KR20200024606A - 식물생장용 d65 스펙트럼을 제어한 백색 발광 소자 및 조명장치 - Google Patents

식물생장용 d65 스펙트럼을 제어한 백색 발광 소자 및 조명장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 식물생장용 D65 스펙트럼을 제어한 백색 발광 소자 및 조명 장치는, 가시광 전역에 걸쳐 매끄러운 발광 스펙트럼 분포를 가지며 색온도가 서로 다른 초고연색 백색 발광 다이오드(Light-emitting Diode: 줄여서 LED로 표기함) 소자와 당해 백색 조명 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 식물생장용 D65 스펙트럼을 제어한 백색 발광 소자 및 조명 장치는대상물의 색채를 정밀하면서 또한 충실하게 재현하기 위한 조명 광원에 요구되는 발광 스펙트럼을 제공하는 색온도가 서로 다른 연색성이 높은 백색 LED 소자 및 조명 장치로, 발광 파장이 380nm 이상 430nm 이하인 발광 피크를 가지는 반도체 LED 칩과, 이것으로 여기되어 발광하는 형광체를 포함하며, 이것이 실리콘 수지에 분포된 백색 발광체부로 구성. 청색 형광체의 발광대와 녹색 형광체의 발광대 및 황색 형광체의 발광대가 연속적으로 연결되어 굴곡이 없으며, 또한 적색 형광체의 발광대와 심적색 발광체의 발광대가 연속적으로 연결되도록 각각의 중량 조합에 의해 발광 스펙트럼 형상을 최적 제어하여 여기광의 자색 강도를 최소한으로 저감시킨 430nm에서 680nm에 걸쳐 평탄한 스펙트럼 분포를 가지는 평균 연색 평가수가 99에 가깝고, 색 충실도 지수 96 이상, 및 색역 지수 100을 가지면서 또한 발광 효율 80lm/W 이상으로 형성되낟.

Description

식물생장용 D65 스펙트럼을 제어한 백색 발광 소자 및 조명장치{D65 SPECTRUM CONTROLLED WHITE LIGHT DEVICE AND ILLUMINATION APPARATUS FOR PLANT GROWTH APPLICATION}
본 발명은, 높은 연색성과 높은 색 충실도 및 색의 선명함이 요구되는 조사 대상물을 조명하는 데에 만족하는 발광 스펙트럼을 가지는 백색 LED 소자에 관해, 보다 자세하게는 자색광을 여기원으로 하고 430nm에서 가시광 전역에 걸쳐 평탄한 발광 스펙트럼 분포를 가지는 초고연색 조명용 백색 LED 소자에 관한 것이다.
반도체 발광 소자인 청색 LED를 이용하여 형광체를 이 반도체 발광 소자 표면에 도포해서 반도체에 특유한 청색광과는 별개의 빛, 즉 백색인 빛을 얻을 수 있다. 통상적인 LED 조명 장치에서는 GaN을 베이스로 한 질화물 와이드갭 반도체가 사용되며 460nm를 중심으로 한 청색의 빛을 낸다. 이 빛은 발광 반치폭이 좁으며, 청색 스파이크라고 부른다. 특히 450-460nm의 청색 스파이크는 인간의 눈에 있는 망막에 손상을 줄 위험성이 우려되며, 또한 미술품인 유화의 색소를 열화시킬 우려가 지적되어, 가능한 한 제거하는 것이 바람직하다고 여겨진다. 예를 들어, 그림 1에 표시한 것과 같이 본 발명에서 실시하는 2700K의 색온도의 백색 LED 소자의 발광 스펙트럼은 자색광 성분을 포함하는 할로겐 램프의 분광 스펙트럼과 극히 유사하다. 이 할로겐 램프는 자연광을 제공할 목적으로 미술관 및 박물관의 조명 광원으로 널리 보급되어 있다.
지금까지, 백색광을 얻는 방법은 다양하게 고안되어, 1990년 후반에 우선 청색 LED 칩과 황색 형광체의 조합이 최초로 실용화되고, 다음으로 연색성을 높일 목적으로 청색 LED 칩과 녹색 형광체와 적색 형광체의 조합이 실용화되었다. 2000년대 초반에 자색 LED 칩을 이용한 청색 형광체, 녹색 형광체, 적색 형광체의 발광을 이용한 빛의 3원색 혼합에 의한 형광체 여기 방식에 따른 고연색 백색 LED 조명이 개발되었다. 이 백색 LED의 특징은, 여기광 자신이 백색광을 구성하지 않는 점이 청색 LED 여기의 경우와 근본적으로 상이하다. 따라서, 각종 형광체의 가시 발광의 배광 특성이 램버시안 배광에 따라 백색광을 합성하므로 AAA 고연색 형광 램프의 발광 특성에 근접한다.
