[논문]150W LED등기구 방열을 위한 열 해석에 관한 연구

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150W LED등기구 방열을 위한 열 해석에 관한 연구
A Study on Heat Simulation for Heat Radiation in 150W LED 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.15 no.4, 2016년, pp.79 - 85

Abstract ▼ AI-Helper

For long life time and high efficiency, not necessary in improvement of LED chip structure, but also improve heat radiation for decrease heat in LED chip. In this study, efficiency decline factor has been investigated in LED lamp as study heat characteristic, luminance flux and heat resistance. When LED lamp temperature was increased, about 7% loss of luminance flux. In consequence of temperature analysis, width of fin was the most important factor of heat radiation. As a result, secure the enough heat path is very important factor of LED lamp design.

주제어

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문제 정의

이에 150WLEDemdrlrndml 열해석을 통해서 방열성능을 확인하고자 한다.

가설 설정

해석 경계조건으로 LED 칩을 직육면체로 모델링하여 발열 조건으로 입력하였다. LED 칩 개수는 총 72개이며, 소비전력이 150W인 경우, SMPS의 손실을 10%로 가정, LED 소자의 효율을 광 20%, 열 80%로 가정하여 108W를 발열량으로 입력하였다.
LED 가로등과 공기와 닿는 면에 대해서는 no slip wall 조건과 열전달 조건을 설정하였다. 고체와 고체가 닿는 면에 대해서는 free silp wall조건을 설정하였으며 고체 사이의 열저항은 없는 것으로 설정하였다. 또한 내부의 초기 온도는 외기 온도인 25℃로 정의하였다.

제안 방법

AL 방열판의 경우 LED솔더의 온도가 56.6℃로서 본 개발에 사용 중인 LED chip의 추천 사용온도인 90℃보다 매우 낮은 온도로서 방열 성능이 과한 것으로 판단되며, 중량 감소의 목표를 달성하기 위하여 새로운 재질의 개발을 수치해석을 통하여 진행하였다. 중량 감소를 위하여 방열판의 형상 보다는 방열판의 재질에 초점을 맞추어 재질에 따른 방열 성능을 검토하였다.
Heat sink의 재질에 따른 LED 가로등의 온도 분포를 검토하기 위하여, Specific Heat(비열), Conductivity(열전도도), Density(밀도)를 변경하여 Case study를 수행하였다. 해석 Case는 표 2-3과 같다.
외부 도메인이 모두 벽 조건으로 설정되어져 있으므로, 내부의 강제 유동은 발생되지 않으며 부력에 의한 자연 대류만 발생한다. LED 가로등과 공기와 닿는 면에 대해서는 no slip wall 조건과 열전달 조건을 설정하였다. 고체와 고체가 닿는 면에 대해서는 free silp wall조건을 설정하였으며 고체 사이의 열저항은 없는 것으로 설정하였다.
문제시 되었던 방열판의 기류분포의 문제를 해결하기 위하여, 방열판을 직접 냉각시키는 원형 LED가로등을 개발 하였다. 기본 모델로서 AL 방열판을 사용하여 방열 성능을 예측하고, 수치해석을 통하여 정성적인 경향성을 확인하였다.
12와 같다. 방열판 후면에 8개소, 방열판 전면에 11개소에서 온도를 측정하였고, 수치해석 모델에서도 동일한 측정 지점에서 온도결과를 출력하였다.
수치 해석을 통하여 도출한 최적의 재질을 이용하여 CMP-PLA 방열판을 시제작하여 방열 온도 시험을 진행하였다. 그 결과 일부 측정점을 제외하고 약 10~20℃의 온도 차를 보이며 해석과 유사한 경향성을 보이는 것을 확인 하였다.
그 결과 비열 및 밀도는 방열 성능에 큰 영향을 미치지 않으며, 열전도도가 방열성능에 가장 큰 영향을 미치는 인자임을 확인 하였다. 열전도도가 340, 200, 100, 3.01[W/m‧K]의 경우에 대하여 방열판의 온도를 측정하여 경향을 확인 하였다. 그 결과 LED 솔더의 온도가 각각 91.
6℃로서 본 개발에 사용 중인 LED chip의 추천 사용온도인 90℃보다 매우 낮은 온도로서 방열 성능이 과한 것으로 판단되며, 중량 감소의 목표를 달성하기 위하여 새로운 재질의 개발을 수치해석을 통하여 진행하였다. 중량 감소를 위하여 방열판의 형상 보다는 방열판의 재질에 초점을 맞추어 재질에 따른 방열 성능을 검토하였다. 그 결과 비열 및 밀도는 방열 성능에 큰 영향을 미치지 않으며, 열전도도가 방열성능에 가장 큰 영향을 미치는 인자임을 확인 하였다.
6m 이다. 해석 경계조건으로 LED 칩을 직육면체로 모델링하여 발열 조건으로 입력하였다. LED 칩 개수는 총 72개이며, 소비전력이 150W인 경우, SMPS의 손실을 10%로 가정, LED 소자의 효율을 광 20%, 열 80%로 가정하여 108W를 발열량으로 입력하였다.

