2. 컴퓨터시뮬레이션프로그램 구성 및 방법
2.1 컴퓨터시뮬레이션프로그램 구성 및 검증
상관색온도(이하 CCT), CRI, IES TM-30-15 평가방법 등 국내·외 표준[16-22]에서 제시하는 계산식을 이용하여, 에너지 효율을 평가하는 LER, 색품질척도를 평가하는 Qa, 그리고 색상 성능을 평가하는 Rf, Rg 등 광학 특성을
산출하는 컴퓨터시뮬레이션프로그램(이하, LEDCML-SCSP)을 제작하였다. 프로그램의 유효성 검증은 교정된 적분구시스템과 상용 프로그램의 계산 결과로
비교하였다[15,24].
ANSI C78.377 및 KS C 7658에서 제시하는 CCT 명목값 8종(2,700K, 3,000K, 3,500K, 4,000K, 4,500K,
5,000K, 5,700K, 6,500K)[24,25]의 결과를 비교하기 위해 Table 1의 ‘A’ 사 LED 패키지 분석 결과 4종을 ‘Sample group A’로 선정하였다. LEDCML-SCSP에서 수행한 형광체 2종과 청색 LED
스펙트럼조합 결과 중 Ra가 85이며, M/P ratio가 가장 높은 CCT 2,700K, 3,500K, 4,500K, 5,700K에서의 결과를 ‘Sample
group B’로 선정하였다. Sample group A와 B를 CIE S 026 α-opic Tool-v1.049a[10]에 입력한 후 결과와 비교하여 유효성을 검증하고, Table 2에 표시하였다.
Table 2. Program effectiveness testing by comparing with CIE S 026 α-opic Tool
|
|
LEDCML- SCSP
|
CIE α-opic Tool
|
비고
|
|
CCT [K]
|
M/P ratio
|
CCT [K]
|
M/P ratio
|
|
Sample group A
|
3,002
|
0.74
|
3,002
|
0.74
|
Data of company ‘A’ in Table 1
|
|
3,993
|
1.01
|
3,993
|
1.01
|
|
5,019
|
1.27
|
5,019
|
1.27
|
|
6,467
|
1.45
|
6,467
|
1.45
|
|
Sample group B
|
2,695
|
0.60
|
2,695
|
0.60
|
Maximum from LEDCML-SCSP
|
|
3,503
|
0.83
|
3,503
|
0.83
|
|
4,522
|
1.12
|
4,522
|
1.12
|
|
5,731
|
1.25
|
5,731
|
1.25
|
2.2 청색 LED와 형광체 스펙트럼 구성 및 시뮬레이션 방법
청색 LED는 가우시안 스펙트럼 분포(이하 SPD)로 가정하여 4종(λB1=450 nm, λB2=460 nm, λB3=470 nm, λB4=480
nm, 이하 λBn으로 표시) 중 1종의 최고파장(peak wavelength)을 선정하고, FWHM 100%, 200%에서 시뮬레이션하였다.
형광체는 국내 ‘F’사가 판매하는 4종, 한국광기술원이 제공한 3종, 총 7종 형광체(λP1=510nm, λP2=520nm, λP3=558nm, λP4=586nm,
λP5=600nm, λP6=630nm, λP7 =650nm, 이하 λPn으로 표시)를 사용하였으며 그 스펙트럼은 Fig. 1과 같다[15]. CCT 변화는 청색 LED 스펙트럼과 형광체 스펙트럼의 출력을 조절하며, 목표 CCT에서 Duv±0.005 이내로 제한한다. 구체적인 최고파장,
FWHM, 스펙트럼 조합, 목표 CCT 등의 변화방법은 다음과 같다.
① 450nm 청색 LED(FWHM 100%)와 형광체 7종 중 2종씩 순서대로 조합하고, 스펙트럼의 개별 출력을 조절하여, CCT 2,700K에서
CRI(Ra)와 M/P ratio가 최대인 스펙트럼 조합에서, LER, 연색특성(Ri, Qa, Rf, Rg)을 계산한다.
② CCT를 3,000K, 3,500K, 4,000K, 4,500K, 5,000K, 5,700K, 6,500K로 변경하면서 과정 ①을 반복한다.
