TFT-LCD(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display)는 표시장치로서 실용화된 후 많은 상품에 적용중이다. 그러나, LCD는 자체 발광능력이 없으므로 그후면에서 LCD 화면을 밝혀주는 BLU(Backlight Unit)를 필요로 한다. BLU는 내부 광원으로 밝기가 균일한 평면광을 만들어 LCD 화면을 균일하게 면조사하는 역할을 한다. LCD가 적용되는 분야중 Note PC에는 광원으로 CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp)가 적용되어 왔지만, 최근 고휘도, 박형화, 저소비 전력을 달성하기 위해 CCFL로는 한계가 있어 LED(Light Emitting Diode)를 적용한 BLU를 제작하기 위한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 점광원인 LED 적용한 LED에 있어서 요구되는 휘도 균일성을 향상시키기 위해서는 LED광원이 적용된 BLU의 외관 품질 향상을 위한 도광판 입광부 구조 최적화를 광추적 Simulation을 통해 예측하고 향상시킬 수 있는 구조를 제안한다. Simulation결과, 외관품질 개선을 위해 도광판 입광면에 130도의 Serration과 휘도를 향상하기 위해 도광판 밑면에 렌즈 형상의 바 구조를 도출해 적용한 결과 외관품질향상과 휘도향상을 얻었다.
진료 및 수술 집도 시 조명용 광원으로 할로겐램프와 플라즈마램프가 주로 사용되고 있다. 두 광원은 램프의 수명 및 과도한 발열로 인한 다양한 문제점을 야기할 뿐 아니라 냉각기로 인하여 부피 또한 매우 크다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 의료용 신조명 부품으로 주목받고 있는 고휘도 LED를 사용하여 진료실 및 수술실에서 환자의 환부에 대한 국소 무영 촬영이 가능하도록 링라이트를 설계 개발하였다. 개발에 적용한 LED는 환부 근접 무영 촬영시 피사체 고유의 Tone에 대한 섬세한 표현력과 강한 하이라이트, 간결한 쉐도우, 그리고 입체감을 부각시키기 위하여 다양한 색상 구현과 광량 조절이 가능하고 백색광을 얻을 수 있는 FULL COLOR용 고휘도 3색 LED를 사용하였다.
에디슨 전구가 발명된 지 1 세기가 지난 지금, 반도체 기술에 의해 또 다른 빛의 혁명이 시작되고있다. 고출력 백색 LED를 이용한 반도체 조명이 그 주역이다. 종래의 단순 표시기에서 사용되었던 저휘도 LED가 이제는 빛의 3원색인 적색, 녹색 및 청색뿐만 아니라, 모든 가시광선의 영역과 나아가서는 자외선 영 역까지 고출력 LED 구현이 가능하게 되었고, 또한 빛의 3원색을 결합시킨 백색 LED의 광효율이 획기적으로 증가함에 따라 차세대 조명기기에의 응용이 눈앞에 다가오고 있는 실정이다. 이와 같은 기술의 변화의 파라다임은 과거 진공관 시대가 트랜지스터 시대로 변모되었고, 현재 CRT 모니터 시대에서 LCD 모니터 시대로 급변하는 것과 같이, 미래에는 백열전구 시대에서 LED 반도체 조명 시대로 바뀌게 될 것을 기대 할 수가 있을 것이다. LED 반도체 조명은 무엇보다도 기존의 조명기기보다 전력 소모가 매우 적고 10년 이상의 수명을 갖고 있어서 유지보수 측면에서의 효용성, 내구성과 견고성과 더불어 다양한 직접화 및 디자인 등의 많은 장점을 갖고 있어서 빛이 필요한 모든 다양한 분야에서 사용이 가능하기 때문에 그 중요성이 새삼 강조되고 있다. 따라서 현 정부에서는 차세대 성장 동력 산업 38개 사업 중 LED 사업을 그 중 하나의 산업으로 지정만 바가 있다. 본 논문에서는 LED의 개발 역사와 선진국들의 고휘도 및 고출력 LED 신기술 동향을 고찰하며, 시장의 다양한 응용의 예와 LED 반도체 조명을 구현하기 위해 극복해야 할 기술들을 전체적으로 분석하여 제시하고자 한다.
