1.1 연구의 배경 및 목적

최근 warm white(WW), cool white(CW), 적색(R), 녹색(G), 청색(B), 황색(Y) 등 LED 효율이 기존 조명보다 증가하였고^[1-3], 이와 함께 형광체(phosphor) 효율을 증가시키는 연구가 활발히 진행되었다^[4-5]. 기존 조명과 달리 LED조명은 상관색온도(correlated color temperature, 이하 CCT) 조절, 다양한 색 연출, 공간 조명연출 등의 장점이 있어서 감성조명으로 각광받고 있다^[6-7]. LED조명의 광원을 평가하는 방법으로 연색지수(color rendering index, 이하 CRI)가 있으며, 최근 기존 CIE의 13.3 문서에 기반한 CRI 평가방법의 한계를 극복하기 위하여 다양한 연색성 평가방법이 제안되었다^[8-9]. CRI 평가방법은 CIE 시험색 평가방법으로써, 규정된 시험색의 각각에 대하여 기준광원(reference source)으로 조명하였을 때와 시료광원(test source)으로 조명하였을 때의 색 차이를 계산하는 방법이다. 이것은 규정된 8종류 시험색에 대한 일반연색지수($R_{1}$～$R_{8}$)와 추가로 규정된 6종류 시험색에 대한 특수연색지수($R_{9}$～$R_{14}$)로 나뉘고, 일반적으로 CRI는 일반연색지수의 산술평균값인 평균연색지수(이하 $R_a$)로 나타낸다^[10]. 그러나 CIE 시험색 평가방법은 시험색이 불포화 색상이고, 시험색의 수가 적기 때문에 LED조명처럼 포화 색상을 갖는 조명은 연색지수가 과소평가될 수 있다^[11]. 따라서 CIE 시험색 평가방법의 단점을 해결하고자, National Institute of Standards and Technology(이하 NIST)에서 일반 색품질 척도(general color quality scale, 이하 $Q_a$)와 색선호 지수(color preference scale, 이하 $Q_p$) 방법을 제안하였다^[9]. IES는 105,000개의 색상표본에서 시각적으로 구분된 99개의 색상평가표본(color evaluation sample, 이하 CES)을 선정하여 LED조명에서 색 충실도와 색재현 정도를 fidelity index(이하 $R_f$), gamut index(이하 $R_g$)와 color vector graphic으로 평가하는 방법을 TM-30-18를 통해 제시하였다^[12-13]. 이러한 새로운 연색성 평가방법은 WW LED와 CW LED에 R 또는 G의 단일파장 LED를 조합하거나 B-LED와 R, G, Y 형광체를 조합하여 LED 스펙트럼의 연색성을 평가하는 데 사용되었다^[14-17]. 그러나 기존 연구는 CCT 조절형 조명처럼 CCT 전 구간에서 연색성 변화 경향이나 최근 연색성 평가방법에 따른 결과를 비교하여 최적의 스펙트럼을 제시하지 않는다. 본 논문에서는 455nm B-LED에서 다양한 파장을 갖는 형광체 스펙트럼을 확보하고, B-LED와 형광체 스펙트럼 조합을 통해 CCT 전 영역에서 CIE 시험색 평가방법과 새로운 연색특성 평가방법에 따른 결과($Q_a$, $R_f$와 $R_g$)를 시뮬레이션을 통해 살펴보고, WW LED와 CW LED를 사용한 CCT 조절형 LED조명에서 최적 스펙트럼 조합을 찾아가는 방법을 제시하고자 한다.

2.1 연색특성 계산 프로그램 구성

한국표준인 KS A 0061, XYZ 색 표시계 및 $X_{10}Y_{10}Z_{10}$ 색 표시계에 따른 색의 표시 방법^[18], KS A 0068 광원색의 측정방법^[19], KS C 0075 광원의 연색성 평가방법^[20], KS C 0076 광원의 분포 온도 및 색온도, 상관 색온도의 측정방법^[21], 국제표준인 CIE 13.3 연색지수 평가방법^[22], NIST 색품질 척도방법^[9], IES TM-30-18 색 충실도 평가^[12] 등을 바탕으로 연색특성 계산 프로그램을 구현하였다. 형광체 조합에 따라 변동되는 스펙트럼 분포(spectral power distribution, 이하 SPD)를 프로그램에 입력하면 광학특성(CCT, CRIs, $Q_a$, $R_f$, $R_g$ 등)이 산출된다.

2.2 연색특성 계산 프로그램 유효성 검증

교정된 장비에서 표준광원을 기준으로 LED조명의 연색특성 값을 측정한 후, 자체적으로 구성한 프로그램 출력결과와 비교하거나, OSRAM사가 제공하는 Color Calculator 6.03과 IES TM-30-18 Basic Calculation Tool을 통해 CCT, CRI, $D_{uv}$, $LER$, $Q_a$, $Q_p$, $R_f$, $R_g$를 계산한 결과를 구현 프로그램과 비교함으로써 유효성을 검증하였다^[23].

