점광원 하나로 선광원을 구현하는, 광학 차원 변환 기술

점 하나로 선을 구현한다

점 하나로 선을 구현할 수 있다면 어떻게 될까? 흔히 점은 0차원으로 표현되고, 선은 1차원으로 표현된다. 무수히 많은 0차원의 점이 모여서, 1차원의 선을 이루고, 1차원의 무수히 많은 선이 동일 평면상에 모여서 2차원의 면을 이룬다. 무수히 많은 점이 아니라 단 하나의 점이 차원의 경계를 넘어 선을 이룰 수 있다면, 기존의 공간 차원 구분과 개념을 넘어서는 광학차원변환(Optical Dimension Transform) 기술로서 완전히 새로운 현상일 것이다.

광학 차원 변환을 구현한 스타트업

광학 분야에서 차원 변환이라고 부를만한 새로운 개념의 기술을 개발하는 스타트업이 있다. 해당 팀은 자체 개발 기술을 OSL (Optical fiber Side Lighting) 이라고 부르지만, 광학 분야에 있어서 차원 변환이라고 부를 수 있을 만큼 혁신적인 기술을 설명하는 용어로서는 다소 아쉬움이 있다.

해당 팀은 점에 불과한 LED 소자 하나를 이용하여 선형 조명을 구현해냈다. 기술의 한계로 인해서 시도하기 어려웠던 방식이다. 기존에는 LED 소자를 다수 배치하여 렌즈가 커버 형태의 확산부재를 결합하여 면발광 형태를 만들거나, LED 소자 여러 개를 일렬로 배치하여 선광을 구현한 사례는 많았지만, 단일 점광원으로 선광원을 제대로 구현한 사례는 없었다.

LED의 특징과 한계

흔히 LED 라고 불리는 발광 다이오드는 점광원으로 분류된다. 발광 면적이 점처럼 좁기 때문이다. LED는 기존에 사용하던 선광원 형태의 형광등이나, 구 형태의 백열등에 비해 발광 면적은 좁지만, 휘도가 높고 에너지 효율이나 수명, 경제성, 색상 연출 등 여러가지 측면에서 유리한 장점이 있다. 다만, LED 구조상 열에 상대적으로 취약하다. 기존 백열전구의 발열량이 LED에 비해 훨씬 많지만, 백열전구는 LED에 비해 열에 매우 강하고 발열 면적도 넓어서 방열에 효율적이다. 반면, LED는 국소 부위에서 열이 발생하고 구조적으로 열 발산에 불리한 형태다. 열 발산을 위한 방열판이 없다면, LED 소자와 연결된 회로기판이 대부분의 열을 소화할 수 밖에 없기 때문에 열 배출에 취약하다. 이로 인해 기존 LED 수명에 비해 훨씬 짧은 기간 내에 열화되어 기능이 소실될 수 있다.

방열을 강화하거나 소자 갯수를 최소화하거나

LED를 활용해서 선이나 면을 표현하기 위해서는 다수의 LED 필요하다. 도로에서 흔히 볼 수 있는 표지판 같은 경우에는 표현하려는 라인에 따라서 작은 LED가 다수 배열되어 있다. LED 소자 하나를 화소 개념으로 접근한다면, 적절한 간격을 따라 다수의 LED를 배치하는 방식으로 여러가지 시각적인 연출이 가능하다. 촘촘하게 소자를 배치할수록 자유도가 높고 정교한 이미지 연출이 가능하다. 다만, LED 개수가 늘어날수록 발열로 인한 성능저하, 열화 등 문제가 발생할 수 있어서, 유지관리 비용이 높고 별도의 방열부재가 없으면 제대로 활용하기 어렵다. 방열부재를 별도로 추가하지 않으려면 회로기판이 견딜 수 있는 범위 내에서 소자 개수를 최소화하여 배치하는 방법도 활용 가능하지만, 화소수가 낮아지고 연출 자유도를 낮추는 원인이 될 수 밖에 없다. 발열을 관리하기 위해 LED의 개수를 줄이면서도 연출이나 조명 효과를 유지할 수 있는 방법이 있다면 문제를 근본적으로 해결할 수 있다.

