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문제 정의
- 이 논문에서는 벅열전구 및 콤팩트 형광램프를 대체할 수 있는 고효율 LED 전구를 설계하였으며, 이를 위하여 고출력 LD의 전기적 . 광학적 .
가설 설정
- 이 연구에서는 고출력 LED의 전기적 . 광학적 .
제안 방법
- 1. 고출력 백색 1W LED를 사용한 LED 전구를 개발하는데 있어서, 기즌 고출력 LED MCPCB를 사용하지 않고 일반 PCB를 시용하는 LED 모듈 구조를 개발하여 저가격화를 실현하였다.
- 2. 열측정 장비 외선 카메라와 ICEPAK(열유동해석 프로그램)을 이용하여 최적의 방열설계를 실시하여, LED 칩 온도를 기존 140 V에서 100℃ 이하로 저하시킴으로써안정적인 구동 동작 특성을 확보하였다.
- LED 배열은 15W 광출력을 나타내기 위해 1W 백색 LED를 14개를 배열하여 사용하였으며, 고출력 LED를 회로 적으로 연결하기 위해 FR4 단면 LED 배열 PCB위에 고출력 LED를 실장한 후, LED 배열 Cover에 LED 배열을 접착하였다. 그리고 LED 배열내 각각의 고출력 LED 히트 슬러그를 히트싱크에 열 접착제 (Thermal Paste)로 접착하여 LED 모듈을 제작하였다.
- 그리고 LED 배열내 각각의 고출력 LED 히트 슬러그를 히트싱크에 열 접착제 (Thermal Paste)로 접착하여 LED 모듈을 제작하였다. LED 전구의 열설계에 의해 히트싱크와 그릴, 케이스는 열전도성이 매우 높은 알루미늄을 사용하였으며, 각각의 기구물간 상호 열전도성을 높이기 위하여 상호접합이 쉽고 열 경로가 비교적 넓은 구조로 제작하였다.
- 제작된 LED 전구에 대해 동작시간 및 주위온도에 따른 전기적 . 광학적 특성을 실험 분석하였으며, 각각의 분석된 결과를 가지고 LED 전구의 사용 환경 및 조건과 응용분야에 따른 최적의 회로 방식을 제안하였다.
- 그리고 LED 배열내 각각의 고출력 LED 히트 슬러그를 히트싱크에 열 접착제 (Thermal Paste)로 접착하여 LED 모듈을 제작하였다. LED 전구의 열설계에 의해 히트싱크와 그릴, 케이스는 열전도성이 매우 높은 알루미늄을 사용하였으며, 각각의 기구물간 상호 열전도성을 높이기 위하여 상호접합이 쉽고 열 경로가 비교적 넓은 구조로 제작하였다.
- 그림 9는 본 논문에서 제작된 LED 전구의 시제품을 나타내고 있으며, 제작 과정이 매우 간단한 구조로 설계하여 생산성을 높일 수 있도록 하였다. LED 전구의 기본 기구물은 LED 배열, LED 배열 덮개, 히트싱크, 케이스, 그릴 (Grill), 구동회로로 구성된다.
- 다수개의 1W 고출력 LED 패키지를 배열하기 위하여 한 개의 1W 백색 LED 패키지에 대한 열해석을 실시하여 그 타당성을 검증하고, 그 결과로부터 최적의 방열 구조 설계를 실시하였다. 그림 4는 ICEPAK(열유동해석 프로그램)을 이용한 열 해석을 위해, 이 논문에 사용된 LED 패키지의 실제 모양과 유사하게 3차원 모델링 한 것을 나타내고 있다.
- 따라서 이 논문에서는 LED의 히트슬러그가 저가격의 범용 인쇄회로기판가 접촉되지 않고 히트싱크와 연결되도록하고, LED의 전극부 애노드와 캐소드를 각각 전기적으로 직렬 배열(하나의 LED 애노드와 다른 하나의 LED 캐소드로 연결)할 수 있도록 저가격 범용 인쇄회로기판에 접합한다. 여기서 사용되는 LED는 이 논문에서와 같이 전극부(애노드, 캐소드)와 캉열부(Heat Slug)가 서로 마주보고 있는 반대쪽에 위치해 있어야만 가능하다.
