본 소개 자료는 "Applied Mechanics and Materials"에서 발행된 "The Summarize of High Power LED Headlamps Cooling Design of Automobile" 논문을 기반으로 합니다.
1. 개요:
- 논문명: The Summarize of High Power LED Headlamps Cooling Design of Automobile
- 저자: Chenyang Liu, Mo Yin, Xufeng Cheng, Guodong Yin and Xiaoquan Zheng
- 발행 연도: 2014
- 학술지/발행 학회: Applied Mechanics and Materials
- 키워드: White LED, automotive headlamp, heat dissipation.
2. 초록:
고출력 백색 LED의 광속이 더욱 향상됨에 따라, LED는 점차 백열등과 할로겐램프를 대체하여 자동차 조명의 "4세대 광원(fourth generation light)"이 될 것입니다. 현재 자동차 헤드램프에 LED를 적용하는 데에는 여러 기술적 어려움이 있으며, 그중에서도 LED 헤드램프의 방열(heat dissipation) 문제는 극복하기 어려운 과제 중 하나입니다. 본 논문에서는 현재 LED 헤드램프 방열 솔루션을 소개하고, 방열 성능 개선을 위한 향후 방향을 제시합니다.
3. 서론:
백색 LED는 작은 부피, 긴 수명, 낮은 에너지 소비, 진동 저항성, 빠른 시작 시간, 환경 보호 등의 장점으로 인해 차세대 자동차 광원 기술로서 더 나은 선택이 되었습니다. 자동차 헤드램프 광원으로 LED를 사용하는 데에는 많은 고유한 장점이 있습니다. 거의 없는 시작 시간과 저전압 전기 안전성, 긴 수명과 같은 특징 외에도, 특히 여러 개의 LED 램프로 구성될 수 있어 LED 램프의 외관을 매우 다양하게 디자인할 수 있습니다. 중국은 자동차 산업이 크게 발전하는 시기에 있으며, LED 헤드램프 개발은 자동차 산업 발전을 촉진하는 데 큰 의미가 있습니다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
LED 헤드램프 개발은 몇 가지 주요 문제에 직면해 있습니다. LED에서 전기 에너지의 상당 부분(약 70%)이 열에너지로 변환되고, 10%~30%만이 빛으로 변환됩니다. 효과적인 방열 시스템 없이 장시간 작동하는 고출력 LED 자동차 헤드램프의 경우 LED 온도가 상승할 수 있습니다. 온도가 125°C를 초과하면 LED의 광효율 손실 또는 고장으로 이어질 수 있습니다. 따라서 더 나은 방열 시스템 연구는 자동차 헤드램프에 LED를 광범위하게 채택하는 데 매우 중요합니다.
방열(Heat-dissipation)은 LED 헤드램프, 특히 고출력 LED(단일 칩 출력이 1W 이상으로 정의됨) 개발의 주요 장애물로 인식됩니다. 열이 제때 방출되지 않으면 LED 칩 접합 온도가 급격히 상승하여 탄화규소(silicon carbide)가 황변되거나 LED 수명이 단축되거나 심지어 고장으로 이어질 수 있습니다.
기타 중요한 측면은 다음과 같습니다:
- LED 헤드램프 구동 전력(Driving-power): 고출력 LED의 광학-전기적 특성은 광도가 구동 전류에 의해 결정됨을 의미하며, 작은 전압 변동도 LED 전류의 큰 변화를 유발하여 밝기에 영향을 미칠 수 있습니다. 구동 전력 설계는 정전류 출력, 방열, 효율, 역률 및 다양한 보호 기능을 보장해야 합니다.
- 광학 설계(Optical design): 우수한 광학 설계는 LED 조명의 표준 밝기를 보장하고 에너지 사용 효율을 높여 조명 요구 사항을 충족하는 동시에 발열을 줄이는 데 필요합니다.
- LED 발광 효율(luminous efficiency): 낮은 발광 효율과 전기-광학 변환 효율은 중요한 문제입니다. 개선을 위해서는 반도체 재료, 칩 구조 설계 및 제조 공정 측면에 대한 연구가 필요합니다.
선행 연구 현황:
본 논문은 기존 LED 헤드램프 냉각 솔루션과 현재 연구 개발 동향을 요약합니다:
기존 솔루션 및 분석 (열 문제 - Thermal Issue):
LED 헤드램프 온도는 일반적으로 80°C 미만으로 요구됩니다. 현재 냉각 솔루션은 다음과 같습니다:
- 핀 및 팬 조합 (Fin and fan combination) [1]: 핀이 있는 방열 영역과 강제 대류 열전달을 위한 팬을 사용하는 일반적인 방법입니다. 100 W/m2 미만의 열 유속 밀도에 적합하지만 시스템의 신뢰성과 안정성이 낮을 수 있습니다.
