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New Phys.: Sae Mulli 2024; 74: 1098-1105
Published online October 31, 2024 https://doi.org/10.3938/NPSM.74.1098
Copyright © New Physics: Sae Mulli.
So Hee Park*
Department of Physics, Chosun University, Gwangju 61452, Korea
Correspondence to:*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/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
In order to improve the optical efficiency of a lighting system, a design process using optical characteristics is important to control light more effectively. In this study, to analyze the optical characteristics of the LED flat lighting system according to the processing conditions of the LGP, a v-groove pattern with a width and depth of 0.5 mm was created at the bottom of the LGP with a thickness of 3 mm, and the angles at the vertex and the oblique plane were 53.14°, respectively, was designed to be 63.43°. And we designed the pattern in the form of a diagonal line from the edge of the LGP toward the center. Then, 10 parameters were applied to increase the distance of the scattering pattern by 1 mm, and computer simulation was performed using ray-tracing technique. As a result, when the pattern distance was 1 mm, the illuminance value was 69 lx, while when the pattern distance was 10 mm, it was 112 lx, showing an increase of about 62.3%. As a result of analyzing the optical characteristics specified by region for the center, it was found that when the pattern distance was 10 mm, the minimum value was 80 lx and the maximum value was 163 lx, resulting in a uniformity of 49%. On the other hand, when the pattern distance was 1 mm, the minimum value was 20 lx and the maximum value was 239 lx, resulting in a uniformity of 8%. As a result of these, it was found that when the distance between patterns is reduced, the amount of light increases in the central part, leading to a sharp decline in uniformity.
Keywords: LED flat lighting system, Light guide plate (LGP), Luminous flux, Illuminance, Uniformity
조명시스템의 광학적 효율을 향상시키기 위해서는 빛을 보다 효과적으로 제어할 수 있도록 광학적 특성을 이용한 설계과정이 중요하다. 본 연구에서는 도광판의 가공조건에 따른 LED평판조명시스템의 광학적 특성을 분석하고자 3 mm 두께의 도광판 하단에 폭과 깊이가 0.5 mm이고, 정점과 빗면에서의 각도가 각각 53.14°, 63.43°인 v-groove패턴을 모서리에서 중앙을 향하는 사선형태로 설계하여 산란패턴의 간격을 1mm씩 증가하도록 10개의 매개변수를 적용하고 광선추적(Ray-Tracing)기법으로 전산모사 하였다. 그 결과 패턴 간격이 1 mm인 경우 조도값은 69 lx인 반면 10 mm일 때 112 lx로 62.3%가량 증가하였으며, 중심부에 대해 영역별로 지정된 광특성을 분석한 결과 패턴의 간격이 10 mm인 경우 최소값 80 lx, 최대값 163 lx로 균일도가 49%인 반면, 패턴의 간격이 1 mm인 경우 최소값 20 lx, 최대값 239 lx로 균일도가 8%로 패턴의 간격이 줄어들게 되면 중앙부에서 광량이 증가하게 되어 균일도가 급격히 저하되는 것을 알 수 있었다.
Keywords: LED평판조명시스템, 도광판(LGP), 광속, 조도, 균일도
생활환경이나 산업활동에서 중요한 역할을 하는 조명이 관심을 끌기 시작하면서 실생활에서 쾌적하고 친환경적인 부분을 만족시킬 만한 요소들을 두루 접목한 다양한 조명기구의 응용제품이 개발되고 있다. 과학기술이 발달함에 따라 생활에 적합하고 편리성을 갖춘 조명은 다양한 분야에서 응용되고 있다[1-7]. 최근 LED의 미세공정기술을 바탕으로 다양한 융합제품들을 창출하고 있으며, LED를 이용한 평판형 면 조명에 대한 수준 높은 연구가 활발히 진행되고 있다. LED응용산업은 고효율, 고출력뿐만 아니라 비용절감과 생산성을 향상시킬 수 있는 기술이 중요하며, 특수한 기능을 갖춘 제품의 광원으로써의 활용가치가 높은 영역이다. 이러한 추세에 따라 LED를 측면에 적용한 에지방식의 면 조명이 다양하게 개발되고는 있으나 광원을 직접조명장치로 사용하지 못하고 확산필름이나 LGP(Light Guide plate)에 의해 확산시키는 방식의 특성으로 인하여 광효율이 떨어져 기술적인 한계를 안고 있다[8-17].
