[논문]고출력 LED 모델링 및 광학적 특성 분석

한정아; 김종태

doi:10.3807/hkh.2007.18.2.111

고출력 LED 모델링 및 광학적 특성 분석
Modeling and Analysis of Optical Property for High Power LED 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.18 no.2, 2007년, pp.111 - 116

한정아 (부경대학교 화상정보공학부) , 김종태 (부경대학교 화상정보공학부)

초록
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새로운 광원으로 각종 조명장치에 응용이 되는 고출력 LED 광원의 물리적 구조로부터 시뮬레이션을 통하여 광학적 특성을 분석하였다. 설계한 LED 광원이 신뢰할 수 있는 결과를 얻기 위하여 die chip과 reflector cup의 구조적 특성을 변화시켰으며. 그 결과 Lambertian 형태의 배광 분포를 가지며. 반치 폭(Viewing angle)은 $140^{\circ}$, Total Included Angle은 $160^{\circ}$를 갖는 고출력 LED 광원을 설계하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A high power LED which is being used in many illumination applications as a new light source was simulated for its physical structure and then its optical properties were analyzed. To obtain accurate results from the designed LED model, properties of the die chip and reflector cup were varied. As a result, a high power LED model which has a radiation pattern of a Lambertian with its viewing angle of approximately $140^{\circ}$ and total included angle of $160^{\circ}$ was designed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 Lumileds, LXHL_PM01과 동일한 광학적 특성을 갖는 모델을 제조회사의 스펙(Data-sheet)에 기초하여 설계하였으며, 시뮬레이션을 통하여 설계한 LED의 광학적 특성을 분석해 보았다. 그 결과, 설계한 LED 광원은 제조회사의 Data-sheet의 LED spec과 배광 분포 오차 범위가 3.

제안 방법

설계한 led의 광속은 53[lm]으로 설정하였고, 중심 파장이 530 nm이고 선폭(FWHM)이 35 nm인 Green 파장을 선택하였다.[10-12]기 이렇게 완성한 LED 광원에 Far Field Receiver를 두어 광선 추적한 결과를 살펴보았고, 시뮬레이션 결과로 얻어진 광도와 배광분포 그래프, CIE 색 좌표 등을 통하여 설계한 LED의 광학적 특성을 분석해 보았다.
따라서 본 연구에서는 LED 광원의 광학적 특성을 정확히 구현함으로서 2차 광학계(Secondary Optics)설계시 광원에 의한 오차를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 용도의 조명용 광원으로 이용될 수 있는 고출력 LED 광원을 상용 조명 설 계프로그램인 ORA사의 LightTools를 이용하여 모델링하고, 시뮬레이션을 통해 LED 광원의 배광분포 등의 광학적 특성을 분석하였다.
따라서 먼저 렌즈와 반사 컵, LED 칩을 제작사의 자료를 토대로 기본배치를 한다. 제조회사의 Data-sheet와 비교해서 더욱 정확한 모델링 결과를 얻기 위해 die, reflector cup, 렌즈의 반사율, 크기 각각의 위치관계 및 광학적 특성을 정의한 후,LED 칩과 반사 컵을 실제 모델과 근접한 위치에 배치한다. 그런 다음, 실제 모델과 외형적 형태가 같도록 컵 렌즈를 설계한다.

대상 데이터

본 논문에서 기본 모델이 된 LED는 Lumileds의 Luxeon emitter type이며 빛의 배광형태가 Lambertian인 Green LED 를 선택하였다.'이 그림 1과 그림 2, 표 1은 선택한 고출력 LED 의 스펙과 배광분포 및 Luxeon emitter LED 의 광학적 특성을 나타내고 있다.
그런 다음, 실제 모델과 외형적 형태가 같도록 컵 렌즈를 설계한다. 설계한 led의 광속은 53[lm]으로 설정하였고, 중심 파장이 530 nm이고 선폭(FWHM)이 35 nm인 Green 파장을 선택하였다.[10-12]기 이렇게 완성한 LED 광원에 Far Field Receiver를 두어 광선 추적한 결과를 살펴보았고, 시뮬레이션 결과로 얻어진 광도와 배광분포 그래프, CIE 색 좌표 등을 통하여 설계한 LED의 광학적 특성을 분석해 보았다.

