난류로 인한 대류를 위한 수동 테슬라 밸브를 이용한 LED 냉각 시스템의 열 향상

요약

이 연구는 적외선 열화상을 이용해 고출력 칩온보드(COB) LED의 열 거동을 평가하는 실험 프로토콜을 제시합니다. 가변 전력 및 공기 흐름 하에서 소형 강제 대류 냉각 장치를 시험하여 스마트 조명 및 임베디드 전자기기와 같은 소형 응용에서 효율적인 열 방출과 안전한 접합 온도를 입증했습니다.

초록

본 연구는 적외선 열화상을 사용하여 고출력 칩온보드(COB) 발광 다이오드(LED)의 열 거동을 평가하는 실험적 방법론을 제시하며, 새로운 컴팩트 강제 대류 냉각 장치와 통합되었습니다. 다양한 전력 입력과 유량 하에서 열 성능을 평가하여, 시스템이 LED 접합부 온도를 임계 임계값 이하로 유지하는 능력을 입증했습니다. 열화상 영상은 자연 및 강제 대류 상태 모두에서 LED 표면의 공간적으로 해상도 있는 온도 분석을 가능하게 했습니다. 제안된 냉각 장치는 공간을 최소화하면서 열 방출 효율을 극대화하는 방사형 흡입구/출구 구성을 특징으로 하여 컴팩트한 통합을 위해 특별히 설계되었습니다. 생성된 시뮬레이션 결과는 실험 데이터와 대조하여 제안된 냉각 접근법의 신뢰성을 보장했습니다. 이 연구는 고체 상태 조명 응용에서 열 관리 특성화를 위한 실현 가능하고 복제 가능한 방법을 입증하며, LED 조명기구, 스마트 조명 시스템, 임베디드 전자 모듈과 같은 밀폐 환경에서 통합할 수 있는 확장 가능한 솔루션을 제공합니다.

서론

고출력 조명 솔루션에 대한 수요가 증가함에 따라 칩온보드(COB) 발광 다이오드(LED)는 현대 조명 기술의 최전선에 자리 잡았습니다. COB LED는 여러 개의 LED 칩이 열전도성 기판에 직접 장착되어 뛰어난 발광 효율과 소형성을 제공합니다. 하지만 높은 출력 밀도와 컴팩트한 형태는 상당한 열 관리 문제를 야기합니다. 효율적인 열 방출은^{이러한 장치들의} 성능, 신뢰성, 그리고 수명을 유지하는 데 매우 중요합니다.

COB LED에서는 전기 에너지의 상당 부분이 빛이 아닌 열로 변환되므로, 성능 저하를 방지하고 장치 수명을 보장하기 위한 효과적인 열 관리 전략이 필요합니다^. 히트싱크나 열 인터페이스 재료와 같은 전통적인 수동 냉각 방식은 고출력 COB LED가 발생시키는 강한 열 방출에 종종 부족^합니다. 따라서 조명 시스템의 소형성과 효율성을 저해하지 않으면서도 열 부하를 효율적으로 관리할 수 있는 혁신적인 냉각 솔루션이 시급히 필요합니다.

LED 조명 조명 품질은 색 연도 지수(CRI)⁴, 광도 플럭스, 온도 색상, 수명 등 다양한 매개변수로 구성됩니다. 언급된 매개변수들은 열에 민감하며; 일부 연구에서는 광 플럭스가 섭씨⁵도당 0.108 lm 감소한다고 보고했습니다. Abdelmlek 등^은 LED의 온도 접합부와 관련된 온도에 따라 COB LED의 수명을 추정하는 상관관계를 보여줍니다. 최근 마이크로일렉트릭트의 발전으로 인해 소자 작동 주파수가 지속적으로 증가하고 전자 부품의 점진적인 소형화가 이루어지고 있습니다. 이러한 추세는 기존의 열 관리 전략에 도전하는 현저히 높은 전력 밀도와 열 플럭스를 초래합니다 ^7,8. 이러한 열 부하가 적절히 관리되지 않으면 장치의 신뢰성과 성능을 심각하게 저하시킬 수 있습니다.

COB LED의 열 방출을 개선하기 위해, 일부 연구자들은 자유 대류 9,10,11,12,13,14를 통해 LED에서 주변 환경으로의 열 전달을 개선할 수 있도록 특정 기하학과 구성을 가진 히트싱크를 설계했습니다. 이러한 종류의 히트싱크는 작동 중 에너지 소비를 줄이는 효과적인 옵션이지만, 열량은 표면 면적에 의해 제한되며, 열량이 증가하면 크기가 커지고, 높은 열 플럭스가 있을 경우 더 큰 장치가 됩니다. 고출력 칩온보드(COB) LED는 여러 다이를 컴팩트 기판에 결합하여 높은 발광 효율을 제공하지만, 동시에 장치 신뢰성을 위협하는 상당한 열 플럭스 밀도를 발생시킵니다. 따라서 접합부 온도를 임계 한계 이하로 유지하기 위해서는 효과적인 열 관리가 필수적입니다. 전통적으로는 지느러미 열 싱크나 자연 대류와 같은 수동 접근법이 사용되어 왔으며; 그러나 부력 구동 흐름 하에서 달성할 수 있는 상대적으로 낮은 표면적과 대류 계수 한계로 인해 성능이 제한됩니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 강제 공기 히트 싱크, 히트 파이프, 분사 냉각, 액체 냉각 마이크로채널 등 능동 솔루션이 널리 연구되어 더 낮은 열 저항과 더 균일한 온도 분포를 제공합니다. 이 발전을 바탕으로, 저희 연구는 대안 전략을 탐구합니다: 테슬라 밸브 강화 마이크로채널을 컴팩트 콜드 플레이트로 통합하는 것입니다. 이 설계는 테슬라 형상의 수동 다이오디스성과 유동 혼합 특성을 활용하여 국소 대류를 강화하면서도 움직이는 부품이나 복잡한 매니폴드의 필요성을 줄여, 기존 마이크로채널과 더 복잡한 능동 냉각 시스템 간의 간극을 메웁니다.

