Study of the Effect of the Transmittance of a Diffuser Plate on the Optical Characteristics of High-power Quantum-dot Illumination

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Study of the Effect of the Transmittance of a Diffuser Plate on the Optical Characteristics of High-power Quantum-dot Illumination

Hye-Rin Kim¹, Dong Geun You¹, Jae Hwan You¹, Jun Won Jang¹, Moo Kyu Choi¹, Seung Chan Hong¹, Jae-Hyeon Ko^1†, Sung-Yoon Joe², Yongduk Kim², Taehee Park³, and Young Wook Ko³

1School of Nano Convergence Technology, Nano Convergence Technology Center, Hallym University, Chuncheon 24252, Korea

2Light/Display Convergence R&BD Division, Cheorwon Plasma Research Institute, Cheorwon 24062, Korea

3GLVISION Co., Ltd., Cheorwon 24062, Korea

(Received July 8, 2021; Revised July 20, 2021; Accepted July 30, 2021)

The optical characteristics of high-power direct-lit white light-emitting diode (LED) lighting were investigated, where a quantum dot (QD) film was adopted to enhance the color-rendering index (CRI). The transmittance of the diffuser plate and the concentration of the QD film were varied in this study. The color coordinates and the correlated color temperature (CCT) did not show any appreciable change, while the CRI values increased slightly as the transmittance of the diffuser plate decreased. The investigated optical properties were nearly independent of the viewing angle, and the luminance distribution was close to Lambertian. The CCT decreased from approximately 6000 K to approximately 4000 K as the concentration of the QD film increased from 0 to 7.5 wt%, which was due to the enhanced red component in the emission spectrum. The CRI increased to approximately 95 for some optical configurations of the lighting. These results demonstrate that glare-free, color-changeable, high-rendering LED lighting can be realized by using a combination of a diffuser plate of appropriate transmittance and a red QD film.

Keywords: Color rendering index, Diffuser plate, Light-emitting diode, Quantum dot

OCIS codes: (120.2040) Displays; (220.2945) Illumination design; (230.3670) Light-emitting diodes; (330.1715) Color, rendering and metamerism

확산판의 투과율이 고출력 양자점 조명의 광특성에 미치는 영향에 대한 연구

김혜린

¹

ㆍ유동근

¹

ㆍ유재환

¹

ㆍ장준원

¹

ㆍ최무규

¹

ㆍ홍승찬

¹

ㆍ고재현

^1†

ㆍ조성윤

²

ㆍ김용득

²

ㆍ박태희

³

ㆍ고영욱

³

1한림대학교 나노융합스쿨 나노융합기술연구소

우 24252 강원도 춘천시 한림대학길 1

2철원플라즈마산업기술연구원 광/디스플레이융합사업본부

우 24062 강원도 철원군 서면 금강로 7194

3주식회사 지엘비젼

우 24062 강원도 철원군 서면 금강로 7400

(2021년 7월 8일 받음, 2021년 7월 20일 수정본 받음, 2021년 7월 30일 게재 확정)

눈부심 방지를 위한 확산판의 투과율과 연색지수 향상을 위한 양자점 필름의 농도가 고출력 직하형 백색 LED 조명의 광특성에 미치는 영향 을 조사했다. 확산판의 투과율이 감소할 경우 조명의 휘도는 줄어들었고 색좌표, 상관색온도는 별다른 변화를 보이지 않았으며 연색지수는 약 간 상승했다. 시야각에 따른 광특성의 편차는 거의 없었고 휘도 분포는 람버시안 분포에 가까웠다. 양자점 필름의 농도가 증가할 경우 스펙트 럼 상 적색 성분이 늘어나면서 이 성분의 비중을 표현하는 색좌표 x가 증가했고 상관색온도는 약 6000 K에서 4000 K 부근으로 현저히 감소

†Corresponding author: [email protected], ORCID: 0000-0001-7766-2385 Color versions of one or more of the figures in this paper are available online.

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I. 서 론

최근 일반 조명 시장에서 영역을 급속히 확대하고 있는 백 색 발광다이오드(light emitting diode, LED)는 높은 광효율, 다양한 디자인 요소, 환경 친화적인 속성으로 인해 인기를 끌 고 있다^[1]. 백색 LED는 보통 청색 LED 칩 위에 황색 형광체 를 코팅해 백색광 스펙트럼을 구현한다^[2]. LED는 사용 목적에 따라 디스플레이용 LED, 일반 가정용 LED, 그리고 공장을 포 함한 대형 건물용 고출력 LED 등 다양한 종류로 나뉜다. 특히 디스플레이용 LED의 경우 최근 청색 LED에 반치폭이 작은 녹색 및 적색 양자점(quantum dot) 필름을 적용해 색재현성 (color gamut)을 넓히는 방식으로 활용되고 있다^[3-8].

반면 일반 조명용 LED의 단점 중 하나는 황색 형광체를 사 용하는 관계로 가시광의 청색 계열과 황색 계열 외의 다른 스 펙트럼의 광량이 부족해(특히 적색 계열) 조명의 연색지수 (color rendering index, CRI)를 떨어뜨린다는 것이다. 연 색지수란 조명이 비추는 물체의 색이 자연스럽게 연출되는 정 도를 정량화한 수치다. 백색 LED의 연색지수를 개선하기 위 해 황색 형광체 대신 녹색 및 적색 형광체를 혼합해 적용하거

나^[9-14] 일반 백색 LED에 적색 양자점을, 혹은 적절한 여기 광

원에 다양한 양자점을 적용하는 등^[15-26] 다양한 방향으로 연구 가 진행되었다. 특히 양자점은 2–10 nm 크기의 반도체 나노 재료로서 양자 국한 효과(quantum confinement effect)로 인해 크기 조절을 통한 발광 파장의 조정이 용이하고 양자 수 율(quantum yield, QY)이 높으며 방출 선폭이 좁아 고휘도 및 넓은 색 영역 등의 장점을 가진다^[27]. 이런 이유로 양자점은 일반 조명뿐만 아니라 식물생장용 조명이나 기타 특수 조명용 파장 변환 물질로도 많이 연구되고 있고 디스플레이, 바이오, 의료 분야 등 여러 분야에 활발히 응용되고 있다.

