이종(異種) 광원 조합에 의한 복수 광원의 분광 방사특성과 광달(光達) 거리 및 집어등 운용방법 Characteristics of Spectral Irradiance Based on the Distance from the Light Source and Operating Method for Fishing Lamps with a Combined Light Source원문보기
Characteristics of spectral irradiance based on the distance from the light source, which combined metal halide lamp and high-luminance light-emitting diode (LED) light, were studied to investigate a suitable operating method for fishing lamps of the next generation. A 380-780 nm wavelength radiatio...
Characteristics of spectral irradiance based on the distance from the light source, which combined metal halide lamp and high-luminance light-emitting diode (LED) light, were studied to investigate a suitable operating method for fishing lamps of the next generation. A 380-780 nm wavelength radiation was superior when using 1 W electrical power in the order of metal halide lamp, blue LED, white LED, and combined LED lights. The wavelengths at which the irradiance was at a maximum were fixed to 581 nm for the light source, which was combined for each ratio. If the irradiance characteristics at 300-1100 nm wavelengths were set as 100%, the irradiance rates at 400-599 nm were 100%, 72.7%, 88.9%, and 69.5% for the blue, white, combined LED lights, and metal halide lamp, respectively. This indicated that the color rendering of the LED lights was dependent on the metal halide lamp light source. When the horizontal profiles (450-550 nm wavelength) of irradiances were compared to a different type of light source in the ratio white LED: combined LED lights: blue LED: metal halide lamp, the irradiated area of more than $0.01\;{\mu}mol/s/m^2/nm$ was in the ratio 1.0 : 1.3 : 1.7 : 37.3, respectively. Based on the radiation characteristics and irradiance according to the distance from the light source, LED lights have an estimated economic efficiency if used before and after operation of a metal halide lamp.
Characteristics of spectral irradiance based on the distance from the light source, which combined metal halide lamp and high-luminance light-emitting diode (LED) light, were studied to investigate a suitable operating method for fishing lamps of the next generation. A 380-780 nm wavelength radiation was superior when using 1 W electrical power in the order of metal halide lamp, blue LED, white LED, and combined LED lights. The wavelengths at which the irradiance was at a maximum were fixed to 581 nm for the light source, which was combined for each ratio. If the irradiance characteristics at 300-1100 nm wavelengths were set as 100%, the irradiance rates at 400-599 nm were 100%, 72.7%, 88.9%, and 69.5% for the blue, white, combined LED lights, and metal halide lamp, respectively. This indicated that the color rendering of the LED lights was dependent on the metal halide lamp light source. When the horizontal profiles (450-550 nm wavelength) of irradiances were compared to a different type of light source in the ratio white LED: combined LED lights: blue LED: metal halide lamp, the irradiated area of more than $0.01\;{\mu}mol/s/m^2/nm$ was in the ratio 1.0 : 1.3 : 1.7 : 37.3, respectively. Based on the radiation characteristics and irradiance according to the distance from the light source, LED lights have an estimated economic efficiency if used before and after operation of a metal halide lamp.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 현재 집어등 어선의 대표적 광원인 메탈할라이드 등과 차세대 집어등 광원으로 주목받고 있는 LED 광원을 집어등으로 혼용하여 사용하는 경우를 가정하고, 이종 광원의 적절한 운용방법을 검토할 목적으로, 각각의 광원에 대한 분광 방사조도 및 연색성 등을 포함한 물리적 특성을 측정하였다. 또한, 서로 다른 이종 광원이 어선의 집어등으로서 각각 또는 동시에 점등된 경우의 광학적 도달 거리를 계산함으로써, 집어등 어장에서 어군을 집어하기 위한 이종광원의 효율적 운용을 위한 조업방법 등에 대하여 검토하였다.
