[Research Paper] 대한금속 재료학회지 (Korean J. Met. Mater.), Vol. 56, No. 3 (208) pp.227-234 227 DOI: 0.3365/KJMM.208.56.3.227 고출력, 멀티칩 LED 벌브에서방열거동해석 문철희 * 호서대학교디지털디스플레이공학과 Heat Dissipation Analysis of High-Power, Multi-Chip LED Bulbs Cheol-Hee Moon* chool of Display Engineering, Hoseo University, Asan 3499, Republic of Korea Abstract : To ensure the reliability of high-power light-emitting diode (LED) bulbs, temperature management is very important, including reduction of the junction temperature on the LED chip and enhancing outward thermal dissipation. imulation can be an effective tool for predicting the temperature distribution over all bulbs, which enables a quantitative analysis. In this study, we investigated a high-power LED bulb consisting of 2 LED packages with a single LED chip for each. We experimentally measured the temperature at the surface of the LED bulb using a thermocouple, and a finite volume method (FVM) simulation was conducted for the same position to confirm the accuracy of the prediction model. In addition, thermal equilibrium models based on heat transfer equations are proposed for quantitative analyses using calculations based on the models. Using this method, we explain the effect of the lens on the surface temperatures of the LED bulb and predict the junction temperature. By comparing the analysis of the heat dissipation characteristics from the calculations to the thermal equilibrium models, we determined the accuracy of the FVM simulation in this study for the variation in thermal conductivity of the heat sink. Based on the reliability of the FVM simulation, we investigated the effects of the surface emissivity of the heat sink and heat convection conditions. (Received November 2, 207; Accepted December 27, 207) Keywords: LED(light emitting diodes), LED bulb, heat dissipation, heat transfer, heat sink, FVM simulation. 서론 p-n형반도체소자인 LED 칩에서외부양자효율 (External uantum Efficiency) 은다음의세가지의곱으로나타난다. 첫번째는 LED로전류가주입될때의전류주입효율 (Injection Efficiency), 두번째는주입된전류가빛으로발생되는효율인내부양자효율 (Internal uantum Efficiency), 세번째는발생된빛이 chip외부로방출되는효율인광추출효율 (Light Extraction Efficiency) 이다 []. 