KR101026675B1 - 발광다이오드를 이용한 조명 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 조명 장치에 사용되는 발광다이오드(LED)들을 소정의 전기적 특성 범위별로 분류하여 모듈화하고, 특성 범위별로 모듈화한 발광다이오드 모듈 각각에는 폴리스위치(poly switch)와 같이 주변환경의 변화에 따라 능동적으로 온/오프(ON/OFF)되는 능동형 스위치를 통해 전원이 인가되도록 하여 발광다이오드 모듈을 능동적으로 온/오프(ON/OFF) 함으로써, 발광다이오드의 특성 분포 전(全) 영역에 걸친 거의 모든 발광다이오드를 사용할 수 있는, 즉 발광다이오드 칩의 특성 분포에 따른 손실(loss)을 줄여 생산수율(yield)를 획기적으로 향상시킬 수 있는 발광다이오드를 이용한 조명 장치에 관한 것이다.
발광다이오드, LED, 조명, 모듈, 온도, 특성, 분포, 수율
Description
본 발명은 발광다이오드(LED)를 이용한 조명 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 조명 장치에 사용되는 발광다이오드들을 소정의 전기적 특성 범위별로 분류하여 모듈화하고, 특성 범위별로 모듈화한 발광다이오드 모듈 각각에는 폴리스위치(poly switch)와 같이 주변환경의 변화에 따라 능동적으로 온/오프(ON/OFF)되는 능동형 스위치를 통해 전원이 인가되도록 하여 발광다이오드 모듈을 능동적으로 온/오프(ON/OFF) 함으로써, 발광다이오드의 특성 분포 전 영역에 걸친 거의 모든 발광다이오드를 사용할 수 있는, 즉 발광다이오드 칩의 특성 분포에 따른 손실(loss)을 줄여 생산 수율(yield)를 향상시킬 수 있는 발광다이오드를 이용한 조명 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 도로 및 터널 등에 시설되는 조명장치의 램프로는 할로겐 램프, 수은 램프 및 메탈할라이드 램프, 나트륨 램프 등이 있다. 그런데, 이들 벌브형 일반 램프들은 과도한 전력 및 불필요한 전력을 소모하는 문제점이 있다. 따라서, 근래에는 상기와 같은 일반 램프들의 문제점을 해결하기 위해, 조명 장치의 광원으로 발광다이오드가 개발되어 사용되고 있다.
발광다이오드를 광원으로 채용한 조명 장치, 예를 들면 도로조명용 장치는 도 1에 도시한 바와 같이 대략 1~3와트의 발광다이오드(1) 수십 내지 수백개(예; 40~100개)를 인쇄회로기판(PCB)에 실장하고, 각각의 발광다이오드(1)에 렌즈 또는 리플렉터(reflector)를 적용하여 원하는 배광 특성을 갖추고, 방열을 위해 알루미늄을 하우징으로 사용한 구조를 하고 있다. 이와 같은 구조의 발광다이오드 조명 장치(10)는, 발광 소자인 발광다이오드(1)의 특성상 흐르는 전류의 제곱에에 비례하여 열을 발생한다. 발광다이오드에서 발생되는 열은 조명 장치(10)의 구조물 안에 밀폐된 공간에 갇혀서 조명 장치(10)의 온도를 높이는 발열체로 작용하며, 이러한 열은 발광다이오드(1)의 동작 및 수명에 악영향을 미친다. 즉, 발광다이오드에 의해 발생되는 열은, 일반적으로 발광다이오드에 흐르는 전류의 제곱에 비례하여 증가하게 되고, 이렇게 증가하는 열은 발광다이오드의 광효율 저하 및 발광다이오드 소자의 열화를 가속화시켜, 결국 발광다이오드 조명 장치의 신뢰성 및 수명을 저하시키고 있다. 물론, 발광다이오드에서 발생되는 열은 알루미늄 재질의 방열판에서 어느 정도 방출되지만, 발광다이오드에서 발생되는 열에 의한 문제점들을 실질적으로 해결하지는 못하고 있는 실정이다.