또한, 사용 가능한 형광체의 종류도 다종 다양하여 빛의 질을 개선시킬 수 있는 가능성을 감추고 있다. 다라서, 장차 색 재현성?색 충실성이 엄격히 요구되는 색 평가용 조명 분야로의 응용이 기대된다.
현재, 청색 LED 칩으로 여기한 백색 LED 소자에 있어서도 고연색성이 달성되어 있으나, 근본적으로 380~450nm의 가시광이 결여되어 있는 것과, 여기광인 청색 스파이크가 나타나 스펙트럼 분포가 평탄하지 않다는 결점을 가지고 있다. 또한, 여기광이 그대로 백색광을 구성하는 요소가 되기 때문에, 광 특성에 현저한 고전류?고온 의존성이 발생하여 색온도 변화가 일어나기 쉽다. 이에 비해, 자색 LED 칩을 사용하여 백색광을 발생시키는 수법은, 형광체에서의 발광만으로 백색광을 구성할 수 있다는 점에서 우수하다. 최근, 자색 여기에 대한 봉지재로서 내구성이 있는 실리콘 수지와 고효율 각종 형광체가 개발된 점, 및 자색 LED 칩의 효율이 개선된 점으로 인해 자색 여기 백색 LED가 주목을 받고 있으며, 장차 고연색성이 요구되는 일반 조명 분야에 있어서도 지금까지의 청색 여기 백색 LED를 대체할 가능성이 있다.
그러나, 지금까지 작제된 자색 여기 백색 LED 소자로는 발광 스펙트럼 분포에 있어서 청색 발광, 녹색 발광, 적색 발광의 강한 피크가 나타나서 스펙트럼 분포가 평탄하지 않다는 결점이 있었다. 형광체에서의 발광 스펙트럼을 최적으로 제어하는 것으로 인해 한층 빛의 질을 개선 및 향상시키는 것이 가능해질 가능성이 있다. 백색광을 생성하는 형광체 코팅 기술을 개발함으로 인해 기존의 형광 램프 및 할로겐 램프 등의 방전 광원 성능 이상의 특성을 가지는 백색 LED 조명 광원을 개발 가능하다.
한편, 최근 들어 반도체 LED 칩의 여기에 의한 형광체 파장 변환형 백색 LED에 대한 광질 특성 평가에 있어서, 기존의 15색 지수(평균 연색 평가수: Ra와 특수 연색 평가수: Ri)를 평가하는 것만으로는 불충분하다는 지적이 있어왔으며, 현재 미국에서는 99색을 평가하는 새로운 기준(TM-30-15)로서 색 충실도 지수(Rf)와 색역 지수(Rg)가 평가 항목으로 추가되었다.
따라서, 평균 연색 평가수(Ra)가 98 이상 100 미만, 특수 연색 평가수(Ri)가 94 이상 100 미만인 초고연색 백색 LED 소자를 모든 색온도 범위에서 달성 가능한 최적의 형광체 코팅법을 발명해야만 한다. 그러기 위해서는 복수의 형광체 재료의 코팅에 관한 작제법을 확립함에 따라 백색 LED 소자의 발광 스펙트럼을 계통적으로 제어하여 소망하는 목적에 부합하는 발광 스펙트럼 분포 곡선을 작성해야 한다. 즉, 각종 형광체의 발광 스펙트럼을 제어하여 최적의 초고연색 백색 LED 조명 광원 작제에 관한 지침을 주는 것이 가능하다.
특허 공개10-2011-531868호 특허 공개10-2010-054365호
타구치 편저「백색 LED 조명 기술의 모든 것」 공업 조사회 2009년
현재까지 근자외/자색 여기로 발광하는 형광체 재료의 작제법 등의 보고는 다수 이루어져 있다. 특히, 상기 특허 문헌 1과 2에서는 형광체에 관하나 재료의 소성과 제조에 관한 지견이 망라되어 있으나, 백색광을 구성하는 다종의 형광체 재료의 조합에 의해 발광 스펙트럼을 최적으로 제어하여 Ra를 98 이상 100 미만까지 달성하는 것이 가능한 형광체 코팅 기술에 관한 발명은 이루어지지 않았다.
따라서, 본 발명에서는 최적 형광체 코팅 기술을 개발하여 넓은 색온도에 걸쳐 발광 스펙트럼을 제어하는 것이 가능한 계통적 수법을 확립하여 고도로 요구되는 높은 연색성/색 충실성/광색역성을 겸비한 초고연색 백색 소자를 제공한다.
