가공한 플라스틱 광섬유 광원샘플의 가공단면모습을 관찰하기 위해 비절개로 가공 부위 단면 촬영가능한 광학단층영상법을 활용하고자 하였다. 그림 3-11은 실험에 사용 했던 광학단층영상법 장치의 개략도이다. 최종적으로 광학단층영상법을 이용하여 플라 스틱 광섬유 광원 가공부위를 단면을 측정하였다. 이 시스템은 광섬유를 기반으로 구 성되어졌다. 광원에서 입사된 빛이 빔분할기 역할을 하는 PCF splitter를 통해서 기준 단과 샘플단으로 나뉘어 진행하게 되고 각각의 거울면과 플라스틱 광섬유 가공면에서 반사된 빛이 다시 PCF splitter를 통과하여 간섭을 이루게 된다. 간섭된 빛은 회절격 자를 통과한 후에 각각의 파장성분별로 구분되어 CCD 카메라에서 측정되고 파장별 광 세기에 대한 그래프를 얻게 된다. 이러한 그래프의 역푸리에 변환을 수행하여 1차원의 깊이 정보를 시각화할 수 있다. 이러한 작업을 샘플단의 스캐너가 빛이 반사되는 위치 를 연속적으로 이동하면서 반복하게 되고 최종적으로 2차원의 비절개 단층영상을 얻을 수 있게 된다.
그림 3-11. 광학단층영상 장치의 개략도
제4장 결과 및 고찰
플라스틱 광섬유의 측면발광 특성을 도광판의 광원으로 사용하기 위해 도광판 가공 에 적용되었던 CO2 레이저를 이용한 가공법을 적용시켜 보았다. 레이저를 이용한 가공 은 플라스틱 광섬유에 도광판에서와 같이 일정한 미세패턴을 가공하여 빛이 균일하게 산란할 수 있도록 하고자 하였다. 가공에 앞서 일정한 패턴과 깊이를 조절하며 전산모 사를 수행 하였으며 그 결과 데이터를 비교 분석 하였다. 또한 전산모사에서 휘도측정 결과가 좋은 패턴을 CO2레이저를 이용하여 실제로 가공하였으며 기존에 연구되어 균일 도가 좋았던 도광판에 실제 적용시켜 휘도분포를 측정하였다. 마지막으로 가공된 샘플 의 가공 결과를 모델링 조건과 비교하기 위해 광학단층영상법(OCT)을 이용하여 샘플의 단면을 촬영하였다.
제1절 미세패턴 모델링 조건에 따른 전산모사 결과 분석
전산모사는 크게 3개의 서로 다른 미세패턴 간격을 가지는 P-타입, O-타입, F-타입 으로 나누어 각 패턴별로 가공깊이의 변화를 주면서 수행하였다. P-타입은 패턴 간격 을 그림 3-1과 같이 플라스틱 광섬유의 양 끝단에서만 8 mm로 다르게 하였고 나머지 그 사이의 모든 패턴 간격을 3 mm로 하였다. 플라스틱 광섬유의 앞단 부분에 휘도값이 높은 문제점을 해소하기 위해 각 패턴의 깊이를 표 3-1과 같이 조절하였다. 그림 4-1 과 표 4-1(모델링 되어진 패턴 부분만의 휘도값)은 P-타입 플라스틱 광섬유의 전산모 사 결과이다. P-타입 플라스틱 광섬유 중에서 P-2에서 가장 높은 휘도값(0.3892 cd/
)을 보였으며 가장 균일한 휘도 분포는 P-4에서 얻을 수 있었다.