3.1 B-LED의 SPD

B-LED는 현재 시판되는 LED의 스펙트럼 최고파장(peak wavelength) $λ_{0}$ 및 반치폭(full width at half maximum, FWHM) $∆λ_{0.5}$를 추출하였으며, 가우시안 분포로 근사하여 모델링 SPD로 변경하였다^[23-25].

3.2 형광체 구성

RGBY 멀티칩 LED에서 R, G, B, Y 최고파장 및 FWHM 변경을 통해 최적 파장영역을 제시한 선행 연구결과^[25]를 바탕으로 455nm B-LED 여기 광원에서 발광하는 7종의 형광체 스펙트럼을 선정하고, Table. 1에 나타내었다. 선행 연구결과에 따라 RGBY LED의 최고파장 위치에 따른 형광체의 최고파장 구간을 R(620∼650nm), G(500∼520nm), B(450∼460nm), Y(560∼580nm)로 구분하였다^[25].

3.3 B-LED와 형광체 조합 방법

CCT 전 영역에서 B-LED와 형광체 조합에 대한 광학 시뮬레이션은 다음과 같은 순서로 수행하였다.

① B-LED와 형광체 각각의 SPD를 전체 크기 1로 표준화한다.

② 표준화된 형광체 스펙트럼을 Green($λ_{P,1}$, $λ_{P,2}$, $λ_{P,3}$)과 Red($λ_{P,4}$, $λ_{P,5}$, $λ_{P,6}$, $λ_{P,7}$)로 나누어 각 분류에서 하나씩 형광체를 선택하여 2종의 형광체와 B-LED를 혼합한다.

③ 목표 CCT가 2700K에서 $D_{uv}$±0.005 이내가 되도록 개별 SPD를 조절하고, 혼합된 SPD의 연색특성 결과를 계산하여 저장한다.

④ CCT를 3000K, 3500K, 4000K, 4500K, 5000K, 5700K, 6500K가 되도록 형광체와 B-LED의 개별 SPD를 조절하여 ③의 과정을 반복한다.

⑤ 7종의 형광체를 각각 Green($λ_{P,1}$, $λ_{P,2}$), Yellow($λ_{P,3}$, $λ_{P,4}$, $λ_{P,5}$), Red($λ_{P,6}$, $λ_{P,7}$)로 나누어 각 분류에서 하나씩 형광체를 선택하여 3종 형광체와 B-LED에 대해 ③～④ 과정을 반복한다.

⑥ 7종 형광체를 각각 Green($λ_{P,1}$, $λ_{P,2}$), Yellow($λ_{P,3}$, $λ_{P,4}$, $λ_{P,5}$), Red 1($λ_{P,5}$, $λ_{P,6}$), Red 2($λ_{P,6}$, $λ_{P,7}$)로 나누어 각 분류에서 형광체를 선택하여 4종 형광체와 B-LED에 대해 ③～④ 과정을 반복한다.

3.4 $R_{rms}$를 활용한 LED조명의 연색특성 평가

CIE 시험색 평가방법에 의한 색상 차이를 산술평균하는 경우, 하나 또는 둘의 색상 샘플이 매우 큰 색상 차이를 보여도 CRI 값은 비교적 높을 수 있다. 이러한 산술평균의 단점을 개선하기 위해 식 (1)과 같은 제곱평균(root mean square, RMS), $R_{rms}$을 사용하여 모든 CCT에서 하나 이상의 연색특성 값이 변화가 크게 나타나면 평가 결과에 영향을 미치도록 하여, 모든 CCT에서 최적의 연색특성을 나타내는 형광체 조합을 산출하였다.

여기서 $R_{ref}$는 가능한 최댓값으로 설정하였다. 예를 들어 $R_{1}$∼$R_{14}$에서 $R_{ref}$=100이다.

4.1 형광체 2종 스펙트럼에 따른 CCT별 연색특성 변화

Fig. 1은 B-LED와 형광체 7종 중 2종을 혼합한 후, CCT별 $R_{1}$∼$R_{14}$ 값을 비교한 것이다. CCT 전 구간에서 $R_{1}$∼$R_{14}$ 값이 가장 높게 산출되는 2가지 스펙트럼조합은 $λ_{P,1}$=510nm, $λ_{P,6}$=630nm로써, CCT와 관계없이 $R_{1}$∼$R_{14}$ 값이 75 이상으로 산출되었다. 다른 조합인 $λ_{P,1}$=510nm와 $λ_{P,7}$=650nm 조합의 경우, CCT≥5000K에서 $R_{12}$ 값을 제외하고, $R_{1}$∼$R_{14}$ 값이 95 이상으로 최대이다. $λ_{P,3}$=556nm와 $λ_{P,7}$=650nm 조합의 경우, CCT가 증가할수록 $R_{1}$∼$R_{14}$ 값이 10 이상 감소하는 경향을 보였고, $R_{12}$ 값이 70 이하로 감소하였다.