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위한 것으로, 이하를 요지로 하는 것이다.
[1] 380-430nm의 파장 영역 내에 발광 피크를 가지는 여기용 반도체 LED 칩과 백색 발광부로 구성되며, 대상물에 대한 최적의 조명을 만족하는 발광 스펙트럼 특성을 가지는 조명용 백색 발광 소자 및 발광 장치이다. 당해 반도체 LED 칩 위에 마련된 이하에 표시한 5종류 이상의 실리콘 수지에 분산된 형광체를 당해 반도체 LED 칩에서 방사된 빛으로 여기시킴으로 인해 백색광을 발생시키는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
[2] 반도체 LED 칩에서 방사된 빛으로 여기되어 청색, 녹색, 황색, 적색, 심적색 영역으로 각각 파장 변환하는 5종류의 형광체로서 아래의 (1)~(5)의 형광체를 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 [1]에 기재한 발광 소자.
(1) 제 1 형광체
380~430nm의 빛으로 여기되어, 발광을 450~470nm 범위에서 발생하는 청색 형광체.
(2) 제 2 형광체
380~430nm의 빛으로 여기되어, 발광을 510~550nm 범위에서 발생하는 녹색 형광체.
(3) 제 3 형광체
380~430nm의 빛으로 여기되어, 발광을 550~590nm 범위에서 발생하는 황색 형광체.
(4) 제 4 형광체
380~430nm의 빛으로 여기되어, 발광을 630~660nm 범위에서 발생하는 적색 형광체.
(5) 제 5 형광체
380~430nm의 빛으로 여기되어, 발광을 660~730nm 범위에서 발생하는 청색 형광체.
[3] 반도체 LED 칩은, 사파이어 기판 위에 성장시킨 InGaN/GaN 다중 양자 우물층으로 구성되며 GaN 버퍼층 위에 성장시킨 것이다. 당해 반도체 LED 칩은, 380nm에서 430nm의 파장 영역에서 단일한 발광대를 가지는 빛을 발생시킨다.
본 발명에 의하면, 380~430nm의 빛을 흡수한 청색 발광 형광체는 450nm~470nm의 청색광을 발광, 녹색 형광체는 510~530nm 녹색광을 발광, 황색 형광체는 550~590nm의 황색광, 적색을 발광하는 적색 형광체는 630~660nm의 적색을 발광, 또한 심적색 형광체는 660~740nm의 깊은 적색광을 발광한다. 이러한 발광을 보이는 5종류의 형광체를 혼합함에 의해 안정적인 연색성이 높은 백색 발광을 실현 가능하다. 이러한 형광체에서의 발광의 조합에 따라, 자연 또는 태양광 스펙트럼과 유사한 백색광을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 백색 조명 LED 모듈은, 본 발명의 초고연색 백색 발광 소자로 작제되며 표면 실장형(surface mount diode: SMD로 약기함.), 칩 온 보드(chip-on-board: COB로 약기함.), 그리고 포탄형 램프 소자가 사용된다.
본 발명에 의하면, 광범위에 걸친 색온도에 있어서 높은 질의 발광이 이들 스펙트럼을 제어함으로 인해 얻을 수 있으며, 색 재현성?색 충실도가 강하게 요구되는 조명 분야에 다대한 공헌을 한다. 또한, 그러한 백색 LED 조명 장치를 제공하는 것이 가능하다.
도 1은 Ra=98, R9=95, R12=99로 상관 색온도 2700K의 발광 스펙트럼을 예시적으로 표시함(점선의 곡선은 비교 예로서, 미술품 조명 광원으로 채용하는 할로겐 램프(CIE Standard Illuminants A)의 발광스펙트럼임)
도 2는 색온도 3000K일 때의 발광 스펙트럼.
도 3은 색온도 4500K일 때의 발광 스펙트럼.
도 4는 색온도 5000K일 때의 발광 스펙트럼.
도 5는 색온도 5400K일 때의 발광 스펙트럼.
도 6은 색온도 6500K일 때의 발광 스펙트럼.
도7은 청색 발광 강도(B)와 적색 발광 강도(R)의 강도비와 상관 색온도 및 평균 연색 평가 지수(Ra)의 관계.
도 8은 각 상관 색온도 별 백색 발광 스펙트럼 형상에서 광질 특성을 예상한 개념도. (②의 평탄한 형상은 4500K~5500K의 스펙트럼 형상을 기준으로 한다. ①은 이보다 낮은 상관 색온도의 스펙트럼을 나타내는 근사 특성, ③은 이보다 높은 상관 색온도의 스펙트럼을 나타내는 근사 특성.)
