고효율 전구형 LED램프와 박형 LED유닛
근래 발광다이오드(LED : Light Emitting Diode)를 광원으로 한 LED조명이 주목 받고 있으며 크게 기대하고 있다. 종래 백열전구와 치환이 가능한 일반전구형 LED램프는 시설에서 일반가정에 이르기까지 급속하게 보급되고 있다. 그러나 전구형 LED램프는 종래의 백열전구와 비교할 때 밝기가 아직 불충분하며 고효율화도 요구되고 있다.
이러한 과제에 대응하기 위하여 일본 Toshiba에서는 COB(Chip on Board) 장착기술을 이용한 모듈 광원을 채용하여 고효율을 실현한 일반전구형 LED램프를 개발하였다. 또, 전구형 LED를 대신할 차세대 교환형 LED유닛으로 박형(flat type) LED유닛을 개발하였다.
COB형 LED모듈은 각 조명제품의 특징에 알맞게 전기특성, 광학특성, 열전도특성, 치수 등을 최적화한 용도별 전용 LED광원이다. 광속이나 구동전압, 동작전류를 산출하여 사용하는 LED의 소자 수, 직병렬조합 수 등을 결정하여 전원효율의 개선과 고 효율화를 실현하였다.
종래의 조명기기에 대한 적합률을 고려할 때 램프의 허용치수는 백열전구의 크기보다 적다. 종래의 SMD(Surface Mount Device)형 LED모듈 및 전원에서는 회로부품의 온도가 높다. 특히, 주 발열체인 LED모듈 부근의 회로부품 온도가 높은 것이 개발에 큰 문제로 되었다.
따라서 전원기판을 한 면에서 양면으로 하고, 길이를 작게 함과 동시에 회로부품을 발열부에서 멀리하였다. 또, 소형화가 가능한 COB형 LED모듈을 채용하여 모듈내의 칩 수와 기판치수를 최적화하고 온도가 낮은 메탈 캡(metal cap)측에 전원의 회로부품을 배치하여 수명 40,000시간을 달성할 수 있는 모듈을 개발하였다.
박형 LED유닛의 개발목표는 주택용 다운라이트(down light)로서 단열시공이 가능한 유닛을 실현하는 것이다. 종래에는 전원회로 부품의 온도를 저감시키기 위하여 회로기판의 장착 면과 메탈 캡 사이에 고열 전도성인 방열성 수지를 충전하였다. 그러나 이 방법은 고가로 되기 때문에 온도저감 대책을 회로와 구조의 양면에서 검토하였다.
전원의 회로방식은 LED소자를 직렬로 하여 LED모듈의 순방향 전압을 높여 정류회로부분을 배 전압으로 하였다. 이러한 방법으로 전원효율은 종래 LED전구의 효율 85%에서 89%까지 향상되었다. 또, LED모듈의 순방향전압을 높여 순방향전류를 저하시켜 회로부품의 온도를 저감하였다.
박형 LED유닛의 배광특성은 빔 개도가 100°인 광각형이 있으며 주광색 형광램프와 거의 같다. 또, 반사판을 이용한 배광제어로 종래의 형광램프에는 없는 빔 개도가 40°인 중각형이 있다. 중각형은 비교적 좁은 공간인 통로나 홀, 직하조도를 중요시하는 점포 등의 용도에 적합하다.
주택 천정내부의 공간은 좁기 때문에 다운라이트의 매입높이는 80 mm이하인 것을 요구하고 있다. 종래 다운라이트에서는 100 mm이었다. 또, 주택에는 냉난방효율의 향상이 요구되고 있다. 주택용 다운라이트에서는 LED유닛이박형이므로 그대로 본체 내에 배치하여 유닛의 광속을 거의 손실 없이 기구의 광속으로 활용할 수 있기 때문에 기구효율이 90%이상이다.
본고에서는 백열전구의 치환용으로 개발한 고효율 전구형 LED램프와 플랫형 LED유닛을 고찰하였다. COB형 LED모듈을 채용한 전구형 LED램프는 백열전구와 동등한 전 광속의 밝기와 고효율을 실현하였다.
또, 전구형 LED램프의 대체용으로 차세대 광원인 박형 LED유닛은 전원회로가 내장된 콤팩트형을 실현하였다. LED조명은 고광속화와 고효율화가 요구되고 있으며, 박형 LED유닛을 사용한 조명기구가 많아질 것으로 예측된다. 앞으로 비용 대 성능향상을 위한 기술개발과 효율개선이 과제이다.
출처 : 大澤 滋, 泉 昌裕, 坂本しずか, “白熱電球からの置換えが進む高效率電球形LEDランプと薄形LEDユニット”, 「東芝レビュー(日本)」, 65(7), 2010, pp.8~11
에너지절감을 실현하는 LED조명기구
근래 발광다이오드(LED)의 고효율, 고광속화로 기존 조명기구는 거의 모두 LED조명기구로 치환되고 있으며 다양한 LED조명기구가 제품화되고 있다. 특히, 시설이나 점포용 조명은 기존광원 중에서도 비교적 효율이 높은 HID(High-Intensity Discharge)램프나 형광램프의 치환을 목표로 에너지절감과 경제성이 요구되고 있다.
