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문제 정의
- 본 연구에서는 이러한 AC COB LED 조명에 IESNA(illuminating engineering society of north America, 북미조명학회)에서 제정한 도로 조명 배광 표준을 적용한 효율적인 광학 설계를 통해 도로용 LED 가로등의 배광 타입과 배광 좌우 범위를 고려한 광학계 설계를 진행하였다. 설계 시 면광원인 COB LED를 적용하였기 때문에 면광원에서 발산되는 광의 균제도를 높이기 위하여 1차면에서 아이시클 형상을 구현하여 균제도를 증가시키고, 2차면에서 xy polynomial 파라미터의 최적화를 통해 렌즈 설계를 진행하였다.
- 렌즈 형상을 최적화를 통해 설계한 후 3D 프로그램에서 자유 곡선으로 렌즈 출사외면을 변형시켜가며 최적설계를 하여 목표한 Type II의 배광을 도출했다. 또한 설계 및 시뮬레이션 데이터와 실제 목업(mock-up) 광학계 제작을 통한 실험 측정 결과를 비교하여 설계 및 시뮬레이션의 신뢰성을 확인 및 최적화 된 렌즈 유형의 Type II에 대해 연구하였다.
- 본 연구는 AC COB LED 조명에 IESNA에서 제정한 도로 조명 배광 표준을 적용한 효율적인 광학 설계를 통해 도로용 LED 가로등에 적합한 Type II 배광 설계를 진행하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 이러한 AC COB LED 조명에 IESNA(illuminating engineering society of north America, 북미조명학회)에서 제정한 도로 조명 배광 표준을 적용한 효율적인 광학 설계를 통해 도로용 LED 가로등의 배광 타입과 배광 좌우 범위를 고려한 광학계 설계를 진행하였다. 설계 시 면광원인 COB LED를 적용하였기 때문에 면광원에서 발산되는 광의 균제도를 높이기 위하여 1차면에서 아이시클 형상을 구현하여 균제도를 증가시키고, 2차면에서 xy polynomial 파라미터의 최적화를 통해 렌즈 설계를 진행하였다. 렌즈 형상을 최적화를 통해 설계한 후 3D 프로그램에서 자유 곡선으로 렌즈 출사외면을 변형시켜가며 최적설계를 하여 목표한 Type II의 배광을 도출했다.
- 설계 시 면광원인 COB LED를 적용하였기 때문에 면광원에서 발산되는 광의 균제도를 높이기 위하여 1차면에서 아이시클 형상을 구현하여 균제도를 증가시키고, 2차면에서 xy polynomial 파라미터의 최적화를 통해 렌즈 설계를 진행하였다. 렌즈 형상을 최적화를 통해 설계한 후 3D 프로그램에서 자유 곡선으로 렌즈 출사외면을 변형시켜가며 최적설계를 하여 목표한 Type II의 배광을 도출했다. 또한 설계 및 시뮬레이션 데이터와 실제 목업(mock-up) 광학계 제작을 통한 실험 측정 결과를 비교하여 설계 및 시뮬레이션의 신뢰성을 확인 및 최적화 된 렌즈 유형의 Type II에 대해 연구하였다.
- 미국 도로 조명 배광 표준인 IESNA[7]에서는 단일 조명에서 나오는 빛의 분포 패턴에 따라 등급을 Fig. 1과 같이 분류하고 본 연구에서는 IESNA에서 제시하는 Type II에 관한 렌즈 설계를 진행하였다. Fig.
- 본 연구는 면광원인 COB LED를 사용하였기 때문에 COB 면적에서 발산되는 광의 균제도를 높이기 위하여 광학계의 first surface를 아이시클 형태로 사용하였다. 내부면은 1차적으로 LED 광원의 광 균제도를 유도하기 위한 것이며, 산과 골이 형성되는 굴곡라인의 형태로 파여진 곡면을 이루되 중심부에 광원인 LED측을 향하는 광 조정 돌기를 포함하고, 원형대칭으로 설계되었으므로 x축 방향 입사 내부면과 y축 방향 입사 내부면 모두에 “(도형)”의 단면 형상을 가진다.
- 외부면을 형성하는 자유곡면은 2차 광 확산을 유도하여 타겟 영역을 넓게 조사할 수 있도록 한 것이며, x축 방향의 외부면은 볼록형 곡면 중심부에 오목 형태의 파인 골을 갖는 “(도형)”의 단면 형상으로, y축 방향 외부면은 “(도형)”의 단면형상으로 설계하였다.
- 앞서 언급한 것과 같이 y변수는 방향으로 odd function, x변수는 even function이므로 x, x3과 같이 x의 홀수차항이 포함된 변수의 계수는 모두 0으로 정의하였다. 결과적으로 표의 내용과 같이 8가지의 값들을 최적화 변수로 지정해주고 mesh merit function을 통하여 최적화를 진행하였다.
