[열전달] Heat sink 설계
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- 목차
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요 약
기호설명
1.서 론
1.1LED의 개념
1.2LED의 시장현황 및 전망
1.3LED의 장단점
1.4LED의 분류
1.5 LED 방열의 필요성
1.6 LED 방열방법
(1) 수동적 방열기술
(2) 능동적 방열기술
2.해석대상
3.Heat sink 설계
3.1Pin Fin의 설계
3.2Plate Fin의 설계
3.3ㄷ 자 형상의 fin 설계
3.4 fin의 각도에 따른 설계
4.설계 결과
5.Heat sink 시뮬레이션 프로그램
6.결 론
7.후 기
8.참고문헌
- 본문내용
-
요 약
In present study, the effect of shapes of an air cooling module on the heat transfer performance for electronic packaging applications was numerically investigated. The types of three different fins considered in this study were pin-fin, plate-fin and ㄷ fin which have the different surface areas.
To improve cooling performance of the heat sinks for the LCD TV by adequate natural convection flows, some numerical investigations have been performed. Heat generation rate of the LED panel, temperature distributions of heat sinks and of the surrounding air were properly assumed for the numerical heat transfer analysis.
As the results, surface area, the heat transfer coefficient, the heat performance, and optimum fin spacing of three different fins depend on their shapes.
기호설명
: Heat transfer
: the total number of fins
: the number of pins in the horizontal direction
: the number of pins in the vertical direction
: the array base-ambient temperature difference
: the fin efficacy
: the array base heat transfer coefficient
: the average heat transfer coefficient for the fin
: the average heat transfer coefficient for the base
: the material specific volumetric heat transfer coefficient
: the array base area per fin
: the fin area
: Nusselt number based on L
: Nusselt number for the fin
: the heat conduction constant
: Rayreigh number based on L
: the modified Rayreigh number
: the volume of fin material in the array
: the horizontal fin spacing
: the vertical fin spacing
: the Elenbass optimal spacing for isothermal parallel plates
: the fin height
: the Elenbass number based on the horizontal fin spacing
: gravity acceleration
: the volume expansion coefficient
: Prantl number for the array base
1. 서 론
반도체 기술의 발달로 인해 초소형 전자기기의 전력 집적기술이 놀라운 속도로 발전하고 있다. 이것은 전자기기의 냉각기술의 발전으로 연결되었다.
냉각을 위한 fin 구조물의 이용은 비용, 공간, 무게 등의 구속조건 하에서 유용하다. 원통형의 pin fin과 사각형 plate fin은 가장 흔하게 사용되는 fin의 형태이다. 자연대류 하에서 열손실을 최대로 하기 위한 연구는 필수적이다. 본 연구에서는 pin fin과 plate fin의 열전달을 실험식을 통해 분석해보고 이를 더 효율적으로 개선할수 있는 방법을 찾아 기존의 fin형상과 비교해보는 방법으로 heatsink를 설계해보도록 하였다.
1.1 LED의 개념
LED(Light Emitting Diode)는 전기 신호가 인가되면 빛을 발산하는 화합물 반도체의 일종으로 발광다이오드라고 한다. 화합물 반도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상 구현이 가능하다. LED의 구조가 그림 1에 나타나 있다.
그림 1. LED의 구조
1.2 LED의 시장현황 및 전망
고휘도 백색 LED의 개발과 새로운 응용 시장의 창출로 인해 LED 시장은 고성장 궤도에 오르고 있다. 2000년 금액 기준으로 11억 달러에 불과하던 전세계 LED 시장은 2003년 두 배가 넘는 23억 달러 규모로 성장했고, 2010년 경에는 일반 조명 시장 진입이 활발해지면서 110억 달러 수준으로 크게 늘어날 전망이다. 이는 2003년 DRAM 시장의 절반에 해당하며, 플래쉬 메모리 시장에 버금가는 수준이다. 2000년 이후 2003년까지 LED 시장의 급격한 성장은 휴대폰 시장에서 컬러폰과 카메라폰의 비중이 대폭 늘어난 데에 기인한다. 2003년 휴대폰용 LED 시장은 2000년 이후 연평균 62.8%씩 성장해 14억 달러에 이르렀다. 이는 2000년 LED 전체 시장과 동일한 규모이다. 시장 조사 기관인 Strategies Unlimited에 따르면 현재 금액 기준 응용 제품별 시장의 50%를 차지하고 있는 휴대폰용 LED는 향후 3년간 20% 대의 비교적 높은 성장세를 지속하며, LED 시장의 수요를 견인할 것으로 보인다. 하지만 앞으로 LED 시장은 지금까지와는 다른 모습으로 성장할 것이 예상된다.