보통 코어-껍질 구조에 리간드를 부착한 구조를 가진 양자 점은 내열성이 약해 고온의 LED 칩에 근접시켜 사용할 경우 에는 장기 신뢰성에 문제가 생길 수 있다. 따라서 디스플레이 용 백라이트의 경우에는 양자점 필름 형태로 가공, 청색 LED 에서 이격해 사용한다^[28-31]. 조명의 경우 형광체와 양자점을 섞어 함께 코팅하는 경우도 있지만 양자점 필름이나 캡의 형 태로 가공, LED 칩으로부터 이격해서 적용하기도 한다^[32-36]. 후자의 경우에는 열에 의한 양자점의 열화 속도가 느려 장기 신뢰성을 확보할 수 있다.

양자점의 적절한 적용은 백색 LED 조명의 광특성 및 성 능 개선을 이끌 수 있다. 본 연구팀의 선행 연구에서는 양자

점 필름을 고출력 LED에 조합하는 방식 및 필름 내 양자점 의 농도에 따른 광특성의 변화를 주로 분석했다^[35,37,38]. 이 선 행 연구에서는 양자점 필름의 다양한 조합을 통해 직하형 고 출력 백색 LED의 연색성이 현저히 개선될 수 있다는 점을 보 였다. 반면에 본 연구에서는 양자점 필름이 적용된 상용화된 고출력 백색 LED 조명의 투광부의 투과율 변화에 따른 광특 성의 조사 결과를 발표한다. 고출력 조명의 경우 인간 눈에 불 편함을 줄 수 있는 글래어(glare) 현상을 방지하고 적절한 밝 기를 유지하기 위해 확산판을 사용하는 경우가 많다. 폴리카 보네이트(polycarbonate, PC)나 폴리메틸 메타크릴레이트 (polymethacrylate, PMMA) 재질의 확산판은 우수한 표면 강도, 우수한 광학적 투명성, 열적 안정성 등의 장점으로 빛의 균일성을 확보하고 글래어 현상을 방지하는데 기여한다. 이러 한 확산판의 재질, 두께, 투과율 등의 여러 광학적 조건에 의 해 광 효율이나 조명의 색감 등의 광학적 특성들이 변할 수 있 다. 본 연구팀의 선행 연구에서는 주로 양자점 필름의 배치 혹 은 양자점의 농도에 의한 효과를 다루었다면^[35,37,38] 본 연구에 서는 양자점이 부착되는 투광부(확산판)의 투과도 및 양자점 의 농도 변화에 의한 조명 특성의 변화를 다룬다. 특히 휘도, 연색지수 및 색좌표의 변화와 투과도의 상관성에 대해 집중적 으로 분석하였다. 아울러 본 실험 결과와 이전에 진행된 시뮬 레이션 결과^[37]의 비교 분석을 수행한다.

II. 실 험

본 연구에서 사용한 상용화된 고출력 백색 LED KE15D- N6IS57A1 (Partner Co., Gimpo, Korea)의 사진과 개략도 가 그림 1(a)에 제시되어 있고 조명의 특성 및 사용된 양자점 필름의 합성 및 제조 공정에 대해서는 선행 연구에 자세히 서 술되어 있다^[35,37,38]. 정격전력 15 W의 이 조명은 총 72개의 백색 LED가 사진과 같이 동심원 모양으로 배치되어 있고 그 위에 투광부 역할을 하는 확산판이 놓여 있다. 양자점 필름은 확산판의 하부 표면에 부착되었다. 사용된 양자점은 코어/껍 질이 CdSe/ZnS 구조로서 약 6 nm의 크기를 가졌고 균일한 분산과 안정성을 위해 크기가 약 40 nm인 비정형의 속이 빈 실리카 SG-HS40 (Sukgyung AT Co., Ansan, Korea)와 함 께 사용되었다. 양자점 필름의 재질인 트리아진 에폭시 레진 (triazine epoxy resin)에 대한 양자점-실리카 혼합물의 비 는 2.5, 5.0, 7.5 wt%였다. 양자점-레진 혼합물은 롤-투-롤 (roll-to-roll) 슬롯 다이(slot die) 코팅을 통해 PET (Poly- 했다. 아울러 조명의 구조를 최적화하면 연색지수가 95까지 증가함을 확인했다. 이런 결과는 적절한 투과율의 확산판과 양자점 필름의 조합을 통해 눈부심이 없고 시야각에 따른 색편차가 거의 없으며 특히 색좌표의 가변이 가능한 고연색성의 조명 구현이 가능함을 보여준다.

Keywords: 연색지수, 확산판, 발광 다이오드, 양자점

OCIS codes: (120.2040) Displays, (220.2945) Illumination design; (230.3670) Light-emitting diodes; (330.1715) Color, rendering and metamerism

(3)

ethylene Terephthalate) 위에 30 µm의 두께로 코팅되었다.

사용된 양자점 필름의 사진은 그림 1(b)에 제시되어 있다. 양 자점 필름의 구체적인 제작 공정에 대해서는 S. C. Hong et al.^[38]에 기술되어 있다.