대상 데이터

은 시험과 동일한 위치 에서의 온도 측정 결과를 나타낸다. Heat Sink 후면에서는 6개소에서 온도를 측정하였으며, LED가로등 전면부에서는 9개소에서 온도를 측정하였다. 각 case별 온도 측정 결과는 Table 4 및 Table 5와 같다.
그 후, SC/Tetra에서 사용하는 Octree 기법을 사용하여 표면의 격자 크기를 설정하고 격자를 생성하면 surface mesh, volume mesh, prism mesh 격자가 생성된다. 계산에 사용된 격자의 수는 절점이 약 600만개 수준이며 요소는 약 2,800만개 이다. 또한 벽면 유동의 Boundary layer의 특성 계산을 위한 Prismlayer는 2 layer를 사용 하였다.
여기에서, Back cover의 재질은 ALDC12S이며, Heat sink의 재질은 A6063, 몰딩KCC의 재질은 SL300AB, LED PCB는 FR4, LED 칩은 epoxy, Tie bar의 재질은 AC2B이다.
연구에 사용된 상용 열유체 해석 소프트웨어는 SC/Tetra V8이며, 계산에 사용된 해석 조건은 Table 2 같다.

성능/효과

시험과 수치해석 결과가 일정한 경향을 보이고 있다. Heat Sink 후면부의 온도 차는 평균 약 12℃ 이며, Heat Sink 전면부 Cover 온도 차는 평균 약 16℃, PCB 온도 차는 평균 약 10.5℃, LED 솔더 온도 차는 평균 약 34.9℃, LED PKG 온도차는 평균 약 31.7℃의 차이의 경향이 나타나는것을 확인 할 수 있다.
Heat sink 후면부의 온도차는 평균 약 18℃ 이며, 전면부의 Cover 온도차는 평균 약 15℃, PCB 온도차는 평균 약 20℃, LED 솔더 온도차는 평균 약 29.8℃, LED PKG 온도차는 평균 약 18℃ 인 것을 확인 할 수 있다.
01[W/m‧K]의 경우에 대하여 방열판의 온도를 측정하여 경향을 확인 하였다. 그 결과 LED 솔더의 온도가 각각 91.4℃, 92℃, 93.8℃, 121.2℃로 계산되었으며, AL 방열판의 경우, 시험과 해석의 LED 솔더 온도차가 34.9℃인 것을 감안하면 열전도도가 3.01[W/m‧K]의 경우 실제 LED 솔더의 온도가 약 86.3℃가 예상되었다.
중량 감소를 위하여 방열판의 형상 보다는 방열판의 재질에 초점을 맞추어 재질에 따른 방열 성능을 검토하였다. 그 결과 비열 및 밀도는 방열 성능에 큰 영향을 미치지 않으며, 열전도도가 방열성능에 가장 큰 영향을 미치는 인자임을 확인 하였다. 열전도도가 340, 200, 100, 3.
수치 해석을 통하여 도출한 최적의 재질을 이용하여 CMP-PLA 방열판을 시제작하여 방열 온도 시험을 진행하였다. 그 결과 일부 측정점을 제외하고 약 10~20℃의 온도 차를 보이며 해석과 유사한 경향성을 보이는 것을 확인 하였다. 또한 LED 솔더의 경우 AL방열판 모델의 온도 차(34.
그 결과 일부 측정점을 제외하고 약 10~20℃의 온도 차를 보이며 해석과 유사한 경향성을 보이는 것을 확인 하였다. 또한 LED 솔더의 경우 AL방열판 모델의 온도 차(34.9℃)와 유사하게 35.9~39.4℃의 온도 차를 보이는 것을 확인 하였고, 실제 CMP-PLA 방열판의 LED 솔더온도가 약 87.4℃로 측정되었으며, 이는 해석을 통하여 예측한 결과와 잘 일치한다.
CMP-PLA 방열판 전면 및 후면 모두 방열판 내측의 측정 점(후면의 3번, 전면의 6번)을 제외하고 일정한 값으로 경향성을 보이고 있다. 방열판 전면부의 시험과 해석과의 온도차는 LED 솔더, 및 렌즈를 제외하고 약 10~20℃사이의 온도차를 보이고 있어, 후면 부의 온도 차와 유사한 경향을 보이는 것을 확인 하였다. 렌즈(전면의 4번)의 경우 해석 시 온도가 높게 발생하는데 그 이유는 LED chip과 렌즈사이의 틈새 및 공기영역을 해석 모델에서는 모두 고려할 수 없어 렌즈가 LED chip을 감싸고 3면이 모두 접촉하고 있는 조건으로 단순화 하여, 렌즈로의 열전달이 높아져 해석에서는 온도가 높게 발생되었다.
본 해석에서 사용되는 격자는 비정렬 격자로서, 복잡한 Geometry 형상을 표현하기에 적당하다. 격자를 생성하는 방법은 Fig.
시험과 수치해석과의 온도결과는 Table 10 및 Table 11과 같다. 측정 점3을 제외하고 모든 위치에서 일정한 온도차를 보이는 것을 확인하였다. 방열판 후면의 온도 차는 약 11.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	1LED 가로등이 메탈할라이드 램프 가로등과 비교했을 때의 장점은?	1LED 가로등은 기존 메탈할라이드 램프 가로등에 비해 소비전력 절감 및 장 수명으로 인해 각광받고 있다. 그러나, 현재 LED 가로등 제품들은 수요자 요구 조도기준 및 발열온도 기준을 만족하는 제품은 거의 없다.
	LED 조명기기의 핵심 기술에는 무엇이 있는가?	LED 조명기기의 핵심 기술은 고효율 광원, 방열판, 고 역률 전원, 반사 등이 있으며, 이중 LED 광원의 열을 방출하기 위한 방열판 제작이 핵심 기술이다.
	LED 조명기기의 온도 상승시 무슨 문제점이 생기는가?	LED 조명 기기의 온도 상승 시 광 출력 감소, 출력 빛의 파장 증가 (Red Shift), 열응력 발생에 의한 Bond Wire 파손, 열응력 발생에 의한 접합부 박리, 에폭시 렌즈 항변, Solder부 파괴 등의 심각한 문제를 야기함으로써 조명기기의 수명 감소를 초래한다.