이러한 응용 분야에서 높은 열 플럭스를 관리하기 위해 액체 냉각 시스템은 수동 냉각 시스템보다 열 전달 계수를 높이고 더 많은 축소 공간에서 열 전달을 개선할 수 있어 좋은 선택입니다. ^{15, 16, 17, 18}의 다양한 채널 구성을 가진 냉각판과 같은 액체 냉각 유체의 사용이 보고된 연구도 있습니다.

유망한 접근법 중 하나는 냉각 매체와 접촉하는 표면적을 증가시켜 열 전달을 촉진하는 마이크로채널 히트 싱크의 통합입니다. 다양한 마이크로채널 설계 중에서, 테슬라 밸브는 수동 및 무작동 부품 장치로, 유체 흐름을 방향성 있게 제어하여 열 전달을 최적화하고 역류를 최소화하는 능력으로 주목받고 있습니다. 테슬라 밸브의 독특한 형상은 단방향 흐름을 가능하게 하며, 이는 효율적인 냉각수 순환을 촉진하고 전반적인 열 방출을 향상시켜 열 관리 응용 분야에서 유리할 수 있습니다. 열 전달 계수를 높이기 위해 연구진은 유체의 경로선을 교란시키는 기하학적 구조를 포함시켰습니다. 테슬라 밸브는 유체가 한 방향으로 흐를 수 있도록 하는 채널들의 기하학적 배열입니다; 이 밸브는 다이오딕 밸브(단방향 밸브)로 작동합니다. 반대 방향으로 흐름이 도입되면 시스템 내부의 압력과 난류가 현저히 증가합니다. 일부 작품에서는 열전달 계수 증가에 따른 난류를 증가시키기 위해 테슬라 밸브를 사용하기도 합니다. 일부 연구자들은 냉각 시스템으로 사용할 테슬라 밸브의 유체 흐름 패턴을 결정하기 위해 파라메트릭 모델을 사용하기도 했습니다^19,20. 냉각 시스템에 도입된 테슬라 밸브의 가장 일반적인 적용은^{냉각판 21, 22, 23}을 통해서입니다. 예를 들어, 연구에 따르면 테슬라 밸브 구조를 마이크로채널 열 싱크에 통합하면 난류 흐름을 촉진하고 대류 열 전달 계수²⁴를 증가시켜 열 성능을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 결과는 테슬라 밸브 기반 마이크로채널 히트싱크가 고출력 COB LED와 관련된 열 문제를 관리하는 데 실질적인 해결책이 될 수 있음을 시사합니다.

여러 연구에서 고출력 COB LED의 액체 기반 냉각 기술을 통한 열 관리에 대해 다루어왔습니다. 예를 들어, 제트 임핑지먼트 및 분사 냉각 방식에서는 약 104-105 W·^m-2· ^K-1, 접합부 온도를 임계 120°C 이하로 효과적으로 유지하며 비교적 낮은 펌핑 출력^25,26. 마찬가지로, COB 배열 아래에 제작된 마이크로채널 콜드플레이트는 물이 중간 속도로 순환할 때 0.019 °C/W까지 낮은 열 저항을 달성했으며, 이는 채널 소형화가 냉각 효율을 높이는 데 큰 잠재력을 보여줍니다^27,28. 기타 전략으로는 페로플루이드 강화 히트 싱크²⁹와 COB 패키지³⁰을 중심으로 설계된 컴팩트 히트파이프 모듈이 있으며, 이들 모두 기존 고체 금속 싱크에 비해 열 확산과 열저항 감소를 보여줍니다.

이러한 접근법과 비교하면, 제안된 테슬라 밸브 기반 냉각판은 움직이는 부품이나 복잡한 매니폴드 없이도 혼합과 난류 생성을 향상시키는 새로운 수동 메커니즘을 도입합니다. 테슬라 밸브는 다이오디시티와 유량^{제어 능력으로} 전자 및 에너지 시스템에서 연구되어 왔지만, COB LED 냉각에 대한 적용은 문헌에서 광범위하게 보고되지 않았습니다. 따라서 이 연구는 LED 열 관리 요구사항에 맞게 테슬라 밸브 흐름망을 조정함으로써 독창적인 기여를 제공합니다. 우리의 결과는 강제 대류 하에서 테슬라 밸브 판이 기존 액체 냉각 전략에 비해 경쟁력 있는 표면 온도 감소를 달성하며, 단순화된 형상과 막힘 또는 기계적 고장에 대한 견고함이라는 장점을 더합니다.

