KR20240059080A - Led 램프를 이용한 솔라시뮬레이터의 조사광원 제어장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 대면적 광학글라스에 다수의 육각음영구조를 갖는 다배열 육각렌즈를 미세가공으로 제작하여 다수 LED 소자로 구성된 LED 램프에 1대1로 LED 소자와 육각음영구조가 일치하도록 대응되게 다배열 육각렌즈를 구성함으로서, 시료 측정부위에 올려진 태양전지에 조사되는 광조사 경로를 평행하게 조사되도록 제어할 수 있도록 한 LED 램프를 이용한 솔라시뮬레이터의 조사광원 제어장치에 관한 것으로서, 전류-전압을 측정하기 위한 태양전지가 탑재되는 시료 측정부와, 상기 시료 측정부 상부에 배치되어 광원을 조사하는 다수의 LED 소자가 탑재된 LED 램프와, 상기 LED 램프의 배면에 부착되어 상기 LED 소자에서 발열되는 열을 발산하는 방열판과, 상기 LED 램프를 구성하는 다수의 LED 소자와 각각 대응되게 상기 각 LED 소자를 감싸도록 일정한 간격을 갖도록 다수의 다배열 육각렌즈가 배열된 렌즈 배열판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 LED 램프를 이용한 솔라시뮬레이터의 조사광원 제어장치에 관한 것으로, 특히 다수의 LED 소자로 배열된 광원을 가지고 조사광원의 발산없이 평행한 광원으로 조사하는 다배열 육각렌즈를 각 LED 소자와 대응되게 배치시켜 광의 평행도를 제어할 수 있도록 한 LED 램프를 이용한 솔라시뮬레이터의 조사광원 제어장치에 관한 것입니다.
일반적으로 자연 환경과 근접한 환경을 만들어 그 내부에서 피시험체의 성능 및 내구성을 시험하는 환경 재현 시험실은 실내에 설치되는데, 환경 재현 시험실 내에서 각종 시료에 대해 성능 및 내구성 시험을 수행하기 위해서는 환경 재현 시험을 위한 설비가 가능한 자연 그대로의 상태를 재현할 수 있어야 한다.
예컨대, 태양전지의 전류 전압 특성을 계측할 때에, 방전램프를 이용한 솔라시뮬레이터 장치는 광의 평행도를 이루기 위해 다양한 광학 렌즈계를 이용하는데, 이들 렌즈계 중 플라이 아이렌즈에 광원을 통과시킴으로써 조사광원의 발산을 막고 평행광 상태를 만들게 된다.
이러한 방전램프형 솔라시뮬레이터는 한 개의 광원을 소스로 하기 때문에 작은 면적을 갖는 플라이 아이렌즈에 광원이 통과하도록 하는 시스템을 구성할 수 있다.
한편, 방전램프용 솔라시뮬레이터의 램프로는 제논 램프를 사용하는데, 이는 제안된 사용 시간으로 규칙적으로 램프를 교체해야 하고, 교체 시 렌즈계의 광경로와 일치되도록 렘프의 위치를 미세조정하는 등의 복잡한 과정이 필요로 한다.
이러한 불필요한 단점을 극복하기위해 LED 램프를 이용한 솔라시뮬레이터 구성 하는 것이다. 이미 LED 램프를 이용한 솔라시뮬레이터 시스템의 구성에 대한 국내공개특허공보(10-2019-0089281)와 다중 LED 소자를 제어하는 시스템 구성에 대한 국내공개특허공보(10-2019-0038214)에 개시되어 있지만, 이들 LED 광원에 대한 광경로를 제어하는 기술은 없었다.
또한, LED 램프는 방전램프와는 다르게 짧은 광경로를 갖기 때문에 방전램프에 부착되는 다양한 렌즈들을 설치할 수 없는 구조를 가지고 있다. 뿐만아니라 LED 램프를 가지고 대면적 솔라시뮬레이터를 제작하려면 다수의 LED 소자가 배열된 형태로 구성되어지기 때문에 단일 렌즈계를 이용하여 광경로를 평행하게 만드는 것은 불가능하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 대면적 광학글라스에 다수의 육각음영구조를 갖는 다배열 육각렌즈를 미세가공으로 제작하여 다수 LED 소자로 구성된 LED 램프에 1대1로 LED 소자와 육각음영구조가 일치하도록 대응되게 다배열 육각렌즈를 구성함으로서, 시료 측정부위에 올려진 태양전지에 조사되는 광조사 경로를 평행하게 조사되도록 제어할 수 있도록 한 LED 램프를 이용한 솔라시뮬레이터의 조사광원 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 LED 램프를 이용한 솔라시뮬레이터의 조사광원 제어장치는 전류-전압을 측정하기 위한 태양전지가 탑재되는 시료 측정부와, 상기 시료 측정부 상부에 배치되어 광원을 조사하는 다수의 LED 소자가 탑재된 LED 램프와, 상기 LED 램프의 배면에 부착되어 상기 LED 소자에서 발열되는 열을 발산하는 방열판과, 상기 LED 램프를 구성하는 다수의 LED 소자와 각각 대응되게 상기 각 LED 소자를 감싸도록 일정한 간격을 갖도록 다수의 다배열 육각렌즈가 배열된 렌즈 배열판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 의한 LED 램프를 이용한 솔라시뮬레이터의 조사광원 제어장치는 다음과 같은 효과가 있다.
