저전력으로 고효율을 구현할 수 있는 LED의 등장에 의해 폭넓은 산업 분야 전체로 조명 노하우의 활용이 확산되고 있으며, 자동차 등의 교통수단을 시작으로 디지털 가전 분야, 디스플레이, 의료 산업 응용까지 다양하고 활발하게 조명 제조 산업기술이 응용되고 있다. LED의 특수한 가능으로 인해 일반 광원으로는 불가능했던 많은 융합제품들이 창출되고 있으며 마이크로 LED 에피층을 분리시키는 기술을 적용하여 플렉시블 디스플레이에서도 활용되고 있다. 다양한 파장에 대해 활용 범위가 넓어지고 각기 다른 산업에서 LED와 광에 대한 이해가 깊어짐에 따라 다양하게 균형을 이룬 시스템 조명이 도입되면서 LED 스마트 조명 또한 디지털 조명의 장점을 극대화한 다양한 IT 관련 기기들의 기술과 결합하여 디지털 제어가 가능하며 자유자재로 광색 변환이 용이하고 보다 다양한 컨텐츠 제공할 수 있는 신개념 디바이스 개발이 요구되고 있다. 내구성이 뛰어나면서도 조도를 제어하기 쉬워 대체 광원으로서 활용도가 좋은 LED 광원은 고효율의 조도를 확보하기 위한 LED 업계의 추세에 따라 배광이 좁은 제품들이 많이 등장하고 있으며, 지향성이 강한 렌즈를 사용하여 대부분의 빛을 유효하게 이용할 수 있어 다양한 응용분야에 접목시키기 용이하다. [1–8]

LED칩을 배열한 LED 조명기구는 일반적으로 직하조도가 나오기 때문에 주변으로 빛의 퍼짐이 없다. 그러한 LED 조명을 사용하게 되면 직하 조도는 높지만 좁은 배광을 형성하게 되고 주변에 조사되는 광량이 줄어들어 밝기감이 부족하게 되어 글레어(glare)의 특성이 나타내게 된다. 글레어는 눈부심을 말하며, 광원 자체의 휘도가 높아 시야 범위 안에 노출되거나 정반사되어 눈으로 직접 들어오게 될 때 눈부심의 정도가 크다. 인간의 눈은 글래어에 약하기 때문에 너무 강했을 때 눈 속에서 빛이 산란하여 물체를 보기 어렵게 되는 순응 불능 상태가 되며, 입사광이 눈 속에서 산란하여 물체를 보는 능력이 저하되기도 한다. 조명시스템에서 사용하는 고출력 LED은 좁은 배광이 형성되면 점 광원에서 나오는 포인트 글레어(Point glare; 점 눈부심)나 불쾌 눈부심을 유발하게 되며 눈의 기능 자체에는 영향이 없으나 눈의 피로감과 심리적인 불쾌감을 느끼게 된다. 글레어를 제거하기 위해 평면 확산판을 사용하여 균일한 배광을 유도하고 있으나 주변을 고르게 밝혀주는 공간 배광은 LED 조명시스템을 설계할 때 고려해야 될 부분이며, 조명 시스템을 설계하는데 있어서 글레어를 최대한 감소시키기 위해 램버시안 (Lambertian) 배광 형태를 갖도록 LED의 각도와 위치를 조절하고, 빛의 손실을 최소화하기 위해 도광판에 가공되는 산란패턴을 제어하는 것이 중요하다. 이에 따라 대면적 Flat-type LED 조명시스템에서 도광판(Light Guide Plate, LGP)의 광학적 특성을 이용하여 문제점들을 해결하고 광구조를 최적화하여 눈부심을 억제하고자 지속적으로 연구해오고 있으며, 산란패턴의 최적화 설계를 적용하여 균일도를 향상시키는 연구가 수행되기도 했다. [9–14] 본 연구에서는 대면적 Flat-type 조명시스템의 빛의 손실을 저감시키면서 눈부심을 제거하기 위한 광학적 설계를 통해 도광판에 입사되는 광량을 고르게 배분하여 눈부심을 방지하고 조도 균일도를 향상시킬 수 있도록 두 가지 타입의 기하학적 산란패턴을 적용시키고 광원의 위치를 변형시켜 고효율 눈부심 방지를 위한 대면적 조명시스템의 설계조건에 따른 도광판의 광학적 특성에 대해 분석하였다.

