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[레이저 에너지 응용기술의 신전개 ③] 레이저 조명기술_디스플레이에서 농업분야로의 신전개

2017-06-01

[레이저 에너지 응용기술의 신전개 ③] 레이저 조명기술_디스플레이에서 농업분야로의 신전개 레이저 조명기술은 ▲고휘도 ▲장치의 소형화 ▲저소비 전력 ▲높은 광이용 효율 ▲선택적 부분투사 등 많은 특장점을 가지고 있어 향후 다양한 응용 전개가 이루어질 것으로 예상되고 있다. 레이저 조명 및 디스플레이에는 휴대용 프로젝터, 헤드업 디스플레이, 안경형 HMD, 레이저 TV, 레이저 식물공장, 프로젝션 매핑 등 그 응용분야도 매우 광범위하다. 본고에서는 이와 같은 다양한 레이저 조명기술과 그 각종 응용에 대해 해설한다. 정리 편집부 레이저 디스플레이를 포함한 레이저 조명기술의 응용은 차세대 거대시장으로 큰 기대를 모으고 있는 분야이다. 레이저는 그 단색성(單色性)에 의해 램프 대비 약 2배 넓은 색재현(色再現) 범위를 가진 화상표시를 가능케 한다. [그림 1]의 색도도(CIE)에 LED와 레이저의 전형적인 색재현 범위를 나타냈다. 또 점광원(點光源)인 레이저는 발광면적이 작기 때문에 장치의 소형화를 도모할 수 있을 뿐 아니라, 지향성(指向性)도 좋아 광학계의 이용효율을 높이기 쉽다. 또한, 높은 광이용 효율을 실현하기 위해 레이저의 단일 편광성의 이용, 고속변조를 이용한 시분할도 가능하다. 한편, 고휘도이기 때문에 매우 밝은 프로젝터 및 조명을 소형으로 실현할 수 있다는 장점도 있다. 또 파이버를 이용하여 광출사(光出射) 부분을 자유롭게 끌고 다닐 수 있고, 디자인성이 우수하며 광원부와의 열분해가 가능하다는 점도 유리하다. 이와 같이 레이저 조명·디스플레이는 많은 특징들을 가지고 있으므로 다양한 응용전개가 확산될 전망이다. ▲민생용 레이저 TV ▲휴대용 프로젝터 ▲데이터용 프로젝터 ▲헤드업 디스플레이 등이 근 몇 년 사이에 속속 제품화되었다. 이는 요소기술이 제품레벨까지 도달했다는 점, 그리고 레이저 탑재기기가 상품의 성능 우위성을 호소하여 인정받게 되었다는 점에 기인한다. 이어, 녹색 반도체 레이저가 발진하고 양산화도 시작되어 개발이 가속화되고 있다. 한편, 조명응용과 관련해서는 레이저 디스플레이, 특히, 프로젝터의 보급으로 코스트다운이 실현된 레이저 광원의 도입 검토가 진행되고 있어 레이저 헤드라이트뿐만 아니라, 일반조명으로의 전개도 기대되고 있다. 또한, 조명응용으로서 레이저 식물공장 등 농업응용에 관한 연구개발도 진행되고 있다. 레이저 조명 관련 기술 등 이하, 주요 요소기술인 ▲레이저 광원 ▲스페클 잡음 제거 ▲레이저 안전에 대해 기술한다. 레이저 광원 가시광 반도체 레이저의 재료와 현상의 발진 파장역(波長域)을 [그림 2]에 나타냈다. 적색은 AlGaInP로 DVD용도(650nm)로 실용화된 이후 디스플레이용에 필요한 파장역(630-645nm)으로 제품화되고 있다. 개발품의 전기-광변환 효율은 2.5W 출력으로 약 40%가 얻어진다. 청색(450nm)은 GaN 반도체 레이저로 발생시킬 수 있으며, 광출력 W급의 제품화가 이루어지고 있다. 최근 보고에 따르면 4.1W 출력으로 전기-광변환 효율이 약 40% 나오고 있다. 