반도체 광원(LED소자)을 이용한 새로운 해상용 등명기의 경우 기존의 해상용 등명기와는 발광 원리 및 발광 방식이 다르며, LED는 반도체 소자로서 외기 환경(온도)의 변화에 따른 그 특성이 변화하는 문제점을 내포하고 있어, 본 논문에서는 우리나라의 계절적 변화에 적응되고, 해양 환경 특성에 적합한 LED 등명기를 개발하여 현재 사용중인 등명기의 문제점을 해소하고 품질 개선, 시인효과 및 신뢰성 향상으로 이용자에게 양질의 서비스를 제공하고 선박의 안전운항에 기여하고자 하였다. 이를 위하여 기존 전구식 등명기의 기술기준, 고휘도 LED 광원을 이용한 고광도 등명기 광원 선계, 및 고휘도 LED 등명기의 실효광도 및 색도의 측정 분석시험에 대해 연구를 수행하였다.
본 논문은 통제 시현 장치(Control data unit ; CDU), 다기능시현장치(Multi Function Display ; MFD)와 같은 항공기 디스플레이용 LED 백라이트의 광대역 휘도 제어기의 개발에 대해 기술하였다. 항공기 디스플레이 장치는 주간의 태양광 아래서 수백 fL 이상의 고 휘도에서부터 야간에 야시경(Night Vision Goggle) 착용 시 0.05fL의 최저 휘도까지 광대역의 범위에서 디스플레이가 가능해야 한다. 따라서 본 논문에서는 광대역의 조광 제어 범위 내에서의 정확한 휘도 제어를 하기 위해 광센서를 사용한 궤환 휘도 제어기를 제안하였다. 제안된 휘도 제어기는 주위 온도변화에 대해서 0.05fL에서 150fL까지 1:3000의 광대역의 조광 제어 범위에서 향상된 제어성능을 보인다. 제안된 제어 시스템의 성능은 본 논문의 실험 결과들을 통해서 검증하였다.
LED(Light-Emitting Diode)내에서의 전류 분포를 계산하기 위한 SPICE 기반의 3차원 회로 모델을 개발하였다. 이 모델은 고전압, 고전류에서 구동되는 고휘도 LED의 전류 밀집(current crowding) 현상을 최소화하기 위한 설계 최적화에 이용할 수 있다. 본 논문에서는 $GaN/Al_2O_3$ 고휘도 청색 LED 내에서의 전류 분포를 분석하여 전극 설계를 최적화하기 위한 연구를 수행하였다.
Escape cone 개념에 바탕을 둔 구조 해석을 통해 고휘도 LED의 설계 이론을 확립하였다. 확립된 설계이론에 근거하여 최근까지 개발된 중요한 고휘도 LED의 구조들을 비교/분석하였으며, 각각의 구조에서 출력결합효율을 대략적으로 계산하였다. Ohmic전극 영역에서의 광자 손실이 매우 심각한 것으로 알려진 AlGaAs 또는 InGaAIP LED의 경우, window layer(WL)와 transparent substrate(TS)를 활용하게 되면 전극에 의한 광자의 차폐효과가 크게 감소되어 발광효율이 크게 개선된다. 청색으로부터 녹색까지 상당히 넓은 영역에 걸친 발광특성을 갖는 InGaN LED 경우의 중요한 차이점의 하나는 WL를 사용하지 않으면서도 괄목할만한 발광효율을 얻어 낼 수 있다는 사실인데, 그 원인은 GaN와 같은 넓은 bandgap을 갖는 반도체의 경우 ohmic 전극에서의 광자의 손실이 상대적으로 미미하며 그 결과로 전극에 의한 광자의 차폐현상이 상대적으로 큰 문제가 되지 않기 때문인 것으로 분석된다.
LED가 의료장비용 LCD 패널의 광원으로 사용되는 경우, 밝기, 휘도 균일성, 고출력, 백색의 조절 능력, 온도 등을 고려한 우수한 광학 기구의 설계 및 제작이 필요하다. 본 논문에서는 휘도 및 균일도, dimming 범위의 증대, 잡음 발생 억제 등에서 측면발광 방식의 45인치 의료기기 등의 LED 후면광 시스템 및 구동회로를 설계하고 그 시제품을 제작하였다. 시제품의 휘도, dimming 범위, flicker 잡음, black level, 온도 특성 등을 측정한 결과, 휘도의 범위는 3,000 ~ 25,000[$cd/m^2$], 색 좌표는 x 좌표 0.3144, y좌표 0.3076의 평균값을 보였으며, 온도 특성은 휘도가 20,000[$cd/m^2$]이상의 제어에서 냉각 시스템이 필요한 것으로 나타났다. 한편, dimming의 범위는 27.0[$cd/m^2$] ~515[$cd/m^2$], flicker noise는 80kHz에서 발생하지 않았고, black level 0.7[$cd/m^2$]~0.1 [$cd/m^2$]를 얻어 의료기기 등의 LCD 패널에 적용할 수 있을 것으로 판단되었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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