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문제 정의
- 본 논문에서는 고출력 LED모듈의 방열을 위해 방열판으로 열전달을 향상시키기 위한 연구로서, 카본을 이용한 열전도 CNT 수지를 중합하였고], 이를 열전달물질로 사용하여 기존에 시판되고 있는 열전도 그리스와의 비교 냉각실험과 50W LED모듈에 적용하여 비교 방열시험을 실시하여 열전도 성능을 비교 검토하였다.
가설 설정
- LED 모듈의 효율을 100으로 가정할 때 등기구의 효율은 50%정도 밖에 되지 않는다. 따라서 광원인 모듈의 온도 상승으로 10~20%의 효율이 상실되기 때문에 모듈로 부터 빠르게 열을 빼낼 수 있는 열전도성 소재를 사용하고 방열판 또는 조명 하우징으로 열을 전달하여 방열시키는 것이 필요하다.
제안 방법
- (b)와 같이 그라파이트와 카본블랙에 CNT를 첨가하여 중합(②)하여 열전도도가 1.233(W/m·K)인 CNT 열전달 수지와 Shinetsu사 G-747로 열전도도가 1.09(W/m·K)인 상용 서멀 그리스(③)를 LED MCPCB와 방열판 사이에 각각 도포하여 열전달매체(TIM)로서 사용하였으며, 구성된 장치를 1,800×1,800×1,800(mm) 암막 내부의 중앙에 위치하도록 하였다.
- 측정을 위해 Fig. 2(b)와 같이 제작된 시료를 장치에 장착하고, 에너지 소스를 최대 10(J)을 가할 수 있는 제논 플레시 램프에 의해 열을 가한 후 시편의 열확산율과 열전도율을 측정하였다. 측정 결과의 정확성 및 재현성을 높이기 위하여 각각 3번씩 측정하였으며, Table 1에 평균값을 나타내었고, Fig.
- 중합된 CNT 열전달 수지의 성분 조성은 CNT 2%, 그라파이트 25%, 카본블랙 50%, 에폭시 23%로 합성하여 열전달매체로 활용하였다. CNT 첨가 유무에 따라 제조된 방열 수지와 Shinetsu사의 상용제품인 G-747 실리콘 서멀 그리스(Silicon thermal grease)와의 냉각성능 시험 및 LED 방열 실험을 통하여 열전달 성능을 비교하였다.
- LED 모듈의 방열 테스트에 따른 온도분포 측정 포인트는 총 5개소로 P1∼P5의 온도 변화를 측정하였다.
- LED 모듈의 방열 테스트에 따른 온도분포 측정 포인트는 총 5개소로 P1∼P5의 온도 변화를 측정하였다. P1은 LED 모듈의 MCPCB Metal과 방열판 접촉면(MCPCB Metal 하부), P2는 LED 모듈의 MCPCB Metal 상부, P3는 방열판 핀(Pin) 상단의 220㎜의 중앙부분, P4는 방열판 핀 하단의 온도를 변화를 측정하였으며 그 결과를 Fig. 10에 나타내었다. P5는 암막 내부의 주위 온도 변화를 측정하였다.
- 고출력 LED 모듈에 45.4W의 DC전원 공급하고, LED 모듈 방열테스트 시간은 LED 조명의 전원 및 방열 등의 안정화를 고려하여 2시간 동안 실시하였다. 테스트 후 60분 정도 지나면서 LED 모듈의 P1, P2 포인트의 온도가 안정화됨을 알 수 있었으며, 안정화 이후 LED의 MCPCB Metal의 상부(P1) 및 하부(P2)의 온도는 CNT 열전달 레진을 적용한 경우가 Shinetsu 열전 그리스를 적용한 것 보다 4.
- 3은 측정결과의 그래프로서 좌측 세로축은 열확산율, 우측 세로축은 열전도율을 나타내었다. 또한 CNT수지의 열전도도를 사용 온도 대에 따라 열확산율 및 열전도율의 특성을 파악하기 위하여 25℃부터 65℃ 까지 10℃단위로 측정하였다. 실온 25℃에서 1.
