Thermal study on novel spokes fin for high power LED

1. 개요:

• 제목: Thermal study on novel spokes fin for high power LED
• 저자: Tanmay Nandanwar, Jash Jani, A Rammohan
• 발행 연도: 2023
• 발행 학술지/학회: Engineering Research Express
• Keywords: LED lights, junction temperature, radiation, spokes fin, heatsink

2. 연구 배경:

고출력 LED(HPLED)는 산업, 주거 및 소비자 응용 분야에서 널리 사용되고 있습니다. HPLED의 수명을 단축시키는 주요 요인 중 하나는 열화로 인한 성능 저하와 고장입니다. 따라서 HPLED의 효율적인 열 관리가 LED의 성능과 수명을 유지하는 데 매우 중요합니다. 기존 연구들은 다양한 능동 및 수동 냉각 시스템을 제안했지만, 자연 대류를 이용한 핀을 사용하는 방법은 부품이 움직이지 않고, 가볍고 유지보수가 필요 없다는 장점이 있습니다. 기존 연구들은 다양한 핀 디자인 (직사각형, 원형 등) 의 열 성능을 조사했지만, 새로운 핀 디자인을 통해 열 방산 성능을 개선할 여지가 있습니다. 본 연구는 이러한 기존 연구들의 한계를 극복하고 자연 냉각 조건에서 HPLED의 열 관리 성능을 향상시키기 위한 새로운 핀 디자인을 제안하고 평가합니다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

• 연구 목적: 자연 냉각 조건에서 상용 히트싱크 기반으로 새로운 스포크 핀 모델을 도입하여 고출력 LED의 온도를 조사하고, 직사각형 및 원형 핀 모델과 비교 분석합니다.
• 핵심 연구 질문:
  • 새로운 스포크 핀이 고출력 LED의 열 방산 성능을 어떻게 향상시키는가?
  • 스포크 핀의 열 방산 성능은 직사각형 및 원형 핀과 어떻게 비교되는가?
  • 핀 길이 및 HPLED 배열 구성의 변화가 열 방산 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• 연구 가설: 새로운 스포크 핀은 직사각형 및 원형 핀보다 고출력 LED의 열 방산 성능을 향상시킬 것입니다.

4. 연구 방법론:

• 연구 설계: 상용 FEA(유한 요소 해석) 도구를 사용하여 열 전달 효과를 조사하는 수치 해석 연구입니다.
• 데이터 수집 방법: 상용 FEA 소프트웨어(ANSYS 19.2)를 사용하여 수치 시뮬레이션을 수행합니다.
• 분석 방법: 정상상태 열 시뮬레이션을 수행하여 온도 분포 및 열 방산 성능을 분석합니다. 메쉬 독립성 검증도 실시합니다. 방사 효과도 고려합니다.
• 연구 대상 및 범위: 크기 17.85 × 17.85 × 3 mm의 상용 히트싱크 베이스에 단일 및 6개의 HPLED 어레이를 통합하고, 60 mm, 70 mm, 80 mm의 서로 다른 핀 길이와 130 °C, 110 °C, 90 °C, 70 °C, 50 °C의 접합 온도를 고려하여 원형, 직사각형, 스포크 핀 세 가지 유형의 핀에 대한 열 방산 성능을 비교 분석합니다.

5. 주요 연구 결과:

