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문제 정의
- 따라서 본 연구는 최근 고휘도 청색 발광 다이오드의 개발 (Nakamura et al, 1994)과 함께 차세대의 에너지 절약 광원으로 주목받고 있는 반도체 계 광원 인 고휘도 발광 다이오드 (High- Luminance Li아it-Emitting Diode: 이하, LED, 라 한다)를 새로운 집어등 광원으로 도입하기 위한 기초적 연구로서, LED 광원의 발광특성을 측정하여 기초 데이터를 수집하는 한편, LED 광원이 어업현장에서 집어등 광원으로 사용될 경우를 가정하여, LED 광원의 수중투과특성을 시뮬레이션 계산하였다. 이를 토대로 차세대의 집어등 광원으로서의 도입 가능성 및 그 실용성에 대해 평가하였다.
- 이를 토대로 차세대의 집어등 광원으로서의 도입 가능성 및 그 실용성에 대해 평가하였다.
제안 방법
- 2 V 간격으로 인가하여 각각의 입력전압에 따른 LED 광원의 조도 변화를 측정하였다. LED 광원의 거 리별 조도 측정은 LED 광원의 발광측 수직하방과 조도계의수광부를 마주보도록 설치하여, 5 m 거리까지 1 m 간격으로 측정하였다 (Fig. 1).
- LED 광원의 조도, 분광방사조도 및 분광방사휘도를 포함한 발광 측정은 2001년 6월 25일부터 6월 28일에 걸쳐, 일본 수산공학 연구소의 실험동 암실에서 야간에 실시하였다. 측정에 사용된 광원은 백색, 적색, 녹색, 청색, 청록색 및 오렌지색의 LED 광원을 사용하였으며, 측정에 사용된 LED 광원의 정격전압과 전류를 Table 1에 나타내었다.
- LED 광원의 조도는 조도계 (T-l, M* inolta) 사용하여 측정하였다. LED 광원의 각도별 조도 측정은 각각의 LED 광원에 3 VW] 전압을 인가하여 점등시킨 상태에서 조도계를 30 cm 거리에 설치하고, LED 광원의 발광측 수직하방을 0。, 수직 상방을 180。로 정하여 5。간격으로 각각의 LED 광원에 대한 각도별 법선조도를 측정하였다.
- LED 광원의 파장별 수중투과특성 계산에는 Jedov가 정한 광학적 수형 (Jerlov, 1964; Kuroki, 1989)의 파장별 투과율 값을 소산계수 切)로 하고, LED 광원과 분광방사조도계의 수광부와의 거리를 1 m로 고정하여 측정한 분광방사조도 값을수면상의 분광방사조도 값으로 하여, 수심 15 m까지 투과한분광방사조도 값을 다음 식에 따라 파장별로 계산하였다.
- LED 광원이 어업현장에서 집어등으로 사용될 경우를 가정하여 LED 광원의 수중투과 특성을 광학적 수형별로 계산하였다. LED 광원의 파장별 수중투과특성 계산에는 Jedov가 정한 광학적 수형 (Jerlov, 1964; Kuroki, 1989)의 파장별 투과율 값을 소산계수 切)로 하고, LED 광원과 분광방사조도계의 수광부와의 거리를 1 m로 고정하여 측정한 분광방사조도 값을수면상의 분광방사조도 값으로 하여, 수심 15 m까지 투과한분광방사조도 값을 다음 식에 따라 파장별로 계산하였다.
- )를 사용하였다. 각각의 LED 광원은 광원의 발광측 수직하방이 분광방사조도계의 수광부와 1 m의 거리를 두고 마주보도록 설치하였다. 각각의 LED 광원에는 3 V의 전압을 인가하여 동일 전압에 의해 출력된 LED 광원으로부터 방사된 빛은 분광방사조도계의 수광부에 0。±1。의 범위에서 입사하도록 고정하고, 파장 380-760 nm 범위에서 1 nm 간격으로 3회씩 측정하여, 그 평균치를 사용하였다.
- 180。로 정하여 5。간격으로 각각의 LED 광원에 대한 각도별 법선조도를 측정하였다. 또한, 입력전압 변화에 따른 LED 광원의 조도 변화를 측정하기 위해, LED 광원의 발광측 수직 하방과 조도계의 수광부를 Im 간격으로 설정하고, 1.
