[논문]3차원 자유곡면식을 이용한 LED 비대칭 렌즈 설계 및 성능 비교 분석

이창수; 이수영; 현동훈

doi:10.7735/ksmte.2017.26.3.328

3차원 자유곡면식을 이용한 LED 비대칭 렌즈 설계 및 성능 비교 분석
Analysis of Performance on Asymmetric LED Lens Design Using Three-Dimensional Free-Form Surface Expression 원문보기

한국생산제조학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.26 no.3, 2017년, pp.328 - 336

이창수 (Graduate School of Knowledge-based Technology & Energy (Opto-Nanotronics), Korea Polytechnic University) , 이수영 (Graduate School of Knowledge-based Technology & Energy (Opto-Nanotronics), Korea Polytechnic University) , 현동훈 (Graduate School of Knowledge-based Technology & Energy (Opto-Nanotronics), Korea Polytechnic University)

Abstract ▼ AI-Helper

The exit surface of a lens is designed using a three-dimensional free-form expression in order to easily modify a curved surface. This enables the design of numerical values and mathematical things using three-dimensional free-form expression, and enhances precision because it can be fine-tuned via numerical control. The standard of "Classification of Luminaire Light Distribution" for outdoor lighting fixtures by IESNA is adopted in order to examine the correlation between three-dimensional free-form surface expression and lighting performance. The variation of light distribution type and range is analyzed using the values of maximum light intensity and 50% light intensity. The actual tolerance occurs owing to parameters such as the thickness of the lens, the distance between LEDs, and the movement of the center of the incident surface; the effects of changes in these parameters on the performance are compared and analyzed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 LED 조명기기에 사용하는 렌즈의 출사면에 3차원 자유곡면식을 이용하여 매개변수 최적화를 통해 비대칭의 자유곡면으로 설계하였고, 북미조명학회(Illuminating Engineering Society of North America, IESNA)에서 제시하고 있는 옥외 조명기구에 대한 배광 분포 분류 시스템의 기준을 이용해 성능을 만족하는 지 확인하였다. 그리고, 제품 조립 시 발생할 수 있는 공차관리를 위해 렌즈 설계 시 여러 변수를 제시하고, 배광 분포의 변화특성을 분석하였다.

제안 방법

본 연구에서는 LED 조명기기에 사용하는 렌즈의 출사면에 3차원 자유곡면식을 이용하여 매개변수 최적화를 통해 비대칭의 자유곡면으로 설계하였고, 북미조명학회(Illuminating Engineering Society of North America, IESNA)에서 제시하고 있는 옥외 조명기구에 대한 배광 분포 분류 시스템의 기준을 이용해 성능을 만족하는 지 확인하였다. 그리고, 제품 조립 시 발생할 수 있는 공차관리를 위해 렌즈 설계 시 여러 변수를 제시하고, 배광 분포의 변화특성을 분석하였다.
본 연구에서는 3차원 자유곡면식을 적용한 별도의 매크로 기능을 이용해 비대칭의 자유곡면을 생성하였고, 매개변수 최적화를 통해 자유곡면을 설계하였다. 이를 LED 조명기기에 사용하는 렌즈에 적용하여, 북미조명학회에서 제시하는 옥외 조명기구에 대한 배광 분포 분류 시스템을 이용해 Type II - Medium 성능을 확인하였다.
본 연구에서는 3차원 자유곡면식을 적용한 별도의 매크로 기능을 이용해 비대칭의 자유곡면을 생성하였고, 매개변수 최적화를 통해 자유곡면을 설계하였다. 이를 LED 조명기기에 사용하는 렌즈에 적용하여, 북미조명학회에서 제시하는 옥외 조명기구에 대한 배광 분포 분류 시스템을 이용해 Type II - Medium 성능을 확인하였다. 또한, 공차 관리 및 설치 조건이 다양한 옥외조명의 특징을 반영해 렌즈에 여러 변수를 제시하였고, 배광 분포의 변화 특성을 확인하였다.

