KR20120019739A - 차량용 ｌｅｄ 램프 조립체 - Google Patents

차량용 ｌｅｄ 램프 조립체 Download PDF

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KR20120019739A
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김영민
이기홍
고광민
송태훈
윤병규
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 차량용 LED 램프 조립체는 방열 구멍이 구비된 PCB 기판, PCB 기판의 전면에 일정한 간격으로 장착되는 복수의 LED, 및 전면이 PCB 기판의 배면에 부착되는 베이스부, 베이스부의 배면으로 돌출하는 후방 방열핀, 및 방열 구멍을 관통하여 PCB 기판의 정면으로 돌출하는 전방 방열핀을 구비한 방열판을 포함한다.
본 발명에 따른 차량용 LED 램프 조립체는 PCB 기판 전방으로 돌출된 방열핀을 추가로 포함하여 방열 성능을 향상시킴으로써, LED의 정션 온도를 더 낮출 수 있다.

Description

차량용 ＬＥＤ 램프 조립체{LED LAMP ASSEMBLY FOR VEHICLE}
본 발명은 차량용 LED 램프 조립체에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 PCB 기판 앞면으로 돌출된 방열핀이 장착되어 향상된 방열 성능을 가지는 차량용 LED 램프 조립체에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 각종 램프는 대상물을 보기 위한 조명기능과, 다른 차량이나 기타 도로 이용자에게 자기 차량의 주행 상태를 알리기 위한 지시, 신호, 경고기능 및 차량을 꾸미기 위한 장식기능 등으로 사용된다. 헤드램프는 야간 주행 시 운전자의 시야를 확보할 수 있도록 차량의 전방부에 차폭을 따라 양측에 설치되어 있다. 리어 콤비네이션 램프는 주행 중 운전자의 주행 의사를 밝히는 역할을 할 수 있도록 차량의 후방부에 차폭을 따라 양측에 설치되어 있다.
이러한 헤드램프 또는 리어 콤비네이션 램프는 통상적으로 광원으로서 벌브(bulb)를 사용하고 있다. 그러나 벌브는 사용 수명이 짧고 내충격성이 떨어지므로, 최근 들어서는 사용수명이 길면서도 내충격성이 뛰어난 고 휘도(brightness)의 LED를 광원으로 사용하는 추세에 있다. 이러한 고 휘도의 LED가 적용되는 헤드 램프 또는 리어 콤비네이션 램프에서는, LED 점등 시 매우 높은 열이 발생하므로, LED 및 LED 주위의 부품들이 열 변형되어 램프의 내구성을 떨어뜨리는 문제점이 발생한다. 또한, LED의 재료 특성상 LED 자체의 정션 온도(junction temperature)를 최소화시키는 것에는 한계가 있다. 따라서, LED에서 발생한 고열을 외부로 방출시킬 수 있는 방열장치에 대한 다양한 기술이 개발되고 있다.
도 5를 참조하여, 종래의 차량용 LED 램프 조립체(10)를 설명한다. 도 5의 좌측은 종래의 차량용 LED 램프 조립체(10)의 전면을 도시하고 있고, 도 5의 우측은 종래의 차량용 LED 램프 조립체(10)의 배면을 도시하고 있다. 종래의 차량용 LED 램프 조립체(10)는 PCB 기판(20), LED(30), 및 방열핀(50)을 구비한 방열판(40)을 포함한다. PCB 기판(20)의 전면에 LED(30)가 일정 간격으로 이격되어 장착된다. LED에서 발생한 고열을 외부로 방출시키기 위하여 방열판(30)이 PCB 기판(20)의 배면에 접착된다. PCB 기판(20)의 후방으로 돌출된 방열핀(40)이 LED(30)에서 발생한 고열을 외부로 방출시키는 직접적인 역할을 한다. 비용을 절감하면서 방열 효과가 최대화되도록 방열핀(40)의 핀의 두께, 높이, 피치(pitch) 등이 설계된다.
그러나 종래의 차량용 LED 램프 조립체(10) 구조에서 방열핀은 제한된 공간 내에서 장착되므로 방열핀의 높이가 제한된다. 그 결과 방열 효과의 한계에 도달하여, 여전히 고온에서도 열 변형이나 수축 등이 발생하지 않는 고가의 LED를 사용하여 한다. 따라서, 안정성과 경제성을 고려하여 더욱 향상된 방열 성능의 방열 장치를 구비한 LED 조립체의 필요성이 대두되고 있다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에 따른 차량용 LED 램프 조립체는 제한된 공간 내에서 향상된 방열 성능을 가지도록 PCB 기판 전방으로 돌출된 방열핀을 추가로 포함한다.
