[논문]실리콘 수지 TIR 선형 렌즈 제작 및 365 nm 파장대역 UV LED 조사기 광원 개발

성준호; 유순재

doi:10.4313/jkem.2018.31.6.433

[국내논문] 실리콘 수지 TIR 선형 렌즈 제작 및 365 nm 파장대역 UV LED 조사기 광원 개발
Fabrication of Silicone Resin TIR Linear Lens and Development of 365 nm Wavelength UV LED Light Source 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.31 no.6, 2018년, pp.433 - 436

성준호 (선문대학교 전자공학과 광전자반도체연구실) , 유순재 (선문대학교 전자공학과 광전자반도체연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

A total internal reflection (TIR) linear lens of size $190(W){\times}5(D){\times}2.1(H)mm^3$ has a directivity of $25^{\circ}$ and was made of a polydimethysiloxane (PDMS) silicone resin with a refractive index of 1.4 and a transmittance of 93% at 365 nm UV wavelength. A light source with a size of $190{\times}25.5mm^2$ was fabricated by installing a TIR linear lens on a chip on board (COB) type LED module mounted with a $1.1{\times}1.1mm^2$ size UV LED. The optical characteristics of the light source showed a maximum irradiation density of $3,840mW/cm^2$ at a working distance of 5 mm and a high uniformity of 91.6% over a $150{\times}25mm^2$ irradiation area. The thermal characteristics of the light source were measured at a supply current of 500 mA. The saturation temperature was reached after 30 min of operation, and measured to be $95^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

365 nm 파장대역에서 투과율 93%와 굴절률 1.4의 PDMS 실리콘 수지를 이용하여 24.3°의 지향 특성을 가지는 190 (W) × 5 (D) × 2.1 (H) mm3 규격의 TIR 선형 렌즈를 제작하고, 이 TIR 선형 렌즈를 이용하는 UVLED 선형 광원과 이를 4중으로 배치하여 190×25.49mm2 크기의 조사기 광원을 제작하였다.
90개의 LED 칩을 1개의 렌즈에 각각 1 mm 간격으로 직렬 배치하여 선형 광원으로 제작하고, 이 선형 광원 4개를 세로 1.83 mm 간격으로 병렬 배치하여 190×25.5 mm2 크기의 광원을 설계하였다.
4의 굴절률을 가지는 PDMS (polydimethylsiloxane) 실리콘 수지를 이용하여 TIR 선형 렌즈를 제작하였다. 그리고 높은 조사밀도를 얻기 위해 많은 수의 칩을 집적할 수 있는 COB (chip on board) 형태의 모듈을 제작하고, 다수의 칩을 낮은 전류에서 구동하여 고효율의 광원 특성 [9]을 가지도록 하였다.
TIR 선형 렌즈는 ‘LightTools’를 이용하여 설계하였으며, Al 금형을 이용하여 제작하였다. 또 조사 분포 시뮬레이션을 통하여 TIR 선형 렌즈가 장착되는 LED 최적 위치와 조사 분포를 설계하였다.
렌즈 시스템 조립은 제작된 PCB에 렌즈를 고정시키기 위해 Al 지그를 설치하였으며, Al 지그를 상하로 분리하여 TIR 렌즈를 PCB에 고정시켰다. Al 지그는 다시 방열판과 PCB와 Al 케이스에 고정하여 방열 특성이 개선될 수 있도록 하였다.
방열 시스템은 37.1 CFM (cubic feet per minute)의 공기를 배출하는 60×60 mm2 크기의 FAN과 방열판을 케이스에 고정하여 강제 공냉 방식의 방열 시스템을 설치하였다.
설계된 렌즈를 이용하여, 작동거리 5 mm, 조사영역 150×25mm2에서 90% 이상의 균일성과 3,000 mW/cm2 이상의 조사밀도를 가지는 광원 시스템을 설계하였다.
여기에서는 365 nm 파장대역의 UV 영역에서 93%의 투과율과 1.4의 굴절률을 가지는 PDMS (polydimethylsiloxane) 실리콘 수지를 이용하여 TIR 선형 렌즈를 제작하였다. 그리고 높은 조사밀도를 얻기 위해 많은 수의 칩을 집적할 수 있는 COB (chip on board) 형태의 모듈을 제작하고, 다수의 칩을 낮은 전류에서 구동하여 고효율의 광원 특성 [9]을 가지도록 하였다.

