본 논문에서는 열 해석시뮬레이션 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 활용하여, LED Module의 제작 시, 가장 선호되는 패키지 종류인 COB Type과 보드를 생략한 COH Type의 열 해석 시뮬레이션을 진행한다. LED Module의 시뮬레이션 결과 방열판을 통과하는 위치에 따라 COB Type은 Max. 약 $78^{\circ}C$ ~ Min. 약 $62^{\circ}C$, COH Type은 Max. 약 $88^{\circ}C$ ~ Min. 약 $67^{\circ}C$에서 온도가 안정이 됨을 확인하였다. COB Type과 비교하여 Max. 온도는 약 $10^{\circ}C$ 차이가 나지만, Min. 온도에서 약 $5^{\circ}C$정도로 격차가 감소함을 확인하였으며, LED Point 온도특성곡선을 확인 한 결과 COB Type은 Max. 약 $100^{\circ}C$ ~ Min. 약 $77^{\circ}C$, COH Type은 Max. 약 $100^{\circ}C$ ~ Min. 약 $86^{\circ}C$온도가 안정이 됨을 확인하였으며, COB Type에 비해 COH Type이 약 $10^{\circ}C$ 온도가 높게 측정되었다.
본 논문에서는 열 해석 시뮬레이션 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 활용하여, LED Module의 제작 시, 가장 선호되는 패키지 종류인 COB Type과 보드를 생략한 COH Type의 열 해석 시뮬레이션을 진행한다. LED Module의 시뮬레이션 결과 방열판을 통과하는 위치에 따라 COB Type은 Max. 약 $78^{\circ}C$ ~ Min. 약 $62^{\circ}C$, COH Type은 Max. 약 $88^{\circ}C$ ~ Min. 약 $67^{\circ}C$에서 온도가 안정이 됨을 확인하였다. COB Type과 비교하여 Max. 온도는 약 $10^{\circ}C$ 차이가 나지만, Min. 온도에서 약 $5^{\circ}C$정도로 격차가 감소함을 확인하였으며, LED Point 온도특성곡선을 확인 한 결과 COB Type은 Max. 약 $100^{\circ}C$ ~ Min. 약 $77^{\circ}C$, COH Type은 Max. 약 $100^{\circ}C$ ~ Min. 약 $86^{\circ}C$온도가 안정이 됨을 확인하였으며, COB Type에 비해 COH Type이 약 $10^{\circ}C$ 온도가 높게 측정되었다.
In this paper, thermal analysis simulation program by taking advantage of COMSOL Multiphysics, LED Module for the production of the most preferred package type, omitting the COH Type COB Type and board simulation of the thermal analysis is in progress. LED Module that passes through the Heat-sink of...
In this paper, thermal analysis simulation program by taking advantage of COMSOL Multiphysics, LED Module for the production of the most preferred package type, omitting the COH Type COB Type and board simulation of the thermal analysis is in progress. LED Module that passes through the Heat-sink of the simulation results, depending on the location of the COB Type Max. Approximately $78^{\circ}C$ ~ Min. Approximately $62^{\circ}C$, COH Type the Max. Approximately $88^{\circ}C$ ~ Min. Approximately $67^{\circ}C$ has been confirmed that the temperature stability. Compared with COB Type Max. AIthough temperature difference is about $10^{\circ}C$, Min. At a temperature of about $5^{\circ}C$ confirmed to be enough to reduce the gap, LED Point confirming the results of the temperature curves for COB Type Max. Approximately $100^{\circ}C$ ~ Min. Approximately $77^{\circ}C$, COH Type the Max. Approximately $100^{\circ}C$ ~ Min. Approximately $86^{\circ}C$ temperature stability was confirmed that, COB Type COH Type, compared to approximately $10^{\circ}C$ temperature was higher.
In this paper, thermal analysis simulation program by taking advantage of COMSOL Multiphysics, LED Module for the production of the most preferred package type, omitting the COH Type COB Type and board simulation of the thermal analysis is in progress. LED Module that passes through the Heat-sink of the simulation results, depending on the location of the COB Type Max. Approximately $78^{\circ}C$ ~ Min. Approximately $62^{\circ}C$, COH Type the Max. Approximately $88^{\circ}C$ ~ Min. Approximately $67^{\circ}C$ has been confirmed that the temperature stability. Compared with COB Type Max. AIthough temperature difference is about $10^{\circ}C$, Min. At a temperature of about $5^{\circ}C$ confirmed to be enough to reduce the gap, LED Point confirming the results of the temperature curves for COB Type Max. Approximately $100^{\circ}C$ ~ Min. Approximately $77^{\circ}C$, COH Type the Max. Approximately $100^{\circ}C$ ~ Min. Approximately $86^{\circ}C$ temperature stability was confirmed that, COB Type COH Type, compared to approximately $10^{\circ}C$ temperature was higher.
