LED – 지배적인 조명 기술
LED가 이처럼 지배적인 조명 기술이 될 것이라는 질문이 있는 경우 주변을 살펴보십시오. 그들은 거의 모든 곳에 있습니다. 스테레오 장비, 노트북 및 장난감의 표준 표시기에서 신호등, 가변 메시지 표지판 및 자동차 조명에 이르기까지 LED는 지난 몇 년 동안 끝이 보이지 않는 폭발적인 성장을 누렸습니다. 이 중 대부분은 RGB(풀 컬러) 및 일반 조명 애플리케이션을 위한 청색 및 백색 LED의 출현뿐만 아니라 새로운 재료 및 웨이퍼 제조 공정으로 달성되는 밝기 수준이 계속 증가하기 때문입니다. LED 사용에 대한 정교함의 수준이 높아짐에 따라 LED의 광학적 특성을 정확하게 측정해야 할 필요성도 높아집니다. 저는 거의 25년 동안 광전자 산업에 종사해 왔으며 지금까지 제가 항상 받는 가장 일반적인 유형의 질문은 LED 측정과 관련된 것입니다. (루멘이란 무엇입니까? 루멘을 칸델라로 어떻게 변환합니까? 밝기를 정확하게 측정하는 방법은 무엇입니까? 내 측정 값이 귀하의 측정 값과 동일하지 않은 이유는 무엇입니까?) 다음 기사에서 이러한 문제와 많은 유사한 문제를 다루기를 바랍니다. 이 디스크에 있는 광학 측정의 세부 사항은 4개의 개별적이지만 상호 관련된 주제로 나뉩니다. 광도량, 방사량, 파장 또는 색도량, 마지막으로 각도 또는 측각량입니다. 위의 단위, 표준 및 테스트 방법론에 대해 전체 책을 쉽게 작성할 수 있지만 보다 일반적이고 기본적인 관심 영역을 요약하려고 합니다.
측광
측광은 단순히 가시 스펙트럼(약 380nm-770nm)의 빛을 측정하는 것입니다. 이것은 평범한 인간 관찰자의 육안으로 볼 수 있는 빛입니다. nits(cd/m2), lux(lumen/m2), footcandles(lumen/ft2), stilb(cd/cm2) 등과 같은 다양한 유형의 측광 단위가 있습니다. 이들 모두는 두 가지 기본 측광 표준을 기반으로 합니다. 루멘과 칸델라. 칸델라는 주어진 방향의 단위 입체각당 광속(광원에서 방출되고 루멘으로 표시되는 총 광속)의 양으로 정의할 수 있는 광도의 단위입니다. 루멘은 광도가 1칸델라인 균일한 점 광원에서 단위 입체각당 방출되는 광속으로 정의할 수 있습니다. (1 칸델라=1 루멘/스테라디안) 스테라디안의 정의를 이해하는 것도 중요합니다. 스테라디안은 표면의 면적 "r2"에 해당하는 반경 "r"의 구 중심에서의 입체각(원뿔)입니다. 구체. (그림 1 참조) 구의 표면적은 4π r2입니다. 따라서 구에는 4π 스테라디안이 있습니다. 오늘날 공급되는 대부분의 표준 LED는 칸델라 단위로 측정되지만 일반 조명 시장에서 백열등을 대체할 LED에 대한 수요가 증가함에 따라 이제 루멘은 광 출력의 측정 단위로 자주 사용됩니다. Candela에서 Lumens로 변환하는 간단한 방법은 그림 2(아래)에 나와 있습니다. 1단계.) LED의 입체각 획득 w=π * (θ1/2)2 w=π(25)2, LED 반각이 25° w=π(.43633)2라고 가정하고 각도를 라디안으로 변환 .598 2단계.) 루멘 계산 f=Iv * wf=2.00 * .598, LED 밝기가 2000mcd f=1.196 루멘이라고 가정하면 다양한 유형의 측광 단위를 변환하는 데 경험적 계산이 가능하지만 실제 측정 값은 다음과 다를 수 있습니다. LED의 공간 복사 특성의 변화로 인해 계산된 값입니다. 대부분의 경우 경험적 계산은 충분히 정확합니다. 추가 광도 변환이 그림 3에 나와 있습니다. 칸델라에서 니트로 또는 람베르트에서 칸델라로의 변환과 같이 수많은 다른 변환이 가능하지만 사용할 수 있는 직접적인 곱셈 계수는 없습니다. 소스 및/또는 검출기의 면적 또는 측정 거리 및 각도 특성과 같은 정보가 필요할 수 있습니다. LED의 측광 측정은 정확한 과학이라기보다 예술에 가깝습니다. LED의 광학 특성에 큰 영향을 줄 수 있는 다양한 형상, 전기 및 조립 문제가 있습니다. 두 개의 LED가 정확히 똑같지 않기 때문에 측정 정확도를 크게 향상시키는 단계가 있습니다. 여기에는 다음이 포함되지만 이에 국한되지는 않습니다.