③ 청색 LED 스펙트럼을 450nm에서 480nm로 10nm씩 증가시키면서 ①∼②의 과정을 반복한다.
④ 형광체 7종 중 3종을 조합하여 ①∼③의 과정을 반복한다.
⑤ 형광체 7종 중 4종을 조합하여 ①∼③의 과정을 반복한다.
⑥ 선정된 청색 LED 스펙트럼의 FWHM을 200%로 증가시켜 ①∼⑤의 과정을 반복한다.
Fig. 1. Emission spectra of 7 phosphors [15]
2.3 RMS를 이용한 특성평가방법
CIE 시험색 평가방법으로 Ri를 계산하면, 개별 Ri 값의 차이에도 불구하고, Table 1에서 보는 바와 같이 CRI(Ra, R9∼14)는 LED에 대한 광학 특성을 제대로 표현하지 못한다. 이 단점을 보완하기 위해 산출된 연색지수 Ri
값을 식 (1)을 이용하여 RMS 값인 Rrms,k로 평가하였다[23].
여기서 k=n-m+1로서, m은 연색지수 아래 첨자 i의 최솟값, n은 i의 최댓값이고, Rref 값은 기준값으로서 100으로 설정하였으며 t는 시뮬레이션으로
도출되는 CCT 명목값, 즉 ANSI C78.377 및 KS C 7658에서 제시하는 명목값의 개수로서 8이고[24,25], Ri,CCT는 각 CCT에서의 Ri 값으로서 CCT 2,700∼6,500K까지 산출되는 Ri 값의 변화량을 RMS(root mean square)로
평가한다[23]. Qa, Rf 및 Rg에 대해 위 식 (1)을 적용할 경우, n=m이고, Rref 값은 Qa, Rf는 100, Rg는 120으로 설정하였다[23].
3. 청색 LED와 형광체 조합결과
3.1 청색 LED와 형광체 2종 스펙트럼 조합결과
4종 청색 LED 중 1종과 형광체 7종 중 2종 스펙트럼을 조합하여 CCT 2,700∼6,500K 범위에서 시뮬레이션 후 Ri가 0 이상인 값을
선별하였다. Fig. 2는 형광체 2종 조합에 따른 M/P ratio 값과 연색특성의 Rrms 값을 나타낸다. (a)는 산출 가능한 M/P ratio 값으로서 CCT 2,700K에서
0.54∼0.74, 3,000K에서 0.55∼0.82, 3,500K에서 0.67∼0.99, 4,000K에서 0.77∼1.16, 4,500K에서 0.84∼1.30,
5,000K에서 0.29∼1.48, 5,700K에서 0.98∼1.66, 그리고 6,500K에서 1.05∼1.92이다. Ri가 0 이상이며, M/P
ratio가 최대가 되는 스펙트럼 조합을 도출하였으나, 연색특성(Ri)이 시판 LED 패키지보다 낮다. 따라서 시판 중인 LED 패키지와 동등수준인
상위 5종 조합을 Rrms평가를 통해 산출하였으며, (b)는 M/P ratio 값을, (c)는 Rrms 값을 나타냈다. M/P ratio가 최대인
2종 형광체 조합은 λB4, λP1, λP7이고, Rrms 평가를 통해 선정된 2종 형광체 조합은 λB2, λP1, λP7이다. 여기서 M/P ratio는
CCT 2,700∼4,000K 범위에서 λB2, λP1, λP7 조합이, 4,500∼6,500K 범위에서 λB4, λP1, λP7 조합이 높게 나타난다.
