KR100973078B1 - 발광 다이오드를 이용한 조명 장치 및 이를 이용한 색온도 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 조명 장치 및 상기 조명장치를 이용한 색온도 제어방법에서는, 적어도 3개의 발광 소자를 구비하고, 각 발광 소자의 피크 파장이 특정 범위로 한정된다. 특정 파장의 빛을 발광하는 소자의 상대적인 크기를 조절하여, 높은 연색지수(Color Rendering Index: CRI)와 넓은 색온도(Correlated color temperature: CCT) 범위를 갖는 자연광에 근접한 백색광이 구현된다. 또한, 사용 시간 및 사용 환경에 따라 다수의 동작 모드를 설정하여, 각 동작 모드 별로 서로 다른 색온도를 갖는 백색광을 제공함으로써, 감성 조명의 기능도 수행할 수 있다.

연색지수, 상관 색온도, 발광 다이오드, 백색광

Description

발광 다이오드를 이용한 조명 장치 및 이를 이용한 색온도 제어방법{White light illumination device using Light emitting diodes and Color temperature control method}

본 발명은 발광 다이오드를 이용한 조명 장치 및 이를 이용한 색온도 제어방법에 관한 것으로서, 구체적으로 다양한 방출파장을 가지는 발광 다이오드를 이용하여 백색광을 발광하는 조명 장치 및 이를 이용한 색온도 제어방법에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)를 포함하는 조명 장치(Illumination device)는 소비전력이 적고, 수명이 길며, 협소한 공간에 설치가능하고, 또한 진동에 강한 특성을 제공한다.

최근 눈부신 반도체기술의 발달로 LED의 수명 및 효율은 점차 높아가고 있으며, 곧 기존의 조명기구들을 대체하게 될 것으로 전망된다.

긴 수명을 가지는 LED 조명은 유지보수가 어려운 환경에서 사용되는 기존의 조명기구를 가장 빠른 시일 내에 대체하게 될 것으로 예견되며, 높은 연색지수 및 좁은 영역에 빛을 집속하는 것도 가능하여, 상가에서 상품전시를 위한 조명으로 널리 활용되고 있으며, 적은 소비전력으로 인하여 점차 모든 가정의 조명기구들을 대체하는 미래의 에너지 위기를 해결하기 위한 첨병으로 활약할 것으로 기대된다. 또한, 이러한 LED 조명은 집어등으로도 사용될 수 있어, 어선이 더 이상 발전기 및 연료를 싣고 다니지 않아도 되어 선박의 연로 절감에도 크게 기여하게 될 것으로 전망되어 21세기의 화두인 그린에너지 분야에서 반드시 실용화해야 될 기술이다.

LED를 이용한 백색광을 구현하는 방식에는, UV LED 또는 청색 LED에 형광체를 도포하여 패키지 레벨에서 백색광을 구현하는 방법과, 적색(Red color), 청색(Blue color), 녹색(Green color) LED 소자를 인접하게 설치함으로써, 각 LED로부터의 발광이 혼색되어 백색광을 구현하는 삼색 LED 방식이 있다.

특히, 삼색 LED 방식은 각 발광 소자들 간의 상이한 광학적 특성으로 인하여 균일한 혼색 즉, 자연광에 가까운 백색광이 구현되지 못하는 문제점이 있어 조명등의 설계에 있어 많은 기술적인 어려움이 따른다.

또한 기존에 상용화 되어 있는 LED를 사용하여 태양광에 근접하는 백색광을 구현하기 위해서는 서로 다른 색상을 지닌 LED 개수의 적절한 조합 및 주입 전류(injection current)의 제어가 필요하다. 특히 조명 시스템에서, 자연광 아래에서 인간의 눈이 인식하는 색에 매우 근접하는 색을 재현하는 것이 매우 중요하며, 뛰어난 색 재현성을 가진 백색광에 가까운 빛을 발광하는 조명기구의 개발은 조명기구 개발자들의 주요한 연구 개발 목표이다. 따라서, 제품 개발 전에 각 발광 소 자들의 광학적 특성 및 전광변환 특성을 정확히 분석하고, 이 분석 결과를 이용하여 색 혼합 및 효율의 극대화를 위한 조명기구의 설계가 이루어져야 한다.

조명기구의 광학적 특성을 분석하는 지표로서, 연색지수(Color Rendering Index: CRI)와 상관 색온도(Correlated Color Temperature: CCT)가 있다.

CRI는 같은 색온도를 가지는 자연광(black body radiation과 유사)과 인공적으로 제작한 조명을 동일한 사물에 조사한 경우, 상기 사물의 색상이 달라지는 정도를 나타내며, 자연광, 즉 흑체복사의 경우를 100으로 하여 인공적인 조명이 이에 얼마나 가까운지를 표시한다. CRI가 100에 근접할수록 발광 장치는 자연광에 근접한 백색광을 구현한다.

CCT는 조명기구를 포함하는 발광물체가 백색광을 방출할 때에, 이와 매우 비슷한 전자기파를 복사(radiation)하는 흑체(black body)의 온도를 일컫는다.

이 CCT는 인간의 감성 및 뇌파에 미치는 영향이 크다는 연구결과들이 밝혀지고 있다. 따라서, 인간의 주변환경에 조사되는 빛의 CCT 및 광 파워의 조절을 통해 다양한 인간의 활동에 적합한 조명이 구현될 수 있으며, 더 나아가 정신과적 치료에 응용될 수도 있다. 또한 특정 파장의 빛이 강한 조명등은 피부에 미치는 독특한 영향을 가지고 있어 피부학적 치료에도 응용될 수 있다.

