엘머로 해 보는 열전달 해석 Ⅰ

이번 호부터 엘머(Elmer)로 열전달 현상을 해석해 보기로 하자. 3회에 걸쳐 전도(Conduntion), 대류(Convection), 복사(Radiation) 현상을 각각 시뮬레이션해 보고, 실무에 적용하기 위해 어떤 준비가 필요한지도 자연스럽게 습득하기로 한다.
이번 호에서는, 고출력 LED를 발열원으로 한 다물체 열전도 현상을 모델링하여 다루어 보기로 한다. 아울러, 보다 편리하게 다물체 모델의 메시를 생성할 수 있도록 살로메의 파이썬 스크립트를 간단하게 작성하여 활용해 보는 과정도 함께 해 본다.

김동호 | 대진디엠피 헬스케어사업부의 개발파트장으로 의료기기 및 헬스케어 제품 개발을 하고 있다. 역동적으로 혁신을 주도하고 있는 오픈소스 소프트웨어 생태계로부터 새로운 방법론과 기술을 얻어 차세대 제조업의 새로운 돌파구를 찾아내는데 관심을 갖고 있다.
E-mail | Dymaxion.Kim@gmail.com
홈페이지 | http://dymaxionkim.github.io

1. 시스템 모델
LED 발광소자의 효율(입력된 전기 에너지 대비 출력 빛 에너지로 변환되는 비율)은 대략 10~30% 정도 수준이다. 이는 기존의 백열램프나 형광등보다 훨씬 좋은 효율이며, 고전압 HID 램프와 비슷한 수준으로 알려져 있다. 빛을 제외한 나머지 에너지는 대부분 발열의 형태로 소산된다. 발생된 열은 대부분 LED 소자와 맞닿은 부분을 거쳐 히트싱크까지 열전도로 전달된다.(히트싱크 이외 부분의 대류 및 복사 열전달은 상대적으로 작기 때문에 무시할 만하다.)
LED 발광소자가 비록 고출력이라 하더라도, 최대 1~수W 수준에 불과하다. 따라서 강력한 빛을 얻기 위해서 여러 개의 LED 발광소자를 기판 위에 배치햐여 설계하는 것이 일반적이다.
LED 발광체는 일반적으로 LED 패키지 조립체로 판매된다. LED 패키지는 크기와 형태별로 매우 다양한데, 본 예제에서는 5054 규격의 패키지를 상정하기로 한다.
LED 패키지 내부의 발광체에서 발생한 열이 최대한 기판까지 잘 전달될 수 있도록, LED 패키지는 열전달 성능을 고려하여 설계된다. 다만, 제조사와 사양에 따라 같은 규격의 패키지라 하더라도, 패키지 내부의 구조와 재료는 역시 매우 다양하다. 따라서 LED 패키지의 열 문제를 정확하게 다루기 위해서는, 패키지의 정확한 형상과 재료들의 물성을 알아야 할 필요가 있다. 즉 LED 패키지 자체를 설계할 때는 그 자체를 상세하게 모델링하여 열문제를 다룰 수 있을 것이다.
그러나, LED 패키지 내부의 설계정보가 없는 사용자의 경우에는, 비록 오차가 있더라도 LED 패키지 모델을 단순화하여 근사적인 모델로 구성하고, 여러 개의 패키지를 사용하여 구성한 기판과 히트싱크 부분의 상태에 관심이 있을 수 있다. 이 때는 패키지 모델을 최대한 단순화하여 문제를 다룰 수 있을 것이다.

그림 1