1.1 연구의 배경 및 목적

국내에는 33개 공항이 있으며, 이중 민간 공항은 인천국제공항을 포함하여 16개, 군사 공항은 수원공항을 포함하여 13개, 미군 공항은 4개가 있다⁽¹⁾. 국내 공항에는 항공조명시스템이 약 10만 등이 설치되어 있으며 이를 점등시킬 수 있는 전원공급장치가 약 800여 대가 있다. 국내 항공조명시장은 정확한 정보는 없으나 약 500억원 정도로 예측되며 항공등화 시장에 개별전구제어시스템이 도입되면서 그 수요는 크게 증가하고 있다. 섬광등은 약 70세트(세트당 21대)가 설치되어 운영 중이다. 현재 김해공항을 포함한 국내 공항에 설치된 매립 섬광등은 모두 Xenon램프를 사용한 섬광등으로써 소비전력이 높고, 수명이 짧으며, 시인성이 떨어지는 단점이 있다⁽²⁾.

매립 Xenon 섬광등은 스웨덴 ADB사와 이탈리아 OECEM사에서 전 세계에 납품한다. 일부 선진사에서 LED 매립 섬광등을 양산하고 있으며, 이에 따라 국내외에서 매립 섬광등 설치조건과 성능향상을 위한 연구가 진행 중이다^(3-5). 그러나 LED 매립 섬광등은, ICAO(International Civil Aviation Organization) 표준을 만족하나 FAA(Federal Aviation Administration) 표준은 만족하지 못하는 실정이다^(6-7).

본 논문에서는, ICAO 기준뿐만 아니라 FAA 기준을 만족하는 LED 매립 섬광등을 개발하고 광학 및 전기 특성에 대한 측정결과를 제공함으로써, 공항 에너지환경 변화에 대응하는 사례를 제공하고자 한다.

2.1 LED 매립 섬광등 개요

매립 섬광등은 항공등화의 일종으로서 불빛을 사용하여 항공기 항행을 돕기 위한 항행 안전시설로 정의된다. LED 매립 섬광등은 공항의 “진입등시스템(Approach Lighting System)”에 포함되며 착륙하려는 항공기에 활주로 진입경로를 알려주기 위하여 진입구역에 설치하는 등화시설이다. 활주로 900 m 전반부에서부터 30 m 간격으로 설치하며, 안개에 의해 시정이 좋지 않은 경우나 일출/일몰 전후에 운용하는 필수 항공등화시설이다. 섬광등은 공항 표준에 따라 21∼31열로 설치되며 1초에 2회씩 연쇄식으로 점멸한다. 또한 LED 매립 섬광등은 항공기가 착륙할 때 착륙대 끝을 초과하여 활주하는 긴급용 보조 활주로구역(over run)에 설치하며 노출 LED 섬광등과 연동되어야 한다⁽⁸⁾.

이러한 LED 매립 섬광등의 역할과 실제 설치 모습을 나타낸 것이 그림 1이다. 그림 1 (a)는 진입등시스템 구성도이고, (b)는 항공기가 이륙, 착륙하는 활주로구역과 연결되어 항공기가 진입하는 진입구역(approach area)에 설치된 섬광등 점등 사진으로써 조종사는 이 섬광등을 보면서 항공기 진입 위치를 확인한다. (c)는 설치된 매립 섬광등 사진(왼쪽)과 매립 섬광등이 설치된 활주로 사진(오른쪽)이다.

LED 매립 섬광등은, 그림 2에서 보는 바와 같이, 상부등체와 하부커버, 발광부로 구성되며, 발광부는 LED, 렌즈, 프리즘 등으로 구성된다.

2.1 항공등화 표준

ICAO는 섬광등 개념이 아닌 진입등 개념으로 광도를 제시하며, 진입등의 최소 평균광도(minimum average intensity)가 20,000 cd 이상, 주요 빔 최솟값(main beam minimum)은 빔 광도에서 최솟값 10,000 cd이며 배광 범위는 수평 ±10°, 수직 11°이다. 그림 3은 ICAO가 제시하는 진입등시스템의 배광분포 기준이다⁽⁶⁾.

FAA 섬광등 표준은 “AC NO 150/5345-51 Specification for discharge-type flashing light equipment”이고, 그 범위는 L-849, Style은 E로써 L-849 E로 지칭한다. Type은 전압원, Style은 단방향이며, 저광도, 중광도, 고광도 조정이 가능함을 의미한다. FAA 표준의 배광은 수평 ±15°, 수직 11°이고, 유효광도(effective intensity)는 L-849 type으로서 그림 4와 같다⁽⁷⁾.

