2.1 배광설계의 목적

본 가로등기구 반사판 설계의 목적은 도로조명에 적합한 가로등기구의 기능을 할 수 있는 광학체 설계가 최우선이며, 도로 기상 관측 시스템을 통해 정보를 받고 이를 가로등에 전송하여 기상에 맞는 조명방식으로 제어프로그램에 의해 운영될 수 있도록 하기 위함이다. 안개나 우천 시 시야확보가 어려워 발생하는 대형 사고를 방지하기 위해 빛을 제어하여 운전자 시인성을 향상시키는 가변형 멀티 배광 LED가로등기구를 개발하는 것이다.

Fig. 1. Flow chart

2.2 목표배광 설계

조명기구내의 광학부를 각기 다른 개별 광학체로 조합하여 새로운 배광 형태로 변화 가능하도록 계획하였다.

Fig. 2. Optical design process

독립된 배광을 위한 반사판 설계 과정은 설계법을 이용한 기초적인 반사판의 형상을 구현하고, 광학 시뮬레이션으로 이를 컴퓨터상에서 구현하였다. 반사판의 3D모델링은 NURB방식의 Rhino 5.0을 사용하였으며 3D 모델링 과정을 거쳐 광학시뮬레이션 프로그램(TracePro)에 적용이 가능하도록 파일 변환 후 적용하였다.

광학시뮬레이션은 3D모델링에 재질값을 적용하고 광원의 배광파일(IES)를 적용하여 빛의 진행방향 및 분포를 확인하고, 설계한 3D 모델링 반사판에 대한 배광파일(IES)을 추출하며 광학시뮬레이션 내에서 배광파일 및 배광분포 확인이 가능하다. 이를 통해 3D모델링 반사판에 대한 1차적인 평가를 확인하고, 그 결과가 적정할 시에는 Relux 또는 DIALux등의 조명 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 결과를 확인한다.

조명시뮬레이션 프로그램을 통해 노면에 대한 균제도, 글레어, 평균 휘도 확인이 가능하며 설계배광에 대한 도로조명으로서의 적정성 확인을 하며 피드백을 통해 개선점을 보완한다.

이를 바탕으로 제작된 반사판은 Fig. 3과 같으며 하나의 기구에 4개의 모듈화된 반사판을 조립하고, 기상상황에 따라 배광이 변화될 수 있도록 한다.

Fig. 3. Reflector 3d rendering image

Fig. 4. Ray-tracying(Tracepro 5.1)

2.3 조명 시뮬레이션(설계배광)

추출된 IES 파일을 조명환경 시뮬레이션 프로그램(DIALux)에 적용하여 검토하였다. 설계의 평가를 위해서 실 스케일 도로 환경을 구현하고 조명기구의 광효율은 100 lm/W로 조정하였다. 아래의 표는 실스케일에서 설계된 IES 파일을 이용하여 시뮬레이션한 결과이며, 국내 도로조명 기준(KS A 3701:2014)의 도로조명 등급 M4∼M1기준을 모두를 만족하는 결과가 도출되었다. 평균 휘도는 조명기구의 디밍을 통하여 조정이 가능하므로 중요한 것은 균제도의 만족도이며, 가장 높은 등급에서 요구하는 종합 균제도(Uo) 0.4이상과 차선축 균제도(Ul) 0.7이상을, 젖은 노면에서도 기준에서 요구하는 종합균제도(Uo) 0.15이상의 수치를 만족하였다.

Fig. 5. Simulation design condition1

Fig. 6. Simulation results1(Dialux)

Fig. 7. Simulation results2(Dialux)

Fig. 8. Comparison of simulation results

2.4 반사판 제작

설계된 반사판은 제작비용 및 수량을 고려하여 mock-up의 형태로 제작하여 시험한 후 금형을 제작하였다. 실험에 사용되는 제품이며 수량이 많지 않으므로 실리콘 몰드방식이 아닌 3축 정밀 CNC 가공으로 진행하며, 소재는 도금(알루미늄 증착)공정이 유리한 내열 ABS 수지를 이용하였다. 아래의 사진은 반사판 모듈1set 구성품이며 1개의 기구당 4set로 구성된다.

Fig. 9. Reflector fabrication

기구의 하우징 부분은 기존의 가로등을 그대로 사용하여 시험하며 제작한 기구의 배광을 측정하여, 설계배광과 제작배광의 차이를 시뮬레이션 진행 후 기존 설계배광과 비교하여 개선이 필요한 점을 보완하여 최종 광학부의 금형제작도면을 확정한다.

Fig. 10. Finished product

2.5 조명시뮬레이션(측정배광)

제작된 반사판은 배광곡선 상에서는 조금 더 날카로운 형태를 띄었다. 제작된 반사판의 측정배광으로 시뮬레이션하여 도로조명 등급에서 요구하는 평균노면휘도, 종합균제도, 차선축 균제도의 만족여부를 Dialux 프로그램으로 확인하였다. 측정배광 역시 가장 높은 등급에서 요구하는 종합 균제도(Uo) 0.4이상과 차선축 균제도(Ul) 0.7이상을, 젖은 노면에서도 기준에서 요구하는 종합균제도(Uo) 0.15이상의 수치를 만족하였다. 따라서 별다른 배광수정 없이 광학부의 최종형태를 확정할 수 있었다.

Fig. 11. Light distribution curve

Fig. 12. Simulation design condition2

Fig. 13. Simulation results3(Dialux)

Fig. 14. Simulation results4(Dialux)

Fig. 15. Comparison of Simulation Results