[논문]100 W급 LED 보안 등기구용 비대칭 배광의 2차 렌즈 설계

신익태; 양종경; 이동진; 박대희

doi:10.4313/jkem.2010.23.6.471

100 W급 LED 보안 등기구용 비대칭 배광의 2차 렌즈 설계
Secondary Optics Design of Dissymmetrical Light Distribution for 100 W LED Safety Luminaires 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.23 no.6, 2010년, pp.471 - 476

신익태 (원광대학교 전자재료공학과) , 양종경 (원광대학교 전자재료공학과) , 이동진 ((주)Aithercomas Inc.) , 박대희 (원광대학교 전자재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper has studied dissymmetrical light distribution design using the secondary optics in the simulation. fundamental Lambertian radiation distribution based on LED has been cut off by the secondary optics, and the first surface slope of lens and second surface slope of total reflection area have been calculated through formula. PMMA (the index of refraction: 1.49361) which is material of lens has been selected. critical angle($42.02993^{\circ}$) between Air and PMMA has been calulated by snell's law, and total reflection angle slope has been selected about $16.67^{\circ}$ to occur the total reflection. when the first surface slope and the second surface slope has been set up, Rays of all total reflection area have generated the total reflection. finally, designed LED Module has been estimated by Korean Industrial Standards for LED safety street lighting. dissymmetrical light distribution have been analyzed with reached effect of road illuminance, and average road illuminance which are each 70.6 lx, 40.35 lx, and 25.88 lx have been satisfied with Korean Industrial Standards for LED safety street lighting.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

2차 단면의 기울기가 광축(LED DIE)을 기준으로 15도 일 때 전반사됨을 확인 하였으며 세부 기울기조정을 위해 1차 단면의 출사각(33.78°)을 기준으로 임계각(42.02993°) 이상인 42.03°의 전반사각을 설정하였다.
40개의 렌즈를 모듈 형태로 구성하고 5 × 8로 LED를 배열하였다.
3inchLED), goniophotometer(OPI-310) 그리고 CS-1000(Konica Minolta_CS-1000 tester) 장비를 이용하여 측정 해보았다. LED 단일소자의 전류공급은 Keithly 2430_source meter를 사용하여 350 mA를 주입하여 3가지 광 특성 실험을 측정해 볼 수 있었다. 그림 2는 광 특성 측정의 실험 구성도를 보여준다.
LED 모듈을 구성은 가로 × 세로 18 mm × 36 mm 그리고 2개의 모듈 간격은 110 mm로 설정해보고 KS 규격에 맞추어 설계된 LED 보안가로등을 평가 하였다.
LED소자설계는 실제 제품(OSRAM_LUWW5AM)을 기반으로 시뮬레이션 설계를 하였다. tester 장비를 이용하여 광속, 배광분포도, 파장 분석을 각각 적분구(Everfine_0.
LED소자설계는 실제 제품(OSRAM_LUWW5AM)을 기반으로 시뮬레이션 설계를 하였다. tester 장비를 이용하여 광속, 배광분포도, 파장 분석을 각각 적분구(Everfine_0.3inchLED), goniophotometer(OPI-310) 그리고 CS-1000(Konica Minolta_CS-1000 tester) 장비를 이용하여 측정 해보았다. LED 단일소자의 전류공급은 Keithly 2430_source meter를 사용하여 350 mA를 주입하여 3가지 광 특성 실험을 측정해 볼 수 있었다.
67도 일때 전반사부의 모든 빛은 전반사를 발생하였다. 공기와 PMMA의 임계각(42.02993도)을 스넬의 법칙을 이용하여 구해보고 전반사를 발생시키기 위해 전반사각을 임계각이상인 42.03도의 전반사 각을 설정 하였다. LED 모듈을 구성은 가로 × 세로 18 mm × 36 mm 그리고 2개의 모듈 간격은 110 mm로 설정해보고 KS 규격에 맞추어 설계된 LED 보안가로등을 평가 하였다.
따라서 칩 간격은 2차 광학계의 배광에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 가로 × 세로 (18 mm × 36 mm) 그리고 2개의 53 W모듈 간격은 히트싱크의 부피를 고려하여 110 mm로 설정하였다.
본 논문은 기본적인 LED의 lambertian 배광을 2차광학계를 이용하여 cut-off시켜 비대칭 배광을 설계하였으며 module형태로 구성하여 LED 보안가로등용 KS 규격에 따른 평균 노면조도를 시뮬레이션을 통하여 확인하였다.
본 논문은 점광원 가정법 설계를 이용하여 2차 광학계의 비대칭 배광을 시뮬레이션을 통하여 구현 하였다. LED의 기본적인 lambertian 배광을 보안 가로등 용도에 맞게 cut-off 시켜 후사광을 없애고 조사지역에만 빛을 집광 시킬 수 있도록 1차 단면의 기울기가 61.
시뮬레이션 결과가 KS규격에 만족하는지 여부를 확인하기 위하여 평균 노면조도를 평가해 보았다. 그림 10은 KS 규격인 가로 × 세로 (8 m × 4 m) 높이 4 m 에서 평균 노면 조도를 평가해 본 결과이다.

