In comparison with some other light sources, LED has merits such as increased life expectancy, fast response, pollution free, and high energy efficiency. Lately, due to development of LED with high brightness and capacity, LED has widely used in many industrial fields such as automotive, aviation, d...
In comparison with some other light sources, LED has merits such as increased life expectancy, fast response, pollution free, and high energy efficiency. Lately, due to development of LED with high brightness and capacity, LED has widely used in many industrial fields such as automotive, aviation, display, transportation and special lighting applications. Since the high heat generation of LED chips can cause a reduction in lifetime, degradation of luminous efficiency, and variation of color temperature, studies have been carried out on the optimization of LED packaging and heat sinks. In this study, experiments on measuring the heat generation rate of LED and the cooling performance of a heat sink were carried for analyzing the thermal characteristics of LED lighting system in free convection. From the results, dimensionless correlation on the cooling performance of heat sink in natural convection was proposed with Nusselt number and Rayleigh number as a guideline for designing cooling device of LED lightings.
In comparison with some other light sources, LED has merits such as increased life expectancy, fast response, pollution free, and high energy efficiency. Lately, due to development of LED with high brightness and capacity, LED has widely used in many industrial fields such as automotive, aviation, display, transportation and special lighting applications. Since the high heat generation of LED chips can cause a reduction in lifetime, degradation of luminous efficiency, and variation of color temperature, studies have been carried out on the optimization of LED packaging and heat sinks. In this study, experiments on measuring the heat generation rate of LED and the cooling performance of a heat sink were carried for analyzing the thermal characteristics of LED lighting system in free convection. From the results, dimensionless correlation on the cooling performance of heat sink in natural convection was proposed with Nusselt number and Rayleigh number as a guideline for designing cooling device of LED lightings.
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문제 정의
본 연구는 LED 조명용 히트싱크의 설계자료를 확보하기 위한 기초연구로서 LED 소자에 전력을 공급하고 실제 열로 변환되는 발열량을 계측함으로써 LED 의 발열 특성을 파악하였다. 또한, 압출로 제작된 일반적인 알루미늄 히트싱크의 자연대류 상태에서의 냉각 성능시험을 수행하여 열부하에 따른 열전달 계수의 관계를 분석하였고, 이를 Nusselt 수와 Rayleigh 수로 실험값의 무차원 상관관계를 도출함으로써 LED 조명의 발열량에 적합한 히트싱크를 설계하기 위한 기본 지침을 도출하였다.
본 연구에서는 LED 소자의 발열특성을 파악하고자 입력전력에 대해 물로 전달된 열량의 비를 발열율로 정의하고, 다음과 같이 발열량 측정 실험을 실시하였다. 온도조절기와 유량계를 이용하여 각 측정점의 온도와 유량이 설정값에 도달한 후 직류 전원공급장치를 이용하여 LED 소자에 전력을 공급하였다.
본 연구에서는 LED 소자의 발열량을 계측함으로써 LED 의 발열 특성을 파악하였으며, 자연대류 상태에서 일반적인 히트싱크의 냉각성능 시험을 수행하고, 실험결과를 Nusselt 수와 Rayleigh 수의 무차원 상관관계로 정리하였다. 본 연구의 결과는 LED 조명의 발열량에 적합한 히트싱크를 설계하기 위한 기초 자료로 활용 가능할 것으로 사료되며, 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
식(7)은 식(4)의 상관식을 적용하여 발열량에 따른 전열면적을 계산한 것이다. 이상의 본 연구 결과를 이용하여 보다 용이하게 적절한 LED 조명용 자연대류 냉각장치를 설계할 수 있다.
가설 설정
해석은 CFX 12 를 이용하였으며, 자연대류 유동은 Boussinesq 근사 모델을 적용하였고, 정상상태, 비압축성, 층류유동으로 가정하였다. 해석 대상인 히트싱크의 사양은 Fig. 3에 보이는 바와 같고 앞서 LED 의 열적 특성 실험에서 적용한 것과 동일한 크기의 PCB 4 개에 총 30W 의 열부하를 균일한 열유속으로 발열하도록 하였으며 설치된 PCB 및 설치 표면은 단열 조건으로 가정하였다. 히트싱크 주위의 300K 공기가 부력에 의하여 발생한 유동에 의해 유출입이 자유롭도록 개방된 경계조건을 적용하였으며 복사 열 전달은 무시하였다.
히트싱크의 유동 및 열전달 특성을 파악하고자 전산모사 해석을 수행하였다. 해석은 CFX 12 를 이용하였으며, 자연대류 유동은 Boussinesq 근사 모델을 적용하였고, 정상상태, 비압축성, 층류유동으로 가정하였다. 해석 대상인 히트싱크의 사양은 Fig.
