한국광기술원의 조명 디자인 및 개발활동

한국광기술원의 조명 디자인 및 개발 활동 한국광기술원_문일권 박사 송상빈 박사 유영문 박사 (062)605-9114 / www.kopti.re.kr 개요 한국광기술원 반도체 조명팀의 연구분야는 광학, 구조, 구동회로를 비롯한 전자 파트의 3개 영역으로 구분된다. 광학파트는 3명의 광학 전공 엔지니어가 반도체 조명과 관련된 광학 설계 및 평가를 담당하며 ‘ASAP’, ‘LightTools’ 및 ‘Code V’와 같은 프로그램을 사용하여 최적의 광학시스템을 위한 연구활동을 수행하고 있다. 또한 3명의 기계공학 전공 엔지니어가 반도체 조명을 위한 구조 ㆍ방열 설계 최적화를 위한 연구활동을 수행 중이며, 3명의 전기 및 전자공학 전공 엔지니어가 색온도 제어 및 효율적인 전원공급 시스템과 구동회로 개발을 위한 연구활동을 수행 중이다. 그동안 한국광기술원에서 개발된 조명제품들에 관하여 간단히 설명하고자 한다. 반도체 조명제품 개발 최근에 기존 ‘20W 다운라이트(Down Light)’(CFL)를 대체하기 위한 LED를 채용한 조명제품 개발이 완료되어 상용화되었다. 양산을 위한 시제품은 고효율의 1W급 LED를 채용하여 스위칭 모드 파워 서플라이(SMPS), 열흡수원(Heat Sink) 및 기존 기구물에 장착 가능한 조명등의 구조를 개발하였다. 기존 조명을 대체하기 위한 최적의 광학 및 열 설계를 통하여 밝기가 450㏐인 고역율 전원 공급 장치 및 소형 구동회로가 개발되었다. 시제품 및 양산을 위한 제품은 <그림 1>과 같다.

LED 반도체 조명의 장점 중 하나는 색온도 제어가 가능하다는 것이다. 이러한 색온도 제어가 가능한 다양한 조명제품이 개발되고 있으며 한국광기술원에서도 50W 투광기에 색온도 제어 알고리즘을 적용하여 시제품을 개발하였다. 레드, 그린, 블루 LED를 사용하여 초기 색온도에 관한 알고리즘을 만들고 실험을 통하여 최적의 색온도 제어를 위한 각 LED의 듀티비(Duty Ratio)를 최적화하였다. 또한 배광을 위한 광학 설계를 토대로 가장 효율적인 구조 및 방열설계를 위하여 구조적인 최적화를 수행하였다. 열흡수원(Heat Sink) 구조는 방열의 최적화를 위하여 초기화하고 디자인적인 측면을 고려하여 만들어졌다. 투광기는 57개의 LED 중에서 레드 22개, 그린 21개와 블루 14개로 구성되며 밝기는 약 800㏐, 효율은 10㏐/W로 개발되었다. 색온도 제어 범위는 2,500~10,000K이며 고전압 방지를 위한 회로 및 다양한 안전 장치를 구비한 제어 및 구동회로가 색온도 제어 알고리즘과 함께 개발되었다. 50W 투광기의 시제품은 <그림 2>와 같다.

이러한 색온도 제어 알고리즘 및 제어회로는 엘리베이터용 조명 모듈 개발에도 응용되었다. 엘리베이터 실내조명을 사계절의 실제적인 색온도 변화에 적응할 수 있도록 구성하였다. 또한 보다 나은 연색성을 위하여 레드, 그린, 블루 와 엘로우 LED를 동시에 채용하였다. 이러한 실시간용 색온도 제어 알고리즘은 자연환경과 비슷한 연색성이 필요한 제품 개발에 널리 응용될 수 있을 것으로 생각된다. 엘리베이터용 시제품은 <그림 3>과 같다.

