Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 13, No. 1 pp. 296-305, 2012 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2012.13.1.296 정병조 1*, 장성환 1, 노용기 2 1 원광대학교전기공학과, 2 전북인력개발원전기시스템제어과 Development of Optical System for 50W LED Security Lamp Jung Byoung-Jo 1*, Jang Sung-Whan 1 and Roh Yong-Gi 2 1 Dept. of Electrical Engineering, Wonkwang University 2 Dept. of Electrical System Control, KCCI JBHRDI 요약본연구에서는기존 LED 보안등의 LED 광원직진성에의한눈부심현상을개선하고, 조도균제도를높게유지하며, 회전대칭이아닌편축으로긴배광분포를가지도록하여 LED 보안등간에생기는광공핍현상을해결할수있는보안등용 LED 2차렌즈를개발하였다. 개발광학계는보안등용조명기준에만족하도록설계하였으며, 렌즈의형태는단일렌즈로조명설계및해석프로그램을이용한설계와분석을통해최적화를하였다. Mock-up을제작하여실제측정을통해조도측정데이터와조도균제도데이터를확보하였다. Abstract In this paper, we develop about glare phenomenon at security light caused by light source s straight characteristic, maintaining uniformity ratio of illuminance as high, have long light distribution not by symmetry of rotation but a single axis. we develop second lens for security light that lack of light distribution phenomenon at each of security light can be solved. Our developed light system design satisfies lighting standard of security light s and shape of lens is single lens. so our lens optimizes designing or analysis by using lighting design and interpretation program. Making a Mock-up to do real measure, we have intensity of illumination and maintaining uniformity ratio of illuminance measurement data. Key Words : LED, Security light, Eye-safety, Light Uniformity, Second Lens 1. 서론 에너지절감과환경문제가대두되면서세계적으로에너지절감을위한노력이진행되고있다. 조명시장에서도조명의대표주자인백열전구가낮은효율과이산화탄소발생등의환경문제로사용이금지되고있으며, 실제로우리정부에서도고효율전력기기사용을늘림으로써전력수요를줄이기위한전력효율향상사업에주력하고있다.[1] 그렇기때문에상대적으로광효율 (lm/w) 이높은 LED 조명기구가연구개발되어이미조명시장에서자리매김해가고있다. LED 광원에비해기존에사용되던메탈할라이드, 수은, 고압나트륨등의광원은환경과효율의문제를가지 고있다. 또한점광원에가까운기존등에비해 LED는면광원에가깝고이러한면광원특성은램버시안방사로한쪽방향으로만방사되어기존조명에비해상대적으로직진성이심한특징을갖는다. 이특징은조명용으로 LED를사용할경우광균일도가좋지못하다는단점을갖게한다. 조명등의다목적으로 LED 광원을이용하기위해서는제품개발전에충분한광학적특성분석을통하여목적에맞는배광특성을갖는광원을사용하여야한다.[2] 기존의 LED 보안등은다수의낮은출력의 LED를배열하여사용하는방법으로다수의렌즈를제작해야하기때문에제작비용이많이들고, 거리와방향에따라배광이달라광제어가어렵기때문에눈부심이강하고광균 본눈문은 2011 년도원광대학교교내연구비의지원으로수행되었음. * 교신저자 : 정병조 (zpk@lycos.co.kr) 접수일 11 년 10 월 12 일수정일 (1 차 11 년 11 월 10 일, 2 차 12 년 01 월 03 일 ) 게재확정일 12 년 01 월 05 일 296
