차량용 균일 발광 컵홀더 연구

1. 서 론

최근 자동차 산업에 있어 대부분의 제품군에서는 기술의 평준화가 이루어지면서 제품의 기능이나 품질면에서 차종별 큰 차이를 보이고 있지 않다. 또한 경제, 사회, 문화적 발전으로 인해 소비자의 의식 수준이 향상되면서, 기존의 가격, 기능, 품질 등 단순제품 성능 요구에서 안전성, 편리성, 안정성, 감성 등의 요소로 차량 선택의 관점이 진화하고 있는 실정이다.^1-6)

이러한 소비자의 니즈 변화로 인해 완성차 업체는 경쟁에서 살아남기 위해 소비자의 욕구 충족을 위한 기술 개발을 추진하였으며, 이로 인해 최근 감성에 대한 연구와 상용화가 빠르게 이루어지고 있다. 그 중 하나로 실내 조명의 확대 적용으로 감성 조명 또는 무드 조명이라는 용어가 생겨났다. 특히, 고객이 편안함을 느낄 수 있도록 최적의 실내 환경을 만들어 주기 위한 노력이 계속되고 있다. 조명은 인간의 직간접적인 영향을 주는 요소로^1,7) 실내 조명을 이용하여 편안하고 쾌적한 운행 환경을 만들 수 있다.

현재 자동차 내장부품의 조명은 점조명, 선조명, 면조명 형태로 발전하고 있으며, 점조명은 LED 등을 활용한 단순 간접 조명형식으로 나타나며, 선조명은 Light String Tube 또는 투명 고분자 사출물+LED 조합 형식으로 사용된다. 면조명의 경우 EL(Electroluminescence) 필름 등이 활용되고 있는 실정이다. 하지만 면조명의 경우 컨셉카 등에 선보이고 있으며 아직까지 대중화된 기술이 아니며, 최근 감성 조명으로는 선조명이 활용되고 있다. 조명에 있어서 균일한 발광 특성을 보이는 것이 매우 중요하며 이를 위해 다양한 연구가 진행되고 있다.⁸⁾

균일한 발광 특성을 나타내기 위해서 광확산 PC를 사용한 경우가 있으나,⁸⁾ 이는 LED 광원 커버 역할을 하는 것으로 빛을 전달하는 구조를 포함하고 있지 않다. 빛을 전달하고 균일하게 발광시키는 구조는 Light String Tube를 사용하는 경우이다. Light String Tube 구조는 유연한 아크릴 계열의 코어에 테프론 계열의 불투명 쉘 구조로 되어 있는 튜브로 코어를 통해 빛이 전달되고 불투명 쉘을 통해 균일 발광을 구현하는 구조이다.⁹⁾ 하지만 원소재 자체를 생산하는 업체가 한정적으로, 가격 경쟁력 및 생산성 문제로 산업계에 폭넓게 적용하기 어려운 문제가 있다. 따라서 대량생산이 가능한 사출 물로 균일 발광 특성을 구현하기 위한 연구가 필요하다.

본 연구에서는 자동차 컵홀더에 균일한 발광 특성을 보이는 조명장치를 융합하기 위해 투명 고분자 사출물에 대한 광학 설계를 진행하고 이에 따라 부품 성형 해석을 수행하였으며, 제조된 균일 발광 컵홀더의 발광 특성을 분석하였다.

2. 실험 내용

2.1 광학해석 및 소재 구성

본 연구에 사용된 컵홀더의 기본 형상은 현재 양산되고 있는 제품을 기반으로 수행하였다. 이에 추가적으로 조명 장치를 추가하기 위한 부품 설계를 변경하였으며, 기본 형상은 Fig. 1과 같다. Fig. 1의 램프 가이드는 LED의 광을 유도하는 역할을 수행하며, 소재는 투명 고분자인 PMMA로 롯데엠알씨사의 TF 그레이드 제품을 사용하였다. 램프 클리어는 광확산 PC로 삼양사의 30xx 그레이드를 사용하였으며, 고른 광확산을 위해 적용되었다.

Fig. 1

Structure of lighting cup holder

Fig. 1에서 보는 바와 같이 광원은 LED로 구성하였으며, LED는 CTL사의 LFMWW-VY35모델의 제품을 사용하였다. LED는 1개소에 대한 광분포 해석을 진행하였으며, 램프 가이드 및 램프 클리어의 형상에 따른 광분포 해석을 진행하였다. 광분포 해석은 BEST MEDIA사의 조명 Simulator CAD 프로그램을 사용하여 진행하였다.

2.2 부품 성형 해석

광분포 해석을 통해 반영된 램프 가이드 및 램프 클리어에 대한 수지 유동성 및 불량 발생 요인을 분석하기 위하여 부품 성형 해석을 진행하였다. 3차원 모델링은 NX UG 프로그램으로 모델링하고 사출성형 CAE프로그램인 3D TIMON을 이용한 해석을 진행하였다.

