KR101204885B1 - Ｌｅｄ 발열량 측정 장치 및 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 LED의 발열량을 측정하는 장치 및 측정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전대 프로브(thermocouple probe)를 LED에 접촉하여 LED의 표면 및 MCPCB(Metal Core Printed Circuit Board)의 배면 온도를 측정하고, 적분구를 이용하여 빛의 복사속(radiant flux)을 측정하며, 측정한 데이터와 입력 전력을 통하여 LED의 발열량을 측정하는 장치 및 측정 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 LED 발열량 장치는 적분구와, 열전대 프로브와, 열화상 카메라, 연산부, 표시부를 포함하며 상기 적분구는 LED에서 발광하는 빛의 복사속을 측정하고, 열전대 프로브는 LED 표면 온도 및 MCPCB의 배면 온도를 측정하며, 열화상 카메라는 열전대 프로브와 LED의 접촉으로 인한 온도 변화를 감지고 연산부는 측정한 데이터를 토대로 발열량을 계산하며, 표시부는 연산부에서 계산한 발열량을 표시한다.

Description

ＬＥＤ 발열량 측정 장치 및 측정 방법{The apparatus and method for measurement of generated heat from LED}
본 발명은 LED(Light Emitting Diode)의 발열량을 측정하기 위한 LED 발열량 측정 장치 및 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전대(thermocouple)를 이용하여 LED의 표면 온도를 측정하고 이를 통하여 발열량을 도출함으로써 LED 발열량 측정의 신뢰도를 향상시키며 열전대의 말단부를 미세한 크기로 절단하여 미소 면적을 가지는 LED에 대해서도 발열량을 측정할 수 있도록 하는 LED 발열량 측정 장치 및 측정 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 발광다이오드(LED)는 전류 인가에 의해 P-N 반도체 접합(P-N junction)에서 전자와 정공이 만나 빛을 발하는 소자로서, 통상 LED 칩이 탑재된 패키지의 구조로 제작되며, 흔히 'LED 패키지'라고 칭해지고 있다. 위와 같은 LED 패키지는 일반적으로 인쇄회로기판(Printed Circuit Board: 이하, 'PCB'라 한다) 상에 장착되어 그 인쇄회로기판에 형성된 전극으로부터 전류를 인가받아 발광 동작하도록 구성된다. 이러한 LED 소자의 발열 특성을 측정하는 것은 LED를 포함하고 있는 패키지, 모듈, 시스템의 열 방출 특성을 측정하는 것이며 그 목적은 이러한 측정 데이터를 토대로 하여 향후 전산 모사 소프트웨어 등에서 LED의 발열량을 포함한 환경 설정시 활용하기 위해서이다.
LED의 발열량은 LED 소자의 동작 특성 뿐만 아니라 패키지의 재료 및 공법에 의하여 결정되는 것으로서 획일적인 방법에 의해 발열량을 판단할 수 있는 것이 아니다. 그러나 현재 LED 소자의 발열량을 측정하는 방법 중 가장 일반화된 측정 방법은 전기적인 입력 에너지로부터 출력되는 빛의 복사속(radiant flux)를 제외한 나머지 에너지를 계산하는 방법이다. 이렇게 광학 측정에만 의존하는 기존의 측정 방법은 간소한 프로세스로 LED의 발열량을 측정할 수 있으나 정확도 측면에서 다소 신뢰도가 떨어진다.
따라서 본 발명은 LED를 포함하는 시스템의 동작 특성 및 LED의 사용 환경에 따라 사전 예측을 위해 필요한 LED 소자 및 패키지의 발열량을 정확히 측정하는 장치 및 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 열전대의 말단부를 형상 구현하여 미소 면적을 가지는 LED에 대해서도 발열특성을 측정할 수 있도록 하는 LED 발열량 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고 특정 온도 및 습도를 유지하는 챔버 내부에서 LED 발열량을 측정할 수 있도록 하여 보다 정확한 LED 발열량 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하고자 본 발명의 LED 발열량 측정 장치는 LED에서 발광하는 빛의 복사속을 측정하는 적분구, LED 표면 온도 및 MCPCB의 배면 온도를 측정하는 열전대 프로브, 열전대 프로브로 LED의 온도 측정시 열전대 프로브와 LED의 접촉으로 인한 온도 변화를 감지하는 열화상 카메라, 적분구를 통해 측정한 빛의 복사속과 열전대 프로브를 통해 측정한 LED 표면 온도 및 MCPCB 배면 온도와 열화상 카메라를 통해 감지한 LED 표면 온도 및 MCPCB 배면 온도의 변화량과 LED의 넓이와 길이와 열전도도 및 LED 입력전력을 토대로 LED의 발열량을 계산하는 연산부를 포함한다.