본 연구에서는 30W COB LED의 열 관리를 위한 테슬라 밸브 구조를 통합한 CNC 가공 알루미늄 마이크로채널 히트싱크의 효능을 조사합니다. 이 설계는 테슬라 밸브의 방향성 유량 제어를 활용하여 냉각수 순환과 열 방출을 향상시키는 것을 목표로 합니다. 실험 평가를 통해 제안된 냉각 시스템의 열 성능을 평가하며, 온도 분포, 열저항, 전체 냉각 효율 등의 매개변수를 분석합니다. 이 연구 결과는 고출력 LED 응용을 위한 첨단 수동 냉각 솔루션 개발에 기여할 수 있으며, 소형 전자 장치의 열 관리 전략 최적화에 기여할 수 있습니다. 이 프로젝트의 도전 과제는 기존 히트 싱크 위에 테슬라 밸브를 적용하는 것이었습니다. 이 방식은 전력 소모가 크게 이루어져 고출력 장치를 소형 냉각 시스템 내에서 사용할 수 있게 합니다.

그림 1 은 본 연구에서 따르는 방법론의 도식을 보여줍니다. 이 과정은 CAD 소프트웨어를 이용해 LED 냉각 장치의 기하학적 생성부터 시작합니다. 기하학은 CFD 해석기(OpenFOAM/ANSYS Fluent)로 가져와, 메쉬 생성과 경계 조건을 적용하여 열-유체 시뮬레이션을 수행합니다. 동시에 열전대와 온도 측정을 위한 적외선 카메라를 포함한 실험 장비도 구현됩니다. 마지막으로, 시뮬레이션 결과를 실험 데이터와 비교하여 제안된 냉각 접근법의 신뢰성을 보장합니다.

그림 1: 실험 워크플로우 개략 : (1) 기하학 생성, (2) CFD 시뮬레이션, (3) 프로토타입 제조, (4) 열 측정, (5) 검증. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

프로토콜

냉각 장치의 기하학적
이 프로젝트의 목적은 테슬라 밸브 구현으로 허용 가능한 온도 내에서 50W COB LED를 유지하는 것입니다. 열원으로 사용되는 COB는 그림 2A에 표시되어 있으며, 그림 2B 는 50개의 다이 칩이 켜져 각 다이가 1W의 전력을 가진함을 나타냅니다.

그림 2: LED COB와 다이 칩 수. (A) 실험에 사용된 LED COB (B) 사용된 다이 칩 수 시연. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

문헌에서는 일부 테슬라 밸브가 열원이 장착된 장치가 있다고 보고되었으며, 이 논문에서는 LED가 냉각 유체와 직접 접촉한 채 테슬라 밸브 채널 위에 배치되어 LED에서 유체로 가는 열 전달을 개선하여 열 저항을 최소화하는 장치로 간주됩니다. 그림 3A 는 장치의 기하학을 보여줍니다. 투명 처리된 상단에는 LED가 배치된 위치가 표시되어 있습니다. 반면, 그림 3B 는 냉각 장치의 제안된 조립체를 보여줍니다.

그림 3: 냉각 장치의 기하학적 및 제안된 조립. (A) 테슬라 밸브 채널을 보여주는 냉각 장치. (B) 냉각 장치 조립 제안. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

LED를 유체와 직접 접촉시키기 위해 유체 입구와 출구는 위 표면 위에 설계되었으며, 이는 그림 4A에 나타난 것입니다. 유체는 펌프에서 테슬라 채널로 유입 단자를 통해 전달됩니다. 그 후 유체는 흡입구 챔버를 채우고, 그림 4B에 표시된 유입 채널이 있는 채널로 유체를 전달합니다. 위 그림 4B의 표면 뷰는 상단 덮개를 포함한 연결 없이 장치의 유체 챔버를 보여줍니다.

그림 4: 장치 뒤쪽 등각 투영 모습. (A) 위 표면 냉각 장치의 등각 투영 모습. (B) 장치의 유체 챔버. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

재료 및 액세서리
실험에 사용된 재료와 부속품은 표 1에 나와 있습니다. 알루미늄 평평한 막대가 CNC 기계로 테슬라 채널을 연마하는 데 사용되었습니다. 알루미늄은 열전도율과 비용 간의 균형 때문에 선택되었습니다. 더불어, 알루미늄 가공은 강철이나 더 단단한 재료와 같은 다른 부품보다 쉽고 빠릅니다. 그림 4A 에 보이는 상부 커버도 알루미늄으로 설계되었습니다. 입구와 출구 단자는 황동으로 제작되었으며, 상단 덮개에 나사 구멍을 통해 연결됩니다. COB 금속 코어는 열 전달을 개선하기 위해 알루미늄 합금으로 제작되었습니다.

항목	재료	열전도율 w/m2κ
플랫 바	알루미늄	160
메탈코어	알루미늄	160
상부 덮개	알루미늄	160
공압식 피팅	놋쇠	110

표 1: 프로토타입에 사용된 액세서리 및 재료.

높은 비열과 광범위한 이용 가능성 때문에 작업 유체로 물이 사용되었습니다; 더불 생성 위험이 낮고 무효 독성도 있기 때문입니다. 채널을 통한 흐름은 전압에 따라 유량을 결정하는 펌프에 의해 구동되었습니다.

