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문제 정의
- 본 논문에서는 백열전구 또는 할로겐 전구를 광원으로 사용하는 기존 항해등의 단점을 개선하고 이를 대체할 수 있는 고효율 LED 항해등을 설계 및 제작 하였다. 효율이 높고 친환경적이며 강한 내구성과 장수명을 갖는 LED를 항해등에 적용하기 위하여 기존항해등의 광학계를 분석하고 이를 통하여 LED 모듈의 최적 배치를 결정하였다.
- 본 논문의 목적은 선박의 운항에 필수 장치로써 저효율의 백열전구와 할로겐 전구를 사용하는 기존 항해등을 대체할 수 있는 고효율 LED 항해등을 제작하는데 있으며, 기존 항해등 구조를 이용하여 최적의 효과를 얻기 위한 설계방안을 제안하였다.
- 이와 같이 본 논문은 국제적 수준의 LED 항해등을 설계하기 위한 이론과 실질적인 제작 방안을 제시하였다. 종래의 항해등의 고질적인 문제를 해결함과 동시에 조선, 해양분야에 LED 산업을 확대, 보급할 수 있는 기술 및 경쟁력 향상에 기여할 것으로 기대한다.
제안 방법
- 2. LED 패키지를 지지하는 동시에 방열기구 역할을 하는 알루미늄 히트 싱크는 한 변의 길이가 12.7 mm인 정육각형 기둥의 형태로 제작되었고 무게를 감소시키고 방열효과를 개선할 수 있도록 내부를 가공하고 상, 하부에 방사형태로 구멍을 형성하였다. 제안한 히트 싱크는 가공 전에 비해 방열 표면적은 46% 상승하고 질량은 30% 감소하였다.
- 4. LED 모듈의 발열에 대한 온도 특성을 분석하기 위하여 온도 레코더 및 열화상 카메라를 이용하여 점등시 열분포를 측정하였다. 외함의 온도는 33℃에서 포화되었으며 히트 싱크의 온도는 20∼30℃를 유지하였다.
- 시제작 LED 항해등의 전기적, 광학적 특성을 측정 및 분석하기 위하여 배광측정 실험계를 구성하였다. COLREGs에 따라 수직, 수평배광에 대한 광도를 측정하였으며 이를 바탕으로 광달거리를 산출하였다. 제안한 LED 항해등은 기존 항해등 대비 최대 광도는 약 20% 향상되었고 소비전력은 약 90% 감소시켰다.
- 항해등은 용도상 광원으로부터 나온 빛이 렌즈에 의해 굴절되면서 수평으로 방사되는 배광을 갖는다. LED 모듈로 백열전구 또는 할로겐 전구와 같은 방사 형태의 배광을 구현하기 위해 LED 패키지를 기둥형태의 히트싱크에 방사형으로 배치하는 방법을 적용하였다. 그러나 LED의 배치에 따라서 LED 모듈의 곡률 반경이 변하게 되고 이는 렌즈의 초점거리에 따른 빛의 굴절각이 달라지므로 기존 항해등용 렌즈에 적합한 배치를 정해야 한다 [1].
- LED 모듈은 360°의 배광을 갖는 전주등을 고려하면 최대 6개의 LED 패키지를 직렬로 구성할 수 있으며 각 항해등의 사광각도에 따라 패키지의 수를 결정하였다.
- LED 모듈의 방열 특성을 분석하기 위하여 온도 레코더 TLOG-1100을 이용하여 주위온도 25℃의 실내에서 항해등을 점등시킨 후 LED 패키지와 가장 인접한 부근, 히트 싱크 및 등기구 외함에 대한 온도를 측정하였다. 측정은 70분 동안 수행되었으며 각 지점의 온도의 변화는 그림 8과 같다.
