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색온도 가변 LED 조명 최적화 설계 및 제작

Optimization and Fabrication of Color Temperature Tunable White LED Luminaires

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.25 no.2, 2014년, pp.102 - 107  

강다일 (LED-해양 융합기술 연구센터 광학설계팀) ,  김근율 (LED-해양 융합기술 연구센터 광학설계팀) ,  유영문 (LED-해양 융합기술 연구센터 광학설계팀) ,  최희락 (부경대학교 재료공학과)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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.
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참고문헌 (11)

  1. I.-T. Kim, J.-Y. Kim, and A.-S. Choi, "A basic study of control algorithm for development of the adjustable CCT LED lighting system in architectural spaces," in Proc. The Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers 2011 Spring Conference (2011), pp. 73-74. 

  2. J.-S. Lee, W.-D. Kim, and S.-Y. Kim, "Sensibility evaluation of LED lighting and fluorescent lamp based on color," Proc. Architectural Institute of Korea 25, 04 (2009). 

  3. Y. J. Park, J. H. Choi, and M. G. Jang, "Optimization of light source combination through the illuminance and color temperature simulation of circadian lighting apparatus," Int. J. Contents 9, 248-254 (2009). 

  4. J.-S. Yang, "A study on the autumn LED emotional lighting color through the comparative analysis of the daylighting and LED lighting color," Journal of the Korea Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers 25, 1-13 (2011). 

  5. Y. Ohno, "Color rendering and luminous efficacy of white LED spectra," Proc. SPIE 5530, Fourth International Conference on Solid State Lighting, 88 (October, 2004). 

  6. G. He and L. Zheng, "Color temperature tunable whitelight- emitting diode clusters with high color rendering index," Appl. Opt. 49, 4670-4676 (2010). 

  7. Z. Lei, G. Xia, L. Ting, G. Xiaoling, L. Q. Ming, and S. Guangdi, "Color rendering and luminous efficacy of trichromatic and tetrachromatic LED-based white LEDs," Microelectronics Journal 38, 1-6 (2007). 

  8. P. Zhong, G. He, and M. Zhang, "Spectral optimization of the color temperature tunable white light-emitting diode (LED) cluster consisting of direct-emission blue and red LEDs and a diphosphor conversion LED," Opt. Express 20, A684-A693 (2012). 

  9. Y. Ohno, "Spectral design considerations for white LED color rendering," Opt. Eng. 44, 111302 (2005). 

  10. G. He and L. Zheng, "White-light LED clusters with high color rendering," Opt. Lett. 35, 2955-2957 (2010). 

  11. H. Ries, I. Leike, and J. Muschaweck, "Optimized additive mixing of colored light-emitting diode sources," Opt. Eng. 43, 1531-1536 (2004). 

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