경계 조건
펌프의 유량을 특성화하여 시스템 유입구 경계 조건을 결정했습니다. 입구 경계 조건은 유량과 입구의 횡단면을 이용해 계산된 입구 속도로 정의됩니다. 펌프의 유량 거동은 그림 5에 나와 있습니다.

그림 5: 펌프의 유량과 유입 속도. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭하세요.

그림 5 는 인가된 전압과 두 가지 주요 유압 매개변수인 평균 체적 유량 과 평균 유체 속도 간의 관계를 보여줍니다. 각 데이터 포인트는 전압 수준별 다섯 가지 독립적인 측정값에서 계산된 평균값을 나타내어 통계적으로 견고한 해석을 보장합니다.

부피 유량의 추세
전압이 증가함에 따라 평균 유량이 뚜렷하게 증가하는 추세가 관찰됩니다. 가장 낮은 전압 수준(4 V)에서는 평균 유량이 약 1.63 × ^10-5 m³/s이고, 12 V에서는 ^10-5 m³/s× 거의 3.49에 달해 110% 증가한 것을 의미합니다. 이 동작은 유량을 구동하는 전기기계식 액추에이터에 대한 전압의 영향 때문일 수 있습니다.

전압이 상승할수록 액추에이터 속도가 증가하여 단위 시간당 변위되는 부피가 증가합니다.

평균 속도의 거동
유체 속도도 유사한 증가 추세를 따르며, 이는 유량과 속도 간의 근본적인 관계와 일치합니다:

Q = A • v (1)

여기서 A는 전관의 단면적이고 v는 평균 속도입니다. 면적이 일정하기 때문에 Q의 변화는 v의 비례 변화로 직접적으로 변환된다. 이 실험에서 평균 속도는 약 6.5 ×^10-3 m·^s-1(4 V)에서 1.41 ×10-2 m·^s-1(12 V)로 증가했습니다

곡선 간 비교
유량과 속도 곡선 모두 전압과 거의 선형적인 관계를 보입니다. 작은 비선형성이 존재할 수 있으며, 이는 전원 공급 장치의 과도 불안정성, 센서 응답 시간의 미세한 변동, 고유량 구간에서의 내부 마찰 또는 헤드 손실 등의 요인에 기인할 수 있습니다. 이러한 효과들은 현재 연구 범위 내에서는 유의미하지 않지만, 향후 연구에서 비선형 회귀나 동적 시스템 모델링을 통해 더 깊이 탐구할 수 있습니다.

실질적 함의
공학적 관점에서 이 그래프는 접근 가능한 제어 매개변수(전압)와 임계 유량 변수 간의 유용한 상관관계를 제공합니다. 이는 특히 마이크로플루이딕스, 정밀 도징, 강제 대류 냉각 시스템, 또는 테슬라 밸브와 같은 수동 소자 기반의 유동 구조 응용에 적합합니다. 유량의 단조적이고 예측 가능한 동작은 정밀한 시스템 보정을 가능하게 하여 실험 또는 자동화 환경에서 작동 안정성과 반복성을 보장합니다.

테슬라 밸브의 유체역학 수학적 모델
냉각 장치의 내부 유체 역학은 물리적인 관점에서 명확히 이해되지 않습니다. 따라서 유동 거동을 분석하고, 열 전달 계수를 향상시키는 난류를 시각화하며, 테슬라 밸브 채널에서 최적화할 수 있는 정체 유체 구역을 식별하기 위해 계산유체역학(CFD) 시뮬레이션이 수행되었습니다.

테슬라 밸브 내 유체 흐름 거동을 시뮬레이션하기 위해 표준 K-엡실론 난류 모델과 함께 레이놀즈 평균화된 나비에-스톡스 방정식을 사용합니다. 이 접근법은 테슬라 밸브에서 일반적으로 관찰되는 재순환 및 이방성 소용돌이가 있는 내부 흐름 통로 내 난류 효과를 포착하는 데 있어 계산 비용과 정확성 사이의 균형을 제공합니다.

지배 방정식
사용되는 유체는 물로, 비압축성으로 간주되고 뉴턴 유체이며, 흐름은 정상 상태로 가정됩니다. 지배 방정식은 다음과 같습니다:

  (2)

여기서  는 시간 평균된 속도 벡터입니다.

     (3)

어디:

ρ [kg/m³]는 유체 밀도입니다,
p [Pa]는 압력입니다,
μ [Pa • s]는 동적 점도입니다,
μ_t [Pa • s]는 난류 와류 점성으로, 다음과 같이 정의됩니다:

     (4)

난류 운동 에너지 k와 그 소산 속도 ε은 다음과 같은 수송 방정식에 의해 지배됩니다:

난류 운동 에너지 (k):

     (5)

난류 소산률 (ε):

   (6)

여기:

k [m²/s²]는 난류 운동 에너지입니다,
ε [m²/s³]는 난류 소산률입니다.
P_k [kg/(m • s³)] 는 난류 운동 에너지의 생성으로, 다음과 같이 정의됩니다:

   (7)

σ_k 와 σ_ε 는 각각 k와 ε의 난류 프란틀 수이다.

C_μ, C_1ε , C_2ε 는 경험적 상수입니다.

