UV-C LED 광원을 이용한 차량용 공조 시스템의 살균에 관한 연구 = A Study on the Disinfection of Automotive HVAC Systems Using UV-C LED Light Sources

국문 초록 (Abstract)

Abstract
본 연구에서는 차량용 HVAC 시스템 내부에서 UV-C LED를 활용하여 캐빈 필터 표면에 균일한 조도를 확보하기 위한 최적 광원 배치를 제안하였다. 상용 차량 필터의 굴곡 형상을 기반으로 조사면을 모델링하고, Lambertian 방사 특성과 입사각에 따른 조도 변화를 고려한 수치해석을 수행하였다.
살균 기준은 3-log(99.9%) 불활성화 조건을 적용하였으며, 필터 소재(PP)의 UV 열화 임계 조사선량을 고려하여 과조사 영역을 최소화하는 방향으로 설계를 진행하였다. LED 좌표는 Differential Evolution 기법을 이용해 최적화하였으며, 균일도 및 최소 조도 확보를 목적 함수로 설정하였다.
시뮬레이션 결과, 9개의 LED 배열에서 목표 균일도 기준을 만족하였으며, 전체 조사면에서 안정적인 최소 조도 확보와 향상된 균일도를 보였다. 본 연구의 결과는 차량용 공조 시스템 내 UV-C 기반 살균 모듈 설계에 실질적인 기준을 제시하며, 필터 열화 억제를 고려한 효율적 광학 구조 개발에 기여할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Abstract
This study proposes an optimized arrangement of UV-C LEDs to achieve uniform irradiance distribution on the surface of a cabin air filter within an automotive HVAC system. The irradiated surface was modeled based on the curved geometry of a commercial vehicle filter, and numerical simulations were conducted considering Lambertian emission characteristics and irradiance variations associated with the angle of incidence.
A 3-log (99.9%) inactivation criterion was adopted as the reference for disinfection performance, while the ultraviolet degradation threshold of the filter material (polypropylene, PP) was taken into account to limit excessive irradiation. The spatial coordinates of the LEDs were optimized using the Differential Evolution algorithm, with minimum irradiance and uniformity selected as the objective functions.
Simulation results showed that a configuration employing nine LEDs satisfied the target uniformity criterion and provided stable minimum irradiance with improved uniformity across the entire irradiated surface. The results of this study provide practical design guidelines for UV-C–based disinfection modules in automotive HVAC systems and can contribute to the development of efficient optical structures that consider suppression of filter material degradation.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• Ⅱ. 이론 및 배경 3
• 1. 광학 이론 3
• 1.1. UV (Ultraviolet) 관련 특성 3
• 1.2. 복사계측 (Radiometry) 5
• 1.2.1. 복사에너지 (Radiant Energy) 5
• 1.2.2. 복사선속 (Radiant Flux) 5
• 1.2.3. 복사강도 (Radiant Intensity) 6
• 1.2.4. 복사조도 (Irradiance) 6
• 1.3. 램버트 코사인 법칙 (Lambert’s cosine law) 8
• 1.4. 역제곱 법칙 (Inverse square law) 10
• 1.5. Lambertian 광원 12
• 2. 성능 지표 및 활용 기법 13
• 2.1. 성능 지표 13
• 2.1.1. 최소 복사조도 13
• 2.1.2. 조사 균일도 14
• 2.2. 활용 기법 및 한계 15
• 2.2.1. 전역 최적화 (Global optimization) 15
• 2.2.2. 광학 모델의 가정 및 적용 한계 17
• Ⅲ. 차량용 HVAC 시스템 필터 형상 작성 및 UV-C LED 배치 18
• 1. 필터 형상 및 표면 리시버 작성 18
• 2. 조사선량 조건 범위 설정 20
• 2.1. 차량 내 발생 빈도가 높은 균종의 살균 환경 조성 목적 요구 조사선량 20
• 2.2. 차량용 HVAC 필터 표면 소재를 고려한 열화 임계 조사선량 21
• 3. 광원 설정 및 분포 확인 22
• 4. 조도 분포 기반 광원 배치 최적화 27
• 4.1. 최소 조도 및 균일도 지표에 따른 최적 사용 LED 개수 선 27
• 4.1.1. 사용 LED 개수 선정 목적 함수 구성 27
• 4.1.2. 사용 LED 개수 별 최조 조도 성능 29
• 4.1.3. 사용 LED 개수 별 균일도(U0) 성능 30
• 4.1.4. LED 개수 증가에 따른 조사 효율 한계 31
• 4.2. 선정 개수에 따른 LED 모듈 최적화 32
• 4.2.1. 배치 최적화 목적 및 목적 함수 구성 32
• 4.2.2. 9 LED 배치 최적화 결과 34
• 4.2.3. 12 LED 배치 최적화 결과 37
• 4.2.4. 9 LED와 12 LED 배치의 종합 비교 및 최적 배치 판단 39
• Ⅳ. 결과 40
• 1. 최적 배치에 대한 살균 및 열화 환경 조성 판단 40
• Ⅴ. 결론 41
• 참고문헌 43