[논문]유한요소해석을 이용한 LED 프레임의 열전달 특성에 관한 연구

손인수; 강성중; 전범식; 안성진

doi:10.21289/ksic.2020.23.6.935

[국내논문] 유한요소해석을 이용한 LED 프레임의 열전달 특성에 관한 연구
Study on Heat Dissipation Characteristics of LED Frames Using Finite Elements Method 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.23 no.6/2, 2020년, pp.935 - 941

손인수 (동의대학교 기계자동차로봇부품공학부) , 강성중 (제이피테크) , 전범식 (제이피테크) , 안성진 (평화정공(주))

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the effect of different shapes on the heat dissipation characteristics of other porous frames on LED lighting frames was studied using finite element analysis. In addition, the heat transfer characteristics of LED frames were tested using a thermal imaging camera and the results of finite element analysis were compared to derive the optimal hole shape. According to the study, the heat dissipation effect was better for frames with hole compared to existing ones without holes. In particular, the heat dissipation characteristics test showed that for frames with holes, the rise time to the maximum temperature is fast and the maximum temperature is significantly lower. Also, we could see that the square and diamond shapes were smaller than the circular pores, but had a greater heat dissipation effect. Through this study, we have concluded that there is a limit to increasing the heat dissipation effect of the frame with a perforated shape, and it is necessary to conduct further research on the change in the shape of the frame in order to achieve a better heat dissipation effect in the future.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1 3D modeling of LED frame and bar
표 Table 1. Nodes and elements of model
그림 Fig. 2 Hole shape
그림 Fig. 3 FE modeling of LED frame
그림 Fig. 4 Section of LED frame
표 Table 2. Nodes and elements of model
그림 Fig. 5 Heat transformation results according to hole shape
그림 Fig. 6 Temperature difference of LED frame
그림 Fig. 7 Heat flux results according to hole shape
그림 Fig. 8 Max. heat flux of LED frame
그림 Fig. 9 Heat transformation results of LED chip
그림 Fig. 10 Results of thermal flow according to hole shape(100°C)
그림 Fig. 11 Input thermal load for thermal-structural analysis
그림 Fig. 12 Boundary condition for thermal-structur alanalysis
표 Table 3. Nodes and elements of model
그림 Fig. 13 Deformation distribution of LED frame
그림 Fig. 14 Stress distribution of LED frame
그림 Fig. 15 Experimental setup
표 Table 4. Parameter of thermal imaging camera (model : FLIR T620)
그림 Fig. 16 Test results according to hole shape

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 LED 엣지조명의 밀폐된 프레임에 형상이 다른 타공 구조를 첨가하여 프레임의 열전달 해석과 열-구조 연성해석을 수행하였고, 각 타공 형상이 프레임의 열전달 특성에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 특히, 열화상 카메라를 이용하여 LED 프레임의 열전달 시험을 수행하고 유한요소 해석 결과와 비교하여 최적의 타공 형상을 도출하고자 한다.
대하여 연구하였다. 특히, 열화상 카메라를 이용하여 LED 프레임의 열전달 시험을 수행하고 유한요소 해석 결과와 비교하여 최적의 타공 형상을 도출하고자 한다.
이 연구에서는 LED 조명 프레임에 형상이 다른타공 구조를 첨가하여 유한요소해석으로 프레임의 방열 특성을 연구하였다. 또, 열화상 카메라를 이용하여 LED 프레임의 열전달 시험을 수행하고 유한요소 해석 결과와 비교하여 최적의 타공 형상을 도출하였다.

가설 설정

LED 프레임에 외부의 공기와 닿는다는 전제하에 대류조건 부여하고, LED Chip에서 100℃ 의 발열이 일어난다고 가정하여 열-구조 연성 해석을 수행하였다. 먼저, 열유동 해석의 경우 정상 상태에서 열전달 해석을 수행한 결과인 Fig.
11, 12는 열구조 연성해석을 위한 입력 열 하중과 구속조건을 각각 나타내고 있다. 프레임이 벽면에 부착되었다고 가정하여 구속하였으며, LED 전등의 전체 무게를 고려하여 약 36N의 하중과 Fig. 11에 나타낸 열하중을 부여하여 구조해석을 수행하였다.

