study of the optical system design of a reflective led
TRANSCRIPT
334
I. ์ ๋ก
๊ธฐ์กด์ ์กฐ๋ช ์ ๊ด์์ผ๋ก ๋ฐฑ์ด๋ฑ๊ณผ ํ๊ด๋ฑ์ ์ฌ์ฉํ์์ง๋ง
์ต๊ทผ ํจ์จ, ์๋ช ๋ฐ ํ๊ฒฝ์ ์ธ ์ธก๋ฉด์์ ์ฐ์ํ ํน์ฑ์ ๊ฐ์ง
๋ LED๋ก ๊ด์์ด ๋์ฒด๋๊ณ ์๋ค[1,2]. ํ์ง๋ง LED๋ ์์ ๋ฉด
์ ์์ ๊ณ ํ๋์ ๋น์ด ๋ฐ์ฐ๋จ์ ๋ฐ๋ผ ์ฒ์ฅ๋ฑ, ์คํ ๋ ์กฐ๋ช ๊ณผ
๊ฐ์ ์ค๋ด ์กฐ๋ช ์ผ๋ก ์ฌ์ฉ๋ ๊ฒฝ์ฐ, ๋์ ํ๋์ hot spot์ผ๋ก
์ธํ ๋ถ๊ท ์ผํ ํ๋ ๋ถํฌ๋ก ์ธํ์ฌ ๋๋ถ์ฌ์ ๋ฐ์์ํจ๋ค. ์ด
๋ฌํ ๋๋ถ์ฌ์ ํผ๋ก๊ฐ๋ฟ๋ง ์๋๋ผ ์ฌ์ฉ์์ ํ๋์ ๋ฐฉํด๋ฅผ
์ฃผ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์ด๋ฅผ ๊ณ ๋ คํ์ฌ ์กฐ๋ช ์ ๊ดํ๊ณ ์ค๊ณ๊ฐ ์ด๋ฃจ์ด์ ธ
์ผ ํ๋ค[3].
ํนํ LED ์คํ ๋์ ๊ฒฝ์ฐ ์ฌ์ฉ์์ ๋์ ๊ฐ๊น๊ฒ ์์น๋์ด
์์ผ๋ฉฐ, ์ฅ์๊ฐ ์ฌ์ฉ๋๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ๋๋ถ์ฌ์ ๊ฐ์์ํค๊ธฐ ์ํ
์ฐ๊ตฌ๊ฐ ํ์์ ์ด๋ค. ๊ธฐ์กด LED ์คํ ๋์ ๊ฒฝ์ฐ, ์ถ๊ฐ์ ์ธ ๊ด
ํ๊ณ ์์ด ํ์ฐํ์ด๋ ์ํฌ๋ฆดํ ๋ฑ์ ์ฌ์ฉํ์ฌ ๋๋ถ์ฌ์ ๊ฐ
์์ํค๋ ค๊ณ ํ์์ผ๋, ์ด ๊ฒฝ์ฐ์๋ ๊ทธ๋ฆผ 1๊ณผ ๊ฐ์ด LED์ ๋ ธ
์ถ๋ก ์ธํด hot spot์ด ๋ฐ์ํ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ๋๋ถ์ฌ์ด ์ ๊ฑฐ๋์ง
์๋๋ค.
๋ฐ๋ผ์ ๋ณธ ๋ ผ๋ฌธ์์๋ LED์ hot spot์ผ๋ก ์ธํ ๋๋ถ์ฌ์
๊ฐ์์ํค๊ธฐ ์ํด ๊ฐ์ ๊ด์ ํ์ฑํ๋ ๋ฐ์ฌํ LED ์คํ ๋ ์ค
๊ณ๋ฅผ ์งํํ๊ณ , ๊ธฐ์กด LED ์คํ ๋ ์ ํ๊ณผ์ ํ๋ ๋น๊ต ๋ฐ ๋ถ
์์ ํตํด ๋ฐ์ฌํ LED ์คํ ๋์ ๋๋ถ์ฌ์ ํ๊ฐํ์๋ค. ๋
Study of the Optical System Design of a Reflective LED Stand to Reduce Glare
Mi-Seon Kong and Mee-Suk Jungโ
Department of Nano & Semiconductor Engineering, Korea Polytechnic University, 237, Sangidaehak-ro, Siheung 15073, Korea
(Received October 18, 2020; Revised November 2, 2020; Accepted November 2, 2020)
In this paper, a study of the design of a lighting optical system to form indirect light was conducted, to reduce the glare caused
by the hot spot of the LED. In the case of using an LED for indoor lighting, glare is caused because of the high luminance
and non-uniform luminance distribution. In particular, LED stands are located close to the userโs eyes and are used for a long
time, so research to reduce glare is essential. Therefore, in this paper an optical system structural study and the design of an
LED stand for glare reduction were conducted. Afterward, the luminance analysis and comparison to an existing LED stand
product confirmed that the reflective LED stand proposed in this paper had better performance in terms of glare.
