[논문]주거용 13.5W COB LED 다운라이트 방열판 형상 설계에 따른 열 특성 분석

권재현; 김효준; 박건준; 김용갑; 황근창

doi:10.13067/jkiecs.201.9.5.561

주거용 13.5W COB LED 다운라이트 방열판 형상 설계에 따른 열 특성 분석
Thermal Characteristics of Designed Heat Sink for 13.5W COB LED Down Light 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.9 no.5, 2014년, pp.561 - 566

권재현 (원광대학교 정보통신공학과) , 김효준 (원광대학교 정보통신공학과) , 박건준 (원광대학교 정보통신공학과) , 김용갑 (원광대학교 정보통신공학과) , 황근창 (원광대학교 반도체.디스플레이학부)

초록
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발광 반도체칩을 주재료로 하는 LED의 열 문제를 해결하기 위해 1개의 보드에 밀집형으로 배열한 COB(Chip on Board)에 관한 관심이 증가하고 있다. 고출력 COB LED의 경우, 소비전력이 높아 발생되는 열을 해결하기 위한 방열이 필수적이며 소자의 온도가 상승하면 효율적인 광 방출을 저해하게 되며 열적 스트레스에 따라 소자의 수명이 급격히 저하된다. 이러한 열적인 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 13.5W급 COB LED와 형상이 다른 4 개의 방열판을 패키징하여 Solidworks Flow Simulation을 통한 열적 특성을 분석한 후, 가장 우수한 특성을 가진 방열판 형상을 실물로 제작하여 13.5W급 COB LED 다운라이트 소자와 결합시킨 다음, $1m^3$ 공간에서 접촉식 온도계와 비접촉식 온도계를 사용하여 LED 소자와 방열판 간의 열적 특성을 실물 실험을 통하여 분석 평가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The high power COB(Chip on Board) LED, densely arranged chips on a board, are increasing to resolve heat problems in LED that has luminous semiconductor chips as main materials. In case of high-power COB LED, protection against heat is necessary due to the power consumption is high. Also if the temperature of device increases, the optical emission becomes less efficient and the life rapidly reduces due to thermal stress. This study packaged 13.5W COB LED and heat sink with difference form and produced 13.5W COB LED down-light heat sink by analyzing the thermal modes with Solidworks Flow Simulation. And finally it analyzed and evaluated the thermal modes using contacting and non-contacting thermometers.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

Fluke社의 비접촉식 온도계인 열화상 카메라를 사용하여 발생되는 열적 특성을 분석하였다. 실험을 위해 1시간 동안 샘플에 약 13.
방열 효과를 실험하기 위하여 그림 4와 같이 1m³ 크기의 공간을 제작하여 내부온도 25℃로 유지하고 그 속에 패키징 된 샘플을 설치하였다. Kelthley 2430 장비를 사용하여 37V, 360mA의 약 13.5W로 전압을 인가하여 샘플에서 발생되는 열적 특성을 분석하였다.
5W급 COB LED 패키지 이미지와 방열판, 결합하여 열 유동 시뮬레이션인 Flow Simulation을 통해 온도를 측정하였다. 그중 가장 특성이 좋은 방열판을 선정하여 실물 제작을 하고, 13.5W급 COB LED 실물과 결합하여 1m³의 공간 속에서, Omega社의 접촉식 온도계 (Thermo Couple)를 사용한 접촉식 열 특성과 Fluke 社의 열화상 카메라를 사용하여 비접촉식 열 특성을 분석하고 두 경우를 비교 평가하였다.
Simulation을 통하여 얻은 결과를 토대로 가장 방열 효과가 좋은 그림 2(c)형상으로 알루미늄 재질의 지름 70mm의 방열판을 제작하였다. 동부 LED 사의 13.5W급 COB LED와 더 빠른 열 발산을 위하여 방열패드(Thermal pad)를 제작된 그 방열판에 놓고 3 가지 소자를 패키징하였다. 방열 효과를 실험하기 위하여 그림 4와 같이 1m³ 크기의 공간을 제작하여 내부온도 25℃로 유지하고 그 속에 패키징 된 샘플을 설치하였다.
따라서 본 논문에서는 주거용 13.5W급 COB LED 패키지에 적합한 방열판을 설계하고자 COB LED 패키지 이미지와 형상이 각기 다른 4가지 알루미늄 방열판을 3D 형상 설계 프로그램인 Solidworks를 사용하여 설계하고, 설계된 두 소자를, 13.5W급 COB LED 패키지 이미지와 방열판, 결합하여 열 유동 시뮬레이션인 Flow Simulation을 통해 온도를 측정하였다. 그중 가장 특성이 좋은 방열판을 선정하여 실물 제작을 하고, 13.
5W급 COB LED와 더 빠른 열 발산을 위하여 방열패드(Thermal pad)를 제작된 그 방열판에 놓고 3 가지 소자를 패키징하였다. 방열 효과를 실험하기 위하여 그림 4와 같이 1m³ 크기의 공간을 제작하여 내부온도 25℃로 유지하고 그 속에 패키징 된 샘플을 설치하였다. Kelthley 2430 장비를 사용하여 37V, 360mA의 약 13.
방열판 형상 설계에 앞서 Flow 시뮬레이션으로 대류 열과 온도를 측정하고 실제 실험과 동일한 조건을 위해 표 1과 같이 설계사양을 설정하였다.
본 논문은 13.5W급 COB LED 다운라이트 방열판 형상설계에 따른 열 특성을 분석하기 위해 Solid-works 프로그램을 사용하여 13.5W COB LED와 4가지 형상이 다른 방열판을 설계하였으며, Flow Simulation을 통해서 최적의 방열판의 온도 특성을 평가하였다. 실제 실험은 13.
5W COB LED와 4가지 형상이 다른 방열판을 설계하였으며, Flow Simulation을 통해서 최적의 방열판의 온도 특성을 평가하였다. 실제 실험은 13.5W급 COB LED와 방열판을 체결하여 접촉식 온도계와 비접촉식 온도계를 통한 열 응집현상 확인 및 온도 평가를 하였다.
그림 7. 열화상 카메라를 통한 온도 분포 특성 분석.

