자동차 헤드라이트용 고출력 발광 다이오드의 열 관리 기술

본 소개 자료는 "[IEICE Electronics Express]"에 게재된 "[Thermal management technology of high-power light-emitting diodes for automotive headlights]" 논문을 기반으로 작성되었습니다.

Fig. 2. LED headlight radiator structure

1. 개요:

논문 제목(Title): Thermal management technology of high-power light-emitting diodes for automotive headlights
저자(Author): Hui-Ming Qu, Xiao-Hui Yang, Qi Zheng, Xin-Tao Wang, and Qian Chen
발행 연도(Year of publication): 2014
학술지/학회(Journal/academic society of publication): IEICE Electronics Express
키워드(Keywords): LED automotive headlight, thermal management, cooling structure, thermal simulation, temperature feedback

2. 초록 (Abstract):

고출력 LED(발광 다이오드)의 방열 문제는 자동차 헤드라이트에서의 응용을 제한합니다. LED 헤드라이트 냉각을 위한 열 수요는 열전달 이론을 기반으로 분석됩니다. 본 연구는 온도 피드백 제어와 히트 파이프 및 히트 싱크를 결합한 능동적 방열 기술을 제안합니다. 해당 하드웨어 및 소프트웨어 제어 프로세스가 설계되었습니다. 온도 피드백 제어는 MCU(마이크로 컨트롤 유닛)를 통해 구현되며, 이는 합성 제트 장치의 작동 과정을 판단하고 제어합니다. 히트 파이프 라디에이터의 3D 모델은 CATIA를 사용하여 구성됩니다. 이 모델은 유체 열역학 시뮬레이션 소프트웨어인 FLOEFD로 최적화됩니다. 마지막으로, 샘플 램프를 제작하여 적외선 온도계로 테스트합니다. 각 LED 광원 및 라디에이터 핀의 온도 분포를 정량적으로 측정하고 분석합니다. 이러한 결과는 열 관리 시스템 설계와 제안된 기술이 실제로 50°C의 주변 온도에서 고출력 LED 자동차 헤드라이트의 방열 문제를 해결함을 확인시켜 줍니다.

3. 서론 (Introduction):

발광 다이오드(LED)는 작은 크기, 긴 수명, 낮은 에너지 소비, 진동 저항성, 빠른 시동 시간 및 환경 친화성으로 인해 자동차 조명에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 고출력, 고휘도 백색 LED는 자동차 헤드라이트의 유력한 후보가 되어 "4세대" 조명으로 자리매김하고 있습니다. 그러나 LED의 낮은 전기-광학 변환 효율은 입력 전력의 상당 부분이 열로 변환되어 접합 온도를 상승시킵니다. 높은 접합 온도는 낮은 양자 효율, 파장 이동, 짧은 수명 및 치명적인 고장과 같은 신뢰성 문제를 야기할 수 있습니다. 따라서 적절한 열 관리는 고효율 조명 시스템, 특히 엔진룸 근처의 까다로운 환경에서 작동하며 높은 밀봉성, 내충격성, 고온에서의 안정성 및 제한된 공간 내에서의 작동을 요구하는 자동차 헤드라이트에 LED를 채택하는 데 매우 중요합니다. 효과적인 열 설계는 LED 헤드라이트의 정상적인 작동을 보장하고 성능을 향상시키는 데 필수적입니다.

4. 연구 요약 (Summary of the study):

연구 주제의 배경 (Background of the research topic):

자동차 헤드라이트용으로 유망한 고출력 LED는 상당한 열을 발생시킵니다. 이 열이 효과적으로 관리되지 않으면 LED 접합 온도가 상승하여 성능 저하 및 수명 단축을 초래합니다. 자동차 헤드라이트는 높은 주변 온도와 제한된 공간을 포함한 열악한 조건에서 작동하므로 열 관리가 특히 어렵습니다.

