[논문]헬리컬 핀 구조를 가진 LED 조명용 히트싱크의 열 특성

김영훈; 임해동; 오범환

doi:10.3807/kjop.2014.25.6.311

헬리컬 핀 구조를 가진 LED 조명용 히트싱크의 열 특성
Thermal Characteristics of a Heat Sink with Helical Fin Structure for an LED Lighting Fixture 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.25 no.6, 2014년, pp.311 - 314

김영훈 (인하대학교 정보통신공학과) , 임해동 (인하대학교 정보통신공학과) , 오범환 (인하대학교 정보통신공학과)

초록
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본 논문에서는 LED 모듈의 방열성능을 개선하기 위하여 히트싱크의 새로운 핀 구조를 설계하고 열 특성을 분석하였다. 대부분의 히트싱크는 판상형이나 침상형의 핀으로 구성되는 것이 일반적이나, 스프링 모양의 헬리컬 핀 구조를 설계변수와 함께 도입하여 제한된 부피 대비 넓은 표면적을 갖는 히트싱크를 설계하였다. 약 14% 넓어진 표면적을 통해 방열 효율을 개선하였고, 그에 따라 LED 칩의 온도를 약 12% 정도 저감하는 효과를 가져 올 수 있었다. 또한, 기존의 히트싱크 보다 넓은 표면적을 가지는데 비해 형성 부피는 약 15% 감소하게 되어 재료비 절감은 물론 공정상의 이점에 따른 공정 생산비의 절감을 기대할 수 있는 새로운 고성능 LED 조명용 히트싱크를 설계하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we design a helical fin structure for the heat sink for a high-power LED lighting module, and analyze its thermal properties. By means of the helical fin structure, we can obtain about 14% larger surface area for the limited volume and it can decrease the LED chip temperature by about 12%. Because this helical fin heat sink has 15% less total volume than a conventional one, we can also expect to reduce the production cost due to these structural properties.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 LED 조명용 히트싱크의 방열 효율을 최대한으로 높이면서 경제성과 생산성 또한 높은 새로운 히트싱크를 설계하였다. CFD기법을 사용한 전산모사 프로그램을 통해 히트싱크의 열 특성을 분석하였으며, 헬리컬 핀의 각 부분적 요소를 설계 변수로 설정하여 설계 변수에 따른 최적화를 도출하였다.
본 논문에서는 이러한 기존의 구조적 한계를 벗어나기 위해 핀의 구조를 판상 또는 침상이 아닌 스프링 모양의 헬리컬 구조로 새롭게 설계하였다. 헬리컬 구조의 핀은 기존 핀에 비해 형상 특성상 넓은 유효 방열 표면적을 가지며, 식(1)과 (2)에 따라 복사 및 대류에 의한 방열 효율이 증가한다.
본 논문에서는 히트싱크의 방열 성능을 개선하기 위하여 전도, 대류, 복사에 대한 핵심 요소를 분석하였고, 그 중 대류 방열효과의 상승을 위해 표면적을 넓히는 히트싱크를 설계 하였다. 히트싱크의 표면적을 넓히기 위해 핀의 형상구조를 침상 또는 판상형이 아닌 헬리컬 구조로 설계하였고, 핀 설계 시 여러 가지 설계변수를 부여하여 원하는 조건에 맞는 핀의 최적화된 구조를 도출 할 수 있게 하였다.

가설 설정

2와 같이 상단에서부터 LED Chip, PCB, Thermal tape 그리고 Heat sink 순서로 배치하였다. LED소자는 1W급 5개를 상단에서 보았을 때 열십자 형태가 되도록 배치하였으며, 각 LED 소자에서 전체 에너지의 77%가 열로 발생한다고 가정하고 총 3.85W의 열이 LED 소자에서 발생하여 Heat sink에서 냉각되도록 설계하였다. 히트싱크의 재질은 전도에 의한 방열 효과를 극대화하기 위해 열전도도가 가장 우수한 금속이 적합하나 무게와 경제성, 강도 및 가공성 등을 고려하여 알루미늄으로 설정하여 열 특성을 분석하였다.

