자동차 로우빔 프로젝터 헤드램프용 백색 발광 다이오드 설계

이 소개 자료는 "[Sensors and Materials]"에 게재된 "[Design with White Light-Emitting Diodes for an Automotive Low-Beam Projector Headlamp]" 논문을 기반으로 합니다.

1. 개요:

• 제목: Design with White Light-Emitting Diodes for an Automotive Low-Beam Projector Headlamp (자동차 로우빔 프로젝터 헤드램프용 백색 발광 다이오드 설계)
• 저자: Yueh-Ying Chiang, Sheng-Jye Hwang, Huei-Huang Lee, Deng-Yuan Hwang, and Chien-Chih Liao
• 발행 연도: 2016
• 발행 학술지/학회: Sensors and Materials, Vol. 28, No. 9 (2016) 1035–1042, MYU Tokyo
• 키워드: LED headlamp, projection headlamp, ECE R112

2. 초록:

새로운 자동차 로우빔 발광 다이오드(LED) 헤드램프 설계를 위해 수치 모델이 개발되었습니다. 먼저, 광선 추적 소프트웨어(TracePro)를 사용하여 기존 자동차 로우빔 프로젝터 LED 헤드램프 모델을 시뮬레이션했습니다. 기존 상용 자동차 LED 헤드램프는 로우빔 LED 헤드램프 모듈로서 하나의 멀티 리플렉터와 두 개의 프로젝션 시스템의 조합입니다. 시뮬레이션 결과는 헤드램프 규정과 비교하여 헤드램프 수치 모델 및 경계 조건이 정확하고 실제와 유사함을 증명했습니다. 마지막으로, 원래 설계를 단일 광 출력 515 루멘 LED를 사용하는 단 두 개의 프로젝션 시스템으로 수정했습니다. 각 프로젝션 시스템은 헤드램프 광 분포가 ECE R112 규정을 준수하도록 개선되었습니다. 고출력 LED를 사용하면 자동차 헤드램프에 필요한 광학 시스템 수를 줄일 수 있다는 결론을 내렸습니다.

3. 서론:

자동차 헤드램프 설계의 발전은 광원의 개발과 함께해 왔습니다. 할로겐 벌브는 1970년대부터 자동차 헤드램프의 광원으로 사용되었습니다. 백색 발광 다이오드(LED)는 1996년에 발명되었고, LED는 새로운 유형의 광원이 되어 고체 조명 시대를 열었습니다. 새로운 유형의 광원으로서, 백색 LED의 특징인 발광 효율과 방열 기술의 급속한 발전과 함께 LED는 자동차 헤드램프에 적용 가능하게 되었습니다. LED 가격이 높지만, 기존 광원에 비해 긴 수명, 낮은 전력 소비, 짧은 응답 시간, 수은 오염 없음(1) 등 많은 장점이 있습니다. LED의 발광 특성은 기존 광원과 다르기 때문에 LED를 활용하는 광학 시스템은 재설계될 필요가 있습니다. 결과적으로, 본 연구에서는 ECE R112 표준을 준수해야 하는 LED 헤드램프의 광학 성능을 시뮬레이션하기 위해 컴퓨터 지원 공학(CAE)이 사용되었습니다. 소프트웨어의 성능과 응용을 더 잘 이해하기 위해 먼저 상용 자동차 LED 헤드램프를 연구했습니다. 이 헤드램프는 하나의 멀티 리플렉터와 두 개의 프로젝션 시스템의 조합이었습니다.

4. 연구 요약:

연구 주제 배경:

자동차 헤드램프 기술은 광원 개발과 함께 발전해 왔습니다. 1996년에 도입된 백색 LED는 기존 광원에 비해 상당한 이점을 제공하지만, 고유한 발광 특성으로 인해 특정 광학 시스템 설계가 필요합니다. ECE R112와 같은 규정을 준수하는 것은 자동차 조명에 매우 중요합니다.

이전 연구 현황:

LEXUS LS600H에 대한 Inaba 등의 연구(2)와 같은 이전 연구에서는 여러 개의 프로젝터 유닛(예: 3개의 좌우 회전 유닛과 1개의 파라볼라 유닛)을 사용하는 복잡한 LED 헤드램프 시스템을 보여주었습니다. 이러한 다중 유닛 시스템에서 확인된 주요 과제는 적절한 빔 중첩을 위해 광축을 정확하게 정렬하는 것이며, 이는 렌즈 오정렬 및 지지대 변위와 같은 요인에 영향을 받습니다. 이러한 정렬 문제를 해결하기 위해 정밀 포지셔닝, 레이저 용접, 3점 지지 배열과 같은 기술이 개발되었습니다.

