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문제 정의
- 이는 해양 환경에서 보다 적합한 광원으로써 최근 조선해양 분야에도 LED 조명을 적용하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다 [3,4]. 따라서 본 논문에서는 함정에서 사용되고 있는 기존 할로겐램프의 500 W 투광등을 LED 광원으로 대체하기 위한 연구를 수행하였으며, 시제작 LED 투광등의 성능요구 사항을 KS V 8427과 비교하여 분석하였다.
- 본 논문에서는 저효율 광원인 할로겐램프를 사용하고 있는 함정용 500 W 투광등을 LED로 대체하기 위하여 40 W급 투광등의 설계 및 제작에 대하여 기술하였다. LED 투광등의 목표 사양을 선정하기 위해 기존 함정용 투광등의 광학적 특성을 분석하였다.
제안 방법
- LED 모듈을 설계하기 위해 먼저 등기구 전체의 광학적 성능을 결정하는 요소인 LED 패키지를 선정하였다. 그러나 일반적으로 LED 사양서에 명시된 성능 지표는 광속을 나타내는 루멘 (lm)으로 광도를 나타내는 칸델라 (cd)와 직접적인 비교가 불가능하다.
- LED 모듈의 구동회로는 정전류 방식으로 구성하였다. 정전류 방식은 입력 전압이나 주변 온도와 무관하게 일정한 전류를 출력하기 때문에 LED 패키지의 수명과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
- 본 논문에서는 저효율 광원인 할로겐램프를 사용하고 있는 함정용 500 W 투광등을 LED로 대체하기 위하여 40 W급 투광등의 설계 및 제작에 대하여 기술하였다. LED 투광등의 목표 사양을 선정하기 위해 기존 함정용 투광등의 광학적 특성을 분석하였다. LED 패키지 및 렌즈를 적용하여 LED 모듈을 제작하였으며, 방열 시뮬레이션을 통하여 설계한 히트싱크를 적용하였다.
- LED 투광등의 성능을 KS V 8427의 규격에 따라 전기·광학적, 환경적 시험을 수행하였으며, 다음과 같은 결과를 확인할 수 있었다.
- LED 투광등의 환경적 특성을 알아보기 위해 방수 및 방진시험을 실시하였다. 함정용 투광등은 IP 56 등급으로 IEC 60529의 규격에 입각하여 수행하였으며, 그림 11에 방수 및 방진시험 설비를 나타내었다.
- LED 투광등의 목표 사양을 선정하기 위해 기존 함정용 투광등의 광학적 특성을 분석하였다. LED 패키지 및 렌즈를 적용하여 LED 모듈을 제작하였으며, 방열 시뮬레이션을 통하여 설계한 히트싱크를 적용하였다. 또한 이를 구동하기 위하여 정전류 회로를 설계하고, 정전압 전원을 사용하였다.
- 기존 함정용 투광등과 광학적 성능을 비교하였다. 측정은 배광측정기 (goniophotometer)를 사용하였으며, 간격 θ는 1°, φ는 30°로 각각 설정하였다.
- 2℃로 나타나 model 1보다 6∼7℃ 낮아진 것을 확인할 수 있었다. 따라서 LED 투광등에 효과적인 방열 성능을 갖는 model 2의 히트싱크를 설계 및 적용하였다.
- 외부 대기온도는 25℃이며 자유 대류계수는 5 W/㎡으로 설정하였다. 또한 방열성능을 향상시키기 위해 표 4와 같이 방열핀의 높이는 동일하고 두께 및 거리를 서로 다르게 설정하였다.
- LED 패키지 및 렌즈를 적용하여 LED 모듈을 제작하였으며, 방열 시뮬레이션을 통하여 설계한 히트싱크를 적용하였다. 또한 이를 구동하기 위하여 정전류 회로를 설계하고, 정전압 전원을 사용하였다.
- 그림 3에 LED 구동회로를 나타내었다 [10]. 또한, 효과적인 히트싱크의 설계를 위하여 방열 시뮬레이션을 수행하였다 [11].
- 따라서 동일한 광학적 성능을 만족한다면 광원을 최대한 분산시켜 배치함으로써 보다 효과적인 방열을 기대할 수 있다. 분산형 LED 광원부를 적용한 투광등에 대해 온도 실험을 실시하였다. 측정은 K 타입 열전대 (thermo-coupler)와 온도 기록계 (hybrid recorder)를 사용하였으며 5분 간격으로 120분 동안 실시하였다.
- 500 W 선박용 투광등의 최소 광도는 38,000 cd이며 지향각은 17°이어야 한다. 시제작 LED 투광등의 성능과 KS V 8427의 규격과 비교하여 분석하였다.