한편, 삼색 LED 방식에서는, 자연광에 가까운 백색광을 구현하기가 쉽지 않다. 이는 LED가 빛을 방출하는 스펙트럼 영역이 형광물질을 이용하는 경우에 비하여 매우 좁기 때문에 가시광 영역을 모두 포함하기 힘들기 때문이다.

단색을 가지는 LED를 이용하여 연색지수가 매우 높은 백색광을 구현하기 위해서는 복수(3개 이상)의 색깔을 방출하는 LED의 중심파장과 각각 LED로부터의 출력 광파워 또는 루미넌스(luminance)를 조절하여 가시광 영역 전체에서 조명등의 방출 스펙트럼을 조절하여야 하는데, CRI값과 각 LED에서 방출하는 광 파워 간의 관계는 비선형적 관계를 가지기 때문에, 실험적으로 각 LED에 주입되는 전류의 제어를 통하여 원하는 연색지수를 얻는 것은 거의 불가능에 가깝다고 할 수 있다.

따라서, 실험적으로 색상의 혼합을 통한 백색 LED 조명기구를 제작하기 이전에 수학적 시뮬레이션을 통해 최적의 스펙트럼을 설계하고 이를 실험적으로 구현하는 절차가 반드시 필요하다. 시뮬레이션에서 사용하는 LED 각각의 스펙트럼은 가우시안 또는 로렌찌안쯔 선형(gaussian or Lorentzian line shape) 모델을 사용할 수 있다.

도 1은 현재 시장에 나와있는 적색, 녹색, 청색 3색 LED의 스펙트럼의 혼합을 보여주는 그래프이다. 여기서 사용된 세 가지의 LED는 460nm 부근에서 피크를 이루는 청색 LED, 520nm부근에서 피크를 이루는 녹색 LED 및 630nm 부근에서 피크를 이루는 적색 LED로 이루어져 있다.

도 1을 참조하면, 각각의 LED에 상이한 주입전류를 인가하였을 때, LED의 중심 파장과 방출 파장의 선 폭(linewidth)은 크게 변화하지 않음을 알 수 있다. 그리고, LED의 방출 스펙트럼은 가우시안 또는 로렌찌안 모델을 사용하여 모델링할 수 있다는 것이 잘 알려져 있다. 따라서, 선 폭과 중심파장은 변화시키지 아니하며 LED의 출력파워만이 주입전류에 의해 변화한다는 가정하에 삼색 LED 스펙트럼의 혼합에 대한 모델을 단순화할 수 있다. 또한 미세하게 변하는 중심 파장과 선 폭을 수학적인 LED 스펙트럼 모델에 삽입할 수 있으며, 이는 더욱 정확하게 주입 전류에 따른 LED 조명등의 CRI와 CCT의 계산을 가능케 한다. 그러나, 이는 백색광의 스펙트럼 최적화를 위한 변수가 많아지고, 이로 인해, 컴퓨터 프로그램을 이용한 최적화에 많은 시간이 소요된다.

도 1을 참조하면, 적색, 녹색, 청색 LED에서 각각 출사된 광이 합성되면, 그림과 같이 세 파장에서 local maximum을 보이는 스펙트럼이 얻어진다.

그러나, 도시된 바와 같이, 이러한 피크들 사이에서는 스펙트럼의 강도가 약하여, 전체적으로 black body radiation과는 상이한 스펙트럼이 나타난다.

도 2는 CIE 1931 표준관찰자에 의한 색 일치 함수(color matching function)로서, 청색, 녹색, 적색을 인간의 눈이 인식하는 기본 모양을 파장 별로 보여 주는 그래프이다.

도 2를 참조하면, 청색, 녹색, 적색의 색 일치 함수에 가까운 스펙트럼을 가진 광원을 사용하여 색깔을 합성하는 경우 가시광 영역 전체를 골고루 방출할 수 있으며, 모든 색에 대하여 재현성이 우수한 조명을 설계할 수 있음을 알 수 있다. 하지만, 현재 상용화되어 있는 LED의 경우에는 색 일치 함수보다는 매우 좁은 선폭을 가지고 있다.

도 1과 도 2를 비교하면, 도 1에서는 특히, 녹색 파장대와 적색 파장대 사이의 특정 구간(S1: 대략 550nm ~ 대략 590nm)에서 스펙트럼의 강도가 가장 낮게 나타난다. 따라서, 종래의 삼색 LED 방식에서는 자연광에 가까운 즉, 높은 CRI를 갖는 백색광의 구현이 어렵다.

결과적으로, 종래의 삼색 LED는 다양한 제품에 적용시키는데 한계가 있고, 특히 자연광에 근접한 백색광을 요구하는 조명 장치에서는 그 응용이 어렵다.

한편, 종래의 삼색 LED 장치를 조명용 광원 등으로 사용하는 경우, CCT를 조절할 수 있는 효과적인 방안이 제시되고 있지 못하다. CRI가 높은 백색광을 제공하더라도 사람의 취향이나 사용 상태에 따라 다른 CCT의 백색광을 출력하면 수준 높은 감성 조명이 가능하게 된다.

맑은 하늘	12,000K
안개 낀 하늘	9,500K
구름 낀 하늘	7,000K
밝은 태양	5,500K
일출, 일몰 2시간 전후	4,000K
일출, 일몰 1시간 전후	3,500K
일출, 일몰 시	3,100K
해뜰 때, 해질 때	2,000~3,000K

위의 표 1은 시간에 따른 색온도의 변화를 보여주는 표이다. 표 1에 서 볼 수 있듯이, 시간의 변화에 따라 태양의 CCT는 2000K에서 12000K 까지 변화한다. 따라서, 조명등에서 아래와 같이 백색광의 CCT를 조절할 수 있다면, 자연광과 가장 가까운 느낌을 인간이 받을 수 있으며, 다양한 분위기를 조성할 수 있다.

