1.1 연구의 배경 및 목적

야간조명 선택에서 중요한 평가 파라미터는 발광효율, 휘도, 그리고 S/P ratio이다⁽¹⁾. 야간조명용 광원 중 RGB(Y) Multi-chip LED는 S/P ratio가 높으나, 연색지수(이하, CRI)와 휘도가 낮은 단점이 있다⁽²⁾. 반면에 형광체형 LED는 Multi-chip LED보다 S/P ratio가 낮으나, CRI, 휘도 및 발광효율이 높기 때문에 야간도로조명에 많이 사용된다^(3-4). IES와 CIE에서는 야간조명 평가 파라미터인 S/P ratio를 제시하고, IES TM-30-15 라이브러리를 통해 상관색온도(이하, CCT)와 야간조명 종류별 S/P ratio를 제시하였다. 그 결과를 정리한 그림 1에서 보는 바와 같이, CCT 증가에 따라 S/P ratio도 증가한다⁽¹⁾. 그러나 최근 도로 상에서의 안전 의식이 커지고 편의시설 및 도시 미관에 대한 관심이 증가함에 따라 CRI를 함께 설정할 필요성이 대두되었다^(3,5). 특히 $R_{9}$가 클수록 적색에 대한 색차를 줄일 수 있으므로, LED의 경우 특수연색지수가 개선되어 시인성을 높일 수 있다⁽⁶⁾. 또한 국내 사용자가 오랫동안 익숙한 CCT 5,000 K를 선호한다는 연구결과⁽⁷⁾와 국내외 문헌조사를 통해 국내 도시공간의 CCT를 4,000 K와 5,000 K로 설정하도록 제안한 연구결과를 토대로 야간조명에 5,000 K가 일반적으로 사용된다⁽⁵⁾.

Fig. 1. S/P ratios according to CCTs(1)

영국표준협회(British Standard Institution)는 야간조명의 등급과 설치기준(주변휘도, 교통량에 따른 적용 기준과 방법)을 BS 5489-1에 제시하고 있다. 그러나 표 1과 같이 LED의 CRI($R_{a}$) 적용 기준이 ‘60 이상’이면 허용되기 때문에, 일부 LED에서 $R_{9}$∼$R_{14}$가 낮아져서 원색을 띠는 물체를 구분하는 인지능력이 떨어진다⁽⁸⁾. 따라서 야간도로조명을 평가함에 있어 발광효율, 휘도 및 S/P ratio뿐만 아니라 CRI를 포함하는 연색특성(color fidelity(이하 $R_{f}$), color gamut(이하 $R_{g}$), color quality scale(이하 $Q_{a}$))을 평가할 필요가 있다. 통상적으로 S/P ratio와 CRI($R_{a}$)는 Trade-off 관계가 있기 때문에 동시에 개선하기는 어려우나, 스펙트럼 조합을 통해 일정 수준 이상으로 개선하는 것은 가능하다^(2,9). 본 연구에서는, 이전 연구에서 455 nm 청색 여기 파장과 형광체 스펙트럼 조합 시뮬레이션을 통해 CCT 5,000 K에서 S/P ratio와 CRI($R_{1}$∼$R_{14}$), $R_{f}$, $R_{g}$를 동시에 개선하는 최적화 방법을 제시하였으며⁽⁹⁾, 이를 통해 최적화한 LED module을 제작하고 측정 결과를 야간조명 효율 계산방법인 Pupil Lumen으로 계산⁽⁸⁾하여 BS 5489-1 기준과 비교하였다.