본 연구에서 사용한 확산판은 폴리카보네이트 재질로서 두 께는 2.0, 3.0, 4.5 mm다. 표 1은 세 종류의 확산판의 전광선 투과율(total transmittance), 탁도(haze), 확산 투과율(diffuse transmittance), 평행 투과율(parallel transmittance) 을 비교한 것이다. 전광선 투과율은 확산 투과율과 평행 투과 율의 합이고 탁도는 확산 투과율을 전광선 투과율로 나눈 수 치로 정의된다. 이 수치들은 탁도측정기 NDH-2000N (Nip-

pon Denshoku, Saitama, Japan)를 활용해 측정했다. 같 은 재질에 두께만 다르기 때문에 세 확산판의 탁도는 모두 동 일하지만 확산판의 두께가 증가함에 따라 확산판의 투과율 이 줄어듦을 알 수 있다. 그림 1(c)에 세 확산판의 사진이 제 시되어 있다. 확산판의 두께가 증가함에 따라 투과율이 감소 해서 확산판 밑 구멍의 이미지가 흐려짐을 알 수 있다. 세 가 지 종류의 양자점 필름과 세 가지 종류의 확산판에 양자점 필 름을 사용하지 않는 경우까지 포함해서 총 12가지 조합의 조 명 구조가 가능해진다. 양자점 필름은 그림 1(a)와 같이 확산 판의 하부 표면에 부착되었다. 이 구조를 선택한 이유는 시야 각에 따른 색상 편차가 거의 존재하지 않기 때문이다^[38]. 조 명의 휘도와 스펙트럼, 색좌표는 분광복사계 PR670 (Photo Research, CA, USA)를 이용해 측정했고 연색지수는 조도계 Spic-200 (Everfine, Hangzhou, China)를 활용해 측정했다.

III. 결과 및 논의

그림 2(a)는 사용한 양자점에 대해 약 460 nm 파장의 청 색광을 여기광으로 사용해 측정한 양자점의 광발광(pho- toluminescence) 스펙트럼이다. 이를 통해 피크 파장이 약 620–630 nm인 적색 피크가 형성됨을 확인할 수 있다. 그림 2(b)–2(d)는 총 12가지 조합에 대해 측정된 고출력 LED 조명 의 발광 스펙트럼이다. 0 wt%는 양자점 필름이 적용되지 않은 경우로서 깊은 적색(deep red) 영역의 스펙트럼 성분이 부족 하다. 양자점 필름의 농도가 올라가면서 약 630 nm 파장의 성 분이 현저히 증가한다. 아울러 확산판의 두께가 증가하면 투과 도 감소에 의해 스펙트럼의 세기가 감소하게 된다. 본 논문에 는 포함시키지 않았으나 전광선 투과율이 76–83%로 높은 확산 판에 대해서도 실험을 진행했다. 이 정도의 투과율 조건에서 확 산판은 LED가 만드는 휘점을 완벽하게 가리지 못하고 글래어 가 제거되지 못했으며 양자점 필름에 의한 적색 피크 역시 충분 히 형성되지 못했다. 양자점 필름이 충분히 여기되기 위해서는 여기 광원(청색 및 녹색광)이 양자점 필름을 통과할 횟수가 높 아야 한다. 확산판의 투과율이 낮으면 확산 반사율도 올라가면 서 확산판과 하부 반사판 사이에 수직으로 형성되는 광학 공동 (optical cavity)의 효과도 커져 양자점 필름에 대한 여기광의 다중 통과 확률이 올라간다. 그림 2는 투과율이 41–58% 정도 인 확산판의 적용을 통해 광학 공동 내 빛의 다중 반사가 강해

Table 1. The haze and the total transmittance of three diffuser plates

Thickness (mm) Total transmittance^a) (%) Haze^b) Diffuse transmittance (%) Parallel transmittance (%)

2.0 57.71 99.45 57.39 0.31

3.0 50.30 99.45 50.03 0.28

4.5 41.77 99.45 41.45 0.23

a)Diffuse transmittance + specular transmittance.

b)Diffuse transmittance/total transmittance.

Fig. 1. Photos of (a) the commercial high-power white LED lighting KE15DN6IS57A1 (Partner Co., Gimpo, Korea), (b) the three quantum dot films with different quantum dot concentrations, and (c) the three diffuser plates with different thicknesses.

None

Diffuser plate

QD film ^{184 mm}^{184 mm} 148 mm 148 mm Bottom

36 mm 36 mm 97 mm

97 mm 131.5 131.5

Red QD film (CdSe/ZnS)

2.5 wt% 5 wt% 7.5 wt%

t = 2.0 mm t = 3.0 mm t = 4.5 mm

(a)

(b)

(c)

(4)

지면서 양자점 필름이 충분히 여기될 수 있음을 보여준다.

그림 3(a)–3(d)는 총 12가지 조명 구조에 대해 측정된 휘도 의 각도 의존성을 보여준다. 휘도는 원형 조명의 중앙을 기준 으로 측정되었고 조명을 회전 스테이지 위에 수직으로 고정 한 후 각도에 따라 휘도를 측정하였다. 전체적으로 조명의 수 직 방향(0°)에서 휘도가 가장 높고 고시야각으로 갈수록 휘도 가 감소하는 경향을 보여주고 있으나 각도 변화에 따른 휘도 의 변화는 그리 크지 않다. 즉 조명의 발광 특성은 람버시안 (Lambertian) 분포에 가깝다. 이는 4.5 mm 확산판 적용 조 명의 시야각에 따른 휘도의 평균값으로 나타낸 이상적인 람버 시안 분포와 비교해도 명확히 알 수 있다. 동일한 양자점 필름 을 적용한 조명의 경우 확산판 두께가 증가하면 투과도가 감 소해 휘도도 떨어지는 것으로 나타났다. 반면에 동일한 확산 판 두께에 대해 양자점 필름의 농도가 올라가는 경우 높은 농 도의 양자점에 의한 다중 여기, 다중 산란으로 빛의 투과도가 감소하며 휘도도 떨어지는 걸로 보인다. 게다가 여기 광원인 녹색 및 청색광이 적색 양자점 필름을 거쳐 여기되면서 휘도 에 크게 기여하는 녹색 영역의 세기가 감소하기 때문에 양자점

의 농도가 높아짐에 따라 휘도가 감소하는 것을 확인할 수 있다.

