Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 스포트라이트 설계를 개선하고 재작업을 없애는 조명 제조업체

무대 조명 전문 제조업체 Marumo Electric Co., Ltd.(Marumo Electric)는 무대 및 텔레비전 스튜디오 제작 조명 장비 제조업체로, 조명 기구 및 조광 시스템을 개발, 제조 및 설치합니다. 일본에서 시장 점유율이 높은 이 회사는 Kabukiza Theater와 도쿄의 새로운 국립 극장 등 주요 극장, 강당, 호텔, 학교, 기타 시설의 무대 조명을 취급해 왔습니다.

Marumo Electric은 1919년 도쿄에서 설립되었으며 2019년에 창립 100주년을 맞이합니다. 원래는 고압 배전반, 그리드 저항기, 탐조등 등의 제품을 제조하기 위해 설립되었지만, 1923년 관동 대지진으로 막대한 피해가 발생했을 때 무대 조명 전문 제조업체로 성장하는 전환점이 되었습니다. 일본의 전통 연극 예술 중 하나인 가부키 공연을 전문으로 하는 Kabukiza Theater는 1921년 합선으로 인한 화재로 소실된 후 재건 중이었는데, 지진으로 다시 손상되었습니다.

Kabukiza Theater를 재건할 당시에는 국내에서 제조된 무대 조명용 조광 장치는 아직 존재하지 않았으며, 해외의 Siemens와 GE(General Electric)에서만 유사한 제품이 제조되었습니다. 하지만 일본산 제품에 대한 수요가 많았고 Marumo Electric의 설립자인 Tomijiro Marumo가 조명 설계부터 시스템 개발까지 모든 일을 맡았습니다. Marumo Electric은 일본산 무대 조명 제조의 선구자가 되었으며, 회사의 제품 모델명은 일반적으로 사용되는 산업 품목의 대명사가 되었습니다.

무대 조명이란 무엇인가요?

조명은 나무 사이로 비치는 햇빛, 파도, 구름, 달과 같은 이미지를 무대에 투사하는 데 사용됩니다. 또는 제한된 공간의 무대 위에서 조명을 비추는 것은 입체적인 공간을 묘사할 뿐만 아니라 하루 중 변화하는 시간 등의 효과를 연출하는 데에도 사용됩니다. 또한 관객이 공연자를 보는 방식에도 영향을 미칩니다. 무대 조명 장비는 크게 세 가지 유형으로 구분됩니다.

• 스포트라이트: 특정 영역을 강조합니다.
• 플러드라이트: 전체 무대를 균일하게 비춥니다.
• 특수 효과 장치: 장비를 사용하여 바람, 파도, 불꽃 등의 이미지를 연출합니다.

약 1,000개의 이러한 유형의 조명이 극장 무대 위에 매달려 있습니다. 평면 조명은 무대 날개에 있는 다양한 스탠드의 스포트라이트와 함께 무대에 설치되며, 조광기를 통해 이러한 조명에 전기가 공급됩니다. 조광기 콘솔을 통해 모두 한 곳에서 제어됩니다.

스포트라이트에는 단일 렌즈와 이미징 광학 시스템의 두 가지 유형이 있습니다. 단일 렌즈 광학 시스템은 단일 광원과 단일 렌즈로 구성되어 있으며, 이미징 광학 시스템은 광원에서 방출되는 빔을 렌즈 전면에 투사합니다. 이 프로젝트의 목적은 단일 렌즈 광학 시스템 스포트라이트를 설계하고 개발하는 것이었습니다.

시뮬레이션이 필요한 이유

무대 조명에서 불규칙성은 허용되지 않으므로 형광등이나 방전 램프와 같은 광원을 사용할 수 없습니다. 따라서 할로겐 전구를 광원으로 사용하게 되었습니다. 백열 전구와 같은 일반 조명에 비해 이 할로겐 전구는 500와트~10,000와트의 전력으로 많은 양의 열을 발생시킵니다. 현재 할로겐 전구는 무대와 스튜디오의 90%에서 사용되고 있습니다.

그러나 최근 COB(Chip on Board) LED라는 기술의 발전으로 LED(발광 다이오드)를 사용하는 조명 기구의 수도 증가했으며 LED로 완전히 전환한 스튜디오의 수도 증가하고 있습니다. 고밀도로 장착된 이 COB LED는 발광 효율도 높고 열을 잘 발산합니다. LED의 발광 효율은 120루멘/와트(Lm/W)로 할로겐 전구 효율인 20Lm/W의 약 6배이며, 약 160와트로 약 1,000와트 할로겐 전구의 광도를 얻을 수 있습니다. 하지만 COB 조명에는 고밀도 LED가 장착되어 있고, LED 특성상 열에 민감하기 때문에 높은 열 플럭스의 문제가 있습니다. LED에서 발생하는 열로 인해 성능이 저하되고 수명이 단축되며 고장이 발생하는 경우도 있습니다.

