LED 항해등의 최적 설계에 관한 연구

Abstract

LED 광원은 광변환 효율이 높으며 기존 재래 광원과는 달리 필라멘트나 전극이 없기 때문에 충격에 강하고 저전압으로 안전하며 장수명의 특징을 가지고 있다.

최근 LED 조명이 산업 전 분야에 빠르게 적용되고 있고 유럽을 시작으로 백열전구와 같은 저효율 광원이 단계별로 생산 중단됨에 따라 조선, 해양관련 전문가들은 LED 조명을 해양산업분야에 접목하기 위하여 전반적인 검토와 노력을 기울이고 있다.

본 논문은 LED 항해등의 최적 설계에 관하여 다루고 있다. 현재까지 선박의 필수 장치인 항해등의 광원은 광효율이 낮고 진동에 취약한 백열전구 또는 할로겐 전구를 사용하고 있다. 본 연구의 주된 목적은 항해등의 광원을 LED 모듈로 대체하는 것이며 이를 통하여 소비전력을 낮추고 시인성을 개선하며, 장수명 특성을 통하여 유지, 보수비용을 절감하는 것이다.

국제해상충돌방지규정(COLREG)의 광학적 요구조건을 만족하기 위하여 항해등의 구성요소인 프레넬 렌즈의 특성을 분석하였다. 국내 주요 항해등 제조사의 제품을 대상으로 LED로부터 방출되는 빛의 굴절 경로를 계산하여 LED 모듈의 광학적 배치를 결정하였다.

LED 모듈은 수직축을 중심으로 방사형태로 빛을 흩뿌리도록 정팔각형과 정육각형의 두 가지 형태로 제작하였다. 정팔각형 모듈에는 다수의 0.2W의 SMD LED 패키지를 사용하였으며 정육각형 모듈에는 최대 3W의 고출력 LED 패키지를 적용하였다.

LED 모듈의 온도상승은 항해등의 전기적, 광학적 특성 변화를 일으키기 때문에 이를 최소화하기 위한 방열 설계기술이 필요하다. 본 연구에서는 LED 모듈용 히트싱크의 무게를 줄이고, 방열면적을 늘리며 대류현상을 통한 방열효과를 개선할 수 있는 가공방법을 제안하였다.

LED 모듈의 구동회로는 정전류 방식과 펄스구동 방식을 상호 비교함으로써 발열을 최소화하고 시인성을 향상시킬 수 있는 방안을 제시하였다.

또한, 스펙트럼 분석기를 이용하여 현등 및 예인등에 적용된 렌즈의 색상에 대한 필터 특성을 분석하였으며 이들을 LED로 대체하기 위한 효과적인 방법을 도출하였다.

배광측정기를 이용하여 시제작 LED 항해등의 전기적, 광학적 특성을 측정, 분석하였다. EN 14744의 시험 규정에 따라 수직, 수평배광에 대한 광도를 측정하였으며 이를 바탕으로 광달거리를 산출하였다.

실험결과, 제안한 LED 항해등은 기존 항해등 대비 소비전력을 약 90% 절감하고 최대 광도는 약 20% 향상되었으며 우수한 방열구조로 해양환경에 적합한 특성을 나타내었다.

Recently, shipbuilding and marine experts are endeavoring to apply a LED (light emitting diode) to marine industries. The new light source usually has the advantages of cool running, eco-friendly designs, long lifespan, and higher luminous efficiency in comparison to incandescent or halogen lamps. LEDs are definitely not sensitive to vibrations or shocks, and can operate at low temperature in marine environment.

This dissertation described the optimal design of LED navigation lights which can replace the existing ones immediately and overcome disadvantages due to use of conventional lamps. To decide the best arrangement and position of a LED module, optical systems of existing navigation lights were analyzed and refracted routes of rays were simulated in Fresnel lens that was designed for collimation of lights specially. It was more advantageous to intensify luminous output that the LED module was located near the focus of the lens from the simulation results.

Since the temperature rise in the LED module causes electrical and optical variations to the characteristics of the navigation light, a thermal design technique is required. It was proposed a processing method which can lessen the weight of the heat-sink for LED modules, increase the surface area and improve the heat radiation efficiency by convection. The aluminum heat sink with hollow inside that acts as a support of LED packages and a natural convection type radiator was made a hexagonal pillar has a 12.5 [mm] width.

The filter characteristics against the colors of the lens applied to side lights(green, red) and a towing light(yellow) were analyzed using a spectrum analyzer. An effective method for replacing them with LEDs were derived from the results. It was proposed the method that can minimize the heat generation and advance the visibility by the comparison of constant current driving and pulse current driving circuits. The electrical and optical characteristics of the fabricated LED navigation lights were measured and analyzed with a goniophotometer. To calculate ranges of visibility, the vertical and horizontal luminous intensity distributions were evaluated in accordance with the COLREGs (Convention on the International Regulation for Preventing Collisions at Sea).

When the LED modules failed, the operations that an indicator lamp turned on and a buzzer sounded were the same as existing system for navigation lights by a circuit with photo-couplers and relays.

From the results, the proposed LED navigation lights showed suitable characteristics for marine environment with the power consumption reduced by 90[%] and the maximum luminous intensity increased by 20[%] compared to the existing navigation lights.