A Study of Optimal Thermal Design for a 10W LED lamp

Abstract Market for LED lights as a newly-growing industry has been growing, and secureness of high efficiency and long life through optimal thermal design are crucial for further popularization. In this study, considerable improvement in thermal performance for a 10W LED light has been done compared to a previous model. For this, numerical model has been established through experiments and used to optimize design factors in heat release such as fin shape, PCB kind or LED number etc. Furthermore, prototype of a LED light has been made and the improved thermal performance was verified with heat release experiments. Key Words : LED, Lamp, Thermal design, MCPCB, CFD * 교신저자 : 이영림(ylee@kongju.ac.kr)접수일 10년 05월 10일 수정일 10년 06월 15일 게재확정일 10년 07월 06일 1. 서론 고효율 조명기기인 LED 조명 제품은 전력소비가 적을 뿐만 아니라 긴 수명으로 인해 환경 및 에너지에 대한 범국가적 문제 해결에 중요한 요소로 작용한다 . 또한 진동 및 충격에 상당히 우수하며, 색상효율이 높을 뿐만 아니라 자외선 및 적외선 방출이 없다. 하지만 공급전력의 80∼85%가 열로 변환되며, 발생된 열은 직접적으로 칩(chip)에 악영향을 끼쳐 광출력 효율 저감, 색온도 변이 및 전구 수명을 단축시킨다[1]. 백열등 대체용으로 제작되는 3∼10W급 LED 조명 기기 개발시 열저항과 복사를 통해 상승한 고온의 칩을 적정범위내로 낮추는 것이 중요하다. 온도와 밀접한 관계를 가지고 있는 LED 조명 제품의 효율을 증가시키기 위하여 방열면적 증가나 팬, 히트 파이프(heat pipe) 및 액체 냉각 기술 등을 사용하여 온도를 감소시키고 있다. 하지만 방열면적 증가나, 강제 냉각 기술을 적용시킬 경우 제품 단가가 상승하는 원인이 된다. 특히 팬을 이용해 표면 열전달계수를 증가시키는 경우 칩의 온도가 획기적으로 감소하는 것과는 달리 짧은 팬 수명으로 인해 LED의 수명도 감소하는 요인으로 작용한다. 그러므로 LED 조명 기기의 특성에 맞는 적합한 온도감소 방식의 선택이 중요하다.Kim 등[2]은 다수의 저출력 칩을 이용하여 히트 파이프 유무에 따른 정션온도를 비교하였으며, Liu 등[3]은 마이크로 제트(micro jet)를 이용하여 강제 냉각 기술을 연구하였는데 개발된 마이크로 제트의 최적화를 통하여 LED 기판온도를 추가적으로 23℃감소시킬 수 있음을 보였다.Chen 등[4]은 LED 칩과 MCPCB(metal core printed