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Thermal Characteristics of the Optimal Design on 15W COB LED Down Light Heat Sink
Thermal Characteristics of the Optimal Design on 15W COB LED Down Light Heat Sink
Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering. 2014. Feb, 18(2): 401-407
Copyright © 2014, The Korea Institute of Information and Commucation Engineering
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  • Received : November 01, 2013
  • Accepted : December 24, 2013
  • Published : February 28, 2014
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재현 권
Department of Information and communication Engineering, Wonkwang University, Iksan 570-749, Korea
건준 박
Department of Information and communication Engineering, Wonkwang University, Iksan 570-749, Korea
태형 김
Department of IT Application Systems Engineering, Chonbuk University, Jeonju 561-756, Korea
용갑 김
Department of Information and communication Engineering, Wonkwang University, Iksan 570-749, Korea
ykim@wonkwang.ac.kr

Abstract
열에 관한 문제를 해결하기 위해 여러 개의 LED 칩을 1개의 보드에 밀집으로 배열한 COB(Chip On Board)에 관한 관심이 증가하고 있다. LED소자의 온도가 올라갈수록 수명이 감소하고 스펙트럼선의 파장이 본래의 파장보다 장파장 쪽으로 이동하는 적색 이동 현상 및 접합부 온도 상승에 따라 광 출력이 감소되는 큰 문제점이 대두되고 있다. 이러한 열 문제점을 해결하기위해 본 논문에서는 최적의 Fin 두께와 길이를 선정하여 15W급 COB LED 최적의 2차 방열판을 설계하고, 그 설계한 방열판과 15W COB를 패키지하여 Solid Works Flow Simulation을 통한 열적 특성을 분석하여 제작된 15W COB 다운라이트 방열판을 접촉식 온도계를 사용해 열적 특성, 키슬리 2430을 통한 전기적 특성을 분석하였다.
Keywords
Ⅰ. 서 론
신 성장 동력으로 분류된 LED 조명 제품은 기존 광원보다 조도가 높고 수명이 길어 에너지 효율의 상승효과가 높기 때문에 세계 정책에 따른 환경 및 에너지 문제를 해결하기 위한 중요한 요소라 할 수 있다 [1 , 2] . LED광원은 반도체 제품이므로 기존 조명광원들과 달리 유해물질을 전혀 사용하지 않아도 되고 일단 설치하면 상당히 긴 시간동안 사용될 수 있고, 일반 조명으로 활용할 때 높은 광 효율을 나타내는 장점을 지니고 있다. 다만 광원인 LED가 반도체 제품이므로 제품의 수명과 성능이 온도의 영향을 심각하게 받는다 [3 , 4] .
고출력 LED의 경우 인가된 에너지에 대해 통상적으로 20%정도의 광 출력과 80% 정도의 열로 전환되며, 그 열에 의한 문제로 인해 고출력 LED의 수명 저하 및 광 출력에 직접적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있다 [5] . 이러한 문제점들을 해결하기 위해서 방열량과 사용 환경 및 최대 허용온도 등에 대한 목표가 결정되어야 하고, 설치 환경과 방법에 따른 열전달 계수의 예측과 냉각 장치 구조 설계 등이 이루어져야 한다 [6] . 또한 LED 접합 온도 상승에 따른 열적 문제를 해결하기 위해 SMD (surface mount device)패키징 기술이 개발되었다. 하지만 고출력 조명등의 사용으로 인해 다량의 칩을 어레이 하는 구조를 사용하여 글레어 현상과 쉐도우 현상의 문제점이 발생되어 빛의 품질이 저하되고 있으며 SMD패키지의 복잡한 공정의 해결과 열전달 경로의 최소화가 필요하게 되었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 COB (chip on board) 패키징 기술이 개발되었고, 현재 고출력 고집적 LED모듈은 COB형태의 패키지가 주종을 이루고 있으며 열전달 면에서 경로를 최소화하는 발열구조로 연결되어 있어 열 특성을 20% 이상 개선이 가능하며 응용 분야에 따라 다양한 타입의 패키지들이 적용되고 있다 [7] . 하지만 다량의 고출력 칩을 적은 면적에 집적화 하기 때문에 열의 응집현상이 나타나고 있다. 이러한 열 응집현상 해소 및 열 확산을 위해 SMD타입 패키지에 방열판을 적용한 연구는 활발히 진행중이나, COB 타입의 패키지가 적용된 방열판에 관한 연구는 미비한 실정이다. 현재 방열판의 재료로 쓰이는 알루미늄 베이스 기판은 알루미늄의 특성으로 높은 열전도성과 경량성 등을 살린 고밀도 실장기판이며 파워 COB LED용 기판에 가장 적합하다고 본다 [8] .