조명 분야에서 많이 사용하는 조도는 일정 영역 내에 들어오는 모든 빛의 양을 의미하는 광특성으로 실제 제품에서 광원이 위치한 곳에서만 매우 밝게 나타나는 특성을 갖는다면 심한 눈부심 현상이 발생할 뿐만 아니라 광손실이 많은 부분에 대한 균일도를 향상시키고자 불투명한 확산필름 등을 추가로 사용해야 한다. 하지만 광효율을 향상시키기 위해 광학적 특성에 따라 광학패턴을 적용하게 되면 이에 따라 불필요한 광학부품도 줄일 수 있기 때문에 가공 공정이 간소화되며 원가절감이 가능하다. LGP 내부에 적용되어질 패턴에 의해 입사부로부터 출사 되는 광의 일부가 상부로 향하고 일부는 내부 전반사 되며, 입사된 광량은 내부의 패턴 간격이나 깊이 등 매개변수의 영향을 받게 된다. 광원으로부터 멀어지는 만큼 손실되는 광량이 많아지게 되므로 도광판 내부에 가공될 패턴을 적절한 방식으로 감소되는 광량을 보정해 줄 수 있도록 설계하는 것이 중요하다. 사전 연구[11]를 통해 도광판의 내부에 곡면패턴을 가공하여 조도 효율성과 균일도를 향상시킬 수 있음을 확인한 바 있다. 또한 광원과 가까운 영역의 패턴 높이를 낮게 중심부의 패턴 높이를 높게 설정하여 중심부까지 충분한 광량이 전달되는 것을 확인하였으며, 기울어진 곡면패턴의 간격을 줄여 조도값을 2배가량 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 사전 연구[16]를 통해 도광판 측면의 중앙에 설치한 광원의 view angle을 60° 미만으로 조절할 경우 다량의 광선들이 입광부 근처에 집중되고, 이로 인해 모서리 영역에 암부가 발생되어 균일한 조도분포를 만족시키기 어렵다는 것을 확인하였다. 광학적 특성을 고려해볼 때 LED광원의 위치에 따라 view angle을 제어하는 것 또한 광효율을 만족시키기 위한 방법임을 알 수 있었다. 이러한 사전 연구결과를 통해 광을 유도하여 조도 균일도를 향상시킬 수 있는 다양한 가공변수를 적용하여 실험적 오차를 줄이기 위한 다양한 시도를 통해 실제 가공에 적용할 수 있는 정밀한 설계기준을 마련할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 사전연구결과에 기초하여 LED광원을 모서리에 설치하고, 도광판 하단에 사선형태로 가공된 v-groove패턴을 적용하여 간격을 조절함으로써 매개변수에 대한 LED평판조명시스템의 상관관계에 대해 광학적 특성을 분석하였다.
일반적으로 조도가 높을수록 효율적인 면에 있어서는 좋을 수 있으나 그만큼 비용적인 면까지 만족하기 어렵기 때문에 광원으로부터 복사되는 광속의 손실을 최대한 줄이면서 발산되는 빛을 집중시켜서 눈부심을 최소화하는 이상적인 배광을 형성하는 것이 좋다. 반사면이나 투과면에 사용하는 재료에 따라 달라지기 때문에 주변환경과 조화를 이루고 에너지를 유효하게 이용하면서 목적에 부합하는 것이 조명 수준을 설정하는 것이 조명 설계의 요건이며, 배광이나 눈부심 등을 충분히 고려하여 선정하게 된다. 일반적으로 눈부심으로 인해 불쾌감을 느끼게 되는 경계선(BCD)는 휘도 한계가 0.5 cd/cm2이며, 보통 눈부심을 방지하기 위해 시선을 중심으로 30° 범위 내의 글레어존에는 광원을 설치하지 않고 가급적 휘도가 낮은 광원을 사용해야 한다. 본 연구에서 적용한 광원은 LED칩에서 발광되는 view angle 120°의 지향특성을 설정한 Lambertian type이며 Fig. 1과 같이 원형의 배광 형태를 나타내고 있다.