성능/효과

(Lmileds, LXHL_PM01)과 모델링 한 LED(LT Model)의 배광 분포를 서로 비교하여 나타내고 있다. LED Spec과 모델링 한 LED의 오차범위가3.51%인 점을 감안할 때, 모델링 한 LED와 LED Spece 거의 일치하고 있음을 알 수 있다.
본 논문에서는 Lumileds, LXHL_PM01과 동일한 광학적 특성을 갖는 모델을 제조회사의 스펙(Data-sheet)에 기초하여 설계하였으며, 시뮬레이션을 통하여 설계한 LED의 광학적 특성을 분석해 보았다. 그 결과, 설계한 LED 광원은 제조회사의 Data-sheet의 LED spec과 배광 분포 오차 범위가 3.4% 이고 배광 분포 형태, 반치 폭(Viewing Angle), Total Included Angle, 그리고 색도 좌표등의 결과가 제조회사의 데이터와 거의 일치하고 있음을 알 수 있었다. 또한 시뮬레이션 분석 작업을 통하여 LED 광원을 설계할 때, Data-sheet에 기초한 정확한 데이터 입력과 적절한 재질 및 광학적 특성을 선택하여야 신뢰할 수 있는 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
4% 이고 배광 분포 형태, 반치 폭(Viewing Angle), Total Included Angle, 그리고 색도 좌표등의 결과가 제조회사의 데이터와 거의 일치하고 있음을 알 수 있었다. 또한 시뮬레이션 분석 작업을 통하여 LED 광원을 설계할 때, Data-sheet에 기초한 정확한 데이터 입력과 적절한 재질 및 광학적 특성을 선택하여야 신뢰할 수 있는 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 따라서 신뢰할 수 있는 결과를 얻기 위해서는 LED 광원의 광학적 특성을 충분히 분석하는 것과 정확하게 LED 를 모델링하는 작업을 반복하여 그 오차를 줄여 나가도록 해야 한다.
그림 10은 CIE X, y 색 좌표를 나타내고 있으며, 초기에 설정한 530 nm 부분에 출력 좌표가 타점된 것을 알 수 있다. 타점된 CIE X, y색도점을 바탕으로 하여 주파장(Dominant wavelength)을 구해 본 결과, LED 모델링 초기에 설정하였던 peak wavelength 530 nm와 거의 일치함을 알 수 있었다. 그림 11은 Far field receiver를 통해 광선을 추적한 결과를 3D Raster chart로 나타내었다.

후속연구

그러나 이 설계 데이터에는 LED에 사용된 물질의 재질에 관한 정보는 제공하지 않기 때문에 입력한 물질의 재질의 종류와 반사율, 그리고 투과율과 같은 물질의 특성에 따라 설계 데이터에 명시된 특성과는 전혀 다른 성능을 가진 LED가 모델링 될 수 있다. 따라서 더욱 정확한 시뮬레이션 결과를 얻기 위해서는 실제 LED에 근접하게 외형을 설계한 뒤 가능한 die chip의 크기, 반사 컵 및 실리콘 렌즈 등의 각 특성에 맞는 적절한 재질을 선택해야 하며 그 외에 광속, 투 과율과 반사율, 파장 등의 광학적 특성을 나타내는 데이터 입력이 필요하다.
이렇게 완성된 LED 광원을 이용하여 다양한 조명 광원으로의 응용이 가능할 것이다. 또한 렌즈 형태의 변화 및 2차 광학계(Secondary optics)를 이용하여 원하는 배광 분포를 갖도록 광학적 특성을 향상시킨 LED 광원으로의 응용이 가능하게 될 것이다.

참고문헌 (12)

홍창희, 전북대학교 반도체 물성 연구소, '고휘도 LED의 연구 개발 동향', 한국조명전기설비학회지: 조명전기설비, 1225-1135, 제18권 3호, pp. 3-10, 2004
ISENA National conference 2004 LED Paper, 'The Emergence of LEDs-Luminance to Illumination'
Daniel A. Steigerwald, Jerome C. Bhat, Dave Collins, Robert M. Fletcher, Mari Ochiai Holcomb, and Michael J. Ludowise, Member, IEEE, Paul S. Martin, and Serge L. Rudaz, 'Illumination With Solid State Lighting Technology,' IEEE journal on selected topics in quantum electronics, vol. 8, no. 2, MARCH/APRIL 2002

상세보기
Gerard Harbers and Christoph Hoelen, 'LP.2: High Performance LCD Backlighting using High Intensity Red, Green and Blue LED,' Society for Information Display (SID) International Symposium 2001: Digest of Technology Paper

상세보기
류기호, '고휘도 White LED의 기술개발동향과 특허동향', 한국특허정보원, 2005. http://library.etri.re.kr/library/servlet/NationTaskSrch?mode62
기획리포트, '백색 LED' [기술 동향], 한국전자산업진흥회, 2002, http://www.gokea.org/neweiak/search_result.htm
Ryer, Alex. 1998. Light Measurement Handbook. Newburyport, MA: International Light. Available at http://www.intl-light.com/handbook/
Dr. Mark Rea and Dr. John Van Derlofske of Lighting Research Center; Dr. William Cassarly and Stuart David of Optical Research Center. 2000. Illumination Fundamentals. Available at http://www.opticalres.com/lt/illuminationfund
www.lumileds.com
LightTools Seminar Notes, 'LED Modeling Pros and Cons of Various Approaches,' ORA, 2001
LightTools Seminar Notes, 'Illumination Module Seminar,' ORA, 2000
Arthur Davis, Reflexite Display Optics, Technical Paper, 'Microstructured Optics for LED Applications,' October, 2002

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