Keywords: Illumination optics, Reflector, Luminance
OCIS codes: (120.5700) Reflection; (220.2945) Illumination design
๋๋ถ์ฌ ๊ฐ์๋ฅผ ์ํ ๋ฐ์ฌํ LED ์คํ ๋ ๊ดํ๊ณ ์ค๊ณ์ ๊ดํ ์ฐ๊ตฌ
๊ณต๋ฏธ์ ใ์ ๋ฏธ์โ
ํ๊ตญ์ฐ์ ๊ธฐ์ ๋ํ๊ต ๋๋ ธ๋ฐ๋์ฒด๊ณตํ๊ณผ
์ฐ 15073 ๊ฒฝ๊ธฐ๋ ์ํฅ์ ์ฐ๊ธฐ๋ํ๋ก 237
(2020๋ 10์ 18์ผ ๋ฐ์, 2020๋ 11์ 2์ผ ์์ ๋ณธ ๋ฐ์, 2020๋ 11์ 2์ผ ๊ฒ์ฌ ํ์ )
๋ณธ ๋ ผ๋ฌธ์์๋ LED์ hot spot์ผ๋ก ์ธํด ๋ฐ์ํ๋ ๋๋ถ์ฌ์ ๊ฐ์์ํค๊ธฐ ์ํ์ฌ ๊ฐ์ ๊ด์ ํ์ฑํ๋ ์กฐ๋ช ๊ดํ๊ณ ์ค๊ณ์ ๊ดํ
์ฐ๊ตฌ๋ฅผ ์งํํ์๋ค. LED๋ฅผ ์ค๋ด ์กฐ๋ช ์ ๊ด์์ผ๋ก ์ฌ์ฉํ๋ ๊ฒฝ์ฐ, ๋์ ํ๋์ hot spot์ผ๋ก ์ธํ ๋ถ๊ท ์ผํ ํ๋ ๋ถํฌ๋ก ์ธํด
์ฌ์ฉ์์๊ฒ ๋๋ถ์ฌ์ ๋ฐ์์ํค๋ ๋ฌธ์ ์ ์ด ์๋ค. ํนํ, LED ์คํ ๋์ ๊ฒฝ์ฐ ์ฌ์ฉ์์ ๋์ ๊ฐ๊น๊ฒ ์์น๋์ด ์์ผ๋ฉฐ, ์ฅ์๊ฐ ์ฌ์ฉ
๋๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ๋๋ถ์ฌ ๊ฐ์๋ฅผ ์ํ ์ฐ๊ตฌ๊ฐ ํ์์ ์ด๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ๋ณธ ๋ ผ๋ฌธ์์๋ ๋๋ถ์ฌ์ ๊ฐ์์ํค๊ธฐ ์ํ LED ์คํ ๋ ๊ดํ๊ณ ๊ตฌ์กฐ
์ฐ๊ตฌ ๋ฐ ์ค๊ณ๋ฅผ ์งํํ์๋ค. ์ดํ, ๊ธฐ์กด LED ์คํ ๋ ์ ํ๊ณผ์ ํ๋ ๋น๊ต ๋ฐ ๋ถ์์ ํตํด ๋ณธ ๋ ผ๋ฌธ์์ ์ ์ํ ๋ฐ์ฌํ LED ์คํ ๋
๊ฐ ๋๋ถ์ฌ ๋ฉด์์ ๋ ์ฐ์ํ ์ฑ๋ฅ์ ๊ฐ์ง๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ์๋ค.
Keywords: ์กฐ๋ช ๊ดํ, ๋ฐ์ฌ๊ฒฝ, ํ๋
OCIS codes: (120.5700) Reflection; (220.2945) Illumination design
โ E-mail: [email protected], ORCID: 0000-0003-3430-876X
Color versions of one or more of the figures in this paper are available online.
ใ์ฐ๊ตฌ๋ ผ๋ฌธใKorean Journal of Optics and Photonics, Vol. 31, No. 6, December 2020, pp. 334-343
DOI: https://doi.org/10.3807/KJOP.2020.31.6.334
ISSN : 1225-6285(Print)
ISSN : 2287-321X(Online)
ใ์ฐ๊ตฌ๋ ผ๋ฌธใ๋๋ถ์ฌ ๊ฐ์๋ฅผ ์ํ ๋ฐ์ฌํ LED ์คํ ๋ ๊ดํ๊ณ ์ค๊ณ์ ๊ดํ ์ฐ๊ตฌ โ ๊ณต๋ฏธ์ ใ์ ๋ฏธ์ 335
ํ, ์คํ ๋ ์กฐ๋ช ์ ์ด๋ํ LED ๋ฑ๊ธฐ๊ตฌ์ ์ฑ๋ฅ ์๊ตฌ์ฌํญ์
ํด๋นํ๋ KS C 7656 ๊ธฐ์ค์ ๋ง์กฑํด์ผ ํ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ํด๋น ์กฐ
๋ช ์ ๊ดํ๊ณ ์ค๊ณ ์ ์ด๋ฅผ ๋ง์กฑํ๋ ๊ฒ์ ๋ชฉํ๋ก ํ์๋ค. KS
C 7656์์๋ ๊ทธ๋ฆผ 2์ ๊ฐ์ด ์กฐ๋ช 400 mm ์๋ ์์ญ์ ์ค
์ฌ๊ณผ ์ค์ฌ์์ 300 mm ๊ฐ๊ฒฉ์ผ๋ก ๋จ์ด์ง 8๊ฐ ์์น์์์ ์กฐ
๋ ๋ฒ์๋ฅผ 600~1,500 lux๋ก ๊ท์ ํ๊ณ ์๋ค.
II. ๋ณธ ๋ก
2.1. ๊ด์ ์ ์ ๋ฐ ๊ดํ๊ณ ๊ตฌ์กฐ ๋์ถ
LED๋ ์์ ๋ฉด์ ์์ ๋น์ด ๋ฐ์ฐ๋๊ธฐ ๋๋ฌธ์ power๊ฐ ๋
์ ๊ฒฝ์ฐ ํ ๊ณณ์ ๋น์ด ์ง์ค๋์ด ๋๋ถ์ฌ ๋ฌธ์ ๊ฐ ๋ฐ์ํ๋ค[4].