본 연구에서 제안한 LED평판 조명시스템은 크기 320 mm × 320 mm × 3 mm이며, 전산모사에 적용한 도광판은 일반적으로 흔히 사용되는 투명재질로 광 투과율이 좋고 기계적 강도에 아주 적합한 Poly Methyl MethAcrylate (PMMA)이다. 설계에 적용한 PMMA의 굴절률은 1.49, 광투과율은 92.7%이며, 도광판의 측면에 적용한 LED는 도광판의 각 모서리에 배치하여 중심을 향하도록 설계하였다. 도광판 측면의 입광부 식각 형태에 따라 LED로부터 방출된 빛이 도광판 내부로 고르게 입사되어 광효율을 극대화시킬 수 있음을 사전 연구[15]를 통해 확인한 바 있어 이러한 결과를 반영하여 본 연구에서도 도광판 소재의 굴절률 차이에 의해서 출사되는 광선이 방사형으로 확산될 수 있도록 입광면을 곡선으로 식각하였다. 또한 내부 전반사(total internal reflection, TIR)를 이용하여 도광판 내부로 진입하는 광선을 상부로 출사 시키고자 Fig. 2와 같이 사선 형태로 가공된 v-groove형태의 산란패턴을 하단에 적용하였다. 그리고 추가적으로 패턴을 통해 산란된 광이 반사되어 효율적으로 도광판 상부를 향해 전부 방출될 수 있도록 도광판의 하단에 두께 0.01 mm인 반사필름도 배치하였다. 이렇게 설계함으로써 람베르시안 산란 특성이 강해서 입사각이 커지면 반사각에 의해 집중되는 산란이 증가하게 되고, 도광판 내부로 진입하는 광 경로는 측면에 위치한 LED에 의해 발생되며, 도광판의 모서리에 설치된 LED광원으로부터 방출되는 빛이 도광판 내부로 효율적으로 입사할 수 있도록 도와준다.
특히 도광판 내부로 입사되는 광선은 법선과 이루는 각이 임계각 42°보다 작아 전반사만 일어나 상부로의 출사가 어렵다. 도광판 자체만으로는 내부에서 광반사가 어렵기 때문에 광선의 방향을 변경시켜 광분포를 균일하게 해서 면광원으로써의 기능을 원활하게 하려면 광 반사 효율이 좋은 v-groove패턴을 하단에 적용해야 한다. 광특성을 향상시키기 위해 광원과 가까운 영역의 패턴 높이를 줄이고 중심부의 패턴을 높게 설정하게 되면 조도 균일도를 향상시킬 수는 있지만 기계적 안정성을 고려해볼 때 실제 상용화를 위해 제품 성능평가 시 제조공정에 어려움을 겪을 수 있다. 도광판에 적용한 패턴의 경우 PMMA의 기계적, 열적 안정성 등을 고려하여 도광판 두께의 50% 미만으로 가공해야 하므로 본 연구에서는 이런 부분을 고려하여 Fig. 3에서와 같이 폭과 깊이가 0.5 mm이며, 정점의 각도는 53.14°, 빗면의 각도가 63.43° 인 v-groove패턴을 설계하였다. 또한 도광판의 모서리에서 중앙을 향하는 사선형태로 설계한 패턴을 도광판의 하단에 배치시켜 모델링하였다.
