알루미늄의 성분변화에 따른 열특성 분석과 25W LED Engine 열설계 최적화

Abstract

세계적으로 환경보호 추세에 따라 친환경 및 고효율 제품의 개발 및 생산이 활발하게 이루어지고 있다. 조명분야에서도 추세에 따라 형광램프와 다르게 유해물질이 전혀 사용되지 않고, 저효율적인 백열전구 보다 고효율적이며 친환경적이고 긴 수명을 가지는 LED (Light Emitting Diode)를 사용한 조명 개발이 활발히 진행 중이며, 시중에 판매되고 있다. LED의 광 출력이 높아지면서 LED 투광등, 가로등, 스포츠 조명, 경관조명등 높은 광 출력을 내는 제품들이 개발되고, 높아진 광 출력만큼 발열량도 높아져 LED 접합온도가 상승하게 된다. 접합온도의 상승은 광 출력 및 광 효율의 저하와 장기적으로는 LED 칩의 수명을 감소시키는 요인이 되어 LED 소자의 신뢰성을 저하시킨다. 발생한 열을 방출하는 방법으로는 대류, 복사, 전도의 3가지 방법이 있으나, 대부분의 조명제품은 전도를 이용하여 발생한 열을 방출하고 있다. 조명제품에서의 열전도 방법은 높은 열전도도를 갖는 재료를 이용하여 제작된 히트싱크 (Heatsink) 를 통해 열을 외부로 방출하는 것이다. 최근 방열부의 열전도도를 높이기 위해 현재 카본 소재 (Carbon Material)와 그래핀 (Graphene), 엔지니어링 플라스틱 (Engineering Plastics), 표면처리 등을 이용한 방열부품 개발의 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 아직까지 방열부품은 열전도도가 90∼130 W/m·K정도의 알루미늄 소재 (ADC12)를 사용하여 다이캐스팅 기술에 의해 주로 생산되고 있다. 본 논문에서는 알루미늄에 첨가되는 합금원소가 전기비저항, 응고에너지, 용탕점도 및 인장강도, 금형과의 소착성을 종합적으로 고려하여 개발된 알루미늄 합금을 이용하여 LED 조명에서 중요한 열저항 및 접합온도, 열전도도, 광속유지율을 측정하여 비교 분석하였다. 또한, 개발 합금을 이용하여 25 W급 LED Engine의 히트싱크 (Heatsink)를 설계하여 Base thickness 및 Fin 두께, Fin Count에 따른 CFD (Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션을 통해 설계 최적화를 진행하였다.