본 논문에서는 기존 1kW 할로겐 탐조등을 대체하기 위한 고출력 LED 탐조등에 관하여 기술하였다. 설계사양은 KDS 6230-1046-1과 KS V 8469를 기준으로 하였으며, 요구 광도 800,000cd를 만족시키기 위하여 지향각 $6^{\circ}$의 렌즈를 사용하였다. 시제작 LED 탐조등의 방열은 공랭식으로써 팬이나 히트파이프를 사용하지 않았다. 시험결과, 시제작 LED 탐조등의 소비전력은 148W로 1kW 할로겐 탐조등에 비해 85% 절감되었으며, 중심광도는 945,000cd로써 KS V 8469를 만족하였다. 광효율은 기존 탐조등보다 4.7배 향상되었으며, 지향각, 색온도 및 연색성은 각각 $5.4^{\circ}$, 5,500K, 70이었다. LED 탐조등의 외함 온도는 $60^{\circ}C$ 이하이고, SMPS 주변 온도는 $50^{\circ}C$ 이하로 IEC 60092-306을 만족하였다.
본 논문에서는 기존 1kW 할로겐 탐조등을 대체하기 위한 고출력 LED 탐조등에 관하여 기술하였다. 설계사양은 KDS 6230-1046-1과 KS V 8469를 기준으로 하였으며, 요구 광도 800,000cd를 만족시키기 위하여 지향각 $6^{\circ}$의 렌즈를 사용하였다. 시제작 LED 탐조등의 방열은 공랭식으로써 팬이나 히트파이프를 사용하지 않았다. 시험결과, 시제작 LED 탐조등의 소비전력은 148W로 1kW 할로겐 탐조등에 비해 85% 절감되었으며, 중심광도는 945,000cd로써 KS V 8469를 만족하였다. 광효율은 기존 탐조등보다 4.7배 향상되었으며, 지향각, 색온도 및 연색성은 각각 $5.4^{\circ}$, 5,500K, 70이었다. LED 탐조등의 외함 온도는 $60^{\circ}C$ 이하이고, SMPS 주변 온도는 $50^{\circ}C$ 이하로 IEC 60092-306을 만족하였다.
This paper dealt with a retrofit high power LED searchlight to replace conventional 1kW halogen searchlights. The design specification meets KDS 6230-1046-1 and KS V 8469. An optical lens with the beam angle of $6^{\circ}$ was used to meet the luminous intensity of 800,000cd at $0^{\...
This paper dealt with a retrofit high power LED searchlight to replace conventional 1kW halogen searchlights. The design specification meets KDS 6230-1046-1 and KS V 8469. An optical lens with the beam angle of $6^{\circ}$ was used to meet the luminous intensity of 800,000cd at $0^{\circ}$ in horizontal line. Heat dissipation of the LED searchlight adopted a free air cooling type which does not use a fan or a heat-pipe. From the test results, power consumption of the prototype LED searchlight was 148W which was saved by 85% comparing a halogen searchlight of 1kW. Luminous intensity was 945,000cd at $0^{\circ}$ in horizontal line, satisfying KS V 8469. Luminous efficacy was improved by 4.7 times higher than that of the halogen searchlights. Beam angle, color temperature, and color rendering index(CRI) was $5.4^{\circ}$, 5,500K, and 70, respectively. Surface temperature of the LED searchlight was below $60^{\circ}C$ and surrounding temperature of the SMPS installed inside was below $50^{\circ}C$ which were satisfied with the IEC 60092-306.
This paper dealt with a retrofit high power LED searchlight to replace conventional 1kW halogen searchlights. The design specification meets KDS 6230-1046-1 and KS V 8469. An optical lens with the beam angle of $6^{\circ}$ was used to meet the luminous intensity of 800,000cd at $0^{\circ}$ in horizontal line. Heat dissipation of the LED searchlight adopted a free air cooling type which does not use a fan or a heat-pipe. From the test results, power consumption of the prototype LED searchlight was 148W which was saved by 85% comparing a halogen searchlight of 1kW. Luminous intensity was 945,000cd at $0^{\circ}$ in horizontal line, satisfying KS V 8469. Luminous efficacy was improved by 4.7 times higher than that of the halogen searchlights. Beam angle, color temperature, and color rendering index(CRI) was $5.4^{\circ}$, 5,500K, and 70, respectively. Surface temperature of the LED searchlight was below $60^{\circ}C$ and surrounding temperature of the SMPS installed inside was below $50^{\circ}C$ which were satisfied with the IEC 60092-306.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 할로겐 램프를 사용하는 선박용 탐조등의 전기·광학적 성능을 개선하기 위하여 LED 탐조등의 설계 및 제작에 관하여 연구하였다.
본 논문에서는 기존 1kW 할로겐 램프를 사용하는 선박용 탐조등을 LED 광원으로 대체하기 위한 연구를 수행하였다.
제안 방법
150W급 LED 탐조등을 설계 및 제작하였고, 한국산업규격과 국방규격에 따라 전기·광학적 및 방열 성능을 평가한 결과는 다음과 같다.
1차 광학계인 LED 패키지의 사양을 선정하기 위하여 광도(I)와 광속을 계산하여 규격 에서 제시하는 총 광속(Ф)을 산출하였다.
31개의 LED 패키지를 직렬로 연결한 후, 정전류로 구동하였다.
