KR101707695B1

KR101707695B1 - 향상된 색 품질을 가진 반도체 조명 시스템

Info

Publication number: KR101707695B1
Application number: KR1020117015001A
Authority: KR
Inventors: 윌리엄 윈더 비어스; 개리 로버트 알렌
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2009-11-24
Publication date: 2017-02-16
Also published as: US20090122530A1; JP2012514327A; JP2015167131A; TW201040434A; KR20110111390A; JP6063500B2; CN102272510B; WO2010077492A1; CN102272510A; US8247959B2; EP2384409A1; TWI458910B

Abstract

향상된 색 품질 및/또는 색 대비를 제공하는 반도체 조명 시스템이 본 명세서에 개시된다. 이 시스템은 색 온도에 의존하는 특정 값에 따라 백열 또는 흑체 광원에 비해 강화된 색 대비를 제공하기 위해 미리 선택된 색 품질 척도(CQS)의 15개의 색 샘플 각각에 대해 델타 채도 값을 가진 전체 광을 제공한다. 본 명세서에 제시된 조명 시스템은 하나 이상의 유기 전계 발광소자를 포함하거나, 적어도 두 개의 무기 발광 다이오드가 서로 다른 색 방출 대역을 가지는 복수의 무기 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 향상된 색 품질 및/또는 색 대비를 가진 조명 시스템의 제조 방법이 또한 제공된다.

Description

향상된 색 품질을 가진 반도체 조명 시스템{SOLID STATE ILLUMINATION SYSTEM WITH IMPROVED COLOR QUALITY}

본 출원은 선출원되고, 공동으로 출원 계속 중이며, 동일 출원인에 의한 다음 세 개의 미국 특허 출원 각각에 대한 미국법 35 U.S.C. 120 하에서의 부분 계속 출원이며, 이 출원은 모두 본 명세서에 참조로서 통합된다: 2008년 10월 22일에 출원된 미국 특허 출원 제12/256227호, 및 2008년 10월 6일에 출원된 미국 특허출원 제12/246110호, 두 번째 출원은 2007년 10월 17일에 출원된 미국 특허출원 제11/873463호의 부분 계속 출원이다.

본 발명은 반도체 조명 시스템(solid-state illumination system)에 관한 것으로서, 특히 향상된 색 품질을 가진 반도체 조명 시스템에 관한 것이다.

백열 및 형광 조명 시스템은 일반적인 용도를 위해 광범위하게 사용되는 조명 시스템이다. 조명 시스템 하에 있는 대상 색의 품질은 그러한 광원의 가치의 중요한 측면이다. 특히 백열 조명 시스템에 관련하여, 소비자들은 제너럴 일렉트릭 컴퍼니(General Electric Company)에 의해 REVEAL®로서 판매되는 백열 전구가, REVEAL® 램프의 상당히 강화된 색 대비로 인해서 매우 매력적이어서 표준 백열 램프의 매우 바람직한 색보다도 훨씬 더 매력적이라는 것을 알게 되었다.

일반적으로, 대상 색의 품질은 연색(color rendering)의 관점에서 설명되어 왔으며, 연색은 광원에 의해 조명되는 대상의 심리 물리학적(psycho-physical) 색이 특정 조건에 대해서 기준 발광체의 색과 일치하는 정도에 대한 척도이다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 연색은 기준 광원 하에서 그 동일한 대상의 색과 비교되는 대상 색의 정확한 표현을 가리킨다.

최근 에너지 효율형 조명 시스템의 하나는 발광 다이오드와 같은 반도체 발광소자(solid-state light emitting element)를 채택하고 있다. REVEAL® 백열 전구의 매력 때문에, REVEAL® 조명 특성을 가진 반도체 발광램프가 획득 가능하다면 소비자에게 매력적인 색 품질을 가진 에너지 효율이 우수한 광원을 제공하게 될 것이다. 그러나, 반도체 조명 시스템에 적용될 수 있는 방식으로 REVEAL® 백열 전구의 매력의 특성을 나타내기 위한 일반적으로 적용 가능한 방법이 존재하지 않는다.

매력적인 강화된 색 대비를 생성하는 광원을 제조하는 방법을 정량화하는 방법이 존재한다면 바람직할 것이다. 매력적인 강화된 색 대비를 가진 반도체 조명 시스템이 존재한다면 또한 바람직할 것이다.

본 발명의 일 실시예는 에너지 공급 시에 약 2000K 내지 약 20000K 사이의 범위에 있는 상관 색 온도(correlated color temperature(CCT))를 나타내며 백열 또는 흑체 광원에 비해 강화된 색 대비를 가지는 조명 시스템을 목적으로 한다. 이 시스템은 하나 이상의 유기 전계 발광소자, 선택적으로 적어도 하나의 필터, 선택적으로 적어도 하나의 광발광(photoluminescent) 물질, 및 선택적으로 적어도 하나의 무기 발광 다이오드를 포함한다. 이 시스템은 에너지 공급 시에 백색으로 나타나는 전체 광을 제공하도록 구성되며, 이 결합 광은 강화된 색 대비를 제공하도록 미리 선택된 색 품질 척도(CQS)의 15개의 색 샘플 각각에 대해 특정된 값에 따라 델타 채도 값(delta chroma value)을 가진다.

본 발명의 다른 실시예는 에너지 공급 시에 약 2000K 내지 약 20000K 사이의 범위에 있는 상관 색 온도(CCT)를 나타내며 백열 또는 흑체 광원에 비해 강화된 색 대비를 가지는 무기 발광 다이오드 기반 조명 시스템을 목적으로 한다. 이 시스템은 적어도 두 개의 무기 발광 다이오드가 서로 다른 색 방사 대역을 가지는 복수의 무기 발광 다이오드, 선택적으로 적어도 하나의 필터, 선택적으로 적어도 하나의 광발광 물질, 및 선택적으로 적어도 하나의 유기 전계 발광소자를 포함한다. 이 시스템은 에너지 공급 시에 백색으로 나타나는 결합 광을 제공하도록 구성되며, 이 결합 광은 강화된 색 대비를 제공하도록 미리 선택된 색 품질 척도(Color Quality Scale(CQS))의 15개의 색 샘플 각각에 대해 특정된 값에 따라 델타 채도 값을 가진다.

본 발명의 또 다른 실시예는 하나 이상의 반도체 발광소자를 포함하며 원하는 색 매력을 구비한 전체 백색광을 가진 조명 시스템의 제조 방법을 목적으로 한다. 이 방법은 (a) 조명 시스템에 주어진 상관 색 온도(CCT) 값 및 주어진 색 점을 가진 전체 광을 제공하는 단계; (b) 색 품질 시스템의 복수의 먼셀(Munsell) 색 샘플에 대해 전체 광의 채도 값을 측정하는 단계; (c) 색 품질 시스템의 측정된 먼셀 색 샘플 각각에 대해 델타 채도 값을 측정하는 단계; 및 (d) 측정된 먼셀 색 샘플 각각에 대해 계산된 델타 채도 값을 기준 델타 채도 값 세트와 비교하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명에서 더 잘 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 장점과 특징은 다음의 상세한 설명을 읽으며 첨부 도면을 참조할 때 명백해질 수 있다.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른 조명 시스템 제조 방법을 도시하는 블록도이다.
도 2는 본 개시의 실시예에 따른 복수의 발광 다이오드를 채용하는 조명 시스템을 도시하는 개략적인 도면을 도시한다.
도 3은 본 개시의 실시예에 따른 하나의 패턴으로 배열된 발광 다이오드 어레이의 구성을 도시한다.
도 4는 본 개시의 실시예에 따른 유기 전계 발광소자의 배열에 대한 개략적인 측면도이다.
도 5는 예시적 조명 시스템의 전체 광 방사의 스펙트럼이다.
도 6은 예시적 조명 시스템에 대한 델타 채도 값을 그래프로 나타낸 것이다.

