[학위논문]배광특성을 고려한 실내조명용 LED Module 방열구조의 적합성에 관한 연구 A Heat Dissipation Structure Suitable to the Interior Lighting LED Module With Considering Photometric Characteristics원문보기
최근 기존 LED 조명의 배광을 개선하는 연구개발의 성과가 두드러지고 있으며, LED에 2차 Lens와 반사판을 이용한 LED 조명등의 기술연구가 연구되고 있다. 또한, LED Package의 방열 성능을 향상시키기 위하여 표면처리 기술과 패키지 물질에 따른 열 설계, 주변 환경 및 구동조건을 고려한 구조설계 등의 연구가 활발히 되고 있다. 그러나 LED 조명을 실내조명으로 사용할 경우 여러 문제점들이 발생한다. LED는 빛의 직진성이 강하여 다른 조명 광원에 비하여 좁은 배광분포를 갖는다. 이로 인해 광 균일도 및 ...
최근 기존 LED 조명의 배광을 개선하는 연구개발의 성과가 두드러지고 있으며, LED에 2차 Lens와 반사판을 이용한 LED 조명등의 기술연구가 연구되고 있다. 또한, LED Package의 방열 성능을 향상시키기 위하여 표면처리 기술과 패키지 물질에 따른 열 설계, 주변 환경 및 구동조건을 고려한 구조설계 등의 연구가 활발히 되고 있다. 그러나 LED 조명을 실내조명으로 사용할 경우 여러 문제점들이 발생한다. LED는 빛의 직진성이 강하여 다른 조명 광원에 비하여 좁은 배광분포를 갖는다. 이로 인해 광 균일도 및 균제도가 좋지 못하는 단점들을 갖게 된다. LED 실내조명에서는 집적화 된 발광 면적에 대한 눈부심의 감소를 위해 적절한 Lens, 반사판, 투과판 설계가 요구된다. 그리하여, LED 조명의 조명효율 및 목적배광을 향상시키기 위해 일반적인 배광설계는 반사판 및 Lens 설계를 통해 연구된다. 그리고 일반적인 고출력 LED에서는 약 1W/mm²의 열을 발생시킨다. LED에서 발생하는 열은 패키지내의 열팽창계수가 서로 다르기 때문에 최대 정격이상의 높은 온도에 노출시키거나 열 순환을 반복하면 각기 다른 유형의 치명적 고장을 초래할 수 있다. 그리하여, 열이 높아지면 모듈의 수명이 감소되며, LED용 기판에 필수 불가결한 특성은 방열성이 높아야 한다는 점이다. 최근 컴퓨터를 이용하여 시뮬레이션을 통하여 Fin 설계, 방열도료 및 LED 접합 방법개선 등을 만족시키는 설계 변수를 결정하고 있다. 현재 제작 원가를 고려하여 가격이 저렴한 FR-4 PCB가 사용되고 있다. FR-4 PCB는 가격이 저렴한 장점이 있지만 열전도율이 낮아 PCB 가공 기술 방법의 다양화를 통해 보완하고 있다. 본 논문에서 실내용 LED Circline Type의 조명 제품을 설계할 때, 기본적인 배광데이터는 기존 실내조명과 만족해야 한다. 실내조명은 배광데이터는 Bat-Wing 형태의 배광과 광균일도와 균제도 등을 개선하여 한국 산업규격 조도기준(KSA 3011)실내등 조도기준에 적합한 목적을 가지고 LED 조명의 광각을 넓히는 방법을 실험한다. 반사판만을 적용하는 방법은 LED 조명의 광각을 넓히는데 보편화 되어 있고, 직진성의 배광형태와 발광면의 불균일성 및 균제도의 문제점을 개선하는데 어려움이 있다. 