본 논문에서는 청색 LED 칩에 YAG:Ce와 $(Sr,Ba)_2SiO_4:Eu$ 등 두 종류의 황색 형광체를 적용해서 제작한 백색 LED의 발광특성을 비교, 분석하였다. 두 백색 LED의 발광 스펙트럼의 특성을 분석하기 위한 수학적 함수 형태로써 Asymmetric double sigmoidal 함수를 적용할 수 있음을 확인하였고 이를 통해 발광 스펙트럼을 구성하는 피크들의 중심파장, 폭, 비대칭성에 대한 정보를 정량적으로 구해서 비교하였다. 분석 결과 실리케이트계 형광체의 발광 스펙트럼 폭이 YAG 형광체에 비해 더 좁아 연색지수의 측면에서 불리한 반면 구동전류에 따른 색도 안정성의 측면에서는 더 유리하다는 것을 확인하였다. 두 백색 LED의 발광효율은 구동전류의 증가에 따라 단조감소하였는데, 실리케이트 형광체 기반 LED의 발광효율이 YAG형광체 기반 LED에 비해 약 10~12 lm/W 정도 작음을 확인하였다.
본 논문에서는 청색 LED 칩에 YAG:Ce와 $(Sr,Ba)_2SiO_4:Eu$ 등 두 종류의 황색 형광체를 적용해서 제작한 백색 LED의 발광특성을 비교, 분석하였다. 두 백색 LED의 발광 스펙트럼의 특성을 분석하기 위한 수학적 함수 형태로써 Asymmetric double sigmoidal 함수를 적용할 수 있음을 확인하였고 이를 통해 발광 스펙트럼을 구성하는 피크들의 중심파장, 폭, 비대칭성에 대한 정보를 정량적으로 구해서 비교하였다. 분석 결과 실리케이트계 형광체의 발광 스펙트럼 폭이 YAG 형광체에 비해 더 좁아 연색지수의 측면에서 불리한 반면 구동전류에 따른 색도 안정성의 측면에서는 더 유리하다는 것을 확인하였다. 두 백색 LED의 발광효율은 구동전류의 증가에 따라 단조감소하였는데, 실리케이트 형광체 기반 LED의 발광효율이 YAG형광체 기반 LED에 비해 약 10~12 lm/W 정도 작음을 확인하였다.
In this paper, two white light emitting diodes(LEDs) were manufactured by using two kinds of yellow phosphor, YAG:Ce and $(Sr,Ba)_2SiO_4:Eu$, and their spectroscopic properties were compared and analyzed. We found that the asymmetric double sigmoidal function can be applied to both white ...
In this paper, two white light emitting diodes(LEDs) were manufactured by using two kinds of yellow phosphor, YAG:Ce and $(Sr,Ba)_2SiO_4:Eu$, and their spectroscopic properties were compared and analyzed. We found that the asymmetric double sigmoidal function can be applied to both white LEDs to obtain the center wavelength, the half width, and the skewness parameters. According to this analysis, the half width of the emitting spectrum of silicate phosphor was smaller than that of YAG phosphor, indicating smaller color rendering index. However, the silicate phosphor exhibited better color stability depending on the driving current than the YAG phosphor. The current dependence of the luminous efficacy of both white LEDs was investigated, which showed that efficacy decreased monotonically with current. The efficacy of the silicate-based white LED was lower than that of the YAG-based LED by about 10~12 lm/W.
In this paper, two white light emitting diodes(LEDs) were manufactured by using two kinds of yellow phosphor, YAG:Ce and $(Sr,Ba)_2SiO_4:Eu$, and their spectroscopic properties were compared and analyzed. We found that the asymmetric double sigmoidal function can be applied to both white LEDs to obtain the center wavelength, the half width, and the skewness parameters. According to this analysis, the half width of the emitting spectrum of silicate phosphor was smaller than that of YAG phosphor, indicating smaller color rendering index. However, the silicate phosphor exhibited better color stability depending on the driving current than the YAG phosphor. The current dependence of the luminous efficacy of both white LEDs was investigated, which showed that efficacy decreased monotonically with current. The efficacy of the silicate-based white LED was lower than that of the YAG-based LED by about 10~12 lm/W.
