2.1 본질안전 방폭 구조

본질안전(Intrinsic Safety, is) 방폭기기는 “폭발성분위기에서 사용되는 전기기기가 정상 및 비정상적인 상태에서 아크, 전기불꽃 또는 온도상승으로 인한 고온에 의해서 가연성 증기 또는 분진에 점화가 일어나지 않도록 전기기기에 공급되는 전기적 에너지를 발화를 일으키기에는 충분히 약한 수준의 에너지(Limited Energy)로 설계하여 점화를 일으킬 수 없다는 것을 시험 및 분석을 통해 확인된 방폭 구조”로 정의된다^[8].

이는 전기기기가 가지는 에너지가 폭발을 일으킬 수 있는 최소 점화에너지 이하이기 때문에 정상 및 비정상 작동 시에도 점화원이 되지 않기 때문에 폭발을 본질적으로 일으킬 수 없는 기기를 의미한다.

2.2 본질안전 제너 배리어의 개념

본질안전 방폭구조는 본질안전 회로와 본질안전 관련 회로로 구성되며, 본질안전 회로는 위험지역 내에 설치되고 본질안전 관련 회로는 비위험지역에 설치되어 본질안전 회로에 에너지제한 기능을 한다.

본질안전 관련 회로의 구성은 “본질 안전 배리어”를 이용하여 구성하며, 폭발 가능성이 있는 환경에서 사용할 수 있도록 에너지를 제한하는 기능을 가진다.

그림. 1에 위험 지역에서 사용되는 본질안전 제너배리어의 기본 회로도를 나타내었다. 가장 기본적인 본질 안전 제너 배리어의 구성요소는 전류와 전압을 제한할 수 있는 저항 및 2개 이상의 제너 다이오드 조합 및 퓨즈를 포함한다^[7].

Fig. 1. Schematic diagram of an intrinsically safe Zener barrier system^[7]

2.3 본질안전 광학방폭 “op is”

본질안전 광학방폭은 “폭발성가스분위기에서 사용되는 LED, 레이저 설비를 포함한 광섬유기기 및 광학 기기에 관한 것으로써 광방사에 의한 잠재적인 점화 위험의 에너지가 발생하지 못하도록 한 방폭구조”로 정의된다^[9].

표 1에 본질안전 광학방폭 전기기기의 그룹 및 온도 등급별로 위험장소에 대한 안전 광출력 및 방사조도를 나타내었다^[8,9].

3.1 LED 방폭 다운라이트의 설계 목표

본 연구의 설계목표는 Zone 0 위험지역에서 사용할 수 있는 본질안전 광학방폭 ‘op is’ 구조의 LED 다운 라이트 개발을 목표로 하였다. 이를 위해 LED 모듈 설계, 기구 설계, 시제품 제작 순으로 진행하였다.

설계목표 값은 6W급의 LED 방폭 다운라이트를 기준으로 총 광속 540lm 이상, 광효율 90lm/W 이상, CCT 5,700K, CRI 85 이상으로 설정하고, 방폭 특성으로 Ex op is ⅡC T6를 목표로 설정하였다. 또한 op is 타입의 설계를 적용하여 방사조도를 5mW/mm² 이하로 제한하고자 하였다. 총 광속 및 광효율의 목표를 낮게 설정한 이유는 확산판(Diffuser)으로 인한 광속 감소가 약 25% 정도 예상되었기 때문이다.

3.2 본질안전 광학방폭 “op is”를 고려한 LED 모듈 설계

설계목표의 광특성을 만족하기 위하여 표 2에 나타낸 바와 같은 광특성을 갖는 LED 패키지를 선정하였다. 선정된 LED 패키지는 LG Innotek사의 모델번호는 LEMWS59R80GZ2C00, Rank는 R-G85-8B이다.

LED 패키지에 입력전류별 방사조도를 측정한 다음, 그 결과를 바탕으로 LED 직․병렬 및 constant current regulator를 선정하여 LED 모듈을 설계하였다.