LED평판조명시스템의 조명효과를 향상시키기 위한 제품 개발을 위해 도광판에 적합한 패턴을 제작하여 이를 적용하고 그 성능을 측정하려면 제작에 필요한 비용 이외에도 시행착오로 인한 시간도 많이 걸리게 된다. 도광판 측면에 설치된 LED광원으로부터 빠져나오는 광 에너지가 도광판 상부를 향해 어느 정도 효율적으로 출사 되는지 광효율을 보다 효과적으로 계산하고 조도 균일도를 예측해야 할 필요가 있다. 이에 제품의 설계와 가상실험, 그리고 조명 성능에 대한 분석에 주로 활용되는 광선추적기법으로 Monte Carlo Ray Trace를 따르는 LightTools 프로그램을 이용하여 전산모사 하였으며, 광선이 산란되어 도광판 상부로 빠져나오는 것을 Monte Carlo 광선 추적으로 분석하였다.
도광판에 가공된 패턴의 형상이나 가공 방식에 따라 광 효율이 달라지게 되며, 동일한 효율의 조명시스템일지라도 공간의 조건에 맞는 배광을 제어함에 따라 조명률을 향상시킬 수 있다. 본 연구에서는 v-groove패턴의 폭과 깊이는 0.5 mm으로 고정시키고, 모서리에서 중앙으로 향하는 사선 형태로 분포되도록 설계하여 패턴의 간격을 1 mm부터 10 mm까지 1 mm씩 증가시켜가며 열 개의 가공변수를 선정하여 전산모사 하였다. 측면의 LED광원으로부터 출사 되어 도광판 내부로 진입한 광선들이 내부에 가공된 패턴과의 산란에 의해 상부로 방출되는 광선을 추적하고, 광량을 파악하여 수치적으로 예측하고자 패턴이 포함된 영역을 각 30픽셀로 나누고 가로와 세로의 크기가 300 mm인 광 검출기(Detector)를 도광판 상부에 설치하였다. Figure 4는 view angle 120°인 LED광원을 모서리에 배치시킨 도광판 상부로 출사된 광량을 표시한 scatter chart 결과를 보여준다. 동일한 형태로 가공되었음에도 불구하고 간격에 따라 도광판 상부로 출사 되는 광량에 차이를 보이는 것을 알 수 있다. 이러한 결과를 통해 입광부에서 빠져나온 광선들이 도광판 내부로 진입하여 패턴과 부딪치게 되고 산란이 일어나는 동안 광선의 방향을 변경시키면서 상부로 출사 되는 광분포가 균일하게 형성되는 것임을 알 수 있다. 패턴의 간격이 좁을 때 입광부에서의 산란이 거의 없이 중앙으로 집중되어 있었던 광선들이 점차적으로 패턴의 간격이 넓어지게 되면 입광부 뿐만 아니라 중앙부까지 진입하여 고르게 분포되면서 조도 균일도가 증가하게 되는 것을 확인할 수 있다.
LED광원으로부터 입사된 빛이 내부로 전달되어 패턴에 산란된 광선들이 상부로 방출되는데 빛의 밝기와 분포를 제어하기 위한 패턴의 설계 및 가공조건을 모색하기 위해 측면의 LED광원으로부터 출사 되어 도광판 내부에 가공된 패턴과의 산란에 의해 중심부까지 전달되는 광선을 추적하였다. Figure 5는 view angle 120°인 LED광원을 모서리에 배치시킨 도광판 상부로 출사 된 광량을 추적하여 분석한 결과에 대해 보여준다. Figure 5(a)는 패턴 간격이 1 mm인 경우 도광판 상부로 출사 되는 광량을 나타내고 Fig. 5(b)는 패턴 간격이 10 mm인 경우 출사 되는 출력분포의 광선 추적 결과이다. 패턴의 간격이 좁을 경우 입광부에서의 산란된 광선들이 난반사 되어 진행하는 광선들이 줄어들게 되며 이로 인해 도광판 상부로 방출되지 않고 중앙으로 진행하게 되어 입광부 근처에서 암부가 발생되고 중앙부에서 다량의 광선들이 출사 되어 균일도가 현저하게 줄어들게 되는 것임을 확인할 수 있다.
