1.1 연구의 배경 및 목적

LED조명은 높은 광 효율(lm/W), IT 기술의 결합을 통한 효율적인 에너지 절감, 그리고 수은 배출 절감 등 친환경적이며, 사회경제적인 요구사항에 부합되는 기능을 쉽게 적용할 수 있어 전통조명을 빠르게 대체하고 있다⁽¹⁾. 현재까지 전통조명의 특성평가는 광 효율, 도로면의 균제도와 최소휘도였으나, 최근 도로상에서의 안전 의식이 커지고, 편의시설 및 도시 미관에 대한 관심이 증가하여, 야간 시인성 평가 파라미터로서 Scotopic/Photopic Ratio(이하 S/P Ratio)와 평균연색지수(Average Color Rendering Index, 이하 CRI 또는 Ra)를 함께 설정할 필요성이 대두되었다⁽²⁾. 특히 S/P Ratio는 야간조명 아래에서 눈이 순응하는 Mesopic Vision에서 효율증가를 평가하는 평가항목으로써 야간조명의 에너지 절감율을 증가시킬 수 있으나⁽³⁾, CRI와는 Trade-Off 관계이므로 동시에 일정 수준 이상으로 개선하기는 어렵다⁽⁴⁾. 그리고 개별 CRI인 Ri는 동일한 Ra에서 다른 상관색온도(Correlated Color Temperature, 이하 CCT)일 때 색 왜곡이 일어날 수 있고 Ri가 음수(-)로 계산되는 문제점이 있다^(5-6). 기존 CRI 평가에서의 발생하는 색재현 문제를 개선하고자 연색특성 평가에 색품질척도(Color Quality Scale, 이하 Qa), Color Fidelity(이하 Rf), Color Gamut(이하 Rg) 등이 제시되었고, 이를 이용한 조명특성을 평가하고 향상시키는 연구가 진행되었다^(6-10). 이전 연구를 통해서 RGB 또는 RGBY 멀티칩 LED에서 개별 LED의 최고파장(Peak Wavelength)과 반치전폭(Full Width at Half Maximum, 이하 FWHM) 조합에 따라 S/P Ratio, 연색특성(Ri, Qa, Rf, Rg)이 달라짐을 확인하였다^(4,11-13). 이를 통해 Blue LED와 형광체를 조합하는 형광체형 LED에서도 LED와 형광체 파장 특성에 따라 S/P Ratio, 연색특성 등이 달라짐을 추정할 수 있으나, 이에 대한 상세한 연구결과를 제시한 논문은 거의 없다. 따라서 본 연구에서는 여기광원으로 사용되는 Blue LED를 4종(450 nm, 460 nm, 470 nm, 480 nm)으로 변화시키면서 형광체 7종을 조합하는 시뮬레이션을 통해, 형광체형 LED의 광학 특성 결과를 확인하고 최적의 조합을 제곱평균제곱근(Root Mean Square, 이하 RMS) 평가값 비교를 통해 도출하였다. 또한 선정된 조합에서 Blue LED 최고파장을 고정하고 FWHM을 변화시키는 방법을 사용하여^(13-14) FWHM에 따른 광학특성 변화도 함께 도출하여 S/P Ratio와 연색특성(Ri, Qa, Rf, Rg)이 높은 조합결과를 제시하였다.

2.1 시뮬레이션 프로그램 구성

국제표준인 CIE 13.3 연색지수 평가방법, XYZ 색 표시계 및 X10Y10Z10 색 표시계에 따른 색 표시 방법, S/P Ratio 계산공식과 한국표준인 KS A 0061 색차 표시방법, KS A 0068 광원색 측정방법, KS C 0075 광원의 연색성 평가방법, KS C 0076 광원의 분포 온도 및 색온도, 상관 색온도의 측정방법 등의 표준을 바탕으로^(15-19) 광학 특성(CCT, S/P Ratio, 연색지수(Ri), Qa, Rf, Rg 등)을 산출하는 프로그램을 제작하였다^(11,13-14).

2.2 시뮬레이션 프로그램 유효성 검증

교정된 직경 50 cm 적분구 시스템에서 표준광원, LED package의 스펙트럼과 광학특성을 측정하고, 측정 스펙트럼을 시뮬레이션 프로그램과 ‘O’사의 Color Calculator 7.77에 입력하여 결과 비교를 통해 유효성을 검증하였다^(4,10-11). 적분구에서 L사 LED Package를 정격(Vf=3.2 V, If=150 mA)에서 구동하였을 때, 측정값은 전광선속 32.1 lm, CCT 5,638 K, CRI 88이고, 시뮬레이션 결과는 각각 32.1 lm, 5,635 K, 87이다. 표. 1에 CCT, CRI(Ri), Duv(목표한 CCT에서의 u’v’ 색좌표 변화), Luminous Efficacy of Radiation(이하 LER), Qa, Rf, Rg 등의 유효성 검증 결과 중 CCT, Ra, Duv를 표시하였다⁽¹¹⁾.

