한국산학기술학회논문지 Vol. 11, No. 9 pp. 3141-3147, 2010 황순호 1, 이영림 1* 1 공주대학교기계자동차공학부 Thermal Design of a MR16 LED Light with the Effects of Ceiling Unit Mount Soon Ho Hwang 1 and Young Lim Lee 1* 1 Department of Mechanical and Automotive Engineering, Kongju National University 요약 LED 조명등의효율및수명을단축시키는가장중요한원인은정션온도상승이며, 이를해결하기위해고효율방열패키징, 고전도율소재개발, 접촉저항개선및히트싱크최적화등과같이다양한방열성능향상연구가이루어지고있다. 하지만지금까지의대부분의연구는 LED 조명등이단지대기중에노출되었다고가정하였기때문에실제실링유닛과함께천장에장착되었을때의방열성능은아직보고되지않고있다. 따라서, 본연구에서는 MR16 LED 조명등을이용하여실제설치조건에따른정션온도변화를규명하고이를통한더욱정확한 LED 조명등수명및효율예측을이루고자하였다. Abstract The most important cause for shortening LED lighting efficiency and life is the junction temperature rises and, to solve this problem, various studies such as thermally efficient packaging, highly conductive material development, contact resistance improvement or heat sink optimization have been studied. However, most studies so far assumed that the LED lights are in the atmosphere, and thermal performance has not been therefore reported when the LED lights are mounted on the ceiling with ceiling unit. Thus, this study investigates the variation of junction temperature of the MR16 LED light under actual installation conditions and more accurate thermal design for the efficiency and life of LED lights is therefore achieved. Key Words : LED Light, Ceiling unit, MR16, Thermal design, CFD 1. 서론 LED 조명등은저전력, 고효율제품으로기존백열등, 형광등보다에너지효율이우수할뿐만아니라높은조도와긴수명및강한내구성을가지고있는장점때문에기존조명등에서점차 LED 조명등으로대체되고있는추세이다. 하지만기존제품에비해고가이며, 정션온도상승에따라색온도변이, 광효율저하및수명단축이심화되는문제점이발생한다 [1]. LED 조명등의경우패키징및회로기술에관한연구가대부분이었으나, 정션온도상승에따른문제를해결하기위해방열문제해결분야로연구가점차확대되고있다. 공급전력의 80 85% 가열로변환되는 LED 조명등의방열문제를해결하기위한가장기초적인방안으로는핀 (Fin) 형상최적설계가있다. 최근에는고출력 LED 조명등을제작하기위하여팬 (fan) 을사용해열전달계수값을증가시키거나, heat pipe와 airjet 등을이용해정션온도를감소키는방법을사용하고있다. 이와같은연구로 Weng[2] 은 LED 조명등제품개발을위한열설계법칙과상호작용을파악하기위하여수치해석을이용해, 0.1 1W의출력에따른히트슬러그 (heat slug) 크기, PCB 물성, 냉각조건, 칩 (Chip) 크기등의다양한조건에서저항과정션온도관계를연구하였다. 또한, Lee 등 [3] 은 75W급 LED 가로등제작을위해방열핀의두께및수량을변경하였으며온도및열저항특성에관한연구를하였다. 이를통해기존방열판에비해광속저하율이약 0.68% 향상된결과를보였다. Lu 등 [4] 은루프히트파이프 (loop heat pipe) 를이용하여열부 * 교신저자 : 이영림 (ylee@kongju.ac.kr) 접수일 10년 06월 22일수정일 (1차 10년 07월 29일, 2차 10년 08월 16일 ) 게재확정일 10년 09월 08일 3141
