[논문]LED의 광효율 최적설계에 관한 연구

송영재; 홍민성

LED의 광효율 최적설계에 관한 연구
A Study on the Optimal Design for Optical Efficiency of LED 원문보기

송영재 (아주대학교 산업대학원 기계공학과) , 홍민성 (아주대학교 기계공학부)

In this paper, it was attempted to analyze the optimal design of light emitting diode (LED), a source of back light unit (BLU). LED is beginning with commercialized red LED which is made by GaAsP compound semiconductor, and has been developed focusing on liquid crystal panel. In order to get the optimal design, optical simulation was made by analyzing luminosity shape, reflector angle, chip depth, and chip position of LED lighting. Final results show that the proposed LED characteristics were useful to increase light efficiency and it has been proven by distribution chart for actual exposed light on the light guide panel (LGP).

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 BLU의 광운』인 LED의 설계 및 분석에 의하여 LED의 광학적 특성을 분석하고, LED 광원의 설계요소인 Reflector, Depth, Chip 형태, Chip의 위치 등을 이용하여 최적설계를 시도하고자 한다.
본 연구는 BLU 디스플레이 분야에서 LED의 채용률이 높아지고 있는 가운데 LED의 구조 최적화를 통한 광특성 향상 을 위하여 Luminosity Shape, Reflector Angle, Depth, Chip 의 위치를 분석하였다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론에 도달하였다.

가설 설정

(3) LED Chip의 Ray의 Powei.가 감소하는 것을 막기 위하여최대한 LED 내부에서 빛이 충돌되는 횟수를 최소화시켜야 한다.

제안 방법

LED의 Depth에 따른 광효율 특성을 시험하고자 Table 6과같이 3가지 경우의 Depth를 시험하였다. 동일한 Reflector Angle을 가지고 있으면서 Depth가 각기 다른 경우 LED의 X-X(장축), Y.

