KR101299336B1 - 조명 장치, 발광 색 변경 방법 및 발광 색 일정도 유지 방법 - Google Patents

조명 장치, 발광 색 변경 방법 및 발광 색 일정도 유지 방법 Download PDF

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Abstract

조명 장치는, 고체 상태 발광 디바이스 등의 발광 디바이스와, 발광 디바이스에 의해 방출된 광의 적어도 일부분을 상이한 파장의 광으로 변환하는 인광체 물질을 포함하는 광원을 포함한다. 제어기는, 발광 디바이스에 공급된 전류 파형의 전류 오프 시간에 대한 전류 온 시간의 비율을 조정한다. 이로써, 광원에 의해 방출된 광의 색이 제어될 수 있다.

Description

조명 장치, 발광 색 변경 방법 및 발광 색 일정도 유지 방법{COLOR CONTROL OF LIGHT SOURCES EMPLOYING PHOSPHORS}
본 발명은, LED, 레이저 다이오드, 또는 유기 발광 디바이스(OLED) 등의 고체 상태 발광 디바이스(SSL)를 포함하는 광원을 포함하는 조명 장치에 관한 것이다. 본 발명은, 특히, 광원이 인광체 물질(phosphor material)을 포함하는 경우에 발생하여 관측되는 색 온도의 변화를 감소시키는 조정식 전류원(modulated current source)에 관한 것이다.
발광 다이오드("LED")는, 광 스펙트럼의 특정 영역에서 피크 파장을 갖는 광을 생성할 수 있는 공지의 고체 상태 발광 디바이스이다. 통상적으로, LED는 조명기(illuminator), 표시기(indicator) 및 디스플레이로서 사용된다. 스펙트럼의 청색 및/또는 UV 영역에서 피크 파장을 갖는 광을 효율적으로 발광할 수 있는 GaN 다이 기반의 LED가 개발되어 왔다. 백색광(가시역(visible range)에 걸쳐 상대적으로 균일한 강도를 가진 광) 또는 다른 선택된 광 색(light color)을 생성하기 위해, 종종, LED는 하나의 인광체 또는 인광체 그룹을 포함하는 인광체 물질과 결합된다. 인광체의 각각은, 인광(phosphorescence)으로서 알려진 공정을 이용하여, LED에 의해 방출된 광의 일부를, 상이한 파장, 일반적으로 긴 파장의 광으로 변환시킨다.
예컨대, 미국 특허 제5,998,925호, 제6,522,065호, 및 제6,538,371호, 및 미국 공개 특허 제2008/0135860호 및 제2008/0124999호에 기술된 바와 같이, 이러한 목적으로 다수의 인광체 및 인광체 결합체가 개발되어 왔다. 예컨대, (Y0.4Gd0.6)3Al4O12:Ce를 포함하는 인광체가 사용되어 GaN 다이로부터의 청색 발광의 광의 일부를 황색광으로 변환시킨다. 청색 GaN 디바이스 생성 광 및 황색 인광체 발광 광으로 구성된 LED 디바이스의 총 발광 광(total emission)은 일반적인 백색광이다.
LED는 입력 전류에 상대적으로 빠르게 응답하며, 즉 전류가 인가될 때 신속히 턴 온되고, 전류가 스위칭 오프될 때 신속히 턴 오프한다. 그러나, 인광체는 다른 응답을 나타낸다. 인광체가, 방출된 LED 광에 응답하여 상대적으로 빠르게 턴 온(인광을 시작)하는 동안에, 상대적으로 긴 감쇠 시간(decay time)을 갖는다. 더욱이, LED 디바이스의 색은 설계 수명 동안 변하는 경향이 있다. 이는 조명 장치가 방출하는 색은 시간이 지남에 따라 일정하지 않다는 것을 의미한다.
LED 디바이스에서 일정한 색을 제공하기 위해 다양한 시도가 이루어져 왔다. 하나의 접근 방법으로, 상이한 감쇠 시간을 가진 다수의 인광체를 사용했다. 이는 인광체 비율에 대한 세심한 제어가 필요하다. 다른 접근 방법으로, 인광체를 필요로 하지 않고, 상이한 발광량을 가진 다수의 LED가 사용되어, 함께 원하는 색을 생성하였다. 그러나, 이러한 구조를 위한 제어 회로가 복잡해지는 경향이 있다.
따라서, 인광체 물질과 결합한 고체 상태 발광 디바이스를 포함하는 광원과 같이, 광원으로부터 하나의 선택된 색을 얻기 위한 방법이 필요하다.
