Investigation of the Angular Distribution of Luminous Intensity in the Symmetric Optical System of a COB LED High Bay

ISSN 2283-4846(Online) / ISSN 2233-6036(Print)

COB LED High Bay 대칭형 광학계의 배광각에 관한 연구

Investigation of the Angular Distribution of Luminous Intensity in the Symmetric Optical System of a COB LED High Bay

Kyung-Sun Yoo^a*, Chang-Soo Lee^a, Dong-Hoon Hyun^a

a Course for Knowledge-based Technology(Opto-Nanotronics), Korea Polytechnic University, 237, Sangidaehak-ro, Siheung-si, Gyeonggi-do, 429-793, Korea

ARTICLE INFO ABSTRACT

Article history: We have studied a chip-on-board LED lighting optical system for various luminous-intensity-distribution angles of the LED. An optical system that can accept different LEDs was made to reduce the systems’s weight and size as we selected the chip-on-board LED, which is easy to apply to optical systems, unlike existing package-on-board LEDs. The luminous-intensity-distribution angles were 45°, 60°, 90°, and 120°. We researched these four types of optical systems. The 45° and 60° units were developed into reflectors, and the 90° and 120° units, into lenses. We checked the performance of the designed optical system through simulation and made a mock-up. Then we made a prototype of the chip-on-board LED high bay for use with the mock-up. After measuring its performance, we tested the luminous-intensity-distribution angles and compared them with simulation data. The resulting prototype was developed considering brightness, light uniformity, age, and economics which are suitable for a factory environment.

Received 3 November 2014 Revised 2 December 2014 Accepted 11 December 2014

Keywords:

Chip on board LED LED Light

High bay light

Symmetric optical system

Luminous intensity distribution angle Pattern reflector

* Corresponding author. Tel.: +82-31-8041-1784 Fax: +82-31-8041-1786 E-mail address: [email protected] (Kyung-sun Yoo).

1. 서 론

LED는 차세대 조명으로써 주목 받는 소자이다. 현재 LED를 여 러 조명 분야에 적용하기 위한 연구가 진행되고 있는데, 그 중에서 도 기존의 메탈할라이드(Metal Halide), 고압 나트륨 공장등을 LED High Bay 조명으로 교체하고자 하는 수요가 높아 이 분야에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 기존의 공장등은 조명 높이가 다양하여 그에 따라 메탈할라이드 250 W급, 400 W급, 1 kW급 등을 주로 사용하고 있다. 하지만 기존 공장등의 경우 반사갓으로 60° 배광각 만을 이용하고 있어, 층고가 높고 등 간격이 먼 장소에

서는 등 사이에 암부가 생겨 작업 안전상에 문제[1]가 많다. 따라서 광균일도를 만족하면서 다양한 배광각을 가지는 초정밀 광학부품 을 개발해야 한다.

또한 현재까지 개발된 메탈할라이드 대체 LED High Bay 조 명은 POB (Package on Board, 표면실장형) 1~3 W급 LED Module을 PCB에 수십에서 수백 개 어레이(Array)해서 LED 광 원을 제작하여 LED 조명기구를 만드는 기술이 일반적인 기술인 데, 그에 따른 방열기구의 무게가 많이 나가 천장 구조물에 하중 부담을 주어 붕괴 위험이 있었다^[2].

본 논문에서는 다양한 LED 조명 배광각을 갖는 COB (Chip on

Fig. 1 Luminous intensity distribution pattern of the POB LED

Fig. 2 LED light of POB type

Fig. 3 COB LED module (CLL052) Board) LED 조명용 광학계를 연구하였다. 광학계에 적용하는

LED는 기존의 POB LED가 아닌 광학계 적용이 용이한 COB LED로 선정하여 조명의 전체적인 무게와 크기를 감소할 수 있게 하였다.