한국산학기술학회논문지제 11 권제 9 호, 2010 하나히트파이프경사각도에따른초기냉각성능, 온도균일도및열저항과같은방열성능을실험적으로고찰하였다. 이밖에도, Liu 등 [5] 은마이크로제트 (micro jet) 를이용한강제냉각기술최적화연구및개발을통해 LED 기판 (substrate) 온도를추가적으로약 23 감소시킬수있음을보였다. Song[6] 은정전압과정전류구동방식을이용해온도특성을고려한고출력 LED 조명등의소형화및고효율화하였으며동작시간에따른적합한구동회로를선별하였다. 또한, Lee 등 [7] 은단일고출력 LED를사용하여 MR16 LED 조명등설계시방열핀최적화에대한연구를수행하였다. MR16 조명등을천장에설치할경우보통경사각조절이가능한실링유닛 (Ceiling unit) 이나고정형실링유닛에장착되어천장에설치된다. 천장에설치될경우 MR16 조명등의방열핀주위의유동이이분화되고실링유닛이방열판하단부부위를둘러싸서덮는효과에의해조명등의정션온도가변화할수있다. 하지만지금까지의대부분의연구는 LED 조명등이단지공기중에노출되었다고가정하여실제실링유닛과함께천장에장착되었을때의방열성능은아직검토되지않았다. 따라서, 본연구에서는 3W MR16 LED 조명등을실링유닛과함께천장에설치할때여러설치조건에따른정션온도변화를규명하여더욱정확한 LED 조명등수명및효율예측을하고자한다. 보통다양한 MR16 조명등실링유닛이존재하나본연구에서는가장일반적이고방열면에서유리한개방형실링유닛을사용하였다. 그림 1에 MR16과실링유닛분해도를나타냈다. MR16 조명등에사용된 LED는 Cree사의 XLamp XR-E LED이다. T j R j-b LED package MCPCB heatsink T b R b-h T h [ 그림 2] 1 차원열저항모델 R h-a 2. 수치해석및실험방법 R j-b R b-h R h-a 2.1 수치해석 LED 칩은패키징되어있어 LED 칩온도, 즉정션온도를실험으로직접측정하는것은불가능하므로보통제조사에서제공한열저항이나실험으로측정한열저항을이용하여예측한다. 정션온도를예측하기위해서사용된 1차원열저항 (Thermal resistance) 모델을그림 2에나타내었다. 1차원열저항모델을이용할경우정션온도예측이가능할뿐만아니라, 각각의저항을사용하여수치해석할경우정확한결과값을구할수있다. 여기서 T는온도, R은열저항, j는 junction, b는 board, h는 heatsink 그리고 a는 ambient를각각나타낸다. 3차원 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석은압축성유체유동및정상상태로가정하였으며사용된지배방정식은다음과같다. T a Cap PCB Heatsink MCPCB LED PKG Reflector Lenz Ceiling Ceiling unit [ 그림 1] MR16 LED 조명등및실링유닛구성도 (1) (2) (3) 여기서, 이고 (1) 은연속방정식, (2) 는운동량방정식, (3) 은에너지방정식을나타낸다. 기호에대한자세한설명은다른곳에설명되어있다 [8]. 본연구에서는층류및난류를구분하기위해 Rayleigh number를이용하였으며본논문의경우약 10 7 이므로층류유동으로가정하였다. (4) 3142
여기서, 벽온도, 대기온도, 동점성계수, 열확산계수, 열팽창계수, g는중력가속도, L은특 성길이다. 또한, 조명등의열원으로부터발생된에너지에의해생기는복사 (radiation) 에너지를고려하기위해 DO(discrete ordinate) 모델 [8] 을사용하였다. 해석시간단축을위해 1/8 모델을사용하였으며, 0.5mm 두께인실링유닛으로인해격자가과도하게조밀해지는것을방지하기위해두께가없는면으로가정하였다. 격자수에무관한해를얻기위해약 70만개의격자를사용하였고격자형태는사면체 (tetrahedral) 이다. 사용된격자시스템을그림 3에나타내었다. 표 1은실링유닛장착및천장설치여부에따른각각의경우를보여준다. 여기서 case 1은기본경우로써실링유닛이나천장에설치되지않고공기중에자유롭게위치해있는경우이다. Case 5는실링유닛없이천장에일정한갭 (gap) 을두고장착되어있다고가정한 case2에서그갭마저완전히막아버린경우를나타낸다. 3차원모델링에는 Catia[9] 를사용하였고유동및열전달해석을위해서는상업용소프트웨어인 Ansys CFX[8] 를이용하였다. 2.2 실험방법표 1에서와같이수치해석시고려했던동일한경우에대하여실험을수행하였다. 그림 4는천장을모사하기위한합판과실링유닛에설치된 MR16 조명등의모습이다. 