따라서, 본 연구에서는 현재 집어등 어선의 대표적 광원인 메탈할라이드 등과 차세대 집어등 광원으로 주목받고 있는 LED 광원을 집어등으로 혼용하여 사용하는 경우를 가정하고, 이종 광원의 적절한 운용방법을 검토할 목적으로, 각각의 광원에 대한 분광 방사조도 및 연색성 등을 포함한 물리적 특성을 측정하였다. 또한, 서로 다른 이종 광원이 어선의 집어등으로서 각각 또는 동시에 점등된 경우의 광학적 도달 거리를 계산함으로써, 집어등 어장에서 어군을 집어하기 위한 이종광원의 효율적 운용을 위한 조업방법 등에 대하여 검토하였다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 이종 광원으로부터 방사되는 빛의 도달 거리와 조업반경을 고려한 오징어 채낚기 어선의 집어등 광원의 적절한 운용방법 및 조업방법에 대해서 검토한다. 집어등 어선이 어장에 도착하여 조업을 시작하는 경우, LED 광원과 메탈할라이드 등을 동시에 점등하여 조업을 시작하여, 일정시간이 지나 메탈할라이드 등이 안정화되면 LED 광원을 소등한 후 계속 조업을 한다.
차세대 집어등 광원으로 주목받고 있는 LED 광원을 조합하여 사용하는 경우, 집어등 광원의 적절한 운용을 위한 기초자료를 제공할 목적으로, 각 광원의 분광 방사조도 및 연색성을 포함한 물리적 특성에 대해 살펴보았다. 광원의 사용 전력을 1W로 정한 경우, 광원으로부터 방사되는 파장별 조도 값을 계산하면 LED 광원이 10-1-10-4 μmol/s/m2/nm의 범위에서 분광 방사조도 값이 분포하고 있는데 반해, 메탈할라이드 등은 102-10-1 μmol/s/m2/nm 범위에서 분포하는 것으로 나타났다 (Fig.
가설 설정
메탈할라이드 등과 LED 광원의 조합에 의한 복수 광원이어장에서 집어등으로 사용되는 경우를 가정한 복수 광원의 수중투과 특성을 광학적 수형별로 계산하였다. 복수 광원의 파장별 수중투과특성 계산에는 Jerlov가 정한 광학적 수형 (Jerlov, 1964; Kuroki, 1989)의 파장별 투과율 값을 소산계수 k(λ)로 하고, 복수 광원의 파장별 분광 방사조도 값을 수면상의 분광 방사조도 값으로 하여, 수심 1 m와 10 m 수중에 투과한 경우의 분광 방사조도 값을 다음 식에 따라 각 파장별로 계산하였다 (Choi, 1998; Choi, 2006).
여기서 LED 광원과 메탈할라이드 등의 1:1 조합은 각각의 광원이 1 W의 전력을 사용한 경우를 포함한 동일 비율로 조합되었을 때를 가정한 것이고, LED 광원과 메탈할라이드등 1:15 조합은 단위 광원의 물리적 최소 단위로서 LED 광원이 100W, 메탈할라이드 등이 1.5 kW인 점을 고려한 비율이다. LED 광원과 메탈할라이드 등 1:5 조합은 오징어 채낚기 어선이 LED 광원과 메탈할라이드 등을 각각 8 kW, 40 kW로 동시에 장비하여 조업하는 경우를 고려한 조합 비율에 해당한다 (Bae et al.
제안 방법
)를 사용하였다. LED 광원은 광원의 발광측 수직하방이 분광 방사조도계의 수광부와 1 m의 거리를 두고 마주보도록 설치하였고, 메탈할라이드 등의 경우는 광원의 발광측 수평 90도 방향이 하방으로 되도록 하고, 분광 방사조도계의 수광부와 1 m의 거리를 두고 마주보도록 설치하였다. 각 광원의 분광 방사조도 측정은 광원을 소등한 상태로 암실 내의 분광 방사조도 분포를 측정하였다.
1). 각 광원으로부터 측정된 분광 방사조도 값으로부터 광원을 소등한 상태에서 측정된 암실 내의 분광 방사조도 분포 값을 보정한 각 광원의 분광 방사조도 측정값을 사용하였다.
LED 광원은 광원의 발광측 수직하방이 분광 방사조도계의 수광부와 1 m의 거리를 두고 마주보도록 설치하였고, 메탈할라이드 등의 경우는 광원의 발광측 수평 90도 방향이 하방으로 되도록 하고, 분광 방사조도계의 수광부와 1 m의 거리를 두고 마주보도록 설치하였다. 각 광원의 분광 방사조도 측정은 광원을 소등한 상태로 암실 내의 분광 방사조도 분포를 측정하였다. 메탈할라이드 등에는 200 V 교류전압을 집어등용 안정기 (USHIO, GEL220-2 HD)에 입력하여, 출력된 교류 전압을 공급하는 한편, LED 광원에는 3 V의 직류 전압을 공급하였다.
