본 논문에서는 현재 양산되고 있는 Red(621 nm), Green(530 nm), Blue(453 nm), Amber(590 nm) 등 4파장의 LED 조합을 이용하여 색온도가 가변되는 동안에도 평균연색지수 및 특별연색지수 R9 값이 높게 유지될 수 있도록 조명의 스펙트럼을 최적화하였다. 최적화 시 설계의 정확도를 높이기 위하여 실제 측정한 LED 스펙트럼을 사용하였고 광선과 기구물 사이의 상호 작용을 고려한 광선 추적 기법을 활용하여 수행하였다 또한 최적화 결과를 검증하기 위하여 색온도 가변 조명 장치를 직접 제작하였으며 광 특성을 평가한 결과 색온도가 3000 K에서 6000 K까지 변하는 동안 CRI 및 R9 값이 각각 87~90, 34~93을 나타내었다.
본 논문에서는 현재 양산되고 있는 Red(621 nm), Green(530 nm), Blue(453 nm), Amber(590 nm) 등 4파장의 LED 조합을 이용하여 색온도가 가변되는 동안에도 평균연색지수 및 특별연색지수 R9 값이 높게 유지될 수 있도록 조명의 스펙트럼을 최적화하였다. 최적화 시 설계의 정확도를 높이기 위하여 실제 측정한 LED 스펙트럼을 사용하였고 광선과 기구물 사이의 상호 작용을 고려한 광선 추적 기법을 활용하여 수행하였다 또한 최적화 결과를 검증하기 위하여 색온도 가변 조명 장치를 직접 제작하였으며 광 특성을 평가한 결과 색온도가 3000 K에서 6000 K까지 변하는 동안 CRI 및 R9 값이 각각 87~90, 34~93을 나타내었다.
In this paper the spectra of correlated color temperature (CCT) tunable white light-emitting diode (LED) luminaires, consisting of commercial red, green, blue, and amber LED chips, were optimized to increase color rendering index (CRI), and a special CRI of R9 for deep red color was obtained. To imp...
In this paper the spectra of correlated color temperature (CCT) tunable white light-emitting diode (LED) luminaires, consisting of commercial red, green, blue, and amber LED chips, were optimized to increase color rendering index (CRI), and a special CRI of R9 for deep red color was obtained. To improve the design's accuracy, measured LED spectra were used instead of mathematically modeled ones. Real CCT tunable LED luminaires with CRIs of 87-90 and R9s of 34-93 were fabricated and demonstrated at CCTs of 3000-6000 K.
In this paper the spectra of correlated color temperature (CCT) tunable white light-emitting diode (LED) luminaires, consisting of commercial red, green, blue, and amber LED chips, were optimized to increase color rendering index (CRI), and a special CRI of R9 for deep red color was obtained. To improve the design's accuracy, measured LED spectra were used instead of mathematically modeled ones. Real CCT tunable LED luminaires with CRIs of 87-90 and R9s of 34-93 were fabricated and demonstrated at CCTs of 3000-6000 K.
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문제 정의
왜냐하면 사람의 눈으로 조명을 바라봤을 때 백색이 아닌 얼룩한 컬러 색이 보일 경우 미적으로 거부감을 느낄 수 있기 때문이다. 따라서 LED 등기구 제작 시 광 확산판 표면의 색도가 균일할 수 있도록 RGBA LED 배치를 최적화 하였다.
따라서 본 논문에서는 시중에서 쉽게 구매 할 수 있는 RGBA LED를 사용하여 각각의 스펙트럼을 측정하고 이를 바탕으로 색온도가 가변되는 동안에도 높은 평균연색지수 (Ra)와 R9 값이 유지되도록 각각의 LED 광량비를 최적화 하였다. RGBA LED는 Cree와 Philips Lumileds 사의 제품을 사용하였다(Red : XPE RDO-L1-0000-00A01, Green : LXMLPM01-0090, Blue : XPE ROY-L1-0000-00903, Amber : LXMLPL01-0040).
또한 최적화에 의해 얻어진 혹은 사용된 LED 조합들은 시중에서 쉽게 구입하기 어려운 피크파장을 가지는 경우가 많아 실제 제품으로 제작이 힘든 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 시중에서 쉽게 구할 수 있는 LED를 고려하였고 이상적인 스펙트럼이 아닌 실제 LED의 스펙트럼을 측정하여 최적화를 수행하였다. 이때 평균연색지수(Ra) 뿐만 아니라 진한 적색에 해당하는 특별연색지수 R9도 같이 최적화 하였다.
