한국조명전기설비학회추계학술대회논문집 2006.11.3 방열특성과구동방식을고려한다운라이트용 LED 전구의개발 (Development of LED bulb for down light considering thermal property and operating circuits) 송상빈 * 김진홍 * 여인선 ** 한국광기술원 *, 전남대학교전기공학과 ** (Sang-Bin Song * Jin-Hong Kim * In-Seon Yeo ** ) Abstract This paper suggests the driving circuits of constant voltage, square wave, triangle wave, sine wave DC current control method for LED array adopted optimal heat sink design. The efficacy of LED bulb with all driving circuits showed more than 70% and 20 lm/w. In case of applying prototype LED bulb as a recessed downlight fixture, LED bulb showed high efficiency of 90% because of LED's directivity despite low optical output and luminous efficacy than CFL. Consequently, we confirm that LED bulb can be apply to the practical use.. 1. 서론최근 LED가휘도및발광효율이크게개선되면서다양한응용분야에사용되고있지만, LED의고출력화에따라온도및점등시간에전기적 광학적특성변화가발생된다. 이러한특성변화를보완하기위하여 MCPCB 및히트싱크와구동회로의부품수증가로효율이낮아지고가격이상승하는단점이있다. 따라서본논문에서는백열전구및콤팩트형광램프를대체할수있는다운라이트용 LED 전구를설계하는데있으며, 이를위하여고출력 1W LED 의전기적 광학적 열적인특성을분석한결과를토대로고출력 1W LED를배열하였다. 또한적외선카메라와열유동해석프로그램 ICEPAK을이용하여 LED 배열에대한최적의방열및기구설계를실시하였다. 이렇게최적방열설계된 LED 배열및 LED 전구구조에대한고효율구동회로를 LED에공급되는전류파형에따라정전압, 구형파, 삼각파, 사인파 DC 전류제어방식을제안하였다. 각각의구동회로를 70% 이상의고효율과 90% 이상의고역률을실현할수있도록설계하여 LED 전구를제작하였다. 제작된 LED 전구는각각의제어방식에의한구동회로에따라 LED 전구의전기적 광학적특성을실험분석하였으며, 제작된 LED 전구를매입형다운라이트등기구에적용하여광학적특성을분석하였다. 2. 고출력백색 LED 의특성 2.1 고출력백색 LED 의선정 LED 전구는표시용및디스플레이조명과달리주로넓은배광을요구하는장소에사용되기때문에 LED 전구에사용되는고출력 1W 백색 LED는빔이크고광출력이균일하여야한다. 이논문에서는전구의좁은면적에최대의배광특성과광출력을나타낼수있는백색 LED를선택하였으며, 표 1은이러한고출력백색 LED의특성을나타내고있다. 표 1. 사용된 1W White LED의특성 Color View Luminous Flux V F[V] I F[mA] Temperature Angle [lm] typ. max. [K] [ ] min. typ. 350 3.4 4.2 5,000 20 30 2.2 선정된 LED 의열적특성 고출력 1W LED의경우, 기존고휘도 LED의 Small Chip보다발광면적이크고동작전류가높기때문에발생되는열이매우높게나타난다. 이러한 LED Chip의높은열발생은광출력및발광효율의감소로나타나게되며제품의신뢰성에영향을미치게된다. 그림 1은본논문에서사용된고출력백색 1W LED의접합온도에따른광출력감소를나타내고있다. 주위온도와칩의자체열발생은광출력의저하를가져오기때문에이에대한방열설계가매우중요하다. - 19 -
