자동차 조명 산업을 위한 최상급 열관리 기능을 달성하는데 도움을 줄 수 있는 방법들을 알아보고자 한다. LED의 열 특성을 선택 및 측정하고 특정 애플리케이션에 가장 적합한 LED를 선택하는 방법을 살펴본다. LED 시스템의 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있다. 따라서 헤드라이트와 후미등처럼 복잡한 형태의 조명 시스템들에 대한 열 시뮬레이션 문제를 살펴본다. 또 동시병행 설계 전산유체역학(CFD) 기술을 이용해 보다 높은 품질의 제품들을 설계하는 것은 물론 신속하고 효율적이며 비용 효율적으로 개발하는 방법도 다룬다.

산업 동향

전 세계 조명 시장에 대한 맥킨지앤컴퍼니(McKinsey & Company)의 전망에 따르면, 자동차 조명시장 규모는 현재 180억 달러(130억 유로)로 전체 조명시장의 20% 정도를 차지하고 있으며, 2020년경에는 250억 달러(180억 유로) 규모로 성장할 전망이다. 발광 다이오드(LED) 개발 분야의 발전으로 자동차 애플리케이션 부문의 LED는 향후 10년 동안에 급격한 증가를 보일 것으로 예상된다. LEDs Magazine의 2012년 11월호 기사는 다임러가 S클래스의 모든 조명으로 LED를 사용할 것이라고 밝히기도 했다. 2010년~2020년 기간 LED 가격이 현재의 1/10로 떨어짐에 따라, LED는 기존의 광원들에 비해 경쟁력이 한층 더 높아질 것이다.

기존 자동차 광원들과는 달리 LED는 온도에 훨씬 더 민감하므로, 이들을 디자인에 사용하려면 그 구조와 시간경과에 따른 거동은 물론 히트싱크로부터 냉각유체 흐름에 이르기까지 적절한 열관리 시스템에 대해서도 알아야 한다. 이러한 레퍼토리로 무장한 조명 디자이너들은 자신들의 디자인을 최적화함으로써 LED의 긴 수명을 보장하거나 혹은 방사파장의 변화나 광출력의 감소를 최소화 할 수 있다. 이들은 LED를 광원으로서 보다 효과적으로 사용하고, 자동차 산업 분야의 전반적인 LED 이용이 더욱 늘어나도록 할 수 있다.

차 조명에 LED를 이용하기 위한 과제

조명기구 디자인이 백열등으로부터 LED로 변화함에 따라, 과거의 열관리 개념은 이제 케케묵은 것이 되어버렸고 새로운 사고방식을 확립할 필요가 생겼다.
백열등의 열 손실은 대부분 방사(약 83%)와 소실(약 12%)을 통해 이뤄지므로 광원과 관련된 열 문제를 겪지 않지만, LED의 열손실(약 60~85%)은 대부분 전도에 의해 이뤄지기 때문에 열 관리에 민감하다. 100와트 백열등의 효율은 5% 정도인 반면에, LED의 효율은 현재 15~40% 정도인데다가 끊임없이 향상되고 있다.


LED의 주된 열 문제는 높은 색채 안정성과 기대수명을 유지하는 것이다. 자동차 산업 분야의 LED는 수명기간 내내 내구성을 가져야 한다. LED는 보다 효율적일 뿐만 아니라 보다 높은 가시성 덕분에 안전성도 더 높다는 면에서 가치가 크다. 때문에 유럽경제위원회(ECE)에서는 2011년부터 모든 신 차종에 대해 주간주행등(DRL)을 의무사항으로 규정했다.
헤드라이트나 후미등과 같은 외부 조명들은 공기가 드나들 수 있는 매우 작은 흡입 및 배출구와 일반 백열등을 위한 작은 구멍을 제외하고는 거의 완전히 밀폐된 시스템들이기 때문에, 결함이 발생할 경우 LED를 교체한다는 것은 현실성이 없다. 헤드라이트나 후미등의 LED들이 여러 개 고장 났을 경우에는 유닛 전체를 교체하는 수밖에 달리 해결 방법이 없다. 따라서 LED 뿐만 아니라 전체 등 디자인의 높은 신뢰성과 품질이 필수적이다. 헤드라이트 전체를 교체하려면 비용이 많이 드는데다가, 이러한 일이 보증 기간 중에 일어날 경우에는 이 시스템의 OEM 및 공급업체에게 상당한 비용이 지출될 수 있기 때문이다.

