지난 3년 간 COVID-19으로 인한 판데믹 유행은 인류로 하여금 더 많은 시간을 실내에 머물게 했다. 실내 생활 공간을 구성하고 삶의 질에 영향을 주는 대표적 요소 중 하나는 조명이다. 눈부심이 없고 시각적 편안함을 줌과 동시에 사물의 색상을 제대로 구현하는 조명의 활용은 실내 생활의 질을 높이는 데 있어 필수적인 요건 중 하나다. 최근 기존의 백열등이나 형광등을 백색 발광다이오드(light emitting diode, LED)가 급속히 대체하고 있다. 1990년대 중반 청색 LED의 발명으로 촉발된 백색 LED의 등장으로 인해 LED에 기반한 저전력, 장수명, 고효율의 디스플레이용 광원 및 일반 조명이 급속히 확대되고 있다[1-3]. 디스플레이용 광원으로는 빛의 삼원색을 표현하는 적록청 LED를 조합하거나 청색 LED 위에 적록 형광체를 코팅한 백색 LED가 주로 사용되고 있다. 하지만, 일반 조명용 백색 LED는 보통 청색 LED 칩 위에 단일 파장 변환 물질인 황색 형광체를 코팅한 구조를 갖고 있다[4,5]. 이때 사용되는 대표적인 황색 형광체로 Ce이 도핑된 YAG(Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺)를 들 수 있다.

조명용 백색 LED 스펙트럼은 상대적으로 좁은 청색 LED의 피크에 더해 황색 형광체가 방출하는 넓은 황색 피크로 구성된다. 이 경우 서로 보색 관계인 청색광과 황색광의 조합으로 백색이 구현된다. 하지만 이 스펙트럼은 일반적으로 장파장 영역의 적색 성분이 부족하기 때문에 조명의 중요한 성능 지표인 연색지수(color rendering index, CRI)가 상대적으로 낮다는 문제가 있다. 그간 이를 보완하기 위한 다양한 방법이 모색되어 왔는데, 주요한 접근법 중 하나는 적색 형광체나 적색 양자점(quantum dot, QD)과 같은 파장변환물질을 적용하는 것이었다[6-14].

형광체 등의 파장변환물질을 청색 LED 위에 코팅하는 방법은 LED의 높은 온도에 의한 효율 저하나 성능 열화에 의한 문제가 발생할 가능성이 높다[4,5,15]. 이에 대한 대안으로 파장변환물질과 청색 LED 칩 사이에 적절한 거리를 유지하는 원격 형광체나 원격 양자점 부품에 대한 다양한 연구가 진행되어 왔다[16-27]. 이 경우 파장변환물질을 모체 내에 적절히 분산하는 방법, 외부 환경에 노출되는 모체 물질의 장기 신뢰성 확보 등 여러가지 요소가 신중하게 고려되고 최적화되어야 한다. 특히 조명 내 위치하는 원격 파장변환물질의 색변환 효율을 향상시키는 적절한 광학 구조가 고안되어야 한다. 파장변환물질을 얇은 필름이나 판 형태로 가공할 수도 있고 백색 LED에 직접 끼우는 캡 형태로 제작할 수도 있어서, 형상의 자유도를 고려한 최적화 작업도 필요하다.

본 연구에서는 청색 LED 위에 YAG 황색 형광체 플레이트와 적색 양자점 필름을 순차적으로 배치한 후 형광체 플레이트의 두께, 필름 내 양자점의 농도, 그리고 조명 상단에 일차원 프리즘 필름의 적용 유무에 따른 광특성 변화를 조사했다. 일차원 프리즘 필름을 선택한 이유는 프리즘 필름의 반사 효과를 활용하기 위함이다. 일반 백색 LED 조명에서 대표적 광학 필름 중 하나인 프리즘 필름을 활용한 수직 공동의 형성, 이를 통한 빛 재생(light cycling)의 효과를 활용해 양자점 필름의 색변환 효율을 높이고자 했다. 본 연구의 목적은 두 종류의 원격 부품이 적용된 백색 LED 조명에서 색변환 효율을 향상시켜 연색지수를 개선할 수 있는 광학 구조를 찾고 최적화하는 것이다.