그림 4(a)는 12가지 조명의 색좌표 (x, y)를 색도도(chromaticity diagram) 상에 표현한 것이다. 색도도 아래 괄호 안 의 두 숫자는 색좌표를 의미한다. 색좌표 변화를 좀더 정확하 게 정량화하여 비교하기 위해 그림 4(a)의 데이터를 조금 더 균일한 색좌표계인 CIE 1976 표준으로 표기해서 Appendix 의 그림 A1에 포함하였다. 그림 4(a)를 보면 조명의 색감은 전 체적으로 등에너지 조건(x=1/3, y=1/3)에 근접해 있음을 알 수 있다. 양자점 필름의 농도가 증가하면서 파장 변환 확률이 올라가서 그림 1에서 확인했듯이 진홍색 성분이 강화된다. 이 는 색도도 상에서 색좌표의 증가를 유도한다. 반면에 동일한 양자점 필름에 대해 확산판의 두께가 증가할 경우에는 색좌표 에 큰 변화가 없었다. 그렇지만 확산판의 두께에 따라 투과도 의 변화가 나타나므로 그림 3과 4에 제시된 휘도와 색좌표 데 이터를 통합해서 CIE Lab 또는 CIE Luv과 같은 3차원 색좌 표로 기술하는 것이 조명의 광특성의 체계적인 분석이란 관점 에서는 더 바람직하다고 판단된다.

조명의 광특성 중 시야각에 따른 밝기와 색감도 중요한 성 Fig. 2. Emitting spectra of (a) the photoluminescent QD particles excited by blue light at ~460 nm and the high-power white LED lightings with a diffuser plate of a thickness of (b) 2 mm, (c) 3 mm, and (d) 4.5 mm under four different QD concentrations.

Intensity(arb.units)

(a)

(c)

0 3

2

1

400 450 500 550 600 650 700 750

Wavelength (nm)

CdSe/ZnS PL spectrum

0 2.0

1.5

1.0

0.5

400 450 500 550 600 650 700 750

2 mm 0 wt%

2 mm 2.5 wt%

2 mm 5 wt%

2 mm 7.5 wt%

Wavelength (nm)

(b)

0 2.0

1.5

1.0

0.5

400 450 500 550 600 650 700 750

3 mm 0 wt%

3 mm 2.5 wt%

3 mm 5 wt%

3 mm 7.5 wt%

Wavelength (nm)

0 2.0

1.5

1.0

0.5

400 450 500 550 600 650 700 750

4.5 mm 0 wt%

4.5 mm 2.5 wt%

4.5 mm 5 wt%

4.5 mm 7.5 wt%

Wavelength (nm)

(d)

(5)

능 지표다. 그림 5는 시야각에 따른 상관색온도(correlated color temperature, CCT)를 나타낸다. 모든 구조에서 각도 에 따른 상관색온도의 편차는 무시할 수 있을 정도로 작았다.

즉, 각도에 따른 색감의 변화는 거의 없음이 확인되었다. 이 런 결과는 각 조건별 각도에 따른 CCT의 평균과 표준편차를 정리한 표 2에서도 확인할 수 있다. 양자점 필름이 적용된 경 우 CCT의 표준편차는 최대 51 K에 불과했고 이 편차는 양자 점 농도가 높아질수록 줄어드는 경향을 보였다. 이는 본 조명 에 사용한 확산판의 확산 효과가 두께에 무관하게 충분히 커 서 다양한 파장의 빛을 효율적으로 섞음으로써 시야각에 따 른 광경로 차이를 효과적으로 상쇄시켰음을 의미한다. 양자점 필름이 적용되지 않은 경우의 상관색온도는 대략 6000 K 부 근이지만 양자점 필름의 농도가 올라가면서 ~5000, ~4400,

~4000 K로 떨어짐을 알 수 있다. 이런 결과는 상용화되어 판 매되고 있는 백색 LED 조명에 적색 양자점 필름을 적용함으 로써 조명의 색감과 상관색온도를 매우 폭넓은 범위에서 변경 할 수 있음을 보여주는 것이다.

그림 6(a)와 6(b)는 각각 양자점 농도 및 확산판 두께의 함 수로 연색지수 Ra와 Re를 표현한 것이다. 연색지수 Ra와 Re 는 각각 연색지수 평가에 사용되는 표준 시료 중 R1–R8의 평 균, 그리고 R1–R15의 평균값을 의미한다. Re의 평가에 포함 되는 시료 중 순도가 높은 색상들이 포함되어 있어 Re를 확장 된 연색지수로 활용한다. 특히 진홍색에 해당하는 색상의 연 색지수 R9은 Re의 평균값에 포함된다. 적색 양자점은 R9을 높임으로써 Re를 현저히 증가시키는 것으로 보고되었다^[35,38]. 그림 6(a)를 보면 양자점의 농도가 높아짐에 따라 Ra가 85 부 근에서 95까지 증가한다는 것을 알 수 있다. 그림 6(b)는 확장 된 연색지수인 Re가 80 부근에서 93 정도까지 증가함을 나타 낸다. 이런 결과는 이미 선행 연구^[35,38]를 통해 확인된 바 있지 만 본 연구에서는 확산판의 투과도가 상당히 변화해도 연색지 수의 개선 효과는 그대로 유지된다는 것을 보여준다. 연색지 수는 다양한 물체의 색감이 자연스럽게 연출되는 정도를 정량 화한 지표로서 태양광이나 백열등의 스펙트럼처럼 다양한 파 장 성분이 고르게 분포해 있는 경우 최대가 된다. 그림 1을 보 Fig. 3. Angular dependence of the luminance of the high-power white LED lighting (a) without any QD film, and with a QD film of (b) 2.5 wt%, (c) 5.0 wt%, and (d) 7.5 wt%. The horizontal dash-dot lines denote the ideal Lambertian distribution, the value of which is the average luminance of the data for the lighting with a diffuser plate of 4.5 mm thickness.