제안 방법

본 논문에서는 LED 조명용 히트싱크의 방열 효율을 최대한으로 높이면서 경제성과 생산성 또한 높은 새로운 히트싱크를 설계하였다. CFD기법을 사용한 전산모사 프로그램을 통해 히트싱크의 열 특성을 분석하였으며, 헬리컬 핀의 각 부분적 요소를 설계 변수로 설정하여 설계 변수에 따른 최적화를 도출하였다.
두 히트싱크의 특성차를 알아보기 위해 헬리컬 핀 구조의 설계 변수 값은 임의 값인 N=10, D=0.5mm, R=5mm, P=2mm로 설정하여 모델링 하였다. 기존 MR16 히트싱크 모델과 헬리컬 핀 구조 히트싱크 모델의 형상 특성을 비교한 결과, 기존의 히트싱크 보다 헬리컬 핀 히트싱크의 부피는 약 15% 작고, 표면적은 약 14% 넓게 나타났다.
모델링한 구조를 이용하여 히트싱크의 열전달 특성을 파악하고자 전산 유체 역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 소프트웨어 Ansys ICEPAK을 이용하여 열 해석을 수행하였다. 전산모사 환경은 정상상태 자연대류 조건이며, 주변온도는 293.
헬리컬 구조의 핀은 기존 핀에 비해 형상 특성상 넓은 유효 방열 표면적을 가지며, 식(1)과 (2)에 따라 복사 및 대류에 의한 방열 효율이 증가한다. 이러한 히트싱크의 향상된 방열 성능을 확인하고자 전산모사를 수행하였고 구조의 공정이점을 분석하였다.
전산모사 소자의 적층구조는 실제 LED 패키지의 배치구조를 본떠, Fig. 2와 같이 상단에서부터 LED Chip, PCB, Thermal tape 그리고 Heat sink 순서로 배치하였다. LED소자는 1W급 5개를 상단에서 보았을 때 열십자 형태가 되도록 배치하였으며, 각 LED 소자에서 전체 에너지의 77%가 열로 발생한다고 가정하고 총 3.
헬리컬 핀 히트싱크의 방열 특성을 파악하기 위해 3D CAD 설계 소프트웨어인 Solidworks를 이용하여 히트싱크의 모델링을 수행하였다. 시판하는 MR16용 히트싱크의 원통형 몸체에 핀(Fin)의 구조를 헬리컬 핀 구조로 변경하여 Fig.
헬리컬 핀 히트싱크의 설계 시 최적화를 위해, Fig. 1(c)와 같이 설계변수를 지정하여 모델링을 수행 하였으며, 설계변수로는 핀의 간격(2πr/N), 핀의 굵기(R), 헬리컬의 반지름(D)과 상하 피치(P)를 지정하였다.
85W의 열이 LED 소자에서 발생하여 Heat sink에서 냉각되도록 설계하였다. 히트싱크의 재질은 전도에 의한 방열 효과를 극대화하기 위해 열전도도가 가장 우수한 금속이 적합하나 무게와 경제성, 강도 및 가공성 등을 고려하여 알루미늄으로 설정하여 열 특성을 분석하였다. 전산모사에 사용된 각 소자의 특성은 Table 1과 같으며, 히트싱크의 재질로 비교된 금속들의 특성은 Table 2와 같다.
본 논문에서는 히트싱크의 방열 성능을 개선하기 위하여 전도, 대류, 복사에 대한 핵심 요소를 분석하였고, 그 중 대류 방열효과의 상승을 위해 표면적을 넓히는 히트싱크를 설계 하였다. 히트싱크의 표면적을 넓히기 위해 핀의 형상구조를 침상 또는 판상형이 아닌 헬리컬 구조로 설계하였고, 핀 설계 시 여러 가지 설계변수를 부여하여 원하는 조건에 맞는 핀의 최적화된 구조를 도출 할 수 있게 하였다.

이론/모형

대류는 언급한 위 두 가지 방열 방식 보다 방열에 미치는 영향력이 강하다. 물체 표면온도와 외부 온도의 차이에 의해 일어나는 대류는, Newton의 냉각법칙을 이용하여 표현하면 식(2)과 같다.^[5]

성능/효과

5mm, R=5mm, P=2mm로 설정하여 모델링 하였다. 기존 MR16 히트싱크 모델과 헬리컬 핀 구조 히트싱크 모델의 형상 특성을 비교한 결과, 기존의 히트싱크 보다 헬리컬 핀 히트싱크의 부피는 약 15% 작고, 표면적은 약 14% 넓게 나타났다. 이는 히트싱크의 공정 시, 형성 재료비의 절감으로 이어질 수 있으며 제품의 경량화가 가능한 것을 나타낸다.
반면, 핀의 굵기(R)는 부피의 증가 폭이 크고 온도의 변화 폭이 작기 때문에, 히트싱크의 성능 향상에 크게 기여하지 못하며 형성 재료비의 비효율적 증가라는 단점이 따른다. 따라서 헬리컬 히트싱크 핀의 설계 시 핀 반지름(D) 변수를 우선시 하여 최적화 설계를 진행하면 최적화된 방열 효과를 가진 히트싱크를 설계 할 수 있다.
또한, 전산모사 구조에서 LED소자의 온도는 기존 MR16용 히트싱크에 비해 헬리컬 핀 히트싱크가 약 6℃정도 더 낮음을 확인할 수 있다.
전산모사 결과, 기존 히트싱크에 비해 부피는 약 15% 감소한 반면 표면적은 약 14%가 증가하는 효과를 나타내었고, 표면적 증가에 따른 방열 효과가 좋아짐으로써 표면온도는 약 12% 정도 개선되었다. 이를 통해 헬리컬 핀 히트싱크의 구조가 기존의 히트싱크 구조보다 방열 성능 면에서 우수함을 입증 할 수 있었으며, 부피의 감소에 따른 형성 재료비의 절감과 경량화라는 공정 이점을 확인하였다. 전산모사시 모델링의 편리함을 위해 원통형 헬리컬 구조를 형성하고 있지만, 실제 설계에선 핀의 하단 크기를 감소시키거나 하단부의 반지름을 줄여, 방열 성능은 유지 하면서도 경제성과 기능성을 더욱 개선시킬 수도 있을 것으로 기대한다.
전산모사 결과, 기존 히트싱크에 비해 부피는 약 15% 감소한 반면 표면적은 약 14%가 증가하는 효과를 나타내었고, 표면적 증가에 따른 방열 효과가 좋아짐으로써 표면온도는 약 12% 정도 개선되었다.