반도체소자인 LED 칩에서는입력된전력의약 80% 가열로변환되고있으므로 LED 칩에과도한전류가가해지면 p-n접합부의온도인정션온도 (T j, junction temperature) 가허용치인 00~25 o C 이상으로상승한다. 이경우내부양 *Corresponding Author: Cheol-Hee Moon [Tel: +82-4-540-5923, E-mail: chmoon@hoseo.edu] Copyright c The Korean Institute of Metals and Materials 자효율이낮아져서 LED의발광효율을떨어뜨릴뿐만아니라방출파장의이동등의다양한문제를야기하여수명을저하한다 [2]. 따라서 LED 제품의신뢰성및수명확보를위해서는정션온도를허용치이하로유지하도록제품을설계하고관리하는것이매우중요하다. 고출력, 멀티칩패키지를사용한 LED 벌브의경우정션온도를낮추는첫번째방법은제품의발광효율을높이는것이다. 이는 LED 칩을개선하여칩단위의외부양자효율을높이는것과 LED 칩을둘러싸는모울드의개선, 멀티칩의배열구조와패키징구조의개선, 벌브를둘러싸는렌즈의개선등을통하여최대한의광량이외부로방출되도록하는것들을의미한다. 두번째방법은 p-n 정션부위에서발생한열을 LED 벌브내부의열전도와외부로의복사등을통하여최대한외부로방출하는것이다. LED 벌브에서의기본적인방열메커니즘은칩에서발생된열이 MCPCB 혹은세라믹패키지로이동하고, 부착된히트싱크
228 대한금속 재료학회지제 56 권제 3 호 (208 년 3 월 ) 와방열핀을통하여외부로방출되는것으로되어있다. 이와같은방열과정을통한온도관리를위해서는무엇보다도 LED 벌브내외의온도분포를정확히분석하는것이도움이된다. 하지만, 벌브내부의온도는실험적으로직접측정할수없으므로시뮬레이션을통한예측이필요하다. 시뮬레이션작업에서는초기변수설정과가정, 예측모델등을달리하며실제측정가능한부위에대하여실험적으로측정한온도와시뮬레이션에서얻어진온도를비교하는작업을통하여정확도를먼저확보하는것이요구된다. 정확도만확보된다면시뮬레이션을통하여벌브전체의온도를파악할수있음은물론, 실험변수를달리했을때온도분포가어떻게달라지는지도예상할수있으며이들을통하여 LED 벌브의설계를최적화하고온도를관리할수있게된다. 그동안이와같은방향으로의연구가수많은연구자들에의하여수행되어왔으며대표적인몇가지를열거하면다음과같다. Cheng 등은멀티칩 LED 패키지에서의열해석과최적화를위한방법으로일반해석법에근거한열산포저항모델 (thermal spreading resistance model) 을제안했다 [2]. Ma 등은 LED 칩에서정션온도를예측하기위하여열저항분석 (thermal resistance analysis) 을수행하였고열저항관리를통하여 LED 패키지의신뢰성을확보할수있는방안을제시하였다 [3]. Peterson 등은고출력 LED 패키지에서방열특성을개선하기위하여 3-D 수치시뮬레이션을통하여액체냉각소자의설계를최적화한연구결과를발표하였다 [4]. Weng 등은 FEM 시뮬레이션을통하여 LED 정션온도를예측하고열저항을계산함으로써 LED 램프설계를최적화하였다 [5]. Ra 등은 FVM 시뮬레이션을이용하여고출력 LED 패키지에서의열전달거동에대하여연구하였다 [6]. Tsai 등은 FEM 시뮬레이션을통하여고출력 LED 패키지와모듈에서열측정과분석을수행하였다 [7]. Yung 등은 PCB 상에배열한 LED 패키지의열적거동, 특히냉각판에서의공기대류를연구하기위하여시뮬레이션을기초로한 CFD(Computational Fluid Dynamics) 방법을사용하였다 [8]. Liou 등은 LED 칩과기판과의접합물질로서열전도도가좋은탄소나노튜브 (CNT) 를혼합하여사용하는연구를수행하였고그결과로서 LED 칩의정션온도가낮아지고더얇은층을사용하여열저항을낮출수있었음을보고하였다 [9]. Yan 등은수치모델을이용하여고출력 LED의열적거동에있어서 LED 접합층 (die attach layer) 이미치는영향에대하여분석하였다 [0]. 본연구는 2개의 LED 패키지로구성된고출력 LED 벌브에대하여방열거동을해석하는것을내용으로한다. 먼저 LED 벌브표면상의몇개의위치에대하여써모커플을이용하여온도를측정하였고, FVM(finite volume method) 시뮬레이션을통하여동일위치에대하여얻어진값을비교함으로써예측모델의정확성을확보하였으며, 열전달방정식을기초로한열평형모델에의거하여정량적인분석을행하였다. FVM 시뮬레이션의구체적인방법들에대해서는선행연구논문에상세히언급되어있다 []. 