npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
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Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2021; 71: 879-884

Published online October 29, 2021 https://doi.org/10.3938/NPSM.71.879

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

A Study on Simultaneous Improvement of S/P Ratio and Color Rendering Properties of CCT-tunable Phosphor-Converted LED Lighting Located on the Planckian Locus

Jong Oh KIM1, Uh Chan RYU2*

1Printed Electronics Technology Research Center, Pukyong National University, Busan 48547, Korea
2Interdisciplinary Program of LED and Solid State Lighting Engineering, Pukyong National University, Busan 48547, Korea

Correspondence to:ucryu@pknu.ac.kr

Received: July 5, 2021; Revised: August 28, 2021; Accepted: August 30, 2021

The higher the scotopic to photopic (S/P) ratio is the better is the visual performance and efficiency of outdoor lightings. The S/P ratio is determined from the spectrum of light. The S/P ratio and the color rendering indices (CRIs) have a trade-off relation; therefore, optimizing them simultaneously to certain levels through spectral combinations is important. The combination of warm white (WW) LEDs and cool white (CW) LEDs is more efficient and easier to control than that of the multi-chip LEDs that are often used in CCT-controllable lighting. However, the quality of the lighting changes undesirably away from the Planckian locus during CCT tuning other than that on the two initial points of the two phosphor-converted (pc) LEDs. In this research, a method of tracing the Planckian locus during CCT tuning of CCT-tunable LED lighting composed of two pc-LEDs is proposed and is optimized through simulations so as to manufacture an actual and measurement results are also presented.

Keywords: CCT-tunable, Phosphor-converted LED, Outdoor LED lighting, Photopic to scotopic ratio

눈은 반사를 통해 들어오는 물체의 색상, 명도, 채도를 인지하나 주변 휘도에 따라 명소시(photopic vision), 박명시(mesopic vision), 암소시(scotopic vision) 3단계로 순응하여 빛을 인지한다 [1]. 이 특성을 고려하여 북미조명학회(Illumination Engineering Society, IES)와 국제조명위원회 (International Commission on Illumination, CIE)에서 야간조명 정량화 방법과 함께 주요 파라메터인 scotopic to photopic ratio(S/P ratio)를 공식화하여 발표한 후, 야간조명 효율 개선과 보행자 조명환경 최적화 연구, 특성 평가방법, 설치기준 등이 제시되었다 [25]. S/P ratio가 높은 조명은 mesopic vision 하에서 더 밝게 보이며, 소비전력(power)을 감소시킬 수 있는 장점이 있다 [6]. 이러한 연구결과를 바탕으로, IES Technical memorandum(TM)-12-12에서 조명별 S/P ratio 특정값을 표 1과 같이 제시하였으며, 이 값을 기준으로 LED조명의 S/P ratio를 설계, 제작하고 있다 [1].

Table 1 . Typical S/P ratio values by lightings [2].

Lamp TypeTypical S/P Ratio
Low-Pressure Sodium0.25
High-Pressure Sodium0.66
Halogen Headlamp1.43
Linear Fluorescent1.3 to 2.3
Metal Halide1.26 to 2.1
Warm White LED1.21
Cool White LED2.04


이러한 S/P ratio는 조명의 분광(spectrum)에 따라 결정되고, 상관색온도(correlated color temperature, CCT)에 따라 달라지며, 연색지수(color rendering index, CRI)와 trade-off 관계에 있으므로 스펙트럼 조합을 통해 일정 수준까지만 동시에 향상이 가능하다 [79].

