KR101071378B1 - 고연색성 발광모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고 연색성 발광모듈에 관한 것으로서,청색광을 출사하는 제1군 발광다이오드와, 시안 색상의 광을 출사하는 제2군 발광다이오드와, 제1군 발광다이오드에 황색 및 적색 형광체로 도포된 형광체층과, 제1군 및 제2군 발광다이오드들이 어레이된 패키지구조체를 구비하고, 제1군 발광다이오드와 제2군발광다이오드들 상호 간의 색혼합을 위한 광량의 비율은 16 내지 18 : 1의 비율로 적용된다. 이러한 고연색성 발광모듈에 의하면, 연색지수 95이상의 자연광에 가까운 백색광을 제공할 수 있으면서도 발광효율의 저하를 억제할 수 있다.
연색성, 발광다이오드, 형광체

Description

고연색성 발광모듈{light emitting module}
본 발명은 고연색성 발광모듈에 관한 것으로서, 상세하게는 자연광에 가까운 백색광을 제공할 수 있으면서도 발광 효율을 높일 수 있는 고 연색성 발광모듈에 관한 것이다.
백색 발광다이오드(LED)는 기존에 사용하는 백열 전구에 비해 수명이 길고, 소형화가 가능하며, 저전압 구동이 가능하기 때문에 조명 분야 전반에 걸쳐 대체 광원으로서의 가능성을 인정받고 있다.
조명광이 물체색의 보임에 미치는 영향을 연색(color rendering)이라고 하며, 광원이 조명된 피사체의 색 재현 충실도를 나타내는 광원의 성질을 연색성이라 한다.
빛이 색에 미치는 효과인 연색성을 평가하는 단위는 연색지수(Ra)로 나타내며 연색지수는 물건의 색이 자연광 아래서 본 경우와 어느 정도 유사한가를 수치로 나타낸 것이다. 연색지수가 100에 가까울수록 연색성이 좋은 것을 의미한다.
현재, InGaN계 청색 발광다이오드에 YAG계 형광체를 조합한 백색 발광다이오드가 실용화되어 있다. 이러한 구조에서 청색 발광다이오드에서 발생하는 청색광의 일부가 YAG계 형광체를 여기시켜 황록색의 형광을 발생하게 되며, 청색과 황록색이 합성되어 백색을 발광시킨다. 그런데, 청색 발광다이오드에 YAG 형광체를 사용하는 방법은 발광다이오드의 청색과 형광체의 노란색과의 파장간격이 넓어서 색 분리로 인한 섬광효과(Halo effect)로 인해 색좌표가 동일한 백색 발광다이오드의 양산이 어렵고, 또한 조명 광원에서 중요한 변수인 CCT(Correlated Color Temperature)와 CRI(Color Rendering Index)의 조절도 비교적 어려운 편이다.
이러한 문제점을 개선하고자 적색 또는 오렌지 색을 내는 형광물질을 첨가하고 발광 스펙트럼을 넓혀서 연색 지수를 높이고 있다. 그러나 적색 형광체가 발광다이오드의 발광 효율을 떨어뜨리기 때문에 CRI를 더 높이는 데는 한계가 있다.
청색 발광다이오드와 YAG계 형광체의 결합구조에 대한 문제점을 해결하기 위해 여기 광원으로서 자외선 발광다이오드를 사용하고 적색, 녹색 및 청색 형광체를 모두 조합하여 자연색에 가까운 백색을 발광하는 백색 LED를 개발하려는 노력이 활발히 전개되고 있다. 이러한 백색 LED를 제조하기 위해서는 특히 칩의 효율이 가장 좋은, 약 405nm 근방의 여기 광원에서 발광효율이 우수한 형광물질의 개발이 필수적이다. 현재, 청색과 녹색은 만족스러운 발광효율을 가지지만, 적색 형광물질의 경우가 특성이 가장 나쁘며, 400nm 이상의 여기파장에서 발광효율이 떨어지기 때문에 이들 R, G, B 형광체를 조합한 백색 LED의 실용화에 문제점이 되고 있다.
한편, 빛의 삼원색인 적색, 녹색, 청색의 발광다이오드 칩을 한 패키지에 조합하여 함께 구동하여 백색광을 생성하는 방식이 있는 데 각 색상별 발광다이오드가 넓은 스펙트럼 영역을 점유하지 못하기 때문에 연색 지수가 매우 낮다.