언급된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예는 전력이 공급될 때 약 2000K에서 약 20000K의 범위에 있는 상관 색 온도를 나타내며 향상된 색 품질 스케일을 가진 조명 시스템에 관한 것이다. 일 실시예에서, 시스템은 하나 이상의 유기 전계 발광소자(organic electroluminescent element)를 포함한다. 다른 실시예에서, 시스템은 복수의 무기 발광 다이오드(inorganic light emitting diode)를 포함하며, 여기에서 이러한 무기 발광 다이오드 중 적어도 두 개는 서로 다른 색 방출 대역(color emission band)을 갖는다. 이 시스템은 전력이 공급될 때 백색으로 나타나는 전체 광(total light)을 제공한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "조명 시스템" 및 "램프"는 적어도 하나의 반도체 발광소자에 의해 발생될 수 있는 가시광의 어떠한 소스를 지시하기 위해 대체로 교환 가능하게 사용될 것이다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "반도체 발광소자"는 전형적으로 무기 발광 다이오드(예를 들어, LED), 유기 전계 발광소자(예를 들어, OLED), 무기 전계 발광 장치, 레이저 다이오드, 및 그 조합 또는 그와 유사한 것을 포함한다. 용어 "전체 광"은 일반적으로 어떠한 필터 및/또는 광학 설비(이하에서 정의되는)에 의해 변경되는 바와 같은, 또한 반도체 발광소자에 의해 에너지가 공급되는 어떤 형광체 발광물질에 의해 변경되는 바와 같은, 시스템에서 모든 반도체 발광소자의 발광의 조합 스펙트럼 합을 지칭한다. 전형적으로, 그것은 일반 조명을 위해 사용되는 조명 시스템의 전체 광이다.

보통, LED와 같은 많은 반도체 발광소자에 있어서, 전통적인 백열 전구, 형광등 및 다른 방전등의 경우와 같이 광이 금속이나 가스로부터 방출된다기 보다는 고체, 종종 반도체로부터 방출된다. 전통적인 조명과 달리, 반도체 발광소자로 이루어진 램프는 잠재적으로 적은 발열과 적은 에너지 소실로 가시광을 발생시킬 수 있다. 추가적으로, 그 고체적인 본질은 쇼크, 진동 및 마모에 대해 보다 큰 저항을 제공하며, 그 결과 그 수명을 크게 증대시킨다.

발광 다이오드(LED)는 일반적으로 공지되어 있다. 발광 다이오드는 통상 전기 에너지를 직접 광으로 변환하는 고체 반도체 장치로 정의된다. 개략적으로, 발광 다이오드는 전류가 순방향으로 공급될 때 p-n 접합에서 광학적 방사를 수행하는 반도체 장치이다. 출력은 그 물리적인 구조, 사용되는 물질 및 자극 전류의 함수이다. 출력은 스펙트럼의 자외선, 가시 또는 적외선 영역에 존재할 수 있다. 방출광의 파장은 p-n 접합에서의 물질의 대역 갭에 의해 결정되며, 통상 방출이 최대인 피크(또는 지배적인) 파장 λ_p과 방출이 상당한 피크 파장을 둘러싸는 파장 분포를 갖는 것으로 정의된다. 이 파장 분포는 전형적으로

으로 주어지는 가우스 확률 밀도 함수에 의해 특징지어지며, 여기에서 Δλ_1/2은 분포 함수의 가우스 반폭(Gaussian half-width)이다. 또한, 각각의 발광 다이오드는 전형적으로 그것의 지각색(perceived color), 예를 들어 보라색, 청색, 청록색, 녹색, 황색, 오렌지색, 붉은 오렌지색, 붉은 색 등에 의해 특징지어진다. 비록 분포가 단색광이 아니며 오히려 Δλ_1/2의 몇 배의 넓이의 유한 확산을 가진 색 대역을 나타내며 이때 Δλ_1/2은 전형적으로 약 5에서 50nm까지의 범위에 있다고 할지라도, 지각색은 원칙적으로 그 피크 파장 λ_p에 의해 결정된다. 발광 다이오드가 지각 가능한 광을 방출하는 전체 파장 범위는 각각의 발광 다이오드가 비 백색으로 지각되도록 가시광의 전체 파장 범위(약 390 내지 750nm)보다 대체로 좁다. 추가적으로, 같은 피크 파장을 갖도록 명목상으로 등급이 매겨진 개별 LED는 제조상의 가변성으로 인해 일정 범위의 피크 파장을 나타낸다. LED는 의도된 피크 파장을 둘러싸는 일정 범위의 허용 가능한 피크 파장으로 제한하는 컬러 빈(color bin)으로 그룹화될 수 있다. 채색 LED에 대한 컬러 빈의 한계를 정의하는 전형적인 피크 파장의 범위는 약 5 내지 50nm이다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "발광 다이오드" 또는 "LED"는 해당 기술분야에서 숙련된 자가 이해하는 바와 같이 레이저 다이오드, 공진 공동 LED(resonant cavity LED), 초발광 LED(superluminescent LED), 플립 칩 LED(flip chip LED), 수직 공진 표면광 레이저(vertical cavity surface emitting laser), 고휘도 발광 다이오드 또는 다른 다이오드 조명 장치를 포함할 수 있다. 적절한 발광 다이오드는 무기 질화물, 탄화물 및 인화물 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 해당 기술분야에서 숙련된 자는 상용으로 이용 가능한 LED의 넓은 어레이에 친숙하며, 그 구조 및 구성이 잘 이해된다. 특히, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "무기 발광 다이오드"는 일반적으로 p-n 접합이 주로 무기 물질로 구성되는 그러한 발광 다이오드를 지칭한다. 용어 "무기 발광 다이오드"는 장치의 다른 곳에 비 무기 물질이 존재하는 것을 배제하지 않는다.

일반적으로 이해되는 바와 같이, OLED 장치는 전형적으로 기판, 종종 광 투과 기판 상에 형성된 전극, 예를 들어 음극과 광 투과 양극 사이에 배치된 하나 이상의 유기 광 투과 층을 포함한다. 발광층은 양극과 음극을 가로질러 전류가 인가될 때 광을 방출한다. 전류가 인가될 때, 전자는 음극으로부터 유기층으로 주입되며, 정공은 양극으로부터 유기층으로 주입될 수 있다. 전자와 정공은 일반적으로 발광 중심, 전형적으로 유기 분자나 중합체에서 재조합될 때까지 유기층을 통과해서 이동하며, 그 재조합 과정은 광자를 방출하게 하며, 그것은 통상 스펙트럼의 자외선 또는 가시광 영역에 있을 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "유기 전계 발광소자"는 일반적으로 전계 발광 특성을 나타내는 유기 물질(분자나 중합체)을 가진 활성층을 포함하는 장치(예를 들어, 전극과 활성층을 포함하는)를 지칭한다. 유기 전계 발광소자를 포함하는 장치는 무기 물질의 존재를 배제하지 않는다. 만일 하나 이상의 "유기 전계 발광소자"가 존재한다고 특정되었다면, 유기 물질은 동일하거나(예를 들어, 동일 물질의 복수 층이 배열되는 경우) 또는 다를 수 있다(예를 들어, 다른 물질의 복수 층이 배열되는 경우). 또한, 다른 종류의 유기 전계 발광 물질이 동일한 층에 존재할 수 있다(예를 들어, 혼합될 수 있다).

해당 기술분야에서 숙련된 자가 이해하는 바와 같이, 유기 전계 발광소자는 정공 수송층, 정공 주입층, 전자 수송층, 전자 주입층, 광흡수층 또는 그들의 조합과 같은 추가적인 층을 포함할 수 있다. 본 개시에 따른 유기 전계 발광소자는 또한 기판층, 내마모층, 접착층, 화학적 내성층, 광발광층, 방사 흡수층, 방사 반사층, 장벽층, 평탄화층, 광확산층, 및 그 조합 중 하나 이상과 같지만 그에 한정되지는 않는 다른 층을 포함할 수 있다.

유기 전계 발광 물질의 화학적 조성은 "대역 갭"과 발광 중심으로부터의 방출광의 해당 파장 분포를 결정한다. LED의 지각색을 특징짓는 색 대역과 유사하게, 유기 전계 발광층으로부터 방출된 파장의 분포는 또한 색 대역을 형성한다. 그러나, LED 색 대역의 전형적인 가우스형 분포의 경우와는 달리, 유기 전계 발광소자의 색 대역은 복수의 피크 파장과 가능하면 넓은 스펙트럼 폭을 가질 수 있다. 그럼에도 불구하고, 유기 전계 발광층 내의 각각의 발광 중심은 색 대역으로 지칭될 수 있는 가시광의 전체 범위의 분포보다 좁은 파장의 유한 분포를 가진 지각색에 의해 특징지어진다. 각각의 발광층이 하나 이상의 색 대역에 있는 광을 방출할 수 있도록 각각의 유기 발광층 내에 하나 이상의 다른 발광 중심들의 구성이 있을 수 있다.

