LED는 “차가운 광원”이라고들 합니다. 백열등처럼 뜨겁지 않다는 뜻인데, 여기서 오해가 시작됩니다.
LED에 넣은 전력의 절반 이상은 빛이 아니라 열이 됩니다. 다만 그 열이 빛과 함께 앞으로 나가지 않고 뒤쪽 기판으로 빠져나갈 뿐입니다. 그래서 손으로 만지면 덜 뜨겁지만, 내부는 훨씬 뜨겁습니다.
이 열을 제대로 빼내지 못하면 어두워지고, 색이 변하고, 수명이 줄어듭니다. 광학 설계가 아무리 좋아도 열 설계가 무너지면 결과가 무너집니다.
💡 이 글은 광학 시리즈 5단계 열과 신뢰성의 첫 글입니다. 지금까지 다룬 색온도, 색편차, 광속이 전부 온도에 묶여 있습니다. 그동안 빠져 있던 축입니다.
🔥 먼저 알아야 할 것 – LED는 얼마나 뜨거운가
발열량 계산은 단순합니다.
입력 전력 P = Vf × If
발열량 Pth = P × (1 − 광효율)
핵심은 **광효율(Wall-plug efficiency)**입니다. 넣은 전력 중 실제로 빛이 되는 비율인데, 백색 고출력 LED에서 20~50% 범위로 보고됩니다. 기술 자료에서 흔히 20~30%로 잡던 값이 제품 발전에 따라 범위가 넓어졌습니다.
| 광효율 | 발열 비율 | 3W 입력 시 발열 |
|---|---|---|
| 20% | 80% | 2.40 W |
| 30% | 70% | 2.10 W |
| 40% | 60% | 1.80 W |
| 50% | 50% | 1.50 W |
⚠️ 광효율은 제품마다, 구동 전류마다, 심지어 온도마다 다릅니다. 정확한 열 해석을 하려면 실제 사용할 LED의 광효율을 확인해야 합니다. 모르면 보수적으로 70%가 열이 된다고 가정하고 시작하세요.
⚡ 열저항 – 전기 회로와 똑같이 생각하면 된다
열이 정션(빛이 나는 반도체 접합부)에서 공기까지 빠져나가는 길에는 여러 관문이 있습니다. 각 관문이 열의 흐름을 막는 정도가 **열저항(Thermal Resistance, Rth)**입니다.
전기 회로와 완전히 같은 구조입니다.
| 전기 | 열 |
|---|---|
| 전압 V | 온도차 ΔT (℃) |
| 전류 I | 발열량 Pth (W) |
| 저항 R (Ω) | 열저항 Rth (℃/W) |
| V = I × R | ΔT = Pth × Rth |
그래서 정션 온도는 이렇게 구합니다.
Tj = Ta + Pth × ΣRth
Tj : 정션 온도 (℃)
Ta : 주위 온도 (℃)
Pth : 발열량 (W)
ΣRth: 경로상 모든 열저항의 합 (℃/W)
직렬 저항처럼 그냥 더합니다. 그리고 저항 하나만 커도 전체가 막히는 것도 전기와 같습니다.
📋 구간별 열저항
| 구간 | 기호 | 결정 요인 |
|---|---|---|
| 정션 → 케이스 | Rth j-c | LED 자체 구조. 데이터시트에 표기 |
| 케이스 → 기판 | Rth c-s | 솔더링 품질, MCPCB 종류 |
| 기판 → 히트싱크 | TIM | 방열 패드·그리스의 열전도율, 두께 |
| 히트싱크 → 공기 | Rth s-a | 히트싱크 크기·형상, 공기 흐름 |
📌 Rth j-c만 LED 제조사가 보증하는 값입니다. 나머지 세 구간은 전부 설계자가 만드는 값입니다. 열 문제의 책임 소재가 대부분 여기 있습니다.
🔬 Rth j-c는 어떻게 측정될까
데이터시트의 Rth j-c는 임의로 적은 값이 아니라 규격에 따라 측정한 값입니다. JEDEC JESD51-14의 과도 이중 계면법(Transient Dual Interface Method)이 널리 쓰이며, LED를 냉각판에 부착한 상태에서 측정합니다.
한 가지 주의할 점이 있습니다. 데이터시트에 “Electrical”과 “Real” 두 가지 열저항이 함께 표기되는 경우, 디레이팅 계산에는 Electrical 값을 쓰도록 안내하는 제조사가 있습니다. 두 값이 다르면 어느 쪽을 쓰라는 안내가 있는지 확인하세요.
🧮 실제로 계산해보기 – 검사용 바 조명
개념만으로는 감이 안 오니 실제 사례로 계산해보겠습니다.
조건
- LED 24개, 각 3.1V × 0.7A
- 광효율 30%
- 입력 전력 = 24 × 3.1 × 0.7 = 52.1 W
- 발열량 = 52.1 × 0.70 = 36.5 W
LED가 여러 개면 각 LED의 Rth j-c는 병렬이 됩니다. 24개가 열을 나눠 감당하므로 유효 열저항은 1/24이 됩니다.
