[ Article ]

Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 29, No. 12, pp.1067-1071

ISSN: 1225-6382 (Print) 2234-0149 (Online)

Print publication date 01 Dec 2021

Received 18 May 2021 Revised 17 Aug 2021 Accepted 19 Aug 2021

DOI: https://doi.org/10.7467/KSAE.2021.29.12.1067

저온 환경에서 자동차 전조등의 방열 특성 연구

손병래^*^{, 1)}

; 김영일²⁾

; 유희수³⁾

; 우재승¹⁾

1)호남대학교 미래자동차공학부
2)아주자동차대학 기계시스템공학과
3)앤에이치네트웍스

A Study on the Evaluation of Radiant Heat of Automobile Headlamp in a Low-Temperature Environment

Byeongrea Son^*^{, 1)}

; Youngil Kim²⁾

; Heesoo Ryoo³⁾

; Jaeseung Woo¹⁾

1)Department of Future Vehicle Engineering, Honam University, Gwangju 62399, Korea
2)Department of Mechanical System Engineering, Ajou Motor College, Chungnam 33415, Korea
3)Head of ICT Convergence Research Headquarters, Nhnetworks, 54 Cheomdanyeonsin-ro 30beon-gil, Buk-gu, Gwangju 61080, Korea

Correspondence to: ^*E-mail: sbl@honam.ac.kr

Copyright Ⓒ 2021 KSAE / 193-01
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Abstract

Headlamps from various light sources, including halogen, high-intensity discharge (HID), light-emitting diodes (LEDs), and lasers, are emerging as headlamps play the most important role in automobile safety. However, the lamps used in automobile headlamps pose different problems that affect the light transmittance of the headlamp due to radiant heat. The purpose of this study is to predict the effect of such light sources on light transmittance by conducting an experiment and measuring the radiant heat characteristics of each light source used in automobile headlamps under a low-temperature environment.

Keywords:

Headlamp, Halogen lamp, Light emitting diode, Light transmittance, Radiant heat, Low-temperature

키워드:

전조등, 할로겐 램프, 발광 다이오드, 빛 투과율, 방열, 저온

1. 서 론

자동차에 가장 중요한 역할을 하는 전조등은 인간의 눈과 같은 역할로 할로겐, 고휘도 방전램프(HID, High Intensity Discharge), 발광다이오드(LED) 및 레이저 이용까지 다양한 광원의 전조등이 등장하고 있다.^1-3) 전조등은 전기에너지를 빛에너지와 열에너지로 변환하여 빛을 이용해 야간에 운전자의 시야를 확보할 수 있는 장치이다. 그러나 빛에너지 사용으로 수반되는 열에너지는 전조등 구성부품의 손상을 초래하거나 전조등 외형에 백화현상(Haze)이 발생함에 따라 해결해야 하는 문제점으로 부각되고 있다.^4,5) 이러한 문제들은 방열이 낮은 LED나 레이저를 광원으로 이용하면 해결이 가능하지만, 전조등 내부의 수분증발을 돕지 못해 나타나는 결로현상이나 겨울철 전조등에 쌓인 눈에 의한 결빙현상으로 전조등의 빛 투과율이 줄어들어 운전자의 시야를 가리는 추가적인 문제점들이 나타난다.^5-8)

본 연구는 저온 환경에서 자동차 전조등에 사용되는 광원별 방열 특성을 실험적으로 측정하여 빛 투과율에 미치는 영향력을 예측하는데 목적이 있다.

