새물리 2021년 Annual Report

고재현(Jae-Hyeon KO),송종현(Jonghyun SONG),유영준(Young-Jun YU),이현석(Hyun Seok LEE),최재혁(Jaehyeok CHOI) 한국물리학회 2022 물리학과 첨단기술 Vol.31 No.1·2

새물리가 걸어온 60년, 앞으로 걸어갈 60년

고재현(Jae-Hyeon KO) 한국물리학회 2021 물리학과 첨단기술 Vol.30 No.11

새물리 2022년 Annual Report

고재현(Jae-Hyeon KO),송종현(Jonghyun SONG),유영준(Young-Jun YU),이현석(Hyun Seok LEE),최재혁(Jaehyeok CHOI) 한국물리학회 2023 물리학과 첨단기술 Vol.32 No.1·2

LCD 백라이트용 렌티큘라 렌즈필름의 광구조 최적화에 관한 연구

서재석,고재현,Seo, Jae-Seok,Ko, Jae-Hyeon 한국광학회 2011 한국광학회지 Vol.22 No.6

최근 확산기능과 집광기능을 동시에 가지는 복합필름에 대한 관심이 커지고 있다. 본 시뮬레이션연구에서는 복합필름으로 주목 받고 있는 렌티큘라 렌즈필름의 광학구조를 최적화하고 이를 기존의 백라이트가 보이는 광학 성능과 비교하였다. 보다 정확한 시뮬레이션의 수행을 위해 시험적으로 제작된 렌티큘라 렌즈필름이 보이는 휘도의 시야각 분포를 측정하였고 이 실험 결과를 재현할 수 있는 시뮬레이션 조건, 특히 도광판의 산란 패턴이 가지는 쌍방향 산란분포함수의 수학적 모델을 확보하였다. 이에 근거해서 시뮬레이션을 수행한 결과 렌티큘라 렌즈의 종횡비가 1.25, 굴절률이 1.65인 조건에서 이 필름의 집광성능이 최대가 됨을 확인하였다. 최적화된 렌티큘라 렌즈필름이 1매 포함된 백라이트 모델은 프리즘필름이 1매 포함된 기존의 백라이트에 비해 집광성능이 현저히 떨어졌지만 렌티큘라 렌즈필름 2매를 직교해서 적용하게 되면 프리즘필름 1매가 가지는 집광 성능과 비슷한 성능을 달성함과 동시에 부드러운 시야각 특성의 구현에 기여할 수 있다는 점을 확인하였다. The optical performance of LLF(Lenticular Lens Film)-based backlight was studied by using optical simulation as functions of the aspect ratio and the refractive index of lenticular lenses. In order to perform reliable simulation, the BSDF(bi-directional scattering distribution function) of the scattering dots on the bottom surface of the light guide plate was obtained as a superposition of the Lambertian and the elliptic Gaussian distribution components by comparing the experimental results and the simulation for the luminance distribution on the light guide. Based on this approach, an appropriate BSDF of the scattering dots of the light guide was constructed. The resultant values of the optimized aspect ratio and the refractive were found to be 1.25 and 1.65, respectively. In spite of the hybrid aspects of LLF incorporating both diffusing and collimating functions, the optical performance, in particular the on-axis luminance of LLF-based backlight was inferior by about 20% compared to that of conventional backlights adopting one prism film. However, the combination of two lenticular lens films resulted in comparable luminance gain as well as smooth decrease in the luminance with the viewing angle without exhibiting any side lobes.

유전체 다층 거울이 유기발광다이오드의 광효율 향상에 미치는 영향에 관한 광학 시뮬레이션 연구

이성준,고재현,Lee, Sung-Jun,Ko, Jae-Hyeon 한국광학회 2015 한국광학회지 Vol.26 No.3

본 논문에서는 유전체 다층 거울을 이용해 구성된 파브리-페롯 미소공진 구조가 유기발광다이오드(OLED)의 광효율에 미치는 영향을 유한차분 시간영역법과 광선추적법을 결합해 분석하였다. SiN과 $SiO_2$ 층을 교대로 쌓아 구성한 유전체 다층박막의 적용은 미소공진 효과를 강화시켜 OLED의 발광 스펙트럼의 협소화를 유도하였고 광추출효율도 수 % 증가하였다. 유전체 다층박막의 두께를 최적화함으로써 특정 파장에 대해 미소공진 효과를 일으킬 수 있었고 이는 OLED 발광색의 순도를 증가시키는데 활용될 수 있다. 광추출효율을 극대화하는 전자수송층의 최적 두께는 발광파장에 따라 달라졌는데, 이는 유기층 물질이 보이는 굴절률의 분산 때문인 것으로 생각된다. The effects of a dielectric multilayer mirror on the efficiency of organic light-emitting diodes (OLEDs) were investigated by using optical simulation. Adoption of a dielectric mirror consisting of alternating SiN and $SiO_2$ layers narrowed the emission spectrum due to the microcavity effect, and increased the outcoupling efficiency by a few percent. The layer thicknesses of the dielectric mirror were adjusted to change the wavelength of the resonance mode, which may be used to increase the color purity.

