[논문]히트파이프를 적용한 LED조명용 핀확장형 냉각시스템 개발

정태성; 강환국

doi:10.5228/kstp.2012.21.2.131

문제 정의

본 연구에서는 LED 보안등의 사양에 적합한 냉각장치를 개발하기 위하여 LED의 발열특성에 의한 실험결과와 LED칩의 내부 저항에 관한 사양, LED와 히트싱크 베이스와의 열저항 실험자료 등을 기초로 직관형 히트파이프를 이용하여 열저항 0.46K/W의 성능을 가지는 90W급 LED 보안등용 고효율 냉각기를 개발하였다.
본 연구에서는 고발열 LED 보안등을 위해 히트 파이프를 이용한 고효율 냉각장치를 개발하였다. LED 조명의 열저항 해석과 히트파이프의 특성 분석을 기초로 90W 급 LED 보안등에 적합한 히트파이프 히트싱크를 설계하였으며, 전산 모사해석을 기반으로 한 열유동 예측을 통하여 타당성을 검토하였다.
본 연구에서는 이러한 목적으로 LED 소자가 접합될 베이스와 핀과의 간격을 적절하게 조절함으로써 핀으로의 공기 유입이 보다 원활할 수 있는 핀 설치 구조를 고려하여 열을 이송하는 유동 구조를 개선하는 냉각장치를 설계하였다.
또한 외기와의 온도차가 접촉저항뿐 아니라 냉각판의 경우에도 매우 높아 LED 칩의 접합부 온도가 상승하여 수명과 효율 저하가 우려된다. 이러한 관점에서 냉각성능을 높여 접합부 온도를 낮춤과 동시에 무게를 감소시킬 수 있는 냉각 구조에 대하여 검토하였다.
본 해석에서는 히트파이프를 매우 높은 열전도율의 물질로 가정하여 해석을 수행하였다. 이러한 이유는 상변화 열전달을 메카니즘으로 하는 히트파이프의 열유동 해석의 목적보다는 핀의 자연대류 열전달 예측을 통한 설계의 유효성을 핀 주변의 유동해석 결과로부터 확인하고자 하였으며 이러한 관점에서 핀 주변의 대류 유동의 관점에서 고찰하였다.

가설 설정

본 해석에서는 히트파이프를 매우 높은 열전도율의 물질로 가정하여 해석을 수행하였다. 이러한 이유는 상변화 열전달을 메카니즘으로 하는 히트파이프의 열유동 해석의 목적보다는 핀의 자연대류 열전달 예측을 통한 설계의 유효성을 핀 주변의 유동해석 결과로부터 확인하고자 하였으며 이러한 관점에서 핀 주변의 대류 유동의 관점에서 고찰하였다.

