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문제 정의
- LED 조명의 방열성능을 개선시키기 위해서는 열전도율이 높은 재질의 금속을 적용하는 방법도 있으나 본 논문에서는 부가적인 성능 즉, 가격 및 제품 무게의 효율적인 최적화 방향을 확인하기 위하여 금속대비 열전도도가 낮은 TCP의 특성을 비교 분석하였다.
제안 방법
- heat sinke의 최적화를 위하여 heat source 30W의 LED모듈에 Al 6063 재질을 적용하여 Base 두께와 fin 두께, 간격, 높이를 최적화 설계하였다. Al 6063과 TCP의 재질을 heat sink에 적용하여 동일한 조건에서 열 해석 시뮬레이션을 적용하였고, 재질에 따른 방열 특성을 비교 분석하였다.
- Heat Sink Designer 프로그램을 사용하여 fin 두께와 개수에 변화에 따른 LED모듈의 방열성능과 heat sink의 무게 특성을 비교 분석하였다. 그림 3은 base 두께 3.
- heat sinke의 최적화를 위하여 heat source 30W의 LED모듈에 Al 6063 재질을 적용하여 Base 두께와 fin 두께, 간격, 높이를 최적화 설계하였다. Al 6063과 TCP의 재질을 heat sink에 적용하여 동일한 조건에서 열 해석 시뮬레이션을 적용하였고, 재질에 따른 방열 특성을 비교 분석하였다.
- 그림 2는 열 해석 시뮬레이션에 적용된 3D 모델의 분해도이며, 열 해석은 Dassault Systemes社의 Solid Works-Flow Simulation 프로그램을 사용하였다. 각각의 구성은 위에서부터 heat sink, MPCB, LED 패키지로 구성하였다. 시뮬레이션은 heat power 30W로 설정하였고, 모든 조건은 동일하며 heat sink의 재질은 Al 6063과 TCP로 각각 설정하였다.
- 본 논문에서는 열전도도 14W/m · K의 TCP 재질을 LED 조명의 최적 설계된 heat sink에 적용하여 Al재질의 heat sink와 방열성능 및 무게특성을 비교 분석하였다.
- 본 연구는 Al 6063 재질의 heat sink를 최적화 설계하고, LED 조명에 적용하여 TCP 재질과 Al 6063 재질에 따른 방열특성을 비교 분석하였다.
- 1W/m·K, PCB는 Al 5052로 137W/m·K의 열전도도를 설정하였다. 시뮬레이션의 정확도를 높이기 위하여 LED와 PCB의 접촉부에는 solder(Au 80%/Sn 20%)의 접촉저항을 설정하였고, PCB와 heat sink의 접촉부에는 thermal pad의 접촉 저항(thermal contact resistance)을 설정하였다.
- Al 재질의 heat sink는 열전도 TCP 재질보다 LED 접합부 온도를 낮추었으며, 거리에 따른 온도차가 감소하였다. 열전도 TCP 재질은 PCB에서 heat sink base, fin 부분으로 이동하는 열전달 경로의 열저항이 높아 짐을 확인하였다. 접합부 온도와 모듈의 온도분포는 LED 조명의 광효율과 신뢰성을 높일 수 있는 중요한 요소이다.
- 그림 6은 CFD 해석을 이용하여 heat sink 재질에 따른 열 해석 결과를 나타낸다. 열해석 조건은 LED와 PCB는 동일하게 설정하였고, heat sink의 물성값은 Al6063과 TCP로 바꾸어 주면서 해석하였다. TCP재질을 적용한 (A)의 Max 온도는 71.
- 시뮬레이션은 heat power 30W로 설정하였고, 모든 조건은 동일하며 heat sink의 재질은 Al 6063과 TCP로 각각 설정하였다. 환경 조건은 해석공간 0.4m3, 공간내 기압 1atm, 외부온도 25℃ 물성온도 25℃로 설정하였다.
대상 데이터
- LED는 Sapphire 재질로 열전도도 23.1W/m·K, PCB는 Al 5052로 137W/m·K의 열전도도를 설정하였다.
- 각각의 구성은 위에서부터 heat sink, MPCB, LED 패키지로 구성하였다. 시뮬레이션은 heat power 30W로 설정하였고, 모든 조건은 동일하며 heat sink의 재질은 Al 6063과 TCP로 각각 설정하였다. 환경 조건은 해석공간 0.
이론/모형
- heat sink 최적화는 Heat Sink Designer 프로그램을 사용하여 시뮬레이션 하였다. 표 1은 heat sink 최적화를 위한 시뮬레이션 설정 값들이며, heat source는 LED모듈 설정 값으로써 power는 LED의 heat power, source의 width, length는 LED모듈의 크기로 설정하였다.
- 그림 2는 열 해석 시뮬레이션에 적용된 3D 모델의 분해도이며, 열 해석은 Dassault Systemes社의 Solid Works-Flow Simulation 프로그램을 사용하였다. 각각의 구성은 위에서부터 heat sink, MPCB, LED 패키지로 구성하였다.
성능/효과
- 1. Al 6063 재질은 heat sink base 3.0mm에서 fin 개수 22개, fin 두께 1.6mm일 때 방열성능이 최적 조건이 되었으며, fin 개수 및 두께가 증가하여 표면적이 상승하여도 열 경계층에 의한 자연대류 감소로 방열성능은 감소하였다.
- 2. Al 6063과 TCP의 재질에 따른 LED 조명의 방열 성능을 분석한 결과 열전도 209W/m․K의 Al 6063 재질의 방열성능은 TCP 보다 접합온도가 5.6℃ 낮아짐을 확인하였다. 하지만 TCP를 적용 하게 되면 heat sink의 무게를 기존대비 약 47%감소시킬 수 있었다.
- 86℃의 온도차를 보였다. Al 재질의 heat sink는 열전도 TCP 재질보다 LED 접합부 온도를 낮추었으며, 거리에 따른 온도차가 감소하였다. 열전도 TCP 재질은 PCB에서 heat sink base, fin 부분으로 이동하는 열전달 경로의 열저항이 높아 짐을 확인하였다.
- 28℃의 온도특성을 보였다. fin 개수 및 두께가 증가 할수록 방열성능이 감소하는 것을 확인하였다.
- 위 실험결과를 종합하였을 때 Al 6063 재질의 heat sink는 TCP 재질의 heat sink 보다 접합온도에서 발생하는 열이 고르게 전달되어 LED의 접합온도를 낮추고 광효율을 개선시킬 수 있었으나, 제품무게가 증가하는 것을 확인하였다. 또 heat sink 설계시 fin의 위치에 따른 온도분포가 모두 다르기 때문에 각각의 fin 높이를 적절하게 조절하면 LED의 접합온도를 고르게 맞추어 LED조명의 신뢰성과 내구성을 향상 시킬 수있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 결론적으로, LED 조명 설계시 발열량과 제품 크기에 따른 heat sink fin의 최적화된 설계가 필요하며, 제품 성능향상과 무게감소 사이에서 TCP와 같은 새로운 방열재질의 특성을 고려하여 적용해야 할 것이다.
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