[논문]LED 휘도의 디지털 제어 방식에 관한 연구

강신호; 염정덕

doi:10.5207/jieie.2010.24.1.028

LED 휘도의 디지털 제어 방식에 관한 연구
A Study on Digital Control Method of LED Luminance 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.24 no.1, 2010년, pp.28 - 34

강신호 (숭실대학교 대학원 전기공학과) , 염정덕 (숭실대학교 전기공학부)

초록
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발광다이오드(LED)의 휘도를 제어하는 기존 방식은 펄스폭변조(PWM)방식이 주로 사용되었다. PWM 방식은 LED의 점등시간비와 휘도가 비례하는 아날로그적인 방식으로 통신 등의 디지털 방식과는 호환이 어려운 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 디지털 방식으로 적, 녹, 청색 LED의 휘도를 제어하는 실험을하였다. 이를 위해 LED 구동회로와 디지털 논리회로로 구성된 LED 디지털제어 장치를 개발하였다. 디지털 입력에 대한 적, 녹, 청색 LED의 점등 펄스 수를 제어하여 다양한 광색을 구현하고, 측정한 광색의 x, y 색도좌표가 원하는 색의 CIE 색도도 영역에 포함될 수 있도록 디지털 코드를 최적화시켰다. 본 연구 결과는 디지털 통신을 이용한 LED 램프의 원격 제어로 풀 컬러를 구현하는데 효과적으로 활용될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The pulse width modulation(PWM) method has been generally used as conventional method controlling luminance of LED(light emitting diode). PWM method as analog method with a relation that duty ratio of LED be proportional to luminance has weak point that it is not compatible with digital method of communication etc. In this paper, a experiment is conducted which the luminance of RGB LED be controlled by digital method. For this, the LED digital control system is developed which consist of LED driving circuits and digital logic circuits. By controlling the number of pluses on RGB LED versus digital input, various lighting colors is implemented and digital codes are optimized in order that measured x, y chromaticity coordinates of lighting colors are comprised in the CIE chromaticity coordinates area of targeted lighting colors. The result of this study can be utilized usefully in research on implementing full color by using remote control of LED lamp with digital communication.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 LED의 휘도를 완전 디지털방식으로 제어하기 위하여 LED 구동회로와 디지털 논리회로를 개발하고, LED의 휘도를 디지털 제어하는 실험을 하였다. 이 실험을 통하여 얻은 결과 값을 분석하여 각종 광색에 대응하는 적, 녹, 청색의 디지털코드를 최적화하여 LED의 디지털 제어 가능성을 확인하였다.
전류제어방식을 많이 사용하는 원인 중 하나는 LED가 짧은 전압 구간에서 전류 변동이 큰 성질을 가지고 있기 때문이대:6]. 본 연구에서는 16개의 LED를 병렬로 연결하였으므로, LED 램프의 전기적 특성을 파악하기 위하여 V-I 특성실험을 진행하였다.