일도가좋지않아실제로설치할경우다수의보안등을촘촘하게설치해야하는단점이있다. 또한직진성이강한성질을적절히조절하지못하기때문에조도균제도등의도로조명기준을만족시키지못하고있다. 본연구에서는기존 LED 보안등의 LED 광원직진성에의한눈부심현상을개선하고, 조도균제도를높게유지하며, 회전대칭이아닌편축으로긴배광분포를적절히가지도록하여 LED 보안등간에생기는광공핍현상을해결할수있는보안등용고출력 LED 2차렌즈를개발하였다. 개발광학계는도로조명기준에만족하도록설계하였으며, 렌즈의형태는단일렌즈로 3D CAD 프로그램과조명설계해석프로그램을이용한설계와분석을통해최적화를행하고, Mock-up을제작하여공인시험기관에서측정하여데이터를확보하였다. 2.1 조도 2. 본론 조도는일정한평면이밝게비추이는정도를말하며, 조명되는면적과광속의비율로결정된다. 어떤물체에광속이투사되면그면은밝게비추어진다. 그정도를표시하는데조도가사용된다. 어떤면의조도는그면에투사되는광속의밀도를말한다. 즉어떤면에서의입사광속의면적당밀도는그면의조도 (E) 다. 그림 1에서면적 S( m2 ) 에균일하게광속 F( lm ) 이투사되고있을때, 이면의평균조도 E는다음의관계가성립된다.[3] [ 그림 1] 조도 [Fig. 1] Illumination [ lx ] 빛손실을최소화한광학적디자인으로작은반사경과에폭시렌즈를사용하여전면에빛을모아발산하는구조를사용하고있다. 이에따라패키징된 LED 램프는방향성을가지고있으며, 광학특성도이러한구조에서측정하는것이일반적이다.[4] 광변환효율 (Lumen Per Watt) 은반도체기술발전과더불어매 18개월주기로약 2배향상되고있으며, 현재실험적으로 100lm /W이상보고되고있다. 그러나양산되는상용제품은 30 40lm /W수준이다. 이는백열전구광변환효율 10 15lm /W의약 2.5배, 형광등광변환효율 70 80lm /W의약 1/2에해당하는것이다. 가시광선의좁은파장대를발광하는 LED 광원은적외선과자외선방출에의해대기로의열전달은거의없는반면접합부분에서높은열을발생한다. 이러한열발생은 LED 성능을크게좌우하므로조명시스템설계시열처리기술은매우중요한요인의하나로고려된다. 표 1은입력전력에대한주요광원의광출력, IR/UV 출력, 열발생, 안정기손실에대한비율로써기존광원의경우 IR 발생비율이높은반면 LED의경우열발생비율이높은것을알수있다. IR과 UV가적다는것은빛에의해피사체에전달되는에너지가적다는의미로외부로적절히열을방출할경우박물관조명, 냉동냉장고의내부조명에우수한효과를기대할수있다. [ 표 1] 입력전력에대한주요광원의출력 [Tabel 1] The output of the main sources for the input power Radiant energy Electric bulb (60W) Fluorescent lamp (Intuition) Metalarc lamp LED Visible rays (V) 8% 21% 27% 15~25% Infrared ray (IR) 73% 37% 17% 0% Ultraviolet rays(uv) 0% 0% 19% 0% Total 81% 58% 63% 15~25% Heat(conduction+ra diation) energy 19% 42% 37% 75~85% 계 100% 100% 100% 100% 1럭스 (lux) 란 MKS 단위로 1( m2 ) 에 1( lm ) 의광속이입사할때의조도이다. 그러므로 1( lx ) = 1( lm / m2 ) 라할수있다. 2.2 광학특성과광변환효율 LED 반도체는본질적으로방향성광원은아니나구조적으로불투명성요소 ( 기판, 전극, 방열기등 ) 에의한 3. 실험방법 3.1 광학설계및조명시뮬레이션 3.1.1 광학설계렌즈의광학설계를위해 OSLO 광학프로그램을사용하였고, 설계의목적은직진성이강한 LED의배광분 297
한국산학기술학회논문지제 13 권제 1 호, 2012 포를도로조명기준에적합하도록넓히는것이다. 본개발광학계는광확산을통해광균일도를유지하고근본적으로눈부심을억제하는보안등용렌즈로축대칭광학계이며렌즈의모양이땅콩 (Peanut) 의형상을닮았다. 그림 2와그림 3은광학설계프로그램인 OSLO를이용하여본광학계를설계한것이다. 그림 2는광학설계프로그램으로배광을넓히고조도균제도를높게설계한렌즈이다. 렌즈의내부는옆으로빠지는광을중심부로모아주는역할을하고렌즈의외부는퍼트려주는역할을하게된다. (3) 여기서, 는면의곡률이고, 는원추계수라고부르는상수이다. 등은비구면계수이며, 원추곡면에서벗어난정도를의미한다. 는 X축 Toric면의곡률이고, 는 X축의원추계수이다. 