즉, 대면적 광학글라스에 다수의 육각음영구조를 갖는 다배열 육각렌즈를 미세가공으로 제작하여 다수 LED 소자로 구성된 LED 램프에 1대1로 LED 소자와 육각음영구조가 일치하도록 대응되게 다배열 육각렌즈를 구성함으로서, 시료 측정부위에 올려진 태양전지에 조사되는 광조사 경로를 평행하게 조사되도록 제어할 수 있다.
도 1은 일반적인 태양전지의 4 버스바와 12 버스바의 구조를 나타낸 도면
도 2는 일반적인 LED 램프를 이용한 솔라시뮬레이터의 광원조사 장치를 개략적으로 나타낸 구성도
도 3은 본 발명에 의한 LED 램프를 이용한 솔라시뮬레이터의 광원조사 장치를 개략적으로 나타낸 구성도
도 4는 도 3의 다배열 육각렌즈 구조를 나타낸 도면
도 2는 일반적인 LED 램프를 이용한 솔라시뮬레이터의 광원조사 장치를 개략적으로 나타낸 구성도
도 3은 본 발명에 의한 LED 램프를 이용한 솔라시뮬레이터의 광원조사 장치를 개략적으로 나타낸 구성도
도 4는 도 3의 다배열 육각렌즈 구조를 나타낸 도면
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, “~상에”라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
본 발명의 실시 예들에서, 별도로 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 실시 예에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 일반적인 태양전지의 4 버스바와 12 버스바의 구조를 나타낸 도면이다.
도 1에서와 같이, 태양전지 셀의 전압-전류 특성을 측정하기위해 사용되는 솔라시뮬레이터인 경우 조사광원의 광경로 평행성 또는 직직성은 매우 중요하다. 초기 태양전지는 측정 프로브가 접촉해야하는 셀의 버스바가 주로 3개로 구성되어 있었지만, 최근에는 4 버스바에서 12 버스바까지 전류-전압 프로브를 접촉시켜야하는 복잡한 셀 구조를 가지고 있다.
이와 같이 버스바가 증가함에 따라서 솔라시뮬레이터의 광 조사시 버스바로 인한 그늘 부분이 발생하여 전류-전압 측정에 정확도 떨어지는 일이 발생 하게 된다. 이로 인해 LED 램프를 이용한 솔라시뮬레이터의 광원 조사시 광경로의 평행성은 매우 중요한 이슈가 되었다.
도 2는 일반적인 LED 램프를 이용한 솔라시뮬레이터의 광원조사 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전류-전압을 측정하기 위한 태양전지가 탑재되는 시료 측정부(100)와, 상기 시료 측정부(100) 상부에 배치되어 광원을 조사하는 다수의 LED 소자가 탑재된 LED 램프(200)과, 상기 LED 램프(200)의 배면에 부착되어 상기 LED 소자에서 발열되는 열을 발산하는 방열판(300)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 시료 측정부(100)는 상기 LED 램프(200)로부터 연직 하방으로 일정 거리만큼 이격 설치되어 상기 LED 램프(200)로부터 조사되는 광을 입력받는 태양전지를 상부면에 탑재한다.
상기 LED 램프(200)는 다수의 LED 소자로 구성되는데, 기판위에 여러 파장을 갖는 LED 소자를 기판에 배열하는 방식으로 다수 파장을 조사하는 과정에서 혼합되도록 한다. 이들 LED 소자는 방사각도가 있는데, 이는 LED 소자에 렌즈를 붙여서 방사각도를 크거나 작게 하여 광이 조사되도록 하지만, 광원을 평행한 상태로 조사하는 것은 불가능 하다.
이러한 방사각도가 큰 조건에서 4버스바 이상으로 구성된 태양전지에 IV 컨텍 프로브를 이용하여 측정하게 되면 컨텍 프로브 때문에 그늘진 부분이 발생하여 측정의 오류가 발생 하게 된다. 이런 컨텍 프로브에 의한 그늘 현상을 없애기 위해서는 광조사 방사각도를 3도 이하로 낮출 필요가 있다.
따라서 이러한 방사각도를 3도 이하로 낮추기 위해서 LED 소자마다 각각 대응되게 육각 기둥으로 이루어진 렌즈를 1대1로 배치한다.
