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표제지

論文槪要

목차

1. 서론 13

1.1. 연구배경 및 동향 13

1.2. 연구목표 및 필요성 14

1.3. 연구방법 및 구성 16

2. 본론 17

2.1. 54W급 LED Module 배광 측정 17

2.1.1. LED Module 배광시뮬레이션 17

2.1.2. LED Module 조도 시뮬레이션 22

2.1.3. LED Module 배광 측정 분석 26

2.2. 54W급 LED Module 방열설계 28

2.2.1. LED Package의 방열설계 이론 28

2.2.2. LED Module 방열설계 과정 33

2.2.3. FR-4 PCB 열 해석 실험 35

2.2.4. LED 배치간격 변경 비교실험 40

2.2.5. PCB 외곽 곡률 적용 비교실험 45

2.2.6. PCB Air-Hole 적용 비교실험 50

2.2.7. 방열판 Air-Hole 적용 비교실험 60

2.2.8. 알루미늄, 그래핀, 탄소나노튜브 적용 열 해석 비교 실험 70

2.2.9. 방열설계 실험 분석 82

3. 결론 83

국내문헌 85

ABSTRACT 87

표목차

〈표 1〉 54W급 LED Module 배광실험 조건 18

〈표 2〉 54W급 LED Module 조도실험 조건 22

〈표 3〉 54W급 LED Module 조도시뮬레이션 결과 24

〈표 4〉 한국 산업규격 조도 기준(KSA 3011) 27

〈표 5〉 전도 열전달의 Law 28

〈표 6〉 대류 열전달의 수식 표현 29

〈표 7〉 복사 열전달의 수식 표현 30

〈표 8〉 열 해석 실험 설계 순서도 34

〈표 9〉 54W급 LED Module 측정조건 35

〈표 10〉 이상기체 유도법칙 36

그림목차

[그림 1] LED Package의 열화 15

[그림 2] 1W급 LED 배광곡선 17

[그림 3] 반사판 Modeling 18

[그림 4] 투과판 Modeling 19

[그림 5] Ray Trace Data 20

[그림 6] 54W급 LED Module 배광곡선 분석 21

[그림 7] 27W×2 LED Module 설계도면 23

[그림 8] 27W×2 LED Module 3D View 23

[그림 9] 27W×2 LED Module Calculation Results 24

[그림 10] 27W×2 LED Module 조도분포도 25

[그림 11] 색채(임의) 등고선 조도분포 25

[그림 12] 27W×2 LED Module 3D Representation of the Distribution 26

[그림 13] Fin 설계 주요 변수 31

[그림 14] Heat-Sink와 반도체 취부 구조도 32

[그림 15] 54W급 LED Room-Lighting Design 33

[그림 16] 열 해석 Front View 37

[그림 17] 열 해석 실험 온도등선도 37

[그림 18] 총 열 유속 38

[그림 19] 온도변화곡선 39

[그림 20] LED 배치간격 변경 열 해석 Front View 40

[그림 21] LED 배치간격 변경 온도등선도 41

[그림 22] LED 배치간격 변경 총 열 유속 42

[그림 23] 가로 5mm 변경 온도변화곡선 43

[그림 24] 가로 10mm 변경 온도변화곡선 44

[그림 25] PCB 외곽 곡률 적용 열 해석 Front View 45

[그림 26] PCB 외곽 곡률 적용 온도등선도 46

[그림 27] PCB 외곽 곡률 적용 총 열 유속 47

[그림 28] 외곽 반지름 3mm 곡률 적용 온도변화곡선 48

[그림 29] 외곽 비대칭 5mm 곡률 적용 온도변화곡선 49

[그림 30] Air-Hole 반지름 3mm, 50×30mm 간격 26개 Front View 51

[그림 31] Air-Hole 반지름 3mm, 50×60mm 간격 26개 Front View 51

[그림 32] Air-Hole 반지름 3mm, 50×30mm 간격 52개 Front View 52

[그림 33] Air-Hole 반지름 3mm, 50×30mm 간격 26개 온도등선도 53

[그림 34] Air-Hole 반지름 3mm, 50×60mm 간격 26개 온도등선도 53

[그림 35] Air-Hole 반지름 3mm, 50×30mm 간격 52개 온도등선도 54

[그림 36] Air-Hole 반지름 3mm, 50×30mm 간격 26개 총 열 유속 55

[그림 37] Air-Hole 반지름 3mm, 50×60mm 간격 26개 총 열 유속 55

[그림 38] Air-Hole 반지름 3mm, 50×30mm 간격 52개 총 열 유속 56

[그림 39] Air-Hole 반지름 3mm, 50×30mm 간격 26개 온도변화곡선 57

[그림 40] Air-Hole 반지름 3mm, 50×60mm 간격 26개 온도변화곡선 58

[그림 41] Air-Hole 반지름 3mm, 50×30mm 간격 52개 온도변화곡선 59

[그림 42] 방열판 Air-Hole 반지름 40mm, 2개 열 해석 Front View 61

