LED 광원 사용 시 line beam 형성을 위한 자유 곡면 bar type의 TIR lens 설계 Design of a Bar-type TIR Lens Having a Freeform Surface for Forming a Line Beam Using an LED Light Source원문보기
본 논문은 UV LED를 이용한 line beam 형성 방법에 대한 연구를 진행하였다. 기존의 linear type UV LED 경화기광학계는 여러 매의 cylindrical lens로 구성되어 있는데 추후 광학계의 align, 모듈의 대형화, 효율 등에서 문제가 발생할 수 있다. 이런 문제점들의 해결을 위한 대안으로서 cylindrical lens와 마찬가지로 Y축 방향에 대해서만 자유 곡면을 가지는 bar type의 TIR lens를 설계하여 최대조도, 조도 균일도, 광속 효율 등에서의 이점이 있음을 검증하였다.
본 논문은 UV LED를 이용한 line beam 형성 방법에 대한 연구를 진행하였다. 기존의 linear type UV LED 경화기 광학계는 여러 매의 cylindrical lens로 구성되어 있는데 추후 광학계의 align, 모듈의 대형화, 효율 등에서 문제가 발생할 수 있다. 이런 문제점들의 해결을 위한 대안으로서 cylindrical lens와 마찬가지로 Y축 방향에 대해서만 자유 곡면을 가지는 bar type의 TIR lens를 설계하여 최대조도, 조도 균일도, 광속 효율 등에서의 이점이 있음을 검증하였다.
In this paper, we have studied a method of forming a line beam using a UV LED. The existing linear-type UV LED curing optical system is composed of several cylindrical lenses, but problems such as optical system alignment, enlargement of the module, efficiency, etc. may arise in the future. As an al...
In this paper, we have studied a method of forming a line beam using a UV LED. The existing linear-type UV LED curing optical system is composed of several cylindrical lenses, but problems such as optical system alignment, enlargement of the module, efficiency, etc. may arise in the future. As an alternative to these problems, a bar-type TIR lens having a freeform surface only in the y-axis direction is designed, to verify that it shows advantages in maximum illuminance, uniformity of illuminance, and flux efficiency.
In this paper, we have studied a method of forming a line beam using a UV LED. The existing linear-type UV LED curing optical system is composed of several cylindrical lenses, but problems such as optical system alignment, enlargement of the module, efficiency, etc. may arise in the future. As an alternative to these problems, a bar-type TIR lens having a freeform surface only in the y-axis direction is designed, to verify that it shows advantages in maximum illuminance, uniformity of illuminance, and flux efficiency.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 bar type의 TIR lens 이용한 linear type UV LED 경화기의 simulation을 통하여 최대조도, 조도 균일도, 광속 효율 등에서의 이점이 있음을 검증하였다.
따라서 본 논문에서는 기존의 여러 매의 cylindrical lens로 구성된 linear type UV LED 경화기 광학계를 배광 제어와 line beam 형성의 역할을 동시에 하는 1매의 bar type의 TIR lens로 간소화하여 조사거리 5 mm, 조사영역 100 mm × 1.5 mm에 대하여 최대조도 3,500 mW/cm2 이상, 조도 균일도 85% 이상 가지는 것을 목표로 광학계를 설계하였다.
앞에서 확인한 구면 cylindrical lens는 목표 성능 만족을 위해서 3매의 렌즈가 필요하다. 따라서 본 절에서는 렌즈의 매수를 줄이기 위해 비구면 계수를 도입하여 보다 많은 변수 제어를 통해 비구면 cylindrical lens 재설계를 진행하였다. 비구면 cylindrical lens는 X축 160 mm, Y축 6.
본 논문은 UV LED를 이용한 line beam 형성 방법에 대한 연구를 진행하였다. 기존의 linear type UV LED 경화기 광학 계는 여러 매의 cylindrical lens로 구성되어 있는데 이를 3매 구면 및 2매 비구면 cylindrical lens 설계를 통해 성능 분석하였고 기존 광학계에 대한 문제점을 제기하였다.
제안 방법
Linear type UV LED 경화기에 적용하기 위해서 LED를 아래 그림 15와 같이 중심 간격 2.1 mm로 60개 array하였다.