성능/효과

(2) LED Chip 위치에 따라 지향특성이 달라지지는 않았지만 Chip에서 나오는 Ray가 Chip 에서 가까운 Reflector에 더많이 충돌하는 현상이 나타났고, 이 현상으로 인하여 LED Chip이 위치한 반대방향으로 빛이 더 추출되는 지향특성이 나왔다. 또한 Reflector에 가까울수록 Reflector에 의한 Power의 감소로 인하여 휘도 특성이 저하되는 것이 확인되었다.
(4) 최종 해석 결과를 토대로 도광판을 제작하고 지향 특성 시뮬레이션 결과와 비교한 결과 98%의 유사성이 확인되었다. 또한 최종 설계에 대한 광 해석 결과 초기 100% 추출 Power에서 최종적으로 88%의 광효율을 얻을 수 있었다.
보면 Reflector Angle 이 클수록 Ray의 경로가 Reflector에 충돌하고 발광부 상부로 이동하는 양이 상당히 증가되는 것을 볼 수 있었다. 그리고 이 결과는 LED의 지향특성에서도 그대로 반영되어 지향각이 줄어들었다.
11에서와 같이 Depth가 낮을수록 LED 광효율은 더 우수한 것으로 나타났다. 그 이유는 LED Chip에서 나오는 Blue Ray가 LED Reflector에 충돌하는 횟수가 그만큼 감소함에 따라 Blue Power의 양이 줄어들어 효율이 향상되는 것으로 확인되 었다.
8과 같이 Chip과 Reflector Angle부분의 형상이 가까울수록 광속 특성이 저하되었다. 그 이유는 LED에서 적용되는 Reflector 재료의 반사율이 90% 수준이므로 Chip과 근접 할수록 Reflector 에 충돌하는 횟수가 증가하여 LED Blue Ray Power가 감소하여 효율이 낮아졌다. 또한 형상별로 Reflector에 충돌하고 나오는 LED Ray의 경로가 달라져 각기 다른 지향 특성이 나오는 것으로 확인되었다.
그 다음으로는 풍부한 색재현성 또는 연색성과 높은 명암비를 얻을 수 있다. 기존 냉음극 형광램프을 사용한 경우 NTSC 기준으로 70%에 불과하던 Color Gmut이 RGB 3색을 혼합하여 백색을 구현하는 경우에는 100% 이상에 달하여 현존하는 모든 디스플레이를 통틀어 가장 우수한 색 재현성을 얻을 수 있다(CRT TV 85〜90%, 냉음극 형광램프 방식은 LCD TV 70% 수준)⑵
않았다. 단, Chip에서 나오는 Ray가 Chip에서 가까운 Reflector에 더 많이 충돌하는 현상이 나타났고, 이 현상으로 인하여 LED Chip이 위치한 반대방향으로 빛이 더 추출되는 지향특성이 나왔다. 즉, 빛이 출사되는 것이 좌우 대칭이 아닌비대칭 현상으로 빛이 나오는 것이 확인되었다.
Reflector Angle이 클수록 Ray의 경로가 Reflector에 충돌하고 발광부 상부로 이동하는 양이 상당히 증가되는 것을 볼 수 있었다. 또한 Depth가 낮을수록 LED 광효율은더 우수한 것으로 나타났다.
나왔다. 또한 Reflector에 가까울수록 Reflector에 의한 Power의 감소로 인하여 휘도 특성이 저하되는 것이 확인되었다.
14-15 참조) 이를 Table 9와 같이 지향 특성 시뮬레이션 결과와 비교하여 98% 유사성이 확인되었다. 또한 최종설계에 대한 광 해석 결과 초기 100% 추출 Power에서 최종적으로 88%의 광효율을 얻을 수 있었다.
14-15 참조) 이를 Table 9와 같이 지향 특성 시뮬레이션 결과와 비교하여 98% 유사성이 확인되었다. 또한 최종설계에 대한 광 해석 결과 초기 100% 추출 Power에서 최종적으로 88%의 광효율을 얻을 수 있었다.
그 이유는 LED에서 적용되는 Reflector 재료의 반사율이 90% 수준이므로 Chip과 근접 할수록 Reflector 에 충돌하는 횟수가 증가하여 LED Blue Ray Power가 감소하여 효율이 낮아졌다. 또한 형상별로 Reflector에 충돌하고 나오는 LED Ray의 경로가 달라져 각기 다른 지향 특성이 나오는 것으로 확인되었다.
즉, 빛이 출사되는 것이 좌우 대칭이 아닌비대칭 현상으로 빛이 나오는 것이 확인되었다. 또한 Reflector에 가까울수록 Reflector에 의한 Power의 감소로 인하여 휘도 특성이 저하되는 것이 확인되었으며, Fig. 13을 통하여 광속은 X-X축의 Reflector 영향이 Y-Y측의 Reflector 영향보다 크다는 것을 알 수 있었다.
단, Chip에서 나오는 Ray가 Chip에서 가까운 Reflector에 더 많이 충돌하는 현상이 나타났고, 이 현상으로 인하여 LED Chip이 위치한 반대방향으로 빛이 더 추출되는 지향특성이 나왔다. 즉, 빛이 출사되는 것이 좌우 대칭이 아닌비대칭 현상으로 빛이 나오는 것이 확인되었다. 또한 Reflector에 가까울수록 Reflector에 의한 Power의 감소로 인하여 휘도 특성이 저하되는 것이 확인되었으며, Fig.
최종 해석 결과를 토대로 도광판(light guide panel)을 제작하고(Fig. 14-15 참조) 이를 Table 9와 같이 지향 특성 시뮬레이션 결과와 비교하여 98% 유사성이 확인되었다. 또한 최종설계에 대한 광 해석 결과 초기 100% 추출 Power에서 최종적으로 88%의 광효율을 얻을 수 있었다.

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