[그림 43] 방열판 Air-Hole 반지름 40mm, 4개 열 해석 Front View 61

[그림 44] 방열판 Air-Hole 반지름 40mm, 6개 열 해석 Front View 62

[그림 45] 방열판 Air-Hole 반지름 40mm, 2개 온도등선도 63

[그림 46] 방열판 Air-Hole 반지름 40mm, 4개 온도등선도 63

[그림 47] 방열판 Air-Hole 반지름 40mm, 6개 온도등선도 64

[그림 48] 방열판 Air-Hole 반지름 40mm, 2개 총 열 유속 65

[그림 49] 방열판 Air-Hole 반지름 40mm, 4개 총 열 유속 65

[그림 50] 방열판 Air-Hole 반지름 40mm, 6개 총 열 유속 66

[그림 51] 방열판 Air-Hole 반지름 40mm, 2개 온도변화곡선 67

[그림 52] 방열판 Air-Hole 반지름 40mm, 4개 온도변화곡선 68

[그림 53] 방열판 Air-Hole 반지름 40mm, 6개 온도변화곡선 69

[그림 54] 알루미늄 열 해석 Front View 71

[그림 55] 그래핀 열 해석 Front View 71

[그림 56] 탄소나노튜브 열 해석 Front View 72

[그림 57] FR-4 Front 열 해석 View 72

[그림 58] 알루미늄 온도등선도 73

[그림 59] 그래핀 온도등선도 74

[그림 60] 탄소나노튜브 온도등선도 74

[그림 61] FR-4 온도등선도 75

[그림 62] 알루미늄 총 열 유속 76

[그림 63] 그래핀 총 열 유속 76

[그림 64] 탄소나노튜브 총 열 유속 77

[그림 65] FR-4 총 열 유속 77

[그림 66] 알루미늄 온도변화곡선 78

[그림 67] 그래핀 온도변화곡선 79

[그림 68] 탄소나노튜브 온도변화곡선 80

[그림 69] FR-4 온도변화곡선 81

초록보기

 최근 기존 LED 조명의 배광을 개선하는 연구개발의 성과가 두드러지고 있으며, LED에 2차 Lens와 반사판을 이용한 LED 조명등의 기술연구가 연구되고 있다. 또한, LED Package의 방열 성능을 향상시키기 위하여 표면처리 기술과 패키지 물질에 따른 열 설계, 주변 환경 및 구동조건을 고려한 구조설계 등의 연구가 활발히 되고 있다. 그러나 LED 조명을 실내조명으로 사용할 경우 여러 문제점들이 발생한다. LED는 빛의 직진성이 강하여 다른 조명 광원에 비하여 좁은 배광분포를 갖는다. 이로 인해 광 균일도 및 균제도가 좋지 못하는 단점들을 갖게 된다. LED 실내조명에서는 집적화 된 발광 면적에 대한 눈부심의 감소를 위해 적절한 Lens, 반사판, 투과판 설계가 요구된다. 그리하여, LED 조명의 조명효율 및 목적배광을 향상시키기 위해 일반적인 배광설계는 반사판 및 Lens 설계를 통해 연구된다. 그리고 일반적인 고출력 LED에서는 약 1W/mm²의 열을 발생시킨다. LED에서 발생하는 열은 패키지내의 열팽창계수가 서로 다르기 때문에 최대 정격이상의 높은 온도에 노출시키거나 열 순환을 반복하면 각기 다른 유형의 치명적 고장을 초래할 수 있다. 그리하여, 열이 높아지면 모듈의 수명이 감소되며, LED용 기판에 필수 불가결한 특성은 방열성이 높아야 한다는 점이다. 최근 컴퓨터를 이용하여 시뮬레이션을 통하여 Fin 설계, 방열도료 및 LED 접합 방법개선 등을 만족시키는 설계 변수를 결정하고 있다. 현재 제작 원가를 고려하여 가격이 저렴한 FR-4 PCB가 사용되고 있다. FR-4 PCB는 가격이 저렴한 장점이 있지만 열전도율이 낮아 PCB 가공 기술 방법의 다양화를 통해 보완하고 있다.

본 논문에서 실내용 LED Circline Type의 조명 제품을 설계할 때, 기본적인 배광데이터는 기존 실내조명과 만족해야 한다. 실내조명은 배광데이터는 Bat-Wing 형태의 배광과 광균일도와 균제도 등을 개선하여 한국 산업규격 조도기준(KSA 3011)실내등 조도기준에 적합한 목적을 가지고 LED 조명의 광각을 넓히는 방법을 실험한다. 반사판만을 적용하는 방법은 LED 조명의 광각을 넓히는데 보편화 되어 있고, 직진성의 배광형태와 발광면의 불균일성 및 균제도의 문제점을 개선하는데 어려움이 있다. 그리하여 광각을 넓힐 수 있는 실험방법으로 FPL 54W×3 조명기구를 27W×2 LED Module로 대체해서 사용 가능한 실내용 54W급 Circline Type LED Module에 투과판 설계를 통해 직진성의 배광형태를 Bat-Wing 패턴으로 구현하고자 한다. 또한, 발광면의 불균일성 및 균제도 개선을 위해 비구면 반사판 적용과 투과판의 굴절률을 조절하여 목적배광 110도 이상의 광각을 이룰 수 있는 배광 시뮬레이션 실험 및 조도 시뮬레이션을 실행하여 그 성능을 분석한다. 그리고 LED Module의 방열설계를 할 때, LED에서 발생하는 열을 빠르게 감소시키고 열 유동을 향상시키는 목적을 가지고 실험을 한다. 기존의 단품의 평판형 방열판만으로는 LED 발열에 의해 발생하는 기계적 고장, 수명감소, 열 유동 개선에 한계가 있다.