온도 변화에 따른 YAG 및 Silicate형광체 기반 백색 LED의 광특성 변화에 대한 연구

최현우,고재현,Choi, Hyun-Woo,Ko, Jae-Hyeon 한국광학회 2013 한국광학회지 Vol.24 No.3

본 논문에서는 YAG:Ce와 $(Sr,Ba)_2SiO4:Eu$ 등 두 종류의 형광체를 사용하여 백색 LED를 제작하고 온도변화에 따라 각각의 백색 LED의 발광 특성이 어떻게 변하는지 조사하였다. 상온에서 $80^{\circ}C$ 사이의 구간에서 측정된 두 백색 LED의 발광 스펙트럼을 분석하기 위해 asymmetric double sigmoidal 함수를 활용하였다. 이 함수를 백색 LED의 청색 발광 및 황색 발광 피크에 적용해서 각 피크의 중심파장과 진폭, 반치폭 및 비대칭성을 온도의 함수로 구하였다. 그 결과 온도가 증가할수록 청색 피크의 중심파장이 장파장 쪽으로 천이되고 황색피크의 중심파장이 단파장 쪽으로 천이되며 비대칭성 또한 증가한다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 두 백색 LED의 색도변화에 반영되었는데, 실리케이트계 형광체 기반 LED의 색도 변화가 더 큼을 알 수 있었다. 발광효율 역시 온도가 증가할수록 크게 떨어지는 것을 볼 수 있었는데 YAG 형광체 기반 LED의 발광효율 저하 폭이 더 적음을 확인하였다. 이상의 결과는 YAG 형광체 기반 백색 LED가 실리케이트계 형광체 기반 LED에 비해 색도안정성, 발광효율, 연색지수 측면에서 더 뛰어나다는 것을 의미한다. Two white light emitting diodes(LEDs) were fabricated by using two kinds of yellow phosphor, YAG:Ce and $(Sr,Ba)_2SiO4:Eu$, and their spectroscopic properties were analyzed as a function of temperature from room temperature to $80^{\circ}C$. The asymmetric double sigmoidal function was applied to both blue and yellow peaks of the emitting spectrum to obtain the center wavelength, the amplitude, the half width, and the skewness parameters. According to this analysis, the center wavelength of the blue peak shifted to longer wavelength while that of the yellow peak shifted to shorter wavelength. In addition, some of the skewness parameters were found to increase upon heating, which indicates that spectrum asymmetry becomes enhanced at higher temperatures. The changes in the color coordinates and the luminous efficacy were larger for the case of silicate-based white LED. These results suggest that the silicate-based white LED is inferior to the YAG-based white LED from the viewpoint of color stability, efficacy and color rendering index.