Fig. 2

CAD and CAE model of (a) lamp guide and (b) lamp clear

사출성형은 게이트 위치, 보압, 냉각 시간, 온도 등의 많은 요소들의 상호 작용으로 인하여 진행된다. 사출성형용 소재는 PMMA와 PC로 정해져 있기 때문에 성형 온도 및 시간 등은 원소재 제조사에서 제공하는 사출 조건으로 설정하고, 이 중 게이트 위치를 변수로 두고 해석을 진행하였으며, Fig. 3 및 Fig. 4에서 보는 바와 같이, 부품 각각 3 가지 종류의 게이트를 검토하였다. 기본적인 게이트, 런너, 스프루에 대한 조건은 Table 1에 제시하였다. 빛이 지나가는 가이드와 투과하는 클리어 부품이기 때문에 성형불량요인인 웰드라인(Weld line) 및 공기 트랩(Air trap) 발생의 중점적인 관찰을 진행하였다.

Fig. 3

Gate location of lamp guide

Fig. 4

Gate location of lamp clear

Table 1

Information for CAE analysis

2.3 발광 컵홀더의 성능 평가

연구된 램프 가이드 및 램프 클리어를 활용하여 발광 컵홀더를 제작하였다. 제작된 발광 컵홀더의 빛 균일도를 평가하기 위해 광학해석과 동일한 부위에서 휘도를 측정하여 휘도의 평균 및 표준 편차를 구해 균일성을 측정하였다. Fig. 5에서 보는 바와 같이, 휘도 측정은 미놀타 LS100 장비를 사용하였으며, 측정 부위와 휘도계의 거리는 일정하게 1 미터를 유지하였으며, 암실상태에서 인가전압 12.6 V상에서 측정하였다.

Fig. 5

Test of luminance and measuring point

3. 결과 및 토의

3.1 광학해석 결과

부품의 광학 해석을 진행하기에 앞서 램프 가이드의 형상에 따른 광선 추적 시뮬레이션을 진행하였다. Fig. 6에서 보는 바와 같이, 4가지 타입의 램프 가이드 형상을 1차적으로 설계하여, 램프 가이드 입광부 형상의 유효성을 검증하였다. 광선 추적 해석은 빛의 손실 정도를 사전에 파악하여 휘도 해석 기간을 단축할 수 있다.

Fig. 6

Ray tracing analysis result at different lamp guide

Fig. 6에서 보는 바와 같이, 램프 가이드의 초기 형상을 Type 4로 지정한 후 램프 클리어 형상에 따른 휘도 해석을 진행하였다. 초기 설계된 램프 클리어의 휘도 해석결과, 입광부의 광량이 집중됨에 따라 빛 뭉침이 발생하였고, 이를 해결하기 위해 Fig. 7과 같이 입광부 부근에 리브(Rib)를 추가하여 설계 변경을 진행하였다.

Fig. 7

Structure modification of lamp clear

Fig. 8에서 보는 바와 같이 램프 클리어 형상에 따른 광분포 해석 결과를 살펴보면, 광원의 운동 방향을 조절하는 것이 가능하다는 것을 확인하였고, 국부적인 빛 뭉침 현상 등을 개선할 수 있다는 것을 광학 해석을 통해 확인하게 되었다.

Fig. 8

Luminance analysis by structure modification of lamp light clear : (a) without Rib, (b) with Rib

광분포 해석 후 발광 컵홀더의 휘도 해석을 진행하였다. 해석 프로그램 상에서 평가면을 설정하고 측정 포인트를 Fig. 9와 같이 24개 포인트로 분할하였다.

Fig. 9

Measuring point of luminance analysis

휘도분석 결과는 Fig. 10의 1^st 휘도 분석 그래프에서 보는 바와 같이, 입광부에 위치한 3번, 22번 포인트에서 상대적으로 높은 휘도 값을 보이는 것으로 확인되었다. 이는 Fig. 8에서 나온 광분포 해석과 일치하는 결과로 판단된다. 해당 부위의 빛 뭉침을 완화하기 위해 램프 가이드의 형상 변경을 추진하였다.

Fig. 10

Luminance analysis result

램프 가이드 내외측에 곡률(R)을 적용하여 빛이 부드럽게 순환할 수 있도록 하였으며, Fig. 10의 2^nd 휘도 해석 그래프에서 보는 바와 같이, 22번 포인트에서 기존 대비 균일한 휘도 값을 보임으로써 전체적으로 유사한 휘도값을 보이는 것을 확인하였다.

