[논문]LED 램프의 기본 설계이론

김선원; 송병기; 이성재

doi:10.3807/kjop.2002.13.4.324

초록
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LED 램프의 기본 설계이론을 제시하였다. 설계된 LED 램프에 사용된 reflecting cup과 렌즈는 몇몇의 설계 변수에 의하여 다양한 형태로의 모양의 변화가 가능하다는 특징을 갖는다. Monte Carlo 기법을 이용하여 설계된 램프를 해석한 결과 다양한 응용분야에서 요구되는 빔 패턴특성을 손쉽게 구현할 수 있음을 확인할 수 있었다.

The fundamentals of light-emitting diode lamp design are presented. The shapes of the reflecting cup and lens employed in LED lamps can be flexibly adjusted, over a relatively large range, by using a few parameters. The analysis of the designed lamps by Monte Carlo photon simulation shows that diver...

The fundamentals of light-emitting diode lamp design are presented. The shapes of the reflecting cup and lens employed in LED lamps can be flexibly adjusted, over a relatively large range, by using a few parameters. The analysis of the designed lamps by Monte Carlo photon simulation shows that diverse far-field beam patterns required in various application areas can be achieved.

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문제 정의

이에 비하여 lead형 LED 램프는 각종 기기 또는 건물의 외부에 부착되어, 비교적 멀리 떨어져 있는 detector나 사람을 대상으로 작동되는 것이 보통이기 때문에, 빔 패턴 특성이 중요하게 고려되어야만 한다. 따라서 본 논문에서는 주로 lead형에 적용이 가능한 LED 램프의 기본 설계이론을 제시하고자 한다.
본 논문의 가장 중요한 목표는 각종의 응용분야에서 요구되는 다양한 형태의 빔 패턴 특성을 구현할 수 있는 LED 램프의 설계이론을 확립하는 것이다. 이를 위한 가장 중요한 과정으로, 비교적 소수의 설계변수들을 간단히 조절함으로써, 넓은 범위에 걸쳐 다양한 모양으로 변화가 가능한 reflecting cup과 렌즈를 도입하였다.
사용했는데, 이 기법은 기본적으로 이미 LED 칩simulatio 위해 사용된 바 있다. 본 연구에서는 단지 기존에 개발된 LED 칩 해석용 프로그램에, 앞에서 도입된 reflecting cup과 렌즈 부분만을 추가했음을 밝힌다. 따라서 Monte Carlo 기넙의 구체적인 내용에 대해서는 인용된 문헌을 참고할 수 있을 것으로 판단되기 때문에, 여기에서는 그 기법의 골격만을 요약하기로 한다.
이상에서는 reflecting cup과 렌즈의 수평단면이 원형인 circular type 의 램프에 대하여 살펴보았지만, 이하에서는 컵과 렌즈의 수평단면이 타원인 oval type의 램프에 대해서 살펴보기로 한다. 일반적으로 oval type의 램프는 수평방향에 대한 빔 폭이 수직방향에 대한 빔 폭보다 훨씬 큰 특성을 갖고 있기 때문에, 옥외용 전광판 등에서 주로 사용된다.

가설 설정

와 같이 동일한 모양의 타원을 하고 있는 타원형 기등으로 가정하였다. 위에서 4와 G는 각각 수평단면 타원의 X와 y 방향으로의 반경을 의미한다.

제안 방법

LED 램프의 기본 설계이론을 제시하였다. 제안된 reflecting cup과 렌즈가 갖는 특징은 몇몇의 설계변수들에 의해 비교적 넓은 범위에 걸쳐서 그 모양이 다양하게 변화뇔 수 있다는 점이다.
그림 2. 제안된 LED 램프 구조. (a) 전체 보기, (b) 윗면 보기
설계이론을 확립하는 것이다. 이를 위한 가장 중요한 과정으로, 비교적 소수의 설계변수들을 간단히 조절함으로써, 넓은 범위에 걸쳐 다양한 모양으로 변화가 가능한 reflecting cup과 렌즈를 도입하였다. 다음으로 이들 reflecting cup과 렌즈들을 LED 칩과 결합시켜 램프를 구성한 후 Monte Carlo 기법을 이용하여 램프를 해석하였다.
여기서 특기할만한 점은 활성층의 임의의 점에서의 광자의 누적 생성 밀도가 상부 전극의 중심부터 생성지점까지의 거리에 반비례하도록 함으로써 전극의 중심에 가까운 지역일수록 너 많은 광자들이 생성되도록 하였다는 점이다. 다음으로 생성된 광자들의 생성 시점에서부터 램프 밖으로 빠져 나올 때까지의 구체적인 진행과정을, 광자의 재질 내에서의 흡수현상, 계면에서의 반사 및 굴절 현상 등을 난수 (random number) 를 이용하여 확률적으로 예측함으로써, 추적하게 된다. 만일 광자가 램프 밖으로 빠져 나오게 되거나 칩이나 램프 내에서의 진행과정 중에 흡수될 경우, 새로운 광자들을 칩의 활성층의 또 다른 지점에서 순차적으로 생성시킨 후 동일한 방법으로 추적하게 된다.

대상 데이터

컴퓨터 simulation에 사용된 LED 램프의 주요 설계 변수들을 살펴보면 다음과 같다: c*> = 10 mm, Cyo =1.0 mm, ch = 0.8 mm, Qx =40o, Qy+ = 40o, & = 40o, lx =4 mm, ly =4 mm, lb = 0.8mm, a=4. 설계 변수들에 대한 특별한 언급이 없는 경우, 위의 설계 변수들은 고정된 것으로 간주한다.

