[논문]제논 플래시 램프 사용 시 조사 영역 균일도 개선을 위한 반사경 설계

김서영; 이한율; 전원균; 강동화; 조예지; 정미숙

doi:10.3807/kjop.2019.30.5.197

[국내논문] 제논 플래시 램프 사용 시 조사 영역 균일도 개선을 위한 반사경 설계
Reflector Design to Improve the Uniformity of an Irradiated Area Using a Xenon Flash Lamp 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.30 no.5, 2019년, pp.197 - 203

김서영 (한국산업기술대학교 나노-광공학과) , 이한율 (한국산업기술대학교 나노-광공학과) , 전원균 (한국산업기술대학교 나노-광공학과) , 강동화 (한국산업기술대학교 나노-광공학과) , 조예지 (한국산업기술대학교 나노-광공학과) , 정미숙 (한국산업기술대학교 나노-광공학과)

초록
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본 논문은 광 소결 공정에 쓰이는 제논 플래시 램프 사용 시 조도 균일도를 개선시킬 수 있는 반사경 설계에 대한 연구를 진행하였다. 조사 영역에서 기판의 완전한 소결이 이루어지기 위해서 광효율과 조도 균일도를 목표 성능으로 설정하였다. 기존의 타원 반사경 또는 포물 반사경을 이용한 방식은 광효율을 만족하기 용이하지만 조도 균일도를 만족하는데 어려움이 있다. 따라서 본 논문에서는 조도 균일도를 만족시키기 위해 포물경의 중앙부에 쌍오목 형상을 추가하였다. 이러한 쌍오목 형태의 중앙부 형상을 갖는 포물 반사경의 조도 균일도가 기존의 반사경에 비해 향상됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we studied a reflector design that can improve the illuminance uniformity when using a xenon flash lamp in the photonic sintering process. To achieve complete sintering of substrates in the irradiated area, the light efficiency and illuminance uniformity were set to target performance. Existing elliptical reflectors or parabolic reflectors make it easy to satisfy the target light efficiency, but have difficulty satisfying the illuminance uniformity. In this paper, a twin-concave feature has been added to the center of the parabolic reflector to satisfy the illuminance uniformity. It was confirmed that the illuminance uniformity of the parabolic reflector with a twin-concave feature was improved, compared to that of the traditional reflector.

Keyword

표/그림 (20)

그림 Fig. 1. Light source modeling. (a) Schematic of the light source. (b) Light source designed with LightTools.
그림 Fig. 2. Schematic of the optical system.
표 Table 1. Target specification of the xenon flash lamp
그림 Fig. 3. Layout of the elliptical reflector. (a) y-z plane view. (b) Isometric view (hiding cover glass).
그림 Fig. 4. Illuminance simulation of the elliptical reflector. (a) 550 mm × 150 mm receiver. (b) 450 mm × 100 mm receiver.
표 Table 2. Simulation result of the elliptical reflector
그림 Fig. 5. Layout of the parabolic reflector. (a) y-z plane view. (b) Isometric view (hiding cover glass).
그림 Fig. 6. Illuminance simulation of the parabolic reflector. (a) 550 mm × 150 mm receiver. (b) 450 mm × 100 mm receiver.
그림 Fig. 7. Light paths for different sizes of light source.
그림 Fig. 8. Schematic of the parabolic reflector with changed central features.
그림 Fig. 9. Principle of the parabolic reflector.
표 Table 3. Simulation result of the parabolic reflector
그림 Fig. 10. Optical elements for the parabolic reflector.
그림 Fig. 11. Drawing figure of ray tracing.
그림 Fig. 12. Reflector shape using LightTools.
표 Table 4. Coordinates of point B for various angle ranges
그림 Fig. 13. Layout of the twin-concave parabolic reflector. (a) y-z plane view. (b) Isometric view (hiding cover glass).
그림 Fig. 14. Illuminance simulation of the twin-concave parabolic reflector. (a) 550 mm × 150 mm receiver. (b) 450 mm × 100 mm receiver.
표 Table 6. Comparison of reflectors
표 Table 5. Simulation result of the twin-concave parabolic reflector