연구 목적:

본 연구는 자동차 로우빔 LED 헤드램프 설계를 위해 CAE 소프트웨어(TracePro)를 사용한 수치 모델을 개발하고 검증하는 것을 목표로 했습니다. 구체적인 목표는 다음과 같습니다: 1) 기존 상용 LED 헤드램프를 시뮬레이션하여 시뮬레이션 모델과 경계 조건의 정확성을 실제 및 규정과 비교하여 검증한다. 2) 고출력(515 루멘) LED를 사용하여 단 두 개의 프로젝션 시스템만 사용하는 새롭고 단순화된 로우빔 LED 헤드램프를 설계한다. 3) 이 새로운 설계의 광 분포가 ECE R112 규정을 준수하도록 최적화한다.

핵심 연구:

핵심 연구는 두 가지 주요 단계로 구성되었습니다. 첫째, 하나의 멀티 리플렉터와 두 개의 프로젝션 시스템(350 루멘 LED 사용)으로 구성된 상용 LED 헤드램프를 리버스 엔지니어링하고 TracePro 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이션했습니다. 시뮬레이션 결과를 규정과 비교하여 모델링 접근 방식을 검증했습니다. 둘째, 더 적은 광학 시스템과 더 높은 출력(515 루멘)의 LED를 활용하는 새로운 헤드램프 설계를 개발했습니다. 이 새로운 설계는 시뮬레이션 환경 내에서 반복적인 수정을 거쳤으며, 특히 셔터 형상과 광학 시스템 정렬(캔트 각도, 축 회전)을 최적화하여 광 빔을 정밀하게 형성하고 ECE R112 표준에 명시된 엄격한 조명 요구 사항을 충족하는 데 중점을 두었습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 시뮬레이션 기반 설계 및 검증 방법론을 사용했습니다. 기준선을 설정하고 시뮬레이션 도구(TracePro) 및 모델링 가정을 검증하기 위해 기존 상용 LED 헤드램프를 리버스 엔지니어링하고 시뮬레이션하는 것으로 시작했습니다. 이후, 더 적은 광학 부품과 고출력 LED를 특징으로 하는 새로운 설계를 제안하고, 그 성능이 목표 규제 표준(ECE R112)을 충족할 때까지 시뮬레이션을 통해 반복적으로 개선했습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

컴퓨터 지원 공학(CAE) 소프트웨어, 특히 TracePro 광선 추적 소프트웨어가 주요 도구였습니다. 입력 데이터에는 헤드램프 구성 요소의 형상(초기 모델의 경우 리버스 엔지니어링을 통해 얻고, 새 모델의 경우 설계됨), 재료 속성(예: 렌즈용 Schott BK7, Fig. 7에 따른 파장 의존적 굴절률), LED 특성(원래 시뮬레이션용 350 루멘의 램버시안 소스 모델, Fig. 6; 새 설계의 515 루멘 고출력 LED에 대한 스펙트럼 및 공간 분포 데이터, Figs. 8, 9, 10, Table 1)이 포함되었습니다. 반사율과 같은 표면 속성이 정의되었습니다(초기에는 반사기/차광판에 대해 100%로 가정). 분석에는 가상 스크린에서의 광 분포 시뮬레이션과 ECE R112 표준(Table 2)에 정의된 특정 검사 지점 및 영역에서의 조도 값 평가가 포함되었습니다. 시뮬레이션된 광 형태(Figs. 12-18)는 시각적으로 검사되었고 표준 요구 사항과 정량적으로 비교되었습니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 백색 LED를 사용하는 자동차 로우빔 프로젝터 헤드램프의 광학 설계 및 시뮬레이션에 중점을 두었습니다. 범위는 다음과 같습니다:

1. LED 헤드램프에 대한 CAE 시뮬레이션 접근 방식 검증.
2. 고출력 LED를 사용하여 LED 헤드램프의 광학 시스템 수를 줄이는 것의 타당성 조사.
3. 2-프로젝터 LED 헤드램프 시스템 설계 및 최적화.
4. 최종 설계가 로우빔 광 분포에 대한 ECE R112 규정을 준수하는지 확인.
   이 연구에는 새 설계의 열 분석이나 실험적 프로토타이핑은 포함되지 않았습니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• TracePro를 사용한 기존 상용 LED 헤드램프 시뮬레이션은 실제와 유사한 광 형태 결과(Fig. 12a)를 생성하여, 수치 모델과 시뮬레이션 설정이 LED 헤드램프 설계에 적합함을 검증했습니다.
• 고출력 LED(각각 515 루멘, Table 1)를 사용하여 단 두 개의 프로젝션 시스템만 사용하는 새로운 로우빔 헤드램프 설계가 성공적으로 개발되었습니다.
• 광학 시스템 구성 요소, 특히 셔터 형상(Figs. 13, 14, 15) 및 LED 시스템의 방향/캔트(Figs. 16, 17)를 반복적으로 수정하여 새 설계의 광 분포를 최적화했습니다.
• 새로운 2-프로젝터 설계의 최종 시뮬레이션된 광 분포(Fig. 18)는 ECE R112 표준을 준수하며, 지정된 모든 검사 지점 및 영역에서 조도 요구 사항을 충족하는 것으로 나타났습니다(Table 2).
• 이 연구는 더 높은 발광 효율을 가진 고출력 LED를 사용하면 헤드램프에 필요한 광학 시스템 수를 줄일 수 있다는 결론을 내렸습니다(원래 모델의 3개에서 새 설계의 2개로).
• 새롭게 설계된 헤드램프의 부피는 연구된 원래 상용 헤드램프보다 40% 작았습니다.

