KR100702273B1 - 조명 시스템 - Google Patents

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Abstract

조명 시스템(lighting system)(1)은 사전 선택된 파장의 가시광선을 제공하기 위해 적어도 2개의 발광 다이오드(light-emitting diodes)(6, 6', …; 7, 7')를 포함한다. 본 발명은 조명 시스템(1)이 조명 시스템(1)의 연색성(color rendition)을 최적화하기 위해, 발광 다이오드(6, 6', …) 중의 하나에 의해 방출되는 가시 광선의 일부분을 다른 파장 범위의 가시광선으로 변환하는 변환 수단(10)을 구비하는 것을 특징으로 한다. 변환 수단(10)은 400㎚ 내지 500㎚의 파장 범위로 생성되는 광에 감응하는 발광 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에서, 2개의 발광 다이오드(6, 6', …; 7, 7', …)는 청색 발광 다이오드(6, 6', …) 및 적색 발광 다이오드(7, 7', …)를 포함하고, 변환 수단(10)은 청색광에 의해 여기될 수 있고 청색광을 녹색광으로 변환시키는 발광 물질을 포함한다. 다른 바람직한 실시예에서, 발광 물질은 500㎚ 내지 560㎚의 파장 범위로 생성되는 광에 감응한다. 바람직한 실시예에서, 2개의 발광 다이오드는 청색 발광 다이오드 및 녹색 발광 다이오드를 포함하고, 변환 수단은 녹색광에 의해 여기될 수 있고 녹색광을 적색광으로 변환시키는 발광 물질을 포함한다.

Description

조명 시스템{LIGHTING SYSTEM}
본 발명은 적어도 2개의 발광 다이오드(light-emitting diodes)를 구비하는 조명 시스템(lighting system)에 관한 것으로서, 각각의 상기 발광 다이오드는 작동 중에 사전 선택된 파장 범위 내의 가시광선을 방출한다.
발광 다이오드(LED)에 기초한 조명 시스템은 일반적인 조명 애플리케이션을 위한 백색 광원(source of white light)으로서 사용된다.
도입 단락에서 언급한 유형의 조명 시스템은 이미 알려져 있다. 최근 몇 년 동안에, GaP에 기초한 적색 발광 다이오드 외에도 GaN에 기초한 효율적인 청색 발광 다이오드와 녹색 발광 다이오드가 개발되고 있다. 원칙적으로, 백색광을 생성하기 위해서는 원색 광원으로서 3개의 LED, 즉 청색 LED, 녹색 LED 및 적색 LED가 필요하다.
이러한 조명 시스템의 결점은 원색 광원으로서 3개의 LED의 결합이 항상 원하는 연색성(color rendition)을 구현하지는 못한다는 것으로서, 이는 원하는 스펙트럼 영역에서 최대 스펙트럼을 갖고 동시에 충분하게 에너지 효율성이 있는 LED를 입수할 수 없거나 부족하다는 사실에 기인하는 것이다.
본 발명의 목적은 도입 단락에서 언급된 유형을 갖고, 개선된 연색성을 제공하는 조명 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 조명 시스템의 발광 효율을 개선하는 것이다.
이를 달성하기 위해서, 도입 단락에서 언급된 유형을 갖는 본 발명에 따른 조명 시스템은 조명 시스템의 연색성을 최적화하기 위해서 이러한 조명 시스템이 발광 다이오드들 중의 하나에서 방출되는 가시광선의 일부를 다른 파장 범위의 가시광선으로 변환하는 변환 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 변환 수단은 적어도 2개의 LED 중 하나에서 발생되는 광에 의해 여기(excited)된다. 이 광의 일부는 변환 수단에 의한 예컨대, 흡수 프로세스와 방출 프로세스를 거쳐서 다른 파장 범위의 가시광선으로 변환된다. 이것에 의해 사실상 3개의 광원, 즉 적어도 2개의 LED에 의해서 형성되어 각각 사전 선택된 파장 범위의 가시광선을 방출하는 2개의 원색 광원(primary light source)과, 다른 파장 범위의 가시광선을 방출하는 1개의 소위 2차 광원(secondary light source)을 포함하는 조명 시스템이 구현된다. 이들 2개의 원색 광원과 2차 광원이 가시광선을 방출하는 파장 범위를 적절히 선택함으로서, 2개의 원색 광원에 기초한 조명 시스템에 비해 개선된 연색성을 갖는 조명 시스템을 획득할 수 있다. 3번째의 원색 광원(예를 들면, 녹색 LED 또는 적색 LED)을 적용할 필요가 없기 때문에, 조명 시스템의 연색성을 개선시킬 수 있다.
