자동차 애플리케이션용 고휘도 LED의 액체 냉각

이 소개 자료는 "[출판 저널/학회명 명시되지 않음 (유사 참고문헌 기반 EuroSimE 학회 프로시딩으로 추정)]"에서 발행한 "[LIQUID COOLING OF BRIGHT LEDS FOR AUTOMOTIVE APPLICATIONS]" 논문을 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

• 제목: LIQUID COOLING OF BRIGHT LEDS FOR AUTOMOTIVE APPLICATIONS (자동차 애플리케이션용 고휘도 LED의 액체 냉각)
• 저자: Yan Lai, Nicolás Cordero, Frank Barthel, Frank Tebbe, Jörg Kuhn, Robert Apfelbeck, and Dagmar Würtenberger
• 발행 연도: 제공된 발췌본에 명시되지 않음 (참고문헌 기반 2006년 또는 그 이후로 추정).
• 발행 저널/학회: 제공된 발췌본에 명시되지 않음 (참고문헌 기반 EuroSimE 학회 프로시딩으로 추정).
• 키워드: LEDs, automotive headlights, thermal management, liquid cooling, active cooling, CFD, heat sink optimisation.

2. 초록:

GaN 기반 재료 기술의 발전과 함께, 고휘도 백색 발광 다이오드(LED)는 지난 몇 년간 급성장했으며, 옥외 조명, 작업 및 장식 조명뿐만 아니라 항공기 및 자동차 조명과 같은 많은 새로운 조명 애플리케이션에서 매우 유망한 것으로 나타났습니다. 본 논문의 목적은 자동차 헤드라이트 애플리케이션에서 이러한 LED의 능동 액체 냉각 솔루션을 연구하는 것입니다. 본 연구에서는 소자에서 보드, 시스템 수준까지의 열 설계를 수행했습니다. 공랭식 및 수동 액체 냉각 방식은 부적합한 것으로 조사되어 제외되었으며, 따라서 능동 액체 냉각 솔루션이 선택되었습니다. 능동 액체 냉각 시스템의 여러 구성을 연구하고 최적의 열 성능을 찾기 위한 최적화 작업이 수행되었습니다.

3. 서론:

발광 다이오드(LED)는 작은 패키지 크기, 스타일링 유연성 및 백열등 광원보다 우수한 성능으로 인해 오늘날 브레이크 등, 방향 지시등 및 미등과 같은 많은 자동차 외장 조명에 널리 사용됩니다. 더 높은 광 출력 패키지의 개발과 함께, 차량 전방 조명 애플리케이션을 위한 백색 LED 광원의 사용이 고려되기 시작했습니다. LED의 많은 특성이 차량 전방 조명에 매우 유망한 광원으로 만들었지만, 자동차 헤드램프로서 백색 LED의 사용은 아직 초기 단계입니다. 현재 LED는 일부 컨셉트카에서만 전방 조명으로 등장했으며, 헤드라이트 애플리케이션용으로 맞춤화된 LED는 없습니다.

현재 LED는 양산 차량에 사용하기에는 루멘 출력이 부족한 고비용 솔루션입니다. 법적 요구 사항은 램프당 750lm을 규정하고 있지만, 현재 고휘도 LED의 평균 출력은 40lm/W에 불과하므로 이 표준을 충족하려면 더 많은 LED와 더 높은 구동 전력이 필요합니다.

광 출력 요구가 증가함에 따라 LED의 구동 전력은 지속적으로 증가합니다. LED 패키징의 열 관리는 이러한 장치의 효율성, 성능 및 신뢰성에 큰 영향을 미치므로 점점 더 중요해지고 있습니다. 다이오드 접합 온도가 증가하면 LED 효율이 감소하고 방출 파장이 변합니다. 따라서 최적의 효율 작동과 작은 색상 변화를 위해 LED 작동 온도는 최대 작동 온도(예: < 125 °C)보다 훨씬 낮게 유지되어야 합니다. 이를 달성하기 위해 열 솔루션은 포괄적이어야 하며 소자, 패키지, 보드 및 시스템 수준의 모든 수준에서 열 문제를 해결해야 합니다. 본 애플리케이션에서는 상용으로 이용 가능한 베어 다이(bare die) 고휘도 LED가 사용됩니다. 적절한 열 관리 솔루션을 찾기 위해 모든 수준에서 전산 유체 역학(CFD)을 사용한 열 시뮬레이션이 수행되었습니다. 열 관리 솔루션의 설계는 상용 CFD 소프트웨어 FloTherm [2]을 사용하여 지원되었습니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