녹색 영역은 GaN계 In 첨가량 증가에 따른 결정성의 열화와 피에조 효과의 문제가 있었지만 각 연구기관이 정력적으로 몰두한 결과 해결의 실마리를 찾았다. 광디스크용으로 양산되고 있는 C면 GaN 기판을 이용해 532nm, 1W 출력을 실현했으며, 광출력 100mW까지의 저출력품은 휴대용 프로젝터 및 헤드업 디스플레이에 탑재했다. 노란색은 BeZnCdSe에 의해 발진을 얻을 수 있지만, 실용화되지는 못하고 있다. 스페클 잡음 제거 조명 및 화상표시에 있어 장해요소가 되는 것이 레이저 특유의 스페클 잡음이다. 스페클(speckle)이란 미소한 요철(凹凸)이 있는 표면(스크린)에 레이저광과 같은 코히어런트한 빛을 대면 산란된 빛이 간섭하여 반점성(斑點性)의 모양이 나타나는 현상으로, 이 형상을 통해 표면의 거칠기를 측정하거나 물체의 변위 및 일그러짐을 구할 수 있다. 이 크기는 스페클 콘트라스트(Speckle Contrast) Cs(표준편차/휘도공간평균치)로 표시된다. 영상 및 조명에서 중요한 것은 컬러스페클이며, 스크린 상에서 표시되는 색과는 다른 색 얼룩이 발견된다. 이를 저감하기 위해 ▲레이저 광원의 스펙트럼 ▲광학계 ▲스크린에서의 대책이 각각 강구되고 있다. 이들을 조합함으로써 허용범위까지의 저감을 도모할 수 있다. 주사형(走査型, 스캐닝)의 경우 광학계 및 스크린을 이용하는 방식을 적용하기 어렵기 때문에 RF중첩을 실시하는 등 광원의 스펙트럼 확대에 의한 저감이 시도되고 있다. 레이저의 안전성 제품화에 있어 중요한 것이 레이저 조명·디스플레이 제품에 대한 안전기준과 관련법 규제이다. 레이저의 광로(光路)가 케이스 용기 내에 있는 TV장치와 다르기 때문에 프로젝터에는 레이저 포인터와 같은 안전기준(JIS C6802)에 대한 검토가 필요하다. 그 중에서도 휴대용 프로젝터, 헤드 마운트 디스플레이 등을 대상으로 일본만 소비생활용 제품안전법이라는 것이 존재하여 이들의 제품화를 방해하고 있었는데 2010년 12월에 관련법 개정이 이루어졌다. 등급2까지의 제품이 인정을 받았으며, 그 후 각종 제품이 시장에 투입되었다. 또 2012년 11월의 개정에서는 장치 길이에 대한 제약(8cm 이상일 것)이 사라져 초소형 제품의 시장 투입이 가능해졌다. 또한, 2차원 공간 변조소자를 이용하는 방식 등 확산광(집광 곤란) 출력의 경우는 램프, LED를 포함한 일반 광원과 실질은 거의 같아지므로 규제 및 취급도 동등해지도록 검토가 이루어졌다. 그 결과, 국제규격 IEC60825-1이 2014년에 개정되었다. 레이저 조명기술의 응용 새로운 응용을 위한 다양한 연구개발이 진행되고 있지만, 여기서는 유스케이스(use case)를 3가지로 분류했다([그림 3] 참조). 레이저광을 주사하는 방식을 사용하는 휴대용 프로젝터 및 헤드 마운트 디스플레이(HMD)와 같은 휴대용 초소형 투사 단말 및 헤드업 디스플레이(HUD), 2차원 공간 변조소자와 고휘도 레이저 광원을 조합한 프로젝터(고휘도 업무용, 가정용), 레이저 TV와 같은 고휘도 표시장치, 레이저 헤드라이트, 정보표시조명 등의 레이저 조명이 그것이다. NEDO 프로젝트(그린 디바이스 사회 실장 추진사업/최첨단 가시광 반도체 레이저 디바이스 응용에 관한 기반 정비)에서 실증된 레이저의 우위성(LED와의 비교)을 [표 1]에 정리했다. 