상기 열전대 프로브는 접합 부분의 말단부를 절단하여 미세한 크기로 형상 구현한 것을 특징으로 하는 것을 포함한다.
상기 열전대 프로브 및 열화상 카메라는 3차원의 XYZ축 방향으로 구동하는 것을 특징으로 하는 것을 포함한다.
상기 LED 발열량 측정 장치는 특정 온도, 습도를 조절 또는 유지하도록 하는 챔버 내부에서 구동하는 것을 특징으로 하는 것을 포함한다.
상기 LED 발열량 측정 장치는 연산부에서 계산한 LED의 발열량을 표시하는 표시부를 구비하는 것을 특징으로 하는 것을 포함한다.
본 발명에 의하는 경우 열전대 프로브의 접촉 방식에 의해 LED 온도를 측정하는 장치를 포함하므로 종래의 LED 발열량 측정 방법에 비하여 더욱 정확하게 LED 발열량을 측정할 수 있다.
또한 열전대 프로브의 말단부를 미세한 크기로 절단함으로써 매우 작은 크기의 LED의 발열량을 측정하는 것이 가능해진다.
한편 특정 온도 및 습도를 유지하는 챔버 내부에서 LED 발열량을 측정할 수 있도록 하여 주변 환경의 영향에 의한 오차를 감소시키고 보다 정확한 LED 발열량을 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 LED 발열량 측정 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 열전대 프로브의 일 형태를 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 열전대 프로브의 말단부를 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 열전대 프로브의 말단부를 도시한 측면도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 챔버 내에서 구동되는 LED 발열량 측정 장치를 도시한 사시도이다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 LED 발열량 측정 장치를 도시한 사시도이다. 도 1을 참조하면 상기 LED 발열량 측정 장치는 LED에서 발광하는 빛의 복사속(radiant flux)을 측정하는 적분구(100)와 LED 표면 온도 및 MCPCB(Metal Core Printed Circuit Board)의 배면 온도를 측정하는 열전대(thermocouple) 프로브(110), 열전대 프로브와 LED의 접촉으로 인한 온도 변화를 감지하기 위한 열화상 카메라(120), 그리고 적분구를 통해 측정한 빛의 복사속과 열전대 프로브를 통해 측정한 LED 표면 온도 및 MCPCB 배면 온도와 열화상 카메라를 통해 감지한 LED 표면 온도 및 MCPCB 배면 온도의 변화량과 LED의 넓이와 길이와 열전도도 및 LED 입력전력을 토대로 LED의 발열량을 계산하는 연산부(130)를 포함하며 이에 부가하여 연산부를 통해 계산한 발열량을 표시하는 표시부(140)를 포함한다.
상기 적분구(100)는 일정한 구체 내에 있는 수광센서를 통해 LED에서 발산되는 빛을 받아 합산하는 측정 장치이다. 상기 적분구를 통해 빛의 발광에 의한 에너지(Poptical)를 측정할 수 있다.
상기 열전대 프로브(110)는 LED 표면 및 MCPCB의 배면 온도를 측정하기 위한 장치로서 열전대 프로브의 말단부(111)를 직접 LED 소자 또는 MCPCB에 접촉하여 측정한다. 열전대 프로브는 전기적 특성이 다른 2개의 금속 도체 또는 반도체 선의 끝점을 용접하여 제작하며 양단에 온도차가 생기면 기전력이 발생하여 전류가 흐르는 현상인 제베크 효과(Seebeck effect)를 이용한다. 그러므로 어느 한 쪽 단자의 온도를 일정하게 유지시켜 기준 온도로 삼고 열전대 프로브를 LED에 접촉하여 다른 한 쪽 단자의 온도가 바뀌는 경우 발생하는 열기전력의 수치를 측정하여 기준 온도로부터 상대적인 온도차를 결정하여 이를 통해 LED 표면 온도를 측정한다. 다만, 이 경우 열전대 프로브의 접촉으로 인하여 LED 표면의 온도에 변화가 발생한다. 그러므로 실제 LED 표면 온도(T1)와 열전대 프로브에 의해 측정된 온도(T2) 사이에는 오차가 발생한다. 이러한 오차를 보정하기 위하여 열화상카메라를 이용한다.
