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한국산업기술대학교
이청산* 이덕희 서정철
우리는 전광선속을 측정할 수 있는 장치를 구성하고 white LED의 전광선속을 측정하였다. 이 장치는 적분구, 광도 배럴, 전원 공급 장치, 온도 컨트롤러, 분광기, 광전송 광섬유, CCD 광 검출기, 신호처리기 등으로 구성되어 있다. 안정도 특성 측정을 통해 얻는 LED의 전광선속은 고정전류 70mA에서 10246.39mlm ± 1%이다. 이 측정 결과는 외부 기관을 통하여 신뢰성을 얻을 계획이며, 이 LED는 본 실험실에서 기준물질(RM, Reference material)로 사용하고 있다.
1. 서 론
LED는 고효율, 친환경, 저소비전력, 장수명 등의 장점으로 여러 산업 분야에서 활용되고 있다. 특히 국내에서는 2012년까지 조명 관련제품의 30%를 LED로 교체하기로 하는 등 앞으로 LED의 수요는 점점 증가할 전망이다.
LED의 산업 수요가 증가하면서 LED의 특성(전기적, 광학적)에 대한 신뢰성 문제가 중요시 되고 있다. LED 산업의 활성화와 경쟁력을 위해서는 국제적으로 공인된 방법을 이용하여 관련된 항목의 신뢰성을 구축할 필요가 있다. LED 광원 및 광원 응용 장치의 주요 측정 항목은 광도(luminous intensity), 배광(luminous intensity distribution), 광속(luminous flux), 전광선속(total luminousflux), 조도(illumination), 분광특성(spectrum), 복사도(radiantintensity), 효율(efficiency), 분광복사조도(spectral irradiance), 분광복사휘도(spectral radiance), 광휘도(luminance), 색온도(color temperature), 색도(chromaticity), 연색지수(rendering index) 등 이 있다. 이 중에서 전광선속은 광원의 효율과 밀접한 관련이 있기 때문에 조명 제품의 성능을 평가할 때 반드시 필요한 항목이다.
우리는 적분구와 분광시스템, 광 검출기 등을 이용하여 LED의 전광선속을 측정할 수 있는 장치를 구성하였다. 이 장치를 이용하여 LED의 전광선속을 측정하고 안정도와 신뢰성을 평가하였다. 본 연구의 결과는 공인된 기관에 신뢰성 검증을 의뢰한 상태다. 이 LED는 본 실험실에서 LED 측정 장치를 점검하는데 기준물질로 사용하고 있다.
2. 본 론
2.1. 이론
전광선속은 광원으로부터 발산하는 모든 광선속의 합으로 정의하며 단위는 루멘[lm]이다. 전광선속(φVT)은 분광복사선속(dφe, λ(λ, x, y, z)), 국제조명위원회(CIE)에서 채택한 표준관측자의 분광시감효율함수(Vλ), 전체 입체각을 적용하여 식 (1)과 같이 표현된다.
여기에서 Κm은 최대분광시감효능으로 밝은 빛 시감에서는 683.002lm/W이며, 어두운 빛 시감에서는 1700.06lm/W이다.
전광선속을 측정하는 방법은 1) 측각광도계를 이용하는 방법과 2) 적분구를 이용하는 방법이 있다. 이 중에서 적분구를 이용하는 방법은 광원을 중심으로 가상의 전 구면에 걸쳐 광 조도를 측정하고 적분하는 방법이다. 이 방법은 먼저 전분광복사속을 구하고, 적분 계산을 하여 전광선속을 구한다. 이것은 측각광도계를 사용하는 방법보다 측정 시간을 단축시키고 장비의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한 광원과 광조도계 사이의 거리를 짧게 해도 측각광도계를 이용한 방법과 같은 정밀도를 얻을 수 있다.
우리는 적분구를 이용한 측정 시스템을 구성하였고, 이 장비를 이용하여 Lamp type white LED의 전광선속을 측정하였다.
2.2. 측정장치
[그림1] 전광선속 측정 장비
[그림 1]은 우리가 보유한 측정 장비의 사진이다. 이 장치는 적분구, 광도 배럴, 전원 공급 장치, 온도 컨트롤러, 분광기, 광전송 광섬유, CCD 광 검출기, 신호 처리기 등으로 구성되어 있다. 우리가 구성한 측정 장비 규격 및 성능은 다음과 같다.