이론/모형

이를 위한 가장 중요한 과정으로, 비교적 소수의 설계변수들을 간단히 조절함으로써, 넓은 범위에 걸쳐 다양한 모양으로 변화가 가능한 reflecting cup과 렌즈를 도입하였다. 다음으로 이들 reflecting cup과 렌즈들을 LED 칩과 결합시켜 램프를 구성한 후 Monte Carlo 기법을 이용하여 램프를 해석하였다. Monte Carlo 기법은 기본적으로 충분히 많은 수의 광자들을 LED 칩의 활성층에 분산시켜 생성시킨 후 각각의 광자들을 난수 (random number) 를 이용하여 확률적으로 추적하는 방법을 이용하기 때문에, 일반적으로 정확성이 뛰어난 특징을 갖고 있어서 최근 들어 LED 칩 및 램프의 설계에 많이 사용되고 있다.
설계된 LED 램프를 해석하기 위한 방법으로 Monte Carlo 기법을 사용했는데, 이 기법은 기본적으로 이미 LED 칩simulatio 위해 사용된 바 있다. 본 연구에서는 단지 기존에 개발된 LED 칩 해석용 프로그램에, 앞에서 도입된 reflecting cup과 렌즈 부분만을 추가했음을 밝힌다.

성능/효과

LED 램프의 기본 설계이론을 제시하였다. 제안된 reflecting cup과 렌즈가 갖는 특징은 몇몇의 설계변수들에 의해 비교적 넓은 범위에 걸쳐서 그 모양이 다양하게 변화뇔 수 있다는 점이다. 설계된 LED 램프를 Monte Carlo 기법을 이용하여 해석한 결과 다양한 형태의 빔 패턴을 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.
제안된 reflecting cup과 렌즈가 갖는 특징은 몇몇의 설계변수들에 의해 비교적 넓은 범위에 걸쳐서 그 모양이 다양하게 변화뇔 수 있다는 점이다. 설계된 LED 램프를 Monte Carlo 기법을 이용하여 해석한 결과 다양한 형태의 빔 패턴을 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다. 본 논문에서 개발된 설계이론은 다양한 형태의 빔 패턴 특성을 필요로 하는 새로운 응용분야들에서 요구되는 LED 램프를 개발하는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

후속연구

현재 LED의 고출력화와 고효율화를 목표로 양질의 결정성장 및 칩 구조개발에 관한 활발한 연구가 진행됨에 따라 앞으로 고휘도 LED는 더 많은 응용분야게서 백열등을 점진적으로 대체해 나갈 것으로 예측된다.
예를 들어, 흔히 사용되고 있는 정방형 칩의 경우, 그림 6(a)에 보인 바와 깉 광자들이 모든 방향에 대하여 상대적으로 균등하게 분포되는데 비하여, 칩의 수평단면이 마름모인 경우에는, 그림 6(b)에 보인 바와 같이 광자들이 상대적으로 칩의 수평단면 마름모의 단축방향 쪽으로 집중됨으로써 전체적으로 타원형 형태의 원격장(far- field) 광자분포 패턴을 보여주고 있다. 이와 같은 타원 형태의 출력 광자의 분포 패턴은 수평 방향과 수직 방향에 대한 빔 폭의 비가 상대적으로 크게 요구되는 oval type의 램프를 구현하는데 좀 더 적합할 것으로 판단된다.
그림 14#는 추가적으로 dome profile의 차수 a가 방위각#와 #근처에서 peak 값을 갖게 한 경우로서, 수평방향에 대한 빔 패턴이 double-lobed 형태를 취하고 있음을 보여주고 있다. 그림 14에 보인 바와 같은 특수한 형태의 빔 패턴을 갖는 LED 램프는 설치장소가 지면으로부터 상대적으로 높으며 동시에 매우 넓은 시야각이 요구되는 전광판 등에서 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
설계된 LED 램프를 Monte Carlo 기법을 이용하여 해석한 결과 다양한 형태의 빔 패턴을 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다. 본 논문에서 개발된 설계이론은 다양한 형태의 빔 패턴 특성을 필요로 하는 새로운 응용분야들에서 요구되는 LED 램프를 개발하는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (5)

S. Lee, “Efficiency enhancement in light-emitting diodes based on geometrically deformed chips,” Proc. of SPIE, vol. 3621, pp. 237-248, San Jose, California, Jan.1999.
F. Kishi, F. Steranka, D. DeFevere, D. Vanderwater, K. Park, C. Kuo, T. Osentowski, M. Peanasky, and J. Yu, R. Fletecher, D. Steigerwald, M. Craford, V. Robins, “Very highefficiency semiconductor wafer-bonded transparent-substrate (Al _x Ga _{1-x} ) _{0.5} In _{0.5} P/GaP light-emitting diodes,” Appl. Phys. Lett., vol. 64, pp. 2839-2841, May. 1994.

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M. Krames, M. Ochiai-Holcomb, G. Hofler, C. Carter-Coman, E. Chen, I. Tan, P. Grillot, N. Gardner, H. Chui, J. Huang, S. Stockman, F. Kishi, M. Craford, T. Tan, C. Kocot, M. Hueschen, J. Posselt, B. Loh, G. Sasser, and D. Collins, “High-power truncated-inverted-pyramid (Al x Ga 1-x ) 0.5 In 0.5 P/GaP light-emitting diodes exhibiting >50% external quantum efficiency,” Appl. Phy. Lett., vol. 75, pp. 2365-2367, Oct. 1999.

상세보기
S. Lee, “Analysis of light-emitting diodes by Monte Carlo photon simulation,” Appl. Opt., vol. 40, pp. 1427-1437, Mar. 2001.

상세보기
S. Lee, “LED lamp design by Monte Carlo photon simulation,” Proc. of SPIE, vol. 4278, pp. 99-108, San Jose, California, Jan. 2001.

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