Normalized Light Output [%] 95 90 85 80 40 60 80 120 Junction Temperature [degree] 그림 1. 선정된 LED 의접합온도에따른광출력 표 2는고출력 1W 백색 LED에공급되는소비전력에따른 LED 칩과히트슬러그의온도, 그리고칩과히트슬러그의온도편차를나타내고있으며, 칩과히트슬러그의온도편차에대한 Heat Flow를감안하여각각의소비전력에따른열저항을평균하면열저항값이 25.1K/W이다. 표 2. 입력전력에따른 LED 패키지의열적특성 측정순번 1 2 3 Power [W] 1.20 0.93 0.53 LED 칩온도 [ ] 96.7 87.6 49.8 히트슬러그온도 [ ] 74.1 69.2 40.4 온도편차 [ ] 22.6 18.4 9.4 Heat Flow [W] 0.90 0.70 0.39 열저항 [K/W] 25.1 26.4 23.9 존일반백열전구의높이와유사하게설계한것으로백열전구및콤팩트형광램프 (CFL, Compact Fluorescent lamp) 를대체하기위함이다. 3.2 고출력백색 LED의배열설계일반적으로 1W 이상의고출력 LED를배열하여조명모듈로사용할경우 MCPCB을사용하며, 이러한 MCPCB는금속판에전기적패턴을하기위하여복잡한작업을하기때문에가격이비싸고면적이커지는단점이있다. 이논문에서는그림 3과같이 LED의히트슬러그가저가격의범용인쇄회로기판과접촉되지않고히트싱크와직접연결되어있으며, LED의애노드와캐소드는각각전기적으로직렬배열할수있도록저가격범용인쇄회로기판에접합되어있기때문에가격절감효과가있다. 현재주로백열전구를대체하고있는콤팩트형광램프의소비전력이약 20W급이므로, 이논문에서는구동회로의소비전력이약 4W가소모되는점을감안하여 15W급 LED 배열을실현시키기위해서고출력 LED를 14개배열하였다. Heat Sink/Metal LED PCB 3. LED 전구의구성및방열설계 3.1 LED 전구의구성 그림 3. 고출력백색 LED 배열구조 그림 2. LED 전구의구성요소그림 2는 LED 전구의기본기구물에대한구성을나타낸것으로, LED 배열, LED 배열덮개, 히트싱크, 케이스, 그릴 (Grill), 구동회로로구성된다. 전체 LED 전구의크기는지름 80mm 높이 95mm이고, 전체높이 95mm는베이스 30mm, 구동회로 50mm, 히트싱크 10mm, LED 배열및덮개 5mm로매우콤팩트하게구성하였다. 이는기 3.3 LED 전구의방열구조설계다수개의 1W 고출력 LED 패키지를배열하기위하여한개의 1W 백색 LED 패키지에대한열해석을실시하여그타당성을검증하고, 그결과로부터최적의방열구조설계를실시하였다. 이러한 LED 패키지의열해석패키지모델의구조는반사컵, 패키지몸체, 리드프레임, 형광체및봉지제, 열전도성접착제로구성된다. LED의열해석위한전처리단계로서각각의구조물에적용된재질의열전도도 (Thermal Conductivity) 는일반적으로사용하는재질의특성을부여하였기때문에선정된 LED의제조상의공정특성이감안되어있지않아서측정된결과와전산모사의결과에대한편차가발생한다. 이러한편차보정을위 - 20 -
