[논문]LED를 이용한 수술용 무영등의 회로설계 방안의 연구

천우영; 송상빈; 김기훈; 김진홍; 박정욱

문제 정의

본 연구에서는 HB LED를 이용하여 수술용 무영등에 적합한 LED를 이용한 무영등 제품개발을 하였다. LED 구동회로 및 제어회로, 그리고 LED module을 개발함으로써 수술용 무영등 시스템을 구성할 수 있는 요소들의 기술력을 확보하였다.
의료용으로서의 LED 광원은 많은 장점에도 불구하고 의료기기분야에 크게 알려지지 않은 실정으로 적용사례가 많지 않아 의료용으로서의 장점을 크게 관심 받지 못하고 있다. 본 연구에서는 이러한 LED의 장점을 적용하여 LED를 의료용 조명에 적용하고자 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 조명용 광원으로 사용할 수 있는 HB LED를 이용하여 전원회로, 구동회로, 제어 회로를 구성하여 의료용 조명으로 사용할 수 있는 이동형 수술용 무영등에 대해 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 이러한 LED의 장점을 적용하여 LED를 의료용 조명에 적용하고자 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 조명용 광원으로 사용할 수 있는 HB LED를 이용하여 전원회로, 구동회로, 제어 회로를 구성하여 의료용 조명으로 사용할 수 있는 이동형 수술용 무영등에 대해 연구를 진행하였다. LED 및 구동을 위한 모터를 구동하기 위해서 컴팩트한 크기의 60W급의 Power Supply를 개발하였으며 LED 구동 및 제어를 위한 회로를 개발하였다.