- 국제해상충돌방지규정 (COLREGs)의 광학적 요구 조건을 만족하기 위하여 국내 주요 항해등 제조사의 제품을 대상으로 항해등용 렌즈의 특성을 분석하였으며 LED로부터 방출되는 빛의 굴절 경로를 계산하여 LED 모듈의 광학적 배치를 결정하였다. LED 모듈의 온도상승을 최소화하기 위하여 무게를 줄이고, 방열면적을 늘리며 대류현상을 통한 방열효과를 개선할 수 있는 알루미늄 히트싱크를 제안하였다. 또한 좌, 우현등 및 예인등에 적용된 렌즈의 색상에 대한 필터 특성을 분석하였으며 이를 LED로 대체하기 위한 효과적인 방법을 도출하였다.
- 방열설계는 열저항의 측면에서 보면 LED 패키지에서 항해등 외부 임의의 공간까지의 방열경로를 최대한 작게 만드는 것이다 [5,6]. LED 패키지, 금속 PCB와 접합면에 대한 각 열저항의 요소들은 재질, 결합 구조 및 형상에 의해 이미 결정된 상수이므로 제안한 LED 모듈의 방열구조를 개선하는 방법은 결국 히트싱크의 표면적을 최대한 넓게 구성하는 것이다. 본 연구에서는 히트 싱크의 내부를 가공하여 방열면적을 늘리고 무게를 감소하도록 개선하였다.
- 국제해상충돌방지규정 (COLREGs)의 광학적 요구 조건을 만족하기 위하여 국내 주요 항해등 제조사의 제품을 대상으로 항해등용 렌즈의 특성을 분석하였으며 LED로부터 방출되는 빛의 굴절 경로를 계산하여 LED 모듈의 광학적 배치를 결정하였다. LED 모듈의 온도상승을 최소화하기 위하여 무게를 줄이고, 방열면적을 늘리며 대류현상을 통한 방열효과를 개선할 수 있는 알루미늄 히트싱크를 제안하였다.
- 5 mm이고 정육각형으로 배치할 경우가 LED 패키지가 렌즈의 초점에 더욱 근접하게 되므로 배광이 보다 평행광에 근접함을 알 수 있다. 따라서 LED 모듈의 배치는 정육각형으로 결정하였다.
- LED 모듈의 온도상승을 최소화하기 위하여 무게를 줄이고, 방열면적을 늘리며 대류현상을 통한 방열효과를 개선할 수 있는 알루미늄 히트싱크를 제안하였다. 또한 좌, 우현등 및 예인등에 적용된 렌즈의 색상에 대한 필터 특성을 분석하였으며 이를 LED로 대체하기 위한 효과적인 방법을 도출하였다.
- 본 연구에서는 LED 항해등 광도의 최댓값을 약 200 cd로 설정하기 위하여 LED 모듈의 전류를 350 mA로 조정하였다. 그림 5는 LED에 흐르는 전류의 파형을 나타낸 것이다.
- 본 연구에서는 LED 항해등을 제작함에 있어 경제성을 확보하기 위하여 렌즈부 및 외함은 기존에 양산 판매되는 항해등의 구성품을 적용하였다.
- 이 때 정밀한 광도를 측정하기 위해서는 광원 및 등기구를 점광원으로 근사하여 조도의 역자승 법칙이 적용될 수 있는 충분한 거리가 필요하다. 본 연구에서는 PIMACS 사의 NeoLight 8000 모델 이용하였으며, 차광판에 의한 항해등의 컷오프 특성을 정밀하게 분석하기 위하여 수동 조작하여 측정하였다.
- LED 패키지, 금속 PCB와 접합면에 대한 각 열저항의 요소들은 재질, 결합 구조 및 형상에 의해 이미 결정된 상수이므로 제안한 LED 모듈의 방열구조를 개선하는 방법은 결국 히트싱크의 표면적을 최대한 넓게 구성하는 것이다. 본 연구에서는 히트 싱크의 내부를 가공하여 방열면적을 늘리고 무게를 감소하도록 개선하였다. 제안한 방법은 유각기둥 형태의 히트 싱크 중앙을 관통하도록 가공을 하고 상부 및 하부에 방사 형태로 구멍을 형성하여 가열된 공기가 대류현상에 의해 유통될 수 있도록 하였다.