- 액체 냉각 열 방사 (Liquid-cooled thermal radiation) [2]: 일반적으로 수냉 방식으로, 추가적인 공기 흐름 채널 없이 방열판 크기를 줄입니다. 그러나 고온, 진동 등 열악한 환경에는 적용하기 어려울 수 있으며, 현재는 주로 개념 단계에 머물러 있습니다.
- 히트 파이프 방열 기술 (Heat-pipe dissipation technology) [3]: 열전도 원리와 냉각 매체의 빠른 열전달 특성을 이용하여 물체의 열을 히트 파이프를 통해 환경으로 신속하게 방출하며, 열전달 효율이 높습니다. 그러나 비용 증가를 유발하는 다른 방열 방식과 결합해야 하는 경우가 많습니다.
- 마이크로 채널 냉각 기술 (Micro-channel cooling technology) [4]: 1980년대 Tuckerman과 Pease가 50mm 너비와 두께의 마이크로 채널 냉각 방식을 보고했습니다. Goodson은 액체 전기 삼투 구동 사이클을 사용하는 전기 삼투 펌프를 개발했습니다. 전기 삼투 펌프는 움직이는 부품이 없고 소비 전력이 적으며, 열 유속이 200W일 때 전기 삼투 펌프로 구동되는 마이크로 채널 냉각 패턴은 온도를 20°C 낮출 수 있으며 펌프 전력 소비는 1W 미만입니다.
- 반도체 냉동 기술 (Semiconductor refrigeration technology) [5]: 펠티에 효과(Peltier effect)를 이용하는 열전 냉동 방식으로, 열전 냉동 재료의 최적 계수는 약 2.45*10-3/K이며, 냉동 효율은 카르노 사이클 효율의 10%에 불과하여 상대적으로 낮습니다.
- 위의 냉각 기술 외에도 초음파 냉동(Ultrasonic refrigeration), 초전도 냉동(superconducting refrigeration) 등 다른 냉각 기술이 있지만, 비용, 제한된 적용 분야, 낮은 방열 용량과 같은 여러 요인으로 인해 자동차 LED 헤드램프에는 적용될 수 없습니다.
국내외 LED 헤드램프 냉각 기술 연구 현황:
- 2006년, Lai [6]는 총 방열량 37.5W의 액체 냉각 시스템을 사용한 LED 헤드램프 냉각 방안(Fig. 1)을 보고했으며, 마지막 콜드 플레이트 LED 장치의 LED 칩 온도 상승이 첫 번째 콜드 플레이트와 비교하여 5°C 미만임을 시뮬레이션 결과로 보여주었습니다.
- 2008년, Sunho Jang [7]은 각 LED 전력이 1W인 30개의 LED로 구성된 LED 헤드램프 냉각 장치(fig.2)를 설계했습니다. 그는 램프 쉘 측면에 환기 채널 세트를 설계하여 자동차 주행 시 PCB에서 발생하는 열이 속도 증가에 따라 대류풍에 의해 즉시 제거될 수 있도록 했습니다. 이러한 구조의 장점은 램프 케이스 내부 환경을 25°C로 유지하여 방열에 좋다는 것입니다. 계산 결과, 가장 높은 온도의 LED 칩은 34°C로, LED 방열 성능을 크게 향상시키고 LED 수명을 연장했습니다.
- Schefenacker [8] 사는 그림 3과 같이 내부 LED 조명에 냉각 팬을 추가한 LED 자동차 헤드램프 냉각 패턴을 제안했습니다. 이 모델은 팬에 의존하여 회로 기판과 내부 램프 사이의 열을 교환하여 공기 온도를 균일하게 만들 수 있습니다. 내부 램프 본체의 공기 온도가 더 균일해짐에 따라 겨울철 헤드램프 김 서림을 방지할 수 있습니다.
- 2006년, Luo Xiaobing 교수 [9]는 고출력 LED 어레이를 냉각하기 위해 마이크로 스프레이를 사용한 화중과학기술대학의 실험 결과를 보고했습니다(그림 4). 마이크로 스프레이 냉각 시스템은 총 220W의 LED 어레이에 적용될 수 있으며, 실온이 30.8°C일 때 LED 바닥 온도는 69.4°C에 도달할 수 있고 팬과 마이크로 펌프의 총 에너지 소비는 5.8W였습니다.
