2.1 LED의 배열 설계

Clever Ferraresi의 연구와 Leal-Junior등의 연구에서 보이듯 LEDT에 사용한 LED의 파장은 660nm(±10)와 850nm(±20)의 파장을 사용하였다. 본 연구에서 100W/m$^{2}$ 이상의 광출력을 낼 수 있도록 앞선 연구자의 LEDT에 사용한 파장과 거의 유사한 660nm와 810nm의 Photron사의 고출력 LED인 PV660-5B0W-ELSIBA20 적색 LED와 PV810-5B0W0EDISBA 근적외선 LED를 선택하였다.

적색 LED의 경우는 광출력이 100W/m$^{2}$이상의 수준을 위해서는 LED의 luminous intensity는 10,000mcd이상이 필요하다. 적색 LED의 100W/m$^{2}$ 이상의 광출력을 얻기 위해서는 Photron사에서 제공되는 데이터시트를 참조하였을 경우 LED에 인가되는 전류는 80mA이상일 경우에 충분한 광량을 얻을 수 있다. IR LED의 경우도 광출력이 100W/m$^{2}$이상의 수준을 위해서 필요한 스테라디안 단위의 광출력은 1W/m$^{2}$는 2.255W/Sr이므로 약 230W/Sr 이상이 필요하다. 이를 위해서는 IR LED 역시 80mA이상의 전류를 인가하여야 함을 데이터시트에서 보이는 것으로 알 수 있다⁽⁷⁾⁽⁸⁾. 따라서 각 LED에 인각되는 전류는 100mA로 결정하였다.

위에서 설정한 값을 바탕으로 LED의 배열을 결정할 수 있으며, 고출력을 얻기 위하여 집중적으로 발광을 위한 배열을 설계하였다. 적색 LED의 경우 forward 전압이 2V인 점을 고려하여 1열은 4개를 직렬로 구성하였고, IR LED의 경우는 1.8V인 점과 광출력을 고려하여 1열은 5개를 직렬로 구성하였다. 이를 적색 LED와 IR LED를 1열로 배치하고 이를 17열 병렬로 연결하는 구조를 배열하였다. 따라서 전체 LED에 인가되는 전압과 전류는 적색 LED 8V와 IR LED 9V이며, 전류는 각 LED에 흐르는 전류는 1.7A가 흐를 수 있도록 구동회로를 설계하여야 한다.

2.2 구동 회로의 설계

앞절에서 구한 LED의 인가 전압과 전류를 바탕으로 구동회로를 설계하였다. LED별 인가되는 전류는 각각 1.7A이다. 이를 인가하기 위해서는 고전류를 안정적으로 인가할 수 있으며, DC 12V를 인가하여 LED를 구동하기 위하여 Buck converter 토플로지를 적용하였다.

Buck converter를 설계하기 위하여 사용한 IC는 NCP3066이다. 그림 1는 LED 배열에 정전류 제어를 위한 구동회로의 기본 설계도이다. 인덕터(L1)와 다이오드(D1) 및 출력 커패시터(Cout)은 12V 입력전원을 강하시켜 LED를 구동하는 buck converter의 기본 토플로지를 따르고 있다.

그림 1 정전류 제어식 LED 구동회로

Fig. 1 Constant current controlled LED driving circuit

LED배열과 직렬로 연결된 저항(Rs)를 통해 LED배열에 흐르는 전류를 전압으로 변환하여 컨트롤러 IC에 피드백되면서 LED배열에 정전류로 전류를 인가하게 되며, 구동 전압을 LED의 cathode 단자에 공급한다. 컨트롤러 IC는 내부적으로 PWM 방식을 통해 제어되며, 기본 스위칭 주파수는 CT 커패시터의 크기로 결정된다. 입력전원을 통해 공급되는 전류가 과도하여 스위칭 트랜지스터 또는 인덕터의 내구성을 저하시키는 문제를 방지하기 위해 입력 피크전류를 제한하는 방식의 회로가 적용되었으며, 입력전원부와 직렬 연결된 저항 Rsense에 의해 입력전류의 피크치를 검출하고, 컨트롤러 IC는 Rsense의 저항의 전압이 특정 수준보다 높아지는 경우 스위치를 강제적으로 turn-off시키도록 동작한다.

컨트롤러 IC는 내부적으로 CT에 의해 결정된 고정된 주파수에 따라 톱니파를 생성시키고, 이 신호는 PWM 시위치 제어신호로 변환된다. Feedback comparator는 LED에 흐르는 전류가 목표한 전류보다 낮을 경우 Low가 되며, 높을 경우 high가 된다. 이 비교결과 신호를 통해 최종 PWM 스위치 제어신호의 Pulse 시작점위치를 결정하게 된다. 따라서 일정 주파수의 PWM 신호는 LED 전류 크기에 따라 스위치 제어 Pulse의 duty ratio를 결정하여 인덕터의 build-up 전류크기를 결정한다. 이러한 제어를 통해 인덕터에 도통되는 전류의 평균치는 LED에 공급하고자 하는 목표 전류와 일치하게 된다. 단 입력 전원의 전류가 과도한 경우 peak detector가 duty ratio를 낮추도록 하며, dimming control에 의해 스위칭 동작이 완전히 멈추도록 LED를 turn-off 시킬 수 있다.

LED 구동회로에서 1.7A의 높은 전류를 구동하므로, 전력효율 및 구동 안정성을 위하여 외부에 별도 MOSFET을 이용한 스위치 소자를 사용하였다. MOSFET의 gate 구동 회로를 위해 boots-strapping 기법을 활용하였다.