๋ฐ๋ผ์ 0.1 W ์ดํ์ low power LED๋ฅผ ์ ์ ํ์ฌ ๋น์ ๋ถ์ฐ
์ํค๊ณ ์ ํ๋ค. ๋ํ, ์คํ ๋๋ ํ์ต ์์ ์ฌ์ฉ๋๋ ์กฐ๋ช ์ผ
๋ก ์ฌ์ฉ์์ ์ง์ค๋ ฅ ํฅ์์ ์ํด 5,000~7,000 K์ ์์จ๋๋ฅผ
๋ง์กฑํ๋ ๊ด์์ ์ ์ ํ๊ณ ์ ํ๋ค[5]. ์ด๋ฅผ ๊ณ ๋ คํ์ฌ ์ ์ ๋
๊ด์์ power 0.061 W, size 1.4 mm (W) ร 3.0 mm (L) ร 0.8
mm (H), ์์จ๋ 7,000 K์ ํน์ฑ์ ๊ฐ์ง๋ OSRAM์ฌ์
LED์ด๋ค.
๋ณธ ๋ ผ๋ฌธ์์ ์ ์ํ๋ ๋ฐ์ฌํ LED ์คํ ๋์ ํฌ๊ธฐ๋ ๊ธฐ์กด
LED ์คํ ๋์์ ์ ํํ ์ฑ๋ฅ ๋น๊ต๋ฅผ ์ํด ๊ธฐ์กด LED ์คํ
๋์ ํฌ๊ธฐ์ธ 38 mm (W) ร 15 mm (H) ร 350 mm (L)์ ๋์ผ
ํ๊ฒ ์ค์ ํ์๋ค. ๊ธฐ์กด LED ์คํ ๋์ ํ์์ ๊ทธ๋ฆผ 3๊ณผ ๊ฐ๋ค.
LED ๊ด์์ด ์ง์ ์ ์ผ๋ก ๋ ธ์ถ๋ ๊ฒฝ์ฐ hot spot์ผ๋ก ์ธํด ๋
๋ถ์ฌ์ด ๋ฐ์๋๊ธฐ ๋๋ฌธ์, ๊ทธ๋ฆผ 4์ ๊ฐ์ด LED๋ฅผ 45ยฐ ๊ฐ๋๋ก
๊ธฐ์ธ์ฌ ์์ชฝ์ ๋ฐฐ์นํ๊ณ ์์ชฝ์ ๋ฐ์ฌ๊ฒฝ์ ํตํด ๊ฐ์ ๊ด์ ํ
์ฑํ์๋ค. ์ด๋ LED๋ 5 mm ๊ฐ๊ฒฉ์ผ๋ก ์ด 146๊ฐ ๋ฐฐ์นํ์ฌ
8.9 W์ ๊ด๋์ ๊ฐ์ง๋๋ก ํ์๋ค. ์ด์ ๊ฐ์ด ๊ด์ ๋ฐ ๊ดํ๊ณ
๋ฅผ ๋ฐฐ์นํ ๊ฒฝ์ฐ, ๊ด์์ด ์ง์ ์ ์ผ๋ก ๋ ธ์ถ๋์ง ์์ผ๋ฏ๋ก ์ด๋ก
์ธํด ๋ฐ์ํ๋ ๋๋ถ์ฌ์ ํด๊ฒฐ์ด ๊ฐ๋ฅํ๋ค.
2.2. ๋ฐ์ฌ๊ฒฝ ์ค๊ณ
์์ ๊ฐ์ด ๊ด์ ๋ฐ ๊ดํ๊ณ๋ฅผ ๋ฐฐ์นํ ํ KS C 7656 ๊ธฐ์ค์
๋ง์กฑ์ํค๊ธฐ ์ํ ๋ฐ์ฌ๊ฒฝ ์ค๊ณ๋ฅผ ์งํํ์๋ค. ๋ฐ์ฌ๊ฒฝ์ ํ์
์ด ๊ทธ๋ฆผ 5(a)์ ๊ฐ์ด ํ๋์ ๊ณก๋ฅ ๋ก ์ด๋ฃจ์ด์ ธ ์์ ๊ฒฝ์ฐ, ํ
๋์ LED line์์ ๋์จ ๋น์ด ๋ฐ์ฌ๊ฒฝ์ ๋ฐ์ฌ๋์ด ๋ง์ํธ์
์๋ LED line์ ์ํด ์ฐจํ๋๋ฏ๋ก ๊ด๋ ํ๋ณด์ ์ด๋ ค์์ด ์
๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ๊ทธ๋ฆผ 5(b)์ ๊ฐ์ด ์์ชฝ๋ฉด์ ์์น๋์ด ์๋ LED
line์ด ๊ฐ๊ฐ์ ๋ฐ์ฌ๊ฒฝ์ ๊ฐ๋๋ก ํ์ฌ ๊ด๋์ ํ๋ณดํ์๋ค.
Fig. 1. Glare of an LED stand.
(a)
(b)
Fig. 2. KS C 7656. (a) Illuminance measurement (side view). (b)
Illuminance measurement (top view).
(a) (b)
Fig. 3. Existing LED stand. (a) LED stand (Y-Z plane). (b) LED stand (reverse X-Z plane).
Fig. 4. LED slope structure.
