Vol. 66, No. 5, May 2016, pp. 511∼516 http://dx.doi.org/10.3938/NPSM.66.511
Development of a LED’s Heat Sink by Using a Biodegradable Composite Plastic and Its Characterization
Sam Joo Yoo · Joo Hyun Lee · Hyun Kyoung Yang
∗Department of LED Convergence Engineering, Pukyong National University, Busan 48547, Korea (Received 28 December 2015 : revised 11 February 2016 : accepted 16 February 2016)
A biodegradable plastic compound was prepared for use as a heat sink for light-emitting diodes (LEDs). Nano silver was permeated into the pores of activated carbon to produce polylactic acid (PLA) compounds. The PLA was mixed with a conductive filler for form an insulating crystal- lization nucleating agent for a biodegradable plastic compound. The samples for the heat sinks of LED were fabricated by using an injection compression molding process. The LED’s heat sink was attached to the LED module. The thermal property of the LED’s heat sink was measured by driving the LED lamps. The emissivity and the heat dissipation properties of the LED’s heat sink were better than those of a general aluminum heat sink. The results suggest that the LED heat sink developed in this study can be used for applications in a variety of products.
PACS numbers: 65.40.-b, 81.05.Lg
Keywords: PLA, Biodegradation, LED heatsink
생분해성 복합 플라스틱을 이용한 LED 히트싱크 개발 및 특성분석
유삼주 · 이주현 · 양현경
∗부경대학교 과학기술융합전문대학원 LED융합공학전공, 부산 48547, 대한민국 (2015년 12월 28일 받음, 2016년 2월 11일 수정본 받음, 2016년 2월 16일 게재 확정)
방사율이 우수하고 절연기능을 구비한 활성탄에 나노은을 침투하여 Poly-latic Acid (PLA) 와 혼합한 생분해성 복합플라스틱 히트싱크를 제조하였다. 한국산업표준규격 퇴비화 조건을 통해 플라스틱의 호기성 생분해도 및 붕괴도 측정을 한 결과 플라스틱 분해 유효성 기준에 만족하는 것을 알 수 있었다. TG-DTA 를 통해 246.33◦C가 PLA를 이용하여 제품 제작할 경우 작업온도의 상한선임을 확인하였으며, 100◦C 에서 PLA의 질량변화가 없으므로 동작온도가 100◦C이하인 발광다이오드 (light emitting diode, LED) 모듈에 문제없이 적용될 수 있다. 실제 등기구 제작결과 PLA가 적용된 히트싱크를 사용한 LED 모듈의 경우 방사율 및 방열성능이 일반 알루미늄에 비해 우수함을 확인할 수 있었다. 이 결과 PLA로 제작된 히트싱크는 다양한 제품에 응용이 가능할 것이다.
PACS numbers: 65.40.-b, 81.05.Lg Keywords: PLA, 생분해, LED 히트싱크
∗E-mail: [email protected]
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I. 서 론
최근 자동차, 전기·전자 분야 등에서 사용되고 있는 전자 기기는 경량화, 박형화, 소형화, 다기능화가 추구되고 있다.
이러한 전자 소자가 고집적화 될수록 더욱 많은 열이 발 생하는데, 방출 열은 소자의 기능을 저하시킬 뿐만 아니라 주변 소자의 오작동, 기판 열화 등의 원인이 되고 있어 방출 열을 제어하는 기술에 대해 많은 관심과 연구가 이루어지고 있다 [1].
특히, 고방열 회로 기판 소재는 베이스 금속기판의 열 전도성을 이용할 수 있어, 파워 디바이스나 LED 모듈 등 고전력이 소모되고 열이 많이 발생되는 부품의 제작에 유리 하여 연구개발에 대한 관심이 증폭되고 있다. LED의 경우 에너지의 약 85%가 열손실로 전환되며 고온의 방출열로 인해 접합부의 온도가 계속 증가함으로써 LED 반도체의 수명저하를 일으킨다. 소자 작용 온도가 10 ◦C 상승할 때 수명은 2배 감소하는 것으로 알려져 있다. 이를 막기 위해서 high power LED의 경우 고방열 기판을 사용하고 있으며, 이에 따라 고방열 소재에 대한 수요가 급격하게 증가하고 있다 [2].
