현재 조명 분야에 널리 상용화된 백색 발광다이오드(White Light Emitting Diode, WLED)는 GaN 기반의 청색 LED 위에 황색 형광체인 YAG(YAG, Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺)와 투명 실리콘 수지 등의 물질을 혼합, 코팅하여 쉽게 제작할 수 있다[1,2]. 조명의 연색성을 개선하기 위해 YAG를 두 종류 이상의 형광체로 대체하는 방식이 사용되기도 한다. 이렇게 제작된 WLED는 친환경적이며, 에너지 효율이 높다는 등의 이점이 있다[3]. WLED의 응용은 디스플레이용 광원으로 출발해 현재는 일반 조명 영역으로 적용이 급속히 확대되고 있다.

하지만 기존의 WLED는 적색 발광 파장 성분의 결여로 인해 낮은 연색지수(Color Rendering Index, CRI)를 갖는다. 이를 보완하기 위해 적색 발광 물질을 사용하면 되지만, 적색 형광체를 사용하면 발광 효율 함수가 매우 낮은 파장대의 발광으로 인해 조명 효율이 감소하게 된다. 이에 대한 대안으로 발광 파장을 조절할 수 있는 양자점(Quantum Dot, QD)이 고려되어 왔다[4,5]. 양자점은 입자 크기가 수 nm인 반도체 결정으로서, 형광체와 상반되게 방출 스펙트럼이 좁고 크기나 성분을 조절하여 방출 파장을 조정할 수 있어 적색 형광체에 비해 유리하다[6-8]. 양자점은 순도 높은 빛을 방출하기 때문에 디스플레이의 색역(color gamut)을 개선하는 용도로 광범위하게 사용되고 있다[9,10]. 양자점은 고온이나 일반 환경에서 쉽게 열화되기 때문에 고분자 수지 등을 포함한 모체 속에 분산시켜 필름이나 캡(cap)의 형태로 적용하는 원격 부품 구조로 활용되곤 했다[11-13].

필자들의 선행 연구에서는 양자점 필름이나 양자점 캡(cap)과 같은 원격 발광 부품을 일반 백색 LED 조명에 적용해 조명의 연색성을 높인 광구조의 최적화를 다루었다[14-20]. 양자점 필름이 적용된 직하형 LED 조명의 경우 확산판의 투과율 감소가 연색지수의 개선에 기여함을 확인한 바 있다. 그렇지만 출광부를 전체적으로 덮는 양자점 필름과 부분적으로 백색 LED를 감싸는 양자점 캡의 광특성은 여러모로 차이를 보일 것으로 예상된다. 본 연구에서는 확산판의 종류 및 투과율이 양자점 캡이 적용된 백색 LED 조명의 광특성에 미치는 영향을 조사했다.

본 연구에서 사용한 양자점 캡의 제작 방법에 대해서는 참고문헌 19에서 자세히 다루고 있다. 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC) 기반 소프트 몰드를 이용해 제작한 양자점 캡은 CdSe/ZnS 코어/껍질 구조를 가진 평균 6 nm 크기의 적색 양자점과 비정형의 속이 빈 실리카 (SG-HS40, Sukgyung AT Co., Ansan, Korea)를 균일하게 섞은 후 PDMS (Polydimethylsiloxane) 기반 자외선 경화제에 분산시켜 만들었다. 제작된 양자점 캡은 7.4 × 5.3 × 4.2 mm³의 크기와 0.9 및 1.8 mm의 두께를 갖고 있다(Fig. 1(d) 참조). 사용한 양자점의 발광 파장은 623 nm였다. 양자점과 실리카 혼합물은 양자점 캡 속에 5 wt%의 농도로 혼합되었다. 제작된 양자점 캡은 6인치, 15 W의 백색 LED 조명(KE15DN61S57A1, Partner Co., Gimpo, Korea)에 부착되었다. 이 조명은 총 72개의 백색 LED(발광 면적: 3.2 × 2.8 mm²)가 Fig. 1(a)와 같이 배열되어 있었다. 이 조명의 하부와 상부 지름은 각각 97 mm 및 184 mm였고 백색 LED가 설치된 바닥에서 확산판 아랫면까지의 높이는 32 mm였다. 확산판을 투광면에 끼우면 Fig. 1(a)에 보이는 백색 LED들은 확산판에 가려 보이지 않게 된다. 조명에 포함된 기본 확산판은 아래 설명할 네 종류의 확산판 중 “PC-rough”라 불리는 확산판이다. 위의 수치에 따라 계산된 경사면의 각도는 131.5°, 경사면과 바닥의 반사율은 각각 76% 및 69%로 조사되었다. 양자점 캡이 적용되지 않은 Fig. 1(a)의 조명은 총 1575 lm, 일반 연색지수 R_a 83, 그리고 상관색온도(Correlated color temperature, CCT) 5530 K의 특성을 갖고 있었다. 이 백색 LED 위에 Fig. 1(b)와 (c)에 보이는 것처럼 양자점 캡을 14개 혹은 29개로 부착한 상태에서 여러 종류의 확산판을 결합해 실험을 진행했다. 광특성 측정에 사용된 장비는 분광휘도계(PR-670, PhotoResearch Co.)와 분광조도계(SPIC-200A, Everfine)였다.