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문제 정의
이러한 이유로 그 동안 LED 의 발광스펙트럼을 정확히 해석할 수 있는 경험적인 함수 형 태를 찾기 위한 다양한 노력이 진행되어 왔다.[8-10] 본 연구에 서는 이전의 연구 결과[10]에 근거해서 다양한 함수를 활용해 그림 2(a)의 스펙트럼을 곡선맞춤(fitting)하고자 하였고 이를 통해 두 백색 LED의 스펙트럼을 동시에 설명할 수 있는 수 학적 함수 형태를 찾고자 하였다. 다양한 함수 형태를 시도 해 본 결과 청색 LED와 황색 형광체의 발광 스펙트럼 모두 비대칭 함수인 Asymmetric double sigmoidal 함수(ADSF, 식 (1)) 로 곡선맞춤이 잘 이루어지는 것을 확인하였다.
다음으로는 구동 조건에 따라 백색 LED의 스펙트럼이 어 떤 변화를 보이는지에 대해 조사하였다. 순방향 전류를 10 mA에서 80 mA까지 10 mA 단위로 변화시키면서 스펙트럼 을 얻은 후 이를 식 (1)로 곡선맞춤을 수행해 스펙트럼의 형태가 어떻게 바뀌는지를 정량적으로 조사하였다.
본 논문에서는 백색 LED에 도포되어 있는 황색 형광체의 종류에 따라 백색 LED의 발광 스펙트럼이 어떻게 달라지고 이러한 분광특성이 LED 구동조건에 따라 어떻게 바뀌는지를 체계적으로 조사하고자 하였다. 이를 위해 동일한 청색 LED 칩 위에 YAG계 형광체와 실리케이트계 형광체를 사용한 두 종류의 백색 LED를 제작한 후 각각의 발광 특성을 상세히 조사하였다.
본 연구에서는 동일한 청색 LED에 YAG:Ce와 (Sr, Ba)2 SiO4:Eu 등 두 종류의 황색 형광체를 적용해서 제작한 백색 LED의 발광특성을 비교, 분석하였다. 두 백색 LED의 스펙 트럼을 설명할 수 있는 수학적 함수로써 Asymmetric double sigmoidal 함수를 이용해 발광 스펙트럼의 중심파장, 반치폭, 비대칭성 등을 분석하였다.
본 연구에서는 두 종류의 형광체를 동일한 청색 LED 칩 위에 도포하여 동일한 색좌표를 가진 백색 LED를 제작한 후에, 이 두 종류의 백색 LED에 대한 분광 특성 평가를 진행하였다. 특정한 색좌표를 가진 백색광을 구현하기 위해서는 먼저 투명 에폭시 수지와 형광체 사이에 최적의 배합비를 찾 아야 한다.
333를 가지도록 LED를 제작하였다. 본 연구에서는 이 특정한 색좌표를 얻기 위해서 투명 에폭시 수지와 형광체 사이의 배합비를 단계별로 변화시켜 합성한 후 청색 LED에 도포하여 목표 색좌표를 만족하는 백색광의 LED를 구현하고자 하였다. 사용된 형광체는 YAG(Y3Al5O12:Ce) 및 실리케이트((Sr, Ba)2SiO4:Eu)계 형광체 등 두 종류였다.
제안 방법
다음으로는 서로 다른 형광체를 사용한 두 백색 LED가 나타내는 발광 효율의 전류의존성을 평가하였다. 효율 평가를 정밀하게 진행하기 위해서는 적분구 등 고가의 계측장비가 요구되지만, 본 연구에서는 휘도 L의 각도(θ)에 따른 변화를 측정하여 효율을 계산하는 간접적인 방법을 택했다.
