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문제 정의
- 5달러를 달성하여야 시장이 열린다고 보았으나 국내 LED 가로등의 경우 klm당 60~120달러로서 도저히 기존 가로등에 비해 가격 경쟁력이 없다. 따라서 본 논문에서는 국내 기술에 의한 AC LED조명이라는 새로운 기술로 klm당 16.5달러 미만의 LED 가로등 개발을 목표로 한다.
- 본 논문에서는 기존 가로등에 AC형 LED를 적용하여 부품을 단순화시키고, 광학 소자는 렌즈만을 사용하여 선행연구에서 개발한 단순화된 라인형 렌즈를 이용하여 도로폭 3.5 m, 높이 10 m, 조명간의 간격 24 m 양쪽에서 마주보는 배열로 가로등을 설치하였을 때, 도로 조명 M3 등급에 부합하는 배광을 갖고자 하였다. 선행연구에서 개발한 라인형 렌즈를 전·후방으로 퍼트리는 부분과 좌·우측으로 퍼트리는 2가지 부분으로 나누어 해당되는 렌즈부분에 배치되는 LED 갯수에 따라서 달라지는 배광을 분석하여 도로 조명 M3 등급에 적절한 배광성능을 구현하고자 하였다[4].
제안 방법
- 선행연구에서 개발한 라인형 렌즈를 전·후방으로 퍼트리는 부분과 좌·우측으로 퍼트리는 2가지 부분으로 나누어 해당되는 렌즈부분에 배치되는 LED 갯수에 따라서 달라지는 배광을 분석하여 도로 조명 M3 등급에 적절한 배광성능을 구현하고자 하였다[4].
- SMPS란 switched mode power supply의 약어로 반도체 스위치 소자의 온오프 시간비율을 제어하여 출력을 안정화시킨 직류 안정화 전원장치이다. 따라서 모든 LED 조명은 SMPS가 필요한 반면 AC Direct IC 회로 구동방식의 AC LED PCB는 SMPS를 PCB 위에 IC 회로로 대체하여 조명의 크기를 축소시켰다. MJT5050 LED chip을 이용하여 LED를 일정한 간격으로 배열하여 Fig.
- 따라서 모든 LED 조명은 SMPS가 필요한 반면 AC Direct IC 회로 구동방식의 AC LED PCB는 SMPS를 PCB 위에 IC 회로로 대체하여 조명의 크기를 축소시켰다. MJT5050 LED chip을 이용하여 LED를 일정한 간격으로 배열하여 Fig. 2와 같이 60 W AC LED PCB를 설계하였다. 이 60 W PCB를 연달아 heatsink에 부착함으로 인해 60 W, 120 W, 180 W 3가지의 전력을 출력할 수 있다.
- 렌즈설계는 KS 인증에 맞추어 도로 조명 등급 M3를 목표로 설계를 진행하였다. M3 등급은 단순한 선형 자동차 전용도로에 주로 적용되는 등급이다.
- 오른쪽의 차트는 빛을 쏘았을 때 조명면의 조도 분포를 계산하였으며, 가로등이 달리는 높이와 동일한 10 m 거리에서 검출기 (receiver)를 배치하였고, 검출기의 크기는 30×30 m2 검출기 영역은 30×30개의 pixel로 분할하였다.
- 또한 기존의 POB type의 광학계의 경우는 chip마다 렌즈를 적용하였기 때문에 렌즈 간에 간섭되어 yellow 패턴이 생겼다. 이런 단점을 해결하기 위해 LED 배열을 따라 라인형 렌즈를 설계하여 간섭되는 것을 방지해 yellow 패턴을 감소시켰다. 렌즈의 재질은 광효율을 최대화하기 위하여 투과율이 우수한 PMMA재질을 이용하였다.
- 렌즈설계의 목표는 높이 10 m, 차선폭 3.5 m를 가지는 왕복 4차선 도로에 마주보는 식으로 배열을 하여 M3 등급을 만족할 수 있도록 세웠다. 마주 보는 배열로 4차선 도로에 설치를 해야 하므로 전방으로는 약 2차선 정도의 범위까지, 좌, 우로는 최대한 넓게 퍼트려 옆에 설치된 조명이 비추는 범위까지 도달하여, 도로의 균제도를 넓혀야 한다.
