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문제 정의
- 배광 분포 및 DLOR의 비율은 조명기구 자체가 가지는 광학 특성을 나타낸 것으로 노면 방향으로 빛이 진행하더라도 실제 유효한 입사 면적 및 설치 환경에 따라 적절성 여부가 달라진다. 따라서 LED 보안등 설치 높이 및 적용 면적을 고려하여 평가하기 위해 KSC 7658에 제시된 LED 보안등의 보행자에 대한 조명 기준 분류를 참고하여 평균노면조도 및 조도 균제도 변화를 살펴보았다. Photometric Centre를 이용하여 LED 보안등 설치 조건 높이가 6[m]일 때 16[m]×8[m]의 면적에서 시뮬레이션하였으며 추후 Relux 시뮬레이션과 비교 검증을 위해 Candela factor를 0.
- 본 논문에서는 조도 균제도 향상 및 불능글레어 감소를 위해 간접 반사 방식의 LED 보안등용 반사판을 설계하였다. 기존 보안등의 광원으로 사용되었던 MH와 HPS와 같이 4 φ방향으로 빛이 조사되는 램프의 경우 단순 오목 곡면으로 불능글레어 차단및 조도 균제도 향상을 취할 수 있으나 2 φ 방향으로 빛이 조사되는 LED 광원은 복합 곡면을 사용해야 함을 확인할 수 있었다.
제안 방법
- Photometric Centre를 이용하여 LED 보안등 설치 조건 높이가 6[m]일 때 16[m]×8[m]의 면적에서 시뮬레이션하였으며 추후 Relux 시뮬레이션과 비교 검증을 위해 Candela factor를 0.8로 설정하여 보수율을 대신하였다.
- 그림 6을 살펴보면 C=0[°] Plane에서는 반사판과 LED 모듈사이의 거리가 30[mm]일 때 가장 적합한 배광 분포를 보였으나 그림 7의 C=90[°] Plane에서는 중심광도 쪽으로 매우 집중되는 형태를 보여 결과적으로 부적합한 배광 분포를 보이고 있다. 곡률 가변에 의한 배광분포 변화와 달리 간격 가변에 따른 배광 분포 변화는 두드러진 경향성이 나타나지 않아 적합성 여부를 판단하기 쉽지 않기 때문에 ULOR과 DLOR의 비율 및 노면 평균 조도와 조도균제도 변화를 종합적으로 고려하는 방법을 택하였다.
- 이 곡률 반경을 가변 하여 배광 분포의 변화, 노면에 입사된 평균조도 및 조도 균제도, Downlight와 Uplight의 비율을 검토하였다. 곡률 반경 가변 범위는 600[mm]의 가로 길이를 가진 반사판에 포함되어야 하는 2개의 오목 면과 한 개의 볼록면을 만들 수 있는 최소의 곡률반경 100[mm]에서 최대 곡률반경 150[mm] 미만으로 정하였으며, 5[mm] 간격으로 곡률 반경을 변화 시켜 광학 특성을 살펴보았다.
- 곡률 반경이 증가할수록 배광분포 및 노면에서의 광학성능이 좋아짐을 확인하였으므로 최대 곡률 반경 149[mm] 선택하였으며 그 다음 과정으로 반사판과 LED 모듈과의 간격을 가변하였다. 앞 절과 마찬가지로 간격 가변에 따른 배광 분포 변화 및 LOR, 평균노면조도, 조도 균제도의 변화를 살펴보고 적절한 간격을 찾기 위한 시뮬레이션을 진행하였다.
- 그리고 최적 조건을 찾기 위해 반사판의 곡률 및 반사판과 LED 모듈과의 거리를 가변 해 가며 노면에서의 평균조도, 조도균제도 변화를 살펴보았으며, ULOR을 검토하였다. 다음 표 2는 본 연구의 분석 방법 및 절차를 간단히 나타낸 것이다.
- 불능글레어에 의한 시각 저하를 수치적으로 계산할 수 방법이 이미 규명되어 있으며 그것에는 Lseq, TI가 있다. 두 수치는 상수에 의한 비례관계에 있으므로 본 논문에서는 TI에 대해서 살펴보았으며 계산식은 수식 (1)과 같다.