- 2010년, Luo jing [10]은 히트 파이프와 방열핀으로 구성된 LED 헤드램프 냉각 시스템을 설계했습니다(Fig. 5). 하이빔은 7개의 고출력 LED로 구성되었고, LED 작동 전류는 700mA, 하이빔 총 전력은 18W였습니다. 이 방식은 고출력 LED 냉각 모듈에 히트 파이프 기술을 적용하여, LED 용접 플레이트와 열전도 개스킷을 히트 파이프 바닥에 고정하고 히트 파이프 원 주위에 일련의 히트 파이프 핀을 추가했습니다. 시뮬레이션 및 실험 결과, 50°C의 시뮬레이션 램프 작동 환경에서 하이빔 LED 온도는 65°C, 로우빔 LED 온도는 80°C에 도달할 수 있어 LED 접합 온도를 크게 낮출 수 있습니다.
국내외 LED 헤드램프 특허 기술 개발 개요:
- Benz Corp Company [11]: 램프 후면을 이중 구조로 설계하고 내부를 진공 처리하여 램프 및 엔진 베이의 고온 공기로부터 열을 차단했습니다(Figure 6).
- German Stanley [12]: 방사 장치는 높은 열전도율을 가진 재료로 만들어진 열전도판(14,15), 연결판(16) 및 브래킷으로 구성됩니다. 열전도판과 연결판은 내부 램프의 방사 면적을 확대하고 내부 램프의 온도를 분산시킵니다(Figure 7).
- Koito [13]: 일본 자동차 램프 제조업체로, LED(34)에서 발생하는 열이 금속 시트, 유연한 히트 파이프 및 방열핀을 통해 환경으로 전달되는 시스템을 설계했습니다(Figure 8).
- Osram [14]: LED 장치는 높은 열전도율의 금속 블록(23)에 배치된 다음 금속 열 기둥에 연결되어 열이 방열판(24)까지 전도되도록 합니다(Figure 9).
- 중국의 "11차 5개년 계획"에는 "자동차 LED 광원 시스템 개발"[15]과 같은 연구 주제가 포함되었습니다. BenTeng B50 자동차 기반의 LED 헤드램프가 개발되었으며(fig.10), 냉각을 위해 방열판을 사용합니다(fig. 11). B50 헤드램프는 5개의 LED 광원(로우빔 3개, 하이빔 2개, 각 15W)으로 구성됩니다.
연구의 목적:
본 논문의 목적은 현재 LED 헤드램프 방열 솔루션을 소개하고 방열 성능 개선을 위한 향후 방향을 제시하는 것입니다. 이 연구는 LED 헤드램프가 80°C 미만에서 작동하도록 보장하기 위해 고효율 방열 기술 설계의 중요성을 강조합니다.
핵심 연구:
핵심 연구는 고출력 자동차 LED 헤드램프에 적용 가능한 기존 방열 기술에 대한 포괄적인 검토 및 요약을 포함합니다. 여기에는 다양한 냉각 방법 분석, 국내외 최근 연구 발전 개요, 주요 자동차 램프 공급업체 및 제조업체의 특허 기술 조사가 포함됩니다. 본 논문은 이 정보를 종합하여 주요 과제를 강조하고 LED 헤드램프 냉각 성능 향상을 위한 향후 방향을 제안합니다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
본 연구는 문헌 연구 방법론을 사용합니다. LED 헤드램프 냉각 기술과 관련된 기존 학술 논문, 학회 발표 자료, 특허 및 기술 보고서의 정보를 체계적으로 수집, 종합 및 논의합니다.
데이터 수집 및 분석 방법:
데이터는 출판된 과학 및 기술 문헌에서 수집되었습니다. 분석에는 다양한 냉각 솔루션 분류, 다양한 연구 노력 및 특허 설계의 주요 결과 요약, LED 헤드램프 열 관리 분야의 일반적인 과제 및 동향 식별이 포함되었습니다. 본 논문은 1차 실증 연구나 새로운 실험 데이터 생성을 포함하지 않으며, 오히려 최신 기술에 대한 기술적이고 분석적인 개요를 제공합니다.
연구 주제 및 범위:
주요 연구 주제는 고출력 자동차 LED 헤드램프의 방열 문제와 해결책입니다. 범위는 다음을 포함합니다:
- LED의 발열에 대한 근본적인 문제.
- 다양한 냉각 기술 (예: 핀-팬, 액체 냉각, 히트 파이프, 마이크로 채널, 열전 냉각).
