온도 변화에 따른 YAG 및 Silicate형광체 기반 백색 LED의 광특성 변화에 대한 연구 Temperature Effect on the Optical Properties of YAG and Silicate Phosphor-based White Light Emitting Diodes원문보기
본 논문에서는 YAG:Ce와 $(Sr,Ba)_2SiO4:Eu$ 등 두 종류의 형광체를 사용하여 백색 LED를 제작하고 온도변화에 따라 각각의 백색 LED의 발광 특성이 어떻게 변하는지 조사하였다. 상온에서 $80^{\circ}C$ 사이의 구간에서 측정된 두 백색 LED의 발광 스펙트럼을 분석하기 위해 asymmetric double sigmoidal 함수를 활용하였다. 이 함수를 백색 LED의 청색 발광 및 황색 발광 피크에 적용해서 각 피크의 중심파장과 진폭, 반치폭 및 비대칭성을 온도의 함수로 구하였다. 그 결과 온도가 증가할수록 청색 피크의 중심파장이 장파장 쪽으로 천이되고 황색피크의 중심파장이 단파장 쪽으로 천이되며 비대칭성 또한 증가한다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 두 백색 LED의 색도변화에 반영되었는데, 실리케이트계 형광체 기반 LED의 색도 변화가 더 큼을 알 수 있었다. 발광효율 역시 온도가 증가할수록 크게 떨어지는 것을 볼 수 있었는데 YAG 형광체 기반 LED의 발광효율 저하 폭이 더 적음을 확인하였다. 이상의 결과는 YAG 형광체 기반 백색 LED가 실리케이트계 형광체 기반 LED에 비해 색도안정성, 발광효율, 연색지수 측면에서 더 뛰어나다는 것을 의미한다.
본 논문에서는 YAG:Ce와 $(Sr,Ba)_2SiO4:Eu$ 등 두 종류의 형광체를 사용하여 백색 LED를 제작하고 온도변화에 따라 각각의 백색 LED의 발광 특성이 어떻게 변하는지 조사하였다. 상온에서 $80^{\circ}C$ 사이의 구간에서 측정된 두 백색 LED의 발광 스펙트럼을 분석하기 위해 asymmetric double sigmoidal 함수를 활용하였다. 이 함수를 백색 LED의 청색 발광 및 황색 발광 피크에 적용해서 각 피크의 중심파장과 진폭, 반치폭 및 비대칭성을 온도의 함수로 구하였다. 그 결과 온도가 증가할수록 청색 피크의 중심파장이 장파장 쪽으로 천이되고 황색피크의 중심파장이 단파장 쪽으로 천이되며 비대칭성 또한 증가한다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 두 백색 LED의 색도변화에 반영되었는데, 실리케이트계 형광체 기반 LED의 색도 변화가 더 큼을 알 수 있었다. 발광효율 역시 온도가 증가할수록 크게 떨어지는 것을 볼 수 있었는데 YAG 형광체 기반 LED의 발광효율 저하 폭이 더 적음을 확인하였다. 이상의 결과는 YAG 형광체 기반 백색 LED가 실리케이트계 형광체 기반 LED에 비해 색도안정성, 발광효율, 연색지수 측면에서 더 뛰어나다는 것을 의미한다.
Two white light emitting diodes(LEDs) were fabricated by using two kinds of yellow phosphor, YAG:Ce and $(Sr,Ba)_2SiO4:Eu$, and their spectroscopic properties were analyzed as a function of temperature from room temperature to $80^{\circ}C$. The asymmetric double sigmoidal func...
Two white light emitting diodes(LEDs) were fabricated by using two kinds of yellow phosphor, YAG:Ce and $(Sr,Ba)_2SiO4:Eu$, and their spectroscopic properties were analyzed as a function of temperature from room temperature to $80^{\circ}C$. The asymmetric double sigmoidal function was applied to both blue and yellow peaks of the emitting spectrum to obtain the center wavelength, the amplitude, the half width, and the skewness parameters. According to this analysis, the center wavelength of the blue peak shifted to longer wavelength while that of the yellow peak shifted to shorter wavelength. In addition, some of the skewness parameters were found to increase upon heating, which indicates that spectrum asymmetry becomes enhanced at higher temperatures. The changes in the color coordinates and the luminous efficacy were larger for the case of silicate-based white LED. These results suggest that the silicate-based white LED is inferior to the YAG-based white LED from the viewpoint of color stability, efficacy and color rendering index.
