1.1 연구의 배경 및 목적

연색지수(이하 CRI)는 조명을 정량화하여 평가하는 방법으로서 1964년 CIE에서 표준으로 제정하여 현재까지 사용되는 중요한 파라미터이다^[1]. 또한 사람의 눈은 주변 휘도에 따라 명소시(Photopic vision), 박명시(Mesopic vision), 암소시(Scotopic vision)의 3단계로 순응하며, 이에 따라 물체를 인지하는 시각정보가 변한다^[2]. 2010년 국제조명위원회(CIE)는 야간조명 정량화 방법을 제시하고 2012년 조명공학회(IES)는 IES-TM-12-12에서 야간조명의 주요 파라미터를 공식화하여 발표한 후, S/P ratio 향상을 통해 야간조명 효율 개선과 보행자 조명환경 최적화에 대한 기초 연구, 그리고 야간조명에 적용된 S/P ratio 특성 평가방법이 제시되었다^[3-6]. 영국표준협회(British Standard Institution)는 BS 5489-1에서 야간조명의 S/P ratio에 따른 조명등급 및 설치기준을 마련하고 조명의 적용 장소, 교통량, 주변 휘도 환경에 따른 적용 기준 등을 제시하였다^[7]. 즉 S/P ratio는 박명시에서 실외조명이 갖는 효율 개선효과를 분석하는 방법이다. 그러나 야간조명에서 S/P ratio와 CRI 평가방법을 동시에 고려한 연구결과는 거의 제시되지 않았다^[8-9]. 따라서 본 연구에서는 여기 광원으로 455-nm 청색 LED를 사용하고 다양한 형광체(Phosphor)를 조합한 백색 LED에서 S/P ratio와 CRI($R_1$~$R_14$)의 상관관계와 최근에 IES TM-30-18에서 제시된 Color fidelity(이하 $R_f$), Color gamut(이하 $R_g$) 등의 변화를 제시하고^[10], 이러한 특성들의 최적결과를 제곱평균제곱근(Root mean square. RMS)을 사용하여 확인하고자 한다. 일반적으로 형광체를 사용하는 LED조명의 S/P ratio 값은 Warm white(이하 WW) LED 1.21, Cool white(이하 CW) LED 2.04이고^[4], BSI에서 제시하는 평균연색지수($R_a$) 기준은 60 이상이다^[7].

2.1 전산모사 프로그램 구성

제작된 전산모사 프로그램은 한국표준인 KS A 0061, XYZ 색좌표와 X10Y10Z10 색 표시계에 따른 색의 표시 방법, KS C 0075 광원의 연색성 평가방법과 CIE 13.3-1995 연색지수평가방법, KS C 0076 광원의 분포 온도 및 색온도, 상관 색온도의 측정방법, IES TM-30-18 평가방법을 이용하여 에너지 효율을 측정하는 Luminaire efficacy rating(이하 $LER$)과 색상 성능을 평가하는 $R_f$, $R_g$ 등을 계산하는 프로그램을 구현하였다^[11-15]. 교정된 측정계측장비의 측정결과와 상용 프로그램의 계산결과와 비교하여 프로그램의 유효성을 확인하였다[8-9, 16]. 여기 광원으로 사용되는 455nm LED 스펙트럼의 최고파장(Peak wavelength)과 반치전폭(Full width at half maximum, FWHM)은 가우시안 분포로 스펙트럼 분포(이하 SPD)를 가정하였다[8-9, 16]. 사용된 형광체 스펙트럼은 국내 F사에서 시판하는 4종 형광체와 최근 K연구소에서 LED 패키지의 연색성 향상 연구를 통해 개발한 3종 형광체, 총 7종 형광체 스펙트럼($λ_{P1}$=510, $λ_{P2}$=521, $λ_{P3}$=558, $λ_{P4}$=583, $λ_{P5}$=600, $λ_{P6}$=630, $λ_{P7}$=650nm, 이하 λPn으로 표시함)이며, Fig. 1과 같다.

Fig. 1. Emission spectra of 7 phosphors

2.2 전산모사 방법

상관색온도(이하 CCT) 변화는 청색 LED 스펙트럼과 형광체 스펙트럼 출력을 조절하며 목표 CCT에서는 $D_{uv}$±0.005 이내로 제한한다. 구체적인 스펙트럼 조합, 최고파장, 반치전폭, 목표 CCT 등의 변화 방법은 다음과 같다.