- 이를 위하여 LED Array는 20W의 소비전력을 나타내기 위하여 14개위 1W 백색 LED를 사옹하여 설계하였으며, ICEPAK(열 유동해석프로그램)을 이용하여 측정된 1W 백색 LED의 특성과 동일하도록 LED 패키지 모델을 설계하고 이를 바탕으로 각 LED 전구의 구성품의 방열설계를 시 행하였다. 또한 LED 전구의 고효율화를 실현하기 위하여 14개의 LED 패키지를 정전압 구동회로 에 7개 직 렬로 구성된 2개의 String 배열과 정전류 구동시에 14개 직렬로 배열하고, LED Array의 동작 특성을 고려하여 정전압 및 정전류 구동회로를 설계하였다.
- 열적인 특성을 분석한 결과와 적외선 카메라와 ICEPAK(열 유동해석 프로그램)을 이용하여 14개의 LED 배열과 LED 전구의 최적 방열 및 기구 설계를 실시하였다. 또한 이러한 LED 전구를 최적 제어하기 위한 정전압과 정전류 제어방식의 구동 회로를 제안하였고, 각각의 구동회로를 제작하여 LED 전구의 전기적 . 광학적 특성을 측정한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 병렬 배열하였다. 또한 적외선 카메라와 ICEPAK(Computational Fluid Dynamics Software, 열유동해석 프로그램)을 이용하여 1W LED 패키지의 열적인 모델링을 시행하였고, 이를 바탕으로 냉각팬을 사용하지 않고 15W LED 배열에 따른 LED 소자의 온도 상승을 100℃ 이하로 억제할 수 있는 최적 방열 및 기구 설계를 실시하여 LED의 신뢰성을 확보하였다.
- 한다. 또한 측정된 열분포 및 열저항을 토대로 열 유동해석프로그램 (ICEPACK)을 이용하여 LED Array에 따른 열 해석을 실시하고, 이러한 열해석에 의해 최적의 방열 설계를 구현하여 LED 전구의 히트싱크 및 기구를 설계하였다. 선정된 LED 의 온도분포를 측정하기 위하여 LED 에 200mA, 300mA, 정격전류 350mA를 공급하고 LED에 공급되는 전력은 0.
- 먼저 ICEPACK(CFD 전산모사 프로그램)을 이용하여 열적인 시뮬레이션을 수행하여 히트싱크 등 등가체적의 면적을 구하고, 이를 기반으로 하여 설계된 LED Bulb의 기구물에 대하여 IR Camera를 이용하여 열 분포를 측정하였다. 그림 10은 제작된 15W LED 직렬 배열 구조에 대해 정격전류 350mA를 공급하여 측정한 결과이며, 히트싱크 온도 74笆와 LED Chip 온도 96.
- 또한 측정된 열분포 및 열저항을 토대로 열 유동해석프로그램 (ICEPACK)을 이용하여 LED Array에 따른 열 해석을 실시하고, 이러한 열해석에 의해 최적의 방열 설계를 구현하여 LED 전구의 히트싱크 및 기구를 설계하였다. 선정된 LED 의 온도분포를 측정하기 위하여 LED 에 200mA, 300mA, 정격전류 350mA를 공급하고 LED에 공급되는 전력은 0.525W, 0.93W, 1.2W이며, 이러한 각각의 입력전력를 인가하였을 경우에 IR Carmera(Thermal CAM B20) 을 이용하여 고출력 1W 백색 LED의 온도분포를 측정하였다. 표 2는 고출력 1W 백색 LED에 공급되는 소비전력에 따른 LED 소자와 히트슬러그(Heat Slug)의 온도, 그리고 소자와 히트슬러그의 온도 편차를 나타내고 있으며, 소자와 히트 슬러그의 온도편차에 대한 Heat Flow를 감안하여 각각의 소비전력에 따른 열저항을 구하였다.
