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미라 장
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1 한국마린엔지니어링학회지제 34 권제 8 호, pp. 1100~1106, (ISSN ) Journal of the Korean Society of Marine Engineering 팬을이용한 LED 조명시스템의온도제어최형식 윤종수 1 임태우 2 서해용 3 ( 원고접수일 :2010 년 5 월 25 일, 원고수정일 :2010 년 8 월 2 일, 심사완료일 :2010 년 11 월 4 일 ) Temperature Control for LED with fan circulated air-cooling system Hyeung-Sik Choi Jong-Su Yoon 1 Tae-Woo Lim 2 Hea-Yong Seo 3 요약 : LED 는온도가일정이상올라가면효율이떨어지고수명이짧아지는단점이있다. 본연구는이러한 LED 의효율적인온도제어에대한것이다. LED 의방열을위해방열판과팬을사용하고시스템의온도제어는원칩마이크로프로세서와 PID 제어를통해원하는온도를제어할수있음을실험을통해확인한다. 궁극적으로팬을냉각장치로사용하고이를잘제어하면 LED 시스템구동전력의약 2% 만을사용하여적절한조도와온도를유지하는성능을얻을수있음을제어실험을통해확인하였다. 주제어 : 방열판, 냉각팬, 방열시스템, PID 제어 Abstract: LED(Light Emitting Diode) has the defects of low efficiency and reducement of life cycle as its temperature increases. This research is about an efficient temperature control of the LED. For LED temperature control, it is shown that a heat sink, fan, a one-chip microprocessor and the PID control algorithm are a good cooling system through experiments. Finally. by using the fan as a cooling device and controlling it appropriately, it is proved that the intensity of illumination and the desired temperature can be achieved with consumption of only 2% of the driving power of the LED system through control experiments. Key words: Heat sink, Fan, Cooling system, PID control 1. 서론 화석에너지의고갈및환경문제로인해에너지를효율적으로사용하는것이중요한이슈가되고있다. 전기에너지중조명에사용되는에너지의양이총전기에너지사용량의약 20% 에육박하고특히해양에서집어등의경우선박유류비에서비중은무려 60~65% 까지차지한다. 현재사용하는조명으로는형광등외에도백열등, 할로겐등이있으나이들을대체하는조명원으로 LED가있다. LED는저전력, 뛰어난내구성, 경제성, 고응답성 및수명이반영구적이라는장점을가지고있다. 따라저탄소녹색성장산업의일환으로 LED의연구가활발하게진행되고있다. LED 에대한기술은최근에지속적인발전을이루고있다. 특히광효율향상및광질의항상성을위해가장중요하게간주되는것이 LED 시스템의방열에대한것이어서이의해결책을찾는방법에대한연구가진행되었다. LED 방열에대한연구는방열방식에따라냉각액을사용한수냉식방열시스템과상변화에따라순환을이용한히트파이프방식 [1], 자연대류 교신저자 ( 한국해양대학교기계공학과 ), hchoi@hhu.ac.kr,Tel: 한국대학교기계공학과 2 한국대학교기관시스템공학부 3 한국대학교기계공학과 1100 / 한국마린엔지니어링학회지제 34 권제 8 호,