$\enspace$ ① 형광체 7종 중 2종씩 순서대로 조합하고, 청색 LED 개별 출력을 조절하여, CCT 2700K에서 S/P ratio가 최대일 때 $LER$, $R_i$를 기록하고 $R_a$, $R_9$, $R_{9~14}$, $R_f$, $R_g$ 등 광학 특성을 계산한다.

$\enspace$ ② CCT를 3000K, 3500K, 4000K, 4500K, 5000K, 5700K, 6500K로 변경하면서 과정 ①을 반복한다.

$\enspace$ ③ 청색 LED 스펙트럼의 반치전폭∆λ0.5를 0%에서 100%까지 증가하면서 ①~②의 과정을 반복한다.

$\enspace$ ④ 형광체 7종 중 3종을 조합하여 ①~③의 과정을 반복한다.

$\enspace$ ⑤ 형광체 7종 중 4종을 조합하여 ①~③의 과정을 반복한다.

2.3 RMS를 활용한 연색특성 평가방법

CIE 시험색 평가방법으로 CRI를 계산하면, 개별 CRI($R_1$~$R_14$) 값의 차이에도 불구하고, CRI의 산술평균값은 높게 산출될 수 있다. 이러한 산술평균의 단점을 보완하기 위하여 식(1)의 제곱평균제곱근(RMS)을 사용하였다.

여기서 Rref는 기준값 또는 최댓값으로 설정하였다.

3.1 청색 LED와 형광체 조합 결과 비교

455-nm 청색 LED와 형광체 스펙트럼을 조합하여, CCT 2700K~6500K 범위에서 전산모사한 후, $R_a$가 60 이상이고 S/P ratio가 상대적으로 높은 값을 선별하였다. 이렇게 선별한 S/P ratio, $LER$, 연색특성($R_1$~$R_14$, $R_f$, $R_g$)에 변화를 나타낸 것이 Fig. 2이다. 형광체 5종 이상 조합은 4종 조합 결과와 유의차가 없어 제외하였다.

S/P ratio는 형광체 2종 조합 시 CCT 2700K, 6500K에서 각각 1.26~1.70, 1.95~2.73 범위이고, 형광체 3종 조합에서 각각 1.28~1.46, 2.10~2.55 범위이며, 형광체 4종 조합에서 각각 1.37~1.54, 2.16~2.43 범위이다. $LER$은 형광체 2종 조합 시 CCT 2700K, 6500K에서 각각 213~303lm/W, 222~350lm/W 범위이고, 3종 조합에서는 각각 240~308lm/W, 240~325lm/W 범위이며, 4종 조합에서는 각각 250~275lm/W, 250~291lm/W 범위이다. $R_a$는 형광체 2종 조합 시 2700K, 6500K에서 각각 64~91, 61~97 범위이고, 3종 조합에서는 84~96, 52~97 범위이며, 4종 조합에서는 각각 82~96, 82~97 범위이다. $R_9$는 2종 조합 시 2700K, 6500K에서 각각 66~88, 5~93 범위이고 3종 조합에서는 각각 39~97, 3~94 범위이며, 4종 조합에서는 각각 70~97, 10~90 범위이다. $R_{9~14}$는 2종 조합 시 2700K, 6500K에서 각각 41~91, 25~95 범위이고, 3종 조합에서는 각각 50~90, 47~94 범위이며, 4종 조합에서는 각각 60~91, 60~88 범위이다. $R_f$와 $R_g$는 2종 조합 시 2700K에서 각각 71~93, 101~109 범위이고 6500K에서 각각 57~93, 81~111 범위이다. 3종 조합에서는 2700K에서 각각 85~93, 97~108 범위이고 6500K에서 각각 59~93, 73~107 범위이며, 4종 조합에서는 2700K에서 각각 85~96, 102~107 범위이고, 6500K에서 각각 79~93, 92~105 범위이다. 형광체 조합 수가 증가함에 따라 S/P ratio와 $LER$은 감소하고, $R_i$, $R_f$와 $R_g$의 최댓값과 평균값은 증가한다. Fig. 2 결과와 같이 S/P ratio와 $LER$의 단일특성이 최대가 되는 LED조명을 제작하기 위해서는 형광체 2종 조합, 연색특성이 최대가 되는 LED조명을 제작하기 위해서는 형광체 4종 조합을 선택하는 것이 효과적이다.