- 양쪽으로 뻗어있는 대각선 형상의 직선 구간이 빛을 양 측면으로 퍼트리게 하는 요소이고, 중심 부분에 일자 구간은 빛을 전, 후방으로 나가게 하는 부분이다. Fig. 4와 같이 렌즈 배광제어 요소를 2가지로 나누어서 제한적인 LED chip개수와 일정한 간격의 배열에서 빛을 전방으로 보내는 일자구간의 길이와 대각선 형상의 길이를 조정해가며 시뮬레이션을 진행하였다. LED는 중심으로부터 양옆 대칭구조이고 9 mm의 일정한 간격으로 렌즈라인을 따라서 배열되었다.
- 시뮬레이션은 3D 설계가 가능한 Solidworks를 이용하여 렌즈의 형상을 설계하고, 조명 시뮬레이션이 가능한 LightTools에서 렌즈의 3D 형상을 불러와 진행하였다. LED 효율은 105 lm/W로 지정하여 120 W의 가로등을 구현하고자 Fig.
- 시뮬레이션은 3D 설계가 가능한 Solidworks를 이용하여 렌즈의 형상을 설계하고, 조명 시뮬레이션이 가능한 LightTools에서 렌즈의 3D 형상을 불러와 진행하였다. LED 효율은 105 lm/W로 지정하여 120 W의 가로등을 구현하고자 Fig. 4에 보이는 LED 군집의 렌즈를 한 그룹으로 보았을 때 일렬로 네 그룹을 나열하였다. 총 광속 12,600 lm, 4차선 도로의 총 너비 14 m, 높이는 10m 가로등 간격은 24 m로 마주보는 배열을 시뮬레이션 조건으로 설정하였다.
- 총 광속 12,600 lm, 4차선 도로의 총 너비 14 m, 높이는 10m 가로등 간격은 24 m로 마주보는 배열을 시뮬레이션 조건으로 설정하였다. LED가 빛을 전방으로 보내는 일자부분의 길이를 X (mm)라고 하였을 때, X/2의 길이가 5 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm로 총 4차례의 시뮬레이션을 수행하였다.
- 10에 따르면 X값이 증가할수록 최대광도 포인트가 점점 왼쪽으로 이동하며 배광각도가 줄어들고 있다. 좀 더 정확한 배광각도를 읽기 위하여 시뮬레이션 값들의 정보를 가진 IES파일을 추출하여 cooper toolbox를 이용하여 배광곡선을 분석하였다. IES란 illuminating engineering society에서 공식적으로 조명정보에 대한 정보를 정의한 값이다.
- 조명 시스템 시뮬레이션은 X/2의 길이에 따라 4가지로 설계한 렌즈가 기존의 목표한 도로 조명에 사용되었을 때 배광분포가 도로균제도와 휘도의 어떤 관계를 미치는지 알아보고 도로 조명 M3등급에 부합하는지 알아보기 위하여, 도로 조명 시뮬레이션이 가능한 DIAlux를 이용하였다. Fig.
- 12(c)의 도로 길이 방향으로 도로노면이 얼마나 균일한지를 보여주는 차선축 균제도를 보았을 때 X가 커질수록 빛이 배광각도가 작아져 도로 길이 방향으로 빛을 멀리 보내는 길이가 줄어들어 균제도가 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 시뮬레이션 조건에서 도로의 폭과 가로등 설치 간격을 일정하게 설정하였다. 4가지 시뮬레이션의 경우 마주보기 배열을 했으므로 배광각도가 작아질수록 도로 길이방향으로는 조도가 균일하지 못한 노면이 생겨 차선축 균제도 기준을 만족하지 못한다.
- 본 연구에서 진행한 시뮬레이션을 바탕으로 최적의 결과 값을 가지는 LED 배열 PCB와 조명렌즈를 Fig. 13과 같이 mock-up 제품으로 제작하여 성능평가를 하였다. 측정결과를 바탕으로 이전과 같은 조건으로 시뮬레이션을 진행하였다.
- 본 논문에서는 기존 가로등에 AC형 LED를 적용하여 부품을 단순화시켰다. AC형 LED를 적용함에 따라 LED의 전력을 역할을 하는 SMPS를 AC LED PCB판위에 IC Driver로 대체하여 제품의 단순화, 경량화로 가격 경쟁력을 증대시켰다.
- 본 논문에서는 기존 가로등에 AC형 LED를 적용하여 부품을 단순화시켰다. AC형 LED를 적용함에 따라 LED의 전력을 역할을 하는 SMPS를 AC LED PCB판위에 IC Driver로 대체하여 제품의 단순화, 경량화로 가격 경쟁력을 증대시켰다. 또한 광학소자는 렌즈만을 사용하여 선행연구에서 개발한 라인형 렌즈로 광학소자를 단순화시켜 광효율을 최대화하였다.