LED평판조명시스템의 조명효과를 향상시킬 수 있는 조건을 모색하기 위해 도광판 측면에 설치된 LED광원으로부터 빠져나오는 광 에너지가 도광판 상부를 향해 어느 정도 효율적으로 출사 되는지 광효율을 보다 효과적으로 계산할 필요가 있다. 광선 추적 결과에 대해 수치적으로 예측하고자 가로와 세로의 크기가 150 mm인 광 검출기(Detector)를 도광판 상부 정중앙에 설치하고 전산모사 하였다. 그 결과 패턴의 간격이 1 mm인 경우 10 mm일 때보다 2배 이상의 광량이 중앙부에 집중되는 것을 Fig. 6에서 보여주며, Fig. 6(a)와 Fig. 6(b)를 통해 광선을 추적한 전산모사의 결과를 확인할 수 있다. Figure 6(c)는 광선 추적결과를 수치적으로 나타내는 분포도이며, 중심부 영역을 비교했을 때 패턴의 간격이 10 mm(PD10)인 경우에 비해 패턴의 간격이 1 mm(PD1) 경우 패턴의 간격이 줄어들게 되면서 상당히 많은 양의 광선들이 입광부에서 산란되지 못하고 패턴을 따라 중앙부까지 전달되어 중심부에서 다량의 광선들이 상부로 빠져나오는 것을 알 수 있다. 또한 도광판 하단에 사선형태의 v-groove패턴을 가공하여 LED를 모서리에 설치할 경우 패턴의 간격이 좁아지게 되면 중앙부의 Hotspot과 모서리의 암부 영역이 발생되어 조도 균일도에 불균형을 초래할 수 있기 때문에 적절한 패턴 간격을 적용하는 것이 중요함을 알 수 있다.
조명 분야에서 주로 사용하는 광특성으로 광원에서 발산되는 광의 비율이라고 할 수 있으며, 일정한 면에 비춰지는 조도는 면적과 광속의 비로 결정되며, 일정한 영역안에 들어오는 모든 광량 즉 도광판으로 광속이 투사되는 정도를 표시한다. 에너지 방사의 시간적 비율인 방사속 중에 인간의 눈에 보이는 가시범위의 방사속인 파장은 380–760 mm범위이며, 단위시간당 광원에서 출사되어 눈에 감지되는 총 출력량인 광속(Luminous flux)은 눈의 감도를 기준으로 파장 영역에 따라 측정한다. 패턴의 간격에 따라 하부에 v-groove패턴이 가공된 도광판의 모서리에 설치된 LED광원으로부터 입사되는 광량에 대해 도광판의 상단으로 투과되는 전체 광량과 조도 분포를 상호간에 비교하였다. Figure 7은 LED의 view angle이 120°인 조명시스템을 구성하는 도광판의 패턴 간격에 따른 조도와 광속에 대한 전산모사 결과를 보여준다. 패턴 간격이 1 mm인 경우 조도값은 69 lx인 반면 10 mm일 때 112 lx로 62.3% 증가하였으며, Luminous flux 역시 패턴 간격이 1 mm인 경우 1.5 lm에서 10 mm인 경우 2.5 lm로 66.6%가량 증가하였다. 또한 패턴 간격 3 mm까지는 증가하다가 패턴 간격이 4 mm이상 증가하게 됨에 따라 광속과 조도가 점차적으로 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 단위시간당 광원으로부터 출사되는 광선들이 패턴 영역안으로 들어와 상부로 산란되는 전체 광량이 패턴의 간격에 의해 영향을 받아 LED 광원으로부터 발산되는 광의 비율을 제어할 수 있다는 것을 알 수 있다.