본연구에서는실내공기와천장내부공기온도의차이는없다고가정하였고따라서실제천장에설치하여실험하기보다는넓은합판을이용해천장을구성하였다. 이것은본연구를통해천장으로인한유동단절효과및실링유닛장착효과만을알아보고자하였기때문이며그외의변수, 가령실내와천장공간간의온도차나천장내부의열정체가능성등은고려하지않았다. 그림 5의실험개략도와같이열전대를이용해 PCB, Fin 및주변온도를측정하였고 IR 카메라를이용해 MR16 방열핀과실링유닛의온도분포를측정하였다. [ 그림 3] 격자시스템 [ 표 1] 실링효과를고려하기위한모델 case ceiling ceiling unit remarks 1 No No infinite air 2 Yes No 3 No Yes 4 Yes Yes 5 Yes No gap closed [ 그림 4] 실링유닛과함께천장에장착된 MR 16 조명등 3143
한국산학기술학회논문지제 11 권제 9 호, 2010 IR camera MR16 LED lamp Thermocouple (a) case 1 (b) case 2 (c) case 3 Computer Recorder [ 그림 5] MR16 방열성능실험개략도 3. 결과및고찰 3.1 실링유닛및천장설치에따른방열성능수치해석먼저실링유닛및천장설치여부에따른자연대류에의한공기유동의형태를살펴보기위하여그림 6에각 case마다유선을나타냈다. 공기중에자유롭게놓여있는 case1의경우하부로부터밀도차에의해상승하는전형적인유동이생성되고있다. Case2는천장과조명등사이의좁은틈으로기류가형성되고나머지부분은상단부와하단부의유동이단절되어있음을보여준다. 실링유닛에장착되어공기중에놓여있는 case3은실링유닛으로인해실링유닛근처의방열핀에서유동생성이저해된다. 이러한기류생성이저해되는것은 case4도마찬가지여서실링유닛의장착이자연대류에의한열전달을일정부분감소시킨다는것을의미한다. 천장에의해상하부가완전히분리된 case4와 5의경우전형적인정체성유동 (stagnation flow) 의형태와유사한유동형태를보여주고있다. 따라서, 방열핀근처유동을저해하는실링유닛의형상을최적화하거나하부로부터공기유입이원활하도록하는것도방열성능향상에다소도움이될것으로사료된다. (d) case 4 (e) case 5 [ 그림 6] 각경우별 streakline 분포실링유닛장착여부에따른온도변화를알아보기위하여각각 case 2와 case 4의온도분포를그림 7에나타냈다. 두경우모두자연대류및복사에의해열이방출되는전형적인온도분포를보여주고있으나온도등고선에의하면실링유닛을미장착한경우가상대적으로효율적인방열을하고있음을나타낸다. 실링유닛이장착된경우실링유닛에의한유동방해로인해실링유닛근처의열이정체되어방열핀주위온도가상승한것으로볼수있다. 하지만이러한온도상승은유동방해뿐만아니라복사에의해열이방출되는것을실링유닛이차단하는효과에도기인한다. 따라서실링유닛의부품중에서림스트립 (rim strip) 의높이가이러한열정체나복사열차단에가장직접적인영향을끼치므로최적화가필요하다고하겠다. 3144
Ceiling 42.4 36.6 30.8 83.1 71.5 54.1 48.2 (a) 실링유닛미장착 (case2) Rim strip Ceiling 31.1 37.3 86.4 80.3 55.7 49.6 (b) 실링유닛장착 (case 4) Tamb=25.0 Tamb=25.0 [ 그림 7] 실링유닛장착여부에따른온도변화 [ 표 2] 각주요부위별수치해석온도 case T chip( ) T pcb( ) T heatsink( ) 1 82.6 62.0 51.9 2 83.1 62.5 52.4 3 86.3 65.6 55.6 4 86.4 65.7 55.7 5 84.0 63.4 53.3 표 2는정상상태에도달했을때각경우에따른주요부위별온도를보여준다. 실링유닛없이대기중에위치해있는 case 1의정션온도는대기온도 25 기준으로 82.6 이다. case 2는실링유닛없이천장에설치한경우인데이경우 case 1과약 0.5 차이가발생하여천장으로인한효과는상대적으로미미함을보였다. 실링유닛 이있고천장이없는 case 3의경우약 86.3 의정션온도가예측되었고 case 1 대비하여약 3.7 증가를보였다. case2에서존재하던천장과조명등사이의작은갭이밀폐되어하부로부터의유동이완전히제거된 case 5의경우 case 2에비해약 0.9 의정션온도가증가함을보였다. 한편, 실링유닛에장착되어천장에설치된 case4의경우정션온도가 3.8 의상승하였는데이는고려된경우중에서최고온도상승을나타내었다. 이는실링유닛의유동방해현상과복사열차단효과에기인한다고볼수있다. 