- AC형 LED를 적용함에 따라 LED의 전력을 역할을 하는 SMPS를 AC LED PCB판위에 IC Driver로 대체하여 제품의 단순화, 경량화로 가격 경쟁력을 증대시켰다. 또한 광학소자는 렌즈만을 사용하여 선행연구에서 개발한 라인형 렌즈로 광학소자를 단순화시켜 광효율을 최대화하였다. 라인형 렌즈에서 빛을 전, 후방으로 보내는 부분과, 좌, 우로 퍼지게 하는 부분으로 나누었다.
- 또한 광학소자는 렌즈만을 사용하여 선행연구에서 개발한 라인형 렌즈로 광학소자를 단순화시켜 광효율을 최대화하였다. 라인형 렌즈에서 빛을 전, 후방으로 보내는 부분과, 좌, 우로 퍼지게 하는 부분으로 나누었다.
- 4차선 도로의 노면의 균제도를 높이기 위해 빛의 제어방향이 나누어진 렌즈부분에서 빛을 전방을 보내는 부분의 길이를 X라 칭하고 X/2길이를 5 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm 와 같이 정하고 그의 비율에 따라 대각선의 길이가 다른 4가지 렌즈의 시뮬레이션을 진행하였다. 그 결과 X/2길이가 5 mm일 때 Lavg는 1.
- 4차선 도로의 노면의 균제도를 높이기 위해 빛의 제어방향이 나누어진 렌즈부분에서 빛을 전방을 보내는 부분의 길이를 X라 칭하고 X/2길이를 5 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm 와 같이 정하고 그의 비율에 따라 대각선의 길이가 다른 4가지 렌즈의 시뮬레이션을 진행하였다. 그 결과 X/2길이가 5 mm일 때 Lavg는 1.88, UO는 0.57, UI는 0.6, TI는13의 값이 나오며 KS규격에 의거한 도로 조명 M3 등급에 부합하는 렌즈를 설계하였다. 시뮬레이션 조건에서 조명을 마주보기 배열하여, 차선축 균제도를 뜻하는 UI 조건에 부합하기 위해선 빛이 좌, 우측으로 멀리 퍼져야 한다.
대상 데이터
- DOB란 driver on board를 가리키며 LED에 동력을 공급해주는 SMPS를 대체한 IC Driver가 PCB위에 올라간 LED Module 형태를 말한다. Table 1에서 확인할 수 있듯이 높은 광효율과 Vf로 Fig. 1에 보이는 서울반도체 MJT5050 LED를 선정하여 사용하였다. 기존의 DC 구동 LED 조명은 SMPS가 power supply 역할을 하여 LED의 전력을 결정하였다.
- 본 연구에서의 AC LED PCB는 다수의 LED chip이 간격 배열되어 있어 하나의 LED 군집을 이루고 있다. Fig.
- 이런 단점을 해결하기 위해 LED 배열을 따라 라인형 렌즈를 설계하여 간섭되는 것을 방지해 yellow 패턴을 감소시켰다. 렌즈의 재질은 광효율을 최대화하기 위하여 투과율이 우수한 PMMA재질을 이용하였다.
- 4에 보이는 LED 군집의 렌즈를 한 그룹으로 보았을 때 일렬로 네 그룹을 나열하였다. 총 광속 12,600 lm, 4차선 도로의 총 너비 14 m, 높이는 10m 가로등 간격은 24 m로 마주보는 배열을 시뮬레이션 조건으로 설정하였다. LED가 빛을 전방으로 보내는 일자부분의 길이를 X (mm)라고 하였을 때, X/2의 길이가 5 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm로 총 4차례의 시뮬레이션을 수행하였다.
- 조명 시스템 시뮬레이션은 X/2의 길이에 따라 4가지로 설계한 렌즈가 기존의 목표한 도로 조명에 사용되었을 때 배광분포가 도로균제도와 휘도의 어떤 관계를 미치는지 알아보고 도로 조명 M3등급에 부합하는지 알아보기 위하여, 도로 조명 시뮬레이션이 가능한 DIAlux를 이용하였다. Fig. 12와 같이 차선의 폭이 3.5 m인 도로에 왕복 4차선 중앙 분리대까지 총 14 m 너비의 4차선 도로에 가로등 높이 10 m, 가로등 간 거리 24 m로 조명을 배열하여 시뮬레이션을 진행하였다.
성능/효과
- Fig. 9로부터 0-10° 때의 광도는 비슷하게 시작하였으나, 각도가 증가함에 따라서 X값이 가장 작은 5 mm 때가 최대 광도가 가장 강하였고, X값이 커질수록 최대 광도는 감소함을 확인할 수 있었다.
