IT기술과 LED조명기술이 융합된 IT융합 스마트조명 기술은 다양한 조명환경 및 기능을 창출할 수 있는 조명 기술의 실용화를 시작으로 다양한 제조 기술이 검토되기 시작하였고, 최근에는 수명, 효율도 함께 크게 개선되었으며, 고연색성 향상도 동시에 실현될 수 있는 디바이스 개발이 진행되고 있다. 그럼에도 불구하고 조명시스템의 실용적인 관점에서 보면, 조명으로서 갖추어야 할 다양한 면에서 균형 잡힌 디바이스 개발이 요구되고 있는 실정이다. 광량을 중심으로 특성이 중요시 되어 도로 조명 등으로 사용하며 무엇보다도 밝기가 강조되는 조명시스템 개발과 가정이나 사무실에서 사용하는 일반조명 또는 미술관 조명 등의 질적인 면에 초점을 맞춰 존재물의 색을 인식시키기 위한 조명응용이 요구된다. LED는 점광원으로서 좁은 면적에서 강한 지향성을 갖고 높은 광량을 얻을 수 있지만, 넓은 면의 확산광을 만들기는 어렵다. 조명광원으로서의 특성을 확보하기 위해 효율, 수명을 보다 높은 레벨로 양립해 나가는 것이 필요하다[1-5].

대면적 Flat-type 조명시스템은 광원으로부터 입사되는 광이 먼 곳까지 직진하는 지향성이 강하지만 LPG의 측면을 통과하면서 평면광으로 형성되기 때문에 휘도 및 균일도가 다소 저하될 수 있다. 또한 Flat-type LED조명시스템에 적용되는 LED 광원은 램버시안 배광 형태로 눈부심의 일부만 제거되기 때문에 점 눈부심이나 불쾌 눈부심을 유발하기 마련이다. 대면적 Flat-type 조명시스템의 차별화된 효율향상을 위해서는 고효율 광추출 기술 개발 조건을 구축하는 것이 필수적이며, 기준이 되는 측정 방안을 정립시키는 것이 우선적으로 해결해야할 중요한 과제이다[6-12]. 이에 본 연구에서는 대면적 Flat-type 조명 시스템의 배광 특성을 향상시키고 광효율을 극대화시킬 수 있는 방안을 마련하고자 도광판 입광부의 식각형태를 단순화 시킨 세 가지 모델을 적용하여 실험 장치를 구현하고, 전산모사하여 발광효과를 분석하였으며 시스템의 균일한 배광 특성 향상을 위한 방안을 제시하였다.

LED 광원이 도광판의 하부에 배치될 경우 휘도 균일도 향상에는 효과적이지만 LED의 개수가 많아지게 되면서 발생되는 열로 인한 문제점과 추가로 발생되는 비용, 그리고 무엇보다 슬림화와 경량화를 만족할 수 없다. 그러나 Flat-type 조명시스템은 LED광원이 측면에 위치하기 때문에 박형화를 만족할 뿐 아니라 적은 수의 LED를 사용해도 고른 휘도 분포의 조명시스템을 구현할 수 있는 장점을 가진다. LPG의 측면을 통과하면서 평면광으로 형성되기 때문에 휘도 및 균일도가 다소 저하될 수 있는 대면적 Flat-type 조명시스템에 적용되는 LED 광원은 램버시안 배광 형태로 눈부심의 일부만 제거되기 때문에 점 눈부심이나 불쾌 눈부심을 유발하기 마련이다. 이에 광원부로 편중되는 광을 고르게 분산시켜 보다 균일한 배광 특성을 향상시키는 것이 중요할 것으로 보여진다. 조명시스템의 성능 평가에 앞서 최적화된 설계 기준이 되는 요소를 파악하여 광학적 특성을 적용하고자 광원이 위치한 도광판 광원부의 식각 형태에 따른 도광판의 광학적 효율성을 측정하고 이에 따른 발광효과를 분석하였다. Figure 1에서와 같이 전산모사에 적용된 도광판의 크기는 두께 3 mm인 320 mm × 320 mm로 설계하였으며, 굴절률은 1.49이며 광 투과율이 92.7%인 PMMA(Polymethylnethactrylate)를 적용하였다. 도광판에 적용한 산란패턴은 폭과 두께가 500 µm인 v-groove패턴이며, 300 mm × 300 mm내에 10 mm 간격으로 반영하였다. 도광판 상부에는 재질에 따라 배광을 조절할 수 있는 반사판을 배치하였으며, 두께는 0.01mm로 적용하고 반사율을 100%로 정반사 특성을 갖도록 하였다. 여기에 적용한 광원으로는 Osram co.의 LB W55G-GX (total incident power 20 W) 4개이며, 도광판의 각 모서리에 위치하도록 설계하였다. 광 추적기법을 사용하여 도광판 내부에서 광의 움직임을 계산할 수 있는 광학 설계프로그램을 활용하였으며, 도광판 하단에 크기 300 mm × 300 mm인 광 검출기를 설치하여 전산모사하였다.

