1. 개요:

제목: Effect of Heat Sink Structure on Cooling Performance of LED Bulb
저자: T. Kobayashi, S. Ishikawa, R. Hashimoto, H. Kanematsu, Y. Utsumi
발행 연도: 2014
발행 학술지/학회: The 3rd International Conference on Design Engineering and Science, ICDES 2014
Keywords: light emitting diode bulb, heat sink, heat transfer, finite element method, temperature distribution

2. 연구 배경:

최근 LED는 높은 효율과 긴 수명으로 인해 다양한 분야에 적용되고 있다. 하지만 LED는 점열원이기 때문에, 주변의 폴리머 몰딩 재료, 주변 장치 및 LED 소자 자체의 국부적인 온도 상승으로 인해 LED의 잠재적 효율을 얻을 수 없다. 온도 상승은 발광 효율 감소 (10°C 상승 시 5-8%), 수명 단축 (10°C 상승 시 수명 절반 감소), 재료 열화, 절연 파손 등의 문제를 야기한다. 기존 연구에서는 단순화된 기하학적 모델을 사용하여 대류 열전달만 고려했고, 이론적 분석의 검증도 수행되지 않았다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적: LED 전구의 방열판 구조를 최적화하여 LED 소자의 온도를 낮추고 성능을 향상시키기 위한 설계 지침을 제시하는 것이다.
핵심 연구 질문: LED 전구의 방열판 구조에 영향을 미치는 다양한 매개변수 (방열판 형태, 재질, 크기 등)가 LED 소자의 온도에 어떤 영향을 미치는가? 최적의 방열판 구조는 무엇인가?
연구 가설: 방열판의 구조 (열 대류 및 복사 고려)를 체계적으로 변경하여 유한 요소 해석을 수행하면, 최적의 방열판 구조 설계 지침을 얻을 수 있다.

4. 연구 방법론:

연구 설계: 유한 요소 해석(FEM)을 이용한 3차원 비정상 상태 열 전달 분석. 열 대류와 열 복사를 고려. L18 직교 배열표를 이용한 Design of Experiments (DOE) 기법 적용.
데이터 수집 방법: FEM 분석 결과를 통해 온도 분포 데이터 수집. 실제 프로토타입 제작 및 온도 분포 측정을 통해 FEM 분석 결과 검증. 열전대 및 열화상 카메라 사용.
분석 방법: 회귀 분석을 이용하여 각 매개변수의 영향을 정량화.
연구 대상 및 범위: 6W LED 전구 (LED 소자 개수 3개 또는 6개), 다양한 방열판 구조 (외부 실린더 유무, 방열핀 개수, 높이, 두께, 재질 등).

5. 주요 연구 결과:

핵심 발견사항: 열 대류 및 복사를 모두 고려한 FEM 분석 결과, 최적의 방열판 구조는 외부 실린더 없이 구리 재질의 방열핀 24개를 사용하고 높이 15mm, LED 칩 6개를 사용하는 디자인임. 이 구조에서 최대 온도는 38°C이다. 반면 최악의 구조에서는 최대 온도가 242°C에 달했다. 실험 결과는 FEM 분석 결과와 잘 일치하였다. 회귀 분석을 통해 각 매개변수의 영향을 정량적으로 분석.
통계적/정성적 분석 결과: 다양한 매개변수 (외부 실린더 유무, 방열핀 개수, 높이, 두께, 재질, 내부 온도, LED 칩 개수)에 대한 영향 분석 수행. 회귀 방정식 도출 (Tmax=147.2-6.34Qa-1.29Qb-1.81Qc+0.1Qd-1.42Qe-16.14Qf+0.80Qg-4.14Qh). 영향 인자 분석을 통해 최대 온도에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 방열판 재질, 방열핀 개수, LED 칩 개수, 방열핀 높이 순임.
데이터 해석: 실험 결과는 FEM 분석 결과와 잘 일치하였으나, 실험값이 약 2°C 정도 높게 측정됨.
Figure List:
- Fig. 1: 기본 모델
- Fig. 2: 계산 모델 예시
- Fig. 3: 회귀 분석 및 FEM 분석 결과 비교
- Fig. 4: 각 매개변수의 영향 인자 (열전달 및 복사 고려)
- Fig. 5: 최적 모델
- Fig. 6: 최악 모델
- Fig. 7: 실용적인 모델
- Fig. 8: 각 매개변수의 영향 인자 (복사 고려 없음)
- Fig. 9: 실험용 프로토타입 모델
- Table 1: 분석 조건
- Table 2: L18 직교 배열표
- Table 3: 재료 특성
- Table 4: 각 모델의 매개변수 및 계산 결과
- Table 5: 측정 및 계산 온도 비교

Fig. 9 A model proto-typed for experiment

6. 결론 및 논의:

FEM 분석 결과와 실험 결과는 잘 일치하여, 본 연구의 분석 방법이 타당함을 확인하였다. 최적의 방열판 구조는 열 전달 성능을 크게 향상시킬 수 있지만, 제조 단가, 유지 보수 용이성 등을 고려하여 실용적인 모델을 선택하는 것이 중요하다.

7. 향후 후속 연구:

다양한 LED 칩의 크기 및 전력에 대한 추가적인 분석. 다양한 환경 조건 (대류 열전달 계수 등)에서의 성능 평가. 실제 제품 설계에 적용 가능한 설계 지침을 제공하기 위한 추가적인 연구.

8. 참고문헌 요약:

[1] Nozawa T. (2008). Nikkei Electronics.
[2] Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, U.S. Department of Energy. (2011).
[3] Qin, Y. Y., & Ron Hui, S. Y. (2010).
[4] Chou, H., & Yang, T. (2007).
[5] Osawa, S., Izumi, M., & Sakamoto, S. (2010).
[6] Kobayashi, T., Sakate, Y., Hashimoto, R., Takashina, T., Kanematsu, H., Mizuta, K., & Utsumi, Y. (2012).
[7] Cybernet systems co., ltd. (2010). ANSYS.

저작권

본 자료는 T. Kobayashi 등의 논문: Effect of Heat Sink Structure on Cooling Performance of LED Bulb을 기반으로 작성되었습니다.