백색 LED가 다양한 응용제품 시장에 침투하여 그 비중을 2003년 40%에서 2010년 80%까지 끌어올리면서 LED의 고속 성장을 주도할 것으로 예상되기 때문이다. 단•중기적으로는 중대형 LCD 백라이트 광원이, 장기적으로는 일반 조명 기기가 LED의 신수요처로 부상하게 될 것이다.
기술개발 추세에 의하면 중대형 LCD 백라이트 광원용 백색 LED의 휘도는 2005년도에 현재의 2배 이상 향상될 것으로 예상되며, CCFL의 2배 수준인 LED 광원의 평균 판가도 CCFL과 유사한 수준으로 떨어질 것으로 전망된다. 이에 따라 2005년부터 중대형 LCD 백라이트 광원용 LED 시장이 본격적으로 형성될 것으로 기대된다. 그리고 기존의 핸드폰 LCD 백라이트 시장에서의 침투 패턴을 중대형 시장에도 적용할 경우 2010년까지 연평균 135%씩 성장해 시장규모가 25억 달러에 이를 전망이다. 일반 조명 기기용 시장의 경우 2007년부터 LED가 백열등을 대체하고 2010년 경에는 형광등 시장에도 침투할 것으로 보인다. 일반 조명용 LED는 자동차 조명 시장에서의 침투 패턴을 적용할 경우, 2010년 경에 본격적인 시장이 형성되어 36억 달러 규모에 이를 것으로 전망된다.
이를 종합하면 LED 산업은 메모리 반도체 이후 단일 반도체 부품으로 가장 큰 시장을 형성할 것으로 보인다. 이에 따라 전세계적으로 관심이 높아지고 경쟁도 격화될 것으로 예상된다.
1.3 LED의 장단점
(1) 장점
- 광변환효율이 높아 소비전력이 낮음
- LED의 수명은 1만~5만 시간에 이르며 점등 및 소등 속도가 빠름
- 필라멘트, 유리밸브 등을 사용하지 않아 견고하고 안전
- 형광등에 사용되는 수은(Hg)을 사용하지 않아 환경친화적
- 점광원으로 다양한 형태로 집적화와 정교한 디자인이 가능
(2) 단점
- 기존광원에 비해 상대적으로 높은 가격
- 많은 열이 발생하며 온도 상승시 허용 전류와 광출력이 감소
- 광학적으로 선명한 단색광을 보여줌으로써 연색성이 나쁨
1.4 LED의 분류
LED는 방출하는 빛의 종류에 따라 가시광선 LED(V LED), 적외선 LED(IR LED), 자외선 LED(UV LED)로 구분될 수 있다. 가시광선 LED는 전체 LED 시장의 90~95%를 차지하고 있으며, 적색, 녹색, 청색, 백색 LED 등이 있다. 적외선
- 참고문헌
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(1) Madhusudan Iyengar and Avram Bar-Cohen, 1998, Least-Material Optimization of Vertical Pin-Fin, Plate- Fin and Triangular-Fin Heat sink in Natural Convection Heat Transfer .
(2) Rong-Hua Yeh and Ming Chang, 1995, Optimum Longitudinal Convection Fin Arrays
(3) 박강순, 김서영, 김우승, 2003, 자연대류 방열기의 열성능에 미치는 핀슬릿의 영향
(4) 김종하, 윤재호, 이창식, 2002, 다양한 형상의 Heat sink 열저항 특성에 관한 실험적 연구
(5) B. Yaziciog˘ lu , H. Yu¨ ncu, 2007, Optimum fin spacing of rectangular fins in a vertical base in free convection heat transfer
(6) Avram Bar-Cohen and Warren M. Rohsennow, 1983, Thermally Optimum Arrays of Cards and Fins in Natural Convection
(7) Xiang Xiang Yang • Rongde Lin • Yaxin Su, 1998, A Study on General Programming of Extended Surface Heat Transfer
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