본 연구에서는 240 W급 고출력 LED 집어등의 특성을 기존 메탈 집어등과 비교하여 배광 패턴의 특성 및 광효율을 분석하고, 파장 대역의 특성을 해양 투과 특성 및 시감도를 고려하여 집어등 광원으로써 적정성을 분석하였다. 색온도 6500 K, white LED 패키지를 적용한 240 W LED 집어등의 특성을 보면 배광각은 ${\pm}45^{\circ}$, 조도 변화률이 0.8로 개선되었으며, 광효율은 98.8 lm/W로 향상되었다. LED 집어등의 해수의 투과율과 인간의 암순응시 시감도를 1,500 W 메탈등 1개와 4개의 240 W LED 집어등에 적용하여 비교한 결과, 방사출력이 수심 50 m에 이르면 거의 동등하였으며, 암순응시 시감도만을 적용한 경우에도 LED 집어등이 약 5 % 정도 높은 광속을 나타내었으며, 수심 50 m의 방사출력에 암순응시 시감도를 적용한 경우 LED 집어등의 광속이 14 % 높게 나타나 메탈등의 대체 가능성을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 240 W급 고출력 LED 집어등의 특성을 기존 메탈 집어등과 비교하여 배광 패턴의 특성 및 광효율을 분석하고, 파장 대역의 특성을 해양 투과 특성 및 시감도를 고려하여 집어등 광원으로써 적정성을 분석하였다. 색온도 6500 K, white LED 패키지를 적용한 240 W LED 집어등의 특성을 보면 배광각은 ${\pm}45^{\circ}$, 조도 변화률이 0.8로 개선되었으며, 광효율은 98.8 lm/W로 향상되었다. LED 집어등의 해수의 투과율과 인간의 암순응시 시감도를 1,500 W 메탈등 1개와 4개의 240 W LED 집어등에 적용하여 비교한 결과, 방사출력이 수심 50 m에 이르면 거의 동등하였으며, 암순응시 시감도만을 적용한 경우에도 LED 집어등이 약 5 % 정도 높은 광속을 나타내었으며, 수심 50 m의 방사출력에 암순응시 시감도를 적용한 경우 LED 집어등의 광속이 14 % 높게 나타나 메탈등의 대체 가능성을 확인할 수 있었다.
This study analyzed characteristics of 240 W high power LED lamps by comparing with those of traditional metal halide lamps. In addition, it analyzed the propriety of LED lamps as a source of light, considering seawater transmission characteristics. When Applying white LED package with the color tem...
This study analyzed characteristics of 240 W high power LED lamps by comparing with those of traditional metal halide lamps. In addition, it analyzed the propriety of LED lamps as a source of light, considering seawater transmission characteristics. When Applying white LED package with the color temperature color temperature of 6500K, a 240W-LED fishing lamp has a characteristics of the luminous angle to be expanded to ${\pm}45^{\circ}$, the illumination change was improved to 0.8, as well as the luminance efficiency was improved to 98.8lm/W. As results of comparison between one 1,500W-metal halide lamp and four 240W-LED lamp with considering a seawater transmission and a luminous efficiency of scotopic vision, the radiant flux of two lamps were almost equal level at 50m depth and the luminous flux was 5% higher LED lamp than metal-halide lamp even if only applying the luminous efficiency of scotopic vision. As the luminous flux of LED lmap was 14% higher than that of metal-halide lamp with applying the luminous efficiency of scotopic vision to radiant flux at 50m depth, so LED fishing lamp was verified to alternative possibility of metal-halide lamp.
This study analyzed characteristics of 240 W high power LED lamps by comparing with those of traditional metal halide lamps. In addition, it analyzed the propriety of LED lamps as a source of light, considering seawater transmission characteristics. When Applying white LED package with the color temperature color temperature of 6500K, a 240W-LED fishing lamp has a characteristics of the luminous angle to be expanded to ${\pm}45^{\circ}$, the illumination change was improved to 0.8, as well as the luminance efficiency was improved to 98.8lm/W. As results of comparison between one 1,500W-metal halide lamp and four 240W-LED lamp with considering a seawater transmission and a luminous efficiency of scotopic vision, the radiant flux of two lamps were almost equal level at 50m depth and the luminous flux was 5% higher LED lamp than metal-halide lamp even if only applying the luminous efficiency of scotopic vision. As the luminous flux of LED lmap was 14% higher than that of metal-halide lamp with applying the luminous efficiency of scotopic vision to radiant flux at 50m depth, so LED fishing lamp was verified to alternative possibility of metal-halide lamp.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구는 최근 개발된 240 W급 고출력 고효율 LED 집어 등의 광학적 특성을 중심으로 배광 패턴 및 조업 상황에 따른 균제도를 조사하고, 발광 파장에 따른 해수투과 및 생물의 시감도에 따른 방사출력 및 광속을 분석하여 집어등 광원으로써 적정성을 검토하여 집어등 개발의 기초자료를 제공하고자 하였다.