제안 방법

2는 기존 프레임에 추가한 타공 형상을 나타내고 있으며 원, 직사각형 그리고, 마름모 모양으로 결정하였다. 이 연구에서는 각 타공 형상의 면적을 동일하게 하지 않고 각 형상의 타공 형상의 수를 35개로 동일하게 하여 해석을 진행하였다. 왜냐하면, 실제 사용하고 있는 LED 프레임의 타공을 고려하였으며, 프레임의 높이가 한정되어있어 타공 형상의 면적을 동일하게 하는 것은 프레임의 높이의 변화가 필요하기 때문이다.
LED chip의 발열 온도는 일반적으로 약 80∼ 100℃이며 이 연구에서는 칩의 온도를 100℃로 정의한 후 프레임에 대한 열전달 해석을 수행하였다. 해석결과는 편의를 위하여 Fig.
먼저, 열유동 해석의 경우 정상 상태에서 열전달 해석을 수행한 결과인 Fig. 9와 같이 LED Chip의 후면부의 온도를 열유동 해석의 입력 값으로 적용하였다. 최종적으로 LED 프레임의 타공을 통해 전달되는 열의 영향에 의한 프레임의 열 유동해석을 진행하였으며 해석에서 타공형상에 따른 유한요소 모델의 노드 및 요소수는 Table 3 에 나타내었다.
15는 LED 프레임의 방열특성을 파악하기 위한 시험 장치를 나타낸 것이다. 타공 프레임의 방열 특성 시험은 Table 4에 제시한 사양을 갖는 열화상 카메라를 이용하여 타공 형상(원형, 사각 및 초기 설계프레임)에 대한 프레임의 온도변화를 조사하였다.
연구하였다. 또, 열화상 카메라를 이용하여 LED 프레임의 열전달 시험을 수행하고 유한요소 해석 결과와 비교하여 최적의 타공 형상을 도출하였다.

대상 데이터

Fig. 1은 이 연구에서 사용한 프레임 및 LED bar의 형상을 보여주고 있으며, 프레임의 길이는 259 mm이다. 프레임의 재질은 알루미늄이며 주요구성품의 재질 및 물성치는 Table 1에 나타내었다.
1은 이 연구에서 사용한 프레임 및 LED bar의 형상을 보여주고 있으며, 프레임의 길이는 259 mm이다. 프레임의 재질은 알루미늄이며 주요구성품의 재질 및 물성치는 Table 1에 나타내었다.