두 백색 LED 의 색좌표 모두 플랑키안 궤적(Planckian locus) 근처에 놓여 있음을 알 수 있다. 다음으로는 이렇게 제작된 YAG계 백색 LED와 실리케이트계 백색 LED의 발광스펙트럼을 구동 전류에 따라 측정한 후 휘도 및 효율, 그리고 스펙트럼의 형태 를 분석하였다. 모든 결과는 다섯 번의 측정을 통해 얻어진 값에 대한 평균치로 제시되었다.
:Eu 등 두 종류의 황색 형광체를 적용해서 제작한 백색 LED의 발광특성을 비교, 분석하였다. 두 백색 LED의 스펙 트럼을 설명할 수 있는 수학적 함수로써 Asymmetric double sigmoidal 함수를 이용해 발광 스펙트럼의 중심파장, 반치폭, 비대칭성 등을 분석하였다. 이 결과 실리케이트계 형광체의 황색 발광 스펙트럼의 폭이 YAG 형광체의 그것에 비해 좁 아서 연색지수 측면에서 불리할 것으로 예상된 반면에 구동 전류에 따른 색도 안정성의 측면에서는 실리케이트계 형광 체가 장점을 가지고 있음이 확인되었다.
본 연구에서는 각도에 따라 휘도를 구한 다음 이 데이터를 4차의 다항식으로 곡선맞춤한 후에 그 결과를 식(2-2)에 대 입하여 광속을 구하는 방법을 취했다. 구동전류에 따라 측정 된 휘도 및 발광효율이 그림 6(a)와 6(b)에 제시되어 있다.
다음으로는 구동 조건에 따라 백색 LED의 스펙트럼이 어 떤 변화를 보이는지에 대해 조사하였다. 순방향 전류를 10 mA에서 80 mA까지 10 mA 단위로 변화시키면서 스펙트럼 을 얻은 후 이를 식 (1)로 곡선맞춤을 수행해 스펙트럼의 형태가 어떻게 바뀌는지를 정량적으로 조사하였다. LED 칩이 방출하는 청색 스펙트럼에 대한 곡선맞춤의 결과는 그림 3 에, 황색 형광체의 발광 스펙트럼에 대한 결과는 그림 4에 정리되어 있다.
본 논문에서는 백색 LED에 도포되어 있는 황색 형광체의 종류에 따라 백색 LED의 발광 스펙트럼이 어떻게 달라지고 이러한 분광특성이 LED 구동조건에 따라 어떻게 바뀌는지를 체계적으로 조사하고자 하였다. 이를 위해 동일한 청색 LED 칩 위에 YAG계 형광체와 실리케이트계 형광체를 사용한 두 종류의 백색 LED를 제작한 후 각각의 발광 특성을 상세히 조사하였다. 특히 이 두 종류의 황색형광체가 만드는 발광 스펙트럼을 동시에 설명할 수 있는 함수 형태를 찾았고 이를 통해 발광 스펙트럼이 구동 조건의 차이에 따라 어떻게 변하는지 정량적으로 분석하였다.
그림 1(a)는 청색 LED 와 황색형광체를 도포해 제작한 백색 LED를 보여준다. 제작 된 백색 LED의 발광 스펙트럼과 색 좌표를 알아보기 위해 스펙트럼과 휘도, 색좌표를 측정할 수 있는 분광광도계 (PR-670, Photo Research)를 사용하였다. 색좌표를 측정하기 위한 LED의 구동전류와 구동전압은 각각 81.
이를 위해 동일한 청색 LED 칩 위에 YAG계 형광체와 실리케이트계 형광체를 사용한 두 종류의 백색 LED를 제작한 후 각각의 발광 특성을 상세히 조사하였다. 특히 이 두 종류의 황색형광체가 만드는 발광 스펙트럼을 동시에 설명할 수 있는 함수 형태를 찾았고 이를 통해 발광 스펙트럼이 구동 조건의 차이에 따라 어떻게 변하는지 정량적으로 분석하였다. 이를 바탕으로 향후 백색 LED의 스펙트럼 분석 및 발광 특성의 항상성 확보를 위한 되먹임(feedback) 기법의 개발 등을 추진할 수 있을 것으로 기대된다.