본 명세서의 일측면에서, 조명 장치는, 광을 방출하는 발광 디바이스와, 발광 디바이스에 의해 방출된 광의 적어도 일부분을 상이한 파장의 광으로 변환하는 인광체 물질을 포함하는 광원을 포함한다. 제어기는 광원에 공급되는 전류 파형의 전류 온 시간과 전류 오프 시간의 비율을 조정함으로써, 인광체에 의해 방출된 광이 광원에 의해 방출된 광의 색에 주는 기여도가 수정된다.
본 명세서의 다른 측면에서, 발광 디바이스와, 발광 디바이스에 의해 방출된 광을 상이한 파장의 광으로 변환하도록 배치된 인광체를 포함하는 광원에 의해 방출된 광의 색을 변경하는 방법이 제공된다. 본 방법은, 광원에 공급되는 전류 파형의 전류 온 시간과 전류 오프 시간의 비율을 변경하는 단계를 포함하되, 이 단계에 의해, 인광체에 의해 방출된 광이 광원에 의해 방출된 광의 색에 주는 기여도가 수정된다.
본 명세서의 다른 측면에서, 고체 상태 발광 디바이스와, 그 발광 디바이스에 의해 방출된 광을 상이한 파장의 광으로 변환하도록 배치된 인광체를 포함하는 광원에 의해 방출된 광의 색의 일정도(consistency)를 유지하는 방법이 제공된다. 본 방법은, 인광체에 의해 방출된 광이 광원에 의해 방출된 광의 색에 주는 기여도를 수정하여 광원에 의해 방출된 광의 색의 변화를 감소시키도록, 발광 디바이스에 공급되는 전류 파형의 전류 온 시간과 전류 오프 시간의 비율을 변경하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 명세서의 일실시예에 따른 조명 장치의 개략적인 단면도,
도 2는 본 명세서의 다른 실시예에 따른 조명 장치의 개략적인 단면도,
도 3은 제 1 시간에 예시적인 광원에 인가되는 제 1 전류 파형을 나타내는 도면,
도 4는 일정한 색을 유지하기 위해, 제 2 시간에 예시적인 광원에 인가되는 제 2 전류 파형을 나타내는 도면,
도 5는 시간에 따른 LED 및 인광체에 의해 방출된 광의 강도를 나타내는 도면이다.
여러 측면의 실시예는, 발광 디바이스와 인광체를 포함하는 광원을 포함하는 조명 장치에 관한 것이며, 또한, 이러한 광원을 동작시켜, 조명 장치의 출력 색이 조정될 수 있는 방법에 관한 것이다. 다양한 측면에서, 본 방법은, 발광 디바이스에 공급된 전류 파형의 전류 온 시간과 전류 오프 시간의 비율을 변경하여, 인광체에 의해 방출된 광이 광원에 의해 방출된 광의 색에 주는 기여도를 수정하고, 이로써, 광원의 출력 색을 조정하는 단계를 포함한다. 마찬가지로 파형의 다른 파라미터를 유지하면서, 파형의 펄스 폭을 변경함으로써, 시간의 비율을 조정할 수 있다. 이로써, 광원의 수명 동안에 발생할 수 있는, 광원에 의해 방출된 광의 색 변화는 감소된다.
광원의 예시적인 발광 디바이스는 고체 상태 발광 디바이스(SSL)의 측면에서 기술되어 있다. SSL은 예컨대, 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드, 하나 이상의 유기층을 포함하는 유기 발광 디바이스(OLED), 또는 이들의 결합체 및/또는 다수개일 수 있다. 그러나, 전류가 인가될 때 방출하는 다른 발광 디바이스가 또한 고려될 수 있음을 알아야 한다.
광원에 의한 광 출력의 색은 자신의 상관 색 온도(CCT)로서 표현될 수 있다. 상관 색 온도는, 감지된 색이 광원으로부터의 광에 가장 근접하게 비슷한 켈빈도(degrees Kelvin)(K)의 흑체 복사체(Planckian(black body) radiator)의 온도로서 정의될 수 있다.
간략하게, 본 조명 장치 및 방법은, 인광체가 SSL의 감쇠 시간에 비해 상대적으로 긴 감쇠 시간을 가질 수 있다는 이점을 갖는다. SSL과 인광체가 모두 방출하는 전류 온 시간과, 인광체만이 방출하는 전류 오프 시간과의 비율을 조정함으로써, 광원에 의한 광 출력의 색 온도가 제어되어, 시간에 따라 일정하게 유지된다. 예컨대, 광원의 색 온도는 적어도 10,000 시간의 동작 기간 후에 초기 색 온도(예컨대, 100 시간의 동작시에 측정됨)의 대략 ±100K, 또는 ±50K 내에서 일정할 수 있다.