기존의 공장에 암부가 발생한 원인은 단순한 배광을 공장 상황을 고려하지 않고 설치하여 등 사이에 간격이 먼 경우 그 사이에 암부 가 발생하였다. 하지만 본 논문에서는 배광각이 45°, 60°, 90°, 120°인 4개의 공장등을 연구하여 공장의 등 설치 환경에 따라 적 용군을 다르게 하는 방식으로 암부의 최소화가 가능하게 하였다.

이 중 45°, 60°는 반사체(Reflector)형, 90°, 120°은 렌즈(Lens)형 으로 개발하였다.

본 개발 광학계는 광학 설계 후 광학 성능을 시뮬레이션(Simula- tion)을 통해 확인 한 뒤에 광학계 Mock-up을 제작하였다. 제작한 광학계 Mock-up을 적용한 COB LED High Bay 시제품을 제작 하여 조명 성능을 측정 후 배광각을 시뮬레이션 데이터와 비교·실 험하였다. 본 개발 COB LED High Bay 시제품은 공장 조명 환경 에 맞춘 밝기, 광균일도, 수명, 경제성 등을 고려하여 개발하였다.

2. 광원 선정

LED 조명의 광원을 시대별로 보았을 때, 0세대 LED 조명은 포탄형 LED, 1세대 LED 조명은 POB형 LED, 2세대 LED 조 명은 COB형 LED로 나눌 수 있다. 기존 LED High Bay 조명은 POB 1~3W급 LED 모듈(Module)을 PCB에 어레이해서 LED 광원을 제작하여 LED 조명기구를 만드는 기술이 일반적인 기술 이었으나, POB LED의 배광패턴은 Fig. 1과 같이 램버시안 (Lambertian)이므로 중앙은 밝고 주위는 어두워 기존 메탈할라이 드 반사갓을 그대로 사용할 경우 조명 효율이 떨어진다. 또한 LED 간의 빛 간섭으로 인한 광균일도 문제^[3]와 LED 광원의 직진성에 따른 눈부심 문제가 발생하는데 이를 해결하기 위한 광학계를 적용 하기 위해서는 Fig. 2와 같이 각각의 LED에 직접적으로 광학계를 적용해야 한다. 또한 대부분의 POB형 조명은 다수의 LED를 사용 함에 따른 고열을 처리하기 위해 다이캐스팅 히트싱크(Diecasting Heatsink) 및 케이스(Case) 일체형을 사용하는데 무게가 많이 나 가 천장 구조물에 하중 부담을 주어 붕괴 위험이 있으므로 방열 무게 및 방열 최적화가 필요하다.

본 연구에서는 광원으로 기존의 POB LED가 아닌 COB LED 를 사용하였다. COB LED는 일정 면적의 PCB 위에 LED 칩 (Chip) 수 십에서 수백 개를 일정한 배열로 직접 부착한 소자 표면 부착기술로서 열저항을 최대한 낮추고, 조명에서 원하는 면광원을 구현하기 위한 조명용 LED이다. COB LED는 기존 POB형 LED 패키지보다 작은 크기로 최고 200W의 고출력이 가능하고, 광학계

적용이 용이하며, 모듈의 사이즈가 작아지면서 적용하는 히트싱크 의 크기도 작아지게 된다. 최종적으로 LED 조명의 소형화 및 경량 화가 가능하다. 본 논문에서 사용한 COB LED는 Fig. 3의 일본 Citizen사의 CLL052을 사용하였다. Table 1은 CLL052의 사양 을 정리한 표이다.

Table 1에서 CCT(Correlated Color Temperature)는 상관색온

Luminous flux (lm)

CCT (K)

CRI (Ra)

Test current

(mA)

Power (W)

Efficacy (lm/W)

14,000 5,000 65 1,700 100 140

Table 1. CLL052 material properties

(a) 45° (b) 60°

Fig. 4 Reflector of aspherical pattern

Design specification Aspherical coefficients

1/cv 17.192

cc -1.3

Table 2 Reflector specification

(a) 45°

(b) 60°

Fig. 5 Pitch and depth of the pattern

Angle Pitch (mm) Depth (mm)

45° 4.0 0.3

60° 6.0 1.3

Table 3 Pattern specification 도로 광원의 색도 좌표를 나타내는 점에 가장 가까운 완전 방사체

(흑체) 궤적상의 점에 대응하는 색온도를 말한다. CRI (Color Rendering Index)는 연색성으로 색을 인식하는 시각적 환경이 얼 마나 태양광과 유사한지 숫자로 나타낸 지표로 100에 가까울수록 자연광과 유사해진다^[4].