제안 방법

또한 램프의 분광 스펙트럼을 측정하기 위하여 Ocean Optics사의 s2000을 사용하였다. LED 램프의 점등 주기를 16.6[ms](60[Hz])로 설정하여 실험한 결과 출력 광이 펄럭이는 플리커(flicker)현상이 발생하여 이를 배속시킨 8.3[ms](120[Hz])로 주기를 정하여 출력 광을 안정시켰다. 적, 녹, 청색에 대응하는 디지털 값을 3개의 LED 램프에 동시에 입력하여 각 LED 램프를 동시에 점등시켰다.
VT 특성을 측정한 후 데이터 값을 분석한 결과 입력전압이 12[V]일 때 LED 램프의 순방향 전압강하는 적색 2[V], 녹색 3.2EV], 청색 3.04[V] 였으며 이때 전류는 각각 275[mA], 242[mA], 247[mA]였다 측정조건은 LED 램프의 순방향 전압이 순간적으로 변할 때의 입력전압을 측정하여 램프에 흐르는 전류를 계산하였다. 적색의 경우 1.
구현된 광색의 X, y 색도좌표는 CIE 색도도의 정의된 색 영역에서 가급적 중앙에 위치하도록 최적화하였다. 실험에서는 그림의 색도도 상에 표시한 점들의 광색을 모두 구현하였으나 이 중 대표적인 광색의 X, y 색도 좌표 값만 논문에 나타내었다.
측정결과 V-I 특성은 적, 녹 청색 LED 램프 모두 다르며 적색 LED의 순방향 전압강하가 가장 낮았다. 그러므로 LED 램프를 보호하기 위하여 적색 LED 램프를 기준으로 입력전압을 설정하였다. 또한 LED 램프를 점등시키기 위하여 LED 구동회로와 디지털논리회로로 구성된 LED 디지털 제어 장치를 개발하였으며 이 장치를 이용하여 적, 녹, 청색 LED 램프의 휘도를 디지털 제어하고 다양한 광색을 구현하는 실험을 하였다.
표 1에서 입력전압이 12[V]인 경우 적색 LED에 흐르는 전류가 가장 크다. 그러므로 같은 전압을 인가하였을 경우 적색 LED에 정격전류 보다 많은 전류가 흐를 수 있으므로, LED 램프를 보호하기 위하여 가장 전류가 많이 흐르는 적색 LED를 기준으로 입력전압을 결정하였다.
64, 128배 동안 LED가 점등되며 이들 [bit]의 조합으로 256단계의 밝기를 제어한다. 그리고 펄스와 펄스 사이의 휴지기는 없도록 설계하여 불필요한 시간의 낭비를 제거하였다.
그러므로 LED 램프를 보호하기 위하여 적색 LED 램프를 기준으로 입력전압을 설정하였다. 또한 LED 램프를 점등시키기 위하여 LED 구동회로와 디지털논리회로로 구성된 LED 디지털 제어 장치를 개발하였으며 이 장치를 이용하여 적, 녹, 청색 LED 램프의 휘도를 디지털 제어하고 다양한 광색을 구현하는 실험을 하였다. 실험을 통하여 다양한 광색에 대응하는 적, 녹, 청색 LED 램프의 디지털 코드를 최적화하였다.
측정 시 입력전압은 12[V]로 일정하게 하였고, 이때 입력전류는 LED 램프를 보호하기 위하여 320[mA] 에서 340[mA] 사이로 제한하였다. 또한 LED 램프에서 4.5[cm] 떨어진 전면에 확산판을 설치하여적, 녹, 청색광이 균일하게 혼합되도록 하였다
본 연구에서는 적, 녹, 청색 LED 램프를 제작하고 램프의 V-I특성을 측정하였다. 측정결과 V-I 특성은 적, 녹 청색 LED 램프 모두 다르며 적색 LED의 순방향 전압강하가 가장 낮았다.
또한 LED 램프를 점등시키기 위하여 LED 구동회로와 디지털논리회로로 구성된 LED 디지털 제어 장치를 개발하였으며 이 장치를 이용하여 적, 녹, 청색 LED 램프의 휘도를 디지털 제어하고 다양한 광색을 구현하는 실험을 하였다. 실험을 통하여 다양한 광색에 대응하는 적, 녹, 청색 LED 램프의 디지털 코드를 최적화하였다. 본 연구 결과는 디지털 통신을 이용하여 LED 램프를 원격 제어할 경우에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 보이며 추후에는 상대 계측한 분광 스펙트럼 데이터와 실 계측한 휘도 데이터를 토대로 적, 녹, 청색 LED 램프의 색 제어 함수를 이론적으로 도출할 필요가 있다.
이 측정값을 평가 기준이 되는 CIE 색도도의 X, y 색도좌표 값과 비교하여 입력 값을 최적화하였다. 실험의 정밀성을 높이기 위해 컬러마다 X, y 색도좌표 및 휘도를 20번씩 측정한 후 평균을 내어 결과 값을 도출하였다. 측정 시 입력전압은 12[V]로 일정하게 하였고, 이때 입력전류는 LED 램프를 보호하기 위하여 320[mA] 에서 340[mA] 사이로 제한하였다.
풀 컬러를 구현하기 위해 디지털 코드를 입력하여 LED 램프를 점등시키고 cs-200으로 색도좌표 및 휘도를 측정하였다. 이 측정값을 평가 기준이 되는 CIE 색도도의 X, y 색도좌표 값과 비교하여 입력 값을 최적화하였다. 실험의 정밀성을 높이기 위해 컬러마다 X, y 색도좌표 및 휘도를 20번씩 측정한 후 평균을 내어 결과 값을 도출하였다.
3[ms](120[Hz])로 주기를 정하여 출력 광을 안정시켰다. 적, 녹, 청색에 대응하는 디지털 값을 3개의 LED 램프에 동시에 입력하여 각 LED 램프를 동시에 점등시켰다.
개별 제어할 수 있다. 적, 청, 녹색 LED를 각각 16개씩 병렬로 연결하여 LED 램프를 제작하였고, 적, 청, 녹색 LED 램프에는 각각 하나의 저항이 직렬로 삽입되어 있다. LED 램프의 기판 표면은 검은색 테이프를 부착하여 반사광의 영향을 최대한 감소시킴으로써 배광을 고려하지 않았다.
휘도 및 디지털 코드 들이다. 풀 컬러를 구현하기 위해 디지털 코드를 입력하여 LED 램프를 점등시키고 cs-200으로 색도좌표 및 휘도를 측정하였다. 이 측정값을 평가 기준이 되는 CIE 색도도의 X, y 색도좌표 값과 비교하여 입력 값을 최적화하였다.

