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문제 정의
- 본 연구에서는 LED 조명 기판의 정확한 온도를 측정하기 위해 열화상 카메라의 방사율과 반사온도를 실험을 통해 측정하였다. 표면색과 거칠기에 대한 조건을 비교 실험하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 따라서 방사율을 정확하게 설정해야 측정치의 오차를 줄일 수 있다. 본 연구의 측정치에 대한 정확도를 높이기 위해 LED 기판 하단부에 부착된 온도센서와 열화상 카메라의 측정치 오차를 줄이기 위해 최적 방사율과 반사온도를 검출하기 위한 실험을 수행하였다.
제안 방법
- LED 기판의 온도를 반사온도의 증가에 따라 비교해 보았다. 백색 코팅과 검정색 코팅의 지점에 대한 방사율과 반사온도에 따른 오차는 그림 11에서 나타내었다.
- LED 기판의 온도를 상승하였을 경우 오차를 측정 표면의 재질에 따라 분석하였다. 또한 방사율의 변화와 반사 강도에 따른 열화상 카메라와 온도 센서의 측정치 오차를 실험을 통해 분석하였다.
- LED 조명 모듈의 간격을 최대한 넓게 배치하여 열을 효과적으로 분산시킬 수 있게 배열을 하였다. 조명 모듈의 회로는 저항 10 Ω과 LED chip 간의 배치를 직렬로 연결하였다.
- LED 조명 모듈의 온도를 검출하기 위해 표면의 코팅이 요구되었고 우선적으로 방사율 E= 1의 값에 가깝도록 LED 기판 위에 검정색 코팅을 부착하였다. LED 조명 상단 기판과 코팅색이 같은 백색 코팅과 다른 검정색 코팅을 부착한 부분, metal 재질의 부분에 대한 온도 측정치를 비교하였다. 다음 그림 3에서는 LED 조명 모듈의 측정 실험도를 보여주고 있다.
- 그림 12와 그림 13에서는 구동 조건에 따른 LED 조명의 온도를 측정하였다. 각각 18 V, 20 V를 하였을 때 측정되는 LED 조명의 열화상 측정치와 반사온도 수치 계산치를 비교하였다. 열화상 측정치와 반사온도 수치 계산치를 비교하였다.
- 물체에 대한 측정 온도와 방사율 관계는 식 (6)에서 나타내었다. 그러나 저방사율을 가지는 재질의 온도 측정을 위해 물체에서 흡수되지 않고 전 반사되는 반사온도에 대한 수치를 계산하였다. 반사온도와 방사율의 조정에 따른 오차 보정을 통해 반사온도에 관한 열화상 카메라의 수치계산식을 얻었으며 열화상 카메라의 반사온도의 수치계산식은 다음 식(7)과 같다.
- 기판의 하단부의 열화상 측정치와 기판 상단부의 열화상 측정치를 비교하여 오차율에 해당하는 만큼 온도보정을 수행하였다. 기판 하단부에 부착된 온도센서는 중앙점과 이 부분에서 외곽으로 13 mm 간격으로 2개의 온도 측정점을 추가로 연결하였고, 기판의 상단부 중앙에서 외곽으로 26 mm 지점에 측정점 1개를 장착하였다.
- 한편, 그림 5에서는 LED 모듈에 20 V를 인가한 후 온도 변화에 대한 측정을 10분 간격으로 측정하였다. 기판의 하단부의 열화상 측정치와 기판 상단부의 열화상 측정치를 비교하여 오차율에 해당하는 만큼 온도보정을 수행하였다. 기판 하단부에 부착된 온도센서는 중앙점과 이 부분에서 외곽으로 13 mm 간격으로 2개의 온도 측정점을 추가로 연결하였고, 기판의 상단부 중앙에서 외곽으로 26 mm 지점에 측정점 1개를 장착하였다.
- 3℃미만으로 기판의 거리에 따른 온도차는 미미하였다. 따라서 57.2℃를 기준 온도로 고정하고 방사율 변경하며 측정치에 대한 비교를 하였다. 방사율이 0.
