KR101029546B1

KR101029546B1 - 색온도 제어가 가능한 발광장치

Info

Publication number: KR101029546B1
Application number: KR1020090047603A
Authority: KR
Inventors: 김희준; 김훈; 염재경
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2009-05-29
Publication date: 2011-04-15
Also published as: KR20100128923A

Abstract

색온도 제어가 가능한 발광장치가 개시된다. 발광 모듈은 제1색온도를 가지는 제1광원 및 제1색온도와 상이한 제2색온도를 가지며 제1광원에 병렬로 배치되는 제2광원으로 이루어진다. 광원 구동 모듈은 제1광원에 공급되는 전류를 제어하는 제1스위칭소자 및 제2광원에 공급되는 전류를 제어하는 제2스위칭소자로 이루어진다. 캐리어 신호 생성부는 사전에 설정된 주파수의 캐리어 신호를 생성한다. 기준전압 출력부는 광원 구동 모듈로 제공되는 PWM 신호를 생성하기 위한 기준전압을 출력한다. 듀티비 조절부는 사용자에 의해 가변적으로 입력되는 제1전압과 기준전압을 비교하여 PWM 신호의 듀티비를 결정하기 위한 제2전압을 출력한다. PWM 신호 제공부는 캐리어 신호의 크기가 제2전압의 크기보다 크면 제1스위칭소자에 제공되는 PWM 신호를 온(on)시켜 제1광원에 전류가 공급되도록 하고, 캐리어 신호의 크기가 제2전압의 크기보다 작으면 제2스위칭소자에 제공되는 PWM 신호를 온(on)시켜 제2광원에 전류가 공급되도록 한다. 본 발명에 따르면, 발광 모듈로서 색온도가 서로 상이한 2가지 광원만을 이용함으로써, 발광장치의 구조가 간단해져 구현이 쉽고 경제적인 면에서도 효율적이다.

색온도, 백색 LED, PWM 신호

Description

색온도 제어가 가능한 발광장치{Light emitting device with controllable color temperature}

본 발명은 색온도 제어가 가능한 발광장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 상반된 색온도를 가지는 광원에 각각 상반된 듀티비를 가지는 제어전압을 공급하여 색온도의 제어가 가능한 발광장치에 관한 것이다.

LED 발광장치는 소비전력이 적고 수명이 길며, 협소한 공간에 설치 가능하고 진동에 강한 특성을 가진다. 최근에는 단일 색성분, 예를 들면 레드(R), 블루(B) 및 그린(G) LED 외에 백색 LED들이 출시되고 있다. 백색 LED는 자동차용 및 조명용 제품에 응용되면서 그 수요가 급속히 증가하고 있다. LED 기술에서는 하나의 형광체를 발광소자에 배치시켜 레드(R), 블루(B), 그린(G) 및 백색(W) 등 발광소자의 색을 구현한다.

종래의 백색 및 색온도의 구현 방식은 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 첫번째로, 하나의 패키지에 한가지의 색온도를 가지는 다수의 발광소자들을 분산 배치하여 상이한 색온도를 가진 발광소자의 수를 변경함에 따라 발광장치의 색온도를 변경하는 방식이 사용된다. 즉, 적색 발광장치, 청색 발광장치 및 녹색 발광장치의 적절한 수의 조합에 의해 색온도를 변경한다. 두번째로는 발광소자의 주변에 형광체를 배치시켜 백색을 구현하거나 특정한 색온도를 가진 파장을 만들어내는 방식이 사용된다. 이는 발광소자의 1차 발광과 형광체 등에 의한 2차 파장변환장치에 의해 백색을 구현하는 방식이다.

