고출력 LED [ 그림 1] MR16 LED 조명등개략도 T j T j R j-s R j-s Lenz Reflector LED PKG MCPCB [ 그림 2] MR16 구성도 T s R s-a (a) LED without heatsink T s R s-h T h Heatsink PCB R h-a (b) LED with heatsink [ 그림 3] 1 차원열저항모델 2. 수치해석및실험방법 2.1 수치해석 Cap 1차원열저항 (thermal resistance) 모델은정션온도예측이나대략적인히트싱크용량을결정하는데매우유용하다. 그림 3에이와같은열저항모델의구성도를나타내었다. 여기서 T는온도, R은열저항, j는 junction(led chip), s는 soldering point, h는 heatsink 그리고 a 는 ambient를각각나타낸다. 그림 3(a) 의열저항모델을이용하면 MCPCB에장착된 LED의정션온도를예측할수있고. 그림3(b) 의열저항모델을이용하면 LED가히트싱크에장착된경우히트싱크열저항에따른정션온도변화를예측하고이를통해정션온도한계내에서사용가능한대기온도범위등을알수있다. 한편, 3차원 CFD 해석을위해유체유동은 3차원, 압축성및정상상태로가정하였다. 자연대류에서층류및난류를결정하는무차원수는 Rayleigh number로서다음과같이정의되는데본연구의경우약 107이므로층류유동으로가정하였다. T a T a 1204

(1) 여기서, 벽온도, 대기온도, 동점성계수, 열확산계수, 열팽창계수, 은특성길이를나타낸다.

전체조명등을고려하기보다는기하학적대칭을이용하여 1/8모델만고려하였는데이는해석에필요한격자수를줄이는데매우효율적이다.

방열핀역할을하는알루미늄케이스는그림 5와같이세가지형상을고려하였고이외에도핀개수, 환기구멍및 pcb가장착되는트레이두께등과같은추가적인형상변경을통하여방열성능변화를살펴보았다.

MR16의 3차원모델링에는 Catia[8] 를사용하였고유동및열전달해석을위해서는상업용소프트웨어인 Fluent[9] 를이용하였다.

3 (1) 여기서, 벽온도, 대기온도, 동점성계수, 열확산계수, 열팽창계수, 은특성길이를나타낸다. 자연대류에서는물체의온도가높지않아도복사 (radiation) 효과가상대적으로매우크므로복사를고려하기위해서 DO(discrete ordinate) 모델 [9] 을사용하였다. 그림 4에 MR16의유동및열전달해석을위한격자시스템을나타냈다. 전체조명등을고려하기보다는기하학적대칭을이용하여 1/8모델만고려하였는데이는해석에필요한격자수를줄이는데매우효율적이다. 사용한격자는사면체 (tetrahedral) 격자이고격자수에무관한해 (grid independent solution) 를얻기위하여약 70만개의셀을사용하였다. 표 1에 3W MR16 조명등개발을위하여본연구에서고려한방열해석경우를나타내었다. 방열핀역할을하는알루미늄케이스는그림 5와같이세가지형상을고려하였고이외에도핀개수, 환기구멍및 pcb가장착되는트레이두께등과같은추가적인형상변경을통하여방열성능변화를살펴보았다. 한편 5W급 MR16 조명등개발을위해서는방열성능이더욱개선되어야하는데이를위해그림 6과같이형상을획기적으로변경하였다. 표2에방열해석을위한경우를나타내었다. MR16의 3차원모델링에는 Catia[8] 를사용하였고유동및열전달해석을위해서는상업용소프트웨어인 Fluent[9] 를이용하였다. [ 표 1] 3W 조명등설계를위한방열해석모델 Model Shape Fin Additional modifications 1 shape shape shape shape shape 2 32 vent hole 6 shape 2 32 tray thickness (2 mm) (a) shape 1 (b) shape 2 (c) shape 3 [ 그림 5] 3W 조명등방열핀형상 (a) shape 4 (b) shape 5 (c) shape 6 [ 그림 6] 5W 조명등방열핀형상 [ 표 2] 5W 조명등설계를위한방열해석모델 [ 그림 4] 격자시스템 Model Shape Fin Additional modifications 7 shape shape shape 6 36 fin thickness (1mm) 1205