한편, 조명 장치에 사용되는 발광다이오드를 제조하는 산업이 반도체 산업이면서도 기존의 실리콘 메모리를 기반으로 하는 반도체와는 기술적으로 다른 부분이 있다. 발광다이오드 산업 내부적으로는 핵심적인 원천 기술 분야인 에피텍시와 칩 공정에서 최종적인 수율(yield) 문제가 여전히 해결되지 않은 문제로 남아있다. 즉, 발광다이오드는 소자 제작 공정에서부터 실리콘 반도체와는 다른 에피텍시 공 정이 핵심공정으로 자리함으로써 소자 제작 후 웨이퍼의 위치별 및 웨이퍼별로 서로 상이한 전기적 특성을 지니게 된다. 또한 그 특성 분포는 일반적으로 통계학적인 일정 분포를 가지게 되며, 따라서 발광다이오드 제작 후에는 반드시 칩별로 전수 테스트 및 소팅(sorting) 공정을 거친 후 등급별로 구분하여 사용하게 된다. 특히 조명용으로 사용하는 발광다이오드의 경우는 소팅 후, 사용 가능한 소자수가 일반적으로는 80% 근처의 수율을 나타내는 것으로 알려져 있어 비용과 공정 관리상에 많은 어려움을 갖고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 조명 장치에 사용되는 발광다이오드(LED)들을 소정의 전기적 특성 범위별로 분류하여 그룹 모듈화하고, 특성 범위별로 모듈화한 발광다이오드 모듈 각각에는 폴리스위치(poly switch)와 같이 조명기기 내부 온도별로 설정전류 이상의 전류가 흐를 때 전류를 자동으로 차단하는, 즉 조명 장치의 온도 변화에 따라 변화하는 전류량이 설정치를 넘을 때 전류를 자동으로 차단하는 전류자동차단 스위치를 통해 전원이 인가되도록 하여 발광다이오드 모듈이 능동적으로 온/오프(ON/OFF)되게 함으로써, 발광다이오드의 특성 분포 전 영역에 걸친 거의 모든 발광다이오드를 사용할 수 있는, 즉 발광다이오드 칩의 특성 분포에 따른 손실(loss)을 줄여 생산수율(yield)를 향상시킬 수 있는 발광다이오드를 이용한 조명 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 발광다이오드를 이용한 조명 장치는, 상기 조명 장치에 사용되는 발광다이오드들을 미리설정한 전기적 특성 범위별로 분류하여 같은 특성의 발광다이오드들끼리 모듈화한 특성 범위별 발광다이오드 모듈들; 상기 특성 범위별 발광다이오드 모듈들 각각의 전기적 특성에 대응되게 설치되는 능동 스위치들로서, 상기 능동 스위치들은 상기 조명 장치의 온도 변화에 따라 해당 발광다이오드 모듈을 온/오프(ON/OFF) 능동 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 능동 스위치들은 상기 조명 장치의 온도 변화에 따라 대응하는 상기 특성 범위별 발광다이오드 모듈들에 흐르는 전류량이 설정치를 넘을 때 전류를 자동으로 차단하는 전류자동차단 스위치들이다.
바람직하게는, 상기 전류자동차단 스위치들은, 폴리스위치를 포함한다.
본 발명에 따르면, 조명 장치에 사용되는 발광다이오드(LED)들을 미리설정한 전기적 특성 범위별로 분류하여 같은 특성의 발광다이오드들끼리 모듈화하고, 특성 범위별로 모듈화한 발광다이오드 모듈 각각에는 폴리스위치(poly switch)와 같이 주변환경의 변화에 따라 능동적으로 온/오프(ON/OFF)되는 능동형 스위치를 통해 전원이 인가되도록 하여 발광다이오드 모듈을 능동적으로 온/오프(ON/OFF) 함으로써, 발광다이오드의 특성 분포 전 영역에 걸친 거의 모든 발광다이오드를 사용할 수 있는, 즉 발광다이오드 칩의 특성 분포에 따른 손실(loss)을 줄여 생산수율(yield)를 획기적으로 향상시킬 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면, 발광다이오드 산업의 큰 문제인 등외품 발광다이오드를 효과적으로 사용할 수 있기 때문에 자원의 낭비 및 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 다수개의 발광다이오드 모듈 각각을 개별적으로 교체 가능하기 때문에 조명 장치의 유지 보수를 비용 경제적으로 할 수 있다.