자동차 애플리케이션, 특히 전방 조명용 고휘도 LED의 채택 증가는 상당한 열 관리 문제를 야기합니다. 더 높은 광 출력 요구는 전력 소비 및 열 발생 증가로 이어지며, 이는 효과적으로 관리되지 않으면 LED 성능, 효율성 및 신뢰성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

이전 연구 현황:

이전의 노력들은 LED가 차량 전방 조명에 유망하지만, 표준 생산을 위한 높은 비용과 불충분한 루멘 출력과 같은 문제에 직면했음을 나타냈습니다. 효율성을 보장하고 색상 변화를 방지하기 위해 LED 접합 온도를 최대 한계(예: 125°C) 미만으로 유지하는 것의 중요성은 잘 확립되어 있었습니다. 열 솔루션은 소자, 패키지, 보드 및 시스템 수준을 포괄하는 포괄적인 필요성이 인식되었으며, 종종 설계 및 분석을 위해 CFD를 사용했습니다.

연구 목적:

본 연구의 주요 목적은 자동차 헤드라이트에 사용하기 위한 고휘도 LED용 능동 액체 냉각 솔루션을 조사, 설계 및 최적화하는 것이었습니다. 이 연구는 LED에서 열을 효과적으로 방출하고 접합 온도를 안전한 작동 한계 내로 유지할 수 있는 열 관리 시스템을 개발하는 것을 목표로 했습니다.

핵심 연구:

본 연구는 다양한 냉각 전략을 체계적으로 평가하고 능동 액체 냉각 시스템을 설계했습니다.

1. 소자에서 보드 수준 설계:
   • 선택된 LED는 Cree XBright900 (900×900 µm 청색광 칩)이었습니다. 시스템은 5개의 보드에 15개의 LED(각각 3개의 LED)로 구성되었습니다.
   • LED는 백색광 변환을 위해 형광체 층으로 개별적으로 패키징되었습니다. 패키지에는 높은 열전도율의 AlN (k=200 W/mK)이 사용되어 LED와 패키지 바닥 사이의 열 저항을 2 °C/W 미만으로 달성했습니다.
   • 패키징된 LED는 70 µm 구리층, 75 µm 유전체층(2.2 W/mK) 및 1 mm Al 코어 보드로 구성된 절연 금속 기판(IMS)에 장착되었습니다 (Table 1).
2. 대안 냉각 방식 제외:
   • 공랭식 (수동 및 능동): 헤드램프 인클로저 내 IMS 보드 뒤에 방열판을 사용한 수동 공랭식은 LED 접합 온도가 125°C를 훨씬 초과하는 결과를 낳았습니다 (Figure 2). 능동 공랭식은 공간 제약, 인클로저 제한, 신뢰성 문제, 비용 및 조립 복잡성으로 인해 비실용적인 것으로 간주되었습니다.
   • 수동 액체 냉각:
     • 수동 폐쇄 루프 시스템: 열적으로는 가능하지만, 열 교환기가 열원 위에 위치해야 하므로 헤드라이트 설계 제약 조건(LED 모듈 아래에 열 교환기 필요)과 호환되지 않습니다.
     • 히트 파이프 시스템 (루프 히트 파이프): 조정 가능한 LED 보드를 위해 유연한 히트 파이프가 필요하므로 비용이 엄청나게 높아집니다 (예: 유닛당 $1,000).
3. 능동 액체 냉각 선택 및 설계:
   • 능동 액체 냉각이 가장 실행 가능한 솔루션으로 선택되었습니다.
   • 시스템은 펌프, 냉각판(IMS 보드에 열적으로 연결됨), 저장조 및 열 교환기로 구성되며, 유연한 호스로 폐쇄 루프를 형성합니다. 냉각수로는 첨가제(부동액, 방조제, 방균제 등)가 포함된 물이 선택되었습니다.
   • 여러 구성이 고려되었습니다:
     • 병렬 회로: 열적으로는 최적이지만 지나치게 복잡합니다.
     • 직렬 회로 (단일 루프): 압력 강하가 높지만 관리 가능합니다.
     • 선택된 구성 (Figure 4): 모든 하향등(LB) 냉각판을 직렬로 연결한 후, 모든 상향등(HB) 냉각판을 직렬로 연결하고, 그 다음 열 교환기로 연결하는 액체 루프입니다. 이 설계는 호스 수 감소, 호스 길이 단축, 장착 용이성 측면에서 이점을 제공했으며, 루프의 첫 번째 LED 세트와 마지막 LED 세트 간의 접합 온도 차이는 5°C 미만이었습니다.
4. 열 최적화:
   • 액체 흐름 최적화: 공칭 펌프 유량, 실제 유량, 압력 강하 및 LED 온도 간의 관계가 분석되었습니다 (Figures 6, 7, 8). 공칭 유량 0.12 l/s 및 공칭 압력 헤드 25 kPa의 펌프가 권장 작동 범위 내에서 작동하는 것으로 나타났습니다.
   • 열 교환기 (방열판) 최적화: 무게를 줄이기 위해 방열판에 핀-핀 구성이 선택되었습니다. 베이스 두께(t), 핀 높이(h), 핀 길이(l), 핀 너비(w) 및 핀 수(Nx, Ny)와 같은 매개변수가 반복적으로 최적화되었습니다 (Figures 9, 10, 11).

