열전소자를 사용하여 발광다이오드의 방열효과를 조사하였다. 열전소자의 냉각기능인 펠티에 효과(Peltier effect)를 이용하여, 고전력 발광다이오드의 방열과 p-n접합부의 온도를 제어하였다. 정격전류(350 mA)에 대한 고전력(1 W급) 발광다이오드(Light Emitting Diodes: LEDs)의 온도와 p-n접합부 온도는 각각 $64.5^{\circ}C$와 $79.1^{\circ}C$이다. 열전소자의 입력 전력 0.1~0.2 W에 대하여, LED의 온도와 접합부 온도는 각각 $54.2^{\circ}C$와 $68.9^{\circ}C$로 낮아진다. 열전소자에 입력 전력을 0.2 W 이상으로 증가할수록, LED의 온도와 접합부의 온도가 상승한다. 이는 열전소자에 의하여 흡수된 열이 LED로 역류하기 때문이다. 따라서 열전 소자의 냉각기능을 유지하기 위하는 열의 역류를 제어하여야 하며, 열의 역류는 LED의 온도와 방열장치의 온도 차가 클수록 커진다.
열전소자를 사용하여 발광다이오드의 방열효과를 조사하였다. 열전소자의 냉각기능인 펠티에 효과(Peltier effect)를 이용하여, 고전력 발광다이오드의 방열과 p-n접합부의 온도를 제어하였다. 정격전류(350 mA)에 대한 고전력(1 W급) 발광다이오드(Light Emitting Diodes: LEDs)의 온도와 p-n접합부 온도는 각각 $64.5^{\circ}C$와 $79.1^{\circ}C$이다. 열전소자의 입력 전력 0.1~0.2 W에 대하여, LED의 온도와 접합부 온도는 각각 $54.2^{\circ}C$와 $68.9^{\circ}C$로 낮아진다. 열전소자에 입력 전력을 0.2 W 이상으로 증가할수록, LED의 온도와 접합부의 온도가 상승한다. 이는 열전소자에 의하여 흡수된 열이 LED로 역류하기 때문이다. 따라서 열전 소자의 냉각기능을 유지하기 위하는 열의 역류를 제어하여야 하며, 열의 역류는 LED의 온도와 방열장치의 온도 차가 클수록 커진다.
The heat temperature of a light emitting diode (LED) is investigated with the thermoelectric device (TED). The Peltier effect of the thermoelectric device is used to control the heat radiation and the junction temperature of high-power LEDs. For the typical specific current (350 mA) of high-power (1...
The heat temperature of a light emitting diode (LED) is investigated with the thermoelectric device (TED). The Peltier effect of the thermoelectric device is used to control the heat radiation and the junction temperature of high-power LEDs. For the typical specific current (350 mA) of high-power (1 W) LEDs, the LED temperature and the p-n junction temperature become $64.5^{\circ}C$ and $79.1^{\circ}C$, respectively. For 0.1~0.2 W driving power of TED, the LED temperature and the junction temperature are reduced to be $54.2^{\circ}C$ and $68.9^{\circ}C$, respectively. As the driving power of the TED increases over 0.2 W, the temperature of LED itself and the junction temperature are increased due to the heat reversed from the heat-sink to LED. As the difference of temperature between LED and the heat-sink is increased, the quantity of reversed heat becomes larger and it results to degrade the cooling capability of TED.
The heat temperature of a light emitting diode (LED) is investigated with the thermoelectric device (TED). The Peltier effect of the thermoelectric device is used to control the heat radiation and the junction temperature of high-power LEDs. For the typical specific current (350 mA) of high-power (1 W) LEDs, the LED temperature and the p-n junction temperature become $64.5^{\circ}C$ and $79.1^{\circ}C$, respectively. For 0.1~0.2 W driving power of TED, the LED temperature and the junction temperature are reduced to be $54.2^{\circ}C$ and $68.9^{\circ}C$, respectively. As the driving power of the TED increases over 0.2 W, the temperature of LED itself and the junction temperature are increased due to the heat reversed from the heat-sink to LED. As the difference of temperature between LED and the heat-sink is increased, the quantity of reversed heat becomes larger and it results to degrade the cooling capability of TED.