TIR lens의 TIR surface는 베지어 곡선(Bezier curve)을 활용하여 설계한다. 자유 곡선을 그리고 기준 축을 기준으로 대칭 회전시켜 TIR lens의 자유 곡면을 구성한다.
본 논문은 UV LED를 이용한 line beam 형성 방법에 대한 연구를 진행하였다. 기존의 linear type UV LED 경화기 광학 계는 여러 매의 cylindrical lens로 구성되어 있는데 이를 3매 구면 및 2매 비구면 cylindrical lens 설계를 통해 성능 분석하였고 기존 광학계에 대한 문제점을 제기하였다.
따라서 그림 4에서 보는 바와 같이 X와 Y축의 곡률 반경을 한 축에만 가지는 cylindrical lens를 이용하여 LED 광원의 배광 제어를 통해 line beam 형성을 하고자 한다.
또한 bar type으로 변환시키기 위해 그림 16과 같이 TIR lens의 단면도를 X축 방향으로 LED array 개수를 고려하여 130 mm extruded 시켰으며 Y축 길이는 5 mm로 설정하였다. bar type의 TIR lens는 cylindrical lens와 같이 Y축 방향에 대해서만 자유 곡면 형상을 가진다.
TIR lens 설계는 sweptsolid 기능을 이용하였으며, 그림 13에서 보는 바와 같이 배광에 주요 영향을 미치는 ①, ④ 곡선은 Bezier curve로 하여 설계의 자유도를 높였으며, 배광에 큰 영향을 미치지 않는 ③, ⑤ 곡선은 polyline으로 함으로서 TIR lens 의 최적화 효율을 높였다. 또한 ② 곡선의 값에 따른 조도 분포를 확인하면서 TIR lens의 암영대를 개선하였고 최종적으로 높은 광속 효율을 가지는 TIR lens를 설계하였다[8].
또한 동일한 목표 성능에 대하여 3매 구면 및 2매 비구면 cylindrical lens와 1매 bar type의 TIR lens가 적용된 광학계의 simulation을 진행하였다. 비교 분석 결과 bar type의 TIR lens는 최대조도 7,230 mW/cm2, 조도 균일도 91.
5 mm에서 cylindrical lens를 이용한 line beam 형성 및 성능 확인을 구면 및 비구면 렌즈의 각 매수 별로 진행하였다. 목표 조사영역을 고려하여 LED를 중심 간격 2.1 mm 기준으로 75개 array 하였고 렌즈 material은 투과도가 낮은 UV영역의 특성과 렌즈 형상에 따른 가공성을 고려하여 굴절률 1.46, 투과율 96% 가지는 moldable silicon으로 설정하였다.
문제점 해결을 위한 대안으로써 lambertian 배광분포를 가지는 LED를 효율적으로 제어하는 TIR lens를 고안하였으며, line beam 형성을 위해 cylindrical lens와 마찬가지로 Y축 방향에 대해서만 자유 곡면을 가지는 bar type의 TIR lens를 설계하였다.
본 논문에서는 광학 설계 프로그램인 Lighttools를 이용하여 TIR lens를 설계 및 분석하였고, 설계된 TIR lens를 bar type의 TIR lens로 변환하여 line beam을 형성하였다. TIR lens 설계는 sweptsolid 기능을 이용하였으며, 그림 13에서 보는 바와 같이 배광에 주요 영향을 미치는 ①, ④ 곡선은 Bezier curve로 하여 설계의 자유도를 높였으며, 배광에 큰 영향을 미치지 않는 ③, ⑤ 곡선은 polyline으로 함으로서 TIR lens 의 최적화 효율을 높였다.
본 논문에서는 동일한 목표 성능에 대하여 3매 구면 cylindrical lens, 2매 비구면 cylindrical lens와 1매 bar type의 TIR lens 설계 및 simulation을 진행하였다. 전체 ray 수는 50,000,000개로 하였으며, mesh 수는 201 × 201로 하여 error율을 3% 이내로 simulation하였다.
본 설계에서는 광학 설계 프로그램 Lighttools를 통해 조사 거리 5 mm, 조사영역 100 mm × 1.5 mm에서 cylindrical lens를 이용한 line beam 형성 및 성능 확인을 구면 및 비구면 렌즈의 각 매수 별로 진행하였다.