- 시제작 LED 항해등의 전기적, 광학적 특성을 측정 및 분석하기 위하여 배광측정 실험계를 구성하였다. COLREGs에 따라 수직, 수평배광에 대한 광도를 측정하였으며 이를 바탕으로 광달거리를 산출하였다.
- 제안한 LED 항해등은 광달거리가 6 NM인 장등을 기준으로 설계하였기 때문에 방사되는 빛은 약 11 km 이상 도달하게 되며 보다 정밀한 수평 및 수직 배광분포를 측정하기 위해서 배광측정기를 이용하였다. 그림 7은 배광측정시스템의 구성을 나타낸 것이다.
- 본 연구에서는 히트 싱크의 내부를 가공하여 방열면적을 늘리고 무게를 감소하도록 개선하였다. 제안한 방법은 유각기둥 형태의 히트 싱크 중앙을 관통하도록 가공을 하고 상부 및 하부에 방사 형태로 구멍을 형성하여 가열된 공기가 대류현상에 의해 유통될 수 있도록 하였다.
- 본 논문에서는 백열전구 또는 할로겐 전구를 광원으로 사용하는 기존 항해등의 단점을 개선하고 이를 대체할 수 있는 고효율 LED 항해등을 설계 및 제작 하였다. 효율이 높고 친환경적이며 강한 내구성과 장수명을 갖는 LED를 항해등에 적용하기 위하여 기존항해등의 광학계를 분석하고 이를 통하여 LED 모듈의 최적 배치를 결정하였다. 시제작 LED 항해등의 전기적, 광학적 특성을 실험한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 제안한 LED 모듈은 LED 패키지의 배치상 수직축을 중심으로 방사형태로 설계가 되어야 하므로 히트 싱크 또한 모듈의 크기에 의해 형상이 제한된다. 선정된 LED 패키지의 배치를 바탕으로 설계된 히트 싱크는 재질이 알루미늄이며 반경 12.5 mm, 높이 125 mm의 정육각형 기둥의 형태이다.
- 선택한 렌즈는 내부 반지름이 65 mm, 높이 152 mm인 A사의 항해등용 프레넬 렌즈이다. 렌즈의 초점은 광원의 중심에 위치하도록 설계되어 있으므로 렌즈의 형상과 재질인 PMMA (poly methyl methacrylate)의 굴절률을 구면 보정상수를 바탕으로 구면 평-볼록렌즈로 근사하여 곡률반경을 구하면 대략 32 mm로 산출할 수가 있다 [2-4].
이론/모형
- 그림 1은 적용한 렌즈의 광학적 특성을 바탕으로 LED 패키지의 수평 배치에 따른 빛의 굴절방향을 스넬의 법칙을 이용하여 계산한 것이다. LED 패키지를 한 변이 12.
성능/효과
- 1. A사 항해등의 광학계는 초점거리가 65 mm인 프레넬 렌즈로 구성되어 있으며 렌즈를 통과하는 빛의 굴절경로를 모의한 결과, LED 광원은 기구의 중심에 위치할수록 집광에 유리하므로 LED 패키지를 렌즈 초점 부근에 배치해야한다.
- 3. COREGs의 규정에 따라 시제작 LED 항해등의 전기적, 광학적 특성을 분석한 결과, 수직 및 수평 배광특성은 관련 규격을 모두 만족하였으며, 장등의 경우 평균 수평광도가 184.7 cd로 기존 항해등 대비 약 20% 향상되었으며 소비전력은 90% 이상 감소되었다.
- 5°로 항해등 중에 가장 좁은 사광범위를 가지고 있지만 선박의 진행방향을 판단할 수 있는 중요한 역할을 하기 때문에 다른 항해 등에 비해 보다 엄격한 차단 범위를 갖는다. 따라서 현등용 LED 모듈은 각각 3개의 녹색 및 적색 LED 패키지를 직렬로 구성하였으며 소비전력을 측정한 결과 우현등은 2.5 W, 좌현등은 2.9 W를 나타내었다. 수평광도는 우현등 및 좌현등이 각각 평균 43.