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 자동차 LED 헤드라이트용 다양한 냉각 기술(공랭식, 수동 액체 냉각, 능동 액체 냉각)에 대한 비교 분석을 포함했습니다. LED 소자에서 패키지, 보드 및 전체 시스템에 이르는 다단계 열 설계 접근 방식을 따랐습니다. 능동 액체 냉각이 선택된 후 다양한 시스템 구성이 연구되었으며, 선택된 구성은 열 최적화 대상이 되었습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

데이터 수집 및 분석의 주요 방법은 전산 유체 역학(CFD)을 사용한 열 시뮬레이션이었습니다. 상용 CFD 소프트웨어인 FloTherm (버전 6.1)을 사용하여 LED 패키지, IMS 보드, 방열판 및 헤드램프 인클로저 내의 전체 액체 냉각 시스템을 모델링했습니다. 이러한 시뮬레이션은 온도 프로파일, 열 흐름 경로 및 압력 강하 특성을 제공하여 열 관리 솔루션의 평가 및 최적화를 가능하게 했습니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 특히 자동차 헤드라이트 애플리케이션용 고휘도 백색 LED의 열 관리에 중점을 두었습니다. 범위는 다음과 같습니다:

• 소자, 패키지 및 보드 수준에서의 열 분석 (예: LED 칩, AlN 패키지, IMS 보드).
• 시스템 수준에서의 공랭식(수동 및 능동) 및 수동 액체 냉각(폐쇄 루프, 히트 파이프) 평가.
• 부품 선택(펌프, 냉각판, 열 교환기), 냉각수 선택 및 시스템 구성을 포함한 능동 액체 냉각 시스템의 상세 설계 및 분석.
• 크기, 무게 및 제조 가능성과 같은 실제 제약 조건을 고려하면서 최적의 열 성능을 달성하기 위한 액체 유량 및 방열판 설계 매개변수에 중점을 둔 능동 액체 냉각 시스템의 최적화.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 수동 공랭식은 LED 접합 온도를 125°C 한계 미만으로 유지하기에 불충분했으며(Figure 2), 능동 공랭식은 비실용적인 것으로 간주되었습니다.
• 폐쇄 루프 시스템 및 히트 파이프와 같은 수동 액체 냉각 방식은 설계 제약(부품 배치) 또는 과도한 비용으로 인해 부적합한 것으로 밝혀졌습니다.
• 능동 액체 냉각이 해당 애플리케이션에 가장 적합한 열 관리 솔루션으로 확인되었습니다.
• 특정 능동 액체 냉각 구성이 선택되었습니다: 모든 하향등(LB) 냉각판을 직렬로 연결한 후, 모든 상향등(HB) 냉각판을 직렬로 연결하고, 그 다음 열 교환기로 연결하는 액체 루프입니다(Figure 4). 이 설계는 호스 수 감소, 호스 길이 단축 및 장착 용이성 측면에서 이점을 제공했습니다. 루프의 마지막 LED 세트의 접합 온도는 첫 번째 세트보다 5°C 미만으로 높았습니다.
• 액체 흐름 최적화를 통해 공칭 유량 0.12 l/s 및 공칭 압력 헤드 25 kPa의 펌프가 설계된 냉각 루프에 대해 권장 작동 범위 내에서 효과적으로 작동할 것임이 결정되었습니다(Figures 6, 7, 8).
• 열 교환기(방열판)는 알루미늄으로 제작된 핀-핀 설계를 사용하여 최적화되었으며, 총 무게는 800g 미만입니다. 최적화된 치수 및 허용 설계 마진은 다음과 같습니다:
  • 최적화된 설계 (치수 mm): t = 5, H > 30, h > 25, l = 4.5, w = 9, Nx=8, Ny=7.
  • 허용 설계 마진 (접합부 T에서 < 1 °C 증가, 치수 mm): 3.5(참고: 최적화된 Nx=8 값은 논문 6페이지의 요약에서 가져왔습니다. 논문의 다른 섹션 및 그림에서는 최적 Nx가 약 40임을 시사합니다.)