도 2는 본 발명에 적용되는 발광다이오드의 일반적인 특성을 설명하기 위한 일실시예의 특성 그래프도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 발광다이오드 조명 장치의 상세 회로 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 발광다이오드 모듈을 채택한 조명 장치의 개념도이다.
먼저, 본 발명에 따른 발광다이오드를 이용한 조명 장치는 발광다이오드의 전기적 특성, 예를 들면 도 2에 도시한 바와 같은 정방향(Vf) 특성을 이용한다. 참고로, 도 2에 도시한 특성 곡선은 본 발명의 설명을 보다 분명하고 명확하게 하기 위하여 도시한 것으로서, 실제 사용되는 특성 곡선과 상이할 수 있다. 즉, 도 2의 특성 곡선은 단지 본 발명의 설명을 위한 참고 도면이이고, 본 발명의 권리에는 영향을 미치지 않는 것이다.
도 2를 참조하면, 발광다이오드들은 제조시 여러 요인에 의해 정방향 특성에서 다양한 특성 커브를 보인다. 예를 들어, 발광다이오드에 3볼트의 전압이 인가될 때, 특성커브(A)에 해당하는 발광다이오드에는 약 25mA 전류가 흐르고, 특성커브(B)에 해당하는 발광다이오드에는 약 10mA 전류가 흐르고, 특성커브(C)에 해당하는 발광다이오드에는 약 7mA 전류가 흐르게 된다.
따라서, 본 발명은 미리설정한 허용범위 내에서 동일하거나 또는 유사한 특성을 보이는 발광다이오드들끼리 분류하고, 분류된 같은 특성의 다수개의 발광다이오드들을 도 3에 도시한 바와 같이 직,병렬로 연결한 형태의 특성 범위별 발광다이오드 모듈들(30A, 30B, 30C)로 구성하여 이용한다. 이와 같은 특성 범위별 발광다이오드 모듈들(30A, 30B, 30C) 각각에는 도 3에서와 같이 폴리스위치(poly switch)와 같은 능동 스위치(35A, 35B, 35C)를 연결시켜 조명 장치(100; 도 4)의 온도 변화에 따라 특성 범위별 발광다이오드 모듈들이 자동적으로, 즉 능동적으로 온/오 프(ON/OFF)되게 한다.
참고로, 본 발명의 발광다이오드 모듈에 적용되는 발광다이오드의 개수 및 발광다이오드 모듈의 배치 등의 예는 도 4와 같을 수 있다. 도 4에서 부재번호 30(No1), 30(No2) ... 30(Non)는 각 발광다이오드 모듈을 지시한다. 도 4에서는 각 발광다이오드 모듈에 발광다이오드(1)가 4개 정도 있는 것으로 도시했지만, 이는 도면의 간략화를 위해서 그렇게 한 것일 뿐이다. 발광다이오드 모듈에 내장되는 발광다이오드의 갯수는 바람직하게 설계적인 측면을 고려하여, 예를 들면 수개 내지 수십개로 결정될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 특성 범위별 발광다이오드 모듈들(30A, 30B, 30C)이 폴리스위치들(35A, 35B, 35C)에 의해 능동적으로 온/오프되는 원리를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
예를 들어, 도 2에 도시한 특성커브(A), (B), (C)의 특성을 각각 갖는 발광다이오드 모듈들(30A, 30B, 30C)을 도 3에 도시한 바와 같은 구성-(16개의 발광다이오드를 직,병렬로 구성)-으로 할 경우, 입력 전압이 24볼트이면 각 모들의 각 발광다이오드에는 3볼트(= 24/8)의 전압이 걸리게 된다.
