[논문]광 확산용 2차 렌즈 설계 기술 연구

주원돈; 오상현

doi:10.5207/jieie.2012.26.6.001

광 확산용 2차 렌즈 설계 기술 연구
The Research of the 2nd Lens Design for Wide Angle Distribution 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.26 no.6, 2012년, pp.1 - 7

주원돈 (삼성전자) , 오상현 (한국산업기술대학교 지식기반기술.에너지대학원 광-나노학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently an optical diffusion of LED lamps has been studied actively. In this paper, the second lens applied to a cover of the LED lamp was analytically designed to having a wide angle distribution of light without diffuser characteristic by dispersing agent. In this process, We found a major factors that can help improve the performance of the lens. It is the refractive power of the lens, the Mie particle density of phosphor, and the arrangement of the LED. Through the final simulation, we can see the LED lamp is possible to get wide angle light distribution by proper source modeling and second lens designing. Also, we can see this simulated results are entirely consistent with measured data for light distribution. In this research, we present the shape of the second lens with wide angle distribution and derive the important factors for the second lens design.

주제어

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문제 정의

그림 2는 r₂값의 변화(Δr₂)에 따른 굴절력(D')의 변화를 그래프로 나타낸 그림이다. 그림과 같이 r₂값이 줄어들면서 렌즈의 형태가 Negative Lens의 형태를 갖게 되는데 Negative Lens의 특성상 광선속을 발산하는 특성을 갖기 때문에 본 연구의 목적인 배광 각도를 넓히기 위한 방법으로 Negative Lens의 형태를 갖도록 설계하는 것이 적합하다고 할 수 있다.
본 논문에서는 램버시안 형태의 배광분포로 125[°]의 시야각을 가지는 C사의 LED를 기본 모델로 삼고 그 특성에 맞게 모델링 하였으며 본 논문에 적용한 LED의 제원을 표1에 정리하였다.

