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문제 정의
- 이와 같은 결과가 나타나게 된 주요 원인을 살펴보면, 통상 LED 광원을 점등하여 측정한 분광 방사조도 값으로부터 LED 광원을 점등하지 않은 상태의 암실의 환경조도, 즉 분광 방사조도계가 측정 가능한 파장별최소값을 차감하는 보정을 히]야 한다. 그러나 본 연구가 LED 광원을 집어등 광원으로 도입하기 위한 목적의 기초 연구라는 점에서 될 수 있는 한 분광 방사조도계의 측정 정밀도 등이 포함된 실측자료를 그대로 제공하기 위해, 암실에서 측정된 LED 광원의 분광 방사조도 값을 소등시 암실의 환경 조도값과 보정하지 않은 실측값을 그대로 자료해석에 사용한 점에 주요한 원인이 있다. 즉, 측정된 LED 광원의 분광분포는 자외선 및 적외선구간의 파장범위의 분광 방사조도 값 s/m2/nm 보다 낮은 값에서, 불규칙한 굴곡의 측정값이 나타나는 현상을 볼 수 있고, 이 값의 대부분은 암흑상태에서의 측정된 환경조도 값 또는 분광 방사조도계가 측정 가능한 최소한계 값을 의미한다.
- 다음으로 메탈할라이드등과 할로겐등 및 LED 광원의 초기설비비를 포함한 경제적인 측면에 대해서 검토한다. 2001년 실험 당시 일본에서 할로겐등 2 kW의 개 당 가격은 11, 000 엔, 메탈할라이드등 2kW는 각 제조사의 제품에 따라 차이가 있으나, 23, 000-34, 000엔 범위에서 판매되었고, 메탈할라이드등을 점등하기 위해서 필요한 안정기는 대당 62, 000엔에 판매되었다.
제안 방법
- 및 방사특성을 비교하였다. 또한, 단위 전력을 메탈할라이드등 및 할로겐등에 공급한 경우에 출력되는 방사량과 동등한 값을 얻기 위해 필요한 LED 광원의 수 및 이를 운용하기 위한 전력량을 이론 계산하였다. 이를 토대로 할로겐등 및 메탈할라이드등에 대한 LED 광원의 조명효율을 포함한 경제적인 측면을 비교함으로써 차세대 에너지 절약형 광원으로의 대체 가능성에 대하여 검토하였다.
- 또한, 메탈할라이드등과 할로겐등 및 LED 광원으로부터 측정된 300-1, 100nm 범위의 파장별 분광 방사조도 값의 총합을 100%로 정하고, 파장범위 300-380 nm를 자외선구간, 파장 범위 381-780 nm를 가시광선구간, 파장범위 781-1, 100 nm를 적외선구간으로 각각 나누고, 각 파장 구간별로 분포하는 분광 방사조도 값을 합산하여 메탈할라이드등과 할로겐등 및 LED 광원의 전체파장범위 총합의 비율과 서로 비교하였다.
- 메탈할라이드등 및 할로겐등과 동등한 분광 방사조도 값을 얻기 위해 필요로 하는 흰색, 청색, 녹색 및 청록색 각각의 LED 광원의 개수와 이를 점등하는데 필요한 전력 (W)을 계산한 결과를.Table 2와 Table 3에 나타내었다.
- 메탈할라이드등과 할로겐등 및 LED 광원의 분광 방사 조도 측정은 2001년 6월 25일부터 30일까지 6일간에 걸쳐, 일본 수산공학연구소의 실험동 암실에서 야간에 실시하였다. 측정에 사용된 광원은 백색, 적색, 녹색, 청색, 청록색 및 오렌지색의 LED 광원과 집어등 광원으로서 메탈할라이드등 (IWASAKI DENKI GMS-2000) 및 할로겐등 (USHIO GJVC 200 V)을 사용하였다.