Figure 1. (Color online) The photos of (a) the downlighting white LED without any red QD caps, (b) with 14 QD caps, (c) with 29 QD caps, and (d) one QD cap with its dimensions.

양자점 조명은 수직으로 설치되었고 분광휘도계는 조명의 중앙점으로부터 0.7 m의 거리만큼 띄워서 설치했다. 조명 특성은 정중앙의 수직 방향으로 측정을 수행했다. 시야각 특성을 볼 경우에 조명은 회전 스테이지 위에 배치되어 1° 이내의 정밀도로 -70° 에서 70° 까지 10° 단위로 측정 각도를 제어했고, 측정 위치는 중앙점을 유지했다. 분광휘도계로부터 휘도, 색좌표, 분광 스펙트럼을 획득했다. 분광조도계는 조명 중앙에서 10 cm 떨어진 지점에 놓고 조명의 연색지수, 상관색온도를 측정했다. 해당 측정량들은 장비에서 제공한 소프트웨어를 통해 자동으로 연산, 산출되었다. Supplementary Materials 내에 포함된 Fig. S1는 두 측정 장비의 배치와 측정 방식을 개략적으로 보여준다.

사용된 확산판은 모두 4 종류로 두 종류는 PC로, 나머지 두 종류는 유리로 구성되어 있고 Fig. 2에 사진이 있다. 네 종류는 모두 표면 거칠기가 다소 다른데, 표면 확산 외에 내부에 확산을 일으키는 산란제가 포함되어 있는지 여부는 확인하지 못했다. 이 네 종류의 확산판을 “PC-rough”(두께 1.75 mm), “PC-soft” (두께 1.25 mm), “Glass-rough”(두께 2.0 mm), “Glass-soft” (두께 2.0 mm)로 명명한다. 이들의 헤이즈(haze) 특성을 측정하기 위해 헤이즈미터(NDH-2000N, Nippon Denshoku)를 사용하였다. Table 1에 네 확산판의 전광 투과율(Total transmittance), 평행 투과율(Parallel transmittance), 확산 투과율(Diffuse transmittance), 그리고 확산 투과율을 전광 투과율로 나눈 수치로 정의되는 헤이즈 수치가 정리되어 있다. 이 표에서 알 수 있는 것처럼 전광투과율은 “PC-rough”가 가장 높고 “Glass-rough”가 가장 낮았다. 헤이즈의 경우 네 확산판 모두 98% 이상을 나타내고 있어서 확산도가 매우 큼을 알 수 있다.

Table 1 The total transmittance, parallel transmittance, diffuse transmittance, and haze of four types of diffuser plates.

Diffuser plate	Total Transmittance (%)	Parallel Transmittance (%)	Diffuse Transmittance (%)	Haze
PC rough	58.67	0.47	58.20	99.20
PC soft	57.45	0.44	57.01	99.24
Glass rough	22.71	0.25	22.46	98.89
Glass soft	29.77	0.31	29.46	98.97

Figure 2. (Color online) The photos of four diffusers: (a) PC-rough (thickness 1.75 mm), (b) PC-soft (thickness 1.25 mm), (c) Glass-rough (thickness 2.0 mm), and (d) Glass-soft (thickness 2.0 mm).