- LED 광원의 각도별 조도 측정은 각각의 LED 광원에 3 VW] 전압을 인가하여 점등시킨 상태에서 조도계를 30 cm 거리에 설치하고, LED 광원의 발광측 수직하방을 0。, 수직 상방을 180。로 정하여 5。간격으로 각각의 LED 광원에 대한 각도별 법선조도를 측정하였다. 또한, 입력전압 변화에 따른 LED 광원의 조도 변화를 측정하기 위해, LED 광원의 발광측 수직 하방과 조도계의 수광부를 Im 간격으로 설정하고, 1.4V에서 4.2 V의 전압을 0.2 V 간격으로 인가하여 각각의 입력전압에 따른 LED 광원의 조도 변화를 측정하였다. LED 광원의 거 리별 조도 측정은 LED 광원의 발광측 수직하방과 조도계의수광부를 마주보도록 설치하여, 5 m 거리까지 1 m 간격으로 측정하였다 (Fig.
- 각각의 LED 광원에는 3V의 전압을 인가하고 동일 전압에 의해 출력된 광원의 발광부를 분광방사휘도계의대물렌즈와 0°±1° 범위에서 마주보도록 고정하고, 분광방사휘도계의 시각을 0.2。로 설정하여, 파장 380-760nm 범위에서 5nm 간격으로 측정하였다.
- 각각의 LED 광원은 광원의 발광측 수직하방이 분광방사조도계의 수광부와 1 m의 거리를 두고 마주보도록 설치하였다. 각각의 LED 광원에는 3 V의 전압을 인가하여 동일 전압에 의해 출력된 LED 광원으로부터 방사된 빛은 분광방사조도계의 수광부에 0。±1。의 범위에서 입사하도록 고정하고, 파장 380-760 nm 범위에서 1 nm 간격으로 3회씩 측정하여, 그 평균치를 사용하였다.
대상 데이터
- SR-1, 동경광학기계)를 사용하였다. 각각의 LED 광원은 발광측 수직하방이 분광방사휘도계의 수광부 대물렌즈와 마주보도록 Im, 2m, 5m, 10m 및 20m의 거리에 각각 설치하였다. 각각의 LED 광원에는 3V의 전압을 인가하고 동일 전압에 의해 출력된 광원의 발광부를 분광방사휘도계의대물렌즈와 0°±1° 범위에서 마주보도록 고정하고, 분광방사휘도계의 시각을 0.
- 측정에 사용된 광원은 백색, 적색, 녹색, 청색, 청록색 및 오렌지색의 LED 광원을 사용하였으며, 측정에 사용된 LED 광원의 정격전압과 전류를 Table 1에 나타내었다.
이론/모형
- LED 광원의 분광방사조도측정 에 는 분광방사조도계 (LI- 1800C, LI-COR Inc.)를 사용하였다. 각각의 LED 광원은 광원의 발광측 수직하방이 분광방사조도계의 수광부와 1 m의 거리를 두고 마주보도록 설치하였다.
- LED 광원의 분광방사휘도 측정에는 분광방사휘도계 (Topcon SR-1, 동경광학기계)를 사용하였다. 각각의 LED 광원은 발광측 수직하방이 분광방사휘도계의 수광부 대물렌즈와 마주보도록 Im, 2m, 5m, 10m 및 20m의 거리에 각각 설치하였다.
성능/효과
- 2에 나타내었다. Fig. 2에 의하면, LED 광원의 각도별 조도분포는 빛을 직접 발광하는 수직하방 0° 방향이 가장 밝았고, 각도가 증가함에 따라 조도 값은 급격히 감소하여 30° 이상의 각도에서는 빛이 거의 도달하지 않는 것으로 나타났다. 특히, 법선조도 값이 반감하는 반감 각은 약 8-15。로서, LED 광원은 지향성이 매우 강한 특성을 갖는 것으로 나타났다.
- 3에 나타내었다. 각 LED 광원에 정격전압을 인가한 경우의 조도 값을 100%로 하였을 때, 입력전압이 증감하면 LED 광원의 조도 값도 증감하는 경향을 보였다. 즉, 정격입력 전압 3.