상기 열화상카메라(120)는 열전대 프로브의 접촉 전/후에 따른 온도 변화를 측정한다. 열전대 프로브를 LED에 접촉하기 전 열화상 카메라에 포착된 온도(T3)와 열전대 프로브를 LED에 접촉한 후 열화상 카메라에 포착된 온도(T4)의 차이(T4-T3)만큼이 열전대 프로브의 접촉으로 인한 오차이다. 오차를 보정한 이 후의 실제 LED 표면 온도(T1)를 계산하면
[수학식 1]
T1 = T2 + (T4 - T3)
이다.
위와 같은 방식으로 MCPCB의 배면 온도 또한 측정이 가능하며 열화상카메라를 이용하여 오차를 보정하면 실제 MCPCB의 배면 온도(T5)를 계산할 수 있다.
상기 연산부(130)는 적분구, 열전대 프로브, 열화상카메라 등을 통해 측정한 데이터와 LED 소자의 길이, 넓이, 열전도도, 입력전력 등을 토대로 LED의 발열량을 계산한다. LED의 발열량을 Pth, 전원에 의해 입력된 전력을 Pinput, 적분구에 의해 측정한 발광에 의한 에너지를 Poptical이라 하고, LED 표면과 MCPCB 배면의 온도 차이로 인한 내부 발열량을 PM이라 하면 LED의 발열량은
[수학식 2]
Pth = Pinput - Poptical + PM
로 계산된다.
Pinput과의 값은 Poptical은 측정에 의해 얻을 수 있는 수치이므로 PM의 값을 구하면 LED 발열량(Pth) 또한 계산이 가능하다. PM의 값은 열저항의 크기와 LED 표면 온도(T4) 및 MCPCB의 배면 온도(T5)의 차이를 통해서 계산 가능하다.
[수학식 3]
Figure 112011005129261-pat00001
Keff는 열전도도이며, Aeff는 LED의 단면적, L은 LED의 길이이고 T4는 LED의 표면 온도, T5는 MCPCB의 표면 온도이다. 열전도도, 단면적, 길이의 값은 각 소자마다 상이하나 물질 특성 및 측정에 의해서 얻을 수 있는 값이므로 상기 연산을 통하여 PM의 값을 구할 수 있고 이로부터 LED의 발열량을 도출할 수 있다.
상기 표시부(140)는 연산부를 통해 계산한 LED의 발열량을 측정자가 확인할 수 있도록 표시하는 장치이다. 표시부에는 표시 기능을 가진 다양한 단말장치가 사용될 수 있다.
도 2는 상기 열전대 프로브의 일 실시예를 도시한 도면이며 도 3은 열전대 프로브의 말단부를 정면에서 도시한 도면이고 도 4는 열전대 프로브의 말단부를 측면에서 도시한 도면이다. 종래의 열전대 프로브는 2개의 금속 도체 등을 접합시킨 것을 이용하나 본 발명에서는 2개의 금속 도체 등을 접합시킨 이 후 접합된 말단부를 절단하여 도 3 또는 도 4와 같은 형태로 제작한다. 전술한 바와 같이 말단부를 절단하는 경우 열전대 프로브 접촉을 통한 LED 표면 온도 측정시 프로브의 접촉 면적을 줄일 수 있으며 이를 통해 종래에 비하여 작은 크기의 LED의 표면 온도를 측정하는 것이 가능해진다. 말단부를 절단하는 것은 여러가지 방식이 있으며 본 발명에서는 일 실시예로서 레이저를 통하여 말단부를 절단한다. 상기 말단부의 직경 및 높이는 측정하고자 하는 LED 크기의 범위에 따라 다양하게 제작 가능하다. 본 발명에서의 일 실시예로서 W1을 50 μm 내지 500μm로, W2는 300μm 내지 2mm의 크기를 갖도록 제작한다.