또한, 높은 연색지수를 얻기 위하여 다수의 형광체를 사용하면 보다 넓은 스펙트럼 영역을 점유하기는 하지만 형광체의 종류가 많아질 수록 발광다이오드의 발광효율이 감소하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 발광효율의 저하를 억제하면서도 연색지수를 높일 수 있는 고 연색성 발광모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고 연색성 발광모듈은 청색광을 출사하는 제1군 발광다이오드와; 시안 색상의 광을 출사하는 제2군 발광다이오드와; 상기 제1군 발광다이오드에 황색 및 적색 형광체로 도포된 형광체층과: 상기 제1군 및 제2군 발광다이오드들이 어레이된 패키지구조체;를 구비하고, 상기 제1군 발광다이오드와 상기 제2군발광다이오드들 상호 간의 색혼합을 위한 광량의 비율은 16 내지 18 : 1의 비율로 적용된다.
바람직하게는 상기 제1군 발광다이오드는 460nm 내지 470nm파장의 광을 출사하는 제1발광다이오드와, 485nm파장의 광을 출사하는 제2발광다이오드로 이루어지고, 상기 제1발광다이오드와 상기 제2발광다이오드의 광량의 비율은 18 내지 20 : 1의 비율로 적용된다.
또한, 상기 제1 발광다이오드는 460nm파장의 광을 출사하는 칩과, 467.5nm의 광을 출사하는 칩의 광량의 비율이 4 내지 5 : 1의 비율을 갖도록 혼합된 것이 바람직하다.
또한, 상기 형광체층에 적용되는 황색형광체는 상기 청색광에 여기되어 550 내지 565nm의 황색광을 출사하는 것이 적용된 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 고 연색성 발광모듈에 의하면, 연색지수 95이상의 자연광에 가까운 백색광을 제공할 수 있으면서도 발광효율의 저하를 억제할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고 연색성 발광모듈을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 발광모듈을 나타내 보인 단면도이고, 도 2는 도 1의 패키지에 실장된 발광다이오드의 배열 패턴을 나타내 보인 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 발광모듈(100)은 패키지 구조체(110)와, 패키지 구조체(110)에 어레이 되어 실장된 다수의 발광다이오드(131 및 132)를 구비한다.
패키지 구조체(110)는 방열용 메인기판(112), 리드핀(114), 회로기판(116), 절연시트(117) 및 반사경(118)을 구비한다.
발광다이오드(131 및 132)는 대응되는 리드핀(114)과 회로기판(116)을 통해 전기적으로 접속되어 있다.
본 발명에 적용되는 패키지 구조체(110)는 도시된 구조와는 다른 형태의 구조가 적용될 수 있음은 물론이다.
발광다이오드(131 및 132)들은 방열용 메인기판(112)에 실장되어 있다.
방열용 메인 기판(112)은 방열능력이 높은 금속소재로 형성된 것이 적용된다.
제1군 발광다이오드(B)(131)는 청색계열의 광을 출사하는 것이 적용된다.
제2군 발광다이오드(C)(132)는 시안 색상의 광을 출사하는 것이 적용된다.
바람직하게는 연색지수 95 이상을 얻을 수 있도록 제1군 발광다이오드(131)와 제2군발광다이오드(132)들 상호 간의 색혼합을 위해 적용되는 개수 또는 출력은 광량의 비율이 16 내지 18 : 1의 비율이 되게 적용된다. 즉, 제2군 발광다이오드(132)의 전체가 1밀리와트(mW)의 출력에 해당하는 광량으로 광이 출사될 때, 제1군 발광다이오드(131)는 전체가 16 내지 18밀리와트의 출력에 해당하는 광량으로 광이 출사될 수 있게 구성되면 된다.
더욱 바람직하게는 제1군발광다이오드(131)는 460nm 내지 470nm파장의 광을 출사하는 제1발광다이오드(B1)(131a)와, 485nm파장의 광을 출사하는 제2발광다이오드(B2)(131b)로 이루어지고, 제1발광다이오드(131a)와 제2발광다이오드(131b)의 광량비는 18 내지 20 : 1의 비율이 되도록 개수 또는 출력이 적용된다.
또한, 제1 발광다이오드(B1)(131a)는 460nm파장의 광을 출사하는 칩과, 467.5nm의 광을 출사하는 칩의 전체 광량의 비율이 4 내지 5 : 1의 비율을 갖도록 혼합된 것이 적용된다.