하여, LED 패키징과정에서공정능력확보가어려운열전도성접착제의두께를전산모사의환경에서정합하였다. 이렇게설계된 LED 패키지에대한전산모사를수행하한결과, LED Chip은 267.34, Heat slug는 249.79 를나타낸다. IR Camera에의한열분포의측정과전산모사의실시결과에대한열저항값의편차는 5.94 /W이며, 접착제의두께를 0.03mm, 0.07mm로설정하여각각의소비전력을 0.53W, 0.93W, 1.20W 를인가하여전사모사를실시하였다. 그결과, 열저항측정값이 25.12 /W가되기위해서는열전도성접착제의두께는 65 um임을알수있으며, 이러한열전도접착제의두께를적용하여고출력 1W 백색 LED 열적모델을완성하였다. LED 패키지에서발생된열은핀이구비된방열판외에도전구케이스및덮게를통하여방출되며이에대한적절한설계가요구된다. 이러한히트싱크와전구케이스, 덮게등의열방출요소를원할한 Hexagonal Mesh 처리를위하여유한체적해석 (FVM, Finite-Volume-Method) 에맞게등가체적으로통합하여모델링을실시하고, 이를열해석전산모사를실시하여최적의등가체적을구하고여기에맞게히트싱크와전구케이스, 덮게등을설계하였다. < Chip > < Heat Slug > 4. LED 전구용구동회로설계 4.1 제시된 LED 구동회로의특성현재개발되어시판중인고출력 LED 구동회로는크게고출력 LED에일정한전압을공급하는 SMPS(Switching Mode Power Supply) 구동방식과고출력 LED 구동을위한전용드라이버 IC를이용한구동방식으로크게구분할수있다. 본논문에서제시된고출력 LED 구동회로들은 LED 전구에적용될수있도록간단한회로구성및고역률, 넓은상용입력전원 (85~265VAC) 에서동작하도록회로를설계하고, 콤팩트형광등용기구물에장착이가능한크기의케이스에구동회로가들어갈수있는크기로설계하였다. 표 3은제시된 LED 구동회로에대한사용제어 IC와각각의회로방식및회로의특징을분류하여표시하였다. 표 3. 제시된구동회로에대한특성 구분 제어 IC 회로방식 회로특성 - 고역률 ( 95%) 및보호회로기능 -FlybackConverter - 넓은입력전압범위 (85~265VAC ) 정전압 DC 제어 L6561 -Single Stage Method - Low cost/compact size 방식의구동회로 (PFC IC) - Constant Voltage Control -Isolated feedback - LED Array 방식에따라출력전압조정 구형파 DC 전류제어방식의구동회로 L6561, NE555 (Timer IC) -FlybackConverter - General purpose single bipolar Timer - 간단한구형파발생회로구현 - Low cost/compact size - 주파수및 Duty 조정가능 - Constant current control - High efficiency (<90%) 삼각파 DC 전류 ML4803 - Non-isolated Drive Type - 넓은입력전압범위제어방식의 (PFC IC), - PFC Soft Start sequence 구동회로 (8V~450VDC,85~265VAC Rectified) HV9910 - Boost Converter - PWM output control(1%~%) < Heat Sink > 사인파 DC 전류제어방식의구동회로 TOP246F (PFC IC/LED Driver) - 17W LED Driver -Isolated PFC IC -FlybackConverter - 평균전류 700mA±5%(1A peak 전류 ) - PF >0.98, THD 9.6 - 회로매우간단 - 출력전압 16V ~ 24V < Bulb > Chip Heatslug Blub Heatsink 구분 Max Min Max Mean Min Max Mean Min Max Mean 온도 [ o C] 75.90 67.87 68.00 67.96 39.89 68.42 47.04 65.41 68.42 67.87 그림 4. LED 전구의열해석에의한전산모사결과그림 4는등가체적 4,299 cm 3, 높이 70.7mm, 넓이 76mm, 길이 80mm 일때의전산모사한결과로써, LED Chip 온도가약 76.2 이고히트싱크와케이스는약 68.0 가나타나는양호한특성을나타내고있다. 