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2010.09.09 11:33

(집중분석) LED조명 ‘방열’ 어디까지 왔나

  • 신한중기자 | 204호 | 2010-09-09 | 조회수 8,808 Copy Link 인기
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열전도 소재 및 방열장치 통해 발열 억제
 
그래핀·탄소나노튜브 등 신소재 접목 가능성 대두
 
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LED조명산업에서 늘 꼬리표처럼 따라다니는 것은 바로 발열 문제다. 발광소자인 동시에 발열소자인 LED는 유입되는 전류 중 30%에 못 미치는 에너지만을 빛에너지로 생성시키고 나머지는 모두 열에너지로 전환된다.
이때 발생되는 열이 신속히 처리되지 않으면 LED칩은 물론 주변 회로에 영향을 미쳐 제품의 신뢰성을 떨어뜨리는 주요인이 된다. 장기간에 걸쳐 누적된 열 쇼크로 인해 제품의 문제가 발생되는 것이다.
 
관련업계에 따르면 실제로 LED조명의 고장 발생에 있어 50%이상이 발열에 의한 문제이고, 나머지는 습도, 진동, 충격, 먼지 등에 의해 나타난다.
따라서 발열은 LED조명에 있어 최우선적인 해결과제라고 할 수 있다. LED칩의 광효율이 비약적으로 향상될 경우 열에너지로 변환되는 전류량, 즉 발열 자체를 줄일 수 있지만 현재의 기술로는 아직 요원한 일. 따라서 LED조명 업체들은 발열문제의 해결을 위해 총력을 기울이고 있다.
이에 본지에서는 LED조명 방열 기술의 트렌드와 전망에 대해 진단해 봤다.
 
 
▲방열기능과 상품성의 공존이 관건
현재 LED조명 제품의 트렌드는 고출력화·소형화·경량화·저가화 이상 4가지 특징으로 정의할 수 있다. 즉 출력은 더욱 강해지고, 크기는 작고 가벼워지면서 가격대는 낮아지고 있는 것이다. 이는 LED조명이 연구제품의 단계에서 상품화 단계로 진입함에 따라 나타나고 있는 특징으로 볼 수 있다.
 
이같은 트렌드에 따라 LED조명에서 발생하는 열의 밀도는 더욱 증가할 수밖에 없다. LED출력이 높아지면서 방열은 더욱 증가하고 있는 반면, 열전도 및 방출 공간은 작아지고 있는 까닭이다. 
2008년까지 LED조명에서 가장 중요한 부분은 성능이었다. 오직 최적의 성능을 구현하는데 포커스가 맞춰졌기 때문에 방열구조에서도 열전도성이
높은, 크고 무거운 소재를 사용했다.
 
그러나 최근에는 원가절감과 디자인 향상을 통해 상업적 가치를 높이는 것도 중요 요소로 부각되고 있기 때문에 기존의 방식과는 차별화된 형태의 방열기능이 요구되고 있는 추세다. 
 
한편, 방열기구 제작업계 일각에서는 아직도 LED조명은 개발 방향성이 정확히 정립되지 않고 있는 것을 문제점으로 지적하고 있다. 제품 개발에 있어 성능, 가격, 디자인 중 우선순위가 무엇인지가 명확하지 않은 만큼, 방열 시스템의 개발에 있어서도 집중도가 떨어진다는 것이다.
한 방열기구 제작업체 관계자는 “컴퓨터 등 다른 전자제품의 경우, 제품의 개발 방향성이 확실한 만큼 방열시스템도 안정궤도에 올랐다고 볼 수 있다”며 “그러나 LED조명의 경우 업체들이 제품 개발 포커스가 분명치 않은 까닭에 방열 업체들도 신속히 대응하지 못하고 있는 상황”이라고 말했다.
 
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▲부품간의 열전도성이 방열 설계의 핵심
LED조명에서 방열은 크게 부품 단계의 열 설계와 시스템 열 설계로 구분된다.
부품 열 설계는 사용되는 부품 및 소재의 열 특성을 높여 방열 기능을 강화하는 것이다. LED조명에서는 방열판은 물론, PCB, 케이스, 접착제, 페인팅 도료 등 사용되는 모든 소재가 제품의 방열기능에 영향을 미친다. LED칩에서 발생한 열이 PCB로 전도되고 이 열이 다시 방열판으로 이동한 후 공기와의 대류작용을 통해 외부로 빠져 나가는 일련의 과정에서 모든 부품에 열이 전도되기 때문이다.
 
