[논문]형광체 종류와 조성비에 따른 고연색 백색 LED의 색품질 평가

정희석; 염정덕

doi:10.4313/jkem.2017.30.7.463

[국내논문] 형광체 종류와 조성비에 따른 고연색 백색 LED의 색품질 평가
Color Quality Evaluation of High Color Rendering White LEDs According to Phosphor Types and Composition Ratio 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.30 no.7, 2017년, pp.463 - 468

Abstract ▼ AI-Helper

Eight types of LED packages were manufactured according to the type and composition ratio of phosphors by using commercially available white LED phosphors. CRI (Ra), a conventional color quality evaluation method was evaluated by using manufactured white LED; the Rf, Rg, color vector graphic, and color distortion graphic were evaluated with a new method, IES TM-30-15. The results of the evaluation confirmed that the new method compensated for the disadvantages of CRI, which was found to be inadequate when the color was saturated. The added evaluation index identified the chroma variation and color change. Furthermore, the study showed that the changes of Rf and Rg are small when controlling phosphors based on CRI, questioningthe necessity of identifyingchroma variation and color change.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 종래의 색품질 평가 방법인 CRI를 향상시키기 위해 적색 및 녹색형광체가 개발되어 적용되고 있으나 신규평가방법에 의한 색품질을 만족하는지 검증이 필요하다. 본 논문에서는 현재 상용화된 LED용 형광체를 이용한 패키지를 제작한 후 각각의 평가방법으로 색품 질을 비교함으로써 백색 LED 광원의 색품질 향상 방법에 대해 제시하고자 한다.

제안 방법

현재 상용화 된 백색 LED용 형광체를 이용하여 형광체 종류 및 조성비에 따라 8종의 패키지를 각각 제작하 였다. 제작된 백색 LED를 이용하여 종래의 색품질 평가 방법인 CRI (Ra)를 평가하고 신규 평가 방법인 IES TM-30-15에 의해 Rf, Rg, color vector graphic, color distortion graphic을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

LED 패키지는 450 nm의 피크파장을 갖는 GaN 기반의 청색 단일칩을 사용하고 그림 1과 같이 5.4×5.0 mm 크기의 표면실장형(SMD)으로 제작하였다.
형광체 종류 및 조성비에 따라 제작된 8종의 패키지 중에서 미국표준협회 규격(ANSI C78.377)에 따라 공칭 상관색온도(Nominal CCT)가 5,700 K (5,665 ± 355 K) 인 패키지 3종을 선정하였다 [10]. 해당되는 패키지는 표 4와 같이 황색형광체(YAG)가 8%인 패키지, 녹색형광체(silicate)가 9.

이론/모형

3 m, PSI社)를 이용하여 SPD(spectrum power distribution)를 측정하였다. 각각 5개씩 측정된 SPD 데이터의 평균값을 IES TM-30-15의 calculation tool에 적용하여 Rf, Rg, color vector graphic을 비교 평가 하였다.

성능/효과

첫째로 신규 평가 방법인 IES TM-30-15에 의한 평가 결과 YAG 형광체를 사용한 패키지는 기존 평가 방법의 문제점으로 지적되었던 채도가 포화될 경우 CRI가 낮게 평가되는 점이 보완되어 CRI보다 상대적으로 Rf가더 높은 결과를 확인하였다. 둘째로 기존 평가 방법에서 추가된 평가지수인 Rg, color vector graphic, color distortion graphic을 평가함으로써 채도의 증감과 색채 변화를 확인할 수 있었다. 마지막으로 황색형광체를 사용한 패키지의 경우 연색지수를 향상시키기 위해 형광체의 조성비를 조절하여 Ra가 69에서 75까지 향상되 었으나 신규 평가 방법에 의한 Rf는 74에 75로, Rg는 89에서 91로 큰 변화가 없음을 확인하였다.
마지막으로 황색형광체를 사용한 패키지의 경우 연색지수를 향상시키기 위해 형광체의 조성비를 조절하여 Ra가 69에서 75까지 향상되 었으나 신규 평가 방법에 의한 Rf는 74에 75로, Rg는 89에서 91로 큰 변화가 없음을 확인하였다. 기존 평가 지수인 CRI를 기준으로 형광체를 조절하는 것은 Rf와 Rg의 변화가 작으며 채도의 증감과 색채변화를 확인할 필요가 있음을 검증하였다.
첫째로 신규 평가 방법인 IES TM-30-15에 의한 평가 결과 YAG 형광체를 사용한 패키지는 기존 평가 방법의 문제점으로 지적되었던 채도가 포화될 경우 CRI가 낮게 평가되는 점이 보완되어 CRI보다 상대적으로 Rf가더 높은 결과를 확인하였다. 둘째로 기존 평가 방법에서 추가된 평가지수인 Rg, color vector graphic, color distortion graphic을 평가함으로써 채도의 증감과 색채 변화를 확인할 수 있었다.

