발광다이오드(light emitting diode : LED)는 1962년 GaAs 화합물 반도체를 이용하여 최초로 소개되었다. 초창기 LED는 낮은 광 효율로 적색의 단순한 색상으로 주로 표시용 소자로 사용되었다. 1990년도 초반에 들어서야 반도체 박막 성장 기술의 발달로 인해 고휘도 LED 생산이 가능하게 되었다.
1990년도 후반에 들어서 나카무라 슈지 박사에 의해 ...
발광다이오드(light emitting diode : LED)는 1962년 GaAs 화합물 반도체를 이용하여 최초로 소개되었다. 초창기 LED는 낮은 광 효율로 적색의 단순한 색상으로 주로 표시용 소자로 사용되었다. 1990년도 초반에 들어서야 반도체 박막 성장 기술의 발달로 인해 고휘도 LED 생산이 가능하게 되었다.
1990년도 후반에 들어서 나카무라 슈지 박사에 의해 GaN 기반의 청색 LED가 개발되었고, 고휘도 청색 LED의 상용화가 이루어짐에 따라 청색 LED로부터 발산하는 청색광과 황색광의 형광체를 사용함으로써 백색 LED가 처음으로 등장하게 되었다.
최근 Cree社에서 370 [lm/W] 고효율을 나타내는 LED 멀티 칩 패키지가 개발 되었으며, 이런 메이저 업체들의 지속적인 기술 경쟁으로 고효율의 LED 칩과 고출력 LED 패키지의 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 LED는 실내외 조명으로 각광 받고 있으며, 10W 이내의 MR16이나 PAR 형태의 광원 개발과 도로 조명의 가로등조명 및 보안등에 개발로 그 영역을 확대해 나가고 있다.
기존의 가로등에 부착된 320W 메탈할라이드 램프의 경우 초기광속 21,000 [lm]에 약 2만 시간정도의 수명을 가지기 때문에 LED 램프 설계시 6만시간의 LED광원 수명을 고려시 약 17,000 [lm]의 광학적 특성이 요구된다.
하지만 , 고출력 LED의 경우 인가된 에너지에 대해 통상적으로 20%정도의 광효율을 가지고 있으며, 나머지 80%는 열에너지로 전환되어 수명저하 및 효율에 직접적인 영향을 미친다.
따라서 고출력 LED 패키지를 응용한 도로조명용 가로등을 설계하기 위해서 LED 패키지의 전기적, 광학적, 열적 특성을 고려하여 LED 가로등을 설계하여야 하며, 특히 고출력 LED 패키지의 온도 억제를 위해서는 자연 대류 현상을 고려한 히트싱크 설계가 중요하다.
본 연구에서는 고출력 LED 패키지의 열저항 특성과 광학적 특성 전기적 특성을 측정하기 위해 MicRed社의 T3ster와 TeraLED를 사용하였으며, 최적의 히트싱크 설계를 위해 HeatSinkDesigner프로그램을 이용하여 최적의 히트싱크를 설계 하였다. 고출력 LED와 가로등 모듈의 방열성능을 확인하기 위해 CFdesign V10을 이용하여 고출력 LED 패키지의 열유동경로와 히트싱크의 방열성능과 방열 분포등을 확인하였다.
LED 모듈 및 가로등을 평가하기 위해 적외선 열화상 카메라를 통해 열적 성능을 평가하였으며, EVERFINE社의 적분구 측정 시스템을 이용하여 광학적 특성을 평가하였다.
결과로서, 고출력 LED 패키지 25 ∼ 85 [℃] 온도 변화에 따른 열저항 변화는 12.1 [℃/W]에서 10.7 [℃/W]로 열저항이 감소됨을 확인하였으며, 14% 광출력 감소를 확인하였다.
HeatSinkDesigner를 통한 히트싱크 설계 시 핀간격이 좁을수록 대기와 히트싱크 핀사이의 열저항이 1.5 [℃/W]에서 3.0 [℃/W]로 열저항이 증가하는 것을 확인 하였으며, 이러한 열저항 증가로 히트싱크의 온도가 45.2 [℃]에서 60.5 [℃]로 상승하는 것을 확인 하였다. 역시 CFdesign V10의 유동 해석 분석을 통하여 고출력 LED 패키지의 열전달 경로의 경우 히트슬러그와 애노드 전극을 통하여 전도 되는 것을 확인 하였다.
최종적으로, LED 램프의 광출력 특성으로는 광속 17,200 lm, 효율 90.05 [lm/W]의 특성을 보였으며 약 59.6 [℃]의 온도 특성을 보였다. 이를 통해 본 논문은 가로등 대체용 LED 등기구 고효율 기준(안)에서 제시하는바와 같이 기존 메탈할라이드 램프 대체 가능성과 LED 가로등의 제작시 중요 설계요소에 대해 제시하였다.