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 반사경을 제논 플래시 램프의 광학계로 선정하고 설계를 통해 목표 광효율 및 조도 균일도를 만족하고자 한다. 그러나 부피가 큰 제논 플래시 램프가 광경로를 방해하여 광이 목표 조사 영역에 균일하게 조사되지 않아 목표 조도 균일도를 만족하는데 어려움이 있다.
따라서 본 논문에서 사용하는 제논 플래시 램프는 360°의 발산각을 가지는 광원으로, 이에 적합한 반사경 제어 방식을 이용 하고자 한다.
그러나 부피가 큰 제논 플래시 램프가 광경로를 방해하여 광이 목표 조사 영역에 균일하게 조사되지 않아 목표 조도 균일도를 만족하는데 어려움이 있다. 따라서 출사광 중 반사경으로 제어할 수 있는 광을 분석하고 광의 작도를 통해 최적의 반사경 형상을 설계하여 광손실을 최소화하면서 조도 균일도를 개선하고자 한다.
본 논문에서는 제논 플래시 램프의 광학계 설계를 통해 넓은 조사 영역을 목표로 하여 크기가 큰 기판이나 다수의 작은 기판 소결이 가능하게 하고자 한다. 하지만 광원에서 방출된 광이 목표 조사 영역에 충분히 도달하지 못할 경우 각 기판들의 불완전한 소결이 발생하고, 이로 인해 여러 번의 공정을 반복하게 되어 소결 효율이 떨어지게 된다.
3절에서 시뮬레이션한 결과, 부피가 큰 광원에 의해 일부 반사광이 조사 영역의 중심으로 진행하지 않음을 확인하였다. 따라서 광효율을 만족한 포물 반사경을 토대로 반사광의 광경로를 고려한 반사경 설계를 진행하고자 한다. 그림 8은 일부 반사광을 조사 영역의 중심으로 진행시키기 위해 중앙부 형상을 변화시킨 포물 반사경의 개략도이다.
본 논문에서는 광 소결 공정에 쓰이는 제논 플래시 램프를 사용하여 균일도를 개선할 수 있는 광학계 설계에 대한 연구를 진행하였다. 기판의 소결 효율을 향상시키고 조사 영역 내 모든 위치에서 동일한 소결이 이루어지도록 광효율과 조도 균일도를 목표 성능으로 설정하였다.

제안 방법

목표 조사 영역은 광원의 크기를 고려하여 450 mm × 100mm로 지정하였으며 광효율은 목표 조사 영역 대비 광손실을 고려하여 25% 이상을 만족하도록 한다.
수냉 방식을 사용하기 위하여 유리 사이에 냉각수를 적용한다. 또한 광원과 냉각수 사이의 잦은 온도 변화로 인한 재료 변형을 고려하여 1 mm 두께의 유리를 적용하고, 가장 외곽의 유리는 충격 에너지를 대비하기 위해 2 mm 두께의 유리를 가지도록 하였다. 이때 유리의 재질은 약 220 nm 파장까지의 자외선 영역을 차단하는 fused silica로 한다.
이때 유리의 재질은 약 220 nm 파장까지의 자외선 영역을 차단하는 fused silica로 한다. 그림 1은 앞서 언급된 사항들이 고려된 제논 플래시 램프 광원의 단면 개략도와 광원을 LightTools 내에서 구현한 모습이며 실제 제작 시 성능 오차를 최소화하기 위해 Fresnel loss를 적용하였다.
광원 의 오염 방지를 위해 유리 덮개는 10 mm의 두께를 가지며 위에서 기술한 광학적 요소들을 고려하여 표 1과 같이 목표 조사 영역 450 mm × 100 mm에서 광효율 25% 이상, 조도 균일도 90% 이상을 만족하는 반사경 설계를 진행하고자 한다.