언급된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 조명 시스템은 하나 이상의 유기 전계 발광소자를 포함할 수 있다. 해당 기술분야에서 숙련된 자는 일반적으로 유기 전계 발광소자와 그 구성을 잘 알고 있다. 본 발명의 일부 실시예는 복수의 반도체 발광소자가 적층이나 겹침 구조로 배열된 복수의 유기 전계 발광소자를 포함하는 조명 시스템을 포함한다. 해당 기술분야에서 숙련된 자에 의해 이해되는 바와 같이, 조명 시스템이 복수의 유기 전계 발광소자를 포함할 때 색 혼합을 달성하기 위해서, 시스템은 적층 구조로 조립된 서로 다른 기판 상에 형성된 복수의 유기 전계 발광층을 포함할 수 있다. 선택적으로, 하나가 다른 것 위에 겹칠 수 있다. 일 실시예에서, 투명(예를 들어, 접착)층은 복수의 유기 전계 발광층을 서로 적층하기 위해 사용된다. 일 실시예에서, 그러한 적층 유기 전계 발광층은 또한 백색광 방사 유기 전계 발광층을 포함한다. 본 개시의 다른 실시예에서, 조명 시스템은 탠덤(tandem) OLED 타입 램프일 수 있고, 이 램프는 단일 전력원에 의해 구동될 수 있으며, 여기에서 백색광 방사는 예를 들어 붉은 색, 녹색 및 청색 유기 전계 발광소자의 스펙트럼 조합에 의해 형성될 수 있다.

본 발명의 일부 다른 실시예는 또한 광을 하나 이상의 반도체 발광소자로부터 다른 파장으로 변환시키기 위해 적어도 하나의 광발광 물질(전형적으로는 형광물질, 양자점, 및 그 조합으로부터 선택되지만 그에 한정되지는 않는)을 포함하는 조명 시스템을 포함한다. 본 발명의 다른 실시예는 조명 시스템의 전체 광을 변경하기 위한 적어도 하나의 필터를 포함하는 조명 시스템을 포함한다. 네오디뮴(neodymium) 함유 유리 필터와 같이 적절한 필터가 가능하면 조명 시스템의 전체 광의 스펙트럼의 특정 영역을 약화시키는 물질을 포함할 수 있다. 최종적으로, 하나 이상의 유기 전계 발광소자를 가진 조명 시스템의 실시예에서, 하나 이상의 무기 발광 다이오드를 그 시스템에 포함시킬 수 있다. 유사하게, 복수의 무기 발광 다이오드(여기에서 적어도 두 개의 무기 발광 다이오드는 서로 다른 색 방출 대역을 가진다)를 가진 조명 시스템의 실시예에서, 하나 이상의 유기 전계 발광소자를 시스템에 포함시킬 수 있다.

본 개시의 실시예에서, 조명 시스템은 강화되거나 향상된 색 대비를 보여주거나 일반적으로 전통적인 백열 광원이나 흑체 광원의 현시보다 더 매력적인 현시를 보여준다. 조명 시스템의 색체 현시(color appearance) 그 자체(그러한 조명 시스템에 의해 조명되는 대상과 대립되는)는 그 색도 좌표(chromaticity coordinates)나 색 좌표(color coordinates)에 의해 기술되며, 그 좌표는 해당 기술분야에 숙련된 자가 이해되는 것과 같이 표준 방법에 따른 그 스펙트럼 전력 분포로부터 계산될 수 있다. 이것은 CIE, 광원의 연색성을 측정하며 특정하는 방법(Method of measuring and specifying color rendering properties of light sources) (제2판), Publ. CIE No. 13.2 (TC-3, 2), CIE 중앙사무국, 파리, 1974 (CIE는 국제조명위원회(International Commission on Illumination 또는 Commission Internationale d'Eclairage)이다)에 따라 특정된다. 이 CIE 표준 색도 다이어그램은 x 및 y 좌표를 가진 이차원 그래프이다. 이 표준 다이어그램은 다양한 온도에서의 흑체 방사체의 색 점을 포함한다. x 및 y-다이어그램 상에서, 흑체 색도의 궤적은 플랑크 궤적(Planckian locus)으로 알려져 있다. 이 궤적 상의 점에 의해 표현되는 방사원은 켈빈 단위를 가진 색 온도에 의해 특정될 수 있다. 모든 점이 정상적인 인간의 눈에 거의 같은 색을 가진 것으로 보이도록 라인이 이 색 온도에서 플랑크 궤적을 교차하도록 그러한 점에서 그려질 수 있기 때문에, 이러한 플랑크 궤적에 가까이 있지만 그 위에는 있지 않은 점이 상관 색 온도(CCT)에 의해 특징지어질 수 있다. 조명 시스템은 적어도 부분적으로는 색 좌표 및 상관 색 온도(CCT)의 관점에서 특징지어질 수 있다. 본 개시의 실시예에 따르면, 백색으로 나타나서 강화된 색 대비나 채도 또는 강화된 현시를 가지는 전체 광을 제공하는 조명 시스템이 제공된다. 대상이 더 매력적이거나 더 자극적으로 보이도록 하기 위해서 이러한 조명 시스템은 대상을 조명하기에 유용한 광을 제공한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 조명 시스템은 에너지가 공급될 때 백색으로 보이는 전체 광을 제공하며, 이 결합광은 상관 색 온도에 대해 미리 선택된 색 품질 척도(Color Quality Scale(CQS))의 15개의 색 샘플의 각각에 대한 델타 채도(Δ-chroma)값을 가진다. 이 색 품질 척도(CQS)는 이하에서 더 설명될 것이다. 그 용어가 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "채도" 값은 CIE LAB 색공간(CIE LAB space)에서 측정된다. 이 채도 값은 종래의 기법에 의해, 예를 들어 CIE LAB 색 공간에서 측정될 수 있다. 예를 들어, CIE 1976 a,b 채도 값은 해당 기술분야에서 숙련된 자에게 잘 알려져 있는 바와 같이 그리고 북미 조명 기술자 협회의 조명 핸드북(Illuminating engineering Society of North America Lighting Handbook(ISBN-1O: 0-87995-150-8))과 같은 해당 기술분야의 표준 핸드북에서 찾을 수 있는 바와 같이

로 계산된다.

미국 국립표준연구소(National Institute of Standards and Technology(NIST))에 의해 개발된 바와 같이, 색 품질 척도(CQS)는 더 잘 알려진 연색 인덱스(Color Rendering Index(CRI))에 의해 유사하게 수행되는 바와 같이 광원에 의해 조명된 대상의 색의 여러 측면들을 평가하기 위해 15 개의 먼셀 색 샘플(Munsell color sample)을 사용한다. 이제, 보다 오래된 연색 인덱스(CRI) 시스템은 연색을 평가하기 위해 14개의 표준 색 샘플(일반적으로, R₁-R₁₄ 또는 R_i로 표시되는)을 활용한다. 전형적으로, 연색 인덱스(CRI)에 따른 연색 점수가 전달되면, 그것은 "일반적인 연색 인덱스(general color rendering index)"(Ra라고 명명되는)이며, 그것은 모두 저 내지 중 색 포화도를 가진 오직 제1의 8개 샘플들에 대한 R_i 값의 평균이다. 그러나, 대상 색을 측정하는 연색 인덱스(CRI) 시스템은 단점을 가지고 있다; 예를 들어, 색 공간의 붉은 색 영역은 균일하지 않으며, Ra를 계산하기 위해 사용되는 8개의 색 샘플은 많이 포화되지 않는다. 심지어 Ra 값이 높은 경우에도 포화된 색의 연색은 매우 나쁠 수 있다. 다시 말하면, 매우 높은 Ra 값에 따라 램프의 스펙트럼을 최적화하는 것은 (이론상으로) 가능하나, 아직도 실제 연색은 매우 나쁘다; 8개의 색 샘플이 Ra 값을 얻기 위해 단순히 평균화되기 때문에, 램프가 하나나 두 색을 매우 나쁘게 표현할 경우에도 높은 점수를 올릴 수 있다. 이러한 문제점은 너무 적은 높은 색 포화도의 샘플이 Ra를 계산하기 위해 사용되기 때문에 발생된다.

색 품질 척도(CQS)는 이러한 연색 인덱스(CRI) 시스템의 단점을 극복하며, 따라서 본 개시의 실시예에 따라 대상 색의 측면을 평가하기 위한 시스템으로 사용된다. 이 색 품질 척도(CQS) 시스템은 종종 모두 비교적 높은 색 포화도를 가지며 색 공간에서 대체로 균등하게 분포된 총 15개의 색 샘플의 색체 현시를 포함하는 전체 Q_a 값을 사용한다. Q_a 값은 일반적으로 15개의 색 샘플 각각에 대한 개별적인 색 품질 척도(CQS) 값의 평균에 해당한다. Q_a 값의 계산은 W. Davis와 Y. Ohno의 "향상된 연색 메트릭을 향하여(Toward an improved rendering metric)," Proc. SPIE 제5회 국제 고체 조명 콘퍼런스, 5941, 2005년에 보다 충분하게 기술되어 있으며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 통합된다.