336 ํ๊ตญ๊ดํํ์ง ์ 31๊ถ ์ 6ํธ, 2020๋ 12์
์กฐ์ฌ์์ญ์์์ ๊ด๋ ํ๋ณด๋ฅผ ์ํ์ฌ ๊ทธ๋ฆผ 6๊ณผ ๊ฐ์ด ์ A
์์ ์ถ์ฌํ๋ ๊ด๋ค์ด ์กฐ์ฌ์์ญ์ ๊ณ ๋ฅด๊ฒ ์กฐ์ฌ๋๋๋ก ํ๋
์ B์ ์์น๋ฅผ ์ฐพ๊ณ ์ ํ์๋ค. ํ์ง๋ง, ๊ทธ๋ฆผ 7๊ณผ ๊ฐ์ด ์กฐ์ฌ
๋ฉด์ ์ ๋ํ์ฌ ๋์ผํ ๊ฐ๊ฒฉ์ผ๋ก ๊ด์ ํผ๋จ๋ฆด ๊ฒฝ์ฐ, ์กฐ์ฌ์์ญ
์ฃผ๋ณ๋ถ๋ก ๋๋ฌํ๋ ๊ด์ ์ ๊ฒฝ๋ก๊ฐ ์ค์ฌ๋ถ๋ก ๋๋ฌํ๋ ๊ด์
์ ๊ฒฝ๋ก์ ๋นํด ํจ์ฌ ๊ธธ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์ฃผ๋ณ๋ถ์์ ์กฐ๋๊ฐ ์ ํ๋
๋ ๋ฌธ์ ๊ฐ ๋ฐ์ํ๋ค[6]. ๋ฐ๋ผ์ ๊ทธ๋ฆผ 8๊ณผ ๊ฐ์ด ์กฐ์ฌ์์ญ ์ฃผ๋ณ
๋ถ์ ๋๋ฌํ๋ ๊ด์ ์ ์๋ฅผ ๋๋ ค ์ฃผ๋ณ๋ถ ์์ญ์์์ ์กฐ๋๋ฅผ
ํ๋ณดํ์๋ค.
ํด๋น ์ค๊ณ์ ์ฌ์ฉ๋ LED๋ 120ยฐ์ ๋ฐ์ฐ๊ฐ์ ๊ฐ์ง๊ณ ์์ผ
๋ฏ๋ก ํด๋น ๊ฐ๋ ๋ด์์ 5ยฐ ๊ฐ๊ฒฉ์ผ๋ก ์ถ์ฌํ๋ ๊ด์ ์ ๋ํ
์ B์ ์๋๋ฅผ ์งํํ์์ผ๋ฉฐ, ํด๋น ์ ๋ค์ ์ขํ๋ฅผ ํ 1์ ๋
ํ๋๋ค. ๊ทธ๋ฆผ 9๋ ํด๋น ์ ๋ค์ LightTools์ Fitted curve ๊ธฐ
๋ฅ์ ์ด์ฉํด ์ ์ผ๋ก ์ฐ๊ฒฐํ ๋ชจ์ต์ด๋ค. ์ด๋ LED line (1)์
๋ํ ๋ฐ์ฌ๊ฒฝ์ ํ์์ด๋ฉฐ, LED line (2)์ ๋ํ ๋ฐ์ฌ๊ฒฝ์ ํด
๋น ํ์์ y์ถ์ผ๋ก ๋์นญ์์ผ ์ ์ฉํ์๋ค. ๋ฐ์ฌ๊ฒฝ์ ๋ฐ์ฌ ํน
์ฑ์ ์ฌ์ง์ ๋ฐ๋ผ ๋ค๋ฅด๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์ผ๋ฐ์ ์ผ๋ก ๋ง์ด ์ฌ์ฉ๋๋
์๋ฃจ๋ฏธ๋์ ๋ฐ์ฌ๊ฒฝ์ ์ฌ์ง๋ก ์ ์ ํ์๊ณ , ๊ฐ์๊ด์ ์์ญ์์
๋ฐ์ฌ์จ 90%๋ฅผ ์ ์ฉํ์๋ค[7].
ํ์ง๋ง ํด๋น ์๋๋ ๊ด์์ด point source๋ผ๋ ๊ฐ์ ํ์ ์ด
๋ฃจ์ด์ก๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์ฝ๊ฐ์ ์ค์ฐจ๊ฐ ๋ฐ์ํ ์ ์๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ์
์ ๊ฐ์ด ๋์ถ๋ ์ขํ ๊ฐ์ ํตํด ๋ฐ์ฌ๊ฒฝ์ ์ค๊ณํ ํ, ์ถ๊ฐ์
์ธ ์ต์ ํ๋ฅผ ์งํํ์๋ค. ์ด๋ฅผ ํตํด ๋ง๋ค์ด์ง ๋ฐ์ฌํ LED
์คํ ๋์ ํ์์ ๊ทธ๋ฆผ 10๊ณผ ๊ฐ์ผ๋ฉฐ, ์กฐ๋ ์๋ฎฌ๋ ์ด์ ๊ฒฐ๊ณผ
(a)
(b)
Fig. 5. Reflector shape. (a) Reflector shape with one curvature.
(b) Reflector shape with two curvatures.
Fig. 6. Drawing figure of ray tracing.
Fig. 7. Illuminance degradation in the periphery area.
Fig. 8. Illuminance securing in the periphery area.
