Re:논문엘이디

[상당구]

LED를 이용한 고휘도 평면광원의 설계 및 제작

Design and Fabrication of a High Brightness Flat Ligh Source Using Light-Emitting Diodes

저자명

이윤식

문서유형

학위논문(박사)

학위수여기관

관동대학교

학위수여년도

2010

전공

전자공학

청구기호

621.381 -10-180 (국회도서관)

발행국가

한국

발행언어

한국어

서지링크

국회도서관 , 한국교육학술정보원

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초록

The dissertation deals the design and fabrication of flat panel light source using the LED which can exchange the use of fluorescent lamps and metal halide lamps.
Yellow phosphor was synthesized by using the spraying heat decomposition method and was fabricated for its use as to obtain the white color of LED. This was reported to be a main component of a flat panel light source. It was then combined with a blue LED chip. 1W, 2W, 3W and 4W grade white LEDs were obtained by the number of blue LED chips used.
Temperature keeping below 800℃, the obtained globular form showed insignificant binding force. However, it was observed that the product obtained at 1100℃ possessed the most suitable characteristics for the purpose. The light emitting characteristics were changed according to the doped Ce quantity. The most optimum doping density was when x was equal to 0.035. This showed the best lighting characteristics. Further, the XRD results enabled that with the heat treatment (above than 1700℃), it possessed the YAG phase. However, the sample treated relatively at lower temperature i.e., below 1700℃, it showed not pure YAG as accompanied with some CeO2 peak, which was disappeared completely at 1800℃. From these results, it was concluded that the reason of the luminous decrement was originated because of the impurity present. Based on the above observations, The synthesized globular phosphor subjected for the heat treatment 1800℃ for 6 hours of time in an electronic furnace showed reasonably good PL characteristics.
The fabricated white LED was used. It was further noted that the most appropriate surface to emit heat from the 4W grade LED was 16Cm2. The mentioned surface area was calculated with the precondition, keeping the heat dissipation system below 40℃ along with the thickness of the adopted flat aluminum 2mm.
The boost - converter type circuit was intended to operate the fabricated LED and a number of LEDs were lightened by using this system. Additionally, a driver IC that serve as PWM dimming was used. Hence, the PWM control circuit was also included, which was basically an analogue type. Because the duty rate of the IC could be controlled from 1% to 99%, the most proper lighting condition of the LED was acquired by applying this IC.
The lens that converts a point light source into a line light source was designed and fabricated to acquire the function of a line light source similar to a fluorescent lamp.
Moreover, the pattern design formula was derived to convert a line light source into an area light source. An area light source for the LED illumination was made by applying the pattern design formula for this light guide panel and the results were compared with the fluorescent lamp widely used at present.
It was reported that the brightness value of a 40W fluorescent lamp is 88.2Lux. On the other hand, the fabricated LED lighting system with 18W could emit 98.7Lux, which is 10.5Lux brighter than the brightness of the 40W fluorescent lamp. Therefore, the fabricated LED lighting system needed about half the electric power consumption comparing to the 40W fluorescent lamp along with 3Lux more brightness to the 40W fluorescent lamp.
Additionally, a LED tunnel lamp which was 30W was then fabricated using the same technology as described before. The brightness of this system was half degree when it was compared with the 80W tunnel lamp used commercially.
In this study, the optimized LED tunnel lamp showed the possibility to obtain the brightness which was two times higher than the tunnel lamp used commercially.