대상 데이터

3차원 자유곡면식을 이용해 최대 광도는 4,276 cd이고, 이때의 수평각은 86°이며, 수직각은 74°인 기준 렌즈를 설계하였다. 북미조명학회에서 제시하는 규격에 대해 2차원의 직각 좌표로 도식화하고, 설계 후 평가에 활용함으로서 Type II - Medium의 배광분포를 가지도록 하였다.
국외에서 요구하는 다양한 배광 분포 중 다소 좁은 도로 폭과 넓은 설치 간격을 만족할 수 있는 배광 분포 타입은 Type II이고, 배광 분포 범위는 Medium인 비대칭의 자유곡면 렌즈를 설계하였다. 렌즈를 설계하기 앞서 광원을 결정할 필요가 있고, 여러 종류의 LED 광원 중에서 COB(chip on board) 타입의 LED를 선정하였으며, COB 타입 LED는 특정되는 영역 내에 수십 개에서 수백개의 small chip을 실장하기 때문에 면광원으로 간주할 수 있다.
국외에서 요구하는 다양한 배광 분포 중 다소 좁은 도로 폭과 넓은 설치 간격을 만족할 수 있는 배광 분포 타입은 Type II이고, 배광 분포 범위는 Medium인 비대칭의 자유곡면 렌즈를 설계하였다. 렌즈를 설계하기 앞서 광원을 결정할 필요가 있고, 여러 종류의 LED 광원 중에서 COB(chip on board) 타입의 LED를 선정하였으며, COB 타입 LED는 특정되는 영역 내에 수십 개에서 수백개의 small chip을 실장하기 때문에 면광원으로 간주할 수 있다.
LED 광원은 지름이 34 mm인 이상적인 원 광원으로 설정하고, 배광 분포는 램버시안 형태이며, 최대 배광각 허용치는 180 °이다. 렌즈의 재료는 PMMA이고, 모든 시뮬레이션에서 총 광속은 10,000 lm으로 적용해 조도 및 광도 값을 비교할 수 있도록 하였다. 렌즈의 형상은 CDF Player에서 간략하게 확인이 가능하고, 렌즈 형상의 구현은 LightTools에서 제공하는 user macro 기능을 이용하였으며, 3차원 자유곡면식을 적용하기 위해 별도의 polynomial macro를 프로그래밍 하였다.

데이터처리

렌즈의 재료는 PMMA이고, 모든 시뮬레이션에서 총 광속은 10,000 lm으로 적용해 조도 및 광도 값을 비교할 수 있도록 하였다. 렌즈의 형상은 CDF Player에서 간략하게 확인이 가능하고, 렌즈 형상의 구현은 LightTools에서 제공하는 user macro 기능을 이용하였으며, 3차원 자유곡면식을 적용하기 위해 별도의 polynomial macro를 프로그래밍 하였다.

성능/효과

광학계는 LED 조명기기에서 요구되는 광학 분포, 조명 제품의 성능 및 형태 등에 따라 렌즈(lens), 리플렉터(reflector), 디퓨져(diffuser) 등의 광학 시스템을 채택할 수 있다. LED 조명기기에서 부품별 발생하는 에너지 손실 중 광학계를 통한 광 손실은 설계 방식에 따라 최고 5 % 이하로 줄일 수 있지만, 평균적으로 약 10~15 %의 광 손실을 보이고 있다. 그렇기 때문에 다양한 부품으로 이루어진 LED 조명기기의 시스템에서, 광학계는 설계 및 최적화 방식에 따라 LED 조명기기의 효율성에 큰 영향을 끼치는 구성 요소 중 하나이다^[4].

후속연구

또한, 공차 관리 및 설치 조건이 다양한 옥외조명의 특징을 반영해 렌즈에 여러 변수를 제시하였고, 배광 분포의 변화 특성을 확인하였다. 종래의 비대칭 자유곡면 렌즈의 설계법을 대체할 수있는 가능성을 확인하였고, 이 후 렌즈 가공 및 제작을 통해 신뢰성을 확보할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED의 배광 분포는 어떠한 조치가 필요한가?	하지만, LED의 배광 분포는 중심광의 세기가 주변광에 비해 상대적으로 강한 형태인 램버시안(lambertian) 형태를 띄고 있고, 직진성이 강하여 눈부심(glare)이 심해 별도의 광학계를 사용하여 광을 제어할 필요가 있다[2,3]. 광학계는 LED 조명기기에서 요구되는 광학 분포, 조명 제품의 성능 및 형태 등에 따라 렌즈(lens), 리플렉터(reflector), 디퓨져(diffuser) 등의 광학 시스템을 채택할 수 있다.
	LED의 시장을 주도하는 방법은 무엇인가?	LED(light emitting diode)는 높은 효율성과 반도체 산업의 대량 생산 기술을 통해 낮은 비용으로 신 광원 시장을 주도하고 있다. 앞으로도 성능 개선에 대한 여지가 상당하고, 전통 조명보다 높은 효율성으로 초기 투자비용이 합리적인 시간 내에 회수가 가능하다[1].
	LED의 장점은 어떠한가?	LED(light emitting diode)는 높은 효율성과 반도체 산업의 대량 생산 기술을 통해 낮은 비용으로 신 광원 시장을 주도하고 있다. 앞으로도 성능 개선에 대한 여지가 상당하고, 전통 조명보다 높은 효율성으로 초기 투자비용이 합리적인 시간 내에 회수가 가능하다[1].