미국 국립표준연구소에 의해 선정된 바와 같이, 색 품질 척도(CQS)는 표 I에 도시된 색상 값 및 채도를 가진 표준적인 15개 포화 먼셀 색 샘플(때때로 색 "칩(chips)"으로 지칭되는) 세트를 활용한다.

[표 I]

이러한 값(색상 값/채도)은 각각 색 품질 척도(CQS)의 15개 먼셀 색 샘플에 해당하며, 이 샘플은 VS1에서 VS15까지 모두(즉, VS1-VS15)로서 표시된다. 다시 말하면, VS1는 제1 표준 먼셀 색 샘플에 해당하고, VS2은 제2 먼셀 색 샘플에 해당하며, 나머지도 유사하다. 색상 라벨은 다음의 설명을 가진다: "P"는 자주색(purple)이고, "PB"는 자주-청색(purple-blue)이고, "B"는 청색(blue)이고, "BG"는 청-녹색(blue-green)이고, "G"는 녹색(green)이고, "GY"은 초녹-노랑색(green-yellow)이고, "Y"는 노란색이고, "YR"은 노란-붉은색(yellow-red)이고, "R"은 붉은 색(red)이며, "RP"는 붉은-자주색(red-purple)이다.

연색 인덱스(CRI) 및 색 품질 척도(CQS)와 같은 현재 산업계의 측정법은 이전에는 원하는 값으로부터의 편차의 방향(또는 부호)이 생략되는 방식으로 사용되어 왔다. 예를 들어, 연색 인덱스(CRI) 시스템에서 Ra를 계산할 때, 델타 E(색체 현시의 차이)의 계산은 편차의 방향성을 무시한다. 만일 조명 시스템의 설계자가 종래의 방식으로 연색 인덱스(CRI)나 색 품질 척도(CQS)를 사용하고자 한다면, 표현된 색의 포화도에 관한 정보가 소실될 것이다. 본 개시에 따르면, 출원인들은 채도 값의 산술적 차이를 결정하며, 그 결과 그러한 방향성이나 부호가 보존된다. 또한, 연색 인덱스(CRI)나 색 품질 척도(CQS) 시스템을 사용하는 통상적인 방법은 휘도(L) 부분을 포함한다. 그러나, 출원인은 L 부분을 포함하는 것이 오직 최소한의 기여를 한다는 것을 (기준 및 테스트 샘플의 La*b*의 차이를 계산함에 의해서) 발견하였다. 따라서, 출원인은 전형적으로 채도 값을 사용하는 것을 선호한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 색 품질 척도(CQS)가 다음과 같은 방식으로 사용된다. 조명 시스템은 결합 광에 대해 주어진 상관 색 온도(CCT)와 주어진 색 점(또는 색도 좌표)에서 각각의 컬러 칩에 대한 채도 값을 가진 전체 광을 생성시키다. 그러면, 이러한 채도 값은 기준 광원을 사용해서 발생된 각각의 컬러 칩에 대한 기준 채도 값 세트와 비교된다. 그 기준 광원은 연구 중인 조명 시스템과 같은 색 온도와 같은 색 점(색도 좌표)을 가진 플랑크 흑체 방사이다. 연구 중인 조명 시스템에 의한 조명 하의 각각의 컬러 칩에 대한 델타 채도(Δ-chroma) 값은 연구 중인 조명 시스템의 전체 광의 채도 값과 기준 광원 채도 값 사이의 산술적인 차이이다.

따라서, 본 개시는 또한 바람직한 색채 매력을 지닌 전체 백색광을 가진 하나 이상의 반도체 발광소자를 포함하는 조명 시스템을 제조하는 방법을 제공한다.

이제 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 방법을 개략적으로 설명하는 블록 흐름도가 도시되어 있다. 일반적으로, 이 방법은 (a) 조명 시스템에 주어진 상관 색 온도(CCT) 값과 주어진 색 점을 가진 전체 광을 제공하는 단계(블록 1); (b) 색 품질 시스템의 복수의 먼셀 색 샘플에 대해 전체 광의 채도 값을 측정하는 단계(블록 2); (c) 색 품질 시스템의 측정된 먼셀 색 샘플 각각에 대해 델타 채도 값을 계산하는 단계(블록 3); 및 (d) 측정된 먼셀 색 샘플 각각에 대해 계산된 델타 채도 값을 기준 델타 채도 값 세트와 비교하는 단계(블록 4)를 포함한다. 일반적으로, 이 기준 델타 채도 값 세트는 흑체 방사로부터 채도 값을 측정함에 의해 도출된다. 일부의 경우에, 그 방법은 (e) 상기 주어진 상관 색 온도(CCT) 값과 주어진 색 점에서 조명 시스템에 조절된 전체 광을 제공하기 위해서 조명 시스템의 스펙트럼 구성요소를 조정하는 단계(블록 5); 및 (f) 색 품질 시스템의 복수의 먼셀 색 샘플에 대해서 조절된 전체 광의 채도 값을 측정하는 단계(블록 6)를 추가로 필요로 하거나 포함한다. 많은 경우에, 단계 (b)는 색 품질 시스템의 모든 15개의 먼셀 색 샘플에 대해 결합 광의 채도 값을 측정하는 것을 포함한다. 최종적으로, 이 방법은 조정 단계 (e)와 측정 단계 (f)를 한번을 초과하여 반복하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한 조명 시스템을 제조하는 이 방법은 다른 관점에서 보면 향상된 조명 시스템을 설계하는 방법으로 간주될 수 있다. 조명 시스템은 원하는 기준 채도 값 내에 속하는 전체 광을 가진 하나의 조립 반도체 발광소자 이후에 제조되었다고 간주된다.

실시예에 따르면, 본 발명의 조명 시스템에 의해서 방출된 전체 광에 대한 바람직한 델타 채도(Δ-chroma) 값이 존재한다. 델타 채도 값은 색 인지를 인식하며 본 명세서에 기재된 조명 시스템의 강화된 색 대비를 평가하기 위해서 유용하다. 델타 채도 값은 본 개시의 실시예에 따른 조명 시스템의 선택, 제조 및/또는 평가에 사용될 수 있다.

조명 시스템으로부터의 전체 광이 상기 상관 색 온도에 대해 미리 선택된 색 품질 척도(CQS)의 15개의 색 샘플 각각에 대한 델타 채도(Δ-chroma) 값을 가지는 지의 여부를 판단하기 위해서, 일반적으로 조명 시스템의 상관 색 온도(CCT)에 따른 이하에 기술된 가이드라인에 따를 수 있다. 전통적으로 정의된 이상적인 광원(예를 들어, 표준 백열 전구)에 대한 목표 델타 채도 값은 모든 15 먼셀 컬러 칩에 대해 필수적으로 0인 VS 값을 가진다는 것을 유의해야 한다. 그러나, 본 개시에서 강화된 색 대비와 시각적 매력을 제공하는 광원에 대한 목표 델타 채도 값은 상관 색 온도(CCT)에 의존하는 방식으로 목표 VS = 0으로부터 크게 벗어날 수 있다. 편차는 2000 내지 4500K의 상관 색 온도(CCT) 값에 대해 VS6, VS7, VS8, VS13, VS14, VS15에 대해 현저할 수 있다; 또한 4500 내지 20000K의 상관 색 온도(CCT) 값에 대해 VS6, VS7, VS8, VS13, VS14에서 현저할 수 있다.

따라서, 만일 상관 색 온도(CCT)가 약 2000K 내지 약 3000K 사이의 범위에 있다면, 그 때 델타 채도 값은 전형적으로 다음과 같이 선택될 수 있다. 색 품질 척도(CQS)의 다음 세 개의 색 샘플 중 적어도 두 개는 다음의 파라미터 내에 있다: VS1에 대해 -2 내지 7(보다 좁게는, 0 내지 5); VS2에 대해 -3 내지 7(보다 좁게는, -1 내지 5); VS3에 대해 -7 내지 7(보다 좁게는, -5 내지 5). 색 품질 척도(CQS)의 다음 두 개의 색 샘플 중 적어도 한 개는 다음의 파라미터 내에 있다: VS4에 대해 -2 내지 8(보다 좁게는, 0 내지 7); VS5에 대해 -2 내지 15(보다 좁게는, 0 내지 14). 색 품질 척도(CQS)의 다음 세 개의 색 샘플 중 적어도 두 개는 다음의 파라미터 내에 있다: VS6에 대해 1 내지 25(보다 좁게는, 3 내지 20); VS7에 대해 4 내지 26(보다 좁게는, 5 내지 25); VS8에 대해 -1 내지 15(보다 좁게는, 2 내지 10). 색 품질 척도(CQS)의 다음 세 개의 색 샘플 중 적어도 두 개는 다음의 파라미터 내에 있다: VS9에 대해 -6 내지 7(보다 좁게는, -2.5 내지 5); VS10에 대해 -4 내지 6(보다 좁게는, -2.5 내지 5); VS11에 대해 -2 내지 8(보다 좁게는, 0 내지 5). 색 품질 척도(CQS)의 다음 두 개의 색 샘플 중 적어도 한 개는 다음의 파라미터 내에 있다: VS12에 대해 -1 내지 8(보다 좁게는, 0 내지 6); VS13에 대해 -1 내지 13(보다 좁게는, 2 내지 10). 색 품질 척도(CQS)의 다음 두 개의 색 샘플 중 적어도 한 개는 다음의 파라미터 내에 있다: VS14에 대해 -7 내지 13(보다 좁게는, 2 내지 10); VS15에 대해 -9 내지 12(보다 좁게는, 2 내지 10). 본 개시에 따르면, 모든 델타 채도 값은 CIE LAB 색공간에서 측정된다.