대상 데이터

굴절체는 굴절률, 투과율, 내열성 등을 종합적으로 고려하여 선택되어야 하며 이 중 굴절률은 렌즈의 설계단계에 적용되는 요소이므로 설계에 앞서 렌즈의 재질에 대한 선택이 이루어 져야 한다. 본 논문에서는 투과율이 우수하고 가공의 측면에서 장점을 갖는 아크릴(PMMA, 굴절률 1.49361)을 렌즈의 재질로 선택하였다. 렌즈의 효율성을 갖추기 위하여 광축을 중심으로 한 쪽면의 빛이 통과하지 못하게 막는 형태보다는 빛을 광축을 중심으로 다른 한쪽면으로 전반사시켜 LED 단일소자의 광속을 유지시켜주는 설계 과정이 필요하다.

성능/효과

898 cd, LED효율은 97.248 lm/W, LED 단일모듈(그림 8(a))의 광속은 3883.277 lm 광도는 309.021 cd, LED 단일모듈효율은 73.269 lm/W, LED 보안가로등 모듈(그림 8(c)) 의 광속은 7766.638 lm, 광도는 618.049 cd, LED 보안가로등 모듈의 효율은 73.27 lm/W 의 값을 나타내었다. 그림 9는 2차렌즈의 배광을 보여준다.
1차 단면의 기울기 설정은 61.14°를 주었고 2차 단면의 기울기 설정은 14.67°의 기울기 설정을 주어 2차렌즈의 전반사부를 설계하였고 전반사영역의 단면이 모두 전반사가 발생함을 확인하였다.
(d) chart의 우편은 LED 보안가로등 설치시 가로등의 앞면부 이며 (d) chart의 좌편은 가로등의 후면부로써 비대칭 배광설계로 인해 제어된 것 임을 데이터를 통해 확인할 수 있다. 구성된 LED 모듈을 LED 보안가로등용 KS 규격에 평가해 본 결과 70.6 lx, 40.35 lx, 25.88 lx의 평균노면 조도 특성이 나타났으며, LED 보안가로등용 KS 기준에 만족 하였다.
2 lm값을 보였다. 배광 측정 결과 전형적인 lambertian 형태의 배광을 나타냈으며 view angle는 X축(0도), Y축(90도) 모두 약 170도를 나타냈다.
LED 모듈을 구성은 가로 × 세로 18 mm × 36 mm 그리고 2개의 모듈 간격은 110 mm로 설정해보고 KS 규격에 맞추어 설계된 LED 보안가로등을 평가 하였다. 비대칭 배광이 노면조도에 미치는 범위를 2차광학계 시뮬레이션 설계를 통하여 분석 하였고 분석결과 2차 광학계 설계 시 고려하였던 광축을 중심으로 한쪽면의 빛을 통과 시키지 못하는 형태가 아닌 다른 한쪽 면으로 전반사 시켜 LED 단일 소자의 광속을 유지 할 수 있었다. 평균 노면조도는 70.
또한 왼쪽지역 과 오른쪽 지역의 노면조도가 서로 센터를 중심으로 대칭형 분포를 이루고 있는 반면 (d) chart(4 m 세로 폭)는 2차렌즈 설계시 고려하였던 비 대칭형 노면조도 특성을 보였으며. 위치별 조도 차이는 각각 7 lx, 16 lx, 20 lx, 30 lx의 조도 차로 right area는 left area에 비해 평균 18.25 lx 높은 조도 특성을 보였다. (d) chart의 우편은 LED 보안가로등 설치시 가로등의 앞면부 이며 (d) chart의 좌편은 가로등의 후면부로써 비대칭 배광설계로 인해 제어된 것 임을 데이터를 통해 확인할 수 있다.