3. 광학계 설계 및 시뮬레이션

3.1 광학계 패턴 설계

COB LED는 적절한 조명제품으로 사용하기 위해 면광원 고유 의 램버시안 배광을 추가적인 광학렌즈를 사용하여 배광제어를 하 는데 이러한 광학계 적용 시 광원으로 사용되는 불연속의 칩 마운 팅(Chip Mounting)에 의한 불안정한 칩 구조에 의해 국소적으로 색좌표를 변형시키는 문제를 유발하게 되어 색 분리 현상이 발생되 는 문제점이 있다. 특히, 빛이 조사되는 조사면에 광 분리되어 패턴 이 형성되거나 분산 패턴 또는 띠무늬 패턴 등이 형성되는 문제점 이 발생되고, 이러한 COB LED를 적용하는데 따른 기술적 어려움 이 크다. 이러한 색 분리 현상을 해결하기 위해서 본 연구 광학계에 는 삼각함수형의 교차 파동 패턴(Trigonometric Cross-wave pattern)^[5-7]을 적용하였다. 그 수식은 다음과 같다.

   ^  ^ ^

^ _^_^_^

_^⋯_sin_ sin _ (1)

여기서, Z는 비구면 표면함수^[7]이고, cv는 면의 곡률, cc는 원추 계수이다. as2, as3, as4, as5는 비구면 계수이며, 원추곡면에서 벗 어난 정도를 의미한다. D1는 교차 파동 패턴 깊이(Depth), H1는 교차 파동 패턴 주기이다. 여기서 LED 패키지의 불연속 칩 마운팅 주기를 L1이라 하였을 때, 식 (2)와 식 (3)을 만족시킬 수 있도록 형성되는 것이 본 교차 파동 패턴의 특징이다.

 _  정수 (2)

_ _  ⋯

_ _  ⋯ (3)

3.2 반사체 설계

본 연구에서 목표로 하는 배광인 45°, 60°, 90°, 120° 중 60°

이하의 광학계는 반사체를 적용하여 배광을 구현하였다. 반사체 광 학 설계는 LightTools를 사용하였고, 반사면은 알루미늄(Al, 반사 율 87%)으로 선정하였다. 반사체 비구면에 빛 분리 현상을 방지하 기 위해 Fig. 4와 같이 교차 파동 패턴을 적용하였다. 패턴의 피치

Condition Value

LED flux 14,000 lm

Reflector reflectance 87%

Receiver distance 5 m

Receiver size 12 m × 12 m

Ray quantity 50,000,000

Table 4 Simulation conditions

Fig. 6 LightTools applied LED

Fig. 7. LightTools simulation

(a) 45°

(b) 60°

Fig. 8 Luminous intensity distribution pattern (Pitch)와 깊이의 차이에 따라 배광의 각도가 달라지기 때문에, 피

치와 깊이의 간격에 달리하여 여러 배광각을 시뮬레이션 한 결과, 45°와 60°의 배광각을 갖는 패턴 반사체를 설계하였다. Table 2는 본 비구면 반사체의 계수 값이다. 본 반사체에 적용된 교차 파동 패턴은 Fig. 5와 같이 배광각 45°는 간격 4.0 mm, 깊이 0.3 mm이 고, 배광각 60°는 간격 6.0 mm, 깊이 1.3 mm이다. Table 3은 각도별 적용된 패턴의 간격과 깊이를 정리한 표이다.