Figure 3(a)–(c)는 Fig. 1에 제시된 세 조건에 대해 정면으로 측정된 발광 스펙트럼이다. 양자점 캡이 적용되지 않은 Fig. 3(a)의 경우 발광 스펙트럼은 450 nm 부근의 청색 여기광 성분과 녹색–적색에 걸쳐 있는 황색 형광체의 넓은 발광 스펙트럼으로 구성되어 있다. 이 스펙트럼의 연색지수는 83 정도로 형광등과 비슷하지만 미술관이나 백화점 등 고연색성을 요구하는 환경에 사용하기에는 낮은 수치다. 스펙트럼에서 볼 수 있는 것처럼 적색 영역 성분의 부족이 연색성을 떨어뜨리는 이유 중 하나다. 양자점 캡을 적용하면 적색 성분을 보강하면서 연색성을 개선할 수 있다. Fig. 3(b) 및 (c)를 보면 양자점 캡의 수가 늘어나면서 청색 피크의 상대적 높이가 줄어들고 적색 영역이 뚜렷이 증가함을 알 수 있다. 특히 가장 많은 양자점 캡이 적용된 Fig. 3(c)를 보면 적색 양자점의 발광 파장인 620–630 nm 부근에서 스펙트럼 강도의 증가가 뚜렷이 확인된다. 확산판의 종류에 따른 스펙트럼의 차이는 크지 않으나 확산판의 투과율에 의해 스펙트럼의 강도가 달라짐도 알 수 있다.

Figure 3. (Color online) Emitting spectra of the white LED lighting (a) without any red QD caps, (b) with 14 QD caps, and (c) with 29 QD caps measured under four different diffusers.

Figure 4(a)–(d)는 양자점 캡이 없는 경우, 14개가 적용된 경우, 그리고 29개가 적용된 경우에 대해 네 확산판을 부착한 조명의 각도에 따른 휘도를 보여준다. 전체적으로 시야각에 따른 휘도 변화가 크지 않아 람버시안(Lambertian) 분포에 가깝다는 걸 알 수 있다. 이는 헤이즈가 매우 높아 입사광을 효율적으로 섞고 퍼뜨리는 확산판의 적용으로부터 예상된 결과이다. Supplementary Materials 내에 포함된 Fig. S2는 세 조건에서 상관색온도의 각도 의존성을 조사한 결과를 보여주고 있다. 양자점 캡의 적용 여부나 확산판의 종류에 무관하게 시야각이 변해도 상관색온도는 거의 변화가 없음을 확인할 수 있었다. 이는 Fig. 4에 제시된 휘도의 시야각 특성 및 선행연구[15]와 일치하는 결과다. 휘도의 크기 순서는 Table 1에 제시된 전광투과율의 경향과 동일하다. 즉 투과율이 떨어질수록 후면으로 반사되는 광량이 늘어나며 휘도 및 효율도 감소함을 알 수 있다. Figure 3과 4에서 알 수 있는 또 하나의 사실은 동일한 확산판 조건에서 양자점 캡의 개수가 늘어날수록 휘도가 감소한다는 것이다. 양자점 캡의 개수가 증가할 경우 청색이나 녹색광을 흡수해 적색으로 변환될 확률이 높아진다. 623 nm 파장 부근 적색 대역은 사람 눈의 시감도 곡선이 상대적으로 작아 발광출력으로 변환되는 비율도 작다. 따라서 녹색 및 노란색 파장 대역의 빛이 줄고 적색이 늘어나면 발광출력 및 효율은 감소하게 된다.

Figure 4. (Color online) Angular dependence of luminance of the white LED lighting (a) without any red QD caps, (b) with 14 QD caps, and (c) with 29 QD caps measured under four different diffusers.

