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문제 정의
- 현재 출시되는 제품의 대부분이 배광특성을 위해 확산판을 사용함으로써 기존 형광램프를 대체할만한 광특성에 미치지 못하고 있으며, 저발열을 위한 디레이팅(Derating) 설계로 LED 패키지의 정격일 때보다 광속저하가 발생하며 패키지에서 조명기구까지의 조립단계별 광손실이 발생하고 있다. 따라서 본 연구는 LED 패키지에서 조명기구까지의 조립단계 별 광손실을 측정하고 그 원인을 분석하여 최적 조명 설계를 위한 정보를 제공하고자 한다.
- 본 연구에서는 기존 FLR 32[W] 형광램프를 대체하는 LED램프의 구성부품별 구조에 따른 광손실을 분석하였다. 직관형 LED램프에 사용되는 부품인 LED 패키지, 모듈, 램프에서 각각 광속을 측정하여 구성부품별 광손실 정도와 LED 패키지의 공급전류에 따른 광속 및 광효율을 분석하였다.
가설 설정
- 시뮬레이션 공간은 사무실로 가정하고 실크기는 20.0×10.0×2.8[m], 조도측정면은 0.75[m], 광손실률(LLF : Light Loss Factor)은 0.67(3년 주기로 유지관리가 이루어지는 깨끗한 방)로 설정하였다[4].
제안 방법
- LED 패키지와 LED 모듈의 광속은 호주 피에스아이(PSI)(주) C타입의 절대광속측정기로 측정하였다. LED 패키지는 입력전류(IF)변화에 따른 광속 및 광효율 변화를 비교․분석하였다. LED램프 및 등기구는 배광측정기로 광속 및 배광 특성을 측정하였다.
- LED 패키지는 직류 전원장치로 정격전류 60[mA]를 공급하여 VF, 소비전력, 광속, 광효율을 측정하였다.
- 광속은 직류 전원장치로 정격전류를 공급하여 40분 이상 에이징 후 측정하였다. LED 패키지와 LED 모듈의 광속은 호주 피에스아이(PSI)(주) C타입의 절대광속측정기로 측정하였다. LED 패키지는 입력전류(IF)변화에 따른 광속 및 광효율 변화를 비교․분석하였다.
- LED 패키지는 입력전류(IF)변화에 따른 광속 및 광효율 변화를 비교․분석하였다. LED램프 및 등기구는 배광측정기로 광속 및 배광 특성을 측정하였다. 피에스아이(PSI)(주)에서 제작된 C타입(Mirror타입) 배광측정기에서 얻어지는 IES파일은 설치 위치에 적합한 조도 비교․분석을 위한 시뮬레이션이 가능하다.
- LED램프의 특성은 직류 전원장치로 설계전류 560[mA]를 공급하여 소비전력, 광속, 광효율, 지향각을 측정하였으며 결과는 표 5와 같다. 이때 확산판을 제거후 측정하여 확산판에 의한 손실정도를 비교하였다.
- 피에스아이(PSI)(주)에서 제작된 C타입(Mirror타입) 배광측정기에서 얻어지는 IES파일은 설치 위치에 적합한 조도 비교․분석을 위한 시뮬레이션이 가능하다. 고효율 반사판이 장착된 2등용 등기구에 형광램프 및 LED램프를 각각 설치하여 측정한 IES파일을 이용하여 Relux시뮬레이션을 통한 조도특성을 비교평가하였다.
- 광속은 직류 전원장치로 정격전류를 공급하여 40분 이상 에이징 후 측정하였다. LED 패키지와 LED 모듈의 광속은 호주 피에스아이(PSI)(주) C타입의 절대광속측정기로 측정하였다.
