경관조명을 위한 300 W급 LED 투광등 개발
권 민 기1, 방 광 수2, 정 재 훈2, 안 재 현3,4, 김 영 심5, 정 형 식5, 박 종 락1,†
1조선대학교, 광기술공학과
2(주)다스디자인
3(주)엘이디팩토리
4전남대학교, 전기공학과
5조선대학교, 경영학부
Development of 300 W LED Projection Lighting System for Landscape Lighting
Min-Ki Kwon
1, Guang Zhu Fang
2, Jae Hoon Jung
2, Jae Hyun Ahn
3,4, Young-Shim Kim
5, Hyung-Shik Jung
5, Jong-Rak Park
1,†1Department of Photonic Engineering, Chosun University, Gwangju, Korea
2Das Design Co., Gwangju, Korea
3LED Factory Co., Gwangju, Korea
4Department of Electrical Engineering, Chonnam National University, Gwangju, Korea
5Department of Business Administration, Chosun University, Gwangju, Korea (Received : Nov. 20, 2016, Revised : Dec. 19, 2016, Accepted : Dec. 23, 2016)
Abstract : In this paper, a 300 W LED projection lighting system for landscape lighting applications was designed and fabricated. Detailed descriptions of the system design were given. Optical and electrical characteristics of the fabricated system, including total luminous flux, luminous efficacy, electric power consumption, and viewing angle, were measured. Future plans for utilizing and commercializing the developed system were presented.
Keyword : LED lighting, Landscape lighting, Projection system
1. 서 론
3)
LED(Light-Emitting Diode)는 친환경적이고 에 너지 절감이 가능한 장점 때문에 응용 분야 및 적용 시 장이 확대되고 있다 [1,2]. 광추출 효율 향상기술 등 광 효율 증대 관련 신기술을 적용한 고휘도 풀컬러 LED 기술의 개발로 능동형 중심의 경관조명에 대한 관 심이 증대하고 있다 [3,4]. 조명용 LED 광원은 조명 설계를 통해 다양한 조명 디자인 및 연출이 가능하여 설치장소 및 용도가 점차적으로 증가하고 있는 추세이
†Corresponding Author 성 명 : 박 종 락
소 속 : 조선대학교 광기술공학과
주 소 : 광주 동구 필문대로 309 조선대학교 전 화 : 062-230-7036
E-mail : [email protected]
다 [5]. LED 조명 설계는 기구 및 광학 설계, 방열 설 계 등을 포함 한다 [6].
국내 지자체를 중심으로 LED를 활용한 경관조명 도 입이 활발히 이루어지고 있으나, 빛 축제 등에 사용되 는 LED 조명 중 상당수는 LED로 나무 등을 감싸는 형태로 설치되어 나무 등의 생육에 영향을 미치며 한 번 사용된 LED는 재활용이 어려워 폐기되고 있는 실정 이다. LED 투광등이 사용되는 경우에도 단색 LED 투 광등이 대부분 활용되고 있다. 본 연구에서는 이러한 일회성으로 사용되고 폐기되는 LED 경관 조명과 단색 LED 투광등의 단조로운 경관 조명의 문제점을 해결하 고자 3색의 패턴 가변형 LED 투광등을 개발하였다.
본 논문은 다음과 같이 구성되어 있다. 2장에서는 LED 조명 설계 과정에 대해 상세히 소개하였고, 3장 에서는 제작된 시제품의 특성 평가 결과에 대해 기술하 였다. 마지막 4장에서는 본 논문의 내용을 요약하여 정 리하고 향후 연구 계획에 대해 서술하였다.
2. LED 투광등 설계 2.1 풀컬러 LED 선정
본 연구에서는 5 m 이상의 거리에서도 충분한 시인 성을 확보하기 위해 300 W급 이상의 LED 투과등 개 발을 목표로 설정하였다. 출력이 작은 LED를 쓰게 되 면 배열이 늘어나게 되어 PCB(Printed Circuit Board)가 커지게 되고 따라서 방열판의 크기 또한 커 지게 되는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 본 연구 에서는 Cree 사의 3 W급 R, G, B LED인 XPEBRD-L1-0000-00501, XPEBGR-L1-0000-00A01, XPEBBL-L1-0000-00Y01을 선택하였다.