본 연구에서는 원격 색변환 재료로 황색 형광체와 적색 양자점 필름을 사용했다. 원격 황색 형광체로는 Ce 농도가 0.5±0.02%인 YAG세라믹 플레이트(Baikowski Japan)를 활용했다. 가로와 세로는 5 mm, 두께는 0.1, 0.15 및 0.2 mm 등 세 종류를 활용했다. 적색 양자점 필름은 고온 주입법(hot injection)을 이용해 합성한 CdSe/ZnS(코어/껍질)양자점을 비정형의 속이 빈 실리카(SG-HS40, Sukyung At Co., 대략적인 크기는 40 nm)과 혼합하고 에폭시 레진(triazine epoxy)에 섞어서 PET(polyethylene terephthalate) 기판위에 30 μm 두께로 코팅해 제작했다. 자세한 제작 방법에 대해서는 참고문헌[24]에 나와 있다. 양자점의 평균 직경은 약 6 nm이고 발광 파장은 약 630 nm이다. 청색 LED로는 ITSWELL 사의 L5056-UB-K3 모델을 이용했다.

Figure 1(a)는 본 연구를 위해 제작한 LED 조명의 단면 구조를 보여주는 개략도다. Figure 1(b)는 왼쪽 위부터 순서대로 황색 형광체를 올린 상태, 적색 양자점 필름을 올린 상태, 확산판을 올린 상태, 그리고 프리즘필름을 올린 상태를 촬영한 사진이다. Supplementary Material의 Fig. S1에는 LED 조명의 제작 과정이 사진으로 제시되어 있다. LED 조명의 프레임은 3D 프린터를 이용해 제작했다. 네 개의 청색 LED 패키지를 PCB(FR-4) 기판 위에 배치한 후 확산형 백색 반사판을 하부와 측면에 배치했다. 하부 반사판에 LED를 노출시키기 위한 구멍의 수치 및 조명 프레임의 구체적인 수치 등은Supplementary Material Fig. S2에 제시되어 있다. Figure S1에 제시된 대로 청색 LED 배치 후 배선을 하고 각 LED 패키지 위에 YAG 플레이트를 올린 후, 발광 테스트를 통해 정상적으로 백색광이 나옴을 확인했다. 그후 적색 양자점 필름, 투광부에 해당하는 확산판, 그리고 선택적으로 프리즘필름을 배치했다. 사용한 확산판은 PMMA(Poly(methyl methacrylate)) 재질로서 헤이즈미터(NDH-2000N, Nippon Denshoku)로 측정한 전광투과율은 57.3%, 헤이즈는 99.5였다. 액정표시장치용 백라이트 내 집광필름으로 흔히 사용되는 프리즘 필름은 상용화되어 판매하는 백라이트 내 필름을 절단해 활용했다. 일차원의 직각 프리즘 산이 나란히 배열된 프리즘 필름은 45도 각도의 계면에서 발생하는 빛의 굴절을 이용해 하부에서 올라오는 빛을 집광시킨다.

Figure 1. (Color online) (a) A cross-sectional view of the white LED structure investigated in this study and (b) photographs of the white LED: beginning from the top left figure, without any optical film → with a red QD film → with a diffuser → with a prism film.