그러나 이러한 파장변환장치의 구현이 어려울 뿐 아니라 모든 발광장치는 단일한 색온도를 가지도록 구성되고, 다양한 색온도를 가진 발광장치를 제조하기 위해서는 복잡한 제조공정과 관리시스템이 필요하므로 제품 특성에 따른 다양한 색온도를 가진 발광장치를 구현하기가 어렵다. 따라서 종래의 백색 LED 및 그 구현 기술은 다양한 제품에 적용시키는 데 한계가 있으며, 섬세한 색온도 조정이 불가능하고 다양한 조명제품에 응용하기도 어렵다. 또한 고가인 LED의 가격적 측면을 고려했을 때 색온도 제어를 위한 IC 등 제어회로의 개발비 및 재료비에 의해 조명 시스템 가격의 추가적 상승을 초래하여 사용화 및 보급화에 무리가 있을 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 구현이 간단하며 경제적 효율성을 가지는 색온도 제어가 가능한 발광장치를 제공하는 데 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 색온도 제어가 가능한 발광장치는, 제1색온도를 가지는 제1광원 및 상기 제1색온도와 상이한 제2색온도를 가지며 상기 제1광원에 병렬로 배치되는 제2광원으로 이루어진 발광 모듈; 상기 제1광원에 공급되는 전류를 제어하는 제1스위칭소자 및 상기 제2광원에 공급되는 전류를 제어하는 제2스위칭소자로 이루어진 광원 구동 모듈; 사전에 설정된 주파수의 캐리어 신호를 생성하는 캐리어 신호 생성부; 상기 광원 구동 모듈로 제공되는 PWM 신호를 생성하기 위한 기준전압을 출력하는 기준전압 출력부; 사용자에 의해 가변적으로 입력되는 제1전압과 상기 기준전압을 비교하여 상기 PWM 신호의 듀티비를 결정하기 위한 제2전압을 출력하는 듀티비 조절부; 및 상기 캐리어 신호의 크기가 상기 제2전압의 크기보다 크면 상기 제1스위칭소자에 제공되는 PWM 신호를 온(on)시켜 상기 제1광원에 전류가 공급되도록 하고, 상기 캐리어 신호의 크기가 상기 제2전압의 크기보다 작으면 상기 제2스위칭소자에 제공되는 PWM 신호를 온(on)시켜 상기 제2광원에 전류가 공급되도록 하는 PWM 신호 제공부;를 구비한다.

본 발명에 따른 색온도 제어가 가능한 발광장치에 의하면, 발광 모듈에 색온 도가 서로 상이한 2가지 광원만을 이용함으로써, 발광장치의 구조가 간단해져 구현이 쉽고 경제적인 면에서도 효율적이다. 또한 광원으로 수명이 긴 LED를 사용함으로써 효율성을 높일 수 있다.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 색온도 제어가 가능한 발광장치의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 색온도 제어가 가능한 발광장치에 대한 바람직한 실시예의 구성을 도시한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 발광장치는, 발광 모듈(100), 광원 구동 모듈(200) 및 제어 모듈(300)을 구비한다.

발광 모듈(100)은 제1색온도를 가지는 제1광원 및 제1색온도와 상이한 제2색온도를 가지며 제1광원에 병렬로 배치되는 제2광원으로 이루어진다. 이때 제1광원 및 제2광원으로 각각 복수의 발광 다이오드(Light emitting diode : LED)를 사용함으로써 형광등 등의 다른 광원에 비해 효율을 높이고, 광원의 수명이 길어지도록 할 수 있다.

또한 LED의 가격이 높은 점을 고려하여 제1광원 및 제2광원으로 서로 상이한 색온도를 가지는 백색 LED를 사용함으로써 주파수가 서로 다른 복수의 LED를 사용하는 경우에 비해 경제성을 높일 수 있다. 색온도란 RGB의 휘도 비율이라고 할 수 있으며, 이들 3색 중 어느 하나 이상의 밝기가 더 높아지거나 낮아지면서 같은 백색이면서도 적색 또는 청색에 가까운 색을 보이게 된다. 백색 LED의 경우, 색온도 에 따라 웜화이트(Warm white, 2500K), 뉴트럴화이트(Neutral white, 5000K) 및 쿨화이트(Cool white, 7000K)로 분류된다. 본 발명에서는 일 실시예로서 제1광원의 색온도인 제1색온도를 쿨화이트 LED의 색온도인 7000K로 설정하고, 제2광원의 색온도인 제2색온도를 웜화이트 LED의 색온도인 2500K로 설정할 수 있다.