- 메탈할라이드등과 할로겐등 및 LED 광원의 분광 방사 조도측정에는 분광 방사조도계 (LI-1800C, LI-COR Inc.)를 사용하였다. 할로겐등과 각각의 LED 광원은 광원의 발광측 수직 하방이 분광 방사조도계의 수광부와 1 m의 거리를 두고 마주 보도록 설치하였고, 메탈할라이드등의 경우는 광원의 발광 측 수평 하방이 분광 방사조도계의 수광부와 1 이의 거리를 두고 마주 보도록 설 치 하였다.
- 본 연구에서는 LED 광원을 비롯하여 현재까지 사용되고 있는 대표적인 집어등 광원인 백열계열의 할로겐등, 방전계열의 메탈할라이드등의 파장별 분광 방사조도 값을 측정하여 분광분포 및 방사특성을 비교하였다. 또한, 단위 전력을 메탈할라이드등 및 할로겐등에 공급한 경우에 출력되는 방사량과 동등한 값을 얻기 위해 필요한 LED 광원의 수 및 이를 운용하기 위한 전력량을 이론 계산하였다.
- 분광 방사조도계에 의해 측정된 메탈할라이드등 및 할로겐등의 파장별 분광 방사조도 값을 각각의 광원이 전력 1 W를 사용한 경우의 파장별 분광 방사조도 값으로 환산하였다. 메탈할라이드등 및 할로겐등과 동등한 분광 방사조도 값을 얻기 위해 필요로 하는 흰색, 청색, 녹색 및 청록색 각각의 LED 광원의 개수와 이를 점등하는데 필요한 전력 (W)을 계산한 결과를.
- 분광 방사조도계에 의해 측정된 메탈할라이드등 및 할로겐등의 파장별 분광 방사조도 값을 해당 광원에 전력 1 W를 입력한 경우 방사되는 파장별 분광 방사조도 값을 이론적으로 환산하였다. 전력 1 W를 입력한 경우의 메탈할라이드등 및 할로겐등과 동등한 분광 방사조도 값을 얻기 위해 필요로하는 LED 광원의 개수를 집어등 어장의 광학적 수형에서 빛의 수중투과특성이 높은 것으로 나타난 흰색, 청색, 녹색 및 청록색의 LED 광원 (Choi, 2006)에 대하여, 각각 계산하는 한편, 이를 점등하는데 필요한 전력 (W)을 이론 계산함으로써, 메탈할라이드등과 할로겐등에 대한 LED 광원의 경제적 효율에 대하여 비교하였다.
- 메 탈할라이 드등과 할로겐등에 는 200 V 교류전압을 집 어등용 안정 기 (USHIO GEL220-2 HD) 에 입력하여, 출력된 교류 전압을 공급하는 한편, LED 광원에는 3 V의 전압을 공급하였다. 메탈할라이드등과 할로겐등 및 LED 광원 각각에 설정된 전압을 공급함에 따라 광원으로부터 방사된 빛은 분광 방사조도계의 수광부에 0。±1。의 범위에서 입사하도록 고정하고, 파장 300-1, 100 nm 범위에서 1 nm 간격으로 3회씩 측정하여, 그 평균치를 사용하였다 (Fig. 1).
- 또한, 단위 전력을 메탈할라이드등 및 할로겐등에 공급한 경우에 출력되는 방사량과 동등한 값을 얻기 위해 필요한 LED 광원의 수 및 이를 운용하기 위한 전력량을 이론 계산하였다. 이를 토대로 할로겐등 및 메탈할라이드등에 대한 LED 광원의 조명효율을 포함한 경제적인 측면을 비교함으로써 차세대 에너지 절약형 광원으로의 대체 가능성에 대하여 검토하였다.
- 전력 1 W를 입력한 경우의 메탈할라이드등 및 할로겐등과 동등한 분광 방사조도 값을 얻기 위해 필요로하는 LED 광원의 개수를 집어등 어장의 광학적 수형에서 빛의 수중투과특성이 높은 것으로 나타난 흰색, 청색, 녹색 및 청록색의 LED 광원 (Choi, 2006)에 대하여, 각각 계산하는 한편, 이를 점등하는데 필요한 전력 (W)을 이론 계산함으로써, 메탈할라이드등과 할로겐등에 대한 LED 광원의 경제적 효율에 대하여 비교하였다.