효율 평가를 정밀하게 진행하기 위해서는 적분구 등 고가의 계측장비가 요구되지만, 본 연구에서는 휘도 L의 각도(θ)에 따른 변화를 측정하여 효율을 계산하는 간접적인 방법을 택했다.
대상 데이터
본 연구에서는 백색 LED의 CIE(Commission International de l’Eclairage) 색 좌표가 등에너지(equal energy) 조건인 x=0.333, y=0.333를 가지도록 LED를 제작하였다.
LED 패키지는 크게 포탄형 LED와 표면실장형 LED 등 두 가지로 나눌 수 있다. 본 연구에서는 청색 LED 칩 3개가 들어 있고 지름이 4 mm인 원형의 발광면적을 갖는 표면실장 형 LED 패키지를 이용하였고 투명 에폭시 수지로는 자외선 경화 에폭시(NOA 65)를 사용하였다. 그림 1(a)는 청색 LED 와 황색형광체를 도포해 제작한 백색 LED를 보여준다.
본 연구에서는 이 특정한 색좌표를 얻기 위해서 투명 에폭시 수지와 형광체 사이의 배합비를 단계별로 변화시켜 합성한 후 청색 LED에 도포하여 목표 색좌표를 만족하는 백색광의 LED를 구현하고자 하였다. 사용된 형광체는 YAG(Y3Al5O12:Ce) 및 실리케이트((Sr, Ba)2SiO4:Eu)계 형광체 등 두 종류였다. LED 패키지는 크게 포탄형 LED와 표면실장형 LED 등 두 가지로 나눌 수 있다.
평가 결과, 목적했던 색좌표의 백색광을 구현하기 위한 YAG계 형광체와 실리케이트계 형 광체의 배합비는 각각 5%와 21%였다. 측정된 CIE 색 좌표는 YAG계 형광체 도포 LED는 x=0.336, y=0.327였고 실리 케이트계 형광체 도포 LED는 x=0.325, y=0.333로 측정되었다. 따라서 두 LED 모두 x=y=1/3 부근에서 거의 동일한 색 좌표를 나타내고 있음을 알 수 있다.
데이터처리
LED 칩이 방출하는 청색 스펙트럼에 대한 곡선맞춤의 결과는 그림 3 에, 황색 형광체의 발광 스펙트럼에 대한 결과는 그림 4에 정리되어 있다. 이 그림들에 제시된 데이터는 모두 독립적으 로 다섯 번의 측정을 수행한 후 얻어진 결과를 평균한 것이다. 그림 3에서 볼 수 있는 것처럼 청색 LED 칩의 중심 파 장은 조사된 전류 범위 내에서 큰 변화가 없음을 알 수 있다.
성능/효과
아울러, 동일한 구동 전류에서 실리케이트 형광체 기반 백색 LED의 휘도가 더 작기 때문에 발광효율 역시 실리케이트 형광체 기반 백색 LED가 더 작을 것으 로 예상된다. 그림 6(b)에 제시된 효율의 수치는 일반적인 백색 LED가 나타내는 효율 수준을 보여주고 있는데, 두 백색 LED 모두 전류 증가에 따라 효율이 단조감소하고 있고 실리 케이트 형광체 기반 LED의 발광효율이 YAG형광체 기반 LED에 비해 약 10~12 lm/W 정도 작은 것을 알 수 있다. 따라서 실리케이트계 형광체를 적용한 백색 LED는 스펙트럼 의 폭의 협소함에 따른 연색지수의 감소 및 발광효율 저하에 따른 소비전력 증가 등의 단점을 개선하기 위한 노력이 필요 할 것이다.
[8-10] 본 연구에 서는 이전의 연구 결과[10]에 근거해서 다양한 함수를 활용해 그림 2(a)의 스펙트럼을 곡선맞춤(fitting)하고자 하였고 이를 통해 두 백색 LED의 스펙트럼을 동시에 설명할 수 있는 수 학적 함수 형태를 찾고자 하였다. 다양한 함수 형태를 시도 해 본 결과 청색 LED와 황색 형광체의 발광 스펙트럼 모두 비대칭 함수인 Asymmetric double sigmoidal 함수(ADSF, 식 (1)) 로 곡선맞춤이 잘 이루어지는 것을 확인하였다. 이는 백색 LED의 스펙트럼을 구성하는 청색과 황색 발광 피크 모두 어느 정도의 비대칭성을 가지고 있다는 것을 의미한다.