따라서 LED조명을 구성하는 부품은 열전도성을 높이는 것이 관건이 된다. 그리고 케이스나 방열판과 같은 외부소재의 경우에는 열전도성뿐 아니라 열방사력도 중요한 요소로 작용한다.
 
또한 부품간의 접촉부분에서 발생하는 열저항도 유의해야 할 부분이다. 일반적으로 열저항은 PCB와 방열판을 접착시키는 점착소재에서 크게 나타나는데, 점착물질의 열저항이 클 경우 열이 방열판으로 신속하게 전도되지 않고 내부에 잔재하게 된다.
따라서 점착소재를 사용할 경우, 최대한 열저항이 적은 소재를 사용해야 한다. 전문가들에 의하면 본드성분이 함유된 소재는 열저항이 크기 때문에 본드성분이 든 패드보다는 방열 그리스와 같이 본드성분이 없는 제품의 사용이 열저항을 줄일 수 있는 방법이다. 특히 방열그리스의 경우 부품간의 공기층도 없앨 수 있어 제품의 방열특성을 더욱 높일 수 있다.
 
한편, 방열판을 이루는 소재의 경우 같은 물질이라 할지라도 어떤 방식으로 금형이 제작됐느냐에 따라 방열특성을 달리하게 된다.
현재 LED조명 제품 대부분에는 알루미늄 방열판이 적용되는데, 알루미늄도 주물, 주조, 프래스, 다이캐스팅 등 금형 제작방식에 따라서 열전도성이 다르게 나타난다. 일반적으로 주물, 주조, 압출 등 열을 가해 형태를 만든 알루미늄 부품보다는 프레스기법이나 캐스팅 기법으로 제작된 부품의 열전도성이 더욱 우수하다.
 
 
▲‘방열 코팅제’ 핫한 이슈로 떠올라
방열판으로 전도된 열은 공기의 대류작용을 통해 외부로 배출된다. 따라서 이 대류작용이 원활하게 진행될수록 제품의 방열특성은 향상되게 된다. 
 
방열판과 공기가 만나는 면적이 많을수록 대류를 통한 열방출량이 커지기 때문에 대부분의 방열판은 ‘핀’이라 불리는 요철형태의 구조를 가지고 있다. LED조명의 외부가 매끈하지 않고 주름져 있는 듯한 형태로 제작되는 이유가 바로 이 때문이다.
핀의 설계에서 있어서는 핀의 두께 및 핀과 핀 사이의 간격의 최적치를 찾는 것이 중요한 부분이다. 공기에 닿는 면적을 늘리기 위해 지나치게 촘촘하게 핀을 설계할 경우, 리사이클 현상이 나타나 오히려 공기로 전도된 열이 다시 방열판을 통해 내부로 전달될 우려도 있기 때문이다. 핀의 간격뿐 아니라 두께를 적정하게 조율해 설계해야 하는 것도 이와 같은 맥락에서다.
 
최근에는 방열판의 열방출력을 자체를 높이는 방안도 다각적으로 연구되고 있는데, 특히 방열도료로 방열판을 코팅하는 기법이 핫한 이슈로 떠오르고 있다.
 
이전에는 방열판의 표면에 페인팅을 할 경우, 방사율이 떨어지는 단점이 있었으나, 최근 개발된 방열도료는 페인팅 또는 코팅을 할 경우 되레 열방사율을 높여 방열이 더욱 수월하게 이뤄지는 역할을 한다.
지난 7월 방열코팅제를 개발한 한국전기연구원 박효열 박사는 “방열 코팅제를 활용할 경우 방열판의 방열특성을 10~20%가량 향상시키는 것이 가능하며, 발열온도가 높을수록 더 큰 비율로 방열특성이 높아진다”며 “향후 LED조명의 제작공정에서 방열 코팅제의 사용이 확산될 것으로 본다”고 말했다.
 
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▲새로운 방식의 방열시스템 접목 
사인용 LED모듈이나 실내등과 같은 저출력 제품에는 대부분 자연공랭방식이 적용되지만, LED가로등, 보안등 등 고출력 제품으로 갈수록 방열판에 의한 자연공랭방식만으로는 효과적인 방열을 기대하기 어렵다. 때문에 별도의 방열시스템을 통해 강제적인 냉각효과를 주는 방식이 사용된다.
이런 강제공랭방식에 가장 일반적으로는 활용되는 것은 냉각펜을 장착하는 방식이다. 하지만 냉각펜이 적용될 경우, 소음이 발생할 뿐 아니라 제품의 디자인적인 제약도 따르게 된다.
 
