최근 LED의 저전력, 장수명, 동작 속도, 제어성, 고품질의 색 연출성, 지속 가능성 등의 이유로, LED 응용 분야가 확대되고 있다. 그러나 고출력 LED 조명 시스템을 구현하는데 있어, 방열은 큰 걸림돌이 되고 있다. 본 논문에서는 고출력 투광등 설계를 위한 방열 방안으로 메탈PCB 설계, 열전 소자, 히트 파이프, 방열판, 팬(fan) 등의 적층 연동 구조를 제안하고 구현 방안을 제시하였다. 아울러 본 논문에서는 RS-485 통신을 통한 DMX512 프로토콜 기반 LED 조명 시스템 제어 방안을 제시하였다. DMX512 프로토콜은 조명장치와 조명제어 모듈의 연결에 대한 사실상 세계적 표준이며 이를 활용한 무대 조명이나 경관 조명 시스템 개발이 지속적으로 이루지고 있다. 본 논문에서는 이를 이용한 LED 조명 제어 및 응용 기술을 소개하고 주제어기를 무선으로 원격 제어하는 방안을 제안하였다.
최근 LED의 저전력, 장수명, 동작 속도, 제어성, 고품질의 색 연출성, 지속 가능성 등의 이유로, LED 응용 분야가 확대되고 있다. 그러나 고출력 LED 조명 시스템을 구현하는데 있어, 방열은 큰 걸림돌이 되고 있다. 본 논문에서는 고출력 투광등 설계를 위한 방열 방안으로 메탈 PCB 설계, 열전 소자, 히트 파이프, 방열판, 팬(fan) 등의 적층 연동 구조를 제안하고 구현 방안을 제시하였다. 아울러 본 논문에서는 RS-485 통신을 통한 DMX512 프로토콜 기반 LED 조명 시스템 제어 방안을 제시하였다. DMX512 프로토콜은 조명장치와 조명제어 모듈의 연결에 대한 사실상 세계적 표준이며 이를 활용한 무대 조명이나 경관 조명 시스템 개발이 지속적으로 이루지고 있다. 본 논문에서는 이를 이용한 LED 조명 제어 및 응용 기술을 소개하고 주제어기를 무선으로 원격 제어하는 방안을 제안하였다.
Recently, various applications for LED lightings are growing continuously due to their better performances such as low power consumption, longer life time, operation speed, controllability, high quality color rendering, and sustainability. However, in developing the high-powered LEDs illumination sy...
Recently, various applications for LED lightings are growing continuously due to their better performances such as low power consumption, longer life time, operation speed, controllability, high quality color rendering, and sustainability. However, in developing the high-powered LEDs illumination system, heat-sink problem is one of the important obstacle. In this paper, a heat-sink design with multi-layered structure for high-powered LEDs is proposed, which is composed of metal core PCB, heat-pipes, heat-sink plates, and fans. And also, in this paper, a design for LED controls using DMX512 protocols through RS-485 communications is proposed, which is considered as de facto international standard in LEDs illumination control and is widely used in landscape lighting and stage lighting. In this paper, LED control and its application techniques are introduced and the method of wireless remote control for main controller is proposed.
Recently, various applications for LED lightings are growing continuously due to their better performances such as low power consumption, longer life time, operation speed, controllability, high quality color rendering, and sustainability. However, in developing the high-powered LEDs illumination system, heat-sink problem is one of the important obstacle. In this paper, a heat-sink design with multi-layered structure for high-powered LEDs is proposed, which is composed of metal core PCB, heat-pipes, heat-sink plates, and fans. And also, in this paper, a design for LED controls using DMX512 protocols through RS-485 communications is proposed, which is considered as de facto international standard in LEDs illumination control and is widely used in landscape lighting and stage lighting. In this paper, LED control and its application techniques are introduced and the method of wireless remote control for main controller is proposed.
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문제 정의
본 논문에서는 300W 급 고출력 LED 조명을 위한 방열 방안으로 메탈 PCB 설계, 열전 소자, 히트 파이프, 방열판, 팬 등의 적층 연동 구조로 제안하고 구현 방법을 제시하였다. 이와 같이 구현된 투광등은 800W 급의 고압나트륨 조명 또는 메탈할라이드 조명의 대체 효과를 가질 수 있으며 외벽, 조명탑, 공장, 스포츠 경기장 등 다양한 장소에서 활용 가능하다.
