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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 여인선
- 발행연도
- 2016
- 저작권
- 전남대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수4
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현재 실내조명용으로 가장 많이 사용하고 있는 백열 램프는 가격이 저렴하지만, 광 효율이 낮고 환경오염을 유발할 수 있는 요소들을 많이 가지고 있다. 최근 이러한 문제를 개선하고자 광 효율이 높고 친환경적인 LED 조명 제품의 개발이 많이 이루어지고 있다.
LED 조명은 기존 백열등기구 및 형광 등기구보다 광 변환 효율이 높으며 소비전력이 낮고 기존 조명에 비해 크기가 매우 작은 반도체 칩으로 되어있다. 또한 내구성이 좋고 점광원 형태이기 때문에 다양한 광학 디자인 설계가 가능한 장점이 있다. 그러나 LED 제품은 제작비용이 기존 일반 조명보다 많이 들고 광원의 특성상 빛이 한쪽 방향으로만 향하기 때문에 광학제어가 없으면 그 용도가 제한적이다. 실내조명에서는 다양한 배광형태를 가지는 조명기구가 많이 활용되고 있어 LED 제품을 활용하기 위해서는 광학설계를 통한 배광제어가 필수적이다. 기존 백열전구 배광형태는 LED 전구의 배광과 비교해보면 빛의 지향성이 매우 다르다. 빛이 전 방향으로 확산하는 백열전구에 비해 광원으로부터 한쪽 방향으로만 발산하는 LED bulb는 광학적 제어가 필요하다.
최근 개발된 Omnidirectional LED bulb에 구조는 LED 패키지를 수직으로 배열한 후 전 방향으로 발광하도록 하거나 패키지를 빛이 전 방향으로 향하도록 배열하는 구조를 만들어왔다. 이 같은 구조는 소비전력이 높아지게 되면 방열에 문제가 생기고 제작에도 어려움이 발생하게 된다.
본 연구에서는 일반적인 LED bulb의 구조와 같이 평면위에 패키지를 배열하고 이 구조에서 하향 배광이 충분히 나오도록 내부 확산체를 적용한 LED bulb를 제안하였다. 이러한 구조를 개선하기 위해 LED 패키지 어레이를 기존 LED bulb와 같은 수평 구조 배열을 한 후 2차 광학 설계를 통해 백열등이 갖는 배광특성을 LightTools 광학 설계 소프트웨어를 이용하여 미국 환경청의 ENERGY STAR에서 제시한 Omnidirectional 배광 기준을 만족하는 LED bulb를 설계해보았다. 이는 향후 Omnidirectional 배광을 갖는 LED bulb를 좀 더 쉽게 제작하도록 제안할 수 있고 방열구조에 쉬운 고용량의 LED bulb를 개발하는 데 이용할 수 있다.
LED 조명은 기존 백열등기구 및 형광 등기구보다 광 변환 효율이 높으며 소비전력이 낮고 기존 조명에 비해 크기가 매우 작은 반도체 칩으로 되어있다. 또한 내구성이 좋고 점광원 형태이기 때문에 다양한 광학 디자인 설계가 가능한 장점이 있다. 그러나 LED 제품은 제작비용이 기존 일반 조명보다 많이 들고 광원의 특성상 빛이 한쪽 방향으로만 향하기 때문에 광학제어가 없으면 그 용도가 제한적이다. 실내조명에서는 다양한 배광형태를 가지는 조명기구가 많이 활용되고 있어 LED 제품을 활용하기 위해서는 광학설계를 통한 배광제어가 필수적이다. 기존 백열전구 배광형태는 LED 전구의 배광과 비교해보면 빛의 지향성이 매우 다르다. 빛이 전 방향으로 확산하는 백열전구에 비해 광원으로부터 한쪽 방향으로만 발산하는 LED bulb는 광학적 제어가 필요하다.