또한, 메탈할라이드 등과 LED 광원 및 이들 광원의 조합에 의한 복수 광원으로부터 측정된 300-1100 nm 범위의 파장별 분광 방사조도 값의 총합을 100%로 정하고, 측정된 파장범위를 100 nm 구간으로 각각 나누어 각 파장 구간별로 분포하는 분광 방사조도 값을 합산하여 전체 파장범위의 총합과 비교하였다.
메탈할라이드 등과 LED 광원 각각에 설정된 전압을 공급함에 따라 광원으로부터 방사된 빛은 분광 방사조도계의 수광부에 0° ± 1°의 범위에서 입사하도록 고정하고, 파장 300-1100 nm 범위에서 1 nm 간격으로 3회씩 측정하여, 그 평균치를 구하였다 (Fig. 1).
메탈할라이드 등과 LED 광원을 분광 방사조도계의 수광부로부터 1 m 거리에 설치하여 측정된 파장별 방사조도 값을 각 광원이 전력 1 W를 사용한 경우 광원으로부터 방사되는 분광 방사조도 값으로 계산하여 Fig. 2에 나타내었다.
메탈할라이드 등과 LED 광원의 단위 W당 분광 방사조도값 중에서 어군의 집어에 주로 이용되는 파장범위 450-550 nm의 방사 조도값의 총합을 구하고, 이 구간의 값이 각각의 광원으로부터 방사되어 일정거리에 떨어진 피조점에 도달된 때의 방사조도 값을 계산하였다. 즉, 수면에서 높이 h(m)에 있는 광원에서 방사된 빛이 피조점에 도달하는 경우의 수평면 조도 I(λ)는 다음 식으로부터 구할 수 있다 (Choi, 1997).
메탈할라이드 등과 LED 광원의 조합에 의한 복수 광원의 방사조도 분포 및 광원의 연색성 변화 결과를 토대로 복수 광원을 장비한 집어등 어선의 집어등 운용과 관련한 조업방법을 검토한다. LED 광원의 분광 방사조도 값은 메탈할라이드 등의 분광 방사조도 값에 비해 상대적으로 미약하므로, 어장에서 양 광원을 점등하는 경우, LED 광원은 어군을 집어하는데 독자적인 기능을 하지 못하는 것으로 판단된다.
메탈할라이드등과 청색, 백색 및 청색과 백색을 조합한 LED 광원의 파장별 분광 방사조도 값으로부터 색의 3 자극치를 구하여 CIE XYZ 색표시계 상에 나타내었다(Fig. 5).
대상 데이터
LED 광원에 대한 분광 방사조도 측정은 2001년 6월 25일부터 30일까지 6일간에 걸쳐, 메탈할라이드 등의 분광 방사조도 측정은 2003년 2월 17일부터 20일까지 3일간에 걸쳐, 일본 수산공학연구소의 실험동 암실에서 야간에 실시하였다. 측정에는 메탈할라이드 등 (日本電池, GM20WH, 백색)과 백색 LED 광원 (NICHIA, NSPW500BS) 및 청색 LED 광원 (NICHIA, NSPB500S)을 사용하였다.
LED 광원에 대한 분광 방사조도 측정은 2001년 6월 25일부터 30일까지 6일간에 걸쳐, 메탈할라이드 등의 분광 방사조도 측정은 2003년 2월 17일부터 20일까지 3일간에 걸쳐, 일본 수산공학연구소의 실험동 암실에서 야간에 실시하였다. 측정에는 메탈할라이드 등 (日本電池, GM20WH, 백색)과 백색 LED 광원 (NICHIA, NSPW500BS) 및 청색 LED 광원 (NICHIA, NSPB500S)을 사용하였다. 측정에 사용된 메탈할라이드 등과 백색 및 청색 LED 광원의 정격전압과 전류는 Table 1에 나타내었다.