Fig. 2. M/P ratio and Rrms values of color rendering properties from a blue LED and
2 phosphors according to CCTs
Fig. 3은 Rrms 평가를 통해 선정된 λB2, λP1, λP7 조합에 대한 CCT별 연색특성 변화를, Table 3은 CCT별 Ra, R9∼14, R9, R12, Qa, LER 결과를 나타낸 것이다. Rrms를 통해 최적화된 2종 형광체 조합은 모든 CCT에서
LER≥249lm/W, Ra≥89, R9∼14≥65, R9≥76, R12≥65, Qa≥78, Rf≥83, Rg≥90이며, M/P ratio는 CCT
2,700∼6,500K 범위에서 각각 0.65, 0.71, 0.76, 0.9, 1.01, 1.12, 1.21, 1.33이다. 동일한 CCT에서 ‘A’사
스펙트럼 대비 Ra는 7∼12, R9∼14는 3,000K에서 18 증가하나, 다른 CCT에서 -1∼-11 감소한다. R9는 40∼63 향상되고, Qa는
CCT 3,000K에서 -3, 다른 CCT에서 4∼9 변한다. R12는 3,000K에서 11, 다른 CCT에서 -2∼-14 변화한다. M/P ratio는
-0.03∼-0.15 감소한다. Rrms를 통해 선정된 결과 중 M/P ratio가 높은 2종 형광체 조합은 모든 CCT에서 LER≥247lm/W,
Ra≥72, R9∼14≥73, R9≥76, R12≥77, Qa≥64, Rf≥60, Rg≥74이며, M/P ratio는 CCT 2,700∼6,500K
범위에서 각각 0.66, 0.71, 0.79, 0.94, 1.1, 1.29, 1.48, 1.65이다.
Fig. 3. Color rendering properties (Ri, Qa, Rf, Rg) for 2 phosphors
Table 3. Data of LER, M/P ratio, and CRIs with 2 phosphor combinations
|
(a) High CRIs with 2 phosphors (λB2, λP1, λP7)
|
|
CCT
(K)
|
M/P ratio
|
LER
(lm/W)
|
R$_{a}$
|
R$_{9}$
|
R$_{12}$
|
R$_{9∼14}$
|
Q$_{a}$
|
R$_{f}$
|
R$_{g}$
|
|
2,700
|
0.65
|
249
|
89
|
76
|
84
|
84
|
85
|
86
|
96
|
|
3,000
|
0.71
|
263
|
91
|
81
|
95
|
95
|
82
|
85
|
94
|
|
3,500
|
0.76
|
283
|
92
|
97
|
85
|
85
|
78
|
83
|
90
|
|
4,000
|
0.9
|
281
|
95
|
96
|
78
|
78
|
89
|
87
|
94
|
|
4,500
|
1.01
|
280
|
95
|
98
|
71
|
71
|
92
|
87
|
95
|
|
5,000
|
1.12
|
277
|
96
|
98
|
73
|
73
|
94
|
88
|
96
|
|
5,700
|
1.21
|
276
|
96
|
97
|
69
|
69
|
93
|
88
|
96
|
|
6,500
|
1.33
|
271
|
95
|
97
|
65
|
65
|
92
|
87
|
96
|
|
(b) High M/P ratio with 2 phosphors (λB4, λP1, λP7)
|
|
CCT
(K)
|
M/P ratio
|
LER
(lm/W)
|
R$_{a}$
|
R$_{9}$
|
R$_{12}$
|
R$_{9∼14}$
|
Q$_{a}$
|
R$_{f}$
|
R$_{g}$
|
|
2,700
|
0.66
|
247
|
88
|
76
|
82
|
84
|
81
|
83
|
94
|
|
3,000
|
0.71
|
260
|
90
|
81
|
94
|
89
|
79
|
82
|
91
|
|
3,500
|
0.79
|
283
|
91
|
97
|
88
|
91
|
76
|
81
|
88
|
|
4,000
|
0.94
|
280
|
89
|
96
|
88
|
90
|
76
|
76
|
85
|
|
4,500
|
1.1
|
279
|
85
|
96
|
85
|
87
|
73
|
71
|
83
|
|
5,000
|
1.29
|
274
|
82
|
93
|
84
|
83
|
72
|
68
|
80
|
|
5,700
|
1.48
|
272
|
77
|
95
|
77
|
78
|
68
|
64
|
78
|
|
6,500
|
1.65
|
265
|
72
|
81
|
77
|
73
|
64
|
60
|
74
|
3.2 청색 LED와 형광체 3종 스펙트럼 조합결과
4종 청색 LED 중 1종과 형광체 7종 중 3종 스펙트럼을 조합하여 CCT 2,700∼6,500K 범위에서 시뮬레이션 후 Ri가 0 이상인 값을
선별하였다. Fig. 4는 형광체 3종 조합에 따른 M/P ratio 값과 연색특성의 Rrms 값을 나타낸다. (a)는 산출 가능한 M/P ratio 값으로서 CCT 2,700K에서
0.53∼0.68, 3,000K에서 0.53∼0.76, 3,500K에서 0.65∼0.91, 4,000K에서 0.79∼1.07, 4,500K에서 0.89∼1.25,
5,000K에서 1.01∼1.41, 5,700K에서 1.08∼1.62, 그리고 6,500K에서 1.16∼1.82이다. Ri가 0 이상이며, M/P
ratio가 최대가 되는 스펙트럼 조합을 도출하였으나, 연색특성(Ri)이 시판 LED 패키지보다 낮다. 따라서 시판 중인 LED 패키지와 동등수준인
상위 5종 조합을 Rrms평가를 통해 산출하였으며, (b)는 M/P ratio 값을, (c)는 Rrms 값을 나타냈다. M/P ratio가 최대인
3종 형광체 조합은 λB4, λP1, λP5, λP7이고, Rrms 평가를 통해 선정된 3종 형광체 조합은 λB1, λP2, λP4, λP6이다.
