1.1 연구 배경

서치라이트(Searchlight)는 조명 기구의 일종으로, 특정 방향으로 강력한 광선을 투사하여 야간에 멀리 있는 물체를 식별하기 위한 장치이다. 위와 같은 서치라이트는 육상 및 해상의 여러 분야에서 활용되고 있는데 특히, 사람이 근접하기 어려운 해상에서의 활용이 두드러진다. 야간에 해양을 운행하는 선박 및 어선은 배에 설치된 서치라이트를 통해 시야를 확보하여 예상치 못한 암초나 부유물로 인한 충돌 사고를 예방할 수 있다. 해안을 경비하는 경비정은 야간에 발생하는 선박 사고 시 조난 및 인명구조 등의 목적으로 서치라이트를 활용한다. 한편, 군 함정에서도 필수적으로 서치라이트가 요구되는데, 야간 시 해상에 출현한 적을 빠르게 발견하고 강한 빛을 비춰 순간적으로 제압하고 유사시 사격 및 포격을 하기 위한 군사적 목적으로 활용되고 있다. 이 외에 해안 및 육상 군 경계선에 설치하여 야간에 적의 침입 및 주변 상황을 감시하는 목적으로도 사용되고 있다⁽¹⁾.

현재 대부분의 고출력 서치라이트 제품은 사용 목적상 매우 밝은 고 광도 성능을 만족해야하기 때문에 오래 전부터 제논 및 할로겐 광원을 적용하고 있다. 그러나 제논 및 할로겐 광원은 LED광원 대비 수명이 500~1000hr 정도로 LED광원 50,000hr 대비 50배 이상 월등히 떨어지기에 LED광원으로 점차 대체하고 있는 상황이다. 또한, 최근 LED광원의 광학적 성능 수준이 매우 높아져 기존 광원보다 고효율의 성능 구현이 가능하게 되었다⁽²⁾.

1.2 연구 목적 및 방법

본 논문에서는 해양 및 선박에 활용하는 LED서치라이트의 핵심 부분인 초 협각(Ultra narrow beam angle) 구현 광학계 설계 방법을 제안하고, 이를 제작하여 광학적 특성을 평가하였다.

서치라이트의 성능 판단은 얼마나 빛을 멀리 보내느냐에 있다. 빛을 멀리 보내기 위해서는 Beam angle을 최소화하는 것이 중요하고 중심광도는 극대화 하는 것이 필요하다. 본 연구의 LED서치라이트 광학 성능 정량적 목표 값은 Beam angle 2˚ 이하, 광도 40,000cd(광원 소비전력 1W 기준)이상으로 설정하였다. 참고로, 현재 상용화된 세계 최고 성능의 서치라이트 제품은 독일 Dose사 제품으로 Beam angle 2˚, 광도 33,000cd(광원 소비전력 1W 기준)이다.

LED서치라이트에서 빛을 멀리 보내기 위해서는 우선 LED광원의 광학적 성능(광량)이 높아야하고, 좁은 Beam angle(협각)으로 빛을 모아 보낼 수 있도록 광학계를 구성해야 한다. 일반적으로 빛의 방향을 제어하는 방법으로, 빛의 굴절 및 투과 원리를 이용한 렌즈(Lens)나, 반사 원리를 이용한 반사체(Reflector)를 적용한다. 본 연구에서는 집적화된 LED광원에서 효율적으로 빛을 모을 수 있는 포물반사체를 적용하여 형상을 최적화 설계, 제작 하였다. 그리고 LED광원과 광학계(반사경)를 조립하여 광학적 성능을 평가하고 기본 단위의 LED서치라이트 광학엔진을 구성하였다.

2.1 포물선(Parabola)의 수학적 정의

평면 위에서의 포물선은 고정선(준선 L)으로부터의 거리가 고정점(초점 F)으로부터의 거리와 같아지는 동점의 자취로 정의한다. 포물선의 정점은 준선에서 가장 가까운 곡선 위의 점이며, 준선까지의 거리와 초점까지의 거리가 같다. 포물선의 축은 초점을 통과하고 준선에 수직인 직선이다. 초점을 통과하며 준선과 평행인 직선은 수직지름(latus rectum)이라고 한다. 포물선은 축에 대해 대칭이며 곡선의 정점으로부터 멀어짐에 따라 곡선은 축으로부터 멀어진다. 축을 중심으로 포물선을 회전하면 포물면이 된다⁽³⁾. 포물선의 축이 x축이고 원점을 정점으로 하는 방정식은 y2＝2px이며, 이때 p는 준선과 초점의 거리이다.

