NEMA 기준 LED 스포츠 조명용 광학계 연구
Abstract
This study was conducted to develop an optical system of light-emitting diode (LED) sports lighting based on National Electrical Manufacturers Association (NEMA) 2 H × 2 V, which is the outdoor lighting standard proposed by the Illuminating Engineering Society of North America. First, a single lens was designed, and its diameter was verified using optical simulation, while its shape was verified for suitability by changing the k value of its length. Next, optical simulation was conducted for an arrangement of 390 lenses of 350 W. The simulation demonstrated the changes in light distribution, candela, and illuminance of the lenses. Finally, the optical performance of a 350 W lens was measured and the optical system based on such lenses was found to satisfy the NEMA 2 H × 2 V standard. During the experiment, the error rate of the optical simulation was considered.
Keywords:
LED, LENS, Sport light, LED light, Optical system, NEMA standards1. 서 론
인류의 인공 빛을 만들고자 하는 노력은 계속되었으며[1], 그 결과는 에디슨의 전구에서 LED까지 발전하게 되었다. 특히 LED는 친환경적이고, 내구성이 강하며, 저 전력 구동이 가능하기 때문에 앞으로 LED 관련 산업은 국내나 국제적으로 새로운 성장 동력산업으로 자리매김하고 있다. 특히 미국 및 유럽 정부가 2012년부터 백열전구의 사용을 제한하는 정책을 펼치고 있고, 현재 우리나라 정부의 LED 2060 정책에 따라 2020년 모든 조명장치의 60%를 LED 조명으로 대체하도록 되어 있으며, 특히 소비전력이 큰 고출력 조명기구를 LED 조명으로 대체하는 것이 매우 중요하게 되었다[2].
LED는 기존 조명에 비해 에너지 절감효과가 뛰어나고 수명이 반영구적이어서 조명 광원으로 활용성이 높다. 하지만 LED를 다양한 조명군으로 활용하기 위해서는 대량생산을 통한 고휘도 LED 원가절감과 효율 개선 및 소형경량화를 위한 연구가 지속적으로 필요하다[2]. 또한 발생된 광자원의 효과적 사용을 위해 눈부심 방지 및 조명 목적에 맞는 배광 패턴 구현을 위한 정밀 가공 금형 렌즈 기술에 대한 연구도 다양하게 시도되고 있다[3,4].
스포츠 조명의 경우 기존 조명으로 2 kW용량의 고출력 메탈할라이드 조명을 사용하고 있으나, 상당한 전자파 방출과 과다한 에너지를 소비하는 단점이 있다. 이에 에너지 절약을 위해 스포츠 조명에 필요한 배광을 갖는 고출력, 고효율이 장점인 LED 조명으로 교체되고 있다[5].
따라서 본 논문에서는 IESNA (Illuminating Engineering Society of North America)에서 지정한 실외조명 배광 표준 중 실외용 고출력 LED 스포츠 조명에 적합한 조건의 광학계를 설계하였다.
LED 스포츠 조명에 한해서는 각도보다 NEMA (National Electrical Manufacturers Association) beam type 2 H×2 V의 조건에 충족해야 함을 정의하고 있으므로, 3D 설계 프로그램을 통해 비구면 광학계 형상 설계 후 광학 시뮬레이션을 통한 광학계 설계 변수를 분석했다. 마지막으로 시제품 제작을 통해 시제품 측정 값이 시뮬레이션 결과와 유사한지 비교하여 시뮬레이션에 대한 신뢰도를 확인하였고, NEMA Beam Type에 충족하는지 최종 확인했다.