Two white light emitting diodes(LEDs) were fabricated by using two kinds of yellow phosphor, YAG:Ce and $(Sr,Ba)_2SiO4:Eu$, and their spectroscopic properties were analyzed as a function of temperature from room temperature to $80^{\circ}C$. The asymmetric double sigmoidal function was applied to both blue and yellow peaks of the emitting spectrum to obtain the center wavelength, the amplitude, the half width, and the skewness parameters. According to this analysis, the center wavelength of the blue peak shifted to longer wavelength while that of the yellow peak shifted to shorter wavelength. In addition, some of the skewness parameters were found to increase upon heating, which indicates that spectrum asymmetry becomes enhanced at higher temperatures. The changes in the color coordinates and the luminous efficacy were larger for the case of silicate-based white LED. These results suggest that the silicate-based white LED is inferior to the YAG-based white LED from the viewpoint of color stability, efficacy and color rendering index.
그런데 백색 LED 조명의 일반적인 구동 환경은 상온보다 높은 온도로 유지되기 때문에 온도 상승에 따른 특성 변화의 정밀한 분석이 백색 LED 성능의 항상성을 유지하는 측면에서 매우 중요하다. 본 논문에서는 종류가 다른 두 황색 형광체(YAG 및 실리케이트계 형광체)를 적용해 백색 LED를 제작한 후 이 두 백색 LED의 발광특성이 온도에 따라 어떻게 바뀌는지를 체계적으로 조사하였다. 특히 스펙트럼의 형태를 포함한 발광특성의 변화를 분석해 두 형광체가 LED의 성능에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 비교하고 논의하였다.
제안 방법
1397 V 및 60 mA로 설정해서 거의 동일한 소비전력으로 구동되도록 하였다. 가열로의 온도를 25도부터 80도까지 5도 간격으로 변화시키며 각 백색 LED의 발광스펙트럼, 휘도, 색좌표를 측정하였다. 총 열 번의 측정을 수행하였고 이를 이용해 발광스펙트럼의 중심파장, 폭, 비대칭성 및 세기와 관련된 각 변수들의 평균값 및 표준편차를 계산하였다.
그림 8(b)는 두 백색 LED의 발광효율의 온도의존성을 나타낸 것이다. 이전 연구[11]에서 사용한 방법과 동일하게 본 연구에서도 -50도부터 50도까지 10도의 각도 단위로 측정된 LED의 휘도분포로부터 광속을 구한 후 소비전력으로 나눠서 발광효율을 계산을 하였다. 그 결과 YAG계 형광체 기반 백색 LED가 실리케이트계 형광체 기반 백색 LED보다 상온에서는 2 lm/W 이상, 가장 높은 온도에서는 4 lm/W 이상 더 높은 발광효율을 나타내고 있음을 확인하였다.
가열로의 온도를 25도부터 80도까지 5도 간격으로 변화시키며 각 백색 LED의 발광스펙트럼, 휘도, 색좌표를 측정하였다. 총 열 번의 측정을 수행하였고 이를 이용해 발광스펙트럼의 중심파장, 폭, 비대칭성 및 세기와 관련된 각 변수들의 평균값 및 표준편차를 계산하였다.
대상 데이터
본 실험에서는 청색 LED(Chimei, 대만) 3 개가 포함된 지름 4mm의 표면실장형 패키지를 사용하였고 청색 LED의 중심 파장은 457.5～460 nm였다. 그림 2는 사용된 청색 LED 패키지의 구조를 보여준다.
그림에서 확인할 수 있는 것처럼 세 개의 청색 LED 칩이 표면실장형으로 패키지 위에 배치되어 있다. 황색 형광체로는 YAG(Y3Al5O12:Ce)계 형광체(Nemoto 사, Y-4-3-2)와 실리케이트((Sr,Ba)2SiO4:Eu)계 형광체(Intermatix 사, EY4453)를 사용하였다. YAG 형광체의 입자 크기는 8.
이론/모형
본 연구에서는 YAG 및 실리케이트계 형광체를 가지고 백색 LED를 제작한 후 온도변화에 따라 백색 LED의 발광특성이 어떻게 변하는지 비교, 분석하였다. 동일한 백색광을 구현하기 위해 CIE 색좌표 등에너지 조건인 x=0.333, y=0.333에 가까운 백색 LED를 제작하였고 온도 상승에 따른 발광 스펙트럼의 변화를 정량적으로 분석하기 위해 Asymmetric double sigmoidal function를 채택하였다. 이를 청색 발광 및 황색 발광 피크에 적용함으로써 각 피크의 중심파장과 진폭, 그리고 피크의 너비 및 비대칭성을 조사하였다.
