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경관조명을 위한 800 W급 LED 투광등 개발
정 재 훈*, 권 민 기**,†, 방 광 수*, 김 승 은**, 박 종 락**, 김 영 심***, 정 형 식****
*(주)다스디자인
**조선대학교, 광기술공학과
***조선대학교, SW융합교육원
****조선대학교, 경영학부
Development of 800 W LED Projection Lighting System for Landscape Lighting
Jae Hoon Jung
*, Min-Ki Kwon
**,†, Guang Zhu Fang
*, Seung-Eun Kim
**, Jong-Rak Park
**, Youngshim Kim
***, Hyung-Shik Jung
*****Das Design Co., Gwangju, Korea
**Department of Photonic Engineering, Chosun University, Gwangju, Korea
***SW Convergence Education Institute, Chosun University, Gwangju, Korea
****Department of Business Administration, Chosun University, Gwangju, Korea (Received : Sep. 24, 2019, Revised : Nov. 11, 2019, Accepted : Dec. 20, 2019)
Abstract : In this paper, an 800 W high-power, full-color LED projection lighting system was designed and fabricated for landscape lighting applications. The system has 16×16 full color RBG LED arrays and four channel microprocessors to control the color of each pixel. To collimate the light of an 800 W high-power LED projection lighting system, 395×395 mm Fresnel lens was embedded in the system housing without condenser lens. In addition, the structure of the system was designed to provide heat dissipation and waterproof functions.
The lighting system could project various images consisting of dots, lines, planes, characters, and pictures at a distance of 5 and 10 m. Total luminous flux, electric power consumption, and luminous efficacy were measured to be 20692 lm, 874.8 W, and 23.7 lm/W, respectively.
Keyword : LED lighting, Landscape lighting, Projection system, High power LED, Full-color LED
1. 서 론
1)
LED(Light-Emitting Diode) 조명은 높은 광전 환 효율, 긴 수명, 다양한 색상 구현 등의 장점을 갖 고 있어 전통적인 일반조명의 대체 제품으로 매우 큰 주목을 받고 있다 [1, 2]. 전통적인 일반조명의 중요
†Corresponding Author 성 명 : 권 민 기
소 속 : 조선대학교 광기술공학과
주 소 : 광주 동구 필문대로 309 조선대학교 전 화 : 062-230-7549
E-mail : [email protected]
한 광원 중 하나인 형광 램프는 수은이 포함되어 있어 2020년부터 생산 및 판매가 중지될 계획이며, 이와 함께 국내 전력수요의 폭발적인 증가로 인해 친환경적 이며 절전이 가능한 LED 조명의 필요성이 대두되고 있다 [2, 3]. LED 조명의 도입을 통한 절전효과의 극대화를 위해서는 낮은 소비전력과 높은 광효율을 가 진 제품에 대한 연구 및 개발이 필수적이다.
경관조명의 경우에도 국내 지자체를 중심으로 LED 를 활용한 경관조명 도입이 활발히 이루어지고 있다 [4]. 그러나, 단색의 LED를 이용하여 사물을 비추는 용도로 사용되거나 LED로 나무 등을 감싸는 형태로 만 설치되고 있다. 특히, 나무 등에 감싸는 형태의 경 우 생육에 영향을 미치고 한 번 사용된 LED는 재활 용이 어려워 폐기되고 있는 실정이다.
공학기술논문지 제12권 4호 (2019)
를 통해 점, 선, 면의 패턴 구현이 가능하였으나 픽셀 별 단색 LED 배열과 적은 LED 픽셀 개수(12×9)로 인해 색상이 단조롭고 영상 제어가 매우 제한적인 단 점을 갖고 있었다. 이를 개선하기 위해 본 논문에서는 LED 배열을 16×16으로 확장하고 출력 성능을 800 W급으로 향상시킨 새로운 LED 투광등을 개발하였다.
추가적으로 방수 및 방열 기능을 보강하였다. PCB 기 판을 확장된 LED 배열 구조에 부합하도록 새롭게 설 계하였고, 최신 LED 영상패턴 제어 프로그램의 활용 을 통해 각각의 R, G, B LED를 구동시켜 다양한 영 상 연출이 가능하도록 하였다.
본 논문은 다음과 같이 구성되어 있다. 2장에서는 LED 투광등의 설계 및 제어 방법에 대해 소개하였고, 3장에서는 투광등 시제품의 제작 및 성능 평가에 대해 기술하였다. 마지막 4장에서는 본 논문의 내용을 요약 하였다.