주변상황에 따라 환경변화가 민감한 도로조명의 CCT 선택 과정은 복잡하다 [10,11]. 사람의 눈은 CCT 5,000 K – 6,000 K를 선호하나, 안개, 우천 상황에서는 빛이 빗방울에 산란하여 도로면에 조사되지 못하고, 야간도로조명으로써 기능이 저하된다. 일몰과 일출 주기에 따라 CCT가 변하는 감성조명, 자동 밝기조절과 사고 예방 알림 조명 등 운전자 안전을 위한 기술들이 개발되고 있다 [1214]. 여기에 사용되는 CCT조절형 LED조명은 RGB 또는 RGBY의 멀티칩 LED를 조합하거나, warm white LED(WW-LED)와 cool white LED(CW-LED) 조합하는 방법으로 제작된다 [14]. WW-LED와 CW-LED 조합은 멀티칩 LED조명보다 광효율이 높고 CCT 제어가 쉽기 때문에 CCT조절형 조명에 많이 사용하고 있으나, Fig. 1과 같이 CCT 조절 시 플랑크 곡선(Planckian locus) 범위, 즉 CCT별 흰색의 범위를 벗어나서 조명의 특성이 원하지 않는 방향으로 변화한다.

Figure 1. (Color online) (u′, v′) locations during CCT tuning of CCT-tunable LEDs composed of multi-chip LEDs or phosphor-contented WW and CW LEDs

따라서 본 연구에서는 WW-LED 및 CW-LED를 조합한 CCT조절형 조명에 있어서 CCT를 조절하는 과정에서 Planckian locus를 벗어나지 않는 방법을 제시하고, 시뮬레이션을 통해 광학특성을 예측하며, 실제 WW-LED 및 CW-LED를 조합한 CCT조절형 조명을 제작하여 측정을 통해 결과를 확인하였다. 시뮬레이션과 측정을 수행한 광학특성은 CCT 2,700 K 6,500 K 범위에서 S/P ratio을 비롯하여 연색특성으로써 CRI(RaR9−14), 색상품질척도(color quality scale, Qa), 색충실도(color fidelity, Rf ), 색재현영역(color gamut, Rg)이다. 제안한 방법에 따른 시뮬레이션 결과를 제곱평균제곱근(root mean square, RMS) 값을 비교하여 최적화된 스펙트럼을 제시하였고 [15], 이 연구결과를 바탕으로 LED조명을 제작하였다. 제작한 CCT 조절형 LED조명은, 자체 제작한 PWM 컨트롤러와 휴대폰 어플리케이션을 이용하여 CCT를 조절하였고, 교정된 적분구시스템에서 CCT조절형 LED조명의 CCT별 S/P ratio와 연색특성을 측정하였으며, 시뮬레이션 결과값과 비교하였다.

CIE 13.3 연색지수 평가방법, XY Z 색 표시계 및 X10Y10Z10 색 표시계에 따른 색 표시방법, KS A 0068 광원색 측정방법, KS C 0075 광원의 연색성 평가방법, KS C 0076 광원의 분포 온도 및 색온도, 상관 색온도의 측정방법, S/P ratio 계산공식 등 국내 외 표준, 계산식을 바탕으로 광학특성을 계산하는 프로그램을 제작하였다 [1621]. 제작된 시뮬레이션 프로그램의 유효성은 교정된 직경 50 cm 적분구 시스템에서 halogen 광원, 인증표준물질인 LED package(PKG)의 스펙트럼을 측정하여 ‘O’사의 color calculator 7.77에 입력하고 계산된 결과를 비교하여 검증하였다 [8,9].

‘L’ 사의 WW-LED(CCT 2,200 K) 와 ‘C’ 사의 CWLED(CCT 7,000 K) 를 적분구시스템에서 정격 (Vf = 3 V, If = 100 mA) 인가 후 스펙트럼을 측정하였다. 측정된 스펙트럼과 가우시안 분포로 근사한 단색 LED 스펙트럼 (480 nm – 660 nm)을 최대값 1로 정규화하였다. 최대값이 1로 정규화된 스펙트럼을 일정비율로 조합하여, 목표 CCT 조합을 위해 개별 출력을 범위 내에서 조절하고, Duv±0.005 이내로 제한한다. 구체적인 스펙트럼 조합 방법과 파장범위, 목표 CCT, 시뮬레이션 순서는 다음과 같다 [15].