대상 데이터

13.5W급의 방열판을 설계하기 위해 Chip 크기에 비례한 지름 70mm 알루미늄 방열판을 설계하였다. 최적의 설계를 위해 그림 2와 같이 방열판 크기에 비례한 Fin 두께 2mm로 동일한 조건을 부여하였으며, 베이스 높이 7mm, Fin 길이 28mm 총 높이 35mm의 형상이 각각 다른 4가지 방열판을 그림 2처럼 설계하였다.
그림 5는 접촉식 온도계를 사용할 방열판의 체크 포인트이다. COB LED와 방열판에서 발생되는 열을 측정할 수 있도록 COB LED와 방열판 사이에 체크 포인트 1, 방열판 중앙부 핀에 체크 포인트 2, 방열판의 양 끝단에 각각 체크 포인트 3과 4에 열전대를 부착하여 1시간 동안 10초에 한 번씩 접촉식 온도계 프로그램인 Se309를 사용하여 데이터를 수집하였다.
Simulation을 통하여 얻은 결과를 토대로 가장 방열 효과가 좋은 그림 2(c)형상으로 알루미늄 재질의 지름 70mm의 방열판을 제작하였다. 동부 LED 사의 13.
5W급의 방열판을 설계하기 위해 Chip 크기에 비례한 지름 70mm 알루미늄 방열판을 설계하였다. 최적의 설계를 위해 그림 2와 같이 방열판 크기에 비례한 Fin 두께 2mm로 동일한 조건을 부여하였으며, 베이스 높이 7mm, Fin 길이 28mm 총 높이 35mm의 형상이 각각 다른 4가지 방열판을 그림 2처럼 설계하였다.