2. 실험이론
2.1 IESNA 배광 분석 및 NEMA 등급[6]
본 광학계의 필요한 배광각도는 좁은 배광각도를 가지고 있는 조명으로 대체적으로 넓은 야외 공간이나 보행자구역, 스포츠경기장에 사용하고 있다. 스포츠 조명에 한해서는 각도보다 NEMA beam type (이후 요구조건)으로 정의하고 있는데, Maximum candela (이후 최대광도)의 50%와 10%가 되는 각도를 이용해서 분석에 사용하며, 최고 광도의 50%가 되는 각도까지 Beam angle, 최고 광도의 10%가 되는 각도까지 Field angle이라고 정의하고 있으며, 두 angle에 따라서 등급이 정해진다.
본 연구의 목표인 2 H×2 V에서 H는 Horizontal Angle로 수평면 내에서 전 측선과 다음 측선과 이루는 교각을 말하며, V는 Vertical angle로 수평면에 수직인 면에 있어서의 수평면과 이루는 각을 뜻한다. Fig. 1은 IESNA 배광 타입에 대한 사진이고, Fig. 2는 최대 광도 50%와 10%가 Horizontal angle과 Vertical angle에 각도 범위를 나타내는 그래프 사진이며, 파란색 영역이 광도 50%일 때의 각도 이고, 빨간색 영역이 최대 광도 10%의 각도 범위를 나타내고 있다. Table 1은 Field angle에 따라 해당하는 NEMA Beam type을 나타내는 표이다.
IESNA flood type distribution
Angle graph for 50% and 10% of maximum luminance
IESNA flood type classification1
2.2 비구면 방정식[7]
일반적인 비구면 렌즈의 경우 Even function으로 수식이 정의되며 회전대칭의 형상을 가진다. 따라서 x, y축 방향으로 Even function으로 이루어져 스포츠 조명에 적합한 배광각도을 구현할 수 있다. 유한요소해석이 가능한 LighTools 프로그램에서 광 출사외면의 비구면 계수 Type을 식 (1)의 x, y polynomial로 설정하여 최적화를 통해 렌즈의 기초 형상을 설계하였다. Cj는 parameter 값의 변수를 뜻한다.
| (1) |
여기서, k는 Conic constant, C는 Curvature이다. Conic constant란 원주형 렌즈 표면 파라미터이며, 원뿔 정수 k로 지정된다. 원뿔 표면의 형상 변화에 대한 방정식은 다음과 같이 주어지며 여기서 c는 표면 곡률(1/Radius)이다. Fig. 3는 광학계 형상에 따른 k값의 범위를 광학계 비구면으로 나타낸 그림이고, Table 2는 광학계 비구면 형태에 따른 k값의 범위를 나타낸 사진이다.
The aspherical shape of the optical system according to the value of k
Conic constant associated with different surface types
2.3 광학 시뮬레이션 조건
먼저 LED PKG는 서울반도체 사의 WICOP22 PKG (이후 LED)로 선정하였다. 이유는 스포츠 조명의 전체적인 크기를 감소하기 위해 다른 LED 보다 상대적으로 크기가 작고, LED의 조사면의 황색패턴을 최소화하기 위해 WICOP22로 선정하였다. LED의 Beam angle은 140°이며 1개당 0.897 W의 소비전력을 인가하여 최종 렌즈는 단일 렌즈가 390개 배열된 350 W로 설정하였고, 총 광속은 52,500 lm(150 lm/W), 광원을 중심으로 각각의 방향으로 나가는 빛의 밝기를 알아보기 위해 조사면(Receiver)를 10 m, 15 m, 20 m 지점에 가로 10 m, 세로 10 m의 크기로 설정하여 조도(Lux. lx)를 확인하였다. 광학계 소재는 PMMA (Polymethyl methacrylate, 굴절율 : 1.49)이다. 이 조건은 단일렌즈, 단일렌즈를 390개 배열한 렌즈(이후 350 W 렌즈)에 동일하게 적용한다. Fig. 4 WICOP22의 사진이고, Fig. 5는 시뮬레이션 조건을 설정한 그림이며 광원의 위치는 중심을 기준으로 x,y(0,0)에서 빛은 y방향으로 조사되고 있다.
WICOP22 (Seoul semi.)