따라서 본 논문에서는 주거용 15W급 COB LED 광원에 적합한 방열판을 효과적으로 설계하고자 한다. 먼저 15W COB LED를 선정 및 평가하고 최적의 Fin두께와 길이를 분석하여 알루미늄 기반의 방열판을 설계하고자 한다. 설계 시 면적에 맞게 10개의 Fin을 선정하였으며, 열 유동 시뮬레이션을 통해 분석하고 제작된 방열판에 접촉식 온도계(HH309A Omega社)와 키슬리 2430을 통한 열적, 전기적 특성을 분석하여 최적화된 방열판을 설계하고자 하였다.
Ⅱ. COB 선정 및 방열판의 성능 평가
- 2.1. COB 선정 및 분석
주거용에 적합한 15W COB LED를 그림 1(a) 에 나타내었다. 본 COB 패키지는 Light Spot사의 42~51V 320mA를 사용하는 15W급 COB LED 패키지로써 107개의 칩이 직 병렬로 배열되어 있는 구조이다. 본 COB는 MCOB( Multi-Chips on Board ) 구조이며 크기 가로 37.5㎜, 세로 37.5㎜, 두께 1.6㎜에 다량의 칩이 집적화 되어있어 열을 해소 할 수 있는 방열판이 필요하다. 열해석 시뮬레이션에 앞서 그림 1(b) 와 같이 본래의 제품과 동일한 3D형상을 설계하였다.
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15W COB 제품(a)과 3D 형상 설계(b) Fig. 1 15W COB Product(a) and 3D shape design(b)
- 2.2. Fin 두께에 따른 방열판 해석
주거용 15W급의 방열판을 설계하기위해서 그림 2 와 같이 Chip크기에 맞추어 지름 80Ø 알루미늄 기반 방열판을 설계하였다.
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15W COB LED 방열판 패키지 Fig. 2 15W COB LED Heat sink Package
설계 시 fin 개수는 기판 크기에 비례하여 10개로 선정하였으며 최적의 fin 두께를 실험하기 위해 fin 길이는 15㎜로 선정하였다. 시뮬레이션을 위해 Solid works 프로그램으로 설계하였고, 열 유동 시뮬레이션을 통해 대류현상과 온도를 세밀하게 측정하기 위해 표 1 과 같이 설정 하였다.
Fin 두께 시뮬레이션 설계사양Table. 1Fin thickness Simulation design specifications
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Fin 두께 시뮬레이션 설계사양 Table. 1 Fin thickness Simulation design specifications
그림 3 은 열 유동 시뮬레이션인 Flow Simulation을 사용하여 15W COB LED를 방열판에 패키징하여 구동하였을 때 COB에 끼치는 온도변화를 보여주고 있다. 각 시뮬레이션은 약 150번 구동되었고, Fin 두께 1㎜ 인 그림 3(a) 의 경우 fin과 fin사이의 공간이 넓어짐으로 인해 74℃의 방열 성능을 보여주고 있다. Fin 두께 1.5㎜ 인 그림 3(b) 인 경우 Fin 두께 1㎜ 그림 3(a) 보다 0.4℃가량 떨어졌으며, Fin 두께 2㎜인 그림 3(c) 의 경우 Fin 두께 2.5㎜ 그림 3(d) 보다 조금 더 낮은 온도를 나타내고 있다. 실험을 통해 Fin 두께가 커질수록 Fin과 Fin 사이의 공간이 작아지고, 두께가 얇아질수록 Fin과 Fin사이의 공간이 넓어져 15W급 COB LED 방열판의 최적의 Fin 두께는 지름 80Ø인 경우 2㎜ 그림 3(c) 가 적합하다고 사료된다. 하지만 COB LED의 경우 70℃이상의 고온에서는 수명과 출력이 감소되는 단점이 있기 때문에, Fin 길이에 관한 실험이 필요하다.