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핵심은 광원 분리와 광경로 설계

본 기술의 핵심은 광원과 발광위치를 분리하고 광원과 발광위치까지의 최적 광경로를 설계하는데 있다. 점광원인 LED를 활용하여 선발광을 구현할 때, LED로부터 발생한 빛을 발광위치까지 광섬유가 전달한다. 일반적인 광섬유는 클래드 층으로 인해 빛을 목적지까지 전달하는 역할만 수행한다. 해당 팀은 광섬유의 클래드 표면을 미세하게 가공하여 광섬유 표면에 외부로 빛을 노출시킬 수 있는 연속된 미세렌즈 구조를 디자인했다. 광원의 광출력과 광섬유 물성을 고려하여 연속 미세렌즈 구조가 달라지도록 최적화함으로써 규칙적으로 빛의 일부만 미세렌즈를 통해 출사되어 광섬유 자체가 하나의 연속된 선광원이 되도록 설계했다.

기존에도 비슷한 시도가 없었던 것은 아니다. 3M이나 TORAY 등 다양한 기업이 점광원 하나로 선광원을 구현하기 위해 여러 방식으로 연구를 했지만, 정교한 광경로 설계 기술이 없었기 때문에 광원으로부터 시작된 빛은 광섬유 내에서 빠르게 소실되어 0.5m도 이동하지 못했다. 해당 팀은 점광원에서 출발한 빛이 경로 상에서 선발광을 유지하면서도 광섬유 내에서 100m 이상을 이동할 수 있는 기술을 개발했다. 발열에 취약한 LED를 방열에 유리한 위치에 자유롭게 배치하면서 선발광을 구현할 수 있게 된 것이다.

하나의 기술, 수 많은 파생사업

본 기술은 LED를 사용하는 분야에서 선형 연출이 필요한 모든 분야에 적용될 수 있다. 이미, 발광표지판이나, 차량, 인테리어, 가전기기, 사이니지 등 다양한 분야에서 본 기술의 가능성을 확인한 여러 기업으로부터 러브콜을 받고 있다. 특허법인의 구성원으로서, 그리고 변리사로서 하나의 원천기술이 다양한 어플리케이션으로 발전하는 과정을 지근 거리에서 볼 수 있다는 것은 정말 드문 경험이다. 더욱이 그 성공사례가 국내에 그치는 것이 아니라 해외까지 확장되어 글로벌하게 사용되는 기술이 되는 것은 더 말할 나위 없이 값진 경험이다.

해당 팀은 국내에서 뿐만 아니라 일본, 독일 등 다양한 해외기업과의 기술 라이센싱이나 해외 현지 사업화 등 논의를 시작하고 있는데, 이미 해당 기업은 본 기술 관련해서 다수의 국내특허 뿐만 아니라, 일본, 중국, 미국 등 주요 국가에 다수의 등록특허를 보유하고 있다. 변리사로서 고객사의 기술과 IP가 시장에서 인정받는 일만큼 보람된 일은 없다. 전 세계에 점처럼 흩어져있는 LED 기반의 기업들을 연결하여 하나의 거대한 선형 사업 구조를 달성하는 글로벌 기업이 탄생할 수 있기를 응원한다.

원문 : 점광원 하나로 선광원을 구현하는, 광학 차원 변환 기술

필자소개 : 유철현 BLT 변리사 : 유 변리사는 스타트업을 발굴하고 직접 투자하는 ‘엑셀러레이터형’ BLT 특허법률사무소를 시작으로, IT와 BM분야의 전문성을 살려 다양한 기술 기반 기업의 지식재산 및 사업 전략 컨설팅을 수행하고 있습니다. 현재 중소벤처기업진흥공단 심의위원과 한국엔젤투자협회  팁스(TIPs)프로그램 사업 심사를 담당하고 있습니다.