대상 데이터

LED 램프의 기판 표면은 검은색 테이프를 부착하여 반사광의 영향을 최대한 감소시킴으로써 배광을 고려하지 않았다. LED 램프의 색도좌표와 휘도를 측정하기 위하여 Konica Nnolta사의 cs-200을 사용하였다. 또한 램프의 분광 스펙트럼을 측정하기 위하여 Ocean Optics사의 s2000을 사용하였다.
실험에서 사용된 LED는 지름이 5[mm]이며 적, 녹, 청색 3개의 LED가 하나로 패키징되어 있는 제품으로 각각 개별 제어할 수 있다. 적, 청, 녹색 LED를 각각 16개씩 병렬로 연결하여 LED 램프를 제작하였고, 적, 청, 녹색 LED 램프에는 각각 하나의 저항이 직렬로 삽입되어 있다.

이론/모형

LED 램프의 색도좌표와 휘도를 측정하기 위하여 Konica Nnolta사의 cs-200을 사용하였다. 또한 램프의 분광 스펙트럼을 측정하기 위하여 Ocean Optics사의 s2000을 사용하였다. LED 램프의 점등 주기를 16.
분포이다. 분광 분포의 측정은 Ocean Optics사의 s2000을 사용하였다. 이 장비는 200~l, 100[nm]까지의 파장범위를 측정할 수 있으며 광학적 해상도는 0.
이 장치는 디지털 논리회로의 구현에 Altera사의 FPGA(field programmable gate array) 를 사용 하였다. 실험에서 입력되는 디지털 비트의 크기는 8비트로 정하였다.

성능/효과

동일한 12[V] 입력전압에서 적, 녹, 청색 LED 램프에 1111, 1111(최대 입력값)의 디지털 값을 각각 입력하였을 때의 분광 분포를 측정한 결과, 실험에서 사용한 LED 램프는 적색 633.76[nm], 녹색 512.2 [nm], 청색 470.01[nm]에서 최대값을 가지며 청색의 최대값이 가장 높고. 녹색의 최대값이 가장 낮다.
이미지의 중앙에 있는 검은색 점은 카메라의 초점을 맞추기 위해 부착한 테이프로 램프의 색 좌표와 휘도 측정 시에는 부착하지 않았다. 이 그림으로부터 본 연구에서 개발한 LED 휘도 디지털 제어장치를 사용하면 다양한 광색을 얻을 수 있다는 것을 알았다.
하였다. 이 실험을 통하여 얻은 결과 값을 분석하여 각종 광색에 대응하는 적, 녹, 청색의 디지털코드를 최적화하여 LED의 디지털 제어 가능성을 확인하였다.
V-I특성을 측정하였다. 측정결과 V-I 특성은 적, 녹 청색 LED 램프 모두 다르며 적색 LED의 순방향 전압강하가 가장 낮았다. 그러므로 LED 램프를 보호하기 위하여 적색 LED 램프를 기준으로 입력전압을 설정하였다.

후속연구

실험을 통하여 다양한 광색에 대응하는 적, 녹, 청색 LED 램프의 디지털 코드를 최적화하였다. 본 연구 결과는 디지털 통신을 이용하여 LED 램프를 원격 제어할 경우에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 보이며 추후에는 상대 계측한 분광 스펙트럼 데이터와 실 계측한 휘도 데이터를 토대로 적, 녹, 청색 LED 램프의 색 제어 함수를 이론적으로 도출할 필요가 있다.

참고문헌 (11)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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