2023년 노벨화학상 수상 소식이 극명하게 드러낸 것처럼 양자점(quantum dot, QD) 연구는 지난 몇 십년 동안 매우 활발히 이루어져 왔다. 양자점이란 나노미터 크기의 반도체 물질을 뜻하는 것으로, 양자구속효과(quantum confinement effect)에 의해 크기에 따른 독특한 특성을 발현하는 나노물질이다. 바이오 이미징, 센서, 태양전지, 단일 광자 광원 등 다양한 응용을 목적으로 활발한 연구가 이루어지고 있지만, 상업적 관점에서 양자점이 가장 대규모로 응용되는 곳은 디스플레이 분야다. 최근 양자점은 필름이라는 원격(remote) 부품의 형태로 가공되어 액정표시장치(liquid crystal display, LCD)용 백라이트에 광범위하게 활용되고 있다. 이 경우 청색 발광다이오드(light-emitting diode, LED)가 방출하는 청색광으로 여기된 적색 및 녹색 양자점의 방출광이 혼색되어 삼원색의 색순도(color purity)가 높은 백색광이 형성된다. 이를 통해 풍부한 색상을 구현할 수 있는 LCD가 가능해진다.

발광재료로서 양자점이 활용될 수 있는 또 하나의 분야는 일반 조명이다. 조명용 광원으로 전통적인 백열등이나 형광등이 퇴조하면서 백색 LED가 급속히 보급되고 있다[1-3]. 가장 보편적인 디자인은 청색 LED 위에 Ce이 도핑된 YAG(Y3Al5O12:Ce3+)와 같은 황색 형광체를 올려 청색광과 황색광의 조합으로 백색광을 구현하는 방식이다[4, 5]. 이 경우 진홍색을 포함한 장파장 성분의 스펙트럼이 부족해 조명의 연색지수(color rendering index, CRI)를 떨어뜨리는 요인이 된다. 이를 개선하기 위해 적색 파장 대역의 파장 변환 물질을 활용해 왔다[6-14]. 가령 황색 형광체에 적색 형광체를 추가하거나 황색 형광체 대신 적록 형광체를 사용하는 방법이 대표적이다. 그런데 형광체는 발광 스펙트럼의 폭이 넓어서 적색 형광체를 적용할 경우 인간 눈의 시감도가 매우 낮은 장파장 영역으로 스펙트럼이 과도하게 확장되어 조명의 광효율을 떨어뜨릴 가능성이 있다. 이를 완화하는 방법으로 발광 스펙트럼을 정교하게 조절할 수 있는 적색 양자점을 활용하는 방안이 활발히 연구되어 왔다.

적색 양자점을 조명에 적용할 경우 조명의 장기 신뢰성을 확보하기 위해 원격 부품의 형태로 가공해 적용하는 것이 일반적이다[15-28]. 이를 위해 양자점을 무기재료 혹은 유기 고분자 모체(matrix) 속에 균일하게 혼합한 후 필름이나 캡(cap)을 포함한 다양한 형상으로 제작해 적용한 연구 사례가 많다. 특히 양자점이 놓인 위치를 중심으로 어떤 광학 구조가 형성되는가에 따라 양자점의 색변환 효율 및 발광 스펙트럼의 현저한 변화가 발생할 수 있다. 이는 원격 양자점 부품의 적용에 있어 광학 필름을 포함한 조명의 광구조 최적화가 필요함을 의미한다[22-28].

본 연구에서는 다양한 형상의 마이크로 렌즈 배열(microlens array, MLA)을 적색 양자점 부품에 적용함으로써 양자점의 색변환 효율의 변화 추이 및 조명의 시야각 특성 및 연색지수의 변화를 조사했다. 이를 통해 최적의 연색성과 목표 시야각 특성을 만족하는 조명의 광구조 및 MLA 조합을 제시하고자 하였다. 특히 고연색성 조명이 필요한 박물관이나 아트 갤러리에서 주로 사용되는 따뜻한 느낌의 백색광을 구현하기 위해 상관색온도(correlated color temperature, CCT)가 2700–3500 K 사이가 되도록 조명의 광구조를 디자인하고자 했다. 이런 용도에서는 특정 전시품만을 선택적으로 조사하기 위해 적절한 배광 분포를 갖는 조명을 구현해야 하고 이를 위해 적절한 형상의 MLA가 선택되어야 한다.