2 팬을이용한 LED 조명시스템의온도제어 93 를이용한자연대류형방열시스템과팬을이용한능동형방열시스템 [2-3] 으로구분할수있다. 또펠티에효과를이용해열전소자로방열하는방식등이있다 [4]. 본연구에서는수냉식방열시스템과히트파이프경우성능이다른두시스템에비해뛰어나지만이러한시스템구성은고가이고장치의규모가큰단점을보안하기위해상대적으로저렴한능동형방열시스템인팬과작은규모의방열판를이용한 LED의방열제어시스템에대해연구하였다. LED의온도를센서를이용하여실시간으로피이드백받아팬의풍량 ( 팬모터의전압 ) 제어를통하여방열판에유입되는유량을제어하는 LED 방열제어시스템에대한것이다. 특히, 팬을사용할경우에팬의소비전력을검출하여소비전력대비 LED 온도제어성능을실험적으로검증하였다. 2. LED 시스템 온도제어를위한 LED시스템은 LED전구들과이들의온도방출을위한방열판과팬으로구성된다. LED 시스템의입력에너지와방열관계식은다음과같다. 2.1 방열관계식일정표면열유속에서 LED는정전류정전압제어로구동되기때문에일정표면열유속이다. LED에서의발생하는열량을알고있으며, 이열량은또한 LED에서방출해야할열량이므로다음식이성립한다 [5]. (1) 여기서 q 는 LED 에서발생한열량이고, 는정압 비열, 은팬을이용한공기의질량유량이다. 식 (1) 로부터질량유량을구하는데사용할수있다. 시스템의공기의속도는다음식에의해계산된다. (2) 여기서 는핀의둘레이고 N은핀의개수이다. 팬의선정시식 (2) 를만족하는충분한용량을갖도록 팬을선정하였다. 본시스템에서방열판내에서의유동은식 (3) 에따라계산한결과 이기때문에층류유동이다. (3) 여기서 는레이놀드수이고 는유효지름 (effective diameter) 이다. 여기서 Pr은 Prandtl 수이고 는 Nusselt 수를나타낸다. 평행평판사이유동의열적입구영역에대한평균 Nusselt 수는식 (4) 와같다. (4) h는열전달계수이며 Nu수를이용하여다음과같이구한다. (5) heat sink 입구로부터평균값인 는식 (5) 에의해구해진다. exp (6) 온도차 ( ) 가방열판의축방향거리를따라지수적으로감쇄하는것을나타낸다. 는방열판의표면온도를나타낸다. 2.2 방열팬성능해석실험에앞서방열판과팬이본연구에서알루미늄평판에 4개의 LED(Table 4) 로구성한 LED 시스템의방열에적합한지를시뮬레이션하였다. LED에서발생하는열은 LED를구동하기위해사용하는전체소비전력의 80% 가열로발생하기때문에 LED조명시스템에서사용하는전체전력 (28W) 의 80% 인 22.4W가지속적인열로발생한다. 이를방열량이라고하면방열량 = 22.4W 이다. 이를기반으로입구온도와출구온도를정한뒤선정된방열판과팬의성능이 LED 방열에가능한지확인하였다. 팬과함께사용되기때문에방열판은 LED시스템의발열을충분히방출하기에 한국마린엔지니어링학회지제 34 권제 8 호, / 1101

94 최형식 윤종수 임태우 서해용 약간부족한성능의방열판을선택하였고이의사양은 Table 2에나타내었다. 식 (1) 을이용하여계산한풍량은 0.234 min이었고, 이때표면온도는 45.

Table 1: Specification of the fan Figure 1: LED cooling system Table 2: Heat sink specification Table