그리하여 광각을 넓힐 수 있는 실험방법으로 FPL 54W×3 조명기구를 27W×2 LED Module로 대체해서 사용 가능한 실내용 54W급 Circline Type LED Module에 투과판 설계를 통해 직진성의 배광형태를 Bat-Wing 패턴으로 구현하고자 한다. 또한, 발광면의 불균일성 및 균제도 개선을 위해 비구면 반사판 적용과 투과판의 굴절률을 조절하여 목적배광 110도 이상의 광각을 이룰 수 있는 배광 시뮬레이션 실험 및 조도 시뮬레이션을 실행하여 그 성능을 분석한다. 그리고 LED Module의 방열설계를 할 때, LED에서 발생하는 열을 빠르게 감소시키고 열 유동을 향상시키는 목적을 가지고 실험을 한다. 기존의 단품의 평판형 방열판만으로는 LED 발열에 의해 발생하는 기계적 고장, 수명감소, 열 유동 개선에 한계가 있다. 그리하여 공기 접촉면을 늘리고 방열 기능을 향상시켜 빠른 공기순환과 열 유동 및 LED Module의 절대온도를 감소시키는 방법으로 Circline Type 54W LED Module의 평판형 방열판과 FR-4 PCB의 구조적 변경 실험을 한다. 실험방법으로는 LED 배치간격 변경, PCB 구조변경, 방열판 구조변경을 하고 LED Module에 Air-Hole을 생성하여 공기 접촉면을 늘리고 방열 기능을 향상시켜 빠른 공기순환과 열 유동 향상 및 LED Module의 절대온도를 감소시키고자 한다. 그리고 알루미늄, 그래핀, 탄소나노튜브와 비교 실험을 하고 방열구조의 적합성과 특성을 개선 할 수 있는 방법을 도출한 결과는 다음과 같다. 첫 번째, FPL 54W×3 조명기구를 27W×2 LED Module로 대체해서 사용 가능한 실내용 54W급 Circline Type의 LED Module의 배광특성 분석과 주거공간의 조도시뮬레이션을 진행한 결과, 투과판 굴절각 160도를 적용하였을 때, 광각이 110도로 기존 조명과 유사함을 확인하였다. 전체 광속은 5,500Lm, 소비전력 54W, 평균조도는 294Lx이며, 최소조도는 184Lx, 최대조도는 399Lx으로 한국 산업규격 조도기준(KSA 3011)실내등 조도기준에 적합한 결과를 얻었다. 두 번째, LED 배치간격과 PCB 모양 변경을 통해 가로 10mm 간격으로 마름모 형태의 LED 배치와 PCB 외곽에 비대칭 5mm 곡률을 적용하였을 때 가장 우수한 결과를 확인하였다. 또한, 이를 적용한 FR-4 PCB LED Module의 PCB Size를 고려하여 반지름 3mm의 Air-Hole을 LED Module 면적의 10%, 20%, 30% 비율로 PCB와 주변에 Air-Hole을 생성하여 시뮬레이션을 진행한 결과, 30%, 50×30mm 간격, 52개를 생성하였을 때, 반지름 3mm의 Air-Hole을 면적의 10% 적용한 LED Module 보다 Max. 약 3.5℃∼Min. 약 3.1℃의 온도감소가 되는 결과를 얻었다. 세 번째, LED 배치간격과 PCB Air-Hole 생성을 통해 실험에 구조적합화 된 LED Module을 지지하고 있는 평판형 방열판에 반지름 40mm Size의 Air-Hole을 2, 4, 6개를 생성하여 시뮬레이션을 진행한 결과, Air-Hole 개수가 2개씩 증가할 때 Max.와 Min. 온도가 약 1∼1.5℃씩 감소하는 정형화 된 결론을 얻을 수 있었다. 또한, 6개를 생성하였을 때, 반지름 3mm의 Air-Hole을 면적의 10% 적용한 LED Module 보다 Max. 약 4.5℃, Min.