LED 방열은 LED 패키지 방열, 금속 방열판 방열, 공랭식 방열, 수냉식 방열, 펠티에(Peltier) 효과를 이용한 열전 소자 방열, 히트 파이프(heat pipe)방열 등 다양한 방식이 소개되고 있다[1]. 본 논문에서는 고출력 LED 방열에 적합한 방열 방안을 소개하고 실제로 300 Watt 급의 LED 투광등 제작에 적용한 방열 기술을 제안하고자 한다.
본 절에서는 앞 절에서 개발한 LED 투광등을 DMX512을 이용하여 제어하는 방안을 제시하고자 한다. 이 프로토콜은 조명 장치와 조명 제어 모듈을 연결할 때 사용되는 표준방법으로써 현재 사실상의 국제 표준이다.
그러나 방열 장치로 인해 부피 및 무게가 커지는 단점이 있으므로 방열 장치에 설계를 수행함에 있어 보다 이론적인 접근을 통해 최적화할 필요가 있을 것으로 보인다. 아울러 본 논문에서는 RS-485 통신을 통한 DMX512 프로토콜 기반 LED 조명 시스템 제어 방안을 제시하였다. DMX512 프로토콜은 조명장치와 조명제어 모듈의 연결에 대한 사실상 세계적 표준이며 이를 활용한 무대 조명이나 경관 조명 시스템 개발이 지속적으로 이루지고 있다.
투광조명장치는 LED의 발광에 의해 PCB 및 알루미늄 방열판으로 전도되는 열의 온도를 50[℃] 이하로 줄여야 발광소자 본래의 사용수명을 보장받을 수 있다. 이를 위해서 본 논문에서는 LED의 발열에 의해 PCB 및 알루미늄 방열판으로 전도되는 열의 온도를 적정하게 분산처리 및 냉각할 수 있는 기술과 등기구의 무게를 줄일 수 있는 적층형 히트 파이프 기술을 제안하고자 한다. 히트파이프 방열판은 LED 냉각부위 반대편에서 발생하는 열을 효과적으로 방출하는 기능을 담당한다.
이 프로토콜은 단순히 조명을 켜고 끄는 동작 뿐 아니라 페이드 인/페이드 아웃등 다양한 연출을 구사할 수 있기 때문에 앞으로도 이에 대한 활용 연구는 지속될 것으로 보인다. 이에 본 논문에서는 개발한 LED 투광등에 DMX512 프로토콜을 적용한 LED 조명 제어 기술을 제시하고자 한다.
제안 방법
그림 1은 본 논문에서 제안하는 히트 파이프 적용 300W급 LED 투광등 냉각시스템의 전체 개념도를 나타낸 것이다. LED 조명에는 1 Watt 급 LED 324개(108씩 어레이 3판)를 사용하고, 마이컴 제어 소자를 이용하여, LED를 PWM 구동하며, 소프트웨어적으로 LED 방열을 수행할 수 있도록 프로그램화하고, 발열이 되는 부분을 온도 감지기(Temperature Sensor)로 모니터링하여 열전소자를 PWM 및 D/A 변환기를 통해 구동하는 방법을 취한다. 그림에서 보는 바와 같이 방열 효율을 증가시키기 위해 적층 구조를 사용하였으며, 히트 파이프, 알루미늄 방열, 팬(fan) 등을 연동시켜 방열 성능을 극대화 하였다.
본 논문에서 설계한 LED 투광기의 네트워크 시스템 구성은 그림 5와 같다. PC 기반 윈도우즈 프로그램으로 DMX512 데이터를 USB 단자로 출력하고 이를 DMX512 변환기를 가진 분배기(splitter)를 통해 RS-485를 이용하여 신호를 직렬로 송신하도록 하였다. 기존 PC를 통한 제어는 RS-232, 그리고 프린터 포트를 통한 제어가 주류였으나, 현재는 USB를 이용한 제어 체계가 활성화 되어 있어 USB 2.
히트파이프는 최근 고온의 CPU를 냉각시키기 위해 이용되고 있으나 고출력 LED 방열에는 아직 적용이 미미한 편이다. 고출력 방열을 위해 소요되는 큰 부피 및 무게의 알루미늄 방열판에 비하여, 가볍고 이동이 용이한 동파이프로 구성된 히트파이프 방열판을 메탈코아 PCB 하부 발열 부위에 두어 효과적인 발열이 이루어지도록 하였다. 본 논문에서는 그림 3과 같이 메탈코아 PCB에서 LED가 부착된 메탈 PCB 코어 알루미늄 방열판을 각각 셀(cell)간 이격화하여 열이 적산되지 않는 구조로 설계하였다.
제어명령을 받는 LED 투광등내 설정용 DIP 스위치는 9비트로 구성이 되며, 각기 고휘도 LED 투광등에 있어 512개의 번지를 지정할 수 있으며, LED 투광등의 고유 번지에 해당하는 데이터가 입력되면, 이를 인식하고 설정된 동작을 실행한다. 고휘도 LED 시스템의 경우에 있어 고휘도 LED 주제어기에서 연출 및 속도 스위치 조작에 따라 다양한 변화 연출이 기본적으로 가능하도록 설계되었으며, 고휘도 3색(RGB) LED 또한 확대 적용될 수 있도록 설계 하였다. 이 때 장착된 마이컴(MICOM)은 실행 프로그램을 사전에 적재하고 있어, 고휘도 LED 주제어기로부터 주어지는 번지와 명령 값에 따라 다양한 연출을 실행할 수 있다.
LED 조명에는 1 Watt 급 LED 324개(108씩 어레이 3판)를 사용하고, 마이컴 제어 소자를 이용하여, LED를 PWM 구동하며, 소프트웨어적으로 LED 방열을 수행할 수 있도록 프로그램화하고, 발열이 되는 부분을 온도 감지기(Temperature Sensor)로 모니터링하여 열전소자를 PWM 및 D/A 변환기를 통해 구동하는 방법을 취한다. 그림에서 보는 바와 같이 방열 효율을 증가시키기 위해 적층 구조를 사용하였으며, 히트 파이프, 알루미늄 방열, 팬(fan) 등을 연동시켜 방열 성능을 극대화 하였다. 방열을 위해 LED 어레이 부분과 구동회로는 반드시 분리하여 탈부착이 용이한 구조로 구현하였다.
PC 기반 윈도우즈 프로그램으로 DMX512 데이터를 USB 단자로 출력하고 이를 DMX512 변환기를 가진 분배기(splitter)를 통해 RS-485를 이용하여 신호를 직렬로 송신하도록 하였다. 기존 PC를 통한 제어는 RS-232, 그리고 프린터 포트를 통한 제어가 주류였으나, 현재는 USB를 이용한 제어 체계가 활성화 되어 있어 USB 2.0기반으로서 직렬 통신하여 DMX512 데이터 신호를 512개 송출하도록 하였다.
그림에서 보는 바와 같이 방열 효율을 증가시키기 위해 적층 구조를 사용하였으며, 히트 파이프, 알루미늄 방열, 팬(fan) 등을 연동시켜 방열 성능을 극대화 하였다. 방열을 위해 LED 어레이 부분과 구동회로는 반드시 분리하여 탈부착이 용이한 구조로 구현하였다.
본 논문에 설계된 LED 조명 주제어기(main controller)만으로도 LED 투광등을 구동할 수 있으며(stand alone), 분배기 없이도 DMX512 신호를 발생할 수 있도록 하였다. 자체적으로 연출과 속도를 조정할 수 있는 설정 스위치를 가지며, 사용자의 편리를 위해서 원거리에서 제어가 가능하도록 OLED 표시창을 가진 무선 리모콘을 구비하였다.
고출력 방열을 위해 소요되는 큰 부피 및 무게의 알루미늄 방열판에 비하여, 가볍고 이동이 용이한 동파이프로 구성된 히트파이프 방열판을 메탈코아 PCB 하부 발열 부위에 두어 효과적인 발열이 이루어지도록 하였다. 본 논문에서는 그림 3과 같이 메탈코아 PCB에서 LED가 부착된 메탈 PCB 코어 알루미늄 방열판을 각각 셀(cell)간 이격화하여 열이 적산되지 않는 구조로 설계하였다. 아울러, 열전소자로서 발광소자의 접점부위를 직접 냉각해주도록 설계하였다.
본 논문에서는 그림 3과 같이 메탈코아 PCB에서 LED가 부착된 메탈 PCB 코어 알루미늄 방열판을 각각 셀(cell)간 이격화하여 열이 적산되지 않는 구조로 설계하였다. 아울러, 열전소자로서 발광소자의 접점부위를 직접 냉각해주도록 설계하였다.
