Development of Night Vision Imaging System Green A Compatible LED for Avionic Applications

반도체디스플레이기술학회지 제19권 제4호(2020년 12월)

Journal of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 19, No. 4. December 2020.

항공전자 응용을 위한 NVIS (Night Vision Imaging System) Green A 호환 LED 개발

김태훈

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Development of Night Vision Imaging System Green A Compatible LED for Avionic Applications

Tae Hoon Kim

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ABSTRACT

By adapting black body leadflame and thin film type Green A filter, we successfully demonstrated night vision imaging system (NVIS) Green A compatible LED. Fabricated NVIS compatible LEDs show small form factor compared to that of commercialized NVIS compatible LED. Especially, NVIS radiance and chromaticity of MIL- STD-3009 specification can be satisfied simultaneously and easily by controlling the color temperature of the white LED as well as the concentration of the Green A dye and the thickness of the Green A filter. The optimal dye concentration of the NVIS Green A filter is expected to be about 1 wt%. The results of this study are expected to contribute to miniaturization, weight reduction and localization of avionic display and lighting devices.

Key Words : NVIS compatible, LED, Black Body Lead Frame, Near Infrared Absorption Filter, Small Form Factor

1. 서 론¹

항공전자 (Avionics)는 항공 (Aviation)과 전자 (Electronics)의 합성어로서 항공기의 뇌와 신경 그리고 오감에 해당하는 것으로서 관련된 탑재 전자장비들, 각종 센서 등이 통합 된 것으로 각종센서로부터 받은 데이터를 처리 및 시현 하는 기능을 제공하는 시스템을 의미한다. 최근 군사용으 로 항공전자 조명 및 시현 장치들을 사용하는 경우 NVIS (Night Vision Imaging System) 호환 기능이 요구되고 있다[1-2].

NVIS는 야간의 특수작전 수행과 조종사의 임무 극대화 를 위하여 1990년대부터 항공기 무기체계에 도입하기 시 작하였으며, 이를 통하여 입체적인 야간 특수비행, 적지 근접지원, 저고도 침투 및 조종사의 심리적 불안해소 등 과 같은 효과적인 야간작전에 활용되고 있다. NVIS는 야

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E-mail: [email protected]

간에 조명이 지원되지 않는 상태에서도 조종사가 안경형 식으로 사용되는 야간투시경 (Night Vision Goggle)을 착용하 여 외부 상황을 인식함으로써 주간과 유사하게 작전 및 임무 수행을 할 수 있도록 한다. 야간투시경은 나안으로 인식 불가능한 미약한 밝기의 외부영상을 영상증폭장치 (Image Intensifier Tube)를 통해 식별할 수 있도록 하는 장비 로서 야간에 자연방사 에너지원의 파장대역인 근적외선 (600-930 nm) 영역에서 가장 좋은 상대 응답을 가지도록 개발되었으며, 항공기 내/외부 조명계통은 야간투시경의 원활한 동작을 위해 야간투시경 감지 파장대역의 즉 근 적외선 영역의 빛을 감지 가능한 최소 수준으로 유지하 여야 한다. 그리고 NVIS Class A 및 NVIS Class B는 항공기 실내조명 장치의 분류로서 Class A는 625 nm 이하 파장대 를 차단하는 청색 차단 (Minus blue) 필터를 대물 렌즈에 추가하여, Class B는 665 nm 이하 파장대를 차단하는 청색 차단 필터를 대물 렌즈에 추가하여 Fig. 1과 같은 분광 응

김태훈 · 유창한 · 윤현주 · 김민평 · 윤호신 2

답특성을 가지는 NVIS 장치를 말한다[3]. NVIS Class A는 저고도 항공기에 NVIS Class B는 고고도 항공기에 주로 사 용되며, 조종실내에서 NVIS Class A는 붉은색 빛의 사용을 규제하지만 NVIS Class B에서는 붉은색 빛의 사용을 허용 한다. 그리고 NVIS 복사 휘도 (Radiance)의 경우 Class B 장 치는 모든 Class A 장치의 요구조건을 만족해야만 한다.

