1. 개요:
- 제목: Application Specific LED Packaging for Automotive Forward-lighting Application and Design of Whole Lamp Module
- 저자: Fei Chen, Kai Wang, Zhangming Mao, Xing Fu, Cao Li, Mengxiong Zhao, and Sheng Liu
- 발행 연도: 2012
- 발행 학술지/학회: IEEE
- Keywords:
2. 연구 배경:
자동차 전조등에 기존의 할로겐 램프나 고강도 방전 램프(HID) 대신 LED를 사용하는 추세가 증가하고 있습니다. LED는 신뢰성, 에너지 절약, 공간 절약, 내구성, 친환경성 및 장수명 등 여러 장점을 가지고 있지만, 기존의 LED 패키징은 광학적 및 열적 성능 면에서 전조등 적용에 적합하지 않습니다.
야간 교통사고율이 높다는 연구 결과(44%)를 고려했을 때, 자동차 전조등의 조명 품질은 안전 운전에 필수적이며, ECE, SAE, GB 등 다양한 규정에서 저빔 조명에 대한 엄격한 제한이 있습니다. 기존의 비이미징 광학 기반 LED 전조등 설계는 높은 효율(75% 이상)을 달성했지만, 복잡한 렌즈 구조로 인해 제조상 어려움이 있었습니다.
3. 연구 목적 및 연구 질문:
- 연구 목적: 자동차 전조등에 적합한 특수 LED 패키징(ASLP)을 설계하고, 이를 기반으로 전체 램프 모듈을 설계하여 ECE 및 GB 규정을 준수하는 저렴한 LED 전조등을 개발하는 것입니다.
- 핵심 연구 질문: 자동차 전조등에 적합한 LED 패키징의 광학적 및 열적 요구사항은 무엇이며, 이를 충족하는 ASLP는 어떻게 설계해야 하는가? ASLP를 기반으로 효율적인 냉각 시스템과 광학 시스템을 갖춘 전체 램프 모듈은 어떻게 설계해야 하는가?
- 연구 가설: 최적화된 구조 매개변수와 적절한 패키징 재료를 사용하여 설계된 ASLP는 작은 에텐듀(etendue), 높은 광도, 날카로운 컷오프 특성을 가지며, 효율적인 냉각 시스템과 결합하여 낮은 열 저항을 달성할 수 있다.
4. 연구 방법론:
- 연구 설계: 이론적 분석과 실험적 검증을 병행하는 연구 설계를 채택했습니다. 먼저 이론적 분석을 통해 자동차 전조등에 대한 광학적 및 열적 요구사항을 분석하고, 그 결과를 바탕으로 ASLP를 설계했습니다. 설계된 ASLP 샘플을 제작하여 실험을 통해 성능을 평가했습니다. 실험 결과를 바탕으로 새로운 프리폼 멀티리플렉터를 사용한 광학 시스템과 효율적인 냉각 시스템을 갖춘 전체 램프 모듈을 설계했습니다.
- 데이터 수집 방법: 이론적 분석, ASLP 샘플 제작 및 테스트, 시뮬레이션, 전체 램프 모듈 성능 테스트
- 분석 방법: 광학 시뮬레이션, 열 시뮬레이션, 통계적 분석
- 연구 대상 및 범위: 자동차 전조등용 ASLP와 전체 램프 모듈.
5. 주요 연구 결과:
- 핵심 발견사항: 최적화된 ASLP는 1100lm의 광속과 날카로운 컷오프, ECE 규정을 준수하는 색도를 제공하며, 냉각 시스템의 등가 열전달 계수가 5000 W/(m²K)일 때 열 저항이 1.3K/W 미만입니다. 새로운 프리폼 멀티리플렉터 기반의 광학 시스템과 효율적인 냉각 시스템을 갖춘 전체 램프 모듈은 저빔 및 고빔 기능을 모두 포함하며, ECE 규정을 충족하는 시뮬레이션 결과를 보였습니다.
- 통계적/정성적 분석 결과: Table 1은 ASLP 샘플의 테스트 결과를 보여줍니다 (색도 좌표, 색온도, 광속, 적색광 비율). Table 2와 Table 3은 저빔 및 고빔 기능에 대한 시뮬레이션 결과와 ECE R112 규정 값을 비교한 결과입니다. Figure 3은 열 저항과 열 분포에 대한 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. Figure 4는 ASLP 샘플 사진입니다. Figure 5는 설계된 LED 램프 모듈을 보여줍니다. Figure 6과 Figure 7은 저빔 및 고빔 기능에 대한 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. Figure 8은 냉각 시스템 다이어그램입니다. Figure 9는 방열판의 열 분포 시뮬레이션 결과입니다.
- 데이터 해석: ASLP는 작은 에텐듀, 높은 광도, 날카로운 컷오프를 달성하여 자동차 전조등에 대한 광학적 요구사항을 충족하며, 낮은 열 저항으로 열 관리 문제도 해결했습니다. 전체 램프 모듈은 효율적인 광학 및 냉각 시스템을 통해 저렴하면서도 ECE 규정을 준수하는 고성능을 제공합니다.
- Figure List:
- Figure 3: Simulation results on thermal resistance and heat distribution of LED packaging.
- Figure 4: Picture of ASLP sample.
- Figure 5: Designed LED lamp with low-beam and high-beam function.
- Figure 6: Simulated illuminance distribution on test screen for low-beam function.
- Figure 7: Simulated illuminance distribution on test screen for high-beam function.
- Figure 8: Schematic diagram of cooling system in LED headlamp.
- Figure 9: Simulated heat distribution on heatsink when ambient temperature is 85°C.
6. 결론 및 논의:
이 연구는 이론적 분석과 실험적 검증을 통해 자동차 전조등에 적합한 ASLP와 전체 램프 모듈을 설계하고 성능을 검증했습니다. ASLP는 작은 에텐듀, 높은 광도, 날카로운 컷오프, 낮은 열 저항을 달성했으며, 전체 램프 모듈은 ECE 규정을 준수하는 고성능을 보였습니다. 이 연구는 저렴하고 효율적인 LED 전조등 개발에 기여할 수 있으며, HID 및 할로겐 램프 기반 전조등에 대한 경쟁력을 확보할 수 있습니다. 하지만, 아직 실험적 검증이 완료되지 않은 부분이 있으므로 향후 추가 연구가 필요합니다.
7. 향후 후속 연구:
실험적인 검증을 통한 추가적인 성능 평가가 필요합니다. 다양한 환경 조건에서의 성능 평가 및 내구성 테스트를 진행해야 합니다. 다양한 LED 칩과 패키징 재료를 사용하여 최적의 설계를 도출하는 추가적인 연구가 필요합니다.
8. 참고문헌 요약:
본 논문에서는 자동차 조명 분야의 기존 연구와 LED 패키징 및 전조등 설계에 관한 14편의 참고문헌을 인용하였습니다. 각 참고문헌은 LED의 광학적 특성, 열 관리, ECE 및 기타 관련 규정, 그리고 기존의 전조등 기술에 대한 상세 내용을 제공합니다.
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저작권
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