[논문]항공전자 응용을 위한 NVIS (Night Vision Imaging System) Green A 호환 LED 개발

김태훈; 유창한; 윤현주; 김민평; 윤호신

문제 정의

따라서 본 연구에서는 상용화된 NVIS 호환 LED의 단점을 개선하기 위해 일반적으로 실내용 조명이나 디스플레이에 사용되는 white body 리드프레임 대신에 고신뢰성이 요구되는 옥외용 조명이나 자동차 조명 응용 분야에 사용되고 있는 black body 리드프레임으로 제작된 백색 LED와 근적외선 영역을 차폐하는 NVIS 필터를 필름 방식으로 이격 (Remote) 구조로 조합하여 항공전자 분야에 적합한 소형인수를 가진 NVIS Green A 호환 LED를 개발하고자 한다.
본 연구에서는 상용화된 NVIS 호환 LED의 단점을 개선하기 위해 black body 리드프레임으로 제작된 백색 LED 와 필름방식으로 만든 근적외선 영역을 차폐하는 NVIS Green A 필터를 이격구조로 조합하여 항공전자 분야에 적합한 소형 인수를 가진 NVIS Green A 호환 LED를 성공적으로 개발하였다. 본 연구에서 제안하는 방식으로 NVIS 호환 LED를 제작하는 경우 색도 뿐만 아니라 NVIS 복사 휘도는 Green A 염료의 농도와 필터의 두께 조절 뿐만 아니라 백색 LED 색도 조절을 통해 동시에 그리고 쉽게 조절할 수 있으며, Green A 필터의 최적의 염료 농도는 1 wt% 근방일 것으로 예상된다.

제안 방법

만들어진 NVIS Green A 필터의 두께는 접촉식 방법의 디지털 길이 측정 장비 (Digimicro MFC-101A, Nikon)로 확인하였으며, 측정오차는 ± 2 µm이었다. NVIS Green A 필터의 UV-VIS-NIR (300- 1500 nm) 영역에서의 광투과율은 분광광도계 (Lambda 750, Perkin Elmer)로 측정하였다. 그리고 자체 제작한 백색 LED 의 전기광학적 특성평가는 분광복사기 (CAS 140CT, Instru- ment System)로 측정하였다.
NVIS Green A 필터의 UV-VIS-NIR (300- 1500 nm) 영역에서의 광투과율은 분광광도계 (Lambda 750, Perkin Elmer)로 측정하였다. 그리고 자체 제작한 백색 LED 의 전기광학적 특성평가는 분광복사기 (CAS 140CT, Instru- ment System)로 측정하였다. 아울러, NVIS 디스플레이 측정 장비 (Instrument System)를 이용하여 색도 좌표 (chromaticity coordinate)와 NVIS 복사 휘도와 같은 NVIS 호환 LED의 특성을 측정하여 MIL-STD-3009 규격에 규정된 요구 조건을 만족하는지 평가하였다.
그리고 자체 제작한 백색 LED 의 전기광학적 특성평가는 분광복사기 (CAS 140CT, Instru- ment System)로 측정하였다. 아울러, NVIS 디스플레이 측정 장비 (Instrument System)를 이용하여 색도 좌표 (chromaticity coordinate)와 NVIS 복사 휘도와 같은 NVIS 호환 LED의 특성을 측정하여 MIL-STD-3009 규격에 규정된 요구 조건을 만족하는지 평가하였다.
아크릴 (acrylic) 수지에 NVIS Green A 염료를 무게비로 각각 0.1, 0.5, 1, 2, 3 wt% 칭량한 후 혼합 및 분산성을 향상시키기 위해 공자전 교반기 (V-mini 300, Fine EME)를 이용하여 700 rpm에서 5분동안 교반하였다. 경화제인 Hexa- methylene diisocyanate를 5:1 비율로 혼합한 후 700 rpm에서 5 분동안 다시 교반 하였다.
앞서 언급했듯이 소형인수와 LED 측면으로 부터 방출되어 나오는 빛을 차폐하기 위해서 Fig. 8에 나타낸 것처럼 white body 리드프레임 대신에 비발광 소자의 패키징 재료인 black body 리드프레임을 적용하여 백색 LED를 자체 제작하였다. 제작된 백색 LED는 GaN기반의 청색칩 (Wp = 450 nm, 작동전류 = 60 mA)과 황색 형광체인 YAG (Yttrium Aluminum Garnet)를 사용하여 일반적인 LED 패키징 공정으로 제작하였으며, 황색 형광체의 농도를 조절하여 색온도 6500-7500 K의 백색 LED를 제작하였다.
경화제인 Hexa- methylene diisocyanate를 5:1 비율로 혼합한 후 700 rpm에서 5 분동안 다시 교반 하였다. 이렇게 만든 혼합 원료를 두께 100 µm인 PET (Polyethylene terephthalate) 필름 위에 knife coater 로 두께가 100 µm로 필름화한 후 80 ℃에서 1시간동안 경화 시켜 NVIS Green A 필터를 제작하였다. 만들어진 NVIS Green A 필터의 두께는 접촉식 방법의 디지털 길이 측정 장비 (Digimicro MFC-101A, Nikon)로 확인하였으며, 측정오차는 ± 2 µm이었다.
2에 나타내었다. 정확한 비교평가를 위해 백색 LED 제작시 리드프레임의 body 색깔은 black & white로 다르지만 동일한 외형 구조와 치수를 가진 리드프레임에 파장과 광도가 같은 rank의 청색 chip을 실장 하였으며, 황색 형광체 농도 또한 동일하게 제작하였다. Fig.