제안 방법
먼저 베이스가 수평상태를 유지하도록 설치하고 전력을 공급하여 모든 측정점의 온도가 정상상태에 이르면 각 부의 온도를 기록하였다. 단계적으로 열부하를 변경하며 동일한 방법으로 실험을 수행하였다. 각 계측장비는 발열량 측정의 경우와 동일하다.
물의 입출구 온도, PCB 및 수냉장치의 온도가 일정한 정상상태에 이르면 각 측정점 온도를 데이터로거 (DR230, Yokogawa)로 20 개의 자료를 기록 후 평균처리 하였으며, 전력량계를 통하여 전압과 전류를 함께 계측하였다. 또한, LED의 작동온도에 따른 발열특성을 파악하고자 온도조절장치로 20-65℃범위에서 냉각수 온도를 변화시켜 공급하였으며, 이 때 온도 증가에 따른 LED 소자의 저항 변화로 전압과 전류가 변동되므로 본 연구에서는 총 1.8A 의 일정한 전류를 유지하도록 제어하였다. 실험 범위에서 LED 에 공급된 전력량은 38-40W 범위였다.
본 연구는 LED 조명용 히트싱크의 설계자료를 확보하기 위한 기초연구로서 LED 소자에 전력을 공급하고 실제 열로 변환되는 발열량을 계측함으로써 LED 의 발열 특성을 파악하였다. 또한, 압출로 제작된 일반적인 알루미늄 히트싱크의 자연대류 상태에서의 냉각 성능시험을 수행하여 열부하에 따른 열전달 계수의 관계를 분석하였고, 이를 Nusselt 수와 Rayleigh 수로 실험값의 무차원 상관관계를 도출함으로써 LED 조명의 발열량에 적합한 히트싱크를 설계하기 위한 기본 지침을 도출하였다.
모사발열체의 전력은 직류전원공급장치로 제어하였으며 전력량계로 계측하였다. 먼저 베이스가 수평상태를 유지하도록 설치하고 전력을 공급하여 모든 측정점의 온도가 정상상태에 이르면 각 부의 온도를 기록하였다. 단계적으로 열부하를 변경하며 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
12mm)를 히트싱크 표면 5 개소 및 공기의 입구 및 출구에 설치하였다. 모사발열체의 전력은 직류전원공급장치로 제어하였으며 전력량계로 계측하였다. 먼저 베이스가 수평상태를 유지하도록 설치하고 전력을 공급하여 모든 측정점의 온도가 정상상태에 이르면 각 부의 온도를 기록하였다.
온도조절기와 유량계를 이용하여 각 측정점의 온도와 유량이 설정값에 도달한 후 직류 전원공급장치를 이용하여 LED 소자에 전력을 공급하였다. 물의 입출구 온도, PCB 및 수냉장치의 온도가 일정한 정상상태에 이르면 각 측정점 온도를 데이터로거 (DR230, Yokogawa)로 20 개의 자료를 기록 후 평균처리 하였으며, 전력량계를 통하여 전압과 전류를 함께 계측하였다. 또한, LED의 작동온도에 따른 발열특성을 파악하고자 온도조절장치로 20-65℃범위에서 냉각수 온도를 변화시켜 공급하였으며, 이 때 온도 증가에 따른 LED 소자의 저항 변화로 전압과 전류가 변동되므로 본 연구에서는 총 1.
3mm)를 설치하여 물의 입출구 온도를 계측하였다. 물의 질량유동율은 유량계(LF-01, Unicell) 및 매스실린더로 확인하고 전자저울(SW-I, CAS)을 이용하여 계측하였으며, 이 때 측정 오차를 최대한 줄이고자 물의 입출구 유량을 조절하여 입출구 온도차가 3℃ 이상을 유지하도록 하였다. 실험구간 내에서 수냉각 블록과 PCB, 블록과 냉각수의 평균 온도차는 각각 1℃ 및 4℃미만이었다.
본 연구에서는 LED 소자의 발열량을 계측함으로써 LED 의 발열 특성을 파악하였으며, 자연대류 상태에서 일반적인 히트싱크의 냉각성능 시험을 수행하고, 실험결과를 Nusselt 수와 Rayleigh 수의 무차원 상관관계로 정리하였다. 본 연구의 결과는 LED 조명의 발열량에 적합한 히트싱크를 설계하기 위한 기초 자료로 활용 가능할 것으로 사료되며, 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
실험장치는 총 7 개 LED 소자(XLamp XP-G, Cree)가 직렬 연결되어 있는 190×25mm 의 메탈 PCB 3 개를 전기적으로 병렬 연결하여 가변 직류전원공급장치(DRP-3010D, 디지털전자)와 전력량계(WT210, Yokogawa)에 연결하였으며, 알루미늄 블록의 내부에 유로를 형성한 판 구조의 수냉각 장치를 제작하여 전열그리스를 도포한 후 LED 소자가 설치된 PCB 를 부착하였다.