제안 방법

2차 렌즈 설계 시 광원에 의한 오차를 최대한 줄일 수 있도록 광학적 특성을 고려하여 LED 광원을 모델링하였고, 설계된 2차 렌즈의 성능을 향상시키기 위한 LED의 최적 위치를 도출해 냄으로써 최적 설계에 대한 요소를 확보하는 동시에 렌즈 형상에 따른 LED 배치의 중요성도 언급하였다[4].
2차 렌즈의 제작에 들어가기 전에 앞에서 도출한 최적의 위치에 LED 및 2차 렌즈를 배치하고 LED 램프의 형태로 재구성한 후 최종적으로 시뮬레이션하였다. 시뮬레이션 결과, 배광 분포가 150[°]이상이며 광 효율은 89.
Array R값은 19∼26[mm]까지 0.5[mm] 단위로 배열하여 분석하고, 광축 Shift에 따른 배광 분포 변화 분석은 LED를 배열한 원의 중심인 xyz(0,0,0)을 기준으로 하여 ±1[mm]까지 0.2[mm] 단위로 Shift시키면서 분석하였다.
광각의 배광 분포를 갖는 2차 렌즈를 설계하기 위해 양면이 구면이고 곡률의 부호가 같은 오목 메니스커스(- meniscus) 렌즈 형태를 적용하고자 한다.
LED를 조명 용도에 효율적으로 적용하기 위해서는 조명 공학적 목표 배광을 설정하고, 이를 실현하기 위한 광학설계 및 광 효율 극대화 기술이 필요하다[3]. 따라서 본 연구에서는 광 효율을 감소시키는 원인 중 하나인 확산제에 의한 Diffuser 특성을 적용하지 않고 2차 렌즈의 형상만으로 광각의 배광 분포를 구현할 수 있도록 렌즈를 설계하여 LED 램프의 적용하였다.
렌즈의 중심 부분과 가장자리 부분의 두께 차이가 크기 때문에 발생할 수 있는 제품의 수축 문제, 렌즈의 중심 부분의 두께가 얇기 때문에 발생할 수 있는 수지의 흐름문제 그리고 r₂값이 줄어듦에 따라 제품을 취출 시 발생할 수 있는 제품 파손 문제 등을 고려하여 설계하였다.
설계된 2차 렌즈를 사출성형을 통해 제작하였고 시 사출한 2차 렌즈를 Mock-up으로 제작된 램프의 기구부에 장착하여 성능 평가하였다. 배광 성능을 평가하기 위해서 한국광기술원에 배광 시험을 의뢰하였다. 그림 13은 제작한 2차 렌즈가 장착된 LED램프 형상으로 시험결과 배광 분포는 그림 14와 같고, 광 효율은 88.
설계된 2차 렌즈를 사출성형을 통해 제작하였고 시 사출한 2차 렌즈를 Mock-up으로 제작된 램프의 기구부에 장착하여 성능 평가하였다. 배광 성능을 평가하기 위해서 한국광기술원에 배광 시험을 의뢰하였다.
여러 형태의 배열이 존재하겠지만 본 연구에서는 LihgtTools라는 조명설계 프로그램을 이용하여 8개의 LED를 r₁의 중심을 지나는 단면에 원형 배열하고 그 원의 R값을 변화시켜 효율대비 넓은 배광분포를 갖는 배열을 찾아내고, 그 위치에서 광축 방향으로 Shift에 따른 배광 각도 변화를 분석함으로써 가장 최적의 LED 위치를 도출하였다.
위와 같은 방법을 바탕으로 광학계 설계프로그램인 Zemax를 이용하여 벌브 형 LED 램프에 적합한 2차 렌즈를 설계하였다.
그림 9는 최종적으로 모델링된 LED의 4면 레이아웃이고, 그림 10은 모델링된 LED의 배광 분포 형태를 나타낸다. 제조사가 제시한 배광분포인 그림 5와 모델링을 통하여 구한 배광 분포인 그림 10의 배광분포가 유사함을 볼 수 있으며, 이에 따라 2차 렌즈의 성능 시뮬레이션 및 분석을 위해 필요한 광원을 확보하였다.
조명 설계 프로그램인 LightTools를 이용하여 LED의 주요 구성 요소인 몰드, 리드프레임 및 실리콘 렌즈의 형상 등을 모델링한 후 실제 측정된 데이터를 토대로 Chip 및 형광체를 모델링 한다. 모델링된 각각 구조의 재질 특성에 알맞은 광학적 특성 (굴절률, 반사율, 흡수율, 투과율 등)을 정의하고 광속 및 스펙트럼 데이터를 제시된 제원에 적합하게 시뮬레이션하는데, 이 과정에서 형광체의 Mie Particle Density라는 요소가 변화함으로써 LED의 발광 특성에 영향을 미치게 된다.
현재 많이 상용화 되어있는 일반적인 벌브형태를 유지하기 위해서 본 연구에서는 2차 렌즈의 두께 t 값을 고정한 후 렌즈의 내부 곡률 r₂값을 변수로 설정하고 변수의 변화(Δr₂)에 따른 굴절력(D')의 변화된 값을 도출하였다.

대상 데이터

LED 모델링에서 도출된 최종적인 Mie particle density는 9.0 × 106 (1/mm3)이고, 2차 렌즈 곡률 r₂값은 중심과 Edge의 두께 비가 3.75가 되는 29[mm]를 선택하였다.
r₂값의 선정은 중심 두께와 Edge 두께의 비가 3 이하일 때 사출이 용이하고 최대 3.75까지 가능하다 하여 그 비가 3.75인 29[mm]로 선택하였다.

데이터처리

최종적으로 시뮬레이션을 통해 최적화된 2차 렌즈 및 LED 램프를 제작하고 성능평가를 통하여 비교분석하였다.

