1.1 연구배경

도시 인구 증가로 인한 도로 교통의 혼잡 문제를 해결할 미래형 교통수단으로 도심 항공 교통(Urban Air Mobility ; 이하 UAM)이 크게 주목받고 있다. UAM은 전기동력을 이용한 수직 이착륙 항공기체(Electric Vertical Take-off and Landing aircraft ; 이하 eVTOL)로 도심 권역을 이동하는 공중 교통체계를 의미한다.

과거에는 기초적인 항공 기체 설계 수준에 머물렀지만, 최근 분산전기, 전기동력, 저소음 등 eVTOL 핵심기반 기술 발전에 힘입어 도심 이동 수단으로의 실현 가능성이 매우 높아지고 있다^[1].

본 논문에서는 수직 이착륙 항공 기체가 버티포트에 안전하게 이착륙할 수 있도록 설치되는 항공등화(Aeronautical Lights) 가운데 하나인 착륙구역등(Touch down and Lift off Area Lights) 최적 설계 및 미연방항공청(Federal Aviation Administration; FAA)와 국제민간항공기구(International Civil Aviation Organization; ICAO)에서 요구하는 광학적, 전기적 특성 측정하여 설계된 착륙구역등이 규정된 요구치를 만족하고 있는지를 평가하였다.

1.2 설계 요구사항

착륙구역등은 야간에 조종사가 버티포트의 착륙구역(Touchdown and Lift off Area ; 이하 TLOF)의 위치를 식별하기 위해 설치하는 항공등화를 의미한다.

착륙구역등의 설계 요구사항은 Fig. 1과 같이 미연방항공청의 FAA Engineering Brief 105 Veriport Design 3.5 Lighting에 나와 있다.

Fig. 1. Design of vertiport aircraft lighting(FAA engineering brief no.105 vertiport design)

착륙구역등의 광도 및 색도 요구사항은 3.5.1 일반사항과 3.5.2 착륙구역등 5항에 LED를 사용하는 항공등화의 경우 FAA EB 67 “백열등 및 크세논 이외의 광원 표준”을 참조 하도록 되어 있다.

Table 1은 FAA Engineering Brief 105 Veriport Design 3.5 Lighting에서 규정된 착륙구역등의 광도 요구사항이다.

Table 1. Perimeter lighting intensity and distribution(FAA engineering brief no.105 vertiport design)

FAA에서 규정된 LED 착륙구역등의 색도는 녹색(Green)으로 아래 색도 범위를 만족해야 한다^[2].

Green (ICAO Modified)

Blue boundary : y = 0.768 - 1.306x

White boundary : y = 0.600

Yellow boundary : y = 3.470 - 9.200x

Green boundary intersection points :

x = 0.014, y = 0.750

x = 0.129, y = 0.600

x = 0.312, y = 0.600

x = 0.302, y = 0.692

앞서 언급된 광도와 색도 요구사항 이외에도 FAA에서 요구하는 주요 구조적, 전기적 성능요구사항은 Table 2와 같다.

2.1 광학부 설계

FAA 및 ICAO에서 규정한 광도 요구 기준을 만족하기 위해서는 먼저 적정한 LED 패키지를 선정하여야 한다.

착륙구역등의 요구 색도 구현을 위해 녹색 필터를 적용해야 하므로 Fig. 2와 같이 적용될 녹색 필터의 반사율을 측정한 결과로 505nm∼555nm 파장에서만 100% 투과되고 그 외 파장은 반사되어 광손실이 발생함을 알 수 있었다. 따라서 LED 패키지 선정 시 이러한 광손실을 반드시 고려해야 한다.

Fig. 2. Reflectance of a green filter at different wavelengths

녹색 필터로 인한 광손실이 어느 정도인지 확인하기 위해 Table 3과 같이 필터 적용 전후의 광속을 측정하였다. 광속 측정 결과 약 24%의 광손실이 있는 것으로 나타났다.

광손실을 고려해 Table 4와 Fig. 3과 같은 사양 및 배광분포를 갖는 고출력 LED 패키지를 최종 선정하였다.

Fig. 3. LED package photometric and spectral data

Table 4. Selection of LED package specifications

	색상(Color)	white
	PKG 사이즈 [mm]	3.45*3.45
	배광각 [˚]	135
	색온도 [K]	5,000
	광속(@0.35A) [lm]	590

녹색 필터에서의 광손실을 고려하여 전압, 전류 조건을 변경 후 최종 광도 분포를 확인하기 위한 광학 설계 소프트웨어인 LightTools의 Optimization 기능을 활용하여 시뮬레이션 진행하였다.

