본 논문은 MCPCB에 다수의 와트급 LED를 모듈화하여 조명기구로 사용함에 따라 발생하는 열을 해결하기 위한 제안이다. LED가 조명기구로 사용되려면 칩의 용량이 커야하며 이 결과 P-N접합부의 열이 증가하게 됨으로 이를 해결하기 위해 펠티어 소자와 방열판 그리고 Fan을 설치하여 온도변화특성을 측정하였다. 또한 부가적으로 냉각소자와 방열판을 접속하는 열전도판, 단열재, Thermal Grease에 따른 온도변화특성을 실험하였다. 그 결과 방열판의 종류 및 체적에 따른 온도 변화가 가장 중요한 요소로 나타났다. Fan의 on, off에 따른 온도변화는 최대 $18[^{\circ}C]$의 변화폭을 주었으며 부가적 재료들도 $2{\sim}3[^{\circ}C]$의 온도변화에 영향을 주어 무시할 수 없는 요소임을 확인하였다.
본 논문은 MCPCB에 다수의 와트급 LED를 모듈화하여 조명기구로 사용함에 따라 발생하는 열을 해결하기 위한 제안이다. LED가 조명기구로 사용되려면 칩의 용량이 커야하며 이 결과 P-N접합부의 열이 증가하게 됨으로 이를 해결하기 위해 펠티어 소자와 방열판 그리고 Fan을 설치하여 온도변화특성을 측정하였다. 또한 부가적으로 냉각소자와 방열판을 접속하는 열전도판, 단열재, Thermal Grease에 따른 온도변화특성을 실험하였다. 그 결과 방열판의 종류 및 체적에 따른 온도 변화가 가장 중요한 요소로 나타났다. Fan의 on, off에 따른 온도변화는 최대 $18[^{\circ}C]$의 변화폭을 주었으며 부가적 재료들도 $2{\sim}3[^{\circ}C]$의 온도변화에 영향을 주어 무시할 수 없는 요소임을 확인하였다.
The object of this paper is to propose a method to solve resulting heat in using numerous modulized watt-class LEDs in MCPCB as lighting device. To use LED for lighting, the chip needs to have a large capacity, resulting in extra heat in P-N connection area. To solve this problem, a Pottier Module, ...
The object of this paper is to propose a method to solve resulting heat in using numerous modulized watt-class LEDs in MCPCB as lighting device. To use LED for lighting, the chip needs to have a large capacity, resulting in extra heat in P-N connection area. To solve this problem, a Pottier Module, heat-sink panel and a fan was installed to measure variations in the temperature. Additionally, temperature variation characteristics were observed according to the heat conductor panel connecting cooling module and heat-sink panel, insulator and thermal grease. As a result, the type and amount of heat-sink panel was the most important facto. The fan would effect the temperature by max. $18[^{\circ}C]$ while other materials affected the temperature by $2{\sim}3[^{\circ}C]$, showing significant difference.
The object of this paper is to propose a method to solve resulting heat in using numerous modulized watt-class LEDs in MCPCB as lighting device. To use LED for lighting, the chip needs to have a large capacity, resulting in extra heat in P-N connection area. To solve this problem, a Pottier Module, heat-sink panel and a fan was installed to measure variations in the temperature. Additionally, temperature variation characteristics were observed according to the heat conductor panel connecting cooling module and heat-sink panel, insulator and thermal grease. As a result, the type and amount of heat-sink panel was the most important facto. The fan would effect the temperature by max. $18[^{\circ}C]$ while other materials affected the temperature by $2{\sim}3[^{\circ}C]$, showing significant difference.
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문제 정의
LED 배치를 위한 기판에는 일반 PCB(Printed Circuit Boards)를 사용하는 방법과 FR-4를시용하는 방법, 그리고 MCPCB(Metal Core Printed Circuit Boards)를 사용하는 방법이 있으나 방열효과를 얻기 위해서는 MCPCB 방법이 가장 우수하나 이것 역시 고출력 LED의 좁은 간격 배치에는 한계가 있어 별도의 냉각장치가 필요하다. 그러므로 본 논문에서는 MCPCB 를 사용한 LED 40[W]급 조명기구를 제작하여 펠티어 소자를 사용한 LED조명기구 방열의 온도 특성에 대하여 연구하고자 한다.