Simulated conditions
3. 실험 방법
3.1 렌즈 설계
렌즈 설계의 순서는 단일렌즈를 설계 후 350 W 렌즈를 설계했다.
첫 번째로 단일렌즈 설계는 크게 1차 렌즈 설계, 2차 렌즈 설계로 나누어 설계 변수를 설정하였다. 1차 렌즈 설계에서는 WICOP22 광원에 맞는 형상을 찾기 위해 광학계 지름 및 두께에 변화를 주어 설계를 하였고, 2차 렌즈 설계는 k 값의 변화룰 주어 설계를 진행하였다. 곡률은 1차 렌즈 설계에서 지름 치수를 얻은 후 계산하여 설계 치수에 제시한다. Fig. 6은 렌즈 설계 변수에 대하여 정리하였으며, 왼쪽의 d는 렌즈의 지름(이후 d), t는 렌즈 두께(이후 t)이고, k는 비구면 상수이다. 변수 d는 조명의 효율 및 곡률에 영향을 주며, t는 배광각도에 영향을 주는 요소이다. 마지막으로 k는 광원이 형상(타원형) 및 빛의 초점에 영항을 주기 때문에 3가지의 변수를 주고 설계를 진행하였다.
Varialble of lens design
3.2 단일 렌즈 설계
1차 렌즈 설계는 렌즈의 d는 10 mm에서 16 mm 이하의 크기를, t는 9 mm에서 20 mm를 갖는 렌즈에서 요구조건에 가장 근접한 설계 치수를 얻고자 한다.
d=10 mm인 경우에 변화에 따른 요구조건에 충족하는 조건은 없었고, d=12 mm인 경우에는 t=13 mm, t=14 mm일 때 요구조건에 충족하였지만, t=13 mm는 Beam angle이 15°에서 1° 차이 Field angle이 30°에서 4.6°도 차이로 요구조건에 충족하는 것을 알 수 있었다. t=14 mm일 때는 Beam angle은 조건에 만족하지만, Field angle이 1.4°의 차이로 요구조건에 충족함을 알 수 있었다. 이후 d=14 mm로 설계 한 경우에는 t=15 mm, t=16 mm일 때 요구조건에 충족하지만 t=15 mm는 Field angle이 0.9° 차이로 요구조건에 충족하였다. t=16 mm은 Beam angle이 2.1°, Field angle이 3.1°로 설계 치수 중 가장 안전하게 요구조건에 만족함을 알 수 있다.
마지막으로 d=16 mm일 때는 t=17 mm, t=18 mm가 요구조건에 모두 충족하였다. Table 3는 d가 10 mm일 때 t의 변수의 따른 렌즈 결과이며 Table 4는 d가 12 mm일 때, Table 5는 d=14 mm, Table 6는 d=16 mm 결과를 정리한 표이다.
The result of b variable (d=10)
The result of b variable (d=12)
The result of b variable (d=14)
The result of b variable (d=16)
1차 렌즈 설계에서 렌즈 d는 14 mm, t는 14~16 mm를 기준으로 2차 렌즈 설계를 진행하였다. 이유는 d, t의 치수는 가장 낮을수록 렌즈의 경량화 및 소형화가 가능하고, Beam angle, Field angle이 가장 안전하게 요구조건에 들어오는 것을 확인되었고, 이를 기준으로 2차 렌즈 설계에서는 k값을 변수로 설계를 진행하였다. k값은 0<k<-1사이의 값에서 초기 0.1씩 줄여가며 경향을 확인하여 가장 요구조건에 적합한 치수를 결정 후 소수 둘째짜리까지 변경하여 설계를 진행하였다. k값의 소수점이 -0.1~-0.4까지는 Beam angle이 12.2°까지 좁아졌지만, -0.9에서는 13.2°까지 넓어지는 현상을 확인하였다. Field angle은 -0.1~-0.9까지 점차 배광각도가 좁아졌으며, 이에 따른 최고광도는 k값이 -0.6일 때 465,520 cd로 가장 높았고, 요구조건에 맞는 배광각도를 갖기 위해서는 k값이 -0.4~-0.5에서 설계에 적용하는 게 적합하다고 판단하였다. k값의 -0.4~-0.5의 소수점 두 번째까지 확인 한 결과 k=-0.4712607268776398로 설계 하였고, 렌즈의 d는 14 mm, t는 14.3 mm, 렌즈의 곡률은 0.14286 mm 로 최종 설계하였다. Table 7은 k값의 변화에 따른 Beam angle, Field angle 배광각도 결과와 NEMA Type 및 최대광도 값을 LED효율이 100%였을 때 전체 효율을 정리한 표이고, Fig. 7은 단일렌즈 설계 3D 형상의 사진을 변수 치수와 함께 나타내었다.