LED 조명은 직류 전원구동장치(OPM-1502D, ODA Technologies)를 이용해 구동했다. 조도계(CL-500A, Konica Minolta)를 이용해 스펙트럼, 색좌표, 조도 및 연색지수 등 광특성을 측정했다. 연색지수(CRI, color rendering index)로는 국제조명위원회(CIE, Commission Internationale de l´Eclairage)에서 표준으로 정한 8 가지 표준 시료(R1–R8)에 대한 개별 연색지수의 평균인 Ra와 색순도가 높은 시료를 포함해 R1–R15까지 확장해 측정, 15개 시료에 대해 평균을 취한 연색지수인 Re를 측정했다. 특히 일반 백색 LED의 발광 스펙트럼에서 부족한 짙은 적색에 해당하는 연색지수 R9에 주목해 분석했다. LED의 발광부와 조도계 사이의 거리는 30 cm였다. Supplementary Material의 Fig. S3은 시간에 따른 조도의 변화를 보여준다. LED 구동 직후 20분 동안 조도를 측정한 결과 약 10분이 지나면 특성 변화가 거의 없는 걸로 확인되었다. 즉 열적 평형에 의한 광특성 안정화(aging이라고도 불린다)에 10분 이내의 시간이 소요되는 것이다. 따라서 모든 광특성은 조명을 점등시킨 후 10분이 지나고 나서 측정되었다. 측정 과정 중 실내 온도는 24±1 °C를 유지했다.

Table 1

Color rendering index of the white LED with three yellow phosphor thicknesses.

Thickness (mm)	0.1T	0.15T	0.2T
Ra	72.6	61.5	59.0
Re	61.9	46.1	41.9
R9	-32.2	-85.9	-98.8

본 연구에서 광특성에 영향을 미치는 요소는 세 가지다. 즉 황색 형광체 플레이트의 두께, 적색 양자점 필름 내 양자점의 농도, 그리고 투광부 및 프리즘 필름의 부착 여부다. 이런 조건들의 조합을 통해 색변환 원격 부품의 변환 효율을 증가시키고 고연색성 조명을 구현할 수 있는 최적 조건을 찾는 것이 본 연구의 목표다. Figure 2는 적색 양자점 필름을 적용하지 않고 황색 형광체 플레이트 세 종류(0.1T, 0.15T, 0.2T)를 적용한 LED 조명의 발광 스펙트럼을 비교한 것이다. PMMA 확산판(투광부)이나 프리즘 필름도 적용되어 있지 않다. 따라서 본 스펙트럼 데이터는 청색 LED 위에 황색 형광체 플레이트만 올라간 구조의 발광 스펙트럼이다. 형광체 플레이트의 두께가 증가할수록 여기광인 청색 피크의 세기가 급격히 감소하면서 황색 형광체 피크가 증가하는 경향을 보임을 알 수 있다. 두께가 0.1 mm인 형광체 플레이트 적용 조명의 황색 스펙트럼에 비해 두께가 0.15 및 0.2 mm인 플레이트 적용 조명의 황색 피크의 높이도 더 높았다. 단 형광체 플레이트의 두께가 0.15에서 0.2 mm로 늘어날 때 황색 형광체 피크의 높이는 오히려 약간 줄어들었다. 이는 형광체 플레이트 두께의 증가가 광 투과도의 감소로 이어진 효과로 보인다.

Figure 3은 Fig. 2의 스펙트럼이 보이는 색좌표(color coordinates)를 색도도(chromaticity diagram) 상에 표시한 것이다. 실선은 플랑크 궤적(Planckian locus)으로서 이상적인 흑체복사 스펙트럼의 온도에 따른 색좌표 궤적을 보여준다. 표시된 숫자들은 상관색온도(correlated color temperature)를 의미한다. 형광체의 두께가 증가하면서 청색 성분이 줄어들기 때문에 조명의 색감은 노란색으로 치우친다. 이에 따라 색좌표 역시 백색에서 노란색 방향으로 이동함을 알 수 있다. 형광체 플레이트 두께가 0.1 mm인 경우 상관색온도가 약 7000 K인 차가운 백색의 색좌표 영역에 있고 플랑크 궤적에 매우 근접해 있다. 그러나 형광체의 두께가 증가한 두 경우는 플랑크 궤적에서 많이 벗어나면서 노란색 영역에 위치해 있음을 확인할 수 있다. 이는 전적으로 청색광의 세기가 현저히 줄어듦과 동시에 황색 형광체 스펙트럼 내 적색 성분이 부족하기 때문이다.

