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문제 정의
- 이 구조에 대해 전류 변화에 따른 특성은 선행연구[14]를 통해 이미 보고한 바 있다. 본 연구에서는 기존의 코팅 형광체와 이격 형광체가 적용된 두 종류의 백색 LED에 대해 이들의 온도 변화에 따른 분광특성을 측정한 후 효율 및 색도 안정성의 관점에서 분석을 하고자 하였다.
- 본 연구에서는 기존의 형광체 코팅형 백색 LED와 형광체를 LED 칩으로부터 일정 거리만큼 분리한 이격 형광체형 백색 LED의 발광 특성을 온도의 함수로 조사하였다. 상온에서 80℃까지 온도를 올리며 두 백색 LED의 색좌표, 휘도, 그리고 스펙트럼을 조사하였다.
가설 설정
- (a) Temperature dependence of the luminance of both white LEDs. (b) Normalized luminance with respect to the value at room temperature as a function of temperature.
제안 방법
- 아울러, 이격 형광체를 값싸고 효율적으로 제조할 수 있는 재료와 공정에 대한 연구도 많이 진행되고 있다[10-13]. 이 연구에서는 Figure 1(b)에 보이는 것처럼 반구형의 투과형 이격 형광체 구조를 LED 칩에 적용해서 백색광을 구현하였다. 이 구조에 대해 전류 변화에 따른 특성은 선행연구[14]를 통해 이미 보고한 바 있다.
- LED의 온도에 따른 특성 변화를 조사하기 위해 투명한 유리창이 달려 있는 가열로 속에 LED를 고정시킨 후, 분광휘도계(PR-670, Photo Research)와 LED 사이의 거리를 1m로 유지하여 LED의 휘도와 색좌표, 발광 스펙트럼을 측정하였다. 상온(25℃)에서부터 80℃까지 5℃ 단위로 온도를 증가시켰고, 측정 중 온도의 변화폭은 ±0.
- 반구형 형광체입자를 감싸고 있는 투명 수지의 굴절률은 1.63, 밑면 반사판의 반사율은 100%로 설정하였고 반사는 가우시안 분포(퍼짐 각도=20°)를 가지는 확산 반사로 설명하였다.
- 상온(25℃)에서부터 80℃까지 5℃ 단위로 온도를 증가시켰고, 측정 중 온도의 변화폭은 ±0.05도 이내로 조절하였다.
- 본 연구에서는 기존의 형광체 코팅형 백색 LED와 형광체를 LED 칩으로부터 일정 거리만큼 분리한 이격 형광체형 백색 LED의 발광 특성을 온도의 함수로 조사하였다. 상온에서 80℃까지 온도를 올리며 두 백색 LED의 색좌표, 휘도, 그리고 스펙트럼을 조사하였다. 그 결과 이격 형광체형 백색 LED의 휘도유지율, 색좌표 유지율이 일반 백색 LED에 비해 뛰어나다는 것을 알 수 있었다.
- 이 영향을 알아보기 위해 상용 소프트웨어(LightTools, Synopsys Optical Solutions)를 사용, 이격형광체 적용 백색 LED에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에서는 주파장이 455 nm인 청색 lateral LED 칩 위에 두께가 0.1 mm인 반구형 이격형광체를 배치한 후 반구의 반지름을 2에서 10mm까지 변경시켰다. YAG 형광체의 특성은 문헌상의 데이터[21]를 이용하였고 형광체의 평균 입경은 11 μm로 설정했다.
- 온도 상승에 따른 발광 스펙트럼의 변화를 보다 정량적으로 분석하기 위해 측정된 발광스펙트럼을 곡선맞춤(fitting)할 수 있는 함수를 조사하였다. 이러한 방법은 발광스펙트럼을 구성하는 피크의 중심파장, 폭, 세기, 비대칭성 등 스펙트럼의 특성을 표현하는 매개변수들을 정량적으로 조사하는데 있어서 매우 유용하게 활용되어 왔다[14-19] .
- 05도 이내로 조절하였다. 온도는 K-타입(chromel-alumel) 열전대(thermocouple)를 이용해 측정하였다. 해당 온도에 도달한 후 LED를 1분 정도 발광시킨 후에 광 특성을 측정하였다.
- 본 실험에서는 고정된 반지름을 가진 이격형광체에 대한 실험 결과만을 담고 있으므로 이격형광체의 반지름이 백색 LED의 효율에 미치는 영향에 대해서는 논의할 수 없었다. 이 영향을 알아보기 위해 상용 소프트웨어(LightTools, Synopsys Optical Solutions)를 사용, 이격형광체 적용 백색 LED에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에서는 주파장이 455 nm인 청색 lateral LED 칩 위에 두께가 0.
- 일반 백색 LED의 자세한 제작 과정은 이미 발표된 바 있다[15, 16]. 이격 형광체형 백색 LED의 칩은 동일한 패키지를 사용하였고 파장변환층의 역할을 하는 형광체층은 상용화되어 판매되는 반구형 이격 형광체를 구하여 활용하였다. Figure 1(c)는 위의 과정을 통해 제작된 기존 백색 LED의 실물 모습이고 Fig.