- LED 광 조사 방향은 방전 램프와 다르게 반구 형태로 발광하기 때문에 단순 곡면을 가진 반사판으로 목표 배광에 도달하기에 어려움이 따른다. 따라서 본 논문에서는 1개의 볼록 곡면과 2개의 오목 곡면의 복합 구조로 설계하였으며, 설계한 50[W]급 LED 모듈에서 처음 조사된 빛 중 볼록 곡면에 먼저 도달할 경우 확산 반사가 되어 오목 곡면으로 향하게 되고 오목 곡면에 도달한 빛은 다시 노면으로 집광시키는 구조로 설계하였다.
- 따라서 본 논문에서는 TI 수치를 낮출 수 있도록 반사판을 LED 모듈과 별도로 분리하여 광원의 첫 조사 방향이 노면이 아닌 하늘로 향하게 하여 넓은 면적을 가진 반사판을 맞고 다시 입사 면으로 향하도록 설계하였으며, 조도 균제도를 확보하기 위해 반사판의 형상을 달리해 가며 적절한 반사판 형태를 선정하였다.
- 이 경우 복합 곡면의 곡률 반경 및 LED 모듈과 반사판 사이 간격에 의해 배광 분포가 변화하기 때문에 최적의 조건을 확인할 필요성이 있었다. 또한 실제 LED 보안등이 사용 되는 환경을 재현하여 이를 검증하였으며 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 반사율은 현재 시판중인 고효율 기자재의 반사율이 94[%] 수준이고, 반사율이 98[%] 인 반사판이 개발되어 나오고 있는 상황을 감안하여 표 3과 같이 선택하였다. 본 논문에서 설계한 LED 보안등은 반사판에 의한 배광분포 변화를 고찰하는데 초점이 맞추어 져 있으므로 LED 모듈 설계는 정사각형 형태의 비교적 단순한 구조로 설계하였다. 따라서 LED PKG의 지향각이 반영된 램버시안 형태의 배광분포를 보인다.
- 곡률 반경이 증가할수록 배광분포 및 노면에서의 광학성능이 좋아짐을 확인하였으므로 최대 곡률 반경 149[mm] 선택하였으며 그 다음 과정으로 반사판과 LED 모듈과의 간격을 가변하였다. 앞 절과 마찬가지로 간격 가변에 따른 배광 분포 변화 및 LOR, 평균노면조도, 조도 균제도의 변화를 살펴보고 적절한 간격을 찾기 위한 시뮬레이션을 진행하였다. 최대 간격 범위 설정은 간격이 250[mm] 이상일 경우 전광선속 중 ULOR의 비율이 10[%]를 초과하기 때문에 그 이상은 무의미하여 10[mm]에서 250[mm]까지 10[mm]씩 간격을 증가시켜가며 시뮬레이션하였다.
- 위 조건 및 광학 특성 데이터로 LightTools 시뮬레이션을 하여 얻어진 IES 파일을 Relux를 이용해 LED 보안등이 설치되는 환경을 재현하여 노면에서의 광학 성능 및 TI 수치를 확인하였다. 앞서 살펴본 바와 같이 KS C 7658에 제시된 LED 보안등 설치 조건은 보안등 1개를 기준으로 한 것이므로 조명기구가 연속 배열된 상태에서 계산하는 TI 수치를 확인하기 위해서는 시뮬레이션 조건을 다르게 하였다.
- IES 파일을 이용해 광학 특성을 살펴본 결과 전광선 속은 5,479[㏐]이며 컨버터를 포함하지 않은 소비전력 49[W]를 적용시켰을 때 광효율은 112[㏐/W]임을 확인하였다. 위 조건 및 광학 특성 데이터로 LightTools 시뮬레이션을 하여 얻어진 IES 파일을 Relux를 이용해 LED 보안등이 설치되는 환경을 재현하여 노면에서의 광학 성능 및 TI 수치를 확인하였다. 앞서 살펴본 바와 같이 KS C 7658에 제시된 LED 보안등 설치 조건은 보안등 1개를 기준으로 한 것이므로 조명기구가 연속 배열된 상태에서 계산하는 TI 수치를 확인하기 위해서는 시뮬레이션 조건을 다르게 하였다.