성능/효과
또한 실리케이트계 형광체 기반의 백색 LED가 YAG 기반 LED에 비해 동일한 온도 변화에 대해서 더 큰 색도 변화를 보임을 확인하였다. 두 백색 LED 모두 온도가 올라감에 따라 발광효율의 저하를 나타냈는데, 실리케이트계 형광체 기반 백색 LED가 YAG계 형광체 기반 백색 LED보다 더 작은 발광효율을 보였고 발광효율의 저하 폭도 더 컸다. 이상의 결과는 YAG 형광체 기반 백색 LED가 실리케이트계 형광체 기반 LED에 비해 색도안정성, 발광효율, 연색지수 측면에서 더 뛰어나다는 것을 의미한다.
온도가 증가됨에 따라 청색 피크의 중심파장은 증가하지만 황색 형광체 피크의 파장은 감소함을 확인하였다. 또한 실리케이트계 형광체 기반의 백색 LED가 YAG 기반 LED에 비해 동일한 온도 변화에 대해서 더 큰 색도 변화를 보임을 확인하였다. 두 백색 LED 모두 온도가 올라감에 따라 발광효율의 저하를 나타냈는데, 실리케이트계 형광체 기반 백색 LED가 YAG계 형광체 기반 백색 LED보다 더 작은 발광효율을 보였고 발광효율의 저하 폭도 더 컸다.
두 백색 LED 모두 온도가 올라감에 따라 발광효율의 저하를 나타냈는데, 실리케이트계 형광체 기반 백색 LED가 YAG계 형광체 기반 백색 LED보다 더 작은 발광효율을 보였고 발광효율의 저하 폭도 더 컸다. 이상의 결과는 YAG 형광체 기반 백색 LED가 실리케이트계 형광체 기반 LED에 비해 색도안정성, 발광효율, 연색지수 측면에서 더 뛰어나다는 것을 의미한다.
후속연구
이러한 정보는 LED 구동회로 내에 저장되어 외부 조건의 변화에 대한 LED 조명 장치의 항상성을 유지하는 되먹임(feedback) 기능에 활용될 수 있을 것이다. 최적의 성능에 더해 장기신뢰성을 가진 LED 조명을 개발하기 위해서는 최근 다양한 측면에서 연구되고 있는 광학 설계[12, 13]뿐 아니라 LED의 열적 특성, 분광 특성에 대한 보다 심도 깊은 연구가 필요할 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고체발광다이오드의 응용 분야는 어떠합니까?
고체발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)의 응용 분야는 최근 단순한 표시등이나 디스플레이용 광원을 넘어 일반 조명으로 확대되고 있다. LED는 형광등을 포함한 기존 광원에 비해 환경친화적이고 소비전력이 적으며 크기가 작아 다양한 디자인 요소를 적용해 새로운 가치를 가지는 조명을 개발할 수 있다는 장점을 가진다.
LED의 장점은 무엇입니까?
고체발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)의 응용 분야는 최근 단순한 표시등이나 디스플레이용 광원을 넘어 일반 조명으로 확대되고 있다. LED는 형광등을 포함한 기존 광원에 비해 환경친화적이고 소비전력이 적으며 크기가 작아 다양한 디자인 요소를 적용해 새로운 가치를 가지는 조명을 개발할 수 있다는 장점을 가진다. 백색 LED는 보통 단파장의 LED 칩 위에 파장변환물질인 형광체를 도포하는 형태로 백색광을 구현한다[1].
YAG 형광체 기반 백색 LED가 실리케이트계 형광체 기반 LED에 비해서 더 뛰어나다고 생각되는 근거는 무엇입니까?
온도가 증가됨에 따라 청색 피크의 중심파장은 증가하지만 황색 형광체 피크의 파장은 감소함을 확인하였다. 또한 실리케이트계 형광체 기반의 백색 LED가 YAG 기반 LED에 비해 동일한 온도 변화에 대해서 더 큰 색도 변화를 보임을 확인하였다. 두 백색 LED 모두 온도가 올라감에 따라 발광효율의 저하를 나타냈는데, 실리케이트계 형광체 기반 백색 LED가 YAG계 형광체 기반 백색 LED보다 더 작은 발광효율을 보였고 발광효율의 저하 폭도 더 컸다. 이상의 결과는 YAG 형광체 기반 백색 LED가 실리케이트계 형광체 기반 LED에 비해 색도안정성, 발광효율, 연색지수 측면에서 더 뛰어나다는 것을 의미한다.
참고문헌 (13)
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