Thermal Characteristics of Designed Heat Sink for 13.5W COB LED Down Light

The high power COB(Chip on Board) LED, densely arranged chips on a board, are increasing to resolve heat problems in LED that has luminous semiconductor chips as main materials. In case of high-power COB LED, protection against heat is necessary due to the power consumption is high. Also if the temperature of device increases, the optical emission becomes less efficient and the life rapidly reduces due to thermal stress. This study packaged 13.5W COB LED and heat sink with difference form and produced 13.5W COB LED down-light heat sink by analyzing the thermal modes with Solidworks Flow Simulation. And finally it analyzed and evaluated the thermal modes using contacting and non-contacting thermometers. 키워드 Heat Sink Design, COB LED, Thermal Characteristics, Down Light, Temperature Measurement. 방열판 형상 설계, 온도 측정, 방열 특성, 다운라이트 * 원광대학교 정보통신공학과(kojman@wonkwang.ac.krl) ** 교신저자(corresponding author) : 원광대학교 반도체·디스플레이학부(gchoang@wonkwang.ac.kr) 접수일자 : 2014. 03. 10 심사(수정)일자 : 2014. 04. 21 게재확정일자 : 2014. 05. 15 I. 서 론 LED(Light emitting diode)는 차세대 조명 소자로 주목받고 있다. LED는 조명을 비롯해 의료, 농업등 여러 분야에 응용되고 있다. 국가적 절전을 위해 현재 공공기관을 중심으로 실내 백열등과 형광등, 주차장 조명등이 LED로 교체되고 있다[1-3]. 하지만 고출력 을 요구하는 사회적 욕구로 인해 반도체 소자의 단일 http://dx.doi.org/10.13067/JKIECS.2014.9.5.561 JKIECS, vol. 9, no. 5, 561-566, 2014 562 용량이 커지면서 발열에 의한 문제로 소자의 수명 저 하 및 광 출력에 직접적인 영향을 미친다[4-5]. LED 접합부의 온도 상승에 따른 열적 문제를 해결하기 위 해 SMD (Surface mount device)패키징 기술이 개발 되었다. 하지만 고출력 조명등의 사용으로 인해 다량 의 칩을 배열 하는 구조를 사용하여 글레어 현상과 쉐도우 현상의 문제점이 발생되어 발광되는 빛의 품 질이 저하되어 SMD패키지의 복잡한 공정의 해결과 열전달 경로의 최소화가 필요하게 되었다. 이러한 문 제를 해결하기 위해 COB 패키징 기술이 개발되었고, COB LED 모듈은 기판위에 직접 Chip을 실장하기 때문에 공정의 단순화가 가능하다. 현재 고출력 고집 적 LED모듈은 COB형태의 패키지가 주종을 이루고 있으며 열전달 면에서 경로를 최소화하는 발열구조로 연결되어 있어 열 특성을 20% 이상 개선이 가능하며 방열판을 통한 열 응집현상 해소가 가능하다[4]. 하지 만 SMD타입 패키지에 방열판을 적용한 연구는 진행 중이나, COB타입의 패키지에 적용된 방열판에 관한 연구는 미비한 실정이다. COB LED 광원용 패키지에 높은 열 전도성과 경량성을 가진 실장기판용으로 알 루미늄 기판이 적합하다[6-7]. 따라서 본 논문에서는 주거용 13.5W급 COB LED 패키지에 적합한 방열판을 설계하고자 COB LED 패 키지 이미지와 형상이 각기 다른 4가지 알루미늄 방 열판을 3D 형상 설계 프로그램인 Solidworks를 사용 하여 설계하고, 설계된 두 소자를, 13.5W급 COB LED 패키지 이미지와 방열판, 결합 하여 열 유동 시 뮬레이션인 Flow Simulation을 통해 온도를 측정하였 다. 그중 가장 특성이 좋은 방열판을 선정하여 실물 제작을 하고, 13.5W급 COB LED 실물과 결합하여 1 m의 공간 속에서, Omega社의 접촉식 온도계 (Thermo Couple)를 사용한 접촉식 열 특성과 Fluke 社의 열화상 카메라를 사용하여 비접촉식 열 특성을 분석하고 두 경우를 비교 평가하였다. II. COB LED 및 방열판 성능 분석 2.1. 13.5W COB LED의 3D 형상 설계 그림 1(a)은 실물 13.5W급 COB LED 패키지이다. COB 패키지는 동부 LED社의 36~38V, 360mA를 사 용하는 13.5W급 COB LED 패키지로써 다수의 LED 칩이 직 병렬로 배열되어 있는 구조이다. 이 COB는 가로 2mm, 세로 2mm, 높이 1.4mm에 다량의 칩이 집적화 되어있어 열을 해소 할 수 있는 2차 방열판이 필요하 다. 2차 방열판 제작에 앞서 열 유동 시뮬레이션을 통 해 대류 현상과 온도를 측정하기위해 그림 2-1 (b)와 같은, 제품과 동일 크기의, 3D형상을 설계하였다. (a) 13.5W COB LED 제품 (b) 3D 형상 그림 1. 13.5W COB LED 제품(a)과 3D 형상(b) Fig. 1 (a) 13.5W COB LED product and (b) 3D design 2.2. 방열판 형상 설계에 따른 해석 방열판 형상 설계에 앞서 Flow 시뮬레이션으로 대 류 열과 온도를 측정하고 실제 실험과 동일한 조건을 위해 표 1과 같이 설계사양을 설정하였다.