- 시편을 80℃까지 가열한 후, 각각 시편이 냉각되는 과정을 적외선 열화상(Infrared Thermography) 카메라(FLIR-SC620)를 이용하여 온도변화를 측정하여 냉각 성능을 확인하였다. 또한 열전달물질 ② 및 ③을 적용한 50W 고출력 LED모듈(BridgeLux사의 BXRA-C5000)을 사용하여 Fig. 8과 같이 방열성능 비교 실험을 실시하였다.
- 본 연구는 CNT를 첨가한 열전달물질을 제조하여 열전도도를 측정하고, 성능 테스트를 위하여 CNT 열전달 수지와 상용 서멀그리스를 적용하여 비교실험을 실시하였다. 적외선 열화상 카메라를 이용한 시편의 냉각 성능 측정 실험과 고출력 LED를 이용한 방열 테스트를 통해 열전달 성능 테스트를 진행하였다.
- 초음파를 이용한 분산의 경우는 기포가 발생하여 용매를 사용한 후 이를 제거해야 하는 문제점이 있다. 본 연구에 이용된 기술은, 이러한 문제점을 해결하는 대안으로 탄소나노튜브를 PG(Propylene glycol)/EG(Ethylene glycol) 등의 원료에 분산한 후 불포화 폴리에스터를 중합하는 방법으로 이를 위한 분산방법으로 나노마이저(Nanomizer)를 이용하였다. 나노마이저 바스켓에는 비드가 있으며, 바스켓과 바스켓 내부의 회전축은 서로 반대방향으로 고속 회전하고 이를 이용하여 탄소나노튜브를 분산하는 원리로 Fig.
- 5와 같은 항온장치에서 가열하였다. 시편을 80℃까지 가열한 후, 각각 시편이 냉각되는 과정을 적외선 열화상(Infrared Thermography) 카메라(FLIR-SC620)를 이용하여 온도변화를 측정하여 냉각 성능을 확인하였다. 또한 열전달물질 ② 및 ③을 적용한 50W 고출력 LED모듈(BridgeLux사의 BXRA-C5000)을 사용하여 Fig.
- 시편의 온도변화는 내부의 시편이 최대로 냉각되어 일정한 온도를 유지할 때 까지 열화상 카메라를 이용하여 측정을 계속하였으며, 그 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 카본 열전달 수지(①) 시편과 CNT 열전달 수지(②) 시편의 냉각 성능은 최대 1℃ 이내로 미소한 차이를 보이는 반면, G-747 상용 실리콘 서멀그리스 ③번 시편과는 최대 5℃정도의 냉각성능의 차이를 보였다.
- 냉각 성능 시험은 상온 대류조건에서 그라파이트, 카본블랙 합성 열전달 수지(①, 이하 카본 열전달 수지), CNT, 그라파이트, 카본블랙 열전달 수지(②, 이하 CNT 열전달 수지)와 상용 서멀그리스(③)를 이용하여 시편을 제작하였다. 시험편 제작은 유리판에 열전달물질(①, ②, ③)을 각각 10㎛로 도포하고, 30㎛의 알루미늄 박판을 접착한 후 열화상카메라 측정을 위해 흑색 무광 페인트를 도포하는 과정을 거쳐 Fig. 4와 같이 시편을 제작하였다. 냉각 시험을 위한 가열은 Fig.
- : 184~190 g/eq, 점도: 11500~13500cps)을 사용하였고, 경화제는 TCI사 제품인 4,4′-DDM(Diaminodiphenylmethane)을 사용하였으며 YD-128의 고 점도를 낮추기 위해 MEK(Methyl Ethyl Ketone)가 희석제로 사용되었다. 에폭시 수지와 경화제 DDM을 당량비 1:1로 혼합하여 70℃에서 녹이고, MEK를 에폭시 수지와 무게비 1:1로 첨가하여 희석시켰다. 중합된 CNT 열전달 수지의 성분 조성은 CNT 2%, 그라파이트 25%, 카본블랙 50%, 에폭시 23%로 합성하여 열전달매체로 활용하였다.