최근 개발된 Omnidirectional LED bulb에 구조는 LED 패키지를 수직으로 배열한 후 전 방향으로 발광하도록 하거나 패키지를 빛이 전 방향으로 향하도록 배열하는 구조를 만들어왔다. 이 같은 구조는 소비전력이 높아지게 되면 방열에 문제가 생기고 제작에도 어려움이 발생하게 된다.
본 연구에서는 일반적인 LED bulb의 구조와 같이 평면위에 패키지를 배열하고 이 구조에서 하향 배광이 충분히 나오도록 내부 확산체를 적용한 LED bulb를 제안하였다. 이러한 구조를 개선하기 위해 LED 패키지 어레이를 기존 LED bulb와 같은 수평 구조 배열을 한 후 2차 광학 설계를 통해 백열등이 갖는 배광특성을 LightTools 광학 설계 소프트웨어를 이용하여 미국 환경청의 ENERGY STAR에서 제시한 Omnidirectional 배광 기준을 만족하는 LED bulb를 설계해보았다. 이는 향후 Omnidirectional 배광을 갖는 LED bulb를 좀 더 쉽게 제작하도록 제안할 수 있고 방열구조에 쉬운 고용량의 LED bulb를 개발하는 데 이용할 수 있다.
목차
Ⅰ. 서론 11. 연구 배경 12. 연구 목적 및 필요성 33. 연구 방법 5Ⅱ. 본 론 61. 이론적 배경 6가. LED bulb 광학적 구조 및 특성 61) 광도 72) 광속 73) 배광곡선 84) 스넬의 법칙(Snell`s Law) 95) 반사율 및 투과율 96) 양방향 산란 분포 함수 10나. Omnidirectional bulb 기준 111) ENERGY STAR Omnidirectional 배광 기준 112) ENERGY STAR Omnidirectional 배광 기준 산출방법 13다. LightTools 광학설계 시뮬레이션 142. LightTools를 이용한 광학 설계 15가. LightTools를 이용한 Omnidirectional LED bulb 형상 설계 151) LED 패키지 배열 및 Heatsink 설계 152) 내부 확산체 특성 및 설계 163) 외부 Globe 특성 및 설계 174) 반사율 및 투과율 측정 장비 17나. 설계한 LED bulb 구성요소 LightTools 시뮬레이션 181) 확산체 적용 LightTools 시뮬레이션 182) Globe 적용 LightTools 시뮬레이션 193) 확산체 및 Globe 결합구조 LightTools 시뮬레이션 204) 결합구조 결과 Omnidirectional 기준 적용 21다. 내부 확산체 형상 설계 221) 형상 (a)에 대한 Ray 추적 232) 형상 (b)에 대한 Ray 추적 253) 형상 (c)에 대한 Ray 추적 27라. 내부 확산체 시뮬레이션 291) 형상 (a)에 대한 LightTools 시뮬레이션 292) 형상 (b)에 대한 LightTools 시뮬레이션 303) 형상 (c)에 대한 LightTools 시뮬레이션 31마. 외부 Globe 적용 시뮬레이션 321) 형상 (a)에 Globe를 적용한 LightTools 시뮬레이션 결과 332) 형상 (b)에 Globe를 적용한 LightTools 시뮬레이션 결과 343) 형상 (c)에 Globe를 적용한 LightTools 시뮬레이션 결과 354) 시뮬레이션 결과 및 Omnidirectional 배광기준 비교 36바. 외부 Globe 적용 시뮬레이션 381) 최적화 시뮬레이션 과정 382) 내부 확산체 변수에 의한 배광 변화 393) 외부 Globe 변수에 의한 배광 변화 404) 최적화 시뮬레이션 결과 및 형상 415) 최적화 시뮬레이션 결과 Omnidirectional 배광기준 적용 426) Omnidirectional 배광기준 적용 결과 비교 433. 결과 및 고찰 44가. Omnidirectional LED bulb 설계 결과 44나. Relux 시뮬레이션 45다. 수행 결과 및 개선사항 48Ⅲ. 결 론 49참고문헌 50Abstract 51
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