3.3 반사체 광학 시뮬레이션

설계된 비구면 패턴 반사체를 앞에서 선정한 COB LED와 맞 추어 광학 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션은 Table 4의 조건으로 실시하였으며, 반사체의 재질은 알루미늄으로 설정하 였다.

본 시뮬레이션의 광원으로는 Fig. 2의 CLL052 COB LED를 사용하였다. CLL052의 칩 간격은 0.6 mm × 0.05 mm로 Fig.

6과 같이 LightTools에서 광원을 배치하여, Fig. 7의 3D로 설계한 광학계를 적용하여 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션 결과 Fig. 8과 같이 방사각 45°와 60°를 갖는 배광곡선을 확인할 수 있 다. Fig. 9 (a)는 45°의 반사체를 적용하였을 때, 12 m × 12 m 크기의 일정 조사면에 5 m의 높이에서 비친 조도분포도로 방사되 는 광선 경로를 직교좌표 형태로 나타내었으며 중심광 504 lux인 것을 확인하였다. Fig. 9 (b)는 60°의 반사체를 적용하였을 때, 12 m × 12 m 크기의 일정 조사면에 5 m의 높이에서 비친 조도분포도 로 중심광 357 lux인 것을 확인하였다.

3.4 렌즈 설계

배광각 90°, 120°인 광학계는 렌즈 광학계를 사용하였다. 렌즈 설계는 LightTools를 사용하였고, 렌즈의 재질은 PMMA (Poly- methyl methacrylate)를 사용하였다. 설계 렌즈는 빛을 제어하기 위해 렌즈 내측 비구면의 빛을 Collimating하고 바깥측 비구면으 로는 빛을 확산시켜 빛의 균일성을 확보하는 것을 기본으로 하여

(a) 45°

(b) 60°

Fig. 9 Illuminance chart

(a) 90° (b) 120°

Fig. 10 Aspherical lens

Design specification

90° 120°

ASP1 ASP2 ASP1 ASP2

1/cv 27 2.208 1.863 40.5

cc -0.5 -1.2 -1.35 -0.80

as2 2.00000e-6 -3.57169e-4 2.0525e-4 -2.1541e-5 as3 - 2.69815e-7 2.9728e-7 1.0437e--8 as4 - 9.18228e-10 -1.6978e-10 -4.8335e-12 as5 - -1.58837e-12 3.4747e-14 1.7518e-15

as6 - - -6.2629e-19 -2.3178e-19

as7 - - -4.0429e-23 -6.1045e-24

Table 5 Lens specification

Condition Value

LED flux 14,000 lm

Lens transmittance 100%

Receiver distance 5 m

Receiver size 90° : 20 m × 20 m 120° : 37 m × 37 m

Ray quantity 50,000,000

Table 6 Simulation conditions

렌즈를 설계하였다. 렌즈 구조는 렌즈의 내측 중심부분에 아이시클 (Icicle)[9]과 같은 광조정돌부를 형성시킨 좌우 대칭구조이며, 비 구면으로 형성되어 있다.

본 렌즈 설계 수식으로 식 (4)의 에너지 Intensity 함수인

__으로 시작한다. 여기서 sr은 스테라디안(Steradian)이고,

_는 _지점에선의 발산되는 램버시안 배광의 Max 수치이다.

__는 PSF (Point Spread Funtion)이다.

__ ⇒ _∗ __ (4)

식 (4)의 를 원형의 광원으로 확장시키면 아래의 식 5로 표현된다. 여기서 는 평면 리시버에서의 광분포함수이다.

 ⇒_^_^{ (5)}

이 아이시클 부분이 각 필드별로 LED의 발산광에 대해 내부 반 사(Reflection)와 굴절(Refraction)의 동시작용을 유도하고, 아이 시클과 연결되는 오목면은 LED의 발산광에 대해 굴절시킴으로써 LED의 발산광을 면광원이 되게 고르게 광 확산시키도록 조정하게 된다.