- 실험에 사용된 LED램프는 정상점등 시 40[℃] 이하의 방열설계가 되어 있으므로 발열에 의한 광손실과 관계된 방열테이프, 방열판의 영향은 제외시켰다. 또한 LED 패키지의 전류값 변화에 따른 광효율 변화를 분석하고, 고효율 반사갓이 장착된 2등용 등기구를 선정하여 형광램프 및 LED램프를 장착하여 각각 배광측정 후 등기구 효율도 측정하였다. 이때 얻어진 IES 파일을 이용하여 Relux를 통한 시뮬레이션으로 일반적인 사무실에서의 조도특성을 비교·분석하였다.
- 직관형 LED램프에 사용되는 부품인 LED 패키지, 모듈, 램프에서 각각 광속을 측정하여 구성부품별 광손실 정도와 LED 패키지의 공급전류에 따른 광속 및 광효율을 분석하였다. 또한 측정한 배광데이터로 Relux시뮬레이션을 통하여 사무실공간에서의 조도분포를 비교하였다.
- 마지막으로 위에서 측정한 직관형 LED램프를 2등용 등기구에 장착하여 광속 및 광효율을 측정하였다. 직류 전원장치로 1.
- 연구방법 및 측정항목은 표 1과 같다. 부품별 광특성을 분석하기 위해서 LED 패키지, 모듈, 확산판 없는 LED램프, 확산판 있는 LED램프의 광속 및 배광특성을 측정하여 광손실 원인을 분석하였다. 실험에 사용된 LED램프는 정상점등 시 40[℃] 이하의 방열설계가 되어 있으므로 발열에 의한 광손실과 관계된 방열테이프, 방열판의 영향은 제외시켰다.
- 실제 측정된 배광데이터를 이용하여 등기구 수가 36개(가로 6개×세로 6개)일 때 면적당 소비전력, 평균조도, 균제도를 비교·분석하였다.
- 위의 실험에서 얻어진 IES 파일을 이용하여 Relux로 조명설계 시뮬레이션을 수행하였다. 조명설계 시뮬레이션 입력 조건은 표 7과 같다.
- LED램프의 특성은 직류 전원장치로 설계전류 560[mA]를 공급하여 소비전력, 광속, 광효율, 지향각을 측정하였으며 결과는 표 5와 같다. 이때 확산판을 제거후 측정하여 확산판에 의한 손실정도를 비교하였다.
- 본 연구에서는 기존 FLR 32[W] 형광램프를 대체하는 LED램프의 구성부품별 구조에 따른 광손실을 분석하였다. 직관형 LED램프에 사용되는 부품인 LED 패키지, 모듈, 램프에서 각각 광속을 측정하여 구성부품별 광손실 정도와 LED 패키지의 공급전류에 따른 광속 및 광효율을 분석하였다. 또한 측정한 배광데이터로 Relux시뮬레이션을 통하여 사무실공간에서의 조도분포를 비교하였다.
- 형광램프(FLR 32[W]), 확산판이 없는 LED램프, 확산판이 조립된 LED램프를 고효율 반사갓이 장착된 2등용 등기구(1,275×310×40[mm])에 장착하여 각각 배광측정 후 등기구 효율을 평가하였다.
대상 데이터
- 3 Chips의 SMD Type으로 정격전류 60[mA], 지향각 120[°], 연색성 77, 광도 6,800[mcd]의 약 0.2[W]급의 LED 패키지를 선정하였다.
- LED램프의 직경은 30[mm]이며, 길이는 1,200[mm]이다. LED 모듈 4개가 병렬로 연결되며 총 132개의 패키지로 구성되어 완제품에서의 정격전류는 560[mA]로 구동된다.
- 또한 등기구효율 비교평가를 위해 사용된 등기구는 반사갓 반사율이 97±2[%]이며 등기구 효율은 95±2[%]인 2등용 등기구를 사용하였다.
- 램프에 사용된 확산판은 폴리카보네이트(polycarbonate) 재질이며 두께가 1.2[mm] 일 때 투과율은 약 65±3[%]이다.
