백색 LED를 사용한 15W급 LED 다운라이트 설계 및 분석

Abstract

본 논문에서는 25W급 CFL(Compact fluorescent lamp) 다운라이트 (Downlight)를 대체할 차세대 조명 광원으로 LED(Light emitting diode)을 이용하여 광학 및 방열 설계를 실시하고 그 결과를 반영한 15W급 LED 다운라이트를 제작하고 그 성능을 분석 하였다. 광학설계 요소로는 먼저 광원인 LED 패키지를 모델링 하기 위하여 ORA사의 LightTools 소프트웨어를 사용하여 LED 패키지 제조 회사에서 제공된 데이터 시트(Data sheet) 및 분석 결과를 근거로 실제 제품의 구조와 크기를 반영한 3차원 LED 패키지를 구현하고, LED 서브마운트(Submount) 및 전극(Electrode), 실리콘 수지(Silicone epoxy) 등의 각 구성요소들의 굴절률, 투과.반사.흡수율, 반사성질 등의 데이터를 입력하여 모델링 하였다. 또한 모델링 된 LED 패키지를 배열시킨 PCB(Printed circuit board)기판, 몸통 길이 105mm, 최대 내구경 Φ114mm의 유선형 곡면을 갖는 Reflector, 확산판, Reflector와 screw 체결 형태의 히트싱크(Heatsink) 등 초기모델 6인치 다운라이트 구성요소들을 동일한 방법으로 모델링 하였다. 상기 모델링 된 구성요소들을 이용하여 조명 효율 향상을 위하여 PCB 중심과 Reflector 몸통 중심이 일치하도록 하여 LED 위치를 변화시켜 가며 LED 배열에 따른 광 추출 효율을 비교 하였다. 또한 Reflector의 최대 내구경 사이즈는 Φ114mm로 동일 하게 유지하면서 Reflector 길이 및 반사성질, 반사율 변화에 따른 광 추출 효율 및 조도 균일도를 비교하였다. 그리고 Reflector와 결합부분이 히트싱크 내부에 있는 오목형태의 초기 모델 히트싱크의 경우, LED에서 발광된 빛이 결합부분에 충돌함으로써 외부로 추출되는 광의 효율이 저하되는 것으로 판단되어 결합부분을 볼록 형태의 외부결합방식으로 히트싱크 구조를 변경하여 광 추출 효율을 비교.분석 하였다. 그리고 LED 다운라이트의 고신뢰성 확보를 위하여 시뮬레이션을 수반한 히트싱크를 설계하고, 앞서 시뮬레이션 된 결과들을 반영하여 PCB를 설계하고 Reflector 및 히트싱크를 가공 제작하여 상용 LED 패키지를 사용하여 LED 다운라이트 시제품을 제작하고 그 성능을 측정.분석 하여 CFL 다운라이트를 대체할 조명용으로 적용 가능성에 대하여 판단 하였다. 위와 같이 LED 다운라이트의 구성요소 설계 및 제작을 통해서 LED 다운라이트 최적화 시뮬레이션 기술, LED광원용 PCB 설계 및 제작 기술, LED광원용 Reflector 설계 및 제작 기술, LED광원용 히트싱크 방열설계 및 제작 기술, LED광원용 조명의 측정장치 이해 및 측정기술 등을 정립할 수 있었다. 그리고 LED 다운라이트의 광 추출 효율 향상을 위하여는 Reflector의 내부벽면 반사도가 우수하여야 할 뿐만 아니라, 램버시안(Lambertian) 반사성질 보다는 미러(Mirror) 반사성질을 갖도록 하여 LED 광원에서 추출된 빛이 Reflector와 충돌되는 회수를 최소화 되게 LED를 배열함과 동시에 글레어(Glare)를 해결하며 균일한 조도를 갖도록 Reflector의 길이를 조절해야 함을 알 수 있었다. 또한 최대의 빛을 추출할 뿐만 아니라 고 신뢰성 확보를 위한 히트싱크 설계에 있어 LED에서 발광된 빛이 Reflector 결합부분에 충돌함으로써 외부로 추출되는 광의 손실이 발생되는 것을 개선하기 위하여 볼록 형태의 외부결합방식 히트싱크 구조를 제안 하였으며, 변경전의 오목형태 히트싱크에 비하여 변경된 볼록형태 히트싱크의 광 추출효율은 약 18%의 상승효과가 있었다. 광학 및 방열 설계가 반영된 LED 다운라이트를 제작하여 전기적, 광학적 성능을 측정.분석한 결과 CFL 다운라이트를 대체할 충분한 특성을 나타내었으며, LED 소자의 가격이 보다 하락함에 따라 LED 다운라이트 상용화를 앞 당길 수 있을 것으로 예상된다. 본 연구는 앞으로 LED 광원을 사용한 Reflector 및 히트싱크 설계, LED 배열 등 고 효율 조명 연구에 기초 자료로 활용될 것으로 보이며, 특히 향후 다양한 종류의 LED 다운라인트 조명 설계기술에 직접적으로 적용될 것으로 판단된다.