본 발명에 따른 차량용 LED 램프 조립체는 방열 구멍이 구비된 PCB 기판, PCB 기판의 전면에 일정한 간격으로 장착되는 복수의 LED, 및 전면이 PCB 기판의 배면에 부착되는 베이스부, 베이스부의 배면으로 돌출하는 후방 방열핀, 및 방열 구멍을 관통하여 PCB 기판의 정면으로 돌출하는 전방 방열핀을 구비한 방열판을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 차량용 LED 램프 조립체에서, 방열판 및 PCB 기판은, 방열판의 재질, 전방 방열핀의 높이, 후방 방열핀의 두께 및 피치(pitch), 핀 높이, 후방 방열핀의 높이 비율, PCB 기판의 두께, 상기 방열 구멍의 크기를 고려하여 설계하여 최적화된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 차량용 LED 램프 조립체의 PCB 기판은 금속 PCB 기판인 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명에 따른 차량용 LED 램프 조립체에서, 방열판의 베이스부, 전방 방열핀, 및 후방 방열핀이 일체형으로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 차량용 LED 램프 조립체는 PCB 기판 전방으로 돌출된 방열핀을 추가로 포함하여 방열 성능을 향상시킴으로써, LED의 정션 온도를 더 낮출 수 있다. 따라서, 낮은 정션 온도의 LED로 대체 가능하므로 차량의 원가를 감소시킬 수 있다.
또한, LED에서 발생하는 열을 방열판을 통하여 방출시키면 LED의 루멘값 및 효율이 올라간다. 따라서, LED의 밝기가 더 향상되고 LED의 수명이 더 연장되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 차량용 LED 램프 조립체의 전면 및 배면 사시도
도 2는 도 1의 A 부분의 확대도
도 3은 도 1의 B-B선에 따른 단면도
도 4는 도 1의 일부의 확대도
도 5는 종래의 차량용 LED 램프 조립체의 전면 및 배면 사시도
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있다. 그리고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 차량용 LED 램프 조립체(100)를 설명한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 차량용 LED 램프 조립체(100)는 방열 구멍(120)이 구비된 PCB 기판(110), PCB 기판(110)의 전면에 일정한 간격으로 장착되는 복수의 LED(130), 및 전면이 PCB 기판(110)의 배면에 부착되는 베이스부(150), 베이스부(150)의 배면으로 돌출하는 후방 방열핀(160), 및 방열 구멍(120)을 관통하여 PCB 기판(110)의 정면으로 돌출하는 전방 방열핀(170)을 구비한 방열판(140)을 포함한다.
PCB 기판(110)은 LED(130)에 전압과 전류를 공급한다. PCB 기판(110)의 종류 및 두께는 방열 기능을 최대화하도록 선택되고 설계된다. PCB 기판(110)의 방열 구멍(120)은 후술할 전방 방열핀(170)이 PCB 기판(110)의 정면으로 돌출될 수 있도록 공간을 제공한다. 방열 구멍(120)의 위치 및 크기는 전방 방열핀(170)의 위치 및 크기에 대응한다. PCB 기판(110)에 장착되는 LED(130)의 개수는 본 발명에서 제한되지 않는다. 단, LED(130)의 개수가 증가할수록 발생하는 열이 증가하므로 이에 대응하여 방열판(140) 및 PCB 기판(110)의 방열 구멍(120)이 설계된다.
방열판(140)은 베이스부(150), 후방 방열핀(160), 및 전방 방열핀(170)을 포함한다. 베이스부(150)는 PCB 기판(110)에 부착된다. 베이스부(150)의 전면과 PCB 기판(110)의 배면이 서로 부착된다. 베이스부(150)와 PCB 기판(110)은 기계적으로 탈부착식으로 결합하거나 또는 열 접착으로 단단히 고정된다. 따라서, LED(130)에서 발생하는 열에 의해 베이스부(150)와 PCB 기판(110)이 해제되는 것을 방지한다. 후방 방열핀(160)이 베이스부(150)의 배면과 결합된다. 후방 방열핀(160)은 PCB 기판(110)의 배면에 위치하여 LED에서 발생하는 열을 후방으로 방출하는 역할을 한다. 전방 방열핀(170)은 PCB 기판(110)의 방열 구멍(120)을 관통하여 PCB 기판(110)의 정면으로 돌출한다. 전방 방열핀(170)은 베이스부(150)의 전면과 결합하여 LED에서 발생하는 열을 전방으로 방출하는 역할을 한다. 후방 방열핀(160)만 구비된 종래의 차량용 LED 램프 조립체와 비교할 때, 본 발명에 따른 차량용 LED 램프 조립체(100)는 전방 방열핀(170)을 추가하여 방열 성능을 향상시켰다. 또한, PCB 기판(110)에 방열 구멍(120)을 형성하여 전방 방열핀(170)이 방열 구멍(120)을 관통하도록 설계함으로써 제한된 공간을 최대한 활용하면서 방열 성능을 향상시키도록 하였다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 차량용 LED 램프 조립체(100)의 각 구성의 크기 및 재질을 최적화하는 설계에 대하여 살펴본다. 본 발명에서는 제어 인자로서 표 1에 나타난 바와 같이 다음의 8개 사항을 고려한다.