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Fin 두께에 의한 열 유동변화 (a) 1㎜ fin 두께, (b) 1.5㎜ fin 두께, (c) 2㎜ fin 두께, (d) 2.5㎜ fin 두께 Fig. 3 Heat flow by fin thickness changes (a) 1㎜ fin thickness, (b) 1.5㎜ fin thickness, (c) 2㎜ fin thickness, (d) 2.5㎜ fin thickness
15W급 COB LED 방열판의 최적의 Fin 길이를 알아보기 위해 앞서 실험되었던 최적의 Fin두께 2㎜로 선정하였고, 방열판의 base의 크기는 7㎜, 최대 fin 길이 28㎜의 방열판일 경우 주거용으로 적합하다고 사료된다. Fin 두께의 실험과 마찬가지로 열 유동 시뮬레이션을 통해 대류현상과 온도를 측정하기 위해 표 2 와 같이 설정 하였다.
핀 길이 시뮬레이션 설계사양Table. 2Fin length simulation design specifications
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핀 길이 시뮬레이션 설계사양 Table. 2 Fin length simulation design specifications
그림 4 는 flow simulation을 통해 열이 방열판을 거쳐 확산되어지는 모습을 나타내고 있다. Fin 길이 19㎜인 그림 4(a) 에서는 COB와 방열판 접합점 온도는 69.69℃, Fin 길이 22㎜인 그림 4(b) 에서는 66.82℃, Fin 길이 25㎜인 그림 4(c) 에서는 64.74℃, Fin 길이 28㎜인 그림 4(d) 에서는 62.94℃로 실험결과 Fin 두께 2㎜에서 길이에 비례해 온도가 점차 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 주거용에 적합한 28㎜ 그림 4(d) 에서 열확산 및 열 흐름이 방열판을 통해 잘 이루어지고 있음을 확인 할 수 있다.
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Fin 길이에 따른 온도흐름 분포도 (a) fin 길이 19㎜, (b) fin 길이 22㎜, (c) fin 길이 25㎜, (d) fin 길이 28㎜ Fig. 4 Temperature distribution of the flow by fin length (a) 19㎜ fin length, (b) 22㎜ fin thickness, (c) 25㎜ fin length, (d) 28㎜ fin length
그림 5 는 설계된 방열판의 자연 대류 열 유동 특성을 보여주는 시뮬레이션 사진이다. 방열판 중앙 상부에서 수직방향으로 가장 빠른 유속을 보이며 이를 중심으로 핀 방향에 따라 수평 방향 성분을 갖는 공기의 유동을 확인 할 수 있다.
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설계된 방열판의 대류흐름 시뮬레이션 Fig. 5 Temperature The convection flow simulation of designed heat sink
Ⅲ. 설계된 방열판의 실험
Simulation을 통해서 15W급 COB LED 다운라이트용 방열판은 지름 80Ø 알루미늄 기반 Fin 개수 10, Fin 두께 2㎜, Fin 길이 28㎜에서 최적의 성능을 나타냄을 알 수 있다. 그림 6 은 Simulation 성능분석을 통한 방열판을 입증하기 위해서 설계된 알루미늄 재질의 방열판을 보여주고 있으며, 실험을 위해 COB LED와 패키징하였고, 접촉식 온도계(HH309A Omega社 )를 사용해 열적 특성, 키슬리 2430을 통한 전기적 특성을 분석하였다.
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알루미늄 (6061) - 방열판 Fig. 6 Al (6061) - Heat Sink
열 특성 평가 실험을 하기 위해서 그림 7 과 같이 1㎥크기의 박스를 제작하고 내부온도를 25℃를 유지하였으며, Omega사의 접촉식 온도계 (ThermoCouple)를 사용하여 COB와 방열판 Point 2(PT 2), 방열판의 중앙부분 Point 4(PT 4), 방열판의 양쪽 각각 Point 1(PT 1), Point 3(PT 3) 에 부착하여 온도를 측정하였으며, 그림 8 과 같이 Kelthley 2430을 통해 15W급 0.32A, 47V로 실험하였으며, 접촉식 온도계 프로그램인 Se309를 사용하여 1시간 동안 10초에 1 count씩 COB LED 방열판 패키지에서 발생하는 열을 data로 저장하였다.