Figure 1. (Color online) Proposed optical design of large-area flat-type LED lighting.

광원으로부터 나오는 광속이 넓은 도광판 면적으로 산란될 수 있도록 도광판 상부에 동일한 사선격자패턴을 적용한 후 입광부의 식각 형태에 따른 대면적 Flat-type LED 조명시스템의 광학적 특성을 분석하고자 Fig. 2에서와 같이 식각되지 않은 A-type과 사각형태로 식각된 B-type, 그리고 곡선형태로 식각된 C-type 세 가지로 단순화 시켜 도광판의 모서리에 반영하였다.

Figure 2. (Color online) Etched shapes modeling of the light incident part.

광원으로부터 도광판 내부로 입사된 광선은 가공된 산란 패턴과 충돌하게 되고, 출사되는 광분포는 패턴의 기하학적인 형상이나 가공 조건에 따른 산란율이나 반사율 및 손실율 등이 다르다. 출사되는 입광부의 조건에 따라 배광 특성을 향상시키기 위한 광학적 설계를 통한 발광효과를 분석하고자 대면적 Flat-type LED 조명시스템에 적용한 입광부 형태를 세 가지로 선정한 후 광 경로를 광선으로 추적하였다. 동일한 가공 변수를 적용함에 있어서 입광부의 형태에 따라 도광판 내부로 출사되는 광량과 이에 따른 광학적 특성에 다음과 같이 차이가 있음을 보여준다 [Fig. 3].

Figure 3. (Color online) Simulation results of ray-tracing according to the three proposed etched shapes.

Figure 4는 입광부의 식각 형태에 따라 도광판 상부로 방출되는 출력분포의 광선 추적 결과이다. Figure 4(a)는 입광부에 식각을 하지 않은 A-type의 결과이며, Fig. 3에서 보여주는 광선 추적의 결과가 그대로 반영되어 있음을 알 수 있다. 광원으로부터 출사된 후 모서리 부분으로부터 두 부분으로 나눠지는 광선이 도광판을 통과하면서 내부의 v-groove패턴과 산란되어 상부로 출사되며, 도광판의 중앙부까지 전달되기는 하지만 암부가 발생되어 산란패턴의 조건을 변화시켜도 광학적으로 최적화된 대면적 Flat-type LED 조명시스템에 적용하기에는 다소 무리가 있을 것으로 보인다. Figure 4(b)는 입광부를 사각형태로 식각한 B-type의 결과를 보여주며, Fig. 3에서 도광판 내부로 출사되는 광선 추적의 결과로 알 수 있듯 도광판 내부의 패턴과 산란되어 상부로 출사되는 광량이 현저히 감소하게 됨을 보인다. Figure 3에서 광원으로부터 빠져나오는 광선이 사각형태로 식각된 두 개의 면을 따라 도광판 내부로 입사되기 때문에 중앙부를 향해 전달되는 광량은 충분하지 않은 것으로 보여진다. 이에 따라 사각형태의 입광부 또한 대면적 Flat-type LED 조명시스템에 적합하지 않은 조건이라 할 수 있다. Figure 4(c)는 입광부를 곡선형태로 식각한 C-type의 결과를 보여주며, Fig. 3에서 도광판 내부로 출사되는 광선 추적의 결과로 알 수 있듯 식각되지 않은 A-type과 사각형태로 식각된 B-type에 비해 더 많은 광선이 도광판 내부로 입사되며, v-groove패턴과 산란되어 상부로 출사되는 광량이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한 중앙부로 전달되는 광량이 충분하기 때문에 패턴의 기하학적인 형상이나 가공 조건을 적절하게 적용하면 배광 특성을 충분히 향상시킬 수 있을 것으로 보인다.

