1.1 연구의 배경 및 목적

조명은 단순히 빛을 밝히는 도구에서 인간의 감정을 제어하고 작업 효율을 향상시키는 도구로 변하였으며, 조명 자체가 하나의 작품이 되는 시대로 발전하였다. 또한 빛과 색에 따라 인체에 미치는 생리적이고 심리적인 영향, 일출과 일몰주기를 이용한 신체바이오리듬 개선 등 삶의 질 개선을 위해 보다 효과적으로 조명을 제어하는 연구가 진행되고 있다^[1-3].

조명의 발달로 인해 인간의 야간 활동시간과 신체활동이 가능하도록 인류가 진화하였으나, 우리 눈의 광수용체 세포는 크게 진화하지 못하였다^[4]. 간상세포(간상체)는 눈의 망막에 위치한 광수용 세포이며, 원추세포(추상체)보다 민감하여, 약한 빛을 감지하는 세포이다. 이 세포들에 의해 우리의 눈은 일정한 휘도 상황에 따라 명소시(Phtopic vision), 박명시(Mesopic vision), 암소시(Scotopic vision)로 순응한다^[5].

야간에 약한 빛에 눈이 순응하는 단계를 박명시라고 하고, 이 특성을 고려하여 조명을 평가하고 활용하는 파라미터로는 S/P ratio가 대표적이다. 이 평가방법은 CIE에서 제시하였으며, 기존 명소시 기반의 광량을 박명시 기반의 광량으로 정량화하였다. 광원의 스펙트럼 특성 중 S/P ratio가 높을수록 박명시에서 효율이 증가하는데, ELF 명암시 승수 그래프 곡선에 따른다. 가로등에 사용되는 조명의 S/P ratio는 Metal halide 1.36∼2.3, RGB LED 1.39∼2.18, 형광체형 LED 1.21∼2.04이다^[5-7]. 또한 실외조명 환경은 변화변수가 다양하여 운전자와 보행자의 안전을 위하여 CRI와 조명효율이 동시에 평가되어야 하나, 해외에서 제작된 S/P ratio가 적용된 조명을 제외하면 CCT 조절형 LED조명에 대한 CRI 기준이 없거나 낮은 수준이다. 이전 연구에서 RGB 또는 RGBY LED 스펙트럼 조합 시 CRI와 S/P ratio가 서로 상쇄될 수 있기 때문에, 기존 LED조명의 CRI와 S/P ratio보다 증가된 특성을 제공하는 스펙트럼 조합에 한계가 있음을 확인하였다^[8,9]. 본 연구에서는 형광체를 사용한 WW-LED와 CW-LED로 구성된 CCT 조절형 LED를 구성한 후, CRI 향상을 위해 단일 파장 LED 스펙트럼을 추가하였을 때, CCT별 S/P ratio와 CRI 변화를 살펴보고, 기존 LED보다 S/P ratio 및 CRI가 개선된 LED조명 스펙트럼을 제시하고자 한다.

2.1 스펙트럼 분포 설정

CCT 조절을 위해서 시판 중인 ‘N’사 제품군에서 CCT 2,700K WW-LED와 CCT 6,500K CW-LED를 선별하고 스펙트럼을 추출하여 전산모사 프로그램의 입력으로 사용하였다. 구매한 LED의 광학특성을 요약한 것이 Table 1이다. 여기서 CRI는 14개 시험색에 따라 개별 연색지수 R1~R14(이하 Ri)가 있으나, 주요 평가지표인 평균연색지수(이하 Ra), LED의 색 재현이 취약한 적색 평가지표인 R9, 적색/황색/녹색/청색 등 특수연색지수의 평균인 R9~14 등을 주로 비교한다. Ra가 80과 90 부근이며, R9 값이 매우 작아서 단일 LED 스펙트럼을 추가하여 CRI를 개선할 필요가 있다.

단일 LED 스펙트럼 추가에 따른 영향을 확인하기 위해 추가할 LED의 모델링 스펙트럼분포(이하 SPD)를 도출하였다. 모델링 SPD S(λ, λ0, Δλ0.5)는, 식 (1)과 같이 최고파장(Peak wavelength) λ0과 반치전폭(FWHM, Full Width at Half Maximum) Δλ0.5에 따라 SPD를 바꿀 수 있는 식 (2)의 가우시안 분포 g(λ, λ0, Δλ0.5)의 조합으로 구현하였다^[8-12].

