Optimization of color temperature tunable White-light LED luminaire with high color rendering index

Abstract

요 약

종래의 조명의 역할은 단순히 공간에 빛을 밝히는 역할을 하여왔다. 그러나 최근들어 빛의 여러 성질들이 인간 생리에 영향을 미친다는 사실들이 밝혀지면서 이를 고려한 조명 즉 감성 조명에 대한 요구가 높아지고 있다. 특히 조명의 색온도가 인간의 감성에 중요한 요소로 대두되고 있어 LED를 이용한 색온도 가변 조명에 대한 연구가 활발히 이뤄지고 있다. LED를 이용한 색온도 가변은 다양한 파장을 갖는 LED 칩을 조합하여 그 상대 광량을 조정하는 방식이 일반적이다. 그동안의 연구는 색온도 자체를 가변하는 제어 기법에 초점이 맞추어져 있었다. 그러나 조명은 색온도 이외에도 연색성, 광효율 등 다양한 특성이 고려되어야 한다. 예를 들어 3개 혹은 4개의 파장을 갖는 LED 칩을 사용하여 색온도 가변 조명을 구현 하였다 할지라도 색온도가 변화함에 따라 조명의 다른 특성들이 나빠지는 일이 종종 발생하게 된다. 따라서 본 논문에서는 색온도를 가변하면서도 조명의 다른 특성들이 최적화되도록 스펙트럼을 설계하였다. 조명 특성은 평균 연색지수(Ra), R9, Luminous Efficacy of Radiation (LER) 를 고려하였다. 색온도를 가변하기 위해 Red, Green, Blue LED를 이용한 3-Chip 방식과 Red, Green, Amber, Blue LED를 이용한 4-Chip 방식을 고려하였다. 색온도가 가변되는 동안에 위에서 언급한 광 특성 들이 최적화가 되는 조합 및 그 광량비를 산출하였다. 시뮬레이션 결과 3-Chip 방식에서는 615 nm, 455 nm, 545 nm 의 파장 조합이 최적이었고 이때 3000 K에서 6000 K 까지 색온도가 변하는 동안 Ra는 82~86, R9는 46~ 70, LER은 347~391 을 나타내었다. 4-Chip 방식에서는 627 nm, 524 nm, 458 nm, 581 nm 의 파장 조합이 최적이었으며 이때 3000 K에서 6000 K 까지 색온도가 변하는 동안 Ra는 96~97, R9는 94~99, LER은 325~372 를 나타내었다. 이러한 결과를 실험적으로 검증하기 위하여 4-Chip 방식의 색온도 가변 조명을 제작하였다. 시뮬레이션 상 최적 파장을 갖는 LED를 사용하려 하였으나 소량을 구매하는데 어려움이 있어 실제 제작은 621 nm, 530 nm, 453 nm, 590 nm 의 피크파장을 갖는 PKG를 사용하였다. 제작 후 광 특성을 측정하였으며 시뮬레이션과 거의 같은 결과를 얻었다. 색온도는 3000 K ~ 6000 K 로 변화 하였으며 이때 Ra, R9, LER 값은 각각 87~90, 34~93, 331~401 를 나타내었다.