특성커브(A)의 특성을 갖는 발광다이오드들로 이루어진 발광다이오드 모듈(30A)의 발광다이오드들 각각에는, 도 2를 참조하면, 약 25mA 전류가 흐르게 되고, 이 발광다이오드 모듈(30A) 전체에는 50mA(=25+25) 전류가 흘러, 이 발광다이오드 모듈(30A)에서 소비되는 전력은 1.2W(=50mA*24V)가 된다.
특성커브(B)의 특성을 갖는 발광다이오드들로 이루어진 발광다이오드 모 듈(30B)의 발광다이오드들 각각에는, 도 2를 참조하면, 약 10mA 전류가 흐르게 되고, 이 발광다이오드 모듈(30B) 전체에는 20mA(=10+10) 전류가 흘러, 이 발광다이오드 모듈(30B)에서 소비되는 전력은 0.48W(=20mA*24V)가 된다.
특성커브(C)의 특성을 갖는 발광다이오드들로 이루어진 발광다이오드 모듈(30C)의 발광다이오드들 각각에는, 도 2를 참조하면, 약 7mA 전류가 흐르게 되고, 이 발광다이오드 모듈(30C) 전체에는 14mA(=7+7) 전류가 흘러, 이 발광다이오드 모듈(30C)에서 소비되는 전력은 0.336W(=14mA*24V)가 된다.
따라서, 특성 범위별 발광다이오드 모듈들(30A, 30B, 30C)의 발열량의 비는 1.2 : 0.48 : 0.336 이 되고, 이 차이를 기준으로 하여 폴리스위치(35A, 35B, 35C)의 특성을 조정하여 설계함으로써 조명 장치의 온도 변화에 따라 특성 범위별 발광다이오드 모듈들(30A, 30B, 30C)을 능동적으로 온/오프할 수 있고, 이로써 본 발명은 조명 장치의 온도를 정해진 설정온도로 유지시킬 수 있다.
즉, 조명 장치내의 특성 범위별 발광다이오드 모듈들이 점등되면, 발광다이오드의 점등열 때문에 조명 장치의 온도가 상승하게 되고, 조명 장치의 온도 상승으로 인해 발광다이오드에는 더 많은 전류가 흐르게 된다. 발광다이오드에 전류가 더 많이 흐르게 되면, 그 만큼 점등열이 많이 발생하게 되고 조명 장치의 온도는 그 만큼 더 상승하게 된다. 이때, 폴리스위치는 자신이 담당하고 있는 특성 범위별 발광다이오드 모듈에 흐르는 전류가 설정치 이상으로 흐르면, 능동적으로 오프되어 자신이 담당하고 있는 특성 범위별 발광다이오드 모듈이 오프되게 한다. 처음으로 오프되는 폴리스위치는 가장 많은 전류를 소비하는 특성 범위별 발광다이오드 모듈 에 연결된 폴리스위치가 능동적으로 오프되게 하는 것이 바람직하다. 즉, 도 3의 경우, 가장 먼저 오프되는 폴리스위치는 폴리스위치(35A)가 되고, 그 다음은 폴리스위치(35B)가 되게 한다. 이와 같이 폴리스위치의 능동적인 오프에 의해 해당되는 특성 범위별 발광다이오드 모듈이 오프되면, 그 만큼 점등열이 사라지기 때문에 조명 장치의 온도는 내려가게 되어 어느 순간에는 설정치 온도 이하에 도달하게 된다. 이렇게 되면, 폴리스위치는 폴리스위치 자체의 특성에 의해 오프된 역순으로 다시 온되어 담당하고 있는 특성 범위별 발광다이오드 모듈을 온하여 점등시킨다. 오프되었던 특성 범위별 발광다이오드 모듈들이 다시 온되어 점등되면, 조명 장치 온도는 다시 상승하게 되고, 조명 장치의 온도가 다시 설정치를 넘게 되어 해당하는 폴리스위치에 흐르는 전류가 설정치를 넘게 되면, 상기와 같이 다시 폴리스위치들이 오프되어 담당하고 있는 특성 범위별 발광다이오드 모듈들을 오프하여 조명 장치의 온도를 저하시킨다. 이와 같이 조명 장치의 온도 변화에 따라 폴리스위치가 능동적으로 온/오프되고, 이에 따라 특성 범위별 발광다이오드 모듈이 온/오프됨으로써 조명 장치의 온도를 정해진 일정 온도로 유지할 수 있다.