제안 방법

3. 마이크로 컨트롤러와 CMS IC와의 TWI 통신을 통하여 관련 레지스터의 Setting 및 CMS 기능을 위한 Firmware를 구현하여 CMS 기능을 할 수 있는 알고리즘 및 코드를 구현하여 시제품을 제작하였다.
선정된 Driver IC를 이용할 경우 회로의 구성을 간단히 할 수 있어 보다 컴팩트한 사이즈의 회로구현이 가능한 장점을 가지고 있다. 40개의 LED를 10개의 직렬구성으로 구분하고 이를 4개의 병렬구성으로 구분하여 구동하였다. 4개의 Port를 통하여 PWM 신호를 입력으로 받아서 광량이 조절될 수 있는 구동회로를 구현하였다.
40개의 LED를 10개의 직렬구성으로 구분하고 이를 4개의 병렬구성으로 구분하여 구동하였다. 4개의 Port를 통하여 PWM 신호를 입력으로 받아서 광량이 조절될 수 있는 구동회로를 구현하였다. 이에 대한 회로를 그림4에 나타내었다.
구동회로에 PWM 신호를 입력으로 주어서 FET를 Enable 할 수 있는 Gate 신호를 연결하였다. FET가 On 되었을 때 FET로 바로 전원이 인가되지 않도록 Diode를 회로에 추가 하였다. FET의 Pulse 구동에 의해 LED에 Stress가 덜 가해지도록 LED의 전원인가 쪽에 인덕터를 이용하였다.
본 연구에서는 HB LED를 이용하여 수술용 무영등에 적합한 LED를 이용한 무영등 제품개발을 하였다. LED 구동회로 및 제어회로, 그리고 LED module을 개발함으로써 수술용 무영등 시스템을 구성할 수 있는 요소들의 기술력을 확보하였다. LED 무영등에 적합한 LED Array를 구성하고 최적 제어를 하기 위한 구동회로와 마이크로 컨트롤러 및 Sensor를 통한 CMS 기능의 제어회로를 시제품으로 개발 하였다.
LED 구동회로 및 제어회로, 그리고 LED module을 개발함으로써 수술용 무영등 시스템을 구성할 수 있는 요소들의 기술력을 확보하였다. LED 무영등에 적합한 LED Array를 구성하고 최적 제어를 하기 위한 구동회로와 마이크로 컨트롤러 및 Sensor를 통한 CMS 기능의 제어회로를 시제품으로 개발 하였다. 본 연구에서 개발된 LED 무영등 시제품을 시험 및 측정한 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 조명용 광원으로 사용할 수 있는 HB LED를 이용하여 전원회로, 구동회로, 제어 회로를 구성하여 의료용 조명으로 사용할 수 있는 이동형 수술용 무영등에 대해 연구를 진행하였다. LED 및 구동을 위한 모터를 구동하기 위해서 컴팩트한 크기의 60W급의 Power Supply를 개발하였으며 LED 구동 및 제어를 위한 회로를 개발하였다. 시뮬레이션에 의해 기구부의 방열에 대한 설계를 진행하였으며 배광의 형태 및 광조사를 위한 광학설계를 진행하였다.
LED 무영등은 조사 각도와 설치 간격을 수축, 이완을 조절할 수 있는 구조로 설계되었다. LED를 배치하여 시뮬레이션을 진행하여 조도의 분포 및 배광에 대해 파악해 보았다. 그러나 이러한 시뮬레이션의 결과는 광원모듈 자체가 조사각도를 조절할 수 있는 구조를 가지고 있어서 배광과 균제도에 있어서 문제점을 발생하지 않을 것으로 판단할 수 있다.
시뮬레이션에 의해 기구부의 방열에 대한 설계를 진행하였으며 배광의 형태 및 광조사를 위한 광학설계를 진행하였다. 개발되어진 각각의 요소들은 최대한 의사들의 사용 환경을 고려하여 설계되었으며 요구되어지는 사양은 충족되어질 수 있도록 설계와 검증을 진행하였다. 회로설계 부분에 있어서는 LED의 구동방식을 정전류 방식으로 설계하였으며 제어회로는 MicroController를 이용 하여 광량의 조절 및 사용자의 입력을 원활히 반영할 수 있는 회로들로 설계 하였다.
구동회로를 구현하기 위하여 정전류 방식의 Driver IC를 선정하였다. 기능적인 복잡성을 피하기 위하여 안정된 Driver IC를 선정하였다.
구동회로에 PWM 신호를 입력으로 주어서 FET를 Enable 할 수 있는 Gate 신호를 연결하였다. FET가 On 되었을 때 FET로 바로 전원이 인가되지 않도록 Diode를 회로에 추가 하였다.
LED를 이용한 수술용 조명등에 사용되는 60W LED 전원공급장치(SMPS)를 개발하기 위해서는 LED 구동 전압에 맞는 출력 전압 및 전류를 제어하고, 외부에서 발생되는 이상 동작 및 이상 전압․전류가 발생할 경우 전원회로를 보호 할 수 있는 보호회로가 구성되어야 한다. 또한 에너지 효율을 위하여 세계적으로 통상 85%이상의 전원회로에 효율을 규제하고 있으나 고효율을 위하여 60W 전원공급 장치(SMPS)에 높은 효율을 구현하고자 One Stage 방식을 적용하고, DC-DC 부분은 제품의 양산시 가격과 전원회로의 크기를 작게 하기 위하여 Flyback 방식을 이용하여 설계하였다.
LED 및 구동을 위한 모터를 구동하기 위해서 컴팩트한 크기의 60W급의 Power Supply를 개발하였으며 LED 구동 및 제어를 위한 회로를 개발하였다. 시뮬레이션에 의해 기구부의 방열에 대한 설계를 진행하였으며 배광의 형태 및 광조사를 위한 광학설계를 진행하였다. 개발되어진 각각의 요소들은 최대한 의사들의 사용 환경을 고려하여 설계되었으며 요구되어지는 사양은 충족되어질 수 있도록 설계와 검증을 진행하였다.
LED PKG의 열을 제어하지 못하는 경우 발생할 수 있는 문제들로는 수명의 단축, LED 칩의 특성 변화, 주변 부품의 신뢰성의 감소, 온도 변화에 따른 전력 변화 등을 주요한 문제들로 볼 수 있다. 이와 같은 LED PKG의 방열에 대한 문제를 설계 시점부터 반영을 하고자 기구적인 형상을 고려한 시뮬레이션 분석과 실제 개발 제품에 대한 측정을 진행하였다. 이를 그림 2에 나타내었다.
개발되어진 각각의 요소들은 최대한 의사들의 사용 환경을 고려하여 설계되었으며 요구되어지는 사양은 충족되어질 수 있도록 설계와 검증을 진행하였다. 회로설계 부분에 있어서는 LED의 구동방식을 정전류 방식으로 설계하였으며 제어회로는 MicroController를 이용 하여 광량의 조절 및 사용자의 입력을 원활히 반영할 수 있는 회로들로 설계 하였다.