공기와접촉되는면적과체적이동일하면동일한방열특성을나타내기때문에, 전산모사로부터얻어진등가체적 4,299cm 3 과동일한면적으로전구케이스와히트싱크등을설계하였다. 4.2 정전압 DC 제어방식의구동회로정전압 DC제어방식은기존의 PWM 컨트롤러를사용하는대신에고역률과 PWM Control을동시에구현할수있는 Single Stage방식을채택하였으며, 저전력용 (W 이하 ) 전원공급방식에적합한플라이백컨버터방식으로설계하였다. 플라이백컨버터방식은 W이하의 SMPS에서가장많이쓰이고있는구동방식으로회로가간단하고소형으로제작이가능하며, Single Stage 방식은전파정류된전압을그대로 PWM하기때문에고역률을구현할수있으며적은수의부품으로고역률과 PWM을동시에구현할수있는방식이다. 제안된정전압 DC 구동회로의출력측에일정한 DC 전압과전류가출력되고, 고출력 LED 배열의출력전압과출력전류에약 5% 이내의리플이발생하도록설계하였다. - 21 -
4.3 구형파 DC 전류제어방식의구동회로 구형파 DC 전류제어방식은정전압 DC제어방식으로구현된일정한출력전압을 Timer IC를이용하여 ON/OFF 제어로구형파를만드는방식으로회로를구현하였다. 구형파방식은 DC 출력전압을 ON/OFF를통하여구현되는파형이기때문에간단한스위칭회로의추가만으로구현이가능하며, 고출력 LED에공급되는구형파의주파수와듀티비율을조절할수있어고출력 LED의특성 ( 동작전류및전압, LED의광속등 ) 을간단하게구현할수있다. 그러나고출력 LED 배열의구동전압이 Timer IC의동작전압이상으로설계되어야하는경우에는 Timer IC를구동하는별도의전압을추가로설계해주어야한다. 그림 5는구형파 DC 전류구동회로에대한출력전압과출력전류그리고출력전력을측정한파형으로, 최대전류 490mA, 듀티비 71%, 평균전류 350mA로구형파가출력됨을알수있다. 그림 5. 구형파 DC 전류제어방식의출력전압파형 ( 위에서부터출력전압, 출력전류, 출력전력파형 ) 4.4 삼각파 DC 전류제어방식의구동회로 삼각파 DC 전류제어방식은 PFC IC와고출력 LED 드라이버 IC를사용하여삼각파 DC 전류를구현하였다. 고출력 LED 드라이버전용 IC만으로는고역률을구현할수없기때문에삼각파 DC 전류제어방식에는역률개선회로를추가하게되었다. 이구동방식은정전압제어방식의절연변압기를사용하지않는플라이백 (Buck-Boost) 동작에의한초퍼방식을채택하고역률개선회로에의해승압된 DC(380VDC) 전압을드라이버 IC가 LED 의구동전류에따라직접제어하기때문에삼각파전류가발생한다. 그림 6은출력전류동작주파수는 60kHz이며, 최대동작전류는 500mA, 최소전류 200mA, 평균 전류는 320mA임을알수있으며, 동작전압은평균 44V이고리플전압은약 1.44V이다. 그림 6. 삼각파 DC 전류제어방식의출력전압파형 ( 위에서부터출력전압, 출력전류, 출력전력파형 ) 4.5 사인파 DC 전류제어방식의구동회로 사인파 DC 전류제어방식은역률개선회로역률개선기능과정전류구동기능이내장된 IC를선정하여회로를설계하였다. 이구동제어방식은 Single Stage 구동방식과비슷한동작특성을가지고있으며플라이백컨버터방식을사용하는점에서는정전압 DC제어방식과비슷하게동작하지만, 정전압 DC제어방식보다적은부품수로구현이가능하고콤팩트한크기로구동회로를설계할 수있다는장점을가지고있다. 그러나출력전류가사인파 DC 전류형태로구현되기때문에 LED 가피크전류에취약하거나구동전류의변동에 LED의효율및수명감소가일어난다. 그림 7은사인파 DC제어방식구동회로의출력파형이며, DC 출력전압과 DC 사인파출력전류를확인할수있다. 그림 7. 사인파 DC 전류제어방식의출력전압파형 ( 위에서부터출력전압, 출력전류, 출력전력파형 ) - 22 -
