LED 방열판 선택: 루멘 및 수명을 위한 크기 산정

Feb 13,2025

LED 방열판 선택: 루멘 출력과 수명을 위한 크기 산정

LED 방열판은 와트만이 아니라 접합 온도로 크기를 산정하세요. 85°C 접합 온도에서 작동하는 백색 LED는 초기 루멘 출력의 약 90%를 36,000~60,000시간 동안 유지합니다. 그러나 120°C로 올리면 동일한 LED는 훨씬 짧은 시간에 루멘 유지율 70%로 떨어집니다. 효율이 30%인 100W LED 모듈은 약 70W의 열을 방출합니다. 방열판이 조명 기구가 5년 또는 15개월 중 어느 쪽을 견딜지 결정합니다.

LED는 백열등에 비해 효율적이지만 여전히 열이 먼저 발생합니다. 일반적인 백색 LED에 입력되는 전력의 약 2/3는 빛이 되지 못하고 열이 되어 접합부를 떠나야 하며, 그렇지 않으면 칩이 열화됩니다. 루멘 출력, 색 안정성, 수명은 모두 접합 온도에 따라 놀라울 정도로 일관되게 변화하므로 방열판 선택은 사실상 온도 예산 책정 작업입니다. 이 가이드는 실제 수치로 계산 과정을 안내합니다.

열이 수명을 결정하는 이유: 루멘 감쇠 계산

모든 LED 데이터시트에는 LM-80 보고서가 포함되어 있습니다: 제어된 케이스 온도에서 측정된 루멘 유지율을 TM-21에 따라 L70 또는 L90 수명(출력이 초기 값의 70% 또는 90%로 떨어질 때까지의 시간)으로 외삽한 것입니다. 동일한 칩이라도 온도가 다르면 수명이 크게 달라집니다. 중간 전력 백색 LED의 일반적인 값:

접합 온도	일반적인 L70 수명	일반적인 L90 수명
70°C	80,000~100,000시간 이상	~36,000~50,000시간
85°C	50,000~70,000시간	~25,000~36,000시간
100°C	30,000~45,000시간	~12,000~20,000시간
120°C	15,000~25,000시간	~6,000~10,000시간

핵심: 접합 온도를 10~15K 낮출 때마다 발광 소자의 유효 수명이 약 두 배로 늘어납니다. 사양이 50,000시간 조명 기구를 요구한다면 접합 온도가 약 85°C 이하가 되어야 하며, 이 목표는 방열판 크기에 직접 반영됩니다.

1단계: 전기 와트를 열 와트로 변환

제조업체는 LED를 루멘과 입력 와트로 표시하지만, 이는 방열판이 처리해야 하는 실제 수치를 숨깁니다. 전력에서 빛을 빼면: 150lm/W 모듈은 입력의 약 30%를 빛으로 변환하므로 70%가 열이 됩니다. 효율이 낮거나 형광체가 많은 칩은 더 나쁩니다.

LED 입력 전력	광 효율	방열판으로 가는 열
50W	35% (고효율)	~32W
100W	30% (일반적인 중간 전력)	~70W
150W	25% (구형/고연색성)	~112W
200W (COB 어레이)	30%	~140W

핵심: 열을 계산할 때 마케팅 루멘 수치가 아닌 모듈 데이터시트의 광 효율을 사용하세요. 광 효율을 50%로 가정하여 열을 과소평가하는 것은 LED 조명 기구 설계에서 가장 흔한 크기 산정 오류로, 냉각 여유를 조용히 절반으로 줄입니다.

2단계: 접합 온도 목표를 달성하기 위한 전체 열 체인 예산 책정

열은 다이에서 일련의 저항을 통해 빠져나갑니다: 패키지 내부의 접합부에서 납땜 지점까지, 보드를 통해, 열 인터페이스 재료를 통해, 방열판 베이스로, 그리고 공기 중으로. 먼저 접합 온도 목표를 결정하고(장수명 설계의 경우 85°C), 최대 주변 온도를 빼고, 열 와트로 나누면 총 예산이 나옵니다. 이 예산의 일반적인 분포:

저항 단계	일반적인 값 (MCPCB의 COB)
접합부에서 케이스까지 (Rth j-c)	0.3~0.6K/W
케이스에서 보드 + TIM	0.1~0.3K/W
보드에서 방열판 베이스까지	0.1~0.2K/W (양호한 TIM)
방열판에서 주변 공기까지	나머지, 핀으로 크기 결정

계산 예: 100W 모듈, 70W 열, 25°C 주변 온도, 허용 접합 온도 85°C. 총 예산은 (85-25)/70 ≈ 0.86K/W입니다. 패키지 및 인터페이스 단계가 약 0.6~0.8K/W를 소비하므로 방열판에는 약 0.1~0.3K/W만 남습니다. 이는 대형 수동 압출 또는 적당한 팬 냉각 장치가 필요함을 의미합니다. 이것이 고전력 COB 조명 기구가 보기보다 부피가 큰 이유입니다. 방열판은 70W를 방출하면서 주변 온도보다 약 20°C 높은 수준을 유지해야 합니다.

3단계: 실제 조명 기구를 위한 크기 산정 경험 법칙

자연 대류 알루미늄 방열판의 경우 두 가지 경험 법칙이 대부분의 LED 설계를 좁힙니다. 수동 압출 방열판은 합리적인 온도 상승을 유지하기 위해 열 와트당 약 50~80cm²의 노출된 핀 표면적이 필요하며, 질량 기준으로는 일반적인 압출 프로파일의 경우 열 와트당 약 60~100g의 알루미늄이 필요합니다. 강제 공기는 둘 다 약 절반으로 줄입니다. 실제 방열판을 생략한 컴팩트한 교체형 램프는 온도가 상승함에 따라 드라이버가 전류를 낮추는 방식에 의존합니다. 이것이 한 시간 후 루멘 출력이 떨어지는 이유입니다.