- 본 연구는 CNT를 첨가한 열전달물질을 제조하여 열전도도를 측정하고, 성능 테스트를 위하여 CNT 열전달 수지와 상용 서멀그리스를 적용하여 비교실험을 실시하였다. 적외선 열화상 카메라를 이용한 시편의 냉각 성능 측정 실험과 고출력 LED를 이용한 방열 테스트를 통해 열전달 성능 테스트를 진행하였다.
- 제조된 카본 방열 수지 및 CNT 방열 수지(1.233W/m·K)와 열전도그리스(Shinetsu사 G-747 silicon thermal grease, 1.09 W/m·K)에 대한 냉각 성능 시험과 LED 방열 실험을 실시하였다.
- 중합된 CNT 열전달 수지를 이용하여 비교 실험을 하기위해서는 우선 열전도도의 측정이 필요하여 대기 중에서 경화시키고, 측정 장비의 규격에 적합하도록 12.7×12.7×2.4(mm)의 고체상태의 사각시편으로 제작하였다.
- 2(b)와 같이 제작된 시료를 장치에 장착하고, 에너지 소스를 최대 10(J)을 가할 수 있는 제논 플레시 램프에 의해 열을 가한 후 시편의 열확산율과 열전도율을 측정하였다. 측정 결과의 정확성 및 재현성을 높이기 위하여 각각 3번씩 측정하였으며, Table 1에 평균값을 나타내었고, Fig. 3은 측정결과의 그래프로서 좌측 세로축은 열확산율, 우측 세로축은 열전도율을 나타내었다. 또한 CNT수지의 열전도도를 사용 온도 대에 따라 열확산율 및 열전도율의 특성을 파악하기 위하여 25℃부터 65℃ 까지 10℃단위로 측정하였다.
대상 데이터
- CNT 열전달 수지의 제조를 위해서 필러로는 CNT, 그라파이트(Graphite)와 카본블랙(Carbon black)이 사용되었다. 기지재로 사용된 에폭시 수지는 국도화학(주) 이관능성 에폭시 올리고머인 DGEBA(Diglycidylether of bisphenol-A)계 YD-128(e.
- LED 방열 실험을 위해 50W 고출력 LED모듈(BridgeLux사의 BXRA- C5000)을 220×150×60(mm) 알루미늄 방열판의 중앙에 부착하였다.
- 기지재로 사용된 에폭시 수지는 국도화학(주) 이관능성 에폭시 올리고머인 DGEBA(Diglycidylether of bisphenol-A)계 YD-128(e.e.w.: 184~190 g/eq, 점도: 11500~13500cps)을 사용하였고, 경화제는 TCI사 제품인 4,4′-DDM(Diaminodiphenylmethane)을 사용하였으며 YD-128의 고 점도를 낮추기 위해 MEK(Methyl Ethyl Ketone)가 희석제로 사용되었다.
- 09 W/m·K)에 대한 냉각 성능 시험과 LED 방열 실험을 실시하였다. 냉각 성능 시험은 상온 대류조건에서 그라파이트, 카본블랙 합성 열전달 수지(①, 이하 카본 열전달 수지), CNT, 그라파이트, 카본블랙 열전달 수지(②, 이하 CNT 열전달 수지)와 상용 서멀그리스(③)를 이용하여 시편을 제작하였다. 시험편 제작은 유리판에 열전달물질(①, ②, ③)을 각각 10㎛로 도포하고, 30㎛의 알루미늄 박판을 접착한 후 열화상카메라 측정을 위해 흑색 무광 페인트를 도포하는 과정을 거쳐 Fig.
- 에폭시 수지와 경화제 DDM을 당량비 1:1로 혼합하여 70℃에서 녹이고, MEK를 에폭시 수지와 무게비 1:1로 첨가하여 희석시켰다. 중합된 CNT 열전달 수지의 성분 조성은 CNT 2%, 그라파이트 25%, 카본블랙 50%, 에폭시 23%로 합성하여 열전달매체로 활용하였다. CNT 첨가 유무에 따라 제조된 방열 수지와 Shinetsu사의 상용제품인 G-747 실리콘 서멀 그리스(Silicon thermal grease)와의 냉각성능 시험 및 LED 방열 실험을 통하여 열전달 성능을 비교하였다.