4 한국산학기술학회논문지제 11 권제 4 호, IR camera MR16 Thermocouple Computer Recorder [ 그림 7] MR16 방열성능실험개략도 2.2 실험방법일반적인 FR-4 PCB 대신에 MCPCB를사용하였을때 LED의열부하를알아보기위하여그림 5와같이 Cree사 [10] 의 XR-E LED를 2cm 2cm MCPCB에장착한후다른히트싱크없이전류를인가하여그에따른보드온도변화를살펴보았다. 이때는 MCPCB 자체가유일한히트싱크의역할을한다. 또한개발된 MR16 조명등에대한방열실험을실시하였는데방열케이스온도및보드온도등을열전대및적외선카메라를이용하여측정하였다. 적외선카메라를이용할때는정확한온도측정을위하여사전에 graphite 를측정표면에도포하였다. 그림 7에방열성능실험개략도를나타내었다. 3. 결과및고찰 3.1 LED 패키지방열실험그림 8에 3W LED를 MCPCB에장착하고어떤히트싱크도사용하지않았을때입력전력에따른정션온도실험으로측정하여그래프로나타냈다. 정션온도는 K타입열전대로측정한 MCPCB 온도를기초로하여제조사데이터쉬트 (data sheet) 로부터얻은열저항 (9 /W) 을이용하여그림 3의 1차원열저항모델에의해예측하였다. 정션온도는인가한전력이증가할수록거의선형적으로증가하며 3.0 W에서한계정션온도 150 를넘긴 로예측되었다. 따라서, 실온일경우에는정션온도 100 에해당하는약 1.8 W까지히트싱크없이사용할수있다. Junction temperature( ) Temperature( ) Experiment Power(W) [ 그림 8] 출력에따른 LED 정션온도변화 Chip PCB Heatsink Location Model 1 Model 2 Model 3 Model 4 Model 5 Model 6 [ 그림 9] 모델변경에따른 MR16 수치해석온도변화 3.2 방열케이스형상변경에따른수치해석 단일 LED를장착한 3W MR16 조명등의방열설계를위하여먼저세가지다른히트싱크의형상을고려하였는데주로히트싱크의길이를변화시켰다. 또한핀개수, 에어환기구멍, PCB가장착되는트레이의두께등을추가적으로변경시켰다. 본연구에서고려한 LED의경우광속 (luminous flux) 은정션온도가 110 로상승하면정션온도 25 대비약 21 % 감소한다. 따라서. 목표정션온도는대기온도 40 를기준으로할때 110 이하로설정하였다. 1206

Vmax=0.31 m/s Tmax=353.8 K 320.0 331.1 325.3 320.0 308.5 303.3 [ 그림 10] Model 2 주위의온도분포그림 9에수치해석을통하여예측한결과를나타냈는데대기온도 25 기준으로평균적으로칩온도는 81, MCPCB 온도 60 그리고히트싱크는 51 내외로예측되었다.

방열해석에의하면최종모델은대기온도 45 까지정션온도를약 100 로유지할수있다. MR16 최종모델 (shape 2) 에관한주위온도분포를그림 10에나타내었다. LED 칩이실장된내부공간의공기온도분포는수직방향으로는 LED 칩에근접할수록증가하며수평방향으로는비교적균일함을보여준다. 그림 11은최종모델주위의유맥선및속도벡터인데전형적인자연대류로인한속도분포를보여주고있다.

본연구에서는핀개수를 32개에서 40개로증가시켜방열면적을넓혀도방열성능의개선효과가없었다. (a) streakline (b) velocity vector [ 그림 11] 조명등주위의유맥선및속도벡터 3.3 MR16 방열성능실험 3W MR16의전원을가동시킨후약 2시간후에측정온도가일정하게되어정상상태에도달하였다.