선행 연구 현황 (Status of previous research):

LED 열 관리를 위한 다양한 방법이 연구되어 왔으며, 여기에는 핀-히트 싱크 [17] 및 히트 파이프 [18]와 같은 수동적 솔루션과 능동 냉각 시스템 [15, 16]이 포함됩니다. 기타 고급 방법으로는 마이크로 채널 히트 싱크 [12, 13], 마이크로 제트 어레이 냉각 [21, 22], 전기 유체 역학적 접근법 [23], 열전 냉각 [24], MEMS 기술을 이용한 상변화 방법 [25] 및 압전 팬 [26]이 있습니다. 그러나 이러한 전략들은 복잡한 설계, 신뢰성 문제, 높은 비용 또는 불충분한 냉각 능력을 수반할 수 있어, 특히 자동차 LED 헤드라이트의 까다로운 요구 사항에 대한 상용화를 저해합니다.

연구 목적 (Purpose of the study):

본 연구는 고출력 LED 자동차 헤드라이트의 냉각 요구 사항을 충족시키기 위해 온도 피드백 제어 방열과 결합된 효과적인 냉각 구조를 설계하는 것을 목표로 합니다. 목표는 고출력 LED 헤드라이트의 적용 및 보급을 제한하는 방열 문제를 해결하는 것입니다.

핵심 연구 내용 (Core study):

본 연구는 히트 파이프와 히트 싱크를 온도 피드백 제어와 결합한 능동적 방열 기술을 제안합니다. 이 시스템에는 다음이 포함됩니다:

3개의 통합 백색 LED 패키지와 해당 3개의 히트 파이프를 사용하는 LED 헤드라이트의 열전달 이론에 기반한 열 설계.
합성 제트가 히트 파이프 응축기 섹션 및 알루미늄 파이프 싱크와 함께 설치된 온도 피드백 능동 냉각 장치.
온도 센서를 통해 온도를 모니터링하고 합성 제트 장치를 제어하는 MCU(마이크로 컨트롤 유닛).
CATIA를 사용한 히트 파이프 라디에이터 구조의 3D 모델링.
유체 열역학 시뮬레이션 소프트웨어 FLOEFD를 사용한 모델 최적화.
설계된 열 관리 시스템을 갖춘 샘플 램프의 적외선 온도계를 사용한 실험적 검증.

5. 연구 방법론 (Research Methodology)

연구 설계 (Research Design):

본 연구는 여러 단계로 진행되었습니다:

LED 헤드라이트의 열전달 이론적 분석 및 냉각 시스템의 열 저항 모델 개발.
수동적 요소(히트 파이프, 히트 싱크 핀)와 능동적 요소(합성 제트 장치)를 통합한 냉각 시스템 설계.
온도 센서(DS18B20)와 MCU를 사용하여 합성 제트의 작동을 관리하는 온도 피드백 제어 시스템 통합.
CATIA를 사용한 LED 헤드라이트 라디에이터의 3D 모델 구성.
특정 작동 조건에서 성능을 예측하기 위해 FLOEFD 소프트웨어를 사용한 설계된 라디에이터의 열 및 유체 역학 시뮬레이션.
설계를 기반으로 한 샘플 LED 헤드라이트 제작.
시뮬레이션 결과를 검증하고 열 관리 시스템의 효과를 평가하기 위한 샘플 램프의 실험적 테스트.

데이터 수집 및 분석 방법 (Data Collection and Analysis Methods):

시뮬레이션 (Simulation): FLOEFD 소프트웨어를 사용하여 라디에이터의 온도 분포와 공기 흐름 패턴을 시뮬레이션했습니다. 주요 결과에는 온도 등고선 및 다양한 지점에서의 최고 온도가 포함되었습니다.
실험 테스트 (Experimental Testing): 적외선 온도계를 사용하여 제어된 주변 온도의 밀폐된 공간에서 샘플 램프의 LED 광원 및 라디에이터 핀의 온도 분포를 측정했습니다. 실시간 온도 데이터를 기록하고 분석했으며, 특히 합성 제트 작동의 효과를 분석했습니다.

