[논문]열전도성 플라스틱을 적용한 자동차 LED 전조등 방열구조 연구

김형진; 이동규; 박현정; 양회석; 나필선; 곽준섭

doi:10.4313/jkem.2015.28.8.544

열전도성 플라스틱을 적용한 자동차 LED 전조등 방열구조 연구
Design and Fabrication of Heat Sink for Vehicle LED Headlamp Using Thermally-Conductive Plastics 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.28 no.8, 2015년, pp.544 - 549

김형진 ((주)서광 부설연구소) , 이동규 (순천대학교 대학원 인쇄전자공학과) , 박현정 (순천대학교 대학원 인쇄전자공학과) , 양회석 ((재)전남테크노파크 신소재기술산업지원화센터) , 나필선 ((재)전남테크노파크 신소재기술산업지원화센터) , 곽준섭 (순천대학교 대학원 인쇄전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Since LEDs (light emitting diodes) have many advantages as a light source in vehicle headlamp, such as good reliability, energy and space saving, and flexible headlamp design. On the other hand, the dependence of its performance and life on temperature have great influence on its practical use. In this study, design and fabrication of heat sink for vehicle LED headlamp were performed using thermally-conductive plastics. This study focused on the effective heat sink structure with limited space in the vehicle LED headlamp. We designed two different prototype of heat sink by thermal simulation using SolidWorks program, which had excellent temperature characteristics. The two different prototype of heat sink were fabricated by injection molding with thermally-conductive plastics. The results showed that LED $T_j$ (junction temperature) of sample B (model 1) and sample C (model 1, 2) was below then $165^{\circ}C$ when applying the thermally-conductive plastics in heat sink of vehicle LED headlamp.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 SolidWorks 프로그램을 이용하여 자동차 전조등의 제한적인 공간에 효과적인 방열구조를 가지는 heat sink의 방열설계 및 열 해석을 진행하였다. 열 해석을 통하여 온도 특성과 사출성이 우수한 2개의 모델을 기반으로 자동차 LED 전조등 heat sink를 제작하였다.

제안 방법

그림 1은 본 연구에서 적용한 자동차 LED 전조등의 heat sink 외각 크기로 폭 (Width) 50 mm, 깊이 (Depth) 100 mm, 높이 (Height) 100 mm로 설정하였고, LED 전조등을 일체형 heat sink 구조로 설계하였다.
본 연구에서 자동차 LED 전조등에 적용되는 heat sink 구조설계 및 열전도성 플라스틱의 소재를 이용하여 시뮬레이션과 자동차 LED 전조등 heat sink의 성능을 평가한 결과는 다음과 같다. 방열 특성이 우수한 모델 (model 1)과 사출성이 우수한 모델 (model 2)을 시뮬레이션을 통하여 자동차 LED 전조등 heat sink를 제작하였고, 각 sample의 온도 특성을 확인한 결과, sample B (model 1)는 162.
본 논문에서는 SolidWorks 프로그램을 이용하여 자동차 전조등의 제한적인 공간에 효과적인 방열구조를 가지는 heat sink의 방열설계 및 열 해석을 진행하였다. 열 해석을 통하여 온도 특성과 사출성이 우수한 2개의 모델을 기반으로 자동차 LED 전조등 heat sink를 제작하였다. 열전도성 플라스틱을 사용한 자동차 LED 전조등 heat sink는 LED T_j가 165℃ 이하의 방열 특성을 나타내었으며, 이는 자동차 LED 전조등에 열전도성 플라스틱 소재의 heat sink 적용이 가능함을 보여준다.
열전도성 플라스틱 (thermally-conductive plastics)은 엔지니어링 플라스틱 (engineering plastics)의 한 종류로서, 열전도성이 우수한 플라스틱을 말하며 기존 플라스틱에 비해 5~100배까지 높은 열전도도를 가지고 있다. 열전도율이 다른 3종의 열전도성 플라스틱을 원료를 가지고 자동차 LED 전조등 heat sink를 제작하였다.
LED 전조등의 방열 성능 평가는 차량 엔진룸 보다 혹독한 환경을 조성하기 위해서 오븐을 105℃로 설정하여 진행하였다. 자동차용 LED package에 소비전력 12 W를 공급 후 4개의 접촉식 thermocouples를 이용하여 LED package의 soldering point, Al plate, heat sink의 방열핀, ambient temperature, 총 4군데를 측정하였다.

대상 데이터

175℃ 이하로 관리해야지만 수명과 성능을 보장할 수 있다. 본 논문에서는 LED T_j를 175℃의 6%가량 감소시킨 약 165℃ 이하로 설정하였고, 사용된 LED package는 OSRAM사에서 개발된 자동차 전조등용 고출력 백색 5칩 LED를 사용하였다 [10]. LED에 대한 제원은 표 1과 같다.