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접촉식 온도계를 이용한 방열판 열 측정 point Fig. 7 Heat measurement point for heat sink using thermocouple
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키슬리 장비와 Se309 프로그램을 사용한 열 측정 Fig. 8 Kelthley2430 and thermal measurements using Se309 program
접촉식 온도계로 실험 측정 결과를 그림 9 에 나타내었다. COB와 방열판 접합면(PT 2) 의 온도는 평균 61℃, 방열판 중앙(PT 4)의 온도는 59.8℃로 열을 효과적으로 배출시켰기 때문에 접합면 온도와 1.2℃ 가량 차이가 나는 것을 볼 수 있었다. 방열판 양 끝단 (PT 1과 PT 3)의 온도는 평균 57℃로 방열판 Fin 끝까지 열 흐름이 잘 되고 있음을 알 수 있으며, 방열판의 집중된 열이 중심부에서 외곽으로 전도됨을 알 수 있다. 또한 실제측정 결과 값 최고온도 61℃는 시뮬레이션 측정 결과값과 약 1℃가량 차이를 보여 설계가 잘되었음을 확인할 수 있다.
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15W COB LED 방열판 열 측정 결과 Fig. 9 15W COB LED Heat Sink heat measurement results
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 15W급 COB LED 다운라이트 최적의 방열판을 설계하기 위해서 Solidworks Simulation을 사용하여 15W COB LED와 방열판을 설계 및 Flow simulation을 통해서 열적 특성을 평가하였다. 설계된 15W COB LED 와 방열판 패키징을 접촉식 온도계와 키슬리 2430장비로 실험 및 온도 평가를 하였다.
Fin 두께에 관한 시뮬레이션 결과 Fin 두께 2mm에서 열 확산이 잘 되는 것을 온도 변화를 통해 확인하였으며, Fin과 Fin사이로 대류흐름이 원활한 것을 확인 하였다. Fin 길이에 관한 시뮬레이션 실험에서는 주거용 15W COB LED 다운라이트에 적합한 Fin 길이 28㎜에서 열 응집현상이 많이 해소됨을 확인 하였으며, 방열판을 통해 열 확산 또한 잘 이루어지고 있음을 확인 하였다.
실제 실험으로 접촉식 온도계와 Kelthley 2430을 통해 실험한 결과 접합면 온도 평균 61℃, 방열판 양 끝단 온도 평균 57℃로 열 확산이 잘 이루어짐을 확인할 수 있었으며, 시뮬레이션 최고온도 결과 값과 약 1℃로 해석결과의 타당성을 입증하였다. 따라서 본 논문의 방열판은 15W급 COB LED 다운라이트에 적합하다고 사료된다.
Acknowledgements
이 논문은 2013년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 기초연구사업 지원을 받아 수행된 것임(2013R1A1A2011835)
BIO
권재현(Jae-Hyun Kwon)
2012년 원광대학교 정보통신공학과 (공학사)
2012년 ~ 현재 원광대학교 대학원 정보통신공학과 (공학석사과정)
※관심분야 : COB LED 방열 설계, 가시광통신,
박건준(Keon-Jun Park)
2005년 원광대학교 제어계측공학과 (공학석사)
2010년 수원대학교 전기공학과 (공학박사)
2010년 ~ 2012년 원광대학교 공과대학 POST-BK21 Post-Doc
2012년 ~ 현재 원광대학교 리서치펠로우 연구교수
※관심분야 : 컴퓨터 및 인공지능, 유전자 알고리즘 및 최적화이론, 지능시스템 및 제어
김태형(Tae-Hyung Kim)
1991년 원광대학교 전자공학과 (공학석사)
2002년 원광대학교 전자공학과 (공학박사)
1995년 ~ 현재 전북대학교 IT 응용시스템공학과 교수
※관심분야 : 디지털 이미지 프로세싱
김용갑(Yong-Kab Kim)
1993년 앨라바마 주립대 (공학석사)
2000년 노스케롤라이나 주립대 전기·컴퓨터공학과 (공학박사)
2003년 ~ 현재 원광대학교 정보통신공학과 정교수
2012년 ~ 현재 LED 인력양성사업단장(전북)
2012년 ~ 현재 원광대학교 ITBI창업보육센터장
※관심분야 : 가시광통신 시스템, 전력선 통신
References
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