최근 기존 LED 조명의 배광을 개선하는 연구개발의 성과가 두드러지고 있으며, LED에 2차 Lens와 반사판을 이용한 LED 조명등의 기술연구가 연구되고 있다. 또한, LED Package의 방열 성능을 향상시키기 위하여 표면처리 기술과 패키지 물질에 따른 열 설계, 주변 환경 및 구동조건을 고려한 구조설계 등의 연구가 활발히 되고 있다. 그러나 LED 조명을 실내조명으로 사용할 경우 여러 문제점들이 발생한다. LED는 빛의 직진성이 강하여 다른 조명 광원에 비하여 좁은 배광분포를 갖는다. 이로 인해 광 균일도 및 균제도가 좋지 못하는 단점들을 갖게 된다. LED 실내조명에서는 집적화 된 발광 면적에 대한 눈부심의 감소를 위해 적절한 Lens, 반사판, 투과판 설계가 요구된다. 그리하여, LED 조명의 조명효율 및 목적배광을 향상시키기 위해 일반적인 배광설계는 반사판 및 Lens 설계를 통해 연구된다. 그리고 일반적인 고출력 LED에서는 약 1W/mm²의 열을 발생시킨다. LED에서 발생하는 열은 패키지내의 열팽창계수가 서로 다르기 때문에 최대 정격이상의 높은 온도에 노출시키거나 열 순환을 반복하면 각기 다른 유형의 치명적 고장을 초래할 수 있다. 그리하여, 열이 높아지면 모듈의 수명이 감소되며, LED용 기판에 필수 불가결한 특성은 방열성이 높아야 한다는 점이다. 최근 컴퓨터를 이용하여 시뮬레이션을 통하여 Fin 설계, 방열도료 및 LED 접합 방법개선 등을 만족시키는 설계 변수를 결정하고 있다. 현재 제작 원가를 고려하여 가격이 저렴한 FR-4 PCB가 사용되고 있다. FR-4 PCB는 가격이 저렴한 장점이 있지만 열전도율이 낮아 PCB 가공 기술 방법의 다양화를 통해 보완하고 있다. 본 논문에서 실내용 LED Circline Type의 조명 제품을 설계할 때, 기본적인 배광데이터는 기존 실내조명과 만족해야 한다. 실내조명은 배광데이터는 Bat-Wing 형태의 배광과 광균일도와 균제도 등을 개선하여 한국 산업규격 조도기준(KSA 3011)실내등 조도기준에 적합한 목적을 가지고 LED 조명의 광각을 넓히는 방법을 실험한다. 반사판만을 적용하는 방법은 LED 조명의 광각을 넓히는데 보편화 되어 있고, 직진성의 배광형태와 발광면의 불균일성 및 균제도의 문제점을 개선하는데 어려움이 있다. 그리하여 광각을 넓힐 수 있는 실험방법으로 FPL 54W×3 조명기구를 27W×2 LED Module로 대체해서 사용 가능한 실내용 54W급 Circline Type LED Module에 투과판 설계를 통해 직진성의 배광형태를 Bat-Wing 패턴으로 구현하고자 한다. 또한, 발광면의 불균일성 및 균제도 개선을 위해 비구면 반사판 적용과 투과판의 굴절률을 조절하여 목적배광 110도 이상의 광각을 이룰 수 있는 배광 시뮬레이션 실험 및 조도 시뮬레이션을 실행하여 그 성능을 분석한다. 그리고 LED Module의 방열설계를 할 때, LED에서 발생하는 열을 빠르게 감소시키고 열 유동을 향상시키는 목적을 가지고 실험을 한다. 기존의 단품의 평판형 방열판만으로는 LED 발열에 의해 발생하는 기계적 고장, 수명감소, 열 유동 개선에 한계가 있다. 그리하여 공기 접촉면을 늘리고 방열 기능을 향상시켜 빠른 공기순환과 열 유동 및 LED Module의 절대온도를 감소시키는 방법으로 Circline Type 54W LED Module의 평판형 방열판과 FR-4 PCB의 구조적 변경 실험을 한다. 실험방법으로는 LED 배치간격 변경, PCB 구조변경, 방열판 구조변경을 하고 LED Module에 Air-Hole을 생성하여 공기 접촉면을 늘리고 방열 기능을 향상시켜 빠른 공기순환과 열 유동 향상 및 LED Module의 절대온도를 감소시키고자 한다. 그리고 알루미늄, 그래핀, 탄소나노튜브와 비교 실험을 하고 방열구조의 적합성과 특성을 개선 할 수 있는 방법을 도출한 결과는 다음과 같다. 첫 번째, FPL 54W×3 조명기구를 27W×2 LED Module로 대체해서 사용 가능한 실내용 54W급 Circline Type의 LED Module의 배광특성 분석과 주거공간의 조도시뮬레이션을 진행한 결과, 투과판 굴절각 160도를 적용하였을 때, 광각이 110도로 기존 조명과 유사함을 확인하였다. 전체 광속은 5,500Lm, 소비전력 54W, 평균조도는 294Lx이며, 최소조도는 184Lx, 최대조도는 399Lx으로 한국 산업규격 조도기준(KSA 3011)실내등 조도기준에 적합한 결과를 얻었다. 두 번째, LED 배치간격과 PCB 모양 변경을 통해 가로 10mm 간격으로 마름모 형태의 LED 배치와 PCB 외곽에 비대칭 5mm 곡률을 적용하였을 때 가장 우수한 결과를 확인하였다. 또한, 이를 적용한 FR-4 PCB LED Module의 PCB Size를 고려하여 반지름 3mm의 Air-Hole을 LED Module 면적의 10%, 20%, 30% 비율로 PCB와 주변에 Air-Hole을 생성하여 시뮬레이션을 진행한 결과, 30%, 50×30mm 간격, 52개를 생성하였을 때, 반지름 3mm의 Air-Hole을 면적의 10% 적용한 LED Module 보다 Max. 약 3.5℃∼Min. 약 3.1℃의 온도감소가 되는 결과를 얻었다. 세 번째, LED 배치간격과 PCB Air-Hole 생성을 통해 실험에 구조적합화 된 LED Module을 지지하고 있는 평판형 방열판에 반지름 40mm Size의 Air-Hole을 2, 4, 6개를 생성하여 시뮬레이션을 진행한 결과, Air-Hole 개수가 2개씩 증가할 때 Max.와 Min. 온도가 약 1∼1.5℃씩 감소하는 정형화 된 결론을 얻을 수 있었다. 또한, 6개를 생성하였을 때, 반지름 3mm의 Air-Hole을 면적의 10% 적용한 LED Module 보다 Max. 약 4.5℃, Min.
Recent results of research and development to improve the distribution of traditional and LED lighting that stands out, the second lens and the LED lamp technology research has been studied using a reflector to the LED. In addition, a study considering the design of such structures and the environme...
Recent results of research and development to improve the distribution of traditional and LED lighting that stands out, the second lens and the LED lamp technology research has been studied using a reflector to the LED. In addition, a study considering the design of such structures and the environment and operating conditions for thermal design corresponding to the surface treatment technology and the package material has been actively conducted in order to improve the heat dissipation performance of the LED Package. However, if you use LED lighting in indoor lighting and many problems have occurred. LED has a narrow light distribution