만일 상관 색 온도가 약 3000K 내지 약 4500K 사이의 범위에 있다면, 그 때 델타 채도 값은 전형적으로 다음과 같이 선택될 것이다. 색 품질 척도(CQS)의 다음 세 개의 색 샘플 중 적어도 두 개는 다음의 파라미터 내에 있다: VS에 대해 -5 내지 7(보다 좁게는, 0 내지 5); VS2에 대해 -3 내지 7(보다 좁게는, -1 내지 5); VS3에 대해 -7 내지 7(보다 좁게는, -5 내지 5). 색 품질 척도(CQS)의 다음 두 개의 색 샘플 중 적어도 한 개는 다음의 파라미터 내에 있다: VS4에 대해 -3 내지 8(보다 좁게는, 0 내지 7); VS5에 대해 -2 내지 15(보다 좁게는, 0 내지 14). 색 품질 척도(CQS)의 다음 세 개의 색 샘플 중 적어도 두 개는 다음의 파라미터 내에 있다: VS6에 대해 0 내지 22(보다 좁게는, 3 내지 20); VS7에 대해 3 내지 26(보다 좁게는, 5 내지 25); VS8에 대해 -1 내지 15(보다 좁게는, 2 내지 11). 색 품질 척도(CQS)의 다음 세 개의 색 샘플 중 적어도 두 개는 다음의 파라미터 내에 있다: VS9에 대해 - 6 내지 7(보다 좁게는, -2.5 내지 5); VS10에 대해 -4 내지 6(보다 좁게는, -2.5 내지 5); VS11에 대해 -4 내지 6(보다 좁게는, 0 내지 5). 색 품질 척도(CQS)의 다음 두 개의 색 샘플 중 적어도 한 개는 다음의 파라미터 내에 있다: VS12에 대해 -1 내지 8(보다 좁게는, 0 내지 6); VS13에 대해 -1 내지 13(보다 좁게는, 2 내지 10). 색 품질 척도(CQS)의 다음 두 개의 색 샘플 중 적어도 한 개는 다음의 파라미터 내에 있다: VS14에 대해 -7 내지 15(보다 좁게는, 2 내지 12); VS15에 대해 -7 내지 12(보다 좁게는, 2 내지 11).

만일 상관 색 온도가 약 4500K 내지 약 7500K 사이의 범위에 있다면, 그 때 델타 채도 값은 전형적으로 다음과 같이 선택될 것이다. 색 품질 척도(CQS)의 다음 세 개의 색 샘플 중 적어도 두 개는 다음의 파라미터 내에 있다: VS1에 대해 -5 내지 7(보다 좁게는, 0 내지 5); VS2에 대해 -3 내지 7(보다 좁게는, -1 내지 5); VS3에 대해 -5 내지 7(보다 좁게는, -3 내지 5). 색 품질 척도(CQS)의 다음 두 개의 색 샘플 중 적어도 한 개는 다음의 파라미터 내에 있다: VS4에 대해 -3 내지 7(보다 좁게는, -1 내지 5); VS5에 대해 -2 내지 15(보다 좁게는, 0 내지 10). 색 품질 척도(CQS)의 다음 세 개의 색 샘플 중 적어도 두 개는 다음의 파라미터 내에 있다: VS6에 대해 0 내지 22(보다 좁게는, 3 내지 15); VS7에 대해 1 내지 26(보다 좁게는, 5 내지 18); VS8에 대해 -1 내지 15(보다 좁게는, 2 내지 12). 색 품질 척도(CQS)의 다음 두 개의 색 샘플 중 적어도 한 개는 다음의 파라미터 내에 있다: VS9에 대해 -6 내지 7(보다 좁게는, -2.5 내지 5); VS10에 대해 -5 내지 6(보다 좁게는, -2.5 내지 5); VS11에 대해 -4 내지 6(보다 좁게는, -2 내지 5). 색 품질 척도(CQS)의 다음 두 개의 색 샘플 중 적어도 한 개는 다음의 파라미터 내에 있다: VS12에 대해 -2 내지 8(보다 좁게는, 0 내지 6); VS13에 대해 -1 내지 16(보다 좁게는, 2 내지 10). 색 품질 척도(CQS)의 다음 두 개의 색 샘플 중 적어도 한 개는 다음의 파라미터 내에 있다: VS14에 대해 -5 내지 22(보다 좁게는, 2 내지 12); VS15에 대해 -6 내지 15(보다 좁게는, 0 내지 11).

만일 상관 색 온도가 약 7500K 내지 약 20000K 사이의 범위에 있다면, 그 때 그 때 델타 채도 값은 전형적으로 다음과 같이 선택될 것이다. 색 품질 척도(CQS)의 다음 세 개의 색 샘플 중 적어도 두 개는 다음의 파라미터 내에 있다: VS1에 대해 -3 내지 7(보다 좁게는, 0 내지 5); VS2에 대해 -3 내지 7(보다 좁게는, -1 내지 5); VS3에 대해 -5 내지 8(보다 좁게는, -2 내지 7). 색 품질 척도(CQS)의 다음 두 개의 색 샘플 중 적어도 한 개는 다음의 파라미터 내에 있다: VS4에 대해 -3 내지 6(보다 좁게는, -1 내지 4); VS5에 대해 -3 내지 15(보다 좁게는, 0 내지 10). 색 품질 척도(CQS)의 다음 세 개의 색 샘플 중 적어도 두 개는 다음의 파라미터 내에 있다: VS6에 대해 0 내지 22(보다 좁게는, 3 내지 15); VS7에 대해 0 내지 25(보다 좁게는, 5 내지 16); VS8에 대해 -1 내지 15(보다 좁게는, 2 내지 12). 색 품질 척도(CQS)의 다음 세 개의 색 샘플 중 적어도 두 개는 다음의 파라미터 내에 있다: VS9에 대해 -5 내지 7(보다 좁게는, 0 내지 5); VS10에 대해 -5 내지 6(보다 좁게는, -2 내지 5); VS11에 대해 -4 내지 6(보다 좁게는, -3 내지 5). 색 품질 척도(CQS)의 다음 두 개의 색 샘플 중 적어도 한 개는 다음의 파라미터 내에 있다: VS12에 대해 -3 내지 8(보다 좁게는, 0 내지 6); VS13에 대해 -1 내지 16(보다 좁게는, 1 내지 10). 색 품질 척도(CQS)의 다음 두 개의 색 샘플 중 적어도 한 개는 다음의 파라미터 내에 있다: VS14에 대해 -3 내지 24(보다 좁게는, 2 내지 11); VS15에 대해 -4 내지 15(보다 좁게는, 0 내지 11).

본 발명의 일부 실시예에 따르면, 조명 시스템에 있는 복수의 반도체 발광소자는 격자, 밀집 또는 다른 규칙적인 패턴이나 구성으로 배열되어 있다. 그러한 규칙적 패턴의 비한정적인 예는 예를 들어 6각형, 마름모꼴, 직사각형, 사각형 또는 사다리꼴로 배치된 격자, 또는 원, 사각형 또는 다른 다변형 평면 기하학적 형상의 주변이나 내부 둘레의 규칙적인 간격 배치를 포함한다. 최적화된 색 혼합을 위해서, 동일 색 인접의 발생을 낮게 유지하는 것이 때때로 바람직할 수 있다. 그러나, 동일 색 인접을 피하는 것은 항상 가능하지 않을 수 있다.

