Ex) Article Title, Author, Keywords
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New Phys.: Sae Mulli 2023; 73: 633-639
Published online July 31, 2023 https://doi.org/10.3938/NPSM.73.633
Copyright © New Physics: Sae Mulli.
So Hee Park*
Department of Physics, Chosun University, Gwangju 61452, Korea
Correspondence to:*E-mail: shpark@chosun.ac.kr
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
The establishment of optimal conditions for developing high-efficiency light extraction technology is essential in order to enhance the efficiency of differentiated illuminance and achieve uniformity in large-area flat-type lighting systems. Additionally, it is crucial to establish measurement methods that serve as standards for design techniques aimed at improving productivity. Herein, the optical characteristics of the light-guide plate based on the view angle of the LED light source were analyzed. The goal is to determine the conditions necessary for manufacturing a large-area flat-type LED lighting system that is complete suitable for practical use. Four LEDs were positioned at the center of the edge of the light-guide plate, and detectors were installed both inside and outside of the plate. By altering the view angle of the LED light source by 30°, the emitted rays were traced and numerically analyzed via computer simulation. Consequently, when the view angle of the LED light source is controlled, the incident light inside the light-guide plate is absorbed or scattered by the v-groove pattern, affecting the amount of light emitted to the outside of the light-guide plate. Furthermore, it was discovered that this aspect is a critical element in the design technique that has the potential to improve uniformity.
Keywords: Flat-type LED Lighting System, Light Guide Plate (LGP), Illuminance, Uniformity, View angle
LED 기반 대면적 Flat-type 조명시스템의 광학적 특성을 향상시키기 위해서는 고효율 광추출 기술 개발 조건을 구축하는 것이 필수적이며, 생산성 향상을 위한 설계기법의 기준이 되는 측정 방안을 정립시키는 것이 중요하다. 본 연구에서는 대면적 Flat-type LED 조명시스템의 완성도 있는 제작 여건을 마련하고 실용화를 실현시키기 위해 LED 자체의 view angle에 따른 도광판의 광학적 특성을 분석하였다. 도광판 가장자리의 중앙에 4개의 LED를 각각 배치하고 view angle이 30°씩 변화됨에 따라 방출되는 광선을 추적하고 분석하고자 도광판 내부와 외부에 검출기를 설치하고 전산모사 하였다. 그 결과 LED 광원의 view angle을 제어함에 따라 도광판 내부로 입사된 광선이 v-groove 패턴과 흡수 또는 산란되어 외부로 방출되는 광량에 영향을 주고 균일도를 향상시킬 수 있는 설계 기법의 중요한 요소 중 하나임을 알 수 있었다.
Keywords: Flat-type LED 조명시스템, 도광판(LGP), 조도, 균일도, 시야각
최근 디스플레이 산업의 발달로 인해 조명시스템의 활용도가 다양해지면서 단순히 기능적으로 밝게 해주기 위해 고효율의 빛을 제공하는 질적인 부분에만 집중했던 예전과는 다르게 편리하고 시각적인 연속성을 유지하면서 효율적으로 다양한 기능이 접목되도록 하기위해 조명시스템 설계 시 고려해야 할 개발 요소들이 많다. 조명시스템의 광학적 효율을 향상시키기 위해서는 컬러나 밝기를 조절해야 할 뿐 아니라 시각이라는 하나의 감각을 위해 작용된다는 점을 감안하여 눈부심이나 휘도 대비의 제한적 요소등의 문제를 반드시 고려해야 한다. 밝기가 아무리 충분하다 해도 시각의 크기가 커야 하며 정반사에 의해 직접적으로 빛이 들어올 때 눈의 피로감 뿐만 아니라 불쾌감까지 느낄 수 있어 이를 제거하기 위해 휘도가 낮은 광원을 적용하든지 광원 주위를 밝게 하는 등의 다양한 시도를 하게 된다. 높은 휘도에 의해 눈에 피로도를 느끼게 되는 것을 불쾌 글레어(discomfort glare)라 하는데 밝기가 고르지 않으면 그만큼 눈의 피로를 유발하게 되므로 조도 분포가 균일하지 않으면 눈부심을 초래할 수 밖에 없다[1-5].