이하에, 본 발명의 각 요소에 대해 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이하의 설명에 한정된 것이 아니며, 그 요지의 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시하는 것이 가능하다.
[반도체 LED 칩]
본 발명에서는, 405nm에 중심 파장을 가지는 발광 반치폭 30nm의 여기용 칩으로서 GaN 계 반도체 LED 칩을 사용한다. 외부 양자 효율이 50% 이상 100% 미만이다. 발광층에서 발생한 빛을 보다 많이 외부로 추출하기 위한 다양한 구조(전극 구조, 반사 구조, 상하를 역전시킨 플립칩 구조 등)을 적시에 마련하는 것이 바람직하다.
[형광체 재료]
본 발명의 발광 소자는, 상술한 반도체 LED 칩에서의 발광으로 여기되어, 각각 청색, 녹색, 황색, 적색, 심적색 영역으로 파장 변환되는 5종류의 형광체로, 이하의 형광체를 함유하는 것이 바람직하다.
청색 형광체로는, 380~430nm의 파장 범위에서 여기 가능하며, 주 발광 피크가 460nm로, 중량 메디안 지름이 15~20μm인 청색 형광체를 사용하는 것이 바람직하다.
녹색 형광체로는, 380~430nm의 파장 범위에서 여기 가능하며, 주 발광 피크가 520nm인, 중량 메디안 지름이 20~25μm인 녹색 형광체를 사용하는 것이 바람직하다.
황색 형광체로는, 380~430nm의 파장 범위에서 여기 가능하며, 주 발광 피크가 580nm인, 중량 메디안 지름이 15~20μm인 황색 형광체를 사용하는 것이 바람직하다.
적색 형광체로는, 380~430nm의 파장 범위에서 여기 가능하며, 주 발광 피크가 630nm인, 중량 메디안 지름이 15~20μm인 적색 형광체를 사용하는 것이 바람직하다.
심적색 형광체로는, 380~430nm의 파장 범위에서 여기 가능하며, 주 발광 피크가 660nm인, 중량 메디안 지름이 15~20μm인 심적색 형광체를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 발광 소자에 사용되는 형광체의 양은, 본 발명의 발광 소자를 만족시키기 위해 적시 선택하는 것이 가능하나, 발광부에 포함되는 형광체의 전체 양을 100 중량%라고 했을 때, 통상적으로 청색 형광체 : 녹색 형광체 : 황색 형광체 : 적색 형광체 : 심적색 형광체 = 0.1~90중량%:0.1~90중량%:0.1~90중량%:0.1~90 중량%:0.1~90중량%, 바람직한 것은 청색 형광체 : 녹색 형광체 : 황색 형광체 : 적색 형광체 : 심적색 형광체 = 0.1~50 중량%:0.1~50 중량%:0.1~50 중량%:0.1~50 중량%:0.1~50 중량%인 것이 바람직하다. 이 범위를 벗어나는 경우에는, 충분한 특성을 얻을 수 없다.
[백색 발광부]
본 발명의 발광 소자의 발광부는, 상기 형광체와 봉지재인 실리콘 수지를 함유하는 것이다. 즉, 봉지재로는, 반도체 LED 소자로부터의 여기광(피크 파장 380~430nm)에 대해 충분한 투과성 과 내구성의 수지가 바람직하며, 따라서 본 발명에서는 봉지재로서 실리콘 수지를 사용한다.
발광부에 포함된 형광체의 양은, 발광부의 총 중량에 대해 4중량%~70 중량%인 것이 바람직하다. 여기에서, 발광부의 중량이란, 발광부에 포함되는 형광체의 총 중량, 봉지재인 실리콘 수지 중량, 필요에 따라 첨가되는 실리카 파우더(
Figure pat00001
) 등의 첨가재 중량의 총합을 말한다.
[실시 예]
이하, 실시 예를 이용하여 본 발명을 보다 구체적으로 상세 설명하나, 본 발명은 그 요지를 벗어나지 않는 한, 이하의 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
[실시 예 및 비교 예]
반도체 칩, 형광체 재료, 봉지재로서 이하의 재료를 사용하여, 이하의 소자를 작제하여 평가한다.
<반도체 LED 칩>
반도체 LED 칩으로는, 피크 파장 405nm, 반치폭 30nm인 InGaN/GaN 다중 양자 우물 구조를 발광층으로 하는 것을 사용하였다. 외형은 520μmx390μm의 장방형이다.
<봉지재>
실리콘 수지와 침강방지제로서 실리카 파우더(
Figure pat00002
) 재를 사용하였다.