그림 3은 OSLO에서식 (1) 을통해만들어진형상이다. 광학설계프로그램을사용하여가능한고차항의비구면계수를사용해도원하는형상이나결과물을얻지못하는경우가있다. 주요부위가아닌위치에서수치상으로제거가힘든부분이있었고, A와 B의부위는큰역할을하지않는부분이지만끊어져있고표면이매끄럽지못했다. 이를해결하기위해 3D 설계프로그램인 SolidWorks를사용하여마무리가미비한부분들을해결하였다. 그림 4는 OSLO에서설계한데이터를기초로하여 Solidworks에서렌즈의형상을설계한모습이다. (a) 2D 광학설계 [ 그림 3] 3D 광학계설계 (OSLO) [Fig. 3] Optical design of 3D(OSLO) (b) 3D 광학설계 [ 그림 2] 광학계설계 (OSLO) [Fig. 2] Optical design(oslo) 식 (1) 은일반적인 X축방향으로평행하게회전하는 X-Toric 곡선비구면방정식이다. (1) (2) [ 그림 4] 3D 광학계설계 (Solidworks) [Fig. 4] Optical design of 3D(Solidworks) 3.1.2 조명시뮬레이션 3D 로설계한개발광학계를사용하여조명시뮬레이 298
션을실시하였다. 조명시뮬레이션은조명시뮬레이션전용프로그램인 LightTools를사용하였다. 그림 5는개발광학계를 LightTools에서시뮬레이션한모습으로, 광원에서나온광의방향을확인할수있다. 본개발광학계는 High Power용렌즈로 Multi Chip Array LED에사용하며, Low Quality한 LED에도사용이가능하도록설계하였다. 시뮬레이션은 Multi Chip Array LED를사용하였다. LED 보안등기구의설치높이는현재많이적용되고있는 4m, 5m, 6m의세종류에대해서적용한다. 또한설치높이에따른조도계산영역은 4m일때 8m 4m이고, 5m일때 12m 6m이며, 6m일때 16m 8m의적용면적으로측정함을원칙으로한다. 그림 7은 LED 모듈을각각 4m, 5m, 6m 설치높이에서조도상태를시뮬레이션그림을나타낸다. 그림 7의 (a), (b), (c) 를살펴보면중심부분으로광이집중됨을알수있다. [ 그림 5] LightTools 에서의조명시뮬레이션 [Fig. 5] Lighting Simulation in LightTools (a) 4m 설치높이의조도시뮬레이션 개발광학계는그림 6의 (a) 의내부타원면에서 LED 파워를조절하고, (b) 의외부비구면에서광을확산하는역할을한다. (b) 5m 설치높이의조도시뮬레이션 (c) 6m 설치높이의조도시뮬레이션 [ 그림 6] 개발광학계광선도 [Fig. 6] Development of optical beams [ 그림 7] 조도도표 [Fig. 7] Illuminance Chart 299
한국산학기술학회논문지제 13 권제 1 호, 2012 그림 8은 Illuminance Raster 도표로 LED 모듈에서나오는광이집중되고있는것을알수있다. (a) 4m 설치높이의조도래스터도표 [ 그림 9] LED 발광에의한배광도표 [Fig. 9] By emitting LED Intensity Chart (b) 5m 설치높이의조도래스터도표 (c) 6m 설치높이의조도래스터도표 [ 그림 8] 각수광높이에서의조도래스터도표 [Fig. 8] Each receiver in the streets illuminance raster chart 그림 9는 LED 발광에의한 Intensity 도표로구좌표계에서광의강도를표현한그래프이다. LED 모듈만을사용할때에는 120 램버시안방사로직교좌표계에서는가우시안분포에가깝게나타남을그래프를통해알수있다. 그림 10은 LightTools를이용한 Illuminance 도표로 (a) 는 4m의설치높이에서 8m 4m 적용면적으로조도를시뮬레이션한데이터이다. 중심부최대조도는약 69.5lux, 주변부최소조도는약 36.9lux, 평균조도는약 54.1lux를나타내며, 시뮬레이션에의한조도균제도는약 0.53을나타낸다. 그림 10의 (b) 는 5m의설치높이에서 12m 6m 적용면적으로조도를시뮬레이션한데이터이다. 중심부최대조도는약 44.2lux, 주변부최소조도는약 17.9lux, 평균조도는약 31.1lux를나타내며, 시뮬레이션에의한조도균제도는약 0.40을나타낸다. 그림 10의 (c) 는 6m의설치높이에서 16m 8m 적용면적으로조도를시뮬레이션한데이터이다. 중심부최대조도는약 30.9lux, 주변부최소조도는약 9.99lux, 평균조도는약 54.1lux를나타내며, 시뮬레이션에의한조도균제도는약 0.32을나타낸다. 그림에서보는바와같이 LED의중심으로모이는광을주변으로확산시켜주는것을확인할수있다. 옥외의경우조도균제도는최소조도 / 최대조도로계산할수있다. 그림 11은 Illuminance Raster 도표로렌즈에서나오는광이균일도를이루고있는것을확인하였다. 그림 12는 LED 발광에의한 Intensity 도표로구좌표계에서광의강도를표현한그래프이다. x축을따라약 150 의넓은배광분포를보이고있다. 이배광분포는배트윙형태로기본 LED모듈만의 120 램버시안방사에서가지지못한균제도특성을가지고있다. 300