[8,11] 그러나 이러한 최적화 방법들은 단순 화된 수학적 방법으로, 조명 기구 내에서 일어나는 기구물과 광선 사이의 복잡한 상호 작용 등을 고려하지 않아 실제 제작 시 설계값과 차이를 나타낼 가능성이 크다. 따라서 본 논문에서는 이러한 상호 작용 등을 감안하기 위하여 광학 설계 프로그램인 Light Tools(Ver 8.0)를 사용하여 광선추적에 기 반을 둔 최적화를 수행 하였다. 최적화를 진행하기 위해서는 먼저 단일 LED 에 대한 스펙트럼이 필요하다.
제안 방법
RGBA 4-chip LED 조합을 사용하여 색온도가 가변되는 동안에도 높은 연색성을 유지하는 등기구를 설계 제작하였다. 최적화 설계는 실제 제작이 가능하도록 상용화되어 있는 LED 를 이용하여 수행하였으며 또한 설계의 정확도를 높이기 위하여 실제 측정한 LED 스펙트럼을 사용하였고 광선 추적 기법을 적용하여 광선과 기구물 사이의 상호 작용이 최적화될 수 있도록 고려하였다.
일반적으로 조명의 연색성을 나타낼 때 R1에서 R8 까지의 연색지수를 평균한 값인 평균연색지수(Ra)를 사용하고 있으나 통상적으로 조명의 연색성에 있어서 적색-녹색 간 대비가 중요하고 또한 적색의 연색성이 실제 조명에서 문제를 자주 일으키는 색상이기 때문에 R9 값을 고려할 필요가 있다.[9] 마지막으로 최적화 결과를 검증하기 위하여 실제 조명 기구를 제작하여 그 광학적 특성을 설계값과 비교 분석 하였다.
벽면은 반지름 67 mm, 깊이는 40 mm 인 알루미늄 재질의 원형 실린더 모양으로 표면 특성 은 측정 결과를 반영하여 Gaussian 산란(확산각:1°), 반사율 85%, 흡수율 15%로 하였고 바닥면은 백색의 PCB 면으로 Lambertian 산란, 반사율 85%, 흡수율 15%로 하였다.
이를 위하여 분광반사율 측정기(Konica Minolta, CM-3700d) 및 산란측정기(J&C, RT-300S)를 통하여 알루미늄 벽면, 백색 도료를 착색한 PCB 바닥면, 광확산판 등의 반사-투과율, 산란 특성을 측정하여 설계에 반영하였다.
제작을 완료한 색온도 가변 조명을 적분구(OPI-1000)에서 3000~6000 K까지 500 K 단위로 7가지 색온도에 대해서 측정하였다. 그림 8은 3000 K, 4000 K, 5000 K, 6000 K에서의 RGBA LED에 필요한 전류를 인가하여 적분구를 사용하여 얻어낸 스펙트럼이다.
벽면은 반지름 67 mm, 깊이는 40 mm 인 알루미늄 재질의 원형 실린더 모양으로 표면 특성 은 측정 결과를 반영하여 Gaussian 산란(확산각:1°), 반사율 85%, 흡수율 15%로 하였고 바닥면은 백색의 PCB 면으로 Lambertian 산란, 반사율 85%, 흡수율 15%로 하였다. 조명 기구의 상부에는 색혼합 및 눈부심 방지를 위하여 광 확산판 을 두었으며 반지름은 65 mm, 두께는 2 mm, Taper 는 1, 벽 면 산란 특성은 Lambertian 으로 하였다. 검출기는 발광면 바로 3 mm 위에 설치하였다.
RGBA 4-chip LED 조합을 사용하여 색온도가 가변되는 동안에도 높은 연색성을 유지하는 등기구를 설계 제작하였다. 최적화 설계는 실제 제작이 가능하도록 상용화되어 있는 LED 를 이용하여 수행하였으며 또한 설계의 정확도를 높이기 위하여 실제 측정한 LED 스펙트럼을 사용하였고 광선 추적 기법을 적용하여 광선과 기구물 사이의 상호 작용이 최적화될 수 있도록 고려하였다. 최종적으로 제작된 조명기기는 색온도가 3000 K~6000 K 로 가변되는 동안 평균연색지수(Ra) 87~90, R9은 34~93을 나타내었다.