3.3 LED 방폭 다운라이트의 기구 설계

본 연구에서 개발하고자 하는 LED 다운라이트의 기구 설계 개발 순서도를 그림. 2에 나타내었다.

Fig. 2. Luminaire design development process of LED explosion-proof down light

기구 설계는 Solidworks 소프트웨어를 이용하여 설계하였다. 설계 시 고려 조건으로 사용할 재료의 종류와 각 재료별 방열 특성, 방열 경로, 총 광속 목표 등을 고려하여 설계하였다.

3.4 광학방사 에너지 제한을 위한 방사조도 측정 실험

방사조도의 측정은 방폭 전기기기의 용기가 내압 방폭, 압력 방폭, 통기 제한 용기 및 IP6X 등으로 인정되는 방폭구조의 경우 방사조도를 외부에서 측정할 수 있으나, 위의 방폭구조를 만족하지 못하는 기기의 경우 내부의 최대 방사조도를 측정하여야 된다^[8,9].

최대 방사조도는 LED 두 개, 세 개의 빛이 중첩되는 부분보다 LED 패키지의 가장 가까운 부분이 최대의 빛을 발광하기 때문에 한 개의 패키지에 방사조도 측정 장치를 결합하여 측정을 진행하여야 된다.

본 연구에서의 LED 다운라이트는 전기기기의 용기가 내압 방폭, 압력 방폭 등의 방폭구조를 만족하지 못하므로 LED 패키지의 방사조도를 측정하기 위해 그림. 3과 같이 방사조도 측정 장치(Gentec-EO사, INTEGRA)를 구성하여 방사조도를 측정하였다^[7].

Fig. 3. Experimental set-up for optical irradiance energy measurement

3.5 전기적 특성 측정 실험

본 연구에서 설계 제작된 LED 방폭 다운라이트에 고장 상태를 가정하여 기준이상의 전류 및 전압을 인가하여 방폭 기준을 만족하는지 확인하기 위해 전기적 특성을 측정하였다.

첫 번째 정전류 에너지 제한 특성 실험은 LED 모듈에 고장으로 인한 허용전압 이상의 전압이 인가될 때 LED 패키지가 본질안전 광학방폭 기기가 요구하는 방사조도를 만족하는지 확인하기 위한 실험이다.

두 번째는 본질안전 관련 회로인 제너 배리어^[7]와 본질안전 광학방폭 시제품을 연결하여 고장으로 인한 허용전압 이상의 전압이 인가될 때 본질안전 관련 회로의 퓨즈가 허용전류 이하에서 용단되는지와 광학방폭 시제품에 전류가 인가되지 않는지 확인하기 위한 실험이다.

전기적 특성 측정 실험은 반도체 특성분석기(Keithley사, 4200-SCS)를 이용하여 실험을 진행하였다.

3.6 표면온도 등급 평가 실험

LED 방폭 다운라이트의 표면온도 등급 목표인 T6(85℃ 이하)를 만족하는지 확인하기 위해 실내온도 20℃로 설정된 무풍 방풍함에서 정격전력 (24V, 0.240A)을 인가하여 표면온도를 측정하였다. 열화상 카메라(VarioCAM사, VarioCAM high resolution)로 최고 발열부를 확인한 후 시제품의 표면온도를 열전대와 온도기록계(Graphtec사, GL220)를 이용하여 표면온도를 측정하였다^[10].

3.7 조명특성 측정 실험

LED 방폭 다운라이트의 광속 및 광효율 등 광특성이 설계목표에 부합하는지 확인하기 위해 실내온도 25℃의 환경 하에서 정격전력을 인가하여 적분구(광정밀사, OPI-1000)로 총 광속 및 분광스펙트럼을 측정한 후 색좌표, CCT, CRI 및 광효율을 산출하였다.

4.1 LED 패키지의 방사조도 측정 결과 및 분석

그림. 3과 같이 구성한 방사조도 측정 장치를 사용하여 측정한 단일 LED 패키지의 방사조도 측정 결과를 그림. 4에 나타내었다.