표준 k-ε 모델에서 사용되는 상수는 다음과 같습니다:
C_μ = 0.09, (전단층 및 자유 흐름 난류에 대해 보정됨)
σ_k = 1.00, (k의 현실적인 확산 보장)
σ_ε = 1.30, (ε의 확산 제어)
C_1ε = 1.44, (생산과 ε 파괴의 균형)
C_2ε = 1.92. (적절한 에너지 소산 속도를 보장합니다)

이 값들은 난류 경계층 흐름에서의 실험적 검증을 통해 도출되었으며, 신뢰성 높은 정확도로 공학 응용 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 32,33,34,35.

테슬라 밸브는 경계층 분리, 재순환 구역, 방향성 저항이 특징인 내부 유동 조건을 제공합니다. 이러한 현상들은 본질적으로 난류이며, 직접 수치 시뮬레이션(DNS)이나 대형 소류 시뮬레이션(LES) 접근법은 실제 설계에 계산 부담이 큽니다.

k-ε 모델은 내부 고레이놀즈 수 흐름에서 평균 흐름장과 난류량을 신뢰할 수 있게 예측할 수 있기 때문에 이 연구에 적합합니다. 이 방법은 테슬라 밸브의 회전 채널과 정체 구역에 의해 유발되는 이방성 난류 효과를 효과적으로 포착하여 복잡한 흐름 거동을 정확하게 표현합니다. 더불어, 이 모델은 견고하며, 제트 임핑지먼트, 유동 분리, 복잡한 벽 경계 유동과 관련된 공학 응용 분야에서 널리 검증되었습니다.

이 작업에서는 경계 조건에 완전히 발달된 난류 입구 속도 프로파일, 미끄럼 방지 벽, 압력 출구가 포함됩니다. 시뮬레이션 도메인은 다단계 테슬라 밸브 기하학에 해당하며, 경계층 정교화를 거치고 하이브리드 구조화-비구조화 그리드를 사용해 적절한 벽 함수를 사용해 근벽 효과를 해결합니다.

경계 조건과 논의
테슬라 밸브 형상학 내에서 현실적인 흐름 시뮬레이션을 보장하기 위해, 속도, 압력, 난류 운동 에너지(k), 난류 소산률(ε) 등 모든 관련 변수에 대해 적절한 경계 조건이 정의되었습니다. 다음과 같은 조건들이 부과되었다:

흡입구(속도 흡입구):

입구에서는 완전히 발달한 압축 불가능한 난류 흐름을 가정하여 균일한 속도 프로파일이 규정되었습니다. 난류 양 k 와 ε 는 난류 강도 I 와 수압 직경 D_h를 기반으로 해당 경험적 관계를 사용하여 초기화되었다.

(8)

이 접근법은 경험적 난류 생성 모델과의 일관성을 보장하고 표준 k-ε 공식화와의 호환성을 유지합니다.

출구(압력 출구):
완전한 유출을 허용하기 위해 출구에는 고정된 정압(일반적으로 0 Pa 게이지)이 설정되었습니다. 인위적인 역류 효과를 방지하고 도메인 경계에서의 수치 안정성을 보장하기 위해 모든 수송 변수(속도, k, ε)에 제로 그래디언트(노이만) 조건이 적용되었습니다.

벽 (미끄럼 방지 상태):
모든 고체 경계에서의 속도는 0으로 설정되어 슬립 없음 조건을 적용했습니다. 난류 모델링에는 표준 벽 함수가 근접 벽 거동을 표현하는 데 사용되었습니다. 난류 운동 에너지(k)는 벽에서 0으로 설정되었고, 소산율(ε)은 벽의 법칙에서 유도된 표준 벽 함수 근사를 사용해 계산되었다. 이 함수들은 점성 하위층을 해소할 필요를 없애어, 유량이 로그 영역(y⁺ > 30) 내에 머무른다는 가정 하에 계산 비용을 줄여줍니다.

이 경계 구성은 테슬라 밸브 내 주요 흐름 특징, 즉 흐름 분리, 재순환 구역, 곡선 통로를 따라 난류 강화 등을 효과적으로 포착합니다.

열화상 이미지 획득 및 측정 고려사항
냉각 시스템과 COB형 LED 모듈의 열 성능을 평가하기 위해, 8-14 μm 스펙트럼 범위에서 작동하는 비냉각 적외선 카메라를 사용해 열화상 측정이 수행되었습니다. 열기록 검사는 정상 상태 작동 조건에서 표면 온도 분포를 특성화하는 것을 목표로 했습니다. 적외선 열화상에서 흔히 발생하는 불확실성을 최소화하는 데 특별한 주의를 기울였다.

가장 중요한 부분 중 하나는 정확한 온도 회수를 위해 표면 방출도 값을 조정하는 것이었습니다. 냉각 시스템은 CNC 가공된 알루미늄 판으로 구성되었으며, 광택이 난 처리가 되어 있으며, 낮은 및 각도에 따라 방출율이 적외선 측정에 큰 도전 과제가 됩니다. 이를 해결하기 위해 알루미늄 표면은 접촉 열전대와 적외선 기준 물질을 사용해 보정된 고방사율 무광 검은색 페인트(ε ≈ 0.95)로 코팅되었습니다. 이 처리는 균일한 방사율을 보장하고 측정 정확도를 저해할 수 있는 반사를 제거했습니다.