1. Flat-type 조명시스템 설계 조건

Flat-type 조명시스템은 단순한 조명으로 사용하기보다 조도 이외의 LED 만의 장점을 부각시켜 사용하는 방법을 고려하여 새로운 조명 설계 기법의 개발을 지향해 가는 것이 중요하다. LED를 도광판 하단에 배치하게 될 경우 휘도 균일도가 향상되기는 하지만 LED의 개수가 많아지게 되면서 추가비용발생 뿐만 아니라 박형화를 만족할 수 없게 되며, 발생되는 열로 인한 광 출력에 대한 문제까지도 피할 수 없다. 이에 반해 Flat-type 조명시스템은 측면에 광원이 있어서 박형화에 유리하고 많은 수의 LED를 사용하지 않아도 고른 휘도 분포의 조명시스템을 구현할 수 있다. 광원부로 편중되는 광을 분산시켜 균일도를 향상시키는 것이 중요하지만 무엇보다 휘도 손실을 최소화하는 것 또한 간과 할 수 없다. 대면적 도광판에서 광원의 위치에 따른 광학적 특성에 대한 전산모사를 수행하기 위해 광학 시스템을 설계하고 해석하는 프로그램을 활용하였고, 광선추적기법(ray-tracing technique)을 이용하여 빛의 경로를 광선(ray)으로 설계하였다. 본 연구의 전산모사에 사용된 도광판의 크기는 가로와 세로 320 mm, 두께 3 mm로 설계하였고, 형태나 재질에 따라 배광을 조절하며 정반사 특성을 갖는 반사판은 반사율 100%, 두께를 0.01 mm로 적용하여 도광판 상부에 배치시켰다. 적용하였으며 도광판 하부로 10 mm 떨어진 부분에 광 검출기를 배치하였다. 또한 적용한 광원은 Osram co.의 LB W55G-GX (total incident power 20 W)이며, 빔 각도는 60° 로 설정하였다. 4개의 LED는 측면의 중앙에 위치하도록 설계한 타입과 각 모서리에 위치하도록 설계한 두 가지 타입으로 LED는 최대 출사 방향이 도광판의 측면에 수직을 이루도록 적용하여 균일한 조도분포가 형성되도록 측광방식의 Flat-type LED조명시스템으로 제작하였다.

Figure 1. (Color online) Schematic diagram of a flat-type lighting system.

2. LGP 내부 산란패턴의 구조

도광판 상부에 기하학적인 형상의 산란패턴을 가공하게 되면 측면에서 입사되는 광선의 진행방향을 수직으로 변경시켜 도광판의 하부로 빠져나오게 된다. 산란패턴이 형성된 경계면에 입사되는 광은 패턴에 해당되는 영역과 공기 매질인 영역의 전자기 경계조건을 만족할 수 있도록 반사와 투과를 하며 진행하고, 산란패턴의 형상과 위치에 따라 굴절률이 패턴의 굴절률과 공기로 결정된다. 도광판의 내부로 입사된 광선이 전반사를 이루는 임계각보다 더 큰 각도를 갖게 되어 패턴에 닿았을 때 굴절하고 외부에 전반사 각도보다 작은 각도로 출사되는 것이 가장 이상적인 추출 구조라고 할 수 있다. 본 연구에서는 보다 효율적인 측광 방식의 Flat-type LED조명시스템을 제조할 수 있는 매개변수를 선정하여 도광판의 성능 차이를 분석하고자 두 가지 유형의 v-groove 산란패턴을 적용하여 전산모사 하였다. 전산모사에 적용한 산란패턴의 폭과 깊이는 500 µm로 설정하였고, 패턴간격은 10 mm로 두 가지 유형의 산란패턴에 동일하게 적용하여 Fig. 2와 같이 직선 형태의 대각선 구도로 도광판 상부에 가로 세로 300 mm영역내에 배열하였다. 이러한 조건을 반영하여 광원의 위치에 따라 도광판으로 입사되는 광량을 고르게 배분하여 직접광과 함께 반사되는 간접광이 균일하게 형성되도록 설계하였다.

Figure 2. (Color online) V-groove pattern shape processed inside LGP.