본고에서는 LED의 특징을 활용한 조명으로서 옥내용에서는 스포트라이트, 옥외용에서는 방범등을 예로 광학이나 열 해석을 이용한 제품의 설계기술에 대하여 기술한다. LED가 고출력화 된 결과 LED스포트라이트의 배광은 HID램프와 거의 동등한 제품화가 가능하게 되었다.
종래 점포용 소형 HID스포트라이트의 치환을 목표로 다음과 같은 특징을 가진 제품을 일본 Toshiba에서 개발하였다. ⑴소형화를 실감하는 사이즈, ⑵LED특유의 에너지 절감성, ⑶HID광원에서는 어려운 순간점등 및 조광 기능, ⑷종래제품과 동등한 배광특성 등이다.
구체적인 방열설계 및 기판재료의 최적화를 위해서는 목표로 하는 배광을 실현하기 위한 3D-CAD 및 열 해석으로 최적형상을 구하였다. 여기서는 이제까지 개발한 LED제품과는 달리 열 밀도가 높아지기 때문에 열전도율이 높은 금속기판을 채용하였다. LED에서 금속기판에 전달된 열을 방열 핀(fin)과 일체인 알루미늄 다이캐스팅(die casting)제 방열기에 직접 전하여 효율적으로 방열시키는 구조로 하였다.
금속기판을 선정할 때에는 방열특성 이외에도 금속기재 및 절연층의 열팽창계수에 주의할 필요가 있다. LED는 세라믹 패키지로 금속과 비교하여 열팽창계수가 매우 작다. 따라서 점등과 소등을 반복하면 열팽창이 다르기 때문에 부분적으로 큰 응력이 반복되어 크랙(crack)이 발생할 가능성이 있다.
또한, 기재와 부품의 열팽창차이를 흡수하기 위하여 금속기판은 일반 알루미늄기판 외에 절연층의 팽창계수를 저감시킨 저 탄성 알루미늄기판 및 기재의 팽창계수를 저감시킨 철 기판 등이 있다. 철 기판에는 절연층으로 열전도율이 낮은 수지를 이용한 것과 높은 수지를 이용한 2종류가 있다.
옥외용 LED조명기구는 LED의 발광효율이 높아짐에 따라 대 광량을 필요로 한 옥외조명에도 응용범위가 넓다. 방범등은 야간의 범죄방지를 위하여 보행자의 거동이나 자세 등을 알 수 있도록 적절한 밝기가 필요한 조명기구이다.
또한, LED는 광원휘도가 높기 때문에 조도기준을 만족함과 동시에 글레어(glare)도 배려할 필요가 있다. 옥외의 글레어 지표로서 국제조명위원회(CIE : Commission Internationale de I'Eclairage) 및 국제표준화기구(ISO : International Organization for Standardization)에서 규정한 규정값(GR값)이 있다. 이 값이 50이하인 때를 글레어의 허용범위, 설계목표로 하고 있다.
조도기준과 규정값을 실현하기 위하여 이상적인 배광형상을 검토하였다. 또한, 배광제어방법으로 종래에는 렌즈를 이용하였으나 이 방법은 렌즈로 집광되어 글레어가 강조되는 문제가 있었다. 개발한 제품은 반사판을 이용한 배광제어방법으로 광원을 크게 보이게 하여 글레어감이 저감되도록 하였다.
LED방범등은 LED의 온도를 저감시키기 위하여 LED에서 발생하는 열을 기구본체에서 방열시키는 구조로 만들어 LED의 온도저감, 광량 저하방지 및 수명연장으로 종래의 수은램프와 비교할 때 광학성능은 거의 같으나 소비전력이 약 71%삭감되고, 수명은 3배 이상인 4만 시간을 실현하였다.
광학이나 열 해석, 기구의 최적화로 기존기구에 비하여 LED스포트라이트는 45%의 에너지절감을 실현하였다. 앞으로 LED의 고효율화, 고광속화 및 저비용화로 LED조명기구의 설계방법이 변화될 것으로 예상된다. 또한, 에너지절감과 경제성을 양립시킨 조명기구의 개발이 기대된다.
출처 : 渡邊博明, 戶田雅宏, 齊藤明子, “省エネ低コストを實現するLED照明器具”, 「東芝レビュー(日本)」, 65(7), 2010, pp.12~15
대형 LED 백라이트의 색얼룩 주관평가
최근 높은 색감이나 환경 배려적인 측면에서 LED(Light Emitting Diode)를 광원으로 하는 대형 디스플레이용 백라이트(back light)가 주목 받고 있지만, 직하형 LED 백라이트의 경우 개개의 LED 발광특성의 흐트러짐 등으로 인해 CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp)백라이트에서는 발생하기 힘든 국소적 얼룩이 생기기 쉬워 화질 악화의 주요 요인이 된다. 이 때문에 휘도 얼룩에 관한 정량적 평가방법에 대한 검토가 이루어지고 있다.