LED COB 모듈의 캡슐화 재료는 일반적으로 높은 방사율(ε ≈ 0.92)인 인광체 코팅 실리콘으로 사용되어 추가 코팅이 필요하지 않았습니다. 하지만 카메라 설치 시 LED가 열 평형에 도달할 때까지 영상을 촬영하기 위해 열 구배를 피하는 데 주의가 기울여졌습니다. LED 전원 공급 후 최소 60분간의 대기 기간이 주어져 정상 상태 상태가 확립되었습니다.

실험 중 주변 조건이 통제되었다. 측정은 주변 온도가 안정된 폐쇄 실험실에서 수행되었으며, 대기 온도는 25± 1°C, 공기 흐름은 거의 없었다.

반사된 겉보기 온도는 구겨진 알루미늄 호일 방법으로 추정한 후 적외선(IR) 카메라에서 수동으로 설정되었습니다. 측정 시 상대 습도는 고려되지 않았습니다. 카메라는 진동 없는 삼각대에 관심 표면과 수직으로 장착되어 일관된 시야 기하학을 보장했습니다. 카메라와 목표물 간 거리는 일정하게 유지되었으며(약 0.5m), 시차 오차를 유발하지 않고 공간 해상도를 극대화하기 위해 시야각이 조정되었습니다. 각 세션 전에 흑체 기준 소스를 사용하여 카메라의 방사선 응답을 검증하는 보정이 수행되었습니다. 그림 6 은 열기록 획득 과정에서 사용된 실험 장치를 보여줍니다. 표 2는 정확하고 반복 가능한 온도 측정을 보장하기 위해 구현된 주요 매개변수와 절차를 요약합니다.

그림 6: 시스템 계측 및 시료 코팅. (A) 열전대 측정을 위한 시스템 계측. (B) 열기록 측정을 위해 검은 페인트로 코팅된 표본. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

매개 변수	가치/설명
적외선 카메라	장파 IR (8–14 μm), 냉각되지 않음
방사율 (알루미늄 표면)	ε = 0.95 (무광 검은색) 도색
방사율 (COB LED 표면)	ε = 0.92 (원래)
주변 온도	25±1 °C
시청 거리	~ 0.5 m
시야각	수직(정규 입수)
열 평형 시간	LED 전원 공급 후 60분 후
반사된 겉보기 온도	구겨진 호일 방법을 사용한 추정
표면 처리	알루미늄 플레이트에 무광 검은색 페인트를 적용하는 방식
교정	각 측정 전 흑체 소스도

표 2: 오차 최소화를 위해 사용되는 열화상 매개변수 및 절차.

열촬영 측정에 사용되는 매개변수는 표 2에 나열되어 있습니다.

적외선 열화상 절차 및 불확실성 분석
적외선(IR) 열화상법을 사용하여 테슬라 밸브 마이크로채널 냉각판으로 냉각된 30W COB LED 조립체의 표면 온도장을 비침습적으로 지도화했습니다. 카메라는 장파 대역(LWIR)에서 작동했으며, 관심 표면에 수직인 견고한 삼각대에 장착되어 시점 효과를 최소화했습니다. 모든 획득은 시스템이 안정된 상태에 도달한 후에 수행되었다. 고정된 영상 거리를 선택하여 순간 시야각(IFOV) 스팟 크기가 최소 관심 영역(ROI)보다 최소 3× 작게 설정되어, 테슬라 밸브 특징으로 인한 가파른 온도 구배에서 충분한 공간 샘플링을 보장했습니다.

일반적인 열화상 인공물을 최소화하기 위해 실험 절차 전반에 걸쳐 여러 가지 예방 조치가 시행되었습니다. 광학 장치는 정밀히 세척되었고, 렌즈는 최대 기울기 기준을 사용해 관심 영역(ROI)에 수동으로 초점을 맞추었으며, 각 획득 전에 비균일성 보정(NUC)이 수행되었습니다. 방사율을 제어하기 위해, 알루미늄과 구리와 같이 장파 적외선(LWIR) 범위에서 본질적으로 저방사율이고 반사성이 있는 모든 노출 금속 표면은 무광 검은색 고방사율 페인트(명목 ε ≈ 0.95)로 코팅되거나 보정된 방사율 테이프로 덮였습니다. 열상 ROI는 이러한 처리 영역에만 전적으로 정의되었습니다. 겉보기 반사 온도(T₍ref₎)는 크럼블 알루미늄 호일 방법으로 측정되어 카메라의 방사성 모델에 통합되었습니다; 광택이 있거나 경사진 표면은 외부 방사선으로부터 차단되어 거짓 핫스팟을 방지했습니다. 측정은 통풍 최소화된 인클로저 안에서 수행되었으며, 작업자는 스크린 뒤에 위치하고, 전원 공급 장치나 램프 같은 외부 열원은 시야 밖에 두어 기생 반사를 줄였습니다. 광축은 방향성 방출률 효과와 시차 오류를 제한하기 위해 정상 입사에 가깝게 유지되었습니다. 동일한 카메라 거리와 ROI 정의가 모든 테스트 전반에 걸쳐 유지되어 반복성을 보장했습니다.