변환 수단은 발광 물질(luminescent material)을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 물질들은 일반적으로 높은 양자 효율(quantum efficiency)과 높은 루멘 당량(lumen equivalent)(lm/W로 표현됨)을 가지고 있어서, 높은 발광 효율을 갖는 조명 시스템을 획득할 수 있게 하므로 매우 적합하다. 추가하여, 매우 다양한 (안정된) 무기 및 유기 발광 물질(형광 물질(phosphors))들이 알려져 있으므로, 본 발명에 따른 목적(연색성 개선)을 달성하기 위한 재료의 선택이 간단해진다.
조명 시스템의 연색성은 두 가지 방식으로 제어될 수 있다. 한편으로, LED와 변환 수단으로부터 생성되는 광을 최적 방식으로 혼합함으로써 공간 연색성(spatial color rendition)을 개선할 수 있다. 다른 한편으로, LED의 광 출력이 시간에 무관하게 하는 방식을 취함으로써 조명 시스템의 연색성을 개선할 수 있다. 예를 들어, LED의 광 출력이 LED의 온도의 함수로서 변동되는 경우에 의존성이 발생된다. 이 경우에, 온도에 따른 의존성을 갖지 않는 LED를 사용하는 것이 유리하다.
본 발명의 제 1 특징에 따르면, 이 발광 물질은 바람직하게는 400~500㎚ 파장 범위에서 생성된 광에 의해 여기될 수 있다. 이러한 감응성으로 인해, 발광 물질은 특히 청색광을 흡수하는 용도로 효과적으로 사용될 수 있다. 이렇게 흡수된 광은 발광 물질에 의해 다른 파장 범위의 가시광선, 예를 들면 녹색광으로 효과적으로 변환된다.
적합한 발광 물질로는 (Sr,Ca)2SiO4:Eu2+, Ba2SiO4:Eu2+, SrGa2S4, ZnS:Cu+, ZnS:Au+, ZnS:Al3+, (Zn,Cd)S:Ag+, CaS:Ce3+가 있다. 상기 물질들은 450㎚에서 비교적 높은 양자 효율과 광 흡수성을 갖는다. 이 물질들은 또한 적색광이 원하는 녹색광으로 변환될 때 상대적으로 매우 높은 루멘 당량을 나타낸다.
본 발명의 제 1 특징에 따른 조명 시스템의 매우 유리한 실시예는 2개의 발광 다이오드가 적어도 한 개의 청색 발광 다이오드와 적어도 한 개의 적색 발광 다이오드를 포함하고, 변환 수단이 청색 발광 다이오드에 의해 방출되는 광의 일부분을 녹색광으로 변환시키는 (녹색) 발광 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 방식으로, 본 발명의 제 1 특징에 따라서 3개의 기본색(적색, 청색, 녹색)에 기초하여 높은 연색 지수(color rendering index)를 갖는 백색광을 방출하는 조명 시스템을 획득할 수 있는데, 여기에서는 오직 2개의 원색 광원, 즉 청색광 및 적색광만을 활용하고, 녹색광은 청색광의 일부분을 변환함으로써 획득한다. 바람직하게는, 청색 발광 다이오드의 스펙트럼 방출 최대값이 460~490㎚의 파장 범위 내에 있고, 적색 발광 다이오드의 스펙트럼 방출 최대값이 610~630㎚의 파장 범위 내에 있으며, (녹색) 발광 물질의 스펙트럼 방출 최대값이 510~530㎚ 파장 범위 내에 있다.
본 발명의 제 2 특징에 따르면, 발광 물질은 500~560㎚ 파장 범위에서 생성되는 광에 의해 여기될 수 있는 것이 바람직하다. 이러한 감응성으로 인해, 발광 물질은 특히 녹색광을 흡수하는데 매우 유용하게 사용된다. 이렇게 흡수된 광은 발광 물질에 의해서 매우 효율적으로 다른 파장 범위의 가시광선, 예를 들면 적색광 등으로 변환된다.
적합한 발광 물질로는 CaS:Eu,Mn; CaS:Eu; SrS:Eu;(Zn,Cd)S:Ag; SrO:Eu; Sr3B2O6:Eu; Sr2Mg(BO3)2; Cas:Eu,Mn; CaS:Eu 또는 SrS:Eu 등이 있다. 상기 물질들은 비교적 높은 양자 효율과 광 흡수성을 갖는다. 또한, 이 물질들은 청색광이나 녹색광이 원하는 적색광으로 변환될 때 상대적으로 매우 높은 루멘 당량을 나타낸다.