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문제 정의
본 논문의 구성은 열전소자의 기본구조 및 구동원리를 설명하고, 펠티에 효과를 이용한 흡열 원리를 소개한다. 또한 LED 접합온도를 구하는 열저항법에 대한 관계식을 소개한다. 실험 방법에서는 소자에 대한 특성을 정의하고, 측정 장치를 소개한다.
본 논문의 구성은 열전소자의 기본구조 및 구동원리를 설명하고, 펠티에 효과를 이용한 흡열 원리를 소개한다. 또한 LED 접합온도를 구하는 열저항법에 대한 관계식을 소개한다.
본 실험은 열전소자를 방열 시스템에 적용하여 LED 패키지의 온도를 강하시키고자 한다. 이는 LED 칩의 접합온도를 입력 전류별 온도를 측정하여 안정적으로 구동이 가능한지를 알아본다.
본 연구는 열전소자(Thermoelectric device: TED)를 LED 방열 시스템에 적용하여 LED 패키지의 온도를 안정적으로 유지, 제어할 수 있는 방법을 찾고자 한다. 즉 LED 패키지에서 발생하는 고열을 열전소자의 펠티에(Peltier) 효과를 이용하여 LED 패키지의 온도를 강하시킴으로써 LED 칩의 p-n접합부 온도(Junction temperature)를 안정적으로 유지되도록 한다.
본 실험은 열전소자를 방열 시스템에 적용하여 LED 패키지의 온도를 강하시키고자 한다. 이는 LED 칩의 접합온도를 입력 전류별 온도를 측정하여 안정적으로 구동이 가능한지를 알아본다.
제안 방법
방열구조물에서 배출되어지는 열이 구성 소자들로의 영향을 차단하기 위하여 단열체(Heat insulator)를 열전소자와 LED 패키지 주위에 설치하였다. LED의 구동 전류는 정격전류의 50%인 175 mA, 정격전류 350 mA, 정격전류의 150%인 525 mA 3단계로 나누어 실험하였다. 열전소자 구동 전력은 최소 0.
각 구성 소자의 전원 공급 장치는 2 Channel DC 전원 공급기 프로텍(ProTek) 3033의 정전류 모드를 사용하였다. 각 소자의 온도는 T형 열전대를 사용하고, 측정된 온도는 요코가와(YOKOGAWA) MV200을 통하여 2초 간격으로 기록한다. 온도 측정은 주위의 실내 온도가 25.
)의 변화를 알아본다. 두 번째의 실험은 LED 제거하고 열전소자의 구동 전력별 동작에 따른 저온부의 온도와 방열구조물(Heat-sink)의 온도들의 변화를 조사한다. 최종적으로 LED와 열전소자를 동시에 동작하여 LED의 온도 및 접합부 온도 변화를 조사한다.
일반적으로 P형과 N형 열전반도체를 기본구성요소로 하고 있으며 복수개의 열전반도체를 전기적으로 직렬연결하여 구성된다. 또한 열전도특성 및 전기 절연특성이 높은 세라믹 소재를 사용하여 복수개의 열전소자 상하부에 접합시켜 흡열과 발열을 용이하게 한다.
알루미늄 구조물의 크기는 1 W급 LED 패키지의 구동 시에 발생하는 열과 열전소자의 구동에서 발생하는 열을 고려하였다. 방열구조물에서 배출되어지는 열이 구성 소자들로의 영향을 차단하기 위하여 단열체(Heat insulator)를 열전소자와 LED 패키지 주위에 설치하였다. LED의 구동 전류는 정격전류의 50%인 175 mA, 정격전류 350 mA, 정격전류의 150%인 525 mA 3단계로 나누어 실험하였다.
이러한 현상은 1900년 초부터 연구하기 시작하였으며, 현재 약 10% 이상의 변환 효율을 얻을 수 있는 상태까지 발전하였다 [10]. 본 연구에서는, 펠티에 효과를 이용한 열전소자를 방열 장치로 사용하여 1 W급의 고전력(High Power) LED의 입력 전류별 온도 특성 변화 및 열전소자에 공급되는 전력(Power)에 따른 고전력용 LED의 p-n접합부 온도의 경향을 분석한다.
