[논문]열전도성 고분자와 Al재질의 Heat Sink 방열 성능 비교 분석

최두호; 최원호; 조주웅; 박대희

doi:10.4313/jkem.2015.28.2.137

열전도성 고분자와 Al재질의 Heat Sink 방열 성능 비교 분석
Comparative Analysis of Thermal Dissipation Properties to Heat Sink of Thermal Conductive Polymer and Aluminum Material 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.28 no.2, 2015년, pp.137 - 141

최두호 (원광대학교 정보통신공학과) , 최원호 (원광대학교 정보통신공학과) , 조주웅 (원광대학교 정보통신공학과) , 박대희 (원광대학교 정보통신공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is examining thermal dissipation materials for the lighting and radiate efficiency improvement of 8W LED and confirming the properness of the thermal dissipation materials for LED heat sink. Solid Works flow simulation on 8W class COB was done based on the material characteristics of thermal conductive polymer materials. According to the result of simulation, Al had better thermal dissipation performance than PET. Highest temperature was $7.6^{\circ}C$ higher while lowest temperature was $7.8^{\circ}C$ lower. The test on the heat sinks made by the materials, highest temperature was $4.1^{\circ}C$ higher and lowest temperature was $3.9^{\circ}C$ lower. It is possible to confirm that Al heat sink has better thermal dissipation efficiency because it has better dispersion of heat generated at junction temperature and less heat cohesion. The weight of PET heat sink was reduced than Al heat sink by 46.9% by the density difference between Al and PET. In conclusion, thermal dissipation performance of thermal conductive polymer is lower than Al material however, it is possible to lighting heat sink because thermal conductive polymer has better formability, has lower specific weight and enables various design options.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 기존 알루미늄 방열판과 열전도성 고분자 방열판의 시뮬레이션 온도 분포 비교를 통해 방열 특성을 평가하고자 한다.
본 논문에서는 열전도성 고분자 소재의 열 특성과 방열 성능을 확인하였다. Solid Works Flow Simulation을 이용하여 시판 중인 8 W급 LED bulb형 방열판을 최적 설계하였다.
본 연구는 폴리에틸렌 테레프탈레이트의 무기물 필러 성분과 함량에 의한 열전도도를 분석한 결과 무기물 필러가 열전도도에 미치는 영향을 확인하였다.

제안 방법

COB 패키지의 온도 변화에 따른 접합 온도 측정을 위해 제작된 1 m³ 밀폐 공간 안에 LED 모듈을 넣고 내부 온도를 일정하게 유지하였다.
COB 패키지의 온도 변화에 따른 접합 온도 측정을 위해 제작된 1 m³ 밀폐 공간 안에 LED 모듈을 넣고 내부 온도를 일정하게 유지하였다. Kelthley 2430 장비를 이용하여 전압을 인가하고, Omega사 접촉식 온도계 (thermo couple)를 이용하여 4곳의 포인트의 열 특성을 분석하였다.
본 논문에서는 열전도성 고분자 소재의 열 특성과 방열 성능을 확인하였다. Solid Works Flow Simulation을 이용하여 시판 중인 8 W급 LED bulb형 방열판을 최적 설계하였다.
그림 4는 히트싱크 재질에 따른 열해석 결과이다. 열해석 조건은 두 재질 모두 동일하게 설정하였으며 물성 값은 Al5052와 PET로 비교하여 분석하였다.
온도 변화에 따른 열전도도를 확인하기 위해 25℃∼80℃ 조건으로 열전도도 측정 장비인 TPS 2500 S으로 측정하였다.

대상 데이터

본 논문에서 사용하는 열전도성 고분자 소재는 KANEKA사의 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (polyethylene terephthalate, PET)로 폴리에스터 고분자 중 하나이다.

이론/모형

모델링 한 방열판의 열 유동 해석은 Solid Works의 flow simulation을 활용하였다.