본 연구에서는 청색 LED (IWS-L5056-UB-K3, 면적 5.4 × 5.0 mm2) 위에 황색 형광체 플레이트를 올려 백색광을 구현한 후 추가적으로 적색 양자점 필름을 올려 고연색성 조명을 구현하고자 하였다. 이를 위해 3차원 프린터로 조명의 틀을 구성했고 바닥에는 확산형 백색 반사필름을 청색 LED를 둘러싸도록 배치했다. 제작한 조명 틀의 형상과 구체적 수치 및 사진은 Supplementary Material 내 Fig. S1에 제시되었다. YAG 형광체 플레이트로는 일본 바이코프스키(Baikowski)사의 세라믹 플레이트(Ce 농도: 0.5 ± 0.02%, 면적 5 × 5 mm2, 두께 0.1 mm)를 사용했다. 사용한 적색 양자점 필름은 PDMS(Polydimethylsiloxane)에 10 wt%의 혼합비로 혼합된 CdSe/ZnS(코어/껍질) 양자점으로 제작했다. 양자점 필름의 제작 과정과 조명 적용에 대한 구체적 사례는 참고문헌[24]에 제시되어 있다.

본 연구에 적용한 MLA로는 1차원 프리즘 필름 및 역시 1차원 실린더형 렌즈 배열을 가진 MLA이다. 프리즘 필름은 액정표시장치에 포함되어 있는 상용화 필름을 확보하고 절단해 활용했다. 프리즘 산의 정각은 90도이고 45도 계면에서 발생하는 빛의 굴절로 빛이 정면으로 집광된다. Table 1은 사용된 MLA의 종류와 형상, 배열에 대한 정보를 보여준다. 두 종류의 1차원 원통형 렌즈 배열 MLA는 모두 에드문드 옵틱스(Edmund Optics)에서 구매했다(제품번호 23872를 MLA-1, 제품번호 23873을 MLA-2라 부른다). MLA-1과 MLA-2는 모두 800 μm 주기를 갖지만 반지름의 차이로 인해 발산 각도가 각각 1.9∘ 및 0.3∘로 차이가 난다. Supplementary Material 내 Fig. S2에는 청색 LED, 황색 형광체, 적색 양자점 필름, 그리고 MLA를 어떤 방식으로 조명으로 구성하는지 그 순서를 보여주고 있다.

Table 1

Two commercial MLA components used in this study.

Lens type	Array dimension	Shape	Area
Cylindrical (MLA-1)	800 μm Pitch	1.9∘ Divergence Radius 11.0 mm	20 × 20 mm2
Cylindrical (MLA-2)	800 μm Pitch	0.3∘ Divergence Radius 78.0 mm	20 × 20 mm2

스펙트럼, 색좌표, 조도 및 연색지수를 측정하기 위해 디지털 조도계(CL-500A, Konica Minolta)를 사용했다. 통상적으로 조명의 연색성은 연색지수로 나타낸다. 8 가지 표준 시료에 대한 개별 연색지수(R1–R8)를 측정해 평균을 취한 Ra 및 확장된 15가지 시료의 개별 연색지수(R1–R15)를 평균한 확장된 연색지수 Re를 모두 조사했다. 특히 진홍색에 대응하는 연색지수 R9의 개선 여부를 비교, 분석했다. 조도계와 LED 조명 사이의 거리는 40 cm였다. 광특성은 조명 점등 후 약 10분이 지나고 나서 측정되었다. 휘도의 시야각 특성은 휘도계(PR670, Photo Research)를 활용했다. 조명을 회전대 위에 올려 고정한 후 휘도계와의 거리를 90 cm로 유지한 상태에서 조명의 휘도를 10도 간격으로 측정했다.