5 Vmax=0.31 m/s Tmax=353.8 K [ 그림 10] Model 2 주위의온도분포그림 9에수치해석을통하여예측한결과를나타냈는데대기온도 25 기준으로평균적으로칩온도는 81, MCPCB 온도 60 그리고히트싱크는 51 내외로예측되었다. 방열성능은 shape 3, shape 2, shape 1 순으로효율적이었고 shape 1은 shape 3에비해 5 정도정션온도가높은것으로판명되었다. 추가적으로고려한형상변경은방열성능개선효과가거의없음을알수있다. 따라서, 최종적으로는두번째모델 (shape 2) 을선택하였는데이는방열성능감소는크지않으면서히트싱크에사용되는알루미늄소재를절약하기위함이다. 방열해석에의하면최종모델은대기온도 45 까지정션온도를약 100 로유지할수있다. MR16 최종모델 (shape 2) 에관한주위온도분포를그림 10에나타내었다. LED 칩이실장된내부공간의공기온도분포는수직방향으로는 LED 칩에근접할수록증가하며수평방향으로는비교적균일함을보여준다. 그림 11은최종모델주위의유맥선및속도벡터인데전형적인자연대류로인한속도분포를보여주고있다. 조명등주위의가열된공기는수직방향으로의유동을형성하며이는주변의공기를수직유동으로끌어들이는유입 (entrainment) 효과를초래한다. 이러한공기유동이히트싱크의핀표면을흐르면서냉각효과를극대화하는데이때핀간격이너무좁으면핀아랫면으로부터성장하는경계층이합쳐져서공기의유동을저해할수있으므로유의해야한다. 본연구에서는핀개수를 32개에서 40개로증가시켜방열면적을넓혀도방열성능의개선효과가없었다. (a) streakline (b) velocity vector [ 그림 11] 조명등주위의유맥선및속도벡터 3.3 MR16 방열성능실험 3W MR16의전원을가동시킨후약 2시간후에측정온도가일정하게되어정상상태에도달하였다. 먼저열전대를사용하여측정한히트싱크윗부분과아랫부분의온도는각각 52.9 와 51.9 이다. 히트싱크는알루미늄재질로서고전도율로인해위아래의온도편차가 1 내외이며평균적으로약 52.4 이다. 또한 MCPCB 온도는약 62.8 로측정되었다. 이것은열저항 R h-a 가 11.9 /W 이고 R b-h 가 4.5 /W임을알려준다. 그림 3(b) 의 1차원열저항모델을통해예측된정션온도는약 83.5 이다. 그림 12에수치해석의검증을위해실험과수치해석결과를비교하였는데각위치에서실험과수치해석온도간의차이는약 5% 이내의오차를보여비교적잘일치함을알수있다. 그림 13에적외선카메라를이용하여정상상태에서측정한히트싱크및 PCB 온도분포를나타내었다. 히트싱크의표면온도분포는비교적균일하며최대온도는핀사이의골부분에서발생하고최소온도는핀의하단부의산에서발생한다. 접촉식열전대와의온도차이는약 2 이며 LED 렌즈부근에서의온도분포는신뢰도가떨어졌다. MR16 방열실험을통하여개발한 3W MR16 조명등은정션온도 110 기준으로사용대기온도를약 52 까지올릴수있다. 1207

한국산학기술학회논문지제 11 권제 4 호, 2010 Temperature( ) 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 Experiment Numerical Analysis Chip PCB Heatsink Location 54.

1 향후개발할 5W LED에 3W용으로개발한히트싱크를사용할수있는지여부를알아보기위한수치해석을수행하였다. 해석결과정션온도는 25 일때약 124 로서대기온도 40 라가정하면 139 가되어여전히한계정션온도인 150 이하로예측되었다. 하지만상대적으로높은정션온도는출력저하및수명단축을가속화하여비효율적이므로추가적인방열설계의필요성이대두되었다.