열 및 방사측정 거동 특성 분석을 통한 신뢰성 확보

원래의 공급자 데이터시트가 유체 해석이나 구조 분석으로부터 정확하고 신뢰성 있는 시뮬레이션 결과들을 얻는 데 필요한 데이터를 항상 제공하는 것은 아니며, 일반적으로 제조업체가 측정 데이터를 보장해 주거나 그 오류를 지적해 주지도 않는다. 따라서 애플리케이션을 위해 이들의 특성을 테스트 및 측정함으로써 부품과 소재들을 제품에 사용하기 전에 그 신뢰성을 먼저 확인해야 한다.

열 특성 분석

LED의 열저항(Rth)은 다양한 분야에서의 제품 수명, 효율성 및 동작뿐만 아니라 이들의 전기적, 열적, 광학적 성능에도 영향을 미친다. LED 패키지는 다른 모든 반도체 디바이스 패키지와 마찬가지로 그 열저항을 통해 정상상태 동작의 특성을 잘 분석할 수 있다. 이 열저항은 단위 전력이 해당 디바이스에 인가될 경우 어느 정도의 온도상승이 야기되는지를 알려주는 수치다.
기본적인 기법은 해당 부품의 온도 의존적인 전압을 측정하는 것이다. LED는 임의의 정상상태에서 켜져서(꺼져서), 얼마 후에는 다른 정상상태(고온/저온 또는 그 반대)에 도달하게 된다. 이 과정에서 상시 측정이 지속적으로 이뤄져 작은 측정전류에서의 열 과도응답 곡선을 제공하게 된다. 측정된 온도차이와 부품의 스위칭에 사용된 전력 차이(그림2)의 도움을 받아 구조 함수를 도출할 수 있다(그림 3).
2010년 11월에 JEDEC(Joint Electron Devices Engineering Council)에서는 이중 열 인터페이스 방법을 이용해 접합부와 케이스 간(RthJC) 측정을 수행하기 위한 JESD51-14 표준을 발행했다[1]. 이 표준에서는 측정을 여분의 레이어가 없을 경우와 있을 경우 두 번 수행할 것을 지정하고 있는데, 여기서 편차의 위치가 해당 패키지의 열저항을 나타내게 된다. 이 방법은 냉각 표면이 노출돼 있으며 열 흐름 경로가 일차원적인 파워 반도체 디바이스 패키지에 적용할 수 있다. 이러한 조건은 파워 LED의 경우에도 유효하다.
그림 3에서 볼 수 있는 구조 함수는 접합부와 케이스 간 열저항(RthJC)을 알아낼 수 있도록 해주는데, 이는 정확한 열 시뮬레이션을 위해 중요하다. 이같은 구조 함수는 열저항을 알아내는 데 도움을 줄 수 있을 뿐만 아니라 서로 다른 LED, 땜납/글루 품질, 결함 및 결함의 위치 그리고 서로 다른 PCB/MCPCB 종류들의 냉각효율성 관련 성능과 이들의 온도 의존성을 비교하는 데도 사용할 수 있다. 다이와 주변환경간의 모든 사항들을 구조 함수에서 볼 수 있으며, 결함이나 노후화에 의해 야기된 변화들을 정상적이거나 이상적인 조립제품과 비교해 볼 수 있다.