황색 형광체의 종류에 따른 백색 LED 광원의 발광 특성 분석

최현우,고재현,Choi, Hyun-Woo,Ko, Jae-Hyeon 한국광학회 2013 한국광학회지 Vol.24 No.2

본 논문에서는 청색 LED 칩에 YAG:Ce와 $(Sr,Ba)_2SiO_4:Eu$ 등 두 종류의 황색 형광체를 적용해서 제작한 백색 LED의 발광특성을 비교, 분석하였다. 두 백색 LED의 발광 스펙트럼의 특성을 분석하기 위한 수학적 함수 형태로써 Asymmetric double sigmoidal 함수를 적용할 수 있음을 확인하였고 이를 통해 발광 스펙트럼을 구성하는 피크들의 중심파장, 폭, 비대칭성에 대한 정보를 정량적으로 구해서 비교하였다. 분석 결과 실리케이트계 형광체의 발광 스펙트럼 폭이 YAG 형광체에 비해 더 좁아 연색지수의 측면에서 불리한 반면 구동전류에 따른 색도 안정성의 측면에서는 더 유리하다는 것을 확인하였다. 두 백색 LED의 발광효율은 구동전류의 증가에 따라 단조감소하였는데, 실리케이트 형광체 기반 LED의 발광효율이 YAG형광체 기반 LED에 비해 약 10~12 lm/W 정도 작음을 확인하였다. In this paper, two white light emitting diodes(LEDs) were manufactured by using two kinds of yellow phosphor, YAG:Ce and $(Sr,Ba)_2SiO_4:Eu$, and their spectroscopic properties were compared and analyzed. We found that the asymmetric double sigmoidal function can be applied to both white LEDs to obtain the center wavelength, the half width, and the skewness parameters. According to this analysis, the half width of the emitting spectrum of silicate phosphor was smaller than that of YAG phosphor, indicating smaller color rendering index. However, the silicate phosphor exhibited better color stability depending on the driving current than the YAG phosphor. The current dependence of the luminous efficacy of both white LEDs was investigated, which showed that efficacy decreased monotonically with current. The efficacy of the silicate-based white LED was lower than that of the YAG-based LED by about 10~12 lm/W.

이격 형광체 구조가 적용된 백색 LED 광원의 온도변화에 따른 발광 특성 분석

최민혁,이헌재,고재현,Choi, Min-Hyouk,Lee, Hun Jae,Ko, Jae-Hyeon 한국광학회 2014 한국광학회지 Vol.25 No.5

본 논문에서는 일반적인 코팅형 형광체와 이격 형광체 등 두 가지의 형광체 구조가 적용된 백색 LED를 제작한 후 온도변화에 따라 각 백색 LED의 발광 특성이 어떻게 변하는지 측정, 비교하였다. 상온에서 80oC 사이의 구간에서 측정된 두 백색 LED의 발광 스펙트럼을 분석하기 위해 Gaussian Lorentz-cross product 함수와 Asymmectic double sigmoidal 함수를 각각 청색 피크와 황색 피크의 곡선맞춤에 활용하였다. 이로부터 각 피크의 중심파장과 진폭, 반치폭 및 비대칭성을 온도의 함수로 구할 수 있었다. 온도에 따른 휘도와 색좌표를 측정한 결과 이격형광체 구조의 백색 LED의 온도에 따른 휘도저하율 및 색좌표 변화율이 훨씬 적었다. 이는 청색 LED 칩과 형광체가 분리됨에 따라 형광체의 온도가 일반 형광체 도포형 LED의 경우에 비해 낮아져서 효율이 상승했고 아울러 형광체에서 발생한 빛의 칩에 의한 흡수가 감소했기 때문인 것으로 해석된다. Two types of white light-emitting diodes (LEDs) with different phosphor structures were fabricated and compared in terms of their optical characteristics. Their spectroscopic properties were analyzed as a function of temperature, from room temperature to $80^{\circ}C$. The temperature dependence of the luminance and the color coordinates showed that the decrease in luminance and change in the color coordinates of the remote-phosphor type LED were much smaller compared to the conventional white LED. These improvements were attributed to the decrease in phosphor temperature, due to the distance between the LED chip and the phosphor layer, as well as to the reduced absorption by the LED chip of the light emitted from the phosphor layer.

엣지형 LED 백라이트의 균일도 향상을 위한 도광판의 광구조 최적화

이정호,남기봉,고재현,김중현,Lee, Jung-Ho,Nahm, Kie-Bong,Ko, Jae-Hyeon,Kim, Joong-Hyun 한국광학회 2010 한국광학회지 Vol.21 No.2