성능/효과

5W급 COB LED 형상, 를 그림 2의 4가지 방열판 (a)(b)(c)(d)와 결합시켜 Flow Simulation을 할 때 COB에 미치는 대류 열과 온도변화를 나타낸다. 각 시뮬레이션은 약 200번 가량 구동되었으며, 그림 3(a) 방열판의 경우, 설계 시 고려했던 상황과는 다르게 Fin 양 끝단으로 온도가 빠져나가지 못하고 중앙으로 열 응집현상이 발생했고, 평균 최고온도는 62.39℃이었다. 그림 3(b)의 경우 평균 최고온도 62.
4가지 형상이 다른 방열판 실험결과 Fin 10개의 절단이 없는 그림 2(c) 방열판에서 평균 온도 59.18℃의 결과 값이 나왔으며 다른 방열판에 비해 양끝 Fin까지 응집된 열을 해소시킴을 확인할 수 있다. 또한, 대류 열 분포도 및 대류 열 시뮬레이션을 통해 열 확산이 잘 이루어지고 있음을 확인하였다.
5℃가량의 차이를 보여 해석 결과의 타당성을 입증하였다. 따라서 본 논문에서 설계된 방열판은 13.5W급 COB LED 다운라이트에 적합하다고 사료된다.
8℃ 온도가 차감되었다. 또한 방열판 양 끝단인 (3),(4)의 평균온도는 40℃로써 중심온도 54.5℃ 보다 14.5 ℃ 낮아서 중심부의 열이 방열판의 Fin을 통하여 잘 발산되는 것을 알 수 있었다.
18℃의 결과 값이 나왔으며 다른 방열판에 비해 양끝 Fin까지 응집된 열을 해소시킴을 확인할 수 있다. 또한, 대류 열 분포도 및 대류 열 시뮬레이션을 통해 열 확산이 잘 이루어지고 있음을 확인하였다.
실제 실험 시 Kelthley 2430을 사용해 접촉식 온도계로 측정한 결과 13.5W급 COB LED와 방열판 사이의 최고온도는 평균 57.3℃, 방열판 중앙 핀 사이 부분 최고온도 54.5℃, 방열판 양 끝 핀 부분 최고온도 40℃로 측정되었으며, 비접촉식 온도계를 사용하여 측정한 결과 열 응집현상이 나타나는 13.5W급 COB LED와 방열판 부분 최고온도는 57.8℃로써 시뮬레이션 실험 결과 값과 약 1.5℃가량의 차이를 보여 해석 결과의 타당성을 입증하였다. 따라서 본 논문에서 설계된 방열판은 13.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED는 무엇을 주재료로 하는가?	발광 반도체칩을 주재료로 하는 LED의 열 문제를 해결하기 위해 1개의 보드에 밀집형으로 배열한 COB(Chip on Board)에 관한 관심이 증가하고 있다. 고출력 COB LED의 경우, 소비전력이 높아 발생되는 열을 해결하기 위한 방열이 필수적이며 소자의 온도가 상승하면 효율적인 광 방출을 저해하게 되며 열적 스트레스에 따라 소자의 수명이 급격히 저하된다.
	LED의 열 문제를 해결하기 위해 무엇에 대한 관심이 증가하고 있는가?	발광 반도체칩을 주재료로 하는 LED의 열 문제를 해결하기 위해 1개의 보드에 밀집형으로 배열한 COB(Chip on Board)에 관한 관심이 증가하고 있다. 고출력 COB LED의 경우, 소비전력이 높아 발생되는 열을 해결하기 위한 방열이 필수적이며 소자의 온도가 상승하면 효율적인 광 방출을 저해하게 되며 열적 스트레스에 따라 소자의 수명이 급격히 저하된다.
	고출력 COB LED의 문제점을 해결하기 위해 무엇을 하였는가?	고출력 COB LED의 경우, 소비전력이 높아 발생되는 열을 해결하기 위한 방열이 필수적이며 소자의 온도가 상승하면 효율적인 광 방출을 저해하게 되며 열적 스트레스에 따라 소자의 수명이 급격히 저하된다. 이러한 열적인 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 13.5W급 COB LED와 형상이 다른 4 개의 방열판을 패키징하여 Solidworks Flow Simulation을 통한 열적 특성을 분석한 후, 가장 우수한 특성을 가진 방열판 형상을 실물로 제작하여 13.5W급 COB LED 다운라이트 소자와 결합시킨 다음, $1m^3$ 공간에서 접촉식 온도계와 비접촉식 온도계를 사용하여 LED 소자와 방열판 간의 열적 특성을 실물 실험을 통하여 분석 평가하였다.

참고문헌 (7)

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S. Nakamura, T. Mukai, and M. Senoh, "Candela class high-brightness InGaN/AlGaN double heterostructure blue light emitting diodes," Applied Physics Letter, vol. 64, no. 13, Mar. 1994, pp. 1687-1689.

상세보기
J.-K. Song, J.-S. Park, and B.-W. Yoon, "Design and Implementation of Transformerless 40W LED Light Driver Circuitfor Ships," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 7, no. 3, 2012, pp. 485-490.
S. Yu, K. Lee, and S. Yook, "Natural Convection around Radial Heat Sink," International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 53, no. 13-14, June 2009, pp. 2935-2938.
S.-M. Kim, "A MAC Protocol for LED visible light communications with beamforming," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 6, no. 3, 2012, pp. 425-432.

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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