도 3은 본 발명에 의한 LED 램프를 이용한 솔라시뮬레이터의 광원조사 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
본 발명에 의한 LED 램프를 이용한 솔라시뮬레이터의 광원조사 장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 전류-전압을 측정하기 위한 태양전지가 탑재되는 시료 측정부(100)와, 상기 시료 측정부(100) 상부에 배치되어 광원을 조사하는 다수의 LED 소자가 탑재된 LED 램프(200)과, 상기 LED 램프(200)의 배면에 부착되어 상기 LED 소자에서 발열되는 열을 발산하는 방열판(300)과, 상기 LED 램프(200)를 구성하는 다수의 LED 소자와 각각 대응되게 상기 각 LED 소자를 감싸도록 일정한 간격을 갖도록 다수의 다배열 육각렌즈(410)가 배열된 렌즈 배열판(400)을 포함하여 구성된다.
한편, 미설명한 A는 상기 LED 램프(200)에서 상기 시료 측정부(100)로 조사되는 광조사 경로를 나타내고 있다.
상기 LED 램프(200)를 구성하는 LED 소자는 방전램프와는 다르게 짧은 광경로를 갖기 때문에 방전램프에 부착되는 다양한 렌즈들을 설치할 수 없는 구조를 가지고 있다. 또한 LED 소자를 가지고 대면적 솔라시뮬레이터를 제작하려면 다수의 LED 소자가 배열된 형태로 구성된다.
또한, 상기 방열판(300)은 LED 소자에서 발열되는 열을 발산하기 위한 것으로, 알루미늄 블록, 냉각판, AC/DC 팬 등을 사용해서 LED 소자에서 발생되는 열을 발산시켜서 LED 소자가 열로 인한 노화를 방지하고 있다.
한편, 미설명한 A는 상기 LED 램프(200)에서 상기 시료 측정부(100)로 조사되는 광조사 경로를 나타내고 있다.
상기 태양전지는 외부로부터 입사되는 태양광을 집광하여 전기를 생성하는 것으로, 통상적으로 실리콘과 복합 재료로 이루어진다.
구체적으로, 상기 태양전지는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시켜 사용하는 것으로, 태양광을 입사받아 전기를 생산하는 광전효과를 이용하는 것이다. 대부분의 태양전지는 대면적의 P-N 접합 다이오드로 이루어져 있으며, 상기 P-N 접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하여 사용하게 된다.
상기 태양전지는 최소 단위의 셀로 구성되는데, 실제로 태양전지를 셀 그대로 사용하는 일은 거의 없다. 실제 사용되는데 필요한 전압이 수 V에서 수십 혹은 수백 V이상인데 비하여 셀 1개로부터 나오는 전압은 약 0.5V로 매우 작다. 이 때문에 다수의 단위 태양광 어레이들을 필요한 단위 용량으로 직렬 또는 병렬 연결하여 사용하고 있다.
또한, 태양전지가 야외에서 사용되는 경우 여러 가지 혹독한 환경에 처하게 되므로, 필요한 단위 용량으로 연결된 다수의 셀을 혹독한 환경에서 보호하기 위하여 복수의 셀을 패키지로 구성하여 사용한다.
따라서 본 발명은 다수로 구성된 LED소자 마다 대응되게 다배열 육각렌즈(410)를 적용함으로써 다수 LED 소자에서 한 개의 LED소자에 적용될 수 있는 다중렌즈를 통해서 상기 시료 측정부(100)로 조사되는 광조사 경로(A)를 평행하게 조사되도록 하는 광경로를 제어하고 있다.
도 4는 도 3의 다배열 육각렌즈 구조를 나타낸 도면이다.
도 4에서와 같이, 다배열 육각렌즈(410)는 육각기둥 형태의 렌즈가 2개 이상으로 배열된 형태이다. 여기서 L, D, R은 조사되는 광원의 방사각도를 최소화하는데 필요한 요소로서, L의 길이가 너무 길면 LED소자에서 조사되는 방사각도는 작아지지만, 광세기가 감소 해지는 현상이 있으며, L의 길이가 너무 짧으면 방사각도가 LED소자가 갖는 방사각도도 커지는 현상이 발생하게 된다. 그래서 L의 길이로는 3㎜가 최적의 조건이다.
또한, D의 간격은 LED 소자들간의 배열 간격을 나타내는 척도로서, LED 소자들 간의 간격이 너무 벌어지면 다수의 LED 소자가 광 중첩 현상이 없어지는 원인이 된다. 따라서 D의 간격은 5㎜가 최대 간격이며, 최소 간격은 2㎜이다.