또한 인간의 두뇌활동에 적합한 CCT에 대한 다양한 연구결과들이 발표되고 있어, 인간의 학습, 창조활동, 논리적 두뇌활동에 따라 CCT를 조절할 수 있다면, 인간의 활동에 알맞은 뇌파를 발생하는데 도움을 주어 인간 활동의 효율을 증대시킬 수도 있다.

또한, 인간의 생체리듬에 맞는 조명등의 제공을 위해 CCT를 하루 주기로 자동 또는 수동으로 조절하여 조명용 백색 LED 장치가 자연광의 하루 주기를 따르도록 사용할 필요성이 있다.

이와 같이, CCT 조절 기능이 제공된다면, 실내를 밝히는 기본적인 조명 기능 이외에도 독특한 분위기 연출이 가능한 감성 조명이 실현될 수 있다. 또한 CCT 조절을 통한 감성 조명은 사람의 심리 상태의 안정화 등 심리치료 요법에 적용될 수도 있다.

이러한 기능들은 LED 조명을 사용함으로 인하여 조명등 설계에 있어 큰 자유도를 가질 수 있다.

하지만, 패키징 되어 있는 백색 LED만을 사용하는 경우, 높은 CRI를 얻을 수 있으나, CCT의 조절이 어렵다. 또한 광파워가 매우 넓은 스펙트럼에 분포되므로 그 전광변환 효율이 떨어진다.

또한, 종래의 삼색 LED 시스템은 주위 조도에 따른 조명 조절이라는 단순한 기능만을 수행하고 있을 뿐, CCT 조절은 용이하나 높은 CRI (>90)를 실현하기가 매우 어렵다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 자연광에 유사한 백색광을 제공하도록 높은 CRI를 유지하고, 동시에 CCT 조절을 통해 감성 조명의 기능을 수행할 수 있는 LED를 이용한 조명 장치를 제공하는 데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 높은 CRI를 유지하며, 동시에 CCT 조절 및 빛의광량 조절을 통해 감성 조명의 기능을 수행할 수 있는 상기 조명 장치를 이용한 색온도 제어방법을 제공하는 데 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 조명 장치는 사용 시간 또는 사용자 환경에 따라 다수의 동작 모드가 정의되고, 제어 신호에 응답하여 각 동작 모드 별로 서로 다른 구동 전류를 생성하는 구동 드라이버와, 기설정된 연색지수(Color Rendering Index)를 가지며, 기설정된 색온도(Correlated Color Temperature) 범위 내에서 상기 서로 다른 구동 전류에 따라 상기 각 동작 모드 별로 서로 다른 CCT를 갖는 백색광을 출사하는 광원부를 포함한다. 여기서, 상기 광원부는, 대략 465nm 내지 대략 477nm의 피크 파장을 갖는 제1 발광 소자와, 대략 519nm 내지 대략 537nm의 피크 파장을 갖는 제2 발광 소자와, 대략 582nm 내지 대략 598nm의 피크 파장을 갖는 제3 발광 소자 및 대략 618nm 내지 대략 636nm의 피크 파장을 갖는 제4 발광 소자를 포함한다.

본 발명의 다른 일면에 따른 조명 장치는 사용 시간 또는 사용자 환경에 따라 다수의 동작 모드가 정의되고, 각 동작 모드 별로 서로 다른 구동 전류를 생성하는 구동 드라이버와, 기설정된 연색지수를 가지며, 기설정된 색온도(Correlated Color Temperature) 범위 내에서 상기 서로 다른 구동 전류에 따라 상기 각 동작 모드 별로 서로 다른 색온도를 갖는 백색광을 출사하는 광원부를 포함한다. 여기서, 상기 광원부는, 대략 465nm 내지 대략 477nm의 피크 파장을 갖는 제1 발광 소자와, 대략 519nm 내지 대략 537nm의 피크 파장을 갖는 제2 발광 소자와, 대략 554nm 내지 566nm의 피크 파장을 갖는 제3 발광 소자 및 대략 618nm 내지 대략 636nm의 피크 파장을 갖는 제4 발광 소자를 포함한다.

본 발명의 또 다른 일면에 따른 조명 장치는 시간 또는 사용자 환경에 따라 구분된 다수의 동작 모드가 정의되고, 각 동작 모드 별로 서로 다른 구동 전류를 생성하는 구동 드라이버와, 자연광의 연색지수(Color Rendering Index)에 근접한 기설정된 연색지수를 가지며, 기설정된 색온도(Correlated Color Temperature) 범위 내에서 상기 서로 다른 구동 전류에 따라 상기 각 동작 모드 별로 서로 다른 색온도를 갖는 백색광을 출사하는 광원부를 포함한다. 여기서, 상기 광원부는, 대략 0.279 내지 대략 0.3531의 x 색도값 및 대략 0.297 내지 대략 0.3605의 y 색도값을 갖는 제1 발광 소자와, 대략 465nm 내지 대략 477nm의 피크 파장을 갖는 제2 발광 소자 및 대략 618nm 내지 대략 636nm의 피크 파장을 갖는 제3 발광 소자를 포함한다.

본 발명의 또 다른 일면에 따른 색온도 제어방법은 사용 시간 또는 사용자 환경에 따라 다수의 동작 모드가 정의되고, 각 동작 모드 별로 최적화된 각 LED에 입력되는 기준 전류의 비(ratio)를 미리 저장하는 단계와, 상기 미리 저장된 기준 전류의 비을 참조하고, 사용자가 원하는 빛의 세기에 따라 상기 각 동작 모드 별로 서로 다른 구동전류를 생성하는 단계 및 상기 서로 다른 구동 전류에 따라 상기 각 동작 모드 별로 서로 다른 색온도를 갖는 백색광을 출사하는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 백색광을 출사하는 단계는, 대략 0.279 내지 대략 0.3531의 x 색도값 및 대략 0.297 내지 대략 0.3605의 y 색도값을 갖는 제1 발광 소자의 방출 스펙트럼과, 대략 465nm 내지 대략 477nm의 피크 파장을 갖는 제2 발광 소자의 방출 스펙트럼 및 대략 618nm 내지 대략 636nm의 피크 파장을 갖는 제3 발광 소자의 방출 스펙트럼이 혼합된 상기 백색광을 출사하는 단계인 것을 특징으로 한다.