2. LED 투광등의 설계 및 제어
2.1 투광등의 기본 구조 설계
최근 보고된 300 W급 투사형 LED 투광등은 점, 선, 면의 구현에 성공하였지만 적은 개수의 LED와 제 어의 한계로 인하여 다양한 모양, 이미지, 영상의 구 현이 불가능하였다 [7]. 이를 보완하여 개발된 800 W급 LED 투광등은 20 mm 이하 pitch를 가지는 RGB LED 전광판의 구조를 응용하였고, 각각의 LED가 RGB color를 구현할 수 있는 Full Color LED로 선정하였다. LED의 배열은 16×16으로 확장 하여 총 256개의 LED 칩을 사용하였다. 4채널의 전 류 제어 IC를 채택하였고 각 LED를 3 W 이상으로 구동 가능하게 하여 목표 사양인 800 W 이상의 출력 을 내도록 제어하였다.
2.2 투광등의 LED 선정
본 논문에서는 3~5 m 이상의 거리에서도 충분한 시인성을 확보하기 위해 800 W급 이상의 LED 투광 등 개발을 목표로 설정하였다. 출력이 작은 LED를 사 용하는 경우, 배열이 늘어나게 되어 PCB가 커지게 되 고, 방열판의 크기 또한 커지는 문제점이 발생한다.
충분히 큰 출력을 가지고 있으면서도 각 픽셀별 자유 로운 색 구현이 가능한 Cree사의 XLamp-XM-L Color 제품을 사용하였다 [8]. 선정된 LED 내에는 R, G, B, W LED 칩이 내장되어 있지만, 아트웍 및 풀칼라 제어를 위해 R, G, B만을 사용하였다. LED 는 각 2.5 W 이상 제어가 가능하고, R, G, B의 경 우, 1 W의 입력 전력에서 각각 45.7, 87.4, 13.9
LightTools 프로그램을 이용해 시뮬레이션을 수행하 였다. 기존에 개발된 투광등의 경우 10도의 집광 렌즈 를 사용하고 초점거리가 330 mm인 프레넬 렌즈(크 기: 395 × 395 mm2 , 두께: 2 mm)를 사용하였을 때 5 m 거리에서 시인성이 좋은 패턴 형성이 가능하 였다 [9]. 기존 개발된 투광등과 같이 10도의 집광 렌즈를 사용해 256개의 LED를 배열하게 되면 렌즈의 크기에 의해 등기구의 면적이 매우 커지게 된다. 추가 적으로 IC, 저항 등을 배치하게 되면 픽셀 간의 간격 이 더 넓어지게 된다. 컴팩트한 등기구 설계를 위해 16×16 배열 LED의 픽셀 간의 간격을 20 mm 이하 로 결정하였다. 따라서, 집광 렌즈를 이용하여 설계하 는 것은 어렵다고 판단되어, 집광 렌즈 없이 프레넬 렌즈만으로 패턴 구현이 가능한지에 대한 시뮬레이션 을 수행하였다.
Figure 1. LightTools Simulation Layout. (a) 16×16 LED Array, (b) Positions of LED
Array, Fresnel Lens and Receivers Figure 1은 LightTools 시뮬레이션 레이아웃을 보여주고 있다. LED는 Fig. 1(a)와 같이 간격 20 mm를 갖도록 16×16 배열로 배치하였고, Fig. 1(b) 와 같이 LED 배열과 프레넬 렌즈 사이의 거리를 355 mm로 지정하였으며, LED 배열로부터 3 m와 5 m 거리에 리시버를 배치하였다. 프레넬 렌즈는 기존에 개발된 투광등에 사용된 것과 동일한 사양(초점거리:
330 mm)을 갖는 것으로 가정하였고, LED 배열로부 터 5 m 거리에 패턴 이미지가 형성되도록 프레넬 렌 즈를 배치하였다 [9].
Figure 2. LightTools Simulation Results Figure 2는 LED의 배광각을 10도부터 120도까지 변 화시켰을 때 3 m 및 5 m 거리에 형성된 패턴 이미지 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다. LED의 배광각이 120도인 경우가 별도의 집광 렌즈 없이 LED 칩만을 사용하는 경우에 해당한다. 배광각이 커질수록 프레넬 렌즈의 수차에 의해 픽셀 이미지의 크기와 왜곡이 증 가하고 있으나 이미지의 형상 표현은 가능함을 알 수 있다. 또한, 5 m 거리에 이미지가 형성되도록 프레넬 렌즈를 배치하였으나 3 m 거리에서도 5 m 거리의 이 미지와 거의 대등한 이미지가 형성됨을 알 수 있다.