참고문헌 (11)

B. Y. Shin, B. H. Cho, K. H. Hong and B. S. Kim, Polymer(Korea), 33, 588, 2009.
S. J. Kim, "A study on the heat transfer of the heatsink", Taejon National Univ., 1988.
Park, J. M., Choi, W. S., Kwon, S. H., Cha, J.H, "Optimal Cutting Conditions of Surface Roughness for Inconel 718 Alloy in Turning Operation", Journal of the KSMPE, Vol. 8, No. 4, pp. 48-53, 2009.
Lee, Y. M., Chang, S. I., Sun, J. W., Yun, J. H., "Chip Breaking Characteristics Depending on Equivalent Effective Rake Angle in Turning", Journal of KSMPE, Vol.2, No.2, pp.25-31, 2004.
Park, J. M., Choi, W. S., "Optimal Cutting Conditions of Surface Roughness for Inconel 718 Alloy in Turning Operation", Journal of the KSMPE, Vol. 8, No. 4, pp 48-53, 2009.
Lee, J. W., Min, K. D., "A Study on Nozzle Flow and Spray Characteristics of Piezo Injector for Next Generation High Response Injection", Transactions Of the KSME(B), Vol. 30, No. 6, pp. 553-559, 2006
Narendran, N., and Gu, Y., "Life of LED-based White Light Sources," Journal of Display Technology, Vol. 1, No. 1, pp. 167-171, 2005.

상세보기
Sathe, S., Sammakia, B., "A Review of resent Developments in Some Practical Aspects of Air-Cooled Electronic package", Journal of heat transfer, Vol. 120, No. 4, pp.830-839, 1998.

상세보기
A.K. da Silva, S. Lorente, A. Bejan, "Optimal Distribution of Discrete Heat Sources on a Plate with Laminar Forced Convection", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol 47, pp.2139-2148, 2004.

상세보기
ILYoung Shin "Development of high efficiency LED luminaire and process with improved heat dissipation and light distribution technology" YuilCNT. 2013.
B.C Kwon "Ultra-compact and light-weighted through analysis of thermal analysis simulation" Hanbat.Uni.v. Report., 2016.

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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