1. 서 론

야간시각(Night Vision) 기술은 1970년대 미국방부에서 야간작전을 보다 원활하게 수행하기 위하여 개발되었다. 야간시각 기술의 대표적인 응용제품으로는 야간투시경인 NVG(Night Vision Goggles)와 열화상카메라가 있으며 군사용 목적으로 운용되는 헬기와 전투기 등에 적용된다. 야간투시경의 개발과 함께 항공기 내부의 조명계통을 야간투시경에 적합하도록 야간시각 조명계통인 NVIS(Night Vision Imaging System)가 적용되고 있다. NVIS로 인하여 조종사의 심리적 불안감을 해소하고 입체적인 야간 특수비행, 적지 근접지원, 저고도 침투 등의 야간작전을 효과적으로 수행할 수 있게 되었다^{[1, 2]}. NVG는 육안으로 인식 불가능한 미약한 밝기의 외부영상을 영상증폭장치를 통해 식별할 수 있도록 하는 장비로 자연방사 에너지원의 파장대역인 근적외선(600-930nm) 영역에서 가장 좋은 상대 응답을 갖는 장치이다. 기존의 조명은 가시광선 영역(380-750nm)과 적외선 영역대의 파장을 모두 방사하므로 NVG에서는 빛번짐과 눈부심 현상이 발생된다. NVIS는 적외선 에너지 방출을 최소화하여 적으로부터 노출을 최소화하고 NVG와 호환되는 빛을 방출한다. 기존 NVIS에 적용되는 광원으로는 백열등, 할로겐 및 제논 램프와 같은 전력소비가 큰 소자를 사용하였으나, 최근에는 에너지 소비가 적은 고효율 백색 LED가 항공전자용 광원으로 활발하게 이용되고 있다^{[3, 4]}. 이와 같은 야간시각조명계통 부품은 해외의 선진업체에서 EL(Export License)품목으로 선정하여 타국으로의 기술이전을 금하고 있는 실정이지만, 국내의 항공전자부품회사에서 NVIS 패널과 NVIS LED가 개발되어 국산화 항전장비에 일부 적용되고 있다. 국내에서 개발 및 제조하고 있는 NVIS 패널제품과 KUH(Korean Utility Helicopter)에 적용된 예시는 Fig. 1과 같다^[5].

LAH(Light Attack Helicopter)에는 주간에 사용하는 Day mode와 야간에 사용하는 NVIS mode를 전환할 수 있는 로터리 스위치가 있으며, 스위치 조작시 조명계통 전원공급기의 출력이 Day mode에는 28V 그리고 NVIS mode에는 12V가 NVIS 패널과 NVIS 조명스위치로 입력된다. NVIS 조명스위치는 이에 같은 전압에서 각 mode 별 신호처리가 필요하며, 기술적 제약으로 인해 전량 선진해외업체로부터 수입에 의존하고 있으며 일반적인 조명스위치의 가격에 약 1.8배로 고가이다. Fig. 2는 LAH의 조명시스템 도식화 및 선진해외업체인 KORRY 사의 NVIS 조명스위치 형상을 예시하였다^[6].

이러한 이유로 NVIS 조명스위치의 국산화 개발이 시급하다. 본 논문에서는 NVIS 조명스위치의 조명원으로 전력효율이 기존 램프보다 우수한 LED를 적용하였고, 기구설계와 신호처리 회로설계에 실시하고 분석하였다. 그리고 NVIS 군 표준규격인 MIL-STD-3009의 규격에 따라 성능을 평가하였다^[7].

Fig. 1. An example of the NVIS panels applied to KUH

Fig. 2. The lighting system diagram of LAH and an example of the NVIS light switches.

2. 이론적 검토

빛은 파장에 따라서 자외선, 가시광선, 적외선 영역으로 분류할 수 있으며, 사람의 눈에 보이는 영역은 가시광선 영역이다. 이를 도식화하면 Fig. 3와 같다.

기존의 조명은 가시광선 영역(380-750nm)과 적외선 영역대의 파장을 모두 방사한다. NVG는 야간에 자연방사 에너지원의 파장대역인 근적외선(600-940nm)영역을 증폭하여 근적외선 영역에서 가장 좋은 상대 응답을 가진다. NVIS는 조종사가 사용하는 환경과 조건에 따라서 Class A, Class B, Class C로 나누어지며, 파장별 상대 스펙트럼 응답 특성은 Fig. 4와 같다^[7].

기존의 조명을 그대로 사용할 경우 NVG 파장대역과 중복되어 빛번짐과 눈부심 현상으로 인해 운용이 어렵게 된다. 이러한 이유로 NVIS 조명은 NVG 파장대역에 상대적으로 응답특성이 좋은 필터를 사용해야하고 조명의 휘도를 낮은 수준의 적정 휘도를 유지해야 한다. LAH의 MPP에 적용되는 NVIS 조명스위치의 요구도는 Class B이고, MIL-STD-3009에 따라서 조명 색상, 신호, 모드 그리고 휘도의 규격은 Table 1과 같다.

