[TracePro] TIR 차단을 이용한 광학 설계 및 분석

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알테어 파트너 얼라이언스(APA)의 TracePro는
사용하기 쉬운 그래픽 인터페이스를 갖춘
강력한 조명 및 비이미징 광학 설계 및 분석 프로그램입니다.

Guest Contributor: Dave Jacobsen, Lambda Research Corporation

TIR 차단이 법에 어긋나는 행위일까요? 물론 아닙니다. TIR은 Total Internal Reflection의 약자로, 자동차 실내 조명, 컴퓨터 디스플레이, 가전 제품, 항공 디스플레이 및 기타 여러 분야에서 사용할 수 있는 광섬유, 광 가이드 및 광파이프의 가이드 원리입니다. TIR은 특정 조건을 충족하는 광선이 광속이나 전력 손실없이 광 가이드 내부에서 반사됨을 의미합니다. 이것은 손실이 거의 없거나 전혀 중요하지 않은 한 지점에서 다른 지점으로 빛을 전송할 때 유용합니다. 그러나 디스플레이 및 표시기와 같은 다른 경우가 있으며, 일부 사용자 정의 위치에서는 광 가이드에서 빛을 빼는 것이 좋습니다. 이럴 때, TIR을 차단합니다.

우리가 TIR을 차단할 때 우리는 사실상 법, 바로 스넬의 법칙을 어기는 것입니다. 스넬의 법칙은 빛이 한 매체에서 다른 매체로 이동할 때 빛이 굴절되거나 구부러지는 방식을 제어합니다. 예를 들어, 공기에서 플라스틱으로 또는 플라스틱에서 다시 공기로 이동할 때 입니다. 스넬의 법칙은 다음과 같습니다.

n1sinθi = n2sinθt

  • n1 = 입사 물질의 굴절률
  • n2 = 투과된 재료의 굴절률
  • Θi = 입사각
  • Θt = 굴절각
  •  
    스넬의 법칙을 사용하여 임계각을 계산할 수 있습니다. 임계각은 TIR이 발생하는 표면 법선에 대한 빛의 입사각입니다. 임계각보다 큰 입사각의 광선은 TIR됩니다. 임계 각도보다 작은 각도의 광선은 부분적으로 반사되고 광 가이드에서 부분적으로 굴절됩니다. 임계각은 광 가이드 재료와 주변 재료(일반적으로 공기)의 굴절률에 따라 달라집니다. 공기 중에서 굴절률이 1.5인 일반적인 플라스틱의 경우 임계각은 41.8도입니다. 그림 1은 임계각 아래 및 위의 광선이있는 광 가이드의 예를 보여줍니다.

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    그림 1 : 임계 각도보다 크거나 작은 광 가이드의 광선

    앞서 언급했듯이 때때로 TIR을 차단하여 특정 방향으로 빛을 비추는 것이 필요합니다. 이것의 예로는 백라이트 또는 디스플레이 링이 있습니다. TIR을 깨는 몇 가지 방법은 광 가이드에 표면 특징 또는 표면 텍스처를 추가하는 것입니다. 그림 2는 TIR을 차단하기 위해 광 가이드에 기하학적 특징을 추가하는 예를 보여줍니다. 이 방법은 백라이트 광 추출기에 사용할 수 있습니다. 이 예에서 빨간색 광선은 더 높은 플럭스 또는 파워를 가지며 파란색 광선은 더 낮은 플럭스를 갖습니다.

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    그림 2 : 기하학적 기능을 사용하여 TIR 제거

    그림 3은 TIR을 차단하고 광 가이드에서 빛을 쉽게 빼내기 위해 광 가이드의 출구 표면에 텍스처를 추가하는 예를 보여줍니다. 이 작업은 광 가이드 표면에 텍스처를 성형하거나 접지 유리 유형 마감재를 표면에 도포하여 수행할 수 있습니다.

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    그림 3 : TIR을 끊는 데 사용되는 표면 텍스처

    광 가이드 표면의 반투명 페인트를 사용하여 TIR을 차단할 수도 있습니다. 레이저 식각 도장 방법을 사용한 표시기와 로고가 이에 해당합니다. 그림 4는 검은색 페인트와 흰색 LED 아래에 빨간색 페인트가 칠해진 검은색 레이저 에칭 페인트를 사용하여 회사 이름과 로고가 부착된 플라스틱 광 가이드의 예를 보여줍니다.

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    그림 4: 레이저 에칭 페인트가 있는 광 가이드

    한 가지 추가로 고려할 수 있는 방법은 성형 시 플라스틱 광 가이드에 확산 또는 산란 물질을 추가하는 것입니다. 이로 인해 빛이 광 가이드 내부에 산란하고 광선이 임계 각도보다 작은 각도로 광 가이드 표면에 닿도록 하여 TIR이 차단됩니다. 그림 5는 플라스틱에 확산 물질이 첨가된 광 가이드의 예입니다.

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    그림 5 : 확산 재료가 첨가된 광 가이드

    보시다시피, 위험한 노력처럼 들리지만, TIR을 차단하는 것은 사실 광학 엔지니어들과 조명 디자이너들이 다양한 요구 사항을 충족시키기 위한 광 가이드를 만드는 데 사용할 수 있는 유용한 도구입니다. 광 가이드에 기능을 추가하여 TIR을 차단할 수 있는 방법은 여러 가지가 있으며, 이러한 기능 중 많은 부분이 대량 제조에 도움이 됩니다. TIR을 제어하는 방법을 배우는 것은 훌륭한 기술이며 광 가이드, 백라이트, 디스플레이 어플리케이션 등에 수많은 어플리케이션을 가지고 있습니다.

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    감사합니다.
    한국알테어

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