이상 설명한 바와 같이 발광 다이오드를 이용한 조명 장치 및 이를 이용한 색온도 제어방법에 의하면, 적어도 3개의 발광 소자를 이용하여 자연광에 유사한 백색광을 제공하도록 높은 연색지수를 유지하고, 동시에 색온도 조절을 통해 감성 조명의 기능을 수행할 수 있다.

본 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 "선 폭(line width)"이라는 용어는 발광 소자의 방출 스펙트럼의 폭을 설명하기 위하여 사용된다. 광원의 방출 모양(emission profile)은 전술한 바와 같이, 파장의 함수로서 가우시안(또는 로렌쯔) 곡선의 모양를 갖는다. 이 선 폭은 서로 다른 방출 스펙트럼을 갖는 곡선들을 비교하기 위해 사용되는 지표로서, 그 곡선이 피크(peak) 또는 최대값의 절반에 해당하는 지점을 가로지르는 폭으로 정의된다. 이 선 폭이란 용어는 반치폭(Full Width at Half Maximum: FWHM)이란 용어로 사용되는 경우도 있다.

본 발명은 기존의 삼색 LED 시스템에서는 얻을 수 없는 자연광의 CRI에 근접한 높은 CRI를 제공하고, 동시에 CCT의 조절을 통해 감성 조명의 기능을 제공한다.

특히, 본 발명에서는 90 이상, 바람직하게는 95 이상의 CRI를 유지하며, 동시에 대략 2000K 내지 대략 12000K, 바람직하게는 대략 3500K 내지 대략 6500K 까지 CCT를 조절할 수 있는 조명 장치 및 이를 이용한 색온도 조절 방법이 제공된다.

도 1에서 살펴본 바와 같이, 기존의 삼색 LED 시스템에서는 녹색 파장대와 적색 파장대 사이의 특정 구간(S1: 대략 550nm ~ 대략 590nm)에서 스펙트럼의 강도가 매우 낮게 나타난다. 그 결과, 기존의 삼색 LED 시스템에서는 CRI가 95 이상을 유지하는 백색광의 구현이 어렵다. 이를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 상기 특정 구간(S1)에서 스펙트럼의 강도를 증가시킴으로써, 자연광에 가까운 백색광을 제공한다.

본 발명은 상기 특정 구간(S1)에서 스펙트럼 강도를 증가시키기 위하여 본 출원인이 제시하는 특정 파장 대역을 형성하는 적어도 3개의 발광 소자를 포함하여, 상기 특정 구간(S1)에서 스펙트럼 강도를 증가시킨다. 그 결과, 전체 CRI가 향상된다.

또한, 본 발명에서는 R, G1, B를 포함하는 삼원색과 비교적 큰 선폭을 갖는 G2 또는 Y LED를 추가함으로써, CRI의 향상에 도움이 된다.

특히, 다른 색의 LED에 비하여 좁은 선폭을 가지는 적색 LED에 대하여 선 폭이 넓은 적색광을 출사하는 발광 소자를 채용하여, 다른 광들에 비해 선 폭(LW1, 대략 20nm)이 좁은 적색광의 광학적 특성을 개선한다. 그 결과 더욱 높은 CRI를 얻을 수 있다.

본 발명에서는, 선 폭이 넓은 LED를 개별적으로 선택하여 사용할 수 있으며, 또는 조명등에는 같은 색의 빛을 방출하는 복수의 LED를 사용하므로, 각 LED들은 중심방출파장이 어느 정도의 분산을 가지게 마련이다. 따라서, 일정 범위에서 분산이 큰 LED의 조합을 통하여 LED의 선 폭의 개선 (넓힘)을 꾀할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 삼원색(R, G1, B)외에 상기 추가된 1개(G2 또는 Y) 이루어진 총 4개의 발광 소자들이 본 출원인이 제시하는 특정 범위의 피크 파장 범위로 한정됨으로써, 90 이상, 바람직하게는 95 이상의 매우 높은 CRI를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 감성 조명의 기능을 달성하기 위하여, 대략 3500K ~ 대략 6500K 범위 내에서 CCT를 자동으로 조절할 수 있는 방안이 제시된다.

따라서, 본 발명의 조명 장치 및 이를 이용한 색온도 제어방법에서는, 기본적으로 90 이상의 CRI를 달성함으로써, 자연광에 가까운 백색광을 제공하고, 동시에 CCT 조절을 통하여 감성 조명의 기능을 제공할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 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. 도면에서 각 구성요소 또는 시뮬레이션 결과로서 제공되는 각 그래프들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조명 장치를 나타내는 블록도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조명 장치(100)는 동작 모드 선택부(110), 컨트롤러(130), 룩업 테이블(150: Look-Up Table), 구동 드라이버(170) 및 광원부(190)를 포함한다.

동작 모드 선택부(110)는 사용자가 선택한 동작 모드에 따라서 모드 선택 신호(MOD)를 생성하여 상기 컨트롤러(130)로 출력한다. 사용자에 의해 선택된 동작 모드에 따라 상기 광원부(190)의 동작 모드가 결정된다. 여기서, 동작 모드라 함은, 사용자가 원하는 CCT를 갖는 백색광을 출사하도록 상기 광원부(190)가 제공하는 CCT의 범위를 구분한 단계를 말한다.