- 적분구 크기 : 8인치
- 온도 조절 범위 : 0~100℃, ±0.1℃
- 파장영역 : 250~830nm
- 파장분해능 : 0.5nm 이하
- 파장정확도 : ±0.5nm 이하
- 광도 측정 정확도 : ±5% 이하
- 색 측정 정확도 : ±0.005 이하
- 광속 측정 정확도 : ±5% 이하
- 복사도 측정 정확도 : ±5% 이하
- Forward/Reverse Current 측정 정확도 : ±(0.03%+6nA) for 0~100μA range
- Forward/Reverse Voltage 측정 정확도 : ±(0.02%+300μV) for 0~2V range
2.3. 측정방법
측정단계는 1) LED의 구동 전류 찾기, 2) LED의 숙성, 3) 전광선속의 안정화 및 안정도 측정 실험으로 진행된다.
2.3.1. LED의 구동 전류 찾기 LED는 전류와 전압의 작은 변화에도 매우 민감하게 광량이 변한다. 또한 과도한 전류에 의해서 파손될 수 있다. 그러므로 LED를 효율적으로 작동시키고 수명을 오래 지속시키기 위해서는 적정전류를 인가해야 한다.
우리는 Sweep(전류-광량) 측정을 통하여 LED의 광량과 전류의 관계를 분석하였다. 이 결과를 가지고 LED가 효율적으로 작동하는 전류값을 찾는다.
2.3.2. LED의 숙성
LED의 광학적 특성을 안정화시키기 위해서는 전류를 인가하여 LED를 일정 시간동안 구동시키는 숙성 작업이 선행되어야 한다. 우리는 Sweep측정을 통해서 얻은 적정 전류값을 LED에 인가하여 숙성을 시킨다. 적정 전류는 전류 공급 장치(Current Supply)를 이용하였고, 약 250시간(CIE127 권고사항) 이상 숙성을 시킨다.
LED는 장시간 켜두면 칩의 온도가 상승하기 때문에 광 효율이 떨어지고 수명이 단축될 수 있다. 이것을 고려하여 우리는 10시간을 숙성하고, 1시간 식혀주는 과정(On-Off)을 반복하면서 총 250시간 동안 숙성 한다.
2.3.3. 전광선속 안정화 및 안정도 측정 전광선속은 적분구 방식을 적용한 시스템으로 측정한다. 측정을 위해서 실험실의 환경(실내온도, 습도)을 일정하게 유지시킨다. LED와 전극의 접합 상태에 따라서 측정값이 변할 수 있으므로, LED의 전극 접합부를 고정하고 적분구 내에서 동일한 위치가 되도록 설치한다.
온도조절장치를 시스템에 연결하여 LED 칩의 온도가 측정하는 동안 일정하게 유지되도록 한다.
측정은 약 250시간 동안 숙성된 LED를 직경이 8인치인 적분구에 설치하고, 측정 시스템과 연결하여 전광선속을 20회 반복 측정한다.
공급 전류는 Sweep(전류-광량) 측정을 통해 얻은 적정 전류를 공급한다. 칩 온도는 23℃, 습도는 30%로 설정한다. 전광선속은 반복 측정하고, 데이터를 분석하여 안정화가 되었는지 확인한다.
2.4. 측정결과
[그림 2]는 전류를 증가시키면서 광량을 측정한 Sweep(전류-광량) 그래프이다. 전류가 증가함에 따라 광량도 증가하는데 허용치 이상의 전류가 흐르면 LED의 광량이 서서히 줄어드는 것을 알 수 있다. 전류가 더 증가하면 LED가 파손되므로 허용치 전류를 넘지 않는 범위에서 LED를 작동시켜야 한다.
그래프를 보면 전류가 약 90mA에서 최대광량이 나온 것을 알 수 있는데, LED를 90mA이상의 전류로 오래 켜 두면 LED의 수명이 감소하고 효율도 떨어진다. 따라서 Sweep(전류-광량) 측정을 통하여 효율적인 전류를 찾아야한다. 적정 공급전류는 최대광량이 나오는 전류의 약 80% 범위로 설정한다. 우리는 70mA를 적정 전류로 공급하였다.
[그림 2] Sweep(전류-광량) 측정
90mA × 80% = 약 70mA (2)
[그림 3]은 적분구를 이용하여 전광선속을 측정한 결과를 보여준다.
측정 데이터는 10시간 간격으로 측정하였다. LED의 구동 시간은 숙성 시간(250시간)을 포함하여 총 450시간이다.