Fig. 1. $R_{1}$∼$R_{14}$ according to CCTs in combination of B-LED and 2 phosphors

Fig. 2. Color rendition properties according to CCT with B-LED and 2 phosphorss

CIE 시험색 평가방법의 단점을 해결하고자 최근에 제시된 연색특성 평가방법인 $Q_a$, $R_f$, $R_g$를 계산하고, CCT별 CRI, $Q_a$, $R_f$, $R_g$ 값을 비교한 것이 Fig. 2이다. B-LED와 2종 형광체 조합에서 최대 연색평가지수를 보이는 형광체 조합은 $λ_{P,1}$=510nm와 $λ_{P,6}$= 630nm이고, $R_a$=95∼96, $R_{9∼14}$=92∼94, $R_{1∼14}$=94∼95, $Q_a$=90∼98, $R_f$=90∼94, $R_g$=95∼102의 범위로 나타났다. 모든 CCT 영역에서 일정한 연색평가지수를 보였으며, $R_a$와 $Q_a$ 값은 5 이내, $R_a$와 $R_f$ 값은 6 이내 차이를 나타냈다. 다른 조합인 $λ_{P,1}$=510nm와 $λ_{P,7}$= 650nm 조합은 CCT가 높아질수록 연색특성이 증가하였으며, CCT≥5000K에서 $R_a$와 $Q_a$ 값이 각각 97과 95 이상으로 최대이다.

Fig. 3. $R_{rms}$ of color rendition properties according to CCT with B-LED and 2 phosphors

Fig. 2의 CCT 전 구간에서 산출된 $R_a$, $R_{9∼14}$, $R_{1∼14}$, $Q_a$, $R_f$와 $R_g$를 $R_{rms}$로 평가한 결과가 Fig. 3이다. $λ_{P,1}$= 510nm와 $λ_{P,6}$=630nm 형광체 2종 조합에서 CCT 전 구간에 걸쳐 $R_{rms}$,1∼8<5, $R_{rms,9∼14}$<8, $R_{rms,1∼14}$ <8, $Q_{rms,a}$< 6, $R_{rms,f}$<9, $R_{rms,g}$<11로 산출되었다. 다른 형광체 조합인 $λ_{P,1}$=510nm와 $λ_{P,7}$=650nm의 경우, $Q_{rms,a}$, $R_{rms,f}$, $R_{rms,g}$에서 11 이상으로 $R_{rms}$ 값이 증가하여 $λ_{P,1}$= 510nm와 $λ_{P,6}$=630nm 조합보다 크다.

4.2 형광체 3종 스펙트럼에 따른 CCT별 연색특성 변화

Fig. 4. $R_{1}$∼$R_{14}$ according to CCTs in combination of B-LED and 3 phosphors

Fig. 4는 B-LED와 형광체 7종 중 3종을 혼합하여 CCT별 $R_{1}$∼$R_{14}$ 값을 비교한 것이다. CCT 전 구간에서 $R_{1}$∼$R_{14}$ 값이 높게 산출되는 3가지 스펙트럼 조합은 $λ_{P,1}$=510nm, $λ_{P,4}$=583nm, $λ_{P,7}$=650nm와 $λ_{P,2}$=521nm, $λ_{P,4}$=583nm, $λ_{P,7}$=650nm로써, $R_{1}$∼$R_{14}$ 값이 모든 CCT에서 75 이상 산출되었다. 그러나 CCT가 증가할수록 $R_{12}$ 값이 감소하여 6500K에서 70∼80이다.

Fig. 5. Color rendition properties according to CCT with B-LED and 3 phosphors

Fig. 5는 B-LED와 3종 형광체 조합에서 연색평가지수를 계산하고, 각각의 값을 CCT별로 나타낸 것이다. CCT 전 구간에서 일정한 연색평가지수를 보이는 형광체 조합은 $λ_{P,1}$=510nm, $λ_{P,5}$=600nm와 $λ_{P,6}$=630 nm이고, $R_a$=94∼96, $R_{9∼14}$=92∼93, $R_{1∼14}$=93∼95, $Q_a$=89∼97, $R_f$=89∼94, $R_g$=94∼102의 범위로 산출되었으며, $R_a$와 $Q_a$ 값은 5 이내, $R_a$와 $R_f$ 값도 5 이내 차이를 나타냈다. 다른 조합인 $λ_{P,2}$=521nm, $λ_{P,4}$=583 nm와 $λ_{P,7}$=650nm 조합의 경우, CCT≥3500K에서 $R_a$=98∼99, $R_{9∼14}$=93∼96, $R_{1∼14}$=96∼97, $Q_a$=97∼98, $R_f$=93∼95, $R_g$=100∼101의 범위로 산출되었으며, $R_a$와 $Q_a$ 값은 1 이내, $R_a$와 $R_f$ 값은 5 이내 차이를 보였다.