발광다이오드(light emitting diode : LED)는 1962년 GaAs 화합물 반도체를 이용하여 최초로 소개되었다. 초창기 LED는 낮은 광 효율로 적색의 단순한 색상으로 주로 표시용 소자로 사용되었다. 1990년도 초반에 들어서야 반도체 박막 성장 기술의 발달로 인해 고휘도 LED 생산이 가능하게 되었다.
1990년도 후반에 들어서 나카무라 슈지 박사에 의해 GaN 기반의 청색 LED가 개발되었고, 고휘도 청색 LED의 상용화가 이루어짐에 따라 청색 LED로부터 발산하는 청색광과 황색광의 형광체를 사용함으로써 백색 LED가 처음으로 등장하게 되었다.
최근 Cree社에서 370 [lm/W] 고효율을 나타내는 LED 멀티 칩 패키지가 개발 되었으며, 이런 메이저 업체들의 지속적인 기술 경쟁으로 고효율의 LED 칩과 고출력 LED 패키지의 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 LED는 실내외 조명으로 각광 받고 있으며, 10W 이내의 MR16이나 PAR 형태의 광원 개발과 도로 조명의 가로등조명 및 보안등에 개발로 그 영역을 확대해 나가고 있다.
기존의 가로등에 부착된 320W 메탈할라이드 램프의 경우 초기광속 21,000 [lm]에 약 2만 시간정도의 수명을 가지기 때문에 LED 램프 설계시 6만시간의 LED광원 수명을 고려시 약 17,000 [lm]의 광학적 특성이 요구된다.
하지만 , 고출력 LED의 경우 인가된 에너지에 대해 통상적으로 20%정도의 광효율을 가지고 있으며, 나머지 80%는 열에너지로 전환되어 수명저하 및 효율에 직접적인 영향을 미친다.
따라서 고출력 LED 패키지를 응용한 도로조명용 가로등을 설계하기 위해서 LED 패키지의 전기적, 광학적, 열적 특성을 고려하여 LED 가로등을 설계하여야 하며, 특히 고출력 LED 패키지의 온도 억제를 위해서는 자연 대류 현상을 고려한 히트싱크 설계가 중요하다.
본 연구에서는 고출력 LED 패키지의 열저항 특성과 광학적 특성 전기적 특성을 측정하기 위해 MicRed社의 T3ster와 TeraLED를 사용하였으며, 최적의 히트싱크 설계를 위해 HeatSinkDesigner프로그램을 이용하여 최적의 히트싱크를 설계 하였다. 고출력 LED와 가로등 모듈의 방열성능을 확인하기 위해 CFdesign V10을 이용하여 고출력 LED 패키지의 열유동경로와 히트싱크의 방열성능과 방열 분포등을 확인하였다.
LED 모듈 및 가로등을 평가하기 위해 적외선 열화상 카메라를 통해 열적 성능을 평가하였으며, EVERFINE社의 적분구 측정 시스템을 이용하여 광학적 특성을 평가하였다.
결과로서, 고출력 LED 패키지 25 ∼ 85 [℃] 온도 변화에 따른 열저항 변화는 12.1 [℃/W]에서 10.7 [℃/W]로 열저항이 감소됨을 확인하였으며, 14% 광출력 감소를 확인하였다.
HeatSinkDesigner를 통한 히트싱크 설계 시 핀간격이 좁을수록 대기와 히트싱크 핀사이의 열저항이 1.5 [℃/W]에서 3.0 [℃/W]로 열저항이 증가하는 것을 확인 하였으며, 이러한 열저항 증가로 히트싱크의 온도가 45.2 [℃]에서 60.5 [℃]로 상승하는 것을 확인 하였다. 역시 CFdesign V10의 유동 해석 분석을 통하여 고출력 LED 패키지의 열전달 경로의 경우 히트슬러그와 애노드 전극을 통하여 전도 되는 것을 확인 하였다.
최종적으로, LED 램프의 광출력 특성으로는 광속 17,200 lm, 효율 90.05 [lm/W]의 특성을 보였으며 약 59.6 [℃]의 온도 특성을 보였다. 이를 통해 본 논문은 가로등 대체용 LED 등기구 고효율 기준(안)에서 제시하는바와 같이 기존 메탈할라이드 램프 대체 가능성과 LED 가로등의 제작시 중요 설계요소에 대해 제시하였다.
The first, Light Emitting Diode which is made from GaAs Compount semiconductor is introduced in 1962. The beginning of LED has low emitting efficiency and simple color, and was used for indication. In 1990, high efficiency LED can manufacture from developing of thin film growth technology.