LED 발광 광학 중심 대 기계 중심을 알고 있습니다. LED를 일반적인 테스트 픽스처에 배치할 때 일반적으로 장치의 기계적 중심에서 빛이 발산된다고 가정하는 방식으로 배치됩니다. 그렇지 않은 경우가 많습니다. (그림 4 참조) 광학 중심은 종종 LED 기계 중심에서 5° 이상 벗어납니다. 40° 이상의 넓은 시야각을 가진 장치를 측정할 때는 이것이 큰 문제가 되지 않을 수 있지만, 좁은 각도 장치의 경우 판독값의 차이가 상당할 수 있습니다. (CIE(Commission Internationale de l'Eclairage) 권장 사항은 측정 기준으로 광축보다는 LED의 기계적 축을 사용하는 것입니다.
특정 시간 간격으로 또는 안정화되었을 때 출력을 측정합니다. LED에 처음 전원이 공급되면 소비 전력으로 인해 접합부의 온도가 상승합니다. (LED의 접합 온도는 Tj=Ta+(Vf*If)*Rth(ja)에 의해 결정됩니다.) 광 출력이 열 평형 및 안정화된 값에 도달하기까지 몇 초 또는 몇 분이 소요될 수 있습니다. 5-20% 이상의 출력 감소는 드문 일이 아닙니다. 이것은 영구적인 성능 저하가 아니며 전원이 차단되면 복구됩니다. 많은 LED가 테스트를 필요로 하는 경우 오랜 시간을 기다리는 것은 실용적이지 않기 때문에 출력이 안정화되지 않더라도 5초와 같은 설정 시간 간격을 설정하는 경우가 많습니다.
테스트하는 동안 주변 온도를 일정하게 유지합니다. LED는 일반적으로 온도에 따라 밝기와 색상이 변합니다. 온도가 상승하면 출력이 감소하고 색상이 스펙트럼의 더 높은 쪽으로 이동합니다. 이것은 측색법 논의에서 자세히 설명될 것입니다.
항상 정전류 소스를 사용하십시오. LED의 순방향 전압(Vf)은 장치마다 변동될 수 있으므로 표준 전원 공급 장치 또는 전압 소스를 사용하는 경우 각 LED가 동일한 전류를 수신하지 않을 수 있습니다.
쉽게 재현할 수 있는 테스트 설정을 사용합니다. 정교한 설정은 실험실 유형 측정에 적합할 수 있지만 많은 LED가 각각 다른 패키지 스타일, 시야각, 색상 등으로 테스트가 필요한 경우 기계적 축의 동일한 정렬을 보장하고 검출기를 보장하면서 신속하게 수정할 수 있는 시스템 항상 방출 원뿔의 동일한 섹션이 필요합니다.
모든 장비가 적절하게 유지 관리되고 보정되었는지 확인합니다.
방사선 측정
방사 측정은 가시광선, 적외선 또는 자외선 스펙트럼에 관계없이 총 복사 또는 모든 빛의 측정을 나타냅니다. 방사광 광전력(Radiant Power)의 기본 단위는 와트(W)입니다. 와트는 파장과 무관하기 때문에 절대 단위입니다. 적외선 1와트에는 가시광선 1와트와 같은 전력이 포함되어 있습니다. 일반적으로 측정되는 다른 방사 측정 용어는 복사 강도(와트/스테라디안), 복사조도(W/m2) 및 복사조도(W/m2 sr)입니다. 총 복사 전력/광속을 측정하는 주요 방법은 적분구를 사용하는 것입니다.(그림 5 참조) 적분구는 LED에서 모든 방향으로 방출되는 빛을 측정합니다. 일반적으로 이러한 측정은 시야각과 무관하며 측광 테스트 시 나타나는 각도 측정 부정확성에 영향을 받지 않지만 오류는 여전히 가능합니다. 약 3 및 6인치의 구 직경이 널리 사용됩니다. 정확도가 중요한 경우 LED 및 포트 크기에 대한 구형 영역의 비율이 좋기 때문에 더 큰 직경 유형이 선호되지만 이는 또한 강도 손실을 초래합니다. 측정 오류의 주요 원인은 적분구 내부에 LED를 배치하는 위치였습니다. CIE에서 채택한 최신 사양인 간행물 127에는 LED의 전체 패키지가 2광속 측정이라고 하는 구 안에 있어야 한다고 명시되어 있습니다. 방사 측정을 수행할 때도 측광 방식으로 LED를 측정하는 데 사용된 것과 동일한 예방 조치를 따라야 합니다. 측광 변환과 마찬가지로 적절한 정보가 주어지면 무수히 많은 복사 변환이 가능합니다. 방사 측정 값은 일반적으로 광섬유, 스캐닝 또는 감지와 같이 광 검출기와 함께 사용되는 응용 분야에 필요합니다.