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온도는 K-타입(chromel-alumel) 열전대(thermocouple)를 이용해 측정하였다. 해당 온도에 도달한 후 LED를 1분 정도 발광시킨 후에 광 특성을 측정하였다. 구동전압 및 전류는 온도가 변하더라도 동일한 값을 유지하도록 조정하였고 일반
대상 데이터
- YAG 형광체의 특성은 문헌상의 데이터[21]를 이용하였고 형광체의 평균 입경은 11 μm로 설정했다.
- 333 (색온도 ~5600K)이 충족되도록 하였다. 일반 (코팅형) 백색 LED 제작에 사용된 청색 LED 패키지(ITSWELL-IWS-L5056-UB-K3)의 중심 파장은 455~460nm 영역이었고, 사용된 황색 형광체는 YAG(Y3Al5O12:Ce)계 형광체(Intermatix, YAL539-02)였다. 자외선 경화 에폭시인 NOA 65(Norland Optical Adhesive)을 봉지재로 사용하였으며, 혼합양은 형광체 0.
- 일반 (코팅형) 백색 LED 제작에 사용된 청색 LED 패키지(ITSWELL-IWS-L5056-UB-K3)의 중심 파장은 455~460nm 영역이었고, 사용된 황색 형광체는 YAG(Y3Al5O12:Ce)계 형광체(Intermatix, YAL539-02)였다. 자외선 경화 에폭시인 NOA 65(Norland Optical Adhesive)을 봉지재로 사용하였으며, 혼합양은 형광체 0.6971g에 에폭시 2.7721g이였다. 일반 백색 LED의 자세한 제작 과정은 이미 발표된 바 있다[15, 16].
성능/효과
- Figure 2와 비교를 해 보면 두 LED의 온도에 따른 휘도 변화와 매개변수 A의 변화가 매우 비슷한 양상을 보이고 있음을 알 수 있다. Figure 6(c)에 표현된 반치폭은 이격 형광체 적용 백색 LED의 폭이 더 넓다는 것을 보여주고 있고, 이에 따라 이 LED의 연색지수 특성이 더 우수할 것으로 예상된다. Figure 6(d)는 황색 피크의 좌우 비대칭성을 나타내는 두 매개변수의 온도 변화를 보여주고 있는데, w2와 w3 모두 온도 상승에 따라 단조증가하는 경향을 보이면서 황색 피크의 전체적인 폭이 조금씩 늘어나고 있음을 나타낸다.
- 이러한 결과는 LED 칩과 형광체가 분리된 이격 형광체형 LED의 발광효율 및 온도 변화에 대한 휘도 유지율이 더 좋다는 것을 의미한다. 가열로 속의 온도가 동일하게 설정되어 있었지만 LED 칩의 온도, 특히 접합부의 온도는 도포된 형광체층에 의해 둘러쌓여 있는 일반 형광체 구조에서 더 높을 것으로 예상되고 아울러 칩의 국소적인 온도 상승으로 인해 도포층의 형광체 온도도 더 높을 것으로 보인다. 형광체를 구성하는 모체(host)의 열적 진동은 온도가 상승하면 더 심해지면서 활성체(activator)의 전자가 여기상태에서 바닥상태로 비복사의 형태로 전이하면서 열로 바뀔 가능성이 높아진다.
- 향후 이격 형광체 구조는 백색 LED의 효율 형상과 장기신뢰성의 개선에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 광학 시뮬레이션을 통해 이격 형광체의 반지름에 따른 발광효율을 조사한 결과, 형광체의 반지름이 커질수록 백색 LED의 발광효율이 증가한다는 것을 알 수 있었다.
- 상온에서 80℃까지 온도를 올리며 두 백색 LED의 색좌표, 휘도, 그리고 스펙트럼을 조사하였다. 그 결과 이격 형광체형 백색 LED의 휘도유지율, 색좌표 유지율이 일반 백색 LED에 비해 뛰어나다는 것을 알 수 있었다. 적절한 함수를 이용해 스펙트럼 상 청색 및 황색 피크를 곡선맞춤해서 중심파장, 폭, 비대칭성 등을 조사한 결과 이격 형광체형 백색 LED의 스펙트럼의 형상 변화가 더 작은 것을 알 수 있었다.
- 이러한 방법은 발광스펙트럼을 구성하는 피크의 중심파장, 폭, 세기, 비대칭성 등 스펙트럼의 특성을 표현하는 매개변수들을 정량적으로 조사하는데 있어서 매우 유용하게 활용되어 왔다[14-19] . 분광학에 사용되는 다양한 형태의 함수를 적용한 결과, 청색 LED 칩에 의해 형성되는 450 nm 부근의 피크에는 Gaussian Lorentz-Cross Product Function(GLCP)이, 형광체에 의해 형성되는 황색 피크에는 Asymmetric double sigmoidal Function (ADSF)이 가장 적합하였다. GLCP와 ADSF는 각각 식 (1)과 식 (2)에 그 형태가 제시되어 있다.