제안 방법

LED 소자의 수명을 고려하여 조명의 동작 시 LED 접합부(Junction) 온도를 70℃ 정도로 결정하였다. LED 소자 제조회사에서 제공하는 LED 접합점과 외부단자 간의 열저항, 열적, 전기적 특성을 고려하면, LED소자 접합부와 PCB간의 온도차는 약 12℃로 예측되므로, 접합부 온도가 70℃일 경우 PCB온도는 약 58℃로 계산되며, 관련 문헌에 의하면 PCB와 접합면간의 열접촉저항을 2℃미만임을 알 수 있다[5].
본 연구에서는 고발열 LED 보안등을 위해 히트 파이프를 이용한 고효율 냉각장치를 개발하였다. LED 조명의 열저항 해석과 히트파이프의 특성 분석을 기초로 90W 급 LED 보안등에 적합한 히트파이프 히트싱크를 설계하였으며, 전산 모사해석을 기반으로 한 열유동 예측을 통하여 타당성을 검토하였다. 또한, 고안된 냉각장치를 제작하고, 이에 대한 냉각 성능 시험을 수행하였으며, 다음의 결론을 얻었다.
Table 3 에서 제시한 냉각장치의 사양을 적용한 히트파이프식 냉각장치의 설계 결과의 타당성을 검토하고자 컴퓨터를 이용한 전산 모사 열유동 해석을 수행하였다.
그러나, Hong 등의 연구에 본 연구와 동일 제원을 가지는 히트파이프에 대한 실험, 분석 결과가 수행된 바 있으므로, 본 연구에서는 이를 참고하여 히트파이프형 냉각기를 설계하였다[7].
10 은 열부하 60W 의 열부하가 공급되었을때 시간에 대한 온도 변화를 보여준다. 그림에서 보이는 것과 같이 모든 측정점의 시간에 대하여 일정한 온도를 나타내면 정상상태로 파악하고 각 지점의 온도를 계측하였다.
실험은 자연대류 열전달 조건에서 LED 가 설치될 블록이 중력방향을 향하도록 설치하였다. 냉각장치의 작동성능은 열부하에 대한 블록의 온도와 외기 온도차로 나타나므로 히트파이프 히트싱크 블록 4 개소에 0.12mm 지름의 K 형 열전대를 설치하고, 각 측정점의 온도는 데이터 로거(Yokogawa, DC 100)로 계측하였다. 슬라이닥스로 전압을 제어하여 열부하를 조절하였으며, 전력량은 파워메타 (Yokogawa, WT-210)으로 계측하였다.
LED 조명의 열저항 해석과 히트파이프의 특성 분석을 기초로 90W 급 LED 보안등에 적합한 히트파이프 히트싱크를 설계하였으며, 전산 모사해석을 기반으로 한 열유동 예측을 통하여 타당성을 검토하였다. 또한, 고안된 냉각장치를 제작하고, 이에 대한 냉각 성능 시험을 수행하였으며, 다음의 결론을 얻었다.
본 연구에서는 냉각장치와 PCB의 크기가 조명의 발열량에 따라 유연하게 적용이 가능하도록 모듈형태로 설계하였으며, 기본 모듈은5개의 직관형 히트파이프와 130mmx35mm의 확장핀 26개로 구성되어 있다. 또한, 기본 모듈은 냉각성능의 안전성을 고려하여 자연대류 상태에서 약 30K/40W의 열저항을 가지도록 설계하였다. 따라서, 본 연구에서의 개발 목표 열저항 30K/65W를 달성하기 위해서는 기본 냉각 모듈 2개를 적용한 형태가 되어야 한다.
본 연구의 개발목표와 앞 절의 히트파이프에 대한 열적 특성 분석 결과 그리고 요소 열저항 해석결과를 기초로 냉각시스템을 설계하였다.