The Result of Dhanging k Value
3D modeling of single lens
3.3 350 W 렌즈설계
350 W 렌즈는 스포츠조명에 적용하기 위해 방열판, LED PCB등 다른 조건들에 맞게 설계하였다. 단일렌즈 배열은 가로 방향으로 28개, 세로 방향으로 15개로 배열되어 있고, 배열되는 사이에 렌즈의 띔 방지를 위해 볼트 조립부분을 제외하고 단일렌즈를 배열하여 설계하였다. 크기는 가로 283 mm, 세로 481 mm이며, 실험결과에서 요구조건에 충족하는지 확인하였다. Fig. 8는 350 W 렌즈를 3D 모델링한 사진과 사이즈를 나타낸 사진이고, Table 8은 렌즈 설계 결과를 표로 정리하였다.
3D modeling of 350 W lens
Lens design result
4. 실험결과
4.1 단일 렌즈 시뮬레이션 결과
단일렌즈 시뮬레이션 결과는 Beam angle 14.9°, Field angle 21.2°, 최대광도 459,670 cd로 요구조건에 부합하는 결과를 확인하였고, 이후 조사면의 조도 시뮬레이션 결과를 확인하였다.
10 m에서는 최대 조도는 4393.31 lx, 평균 조도는 321.701 lx로 확인하였고 15 m에서는 최대 조도는 1982.51 lx, 평균 조도는 320.321 lx로 확인되었고, 20 m에서는 최대 조도는 1125.71 lx, 평균 조도는 313.991 lx로 확인되었다.
Fig. 9는 단일 렌즈 시뮬레이션 결과 배광각도 14.9°를 나타내는 사진이고, Fig. 10는 배광에 따른 광도 변화로, 최고 광도의 50%, 10% 범위를 확인하는 시뮬레이션 결과 사진이다.
Single lens simulation result : angle (°)
Single lens simulation result : angle of maximum candela 50%(blue), 10%(red)
4.2 350 W 렌즈 시뮬레이션 결과
350 W 렌즈 시뮬레이션 결과는 Beam angle은 15.8°, Field angle은 23.7°, 최고 광도는 464,647 cd로 요구조건에 부합하는 결과를 얻었으며, 이후 조사면의 조도 시뮬레이션 결과를 확인하였다.
10 m에서는 최대 조도는 4495.61 lx, 평균 조도는 365.70 lx이고, 15 m에서는 최대 조도는 2023.51 lx, 평균 조도는 365.31 lx이고, 중심 20 m에서는 최대 조도는 1146.31 lx, 평균 조도는 362.48 lx로 확인되었다.
Fig. 11은 350 W 렌즈의 시뮬레이션 결과 배광각도 15.8°를 나타내는 사진이고, Fig. 12는 배광에 따른 광도 변화로, 최고 광도의 50%, 10% 범위를 확인하는 시뮬레이션 결과 사진이다.