이 기술은 간단하지만 안정적인 프로토콜이기 때문에 현재까지도 무대조명이나 경관조명과 같은 조명 시설에 광범위하게 사용되고 있다[8-11]. 이 밖에 이동 중인 상태에서도 조명 제어가 가능한 무선 기반의 WDMX 및 Zigbee 를 이용한 Z-DMX512 프로토콜이 제안되었으나[4], 무선 안정도 및 Zigbee 네트워크에서 1(hop)당 10ms 가 소요되어, 이에 따른 발생하는 누적 지연시간 문제가 있어 본 논문에서는 실시간 제어가 가능한 DMX512 프로토콜을 적용하여 설계하였다.
히트 파이프는 밀폐용기 내부의 작동유체가 연속적으로 기체와 액체간에 상변화 과정을 통하여 용기 양단 사이에 열을 전달하는 장치로 잠열(latent heat)을 이용하여 열을 이동시킴으로서, 단일 상(phase)의 작동유체를 이용하는 통상적인 열전달 기기에 비해 매우 큰 열전달 성능을 발휘한다. 이 히트파이프는 가열부와 방출부로 구성되며, 방출부에는 여러개의 알루미늄 날(fin)들이 적층으로 쌓인 중간을 히트파이프가 관통하도록 구성되어 히트파이프에서 발생하는 열의 방출이 용이하도록 설계하였다. 히트파이프는 최근 고온의 CPU를 냉각시키기 위해 이용되고 있으나 고출력 LED 방열에는 아직 적용이 미미한 편이다.
일반적으로 조명장치는 시공 시 손이 닿을 수 없는 곳에 설치하거나 원 거리에 설치되어 수시로 이를 관리하기가 불편하며 고장여부도 확인하기도 어렵다. 이를 위해 다수의 시공 현장을 모니터링할 목적으로 IP(Internet Protocol) 주소를 할당하고 웹 카메라를 장착하였다. 이를 구현하기 위해서는 랜카드(LAN card)와 이와 관련된 소프트웨어가 필요하다.
대상 데이터
DMX512 데이터는 두개의 통신선을 통해 표준 RS-485 통신장치 사용하여 비동기 직렬 통신으로 250 kbps의 데이터를 전송한다. DMX512 신호체계는 512개의 패킷으로, Break + MAB(Mark After Break) + Start Code + 512 Dim Signal 신호로서 구성되며, 각 패킷의 프레임은 11비트(Start 1비트 + Data 8비트 + Stop 2 비트로서 44[μs]내 범주에서 데이터 송수신이 이루어져야 한다.
각각의 고휘도 LED 투광등은 먼저 고유 번지를 DIP 스위치로 설정하여 512개의 채널로 제어되도록 한다. 만약 512 채널을 상회하는 LED 투광등이 연결되더라도 고휘도 LED 투광등내에 장착된 EEPROM에 번지를 써넣어 제어되도록 하였다.
이 파이프의 한쪽 끝에 열이 닿으면 액체는 증발하여 열에너지를 다른 끝으로 이동시켜 방열하고, 파이프 속을 지나 본래의 위치로 돌아오는 구조를 가진다. 본체의 재료는 구리, 스테인리스강, 세라믹스, 텅스텐 등이 사용되고 안쪽 벽은 다공질의 파이버 등이 사용된다. 내부의 휘발성 물질로는 메탄올, 아세톤, 물, 수은 등이 사용된다.
수신용 무선모듈은 휴대용 LED 주제어기 리모콘으로부터 무선으로 송출되는 연출과 속도를 받아 마이컴에 지정한다. 사용된 송수신 무선모듈은 400[MHz]대의 범용 모듈을 사용하였다.
본 논문에 설계된 LED 조명 주제어기(main controller)만으로도 LED 투광등을 구동할 수 있으며(stand alone), 분배기 없이도 DMX512 신호를 발생할 수 있도록 하였다. 자체적으로 연출과 속도를 조정할 수 있는 설정 스위치를 가지며, 사용자의 편리를 위해서 원거리에서 제어가 가능하도록 OLED 표시창을 가진 무선 리모콘을 구비하였다. 모든 고휘도 LED 투광등은 각각의 LED 투광등의 고유번지를 가지며, DMX512 기반의 번지를 가지는 모든 장치는 본 논문에서 제시하는 DMX512 기반 고휘도 투광등 네트워크 구성 방법으로 제어가 가능하다.