이하, 레이저 조명기술의 응용 사례 및 레이저의 우위성에 대해 소개한다. 주사형 레이저 투사 레이저 디스플레이 구성의 하나로서 주사방식이 있다. 변조된 적색, 청색, 그리고 녹색 레이저광은 합파(合波)되고 광편향기에 의해 주사되어 스크린 등에 투사된다. 헤드 마운트 디스플레이 웨어러블한 헤드 마운트 디스플레이는 그야말로 유비쿼터스의 대표적 기기이며, 정보단말안경으로서 언제 어디서나 정보를 신속하게 얻을 수 있다. 최근 RGB(red-green-blue) 레이저를 망막에 직접 그림으로써 소형· 경량의 HMD가 실현되고 있다. 이는 레이저를 변조하고 광섬유를 통해 헤드부로 전송, 전송이 이루어진 헤드에는 MEMS칩이 삽입되어 있어 망막상을 빔으로 주사함으로써 화상 및 문자가 표시되는 구조이다. 레이저를 이용함으로써 ▲소형 ▲저전력 ▲focus-free가 가능할 뿐만 아니라, 사용하고 있다는 의식조차 못 느끼기 때문에 단안식(單眼式)은 정보 단말용으로 유효하며 남들이 정보를 들여다본다는 염려를 할 필요도 없다. 한편, 양안식(兩眼式)은 좌우 눈에 서로 다른 신호를 줌으로써 입체영상을 투사하기 용이해 오락용이나 업무용으로 개발 가능하다. 휴대용 프로젝터 레이저 주사방식의 휴대용 프로젝터는 LED 프로젝터에 비해 광이용 효율이 높은데다 광원을 상시 최대치로 점등할 필요가 없고 또한, 저소비 전력을 구현한다. 통상 프로젝터에서 필요한 투사렌즈가 불필요해 초소형화가 용이하다는 점도 큰 특징이다. 또한, 빔이 거의 평행광(平行光)으로 공간에 전파돼 나가기 때문에 사용자에게 있어 성가신 포커스 조정이 불필요하다는 점도 유리하다. 포켓에 넣어 들고 다닐 수 있으며, 배터리로 2시간 정도 투사가 가능하다. 레이저를 이용한 HUD HUD는 자동차의 정면 유리창에 레이저를 투사하여 ▲ 내비게이션 정보 ▲계기류 ▲경고 등을 높은 시인성(視認性, visibility; 색강조성)으로 표시할 수 있다. 자동차의 정면 유리창에 투사되는 정보표시는 운전자의 시점이동이 필요 없어 운전상의 안전뿐만 아니라, 적외선 카메라와 연동하여 야간에 잘 보이지 않는 통행인 표시 및 운전자에게 사각지대가 될 수 있는 부분을 파악하기 위한 가상표시도 가능해 대폭적인 안전성 향상을 도모할 수 있다. 또 레이저의 낮은 소비전력도 향후 전기자동차의 보급을 내다봤을 때 커다란 장점이 된다. 고휘도 표시장치의 응용 고휘도 표시장치의 응용은 2차원 공간 변조 디바이스에 의해 구성되는 방식이 주를 이루고 있으며, 프로젝터에는 투사렌즈, 액정TV에는 도광판 등 면광원으로의 변환 디바이스가 필요하다. 고휘도 레이저 프로젝터 고휘도 레이저 프로젝터는 ▲수은레스 ▲장수명 ▲저소비 전력이라는 장점을 가지고 있어 업무용 데이터 프로젝터에 유효하다. 안경용으로는 초고휘도 및 입체영상화를 목적으로서 좌우 안경에 서로 다른 빛을 입사하기 위해 파장분리 및 편광분리를 이용할 수 있다. 한편, 청색 레이저로 형광을 여기(勵起)하여 색변환하는 방식이 데이터 프로젝터를 중심으로 상품화되고 있다. 눈에 띄는 녹색 및 적색은 형광변환에 의해 스페클을 회피할 수 있다는 특징이 있다. 또 안전면에서의 배려도 일반적인 프로젝터와 같게 취급한다. 