Fig. 4는 광도 시뮬레이션 결과로 2∼5도에서는 55cd, 6∼10도 63cd, 11∼13도 64cd, 14∼20도 52cd, 21~90도 25cd로 FAA EB 105 3.5에서 요구하는 앙각별 광도를 최종 만족하는 것을 확인하였다.

Fig. 4. Simulation of luminous intensity distribution after applying green filters

2.2 전원부 설계

항공등화의 전원 설계 형태는 크게 정전압형과 정전류형으로 구분되는데 정전압형의 경우 선로 손실로 인한 전압 강하가 심하기 때문에 다수의 항공등화가 설치되는 공항 특성상 전압 강하가 없는 정전류형 전원으로 설계하는 것이 일반적이다.

항공등화에 공급되는 전류파형은 정전류조정기(Constant Current Regulator, CCR)에 의해서 결정되며 일반적으로 전도되는 시간과 그에 따라 부하를 통해 흐르는 인가 전력의 양의 제어는 위상제어(Phase Control) 방식의 실리콘제어정류기(Silicon Controlled Rectifier, SCR)가 사용되고 있다.

Fig. 5는 회로에서 파동의 절반만 제어하고 나머지 절반에는 전력이 흐를 수 없는 것을 설명하고 있는데 항공등화에 연결된 출력 변압기로 흐르는 전력을 제어하려면 전류 파형의 양의 반주기와 음의 반주기를 모두 제어하여야 하고 이를 위해서는 연속적으로 배열된 두 개의 SCR를 사용해야 하는 것을 보여주고 있다.

Fig. 5. Block diagram of phase-controlled constant current regulator

최종 전원부 회로는 Fig. 6과 같이 구성하였으며 착륙구역등에 적용되는 LED 동작전압은 11.3 VDC 이므로 정전류조정기(CCR) 전압을 24 VDC로 상승시키고 LED Driver도 IS32LT3954를 사용하여 전원부의 안정성 및 신뢰성 확보에 중점을 두었다.

Fig. 6. Circuit diagram of power supply

Fig. 7은 최종 제작된 전원부로서 안정적인 전압 공급을 위해 전해캐패시터를 목표값 이상으로 높게 설계하였으며 LED 출력전류를 제어하기 위해 가변저항을 추가하여 최소 100mA에서 최대 2A까지 출력 변경이 가능하도록 제작하였다.

Fig. 7. Power supply for touchdown and lift off area lights

3.1 광학적 성능 특성

3.1.1 광도 특성(최소평균광도)

Fig. 8과 같이 배광측정기(Goniophotometer)를 이용하여 수직과 수평 측정값을 각각 0∼10°, 0∼360°로 광도 특성을 측정하였다.

Fig. 8. Measurement of luminance characteristics for touchdown and lift off area lights

측정 결과 최소평균광도는 30.816cd로 측정되어 FAA EB 105에서 요구하는 광도 기준을 만족하였으며, Table 5에 착륙구역등의 앙각별 광도 측정 결과 및 측정 데이터를 정리하였다.

Table 5. Measurement results of luminous intensity by elevation angle and law data

앙 각	기준 광도	측정 광도
20° 초과 90° 이하	5 cd	19.8
13° 초과 20° 이하	8 cd	29.6
10° 초과 13° 이하	15 cd	31.8
5° 초과 10° 이하	25 cd	33.1
2° 이상 5° 이하	15 cd	28.9
본 데이터는 V(0~10)/H(170~180도) 앵글별 광도값의 일부를 수록

3.1.2 색도 특성

색도 측정은 광도 측정 시 Fig. 9와 같이 배광시험기와 연결된 색도센서를 통해 측정하였다.

Fig. 9. Measurement of chromaticity(색도센서 포함)

착륙구역등의 색도 측정 결과 x=0.1333, y=0.6667로 측정되었으며, Fig. 10과 같이 CIE 색좌표계에 측정된 x, y 값을 대입한 결과 FAA EB 105에서 요구하는 색도 범위를 만족하는 것을 확인하였다.

Fig. 10. FAA green chromaticity range(green line) and measuerment results of data(black point)

3.2 구조·전기 성능 특성

3.2.1 외함의 밀폐 보호등급

보호등급 측정은 Fig. 11과 같이 수조에 착륙구역등의 외함 아래 끝에서 수면까지 1m 수위로 2시간 동안 담근 후 꺼내어 외함을 분해하여 내부 물기, 습기 유무 확인과 점등 시 정상 점등되는지를 확인하도록 규정되어 있다.

측정 결과 외함 내부에 물기나 습기는 없었고 점등 시 문제없이 점등됨을 확인하였다.