compared to the linearity of light other strong light source. So will have the light uniformity and evenness are poor shortcomings. In the reduction of glare LED room light emitting surface area is required for the integrated design appropriate Lens, reflector, transmissive plate. Thus, a typical optical design in order to improve the light efficiency and light distribution of the LED lighting purpose, the flow proceeds through the reflection plate and the lens design. Then, in the typical high-output LED generates heat of about 1W/mm². If the heat generated in the LED is repeatedly exposed to high temperature thermal cycling to or greater than the maximum rated thermal expansion coefficients are different, so that in the package can each result in a different type of fatal failure. Thus, the heat is increased, reducing the life of the module, an essential characteristic is that the substrate for LED high heat dissipation. Recently, determining the fin design, how to improve the heat dissipation materials and LED junction design parameters to satisfy the like and through the simulation using a computer. Currently, the price is cheap considering the production cost has been used FR-4 PCB. FR-4 PCB has the advantage of low thermal conductivity, but the price has been supplemented by the diversification of the lower PCB processing technology methods. In this paper, when designing indoor lighting products of LED circline type, basic light distribution data should be satisfied with the existing interior lighting. Interior lighting distribution data to improve the distribution and optical uniformity and evenness of the bat-wing type, etc. korea industrial standard illumination standards(KSA 3011) interior finish with the standards and test methods for the purpose to widen the wide-angle LED lighting. Applying only the reflector and is common to widen the wide-angle LED light, improve the problem of non-uniformity and evenness of the distribution of linearity, it is difficult to form the light-emitting surface. Thus, the light distribution in the form of straight through a permeable plate design FPL 54W×3 light fixtures to test ways to broaden wide angle to 27W×2 LED available for indoor and replaced by module 54W class circline type LED module as bat-wing pattern and to implement. Further, to improve the uniformity and evenness of the light-emitting surface by adjusting the refractive index of the aspherical reflector applied to the transmission of light distribution board object 110 by executing the simulation experiment, and the illuminance distribution can be achieved in the simulation and analysis of the performance over a wide angle. And when the thermal design of the LED module, reducing the heat generated from the LED quickly and with the aim of improving the heat flow to the experiment. Mechanical failure caused by the LED heat sink of the conventional plate-alone separately, life span, there is a limit to improve heat flow. Thus, to improve the heat dissipation capability of air contact to a rapid increase air circulation and heat flow and structural change experiments FR-4 PCB plate type heat sink and the circline type 54W LED module as a way to reduce the absolute temperature of the LED module. Experimental methods to change the LED spacing, PCB structural change, and the heat sink structure changes by creating the air-hole LED module improves the heat dissipation capabilities increase air circulation and heat flux air contacts faster improvement and the absolute temperature of the LED module was reduced. Then, the aluminum, graphene, carbon nanotubes, compared to the analysis results by comparison with experimental method to improve the suitability of the heat radiating structure and properties are as follows. First, FPL 