2.3 Blue LED와 형광체 스펙트럼 구성 및 RMS를 이용한 특성평가방법

Blue LED의 최고파장과 FWHM 변화에 따른 시뮬레이션 수행의 편의를 위해 Blue LED는 가우시안 스펙트럼 분포(이하 SPD)를 가정하여 최고파장 λBn을 4종(λB1=450 nm, λB2=460 nm, λB3=470 nm, λB4=480 nm)에서 선택하고 FWHM 100 %로 설정하였다. 시뮬레이션에 사용된 형광체 스펙트럼은 시판 중인 4종과 한국광기술원이 제공한 3종 등 총 7종의 형광체 스펙트럼(λP1=510 nm, λP2=521 nm, λP3=558 nm, λP4=583 nm, λP5=600 nm, λP6=630 nm, λP7=650 nm, 이하 λPn으로 표시)이다. 이 7종 형광체의 개별 발광 스펙트럼을 나타낸 것이 그림 1이다⁽¹⁴⁾. 이 형광체 발광 스펙트럼은 여기파장 변화(440 ∼ 480 nm)에 대해 유의미한 변화가 없다^(20-21).

CIE 시험색 평가방법으로 Ri를 계산하면, 개별 Ri 값의 차이에도 불구하고, CRI(Ra)가 높게 계산된다. 이 단점을 보완하기 위해서 산출된 연색지수 Ri 값을 식(1)을 이용하여 RMS 값인 ERMS,k로 평가하였다.

여기서 k=n-m+1로서, m은 연색지수 아래 첨자 i의 최솟값, n은 i의 최댓값이고, Rref 값은 기준값으로써 100으로 설정하였으며 t는 시뮬레이션으로 도출되는 CCT 명목값, 즉 ANSI 및 KS에서 제시하는 명목값의 개수로써 8이고^(22-23), Ri,CCT는 각 CCT에서의 Ri 값으로써 CCT 2,700 K에서 6,500 K까지 산출되는 Ri 값의 변화량을 RMS로 평가한다. Qa, Rf, Rg 및 S/P Ratio에 대해 위 식(1)을 적용할 경우, n = m이고, Rref 값은 Qa, Rf는 100, Rg는 120, 그리고 S/P Ratio는 모든 시뮬레이션 결과에서 최대로 산출된 4.3보다 높은 5로 설정하였다.

2.4 Blue LED와 형광체 스펙트럼 조합 시뮬레이션 방법

CCT 변화는 ANSI 및 KS 표준의 CCT 명목값^(22-23)에 따르며, Blue LED와 형광체 스펙트럼의 출력을 각각 조절하여 Duv±0.005 이내로 제한한다. 스펙트럼 조합과 최고파장, FWHM 등의 변화방법은 다음과 같다.

① 450 nm Blue LED(FWHM 100 %)와 형광체 7종 중 2종씩 순서대로 조합하고, 스펙트럼의 개별 출력을 조절하여, CCT 2,700 K에서 S/P Ratio가 최대일 때 연색특성(Ri, Qa, Rf, Rg)을 계산한다.

② CCT를 3,000 K, 3,500 K, 4,000 K, 4,500 K, 5,000 K, 5,700 K, 6,500 K로 변경하면서 과정 ①을 반복한다.

③ Blue LED 스펙트럼 450 nm에서 480 nm로 10 nm 씩 증가시키면서 ①∼②의 과정을 반복한다.

④ 평가로 선정된 Blue LED 스펙트럼의 FWHM을 200 %로 증가시켜 ①∼③의 과정을 반복한다.