Fig. 11. Measuerment of enclosure protection rating(ingress protection - IP rating)

3.2.2 온도(저온·고온)

저온 특성은 Fig. 12와 같이 온도 챔버를 이용하여 –40°C에서 착륙구역등을 24시간 방치한 후 부품의 파손 여부와 점등 시에 정상 점등이 되는지를 확인한다. 측정 결과 내부 부품의 손상이 없고 정상 점등되는 것을 확인하였다.

Fig. 12. Measuerment of low-temperature characterization

고온 특성은 Fig. 13과 같이 온도 챔버를 이용하여 55±2°C의 환경하에서 착륙 구역 등을 24시간 정격 전류로 연속 점등한 후 등화의 변형, 균열, 부식 및 부품의 손상이 없어야 하고, 연속 점등 후 초기 최소평균광도 대비 30% 이내의 광도값이 유지되어야 한다.

Fig. 13. Measuerment of high-temperature characterization

측정 결과 등화의 변형과 균열, 부식, 부품의 손상이 없었고, Table 6과 같이 초기 최소평균광도 30.816 cd 대비 연속 점등 후 최소평균광도는 31.555 cd로 측정되어 초기 대비 30% 이내로 확인되었다.

Table 6. Measurement data of minimum average luminance(initial values vs. 24 h of continuous lighting)

구분	초기(0h)	연속 점등(24h)
최소평균광도 [cd]	30.816	31.555
본 데이터는 V(0~75)/H(0~180도) 앵글별 광도값의 일부를 수록

3.2.3 역률

역률 특성은 Fig. 14와 같이 전력분석기 사용하여 1∼5단(2.8 A∼6.6 A)에서 모두 절연변압기 1차측 역률을 측정한다. 측정 결과 역률은 70 이상이 되어야 한다.

1∼5단 총 5단의 역률측정을 측정한 결과 최소값은 4단에서 96.6, 최대값은 5단에서 96.9로 기준값(>85) 이상으로 측정되었다.

Fig. 14. Measuerment of power factor and results data(5-step)

3.2.4 절연저항

절연저항 특성은 Fig. 15와 같이 착륙구역등의 도전부와 외함 사이에 DC 500V 전압을 인가하여 절연 저항값을 측정한다. 측정된 절연저항은 50MΩ 이상 이어야 한다. 측정 결과 최종 절연 저항값은 83.5MΩ(>50MΩ)으로 측정되었다.

Fig. 15. Measuerment of insulation resistance and results data

3.2.5 서지

서지 특성은 FAA 기준으로는 교류입력단자간에 1.2/50㎲, 10kV의 고전압을 인가하고 정상 점등을 확인하여야 하나, 보유한 서지장비의 최대 인가전압이 5kV 밖에는 안되어 5kV로 서지 특성을 측정하였다.

측정 결과 Fig. 16과 같이 착륙구역등 입력단에 최대전압 5kV를 5번 인가한 후 육안으로 정상 점등되는 것을 확인하였다.

Fig. 16. Measuerment of surge characteristics

3.2.6 전자파장애(EMI)

전자파장해(EMI) 특성은 Fig. 17과 같이 전자파 차폐실에서 EMI 리시버, 스펙트럼 분석기를 이용하여 주파수 범위 150kHz에서 30MHz까지 Table 7과 같이 잡음 단자 전압의 준첨두값과 평균값이 기준 한계값 이하임을 확인한다.

Fig. 17. Measuerment of electromagnetic interference (EMI)

측정 결과 Fig. 18과 같이 주파수범위 0.15∼0.5MHz 구간, 0.5∼30.0MHz 구간에서 준첨두값 65dB/uV, 평균값 55dB/uV로 측정되어 한계값 기준을 모두 만족하였다.

Fig. 18. Measuerment data[quasi-peak value (red line), average value (purple line)]

Table 7. Limit value of the disturbance terminal voltage

주파수범위(MHz)	한계값 [dB/uV]
	준첨두값	평균값
0.15 이상∼0.5 미만	79	66
0.5이상∼30.0 이하	73	60

3.2.7 LED 고장 검출시 OFF 조건

LED 고장 검출시 OFF 조건 특성은 FAA EB 67D 2.6항 “LED 모듈 25% 이상 고장(단락/개방시)시 항공등화 전체가 소등되어야 한다”라고 규정되어 있다.

측정 결과 Fig. 19와 같이 착륙구역등의 입력 전원을 단락시킨 후 오실로스코프의 파형 확인하여 등화가 소등됨을 확인하였다^[4].

Fig. 19. Measuerment for detecting LED failure condition when turned off