2.1 시뮬레이션 결과 ⁽⁹⁾

이전 연구에서 도출된 최적화된 형광체형 LED는 455 nm 청색 LED를 여기 파장으로 하고, 형광체 2종에서 7종의 조합으로 구성하였다⁽⁹⁾. 청색 LED와 형광체 2종 조합(λP1=510 nm, λP6=630 nm)은 S/P ratio>2.13, LER>292 lm/W, $R_{a}$>97, $R_{9}$>90, $R_{9∼14}$ >92, $R_{f}$>91, $R_{g}$>100이고, 형광체 3종 조합(λP2=521 nm, λP4=583 nm, λP6=630 nm)은 S/P ratio>2.13, LER>295 lm/W, $R_{a}$>97, $R_{9}$>90, $R_{9∼14}$>92, $R_{f}$>91, $R_{g}$>100이며, 형광체 4종 조합(λP2=521 nm, λP4=583 nm, λP6=630 nm, λP7=650 nm)은 S/P ratio>2.17, LER>297 lm/W, $R_{a}$>96, $R_{9}$>90, $R_{9∼14}$>96, $R_{f}$>89, $R_{g}$>98이다⁽⁹⁾. 형광체 2종 조합의 S/P ratio, CRI, 연색특성($Q_{a}$, $R_{f}$, $R_{g}$)이 형광체 3종 또는 4종 조합의 결과와 크게 차이가 없어서 형광체 2종 조합을 선택하였으며 LED package 제작업체에 의뢰하여 제작하였다. 시뮬레이션결과와 LED package 측정결과 오차는 최대 3% 이내이며, 대표 특성 값을 표. 2에 나타내었다.

2.2 Pupil Lumen을 활용한 야간조명효율 계산

사람 눈은 시감세포에 따라 반응하는 스펙트럼 특성이 달라진다. 즉 밝은 곳에서는 555 nm, 어두운 곳에서는 507 nm의 빛을 가장 밝게 느낀다. 따라서 어두운 곳에서는 S/P ratio가 높은 조명 아래에서 사물이 더 밝게 보인다. 이러한 특성을 표준화한 것이 Pupil Lumen이고, 다음 식 (1)과 같이 계산된다⁽¹⁰⁾.

3.1 CCT 5,000 K LED module 측정 결과

상기 2.1의 결과⁽⁹⁾를 바탕으로 최적화된 LED package를 제작하였으며, 이 5,000 K LED package 10개를 사용하여 도로공사용 LED module을 제작하였다. 그림 2는 최종 제작된 LED module이다.

Fig. 2. Fabricated LED module of CCT 5,000 K optimized with S/P ratio and CRI($R_{1}$~$R_{14}$) simultaneously.

한국도로공사 표준을 만족하는, 현재 고속도로에 설치되고 있는 'S'사의 5,000 K 가로등용 LED module과 제작된 LED module을 적분구시스템에서 측정한 결과를 나타낸 것이 그림 3이다. (a)는 최적화된 LED package의 시뮬레이션 스펙트럼과 제작된 5,000 K LED module 및 비교 샘플로 사용된 시판 중인 5,000 K LED package를 측정한 스펙트럼이며, (b)는 제작된 LED module과 비교 샘플인 LED package를 측정한 연색특성($R_{1}$∼$R_{14}$, $Q_{a}$)이다. 시판 중인 비교 샘플은 발광효율 160 lm/W, S/P ratio 1.91이고 $R_{1∼14}$ 66, $R_{9}$ 3이다. 제작된 5,000 K LED module은 발광효율 140 lm/W, S/P ratio 2.22이고, $R_{1∼14}$ 95이다. 여기서 제작된 LED module은 발광효율이 감소하였으나 연색특성이 전반적으로 향상되었다.

Fig. 3. Comparison of simulation and results of measurements of fabricated or on-sale LED packages

3.2 Pupil Lumen을 이용한 S1 or P1 class 비교

제작된 CCT 5,000 K LED module을 배광측정기에 설치하여 배광파일을 측정하였으며, 이 배광파일을 이용하여 BS 5489-1:2013 기준에 따른 도로조명 등급을 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션은 Relux 프로그램을 사용하였으며, 설치높이 6m, 등주 간격 30 m, 보수율 0.75를 적용하여 S1 or P1 Class 기준⁽⁸⁾으로 노면조도를 예측하였다. BS 기준은 평균조도, 최소조도, 최소전광선속이다. 따라서 S/P ratio 2.0인 LED와 동일한 조건으로 제작된 LED module을 계산하였다. 표 3은 BS기준과 제작된 LED module의 예측 결과를 비교한 것이다. S/P ratio 2.0 LED 조도기준을 만족하는 조건은 40 W, 5,600 lm이다. 이때 Pupil Lumen은 S/P ratio 2.0 LED에서 8,736 lm이고, 5,000 K LED 시뮬레이션은 9,566 lm이며, 제작된 5,000 K LED module은 9,697 lm이다.