Table 1에서 색도는 MIL-STD-3009의 Green A 요구를 만족해야 하고 주의경고 신호로 분류된다. day mode의 조명입력전압은 28V이고, NVIS mode에서는 12V이다. day mode의 조명휘도는 150 fL보다 높아야 하고, NVIS mode에서는 0.1 ± 0.05 fL로 day mode와 비교하면 1/1500로 매우 낮다.

Fig. 3. Classification according to the wavelength of light

Fig. 4. Relative spectral response characteristics of the NVIS classification

3. NVIS 조명스위치의 설계

3.1 NVIS 조명스위치의 기구설계

NVIS 조명스위치의 기구설계는 CATIA V5, R21 프로그램을 사용하여 3D로 설계하였다. 크기는 17.3 x 19.1 x 67.7mm이다. 주요 구성품으로는 Button cover, Filter(NVIS), Reflector, PCB(Rigid flexible), Switch, Connector와 Case 등 총 16가지의 부품으로 구성된다. 부품은 모두 기성품을 사용하였다. Fig. 5는 NVIS 조명스위치의 형상과 분해도를 보여준다.

Fig. 5. Shape and exploded mechanism of the NVIS light switch

3.2 NVIS 조명스위치의 신호처리 회로설계

본 논문에서 제안하는 NVIS 조명스위치는 day와 NVIS mode에 따라서 공급되는 전압이 달라진다. 모드에 따른 휘도를 제어하기 위하여 마이크로컨트롤러를 사용한다면 ADC(Analog Digital Converter)로 전압을 검출하여 모드를 인식하고 LED를 휘도를 PWM(Pulse Width Modulation)으로 제어할 수 있다. 그러나 마이크로컨트롤러를 사용할 경우 소프트웨어가 탑재되고, 소프트웨어가 탑재된 항공기 무기체계 NVIS 조명스위치는 방사청 무기체계 소프트웨어 개발 및 관리 매뉴얼에 따라서 소프트웨어 규격화와 소프트웨어 정/동적 시험을 해야 한다. 이 경우 시험비용과 기간이 필요하게 된다. 따라서 본 논문에서는 소프트웨어를 배제한 신호처리회로를 설계하였다. 신호처리회로는 전압검출기, Timer IC, FET, Zener diode, LED 등으로 구성되었으며 Fig. 6에 도시하였다.

NVIS mode인 12V전압에서는 $U_{1}$(LMC555CMM) Timer IC가 동작된다. $U_{1}$의 Discharge단자에서 PWM신호를 출력하여 NVIS모드에 맞는 휘도를 조절한다. day mode인 28V의 전압을 검출하기 위하여 전압검출기 $U_{2}$를 사용하였다. 전압검출기는 Rohm사의 BD4923FVE를 적용하였으며 검출전압은 2.3V이다. BD2923FVE의 최대공급전압은 10V이므로 $R_{4}$와 $ZD_{1}$을 사용하여 $U_{2}$에 7.5V 이상이 공급되지 않도록 과전압 보호회로를 구성하였다. 여기에서 입력전압에 따른 $U_{2}$의 VDD전압은 식 (1)과 같이 계산할 수 있다.

(1)

$V_{U2 VDD}=\dfrac{R_{7}}{R_{4}+R_{6}+R_{7}}V_{in}$

BD4923FVE의 Vout단자는 내부출력회로가 CMOS로 구성되어있으며, $U_{2}$의 VDD단자 전압이 2.3V에 도달하면 출력이 “High”가 된다. day mode는 28V이므로 입력전압의 변동성을 감안하여 25V이상에서 동작하도록 설계되었다. 즉, 입력전압이 25V일 때 $R_{4}$와 $R_{6}$ 그리고 $R_{7}$에 의해 분압된 전압이 $U_{2}$의 VDD단자에 2.3V가 되도록 설계되었다.

따라서, NVIS mode이면 12V이므로 $Q_{1}$은 OFF되고, $U_{1}$은 ON상태가 되어 Discharge단자에 PWM출력이 발생되고 $R_{3}$을 통하여 LED 전류가 흐르게 된다. 입력전압이 25V이상에서는 $Q_{1}$이 ON되어 LED의 전류가 더 크게 흐른다. $Q_{1}$을 통하여 흐르는 LED 전류는 식 (2)와 같이 계산할 수 있다.

(2)

$I_{LED}=\dfrac{(V_{in}-2V_{FD})}{R_{1}}+\dfrac{(V_{in}-2V_{FD})}{R_{2}}$

여기에서 $V_{FD}$는 LED의 순방향 전압으로 약 2.4V이다. LED는 Nichiya 제조사의 White LED를 적용하였고 회로적으로는 $D_{1}$과 $D_{2}$를 직렬로 연결하고 $D_{3}$와 $D_{4}$를 직렬로 연결하여 LED 한 개의 부품이 파손되더라도 조명기능이 동작하도록 이중화설계를 하였다. $U_{1}$은 Timer IC로 Texas Instrument사의 LMC555CMM을 사용하였다. LMC555CMM의 최대입력전압은 +15 V이므로 $R_{5}$와 $ZD_{2}$로 정전압회로를 구성하여 $U_{1}$의 전원공급과 과전압으로 인한 파손을 방지하기 위해 구성되었다. 그리고 $C_{1}$은 $U_{1}$의 공급전압 안정화를 위하여 평활회로로 구성되었다. NVIS mode에서 $U_{1}$이 동작하여 PWM 신호가 Discharge 단자(open drain)로 출력되어 LED에 전류가 흐른다. $U_{1}$의 Discharge 단자로 흐르는 LED 전류는 식 (3)과 같이 계산할 수 있다.

