[논문]비구면 광학계를 이용한 고출력 LED 스포트라이트에 관한 연구

문재일; 유경선; 현동훈

doi:10.7735/ksmte.2012.21.3.487

비구면 광학계를 이용한 고출력 LED 스포트라이트에 관한 연구
A Study on the LED Spotlight with a High Power using an Aspherical Optical System 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.21 no.3, 2012년, pp.487 - 492

문재일 (한국산업기술대학교 광나노전공) , 유경선 (한국산업기술대학교 광나노전공) , 현동훈 (한국산업기술대학교 광나노전공)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study we researched a spotlight in LED lighting. Ordinary LED spotlight was manufactured with characterized property of traveling straightness of LED light source, but multiple use of shell type LED, a yellow band has formed caused by light source interference between the LED. Also, there was a high miscellaneous light efficiency with losing light source homogeneity and efficiency due to light source control uneasiness. The study uses aspheric reflector and aspheric lens, so we can control the light source of LED spotlight with effectively and we reached surface light source by using COB/COM for LED module. Furthermore it can change its use by a reduced scale of light system. It has been designed to make its various application from low power consumption of bicycle lamp, up to high power consumption of automobile lamps and lighthouse.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 LED 조명분야 중 스포트라이트(Spotlight)에 대해 연구해 보았다. 기존의 LED 스포트라이트는 LED 광원의 특징인 직진성을 활용하여 제작하였으나, 포탄형 LED를 다수 사용하면서 LED 간의 빛 간섭으로 인해 황색 띠가 발생하였다.
본 연구에서는 멀티칩 패키지형 LED 모듈을 이용하여 스포트라이트를 설계 및 시뮬레이션을 하였다. 또한 시제품 제작을 통해 조명의 성능을 확인하였다.

가설 설정

하지만 시제품에 사용된 LED 모듈은 Fig. 15 (b)와 같이 외곽의 칩에서 나오는 광이 벽면에 반사(Near Field)되어 완벽한 램버시안을 이루지 못하고 직진성이 강해져(Far Field), 최종적으로 방사각이 좁게 형성된 것이다.