성능/효과
- 그라파이트와 카본블랙을 중합한 카본 열전달 수지, 그라파이트와 카본블랙에 CNT를 첨가하여 중합한 CNT 열전달 수지와 Shinetsu G-747 사용 서멀그리스에 대한 냉각성능 비교 테스트를 실시한 결과, 카본 방열 수지와 CNT 방열 수지는 상용 서멀그리스 보다 5.0℃ 낮게 측정되어 냉각 성능 및 열전달 능력이 우수하게 나타났으며, 중합한 CNT 방열 수지의 열전도도를 측정한 결과에서도 1.233(W/m·K)로 상용 서멀 그리스 보다 0.143(W/m·K)높게 측정되었다.
- 또한 50W 고출력 LED를 이용한 CNT 열전달 수지와 서멀그리스의 열전달 성능을 평가를 위한 방열 테스트 결과 LED 조명의 안정화 후에 CNT 열전달 수지를 적용한 경우가 4.0∼5.5℃정도 낮게 측정되었다.
- 또한 방열판 핀 상부(P3) 및 하부(P4)의 경우도 온도가 3℃정도 낮게 측정되어, CNT 레진을 사용한 경우가 서멀 그리스 보다 빠르게 방열됨을 알 수 있었다. 이는 중합된 CNT 레진이 열전도도가 높고, 빠르게 열을 전달시켜 LED 모듈의 성능 및 수명 향상에도 큰 영향을 줄 것이다.
- 본 연구에서 그라파이트와 카본블랙에 CNT를 첨가하여 중합한 CNT 레진과 Shinetsu사 G-747 상용 서멀그리스와의 비교 냉각 실험 및 방열 테스트 결과 본 연구에서 제조한 CNT 수지가 우수한 열전달 성능을 보였으며, 두 실험에서 동일한 결과가 얻어짐으로서 비교 실험 또한 유효하다 할 수 있다.
- 실온 25℃에서 1.305(W/m·K)로 가장 높고, 45℃에서 1.178(W/m·K)로 가장 성능이 떨어졌으나, 평균 1.233(W/m·K)으로 열확산율 및 열전도율이 거의 일정한 값을 나타내고 있음을 알 수 있었다.
- 카본 열전달 수지(①) 시편과 CNT 열전달 수지(②) 시편의 냉각 성능은 최대 1℃ 이내로 미소한 차이를 보이는 반면, G-747 상용 실리콘 서멀그리스 ③번 시편과는 최대 5℃정도의 냉각성능의 차이를 보였다. 이 결과는 알루미늄 박판의 두께가 약 30㎛ 정도에서의 열용량이 적은 경우의 냉각성능으로서 열용량이 큰 방열판에서의 냉각 성능은 더욱 향상될 것으로 예상된다.
- 7에 나타내었다. 카본 열전달 수지(①) 시편과 CNT 열전달 수지(②) 시편의 냉각 성능은 최대 1℃ 이내로 미소한 차이를 보이는 반면, G-747 상용 실리콘 서멀그리스 ③번 시편과는 최대 5℃정도의 냉각성능의 차이를 보였다. 이 결과는 알루미늄 박판의 두께가 약 30㎛ 정도에서의 열용량이 적은 경우의 냉각성능으로서 열용량이 큰 방열판에서의 냉각 성능은 더욱 향상될 것으로 예상된다.
- 테스트 후 60분 정도 지나면서 LED 모듈의 P1, P2 포인트의 온도가 안정화됨을 알 수 있었으며, 안정화 이후 LED의 MCPCB Metal의 상부(P1) 및 하부(P2)의 온도는 CNT 열전달 레진을 적용한 경우가 Shinetsu 열전 그리스를 적용한 것 보다 4.0∼5.5℃ 정도 낮게 측정되었다.
후속연구
- 또한 방열판 핀 상부(P3) 및 하부(P4)의 경우도 온도가 3℃정도 낮게 측정되어, CNT 레진을 사용한 경우가 서멀 그리스 보다 빠르게 방열됨을 알 수 있었다. 이는 중합된 CNT 레진이 열전도도가 높고, 빠르게 열을 전달시켜 LED 모듈의 성능 및 수명 향상에도 큰 영향을 줄 것이다.
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