KR100818162B1 - 색온도 조절이 가능한 백색 ｌｅｄ 장치 - Google Patents

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Abstract

감성조명을 구현시킬 수 있도록, 색온도 조절이 가능한 백색 LED 장치를 제공한다.
본 발명의 백색 LED 장치는, 복수 광원부를 수용하기 위한 패키지 본체와; 상기 패키지 본체에 수용되고, 하나이상의 제1 LED 칩과 제1 형광체를 구비하여 제1 색온도의 백색광을 방출하는 제1 광원부; 상기 패키지 본체에 수용되고, 하나이상의 제2 LED 칩과 제2 형광체를 구비하여 제2 색온도의 백색광을 방출하는 제2 광원부; 및 상기 제1 및 상기 제2 색온도를 조절할 수 있도록 상기 제1 및 상기 제2 LED 칩 중 적어도 하나에 공급되는 전류를 가변하는 전류 제어부를 포함한다.
백색 LED, LED 칩, 색온도

Description

색온도 조절이 가능한 백색 ＬＥＤ 장치 {White LED Device capable of Adjusting Correlated Color Temperature}
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 색온도 조절 가능한 백색 LED 장치의 평면도이다.
도 2는 도 1에서 라인 XX'를 따라 자른 백색 LED 장치의 단면도이다.
도 3은 도 1의 백색 LED 장치의 LED 칩들의 연결 상태를 나타낸 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 이용되는 전류제어를 설명하기 위한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 백색 LED 장치의 가변 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
310: 제1반사컵 312, 322: 수지포장부
315a, 315b, 325a, 325b: 전극 패턴 320: 제2 반사컵
331, 332: LED 칩 335, 345: 형광체
500: 패키지 본체
본 발명은 색온도 조절이 가능한 백색 LED 장치에 관한 것으로서, 특히 서로 다른 색온도를 갖는 백색 발광부를 구비하여 사용자의 취향이나 사용상태에 따라 색온도를 다양하게 조절할 수 있고, 이에 따라 감성 조명을 용이하게 구현할 수 있는 백색 LED 장치에 관한 것이다.
최근 노트북, 모니터, 핸드폰, TV 등 LCD 디스플레이에 사용되는 백라이트 유닛의 광원 또는 조명용으로서 LED(Light Emitting Diode: 발광 다이오드)가 주목받고 있다. 특히 최근에는 색상 표현, 환경, 성능향상 및 소비전력 등의 측면에서, 유리한 'LED를 사용한 백색 발광 장치(백색 LED 장치)'가 각광받고 있다. 그러나, 백색 LED 장치를 조명용 광원 등으로 사용할 경우, 색온도(Correlated Color Temperature: CCT)를 조절할 수 있는 효과적인 방안이 제시되지 못하였다.
예를 들어, 청색광과 YAG계 황색 형광체로 구현된 백색 LED 장치를 사용하는 경우, 같은 백색광을 출력한다고 하더라도 사람의 취향이나 사용 상태에 따라 다른 색온도의 백색광을 출력하면 수준높은 감성 조명이 가능하게 된다. 즉, 아침에는 4000K, 점심에는 6000K, 저녁에는 3000K 정도가 적당하다고 가정하였을 때, 조 명용 백색 LED 장치의 색온도를 자동 또는 수동적으로 조절하여 사용할 필요성이 있다. 이러한 색온도 조절 기능을 효과적으로 실현할 수 있다면, 실내를 밝히는 기본적인 조명 기능 이외에도 독특한 분위기 연출이 가능한 감성조명이 실현될 수 있다. 또한 색온도 조절을 통한 감성 조명은 휘도 조절과 결합하여 사람의 심리 상태의 안정화 등 심리치료 요법에 적용될 수도 있다.