Figure 3. (Color online) The change in the color coordinates on the chromaticity diagram for the three spectra in Fig. 2.

Table 1은 Fig. 2에 제시된 세 경우에 대한 연색지수 측정 결과를 비교해 보여주고 있다. 형광체 플레이트의 두께가 증가함에 따라 청색 피크의 높이가 현저히 줄어들고 플랑크 궤적에서 벗어나면서 Ra 및 Re가 감소함을 알 수 있다. 연색지수를 높이기 위해서는 가시광선 파장 대역의 스펙트럼이 비교적 고르게 형성되는 것이 중요하다. 태양광이나 백열등처럼 연속적인 스펙트럼 분포를 보일 경우 Ra는 최댓값인 100에 도달한다. 따라서 청색 대역의 스펙트럼이 현저히 감소하면 스펙트럼의 균형이 무너지면서 연색지수가 감소한다. 게다가 본 스펙트럼은 황색 형광체만 적용된 경우라 짙은 적색 영역의 세기가 부족하다. 따라서 이에 대응되는 개별 연색지수인 R9은 음의 값을 보인다. R9가 낮아질수록 확장된 연색지수 Re도 감소하는 것을 확인할 수 있다. Supplementary Material의 Fig. S4는 세 가지 경우의 개별 연색지수 수치를 비교해 보여주고 있다.

다음 단계로, PMMA 확산판을 투광부로 배치한 후 그 아래에 양자점 필름이 배치되지 않은 경우, 2.5 wt% 및 5 wt%의 적색 양자점이 포함된 필름을 배치한 경우 등 세 가지 구조의 광특성을 비교했다. Figure 4(a)는 PMMA 투광부 및 적색 양자점 필름(양자점 농도 5%)을 적용한 LED 조명의 발광 스펙트럼을 형광체 플레이트의 두께에 따라 보여준다. 양자점 필름은 투광부 하면에 배치되었고 프리즘 필름은 포함되지 않았다. 적색 양자점 필름에 의해 약 630 nm 부근에서 스펙트럼이 증가하며 적색 영역이 보강되는 양상을 확인할 수 있다. Figure 4(b)는 황색 형광체의 두께가 0.1 mm인 경우 적색 양자점 필름이 없는 경우 및 적용 시 양자점 농도에 따른 스펙트럼 변화를 비교한 것이다. 필름 내 적색 양자점의 농도가 높아질수록 630 nm 부근의 피크가 뚜렷이 증가함이 보인다. 이런 변화는 Fig. 5에 제시된 색도도 상의 색좌표 변화에 반영되어 있다. 형광체 플레이트의 두께와 무관하게 양자점의 농도가 높을수록 색좌표가 적색 영역으로, 즉 x가 커지는 영역으로 이동함을 알 수 있다. 이중 형광체 두께가 0.1 mm인 경우에만 플랑크 궤적 근처의 색좌표를 보여주고, 이보다 두께가 더 큰 경우에는 색좌표가 플랑크 궤적으로부터 많이 벗어나며 노란색 영역 쪽으로 치우침을 알 수 있다. Table 2는 형광체 플레이트의 두께가 0.1 mm 일 때, 즉 색좌표가 플랑크 궤적 근처에 머물러 있을 때 양자점 필름 미적용 경우 및 두 양자점 농도(2.5% 및 5%)를 가진 양자점 필름을 적용한 LED 조명의 연색지수를 비교해 정리한 것이다. 농도가 높을수록 적색 영역의 스펙트럼이 더 보강되고 이에 따라 R9이 현저하게 증가함이 확인되었다. 이로 인해 Ra와 Re도 양자점 농도가 높아질수록 증가함을 알 수 있다. Supplementary Material 내 Fig. S5에 제시된 개별 연색지수의 변화 추이를 보면 대부분의 개별 연색지수 역시 양자점 농도의 증가에 따라 함께 증가함을 보인다.