<형광체>
형광체로서 이하의 형광체 재료를 사용하였다.
(1) 청색 형광체:
Figure pat00003
(2) 녹색 형광체:
Figure pat00004
(3) 황색 형광체:
Figure pat00005
(4) 적색 형광체:
Figure pat00006
(5) 심적색 형광체:
Figure pat00007
<실시 예 용도 발광 소자 작제>
작제는, InGaN/GaN 다중 양자 우물 구조를 가지는 자색 LED 를 전극 배선을 실시한 LEAD FRAME 패키지 위에 실장하여, 5종류의 형광체를, 실리콘 수지 중에 분산시킨 형광체 함유 조성물을 사용해 봉지하였다. 형광체 혼합액은, 디스펜서를 사용하여 도포하였다.
<발광 스펙트럼 측정>
발광 스펙트럼 측정은, 20~65mA의 순방향 전류 인가 조건으로, 실온에서 측정하였다. 측정 장치는, 광전자정밀㈜(WITHLIGHT) (한국)제 OPI-100을 사용 하였다.
표 1에, 각 색온도 별 각각의 색도 좌표(x, y)와 5종류의 형광체 배합비(wt%)를 표시하였다. 이들 형광체의 배합 비율은, 녹색 형광체의 중량을 기준으로 결정되었다. 그리고, 본 발명의 실시에 있어서 최적의 조건을 부여하는 수치이다. 형광체를 반도체 LED 칩 위에 코팅하기 전에, 미리 5종류의 혼합 비율을 결정하여 형광체 혼합체의 photoluminescence(PL) 스펙트럼을 측정하고, 후술하는 그림 7에 맞도록 스펙트럼을 설계한다.
색 온 도
(K)		 색도 좌표 값 형광체의 배합비(wt%)
x y 청색 형광체 녹색 형광체 황색 형광체 적색 형광체 심적색 형광체
2737 0.468 0.430 24.0 1.0 1.0 14.0 0.6
3028 0.436 0.404 7.3 1.0 0.4 4.7 0.2
4477 0.362 0.368 12.3 1.0 1.0 5.0 0.3
5097 0.343 0.352 14.3 1.0 1.0 5.2 0.3
5393 0.335 0.348 13.2 1.0 1.0 4.6 0.3
6488 0.313 0.329 17.2 1.0 1.0 5.6 0.2
이하에, 구체적인 발광 스펙트럼을 각 색온도에 대해 표시한다.
도 1에 색온도 2700(2737)K일 때의 발광 스펙트럼을 표시한다. 점선은, 현재 미술 조명용으로 사용되고 있는 할로겐 램프(CIE Standard Illuminants A)의 발광 스펙트럼이다.
도 2에 색온도 3000(3028)K일 때의 발광 스펙트럼을 표시한다.
도 3에 색온도 4500(4477)K일 때의 발광 스펙트럼을 표시한다.
도 4에 색온도 5000(5097)K일 때의 발광 스펙트럼을 표시한다.
도 5에 색온도 5400(5393)K일 때의 발광 스펙트럼을 표시한다.
도 6에 색온도 6500(6488)K일 때의 발광 스펙트럼을 표시한다.
도 7에, 455nm 청색 발광 강도(B)/630nm 적색 발광 강도(R)의 강도비와 색온도의 관계를 표시한다. 또한, 평균 연색 평가수(Ra) 값도 표시하였다. 실험을 실시한 색온도 범위 내에서 Ra의 평균은 98.5였다.
도 7에서, 색온도(Tc)는 방적식 Tc=3700(B/R_+1800을 만족함을 알 수 있다.
(1) 고찰 I
<발광 스펙트럼 강도>
이상의 도 1에서 도 6까지, 각 색온도의 차이에 따른 백색 LED의 스펙트럼 강도 변화에서 발광 스펙트럼의 특성을 고찰하겠다. 도에서 알 수 있듯이, 색온도가 증가함에 따라, 상대적으로 405nm의 여기광인 자색광 성분이 강해지고, 적색 발광 강도가 약해진다. 한 편, 녹색 발광에 관해서는, 적색 발광의 강도보다 강해지지 않도록, 또한 피크가 출현하지 않도록 녹색 형광체 배합을 조정하는 것이 중요하다. 그리고, 455nm에서의 청색 발광 강도와 405nm의 자색 발광 강도비는 3을 넘지 않도록 청색 형광체의 중량을 조정하였다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 455nm의 청색 발광 강도(B)와 630nm의 적색 발광(R)의 강도비는, 색온도(Tc)에 대해 비례 관계가 있음을 알 수 있다. 이 사실은, 초고연색 백색 LED 소자를 얻기 위해 매우 중요한 관계로, 이 방정식(Tc=3700(B/R)+1800)은 적절한 색온도 조정을 위해 각각의 형광체 비율을 설정하는 데에 있어서의 기준이 된다.