Table 1. Coordinates of point B according to each angle
Angle Coordinates (z, y) Angle Coordinates (z, y)
-60ยฐ (-10.522, 3.972) 0ยฐ (-5.604, 4.331)
-55ยฐ (-10.217, 4.088) 5ยฐ (-5.058, 4.192)
-50ยฐ (-9.896, 4.194) 10ยฐ (-4.496, 4.011)
-45ยฐ (-9.559, 4.289) 15ยฐ (-3.920, 3.780)
-40ยฐ (-9.203, 4.371) 20ยฐ (-3.338, 3.497)
-35ยฐ (-8.828, 4.439) 25ยฐ (-2.757, 3.156)
-30ยฐ (-8.433, 4.491) 30ยฐ (-2.185, 2.753)
-25ยฐ (-8.017, 4.526) 35ยฐ (-1.636, 2.288)
-20ยฐ (-7.579, 4.540) 40ยฐ (-1.246, 1.897)
-15ยฐ (-7.119, 4.532) 45ยฐ (-0.880, 1.470)
-10ยฐ (-6.636, 4.496) 50ยฐ (-0.550, 1.010)
-5ยฐ (-6.131, 4.431) 55ยฐ (-0.266, 0.518)
60ยฐ (0, 0)
ใ์ฐ๊ตฌ๋ ผ๋ฌธใ๋๋ถ์ฌ ๊ฐ์๋ฅผ ์ํ ๋ฐ์ฌํ LED ์คํ ๋ ๊ดํ๊ณ ์ค๊ณ์ ๊ดํ ์ฐ๊ตฌ โ ๊ณต๋ฏธ์ ใ์ ๋ฏธ์ 337
์กฐ์ฌ์์ญ์์ ์ต์ ์กฐ๋ 654.33 lux, ์ต๋ ์กฐ๋ 1,423.3 lux๋ก
KS C 7656 ๊ธฐ์ค์ ๋ง์กฑํ๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ์๋ค.
2.3. ํ๋ ๋ถ์
ํ๋(luminance)๋ ๊ด์์ ๋ฐ๋ผ๋ณด๋ ๋ฐฉํฅ์์ ๋ณธ ๋จ์๋ฉด์
๋น ๋น์ ์ธ๊ธฐ๋ฅผ ๋งํ๋ฉฐ ์กฐ๋ช ๊ธฐ๊ตฌ์์ ๋ฐ์๋ ๋น ๋๋ ๋ฌผ์ฒด
์ ํ๋ฉด์ ๋ฐ์ฌ๋ ๋ค ๋์ ๋ค์ด์ค๋ ๋น์ด ์ผ๋ง๋ ๋ฐ์์ง๋ฅผ
๋ํ๋ธ๋ค[8,9]. ์ด๋ฌํ ํ๋๋ ์ฌ์ฉ์์ ์์ผ ๋ด์์ ๋์ ๊ฐ
์ ๊ฐ์ง์๋ก, ๋ถ๊ท ์ผํ ๋ถํฌ๋ฅผ ๊ฐ์ง์๋ก ๋ ํฐ ๋๋ถ์ฌ์ ์ผ
๊ธฐ์ํจ๋ค. ์ด์ฒ๋ผ ํ๋๋ ๋๋ถ์ฌ๊ณผ ๋ฐ์ ํ ๊ด๊ณ๊ฐ ์๋ค.
LED ์คํ ๋์ ํ๋ ๋ถ์์ ๊ทธ๋ฆผ 11๊ณผ ๊ฐ์ด LED ์คํ ๋์
์๋ซ๋ฉด๊ณผ ์ธก๋ฉด๋ถ์์ ์งํํ์๋ค. ํ๋ ์๋ฎฌ๋ ์ด์ ์ Spatial
luminance profile์ ํตํด ์งํํ์์ผ๋ฉฐ ์ฌ์ฉ์์ ์คํ ๋ ๊ฐ
์ ๊ฑฐ๋ฆฌ์ ์ฌ๋์ ์์ ๊ฐ๊ฒฉ์ ๊ณ ๋ คํ์ฌ ์งํํ์๋ค. ์ด๋,
์ฌ์ฉ์์ ์คํ ๋ ๊ฐ์ ๊ฑฐ๋ฆฌ๋ 300 mm, ์ฌ๋์ ์์ ๊ฐ๊ฒฉ์
65 mm๋ก ์ค์ ํ์๋ค[10].
LED ์คํ ๋ ์๋ซ๋ฉด์์ ํ๋ ์๋ฎฌ๋ ์ด์ ์ ์งํํ ๊ฒฐ๊ณผ,
๊ธฐ์กด LED ์คํ ๋์ ๊ฒฝ์ฐ ๊ทธ๋ฆผ 12(a)์ ๊ฐ์ด LED๊ฐ ์๋ ์
์น์์ ์ ์ ํํ๋ก hot spot์ด ๋ฐ์ํ๋ค. ๋ฐ๋ฉด, ๋ฐ์ฌํ LED
์คํ ๋์ ๊ฒฝ์ฐ ๊ทธ๋ฆผ 12(b)์ ๊ฐ์ด ๋ฉด ํํ์ ํ๋ ๋ถํฌ๋ฅผ ๊ฐ
์ง๋ฉฐ ๋ถ๊ท ์ผํ ํ๋ ๋ถํฌ๊ฐ ๊ฐ์ ๋์์์ ํ์ธํ ์ ์๋ค.
๋ํ, ๊ธฐ์กด LED ์คํ ๋์ ๊ฒฝ์ฐ ์ต๋ ํ๋ 392,550 nit๋ก ๋ฐ
์ฌํ LED ์คํ ๋์ ์ต๋ ํ๋์ธ 87,286 nit๋ณด๋ค ์ฝ 4๋ฐฐ์ ๊ฐ
์ ๊ฐ์ง๋ค. ์กฐ๋ช ์ ํ๋๊ฐ ํด์๋ก, ํ๋ ๋ถํฌ์ ๊ท ์ผ๋๊ฐ ๋ฎ
์์๋ก ๋ ํฐ ๋๋ถ์ฌ์ด ์ผ๊ธฐ๋๋ฏ๋ก ๋ณธ ๋ ผ๋ฌธ์์ ์ ์ํ ๋ฐ์ฌ
ํ LED ์คํ ๋๊ฐ ๊ธฐ์กด LED ์คํ ๋ ๋๋น ๋ ์ ์ ๋๋ถ์ฌ์
๊ฐ์ง๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ์๋ค.