그림 4-1. P-타입 플라스틱 광섬유 가공깊이 변화에 따른 휘도분포. (a) P-1, (b) P-2, (c) P-3, (d) P-4, (e) P-5
위치
타입 A B C D E F G H
P-1 0.1094 0.1641 0.1798 0.1372 0.1401 0.2209 0.1305 0.1632 P-2 0.1132 0.1400 0.1887 0.0686 0.2206 0.2792 0.2436 0.1876 P-3 0.1235 0.1737 0.1569 0.1559 0.1352 0.2433 0.1695 0.1003 P-4 0.1290 0.1748 0.1538 0.1575 0.1719 0.2701 0.1334 0.1137 P-5 0.1223 0.0918 0.2371 0.1172 0.2725 0.1347 0.2035 0.1355
표 4-1. P-타입 가공 위치에서 휘도값 (단위: cd/)
그림 4-2. P-타입 플라스틱 광섬유 광원들의 휘도분포
O-타입은 패턴 간격을 그림 3-1과 같이 플라스틱 광섬유의 양 끝단에서만 6 mm로 다르게 하였고 나머지 그 사이의 모든 패턴 간격을 3.5 mm로 하였다. 앞서 언급했듯이 플라스틱 광섬유의 앞단에 빛이 편중되는 문제점를 해결하기위해 각 패턴의 깊이를 표 3-2와 같이 조절하였다. 그 결과 그림 4-3과 표 4-2(모델링 되어진 패턴 부분만의 휘 도값)와 같은 데이터를 얻었다. 플라스틱 광섬유의 양 끝단 간격이 P-타입보다 2 mm 줄어들어 처음과 끝 부분에서 높은 휘도값을 보였고 균일하지 못한 휘도 분포를 보이 고 있다. P-타입, O-타입, F-타입 중에서 가장 높은 휘도값은 O-1(0.4358 cd/)에 서 얻을 수 있었다.
그림 4-5는 F-타입을 전산모사한 결과로 플라스틱 광섬유의 패턴 간격을 그림 3-1 과 같이 전부 4 mm로 하였으며 패턴의 깊이는 표 3-3(모델링 되어진 패턴 부분만의 휘 도 값)과 같이하였다. 그 결과 O-타입과 비슷하게 양 끝단에서 높은 휘도 분포를 보여 주고 있으며 가운데로 갈수록 휘도값이 많이 낮아지고 있다. F-2에서 처음 포인트 부 분의 높은 휘도값은 0.3347 cd/에 비해 가운데 휘도값은 0.1482 cd/로 2배 이 상의 차이가 난다. 그 이유는 양 끝단의 패턴간격이 P-타입에 비해 4 mm 줄어들어 광 원에서 나온 빛이 보다 많이 미세패턴에 반사 및 산란을 했기 때문이다.
전반적으로 P-타입의 플라스틱 광섬유 광원에서 균일한 휘도 분포를 가지고 있는 데이터를 얻을 수 있었다. P-타입 경우 패턴의 간격이 다른 타입에 비해 0.5 mm에서 1 mm로 만큼 작게 모델링 하였다. 이것으로 미루어 보아 균일한 휘도 분포를 얻기 위해 서는 패턴 간격을 좁게 하는 것이 유리하게 작용한다는 것을 알 수 있었다. 그리고 O-타입에서는 가장 높은 휘도 값(0.4358 cd/)을 갖는 데이터가 나왔다. 또한 가공 깊이는 전체적인 전산모사 결과를 보았을 때 가공 깊이 변화가 균일도에는 크게 영양 을 주지는 못하였다. 플라스틱 광섬유의 가공 깊이 변화를 주었던 부분은 앞부분이며 뒷 부분에는 가공 깊이의 변화를 주지 않았다. 하지만 휘도 분포도들을 보면 전체적으 로 대칭적인 모습을 하고 있다.