(2) 고찰 II
<발광 스펙트럼 형상>
이상의 도 1에서 6까지의 특성을 가지는 백색 LED의 발광 스펙트럼에서 그 형상에 대해 고찰하겠다. 대부분의 색온도에서, 약 450nm보다 장파장 영역에 있어서 평탄한 스펙트럼 형상을 나타낸다. 초고연색성을 얻기 위한 조건은, 스펙트럼이 전체적으로 평탄한 것이 중요하다. 우선, 도 1은, 이미 기술한 바와 같이 할로겐 램프의 분광 스펙트럼과 유사하며, 직선적으로 평탄하게 발광 강도가 증가한다. 3000K에서 5000K에 걸쳐서는, 미세하게 청색, 녹색, 적색의 피크처럼 보이는 요철은 나타나지만, 5400K에 이르러서는, 이러한 피크는 거의 볼 수 없게 된다.
따라서, 이하의 모의도 7에 나타낸 바와 같이, 초고연색성을 나타내는 스펙트럼 형상을 설계하는 데에 있어서, 각 형광체의 피크가 출현하지 않도록 코팅하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
도 8에 파장 430nm에서 630nm에 걸쳐 근사적으로 평탄한 발광 스펙트럼 형상을 표시하였다.
도8은 초고연색 백색 발광 소자를 설계하는 지침을 제공한다. 즉, 4500K~5500K에서는 거의 평탄한 스펙트럼 형상을 보이며, 4500K~5500K 이하의 색온도에서는 우측으로 높아지는 경사를 가지고, 직선적으로 강도가 증가한다. 이 경사각 α는, +26도(0<α<+26o)이다. 한편, 4500K~5500K 보다 높은 색온도에서는 경사각 β가 미세하게 우측으로 낮아지는 경향을 가진다. 이 각도는 -3도(-3o<β<0)이다. 도에서 ①은 4500K~5500K 보다 낮은 색온도일 때의 스펙트럼 형상의 근사 특성, ②는 4500K~5500K 일 때의 색온도에서의 스펙트럼 형상의 근사 특성, 그리고 ③은 4500K~5500K 보다 높을 때의 색온도 별 스펙트럼 형상의 근사 특성을 표시한다.
(3) 고찰 III
<발광 효율>
5종류의 형광체를 혼합하기 때문에, 다단 여기(cascade 여기)에 따른 발광 여기 에너지 손실이 예상됨에도 불구하고, 발광 효율은 65mA일 때, 최대 110lm/W의 값을 얻었다. 이것은, 많은 실험을 통해 복수의 형광체 간의 상관 관계에 따른 최적 비율과 최적의 형광체 조합 설계가 가능해졌기 때문이다.
연색성에 관한 측정은 광전자정밀㈜(WITHLIGHT) (한국)제 OPI-100 측정기를 사용하여 실측하였다. 또한, 색 충실도 지수(Rf)와 색역 지수(Rg)의 측정은 ASENSETEK(대만)제 LP Pro 장치를 사용하여 실측하였다.
표 2는, 각 색온도 별 Ra, R9, R11, R12, R15, Rf와 Rg 값을 표시한다.
CCT(K) Ra R9 R11 R12 R15 Rf Rg
2700 98 95 95 99 98
3000 98 91 96 96 99 96 100
4500 99 94 100 98 100
5000 99 98 97 97 98 97 100
5400 99 96 98 97 99
6500 98 98 98 98 98 98 100
표 3은 2700K일 때의 Ra(1에서 8까지)와 Ri(9에서 15까지)의 값을 표시한다.
Ra R1 R2 R3 R4 R5 R6
98.0 99 99 98 97 98 98
R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15
95 99 95 99 98 98 98
표 4는 3000K일 때의 Ra(1에서 8까지)와 Ri(9에서 15까지)의 값을 표시한다.
Ra R1 R2 R3 R4 R5 R6
98.3 98.8 99.0 98.8 98.2 98.6 96.8
R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15
91.3 99.2 96.3 95.5 98.6 98.4 98.6
표 5는 4500K일 때의 Ra(1에서 8까지)와 Ri(9에서 15까지)의 값을 표시한다.
Ra R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8
99.3 100 100 98 100 100 99 99 98
R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15
94 98 100 98 99 98 100
표 6는 5000K일 때의 Ra(1에서 8까지)와 Ri(9에서 15까지)의 값을 표시한다.