광은 일반적으로 사람이 볼 수 있는 가시광 영역을 말하고, 대기 중의 조사되는 환경 조건이라고 할 수 있으나, 집어등의 사용 환경은 수중에서 조사되며 대상생물이 어류라는 것이 기본적으로 다른 조건이라고 할 수 있다. 본 연구에서는 LED 집어등의 수중 투과 특성과 대상 생물에 미치는 영향을 분석하기 위하여 발광 파장 대역을 분석하고, 해수의 투과율 및 어류의 광수용체의 흡광도를 고려하여 시감도를 적용하여 분석하였다.
가설 설정
7 W/W로 나타났으며, 이를 기준으로 메탈등의 350~850 nm 파장 영역에서 발광 출력을 계산하였으며, 등기구의 형태 및 운용 환경을 고려하여 총 발광 출력의 50 %인 448 W가 수면에 조사된다고 가정하였다. LED 집어등의 방사 효율은 0.25 W/W로 발광 출력 240 W가 모두 수면에 조사된다고 가정하였다.
메탈등의 입력 전력에서 방사되는 가시광의 방사 효율은 48.7 W/W로 나타났으며, 이를 기준으로 메탈등의 350~850 nm 파장 영역에서 발광 출력을 계산하였으며, 등기구의 형태 및 운용 환경을 고려하여 총 발광 출력의 50 %인 448 W가 수면에 조사된다고 가정하였다. LED 집어등의 방사 효율은 0.
제안 방법
Fig. 6와 같이 열화상카메라(fluke, Ti29, US)를 이용하여 방열특성을 조사하였으며, 2시간 예열후 배면의 최고온도는 81 ℃였으며, LED 패키지의 배면과 온도차를 20 ℃로 보면 105℃ 미만으로 LED의 열특성으로 인한 광효율은 약 15 % 감소되어 설계 예측치와 큰 차이가 없었다.
LED 광원의 해수 투과 특성에 따른 감쇠특성을 분석하기 위하여 Jerlov의 광학적 수형의 파장별 투과율 값을 소산계수 k(λ)로 하고, 동해의 수형을 Type-II으로 하여 감쇠율을 계산하였다.
LED 집어등 및 메탈등의 광효율 및 방사출력은 배광시험기(GoniLED-150S, J&Ctech)를 사용하였으며, 방사파장대역은 2 m 적분구(LMS-120, J&Ctech)를 이용하여 측정하였다.
LED 집어등과 메탈 집어등의 광학적 특성을 비교 분석하기 위하여 1,500 W 메탈 집어등과 240 W LED 집어등 4대 총 960 W의 집어등 설치를 기준으로 비교하여 보았다.
1은 제작된 집어등이다. 광원으로는 3 W, 140 lm/W, LED 패키지 144개를 사용하여 구성하였으며, 배광 특성과 광효율을 개선하기 위하여 실린디컬 렌즈를 커버 일체형으로 적용하여 설계 제작하였다. 배광 특성은 배광각과 균제도 개선을 위하여 기존 메탈등과 같이 360° 확산형으로 할 수도 있으나, 불필요한 광의 소모를 줄이고, LED 집어등의 현재 출력을 고려할 때 좌우현에 각 상하 2열 배열을 기준으로 하여, 상하방향으로 90°를 설계 목표각으로 하고, 수평 방향으로는 LED 패키지의 기본 투영각이 나올 수 있도록 설계하였다.
배광 특성은 배광각과 균제도 개선을 위하여 기존 메탈등과 같이 360° 확산형으로 할 수도 있으나, 불필요한 광의 소모를 줄이고, LED 집어등의 현재 출력을 고려할 때 좌우현에 각 상하 2열 배열을 기준으로 하여, 상하방향으로 90°를 설계 목표각으로 하고, 수평 방향으로는 LED 패키지의 기본 투영각이 나올 수 있도록 설계하였다.