후속연구

현재 기존 평가 방법인 CRI를 기준으로 인프라가 구축되어져 있으며 새로운 평가 지수를 적용하는 것은 국제적인 동의와 단계적인 전환이 필요하다. 향후 연구 과제로는 IES TM-30-15에 의해 높게 평가된 광원이 실제 사용자가 선호하고 색 차이를 구별하는데 효과적인 지에 대한 검증 실험이 진행될 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED 광원의 특징은 무엇인가?	LED 광원은 기존 광원과 달리 경제적이고 친환경적인 장점과 함께 가시광선을 포함하는 폭넓은 파장의 빛을 자유롭게 구현할 수 있다. 이러한 특징으로 IT기술과 접목하여 색과 밝기를 조절할 수 있는 제품이 출시되면서 고품질의 색을 구현하는 광원을 요구하고 있다 [1].
	백색 LED의 한계점을 해결하기 위한 방법은?	그러나 이러한 백색 LED의 스펙트럼은 청색과 황색의 파장간격이 넓어 고연 색성(Ra 80 이상)을 구현하기 어렵다 [2,3]. 이를 해결하기 위해 고연색성을 구현할 수 있는 녹색이나 적색 형광체의 개발에 초점이 맞추어지고 있다. 현재 LED용 형광체는 실리케이트계 형광체(Sr2SiO4:Eu2+ , Ba2SiO4 :Eu2+ ), 알루미 네이트계 형광체(YAG:Ce, LuAG:Ce), 산질화물계 형광체 (BaSi2O2N2 :Eu2+ , β-SiAlON:Eu2+ ), 질화물 등의 무기물계 형광체(La3Si6N11:Ce3+ , Sr2Si5N8 :Eu2+ , (Ca,Sr)AlSiN3 :Eu2+ ) 가 상용화 되어있다 [4,5].
	CIE 평균연색지수의 연색성 평가 과정은 어떻게 되는가?	그러나 현재 사용되고 있는 연색성 평가방법은 형광램프와 같은 기체방전램프의 밴드 스펙트럼을 평가하기 위해 개발되었고, LED와 같은 연속 스펙트럼을 가지는 백색광원이 개발되면서 다음과 같은 문제점들이 지적되고 있다. CIE 평균연색지수(Ra) 는 파스텔 컬러를 가지는 8개(R1~R8)의 시험색 시료를 사용하고, 기준광원을 비추었을 때 계산된 색도와 시험 광원 아래에서 측정된 색도의 차를 이용하여 하나의 산술 평균값으로 나타낸다. 서로 다른 스펙트럼을 가진 광원이라도 동일한 Ra를 가질 수 있으며 특수연색지수는 Ra 값으로 알 수 없다.

참고문헌 (11)

Y. S. Kwak and B. S. Koo, J. Korean Soc. Imag. Sci. Technol., 19, 19 (2013).
C. C. Yang, C. M. Lin, Y. J. Chen, Y. T. Wu, S. R. Chuang, R. S. Liu, and S. F. Hu, Appl. Phys. Lett., 90, 123503 (2007). [DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.2714326]

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H. W. Choi and J. H. Ko, Korean J. Opt. Photon., 24, 64 (2013). [DOI: http://dx.doi.org/10.3807/KJOP.2013.24.2.064]

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C. H. Kim, Ceramist, 16, 13 (2013).

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N. Kimura, K. Sakuma, S. Hirafune, and K. Asano, Appl. Phys. Lett., 90, 051109 (2007). [DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.2437090]

상세보기
International lighting vocabulary, CIE 17.4 (1987).
Method of measuring and specifying colour rendering properties of light sources, CIE 13.3 (1995).
Colour Rendering of White LED Light Sources, CIE 177 (2007).
IES Method for Evaluating Light Source Color Rendition, IES TM-30-15 (2015).
Specifications for the Chromaticity of Solid-state Lighting Products, ANSI NEMA ANSLG C78.377 (2015).
A. David, P. T. Fini, K. W. Houser, Y. Ohno, M. P. Royer, K.A.G. Smet, M. Wei, and L. Whitehead, J. OSA, 23, 15889 (2015). [DOI: http://doi.org/10.1364/OE.23.015888]

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