조명시스템의 생산성 향상과 비용 절감을 위해 LED 광원의 개수를 줄여 박형화를 만족시켜야 하므로 대면적 flat-type LED 조명시스템의 광원을 측면에 적용하는 방식이 적합하다. 그러나 측면에 광원을 적용할 경우 입광부로부터 출사 된 후 평면광으로 형성되어 휘도 균일도가 저하되는 문제점을 피할 수 없게 되며 눈부심의 일부만 제거되는 단점 또한 해결해야 한다. 차별화된 광학계 개발을 위해서는 광원부에 집중되어 있는 광을 균일하게 분산시켜 광학적 효율을 향상시킬 수 있는 최적의 설계 기준을 마련하는 것이 중요하다[6-9]. 대면적 flat-type LED 조명시스템의 제작에 앞서 최적화된 설계 기준과 성능을 평가하기 위한 요소들을 우선적으로 파악해야 할 필요성이 있다. 지금까지 진행해온 다양한 연구결과를 통해 단순히 높은 출력의 광원을 적용하거나 도광판에 가공된 산란 패턴의 매개변수 조건을 제어하는 것 만으로는 광학적 효율성을 만족한 완성도 높은 조명시스템을 제작하기 어렵다는 것을 알 수 있었다[10-14]. 본 연구에서는 대면적 flat-type LED 조명시스템의 설계에 있어서 LED 광원의 view angle에 따른 광학적 특성을 분석하고, 완성도 있는 대면적 flat-type LED 조명시스템의 균형 있는 디바이스 개발과 실용화를 실현시키기 위한 제작 여건을 마련하기 위해 LED 광원의 view angle에 따른 도광판의 발광효과를 분석하고 광학적 효율성을 측정하였다.
조명시스템에 광원으로 적용되는 LED는 낮은 소비 전력으로 고효율의 긴 수명이 특징이며 Lambertian 배광 분포의 특성을 가지고 있어 다양한 방법으로 사용되고 있다. 대면적 flat-type LED 조명시스템 설계는 광학 프로그램인 Lighttools를 활용하여 진행하였고, 도광판의 광학적 특성을 분석하였다. Figure 1은 설계된 대면적 flat-type LED 조명시스템 상부의 단면과 측면을 보여주며, 광속 35 lm, 전류 350 mA, 광학효율 20 lm/W인 Osram사의 LB W5SG-GX를 LED 광원으로 적용하였다. LED 광원에서 방출되는 가시광선의 파장은 505 nm의 단일 파장이며, 도광판의 크기는 가로와 세로가 320 mm이고 두께가 3 mm인 Poly Methyl MethAcrylate (PMMA)로 적용하였다. 입광부에서 출사되어 PMMA 내부로 투과되는 광량은 대기보다 훨씬 빠르게 줄어드는 경향이 있어 광원으로부터 멀어지는 중앙부까지 균일하게 빛을 상부로 반사시키기 위해서는 산란체 역할을 할 수 있는 특정한 패턴이 필요하다. 또한 도광판의 내부로 입사된 광선은 가공된 v-groove 패턴과 충돌하게 되며 상부로 출사되는 광의 분포는 도광판 내부에 가공된 v-groove 패턴의 형태나 크기, 간격 등의 변수에 따라 광 손실율이나 산란되는 광량이 다르다. 본 연구에서는 광원으로부터 입사된 광이 산란되어 외부로 출사될 수 있도록 10 mm 간격으로 가로와 세로 300 mm 영역에 v-groove 사선패턴을 적용하였으며, 4개의 LED를 각 면의 중앙에 오도록 설계하고, 각 입광부를 곡선 형태로 식각하여 v-groove 패턴과 산란된 광선을 도광판 내부로 고르게 진입하도록 하였다. 또한 도광판 상부에 가로와 세로가 320 mm이고, 두께 0.01 mm의 반사율 100%인 반사필름을 두어 광원으로부터 도광판 내부로 입사되는 광의 손실을 차단하고 도광판 안으로 모두 반사될 수 있도록 하였다. 도광판의 외부로 출사하는 광선에 대해 추적하고 균일도를 예측하고자 가로와 세로 300 mm인 광 검출기(Detector 1)를 설치하였고, LED 광원의 view angle에 따라 도광판 내부로 진입한 광선들이 중심부까지 전달되어 외부로 방출되는 광선을 추적하고 수치적으로 예측하고자 가로와 세로가 150 mm인 광 검출기(Detector 2)를 정중앙에 설치하여 광선추적(Ray-Tracing)기법 해석 모듈을 통해 전산모사하였다.