색얼룩에 관한 정량적인 평가 실험도 실시되고 있고, 색얼룩의 특정인자와 생체의 감각특성 관계에 대해서도 보고되어 왔다. 또한, 색얼룩이 여러 개 있는 경우에 색얼룩 평가 모델에 관해서 보고된 것은 있지만 원형의 색얼룩 만 다루고 있어서 형상이 복잡한 것은 고려되어 있지 않다. 직하형 LED 백라이트에서 색얼룩은 배치된 개개의 LED의 발광강도, 파장 및 배광분포의 흐트러짐, 또는 백라이트의 구조와 설계 등 다양한 요인에 의해 일어난다.
LED 백라이트의 색얼룩을 정략적으로 평가하기 위해서는 이들의 복합적인 영향을 고려한 색얼룩의 특징량과 인간의 감각 특성과의 관계를 밝힐 필요가 있다. 본고에서는 실제로 40인치의 LED 백라이트를 이용하여 색얼룩의 형상이나 색소의 영향을 고려한 평가지표의 추출 방법에 대하여 고찰한다.
RGB(Red Green Blue) 3원색의 LED를 사용하여 RG GB의 4개의 LED를 기본모듈로 하여 이들을 28×16의 매트릭스 상에 배치한 40인치 백라이트 시 제품을 만들었다. 모든 LED 광량은 개별적으로 조정 가능하고, 휘도, 색도를 자유롭게 조정할 수 있게 했다. 또한, 백라이트는 색얼룩 평가의 기준으로써 휘도 170 cd/m²의 백색을 목표로 하여 화면전체가 균일하도록 조정되었다. 또, LED 기본 모듈의 구동조건을 조정하여 휘도가 일정한 원래의 채도수준인 색소 8개의 합계 16종류에서 나오는 기본색 얼룩을 설정하였다. 이 기본색 얼룩의 조건을 전 화면에 분포시켜 색얼룩을 재현하였다.
1개의 영역에 배치하는 기본 색얼룩의 밀도를 10%, 25%, 40%의 3개 수준으로 하여 60종의 자극을 준비했다. 1개의 자극에 반대색이 섞여있으면 평가할 때에 피험자가 얼룩의 정도를 평가하는 것이 곤란해지는 것을 배려하여 기본 색얼룩을 4개의 색소 그룹으로 나누어 각 그룹마다 자극을 평가하였다. 제작한 백라이트와 똑같은 사이즈의 액정 텔레비전을 나란히 설치하여 백라이트에는 평가자극, 액정 텔레비전에는 기준자극을 제시하여 사이즈 측정법에 따른 주관 평가를 실시했다.
백라이트에 표시한 평가자극을 2차원 색채 휘도 계에서 측정하여 얻어진 3개의 자극(X, Y, Z)에서 색얼룩의 물리적 평가량을 구했다. 본 연구에서는 인간 시각계의 공간 주파수 특성(MTF : Modulation Transfer Function)을 고려하였다. 이렇게 얻은 색도를 영상화하여 채도가 변화하고 있는 영역(윤곽) 등을 영상처리에 의해 정의하고 각 영상에서 색얼룩의 평가지표로서 윤곽의 수, 윤곽의 면적, 윤곽 주변의 길이, 색얼룩 면적과 최대 채도를 추출하였다.
각 색얼룩 평가지표의 관계를 조사한 바, 5개의 평가지표에서 색얼룩 면적, 최대 채도 및 윤곽 면적화 등의 3개가 유의성이 있다는 것이 밝혀졌다. 단, 윤곽 면적화는 색얼룩 면적과 최대 채도의 어느 쪽과의 관계에 있어서도 상관성이 높았다. 또한, 평가자극의 색상 그룹마다 나눠서 분석하면 이들의 평가지표와 유의성이 매우 높다는 것을 알 수 있었다.
평가자극의 색얼룩 면적과 최대 채도를 다른 그룹과 합치도록 보정하는 방법을 검토하였다. 본 연구에서는 실제 40인치 LED 백라이트를 이용하여 현실에서 발생하는 것보다 더 복잡한 색얼룩 자극에 의한 주관평가를 실시하여 평가량을 구하였다. 또한, 2차원 색채 휘도계의 측정치로부터 색얼룩의 물리적 평가량을 추출하였다. 색얼룩 면적과 최대 채도를 보정함으로써 일원적인 지표로 다루는 것이 가능하게 되었고 보다 인간의 감성에 맞는 색얼룩의 특징량을 정의할 수 있게 되었다.
출처 : 長嶺邦彦、富岡 聡、政倉祐子、田村 徹、植田充紀、新福吉秀, “大形LEDバックライトの色むら主觀評價”, 「映像情報メディア学会誌(日本)」, 64(7), 2010, pp.1012~1015
Source : ReSEAT
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