목차

표제지
목차
I. 서론 12
1.1. 연구동기 및 필요성 12
1.2. 연구목표 및 내용 14
II. LED Lighting Chip의 설계 및 제작 16
2.1. LED의 발광원리 및 재료 19
2.2. LED의 백색구현방법 24
2.3. LED의 특징 및 응용분야 29
2.4. 청색LED와 황색 형광체를 이용한 백색LED의 구현 32
2.4.1. 황색 형광체의 제조 33
2.4.2. 백색 LED의 구현 39
2.4.3. LED의 MACOB화 44
2.5. 결과 및 논의 45
III. LED 구동회로의 설계 및 제작 49
3.1. LED 구동사양 49
3.2. 설계시 기본적인 고려사항 55
3.3. LED의 구동방식 59
3.4. 구동회로의 설계 64
3.5. 구동회로의 제작 70
3.6. 결과 및 논의 71
IV. LED의 방열시스템 설계 및 제작 75
4.1. 전도(conduction) 78
4.2. 대류(convection) 81
4.3. 복사(radiation) 83
4.4. 방열 system 설계 84
4.5. 방열 system 제작 87
4.6. 결과 및 논의 88
V. 점광원의 선광원화를 위한 렌즈의 설계 및 제작 93
5.1. 굴절(refraction) 93
5.2. 전반사(total reflection) 95
5.3. 렌즈의 설계 96
5.4. 렌즈의 제작 98
5.5. 결과 및 논의 99
VI. 면광원의 설계 및 제작 104
6.1. 도광판의 역할 및 제조방식 104
6.2. 패턴의 정의 및 역할 110
6.3. 패턴설계이론 및 설계식 111
6.4. 설계식의 타당성 검증 122
6.5. 면광원의 제작 및 검토 130
VII. 응용시스템 140
7.1. LED 조명장치 140
7.2. 30W급 LED 터널등 147
VIII. 결론 153
참고문헌 155
ABSTRACT 160
감사의 글 163
표목차
표 2.1.1. AlInGaP 와 InGaP LED의 에너지 갭 특성비교 20
표 2.2.1. 백색구현방법에 따른 LED의 특성 27
표 2.4.2.1. 청색 LED 칩의 특성 39
표 2.4.3.1. Encapsulation 및 Molding기법의 비교 44
표 2.5.1. 상용중인 1W급 LED와 제작한 LED의 전기적 특성비교 46
표 2.5.2. 측정조건 47
표 3.3.1. 절연형 컨버터의 종류 및 특징 63
표 3.4.1. 부품 Part list 66
표 3.4.2. 구동회로의 전기적 사양 67
표 3.6.1. 제작된 구동회로의 입출력 특성 71
표 4.1.1. LED 재료들의 열전도 특성 78
표 4.6.1. 측정조건 92
표 6.1.1. PMMA의 물성 104
표 6.1.2. 제판 공정 107
표 6.4.1. 등간격 패턴 도광판의 측정값과 계산값의 비교표 124
표 6.4.2. 측정조건 124
표 6.5.1. 도광판 제작용 부품 리스트 131
표 6.5.2. Tip각도 40˚적용 패턴 제작 결과 136
표 7.1.1. 측정조건 141
표 7.2.1. 측정조건 147
그림목차
그림 2.1. 광원의 변천과 LED의 생성 18
그림 2.1.1. LED의 P-N Junction의 에너지밴드에서 전자이동 19
그림 2.1.2. LED 반도체의 색상별 재료 22
그림 2.1.3. 화합물반도체의 에너지 갭에 따른 파장변화 23
그림 2.2.1. 청색 LED와 황색 형광체를 적용한 백색광 구현 24
그림 2.2.2. UV LED와 적색, 녹색, 청색의 형광체를 적용한 백색광 구현 25
그림 2.2.3. 삼원색의 칩을 이용한 백색광 구현 26
그림 2.3.1. CIE 1931 색도좌표 30
그림 2.4.1.1. 황색형광체의 제조 공정도 34
그림 2.4.1.2. 제조된 형광체의 모습 35
그림 2.4.1.3. Ce의 도핑농도에 따른 광 특성 36
그림 2.4.1.4. 열처리 조건에 따른 광 특성 37
그림 2.4.2.1. 제조된 백색 LED의 구조도 40
그림 2.4.2.2. 제조된 백색 LED 외형도 40
그림 2.4.2.3. 제조에 사용된 장비모습 41
그림 2.4.2.4. 제조장비의 구성 시스템 42
그림 2.4.2.5. 청색 LED칩을 이용한 백색 LED의 특성 43
그림 2.5.1. 제작된 4W급 LED의 발광모습 45