조도 결과에 대한 문제점을 해결하면서 광효율을 극대화시키고 완성도 있는 대면적 flat-type LED 조명시스템의 제작 여건을 마련하기 위해 광원의 view angle은 30° 간격으로 매개변수는 30°, 60°, 90°, 120°로 선정하였고, 광 검출기를 통해 조도 정량화를 분석한 결과는 Fig. 2와 같다. LED의 view angle에 따라 도광판 외부로 출사되는 조도분포 결과, view angle이 30°인 경우 광원으로부터 출사되는 빛이 도광판 내부로 진행하여 광원부에서 멀어지는 부분까지 도달하는 것을 볼 수 있다. 하지만 v-groove 패턴과 산란되어 외부로 출사되는 다량의 광이 라인을 형성하여 고르지 않게 분포될 뿐만 아니라 넓은 영역에 암부가 발생하게 되어 그만큼 균일도가 상당히 저하되는 것을 알 수 있다. View angle이 60°인 경우는 view angle이 30°일 때 보다는 넓게 전달되어 그만큼 외부로 출사되는 영역이 넓게 분포되기는 하지만 역시 암부가 다량 발생되므로 view angle 30°인 경우와 같이 균일도를 향상시키기 어렵다. View angle를 90°로 증가할 때 부터는 될 경우는 암부가 다량 감소하는 것을 확인할 수 있으며, view angle이 90°와 120°인 두 경우 도광판 외부로 출사되는 광량이 비슷한 양상을 보인다.
Figure 3은 LED 광원의 view angle에 따라 도광판 내부로 진입한 광선들이 중심부까지 전달되어 외부로 방출되는 광선을 추적하고자 가로와 세로 크기가 300 mm인 광 검출기 D1을 설치하고 도광판의 외부로 출사되는 광선에 대해 수치적으로 분석한 결과를 보여준다. View angle 30°의 경우 295 Lux이고, view angle 60°의 경우 270 Lux이며 view angle 90°의 경우 239 Lux로 평균값인 266 Lux를 크게 벗어나지 않아 view angle에 따라 조도 결과값만 비교했을 때는 큰 차이가 없다는 것을 알 수 있다. 하지만 Fig. 2에서 보여준 바와 같이 view angle 30°와 60°의 경우 입광부에 편향된 광량 대비 암부가 발생한 영역에서 손실된 광량으로 인해 비교적 낮는 결과값이 도출되고 결과적으로 균일도가 저하될 수밖에 없다. 결과적으로 두 경우 비슷한 양상을 보이고는 있지만 LED 광원의 view angle을 30°로 제어할 경우 입광부에서 중심으로 향하는 광량이 집중되어 결과적으로 조도값이 높아도 입광부로 광량이 편향되면 불쾌 글레어가 유발되기 때문에 조명시스템 제작에는 적합하지 않음을 알 수 있다. LED광원의 view angle에 따라 도광판 내부로 진입한 광선들이 중심부까지 전달되고 산란되어 외부로 방출되는 광선을 추적하고자 가로와 세로 크기가 150 mm인 광 검출기 D2를 중앙에 설치하고 분석한 결과를 보여준다. D2의 조도 결과값에서는 view angle 30°의 경우 417 Lux, view angle 90°의 경우 165 Lux로 차이가 나는 것을 볼 수 있다. 조도값을 비교했을 때 view angle 30°의 경우 가장 높기는 하지만 중앙으로 향하는 광량이 라인을 형성하며 편향되어 불쾌 글레어를 유발하기 때문에 산란패턴의 매개변수를 조절한다고 할지라도 균일도를 만족할 수 없다.