350 W Lens simulation result : angle (°)
350 W Lens simulation result : angle of maximum candela 50% (blue), 10% (red)
4.3 조도 시뮬레이션 결과 비교
최대 조도 값을 단일 렌즈와 350 W 렌즈와 비교를 한 결과 조사면이 10 m일 때는 102.3 lx, 15 m는 41 lx, 20 m는 20.0 lx로 평균 54.63 lx 차이로 350 W 렌즈의 최대 조도 값이 높게 확인되었고, 두 렌즈 동일하게 조사면 거리가 10 m에서 15 mm 조도 차이가 2400 lx 이상 큰 폭으로 낮아지는 결과를 확인하였다. 평균 조도는 10 m는 44.0 lx, 15 m는 44.99 lx, 20 m는 48.85 lx로 평균 45.94 lx 차이로 350 W 렌즈가 높게 확인되었다. 이 결과를 볼 때 350 W 렌즈가 최대 조도 및 평균 조도 값이 높은 결과를 확인하였고, 최대 조도 값은 조사면의 거리가 10 m에서 15 m까지 큰 폭(2400 lx 이상)으로 떨어지는 현상을 확인하였는데 이는 최대 광도는 조사면 거리에 따라서 많은 영향을 받는 다는 결과를 확인하였고, 평균 조도 값은 1 lx 미만의 차이를 보이며, 거리가 변경됨에 있어서도 균일하게 조도가 유지되는 것을 확인하였다. Fig. 13은 단일렌즈(빨강)과 350 W Lens (파랑)이 조사면(Receiver) 거리에 따라 최대 조도 변화를 그래프로 나타낸 사진이고, Fig. 14는 평균 조도의 변화를 그래프로 나타낸 사진이다.
Maximum illuminance result according to receiver distance change of lens
Average illuminance result according to receiver distance change of lens
4.4 시제품 제작 및 측정 결과
350 W 렌즈를 시제품 제작하여 측정을 진행하고, 그 결과를 확인하였다. 배광각도는 14.8°이고, 광도는 432,112 cd이고, 최고 광도 10%에 해당하는 43,212.2 cd가 Field angle 23.6° 최고 광도 50%에 해당하는 216,061 cd가 Beam angle 14.8°에 들어와 요구조건인 NEMA Type 2 H × 2 V에 충족하며, IES파일(공인시험인증 배광 측정 파일)을 시뮬레이션에 확인하여 조사면(Receiver) 10 m, 15 m, 20 m일 때의 조도 값을 확인 한 결과 각각 최고 조도는 4,180.9 lx, 1,881.9 lx, 1,066.1 lx을 평균 조도는 340.1 lx, 339.7 lx, 337.1 lx 결과를 확인하였다.
Fig. 15은 350 W 렌즈 제작된 사진이며, 350 W 렌즈 설계와 동일한 조건으로 제작하였다. Fig. 16은 350 W LED 스포츠 조명 실제 제품이다.
350 W Lens sample (mock-up)
350 W Sport light sample
Fig. 17은 실제 측정한 데이터로 NEMA Type 시뮬레이션을 통해 최고 광도의 10%, 50% 광도 값을 나타낸 측정 결과 사진이고, Table 9는 공인인증시험을 통해 확인한 측정 결과와 조사면의 조도 값을 정리한 표이다.
350 W Lens mock-up result : angle of maximum candela 50 % (blue), 10 % (red)
Sample Measurement Result
4.5 시뮬레이션 결과와 실제 측정 결과 비교
350 W 렌즈 시뮬레이션 결과와 실제 측정 결과를 비교하였다.
첫 번째로 배광은 350 W 렌즈 시뮬레이션에서는 Beam angle은 15.8°, Field angle은 23.7°로 확인 되었고, 실제 측정에서는 Beam angle 14.8°, Field angle 23.6°로 Beam angle은 1° 좁은 결과를 확인 하였고, Field angle은 0.1° 좁은 배광각도의 결과가 차이 나는 것을 확인하였다.