본 명세서에 사용된 광의 색은, 광원의 워밍업 후에, 예컨대, 적어도 대략 1분 동안에 동작하고 있는 후에, 측정되고, 또한, 예컨대, 대략 1시간의 동작 기간 동안의 색 온도를 평균화할 수 있다. 색 변화가 감소되는 광원의 수명은 적어도 1000 시간이며, 또한 적어도 10,000 시간 또는 적어도 50,000 시간일 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 램프(10)의 형태인 예시적인 조명 장치가 도시되어 있다. 램프(10)는, UV 및/또는 청색 LED 또는 OLED 등의 고체 상태 발광 디바이스(SSL)(14)와, 변환된 광의 소스로서의 인광체 물질(16)을 포함하는 인광체 변환 광원(12)을 포함한다. 조명 장치는 SSL에 전력을 공급하는 구동 회로(18)를 포함한다. 특히, SSL(14)에 전기적으로 접속되는 리드(20, 22)는 SSL를 구동 회로(18)와 연결시킨다. 리드(20, 22)는 SSL(14)에 전류를 제공하며, 이로써 SSL(14)는 UV 및/또는 가시광 등의 전자기 방사선(편의상, 광이라 함)을 발광할 수 있다.
램프(10)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 리플렉터 하우징(24) 등의 광원용 하우징을 더 포함할 수 있다.
인광체 물질(16)은 SSL(14)에 의해 방출된 광을 수광하고, SSL에 의해 방출된 광의 일부를 상이한(예컨대, 긴) 파장의 광으로 변환하도록 배치되어 있다. 인광체 물질(16)은, 각각의 인광체의 여기 파장이 SSL 발광 스펙트럼의 일부와 일치하는 하나 이상의 인광체를 포함하고, 이로써, SSL에 의해 방출된 광의 적어도 일부 파장을 변환할 수 있다.
인광체 물질(16)은, 하나의 인광체 또는 인광체의 혼합체가 제공되는 층 형태일 수 있다. 또는, 인광체 물질은 상이한 인광체 물질의 별개의 층으로 형성될 수 있다. 어느 경우든, 인광체 물질은 SSL(14) 상에 직접 적층되거나, 광 투과 물질의 중간 층 또는 층들에 의해 서로 이격될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 인광체 물질은 광 투과성의 캡슐 물질 내에 분산될 수 있다. 예컨대, 도 1은 SSL(14) 바로 위의 층으로서의 인광체 물질을 나타내고 있고, 도 2는 캡슐 물질의 층(30)만큼 SSL(14)로부터 이격된 인광체 물질을 나타낸다. 기술된 실시예에서, 램프(10)는 SSL(14)에 의해 방출된 광과 인광체(16)에 의해 방출된 변환 광의 조합인 광 출력을 제공하며, 이는 조합하여, 예컨대, 상관 색 온도(CCT)로서 표현되는 원하는 색을 제공한다.
SSL(14)은, SSL(14)과 인광체(16)를 둘러싸는 쉘(32)(도 1) 내에 캡슐될 수 있다. 쉘(32) 및/또는 층(30)은 예컨대, 에폭시, 저온 글라스, 폴리머, 열가소성, 열경화성 물질, 수지 등의 글라스 또는 플라스틱 등의 캡슐 물질로부터 적어도 부분적으로 형성될 수 있다. 쉘(32)은, SSL(14) 및 층(16) 또는 분산 물질을 포함하는 인광체에 의해 생성되는 광의 파장에 대하여 일반적으로 투명하거나 실질적으로 광 투과성이다.
인광층을 형성하는 다양한 방법이 공지되어 있다. 예컨대, 광 또는 열경화 실리콘 내에서의 액체 부유(liquid suspension)의 인광체 물질은 SSL(14) 상에 적층되고, 예컨대, 외부 광원으로부터의 광 또는 SSL로부터의 광에 의해 경화될 수 있다.
SSL(14)은, 자신의 방출된 방사선이 인광체로 향할 때 하나의 선택된 색 온도의 백색광을 생성할 수 있는 반도체 청색 및/또는 UV 광원일 수 있다. 예시적인 UV/청색 LED는 대략 250nm 내지 500nm의 발광 파장을 갖는다. 이러한 LED는 복수의 반도체층으로부터 형성될 수 있으며, 이들 반도체층 중 하나는 전형적으로 GaN이거나, InGaAlN 등의 혼합된 질화물이며, 여기서, 원하는 발광 스펙트럼을 얻기 위해 In, Ga 및 Al의 비율을 선택할 수 있다. 이러한 LED는 공지되어 있으며, 예컨대, 미국 특허 제 5,998,925 호, 제 6,522,065 호, 및 제 6,538,371 호 및, 미국 공개 특허 공보 제 2008/0135860 호 및 제 2008/0124999 호에 기재되어 있다. OLED는 광 투과성 기판 상에 형성된 2개의 전극, 예컨대 캐소드와 광 투과성 애노드 사이에 배치된 하나 이상의 발광층을 포함한다. 발광층은 애노드와 캐소드 양단에 전압을 인가하면 발광한다. 전압원으로부터 전압을 인가하면, 전자는 캐소드로부터 유기층에 직접 주입되고, 정공은 애노드로부터 유기층에 직접 주입된다. 전자와 정공은 그들이 발광 중심에서 재결합할 때까지 유기층을 통과한다. 이러한 재결합 공정은 광자, 예컨대 광을 발광하게 된다. 예컨대, 미국 공개 특허 공보 제 2002/0190661 호, 제 2004/0251818 호, 제 2006/0125410 호, 제 2008/0136337 호, 제 2008/0137008 호 및 미국 특허 제 7,049,757 호, 제 6,566,808 호, 및 제 6,800,999 호에 기재되어 있는 바와 같이, 레이저 다이오드 및 OLED를 형성하는 방법이 또한 공지되어 있다.