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문제 정의
시뮬레이션 과정은 LED Package 제작도면을 3D로 구현하여, LED Point와 PCB 및 보드의 단면의 열 발생에 의한 결과를 확인한다. 본 논문에서는 COB Type과 보드를 생략한 COH Type의 열 해석 시뮬레이션을 진행한다. 기존의 열 설계 시뮬레이션에서는 단면위주의 열 해석이지만, Point 지정을 통한 열 해석을 및 실험을 하여 더욱 자세한 결과 값을 얻을 수 있다.
가설 설정
온도는 약 45℃까지 온도변화를 확인 하였다. (B) COH Type은 단면 Max. 온도가 약 68℃ 이며, Min.
1. LED Module의 시뮬레이션 결과 방열판을 통과하는 위치에 따라 COB Type은 Max. 약 78℃ ～ Min.
제안 방법
또한, 이때의 최대효율 ηMax는 (2-5)로 하여, 열전소자인 LED(실리콘), PCB와 방열판(알루미늄)의 열전도와 밀도, 열용량을 산정하였다[5].
본 논문에서는 열 해석 시뮬레이션 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 활용하여, LED Module의 제작 시, 가장 선호되는 패키지 종류인 COB Type과 보드를 생략한 COH Type의 열 해석 시뮬레이션을 진행, 분석한 결과는 다음과 같다.
하여, 본 시뮬레이션 통한 LED Module의 Modeling 및 시뮬레이션 열 해석 방법은 산업체의 LED Module 개발 시 경비 절감의 효과를 기대할 수 있다. 시뮬레이션 과정은 LED Package 제작도면을 3D로 구현하여, LED Point와 PCB 및 보드의 단면의 열 발생에 의한 결과를 확인한다. 본 논문에서는 COB Type과 보드를 생략한 COH Type의 열 해석 시뮬레이션을 진행한다.
온도가 약 63℃ 이며, Min. 온도는 약 45℃까지 온도변화를 확인 하였다. (B) COH Type은 단면 Max.
미시적 관점에서 보면 물질 내 원자나 분자의 상호작용에 의해 열이 전달되며, 즉 원자 격자의 진동과 자유전자의 이동에 의해 인접한 분자에 에너지를 전달하는 열 유동률은 매질의 물성 값인 열전도계수 k에 좌우되며, 열전도 법칙인 Fourier’s Law을 적용하였으며, Fourier’s Law은 수식(1)이다.
성능/효과
2. LED Module의 LED Point 온도특성곡선을 확인 한 결과 COB Type은 Max. 약 100℃ ～ Min.
3. COB Type과 보드를 생략한 COH Type의 열 해석 시뮬레이션을 진행하여, 기존의 열 설계 시뮬레이션에서는 단면위주의 열 해석이지만, Point 지정을 통한 열 해석을 및 실험을 하여 더욱 자세한 결과 값을 얻을 수 있었다.
5. COH Type의 LED Point에서 순간적인 고열을 시뮬레이션에서는 방열판이 흡수하여, 온도의 안정화를 이루지만 실 제작 하였을 경우, 열에 약한 LED가 효율이 낮아질 우려가 있어 LED Module의 신뢰성 실험이 요구 되었다.
그림 3은 그림 2의 열 해석 결과를 추론하여, PCB를 생략한 COH Type이 COB Type과 온도분포가 큰 차이 없음을 LED Module의 후면에서 확인 한 결과 COH Type이 COB Type에 비해 방열판에서 더 많은 열을 흡수함을 확인 할 수 있었다.
실제 제작을 통한 열 측정을 하면, 개발에 따른 많은 경비와 기계적 손실에 의한 결과 값에 오류가 발생하게 된다. 본 시뮬 레이션 통한 LED Module의 Modeling 및 시뮬레이션 열 해석 방법은 산업체의 LED Module 개발 시경비 절감의 효과및 실제 제작을 하지 않고 시뮬레이션을 통한 결과 값의 오차 범위를 줄일 수 있다.