① WW-LED와 CW-LED, 단색 LED 480 nm의 스펙트럼을 정규화하고, WW-LED를 0.1 – 1배까지 0.1배 간격, CW-LED를 1 – 0.1배까지 0.1배 간격, 단색 LED 480 nm를 0.1 – 2배까지 0.2배 간격으로 증가와 감소시키며 조합한다. 이때 CCT 2,700 K, Duv± 0.005 범위에서 S/P ratio가 최고일 때 연색특성을 계산한다.

② CCT를 3,000 K, 3,500 K, 4,000 K, 4,500 K, 5,000 K, 5,700 K, 6,500 K로 변경하면서 과정 ①을 반복한다.

③ 단색 LED를 480 nm에서 660 nm로 10 nm씩 증가시키면서 ① – ②의 과정을 반복한다.

CIE 시험색 평가방법으로 CRI를 계산하면, 개별 Ri 값 차이에도 불구하고, 평균값은 최소값보다 높게 계산된다. 또한 모든 CCT에서 S/P ratio와 모든 연색특성 값이 높은 LED조명 제작을 위해 식 (1) 을 이용하여 RMS 값인 ERMS,k 로 평가하였다 [15].

ERMS,k=1k i=mn1t CCTRrefRi,CCT2

여기서 k = n − m + 1로서, m은 연색지수 아래 첨자 i의 최소값, ni 의 최대값이고, Rref 는 기준 값으로써, Ra;Qa;Rf 는 100, Rg 는 120, S/P ratio는 5로 설정하였다. t는 시뮬레이션에서 도출한 CCT 명목값의 개수 8이다[15]. 모든 CCT에서 스펙트럼 조합을 통한 시뮬레이션 결과 중 R1 −R14 의 값이 0 또는 음수(−)로 산출되는 조합결과는 제외하였다. Figure 2는 상기 조건을 만족하는 단색 LED 500 nm – 570 nm 조합의 ERMS,k 평가결과이다.

Figure 2. Comparison of ERMS values by adding single wavelength LED to CCT-tunable LEDs of CW and WW LEDs.

연색특성이 높은 파장은 550 nm이며, S/P ratio는 파장이 500 nm에서 가장 높고, 570 nm로 이동할수록 떨어진다. 높은 S/P ratio와 일정수준 이상의 연색특성을 갖는 LED 조명 제작을 위해 WW-LED와 CW-LED, 그리고 510 nm LED 조합을 선정하였다. 시뮬레이션 결과 모든 CCT에서 Ra > 80,R9−14 > 70,Qa > 82,Rf > 79,Rg > 98, S/P ratio는 1.58, 1.69, 1.83, 1.96, 2.09, 2.14, 2.21, 2.23이다[15].

적분구시스템에서 측정된 WW-LED, CW-LED 스펙트럼데이터는 스펙트럼조합 시뮬레이션과 LED모듈 제작을 위한 light-tool시뮬레이션에 사용하였다. Figure 3은 ‘L’사의 WW-LED(CCT 2,200 K)와 510 nm 단색 LED, 그리고 ‘C’사의 CW-LED(CCT 7,000 K)의 스펙트럼을 적용하여 Light-tool 8.5로 모델링한 LED PKG이다. PWM 제어시스템에서 정상 구동(12 V, 100 mA)하도록 WW-LED, CW-LED, 510 nm LED PKG를 배치하여 LED모듈을 제작하였다.

Figure 3. (Color online) LED packages used in 3D modeling and simulation by Light-tools program.

Figure 4는 CCT 조절 시 음영이 생기지 않도록 LED PKG 배치와 거리를 시뮬레이션하여 제작한 LED모듈과 개별점등 사진이다. 교정된 적분구 시스템에 LED조명을 고정하고, 흡수율을 측정하여 보정하였다. 목표 CCT의 비율에 맞도록 WW-LED, CW-LED, 그리고 510 nm LED를 각각의 전류를 제어하여 스펙트럼, 광학특성을 측정하였다.

Figure 4. (Color online) Fabricated LED lighting module composed of WW, CW, and single wavelength LEDs.