- LED 기판의 온도를 상승하였을 경우 오차를 측정 표면의 재질에 따라 분석하였다. 또한 방사율의 변화와 반사 강도에 따른 열화상 카메라와 온도 센서의 측정치 오차를 실험을 통해 분석하였다.
- 또한 코팅 테이프가 없는 26 mm 지점의 온도는 1개를 측정하여 총 3지점에 대한 열화상 측정과 온도 센서의 측정치를 비교하였다.
- 반사온도를 0℃로 고정, 반사율을 0.91∼0.99까지 조정한 후 이에 따른 열화상카메라의 오차를 비교하였다.
- 다음 그림 4는 LED 조명 모듈에 18 V를 인가한 후 모듈의 온도 변화를 열화상 카메라로 측정하였다. 반사온도와 방사율을 변경하며 검정색 코팅이 부착된 부분의 최적 방사율을 반사온도를 계산하였다.
- 열화상 카메라로 LED 모듈의 온도를 측정하였다. 방사율은 0.99, 반사온도는 0℃로 설정하고 LED 모듈에 18 V를 인가하였고 측정 시 10분 간격으로 30분간 측정하였다.
- 그림 12와 그림 13에서는 구동 조건에 따른 LED 조명의 온도를 측정하였다. 각각 18 V, 20 V를 하였을 때 측정되는 LED 조명의 열화상 측정치와 반사온도 수치 계산치를 비교하였다. 열화상 측정치와 반사온도 수치 계산치를 비교하였다.
- 열화상 카메라로 LED 모듈의 온도를 측정하였다. 방사율은 0.
- 온도센서는 K type 써머 커플을 사용하였다. 열화상 카메라로 온도를 측정하기 위해 LED 기판에 백색 코팅과 검정색 코팅을 부착하고 중심으로부터 수평으로 13 mm 지점과 수직으로 13 mm 지점의 온도를 열화상으로 측정하였다.
- 실험을 위해 제작된 금속 PCB 기판에 실험을 위해 선정된 LED 칩을 기판 위에 실장하였다. 이 과정을 통해 20 W급 LED 모듈에 전력을 인가하여 발생하는 온도를 측정하였다. LED의 구동 후 발생하는 LED 접합면의 온도를 측정하기 위해 정확한 기판의 측정 온도를 측정해야 한다.
- 또한 물체의 측정 위치에 따른 방사각도에 따라 변화되는 방사율에 대한 연구도 진행되었다 [12]. 이를 위해 열화상 카메라를 이용하여 물질의 반사에너지와 방사율에 따른 값을 도출하였다. 측정치의 오차를 최대한 줄이고 측정치에 대한 신뢰성을 향상시키기 위해 정확한 재질의 반사율과 반사온도에 대한 수치를 확인해야 하며 이를 위해 온도센서에 의해 측정되는 온도 수치와 적외선 열화상 카메라를 통해 측정되는 온도 수치를 비교하여 정확한 반사율과 반사온도를 검출하였다.
- LED 조명 모듈 설계는 auto-CAD를 사용하여 설계된 LED 조명 모듈을 금속 PCB 제작 공정을 통해 완성하였다. 이후 선정된 미국 Cree사의 4 W급 고출력 LED chip을 실장하여 LED 조명 모듈을 제작하였다. 다음 그림 1에서는 LED 조명 모듈과 설치된 실험 장치를 보여주고 있다.
- 이를 위해 열화상 카메라를 이용하여 물질의 반사에너지와 방사율에 따른 값을 도출하였다. 측정치의 오차를 최대한 줄이고 측정치에 대한 신뢰성을 향상시키기 위해 정확한 재질의 반사율과 반사온도에 대한 수치를 확인해야 하며 이를 위해 온도센서에 의해 측정되는 온도 수치와 적외선 열화상 카메라를 통해 측정되는 온도 수치를 비교하여 정확한 반사율과 반사온도를 검출하였다.