전산모사 결과에 대해 도광판의 광학적 성능을 보다 세부적으로 정량화 하고자 상부로 출사되는 중심부에 대해 영역별로 지정된 광특성을 분석하였다. Table 1은 LED평판조명시스템의 중심을 지나는 평면상의 각 방향에 대해 수치적으로 분석한 Flux Per Area를 보여준다. 패턴 간격에 따라 분석한 Flux Per Area의 결과를 보면 Half Width 10.6 mm에서 PD10은 163 lx이고 PD1가 543 lx로 약 3배 정도의 차이를 보이면서 큰 값을 갖지만 중간지점부터는 PD1가 더 많은 감소를 보이고 이후부터 PD10의 Flux Per Area가 더 큰 값을 갖는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 Fig. 6의 조도분포도에서 확인한대로 패턴의 간격이 좁아지면서 중심부로 진행되는 광량이 산란되어 방출되는 과정이 그대로 반영되었음을 확인할 수 있다.
Table 1 . Flux Per Area results numerically analyzed for each direction on the plane passing through the center of the LED Flat lighting system.
No. | Half Width | PD10 | PD9 | PD8 | PD7 | PD6 | PD5 | PD4 | PD3 | PD2 | PD1 |
1 | 10.6 | 163.9 | 95.51 | 232.5 | 299.1 | 319.6 | 486.8 | 517.8 | 710.1 | 349.7 | 543.4 |
2 | 21.2 | 163.1 | 192.4 | 227.2 | 276.5 | 330.3 | 420.9 | 530.6 | 652.4 | 417.7 | 308.9 |
3 | 31.8 | 167.3 | 202.4 | 221.9 | 275.3 | 323.1 | 368.2 | 458.2 | 526.8 | 324.9 | 227.0 |
4 | 42.4 | 159.6 | 188.4 | 211.3 | 255.3 | 289.9 | 311.6 | 384.0 | 415.1 | 249.1 | 168.8 |
5 | 53 | 145.4 | 177.2 | 183.4 | 226.3 | 253.6 | 261.8 | 305.1 | 320.2 | 197.1 | 128.3 |
6 | 63.6 | 130.3 | 157.7 | 164.3 | 199.4 | 222.8 | 219.6 | 246.8 | 256.8 | 164.8 | 102.2 |
7 | 74.2 | 122.4 | 144.0 | 153.3 | 176.5 | 193.9 | 192.7 | 210.1 | 211.2 | 138.7 | 83.96 |
8 | 84.8 | 104.4 | 212.8 | 128.2 | 144.7 | 160.1 | 158.5 | 169.5 | 169.2 | 113.1 | 67.63 |
9 | 95.45 | 87.19 | 99.95 | 104.3 | 116.7 | 128.8 | 127.8 | 136.3 | 135.9 | 91.68 | 54.64 |
10 | 106 | 71.33 | 81.66 | 84.92 | 95.05 | 104.8 | 103.8 | 110.7 | 110.7 | 74.55 | 44.29 |
패턴의 간격이 10 mm인 PD10과 1 mm인 PD1의 두 경우에 대해 반복 추적하여 HalfWidth별로 Flux Per Area를 분석한 결과 Fig. 8에서와 같이 HalfWidth이 커질수록 감소하는 양상을 보이는 반면 PD10은 평균 131 lx로 거의 균일한 것을 확인할 수 있다. 패턴의 간격이 줄어들게 되면서 광원으로부터 출사된 광선들이 굴절률이 더 큰 영역에 허용된 입사각 이내로 입사되면 전반사에 의해 거의 대부분 중앙부로 전달되어 입광부 근처에서 산란되지 못하기 때문에 균일도가 저하되는 것임을 알 수 있다.
또한 PD10과 PD1의 두 경우에 대해 반복 추적하여 HalfWidth별로 도광판의 상부를 통과하는Luminous Flux 결과에 대해 분석하였다. Figure 9에서와 같이 Half Width 10.6 mm에서 0.192 lm인 PD1보다 더 낮은 0.057 lm이였던 PD10의 Luminous Flux가 중간지점부터 점차 증가함을 보이면서 Half Width 106 mm에서는 2.521 lm으로 PD1에 비해 61%가량 증가함을 보였다. LED의 출사 광선이 도광판 내부로 진입하여 패턴과 부딪치게 되고 산란이 일어나는 동안 광선의 방향을 변경시키면서 상부로 출사되는 광분포가 균일하게 일어는 반면 점차적으로 패턴의 간격이 좁아지면서 패턴을 따라 중앙으로 진행하는 광 직진성이 증가하게 되어 중앙부로 집중된 광선들이 산란되어 상부로 방출되는 광량이 많아지는 것임을 확인할 수 있다.