In the la...
The first, Light Emitting Diode which is made from GaAs Compount semiconductor is introduced in 1962. The beginning of LED has low emitting efficiency and simple color, and was used for indication. In 1990, high efficiency LED can manufacture from developing of thin film growth technology.
In the latter half of 1990, GaN based blue LED was developed, and the white LED was introduced by using blue LED from chip and yellow phosphor according to commercialization of blue LED.
Recently, The Cree company develop LED multichip package with high efficiency of 370 [lm/W] and research of more higher efficiency and higher power LED package is conducting by technical competition.
Nowdays, LED is issued as indoor lighting, which is MR 16 and PAR type within 10W and the area is extending to street light for load and security light.
When the LED lamp design, luminousr flux of 17,000 [lm] by considering lifetime of 60,000 hours, because 320W metal halide lamp which is attached in street light has luminous flux of 21,000.
However, high power LED has efficiency of 20 % from applied energy and 80 % of energy is changed to heat, which is affected to drop of lifetime and efficiency.
Therefore, electrical, optical & thermal properties of LED package should consider to design street light for load with high power LED. expecially, design of heat-sink is the most important to control optimal temperature considered phenomena of natural convection.
In this paper, equipments of T3ster and TeraLED in MicRed company used to measure thermal, optical & electrical properties in high power LED package. also, HeatSinkDesigner software used to design heatsink and CFdesign software used to confirm performance of protection against heat, path of heat and thermal distribution. Moreover, evaluation of LED module and system was conducted with infrared light thermal image camera, and optical properties used intergral sphere measurement system.
As results, thermal resistance is changed from 12.1 to 10.7 [℃/W] by change temperature from 25 to 85 ℃, and ratio of 14% in optical power is decreased.
When heatsink design, thermal resistance between the atmosphere and gap of pin in heatsink increased from 1.5 to 3.0 [℃/W] according to decrease distance of pin gap, and temperature of heatsink increase from 45.2 ℃ to 60.5 ℃, finally. Also, it is confirmed that heat is transferred from heat slug to anode electrode from simulation of CFDesing in heat transition path.
Finally, LED lamp shows luminous flux of 17,200 [lm] and efficiency of 90.50 [lm/W] in optical properties and temperature of 59.6 [℃] in thermal properties. Therefore this paper shows possibility as street light for alternation of metalhalide lamp and main design factor for design LED lamp.
The first, Light Emitting Diode which is made from GaAs Compount semiconductor is introduced in 1962. The beginning of LED has low emitting efficiency and simple color, and was used for indication. In 1990, high efficiency LED can manufacture from developing of thin film growth technology.
In the latter half of 1990, GaN based blue LED was developed, and the white LED was introduced by using blue LED from chip and yellow phosphor according to commercialization of blue LED.
Recently, The Cree company develop LED multichip package with high efficiency of 370 [lm/W] and research of more higher efficiency and higher power LED package is conducting by technical competition.
Nowdays, LED is issued as indoor lighting, which is MR 16 and PAR type within 10W and the area is extending to street light for load and security light.
When the LED lamp design, luminousr flux of 17,000 [lm] by considering lifetime of 60,000 hours, because 320W metal halide lamp which is attached in street light has luminous flux of 21,000.
However, high power LED has efficiency of 20 % from applied energy and 80 % of energy is changed to heat, which is affected to drop of lifetime and efficiency.
Therefore, electrical, optical & thermal properties of LED package should consider to design street light for load with high power LED. expecially, design of heat-sink is the most important to control optimal temperature considered phenomena of natural convection.
In this paper, equipments of T3ster and TeraLED in MicRed company used to measure thermal, optical & electrical properties in high power LED package. also, HeatSinkDesigner software used to design heatsink and CFdesign software used to confirm performance of protection against heat, path of heat and thermal distribution. Moreover, evaluation of LED module and system was conducted with infrared light thermal image camera, and optical properties used intergral sphere measurement system.
As results, thermal resistance is changed from 12.1 to 10.7 [℃/W] by change temperature from 25 to 85 ℃, and ratio of 14% in optical power is decreased.
When heatsink design, thermal resistance between the atmosphere and gap of pin in heatsink increased from 1.5 to 3.0 [℃/W] according to decrease distance of pin gap, and temperature of heatsink increase from 45.2 ℃ to 60.5 ℃, finally. Also, it is confirmed that heat is transferred from heat slug to anode electrode from simulation of CFDesing in heat transition path.
Finally, LED lamp shows luminous flux of 17,200 [lm] and efficiency of 90.50 [lm/W] in optical properties and temperature of 59.6 [℃] in thermal properties. Therefore this paper shows possibility as street light for alternation of metalhalide lamp and main design factor for design LED lamp.
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