본 논문에서는 열전소자의 구조에 따른 COB LED의 방열성능을 비교 분석하였다. COB LED의 발열부분과 접합하는 열전소자는 구리박판 구조와 세라믹 구조의 열전소자를 사용하였다. COB LED와 열전소자의 접합부분은 접촉식 온도계를 통해 온도 분포를 측정하였고, 각각의 열전소자는 0.1A, 0.3A, 0.5A, 0.7A의 전류를 입력시켜서 온도 변화를 측정하였다. COB LED의 열 응집현상이 나타나는 접합부분의 온도는 0.7A를 인가하였을 때 구리박판 구조의 열전소자에서 $59^{\circ}C$로 측정되었고, 세라믹 구조의 열전소자는 $67^{\circ}C$로 나타났으며, 구리박판 열전소자가 세라믹 구조의 열전소자 보다 $9^{\circ}C$가 낮게 측정됨으로써 방열성능이 더 우수함을 보였다.
본 논문에서는 열전소자의 구조에 따른 COB LED의 방열성능을 비교 분석하였다. COB LED의 발열부분과 접합하는 열전소자는 구리박판 구조와 세라믹 구조의 열전소자를 사용하였다. COB LED와 열전소자의 접합부분은 접촉식 온도계를 통해 온도 분포를 측정하였고, 각각의 열전소자는 0.1A, 0.3A, 0.5A, 0.7A의 전류를 입력시켜서 온도 변화를 측정하였다. COB LED의 열 응집현상이 나타나는 접합부분의 온도는 0.7A를 인가하였을 때 구리박판 구조의 열전소자에서 $59^{\circ}C$로 측정되었고, 세라믹 구조의 열전소자는 $67^{\circ}C$로 나타났으며, 구리박판 열전소자가 세라믹 구조의 열전소자 보다 $9^{\circ}C$가 낮게 측정됨으로써 방열성능이 더 우수함을 보였다.
In this study, the heat radiation performance of COB LED according to the structure of thermoelectric device were compared. Thermoelectric device of the sheet copper structure and ceramic structure were used for bonding with the heating part of the COB LED. The temperature distribution in the bondin...
In this study, the heat radiation performance of COB LED according to the structure of thermoelectric device were compared. Thermoelectric device of the sheet copper structure and ceramic structure were used for bonding with the heating part of the COB LED. The temperature distribution in the bonding part of the thermoelectric device of COB LED was measured with a contact-type thermometer. The temperature variation of the thermoelectric device was measured by inputting the currents of 0.1A, 0.3A, 0.5A, and 0.7A. When 0.7A was applied, the temperature of the bonding part where there was a heat aggregation phenomenon of the COB LED was $59^{\circ}C$ for thermoelectric device of the sheet copper structure and $67^{\circ}C$ for the thermoelectric device of the ceramic structure. Therefore, the sheet copper thermoelectric device whose temperature was lower by $9^{\circ}C$ showed better heat radiation performance than those of the ceramic structure.
In this study, the heat radiation performance of COB LED according to the structure of thermoelectric device were compared. Thermoelectric device of the sheet copper structure and ceramic structure were used for bonding with the heating part of the COB LED. The temperature distribution in the bonding part of the thermoelectric device of COB LED was measured with a contact-type thermometer. The temperature variation of the thermoelectric device was measured by inputting the currents of 0.1A, 0.3A, 0.5A, and 0.7A. When 0.7A was applied, the temperature of the bonding part where there was a heat aggregation phenomenon of the COB LED was $59^{\circ}C$ for thermoelectric device of the sheet copper structure and $67^{\circ}C$ for the thermoelectric device of the ceramic structure. Therefore, the sheet copper thermoelectric device whose temperature was lower by $9^{\circ}C$ showed better heat radiation performance than those of the ceramic structure.
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문제 정의
열전소자는 제벡(Seeback) 효과, 펠티에(Peltier)효과 및 톰슨(Thomson)효과로 구분되어지는데 그 중에서도 펠티에 효과를 바탕으로 제작된 열전소자는 인가전류의 세기에 따라 소자의 양단에서 흡열과 발열 현상이 나타나고 이를 이용하여 원하는 부분에 국소적 냉각이 가능하다. 본 논문에서는 세라믹 구조의 열전소자와 구리박판 구조의 열전소자를 각각 실험을 통해 데이터를 측정하고 비교 분석하여 최적의 방열 성능을 갖는 구조의 열전소자를 선별 하고자한다[2].