5 과 같이 발열량 계측에 사용한 것과 동일한 크기의 모사발열체를 제작하고 압출형 히트싱크의 표면에 전열 그리스를 도포한 후 설치하였다. 온도를 계측하고자 열전대(K-type, 0.12mm)를 히트싱크 표면 5 개소 및 공기의 입구 및 출구에 설치하였다. 모사발열체의 전력은 직류전원공급장치로 제어하였으며 전력량계로 계측하였다.
본 연구에서는 LED 소자의 발열특성을 파악하고자 입력전력에 대해 물로 전달된 열량의 비를 발열율로 정의하고, 다음과 같이 발열량 측정 실험을 실시하였다. 온도조절기와 유량계를 이용하여 각 측정점의 온도와 유량이 설정값에 도달한 후 직류 전원공급장치를 이용하여 LED 소자에 전력을 공급하였다. 물의 입출구 온도, PCB 및 수냉장치의 온도가 일정한 정상상태에 이르면 각 측정점 온도를 데이터로거 (DR230, Yokogawa)로 20 개의 자료를 기록 후 평균처리 하였으며, 전력량계를 통하여 전압과 전류를 함께 계측하였다.
실험장치는 총 7 개 LED 소자(XLamp XP-G, Cree)가 직렬 연결되어 있는 190×25mm 의 메탈 PCB 3 개를 전기적으로 병렬 연결하여 가변 직류전원공급장치(DRP-3010D, 디지털전자)와 전력량계(WT210, Yokogawa)에 연결하였으며, 알루미늄 블록의 내부에 유로를 형성한 판 구조의 수냉각 장치를 제작하여 전열그리스를 도포한 후 LED 소자가 설치된 PCB 를 부착하였다. 최대한 손실을 방지하도록 수냉각 장치 및 LED 소자는 그 외부를 단열 처리하였고, 믹싱 컵 내부에 2 개의 열전대 (K-type, 0.3mm)를 설치하여 물의 입출구 온도를 계측하였다. 물의 질량유동율은 유량계(LF-01, Unicell) 및 매스실린더로 확인하고 전자저울(SW-I, CAS)을 이용하여 계측하였으며, 이 때 측정 오차를 최대한 줄이고자 물의 입출구 유량을 조절하여 입출구 온도차가 3℃ 이상을 유지하도록 하였다.
3에 보이는 바와 같고 앞서 LED 의 열적 특성 실험에서 적용한 것과 동일한 크기의 PCB 4 개에 총 30W 의 열부하를 균일한 열유속으로 발열하도록 하였으며 설치된 PCB 및 설치 표면은 단열 조건으로 가정하였다. 히트싱크 주위의 300K 공기가 부력에 의하여 발생한 유동에 의해 유출입이 자유롭도록 개방된 경계조건을 적용하였으며 복사 열 전달은 무시하였다. 해석영역은 히트싱크 높이의 5 배로 설정하였으며, 모두 사각(tetra)격자이고, 노드 수는 2,506,204 개 이다.
히트싱크의 성능 실험을 위하여 Fig. 5 과 같이 발열량 계측에 사용한 것과 동일한 크기의 모사발열체를 제작하고 압출형 히트싱크의 표면에 전열 그리스를 도포한 후 설치하였다. 온도를 계측하고자 열전대(K-type, 0.
히트싱크의 유동 및 열전달 특성을 파악하고자 전산모사 해석을 수행하였다. 해석은 CFX 12 를 이용하였으며, 자연대류 유동은 Boussinesq 근사 모델을 적용하였고, 정상상태, 비압축성, 층류유동으로 가정하였다.
대상 데이터
이러한 원인은 본 연구의 대상인 히트싱크와 관련 연구의 대상인 수평평판의 구조적 차이에 의한 것으로 설명된다. 즉, 본 연구 대상은 수평평판에 수직으로 핀이 설치된 구조로써 3 절의 해석결과에서 보는 것과 같이 좁은 핀 사이의 공간으로 수평유동이 발생하는 유동 형태인데 반하여, 관련 연구의 상관식들은 단순한 수평 평판에 대한 연구결과로 본 연구와 유동 형태가 상이하다. 다만, 본 연구의 실험결과와 일치된 경향을 보이고 있으며 특성길이의 형태를 변경함으로써 적절한 상관관계를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
히트싱크 주위의 300K 공기가 부력에 의하여 발생한 유동에 의해 유출입이 자유롭도록 개방된 경계조건을 적용하였으며 복사 열 전달은 무시하였다. 해석영역은 히트싱크 높이의 5 배로 설정하였으며, 모두 사각(tetra)격자이고, 노드 수는 2,506,204 개 이다.