데이터처리
복수 광원의 파장별 수중투과특성 계산에는 Jerlov가 정한 광학적 수형 (Jerlov, 1964; Kuroki, 1989)의 파장별 투과율 값을 소산계수 k(λ)로 하고, 복수 광원의 파장별 분광 방사조도 값을 수면상의 분광 방사조도 값으로 하여, 수심 1 m와 10 m 수중에 투과한 경우의 분광 방사조도 값을 다음 식에 따라 각 파장별로 계산하였다 (Choi, 1998; Choi, 2006).
이론/모형
메탈할라이드등과 LED 광원의 분광 방사조도 측정에는 분광 방사조도계 (LI-1800C, LI-COR Inc.)를 사용하였다. LED 광원은 광원의 발광측 수직하방이 분광 방사조도계의 수광부와 1 m의 거리를 두고 마주보도록 설치하였고, 메탈할라이드 등의 경우는 광원의 발광측 수평 90도 방향이 하방으로 되도록 하고, 분광 방사조도계의 수광부와 1 m의 거리를 두고 마주보도록 설치하였다.
분광 방사조도계에 의해 측정된 메탈할라이드 등과 LED 광원의 분광 방사조도 값은 가법혼색 등색식을 이용하여, 각 광원이 전력 1 W를 사용한 경우, 광원으로부터 방사되는 분광 방사조도 값으로 계산하였다. 즉 메탈할라이드 등과 LED 광원의 분광 방사조도 측정값을 [F1], [F2] … [FN]이라 하고, 이들을 조합한 복수 광원의 분광 분포 값을 [F] 이라고 하면, 광원의 강도를 α 배로 증가시키거나, 일정 비율로 조합하여 생성된 복수 광원 [F] 사이에는 다음과 같은 비례법칙 및 가산 법칙의 등색 식이 성립한다 (Ohta, 1993; Choi and Shin, 2003).
성능/효과
각각의 조합 비율에 따른 복수 광원의 방사조도가 최대값을 갖는 파장은 모두 581nm로 동일하였고, 최대파장에서의 분광 방사조도 값은 메탈할라이드등과 LED 광원의 비율이 1:1, 1:15 및 1:5 비율별로 각각 5.7×10 μmol/s/m2/nm, 9.23×102 μmol/s/m2/nm 및 3.44×102 μmol/s/m2/nm를 나타내었다.
광원의 사용 전력을 1W로 정한 경우, 광원으로부터 방사되는 파장별 조도 값을 계산하면 LED 광원이 10-1-10-4 μmol/s/m2/nm의 범위에서 분광 방사조도 값이 분포하고 있는데 반해, 메탈할라이드 등은 102-10-1 μmol/s/m2/nm 범위에서 분포하는 것으로 나타났다 (Fig. 2).
다음으로, 집어등 어업에서 어획대상생물을 유집하는데 주로 이용되는 파장 450-550 nm 범위의 방사조도 값이 (Hasegawa, 1998; Hara, 1968), 광원으로부터 방사되어 일정거리의 피조점에 도달되는 방사조도 계산 값을 살펴보면, 청색, 백색 및 청색과 백색이 혼합된 LED 광원이 각각 10 m, 7 m 및 8 m에서 1×10-2 μmol/s/m2/nm의 값을 보였고, 메탈할라이드 등은 225 m에서 1×10-2 μmol/s/m2/nm의 값을 보였다.
이는 메탈할라이드 등의 조업반경이 LED 광원의 조업반경에 비해 1-37배로 넓다는 것을 시사한다. 따라서 어장에서 LED 광원을 점등한 어선과 메탈할라이드 등을 점등한 어선이 동시 조업을 하는 경우, 각각 상대방의 광원의 영향을 받지 않기 위해 필요한 집어등 어선의 적정조업 거리를 단순 계산하면 메탈할라이드 등을 점등한 어선은 LED 광원을 점등한 어선의 조업반경으로부터 최소 22-38배 떨어진 거리에서 조업을 해야 한다는 것을 알 수 있다. 다만, 적정조업반경을 정하는데 있어 본 연구에서는 광원 대 광원을 비교하기 위한 목적으로 점광원의 조도계산에 사용되는 이론 계산식을 사용하였으나, 실제 집어 등을 장비한 19톤급의 소형 오징어 채낚기 어선의 경우는 광원의 길이가 약 17 m, 광원의 높이가 약 3 m 내외이므로, 집어등 설비조건을 점광원으로 고려하여 광원의 도달거리를 계산하는 데는 무리가 있고, 광원의 길이를 고려한 선광원의 이론식을 적용할 필요가 있을 것이다 (Choi et al.