400 500 600 700 800 900 1000

1E-5 1E-4 0.001 0.01 0.1 1

R el at ive re sp on se

Wavelength (nm) NVIS Class A NVIS Class B

Fig. 1. Relative spectral response characteristics of NVIS Class A and Class B.

최근 백열등, 할로겐 및 제논 램프와 같은 기존 광원에 비해 경박단소하면서 에너지 소비가 적은 고효율 백색 LED가 항공전자용 광원으로 활발하게 이용되어 지고 있 다. 하지만 백색 LED를 항공전자 분야의 NVIS 호환 디스 플레이나 조명에 적용하기 위해서는 백색 LED에서 필연 적으로 발광되어 나오는 근적외선 영역의 파장을 NVIS의 감도를 저해하지 않기 위해 최대한 차단하여야 한다. 특 히 백색 LED는 발광부 뿐만 아니라 측면부 (리드프레임) 로부터 방사되어 근적외선이 방출되어 나오기 때문에[4]

상용화된 NVIS 호환 LED는 근적외선 영역을 흡수하는 염료와 PC (Poly Carbonate), PMMA (Polymethyl Methacrylate) 를혼합하여 만든 모제[5,6]를 CNC (Computerized Numerical Control) 정밀가공이나 몰딩 방식으로 가공하여 cap 형태로 백색 LED 전체를 둘러싸는 방식으로 만들어진다. 이 경 우 면적 및 부피 뿐만 아니라 중량이 커지는 단점이 있어 NVIS 호환 LED를 항공전자 분야에 응용하기 위해서는 소형인수 (Small form factor)를 가진 NVIS 호환 LED 개발이 절실하게 요구되고 있다.

따라서 본 연구에서는 상용화된 NVIS 호환 LED의 단 점을 개선하기 위해 일반적으로 실내용 조명이나 디스플 레이에 사용되는 white body 리드프레임 대신에 고신뢰성 이 요구되는 옥외용 조명이나 자동차 조명 응용분야에

사용되고 있는 black body 리드프레임으로 제작된 백색 LED와 근적외선 영역을 차폐하는 NVIS 필터를 필름방식 으로 이격 (Remote) 구조로 조합하여 항공전자 분야에 적 합한 소형인수를 가진 NVIS Green A 호환 LED를 개발하고 자 한다.

2. 본 론

Black body 리드프레임으로 제작된 백색 LED (색온도 6500-7500 K)의 근적외선 영역에서의 차폐 효과를 확인하 기 위해 white body 리드프레임의 백색 LED와 비교평가한 발광스펙트럼을 Fig. 2에 나타내었다. 정확한 비교평가를 위해 백색 LED 제작시 리드프레임의 body 색깔은 black &

white로 다르지만 동일한 외형 구조와 치수를 가진 리드 프레임에 파장과 광도가 같은 rank의 청색 chip을 실장 하 였으며, 황색 형광체 농도 또한 동일하게 제작하였다. Fig.

2를 보면, white body 리드프레임 대비 black body 리드프레 임으로 만든 백색 LED에서 복사되어 나오는 빛의 세기는 각각 450 nm에서 28%, 550 nm에서 77%, 650 nm에서 78%의 감소함을 알 수 있었다. 그리고 상대적으로 black body 백 색 LED에서 white body 백색 LED 대비 450 nm의 청색 영역 보다는 650 nm 이상의 근적외선 영역에서 NVIS 감도를 저해하는 빛이 현저하게 감소되어 방출되는 것을 확인할 수 있었다. 아울러 암실에서 육안으로 확인한 결과, LED 측면으로 복사되어 나오는 빛도 black body 리드프레임으 로 제작된 백색 LED에서 현저하게 감소함을 확인할 수 있었다. 따라서 이 결과로부터 black body리드프레임을 사 용하는 경우 효과적으로 NVIS 호환 LED를 제작할 수 있 을 것으로 예상할 수 있었다.