조명 기구 유형	일반적인 냉각 방식	방열판 규모 (열 W 기준)
9~15W GU10/교체형	주조 또는 스탬핑 본체, 수동	총 본체 30~50g
20~40W 다운라이트	다이캐스트 또는 압출 컵, 수동	40~80g
60~150W 가로등	대형 압출 또는 본딩 핀, 수동	60~100g/W
100~300W 하이베이	압출 + 팬 또는 원격 드라이버	40~60g/W + 팬

핵심: 100W 수동 가로등 헤드의 알루미늄 무게가 약 2.5~3kg 미만이라면 광택 브로셔를 믿기 전에 다시 계산하세요. 더 적은 금속으로 냉각하는 비법 합금은 없습니다. 자연 대류의 물리 법칙은 냉혹합니다.

실질적인 여유를 더하는 재료 및 마감 선택

합금은 경계 조건에서 중요합니다. 6063-T5는 약 200W/m·K의 열전도율을 가지며 압출 방열판의 표준입니다. 6061-T6는 155~170W/m·K로 하우징이 기계적 하중을 견뎌야 할 때 선택됩니다. 자세한 비교는 6063 vs 6061 가이드를 참조하세요. 검정 아노다이징은 높은 방열판 온도에서 약간의 복사 방열을 돕지만, 대부분의 LED 조명 기구에서 실제 가치는 부식 방지와 균일한 방사율입니다.

대량 생산 조명 기구 본체의 경우 스탬핑 방열판과 다이캐스트 하우징은 열 요구 사항이 적당하고 형상이 공정에 적합할 때 비용 면에서 유리합니다. 스탬핑 알루미늄 본체는 보드로의 열 경로가 좋으면 10~20W의 열을 적절히 처리할 수 있습니다. 그 이상은 압출로 전환해야 합니다. 선택은 볼륨과 열에 의해 결정되며, 두 라인을 모두 운영하는 공장은 수량에 따라 어느 쪽이 더 저렴한지 알려줄 수 있습니다.

방열판 공장에 보내야 할 것

루멘 목표가 아닌 실제 열 데이터를 가져오세요. 보낼 항목: LED 모듈 전력 및 광 효율 또는 측정된 열 와트, 허용 최대 접합 또는 케이스 온도, 주변 온도 범위 및 IP 인클로저 세부 사항(밀폐된 하우징은 대류를 차단함), 필요한 치수 및 장착 구멍 패턴, 공기 흐름 여부. 완전한 열 사양을 제공하면 공장이 처음부터 프로파일을 올바르게 크기 산정할 수 있습니다. 도면이 모호할 때는 가정이 들어가지 않도록 명확히 말하세요. BQUQ는 ISO9001 인증 아래 압출, CNC, 스탬핑 방열판 라인을 운영하며 12시간 이내에 견적을 제공하지만, 견적의 정확성은 열 수치에서 시작됩니다.

자주 묻는 질문

Q: LED 조명 기구를 설계할 때 접합 온도는 얼마로 해야 하나요?

A: 장수명 제품의 경우 최대 주변 온도에서 85°C 이하를 목표로 하세요. 85°C에서 일반적인 백색 LED는 L70을 50,000~70,000시간 동안 유지합니다. 그 이상 10~15K마다 수명이 약 절반으로 줄어들므로 100°C 이상 설계는 일반적으로 수명이 짧습니다.

Q: LED 와트를 방열판이 제거해야 하는 열로 어떻게 변환하나요?

A: 전기 입력에서 빛을 빼세요. 광 효율 30%의 100W 모듈은 약 70W의 열을 발생시킵니다. 모듈 데이터시트의 광 효율을 사용하세요. 50%로 가정하는 것은 조명 기구를 절반으로 과소 설계하게 만드는 전형적인 오류입니다.

Q: 100W LED 가로등에 왜 그렇게 무거운 방열판이 필요한가요?

A: 약 70W를 수동으로 방출하면서 85°C 접합 온도를 유지하려면 허용 온도 상승이 10~20K에 불과하기 때문입니다. 자연 대류는 열 와트당 약 50~80cm²의 핀 표면적이 필요하므로 2.5kg 이상의 알루미늄을 가진 대형 압출이 정상적인 물리 법칙이며 과잉 설계가 아닙니다.

Q: 스탬핑 또는 다이캐스트 하우징이 LED용 압출 방열판을 대체할 수 있나요?

A: 열이 적당할 때(자유 공기 중 본체당 약 15~25W까지) 가능합니다. 그 이상에서는 압출 핀이 비용 대비 효과가 있습니다. 전환점은 수량과 외형에 따라 달라집니다. 스탬핑과 압출 라인을 모두 운영하는 공장은 부품에 대한 두 경로의 비용을 모두 산정할 수 있습니다.

Q: 검정 아노다이징이 LED 방열판 성능을 실제로 향상시키나요?

A: 약간 향상시킵니다. 표면 방사율을 높여 복사를 돕지만, 주로 높은 방열판 온도와 밀폐된 공간에서 중요합니다. 대부분의 LED 조명 기구에서 실제 가치는 극적인 열적 이득보다는 내식성과 균일하고 내구성 있는 마감입니다.