후속연구

그러나 LED를 옥외조명기구에 적용되기 위해서는 개선해야 할 요소들이 남아있다. 첫째로 효율개선이 이루어져야 하며, 둘째로 발열문제가 고려되어야 하고, 마지막으로 조명기구의 용도에 맞는 최적의 배광을 제공할 수 있어야 한다. 배광의 달성여부는 조명기구의 효율성 측면에서 매우 중요한 요소이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED가 지닌 기존 광원과 다른 점은 무엇인가?	LED (light emitting diode) 는 기존 광원보다 많은 장점을 가지고 있다 [1]. LED가 지닌 기존 광원과 다른 점은 방향성을 가지고 있으며, RGB 조합으로 인한 색상의 컨트롤이 가능하며, VI 전압전류 변화량에 따른 광량 조절이 다른 광원보다 우수하다. 세계 각국에서는 현재 에너지와 CO2 절감을 위해 LED의 보급과 확산은 계획적으로 진행 중에 있다.
	광 공해는 유형에 따라 어떻게 분류되는가?	조명환경이 조명대상범위를 벗어나게 되면 조사되지 않아도 될 부분에 불필요한 에너지를 소모하게 되며 이는 옥외 조명의 효율성 측면에서 많은 손실을 유발시킬 수 있다. 이러한 광 공해는 유형에 따라 산란광(sky glow), 현휘현상(glare), 누설광(light leakage) 침입광(light trespass) 등으로 규정하고 있으며 이러한 광공해로 인한 피해를 줄이기 위해서 secondary optics을 이용한 옥외 조명용 비대칭 렌즈 설계는 빛의 이용 효율을 높이는 매우 중요한 요소이다 [2-5].
	LED를 옥외조명기구에 적용되기 위해서는 개선해야 할 요소는 어떤 것들이 있는가?	그러나 LED를 옥외조명기구에 적용되기 위해서는 개선해야 할 요소들이 남아있다. 첫째로 효율개선이 이루어져야 하며, 둘째로 발열문제가 고려되어야 하고, 마지막으로 조명기구의 용도에 맞는 최적의 배광을 제공할 수 있어야 한다. 배광의 달성여부는 조명기구의 효율성 측면에서 매우 중요한 요소이다.

참고문헌 (5)

Y. Cho, Y. K. Choi, and S. H. Sohn, Appl. Phys. Lett.89, 051102 (2006).

상세보기
L. Martin-Moreno, F. J. Garcia-Vidal, H. J. Lezec, K. M. Pellerin, T. Thio, J. B. Pendry, and T. W. Ebbesen, Phys. Rev. Lett. 86, 1114 (2001).

상세보기
J. Provine, J. Skinner, and D. A. Horsley, IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (IEEE, Istanbul, Turkey, 2006) p. 377.
H. B. Chan, Z. Marcet, D. Carr, J. E. Bower, R. Cirelli, E. Ferry, F. P. Klemens, J. F. Miner, C. S. Pai, and J. A. Taylor, Bell Labs Tech. J. 10, 143(2005).

상세보기
J. Olkkonen, K. Kataja, and D. G. Howe, Opt. Exp.13, 6980 (2005).

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증