CCT의 범위는 사용자의 사용 시간 또는 사용자의 사용 환경에 따라 구분될 수 있다.

예컨대, CCT의 범위가 사용자의 사용 시간에 따라 구분되는 경우, 제1 동작 모드(Mode 1)에서는, 상기 동작 모드 선택부(110)가 아침 시간대의 자연광에 유사한 대략 3500K의 백색광을 출사하도록 상기 광원부(190)의 동작 모드가 설정된다.

제2 동작 모드(Mode 2)에서는, 점심 시간대의 자연광에 유사한 대략 6500K의 백색광을 출사하도록 상기 광원부의 동작 모드가 설정된다.

제3 동작 모드(Mode 3)에서는, 저녁 시간대의 자연광에 유사한 대략 4500K의 백색광을 출사하도록 상기 광원부(190)의 동작 모드가 설정된다.

CCT의 범위가 사용자의 사용 환경에 따라 구분되는 경우는 다양하게 존재한다. 예컨대, 사용자가 독서를 하는 경우, 음악감상을 하는 경우, 학습과목별 면학분위기 등과 같은 사용자의 사용 환경에 따라 CCT의 범위가 구분될 수 있다.

학습과목별 면학 분위기에 따라 CCT의 범위가 구분되는 경우, 상기 광원부(190)의 동작모드는 다음과 같이 설정될 수 있다.

제1 동작 모드(Mode 1)에서는, 동작 모드 선택부(110)가 사용자가 고도의 집중력을 요하고, 다량의 정보를 습득하고, 암기하는 데 적합하다고 알려져 있는 대략 4500K의 백색광을 출사하도록 광원부(190)의 동작 모드가 설정된다.

제2 동작 모드(Mode 2)에서는, 사용자가 뛰어난 논리적 사고를 하는 과정에서 발생하는 뇌파를 자극하는 것으로 알려진 대략 6500K의 백색광을 출사하도록 설정된다.

제3 동작 모드(Mode 3)에서는, 사용자가 휴식을 취하는데 적합하다고 알려진 안락한 분위기를 모사하는 대략 3500K의 백색광을 출사하도록 광원부(190)의 동작 모드를 설정할수 있다.

본 실시예에서는, 동작 모드의 개수가 제1 내지 제3 동작 모드로 이루어진 3가지의 동작 모드들이 설명되고 있으나, 동작 모드의 개수 및 각 동작 모드에서의 CCT는 필요에 따라서 조절될 수 있다.

한편, 본 실시예에서는, 동작 모드가 사용자에 의해 수동적으로 선택되는 것으로 설명하고 있으나, 자동적으로 선택될 수도 있다. 이 경우, 카운터 또는 타이머 등을 이용하여 해뜨기 전부터 해질 때까지 각 시간대별로 동작 모드가 자동으로 조절될 수도 있음은 당업자에게는 자명하다.

본 실시예에서는, 시간에 따라 구분된 동작 모드를 가정하여 설명하기로 한다.

동작 모드 선택부(110)는 스위칭부(112)와, 모드 신호 생성부(114)를 포함한다. 사용자는 상기 스위칭부(112)를 통해 원하는 동작 모드를 선택한다. 여기서, 상기 스위칭부(102)는 버튼 형태, 슬라이딩 형태, 회전 스위치 형태 등 다양한 형태로 구현될 수 있다. 모드 신호 생성부(114)는 상기 스위칭부(112)에서 선택된 동작 모드에 따라서 상기 컨트롤러(130)에서 처리 가능한 모드 선택 신호(MOD)를 출력한다.

컨트롤러(130)는 모드 선택 신호(MOD)에 응답하여 선택된 동작 모드에 대응하는 제어 신호를 생성하여 구동 드라이버(170)로 출력한다. 이때, 컨트롤러(130)는 룩업 테이블(150)을 참조하여, 선택된 동작 모드에서 요구되는 CCT값에 대응하는 기설정된 전류의 세기값을 입력받고, 입력된 기설정된 입력 전류의 세기값에 대응하는 상기 제어 신호를 출력한다. 여기서, 제어 신호는 펄스 폭 변조(Pusle Width Modulation: PWM) 신호, 진폭 변조 신호 또는 아날로그 형태의 신호일수 있으며, 본 실시예에서는 PWM 신호로 한정하여 설명하기로 한다.

룩업 테이블(150)에는 선택된 동작 모드에서 요구되는 CCT에 대응하는 기준 전류값의 비(ratio)가 미리 저장된다. 상기 룩업 테이블(150)에 저장된 기준 전류값의 비는 청색광에 대응하는 제1 기준 전류값(Ib), 녹색광에 대응하는 제2 기준 전류값(Ig), 황색광에 대응하는 제3 기준 전류값(Iy) 및 적색광에 대응하는 제4 기준 전류값(Ir)의 비율을 의미한다. 이러한 기준 전류 값들의 비는 동작 모드 별로로 아래의 표 1과 같은 형태로 분류되어 상기 룩업 테이블(150)에 저장되며, 해당 동작 모드에서 요구하는 CCT를 제공할 수 있도록 최적화된 기준 전류 값들의 비로서, 각 기준 전류 값들은 설계자에 의해 미리 측정된 실험 데이터이다.

	Iw(백색광)	Ib(청색광)	Ig(녹색광)	Iy(황색광)	Ir(적색광)
Mode 1	3 mA	2 mA	6 mA	3 mA	8 mA
Mode 2	5 mA	1 mA	8 mA	5 mA	7 mA
Mode 3	4 mA	3 mA	7 mA	9 mA	6 mA

따라서, 상기 컨트롤러(130)는 모드 신호(MOD)에 응답하여 제1 기준 전류값(Ib)에 대응하는 제1 PWM 신호(PWM-B), 제2 기준 전류값(Ig)에 대응하는 제2 PWM 신호(PWM-G), 제3 기준 전류값(Iy)에 대응하는 제3 PWM 신호(PWM-Y), 제4 기준 전류값(Ir)에 대응하는 제4 PWM 신호(PWM-R)를 포함하는 상기 PWM 신호를 생성하여 상기 구동 드라이버(170)로 출력한다.