시간 경과에 따라 최초 점등시 집어하여 음영대에 확보된 어군이 어획되고 나면, 새로운 어군이 집어등으로 부터 방사된 빛이 도달되는 영향 범위로 들어오지 않는 한, 긴 거리의 조업반경을 갖는 메탈할라이드 등의 운용은 적절하지 않은 것으로 판단된다. 따라서, 광원의 도달 거리를 더욱 좁혀, 작은 반경내로 모아야 할 필요가 있고, 시간당 어획량 등을 종합하여 고려하면, 어장에서의 메탈할라이드 사용은 자정 이전까지의 사용이 가장 적절한 것으로 판단된다. 또한, 레이다 측정에 의한 오징어 채낚기 어장에서 어선간 최단거리 평균은 어장별로 0.
LED 광원의 분광 방사조도 값은 메탈할라이드 등의 분광 방사조도 값에 비해 상대적으로 미약하므로, 어장에서 양 광원을 점등하는 경우, LED 광원은 어군을 집어하는데 독자적인 기능을 하지 못하는 것으로 판단된다. 따라서, 집어등 어선의 광원설비를 보수하는 경우, 메탈할라이드 등 전부를 철거하고, 새롭게 LED 광원으로 바꾸기 보다는 단위 W당 LED 광원의 출력이 기술 진보와 함께 메탈할라이드 등의 방사조도 값과 동등한 수준이 될 때까지는 이종의 광원을 병행사용을 하는 것이 어업 경영 면에서 효과적인 것으로 판단된다. 이 경우, 메탈할라이드 등과 LED 광원을 동시에 장비한 집어등 어선이 어장에서 어군의 집어를 위해 이종의 광원을 동시에 점등하게 되면, LED 광원의 점등속도가 메탈 할라이드 등에 비해 빠르므로, LED 광원이 어선주변을 밝히게 되어 집어등으로서의 기능을 하게 되므로, 메탈할라이드 등이 점등되어 일정 광량을 방사 가능한 안정상태로 유지되기 전까지는 LED 광원에 의한 집어 효과를 기대할 수 있을 것이다.
이는 메탈할라이드 등의 분광 방사조도 값에 비해 LED 광원의 분광 방사조도 값이 상대적으로 미소하여 이종 광원의 분광 방사조도 값이 혼색되더라도 LED 광원의 분광 방사조도 값이 메탈할라이드 등의 분광 방사조도 값을 변화시키는데 영향을 미치지 못하였다는 것을 나타낸다. 메탈 할라이드 등과 LED 광원이 서로 다른 비율로 조합된 총 9 종류 복수 광원의 분광 방사조도 곡선의 전체적인 변화는 파장범위 300-1100 nm에서 높은 방사조도 값을 갖는 것으로 나타났다. 각각의 조합 비율에 따른 복수 광원의 방사조도가 최대값을 갖는 파장은 모두 581nm로 동일하였고, 최대파장에서의 분광 방사조도 값은 메탈할라이드등과 LED 광원의 비율이 1:1, 1:15 및 1:5 비율별로 각각 5.
메탈할라이드 등과 LED 광원을 3종류의 비율로 조합한복수 광원의 방사조도 값은 파장구간 500-599 nm에서 58%로 최대 값을 보였고, 다음으로 파장구간 400-499 nm에서 11.5%를 나타내었다. 이러한 파장 분포변화는 3종류 각각의 비율로 조합된 모든 광원에서 동일한 값을 보였으며, 메탈할라이드 등을 단독으로 한 경우의 파장 분포 값과도 동일한 결과를 나타내었다.
이러한 파장 분포변화는 3종류 각각의 비율로 조합된 모든 광원에서 동일한 값을 보였으며, 메탈할라이드 등을 단독으로 한 경우의 파장 분포 값과도 동일한 결과를 나타내었다. 메탈할라이드 등의 방사조도 값에 비해 LED 광원의 방사조도 값이 상대적으로 미소하고 또한, 이종 광원 모두가 400-599 nm 구간에서의 방사량의 분포가 60% 이상의 값을 가지므로, 복수의 광원이 혼색되더라도 주요 방사구간을 포함한 전구간에서 분광 방사조도 값의 비율 분포를 변화시키는데 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났다 (Fig. 4-B).