Fig. 4. Measured optical irradiance

그림. 4에서 알 수 있는 바와 같이 방사조도는 약간의 droop 현상을 보이나 대체적으로 선형적으로 증가하는 경향을 나타내었다. 광학 방폭에 의하여 점화를 일으킬 수 있는 방사조도는 5.05mW/mm²이므로, LED 패키지에 35mA이하의 전류로 제한하여 인가하면 최대 방사조도는 4.975mW/mm²로써 ICE 60079-28의 규격을 만족할 수 있음을 알 수 있었다.

따라서 각각의 LED 패키지에 35mA 이내의 전류를 인가하여야 광학방사에 의한 폭발을 방지할 수 있으므로 이를 LED 모듈 및 회로설계에 반영하였다.

4.2 본질안전 광학방폭 “op is”를 고려한 LED 모듈 설계 결과 및 분석

LED 모듈의 구성 회로도를 그림. 5에 나타내었다. 방사조도 측정 결과를 바탕으로 5mA의 안전율을 고려하여 30mA용 Constant current regulator (NSI45030T1G)를 사용함으로써 LED 패키지별 전류제한을 통해 방사조도 값을 만족시킬 수 있도록 LED 모듈을 설계하였다.

Fig. 5. The circuit of LED module

직렬회로의 입력에 Constant current regulator (NSI45030T1G)를 사용하였으며, 입력전압을 24V로 설정하여 7직렬 4병렬로 1채널을 구성하였다.

그림. 6은 구성회로를 바탕으로 직경 6인치 크기의 LED 다운라이트에 적합하게 설계한 metal PCB를 나타내고 있다. LED 수량은 1채널당 28개로 총 2채널로 56개를 배열하여 설계하였다.

Fig. 6. Array of LED on metal PCB

4.3 LED 방폭 다운라이트의 설계 및 시제품 제작 결과

6인치 LED 방폭 다운라이트의 도면을 그림. 7에 나타내었다.

Fig. 7. Drawing of LED explosion-proof down light

각각의 LED 패키지에 30mA의 저전류가 인가되기 때문에 발열은 문제가 되지 않을 것으로 판단되었으며, 제품의 무게 저감을 위해 heat sink의 핀 높이를 5mm로 최소화하고, 핀의 두께는 다이캐스팅을 고려하여 2.5mm로 고정하여 설계를 진행하였다. 기구 중앙부에 케이블 그랜드를 적용하여 전선을 연결하는 구조로 설계를 완료하였다.

다운라이트의 외곽 크기는 지름이 164mm이며, 광 방사면은 지름이 120mm 이다. 제품의 최대 높이는 약 62.50mm이다.

LED 방폭 다운라이트의 시제품을 그림. 8에 나타내었다. 시제품은 cover, diffuser, LED, metal PCB, heat sink, clip, cable gland로 구성되었다.

Fig. 8. Photograph for the manufactured prototype of LED explosion-proof down light

4.4 본질안전 광학방폭 LED 방폭 다운라이트 구성도

본질안전 관련 회로와 본질안전 광학방폭 LED 다운라이트의 구성도와 시제품을 그림. 9에 나타내었다.

Fig. 9. (a) Configuration diagram of is circuits and (b) photograph for the prototype of LED explosion-proof down light

구성도와 같이 LED 방폭 다운라이트에 제너 배리어를 2채널로 구성하였다. SMPS와 본질안전 관련 회로인 제너 배리어는 안전한 장소에 설치되어야 하므로 그림. 9의 (b)와 같이 내압 방폭외함을 설계한 후 외함 내부에 장착을 하였다. LED 다운라이트는 4.1절에서 알 수 있는 바와 같이 본질안전 광학방폭 구조를 만족하므로 방폭 케이블을 이용하여 Zone 0 구역에 설치가 가능하다.

4.5 정전류 에너지 제한 특성 측정 결과 및 분석

LED 다운라이트 시제품에 0∼30Vdc의 전압을 인가하여 측정된 전류값을 그림. 10에 나타내었다.