๋ํ, ์ฌ์ฉ์์ ์์น์์ LED ์คํ ๋์ ๋๋ถ์ฌ์ ํ๊ฐํ
๊ธฐ ์ํ์ฌ ์คํ ๋ ์ธก๋ฉด๋ถ์์ ํ๋ ์๋ฎฌ๋ ์ด์ ์ ์งํํ์
Fig. 9. Reflector shape using LightTools.
(a)
(b)
(c)
Fig. 10. Results of illumination simulation. (a) LED stand (Y-Z
plane). (b) LED stand (isometric). (c) Illuminance.
(a)
(b)
Fig. 11. Analysis of luminance. (a) Existing LED stand. (b)
Reflective LED stand.
338 ํ๊ตญ๊ดํํ์ง ์ 31๊ถ ์ 6ํธ, 2020๋ 12์
๋ค. ์ผ๋ฐ์ ์ผ๋ก LED ์คํ ๋๋ฅผ ์ฌ์ฉํ๋ ๊ฒฝ์ฐ ์ฌ์ฉ์์ ๋๋
์ด์ ๋ง๊ฒ LED ์คํ ๋๋ฅผ ์์น์ํค์ง๋ง ํ์ต ๋๋ ์์ ์
์ฌ์ฉ์์ ์์ง์์ ๋ฐ๋ผ ๋๋์ด์ ๊ฐ๋๊ฐ ๋ฌ๋ผ์ง๊ธฐ ๋๋ฌธ์
์ด๋ฅผ ๊ณ ๋ คํ์ฌ ํ๋ ๋ถ์์ ์งํํด์ผ ํ๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ๊ทธ๋ฆผ 13
๊ณผ ๊ฐ์ด LED ์คํ ๋ ๊ธฐ์ค์ผ๋ก 0 mm, -20 mm, -40 mm ๋
์ด์ +6ยฐ, +3ยฐ, 0ยฐ, -3ยฐ, -6ยฐ ๊ฐ๋์ ๋ํด์ ํ๋ ์๋ฎฌ๋ ์ด์
์ ์งํํ์๋ค.
๊ทธ ๊ฒฐ๊ณผ, LED ์คํ ๋๊ฐ ์ฌ์ฉ์์ ๋๋์ด์ ์์น๋์ด ์์
์(y = 0 mm) ๊ธฐ์กด LED ์คํ ๋์ ๋ฐ์ฌํ LED ์คํ ๋ ๋ชจ๋
+6ยฐ์ ๊ฐ๋์์๋ ํ๋๊ฐ ์ธก์ ๋์ง ์์ผ๋ฉฐ, +3ยฐ, 0ยฐ, -3ยฐ, -6ยฐ
๊ฐ๋์์๋ ํ 2์ ๊ฐ์ ํ๋ ๋ถํฌ ๋ฐ ๊ฐ์ ๋ณด์ธ๋ค. ๊ธฐ์กด
LED ์คํ ๋์ ๊ฒฝ์ฐ LED๊ฐ ๋ ธ์ถ๋์ด ์๊ธฐ ๋๋ฌธ์ LED ํ
์์ด ๊ทธ๋๋ก ๋๋ฌ๋ ์ ์ ํํ๋ก hot spot์ด ๋ฐ์ํ๋ค. ๋ฐ๋ฉด,
๋ฐ์ฌํ LED ์คํ ๋์ ๊ฒฝ์ฐ hot spot ์์ด ๋น๊ต์ ๊ท ์ผํ ํ
๋ ๋ถํฌ๋ฅผ ๊ฐ์ง๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ ์ ์๋ค. ํ๋๊ฐ ์ธก์ ๋๋ ์
์ญ์์์ ๊ท ์ผ๋๋ฅผ ๋น๊ตํ ๊ฒฐ๊ณผ, ๋ชจ๋ ๊ฐ๋์์ ๋ฐ์ฌํ LED
์คํ ๋๊ฐ ๊ธฐ์กด LED ์คํ ๋๋ณด๋ค ์ฝ 120~220% ํฅ์๋ ํ๋
๊ท ์ผ๋๋ฅผ ๊ฐ์ง๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ์๋ค. ๋ํ, ๋ฐ์ฌํ LED ์คํ
๋์ ์ต๋ ํ๋๋ ๋ชจ๋ ๊ฐ๋์ ๋ํ์ฌ ๊ธฐ์กด LED ์คํ ๋์
์ต๋ ํ๋๋ณด๋ค ์ฝ 20~30% ์์ ๊ฐ์ ๊ฐ์ง๋ค. ์ฌ์ฉ์์ ์์ผ
๋ด์์ ์กฐ๋ช ์ด ๋์ ํ๋๋ฅผ ๊ฐ์ง์๋ก, ํ๋ ๊ท ์ผ๋๊ฐ ๋ฎ์์
๋ก ๋ ํฐ ๋๋ถ์ฌ์ ์ผ๊ธฐ์ํค๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ๋ณธ ๋ ผ๋ฌธ์์ ์ ์ํ
๋ฐ์ฌํ LED ์คํ ๋๋ ๊ธฐ์กด LED ์คํ ๋์ ๋นํด ๋๋ถ์ฌ์ด
๊ฐ์ ๋์์์ ํ์ธํ ์ ์๋ค.