대상 데이터
- LED의 구동 후 발생하는 LED 접합면의 온도를 측정하기 위해 정확한 기판의 측정 온도를 측정해야 한다. LED 조명 모듈에서 발열온도를 측정하기 위해 열화상 카메라를 사용하였다. 열화상 카메라는 물체가 가지는 열복사에너지를 검출하는 것으로 측정온도는 물체의 표면에서 방출되는 열 복사 방사율 (emissivity)에 영향이 있다.
- LED 조명 모듈의 접합면의 온도를 측정하기 위해 열화상 카메라를 사용하였다. 열화상 카메라는 재질에 따른 반사온도 및 방사율이 다르므로 정확한 값을 도출하기 위해 실측치와 열화상 측정치의 오차를 최대한 줄여 정확성을 높이는 것이 중요하다.
- 특히 LED 조명의 성능과 신뢰성을 평가하는 척도로 LED 접합면의 온도에 대한 정확한 측정과 이 부분에 대한 발열제어가 필수적이다. 본 연구에서는 LED 조명 기판은 열전달 특성이 우수한 알루미늄 소재인 금속 PCB 기판으로 제작하였다. 알루미늄 소재는 FR-4소재 보다 열전달 특성이 우수하여 LED 기판에 주로 사용된다 [4].
- 알루미늄 소재는 FR-4소재 보다 열전달 특성이 우수하여 LED 기판에 주로 사용된다 [4]. 실험을 위해 제작된 금속 PCB 기판에 실험을 위해 선정된 LED 칩을 기판 위에 실장하였다. 이 과정을 통해 20 W급 LED 모듈에 전력을 인가하여 발생하는 온도를 측정하였다.
- 중심 부근으로 부터 13 mm 간격으로 센서 위치를 부착하였다. 온도센서는 K type 써머 커플을 사용하였다. 열화상 카메라로 온도를 측정하기 위해 LED 기판에 백색 코팅과 검정색 코팅을 부착하고 중심으로부터 수평으로 13 mm 지점과 수직으로 13 mm 지점의 온도를 열화상으로 측정하였다.
성능/효과
- 1. LED 기판 하단부에 검정색코팅 한 부분과 백색 코팅을 한 부분의 오차가 발생하였지만 오차 온도는 미미하였다. 이는 LED 기판 표면의 색에 따른 방사율과 반사온도에 영향을 주는 것보다 표면의 재질에 따른 영향이 큰 것으로 판단된다.
- 2. LED 기판 표면의 거칠기가 상대적으로 코팅이 없는 metal 부분에서 측정치의 오차가 크게 발생하였다. 이는 기판 하단부의 알루미늄 재질의 metal 부분의 낮은 방사율 때문에 정확한 측정이 이뤄지지 않은 것으로 보인다.
- 3. 방사율이 1에 가까울수록 반사온도의 변화에 영향을 미치지 않는 것을 확인할 수 있다. 이는 Kichhoff 의 법칙에 근거하여 흡수율에너지가 방출되는 비율이 상대적으로 1에 가까울수록 높아지므로 상대적인 반사영향은 적은 것으로 평가된다.
- 4. 검정색 코팅의 최적 방사율과 반사온도는 각각 0.99, 0℃이며, 백색코팅의 최적 방사율과 반사온도는 각각 0.97, 20℃로 측정되었고, 이를 통해 온도오차를 최대 0.5도 이내로 측정치 오차를 보였다.
- 5. 적절한 방사율과 반사온도를 고정하고 LED 구동 조건에 따른 측정치의 오차는 비교적 일정하였다. 일부 온도 구간에서의 온도 상승은 물체의 방사율의 영향이 거의 없었음을 알 수 있다.