동작시에, 전력은 SSL(14)에 공급되어 SSL(14)를 활성화한다. 활성화되면, SSL(14)은 일반적으로 자신의 최상부면으로부터 멀어지는 방향으로 1차 광(primary light)을 발광한다. 방출된 1차 광의 적어도 일부는 층(16)을 포함하는 인광체에 의해 흡수된다. 그 다음, 인광층(16)은 1차 광의 흡수에 반응하여, 2차 광(secondary light), 즉, 긴 피크 파장을 가진 변환 광을 발광한다. 예컨대, LED는 500nm 이하에서 피크 발광하며, 인광체는 500nm 이상에서 피크 발광한다. 2차 광은 층(16) 내의 인광체에 의해 여러 방향으로 무작위로 방출된다. 1차 광과 2차 광의 적어도 일부분은, 제공되는 경우(렌즈로서 동작할 수 있는) 쉘(32)을 통과하며, 출력 광으로서 조명 장치(10)를 출광한다. 도 2의 실시예에서, 광이 램프를 출광하기 전에 하우징(24)으로부터 반사될 수 있다.
실시예에서, 램프는 단일의 SLL를 포함하지만, 다른 실시예에서, 램프는 복수의 SSL를 포함할 수 있으며, 이들 SSL는 모두 동일 구동 회로 또는 별개의 구동 회로에 의해 구동될 수 있다.
구동 회로(18)는 스위칭 직류를 제공한다. 예시적인 구동 회로는, 실시예에서 DC 소스인 전력원(40)과, 전류의 온 오프의 스위칭을 제어하는 제어기(42)를 포함한다.
실시예에서, 제어기(42)는 전류의 온 오프를 반복적으로 스위칭하기 위한 스위치(44), 예컨대, 트랜지스터를 작동시키는 마이크로컨트롤러이다. 도 3에 예시된 바와 같이, 이는 회로 내에서 온 펄스(46)를, 예컨대, 구형파의 형태로, 각 사이클이 파장 λ을 갖는 사이클마다 생성하여, SSL를 동작시킨다. 사이클 주파수 f(f=1/λ)는, 예컨대, 적어도 대략 30Hz이며, 이 주파수는 육안에서의 램프의 분명한 깜박거림을 피하기에 충분히 빠르며, 그 결과, 감지된 램프 색이 일정해진다. 일실시예에서, 주파수 f는 적어도 대략 50Hz이며, 다른 실시예에서, 대략 150Hz까지, 또는 그 이상이다. 주파수가 너무 높으면, 스위칭 손실은 뚜렷해질 수 있다. 따라서, 일실시예에서, 주파수는 10KHz 미만 또는 1KHz 미만이다.
마이크로컨트롤러(42)는 마이크로프로세서일 수 있으며, CPU, 판독 전용 메모리(ROM, EPROM, EEPROM)와 같이 스위치를 동작시키기 위한 또한 펄스 폭을 수정하기 위한 소프트웨어 명령어를 저장하기 위한 메모리, 랜덤 액세스 메모리(RAM)와 같이 펄스 폭의 수정을 결정하는데 사용되는 데이터를 수용하기 위한 메모리, 펄스를 타이밍하기 위한 클럭 발생기, 및 스위치 및 조명 장치의 다른 구성 요소와 통신하기 위한 하나 이상의 입출력(I/O) 장치를 포함하며, 이들 모두는 단일 마이크로칩 또는 복수 칩 상에 지원될 수 있다.
마이크로컨트롤러(42)는, SSL에 공급되는 파형에서의 전류 온 시간과 전류 오프 시간의 비율(t1/t2)을 제어한다. 일실시예에서, 마이크로컨트롤러(42)는 전류 펄스의 온 시간(펄스 폭)(t1)을 조정가능하게 제어하도록 구성되어 있으며(얼마나 오래 각 사이클에서 스위치(44)를 개방/폐쇄 상태로 유지하는지를 제어함으로써), 이로써, 펄스 폭 변조기로서 기능할 수 있다. 다른 실시예에서, 비율(t1/t2)은 사이클 파장 λ을 수정함으로써 조정될 수 있으며, 이 경우에, 펄스 폭은 동일하게 유지될 수 있다.