- 각 LED 광원으로부터 방사된 빛이 수중을 통과하여 수심 15 m에 도달하는 동안, 파장 450-550 nm를 제외한 다른 파장대의 빛은 수중에 흡수되어 계산 값으로서의 의미를 잃었으며, 수형 I의 수심 15 m에 도달하는 조도 값을 100%로 한 경우, 수형별 분광방사 조도값의 감쇄율은 수형 II에서 67%, 수형 Ⅲ에서는 17%까지 감소한 것으로 나타났다. 또한, 수형별로 수중투과 특성이 우수한 LED 광원을 살펴보면, 수형 I에서는 청색이 최대값을 보여 수중투과 특성이 우수하였고, 다음으로 백색, 청록색 및 녹색의 순서를 보였으며, 수형 II에서는 청색, 청록색, 백색 및 녹색의 순서로 나타났고, 수형 in에서는 청색, 청록색, 녹색 및 백색의 순서를 나타내어, 수형 I, n, m에서의 led 광원의 수중투과 특성은 청색과 청록색이 우수한 것으로 나타났다.
- 각 파장별로 측정된 방사조도 및 방사휘도 분포는 백색이 420-720 nm에 걸쳐 넓 게 분포하고 있는 것을 제외 하면, 청 색을 포함한 각 LED 광원은 최대값을 갖는 파장을 중심으로 한 포물선형태의 정규분포 형상을 보였다. 각 LED 광원을 구성하는 유효파장범위에서의 분광방사조도 값 및 분광방사휘도 값이 최대를 갖는 파장역은 백색이 465 nm, 청색이 473 nm, 청록색 이 501 nm, 녹색이 525 nm 오렌지색 이 613 nm 및 적색이 709 nm로 나타났다.
- 6에 나타내었다. 각 파장별로 측정된 방사조도 및 방사휘도 분포는 백색이 420-720 nm에 걸쳐 넓 게 분포하고 있는 것을 제외 하면, 청 색을 포함한 각 LED 광원은 최대값을 갖는 파장을 중심으로 한 포물선형태의 정규분포 형상을 보였다. 각 LED 광원을 구성하는 유효파장범위에서의 분광방사조도 값 및 분광방사휘도 값이 최대를 갖는 파장역은 백색이 465 nm, 청색이 473 nm, 청록색 이 501 nm, 녹색이 525 nm 오렌지색 이 613 nm 및 적색이 709 nm로 나타났다.
- 또한, 각 LED 광원의 분광방사조도 값이 최대를 갖는 파장역의 방사조도 값을 비교하면, 적색이 1.1x10°"mol/s/nvVnm 로 가장 높고, 다음으로 오렌지색이 3.2xl0'3/zmol/s/m2/nm: 청색이 1.73x10° “mol/s/m2/nm, 청록색이 1.42><1(尸 “mol/s/ m2/nm, 녹색이 9.68x 1 O'4xzmol/s/m2/nm< 보였으며, 백색이 5.10x10""mol/s/menm로 최소값을 나타내었다 (Fig. 6-B). 이상의 분광방사휘 도와 분광방사조도의 측정 값이 최 대를 갖는 파장역에서의 방사에너지 값을 높은 순서로 배열하면, 분광방사휘도 값은 백색, 적색, 녹색, 오렌지색, 청색 및 청록색의 순이었고, 분광방사조도 값은 적색, 오렌지색, 청색, 청록색, 녹색, 백색의 순이 되어, 적색은 분광방사휘도와 분광 방사 조도 양면에서 높은 값을 보였으나, 백색의 경우, 분광방사휘도 값은 다른 LED 광원에 비해 높은데 반해, 분광 방사 조도값은 다른 LED와 비교하여 매우 낮은 값을 갖는 것으로 나타났다.
- Ⅲ에서는 17%까지 감소한 것으로 나타났다. 또한, 수형별로 수중투과 특성이 우수한 LED 광원을 살펴보면, 수형 I에서는 청색이 최대값을 보여 수중투과 특성이 우수하였고, 다음으로 백색, 청록색 및 녹색의 순서를 보였으며, 수형 II에서는 청색, 청록색, 백색 및 녹색의 순서로 나타났고, 수형 in에서는 청색, 청록색, 녹색 및 백색의 순서를 나타내어, 수형 I, n, m에서의 led 광원의 수중투과 특성은 청색과 청록색이 우수한 것으로 나타났다.
