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[국내논문] 유한체적법(FVM)의 시뮬레이션을 활용한 LED 벌브의 열 특성 고찰
Investigation of the Thermal Characteristics of LED Bulb Utilizing Simulation of Finite Volume Method (FVM) 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.28 no.10, 2014년, pp.1 - 8  

박경민 (호서대학교 디지털디스플레이공학과) ,  문철희 (호서대학교 디지털디스플레이공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Heat dissipation of the high power LED is a critical issue. To estimate the junction temperature of the LED chip is most important in characterizing the heat dissipation, but it is impossible to directly measure it. In this study, surface temperatures of the 12.8W LED bulb was measured for 5 points ...

주제어

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문제 정의

  • LED 벌브에 부착된 방사형 히트싱크를 이용한 방열 구조는 자연대류에 의한 방열이 지배적이지만 복사에 의한 열전달 또한 방사형 히트싱크의 방열 성능에 복합적인 영향을 끼치는 중요한 요소이다. 본 연구에서는 방사형 히트싱크의 방사율을 달리하였을때 LED 칩의 정션온도에 영향을 미치는 영향 정도를 확인하기 위하여 열 시뮬레이션을 이용하였다. 여기서 히트싱크의 표면 거칠기는 무시하고 방사율만을 변경하여 칩의 정션온도와 봉지재 표면 온도를 예측하였다.
  • 본 연구에서는 시뮬레이션을 이용하여 히트싱크에 공기 유입구를 설치하는 효과에 대하여 연구를 진행하였다. 공기 유입구로 인하여 히트싱크 내부에 빈 공간이 생성되며, 이를 통하여 MCPCB에서 전달된 열을바로 외부로 방출시키고자 하는 것이 기본적인 아이 디어이다.
  • 본 연구에서는 유한체적법 (FVM; finite volume method)을 이용한 열 시뮬레이션 프로그램인 ANSYS 사의 ICEPAK V13.0 프로그램을 사용하여 LED 벌브에서의 정션온도를 예측하고 이를 낮추기 위한 방법들을 제시하고자 하였다. 또한 본 연구에 서는 초당 600회의 샘플링이 가능하며, 동시에 8포인트의 온도를 측정할 수 있는 채널을 갖춘 장비인 데이터 로거(DT 9828)를 이용하여 LED 벌브의 표면 온도분포를 측정하였고, 이를 시뮬레이션 결과와 비교하였다.

가설 설정

  • 6W가 열로 발생하는 것으로 열원의 크기를 입력하였다. 또한 본 연구에 사용한 LED 벌브는 21개의 칩을 사용하고 있으므로 단위 칩 당 0.457W의 전력이 공급되는 것으로 가정하였다.
  • 시뮬레이션을 위한 메쉬는 Hexahedron 메쉬를 생성하였으며, 물질간의 경계면과 물질과 유체의 경계면 에는 메쉬를 더 많이 생성하여 결과의 신뢰성을 높일수 있도록 Non-conformal 메쉬를 사용하였다. 본 연구에서는 시뮬레이션과 써모커플을 이용한 측정 결과를 비교한 결과 LED 칩으로 공급된 전력의 75%가 열로 발생한다고 가정하여 12.8W 중에서 9.6W가 열로 발생하는 것으로 열원의 크기를 입력하였다. 또한 본 연구에 사용한 LED 벌브는 21개의 칩을 사용하고 있으므로 단위 칩 당 0.
  • 시뮬레이션에서 외부 온도는 20℃, 압력은 대기압, 대류의 조건은 자연대류로 설정하였다. 중력방향은 -Z방향으로 -9.
  • 자연대류의 경우 Rayleigh 수가 109 이상일 경우 난류를 적용하며 이하일 경우에는 층류로 가정하는 것이 일반적인데본 연구에서는 Rayleigh 수가 8×106로 계산되었으므로 층류를 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
LED의 기술적 이슈는 무엇인가? LED(Light Emitting Diode)는 최근 들어 기존의 형광등, 백열전구, 할로겐전구 등의 조명시장을 완전히 대체하고 있다. LED의 발광효율은 LED의 동작온도에 큰 의존도를 가지며, 입력된 전력의 약 80%가 열로 변환되고 있으므로[1], 발광효율을 더 높이고 LED 칩온도(더 정확히는 p-n 정션온도)를 낮게 유지하는 것이 기술적 이슈이다. 발생된 열을 외부로 충분히 방출 시키지 못한다면 LED의 수명을 감소시킬 뿐만 아니라 방출 파장의 이동 등 다양한 문제점이 발생하므로 [2] 일반적으로 125℃의 방열 지표로 관리하고 있다 [3].
p-n 정션온도를 간접적으로 측정하는 방법으로 무엇이 있는가? 이와 같은 LED 제품의 방열특성 관리에 있어서는 LED 칩에서 전자와 정공이 재결합하여 빛이 발생하는 영역인 p-n 정션온도를 정확히 파악하는 것이 가장 중요한데 이는 직접적인 측정이 불가능하므로 다음과 같이 간접적으로 측정하는 방법들이 알려져 있다. 첫 번째 방법은 열전달 모델을 통한 정션온도 예측이다. 이는 LED의 순전압(VF)이 온도에 따라 달라지며 그 사이에 직선적인 관계가 있다는 점을 활용하여 정션온도를 예측하는 방식으로 과도열분석법이라 한다[11]. 두 번째 방법은 열 해석 시뮬레이션을 사용 하여 정션온도를 예측하는 방법이다. 시뮬레이션의 경우 직접 소자를 제작하지 않고 다양한 변수로 정션 온도를 예측할 수 있는 장점이 있지만 적절한 가정과 제한조건을 설정하지 않으면 결과의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다.
LED의 특징은 무엇인가? LED(Light Emitting Diode)는 최근 들어 기존의 형광등, 백열전구, 할로겐전구 등의 조명시장을 완전히 대체하고 있다. LED의 발광효율은 LED의 동작온도에 큰 의존도를 가지며, 입력된 전력의 약 80%가 열로 변환되고 있으므로[1], 발광효율을 더 높이고 LED 칩온도(더 정확히는 p-n 정션온도)를 낮게 유지하는 것이 기술적 이슈이다. 발생된 열을 외부로 충분히 방출 시키지 못한다면 LED의 수명을 감소시킬 뿐만 아니라 방출 파장의 이동 등 다양한 문제점이 발생하므로 [2] 일반적으로 125℃의 방열 지표로 관리하고 있다 [3].
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참고문헌 (13)