이러한 결과를 토대로 더욱 신뢰할 수 있는 결과를 도출하고자 도광판을 4개의 영역으로 분할하여 검출기를 통해 LED광원의 view angle에 따라 도광판 외부로 출사되는 광량을 영역별로 세분화하여 반복 추적하였고, Table 1은 영역별로 도출된 조도 결과값을 보여준다. View angle 30°의 경우 두 검출기로 추적한 결과값의 차이가 122 Lux로 가장 높게 나타나는 것을 알 수 있으며 view angle 60°의 경우 48 Lux로 낮은 차이를 보인다. View angle를 90°와 120°의 경우 각각 74 Lux와 68 Lux의 차이임을 알 수 있으며, view angle 60°의 경우 두 검출기를 통해 추적한 조도 결과값의 차이가 없지만 암부 발생으로 인해 균일도가 현저히 떨어진다는 점을 감안해볼 때 광학적 특성을 향상시킬 수 있는 조명시스템 제작으로는 만족스럽지 않은 결과임을 알 수 있다.
The illuminance results for each area emitted to the outside of the LGP according to the view angle of the LED light source.
View Angle (°) | Illuminance [Lux] | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Part I | Part II | Part III | Part IV | |||||
D1 | D2 | D1 | D2 | D1 | D2 | D1 | D2 | |
30 | 296 | 420 | 300 | 408 | 291 | 429 | 294 | 413 |
60 | 270 | 226 | 270 | 226 | 273 | 223 | 268 | 213 |
90 | 243 | 164 | 238 | 165 | 237 | 164 | 239 | 165 |
120 | 242 | 171 | 239 | 170 | 239 | 171 | 242 | 174 |
조명 시스템으로의 기능을 향상시키기 위해서는 도광판 내부로 입사된 광선들이 최대한 고르게 끝단까지 전달되도록 하는 것이 중요하다. LED 광원의 view angle에 따른 도광판 내부에서의 발광효과를 분석하고자 도광판 내부에 300 mm × 3 mm의 검출기를 평면에 수직하게 설치하고, 패턴의 가공이 시작된 위치인 z = 10 mm부터 25 mm 간격의 위치에 중심부까지 7개 설치한 후 각 영역에 대한 내부 조도를 측정하였다. z = 10 mm에 설치한 검출기를 편의상 P1이라 하고, 25 mm 간격마다 설치한 검출기를 각각 P2, P3 등으로 배정하였으며 Table 2는 영역별로 분석한 결과를 보여준다.
The results of illuminance inside the LGP measured by each area with 7 detectors installed at 25 mm intervals inside the LGP.
View Angle (°) | Illuminance [Lux] | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
P1 | P2 | P3 | P4 | P5 | P6 | P7 | |
30 | 25822 | 24836 | 23823 | 23974 | 26721 | 32360 | 28951 |
60 | 26730 | 24654 | 23313 | 23172 | 24060 | 26786 | 15963 |
90 | 24351 | 21482 | 19937 | 19476 | 20214 | 21651 | 12039 |
120 | 24401 | 21571 | 19983 | 19311 | 20062 | 21457 | 11960 |
Figure 4에서 보면 입광부에 편중된 광량은 view angle에 따라 크게 차이가 없으나 도광판 내부로 진입할수록 조금씩 감소함을 보이다가 다른 면에 설치된 LED 광원으로부터 입사된 광의 영향을 받아 z = 85 mm에 설치된 P4부터 증가하기 시작하고 z = 135 mm에 설치된 P6에서 급격한 증가를 보이다가 z = 160 mm에 설치된 P7에서 감소하는 것을 알 수 있다. z = 135 mm에 설치된 P6 이후부터 감소하는 양상을 보이나 감소된 조도값을 비교해볼 때 view angle 30°의 경우 오히려 D7을 제외한 나머지 여섯 개의 검출기중 가장 높은 값임을 알 수 있다. 또한 P7은 정 중앙에 위치한 검출기로 각 면의 중앙부에 설치된 광원으로부터 입사된 광이 중앙으로 전달되는 과정에서 도광판 내부에서 흡수되고 가공된 산란패턴의 영향을 받아 방향을 전환하는 등의 광손실에 의해 감소하는 것으로 보인다. Figure 5는 도광판 내부에 설치된 P6(z = 135 mm)의 조도 차트를 보여주며 view angle 60°과 90° 그리고 120°의 광량이 거의 비슷한 양상을 보이지만 Table 2의 결과값을 비교했을 때 view angle 60°인 경우 26786 Lux로 view angle 90°와 5135 Lux의 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 내부로 입사되는 광량은 대부분 view angle 30°의 경우가 많지만 패턴과의 산란 이후 외부로 방출되는 광량에 대한 조도 균일도를 고려해본다면 글레어 문제를 해결하기 힘들 것으로 보인다.