광원 구동 모듈(200)은 제1광원에 공급되는 전류를 제어하는 제1스위칭소자 및 제2광원에 공급되는 전류를 제어하는 제2스위칭소자로 이루어진다. 제1광원 및 제2광원이 병렬로 배치되므로 제1스위칭소자 및 제2스위칭소자도 병렬로 배치된다. 제1스위칭소자 및 제2스위칭소자의 동작은 제어 모듈(300)로부터 공급되는 PWM 신호에 의해 조절되며, PWM 신호의 듀티비에 따라 제1광원 및 제2광원에 서로 상보적으로 전류가 공급되어 발광 모듈(100)의 전체적인 색온도가 조절된다. 도 2에는 발광 모듈(100) 및 광원 구동 모듈(200)이 실제 회로소자에 의해 구현된 예가 도시되어 있다.

제어 모듈(300)은 광원 구동 모듈(200)로 서로 상반된 듀티비를 가지는 PWM 신호를 제공하여 발광 모듈(100)의 제1광원 및 제2광원에 공급되도록 한다. 이를 위해 제어 모듈(300)은 주파수 조절부(310), 캐리어 신호 생성부(320), 기준전압 출력부(330), 듀티비 조절부(340) 및 PWM 신호 제공부(350)를 구비한다. 도 3은 제어 모듈(300)이 실제 회로소자에 의해 구현된 예를 도시한 도면이다. 또한 제어 모듈(300)을 집적회로(IC)로 구현함으로써 본 발명에 따른 발광장치를 소형화할 수 있다.

캐리어 신호 생성부(320)는 사전에 설정된 주파수의 캐리어 신호를 생성한 다. 도 3을 참조하면, 캐리어 신호 생성부(320)는 발진기(oscillator)에 의해 구현될 수 있다. 캐리어 신호 생성부(320)에 의해 생성되는 캐리어 신호는 삼각파 또는 톱니파의 형태를 가진다. 도 4는 슬로프 충전 톱니파(positive sawtooth) 및 대칭3각(symmetrical triangle) 삼각파 형태의 캐리어 신호 및 그로부터 생성되는 PWM 신호의 예를 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 캐리어 신호의 크기가 제어전압의 크기보다 작으면 PWM 신호가 OFF되며, 캐리어 신호의 크기가 제어전압의 크기보다 크면 PWM 신호가 ON된다.

캐리어 신호의 주파수는 주파수 조절부(310)에 의해 조절된다. 도 3을 참조하면, 주파수 조절부(310)는 캐리어 신호 생성부(320)에 연결된 저항 및 캐패시터의 값을 조정하여 캐리어 신호의 주파수를 결정한다. 저항값이 R, 캐패시터값이 C로 결정된 경우, 캐리어 신호의 주파수 f_c는

와 같이 결정된다.

기준전압 출력부(330)는 광원 구동 모듈(200)로 제공되는 PWM 신호를 생성하기 위한 기준전압을 출력한다. 기준전압은 듀티비 조절부(340)로 입력되어 PWM 신호의 듀티비를 결정하기 위해 사용된다.

듀티비 조절부(340)는 사용자에 의해 가변적으로 입력되는 제1전압과 기준전압을 비교하여 PWM 신호의 듀티비를 결정하기 위한 제2전압을 출력한다. 이때 도 3을 참조하면, OPamp의 비반전 입력단자에는 기준전압 출력부(330)로부터 출력된 기준전압이 R11을 거치면서 전압강하되어 입력되고, OPamp의 반전 입력단자에는 기준전압이 가변저항(VR) 및 R17을 거치면서 전압강하되어 입력된다. 즉, 비반전 입력 단자에 기준전압이, 반전 입력단자에 제1전압이 입력된다. 여기서 제1전압의 크기는 가변저항(VR)의 값을 조정함으로써 결정될 수 있다. 듀티비 조절부(340)로부터 출력되는 제2전압은 캐리어 신호와 함께 PWM 신호의 생성에 사용되며, 제2전압의 값에 따라 PWM 신호의 듀티비가 결정된다. 도 4에서 캐리어 신호의 그래프에 점선으로 표시된 값이 제2전압이며, 제2전압의 크기에 의해 PWM 신호 듀티비가 결정되는 것을 확인할 수 있다.