또한 LED 접합온도를 구하는 열저항법에 대한 관계식을 소개한다. 실험 방법에서는 소자에 대한 특성을 정의하고, 측정 장치를 소개한다. 이 장치를 통하여 LED의 입력 전류별 접합온도에 대한 계측 및 열전소자의 구동과 비 구동에 대한 실험을 통한 LED의 온도 및 접합온도의 경향을 분석한다.
실험 순서에 따라서 열전소자를 제거하고 LED를 구동하여 LED의 온도와 LED 접합부 온도를 조사한다. 실험에 사용한 고출력 LED 소자의 열적인 기초 특성을 조사하기 위하여 열전소자를 제거한 상태에서 접합부 온도(Junction temperature)의 계측 실험을 수행하였다.
실험 순서에 따라서 열전소자를 제거하고 LED를 구동하여 LED의 온도와 LED 접합부 온도를 조사한다. 실험에 사용한 고출력 LED 소자의 열적인 기초 특성을 조사하기 위하여 열전소자를 제거한 상태에서 접합부 온도(Junction temperature)의 계측 실험을 수행하였다. Fig.
각 소자의 온도는 T형 열전대를 사용하고, 측정된 온도는 요코가와(YOKOGAWA) MV200을 통하여 2초 간격으로 기록한다. 온도 측정은 주위의 실내 온도가 25.0℃를 유지 할 수 있도록 외부와 차단된 환경에서 실험이 진행되었다. 일정 시간동안 온도 변화가 0.
실험 방법에서는 소자에 대한 특성을 정의하고, 측정 장치를 소개한다. 이 장치를 통하여 LED의 입력 전류별 접합온도에 대한 계측 및 열전소자의 구동과 비 구동에 대한 실험을 통한 LED의 온도 및 접합온도의 경향을 분석한다.
본 연구는 열전소자(Thermoelectric device: TED)를 LED 방열 시스템에 적용하여 LED 패키지의 온도를 안정적으로 유지, 제어할 수 있는 방법을 찾고자 한다. 즉 LED 패키지에서 발생하는 고열을 열전소자의 펠티에(Peltier) 효과를 이용하여 LED 패키지의 온도를 강하시킴으로써 LED 칩의 p-n접합부 온도(Junction temperature)를 안정적으로 유지되도록 한다.
첫 번째 실험인 열전소자(TED)를 제거한 상태에서 LED 의 구동에 따른 LED의 온도(T1) 변화를 조사하여 LED의 접합부 온도(Tj)의 변화를 알아본다. 두 번째의 실험은 LED 제거하고 열전소자의 구동 전력별 동작에 따른 저온부의 온도와 방열구조물(Heat-sink)의 온도들의 변화를 조사한다.
두 번째의 실험은 LED 제거하고 열전소자의 구동 전력별 동작에 따른 저온부의 온도와 방열구조물(Heat-sink)의 온도들의 변화를 조사한다. 최종적으로 LED와 열전소자를 동시에 동작하여 LED의 온도 및 접합부 온도 변화를 조사한다.
대상 데이터
1 W급 LED는 단일 칩의 고출력 녹색 LED이며, 순방향 전압과 전류는 각각 3.5±0.5 V, 350 mA이다.
LED의 구동 전류별 접합부 온도값을 도출하기 위해, 실험에 사용된 LED는 열 과도 시험기(Thermal transient tester, T3ster®) 장비를 이용하여 열 저항(Rth)값을 측정한 결과 13.2℃/W을 얻었다.
실험 순서는 (i) LED를 구동하지 않는 상태에서 열전소자의 입력 전력에 따른 온도 변화를 측정하고, (ii) LED를 구동하여 LED 패키지의 온도 변화를 계측한다. 각 구성 소자의 전원 공급 장치는 2 Channel DC 전원 공급기 프로텍(ProTek) 3033의 정전류 모드를 사용하였다. 각 소자의 온도는 T형 열전대를 사용하고, 측정된 온도는 요코가와(YOKOGAWA) MV200을 통하여 2초 간격으로 기록한다.
본 실험에서 사용한 방열구조물(Heat-sink)은 15×15×20 (mm3) 크기의 알루미늄 구조물을 제작하였다.