그러나 종래의 조명장치들은 주위 조도에 따른 조명 조절이라는 단순한 기능만을 수행하고 있어, 색온도 조절을 효과적으로 실현할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 비교적 간단한 구조를 사용하여 용이하고 효과적으로 색온도를 조절할 수 있는 백색 LED 장치를 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 백색 LED 장치는, 복수 광원부를 수용하기 위한 패키지 본체와; 상기 패키지 본체에 수용되고, 하나이상의 제1 LED 칩과 제1 형광체를 구비하여 제1 색온도의 백색광을 방출하는 제1 광원부; 상기 패키지 본체에 수용되고, 하나이상의 제2 LED 칩과 제2 형광체를 구비하여 제2 색온도의 백색광을 방출하는 제2 광원부; 및 상기 제1 및 상기 제2 색온도를 조절할 수 있도록 상기 제1 및 상기 제2 LED 칩 중 적어도 하나에 공급되는 전류를 가변하는 전류 제어부를 포함한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 제1 및 상기 제2 LED 칩은 3족 질화물계 반도체 등으로 된 청색 LED 또는 자외선(UV) LED일 수 있다. 또한 상기 제1 및 제2 광원부 각각은 황색 형광체 등의 단일 형광체를 구비하거나, 녹색 형광체와 오렌지색(또는 적색) 형광체의 혼합물과 같은 2종 이상의 형광체의 혼합물을 구비할 수도 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 패키지 본체는 상기 제1 및 상기 제2 광원부를 수용하기 위한 제1 및 제2 반사컵을 각각 구비하여, 상기 제1 및 상기 제2 반사컵 내에 상기 제1 및 상기 제2 광원부의 상기 제1 및 상기 제2 LED 칩이 각각 실장될 수 있다. 또한 실장된 상기 제1 및 상기 제2 LED 칩을 봉지하는 수지 포장부 내에 상기 제1 및 상기 제2 형광체가 분산될 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 제1 광원부의 상기 제1 색온도와 상기 제2 광원부의 상기 제2 색온도 간에 색온도 편차는 1000K 이상이다. 예를 들어, 상기 제1 및 상기 제2 색온도는 1000K 내지 20000K의 색온도 편차를 가질 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 제1 광원부는 2개 이상의 병렬 연결된 상기 제1 LED칩을 구비하고, 상기 제2 광원부는 2개 이상의 병렬 연결된 상기 제2 LED 칩을 구비할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 백색 LED 장치의 평면도이고, 도 2는 도 1의 라인 XX'를 따라 자른 단면도이며, 도 3은 도 2의 LED 칩들의 연결상태를 개략적으로 나타낸 회로도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 백색 LED 장치(300)는, 패키지 본체(500)와, 패키지 본체(500)에 수용되어 서로 다른 색온도의 백색광을 방출하는 제1 광원부(A) 및 제2 광원부(B)를 구비한다. 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 패키지 본체(500)는 LED를 수용하기 위한 제1 반사컵(310)과 제2 반사컵(320)을 가지며, 열방출을 위한 히트 싱크의 역할을 할 수 있다. 이 제1 및 제2 반사컵(310, 320)은 출사방향을 향해 오픈되어 있으며, 서로 인접하게 또는 근접하게 배치되어 있다. 제1 반사컵(310)에는 제1 광원부(A)의 2개 LED 칩(331)이 실장되고, 제2 반사컵(320)에는 제2 광원 부(B)의 2개 LED 칩(332)이 실장된다.
제1 광원부의 LED 칩(331)은 적절한 와이어 본딩(w)을 통해 제1 반사컵(310) 바닥에 마련된 전극 패턴(315a, 315b)에 연결된다. 이러한 와이어 본딩 연결을 통해 2개의 LED 칩(331)은 서로 병렬 연결되고(도 3 참조), 이와 같이 병렬 연결된 LED 칩들(331)은 2개의 리드 단자(351a, 351b)를 통해 외부로 인출된다.
또한, 제2 광원부(B)의 LED 칩(332)은 적절한 와이어 본딩(w)을 통해 제2 반사컵(320)의 바닥에 마련된 전극 패턴(325a, 325b)에 연결된다. 이러한 와이어 본딩 연결을 통해 2개의 LED 칩(332)은 서로 병렬 연결되고(도 3 참조), 이와 같이 병렬 연결된 LED 칩들(331)은 다른 2개의 리드 단자(353a, 353b)를 통해 외부로 인출된다.
제1 광원부(A)의 각 LED 칩(331) 상에는 LED 칩(331)을 봉지하는 수지 포장부(312; 예컨대 에폭시 또는 실리콘 수지)가 형성되어 있고, 이 수지 포장부(312)에는 제1 형광체(335: 예컨대, 실리케이트계 황색 형광체 등)가 분산되어 있다. 이러한 LED 칩(331)과 형광체(335)의 조합을 구비한 제1 광원부(A)의 구성에 의하여, LED 칩(331)에 순방향 동작 전압이 인가되면, 제1 광원부(A)는 제1 색온도를 갖는 백색광을 출력하게 된다.