시뮬레이션의정확도를확보한이후에는 LED 벌브전체에대하여온도분포를예측할수있었으며이를통하여벌브내부에서의방열거동을분석하고몇가지실험변수들이방열거동에미치는영향을예측하고자하였다. 특히 LED 칩의정션온도를예측하고실험변수들이정션온도에미치는영향에대하여분석하였다. 본연구에서택한실험변수는다음의두가지이다. 첫째로, LED 벌브에서렌즈채용에따른방열특성의변화에대하여조사하였다. 이를위하여우선실험적으로벌브표면에서의온도를측정하여시뮬레이션값과비교하였으며, 시뮬레이션을통한온도분포를통하여방열거동을해석하였다. 둘째로, 방열판 (heat sink) 에서방열판재료의열전도도과표면방사율이방열거동에미치는영향에대하여시뮬레이션을통하여예측하였다. 특히열전도도의영향에대해서는열평형방정식을통한정량적인해석을함께행하여 LED 벌브전체적인방열거동을해석하였다. 2. 실험방법 그림 은본연구에서사용한 2개의 LED 패키지로구성된고출력 LED 벌브이다. 2개의패키지는각각하나의 LED 칩으로구성되어있으며, (a) 의단면에서보듯이반구형의렌즈가 LED 모듈의상부를덮고있으며, LED 모듈의하부는방열판 (heat sink) 과소켓으로연결되어있다. 방열메커니즘으로는먼저 LED 벌브에서열전도에의하여방열판의냉각핀으로열이이동되며, 자연냉각과복사에의하여외부로열이방출된다. (b) 는 2개의 LED 패키지로구성된 LED 모듈을설명한것으로서, LED 칩은 GaN 기반의청색발광반도체이며봉지재에에폭시와함께혼합되어있는황색형광체와결합하여반구형모울드의전체방향으로백색광을방출한다. MVBCB의표면은유전체로코팅되어있다. 표 은이와관련된재료, 디멘젼, 열전도도등에대한데이터이며이를기초로하여시뮬레이션변수값을입력하였다. FVM 시뮬레이션을위한캐비넷사이즈는패키지주변
문철희 229 Fig.. LED bulb. (a) cross sectional view (b) top view 여기서 Φ는의존변수, Γφ는확산계수, Ѕφ는열원함수,ρ 는물질의밀도, V는속도성분이다. 사용한메쉬의종류로는전체적으로 6면체 (hexahedron) 메쉬를사용했으며, 단지 LED 칩과 TIM(thermal interface material) 층에대해서는크기가작고얇으므로등각 (conformal) 메쉬를사용하였다. LED 칩으로부터발생하는열유속에대한입력을위하여 LED 패키지에서소비되는전력의 80% 가열에너지로변환된다고가정하였다. 열의복사에대해서는 DO(discrete ordinates) 모델을사용하였다. 표면방사율값은 MCPCB, 봉지재, 방열판, 렌즈에대하여각각 0.65, 0.8, 0.9, 0.2의값을적용하였다. 그림 2에서보듯이써모커플을이용하여 LED 벌브의표면온도를 5가지위치에대하여측정하였다. 각각의위치는 A는봉지재, B는 MCPCB, C는방열판의상부, D 의대류를반영하여결정하였다. 시뮬레이션에앞서서메쉬크기독립분석을행하였다 []. 계면에서자연대류흐름 (free convection) 이일어나므로주변온도는 25 C로고정하였다. 자연대류에서레일리수 (Ra, Rayleigh number) 는흐름특성을결정하는중요한수치이며, Ra>0 9 이면난류 (turbulent flow) 를, Ra<0 9 이면층류 (laminar flow) 를가정한다 [0]. 본연구에서는 Ra 값이.94 0 6 이므로층류를가정하였다. 대류에의한열전달을해석하기위하여질량-운동량-에너지보존법칙을다음의 Navier-tokes 방정식의형태로고려하였다. --- ( ρφ) + ( ρvφ Γ t φ gradφ) = φ () Fig. 2. urface temperature measuring points of the LED bulb. (a) no lens (b) with lens Table. General specifications of the components of an LED bulb. Material Dimension (mm) Thermal conductivity W/(m K) LED Chip GaN.2 0.7 0.28(T) 30 Encapsulant i+y phosphor 4 4 0.7(T) 0.7 TIM Ag Epoxy.2 0.7 0.0(T) 2.5 older Au-n-Cu 5 5 0.02(T) 60 package LTCC 5 5 0.7(T) 4.0 MCPCB urface LTCC Ф52 0.03(T) 4.0 MCPCB Core Al Ф52.0(T) 235 Circuit electrode Cu Ф52 0.035(T) 40 Dielectric layer Prepreg Ф52 0.085(T) 4.0 Heat ink Al Ф60 60.2(T) 235 Lens PMMA Ф60 30(T) 0.2 ocket PBT Ф36(Upper),26(Lower) 85.2(T) 0.5