- 가로등 렌즈를 설계할 경우에는 설치되는 조건에 따라 다양한 배광 곡선을 필요로 한다. 광학 설계는 앞서 2.2에서 언급한 것과 같이 내부면은 아이시클형의 형상이며, 외부면은 LightTools 프로그램 내의 최적화를 통하여 설계하였다. 앞서 2.
- 이와 같이 설계한 Type II very short의 렌즈 형상에서 양 옆으로 퍼지는 빛의 양은 같고 전방으로 퍼지는 빛의 각도가 커져야하므로 변수 x가 포함된 파라미터는 바꾸지 않고, y가 포함된 파라미터 값만 최적화 변수로 유지 한 채 리시버의 가로 크기를 5 m 거리에서 5 m, 11.25 m, 18.75 m로 변화시켜 최적화를 진행하였다. 이 리시버의 크기는 Type II very short, short, medium의 MH 비율로 각각 좌, 우로 퍼지는 빛의 비율을 증가시키기 위해 정의하였다.
- 이 리시버의 크기는 Type II very short, short, medium의 MH 비율로 각각 좌, 우로 퍼지는 빛의 비율을 증가시키기 위해 정의하였다. 최적화 된 렌즈의 형상을 Solidworks에서 자유 곡면으로 수정하여 Fig. 7과 같이 Type II short, medium 조건에 각각 맞는 렌즈로 최적화시켰다
- 앞서 설계한 Type II 렌즈를 적용한 AC COB LED 조명 시제품을 제작하여 그 성능을 실 측정한 뒤 앞의 시뮬레이션 데이터와 비교하였다.
- 시뮬레이션 시 렌즈 재질에 투과율을 지정할 때 90%의 투과율과 10%의 흡수율로 설정하였고, 또한 목업 제품 LED가 조립될 때 방열판 위에 부착되고 그 위에 렌즈가 올려지는데 렌즈에 반사되고 방열판 방향으로 나가는 빛은 알루미늄 재질의 방열판에 부딪힌 후 산란되어 LED 총광속에 기여하므로 알루미늄은 시뮬레이션 조건에서 Lambertian simple scattering으로 설정하였다. 그 결과 총광속과 조도결과, 최대 광도값에서의 미세한 차이가 있었지만, 가공된 렌즈의 정확한 투과율, 가공성에서 발생할 수 있는 렌즈 표면의 오차로 인해 발생한 오차로 판단하였다.
- 11은 최고광도가 비추는 위치가 원점으로부터 수평방향으로 멀어지면서 조사영역이 어떻게 넓어지는지를 비교한다. 그 결과 본 논문에서는 조명의 배광 그래프와, 평평한 조사면에 입사된 영역을 연관지어 비교함으로서 Type II very short, short, medium의 특징들을 비교하였다.
- 첫째 렌즈 COB LED를 사용하여 면 광원인 LED를 균제도를 높이기 위하여 내부면은 아이시클 형 모양으로 설계하였다. 둘째 렌즈 외부면은 기존의 회전대칭인 광학렌즈와 달리 가로등 조명용 렌즈는 x, y축으로 각각 even function, odd function으로 정의된다.
- 둘째 렌즈 외부면은 기존의 회전대칭인 광학렌즈와 달리 가로등 조명용 렌즈는 x, y축으로 각각 even function, odd function으로 정의된다. 이 함수식 에 맞춰 xy polynomial 변수를 지정해 주어 유한요소해석 프로그램 LightTools 내에서 최적화를 진행하여 렌즈의 base 형상을 결정하였다. 그 후 3D 프로그램 Solidworks 내에서 렌즈 외부면을 자유곡선 으로 수정하여 Type II very short, Type II short, Type II medium 배광을 만족하는 렌즈 데이터를 설계하였다.
- 이 함수식 에 맞춰 xy polynomial 변수를 지정해 주어 유한요소해석 프로그램 LightTools 내에서 최적화를 진행하여 렌즈의 base 형상을 결정하였다. 그 후 3D 프로그램 Solidworks 내에서 렌즈 외부면을 자유곡선 으로 수정하여 Type II very short, Type II short, Type II medium 배광을 만족하는 렌즈 데이터를 설계하였다.
- Type II very short, short, medium이 조사면에 비추는 범위를 조명설치 높이(MH)를 한 칸 단위로 설정하여, 거리를 비교하였다.
대상 데이터
- 5 m 거리에서 가로, 세로 5×5 m로 정의하여 Fig. 6(b)와 같이 기울기를 40° 기울여서 receiver를 생성하여 최적화의 타겟으로 지정하였다.
- 먼저 목업 렌즈의 성능을 평가할 때 사용할 Fig. 10(a)AC COB LED를 제작하였다. AC COB LED는 기존의 전해콘덴서가 있는 SMPS를 사용하지 않고 전력반도체 IC driver를 사용하였다.
- 10(a)AC COB LED를 제작하였다. AC COB LED는 기존의 전해콘덴서가 있는 SMPS를 사용하지 않고 전력반도체 IC driver를 사용하였다. AC COB LED의 소비전력은 최대 180 W까지 구동이 가능하고, 방열 효율을 향상시키기 위해 PCB 외곽 사이즈를 50 mm로 늘렸으며 초기 특성값은 Table 3과 같이 127 lm/W이다.
