[정리 노트] 2.2.4 LightTools 광원 모델링 (백라이트 광학 설계 이론 및 실습, 주병운 교수님 저서)

 

2-1. LED 광원 모델링 

 

LED Backlight에 들어가는 백색 LED 패키지와 LED Array가 있고 LED Array bar에는 수십 개의 LED가 있음.

LED의 지향각은 120도이고 지향각이란 LED 램프의 가장 밝은 부분 대비 절반의 광도일 때의 각도를 뜻함

 

 

아래 LED 어레이를 나타내 보았다. (Device에 따라 어떻게 보일 지 모르겠다만..)

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White PSR을 사용한 Metal PCB 위에 LED를 실장한 모습

 

 

 

* LightTools 형광체 모델에서 중요한 개념

 

1. 평균 자유 물체 거리 (mean-free path)

 

형광체 입자들의 PSA(Particle Size Analysis) 데이터를 이용하면 Mie 산란에서의 평균 자유 물체 거리를 계산할 수 있다.

 

 

2. 흡광 스펙트럼

 

흡수되지 않는 빛은 형광체 입자에 의해 산란되어 인근 형광체에 도달함. 이때 흡수되지 않은 빛이 어떻게 산란되는지 정의되어야 하며 정의 방법으로는 Mie 산란, 단순 등방 산란, 무 산란 등이 있다. 이 중 Mie 산란이 가장 정확한 방법이라고..

 

** 형광체 : 흡수한 에너지를 가시광 파장의 빛으로 바꾸어 발광하는 물질. 형광 물질의 광 변환 효율과 광색에 의해 LED 광원의 휘도나 연색성, 색온도 등이 결정되므로 적절한 형광체의 사용이 중요함.

** 형광체 발광 원리 : 형광체가 에너지를 받으면 자유전자와 홀이 형성되어 에너지 준위가 높아지고 다시 안정된 상태로 돌아가면서 빛(가시광)을 방출함. 형광체 내의 Activator(불순물이 혼입 된 활성 이온)가 에너지 준위를 결정하여 최종 발광되는 색을 결정하고 발광 효율에 영향을 미치게 됨. 

 

 

3. 여기 효율 스펙트럼 (excitation efficiency spectrum)

 

Stokes shift(스톡스 천이) 효율과 Quantum yield(양자 수율)의 곱으로 표현 가능

 

 

 

4. 발광 스펙트럼 (emission spectrum)

 

 

 

 

* LED 모델링 시 참조 가능한 Library

 

: LED 패키지 제조사가 배포하는 데이터가 LightTools Library 내에 있을 경우 사용 가능

 

 

 

LightTools의 도구(Tools)에서 LED 라이브러리에 들어가보면,

 

8개의 제조 업체 (Citizen, Cree, Edison, Everlight, LUMILEDS, Nichia, OSRAM OS, Seoul Semiconductor(서울 반도체))에서 제조한 많은 LED들이 등록되어 있는 것을 확인할 수 있다. 등록된 한국 기업은 아직까지 서반 밖에 없다고 한다.

 

 

LED 모델명이나 광도 패턴, 색 등을 포함한 정보가 등록되어 있어서, 보다 정확한 모델링 및 분석에 도움

 

 

 

 

2-2. 광학 텍스처링

 

도광판/ 확산판/ 광학 필름을 모델링할 때 여러 가지 유형의 광학 패턴이 필요함

> 단일 텍스처의 기하 정보를 입력하고 텍스처 요소 간의 피치를 설정하면 끝!

> 미리 정의된 기본 텍스터 유형에 없을 경우 아래의 순서로 라이브러리 텍스처링 기법을 사용!!

    1) LightTools에서 단일 Texture 요소를 기하 모델링

    2) 모델링한 파일을 라이브러리로 저장

    3) 삼차원 텍스처링할 때 불러와서 피치 정보 입력

    4) 광학 텍스쳐링 기법과 담그기 기법을 이용하면 도트 안에 프리즘이 있는 텍스쳐 패턴도 만들 수 있음

 

 

 

2-3. 리시버

 

광학 시뮬레이션을 수행하면 광속, 조도, 광도, 휘도 등에 대한 결과 값이 리시버에 저장됨.

 

1) Far-field receiver : 광원의 형상이 무엇이든 무한대 지점에서 광원을 관찰하면 점광원으로 간주됨. 

                                  구형 좌표계의 중심에 있는 광원의 각도별 광도가 궁금할 때 사용
                                  (*LED 배광곡선 : 파 필드 리시버에 저장된 광도를 고정된 방위각에 슬라이스 시킨 것)

 

2) 휘도/조도 리시버 : 항상 고체각을 정의해주어야 함. LightTools 초기값은 10˚로 설정. '절반 콘 각도'로 조정

                                  (*BM7, BM5, SR3 같은 휘도 계측기는 고체각을 1˚, 2˚로 협소하게 정의)

 

                                       + 또한, 면발광에 대한 위치별 휘도/조도 분포를 알 수 있고

                                          측면 시인성이 중요할 경우 리시버를 여러 개 달아서 고체각을 달리 준 후 계측함.

                                          조도 리시버는 고체각을 정하지 않음

 

3) 각 휘도/각광도 리시버 : 정의된 면적에서의 출사광에 대한 방사 각도별 휘도가 저장됨

                                          면적이 작아질수록 시뮬레이션 시간이 오래 걸림. 적당한 면적을 찾아야..

                                          (한 변이 5-10mm의 사각형에 대해 정의된 각 휘도 리시버를 사용하면 무난)

 

 

 

2-4. 시뮬레이션  수행 및 해석 결과 정리

 

- 적게는 십만 개, 많게는 수천만 개 이상의 광선 추적을 수행

- 조사가 필요한 리시버에 충분한 광선이 도달해야 함

- 리시버의 error estimated at peak 값이 작아야 함 (휘도 리시버 : 5% 이내, 조도 리시버 : 1-2% 이내) 

- 전방 (Forward) 시뮬레이션   : 광선이 리시버에 도달하지 않을 수 있으므로 충분한 광선을 쏴야 함

                                                  한 번 시뮬레이션으로 다수의 리시버 결과 값을 알 수 있음
- 후방(Backward) 시뮬레이션 : 리시버에 도달 가능한 광선만 역추적하는 기법. 속도 빠름.

                                                  한 번에 리시버 한 개의 결과만 얻을 수 있음

  (후방 시뮬레이션이 가능한 경우 : 형광체에 의한 발광원, Collimation 광원, 점광원, Ray data 광원)