Figure 4. (Color online) Simulation results of the LGP according to the etched shapes (a) Unetched A-type, (b) B-type etched in the shape of a square, (c) C-type etched in a curved shape.

Figure 5는 입광부의 식각 형태에 따라 도광판 상부로 방출되는 조도값을 검출기 면적에 대해 네 개의 영역으로 분할하여 그 중 한 개의 영역에서 측정된 발광효과를 3차원으로 분석한 결과이다. Figure 5(a)는 입광부에 식각을 하지 않은 A-type의 경우 입광부 가까운 영역에서 대다수의 광선이 발광되는 것을 보여주며, 도광판 내부로의 진입이 충분하지 않음을 확인할 수 있다. Figure 5(b)는 입광부를 사각형태로 식각한 B-type의 경우 대부분의 광선들이 꺽여있는 두 개의 면으로 진입하게 되어 도광판 내부로 전달되는 광량이 현저히 줄어들기때문에 중심부까지는 전달되지 못하는 것을 알 수 있다. Figure 5(c)는 입광부를 곡선형태로 식각한 C-type의 경우 LED광원으로부터 나오는 광선이 고르게 도광판 내부로 진입하여 중심부까지 잘 전달되어 A-type과 B-type에 비해 균일한 배광 특성을 갖는 조건임을 확인할 수 있다. 이처럼 도광판 입광부의 식각형태는 대면적 Flat-type 조명 시스템의 배광 특성을 향상시킬 수 있는 요건이 될 수 있으며, 도광판 내부로 광을 고르게 전달할 수 있도록 입광부를 곡선형태로 적용한 후 적합한 산란패턴을 도입한다면 광효율을 극대화 시킬 수 있을 것으로 판단된다.

Figure 5. (Color online) Measured illuminance of the LGP according to the etched shapes (a) Unetched A-type, (b) B-type etched in the shape of a square, (c) C-type etched in a curved shape.

Figure 6은 입광부에 식각을 하지 않은 도광판의 조도분포 결과를 보여주는 선 도표이며, 중앙부까지 전달되는 광선으로 인해 상부로 방출되는 조도값이 257 Lux로 암부에 의해 광량이 줄어들게 되는 것을 확인할 수 있다. 입광부와 가까운 영역에서 다수의 광선이 발광되는 것을 보여주며, 도광판 내부로의 진입이 충분하지 않음을 확인할 수 있다. 도광판 내부로 입사된 광선이 산란 패턴과 충돌한 후 외부로 출사되는 광분포는 패턴의 기하학적인 형상이나 가공 조건에 따른 산란율이나 반사율 및 손실율 등이 다르지만 입광부에 식각을 하지 않을 경우 산란패턴의 매개변수에 변화를 준다고 할지라도 도광판 내부로 고르게 입사되지 않아 글레어를 최소화 시켜 균일도를 향상시키기는 어려울 것으로 판단된다.