5. 실험결과및고찰 5.1 LED 전구제작및방열특성제작된 LED 전구에대한측정및시험분석을위하여, 먼저 LED 병렬배열 (7개 LED 직렬배열 String 구성, 2개 String 병렬 ) 과 LED 직렬배열 (14개 LED 직렬 ) 의 2개배열구조와 4가지방식의 LED 제어회로에대한 LED 전구시제품을제작하였다. 제작된 LED 전구에정격전류 350mA를공급하고적외선카메라를이용하여열분포를측정하였으며, 측정된결과히트싱크온도 74 와 LED Chip 온도 96.8 의결과를나타냈다. 이러한측정결과는 ICEPAK의열적인시뮬레이션결과와동일함을알수있으며, 이후고출력 LED 조명제품설계에적용가능하다. 5.2 구동회로에따른전기적시동특성표 4는 LED 전구의전력에대한데이터를나타낸것으로, 각각의제어방식에따른구동회로는 95% 이상의고역률과시스템효율 70% 이상의고효율을나타내고있다. 표 4. 구동회로에따른전기적특성 구분 DC- DC- Square- Square- Sine- Triangle Series Parallel Series Parallel Parallel -Series 입력전력 [W] 18.707 17.325 22.760 18. 19.264 18.418 출력전류 [ma] 86.04 80.58 104.34 83.95 176.20 87.91 P.F.[%] 98.6 출력전력 [W] 14.360 시스템효율 [%] 76.76 98.2 13.023 75.16 99.1 15.858 69.68 98.0 12.520 69.17 99.3 95.2 14.640 13.727 76.00 74.53 동작시간에따른구동회로의동작전압과전류특성은정전압 DC 제어방식의경우가다른제어방식보다동작전압은변화율이작고동작전류는변화율이매우높게나타난다. 이것은 LED의동작시간경과후 LED 칩의온도상승으로 LED 전압강하가발생하며, 정전압 DC 제어방식의경우출력측 LED 배열전압을피드백하여정전압을유지하기위해동작전류를상승시키기때문이다. 그림 8은동작시간에따른구동회로의입력전력에대한결과이며, 정전압 DC 제어방식과구형파 DC 전류제어방식은동작시간에따라입출력전력이상대적으로매우높은것을알수있었다. 또한직렬배열구조의경우에는동작시간에따라입출력소비전력이증가하는경향을보이고있으며, 병렬배열구조의경우에는입출력소비전력이감소하는경향이있음을알수있다. 이것은 LED 동작시간의경과에의해 LED 칩온도가상승하여등가부하가감소하게되면 LED의동작전류와전압이상승하기때문이다. Input Power [W] 24 22 20 18 16 0 10 20 30 40 50 60 Time [min] 그림 8. 구동회로에따른입력전력시동특성 5.3 구동회로에따른광학적시동특성그림 9는동작시간에따른구동회로의광출력특성을나타내는것으로, 정전압 DC 제어방식의경우가다른제어방식보다변화율이매우낮은것을알수있다. 또한사인파와삼각파 DC 전류제어방식은초기광출력은높으나동작시간에따라감소율이매우높게나타나고 1시간경과후에는정전압 DC 제어방식보다낮은광출력을나타낸다. Luminous Flux [lm] 500 450 400 350 300 0 10 20 30 40 50 60 Time [min] 그림 9. 구동회로에따른 LED 전구의광출력특성그림 10은동작시간에따른구동회로의발광효율변화특성을나타내는것으로, 정전압 DC 제어방식의경우가다른제어방식보다변화율이매우높고구형파 DC 전류구동방식이낮음을알수있다. 이는구형파 DC 전류제어구동방식은정전압 DC 제어회로에구형파발생회로를추가하기 - 23 -