또한 무대 조명은 극장 및 스튜디오를 위한 조명이므로 의도하지 않은 방향으로 빛이 새어 나와서는 안 됩니다. 따라서 설계에는 이를 설명하는 통풍구와 냉각 채널이 있는 하우징이 포함되어야 합니다.

또한 조명은 무대 위에 매달려 있으므로 무게가 가벼워야 합니다. 핀은 열 방출을 위한 여유 공간을 제공하기 위해 필요한 것보다 크게 설계되었습니다. 하지만 무게를 두 배로 늘리면 매달 수 있는 조명의 수가 절반으로 줄어들어 빛이 충분하지 않을 수 있습니다.

따라서 냉각을 위한 열 설계는 정교해야 하며 무게는 더 가벼워야 합니다. Marumo Electric은 LED를 사용한 스포트라이트에 유체와 고체가 결합한 해석을 통해 모델 기반 개발 계획을 고안하는 과제에 착수했습니다.

시뮬레이션을 사용하는 이유

최근 LED의 혁신으로 인한 시장 수요에 부응하기 위해 다양한 유형의 조명이 개발되었습니다. LED를 광원으로 사용하려면 광학 및 열 방출 설계와 매력적인 조명을 만들기 위한 조광 회로 설계의 세 가지 설계가 필요합니다. 이러한 작업을 동시에 수행하려면 시뮬레이션을 채택하는 것이 필수적이었습니다.

Simcenter™ 포트폴리오의 일부인 Siemens Digital Industries Software의 Simcenter STAR-CCM+™ 소프트웨어를 도입하기 전에는 열 설계와 전기장을 위한 FEM(유한 요소법) 구조 해석과 열 전달 해석을 결합한 패키지와 광학 설계용 소프트웨어를 사용했습니다. 이 열 전달 해석 도구 덕분에 더 적은 설계로 열 방출에 필요한 것보다 더 큰 핀을 부착할 수 있었습니다. 하지만 유체 해석 기능이 없었기 때문에 유체와 고체 사이의 열 전달을 해석할 수 없었습니다.

또한 조명 기구에서 빛이 새어 나오면 안 됩니다. 따라서 하우징 통기구는 미로처럼 설계되었습니다. 핵심은 차폐와 냉각 사이의 균형을 찾는 것입니다. 열 전달 해석만으로는 유체 흐름을 해석할 수 없으며, 문제가 없다고 판단되었던 조명 설계에서 문제가 발생하여 결국 내부 온도가 크게 상승했습니다. 이는 고급 유체 해석 도구 도입을 고려하게 된 계기가 되었습니다.

Marumo Electric이 Simcenter STAR-CCM+를 선택한 이유는 일본어 호환 가능한 GUI(그래픽 사용자 인터페이스)가 있고 사용자 친화적이며 해석 결과를 쉽게 시각화할 수 있었기 때문입니다.

시뮬레이션 방법 및 결과

Marumo Electric은 CAD(Computer-Aided Design)용 Parasolid® 소프트웨어를 사용하여 해석 모델의 지오메트리를 생성합니다. 모델은 열 싱크 컴포넌트(그림 6, 가열 표면, 핀, 열 파이프 표시)와 광원 컴포넌트(그림 7, 기판, LED 칩, 형광체 표시)로 구성됩니다. 장치에는 수많은 LED 칩이 행으로 배열되어 있지만(그림 7 참조), LED 칩을 단순화하여 해석 모델을 위한 메시를 만드는 데 사용되는 메시 수와 노동 시간을 줄였습니다.

또한 Marumo Electric은 Design Manager 추가 기능 도구(이전의 Optimate+)를 사용하여 열 싱크의 열 파이프가 부착될 위치에 대한 설계를 탐색했습니다.

Marumo Electric은 대기 영역의 솔리드 파트 주위에 구체를 만들었습니다. 그림 8은 열 싱크와 광원을 결합하는 솔리드 파트에 대한 메시를 보여줍니다. 메시 유형에 다면체 메시를 사용하고, 경계층에서 우수한 정확도를 보장할 수 있도록 벽 표면에 대한 레이어 메시를 생성했습니다. 또한 Marumo Electric은 솔리드 파트에 대한 메시를 생성하여 파트 사이의 열 전달을 분석했습니다. 그들은 주로 솔리드 파트에 다면체 메시를 사용하고 핀 컴포넌트의 메시 수를 줄이기 위해 얇은 메시 생성기를 사용하여 레이어식 메시를 생성했습니다.