- 곡면의 휘어진 정도를 표현하는 곡률은 원의 경우 원주 상 어디에서도 일정하며 원의 반지름의 역수이고 이를 곡률 반경이라 한다. 이 곡률 반경을 가변 하여 배광 분포의 변화, 노면에 입사된 평균조도 및 조도 균제도, Downlight와 Uplight의 비율을 검토하였다. 곡률 반경 가변 범위는 600[mm]의 가로 길이를 가진 반사판에 포함되어야 하는 2개의 오목 면과 한 개의 볼록면을 만들 수 있는 최소의 곡률반경 100[mm]에서 최대 곡률반경 150[mm] 미만으로 정하였으며, 5[mm] 간격으로 곡률 반경을 변화 시켜 광학 특성을 살펴보았다.
- 이를 검증하기 위해 조명기구에서 나오는 전광선속 중 노면 방향으로 향하는 DLOR(Down Light Output Ratio)과 그 반대 방향으로 향하는 ULOR(Up Light Output Ratio)의 비율을 계산하여 곡률 반경과의 연관성을 살펴보았다. 그림 4를 살펴보면 곡률 반경이 증가할수록 유효 입사면 방향으로 진행하는 DLOR의 비율은 증가하고 빛 공해를 유발할 수 있는 방향으로 진행하는 ULOR의 비율은 감소하는 경향을 보였다.
- 앞 절과 마찬가지로 간격 가변에 따른 배광 분포 변화 및 LOR, 평균노면조도, 조도 균제도의 변화를 살펴보고 적절한 간격을 찾기 위한 시뮬레이션을 진행하였다. 최대 간격 범위 설정은 간격이 250[mm] 이상일 경우 전광선속 중 ULOR의 비율이 10[%]를 초과하기 때문에 그 이상은 무의미하여 10[mm]에서 250[mm]까지 10[mm]씩 간격을 증가시켜가며 시뮬레이션하였다.
대상 데이터
- 표 1은 국내에서 판매중인 LED 보안등 제품을 배광기(Goniophotometer)를 활용하여 측정한 IES 파일을 조명환경 분석프로그램인 RELUX에 적용하여 계산한 시뮬레이션 결과이다. B․F․G社 제품은 기구 내부에 반사판을 사용한 제품이며, C․D 社 제품은 LED 모듈 접합 각도를 가변하였고, 나머지 제품은 2차 렌즈를 사용하였다. 결과를 살펴보면 조명기구에 의한 차폐각이 없는, 즉 개구각(Cut-off angle)이 90[°]인 LED 보안등의 경우 대체적으로 조도 균제도는 좋으나 불능글레어 규제의 정도 수치(Threshold Increment)가 높아 눈부심이 있었으며, 개구각이 좁은 제품은 TI는 낮은 수치를 보여 상대적으로 눈부심이 적으나 조도 균제도는 좋지 않은 특성을 보였다.
이론/모형
- 반사판 형상에 따른 배광분포 변화를 보기 위해서 광학 설계 프로그램인 LightTools를 이용하여 시뮬레이션 하였다. 반사판의 크기는 바람의 영향과 추후 유지보수를 위해 가능한 작게 제작하는 것이 바람직하나 LED 모듈에서 나오는 ULOR을 최소화 할 수 있는 크기로 설정하였다.
성능/효과
- 1. 반사판 곡면의 곡률 반경 및 LED 모듈과 반사판 사이의 간격을 변화 시켜 본 결과 곡률 반경 149[mm], 간격 120[mm]일 때 평균 조도․DLOR 이 최대였으며, 적절한 수준의 ULOR과 조도 균제도를 확보할 수 있었다.
- 2. 상대적으로 저렴한 반사판과 구조가 단순한 LED 모듈만을 사용하여 설계한 LED 보안등으로 KS의 조명 기준을 만족함과 동시에 TI 수치를 낮출수 있어 LED 보안등의 본래 목적인 보행자 및 운전자의 안전이 확보될 것으로 예상한다.
- DLOR은 간격이 120[mm]와 130[mm]일 때 91.7[%]로 가장 높은 비율을 보였으며 ULOR은 간격이 120[mm]일 때 까지 기울기가 1에 근접하였으며 130[mm] 이후로는 기울기가 2가 되며 1[%] 이상의 비율을 보였다.