2.2 포물면 반사면에서 빛의 경로

Fig. 2는 점광원이 포물면 반사면 초점(빨간색 점)에 위치했을 때, 포물면에 반사된 빛의 이동 경로를 보여준다. 앞선 2.1에서 포물면의 수학적 정의에 의해 모든 빛이 이상적으로 x축과 평행하게 출사됨을 볼 수 있다⁽⁴⁾.

Fig. 3은 점광원이 초점(빨간색 점)에서 ±x방향으로 벗어나 있을 경우(파란색 점) 포물면에 반사된 빛의 이동 경로를 보여준다. 반사된 빛의 방향은 입사된 각도에 따라 x축 수평 방향과 특정 각도로 출사됨을 알 수 있다.

Fig. 4는 점광원이 초점(빨간색 점)에서 ±y방향으로 벗어나 있을 경우(파란색 점) 포물면에 반사된 빛의 이동 경로를 보여준다. 반사된 빛의 방향은 Fig. 3의 경우 마찬가지로 입사된 각도에 따라 x축 수평 방향과 특정 각도로 출사됨을 알 수 있다.

Fig. 3과 Fig. 4 경우와 같이 광원의 위치가 포물면 반사면 초점 위치에서 벗어나 있을 때, 반사되는 빛의 이동 경로 또한 x축 수평 방향에서 벗어나게 됨을 알 수 있다⁽⁵⁾.

2.3 선행 연구의 고찰

LED광원과 포물반사체를 광학계를 적용한 유사 선행 연구를 고찰하였다⁽⁶⁾. 해당 논문은 실내외 투광 조명 등기구 제품에 대한 연구로 COB LED광원과 포물반사체를 결합하여 Beam angle 15˚ 를 구현하였다. 해당 연구의 주된 목표는 발광 면적이 넓은 COB LED광원을 적용함으로써 발생되는 Satelite ring을 최소화하는 것이고, 이를 위해 추가적인 Secondary reflector를 적용하였다. LED광원과 포물반사체를 적용하는 것은 본 서치라이트 광학계에 대한 연구와 유사하나 집적화된 LED광원 적용과 광학계 형상 최적화 설계를 통한 초 협각 및 고 광도 구현에 있어서, 본 연구와는 그 목적과 방법에 큰 차이가 있다.

3.1 LED광원 및 집광 반사경 광학 설계

일반적으로 LED광원은 점광원이 아닌 특정 면을 가진 광원이기 때문에 Fig. 5와 같이 LED광원을 포물면 반사면 초점에 위치했을 경우 2.2의 Fig. 3과 Fig. 4의 복합적인 빛의 반사 경로를 가지게 된다. 이러한 사실은 포물면 반사체를 이용하여 LED광원에서 발산한 빛을 최대한 정면으로 내보내기 위해서는 LED광원을 포물면 반사면 초점 위치에 있도록 하는 동시에 LED광원의 면적을 최소화 하는 것이 필요하다는 것을 말해준다.

본 연구에서는 우선 LED광원 면적에 따라 포물면 반사체의 광도 및 Beam angle이 어떻게 변하는지 광 추적 Simulation을 통해 확인해 보았다. LED광원의 형태는 가로, 세로 길이가 동일한 정사각으로 가정하였고, LED광원의 면적에 대한 영향만을 고려하기 위해 광원의 광량은 광원의 면적과 상관없이 고정된 값( 810lm)으로 설정하였다. 그리고, 이때, 적용한 포물 반사체의 직경은 90mm로 설정하였다. Table 1 과 Fig. 6은 광 LED광원 면적에 따른 광도 및 Beam angle의 광 추적 Simulation 결과 값을 보여주고 있다. LED광원의 면적을 1mm²부터 16mm² 로 증가할수록 Beam angle 값은 0.8˚ 에서 3.3˚ 로 증가함을 볼 수 있다. 반면 광도 값은 758,458cd에서 124,586cd로 감소하는 결과를 보였다. 이는 Beam angle이 증가함으로 인해 상대적으로 중심부의 광도값은 작아지기 때문이다.