예를 들어, LED 칩(331)로서 GaN 등의 3족 질화물계 청색 LED칩을 사용하고, 제1 형광체(335)로서 실리케이트계, YAG계 또는 TAG계 황색 형광체를 사용할 수 있다. 이 경우, LED 칩(331)에서 나온 청색광에 의해 제1 형광체(335)가 여기되어 황색광을 발하여, 상기 청색광과 황색광의 혼색되어 제1 색온도를 갖는 백색광이 나올 수 있다. 제1 광원부의 색온도는 사용되는 형광체 재료, 수지포장부에 분산된 형광체양 등에 따라 달라질 수 있다.
다른 예로서, LED 칩(331)으로서 3족 질화물계 청색 LED를 사용하고, 형광체로서 녹색 형광체와 오렌지색 형광체의 조합(또는 혼합물)을 사용하여 백색광을 낼 수도 있다. 또한 또다른 예로서, LED 칩(331)으로서 3족 질화물계 자외선 LED를 사용하고, 청, 녹 및 적색 형광체 혼합물을 사용하여 백색광을 얻을 수도 있다. 그 밖에도 적절한 LED와 다른 2종 이상의 형광체 혼합물을 사용할 수도 있다.
또한 제2 광원부(B)의 각 LED 칩(332) 상에는 LED 칩(332)을 봉지하는 수지 포장부(322)가 형성되어 있고, 이 수지 포장부(322)에는 제2 형광체(345: 예컨대, 황색 형광체 또는 녹색/오렌지색 형광체 혼합물)가 분산되어 있다. 제2 광원부(B)의 LED 칩(332)에 순방향 동작 전압이 인가되면, 제2 광원부(B)는 제1 색온도와 다른 제2 색온도를 갖는 백색광을 출력하게 된다. 예를 들어, 제2 색온도는 제1 색온도보다 낮을 수 있다(그 반대로 더 높을 수도 있음).
예컨대, LED 칩(332)으로서 GaN 등의 3족 질화물계 청색 LED칩을 사용하고, 형광체로서 황색 형광체를 사용하여 제2 광원부(B)는 백색광을 발광할 수 있다. 이 경우, 제2 광원부(B)의 백색광의 색온도(제2 색온도)는 상기 제1 광원부(B)의 색온도(제1 온도)와 다르게 만든다. 예컨대 각 광원부의 발광 스펙트럼 상에서 청색 영역에서의 광강도와 녹색 내지 적색 영역(또는 황색 영역)에서의 광강도의 상대적 세기를 다르게 함으로써, 각 광원부(A, B)의 백색광의 색온도를 다르게 만들 수 있다. 이와 같이 장파장 및 단파장 영역에서의 광강도의 상대적 차이는 형광체의 종류나 첨가량에 의해 조절될 수 있는데, 예를 들어 청색 LED 칩 상에 분포되는 황색 형광체의 양이 많을수록 백색광의 색온도는 낮아질 것이다. 여기서, 상대적으로 색온도가 낮은 백색은 상대적으로 따뜻한 백색(warm white)에 해당하고, 상대적으로 색온도가 높은 백색은 상대적으로 차가운 백색(cool white)에 해당한다.
상술한 바와 같이 서로 다른 색온도를 갖는 제1 광원부(A)와 제2 광원부의 백색광은 서로 혼합되어 최종적인 백색 출력광을 외부로 방출하게 된다. 이 경우, 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 제1 광원부(A)와 제2 광원부(B)가 서로 근접하게 배치되어 있기 때문에 제1 광원부의 백색광과 제2 광원부의 백색광 간의 혼색 구간이 짧고, 이에 따라 최종적인 백색 출력광은 비교적 양호하다.
최종 백색 출력광의 색온도에 대한 효과적인 조절을 위해 상기 제1 및 제2 색온도간의 색온도 차이는 1000K 이상, 바람직하게는 1000K 이상 20000K 이하인 것이 바람직하다. 이와 같이 서로 다른 색온도의 백색광을 혼합하여 제3의 색온도를 구현할 수 있으며, 최종 출력되는 제3의 색온도는 제1 광원부(A)와 제2 광원부 각각의 광량 또는 전류량의 제어에 의해 조절될 수 있다.
예를 들어, 제1 광원부(A)에는 2개의 리드 단자(351a, 351b)를 통해 일정한 전류를 흘려주고, 제2 광원부(B)에는 2개의 리드 단자(353a, 353b)를 통해 가변의 제어된 전류를 흘려줄 수 있다. 이를 위해, 제1 광원부(A)의 리드 단자(351a, 351b)와 제2 광원부(B)의 리드 단자(353a, 353b)에는 서로 독립적인 구동을 위한 외부 전원이 인가될 수 있으며, 특히 제2 광원부(B)의 리드 단자(353a, 353b)는 가변 전류를 공급받을 수 있도록 제1 광원부(A)와는 독립적으로 전압을 인가받는다.