실험의 구성 소자들은 Fig. 3과 같이 1 W급 LED 패키지 (순방향 전압=3.5 V, 순방향 전류=350 mA)와 LED에서 발생하는 고열을 흡열하는 히터 펌프로써의 열전소자 (TED)를 부착하고, 원활하게 열을 발산하기 위한 방열구조물(Heat-sink)로 이루어져 있다. 각 소자간의 접촉면은 열전도를 최적화하기 위해서 소량의 열전도성 페이스트로 충진한다.
이론/모형
접합부 온도 상승 시 칩 내부에서는 비발광 상태로 재결합이 이루어져서 신뢰성과 내구성에 큰 영향을 미치기 때문에 LED-칩의 온도를 정확하게 예측하는 다양한 방법이 제시되어 있다. 본 실험에서는 온도 상승과 소비 전력의 비를 나타내는 열저항(Rth )을 이용하여 접합부 온도를 추정하는 열저항법이 사용되었다.
성능/효과
일반적으로 접합부 온도가 증가할수록 수명은 감소한다. 본 실험에서 열전소자가 0.2 W를 초과하여 구동되어지는 경우 LED의 접합부 온도는 상승하였다. 이는 Fig.
열전소자(TED)를 사용하여 LED의 발열 제어가 가능함을 확인 하였다. 열전소자의 펠티에(Peltier)효과는 LED의 구동의 발열과 LED 소자의 접합부 온도(Junction temperature)를 제어한다.
5는 LED의 구동 전류별 LED 패키지 전극부(T1)의 온도를 시간별로 측정한 결과이다. 온도 특성이 안정화되는 1,400초(sec) 이후의 결과를 보면, LED의 정격 전류인 350 mA 경우, T1의 안정화 온도는 64.5℃이고, 정격 전류의 50%인 175 mA일 때 43.3℃가 측정되었다. LED 패키지에 직접적인 영향을 줄 수 있는 정격 전류의 150%인 525 mA일 경우 83.
0℃를 유지 할 수 있도록 외부와 차단된 환경에서 실험이 진행되었다. 일정 시간동안 온도 변화가 0.3℃ 이내일 경우에 온도가 안정된 것으로 판단하여 기록을 종료하였다.
후속연구
따라서 열전소자를 이용하여 LED의 방열을 제어하기 위해서는 방열구조물의 열확산 능력에 맞도록 열전소자에 공급되는 최적의 전력을 공급하는 것이 효과적이다. 이러한 실험 결과는 현재 고성장하고 있는 고출력 LED의 방열 문제 해결과 조명기구 등의 응용 분야를 잘 활용할 수 있는 기술적인 가능성을 제공한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LED에서 발생되는 고열로 인한 문제의 해결 방안은 주로 어떤 방식이 이용되고 있는가?
이러한 고열로 인한 문제점 발생의 해결 방안으로는 방열구조물(Heat-sink)을 이용한 공랭식 방식을 주로 이용하고 있다. 이러한 공랭식 냉각 방법은 수랭식 방식보다 냉각 효율이 좋지 않지만 저렴한 비용 및 제품 구성이 용이하여 선호되고 있다.
공랭식 냉각 방법이 선호되는 이유는?
이러한 고열로 인한 문제점 발생의 해결 방안으로는 방열구조물(Heat-sink)을 이용한 공랭식 방식을 주로 이용하고 있다. 이러한 공랭식 냉각 방법은 수랭식 방식보다 냉각 효율이 좋지 않지만 저렴한 비용 및 제품 구성이 용이하여 선호되고 있다. 일부 높은 냉각 효율을 필요로 하는 분야에서 수냉식 방식을 사용하고 있다 [5].
LED에서 발생되는 고열의 문제점은?
이와 같이 장수명과 고효율을 얻기 위해서는 발광다이오드 칩 구조 등의 성능 향상 뿐만이 아니라, LED 칩(Chip)에서 발생되는 고열을 제거하는 방열 기술을 필요로 하고 있다 [3]. LED에서 발생되는 고열은 LED와 결합하여 제작되는 보조 기구물의 변색 및 파손을 유발한다. 그리고 이러한 고열은 LED 패키지의 내장 구성품인 다이오드 칩의 파손과 와이어 결손 등을 초래한다. 이로 인하여 제품의 수명을 단축시키는 신뢰성 문제를 야기한다 [4].
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