연구 주제 및 범위 (Research Topics and Scope):

본 연구는 특히 자동차 헤드라이트 응용 분야를 위한 고출력 LED의 열 관리에 중점을 두었습니다. 범위는 다음과 같습니다:

히트 파이프, 히트 싱크 및 MCU 제어 합성 제트를 결합한 하이브리드 냉각 시스템의 설계 및 분석.
자동차 사용과 관련된 조건(시뮬레이션의 경우 주변 온도 50°C, 주행 속도 45km/h)에서의 라디에이터 구조 모델링 및 시뮬레이션.
주변 온도 50°C의 정지 상태에서 냉각 성능, 특히 온도 피드백 제어 및 합성 제트의 효과에 대한 실험적 검증.

6. 주요 결과 (Key Results):

주요 결과 (Key Results):

냉각 시스템에 대한 열 저항 모델이 수립되었습니다 (Fig. 1, Equations 1-10).
히트 파이프, 히트 싱크 핀, 합성 제트 장치, 온도 센서 및 MCU 제어 장치를 통합한 LED 헤드라이트 라디에이터의 3D 모델이 CATIA를 사용하여 설계되었습니다 (Fig. 2).
주변 온도 50°C 및 주행 속도 45km/h에 대한 FLOEFD 시뮬레이션 결과 (Fig. 3)는 다음과 같습니다:
- 최대 라디에이터 온도 92.9°C.
- LED 접합 온도 124.6°C (브래킷과 PN 접합 사이의 고정 온도 차이 31.7°C로 계산), 설계 요구 사항인 <125°C 충족.
주변 온도 50°C(정지 상태)에서 샘플 램프에 대한 실험 테스트 (Fig. 4) 결과:
- 합성 제트 작동 10분 후 광원 온도가 안정화되었습니다 (Fig. 5).
- 합성 제트가 활성화되면 샘플 램프 온도가 18°C 낮아졌습니다 (Fig. 6).
- 온도 피드백 제어 시스템은 LED 온도를 효과적으로 관리하여 설계 요구 사항을 초과하지 않도록 했습니다.
제안된 열 관리 시스템 및 기술은 고출력 LED 자동차 헤드라이트의 방열 문제를 성공적으로 해결합니다.

Fig. 4. Image of the sample lamp test

Fig. 5. The highest temperature of test positions versus the run time of synthetic jet

그림 이름 목록 (Figure Name List):

Fig. 1. Thermal resistance network diagram of the cooling system
Fig. 2. LED headlight radiator structure
Fig. 3. FLOEFD simulation results of the radiator
Fig. 4. Image of the sample lamp test
Fig. 5. The highest temperature of test positions versus the run time of synthetic jet
Fig. 6. Heat dissipation effect with the synthetic jet

7. 결론 (Conclusion):

본 연구는 다양한 조건에서 LED 헤드라이트의 냉각 요구 사항을 분석합니다. 주행 중 역방향 흐름에 의존하는 수동적 히트 파이프 냉각 기술과 온도 피드백 제어의 능동 냉각 기술이 제안됩니다. 라디에이터 구조와 샘플 램프는 CATIA로 설계되었습니다. FLOEFD 시뮬레이션 및 실험 결과는 주변 온도가 50°C이고 정지 상태일 때 LED의 접합 온도가 적절한 범위 내에 있음을 보여줍니다. 최고 온도는 요구되는 범위 내에서 제어될 수 있습니다. 제안된 기술은 현재 고출력 LED 헤드라이트의 적용 및 보급을 제한하는 방열 문제를 해결하기 위한 접근 방식을 제공합니다.

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본 자료는 "Hui-Ming Qu, Xiao-Hui Yang, Qi Zheng, Xin-Tao Wang, and Qian Chen"의 논문입니다. "[Thermal management technology of high-power light-emitting diodes for automotive headlights]"를 기반으로 합니다.
논문 출처 (Source of the paper): 10.1587/elex.11.20140965

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