두 번째로 최대 광도와 최대 광도의 50%, 최대 광도 10% 값을 비교하였다. 350 W 렌즈 시뮬레이션에서 최대 광도는 464,674 cd, 50% 광도는 232,324 cd, 10% 광도는 46,465 cd이고, 실제 측정에서는 최대 광도는 432,122 cd, 50% 광도는 216,061 cd, 10% 광도는 43,212 cd이다. 광도는 전체 시뮬레이션과 실제 측정에서 약 7%의 오차율을 나타내고 있다.
세 번째로 조사면 10 m, 15 m, 20 m일 때 최대 조도를 비교하였다. 먼저 10 m일 때 최대 조도는 350 W 시뮬레이션 결과는 4,495.6 lx, 실제 측정은 4,180.9 lx로 314.7 lx, 15 m는 시뮬레이션 값은 2,023.5 lx, 실제 측정은 1,881.9 lx로 141.6 lx, 20 m는 시뮬레이션 값은 1,146.3 lx, 실제 측정은 1,066.1 lx로 80.2 lx의 편차를 보였고 이는 약 7%의 오차율을 나타내고 있다.
마지막으로 조사면 10 m, 15 m, 20 m일 때 평균 조도를 비교하였다. 10 m일 때 평균 조도는 365.70 lx이고 실제 측정은 340.1 lx로 25.60 lx, 15 m일 때는 시뮬레이션에서는 365.31 lx, 실제 측정은 339.7 lx로 25.57 lx, 20 m일 때의 시뮬레이션 결과는 362.48 lx, 실제측정은 337.1 lx로 25.37 lx의 편차를 보였으며 오차율은 약 7%를 나타내고 있다. 이에 본 논문에서 350 W 렌즈 시뮬레이션의 결과와 실체 측정치와의 오차는 약 7%의 오차율을 확인하였다.
5. 결 론
본 연구는 IESNA에서 지정한 실외조명 배광 표준 중 실외용 고출력 LED 스포츠 조명에 적합한 조건인 NEMA Beam Type인 2 H × 2 V을 충족하는 렌즈를 얻기 위한 연구를 진행하였다.
첫 번째로 단일렌즈 설계는 렌즈의 지름이 14 mm, 두께 14.3 mm, 곡률 0.14286 mm일 때 요구조건에 충족하는 결과를 확인했다.
두 번째로 k값의 설계 변수로 0~-1의 중 -0.4~-0.6일 때 요구조건에 충족하였고 -0.4에서 -0.5에 가까울수록 cd값이 높게 확인되어 k=-0.471260726877639로 최종 단일렌즈 형상을 결정하였고, 이후 단일렌즈 390개를 배열한 350 W 렌즈를 설계했다.
세 번째로 350 W 렌즈 설계 후 광학 시뮬레이션을 진행한 결과 Beam angle 15.8°, Field angle 23.7°로 최대광도는 464,647 cd에서 10% 범위는 23.7°로 46,464 cd이고, 50% 범위는 15.8°로 232,323 cd의 요구 조건에 충족하는 값을 확인했다.
네 번째로 단일 렌즈와 350 W 렌즈의 조도 시뮬레이션을 비교한 결과 350 W 렌즈가 최대 조도 및 평균 조도 값이 높은 결과를 확인하였고, 최대 조도 값은 평균 54.63 lx로 350 W 렌즈가 높고, 조사면의 거리가 10 m부터 15 m까지 2400 lx 이상 큰 폭으로 떨어지는 형상을 확인하였고, 평균 조도는 평균 45.94 lx의 차이를 보여 350 W 렌즈가 단일렌즈 보다 균일한 조도를 나타낸다.
다섯 번째로 350 W 렌즈 시뮬레이션 결과와 실제 측정한 결과 최대 광도 및 조도 값은 7% 오차율을 확인하였고, NEMA Type 2 H×2 V에 충족하는 LED 조명 성능을 확인하였다.
Acknowledgments
이 연구는 한국산업단지공단의 “시제품 개발 R&D 사업”의 지원으로 수행되었다.
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