검출기는 발광면 바로 3 mm 위에 설치하였다. 최적화를 위한 변수로 RGBA LED 의 광 세기(Radiometric Power)를 지정하였고 색도거리(Chromaticity Distance)를 0.005 이하가 되도록 제한 조건을 설정하였다.
최적화의 결과를 실험적으로 검증하기 위하여 LED 등기구를 실제 제작하였다. 다중의 컬러 LED를 혼합하여 백색조명을 구현하는 경우 조명이 비추는 면의 색혼합도 중요하지만 조명 발광면에서의 색혼합도 중요하다.
최적화의 효과를 좀 더 구체적으로 보이기 위하여 색온도 4500 K 에서 임의로 선정한 조합과 최적화 과정을 통하여 산출한 조합의 스펙트럼과 그 광 특성을 비교하였다. 그림 5는 동일한 4500 K 를 갖는 스펙트럼을 나타내고 있다.
대상 데이터
따라서 본 논문에서는 시중에서 쉽게 구매 할 수 있는 RGBA LED를 사용하여 각각의 스펙트럼을 측정하고 이를 바탕으로 색온도가 가변되는 동안에도 높은 평균연색지수 (Ra)와 R9 값이 유지되도록 각각의 LED 광량비를 최적화 하였다. RGBA LED는 Cree와 Philips Lumileds 사의 제품을 사용하였다(Red : XPE RDO-L1-0000-00A01, Green : LXMLPM01-0090, Blue : XPE ROY-L1-0000-00903, Amber : LXMLPL01-0040).
그림 7은 실제 제작한 LED 등기구를 나타내고 있다. RGBA LED의 광 효율과 각각의 색온도에서 필요한 광량을 고려하여 LED의 개수는 Red LED 12개, Green LED 16개, Blue LED 8개, Amber LED 16개로 하였다. 그림 7(a)는 PCB module를 등기구 내부에 장착한 후 광 확산판 없이 점등한 사진이고 그림 7(b)는 광 확산판을 장착한 후 점등한 사진으로서 발광면의 색혼합이 잘 이루어진 것을 확인할 수 있다.
그림에서 볼 수 있듯이 스 펙트럼은 피크파장을 기준으로 다소 비대칭적인 모양을 가졌다. Red, Green, Blue, Amber LED 의 피크 파장은 각각 621, 530, 453, 590 nm 이며 이때 반치폭은 각각 16, 32, 21, 15 nm 를 가졌다.
따라서 색온도가 가변되는 동안에도 높은 연색성을 유지하는 스펙트럼을 찾기 위해서는 최적화 과정이 필요하다. 이와 같은 최적화를 수행하기 위해 상용 수학 해석 프로그램이나 기 제안된 최적화 알고리즘을 적용한 사례들이 있었다. [8,11] 그러나 이러한 최적화 방법들은 단순 화된 수학적 방법으로, 조명 기구 내에서 일어나는 기구물과 광선 사이의 복잡한 상호 작용 등을 고려하지 않아 실제 제작 시 설계값과 차이를 나타낼 가능성이 크다.
표 1은 본 논문에서 사용된 4 chip LED 조합(621-530-453-590 nm)을 이용하여 3000 K 에서 6000 K 까지 500 K 단위로 총 7가지 색온도의 최적화 전후의 광특성을 나타내고 있다. 최적화 전의 스펙트럼은 식(1)를 이용하여 색온도를 만족하는 임의의 조합을 선정한 것이다.
성능/효과
먼저 색온도의 경우 설계값과 비교하여 약간의 차이를 나타내는 것으로 보이지만 한국산업규격(KS) LED 등기구의 색온도 범위가 3000 K에서 ±175 K, 6500 K에서 ±510 K 인 점을 감안하면 미미한 수준이라 할 수 있다. 각 색온도에서의 평균연색지수(Ra)와 특별연색지수 R9의 값도 설계값과 거의 일치함을 확인할 수 있었으며 결론적으로 색온도가 가변되는 동안 평균연색지수(Ra) 및 R9의 평균값이 각각 89, 70에 달하는 조명 기구를 구현하였다.
그림 2는 모델링 방법에 의해 생성된 RGBA 스펙트럼을 이용한 합성 스펙트럼과 동일한 광량비를 만든 후 실제 측정한 스펙트럼을 비교한 결과이다. 동일한 광량비를 적용하였지만 모델링한 스펙트럼을 사용한 경우 색온도, 평균연색지수 (Ra), R9 값이 각각 4794 K, 82.4, 87.2 이었으며 측정한 스펙트럼의 경우 색온도, 평균연색지수(Ra), R9 값이 각각 4525 K, 89.7, 72.5로 설계값과 실제 측정값이 차이가 남을 확인할 수 있다.