반사 경의 경우 광원의 과도한 열로 인한 손상 방지를 위해 광원과의 거리 10 mm 이상을 유지하고 광원의 길이와 같은 550 mm 길이를 가진다. 또한 반사경에 300~600 nm 파장에서 90%의 반사율을 가지는 알루미늄 코팅을 적용하였다. 광원 의 오염 방지를 위해 유리 덮개는 10 mm의 두께를 가지며 위에서 기술한 광학적 요소들을 고려하여 표 1과 같이 목표 조사 영역 450 mm × 100 mm에서 광효율 25% 이상, 조도 균일도 90% 이상을 만족하는 반사경 설계를 진행하고자 한다.
기존의 제논 플래시 램프에 사용된 타원 반사경은 조도 균일도를 향상시키기 위해 두 개의 반사경을 사용하였다. 두 개의 반사경은 대칭을 이루며 광원에서 출사한 광은 반사경에 반사된 후 각각의 초점에 맺혔다가 다시 분산되어 목표 조사 영역에 균일하게 조사되도록 설계하였다.
설계한 타원 반사경의 시뮬레이션 결과, 목표 성능에 도달하지 못하였다. 이를 해결하기 위해 평행광을 형성하여 조도 균일도를 만족하기 용이한 포물 반사경을 적용하고 광손실을 최소화하기 위해 내부 높이를 조사 영역과 같은 100 mm 로 조정하였다.
그림 8은 일부 반사광을 조사 영역의 중심으로 진행시키기 위해 중앙부 형상을 변화시킨 포물 반사경의 개략도이다. 광손실을 최소화하기 위해 반사경의 내부 높이를 유지하고 조도 균일도를 만족하기 위해 포물 반사경을 이용하고자 한다.
그림 9는 포물 곡선 위의 한 점 A에서 접선을 기준으로 초점에서 입사하는 각 α와 포물 곡선을 맞고 반사되는 각 α’이 같음을 나타낸다. 이때 반사되어 나가는 광이 평행한 성질을 이용하여 초점에 광원을 배치해 포물 곡선을 맞고 나가는 광을 평행하게 보내는 포물 반사경을 설계하고자 한다^[2].
곡률반경은 비구면 방정식인 식 (4)를 통해 도출하고자 하며 이때 k는 비구면 상수, r은 곡률반경을 나타낸다. 식에 의해 곡률반경 약 89 mm를 구할 수 있으며 도출된 초점 거리와 곡률반경을 통해 포물 반사경을 설계하였다. 그림 10은 포물 반사경 설계를 위한 변수들을 표시한 그림이다.
따라서 본 논문에서는 반사경을 제논 플래시 램프의 광학계로 선정하여 중앙부 쌍오목 형상을 적용한 포물 반사경 설계를 통해 조사 거리 30 mm, 조사 영역 450 mm × 100 mm 에서 광효율 30.5%, 조도 균일도 91%를 가지는 반사경 광학계를 설계하였다.
광원 외경 위의 한 점에서 5°이상으로 출사하는 광들이 조사 영역의 중심으로 가기 위한 점들의 좌표를 구해 쌍오목 형상을 도출하였다.
본 논문에서는 광 소결 공정에 쓰이는 제논 플래시 램프를 사용하여 균일도를 개선할 수 있는 광학계 설계에 대한 연구를 진행하였다. 기판의 소결 효율을 향상시키고 조사 영역 내 모든 위치에서 동일한 소결이 이루어지도록 광효율과 조도 균일도를 목표 성능으로 설정하였다. 기존의 타원 반사경 및 포물 반사경을 구현하고 성능 분석을 진행한 결과, 타원 반사경 광효율 19.
8%로 목표 성능을 만족하지 못함을 확인하였다. 따라서 반사경의 시뮬레이션을 분석하여 광손실을 최소화하기 위해 반사광의 광경로를 변화시키는 반사경을 설계하였다. 광원 외경 위의 한 점에서 5°이상으로 출사하는 광들이 조사 영역의 중심으로 가기 위한 점들의 좌표를 구해 쌍오목 형상을 도출하였다.