규정하여 가능여부를 판단한다. 또한 방열기에 따른 온도 변화와 Thermal Grease에 의한 온도 변화 특성을 고려하여 LED조명기구의 발열이 얼마나 감소할 수 있는지에 대하여 세밀하게 연구하며 LED 용량과 배열에 따라 열량의 변화를 예측할 수 있도록 실험한다.
제안 방법
우선 열전소자의 HM6040의 시간대 온도별 냉온 특성을 토대로 MCPCB 에 설치된 40[W] LED Lamp의 온도특성(방열장치 제외) 을 측정한다. 그리고 LED 40[W] 조명을 off 상태에서 냉각장치를 부착하여 Fan을 on, off시 온도특성의 변화 특성을 실험한다.
먼저 본 연구에서는 120[이의 빔각을 갖고, 1[W]이며 65[lm/w]의 효율을 갖는 제품을 사용하여 LED 40[W] (1Wx40개) 조명기구를 방열효과가 우수한 MCPCB에 설치하였다. 그리고 표 1과 같은 특성을 가진 열전소자의 냉각부에 접속된 열전도판과 접착하였으며, 단열재를 부가하여 열전소자와 방열기판을 스크류 나사를 이용하여 부착하였다. 스크류 작업시에는 부착력의 불균등 분배로 인하여 냉각이나 발열효과의 편심이 발생하지 않도록 토오크 렌치를 이용하여 35O[psi]로 네모서리의 힘을 균일하게 조여 주었다.
다음은 LED 40[W]조명기구에 전원공급과 동시에 방열 장치와 Fan에 전원을 공급하여 Fan의 on, off에 따른 온도 특성을 측정하며, LED조명기구의 파손 온도를 80 [℃] {LED Lamp의 온도+주변온도(Housing 설치시 밀폐온도)}로 규정하여 가능여부를 판단한다. 또한 방열기에 따른 온도 변화와 Thermal Grease에 의한 온도 변화 특성을 고려하여 LED조명기구의 발열이 얼마나 감소할 수 있는지에 대하여 세밀하게 연구하며 LED 용량과 배열에 따라 열량의 변화를 예측할 수 있도록 실험한다.
정리한다. 먼저 본 연구에서는 120[이의 빔각을 갖고, 1[W]이며 65[lm/w]의 효율을 갖는 제품을 사용하여 LED 40[W] (1Wx40개) 조명기구를 방열효과가 우수한 MCPCB에 설치하였다. 그리고 표 1과 같은 특성을 가진 열전소자의 냉각부에 접속된 열전도판과 접착하였으며, 단열재를 부가하여 열전소자와 방열기판을 스크류 나사를 이용하여 부착하였다.
26μ6의 실내에서 측정한다. 우선 열전소자의 HM6040의 시간대 온도별 냉온 특성을 토대로 MCPCB 에 설치된 40[W] LED Lamp의 온도특성(방열장치 제외) 을 측정한다. 그리고 LED 40[W] 조명을 off 상태에서 냉각장치를 부착하여 Fan을 on, off시 온도특성의 변화 특성을 실험한다.
대상 데이터
가격은 사출성형 제품에 비해 조금 비싸지만 방열 효과는 매우 뛰어나다. 본 실험에서는 크기가 19O[W]xl3O[D]x3O[H]인 사출성형 방열기를 사용한다.
본 실험을 위하여 구성한 실험장치는 그림 1의 실험기구의 장치도와 같이 펠티어 소자와 열전도판, 단열재, 방열판 등의 Heat-sink set와 냉각팬과 펠티어 소자에 전원을 공급하기 위한 직류전원 공급장치 SMPS(Switch Mode Power Supply), LED조명기구의 온도 측정을 위한 DAQ Board(YOKOGAWA MV-100) 및 데이터 수집을 위한 P/C로 구성된다.