약 78℃ ～ Min. 약 62℃에서 온도가 안정이 됨을 확인하였다.
약 100℃ ～ Min. 약 77℃에서 온도가 안정이 됨을 확인하였다.
약 100℃ ～ Min. 약 86℃온도가 안정이 됨을 확인하였으며, COB Type에 비해 COH Type이 약 10℃ 온도가 높게 측정되었다.
(B)는 COH Type으로 COB Type과 같이 LED의 Max. 온도가 100℃로 가정하여 그 결과를 확인하였으며, LED 주변의 온도가 약 90℃로 COB Type과 달리 약 10℃가 높음을 확인하였다. 하지만 PCB가 없음에도 알루미늄 방열판에서 빠르게 열을 흡수하여 방열판 중심은 약 65℃까지 온도가 낮아졌으며, LED Module의 Min.
온도에서 Min. 온도까지 COB Type 보다 빠르게 온도가 안정됨을 확인 하였다.
후속연구
실제 제작을 통한 열 측정을 하면, 개발에 따른 많은 경비가 소비된다. 하여, 본 시뮬레이션 통한 LED Module의 Modeling 및 시뮬레이션 열 해석 방법은 산업체의 LED Module 개발 시 경비 절감의 효과를 기대할 수 있다. 시뮬레이션 과정은 LED Package 제작도면을 3D로 구현하여, LED Point와 PCB 및 보드의 단면의 열 발생에 의한 결과를 확인한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
알루미늄 베이스 기판이란 무엇인가?
열이 높아지면 모듈의 수명이 감소되며, LED용 기판에 필수 불가결한 특성은 방열성이 높아야 한다는 점이고, 메탈 베이스 기판의 구성 재료로서 메틸 베이스 판으로는 알루미늄과 동을, 그리고 절연 층에는 열전도성이 높은 무기 필터를 충전한 에폭시 계 수지로 사용되는 경우가 많아졌다. 특히 알루미늄 베이스 기판은 알루미늄의 특성으로 높은 열전도성과 경량성 등을 살린 고밀도 실장기판이며, 에어컨의 인버터용 기판, 통신용 전원용 기판과 산업용도면에서의 사용실적이 높다는 점에서도 파워 LED용 기판의 열 설계에 가장 적합하다고 본다[2].
LED 패키지 형태 중 SMD Type은 어떤 방식인가?
이중 가장 선호되는 패키지 종류로는 SMD(Surface Mount Devices)Type과 COB(Chip on Board) Type을 들 수 있다. 표면실장소자라 불리는 SMD Type은 PCB기판에 구멍 없이 패턴에 바로 반도체 소자를 붙이는 방식이다. 대부분 PCB에 다량의 LED 패키지를 실장을 할 경우에 선호된다.
LED 패키지 형태에서 가장 선호되는 패키지 종류는 무엇이 있는가?
LED 패키지 형태는 Dome Type과 Cavity Type으로 나누어지며, 접합 방식 및 쓰임에 따라 다양한 패키지 종류가 있다. 이중 가장 선호되는 패키지 종류로는 SMD(Surface Mount Devices)Type과 COB(Chip on Board) Type을 들 수 있다. 표면실장소자라 불리는 SMD Type은 PCB기판에 구멍 없이 패턴에 바로 반도체 소자를 붙이는 방식이다.
참고문헌 (5)
Ik-Soo, Eo, "Analyze on Heat-sink of 20Watt Class LED Lamp using COMSOL", Korea Journal of University-Industry Technology, Vol. 10, No. 7, pp. 1484-1488, 2009.
Chi-Won, Ok, "A Study on Optimization of the Heat Sink for Reliability Improvement of High Power Light Emitting Diode",Proceedings of a Master's Degree in Chonbuk National University, 2006. February.
Soon-Ho, Hwang, "Study on Thermal Design of LED Lights", Proceedings of a Master's Degree in Kongju National University, 2011. February.
Keum-Yeon, Choi, Ik-Soo, Eo, "LED Sensitive Light System Development by Brain-wave", Korea Journal of University-Industry Technology, Vol. 11, No. 1, pp. 61-66, 2010. January.
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