230 대한금속 재료학회지제 56 권제 3 호 (208 년 3 월 ) Fig. 3. Thermal equilibrium model. 는방열판의하부, E는냉각핀에해당하는위치이다. 온도측정은 Hz로벌브를켜고 시간이후에측정하였다. 측정된온도값은시뮬레이션에의하여얻어진값과비교했다. 시뮬레이션에있어서는각 LED 칩에주어지는열유속값을다음과같이결정하였다. 전체 LED 벌브의소비전력은 2.8 W 이며여기에열로전환비율 80% 를곱하고이를칩의개수인 2로나누면 0.49 W를얻는데이값을시뮬레이션에적용하였다. LED 벌브의방열거동및정량적인해석을위하여그림 3의열평형모델을가정하여열전달방정식을수립하여해석하였다. 그림 2에서보듯이 2개의패키지가균일하게분포되어있으며서로충분히간격을유지하고있으므로, 서로간에열적인중복 (thermal crosstalk) 은없다고가정하였다. 따라서그림 3의열평형모델에서는 3개의방열경로를가정하였다. 경로 은 LED 칩을덮고있는봉지재와측벽을통하여열이직접방출되는경로이다. 경로 2는 LED 칩에서발생한열이측면방향으로의전도에의하여 MCPCB로전달되고이는 MCPCB 표면을통하여외부로방출된다. 경로 3은 LED 칩에서발생한열이유전층, 기판, 방열판을통하여방출되는경로이다. 이와같은 3가지경로로의방열거동을통하여 LED 벌브전체적인방열거동을해석하도록하겠다. 3. 결과및고찰 3.. 렌즈채용효과 그림 4는그림 2의 5가지위치에대하여써모커플로측정한온도와시뮬레이션에의하여얻어진온도값을비교한것이다. LED 칩의정션온도 (T j ) 는직접측정할수없으므로시뮬레이션값만표시하였다. 그림 4에서먼저렌즈가없는경우를살펴보면측정치와시뮬레이션값이큰차이를보이지않으며, 봉지재의표면 Fig. 4. Comparison of the surface temperatures when 0.5 W of heat flux was applied to each chip. 온도 (A) 는약 05 C, MCPCB의표면온도 (B) 는 65~70 C, 방열판의표면온도 (C,D,E) 는 60~65 C임을알수있다. 시뮬레이션에의하면정션온도는약 20 C로예측되었다. 그림 4에서렌즈가채용된경우를살펴보면마찬가지로측정치와시뮬레이션값이큰차이를보이지않으며, 전체적으로렌즈가없는경우에비하여 0~5 C 상승하였음을알수있다. 시뮬레이션에의하면정션온도는약 30 C로상승하였다. 이들결과를종합하면다음과같은결론을얻을수있다. LED 벌브에서렌즈는광분포를균일하게하고외부로부터 LED 모듈을보호하는역할을하는중요한역할을하지만, 정션온도가 0 C정도상승하고이로인하여모듈전반적인온도가 0~5 C 상승하는결과를가져온다. 그림 4의결과에서측정치와시뮬레이션값사이에는렌즈가있는경우나없는경우에있어 3 C 이내의작은차이가있음을알수있다. 이는 FVM 시뮬레이션결과가신뢰할수있음을의미하므로시뮬레이션을통하여렌즈채용시의온도상승에대한정량적인해석을실시하였다. 그림 5는렌즈가없는 LED 벌브에서표면방사율을 0.2, 0.6, 0.8로변경함에따른 A, B, C 위치와정션온도의변화를시뮬레이션으로예측한것이다. 여기서방사율값의설정근거로는렌즈, MCPCB, 봉지재의방사율값이각각 0.2, 0.6, 0.8임을고려하여설정하였다. 그림 5에서보듯이표면방사율을 0.8에서 0.2로변경하여수치를입력하면전체적으로 LED 벌브의표면온도가 3~4 C 증가하였으며정션온도도비슷한수치로증가하였다. 즉, 렌즈를채용하는경우렌즈의방사율은 0.2 로서방사율이 0.8인봉지재를덮게되므로이로인하여표면의온도가 3~4 C 증가하는것으로해석할수있다. 이는렌