대상 데이터

광 소결 공정에 적합한 광원을 설계하기 앞서 광출력 100 W의 지름 20 mm, 길이 550 mm를 가지는 제논 플래시 램프를 선정하였다. 수냉 방식을 사용하기 위하여 유리 사이에 냉각수를 적용한다.

이론/모형

광효율 25% 이상을 만족하기 위해서는 광제어를 통한 광량 확보가 필요하므로 광학계를 이용한 집광 방식인 반사경 제어 방식을 사용한다. 반사경 제어 방식은 반사경의 초점에서 나온 광을 반사시켜 해당 조사 영역에 집광시키는 것으로 발산각이 넓은 광원을 제어하는데 적합한 방식이다.

성능/효과

또한 표 2는 목표 조사 영역 450 mm × 100 mm에서의 광효율과 조도 균일도에 대한 값을 나타냈다. 조도 균일도는 88%, 광효율은 19.2%로 목표값을 만족하지 못하였다.
그림 6은 전체 조사 영역과 목표 조사 영역의 조도 분포 모습이고 표 3은 목표 조사 영역 450 mm × 100 mm에서 광효율과 조도 균일도에 대한 값을 나타냈다. 광효율은 목표 값 25% 이상을 만족하는 30.7%로 기존 방식보다 광효율이 증가하였지만 조도 균일도는 78.8%로 목표 조도 균일도를 만족하기 위해 개선이 필요함을 알 수 있다.
2.3절에서 시뮬레이션한 결과, 부피가 큰 광원에 의해 일부 반사광이 조사 영역의 중심으로 진행하지 않음을 확인하였다. 따라서 광효율을 만족한 포물 반사경을 토대로 반사광의 광경로를 고려한 반사경 설계를 진행하고자 한다.
전체 조사 영역 550 mm × 150 mm의 조도 분포에서 알 수 있듯이 기존 타원 반사경 방식보다 목표 조사 영역으로 집광되었음을 확인하였다.
전체 조사 영역 550 mm × 150 mm의 조도 분포에서 알 수 있듯이 기존 타원 반사경 방식보다 목표 조사 영역으로 집광되었음을 확인하였다. 표 5는 보상 설계된 반사경의 시뮬레이션 결과 값으로 광효율 30.5%, 조도 균일도 91%로 목표 값을 만족하였다. 또한 표 6은 기존의 타원 반사경과 포물 반사경 그리고 중앙부 형상이 추가된 반사경의 시뮬레이션 결과 비교표이다.
또한 표 6은 기존의 타원 반사경과 포물 반사경 그리고 중앙부 형상이 추가된 반사경의 시뮬레이션 결과 비교표이다. 중앙부 형상의 변형을 통해 광손실을 최소화하고 조사 영역의 중앙에 광을 조사해 타원 반사경과 비교하여 광 효율과 균일도가 개선되었음을 확인하였다.
기판의 소결 효율을 향상시키고 조사 영역 내 모든 위치에서 동일한 소결이 이루어지도록 광효율과 조도 균일도를 목표 성능으로 설정하였다. 기존의 타원 반사경 및 포물 반사경을 구현하고 성능 분석을 진행한 결과, 타원 반사경 광효율 19.2%, 조도 균일도 88%로, 포물 반사경 광 효율 30.7%, 조도 균일도 78.8%로 목표 성능을 만족하지 못함을 확인하였다. 따라서 반사경의 시뮬레이션을 분석하여 광손실을 최소화하기 위해 반사광의 광경로를 변화시키는 반사경을 설계하였다.
광원 외경 위의 한 점에서 5°이상으로 출사하는 광들이 조사 영역의 중심으로 가기 위한 점들의 좌표를 구해 쌍오목 형상을 도출하였다. 중앙부 형상이 추가된 반사경 설계의 시뮬레이션 결과, 광효율 30.5%, 조도 균일도 91%로 목표 값을 만족하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제논 플래시 램프를 이용하는 광 소결 공정이 광효율과 조도 균일도를 필수적으로 고려해야 하는 이유는?	소결 공정은 압축된 금속 분말에 에너지를 가해 입자들을 서로 결합시키는 과정을 말하며 크게 열 소결, 레이저 소결, 광 소결로 나누어진다. 그중 제논 플래시 램프를 이용하는 광 소결 공정은 기판의 완전한 소결을 위해 충분한 광량이 조사되어야 하고 조사 영역 내 모든 위치에서 동일하게 소결이 진행되어야 한다. 따라서 광효율과 조도 균일도를 필수적으로 고려해야 하며 이를 위한 제논 플래시 램프의 광학계 설계가 필요하다[1].
	제논 플래시 램프에 수냉 방식을 사용하는 이유는?	따라서 자외선 차단을 위해 제논 플래시 램프의 유리는 일정 두께를 유지해야하며 재질 선택에 유의해야 한다. 또한 순간적으로 고전압을 인가하여 수밀리초 간격으로 반복 발광하는 광원이기에 높은 출력으로 인한 과도한 열이 광원의 손상을 불러올 수 있기 때문에 수냉 방식을 사용한다.
	소결 공정이란?	인쇄 전자 공정은 나노 잉크를 기판에 인쇄하는 방식으로 나노 잉크를 패턴화하기 위한 별도의 소결 공정을 진행한다. 소결 공정은 압축된 금속 분말에 에너지를 가해 입자들을 서로 결합시키는 과정을 말하며 크게 열 소결, 레이저 소결, 광 소결로 나누어진다. 그중 제논 플래시 램프를 이용하는 광 소결 공정은 기판의 완전한 소결을 위해 충분한 광량이 조사되어야 하고 조사 영역 내 모든 위치에서 동일하게 소결이 진행되어야 한다.

참고문헌 (5)

Y.-R. Jang, W.-H. Jung, and H.-S. Kim, "Optimization of reflector shape for advanced characteristic of flash light sintering with large area and uniform light density," in Proc. The Korean Society of Mechanical Engineers Conference (Korea, Nov. 2015), pp. 563-566.
Y.-S. Jo, "A study on the uniformity ratio of illuminance and illumination distribution with reflectance change of lighting instruments reflector," M. S. Thesis, Hongik University, Seoul (2001), pp. 1-66.
D.-I. Seok, M. C. Lee, S.-G. Jung, and H. Kim, "Exclusive reflector design for 200 W electrodeless fluorescent lamp," in Proc. The Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers Conference (Korea, Nov. 2007), pp. 3-7.
S.-H. Kim, "Luminaire design of a 75 W LED down-light lamp by optical simulation," M. S. Thesis, Wonkwang University, Seoul (2011), pp. 1-37.
C.-S. Lee, "LED high-precision reflector optics using a three-dimensional free-form surface," M. S. Thesis, Korea Polytechnic University, Gyeonggi (2013), pp. 1-71.

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