2. 실험장치 및 측정방법

실험에 사용된 차량은 국내 H사의 차량이며, 내연기관에 따라 발생되는 열을 고려하여, 열 발생을 최소화하기 위해 EV차량을 이용하였다. 그리고 사용된 전조등 램프는 방열이 높은 할로겐 램프와 방열이 낮은 발광다이오드 두 종류를 이용하였으며, Fig. 1에 사용한 각 램프의 특징을 나타내었다. 전조등의 온도측정은 Fig. 2와 같이 전조등의 앞 표면에 5개소(Fig. 2(a))와 전조등 뒤의 2개소(Fig. 2(b)) 측정부위를 선정 후 다채널 온도측정기(Anbai AT4808)를 이용하였다. 이렇게 구성한 실험장치는 상온, 풍동(Wind tunnel) 및 영하 20 ^oC의 저온 환경에서 전조등의 온도 변화 측정을 실시하였다. 각 측정은 실내의 상온에서 전조등을 작동하여 1시간 동안 전조등의 방열에 대한 온도변화를 실시간으로 측정하였으며, 상온 측정은 Fig. 2(c)와 같이 실시하였다. Fig. 3은 풍동측정을 위해 풍동장비를 차량의 전조등과 1000 mm의 거리를 두고 인가하였으며, 일반적으로 차량의 실제 주행 시 풍동발생은 여러 가지 외부인자에 의해 1 m/s~6 m/s 정도가 발생되나 본 실험에서는 3 m/s를 적용하여 인가하였다. 또한, 저온측정은 일정한 저온 환경을 위해 전조등을 탈착 후 영하 20 ^oC로 유지할 수 있는 온도조절 챔버 내에 전조등을 장착 및 온도측정 장치를 이용하여 1시간 동안 온도변화를 측정하였다(Fig. 4).

Fig. 1

Headlamps of halogen and LED

Fig. 2

Radiant heat measuring system of headlamp; (a, b) measurement location of headlamp and (c) multi-channel thermometer

Fig. 3

Radiant heat measuring system of headlamp for a wind tunnel temperature environment

Fig. 4

Radiant heat measuring system of headlamp for a low-temperature environment

3. 실험결과 및 고찰

3.1 할로겐 램프가 장착된 전조등의 저온 환경변화에 따른 측정온도 비교

할로겐 램프를 장착한 전조등을 1시간 동안 작동 후 상온에서 급격히 변화하는 온도 구간은 제외하고 안정화되어 유지되는 측정온도를 평균값으로 상온, 풍동 및 저온 환경에 대한 온도변화를 각각 비교하여 Fig. 5에 나타내었다. 전조등의 중심에서 안쪽 부분에 측정한 1번과 2번 위치에서는 전조등의 방열에 의한 큰 온도변화는 없지만, 3번부터 5번 그리고 전조등 후면이 부분에서는 저온 환경에 의해 온도변화가 크게 변화함을 알 수 있었다. 특히, 방열이 높은 할로겐 특성 상 상온에서는 최고 100 ^oC 이상이 측정되었으며, 풍동에 의해 약 60 ^oC로 변화하였고 저온에서는 0 ^oC에 가까운 변화를 나타내었다. 이는 할로겐 램프는 앞서 언급한 것처럼 방열이 높아 전조등 전면부를 기준으로 백화현상이나 부품의 고장을 제외하면, 결로현상이나 결빙현상으로 인한 전조등의 빛 투과율 영향을 거의 없는 것으로 간주할 수 있다.

Fig. 5

Comparison of measured temperature of halogen headlamp according to a low temperature environment

3.2 LED 램프가 장착된 전조등의 저온 환경변화에 따른 측정온도 비교

Fig. 6은 할로겐 램프를 장착하여 측정한 결과와 같이 LED 램프가 장착된 전조등으로 상온, 풍동 및 저온 환경에서의 온도변화를 측정 후 비교하여 나타내었다. LED 램프는 할로겐 램프와 반대로 방열특성이 매우 낮아 상온 대비 온도변화가 거의 미비하였으며, 풍동에 의한 온도변화에도 크게 영향이 없음을 알 수 있었다. 그러나, 방열특성이 낮은 관계로 저온 환경에서는 저온에 따른 전조등 전체 측정 부분이 영하로 낮아짐을 확인하였다. 이는 할로겐 램프와는 반대되는 특징으로 결로현상이나 결빙현상에 매우 취약함을 알 수 있고 백화현상이나 부품의 고장에는 영향에는 우수한 특성을 나타낼 것으로 판단할 수 있다.