이 결과 실리케이트계 형광체의 황색 발광 스펙트럼의 폭이 YAG 형광체의 그것에 비해 좁 아서 연색지수 측면에서 불리할 것으로 예상된 반면에 구동 전류에 따른 색도 안정성의 측면에서는 실리케이트계 형광 체가 장점을 가지고 있음이 확인되었다. 백색 LED가 방출하 는 발광면 휘도의 각도의존성을 조사한 후에 이를 이용해 계 산된 발광효율의 전류 의존성을 조사한 결과 두 백색 LED 모두 전류 증가에 따라 효율이 단조감소하며 실리케이트 형 광체 기반 LED의 발광효율이 YAG형광체 기반 LED에 비해 약 10~12 lm/W 정도 작은 것을 알 수 있었다.
두 백색 LED의 스펙 트럼을 설명할 수 있는 수학적 함수로써 Asymmetric double sigmoidal 함수를 이용해 발광 스펙트럼의 중심파장, 반치폭, 비대칭성 등을 분석하였다. 이 결과 실리케이트계 형광체의 황색 발광 스펙트럼의 폭이 YAG 형광체의 그것에 비해 좁 아서 연색지수 측면에서 불리할 것으로 예상된 반면에 구동 전류에 따른 색도 안정성의 측면에서는 실리케이트계 형광 체가 장점을 가지고 있음이 확인되었다. 백색 LED가 방출하 는 발광면 휘도의 각도의존성을 조사한 후에 이를 이용해 계 산된 발광효율의 전류 의존성을 조사한 결과 두 백색 LED 모두 전류 증가에 따라 효율이 단조감소하며 실리케이트 형 광체 기반 LED의 발광효율이 YAG형광체 기반 LED에 비해 약 10~12 lm/W 정도 작은 것을 알 수 있었다.
이상의 실험 결과는 적절한 수학적 함수 형태의 선정을 통해 백색 LED의 스펙트럼이 구동전류나 온도와 같은 다양한 변수의 변화에 따라 어떻게 변화되는지를 정량적으로 추적 할 수 있다는 것을 보여준다. 이 경우 측정되지 않은 변수의 영역에 대해서도 내삽 혹은 외삽을 통해 스펙트럼의 형태를 예측할 수 있고 이로부터 예상되는 휘도와 색좌표의 변화도 파악할 수 있다.
255 W였다. 평가 결과, 목적했던 색좌표의 백색광을 구현하기 위한 YAG계 형광체와 실리케이트계 형 광체의 배합비는 각각 5%와 21%였다. 측정된 CIE 색 좌표는 YAG계 형광체 도포 LED는 x=0.
후속연구
폭과 비대칭성을 나타 내는 매개변수인 w1, w2와 w3는 곡선맞춤의 과정에서 서로 간에 어느 정도 상관성을 가지고 있는데, 그림 3에 제시된 w2와 w3의 결과는 YAG기반 LED의 청색 스펙트럼에 비해 실리케이트기반 LED의 경우가 오른쪽으로 조금 더 비대칭 된 스펙트럼을 나타낸다는 것을 뜻하고, 이는 그림 2(a)에서 비교된 두 발광 스펙트럼의 형태에서도 확인할 수 있다. 동 일한 청색 LED 칩을 사용했음에도 불구하고 발광 스펙트럼이 달라지는 이유는 청색 LED가 내는 빛과 형광체 사이의 복잡한 상호작용에 의한 것으로 생각되는데, 이 부분에 대해 서는 보다 면밀한 추가 연구가 필요할 것으로 보인다.
