[논문]가변색온도 가로등 구현을 위한 혼색LED의 조명특성

정병호; 이강연; 최연옥; 김대곤; 김남오; 민완기

문제 정의

본 논문에서는 가변 색온도 기능을 갖는 LED 조명 장치의 개발에 따른 RGB 멀티칩 방식과 백색+오렌지 방식의 LED 조명특성을 분석하였다 : 각각의 특성에 따라 기능성 조명 장치를 구현하고 다양한 LED 어플리케이션으로. 활용할 수 있는 역할을 수행하여 기존의 필라멘트 방식이나 방전 등 방식의 조명 장치가 가지는 한계를 극복할 수 있는 미래 조명시스템의 전환을 대비할 것으로 사료되며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 논문에서는 고기능성 가변색 온도제어 기능을 가진 LED 조명장치의 설계기술 확보와 가변색 온도 LED 가로등 시스템 구현을 위한 제어기법을 확립하여 기존의 조명 장치가 가지는 한계를 극복하고 조명시스템 분야의 새로운 실용 모델을 제시하고자 한다. 부가적인 기능의 구현은 두 가지 방식을 통해 구현하는 데 RGB 멀티 칩 LED를 이용한 방식과 백색+오렌지 LED 방식이다.

가설 설정

RGB 멀티칩의 초기 디폴트값의 색온도는 6000 K으로설정하였다. 초기 디폴트값의 색온도로 동작하다가 습도 센서의 검출에 따라 적색과 청색 LED의 듀티비를 0.