LED 픽셀 간 간격을 20 mm보다 작게 설정하였을 경 우에도 비슷한 경향을 보였다. 시뮬레이션을 통해 일반 적인 LED의 배광각(120도)일 때 집광 렌즈 없이도 패 턴 표현이 가능함을 확인하였고, LED의 휘도가 충분히 밝다면 뚜렷한 패턴의 구현 또한 가능하다고 판단하였 다.
2.4 PCB 제어 방법
본 논문에서 개발하는 LED 투광등은 800 W급의 전 력을 주입해야하기 때문에 EJY사의 1.5 KW SMPS 모 듈을 채용하였으며 [10], LED 개별 제어를 위해 5 V의 출력 전압을 사용하였다.
LED 전광판에 쓰이는 범용의 Macroblock사의 IC들 은 최대 전류가 120 mA이기 때문에 본 개발 제품에는 사용할 수 없다 [11]. 본 논문에서 개발한 투광등에 적 당한 IC는 500 mA까지 전류 제어가 가능해야하기 때 문에 Dongwoon사의 DW3505을 이용하였다 [12]. 추가 적으로 전류 제어를 위해 4채널 제어가 가능한 MBI6024를 사용하였다 [13]. 1개의 MBI6024와 4개의 DW3505를 조합하여 8×8인 64개의 블록으로 구성하였 다.
Figure 3. Drawing of PCB Artwork
2.5 PCB 회로 설계 및 제어 프로그램
Figure 3은 PCB 아트웍의 회로 도면을 보여주고 있 다. 방열 성능 향상을 위해 MCPCB를 사용하였다. 부 품을 상하로 배치해 LED의 간격 및 IC의 공간을 확보 하고자 하였으나 바이어(Via) 형성이 불가능하여 단면 으로 제작하였다. 바이어를 뚫지 못하고 IC와 LED의 겹침 및 배선의 겹침에 의한 작업 공정의 어려움 때문 에 LED 배치 간격을 20 mm로 결정하였고, PCB 크기 는 360 mm × 360 mm로 설계하였다. 각 LED들의 제 어를 통한 점, 선, 면, 캐릭터, 영상 등을 구현하기 위 하여 LED Build 프로그램을 이용하였다 [14]. Figure 4 는 LED Build의 디자인 윈도우를 보여주고 있다.
2.6 방열을 고려한 기구물 디자인
Figure 5는 개발된 제품의 설계 도면이다. 방열을 위해서는 방열판 또는 수냉 쿨러 방식 등을 채용할 수 있다. 수냉 쿨러 방식은 별도의 수냉 쿨러 기구물 등이 필요하여 LED 투광등의 전체 부피를 증가시키며 이동 편의성, 유지 보수 측면에서 단점을 갖고 있기 때문에 제작하는 투광등은 방열판 방식을 선택하였다. 돌기가 있는 구조를 이용하여 표면적을 높였고, 열 싱크(Heat Sink)가 실장 가능하도록 기구물 구조를 설계하였다.
앞서 선정한 LED를 16×16 픽셀로 배열한 PCB 기판 및 SMPS와 원거리 패턴 이미지 형성을 위한 프레넬 렌즈(초점거리: 330 mm)를 설치하였다. 열 싱크, PCB, SMPS, 프레넬 렌즈 등 내부 실장 구성품들의 효과적 인 방수를 위해 실링 구조를 개발하였다. 이를 반영한 Figure 4. LED Build Design Window and Some Designed
Patterns
Figure 5. 3D CAD Drawing of the LED Projection System Developed in This Study
Figure 6. Drawing for Prototype of LED Projection Lighting System
3. LED 투광등 제작 및 성능 평가
3.1 LED 투광등 제작
Figure 7은 본 연구에서 개발되어 제작된 경관조명 을 위한 800 W급 출력을 갖는 LED 투광등의 실제 사 진이다. 좌측 사진을 통해 프네렐 렌즈가 투광등 상면 에 위치되어있음을 알 수 있다. 내부에는 16×16 픽셀 로 배열된 LED가 실장되어 있다. 또한, 우측 사진에서 는 표면적을 높이기 위해 주기적인 요철형 구조가 채 택되었음을 보여주고 있으며, 이를 통해 방열 특성에 대한 고려가 반영되었음을 알 수 있다.
Figure 7. Photographs of the Fabricated 800 W LED Projection Lighting System for Landscape Lighting
다. 전광선속은 제이엔씨테크사의 Spectroradiometer 2M (LMS-800IPT)을 사용하여 측정하였고, 입력전압, 입력 전류 및 소비전력은 Voltech사의 전원 분석기(PM-100) 를 사용하여 측정하였다.