성능/효과
자체적으로 연출과 속도를 조정할 수 있는 설정 스위치를 가지며, 사용자의 편리를 위해서 원거리에서 제어가 가능하도록 OLED 표시창을 가진 무선 리모콘을 구비하였다. 모든 고휘도 LED 투광등은 각각의 LED 투광등의 고유번지를 가지며, DMX512 기반의 번지를 가지는 모든 장치는 본 논문에서 제시하는 DMX512 기반 고휘도 투광등 네트워크 구성 방법으로 제어가 가능하다.
후속연구
이와 같이 구현된 투광등은 800W 급의 고압나트륨 조명 또는 메탈할라이드 조명의 대체 효과를 가질 수 있으며 외벽, 조명탑, 공장, 스포츠 경기장 등 다양한 장소에서 활용 가능하다. 그러나 방열 장치로 인해 부피 및 무게가 커지는 단점이 있으므로 방열 장치에 설계를 수행함에 있어 보다 이론적인 접근을 통해 최적화할 필요가 있을 것으로 보인다. 아울러 본 논문에서는 RS-485 통신을 통한 DMX512 프로토콜 기반 LED 조명 시스템 제어 방안을 제시하였다.
DMX512 시스템으로 불리는 이 프로토콜은 조명 장치와 조명 제어 모듈의 연결과 관련된 표준으로 매우 간단하고, 안정적으로 동작하기 때문에 무대조명이나, 경관 조명 등 현재 널리 사용되고 있다. 이 프로토콜은 단순히 조명을 켜고 끄는 동작 뿐 아니라 페이드 인/페이드 아웃등 다양한 연출을 구사할 수 있기 때문에 앞으로도 이에 대한 활용 연구는 지속될 것으로 보인다. 이에 본 논문에서는 개발한 LED 투광등에 DMX512 프로토콜을 적용한 LED 조명 제어 기술을 제시하고자 한다.
DMX512 프로토콜은 조명장치와 조명제어 모듈의 연결에 대한 사실상 세계적 표준이며 이를 활용한 무대 조명이나 경관 조명 시스템 개발이 지속적으로 이루지고 있다. 이와 같은 LED 기반 기술을 바탕으로 향후에는 IT와 LED가 융합된 광원의 다양한 활용 기술, 넓은 범위의 조명 제어 및 안정화 운영 기술, U-컴퓨팅 기술과 결합한 조명 제어 기술들에 관한 연구가 적극적으로 수행될 필요가 있다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고출력 LED 조명 시스템 구현에 있어 큰 걸림돌은?
최근 LED의 저전력, 장수명, 동작 속도, 제어성, 고품질의 색 연출성, 지속 가능성 등의 이유로, LED 응용 분야가 확대되고 있다. 그러나 고출력 LED 조명 시스템을 구현하는데 있어, 방열은 큰 걸림돌이 되고 있다. 본 논문에서는 고출력 투광등 설계를 위한 방열 방안으로 메탈 PCB 설계, 열전 소자, 히트 파이프, 방열판, 팬(fan) 등의 적층 연동 구조를 제안하고 구현 방안을 제시하였다.
LED 응용 분야가 확대되고 있는 이유는?
최근 LED의 저전력, 장수명, 동작 속도, 제어성, 고품질의 색 연출성, 지속 가능성 등의 이유로, LED 응용 분야가 확대되고 있다. 그러나 고출력 LED 조명 시스템을 구현하는데 있어, 방열은 큰 걸림돌이 되고 있다.
LED 조명을 제어하는 통신기술에는 무엇이 있는가?
아울러 LED 조명은 통신 기술을 활용하여 제어되는데, 통신 방법에 따라 크게 2가지 방식으로 분류된다. 즉, RS-232/RS-485 등의 유선 통신 기술과 Zigbee, WDMX(Wireless Digital MultipleX) 를 활용한 무선 통신 기술이다[2-4]. 무선 기술이 이동성 및 편리성 등에서 장점은 있으나, 방송, 의료, 운동경기 등 정확성을 요구하는 곳에서는 아직 유선 방식을 선호하고 있다.
참고문헌 (11)
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C. O. Kim and K. Y. Lim, "Implementation of DMX512 receiver using constant current LED driver," in Proc. Korean Inst. Illuminating Elect. Installation Eng. (KIIEE) Autumn Conf., pp. 121-124, Seoul, Korea, Oct. 2009.
Entertainment Services and Technology Association, USITT DMX512-A: asynchronous serial digital data transmission standard for controlling lighting equipment and accessories, American National Standard E.11-2008, Apr. 2008.
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