6 한국산학기술학회논문지제 11 권제 4 호, 2010 Temperature( ) Experiment Numerical Analysis Chip PCB Heatsink Location 54.7 Tamb=25 (a) front view [ 그림 12] 실험과수치해석의온도비교 Tamb=25 [ 표 3] 5W 조명등설계를위한방열해석결과 Model T chip( ) T pcb( ) T heatsink( ) W LED 장착방열성능수치해석 향후개발할 5W LED에 3W용으로개발한히트싱크를사용할수있는지여부를알아보기위한수치해석을수행하였다. 해석결과정션온도는 25 일때약 124 로서대기온도 40 라가정하면 139 가되어여전히한계정션온도인 150 이하로예측되었다. 하지만상대적으로높은정션온도는출력저하및수명단축을가속화하여비효율적이므로추가적인방열설계의필요성이대두되었다. 따라서, 단일 5W LED를장착하기위한세가지다른히트싱크형상을그림 6과같이고려하였다. 표 3에대기온도 25 일때해석한결과를나타냈는데모델 9는여전히방열성능이부족하고모델 7은대기온도가약 30 일때까지사용가능하다. 핀의길이를최대로확장한모델 8은대기온도 40 기준으로정션온도가약 111 정도로써 110 대비광속이추가적으로약 0.3 % 감소하여여전히허용가능할것으로사료된다. 하지만 5W 이상의 MR16 조명등을개발할때는단일칩보다는 2~3개의칩을사용하여열밀도를감소시키는것이효율적이라추측된다. (b) bottom view [ 그림 13] 적외선카메라로측정한온도분포 4. 결론 본연구에서는 LED 패키지성능실험, 3차원방열해석, MR16 성능실험등을통하여단일 LED를사용하는고출력 MR16 조명등을개발하였다. 본연구를통하여얻어진결론은다음과같다. 1) 3W LED 패키지를 MCPCB에장착할경우대기온도 25 기준약 1.8W에서정션온도 100 에도달하였다. 2) 3차원방열해석을통하여얻어진최적의 3W용히트싱크는 shape 2로판명되었으며성능실험결과정션온도 110 를기준으로사용가능한대기온도는 52 이다. 3) 5W용단일칩 MR16을위한히트싱크는방열해석결과에의하면 shape 5로써사용가능대기온도는정션온도 110 를기준으로약 39 로예측되었다. 따라서, 향후 5W 이상의 MR16을개발할때는강제대류, 히트파이프, 마이크로제트 (micro jet) 등의추가적인방열수단을고려하지않는이상단일 LED로사용하 1208

7 기보다는다수의 LED를이용하여열부하를저감시키는것이더욱효율적일것으로사료된다. 이영림 (Young Lim Lee) [ 정회원 ] 참고문헌 [1] J. Hu, L. Yang and M. W. Shin, "Electrical, Optical, and Thermal Degradation of High Power GaN/InGaN Light-Emitting Diodes", Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 41, 3, , [2] N. Narendran and Y. Gu, "Life of LED-based White Light Sources, Journal of Display Technology, Vol. 1, No. 1, pp , [3] A. Christensen and S. Graham, "Thermal Effects in Packaging High Power Light Emitting Diode Arrays," Applied Thermal Engineering, Vol. 29, pp , [4] X. Lu, T. Hua, M. Liu, and Y. Cheng, "Thermal Analysis of Loop Heat Pipe Used for High-power LED," Thermochimica Acta, Vol. 493, pp , [5] 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 , [6] 어익수, COMSOL을이용한 20W급 LED램프의방열해석, 한국산학기술학회논문지, 제10권, 제7호, pp , 7월, [7] 이영림, 황순호, 전의식, " 대용량알루미늄브레이징히트싱크개발에관한연구," 산학기술학회논문지, 제 10권, 제7호, pp , 7월, [8] Catia, V5R17, Dassault Systems, [9] Fluent, Version 6.1, Fluent, Inc., Lebanon, NH [10] Cree, Inc, < 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 ] < 관심분야 > 열유체공학, 에너지공학 2009 년 2 월 : 공주대학교기계설계공학전공 ( 공학학사 ) 2009 년 3 월 ~ 현재 : 공주대학교대학원석사과정 1209

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<303120C0CCBFB5B8B22D C454420C1B6B8EDB5EE20B9E6BFAD20BCB3B0E820C3D6C0FBC8ADBFA120B0FCC7D120BFACB1B82E687770> 한국산학기술학회논문지 Vol. 11, No. 7 pp. 2317-2322, 2010 10W 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