이러한 결과를 토대로 LED 광원의 view angle에 따라 도광판의 중심부 영역에서 외부로 방출되는 광선을 추적하여 Fig. 6에서와 같이 3차원으로 분석하였다. LED 광원의 view angle 90°과 120°인 두 경우는 전산모사 결과에서 보여준 차트나 분석한 조도 결과값이 거의 비슷하지만 도광판의 중심부 영역에서 외부로 방출되는 조도 균일도와 글레어 문제를 고려해 볼 때 균일도의 효율성을 높이기 위해 view angle 120°의 경우가 적절할 것으로 보인다. 결과적으로 LED 광원의 view angle에 따라 도광판 내부로 입사된 광선이 v-groove 패턴과 흡수 또는 산란되어 외부로 방출되는 광량을 결정하고 균일도에 영향을 주는 중요한 요소 중 하나임을 알 수 있었다. 이처럼 LED 광원의 view angle은 대면적 Flat-type 조명시스템의 광학적 특성을 향상시킬 수 있는 설계 기법의 요소가 될 수 있으며, 최적의 v-groove 패턴 가공기법을 적용한 도광판 내부로 균일한 광을 전달할 수 있는 LED 광원의 view angle을 도입한다면 완성도 높은 조명 시스템 제작을 위한 기술적 활용도를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
대면적 조명시스템의 생산성을 향상시키기 위해서는 효율적 측면에서 발생할 수 있는 문제점들을 해결하고, 높은 조도를 만족하는 동시에 균일도를 제어하기 위한 광학적 설계기법의 필수 요소들을 개발하는 것이 중요하다. 본 논문에서는 Flat-type 조명시스템의 조도 균일도 향상을 위한 설계에서 요구되는 다양한 매개변수 중 LED광원의 view angle을 조절하여 도광판 내부에 가공된 v-groove 산란 패턴과 충돌한 후 외부로 출사되는 광 경로를 추적하여 광학적 특성을 분석하였다. 그 결과 광원의 view angle이 60° 미만인 경우는 입광부로 편향되는 광량 뿐만 아니라 암부가 발생되는 모서리 영역으로 인해 균일한 조도분포를 만족시키기 힘들고, 글레어를 방지하기 위한 광학적 특성을 고려해볼 때 광효율을 만족하기 위해서는 view angle을 90° 이상으로 제어하는 것이 적합할 것으로 보인다. 조명 시스템 제작 공정의 완성도를 극대화시키기 위해 최적의 패턴 가공기법을 적용하고 광원의 위치를 적절하게 선정하는 것 이외에 LED 광원의 view angle을 조절하는 것 또한 대면적 Flat-type 조명시스템 제품 개발을 위해 시도해야 할 요소라고 판단된다. LED 광원의 view angle을 조절함으로써 광학적 특성을 고려한 다양한 결과를 도출할 수 있다는 점에서 광원 시스템의 설계기법 개발 조건으로 충분히 활용될 수 있다고 사료된다. 이러한 과정을 반영하여 조명 시스템에 적합한 패턴을 가공하고 LED 광원의 view angle을 조절한 후 측정한 결과와 전산모사 결과를 비교 분석하여 성능을 평가해보고 문제점을 개선할 수 있는 방안에 대해 제시하고자 연구를 수행 중에 있다.
이 논문은 2023학년도 조선대학교 학술연구비의 지원을 받아 연구되었습니다.