- 본 연구에 적용한 직관형 LED램프는 형광램프 FLR 32[W]를 대체하는 24[W]급의 컨버터 외장형이다. 일반적인 LED램프의 구조는 그림 1과 같이 LED모듈, 확산판, 베이스, 방열테이프, 방열판 등으로 구성된다.
- 직병렬 설계에 따라 수명과 관련하여 개별 패키지마다 스트레스의 정도가 달라지며 개별 고장 시 완제품에서의 성능저하에 크게 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 본 연구에서 광손실의 가장 큰 원인은 확산판이며 약 15[%]이다. 확산판 설계 시 투과율 및 배광을 고려하여 광효율을 최대로 발휘할 수 있는 재질 선정이 필요하다.
- 2[W]급의 LED 패키지를 선정하였다. 본 연구에서는 정격전류의 약 78[%]인 46.7[mA]로 설계하여 측정하였다.
- 부품별 광특성을 분석하기 위해서 LED 패키지, 모듈, 확산판 없는 LED램프, 확산판 있는 LED램프의 광속 및 배광특성을 측정하여 광손실 원인을 분석하였다. 실험에 사용된 LED램프는 정상점등 시 40[℃] 이하의 방열설계가 되어 있으므로 발열에 의한 광손실과 관계된 방열테이프, 방열판의 영향은 제외시켰다. 또한 LED 패키지의 전류값 변화에 따른 광효율 변화를 분석하고, 고효율 반사갓이 장착된 2등용 등기구를 선정하여 형광램프 및 LED램프를 장착하여 각각 배광측정 후 등기구 효율도 측정하였다.
- 직류 전원장치로 1.12[A]를 공급하여 측정하였으며 사용된 등기구는 반사갓 반사율이 97±2[%]이며 등기구 효율은 95±2[%]인 2등용 등기구이다.
데이터처리
- 이때 얻어진 IES 파일을 이용하여 Relux를 통한 시뮬레이션으로 일반적인 사무실에서의 조도특성을 비교·분석하였다.
이론/모형
- LED의 측정방법은 IES LM-79-08(Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Products)에 의한 방법으로 측정을 실시하였다[3].
성능/효과
- 78로 형광램프가 더 높게 평가되었다. 결과적으로 LED 등기구의 광속 및 광효율을 향상시키면 기존 형광등기구를 대체할 수 있다.
- 결과적으로 LED 패키지에서 조명기구까지 약 24[%]의 광손실이 발생하며 조도분포 시뮬레이션 결과 기존 형광등기구를 대체할 수 있다. 기존 전통조명을 LED광원으로 교체하기 위해서는 LED 패키지의 특성인 고효율과 장수명을 고려해야 한다.
- 시뮬레이션 결과는 표 8과 같다. 면적당 소비전력은 광효율이 높은 LED 등기구가 낮게 나왔으며 평균조도는 형광램프가 549[lx]로 사무실에서 권장하는 50[lx] 이상에 만족하였다. 균제도는 0.
- 총 5개를 측정한 결과 광속은 18.2～19.7[lm] 정도이며 광효율은 91.9～106.5[lm/W]이다. 같은 랭크(rank) 상의 패키지라도 광특성이 10[%] 이상 차이가 날 수 있음을 알 수 있다.
- 1[lm/W]이다. 최종적으로 등기구에 장착되면서 2.7[%]의 광손실과 78.3[lm/W]의 광효율이 측정되었다. 따라서 패키지에서부터 등기구까지 광손실은 약 23.
- 12[A]를 공급하여 측정하였으며 사용된 등기구는 반사갓 반사율이 97±2[%]이며 등기구 효율은 95±2[%]인 2등용 등기구이다. 측정결과 총 광속은 3,177[lm], 소비전력은 40.6[W]로 광효율은 78.3[lm/W]이다. 램프에서 등기구에 장착함으로써 2.
후속연구
- 본 연구의 결과는 현재 개발 보급중인 직관형 LED램프의 광특성을 분석함으로써 최적 조명설계를 위한 기초적 자료로 활용될 수 있다.
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