- 분산형 LED 광원부를 적용한 투광등에 대해 온도 실험을 실시하였다. 측정은 K 타입 열전대 (thermo-coupler)와 온도 기록계 (hybrid recorder)를 사용하였으며 5분 간격으로 120분 동안 실시하였다. KS C IEC 60092-306에 명시된 LED 등기구의 온도 특성은 정상 점등하였을 때 60℃를 넘지 않아야 하며, SMPS 주위 온도는 50℃ 이하여야 한다.
- 측정은 배광측정기 (goniophotometer)를 사용하였으며, 간격 θ는 1°, φ는 30°로 각각 설정하였다.
- 표 1에 기존 광원들과 LED 광원의 전기·광학적 특성을 비교하였다 [5,6].
대상 데이터
- 8. A prototype LED floodlight.
성능/효과
- 1. 함정용 LED 투광등의 소비전력은 41 W로 기존의 500 W 투광등에 비해 92% 감소되었다.
- 2. 기존 투광등의 경우 규격에 명시된 중심 광도의 32% 수준이었지만, LED 투광등은 중심 광도 36,000 cd로 KS V 8427에서 제시한 광축 광도 (500 W)의 94% 수준으로 기존 투광등에 비해 4.5배 향상된 광학적 성능을 보였다. 지향각은 16°이며, 색 온도는 4,171 K, 광 효율은 76.
- 3. 등기구 외함의 온도는 60℃, SMPS 주변 외함의 온도는 50℃ 이하를 유지함으로써 KS C IEC 60092-306을 만족하였다.
- 4. IEC 60529에 명시된 시험 절차에 따라 시험 후 정상점등 하였으며, 규격에 명시된 IP 56의 성능을 만족함을 확인할 수 있었다.
- 이는 기준 광도의 32% 수준이며, 지향각은 약 32°로 역시 기준 각도를 만족시키지 못하는 것을 확인할 수 있다. LED 투광등은 중심 광도가 약 36,000 cd로 기준 광도의 94%가 측정되었다. 앞서 설계한 이론값과 다른 이유는 LED 구동 회로에서의 전기적 손실과 렌즈 및 유리에 의한 광학적 손실로 인한 것으로 판단된다.
- 상기와 같은 시험 결과를 통해 함정용 투광등의 광원을 할로겐에서 LED로 교체하면 약 92%의 에너지 절감과 76.7 lm/W의 광효율을 얻을 수 있다. 또한 환경적 특성 평가 결과 방수·방진에 관하여 IP 56을 만족하기 때문에 함정용 등기구로서 적용이 가능할 것으로 판단된다.
- 또한 IP 5X에 해당하는 분진시험 역시 등기구 내부에 분진의 흔적이 발견되지 않았다. 시험 후 15분간 정상적인 점등을 확인함으로써 LED 투광등의 보호 성능 등급을 만족하는 것을 알 수 있었다.
- LED 투광등은 기존 투광등에 비해 약 92 % 절감된 41 W의 소비전력을 나타냈다. 중심 광도는 36,000 cd로 규정된 기준 광도의 약 94 %이며 기존 투광등에 비해 4.5배 향상된 성능을 보였다. 총 광속은 3,146 lm, 광 효율은 76.
- 측정 결과, 기존 함정용 투광등의 경우 중심 광도가 약 8,000 cd, 최대 광도는 약 12,000 cd이다. 이는 기준 광도의 32% 수준이며, 지향각은 약 32°로 역시 기준 각도를 만족시키지 못하는 것을 확인할 수 있다.
- 한 시간 경과 후 PCB 중심 온도를 측정한 결과, 집중형은 55.8℃인 반면, 분산형의 경우 41.1℃로 집중형에 비해 14.7℃가 낮은 것으로 분석되었다. 따라서 동일한 광학적 성능을 만족한다면 광원을 최대한 분산시켜 배치함으로써 보다 효과적인 방열을 기대할 수 있다.
후속연구
- 7 lm/W의 광효율을 얻을 수 있다. 또한 환경적 특성 평가 결과 방수·방진에 관하여 IP 56을 만족하기 때문에 함정용 등기구로서 적용이 가능할 것으로 판단된다.
- 이를 바탕으로 함정용 투광등에 사용되고 있는 광원들을 LED로 교체할 경우 내구성 및 전력 손실을 보완할 수 있을 뿐만 아니라 보다 향상된 광학적 성능을 통한 경제적, 기술적 효과를 기대할 수 있다.
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