์ดํ, LED ์คํ ๋๋ฅผ ๊ธฐ์ค์ผ๋ก -20 mm, -40 mm ๋์ด์
+6ยฐ, +3ยฐ, 0ยฐ, -3ยฐ, -6ยฐ ๊ฐ๋์ ๋ํ์ฌ ํ๋ ์๋ฎฌ๋ ์ด์ ์ ์ง
ํํ ๊ฒฐ๊ณผ, ํ 3๊ณผ ํ 4์ ๊ฐ์ด ๋ชจ๋ ๋์ด ๋ฐ ๊ฐ๋์์ ๋ฐ์ฌ
ํ LED ์คํ ๋๊ฐ ๊ธฐ์กด LED ์คํ ๋์ ๋นํด ํ๋ ๋ถํฌ์ ๊ท
์ผ๋๊ฐ ์ฝ 130~160% ํฅ์๋์์ผ๋ฉฐ ์ต๋ ํ๋๋ ์ฝ 20~25%
๊ฐ์๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ์๋ค. ์กฐ๋ช ์ ํ๋๊ฐ ํด์๋ก, ๊ท ์ผ๋๊ฐ
๋ฎ์์๋ก ์ฌ์ฉ์์๊ฒ ๋ ํฐ ๋๋ถ์ฌ์ ์ผ๊ธฐํ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ๋ณธ ๋ ผ
๋ฌธ์์ ์ ์ํ ๋ฐ์ฌํ LED ์คํ ๋๊ฐ ๋๋ถ์ฌ ๋ฉด์์ ๋ ์ฐ์
ํ ์ฑ๋ฅ์ ๊ฐ์ง๋ค๊ณ ํ๋จํ์๋ค.
(a)
(b)
Fig. 12. Results of luminance simulation. (a) Existing LED stand. (b) Reflective LED stand.
(a) (b) (c)
Fig. 13. Setting of side luminance analysis. (a) y = 0 mm. (b) y = -20 mm. (c) y = -40 mm.
ใ์ฐ๊ตฌ๋ ผ๋ฌธใ๋๋ถ์ฌ ๊ฐ์๋ฅผ ์ํ ๋ฐ์ฌํ LED ์คํ ๋ ๊ดํ๊ณ ์ค๊ณ์ ๊ดํ ์ฐ๊ตฌ โ ๊ณต๋ฏธ์ ใ์ ๋ฏธ์ 339
Table 2. Results of luminance simulation (y = 0 mm)
Angle Existing LED stand Reflective LED stand
+6ยฐ
Min. - Min. -
Max. - Max. -
Uniformity - Uniformity -
+3ยฐ
Min. 6.72 nit Min. 18.77 nit
Max. 70.82 nit Max. 49.56 nit
Uniformity 17.33% Uniformity 54.94%
0ยฐ
Min. 51.25 nit Min. 108.43 nit
Max. 386.24 nit Max. 304.70 nit
Uniformity 23.43% Uniformity 52.49%
-3ยฐ
Min. 126.66 nit Min. 290.27 nit
Max. 1035.47 nit Max. 776.37 nit
Uniformity 21.80% Uniformity 54.43%
340 ํ๊ตญ๊ดํํ์ง ์ 31๊ถ ์ 6ํธ, 2020๋ 12์
Table 2. Results of luminance simulation (y = 0 mm) (continued)
Angle Existing LED stand Reflective LED stand
-6ยฐ
Min. 245.09 nit Min. 533.71 nit
Max. 1989.25 nit Max. 1461.05 nit
Uniformity 21.94% Uniformity 53.51%
Table 3. Results of luminance simulation (y = -20 mm)
Angle Existing LED stand Reflective LED stand
+6ยฐ
Min. 14.43 nit Min. 30.69 nit
Max. 130.88 nit Max. 103.50 nit
Uniformity 19.86% Uniformity 45.74%
+3ยฐ
Min. 68.83 nit Min. 163.82 nit
Max. 536.34 nit Max. 415.02 nit
Uniformity 22.75% Uniformity 56.60%
0ยฐ
Min. 157.42 nit Min. 363.82 nit
Max. 1234.54 nit Max. 957.88 nit
Uniformity 22.62% Uniformity 55.05%
ใ์ฐ๊ตฌ๋ ผ๋ฌธใ๋๋ถ์ฌ ๊ฐ์๋ฅผ ์ํ ๋ฐ์ฌํ LED ์คํ ๋ ๊ดํ๊ณ ์ค๊ณ์ ๊ดํ ์ฐ๊ตฌ โ ๊ณต๋ฏธ์ ใ์ ๋ฏธ์ 341
Table 3. Results of luminance simulation (y = -20 mm) (continued)
Angle Existing LED stand Reflective LED stand
-3ยฐ
Min. 280.36 nit Min. 651.24 nit
Max. 2254.29 nit Max. 1720.24 nit
Uniformity 22.12% Uniformity 54.92%
-6ยฐ
Min. 415.71 nit Min. 951.84 nit
Max. 3422.95 nit Max. 2576.05 nit
Uniformity 21.66% Uniformity 53.96%
Table 4. Results of luminance simulation (y = -40 mm)
Angle Existing LED stand Reflective LED stand
+6ยฐ
Min. 88.06 nit Min. 210.77 nit
Max. 703.30 nit Max. 549.81 nit
Uniformity 22.26% Uniformity 55.42%
+3ยฐ
Min. 183.55 nit Min. 467.50 nit
Max. 1469.18 nit Max. 1143.14 nit
Uniformity 22.21% Uniformity 58.05%
342 ํ๊ตญ๊ดํํ์ง ์ 31๊ถ ์ 6ํธ, 2020๋ 12์
III. ๊ฒฐ ๋ก
๋ณธ ๋ ผ๋ฌธ์์๋ ๊ธฐ์กด LED ์คํ ๋์ ๋๋ถ์ฌ์ ๊ฐ์์ํค๊ธฐ
์ํ ๊ดํ๊ณ ๋ฐฐ์น ๋ฐ ๋ฐ์ฌ๊ฒฝ ํ์์ ์ ์ํ์์ผ๋ฉฐ, ์ค๊ณ์
์๋ฎฌ๋ ์ด์ ์ ํตํด ์ด๋ฅผ ์ ์ฆํ์๋ค. ์กฐ๋ ์๋ฎฌ๋ ์ด์ ๊ฒฐ๊ณผ,
์ต์ ์กฐ๋ 654.33 lux, ์ต๋ ์กฐ๋ 1,423.3 lux๋ก ์ด๋ํ LED