Fig. 4. M/P ratio and Rrms values of color rendering properties from a blue LED and
3 phosphors according to CCTs
Fig. 5는 Rrms 평가를 통해 선정된 λB1, λP2, λP4, λP6 조합에 대한 CCT별 연색특성 변화를, Table 4는 CCT별 Ra, R9∼14, R9, R12, Qa, LER 결과를 각각 나타낸 것이다. Rrms를 통한 3종 형광체 조합은 모든 CCT에서 LER≥292
lm/W, Ra≥92, R9∼14≥88, R9≥95, R12≥77, Qa≥85, Rf≥88, Rg≥100이며, M/P ratio는 CCT별로 각각
0.64, 0.71, 0.84, 0.91, 1.00, 1.07, 1.18, 1.28이다.
Fig. 5. Color rendering properties (Ri, Qa, Rf, Rg) for 3 phosphors
Table 4. Data of LER, M/P ratio, and CRIs with 3 phosphor combinations
|
(a) High CRIs with 3 phosphors (λB1, λP2, λP4, λP6)
|
|
CCT
(K)
|
M/P ratio
|
LER
(lm/W)
|
R$_{a}$
|
R$_{9}$
|
R$_{12}$
|
R$_{9~14}$
|
Q$_{a}$
|
R$_{f}$
|
R$_{g}$
|
|
2,700
|
0.64
|
297
|
95
|
97
|
89
|
93
|
94
|
93
|
100
|
|
3,000
|
0.71
|
299
|
92
|
97
|
91
|
89
|
86
|
88
|
100
|
|
3,500
|
0.84
|
298
|
94
|
98
|
94
|
92
|
94
|
92
|
104
|
|
4,000
|
0.91
|
305
|
94
|
99
|
89
|
92
|
91
|
91
|
102
|
|
4,500
|
1.00
|
303
|
95
|
98
|
84
|
91
|
91
|
91
|
102
|
|
5,000
|
1.07
|
298
|
95
|
96
|
81
|
91
|
94
|
92
|
105
|
|
5,700
|
1.18
|
304
|
92
|
95
|
80
|
88
|
85
|
89
|
100
|
|
6,500
|
1.28
|
292
|
93
|
96
|
77
|
88
|
90
|
90
|
102
|
|
(b) High M/P ratio with 3 phosphors (λB4, λP1, λP5, λP7)
|
|
CCT
(K)
|
M/P ratio
|
LER
(lm/W)
|
R$_{a}$
|
R$_{9}$
|
R$_{12}$
|
R$_{9~14}$
|
Q$_{a}$
|
R$_{f}$
|
R$_{g}$
|
|
2,700
|
0.62
|
263
|
94
|
95
|
90
|
92
|
83
|
85
|
91
|
|
3,000
|
0.68
|
277
|
94
|
94
|
96
|
94
|
79
|
84
|
90
|
|
3,500
|
0.8
|
282
|
92
|
98
|
92
|
93
|
78
|
80
|
88
|
|
4,000
|
0.99
|
284
|
88
|
96
|
87
|
89
|
75
|
74
|
84
|
|
4,500
|
1.11
|
285
|
85
|
91
|
85
|
86
|
73
|
71
|
82
|
|
5,000
|
1.32
|
278
|
79
|
92
|
78
|
80
|
69
|
66
|
79
|
|
5,700
|
1.52
|
276
|
74
|
81
|
73
|
74
|
67
|
62
|
76
|
|
6,500
|
1.67
|
282
|
68
|
47
|
73
|
65
|
62
|
57
|
71
|
동일한 CCT에서 ‘A’사 스펙트럼 대비 Ra는 8∼11, R9는 12∼14, R12는 1∼9, R9∼14는 9∼13, 그리고 Qa는 1∼9가 향상된다.