60,000

50,000

40,000

30,000

20,000

-70 0 10 20 30 40 50 60 70

Luminance(cd/m)2

Viewing angle ( )

2 mm 3 mm 4.5 mm Lambertian

-60 -50 -40 -30 -20 -10

60,000

50,000

40,000

30,000

20,000

-70 0 10 20 30 40 50 60 70

Luminance(cd/m)2

Viewing angle ( )

-60 -50 -40 -30 -20 -10

(a) (b)

60,000

50,000

40,000

30,000

20,000

-70 0 10 20 30 40 50 60 70

Luminance(cd/m)2

Viewing angle ( )

-60 -50 -40 -30 -20 -10

60,000

50,000

40,000

30,000

20,000

-70 0 10 20 30 40 50 60 70

Luminance(cd/m)2

Viewing angle ( )

-60 -50 -40 -30 -20 -10

(c) (d)

(6)

Fig. 5. Angular dependence of the correlated color temperature (CCT) of the high-power white LED lighting (a) without any QD film, and with a QD film of (b) 2.5 wt%, (c) 5.0 wt%, and (d) 7.5 wt%.

7,000

6,000

5,000

4,000

3,000

-70 0 10 20 30 40 50 60 70

CCT(K)

Viewing angle ( )

2 mm 3 mm 4.5 mm -60 -50 -40 -30 -20 -10

7,000

6,000

5,000

4,000

3,000

-70 0 10 20 30 40 50 60 70

CCT(K)

Viewing angle ( )

2 mm 3 mm 4.5 mm -60 -50 -40 -30 -20 -10

(a) (b)

7,000

6,000

5,000

4,000

3,000

-70 0 10 20 30 40 50 60 70

CCT(K)

Viewing angle ( )

2 mm 3 mm 4.5 mm

-60 -50 -40 -30 -20 -10

7,000

6,000

5,000

4,000

3,000

-70 0 10 20 30 40 50 60 70

CCT(K)

Viewing angle ( )

2 mm 3 mm 4.5 mm

-60 -50 -40 -30 -20 -10

(c) (d)

Fig. 4. Color coordinates on the chromaticity diagram: (a) without any QD film, and with a QD film of (b) 2.5 wt%, (c) 5.0 wt%, and (d) 7.5 wt%.

The two numbers denote (x, y).

0 wt% 2.5 mm (0.329 + 0.001, 0.338 + 0.001)

0 wt% 3 mm (0.327 + 0.001, 0.336 + 0.001)

0 wt% 4.5 mm (0.324 + 0.001, 0.333 + 0.001)

2.5 wt% 2.5 mm (0.350 + 0.001, 0.352 + 0.001)

2.5 wt% 3 mm (0.350 + 0.001, 0.352 + 0.001)

2.5 wt% 4.5 mm (0.345 + 0.001, 0.347 + 0.001)

5 wt% 2.5 mm (0.364 + 0.001, 0.361 + 0.001)

5 wt% 3 mm (0.363 + 0.001, 0.359 + 0.001)

5 wt% 4.5 mm (0.361 + 0.001, 0.357 + 0.001)

7.5 wt% 2.5 mm (0.380 + 0.001, 0.369 + 0.001)

7.5 wt% 3 mm (0.378 + 0.001, 0.367 + 0.001)

7.5 wt% 4.5 mm (0.375 + 0.001, 0.364 + 0.001)

(a) (b)

(c) (d)

(7)

면 양자점 필름이 없는 경우 황색 형광체에 의한 노란색 피크 에 비해 청색 LED의 피크가 훨씬 높고 파장 성분간 높이 편차 가 크며 적색 성분이 부족하다는 것을 알 수 있다. 반면에 양 자점 필름의 농도가 7.5 wt%인 경우 적색 양자점에 의한 추가 여기로 청색 LED 피크의 높이가 낮아지고 적색이 보강되어 스펙트럼이 비교적 균등화되었고 이것이 연색지수 상승의 주 요인임을 알 수 있다. 특히 양자점 필름이 확산판과 하부 반사 판이 형성하는 광학 공동 구조 내에 놓이는 현 구조에서는 공 동 내를 다중 반사를 통해 지나가는 빛들에 의한 양자점의 여 기 확률이 올라가기 때문에 양자점의 농도 변화에 의한 연색 지수 개선 효과가 더 커지는 것으로 판단된다.

한편 그림 6(c)와 6(d)를 보면 확산판의 두께는 연색지수에 큰 영향을 미치지 않지만 확산판의 두께가 증가하면 연색지수 가 전체적으로 다소 상승함을 알 수 있다. 이러한 결과는 선행 연구에서 진행한 시뮬레이션 결과와 정성적으로 비슷하다^[37]. 선행 시뮬레이션 연구에서도 조명 내 확산판의 산란제 농도 증가에 따라 연색지수가 완만하게 상승하는 경향을 보였다.

연색지수의 정량적인 변화는 스펙트럼의 구체적인 형상 변화 및 파장별 세기의 균등화와 관련되어 있다. 따라서 실험이나 시뮬레이션에서 여기 광원인 청색의 세기가 파장 변환을 통해 줄어들고 스펙트럼의 균등화가 어느 정도 이루어진다면 연색 지수의 상승을 기대할 수 있다.

Fig. 6. Color rendering index. (a) Ra and (b) Re as a function of QD concentration. (c) Ra and (d) Re as a function of the thickness of the diffuser plate.