제안 방법
하지만 고출력 조명에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 소형화된 고출력 조명에서 발생하는 고온의 열 문제를 해결에는 한계가 있다. 따라서 본 논문에서는 열전소자의 펠티에 효과를 이용한 흡열과 발열 현상을 이용하는 방열방법을 제안하였고 열전소자는 세라믹 구조의 열전소자와 구리박판 구조의 열전소자 두 종류에 대한 방열 성능을 측정하여 데이터를 수집하여 비교 분석하였다. COB LED의 열 응집현상이 0.
본 실험은 동일한 구조를 갖는 알루미늄 방열판을 기준으로 두 종류의 열전소자를 번갈아가며 측정을 실시하였다. 실험에 사용된 방열판은 그림 3에서 보는 것과 같이 베이스 3mm, Fin 25mm, 총 높이 28mm인 알루미늄 재질로 제작된 방열판이고, 광원은 13.
그림 6은 세라믹구조 열전소자이며 그림 7은 구리박판구조 열전소자에 대한 각각의 입력 전류에 따른 온도 분포 그래프이다. 실험은 COB LED를 100분간 구동하여 온도가 안정화 상태에 도달할 때까지 측정을 실시하였다. 그림 6(a)의 세라믹구조 열전소자는 T1접점의 안정화 상태에서 최고 온도가 79℃로 그림 7(a)의 구리박판 열전소자의 온도인 73℃보다 약 6℃ 정도 높게 나타났다.
열전소자의 구조와 구동전류에 따른 각각의 접합부의 온도를 측정하기 위해 0.1A, 0.3A, 0.5A, 0.7A를 각각 인가하여 접촉식 온도계(HH309A Omega社)를 통해 그림 5에 나오는 4개의 접점의 온도 분포 데이터를 측정 하였다.
4가지 방법 중 가장 많이 사용되고 있는 방열판을 이용한 공랭식 방열 방식은 저렴한 비용과 구조물 제작의 유연성을 가지고 있지만 일부 높은 냉각 효율을 필요로 하는 분야에서는 수냉식 방식을 사용하고 있다. 이에 COB LED의 유용한 활용을 위해서 방열판을 이용한 방식에 열전소자를 삽입하여 제어하는 방식의 방열시스템을 구성하였다. 열전소자는 제벡(Seeback) 효과, 펠티에(Peltier)효과 및 톰슨(Thomson)효과로 구분되어지는데 그 중에서도 펠티에 효과를 바탕으로 제작된 열전소자는 인가전류의 세기에 따라 소자의 양단에서 흡열과 발열 현상이 나타나고 이를 이용하여 원하는 부분에 국소적 냉각이 가능하다.
대상 데이터
본 실험은 동일한 구조를 갖는 알루미늄 방열판을 기준으로 두 종류의 열전소자를 번갈아가며 측정을 실시하였다. 실험에 사용된 방열판은 그림 3에서 보는 것과 같이 베이스 3mm, Fin 25mm, 총 높이 28mm인 알루미늄 재질로 제작된 방열판이고, 광원은 13.2W급 COB LED를 사용하였다.
성능/효과
0.3A의 전류를 인가한 그림 6(b)와 그림 7(b)는 T1, T2, T3, T4접점의 온도 분포가 세라믹구조 열전소자보다 구리박판 열전소자의 온도가 1~4℃정도 낮은 분포를 보이며, 이는 열전소자의 구동전류가 상승함에 따라 전체적인 열의 유동이 이루어져 두 모듈의 온도 분포가 크게 차이가 없음을 알 수 있다. 그림 6(c)의 세라믹 구조의 열전소자에서는 T1의 온도가 67℃, T2의 온도는 63℃로 나타났으며 모듈 전체의 온도는 그림 6(b)보다 1~3℃ 감소하였지만 COB LED의 접합부분에서 나타나는 열 응집현상을 해소하지 못하였다.
따라서 본 논문에서는 열전소자의 펠티에 효과를 이용한 흡열과 발열 현상을 이용하는 방열방법을 제안하였고 열전소자는 세라믹 구조의 열전소자와 구리박판 구조의 열전소자 두 종류에 대한 방열 성능을 측정하여 데이터를 수집하여 비교 분석하였다. COB LED의 열 응집현상이 0.7A를 인가하였을 때 구리박판 열전소자에서 59℃ 로 세라믹 구조의 열전소자의 67℃보다 8℃ 감소하여 가장 큰 차이를 보였다. 구리박판 열전소자는 구리의 열전도도가 세라믹보다 높기 때문에 열의 유동이 잘 이루어져 열 응집현상을 보다 원활하게 해소시킴을 확인하였고 향후 고출력의 조명의 방열방식에 유용하게 사용할 수 있을 것이다.