제안 방법

(1) 2개의 반사체와 1개의 렌즈를 이용하여 보다 효과적이고 각각의 부품이 실용적인 스포트라이트를 설계하였다.
스포트라이트에 사용된 LED 모듈은 3×3의 멀티칩 패키지형 LED 모듈로 Fig. 15 (a)와 같이 각각의 칩에서 램버시안 형태의 광패턴(Near Field)을 이루어, 전체적으로 램버시안 광패턴(Far Field)을 가진 LED 모듈을 시뮬레이션에 적용하였다. 하지만 시제품에 사용된 LED 모듈은 Fig.
렌즈의 양면은 비구면으로 설계가 되었으며 PMMA를 이용하여 가공하였다. Fig. 8과 Fig. 9에서 볼 수 있듯이 반사체는 알루미늄 증착 코팅을 하였으며, 각 부품 모두 제작과 사출성이 용이하도록 설계하였다.
그리고 비구면 반사체(Reflector)를 통해 잡광률을 낮추고, 비구면 렌즈(Lens)를 사용하여 15~20°의 방사각 면적에서의 광균질성과 광효율을 향상시켰으며, 비구면 반사판의 패턴을 통해 노란띠를 제거하였다.
그리고 비구면 반사체(Reflector)를 통해 잡광률을 낮추고, 비구면 렌즈(Lens)를 사용하여 15~20°의 방사각 면적에서의 광균질성과 광효율을 향상시켰으며, 비구면 반사판의 패턴을 통해 노란띠를 제거하였다. 또한 광학계의 축척에 따른 용도 변경이 가능하여 개인 조명, 자전거 램프와 같이 낮은 파워부터 자동차 램프, 등대와 같은 높은 파워까지 다양하게 활용이 가능하도록 설계하였다.
본 연구에서는 멀티칩 패키지형 LED 모듈을 이용하여 스포트라이트를 설계 및 시뮬레이션을 하였다. 또한 시제품 제작을 통해 조명의 성능을 확인하였다. 본 연구를 통해 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
7은 비구면 플라스틱 렌즈의 2D 도면과 샘플을 보여주고 있다. 렌즈의 양면은 비구면으로 설계가 되었으며 PMMA를 이용하여 가공하였다. Fig.
본 연구에서 개발하고자 하는 LED 스포트라이트 광학계는 COB(Chip On Board)&COM(Chip On Metal) LED 모듈(Module)을 사용하여 면광원을 구현하였다.
광학계는 미국의 ORA(Optical Research Association)사의 LightTools의 Ray-Tracing을 이용하여 설계를 진행하였다. 비구면 반사체로 목표치를 설계한 후, 렌즈와 패턴 반사체를 이용하여 광효율을 높였다. 렌즈는 사출성을 고려하여 설계하였고, 비구면 설계 시 특정항이나 차수가 독립적으로 영향을 주기 보다는 각각의 항들에 대한 상호보완적인 영향이 크므로 이에 대해 고려할 필요가 있다.
렌즈는 사출성을 고려하여 설계하였고, 비구면 설계 시 특정항이나 차수가 독립적으로 영향을 주기 보다는 각각의 항들에 대한 상호보완적인 영향이 크므로 이에 대해 고려할 필요가 있다. 비구면 설계식에서 구면곡률반경이 가장 영향이 크지만 구면과 비구면을 동일한 곡률반경에서 비교하기 위하여 곡률반경은 고정하여 설계를 수행하였다. 아래의 식은 렌즈 설계 시 사용한 비구면 설계식⁽⁴⁾이다.
제작한 시제품의 광원 성능을 평가하기에 앞서 비구면 렌즈의 비구면의 형상 및 표면의 정밀도를 3차원 렌즈 측정기인 일본 Panasonic사의 UA3P(Ultrahigh Accurate 3-D Profilometer)⁵⁾를 이용하여 측정하였다. 비구면 렌즈는 표면조도(R.

대상 데이터

개발 광학계의 성능을 평가하기 위해 Nichia의 램버시안(Lambertian) 타입 NS9W153MT(Luminous flux : 약 350lm)를 Test LED 모듈로 사용하였다. Fig.
본 개발 광학계는 Fig. 2와 같이 비구면 반사체 1매와 비구면 렌즈 1매, 패턴 반사체 1매로 구성되어 있다.

이론/모형

광학계는 미국의 ORA(Optical Research Association)사의 LightTools의 Ray-Tracing을 이용하여 설계를 진행하였다. 비구면 반사체로 목표치를 설계한 후, 렌즈와 패턴 반사체를 이용하여 광효율을 높였다.
시제품의 정확한 조명 성능 테스트를 위해 한국광기술원의 Goniophotometer(Fig. 13)⁶⁾를 사용하여 측정하였다. 순수 LED의 총 효율은 225.

성능/효과

(2) 본 스포트라이트는 시뮬레이션 분석 결과 약 15~20° 내외의 배광 특성을 가지고 있으나, 시제품 제작 측정 결과 12° 방사각을 확인하였다.
(3) 거리 별 배광분포는 모두 동일한 분포를 가지고 있어, 스포트라이트의 다양한 적용이 가능하다.
그리고 Luminous Intensity Table을 확인한 결과 광 균일도는 < 25%인 것을 확인하였다.
(4) 개발 광학계 시제품을 통해 황색띠가 없어지는 것을 육안으로 확인하였다. 또한 약 91%의 투과율과 < 25%의 광 균일도를 확인하였다.
광학계의 반사면은 플라즈마 알루미늄(Al) 코팅을 하였다. 반사면의 반사율을 측정하기 위해 플라즈마 Al 코팅 시편을 한국조명연구원에 시험측정 의뢰하였으며 시험 결과 플라즈마 알루미늄(Al) 코팅의 반사율은 87.56%인 것을 확인하였다.
본 개발 광학계를 이용한 조명 시뮬레이션 분석 결과 Half Angle이 약 7~10° 내외의 배광특성을 보였다.
13)⁶⁾를 사용하여 측정하였다. 순수 LED의 총 효율은 225.7212lm이고, LED와 개발 광학계의 총 효율은 205.5202lm로 약 91%의 투과율을 확인하였다. 그리고 Luminous Intensity Table을 확인한 결과 광 균일도는 < 25%인 것을 확인하였다.
3227㎛이다. 조명렌즈의 Specification 허용치인 표면조도 0.5㎛, 형상정도 2.0㎛에 만족하는 것을 확인하였다.