๋ฑ๊ธฐ๊ตฌ ๊ธฐ์ค์ธ KS C 7656์ ๋ง์กฑํ๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ์๋ค. ์ด
ํ, ํ๋ ์๋ฎฌ๋ ์ด์ ์ ํตํด ๋ณธ ๋ ผ๋ฌธ์์ ์ ์ํ ๋ฐ์ฌํ
LED ์คํ ๋์ ๋๋ถ์ฌ์ ํ๊ฐํ์๋ค. ๊ธฐ์กด LED ์คํ ๋์ ๊ฒฝ
์ฐ, ์ ํํ์ hot spot์ผ๋ก ์ธํด ๋ถ๊ท ์ผํ ํ๋ ๋ถํฌ๋ฅผ ๊ฐ์ง
๋ค. ๋ฐ๋ฉด, ๋ฐ์ฌํ LED ์คํ ๋์ ๊ฒฝ์ฐ ๊ฐ์ ๊ด์ ํํ๋ก ๋น์ด
๋ฐ์ฐ๋๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ๋ฉด ํํ์ ๊ท ์ผํ ํ๋ ๋ถํฌ๋ฅผ ๊ฐ์ง๋ค. ์ด
๋ ๋ฐ์ฌํ LED ์คํ ๋์ ํ๋ ๊ท ์ผ๋๋ ๊ธฐ์กด LED ์คํ ๋
๋๋น ์ฝ 120~220% ํฅ์๋ ๊ฐ์ ๊ฐ์ง๋ฉฐ, ์ต๋ ํ๋๋ ์ฝ
20~30% ์์ ๊ฐ์ ๊ฐ์ง๋ค. ์ด๋ฅผ ํตํด ๋ณธ ๋ ผ๋ฌธ์์ ์ ์ํ
๋ฐ์ฌํ LED ์คํ ๋๊ฐ ๋๋ถ์ฌ ๋ฉด์์ ๋ ์ฐ์ํ ์ฑ๋ฅ์ ๊ฐ์ง
๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ์๋ค.
References
1. Y. M. Park, H. C. Bang, Y. H. Seo, and B. H. Kim,
โDevelopment of surface-mount-type crown-shaped lens for
reducing glare effect of light-emitting diode light source,โ
J. Korean Soc. Manuf. Technol. Eng. 23, 64-68 (2014).
2. J. T. Kim, โSecondary optical lens design for beam divergence
of light emitting diode,โ J. Korean Inst. Illum. Electr. Install.
Table 4. Results of luminance simulation (y = -40 mm) (continued)
Angle Existing LED stand Reflective LED stand
0ยฐ
Min. 313.88 nit Min. 738.87 nit
Max. 2542.26 nit Max. 1894.64 nit
Uniformity 21.98% Uniformity 56.11%
-3ยฐ
Min. 455.93 nit Min. 1010.83 nit
Max. 3734.89 nit Max. 2782.45 nit
Uniformity 21.76% Uniformity 53.30%
-6ยฐ
Min. 604.19 nit Min. 1360.37 nit
Max. 5084.38 nit Max. 3923.25 nit
Uniformity 21.24% Uniformity 51.49%
ใ์ฐ๊ตฌ๋ ผ๋ฌธใ๋๋ถ์ฌ ๊ฐ์๋ฅผ ์ํ ๋ฐ์ฌํ LED ์คํ ๋ ๊ดํ๊ณ ์ค๊ณ์ ๊ดํ ์ฐ๊ตฌ โ ๊ณต๋ฏธ์ ใ์ ๋ฏธ์ 343
Eng. 31, 67-71 (2017).
3. D. H. Nam and D. H. Lee, โBrightness uniformity evaluation
of the LED planar light source using a illuminometer,โ
Korean Inst. Illum. Electrical Install. Eng. 30, 11-14 (2016).
4. S. G. Chae, D. H. Jung, and Y. C. Lee, โReflector design
for LED pedestrian lighting using indirect reflectance type,โ
J. Korean Inst. Illum. Electr. Install. Eng. 26, 6-13 (2012).
5. S. D. Jee and C. B. Kim, โElectroencephalogram analysis
on learning factors during relaxed or concentrated attention
according to the color temperatures of LED Illuminance,โ
J. Korean Inst. Educ. Facil. 21, 33-42 (2014).
6. S. Y. Choi, S. M. Lim, and I. S. Yeo, โLED lens design
for the improvement of illuminance uniformity,โ Korean Inst.
Electr. Eng. 1607-1608 (2009).
7. B. M. Yoon, S. J. Lee, G. S Choi, J. C. Lee, and D. H.
Park, โOptical property of LED module along reflector
material by simulation,โ Proc. KIEE Conf. 1669-1670 (2006).
8. B. J. Jung, โA study on the lens structure development used
in LED security light with the high-efficiency diffuse light
distribution characteristics,โ Ph. D. Thesis, Wonkwang
University, Korea (2013).
9. Y. L. Won, โStudy on the asymmetric wide angle lens for
linear type LED lamp with uniform luminance,โ M. S. Thesis,
Pukyong National University, Korea (2017).
10. D. J. Han and H. H. Kim. โOptical system design of compact
head-up display (HUD) using micro display,โ J. Korea
Acad.-Ind. Coop. Soc. 16, 6227-6235 (2015).