그림 6(a)의 세라믹구조 열전소자는 T1접점의 안정화 상태에서 최고 온도가 79℃로 그림 7(a)의 구리박판 열전소자의 온도인 73℃보다 약 6℃ 정도 높게 나타났다. T2, T3, T4 접점은 세라믹 구조에서 구리박판 열전소자보다 약14~16℃ 높게 측정되어 열전도가 원활하지 않아 모듈 전체의 온도가 상승함을 보인다. 0.
구리박판 열전소자인 그림 7(d)는 T1 접점의 온도는 59℃, T2는 68℃로 T1과 T2 접점의 온도가 9℃ 차이를 보이며 COB LED의 접합부분의 열 응집현상이 해소되었다. T3와 T4의 온도는 각각63℃, 60℃를 나타내어 방열판에서의 열 방출이 원활하게 이루어짐을 확인하였다.
7W로 약13W의 차이를 보인다. 열전소자의 양면의 최대온도차는 세라믹 열전소자가 67℃로 구리박판 열전소자의 65℃보다 약 2℃정도 높음을 확인하였다.
후속연구
7A를 인가하였을 때 구리박판 열전소자에서 59℃ 로 세라믹 구조의 열전소자의 67℃보다 8℃ 감소하여 가장 큰 차이를 보였다. 구리박판 열전소자는 구리의 열전도도가 세라믹보다 높기 때문에 열의 유동이 잘 이루어져 열 응집현상을 보다 원활하게 해소시킴을 확인하였고 향후 고출력의 조명의 방열방식에 유용하게 사용할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고효율 LED이란?
방열 기술 연구가 국내외로 활발하게 진행되고 있으며, 특히 고효율 LED는 칩의 집적도 증가에 따른 발열문제를 해결하기 위하여 인쇄회로기판(PCB)에 칩을 실장 하는 방법 중 COB(Chip-on-Board) 실장은 웨이퍼 상에 잘라낸 칩에 패키지 하지 않고 PCB에 와이어(Wire)나 범프(Bump)를 사용하여 전기적으로 연결함으로써 보다 신뢰성을 높이고 열 방출 효과를 향상시키는 방법 이다. 하지만 COB 실장기술에도 마지막 공정 과정에서 칩을 보호하기 위해 언더필(Underfill)을 Bare 칩 위에 덮게 되는 과정 때문에 발열이 용이하지 않는 구조적 단점을 가지고 있다.
COB 실장기술의 단점은?
방열 기술 연구가 국내외로 활발하게 진행되고 있으며, 특히 고효율 LED는 칩의 집적도 증가에 따른 발열문제를 해결하기 위하여 인쇄회로기판(PCB)에 칩을 실장 하는 방법 중 COB(Chip-on-Board) 실장은 웨이퍼 상에 잘라낸 칩에 패키지 하지 않고 PCB에 와이어(Wire)나 범프(Bump)를 사용하여 전기적으로 연결함으로써 보다 신뢰성을 높이고 열 방출 효과를 향상시키는 방법 이다. 하지만 COB 실장기술에도 마지막 공정 과정에서 칩을 보호하기 위해 언더필(Underfill)을 Bare 칩 위에 덮게 되는 과정 때문에 발열이 용이하지 않는 구조적 단점을 가지고 있다. LED 방열 기술은 크게 4가지 방식이 사용되고 있다.
어떤 문제를 해결하기위해 방열 기술 연구가 진행되는가?
LED(Light-emitting-diode)조명은 저 전력의 조명장치로 에너지 절약과 효율 문제를 해결할 수 있는 기술로써 이에 따른 연구가 점차 확대되고 있다. LED 조명의 광원은 반도체 소자로 이루어지기 때문에 소자에서 발생하는 열에 의해 큰 영향을 받으며 소자의 수명을 결정하는 가장 큰 문제점으로 나타난다[1]. 이를 해결하기 위해
참고문헌 (7)
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S. H. Han, Y. J. Kim, J. H. Kim, D. J. Kim, J. Y. Jung, S. Kim, G. S. Cho, "Control of Heat Temperature in Light Emitting Diodes with Theroelectric Device", Journal of the Korean vacuum Society, Vol.20, No.4, pp.280-287, 2011.
Jung-Ho Yoo, Hyun-Ju Lee, Nam-Jae Kim, Shi-ho Kim, "A Design of Thin Film Thermoelectric Cooler for Chip-on-Board(COB) Assembly", The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol.59, No.9, pp.1615-1620, 2010.
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J. H. Kim, M. Y. Ku, G. W. Lee, "Evaluation of Heat Release Performance of Swaged- and Extruded-type Heat Sink Used in Industrial Inverter", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol.14, No.2, pp.523-528, 2013.
S. I. Hong, S. J. Yoon, C. H. Lin, "An Efficient Control system for Intelligent LED Indoor Lighting", The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication, Vol.14, No.6, pp.235-243, 2014.
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