[논문]히트파이프를 사용한 조명용 LED의 냉각에 대한 연구

장영운; 김병호; 임익태

히트파이프를 사용한 조명용 LED의 냉각에 대한 연구
A Study on the Cooling of High Power LED Component using Flat Heat Pipe 원문보기

반도체및디스플레이장비학회지 = Journal of the semiconductor & display equipment technology, v.8 no.4, 2009년, pp.25 - 29

장영운 (전북대학교 대학원 기계설계공학부) , 김병호 (TTM(주)) , 임익태 (전북대학교 공과대학 기계설계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a thin plate-type heat pipe, instead of a solid aluminium heat sink, is used to eliminate heat released from LED components for lighting. Effects of the heat pipe size and installation angle are studied both in numerically and experimentally. According to the results, temperature on LED chip, when a heat pipe is used, is $1.2^{\circ}C$ lower than using the conventional metal PCB. The overall temperature drop is $32^{\circ}C$ if the heat pipe is properly used. The highest cooling performance is obtained in the case when the angle of a heat pipe installation is $90^{\circ}$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고체 알루미늄 히트 싱크 등의 방열 한계를 극복하기위해 상변화 물질을 적용한 히트파이프(heat pipe)를 이용하여 LED에서 방출되는 열을 제거하고자 시도하였으며 냉각효과에 대해 실험과 수치 해석을 통해 분석하였다.

가설 설정

고체부분사이에서는 열유속이 연속이라고 가정하였으며 소자와 공기와의 접촉면에 대해서는 다음과 같은 대류경계조건을 사용하였다.
주위 온도는 22o C로 가정하였다.

제안 방법

각도가 증가함에 따라 점차적으로 온도가 감소하는 것은 자연대류 효과가 커지기 때문인 것으로 판단된다. 다음으로 소자 하부에 Fig. 2와 같이 히트파이프를 설치하였을 때의 온도를 측정하였다. 히트파이프의 크기에 따른 영향을 살펴보기 위하여 서로 다른 크기의 두 가지 히트파이프를 사용하였으며 첫 번째(model-1)는 1.
먼저 LED의 열 방출이 어느 정도인지 알아보기 위하여 히트파이프를 부착하지 않은 상태에서 LED소자의 온도를 측정하였다. 온도 측정은 3개의 LED를 사용하여 3번씩 측정하였다.
따라서 이열의 제거를 목표로 많은 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 LED에서 방출되는 열을 제거하고자 고체 알루미늄 히트 싱크 대신 히트파이프를 적용하였다.
실험에서는 먼저 히트파이프의 설치에 따른 냉각효과를 확인한 후 히트파이프의 설치 각도에 따른 냉각 효과를 파악하기 위하여, 히트파이프의 각도를 0도, 30도, 60도, 90도로 변화시키면서 온도를 측정하였다.
온도 측정 위치는 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 LED와 히트파이프를 부착한 후 LED소자 아랫면의 중심부분이며 전원 작동 후 정상상태에 도달한 이후에 측정하였다.
먼저 LED의 열 방출이 어느 정도인지 알아보기 위하여 히트파이프를 부착하지 않은 상태에서 LED소자의 온도를 측정하였다. 온도 측정은 3개의 LED를 사용하여 3번씩 측정하였다. LED에 히트파이프를 부착한 경우와 비교하기 위하여 각도에 따른 온도 변화를 측정하여 그 결과를 Fig.
3 (b)와 같이 사면체 요소로 분할하였다. 해석을 위한 형상은 원래 소자와 단면 면적은 같도록 해석시간을 줄이기 위하여 가장자리의 복잡한 곡면을 무시하고 직각으로 처리하였다. 칩에서 발생하는 열을 q_gen 이라 하면 고체 각 부분의 온도분포에 대한 지배 방정식은 다음과 같다.

대상 데이터

LED에 대한 냉각효과를 실험하기 위하여 본 연구에서는 교류로 연결이 가능한 서울반도체(주)의 4W용 LED 아크리치를 사용하였다. 또한 방출열을 제거하기 위한 히트파이프는 열전도성이 우수한 아세톤을 작동 유체로 사용하는 평판형 히트파이프[6]를 사용하였으며 온도측정은 Fig.
LED에 대한 냉각효과를 실험하기 위하여 본 연구에서는 교류로 연결이 가능한 서울반도체(주)의 4W용 LED 아크리치를 사용하였다. 또한 방출열을 제거하기 위한 히트파이프는 열전도성이 우수한 아세톤을 작동 유체로 사용하는 평판형 히트파이프[6]를 사용하였으며 온도측정은 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 T-형 열전대와 Agilent사의 데이터 수집 장치[7]를 사용하였다.
2와 같이 히트파이프를 설치하였을 때의 온도를 측정하였다. 히트파이프의 크기에 따른 영향을 살펴보기 위하여 서로 다른 크기의 두 가지 히트파이프를 사용하였으며 첫 번째(model-1)는 1.6 mm×30 mm×60 mm이며 두 번째(model-2)는 두께가 더 얇은 1.2 mm×20 mm×60 mm 크기이다. Fig.

