LED 규격서 분석

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조명용 고출력 LED
1. 삼성전자, LH351D
  1. 홈 페이지 https://www.samsung.com/led/lighting/high-power-leds/3535-leds/lh351d/
    1. 최대 소비전력 9.8W @3.0A, 공칭 소비전력(typical) 3.0W @1050mA
    2. 광속(Luminous Flux) 460lm@1050mA
  2. 데이터 시트 - 2020년 5월 홈 페이지에서, Lighting 제품군 - High Power - 3535 - LH351D - 27p
  3. 표지에서
    1. 데이터 시트에서
    2. 개정판 9.3 - 내용을 무척 많이 수정했다.
    3. 85도씨에서 전기적, 광학적 특성을 측정해서 등급별로 분류했다.
  4. 절대 최대 사용조건
    1. 데이터 시트에서
    2. 사용온도 -40도~+105도
      1. 사용온도는 이 제품이 놓이는 주변 공기 온도를 말한다.
      2. 105도는 이곳에만 등장한다. 그러므로 문제가 있다.
    3. 접합온도 150도
      1. PN junction 위치에서 최대 허용온도를 말한다.
      2. 150도를 넘지 않게 사용전류를 조정해야 한다. 방열을 잘하면 사용전류를 많이 흐르게 할 수 있다.
      3. 방열 능력(최대 사용전류 결정)을 평가하기 위해서는 이 접합온도를 측정해야 판단할 수 있다.
  5. 공칭(typical) 특성 V-I 그래프
    1. 데이터 시트에서
    2. 공칭전류 1050mA를 위해서는 약 2.9V가 필요하다. -> 3.0W 소비전력
    3. 최대전류 3000mA를 위해서는 약 3.3V가 필요하다. -> 10W 소비전력
  6. 전기-광학 특성
    1. 데이터 시트에서
    2. 접합온도 85도에서 1050mA 흘려주면 forward voltage(Vf)는 2.6~3.2V이다.
      1. 해석
        
        접합온도를 85도 유지하기 위해서는 이 제품을 85도씨에서 측정해야 한다.
      2. 문제
        
        인가전력에 의해 접합이 (+0.1도씨 이상) 뜨거워지면 안되므로 측정 에너지를 낮추어야 한다.
        power dissipation factor는 열저항 역수이므로 아래, 2.2도/W의 역수인 0.45W/C이다.
        0.1도 상승은 0.045W이다. 그런데 측정을 위해 1050mA x ~3V = 3W 이므로 6.6도 상승 효과를 갖는다.
        DC로 긴 시간을 가해 측정하면 측정중 6.6도 상승하므로 85도 + 6.6도 = 92도에서 측정한 결과값이 나온다.
      3. 해결
        
        짧은 시간동안 측정한다.
        3W, 10ms동안 인가하여 측정한다면 에너지인 0.03 joule이 소모된다.
        제품 체적 3.5x3.5x2.33mm(높이 반구) 이지만
        
        10msec 동안 열전달은 GaN 칩과 알루미나 기판에서만 일어난다고 가정하면
        칩 체적(가정) 2x2x0.2 = 0.0008cm^3, 밀도 6.15g/cm^3, 무게: 5mg
        기판 체적(가정) 3.5x3.5x0.43 = 0.005cm^3, 밀도 3.9g/cm^3, 무게: 20mg
        GaN(Gallium nitride) 비열(Specific heat) 0.49 J/gK
        알루미나 비열(Specific heat) 0.9 J/gK
        
        열용량 = 비열 x 질량 x 온도차 인데, 알루미나 기판만을 고려
        
        0.03J = (0.49 J/gK) x (0.02g) x K
        K = 3도씨, 즉 3도씨 상승한다.
        
        10msec 동안 3W 인가하는 것(0.03주울)도 접합온도를 1도씨 상승시킬 수 있다. 더 짧게 측정해야 한다.
        
        Keithly 2601B 소스미터 pluse 모드는 10A 10V에서 최소 10usec 펄스로 측정이 가능하다.
        즉, 위 10msec 측정보다 발열에너지를 1/1000 소모하므로 접합온도를 ~0.01도 상승시키는 것에 불과하다.
    3. 열저항(납땜지점에서 접합까지)은, 접합온도 25도씨에서 2.2도/W이다.
      1. 여기서 W는 인가전력이라고 가정한다.
        
        즉, 인가전력 중 빛으로 변환되고 남은 순수하게 열로 변환되는 것이 아니라고 생각한다.
        만약 투입에너지의 50%가 빛으로 변환되면 50%만 열로 바뀔 것이다.
      2. 이 제품의 최대인가전력이 10W이므로 납땜지점을 아무리 잘 식혀도 접합온도는 납땜지점에 비해 22도 상승된다.
        
        이 말은 최대 접합온도가 150도까지 이므로, 3A(10W)에서는 납땜지점에서의 온도를 150-22=128도 이상 사용하지 말라는 뜻이다.
        어떠한 경우에도(아무리 방열을 잘해도) 이 제품의 주변온도는 128도 넘기지 말라는 뜻이다.
        그러면 최대 사용온도는 128도가 되는데, 규격서에는 105도로 되어 있다.(????????)
  7. derating 커브(부하경감 곡선)
    1. 데이터 시트에서
    2. 방열 기술자에게 제공하는 그래프이다.
      1. Rth(j-a) 은 열저항(접합-주변온도)의 약자이다.
      2. 파랑그래프는 열저항 5도/W로 설계된 방열시스템인 경우이다.
        
        10W 소모하므로, 5도/W에 곱하면 50도가 된다.
        즉, 주변온도에 비해 접합온도가 50도 상승하게 설계된 방열시스템을 말한다.
        허용 접합온도를 150도이므로 50도를 빼면 100도까지만 주변온도에서 사용하라는 뜻이다.
      3. 오렌지색은 10도/W이므로 10W를 곱하면 100도씨이므로 주변온도가 50도까지만 3A(10W)를 인가하라는 뜻이다.
      4. 검정은 15도/W이므로 10W인가하면 150도씨 올라가므로 주변온도를 0도까지만 3A인가해야 한다.
    3. 즉, 조명 기술자(LED 조명 설계자)는 이 제품을 사용하는 방열시스템의 열저항을 알아야 한다.
      1. 열저항을 낮게 설계해야 주변온도가 상승해도 충분한 전력을 공급해서 밝기를 유지할 수 있다.
      2. 주변(공기)온도는 쉽게 측정할 수 있다.
      3. 그런데 접합온도를 측정하는 것은 쉽지 않다. 접합온도를 측정하지 못하면 조명 시스템을 설계할 수 없다.
  8. 신뢰성 시험 규격
    1. 데이터 시트에서
    2. room temperature life test에서
      1. 어떻게 25도씨를 유지하면서 최대전류 3A, 10W를 인가해야 하는지 모르겠다.
        
        이 25도가 주변온도라면, 접합온도가 150도씨가 넘지 않게 어떤 방법을 취해야 한다.
        이 취해야 할 방법에 따라 고장(접합온도가 150도 초과)이 날수도 안날수도 있기 때문이다.
      2. 물어보자.