300 W급이 되도록 설계하기 위해서는 R, G, B 36 개씩 총 108개의 LED가 필요하다. Cree 사의 LED 에 대한 기술 자료를 바탕으로 각각 LED에 2.78 W의 입력 전력이 공급되게 될 경우 개별 R, G, B LED의 전광선속은 각각 140 lm, 160 lm, 62 lm, 총 전광선 속은 13,000 lm이 될 것으로 예측되었다 [7]. LED의 전광선속은 온도에 따라 급격하게 떨어지기 때문에 등 기구의 온도를 50 ℃ 이하로 유지하는 것이 매우 중요 하다 [7].
SMPS(Switching Mode Power Supply)로는 투 광등의 RGB LED 배열을 통해서 3직렬 구동이 가능 하도록 9 V이상의 전압 주입이 가능한 상용 제품들을 검토하였는데, 전류 구동이 가능하고 방수가 가능하도 록 하기 위해 IP65 이상의 제품인 HLG-32H-15A 모 델을 선정하였다.
Figure 1. LED Module Sub PCB Artwork 2.2 PCB 및 제어 방법 설계
각각 RBG 36개씩 108개를 실장할 수 있는 PCB 기판을 설계하였다. 4×3 ~ 4×9 RBG 패턴을 구현할 수 있도록 색상별 3 직렬 × 12 병렬로 구성하였고 R/G/B는 3개씩 line으로 on/off 제어할 수 있도록 설 계하였다. 또한 회로는 LED Driver IC(LM317)를 활용한 정전류 회로를 구성하였다. Figure 1과 2는 각 각 PCB 도면과 LED 구동 회로를 보여주고 있다.
Figure 2. LED Driving Circuit 2.3 PCB 방열 설계
투광등 LED의 수명 및 효율을 최적화하기 위하여 방열 설계를 진행하였다. ANSYS 열 해석 프로그램을 활용하였고 일반적으로 사용하는 FR-4 PCB 및 MCPCB(Metal Core Printed Circuit Board)를 비 교하였다. 앞서 기술한 바와 같이 LED의 광휘도 저하 를 최소화하기 위해서는 50 ℃ 이하로 온도를 낮추는 것이 중요하다 [7]. 열 해석 시뮬레이션을 통해 FR-4 를 적용하였을 때, LED 표면의 온도가 80 ℃ 이상 크 게 올라가는 것을 확인하였다. 이를 개선하기 위하여 금속 기반의 MCPCB에 LED를 실장한 경우에 대한 열 해석 시뮬레이션을 수행하였는데, 이 때, LED 표면 의 온도가 기존에 비해 20 ℃ 이상 크게 낮아져 50 ℃ 에 근접할 수 있음을 확인하였다. Figure 3은 FR-4 PCB 및 MCPCB 각각에 대한 열 해석 시뮬레이션 결 과를 보여주고 있다. 이 결과를 바탕으로 LED의 효율 및 성능을 최적화하기 위해 MCPCB 기판에 LED를 실장하기로 결정하였다.
(a) Temperature (b)
[oC]
Temperature [oC]
Figure 3. Thermal Analysis Results of (a) FR-4 PCB and (b) MCPCB
2.4 LED 렌즈 선정
LED 등기구에 LED를 실장하고 이를 통해 가능한 패턴의 구현 모양을 예측하기 위해 광선 추적 기반의 조명설계 소프트웨어인 LightTools 프로그램을 이용하 였다. Figure 4는 LightTools 시뮬레이션 레이아웃을 보여주고 있다.
개별 LED에 장착되는 렌즈의 배광각도가 작아질수록 구현 가능한 패턴의 해상도가 향상된다. 상업적으로 구 할 수 있는 렌즈 중 5°와 10°의 배광각을 갖고 있는 렌 즈들을 검토하였는데, 5° 렌즈의 경우 지름이 50 mm 이상이기 때문에 108 개의 LED를 실장하게 되면 실제 조명 기구의 크기가 너무 커지는 문제점이 있어 본 연구
에서는 10° 렌즈(지름 21 mm)를 선정하였다 [8].
Figure 4. LightTools Simulation Layout 10° 렌즈가 장착된 경우에도 등기구로부터 2 m, 5 m 거리에 이미지를 형성시킬 때, LED 1개의 이미지가 각각 40 cm, 150 cm 로 커지는 것을 시뮬레이션을 통 해 확인하였다. 또한 시뮬레이션을 통해 2 m 정도의 가 까운 거리에서는 점에 가까운 이미지 및 이를 통한 선형 이미지, 면 패턴의 구현이 가능하지만 5 m 이상의 거리 에서는 여러 LED로부터 형성된 이미지가 합쳐져 거의 단일 모양처럼 합쳐지는 것을 확인할 수 있었다.