본 연구에서는 240 W 고출력 LED 집어등의 특성을 기존 메탈 집어등과 비교하여 배광 패턴의 특성 및 광효율을 분석하고, 발광 파장 대역을 해양 투과 특성 및 시감도를 고려하여 집어등 광원으로써 적정성을 분석하였다.
2006). 인간의 암순응시 반응하는 간상세포 내의 광수용체 또한 로돕신이며, 암순응시의 시감도와 유사하므로 광원의 발광 파장 분포에 적용하여 분석하였다.
본체는 알루미늄을 압출 후 가공하여 제작하였으며, 렌즈 및 커버는 고투과성 폴리카보네이트 사출품으로 투과율은 92 %로 나타났다. 전원공급장치는 240 W SMPS (SWP300PF-24)를 사용하여 24V로 구동할 수 있도록 설계 제작하였다.
집어등의 방열 구조는 LED 패키지의 열적 특성 자료에 따라 방열시뮬레이션을 하고, 방열판의 면적에 따른 실험을 용이하게 하기 위하여 방열판이 수직으로 나열되어 있는 표준형 방열판을 집어등의 배면에 부착하여 사용하였다.
대상 데이터
배광 특성은 배광각과 균제도 개선을 위하여 기존 메탈등과 같이 360° 확산형으로 할 수도 있으나, 불필요한 광의 소모를 줄이고, LED 집어등의 현재 출력을 고려할 때 좌우현에 각 상하 2열 배열을 기준으로 하여, 상하방향으로 90°를 설계 목표각으로 하고, 수평 방향으로는 LED 패키지의 기본 투영각이 나올 수 있도록 설계하였다. 본체는 알루미늄을 압출 후 가공하여 제작하였으며, 렌즈 및 커버는 고투과성 폴리카보네이트 사출품으로 투과율은 92 %로 나타났다. 전원공급장치는 240 W SMPS (SWP300PF-24)를 사용하여 24V로 구동할 수 있도록 설계 제작하였다.
이론/모형
눈의 비시감도는 밝은 환경과 어두운 환경에서 다르게 나타나는데, 본 연구에서는 1951년 CIE(국제조명위원회)의 시감도 곡선 자료를 참고하였다(CIE Proceedings, 1951).
성능/효과
240 W LED 집어등은 이러한 문제를 개선하기 위하여 부채꼴형으로 배광 패턴을 개선하였으며, Fig. 4에서 상하 배광각을 최대조도값의 50 %가 되는 각을 기준으로 보면, 약 ±45° 로 나타났으며, 최대 조도값은 배광각 약 ±30°에서, 좌우각은 LED 패키지의 수평 배광각 그대로 ±60°로 나타났다.
9은 암순응시 시감도를 적용하여 대상생물이 느끼는 빛의 강도를 비교하여 보았다. 507 nm에서 1 W의 시감도를 1700 lm으로 한 암순응시 시감도에 광원별 방사 출력을 적용하여 보면, LED 등의 암순응시 광속은 146,650lm, 메탈등은 139,526 lm으로 LED 광속이 오히려 5 % 정도 높게 나타났다.
Fig. 8에서 10 m 수심에서 LED의 방사 출력은 74,703 mW, 메탈등 104,900 mW로 나타났으며, 수심 50 m에서는 LED 등 3,802 mW, 메탈등 3,831 mW로 LED 등의 방사 출력이 메탈등의 99 %로 거의 동일한 광량이 도달하게 됨을 알 수 있었다.
8 lm/W로 향상되었다. LED 집어등의 수중 투과 특성 및 광원 특성을 해수의 투과율과 어류의 로돕신의 흡광도와 유사한 인간의 암순응시 시감도를 1,500 W 메탈등 1개와 4개의 240 W LED 집어등에 적용하여 비교한 결과, 방사출력이 수심 50 m에 이르면 거의 동등하였으며, 암순응시 시감도만을 적용한 경우에도 5 %정도 LED 집어등이 높은 광속을 나타내었다. 특히 수심 50 m의 방사출력에 암순응시 시감도를 적용할 경우 LED 집어등의 광속이 14 % 높게 나타나 방사출력 면에서는 메탈등의 대체 가능성을 확인할 수 있었다.
7과 같다. LED 패키지의 LED Chip은 450 nm를 최대 발광 파장을 가지며, 550 nm에서 최대 방사 파장을 가시는 형광체 에 의해 발광되는 특성이 잘 나타났으며, 메탈등은 600 nm에서 가장 높은 값을 나타내지만, 810 nm 이상의 적외선 영역에서도 높은 값이 나타나 전체적으로 전 조사 파장 대역에서 발광이 되는 것을 알 수 있었다.