참고문헌 (19)

Bardsley Consulting, SB Consulting, SSLS, Inc., Monica Hansen, and Navigant Consulting, 2015, Solid-State Lighting R&D Plan, DOE SSL Program, Inc., USA.
Kasahara, T., Aizawa, D., Irikura, T., Moriyama, T., Toda, M., Iwamoto, M., 2006, Discomfort Glare Caused by White LED Light Sources, Journal of Light & Visual Environment, 30:2 95-103.

상세보기
Shei, S. C., Lin, N. M., Chang, S. J., Wu, Y. X., 2011, Optical Design of a Freeform Lens based on Multi-Chip-On-Single-Board LED Light Source for 140W Street Lamp, International Journal of Science and Engineering, 1:1 31-33.
Malacara, D., Malacara, Z., 2004, Handbook of Optical Design Second Edition, Marcel Dekker, Inc.,USA.
Sah, J. Y., Park, J. H., 2004, Optical Design of Reflector of Automotive Headlamp, Transaction of the Korean Society of Automotive Engineers, 12:2 190-196.
Ding, Y., Liu, X., Zheng, Z. R., Gu, P. F., 2008, Freeform LED Lens for Uniform Illumination, OPTICS EXPRESS, 16:17 12958-12966.

상세보기
Chen, J, J., Wang, T, Y., Huang, K, L., Liu, T, S., Tsai, M, D., Lin, C, T., 2012, Freeform Lens Design for LED Collimating Illumination, OPTICS EXPRESS, 20:10 10984-10995.

상세보기
Zheng, Z, R., Hao, X., Liu, X., 2009, Freeform Surface Lens for LED Uniform Illumination, APPLIED OPTICS, 48:35 6627-6634.

상세보기
Wang, K., Chen, F., Liu, Z., Luo, X., Liu, S., 2010, Design of Compact Freeform Lens for Application Specific Light-Emitting Diode Packaging, OPTICS EXPRESS, 18:2 413-425.

상세보기
Moiseev, M. A., Doskolovich, L. L., Kazanskiy, N. L., 2011, Design of High-Efficient Freeform LED Lens for Illumination of Elongated Rectangular Regions, OPTICS EXPRESS, 19:S3 225-223.

상세보기
Wang, K., Wu, D., Qin, Z., Chen, F., Luo, X., Liu, S., 2011, New Reversing Design Method for LED Uniform Illumination, OPTICS EXPRESS, 19:S4 830-840.

상세보기
Situ, W., Han, Y., Li, H., Luo, Y., 2011, Combined Feedback Method for Designing a Free-Form Optical System with Complicated Illumination Patterns for an Extended LED Source, OPTICS EXPRESS, 19:S5 1022-1030.

상세보기
Hu, R., Luo, X., Zheng, H., Qin, Z., Gan, Z., Wu, B., Liu, S., 2012, Design of a Novel Freeform Lens for LED Uniform Illumination and Conformal Phosphor Coating, OPTICS EXPRESS, 20:13 13727-13737.

상세보기
Jang, S. W., Jung, B. J., 2013, Design of the Lens Structure for COB type LED Safety Luminaires, Journal of the Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers, 27:8 1-8.
Yang, J. S., 2017, Study on Design Method of a LED Lens with a Single or Multiple Freeform Surfaces for Improving its Luminous Flux, Doctorate thesis, Inha University, Republic of Korea.
IES, 2014, Luminaire Classification System for Outdoor Luminaires, IESNA TM15-11, IESNA, USA.
Lee, M. W., 2014, A Study on Luminaire Characteristic Classification and Applying Installation for Preventing Light Pollution, Doctorate thesis, Kangwon University, Republic of Korea.
Illuminating Engineering Society of North America, 2011, The IES Lighting Handbook Reference and Application, 10th ed, Illuminating Engineering Society of North America.
Hyun, D. H., Noh, M. J., 2013, LED Light Diffusing Lens Using Numerical Formula of Asymetric Free Curved Surface, KR Patent: 10-1343563.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증