- 광학적 . 열적인 특성을 분석한 결과와 적외선 카메라와 ICEPAK(열 유동해석 프로그램)을 이용하여 14개의 LED 배열과 LED 전구의 최적 방열 및 기구 설계를 실시하였다. 또한 이러한 LED 전구를 최적 제어하기 위한 정전압과 정전류 제어방식의 구동 회로를 제안하였고, 각각의 구동회로를 제작하여 LED 전구의 전기적 .
- 중심으로.위 아래로 7개씩 LED 를 직렬 연결하였으며, 중앙 오른쪽과 왼쪽에 각각의 LED 7개에 대한 직렬 Array 의 + - 출력단자를 만들었다. 전체 LED Aay를 14개 LED 직렬구조로 실험할 경우에는 한쪽 터미널 + -를 연결하고 다른 쪽 단자를 구동회로에 연결하면 되고, 7개 LED 직렬연결에 대한 2개의 String 병 렬 구조(직병 렬구조)로 할 경 우에는 각각의 출력단자를 구동회로에 연결하면 된다.
- 이 논문에서 설계된 LED 전구는 LED Array, LED Array Cover, 히트싱크(Heat Sink), Case, Grill, 구동 회로로 구성하여 매우 콤팩트하게 설계하였다. 이를 위하여 LED Array는 20W의 소비전력을 나타내기 위하여 14개위 1W 백색 LED를 사옹하여 설계하였으며, ICEPAK(열 유동해석프로그램)을 이용하여 측정된 1W 백색 LED의 특성과 동일하도록 LED 패키지 모델을 설계하고 이를 바탕으로 각 LED 전구의 구성품의 방열설계를 시 행하였다.
- 이러한 LED 패키지 열적 모델을 14개 배열하여 LED 전구의 열적 모델을 설계하였으며, 이러한 배열에 의해 발생된열은 핀이 구비된 방열판 외에도 전구 케이스 및 덮개를 통하여 방출되며 이에 대한 적절한 설계가 요구된다. 이러한 히트싱크와 전구 케이스, 덮개 등의 열 방출 요소를 원활한 Hexagonal Mesh 처리를 위하여 유한 체적 해석(FVM, Finite-Volume-Method)에 맞게 등가체적으로 통합하여 모델링을 실시하고, 이를 열 해석 전산모사를 실시하여 최적의 등가 체적을 구하고 여기에 맞게 히트싱크와 전구 케이스, 덮게 등을 설계하였다.
- 이러한 고출력 1W 백색 LED의 열적 모델은 LED 소자의 내부 구조를 알 수 없기 때문에 Sapphire 기판위에 Heat Source가 있는 형태로 변경하여 모델링 하였으며, 이러한 Heat Source는 1mmxlmm 면적으로 대면적 Chip의 열특성을 적용하였다.
- 이러한 히트싱크와 전구 케이스, 덮개 등의 열 방출 요소를 원활한 Hexagonal Mesh 처리를 위하여 유한 체적 해석(FVM, Finite-Volume-Method)에 맞게 등가체적으로 통합하여 모델링을 실시하고, 이를 열 해석 전산모사를 실시하여 최적의 등가 체적을 구하고 여기에 맞게 히트싱크와 전구 케이스, 덮게 등을 설계하였다.
- 이렇게 최적 방열 설계된 LED 배열 및 LED 전구의 구조에 대해 정전압 및 정전류 제어방식의 구동회로를 70% 이상의 고효율과 90% 이상의 고역률을 실현할 수 있도록 설계하여 LED 전구를 제작하였다. 제작된 LED 전구에 대해 동작시간 및 주위온도에 따른 전기적 .