구동 드라이버(170)는 상기 PWM 신호에 응답하여 선택된 동작 모드에 대응하는 구동 전류를 생성하여, 상기 광원부(190)로 출력한다. 즉, 구동 드라이버(170)는 아침, 점심 또는 저녁 시간대의 자연광 분위기를 연출하기 위하여 시간 대별로 서로 다른 전류의 세기를 갖는 구동 전류(DI)를 생성한다.

구체적으로, 구동 드라이버(170)는 상기 제1 PWM 신호(PWM-B)에 대응하는 제1 구동 전류(DI1), 상기 제2 PWM 신호(PWM-G)에 대응하는 제2 구동 전류(DI2), 상기 제3 PWM 신호(PWM-Y)에 대응하는 제3 구동 전류(DI3), 상기 제4 PWM 신호(PWM-R)에 대응하는 제4 구동 전류(DI4)를 포함하는 상기 구동 전류(DI)를 생성하여, 광원부(150)로 출력한다.

광원부(150)는 상기 구동 드라이버(170)로부터 제공되는 구동 전류(DI)에 응답하여 사용자가 선택한 동작 모드에 대응하는 CCT를 갖는 백색광을 제공한다. 즉, 광원부(150)는 상기 구동 드라이버(170)로부터 제공되는 상기 제1 내지 제4 구동 전류(DI1, DI2, DI3, DI4)의 조합에 따라 사용자가 선택한 동작 모드에 대응하는 CCT를 갖는 백색광을 제공한다.

구체적으로, 상기 광원부(190)는 청색광을 출사하는 청색 LED 소자(191), 녹색광을 출사하는 녹색 LED 소자(193), 황색광을 출사하는 황색 LED 소자(195) 및 적색광을 출사하는 적색 LED 소자(197)를 포함한다.

상기 청색 LED 소자(191)는 제1 구동 전류(DI1)에 응답하여 제1 피크 파장 범위를 갖는 청색광을 방출하며, 본 실시예에서는 상기 제1 피크 파장 범위는 대략 465nm ~ 대략 477nm 이다.

상기 녹색 LED 소자(193)는 제2 구동 전류(DI2)에 응답하여 상기 제1 피크 파장 범위보다 긴 제2 피크 파장 범위를 갖는 녹색광을 방출하며, 본 실시예에서는, 상기 제2 피크 파장 범위는 대략 519nm ~ 537nm 이다.

상기 황색 LED 소자(195)는 제3 구동 전류(DI3)에 응답하여 상기 제2 피크 파장 범위보다 긴 제3 피크 파장 범위를 갖는 황색광을 방출하며, 본 실시예에서는, 상기 제3 피크 파장 범위는 대략 582nm ~ 대략 598nm이다.

상기 적색 LED 소자(197)는 제4 구동 전류(DI5)에 응답하여 상기 제3 피크 파장 범위보다 긴 제4 피크 파장 범위를 갖는 적색광을 방출하며, 본 실시예에서는, 상기 제5 피크 파장 범위는 대략 618nm ~ 대략 636nm이다. 여기서, 적색 LED 소자(197)가 618nm 내지 624nm의 범위를 갖는 상기 제5 피크 파장 범위로 더욱 한정되는 경우, 본 출원인은 대략 20nm의 종래의 적색광의 선 폭(도 1의 LW1)보다 커지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 적색 LED 소자(199)의 제4 피크 파장 범위는 618nm 내지 624nm의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 특정 범위의 파장 범위를 갖는 LED 소자들을 조합함으로써, 본 출원인은 90이상 바람직하게는 95에 달하는 CRI를 유지할 수 있는 백색광이 구현될 수 있음을 확인할 수 있었고, 또한 3500K ~ 6500K 범위의 CCT 갖는 백색광의 구현이 가능함을 확인할 수 있었다.

한편, 도 3에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 조명 장치에서는 청색 LED 소자, 녹색 LED 소자, 황색 LED 소자 및 적색 LED 소자로 구성된 광원부(190)를 기술하고 있으나, 본 출원인은 상기 황색 LED 소자를 554nm ~ 566nm의 피크 파장 범위를 갖는 녹색 LED 소자로 대체함으로써, 동일한 효과를 얻을 수 있었다.

따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 조명 장치에서는 광원부가 청색 LED 소자, 제1 녹색 LED 소자, 제2 녹색 LED 소자 및 적색 LED 소자를 포함하며, 제2 녹색 LED 소자의 피크 파장 범위는 554nm ~ 566nm로 한정된다. 나머지 청색 LED 소자, 제1 녹색 LED 소자 및 적색 LED 소자는 도 3을 참조하여 설명된 청색 LED 소자(191), 녹색 LED 소자(193) 및 적색 LED 소자(197)의 각 피크 파장 범위와 동일하다.

또한, 본 발명에서는 기본적으로 4개의 발광소자(B, G, Y, R 또는 B, G1, G2, R)를 이용하여 90이상, 바람직하게는 95에 달하는 CRI와 3500K ~ 6500K 범위의 CCT를 갖는 백색광을 구현하고 있으나, 본 출원인은 3개의 발광소자를 포함하는 광원부를 이용하여 본 발명에서 달성하고자 하는 높은 CRI와 CCT의 조절 범위를 달성할 수 있음을 확인할 수 있었다. 이 경우, 도 3에 도시된 광원부는 백색 LED 소자와, 청색 LED 소자 및 적색 LED 소자로 이루어진 3개의 발광 소자를 포함한다. 백색 LED 소자는 색도값이 CIE-1931 도표상에서 흑체 궤적의 제1 특정 범위의 x 색도값 및 제2 특정 범위의 y 색도값으로 제한된 영역 내에 존재하는 백색광을 출사한다.