대면적 Flat-type 조명시스템은 광원으로부터 출사되는 광의 직진성이 강하기 때문에 먼 곳까지 빛이 전달되는 지향성이 강하지만 측면에 위치한 광원으로부터 출사되는 광이 도광판을 통하면서 평면광처럼 형성되기 때문에 휘도 및 균일도가 저하될 수 있는 문제가 있다. 또한 Flat-type LED조명시스템에 적용되는 LED 광원은 램버시안 배광 형태를 지니기 때문에 눈부심의 일부만 제거되어 점 눈부심 또는 불쾌 눈부심을 유발하게 된다. 본 연구에서는 도광판에 가공된 기하학적 산란패턴과 LED 광원의 위치를 조정하여 직접광 방식이 아닌 측광 방식의 대면적 flat-type LED 조명시스템을 설계하고, 두가지 타입의 패턴을 적용하여 광학적 특성에 대해 분석하고자 전산모사 하였다. Figure 3은 광원의 위치에 따라 A-type 패턴이 적용된 도광판의 하부로 출사되는 scatter chart 결과이다. Figure 3(a)는 4개의 광원이 도광판 각 측면 중앙에 위치했을 때의 결과이며, 광원으로부터 입사된 광이 산란패턴을 따라 직진하게 되어 광원부와 나란하게 꺽어진 부분에서만 대부분 산란이 일어나 중심부에서 거의 도광판 외부로 출사되지 못하는 것을 알 수 있다. Figure 3(b)는 4개의 광원이 도광판 각 모서리에 위치했을 때의 결과이며, 동일한 A-type의 패턴이지만 광원의 위치에 따라 도광판 내부에서 산란되어 외부로 방출되는 광량이 많은 반면 입광부와 가까운 부분에서 대부분 산란이 일어나기 때문에 역시나 중심부까지 도달하지 못하게 되어 균일도를 향상시키기 어렵다는 것을 확인할 수 있다.

Figure 3. Scatter chart emitted under the LGP processed with A-type pattern (a) When 4 light sources are located at the center of each side of the LGP (b) When 4 light sources are located at each corner of the LPG.

Figure 4는 광원의 위치에 따라 B-type 패턴이 적용된 도광판의 하부로 출사되는 scatter chart 결과이다. Figure 4(a)는 4개의 광원이 도광판 각 측면 중앙에 위치했을 때의 결과를 보여주며, 광원으로부터 입사된 광이 패턴에 의해 산란되어 동일한 광원의 위치의 A-type 패턴이 가공된 경우에 비해 도광판 외부로 출사되는 광량이 훨씬 많은 것을 알 수 있다. 다만 이 경우 도광판의 중심부까지 전달되지 못하고 조도 효율성을 만족하기 어렵다는 것을 확인할 수 있다. Figure 4(b)는 4개의 광원이 도광판 각 모서리에 위치했을 때 B-type의 패턴이 가공된 도광판 하부로 출사된 결과이며, 동일한 B-type타입의 패턴이지만 광원의 위치에 따라 중심부까지 도달하게 되는 것을 확인할 수 있다.

Figure 4. Scatter chart emitted from the bottom of the LGP processed with the B-type pattern (a) When 4 light sources are located at the center of each side of the LGP (b) When 4 light sources are located at each corner of the LPG.

광원부로 편중되는 광을 분산시켜 글레어를 최소화 하면서 균일도를 향상시킬 수 있는 경우를 확인하고자 도광판 외부로 출사되는 광량의 분포를 분석하였다. Figure 5는 A-type 패턴이 가공된 도광판 측면의 중심에 광원이 위치한 경우에 대해 x축과 y 축의 조도 결과를 보여주는 line chart 이다. 광원로부터 빠져나온 광선들이 패턴을 따라 직진하 게 되면서 입광부에 가까운 꺽인 형태의 패턴에서만 산란되어 균일하게 분포되지 못하고 광원으로부터 멀어지면서 손실되는 부분에 의해 결국 중심부에서의 광량이 충분하지 않음을 확인할 수 있다.

Figure 5. Line chart for the case where the light source is located in the center of the side of the LPG where the A-type pattern is processed.

Figure 6은 A-type 패턴이 가공된 도광판의 각 모서리에 광원이 위치한 경우에 대해 x축과 y 축의 조도 결과를 보여주는 line chart이다. Figure 5와 비교해보면 거의 비슷한 양상을 보이고 있으나 입광부의 광량이 훨씬 높아 전체적인 조도값은 증가하지만 입광부로 광량이 편중되어 불쾌글레어를 초래하게되며, 글레어를 방지하기 위한 조명시스템 제작에는 적합하지 않은 것을 확인할 수 있다.

Figure 6. Line chart for the case where the light source is located at each corner of the LPG processed with A-type pattern.

Figure 7은 B-type 패턴이 가공된 도광판 측면의 중심에 광원이 위치한 경우에 대해 조도 결과를 보여준다. 동일한 광원의 위치일지라도 A-type 패턴이 가공된 도광관의 결과와 비교했을 때 광원부에 근접해 있는 일부 패턴으로 인해 산란되어 입광부에서 집중적으로 출사되는 광량이 증가하게 됨에 따라 도광판의 중심부까지 전달되지 못하게 되어 고르게 분포되지 못하기 때문에 균일도가 현저히 낮아져 이 경우도 글레어 방지를 위한 시스템 제작으로는 만족스럽지 않은 결과임을 알 수 있다.