M/P ratio는 CCT 3,000K에서 -0.03, 4,000K에서 -0.1, 5,000K에서 -0.2, 그리고 6,500K에서 -0.17 감소한다.
Rrms를 통해 선정된 결과 중 M/P ratio가 높은 3종 형광체 조합은 모든 CCT에서 LER≥263lm/W, Ra≥68, R9∼14≥65,
R9≥47, R12≥73, Qa≥62, Rf≥57, Rg≥71이며, M/P ratio는 CCT 2,700∼6,500K 범위에서 각각 0.62, 0.68,
0.8, 0.99, 1.11, 1.32, 1.52, 1.67이다.
3.3 청색 LED와 형광체 4종 스펙트럼 조합결과
4종 청색 LED 중 1종과 형광체 7종 중 4종 스펙트럼을 조합하여 CCT 2,700∼6,500K 범위에서 시뮬레이션 후 Ri가 0 이상인 값을
선별하였다. Fig. 6은 형광체 2종 조합에 따른 M/P ratio 값과 연색특성의 Rrms 값을 나타낸다. (a)는 산출 가능한 M/P ratio 값으로서 CCT 2,700K에서
0.56∼0.67, 3,000K에서 0.64∼0.75, 3,500K에서 0.73∼0.86, 4,000K에서 0.83∼1.00, 4,500K에서 0.95∼1.17,
5,000K에서 1.05∼1.37, 5,700K에서 1.12∼1.46, 그리고 6,500K에서 1.16∼1.66이다. Ri가 0 이상이며, M/P
ratio가 최대가 되는 스펙트럼 조합을 도출하였으나, 연색특성(Ri)이 시판 LED 패키지보다 낮다. 따라서 시판 중인 LED 패키지와 동등수준인
상위 5종 조합을 Rrms평가를 통해 산출하였으며, (b)는 M/P ratio 값을, (c)는 Rrms 값을 나타냈다. M/P ratio가 최대인
4종 형광체 조합은 λB3, λP2, λP4, λP6, λP7이고, Rrms 평가를 통해 선정된 4종 형광체 조합은 λB1, λP2, λP4, λP6,
λP7이다.
Fig. 6. M/P ratio and Rrms values of color rendering properties from a blue LED and
4 phosphors according to CCTs
Fig. 7은 Rrms 평가를 통해 선정된 λB1, λP2, λP4, λP6, λP7 조합의 CCT별 연색특성 변화를, Table 5는 CCT별 Ra, R9∼14, R9, R12, Qa, LER 결과이다. Rrms를 통해 최적화된 4종 형광체 조합은 모든 CCT에서 LER≥264lm/W,
Ra≥92, R9∼14≥87, R9≥85, R12≥77, Qa≥85, Rf≥90, Rg≥99이며, M/P ratio는 CCT별로 각각 0.61, 0.66,
0.78, 0.89, 0.98, 1.07, 1.15, 1.28이다.