렌즈의 외부는 아이시클 비구면 내면을 통해 광확산 및 광 조정된 상태의 LED 광원을 앞방향으로 투과시켜 빛을 보내는 기능을 담당 하게 되는데, 반사체와 마찬가지로 삼각함수형의 교차 파동 패턴을 렌즈 표면에 적용하여 색 분리 현상을 해결하였다. 여기서 120°의 배광각을 구현하기 위해 외부의 형상을 낮은 반구형의 구조로 형성 하고 렌즈의 중심부분을 완만하게 함몰시켜 광확산을 유도하였는데 그 결과 렌즈의 색분리 현상이 개선되어 120°의 렌즈에서는 패턴을 제거하였다. Fig. 10은 배광각이 90°, 120°인 광학렌즈의 모습이고, Table 5는 본 비구면 렌즈들의 계수 값이다. 3.5 렌즈 광학 시뮬레이 션 설계된 비구면 렌즈를 COB LED와 맞추어 광학 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션은 Table 6의 조건으로 실시하였다.

시뮬레이션 결과 Fig. 11과 같이 방사각 90°와 120°를 갖는 방 사패턴 그래프를 확인할 수 있다. Fig. 12(a)는 90°의 렌즈를 적용 하였을 때, 20 m × 20 m 크기의 일정 조사면에 5 m의 높이에서 비친 조도분포도로, 중심광 106 lux인 것을 확인하였다. Fig.

(a) 90°

(b) 120°

Fig. 11 Luminous intensity distribution pattern

(a) 90°

(b) 120°

Fig. 12 Illuminance chart

(a) Reflector of 45° (b) Reflector of 60°

(c) Lens of 90° (d) Lens of 120°

Fig. 13 Mock-up of optical system 12(b)는 120°의 렌즈를 적용하였을 때, 37 m × 37 m 크기의 일정

조사면에 5 m의 높이에서 비친 조도분포도로, 중심광 49.9 lux인 것을 확인하였다.

4. 실험 결과

4.1 광학계 Mock-up 제품 제작

설계 및 시뮬레이션을 통해 검증된 데이터를 토대로 Fig. 13의 광학계 Mock-up을 제작하였다. 광학계 Mock-up은 직가공 방식 으로 제작되었으며, 초정밀 가공장비인 DTM (Diamond Turning Machine)^[9]을 통해 표면정도 1 μm의 정삭 가공을 진행하여 신뢰 할 수 있는 광학적 성능을 확보하였다. 비구면 반사체와 비구면 렌 즈 모두 소재는 PMMA로 가공하였으며, 비구면 반사체는 반사면 에 알루미늄 증착 코팅을 하여 시뮬레이션 상의 데이터와 동일한 87%의 반사율을 확보하였다.

4.2 COB LED High Bay 시제품 제작

앞서 제작한 광학계를 적용한 COB LED High Bay 시제품을

제작하여 광학계의 실제 성능을 분석하였다. 먼저 COB LED의 방열을 위한 히트싱크를 제작하였는데 비구면 반사체의 크기와 비 구면 렌즈의 크기가 서로 다르기 때문에 Fig. 14와 같이 두 가지 타입의 Haetsink를 제작하였다. 히트싱크의 성능은 측정결과 Tc

(a) Heatsink of reflector type (b) Heatsink of lens type Fig. 14 Heatsink

(a) Canopy (b) Waterproof ring

(c) Reflector cover (d) SMPS Fig. 15 Major parts of LED high bay

(a) High bay of reflector type(45°) (b) High bay of reflector type(60°)

(c) High bay of lens type(90°) (d) High bay of lens type(120°) Fig. 16 Prototype of COB LED high bay

(a) 45°

(b) 60°

(c) 90°

(d) 120°

Fig. 17 Light source shape of COB LED high bay 온도 70°C를 확인하였다. 그 외의 부속품으로는 3D 프린터를 사 용하여 Fig. 15(a)의 Canopy를 제작하였고, COB LED High Bay 방수를 위해 전면에는 Fig. 15(b)의 자체 설계 제작한 방수링 을 적용하고, 후방부에는 상용품인 케이블 그랜드를 적용하여 완벽 한 방수를 실현하였다. 또한 반사체의 안전한 조립과 커버 역할을 해줄 수 있는 Fig. 15(c)의 반사체 커버와 Fig. 15(d)의 100W급의 스위칭 회로를 이용한 전원공급장치를 조립하여 최종적으로 Fig.