0 wt% 2.5 wt% 5 wt% 7.5 wt%

100

95

90

85

80

Ra

QD weight percent (%) 2 mm

3 mm 4.5 mm

0 wt% 2.5 wt% 5 wt% 7.5 wt%

95

90

85

80

Re

QD weight percent (%) 2 mm

3 mm 4.5 mm

(a) (b)

2 mm 3 mm 4.5 mm

100

95

90

85

80

75

Re

Thickness of diffuser plate 0 wt%

2.5 wt%

5 wt%

7.5 wt%

2 mm 3 mm 4.5 mm

100

95

90

85

Ra

Thickness of diffuser plate 0 wt%

2.5 wt%

5 wt%

7.5 wt%

(c) (d)

Table 2. The average value of CCT under all conditions

QD concentration (wt%) 0 2.5 5 7.5

2 mm Average (K) 5887 4869 4317 3924

Standard deviation (K) 105 30 24 49

3 mm Average (K) 6022 4916 4383 3968

4.5 mm Average (K) 6204 5045 4418 3979

(8)

그림 7은 위치에 따른 수직 방향 발광 스펙트럼의 색좌표 x 를 나타낸 것이다. 색좌표 x는 가시광 스펙트럼 중 적색 성분 의 상대적 비중을 표현하기 때문에 적색 양자점 필름에 의한 파장 변환에 더 민감하다. 본 측정 결과는 조명을 평행 이동 레일 위에 수직으로 거치한 후 1 cm 단위로 수평 방향을 따라 옮기며 분광광도계로 측정한 결과다. 양자점 필름이 부착되지 않은 경우는 예상대로 위치에 따른 색도 차이는 없었다. 반면 에 양자점 필름의 농도가 증가하면 중앙보다는 측면의 색좌표 가 증가하는 경향을 보인다. 그림 1(a)의 구조를 보면 조명의 측면은 약 131°의 각도로 기울어져 있고 여기에 반사 필름이 부착되어 있다. 이 경사면에 부딪힌 빛의 상당 부분이 양자점 필름에 수직으로 입사하면서 양자점의 추가 여기에 기여해 색 좌표 x가 커진 것으로 판단된다. 이 효과는 당연히 양자점 농 도가 높을수록 커질 것이다.

일반적인 조명에서 색좌표/상관색온도나 연색지수를 변화시 키는 과정은 상대적으로 까다롭다. 형광등의 경우 내부에 코팅 되는 삼파장 형광체의 배합비를 변경해 상관색온도를 결정해 야 하고 한번 결정된 상관색온도는 바꿀 수 없다. LED 조명의

경우, 적록청 삼색 LED 칩을 조합하면 색상 및 상관색온도를 상당히 자유롭게 변경할 수 있으나 LED의 발광 스펙트럼이 상 대적으로 날카로워 연색지수가 낮다는 단점이 있고 세 종류의 LED를 개별적으로 구동해야 하기 때문에 비용이 상승한다는 문제도 있다. 청색 LED에 형광체를 도포하는 방식 역시 형광체 의 배합 비율이 고정되어 있어서 상관색온도를 바꾸기 어렵다.

본 연구는 상용화되어 판매되는 제품에 양자점 필름을 적용함 으로써 넓은 범위에서 색좌표와 상관색온도를 변경시킬 수 있 음을 보여준다. 이 방법은 동시에 백색 LED의 단점인 낮은 연 색지수를 개선하는 효과도 거둘 수 있다. 게다가 양자점을 필름 형태 외에 양자점 캡^[36]과 같은 다양한 형상으로 변형해 적용함 으로써 조명 특성의 다양한 변형이 가능할 것으로 기대된다.

본 연구의 목표 중 하나였던 확산판의 투과도에 따른 광특 성 변화의 측면을 보면, 양자점 기반 백색 LED 조명은 투광부 의 투과율 변화에 따라 주목할 만한 차이를 나타내지는 않았 다. 투과율 감소에 따라 연색지수는 다소 증가했지만 전체적 으로 거의 동일한 색좌표와 연색지수를 보여주었다. 이는 사 용된 확산판이 가시광선 대역에서 고른 투과율을 보인다는 것

Fig. 7. Positional dependence of the color coordinates (a) without any QD film, and with a QD film of (b) 2.5 wt%, (c) 5.0 wt%, and (d) 7.5 wt%.

-30 -20 -10 0 10 20 30 40

0.40

0.38

0.36

0.34

0.32

0.30

CIE

Distance (mm)

2 mm 3 mm 4.5 mm

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

0.40

0.38

0.36

0.34

0.32

0.30

CIE

Distance (mm)

2 mm 3 mm 4.5 mm

-40

(a) (b)

-30 -20 -10 0 10 20 30 40

0.40

0.38

0.36

0.34

0.32

0.30

CIE

Distance (mm)

2 mm 3 mm 4.5 mm

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

0.40

0.38

0.36

0.34

0.32

0.30

CIE

Distance (mm)

2 mm 3 mm 4.5 mm -40

(c) (d)

(9)

을 의미한다. 그러나 투과율이 감소하면 휘도 및 광효율이 줄 어들기 때문에 조명의 글래어를 방지하는 한에서 얇고 투과율 이 높은 확산판을 사용하는 것이 바람직하다. 게다가 양자점 필름도 부분적인 확산 효과를 나타내기 때문에 확산판의 두께 를 추가적으로 줄일 여지를 준다.

본 연구에서는 LED 조명의 확산판 두께 및 양자점 필름의 농도에 따른 광 특성 변화를 분석하였다. 양자점 필름은 확산 판의 하단부에 부착되었다. 투광부의 역할을 하는 확산판의 두께가 증가함에 따라 빛의 투과율이 감소하여 조명의 휘도도 줄어들었다. 휘도 분포는 람버시안 분포에 가까웠고 시야각에 따른 색좌표나 연색지수의 편차는 확인되지 않았다. 아울러

상관색온도, 색좌표, 그리고 연색지수 등 발광 스펙트럼과 연 관되는 특성들은 투과율의 변화에 따라 별다른 변화를 보이지 않았지만 연색지수는 투과율 저하에 따라 다소 상승했다. 양 자점 필름의 적용에 따라 발광 스펙트럼상 적색 성분이 증가 했고 양자점의 농도가 높아질수록 연색지수의 상승 및 상관색 온도의 감소가 현저하게 일어났다. 이는 양자점으로 이루어진 적절한 형상의 파장 변환 부품을 체결함으로써 상용화된 백색 LED의 광특성, 특히 조명의 색감을 넓은 범위에서 변경할 수 있다는 것을 의미한다. 본 결과는 고출력 직하형 조명의 투광 부와 양자점 필름의 적절한 조합을 통해 눈부심이 없고 연색 지수가 높은 조명을 구현할 수 있음을 보여주었다.