- 2에 의하면, LED 광원의 각도별 조도분포는 빛을 직접 발광하는 수직하방 0° 방향이 가장 밝았고, 각도가 증가함에 따라 조도 값은 급격히 감소하여 30° 이상의 각도에서는 빛이 거의 도달하지 않는 것으로 나타났다. 특히, 법선조도 값이 반감하는 반감 각은 약 8-15。로서, LED 광원은 지향성이 매우 강한 특성을 갖는 것으로 나타났다.
- 5x10“ lx 범위에서 분포하였다. 이를 종합하면 LED 광원은 거리 증가에 따라 조도가 미치는 영향은 매우 작은 반면, 휘도값은 매우 높아, 광원으로서 시인성이 매우 좋은 특성을 갖는 것으로 나타났다.
- 6-B). 이상의 분광방사휘 도와 분광방사조도의 측정 값이 최 대를 갖는 파장역에서의 방사에너지 값을 높은 순서로 배열하면, 분광방사휘도 값은 백색, 적색, 녹색, 오렌지색, 청색 및 청록색의 순이었고, 분광방사조도 값은 적색, 오렌지색, 청색, 청록색, 녹색, 백색의 순이 되어, 적색은 분광방사휘도와 분광 방사 조도 양면에서 높은 값을 보였으나, 백색의 경우, 분광방사휘도 값은 다른 LED 광원에 비해 높은데 반해, 분광 방사 조도값은 다른 LED와 비교하여 매우 낮은 값을 갖는 것으로 나타났다.
- 2), 종래의 백열등이나 메탈할라이드등에 비해 극히 한정된 방향에서의 지향성 이 매우 강한 것으로 나타났다 (Yamaguchi, 1987 Chung, 2000a). 이와 함께 LED 광원의 거리별 휘도와 조도 변화를 살펴보면, 4 m에서의 조도 값은 평균 0.1 lx로, 조사 면에 미치는 조도의 영향은 약한 반면, 20m 거리에서의 휘도는 100 cd 전후의 값을 유지하고 있어, 광원으로서 식별할 수 있는 시인성 측면에서 탁월한 성능을 발휘하고 있는 것으로 나타났다 (Fig. 4). 특히, 100 cd 전후의 휘도 값은 야간에 망막이 암순응된 상태에서 물체로서 인지 가능한 값으로 (Osaka, 1998), 이러한 특성을 활용하면, 야간에 낮은 조도를 갖는 대신, 높은 휘도를 필요로 하는 선박의 항해등, 항로의 부표 및 소형등대의 광원으로 이용이 가능할 것으로 사료된다.
- 각 LED 광원에 정격전압을 인가한 경우의 조도 값을 100%로 하였을 때, 입력전압이 증감하면 LED 광원의 조도 값도 증감하는 경향을 보였다. 즉, 정격입력 전압 3.6 V를 갖는 녹색과 청색 LED 의 경우, 입력 전압을 3.8 V로 0.2 V 높였을 때, 조도 값은 140%로 증가하였고, 3.6 V에서 3.4 V로 0.2 V 낮춘 경우에는 약 50- 60%로 감소하여, 0.2 V의미 약전압의 변화에 대해서도 각 LED 광원의 출력 조도 값은 매우 민감하게 반응하였다.
- 집어등으로서 사용가능성이 높은 것으로 인정된 청색, 청록색, 녹색 및 백색 LED 광원은 각각 Jerlov가 정한 광학적 수형 (Jerlov, 1964; Kuroki, 1989)에서의 수중투과 특성 측면에서도 좋은 결과를 보였다(Fig. 7). 한편, 오징어 채낚기 어업이 활발한 동해의 광학적 수형은 어장에 따라 차이는 있으나, 대 략수형 IB-II형으로 분류되고 있고 (Choi et al.
- 따라서 이러한 광학적 수형을 갖는 어장에서는 본 연구에서 검토된 LED 광원의 수중투과 특성 결과로부터 유추할 수 있는 바와 같이 청색, 청록색, 백색, 녹색 LED 광원을 사용할 경우 좋은 투과효율을 기대할 수 있을 것으로 사료된다. 특히, 광학적 수형 in형을 갖는 연근해 오징어 채낚기 어장에서는 청색보다는 청록색을, 수형 IB형을 갖는 북태평양의 꽁치 봉수망 어장에서는 청색을 집어등 광원으로 사용하는 것이 실용성 측면에서도 매우 좋은 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다. 이러한 결과는 어류를 유집하는 효과가 높은 등색을 나열했을 때 그 순서가 청색>청 흰색>주광색>녹색의 순서가 된다고 보고한 Imamura (1968b)의 연구결과와도 그 맥을 같이 한다.
후속연구
- LED 광원을 면광원 형태로 배치함으로서 조도특성을 보완하고 반사기구 등을 적절하게 부가함으로서 지향성과 시인성을 강조하여 사용할 경우, 현재 백열등을 선광원 형태로 배치하여 조업하는 꽁치봉수망 어선의 집어등으로서도 활용이 가능할 것으로 사료된다. 즉, 1ED 광원은 종래의 백열등이 갖는 장점인 전기신호를 빛으로 바꾸는 점등속도가 매우 빠르고 (Yamaguchi, 1987 Osaka, 1998), 입력 전압을 미묘하게 바꾸었을 경우에 대한 출력 변화 또한 크다는 점이 본 연구 결과에서도 확인되었는바, 종래의 백열계 집어등 광원을 대체할 새로운 광원으로서 충분한 특성을 갖고 있는 것으로 사료된다.
- 즉, 1ED 광원은 종래의 백열등이 갖는 장점인 전기신호를 빛으로 바꾸는 점등속도가 매우 빠르고 (Yamaguchi, 1987 Osaka, 1998), 입력 전압을 미묘하게 바꾸었을 경우에 대한 출력 변화 또한 크다는 점이 본 연구 결과에서도 확인되었는바, 종래의 백열계 집어등 광원을 대체할 새로운 광원으로서 충분한 특성을 갖고 있는 것으로 사료된다. 다만, 꽁치봉수망의 집어등은 백열전구 10-20개를 각각 선 광원 형태로 배치하고, 장방형의 갓을 씌워 사용함으로 (Nomura, 1985), 백열등 광원으로부터 방사된 빛은 집어등 갓에 의해 수면으로 전반사되나, LED 광원은 일부 한정된 각도의 방사 출력만이 이용된다는 점을 고려하면, 백열등으로부터 방사된 빛의 효율은 LED 광원에 비해 높을 것으로 사료됨에 따라, 금후, LED 광원을 집어등으로 도입하기 위해서는 기존의 집어등 광원과 LED 광원의 가시광선 사용효율 등을 측정하여 동일 출력의 가시광선을 방사하는데 필요한 전력소비량 등을 포함한 경제적 효율측면에 대해서도 비교 검토해야 할 필요가 있다.
- 한편, 집어등 어업의 주요 어획 대상이 되는 어업생물은 490- 513 nm의 범위에서 시물질 로돕신의 흡수 극대 값을 갖는다고 보고하고 있고 (Hara, 1968; Hasegawa, 1998), Imamura (1968b) 는 어류의 행동을 등색별로 실험한 결과, 어류는 대체로 500 nm의 파장에 대해서 비교적 잘 유집된다고 한 보고들을 종합판단하면, 집어등에서 출력된 가시광선이 수중을 통과하여 대상 생물에게 전달되는 파장의 범위는 실질적으로 극히 한정된 부분에 국한되어 어업생물의 자극원으로 사용된다고 볼 수 있다. 따라서 490-513 nm부근에서 최대 출력 값을 갖는 청색, 청록색, 녹색 및 백색 LED 광원이 집어등으로서 사용 가능성이 높고, 수중을 통과하면서 대부분이 흡수되는 적색의 경우는 그 파장분포 특성으로부터 꽁치봉수망 어법에서 집어등 아래의 수면하부에 유집된 꽁치어군을 수면부근으로 부상시키기 위한 역할을 담당하는 적색 집어등으로서 사용될 수 있을 것이다.
- (Jerlov, 1964; Kuroki, 1989). 따라서 이러한 광학적 수형을 갖는 어장에서는 본 연구에서 검토된 LED 광원의 수중투과 특성 결과로부터 유추할 수 있는 바와 같이 청색, 청록색, 백색, 녹색 LED 광원을 사용할 경우 좋은 투과효율을 기대할 수 있을 것으로 사료된다. 특히, 광학적 수형 in형을 갖는 연근해 오징어 채낚기 어장에서는 청색보다는 청록색을, 수형 IB형을 갖는 북태평양의 꽁치 봉수망 어장에서는 청색을 집어등 광원으로 사용하는 것이 실용성 측면에서도 매우 좋은 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
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