이론/모형

LED 단품소자에 대한 온도분포해석은 범용 유한요소 해석프로그램인 I-DEAS[8]를 이용하였다.

성능/효과

LED 소자에서 냉각 효율은 사용각도가 90^o일 때 가장 크게 나타났으며 히트파이프의 크기에 의해서도 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다.
히트파이프를 부착하지 않았을 경우의 70℃ 정도에 비해 큰 냉각효과가 있음을 볼 수 있다. 또한 90^o에서 최대로 떨어지는 것을 보여주고 있어 히트파이프의 설치 각도가 90^o일 때 가장 효율이 좋다는 것을 알 수 있다. Fig.
본 연구를 통해 종래의 메탈 PCB대신 히트파이프를 적용하였을 때 LED칩 부분에 대한 1.2℃ 온도강하가 예측되었으며 이것을 바탕으로 실험한 결과 32℃의 냉각 효과를 달성하였다.
5는 LED소자에 일반적으로 사용하는 메탈 PCB와 이에 대한 대용으로서 평판형 히트파이프를 사용한 경우에 대한 해석결과를 나타낸다. 전체적인 온도 분포는 유사하지만 히트파이프를 메탈PCB 대용으로 사용한 경우 칩의 최고 온도가 1.2℃ 낮은 것으로 예측되었다. 또 히트파이프를 사용한 경우 소자로부터 공기로의 냉각이 빠르게 이루어져서 소자 고체 부분의 평균온도가 낮은 것을 확인할 수 있다.
#1은 측정한 평균온도를 나타낸 것이고 #2는 측정값을 선형으로 나타낸 것이다. 측정 결과 소자의 온도는 67℃에서 72℃정도로 많은 열이 방출되고 있다는 것을 알 수 있다. 각도가 증가함에 따라 점차적으로 온도가 감소하는 것은 자연대류 효과가 커지기 때문인 것으로 판단된다.

후속연구

히트파이프의 설치각도가 30^o일 때는 냉각효과가 나쁘게 나타났는데 이에 대한 원인은 히트파이프 내의 wick부의 모세관 현상에 대한 자세한 연구가 이루어져야 밝힐 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	백색 LED의 장점은?	백색 LED는 보통 질화갈륨을 기본으로 하는 청색 LED에 백색 Cerium-doped yttrium aluminum garnet(YAG:Ce) phospher를 사용할 때 짧은 파장이 변화하는 현상을 이용하는 것으로 현재 사용되는 실내조명기 구인 백열등과 형광등에 비해 수명이 매우 길다. 또한 전기에너지를 빛에너지로 직접 변환하기 때문에 저전력 고효율이며, 형광등에 사용되는 수은과 같은 화학물질에 의한 환경오염이 예방되는 장점이 있다. 그러나 입력전원의 약 80% 이상이 열로 발산되며 이 열이 LED의 수명을 좌지우지함으로써 LED소자의 신뢰성과 전기광학적 특성 저하를 가져온다[1].
	히트파이프란 무엇인가?	히트파이프는 밀폐용기 내부의 작동유체가 연속적으로 기체-액체간의 상변화 과정을 통하여 용기 양단 사이에 열을 전달하는 장치로 잠열(latent heat)을 이용하여 열을 이동시킴으로써 매우 큰 열전달 성능을 발휘하는 장치이다. 작동하는데 별도의 동력원을 필요로 하지 않으며 그 자체가 어느 정도의 하중을 견딜 수 있는 구조물로서의 역할을 할 수 있는 장점이 있다.
	본 연구에서는 LED에서 방출되는 열을 제거하고자 고체 알루미늄 히트 싱크 대신 히트파이프를 적용하였다, 이에 대한 결과는?	본 연구를 통해 종래의 메탈 PCB대신 히트파이프를 적용하였을 때 LED칩 부분에 대한 1.2oC 온도강하가 예측되었으며 이것을 바탕으로 실험한 결과 32oC의 냉각 효과를 달성하였다. LED 소자에서 냉각 효율은 사용각도가 90o일 때 가장 크게 나타났으며 히트파이프의 크기에 의해서도 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다.

참고문헌 (8)

N. Narendran, Y. Gu, J.P. Freyssinier, H. Yu, L. Deng,

상세보기
산업자원부, 한국과학기술정보연구원, LED 방열기술의 특허기술동향, IOD Serial#:7-0002,15,2005.4.
Vasiliev, L.L., “Micro and miniature heat pipes-Electronic

상세보기
Kang, S.-W., Tsai, S.-H., Ko, M.-H., “Metalic micro

상세보기
손원국, “LED 조명기술과 시장 동향”, 한국반도체 및 디스플레이 장비학회 2009년 춘계학술대회 pp.99-120, 2009.
TTM(주), 충남 천안시 직산읍 삼은리 43-5 충남테크노파크 벤처관 1204호.
Agilent Technologies, Inc. Headquarters, 34970A, 5301 Stevens Creek Blvd Santa Clara CA 95051 United States.
I-DEAS(Integrated Design and Engineering Analysis

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