위의 결과들을 토대로 전산모사에서 산출한 데이터를 도출하여 도광판 상부에서 추출된 광량에 대해 조도 균일도의 정량적 평가를 위해 검출기를 다수의 픽셀로 분할하고 각 방향에서 입사되는 광선의 수를 수치적으로 분석하였다. Figure 10은 도광판 하부의 패턴 간격에 따른 조도값과 균일도에 대해 분석한 결과를 보여준다. 도광판 하부에 패턴의 간격이 줄어들게 되면 중앙으로 전달되는 광선들이 급격히 집중되면서 중앙부에서 산출된 광량이 1.4배 증가하게 되고, 패턴의 간격이 10 mm인 경우 최소값 80 lx, 최대값 163 lx로 균일도가 49%인 반면, 패턴의 간격이 1 mm인 경우 최소값 20 lx, 최대값 239 lx로 균일도가 8%로 현저히 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 패턴의 간격이 4 mm이상 증가하면서 광원으로부터 출사된 광선들이 모서리와 가까운 영역에 분포된 패턴과 산란되어 점차적으로 증가하게 되고 그만큼 중앙부에 집중되었던 광선들이 줄어들게 되어 조도 균일도가 향상되는 것 알 수 있다.
이러한 결과는 패턴의 경계면에서 발생되는 산란효과에 따른 경로에 대해 광선을 추적한 것이므로 전산모사를 통한 결과의 예측이 매우 중요한 역할을 한다. 따라서 도광판의 광특성을 향상시키기 위해 패턴을 가공하여 제어하는 것이 중요 변수 중 하나라고 판단된다. 실제 가공실험을 통해 검증을 하기 전 전산모사를 통해 이러한 결과를 도출하여 광학적 특성을 예측함으로써 이를 반영한 설계 기준에 대한 정밀도를 높인다면 광효율이 향상된 결과를 기대할 수 있을 것으로 사료된다.
본 연구에서는 LED평판조명시스템의 광학적 측정 평가에 적합한 방안을 마련하고자 최적의 광학패턴 가공기법을 선정하기 위해 광효율에 영향을 미칠 수 있는 설계 조건을 반영하여 매개변수를 제어하고 광학적 특성을 분석하였다. 도광판의 모서리에 설치된 LED광원으로부터 입사되는 광량에 대해 사선형태로 가공된 v-groove패턴을 따라 산란 및 반사를 통해 도광판의 상단으로 출사 되는 총 출력량과 조도분포를 상호간에 비교하였다. 그 결과 도광판 하부에 패턴의 간격이 줄어들게 되면 중앙으로 전달되는 광선들이 급격히 집중되면서 중앙부에서 산출된 광량이 1.4배 증가하게 되고, 패턴의 간격이 10 mm인 경우 최소값 80 lx, 최대값 163 lx로 균일도가 49%인 반면, 패턴의 간격이 1 mm인 경우 최소값 20 lx, 최대값 239 lx로 균일도가 8%로 현저히 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. v-groove패턴의 가공기법에 따라 LED광원으로부터 빠져나오는 광 에너지가 조도 균일도에 불균형을 초래할 수 있기 때문에 산란패턴의 설계조건이 중요하다는 것을 알 수 있었다. 본 연구 결과를 기반으로 LED평판조명시스템 성능평가 시 패턴의 가공조건에 따라 도광판의 광학적 특성을 고려한 시제품 시연에 연관성을 보여줄 수 있고, 광효율이 향상된 결과를 기대할 수 있을 것으로 사료된다.
이 논문은 2024학년도 조선대학교 학술연구비의 지원을 받아 연구되었습니다.