본 연구의 실험에서와 같이 냉각소자 HM6040과 알루미늄 방열판 190[W]x130[D]x30[H]방열판, 냉각Fan, 열전 도판을 사용하고 전원장치는 DC24[V]-0.6[A]를 공급한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
실험 조건으로 LED Lamp를 외함 없이 제작하고 측정온도를 26μ6의 실내에서 측정한다. 우선 열전소자의 HM6040의 시간대 온도별 냉온 특성을 토대로 MCPCB 에 설치된 40[W] LED Lamp의 온도특성(방열장치 제외) 을 측정한다.
성능/효과
1) Fan의 on, off에 따른 온도변화는 LED Lamp를 off 하였을 경우 -5[专]차이로 그 효과가 미미하였으나 LED Lamp를 on한 상태에서는 최종적으로의 온도 차이를 나타내 펠티어 소자의 방열 효과가 만족한 것으로 판단되었다.
2) 열전소자 부착시 스크류 나사의 사용과 소자와 방열판 사이의 열전달을 향상시키기 위한 Thermal Grease의 효과로 10분후 약 3[切정도 더 낮아져 열전달 효과가 우수함을 입증할 수 있었다.
3) 부가적으로 열전소자 및 Fan에 충분한 전원을 공급하기 위한 SMPS도 중요 요소임을 실험과정에서 알 수 있었다.
실험 시작은 26[t!]에서 출발하여 Fan의 on, o任에 따라 그 차이가 벌어져 10분후에는 18[P]의 온도 차이가 생김을 알 수 있다. 이 과정에서 우리는 LED Lamp의 발열 온도가 높아짐에 따라 Fan의 역할이 중요함을 알 수 있으며 펠티어 소자를 이용한 냉각방식이 40[W]급에는 충분한 냉각 효과를 수행할 수 있음을 검증할 수 있었다. 그림 6 은 최종적으로 구성된 작품의 완성도이다.
나타낸 것이다. 전원은 DC24[V〕-0.6[A]를 인가하였으며 60분 동안 초, 분단위로 측정한 결과 최초 22[。由에서 최대 54『C]까지 상승하는 것으로 조사되었다. o~5분 사이 34[切까지 급속한 온도증가를 보이고 있지만 그 이후는 점진적으로 상승하는 것을 알 수 있었다.
후속연구
5x26으로 제작하였으나 금후 LED Lamp의 용량 증가와 배치 간격이 좁아질 경우에는 냉각소자와 방열판의 설계가 가장 중요한 요소로 이에 대한 연구가 지속되어야 할 것이다. 개선사항으로는 냉각소자의 성능향상을 위한 소재개선과 전원장치의 개발, 표면적이 크고 열전도가 좋은 Heat-sink의 복합적 연구가 필요하다.
현재 이론적 효율인 200[lm/W]의 중간 단계인 100[lm/W]가 출시되고 있어 일반 광원의 대체 속도가 더욱 가속화 할 것으로 예측한다. 또한 유럽연합 EU(European Union) 의 RoHS (Restriction of the use of certain Hazardous Substance) 에저촉되지 않는 친환경 광원으로서의 기폭제 역할을 할 것으로 기대한다[1]. LED는 일반조명에 비해 저 전력, 장수명이며 크기가 작고 가동부분이 없어 진동 및 충격에 강한 특징이 있으며 또한 조명용으로 제작된 것은 자외선과 적외선이 없는 우수한 가시광선만이 존재한다.
본 실험에서는 led Lamp의 크기는 340[W]x]30[D] 이며 LED의 배치 간격을 42.5x26으로 제작하였으나 금후 LED Lamp의 용량 증가와 배치 간격이 좁아질 경우에는 냉각소자와 방열판의 설계가 가장 중요한 요소로 이에 대한 연구가 지속되어야 할 것이다. 개선사항으로는 냉각소자의 성능향상을 위한 소재개선과 전원장치의 개발, 표면적이 크고 열전도가 좋은 Heat-sink의 복합적 연구가 필요하다.
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