- Fig. 10과 비교했을 때, 0-10° 때의 광도 역시 비슷하게 시작하였으나, 각도가 증가함에 따라서 X/2 값이 가장 큰 20 mm일 때의 최대 광도가 가장 큰 값이었고, X값이 작아질수록, 최대 광도 값은 감소하였다.
- 0°일 때의 광도가 일정한데 반하여, 각도가 커질수록 광도는 줄어들고, 그로 인해 배광각도가 줄어들었다.
- 분석 결과, Fig. 7(a)의 X 거리가 5 mm에서는 배광각도가 115°, Fig. 8(a), Fig. 9(a), Fig. 10(a)에서 차례로 100°, 98°, 95°로 배광각도가 작아지는 것을 확인할 수 있었다.
- 10은 intensity chart에서 비대칭형의 전방으로 퍼지는 빛을 각도에 따라서 광도가 변화는 값을 정리한 그래프이다. Intensity chart의 양옆으로 퍼지는 대칭형의 곡선이 X값이 증가함에 따라서 가운데의 움푹 들어간 모양에서 점점 고르게 퍼지게 되고, 양옆으로 퍼지는 정도가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. Fig.
- 0°일 때의 광도가 일정한데 반하여, 각도가 커질수록 광도는 줄어들고, 그로 인해 배광각도가 줄어들었다. 그 결과 Fig. 7, Fig. 8, Fig. 9, Fig. 10의 illuminance chart에서 보았을 때 배광각도가 작아짐에 따라서 빛이 퍼지는 범위가 줄어들고, 최대 광도가 약해지면서, 양옆으로 퍼지는 빛의 조도 역시 약해지는 것을 확인할 수 있다. Intensity chart의 비대칭 모양의 곡선은 빛이 전, 후방으로 퍼지는 배광을 보여준다.
- 11에선 최대 광도가 4가지의 시뮬레이션 결과 모두 50° 근처에 포진되어 있다. X가 5 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm일 때 모두 전방으로 뻗어나가는 빛의 각도는 비슷하고, 광도에서의 차이만 확인할 수 있었다.
- 렌즈중심의 일자부분인 X 길이가 증가하면서, 렌즈 양옆의 대각선 모양에 배치되는 LED 개수는 적어진다. 시뮬레이션 분석결과, X 길이가 증가함에 따라 배광각도가 감소하면서 빛이 양옆으로 퍼지는 범위가 줄어들며, 광도도 약해진다. 대각선렌즈에 배치되는 LED가 중심의 일자부분으로 대치되면서 좌, 우로 약해진 빛들이 전방으로 퍼지게 하는 렌즈의 제어를 받게 되었다.
- TI의 도로 조명 규격은 10 이하이고, 4가지 시뮬레이션 결과 모두 TI값이 15 이하를 만족하는 값을 얻었다.
- 도시한 그래프를 보면 차선 축 조도균제도와, 종합 조도균제도에서 X의 길이가 증가함에 따라 균제도가 감소하고 있다. 앞서 LightTools의 시뮬레이션 결과 배광곡선을 분석하였을 때 X가 커지면서 전방으로 퍼지는 빛의 각도는 비슷하지만 광도가 세지며 좌, 우로 뻗치는 빛의 각도가 줄어들며 퍼지는 범위가 줄어드는 것을 확인하였다. Fig.
- Mock-up 렌즈의 결과 툴 마크와 실제 렌즈재질의 투과율이 적용됨에 따라서 휘도 값이 떨어진 것으로 유추할 수 있다. 측정결과를 바탕으로 한 시뮬레이션 결과 역시 도로 조명 M3등급에 부합하는 결과를 확인하였다.
- 시뮬레이션 조건에서 조명을 마주보기 배열하여, 차선축 균제도를 뜻하는 UI 조건에 부합하기 위해선 빛이 좌, 우측으로 멀리 퍼져야 한다. 따라서 제시한 intensity chart와 illuminance chart를 확인해 보았을 때, 양 측면으로 가장 넓게 퍼진 X/2의 길이가 5 mm일 때 평균노면휘도, 종합균제도, 차선축 균제도, 최대허용치 TI까지 모두 기준에 만족하여 기존에 목표하였던 도로폭 3.5 m, 높이 10 m, 조명간의 간격 24 m, 양쪽에서 마주보는 배열로 가로등을 설치하였을 때 도로 조명 M3 등급에 부합하는 배광을 가진다.
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