전류를 조절하여 독립적으로 각 광원부를 구동시키기 위한 전류 제어장치가 도 4에 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, DC 전원부(100)로부터 입력되는 DC 전압은 전류 제어부(220)를 통해 가변적으로 조절되어 백색 LED 장치(100)의 제2 광원부(B)로 인가될 수 있으며, 또한 일정한 DC 전압이 전류 제어부(220)를 거치지 않고 제1 광원부(A)로 인가될 수 있다. 만약 제2 광원부(B)가 제1 광원부(A)보다 더 따뜻한 백색광을 출력한다면(즉, 제2 광원부(B)의 색온도가 제1 광원부(A)의 색온도보다 더 낮다면), 제2 광원부(B)의 전류를 증가시킴으로써, 백색 LED 장치는 전체적으로 최종 출력된 백색광의 색온도를 낮출 수 있게 된다(더 따뜻한 백색이 됨: warm white). 반대로 제2 광원부(B)에 흐르는 전류를 감소시킴으로써, 전체적인 최종 백색광의 색온도를 높일 수 있다(더 차가운 백색이 됨: cool white).
상술한 실시형태에서는, 각 광원부가 병렬연결된 2개의 LED칩을 사용하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 예컨대, 각 광원부는 직렬연결된 LED칩을 사용하거나, 병렬 또는 직렬연결된 3개 이상 또는 단 1개의 LED 칩을 사용할 수도 있다. 또한 사용되는 형광체로는, 예를 들어 트리움계 형광물질, 알루미늄계 형광물질, 가넷계 형광물질, 질화물계 형광물질, 베리렌계 유도체, 셀렌화 아연계 형광물질 및 실리케이트계 형광물질 중에서 적절한 것을 선택하여 사용할 수 있다.
또한, 추가적으로, 최종 백색 장치의 출력광의 색감이나 연색지수 등을 조절을 위해, 사용되는 형광체의 조성이나 그 비율 또는 밀도 등을 다양하게 선택하여 사용할 수 있다.
(실시예)
본 발명자는, 도 1 및 2의 백색 LED 장치와 같은 샘플을 제작하여, 제2 광원부(B)에의 인가 전류를 변화시킴으로써 백색 출력광의 색온도(CCT)를 효과적으로 조절할 수 있음을 확인하였다.
실시예의 샘플은, 제1 광원부(A) 및 제2 광원부(B)의 LED 칩으로서 GaN계 청색 LED를 사용하고, 각 광원부(A, B)의 형광체로서 실리케이트계 황색 형광체를 사용하였다. 2개 광원부(A, B) 사이에 단파장 영역과 장파장 영역 간의 광강도의 상대적 크기를 달리함으로써(형광체 사용량을 달리하여 이 상대적 크기를 달리할 수 있음) 아래와 같이 제2 광원부(B)의 색온도(제2 색온도)를 제1 광원부(A)의 색온도(제1 색온도)보다 낮게 하였다.
(1) 제1 광원부(A) :
* CIE 색좌표: x=0.264, y=0.253
* CCT = 18,944K
(2) 제2 광원부(B) :
* CIE 색좌표: x=0.439, y=0.438
* CCT = 3,000K
상기한 바와 같이 서로 다른 색온도의 2개 광원부를 구비한 백색 LED 장치에 대해서, 제1 광원부(A)에는 30mA의 일정한 전류를 인가하고, 제2 광원부에는 0mA, 15mA, 30mA, 45mA, 60mA, 75mA, 90mA의 전류를 각각 인가하였다. 이와 같이 더 따뜻한 백색광을 내는 제2 광원부에의 인가 전류를 가변시키면서, 각 전류에서의 샘플의 백색 출력광의 색좌표와 색온도 및 광도 등을 측정하였다. 그 측정 결과는 아래의 표 1과 같다.