1 LED 제어시스템 LED시스템에서방열판부착은알루미늄 PCB 와방열판사이에열전달효율을높이기위해서열전달율이높은그리스를사용하여최대한압착하여부착하였다.

LED 제어시스템은 LED, 방열판, 온도센서, 방열용팬및원칩마이크로프로세서로구성되었고온도제어알고리즘은

3 94 최형식 윤종수 임태우 서해용 약간부족한성능의방열판을선택하였고이의사양은 Table 2에나타내었다. 식 (1) 을이용하여계산한풍량은 min이었고, 이때표면온도는 에서열평형이이루어짐을확인하였다. Table 1: Specification of the fan Figure 1: LED cooling system Table 2: Heat sink specification Table 3: LED specification. 3. 제어시스템 3.1 LED 제어시스템 LED시스템에서방열판부착은알루미늄 PCB 와방열판사이에열전달효율을높이기위해서열전달율이높은그리스를사용하여최대한압착하여부착하였다. 또한, LED 구동을위한입력전원은 14V이고팬구동을위한입력전원은 12V로구성하였다. LED 온도제어를위해 Figure 2와같은온도제어시스템을구성하였다. LED 제어시스템은 LED, 방열판, 온도센서, 방열용팬및원칩마이크로프로세서로구성되었고온도제어알고리즘은 PID제어알고리즘을충분히튜닝하여원칩마이크로프로세서에이식하여온도제어를수행하도록구성하였다 [6]. 온도제어에서방열판과팬의선정은입구온도를 21도, 출구온도를 28도를목표로선정하였다. 제어시스템에사용된온도센서는 SHT-75 이고제어용마이크로프로세서는 ATMEGA 128이다. LED와알루미늄 PCB의접합부의온도를온도센서 (SHT-75) 를통해측정하여 ATMEGA 128을통하여온도에따른 PID제어로팬의드라이버를구동하여팬의풍량을제어하였다. LED 는구동전압이독립변수이고전류가종속변수인정압구동소자이다. 하지만 LED의광량이전류에비례하여 1102 / 한국마린엔지니어링학회지제 34 권제 8 호,

4 팬을이용한 LED 조명시스템의온도제어 95 나타나기때문에광량에밀접한관계가있는전류를기준으로구동하였다. LED 구동을위해정전류구동방식의 LED 드라이버인 35W, BUCK02 를사용하였다. LED 온도측정을위해 SHT75을사용하여온도센서를구성하였다. LED에서발생하는열의방출은설치한온도센서의온도를피드백받는원리로입력온도와비교하여이의오차를 PID 제어알고리즘에따라팬에입력하는방법을적용하였다. 이때팬의입력전력은 PWM(pulse width modulation) 방식의형태로변환되고이는팬의회전속도를변화시킨다. 궁극적으로 LED의열방출은팬의입력전력을제어함으로써외부로방출한다. 또한 LED 구동드라이브에전류센서를내장하여 LED의소모전류의측정및제한을하였다. 온도제어의상태는 RS-232 통신을통해실시간으로데이터를전송받았다. 4. 실험및고찰 온도제어범위는팬을최대속도 (6000rpm) 로구동하였을때 LED의온도는 34.5 에서열평형을이루었기때문에팬으로제어가능한 34.5 부터 LED의수명과광효율을고려한 50 이내에서실험하였다. 시스템의특성을파악하기위하여팬을최고속도인 6000 RPM 으로구동한실험과팬을구동하지않았을때의 LED의온도상태를실험하였고그결과를 Figure 4 나타내었다. 실험시주변온도는상온 21도이다. 이때방열판은 Table 2의제원을갖는것을사용하였고팬은 Table 1의제원을갖는것을사용하였다. 팬을구동했을때와 LED만을구동했을때의온도변화는 Figure 4와같이팬을구동하지않았을때 LED온도는전압인가후 150s가되었을때 50 를초과하여계속상승하였고팬을최고속도 6000rpm로구동하였을때 LED의온도는 34.5 에서열평형을이루는것을확인하였다. 또한, 팬을사용하지않고 LED의방열을방열판만을이용한실험을하였다. 다양한구동전력을가해실험한결과 LED 구동전력을 6W로하였을때 50 에서열평형이이루어짐을확인하였다. Figure 2: LED thermal control system. Figure 4: Comparance of operating and non-operating fan Figure 3: Atmega 128. 상기의두가지실험을바탕으로시스템의특성 한국마린엔지니어링학회지제 34 권제 8 호, / 1103