LED 광원의 분광 방사조도 분포는 파장범위 434-720 nm에서 방사조도 값이 측정된 것으로 나타났다. 백색, 청색 및 백색과 청색 광원을 조합한 LED 광원 [B], [W] 및 [FWB]의 파장별 방사조도의 수평적 분포는 백색이 파장범위 420-720 nm에서 유효한 값을 갖고, 파장 465 nm에서 최대값을 갖는 것으로 나타났다. 청색은 파장범위 434-532 nm에서 유효한 값을 갖고, 파장 473 nm에서 최대값을 갖는 포물선형태의 정규분포 형상을 보였다.
7 에 나타낸 각각의 분광 방사조도 곡선은 메탈할라이드 등과 청색, 백색 및 청색과 백색을 1:1로 조합한 복수 광원 [FWM], [FBM] 및 [FWBM]의 분광 방사조도 분포가 모두 겹쳐진 상태를 나타낸다. 복수 광원으로부터 방사된 빛이 광학적 수형 I, II 및 III의 수중을 통과하여 수심 1 m에 도달한 경우, 파장별 방사조도 값의 수평적 분포는 곡선의 요철부분이 비교적 완만해지는 한편, 공중에서의 최대값을 보였던 파장값에서 최대값을 유지한 채로 전체적으로 공중에서의 측정값과 유사한 형상의 분포를 갖는 것으로 나타났다. 복수 광원으로부터 방사된 빛이 광학적 수형 I, II 및 III의 수중을 통과하여 수심 10 m에 도달한 경우, 파장범위 576-700 nm 범위의 파장은 급속하게 감소하였으며, 특히 광학적 수형 III에서는 파장범위 350-406 nm에서의 방사조도 값의 감소가 광학적 수형 I, II 에 비해 두드러지게 나타났다.
복수 광원으로부터 방사된 빛이 광학적 수형 I, II 및 III의 수중을 통과하여 수심 1 m에 도달한 경우, 파장별 방사조도 값의 수평적 분포는 곡선의 요철부분이 비교적 완만해지는 한편, 공중에서의 최대값을 보였던 파장값에서 최대값을 유지한 채로 전체적으로 공중에서의 측정값과 유사한 형상의 분포를 갖는 것으로 나타났다. 복수 광원으로부터 방사된 빛이 광학적 수형 I, II 및 III의 수중을 통과하여 수심 10 m에 도달한 경우, 파장범위 576-700 nm 범위의 파장은 급속하게 감소하였으며, 특히 광학적 수형 III에서는 파장범위 350-406 nm에서의 방사조도 값의 감소가 광학적 수형 I, II 에 비해 두드러지게 나타났다. 복수 광원의 1 m 수심에서의 파장범위 350-700 nm의 방사조도의 합을 100 %로 하면, 수심 10 m에 도달되는 방사량의 합은 광학적 수형 I, II 및 III 이 각각 21%, 8% 및 3%의 값을 나타내었다.
복수 광원으로부터 방사된 빛이 광학적 수형 I, II 및 III의 수중을 통과하여 수심 10 m에 도달한 경우, 파장범위 576-700 nm 범위의 파장은 급속하게 감소하였으며, 특히 광학적 수형 III에서는 파장범위 350-406 nm에서의 방사조도 값의 감소가 광학적 수형 I, II 에 비해 두드러지게 나타났다. 복수 광원의 1 m 수심에서의 파장범위 350-700 nm의 방사조도의 합을 100 %로 하면, 수심 10 m에 도달되는 방사량의 합은 광학적 수형 I, II 및 III 이 각각 21%, 8% 및 3%의 값을 나타내었다.
분광 방사조도 값의 비율이 가장 높은 값을 갖는 파장범위 구간은 청색 LED가 400-499 nm에서 93.3%를 갖는 것으로 나타났고, 파장구간 500-599 nm 에서 6.7%의 방사량을 갖는 것으로 나타났다. 백색 LED의 경우, 분광 방사조도 값은 파장 구간 400-499 nm, 500-599 nm 및 600-699 nm에서 각각 35.