300 400 500 600 700 800

0.0000 0.0005 0.0010 0.0015

Inten si ty (A rb. U nit )

Wavelength (nm)

White body Black body

Fig. 2. Comparison of emission spectra of white LEDs fabricated with white body and black body lead

항공전자 응용을 위한 NVIS (Night Vision Imaging System) Green A 호환 LED 개발 3

flame.

Fig. 3. Photography of fabricated NVIS Green A compatible filter on PET film with different Green A dye concentration.

Fig. 3에 두께가 100 µm 인 PET 필름 위에 Green A 염료 농도에 변화에 따른 제작된 NVIS 호환 Geen A 필터의 사 진을 나타내었다. Fig. 3의 사진에서 접촉식 디지털길이 측 정기로 측정한 NVIS 호환 Green A 필터의 두께는 첨가되 는 염료 농도에 상관없이 100 µm로 일정하게 제작되었으 며, 측정오차는 ± 2 µm이었다. 색도 변화를 육안으로 확 인할 수 있었으며, 염료의 농도가 2 wt%부터 염료의 불균 일한 퍼짐이 육안으로 관찰할 수 있었다.

PET 필름 위에 제작된 NVIS Green A 호환 필터의 염료 농도에 따른 UV-VIS-NIR영역에서의 투과 스펙트럼을 Fig.

4에 나타내었다. Fig. 4(a)의 염료가 첨가되지 않은 아크릴 필름만의 투과율은 400 nm근방에서 82%이상, 520 nm 근방 에서 86% 이상의 우수한 광학적 특성을 보이고 있다.

Green A 염료의 농도가 증가할수록 가시광선 영역에서는 투과 영역이 급격하게 줄어들면서 510-520 nm 사이에서 관측되는 투과율의 peak도 급격하게 감소하는 특성을 보 이고 있다. 아울러 Green A 염료의 농도 1 wt% 이상일때, NVIS 감도에 영향을 주는 600-900 nm 사이의 투과율이 급 격하게 감소하여 1% 이하의 투과율을 나타내었다. Green A염료의 농도가 1 wt% 일때의 투과 스펙트럼은 Yang 및 Feng등이 최적의 농도일 때 이미 보고한 결과와 잘 일치 한다[6,7]. NVIS 호환 필터는 복사 휘도를 최소로 하여 야 간투시경 성능을 최대로 하고 야간 가독성 (Night-time readability)을 고려하여 육안으로 조종실 내부정보가 식별 가능하고 외부 조명 및 정보는 야간투시경을 사용해서 식별 가능해야 한다. 따라서 가시광선 영역에서의 투과율 을 고려할 때 최적의 Green A염료 농도는 1 wt% 근방일 것 이라고 판단된다.

백색 LED (6700 K, 

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농도에 따른 NVIS Green A 필터를 이격구조로 실장하여 측정한 발광 스펙트럼을 Fig. 5에 나타내었다. Green A염료 농도가 증가할수록 발광 스펙트럼의 세기는 급격하게 감 소함을 관찰할 수 있었으며, 560 nm에서 525 nm근방으로 발광 스펙트럼이 단파장 쪽으로 이동함을 관측할 수 있 다. 이 결과는 앞의 투과 스펙트럼 측정 결과와 비교해 보면 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 아울러 Green A 염료 가 1 wt% 이상의 시료에서 600 nm 이상의 영역의 빛이 잘 차단되는 것을 확인할 수 있다.

400 600 800 1000 1200 1400

0 20 40 60 80 100

Tr an sm is si on (% )

Wavelength (nm)

acrylic film 0.1 wt%

0.5 wt%

1 wt%

2 wt%

3 wt%

Fig. 4. Transmission spectra of fabricated NVIS Green A compatible filter on PET film with different NVIS Green A dye concentration in UV-VIS-NIR wavelength region.