Fig. 10. Measurement of current value when Vin = 0V-30V(Sweep) is applied

본질안전 광학방폭 LED 모듈은 4병렬, 2채널로 LED 패키지가 구성되어 전체 전류는 240mA로 전압이 높아져도 일정한 정전류 에너지 제한 특성을 유지하는 것을 확인하였다. 따라서 Constant current regulator (NSI45030T1G)로 인해 LED array 모듈 회로에 단선 등의 고장으로 인한 과전압이 인가되어도 전류가 240mA 이하로 제한되기 때문에 규격에서 요구하는 방사조도 5mW/mm² 이하를 만족하는 것으로 판단되었다.

4.6 본질안전 구성 회로와 광학방폭 구조 시제품의 전기적 특성 측정 및 분석

본 연구에 적용된 제너 배리어의 PCB artwork와 시제품(3W×1ch)을 그림. 11에 나타내었다^[7].

Fig. 11. Zener barrier PCB artwork design and prototype production(3W×1ch)

제너 배리어와 LED 방폭 다운라이트를 연결하여 과전압에 따른 퓨즈의 용단 특성을 측정하여 그림. 12에 나타내었다. 퓨즈는 50, 62.5, 75, 100mA로 총 4종류의 퓨즈를 적용하여 0∼30Vdc의 전압을 인가하며 용단 특성을 측정한 결과 62.5mA 퓨즈의 경우 248.9mA에서 용단이 발생하였다.

Fig. 12. Measurement of current value when Vin = 0V-30V(Sweep) is applied

ED 다운라이트의 정격 전류는 240mA이며, 최대 허용 전류는 280mA이다. 즉 퓨즈는 240mA이상, 280mA이하에서 용단되어야 하므로, 625.mA 용량의 퓨즈를 제외한 3종류의 퓨즈는 부적합한 것을 확인하였다. 4종류의 퓨즈 용단 특성 측정 결과를 표 3에 나타내었다.

4.7 시제품의 표면온도 등급 평가 결과 및 분석

그림. 13에 LED 방폭 다운라이트 시제품에서 가장 높은 발열부를 확인하기 위해 열화상 카메라로 측정하여 나타내었다.

Fig. 13. Thermographic image of LED explosion-proof down light

열화상 카메라에 의한 온도 측정결과 저전력이 인가되는 LED 패키지 보다 전류를 일정하게 공급해 주는 역할의 Constant current regulator(NSI45030T1G)가 발열이 가장 높은 것으로 확인되었다.

정확한 표면온도 등급을 평가하기 위해 시제품의 4곳에 열전대를 부착하고 정격전력을 인가한 후 시제품의 온도를 측정하여 결과를 표 4에 나타내었다.

Ch.1은 LED 패키지의 온도로 34.90℃로 측정되었으며, Ch.2는 PCB의 온도로 28.70℃, Ch.3는 Heat sink의 온도로 27.50℃, Ch.4는 Constant current regulator (NSI45030T1G)의 온도로 36.20℃로 가장 높게 측정되었다.

$T_{e m s}=\left(T_{m s}-T_{a}\right)+T_{w}+T_{s f} =(36.20-20)+40+5$

$T_{e m s}=Epuipment Maximum Surface Temperature$

$T_{m s}=Maximum Surface Temperature$

$T_{a}=Ambient Temperature$

$T_{w}=Working Temperature$

$T_{s f}=Safety Factor$

설계 목표인 T6 온도 등급은 표면온도가 85℃ 이하를 만족해야 된다. 이때 안전율이 5℃, 제품을 사용하는 실온이 40℃인 경우 위의 식에 의해 시제품의 최고 표면온도는 61.20℃로 평가되었다[8]. 표면온도 등급은 설계 목표인 T6를 만족하는 것으로 분석되었다.

4.8 시제품의 조명특성 측정 결과

시제품의 조명특성 측정 결과 총 광속은 564lm, 광효율은 91lm/W, CRI는 85, CCT는 5,700K로 설계 목표를 만족하는 시제품이 제작된 것으로 판단되었다. 시제품의 조명특성 측정 결과 및 기구사양을 표 5에 나타내었다.