Figure 7. Line chart for the case where the light source is located in the center of the side of the LPG processed with the B-type pattern.

Figure 8은 B-type 패턴이 가공된 도광판의 각 모서리에 광원이 위치한 경우의 조도 결과를 보여주는 line chart이며, 동일한 B-type타입의 패턴이지만 도광판 측면의 중심에 광원이 위치한 경우에 비해 중심부까지 충분히 도달하게 되는 것을 확인할 수 있다. 이는 눈부심 방지를 위한 대면적 Flat-type LED 조명시스템을 위한 조건을 충분히 만족한다고 볼 수 있으며, 광효율을 고려했을 때 조명시스템에서 LED광원의 위치를 변화시킴으로써 다양한 결과를 연출할 수 있다는 점에서 광학적 특성을 고려한 기본 광원 시스템으로 충분히 응용될 수 있다고 판단된다.

Figure 8. Line chart for the case where the light source is located at each corner of the LPG processed with the B-type pattern.

이러한 결과를 바탕으로 도광판의 조도 효율성과 균일도 차이를 정량화 하고 조명시스템의 눈부심에 대한 보완을 위해 도광판 중심부에 150 mm × 150 mm 크기의 검출기를 설치하고 B-type의 패턴이 가공된 도광판의 광원 위치에 따른 광선 추적 결과를 분석하였다. Figure 9(a)는 도광판 측면의 중심에 광원이 위치한 경우이고, 조도 결과값이 43 Lux인 A-type에 비해 조도값은 229 Lux로 5배 가량 향상되었으며, Fig. 9(b)는 도광판의 모서리에 광원이 위치한 경우로 조도 결과값이 79 Lux인 A-type에 비해 140 Lux로 2배 가까이 향상됨을 알 수 있다. 광원을 측면의 중심부와 각 모서리에 배치한 도광판에 B-type 패턴을 가공하게 될 경우 중심부까지 충분히 광량이 전달 되어 조도 효율성과 균일도를 3배 이상 향상시킬 수 있으며 대면적 Flat-type LED 조명기구의 실효성을 예측할 수 있었다. 이에 단순히 패턴의 간격이나 형상을 변형하기 보다는 글레어를 최소 화시키기 위한 적절한 산란패턴을 선정하여 도광판의 측면 중심과 모서리에 광원을 배열하는 것이 효율성을 높이는 또다른 방법이 될 수 있음을 확인하였다. 또한 단순한 패턴 가공기법과 광원의 적절한 배열로 제작 효율성을 높인다면 대면적 Flat-type 조명시스템 제품 개발을 위한 기반 기술로 활용이 가능할 것으로 판단된다.

Figure 9. (Color online) The result of illuminance distribution according to the location of the light source of the light guide plate processed with the 150mmB-type pattern in the center of the detector (a) When the light source is located in the center of the side of the LPG (b) When the light source is located at the edge of the LGP.

대면적 Flat-type 조명시스템의 광학적 효율성을 극대화 시키기 위해 단순히 광원의 출력을 높이거나 산란 패턴의 폭과 간격을 줄여 개수를 늘리는 것만으로는 눈부심 문제를 해결하기 어렵다. 입광부로 편중되는 광을 골고루 분산시켜 균일도를 향상시키는 동시에 만족스러운 휘도 효율성을 확보하기 위한 방안을 모색하는 것이 무엇보다 중요하다. 이에 본 연구에서는 고효율 눈부심 방지를 위한 대면적 Flat-type 조명시스템을 설계하고, 두 가지 타입의 산란패턴을 선정한 후 조건에 따른 광학적 특성을 분석하여 효율성을 극대화시킬 방법을 제안하고자 하였다. 그 결과 적절한 기하학적 산란패턴의 선정 뿐만 아니라 가공 변수를 제어하는 것도 중요하지만 산란패턴의 조건에 적합하게 광원의 위치를 적절히 조절하는 것 만으로도 도광판 외부로 방출되는 광량을 122 Lux에서 369 Lux로 3배 이상 증가시키고 동시에 조도 균일도를 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과를 토대로 보다 정밀한 설계 기준을 마련하여 대면적 Flat-type 조명시스템으로서 요구되는 광학적 특성 측정평가에 적합한 조건을 적용시킬 경우 조명 설계 분야에서 다양한 기본 광원장치로 충분히 응용될 수 있을 것으로 사료된다.

이 논문은 2021학년도 조선대학교 학술연구비의 지원을 받아 연구되었습니다.