본 연구의 히트파이프 히트싱크는 대칭인 구조를 가지므로 그 절반을 해석 대상으로 파악하였으며, 공기영역은 Fin 높이로 위로 24 배, 아래로 5 배를 설정하였으며, 대류 유동이 벽의 영향을 받지 않도록 좌, 우측으로 160mm 씩 설정하여 충분한 대류 공간을 확보하였다. 모두 사각(tetra)격자이고, 열이 발생하고 대류가 일어나는 부분인핀 주변은 격자를 조밀하게 생성하였으며, 전체대류영역은 다소 큰 40~2mm 의 격자를 생성하였다.
12mm 지름의 K 형 열전대를 설치하고, 각 측정점의 온도는 데이터 로거(Yokogawa, DC 100)로 계측하였다. 슬라이닥스로 전압을 제어하여 열부하를 조절하였으며, 전력량은 파워메타 (Yokogawa, WT-210)으로 계측하였다.
히트싱크 베이스에 시스형 히터와 블록으로 제작된 모사 발열체를 접촉경계면에 전열 그리스를 도포하여 설치하였다. 실험은 자연대류 열전달 조건에서 LED 가 설치될 블록이 중력방향을 향하도록 설치하였다. 냉각장치의 작동성능은 열부하에 대한 블록의 온도와 외기 온도차로 나타나므로 히트파이프 히트싱크 블록 4 개소에 0.
이상의 설계과정에서는 앞 절의 히트파이프에대한 분석을 기초로 히트파이프 냉각장치의 설계 및 핀에서의 자연대류 열전달 상관관계에 관한 관련 문헌을 참고하여 검토하였다[7~9].
히트파이프를 이용한 냉각기구 설계를 위해서는 히트파이프 및 핀의 대류 열전달에 이르는 요소 열저항 해석이 필요하며 특히 냉각장치의 구성 요소인 베이스의 열전도, 히트파이프의 열저항, 핀과 히트파이프의 접촉저항, 핀의 자연대류 열전달 등 매우 복잡한 열전달 메카니즘에 대한 엄밀한 해석과 설계가 요구된다. 한편, 이러한 관련 요소 저항에 대해서는 국내에서도 90 년대부터 철도차량용 냉각기의 개발 및 CPU 쿨러의 개발과정에서 많은 관련 연구가 수행되어 공개되고 있으며, 본 논문에서는 이러한 관련 연구를 기초로 요소 열저항 해석을 수행하여 냉각기의 대체적인 사양을 결정하였다.
9 와 같이 실험장치를 구성하였다. 히트싱크 베이스에 시스형 히터와 블록으로 제작된 모사 발열체를 접촉경계면에 전열 그리스를 도포하여 설치하였다. 실험은 자연대류 열전달 조건에서 LED 가 설치될 블록이 중력방향을 향하도록 설치하였다.
8 과 같이 히트파이프를 적용한 히트싱크를 제작하였다. 히트파이프식 냉각장치를 제작하기 위하여서는 핀의 성형과 히트파이프의 설치, 히트파이프의 블록 설치 등의 과정이 요구되며 각 단계별 구조 설계와 열저항 감소를 위한 세밀한 작업 공정을 수행하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 히트파이프는 구리 소결윅(sintered metal wick)형 모세관이 형성된 구조이며, 작동 유체는 물을 사용하였다. 자세한 제원은 Table 2 와 같다.
3과 Table 3 은 구상된 히트파이프식 냉각장치의 사양 및 시스템 구성을 보여준다. 본 연구에서는 냉각장치와 PCB의 크기가 조명의 발열량에 따라 유연하게 적용이 가능하도록 모듈형태로 설계하였으며, 기본 모듈은5개의 직관형 히트파이프와 130mmx35mm의 확장핀 26개로 구성되어 있다. 또한, 기본 모듈은 냉각성능의 안전성을 고려하여 자연대류 상태에서 약 30K/40W의 열저항을 가지도록 설계하였다.
본 연구에서의 90W급 보안등은 Fig. 1과 같이 3.2W급 LED소자 7개를 직렬 연결하고, 600mA의 전원을 공급하는PCB를 4개 병렬 연결하여 구성하였으며, LED소자는 미국Cree사의 XLamp® LED XP-G 를 사용하였다.