3.2 청색 LED 스펙트럼과 형광체 2종 조합 결과

Fig. 3은 Fig. 2의 결과 중에서 형광체 7종 중 2종과 455-nm 청색 LED를 조합한 결과를 나타낸 것으로써, (a)는 CCT별 S/P ratio, (b)는 RMS 평가 값을 나타낸다. RMS 평가에서 값이 적고, S/P ratio가 WW-LED 1.2, CW-LED 2.04 기준 이상이며 상대적으로 높은 결과 값을 선정하였다. CCT 전 구간에서 최적의 S/P ratio와 RMS 평가 값을 갖는 형광체 조합은 $λ_{P1}$, $λ_{P6}$이고, S/P ratio가 높게 나타나는 형광체 조합은 $λ_{P2}$, $λ_{P7}$이다. Table 1은 Fig. 3에서 S/P ratio와 연색특성을 정리한 것으로써, (a)는 개별 연색특성을 CCT에 따라 RMS로 최적화한 결과이고, (b)는 S/P ratio가 가장 크게 나타난 결과이다. 이렇게 산출된 CCT별 스펙트럼을 표현한 것이 각각 Fig. 4의 (a)와 (b)이다.

Fig. 2. Color rendering properties according to CCTs by combining 455-nm blue LED and phosphors

Fig. 3. S/P ratio and $R_{rms}$ values of CRIs from 455-nm blue LED and 2 phosphors according to CCT

Fig. 4. Optimal spectra from 455-nm blue LED and 2 phosphors

RMS를 통해 최적화된 2종 형광체 조합(a)은 모든 CCT에서 $LER$≥286lm/W, $R_a$≥92, $R_9$≥66, $R_{9~14}$≥83, $R_f$≥88, $R_g$≥97으로 나타났다. S/P ratio는 IES TM-12-12에서 제시된 WW-LED(2700K~3500K) 1.21보다 0.21~0.51 향상되었고, CW-LED(5700K~6500K) 2.04보다 0.22~0.33이 향상되었다. S/P ratio가 가장 크게 나타나는 2종 형광체 조합(b)은 모든 CCT에서 $LER$≥217lm/W, $R_a$≥64, $R_9$≥6, $R_{9~14}$≥43, $R_f$≥71, $R_g$≥106으로 나타났다. S/P raio는 WW-LED 1.21보다 0.48~0.83, CW-LED 2.04보다 0.54~0.66이 향상되었다. Fig. 4 (a)의 스펙트럼에서 455-nm 청색 LED 반치전폭 변화에 따라 CRI 변화를 RMS로 평가한 결과를 나타낸 것이 Fig. 5이다. S/P ratio의 차이를 확인하기 위하여 각 형광체 조합 모두 100을 곱하여 계산하고 그 결과를 그림에서 ‘S/P_R*100’으로 표시하였다. 반치전폭변화에 따라 $R_{9~14}$와 $R_f$는 반치전폭 100%, 50%, 0% 순서로 높고 반대로 $LER$은 0%, 50%, 100% 순으로 높으며, S/P ratio, $R_a$, 그리고 $R_g$는 동일 수준이다.

Fig. 5. Effect of FWHM variations on RMS values for all CCTs with 2 phosphor combination (% is the increase rate of the FWHM)

3.3 청색 LED 스펙트럼과 형광체 3종 조합 결과

Fig. 6은 Fig. 2의 결과 중에서 형광체 7종 중 3종과 455-nm 청색 LED를 조합한 결과를 나타낸 것으로써, S/P ratio가 IES TM-12-12의 제시결과와 동등한 수준 이상을 선택하고, $R_9$가 음수(-)인 결과는 제외하였을 때, (a)는 CCT별 S/P ratio, (b)는 RMS 평가 값을 나타낸 것이다. CCT 전 구간에서 최적의 S/P ratio와 RMS 평가 값을 갖는 형광체 조합은 $λ_{P2}$, $λ_{P4}$, $λ_{P6}$이고, S/P ratio가 높게 나타나는 형광체 조합은 $λ_{P2}$, $λ_{P4}$, $λ_{P7}$이다.