본 발명의 특정 실시예에 따르면, 복수의 LED를 사용할 때, 각각은 발광 다이오드의 방사 스펙트럼이 최대인 파장(피크 파장)에 의해 특징지어지는 색을 가지며 가우스 분포 함수에 의해 근사적으로 표현되는 인접 파장에서의 방사 세기의 분포를 가진다. 전형적으로, 특성 너비는 약 5-50nm이다. 일부 실시예는 적어도 하나의 반도체 발광소자는 (에너지 공급 시에) 약 432nm 내지 약 467nm의 범위에서 피크 파장을 가지는 광을 방출하도록 구성되고, 이 시스템의 적어도 하나의 반도체 발광소자는 에너지 공급 시에 약 518nm 내지 약 542nm의 범위에서 피크 파장을 가지는 광을 방출하도록 구성되고, 이 시스템의 적어도 하나의 반도체 발광소자는 에너지 공급 시에 약 578nm 내지 약 602nm의 범위에서 피크 파장을 가지는 광을 방출하도록 구성되며, 또한 이 시스템의 적어도 하나의 반도체 발광소자는 에너지 공급 시에 약 615nm 내지 약 639nm의 범위에서 피크 파장을 가지는 광을 방출하도록 구성되는 조명 시스템을 대상으로 한다.

비록 개별적인 반도체 발광소자에 대한 이러한 변하는 색은 바람직한 색 품질을 달성하는 데에 효과적일 지라도(결합될 때), 증대가 적어도 두 개의 추가적인 반도체 발광소자를 포함시킴에 의해서 달성될 수 있으며(특히, 상용으로 이용 가능한 LED의 선택을 고려하여), 여기에서 추가적인 반도체 발광소자 중 적어도 하나는 에너지 공급 시에 약 458nm 내지 약 482nm의 범위에서 피크 파장을 가지는 광을 방출하도록 구성되며 추가적인 반도체 발광소자 중 적어도 하나는 에너지 공급 시에 약 605nm 내지 약 629nm의 범위에서 피크 파장을 가지는 광을 방출하도록 구성된다.

위에서 언급된 반도체 발광소자의 개수는 그들의 피크 파장과 파장 분포뿐만 아니라 소자들의 강도에 의존한다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명은 원하는 결합 스펙트럼 광을 형성하기 위해 사용될 수 있는 반도체 발광소자의 종류의 개수에 있어서 제한이 되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명은 다음 개수의 서로 다른 색 대역을 가진 반도체 발광소자의 사용을 포함한다: 한 개, 두 개, 세 개, 네 개, 다섯 개, 여섯 개, 일곱 개, 여덟 개, 아홉 개, 열 개, 열한 개, 또는 그 이상의 서로 다른 색 대역. 보라색, 청색, 청록색, 녹색, 황색, 노란색, 오렌지색, 붉은 오렌지색 및/또는 붉은 색 또는 다른 중간 내지 혼합 색 대역을 방출하는 반도체 발광소자가 포함될 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 네 개 또는 그 이상의 색을 가진 반도체 발광소자는 백색광을 형성할 수 있으며, 일부의 비제한적 예는 다음과 같은 것들을 포함한다: RGBA(붉은 색, 녹색, 청색, 황색), RGBC(붉은 색, 녹색, 청색, 황색); 및 유사한 것.

본 개시의 실시예에 따른 조명 시스템은 복수의 반도체 발광소자를 지지하기 위한 기판을 추가로 포함한다. 일반적으로, 그러한 기판은 열을 시스템으로부터 방출시킬 수 있는 방열 소자를 포함할 수 있다. 그러한 기판의 일반적인 목적은 복수의 반도체 발광소자에 대한 기계적 지지 및/또는 열적 관리 및/또는 전기적 관리 및/또는 광학적 관리를 제공하는 것을 포함한다. 기판은 어떠한 적절한 물질로 제조될 수 있으며, 금속, 반도체, 유리, 플라스틱 및 세라믹, 및 다른 적절한 물질 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 인쇄 회로 보드는 기판의 특정한 예를 제공한다. 다른 적절한 기판은 다양한 하이브리드 세라믹 기판과 자기 에나멜 금속 기판을 포함한다. 또한, 예를 들어, 기판 상에 백색 마스킹을 적용함에 의해 기판이 광을 반사하도록 만들 수 있다. 일부의 경우에, 기판이 기부(base) 내에 장착될 수 있다. 적절한 기부의 일례는 공지된 에디슨 기부(Edison base)를 포함한다.

본 발명의 실시예에서, 조명 시스템은 복수의 반도체 발광소자 중 적어도 하나에 전류를 공급하기 위한 리드선을 추가로 포함할 수 있다. 이 리드선은 전기 회로의 일부를 포함할 수 있다. 일반적으로 알려진 바와 같이, 복수의 반도체 발광소자(다른 색의 LED와 같은)를 가진 조명 장치는 전류를 적절하게 인가함에 의해 세기와 색 측면에서 제어될 수 있다. 따라서, 이 기술 분야에서 숙련된 자는 반도체 발광소자에 전력을 공급하기 위해 필요한 전기 회로를 광범위하게 이해할 것이다. 본 발명은 조명 시스템의 전체 광의 특성에 의해 특정 회로에 한정되는 것으로 의도되지 않는다.

본 발명의 특정 실시예에서, 조명 시스템은 적어도 하나의 콘트롤러 및 적어도 하나의 프로세서를 추가로 포함할 수 있다. 통상 그러한 프로세서는 반도체 발광소자 중 하나 이상의 세기를 제어하기 위해 콘트롤러로부터 신호를 수신하도록 구성된다. 프로세서는 예를 들어 마이크로프로세서, 마이크로콘트롤러, 프로그래머블 디지털 신호 프로세서, 집적 회로, 컴퓨터 소프트웨어, 컴퓨터 하드웨어, 전기 회로, 프로그래머블 논리 소자, 프로그래머블 게이트 어레이, 프로그래머블 어레이 로직 및 유사한 것 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부의 경우에, 그러한 콘트롤러는 전체 광 방출(즉, 조명 시스템의 전체 광) 및 반도체 발광소자의 온도 중 하나 또는 둘에 반응하는 센서와 통신한다. 센서는 예를 들어 포토다이오드 또는 열전쌍일 수 있다. 프로세서는 또한 반도체 발광소자로 공급되는 전류를 (직접 또는 간접적으로) 제어할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 시스템은 전체 광 방출이나 방출광의 스펙트럼 콘텐츠의 조절을 용이하게 하기 위해 콘트롤러에 결합된 사용자 인터페이스를 추가로 포함할 수 있다.

일부 실시예에 따르면, 조명 시스템은 복수의 반도체 발광소자를 적어도 부분적으로 감싸도록 덮개를 포함할 수 있다. 전형적으로, 그러한 덮개는 의도된 광 출력의 방향에서 대체로 투명하거나 반투명하다. 그러한 덮개를 위한 구성의 물질은 플라스틱, 세라믹, 금속, 복합 재료, 광 투과 코팅, 유리, 및 석영 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 그러한 덮개는 어떠한 형상, 예를 들어 전구 형상, 돔 형상, 반구 형상, 구 형상, 원통 형상, 포물선 형상, 타원형 형상, 평평한 형상, 나선형 형상 또는 다른 형상일 수 있다.

조명 시스템은 반도체 발광소자 중 하나 이상에 의해 방출되는 광에 광에 영향을 주는 동작을 수행하는 광학 설비를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "광학 설비"는 적어도 하나의 광에 영향을 주는 동작을 수행하도록 구성될 수 있는 어느 하나 이상의 구성요소를 포함한다. 그러한 광에 영향을 주는 동작은 혼합, 산란, 감쇠, 안내, 추출, 제어, 반사, 굴절, 회절, 편광, 및 빔 성형 중에서 선택된 하나 이상을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 다시 말하면, 광학 설비는 광에 영향을 미치는 다양한 구성요소를 포함하기에 충분할 만큼 넓은 의미를 가진다. 광학 설비에 의해 제공되는 이러한 광에 영향을 미치는 동작은 반도체 발광소자 각각으로부터 나온 광을 효과적으로 결합하는 데에 유용하며(북수가 사용되는 경우), 그 결과 전체 광은 백색, 바람직하게는 또한 색체 현시에서 균일한 것으로 나타난다. 혼합 및 산란과 같은 동작은 균질한 백색광을 달성하는 데에 특히 효과적이다. 안내, 추출, 및 제어와 같은 동작은 발광 효율을 극대화하기 위해 발광소자로부터 광을 추출하는 광에 영향을 미치는 동작을 지칭하도록 의도된다. 이러한 동작은 추가적으로 다른 효과를 가질 수 있다. 광에 영향을 미치는 동작을 기술하는 용어들 사이에 중복이 있을 수 있으나(예를 들어, "제어"는 "반사"를 포함할 수 있다), 해당 기술분야에서 숙련된 자는 사용되는 그 용어들을 이해할 것이라는 점을 알 수 있다.