- 매우 콤팩트하게 설계하였다. 이를 위하여 LED Array는 20W의 소비전력을 나타내기 위하여 14개위 1W 백색 LED를 사옹하여 설계하였으며, ICEPAK(열 유동해석프로그램)을 이용하여 측정된 1W 백색 LED의 특성과 동일하도록 LED 패키지 모델을 설계하고 이를 바탕으로 각 LED 전구의 구성품의 방열설계를 시 행하였다. 또한 LED 전구의 고효율화를 실현하기 위하여 14개의 LED 패키지를 정전압 구동회로 에 7개 직 렬로 구성된 2개의 String 배열과 정전류 구동시에 14개 직렬로 배열하고, LED Array의 동작 특성을 고려하여 정전압 및 정전류 구동회로를 설계하였다.
- 2W이며, 이러한 각각의 입력전력를 인가하였을 경우에 IR Carmera(Thermal CAM B20) 을 이용하여 고출력 1W 백색 LED의 온도분포를 측정하였다. 표 2는 고출력 1W 백색 LED에 공급되는 소비전력에 따른 LED 소자와 히트슬러그(Heat Slug)의 온도, 그리고 소자와 히트슬러그의 온도 편차를 나타내고 있으며, 소자와 히트 슬러그의 온도편차에 대한 Heat Flow를 감안하여 각각의 소비전력에 따른 열저항을 구하였다. 이렇게 구해진 각각의 열저항을 평균하여 고출력 1W 백색 LED의 열저항을 구할 수 있으며, 열저항 값이 25.
대상 데이터
- LED 전구에 사용되는 LED는 전구의 좁은 면적에 최대의 배광특성과 광출력을 나타낼 수 있는 1W 소비전력에 높은 광속 301m과 넓은 발산각(Beam Angle) 100°, 낮은 열저항의 고출력 백색 LED를 선택하였으며, 표 1은 이러한 고출력 백색 LED의 특성을 나타내고 있다.
- 높일 수 있도록 하였다. LED 전구의 기본 기구물은 LED 배열, LED 배열 덮개, 히트싱크, 케이스, 그릴 (Grill), 구동회로로 구성된다. 전체 LED 전구의 크기는 지름 80mm X 높이 95mm이고, 전체 높이 95mm는 베이스 30mm, 구동회로 50mm, 히트싱크 10mm, LED 배열 및 덮개 5nun로 매우 콤팩트하게 구성하였다.
- 저가격 범용 PCB는 현재 범용으로 사용되고 있는 FR-4(Epoxy), CEM(Contract Electronic Manufacturing) 기판 재질을 사용함으로써, 기존 LED 모듈에 많이 사용되는 MCPCB보다 가격이 매우 저렴하고 공정이 매우 간단하며 양면 또는 다층 구조로 전기적 연결이 가능하다.
- 전산 모사로부터 얻어진 등가 체적 4, 299cm3을 반영하여 그림 6과 같이 전구의 케이스, 방열판과 덮개를 설계하였으며, 전체 설계 높이는 76mm이고 지름은 41mm이며 모든 구성 요소는 알루미늄 재질로 되어 있다.
- LED 전구의 기본 기구물은 LED 배열, LED 배열 덮개, 히트싱크, 케이스, 그릴 (Grill), 구동회로로 구성된다. 전체 LED 전구의 크기는 지름 80mm X 높이 95mm이고, 전체 높이 95mm는 베이스 30mm, 구동회로 50mm, 히트싱크 10mm, LED 배열 및 덮개 5nun로 매우 콤팩트하게 구성하였다. 이는 기존 일반 백열전구의 높이와 유사하게 설계한 것으로 백열전구 및 콤팩트 형광램프(CFL, Compact Fluorescent lamp)를 대체하기 위함이다.
이론/모형
- 실제 정전압 구동회로는 L6561 IC를 사용하여 Single stage flyback converter 방식으로 구성하였으며, 출력전압을 정전압으로 구현하기 위한 Feedback 회로는 안정적인 출력전압을 검출할 수 있는 Shunt Regulator KA431 을 이용하였다.