Figure 5는 LED조명 휴대폰 어플리케이션으로 제어할 수 있는 PWM 제어시스템과 적분구시스템의 측정 구성도이다 [15]. 휴대폰 어플리케이션은 최대 4개 채널에 각각 0% – 100%의 전류값을 1%로 제어가 가능하며 블루투스로 컨트롤드라이버와 연결되고, WW-LED, CW-LED, 그리고 단색 LED의 전류값을 각각 제어한다.

Figure 5. (Color online) PWM control system operated by mobile phone application for CCT-tunable LED lighting and integrating sphere system for measurements [15].

Figure 6은 LED조명을 목표 CCT에서 측정한 결과로써 Planckian locus에서 Duv ±0.003 이내로 제한하여 측정하였다. Figure 7은 시뮬레이션과 적분구에서 측정한 시뮬레이션 스펙트럼(a), 제작한 LED조명의 측정 스펙트럼(b), S/P ratio(c), Ra(d), R9-14(e), Qa(f), 그리고 RfRg(g)이다. 시뮬레이션 결과와 제작한 CCT조절형 LED조명의 측정결과를 CCT별로 비교하여 표 2에 나타내었다.

Table 2 . Comparison of simulation and measurement results.

CCT (K)S/PRaR9-14QaRfRg
Simulation Values2,7001.5880708279101
3,0001.6981728381102
3,5001.8382758480101
4,0001.9687788685102
4,5002.0991809190102
5,0002.1493829593102
5,7002.2189839493100
6,5002.238575878698
Measured Values2,7001.568688929297
3,0001.638789929299
3,5001.7988889291100
4,0001.9192849090100
4,5001.9994819286101
5,0002.196809588100
5,7002.179380958998
6,5002.228776898697


Figure 6. (Color online) (u′, v′) deviation around Planckian locus of CCT-tunable LED lighting at target CCTs of 2,700 K, 3,000K, 3,500 K, 4,000K, 4,500 K, 5,000K, 5,700 K, and 6,500 K.

Figure 7. (Color online) Comparison of simulated and measured results according to CCT-tunable LEDs in combination of WW-LED, CW-LED, and 510 nm LED. (a) simulated spectra, (b) measured spectra, (c) S/P ratio, (d) Ra, (e) R9∼14, (f) Qa, and (g) Rf and Rg.

S/P ratio는 photoipc vision과 scotopic vision의 비율로, photopic vision인 555 nm의 스펙트럼비율이 많을수록 S/P ratio는 낮아지고, CRI는 향상된다. 시뮬레이션과 실제 LED조명의 측정결과의 청색 LED의 방출파장의 재흡수오차[22]가 발생하였다. 제작한 LED조명은 청색 LED 방출 파장의 재흡수로 인해 530 nm, 540 nm의 스펙트럼 비율이 높아 시뮬레이션 결과보다 S/P ratio는 감소하고, 연색특성은 향상되었다. 다만 RfRg 의 경우 Rf 가 증가하면 Rg는 감소하며 그 영향에 의한 변화가 보인다. 제작된 LED조명의 S/P ratio는 1.56, 1.63, 1.79, 1.91, 1.99, 2.1, 2.17, 2.22이며, IES TM 12-12에서 제시한 S/P ratio의 WW-LED 특정값인 1.21보다 0.35 – 0.58, CW-LED 특정값인 2.04보다 0.06 – 0.18 향상되었다 [2].