Appendix

Fig. A1. Color coordinates on the CIE 1976 (u’, v’) chromaticity diagram: (a) without any QD film, and with a QD film of (b) 2.5 wt%, (c) 5.0 wt%, and (d) 7.5 wt%. The two numbers denote (u’, v’). The trace of small black dots in each figure indicates the Planckian locus.

0 wt% 2.0 mm 0.205 + 0.0003, 0.476 + 0.0007

0 wt% 3.0 mm 0.205 + 0.0003, 0.474 + 0.0005

0 wt% 4.5 mm 0.205 + 0.0003, 0.472 + 0.0006

(a)

2.5 wt% 3.0 mm 2.5 wt% 4.5 mm

0.213 + 0.0002, 0.482 + 0.0006 2.5 wt% 2.0 mm

0.214 + 0.0002, 0.486 + 0.0005 0.214 + 0.0002, 0.486 + 0.0005

(b)

5 wt% 2.0 mm 0.221 + 0.0002, 0.492 + 0.0006

5 wt% 3.0 mm 5 wt% 4.5 mm

0.221 + 0.0002, 0.491 + 0.0006 0.220 + 0.0002, 0.49 + 0.0005

(c)

7.5 wt% 3.0 mm 7.5 wt% 4.5 mm

7.5 wt% 2.0 mm

0.228 + 0.0002, 0.498 + 0.0005 0.228 + 0.0003, 0.497 + 0.0005 0.227 + 0.0003, 0.495 + 0.0005

(d)

감사의 글

본 연구는 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원의 스 마트특성화기반구축사업을 통한 지원을 받았습니다(No.

P0013743).

References

1. P. Pust, P. J. Schmidt, and W. Schnick, “A revolution in lighting,” Nat. Mater. 14, 454-458 (2015).

2. J. McKittrick and L. E. Shea-Rohwer, “Review: down conversion materials for solid-state lighting,” J. Am. Ceram. Soc. 97, 1327-1352 (2014).

3. E. Jang, S. Jun, H. Jang, J. Lim, B. Kim, and Y. Kim, “White- light-emitting diodes with quantum dot color converters for display backlights,” Adv. Mater. 22, 3076-3080 (2010).

4. J. S. Steckel, J. Ho, C. Hamilton, C. Breen, W. Liu, P. Allen, J.

Xi, and S. Coe-Sullivan, “Quantum dots: the ultimate down- conversion material for LCD displays,” Dig. Tech. Pap. - SID Int. Symp. 45, 130-133 (2014).

5. H.-W. Chen, R.-D. Zhu, J. He, W. Duan, W. Hu, Y.-Q. Lu, M.-C.

Li, S.-L. Lee, Y.-J. Dong, and S.-T. Wu, “Going beyond the limit of an LCD’s color gamut,” Light Sci. Appl. 6, e17043 (2017).

6. H.-J. Kim, M.-H. Shin, J.-Y. Lee, J.-H. Kim, and Y.-J. Kim,

“Realization of 95% of the Rec. 2020 color gamut in a highly efficient LCD using a patterned quantum dot film,” Opt. Ex 7. J.-G. Lee and J.-H. Ko, “Simulation study on the improvement

IV. 결

론

(10)

of the luminance and the color uniformities of integrated quantum-dot backlights for LCD applications,” J. Korean Phys.

Soc. 77, 264-269 (2020).

8. G. J. Lee, J.-G. Lee, Y. Kim, T. Park, Y. W. Ko, and J.-H. Ko,

“The effect of the reflective property of a reflection film on the performance of backlight units with quantum-dot films for LCD applications,” J. Inf. Disp. 22, 55-61 (2021).

9. C. C. Lin, A. Meijerink, and R.-S. Liu, “Critical red compo- nents for next-generation white LEDs,” J. Phys. Chem. Lett. 7, 495-503 (2016).

10. W.-L. Wu, M.-H. Fang, W. Zhou, T. Lesniewski, S. Mahlik, M.

Grinberg, M. G. Brik, H.-S. Sheu, B.-M. Cheng, J. Wang, and R.-S. Liu, “High color rendering index of Rb2GeF6:Mn⁴⁺ for light-emitting diodes,” Chem. Mater. 29, 935-939 (2017).

11. D. Luo, L. Wang, S. W. Or, H. Zhang, and R.-J. Xie, “Realizing superior white LEDs with both high R9 and luminous efficacy by using dual red phosphors,” RSC Adv. 7, 25964-25968 (2017).

12. M. Kim, W. B. Park, B. Bang, C. H. Kim, and K.-S. Sohn,

“Radiative and non-radiative decay rate of K2SiF6:Mn⁴⁺ phosphors,” J. Mater. Chem. C 3, 5484-5489 (2015).

13. D. Y. Jeong, J. Ju, and D. H. Kim, “Optimized photolumines- cence of K2SiF6:Mn⁴⁺ phosphors for LED solid-state lighting,”

New. Phys.: Sae Mulli 66, 311-316 (2016).

14. H.-W. Choi, M. H. Choi, and J.-H. Ko, “Effect of temperature on the luminous properties of white-light-emitting diodes with red and green phosphors,” New Phys.: Sae Mulli 63, 1149-1154 (2013).

15. S. Nizamoglu, T. Erdem, X. W. Sun, and H. V. Demir, “Warm- white light-emitting diodes integrated with colloidal quantum dots for high luminous efficacy and color rendering,” Opt. Lett.

35, 3372-3374 (2010).