(a) 4m 설치높이의조도시뮬레이션 ( 렌즈적용 ) (a) 4m 설치높이의조도래스터도표 ( 렌즈적용 ) (b) 5m 설치높이의조도시뮬레이션 ( 렌즈적용 ) (b) 5m 설치높이의조도래스터도표 ( 렌즈적용 ) (c) 6m 설치높이의조도시뮬레이션 ( 렌즈적용 ) [ 그림 10] 조도도표 ( 렌즈적용 ) [Fig. 10] Illuminance Chart(Apply lens) (c) 6m 설치높이의조도래스터도표 ( 렌즈적용 ) [ 그림 11] 각수광높이에서의조도래스터도표 ( 렌즈적용 ) [Fig. 11] Each receiver in the streets illuminance raster chart(apply lens) 301
한국산학기술학회논문지제 13 권제 1 호, 2012 3.2 광학계성능실험및평가 3.2.1 실험장비광학계설계와조명시뮬레이션결과를토대로그림 14의개발광학계 Mock-up을제작하였다. 개발광학계 Mock-up의재질은 PMMA이며, 폴리싱머신으로비구면을가공하였다. [ 그림 12] LED 발광에의한배광도표 ( 렌즈적용 ) [Fig. 12] By emitting LED Intensity Chart(Apply lens) 그림 13은개발된광학계를적용한 LED 조명 6개를설치높이 6m로하여 x축으로 14m, y축으로 7m의거리로배열하여시뮬레이션한결과이다. 광패턴의변화가적으면서광이균일하게분포되게하기위하여 LED 등기구간격을 14m 7m로시뮬레이션하였다. 서로조화를이루어조도균제도를높게유지하도록하였다. [ 그림 14] 개발광학계 Mock-up 제품 [Fig. 14] Mock-up product development of optic 개발광학계와매치하여사용할 LED 모듈은 Bridgelux사의 Multi Chip Array 모듈로 LED의용량은 51.6W이다. 그림 15의 BXRA-C5000으로개발한광학계 Mock-up과결합하여조도및균제도특성을분석하였다. (a) 6m 설치높이, 14m 7m 등간격의조도시뮬레이션 [ 그림 15] 실험 LED 모듈 [Fig. 15] LED modules for the experiment 그림 16은개발한 Mock-up 광학계를 LED 모듈과방열판등을결합하여 LED 보안등점등사진을나타낸다. (b) 6m 설치높이, 14m 7m 등간격의조도래스터도표 [ 그림 13] 다중배열시뮬레이션 [Fig. 13] Simulate a multi-dimensional array 302
(c) 6m 설치높이의조도측정 [ 그림 16] 개발 LED 보안등 [Fig. 16] Security and stores LED development 3.2.2 실험결과 개발한 LED 보안등의광학적특성을도로조명기준 (KS C 7658:2011) 으로한국광기술원에서측정하였다. 그림 17은각각 4m, 5m, 6m 설치높이에서조도를측정한결과이다. 그림 17의 (a) 는 4m 설치높이의조도측정결과이며, 최소 30.7lux, 최대 70.6lux, 평균 53.6lux를나타내고, 조도균제도는 0.43을나타낸다. 그림 17의 (b) 는 5m 설치높이의조도측정결과이며, 최소 13.0lux, 최대 45.0lux, 평균 30.4lux를나타내고, 조도균제도는 0.29을나타낸다. 그림 17의 (c) 는 6m 설치높이의조도측정결과이며, 최소 6.7lux, 최대 31.4lux, 평균 19.3lux를나타내고, 조도균제도는 0.21을나타낸다. [ 그림 17] 개발광학계측정결과 [Fig. 17] Results of measurements optical system 그림 18은 LED 보안등 Mock-up의조도측정결과를 x축과 y축선상으로비교한그래프이다. 개발광학계를사용하였을때 x축상으로중심의광이주변으로분산되는것을확인하였다. LED 만을사용할때에는램버시안방사로직교좌표계에서는가우시안분포에가까우며그화각은일반적으로중앙부의 Max 파워의 50% 가되는 Radiation 파워로보통 120 ±10 로보고 Day Light과같은광균일도는나오지않는문제점이있다. 이러한 LED 모듈에배광조절렌즈를사용하면중앙부에있는 Max 파워가좌우로이산되며, 일정면적이상으로파워를분산시켜 LED가갖는고유의눈부심이억제되며효과적으로넓은면적을조사할수있음을알수있다. (a) 4m 설치높이의조도측정 (a) 4m 설치높이의조도측정 (b) 5m 설치높이의조도측정 (b) 5m 설치높이의조도측정 303