동 결과에는 3개의 분광 방사조도 분포곡선을 나타내고 있으나, 이들 각각의 분광 방사조도 곡선은 각각의 비율로 혼합된 복수 광원[FWM], [FBM] 및 [FWBM]의 분광 방사조도 분포가 동일하게 겹쳐진 상태를 나타낸다. 이는 메탈할라이드 등의 분광 방사조도 값에 비해 LED 광원의 분광 방사조도 값이 상대적으로 미소하여 이종 광원의 분광 방사조도 값이 혼색되더라도 LED 광원의 분광 방사조도 값이 메탈할라이드 등의 분광 방사조도 값을 변화시키는데 영향을 미치지 못하였다는 것을 나타낸다. 메탈 할라이드 등과 LED 광원이 서로 다른 비율로 조합된 총 9 종류 복수 광원의 분광 방사조도 곡선의 전체적인 변화는 파장범위 300-1100 nm에서 높은 방사조도 값을 갖는 것으로 나타났다.
5%를 나타내었다. 이러한 파장 분포변화는 3종류 각각의 비율로 조합된 모든 광원에서 동일한 값을 보였으며, 메탈할라이드 등을 단독으로 한 경우의 파장 분포 값과도 동일한 결과를 나타내었다. 메탈할라이드 등의 방사조도 값에 비해 LED 광원의 방사조도 값이 상대적으로 미소하고 또한, 이종 광원 모두가 400-599 nm 구간에서의 방사량의 분포가 60% 이상의 값을 가지므로, 복수의 광원이 혼색되더라도 주요 방사구간을 포함한 전구간에서 분광 방사조도 값의 비율 분포를 변화시키는데 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났다 (Fig.
469의 범위에서 분포하여 메탈할라이드 등을 단독으로 측정한 때의 광원색과 거의 동일한 연색성을 갖는 것으로 나타났다. 즉, 광원의 연색성에서도 메탈할라이드 등의 방사조도 값에 비해 LED 광원의 방사조도 값이 상대적으로 적어 광원의 연색성 변화에 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났다.
2%의 방사조도 값을 보였다. 청색과 백색이 조합된 LED 광원의 경우, 파장구간 400-499 nm, 500-599 nm에서 68.8%, 20.1%의 분광 방사조도 값을 갖는 것으로 나타나, 파장 400-499 nm 구간에서 백색 LED의 경우보다 분광 방사조도 값의 비율이 상대적으로 높은 방사조도 값을 갖는 것으로 나타났다. 메탈할라이드 등의 경우는 파장구간 500-599 nm, 400-499 nm에서 각각 58%, 11.
최대값은 파장 581 nm에서 6.56×10 μmol/s/m2/nm의 값을 보였고, 다음으로 549, 438 nm에서 높은 값을 보였다.
이들 광원의 분광 방사조도 값의 수직적 분포는 10-1-10-4 μmol/s/m2/nm 범위에서 분포하였고, 청색과 백색 LED 광원을 조합한 [FWB]의 경우, 파장범위 430-720 nm에 걸쳐 넓은 범위에서 유효한 값을 갖는 것으로 나타났다. 특히, 파장범위 430-530 nm에서는 방사조도 값이 백색의 경우보다 높은 값을 보였고, 파장범위 530-700 nm 부분의 방사조도 값은 백색보다 낮은 값을 갖는 파장분포를 보였다. 청색과 백색이 혼합됨으로써 최대값을 갖는 파장은 475 nm로서 청색이 473 nm인 것과 비교하면 미소하나마 장파장 방향으로 이동하였다.
후속연구
따라서 어장에서 LED 광원을 점등한 어선과 메탈할라이드 등을 점등한 어선이 동시 조업을 하는 경우, 각각 상대방의 광원의 영향을 받지 않기 위해 필요한 집어등 어선의 적정조업 거리를 단순 계산하면 메탈할라이드 등을 점등한 어선은 LED 광원을 점등한 어선의 조업반경으로부터 최소 22-38배 떨어진 거리에서 조업을 해야 한다는 것을 알 수 있다. 다만, 적정조업반경을 정하는데 있어 본 연구에서는 광원 대 광원을 비교하기 위한 목적으로 점광원의 조도계산에 사용되는 이론 계산식을 사용하였으나, 실제 집어 등을 장비한 19톤급의 소형 오징어 채낚기 어선의 경우는 광원의 길이가 약 17 m, 광원의 높이가 약 3 m 내외이므로, 집어등 설비조건을 점광원으로 고려하여 광원의 도달거리를 계산하는 데는 무리가 있고, 광원의 길이를 고려한 선광원의 이론식을 적용할 필요가 있을 것이다 (Choi et al., 1998; Choi et al., 2003c).