본 발명의 제 2 특징에 따른 조명 시스템의 최적 실시예는 2개의 발광 다이오드가 적어도 한 개의 청색 발광 다이오드와 적어도 한 개의 녹색 발광 다이오드를 포함하고, 변환 수단이 청색 및/또는 녹색 발광 다이오드에 의해 방출되는 광의 일부분을 적색광으로 변환시키는 발광 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다. 원색 광원으로서 청색 LED와 녹색 LED를 사용하는 것의 중요한 장점은 공지된 GaN 기법을 이용하여 이러한 2개의 다이오드 칩을 모두 제조할 수 있다는 것이다. 적색 GaP 다이오드 칩과는 다르게, 이러한 청색 및 녹색 GaN 다이오드 칩은 온도에 의존하지 않으므로 이러한 다이오드 칩의 온도 의존성을 보상하기 위해 비교적 값비싼 전자 장치를 사용할 필요가 없을 것이다. 추가적인 이점은 상기 청색과 녹색 GaN 다이오드 칩이 동일한 측부에 접촉될 수 있어서 이 칩들을 용이하게 직렬로 배열할 수 있다는 것이다. 적색광을 방출하는 녹색 여기형(green-exited) 발광 물질을 사용하면, 적색광을 방출하는 청색 여기형 발광 물질을 사용하는 것에 비해서 양자 결핍(quantum deficit)이 더 작다는 추가적인 장점을 제공한다. 바람직하게는, 청색 발광 다이오드의 스펙트럼 방출 최대치는 460∼490㎚의 파장 범위 내에 있고, 녹색 발광 다이오드의 스펙트럼 방출 최대치는 510∼550㎚의 파장 범위 내에 있으며, 적색 발광 물질의 스펙트럼 방출 최대치는 610∼630㎚의 파장 범위 내에 있다.
본 발명의 제 1 및 제 2 특징에 따른 조명 시스템의 연색 지수(Ra)는 적어도 80과 같거나 크다(Ra≥80). 적어도 2개의 LED에 의해 형성되는 2개의 원색 광원의 스펙트럼 방출과, 변환 수단에 의해 변환된 후 다른 파장 범위의 가시광선을 방출하는 1개의 소위 2차 광원의 스펙트럼 방출을 적절하게 결합함으로써, 높은 연색 지수를 갖는 조명 시스템을 획득할 수 있다.
본 발명에 따른 조명 시스템에서 특히 관심이 집중되는 것은, LED에서 생성되는 광과 변환 수단에서 생성되는 광을 혼합하면, LED(원색 광원)에서 생성되는 광의 방향 의존성과, 변환 수단(2차 광원)에서 생성되는 광의 방향 의존성이 서로 다를 수 있다는 것이다. 일반적으로, LED는 높은 방향성을 갖는 광을 방출하는 반면에, 이 경우에 발광 물질인 변환 수단은 람베르트 라디에이터(Lambert radiator)에 따라 광을 방출(확산)시킨다.
또한, 본 발명의 목적은 조명 시스템에 의한 광의 혼합을 개선하는 것이다. 이 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 조명 시스템의 다른 실시예는 이러한 조명 시스템에 반사 수단이 더 제공되는 것을 특징으로 한다. LED는, LED에서 생성되는 광의 대부분이 직접적으로 조명 시스템으로부터 방출될 수 없게 하는 대신에, 반사 수단에 입사되게 하는 방식으로 조명 시스템 내에 제공되어 있다. 반사 수단을 사용하는 이점은, 2개의 원색 광원(청색 LED와 적색 LED 또는 청색 LED와 녹색 LED)에서 생성되는 광과, 변환 수단에서 생성되는 2차광(녹색광 또는 적색광)이 혼합된다는 점이다. 반사 수단은 확산 반사형 반사 수단인 것이 바람직하다. LED에서 생성되는 광을 확산 반사형 반사 수단 쪽으로 향하게 함으로서, 반사된 광은 또한 람베르트 라디에이터의 특성을 획득한다. 이것에 의해서, 여러 색 성분의 혼합이 개선되고, 그에 따라 조명 시스템의 연색성이 개선되게 된다. 또한, 광은 연색성의 변동없이 반사 수단(백색광 반사형 반사 수단)에 의해 반사되는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 조명 시스템에 의해 방출되는 광의 바람직하지 않은 색 이탈(color deviation)을 막을 수 있다. 확산 반사형 반사 수단은 BaSO4, ZnS, ZnO 및 TiO2에 의해 형성되는 그룹으로부터 선택된 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 물질들은 400∼800㎚의 파장 범위에서 그 반사 계수가 98% 이상이고 확산 방식 및 파장과 무관한 방식으로 광을 반사하기 때문에 매우 적합하다.
본 발명에 따른 조명 시스템의 유리한 실시예는 변환 수단들이 확산 반사형 반사 수단 내부 또는 상부에 제공되는 것을 특징으로 한다. 이러한 방식으로, LED에서 생성되는 광이 효과적으로 혼합되고, 원하는 방향을 향하는 특성을 얻게 되며, 이 변환 수단은 추가적으로 다른 파장 범위의 가시광선으로 변환시키기에 충분하고 적합한 광을 수신하게 되는데, 이 변환된 광은 LED의 확산 반사된 광과 동일한 방향 특성을 갖는다.