방사성 온도 회수에 대해 표면 방사능은 다음과 같이 할당되었으며, 정량적 보고에는 처리된(도색 또는 테이프) 영역만 사용되었습니다: 검은색 칠한 알루미늄 히트 싱크/테슬라 밸브, ε = 0.95 ± 0.02; MCPCB 위 납땜 마스크(흰색), ε ≈ 0.90 ± 0.03; 실리콘 캡슐린트는 0.94 ± 0.03 ε ≈ 그러나 LWIR 범위에서 반투명 효과를 피하기 위해 정량적 ROI에는 캡슐린 영역을 사용하지 않았습니다.

카메라는 특정 ROI의 방출률(일반적으로 ε = 0.95)과 측정된 T_참조 및 주변 공기 온도 T_∞로 구성되었습니다. 각 서모그램은 무작위 잡음을 줄이기 위해 N≥ 10프레임을 평균화한 것으로 구성되었습니다. 각 ROI(예: COB 기판의 접합 면적과 냉판의 대표점)에 대해 평균 온도 와 표준편차 s_T 가 기록되었습니다. 결과된 열화상 지도는 이후 열저항 및 열 전달 분석을 위한 온도 상승 계산에 사용되었습니다.

보고된 LED 표면 온도를 T_IR이라고 가정합니다. 결합된 표준 불확실성 u_c(TIR)는 불확실성 전파 법칙을 사용하여 상관관계 없는 입력을 가정하여 추정했습니다:

= (9)

여기서 다음과 같습니다: (i) U_ACC는 카메라의 방사성 정확도(제조사 사양, k=1로 변환), (ii) u_T,ε는 방사율에 대한 감도를 포착하고, (iii) u_초점 은 디포커스/IFOV 불일치를 나타내며, (iv) u_NUC 는 검출기 비균일성 잔차를 포함하고, (v) U_ref는 반사된 겉보기 온도의 불확실성을 모델링하며, (vi) u_rep은 반복성(프레임 간 및 런투런)입니다.

방사율 민감도에 대해, (T,ε) 중심의 스테판-볼츠만 반전을 선형화하면 널리 사용되는 근사법이 나옵니다:

(10)

켈빈 대형의 T. 확장된 불확실성은 ~ 95% 신뢰로 U(T_IR) ≈ 2uc(T_IR)로 보고되었습니다.

다음 대표 값들은 65 °C(T ≈ 338 K) 근처의 검은색 도장 영역에서 측정한 값에 해당합니다. 카메라의 정확도 사양은 ±2 °C, 즉 k = 2로 간주되어 ±2%입니다. 방사율은 ε = 0.95 ± 0.02로 설정되었으며, 초점이 잘 맞춰진 광학 장치와 제어된 반사가 적용되었다. 개별 불확실성 기여는 다음과 같습니다: 카메라 정확도(k = 1)는 u_acc = 1.0 K를 나타냅니다; 방정식 (10)에서 추정한 방사율 기여는 u₍T,ε₎≈ (338 × 0.02)/(4 × 0.95) ≈ 1.78 K이다; 초점 또는 IFOV 효과는 u_focus = 0.3 K를 제공합니다; 비균일성 보정 잔차 u_NUC = 0.2 K; 반사된 겉보기 온도 u_ref = 0.4 K; 프레임이나 런 간 반복성은 u_rep = 0.2 K입니다.

따라서

= 

불확실성 결과는 표 3에 나와 있습니다.

근원	상징	성숙한 아담. (k=1)	노트
카메라 방사선 측정 정확도	u_acc	1.0 K	스펙 ±2K는 k=2로 처리됩니다.
방사율 (도색 시 ε = 0.95 ± 0.02)	u_{T,ε}	1.78 K	식(10), T = 338 K
초점/IFOV 불일치	u_focus	0.3 K	현물 규모≈ ROI
검출기 비균일성	u_NUC	0.2 K	NUC 이후 잔여
반사된 겉보기 온도	u_ref	0.4 K	T_ref 포일 방식
반복성	u_rep	0.2 K	프레임/런 평균화
결합 (k=1)	u_c(T_IR)	2.15 K	이식(9)
확장(k=2)	U(T_IR)	4.30 K	≈ 2u_c

표 3: 검은색 도장 ROI에 대한 IR 온도 불확실성 예산 (예시).

테슬라 밸브 마이크로채널 플레이트로 냉각된 COB LED 조립체의 전체 열 거동은 열 저항 개념을 통해 정량화할 수 있습니다. 전기 회로의 옴 법칙과 유사하게, 열 저항 R_θ 는 LED의 온도 상승과 입력 전력이 열로 소모되는 것과 연관되어 있습니다:

(11)

여기서 T_LED 는 LED 패키지의 표면 온도, T_∞ 는 주변 공기 온도, P는 LED에 공급되는 전력(거의 전부가 열로 변환된다고 가정할 때)입니다. R_θ 값이 낮으면 효율적인 열 제거를 의미하며, 이는 고출력 LED의 장기 신뢰성 유지와 발광 효율 유지에 매우 중요합니다.