이런 스펙트럼의 변화는 상관색온도의 변화에도 그 영향이 드러난다. Figure 5는 확산판의 종류 및 양자점 캡의 적용 개수에 따른 상관색온도의 변화를 보여준다. 우선 확산판의 종류에 무관하게 양자점 캡의 수가 증가하면 상관색온도가 줄어든다. 양자점 캡이 증가하면 Fig. 3에서 확인한 것처럼 적색 성분이 증가하고 색도도(chromaticity diagram) 상에서 흑체복사의 궤적 상 빨간 색 영역, 즉 색온도가 낮은 영역으로 색좌표가 치우치게 된다. 선행 연구[19]에서는 확산판을 고정한 상태에서 양자점 캡의 수를 증가하거나 두 가지 종류의 양자점 캡을 혼합함으로써 상관색온도와 색좌표를 매우 넓은 범위에서 변화시킬 수 있음을 보여줬다. 본 연구 역시 양자점 캡의 개수와 확산판의 종류를 바꿈에 따라 넓은 범위에서 상관색온도를 변화시킬 수 있다는 점을 명확히 보여주고 있다. 이는 다양한 색감의 직하형 LED 조명 구현에 매우 유리한 조건이다.

Figure 5. (Color online) The dependence of the correlated color temperature (CCT) on the type of diffuser under different number of QD caps.

다음으로, 투과율이 높은 PC형 확산판에 비해 투과율이 작은 유리 확산판들의 상관색온도가 더 낮음을 알 수 있다. 투과율이 줄면 역으로 반사율이 증가한다. 본 연구에서 사용한 양자점 조명은 하부의 반사판과 상부 확산판 사이에 수직 공동(vertical cavity)이 형성되어 있어 빛의 다중 반사가 일어난다. 이 과정에서 일부 빛이 양자점 캡에 의해 흡수되며 색상 변환이 강화된다. 즉 투과율이 낮을수록 강한 공동 효과가 발생하며 색상 변환이 촉진되어 적색 성분이 증가하고 상관색온도가 줄어드는 것이다. Figure 6(a)–(c)에 표현된 색도도 상의 색좌표 변화 역시 이런 경향성을 그대로 보여준다. 양자점 캡이 없는 경우에 비해 양자점 캡이 적용되며 개수가 증가할수록 백색광의 색좌표에서 벗어나 적색 영역으로 이동함을 알 수 있다. 이는 상관색온도의 감소로 이어진다. 아울러 확산판의 투과율이 감소하면서 색좌표가 적색 영역으로 더 많이 이동함도 확인할 수 있다.

Figure 6. (Color online) The change in the color coordinates of the white LED lighting (a) without any red QD caps, (b) with 14 QD caps, and (c) with 29 QD caps measured under four different diffusers.

조명의 연색성은 보통 R1–R8이라 불리는 여덟 가지의 표준 색상에 대해 평가하는 일반 연색지수(General color rendering index, R_a) 및 색순도가 높은 색상을 포함해 R1–R15 등 총 15 가지의 표준 색상에 대해 평가하는 확장 연색지수 (Extended color rendering index, R_e)로 나누어 평가할 수 있다. Figure 7(a)–(c)는 R_a, R9, 및 R_e가 양자점 캡의 개수 및 확산판의 종류에 따라 어떻게 바뀌는지를 보여준다. 여기서 R9는 확장 연색지수에 포함되는 표준 색상 중 하나로 순도가 높은 짙은 적색에 대한 연색지수를 나타낸다. R9는 조명의 발광 스펙트럼의 적색 성분에 의해 직접적으로 결정되는 지수로서 해당 조명이 적색을 띠는 물체의 색상을 자연스럽게 연출하는 능력을 나타낸다. 본 결과에서 알 수 있는 가장 뚜렷한 결론은 양자점 캡의 개수가 증가할수록 모든 연색지수가 증가한다는 것이다. Supplementary Materials의 Fig. S3에 실린 개별 연색지수를 보더라도 양자점 캡에 의한 적색 성분의 보강으로 인해 R1–R15의 모든 연색지수가 현저히 증가함을 알 수 있었다. 특히 R9의 경우 양자점 캡이 적용되지 않는 경우에는 20 미만이다가 양자점 캡이 29개 적용되는 경우 최소 70 이상, 높을 경우에는 90 정도까지 상승했다. 이런 결과로 R_a 및 R_e도 최대 95 정도까지 증가하면서 매우 높은 연색성을 보여주었다.