(3)

$I_{LED}=(\dfrac{(V_{in}-2V_{FD})}{R_{1}+R_{3}}+\dfrac{(V_{in}-2V_{FD})}{R_{2}+R_{3}})PWM_{on}$

식 (3)에서 $PWM_{on}$은 PWM 신호에서 on time의 비율이다.

$U_{1}$의 시방서에 따르면 Discharge 단자로 출력되는 PWM의 주파수는 식 (4)와 같다.

(4)

$f=\dfrac{1}{1.4(R_{10}+ZD_{3 int .imp})C_{3}}$

식 (4)에서 $ZD_{3 int.imp}$는 제너 다이오드 내부의 저항값이다. NVIS mode인 입력전압 12V조건에서 측정된 $V_{1}$의 전압, 주파수, $PWM_{on}$ 비율은 Table 2와 같다. Table 2에서 $ZD_{3 int.imp}$는 식 (4)에서 계산된 값이다.

NVIS mode 에서 측정된 각 단자의 파형은 Fig. 7과 같으며 채널1은 입력전압, 채널2는 $U_{1}$의 Discharge단자의 PWM신호, 채널3는 $U_{1}$의 Reset단자, 채널4는 $V_{1}$의 전압이다. $PWM_{on}$비율은 약 12%로 측정되었으며, 주파수는 약 890Hz이다.

신호처리회로의 설계와 분석을 위하여 National Instrument사의 Multisim 프로그램으로 Simulation하고 각 부품의 전압과 전류 그리고 PWM파형을 분석하였으며 Fig. 8과 같이 도시하였다.

본 논문의 목표 중 하나는 기판의 크기를 최소화하여 설계하는 것이었고, 기구적으로 공간이 협소하므로 조립의 용이성을 위하여 Rigid Flexible 양면 PCB로 설계하였다. LED를 제외한 회로부품들이 장착되는 곳은 FR4 재질을 적용하였고, 나머지 부분들은 모두 Flexible 재질을 적용하였다. 설계프로그램은 Mentor Graphics Corporation사의 PADS Layout을 사용하였으며 예시는 Fig. 9와 같다.

PCB에 부품이 장착된 사진은 Fig. 10과 같다.

Fig. 6. Signal processing circuit diagram

Fig. 7. PWM waveform measurement.

Fig. 8. Simulation example of the circuit design

Fig. 9. An example of the PCB design

Fig. 10. Picture of the PCB assembly

Table 2. PWM waveform and $V_{1}$ measurement test result at NVIS mode

Input voltage (Vdc) NVIS mode	$V_{1}$(Vdc)	$ZD_{3 int.imp}$(Ω)	PWM frequency (Hz)	$PWM_{on}$ratio
12	2.44	620	890	0.12

4. NVIS 조명스위치의 실험결과

NVIS GREEN A의 MIL-STD-3009 표준 요구색도 값은 u’가 0.088, v’는 0.543 그리고 허용한계인 r은 0.037이다. 이를 도식화하면 Fig. 11과 같다^[7].

시료는 GREEN A의 시제품을 총 5개를 제작하였으며, 실험은 암실에서 평가하였다. 측정장비는 KONICA MINOLTA사의 2D color analyzer CA-2500 광측정장비를 사용하였으며 군 요구도 MIL-STD-3009에 따른 실험 결과는 Table 3과 Table 4와 같다.

Fig. 11. NVIS GREEN A color limits according to MIL-STD-3009

5. 결 론

본 논문에서는 항공기용 NVIS 조명스위치에 대한 기구와 회로에 대해서 설계하고 분석하였으며, 특히 소프트웨어 동/정적 시험과 소프트웨어 규격화를 회피하기 위하여 마이크로컨트롤러 사용을 배제하였고, Day mode와 NVIS mode의 공급전압에 따라서 전압검출기와 Timer IC의 PWM출력을 이용하여 NVIS mode와 day mode의 LED의 전류를 제어함으로서 조명휘도를 제어할 수 있는 회로의 신호처리기법을 제시하였다. 본 논문에서 제안하는 기구 및 회로를 이용하여 NVIS 조명스위치 시제품를 제작하였다. 실험을 통한 평가결과는 MIL-STD-3009의 휘도와 색도 요구도에 만족하였다.

본 논문은 수입에 의존하던 NVIS 조명스위치의 수입대체와 선진해외업체로부터 기술독립에 기여할 것이다. NVIS 조명스위치는 항공기 체계에 따라서 수백종 이상의 제품이 있으며, 이에 대한 국산화개발이 지속적으로 필요하다. 향후 3개의 NVIS, night, day mode 휘도 조절 NVIS 조명스위치에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.