LED를 이용한 면광원장치의 설계 및 제작 = Design and Fabrication of a Panel Lighting System Using the LED

국문 초록 (Abstract)

에디슨에 의해 백열전구가 발명된 이후로 많은 연구자들에 의해 여러 형태의 광원이 개발되었다. 이러한 광원들은 그 형태에 따라 점광원, 선광원 그리고 면광원으로 분류될 수 있다.[1] 점광원은 빛을 발하는 근원을 점으로 생각한 것으로 가상적인 것이지만 실제로는 백열전구나 아크등같이 발광면적이 비교적 작은 광원, 즉 광학상 근사적으로 점이라 간주할 수 있는 광원을 말한다. 이러한 광원은 단위 면적당 발생하는 빛의 양이 많아 휘도가 높아 눈부심이 강한 특징을 갖고 있고, 그 광원으로부터 임의의 거리에 있는 면의 조도는 거리의 제곱에 반비례하여 감소하므로 실내에서의 고른 조명을 실현하기가 용이하지 않다.
선광원은 하나의 긴 선으로 보일 정도로 너비에 비해 길이가 상당히 긴 빛을 내는 광원으로서, 1938년도에 개발이 이루어진 형광등이 대표적인 선광원이라 할 수 있다. 선광원은 점광원에 비해 비교적 휘도에 대한 눈부심이 적은 특성을 갖는다.
면광원은 점광원에 대응 되는 것으로 2차원의 면으로부터 광이 방출되는 구조를 갖는다. 현재 주로 사용되는 면광원은 1차 광원으로 형광등 같은 선광원을 몇 개 나란하게 나열하여 만드는 루미패널이라는 것과 젖빛 유리나 아크릴 등의 패널 뒤에 램프나 전구와 같은 광원을 널어놓아 균일하게 비추도록 하는 것이 있다. 1963년도에는 가장 이상적적인 형태라 할 수 있는 전기장 발광을 이용한 EL램프가 개발되었다.[2～4] 많은 연구자들은 EL램프가 가장 이상적인 형태의 조명광원이 될 것이라는 기대를 가지고 활발하게 연구를 진행하였다. 그러나 당시의 기술로는 EL램프의 핵심소재인 형광체의 수명을 개선하는 기술과 형광체의 발광효율을 높이는 기술을 실현하는데 성공하지 못했다.[5] 1980년대 이후에 STN LCD가 디스플레이로 사용되기 시작하면서 이것이 필요로 하는 백라이트에 EL램프가 사용되면서 다시 많은 연구자들의 관심을 받게 되었다.[6] 그러나 LCD디스플레이의 흐름이 STN LCD에서 TFT LCD로 변환되면서 고휘도의 백라이트가 요구되자 EL램프대신 도광판방식의 백라이트가 새롭게 백라이트의 자리를 차지하면서 EL램프는 연구자들의 관심에서 멀어지게 되었다. TFT LCD에 사용되는 도광판방식의 백라이트에는 CCFL이 광원으로 사용된다. 고휘도를 달성하기 위한 목적으로 도광판방식의 백라이트에 사용되는 CCFL은 휘도가 높고 비교적 이상적인 형태의 선광원이지만 그 동작원리상 수은을 사용하여야하는 특징을 갖는데, 이것이 환경오염의 원인이 될 수 있어 최근에는 유럽 등에서 CCFL의 사용을 규제하고 있다. 그래서 환경오염의 염려가 없는 LED로의 교체가 필요하게 되었다.[7] 다행히 LED의 기술이 급속하게 발전되어 고휘도를 실현한 백색 LED가 개발됨으로써 현재는 CCFL에서 LED로의 대체가 급속하게 진행되고 있다. LED는 수명이 100,000시간정도로써 CCFL의 10,000시간 보다 10배정도 길어 고 신뢰성을 요구하는 장치의 광원으로써 적합하다. 현재는 휴대폰과 같이 소형화를 추구하는 전자 시스템의 표시장치에는 CCFL보다 소형화가 용이한 chip형태의 LED를 사용하는 것이 보편화되어 있다. 하지만 chip형태의 LED를 광원으로 사용하면 광 입사부 근처에 암부가 발생하게 된다.[8] 이를 해결하기 위해서 LED로부터 일정한 거리까지는 가려서 암부가 노출되지 않도록 처리하기도 하는데, 이렇게 하면 유효발광면적이 줄어드는 문제를 피할 수 없게 된다. 면광원의 표면에 암부영역이 발생하는 문제점을 해결하기 위해서는 점광원인 LED를 선광원화 하여야 한다.
따라서 본 논문에서는 LED를 채용한 면광원을 구현하고 이를 위해 필요한 도광판의 설계 및 제조하는 기술과 함께 LED의 선광원화를 위해 필요한 선형 렌즈의 구현을 위한 기술을 개발하고자 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Many researchers have been studying several types of a light source.
In 1963, EL lamp was developed for the purpose of the area light source. But it had some weaknesses as like a short life time and a low brightness.
In recent, the LED was developed and adopted as the light source of the back light. The LED has a long life time of 100,000 hours and high reliability. The LED is one of the spot light sources, so that it causes the dark area in the surface of the back light units. To solve this problem, the spot light source of the LED must be converted into a line light source.
In this paper, a panel light source was realized by adopting the LED and the techniques of the design and fabrication of the light guide panel were developed to do that and also a line type lens was realized. The light guide panels must have a proper pattern to reflect the light comes from the light source. The design rule to design this pattern was developed by using the optical theory. The optical pattern to reflect the incidence light in the light guide panel was designed by using this design rule and it was applied to the area light source.
The method of the pattern fabrication which is the most important in the design of the LGP was converted from the V- cutting method which is commonly used into the dashed line method. This newly developed method provided a good uniformity in the brightness of the LGP, which was a very difficult problem to be solved in the V-Cutting method. The experiment result of the newly designed LGP shows the brightness which is 20% higher than the commercial products.
A suitable arrangement has been proposed for the lens structure to convert efficiently a spot light source into a line light source. Such arrangement contained two parts; one is the light guiding part which has the function guiding the light into the lens parts. The other is the lens part condensing the light comes from the light guide part. To obtain same light characteristics of the CCFL which is commonly used in the back light units, the lens should have the height which is smaller than 5 times and larger than 4/3 times of the curvature.
The LED combined with the lens designed by this condition can be used for the panel light source that does not make the dark area.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 = 1
• Ⅱ. 면광원용 도광판의 설계 = 3
• 1. 면광원의 구조 및 역할 = 3
• 2. 도광판의 패턴설계식의 도출 = 4
• 1) 반사 율에 의한 패턴 설계 = 6
• 2) 패턴 의 간격 설계 = 8
• 3) 패턴 의 영역별 광 방출 계산 = 9
• 4) 각 영역별 패턴의 간격설정 = 14
• 3. 설계식의 검증 = 14
• Ⅲ. 도광판의 광반사 구조체의 제작 = 19
• 1. 광반사 구조체의 가공 방법 = 20
• 2. Tip의 각도에 따른 광 방출 특성 = 24
• 3. 광반사 구조체의 설치방법 = 28
• Ⅳ. LED의 선광원화를 위한 lens의 구현 = 34
• 1. LED의 선광원화를 위한 lens의 설계 = 34
• 2. LED의 선광원화를 위한 lens의 제작 = 35
• Ⅴ. 결론 = 43
• 참고문헌 = 45
• ABSTRACT = 46