Ra R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8
98.5 98 99 99 98 98 98 99 99
R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15
98 99 97 97 98 99 98
표 7은 5400K일 때의 Ra(1에서 8까지)와 Ri(9에서 15까지)의 값을 표시한다.
Ra R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8
99.1 99 99 99 98 99 98 99 99
R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15
96 99 98 97 99 99 99
표 8은 6500K일 때의 Ra(1에서 8까지)와 Ri(9에서 15까지)의 값을 표시한다.
Ra R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8
98.3 98 99 99 98 98 97 99 98
R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15
98 98 98 98 98 99 98
전술한 바와 같이, 5종류의 형광체 중량 비를 표 1에 표시한 것과 같이 최적으로 조합하고, 또한 청색 형광체와 심적색 형광체의 적정량을 각각 조정함으로 인해, 모든 색온도에 있어서 표 3에서 8에 표시한 것과 같은 매우 높은 Ra와 Ri 수치를 달성할 수 있었다. 특히, 4500K에 있어서는, R9=94를 제외하면, 그 외의 수치는 지금까지 보고된 적이 없는 상당히 높은 수치를 나타내었다.
상기 초고연색 백색 발광 소자에 대해, 색 충실도 지수(Rf)와 색역 지수(Rg)를 측정하여 이 수치들을 고찰하였다. Rf는 99색의 색상표에 대한 빛의 충실도 평균 값을 나타내며, 최대는 100이다. Rg는 색역 평균 값을 나타내며, 기준광의 색역과 동일하면 100으로 한다.
3000K, 5000K, 6500K의 색 충실도 지수(Rf)와 색역 지수(Rg)는 표 2의 결과가 되었다.
본 발명의 백색 LED 광원과 참고 광원에 의해 조사된 색의 유사도를 나타내는 Rf는, 각각 96, 97, 98이 되었다. Ra가 높아지면 Rf도 높아졌다. 비례 관계에 있는 것으로 생각된다.
3000K, 5000K, 6500K의 색역 지수(Rg)는, 전부 100으로, 참고 광원과 완전히 일치하였다. 색역 지수는, 본 발명의 백색 LED 광원에 의해 조사되는 색의 포화도 변화를 나타낸다. 100은 포화도가 완전히 일치하는 것이다. 100보다 크면 색 포화도가 높아 붉은 색을 띠게 된다. 특히, 색역은 시각적인 색감과도 관계되지만, 이론적으로는 100에 가까울수록 빛의 질이 좋아지게 된다.
특히 본 발명에서는, 제 1번의 청색 형광체 함유량을 조정하고, 제 5번의 심적색 형광체를 적정량 추가함에 따라, 모든 색온도 범위에서 Ra가 99에 가깝게, Rf도 96을 넘으며, Rg는 100인 뛰어난 초고연색 백색 LED 조명 소자를 실현하였다.
이상과 같은 특성을 가지는 백색 LED 발광 소자는, 청구항에 언급한 조건을 모두 만족하는 초고연색 백색 LED라고 할 수 있다. 특히, Ri의 모든 값이 높은 고채도 특성을 가지는 본 발명의 초고연색 백색 LED 소자 및 조명 장치는, 색 평가의 높은 정밀도가 요구되는 광학 검사?의료 조명 분야에서 유익하다. 본 발명으로 작제된 각 색온도를 가지는 백색 LED 소자의 조합에 의해, 한층 다양한 색도 좌표(x, y)의 색온도를 가지는 초고연색 백색 LED 광원을 설계할 수 있게 된다.
여기광인 자색 성분(380~430nm)의 빛은, 파장 영역의 정의에서 보면 가시 방사광이다. 이 자색은, 형광체를 여기시키기 위해 필요함과 동시에, 자색광을 포함하는 백색 LED 광원은 자색광을 필요로 하는 조명 응용 분야의 발전에는 필수 불가결하다. 따라서, 적재 적소에 이 빛을 제어하는 것이 중요하다. 본 발명에 의하면, 형광체의 조합 비율에 따라, 가능한 한 자색광 방사를 저감시키고 고효율화를 유지하여 복사체에 대한 조명이 가능하다. 한편, 최근 자색광(380~400nm)의 근시 예방에 대한 유효성이 의학적인 임상 실험으로 밝혀지고, 일반 조명 분야에서도 자색광의 근시 예방 효과는 눈의 안전성을 포함하여 앞으로 한층 더 검증되어 갈 것으로 기대된다. 장차, 안전한 자색광을 포함하는 일반 조명 기구의 개발도 가속될 것으로 기대된다.