그림 이름 목록:

• Figure 1. Insulated Metal Substrate assembly. (a) AIN cup with wire-bonded LED, (b) Circuit layer, (c) Dielectric layer and (d) Aluminum substrate.
• Figure 2. Temperature profile across the headlight assembly for passive air cooling (T;=200°C).
• Figure 3. Cold plates and heat exchanger design and their hose connections.
• Figure 4. Active liquid cooling configuration—the liquid loop connects all the LB cold plates in series followed by the HB in series and then into the heat exchanger.
• Figure 5. Full model of active liquid cooling of complete low beam system inside the headlamp enclosure (shown in Figure 4).
• Figure 6. Calculated LED junction temperature (blue) and IMS board temperature (red) as a function of the nominal flow (with a nominal pressure head of 25 kPa)
• Figure 7. Calculated actual flow as a function of the nominal (zero pressure) flow of the pump.
• Figure 8. Pressure vs. flow characteristics for the liquid cooling loop and linear pump characteristics
• Figure 9. Heat sink parameters and dimensions
• Figure 10. LED temperature as a function of pin length and pin width. A) 3D view and B) Contour plot.
• Figure 11. LED temperature as the function of pin number in the X (diamonds) and Y (squares) directions.

7. 결론:

본 논문은 새로운 헤드라이트 애플리케이션용으로 맞춤화된 고휘도 LED를 위한 능동 액체 냉각 솔루션의 선택 및 최적화 절차를 보여줍니다. 공랭식 및 수동 액체 냉각은 LED 접합 온도를 최대 허용 수준 이하로 유지하기에 불충분하거나 실제 애플리케이션에서 실현 불가능한 것으로 밝혀졌습니다. 이러한 솔루션 중 일부는 순전히 열적인 관점에서 적합할 수 있지만, 광학 및 기계적 설계를 고려할 때는 그렇지 않습니다. 따라서 적절한 열 관리 솔루션을 찾을 때는 헤드라이트 설계의 모든 측면을 고려해야 합니다.

따라서 이러한 상황에서 능동 액체 냉각이 최적의 냉각 솔루션으로 선택됩니다. 본 논문에서는 능동 액체 냉각의 여러 가지 다른 시스템 구조를 연구하고 비교합니다. 그리고 열 성능을 최대화하기 위해 액체 흐름 및 방열판의 열 최적화가 수행됩니다. 최적의 열 솔루션을 찾는 과정에서 열 관리가 유일한 초점 요소는 아닙니다. 제조 가능성 및 제품 사양과 같은 모든 관련 문제도 고려됩니다.

더 밝은 백색 LED의 개발과 함께 특정 광 출력에 필요한 구동 전력은 앞으로 지속적으로 감소할 것입니다. 따라서 방열량도 감소할 것입니다. 시스템의 전력 요구 사항 감소와 방열량 감소로 인해 냉각 솔루션은 다시 수동 공랭식으로만 단순화될 수 있습니다.

8. 참고문헌:

• [1] Pearson, T., Mounier, E., Eloy, J.C., Jourdan, D., "Solid-state lighting in the automobile: concept, market timing and performance,” LEDs Magazine, pp. 25-27, Apr. 2005.
• [2] Flomerics Ltd., FloThermTM 6.1 Instruction Manual, 2005.
• [3] Cree LED Lighting Website [Online]: http://www.cree.com.
• [4] Lai, Y. and Cordero, N., “Thermal management of bright LEDs for automotive applications," Proc. Of the 7th EuroSimE Conference, pp 390-394 (2006)
• [5] Stratford, J and Musters, A, “Insulated metal printed circuits – a user-friendly revolution in power design," Electronics Cooling, vol. 10, pp. 30-34, Nov. 2004.
• [6] Karimpourian, B. and Mahmoudi, J., “Some important considerations in heatsink design," Proc. of the 6th EuroSimE Conference, pp 406-413 (2005)

9. 저작권:

• 이 자료는 "Yan Lai, Nicolás Cordero, Frank Barthel, Frank Tebbe, Jörg Kuhn, Robert Apfelbeck, and Dagmar Würtenberger"의 논문입니다. "[LIQUID COOLING OF BRIGHT LEDS FOR AUTOMOTIVE APPLICATIONS]" 논문을 기반으로 합니다.
• 논문 출처: 논문에 명시되지 않음.

이 자료는 위 논문을 바탕으로 요약되었으며, 상업적 목적의 무단 사용을 금합니다.
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