Test Item Measured Value Total Luminous Flux 20692 lm
Input Voltage 220 V Input Current 6 A Power Consumption 874.8 W
Luminous Efficacy 23.7 lm/W Table 1. Measured Characteristics of the 800 W
LED Projection Lighting System
Table 1에 투광등의 전기적, 광학적 특성 측정 결과 를 정리하였다. 전광선속 20692 lm, 입력전압 220 V, 입력전류 6 A, 소비전력 874.8 W, 광효율 23.7 lm/W의 값을 얻었다. 참고문헌 [7]에 보고된 기존의 경관조명 용 LED 투광등의 경우 전광선속 11541 lm, 입력전력 296 W, 광효율 38.9 lm/W의 특성을 보였다. 따라서, 기 존 투광등 대비 입력 전력을 800W 이상으로 높게 주 입할 수 있었고 이로 인해 전광선속을 1.8 배 만큼 크 게 향상시켰다. 그러나 광효율의 경우 기존 투광등 대 비 약 0.6배 수준으로 저하되었다. 이는 LED 배열 및 내부 실장 구성품들의 직접화에 따른 방열 문제에 기 인하는 것으로 판단되며, 추후 방열 효율 증대를 위한 후속 연구 개발이 진행되어야할 것으로 사료된다. 추가 적으로 한국광기술원에 의뢰하여 방수 및 방진 성능을 평가하였다. 시험 평가 결과 IP66의 기준을 만족하고 있음을 확인하였다.
3.3 LED 투광등 패턴 연출
본 논문에서 제작된 LED 투광등의 연출효과 테스트 는 실내, 실외로 구분하여 진행하였다. 실내 테스트의 경우 폐쇄 공간에서 LED 투광등으로부터 5 m 거리의 스크린에 투영된 패턴을 중심으로, 실외의 경우 저녁시 간 야외에서 나무, 건물 외벽 등에 투영된 패턴을 중심 으로 평가하였다. 디자인 분야 전문가 다수를 초청하여 시연 평가를 진행하였으며, 다양한 패턴의 다이나믹한 표현이 가능하고 선명한 원거리 이미지 형성의 장점을 갖고 있으며 완성도 높은 차별화된 투광등으로 향후 문화상품으로서의 발전 가능성이 높다는 평가를 받았 다. Figure 8은 각각 실내와 실외에서 수행된 패턴 연 출 사진이다. 256 픽셀 이상을 사용함으로써 글자는 물 론 다양한 영상의 동적 구현이 가능하였다.
Figure 8. Photographs of Indoor and Outdoor Demonstrations of the 800 W LED Projection Lighting
System
4. 결론
본 논문에서는 경관조명을 위한 800 W급 고출력 LED 투광등을 개발하였다. 투광등에 대한 광학, 기구 및 회로 설계를 수행하였고 투광등 시제품을 제작하였 다. 기존 300 W급 투광등의 12×9/픽셀 별 단색 LED 배열을 16×16/픽셀 별 Full Color LED 배열로 확장하여 출력 향상과 보다 세밀한 이미지 패턴 구현이 가능하 도록 하였다. 또한 프레넬 렌즈를 기구물 내에 내장할 수 있도록 설계하였으며, 돌기 구조를 채용하여 방열 성능을 향상시켰다. 기구물의 효과적인 방수를 위한 실 링 구조를 개발하였으며 IP66 기준 이상의 방수 및 방 진 성능을 만족하였다. 투광등 시제품의 전기적, 광학 적 성능 평가를 수행하였는데, 전광선속과 입력전력은 증가되었으나 광효율은 저하됨을 확인하였다. 향후 방 열 방식 보완 및 방열 효율 개선이 필요한 것으로 판 단된다. 실내 및 실외 시연 평가를 수행하였고 점, 선, 면, 글자, 이미지 등의 다이나믹한 동적 영상 연출이 가능함을 확인하였다. 제작된 800 W급 투광등은 이동, 설치가 용이하고 화려한 조명 연출이 가능하기 때문에 빛 축제, 무대조명, 경관조명, 공공 조명 등으로 활용 가능하다. 또한 광산업분야, IT분야, 디자인분야 등과의 융합을 통해 제한적인 조명산업 시장을 벗어나 다양하 게 활용 가능할 것으로 기대된다.
감 사
본 논문은 산업통상자원부 디자인혁신역량개발사업 으로 지원된 연구결과 입니다(10054112, 인터렉션 디자 인 기반의 경관조명제품 개발).
참고문헌
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14. http://www.huacanxing.com/download/105-en.html, LED Build.