- )를 사용하였다. 할로겐등과 각각의 LED 광원은 광원의 발광측 수직 하방이 분광 방사조도계의 수광부와 1 m의 거리를 두고 마주 보도록 설치하였고, 메탈할라이드등의 경우는 광원의 발광 측 수평 하방이 분광 방사조도계의 수광부와 1 이의 거리를 두고 마주 보도록 설 치 하였다. 메 탈할라이 드등과 할로겐등에 는 200 V 교류전압을 집 어등용 안정 기 (USHIO GEL220-2 HD) 에 입력하여, 출력된 교류 전압을 공급하는 한편, LED 광원에는 3 V의 전압을 공급하였다.
대상 데이터
- 실시하였다. 측정에 사용된 광원은 백색, 적색, 녹색, 청색, 청록색 및 오렌지색의 LED 광원과 집어등 광원으로서 메탈할라이드등 (IWASAKI DENKI GMS-2000) 및 할로겐등 (USHIO GJVC 200 V)을 사용하였다. 측정 에 사용된 메 탈할라이 드등과 할로겐등 및 LED 광원의 정격전압과 전류는 Table 1에 나타내었다.
성능/효과
- 이와 같은 각 광원의 방사특성의 차이는 파장 380-780 nm 범위의 가시광선구간만을 한정하여 비교한 분광 방사 조도 값의 비교결과에서도 확인할 수 있다. LED 광원과 메탈 할라 이드등을 제외한 할로겐등은 가시광선 구간에서 방사되는 분광 방사조도 값은 전체의 24%만이 방사되고 나머지 76% 는 적외선 구간에서 열방사되는 것으로 나타났다 (Figs. 5, 6). 이를 바꾸어 말하면 할로겐등의 조명효율은 100%의 입력 전압 대비 24%만이 어군을 유집하는데 필요한 집어등으로서의 기능을 하고 나머지는 어군의 집어와는 무관한 열방사로 소모된다는 것을 의미하는 것으로 (Yamaguchi, 1987), 백 열 계열의 집어등으로 대표되는 할로겐등은 가시광선 구간을 필요로 하는 집어등 어업에 있어서, 조명효율이 매우 낮은 비경제적인 광원이라 할 수 있다.
- 이 들.각각의 색상에 따라 계산된 LED 광원의 개수를 점등하는데 필요한 전력을 계산하면 65.6-332.4 W의 전력량이 필요한 것으로 나타났다. 할로겐등에 전력 1 W를 공급하여 출력되는 방사량과 동등한 값을 얻기 위해서 필요한 흰색, 녹색, 청색 및 청록색의 LED 광원의 개수는 각각 383, 381, 306 및 151개가 필요하고, 이들 광원의 개수를 점등하는 데는 필요한 전력은 각각 27.
- 즉, 측정된 LED 광원의 분광분포는 자외선 및 적외선구간의 파장범위의 분광 방사조도 값 s/m2/nm 보다 낮은 값에서, 불규칙한 굴곡의 측정값이 나타나는 현상을 볼 수 있고, 이 값의 대부분은 암흑상태에서의 측정된 환경조도 값 또는 분광 방사조도계가 측정 가능한 최소한계 값을 의미한다. 따라서 이 값을 보정하면 LED 광원으로 부’터 출력되는 분광 방사조도 값은 오렌지 색을 제외한 나머지 광원의 경우, 가시광선 구간에서의 비율이 전체의 대부분을 차지하게 될 것이고, 메탈할라이드등의 가시광선 구간에서의 비율 82%보다 높게 나타날 것으로 사료된다.
- (Choi, 2006). 따라서, 이러한 전반적인 조건들을 종합하면, LED 광원 역시 파장 범위 480-520 nm 범위에서 메탈할라이드등과 비교하여 조명효율이 좋지 않다고 단정할 수는 없는 것으로 사료된다.
- 6), LED 광원과 메탈할라이드등은 다른 광원에 비해 가시광선구간에서의 출력되는 분광 방사 조도의 비율이 높은 것으로 나타났다. 또한, 자외선구간과 적외선 구간에서의 분광 방사조도 값의 비율은 LED가 평균 13.4%, 8.9%를 보인데 반해, 메탈할라이드등과 할로겐등은 각각 3.8%, 14.2% 및 0.01%, 75.93%의 비율 값을 보였다.
- 3에 나타내었다. 메 탈할라이 드의 분광 방사조도는 300-1, 100 nm의 전체측정범위에 걸쳐 l04-l05〃mol/s/m2/nm의 높은 방사조도 값을 보였고, 특히 파장 300-650nm 범위에서 심한 굴곡을 갖는 형태의 분광 방사조도 값을 보였다. 최대 값을 보인 파장은 578 nm로분광 방사조도 값 7.
- 메탈할라이드등과 할로겐등 및 LED 광원 3종류의 분광 방사 조도 분포를 비교하면, 메탈할라이드등은 파장 300-1, 100 nm 범위의 전역에 걸쳐 높은 출력의 수평적분포, 할로겐 등은 파장 300-700 nm 범위에서 급격한 상승곡선의 형상분포를 갖는 반면 (Fig. 2), LED 광원은 백색을 제외하고, 특정의 파장 범위를 중심으로 한 정규분포 형상으로 분포하는 것으로 나타났다 (Fig. 3). 이는 방전계 열, 백 열계 열 및 반도체 계 열 각각의 광원이 그 기원 및 특성을 달리하고 있고, 광원의 연구개발 방향에 있어서도, 메탈할라이드등은 가시광선 대역의 출력을 극대화하고 할로겐등은 가시광선보다는 광원의 연색성 또는 열방사를 이용하기 위한 목적이 중시되었으며, LED 광원의 경우, 반도체 발광물질에 따른 단파장을 효과적으로 이용하기 위한 목적 이 반영되 었기 때문으로 사료된다.
- 본 연구에서 측정된 LED 광원의 파장별 분광 방사 조도값을 파장구간별로 정리한 결과를 살펴보면, 가시광선 구간을 제외한 자외선구간과 적외선구간의 파장범위에서도 평균 13.4%, 8.9%의 분광 방사조도 값이 측정된 것으로 나타났다 (Fig. 5). 이는 특수한 목적으로 제조된 LED 광원을 제외한 일반적인 LED 광원의 분광분포와는 배치되는 것이라고 볼 수 있다.
- 메탈할라이드등과 할로겐등 및 LED 광원의 가시광선 구간에서 분포하는.분광 방사조도 값의 비율은 LED 광원의 경우, 적색 LED 광원이 96%로 가장 높고, 그 외의 LED 광원은평균 77.7%의 비율 값을 갖는 것으로 나타났다 (Fig. 5). 이 에반해 메탈할라이드등은 82%, 할로겐등은 24%의 비율 값을 갖는 것으로 나타나 (Fig.
- 5). 이 에반해 메탈할라이드등은 82%, 할로겐등은 24%의 비율 값을 갖는 것으로 나타나 (Fig. 6), LED 광원과 메탈할라이드등은 다른 광원에 비해 가시광선구간에서의 출력되는 분광 방사 조도의 비율이 높은 것으로 나타났다. 또한, 자외선구간과 적외선 구간에서의 분광 방사조도 값의 비율은 LED가 평균 13.
- 이러한 보고를 토대로 집어등 어업에서 필요로 하는 파장의 선택적 이용과 관련하여 파장구간을 480-520nm로 한정하여 LED 광원에 대한 할로겐등과 메탈할라이드등의 조명효율을 비교하여보면, 할로겐등 1 W와 동등한 분광 방사조도 값을 얻기 위해서 필요한 청록색과 청색 LED 광원의 전력은 각각 0.12 W, 0.97 W가 필요한 것으로 계산되어, 청색과 청록색 LED 광원은 할로겐등에 비하여 조명효율이 좋은 광원인 것으로 밝혀졌다. 또한, 동일 파장범위에서 메탈할라이드등 1 W와 동등한 광원 출력을 얻기 위해서 필요한 청녹색과 청색 LED 광원의 전력은 각각 8.
- 4). 종래의 집어등 광원으로 대 표되는 메 탈할라이 드등과 할로겐등의 색 채 특성 은 메탈할라이드등이 听5 표준광원의 백색 역과 녹색 및 노란색의 경계선상에 분포하는 것으로 나타났고, 할로겐등은 오렌지색 역에 분포하는 것으로 나타났다.
- 메 탈할라이 드의 분광 방사조도는 300-1, 100 nm의 전체측정범위에 걸쳐 l04-l05〃mol/s/m2/nm의 높은 방사조도 값을 보였고, 특히 파장 300-650nm 범위에서 심한 굴곡을 갖는 형태의 분광 방사조도 값을 보였다. 최대 값을 보인 파장은 578 nm로분광 방사조도 값 7.40시05 〃mol/s/n日nm를 나타냈다. 할로겐등의 분광 방사조도는 파장 300-1,000 nm 범위에 걸쳐, 매끈한 상승곡선 형태를 보이면서 분포하였고, 특히 파장 300-700 nm 범위에서는 장파장으로 갈수록 분광 방사조도 값이 급격하게 증가하는 경향을 보였다.
- 측정 범위에 걸쳐 방사조도 값이 측정되었다. 측정값의 수직적 분포는 lOe-lO'emol/s/mVnm 범위의 값을 보였으며, 수평적 분포는 백색 이 파장 420-720 nm 범위에 걸쳐 넓게 분포하고 있는 것을 제외하면, 녹색을 비롯한 다른 LED 광원은 측정된 분광 방사조도 최대값을 갖는 파장을 중심으로 정규분포 형상을 보였다. 분광 방사조도 값이 최대를 갖는 대표 파장과 측정값을 순서대로 나열하면, 적색이 709 皿에서 l.
- 특히 오렌지색 LED 광원은 할로겐등의 색채특성과 가까운 연색성을 보였으며, 적색, 녹색 및 청색 LED 광원은 D65 표준광원과의 거리가 멀어 높은 채도값을 갖고, 분광 방사 조도 최대값을 갖는 파장을 중심으로 범위의 색도 좌표를 갖는 것으로 나타났다
- 파장 380-780 nm 범위를 기준으로 한 계산결과에 의하면, 메탈할라이드등에 전력 1 W를 공급하여 출력되는 방사량과 동등한 값을 얻기 위해서 필요한 LED 광원을 각각의 색상에 따라 계산하면, 1, 820-4, 616개의 광원이 필요한 것으로 산출되었다. 이 들.
- 한편, 파장을 480-520nm 범위로 한정한 계산결과에 따르면, 메탈할라이드등에 1 w를 공급하여 출력되는 방사량과 동등한 값을 얻기 위해서 필요한 LED 광원을 각각의 색상에 따라 계산하면, 232-2, 541 개의 광원이 필요한 것으로 나타났고, 이들 LED 광원의 개수를 점등하기 위해서는 8.5-182.9 Wh의 전력이 필요한 것으로 산출되었다. 또한, 할로겐등에 1 W를 공급하여 출력되는 방사량과 동등한 값을 얻기 위해서 필요한 흰색, 녹색, 청색 및 청록색의 LED 광원의 개수는 각각 35, 17, 14 및 3개가 필요히.
- 4 W의 전력량이 필요한 것으로 나타났다. 할로겐등에 전력 1 W를 공급하여 출력되는 방사량과 동등한 값을 얻기 위해서 필요한 흰색, 녹색, 청색 및 청록색의 LED 광원의 개수는 각각 383, 381, 306 및 151개가 필요하고, 이들 광원의 개수를 점등하는 데는 필요한 전력은 각각 27.6, 27.4, 22.0 및 5.5 W가 필요한 것으로 계산되었다 (Table 2).
- 40시05 〃mol/s/n日nm를 나타냈다. 할로겐등의 분광 방사조도는 파장 300-1,000 nm 범위에 걸쳐, 매끈한 상승곡선 형태를 보이면서 분포하였고, 특히 파장 300-700 nm 범위에서는 장파장으로 갈수록 분광 방사조도 값이 급격하게 증가하는 경향을 보였다. 최대값을 나타낸 파장과 분광 방사 조도 값은 각각 973 nm에서 1.
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