고효율 LED패키지 적용 및 등기구 커버와 렌즈 일체형 설계로 광효율은 기존 180 W LED 집어등(An et al., 2012)의 광효율 85 lm/W에서 98.8 lm/W로 등기구효율은 27 % 개선되었으며, 총광속은 13,000 lm에서 23,432 lm으로 향상되었다.
시제품 제작시 광효율을 높이기 위해 렌즈와 커버가 일체화된 실린디컬 렌즈를 개발하여 적용함으로써 기존에 개별 LED에 적용하였던 렌즈와 커버에 의한 투과율 감쇠는 6 % 이상 개선되었으며, 렌즈를 별도 조립하지 않고, 고정하는 기구가 삭제되어 제작공정과 디자인이 단순화 되었다. 광효율은 98.8 lm/W이며, 역률은 0.97로 일반적인 LED 등기구의 고효율 제품기준인 90 lm/W에 비하여도 매우 높게 나타났다.
색온도 6500 K white LED 패키지를 적용한 240 W LED 집어등의 기구적 특성을 보면 배광각을 ±45°로 확대하고, 선박의 횡요에도 가장 밝은 곳과 어두운 지점의 조도 변화률이 0.8로 개선되었으며, 광효율은 98.8 lm/W로 향상되었다.
240 W LED 집어등의 시제품의 성능 시험 결과를 Table 3에 나타내었다. 시제품 제작시 광효율을 높이기 위해 렌즈와 커버가 일체화된 실린디컬 렌즈를 개발하여 적용함으로써 기존에 개별 LED에 적용하였던 렌즈와 커버에 의한 투과율 감쇠는 6 % 이상 개선되었으며, 렌즈를 별도 조립하지 않고, 고정하는 기구가 삭제되어 제작공정과 디자인이 단순화 되었다. 광효율은 98.
이상의 분석 결과를 보면, LED 집어등과 기존 메탈등의 파장에 따른 방사 특성을 비교하여 보면, 총광속과 방사 효율은 메탈등이 우수하지만, 등기구의 형태, 운용 환경 및 발광 파장 분포에 따른 해수 투과 특성 및 대상 생물의 시감도를 고려할 때, 백색광 LED 광원이 집어등으로써 사용 가능성을 확인할 수 있었다.
LED 집어등의 수중 투과 특성 및 광원 특성을 해수의 투과율과 어류의 로돕신의 흡광도와 유사한 인간의 암순응시 시감도를 1,500 W 메탈등 1개와 4개의 240 W LED 집어등에 적용하여 비교한 결과, 방사출력이 수심 50 m에 이르면 거의 동등하였으며, 암순응시 시감도만을 적용한 경우에도 5 %정도 LED 집어등이 높은 광속을 나타내었다. 특히 수심 50 m의 방사출력에 암순응시 시감도를 적용할 경우 LED 집어등의 광속이 14 % 높게 나타나 방사출력 면에서는 메탈등의 대체 가능성을 확인할 수 있었다.
후속연구
광에 의한 집어와 어획과정은 많은 변수가 존재하고, 동일한 광원이라고 하더라도 배광 패턴에 따라 광 분포 변화와 해면의 산란, 해수의 특성에 따른 변화 등, 조업 수심에서 조도가 달라질 수 있는 많은 변수가 있으며, 몇몇 어종이 감지할 수 있는 최저 조도 및 파장에 따른 시감도는 보고된 바 있으나, 집어와 어획 과정의 다양한 변수에 따른 적정 광량에 대한 정량적 자료는 아직 보고된 바 없다. 다만, 본 연구의 분석 결과는 기존 메탈 집어등의 발광 파장 분포에 따른 광량을 기준으로 LED의 대체 가능성을 평가하는데는 유효할 수 있을 것이다.
또한, 발광 파장 대역의 제어도 LED 소재 및 형광체를 이용하여 어느 정도 가능하므로 사용 환경과 목적에 따라 다양한 적용이 가능한 발전가능성이 매우 높은 소자이다. 따라서 대상생물의 시감도와 조업 수심 및 해역에 따른 투과 특성과 함께 조업 특성에 맞은 배광 패턴에 관한 연구가 수반되어야 하며, 이러한 특성을 적용한 LED 집어등 개발이 이뤄져야 할 것으로 판단되었으며, 해양생물의 시감도와 해수 투과율과의 관계를 고려할 경우, 이를 발광 파장 대역으로 가지는 LED 패키지를 적용할 수 있다면, 더욱 에너지 절감율을 높이고, 효과적인 집어가 가능한 LED 집어등 개발이 가능할 것으로 판단되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
집어등의 의미는?
