레이저 3차원 가공으로 제작된 도광판에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 레이저 3차원 가공법(laser engraving)을 이용하여 내부에 패턴을 갖는 새로운 도광판 제작방법과 동 도광판의 효율을 증대할 수 있는 방안을 제시하고자 한다. 그리고 기존의 표면에 패턴을 형성하는 도광판보다 더욱 우수한 효율을 갖는 내부 패턴이 형성 된 도광판을 제안한다. 도광판의 내부 패턴 가공은 도광판의 내부에 산란체를 형성하는 내부 가공방법으로서 동 방법에 의해 제작된 도광판은 기존의 표면에 패턴을 형성하는 도광판보다 우수한 효율을 갖는다. 레이저 3차원 가공법을 이용하여 제작된 이러한 내부패턴을 갖는 도광판은 기존의 표면에 패턴을 갖는 도광판보다 약 40%의 효율 증대를 보이고 있는데 이는 기존의 표면에 패턴이 형성된 도광판보다는 훨씬 적은 에너지 소비 및 광량으로서 동일한 효율을 보일 수 있음을 의미한다. 실험은 세단계로 구분하여 수행하였다. 첫 번째는 패턴을 이루는 개별산란체인 요소의 3차원적인 형상에 따른 모의실험을 통하여 레이저 3차원 가공에 적용될 요소의 광학적 특성을 분석하였다. 특성분석은 도광판의 하단 표면부에 패턴을 배열하여 측면에서 입사되는 빛을 동일하게 하고 상단에서 투과되는 빛의 평균밝기와 밝기분포의 균일성을 상호간에 비교하였다. 두 번째 패턴구조의 형태에 대한 특성 분석에서는 기존의 도광판 하단에 위치한 패턴에 따른 특성과 본 연구에 적용된 도광판 내부의 3차원적인 패턴에 따른 특성을 모의실험과 레이저 3차원 가공 및 측정을 통하여 비교분석 하였다. 마지막으로 도광판의 밝기분포에 대한 효과적인 제어방안을 제시하기 위하여 각각의 단일 패턴을 수개의 면으로 분할하여 단일패턴 내 각각의 분할된 면의 밀도를 변화시키면서 실험을 수행하였고 추가적으로 패턴의 미세한 형상 변화를 통하여 도광판의 평균밝기와 밝기분포의 균일성을 분석 하였다. 패턴의 미세 형상변화는 실험결과 보정이 필요한 부분에 대하여 패턴 형상의 변화, 패턴 보정면의 추가 등의 보완을 통하여 각각 수행 하였다. 본 연구에 적용된 개별 산란체인 요소 및 이러한 요소로 구성된 패턴은 3차원 모델링 소프트웨어들을 이용하여 설계 및 보정되었다. 모의실험에서는 조명광학 설계가 가능한 광학설계 및 해석 소프트웨어를 이용하여 설계된 패턴 데이터를 입력받아 도광판과 광원 등의 모델링을 추가 하였으며 도광판의 평균밝기 및 밝기분포 등의 분석을 수행하였다. 레이저 3차원 가공은 Q-스위치 제2고조파 (Q-switched 2nd harmonic) Nd:YAG 레이저 기반의 레이저 3차원 가공 시스템을 이용하여 제작하였고 결과의 측정은 면휘도 측정기를 사용하였다. 레이저빔에 의한 도광판 표면의 손상이 없이 내부에만 산란체를 생성하기 위해 output telescope를 사용하여 빔을 확대시킨 후 focusing lens를 거쳐 스테이지에 있는 고정된 PMMA에 조사시켜 가공하였다. 실험을 통하여 패턴을 형상화 하는 요소가 단순한 2차원 평면적인 형태보다는 원뿔형, 구형 등의 3차원적인 형태를 갖는 도광판이 평균밝기나 밝기분포에 있어서 월등히 효율적임을 확인할 수 있었고 기존의 단순한 표면에 대한 패터닝보다는 본 연구에서 제안된 빛이 직접 진행되는 도광판 내부에 패턴을 가공하는 방법이 도광판의 평균밝기나 밝기분포에 있어 약 30～50%정도 더 효율적임을 알 수 있었다. 아울러 도광판에 발생되는 음영이나 밝기의 불균일성은 기존의 표면가공 도광판에 사용되어 왔던 부분적인 밀도변화를 통한 보완방법에 추가하여 패턴의 3차원적인 미세 형상변화와 보정면의 추가를 통하여 더욱 손쉽게 개선 가능함을 알 수 있었다. 본 연구에서 제안된 레이저 3차원 가공법을 이용하여 도광판의 내부에 패턴을 형성하는 패턴 제작 방법은 기존의 표면에 패턴을 제작하는 방법보다 에너지 활용 및 패턴 개발의 용이성 등에서 더욱 우수한 효율을 보이는바 기존의 방법에 대한 우수한 대체기술로 적용가능 할 것으로 기대된다.