- 열화상 측정치와 반사온도 수치 계산치를 비교하였다. 각각 검정색 테이프가 부착된 지점, 하얀색 테이프가 부착된 부분의 온도와 반사온도 수치 계산을 비교한 결과 방사율은 0.97, 반사온도가 20℃일 때 수치 계산치는 검정색 코팅을 부착한 측정치와 거의 일치하였고, 방사율은 0.99, 반사온도가 0℃일 때 수치 계산치는 백색 코팅을 부착한 측정치와 거의 일치하였다.
- 97, 반사온도 20℃를 설정하고 검정색과 백색 코팅의 부착된 지점의 측정치 오차를 설정하고 식 (7)의 반사온도 수치 계산식을 적용하여 온도 오차를 비교하였다. 구동 조건이 20 V로 시간이 상승함에 따라 백색 코팅 지점의 오차는 다소 증가되고, 검정색 코팅 지점의 오차는 다소 감소되었으나 전체적으로 온도 오차는 1℃ 미만으로 유지되었다.
- 다음 그림 8에서는 방사율에 따른 측정치 오차를 백색 코팅과 검정색 코팅으로 비교하였다. 그 결과 온도센서와 열화상 카메라의 온도 오차가 0℃에 근접한 지점은 검정색 코팅의 경우 방사율이 0.99 부근이었고, 백색 코팅의 경우 방사율이 0.97 부근에서 온도오차가 0℃에 가장 근접하였다.
- 방사율이 1에 가까울수록 반사온도의 변화에 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있다. 또한 검정색 코팅이 부착된 부분의 온도 오차는 방사율이 0.99, 반사온도가 50℃ 이내에서 오차가 가장 적었고, 백색 코팅이 부착된 지점은 방사율이 0.97, 25℃ 이내에서 가장 오차가 적게 측정되었다. 반사온도가 0℃ 일 경우 재질의 색깔에 따라 비교해 본 결과 백색 코팅이 부착된 부분은 방사율 0.
- 97, 25℃ 이내에서 가장 오차가 적게 측정되었다. 반사온도가 0℃ 일 경우 재질의 색깔에 따라 비교해 본 결과 백색 코팅이 부착된 부분은 방사율 0.97일 때 온도 센서와 열화상카메라의 오차가 가장 적었으며, 반면 검정색 코팅이 부착된 부분의 온도는 방사율이 0.99일 때 측정치 오차가 가장 적었다. 이는 검정색 코팅의 방사율이 백색 코팅의 방사율 보다 높으며 열복사에너지의 방출이 상대적으로 크다는 것을 알 수 있다.
- 우선적으로 LED 조명 모듈에 인가되는 구동전압은 DC power supply를 사용하여 제어하였고, 사용된 온도분석기는 100 ms까지 샘플링이 가능하고 측정온도 범위는–100℃∼1,300℃이며, 정확도는 0.05%의 오차 범위를 가진다.
- 1℃로 측정되었다. 재질에 따라 열화상의 측정치 오차가 크게 발생하였으며 표면의 거칠기가 상대적으로 낮은 metal 부분이 비교군들 중 가장 큰 측정치 오차를 보였다. 다음 그림 6에서는 구동전압에 따른 LED 조명 기판의 온도측정치를 보여주고 있다.
후속연구
- 일부 온도 구간에서의 온도 상승은 물체의 방사율의 영향이 거의 없었음을 알 수 있다. 본 연구의 결과를 통해 향후 LED의 접합면의 온도를 측정 시 유용할 것으로 보인다. 접촉식 온도 센서를 사용하여 측정이 어려운 LED 조명의 접합면의 온도에 대한 정확한 측정을 위해 LED 기판의 적절한 방사율과 반사율을 산출한다면 LED 방열성능 평가에 중요한 연구 성과로 이어질 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구의 결과를 통해 향후 LED의 접합면의 온도를 측정 시 유용할 것으로 보인다. 접촉식 온도 센서를 사용하여 측정이 어려운 LED 조명의 접합면의 온도에 대한 정확한 측정을 위해 LED 기판의 적절한 방사율과 반사율을 산출한다면 LED 방열성능 평가에 중요한 연구 성과로 이어질 수 있을 것으로 판단된다.
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