다만, LED 광원과 메탈할라이드 등의 적절한 사용이 효과적으로 이루어지기 위해서는 어선의 집어등으로서 일정량의 LED 광원을 장비하도록 하는 행정적 규제와 어장에서의 어업인에 의한 자율 규제가 선행되어져야 할 필요가 있다. 어선별 일정 광력의 LED 광원의 장비를 의무화하게 하는 등의 조치가 취해지고, 이종 광원의 적절한 사용이 이루어지게 되면, 어선에 장비할 수 있는 집어등 광원의 물리적인 양은 한정되어 있으므로, LED 광원을 장비하는 만큼의 메탈할라이드 등을 줄일 수 있게 되는 반사적 이익을 얻을 수 있을 것이다. 이는 메탈할라이드 등을 운용하는데 필요한 전력 및 안정기를 줄일 수 있게 됨으로써, 메탈할라이드 등만을 운용하는 경우와 비교하여 적은 광원출력을 사용하는 만큼, 사용어선의 연료를 절감할 수 있을 것으로 판단된다(Choi and Nakamura, 2003a).
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
메탈할라이드등은 어떤 목적으로 도입되었는가?
백열등 및 할로겐등과는 달리 메탈할라이드등 (Metal Halide Lamp)은 방전계열을 대표하는 광원으로, 1970년대 후반 집어등 어업의 에너지 절약을 목적으로 도입되었다 (Choi and Arimoto, 1996). 메탈할라이드 등의 도입과 함께 집어등은 광질 변화는 물론 발광효율 면에서도 큰 폭으로 향상되었으나 (Choi et al.
1970년대 후반, 어선에 이종 광원이 집어등으로 새롭게 도입되었는데 그 적용 방식은 어떠했고 도입 이후에는 어떤 형태를 유지했는가?
한편, 1970년대 후반, 메탈할라이드 등이 어선에 집어등으로 도입되고 상용화되는 과정에서 어업자들은 당시 주류를 이루었던 집어등인 백열등을 메탈할라이드 등과 병행하여혼용하였으며, 이러한 조업방식은 최근까지 메탈할라이드 등과 할로겐 등의 혼용사용 형태로 유지되어왔다 (Choi, 1997). 이와 같이 기존의 광원과는 다른 발전체계를 갖는 이종 광원이 집어등으로 새롭게 도입되기 시작한 1970년대 후반, 어업계가 처했던 상황을 토대로, LED 광원을 차세대 집어등 광원으로 도입하기 위한 연구 등이 새롭게 진행되고 있는 현재어업계의 상황을 비교하면, LED 광원이 집어등으로 도입된다고 하더라도 일정 기간 동안은 현재 집어등으로서 주류를 이루는 메탈할라이드 등을 병행 사용하는 과도기를 거칠 수밖에 없을 것으로 사료된다.
메탈할라이드 등의 도입에서 예상하지 못했던 결과는?
메탈할라이드 등의 도입과 함께 집어등은 광질 변화는 물론 발광효율 면에서도 큰 폭으로 향상되었으나 (Choi et al., 2002a), 어업경비 절감에 도움이 될 것으로 기대되었던 도입 당시의 목적과는 달리 오징어 채낚기 어선의 광원 출력을 증대시키는 결과를 낳게 만들었다 (Choi, 1997). 1990 년대 초반 일본에서는 어선의 연료경비 절감을 목적으로 오징어 채낚기 어선의 광력 적정화 사업이 진행되어, 여기서 얻어진 결과를 토대로 소형 오징어 채낚기 어선에서 필요한 집어등 총 광력을 180 kW로 정하고 어장에서 광력규제를 실시하기에 이르렀다 (Choi et al.
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