Figure 1(a)은 청색 LED 위에 황색 형광체만 적용한 백색 LED와 그 위에 적색 양자점 필름을 적용한 백색 LED의 발광 스펙트럼을 비교한 것이다. 적색 양자점 필름이 적용된 경우 약 630 nm에서 추가적인 발광 피크가 형성되고 청색 LED 피크의 세기는 줄어든다. 이로 인해 부족한 적색 성분을 보강함과 동시에 CCT를 낮출 수 있다. Figure 1(a) 내 두 스펙트럼에 대응되는 CCT는 양자점 필름이 없는 경우의 5949 K가 양자점 필름이 적용된 경우 4123 K로 큰 폭으로 감소한다. 즉 양자점 필름으로 장파장 스펙트럼을 보강함으로써 CCT를 약 1900 K가까이 변화시킬 수 있는 것이다. Ra와 Re는 각각 약 69와 53 정도로 두 경우 모두 큰 변화는 없지만 적색에 대응되는 R9은 양자점 필름을 적용함으로써 -49에서 -21로 개선됐다. 조건별 스펙트럼 변화에 따른 연색지수의 정량적 변화는 본 절의 Fig. 5에 제시되어 있다. Figure 1(b)는 양자점 필름 위에서의 시야각에 따른 휘도 분포다. 완벽한 람버시안(Lambertian) 분포는 아니지만 람버시안에 가까운 준람버시안 휘도 분포를 보여준다. 이는 양자점 필름이 갖는 산란 특성에 기인한 것으로 보인다.

Figure 1. (Color online) (a) the emitting spectra of white LEDs without and with the red QD film, and (b) the angular distribution of luminance for the white LED with the red QD film.

Figure 5. (Color online) The change in (a) the CCT and (b) the CRI(Ra, Re, and R9) of six different white LEDs, and (c) the change in the color coordinates on the CIE1931 chromaticity diagram (Y = blue LED + YAG plate, Y+QD = blue LED+YAG plate + red QD film, Y+QD+P1 = blue LED + YAG plate + red QD film + one prism film, Y+QD+P1+MLA = blue LED + YAG plate + red QD film + one prism film + MLA-1, Y+QD+P2 = blue LED + YAG plate + red QD film + two prism films, Y+QD+P2+MLA = blue LED + YAG plate + red QD film +two prism films + MLA-1).

다음으로, 적색 양자점 필름 위에 MLA 부품을 올린 후 스펙트럼을 포함한 광특성을 조사했다. Figure 2(a)는 적색 양자점 필름 위에 두 종류의 MLA를 올린 후 정면 방향으로 측정된 스펙트럼의 변화를 보여준다. 전체적인 형상은 비슷하지만 스펙트럼의 세기에 다소 변화가 있음을 알 수 있다. Figure 2(b)는 세 가지 경우에 대응되는 휘도의 시야각 특성을 보여준다. 양자점 필름 위에서는 준람버시안 분포를 보이지만 MLA-2 위에선 정면으로 다소 집광된 분포를 보이고 MLA-1 위에서는 더 뚜렷이 집광된 분포를 보인다. 이는 두 MLA의 형상 차이에서 비롯된 것으로 보인다. 즉, Table 1에서 볼 수 있는 것처럼 MLA-1을 구성하는 렌티큘라 렌즈의 반지름이 MLA-2에 비해 훨씬 작고 곡률이 커서 빛의 집광 효과가 더 커진다. 그렇지만 스펙트럼의 형상이 거의 동일한 데서도 알 수 있듯이 세 경우 모두 CCT와 연색지수는 거의 동일했다.

Figure 2. (Color online) (a) the emitting spectra of white LEDs with the red QD film and either the MLA-1 or MLA-2, and (b) the angular distribution of luminance for the three white LEDs shown in Fig. 2(a).

Figure 3(a)은 양자점 필름 위에 프리즘 필름을 한 장, 그리고 프리즘 필름을 두 장 올린 경우 스펙트럼의 변화를 보여준다. 프리즘 필름을 두 장 올릴 경우에는 일차원 프리즘 산이 서로 수직으로 교차되게 올렸다. 프리즘 필름이 가진 집광 기능으로 인해 프리즘 필름의 수가 증가할수록 스펙트럼의 세기가 강화되는 것을 확인할 수 있다. 프리즘 필름이 휘도를 증가시키는 과정은 보통 각도 재생(angle recycling) 과정으로 불린다. 즉 45도의 기울어진 계면으로 구성된 프리즘의 산은 올라오는 빛의 35–40% 정도는 굴절을 통해 집광시키지만 집광되지 않는 50% 정도의 빛은 두 번의 내부전반사를 거쳐 아래로 다시 돌려보낸다. 이렇게 내려간 빛은 하단의 반사판 등을 통해 반사되어 올라오며 일부는 집광되어 탈출한다. 즉 프리즘 필름은 하부 반사판과의 사이에 수직 광학 공동(optical cavity)을 형성함으로써 빛의 왕복운동을 유도하고 이 과정에서 지속적으로 빛의 굴절을 통해 정면으로 향하는 빛의 비중을 늘린다. 이런 왕복운동의 가운데 놓인 색상 변환 물질, 즉 형광체 플레이트나 양자점 필름 역시 더 활발히 여기되며 황색과 적색 성분이 증가하게 된다. Figure 3(a)을 보면 프리즘 필름이 없는 경우에 비해 프리즘 필름이 올라간 경우에 황색과 적색의 발광 피크가 청색 피크의 높이에 비해 상대적으로 훨씬 강해졌음을 알 수 있다. 이는 프리즘 필름이 형성하는 광학 공동과 이로 인한 빛의 왕복운동이 색변환 물질의 색상 변환 효율을 큰 폭으로 향상시킴을 보여준다.