측색
LED 색상의 과학적 측정 및 정량화는 측색법이라고 합니다. 그 단위는 일반적으로 색도 좌표 또는 파장으로 지정됩니다. 색상 인식은 빛의 다양한 물리적 속성뿐만 아니라 주변 사물, 장치의 기계적 속성, 보는 사람의 눈 반응 및 심리적 상태와 같은 사물에 의존하기 때문에 매우 복잡합니다. CIE는 "표준 인간의 눈 반응"과 관련하여 가시광선 측정에 대한 표준을 수립했습니다. 소위 표준 관찰자 곡선은 1931년에 처음 설정되었습니다(그림 6a 참조). 이 곡선에서 색상을 정확하게 정의하기 위한 삼자극 값을 얻습니다. X, Y, Z 삼자극 시스템은 모든 색상이 세 가지 기본 색상의 조합이라는 가정에 기반합니다. 빨강, 녹색 및 파랑. 1931 CIE 색도 다이어그램(그림 6b 참조)은 다음과 같은 3자극 값에서 파생됩니다. x=X/(X+Y{5}}Z) 또는 x=Red/(Red {{6} } 녹색 + 파란색) y=Y/(X+Y+Z) 또는 y=녹색/(빨간색 + 녹색 + 파란색) 이후( x + y + z) =1, 세 번째 축, z=1 – (x + y)
색도 좌표는 일반적으로 x 및 y 축으로만 지정됩니다. 일반적으로 LED 제조업체에서 제공하는 대부분의 사양은 색도 좌표를 나열하지 않고 피크 및 주요 파장을 나열합니다(LED가 흰색인 경우 제외). 나노미터로 지정된 주요 파장은 위에서 설명한 색 좌표에서 얻습니다. 본질적으로 인간의 눈으로 실제로 인식되는 색상입니다. 피크 파장은 최대 스펙트럼 강도의 파장입니다. 피크 값은 얻기 쉽고 따라서 LED 제조업체에서 지정하는 가장 일반적인 값이지만 두 개의 LED가 동일한 피크 파장을 가질 수 있지만 서로 다르게 인식될 수 있기 때문에 사람의 눈으로 보는 응용 분야에서는 실용적인 의미가 거의 없습니다. 그림 물감. 현재 색을 측정하는 가장 정확한 방법은 분광복사계를 사용하는 것입니다. 이 장치는 모든 측광, 복사 및 비색 매개변수를 수학적으로 계산할 수 있는 측정 중인 소스의 완전한 스펙트럼 전력 분포를 수행합니다. 장비의 파장 정확도는 0.5nm 이상이어야 하며 0.1nm가 선호됩니다. 앞서 언급했듯이 얻은 값에 영향을 줄 수 있는 몇 가지 요소가 있습니다. 그 중 하나가 온도입니다. 주변 온도가 상승함에 따라 LED 파장도 상승합니다. 이 증가는 사용되는 LED 유형에 따라 일반적으로 0.1nm/°C-0.2nm/°C입니다.
각도 측정/각도 특성화
토론의 마지막 주제는 각도 측정 또는 각도 특성화입니다. 고니오미터는 LED의 공간 분포 또는 방사 패턴을 측정하는 장치입니다(그림 8 참조). 이것은 검출기를 LED 주위로 움직이거나 검출기가 고정되어 있는 동안 LED를 기울여 수행할 수 있습니다. 두 경우 모두 0°-180° 회전이 수행될 때 각 각도에 대해 여러 출력 측정이 수행됩니다. 완료되면 한 평면에서 방사된 빔의 프로파일을 얻습니다. 대부분의 LED가 원형이기 때문에 방사 패턴이 대칭이라고 가정하는 경우가 많습니다. 이는 많은 LED 제조업체에서 제공하는 시야각의 그래픽 표현으로도 알 수 있습니다. 그렇지 않은 경우가 많습니다. 앞서 언급했듯이 LED 제조 중 발생하는 기하학적 및 어셈블리 변형은 광학 특성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 추가 스캔을 수행하고 여러 평면을 기록해야 할 수도 있습니다. 또한 타원형 또는 타원형과 같은 일부 특수 모양의 LED는 기본적으로 두 가지 방사 패턴(예: 30° x 70°)을 가지므로 장치의 0° 및 90° 스캔이 모두 필요합니다. 측각계를 쉽게 사용할 수 없는 경우 광 검출기를 사용하고 LED 또는 검출기를 수동으로 회전하고 출력 레벨을 기록하고 데이터 포인트를 도표화하여 조잡한 방사 패턴을 얻을 수 있지만 이는 매우 지루하고 시간이 많이 소요될 수 있습니다. . 빛의 측정은 전압, 전류 또는 저항과 같은 다른 보다 구체적인 전기적 특성에 비해 매우 부정확할 수 있다는 것이 논의된 내용에서 분명해야 합니다. 측정 오류를 유발할 수 있는 색상, 장치 형상, 테스트 픽스처에 대한 LED의 정렬, 온도 등과 같은 많은 요인이 있습니다. 그것은 종종 과학보다 예술에 가까운 것으로 분류됩니다. ±5%의 측정 정확도가 여전히 업계에서 표준으로 간주되고 널리 허용되지만 주의를 기울이면 ±2.5% 이상의 정확도가 가능합니다.