3.2 실링유닛및천장설치에따른방열성능실험표 3은열전대를이용해 LED 조명등의방열핀과 PCB 에서측정된온도를보여주며이때정션온도는측정한 PCB 온도에서제조사에서제공한열저항 8 /W를이용해예측하였다. 실험에서얻은각부위별온도분포는수치해석과매우유사한결과를보여준다. 그림8에수치해석과실험으로예측한각케이스별정션온도를나타냈는데오차는최대약 1.4 정도로써수치해석결과가상당히정확하다는것을알수있다. 이는수치해석으로유추한온도상승원인분석이매우적절했음을나타낸다. 수치해석에서와마찬가지로최대정션온도는 87.7 로써실링유닛을장착하고천장에설치한 case 4로판별되었다. Junction Temperature ( ) [ 표 3] 각부위별열전대측정온도 case T chip( ) T pcb( ) T heatsink( ) 1 83.5 62.8 52.4 2 83.6 63.0 51.9 3 87.7 67.0 55.4 4 87.7 67.0 55.5 5 84.2 63.6 53.4 100 90 80 70 Experiment Numerical Analysis case 1 case 2 case 3 case 4 case 5 Location [ 그림 8] 실험과수치해석정션온도비교 3145
한국산학기술학회논문지제 11 권제 9 호, 2010 여열전대와 IR 카메라를이용해측정한방열핀의온도차를그림 10에나타냈다. 열전대와 IR 카메라의온도차는최대 1.8 로써 ±2 의적외선카메라측정오차를고려해볼때신뢰할만한수준이라할수있다. 50.2 (a) case 2-bottom view (b) case 2-side view 54.0 4. 결론 54.2 (c) case 4-bottom view 58.3 (d) case 4-side view [ 그림 9] IR 카메라로측정한 case 2 및 4 의온도분포 Differnce of Temperature ( ) 2 1.5 1 0.5 0 case 1 case 2 case 3 case 4 case 5 Location [ 그림 10] 열전대와 IR 카메라의핀온도차 그림 8은수치해석과열전대를이용해얻은각케이스별정션온도이다. 모든경우에서실링유니트장착할시높은정션온도를나타냈다. 그림 9는 IR 카메라로측정한 case 2와 case 4의온도분포를나타낸다. 실링유닛이있는경우열이실링유닛의림스트립에의해갇혀있는것이확연하고실링유닛으로의전도열전달은높은접촉열저항으로인해미미함을알수있는데이는수치해석에서예측했던결과와매우유사하다. 따라서실링유닛의림스트립높이나형상을최적화하는것이필요하다. 기존할로겐 MR16의경우다자인을고려하여림스트립이매우높은것도다수인데 LED MR16의경우광속저감이나수명감소에문제가없는지확인하여야할것이다. IR 카메라로측정한온도의정확성을확인하기위하 본연구에서는대부분의 LED 조명등방열설계시고려하지않는실링유닛및천장효과를확인하기위하여 MR16 LED 조명등을천장에설치하고여러장착조건에따른정션온도변화를확인하였다. 이때실내공기와천장내부공기온도의차이는없다고가정하였다. 본연구를통하여얻은결론은다음과같다. 1) LED 조명등을실링유닛에장착하면실링유닛이조명등케이스의하단부에생성되는자연대류발생을억제시켜열을정체시키고복사열을차단하는효과를유발하여실링유닛이없을경우와비교하였을때약 4.1 의온도증가를보였다. 이는제조사의데이터쉬트에의하면약 1.3 % 의광속감소에해당된다. 또한, 실링유닛을통한전도열전달은높은접촉열저항으로인해효과적이지않았다. 2) 천장설치로인한조명등의위아래유동의단절효과가정션온도에미치는영향은상대적으로크지않았고본연구에서고려된 LED 조명등의경우약 0.5-1.4 정도로판명되었다. 이는천장이있어도조명등케이스주위로정체점유동과같은기류가비교적잘형성되고있음을의미한다. 따라서, 더욱정확한방열설계를위해서는실제 LED 조명등을실링유닛에장착하여천장에설치할때광속이저감되는것을고려해야만한다. 향후이러한방열성능이고려된다양한형상의멀티실링유닛 (multi-ceiling unit) 등의개발도이루어져야할것이다. 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. [2] Chun-Jen Weng, Advanced thermal enhancement and management of LED packages", International Communications in Heat and Mass Transfer, Volume 36, Issue 3, pp. 245-248, March 2009. [3] 이승민, 이세일, 양종경, 이종찬, 박대희, 75W급 3146
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