성능/효과

(1) LED조명 장치의 열저항 해석을 통하여 분석한 결과 LED접합부의 온도를 70℃로 제한하고, 하절기 외기온도를 26℃로 가정하면, 90W급 LED조 명의 냉각장치의 열저항은 30K/60W(0.46K/W)의 수준으로 설계하여야 함을 알 수 있다.
(2) 히트파이프의 열수송 한계를 감안할 때 안전을 고려한 냉각장치의 열부하를 70W로 가정한다면 히트파이프는 5-10개 정도의 수량이 소요되는 것으로 판단된다.
(3) 히트파이프를 이용한 히트싱크는 수직으로 냉각핀이 설치되고 냉각판의 베이스가 수평으로 설치된 일반적인 히트싱크에 비하여 공기의 상향 유동이 상대적으로 원활하게 이루어지는 결과로 유속 분포가 균일하고 공기유동의 재순환 정도가 완화됨을 전산해석을 통하여 확인할 수 있다.
(4) 본 연구에서 개발된 히트파이프 히트싱크 모듈은 자연대류상태에서 조명의 안정성을 고려 하여 30K/40W(0.75K/W)의 열저항을 가지도록 설계되었으며, 2개의 냉각 모듈을 적용한 냉각 시스템의 경우, 목표 열부하 65W에서 25.5 K의 온도차를 보여 본 연구에서 개발 목표로 하는 냉각장치의 온도차 30K미만을 충분히 만족시키는 값임을 실험적으로 확인하였다. 또한, 직류전원장치의 역률과 LED소자의 발열율, 허용온도차를 감안하면 최대 110W급 보안등까지 적용이 가능하다.
따라서, 본 연구에서의 90W급 LED 조명을 위한 냉각장치는 열저항 R=30K/65W=0.46K/W의 수준으로 설계되어야 한다.
따라서, 수평상태를 기준으로 적용할 때 히트파이프 하나에 대하여 안정성을 고려하면 본 연구에서의 히트파이프는 20W 미만의 열부하를 최대 열전달 한계로 파악하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
또한, 수평을 기준으로 응축부가 증발부보다 높아짐에 따라 최대 열전달율은 감소하는 경향을 보여 논문에서 제시한 실험 범위 내에서는 약 5W 의 최대 열전달율의 감소가 나타났다.
본 연구에서 개발하고자 하는 보안등의 공급전력량은 90W이므로 직류전원공급장치(SMPS)의 역율 90% 및 LED소자의 열변환율 80%를 고려하면 발열량은 약 65W로 예측되며[2~4], Fig. 2 와 Table 1과 같이 LED조명용 냉각기의 사양을 결정할 수 있다.
5℃의 온도차를 보일 것으로 예측된다. 이는 본 연구에서 개발 목표로 하는 냉각장치의 온도차 30℃ 미만을 충분히 만족시키는 값임을 확인할 수 있다.
이상에서 PCB와 접합되는 냉각 장치의 베이스 온도는 약 56℃로 설계되어야 하고, 서울의 하절기 평균기온 25.8℃를 고려하면 냉각장치의 허용 온도차는 약 30℃미만일 것이 요구된다.
이상의 결과로부터 안전을 고려하여 냉각장치의 열부하를 70W로 가정한다면 필요한 히트파이프 수량은 5-10개 정도의 수량이 소요되는 것으로 판단된다. 다만, 히트파이프의 열저항이 핀의 대류 열저항에 비하여 상대적으로 낮은 값이라 하더라도 블록의 열전도에 의한 온도 분포 및 핀에서의 열저항을 보다 감소시키고자 할 경우에는 히트파이프의 수를 증가하는 것도 설계의 한 방안으로 파악된다.
이러한 결과는 히트싱크형 냉각판에서의 해석결과[10]와 비교해볼 때 본 연구에서의 냉각기는 핀 하부는 상대적인 작은 면적의 블록이 설치되어 부력에 의하여 상승하는 공기의 상향유동이 상대적으로 원활하게 이루어지는 결과로 설명된다. 한편 그림에서 히트파이프의 최대 온도는 50℃정도로써 외기온도와 25K 정도의 온도차를 나타내며 히트파이프 자체의의 열저항에 의한 온도차가 2K 미만으로 예측되는 점을 고려하면 본 연구에서 설계한 냉각장치는 70W 의 열부하에서도 냉각장치의 온도차 30K 미만의 설계목표를 만족할 것으로 예측되고 있다.