Fig. 7. Color rendering properties (Ri, Qa, Rf, Rg) for 4 phosphors
Table 5. Data of LER, M/P ratio, and CRIs with 4 phosphor combinations
|
(a) High CRIs with 4 phosphors (λB1, λP1, λP2, λP4, λP6)
|
|
CCT
(K)
|
M/P ratio
|
LER
(lm/W)
|
R$_{a}$
|
R$_{9}$
|
R$_{12}$
|
R$_{9~14}$
|
Q$_{a}$
|
R$_{f}$
|
R$_{g}$
|
|
2,700
|
0.61
|
264
|
96
|
99
|
96
|
94
|
91
|
93
|
101
|
|
3,000
|
0.66
|
277
|
95
|
99
|
98
|
94
|
89
|
92
|
100
|
|
3,500
|
0.78
|
299
|
94
|
100
|
94
|
93
|
85
|
90
|
99
|
|
4,000
|
0.89
|
302
|
95
|
100
|
88
|
92
|
89
|
91
|
101
|
|
4,500
|
0.98
|
301
|
95
|
98
|
82
|
92
|
92
|
92
|
102
|
|
5,000
|
1.07
|
296
|
93
|
97
|
82
|
90
|
88
|
90
|
101
|
|
5,700
|
1.15
|
285
|
94
|
98
|
78
|
90
|
95
|
92
|
104
|
|
6,500
|
1.28
|
280
|
92
|
85
|
77
|
87
|
90
|
90
|
103
|
|
(b) High M/P ratio with 4 phosphors (λB3, λP2, λP4, λP6, λP7)
|
|
CCT
(K)
|
M/P ratio
|
LER
(lm/W)
|
R$_{a}$
|
R$_{9}$
|
R$_{12}$
|
R$_{9~14}$
|
Q$_{a}$
|
R$_{f}$
|
R$_{g}$
|
|
2,700
|
0.59
|
270
|
89
|
96
|
95
|
91
|
62
|
68
|
77
|
|
3,000
|
0.66
|
278
|
88
|
98
|
93
|
90
|
63
|
68
|
78
|
|
3,500
|
0.81
|
308
|
84
|
96
|
90
|
87
|
61
|
65
|
77
|
|
4,000
|
0.95
|
303
|
86
|
96
|
80
|
87
|
72
|
70
|
83
|
|
4,500
|
1.08
|
310
|
84
|
95
|
77
|
85
|
69
|
68
|
82
|
|
5,000
|
1.21
|
293
|
85
|
95
|
78
|
86
|
75
|
70
|
83
|
|
5,700
|
1.33
|
297
|
81
|
93
|
74
|
82
|
70
|
69
|
81
|
|
6,500
|
1.54
|
281
|
81
|
89
|
72
|
80
|
73
|
68
|
83
|
동일한 CCT에서 ‘A’사 스펙트럼 대비 Ra는 8∼11, R9는 1∼15, R12는 1∼13, R9∼14는 8∼17, 그리고 Qa는 3∼6이 향상된다.
M/P ratio는 -0.08∼-0.2 감소한다. Rrms를 통해 선정된 결과 중 M/P ratio가 높은 4종 형광체 조합은 모든 CCT에서 LER≥270lm/W,
Ra≥81, R9∼14≥80, R9≥89, R12≥72, Qa≥61, Rf≥65, Rg≥77이며, M/P ratio는 CCT 2,700∼6,500K
범위에서 각각 0.59, 0.66, 0.81, 0.95, 1.08, 1.21, 1.33, 1.54이다.
3.4 청색 LED 스펙트럼 FWHM 변화에 따른 M/P ratio와 광학 특성 변화
Fig. 8은 Rrms 평가에서 최적화된 2종(λB2, λP1, λP7) 조합에서 청색 LED 최고파장의 FWHM 변화에 따른 M/P ratio와 CRI(Ra,
R9∼14) 변화이다. FWHM 100%에서 200%로 증가함에 따라 M/P ratio는 0.01∼0.03 향상된다. Ra는 동일 CCT에서 같거나
+1로서 유의미한 차이가 없다. R9∼14는 CCT 2,700K에서 -1, 3,000K에서 -6 감소하나, 3,500K, 4,000K, 4,500K,
5,000K, 5,700K, 그리고 6,500K에서 7∼29 향상된다.
Fig. 9는 Rrms 평가로 최적화된 3종(λB1, λP2, λP4, λP6) 조합에서 청색 LED 최고파장의 FWHM 변화에 따른 M/P ratio와 CRI(Ra,
R9∼14) 변화이다. FWHM 100%에서 200%로 증가함에 따라 M/P ratio는 0.01∼0.03 향상된다. Ra는 CCT 2,700K에서
-3, 3,000K에서 -1 감소하나, 4,500K, 5,000K, 5,700K, 그리고 6,500K에서 1∼4 향상된다. R9∼14는 CCT 2,700K에서
-1, 3,000K에서 -6 감소하나, 3,500K, 4,000K, 4,500K, 5,000K, 5,700K, 그리고 6,500K에서 7∼29 향상된다.