Fig. 2. (Color online) Misaligned optical axes.(2)

Fig. 3. (Color online) (a) Factors contributing to optical axis misalignment. (b) The method for solving misaligned optical axes.(2)

Fig. 4. (Color online) Original LED headlamp.

Fig. 5. (Color online) Optical projection system.

Fig. 8. (Color online) Spectral power distribution of LEDs.(3)

Fig. 12. (Color online) (a) The shape of the light in the original LED headlamp experiment and simulation. (b) The shape of the light in the new LED headlamp design for the simulation.

Fig. 13. (Color online) Light shape of LED 3 after modification of the front parts of the shutter.

Fig. 17. (Color online) LED 3 light shape after modification.

Fig. 18. (Color online) LED headlamp light shape with the new design

그림 이름 목록:

• Fig. 1. (Color online) Low-beam unit.(2)
• Fig. 2. (Color online) Misaligned optical axes.(2)
• Fig. 3. (Color online) (a) Factors contributing to optical axis misalignment. (b) The method for solving misaligned optical axes.(2)
• Fig. 4. (Color online) Original LED headlamp.
• Fig. 5. (Color online) Optical projection system.
• Fig. 6. (Color online) Spatial distribution of the Lambertian source.
• Fig. 7. (Color online) BK7 indices of refraction.
• Fig. 8. (Color online) Spectral power distribution of LEDs.(3)
• Fig. 9. (Color online) Spatial distribution of LEDs.(3)
• Fig. 10. (Color online) Spatial distribution of LED.(3)
• Fig. 11. (Color online) New low-beam LED headlamp design.
• Fig. 12. (Color online) (a) The shape of the light in the original LED headlamp experiment and simulation. (b) The shape of the light in the new LED headlamp design for the simulation.
• Fig. 13. (Color online) Light shape of LED 3 after modification of the front parts of the shutter.
• Fig. 14. (Color online) Light shape of LED 3 after modification of the rear parts of the shutter.
• Fig. 15 (a) The final design of part A of the shutter of LED 3. (b) The final design of part B of the shutter of LED 3.
• Fig. 16. (Color online) LED 2 light shape after modification of the lower parts of the shutter.
• Fig. 17. (Color online) LED 3 light shape after modification.
• Fig. 18. (Color online) LED headlamp light shape with the new design.

7. 결론:

본 연구는 TracePro 시뮬레이션 소프트웨어를 활용하여 LED 자동차 헤드램프를 평가하고 설계했으며, 광 형태가 규제 요구 사항을 충족하는지 확인했습니다. 주요 결론은 다음과 같습니다:
(1) 시뮬레이션 소프트웨어는 LED 헤드램프 설계를 검증하는 데 적합함이 입증되었습니다.
(2) 더 높은 발광 효율을 가진 LED를 활용하면 헤드램프 어셈블리 내에 필요한 광학 시스템 수를 효과적으로 줄일 수 있습니다.
(3) 단일 LED의 광 출력이 500 루멘을 초과하는 경우, 단 두 개의 프로젝션 시스템만 사용하여 LED 헤드램프를 만드는 것이 가능합니다.
(4) 새롭게 개발된 설계는 연구된 원래 헤드램프 모델에 비해 부피가 40% 작은 상당한 크기 감소를 달성했습니다.

8. 참고 문헌:

• [1] B. Kang, K. Park, B. Yong, and H. Kim: SAE International, Paper (2007) No. 2007-01-3516.
• [2] T. Inaba, S. Watanaba, and Y. Yamada: SAE International, Paper (2008) No. 2008-01-0339.
• [3] CREE: Cree®XLamp®XP-G2 LEDs, Product Family Data Sheet (CREE, Durham, U.S., 2012).

9. 저작권:

• 이 자료는 "Yueh-Ying Chiang"의 논문입니다. "[Design with White Light-Emitting Diodes for an Automotive Low-Beam Projector Headlamp]"를 기반으로 합니다.
• 논문 출처: https://doi.org/10.18494/SAM.2016.1265

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