예시적인 구형파 펄스에서, 전류는 거의 순간적으로(예컨대, 몇 나노초로) 0과 Imax 사이에서 변하고, 온 시간(t1)(펄스 폭) 동안에 Imax로 유지된 후에, 0(네가티브 펄스가 아님) 아래로 떨어지지 않고 펄스의 종단부에서 Imax와 O 사이에서 거의 순간적으로 변한다. 실시예에서 구형파가 도시되어 있지만, 사다리꼴 또는 톱니 등의 다른 형태의 전류 펄스가 또한 고려될 수 있다. 사다리꼴 펄스에서, 전류는 예컨대, 몇 마이크로초 동안 Imax까지 점진적으로 증가하고, 설정된 시간 후에, 최대값으로부터 점진적으로 감소한다. 몇몇 톱니 펄스에서, 전류는 Imax에 도달되면 떨어지기 시작한다.
상술한 바와 같이, 온 시간과 오프 시간의 비율(t1/t2)은 마이크로컨트롤러(42)에 의해 조정가능하다. 이는 펄스 폭 변조(PWM)를 통해, 즉, t1을 조정함으로써 달성가능하다. t1과 t2의 관계는 듀티 사이클로서 표현될 수 있으며, 이 듀티 사이클은 전류가 온(on) 일 때의 사이클의 퍼센트, 즉
Figure 112011032468717-pct00001
이다. 예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, 비율(t1/t2)은 대략 1(50% 듀티 사이클)이지만, 도 4에서는, 대략 0.5(33% 듀티 사이클)이다. 일실시예에서, 비율(t1/t2)은 적어도 1.2배만큼 조정가능하며, 예컨대, t1/t2는 대략 1.2 내지 대략 1.0 사이에서, 또는 1.0 내지 대략 0.83 사이에서 변할 수 있다. 다른 실시예에서, 비율(t1/t2)은 적어도 2배만큼 조정가능하며, 예컨대, t1/t2는 대략 1 내지 대략 0.5 사이에서 변할 수 있다. 다른 실시예에서, 비율(t1/t2)은 적어도 3배만큼 조정가능하며, 예컨대, t1/t2는 1.5 내지 0.5 사이에서 변할 수 있다. 다른 실시예에서, 비율(t1/t2)은 적어도 4 또는 적어도 10배만큼 조정가능하다. 비율(t1/t2)은 예컨대, 램프의 수명 동안에 개별 단계식으로 또는 몇몇 증분값으로 이러한 인수만큼 조정가능할 수 있다.
일반적으로, 펄스 폭 변조 전후의 펄스는 동일 높이 Imax를 갖는다. 그러나, Imax는 예컨대 광원의 휘도를 변경하도록 조정가능하다.
온 시간 및 오프 시간의 비율(t1/t2)은, 도 5와 관련하여 설명되는 바와 같이, 램프의 색에 영향을 준다. 그 이유는 DC 펄스에 대한 SSL 응답이 인광체의 응답과 다르기 때문이다. 특히, 도 5에 도시한 바와 같이, 시간 t=0(전류 펄스의 개시 후의 일부 시간)에, SSL(14)과 인광체(16)의 양쪽은, 그들 각각의 광자 카운트로 나타낸 바와 같이, 광원으로서 동작한다. (도 5에 도시된 예에서 대략 500 마이크로초에서) 전류가 스위칭 오프될 때, SSL의 발광 강도는 전형적으로 대략 10-20 나노초 내에서 0으로 빠르게 하락한다. 그러나, 인광체(16)는 측정가능한 레벨에서 발광을 계속하며, 이는 전류가 온(on)일 때보다 더 낮음에도 불구하고, 램프에 의한 광 출력의 전체 색에 영향을 주기에 상당히 충분하다. 도 5에 명확하게 나타나 있지 않지만, 인광체의 광 출력은, 긴 시간 동안, 예컨대, 대략 10 밀리초 이상 동안, 즉, SSL이 0으로 감쇠하는 비율의 작은 부분 비율에서만 0으로 결국 감쇠한다. 이러한 차이는 감쇠 기간의 반감기(전류가 스위칭 오프될 때 소스에 의한 광 출력이 자신의 최대값의 절반으로 감쇠하는데 걸리는 시간)의 용어로 표현될 수 있다. LED 또는 다른 SSL의 반감기는 인광체의 반감기의 10% 이하일 수 있으며, 일실시예에서, 인광체의 반감기의 대략 0.01%와 같이, 대략 1% 이하이다. 일실시예에서, 인광체는 상대적으로 긴 감쇠 시간(예컨대, 적어도 λ의 1/2)을 가지며, 사이클 시간을 초과하는 감쇠 시간을 갖도록 선택될 수 있다. 예컨대, 사이클 시간(λ)이 대략 6.6ms(150Hz)이면, 인광체는 대략 10ms와 같이, 적어도 대략 5ms의 감쇠 시간을 가진 긴 감쇠 인광체일 수 있으며, 50ms(30Hz)의 사이클 시간 동안에, 인광체는 적어도 50ms의 감쇠 시간을 가질 수 있다.