제어인자
A 방열판 재질
B 후방 방열핀 두께
C 핀 높이 = 후방 방열핀 높이 + 베이스부 두께
D 후방 방열핀 높이 비율 = (후방 방열핀 높이)/(핀 높이)
E PCB 기판 두께
F 방열 구멍 크기
G 전방 방열핀 높이
H 후방 방열핀 피치
방열판의 재질(A)은 베이스부(150), 후방 방열핀(160), 및 전방 방열핀(170)의 재질로서, 모두 동일한 재질이 사용된다. 후방 방열핀(160)의 두께(B)는 도 3의 도면부호 B로 표시되어 있다. 핀 높이(C)는 후방 방열핀 높이(C’)와 베이스부 두께(C”)의 합으로 정의된다. 후방 방열핀 높이 비율(D)은 후방 방열핀 높이(C’)와 상기 정의된 핀 높이(C) 간의 비율로 정의된다. PCB 기판 두께(E)는 도 3의 도면부호 E로 표시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 방열 구멍 크기(F)는 세로X가로(mm)의 크기로서 정의된다. 방열 구멍을 관통하는 전방 방열핀(170)의 방열핀 피치 및 두께는 그 값이 제한되지 않는다. 본 발명의 실험에서, 전방 방열핀(170)의 방열핀 피치는 1mm, 전방 방열핀(170)의 두께는 1.5mm로 일정한 값을 가진다.
방열 구멍 크기(F)에 따라 전방 방열핀(170)의 크기가 대응된다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이 방열 구멍 크기(F)가 5X15mm의 구멍이면 전방 방열핀(170)은 방열핀 피치 1mm, 방열핀 두께 1.5mm를 가지므로, 4X14mm의 크기를 가지는 전방 방열핀(170)이 결정된다. 따라서, 전방 방열핀(170)은 6개의 개별 핀을 가진다. 전방 방열핀 높이(G)는 도 3의 도면부호 G로 표시되어 있다. 또한, 후방 방열핀 피치(H)는 개별 핀 사이의 거리를 나타내는 것으로, 도 3의 도면부호 H로 표시되어 있다.
전술한 8개의 제어 인자 각각에 적용될 수 있는 수치를 표 2에 나타냈다.
제어인자 1 수준 2 수준 3 수준
A 방열판 재질 알루미늄 12종 알루미늄 14종
B 후방 방열핀 두께 1.2mm 2mm 2.8mm
C 핀 높이 4mm 6mm 8mm
D 후방 방열핀 높이 비율 40% 60% 80%
E PCB 기판 두께 1mm 1.5mm 2mm
F 방열 구멍 크기 5X5mm(구멍)
4X4mm(핀)
핀 피치 1mm
핀 두께 1.5mm		 5X10mm(구멍)
4X9mm(핀)
핀 피치 1mm
핀 두께 1.5mm		 5X15mm(구멍)
4X14mm(핀)
핀 피치 1mm
핀 두께 1.5mm
G 전방 방열핀 높이 1mm 3mm 5mm
H 후방 방열핀 피치 1.5mm 2.5mm 3.5mm
정확한 실험 결과를 얻기 위하여 아래의 표 3에 나타난 노이즈 인자를 추가하여 실험하였다. 처음에 환경 조건으로 주위 풍속, LED 제품 편차, 일조량에 대하여 고려하였으나 주위 풍속만이 결과 값에 영향을 미치므로 다른 환경 조건 인자는 배제하였다. 또한, 사용 조건으로 LED 주변 온도 및 주행 노면 차이를 고려하였으나 LED 주변 온도만이 결과 값에 영향을 미치므로 주행 노면 차이 인자는 배제하였다. 단순히 노이즈 인자를 추가한 것이 아니라, 노이즈 인자가 영향을 줄 수 있는 최악 조건(N1)과 최적 조건(N2)을 설정하여 각각의 실험 결과 값을 구하도록 하였고 해당 수치는 아래의 표 3에 나타나 있다.