방출된 광의 색 혼합 및/또는 방향 특성은 LED를 비교적 얇은 발광 물질층으로 피복하여 발광 물질의 입자들이 확산기(diffuser)로서 작용하게 하는 다른 방법에 의해 개선될 수 있다.
또한, 조명 시스템의 색 온도(color temperature)를 변경시킬 수 있는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 조명 시스템의 다른 실시예는 발광 다이오드들을 개별적으로 구동시키는 것에 의해 조명 시스템의 색 온도를 조정할 수 있는 것을 특징으로 한다. 색 온도는 LED들을 개별적으로 구동시킴으로서 (전기적으로) 조정 가능하다. 이러한 조정 소자(adjusting element)의 적절한 실시예는 적색 LED와 청색 LED로 이루어진 제 1 다이오드 체인과 단색의 청색(또는 단색의 적색) LED로 이루어진 제 2 다이오드 체인을 포함한다. 이러한 조정 소자의 보다 더 적절한 실시예는 청색과 녹색 LED로 이루어진 제 1 다이오드 체인과 단색의 청색(또는 단색의 녹색) LED로 이루어진 제 2 다이오드 체인을 포함한다. 이러한 결과로, 2000∼6300K의 조정 가능한 색 온도 범위가 획득된다. 이러한 색 온도 조정은 부분적으로 발광 물질(변환 수단)의 양에 의해 결정된다.
본 발명의 상술된 특징 및 다른 특징은 이하에서 설명되는 실시예들을 참조함으로써 분명해지고 명확해질 것이다.
도 1a는 본 발명의 제 1 특징에 따른 조명 시스템의 실시예에 대한 부분 단면도 및 측면도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 조명 시스템을 I-I선을 따라 취한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 조명 시스템의 일실시예에 따른 전송 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 3a는 본 발명의 제 1 특징에 따른 조명 시스템의 조명 시스템에 대한 다른 실시예에 대한 단면도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 조명 시스템의 다른 실시예에 대한 측 단면도이다.
도 4는 조정 가능한 색 온도를 가지고 본 발명에 따른 조명 시스템에서 사용되는 LED의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 특징에 따른 조명 시스템의 실시예에 대한 단면도이다.
도면들은 단지 예시적인 것이고 실제 축적대로 도시되지 않았다. 특히 명확성을 위해서, 몇몇 치수는 과도하게 확대되었다. 이러한 도면에서, 동일한 참조 번호들은 가능한 한 동일 부품을 나타내고 있다.
도 1a는 본 발명의 제 1 특징에 따른 조명 시스템에 대한 실시예의 부분 단면도와 측면도이다. 조명 시스템(1)은 발광 다이오드(LED)용의 구동 전자 장치(도 1a에 도시되지 않음)를 수용하는 하우징(housing)(2)과 스크린(screen)(3)을 포함한다. 이 실시예에서, 하우징에는 공지되어 있는 기계적이고 전기적인 접속 수단을 갖는 소위 E27 램프 캡(lamp cap)(4)이 제공된다. 조명 시스템(1)에서 램프 캡(4)의 반대쪽 면에는 다수의 LED(6, 6', …; 7, 7', …; 8, 8', …)가 제공되어 있는 홀더(holder)(5)가 존재한다. LED(6, 6', …; 7, 7', …)는 청색 LED(6, 6', …)(스펙트럼 방출 최대치가 430∼490㎚의 파장 범위 내에 있음)와 적색 LED(7, 7', …)(스펙트럼 방출 최대치가 590∼630㎚의 파장 범위 내에 있음)의 집합을 포함하는데, 이 LED(6, 6', …; 7, 7', …)는 이러한 LED에 의해 방출되는 광이 스크린(3)쪽으로 향하도록 배열된다. 도 1b는 (도 1a에서 I-I선을 따라 절취된) LED(6, 6', …; 7, 7', …)의 도식적인 원형 배치의 일례를 개략적으로 도시한 것이다. LED(6, 6', …; 7, 7', …)에 대향하는 측에는, (확산 반사형)반사 수단(9)과 변환 수단(10)을 구비하는 스크린(3)이 존재한다. 이 실시예에서, 반사 수단(9)은 BaSO4층을 포함하는데, 이 물질은 가시광선에 대해 적어도 실질적으로 100%의 (확산) 반사 계수를 갖는다. 변환 수단(10)은, 청색 LED(6, 6', …)에서 생성되는 청색광(400∼480㎚)을 원하는 다른 파장 범위(530∼565㎚)의 녹색광으로 변환시키는 특징을 갖는 발광 물질(형광 물질(phosphor))을 포함하는 것이 바람직하다. 이 변환 수단(10)은 발광 다이오드들 중 하나에 의해 방출되는 가시광선을 더 긴 파장을 갖는 범위의 가시광선으로 변환시킨다. 적합한 발광 물질의 집합을 표 1에 나타냈는데, 여기에는 각 물질의 450㎚에서의 양자 효율(QE450)과, 450㎚에서의 흡수계수(Abs450)와, 루멘 당량(LE)이 표시되어 있다.