상대적으로 긴 감쇠 시간을 가진 인광체를 선택함으로써, 광원은 t1/t2 비율을 변경함으로써 상이하게 감지되는 출력 색(평균 색)을 생성하도록 조정될 수 있다. 일반적으로, t1/t2 비율이 감소함에 따라, 인광체에 의해 방출되는 광의 상관 색 온도는 SSL에 의해 방출되는 광의 색 온도에 비해 낮기 때문에, 램프의 색 온도는 감소한다. 예컨대, 제 1 비율로부터, 제 1 비율보다 낮은(또는 높은) 제 2 비율로 t1/t2 비율을 변경함으로써, 적어도 대략 100K, 예컨대, 대략 1000K 까지 또는 그 이상의 램프에 의한 광 출력의 색 온도 변화를 얻을 수 있다. 색 온도는 하나의 색 온도에서 다른 색 온도로 광 출력을 변경하도록 선택될 수 있다. 또는 비율에 어떠한 변화도 없는 램프의 수명 동안에 정상적으로 발생할 수 있는 색 온도의 변화를 감소 또는 상당히 제거함으로써, 램프의 일정도를 유지하도록 비율을 시간에 따라 변경할 수 있다.
선택된 온 시간과 오프 시간의 비율(t1/t2)은 SSL과 인광체의 선택에 따라 다를 수 있다. 예컨대, SSL이 30,000K의 상관 색 온도(CCT)를 가진 청색 OLED이고, 인광체가 2500K의 CCT를 가지면, CCT는 온 시간과 오프 시간의 비율(t1/t2)을 변경함으로써 6000K로부터 대략 2700K로 가변적으로 조정될 수 있다. OLED보다는 청색 LED인 경우에, 색 온도(CCT)는 대략 3000-5000K일 수 있다.
사이클 시간이 일정 파장(λ)에서 유지되는 실시예에서, 램프의 동작시에 파장은 변할 수 있다는 것이 또한 고려된다. 따라서, t1/t2의 비율은 (예컨대, 대략 10-100 사이클의 기간 동안에) 평균 온 시간과 평균 오프 시간의 비율인 것으로 간주될 수 있다.
일실시예에서, t1/t2 비율을 변경함으로써 램프의 색 온도를 조정하는 것은 램프의 수명 동안에 발생하는 본래의 색 온도 변화를 오프셋하는데 사용된다. 일실시예에서, 마이크로컨트롤러(42)는 램프가 동작하고 있을 때 t1/t2 비율을 자동으로 조정한다. 예컨대, t1/t2 비율은 램프 동작의 매 100 시간(또는 다른 선택된 기간) 작은 증분값으로 감소될 수 있다. t1/t2 비율을 변경하는 양(또는 변화량)은, 예컨대 전형적인 램프의 동작 조건 하에서 램프를 작동시키고, 일정한 색 온도를 유지하기 위해 t1/t2 비율을 증분되게 조정함으로써, 실험으로 결정될 수 있다.
도 1에 도시된 다른 실시예에서, 마이크로컨트롤러(42)를 제어하기 위해 피드백 루프가 사용된다. 예컨대, 마이크로컨트롤러(42)는 센서(50)로부터의 감지된 측정값에 응답하며, 센서는 램프의 광 출력의 색을 감지하고 감지된 색을 나타내는 신호를 마이크로컨트롤러(42)에 통신하도록 배치되어 있다. 측정값이 임계 변화값을 초과하는 색 온도의 변화를 나타낼 때, 마이크로컨트롤러는 t1/t2 비율을 적절히 변경한다. 센서는 램프가 워밍 업된 직후에 광의 색을 측정하도록 프로그래밍될 수 있다. 적합한 센서(50)는 복수의 상이한 파장에서 광 강도를 측정하는 분광 광도계(spectrophotometer)일 수 있다.
다른 실시예에서, 색 온도는 사용자에 의해 선택적으로 조정가능하다. 예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로컨트롤러(42)와 통신하는 색 선택기(52)가 제공된다. 색 선택기(52)를 조작함으로써(예컨대, 버튼을 누르고, 손잡이를 돌리는 등을 행하여), 사용자는, 예컨대 몇백의 케빈의 증분값으로 웜 화이트(warm white)(대략 3000K)와 쿨 화이트(cool white)(대략 4000K) 사이의 가변 색 온도를 선택할 수 있다.