Rth j-c (유효) = 3.0 ÷ 24 = 0.125 ℃/W
Rth c-s (유효) = 1.5 ÷ 24 = 0.063 ℃/W
이제 히트싱크만 바꿔가며 정션 온도를 봅니다.
| 히트싱크 Rth | 총 Rth | Tj (주위 25℃) | 판정 |
|---|---|---|---|
| 5.0 ℃/W | 5.19 | 214.1℃ | 파손 수준 |
| 3.0 ℃/W | 3.19 | 141.2℃ | 초과 |
| 2.0 ℃/W | 2.19 | 104.7℃ | 주의 |
| 1.5 ℃/W | 1.69 | 86.5℃ | 주의 |
| 1.0 ℃/W | 1.19 | 68.3℃ | 여유 |
| 0.6 ℃/W | 0.79 | 53.7℃ | 여유 |
📌 Python으로 계산한 값입니다. Rth 값은 설명용 예시이며 실제 제품 수치가 아닙니다.
히트싱크 하나로 정션 온도가 54℃에서 214℃까지 벌어집니다. LED도, 광학계도, 구동 전류도 전부 같은데 말입니다.
🔒 밀폐 기구라면 더 나빠집니다
검사 장비 안에 들어가는 조명은 주위 온도가 25℃가 아닙니다. 기구 내부가 45℃라고 가정하면 이렇게 바뀝니다.
| 히트싱크 Rth | Tj (주위 45℃) |
|---|---|
| 3.0 ℃/W | 161.2℃ |
| 2.0 ℃/W | 124.7℃ |
| 1.0 ℃/W | 88.3℃ |
주위 온도 20℃ 차이가 그대로 정션 온도에 더해집니다. 개방 환경에서 통과한 설계가 기구에 넣으면 실패하는 흔한 이유입니다.
🎯 실무에서 쓰는 역산 공식
설계할 때는 반대 방향이 더 유용합니다. 목표 Tj를 정해놓고 히트싱크를 고르는 것입니다.
Rth_sa ≤ (Tj_목표 − Ta) ÷ Pth − (Rth_jc + Rth_cs)
위 조건(발열 36.5W)에 대입하면 이렇습니다.
| 목표 Tj | 주위 25℃ | 주위 45℃ |
|---|---|---|
| 85℃ | Rth ≤ 1.46 ℃/W | Rth ≤ 0.91 ℃/W |
| 100℃ | Rth ≤ 1.87 ℃/W | Rth ≤ 1.32 ℃/W |
| 110℃ | Rth ≤ 2.14 ℃/W | Rth ≤ 1.60 ℃/W |
이 숫자를 들고 히트싱크를 고르면 됩니다. 히트싱크 카탈로그에는 Rth 값이 적혀 있습니다.
🌡️ 케이스 온도로 Tj 추정하기
정션 온도는 직접 측정할 수 없습니다. 반도체 내부이기 때문입니다. 그래서 실무에서는 측정 가능한 케이스 온도(Tc)로 역산합니다.
Tj = Tc + Pth × Rth_jc
| 측정한 Tc | 추정 Tj (LED 1개, 발열 2.1W, Rth j-c 3.0) |
|---|---|
| 50℃ | 56.3℃ |
| 60℃ | 66.3℃ |
| 70℃ | 76.3℃ |
| 80℃ | 86.3℃ |
💡 양산 검증에서 쓰는 방법입니다. 열전대나 서미스터로 케이스 온도만 재면 정션 온도를 추정할 수 있습니다. LED 데이터시트에 케이스 측정 지점(Tc point)이 지정되어 있으니 그 위치에서 재야 합니다.
⚠️ 온도가 올라가면 무엇이 나빠지나
1. 어두워집니다
정션 온도가 오르면 광속이 줄어듭니다. 이건 일시적인 현상이라 온도가 내려가면 회복되지만, 켜놓고 쓰는 조명은 계속 그 상태입니다.
| Tj | 상대 광속 (가상 모델, −0.3%/℃ 가정) |
|---|---|
| 25℃ | 100% |
| 50℃ | 92.5% |
| 85℃ | 82.0% |
| 125℃ | 70.0% |
⚠️ 위 계수는 설명용 가정입니다. 실제 온도 계수는 LED 색상과 제품에 따라 크게 다르며, 적색 LED는 백색보다 훨씬 민감합니다. 반드시 해당 제품 데이터시트의 온도 특성 그래프를 확인하세요.
2. 색이 변합니다
형광체 특성이 온도에 따라 달라져 색온도와 Duv가 이동합니다. 매캐덤 글에서 다룬 핫 비닝이 필요한 이유가 이것입니다. 상온에서 3-step으로 맞춰도 뜨거워지면 벗어날 수 있습니다.