성능/효과
1) 실험결과 LED 는 입력전력의 약 80%정도가 열로 변환되었으며, 온도 및 전력 변화에 따른 발열율 변화는 미소하였다.
2) 실험 구간 내에서 열부하의 증가에 따라 열전달 계수는 비교적 선형적으로 증가하는 경향을 나타내며, 이러한 결과는 부력 증가에 의한 전형적인 자연대류 열전달 계수의 특성으로 파악된다.
3) 실험결과에 기초하여 일반적인 히트싱크에서 Nu-Ra 수의 상관관계식을 최소자승법으로 정리하면 다음과 같으며, 본 연구의 실험범위에서 기존 수평 평판의 자연대류 상관식보다 약 25% 정도 낮은 값을 나타내었다.
따라서 LED 조명용 냉각장치를 설계할 때에는 작동온도에 따른 전압, 전류 특성으로부터 결정된 전력의 약 80%를 발열량으로 예측하고 냉각장치를 설계하는 것이 타당하다고 판단된다.
작동온도의 범위에서 발열율은 0.8±0.04 의 범위를 보여 입력전력의 약 80%가 열로 변환되는 것으로 알 수 있었으며, 온도의 변화에 대한 영향은 매우 미소하였다.
04 의 범위를 보여 입력전력의 약 80%가 열로 변환되는 것으로 알 수 있었으며, 온도의 변화에 대한 영향은 매우 미소하였다. 한편 정전류 상태에서 전압은 실험 구간에서 온도의 증가에 따라 약 3% 감소하며 이러한 결과 발열량도 상대적으로 약 3% 감소하는 현상을 나타내었다.
후속연구
즉, 본 연구 대상은 수평평판에 수직으로 핀이 설치된 구조로써 3 절의 해석결과에서 보는 것과 같이 좁은 핀 사이의 공간으로 수평유동이 발생하는 유동 형태인데 반하여, 관련 연구의 상관식들은 단순한 수평 평판에 대한 연구결과로 본 연구와 유동 형태가 상이하다. 다만, 본 연구의 실험결과와 일치된 경향을 보이고 있으며 특성길이의 형태를 변경함으로써 적절한 상관관계를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
8 은 식(7)을 이용하여 외기온도가 30℃일 때 수평형 히트싱크에서 발열부하와 외기와의 온도차에 따른 히트싱크의 소요 전열면적을 도시한 것이다. 이 도표를 이용하여 본 논문에서 적용한 히트싱크의 사양범위에서 적절한 크기의 히트싱크를 설계할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LED 조명의 열적 경로와 열저항은 어떻게 구성되는가?
일반적으로 LED 조명의 열적 경로와 열저항은 LED 의 PN 접합부(junction)로부터 패키징 구조물에 의한 소자의 내부 열저항, 솔더링 위치로부터 PCB 보드에 이르는 기판(substrate)의 열저항 및 발생열을 대기로 방출하는 냉각장치의 열저항으로 구성되며,4 일반적으로 고출력 LED 조명에서 PCB 기판에 전도된 열을 대기로 방열하기 위한 냉각장치로 전열면적 확장용 핀(fin)이 설치된 알루미늄 재질의 히트싱크(heat sink)를 사용하고 있다.
LED의 단점은?
최근 전기에너지의 광 전환효율이 높아 에너지 절감이 가능하고 친환경적 효과가 큰 LED(Light- Emitting Diodes)가 차세대 고효율 광원으로서 일반 조명용으로 사용이 확대되고 있는 추세이다.1-3 그런데 LED 의 경우 공급된 전력 중 50% 이상이 열 에너지로 전환되며 이에 따른 온도 상승이 광출력 저하 및 파장이동의 원인이 되고, LED 의 수명을 급격하게 감소시키는 것으로 알려져 있어,1 보안등 및 가로등과 같이 수십에서 수백 와트의 전력이 가해지는 고휘도, 고출력 조명기기의 경우 발광효율과 신뢰성 확보를 위해 정교한 방열설계가 요구된다.
히트싱크의 방열성능을 향상시키려는 연구는 무엇에 집중되어 있는가?
그 동안 반도체의 집적화에 의해 발열량과 열 유속(heat flux)이 급격히 증가함에 따라 히트싱크의 방열성능을 향상시키고자 관련 연구가 꾸준히 이루어져 왔다. 이러한 연구는 공기 유동 형태에 따른 열전달 특성 분석과 대류 열전달 계수의 증가를 위한 핀의 형상과 구조, 최적설계 등에 집중되어 있으며, 고열유속 범위에서 히트파이프를 이용한 냉각장치개발 등의 연구도 수행되었다.5 최근에는 LED 소자 냉각의 필요성이 대두됨에 따라 LED 방열용 히트싱크 및 히트파이프를 이용한 냉각장치에 관한 관련 연구가 수행되었다.
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