16. K. A. Denault, A. A. Mikhailovsky, S. Brinkley, S. P. Den- Baars, and R. Seshadri, “Improving color rendition in solid state white lighting through the use of quantum dots,” J. Mater.

Chem. C 1, 1461-1466 (2013).

17. X. Dai, Z. Zhang, Y. Jin, Y. Niu, H. Cao, X. Liang, L. Chen, J.

Wang, and X. Peng, “Solution-processed, high-performance light- emitting diodes based on quantum dots,” Nature 515, 96-99 (2014).

18. D.-Y. Jo and H. Yang, “Spectral broadening of Cu–In–Zn–S quantum dot color converters for high color rendering white lighting device,” J. Lumin. 166, 227-232 (2015).

19. S.-R. Chung, S.-S. Chen, K.-W. Wang, and C.-B. Siao, “ Promotion of solid-state lighting for ZnCdSe quantum dot modified-YAG-based white light-emitting diodes,” RSC Adv.

6, 51989-51996 (2016).

20. J.-H. Kim, D.-Y. Jo, K.-H. Lee, E.-P. Jang, C.-Y. Han, J.-H. Jo, and H. Yang, “White electroluminescent lighting device based on a single quantum dot emitter,” Adv. Mater. 28, 5093-5098 (2016).

21. H. C. Yoon, J. H. Oh, S. Lee, J. B. Park, and Y. R. Do, “Circa- dian-tunable Perovskite quantum dot-based down-converted multi-package white LED with a color fidelity index over 90,”

Sci. Rep. 7, 2808 (2017).

22. J.-H. Kim, B.-Y. Kim, E.-P. Jang, C.-Y. Han, J.-H. Jo, Y. R.

Do, and H. Yang, “A near-ideal color rendering white solid- state lighting device copackaged with two color-separated Cu–

X–S (X = Ga, In) quantum dot emitters,” J. Mater. Chem. C 5,

6755-6761 (2017).

23. T. Meng, T. Yuan, X. Li, Y. Li, L. Fan, and S. Yang, “Ultra- broad-band, red sufficient, solid white emission from carbon quantum dot aggregation for single component warm white light emitting diodes with a 91 high color rendering index,”

Chem. Commun. 55, 6531-6534 (2019).

24. H. Zhang, Q. Su, and S. Chen, “Quantum-dot and organic hybrid tandem light-emitting diodes with multi-functionality of full-color- tunability and white-light-emission,” Nat. Commun. 11, 2826 (2020).

25. S. Rhee, K. Kim, J. Roh, and J. Kwak, “Recent progress in high-luminance quantum dot light-emitting diodes,” Curr. Opt.

Photon. 4, 161-173 (2020).

26. A. Hong, J. Kim, and J. Kwak, “Sunlike white quantum dot light-emitting diodes with high color rendition quality,” Adv.

Opt. Mater. 8, 2001051 (2020).

27. B. Li, M. Lu, J. Feng, J. Zhang, P. M. Smowton, J. I. Sohn, I.-K.

Park, H. Zhong, and B. Hou, “Colloidal quantum dot hybrids:

an emerging class of materials for ambient lighting,” J. Mater.

Chem. C 8, 10676-10695 (2020).

28. Z. Luo, Y. Chen, and S.-T. Wu, “Wide color gamut LCD with a quantum dot backlight,” Opt. Express 21, 26269-26284 (2013).

29. Y. Altintas, S. Genc, M. Y. Talpur, and E. Mutlugun, “CdSe/

ZnS quantum dot films for high performance flexible lighting and display applications,” Nanotechnol. 27, 295604 (2016).

30. Y.-H. Ko and J.-G. Park, “Novel quantum dot enhancement film with a super-wide color gamut for LCD displays,” J. Ko- rean Phys. Soc. 72, 45-51 (2018).

31. S. J. Kim, H. W. Jang, J.-G. Lee, J.-H. Ko, Y. W. Ko, and Y.

Kim, “Study on improvements in the emission properties of quantum-dot film-based backlights,” New. Phys.: Sae Mulli 69, 861-866 (2019).

32. Q. Hong, K.-C. Lee, Z. Luo, and S.-T. Wu, “High-efficiency quantum dot remote phosphor film,” Appl. Opt. 54, 4617-4622 (2015).

33. Y. Alltintas, S. Genc, M. Younis, and E. Mutlugun, “CdSe/ZnS quantum dot films for high performance flexible lighting and display applications,” Nanotechnology 27, 295604 (2016).

34. J.-Y. Lien, C-J. Chen, R.-K. Chiang, and S.-L. Wang, “High color-rendering warm-white lamps using quantum-dot color conversion films,” Opt. Express 24, A1021-A1032 (2016).

35. S. C. Hong, J. Baek, H. Lee, G. J. Lee, J.-G. Lee, J.-H. Ko, Y.

W. Ko, Y. Kim, and T. Park, “Study on the improvement of the color rendering index of white LEDs by using red quantum dots,” New. Phys.: Sae Mulli 70, 698-704 (2020).

36. J.-G. Lee, G. J. Lee, S. C. Hong, J.-H. Ko, T. Park, and Y.

W. Ko, “Shape optimization of quantum-dot caps for high color-rendering white light-emitting diodes studied by optical simulation,” J. Korean Phys. Soc. 78, 822-828 (2021).

37. G. J. Lee, S. C. Hong, J.-G. Lee, and J.-H. Ko, “Optical simulation study on the improvement of color-rendering characteristics of white light emitting diodes by using red quantum-dot films,” Korean J. Opt. Photon. 32, 163-171 (2021).

38. S. C. Hong, S. T. Gwak, S. Park, G. J. Lee, J.-G. Lee, J.-H. Ko, S. Y. Joe, Y. Kim, T. Park, Y. W. Ko, “Improvement of color- rendering characteristics of white light emitting diodes by using red quantum dot films,” Curr. Appl. Phys. 31, 199-207 (2021).