Figure 4. (Color online) Emitting spectra of the white LED (a) with a red QD film of 5 wt% and with three different phosphor thicknesses and (b) with a phosphor thickness of 0.1 mm and with three different QD concentrations.

Figure 5. (Color online) The change in the color coordinates on the chromaticity diagram for all nine cases with different phosphor thicknesses and three different QD concentrations.

Table 2

Color rendering index of the white LED with a yellow phosphor thickness of 0.1 mm and with three different QD concentrations. “None” indicates the case where no QD film was applied.

Red QD concentration	None	2.5 wt%	5 wt%
Ra	63.6	68.5	73.0
Re	49.6	56.8	63.4
R9	-70.1	-26.4	7.8

그렇지만 Table 2에서 최종적으로 확인된 LED 조명의 연색지수는 고연색성 조명의 구현에 부족한 수치들이다. 따라서 적색 양자점 필름의 색변환 효율을 증가시켜 연색지수를 높일 수 있는 적절한 광학 구조의 적용이 요구된다. 이를 위해 투광부 상면에 프리즘 필름을 배치해 빛의 반사를 유도한 후 이것이 광특성에 미치는 영향을 조사했다. 액정표시장치용 백라이트 내 필수 부품인 프리즘 필름은 프리즘 산의 계면에서 발생하는 빛의 굴절을 이용해 빛을 정면으로 집광하는 역할을 갖는다. 이 과정 중 집광에 기여하지 못하는 빛의 상당량은 두 번의 내부 전반사를 거치며 아래로 다시 되돌아간다. Figure 6은 프리즘 필름의 하부에서 프리즘 필름의 일차원 산 구조에 입사되는 빛이 겪는 대표적 경로를 도식화해서 보여주고 있다. 올라온 빛의 약 46% 정도는 그림의 (3)번 경로처럼 45도의 경사면에서 두 번의 내부전반사를 경험하며 아래로 내려간다. 37% 정도는 그림 속 (1)번 경로와 같이 프리즘 계면에서 굴절되어 집광되고 나머지 약간의 빛은 (2)번 경로가 나타내는 것처럼 계면에서 꺾이며 이웃한 프리즘 산으로 다시 들어가 내려가든가 필름을 빠져나가 고시야각 방향으로 탈출한다. 즉, 올라가는 빛의 절반 이상이 다시 아래로 내려오고 이 빛들은 확산 반사를 통해 그 일부가 정면으로 집광되는 빛으로 바뀐다. 결국 프리즘 필름은 자신과 하부 반사판 사이에 강한 수직 공동(vertical cavity)을 형성하는 셈이다. Supplementary Material 내 Fig. S6은 광선추적 소프트웨어(LightTools, Synopsis)를 활용해 대표적인 몇 개 입사각도에 대해 수행한 시뮬레이션 결과를 보여준다. 프리즘 필름에 비스듬히 입사하는 광선들은 정면 방향으로 집광되지만, 프리즘 필름의 하부로부터 수직 혹은 그와 가까운 각도로 입사하는 광선들은 대부분 내부전반사를 통해 다시 아래로 반사되어 내려간다는 걸 알 수 있다. 즉 프리즘 필름은 하부 반사판과 강한 공동을 형성하며 빛의 왕복운동을 촉진해 색변환 부품들의 변환 효율 상승에 기여할 수 있다.

Figure 6. A cross-sectional view of the one-dimensional prism film together with three representative rays. n₁ and n₂ denote the refractive index of the prism and the substrate, respectively.