본 연구에서는 매트랩으로 제작한 스펙트럼조합 시뮬레이션 프로그램을 이용하여, WW-LED, CW-LED, 그리고 단색 LED를 조합하여 Planckian locus를 추적하는 LED 스펙트럼 조합방법을 제시하고, S/P ratio, 연색특성을 RMS로 비교하며, 최적화된 스펙트럼 조합비율을 제시한 후[15], 형광체형 LED로 제작한 WW-LED과 CW-LED, 그리고 510 nm LED를 조합하여 실제 CCT조절형 LED조명을 제작하였다. PWM 제어와 휴대폰 어플리케이션, 적분구 시스템을 이용하여 CCT조절 형광체형 LED조명의 CCT별 S/P ratio와 연색특성을 측정하고, 시뮬레이션 결과값과 비교하였다. 시뮬레이션에 따르면, 명소시의 비시감도 최고파장인 555 nm에 근접할수록 CRI가 높고, 암소시의 비시감도 최고파장인 505 nm에 근접할수록 S/P ratio가 향상된다. S/P ratio는 500 nm에서 가장 높고, 570 nm로 이동할수록 떨어진다 [15]. RMS평가를 통해 도출된 WW-LED와 CW-LED, 그리고 510 nm LED를 바탕으로 [15], 실제 CCT조절형 LED조명을 제작하였다. 적분구에서 CCT를 조절하면서 광학특성을 측정하였으며, 그 결과 모든 CCT에서 Ra > 86,R9-14 > 76,Qa > 89,Rf > 86,Rg > 97로 나타났다. S/P ratio는 모든 CCT에서 각각 1.56, 1.63, 1.79, 1.91, 1.99, 2.1, 2.17, 2.22이며, 이 S/P ratio 값은 IES TM 12-12에서 제시한 WW-LED 특정값 1.21보다 0.35 – 0.58, CW-LED 특정값 2.04보다 0.06 – 0.18 향상되었다[2]. 결론적으로, WW-LED, CW-LED 그리고 510 nm 단일파장 LED의 스펙트럼 조합을 최적화하여 Planckian locus 위를 벗어나지 않고, 박명시에서 보다 높은 효율과 연색특성을 갖는 CCT조절 형광체형 LED실외조명 제작이 가능함을 확인하였다.

이 논문은 2020년 교육부와 한국연구재단의 지역대학우수과학자지원사업 (과제 : NRF-2020R1l1A3A04037827) 과제의 지원을 받아 수행되었으며, 유휴저활용장비이전지원사업의 지원을 받은 장비를 활용하였습니다.

  1. D. L. DiLaura, K. W. Houser and R. G. Mistrick. The Lighting Handbook. (North America, NewYork, 2011). Chap. 2.
  2. ANSI IES TM-12-12 (2012).
  3. ANSI IES TM-30-18 (2018).
  4. BS 5489-1 (2013).
  5. J. L. Barvur. Encyclopedia of the Eye. Chap. 2.
  6. S. M. Berman et al, Light. Res. Technol 38, 1 (2006).
    CrossRef
  7. Z. Q. Guo et al, IEEE Photon. J. 5 (2013).
    CrossRef
  8. J. O. Kim, H. S. Jo and U. C. Ryu, J Korean Inst. IIIum. Electr. Install. Eng. 31, 2 (2017).
    CrossRef
  9. J. O. Kim, H. S. Jo and U. C. Ryu, J Korean Inst. IIIum. Electr. Install. Eng. 31, 12 (2017).
    CrossRef
  10. LIA TS-24 (2013).
  11. J. H. Jeong et al, J. Korea Inst. Intell. Transp. Syst. 16, 1 (2017).
    CrossRef
  12. S. J. Jung and H. J. Kim, J Korean Inst. IIIum. Electr. Install. Eng. 23, 12 (2009).
  13. M. A. Lee, D. H. Jung, Y. H. Kim and J. Kim, J Korean Inst. IIIum. Electr. Install. Eng. 32, 2 (2018).
    CrossRef
  14. K. H. Nam, C. H. Kim and W. S. Chio, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng. 33, 3 (2020).
    CrossRef
  15. J. O. Kim and U. C. Ryu, J Korean Inst. IIIum. Electr. Install. Eng. 35, 5 (2021).
    CrossRef
  16. KS A 0061 (2015).
  17. KS A 0068 (1988).
  18. KS C 0075 (2017).
  19. KS C 0076 (2017).
  20. CIE 13.3 (1995).
  21. H. S. Jo and U. C. Ryu, J Korean Inst. IIIum. Electr. Install. Eng. 31, 2 (2017).
    CrossRef
  22. J. H. Noh et al, J Korean Inst. IIIum. Electr. Install. Eng. 29, 6 (2015).
    CrossRef

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