This thesis proposed planar light source with high transmittance and unidirectional light emission. The features of high transmittance and unidirectional light emission are prerequisite for the planar light source to be used in new lighting applications such as facade sheathing and private panels. However, conventional planar light sources are opaque and emit light in both directions, so they are not suitable for new lighting applications. Therefore, a planar light source with high transmittance and unidirectional light emission is required.
We applied a inverse-trapezoidal microstructure for implementing the planar light source with high transmittance and unidirectional light emission because inverse-trapezoidal structures have many advantages such as low scattering of light, controllability of emitting direction, and high transmittance. However, there are two major problems with the inverse- trapezoidal structures. The first one is that there is still light emitted to the backward direction, and the second one is that it is difficult to fabricate the inverse- trapezoidal structures, so the inverse- trapezoidal structure cannot be applied to industrial fields yet. In order to solve both problems, a new structure called a ‘light-trapping layer’ is added to inverse-trapezoidal microstructures for reducing the light emitted to the backward direction and fabrication method was improved by changing mold material and mold shape.
As a result, we fabricated the planar light source with high transmittance and unidirectional light emission through mass-producible fabrication method. The ratio of backward light emission can be reduced by up to 13%, which is about 55% less than when there is no light trapping layer and the proposed fabrication process has high reproducibility and minimizes pattern deformation during pattern transfer. Also, the fabricated planar light source has high transmittance of about 80% as maximum. So it is expected that the fabricated planar light source will be applied to various novel lighting applications
본 논문은 매우 투명하면서도 단일 방향으로만 출광하는 면광원과 이를 양산 친화적으로 제작할 수 있는 새로운 제작 방법을 제안한다. 면광원의 응용분야가 건축 외장재나 프라이빗 패널과 같이 새로운 분야로 확장이 되기 위해서는 높은 투과도와 단일 방향 출광 특성이 추가적으로 요구된다. 하지만 일반적인 면광원은 불투명하거나, 양방향으로 빛이 출광되기 때문에 새로운 응용분야에 적용하기에 적합하지 않다.
이러한 배경에서 본 논문에서는 투명하면서도 단일 방향으로만 출광하는 면광원을 제작하기 위해 역사다리꼴 미소구조체를 응용하였다. 역사다리꼴 미소구조체는 상대적으로 낮은 산란 특성을 가지고, 구조체의 측면 각도 조절을 통해 지향각 조절이 가능하다. 또한 PDMS 단일 물질로 제작이 가능하여 높은 투명도를 가질 수 있다. 따라서 역사다리꼴 미소구조체는 제안하는 면광원을 제작 하기 위한 좋은 후보이다. 하지만 역사다리꼴 미소구조체를 제안하는 면광원에 적용하기 위해 해결해야할 두가지 문제가 있었다. 첫번째는 역사다리꼴 미소구조체 역시 후면으로 출광하는 빛이 있다는 점이고, 두번째는 역사다리꼴 미소구조체를 제작 하는 방식이 복잡하고 양산성이 없다는 점이다. 후면 출광 문제의 경우, 역사다리꼴 구조체의 상면을 향하여 입사한 고 각도의 빛에 의해 후면 출광이 발생한다. 따라서 후면 출광을 줄이기 위해 구조체 내부로 고각도를 가지는 빛이 입사하더라도 이러한 빛이 도광판 외부로 나가지 못하도록 새로운 구조를 도입하였다. 빛 가둠층이라는 새로운 구조는 고각도로 입사하는 빛을 도광판 내부에 가두어서 후면으로 출광되는 빛을 줄였다. 제작 방법의 경우, 기존 역사다리꼴 구조체를 제작하는 방식의 문제는 몰드 물질이 PDMS라는 것과 역 경사에 의해 전사 시 큰 스트레스가 발생한다는 점이다. 따라서 몰드 물질을 내구성이 높은 니켈로 변경하고, 몰드에 새겨진 패턴 형상 또한 상부가 더 넓은 구조로 개선하여 전사 시 발생하는 스트레스를 최소화 하였다.
결과적으로 양산친화적인 방법을 통해 매우 투명하고 단방향 출광이 가능한 면광원을 제작하였다. 제작한 면광원의 후면 출광률은 약 13% 정도로 빛 가둠층이 없었을 때 대비 후면 약 55% 감소하는 결과를 달성하였다. 또한 제작한 면광원은 PDMS와 유리로만 제작되어 최대 80%의 높은 투과도를 가진다. 제안하는 제작 방법은 높은 재현성을 가지고, 전사 시 발생하는 스트레스를 최소화하여 패턴 왜곡을 줄일 수 있다. 따라서 양산 친화적인 방법을 통해 제작한 면광원은 외벽재나 프라이빗 패널과 같이 새로운 어플리케이션에 적용 가능할 것이라고 기대 된다.