Figure 3. (Color online) (a) the emitting spectra of white LEDs with the red QD film and one or two prism films, and (b) the angular distribution of luminance for the three white LEDs shown in Fig. 3(a).

Figure 3(b)는 프리즘 필름이 없는 경우와 이 필름을 1장, 그리고 2장 올렸을 경우 휘도의 시야각 특성을 비교해 보여준다. 프리즘 필름의 상부는 일차원 프리즘 산이 나란히 배열되어 있는 구조라 산의 배열과 나란한 방향 및 수직인 방향으로의 시야각 특성이 현저히 다르다. 본 그림에서 프리즘 필름이 1장 올라간 경우는 프리즘 산과 나란한 방향으로, 프리즘 필름이 2장 올라간 경우는 프리즘 산에 수직인 방향으로 휘도를 측정한 결과를 보여주고 있다. 이는 프리즘 필름을 교차해서 2장 올린 경우 휘도의 시야각이 훨씬 더 좁아짐을 보여주기 위함이다. 프리즘 필름이 없는 경우에 비해 1장을 올릴 경우 정면 휘도는 약 76% 증가했지만 추가적으로 프리즘 필름을 1장 더 올릴 경우에는 약 8.6%만 더 증가했다. 이는 두 장의 프리즘 필름으로 형성된 강한 광학 공동에 의해 갇힌 내부의 빛이 양자점 필름을 왕복운동으로 다중 통과하는 과정에서 다중 산란 및 빛의 흡수가 강해져 발생한 것으로 추정된다.

Figure 3(a)에 보이는 스펙트럼의 변조는 연색지수와 CCT의 변화를 가져온다. Table 2는 세 가지 백라이트 구조, 즉 프리즘 필름의 수에 따른 Ra, Re, R9 및 CCT의 변화를 정리해 보여준다. 프리즘 필름에 의한 스펙트럼의 변화가 커지고 녹색 및 적색 영역의 스펙트럼 강도가 커질수록 연색지수가 개선되고 CCT가 감소함을 알 수 있다. 그렇지만 Ra = 75는 고연색성 조명의 조건을 만족하지 못하기 때문에 추가적인 개선이 필요한데, 이는 전체적으로 적록청 등 삼원색의 높이를 균일화함으로써 달성이 가능할 것으로 보인다. 아울러 Fig. 3(b)에 보이는 좁은 시야각 특성의 배광분포 역시 대상물의 조건에 따라 다소 완화시킬 필요가 있을 수도 있다. 즉 휘도의 시야각 분포의 자유로운 조절이 적절히 이루어지는 조건의 확보도 필요하다.

Table 2

Color rendering index of the white LED with the YAG phosphor plate with a thickness of 0.1 mm, the red QD film and one or two prism films. “None” indicates the case where no prism film was applied.

CRI	None	Prism 1	Prism 2
Ra	69	72	75
Re	56.1	60.5	65.5
R9	-21	6	34
CCT (K)	4123	3705	3376

이상의 문제를 개선하기 위해 프리즘 필름과 MLA의 적절한 조합을 조사해 보았다. Figure 4(a)는 프리즘 필름 1장 위에 MLA를 올린 조합의 휘도 분포를 보여준다. 이때 프리즘 필름의 프리즘 산의 방향과 MLA의 렌티큘라 렌즈의 방향이 수직이 되도록 교차해서 놓은 후 측정했다. 렌티큘라 렌즈의 약한 집광 효과로 인해 휘도의 시야각 분포가 다소 줄어들었음을 알 수 있다. 단 스펙트럼의 변화는 미미했기 때문에 연색지수나 CCT의 변화 폭은 매우 작았다. Figure 4(b)는 두 장의 프리즘 필름 위에 MLA를 올린 후 측정된 휘도의 시야각 분포다. 두 장의 프리즘 필름으로 인해 이미 시야각이 충분히 좁아진 상태이므로 MLA를 올리더라도 시야각 특성의 변화는 유도되지 않았다. 아울러 스펙트럼도 거의 동일한 형태를 유지했기 때문에 연색지수나 CCT 역시 거의 동일한 수치를 보였다.