Figure 112004042232359-pct00011
충분한 녹색광을 획득하고 손실을 막기 위해서, 스크린(3)은 발광 물질의 반사도에 따라서 1회의 반사만이 발생되거나 다수의 반사가 발생되도록 내장되고 정렬되는 것이 바람직하다. 또한, 발광 물질은 적어도 실질적으로 적색 LED의 광이 완전히 반사되게 하는 것이 바람직하다. 적색 LED와 청색 LED의 광은 반사 수단(9)에 의해 효율적으로 혼합되는데, 적색과 청색 LED(6, 6', …; 7, 7', …)는 이러한 LED들이 조명 시스템(1)에 의해 방출되는 광의 방향(11)으로 이들의 광을 직접 방출하게 하는 것이 아니라, 오직 반사된 광만이 방향(11)을 향해 방출되도록, 이러한 LED의 광 출력을 스크린(3) 내부에 조사하는 방식으로 스크린(3)에 대해 위치된다.
적색과 청색 LED는 별도로 구동될 수 있으므로 조명 시스템(1)의 색 온도는 조건에 따라 변동 및 조정될 수 있다. 그에 대한 일례로는 적색과 청색 LED를 갖는 임의의 다이오드 체인과 오직 청색 LED만을 갖는 다른 다이오드 체인의 애플리케이션(도 4 참조)이 있다. 이러한 LED의 배열은 원색 광원 내에서 적색광 부분이 변동될 수 있게 한다. 녹색광 방출량에 대한 청색광 방출량의 비율은 LED의 배치[청색 LED(6, 6', …)는 발광 물질(Ba2SiO4:Eu2+)을 갖는 층에 직접적으로 위치됨]에 따라서 고정되어 있으므로, 도 1a의 예는 또한 조명 시스템(1)에 의해 방출되는 광의 방향(11)으로 광을 크게 확산 방출시키는 다수의 추가적인 청색 LED(8, 8', …)를 포함한다. 이러한 방식은 조명 시스템(1)에 의해 방출되는 백색광 내의 적색 부분과 청색 부분이 별도로 변경될 수 있게 한다. 이 방법은 원색인 적색광 및 청색광과, 2차색인 녹색광의 비를 조정하는 추가적인 설정이 가능하게 하고, 그에 따라 색 온도를 조정할 수 있는 조명 시스템(1)을 제공할 수 있게 한다.
일례로서, 표 2는 본 발명의 제 1 특징에 따른 조명 시스템을 나타내는데, 이 조명 시스템은
- 470㎚에서 최대 방출량을 갖고 FWHM = 20㎚인 청색 GaN LED(Nichia사 제품)와,
- 620㎚에서 최대 방출량을 갖고 FWHM = 20㎚인 적색 GaP LED(Hewlett Packard사 제품)-각각의 적색 LED에 대해 2개 내지 4개의 청색 LED가 사용됨-와,
- Ba2SiO4:Eu2+의 층을 포함하는 변환 수단을 포함한다.
표 2의 제 1 열에는 색 온도(Tc)에 대한 여러 바람직한 값이 나열되어 있다. 표 2의 제 2, 제 3, 제 4 열에는 3개의 광 성분의 스펙트럼 기여도(x)(3개의 스펙트럼 기여도의 총합은 1과 같다)가 나타나 있다. 표 2의 제 5 열은 연색 지수(Ra)를 나타내고, 제 6 열은 조명 시스템의 발광 효율(lum. eff.)을 나타낸다. 표 2에서 녹색광(제 3 열) 부분은 색 온도가 변하는 것에 따라 상대적으로 작게 변한다는 것을 알 수 있다. 조명 시스템의 색 온도는 오직 원색 광원(청색 광원 및 적색 광원)의 분포를 변경시키는 것에 의해서만 매우 넓은 범위로 용이하게 조정될 수 있다.
본 발명의 이러한 방법에 따르면, 이와 같이 비교적 높은 연색성(80 ≤Ra ≤90)을 갖는 조명 시스템이 획득된다.