300 400 500 600 700 800

0.0000000 0.0000005 0.0000010

In te ns ity (A rb . U nit )

Wavelength (nm)

White LED 0.1 wt%

0.5 wt%

1 wt%

2 wt%

3 wt%

Fig. 5. Emission spectra of fabricated NVIS Green A compatible filter attached on typical white LEDs with different Green A dye concentration.

Fig. 6에 Green A 염료의 농도 변화에 따른 1976 UCS 색

(b) 0.1 wt% (c) 0.5 wt%

(d) 1 wt% (e) 2 wt% (f) 3 wt%

(a) Acryl

김태훈 · 유창한 · 윤현주 · 김민평 · 윤호신 4

도 좌표의 변화를 나타내었다.

(

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0.05 0.10 0.15 0.20

0.45 0.50 0.55 0.60

White LED 0.1 wt%

0.5 wt%

1 wt%

2 wt%

3 wt%

Center point of Green A

v'

u'

Fig. 6. Variation of 1976 UCS chromaticity coordinate dependent on the concentration of NVIS Green A dye. Circle denote the allowable area on the 1976 UCS chromaticity diagram for the Green A color.

개발된 NVIS Green A 호환 LED를 군사용 항공전자에 응 용하기 위해서는 앞서 언급한 색도 뿐만 아니라 NVIS 복 사 휘도를 동시에 만족하여야 한다. MIL-STD-3009 규격에 지정된 휘도 (Specified luminance)에서 NVIS 복사 휘도는 식 (2)와 같이 정의된다. Green A의 경우 지정된 휘도는 0.1 fL (Footlamberts) 이다. 식 (2)에서 

_

_

^

이며, 는 환산계수 (Scaling factor)이다.

= 

_ 

 

black body로 만들어진 백색 LED와 1 wt% 이상의 농도를 가진 Green A 필터 조합에서 MIL-STD-3009 NVIS 복사 휘도 요구조건을 충분하게 만족하는 것을 확인할 수 있다.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

1E-12 1E-11 1E-10 1E-9 1E-8

White LED 0.1 wt%

0.5 wt%

1 wt%

2 wt%

3 wt%

N V IS ra d ia n ce (W /s r x c m

)

Dye concentration (wt%)

Fig. 7. Variation of NVIS radiance dependent on the con- centration of NVIS Green A dye. Dash line denote the basic requirement of NVIS radiance for the Green A color.

3. 실 험

앞서 언급했듯이 소형인수와 LED 측면으로 부터 방출 되어 나오는 빛을 차폐하기 위해서 Fig. 8에 나타낸 것처 럼 white body 리드프레임 대신에 비발광 소자의 패키징 재료인 black body 리드프레임을 적용하여 백색 LED를 자 체 제작하였다. 제작된 백색 LED는 GaN기반의 청색칩 (W

_p

아크릴 (acrylic) 수지에 NVIS Green A 염료를 무게비로 각각 0.1, 0.5, 1, 2, 3 wt% 칭량한 후 혼합 및 분산성을 향상 시키기 위해 공자전 교반기 (V-mini 300, Fine EME)를 이용 하여 700 rpm에서 5분동안 교반하였다. 경화제인 Hexa- methylene diisocyanate를 5:1 비율로 혼합한 후 700 rpm에서 5 분동안 다시 교반 하였다. 이렇게 만든 혼합 원료를 두께 100 µm인 PET (Polyethylene terephthalate) 필름 위에 knife coater