Figure 7은 형광체 두께 0.1 mm, 양자점 필름의 농도를 5 wt%로 고정한 상태에서 투광부에 프리즘 필름을 적용하지 않은 경우와 적용한 경우를 비교한 스펙트럼을 보여준다. 프리즘 필름의 집광 효과로 인해 정면 방향의 조도가 현저히 증가함이 확인되었다. 게다가 청색과 황색 피크에 대한 적색 피크의 상대적 세기가 프리즘 필름을 적용한 경우에 더 높음을 알 수 있다. 즉 프리즘 필름이 하부 반사판과 형성하는 강한 수직 공동 효과로 인한 빛의 왕복 운동이 증가하고 이로 인해 적색 양자점 필름의 색변환 효율이 개선된 것으로 판단된다. 특히 청색 LED를 덮은 황색 형광체의 작은 면적에 비해 적색 양자점 필름은 빛의 왕복운동 경로 전체를 덮고 있어서 상대적으로 색상 변환 효율이 더 커진 것으로 판단된다. Table 3은 두 경우에 대해 측정된 연색지수를 비교하고 있다. R9이 약 8에서 27 정도로 큰 폭으로 증가했고 이에 따라 Ra와 Re도 개선되었음을 알 수 있다. Supplementary Material에 실린 Fig. S7을 보면 대부분의 연색지수가 프리즘 필름의 적용을 통해 개선된 것을 확인할 수 있다. 비록 최종적으로 확인된 연색지수가 고연색성 조명의 구현에는 부족하지만 이는 청색 여기광과 색변환을 통해 형성된 피크들의 비율을 추가적으로 조절함으로써 최적화할 수 있을 것이다. 기존의 연구들에서는 확산판이나 마이크로 렌즈 필름과 같은 광학 부품의 자세한 광학적 역할에 대한 상세한 조사가 다소 부족했다. 반면에 본 연구에서는 프리즘 필름과 같은 범용 광학 필름을 활용해 강한 수직 공동을 형성할 수 있고 이를 통해 파장변환 물질의 색변환 효율을 증가시킬 수 있음을 뚜렷이 보여주었다. 이런 결과는 다양한 상용 필름의 적절한 조합을 통해 고연색성, 고효율 양자점 조명의 구현이 가능함을 보여주는 것이다.

Figure 7. (Color online) Emitting spectra of the white LED with a red QD film of 5 wt% under two conditions, i.e., without and with a prism film.

Table 3

Color rendering index of the white LED with a yellow phosphor thickness of 0.1 mm, a red QD film at the QD concentration of 5 wt% under two conditions, i.e., without and with a prism film. PMMA indicates the diffuser.

	PMMA	PMMA+prism
Ra	73.0	75.8
Re	63.4	67.3
R9	7.8	26.7

본 연구에서는 네 개의 청색 LED 패키지 위에 황색 형광체 플레이트와 적색 양자점 필름이 수직으로 적층된 백색 LED 조명의 연색성을 개선하는 광학 구조에 대해 조사했다. 황색 형광체 두께가 증가함에 따라 청색광의 세기가 줄어들고 황색 형광체 피크가 상대적으로 강해짐을 알 수 있었다. 황색 형광체가 과도하게 두꺼워지면 조명의 색좌표가 플랑크 궤적에서 현저하게 벗어나는데 이는 황색 형광체의 발광 성분 중 적색 성분이 부족하기 때문이다. 이를 보완하기 위해 적색 양자점 필름을 적용할 경우 양자점의 농도가 높아짐에 따라 적색 성분이 증가하고 연색지수가 개선되었다. 아울러 색좌표 x가 증가하고 상관색온도가 감소하는 효과도 확인했다. 연색성을 추가적으로 개선하기 위해 양자점 필름 위에 일차원 직각 프리즘 필름을 배치해 하부 반사판과 수직 공동을 형성했다. 그 결과 수직 공동 내 빛의 왕복운동이 촉진되었고 그 사이 면적 전체를 덮고 있는 적색 양자점 필름의 색변환 효율이 증가하며 추가적인 연색지수의 개선이 확인되었다. 본 연구 결과는 원격 색변환 부품을 적용하는 백색 LED의 연색성 개선에 도움이 될 것으로 기대된다.

본 연구는 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원의 스마트특성화기반구축사업을 통한 지원을 받았습니다(No. P0013743). 양자점 필름의 합성 및 제공에 도움을 주신 철원플라즈마산업기술연구원 및 ㈜지엘비젼에 감사를 드립니다.