3.2 부품 성형 해석 결과

앞서 수행한 광학 해석 결과, 입광부의 빛 손실을 줄이고 빛이 부드럽게 순환할 수 있도록 램프 가이드 내외측에 곡률을 적용한 램프 가이드 형상을 선정하였다. 램프 클리어의 경우, 입광부의 광량이 집중되어 발생하는 빛 뭉침을 해소하기 위한 리브 형상을 추가한 형상으로 선정하였다. 이러한 광학 해석을 바탕으로 사출성형 해석을 진행하였으며, 수지 유동성 및 불량 발생 요인을 분석하기 위해 CAE 해석을 진행하였다. 성형해석은 램프 가이드와 램프 클리어 두 가지 부품을 진행하였으며, 충진 패턴을 분석해본 결과, 유동 정체 및 미성형의 문제는 발생하지 않았다.

Fig. 11(a)는 램프 가이드의 게이트 위치에 따른 성형해석 결과이다. 웰드 라인과 공기 트랩 분포를 확인한 결과, 일반적으로 웰드 라인이 발생하는 것을 알 수 있다. 다만, Case 2의 경우 광원이 장착되는 부위에 웰드 라인이 발생하여 빛의 전달에 악영향을 끼칠 우려가 있다고 판단된다. Case 3의 경우 역시, 빛이 전달되고 있는 경로에 웰드 라인이 위치하고 있다. Case 1의 경우를 살펴보면, 빛이 양방향으로 분산되어 다시 만나는 지점에 웰드 라인이 형성되는 것으로 확인되어 빛의 전달에 큰 영향을 미치지 않을 것으로 사료된다.

Fig. 11

CAE analysis of (a) lamp guide and (b) lamp clear at different gate location

Fig. 11(b)는 램프 클리어의 게이트 위치에 따른 성형해석 결과이다. 램프 가이드와 마찬가지로 웰드 라인 발생은 불가피한 것으로 보이며, 특히 체결 부위인 Fig. 11(b)의 확대부 그림과 같이 부품 체결 부위 주변의 웰드 라인 발생이 두드러진다. 금형 설계상으로 가스빼기 설계 적용을 통해 일정 수준 줄일 수 있을 것으로 예상되나, 체결부위의 웰드 라인은 부품 체결력에 있어 장기내구성 측면에서 악영향을 미칠 가능성이 있기 때문에 Case 2를 제외하고, 웰드라인이 2곳에 발생하는 Case 3을 제외하여 최종 설계는 Case 1로 진행하였다.

3.3 발광 컵홀더의 균일 발광 성능 평가

Fig. 12는 연구된 램프 가이드 및 램프 클리어를 장착한 발광 컵홀더의 휘도를 측정한 결과이다. 총 3개의 부품을 제작하여 측정하였으며, 측정된 휘도값의 평균과 표준편차를 구하여 Table 2에 나타내었다. 발광 컵홀더의 측정된 휘도 평균은 8.3 ~ 8.9 cd/m²이며, 표준편차는 0.8 ~ 1.1 수준으로 일반 간접 조명의 휘도평균 7.6 cd/m², 표준편차 9.7 대비 높은 균일도를 나타낸다고 할 수 있다. 일반 간접 조명의 표준편차는 양산제품인 해외 V사의 조명 적용 컵홀더 제품을 기준으로 하였다.

Fig. 12

Luminance measuring curve of lighting cup holder

Table 2

Average and standard deviation of luminance

실제 측정된 휘도 경향과 Fig. 10의 2^nd 휘도 분석 결과 그래프 경향을 비교해본 결과, 해석 결과와 실측정 휘도 값의 차이를 보이고 있으나, 균일도 측면에서는 유사한 경향을 보이는 것으로 확인되었다. 조명 융합형 자동차용 내장부품의 균일한 광학 특성 구현은 향후 감성지향적 자동차 산업에 부합되어 확대 적용이 가능할 것으로 사료된다.

4. 결 론

본 연구에서는 균일한 발광 특성을 나타내는 발광 컵홀더를 개발하기 위하여, 빛을 전달하는 램프 가이드와 빛을 확산시키는 램프 클리어의 형상 연구를 진행하였다. 광학해석을 통해 균일발광이 가능한 구조로 내외측에 곡률이 적용된 램프 가이드와 입광부 부근에 리브가 추가된 램프 클리어의 형상을 도출하였다. 또한, 성형해석을 통해 빛의 전달에 영향을 미칠 수 있는 웰드 라인과 공기 트랩 분포를 확인하고 이를 최소화할 수 있는 램프 가이드 및 램프 클리어의 게이트 설계를 하였다. 개발 부품의 발광 균일도를 측정하기 위해 암실에서 휘도계를 사용하여 24개 포인트를 측정한 결과 표준 편차 1.1수준의 균일도를 나타내었다. 또한, 광학해석과 실제 휘도 측정 결과의 그래프를 비교 분석한 결과, 유사한 경향을 보이고 있었다.

Acknowledgments

본 과제는 산업부에서 지원하는 2016년도 산업기술혁신사업 내 감성소재부품 사업화 지원 사업(과제번호: N049300008)의 연구 수행으로 인한 결과물임을 밝힙니다.

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