현재 자원과 에너지의 소비량이 급격하게 증가함에 따라 많은 양의 폐기물이 발생한다. 특히 플라스틱 폐기물의 경우 땅에 매립하여 완전히 분해되는데 매우 긴 시간이 소요되 며, 소각시에는 고열과 유해가스가 발생하여 완벽한 처리가 힘들다. 이러한 이유로 미생물에 의해 분해되는 생분해성 플라스틱에 많은 관심을 보이고 있다 [3–5].
Poly-lactic Acid(PLA) 는 옥수수의 전분이나 설탕에서 추출한 원료로 만들어지는 친환경 수지이다. 뜨거운 음식을 담거나, 아기가 입으로 물거나 빨아도 환경호르몬은 물론, 중금속 등 유해 물질이 검출되지 않아 안전하다. 사용 중에 는 일반 플라스틱과 동등한 특징을 가지지만 폐기 시 미생 물에 의해 100% 생분해되는 재질이다. PLA는 결정성을 가지므로 비결정성 고분자재료들에 비해 높은 열전도도 값을 가지고, 식물성분인 옥수수전분에서 추출하므로 자연 순환형이며, 인체에 사용시에 문제가 없고 제작시에 그으름 이나 프탈레이트와 같은 독성물질이 발생되지 않기 때문에, 생체 흡수성 봉합사 혹은 보철용구, 의수, 의족용품, drug delivery 등 다양한 분야에서 많은 연구가 진행되고 있다 [6–8].
본 연구에서는 PLA를 사용하여 방사율이 우수하고 절 연기능을 가지는 생분해성 복합플라스틱 LED 히트싱크를 제작하였다. 생분해성 복합 플라스틱은 활성탄의 기공에 나 노은과 에폭시수지를 침투시켜 핵제를 생성하고, 결정화된 핵제에 절연전도성 필러 (filer) 혼합하여 제조하였다. 이와 같이 제작된 절연성 결정화 핵제와 식물성 PLA 소재를 혼
Table 1. Biodegradation test of a variety of PLA sam- ples.
(a) EGN 100
Material Standard material Sample (Cellulose)
Period of experiment 45 days 45 days
Biodegradability 80.5% 73.9%
Compared with
91.7%
standard material
(b) EGN 200
Material Standard material Sample (Cellulose)
Period of experiment 45 days 45 days
Biodegradability 80.5% 55.0%
Compared with
68.3%
standard material
(c) EGP 100
Material Standard material Sample (Cellulose)
Period of experiment 45 days 45 days
Biodegradability 82.3% 72.9%
Compared with
88.5%
standard material
합하여 생분해성 복합플라스틱을 생성하고, 압출 후 펠렛화 하여 LED용 히트싱크를 제작하였다. 제작된 히트싱크는 LED에 적용하여 조명특성과 열특성에 대하여 연구하였다.
II. 실 험
방사율이 우수하고 절연기능을 구비한 생분해성 복합 플라스틱을 제조하기 위하여, 우선 입도의 크기가 1 ∼ 5 µm인 활성탄의 기공에 나노은을 침투시키고 건조하였다.
활성탄은 비중대비 입자 침투율이 400 ∼ 500 ppm인 것을 사용하였으며, 에탄올 베이스로 되어있는 나노은을 사용 하였다. 건조된 활성탄에 비중이 1.189 ∼ 1.230인 에폭시 수지를 침투시키고 표면을 코팅하기 위하여 90∼ 110◦C 에서 40 ∼ 60 분간 열풍건조를 진행하였다. 코팅된 활성 탄을 열경화시켜 결정화 핵제를 생성한 후 결정화 핵제에 절연전도성 필러 (filer) 로 알루미늄 (Al) 을 혼합하여 절연성 결정화 핵제를 제조하였으며, 절연성 결정화 핵제와 식물성 PLA소재를 혼합하여 생분해성 복합플라스틱을 제조하였 다. 생분해성 복합플라스틱을 온도가 170∼ 190◦C로 설정 된 트윈스크류를 이용하여 압출 성형하여 LED 히트싱크를 제작하였다.