최적화 설계는 실제 제작이 가능하도록 상용화되어 있는 LED 를 이용하여 수행하였으며 또한 설계의 정확도를 높이기 위하여 실제 측정한 LED 스펙트럼을 사용하였고 광선 추적 기법을 적용하여 광선과 기구물 사이의 상호 작용이 최적화될 수 있도록 고려하였다. 최종적으로 제작된 조명기기는 색온도가 3000 K~6000 K 로 가변되는 동안 평균연색지수(Ra) 87~90, R9은 34~93을 나타내었다.
따라서 최적화 시 초기 조건을 변경하면서 가능한 높은 연색지수를 얻도록 노력하였으나 표 1에서 산출한 연색지수가 이론적으로 얻을 수 있는 가장 높은 값이라고 말할 수는 없다. 하지만 이상적인 파장 대역을 갖는 LED 가 아닌 상용화 된 LED 의 조합을 이용한 것을 감안하면 3000 K 에서 6000 K 까지 색온도가 가변되는 동안 평균연색지수가 89~91 값을 갖는 것은 비교적 높은 수준이라 할 수 있다.
후속연구
앞서 언급한 바와 같이 본 연구에서는 설계의 정확도를 높이기 위하여 기구물과 광선의 상호 작용을 고려한 광선 추적기법을 사용하기 때문에 실제 제작될 등기구의 크기 및 기구물의 광학적 특성을 정확히 반영하는 것이 필요하다. 이를 위하여 분광반사율 측정기(Konica Minolta, CM-3700d) 및 산란측정기(J&C, RT-300S)를 통하여 알루미늄 벽면, 백색 도료를 착색한 PCB 바닥면, 광확산판 등의 반사-투과율, 산란 특성을 측정하여 설계에 반영하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수학적 해석 방법을 통해 LED를 조합하는 경우의 문제점은?
[5-10] 그러나 이러한 연구들의 경우 최적화 시 대부분 수학적 해석 방법을 사용하기 때문에 실제 LED의 스펙트럼을 이용하기 보단 이론적인 수식을 통해 모델링된 LED의 스펙트럼을 이용하여 LED 조합을 최적화 하고 있다. 이렇게 실제 스펙트럼과 다른 이상적으로 모델링된 LED 스펙트럼을 이용하여 설계하게 되면 제품을 만들게 되었을 때 색온도, 연색성 등 광학적 특성이 설계 값과 큰 차이를 보일 것 으로 예상된다. 또한 최적화에 의해 얻어진 혹은 사용된 LED 조합들은 시중에서 쉽게 구입하기 어려운 피크파장을 가지는 경우가 많아 실제 제품으로 제작이 힘든 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 시중에서 쉽게 구할 수 있는 LED 를 고려하였고 이상적인 스펙트럼이 아닌 실제 LED의 스펙 트럼을 측정하여 최적화를 수행하였다.
조명의 연색성이란?
[1] 이러한 요구를 반영하기 위하여 색온도 가변에 대한 연구가 진행 중에 있으나 조명의 연색성과 같은 인간의 감성에 영향을 미치는 광 특성은 고려하지 않은 연구가 많았다. [2-4] 조명의 연색성은 조명이 대상물을 비추었을 때 자연광과 비교하여 얼마나 대상물의 색을 유사하게 나타내는지를 나타내는 척도로서 일반적으로 연색지수(CRI)를 사용하여 정량화 한다. [5] 만약 조명의 색온도가 가변되는 동안 연색지수가 낮아진다면 사물의 색을 제대로 표현하지 못하여 불쾌감을 초래하게 된다.
색온도 가변 조명 설계 시 연색성을 고려해야 하는 이유는?
[2-4] 조명의 연색성은 조명이 대상물을 비추었을 때 자연광과 비교하여 얼마나 대상물의 색을 유사하게 나타내는지를 나타내는 척도로서 일반적으로 연색지수(CRI)를 사용하여 정량화 한다. [5] 만약 조명의 색온도가 가변되는 동안 연색지수가 낮아진다면 사물의 색을 제대로 표현하지 못하여 불쾌감을 초래하게 된다. 따라서 색온도 가변 조명을 설계함에 있어 연색성을 반드시 고려할 필요가 있다.
참고문헌 (11)
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