시작점과 끝점을 포함한 제어점의 개수가 많을수록 복잡한 곡선을 만들 수 있는데, 본 논문에서는 그림 12와 같은 2차 베지어 곡선(quadratic Bezier curve)을 사용하여 두개의 양 끝점 P0, P2와 한 개의 중간 제어점 P1으로 배광을 제어하는 주요 렌즈 곡면을 구성하였다. 2차 베지어 수식은 다음과 같다[7].
전체 ray 수는 50,000,000개로 하였으며, mesh 수는 201 × 201로 하여 error율을 3% 이내로 simulation하였다.
대상 데이터
구면 cylindrical lens는 Y축에 대해서만 곡률 반경을 가지며 렌즈 길이 X축 160 mm, Y축 9.5 mm로 매수 별 설계를 진행하였다. Simulation 결과 1매, 2매로는 목표 조사영역에 비해 상대적으로 line beam이 넓게 형성되어 최대조도를 높이는 데에 한계가 있음을 알 수 있었으며 3매를 사용하는 경우 1매, 2매일 때 보다 좁은 line beam이 형성되어 목표 성능을 만족하였다.
본 논문에서는 UV LED 경화기에 사용하기 위해 파장 365 nm, 0.76 W의 1.1 mm × 1.1 mm 크기를 가지는 LG Innotek사의 LEUV-V518A6을 광원으로 선정하였다.
이론/모형
그림 2는 LEUV-V518A6 모델이며, 해당 제품의 배광분포는 그림 3과 같다. Source modeling은 광학 설계 프로그램인 Lighttools를 이용하여 진행하였다.
성능/효과
5 mm에 대한 목표 성능을 만족하는 광학계 simulation 결과이다. 3매 구면 cylindrical lens는 최대조도 5,162 mW/cm2, 균일도 89.3%, 광속 효율 13.2%를 나타내며 2매 비구면 cylindrical lens는 최대조도 3,502 mW/cm2, 균일도 96.6%, 광속 효율 9.4%를 가진다.
Lighttools내에서 설계 진행 후 simulation 결과를 확인하였을 때, 목표 성능 만족을 위해 구면 cylindrical lens는 3매, 비구면 cylindrical lens는 2매를 사용하면 최대조도 3,500 mW/cm2 이상, 조도 균일도 85% 이상을 만족한다.
5 mm로 매수 별 설계를 진행하였다. Simulation 결과 1매, 2매로는 목표 조사영역에 비해 상대적으로 line beam이 넓게 형성되어 최대조도를 높이는 데에 한계가 있음을 알 수 있었으며 3매를 사용하는 경우 1매, 2매일 때 보다 좁은 line beam이 형성되어 목표 성능을 만족하였다.
그림 7은 동일 비구면 cylindrical lens 2매의 광학계 layout이며 그림 8은 이에 대한 simulation 결과이다. Simulation 결과 확인 시, 비구면 cylindrical lens의 경우엔 2매일 때 최대 조도 3,502 mW/cm2, 균일도 96.6%로 line beam 형성 및 목표 성능 만족이 가능하나, 입사 광속 57 W 대비 5.36 W로 광속 효율이 9.4%에 그쳐 구면 cylindrical lens 사용 시 보다 효율이 낮은 것을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 광학 설계 프로그램인 Lighttools를 이용하여 TIR lens를 설계 및 분석하였고, 설계된 TIR lens를 bar type의 TIR lens로 변환하여 line beam을 형성하였다. TIR lens 설계는 sweptsolid 기능을 이용하였으며, 그림 13에서 보는 바와 같이 배광에 주요 영향을 미치는 ①, ④ 곡선은 Bezier curve로 하여 설계의 자유도를 높였으며, 배광에 큰 영향을 미치지 않는 ③, ⑤ 곡선은 polyline으로 함으로서 TIR lens 의 최적화 효율을 높였다. 또한 ② 곡선의 값에 따른 조도 분포를 확인하면서 TIR lens의 암영대를 개선하였고 최종적으로 높은 광속 효율을 가지는 TIR lens를 설계하였다[8].