제2군발광다이오드(C))(132)는 시안(cyan)광을 출사하며, 바람직하게는 피크 파장이 505nm인 것을 적용한다.
형광체층(135)은 제1군 발광다이오드(B)(131)에만 황색 및 적색 형광체가 혼합된 것이 적용된다.
형광체층(135)에 적용되는 황색형광체는 550 내지 565nm의 황색광을 출사하 는 것이 적용되고, 적색 형광체는 피크 파장이 630 내지 660nm인 것을 적용한다.
형광체는 화학식이 (Ba, Sr, Ca)xSiO4: Eu 또는 Mn인 오르토실리케이트 계열의 형광체를 사용할 수 있다. 여기서, Ba, Sr, 및 Ca의 배합비율, (Ba, Sr, Ca)xSiO4:Eu와 (Ba, Sr, Ca)xSiO4:Mn의 배합비율, Ba, Sr, Ca, Mn, 및 Eu의 배합비율에 따라 원하는 파장대의 발광 피크를 가지는 형광체를 형성할 수 있다.
형광체층(135)은 황색 형광물질 및 적색 형광물질을 실리콘에 혼합한 것을 적용하는데 이 때 실리콘 100중량부에 대해 황색형광물질 3.5 내지 5.5중량부, 적색 형광물질 0.4 내지 0.8중량부로 혼합한 것을 적용한다.
바람직하게는 발광다이오드(131 및 132)가 실장되는 영역에서 중앙에 제2군 발광다이오드(132)가 열을 지어 어레이되고, 제2군발광다이오드(132) 좌우에 각각 제2발광다이오드(B2)((131b)가 각각 어레이되고, 상하에 제1발광다이오드(131a)가 각각 2열씩 열을 지어 배열된다.
이러한 구조는 청색광을 출사하는 제1군발광다이오드(131)에 대해서만 형광체층(135)이 적용되기 때문에 발광효율의 저하는 억제되면서, 시안 색상을 출사하는 제2군발광다이오드(132)에 의해 자연광에 가까운 스펙트럼을 획득할 수 있다.
이러한 발광다이오드(131a)(131b)(132)들은 앞서 설명된 적용 비율에 따라 상호 동시 온 될수 있도록 결선되면 된다.
한편, 450nm, 467.5nm, 485nm, 505nm의 광을 출사하는 발광다이오드들에 대해 광출력에 대한 밀리와트 단위로 1135 : 262 : 73 : 86 으로 적용하여 도 2의 구 조로 색상별 발광다이오드(131 및 132)를 어레이 하여 측정한 스펙트럼이 도 3에 도시되어 있다.
도 3를 통해 알 수 있는 바와 같이 96 이상의 높은 연색지수를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 발광모듈을 나타내 보인 단면도이고,
도 2는 도 1의 패키지에 실장된 발광다이오드의 배열 패턴을 나타내 보인 도면이도,
도 3은 본 발명에 따른 발광모듈의 스펙트럼을 나타내 보인 그래프이다.

Claims (4)

  1. 청색광을 출사하는 제1군 발광다이오드와;
    시안 색상의 광을 출사하는 제2군 발광다이오드와;
    상기 제1군 발광다이오드에 황색 및 적색 형광체로 도포된 형광체층과:
    상기 제1군 및 제2군 발광다이오드들이 어레이된 패키지구조체;를 구비하고,
    상기 제1군 발광다이오드와 상기 제2군발광다이오드들 상호 간의 색혼합을 위한 광량의 비율은 16 내지 18 : 1의 비율이 되게 적용된 것을 특징으로 하는 고연색성 발광모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1군 발광다이오드는 460nm 내지 470nm파장의 광을 출사하는 제1발광다이오드와, 485nm파장의 광을 출사하는 제2발광다이오드로 이루어지고, 상기 제1발광다이오드와 상기 제2발광다이오드의 광량의 비율은 18 내지 20 : 1의 비율이 되게 적용된 것을 특징으로 하는 고연색성 발광모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 발광다이오드는 460nm파장의 광을 출사하는 칩과, 467.5nm의 광을 출사하는 칩의 전체적인 광량의 비율이 4 내지 5 : 1의 비율을 갖도록 혼합된 것을 특징으로 하는 고연색성 발광모듈.
  4. 제3항에 있어서, 상기 형광체층에 적용되는 황색형광체는 상기 청색광에 여 기되어 550 내지 565nm의 황색광을 출사하는 것이 적용된 것을 특징으로 하는 고연색성 발광모듈.
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