한편, LED광원에 발산하는 광세기는 인가하는 전력 및 LED광원 면적에 의해 좌우되기 때문에 초 협각을 구현하는 것과 고 광도를 동시에 구현하기 위해서는 LED광원의 면적당 광량(lm/m²)이 높은 LED광원을 선택해야한다. 본 연구에서는 단일 LED당 8.3W의 전력인가가 가능한 LED를 적용하였다. LED광량은 810lm, 색상은 6500K 백색, LED 크기는 2.1 x 2.1 x 1.0mm이다.

LED서치라이트의 핵심이 되는 포물면 반사체의 최적 설계를 위해 포물면 반사경의 직경에 따라 Beam angle 및 광도가 어떤 경향을 가지는지 광 추적 Simulation Tool을 활용하여 확인하였다⁽⁷⁾. Fig. 6은 포물면 반사경 직경(⌽)에 따른 반사경 단면 형상을 보여주고 있다. 이때, 각 반사경 직경 별 반사경의 초점은 모두 동일한 위치로 고정되어 있다. 반면, 반사경 길이(L)는 포물면 반사면 직경이 커질수록 같이 길어지게 된다. 본 연구에서 설계, 제작하고자 하는 LED광학엔진은 크기가 기구적으로 제한되어 있어, 광 추적 Simulation을 통해 Beam angle 및 광도 결과 추이를 보며 적정 크기를 결정하였다.

하기 Table 2 와 Fig. 7 에서 포물면 반사경 직경에 따른 Beam angle 및 광도 결과를 나타내었다. 반사경 직경이 60mm에서 100mm로 커질수록 Beam angle은 2.8˚ 에서 1.3˚ 로 작아지고, 광도는 189,667cd에서 516,333cd로 커짐을 볼 수 있다. 이는 반사경 직경이 커질수록 반사경 길이도 함께 길어져 반사경 정면, 수평 방향으로 반사되는 빛이 증가하기 때문으로 판단된다⁽⁸⁾.

본 연구에서는 제작하고자 하는 LED서치라이트 광학엔진은 기구적 제약으로 인해 반사경 직경을 90mm로 결정하였다. Fig. 8은 최종 설계된 반사경의 단면 형상과 LED광원에서 출사되어 반사된 빛이 이동 경로를 보여주고 있다. Fig. 9는 배광 분포를 나타내고 있는데, 최종 반사경 설계의 광학적 특성인 Beam angle은 1.5˚, 광도는 420,667cd 나타내었다.

3.2 시제품 제작

3.1 에서의 설계치를 토대로 LED PCB모듈 및 포물면 반사경을 제작하였다. Fig. 10은 제작한 LED PCB모듈 및 반사경 시제품을 보여주고 있다. 반사경은 우선 설계된 형상대로 금형을 제작한 후 플라스틱 사출 성형 방식으로 시제품을 제작하였다. 이때, 사용된 플라스틱 재질은 PC(Poly carbonate)재질로 사출 성형성이 우수하며 사출 후 온도 변화에 따른 형상 변이가 작다는 장점이 있다. 반사경 내부는 광 반사율을 극대화하기 위해 반사율 및 내구성이 우수한 알루미늄 재질로 금속 코팅을 하였다. 알루미늄 재질은 광 반사율은 90% 로 반사율이 높고 UV 빛에 의한 황변이 적다. 그리고 산화 방지를 위해 특수막 코팅 처리를 진행하였다.

제작한 LED PCB모듈 및 반사경을 조립하고, 전원공급장치를 추가 장착할 수 있는 기구부를 제작하여 Fig. 11과 같이 LED서치라이트 광학 엔진을 구성하였다. 본 LED서치라이트 광학엔진은 8W급으로 콤팩트(Compact)한 장점을 가지고 있으며 LED서치라이트 전체 시스템 구성의 기본으로 200W이상의 서치라이트 완제품을 구성할 수 있다.

3.3 광 특성 평가

LED서치라이트 광학 엔진 시제품에 대해 배광 분포 및 광도를 측정하였다. 측정 결과 Table 3과 같이 Beam angle은 1.5˚, 최대광도는 402,210cd 를 얻었다. Fig. 12에는 배광 분포 측정 결과를 나타내었다. 광 특성 결과 값은 모두 설계치와 유사한 결과를 얻게 되었다.