그림 4-3. O-타입 플라스틱 광섬유 가공 깊이 변화에 따른 휘도분포. (a) O-1, (b) O-2, (c) O-3, (d) O-4
위치
타입 A B C D E F G H
O-1 0.0105 0.2634 0.2000 0.1412 0.2990 0.1436 0.1319 0.3991 O-2 0.0033 0.2152 0.2519 0.1641 0.3312 0.1631 0.2320 0.3391 O-3 0.0118 0.2542 0.1624 0.1398 0.2217 0.1797 0.2137 0.3808 O-4 0.0173 0.1864 0.2204 0.1022 0.3103 0.0972 0.2004 0.2070
표 4-2. O-타입 가공 위치에서 휘도값 (단위: cd/)
그림 4-4. O-타입 플라스틱 광섬유 광원들의 휘도분포
그림 4-5. F-타입 플라스틱 광섬유 가공깊이 변화에 따른 휘도분포. (a) F-1, (b) F-2, (c) F-3, (d) F-4, (e) F-5
위치
타입 A B C D E F G H
F-1 0.1950 0.2200 0.2053 0.1567 0.1489 0.1613 0.2257 0.1647 F-2 0.1591 0.2397 0.1875 0.1563 0.1535 0.1625 0.2214 0.1100 F-3 0.1531 0.1886 0.1943 0.1468 0.1227 0.1652 0.1906 0.0827 F-4 0.1376 0.2685 0.1957 0.1309 0.1481 0.1812 0.2381 0.0398 F-5 0.1640 0.1030 0.1960 0.0942 0.1790 0.0807 0.2050 0.0612
표 4-3. F-타입 가공 위치에서 휘도값 (단위:cd/)
그림 4-6. F-타입 플라스틱 광섬유 광원들의 휘도분포
그림 4-7. 모든 타입 광원들의 휘도분포
제2절 미세패턴 가공 조건에 따른 휘도 측정 결과 분석 1.플라스틱 광섬유 광원의 발광 특성 측정 결과 분석
전산모사 결과 균일도가 좋았던 P-타입의 플라스틱 광섬유 광원(P-2, P-3, P-4, P-5, 총 4개)의 조건에 따라서 CO2 레이저를 이용하여 가공을 하였다. 가공한 샘플들은 분광 방사 휘도계를 이용하여 측정 하였으며 결과는 표 4-4와 그림4-8과 같았다. 전체 적으로 P-2, P-3, P-4, P-5는 균일한 휘도분포를 보이고 있으며 P-2 같은 경우는 B를 가공하지 않았기 때문에 휘도값이 0으로 나왔다. 전산모사 같은 경우는 전체적인 면을 측정하였으며 실험의 경우는 가공부분만을 측정하여 전체적으로 다른 그래프 모습을 보이고 있다. 하지만 전산모사와 같이 P-4에서 가장 균일한 휘도분포를 보이고 있어 전산모사와 실험이 전체적으로 비슷한 경향을 보였음을 알 수 있었다.
위치
타입 A B C D E F G H
P-2 2792 0 2562 2393 2287 2246 2719 2333 P-3 3344 2464 2992 2514 2314 2376 2268 2511 P-4 3191 3153 2923 2930 2791 2961 3399 3269 P-5 2879 1974 2251 1957 2178 1749 2378 1752
표 4-4. 가공된 플라스틱 광섬유의 측면에서 측정한 휘도값 (단위:cd/)
그림 4-8. 플라스틱 광섬유 가공 위치에서 측정한 휘도값
2.도광판의 휘도 측정 결과 분석
개발된 광원모듈 키트에 P-타입 플라스틱 광섬유 광원과 그림 3-8의 도광판을 각각 장착시켜 분광 방사 휘도계로 그림 3-9와 같이 측정하였다. 그 결과 표 4-5와 같은 데 이터를 얻었다. 그 결과 뒤로 갈수록 휘도 분포가 낮아지는 경향이 보였다. 앞서 플라 스틱 광섬유 광원만을 측정하였을 때 P-4 광원에서 가장 균일하고 높은 휘도값을 얻었 으며 그에 맞게 도광판의 휘도측정에서도 P-4 광원이 평균값과 균일도가 가장 좋은 데 이터를 얻을 수 있었다.