5 m 거리 이상에서도 점, 선, 면 및 이를 조합한 다 양한 패턴을 형성시키기 위해 추가적으로 결상용 프레 넬 렌즈(Fresnel Lens)를 도입하였다. 프레넬 렌즈는 집광 렌즈의 하나로서 볼록 렌즈처럼 빛을 모아주는 역 할을 하면서도 두께는 줄인 렌즈로 개별 RGB LED에 서 나온 빛이 겹치지 않고 상을 형성하여 패턴 무늬로 서의 역할을 할 수 있도록 해줄 수 있다. 광학 시뮬레 이션을 통해 초점거리 330 mm의 프레넬 렌즈를 사용 할 때, 5 m 거리에서 시인성이 좋은 패턴 형성이 가능 함을 확인하였고, LED 투광기 앞에 395 × 395 mm2, 렌즈 두께 2 mm, 초점거리 330 mm의 프레넬 렌즈를 배치하기로 결정하였다.
2.5 제어 모듈 개발
RGB 투광기의 각 LED를 개별적으로 제어하기 위 해 main 및 sub 컨트롤러 제어 모듈을 각각 개발하였 다. 모두 8-bit 마이컴을 사용하여 제어하였고, 통신을 위해 RS485 회로를 사용하였다. Main 컨트롤러는 내 부 ROM(Read Only Memory)에 저장된 광학 패턴 을 sub 컨트롤러의 ID에 맞춰 통신 제어하는 기능을 담당하며, sub 컨트롤러는 FET(Field-Effect Transistor)를 이용한 각 색상별 LED on/off 제어 기 능을 담당한다. Main 컨트롤러의 경우 16×2 문자형 LCD/4 Key 입력을 사용한 디스플레이 및 입력 방식 을 사용하였으며, sub 컨트롤러의 경우 DMX512 프로 토콜을 이용한 데이터 제어방식을 사용하였다.
2.6 기구물 설계
투광등의 LED 배열 및 렌즈의 크기, 구동 회로 및
제어 모듈의 배치, 방열 등을 고려한 통합 구조를 반영 하여 기구물을 설계하였다. 전문가 평가결과를 종합하 여 진한 밤색 계열을 선택하였고, 투광기의 투사각도 조절이 가능하도록 하였으며, 가능한 최신 제품 외관 트랜드에 맞게 기능 중심의 심플한 디자인을 추구하였 다. Figure 5는 최종 확정된 기구물 설계 도면을 보여 주고 있다.
Figure 5. 3D CAD Drawing of the LED Projection System Developed in This Study
Figure 6. Photographs of the Fabricated 300 W LED Projection Lighting System for Landscape Lighting
3. LED 투광등 제작 및 성능 평가 3.1 LED 투광등 제작
Figure 6은 본 연구에서 개발되어 제작된 경관조명 을 위한 300 W급 LED 투광기의 사진이다. 좌측 전면 부 사진을 통해 108개의 LED 배열을 확인할 수 있으 며, 우측 후면부 사진은 기구물 설계에 방열에 대한 고 려가 반영되었음을 보여주고 있다.
3.2 LED 투광등 성능 평가
공인인증기관인 광주테크노파크에서 본 연구에서 개
발되어 제작된 LED 투광등의 성능을 평가하였다. 전광 선속(Total Luminous Flux), 입력전압(Input Voltage), 입력전류(Input Current), 소비전력 (Power Consumption), 광효율(Luminous Efficacy), 지향각(Viewing Angle)에 대한 시험 평가 가 진행되었는데, 각 시험 항목에 사용된 장비 및 제조 사는 Table 1과 같다.
Test Item Test Instrument
(Model) Manufacturer Total Luminous Flux Spectroradiometer
(LMS-800IPT)2M
J&C Tech (Korea)
Input Voltage
Power Analyzer
(PM-100) Voltech (USA) Input Current
Power Consumption Luminous Efficacy
Viewing Angle
LED Source Imaging Goniometer
(OPI-370)
Withlight (Korea) Table 1. Test Instruments Used for the Evaluation of the Fabricated 300 W LED Projection Lighting System
전기적, 광학적 특성 측정 결과는 Table 2와 같다.