문철희 23 즈채용으로인한모듈온도의상승을설명할수있는의미있는해석이지만, 정량적인측면에서보면그림 4에서관찰되었던 0~5 C의상승을다설명할수는없다. 따라서다른요인을찾기위하여그림 6과같은열전달모델을고려하였다. 그림 6(a) 는렌즈가채용되지않은상태로서봉지재가공기에노출되어있다. 따라서 LED 칩에서발생한열유속은전도에의하여봉지재의표면과유전체층의표면으로전달되며이후에는대류와복사에의하여주변공기로방출된다. 주변공기로의열전도는공기의열전도도가매우낮으므로무시할수있다. 그림 6(b) 는반구형의렌즈가봉지재상부에채용된경우이다. 렌즈로폐쇄된작은공간내에서는 LED 칩에서발생한열이공간내에고르게분포하여내부의온도가어느정도균일하게유지된다고보아지므로밀도차에의한공기의대류를무시하였다. 따라서렌즈내부에서의공기를통한열전도가주요지배요인이되는데, 공기의열전도도가낮음으로인하여그 림 6(a) 에서의방열경로에비하여전체적인열의방출이비효율적이게된다. 따라서이는그림 4에서렌즈채용시에표면온도가상승하는또다른원인으로작용한다. 3.2. 방열판본연구의두번째주제로서방열판에대하여시뮬레이션을통하여살펴보도록하겠다. 그림 4를통하여시뮬레이션의신뢰도를확인하였으니여기서는바로 FVM 시뮬레이션을통한해석을실시한다. 그림 7은방열판을통한열의방출을설명하기위한열전달모델이다. LED 칩에서발생한열유속은전도에의하여유전체층, MCPCB를거쳐서방열판의표면으로전달된다. 이열유속은주로대류와복사에의하여주변공기로방출된다. 이때, LED칩과기판, 그리고 MCPCB와방열판사이에서의계면접촉저항이매우중요한변수로작용한다. 따라서대부분의회사나연구자들은재료와구조의개선을통하여접촉저항을낮추는활동에큰비중을두고있다. [9,0]. 여기서는 FVM 시뮬레이션을통하여방열판재료의열전도도, 방사율, 그리고주변으로의대류효과가전체적인방열거동에미치는영향을살펴보고자한다. 3.2.. 열전도도의영향그림 8은방열판재료의열전도도를 23.5과 2,350 사이에서다섯가지로변경하여입력한경우의 A, B, C 위치에서의표면온도와정션온도를비교한것이다. 여기서열전도도를설정한근거로는대부분의방열판의재료로사용되는알루미늄의열전도도가 235이므로이보다 0배높은값 (2,350) 과 0% 로낮은값 (23.5) 사이에서열전도도의영향 Fig. 5. Comparison of surface temperatures with the emissivity of the top surface (0.5 W, no lens, simulated). Fig. 6. Comparison of the heat transfer models for the top surface of the bulbs (a) without lens, and (b) with lens. Fig. 7. Heat transfer model for heat dissipation in the direction of the heat sink.
232 대한금속 재료학회지제 56 권제 3 호 (208 년 3 월 ) 식 (3) 은다음과같이표현할수있다. = ΔT =ΔT ( + 2 + 3 ) (5) 여기서전체열유속은 0.5 W이며 LED 칩당발생하는열유속은 0.5 W이다. 또한 T는정션온도와주변온도와의온도차이다. 경로 에대해서열유속은식 (6) 으로나타낼수있다. = ΔT = ΔT- + R cond (6) Fig. 8. Comparison of surface temperatures with the thermal conductivity of the heat sink (0.5 W, no lens, simulated). 을살펴보았다. 그림 8의시뮬레이션결과에의하면기존의알루미늄재질 (235 W/m K) 을각각열전도도가 2배 (470 W/m K) 및 0배 (2,350 W/m K) 인재질로변경하면정션온도가 20 C에서각각 5 C와 05 C로낮아짐을알수있다. 전자의경우로서는은 (429 W/m K) 과구리 (40 W/m K) 가있으며, 후자의경우는그래핀 (5,000 W/ m K) 과다이아몬드 (2,300 W/m K) 가있다. 이들은대부분이고가의재료라서직접적으로이들을방열판재료에활용할수는없지만, 이들을모재에혼합하거나복합재료로만드는방법, 혹은인공적으로저가로합성하는방법등으로방열판에적용한다면정션온도를더낮출수있을것으로기대할수있다. 3.2.2. 열평형방정식을이용한정량적인해석 여기서는그림 8에서얻어진시뮬레이션결과에대하여열평형방정식을통한정량적인해석을통하여 LED 벌브전체적인방열거동을해석하려고한다. 그림 3의열전달모델에의하면전체열유속 는각각의경로, 2, 3을통한열유속인, 2, 3 의합이다. 즉, = + 2 + 3 여기서 ΔT = - = ΔT --- + --- +--- ΣR ΣR ΣR 2 ΣR 3 여기서다음과같이 를정의하면 - = ΣR (2) (3) (4) 여기서 는주변공기에의한대류열저항이며, R cond 는 LED 봉지재를통한전도열저항으로서식 (7) 과같이표현할수있다. = - ha Δx R cond = ka 여기서 h는대류열전달계수로서공기의경우에는 0 W/m 2 K 이다. A는열전도에수직인방향으로의단면적, x는열전도방향으로의진행거리, k는열전도도로서에폭시의경우는 0.7 W/m K 이므로식 (7) 로부터전도열저항을구할수있다. 