최근 LED TV로 각광받고 있는 대형 LCD TV용 LED(Light Emitting Diode, 고체발광다이오드) 백라이트에 사용되는 도광판의 광구조를 최적화하여 LED에 의해 발생하는 휘점을 제거하고 조도균일도를 향상시키기 위한 시뮬레이션 연구를 진행하였다. 시뮬레이션 모델로 설정된 엣지형 백라이트는 LCD TV용으로 사용될 수 있는 두께 3 mm의 도광판, 측면에 배치된 세 개의 백색 LED와 램프 커버, 도광판의 하면에 배치된 반사 필름으로 구성되어 있다. 일반적인 엣지형 백라이트용 도광판과 같이 도광판의 입광면에 패턴이 형성되어 있지 않은 경우에는 도광판 상면의 조도균일도가 입광면과 LED 사이의 거리에 민감하게 의존하였다. 입광면과 LED 사이의 거리가 커질수록 조도균일도는 개선되다가 일정 거리 이상이 되면 개선이 둔화되는 경향성을 보였다. 반면에 도광판의 입광면에 렌티큘라(lenticular) 렌즈 배열이나 톱니모양(Serration)과 같은 미세 굴절 패턴을 형성하는 경우 LED가 입광면에 거의 붙어 있는 경우에도 패턴이 없는 경우에 비해 우수한 조도균일도를 보인다는 것을 알 수 있었고 조도균일도가 LED와 입광면 사이의 거리에 의존하는 정도가 줄어든다는 점도 확인하였다. 동일조건에서는 톱니모양 패턴이 렌티큘라 렌즈에 비해 우수한 조도균일도를 나타내었고 굴절률의 변화를 통해 추가적인 균일도 개선 효과를 얻을 수 있음도 확인하였다. 따라서 도광판의 입광면에 굴절 기능을 가지는 미세 패턴을 형성하고 그 광구조를 최적화하는 것은 LED에 의한 휘점 형성을 억제하고 LCD 측면의 비발광영역(베젤)을 줄이는데 있어서 매우 효과적인 방법이 될 수 있다는 것을 확인하였다. Optical simulation methods were applied to the edge-lit LED backlight for LCD TV applications in order to optimize the optical structure of the light guide plate(LGP), and thus to improve the uniformity properties by removing the bright spots caused by LED's. The edge-lit LED backlight consisted of three white LED's with a lamp cover, a light guide plate, and a reflection film. When there was no pattern on the entrance side surface of the LGP, the illuminance uniformity was sensitively dependent on the distance d between the LED and the entrance surface. The illuminance uniformity increased with d but its increasing rate slowed down when d was beyond ~ 1.5 mm. When micro-patterns such as a lenticular lens array (LLA) or a serration pattern were formed on the entrance surface, the illuminance uniformity was improved substantially even for the case of very small d. At the same simulation condition, the lightguide with serration pattern showed a better uniformity than that with LLA pattern. Additional improvement could be achieved by changing the refractive index of the micro-patterns. These results suggest that using micro-patterns is a very effective way to reduce the bright spots due to their refracting function for the concentrated incident rays onto the LGP.

쌍극자 광원의 진동방향, Mie 산란자, 그리고 Pillow 렌즈가 OLED의 광추출효율에 미치는 영향에 대한 시뮬레이션 연구

이주섭,이종완,박재훈,고재현,Lee, Ju Seob,Lee, Jong Wan,Park, Jaehoon,Ko, Jae-Hyeon 한국광학회 2014 한국광학회지 Vol.25 No.4

본 연구에서는 FDTD와 광선추적기법을 결합한 시뮬레이션을 활용해 광원으로 설정된 쌍극자의 진동 방향, 유리기판에 적용된 Mie 산란입자와 Pillow 렌즈가 광결정 구조가 포함된 OLED의 광추출효율에 미치는 영향을 조사하였다. 쌍극자 광원의 진동방향이 OLED 표면에 대해 수평인 경우, 광결정구조만 적용된 OLED의 효율이 54%인데 반해 최적화된 조건의 Mie 산란입자, Pillow 렌즈가 적용된 OLED는 약 86%의 광추출효율을 나타냈다. 아울러 광결정 구조로 인해 특정 각도로 광도가 증가하는 문제점이 Mie 산란입자의 산란효과로 인해 완화될 수 있음을 알았다. 본 연구는 광추출효율을 향상시키는 다양한 광학구조를 적용함과 더불어 발광체 유기분자의 배향을 조절함으로써 OLED의 효율을 큰 폭으로 향상시킬 수 있음을 보여준다. The net effect of the emitter orientation, Mie scatters, and pillow lenses on the outcoupling efficiency (OCE) of a bottom-emitting OLED having an internal photonic crystal layer was investigated by a combined optical simulation based on the finite-difference time-domain method (FDTD) and the ray-tracing technique. The simulation showed that when the emitter orientation was horizontal with respect to the OLED surface, the OCE could be increased by 54% when a photonic crystal layer was employed, while it could be improved by 86% under optimized conditions of Mie scatters and pillow lenses applied to the glass substrate. The peculiar intensity distribution of the OLED, caused by the periodic lattice structure of the photonic crystal layer, could be ameliorated by inserting Mie scatters into the glass substrate. This study suggests that conventional outcoupling structures combined with control of the emitter orientation could improve the OCE substantially.