- 앞 절의 결과를 통해 반사판은 오목과 볼록의 복합 곡면의 곡률 반경이 149[mm]이며 LED 모듈과의 간격을 120[mm]로 설정하였을 때 적합함을 확인하였다. IES 파일을 이용해 광학 특성을 살펴본 결과 전광선 속은 5,479[㏐]이며 컨버터를 포함하지 않은 소비전력 49[W]를 적용시켰을 때 광효율은 112[㏐/W]임을 확인하였다. 위 조건 및 광학 특성 데이터로 LightTools 시뮬레이션을 하여 얻어진 IES 파일을 Relux를 이용해 LED 보안등이 설치되는 환경을 재현하여 노면에서의 광학 성능 및 TI 수치를 확인하였다.
- 결과를 살펴보면 조명기구에 의한 차폐각이 없는, 즉 개구각(Cut-off angle)이 90[°]인 LED 보안등의 경우 대체적으로 조도 균제도는 좋으나 불능글레어 규제의 정도 수치(Threshold Increment)가 높아 눈부심이 있었으며, 개구각이 좁은 제품은 TI는 낮은 수치를 보여 상대적으로 눈부심이 적으나 조도 균제도는 좋지 않은 특성을 보였다.
- 평균 조도는 간격이 벌어질수록 증가하다 130[mm]일 때 21[㏓]를 최고로 그 이후 간격이 멀어질수록 점차 감소하였다. 그리고 조도 균제도는 간격이 벌어질수록 감소하다 간격 70[mm]를 기점으로 증가하는 경향을 보였다.
- 기존 보안등의 광원으로 사용되었던 MH와 HPS와 같이 4 φ방향으로 빛이 조사되는 램프의 경우 단순 오목 곡면으로 불능글레어 차단및 조도 균제도 향상을 취할 수 있으나 2 φ 방향으로 빛이 조사되는 LED 광원은 복합 곡면을 사용해야 함을 확인할 수 있었다.
- 따라서 DLOR이 가장 높고 ULOR이 1[%] 미만이며, 노면 평균 조도가 최대가 되고 조도 균제도가 0.22가 되는 간격 120[mm]가 가장 적절한 것으로 판단된다.
- 시뮬레이션 결과 KS C 7658에 제시된 보행자에 대한 조명 기준 중 제한치가 가장 높은 ‘교통량이 많은 도로를 가진 상업 지역’에 적합한 평균노면조도 및 조도 균제도를 나타내었으며, TI 수치의 경우 역시 KS A 3701에서 제한하고 있는 10[%] 범위 안에 속하는 값을 보였다.
- 앞 절의 결과를 통해 반사판은 오목과 볼록의 복합 곡면의 곡률 반경이 149[mm]이며 LED 모듈과의 간격을 120[mm]로 설정하였을 때 적합함을 확인하였다. IES 파일을 이용해 광학 특성을 살펴본 결과 전광선 속은 5,479[㏐]이며 컨버터를 포함하지 않은 소비전력 49[W]를 적용시켰을 때 광효율은 112[㏐/W]임을 확인하였다.
- 그림 4를 살펴보면 곡률 반경이 증가할수록 유효 입사면 방향으로 진행하는 DLOR의 비율은 증가하고 빛 공해를 유발할 수 있는 방향으로 진행하는 ULOR의 비율은 감소하는 경향을 보였다. 이를 통해서 1개의 볼록 곡면과 2개의 오목 곡면이 포함된 반사판을 만들 수 있는 최대의 곡률 반경이 적합함을 알 수 있었다.
- 다음 그림 5는 Photometric 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로 평균노면조도는 곡률반경에 비례하여 증가하였으며 조도 균제도는 곡률 반경이 135[mm]일 때까지 서서히 감소하다 그 이후로 증가하는 경향을 보였다. 평균노면조도가 최대가 되며 조도 균제도를 확보할 수 있는 곡률 반경 145[mm]를 가진 반사판이 적합한 것으로 사료된다.
후속연구
- 3. 본 결과는 시뮬레이션 툴을 이용해 획득한 것이며 추후 실제 반사판을 제작하여 이를 검증할 예정이다.
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