이값들을적용하면다음과같이 값이구해진다. = - = - = 0.008 + 20 + 5 R cond 경로 2 에대해서열유속은식 (9) 로나타낼수있다. 2 = ΔT 2 =ΔT + R cond : + R cond :2 여기서 R cond. 는 MCPCB의알루미늄코어를통한전도열저항이며 R cond.2 는 MCPCB 표면의유전층을통한전도열저항으로서이는알루미늄과유전체의열전도도인 235 W/m K와 7 W/m K을식 (7) 에대입하여구할수있다. 이들값을이용하여다음과같이 2 값을구했다. 2 = = --- = 0.008 + R cond : + R cond :2 25 + 0.0 + 0.02 경로 3 에대해서열유속은식 () 로나타낼수있다. 3 = ΔT 3 =ΔT - + R contact + R cond (7) (8) (9) (0) ()
문철희 233 여기서 R contact 는 MCPCB와방열판사이의계면접촉열저항이며, R cond 는알루미늄방열판을통한전도열저항이다. TIM, 기판, 알루미늄의열전도도인 2.5, 7, 235 W/m K, 그리고접촉열전달계수인 5,000 W/m 2 K 을이용하여 3 를구하면식 (2) 와같다. 3 = - = ---- = 0.2 + R contact + R cond 7.92+ 0.3 + 0. (2) 식 (8), (0), (2) 로부터식 (3) 과같은계산결과를얻을수있다. = + 2 + 3 = 0.36 2 3 = ---- = 6 % 2 = ---- = 6 % 3 = ---- = 88 % (3) 식 (3) 의계산결과가의미하는바는다음과같다. LED 칩에서발생하는전체열유속중에서경로 과 2를통해서는각각 6% 가방출되며대부분의열유속에해당하는 88% 가경로 3을통하여방출된다. 즉, 방열판을통한방열이전체의 88% 를담당하는것이다. 또한식 (3) 을식 (5) 에대입하면 T를구할수있는데계산결과에의하면우리의경우에있어서 T는 77 o C이다. 지금까지의결과는알루미늄방열판을사용했을때의정량적인분석결과이다. 즉, 그림 8에서열전도도가 235 W/m K인경우에해당하는해석결과로서알루미늄을방열판으로사용하는경우 LED 칩의정션온도는 LED 벌브주변온도보다 77 o C 높게형성됨을의미한다. 지금부터는방열판의열전도도가알루미늄열전도도의 0% 로낮아지는경우에대하여살펴보도록하겠다. 식 (2) 에열전도도값으로 23.5 W/m.K를입력하면 3 값은식 (2)' 에의해다른값을가지게된다. 3 = --- + R contact + R cond ---- = 0.08 7.92+ 0.3 +.0 (2)' 그리고새로운 ' 3 값을식 (3) 에적용하면식 (3)' 과같이변경된값을얻는다. = + 2 + 3 = 0.24 Fig. 9. Comparison of the surface temperatures with the emissivity of the heat sink (0.5 W, no lens, simulated). 2 3 = ---- = 6.5 % 2 = ---- = 6.5 % 3 = ---- = 87 % (3)' 방열판의열전도도가 235 W/m K인알루미늄인경우에해당하는식 (3) 과방열판의열전도도가 23.5 W/m K인경우를가정한식 (3)' 을비교하면다음과같이설명할수있다. 방열판의열전도도가 235에서 23.5로감소함에따라방열판을통한경로 3으로의방열효과가감소하여전체열 유속에서감당하여방출할수있는비율이 88% 에서 87% 로감소한다. 따라서경로 과경로 2를통하여방출해야하는열유속이전체의 6% 에서 6.5% 로증가함을알수있으며, 이는정션온도의상승을초래한다. 실제로식 (3)' 을식 (5) 에대입한결과 T=85 o C로서열전도도가 235인경우 T=77 o C였음과비교하면 8 o C가더크다. T는주변온도와정션온도와의온도차인데주변온도는일정하게고정되므로식 (3)' 의경우가식 (3) 의경우에비하여정션온도가 8 o C 더상승함을알수있다. 이는그림 8에서정션온도에대한시뮬레이션결과를보면열전도도가 235에서 23.5로감소하면정션온도가 20 o C에서 32 o C로 2 o C 상승하였음을고려하면매우유사한결과임을알수있다. 3.2.3. 다른변수의영향여기서는 FVM 시뮬레이션을이용하여다른변수의영향에대하여조사하였다. 그림 9는방열판의표면방사율