성능/효과

5와 6은 타공 형상에 따른 프레임의 열전달 특성 즉, 온도변화를 도시한 것이다. 열전달해석 결과 타공이 되지 않은 기존 프레임에 임에 비하여 타공되어진 프레임의 경우 미소하지만 열전달이 우수한 것으로 나타났다.
여기서 열 속의 크기가 클수록 열전달 성능이 우수하다고 할 수 있다. 해석결과 타공이 되지 않은 기존 프레임에 비하여 타공이 된 프레임의 경우 비교적 높은 열 속을 보이며, 다이아몬드 모양의 타공인 경우 열 속이 가장 빠르다는 것을 알 수 있다. 열전달 해석 결과 미소하지만 타공이 된 프레임의 열전달효과가 높게 나타나며, 온도차를 보면 사각 형상이 가장 우수하며, 열속을 기준으로 한 경우 다이아몬드 형상의 타공이 가장 우수한 것으로 나타났다.
해석결과 타공이 되지 않은 기존 프레임에 비하여 타공이 된 프레임의 경우 비교적 높은 열 속을 보이며, 다이아몬드 모양의 타공인 경우 열 속이 가장 빠르다는 것을 알 수 있다. 열전달 해석 결과 미소하지만 타공이 된 프레임의 열전달효과가 높게 나타나며, 온도차를 보면 사각 형상이 가장 우수하며, 열속을 기준으로 한 경우 다이아몬드 형상의 타공이 가장 우수한 것으로 나타났다.
10은 타공형상에 따른 열유동 해석 결과를 도시한 것으로 타공 형상에 따라 후면부에 다른 형태의 열유동이 나타난다는 것을 알 수 있다. 해석 결과 네모 형상인 경우 비교적 가장 활발한 열 유동을 보이고 있으나 온도 변화는 큰 차이가 없었다. 그 이유는 그 이유는 프레임 사이의 공간이 협소하여 유동이 발생할 여유가 부족하기 때문이라 생각된다.
14는 LED 프레임의 응력해석 결과를 나타내었다. 최대응력은 타공 형상과 관계없이 모두 8 MPa이하를 보였으며, 프레임 재질의 허용 강도와 비교하여 매우 안정하다고 판단할 수 있다. 타공 형상과 관계없이 거의 유사한 응력 값을 나타내었으며, 타공 프레임의 경우 기존 프레임의 응력에 비하여 약 4.
최대응력은 타공 형상과 관계없이 모두 8 MPa이하를 보였으며, 프레임 재질의 허용 강도와 비교하여 매우 안정하다고 판단할 수 있다. 타공 형상과 관계없이 거의 유사한 응력 값을 나타내었으며, 타공 프레임의 경우 기존 프레임의 응력에 비하여 약 4.5%정도 낮은 응력 값을 보인다.
연구결과 타공이 없는 기존 프레임에 비하여타공 프레임의 경우 열전달 효과는 우수하였으며, 특히 방열특성 시험을 통하여 타공 프레임의 경우 최대 온도까지 상승 시간이 빠르며 최대 온도가 현저히 낮아진다는 것을 알 수 있었다. 또한 사각 및 다이아몬드 형상이 원형 타공 형상보다 미미하지만 방열효과가 크다는 것을 알 수 있었다.
낮아진다는 것을 알 수 있었다. 또한 사각 및 다이아몬드 형상이 원형 타공 형상보다 미미하지만 방열효과가 크다는 것을 알 수 있었다. 이 연구를 통하여 타공 형상으로 프레임의 방열 효과를 높이는 것은 한계가 있다는 결론을 얻었으며, 향후 보다 우수한 방열효과를 얻기 위하여 프레임의 형상 변화에 대한 연구를 추가적으로 수행할 필요가 있다고 판단된다.

후속연구

또한 사각 및 다이아몬드 형상이 원형 타공 형상보다 미미하지만 방열효과가 크다는 것을 알 수 있었다. 이 연구를 통하여 타공 형상으로 프레임의 방열 효과를 높이는 것은 한계가 있다는 결론을 얻었으며, 향후 보다 우수한 방열효과를 얻기 위하여 프레임의 형상 변화에 대한 연구를 추가적으로 수행할 필요가 있다고 판단된다.

참고문헌 (5)

Yung, K. C., Liem, H. Choy, H. S. and Lun, W. K., "Thermal Performance of High Brightness LED Array Package on PCB", Int. Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 37(9), pp. 1266-1272, (2010).

상세보기
Kang, H. J. and Jeong, M. Y., "The Study of Nano Patterning on Sapphire Substrate for LED Thermal Efficiency", Proc. of the KSMPE Autumn Conference, pp. 341-342, (2012).
Ndao, S., Yoav, P. and Michael, K. J., "Effects of Pin Fin Shape and Configuration on the Single-phase Heat Transfer Characteristics of Jet Impingement on Micro Pin Fins", Int. Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 70, pp. 856-863, (2014).

상세보기
Cheng, H. H., Huang, D. S. and Lin, M. T., "Heat Dissipation Design and Analysis of High Power LED Array using the Finite Element Method", Microelectronics Reliability, Vol. 52 (5), pp. 905-911, (2012).

상세보기
Kang, S. J., Jeon, B. S. and Son, I. S., "Heat Dissipation Properties of LED Edge Lamp Frame by Finite Element Analysis", Proc. of the KSNVE Autumn Conference, pp. 251, (2019).

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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