- 학계 및 산업계의 LED 헤드램프 냉각 시스템 연구 개발의 구체적인 예.
- 자동차 제조업체의 특허 냉각 설계.
- LED 헤드램프 열 성능 개선을 위한 향후 전략.
6. 주요 결과:
주요 결과:
- 방열은 자동차 헤드램프에 고출력 LED를 적용하는 것을 방해하는 주요 기술적 어려움입니다. 효율적인 열 관리는 성능과 수명을 유지하는 데 중요하며, 목표 작동 온도는 80°C 미만입니다.
- 다양한 냉각 솔루션이 존재하며, 각각 특정 장단점이 있습니다:
- 핀 및 팬 (Fin and fan): 일반적이지만 신뢰성이 낮을 수 있습니다.
- 액체 냉각 (Liquid cooling): 방열판 크기를 줄이지만 열악한 환경에는 적합하지 않을 수 있습니다.
- 히트 파이프 (Heat pipes): 효율이 높지만 종종 다른 방법과 결합해야 합니다.
- 마이크로 채널 냉각 (Micro-channel cooling): 높은 열 유속에 효과적이며 소형 설계 가능성이 있습니다.
- 반도체 냉동 (Semiconductor refrigeration): 상대적으로 효율이 낮습니다.
- 구체적인 연구 사례(예: Lai [6], Sunho Jang [7], Schefenacker [8], Luo Xiaobing [9], Luo jing [10]) 및 특허 기술(예: Benz [11], Stanley [12], Koito [13], Osram [14])은 LED 헤드램프 냉각에 대한 지속적인 노력과 다양한 접근 방식을 보여줍니다.
- 중국은 BenTeng B50 LED 헤드램프에서 볼 수 있듯이 LED 헤드램프 연구를 적극적으로 추진해 왔습니다.
- LED 헤드램프 성능의 향후 개선은 두 가지 주요 접근 방식에 달려 있습니다:
- LED 자체 개선:
- 내부 열 저항을 줄이기 위한 LED 캡슐화 기술 향상.
- 발열을 줄이기 위한 LED 전기-광학 변환 효율 개선.
- 더 높은 온도를 견딜 수 있는 새로운 LED 개발로 열 설계의 어려움 감소.
- 합리적인 방열 장치 설계:
- 다양한 헤드램프 구조에 적합한 냉각 시스템(히트 파이프, 팬, 수냉 등)을 선택하여 신속한 열 방출과 안정적인 작동 보장.
- 충분한 방열 면적과 더 나은 냉각 효과를 보장하기 위한 핀 구조(모양, 크기) 최적화.
- LED 자체 개선:
그림 목록:
- Fig. 1 The LED headlamp cooling system of Lai
- Fig. 2 The LED headlamp system of Sunho Jang
- Fig. 3 The LED headlamp cooling system of Schefenacker company
- Fig. 4 The Micro-jet cooling system
- Fig. 5 The LED headlamp cooling system of Luojing
- Fig. 6 The LED headlamp of Bens
- Fig. 7 The LED headlamp of Stanley
- Fig. 8 The LED headlamp of Koito
- Fig. 9 The LED headlamp of OSRAM
- Fig.10 The LED headlamp of Benteng B50
- Fig. 11 The B50 LED headlamp cooling device
7. 결론:
본 논문에서는 국내외 LED 헤드램프 적용에 있어 존재하는 여러 주요 문제, 특히 LED 헤드램프의 방열 문제에 대해 소개했습니다. 또한, 현재 몇몇 자동차 헤드램프 및 LED 헤드램프 특허의 다양한 방열 방식과 향후 개선 방향에 대해 논의했습니다. LED 헤드램프가 80°C 미만에서 작동하도록 고효율 방열 기술을 설계하는 방법은 본 연구 부분의 핵심 의미입니다.
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- [15] Information on http://club.autohome.com.cn/bbs/thread-c-632-8773997-1.html.
- [16] Chenyang Liu: The design for high-power LED headlamps research, master degree thesis, Northeastern university,China,2013.
9. 저작권:
- 본 자료는 "Chenyang Liu, Mo Yin, Xufeng Cheng, Guodong Yin and Xiaoquan Zheng"의 논문입니다. "The Summarize of High Power LED Headlamps Cooling Design of Automobile"을 기반으로 합니다.
- 논문 출처: doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.494-495.32
본 자료는 위 논문을 바탕으로 요약되었으며, 상업적 목적의 무단 사용을 금합니다.
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