레이저 TV 레이저 TV에는 리어 프로젝션(rear projection, 後面映寫) 방식과 액정 백라이트 방식이 있다. 레이저 리어 프로젝션 TV는 RGB의 3원색 레이저를 배면조명(리어 라이트, rear light: 물체의 뒤에서 비추는 조명)으로 하여 공간변조소자로 화상신호를 중첩하고, 투사렌즈에 의해 스크린에 확대 투영된 상을 반대면에서 관찰한다. 2008년 가을에 제품화된 레이저 TV도 리어 프로젝션 방식이었다. 한편, 액정패널의 배면조명으로 레이저광을 이용한 액정TV는 그 시장의 크기 때문에 주목을 받고 있으며, 적색 반도체 레이저를 탑재한 4K 2K의 TV가 미쓰비시전기에서 시판되고 있다. 또한, 슈퍼하이비전의 국제규격인 ITU-R, BT.2020의 색재현 범위 98%를 충족하는 액정 백라이트를 실현하고 있다. 레이저 조명 레이저는 장치의 소형화뿐 아니라 저소비 전력화가 이루어지면서 조명분야로의 응용이 점차 확산되고 있다. 기존에는 주사형 레이저 장치를 이용한 엔터테인먼트 용도가 주류를 이루고 있었지만 광원의 가격저하가 진행됨에 따라 그 활용도가 넓어지고 있다. [그림 4]는 조명방식의 분류를 나타낸 것이다. 백색 레이저 조명 레이저로 형광체를 여기하면 백색을 낼 수 있다. GaN 반도체 레이저를 파이버로 전송하고 선단의 형광체를 여기함으로써 고휘도 백색광이 추출된다. 전류 주입부는 파이버로 분리되기 때문에 발광부 주변에서는 열이 거의 발생되지 않는다. 파이버로 발광부에서 먼 곳까지 조명광을 운반할 수 있다는 점은 레이저의 커다란 특징이다. 파이버를 통한 고휘도 조사를 활용하여 내시경 응용이 이미 실용화되고 있다. 또 저전력화를 목표로 한 레이저 헤드라이트의 검토도 이루어지고 있다. 초소형이기 때문에 디자인성이 우수하며, 하나의 방식으로서 다색 레이저를 혼합하는 것도 있다. 연색성의 관점에서 보면 3원색만으로는 조명으로서 뒤떨어지지만 일루미네이션에서의 사용 방식은 디스플레이와 마찬가지로 직접 빛을 관측하기 때문에 문제는 없다. 연색성의 향상을 위한 4색화에는 황색 반도체 레이저의 실현이 기대된다. 또 레이저 조명의 응용에서 공통되는 점으로 ‘에너지 절약’이라는 이점을 들 수 있는데 빛을 먼 곳까지 운반하여 조사하는 것, 색과 파장을 선택적으로 이용할 수 있다는 특장점이 있어 향후 신규 응용분야의 확대가 기대되고 있다. 농업분야에서의 응용 광원에서 파이버를 통해 빛을 이끌어내면 열을 분리하면서 고휘도광을 조사할 수 있어 향후 레이저 조명을 응용한 레이저 식물공장이 기대되고 있다. 식물의 생육에 필요한 파장(적색과 청색)을 고휘도의 높은 효율로 투사할 수 있다는 장점을 살리면 에너지를 절약할 수 있는데 일례로 화상인식과 스캐닝 조사를 결합하여 식물의 어느 한 부분이나 성장시키고 싶은 부분만을 조사하는 저전력화 방안이 제안되고 있다. 또 병충해 구제에 부분적으로 다른 파장을 조사할 수도 있다. [그림 5]에 식물 육성용 레이저 주사장치와 부분조사에 의한 이끼 육성 제어의 실례를 나타냈다. 레이저 센싱기술에 의한 수확 후 농작물의 형상측정 및 당도측정에 대해서는 이미 실용화되어 있다. 육성 중의 실시간 상황파악 및 영양소의 모니터링 등도 검토가 이루어지고 있다. < Energy News >