- 또한 현등의 선수방향 외측 3° 이내는 1.5∼1.8 cd로 규정에서 요구하는 차단특성도 만족함을 확인하였다.
- 8% 수준으로 이 역시 약 90% 이상 감소되었다. 본 연구에서 제안한 LED 항해등은 백열전구 및 할로겐 전구를 사용하는 기존 렌즈를 이용하기 때문에 상대적으로 작은 LED 광원의 위치에 매우 민감한 특성을 갖는다. 따라서 LED 모듈을 설치할 때 LED의 위치가 균일하게 분포해야하며 수평배광의 차단 특성을 만족하기 위해서는 LED 간의 빛의 간섭을 차단할 수 있도록 LED 패키지 간에 간섭이 없도록 칸막이를 설치하는 등의 조치가 필요하다.
- 표 1은 히트 싱크의 방열면적 증가 및 무게를 감소시키기 위한 가공처리 전과 후의 표면적 및 질량의 변화를 나타낸 것이다. 상호 비교하면 가공 후의 표면적은 가공 전에 비해 약 46% 증가하였으며 질량은 30%가 감소되었다.
- 수평 배광특성은 평균 44.0 cd로 최소 광도인 12 cd의 약 3.7배이며 실용상의 기준인 15 cd 보다 2.9배 높은 특성을 나타내고 있다.
- 3 W를 나타내었다. 수평 배광특성은 평균 46.9 cd로 최소 광도인 12 cd의 약 3.9배이며 실용상의 기준인 15 cd 보다 3.1배 높은 특성을 나타내고 있다. 기존의 선미등은 일반 40 W 백열전구를 사용하므로 소비전력은 기존 대비 5.
- 시제작한 LED 항해등에 대한 수직 및 수평 배광특성을 측정, 분석한 결과 5종의 항해등 모두 관련 규격을 만족하고 있으며 장등의 경우 평균 광도가 백열전구를 광원으로 하는 기존 항해등에 비해 약 20%이상 향상되었으며 소비전력은 1/10 수준으로 기존 대비 높은 효율을 나타냄을 확인하였다.
- 5배 높은 특성을 나타내고 있다. 이는 60 W 백열전구를 사용하는 기존 항해등의 평균 수평광도인 150 cd에 비해 약 20% 향상된 결과이며 소비전력은 기존 대비 9.3% 수준으로 90%이상 감소되었다.
- 8 cd로 규정에서 요구하는 차단특성도 만족함을 확인하였다. 이는 60 W 백열전구와 컬러 렌즈를 사용 하는 기존 항해등과 유사한 광출력 특성이며 소비전력은 기존 대비 약 95% 이상 감소되었다.
- COLREGs에 따라 수직, 수평배광에 대한 광도를 측정하였으며 이를 바탕으로 광달거리를 산출하였다. 제안한 LED 항해등은 기존 항해등 대비 최대 광도는 약 20% 향상되었고 소비전력은 약 90% 감소시켰다.
- 7 mm인 정육각형 기둥의 형태로 제작되었고 무게를 감소시키고 방열효과를 개선할 수 있도록 내부를 가공하고 상, 하부에 방사형태로 구멍을 형성하였다. 제안한 히트 싱크는 가공 전에 비해 방열 표면적은 46% 상승하고 질량은 30% 감소하였다.
후속연구
- 기후, 환경변화 및 에너지 자원의 고갈로 인하여전 세계적으로 친환경, 에너지 효율 향상을 위한 다양한 정책을 추진하고 있다. 정부는 “저탄소 녹색성장”이라는 패러다임의 고효율, 친환경 정책을 공표하였으며 LED 산업이 향후 생활혁명을 주도하며 다양한 고부가가치 파생산업을 창출할 것으로 전망하고 있다.
- 이와 같이 본 논문은 국제적 수준의 LED 항해등을 설계하기 위한 이론과 실질적인 제작 방안을 제시하였다. 종래의 항해등의 고질적인 문제를 해결함과 동시에 조선, 해양분야에 LED 산업을 확대, 보급할 수 있는 기술 및 경쟁력 향상에 기여할 것으로 기대한다.
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