국토교통부의 항공등화 설치 및 기술기준은 국내 유일한 항공등화 표준이며, 설치 및 기술기준은 ICAO와 동일하며 광학 특성인 광도와 색도에 한정하여 규정하고 있다⁽⁸⁾.

2.2 LED 매립 섬광등 설계 및 제작

섬광등에서 요구되는 광도는 고정 광이 아닌 100 ms의 펄스에서 유효광도가 측정되어야 한다. 즉 1 s에 두 번 점멸하기 때문에 산술적으로 약 5배의 높은 광이 요구되며, 펄스 당 100,000 cd 이상의 광도가 필요하다. LED 매립 섬광등 제작에 사용된 LED 패키지는 Cree사의 XHP35이고 렌즈와 프리즘을 조합하여 ±15°의 광학부를 제작하였다. LED 패키지 사진과 전기 특성을 나타낸 것이 그림 5이다⁽⁹⁾.

렌즈는 LED모듈과 상부등체, 프리즘과 조합하여 시험 후 최종 결정하였다. 렌즈는 LEDIL 렌즈를 적용하여 광학 특성뿐만 아니라 진동에 견딜 수 있는 기구 특성도 적용하여 제작하였다. 또한 LED모듈과 렌즈는 상부등체와 결합해야 하므로 렌즈 지지대를 제작하여 LED를 메탈 PCB에 장착하였다. 이때 렌즈 지지대는 압출로 제작하였으며 압출 금형을 별도로 제작하였다. 렌즈 지지대 제작 시 가장 고려한 부분은 발열부분으로서 LED XHP35의 최소 30 ℃ 이상의 여유있는 열특성을 갖도록 제작하였다.

프리즘은 3D 디자인을 통한 설계, Mock-up, 광학 시뮬레이션을 반복한 후 제작하였다. 광학 시뮬레이션은 Photopia 소프트웨어를 이용하였다. 프리즘의 크기와 형상에 따라 시뮬레이션을 반복하였고, 프리즘을 통해 출사되는 빛의 각을 제어하여 섬광등 규정에 맞는 광각을 만들었다. 프리즘의 설계는 Creo2.0 소프트웨어를 이용하였으며, 최종 3D 설계 도면과 설계 과정의 광학 시뮬레이션을 보여주는 것이 그림 6이다.

상부등체는 궁극적으로 유효광도 기준을 만족하도록 설계해야 하고, ICAO나 FAA에서 규정하는 내항공기 특성을 만족하도록 제작해야 한다. 내항공기 특성이란 항공기 이륙/착륙 시 또는 고온/저온 시에도 견딜 수 있는 제품 특성을 의미하며, 누설시험, 열충격시험, 수충격시험, 진동시험, 수직정하중시험, 수평정하중시험 등을 통해서 확인할 수 있다^(6-8).

높은 유효광도를 얻기 위해 상부등체 높이를 높이고, 빗물고임 홈을 제작하여 빗물에 의한 광학 영향을 최소화하였다. 프리즘부 이탈에 대비하여 프리즘 스토퍼를, 프리즘 방수를 위해 프리즘 패킹을 설계 제작하여 상부등체에 적용하였다. 최종 상부등체는 3D 디자인으로 설계하고 아노다이징 공정으로 마무리하여 제작하였다. 그림 7은 상부등체와 하부 커버의 3D 도면이다.

상부등체에 프리즘, 하부커버, 프리즘 스토퍼, 프리즘 스토퍼 패킹 등을 조립 후 연결상태, 이탈여부 등을 확인하여 최종 제품을 제작하였다.

구동부는 기설치된 LED 노출 섬광등과의 동기화를 위해 제어부는 그대로 유지하되, 단가 상승과 무게 증가에 따른 운반 문제를 고려하여 ABS와 PC 재질로 제작하였다. 구동부 외함과 내부의 회로 및 연결부 사진이 그림 8이다.

그림 9는 3D 설계 및 시뮬레이션을 통해 제작한 LED 매립 섬광등의 상부등체, 하부커버, 프리즘, 프리즘 패킹, 프리즘 스토퍼, LED모듈, 렌즈, 램프지지대, 구동부 및 최종 제작품을 보여준다.