이론/모형

15 K (약 105℃), 대류계수 5 W/m²·K, LED 소비전력 12 W의 조건으로 설정하였다. 모듈설계를 위해 3D PLM (Product Lifecycle Management) 도구인 SolidWorks를 사용하여 설계하였고, 열 해석은 SolidWorks의 thermal simulation을 활용하였다.

성능/효과

본 연구에서 자동차 LED 전조등에 적용되는 heat sink 구조설계 및 열전도성 플라스틱의 소재를 이용하여 시뮬레이션과 자동차 LED 전조등 heat sink의 성능을 평가한 결과는 다음과 같다. 방열 특성이 우수한 모델 (model 1)과 사출성이 우수한 모델 (model 2)을 시뮬레이션을 통하여 자동차 LED 전조등 heat sink를 제작하였고, 각 sample의 온도 특성을 확인한 결과, sample B (model 1)는 162.8℃, sample C (model 1, 2)는 162.1℃, 160℃로 175℃의 6% 가량 감소시킨 약 165℃ 이하의 온도를 만족하였다. Sample B의 model 1을 사용하면 저렴한 비용으로 자동차 LED 전조등 heat sink 제작이 가능할 것으로 사료되며, LED 전조등 전제 제품의 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

후속연구

1℃, 160℃로 175℃의 6% 가량 감소시킨 약 165℃ 이하의 온도를 만족하였다. Sample B의 model 1을 사용하면 저렴한 비용으로 자동차 LED 전조등 heat sink 제작이 가능할 것으로 사료되며, LED 전조등 전제 제품의 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
따라서 sample B의 원료를 사용하면 좀더 저렴한 비용으로 175℃의 6% 가량 감소시킨 약 165℃ 의 온도를 만족하는 자동차 LED 전조등의 heat sink 제작이 가능할 것으로 사료된다. 또한 본 실험만으로 열전 도성 플라스틱을 자동차 전조등의 방열소재로 선정하기 위해서는 LED 전조등의 projection lens, reflector, heat sink, 베이스 플레이트를 포함한 LED 전조등 전체 제품에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED는 어떤 특성이 있는가?	LED는 열에 취약하므로 이에 대한 대비가 중요하며, 이는 소비전력과 수명과도 직결된다. LED 전조등의 방열시스템에서 중요한 것은 heat sink의 구조설계이다.
	열전도성 플라스틱은 무엇이며 무슨 특성을 가지고 있는가?	열전도성 플라스틱 (thermally-conductive plastics) 은 엔지니어링 플라스틱 (engineering plastics)의 한 종류로서, 열전도성이 우수한 플라스틱을 말하며 기존 플라스틱에 비해 5~100배까지 높은 열전도도를 가지고 있다. 열전도율이 다른 3종의 열전도성 플라스틱을 원료를 가지고 자동차 LED 전조등 heat sink를 제작하였다.
	방열 구조 설계기술의 적용으로 열 저항 3 K/W 이하 수준의 방열 시스템이 필요한 이유는?	자동차 전조등에 LED 광원이 성공적으로 적용되기 위해서는 방열설계 기술 및 방열 재료의 경량화가 요구된다. 자동차 LED 전조등은 자동차 엔진에서 발생하는 열과 라디에이터 등에서 발생하는 열로 인해 높은 온도에 노출되어 있다. 이런 밀폐된 전조등의 내부에 배치된 LED 소자가 열화 되면 광량이 감소하고, 수명이 단축된다 [6]. 따라서, 방열 구조 설계기술의 적용으로 열 저항 3 K/W 이하 수준의 방열 시스템이 필요하며, 방열핀, 방열팬, 적용에 따른 방열 시스템의 소재 경량화도 매우 중요 하다.

참고문헌 (10)

R. Oliver, SAE Technical Paper, 800525 (1980).
R. Neumann, SAE Technical Paper, 940636 (1994).
T. Inaba, S. Watanabe, Y. Yamada, SAE Technical Paper, 2008-01-0339 (2008).
M. Hamm, W. Huhn, SAE Technical Paper, 2008-01-0337 (2008).
D. Decker and C. Neumann, SAE Technical Paper, 2008-01-0490, (2008).
A. Anseri, W. Ince, M. Sayer, A. SAE Technical Paper Series No. 2007-01-1037. Warrendale, PA: Society of Automotive Engineers, SP-2106 (2007).
S. H. Hwang, S. J. Park, and Y. L. Lee, KAIS, 11 2317 (2010).
L. Kim, J. H. Choi, and M. W. Shin, Thermochimica Acta, 455 21 (2007). [DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.tca.2006.11.031]

상세보기
S. Liu, J. Yang, Z. Gan, and X. Luo, International J. of Thermal Sciences, 47, 1086 (2008). [DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2007.09.005]

상세보기
OSRAM Opto Semiconductors, LE UW U1A5 01 Datasheet, http://www.osram-os.com (2015).

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