3. 수명이 줄어듭니다
가장 치명적입니다. LED는 갑자기 꺼지는 게 아니라 서서히 어두워지는데, 그 속도가 정션 온도에 크게 좌우됩니다. 이건 다음 글에서 자세히 다루겠습니다.
📉 디레이팅 – 전류를 줄이는 것도 방법입니다
열이 안 빠지면 넣는 걸 줄이는 것도 선택지입니다. 데이터시트의 **디레이팅 곡선(Derating Curve)**이 이걸 알려줍니다. 케이스 온도가 높아질수록 허용 전류가 줄어드는 그래프입니다.
| 구동 전류 | 입력 | 발열 | Tj (총 Rth 9.5 기준) |
|---|---|---|---|
| 1.00 A | 3.00 W | 2.10 W | 44.9℃ |
| 0.70 A | 2.10 W | 1.47 W | 39.0℃ |
| 0.50 A | 1.50 W | 1.05 W | 35.0℃ |
| 0.35 A | 1.05 W | 0.73 W | 32.0℃ |
💡 전류를 절반으로 줄여도 광속은 절반보다 덜 줄어듭니다. 낮은 전류에서 LED 효율이 더 좋기 때문입니다. “LED 개수를 늘리고 전류를 낮추는” 설계가 총 효율과 수명 양쪽에서 유리할 때가 많습니다. 다만 부품비와 기판 면적이 늘어납니다.
❓ 자주 하는 오해 3가지
오해 1. “LED는 열이 안 난다” → 열이 앞으로 안 나올 뿐입니다. 백열등은 적외선으로 열을 앞으로 방출하지만, LED는 뒤쪽 기판으로 뺍니다. 입력 전력 대비 발열량은 오히려 절반 이상입니다.
오해 2. “히트싱크가 크면 무조건 좋다” → 크기보다 Rth 값이 기준입니다. 공기 흐름이 없으면 큰 히트싱크도 성능이 크게 떨어집니다. 밀폐 기구에서는 히트싱크를 키우는 것보다 기구 밖으로 열 경로를 만드는 것이 효과적일 수 있습니다.
오해 3. “만져서 안 뜨거우면 괜찮다” → 케이스가 60℃면 정션은 이미 그보다 훨씬 높습니다. 위 표에서 Tc 60℃일 때 Tj는 66℃였지만, 이건 LED 1개 기준입니다. 고출력 제품은 차이가 수십 ℃까지 벌어집니다.
✅ 한눈에 정리
| 항목 | 핵심 내용 |
|---|---|
| 발열량 | Pth = Vf × If × (1 − 광효율) |
| 광효율 | 백색 고출력 LED에서 20~50% 보고 |
| 정션 온도 | Tj = Ta + Pth × ΣRth |
| 열저항 단위 | ℃/W. 직렬로 더해짐 |
| 제조사 보증 | Rth j-c만. 나머지는 설계자 책임 |
| 측정 규격 | JEDEC JESD51-14 (과도 이중 계면법) |
| 역산 공식 | Rth_sa ≤ (Tj−Ta)/Pth − (Rth_jc + Rth_cs) |
| 실무 추정 | Tj = Tc + Pth × Rth_jc |
| 온도의 영향 | 광속 감소, 색 이동, 수명 단축 |
| 대안 | 디레이팅(전류 감소), LED 개수 증가 |
🎯 오늘 바로 확인해볼 것
- 사용 중인 LED 데이터시트에서 Rth j-c와 Tj_max를 찾아보세요. 이 둘이 열 계산의 출발점입니다.
- 입력 전력 × 0.7로 발열량을 어림한 뒤, 위 역산 공식으로 필요한 히트싱크 Rth를 구해보세요.
- 이미 만든 제품이 있다면 케이스 온도를 실제로 재보세요. 정상 동작 30분 후 안정된 값을 기준으로, Tj를 역산해 여유가 있는지 확인할 수 있습니다.
- 기구 안에 들어가는 제품이라면 기구 내부 온도도 함께 재세요. 주위 온도가 설계 가정과 다르면 계산 전체가 틀어집니다.
📚 함께 읽으면 좋은 글
- 🎯 매캐덤 타원(MacAdam)과 LED 비닝 — 온도에 따라 색이 이동하는 문제. 핫 비닝이 왜 필요한지 다룹니다.
- 🌡️ 색온도(CCT)와 흑체궤적 완벽정리 — 온도가 바꾸는 CCT와 Duv의 기초 개념입니다.
- 🔮 적분구와 조도계·휘도계의 차이 — 광속 감소를 실제로 측정하려면 어떤 장비가 필요한지 정리했습니다.
- 🔦 2차 렌즈(Secondary Optics) 설계 개념 — 렌즈 재질의 내열 한계도 열 설계의 일부입니다.
다음 글에서는 광속유지율(L70/L80)과 LED 수명을 다룹니다. 정션 온도가 수명을 얼마나 좌우하는지, 데이터시트의 “50,000시간”이 무슨 뜻인지 정리하겠습니다.