LED 대형 등명기
LED 대형 등명기
선박의 안전한 항해와 운항 능률을 향상하기 위해 다양한 항로표지를 이용한다. 특히 컨테이너 선박, 유조선 등 여러 종류의 선박들이 항만으로 진·출입할 때 대형 사고를 예방하고, 안전한 항해를 위해 항로표지와 그와 관련한 여러 시설의 첨단화는 무엇보다 중요하다.

일반적으로 항로표지는 ▲야간에 등화를 이용해 위치를 표시하는 광파표지 ▲주간에 형상·색채 등으로 위치를 표시하는 형상표지 ▲시계가 나쁠 때 음향을 발해 위치를 표시하는 음파표지 ▲전파의 여러 가지 성질을 응용하는 전파표지 ▲주야간에 전파 또는 형상물로서 항해 선박에 항법상의 자료 등을 통보하는 특수신호표지로 분류한다.

육지초인용 대형 등명기는 해안선에서 20해리(NM) 이상 해양을 항행하는 선박에게 육지를 초인하게 하거나 선위를 확정해 안전한 입항을 유도하는 가장 중요한 항로표지다. 현재 국내 대형 등명기 대부분은 국산화해 설치하고 있으나 LED 광원을 적용하는 기술개발은 매우 미흡한 상황이다. 유럽, 일본, 미국과 같은 해양 선진국들은 이미 LED와 반도체 조명의 중요성을 인식해 기술개발과 산업육성을 추진, 원천기술 및 지식재산권을 바탕으로 후발국의 시장진입을 저지하고 세계 조명시장을 선점한다.

특히 육지초인용으로 쓰이는 21NM 이상 중대형 LED 등명기는 초고용량 LED의 방열기술, 고집광 광학기술, 경량화 구조설계기술 및 높은 동작 신뢰성을 요구해 해양 선진국에서도 양산화에 어려움을 겪고 있다. 기존 회전식 대형 등명기의 광원으로 사용하는 메탈할라이드 램프는 점등하기까지 통상 5~10분, 재시동은 8~15분 걸린다.

혹한의 상황에서는 정상 점등까지 길게는 20분 이상 등 외부환경에 의한 예열 및 냉각 시간이 필요해 등화의 신속한 점·소등이 어렵고, 이를 보완하기 위해 별도의 고온 재점등 장치를 사용하는 경우 높은 램프 전압인가에 램프의 수명이 짧아지는 치명적인 단점이 있다.

대형 등명기에 많이 사용하는 메탈할라이드 램프는 가격, 색도, 광효율에 따라 램프의 수명 및 특성의 차이가 있고 실제 대형 등명기의 등대 설치, 조립 과정에서 렌즈와 공차가 적합하지 않는 경우 정상적인 광도를 출력하기 어려운 문제점도 있다.

또한 육지초인용으로 사용 중인 전구식 회전형 대형 등명기는 고압방전등을 사용해 고장 발생 빈도가 높고 긴급수리에 장시간이 걸려 기능 유지가 어렵다. 제품 단가(2억2000만원)가 높아 신규 설치 또는 등명기 교체 시 비용 부담이 가중된다.

이를 위해 한국광기술원 조명융합연구본부는 글로벌시장 진출을 목표로 독자적인 집광 렌즈 및 반사판을 적용한 복합 광학계와 회전체 연계 외부 공기 유입 강제 대류 방식, 부품 교체 및 수리 향상 구조 등을 개발, 해외 수출 IP 대응 및 원천 기술을 확보하고 국내 기술이 해외로 진출하는 토대를 마련했다.

본 연구는 현재 20해리(M) 이상 광달거리가 필요한 육지초인표지에 대용량 LED 모듈 및 반사경을 적용한 광학, 방열, 기구를 설계하고 광도 및 반사경의 회전속도를 제어하는 광출력/등질 제어시스템을 개발해 20M부터 27M까지 광달거리를 수용할 수 있는 광도 가변형 LED 대형 등명기 개발을 목표로 추진했다.

해외 독자 구조 및 차별화 기술과 IALA 권고 규격, 국내 표준규격을 만족하는 국내 최초 세계 최고 성능의 750mm 회전식 등명기 대체용 LED 대형 등명기 개발에 초점을 뒀다.

이를 위해 LED 등명기 해외 수출 IP 대응 및 차별성 강화를 위해 고광도 실현 독자 구조를 이뤘다. 회전체 연계 외부 공기 유입 강제 대류와 방열기구 구조로 방열 효과를 극대화하고 700W급 대용량 LED 모듈을 적용했다. 구동 LED 모듈 고장 시 자동 전환 비상 LED 모듈을 구동해 안정적 광신호를 낸다. LED 모듈, 구동 및 회전체 제어장치 등 부품 교체 및 수리 간편성 향상 구조 실현으로 유지보수도 저렴하다.

국내 최초로 대용량 COB LED용 초협각 실리콘 집광 렌즈 설계와 700W급 대용량 LED 등기구용 고효율 방열 구조도 개발했다. 여기에 LED 동특성과 외부요인을 고려한 콤팩트 고효율 LED구동회로, 회전부 30kg 이내 초경화 실현 최적화 설계 및 구조, 최적 광도와 배광을 만족하는 Fresnel 렌즈 및 반사판 설계 등도 만들었다.

최종 개발한 국내 최초 회전식 LED 대형 등명기는 부동광도 370만cd, 유효광도 230만cd, 광달거리 28NM, 수직발산각 ±3.73°, 전체 등명기 하중 80kg 내외 경량화 등을 시현한다. 국내외 특허 출원 7건, 디자인 특허 4건 등 연구 성과를 내며 국내 LED 기술의 세계 해양 안전 분야 기술을 선도하는 쾌거를 이뤘다.

신경호 센터장은 “국내 LED의 고효율, 장수명, 고집적화 기술을 적용해 세계 최고 고광도 대용량 구현 핵심 원천 기술을 개발했을 뿐 아니라 부품 교체가 용이한 모듈 구조를 만들어 등명기 가격과 운영 및 설치비용을 약 30% 절감했다”며 “국가적으로 항로표지 예산 절감이 가능하고 글로벌 제품 경쟁력을 높일 수 있을 것”이라고 말했다.

이어 “육지초인용 LED 대형 등명기는 기술이전을 통해 대형 등명기뿐 아니라 다양한 대용량 항로표지 제품에 적용이 가능하다”며 “또한 확보한 초고출력 LED 엔진 기술, 고출력 LED용 초협각 렌즈 기술, 경량화 구조 및 대용량 방열 기술 등은 스포츠조명, 군사용조명, 해양/항만조명 등 다양한 고부가가치 분야에 응용이 가능해 2025년까지 세계 시장점유 10% 달성 및 3억달러 수출효과가 기대된다”고 덧붙였다.

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