Figure 112004042232359-pct00012
도 2는 본 발명에 따른 조명 시스템의 일실시예에서의 전송 스펙트럼을 나타낸다. 전송량(T)(임의 단위)은 색 온도(Tc)가 4000K일 때 청색 LED 및 적색 LED와, 발광 물질로서 Ba2SiO4:Eu2+를 조합하여 가시광선의 파장(λ)(㎚)의 함수로 도시되어 있다(도 2의 스펙트럼은 표 2의 제 4 열에 있는 데이터에 대응됨). 도 2에서, 청색 LED의 최대 스펙트럼은 (a)로 표시되었으며 470㎚의 파장에 대응되고, 적색 LED의 최대 스펙트럼은 (b)로 표시되었으며 620㎚의 파장에 대응된다. 또한, 도 2에서, 발광 물질에 의해 방출되는 광의 최대 스펙트럼은 (c)로 표시되었으며 550㎚의 파장에 대응된다.
본 발명의 제 1 특징에 따른 연색 지수(Ra)는 적색 및 청색 LED를 원색 광원으로서 이용하는 것뿐만 아니라, 예를 들어 4개의 서로 다른 LED를 조합시키는 것에 의해 추가적으로 개선될 수 있다. 본 발명의 제 1 특징에 따른 매우 적합한 조명 시스템은,
- 최대 방출 : 470㎚, FWHM = 20㎚인 청색 GaN LED(Nichia사 제품)와,
- 최대 방출 : 520㎚, FWHM = 40㎚인 청색-녹색 GaN LED(Nichia사 제품)와,
- 최대 방출 : 590㎚, FWHM = 20㎚인 황색 GaP LED(Hewlett Packard사 제품)와,
- 최대 방출 : 620㎚, FWHM = 20㎚인 적색 GaP LED(Hewlett Packard사 제품)와,
- Ba2SiO4:Eu2+의 층을 포함하는 변환 수단을 포함한다.
본 발명의 제 1 특징에 따른 4개의 발광 다이오드의 조합과 변환 수단을 구비한 조명 시스템은, 표 2에 열거된 여러 색 온도에 있어서 2개의 다이오드의 조합체를 구비한 조명 시스템의 경우보다 적어도 10포인트 높은 연색 지수를 갖는다(Ra ≥90). 이러한 조명 시스템은 20 lm/W 이상의 발광 효율을 갖는다. 비교하면, 전형적인 100W 백열 램프(incandescent lamp)는 14 lm/W의 발광 효율(색 온도 2800K, 연색 지수 100)을 가지고, 500W 할로겐 백열 램프는 대략 19 lm/W의 발광 효율(색 온도 3000K, 연색 지수 100)을 가지며, 36W 형광 램프(fluorescent lamp)는 대략 90 lm/W의 발광 효율(색 온도 4000K, 연색 지수 85)을 갖는다. 조명 시스템의 연색성은 620㎚ 내지 670㎚의 파장 범위에서 스펙트럼 방출 최대치를 갖는 진한 적색 LED를 이용함으로써 추가적으로 개선될 수 있다.
도 3a는 본 발명의 제 1 특징에 따른 조명 시스템의 다른 실시예를 도시한 것이다. 도 3b는 도 3a에 도시된 실시예의 측입면도의 단면도이다. 조명 시스템(101)은 하우징(102)과 스크린(103)을 포함한다. 이 실시예는 광이 방향(111)을 따라서 조명 시스템(101)을 출사할 때의 각도인 개구 각도(aperture angle)(α)를 포함하는데, 이 각도는 조정 나사(113)를 이용하여 조정될 수 있다. 이를 위하여, 스크린에는 연장되거나 그루브(groove) 형상을 갖는 개구(115, 115')를 구비하는 조정판(114, 114')이 마련되어 있다. 도 3a에 도시된 예에서, 개구 각도(α)는 40°와 같다. 조명 시스템(101)은 홀더(105)를 포함하는데, 그 위에는 다수의 LED(106, 106', …; 107, 107', …; 108, 108', …)가 제공되어 있다. LED(106, 106', …; 107, 107', …)는 청색 LED(106, 106', …)(430㎚ ≤λ≤490㎚에서 스펙트럼 방출)와, 적색 LED(107, 107', …)(590㎚ ≤λ≤630㎚에서 스펙트럼 방출)의 교번적인 집합을 포함하며, 이 LED(106, 106', …; 107, 107', …)는 이러한 LED에서 방출되는 광이 스크린(103)을 향하는 방향(도 3a에서 이러한 광의 방향은 점선의 수평 광선으로 개략적으로 표시되어 있음)으로 조사되게 하는 방식으로 배열된다. 이 실시예에서, 스크린(103)의 부분(103')은 알루미늄 반사기를 포함하는데, 이 반사기는 반사 수단, 예컨대 BaSO4 등과 같은 백색 안료(white pigment)의 층으로 피복되거나 피복되지 않을 수 있다. 상기 스크린(103)에는 또한 LED(106, 106', …; 107, 107', …)에 대향하는 측부에 반사 수단(109)(BaSO4)과 변환 수단(110)의 혼합체가 제공되는데, 이러한 변환 수단은 청색광(400∼480㎚)을 녹색광(530∼565㎚)으로 변환하는 특성을 갖는 발광 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 적합한 발광 물질의 조합이 표 1에 열거되어 있다. LED(106, 106', …; 107, 107', …)에 의해 방출되고, 후속하여 반사되는 광선의 경로는 도 3a에 점선을 이용하여 개략적으로 도시되어 있다. 또한, 도 3a 및 도 3b에 도시된 예는 조명 시스템(101)에 의해 방출되는 광의 방향(111)으로 광을 크게 확산 방출시키는 다수의 추가적인 청색 LED(108, 108')를 포함한다.