노이즈 종류 N1(최악 조건) N2(최적 조건)
환경조건(헤드램프 외부) 주위 풍속 1 m/s 2 m/s
사용 조건 LED 주변 온도 115℃ 110℃
표 2의 각각의 제어 인자의 값을 수준 1 내지 수준 3으로 변경해가면서 최악 조건 및 최적 조건에서 LED의 정션 온도 값을 측정하였다. 정션 온도는 LED 칩 내부의 온도를 나타내는 것이다. 따라서, LED 정션 온도가 최저일 때의 제어 인자 값이 최적의 설계에 해당하는 데이터 값이다. 그 결과가 아래의 표 4 및 표 5에 정리되어 있다.
A B C D E F G H N1 N2
초기설계 1 1 1 1 1 1 1 1 133.45℃ 122.71℃
최적설계 2 1 3 3 3 3 3 1 124.36℃ 118.91℃
제어인자 최적 값
A 방열판 재질 알루미늄 14종
B 후방 방열핀 두께 1.2mm
C 핀 높이 8mm
D 후방 방열핀 높이 비율 80%
E PCB 기판 두께 2mm
F 방열 구멍 크기 5X15mm(구멍)
4X14mm(핀)
핀 피치 1mm
핀 두께 1.5mm
G 전방 방열핀 높이 5mm
H 후방 방열핀 피치 1.5mm
표 4의 결과에서와 같이, 최적 설계에서는 최악 조건(N1)인 경우에도, LED 정션 온도가 약 124℃이므로 정션 온도 125℃의 LED가 차량에 적용할 수 있을 실험을 통하여 알 수 있다.
또한, PCB 기판(110)은 열전도가 우수한 금속 PCB 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 열전도가 우수한 금속 PCB 기판을 사용할 경우 LED(130)에서 발생한 열이 방열판(140)으로 더 신속하게 전달되어 방열 효과가 향상될 수 있다. 예를 들면, 최적의 경우에 사용되는 알루미늄 방열판(140)과 동일하게 알루미늄으로 된 금속 PCB 기판이 사용될 수 있다.
또한, 방열판(140)의 구성인 베이스부(150), 후방 방열핀(160), 및 전방 방열핀(170)은 일체형으로 형성되는 것이 바람직하다. 별개로 제조되어 결합할 경우 결합의 번거로움이 발생하고 결합 부위에서 열 전달의 효율이 떨어질 수 있다. 또한, 베이스부(150), 후방 방열핀(160), 및 전방 방열핀(170) 모두 동일 재료 알루미늄으로 형성되는바, 일체형으로 형성 시 방열판(140) 제작 비용과 시간이 절약될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두가 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 차량용 LED 램프 조립체 110: PCB 기판
120: 방열 구멍 130: LED
140: 방열판 150: 베이스부
160: 후방 방열핀 170: 전방 방열핀
A: 방열판 재질 B: 후방 방열핀 두께
C: 핀 높이 D: 후방 방열핀 높이 비율
E: PCB 기판 두께 F: 방열 구멍 크기
G: 전방 방열핀 높이 H: 후방 방열핀 피치

Claims (4)

  1. 방열 구멍이 구비된 PCB 기판,
    상기 PCB 기판의 전면에 일정한 간격으로 장착되는 복수의 LED, 및
    전면이 상기 PCB 기판의 배면에 부착되는 베이스부, 상기 베이스부의 배면으로 돌출하는 후방 방열핀, 및 상기 방열 구멍을 관통하여 상기 PCB 기판의 정면으로 돌출하는 전방 방열핀을 구비한 방열판을 포함하는 차량용 LED 램프 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 방열판 및 상기 PCB 기판은, 상기 방열판의 재질, 상기 전방 방열핀의 높이, 상기 후방 방열핀의 두께 및 피치(pitch), 핀 높이, 상기 후방 방열핀의 높이 비율, 상기 PCB 기판의 두께, 및 상기 방열 구멍의 크기를 고려하여 설계하여 최적화된 것을 특징으로 하는 차량용 LED 램프 조립체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 PCB 기판은 금속 PCB 기판인 것을 특징으로 하는 차량용 LED 램프 조립체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 방열판의 상기 베이스부, 상기 전방 방열핀, 및 상기 후방 방열핀이 일체형으로 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 LED 램프 조립체.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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