1. 서 론

잘 알려진 바와 같이 빛을 내는 다이오드 LED(Light Emitting Diode)는 1962년 미국의 일리노이 대학에서 개발된 이후, 지속적인 발전이 이루어져 왔다. LED 조명은 요즈음 가정용 조명으로도 많이 이용되고 있지만, 체육시설, 야외 캠핑장, 지하차도 등에도 점점 그 수요가 확대되어 가고 있는 실정이다. 기존 조명에 비해 장점이 더 많은 LED조명은 고출력 LED 조명에서는 그 특성과 신뢰성이 LED의 접합에서 발생하는 열 발생에 의해 크게 좌우된다.

LED 조명등에 열이 발생하면 수명 주기와 LED의 광속에 영향을 주게 되는데, 최대한도로 열이 분산되도록 하는 방열시스템이 필요하게 된다.

LED의 열 방출에 대한 냉각 방법의 예는 첫째, LED가 속한 메탈 베이스 기판에 알루미늄이나 동(copper) 등으로 된 방열판을 이용하는 방법, 둘째, 히트 파이프(heat pipe)나 증기 챔버 (vapor chamber)를 이용하는 방법 등이다.

Kim 등⁽¹⁾은 다량의 저출력 칩을 이용하여, 히트 파이프 유무에 따른 접합부분 온도를 비교하였고, Choi 등⁽²⁾은 LED 조명기구를 제작하기 위한 메탈 PCB에 LED를 배치하여 열 해석 시뮬레이션을 행하였다.

Luo 등⁽³⁾은 고출력 LED 가로등에 있어 수평으로 위치한 방열판의 최적설계를 하였고, Hwang 등⁽⁴⁾은 기존 램프의 방열 성능실험을 통한 수치 모델을 이용하여 방열핀 형상, PCB 종류 및 LED 개수 등과 같은 설계인자들을 최적화하였다. 그 후, Han 등⁽⁵⁾은 상용패키지 COMSOL을 이용하여 50W급 LED 조명기구의 열 해석을 행하였고, Park 등⁽⁶⁾은 고효율 LED 조명기구의 방열판에 히트 파이프를 일체형으로 내장시킨 복합 방열시스템을 열 해석하였다.

이러한 연구는 계속되어 Lee 등⁽⁷⁾은 직관형 LED 조명의 한 종류인 T5 LED 형광등을 설계하고, 방열판의 형상에 따른 방열성능 비교 및 적절한 형상 설계방향을 제시하였다. 한편, Jung 등⁽⁸⁾은 LED 조명용 히트싱크의 설계 자료를 확보하기 위하여, LED 소자에 있어, 열로 변환되는 발열량을 계측하여 LED의 발열 특성을 파악하였다.

최근 Roh 등⁽⁹⁾은 200W급 COB LED를 이용하여 LED 방폭등의 방열 성능을 평가하였고, Choi 등⁽¹⁰⁾은 자동차 LED 전조등 방열판 형상에 따른 융합 연구를 하였다.

위의 대부분의 연구들은 저출력 LED나 고출력 LED 조명에 있어서, 히트 파이프나 기존의 평평한(flat) 방열판을 사용한 열 해석 또는 실험 논문들이다. 본 논문에서는 600W급 중출력 LED 조명등에 대해, 기존의 평평형(flat-type) 방열판을 변경하여, 비틀어진(twisted) 구조의 방열판을 설계하였으며, 방열판의 두께 변화에 따른 열 해석을 세 종류의 상온에서 수치 해석적으로 연구하였다.

2. 본 론

3. 수치해석 결과 및 검토

본 논문에서는 3-D 모델링을 위해 상용 소프트웨어인 Solid- Works 2017을 사용하였으며, 수치 시뮬레이션을 위해서는 Solidworks-Flow Simulation을 이용하였다. 표 2는 LED등을 구성하는 각각의 부품에 대한 재질과 물성치를 나타낸다.

Fig. 5-Fig. 7은 각각 15도 상온에서 두께 1(mm)를 갖는 방열판의 x-y-z 좌표상에서의 플롯 개략도, x-y 평면상에서의 온도분포, x-y평면상에서의 열 유동 분포를 보여준다. 최고온도는 71.23도로 나타났다. 그림들에서 1.0t라 함은 방열판 두께가 1(mm)임을 나타낸다.

Fig. 8-Fig. 9는 방열판 두께가 1.0(mm)인 경우, 각각 상온 20℃와 25℃에서의 온도분포를 보여준다. 그림들을 통해 알 수 있듯이, 상온 20℃와 25℃에서의 최고 온도 값은 각각 76.13℃와 79.74℃로 나타났다. 다만, Fig. 8은 y-z단면에서 잘라 본 그림이다.

Fig. 10-Fig. 11은 각각 15도 상온에서 두께 1.2(mm)의 방열판을 갖는 LED등의 x-y 평면상에서의 온도분포, x-y평면상에서의 열 유동 분포를 보여주는데, 그림에 나타난 바와 같이 최고 온도는 69.64로 나타났다.

한편, Fig. 12와 Fig. 13은 방열판 두께가 1.2(mm)일 때, 각각 상온 20와 25에서의 온도 분포를 보여준다. 여기에서의 최고 온도 값은 각각 75.27와 78.42로 나타났다.

Fig. 14-Fig. 15는 각각 15도 상온에서 두께 1.5(mm)의 방열판을 갖는 LED등의 x-y 평면상에서의 온도분포, x-y평면상에서의 열 유동 분포를 보여주는데, 그림에 나타난 바와 같이 최고 온도는 68.39℃로 나타났다. 한편, Fig. 16과 Fig. 17은 방열판 두께가 1.5(mm)일 때, 각각 상온 20℃와 25℃에서의 온도 분포를 보여준다. 여기에서의 최고 온도 값은 각각 74.05℃와 77.23℃로 나타났다.

6. 결 론

LED 등의 방열판 두께변화와 상온(15℃, 20℃, 25℃)에서의 온도변화에 따른 온도 및 열 유동해석 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 본 논문에서의 LED 등의 방열판은 heat pump 등을 사용한 방열시스템이 아니라, LED 등의 유지보수를 용이하게 하고, LED 등의 단가를 낮추기 위해, 순수한 기계식 방열판을 사용하였으며, 비틀린 구조로 방열 면적을 증가시켜 열 흐름을 용이하게 설계하였다.

(2) 3종류의 방열판 두께 변화에 따른 온도 및 열 유동해석에서, 동일 상온에서 두께가 두꺼운 쪽이 방열 효과가 더 양호함을 나타내었지만, 두께 변화가 LED 등의 방열효과에 미치는 영향은 대단히 크지는 않음을 알 수 있었다. 또한, 3종류의 상온에서도 높은 상온의 경우가 방열효과는 더 적은 것으로 나타났다.