5 96 최형식 윤종수 임태우 서해용 을파악하였고, 이에따라 LED 시스템의온도를원하는온도로제어하는제어시스템의성능실험과이때팬의소모전력대비 LED 소모전력을측정하여비교하였다. 우선온도제어는팬의풍량제어를통해 LED의설정온도를 1 씩증가시키며실험하였다. 그래프 Figure 5-9는 LED의설정온도를 46~50 까지 1 씩증가하며실험한결과이다. 각실험마다입구온도와출구온도를측정하여평균을기록하였다. 설정온도에따라팬을 PID 제어를통해팬의입력전류를제어하여 LED의설정온도를유지하는성능을시험하였다. 실험한결과 LED 온도는설정온도 ±0.2 이내에서일정하게제어되는것을확인할수있었다. 본실험을통하여저가의 one-chip마이크로프로세서를이용하여다양한 LED시스템의온도제어를구현할수있음을검증하였다. 본연구에서또다른중요한실험은팬의제어가없을때계측온도가 50 되는 LED 시스템의입력전력을계측하는것이다. Figure 5~Figure 9 에서각각의실험에대하여팬이소모하는전력을검출하였고, 50 에서의제어에가장적은전력이소모됨을확인할수있었다. 이때의소비전력은 6W였다. 본연구에서실험을통해확인한적당한조도를유지하기위한 LED 시스템의입력전력은 28W이다. 적당한조도를얻기위해서팬을사용하지않고 6W이상의전력을공급하면시간이지날수록온도가증가하여제어대상의 50 를초과하며궁극적으로 Figure 4의실험결과와같이 28W를적용하면 150s 만에 50 를초과하고지속적으로온도가증가하여 LED시스템을파열되는결과를갖는다. LED의온도를낮추는방법중에서방열판을크게하는수동적인방법이있다. 하지만이는비용과부피를증가시켜서 LED응이용한조명시스템으로는제약이있는방법이다. 본연구는전력소모가적은소형팬을적용하여충분한조도와온도를유지하는방법을실험적으로규명하고자한다. LED 방열제어시스템에서의 LED의제어목표온도를 46~50 까지변화해가며 PID제어를하 였고, 각경우에대해팬의제어에사용되는전력소모량의측정한결과를 Figure 10에나타내었다. 이들중에서 50 를유지하기위한전력소모량이 551 로가장작은것으로나왔다. 본연구에서는 28W의입력전력사용하여충분한조도를유지하면서 LED 시스템의온도는 50 로제어하는데 551mW의전력만사용하는것을실험적으로확인하였다. 이는구동전력 28W의약 2% 만을사용하여 LED의적절한조도와온도를유지하는성능을얻을수있음을제어실험을통해확인하였다. Figure 5: Control of the temperature of the LED system at 46 o C( : 22.2 o C : 27 o C) Figure 6: Control of the temperature of the LED system at 47 o C( : 22.4 o C : 27.5 o C) 1104 / 한국마린엔지니어링학회지제 34 권제 8 호,

팬을이용한 LED 조명시스템의온도제어 97 Figure 7: Control of the temperature of the LED system at 48 o C( : 21.6 o C : 27 o C) Figure 10: Power Consumption of fan for temperature control.

6 팬을이용한 LED 조명시스템의온도제어 97 Figure 7: Control of the temperature of the LED system at 48 o C( : 21.6 o C : 27 o C) Figure 10: Power Consumption of fan for temperature control. Figure 8: Control of the temperature of the LED system at 49 o C( : 23 o C : 29 o C) 4. 결론 본연구에서는 LED 방열시스템은파워 LED의열을방열판과팬을통하여방열하는구조로시스템제어는 One-chip 마이크로프로세서를사용하여 PID 제어를하였다. LED온도제어에대한실험은 LED의설정온도를 46 부터 50 까지 1 씩증가해가며실험하여 LED온도를확인하였고각설정온도별팬의소비전력을확인한결과다음과같은결론다음과같은결론을내렸다. (1) LED 온도제어시스템을구성하여실험한결과 Figure 5~Figure 9에서보는바와같이 PID 제어를통해풍량을조절함으로써 ±0.2 내에서온도제어를가능하게하였다. (2) 각온도별팬의구동전력을비교해본결과 Figure 10에나타나있듯이설정온도를 50 로하였을때가장전력소모량이작은것을알수있다. 이때전력소모량은 551 이며 LED구동에필요한전력인 28W의 1.96% 의전력만으로방열을하였다. Figure 9: Control of the temperature of the LED system at 50 o C( : 21.9 o C : 29.2 o C) 후기 본연구는지식경제부및정보통신진흥원의대학 IT연구센터지원사업의연구결과로수행되었음 (NIPA-2010-C ) 한국마린엔지니어링학회지제 34 권제 8 호, / 1105

98 최형식 윤종수 임태우 서해용 참고문헌 [1] 장정완, 김종수, 하수정, 진동형히트파이프를이용한고출력 LED 조명방열설계, 대한설비공학회, pp. 1379-1384, 2009.