제안 방법

두 번째 방식의 오렌지+백색 LED을 이용한 조명장치는 그림 4(b)와 같은 회로 구성으로 두 조명 장치의 성능 비교를 위해 동일 제조사의 X-series 칩을 이용하였고 백색과 오렌지LED를 이용하여 혼색을 구현하였다. 6 직렬 3병렬 연결 구조를 기본으로 한 개의 LED 모듈 단위로 제작하였고, 모듈 내의 각각의 스트링에서. 전압을 백색 LED는 3.
LED모듈 및 시스템의 방열 구조는 냉각팬이 없는 무소음, 무보수 구조를 기초로 설계하였고, 이는 중력장(9.80665 m/ 의한 자연대류를 기준으로 가로등 조명을 지면으로부터 5 m 이내에서 5~7 m/h의 풍속을 기준으로 냉각효과를 검증하였다. 한편, 방수 및 Clare 차단을 위한 광원의 밀폐구조로 방열을 위한 공기 접촉 면적 확대 및 신속한 열전달 구조를 갖도록 일체형 구조를 채택하였다.
그림5는 본 논문에서 적용된 드라이버 회로로 2 스테이지 구조를 가지며 1스테이지는 LED 포워드 전압인가를 위한 전압제어를 수행하고 2단은 전류제어를 수행함으로서 안정된 전원을 확보하여 LED 드라이버로서의 성능을 극대화하였고 각각의 LED 어레이는 정전류 스위칭레귤레이터를 적용하여 스위칭 동작 신호를 통해 제어가 용이하도록 구성하였다.
부가적인 기능의 구현은 두 가지 방식을 통해 구현하는 데 RGB 멀티 칩 LED를 이용한 방식과 백색+오렌지 LED 방식이다. 구현된 두 가지 방식의 기능구현을 통해 각각의 성능을 비교 분석하였고 비교분석된 데이터를 기반으로 향후 가로등 조명 장치로 대체될 것으로 전망되는 LED 가로등 조명으로서의 특성을 파악하고 이에 대한 적용 가능성과 타당성을 검토하였다.
6 V, 180 mA이다. 두 번째 방식의 오렌지+백색 LED을 이용한 조명장치는 그림 4(b)와 같은 회로 구성으로 두 조명 장치의 성능 비교를 위해 동일 제조사의 X-series 칩을 이용하였고 백색과 오렌지LED를 이용하여 혼색을 구현하였다. 6 직렬 3병렬 연결 구조를 기본으로 한 개의 LED 모듈 단위로 제작하였고, 모듈 내의 각각의 스트링에서.
이후 상대습도와 온도를 검출하여 연산과정을 통해 기상정보를 획득하고 이를 룩업 테이블에 반영하여 세 가지 조건의 듀티비를제어하여 가변색 온도 기능을 구현하는 방식이다. 또한 갑작스런 색온도의 변동은 가로등 본연의 역할에 제약을 미치는 점을 고려하여 10 min의 지연시간을 갖도록 하였으며, 습도 센서의 응답 특성이 최대 10 min으로 응답하므로 시간지연을 10 min으로 설정하였다.
7 kg, 방열부 면적은 1, 257, 640 mrf으로 방열과 방수하우징에 유리하도록 설계하였으며, LED 조명의 온도 특성은 25 ℃ 조건에서 LED 접촉면 82 ℃, 방열판 가장자리는 42 笆이다. 또한, 천연 혼색조명을 위해빛의 간섭이 효과적으로 이루어지도록 오목한 형태로 3개의 모듈 중 가장자리에 두 개의 모듈을 12° 안쪽으로 기울어지도록 설계하여 혼색조명장치의 장점을 최대한 살리도록 하였다. 이러한 구조는 배광특성에 유리하게 작용하여 보다 넓은 배광특성을 갖도록 한다.
2 %RH/℃로 변화가 적어 5 %RH 허용오차를 가지며 감습 특성의 직선성이 있어 상대적으로 정밀도가 높다. 본 논문에서는 808H₅V5 모델의 정전용량형 습도 센서를 적용하였으며, 그림 1은 0~100 %RH에 대한 0.8~3.9 V 선형응답특성을 나타낸다.[8]
본 논문에서는 연색성이 우수한 RGB 멀티 칩 LED를 이용한 가변색 온도제어 방식과 백색+오렌지LED를 이용한 가변색온도 제어 방식의 시험용 가로등을 제작하여 성능시험을 수행하였다. 그림 7은 RGB 멀티칩 LED의 디폴트 상태인 색온도 6, 000 K 기준으로 한 인가전압 및 공급전류의 출력 특성으로 적색 LED의 경우는 그림(a)와 같이 포워드 전압 15V, 전류는 900 mA를 인가하였다.
본 연구에 따른 실험은 두 가지 형태의 기능성 조명 장치를 제작하여 특성을 비교 분석하였다. 그림 4의 도면은 실험에 적용된 LED칩의 직.
그림 3은 실험에 따른 제어흐름도이다. 시스템의 턴온과 함께 LED 조명을 설정된 상대습도 70% 이하인 디폴트값으로 인식하여 이에 따른 룩 업 테이블 값은 듀티비 0.5로 오렌지LED를 제어한다. 이후 상대습도와 온도를 검출하여 연산과정을 통해 기상정보를 획득하고 이를 룩업 테이블에 반영하여 세 가지 조건의 듀티비를제어하여 가변색 온도 기능을 구현하는 방식이다.
이 방식의 LED칩은 Cree사의 1W RGB 멀티칩 3 in 1타입을 적용하였고 6개의 LED를 직렬 연결하는 형식으로 모듈 당 3 개의 스트링을 갖도록 설계하여 LED 발광의 균등함을 추구하였다. 이때 RGB 멀티칩의 인가 전원은 디폴트값인 6000 K를 기준으로 한 개의 스트링에 적색은 15 V, 320 mA, 녹색은 21.
목업금형 설계에 따른 시제품의 소재는 알루미늄으로 제작단가와 무게, 방열 특성을 고려하여 선정하였다. 제작된 시제품의 무게는 16.7 kg, 방열부 면적은 1, 257, 640 mrf으로 방열과 방수하우징에 유리하도록 설계하였으며, LED 조명의 온도 특성은 25 ℃ 조건에서 LED 접촉면 82 ℃, 방열판 가장자리는 42 笆이다. 또한, 천연 혼색조명을 위해빛의 간섭이 효과적으로 이루어지도록 오목한 형태로 3개의 모듈 중 가장자리에 두 개의 모듈을 12° 안쪽으로 기울어지도록 설계하여 혼색조명장치의 장점을 최대한 살리도록 하였다.
첫째, 습도 변동이라는 외기 조건의 변화를 도로안전 조명에 반영하기 위해 LED 조명 장치에 가변색 온도제어 기능을 추가하여 기능성 LED 가로등 조명 장치 를 구현하였다.
80665 m/ 의한 자연대류를 기준으로 가로등 조명을 지면으로부터 5 m 이내에서 5~7 m/h의 풍속을 기준으로 냉각효과를 검증하였다. 한편, 방수 및 Clare 차단을 위한 광원의 밀폐구조로 방열을 위한 공기 접촉 면적 확대 및 신속한 열전달 구조를 갖도록 일체형 구조를 채택하였다. 목업금형 설계에 따른 시제품의 소재는 알루미늄으로 제작단가와 무게, 방열 특성을 고려하여 선정하였다.