도 4는 도 3에 도시된 광원부가 백색 LED 소자와, 청색 LED 소자 및 적색 LED 소자로 이루어진 경우, 상기 백색 LED 소자의 백색광 특성을 도시한 CIE-1931 도표이고, 도 5는 도 4에 도시된 색도값을 갖는 백색 LED 소자의 방출 스펙트럼을 파장의 함수로 나타낸 그래프이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 백색 LED 소자는 대략 0.279 ~ 대략 0.3531인 상기 제1 특정 범위의 x 색도값 및 대략 0.297 ~ 대략 0.3605인 상기 제2 특정 범위의 y 색도값을 갖는다. 상기 백색 LED 소자는 대략 90의 CRI를 유지하는 백색광을 방출한다.

특히, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 백색 LED 소자는 CCT가 대략 5500K에서 대략 8800K 정도의 청색 방출이 매우 강한 특징으로 갖는다. 여기서 사용하고 있는 백색 LED 소자는 청색 또는 자외선 영역의 스펙트럼을 발산하는 LED에 형광물질을 도포하여 넓은 가시광 영역에서 발광하도록 만든 LED로서 형광물질에 따라, 그 CCT 및 CRI가 결정된다. 따라서, 이러한 방법으로 만들어진 LED는 외부의 구동방법에 따라 CCT 및 CRI의 조절이 불가능하다. 하지만, 이러한 백색 LED의 주변에 R G B Y에 해당하는 LED를 배치하여 혼식을 통하여 CCT를 매우 넓은 범위에서 조절이 가능하다.

특히, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광원부가 상술한 백색 LED 소자와 청색 LED 소자 및 적색 LED 소자로 이루어 진 경우, 본 출원인은 2000K ~ 12000K의 CCT 범위를 가지며, 5000K 미만에서 57 ~ 92인 CRI와, 5000K 이상에서 77 ~ 92의 CRI를 갖는 백색광의 구현이 가능함을 확인할 수 있었다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광원부가 백색 LED 소자와 청색 LED 소자 및 적색 LED 소자로 이루어진 경우, 청색 LED 소자와 적색 LED 소자는 도 3을 참조하여 설명한 청색 LED 소자(191)와 적색 LED 소자(197)의 각 피크 파장 범위와 동일한 피크 파장 범위를 갖는다.

도 6은 도 3에 도시된 백색, 청색, 녹색, 황색 및 적색 LED 소자의 각 발광 스펙트럼들을 함께 나타낸 그래프이다.

도 6에서는 제1 내지 제5 그래프(C1, C2, C3, C4, C5)가 도시된다. 제1 그래프(C1)는 백색 LED 소자(191)의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이고, 제2 그래프(C2)는 일례로 대략 470nm의 피크 파장을 갖는 청색광의 방출 스펙트럼을 나타낸 그래프이고, 제3 그래프(C3)는 일례로 대략 527nm의 피크 파장을 갖는 녹색광의 방출 스펙트럼을 나타낸 그래프이고, 제4 그래프(C4)는 일례로 대략 590nm의 피크 파장을 갖는 황색광의 방출 스펙트럼 나타낸 그래프이고, 제5 그래프(C5)는 일례로 대략 630nm의 피크 파장을 갖는 적색광의 방출 스펙트럼 나타낸 그래프이다. 즉, W B G Y R로 이루어진 광원부를 이용하여 백색광을 구현한 실시예이댜.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제2 동작 모드(Mode 2)에서 각 LED 소자의 방출 스펙트럼들과 각 LED 소자에 의해 구현되는 백색광의 혼합 스펙트럼을 함께 도시한 그래프이다.

도 7을 참조하면, 도 7의 제1 내지 제5 그래프(C1, C2, C3, C4, C5)의 파장은 도 6에 도시된 파장과 동일하며 각 광원의 세기가 상이한 그래프로서, 제1 내지 제5 그래프(C1, C2, C3, C4, C5)는 CRI가 대략 95이고, 제2 동작 모드 즉, 대략 6500K의 백색광을 형성하기 위한 각 LED 소자의 방출 스펙트럼을 나타낸 그래프이고, 제6 그래프(C6)는 제1 내지 제5 그래프(C1, C2, C3, C4, C5)가 혼합되어 형성되는 백색광의 혼합 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.

도 7을 통해서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 조명 장치는 전체 파장 대역에서 고른 스펙트럼 강도를 보여주고 있다. 따라서, 기본적으로 높은 CRI를 제공할 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 발광 장치에서는 백색 LED 소자, 청색 LED 소자, 녹색 LED 소자, 황색 LED 소자 및 적색 LED 소자로 구성된 광원부(190)를 기술하고 있으나, 본 출원인은 상기 황색 LED 소자를 554nm ~ 566nm의 피크 파장 범위를 갖는 또 다른 녹색 LED 소자로 대체함으로써, 동일한 효과를 얻을 수 있었다.

요약하면, 본 발명의 일 실시예에서는 본 출원인이 제시하는 특정 범위의 파장 대역을 갖는 B, G, Y, R로 이루어진 광원부를 이용하여 95 이상의 CRI와 3500K ~ 6500K 범위의 CCT를 갖는 백색광을 구현하였다.