후속연구

자전거 또는 자동차의 헤드라이트나 업라이트·다운라이트 조명, 무대 및 극장용 조명 등으로 사용이 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 스포트라이트의 문제점은 무엇인가?	기존의 LED 스포트라이트는 LED 광원의 특징인 직진성을 활용하여 제작하였으나, 포탄형 LED를 다수 사용하면서 LED 간의 빛 간섭으로 인해 황색 띠가 발생하였다. 또한 광원의 제어가 용이하지 못해 잡광률이 높고, 광원의 균질성과 광효율이 떨어지는 문제점(3)이 있었다.
	LED 광원의 장점은?	최근에는 LED의 발광 조정 효율이 급속히 증가하면서 표시용 소자와 디스플레이 위주로 사용되던 LED를 일반조명으로 사용하고자 하는 노력이 전 세계적으로 확산되고 있다. 이는 LED 광원이 기존의 조명기기보다 저소비전력, 긴 수명, 빠른 응답 속도, 뛰어난 견고성 및 낮은 전압 구동으로 인한 안정성과 소형화가 가능하다는 장점으로 인해 빛이 필요한 다양한 곳에 응용될 수 있을 것으로 전망(2)되기 때문이다.
	포탄형 LED를 사용하게 되면서 생겨난 영향은?	본 연구에서는 LED 조명분야 중 스포트라이트(Spotlight)에 대해 연구해 보았다. 기존의 LED 스포트라이트는 LED 광원의 특징인 직진성을 활용하여 제작하였으나, 포탄형 LED를 다수 사용하면서 LED 간의 빛 간섭으로 인해 황색 띠가 발생하였다. 또한 광원의 제어가 용이하지 못해 잡광률이 높고, 광원의 균질성과 광효율이 떨어지는 문제점(3)이 있었다.

참고문헌 (6)

Shin, K. H., Song, S. B., and Yeo, I. S., 2004, "The Design of Lens for Power LEDs Spotlight," 2004 KIIE Conference, pp. 145-150.
Chung, I. H., 2012, Study on Improvement of the Luminous Intensity Uniformity using Aspheric Reflector Optical LED Lighting, A Thesis for a Doctorate, Korea Polytechnic University, Republic of Korea.
Lee, S. G., Kim, B. T., Shin, S. M., Kim, S. Y., Kim, J. Y., and Hyun, D. H., 2011, "A Study about a 3W High Power LED Spotlight using an Aspherical Optical System," KSMTE Spring Conference 2011, pp. 94-95.
Kim, D. J., Yoo, K. S., and Hyun, D. H., 2010, "An Research on Ultra Precisive Polishing Manufacturing Technology of Glass for Micromini and Super Wideangle Aspherics Glasses Lens," Journal of the KSMTE, Vol. 19, No. 2, pp. 275-281.
Chung, I. H., Yoon, C. Y., Ye, I. S., and Hyun, D. H., 2011, "A Study of Aspheric Mirror Optical Design to Improve Luminous Intensity Uniformity of LED Security Lights," Journal of the KSMTE, Vol. 20, No. 1, pp. 114-119.
Noh, M. J., 2012, The Study of LED Indoor Light with ID-Function, A Master's Thesis, Korea Polytechnic University, Republic of Korea.

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DOI : 10.7735/ksmte.2012.21.3.487 [무료]
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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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