2.2 CCT, CRI, S/P Ratio 계산 방법

스펙트럼에 따른 색좌표, CCT, CRI 계산은 광원의 연색성 평가 방법 등에서 제시한 방법과 수식에 따라 진행하였다^[13-15]. 그리고 S/P ratio는 다음 식들을 사용하여 계산하였다^[16].

여기서 Φ_P와 Φ_S는 각각 명소시와 암소시의 광선속이고, P_e(λ)는 LED광원의 SPD이며, V(λ)는 명소시 비사감도, V’(λ)는 암소시 비시감도를 나타낸다.

2.3 스펙트럼 변경 방법

CCT 변화는 WW-LED와 CW-LED, 단일 LED 등의 개별 광출력을 조절함으로써 구현되고, CCT는 D_uv±0.005 이내로 제한한다. 구체적인 파장 범위, 반치전폭, CCT 등의 변화는 다음 순서와 같이 수행된다^[8,9,11].

① CRI 80인 WW-LED와 CW-LED를 조합하여 특정 CCT가 되도록 개별 출력을 조절하며, 통합 스펙트럼의 출력이 일정하도록 전산모사를 진행한다. 이때 S/P ratio가 최대일 때 Ri를 기록하고 R_a, R₉, R_9~14 등을 계산한다.

② CCT를 3,000K, 4,000K, 5,000K, 6,000K로 변경하면서 ①의 과정을 반복한다.

③ WW-LED와 CW-LED의 개별 CRI를 90으로 변경시킨 후, ①~②의 과정을 반복한다.

④ 최고파장이 λ₀인 단일 LED 스펙트럼을 추가하여 400nm에서 780nm까지 1nm 간격으로 이동하면서 ①~③의 과정을 반복한다.

⑤ 단일 LED 스펙트럼의 반치전폭 ∆λ_0.5를 변화시키면서 ①~④의 과정을 반복한다.

2.4 프로그램 유효성 검증

전산모사 프로그램의 유효성 검증을 위해, 교정된 적분구에서 표준광원 A를 측정한 데이터와 전산모사 프로그램의 계산값을 비교하고, 3,000K, 4,000K, 5,000K, 6,000K RGB LED 스펙트럼에 대해 CCT별 R_a와 R_9~14의 전산모사 결과와 Osram사의 Color Calculator 6.03의 결과를 비교하여 그 결과를 Table 2에 나타내었다^[8,9]. 표준광원 A에 대한 측정결과를 전산모사 프로그램에 입력했을 때, CCT는 차이가 1이고, R_a와 R_9~145는 0이다. 동일한 LED 스펙트럼을 Calculator 6.03과 전산모사 프로그램에 입력하였을 때, CCT 차이는 ±3 이내, R_a와 R_9~14는 0이다. 따라서 구성된 전산모사 프로그램의 유효성이 확인된 것으로 판단하였다.

3.1 WW-LED와 CW-LED 조합에 따른 S/P Ratio와 CRI 변화

WW-LED와 CW-LED 개별 출력을 조절하여 CCT 3,000K, 4,000K, 5,000K, 6,000K 범위에서 S/P ratio와 Ri를 전산모사하고 그 결과를 바탕으로 CCT별 R_a, R₉, R_9~14 그리고 S/P ratio 변화를 나타낸 것이 Fig. 1이다. R_a 80인 WW-LED와 CW-LED를 조합하였을 때, CCT 변화과정에서 R_a와 R_9~14는 증가하나, S/P ratio는 사용된 LED의 S/P ratio 범위 내에서 변화하였다. R_a 90인 WW-LED와 CW-LED를 조합할 경우에도, R_a 80인 경우와 마찬가지로, CCT 변화과정에서 R_a와 R_9~14는 사용된 LED보다 증가하고, S/P ratio는 사용된 LED의 S/P ratio 범위 내에서 변화하였다.

Fig. 1. Variations of CRI and S/P ratio during CCT tuning by combining WW-LED and CW-LED of (A) CRI 80 and (B) CRI 90

3.2 WW-LED와 CW-LED 및 단일 LED 스펙트럼 조합에 따른 S/P Ratio와 CRI 변화

3.1절과 동일한 방법으로, WW-LED와 CW-LED를 사용한 CCT 조절형 백색 LED에 단일 LED를 추가하였을 때 CCT 3,000K∼6,000K 범위에서 S/P ratio 변화, R_a, R₉, R₉~R₁₄ 변화를 전산모사하였다. 이 결과를 바탕으로, 단일 LED 스펙트럼 추가에 따른 CRI와 S/P ratio 변화를 나타낸 것이 Fig. 2과 Fig. 3이다.