54W×3 light fixtures are available to replace 27W×2 LED module after going to finish the simulation and analysis of the optical properties of indoor living space of LED module 54W class circline type, when applied to the transmission plate 160 angle, wide-angle 110 degrees was identified similar to the existing lighting, total flux is 5,500Lm, the power consumption 54W, the average roughness is 294Lx, the minimum roughness 184Lx, the maximum roughness is to 399Lx, korea industrial standard roughness standards (KSA 3011) the results were based on the ambient light for illumination. Second, when the interval width 10mm with 5mm applying asymmetrical curvature on the LED arrangement and the PCB outside of a diamond shape with the PCB and LED spacing shape change, make the best results, applying this FR-4 PCB LED module of the LED module air-hole area of radius 3mm in consideration of the PCB Size 10%, 20%, 30% air-hole to create a PCB and in a ratio close to the result of the simulation in progress, 30%, 50×30mm intervals, when generating a fifty-two, apply the air-hole 3mm 10% of the radius of the area than LED module max. about 3.5℃∼Min. to obtain a result of the reduced temperature is about 3.1℃. Third, the air-hole radius 40mm size of the arrangement pattern and the LED PCB air-hole which supports the LED module generates optimized through the plate-like heat sink 2, 4, 6 to generate one result of the process simulation, air-hole number will increase when the two screws max. and min. temperatures were obtained by a
Recent results of research and development to improve the distribution of traditional and LED lighting that stands out, the second lens and the LED lamp technology research has been studied using a reflector to the LED. In addition, a study considering the design of such structures and the environment and operating conditions for thermal design corresponding to the surface treatment technology and the package material has been actively conducted in order to improve the heat dissipation performance of the LED Package. However, if you use LED lighting in indoor lighting and many problems have occurred. LED has a narrow light distribution compared to the linearity of light other strong light source. So will have the light uniformity and evenness are poor shortcomings. In the reduction of glare LED room light emitting surface area is required for the integrated design appropriate Lens, reflector, transmissive plate. Thus, a typical optical design in order to improve the light efficiency and light distribution of the LED lighting purpose, the flow proceeds through the reflection plate and the lens design. Then, in the typical high-output LED generates heat of about 1W/mm². If the heat generated in the LED is repeatedly exposed to high temperature thermal cycling to or greater than the maximum rated thermal expansion coefficients are different, so that in the package can each result in a different type of fatal failure. Thus, the heat is increased, reducing the life of the module, an essential characteristic is that the substrate for LED high heat dissipation. Recently, determining the fin design, how to improve the heat dissipation materials and LED junction design parameters to satisfy the like and through the simulation using a computer. Currently, the price is cheap considering the production cost has been used FR-4 PCB. FR-4 PCB has the advantage of low thermal conductivity, but the price has been supplemented by the diversification of the lower PCB processing technology methods. In this paper, when designing indoor lighting products of LED circline type, basic light distribution data should be satisfied with the existing interior lighting. Interior lighting distribution data to improve the distribution and