후속연구

이를 통해 헬리컬 핀 히트싱크의 구조가 기존의 히트싱크 구조보다 방열 성능 면에서 우수함을 입증 할 수 있었으며, 부피의 감소에 따른 형성 재료비의 절감과 경량화라는 공정 이점을 확인하였다. 전산모사시 모델링의 편리함을 위해 원통형 헬리컬 구조를 형성하고 있지만, 실제 설계에선 핀의 하단 크기를 감소시키거나 하단부의 반지름을 줄여, 방열 성능은 유지 하면서도 경제성과 기능성을 더욱 개선시킬 수도 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED 광원의 히트싱크의 구조는?	통상적인 방열 방식은 LED 칩 배면에 히트싱크를 부착하는 것으로써, 히트싱크의 구조는 판 또는 원통 등 목적에 맞는 구조로 형성된 몸체에 침상(針狀; needle shape) 또는 얇은 판상(板狀; plate) 등의 형태로 제작한 다수의 방열 핀을 압출 또는 접합으로 세워 형성한다. 하지만 이러한 기존 히트싱크 구조는 타 방열제품에 사용되던 형상을 그대로 본떠 만든 것이지, LED 광원의 특성에 최적화한 구조는 아니다.
	LED 광원이란?	LED 광원은 반도체 소자로써, 전류 인가 시에 전자와 정공의 재결합을 통해 방출되는 에너지를 높은 효율로 직접 빛으로 변환한다. 이때 매우 좁은 부피영역에 국한되어 있는 활성층에서 비 발광 손실 에너지인 열 또한 방출하는데, 소형의 LED 소자에서 발생된 지속적인 고열은 소자의 수명을 단축시키며 열화현상으로 인한 조명 품질의 악영향과 광원의 광속효율도 감소시키게 된다.
	LED 광원에서 활성층에서 발생하는 열의 문제점은?	LED 광원은 반도체 소자로써, 전류 인가 시에 전자와 정공의 재결합을 통해 방출되는 에너지를 높은 효율로 직접 빛으로 변환한다. 이때 매우 좁은 부피영역에 국한되어 있는 활성층에서 비 발광 손실 에너지인 열 또한 방출하는데, 소형의 LED 소자에서 발생된 지속적인 고열은 소자의 수명을 단축시키며 열화현상으로 인한 조명 품질의 악영향과 광원의 광속효율도 감소시키게 된다.[1-4] 따라서 LED 광원의 발열문제를 해결하기 위한 방열방식은 경제성이 높으면서도 활성 층에서 방출되는 빛을 방해하지 않아야 한다.

참고문헌 (6)

Y. J. Kim, S. Kim, and G. Cho, "A study on heat radiation and luminous flux in led lamp," in Proc. The Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers Autumn Meeting (Nov. 2011), pp. 109-112.
S.-Y. Yang and C.-W. Yi, "A study on reliability analysis for reliability testing & field degradation data of LED lighting," Journal of KIIEE 25, 54-59 (2011).

원문보기 상세보기
C. Biber, "LED light emission as a function of thermal conditions," Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium, Semi-Therm 2008, Twenty-fourth Annual IEEE, 180-184 (2008)
S. Chhajed, Y. Xi, Yh. Gessmann, J.-Q. Xi, J. M. Shah, J. K. Kim, and E. F. Schubert, "Junction temperature in light-emitting diodes assessed by different methods," Proc. SPIE 5739, Manufacturing, and Applications IX, 16 (2005).
ARPACI, KAO, SELAMET, Introduction to Heat Transfer (Prentice Hall, 2000), p. 91.
D. D. L. Chung, "Materials for thermal conduction," Applied Thermal Engineering 21, 1593-1605 (2001).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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