데이터처리
- 따라서 x축 방향으로 even function로 이루어져 있지만, y축 방향은 odd function으로 정의되어야 가로등에 적합한 배광을 구현할 수 있다. 유한요소해석이 가능한 LightTools 프로그램에서 광 출사외면의 비구면 계수 Type을 식 (3)의 xy polynomial로 설정하여 최적화를 통해 렌즈의 기초 형상을 설계하였다. Cj는 parameter 값의 변수를 뜻한다.
- 4로 range 범위가 점점 늘어나는 것을 확인하였다. 최종적으로 설계 및 시뮬레이션 데이터와 실제 목업 광학계 제작을 통한 실험 측정 결과를 비교하여 설계 및 시뮬레이션의 신뢰성을 확인하였다.
이론/모형
- 2에서 언급한 것과 같이 내부면은 아이시클형의 형상이며, 외부면은 LightTools 프로그램 내의 최적화를 통하여 설계하였다. 앞서 2.3에서 언급한 광학계설계법은 mesh merit function을 이용하였고, Type II very short, short, medium의 MH 비율로 각각 receiver의 거리 및 크기를 지정하였다. 5 m 거리에서 가로, 세로 5×5 m로 정의하여 Fig.
성능/효과
- 3가지 결과 모두 Type II로 전방으로 퍼지는 배광의 각도는 비슷하기 때문에 파란색 선은 25°에서 형성이 되었고, 반면에 very short에서 medium 배광으로 갈수록 110~150°까지 늘어나는 것을 그래프에서 확인할 수 있다.
- Table 4에서 Table 6은 Goniophotometer를 사용하여 AC COB LED 조명 시제품의 조명성능을 측정 후 그 데이터를 앞서 시뮬레이션을 진행했던 데이터와 비교한 표이다. 시제품 성능 측정 결과 목업 렌즈의 성능이 시뮬레이션 데이터와 같이 Type II very short, Type II short, Type II medium을 모두 만족하는 것을 확인하였다.
- 시뮬레이션 시 렌즈 재질에 투과율을 지정할 때 90%의 투과율과 10%의 흡수율로 설정하였고, 또한 목업 제품 LED가 조립될 때 방열판 위에 부착되고 그 위에 렌즈가 올려지는데 렌즈에 반사되고 방열판 방향으로 나가는 빛은 알루미늄 재질의 방열판에 부딪힌 후 산란되어 LED 총광속에 기여하므로 알루미늄은 시뮬레이션 조건에서 Lambertian simple scattering으로 설정하였다. 그 결과 총광속과 조도결과, 최대 광도값에서의 미세한 차이가 있었지만, 가공된 렌즈의 정확한 투과율, 가공성에서 발생할 수 있는 렌즈 표면의 오차로 인해 발생한 오차로 판단하였다.
- 첫째 렌즈 COB LED를 사용하여 면 광원인 LED를 균제도를 높이기 위하여 내부면은 아이시클 형 모양으로 설계하였다. 둘째 렌즈 외부면은 기존의 회전대칭인 광학렌즈와 달리 가로등 조명용 렌즈는 x, y축으로 각각 even function, odd function으로 정의된다. 이 함수식 에 맞춰 xy polynomial 변수를 지정해 주어 유한요소해석 프로그램 LightTools 내에서 최적화를 진행하여 렌즈의 base 형상을 결정하였다.
- TypeII의 range를 유지하기 위해, 기존 렌즈 base 형상에서 변수 x의 값만 수정하며 좌우로 퍼지는 범위를 일컫는 very short, short, medium에 따라서 배광그래프가 어떻게 변하고, 평면 조사면에 입사될 때 좌우로 퍼지는 범위가 변하는 것을 확인하여 비교할 수 있었다. Fig.
- 9에서 각각의 배광이 비치는 영역을 수치화하여 표로 데이터를 작성하였다. 그 결과 그림에서 확인 할 수 있듯이, very short, short, medium으로 변함에 따라, 같은 Type II의 배광이기 때문에 forward 의 비율은 1.9, 2.1, 2.1로 유사한 값을 가지지만, sideward로 비추는 범위는 2.3, 3.1, 3.4로 넓어지는 것을 확인 할 수 있다. 앞서 시뮬레이션 결과 중 Fig.
- 또한 이러한 range 범위에 조사면에 비추어 질 때 조사되는 영역의 넓이를 비교하여 같은 Type II를 가지는 배광이 forward로 뻗어나가는 비율은 1.9, 2.1, 2.1로 유사하였고, 반면에 sideward의 비율은 2.3, 3.1, 3.4로 range 범위가 점점 늘어나는 것을 확인하였다. 최종적으로 설계 및 시뮬레이션 데이터와 실제 목업 광학계 제작을 통한 실험 측정 결과를 비교하여 설계 및 시뮬레이션의 신뢰성을 확인하였다.
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