성능/효과

결국 확산제 특성을 갖는 Diffuser를 사용하지 않고 2차 렌즈의 설계 기술을 통하여 광각의 배광 분포를 갖는 LED 램프의 구현이 가능함을 볼 수 있었다.
기본적으로 제시된 C사의 LED 제원에 가장 적합한 발광 특성 데이터를 도출해 낸 결과, Mie Partical Density가 9.0 × 106 (1/mm3)일 때, 광속은 139.42248[lm], CCT(Correlated color temperature)는 6665[K]로 모델링한 LED의 성능이 실제 LED의 성능과 거의 유사하다는 것을 알 수 있었다.
본 논문의 연구를 통하여 광원의 모델링에 주요 발광 특성인 광속과 Spectrum은 Mie particle density의 조절을 통하여 확보할 수 있음을 알 수 있었으며, 광각의 배광 분포와 높은 광 효율 확보는 2차 렌즈의 형상 및 LED의 배열을 통하여 확보할 수 있음을 알 수 있었다.
본 연구를 통해 도출된 인자들을 활용하여 제작 측정한 결과 값과 시뮬레이션 결과 값을 비교 분석한 결과, 배광 분포가 150[°]정도로 유사함을 알 수 있었으며, 광 효율은 88.02[%]로 시뮬레이션 값과 약0.99[%]의 Error율을 갖는 것을 알 수 있었다.
시뮬레이션 결과, 배광 분포가 150[°]이상이며 광 효율은 89.303[lm/W]인 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현존하는 백열등 대체용 LED 램프는 어떤 방법을 이용하여 배광을 향상시키고 제어하고 있는가?	등 기구는 효율 향상뿐만 아니라 배광을 향상시키고 제어하는 부분이 매우 중요하여 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 현존하는 백열등 대체용 LED 램프들을 살펴보면 PCB기판을 다양하게 하여 LED를 배치하거나 커버에 임의로 확산 특성을 주는 방법이 주를 이룬다.
	본 실험에서 2차 렌즈를 Mock-up으로 제작된 램프의 기구 부에 장착하여 성능 평가를 하고, 측정된 배광분포가 시뮬레이션에서 보여줬던 램 버시안 형태의 배광 분포가 아닌 중심 부분이 약간 들어간 Batwing형태의 분포를 나타내고 있는 이유는?	이 문제의 원인은 웰드라인에 의한 광 손실로 판단된다. 사출성형 시 제품 하단 면에서 상측으로 수지가 채워져 올라가게 되는데 이 때, Gas가 상측 가운데로 몰리게 된다. 이 과정에서 웰드라인이라는 물결형상의 무늬가 발생하는데, 이로 인한 광 손실이 발생하면서 Batwing형태의 분포를 띄게 된 것으로 여겨진다. 특히, 중심과 Edge의 두께 비를 3.75로 크게 선택함으로 인하여 수축에 의한 웰드라인이 발생되었다고 예상된다.
	LED를 조명 용도에 효율적으로 적용하기 위해 필요한 기술은 무엇인가?	LED를 조명 용도에 효율적으로 적용하기 위해서는 조명 공학적 목표 배광을 설정하고, 이를 실현하기 위한 광학설계 및 광 효율 극대화 기술이 필요하다[3]. 따라서 본 연구에서는 광 효율을 감소시키는 원인 중 하나인 확산제에 의한 Diffuser 특성을 적용하지 않고 2차 렌즈의 형상만으로 광각의 배광 분포를 구현할 수있도록 렌즈를 설계하여 LED 램프의 적용하였다.

참고문헌 (11)

Hyeon Jung Jung , "2012 LED Industrial Inflation?", Energy Economics, 2012.
Hee Min Ahn, "This year a lot of favorable factor in the LED Market.", Energy Economics, 2012.
Chol Kon Chee, Hoon Kim, Chin Woo Yi, "Lighting Designer Certification Manual", Korean National Committee of CIE, 2011.
William A. Parkyn, David G. Pelka, Irradiance-Redistribution Lens and its Applications to LED Downlights, US 7,618,162 B1, Nov. 17, 2009.
John E. Greivenkamp, Field Guide to Geometrical Optics, SPIE, 2004.
Kyung Ho Shin, Sang Bin Song, In Seon Yeo, "The Design of Lens for Power LEDs Spot Light", Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, 2004.
Jeong A Han, Jong Tae Kim, "Modeling and Analysis of Optical Property For High Power LED", Hankook Kwanghak Hoeji, Volume 18, Number 2, April 2007.
M.K. Hwang, Su Ho Ahn, Gi Hyeon Ban, Seung Wook Baek, "Optical Design Theory and Application of LED Lighting I", Korea Institute of Lighting Technology, 2010.
www.cree.com/products/xlamp_xpg.asp, Data sheet, Cree, Inc. 2009-2010.
Shoumei Gakkai, "Lighting Handbook(Korean Language edition)", SEONG AN DANG Publishing Co., 2010.
IES LM-79-08, Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Products, 2008.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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