성능/효과
- 3. 고출력 LED 전구의 컴팩트회-, 고효율화를 실현하기 위하여 정전압과 정전류 구동방식을 제시하고, 회로 효율 약 75% 이상의 고효율화와 약 95% 이상의 고역률을 실현하여 고효율 LED 전구를 개발하였다.
- 4. 정전압 구동방시은 동작시간에 무관하게 일정한 광출력을 나타내고 주위온도가 증가함에 따라 광출력이 증가하며, 정전류 구등방식은 초기 시동시 높은 광출력을 나타내지만 동작시간의 경과에 따라 광출력 감소율이 높게 나타나고 주위온도의 감소에 따라 광출력이 증가하는 특성을 나타낸다.
- 5. 따라서 짧은 동작시간(약 30분)과 저온 동작하는 경광등, 복도등, 섬광등 등에는 정전류 구동회로가 적합하고, 오랜 시간 점등되고 고온 동작하는 실내등, 독서등 등에는 정전압 구동회로가 적합함을 알 수 있다.
- 대한 정의는 어렵다. 따라서 실험에 적용된 LED 패키지의 측정된 결과와 전산 모사의 결과에 대한 편차 보정을 위하여, LED 패키징 과정에서 공정 능력 확보가 어려운 열 전도성 접착제의 두께를 전산 모사의 환경에서 정합하였다.
- 발생하는 단점이 있다. 본 논문에서 제작한 정전류 제어회로는 역률이 약 95%로 나타났으며, 정전압 구동회로(약 98%이상)보다 낮은 역률을 나타내었다.
- 광학적 . 열적인 특성을 분석한 결과를 토대로 MCPCB를 사용하지 않고 전구 형태의 좁은 면적에 고출력 백색 1W LED 14개를 직 . 병렬 배열하였다.
- 8℃의 결과를 나타냈다. 이러한 측정 결과는 ICEPACK의 열적인 시뮬레이션 결과와 동일함을 알 수 있었고, 이후 고출력 LED 조명 제품 설계에 적용 가능하다.
- 표 2는 고출력 1W 백색 LED에 공급되는 소비전력에 따른 LED 소자와 히트슬러그(Heat Slug)의 온도, 그리고 소자와 히트슬러그의 온도 편차를 나타내고 있으며, 소자와 히트 슬러그의 온도편차에 대한 Heat Flow를 감안하여 각각의 소비전력에 따른 열저항을 구하였다. 이렇게 구해진 각각의 열저항을 평균하여 고출력 1W 백색 LED의 열저항을 구할 수 있으며, 열저항 값이 25.1 ℃/W 임을 알 수 있었다.
- 이렇게 설계된 LED 패키지에 소비전력을 온도분포 측정시 입력전압과 동일하게 각각 1.2 W, 0.93 W, 1.2 W로 인가하면서 전산모사를 수행하였으며, 전사모사 결과가 실제 열저항 측정값 25.12 ℃/W가 되기 위해서는 열 전도성 접착제의 두께는 65 um임을 알 수 있었다. 이러한 열전도 접착제의 두께를 적용하여 최종 고출력 1W 백색 LED 열적 모델을 완성하였다.
- 표 3은 정전압 및 정전류 구동회로에 대한 LED 전구의 특성을 나타낸 것으로, 제작된 LED 전구는 약 75% 이상 의회로 효율과 약 95% 이상의 고역률, 약 20 lm/W 이상의 고효율 LED 전구를 실현하였다. 정전압 구동회로가 정전류 구동회로 보다 회로 및 발광효율이 높고 역률이 높게 나타남을 알 수 있으며, 이것은 정전류 구동회로가 PFC IC와 LED 드라이버 IC를 사용하여 PFC와 LED 제어가 분리된 Two Stage 방식을 사용하기 때문이다.
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