  1. Bladimir Ramos-Alvarado, Bo Feng, G.P. Peterson, "Comparison and optimization of single-phase liquid cooling devices for the heat dissipation of high-power LED arrays", Applied Thermal Engineering, Vol. 59, Issues 1-2, pp. 648-659, Sep. 2013. 

  2. Ting Cheng, Xiaobing Luo, Suyi Huang, Sheng Liu, "Thermal analysis and optimization of multiple LED packaging based on a general analytical solution", International Journal of Thermal Sciences, Vol. 49, No. 1, pp. 196-201, Jan. 2010. 

  3. Lu Ma, Yang Yang, Jing Liu, "Cooling of high power LEDs through ventilating ambient air to front surface of chip", Heat Mass Transfer, Vol. 49, No. 1, pp. 85-94, Jan. 2013. 

  4. Lianqiao Yang, Jianzheng Hu, Lan Kim, and Moo Whan Shin, Member, IEEE, "Thermal Analysis of GaN-Based Light Emitting Diodes With Different chip Sizes", IEEE TRANSACTIONS ON DEVICE AND MATERIALS RELIABILITY, Vol. 8, No. 3, pp. 571-575, Sep. 2008. 

  5. Bo-Hung Liou, Chih-Ming Chen, Ray-Hua Horng, Yi-Chen Chiang, Dong-Sing Wuud, "Improvement of thermal management of high-power GaN-based light-emitting diodes", Microelectronics Reliability, Vol. 52, No. 5, pp. 861-865, May, 2012. 

  6. Chun-Jen Weng, "Advanced thermal enhancement and management of LED packages", International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 36, No. 3, pp. 245-248, Mar. 2009. 

  7. Byung-Ho Kim, Hye-Kyong Kwon, and Cheol-Hee Moon, "Variation of Junction Temperature According to chip Configuration for a High-Power LED Package", Korean J. Met. Mater., Vol. 51, No. 8, pp. 595-601, 2013. 

  8. Lan Kim, Jong Hwa Choi, Sun Ho Jang, Moo Whan Shin, "Thermal analysis of LED array system with heat pipe", Thermochimica Acta, Vol. 455, Issues 1-2, pp. 21-25, Apr. 2007. 

  9. Jen-Hau Cheng, Chun-Kai Liu, Yu-Lin Chao, Ra-Min Tain, "Cooling Performance of Silicon-Based Thermoelectric Device on High Power LED", International Conference on Thermoelectrics, pp. 53-56, Jun. 2005. 

  10. Yen-Fu Su, Shin-Yueh Yang, Tuan-Yu Hung, Chang-Chun Lee, Kuo-Ning Chiang, "Light degradation test and design of thermal performance for high-power light-emitting diodes", Microelectronics Reliability, Vol. 52, No. 5, pp. 794-803, May. 2012. 

  11. B. H. Kim and C. H. Moon, "Investigation of the Thermal Dissipation Characteristics of LED Package Using Mold Surface Temperature", Japanese Journal of Applied Physics Vol. 52, No. 10s, pp. 10MA04:1-4, Sep. 2013. 

  12. Y. T. Bang and C. H. Moon, "Enhancement of Upward Thermal Dissipation in a 16-chip LED Package Using Ceramic Barrier Ribs", Electron. Mater. Lett., Vol. 9, No. 1, pp. 1-5, Sep. 2013. 

  13. Y. T. Bang and C. H. Moon, "Effect of the epoxy mold on the thermal dissipation behavior of LED package", Journal of the Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 26, No. 2, pp. 1-7, Feb. 2012. 

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