그래프를 보면 초기 전광선속은 10487.71mlm이 나오고, 측정을 할수록(시간이 경과 할수록) 값이 떨어지는 것을 알 수 있다. 150시간 이후로는 값이 거의 변하지 않고 일정하게 나오는 것을 볼 수 있으므로 이 시간 이후부터 안정화가 되었다고 판단할 수 있다. 200시간 경과 후 측정한 전광선속 값은 10191.38mlm이다.
[그림 3] 램프 형 백색 LED 전광선속 안정화 측정 1
[그림 4] 램프 형 백색 LED 전광선속 안정도 실험 2
[그림 5] 램프 형 백색 LED 스펙트럼 측정
[그림 4]는 안정화 된 LED의 전광선속 안정도를 측정한 그래프이다. 전광선속을 60초 간격으로 동안 동일한 조건에서 10번 측정하였다. 600초에서 측정한 전광선속 값은 10246mlm±1% 이내로 얻었다. 이 그래프는 LED가 안정화 된 이후에 전광선속이 일정한 값을 갖는다는 것을 보여준다. [그림 5]는 안정화된 램프 형 백색 LED의 스펙트럼 특성을 보여준다. 백색 LED의 스펙트럼을 10회 측정하여 표시하였다. 380~780nm에서 가시광선이 나오는 것을 알 수 있고, 청색 LED에 형광체가 도포되어 있어 백색의 전형적인 스펙트럼이 나오는 것을 알 수 있다.
스펙트럼 10회 측정 결과, 측정 할 때 마다 청색 파장영역보다 녹색과 적색 파장영역에서 즉, 형광체가 도포된 부분에서 스펙트럼 데이터가 차이가 나는 것을 알 수 있다. 이것은 측정을 수행하면서 백색을 내기위한 형광체가 조금씩 성능의 변화나 소모가 된다는 것을 예상 할 수 있다.
<표 1>은 백색 LED의 광학적 특성을 측정한 결과이다. 이 표는 파장 특성, 전광선속, 복사속, 색 특성, 효율 등을 알려준다.
| 항목 |
Wp[㎚] |
Wd[㎚] |
Fw[㎚] |
Wc[㎚] |
Wt[㎚] |
| 측정값 |
464.065 |
492.452 |
28.299 |
467.753 |
540.56 |
| 항목 |
Φ[mlm] |
Φe[㎽] |
CCT |
CRI |
K[lm/W] |
| 측정값 |
10246.3 |
33.0111 |
6531.38 |
75.784 |
40.952 |
| 항목 |
x |
y |
Source[㎃] |
Vf[V] |
온도[℃] |
| 측정값 |
0.311 |
0.334 |
70 |
3.5744 |
23 |
3. 결 론
우리는 기준 측정 방법을 적용한 측정 시스템을 이용해서 Lamp type white LED의 전광선속을 측정했다. LED는 250시간 숙성하여 안정화가 되었다. 전광선속은 온도 23±0.1℃, 습도 30±5%, 고정전류 70mA에서 10246.39mlm±1% 이내로 측정되었다.
이 측정 결과는 외부 기관에 의뢰하여 비교측정을 통해 신뢰성을 확보하게 된다. 우리는 본 실험실에서 이 결과를 기준물질로 활용할 예정이다. 이것으로 우리가 보유하고 있는 측정 장비를 수시로 점검 할 수 있고 기타 광원의 광 특성 비교에 활용할 수 있다.
[참고문헌]
[1] 서정철, 김용완, 정영붕,‘ 전광선속 표준전구 개발’, 한국조명·전기설비학회논문지 제15권 제1호, pp.1~6 2001.01.
[2] 박창규, 조상욱, 이민진, 김진선, 김정수, 정회석, 이영주,‘ Power LED의 신뢰성 평가 규격 비교 연구’, 2008 춘계학술대
회 논문집, 2008. 05.
[3] 전상규, 나종혁, 김도환, 이현영, 조미령, 최용원, 양승용, ‘절대광속 측정기와 적분구를 이용한 벌브타입 LED 램프의 광
효율 츨정 분석’, 한국조명·전기설비학회추계학술대회 논문집, 2009. 10. 9.
[4] KS C 7104, ‘발광다이오드(LED)의 성능평가방법’, 한국산업KS표준, 2005.07.29.
[5] CIE 127 TC2-45, ‘Measurement of LEDs’, 2007.
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