Fig. 6. S/P ratio and $R_{rms}$ values of CRIs from 455-nm blue LED and 3 phosphors according to CCT

Table 2는 Fig. 6에서 S/P ratio와 연색특성을 정리한 것으로써, (a)는 개별 연색특성을 CCT에 따라 RMS로 최적화한 결과이고, (b)는 S/P ratio가 가장 크게 나타난 결과이다. 이렇게 산출된 CCT별 스펙트럼을 표현한 것이 각각 Fig. 7의 (a)와 (b)이다.

Fig. 7. 4 Optimal spectra from 455-nm blue LED and 3 phosphors

RMS를 통해 최적화된 3종 형광체 조합(a)은 모든 CCT에서 $LER$≥286lm/W, $R_a$≥92, $R_9$≥66, $R_{9~14}$≥83, $R_f$≥88, $R_g$≥97으로 나타났다. S/P ratio는 IES TM-12-12에서 제시된 WW-LED 1.21보다 0.21~0.68 향상되었고, CW-LED 2.04보다 0.9~0.33이 향상되었다. S/P ratio가 가장 크게 나타나는 3종 형광체 조합(b)은 모든 CCT에서 $LER$≥217lm/W, $R_a$≥64, $R_9$≥6, $R_{9~14}$≥43, $R_f$≥71, $R_g$≥106으로 나타났다. S/P raio는 WW-LED 1.21보다 0.48~0.98, CW-LED 2.04보다 0.27~0.66이 향상되었다. Fig. 7 (a)의 스펙트럼에서 455-nm 청색 LED 반치전폭 변화에 따라 CRI 변화를 RMS로 평가한 결과를 나타낸 것이 Fig. 8이다. 반치전폭 변화에도 S/P ratio, $LER$, 연색특성($R_1$~$R_14$, $R_f$, $R_g$)은 동등 수준이다.

Fig. 8. Effect of FWHM variations on RMS values for all CCTs with 3 phosphor combinations (% is the increase rate of the FWHM)

3.4 청색 LED 스펙트럼과 형광체 4종 조합 결과

Fig. 9는 Fig. 2의 결과 중에서 형광체 7종 중 4종과 455-nm 청색 LED를 조합한 결과로써, S/P ratio가 IES TM-12-12의 제시결과와 동등한 수준 이상을 선택하고, $R_9$가 음수(-)인 결과는 제외하였을 때, (a)는 CCT별 S/P ratio, (b)는 RMS 평가 값을 나타낸 것이다. 4종 형광체 조합에서는 $λ_{P2}$, $λ_{P4}$, $λ_{P6}$, $λ_{P7}$ 조합이 S/P ratio와 연색특성이 모두 가장 크게 나타났다.

Fig. 9. S/P ratio and $R_{rms}$ values of CRIs from 455-nm blue LED and 4 phosphors according to CCT

Table 3은 Fig. 9에서 개별 연색특성을 CCT에 따라 RMS로 최적화할 때의 S/P ratio와 연색특성이다. 이렇게 산출된 CCT별 스펙트럼이 Fig. 10이다.

Fig. 10. Optimal spectra from 455-nm blue LED and 4 phosphors

RMS를 통해 최적화된 4종 형광체 조합은 모든 CCT에서 $LER$≥261lm/W, $R_a$≥91, $R_9$≥83, $R_{9~14}$≥77, $R_f$≥85, $R_g$≥98으로 나타났다. S/P ratio는 IES TM-12-12에서 제시된 WW-LED 1.21보다 0.17~0.47 향상되었고, CW-LED 2.04보다 0.27~0.56 향상되었다. Fig. 10의 스펙트럼에서 455-nm 청색 LED 반치전폭 변화에 따라 CRI 변화를 RMS로 평가한 결과를 나타낸 것이 Fig. 11이다. 반치전폭 변화에 따라 S/P ratio, $LER$, $R_f$와 $R_g$는 변화는 미비하며, $R_a$, $R_{9~14}$는 100%, 50%, 0% 순서로 감소한다.

Fig. 11. Effect of FWHM variations on RMS values for all CCTs with 4 phosphors (% is the increase rate of the FWHM)