그림 6(b)에 제시된 효율의 수치는 일반적인 백색 LED가 나타내는 효율 수준을 보여주고 있는데, 두 백색 LED 모두 전류 증가에 따라 효율이 단조감소하고 있고 실리 케이트 형광체 기반 LED의 발광효율이 YAG형광체 기반 LED에 비해 약 10~12 lm/W 정도 작은 것을 알 수 있다. 따라서 실리케이트계 형광체를 적용한 백색 LED는 스펙트럼 의 폭의 협소함에 따른 연색지수의 감소 및 발광효율 저하에 따른 소비전력 증가 등의 단점을 개선하기 위한 노력이 필요 할 것이다. 본 연구에서 활용한 효율평가 방법은 일정한 발 광면을 가진 백색 LED나 유기발광다이오드의 소비전력의 대략적인 경향을 간단히 평가하기 위한 방법으로 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
따라서 실리케이트계 형광체를 적용한 백색 LED는 스펙트럼 의 폭의 협소함에 따른 연색지수의 감소 및 발광효율 저하에 따른 소비전력 증가 등의 단점을 개선하기 위한 노력이 필요 할 것이다. 본 연구에서 활용한 효율평가 방법은 일정한 발 광면을 가진 백색 LED나 유기발광다이오드의 소비전력의 대략적인 경향을 간단히 평가하기 위한 방법으로 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 마지막으로, 실리케이트계 형광체의 효율은 온도에 대해 매우 민감한 것으로 알려져 있 다.
특히 이 두 종류의 황색형광체가 만드는 발광 스펙트럼을 동시에 설명할 수 있는 함수 형태를 찾았고 이를 통해 발광 스펙트럼이 구동 조건의 차이에 따라 어떻게 변하는지 정량적으로 분석하였다. 이를 바탕으로 향후 백색 LED의 스펙트럼 분석 및 발광 특성의 항상성 확보를 위한 되먹임(feedback) 기법의 개발 등을 추진할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
InGaN계 청색 LED의 장점은 무엇인가?
InGaN계 청색 LED는 낮은 소비전력과 고효율이라는 장점을 가지고 있어 대부분의 백색 LED 내 여기 광원으로 쓰이고 있다. 일반적으로 사용되는 백색 LED는 고휘도 청색 LED 칩 위에 청색광의 일부를 황색으로 변환시켜주는 황색 형광체를 결합한 형태가 가장 보편적이다.
백색 LED는 어떻게 백색을 구현하는가?
[1, 2] LED는 소비 전력이 낮고 수명이 매우 길며 점광원이라는 광원의 형태를 자유자재로 조합해 다양한 디자인으로 구현할 수 있다는 장점을 가지고 있어 액정표시장치의 백라이트와 같은 디스플레이 광원이나 휴대용 조명장치, 그리고 일반 조명용 광원으로도 사용되고 있다. 이런 용도로 사용되는 백색 LED는 대부분 청색 LED 칩(chip) 위에 한 가지 이상의 파장변환물질을 도포함으로써 백색을 구현한다. 최근 이러한 백색 LED의 효율은 고전류 구동에서도 249 lm/W에 달하는 놀라운 수준을 보여주고 있다.
고체발광다이오드의 장점은 무엇인가?
최근 백열전구와 형광등을 대체할 수 있는 디자인의 고체발광다이오드(Light Emitting Diode, LED로 약칭) 램프가 조명시장에서 조금씩 점유율을 높이고 있고 그의 따른 응용범위도 디스플레이를 포함해서 날로 확대되고 있다. [1, 2] LED는 소비 전력이 낮고 수명이 매우 길며 점광원이라는 광원의 형태를 자유자재로 조합해 다양한 디자인으로 구현할 수 있다는 장점을 가지고 있어 액정표시장치의 백라이트와 같은 디스플레이 광원이나 휴대용 조명장치, 그리고 일반 조명용 광원으로도 사용되고 있다. 이런 용도로 사용되는 백색 LED는 대부분 청색 LED 칩(chip) 위에 한 가지 이상의 파장변환물질을 도포함으로써 백색을 구현한다.
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