Table 2. 8 W - LED module of Al heat sink luminaire performance test.
Test subject Standard test condition Unit Test results
#1 #2 #3 #4 #5
1
lightening LED at the 92% of -
Turn on indicated voltage regular voltage
after placing 106% of -
Turn on Lighting at -10◦C for 1h regular voltage
characteristic lightening LED at the 92% of regular - Turn on indicated voltage regular voltage
after placing 106% of -
Turn on at 40◦C for 1h regular voltage
2 Input power Within± 10% of indication value (8 W) % +0.2 Output current Within± 10% of indication value (0.04 A) % +0.1
3 Counter current More than 0.9 - 0.91
4 Content of current
Less than 30% % 14.8
high frequency
5 Color temperature Within (6020∼ 5310) K K 5889
Color Rendering More than 75 - 87
6
Luminous flux More than 95% of regular luminous flux (560 lm) % 106.8 104.6
luminous efficacy More than 65 lm/W lm/W 74.9 73.6
Upkeep percentage More than 90% of initial luminous flux %
98 99.9
of luminous flux measurement
7 Serge test Be suitable for the surge of - Attached
‘KS C IEC 61000-4-5’ reference
8
Life time of Operating LED correctly after repeated 10000 - Normal Dura turn on/off cycles of turning on/off for 10 s each. operation bility Test of Operating correctly after operation at 60◦C - Normal
turn on/off and 90% RH for 500 h operation
〈Quarry : Korea Testing & Research Institute - LED luminaire performance test report ‘HEE2012-0430’ 〉
본 연구에서 사용한 PLA의 물성 측정을 위해, 한국화학 시험연구원에 의뢰하여 퇴비화 조건에서 플라스틱의 호기성 생분해도 및 붕괴도 측정규정에 따라 생분해도를 측정하고, 열적특성과 유기결합분석을 위하여 한국화학융합시험연구 원에 의뢰하여 TG-DTA를 측정하였다. 제작된 히트싱크의 전기절연성 분석을 위하여 절연 테스트를 진행하였으며, 한국화학시험연구원에 의뢰하여 히트싱크의 종류에 따른 LED 등기구의 성능을 분석하였다. 또한, 한국조명연구원 에 의뢰하여 히트싱크의 종류에 따른 열특성을 비교 분석 하였다.
III. 실험결과 및 고찰
Table 1은 한국산업표준규격 KS M 3100-1:2003 ‘적정 에 의한 발생이산화탄소의 정량법’ 으로 측정한 퇴비화 조 건에서 플라스틱의 호기성 생분해도 및 붕괴도 측정 결과이
다. 표준물질 (셀롤로오스) 은 시험 45일 이내에 70%이상 분해되었으며, 생분해도 측정 시험 시작 후 10일 이내에 퇴비의 휘발성 고형분 1 g당 발생되는 이산화탄소의 양이 평균 50∼ 150 mg의 범위 내에 속했다. 이를 통해서 표준 물질과 시료간에 생분해도 특성을 통한 유효성 평가 기준을 충족하는 것을 알 수 있었다. EGN 100은 일반적인 PLA 인 경우이고, 너무 쉽게 분해가 된다는 단점을 가지고 있다.
이를 보안하기 위해서 EGN 200을 다시 제작하였다. EGN 200은 응용제품으로 사용시의 경도 및 기타 물성 향상을 위해 제조 시에 배합을 다르게 하여 제작한 것이다. 그러나, EGN 200의 경우 셀롤로오스 대비 생분해도의 차이가 많이 나는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 일반적인 플라스틱대비 분해 속도가 크게 빠르지 않으므로 이를 보안하기 위해 EGP 100을 다시 제작하였다. EGP 100의 경우, EGN 100만큼 쉽게 분해되지 않고 EGN 200 과 비슷한 물성을 가지며, 생분해도는 EGN 200보다 뛰어난 것을 확인할 수 있었다.