집어등은 빛을 이용하여 어업 대상생물을 유집하는 등으로, 우리나라에서는 오징어 및 갈치 채낚기 어업, 선망, 들망, 봉수망 등에서 주로 사용되고 있다. 연근해 어업에서는 갈치 및 오징어 채낚기 어업에서 가장 많은 집어등을 사용하고 있으며, 주로 사용되고 있는 집어등의 광원은 소비전력 1.
집어등은 어디에 사용되는가?
집어등은 빛을 이용하여 어업 대상생물을 유집하는 등으로, 우리나라에서는 오징어 및 갈치 채낚기 어업, 선망, 들망, 봉수망 등에서 주로 사용되고 있다. 연근해 어업에서는 갈치 및 오징어 채낚기 어업에서 가장 많은 집어등을 사용하고 있으며, 주로 사용되고 있는 집어등의 광원은 소비전력 1.
집어등 중 메탈등의 특성은?
5 kW 의 메탈핼라이드등(이하 “메탈등”이라 함)이 이용되고 있다. 메탈등은 방전등의 일종으로 광효율은 높으나, 수명이 짧고, 외부 충격에 약해 수시로 교체해야 할 뿐만 아니라, 발광 파장 대역이 넓고, 불필요한 영역까지 광이 조사되기 때문에 에너지 소모가 많으며, 자외선을 방출하여 피부손상 및 시력 저하 등 인체에 나쁜 영향을 주고, 어획물의 선도에도 영향을 주는 것으로 알려져 있다(Inada and Arimoto, 2007; Peter, 2009). 최근 이러한 이유로 고유가 및 친환경 저탄소 생산기술 개발을 위한 에너지 절감형 집어등의 필요성에 따라 LED(Light Emitting Diode) 등에 관한 관심이 높아지고 있다.
참고문헌 (13)
An, H. C., B. S. Bae, K. H. Lee, S. W. Park and J. H. Bae (2012), Operating performance of hair-tail angling vessel using the LED and Metal halide fishing lamp combination, J Kor Soc Fish Tech, 48, pp. 337-345
Bae, B. S., E. C. Jeong, H. H. Park, D. S. Chang and Y. S. Yang(2008), Behavioral characteristic of Japanese flying squid, Todarodes pacificus to LED light, J Kor Soc Fish Tech, 44, pp. 294-303.
Bae, B. S., B. J. Park, E. C. Jeong, Y. S. Yang, H. H. Park, Y. Y. Chun and D. S. Chang(2009), Design and performance evaluation of fish-luring system using the air-cooled LED lamp for jigging and angling boat, J Kor Soc Fish Tech, 45, pp. 85-95.
Choi, S. J.(2009a), Characteristics of spectral irradiance based on the distance from the light source and operating method for fishing lamps with a combined light source, Kor J Fish Aquat Sci, 42, pp. 711-720.
Choi, S. J.(2009b), Spectral irradiance and underwater transmission characteristics of a combined high-luminance light emitting diode as the light source for fishing lamps, Kor J Fish Aquat Sci, 42, pp. 703-710.
Choi, S. J.(2006), Radiation and Underwater Transmission Characteristics of a high-luminance light-emitting diode as the light source for fishing lamps, J Korean Fish Soc, 39, pp. 480-486.
Choi, S. J. and H. Arakawa(2001), Relatonship between the catch of squid, Todarodes pacificus Steenstrup, according to the jigging depth of hooks and underwater illumination in squid jigging boat, J Korean Fish Soc, 34, pp. 624-632.
Inada, H. and T. Arimoto(2007), Trends on research and development of fishing light in Japan, J Illum Engng Inst Jpn, 91, p. 205.
Jerlov, N. G.(1964), Optical classification of ocean water, In: Physical aspects of light in the sea, Hawaii University Press, Honolulu, pp. 45-49.
Peter, R. B.(2009), The impact of light in buildings on human health. SHB2009-2nd International Conference on Sustainable Healthy Buildings, Seoul, Korea, pp. 4-5.
Yamashita, Y., Matsushita Y., and Azuno T.(2012), Catch performance of coastal squid jigging boats using LED panels in combination with metal halide lamps, Fisheries Research, 113, pp. 182-189.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.