KS V 8469와 KDS 6230-1046-1에 제시된 광학적 성능을 기준으로 1kW 할로겐 탐조등과 고출력 LED 탐조등의 성능을 비교하였다.
배광은 x, y, z축에 대하여 r, θ, φ의 극좌표계와 x, y, z의 직각좌표계를 이용하여 광원에서 방사되는 광도를 분석하였다.
본 논문의 LED 탐조등은 KS에 제시된 1kW 탐조등으로 중심광도 800,000cd (국방규격 500,000cd)를 기준으로 설계하였다.
LED의 광학적 성능은 열의 영향을 받기 때문에 효율적인 방열이 필요하다. 상기 산출된 광속을 만족하기 위해 총 31개의 LED 패키지를 직렬로 구성하였으며, 방열부를 공랭식으로 설계하였다. 일반적으로 LED 광원이 50,000 시간의 수명을 유지하기 위해서는 접합온도를 80℃ 이하로 유지해야 한다.
4A 이다. 시제작품의 외함은 기존 1kW 할로겐 탐조등의 기구부를 적용하였으며, 150mm 홀을 시제품 상부에 7개, 하부에 12개를 가공하여 외부 공기 유입이 가능하도록 제작하였고, 홀 가공으로 인한 방수문제는 IP56으로 해결하였다. 광원부와 전원부를 기구부에 탈부착할 수 있도록 하여 고장 시 신속한 교체가 가능하다.
최적의 방열판을 설계하기 위해 Table 6과 같이 방열핀의 높이는 동일하고 핀의 두께 및 간격을 다르게 설정하여 온도분포를 분석하였다.
할로겐 탐조등은 2차 광학계로 반사판을 사용하였지만, LED 탐조등은 지향각 6°의 특성을 갖는 렌즈를 적용하였다.
현재 LED 탐조등의 규격은 제정되어 있지 않기 때문에 관련 규격들을 비교하여 목표사양을 결정 하였다.
성능/효과
1. 고출력 LED 탐조등의 소비전력은 148W로 기존 1kW 할로겐 탐조등에 비해 약 85% 절감되었다.
2. LED 탐조등의 중심광도는 945,000cd로 KS V 8469에 명시된 800,000cd 이상이었으며, 기존 할로겐 탐조등에 비해 총 광속은 감소하였으나 빔각이 56°에서 5.4°로 좁아졌기 때문에 중심광도는 2.4배 향상되었다.
3. 투광등 외함의 온도는 48.3℃, SMPS 외함의 온도는 34.1℃로 IEC 60092-306의 60℃이하로 충분히 만족하였다.
광효율은 86.9lm/W로 4.7배 높았으며, 색온도 5,500K 및 연색성은 70으로 평가되어, 기존 투광등보다 월등한 성능을 보여주었다.
소비전력은 148W로써 기존 1kW 할로겐 탐조등보다 85% 절감되었다.
시뮬레이션 결과, 모델 1의 최고 온도는 접합부에서 70.7℃, 최저 온도는 원형 알루미늄판에서 45.3℃이었으며, 모델 2의 최고 및 최저 온도는 모델 1과 같은 지점에서 각각 62.6℃, 33.4℃이었다.
후속연구
본 논문에서 제작한 시제작 투광등은 3개월 이상 선박에서 시험 운영 중에 있으며, 상선 및 함정에 빠르게 대체될 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
탐조등에 요구되는 성질은?
탐조등(Searchlight)은 조난 및 인명구조 등 특수한 상황일 때 사용되는 것으로써, 필요에 따라 불규칙적으로 사용되기 때문에 항상 원활하게 동작될 수 있도록 높은 내구성이 요구된다[6]. Figure 1 에 현재 사용되고 있는 할로겐 탐조등으로 광원(a) 과 기구부(b)를 나타내었다.
탐조등에서 광원부가 중요한 이유는?
광원부는 등기구의 성능 및 신뢰성에 큰 영향을 주며, 일정한 피조면에 집광구조를 통하여 빛을 방사해야 되기 때문에 탐조등에 특히 중요하다. 이를 구성하는 요소로는 1차 광학계, 2차 광학계 및 방열부가 있다.
전방향으로 빛을 방사하는 기존 광원이 갖고 있는 문제점은 무엇인가?
전방향으로 빛을 방사하는 기존 광원은 관련 규격의 광학적 성능을 만족시키기 위하여 반사판을 사용하기 때문에 광손실이 발생된다. 소비전력이 높고 에너지 효율이 매우 낮으며 선박에서 발생되는 진동 및 충격에 약하기 때문에 LED 광원 대비 유지보수비가 많이 든다.
참고문헌 (11)
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S.-K. Choi, S.-J. Kim, D.-W. Park, G.-S. Kil, C.-Y. Choi, and S.-B. Song, "Design and Fabrication of and Energy Saving LED-Fishing Lamp," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 34, no. 4, pp. 515-521, 2010 (in Korean).
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J.-G. Byeon, and S.-H. Jo, "The Standardization and Classification Certification of LED Luminaire for Shipboard," Bulletin of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers, vol. 7, pp. 22-24, 2012 (in Korean).
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S.-J. Kim, D.-G. Kim, I.-K. Kim, G.-S. Kil, and D.-T. Song, "Design and Fabrication of a LED Floodlight for Naval Vessels," Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers, vol. 26, no. 10, p. 773, 2013.
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