그림 2.5.2. 상용중인 1W급 LED와 제작한 LED의 밝기 특성비교 46
그림 2.5.3. W급 LED의 시간에 따른 온도특성 비교 47
그림 3.1.1. 파장에 대한 상대적 광도 관계 51
그림 3.1.2. 주변온도에 대한 최대 허용전류 관계 52
그림 3.1.3. 접합면의 온도에 대한 순전압 관계 53
그림 3.1.4. 순전류에 대한 순전압 관계 54
그림 3.3.1. buck converter 회로 60
그림 3.3.2. boost-converter 회로 61
그림 3.3.3. buck boost-converter 회로 62
그림 3.4.1. 제작된 LED Driver의 구성시스템 64
그림 3.4.2. LED Driver용 설계도면 65
그림 3.5.1. 제작된 구동회로 70
그림 3.6.1. 측정 포인트 71
그림 3.6.2. Mosfet VDS 전압파형 72
그림 3.6.3. 출력 ripple 전압파형 72
그림 3.6.4. 듀티비에 따른 PWM 출력파형 73
그림 3.6.5. 제작된 결과물을 이용하여 점등된 LED의 모습 73
그림 4.1. 열전달의 세 가지 형태 77
그림 4.1.1. 열전도에서의 열전달 80
그림 4.2.1. 온도경계층과 속도경계층을 포함한 대류열 모형 82
그림 4.4.1. 측정장치의 구성 System 84
그림 4.4.2. LED를 방열판에 부착한 모형도 85
그림 4.4.3. 방열 등가회로 85
그림 4.5.1. 제작된 방열시스템의 구조 87
그림 4.6.1. 방열판 두께에 대한 방열판의 온도 특성 89
그림 4.6.2. 방열판 면적에 대한 방열판의 온도 특성 90
그림 4.6.3. 방열판 부착여부에 따른 온도변화 91
그림 5.1.1. 굴절 94
그림 5.2.1. 전반사 95
그림 5.3.1. 얇은 렌즈 96
그림 5.3.2. 설계된 선광원화 렌즈의 구조 97
그림 5.4.1. 제작된 렌즈의 모형도 98
그림 5.5.1. 렌즈와 스크린 사이의 변화에 따른 출광특성 99
그림 5.5.2. 렌즈에 대한 스크린상의 광 형상도 측정방법 101
그림 5.5.3. 스크린상에 나타난 광의 형상변화 측정결과 102
그림 6.1.1. 제판의 모형 106
그림 6.1.2. 제조방식에 따른 도광판의 출광특성 109
그림 6.2.1. 입광부 에서의 광 이동경로 111
그림 6.4.1. 등간격 패턴 도광판의 측정값과 계산값의 비교그래프 123
그림 6.4.2. 입사면과 나란한 V홈을 갖는 도광판의 휘도특성 126
그림 6.4.3. y축 성분을 고려하여 제작된 도광판과의 비교 127
그림 6.4.4. x축, y축, xy축 으로 가공한 도광판의 휘도특성 129
그림 6.5.1. 패턴 가공에 사용된 V-Cutting machine 130
그림 6.5.2. 도광판의 패턴 형성을 위한 시스템 구성 131
그림 6.5.3. 가열된 Tip으로 가공한 도광판의 광 방출경로 132
그림 6.5.4. 가열된 Tip의 각도에 따라 도광판에 형성되는 각도와의 관계 133
그림 6.5.5. 가열된 Tip으로 가공된 도광판의 패턴모습 134
그림 6.5.6. 측정각도에 따른 휘도특성 측정방법 135
그림 6.5.7. 가열된 Tip각도에 따라 형성된 도광판의 휘도분포곡선 135
그림 6.5.8. 40˚ Tip으로 가공된 도광판의 표면휘도 측정결과 136
그림 6.5.9. 기존방식과의 휘도 특성 비교 137
그림 6.5.10. 타사제품과 결과물과의 밝기특성 비교 138
그림 7.1.1. 측정방법 141
그림 7.1.2. LED string의 소모전력에 따른 밝기특성 142
그림 7.1.3. 온도변화에 따른 LED String의 밝기 특성 143
그림 7.1.4. LED 면광원 장치의 구조 144
그림 7.1.5. LED면광원 장치와 40W 형광램프와의 밝기특성비교 145
그림 7.1.6. 제작한 LED 면광원 장치의 발광모습 146
그림 7.2.1. 측정방법 147
그림 7.2.2. LED 터널등의 경과시간에 따른 밝기변화특성 148
그림 7.2.3. 80W 터널등과 30W급의 LED 터널등과의 밝기특성 비교 149
그림 7.2.4. LED 터널등의 경과시간에 따른 온도변화특성 150
그림 7.2.5. LED 터널등의 구조 151
그림 7.2.6. 제작한 LED터널등의 발광모습 152