제2 광원부 전류 x좌표 (색좌표) y좌표 (색좌표) I피크 (nm) 광도 (cd) 방사강도 (mW/sr) 색온도 (CCT)
0 mA 0.264 0.253 455 2.87 10.9 18944
15 mA 0.301 0.291 457 4.21 14. 7860
30 mA 0.330 0.321 458 5.84 18.9 5629
45 mA 0.346 0.339 460 7.23 22.5 4924
60 mA 0.356 0.350 459 8.46 26.0 4584
75 mA 0.362 0.358 459 9.52 28.7 4412
90 mA 0.367 0.365 460 10.45 31.2 4306
* 제1 광원부의 전류 = 30mA (일정)
각 전류에서 실시예 샘플의 백색 출력광의 발광 스펙트럼을 도 5에 도시하였다. 위의 표 1과 도 5에 나타난 바와 같이, 제1 광원부(A)에 비하여 상대적으로 따뜻한 백색광(색온도가 낮은 백색광)을 내는 제2 광원부(B)의 인가 전류를 0mA에서 90mA까지 변경시킴으로써, 약 4300K에서 약 18900K에 이르기까지 백색 출력광의 색온도를 매우 효과적으로 조절할 수 있음을 알 수 있다.
또한 상기 실시예에 있어서, 차가운 백색 광원부(제1 광원부)와 따뜻한 백색 광원부(제2 광원부)가 반사컵에 의해서 상호 구분되어 있기 때문에, 다른 광원부의 형광체 입자에 의한 광손실이나 효율 감소는 없다. 뿐만 아니라, 색온도가 다른 2개의 광원부가 인접 또는 근접해 있기 때문에, 2개 광원부에서 나오는 백색광의 혼합 구간이 짧다. 따라서, 2개의 광원부로부터 나온 백색광의 혼합에 의한 최종 백색 출력광은 비교적 균일하다고 할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 서로 다른 색온도를 갖는 복수의 광원부 중 적어도 하나의 전류를 조절함으로써, 백색 LED 장치의 색온도를 사용자 필요에 따라 용이하고 효과적으로 제어할 수 있게 된다. 이에 따라 감성 조명등 수준 높은 LED 조명을 용이하게 실현할 수 있게 된다.

Claims (8)

  1. 복수 광원부를 수용하기 위한 패키지 본체;
    상기 패키지 본체에 수용되고, 하나이상의 제1 LED 칩과 제1 형광체를 구비하여 제1 색온도의 백색광을 방출하는 제1 광원부;
    상기 패키지 본체에 수용되고, 하나이상의 제2 LED 칩과 제2 형광체를 구비하여 제2 색온도의 백색광을 방출하는 제2 광원부; 및
    상기 제1 및 상기 제2 색온도를 조절할 수 있도록 상기 제1 및 상기 제2 LED 칩 중 적어도 하나에 공급되는 전류를 가변하는 전류 제어부
    를 포함하는 것을 특징을 하는 백색 LED 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 상기 제2 LED 칩은 청색 LED이고, 상기 제1 및 상기 제2 형광체는 황색 형광체인 것을 특징으로 하는 백색 LED 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 상기 제2 LED 칩은 청색 LED 또는 자외선 LED이고, 상기 제1 및 상기 제2 형광체는 2종 이상의 형광체의 조합인 것을 특징으로 하는 백색 LED 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 패키지 본체는,
    상기 제1 및 상기 제2 광원부를 수용하기 위한 제1 및 제2 반사컵을 각각 구비하여,
    상기 제1 및 상기 제2 반사컵 내에 상기 제1 및 상기 제2 광원부의 상기 제1 및 제2 LED 칩이 각각 실장되고 실장된 상기 제1 및 상기 제2 LED 칩을 봉지하는 수지 포장부 내에 상기 제1 및 상기 제2 형광체가 각각 분산되는 것을 특징으로 하는 백색 LED 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광원부의 상기 제1 색온도와 상기 제2 광원부의 상기 제2 색온도 간에 색온도 편차는 1000K 이상인 것을 특징으로 하는 백색 LED 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 색온도 편차는 1000K 내지 20000K인 것을 특징으로 하는 백색 LED 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광원부는 2개 이상의 병렬 연결된 상기 제1 LED칩을 구비하고, 상기 제2 광원부는 2개 이상의 병렬 연결된 상기 제2 LED 칩을 구비하는 것을 특징으로 하는 백색 LED 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 형광체는,
    이트리움계 형광체, 알루미늄계 형광체, 가넷계 형광체, 질화물계 형광체, 베리렌계 유도체, 셀렌화 아연계 형광체 및 실리케이트계 형광체 중 하나의 형광체 또는 둘 이상의 형광체의 조합인 것을 특징으로 하는 백색 LED 장치.
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