Figure 4. (Color online) (a) the angular distribution of luminance for the white LEDs with the red QD film, one prism film, and either MLA-1 or MLA-2, and (b) the angular distribution of luminance for the white LEDs with the red QD film, two prism films, and either MLA-1 or MLA-2.

Figure 5(a) 및 (b)는 각각 CCT와 연색지수를 조사된 다양한 광구조에 대해 비교한 것이다. 적색 양자점 필름이 올라가지 않은 경우의 CCT(5949 K)에 비해 적색 양자점 필름을 올리면 CCT가 4123 K으로 떨어졌고, 여기에 몇 가지 조합의 MLA를 올리면 CCT가 추가적으로 3355 K까지 떨어짐을 확인했다. 이는 프리즘필름을 포함한 MLA와 하부 반사판 사이에 형성되는 강한 공동 효과, 즉 빛의 왕복운동이 촉진됨에 따라 양자점과 형광체의 여기가 더 활발해진 결과에 기인한 것이다. 연색지수 역시 녹색 및 적색 파장 대역의 세기가 증가하면서 개선된다는 점을 확인했다. 특히 적색에 대응되는 R9의 경우 -49에서 +40 정도로 큰 폭으로 개선됨을 확인했고 이를 통해 고연색성 조명 구현에 있어 적색 양자점 필름의 활용도가 높음을 알 수 있었다. Figure 5(c)는 각 구조에 따른 CCT의 변화를 CIE1931 색도도 상에 표시한 것이다. 황색 형광체 및 적색 양자점 필름의 여기가 촉진됨에 따라 색좌표는 x,y가 커지는 방향으로 이동함이 확인된다. 그러나 색좌표 변화가 커지면서 플랑크 궤적(Planckian locus)에서 벗어나는 경향도 증대됨이 확인된다.

이상의 결과를 통해 양자점 필름이 적용된 백색 LED의 경우 적용되는 MLA의 종류 및 조합에 따라 스펙트럼, 연색지수, 그리고 CCT가 큰 폭으로 변할 수 있음을 알 수 있었다. 이를 통해 박물관이나 전시장에 알맞은 CCT와 연색성을 가진 조명의 구현이 가능하다. 특히 적절한 MLA를 이용할 경우 조명의 대상이 되는 사물의 크기에 걸맞는 배광 분포의 구현도 가능해진다.

본 연구에서는 다양한 마이크로렌즈 배열 조합이 청색 LED, 황색 형광체, 적색 양자점 필름으로 구성된 백색 LED의 발광 특성에 미치는 영향을 조사했다. 마이크로렌즈 배열로는 일차원의 프리즘 필름 및 렌티큘라 렌즈 배열을 활용했다. 강한 광학 공동을 형성하는 프리즘 필름의 경우 필름의 수가 늘어날수록 형광체와 양자점의 색변환이 강화되면서 연색지수가 개선되고 상관색온도가 현저히 감소했다. 상관색온도의 변화 폭은 황색 형광체만 적용된 경우를 기준으로 무려 약 2600 K이나 감소되었다. 렌티큘라렌즈 배열의 경우 곡률에 따라 휘도의 시야각 분포를 적절히 조정하는 효과가 확인되었다. 본 연구에서는 두 종류의 마이크로렌즈 배열을 적절히 조합하는 경우 고연색성과 따뜻한 색감, 적절한 배광분포를 필요로 하는 전시장이나 박물관 등에 활용할 수 있는 백색 조명의 개발이 가능함을 확인했다.

본 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행(Grant no. RS-2023-00219703)되었습니다. 양자점 필름의 합성 및 제공에 도움을 주신 철원플라즈마산업기술연구원, ㈜지엘비젼 및 ㈜이노큐디에 감사를 드립니다.

The online version of this article contains a supplementary material.