대상 데이터

TIR 선형 렌즈는 ‘LightTools’를 이용하여 설계하였으며, Al 금형을 이용하여 제작하였다.
TIR 선형 렌즈의 제작은 PDMS 실리콘 수지를 사용하였다. 렌즈 제작 금형은 실리콘과의 캐스팅 이형성 및 반복 사용에 대한 내구성을 고려하여, 경면 가공이용이한 Al을 소재로 하였다 [8].
1 mm²크기의 UV LED 칩 360개를 설계한 자료와 동일한 간격으로 90×4 배열로 직병렬 회로를 구성하였다. 기판은 양호한 열전도 특성을 얻기 위해 알루미늄(Al) 소재의 금속 PCB (printed circuit board)를 사용하였다.
렌즈 재료는 PDMS 실리콘을 재료로 하였다. TIR 선형 렌즈 및 광원 시스템은 ‘Light Tools’ 광학 시뮬레이션을 이용하여 설계하였다.
TIR 선형 렌즈의 제작은 PDMS 실리콘 수지를 사용하였다. 렌즈 제작 금형은 실리콘과의 캐스팅 이형성 및 반복 사용에 대한 내구성을 고려하여, 경면 가공이용이한 Al을 소재로 하였다 [8].
선형 광원은 1.1×1.1 mm2 크기의 UV LED Chip을 90개 직렬로 실장하고, 그 위에 TIR 선형 렌즈를 설치하여 제작하였다.
설계한 렌즈의 크기는 190 (W) × 5 (D) × 2.1 (H) mm3이며, 세로 방향으로 24.3°의 지향각을 가진다.
이때 LED는 1.1×1.1 mm2 크기로, 500mA의 전류에서 760 mW의 광속 특성을 가지는 수직 전극구조 칩을 이용하였다.
조사기 광원은 크기 210×38 mm2의 회로기판에 1.1×1.1 mm2크기의 UV LED 칩 360개를 설계한 자료와 동일한 간격으로 90×4 배열로 직병렬 회로를 구성하였다.

성능/효과

PDMS 실리콘 수지재료 TIR 선형 렌즈 광원기술은 석영재료의 실린더형 렌즈를 다중으로 사용하는 종래의 광원에 비하여 다수의 칩을 실장하고 TIR 선형 렌즈를 간단한 방법으로 장착하여 낮은 전류에서 구동하여 높은 조사밀도 특성을 얻을 수 있다는 점과 특히 제작 측면에서의 편리함, 저비용, 내구성의 특성을 가질 수 있음을 알 수 있었다.
칩이 렌즈의 원점에서 1 mm 정도 벗어나 있을 때 광속은 최대 14%의 조도 감소가 확인되었다. 또 사용하는 LED의 온도가 90℃일 때, 광속이 15% 감소하는 것을 확인하였다.
이러한 특성은 종래의 석영재료를 이용하는 UV LED 선형 조사기에서, 실린더형 렌즈를 다중으로 설치하여 방사광을 집속하는 방식으로 400×1.5 mm2의 조사영역을 가지는 선형 조사기가 10 mm 조사거리에서 최대 4,500 mW/cm2의 조사밀도를 가지는 것과 비교하여 유효 조사면적이 6배 정도 넓은 것을 감안할 때, 조사면적에서의 광속 특성이 열등하지 않음을 알 수 있다.
제작한 조사기 광원의 조사밀도는 작동거리 5 mm, 조사영역 150×25 mm2에서 최대 3,840 mW/cm2의 조사밀도와 91.6%의 높은 균일성을 나타내었다.
조사밀도는 최대 3,840 mW/cm2으로 측정되었으며, 150×25 mm2영역에서 균일성은 91.6%로 나타났다.