성능/효과

1. 시뮬레이션 결과로 Al 방열판의 최고온도는 52.5℃ 최저온도 48.7℃로 나타났으며, PET방열판의 최고온도는 60.1℃, 최저온도는 40.9℃로 나타났다. Al은 PET보다 우수한 방열 성능을 나타냈으며, 최고온도 차이는 7.
2. 방열판으로 제작하여 실험한 결과 Al 방열판의 최고온도는 51.7℃, 최저온도 46.6℃로 나타났으며, PET방열판의 최고온도는 55.8℃, 최저온도 42.7℃로 나타났다. 최고온도 차이는 4.
3. Al와 PET 재질에 따른 밀도 차이에 의해 PET방열판의 무게가 알루미늄보다 무게가 46.9% 감소하였다.
9℃로 나타났다. Al은 PET보다 우수한 방열 성능을 나타냈으며, 최고온도 차이는 7.6℃높았고 최저온도 차이는 7.8℃ 낮았다.
측정된 결과 P1, P2의 온도와 P3, P4의 온도 차이가 큰 현상을 통해 방열판 중심부의 열이 외각으로 확산이 원활하지 않다는 것을 확인하였다. 또한 측정 결과와 시뮬레이션 결과는 평균 2.35℃의 오차 범위를 나타내어 타당성 있는 시뮬레이션이 진행되었음을 입증하였다.
폴리에틸렌 테레프탈레이트는 카본 필러와 기타 무기물로 구성되어 카본 주위에 무기물 필러로 구성되어 있다. 무기물 필러의 성분은 Si, Ca, Al, Mg, Na으로 구성되어 있으며, 함량 비율은 5.55%, 2.92%, 1.7%, 0.38%, 0.18%로 구성되어 있으며, Al, Mg에 의해 열전도율이 증가될 것으로 확인된다.
그림 2는 온도 변화에 따른 열전도도이다. 열전도도 측정 결과 상온에서는 21 W/m‧K로 측정되었으며 50℃에서 19.5 W/m‧K, 80℃에서 19.1 W/m‧K로 감소하는 것을 확인하였다. 엔지니어링 플라스틱과 비교하여 열전도도가 높은 이유는 Na, Mg, Al, Si, Ca의 성분의 무기물 10% 더 함유된 상태가 열전달을 더욱 원활하게 하는 것으로 사료된다.
9℃낮았다. 이러한 결과는 Al 방열판은 PET방열판 보다 열이 분산이 잘되어 방열 성능이 좋은 것을 확인하였다.
9℃이다. 측정된 결과 P1, P2의 온도와 P3, P4의 온도 차이가 큰 현상을 통해 방열판 중심부의 열이 외각으로 확산이 원활하지 않다는 것을 확인하였다. 또한 측정 결과와 시뮬레이션 결과는 평균 2.
이러한 현상은 방열판의 중앙 부분에서 외각으로 열전달이 잘 이루어지지 않아 나타난다. 폴리에틸렌 테레프탈레이트는 알루미늄과 비교하여 낮은 열전도도를 가지고 있어 열확산이 알루미늄에 비해서는 저하된 것을 확인하였다. 또한, 밀도 차이에 의해 질량은 PET 재질의 경우 104.
표 4는 시뮬레이션 결과로 Al 방열판의 최고온도는 52.5℃, 최저온도 48.7℃로 나타났으며, PET 방열판의 최고온도는 60.1℃, 최저온도 40.9℃로 나타났다. Al은 PET보다 우수한 방열 성능을 나타냈으며, 최고온도 차이는 9.

후속연구

결론적으로 열전도성 고분자의 방열 성능은 Al재질과 비교하여 낮지만 비중이 낮으므로 경량화 디자인이 가능할 것으로 사료된다. 따라서 제품의 경량화와 성능을 고려하여 적용해야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폴리에틸렌 테레프탈레이트의 무기물 필러 성분은?	폴리에틸렌 테레프탈레이트는 카본 필러와 기타 무기물로 구성되어 카본 주위에 무기물 필러로 구성되어 있다. 무기물 필러의 성분은 Si, Ca, Al, Mg, Na으로 구성되어 있으며, 함량 비율은 5.55%, 2.
	LED 조명은 구동 시 발합을 증가시키는데 이를 해결하는 냉각 방식은 어떤 것을 사용하는가?	최근 신성장 동력으로 선정된 광 반도체인 LED(light emitting diode) 조명은 기존의 광원과 비교했을 때 효율이 크기 때문에 환경과 에너지 문제를 해결하는 중요한 요인이 된다. 하지만 LED 조명은 구동 시 발합을 증가시켜 이를 해결하기 위해 히트싱크의 팬이나 수냉식 등의 다양한 냉각 방식을 사용한다. 하지만 강제 냉각 방식은 비용과 무게 상승으로 인해 LED 조명의 신뢰성을 저하시키는 요인이 된다 [1-3].
	방열 성능을 노이기 위해 히트싱크의 크기를 증가시킬 경우 발생하는 문제점은?	LED 조명 방열 성능을 향상하기 위한 연구로 히트싱크 방열 설계 및 팬과 수냉식을 이용한 냉각 성능 등 다양한 분야의 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 방열 성능을 높이기 위해 히트싱크의 크기를 증가시키게 되면 방열 성능은 개선되지만, 무게 및 부피 증가에서 문제가 발생한다 [4].

참고문헌 (7)

J. W. Lee, Journal of KIIT, 12, 31 (2014).
J. M. Park, Journal of the KSMPE, 8, 48 (2009).
Y. Cho and S. Ma, in KSMTE Autumn Conference, 120 (2011).
X. Luo, W. Xiong, T. Cheng, and S. Liu, Electronic Components and Technology Conference, (ECTC 2009, 59th (2009). p.854-859.
J. Zhou, Textile Coloration and Finishing, 24 (2012).
S. H. Kim, KSAE, 2014 (2014).
Y. S. Lee, Korean Chem. Eng. Res., 52, 530 (2014).

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