- 반면에 이격 형광체 구조 속의 형광체는 가열로 내 설정된 온도와 거의 동일한 온도를 유지할 것으로 예상된다. 상대적으로 낮은 형광체 온도에 따른 효율 저하폭의 감소, 그리고 칩과의 상대적 거리가 큰 데 따른 빛의 흡수 손실의 감소가 이격 형광체형 백색 LED가 발광효율의 측면에서 기존 형광체 도포형 LED보다 더 우수한 특성을 나타낸 원인인 것으로 판단된다. 고출력 LED 패키지에 대한 실험에서도 형광체의 효율이 이격 형광체 구조에서 50% 이상 상승했다는 보고가 있다[4] .
- 2(b)와 같다. 상온에서 80℃까지의 온도 구간에서 이격 형광체의 휘도 감소율이 10% 정도인데 반해 일반 형광체는 27% 정도로 약 3배 정도 더 휘도가 감소하는 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 LED 칩과 형광체가 분리된 이격 형광체형 LED의 발광효율 및 온도 변화에 대한 휘도 유지율이 더 좋다는 것을 의미한다.
- 적절한 함수를 이용해 스펙트럼 상 청색 및 황색 피크를 곡선맞춤해서 중심파장, 폭, 비대칭성 등을 조사한 결과 이격 형광체형 백색 LED의 스펙트럼의 형상 변화가 더 작은 것을 알 수 있었다. 이러한 특성은 LED 칩과 형광체의 분리에 따라 LED 칩 및 이격 형광체의 온도가 상대적으로 낮아 상대적으로 높은 발광효율을 유지할 수 있었고 아울러 형광체에서 발광된 빛이 LED 칩 쪽으로 돌아가 흡수되는 확률이 줄어들었기 때문인 것으로 해석되었다. 향후 이격 형광체 구조는 백색 LED의 효율 형상과 장기신뢰성의 개선에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
- 43배 정도 더 크다는 것을 알 수 있다. 이상의 결과는 이격 형광체 구조가 적용된 LED가 일반 코팅형 백색 LED에 비해 발광효율뿐 아니라 색도 안정성 측면에서도 우수하다는 것을 보여준다. 형광체의 온도가 높아지면 활성자의 여기상태와 바닥상태 사이의 에너지 차이도 변하면서 청색천이(blue shift) 혹은 적색천이(red shift)가 발생하고 이는 온도가 올라감에 따라 더 심해진다[2].
- 그 결과 이격 형광체형 백색 LED의 휘도유지율, 색좌표 유지율이 일반 백색 LED에 비해 뛰어나다는 것을 알 수 있었다. 적절한 함수를 이용해 스펙트럼 상 청색 및 황색 피크를 곡선맞춤해서 중심파장, 폭, 비대칭성 등을 조사한 결과 이격 형광체형 백색 LED의 스펙트럼의 형상 변화가 더 작은 것을 알 수 있었다. 이러한 특성은 LED 칩과 형광체의 분리에 따라 LED 칩 및 이격 형광체의 온도가 상대적으로 낮아 상대적으로 높은 발광효율을 유지할 수 있었고 아울러 형광체에서 발광된 빛이 LED 칩 쪽으로 돌아가 흡수되는 확률이 줄어들었기 때문인 것으로 해석되었다.
후속연구
- 이러한 특성은 LED 칩과 형광체의 분리에 따라 LED 칩 및 이격 형광체의 온도가 상대적으로 낮아 상대적으로 높은 발광효율을 유지할 수 있었고 아울러 형광체에서 발광된 빛이 LED 칩 쪽으로 돌아가 흡수되는 확률이 줄어들었기 때문인 것으로 해석되었다. 향후 이격 형광체 구조는 백색 LED의 효율 형상과 장기신뢰성의 개선에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 광학 시뮬레이션을 통해 이격 형광체의 반지름에 따른 발광효율을 조사한 결과, 형광체의 반지름이 커질수록 백색 LED의 발광효율이 증가한다는 것을 알 수 있었다.
- 고체발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)는 단순 표시등이나 특수 조명 용도를 넘어서 액정표시장치용 백라이트의 광원으로 광범위하게 사용되고 있고 아울러 일반 조명시장으로도 급속히 침투하고 있다. 형광등이나 백열전구와 같은 기존 광원보다 환경친화적이고 소비전력이 작을 뿐 아니라 디지털 디밍(dimming)이나 가시광 통신 등 새로운 가치를 창출할 수 있다는 면에서 LED의 활용 분야는 앞으로도 지속적으로 늘어날 것으로 기대된다. 백색 LED는 일반적으로 청색 혹은 자외선을 방출하는 단파장의 LED 칩 위에 파장변환물질인 형광체를 도포해서 백색을 구현한다[1] .
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