알 수 있는 바와 같이, 스위치(44)에 추가로, 구동 회로는, 사용자가 램프를 온 또는 오프로 스위칭할 수 있는 메인 스위치(54)를 포함할 수 있다. 추가로, 회로는 단일의 SSL을 포함하는 것으로서 도시되어 있지만, 복수 또는 다수의 SSL이 구동 회로에 포함되어 단일의 제어기(42)에 의해 제어될 수 있다.
본 램프(10)에 적절히 사용될 수 있는 인광체는 이하의 일반적인 지속 인광체를 포함하며, 이들 인광체로 한정되지 않는다.
Figure 112011032468717-pct00002
상술한 인광체 모두는 다양한 사이클 시간에 적합한 긴 감쇠 시간을 갖는다. 상대적으로 긴 감쇠 시간을 가진 다른 인광체가 사용될 수 있다. (Shionoya 및 Yen의 Phosphor Handbook 2 nd Edition를 참조)
예시된 실시예의 범위를 제한하지 않고, 이하의 예는 예시적인 시스템 및 방법의 적용을 보여준다.
예
긴 감쇠의 청-녹색 인광체
Figure 112011032468717-pct00003
는 Nichia 사로부터 입수한 자외선/자색 LED 소스에 의해 구동되었다. LED는 50Hz의 주파수를 가진 50%의 듀티 사이클로 동작되었다. LED는 외부의 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)에 의해 스위칭 온 및 오프되었던 일정한 전류원 전력 공급 장치에 의해 구동되었다. MOSFET 스위치는 PIC16F690 마이크로컨트롤러에 의해 구동되었다. 스펙트럼 스캔은 9.5밀리초에서 시작하여 매 50밀리초마다 한번 사이클로 행해졌다. 이는 10밀리초에서 발생하는 LED 소스의 풀 온(full on)으로부터 풀 오프(full off)로의 변화를 캡쳐했다. 도 5는 획득한 LED 소스와 인광체 소스의 도면을 나타내며, 이는 LED가 인광체를 여기시키는 것을 중단한 후에 긴 감쇠 인광체가 긴 에너지를 발광하고 있음을 명백히 나타내고 있다. LED와 인광체는 매우 상이한 파장을 발광하기 때문에, 온 시간과 오프 시간의 비율과 온 시간에서의 펄스의 강도(Imax)는 전체의 평균 감지 주파수를 시프트하는 것으로 예상할 수 있다. 2개의 소스의 조합은 통합되어 특정의 색 온도의 일정한 백색광으로서 감지될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었다. 확실히, 상술한 상세한 설명을 읽고 이해하면 다른 수정 및 대체가 이루어질 수 있다. 본 발명은 이러한 수정 및 대체를 모두 포함하는 것으로서 간주되어야 한다.

Claims (28)

  1. 광을 방출하는 발광 디바이스(lighting device)와 상기 발광 디바이스에 의해 방출된 광의 적어도 일부분을 상이한 파장의 광으로 변환하는 인광체 물질(phosphor material)을 포함하는 광원과,
    상기 발광 디바이스로 공급되는 전류 파형의 전류 오프 시간(current off time)에 대한 전류 온 시간의 비율(ratio)을 조정하여, 상기 광원에 의해 방출된 광의 색에 대한 상기 인광체에 의해 방출된 광의 기여도(contribution)를 수정하는 제어기를 포함하되,
    상기 제어기는 제 1 폭 및 제 1 주파수를 가진 펄스가 생성되는 제 1 모드와, 제 2 폭을 가진 펄스가 생성되는 제 2 모드를 가지며,
    상기 제 2 폭은 상기 제 1 폭보다 짧으며,
    상기 제 2 모드에서의 펄스는 상기 제 1 주파수와 동일한 주파수를 갖는
    조명 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 디바이스는 고체 상태 발광 디바이스를 포함하는
    조명 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 고체 상태 발광 디바이스는 발광 다이오드, 레이저 다이오드, 유기 발광 디바이스, 및 이들의 조합 및 복수개로 구성된 그룹 중에서 선택되는
    조명 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 비율을 조정하여 상기 광원에 의해 방출된 광의 시간에 따른 색 변화를 감소시키는
    조명 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 스위치의 동작에 의해 상기 비율을 조정하는
    조명 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 파형은 스위칭 DC 전류인
    조명 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 전류 오프 시간에 대한 상기 전류 온 시간의 비율을 적어도 1.2배만큼 변경하도록 구성되어 있는
    조명 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 적어도 30Hz의 주파수의 펄스를 생성하는
    조명 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 펄스 폭 변조기를 포함하는
    조명 장치.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 인광체 물질은 상기 파형의 사이클의 시간의 적어도 절반인 감쇠 시간(decay time)을 가지며,
    상기 사이클의 각각은 단일 펄스를 포함하는
    조명 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 광원의 출력 색의 변화를 보상하도록, 시간에 따라 상기 전류 파형의 펄스의 폭을 자동으로 조정하는
    조명 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기와 통신하는 센서를 더 포함하되,
    상기 센서는 상기 광원에 의해 방출되는 광의 색 또는 색의 변화를 나타내는 신호를 상기 제어기에 공급하는
    조명 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기와 통신하는 사용자 작동가능 선택기를 더 포함하는
    조명 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는, 전류 오프 시간에 대한 전류 온 시간의 비율을 조정함으로써, 상기 광원의 상관 색 온도를 적어도 100K만큼 조정할 수 있는
    조명 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 조명 장치의 동작의 적어도 10,000 시간 이후에, 상기 광원에 의해 방출되는 광의 상관 색 온도가 상기 광원에 의해 방출되는 광의 초기 상관 색 온도의 100K 내에 있도록, 상기 제어기는 전류 오프 시간에 대한 전류 온 시간의 비율을 조정하는
    조명 장치.