방사측정 특성분석

열 특성 분석은 LED의 결함들에 대한 통찰력을 얻고, 열저항을 알아내며, 조립품에 대한 최상의 열관리 능력을 보장하기에 적절한 글루나 TIM을 테스트하기 위해 중요하다. 그러나 LED의 동작에 사용되는 전체 전기는 열과 빛으로 변환된다. 그러므로 정확한 열 특성분석을 위해서는 그림 4에서 도해로 보여주고 있듯이 LED에 의해 방출되는 광출력을 전력으로부터 빼서 실제적인 내부 열저항 Rth-real을 얻어야 하는데, 이 값은 순수하게 LED의 발열량만을 토대로 한다.
Rth - real = ΔT/Pheat = ΔT/(Pel - Popt)  (1)

Rth = ΔT/ΔP (2)

여기서 Rth와 Rth-real은 각각 일반 반도체와 반도체 조명(SSL) 부품의 열저항을 와트당 켈빈 단위로 표시한 것이다. ΔT 는 두 정상상태(고온과 저온) 간의 온도 차이를 켈빈[K] 단위로 나타낸 것이다. Pheat와 ΔP 는 각각 부품 가열에 사용된 실제 전력과, 부품 구동을 위한 전력과 이를 측정하기 위한 작은 전력간의 전력차를 와트[W] 단위로 나타낸 것이다. Pel은 부품 구동을 위한 전력이며, Popt는 SSL 부품이 방출하는 광출력이다.
광출력을 고려하지 않는다면 LED의 구조 함수는 상이한 접합온도와 구동전류로 바뀌게 될 것이다. 광속은 그림 1에서 이미 보았듯이 이러한 파라미터들에 좌우되기 때문이다.
멘토 그래픽스의 TERALED/T3Ster 테스트 하드웨어를 이용해 측정하면 총 광속, 총 방사속, x, y 및 z 삼자극 값들과 같은 파라미터들도 도출할 수 있으며, 스펙트럼 분석을 수행할 수 있다. 다이오드 특성, 광출력, 복사효율, 광속, 효율, 암시속(scotopic flux) 및 색좌표의 전류 및 온도 의존성을 한 번의 통합측정으로 수행해, 그림 5의 예제에서 보듯이 LED의 구동전류나 접합온도(Tj) 또는 냉각판 온도의 함수로서 표시할 수 있다.

특정 전류 기반의 LED 열 및 광도 분석

Mentor Graphics FloEFD™ 열 시뮬레이션 툴은 특유의 LED Compact Model을 갖추고서 후처리 능력을 제공하는데, 이는 LED가 얼마나 뜨거워지는지 뿐만 아니라 사용하는 전류에 따라 LED가 어느 정도의 열을 실제로 생성하는지도 알 수 있게 해준다. 이러한 정보로부터 LED가 얼마나 “밝은지”도 알 수 있다. 이러한 능력이 없다면 엔지니어들은 LED의 열저항 모델을 정의해 열 생성률을 적용하더라도 그 값이 정확히 얼마나 큰지 실제로는 알지 못할 것이다. 전압과 광출력의 범위는 그림 1에서 보듯이 특정 전류에서 LED의 온도에 좌우되기 때문이다.


그림 6은 LED Compact Model을 이용해 전류를 정의한 뒤 T3Ster 데이터나 계산으로부터 수작업으로 입력한 데이터(대개 T3Ster 데이터만큼 정확하지는 않은)를 이용해 T3Ster나 데이터시트의 LED 열 특성 결과인 온도를 얻을 수 있으며, 그러고 나서는 LED가 이 접합 온도와 전류에서 갖는 광속이나 “고온 루멘”과 열 생성률을 얻을 수 있음을 보여준다. LED의 온도는 이들이 동작하는 전류에 따라 달라지며, 이러한 전류 및 온도의 변화는 광속이 달라지는 결과를 가져온다.

