1. 개요:

제목: A novel automated heat-pipe cooling device for high-power LEDs
저자: Chengdi Xiao, Hailong Liao, Yan Wang, Junhui Li, Wenhui Zhu
발행 연도: 2016
발행 학술지/학회: Applied Thermal Engineering
Keywords: High-power LEDs, Heat pipe, Automatic cooling system, Numerical simulation

2. 연구 배경:

고출력 LED는 조명, 광고 디스플레이, 자동차 헤드라이트 및 교통 신호등 등 다양한 분야에서 인기를 얻고 있습니다. 기존의 형광등 및 백열등과 비교하여 수명이 길고, 신뢰성이 높으며, 에너지 소비량이 적고, 응답 시간이 짧고, 색상이 다양하며, 환경 친화적인 장점이 있습니다.

하지만 현재 기술 수준에서 고출력 LED의 에너지 효율은 15-25%에 불과하며, 나머지 80% 이상의 전력이 열로 소모되어 높은 접합부 온도를 초래합니다. 접합부 온도는 일반적으로 120℃ 이하로 유지되어야 성능과 수명을 보장할 수 있습니다.

특히 3000lm/램프 이상의 고출력 LED 조명의 경우 열 문제가 대량 생산 및 광범위한 응용에 있어서 중요한 과제가 됩니다. 기존 연구에서는 능동형, 수동형, 하이브리드 냉각 장치 등 다양한 냉각 시스템이 고출력 LED의 열 관리를 위해 개발되었지만, 자동 제어 기능이 부족하거나, 팬 고장 시 전체 조명 장치의 고장으로 이어지는 문제점이 존재합니다.

따라서, 신뢰성 높고 효율적인 자가 조절 또는 자동 제어 기능을 갖춘 열 파이프 방열판이 필요합니다.

Fig. 5. Schematic of cooling system assembled with different number of heat pipes:(a) is 2 heat pipes, (b) is 3 heat pipes, (c) is 4 heat pipes, and (d) is 6 heat pipes.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적: 고출력 LED의 효율적인 열 관리를 위한 새로운 자동화된 열 파이프 냉각 장치를 개발하고, 성능을 평가하는 것입니다.
핵심 연구 질문: 마이크로컨트롤러, 열 파이프 및 팬을 통합한 자동화된 냉각 장치가 고출력 LED의 기판 온도를 안정적으로 제어하고, LED 접합부 온도를 적절한 범위 내로 유지하며, 장기적인 성능과 수명을 개선할 수 있는가?
연구 가설: 마이크로컨트롤러, 열 파이프 및 팬을 통합한 자동화된 냉각 장치는 고출력 LED의 기판 온도를 자동으로 제어하고, 안전하게 보호하며, LED 접합부 온도를 적절한 범위로 유지할 수 있습니다.

4. 연구 방법론:

연구 설계: 실험 및 수치 해석을 통한 연구 설계
데이터 수집 방법: 마이크로컨트롤러, PWM 팬, 열 파이프 및 냉각 핀으로 구성된 자동화된 냉각 장치를 제작하고, 고출력 LED 모듈을 장착하여 실험을 수행하였습니다. K-타입 열전대를 사용하여 LED 기판 온도와 주변 온도를 측정하였습니다. ANSYS Icepak 14.5 소프트웨어를 사용하여 냉각 시스템의 수치 모델을 구축하고, 실험 결과와 비교하여 검증하였습니다.
분석 방법: 실험 데이터는 온도 제어 성능, 신뢰성 및 열 성능 평가에 사용되었습니다. 수치 모델은 정상 상태 열 성능 분석에 사용되었으며, 열 파이프, 냉각 핀 및 히트 플레이트의 영향을 분석하였습니다. PID 제어 알고리즘을 사용하여 제어 시스템을 설계하였습니다.
연구 대상 및 범위: 4개의 3W 고출력 LED 모듈을 사용하였으며, 열 파이프의 개수, 냉각 핀의 설계, 히트 싱크의 형태 등 다양한 변수에 대한 실험과 수치 해석을 수행했습니다.

5. 주요 연구 결과:

핵심 발견사항: 개발된 자동화된 냉각 장치는 고출력 LED의 기판 온도를 자동으로 제어하고, 12W에서 Rsa(히트싱크에서 주변으로)는 0.373 °C/W, Rja(LED 칩에서 주변으로)는 5.953 °C/W로 유지하며, 적절한 접합 온도를 유지하여 LED의 성능과 수명을 개선할 수 있음을 확인하였습니다. 총 전력 소모량은 1.58W 미만입니다. 열 파이프와 냉각 핀의 개수를 늘리는 것은 열 전달을 향상시키는 효과적인 방법임을 확인했습니다.
통계적/정성적 분석 결과: 실험 결과는 수치 모델의 예측 결과와 잘 일치하며, 모델의 타당성을 확인하였습니다. 다양한 열 파이프 개수, 냉각 핀 설계, 히트 싱크 형태에 따른 열 성능 변화를 분석하였습니다.
데이터 해석: 실험 및 수치 해석 결과는 자동화된 냉각 시스템의 성능을 평가하고, 설계 변수의 영향을 분석하는데 사용되었습니다.
Figure List and Description:
- Fig. 1: 자동화된 열 파이프 냉각 장치의 개략도
- Fig. 2: 제어 시스템의 개략도
- Fig. 3: 서로 다른 조건에서의 LED 기판 온도 변화
- Fig. 4: 열 파이프 냉각기의 유한 요소 메쉬 모델
- Fig. 5: 서로 다른 개수의 열 파이프를 사용한 냉각 시스템의 개략도
- Fig. 6: 서로 다른 개수의 열 파이프를 사용한 열 성능 분석
- Fig. 7: 서로 다른 개수의 열 파이프를 사용한 냉각 용량 비교
- Fig. 8: 서로 다른 형태의 히트 싱크의 3D 모델
- Fig. 9: 서로 다른 형태의 히트 싱크를 사용한 열 성능 분석
- Fig. 10: 서로 다른 냉각 핀 설계의 개략도
- Fig. 11: 서로 다른 핀 피치를 사용한 열 방산 성능 비교
- Fig. 12 & 13: 서로 다른 핀 피치를 사용한 속도 프로파일 및 입자 추적 비교

6. 결론 및 논의:

개발된 자동화된 열 파이프 냉각 장치는 고출력 LED의 열 관리에 효과적이며, 기판 온도를 자동으로 제어하고, 안전하게 보호하며, 접합 온도를 적절한 범위 내로 유지합니다. 열 파이프와 냉각 핀의 개수를 늘리는 것이 열 전달을 향상시키는 효과적인 방법임을 확인하였습니다. 본 연구의 수치 모델은 실험 결과와 잘 일치하여 모델의 타당성을 검증했습니다. 본 시스템은 신뢰성이 높고, 에너지 소비량이 적으며, 냉각 효율이 뛰어납니다. 하지만, 실험 환경의 제한 및 LED 종류의 한계 등은 향후 연구에서 고려되어야 합니다.

7. 향후 후속 연구:

다양한 고출력 LED 및 실제 환경 조건에서의 추가적인 실험 및 수치 해석을 통해 본 시스템의 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 또한, 제어 알고리즘 및 시스템 설계의 최적화를 위한 추가적인 연구가 필요합니다. 다양한 형태의 열 파이프와 냉각 핀을 이용한 설계 최적화 연구도 진행될 수 있습니다.

8. 참고문헌 요약:

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