때문이다. 또한 LED 직렬배열구조가병렬배열구조보다발광효율의변화가크게나타남을알수있다. 따라서짧은시간동안점등되는조명광원 ( 섬광등, 출입등, 경광등, 신호등등 ) 에는직렬배열구조와정전압제어방식을사용하는것이바람직함을알수있다. Luminous efficacy [lm/w] 26 24 22 20 18 16 0 10 20 30 40 50 60 Time [min] 그림 10. 구동회로에따른발광효율특성 5.4 매입형다운라이트등기구적용특성표 5는소비전력 15W 삼각파 DC 전류제어방식과 19W 사인파제어방식의 LED 전구에대한동일전력의콤팩트형광램프와백열전구를비교한데이터이다. 이논문에서제시한 LED 전구는백열전구에비해약 2배이상의효율을나타내고있다. 또한콤팩트형광램프 (CFL) 와비교해보면광원자체의광출력및발광효율은약 50% 정도낮게나타나지만, 다운라이트등기구에적용할경우에는 LED 지향성에따른등기구효율향상때문에동일한입력전력과빔각에대해콤팩트형광램프최대광도 164 cd 대비 LED 전구시제품 141cd를실현함으로써콤팩트형광램프의약 90% 의광출력특성을나타냄을알수있다. 표 5. 다운라이트등기구적용시 LED 전구특성 6. 결론이연구에서는 LED 전구의최적방열및기구설계와정전압, 구형파, 삼각파, 사인파 DC 전류제어방식의구동회로를설계하여 LED전구를제작하여측정한결과, 다음과같은결과를얻었다. 1. 열측정장비적외선카메라와 ICEPAK( 열유동해석프로그램 ) 을이용하여최적의방열설계를실시하여, LED 칩온도를 이하로저하시킴으로써안정적인구동특성을확보하였다. 2. 고출력 LED 전구의콤팩트화와고효율화를실현하기위하여정전압, 구형파, 삼각파, 사인파 DC 전류제어방식을제시하고, 각각의제어방식에대한회로를구현하여시스템효율이약 70% 이상으로고효율 LED 전구를개발하였다. 3. 정전압 DC 제어방식은동작시간에무관하게일정한광출력을나타내며, 삼각파와사인파 DC 전류제어방식은초기시동시높은광출력을나타내지만동작시간의경과에따라광출력감소율이높게나타났다. 따라서짧은동작시간 ( 약 30분 ) 을나타내는경광등, 복도등, 섬광등등에는삼각파나사인파 DC 전류제어방식이적합하고오랜시간점등동작되는실내등, 독서등은정전압 DC 제어방식이적합함을알수있다. 4. 개발된시제품을매입형다운라이트에적용할경우, LED 전구가기존 CFL보다광출력및발광효율이약 50% 이상낮으나 LED의지향성에따른등기구효율의향상으로약 90% 에가까운광출력특성을나타낸다. 5. 앞으로이러한방열및구조설계프로세서를바탕으로 LED의응용분야에맞게설계할필요가있으며, LED 동작특성에부합되는콤팩트한구동회로를설계하기위하여전용 IC 설계및개발에관한연구가진행되어야한다. 참고문헌 분류광속 [lm] 최대광도 [cd] 수평빔각 [ ] 수직빔각 [ ] 소비전력 [W] 효율 [lm/w] 15W 급전구 (CFL 기준 ) 15W 15W LED CFL 30W 백열전구 320 666 259 119 113 87 90 120 80 90 110 50 15.2 12.7 30.0 21.1 52.6 8.6 20W 급전구 (CFL 기준 ) 19W 19W 60W 비고 Sine LED 백열전구 390 1,290 660 141 164 19.2 19.2 60 20.3 67.2 11 236 불균일 80 50 [1] N. Narendran, L. Deng, R. M.Pysar, Y. Gu, and H. Yu "Performance Characteristics of High-Power Light-Emitting Diode," Third international conference on solide state lighting, proceeding of SPIE, 2003. [2] N. Narendran, N. Maliyagoda, L. Deng, R. Pysar, "Characterizing LEDs for General Illumination Application: Mixed-color and phosphor- based white sources," Proceedings of SPIE, Vol. 4445, 2001. [3] Lumileds, Electrical Design Considerations for SuperFlux LEDs, Lumileds application brief AB20-3. - 24 -