그림 2는 LED 배열의 구동 단일채널에 대한 전체회로도이다. 기본 정전류 제어방식으로 buck converter 토플로지를 기반으로 외부에 별도의 고성능 MOSFET 스위치, MOSFET 스위치의 gate 구동회로 등으로 구성되었다.

그림 2 LED 배열 단일채널 구동회로

Fig. 2 LED array single channel driving circuit

적색 LED의 입출력 조건은 표 1과 같다.

12V의 입력을 받아 7.24V의 출력전압으로 제어를 위해 강압형인 Buck converter를 NCP3066의 IC를 이용하여 구성하였다. 이때 내부 스위치를 사용할 경우는 최대 1.5A밖에 제어가 되지 않아 외부 스위치를 별도로 설치하여 전류를 제어한다. 적색 LED제어 회로는 표 1을 바탕으로 구성하였으며, 이때 인덕터의 값은 식(1)과 같이 설계하였다.

근적외선 LED의 입출력 조건은 표 2와 같다.

12V의 전압을 입력받아 9V의 출력전압으로 제어를 위해 강압형인 Buck converter를 사용하였으며 적색과 동일하게 전류를 제어하기 위해 외부스위치를 적용하였다. 또한 표 2를 바탕으로 근적외선 제어를 위한 인덕터는 식(2)와 같이 설계하였다.

고출력 LED조사기의 효과가 극대화 되기 위해 pulse형 LED blink 기능이 필요하며, LED 구동의 시간설정 및 pulse 구동 등을 위하여 MCU는 ATmega8을 사용하였으며, 이를 적요하기 위한 구동회로는 그림 3과 같다.

그림 3 제어용 MCU 회로도

Fig. 3 Circuit of MCU controller

MCU의 구동 조건은 토글 스위치를 이용하여 동작을 시작하여 5분동안 동작을 하게 하였으며, pulse 구동은 duty 80으로 하여 주파수는 292Hz로 적용하였다.

3.1 실험

고출력 LED 조사기의 실험을 위해 컨트롤러 PCB는 그림 4와 같이 설계하였으며, 이를 바탕으로 그림 5와 같이 제작을 진행하였다.

그림 4 구동회로 PCB 설계

Fig. 4 Driving circuit PCB design

그림 5 구동회로 제작

Fig. 5 Manufacture of driving circuit

그림 6은 LED 배열 보드이다.

RED LED 4개 직렬, IR LED 5개 직렬로 17라인으로 구성하였다.

3.2 결과

그림 7은 RED LED의 전압 전류 파형을 나타내고 있다. 위에 파형(C2)는 pulse 구동을 위한 전압 입력을 보이고 있으며, 292Hz로 duty 80으로 동작하는 파형을 나타내고 있다. 중간 파형(C1)은 LED에 인가되는 전압을 나타내고 있다. 하단의 파형(C4)는 LED에 인가되는 전류를 나타내고 있다.

그림 6 LED 배열

Fig. 6 Array of LED

그림 7 RED LED 전압 및 전류 파형

Fig. 7 Voltage and current wave of RED LED

그림 8은 IR LED의 전압 전류 파형을 나타내고 있다. 상단파형(C2)는 pulse 구동을 위한 인가전압 파형이며, 292Hz의 동작을 보이고 있다. 중간의 파형(C1)은 IR LED에 인가되는 전압을 나타내고, 하단 파형(C4)는 IR LED에 인가되는 전류를 나타내고 있다.

그림 8 IR LED 전압 및 전류 파형

Fig. 8 Voltage and current wave of IR LED

그림 7과 그림 8에서 보이듯 RED LED에 인가되는 전압은 RMS로 약 9.75V가 인가되고, 전류는 1.16A가 흐르는 것을 볼 수 있다. 또한 IR LED의 전압은 16.2V가 인가되고 전류는 2.28A가 인가되는 것을 볼 수 있다.

LED에 인가되는 전압과 전류파형은 pulse 구동상태에서 스위칭 주파수 파형으로 그대로 동작하고 있음을 보이고 있다. 이는 출력단에서 DC출력을 위한 filtering을 할 경우에 pulse 구동 자체도 필터링이 되어 동작하므로 filtering을 하지 않은 상태로 동작을 하고 있다. LED에 인가되는 전압을 filtering을 할 경우에는 LEDT의 pulse에 따른 구동에 의한 효과가 사라지게 된다. 따라서 pulse 구동의 효과를 얻기 위해 filtering을 하지 않은 상태로 LED에 인가하게 하였다. 따라서 LED에 인가되는 전압도 설계했던 전압보다 높게 나오는 경향을 보이는 것으로 보인다.

그림 9는 고출력 LED조사기의 동작 모습이다.

그림 9 고출력 LED 조사기의 동작

Fig. 9 Operating of High-power LED irradiator

그림 10은 고출력 조사기의 광량을 측정한 사진이다.

그림에서 보이듯 광량은 초기 설정값인 100W/m$^{2}$ 보다 높은 값인 102W/m$^{2}$의 값이 나오는 것을 확인하였다.

그림 10 고출력 LED 조사기의 광량

Fig. 10 light power of High power LED irradiator

또한 고출력 조사기의 표면에서 측정되는 온도는 37.5℃로 저온화상을 유발하는 온도인 45℃보다 낮게 유지되는 것을 볼 수 있다.