초기 시뮬레이션으로 제품 개발 앞당겨

LED는 열 설계뿐만 아니라 조명 시스템에 대해서도 혁신적인 변화를 요구한다. LED는 디자이너들이 보다 창의성을 발휘해 개인주의적이고 인상적인 디자인들을 통해 브랜드나 자동차 모델을 차별화할 수 있도록 해준다. 그러나 성능에 보다 큰 영향을 미치는 기하학적 구조는 거의 LED 하나하나마다 반사경과 히트싱크가 갖춰져 있기 때문에 더욱 복잡해진다. 복잡성 증가와 열관리 전략의 변화로 인해 조명 시스템의 열 설계에서 쌓은 과거의 경험은 더 이상 적용되지 않게 되었으며, 설계 과정에서 시뮬레이션의 중요성이 한층 더 커졌다.
설계와 성능의 상호의존성이 더욱 커짐에 따라, 디자이너들은 여러 가지 설계 변경을 신속하게 수행해야 하며, 열관리 분석을 담당하고 있는 CFD 전문가들은 급속한 설계 주기와 복잡하고 어수선한 지오메트리의 메시 생성에 필요한 노력으로 인해 과중한 부담을 지고 있다.
이러한 상황에 부응해 수작업의 개입 없이 고품질의 메시를 생성하는 진정한 자동 메싱이 중요성을 갖게 됐다. 실로 이것은 동시병행설계 CFD 솔루션을 위한 전제조건으로서, 디자이너들이 설계 과정 초기에 수치 및 CFD에 대한 심층 지식 없이도 시뮬레이션을 수행함으로써 제품개발 과정을 앞당길 수 있도록 해준다.

성공적 열관리 보장하는 동시병행설계 CFD

FloEFD가 가능케 해주는 동시병행설계 CFD 접근방법은 모든 설계 반복작업에 정확한 열 시뮬레이션을 포함시킴으로써 설계주기를 단축시킬 수 있도록 해준다. 고전적인 CFD가 CAD 모델을 MCAD 시스템으로부터 익스포트해서 CFD 시스템으로 임포트하는 작업에 의존하는 것과는 달리, 동시병행설계 CFD는 MCAD 환경 내에 완전히 내장돼 있기 때문에 해당 모델을 STEP이나 IGES와 같은 중립적인 파일 포맷으로 전송할 필요가 없다. 이러한 전송은 대개 원래의 CAD 모델에 있던 모든 파라미터 정의를 잃어버리게 된다. 파라미터적으로 정의된 지오메트리는 디자인 변종의 분석이 수반되는 시뮬레이션에 도움을 준다.
자동 메싱 및 기타 기술들은 제품과 그 거동에 대해 갖춰야 하는 이해만으로도 CFD 기술을 이용할 수 있도록 해준다. 시뮬레이션 시간과 메시 생성은 전통적으로 프로세스 내에서 가장 긴 단계인데, 이 또한 최소한으로 줄어든다. 이 기술의 응용분야는 자동차 산업 및 기타 산업들의 수많은 부문들로 확장돼 나가고 있다.
그림 7의 예제는 OEM 엔지니어들이 어떻게 이 기술을 이용해 자신들의 MCAD 시스템 내에서 상이한 자동차 애플리케이션들을 성공적으로 시뮬레이트하는 지 보여준다.

결론

멘토 그래픽스의 T3Ster와 TERALED를 LED의 철저한 열 과도현상 테스트(광도 및 방사 측정을 포함하는)를 사용하면 고도로 정확하고 반복 가능한 실제 열저항 측정값을 얻고 이를 제품 설계 시의 CFD 열 시뮬레이션에 사용하기 위한 열 저항기-콘덴서 모델들로 변환할 수 있다.
초가속 수명시험(HALT)의 실행도 설계된 제품수명 기간 동안에 높은 신뢰성을 보이는 가장 적합한 LED를 선택할 수 있도록 도와준다. 또한 열 시뮬레이션은 열관리 시스템이 LED의 수명기간 동안에 품질 및 성능의 손실을 최소화하면서 적절한 환경을 제공하도록 보장해 준다. FloEFD 동시병행설계 CFD 방법은 또한 설계 프로세스 초기에 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 해 제품설계 주기를 단축시킴으로써 타임투마켓을 앞당기고 개발 및 프로토타이핑 비용을 절감해 준다. 

AEM_Automotive Electronics Magazine