대상 데이터

한편, 방수 및 Clare 차단을 위한 광원의 밀폐구조로 방열을 위한 공기 접촉 면적 확대 및 신속한 열전달 구조를 갖도록 일체형 구조를 채택하였다. 목업금형 설계에 따른 시제품의 소재는 알루미늄으로 제작단가와 무게, 방열 특성을 고려하여 선정하였다. 제작된 시제품의 무게는 16.
본 실험에서 적용된 첫 번째 방식의 RGB 멀티칩 LED의 가변색온도는 스위 칭 레귤 레이터의 전류제어를 기반으로 한다. RGB 멀티칩의 초기 디폴트값의 색온도는 6000 K으로설정하였다.

데이터처리

표1 은 본 논문에서 제안한 「투 가지 방식의 LED 가로등의 특성에 따른 조명 특성을 비교하였다. 두 개의 방식을 비교한 실험을 통해 표 1에 나타난 바와 같이 RGB 멀티칩을 이용하는 방법은 색온도 범위가 넓고 연색성이 매우 우수하나 제어의 복잡성과.

성능/효과

(b) 70%, 그리고 (c) 80%로 변화할 때 습도 센서 검출하여 듀티비의 가변에 따른 출력 전압의 변화를 보여주고 있으며 습도가 높아질수록 튜티비가 커져 LED의 광량이 커짐을 알 수 있었다.
이러한 산업기술의 동향은 고효율 LED 조명 시스템을 차세대 대체 광원으로 인식하고 있으며, LED 조명 시장은 년 30% 이상 급성장하는 추세이다.[3] 또한, LED 조명은 반도체 조명의(Solid state light, SSL) 선두주자로 에너지 변환의 약 43% 를 가시광선으로 발생시키며 기존의 광원에 비해 변환효율이 높다. 발광 효율의 측면에서 볼 때, 가로등의 *광원으로 주로 사용되는 고압나트륨램프가 35 -65 lm/W이며, 메탈헬라이드램프가 65-100 lm/W?! 것을 감안한다면 현재 시판 중인 고출력 3 W급 LED의 경우 100~130 lm/W로 발광 효율이 높고 향후 더욱 증가할 전망이다[3, 4].
형태로 분산되는 것을 확인할 수 있다. 그러나 두 조명 장치의 동일 조건의 구성을 통해 백색+오렌지LED의 조명 특성이 더욱 높은 광도를 갖는 것으로 분석되었는데 이는 백색의 구현이 RGB 멀티칩방식보다. 더욱 용이하기 때문인 것으로 분석된다.
넷째, RGB 멀티칩 방식과 백색+오렌지 방식의 조명특성을비교분석함으로서 향후 LED 조명 장치의 보급 활성화를 위한 기초 자료로 활용할 수 있는 토대를 마련하였다.
둘째, 가변색 RGB 멀티칩 방식과 백색+오렌지 방식의 LED 조명장치의 분석 결과 RGB LED는 4, 800 K의 색온도, 백색 + 오렌지 LED는 4, 600 K의 색온도를 나타내었다.
셋째, RGB LED와 백색+오렌지 LED 조명 장치의 동일 조건으로 구성하여 백색+오렌지LED의 조명 특성이 더욱 높은 광도와 조도를 갖는 것으로 나타났다.
정전용량 형습도 센서 내에 존재하는 반도체 재료의 상대적인 습도 변화에 대해 거의 직선적으로 변하고 약 0.7pF/%RH이고 온도의존특성은 온도 범위 ℃에서 0.2% RH/℃로 변화가 적어 5% RH가지며 감습 특성의 직선성이 있어 상대적으로 본 논문에서는 808HV5 모델의 정전용량형 습도센서 내에 존재하는 반도체 재료의 정전용량은 상대적인 습도변화에 대해 거의 직선적으로 변하고 그 변화량은 약 0.7 pF/%RH이고 온도의존 특성은 온도범위 1 0~60 ℃에서 0.2 %RH/℃로 변화가 적어 5 %RH 허용오차를 가지며 감습 특성의 직선성이 있어 상대적으로 정밀도가 높다. 본 논문에서는 808H₅V5 모델의 정전용량형 습도 센서를 적용하였으며, 그림 1은 0~100 %RH에 대한 0.

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