[논문]Metal PCB를 이용한 LED Module 열 해석

최금연; 어익수; 서의석

Metal PCB를 이용한 LED Module 열 해석
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최금연 (호남대학교 전기공학과) , 어익수 (호남대학교 전기공학과) , 서의석 (호남대학교 전기공학과)

본 논문은 LED조명기구 방열설계의 열해석에 관한 것으로서 메탈 PCB에 Chip LED를 배치하여 COMSOL Multiphysics로 시뮬레이션한 결과 LED와 PCB의 경계면 온도는 약 $80^{\circ}C$이며, PCB의 바닥면까지는 약 $50^{\circ}C$까지 변화함을 검증 하였으며, 결과적으로 실 제작의 근사치에 가까운 방열설계가 가능함이 확인되었다.

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문제 정의

특히 알루미늄 베이스 기판은 알루미늄의 특성으로 높은 열전도성과 경량성 등을 살린 고밀도 실장기판이며, 에어컨의 인버터용 기판, 통신용 전원용 기판과 산업용도 면에서의 사용실적이 높다는 점에서도 파워 LED용 기판에 가장 적합하다고 본다[2]. 본 논문에서는 LED조명기구를 제작을 위한 메탈 PCB에 Chip LED를 배치하여 COMSOL Multiphysics로 시뮬레이션을 통한 결과를 분석한다.

제안 방법

<그림 2>의 Sub-domain setting은 PCB와 LED의 재질설정을 해줌으로써 고정적인 Data가 입력되며, Boundary setting을 통해 각 경계면의 입력온도와 출력온도 값을 정의한다. 본 논문의 모듈의 입력온도는 130℃로 하고 출력온도는 0℃까지로 하여 시뮬레이션을 하였다.
본 실험은 LED조명의 모듈을 제작하고 RGB Color를 설정하여 색온도를 구한 후 COMSOL Multiphysics를 통해 도면제작과 제원 설정을 한다. 시뮬레이션과정의 기본 열 해석 지배식인 전도는 고체 매질을 통해 일어나는 열전달 형태로 물체 내에 온 도구배가 존재할 때 열은 고온에서 저온부로 전달된다.

이론/모형

미시적 관점에서 보면 물질 내 원자나 분자의 상호작용에 의해 열이 전달되며, 즉 원자 격자의 진동과 자유전자의 이동에 의해 인접한 분자에 에너지를 전달하는 형태임실제의 열 유동률은 매질의 물성 값인 열전도계수 k에 좌우되며, 열전도 법칙인 Fourier’s law을 적용 하였다.

성능/효과

실험결과 아래의 <그림 7>(a)는 LED와 PCB를 직교하는 가상의 연장선을 생성하여 그 부분의 온도변화를 확인한 것이며, (b)는 확인한 결과에 따른 온도변화를 연장선의 Arc-length 즉 좌표에 따라 온도변화를 그래프 형태로 나타낸 것이다. 그 결과 LED와 PCB의 경계면 온도는 약 80℃로 해석 되었으며 PCB의 바닥면까지는 약 50℃까지 변화하였다.
메탈 PCB에 Chip LED를 배치하여 COMSOL Multiphysics 로 시뮬레이션을 통한 결과 LED와 PCB의 경계면 온도는 약 80℃이며, PCB의 바닥면까지는 약 50℃까지 변화한다는 것을 알 수 있었다. 메탈 PCB가 열을 낮추어 파워 LED용 기판에 가장 적합함을 확인 하였으며, 실제적으로 제작하지 않고 시뮬레이션을 통해 근접한 결과 값을 알 수 있었다.
메탈 PCB에 Chip LED를 배치하여 COMSOL Multiphysics 로 시뮬레이션을 통한 결과 LED와 PCB의 경계면 온도는 약 80℃이며, PCB의 바닥면까지는 약 50℃까지 변화한다는 것을 알 수 있었다. 메탈 PCB가 열을 낮추어 파워 LED용 기판에 가장 적합함을 확인 하였으며, 실제적으로 제작하지 않고 시뮬레이션을 통해 근접한 결과 값을 알 수 있었다.

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