Table 3. Compare LED module performance of regular Al heat sink and the PLA heat sink.
Test subject Standard test condition Unit Test results
Basic Model Improving Model
1
Temperature of lead wire in improving
◦C
Lead wire #1 : 32 Lead wire #1 : 29 model is less than or equal to Lead wire #2 : 31 Lead wire #2 : 31 Temperature the temperature of basic model.
test Temperature of inside and outside Inside heatsink : 50 Inside heatsink : 47 heatsink in improving model is less than outside heatsink : 50 outside heatsink : 46 or equal to the temperature of basic model.
2
Input power Within± 10% of indication value % -3.3
(8 W)
Output current Within± 10% of indication value % -0.5
(0.04 A)
3 Inistial More than regular luminous flux
% 108.1
luminous flux (560 lm) of 95%
luminous efficacy More than 65 lm/W lm/W 78.3
〈Quarry : Korea Testing & Research Institute - LED luminaire performance test report ‘HEE2013-1010’ 〉
Fig. 1. (Color online) Thermogravimetric-differental thermal analysis curve of PLA(EGP 100) sample in air.
Fig. 1은 생분해성 플라스틱 EGP 100의 TG-DTA 그래 프 이다. 313 ◦C부터 흡열반응이 시작하여 394.66◦C까지 반응이 일어남을 알 수 있다. 이러한 반응의 이유는 PLA 내부에 존재하는 C, H, O를 포함 하는 유기물질이 증발하기 때문이며, 이때 시료 질량 감소폭이 크게 나타나는데, 이로 인해 본래의 PLA 성질이 크게 변하는 것을 알 수 있다.
246.33◦C에서부터 질량이 감소하기 시작하는 것을 볼 수 있는데, 이는 PLA를 이용하여 사출공정을 통한 제작 시에 작업온도의 상한선이 된다. 100 ◦C에서의 PLA의 질량은 99.85 wt.%, 245.33 ◦C에는 91.084 wt.%를 보이는 것으 로 보아 실온에서의 사용에는 이상이 없으나 고온에서는 분자의 결합 구조의 변경으로 인해 PLA의 물성이 바뀌게 되고, 이로 인해 성능이 급격히 감소할 수 있음을 알 수 있다.
Table 4. Compare luminous efficiency of regular Al heat sink and the PLA heat sink.
Input AL heatsink PLA heatsink Rate of power luminous efficacy luminous efficacy increase
(lm/W) (lm/W) (%)
8 W 74.25 78.3 5.45
10 W 75.5 78.7 4.24
12 W 73.25 75.7 3.34
15 W 75.25 80.4 6.84
20 W 71.75 78.7 9.69
하지만, LED 칩의 동작온도가 100◦C 이하이므로 PLA를 이용하여 제작한 히트싱크를 LED 등기구에 적용이 가능한 것을 확인할 수 있다.
Table 2는 AL 히트싱크가 부착된 8 W LED 등기구의 성 능 특성평가 결과이다. 특성평가는 KS기준에 맞게 한국화 학융합시험연구원에 의뢰하여 특성평가를 진행하였다. AL 히트싱크가 부착된 LED 등기구의 경우 모든 시험 조건을 만족함을 알 수 있다. Table 3에서는 동일한 등기구를 PLA 를 적용한 히트싱크의 특성 비교를 진행하였다. 기본모델 (AL 히트싱크 적용 등기구) 대비 파생모델 (PLA 히트싱크 적용 등기구) 의 경우 리드선에서 1 ∼ 2 ◦C 의 온도하락 보이고, 방열판 내부의 경우 3 ◦C, 방열판 외부의 경우 4
◦C의 온도가 떨어진 것을 확인 할 수 있다. 또한, 입력전력, 입력전류, 초기광속, 광효율 등의 모든 시험조건을 만족함을 알 수 있다.
Table 4는 LED 램프의 입력전력에 따른 히트싱크간 광 효율의 결과이다. PLA 히트싱크를 적용함에 따라 AL 히트
Table 5. (Color online) Compare heat radiation characteristics of regular Al heat sink and the PLA heat sink.