후속연구

또 조사기 광원을 제작할 때, 일정한 수의 칩을 설치하는 선형광원을 마스터 배치(batch)하여 광선 추적 프로파일 자료를 제작하고, 조사 분포 시뮬레이션을 이용하여 높은 균일성을 요구하는 여러 형태의 대면적 광원 제작기술로서 매우 유용한 것으로 생각된다. 또 제작한 조사기 광원은 케이스와 PCB 및 렌즈 고정용 지그의 가로 길이 규격을 개선하여 연속적으로 균일한 조사 분포를 가지는 모듈러 방식의 조사기 제작에도 유용하게 응용할 수 있을 것으로 생각된다.
자외선(UV) LED (light emitting diode)는 디스플레이, IT 제조 및 보건⋅의료, 건축 등의 청정 생산 분야에서 경화, 몰딩, 접착, 살균, 표면 처리 등의 특성을 가지므로 유용하게 이용할 수 있을 것으로 기대된다[1-3].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	UV 경화의 생산성을 높이기 위해 일반적으로 사용하는 석영을 이용한 실린더 형태의 렌즈가 갖는 한계점은 무엇인가?	이러한 높은 에너지의 광원은 일반적으로 석영을 이용하는 실린더 형태의 렌즈를 다중으로 사용하여 LED 방사광을 집속시켜야 한다. 그러나 석영을 재료로 사용하는 렌즈 제작기술은 넓은 면적의 조사기에서 높은 조사밀도를 가지는 광원을 제작하기에 어려운 점이 많다. 또 실린더 형태의 렌즈는 세로 방향으로 충분한 면적의 균일한 조사밀도를 얻기가 어려워 여러 공정에 사용하는 경우 양산성을 확보하는 것이 어렵다. 특히 고출력 및 고균일성의 특성을 얻기 위해서는 고지향성의 렌즈 시스템 제작기술과 고정밀의 조립기술을 필요로 한다. 비용적인 측면에서도 석영재료를 이용하는 비구면 형태의 렌즈 제작기술은 일반적으로 산업현장에서 사용하는 기기에 적용하기에 어려운 점이 많다.
	UV LED가 갖고있는 한계점은 무엇인가?	자외선(UV) LED (light emitting diode)는 디스플레이, IT 제조 및 보건⋅의료, 건축 등의 청정 생산 분야에서 경화, 몰딩, 접착, 살균, 표면 처리 등의 특성을 가지므로 유용하게 이용할 수 있을 것으로 기대된다[1-3]. 그러나 UV LED의 낮은 출력 [4] 및 일반적으로 렌즈 시스템에 사용하는 석영 재료의 높은 성형비용과 가공기술의 어려움으로 한계점이 있다.
	자외선(UV) LED(light emitting diode)의 특성은 무엇인가?	자외선(UV) LED (light emitting diode)는 디스플레이, IT 제조 및 보건⋅의료, 건축 등의 청정 생산 분야에서 경화, 몰딩, 접착, 살균, 표면 처리 등의 특성을 가지므로 유용하게 이용할 수 있을 것으로 기대된다[1-3]. 그러나 UV LED의 낮은 출력 [4] 및 일반적으로 렌즈 시스템에 사용하는 석영 재료의 높은 성형비용과 가공기술의 어려움으로 한계점이 있다.

참고문헌 (10)

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원문보기 상세보기
W. D. Joo, J. Korean Inst. IIIum. Electr. Install. Eng., 26, 13 (2012). [DOI: https://doi.org/10.5207/JIEIE.2012.26.5.013]

저자의 다른 논문 :

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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