대상 데이터

8에 나타낸 것처럼 white body 리드프레임 대신에 비발광 소자의 패키징 재료인 black body 리드프레임을 적용하여 백색 LED를 자체 제작하였다. 제작된 백색 LED는 GaN기반의 청색칩 (Wp = 450 nm, 작동전류 = 60 mA)과 황색 형광체인 YAG (Yttrium Aluminum Garnet)를 사용하여 일반적인 LED 패키징 공정으로 제작하였으며, 황색 형광체의 농도를 조절하여 색온도 6500-7500 K의 백색 LED를 제작하였다.

성능/효과

정확한 비교평가를 위해 백색 LED 제작시 리드프레임의 body 색깔은 black & white로 다르지만 동일한 외형 구조와 치수를 가진 리드프레임에 파장과 광도가 같은 rank의 청색 chip을 실장 하였으며, 황색 형광체 농도 또한 동일하게 제작하였다. Fig. 2를 보면, white body 리드프레임 대비 black body 리드프레임으로 만든 백색 LED에서 복사되어 나오는 빛의 세기는 각각 450 nm에서 28%, 550 nm에서 77%, 650 nm에서 78%의 감소함을 알 수 있었다. 그리고 상대적으로 black body 백색 LED에서 white body 백색 LED 대비 450 nm의 청색 영역보다는 650 nm 이상의 근적외선 영역에서 NVIS 감도를 저해하는 빛이 현저하게 감소되어 방출되는 것을 확인할 수 있었다.
5에 나타내었다. Green A 염료농도가 증가할수록 발광 스펙트럼의 세기는 급격하게 감소함을 관찰할 수 있었으며, 560 nm에서 525 nm 근방으로 발광 스펙트럼이 단파장 쪽으로 이동함을 관측할 수 있다. 이 결과는 앞의 투과 스펙트럼 측정 결과와 비교해보면 잘 일치하는 것을 알 수 있다.
7E-10을 표시하였다. black body로 만들어진 백색 LED와 1 wt% 이상의 농도를 가진 Green A 필터 조합에서 MIL-STD-3009 NVIS 복사 휘도 요구 조건을 충분하게 만족하는 것을 확인할 수 있다.
2를 보면, white body 리드프레임 대비 black body 리드프레임으로 만든 백색 LED에서 복사되어 나오는 빛의 세기는 각각 450 nm에서 28%, 550 nm에서 77%, 650 nm에서 78%의 감소함을 알 수 있었다. 그리고 상대적으로 black body 백색 LED에서 white body 백색 LED 대비 450 nm의 청색 영역보다는 650 nm 이상의 근적외선 영역에서 NVIS 감도를 저해하는 빛이 현저하게 감소되어 방출되는 것을 확인할 수 있었다. 아울러 암실에서 육안으로 확인한 결과, LED 측면으로 복사되어 나오는 빛도 black body 리드프레임으로 제작된 백색 LED에서 현저하게 감소함을 확인할 수 있었다.