16의 COB LED High Bay 시제품을 제작하였다.

4.3 COB LED High Bay 조명 성능 측정

Fig. 17은 제작된 COB LED High Bay에 전원을 공급했을 때 실제 육안으로 확인한 그림이다. 그림과 같이 색 분리 현상으로 인 한 패턴이 보이지 않는 것을 확인하였다.

Table 7은 COB LED High Bay를 고니오포토미터(Goniopho-

(a) Simulation of 45° (b) Measurement data of 45°

(a) Simulation of 60° (b) Measurement data of 60°

(a) Simulation of 90° (b) Measurement data of 90°

(a) Simulation of 120° (b) Measurement data of 120°

Fig. 18. Luminous intensity distribution pattern of prototype Light

Distribution Angle

TotalLum (㏐)

Light Efficiency

[㏐/W]

Source Volt

[V]

Source Current [A]

Source Watt

[W]

45° 13,504 125.76 220.04 0.488 107.38 60° 13,251 123.97 219.93 0.486 106.89 90° 14,299 132.47 219.84 0.491 107.94 120° 13,442 126.53 219.95 0.483 106.24

Table 7 Measurement data of LED high bay tometer)^[10]를 사용하여 측정한 데이터이고, Fig. 18은 측정 배광 그래프이다.

배광 그래프를 조명 시뮬레이션 상의 방사 패턴 그래프와 비교하 였을 때 동일한 배광 형태와 동일한 배광각을 구현하였다. 이로써 연구 광학계가 목표한 45°, 60°, 90°, 120°의 배광각을 모두 달성 한다는 것을 확인하였다.

5. 결 론

본 논문에서는 다양한 LED 조명 배광각을 갖는 COB LED 조 명용 광학계를 연구하였다.

연구 배광각으로 45°, 60°, 90°, 120°를 목표로 삼았으며 이 중 45°, 60°는 반사체 형, 90°, 120°은 렌즈형으로 개발하였다. 광학 계 설계 과정에서 COB LED와 광학계 사이에서 발생할 수 있는 색 분리 현상을 반사체와 렌즈의 표면에 삼각함수형의 교차 파동 패턴을 적용하여 해결하였다.

또한 비구면을 사용하여 목표한 배광각을 구현하면서 광균일도 를 이룰 수 있는 이상적인 배광패턴을 가진 광학계를 설계하였다.

시뮬레이션을 통해 광학계의 성능을 확인하였고, 광학계 Mock- up을 제작하였다. 광학계 Mock-up을 적용한 LED High Bay 시 제품을 제작하여 조명 성능을 측정 후 배광각을 시뮬레이션 데이터 와 비교·실험한 결과 조명 시뮬레이션 상의 방사 패턴 그래프와 동 일한 배광 형태와 동일한 배광각을 보였다.

본 LED High Bay 시제품을 다양한 배광의 구현이 가능함에 따라 공간 시뮬레이션을 통해 맞춤형 설치가 가능하며, 제작 시 기 존의 POB형 조명이 아닌 COB LED를 적용한 High Bay를 제작 함으로서 LED 히트싱크의 크기가 줄었으며, 그에 따른 조명 전체 의 무게가 감소하였다. 더불어 한 개의 모듈과 한 개의 광학계를 사용함으로서 부품의 간소화에 따른 가격 경쟁력이 향상될 것으로 예측되어 앞으로 시장에 적용성이 용이할 것이다.

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