Heatsink Temperature distribution LED chip temperature Heatsink temperature
(◦C) (◦C)
Biodegradable 50.2 48.2
PLA heatsink
AL heatsink 53.4 49.8
Measurement Test conditions : 24± 3◦C, 45± 10%RH conditions Measurement site : LED chip site, Heatsink site
〈Quarry : Korea Instotute of Lighting Technology - Thermal radiation performance test report ‘KILT1312-F03936’ 〉
싱크 대비 광효율이 약 5% 증가하는 것을 확인할 수 있다.
특히, 15 W의 경우 6.84%, 20 W의 경우 9.69%의 광효율 차이를 보이는 것을 확인하였다. 이는 높은 입력전력을 요구하는 LED 등기구에 PLA 히트싱크를 적용하였을 때, 더 좋은 효과를 나타낼 수 있음을 알 수 있다.
Table 5는 20W급 LED 등기구에 적용한 AL 히트싱크 및 PLA 히트싱크의 방열특성 결과이다. 시험환경 온도는 24± 3◦C, 습도는 45± 10% R. H.에서 실행하였다. Ar1 은 PLA가 적용된 히트싱크를 부착한 LED 등기구이고, Ar2는 일반 AL 히트싱크가 부탁된 LED 등기구이다. LED 등기구 사용시 평균적인 온도의 경우 PLA를 이용한 LED 등기구가 LED 광원부에서는 3.2 ◦C, 방열부 (히트싱크) 에서는 1.6 ◦C가 더 낮게 측정되었다. 또한, 광원부와 방 열부의 온도차이 (∆T ) 는 AL히트싱크의 경우 3.9◦C이고, PLA 히트싱크의 경우 2 ◦C로 더 낮은 값이 나타난다. Rth
= ∆T /Q (Rth: 전체 열저항, ∆T : 열원과 방열부 사이의 온도차, Q : 발열량) 에서 알 수 있듯이, 낮은 온도차는 낮은 열저항을 의미하고, PLA 히트싱크가 더 뛰어난 열전도도를 가지는 것으로 확인되었다. 이는 LED chip의 수명연장과 장기간 사용시 발생할 수 있는 LED Chip에 사용된 봉지재 의 황변현상을 방지하여 오랜기간 사용시에도 LED 모듈의 성능을 유지하는데 도움이 될 것이다.
IV. 결 론
PLA는 바이오 고분자가 보편적으로 갖고 있는 환경친 화성, 생체적합성 및 자원절약성에 우수한 열 가공특성을 나타내며 인체의 생리액에 직접 접촉하는 용도에 사용할 수 있는 FDA 승인을 받았다. 본 연구에서는 이러한 장점을 가지는 식물성 PLA 소재를 컴파운딩하여 생분해성 복합 플라스틱을 생성, 압출 후 펠렛화 하여 LED용 히트싱크를 제작하고, LED 모듈에 적용하여 LED 램프 구동 시 열특 성에 대해 알아보았다.
표준물질 (셀롤로오스) 과 시료간의 생분해도는 시험 45 일 이내에 70%이상 분해되었으며, 시험 시작 10일 이내에 퇴비의 휘발성 고형분 1 g당 발생되는 이산화탄소의 양이 평균 50 ∼ 150 mg의 범위내에 속함을 확인하였다. 이를 통해서 본 연구에서 사용한 시료의 경우 생분해도 측정을 통한 유효성 평가 기준을 충족함을 알 수 있었다. TG-DTA 결과에서 100 ◦C 이하에서의 반응성이 없는 점을 확인하 였고, 이를 통해 동작온도가 100◦C 이하인 LED 등기구에 히트싱크로서의 사용이 가능하다. LED 등기구 성능 시험 결과 PLA 히트싱크로 제작한 LED 등기구가 AL 히트싱 크로 제작된 LED 등기구 대비 약 9.69% 광효율의 증가를 확인하였다.
감사의 글
이 논문 (저서) 은 2014년 교육부와 한국연구재단의 지역 혁신창의인력양성사업의 지원을 받아 수행된 연구입니다 (NRF-2014H1C1A1066586).
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