도 4는 조정가능한 색 온도를 갖고, 본 발명에 따른 조명 시스템에 이용되는 LED의 회로도를 도시하는 도면이다. 전압은 전원(302)으로부터 다이오드 브리지(diode bridge)(301)를 거쳐 청색 LED(406, 406', …) 및 적색 LED(407, 407', …)의 장치에 인가된다. 선택기 스위치(selector switch)(203)를 이용하여, 청색 LED(416, 416', …) 및/또는 적색 LED(417, 417', …)로 이루어지는 다른 그룹을 조건에 따라서 스위치-온하거나 스위치-오프할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 2 특징에 따른 조명 시스템의 일실시예에 대한 단면도이다. 조명 시스템(201)은 홀더(205)를 수용하는 하우징(202, 202')을 포함하는데, 이 홀더(205)의 위에는 다수의 LED(206; 207)가 마련되어 있다. LED(206; 207)는 청색 LED(206)(430㎚ ≤λ≤490㎚에서 스펙트럼 방출) 및 녹색 LED(207)(510㎚ ≤λ≤550㎚에서 스펙트럼 방출)의 교번적인 집합을 포함하며, 이러한 LED(206, 207)는 이 LED로부터 방출되는 광이 하우징(202')의 광투과성 부분을 향하여 조사되게 하는 방식으로 정렬된다. 이 실시예에서, 홀더(205')의 일부분은 예를 들면, 은(sliver)층으로 이루어진 반사 수단(209)으로 피복되어 있는 구리 반사기(copper reflector)를 포함한다. 이 실시예에서, LED는 변환 수단(210)을 포함하는데, 이 변환 수단은 녹색광(530∼565㎚)을 적색광(610∼630㎚)으로 변환시키는 특성을 갖는 발광 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 청색광을 적색광으로 변환시키기에 적합한 형광 물질로는 CaS:Eu,Mn; CaS:Eu; SrS:Eu; (Zn,Cd)S:Ag; SrO:Eu(625㎚에서 최대 방출); Sr3B2O6:Eu(590㎚에서 최대 방출) 및 Sr2Mg(BO3)2(605㎚에서 최대 방출)가 있다. 녹색광을 적색광으로 변환시키기에 적합한 형광 물질로는 CaS:Eu,Mn이나 CaS:Eu(≤550㎚) 또는 SrS:Eu(≤540㎚)가 있다.
본 발명의 제 2 특징에 따른 매우 적합한 조명 시스템은,
- 최대 방출 : 470㎚, FWHM = 20㎚인 청색 GaN LED(Nichia사 제품)와,
- 최대 방출 : 530㎚, FWHM = 20㎚인 녹색 GaN LED(Nichia사 제품)와,
- 각 청색 LED를 위해 사용되는 2개 또는 3개의 녹색 LED(요구되는 색 온도에 의존함)와,
- Cas:Eu,Mn으로 이루어진 층을 포함하는 변환 수단을 포함한다.
본 발명에 따른 조명 시스템은 비교적 높은 휘도 효율(≥20 lm/W) 및 긴 수명(≥75,000시간)과 함께 높은 연색성(Ra≥80)을 획득할 수 있다는 장점을 갖는다.
당업자들에게 있어서 본 발명의 범주 내에서 여러 수정이 이뤄질 수 있다는 것은 명확할 것이다.
본 발명의 보호받고자 하는 범주는 본 명세서에 제시된 실시예들로 한정되지 않는다. 본 발명은 각각의 새로운 특성 및 특성들의 각각의 조합으로 구현될 수 있다. 청구항에서의 참조 부호는 상기 청구항의 보호 범주를 제한하지 않는다. "포함한다"라는 용어의 사용은 청구항에서 언급된 구성 요소들외에 다른 요소가 존재할 수 있다는 것을 배제하지 않는다. 단수로 표현된 구성 요소는 복수의 그와 같은 구성 요소가 존재할 수 있다는 것을 배제하지 않는다.