도 5는 챔버 내부에서 구동하는 것을 특징으로 하는 LED 발열량 측정 장치의 일 실시예를 나타낸 사시도이다. LED 발열량 측정 장치를 특정 온도, 습도를 조절 또는 유지하도록 하는 챔버 내에서 구동하는 경우 챔버를 구비하지 않은 경우에 비하여 온도, 습도 또는 측정 장치 주변 환경의 영향에 의한 오차를 감소시킬 수 있으며, 측정자가 원하는 특정 온도, 습도 등을 조절하고 유지하도록 하므로 열전도도 또는 측정장치의 온도에 따른 특성을 계산하는 데에 있어 챔버를 구비하지 않은 경우에 비하여 정확한 계산이 가능하다.
한편, 상기 열화상 카메라 및 열전대 프로브는 XYZ 3차원 방향 모두 동작이 가능하도록 구현한다. 이와 같이 열화상 카메라 및 열전대 프로브의 위치를 조정하는 경우 측정 대상물의 위치 또는 형태에 구애받지 아니하고 온도를 측정하는 것이 가능하다.
100 적분구
110 열전대 프로브
111 열전대 프로브 말단
120 열화상 카메라
130 연산부
140 표시부

Claims (8)

  1. LED에서 발광하는 빛의 복사속(radiant flux)을 측정하는 적분구;
    LED 표면 온도 및 MCPCB(Metal Core Printed Circuit Board)의 배면 온도를 측정하는 열전대(thermocouple) 프로브;
    열전대 프로브로 LED 표면 온도 및 MCPCB의 배면 온도 측정시 열전대 프로브와 LED의 접촉으로 인한 LED 표면 온도 및 MCPCB의 배면 온도의 변화량을 감지하는 열화상 카메라; 및
    상기 LED로 입력되는 전력에서 상기 적분구에서 측정된 빛의 복사속에 의해 연산한 상기 LED의 발광에너지를 빼고, 상기 LED의 내부 발열량을 더하여 LED의 발열량을 연산하는 연산부;
    를 포함하며,
    상기 LED의 내부 발열량은 상기 열전대 프로브에서 측정한 LED 표면 온도 및 MCPCB 배면 온도를 상기 열화상 카메라에서 감지한 LED 표면 온도 및 MCPCB 배면 온도의 변화량으로 보정하여 연산하는 것을 특징으로 하는 LED 발열량 측정 장치
  2. 제 1항에 있어서, 상기 열전대 프로브는 피측정체와의 접촉면적을 조절하기 위해 복수의 금속 도체가 접합된 부분의 일부가 절단되는 것을 특징으로 하는 LED 발열량 측정 장치
  3. 제 1항에 있어서, 상기 열전대 프로브와 열화상 카메라는 동시에 또는 각각 3차원의 XYZ축 방향으로 구동되는 것을 특징으로 하는 LED 발열량 측정 장치
  4. 제 2항에 있어서, 상기 열전대 프로브와 열화상 카메라는 동시에 또는 각각 3차원의 XYZ축 방향으로 구동되는 것을 특징으로 하는 LED 발열량 측정 장치
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 LED 발열량 측정 장치는 특정 온도, 습도를 조절 또는 유지하는 챔버를 외부에 부가한 것을 특징으로 하는 LED 발열량 측정 장치
  6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 LED 발열량 측정 장치는 연산부에서 계산한 LED의 발열량을 표시하는 표시부를 부가한 것을 특징으로 하는 LED 발열량 측정 장치
  7. 제 5항에 있어서, 상기 LED 발열량 측정 장치는 연산부에서 계산한 LED의 발열량을 표시하는 표시부를 부가한 것을 특징으로 하는 LED 발열량 측정 장치
  8. LED에서 발광하는 빛의 복사속을 측정하는 단계, 열전대 프로브를 통하여 LED의 표면 온도 또는 MCPCB의 배면 온도를 측정하는 단계, 열화상 카메라를 통하여 열전대 프로브의 접촉으로 인한 LED의 표면 온도 또는 MCPCB의 배면 온도의 변화량을 감지하는 단계, 열화상 카메라를 통하여 감지한 온도 변화량을 통해 LED의 표면 온도 및 MCPCB의 배면 온도를 보정하는 단계, LED의 넓이와 길이와 열전도도를 통하여 LED의 열 저항의 크기를 계산하는 단계, 보정한 LED의 표면과 MCPCB의 배면의 온도 차이와 계산한 열 저항의 크기를 통해 LED의 내부 발열량을 계산하는 단계, LED 입력전력과 LED복사속과 LED 내부 발열량을 통해 LED 발열량을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 발열량 측정 방법
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