3.1 Blue LED 선택과 7종 형광체 조합 시뮬레이션에 대한 RMS 평가결과

형광체 7종 조합과 FWHM 100 %인 Blue LED를 이용하여 최고파장 이동 시 산출된 광학 특성의 ERMS 평가값을 나타낸 것이 그림 2~그림 4이다. 시뮬레이션 결과 중에서 S/P Ratio, Qa, Rf, Rg 값은 높아도 Ri가 0 또는 음수(-)가 되는 결과는 제외한 후 ERMS 값이 낮은 결과를 선택하였다. 그림 2는 형광체 스펙트럼 7종 중 2종과 Blue LED 최고파장 450 nm(a), 460 nm(b), 470 nm(c), 480 nm(d)를 조합한 형광체형 LED의 광학특성 평가 결과 중 S/P Ratio가 높은 2종의 형광체 조합 6개이고, 최소 ERMS 값 비교를 통해 선정된 LED와 형광체 조합은 (λB1, λP2, λP6)이다. 그림 3은 형광체 스펙트럼 7종 중 3종과 Blue LED 최고파장 4개((a)～(d))를 조합한 광학특성 평가 결과 중 S/P Ratio가 높은 3종의 형광체 조합 6개이고, 최소 ERMS 값 비교를 통해 선정된 조합은 (λB1, λP1, λP5, λP7)이다. 그림 4는 형광체 스펙트럼 7종 중 4종과 Blue LED 최고파장 4개((a)～(d))를 조합한 광학특성 평가 결과 중 S/P Ratio가 높은 4종 형광체 조합 6개이고, 최소 ERMS 값 비교를 통해 선정된 조합은 (λB1, λP2, λP5, λP6, λP7)이다.

여기서 S/P Ratio는 그림에서 구분하기 위하여 ERMS 평가값에 10을 곱한 값을 표현하고 ERMS,S/P*10으로 표시하였다. Blue LED 최고파장이 450 nm에서 480 nm로 변화함에 따라 2종 조합의 Qa, Ra, Rf, Rg, ERMS 값은 증가하다가 480 nm에서 감소하며 S/P Ratio는 Blue LED 최고파장 조합에 따라 감소한다. 3종, 4종 조합에서는 Blue LED 최고파장이 증가함에 따라 Qa, Ra, Rf, Rg, ERMS 값은 증가하고, S/P Ratio는 감소한다. 스펙트럼의 비율이 Scotopic Vision의 비시감도 최대파장인 505 nm에 집중될수록 S/P Ratio는 향상되나, CCT, Duv 범위를 맞추기 위한 형광체 조합이 추가되면 Qa, Ra, Rf, Rg의 특성은 일정 수준 이하로 낮아지는데, 이러한 결과는 이전 연구결과와 비슷하다^(11,14). 형광체 7종과 Blue LED 최고파장 이동 시뮬레이션 결과 중 일부 형광체 3종 조합이 형광체 2종 조합보다 S/P Ratio가 0.12∼0.25, Rf가 2∼10이 낮으나, 평균적으로 Ra 14.8, R9∼14 21.7, R9∼12 27.1, Qa 9.48, Rf 8.8이 높다. 그러나 이때의 S/P Ratio조차도 IES TM(Technical Memorendum)-12-12⁽²⁴⁾에서 제시한 Warm White LED(이하 WW-LED) 특정값 1.21보다 0.25∼0.54, Cool White LED(이하 CW-LED) 특정값 2.04보다 0.05∼0.27 향상된다. 이 결과를 바탕으로 최적의 결과를 보이는 Blue LED와 3종 형광체 조합 (λB1, λP1, λP5, λP7)에 대한 CCT별 연색특성과 S/P Ratio, 스펙트럼을 나타낸 것이 그림 5이다.

3.2 Blue LED의 FWHM 변화에 따른 S/P Ratio와 광학 특성 변화

그림 6은 형광체 3종 조합 (λP1, λP5, λP7)에 대해 Blue LED의 최고파장 450 nm에서 FWHM 변화에 따른 S/P raito(a), 연색특성 변화(b)를 나타낸 것이며, 그 구체적인 값을 나타낸 것이 표 2이다. FWHM 200 %에서 CCT 변화에 따라 S/P Ratio는 FWHM 100 %일 때보다 최소 0.04, 최대 0.23이 향상되었고, Qa는 -2∼6, Ra는 -8∼-13, R9∼14는 –6∼-13, Rf는 -4∼1, 그리고 Rg는 –2∼-4 정도로 변화하였다. 이때 Ra≥82, R9∼14≥76, Qa≥95, Rf≥89, Rg≥100이고, S/P Ratio는 CCT별 1.50, 1.63, 1.82, 2.0, 2.14, 2.26, 2.41, 2.54이다. Blue LED의 FWHM이 증가하면서 스펙트럼이 Scotopic Vision의 비시감도 최댓값인 505 nm에 근접하여 S/P Ratio는 향상되나, 형광체가 추가되면 Qa, Ra, Rf, Rg의 특성은 일정 수준 이하로 낮아진다. 요약하면, FWHM이 증가하면 S/P Ratio는 증가하나 연색특성은 대체적으로 감소한다.