LED 접합부에서 생성된 열은 전도-대류 경로를 따릅니다. 초기에는 열이 LED 기판, 납땜 인터페이스, 그리고 테슬라 밸브 재질을 통해 전도하여 흐릅니다. 열이 마이크로 채널로 전달되면, 내부로 흐르는 냉각재로 대류로 배출됩니다. 각 인터페이스는 전체 R_θ에 기여합니다:

(12)

대류 저항 R_{θ는 대류이며,} 일반적으로 컴팩트하고 고플럭스 LED 시스템에서 지배적입니다. 저항 도표는 그림 7에 나와 있습니다.

그림 7: 테슬라 밸브 마이크로채널과 연결된 COB LED의 열저항 네트워크. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭하세요.

열은 LED 접합부에서 전도 경로를 거쳐 대류를 통해 냉각수로 흘러가며, 각 단계는 열 저항(R_js, R_cond, R_conv)으로 표현됩니다.

테슬라 밸브 마이크로채널은 수동 난류 촉진기 역할을 하여 움직이는 부품 없이도 국소 대류 열전달 계수 h를 증가시킵니다. 직선 마이크로채널과 달리, 테슬라 설계는 혼합을 강화하는 곡률 및 재순환 구역을 도입하여 대류 냉각을 강화합니다. 유효 대류 저항은 다음과 같이 표현할 수 있습니다:

(13)

여기서 A는 유효 열 전달 면적이다. 테슬라 밸브 효과를 통해 얻는 높은 h 값은 R_θ를 직접 낮추어 LED 작동 온도를 낮춥니다. 하지만 이러한 개선은 추가적인 압력 강하를 대가로 하며, 이는 펌핑 전력 요구량과 균형을 맞춰야 합니다.

시험된 30W COB LED의 일반적인 측정 결과, 표면 온도 상승은 주변 온도보다 ΔT ≈ 40 K로 상승했으며, 유효 소산 전력은 P≈ 29.9W였습니다. 식(11)에 대입하면 전체 열 저항은 다음과 같았습니다:

이 값은 유사한 크기의 기존 수동 싱크보다 현저히 낮아 테슬라 밸브 마이크로채널 플레이트의 유익한 효과를 강조합니다. 더불어, 적외선 열화상을 통해 얻은 공간 온도 분포는 테슬라 채널과 직접 연결된 영역들이 더 균일한 온도장을 보여 대류 성능이 향상되었음을 입증했습니다.

의미
열저항이 줄어들면 LED 접합 온도가 낮아져, 루멘 감하와 색 변화를 직접적으로 완화할 수 있는데, 이 두 가지 모두 온도에 따라 다릅니다.

따라서 테슬라 밸브 마이크로채널 접근법은 제조 가능성과 열-유압 성능을 결합하여 소형 LED 냉각 시스템에 실용적인 수동 기능을 제공합니다. 그럼에도 불구하고, 테슬라 기하학이 도입한 증가된 유압 저항은 펌프 선택과 시스템 수준의 에너지 효율 분석에서 반드시 고려해야 합니다.

결과

프로토타입 제조

프로토타입은 CNC 밀링을 사용해 테슬라 채널과 챔버를 모두 제작했습니다. 가공된 테슬라 채널은 그림 8A에 표시되어 있으며, 제작된 챔버는 그림 8A에 나타났습니다. 이후 시추 공정이 실시되어 챔버의 입구 및 출구 포트를 형성했습니다.

그림 8: 제조된 테슬라 밸브. (A) 위쪽 모습. (B) 하단 모습.

토론

기존의 열 싱크 9,10,11,12,13,14와 달리, 이 시스템은 강제 대류 메커니즘을 컴팩트한 구성 내에 통합하여 열 방출을 크게 향상시킵니다. 중요한 점은, 흡입구와 배출구를 방사형 배치로 통합함으로써 시스템이 최소한의 공간을 차지할 수 있어 밀폐된 설치에 이상적이라는 점입니다.

이와 같은 열에 최적화된 소형 장치가 LED 조명 시스템에 적용된 것은 이번이 처음입니다. 이 적용은 소형 조명기구에 첨단 냉각 전략을 도입할 수 있는 길을 열어 열 보호와 설계 유연성을 ...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
프리캐드 소프트웨어	FreeCAD 커뮤니티	https://forum.freecad.org/	기하학과 조립체를 만드는 데 사용되는 오픈소스 소프트웨어(RRID:SCR_066611).
일반 CNC 밀링 3018 프로 맥스	제네릭 (Sainsmart/Mostreprap)	3018 프로 맥스	테슬라 밸브 제조에 사용된 데스크탑 CNC 밀링 머신.
적외선 카메라	유닛-T	UTi260B / UTi720 시리즈	적외선 카메라는 장치 내 온도 분포를 포착하는 데 사용됩니다.
옥타브 소프트웨어	GNU 프로젝트	https://octave.org/	데이터 처리 및 그래프 생성에 사용되는 오픈 소스 소프트웨어(RRID:SCR_014398).
오픈폼	OpenCFD Ltd (ESI 그룹)	수치 모델 해석에 사용되는 오픈소스 CFD 소프트웨어(RRID:SCR_014876).
파라뷰 소프트웨어	키트웨어 주식회사	https://www.paraview.org/	수치 해의 후처리를 위해 사용되는 오픈 소스 소프트웨어(RRID:SCR_002516).
테르모커플	유닛-T	UT325/UT320 시리즈	열전대는 열적 거동을 포착하는 데 사용됩니다.