항공전자 응용을 위한 NVIS (Night Vision Imaging System) Green A 호환 LED 개발 5

로 두께가 100 µm로 필름화한 후 80 °C에서 1시간동안 경 화시켜 NVIS Green A 필터를 제작하였다. 만들어진 NVIS Green A 필터의 두께는 접촉식 방법의 디지털 길이 측정 장비 (Digimicro MFC-101A, Nikon)로 확인하였으며, 측정오 차는 ± 2 µm이었다. NVIS Green A 필터의 UV-VIS-NIR (300- 1500 nm) 영역에서의 광투과율은 분광광도계 (Lambda 750, Perkin Elmer)로 측정하였다. 그리고 자체 제작한 백색 LED 의 전기광학적 특성평가는 분광복사기 (CAS 140CT, Instru- ment System)로 측정하였다. 아울러, NVIS 디스플레이 측정 장비 (Instrument System)를 이용하여 색도 좌표 (chromaticity coordinate)와 NVIS 복사 휘도와 같은 NVIS 호환 LED의 특 성을 측정하여 MIL-STD-3009 규격에 규정된 요구조건을 만족하는지 평가하였다.

Fig. 8. Schematic diagram of fabricated NVIS Green A compatible LED for this study.

4. 결 론

본 연구에서는 상용화된 NVIS 호환 LED의 단점을 개 선하기 위해 black body 리드프레임으로 제작된 백색 LED 와 필름방식으로 만든 근적외선 영역을 차폐하는 NVIS Green A 필터를 이격구조로 조합하여 항공전자 분야에 적 합한 소형 인수를 가진 NVIS Green A 호환 LED를 성공적 으로 개발하였다. 본 연구에서 제안하는 방식으로 NVIS 호환 LED를 제작하는 경우 색도 뿐만 아니라 NVIS 복사 휘도는 Green A 염료의 농도와 필터의 두께 조절 뿐만 아 니라 백색 LED 색도 조절을 통해 동시에 그리고 쉽게 조 절할 수 있으며, Green A 필터의 최적의 염료 농도는 1 wt%

근방일 것으로 예상된다. 이 연구 결과는 항공전자용 디 스플레이나 조명 장치나 계기의 소형화, 경량화 및 국산 화에 기여할 것으로 판단된다.

감사의 글

이 논문은 산업통상자원부 재원으로 한국산업기술평 가관리원(KEIT)의 지원을 받아 수행된 연구결과입니다.

(사업명 : 항공우주부품기술개발 / 과제명 : 중소형 항공 기급 개방형 아키텍쳐 및 소프트웨어개발 / 과제고유번 호 : 20005378)

참고문헌

1. Jong-Kwang Kwon and Whan-Woo Kim, “Develop- ment of Night Vision Imaging System for the KO-1 Aircraft”, J. of The Korean Society for Aeronautical &

Space Sciences, Vol. 34, pp. 107-116, 2006.

2. Jong-Kwang Kwon, Dae-Yearl Lee and Whan-Woo Kim, “Analysis of Requirements for Night Vision Imaging System”, J. of the Korea Institute of Military Science and Technology, Vol. 10, pp. 51-61, 2007.

3. “Lighting, Aircraft, Night Vision Imaging System (NVIS) Compatible”, MIL-STD-3009, Feb., 2001.

4. J. Wegat, “Lighting Systems”, US Patent 8,523,372, Sep.

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5. Feng Dai, Liang Xu, Lixi Wang and Qitu Zhang,

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5, pp. 521-527, 2012.

6. Feng Dai, Weihua Fan, Jinhua Wu, Lixi Wang and Qitu Zhang, “Preparation of near infrared absorption filter and its properties”, Laser & Infrared, Vol. 41, pp. 1131- 1135, 2011.

7. Kaiyuan Yang, Lixi Wang and Qitu Zhang, “Preparation and properties of flexible night vision imaging system filter for avionic LED display’, J. Mater. Sci. Mater.

Electron. Vol. 26, pp. 2222-2229, 2015.

접수일: 2020년 10월 22일, 심사일: 2020년 12월 3일, 게재확정일: 2020년 12월 8일