NVIS 호환 필터는 복사 휘도를 최소로 하여 야간투시경 성능을 최대로 하고 야간 가독성 (Night-time readability)을 고려하여 육안으로 조종실 내부정보가 식별 가능하고 외부 조명 및 정보는 야간투시경을 사용해서 식별 가능해야 한다. 따라서 가시광선 영역에서의 투과율을 고려할 때 최적의 Green A염료 농도는 1 wt% 근방일 것이라고 판단된다.
아울러 암실에서 육안으로 확인한 결과, LED 측면으로 복사되어 나오는 빛도 black body 리드프레임으로 제작된 백색 LED에서 현저하게 감소함을 확인할 수 있었다. 따라서 이 결과로부터 black body리드프레임을 사용하는 경우 효과적으로 NVIS 호환 LED를 제작할 수 있을 것으로 예상할 수 있었다.
개발하였다. 본 연구에서 제안하는 방식으로 NVIS 호환 LED를 제작하는 경우 색도 뿐만 아니라 NVIS 복사 휘도는 Green A 염료의 농도와 필터의 두께 조절 뿐만 아니라 백색 LED 색도 조절을 통해 동시에 그리고 쉽게 조절할 수 있으며, Green A 필터의 최적의 염료 농도는 1 wt% 근방일 것으로 예상된다. 이 연구 결과는 항공전자용 디스플레이나 조명 장치나 계기의 소형화, 경량화 및 국산화에 기여할 것으로 판단된다.
3의 사진에서 접촉식 디지털길이 측정기로 측정한 NVIS 호환 Green A 필터의 두께는 첨가되는 염료 농도에 상관없이 100 µm로 일정하게 제작되었으며, 측정오차는 ± 2 µm이었다. 색도 변화를 육안으로 확인할 수 있었으며, 염료의 농도가 2 wt%부터 염료의 불균일한 퍼짐이 육안으로 관찰할 수 있었다.
그리고 상대적으로 black body 백색 LED에서 white body 백색 LED 대비 450 nm의 청색 영역보다는 650 nm 이상의 근적외선 영역에서 NVIS 감도를 저해하는 빛이 현저하게 감소되어 방출되는 것을 확인할 수 있었다. 아울러 암실에서 육안으로 확인한 결과, LED 측면으로 복사되어 나오는 빛도 black body 리드프레임으로 제작된 백색 LED에서 현저하게 감소함을 확인할 수 있었다. 따라서 이 결과로부터 black body리드프레임을 사용하는 경우 효과적으로 NVIS 호환 LED를 제작할 수 있을 것으로 예상할 수 있었다.

후속연구

본 연구에서 제안하는 방식으로 NVIS 호환 LED를 제작하는 경우 색도 뿐만 아니라 NVIS 복사 휘도는 Green A 염료의 농도와 필터의 두께 조절 뿐만 아니라 백색 LED 색도 조절을 통해 동시에 그리고 쉽게 조절할 수 있으며, Green A 필터의 최적의 염료 농도는 1 wt% 근방일 것으로 예상된다. 이 연구 결과는 항공전자용 디스플레이나 조명 장치나 계기의 소형화, 경량화 및 국산화에 기여할 것으로 판단된다.

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