[3] 고만석, 이주한, 오상준, 조현석, 서태범, 팬과히트싱크를이용한 LED 전조등의냉각성능해석, 대한기계학회논문집, B권, 제33권, 제 12호, pp. 947-951, 2009.

Dewitt, Theodore L. bergman, Adrienne S. Lavine, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, John Wiley & Sons, sixth edition, 2006.

임태우 ( 林兌禹 ) 1970 년생 6 월생, 1995 년부경대학교기관공학과졸업 ( 공학사 ), 1997 년부경대학교대학원기관학과졸업 ( 공학석사 ), 2002 년일본큐슈대학대학원기계공학과졸업 ( 공학박사 ), 2005 년 ~

7 98 최형식 윤종수 임태우 서해용 참고문헌 [1] 장정완, 김종수, 하수정, 진동형히트파이프를이용한고출력 LED 조명방열설계, 대한설비공학회, pp , [2] 이상규, 박상훈, 김경훈, LED 램프의방열시스템설계및제작, 대한기계학회춘추학술대회, vol.2009 no.2, , [3] 고만석, 이주한, 오상준, 조현석, 서태범, 팬과히트싱크를이용한 LED 전조등의냉각성능해석, 대한기계학회논문집, B권, 제33권, 제 12호, pp , [4] 어익수, 양해술, 최세일, 황보승, 펠티어소자를이용한 40[W] 급 LED 조명기구의방열에관한연구, 한국산학기술학회논문지, vol. 8, no. 4, pp , [5] Frank P. Incropera, David P. Dewitt, Theodore L. bergman, Adrienne S. Lavine, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, John Wiley & Sons, sixth edition, [6] 최형식, 추우헌, 온도조절형무연납인두기제어시스템개발, 한국마린엔지니어링추계학술대회, p. 49, 임태우 ( 林兌禹 ) 1970 년생 6 월생, 1995 년부경대학교기관공학과졸업 ( 공학사 ), 1997 년부경대학교대학원기관학과졸업 ( 공학석사 ), 2002 년일본큐슈대학대학원기계공학과졸업 ( 공학박사 ), 2005 년 ~ 현재한국해양대학교해사대학기관시스템공학부교수 서해용 ( 徐海龍 ) 1983년생, 2009년한국해양대학교기계시스템공학과졸업 ( 학사 ), ~현재동대학원기계공학과재학 ( 석사 ) 저자소개 최형식 ( 崔炯植 ) 1961 년생, 1983 년고려대학교기계공학과졸업 ( 학사 ), 1989 년 Univ. of South Carolina 대학원졸업 ( 석사 ), 1993 년 North Carolina State Univ 대학원졸업 ( 박사 ), 1993 년기계연구원 (Post Doctor), 현재한국해양대학교기계정보공학부 윤종수 ( 尹鍾守 ) 1985 년생, 2010 년한국해양대학교기계시스템공학과졸업 ( 학사 ), ~ 현재동대학원계공학과재학 ( 석사 ) 1106 / 한국마린엔지니어링학회지제 34 권제 8 호,

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DBPIA-NURIMEDIA 한국소음진동공학회 2015추계학술대회논문집년 Study of Noise Pattern and Psycho-acoustics Characteristic of Household Refrigerator * * ** ** Kyung-Soo Kong, Dae-Sik Shin, Weui-Bong Jeong, Tae-Hoon Kim and Se-Jin Ahn Key Words