optical uniformity and evenness of the bat-wing type, etc. korea industrial standard illumination standards(KSA 3011) interior finish with the standards and test methods for the purpose to widen the wide-angle LED lighting. Applying only the reflector and is common to widen the wide-angle LED light, improve the problem of non-uniformity and evenness of the distribution of linearity, it is difficult to form the light-emitting surface. Thus, the light distribution in the form of straight through a permeable plate design FPL 54W×3 light fixtures to test ways to broaden wide angle to 27W×2 LED available for indoor and replaced by module 54W class circline type LED module as bat-wing pattern and to implement. Further, to improve the uniformity and evenness of the light-emitting surface by adjusting the refractive index of the aspherical reflector applied to the transmission of light distribution board object 110 by executing the simulation experiment, and the illuminance distribution can be achieved in the simulation and analysis of the performance over a wide angle. And when the thermal design of the LED module, reducing the heat generated from the LED quickly and with the aim of improving the heat flow to the experiment. Mechanical failure caused by the LED heat sink of the conventional plate-alone separately, life span, there is a limit to improve heat flow. Thus, to improve the heat dissipation capability of air contact to a rapid increase air circulation and heat flow and structural change experiments FR-4 PCB plate type heat sink and the circline type 54W LED module as a way to reduce the absolute temperature of the LED module. Experimental methods to change the LED spacing, PCB structural change, and the heat sink structure changes by creating the air-hole LED module improves the heat dissipation capabilities increase air circulation and heat flux air contacts faster improvement and the absolute temperature of the LED module was reduced. Then, the aluminum, graphene, carbon nanotubes, compared to the analysis results by comparison with experimental method to improve the suitability of the heat radiating structure and properties are as follows. First, FPL 54W×3 light fixtures are available to replace 27W×2 LED module after going to finish the simulation and analysis of the optical properties of indoor living space of LED module 54W class circline type, when applied to the transmission plate 160 angle, wide-angle 110 degrees was identified similar to the existing lighting, total flux is 5,500Lm, the power consumption 54W, the average roughness is 294Lx, the minimum roughness 184Lx, the maximum roughness is to 399Lx, korea industrial standard roughness standards (KSA 3011) the results were based on the ambient light for illumination. Second, when the interval width 10mm with 5mm applying asymmetrical curvature on the LED arrangement and the PCB outside of a diamond shape with the PCB and LED spacing shape change, make the best results, applying this FR-4 PCB LED module of the LED module air-hole area of radius 3mm in consideration of the PCB Size 10%, 20%, 30% air-hole to create a PCB and in a ratio close to the result of the simulation in progress, 30%, 50×30mm intervals, when generating a fifty-two, apply the air-hole 3mm 10% of the radius of the area than LED module max. about 3.5℃∼Min. to obtain a result of the reduced temperature is about 3.1℃. Third, the air-hole radius 40mm size of the arrangement pattern and the LED PCB air-hole which supports the LED module generates optimized through the plate-like heat sink 2, 4, 6 to generate one result of the process simulation, air-hole number will increase when the two screws max. and min. temperatures were obtained by a
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