개발된 50W 투광기의 색온도 및 광학 설계를 바탕으로 100W급 투광기를 개발하였다. 기구적인 최소화 및 방열효과를 고려하여 3W LED를 채용하여 광학 및 구조설계를 완료하였다. 광각 및 협각용 배광 분포와 발산각을 위한 광학 설계 및 색온도 제어를 위한 회로가 설계되었다. 초기의 색온도는 3자 극치점을 이용하여 설정하고 레드 8개, 그린 22개 및 블루 18개의 럭시온(Luxeon) LED를 사용하여 듀티비를 최적화하였다. 효율적인 집광을 위하여 2개의 칼리메이팅 렌즈(Collimating Lens)가 개발되었고, 소형화된 회로 및 부품을 배치하기 위하여 컴팩트한 구조로 설계되었다. 열흡수원은 디자인적인 측면을 고려하여 구면으로 배치하게 하여 미적인 최적화를 동시에 달성하였다. 방열 설계를 위한 열 해석 모델은 <그림 4>에, 시제품은 <그림 5>에 나타냈다.

일본 글자나 한자를 보다 정밀하게 표현할 수 있는 디스플레이 모듈로서 16비트의 펄스 제어를 통한 제어 시스템 및 시제품을 개발하였다. 세밀하고 뚜렷한 이미지 구현을 위한 구동 및 제어 알고리즘과 시제품을 통하여 1,500nit의 밝기를 달성하였으며 LED 및 LCD구동이 동시에 가능한 알고리즘을 계속 개발 중이다. 새로운 백색 광원을 개발하기 위하여 레드, 그린 블루 파스퍼(Phosphor)를 채용하여 28㏐/W의 패키지를 개발하였으며, 30W급 멀티 얼레이(Multi Array)형 패키지도 개발하였다. 7W의 개별적인 모듈과 이를 기반으로 30W까지 확장가능한 모듈을 사용하여 55㏐/W의 효율을 갖는 다운라이트에 적용이 가능한 시제품은 <그림 6>과 같다. 멀티 얼레이용 세라믹 패키지는 1K/W 이내의 열저항을 갖고 있으며 대면적용 패키지에 적용이 가능하다. 이러한 패키지를 응용하여 바(Bar) 타입 조명기구에 적용하기 위하여 계속적으로 개발이 진행되고 있다. 이러한 반도체 조명 제품 개발 이외에도 정밀 조명 개발을 위한 다양한 연구 및 개발 활동이 진행되고 있다. 그 예로서 초소형 프로젝션 엔진 개발을 위한 반사경, 마이크로 렌즈 및 2차원 스캐닝 시스템에 관한 연구가 진행 중이다. 정밀한 광학적인 시뮬레이션을 위한 새로운 방법을 개발하여 파스퍼의 영향에 의한 측정량과 계산값의 차이를 보상할 수 있는 연구도 진행 중이며 <그림 7>에 이러한 시뮬레이션 결과를 정리하였다. 레드 파스퍼의 신뢰성 향상을 위한 연구로서 ‘sol-gel 코팅’ 방법이 개발되었다. 이러한 코팅 방법으로 보다 높은 연색성과 10% 이하의 효율 감소 효과를 얻을 수 있었으며, 그 실험 결과는 <그림 8>에 나타내었다. 이러한 반도체 조명 개발을 통하여 SCI 저널을 포함한 16편의 논문을 발표하였으며 33개의 국내 특허를 출원 중이다. 또한 개발된 기술은 생산 업체에 전달되어 양산을 위한 최적화가 진행 중이다. 마무리 보다 다양한 조명 제품 개발을 위한 새로운 형태의 패키지나 효율적인 형광체의 개발은 필수적이다. 또한 자동차 및 새로운 디스플레이 제품 개발을 위한 종합적인 기술 개발이 필요하고 색온도 제어 알고리즘과 고효율 제품 개발을 위한 광학, 방열 및 회로 설계도 필수적이다. 이와 같은 제품 개발을 위하여 패키지부터 시스템까지 통합적인 접근이 필요할 것으로 생각되며 농업, 자동차 및 해양조명 개발을 위한 보다 많은 연구활동이 기대된다.