한국산학기술학회논문지제 13 권제 1 호, 2012 (c) 6m 설치높이의조도측정 [ 그림 18] 개발광학계측정결과그래프 [Fig. 18] A graph of the results of measurements optical system 4. 결론 본연구에서는광조정 2차렌즈를적용한 LED 조명등을개발하여다음과같은결론을얻을수있었다. (1) LED 가로등및보안등기구도로조명기준 (KS C 7658:2011) 의보안등기구의높이기준인 4m, 5m, 6m 설치높이에서실험한결과 LED의중심으로모이는광을주변으로확산시켰으며, 평균노면조도는각각 53.6lux, 30.4lux, 19.3lux로, 이는교통량과관계없이야간보행자가보행가능한평균조도이상으로나왔음을알수있다. (2) 또한, 조도균제도도각각 0.43, 0.29, 0.21로나와균제도기준치인 0.15이상으로나오는것을알수있었다. (3) Mock-up 제작후배광측정기를이용하여배광을측정한결과개발 LED 조명등이 150 의넓은배광분포를가지는것을확인하였다. (4) 본연구를통해개발된 2차광학계를이용하여 6m 용 LED 보안등기구를개발하면조명기준중광학적특성과관련된평균노면조도와조도균제도부분은충분히해결될것으로사료된다. References [2] S. Y. Choi, I. S. Yeo, S. M. Lim, "LED Lens Design for the Improvement of Illuminance Uniformity", Conference on the Korean Institute of Electrical Engineers, pp.1607~1608. 2009. [3] B. M. Jung, S. B. Han, H. G. Jeong, "New Lighting Technologies", ECOT, pp.1~7, 2001. [4] B. S. Kim, O. Y. Yim, "Analysis of Light Environment and Building Energy Performance of LED Lamp Installed in Office Building," Journal of the Architectural Institute of Korea, Vol. 25, No. 7, pp. 329~336, July 2009. 정병조 (Jeong Byoung-Jo) [ 정회원 ] < 관심분야 > 자동제어, 영상처리, LED 조명 2002 년 2 월 : 원광대학교전기전자공학부 ( 공학사 ) 2004 년 2 월 : 원광대학교대학원전기공학과 ( 공학석사 ) 2004 년 3 월 ~ 현재 : 원광대학교대학원전기공학과 ( 박사과정 ) 2010 년 6 월 ~ 현재 : ( 주 ) 창전사책임연구원 장성환 (Jang Sung-Whan) [ 정회원 ] 1982 년 2 월 : 연세대학교대학원전기공학과 ( 공학박사 ) 1985 년 3 월 ~ 1986 년 2 월 : Northwestern University 전기및컴퓨터학과방문교수 2005 년 1 월 ~ 2006 년 1 월 : Mississippi State University 컴퓨터사이언스공학과교환교수 1980 년 3 월 ~ 현재 : 원광대학교전기정보통신공학부교수 < 관심분야 > 자동제어, 지능제어및응용, LED 조명 [1] Kai Wang., "Novel Application-Specific LED Packaging with Compact Freeform Lens", 2009 Electronic Components and Technology Conference. pp. 2125~2130, 2009. 304
노용기 (Yong-Gi, Roh) [ 정회원 ] 1991년 2월 : 원광대학교전기공학과 ( 공학사 ) 1995년 2월 : 건국대학교전기공학과 ( 공학석사 ) 2006년 8월 : 원광대학교전기공학과 ( 공학박사 ) 1996년 12월 ~ 현재 : KCCI 전북인력개발원전기시스템제어공과전임교수 < 관심분야 > 자동제어, Neural-Fuzzy, 계장제어, RFID, LED 조명 305