234 대한금속 재료학회지제 56 권제 3 호 (208 년 3 월 ) Fig. 0. Comparison of surface temperatures at various convection conditions (0.5 W, no lens, simulated). 을 0.2, 0.6, 0.9로달리했을때의표면온도로서변수값을이와같이설정한근거로는각각에폭시, 세라믹, 알루미늄의방사율에해당하는값으로설정했다. 그림 9에서표면방사율이 0.2에서 0.9로증가함에따라서정션온도와표면온도가약 0 o C 낮아짐을알수있다. 이는표면방사율에의한영향은최대 0 o C를넘지않음을의미하며, 이는방열판의열전도도에의한영향에비하면훨씬영향도가작음을알수있다. 그림 0은여러가지대류조건에대하여표면온도에미치는영향을시뮬레이션한결과이다. 5 m/s의강제대류를시행하면자연대류의경우에비하여정션온도를 30~40 o C 낮출수있으며, 대류가없는경우에비해서는 40~50 o C 낮음을알수있으므로대류조건이방열판의열전도도에못지않게큰영향을줌을알수있다. 4. 결론 고출력, 멀티칩 LED 벌브에서표면의 5가지위치에대하여써모커플로측정한온도와 FVM 시뮬레이션에의하여얻어진온도를비교하여시뮬레이션의신뢰성을확보한후, FVM 시뮬레이션과열전달방정식을이용하여렌즈와방열판이전체적인방열거동에미치는영향을조사하였다. 렌즈를채용하면정션온도가약 0 o C 상승하고이로인하여모듈전반적인온도가 0~5 o C 상승하는결과를가져온다. 정량적인해석으로는렌즈를채용하는경우렌즈의방사율은 0.2로서방사율이 0.8인봉지재를덮게되므로이로인하여표면의온도가 3~4 o C 증가하는것으로해석할수있었으며, 나머지부분에대해서는열전달모델을통하여렌즈내부의공기를통한열전도가비효율적이 기때문인것으로설명되었다. 방열판의경우에대하여시뮬레이션한결과로는열전도도가 235에서 23.5 W/m K로감소하면정션온도가 20 o C 에서 32 o C로 2 o C 증가하는것으로예측되었다. 이를열전달모델과열평형방정식을통하여해석한결과로는방열판의열전도도가낮아짐에따라경로 3에서담당할수있는열유속의양이감소하여경로 과경로 2의부담이 6% 에서 6.5% 로증가하였고, 이로인하여정션온도가 8 o C 증가하는것으로계산결과를얻을수있어서시뮬레이션결과와일치하는경향을얻었다. FVM 시뮬레이션을이용하여방열판의표면방사율과대류조건에대하여영향도를파악한결과로는대류조건의영향이열전도도못지않게크게작용함을알수있었다. 감사의글 이연구는산업통상자원부의재원으로진행되는산업핵심기술사업의미래디스플레이원천기술분야중 ICT 융합제품용핵심기술개발과제로수행된연구임 ( 과제번호 #0067826). REFERENCE. H. Cui,.-R. Jeon, and.-h. Park, Korean J. Mat. Mater. 54, 32 (206). 2. T. Cheng, X. Luo,. Huang, and. Liu, J. Therm. ci. 49, 96 (200). 3. L. Ma, Y. Yang, and J. Liu, Heat Mass Transfer 49, 85 (203). 4. B. Ramos-Alvarado, B. Feng, and G. P. Peterson, Therm. Eng. 59, 648 (203). 5. C.-J. Weng, Int. Commun. Heat Mass 36, 245 (2009). 6. H.-W. Ra, K.. ong, C.-W. Ok, and Y.-B. Hahn, Korean J. Chem. Eng. 24, 97 (2007). 7. M. Y. Tsai, C. H. Chen, and C.. Kang, Microelectron. Reliab. 52, 845 (202). 8. K. C. Yung, H. Liem, H.. Choy, and W. K. Lun, Int. Commun. Heat Mass 37, 266 (200). 9. B.-H. Liou, C.-M. Chen, R.-H. Horng, Y.-C. Chiang, and D.-. Wuu, Microelectron. Reliab. 52, 86 (202). 0. B. Yan, J. P. You, N. T. Tran, Y. He, and F. G. hi, IEEE Trans. Compon. Pack. Tech. 33, 722 (200).. Y.-T. Bang and C.-H. Moon, Journal of Information Display, 2 (203).