전광선속 11541 lm, 입력전압 220 V, 입력전류 1.38 A, 소비전력 296 W, 광효율 38.9 lm/W, 지향각 9.4°의 값을 얻었다.
Test Item Measured Value
Total Luminous Flux 11541 lm
Input Voltage 220 V
Input Current 1.38 A
Power Consumption 296 W
Luminous Efficacy 38.9 lm/W
Viewing Angle 9.4°
Table 2. Measured Characteristics of the 300 W LED Projection Lighting System
3.3 LED 투광등 패턴 연출
경관조명용 LED 투광등의 경우 측정된 전기적, 광 학적 특성 보다는 시각적 패턴 연출효과에 대한 정성적 평가가 중요하다. 이를 위해 점, 선, 면 패턴을 중심으 로 하는 패턴시안(패턴시안 A)과 영문 글자를 중심으로 하는 패턴시안(패턴시안 B)를 개발하여 전문가 평가를 진행하였다. Figure 7은 패턴시안 A와 B의 일부를 보 여주고 있다.
Figure 7. Some Examples of Test Patterns A and B 디자인 분야 전문가 5인을 대상으로 수행된 시연 평 가에서 기존에 없는 새로운 효과를 연출하고 있다는 극 찬을 포함하여 패턴 측면에서 독창성이 있음을 인정받 았다. Figure 8과 9는 각각 실내와 야외에서 수행된 패턴 연출 사진이다. 프레넬 렌즈의 위치 조절을 통해 선명한 이미지, 디포커스 되어 모호하게 흐릿해진 이미 지 등 다양한 효과의 연출이 가능하였다.
Figure 8. Photographs of Indoor Demonstration of the 300 W LED Projection Lighting System
Figure 9. Photographs of Outdoor Demonstration of the 300 W LED Projection Lighting System
4. 결론
본 논문에서는 경관조명을 위한 300 W급 LED 투 광등에 대한 기구, 회로 및 광학 설계를 수행하였다. 설 계 결과를 바탕으로 LED 투광등 시작품을 제작하였고 제작된 투광등의 성능을 평가하였다. 5 m 이상 떨어진 나무 등의 조형물을 이용한 연출 시연을 통해 빛 축제 등에 활용이 가능함을 확인하였다. 본 연구에서 개발된 LED 투광등의 경우 설치 및 철거 비용이 거의 발생하 지 않고 쉽게 이동 및 설치가 가능하여 빛 축제 등의 행사에 렌탈 형식으로 시장 진출을 시도하고 있다. 현 재 투광기의 단점(단순한 LED 배열, 제한적인 LED Pixel 개수)을 개선하고, 모듈화를 통해 시스템의 확장 성을 확보하며, 보다 역동적인 패턴의 움직임을 연출할
수 있도록 엑추에이터 등의 기능성 보조 기계 장치를 도입할 예정이다.
감 사
본 논문은 산업통상자원부 디자인혁신역량개발사업으 로 지원된 연구결과 입니다(10054112, 인터렉션 디자 인 기반의 경관조명제품 개발).
참고문헌
1. Park, J. W., “LED Sign Lighting Technology,” Physics and High Technology, 17(11), 34-38 (2008).
2. Kim, H. S. and Shim, J. I., “Performance and Reliability Evaluation Technologies of LED Devices,”
Physics and High Technology, 17(11), 26-29 (2008).
3. Jung, J. J, “LED Architecture Ladscape Lighting Technology,” Physics and High Technology, 17(11), 32-33 (2008).
4. Park, S. J. “LED Light Extraction Tecnology,” Physics and High Technology, 17(11), 13-15 (2008).
5. Park, D. H, “Technology Trends of LED Light Sources for Lighting,” Physics and High Technology, 17(11), 30-31 (2008).
6. Park, J.-Y., Oh, M.-S., Kim, H.-S. and Kang, T.-K.,
“A Study on the Design Process of Night-Scape Lighting Application of LED,” Journal of the Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers, 25(6), 1-8 (2011).
7. http://www.cree.com/, Cree XLamp XP-E2 LED Data sheet (2016).
8. http://www.ledlink-optics.com, LedLink Data Sheet LL01ZZ-EXxxL06-M2 (2013).