위치
타입 A B C D E F G H I 평균값 균일도
P-2 96.79 95.63 106.7 68.74 59.93 78.91 78.3 73.86 80.42 82.14 0.56
P-3 92.54 85.69 102.2 68.39 58.08 80.22 78.45 70.51 83.22 79.92 0.57
P-4 109.9 94.83 103.3 81.72 64.59 79.78 80.3 71.23 71.26 84.10 0.59
P-5 97.49 86.59 102.2 70.33 59.55 82.66 77.58 72.78 78.2 74.15 0.58
표 4-5. 플라스틱 광섬유 광원이 적용된 도광판 휘도측정 결과 (단위:cd/)
그림 4-9. 도광판 휘도분포. (a) P-2 적용시, (b) P-3 적용시, (c) P-4 적용시, (d) P-5 적용시
제3절 광학단층영상법을 이용한 비절개 단면 측정 결과 분석
가공된 플라스틱 광섬유 광원 샘플의 가공단면을 관찰하기 위해서 광학단층영상법 을 이용해서 단면을 촬영하였다. 촬영 결과는 그림 4-10과 같았다. P-2의 경우 B를 제 외한 모든 포인트 가공부분의 깊이를 동일하게 모델링 하였지만 실제 실험 샘플은 A와 G에서 오차가 심하였다. P-3는 B에서만 깊이 변화를 주었고 나머지 부분은 P-2와 같게 하였으며 실험샘플은 A와 B를 제외하고는 가공이 가장 잘 되었다. P-4와 P-5같은 경우 는 전반적으로 모델링한 깊이와 매우 다른 모습을 보이고 있다. 결과적으로 CO2 레이저 의 특성상 가스매질을 이용한 레이저이기 때문에 파워가 전체적으로 균일하지 못하여 전체적으로 전산모사 모델링과 실제 가공된 패턴의 깊이의 모습이 매우 달랐다.
그림 4-10. 플라스틱 광섬유 가공패턴 깊이를 보여주는 광학단층영상. (a) P-2 모 델링과 단층영상, (b) P-3 모델링과 단층영상, (c) P-4 모델링과 단층영상, (d) P-5 모델링과 단층영상
제 5장 결론
본 연구에서는 기존에 사용되고 있는 도광판 광원의 단점을 보안한 광원을 만들기 위해서 플라스틱 광섬유의 측면발광을 유도하는 방법을 제안하였다. 플라스틱 광섬유 의 측면 발광을 유도하기 위해 도광판 가공법 중의 하나인 레이저 가공법을 플라스틱 광섬유 가공에 적용시켰다. 가공 패턴에 따른 빛의 발산특성을 먼저 연구하기 위해 전 산모사를 통해서 몇가지 좋은 특성을 보일 수 있는 가공 조건을 도출하였다. 이러한 데이터를 기반으로 도광판 가공에서와 같이 플라스틱 광섬유의 측면에 CO2 레이저를 이 용하여 가공하였으며 광이 가공 패턴에 의해서 반사 및 산란되어 측면으로 빛을 발산 하도록 유도하였다. 가공에서는 전산모사에서와 같이 가공 패턴의 간격과 깊이의 변화 를 주어 플라스틱 광섬유 광원의 균일도를 향상시키고자 하였다. 또한 플라스틱 광섬 유 광원을 실제 도광판에 적용해 휘도 특성을 측정하였다.
또한 광단층영상법을 이용하여 플라스틱 광섬유에 가공된 가공 깊이가 모델링한 패 턴과의 상관관계를 관찰하고자 하였다. 단층영상을 통해서 전산모사 모델링과 실제 가 공되어진 플라스틱 광섬유 광원의 가공 패턴의 깊이가 다르다는 것을 확인할 수 있었 다. 실험에서 가공된 플라스틱 광섬유 광원을 도광판에 적용시켜 측정을 하였을 때 전 체적인 휘도값은 낮았지만 전체적으로 균일한 휘도분포를 얻어 도광판의 광원으로서 가능성을 보여 주었다.
앞으로 플라스틱 광섬유를 다양한 가공패턴을 모델링하여 최적화된 가공을 위한 전산모사 데이터를 축적할 것이며, 축적한 데이터를 바탕으로 가공패턴에 따른 균일도 및 휘도값에 대한 방향성을 제시하고자 한다. 마지막으로 광단층영상법을 이용하여 실 제 가공과 동시에 깊이 변화 패턴 모양을 실시간으로 촬영할 수 있는 가공 시스템을 연구하고자 한다.