대상 데이터

FET가 On 되었을 때 FET로 바로 전원이 인가되지 않도록 Diode를 회로에 추가 하였다. FET의 Pulse 구동에 의해 LED에 Stress가 덜 가해지도록 LED의 전원인가 쪽에 인덕터를 이용하였다. 전류의 Path는 FET가 On 되었을때 L1을 통과하여 R1+ 쪽을 통하여 LED를 거치게 된다.
구동회로를 구현하기 위하여 정전류 방식의 Driver IC를 선정하였다. 기능적인 복잡성을 피하기 위하여 안정된 Driver IC를 선정하였다. 선정된 Driver IC를 이용할 경우 회로의 구성을 간단히 할 수 있어 보다 컴팩트한 사이즈의 회로구현이 가능한 장점을 가지고 있다.
이는 5W LED를 사용할 경우에 대해 시뮬레이션을 수행한 결과이다. 최종의 제품은 1W LED를 사용하여 개발하였는데 이에 대한 열분포의 측정결과를 그림 2의 오른쪽에 나타내었다. 최대 온도는 35℃로 LED의 특성 변화를 유발하지 않는 열적평형을 유지할 수 있는 온도로 관리할 수 있는 방열설계라고 판단할 수 있다.

성능/효과

1. 다양한 HB LED를 전기적, 광학적 특성을 측정한 결과 LED 무영등에 적합한 LED를 선택하였고 선정된 LED 특성에 적합하도록 동작개수 및 광학적 배치, Array module을 구성 하였다.
2. LED 개수에 맞는 동작전압 및 적정한 전류조건을 찾아서 차후에 전원용 Power supply 개발에 유용한 조건을 찾을 수 있었다. 개발된 구동회로에 있어서 LED 구동전류는 350mA, 소비전력은 50W, 조도는 20,000 lux 이었다.
4. 차후 디자인 변경을 고려한 대처가 가능하도록 시제품이 설계되어서 연동부분에 대한 제어회로 구현에 가능성을 구현하였다.
LED 개수에 맞는 동작전압 및 적정한 전류조건을 찾아서 차후에 전원용 Power supply 개발에 유용한 조건을 찾을 수 있었다. 개발된 구동회로에 있어서 LED 구동전류는 350mA, 소비전력은 50W, 조도는 20,000 lux 이었다.
LED를 배치하여 시뮬레이션을 진행하여 조도의 분포 및 배광에 대해 파악해 보았다. 그러나 이러한 시뮬레이션의 결과는 광원모듈 자체가 조사각도를 조절할 수 있는 구조를 가지고 있어서 배광과 균제도에 있어서 문제점을 발생하지 않을 것으로 판단할 수 있다.

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

LED를 이용한 수술용 무영등의 회로설계 방안의 연구
Development of LED Operating Light 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

LED를 이용한 수술용 무영등의 회로설계 방안의 연구 Development of LED Operating Light 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

LED를 이용한 수술용 무영등의 회로설계 방안의 연구
Development of LED Operating Light 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper