LED 응용 시스템의 열전도플라스틱 방열체에 대한 연구

국문 초록 (Abstract)

LED가 여러 분야에서 기능을 다하기 위하여 효율이 우수해야 한다. 이를 위하여 출력과 소자의 신뢰성을 높이고, 동작전압을 낮추는 동시에 LED자체 또는 LED를 장착한 응용 시스템에서의 방열 특성이 우수해야 한다[3]. LED는 전류 및 온도변화에 따라 휘도, 발광파장 및 순방향 전압이 변화하고 LED에 따라 방출되는 광도와 지향특성이 다르기 때문에 다량의 LED가 사용되는 BLU 또는 조명 시스템에서는 일정한 면적 내에서 균일한 조도를 얻기가 어려우며 광원으로 사용되지 않는 에너지는 모두 열로 변하기 때문에 열 발생이 큰 문제점으로 대두되고 있다[4].
LED 효율은 에피층(epi-layer), 칩(chip), 패키지 시스템의 세 부분으로 나눌 수 있는데, 에피텍셜 층의 경우, 미세구조(nano structure), 패턴을 새긴 기판(patterned substrate), 동종 에피층(homo epi), MOCVD 특성 등을 통하여 효율을 증대하고[5][6], 칩은 GaN의 표면 요철(roughness), 투명전극, 광자결정(photonic crystal), 결이 있는 측벽(textured side wall), 패턴이 있는 사파이어 기판(patterned sapphire substrate), 다이 형상, 칩의 구조 등으로 효율을 증대한다[7~10].
최근 조명 시스템에 LED가 응용되고 있고, 이에 관한 기술의 지속적인 연구 개발에 힘입어 많은 발전을 이룩하고 있다. 여기서 중요한 요소는 LED의 광학적 성능을 향상하는 것인데, 광의 효율 및 광의 질을 향상하기 위한 방안 중의 하나는 방열 시스템에서 해결책을 찾는 것이다. 공급전력의 상당부분이 열로 변환되며, 발생된 열은 직접적으로 LED 칩에 악영향을 미쳐 LED의 광 효율의 감소, 색온도 변이, 수명 감소, 시스템의 신뢰성 저하 등의 문제가 발생한다[11]. 광 효율의 감소는 제품의 가격 상승의 원인으로 작용하여 가격경쟁력을 떨어뜨리는 요인이 되고 있다. 방열이 원활하지 않아 온도가 상승하면 LED의 특성이 떨어져 효율도 감소하게 된다. 감소된 만큼 LED가 추가로 소요되면서 제품가격도 상승하고 전체 용량이 증가되어 방열구조의 추가가 필요하게 된다. 이로 인한 가격 상승, 질량 및 부피가 커지면서 제품으로서의 가치가 하락하게 되는 것이다[12~13].
조명시스템에서 백열등의 대체용으로 만들어지는 LED 조명시스템에서 열저항과 복사를 통하여 상승한 시스템의 열을 적정범위내로 낮추는 것이 중요하다. 온도와 밀접한 관계를 갖고 있는 LED 조명시스템의 효율을 높이기 위하여 여러 재료의 사용, 방열면적의 증가, 팬(fan), 열 파이프(heat pipe), 액체 냉각 시스템 등의 기술을 사용하여 온도를 감소시키고 있다. 여기서 방열 면적의 증가와 냉각기술을 사용하는 경우, 원가 상승요인으로 가격경쟁력이 떨어지는 원인이 되고 있다. 팬을 이용하여 표면 열전달계수를 증가시키면 온도를 획기적으로 저감할 수 있으나, 짧은 팬 수명으로 인하여 LED의 수명도 감소하게 된다. 따라서 LED 조명시스템의 특성에 맞는 적절한 온도 저감 방식의 선택이 중요하다[14].
온도 저감 기술로는 다수의 저출력 칩을 이용하여 열 파이프 유무에 따라 접합온도를 비교하여 온도를 감소하는 기술, 마이크로 제트(micro jet)를 이용한 강제 냉각기술, LED 칩과 MCPCB(metal core printed circuit board)가 결합할 때 접촉저항이 방열 특성에 미치는 영향을 비교하거나, 동도금 EP(engineering plastic) 방열판을 이용한 방열 온도 저감 기술 등으로 성능을 향상시키고 있다[15~17].

본 논문에서는LED응용 제품의 방열 기술에 대한 조사와 더불어 다양한 열전도성 플라스틱으로 제작한 방열체에 동일한 열원_LED모듈을 사용하여 그 방열재질의 방열특성을 시험 하였다. 상용 열전도성 플라스틱과 국내에서 개발되고 있는 재료, 국내 특허가 있는 일반플라스틱에 금속을 도금한 형태를 알루미늄 재질과 함께 실험하고 열전도 플라스틱은 PPS, PC, PE 등의 서로 다른 베이스재질을 적용 실험하여 가장 효율이 좋은 방열재질을 확인하고 재질별 가공성, 전기전도도, 외관색상 등을 고려해 LED방열시스템에 적용하여 그 재질의 장단점을 확인 하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• Ⅱ. 연구배경 6
• 2-1. 연구의 중요성 6
• 2-1-1 LED 산업의 중요성 6
• 2-1-2 LED 조명산업의 중요성 18
• 2-2. 연구의 필요성 22
• 2-2-1 기술개발의 필요성 22
• 2-2-2. 기술 현황 23
• 2-3. 파급효과 및 활용 31
• 2-3-1. 기술적 측면 31
• 2-3-2. 활용 방안 32
• III. 관련 연구 33
• 3-1. LED 조명시스템의 구조 33
• 3-1-1. 조명(방열) 시스템의 구성 33
• 3-1-2. LED 조명(방열) 시스템의 제작과정 35
• 3-1-3. LED 조명(방열) 시스템의 동작원리 38
• IV. LED방열 시스템의 설계 및 제작 39
• 4-1. LED 방열 시스템의 구조 및 제작 39
• 4-1-1. 기본 구조 39
• 4-1-2. 방열 시스템의 제작 40
• V. 실험 및 평가 41
• 5-1. LED 방열 시스템의 성능분석 41
• 5-1-1. 상용 열전도성 플라스틱 소재의 온도 특성 특성 41
• 5-1-2. 플라스틱에 금속도금 방식 소재의 온도 특성 42
• 5-1-3. 플라스틱에 금속도금 방식 방열체의 온도 특성 44
• 5-1-4. 열전도성 플라스틱 국내 개발 소재의 온도 특성 46
• 5-1-5. 5W LED모듈을 이용한 열전도성 플라스틱 온도 특성 47
• VI. 결 론 50
• 참고문헌 52
• ABSTRACT 55