PWM 신호 제공부(350)는 캐리어 신호의 크기가 제2전압의 크기보다 크면 제1스위칭소자에 제공되는 PWM 신호를 온(on)시켜 제1광원에 전류가 공급되도록 하고, 캐리어 신호의 크기가 제2전압의 크기보다 작으면 제2스위칭소자에 제공되는 PWM 신호를 온(on)시켜 제2광원에 전류가 공급되도록 한다. 즉, 제1스위칭소자와 제2스위칭소자에 제공되는 PWM 신호는 서로 상반된 듀티비를 가진다. 이하에서는 제2스위칭소자에 제공되는 PWM 신호를 반전 PWM 신호라 한다.

PWM 신호와 반전 PWM 신호에 의해 제1스위칭소자와 제2스위칭소자를 각각 선택적으로 동작시킬 수 있으며, PWM 신호의 듀티비에 따라 제1광원과 제2광원의 발광량이 상보적으로 가변되어 발광 모듈(100)의 출력을 일정하게 하면서 색온도를 변화시킬 수 있다.

도 5는 PWM 신호의 듀티비에 따른 발광 모듈(100)의 색온도 변화를 도시한 그래프이다. 도 5를 참조하면, 제1광원으로 쿨화이트 LED를 사용하고 제2광원으로 웜화이트 LED를 사용하였을 때, PWM 신호의 듀티비가 제1광원:제2광원에 대해 0:1부터 1:0으로 변화함에 따라 발광 모듈(100)의 색온도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 제1광원인 쿨화이트 LED의 발광량이 높아지고 제2광원인 웜화이트 LED의 발광량이 낮아짐에 따라 발광 모듈(100)의 색온도가 높아지는 것이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 색온도 제어가 가능한 발광장치에 대한 바람직한 실시예의 구성을 도시한 블록도,

도 2는 발광 모듈 및 광원 구동 모듈이 실제 회로소자에 의해 구현된 예를 도시한 도면,

도 3은 제어 모듈이 실제 회로소자에 의해 구현된 예를 도시한 도면,

도 4는 슬로프 충전 톱니파(positive sawtooth) 및 대칭3각(symmetrical triangle) 삼각파 형태의 캐리어 신호 및 그로부터 생성되는 PWM 신호의 예를 도시한 도면, 그리고,

도 5는 PWM 신호의 듀티비에 따른 발광 모듈의 색온도 변화를 도시한 그래프이다.

Claims

제1색온도를 가지는 복수의 백색 발광 다이오드(LED)로 구성된 제1광원 및 상기 제1색온도와 상이한 제2색온도를 가지며 상기 제1광원에 병렬로 배치되는 복수의 백색 발광 다이오드(LED)로 구성된 제2광원으로 이루어진 발광 모듈;

상기 제1광원에 공급되는 전류를 제어하는 제1스위칭소자 및 상기 제2광원에 공급되는 전류를 제어하는 제2스위칭소자로 이루어진 광원 구동 모듈;

사전에 설정된 주파수의 캐리어 신호를 생성하는 캐리어 신호 생성부;

상기 광원 구동 모듈로 제공되는 PWM 신호를 생성하기 위한 기준전압을 출력하는 기준전압 출력부;

사용자에 의해 가변적으로 입력되는 제1전압과 상기 기준전압을 비교하여 상기 PWM 신호의 듀티비를 결정하기 위한 제2전압을 출력하는 듀티비 조절부; 및

상기 캐리어 신호의 크기가 상기 제2전압의 크기보다 크면 상기 제1스위칭소자에 제공되는 PWM 신호를 온(on)시켜 상기 제1광원에 전류가 공급되도록 하고, 상기 캐리어 신호의 크기가 상기 제2전압의 크기보다 작으면 상기 제2스위칭소자에 제공되는 PWM 신호를 온(on)시켜 상기 제2광원에 전류가 공급되도록 하는 PWM 신호 제공부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 색온도 제어가 가능한 발광장치.
제 1항에 있어서,

상기 제1색온도는 7000K로 설정되고, 상기 제2색온도는 2500K로 설정되는 것을 특징으로 하는 색온도 제어가 가능한 발광장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 캐리어 신호 생성부에 연결된 저항 및 캐패시터의 값을 조정하여 상기 캐리어 신호의 주파수를 결정하는 주파수 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 색온도 제어가 가능한 발광장치.