3% 임을 확인할 수 있다. 또한 광속 효율은 0.76 W LED 75개에 대한 광속 57 W 대비 목표 조사영역에서의 광속은 7.57 W로 13.2%임을 확인하였다.
또한 조사거리 5 mm, 목표 조사영역인 100 mm × 1.5 mm에서 분석한 결과 최대조도 7,230 mW/cm2, 균일도 91.6%이며 광속 효율은 45.6 W 대비 10.7 W로 23.4%임을 확인하였다.
목표 조사영역보다 넓은 면적 120 mm × 15 mm detector를 통하여 line beam이 형성되었음을 확인하였다.
또한 동일한 목표 성능에 대하여 3매 구면 및 2매 비구면 cylindrical lens와 1매 bar type의 TIR lens가 적용된 광학계의 simulation을 진행하였다. 비교 분석 결과 bar type의 TIR lens는 최대조도 7,230 mW/cm2, 조도 균일도 91.6%, 광속 효율 23.4%으로 여러 매의 cylindrical lens보다 높은 성능을 가지는 것을 확인하였다.
조사거리 5 mm, 조사영역 100 mm × 1.5 mm에 대하여 최대조도 5,162 mW/cm2, 균일도 89.3% 임을 확인할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
UV 경화의 원리는 무엇에 의하여 이루어 지는가?
UV 경화는 접착제, 코팅, 잉크와 같은 것들을 자외선을 이용하여 굳혀주는 작업이다. 그 원리는 UV resin속에 함유된 미량의 광 개시제가 자외선 조사를 받아 화학반응을 일으켜 UV resin의 주성분인 단량체와 중간체의 결합반응이 유도되어 견고하고 딱딱한 중합체(polymer)로 변하는 특성을 가지고 있기 때문이다[1].
UV 경화란?
UV 경화는 접착제, 코팅, 잉크와 같은 것들을 자외선을 이용하여 굳혀주는 작업이다. 그 원리는 UV resin속에 함유된 미량의 광 개시제가 자외선 조사를 받아 화학반응을 일으켜 UV resin의 주성분인 단량체와 중간체의 결합반응이 유도되어 견고하고 딱딱한 중합체(polymer)로 변하는 특성을 가지고 있기 때문이다[1].
line beam을 형성하기 위해 무엇이 사용되는가?
일반적으로 linear type UV LED 경화기의 광학계는 line beam을 형성하기 위해서 2~3매의 cylindrical lens가 사용된다. 여러 매의 cylindrical lens를 이용하여 linear type UV LED 경화기 제작 시 광학계의 align, 모듈의 대형화, 효율 등에서 문제가 발생할 수 있으므로 이런 문제점들의 해결을 위해 새로운 형태의 광학계 개발이 필요하다.
참고문헌 (8)
H.-B. Yoon, H.-G. Kim, and K.-E. Ming, "Effect of photoinitiators on adhesion properties of 2-EHA/AA PSA," Polym. (Korea), 38(4), 491 (2015).
D.-B. Kim, "Effect of acrylic acid contents and inorganic fillers on physical properties of acrylic pressure sensitive adhesive tape by UV curing," Polym. (Korea), 37(2), 184-185 (2013).
Y. M. Park, H. C. Bang, Y. H. Seo, and B. H. Kim, "Development of surface-mount-type crown-shaped lens for reducing glare effect of light-emitting diode light source," J. Korean Soc. Manuf. Technol. Eng. 23(1), 64-65 (2014).
J.-M. Kim, "Optical design of aplanatic air-spaced doublet composed of a plano-convex and a plano-concave cylindrical lenses," Dept. of Laser and Optical Information Engineering, Graduate School, Cheongju University, 1 (2010).
S.-H. Oh, "The research of the 2nd lens design technology for the control of luminous intensity distribution," Korea Polytechnic University, 20 (2012).
D. H. Go and Y. C. Lee, "A optical system design of LED marine lanterns based on a TIR collimator lens," J. KIIEE, 29(11), 2-3 (2015).
H.-Y. Park, "Properties of isoparametric curve of quadratic F-Bezier curve," Graduate School of Education, Chosun University, 1-3 (2013)
D.-Y. Nam, "A study on the forming method of line beam using LED," Korea Polytechnic University, 14 (2015).
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