정확한 과도 열 측정을 통해 얻는 열 측정 및 모델은 SSL 설계((Solid State Lighting)의 신뢰도를 높이고 주택용 교체 램프, 가로등, 차량 헤드라이트 등 여러 분야에서 LED 기반 조명의 대중화에 기여하고 있다. 이 글에서는 성공적인 SSL 열설계를 위한 기술에 대해 소개한다.

■ 자료제공 : 한국멘토, http://www.mentor.com

1. 열 — 조명 효율의 새로운 적
백열조명이 필라멘트를 달구어 빛이 나게 하기 위해 뜨거운 흑체(Black body)로서 열에 의존하는 것과 달리 발광 다이오드(LED)는 반도체이므로 차갑게 유지되어야 한다. LED가 빛을 생성할 때 부산물로서 발생하는 열은 온도를 높인다. LED의 온도가 높아질 수록 광 출력이 줄어들고, 빛의 색이 바뀌고, LED의 수명이 줄어든다. 온도는 LED의 성능과 수명 모두에 악영향을 미친다. 그 결과, 열 관리는 SSL(Solid State Lighting) 설계에서 가장 중요한 문제가 되었다.
파워 LED가 있는 SSL 솔루션을 설계할 경우 열 시스템 설계의 중요성을 과소평가해서는 안 된다. 필립스 루미레즈 조명 회사(Philips Lumileds Lighting Company)의 기술 마케팅 매니저인 루디 헤크펠너(Rudi Hechfellner)가 말한 것처럼 ‘열을 먼저 생각’해야 한다.

2. 정확한 열 측정의 중요성
열 성능이 좋지 못한 부품을 구매하는 것은 전문 용어로 허위 절약(False Economy)에 해당한다. 결국에는 좀 더 효율적이고 비싼 냉각 솔루션이 필요하기 때문이다. 상업적으로 성공을 거두는 제품을 생산하기 위해서는 해당 애플리케이션에 가장 알맞은 부품을 선택하는 것이 중요하며, 그러한 선택을 내릴 때 중요하게 고려해야 할 요소 중 하나가 열 측정이다. 열 측정은 열 설계에서 가장 중요한 입력 정보이므로 정확해야 한다. 전자 부품의 열 성능은 일반적으로 열 저항(열이 패키지를 흘러서 빠져나가는 것이 얼마나 어려운지를 보여 주는 지표)의 형태로 보고된다. 열 저항은 정션의 온도 상승 값을 정션에 열을 가하는 소모전력 값으로 나누어 계산한다.

LED는 열, 광 및 전기적 작동이 서로 간에 영향을 미치므로 복잡하다. 예를 들어 열을 발생시키는 전력의 양은 온도에 따라 달라진다. 열 측정은 공급된 전력이 아니라 LED에서 실제로 소산되는 열을 기준으로 이루어져야 하므로, 온도 및 적용되는 전류에 따른 광 출력을 정확하게 측정해야 한다. 공급되는 전력을 사용하여 계산할 경우에는 열 저항 값이 지나치게 낮게 나타난다. 그리고 LED의 효율이 높을수록 오류의 차이도 더 커진다.

너무 낙관적으로 측정할 경우 부적절한 냉각 솔루션을 설계하게 되거나, 설계 후반에 필요한 것보다 훨씬 더 비싼 냉각 솔루션을 구축하게 되어 설계 프로세스의 비용과 시간이 늘어나게 된다. 어떤 경우이든 제품의 상업성은 위험에 빠지게 된다.

3. 긴 수명 — 일반 조명에 LED를 도입하게 되는 핵심 요인
조명 효율과 관련된 법령에서는 백열 전구를 단계적으로 폐기하도록 강요하고 있다. 현재 널리 사용되고 있는 또 하나의 저비용 경쟁 조명 기술은 소형 형광등(CFL)인데, 근래에는 수은 기체를 사용하고 있다는 이유로 인해 환경 친화성이 떨어지는 것으로 받아들여지고 있다. 필요한 수준의 밝기와 효율 면에서 경쟁력을 갖춘 고휘도(HB: High-Brightness) LED는 이제 대부분의 일반 조명 애플리케이션에서 대세로 받아들여지고 있다.

하지만 LED 기반 조명 솔루션의 수명 및 초기 비용에 대한 우려로 인해 도입이 느려질 수도 있다. 일부 초기 CFL은 밸러스트 및 점화 회로의 안정성 문제로 인해 예상보다 수명이 짧았다. 이러한 경험은 LED와 드라이버가 결합된 전자제품의 수명이 검증되기 전까지는 주택용 조명에서 LED를 도입하는 데 장애물이 될 수 있다.

현재, LED를 보급하는 데는 두 가지 어려움이 있다. 원래 백열 전구용으로 설계된 조명 기구에서 백열 전구를 LED로 교체하려면 기술적으로 손봐야 할 부분이 너무나 많다. 따라서 열 관리를 위해 특별히 손보지 않아도 되는 새로운 LED 전용 조명 기구가 필요하다. 하지만 이러한 LED 전용 설계에서 사용되는 베어 LED는 표준의 부재로 인해 서로 간에 호환되지 않는다.
LED 기반 레트로피트 제품이 40,000시간의 잠재적 유효 수명을 거의 채우려면 어떤 열 환경에서나 작동할 수 있는 훌륭한 열 설계가 필수적이다. 40,000시간은 예상한 속도대로 소비자들이 백열 전구를 LED로 교체하기 위해 충족되어야 하는 최소한의 기준이다.

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