일부의 경우에, 조명 시스템은 둘 이상의 반도체 발광소자로부터 방사된 광을 혼합하기 위해 산란 소자나 광 확산기를 포함할 수 있다. 전형적으로, 그러한 산란 소자나 광 확산기는 필름, 입자, 확산기, 프리즘, 혼합 플레이트, 및 다른 색-혼합 광 가이드나 광학 소자 또는 유사한 것 중 적어도 하나로부터 선택된다. 산란 소자(예를 들어, 광 확산기)는 다른 색깔의 반도체 발광 소자의 개별적인 RGB(붉은 색(red), 청색(blue), 녹색(green), 또는 다른 색) 구조를 모호하게 하는 데에 도움을 줄 수 있으며, 그 결과 표면 상의 광원과 조명의 색은 관찰자에게 명확한 색으로 대체로 공간적으로 균일하게 나타난다.

일부 실시예에서, 광학 설비는 렌즈, 필터, 홍채, 시준기 및 유사한 것으로부터 선택된 광 안내 또는 성형 소자를 포함할 수 있다. 대안적으로, 광학 설비는 반도체 발광소자 중 하나 이상을 위한 캡슐부를 포함할 수 있으며, 그 캡슐부는 광을 혼합하고, 분산시키며 또한 확산시키도록 구성되어 있다. 다른 대안에서, 광학 설비는 반사기나 몇몇 다른 종류의 광 추출 소자(예를 들어, 광결정 또는 도파관)를 포함한다.

기술된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 광을 분산 또는 확산시키거나 균질한 광을 형성하기 위해 개별적인 반도체 발광소자(예를 들어, 발광 다이오드 칩)를 캡슐로 감싸는 물질이 채택될 수 있다. 통상, 그러한 캡슐 물질은 대체로 투명하거나 반투명하다. 캡슐 매체는 일부 예에서 유리 물질 또는 중합체 물질, 예를 들어, 수지, 규소, 아크릴 수지 및 유사한 것들로 구성될 수 있다. 그러한 캡슐 물질은 전형적으로 또한 광을 분산 또는 확산시키는 입자를 포함할 수 있으며, 그 입자들은 다른 반도체 조명 소자로부터 방사된 광을 혼합하는 것을 지원한다. 해당 기술분야에서 숙련된 자에 의해 이해되는 바와 같이, 광을 분산 또는 확산시키는 입자들은 어떠한 적절한 크기와 형상을 가질 수 있으며, 산화 규소, 규소, 티타니아, 알루미나, 산화 인듐, 산화 주석, 또는 다른 금속 산화물들과 같은 무기 물질로 구성될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 광을 확산하거나 균질한 색의 광을 형성하기 위해 다른 종류의 확산기와 믹서를 채택할 수 있다. 그것들은 공학적으로 처리된 확산기 필름, 예를 들어 다양한 중합체 물질 상에 있는 프리즘 필름인 LCD 산업계에서 사용되는 것들과 같은 것일 수 있다. 추가적으로, 이 광원 내에서 색 혼합을 좀더 최적화하기 위해 다른 광학 소자를 사용해서 LED 광을 안내/성형하는 것이 또한 가능하다.

적절한 광학 소자들은 예를 들어 다양한 렌즈(오목 렌즈, 볼록 렌즈, 평면 렌즈, "버블" 렌즈, 프레즈넬 렌즈 등) 및 다양한 필터(편광기, 색 필터 등)을 포함한다.

이제 도 2를 참조하면, LED와 같은 반도체 발광소자의 어레이(11)로부터 전체 백색광(18)을 방출하기 위해 채택될 수 있는 루미나리에(10)의 예시적인 실시예를 도시한 매우 개략적인 도면이 도시되어 있다. 특히, 발광 다이오드 다이의 어레이(11)는 전형적으로 히트 싱크(15)와 열적으로 소통이 되는 상태에서 기계적으로 지지될 수 있다. 전류는 전력원(13)으로부터 발광 다이오드 어레이(11)로 공급되며, 이 전력원(13)은 이어서 센서(12)와 소통이 되는 프로세서/드라이버(14)에 의해 제어된다. 어레이(11)에서 개별적인 다이로부터 방출된 광은 전형적으로 광 믹서/확산기(16)에 의해서 혼합되며/되거나 결합되며, 이 혼합/결합 광은 전체 백색광(18)을 방출하도록 광학 추출 설비(17)에 의해 추출될 수 있다.

도 3은 개별적인 발광 다이오드 다이(19)의 전형적인 위치를 도시하는 LED 어레이(11)의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다. 예시적인 실시예에서, 15개의 그러한 다이의 어레이(19)가 대체로 벌집형인 배열로 도시되어 있으며, 이 경우 R은 붉은 색 LED를 지칭하고, A는 황색 LED를 지칭하고, G는 녹색 LED를 지칭하며, B는 청색 LED를 지칭한다. 루미나리에(10)로 통합될 때(도 2 참조), 이 어레이(11)는 일반적으로 균질한 백색광(18)을 공급할 수 있다.

백색으로 나타나는 전체 광을 제공하기 위해 유기 전계 발광소자를 배열하는 많은 방법들이 가능하다. 하나의 그러한 OLED 구성의 예시적인 실시예가 도 4에 도시되어 있다. 광 방출 시스템(20)이 순차적인 층들의 개략적인 측면도에 도시되어 있으며, 이 광 방출 시스템(20)은 상부 기판(21), 음극(22), 유기 전계 발광층(23), 전하 차단층(24), 양극(25) (투명 음극일 수 있다), 및 하부 유리 기판(26)으로 구성된다. 층(23)은 세 개의 다른 종류의 유기 전계 발광 물질 R, G, B로 구성될 수 있으며, 이 물질들은 각각 필수적으로 붉은 색, 녹색 및 청색인 색 대역을 방출한다. 장치(20)의 바닥으로부터 추출된(도시되지 않음) 광은 백색광을 제공하도록 결합될 수 있다. 비록 세 개의 전계 발광 물질이 층(23)에 측방으로 배치된 것으로 도시되는 것으로 보이지만, 물론 해당 기술분야에서 숙련된 자들에 의해 이해될 수 있는 바와 같이 다른 구성으로 배치될 수 있다(혼합된 구성과 같이).

본 발명의 추가적인 이해를 증진시키기 위해서, 다음의 예가 제공된다. 이 예는 예시를 위해서 도시된 것으로서 한정을 위해 도시된 것이 아니다.

예

복합 LED 조명 시스템이 6개의 서로 다른 색을 가진 15개의 발광 다이오드 칩으로 구성되었다. 선택된 모든 칩들이 상용적으로 이용 가능한 소스로부터의 람베르트 방사 패턴을 가진 고전력 단일 색상의 LED이었다. 관찰된 모든 파장 피크는 50nm 미만, 통상 35nm 미만의 전형적인 스펙트럼 반 폭으로 달성되었다.

[표 II]

표 II에 기재된 15개의 발광 다이오드 칩은 색 혼합과 광 균일성을 증대시키기 위해 히트 싱크를 구비한 공통 제어 회로 보드 상에 벌집 패턴으로 배열되며 광 혼합 설비와 산란 소자로 덮여진다.

이 예시적 시스템으로부터의 결과적인 스펙트럼이 도 5에 도시된다. 어레이로부터 추출된 결합/전체 광은 x=0.440 및 y=0.3948의 색 점(CIE 색도 시스템에 따른), 2808의 상관 색 온도(CCT), 및 60.2의 연색 인덱스(CRI)(R_a) 값을 가졌다. 색 품질 척도(CQS) 시스템에서 그 합계 Q_a 값은 80.2이었다. 이 램프로부터의 광은 표 III에 도시된 바와 같이 색 품질 척도(CQS) 시스템의 15개의 색 샘플 각각에 대해 델타 채도 값(ΔC*_ab)을 나타냈다. 다른 색 발광 다이오드 칩의 결합 효과는 관찰자에 의해 백색으로 지각될 수 있는 광을 되는 광을 방출하는 것이었다.

[표 III]

위의 표 III에서 표의 형식으로 기재된 색 품질 척도(CQS) 출력은 또한 도 6에 그래프로 도시된다.

이 예에서 램프는 에너지 공급 시에 대상들을 더 매력적이며 자연스럽게 보이게 하는 광을 방출한다는 것이 발견되었다. 특히, 이익을 볼 수 있는 일부 그러한 대상들은 나무 색, 나뭇결 색 및 피부 색조를 가진 것들을 포함한다. 그것들은 일반적으로 제너럴 일렉트릭 컴퍼니(General Electric Company)에 의해 제조된 REVEAL® 백열 전구의 스펙트럼의 특정한 특출한 특징과 거의 접근하거나 오히려 그 보다 낫다.