본 발명의 다른 실시예에서는 본 출원인이 제시하는 특정 범위의 파장 대역을 갖는 B, G1, G2, R로 이루어진 광원부를 이용하여 95 이상의 CRI와 3500K ~ 6500K 범위의 CCT를 갖는 백색광을 구현하였다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는 W, R, B로 이루어진 광원부를 이용하여 높은 CRI와 넓은 범위의 CCT를 갖는 백색광을 구현하였다. 특히, 이 경우, 본 출원인은 2000K ~ 12000K의 CCT 범위를 가지며, 5000K 미만에서 57 ~ 92인 CRI와, 5000K 이상에서 77 ~ 92의 CRI 갖는 백색광의 구현이 가능함을 확인할 수 있었다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서는 본 출원인이 제시하는 특정 범위의 파장 대역을 갖는 백색 LED 및 B, G, Y, R로 이루어진 광원부를 이용하여 90 이상의 CRI와 3500K ~ 6500K 범위의 CCT를 갖는 백색광을 구현하였다.

도 8은 도 3에 도시된 조명 장치를 이용한 CCT 제어방법을 보여주는 흐름도이다.

도 8을 참조하면, 먼저, 설계자에 의해 동작 모드 별로 최적화된 각 LED에 입력되는 기준 전류값의 비가 룩업 테이블 형태로 저장된다(S810). 상기 기준 전류값의 비는 사용자에 의해 미리 학습된 데이터로서, 각 기준 전류 값들은 설계자에 의해 미리 측정된 실험 데이터이다.

이어, 동작 모드가 선택된다(S820). 즉, 사용자의 사용 시간 또는 사용자의 사용환경에 따라 사용자에 의해 해당 동작 모드가 수동적으로 선택된다. 특히, 사용자의 사용 시간에 따라 동작 모드가 선택되는 경우, 타이머등을 이용하여 해당 동작 모드가 자동적으로 선택될 수도 있다.

이어, 도 3에 도시된 컨트롤러(130)와 구동 드라이버(170)에 의해 룩업 테이블 형태로 미리 저장된 기준 전류값의 비를 참조하여 선택된 동작 모드에 따라 각 LED 소자에 입력되는 입력 전류가 조절된다(S830).

최종적으로, 조절된 입력 전류에 따라 선택된 해당 동작 모드에서 최적화된 색온도를 갖는 백색광를 출사하게 된다(S840).

지금까지 설명한 실시예들을 통해 본 발명의 조명장치 및 이를 이용한 색온도 제어방법은 자연광에 유사한 백색광을 제공하도록 높은 CRI를 제공할 수 있으며, 동시에 사용자의 사용 시간 또는 사용 환경에 따라 CCT를 조절하여 감성 조명의 기능을 수행할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 정해지며, 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.

도 1은 현재 시장에 나와있는 적색, 녹색, 청색 3색 LED의 스펙트럼의 혼합을 보여주는 그래프이다.

도 2는 CIE 1931 표준관찰자에 의한 색 일치 함수(color matching function)로서, 청색, 녹색, 적색을 인간의 눈이 인식하는 기본 모양을 파장 별로 보여 주는 그래프이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조명 장치를 나타내는 블록도이다.

도 4는 도 3에 도시된 광원부가 백색 LED 소자와, 청색 LED 소자 및 적색 LED 소자로 이루어진 경우, 상기 백색 LED 소자의 백색광 특성을 도시한 CIE-1931 도표이다.

도 5는 도 4에 도시된 색도값을 갖는 백색 LED 소자의 방출 스펙트럼을 파장의 함수로 나타낸 그래프이다.

도 6은 도 3에 도시된 백색, 청색, 녹색, 황색 및 적색 LED 소자의 각 발광 스펙트럼들을 함께 나타낸 그래프이다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제2 동작 모드(Mode 2)에서 각 LED 소자의 방출 스펙트럼들과 각 LED 소자에 의해 구현되는 백색광의 혼합 스펙트럼을 함께 도시한 그래프이다.

도 8은 도 3에 도시된 조명 장치를 이용한 색온도 제어방법을 보여주는 흐름도이다.

Claims (16)

1. 각각 상이한 파장을 가지는 5개의 광원을 포함하고, 상기 광원 각각에 공급되는 구동전류에 따라 상이한 CCT(Correlated Color Temperature; 상관 색온도)를 갖는 백색광을 출사하는 광원부와,

   상기 백색광의 CCT 구간을 기준으로 정의된 다수의 동작 모드별로 상기 광원 각각에 대하여 미리 결정된 값의 구동전류를, 상기 광원 각각에 공급되도록 각 동작 모드별로 제어신호를 발생하는 컨트롤러와,

   상기 제어신호에 따라 상기 광원 각각에 상기 구동전류를 공급하는 구동 드라이버

   를 포함하고,

   상기 광원부는 90 이상의 CRI(Color Rendering Index; 연색지수)를 유지하면서 상기 구동전류에 따라 3500K 내지 6500K의 CCT를 가지는 백색광을 출사하는 것으로서,

   백색 LED 소자와

   470nm 대역 LED 소자와,　

   527nm 대역 LED 소자와,　

   590nm 대역 LED 소자와,　

   630nm 대역 LED 소자를 포함하는 것

   을 특징으로 하는 조명 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 동작 모드에 따라, 상기 동작 모드별로 정의된 구간의 CCT를 가지는 백색광을 상기 광원부가 출사하도록, 상기 광원부의 상기 각 광원에 대한 입력전류의 세기값이 저장된 룩업 테이블을 더 포함하고,

   상기 컨트롤러는 상기 룩업 테이블을 참조하여 상기 다수의 동작 모드 중 선택된 동작 모드에 대응하는 상기 입력 전류의 세기값을 독출하고, 독출된 상기 입력 전류의 세기값에 대응하는 상기 제어 신호를 생성하는 것

   을 특징으로 하는 조명 장치.
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