  17. 고체 상태 발광 디바이스와, 상기 발광 디바이스에 의해 방출된 광을 상이한 파장의 광으로 변환하도록 배치된 인광체를 포함하는 광원에 의해 방출되는 광의 색을 변경하는 방법에 있어서,
    펄스 폭을 수정하기 위한 소프트웨어 명령어를 저장하는 메모리와, 상기 펄스 폭에 대한 수정을 결정하는데 사용되는 데이터를 수신하기 위한 메모리와, 펄스 타이밍을 위한 클럭 발생기를 포함하는 제어기를 제공하는 단계와,
    상기 고체 상태 발광 디바이스로 공급되는 전류 파형의 전류 오프 시간에 대한 전류 온 시간의 비율을 변경하여, 상기 광원에 의해 방출되는 광의 색에 대한 상기 인광체에 의해 방출되는 광의 기여도를 수정하는 단계와,
    제 1 모드에서, 제 1 폭 및 제 1 주파수를 가진 펄스를 생성하는 단계와,
    제 2 모드에서, 제 2 폭을 가진 펄스를 생성하는 단계를 포함하되,
    상기 제 2 폭은 상기 제 1 폭보다 짧으며,
    상기 제 2 모드에서의 펄스는 상기 제 1 주파수와 동일한 주파수를 갖는
    발광 색 변경 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    전류 오프 시간에 대한 전류 온 시간의 비율은 시간에 따른 상기 광원에 의한 색 출력의 일정도(consistency)를 유지하도록 변경되는
    발광 색 변경 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 전류 파형은 스위칭 DC 전류이며,
    상기 비율을 변경하는 단계는 상기 전류 파형에서의 전류 펄스의 폭을 변경하는 단계를 포함하는
    발광 색 변경 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 펄스는 적어도 30Hz의 주파수를 갖는
    발광 색 변경 방법.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 전류 오프 시간에 대한 상기 전류 온 시간의 상기 비율을 적어도 1.2배만큼 변경하는 단계를 포함하는
    발광 색 변경 방법.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 전류 오프 시간에 대한 상기 전류 온 시간의 상기 비율은 상기 펄스의 주파수를 변경하지 않고 변경되는
    발광 색 변경 방법.
  23. 제 17 항에 있어서,
    상기 광원에 의해 방출되는 광의 색은 적어도 100K의 색 온도만큼 가변되는
    발광 색 변경 방법.
  24. 제 17 항에 있어서,
    상기 인광체 물질은 상기 파형의 사이클의 시간의 적어도 절반인 감쇠 시간을 가지며,
    상기 사이클의 각각은 단일 펄스를 포함하는
    발광 색 변경 방법.
  25. 제 17 항에 있어서,
    상기 광원에 의해 방출된 광의 색을 감지하는 단계와,
    감지된 색에 응답하여 상기 전류 오프 시간에 대한 상기 전류 온 시간의 상기 비율을 변경하는 단계를 더 포함하는
    발광 색 변경 방법.
  26. 제 17 항에 있어서,
    사용자 선택에 응답하여 상기 전류 오프 시간에 대한 상기 전류 온 시간의 상기 비율을 변경하는 단계를 더 포함하는
    발광 색 변경 방법.
  27. 제 17 항에 있어서,
    상기 전류 오프 시간에 대한 상기 전류 온 시간의 상기 비율을 변경하는 상기 단계는 상기 광원에 의해 방출되는 광의 색 변화를 조정하기 위해 자동으로 수행되는
    발광 색 변경 방법.
  28. 삭제
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