Fig. 6

Comparison of measured temperature of LED headlamp according to a low temperature environment

3.3 전조등 투과율에 따른 광도 측정

사용한 할로겐 램프와 LED 램프의 방열 특성에 따라 저온 환경에서 전조등의 빛 투과율에 영향을 미치는 현상을 예측해보고자, Fig. 7과 같이 전조등 광도 측정장치를 구성하였다. 전조등 내⋅외부의 결로⋅결빙현상 등으로 전조등에 영향을 주는 인자는 빛 투과율 필름(35 %, 15 %, 5 %)으로 대체하였고(Fig. 5(b)), 가시광선 투과율 측정기(TINT-CHEKPRO)를 이용하여 1,000 mm 거리에서 광도를 측정하였다(Fig. 5(c)).

Fig. 7

Light intensity measuring system of headlamp; (a, c) window tint meter and (b) light transmittance film

Fig. 8은 할로겐 램프와 LED 램프로 100 % 빛 투과율에서는 각각 12,000 cd와 64,000 cd의 광도로 측정되었다. 그리고 전조등 앞에 불순물로써 발생가능한 인자를 투과율 필름으로 가정하여 광도를 측정한 결과 35 %와 15 % 필름에서는 각각 사용한 램프 대비 일정한 비율로 투과율이 낮아짐을 확인하였다. 그러나 5 %의 투과율 필름을 사용하였을 시에는 할로겐 램프보다 LED 램프의 광도가 더 낮음을 알 수 있었고 이는 LED 램프가 저전력 대비 광도가 우수하나 전조등 내의 온도변화에 미치는 방열특성이 낮아 겨울철 눈이 많이 내리는 야간 운행이나 짙은 안개지역 등에서는 많은 위험이 따를 뿐만 아니라 위험 상황에 대처하기가 어려울 것으로 여겨진다. 이에, LED 램프를 이용한 전조등에서는 내부의 온도조절을 위해 발열이 가능한 소자 등을 활용^9,10)한다면, 백화현상이나 부품의 내구성에는 영향이 없지만 결로⋅결빙현상을 제거할 수 있는 효과적인 방법이 될 수 있을 것으로 사료된다.

Fig. 8

Comparison of measured light intensity of halogen and LED headlamp according to light transmittance film

4. 결 론

본 연구는 저온 환경에서 자동차 전조등의 빛 투과율에 미치는 영향력을 예측하기 위해 사용되는 할로겐 램프와 LED 램프의 방열 특성을 실험적으로 측정하여 평가하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 할로겐 램프는 상온에서 최대 100 ^oC 이상의 방열 특성을 나타내었고, 영하 20 ^oC 이하의 저온의 환경에 놓이더라도 전조등 내부의 온도가 상온상태로 유지되어 저온에서 결로⋅결빙현상에는 큰 영향이 없을 것으로 판단할 수 있다.
2) LED 램프는 할로겐 램프와 반대로 방열 특성이 낮아 상온 대비 주행 풍에 의한 온도 변화는 거의 없지만 저온 환경에서는 전조등 내부의 온도가 매우 낮아짐을 알 수 있었다.
3) LED 램프는 광도가 우수하지만 5 %의 빛 투과율 영역에서는 할로겐 램프 대비 광도가 더 낮아짐을 확인하였고, 이는 저온 환경에서 발생할 수 있는 결로⋅결빙현상에 매우 취약할 것으로 볼 수 있다.
4) 향후 높은 광원 대비 방열 특성이 낮은 램프가 적용된 전조등은 저온 환경에서 결로⋅결빙현상을 제거할 수 있는 발열소자를 적용한다면, 운전자의 시야에 영향을 주는 문제점들에 대한 해결방안이 될 수 있을 것이다.

Acknowledgments

본 과제(결과물)는 교육부 및 한국연구재단의 재원으로 지원을 받아 수행된 사회맞춤형 산학협력 선도대학(LINC+) 육성사업의 연구결과입니다.

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