Claims (7)

  1. 380nm 이상 430nm 이하에 발광 피크를 가지는 자색 파장 영역의 빛을 방출하는 반도체 LED 칩과, 전술한 자색 LED 칩의 여기 파장에 의해 여기되어 발광하는 투명 수지층에 분포된 형광체층을 포함하는 초고연색 백색 발광 소자로, 전술한 초고연색 백색 발광 소자는, 평균 연색 평가수 99에 가까우며, 특수 연색 평가수 R9가 91 이고, 특수 연색 평가수 R12가 96 이상으로, 색 충실도 지수 96 이상, 색역 지수 100이면서 전술한 형광체 층은,
    450~470nm에 발광 피크를 가지는 제 1 형광체, 와
    510~550nm에 발광 피크를 가지는 제 2 형광체, 와
    550~590nm에 발광 피크를 가지는 제 3 형광체, 와
    630~660nm에 발광 피크를 가지는 제 4 형광체, 및
    660~730nm에 발광 피크를 가지는 제 5 형광체을 포함하는,
    전술한 형광체 층 속의 전술한 제 1 형광체와, 전술한 제 2 형광체와, 전술한 제 3 형광체와, 전술한 제 4 형광체와, 전술한 제 5 형광체의 중량비가 제 1 형광체:제 2 형광체:제 3 형광체:제 4 형광체: 제 5 형광체=7.3~24.0 : 1.0 : 0.4~10 : 4.6~14.0 : 0.2~0.6이며, 각 상관 색온도 별 청색 형광체의 발광 강도와 적색 형광체의 발광 강도의 비가 상관 색온도에 대해 비례 관계에 있는 것을 특징으로 하고, 발광 효율 80lm/W 이상인 식물생장용 D65 스펙트럼을 제어한 백색 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 소자는 개략 1500K 이상 10000K 미만까지 서로 상이한 색온도를 제공하는 발광 광원으로, 제 1 형광체의 발광과 제 2 형광체의 발광 및 제 3 형광체의 발광은 평탄하게 이어지며, 또한 제 5 형광체로 660~730nm의 심적색 발광을 내는 형광체를 적정량 포함하고,
    제 4 형광체의 발광과 제 5 형광체의 발광도 연속적으로 연결되고, 또한 평탄한 발광 분포를 가지며,
    평균 연색 평가수(Ra)는 98 이상 100 미만, 고채도를 나타내는 특수 연색 평가수(Ri)의 R9(적색), R12(청색)은 각각 94 이상 100 미만으로, 발광 효율은 80lm/W 이상이며,
    형광체 파장 변환형 백색 발광 소자인 식물생장용 D65 스펙트럼을 제어한 백색 발광 소자.
  3. 제1 항 및 제2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    대략 2700K에서 6500K의 각 상관 색온도의 발광 스펙트럼에 있어서 630nm의 적색 발광 강도(R)과 455nm의 청색 발광 강도(B)의 강도 비와 상관 색온도(Tc)가, 다음 선형 방정식, Tc(K)=3700(B/R)+1800을 만족하는 것을 특징으로 하는 식물생장용 D65 스펙트럼을 제어한 백색 발광 소자.
  4. 제3 항에 있어서,
    가시광 파장 영역 430nm에서 630nm에 걸쳐 연속적으로 연결되며, 거의 직선적, 또는 평탄한 스펙트럼 분포를 가지는 것을 특징으로 하는 식물생장용 D65 스펙트럼을 제어한 백색 발광 소자.
  5. 제4 항에 있어서,
    이상의 상관 색온도가 높은 영역에 있어서 평균 연색 평가수 Ra=98 이상 100 미만을 얻기 위해서는, 발광 스펙트럼의 분포 곡선이 평탄하거나, 미세하게 오른쪽이 낮은 경사 약 3도 미만을 가지는 것을 특징으로 하는 식물생장용 D65 스펙트럼을 제어한 백색 발광 소자.
  6. 제5 항에 있어서,
    4500K~5000K 이하의 상관 색온도가 낮은 영역에 있어서, 평균 연색 평가수 Ra=98 이상 100 미만을 얻기 위해서는, 발광 스펙트럼의 분포 곡선이 오른쪽이 높은 경사 약 26도 미만을 가지는 것을 특징으로 하는 식물생장용 D65 스펙트럼을 제어한 백색 발광 소자.
  7. 제1 항의 식물생장용 D65 스펙트럼을 제어한 백색 발광 소자를 포함하는 조명장치.
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타구치 편저「백색 LED 조명 기술의 모든 것」 공업 조사회 2009년

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