Figure 6. Line chart for the illuminance distribution result of unetched LGP on the incident part.

Figure 7은 입광부가 사각형태로 식각된 도광판의 조도분포 결과를 보여주는 선 도표이며, 광원으로부터 빠져나오는 광선이 사각형태로 식각된 두 개의 면을 따라 도광판 내부로 입사되어 중앙부를 향해 전달되는 광량이 충분하지 않기 때문에 도광판 내부의 패턴과 산란되어 상부로 방출되는 광량이 중앙부에서 현저히 감소하게 되는 것을 알 수 있다. 조도값은 216 Lux로 A-type에 비해 크게 차이 나지 않는 것으로 보이나, 이는 입광부에 편중된 광량으로 인한 결과이므로 균일도는 상당히 저하됨을 확인 할 수 있다. 따라서 사각형태로 식각된 입광부 또한 도광판 내부의 산란패턴의 유형에 관계없이 대면적 Flat-type LED 조명시스템에 적합하지 않다고 판단된다.

Figure 7. Line chart for the illuminance distribution results of LGP etched in the shape of a square on the incident part.

Figure 8은 입광부가 곡선형태로 식각된 도광판의 조도분포 결과를 보여주는 선 도표이며, 광원으로부터 빠져나오는 광선이 고르게 도광판 내부로 입사되어 중앙부를 향해 전달되는 광량이 충분하기 때문에 도광판 내부의 패턴과 산란되어 상부로 방출되는 광량이 증가하게 되는 것을 알 수 있다. 조도값은 407 Lux로 모서리에 식각되지 않은 A-type의 결과값에 비해 63% 이상 향상됨을 보이며, 사각형태로 식각된 B-type의 결과값에 비해 53% 이상 향상된 결과를 얻을 수 있었다. 입광부에 편중되는 광이 도광판 내부로 고르게 입사되면 글레어를 최소화 시킬 뿐 아니라 균일한 배광 특성을 가질 수 있기 때문에 입광부의 광학적 설계조건 또한 중요한 요소임을 알 수 있다. 따라서 입광부의 식각형태를 적절하게 적용하는 것 또한 대면적 Flat-type 조명시스템의 효율성을 측정할 수 있는 요소가 될 수 있다고 판단된다.

Figure 8. Line chart for the illuminance distribution results of LGP etched in a curved shape on the incident part.

대면적 Flat-type 조명시스템의 객관적인 효율측정 하기 위해 기준이 되는 광학적 측정 평가방안을 정립시키는 것이 최우선의 과제이다. 이에 본 연구에서는 Flat-type 조명장치의 효율을 측정하기 위한 조명 장치를 구현하고, 균일한 배광 특성 향상을 위한 최적의 광학 설계기준을 마련하고자 하였다. 입광부의 식각형태에 따른 발광효과를 분석한 결과 입광부가 곡선형태로 식각된 경우 조도가 407 Lux로, 식각되지 않은 경우에 비해 63% 증가하였고, 사각형태로 식각된 도광판에 53% 향상되었다. 전산모사 결과 입광부가 곡선형태로 식각된 경우 더 많은 광선이 도광판 내부로 고르게 입사되며, v-groove패턴과 산란되어 외부로 출사되는 광량이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 중앙부까지 전달되는 광량이 충분하기 때문에 패턴의 기하학적인 형상이나 가공 조건을 적절하게 적용한다면 배광 특성을 충분히 향상시켜 보다 균일한 광을 제공하는 광원시스템으로써의 역할을 기대할 수 있을 것으로 판단된다. 이러한 결과를 토대로 조명장치에 적합한 패턴을 선정하여 가공 후 전산모사 결과와 실제 실험결과를 비교 분석하여 문제점과 개선 방안에 대해 보다 신뢰성 있는 성능평가 방안을 제시할 수 있도록 지속적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

이 논문은 2022학년도 조선대학교 학술연구비의 지원을 받아 연구되었습니다.