Fig. 2. Variations of CRIs and S/P ratio by adding single LED to WW-LED and CW-LED with CRI 80

Fig. 3. Variations of CRIs and S/P ratio by adding single LED to WW-LED and CW-LED with CRI 90

R_a 80인 WW-LED와 CW-LED에 단일 LED 스펙트럼을 추가하였을 때, 단일 LED의 최고파장 이동에 따른 CCT별 R_a 변화를 비교한 것이 Fig. 2(A)이고, R₉와 R_9~14의 변화를 나타낸 것이 각각 Fig. 2(B)와 Fig. 2(C)이며, S/P ratio 변화를 나타낸 것이 Fig. 2(D)이다. 또한 R_a 90인 WW-LED와 CW-LED에 단일 LED 스펙트럼을 추가하였을 때 단일 LED의 최고파장 이동에 따른 CCT별 R_a 변화를 비교한 것이 Fig. 3(A)이고, R₉와 R_9~14의 변화를 나타낸 것이 각각 Fig. 3(B)와 Fig. 3(C)이며, S/P ratio의 변화를 나타낸 것이 Fig. 3(D)이다.

R_a 80의 WW-LED와 CW-LED에 단일 LED 스펙트럼을 추가하여 단일 LED의 최고파장을 이동하면, S/P ratio는 500nm 부근에서 최대값이 되었다. R_a와 R_9~14의 경우, 700nm 부근에서 증가가 가장 크고 500nm 부근에서도 증가하였다. R₉의 경우 700nm 이상의 LED 스펙트럼을 추가하면 값이 급격히 증가한다. 따라서 500nm 부근의 LED 스펙트럼을 추가하면 S/P ratio뿐만 아니라 R_a와 R_9~14도 함께 증가하나, R₉는 감소한다. Fig. 1에서와 같이, 사용된 WW-LED와 CW-LED의 R₉가 13 이하로 작기 때문에, 파장 추가에 따른 S/P ratio의 변화보다 R₉의 변화가 13 이하에서 40 이상으로 더 크게 나타난다.

R_a 90의 WW-LED와 CW-LED에 단일 LED 스펙트럼을 추가하여 단일 LED의 최고파장을 이동하면, 480nm~500nm 파장에 대해 S/P ratio뿐만 아니라 R_a와 R_9~14는 모든 CCT에서 값이 증가한다. R₉의 경우도, 3,000K를 제외하면, 480nm뿐만 아니라 650nm 부근의 파장에 대해 그 값이 증가한다. 3,000K의 경우, 730nm 파장 추가 효과가 가장 크고 450 nm 부근 파장도 추가 효과가 있다. 따라서 R_a 80에서 시작할 때 450nm~500nm 파장을 추가하면 모든 CCT에서, R₉를 제외하고, R_a와 R_9~14 및 S/P ratio가 증가한다.

3.3 WW-LED와 CW-LED, Blue LED 스펙트럼의 반치전폭 변화에 따른 S/P Ratio와 CRI 변화

3.2절의 CCT 조절형 백색 LED 조합 시뮬레이션 결과에서, S/P ratio와 R_a, R_9~14를 최대로 만드는 단일 LED의 최고파장은 480nm 부근이었다. 이 최고파장에서 LED의 반치전폭을 변화시켰을 때, CRI와 S/P ratio의 변화를 나타낸 것이 Fig. 4와 Fig. 5이다.

Fig. 4(A)에서 R_a 80의 WW-LED와 CW-LED에 단일 LED 스펙트럼의 반치전폭을 증가시키면, 모든 CCT에 R_a가 증가하였으나, R_a, R_9~14, S/P ratio는 감소하였다. Fig. 4(B)와 Fig. 4(C)에서 반치전폭을 증가시키면 R_9~14, S/P ratio는 감소하였다. Fig. 5(A)에서 R_a 90의 WW와 CW-LED에 단일 LED 스펙트럼의 반치전폭을 증가시키면, CCT 3,000K과 4,000K에서 R₉가 증가하였으나, 5000K과 6000K에서는 감소하였다. Fig. 5(B)와 Fig. 5(C)에서 R_9~14, S/P ratio는 3,000K에서 증가하였으나, 5,000K와 6,000K에서 모두 감소하였다.

Fig. 4. Variations of CRIs and S/P ratio for each CCT by varying FWHM of single LED added to WW-LED and CW-LED with CRI 80

Fig. 5. Variations of CRIs and S/P ratio for each CCT by varying FWHM of single LED added to WW-LED and CW-LED with CRI 90