Claims (16)

  1. 작동 중에 사전 선택된 파장 범위의 가시광선을 방출하는 적어도 2개의 발광 다이오드(light-emitting diodes)(6, 6', …, 7, 7', …; 106, 106', …, 107, 107', …; 206, 207)를 포함하는 조명 시스템(lighting system)(1; 101; 201)에 있어서,
    상기 조명 시스템(1; 101; 201)의 연색성(color rendition)을 최적화하기 위해서 상기 발광 다이오드(6, 6', …; 106, 106', …; 206, 207) 중 하나에 의해 방출되는 가시광선의 일부분을 다른 파장 범위의 가시광선으로 변환시키는 변환 수단(10; 110; 210)을 포함하는
    조명 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환 수단(10; 110; 210)은 발광 물질(luminescent material)을 포함하는 조명 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 발광 물질은 400㎚ 내지 500㎚의 파장 범위로 생성되는 광에 의해 여기(excited)될 수 있는 조명 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 발광 물질은 (Sr,Ca)2SiO4:Eu2+, Ba2SiO4:Eu2+, SrGa2S4, ZnS:Cu+, ZnS:Au+, ZnS:Al3+, (Zn,Cd)S:Ag+ 및 CaS:Ce3+로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 조명 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 2개의 발광 다이오드(6, 6', …, 7, 7', …; 106, 106', …, 107, 107', …; 206, 207)는 적어도 하나의 청색 발광 다이오드(6, 6', …; 106, 106', …)와 적어도 하나의 적색 발광 다이오드(7, 7', …; 107, 107', …)를 포함하고,
    상기 변환 수단(10; 110)은 상기 청색 발광 다이오드(6, 6', …; 106, 106', …)에 의해 방출되는 광의 일부분을 녹색광으로 변환시키는 발광 물질을 포함하는 조명 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 청색 발광 다이오드(6, 6', …; 106, 106', …)의 스펙트럼 방출의 최대치는 460㎚ 내지 490㎚의 파장 범위 내에 있고,
    상기 적색 발광 다이오드(7, 7', …; 107, 107', …)의 스펙트럼 방출의 최대치는 610㎚ 내지 630㎚의 파장 범위 내에 있으며,
    상기 녹색 발광 물질(the green light-emitting luminescent material)의 스펙트럼 방출의 최대치는 510㎚ 내지 530㎚의 파장 범위 내에 있는 조명 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 발광 물질은 500㎚ 내지 560㎚의 파장 범위로 생성되는 광에 의해 여기될 수 있는 조명 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 발광 물질은 CaS:Eu,Mn; CaS:Eu; SrS:Eu; (Zn,Cd)S:Ag; SrO:Eu; Sr3B2O6:Eu; Sr2Mg(BO3)2; Cas:Eu,Mn; CaS:Eu 또는 SrS:Eu 으로 형성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 2개의 발광 다이오드(206, 207)는 적어도 하나의 청색 발광 다이오드(206) 및 적어도 하나의 녹색 발광 다이오드를 포함하고,
    상기 변환 수단(210)은 적어도 상기 청색 또는 녹색 발광 다이오드(206, 207)에 의해 방출되는 광의 일부분을 적색광으로 변환시키는 발광 물질을 포함하는 조명 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 청색 발광 다이오드(206)의 스펙트럼 방출의 최대치는 460㎚ 내지 490㎚의 파장 범위 내에 있고,
    상기 녹색 발광 다이오드(207)의 스펙트럼 방출의 최대치는 510㎚ 내지 550㎚의 파장 범위 내에 있으며,
    상기 적색 발광 물질(the red light-emitting luminescent material)의 스펙트럼 방출의 최대치는 610㎚ 내지 630㎚의 파장 범위 내에 있는 조명 시스템.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 조명 시스템(1; 101; 201)의 연색 지수(color rendering index)는 적어도 80과 같거나 큰 값을 갖는 조명 시스템.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    작동 중에, 상기 발광 다이오드(6, 6', …, 7, 7', …; 106, 106', …, 107, 107', …; 206, 207)의 광 플럭스(luminous flux)는 적어도 5 lm인 조명 시스템.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    반사 수단(9; 109; 209)을 구비하는 조명 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 반사 수단(9; 109; 209)은 BaSO4, ZnS, ZnO 및 TiO2로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함하는 조명 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 변환 수단(10; 110; 210)은 반사 수단(9; 109; 209) 내부 또는 상부에 제공되는 조명 시스템.
  16. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 조명 시스템(1; 101; 201)의 색 온도(color temperature)는 상기 발광 다이오드(6, 6', …, 7, 7', …; 8, 8', …; 106, 106', …, 107, 107', …; 108, 108', …; 206, 207)를 개별적으로 구동함으로써 조정될 수 있는 조명 시스템.
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