Figure 7. (Color online) The dependence of (a) R_a, (b) R9, and (c) R_e on the number of red QD caps measured under four different diffusers.

Figure 7의 결과는 확산판의 종류나 투과도는 연색지수에 그리 큰 영향을 미치지 않음을 보여주었다. 양자점 개수가 동일하다면 확산판의 투과율 차이가 30%를 넘더라도 R_a 및 R_e에 미치는 영향은 5 정도에 불과했다. 즉 헤이즈가 98%를 넘을 정도로 확산성이 좋은 확산판을 적용하는 경우에는 전광투과율의 차이가 연색성에 미치는 영향은 매우 작다는 것이다. 단, Fig. 7에서 확인할 수 있는 것처럼 투과율이 훨씬 작은 유리 확산판의 경우 양자점 캡의 개수 변화에 따른 연색지수의 변화 폭은 상대적으로 컸다. 이는 반사율이 높은 확산판이 하부 반사판과 형성하는 강한 수직 공동의 효과에 따라 색상 변환이 촉진되기 때문인 것으로 보인다. 이상의 결과는 조명의 연색성 증가에 있어서 확산판의 투과율 조절을 통한 수직 공동의 특성 변화보다는 원격 양자점 부품의 추가를 통한 적색 영역의 보강이 더 효과적인 방법이라는 점을 뚜렷이 보여준다. 따라서 양자점 캡을 적용해 연색성을 향상시킬 경우에는 확산판의 투과율을 다소 높여 광효율을 함께 증가시키는 게 바람직하다.

Figure 7에서 알 수 있는 마지막 사실은 양자점 캡이 적용되지 않은 조명의 경우에도 확산판의 종류에 따라 연색지수가 변화된다는 점이다. 이는 확산판의 투과/흡수 스펙트럼이 확산판을 이루는 재질에 따라 달라지기 때문인 것으로 판단된다. Figure 7(a)를 보면 PC가 적용된 두 조명의 연색지수가 유리 확산판이 적용된 두 조명의 수치에 비해 더 높다는 것, 즉 연색지수 값이 재질에 따라 두 부류로 나눠짐을 알 수 있다. 이후 재질별 흡수 스펙트럼 측정을 포함한 추가 연구를 통해 이를 검증할 예정이다.

본 연구에서는 투과율이 다른 네 종류의 확산판이 적색 양자점 캡이 적용된 직하형 백색 LED 조명의 광특성에 미치는 영향을 조사했다. 확산판의 투과율과 무관하게 적색 양자점 캡의 개수가 증가하면 휘도는 다소 감소하지만 연색지수가 큰 폭으로 상승했다. 특히 29개의 양자점 캡이 적용된 조명은 연색지수가 95에 달하는 우수한 연색성을 나타냈다. 연색지수의 개선에 있어서 확산판의 투과율보다는 적색 양자점 캡의 개수가 훨씬 현저한 영향을 미친다는 점이 확인되었다. 확산판의 투과율이 작은 경우에는 양자점 캡의 개수 변화에 따른 연색지수의 변화폭이 상대적으로 컸다. 이는 확산판의 높은 반사율에 의해 형성되는 수직 공동의 강화 효과 및 이에 따른 적색 양자점의 색상 변환 효율의 향상에 기인한 것으로 해석되었다. 본 연구는 적절한 투과율의 확산판과 양자점 캡의 조합으로 매우 넓은 범위에서 상관색온도를 변화시킬 수 있다는 점 및 연색지수 95 이상의 높은 연색성을 가진 백색 조명의 구현이 가능함을 보여주었다. 이런 결과는 고연색성 조명을 필요로 하는 전시관, 미술관, 백화점 등의 공간에 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

본 연구에 사용된 적색 양자점 캡을 제공한 (주)지엘비젼에 감사를 드립니다.

The online version of this article contains a supplementary material.