후속연구

이상의 결과로부터 안전을 고려하여 냉각장치의 열부하를 70W로 가정한다면 필요한 히트파이프 수량은 5-10개 정도의 수량이 소요되는 것으로 판단된다. 다만, 히트파이프의 열저항이 핀의 대류 열저항에 비하여 상대적으로 낮은 값이라 하더라도 블록의 열전도에 의한 온도 분포 및 핀에서의 열저항을 보다 감소시키고자 할 경우에는 히트파이프의 수를 증가하는 것도 설계의 한 방안으로 파악된다.
또한, 기본 모듈은 냉각성능의 안전성을 고려하여 자연대류 상태에서 약 30K/40W의 열저항을 가지도록 설계하였다. 따라서, 본 연구에서의 개발 목표 열저항 30K/65W를 달성하기 위해서는 기본 냉각 모듈 2개를 적용한 형태가 되어야 한다.
그림에서 핀 상부의 유동이 앞에서 설명한 것과 같이 일반적인 히트 싱크 구조와 비교하여 유속 분포가 상대적으로 균일하고 공기유동의 재순환 정도가 완화되어있음을 볼 수 있다. 이러한 결과는 LED 조명의 특성상 LED 를 실장한 PCB 가 수평으로 설치된다고 할 때 핀 주변의 자연대류 열전달 개선 효과로 판단될 수 있을 것으로 생각한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED가 차세대 친환경 광원으로서 기대되는 이유는?	LED (Light Emitting Diode)는 광효율이 높고 수명이 길며 환경유해물질을 사용하지 않기 때문에 차세대 친환경 광원으로서 기존 광원들을 대체할수 있을 것으로 기대된다[1]. LED 조명은 공급된 전력 중 80% 이상이 열에너지로 전환되며, 이에 따른 온도증가가 광출력 저하 및 파장이동의 원인이 되고, 수명을 급격하게 감소시키는 것으로 알려져 있다[2~3].
	히트파이프 히트싱크 주변의 온도 분포를 확인한 결과 핀 상부의 공기온도는 약 30도 정도로 가열 되어 있으며, 핀의 폭 방향으로 공기 온도가 비교적 균일하게 나타난 이유는 어떻게 설명되는가?	그림에서 핀 상부의 공기온도는 약 30℃정도로 가열 되어 있으며, 핀의 폭방향으로 공기 온도는 비교적 균일하게 나타나고 있다. 이러한 결과는 히트싱크형 냉각판에서의 해석결과[10]와 비교해볼때 본 연구에서의 냉각기는 핀 하부는 상대적인 작은 면적의 블록이 설치되어 부력에 의하여 상승하는 공기의 상향유동이 상대적으로 원활하게 이루어지는 결과로 설명된다. 한편 그림에서 히트파이프의 최대 온도는 50℃정도로써 외기온도와 25K 정도의 온도차를 나타내며 히트파이프 자체의의 열저항에 의한 온도차가 2K 미만으로 예측되는 점을 고려하면 본 연구에서 설계한 냉각장치는 70W 의 열부하에서도 냉각장치의 온도차 30K 미만의 설계목표를 만족할 것으로 예측되고 있다.
	히트파이프를 이용한 냉각기구 설계를 위해 요구되는 것은?	히트파이프를 이용한 냉각기구 설계를 위해서는 히트파이프 및 핀의 대류 열전달에 이르는 요소 열저항 해석이 필요하며 특히 냉각장치의 구성 요소인 베이스의 열전도, 히트파이프의 열저항, 핀과 히트파이프의 접촉저항, 핀의 자연대류 열전달 등 매우 복잡한 열전달 메카니즘에 대한 엄밀한 해석과 설계가 요구된다. 한편, 이러한 관련 요소 저항에 대해서는 국내에서도 90 년대부터 철도차량용 냉각기의 개발 및 CPU 쿨러의 개발과정에서 많은 관련 연구가 수행되어 공개되고 있으며, 본 논문에서는 이러한 관련 연구를 기초로 요소 열저항 해석을 수행하여 냉각기의 대체적인 사양을 결정하였다.

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히트파이프를 적용한 LED조명용 핀확장형 냉각시스템 개발
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