• 새로운 스포크 핀은 핀 상단에서 약 4.72%(6 °C), 하단에서 약 5.87%(13 °C)의 열 방산 성능 향상을 보였습니다.
• 단일 및 6개의 HPLED 어레이 구성 모두에서 새로운 스포크 핀은 직사각형 핀보다 열 방산 성능이 우수했습니다.
• 단일 HPLED 작동 시 직사각형 핀은 원형 핀보다 상단 핀에서 약 2.85%, 하단 핀에서 약 3.66%의 열 방산 성능이 우수했으며, 6개의 HPLED 어레이 구성에서는 동일한 열 방산 효과를 보였습니다.
• 시뮬레이션 과정에서 메쉬 독립성 검증을 실시했고, 방사 효과도 고려했습니다.
• Figure List and Description:
  • Figure 1: 원형 핀의 치수와 구조를 보여줍니다.
  • Figure 2: 직사각형 핀의 치수와 구조를 보여줍니다.
  • Figure 3: 새로운 스포크 핀의 치수와 구조를 보여줍니다.
  • Figure 4: 단일 LED 배치와 열 분포를 보여줍니다.
  • Figure 5: 6개의 LED 어레이 구성과 온도 분포를 보여줍니다.
  • Figure 6: 메쉬 독립성 검증의 그래프를 보여줍니다. 요소 수의 증가에 따라 온도가 감소하는 것을 보여줍니다.
  • Figure 7: 단일 LED 원형 및 직사각형 핀에 대한 온도를 보여줍니다. 상단 및 하단 핀의 온도 분포를 다양한 접합 온도에서 비교합니다.
  • Figure 8: 6개 LED 원형 및 직사각형 핀에 대한 온도를 보여줍니다. 상단 핀의 온도 분포를 다양한 접합 온도에서 비교합니다.
  • Figure 9: 6개 LED 원형 및 직사각형 핀에 대한 온도를 보여줍니다. 하단 핀의 온도 분포를 다양한 접합 온도에서 비교합니다.
  • Figure 10: 단일 LED 스포크 핀 및 직사각형 핀에 대한 온도를 보여줍니다. 상단 핀의 온도 분포를 다양한 접합 온도에서 비교합니다.
  • Figure 11: 6개 LED 스포크 핀 및 직사각형 핀에 대한 온도를 보여줍니다. 상단 핀의 온도 분포를 다양한 접합 온도에서 비교합니다.
  • Figure 12: 원형, 직사각형 및 새로운 스포크 핀에 대한 온도 차이를 보여줍니다. 상단과 하단 핀의 온도 차이를 다양한 구성에서 비교합니다.
  • Figure 13: 방사 효과를 고려한 상단 핀의 온도를 보여줍니다. 방사 효과 유무에 따른 온도 변화를 비교합니다.
  • Figure 14: 단일 LED 상단 핀에 대한 누셀트 수를 보여줍니다. 다양한 접합 온도와 핀 길이에 따른 누셀트 수의 변화를 보여줍니다.
  • Figure 15: 단일 및 6개 LED 하단 핀에 대한 누셀트 수를 보여줍니다. 다양한 접합 온도와 핀 길이에 따른 누셀트 수의 변화를 보여줍니다.
  • Figure 16: 6개 LED 상단 핀에 대한 누셀트 수를 보여줍니다. 다양한 접합 온도와 핀 길이에 따른 누셀트 수의 변화를 보여줍니다.
  • Figure 17: 공통 히트싱크에서 HPLED 어레이 열 저항 모델을 보여줍니다.
  • Table 1: 경계 조건을 보여줍니다.
  • Table 2: 부피 분율을 보여줍니다.
  • Table 3: 메쉬 독립성을 보여줍니다.

6. 결론 및 논의:

본 연구는 자연 대류 조건 하에서 새로운 스포크 핀이 고출력 LED의 열 방산 성능을 향상시키는 데 효과적임을 보여줍니다. 스포크 핀은 단일 및 다중 HPLED 어레이 구성에서 직사각형 핀보다 우수한 성능을 나타냈습니다. 핀 길이 증가는 열 방산 성능 향상에 기여하지만, 특정 길이를 넘어서면 효과가 감소하는 것을 확인했습니다. 본 연구 결과는 고출력 LED의 효율적인 열 관리를 위한 새로운 핀 디자인 및 설계에 대한 시사점을 제공합니다. 연구의 학술적 의의는 고출력 LED의 열 관리 성능 향상을 위한 새로운 디자인을 제시하고, 그 효과를 정량적으로 평가했다는 점입니다. 실무적 시사점은 본 연구 결과를 바탕으로 더욱 효율적인 고출력 LED 냉각 시스템을 설계하고 제작할 수 있습니다.

7. 연구의 한계:

본 연구는 수치 시뮬레이션에 기반한 연구이므로, 실제 환경에서의 결과와 차이가 있을 수 있습니다. 또한, 단일 및 6개의 LED 어레이 구성만을 고려하였으므로, 다른 LED 배열 구성에 대한 추가적인 연구가 필요합니다.

8. 향후 후속 연구:

• 실제 실험을 통해 수치 시뮬레이션 결과를 검증하는 연구가 필요합니다.
• 다양한 LED 배열 구성에 대한 추가적인 연구가 필요합니다.
• 스포크 핀의 디자인을 최적화하기 위한 추가적인 연구가 필요합니다.
• 다른 냉각 방법과의 비교 연구가 필요합니다.
• 머신러닝 알고리즘을 활용한 추가 분석 연구가 필요합니다.

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저작권 및 참고 자료:

본 자료는 Tanmay Nandanwar, Jash Jani, A Rammohan 저자의 논문 "Thermal study on novel spokes fin for high power LED"를 기반으로 작성되었습니다.

https://orcid.org/0000-0002-7359-6648
본 자료는 위 논문을 바탕으로 요약 작성되었으며, 상업적 목적으로 무단 사용이 금지됩니다.

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