이에 따라 최근에는 히팅파이프, 리퀴드 쿨링시스템 등 기존 PC 분야에서 활용되고 있는  첨단 방열기술을 접목하는 방안도 진작되고 있다.
히팅파이프는 열전도율이 높은 구리, 티타늄 등 합금으로 만든 진공 파이프 내부에 증류수나 알코올 등을 넣은 초열전도체로서 파이프 안의 액체가 기화할 때 열을 뺏어가는 원리를 이용해 LED조명에서 발생하는 열을 식혀주는 역할을 한다. 히팅파이프를 연속적으로 휘어서 면형태로 제작한 루프 히팅파이프가 사용되기도 한다. 히팅파이프를 사용할 경우 일반적인 방열판에 비해 냉각효율을 두 배 이상 향상시킬 수 있다.
 
새롭게 부각되고 있는 리퀴드 쿨링시스템은 공기 중으로 열을 빠르게 방출시키는 공랭방식과 달리 수냉식 방열기술로서 물이 지닌 강한 흡열기능을 통해 제품의 열을 신속하게 제거하는 시스템이다.이외에도 열전소자를 활용하는 방식이나 방열판 주위의 공기를 진동시킴으로써 활발한 대류작용을 일으키는 시스템 등 다양한 신기술의 접목도 시도되고 있다.
 
이런 시스템들의 경우, 기존의 방식에 비해 효율이 뛰어날 뿐 아니라 부피가 적고, 소음이 없는 등 다양한 장점을 갖추고 있다. 하지만 대중화를 위
해서는 높은 코스트를 낮출 수 있는 방안을 마련해야 한다는 점이 과제로 남아 있다.
방열기구 제작업체 쿨원 관계자는 “리퀴드 쿨링시스템과 같은 고급 방열기술의 경우 방열특성을 높이는데 탁월한 효과를 주지만, 대중화를 위해서는 원가절감을 위한 연구개발이 지속되어야 한다”고 말했다.
 
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▲그래핀·탄소나노튜브 등 신소재 개발 박차
방열특성을 획기적으로 높일 수 있는 신소재의 개발도 빠르게 이뤄지고 있다.
 
특히 그래핀이나 CNT(탄소나노튜브) 등 꿈의 소재라고 불리는 탄소소재를 LED조명에 접목하는 방안이 다각적으로 연구되고 있다. 탄소소재는 열전도가 우수할 뿐 아니라 냉각이 빠르기 때문에 방열소재로서는 상용화가 된다면 LED의 발열을 효율적으로 억제할 수 있는 최적의 소재다.
그래핀은 흑연에서 추출한 탄소 원자가 육각형 형태의 벌집 모양을 한 인공 나노 물질이다. 강철보다 200배 이상 강도가 높을 뿐 아니라 현존하는 최고의 열전도체로 알려진 다이아몬드보다도 열전도성이 뛰어나다.
 
일부 연구기관 및 기업에서는 이 소재를 활용한 방열판 및 방열시트 등의 개발을 진행하고 있다. 실제로 탄소소재 전문업체 G&CS가 LED조명업체 인성엔프라와 공동으로 진행한 실험에서 LED조명에 그래핀 방열시트를 적용했을 때, LED 부근 온도가 20도 가량 낮아진 것으로 측정됐다.
그래핀에 앞서 일찌감치 차세대 방열 소재로 기대를 모아온 CNT는 방열판은 물론, 방열도료 등 다양한 곳에 접목이 가능하다. 특히 CNT 방열 도료는 열전도성과 열방사 특성이 우수해 이를 활용할 경우, 사용전보다 200% 이상의 냉각효과를 얻을 수 있다.
 
CNT전문 개발업체인 대진공업의 정춘균 대표는 “CNT 방열소재가 적용된 LED 조명등의 시제품의 표면온도가 7도 이상 떨어지는 것이 확인됐다”며 “LED조명사업 역시 방열 기술이 핵심인 만큼, 현재 보유한 CNT 분산기술을 토대로 특화된 LED조명 방열기술 개발을 추진할 것”이라고 말했다.
 
향후 기술개발을 통해 이 소재들이 대중화 될 경우 방열판의 부피를 획기적으로 줄여 제품의 디자인 향상 및 원가절감에도 기여할 수 있을 것으로 업계는 기대하고 있다.
한국조명기술원 노재엽 주임 연구원은 “CNT와 세라믹 등 신소재를 LED조명에 접목하는 기술은 LED조명산업의 중요한 과제 중 하나”라며 “이에 관한 연구를 지속적으로 진행하고 있다”고 밝혔다.

신한중 기자 [ⓒ SP투데이 무단 전재 및 재배포 금지]

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