그리하여 공기 접촉면을 늘리고 방열 기능을 향상시켜 빠른 공기순환과 열 유동 및 LED Module의 절대온도를 감소시키는 방법으로 Circline Type 54W LED Module의 평판형 방열판과 FR-4 PCB의 구조적 변경 실험을 한다. 실험방법으로는 LED 배치간격 변경, PCB 구조변경, 방열판 구조변경을 하고 LED Module에 Air-Hole을 생성하여 공기 접촉면을 늘리고 방열 기능을 향상시켜 빠른 공기순환과 열 유동 향상 및 LED Module의 절대온도를 감소시키고자 한다. 그리고 알루미늄, 그래핀, 탄소나노튜브와 비교 실험을 하고 방열구조의 적합성과 특성을 개선 할 수 있는 방법을 도출한 결과는 다음과 같다.

첫 번째, FPL 54W×3 조명기구를 27W×2 LED Module로 대체해서 사용 가능한 실내용 54W급 Circline Type의 LED Module의 배광특성 분석과 주거공간의 조도시뮬레이션을 진행한 결과, 투과판 굴절각 160도를 적용하였을 때, 광각이 110도로 기존 조명과 유사함을 확인하였다. 전체 광속은 5,500Lm, 소비전력 54W, 평균조도는 294Lx이며, 최소조도는 184Lx, 최대조도는 399Lx으로 한국 산업규격 조도기준(KSA 3011)실내등 조도기준에 적합한 결과를 얻었다. 두 번째, LED 배치간격과 PCB 모양 변경을 통해 가로 10mm 간격으로 마름모 형태의 LED 배치와 PCB 외곽에 비대칭 5mm 곡률을 적용하였을 때 가장 우수한 결과를 확인하였다. 또한, 이를 적용한 FR-4 PCB LED Module의 PCB Size를 고려하여 반지름 3mm의 Air-Hole을 LED Module 면적의 10%, 20%, 30% 비율로 PCB와 주변에 Air-Hole을 생성하여 시뮬레이션을 진행한 결과, 30%, 50×30mm 간격, 52개를 생성하였을 때, 반지름 3mm의 Air-Hole을 면적의 10% 적용한 LED Module 보다 Max. 약 3.5℃~Min. 약 3.1℃의 온도감소가 되는 결과를 얻었다. 세 번째, LED 배치간격과 PCB Air-Hole 생성을 통해 실험에 구조적합화 된 LED Module을 지지하고 있는 평판형 방열판에 반지름 40mm Size의 Air-Hole을 2, 4, 6개를 생성하여 시뮬레이션을 진행한 결과, Air-Hole 개수가 2개씩 증가할 때 Max.와 Min. 온도가 약 1~1.5℃씩 감소하는 정형화 된 결론을 얻을 수 있었다. 또한, 6개를 생성하였을 때, 반지름 3mm의 Air-Hole을 면적의 10% 적용한 LED Module 보다 Max. 약 4.5℃, Min. 약 4.2℃ 감소한 결과를 확인하여, 열 분포 결과가 기존 실험보다 방열판의 모든 방향으로 강하게 분포되어 방열특성이 본 실험 중 가장 우수한 결과를 얻었다.

네 번째, 동일 제원의 PCB에 FR-4 소재의 방열구조에 적합한 LED Module과 MetalPCB, 그래핀, 탄소나노튜브를 접목시켜 비교 시뮬레이션을 진행한 결과는 FR-4의 Max. 온도가 3~4℃, Min. 온도는 4~5℃의 높게 측정되었다. 하지만, 알루미늄은 FR-4보다 열 분포가 훨씬 고르지 못하였고, 그래핀과 탄소나노튜브는 열전도도가 5,000~6,000W/m·K로 높아 전도는 잘 되지만, PCB 사이에 온도등선이 FR-4에 비해 고르지 않음을 확인 할 수 있었다.

결과적으로 방열의 적합성을 위해서는 LED Module의 PCB 재질이 아무리 우수하더라도 방열판이 구조적으로 잘 설계되지 않으면 큰 효과를 얻을 수 없다. 또한, 면발광의 평판형 방열판은 금속체를 사용하여 전도도를 높이며, 공기 접촉면을 늘리기 위해 Air-Hole을 설계하면 방열특성이 좀 더 우수하다.

향후 본 시뮬레이션 통한 LED Module의 Modeling 및 시뮬레이션 열 해석 방법은 산업체의 경비 절감의 효과 및 공정 오차 범위를 줄일 수 있다.

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