또한, R의 반경은 한 개의 LED소자가 방사하는 광원을 받아서 육각기둥렌즈 안으로 광원이 들어가도록 해야 하므로 R이 너무 작으며 육각기둥렌즈로 주입되는 광원이 적어지므로 렌즈 효과가 없어진다. 또한 너무 커지면 LED소자간의 간격 때문에 간섭이 발생하여 이 또한 렌즈 효과가 없어진다. R의 최적 크기는 LED 소자의 발광부에 대해서 2배의 R값을 갖는다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 LED 램프를 이용한 솔라시뮬레이터의 조사광원 제어장치는, LED 램프(200)로부터 발생된 후레쉬광을 다배열 육각렌즈(410)를 통해 솔라시뮬레이터에 설치된 계측대상물로서의 태양전지에 조사하여 도시하지 않은 계측유닛에 의해 태양전지로부터 출력된 전류검출신호나 전압검출신호를 처리하여 그 전류전압특성을 계측한다.
이때 본 실시예의 계측대상은 태양전지를 일예로 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않고 다른 광전변환소자라도 좋다.
한편, 상기 LED 램프(200)에 구비된 다수의 LED 소자로부터 발생된 후레쉬광은, 스펙트럼이 태양광에 근접하는 특징을 가지기 때문에 의사태양광으로서 최적이다.
상기 LED 램프(200)는 독립적인 회로로 구성되어 있어 제어장치를 이용하여 사용 자가 원하는 파장대의 광을 만들 수 있으며 기본으로는 태양광에 가까운 광원을 조사하게 제작한다. LED 램프를 광원으로 이용하는 솔라시뮬레이터의 경우 다수의 LED 패키지를 이용하게 된다. 그렇기 때문에 다양한 색상의 LED 패키지를 제어할 수 있는 회로 시스템이 필요하며 이 회로 시스템을 통하여 사용자가 원하는 파장의 빛을 만들 수 있다.
이때, LED 램프(200)의 경우 수명이 10,000시간 이상 되기는 하나 열적 환경에 수명이 큰 영향을 받기 때문에 방열판(300)이 요구된다. 그리고 솔라시뮬레이터에서 기본이 되는 태양광 스펙트럼을 만들기 위하여 LED 패키지들을 이용한 광원 테스트가 우선 이루어질 것이다. 이를 통해 사용자가 파장을 자유롭게 선택하며 태양광에 가깝고 전력소모가 적으며 수명이 긴 솔라시뮬레이터의 제작이 가능하게 된다.
이와 같이, 본 발명에 의한 LED 램프를 이용한 솔라시뮬레이터의 조사광원 제어장치는 전력 소모가 적고 수명이 길며 신뢰성이 우수한 LED 램프를 사용 함으로써 솔라시뮬레이터의 가격 경쟁력을 높일 수 있으며 솔라시뮬레이터의 원활한 보급을 도모할 수 있다. 그리고 차세대 광원인 LED 램프를 사용함으로써 친환경적 장비로 솔라시뮬레이터의 새로운 시장을 창출할 수 있다.
한편, 이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리 범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.
100 : 시료 측정부 200 : LED 램프
300 : 방열판 400 : 렌즈 배열판
410 : 다배열 육각렌즈
300 : 방열판 400 : 렌즈 배열판
410 : 다배열 육각렌즈
Claims (5)
- 전류-전압을 측정하기 위한 태양전지가 탑재되는 시료 측정부와,
상기 시료 측정부 상부에 배치되어 광원을 조사하는 다수의 LED 소자가 탑재된 LED 램프와,
상기 LED 램프의 배면에 부착되어 상기 LED 소자에서 발열되는 열을 발산하는 방열판과,
상기 LED 램프를 구성하는 다수의 LED 소자와 각각 대응되게 상기 각 LED 소자를 감싸도록 일정한 간격을 갖도록 다수의 다배열 육각렌즈가 배열된 렌즈 배열판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 의한 LED 램프를 이용한 솔라시뮬레이터의 광원조사 장치. - 제 1 항에 있어서, 상기 다배열 육각렌즈는 육각기둥 형태의 렌즈가 2개 이상으로 배열된 형태인 것을 특징으로 하는 LED 램프를 이용한 솔라시뮬레이터의 광원조사 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 LED 소자의 길이는 3㎜인 것을 특징으로 하는 LED 램프를 이용한 솔라시뮬레이터의 광원조사 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 LED 소자의 간격은 2~5㎜인 것을 특징으로 하는 LED 램프를 이용한 솔라시뮬레이터의 광원조사 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 다배열 육각렌즈의 반경은 상기 LED 소자보다 2배의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 LED 램프를 이용한 솔라시뮬레이터의 광원조사 장치.
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KR1020220139865A KR20240059080A (ko) | 2022-10-27 | 2022-10-27 | Led 램프를 이용한 솔라시뮬레이터의 조사광원 제어장치 |
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