Fig. 6. $R_{rms}$ of color rendition properties according to CCT with B-LED and 3 phosphors

Fig. 6은 B-LED와 3종 형광체 조합 시, CCT 전 구간에서 산출된 $R_{1∼8}$, $R_{9∼14}$, $R_{1∼14}$, $Q_a$, $R_f$와 $R_g$를 $R_{rms}$로 평가한 결과이다. $λ_{P,2}$=521nm, $λ_{P,4}$=583nm와 $λ_{P,7}$= 650nm 조합의 경우, CCT 전 영역에서 $R_{rms,1∼8}$<3, $R_{rms,9∼14}$<6, $R_{rms,1∼14}$<5, $Q_{rms,a}$<6, $R_{rms,f}$< 8, $R_{rms,g}$<12로 산출되었다. 다른 조합인 $λ_{P,1}$=510nm, $λ_{P,5}$=600nm, $λ_{P,6}$=630nm 조합에서 $R_{1∼8}$, $R_{9∼14}$와 $R_{1∼14}$의 $R_{rms}$ 값이 5∼10으로 나타났다.

4.3 형광체 4종 스펙트럼에 따른 CCT별 연색특성 변화

Fig. 7. $R_{1}$∼$R_{14}$ according to CCTs in combination of B-LED and 4 phosphors

Fig. 7은 B-LED와 형광체 7종 중 4종을 혼합한 후, CCT별 CRI, $R_{1}$∼$R_{14}$ 값을 비교한 것이다. CCT 전 구간에서 $R_{1}$∼$R_{14}$ 값이 높게 산출되는 4가지 스펙트럼 조합은 $λ_{P,1}$=510nm, $λ_{P,3}$=556nm, $λ_{P,6}$=630nm, $λ_{P,7}$=650nm와 $λ_{P,1}$=510nm, $λ_{P,4}$=583nm, $λ_{P,6}$=630nm, $λ_{P,7}$=650nm로써, $R_{1}$∼$R_{14}$ 값이 모든 CCT에서 71 이상으로 산출되었으며, 두 스펙트럼 조합 모두 CCT가 증가할수록 $R_{9}$와 $R_{12}$ 값이 20 이상 감소하는 경향이 나타났다.

Fig. 8. Color rendition properties according to CCT with B-LED and 4 phosphors

Fig. 8은 B-LED와 4종 형광체 조합에서 연색평가지수를 계산하고 각각의 값을 CCT별로 나타낸 것이다. CCT 전 영역에서 일정한 연색평가지수를 보이는 형광체 조합은 $λ_{P,1}$=510nm, $λ_{P,4}$=583nm, $λ_{P,6}$= 630nm와 $λ_{P,7}$=650nm이고, $R_a$=94∼98, $R_{9∼14}$=90∼96, $R_{1∼14}$= 91∼97, $Q_a$=90∼98, $R_f$=89∼94, $R_g$=98∼102로 산출되었다. $R_a$와 $Q_a$ 값은 4 이내, $R_a$와 $R_f$ 값은 5 이내 차이를 나타냈다. 다른 형광체 조합인 $λ_{P,1}$=510nm, $λ_{P,3}$= 556nm, $λ_{P,6}$=630nm와 $λ_{P,7}$=650nm 조합의 경우, CCT≥3500K에서 $R_a$=96∼98, $R_{9∼14}$=92∼95, $R_{1∼14}$=95∼97, $Q_a$=92∼97, $R_f$=91∼94, $R_g$=99∼101의 범위로 최대로 산출되었으나, CCT≤3000K에서 $Q_a$와 $R_f$ 값이 90 이하로 나타났다.

Fig. 9. $R_{rms}$ of color rendition properties according to CCT with B-LED and 4 phosphors

Fig. 9는 B-LED와 4종 형광체 조합을 통해 CCT 전 구간에서 산출된 $R_{1∼8}$, $R_{9∼14}$, $R_{1∼14}$, $Q_a$, $R_f$와 $R_g$를 $R_{rms}$로 평가한 결과이다. $λ_{P,1}$=510nm, $λ_{P,4}$=583nm, $λ_{P,6}$=630nm, $λ_{P,7}$=650nm 조합의 경우, 모든 CCT에서 $R_{a,rms}$<4, $R_{9}$∼$R_{14,rms}$<7, $R_{rms,1∼14}$<5, $Q_{a,rms}$<7, $R_{f,rms}$<9, $R_{g,rms}$<12로 최소로 산출되었다.