본 발명에 적용되는 폴리스위치는 당업자에게 널리 공지된 스위치이므로, 본 명세서에서 폴리스위치에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기와 같이 동일한 특성을 갖는 발광다이오드의 다수개를 직,병렬로 연결한 특성 범위별 발광다이오드 모듈, 및 이 모듈에 능동적으로 전류를 공급/차단하는 폴리스위치를 이용하여 조명 장치를 동작시킬 때의 이점은 다음과 같다.
즉, 본 발명의 조명 장치에 따르면, 발광다이오드의 전(全) 특성 영역에 있 는 모든 발광다이오드를 사용할 수 있다. 이는 조명 장치에 사용되는 발광다이오드는 전체 광량이 중요하고, 개별 발광다이오드의 광량은 그다지 큰 의미가 없기 때문이다. 또한, 본 발명의 조명 장치에 따르면, 기존에는 등외품으로 사용이 제외되었던 발광다이오드를 아주 유용하게 사용할 수 있다. 즉, 등외품으로 사용이 제외되었던 발광다이오드의 전기적 특성, 예를 들면 정방향 특성(Vf)이 더욱 뚜렸하기 때문에 이에 적합한 폴리스위치의 설계가 더욱 용이하기 때문에 본 발명의 조명 장치에 적용이 더욱 쉬울 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 발광다이오드의 수율이 획기적으로 증가한다.
도 1은 일반적인 발광다이오드를 이용한 조명 장치의 구성도.
도 2는 본 발명에 적용되는 발광다이오드의 일반적인 특성을 설명하기 위한 일실시예의 특성 그래프도
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 발광다이오드 조명 장치의 상세 회로 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 발광다이오드를 이용한 조명 장치의 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 발광다이오드(LED) 30 : 발광다이오드 모듈
100 : 조명 장치
Claims (4)
- 발광다이오드를 이용한 조명 장치에 있어서,상기 조명 장치에 사용되는 발광다이오드들을 전기적 특성으로서 전류-전압 정방향 그래프 특성에 따라 설정 범위별로 분류하여 상기 설정 범위별로 분류된 발광다이오드들끼리 모듈화한 특성 범위별 발광다이오드 모듈들;상기 특성 범위별 발광다이오드 모듈들 각각의 상기 전기적 특성에 대응되게 설치되는 능동 스위치들로서, 상기 능동 스위치들은 상기 조명 장치의 온도 변화에 따라 해당 발광다이오드 모듈을 온/오프(ON/OFF) 제어하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드를 이용한 조명 장치.
- 제1항에 있어서,상기 능동 스위치들은 상기 조명 장치의 온도 변화에 따라 대응하는 상기 특성 범위별 발광다이오드 모듈들에 흐르는 전류량이 설정치를 넘을 때 전류를 자동으로 차단하는 전류자동차단 스위치들인 것을 특징으로 하는 발광다이오드를 이용한 조명 장치.
- 제2항에 있어서,상기 전류자동차단 스위치들은, 폴리스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드를 이용한 조명 장치.
- 제2항에 있어서,상기 조명 장치에는 상기 특성 범위별 발광다이오드 모듈들이 다수개 설치되며, 이들 특성 범위별 발광다이오드 모듈들은 상기 조명 장치에서 요구하는 사양 보다 더 많은 광량을 발산할 수 있도록 상기 사양을 충족하는 개수보다 적어도 1개 이상 더 많은 개수로 설치되며, 각 발광다이오드 모듈은 개별적으로 교체가 가능하게 된 것을 특징으로 하는 발광다이오드를 이용한 조명 장치.
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