Fig. 8. Effect of FWHM variations on M/P ratio and color rendering indices with 2
phosphors combination
Fig. 9. Effect of FWHM variations on M/P ratio and color rendering indices with 3
phosphors combination
Fig. 10은 Rrms 평가로 최적화된 4종(λB1, λP2, λP4, λP6, λP7) 조합에서 청색 LED 최고파장의 FWHM 변화에 따른 M/P ratio와
CRI(Ra, R9∼14) 변화이다. FWHM 100%에서 200%로 증가함에 따라 M/P ratio는 0.01∼0.05 변하고, Ra, R9∼14는
모든 CCT에서 각각 1∼4, 1∼7 향상된다. 청색 LED 스펙트럼의 FWHM이 증가하면서 감광성 망막 신경질 세포(ipRGC)의 최고파장인 490nm
부근의 스펙트럼 비율이 증가하므로 M/P ratio는 향상된다.
Fig. 10. Effect of FWHM variations on M/P ratio and color rendering indices with 4
phosphors combination
목표 CCT와 완전 복사체의 색도 좌표의 궤적을 나타내는 Planckian locus Duv범위 조절을 위해 낮은 CCT는 yellow, red 스펙트럼
비율을, 높은 CCT는 blue, green 스펙트럼 비율을 증가시킨다. 또한, Planckian locus 범위에서 Duv가 (-) 범위인 경우는
green과 yellow의 스펙트럼 비율을 증가시키고, Duv가 (+) 범위인 경우는 blue와 red의 스펙트럼 비율을 증가시킨다. 청색 LED
FWHM 200%에서 blue, green, yellow, red의 함유량이 FWHM 100%보다 증가하면서 Ra, R9-14, Qa 등의 연색특성이
향상된다.
4. 결 론
본 연구에서는 4종 청색 LED 중 1종과 7종의 형광체 스펙트럼을 조합하여 M/P ratio(α-opic), CRI(Ri), 그리고 연색특성(Qa,
Rf, Rg)을 산출하는 프로그램을 구성하고, 컴퓨터시뮬레이션프로그램으로 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션 결과에서 Ri가 0 또는 음수(-)로
산출된 결과는 제외하고, RMS 평가를 통해 연색특성과 M/P ratio가 최대인 스펙트럼 조합결과를 선정하였다.
첫째, 모든 CCT에서 평균적으로 M/P ratio는 형광체 2종 조합의 FWHM 200%에서 가장 높게 나타났다. 모든 CCT에서 LER≥247lm/W,
Ra≥89, R9∼14≥83, R9≥75, R12≥80, Qa≥79이며, M/P ratio는 2,700K에서 6,500K 범위에서 각각 0.67,
0.72, 0.78, 0.9, 1.04, 1.14, 1.23, 1.35이다. 현재 시판 중인 LED 패키지에 비해 M/P ratio는 -0.02∼-0.13
낮으나, ‘A’사 대비 R9는 39∼62, R12는 4∼9 높고, ‘B’사 대비 3,000K에서 R9는 -10 낮으나, 4,000K에서 11, R12는
24∼40이 향상된 결과를 확보하였다.
둘째, M/P ratio는 S/P ratio 향상 연구[15,23]에서처럼 CRI(Ra)와 trade-off 관계이다. LED 패키지 제작에 사용되는 청색 스펙트럼의 최고파장과 함유 비율에 따라 필요한 red, green
형광체의 스펙트럼이 변하며, M/P ratio와 연색특성을 동시에 일정 수준 이상으로 향상시킬 수 있다.
본 연구를 통해 4종의 청색 LED와 7종의 형광체 스펙트럼 조합을 통해 M/P ratio와 연색특성을 동시에 향상 가능한 청색 LED와 형광체 스펙트럼
조합조건을 확인하였다. 추후 연구에서는 본 연구 결과를 바탕으로, 최적의 연색특성과 높은 M/P ratio를 갖는 LED 패키지 및 LED조명 제작
결과를 발표할 예정이다.