Marumo Electric은 공기를 유체로 지정하여 밀도에 적합한 기체 상태 방정식을 사용했습니다. 열 싱크와 기판의 솔리드 특성에는 알루미늄을, LED 칩에는 GaN(질화갈륨)을, 형광체에는 'YAG'라고 하는 알루미늄과 가넷의 합금을 사용했습니다. 경계 조건은 유체 주변의 압력 출구 경계로 정의하고 해석을 위해 전체 3D 모델을 사용했으며, 난류 모델은 정상 상태 해석을 통해 실현 가능한 K-ε 모델을 사용했습니다.

그들이 제시한 결과에 따르면 LED 컴포넌트 중앙에서 98.8ºC, 열 싱크의 핀 밑면 가장자리에서 74.8ºC, 가열 표면 가장자리에서 86.5ºC로 솔리드 온도를 예측했습니다. 이를 통해 Marumo Electric은 열 확산 요구사항이 충족되고 있음을 확인할 수 있었습니다. 그림 9에서 중력의 방향은 이미지의 아래쪽을 향하고 있으므로 핀의 아래쪽으로 갈수록 온도가 낮아집니다. 그림 10은 온도 분포를 보여주는 핀의 단면을 보여줍니다. 각 핀의 온도 기울기도 작으며 결과는 이질적입니다. 그림 11은 자연 대류의 유동장을 보여주며, 핀 사이의 흐름도 원활했기 때문에 핀 피치에 문제가 없음을 확인할 수 있었습니다.

이 프로젝트에서는 정확성을 검증하기 위한 실험도 수행되었습니다. 그림 12는 테스트 장치를 보여줍니다. 프로젝트를 시작할 때 온도에 대한 해석 값이 측정된 값보다 높은 문제가 있었습니다. Marumo Electric은 솔리드 간의 열 저항이 장치에 대한 그리스(grease)의 영향과 컴포넌트의 전력 및 광도의 차이로 인한 솔리드 바디 간의 열 저항 값의 차이로 인한 것임을 확인할 수 있었습니다.

이제 Marumo Electric은 보정을 통해 측정값과 거의 동일한 정확한 결과를 얻을 수 있습니다.

조명 개발의 일반적인 1년 주기에는 설계, 테스트, 재설계, 재테스트 단계가 포함되는데, Marumo Electric은 이 기간 동안 두 장치의 테스트만 완료할 수 있었습니다. 이로 인해 무게를 감수하면서 큰 핀을 설계했습니다. 하지만 Simcenter STAR-CCM+를 배포한 후 Marumo Electric의 제품 설계 방식이 크게 변화하였고, 그 결과 개발 시간과 제작된 테스트 장치 수가 35% 감소했습니다. Marumo Equipment Development Division의 CFD(전산 유체 역학) 엔지니어인 Ryosuke Wakabayashi는 "CFD를 구현한 후 재작업이 없어졌습니다. Simcenter STAR-CCM+를 채택하기 전에는 실제 장치를 생산하고 테스트하는 작업을 반복했습니다. 이제 Simcenter STAR-CCM+를 통해 효율적으로 개발할 수 있습니다."

또한 Marumo Electric은 냉각 성능을 정확하게 예측할 수 있으며, 이는 조명의 열 방출 장치 무게를 50% 줄이는 데에도 유용했습니다.

"지금까지는 설계 단계에서 열 확산을 위한 여유를 두기 위해 큰 핀을 설계했었습니다"라고 개발 부서의 선임 관리자인 Hisashi Asakawa는 말합니다. "Simcenter STAR-CCM+에서 지원하는 냉각 성능 시뮬레이션을 통해 최적의 설계가 가능했으며, 결과적으로 조명도 더 가볍게 만들 수 있었습니다."

새로운 지평 열기

이제 Marumo Electric은 팬을 사용하여 강제 대류 냉각과 관련된 보다 복잡한 시뮬레이션을 수행할 수 있으며, Simcenter STAR-CCM+의 사용으로 제품 개발 프로세스에 점점 더 많은 영향을 미치고 있습니다. "Simcenter STAR-CCM+를 설치함으로써 이전에는 불가능했던 작업을 할 수 있게 되었습니다"라고 Asakawa는 말합니다. "이것이 가장 중요한 부분입니다."

Siemens Digital Industries Software는 Marumo Electric에 Simcenter 포트폴리오와 Simcenter STAR-CCM+를 지속적으로 공급하여 디지털 트윈을 통해 제품 설계의 예측 엔지니어링 분석을 촉진하고 일본 무대 조명 장비의 발전에 기여할 것입니다.