일례가 LED를 발광소자로 사용하여 제시되었지만, 숙련된 자는 본 예에 따라 만들어진 스펙트럼 패턴을 확인함에 의해서 동일한 색 품질 척도(CQS) 연색성을 가진 LED 및/또는 OLED 및/또는 다른 반도체 발광소자의 조합으로부터 램프를 제조하거나 조정할 수 있다. 위의 예에서 기술된 발명적인 조합에서 사용된 LED의 스펙트럼과 매칭되는 발광 소자가 선정될 수 있다. 반도체 발광소자의 적절한 선정과 그 출력의 적절한 혼합이 스펙트럼에 REVEAL® 광 전구와 같거나 훨씬 향상된 조명 특성을 제공해준다는 점은 놀라운 것이다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 근사 용어는 그것이 관계되는 기초 기능에 변화를 주지 않고 변할 수 있는 어느 양적 표현을 수식하도록 적용될 수 있다. 따라서, "약" 및 "대체로"와 같은 용어에 의해 수식되는 값은 일부의 경우에 특정한 정확한 값에 한정되지 않을 수 있다. 양과 관련되어 사용되는 수식어 "약"은 기술된 값을 포함하며 문맥에 의해 지시되는 의미를 가진다(예를 들어, 특정한 양의 측정과 연관된 에러의 정도를 포함한다). "선택적인"이나 "선택적으로"는 이어서 기술되는 이벤트나 상황이 일어나거나 일어나지 않을 수 있거나 이어서 특정되는 물질이 존재하거나 존재하지 않을 수 있으며, 그 기술이 이벤트나 상황이 발생되거나 물질이 존재하는 경우와 이벤트나 상황이 발생하지 않거나 물질이 존재하지 않는 상황을 포함하는 것을 의미할 수 있다. 단수 형태는 문맥이 명백히 다르게 기술하지 않는 한 복수의 지시 대상을 포함한다. 본 명세서에 개시된 모든 범위는 언급된 종점을 포함하며 독립적으로 병합할 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같은, 구 “에 적합하게 된다”, “도록 구성된다" 및 유사한 것들은 특정 구조를 형성하거나 특정 결과를 달성하도록 크기가 정해지거나, 배열되거나 제조되는 소자를 지칭한다. 본 발명은 단지 제한된 개수의 실시예와 관련하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명이 그러한 개시된 실시예에 한정되는 것은 아니라는 것이 쉽게 이해되어야 한다. 오히려, 본 발명은 이제까지 기술되지 않은 어느 개수의 변형, 변경, 대체 또는 등가 배열을 포함하도록 변경될 수 있으나, 그것은 본 발명의 사상 및 범위에 합당한 것이다. 추가적으로, 본 발명의 다양한 실시예가 기술되었지만, 본 발명의 양상들은 단지 기술된 실시예의 일부만을 포함할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명은 앞의 설명에 의해 한정되는 것으로 보아서는 안되며, 오직 첨부된 특허청구범위의 범위에 의해서 한정된다.

Claims

에너지 공급 시에 2000K 내지 20000K 사이의 범위에 있는 상관 색 온도(correlated color temperature, CCT)를 나타내는 조명 시스템에 있어서,
하나 이상의 유기 전계 발광소자와,
적어도 하나의 콘트롤러 및 적어도 하나의 프로세서를 포함하되,
상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 하나 이상의 유기 전계 발광소자로부터의 방출 세기를 제어하기 위해 상기 콘트롤러로부터 신호를 수신하도록 구성되고,
상기 조명 시스템은 에너지 공급 시에 백색으로 나타나는 전체 광을 제공하도록 구성되고, 상기 전체 광은 백열 광원 또는 흑체 광원에 비해 강화된 색 대비를 제공하도록 미리 선택된 색 품질 척도(color quality scale, CQS)의 15개의 색 샘플 각각에 대해 아래와 같은 델타 채도 값을 가지되,
(A) 2000K 내지 3000K 사이의 범위에 있는 상관 색 온도(CCT)를 가진 시스템에 대해, 상기 델타 채도 값은 다음과 같은데,
상기 색 품질 척도(CQS)의 적어도 두 개의 색 샘플은 다음의 파라미터
VS1에 대해 -2 내지 7;
VS2에 대해 -3 내지 7;
VS3에 대해 -7 내지 7;
내에 있고,
상기 색 품질 척도(CQS)의 적어도 하나의 색 샘플은 다음의 파라미터
VS4에 대해 -2 내지 8;
VS5에 대해 -2 내지 15;
내에 있고,
상기 색 품질 척도(CQS)의 적어도 두 개의 색 샘플은 다음의 파라미터
VS6에 대해 1 내지 25;
VS7에 대해 4 내지 26;
VS8에 대해 -1 내지 15;
내에 있고,
상기 색 품질 척도(CQS)의 적어도 두 개의 색 샘플은 다음의 파라미터
VS9에 대해 -6 내지 7;
VS10에 대해 -4 내지 6;
VS11에 대해 -2 내지 8;
내에 있고,
상기 색 품질 척도(CQS)의 적어도 하나의 색 샘플은 다음의 파라미터
VS12에 대해 -1 내지 8;
VS13에 대해 -1 내지 13;
내에 있고,
상기 색 품질 척도(CQS)의 적어도 하나의 색 샘플은 다음의 파라미터
VS14에 대해 -7 내지 13;
VS15에 대해 -9 내지 12;
내에 있고,
(B) 3000K 내지 4500K 사이의 범위에 있는 상관 색 온도(CCT)를 가진 시스템에 대해, 상기 델타 채도 값은 다음과 같은데,
상기 색 품질 척도(CQS)의 적어도 두 개의 색 샘플은 다음의 파라미터
VS1에 대해 -5 내지 7;
VS2에 대해 -3 내지 7;
VS3에 대해 -7 내지 7;
내에 있고,
상기 색 품질 척도(CQS)의 적어도 하나의 색 샘플은 다음의 파라미터
VS4에 대해 -3 내지 8;
VS5에 대해 -2 내지 15;
내에 있고,
상기 색 품질 척도(CQS)의 적어도 두 개의 색 샘플은 다음의 파라미터
VS6에 대해 0 내지 22;
VS7에 대해 3 내지 26;
VS8에 대해 -1 내지 15;
내에 있고,
상기 색 품질 척도(CQS)의 적어도 두 개의 색 샘플은 다음의 파라미터
VS9에 대해 -6 내지 7;
VS10에 대해 -4 내지 6;
VS11에 대해 -4 내지 6;
내에 있고,
상기 색 품질 척도(CQS)의 적어도 하나의 색 샘플은 다음의 파라미터
VS12에 대해 -1 내지 8;
VS13에 대해 -1 내지 13;
내에 있고,
상기 색 품질 척도(CQS)의 적어도 하나의 색 샘플은 다음의 파라미터
VS14에 대해 -7 내지 15;
VS15에 대해 -7 내지 12;
내에 있고,
(C) 4500K 내지 7500K 사이의 범위에 있는 상관 색 온도(CCT)를 가진 시스템에 대해, 상기 델타 채도 값은 다음과 같은데,
상기 색 품질 척도(CQS)의 적어도 두 개의 색 샘플은 다음의 파라미터
VS1에 대해 -5 내지 7;
VS2에 대해 -3 내지 7;
VS3에 대해 -5 내지 7;
내에 있고,
상기 색 품질 척도(CQS)의 적어도 하나의 색 샘플은 다음의 파라미터
VS4에 대해 -3 내지 7;
VS5에 대해 -2 내지 15;
내에 있고,
상기 색 품질 척도(CQS)의 적어도 두 개의 색 샘플은 다음의 파라미터
VS6에 대해 0 내지 22;
VS7에 대해 1 내지 26;
VS8에 대해 -1 내지 15;
내에 있고,
상기 색 품질 척도(CQS)의 적어도 두 개의 색 샘플은 다음의 파라미터
VS9에 대해 -6 내지 7;
VS10에 대해 -5 내지 6;
VS11에 대해 -4 내지 6;
내에 있고,
상기 색 품질 척도(CQS)의 적어도 하나의 색 샘플은 다음의 파라미터
VS12에 대해 -2 내지 8;
VS13에 대해 -1 내지 16;
내에 있고,
상기 색 품질 척도(CQS)의 적어도 하나의 색 샘플은 다음의 파라미터
VS14에 대해 -5 내지 22;
VS15에 대해 -6 내지 15;
내에 있고,
(D) 7500K 내지 20000K 사이의 범위에 있는 상관 색 온도(CCT)를 가진 시스템에 대해, 상기 델타 채도 값은 다음과 같은데,
상기 색 품질 척도(CQS)의 적어도 두 개의 색 샘플은 다음의 파라미터
VS1에 대해 -3 내지 7;
VS2에 대해 -3 내지 7;
VS3에 대해 -5 내지 8;
내에 있고,
상기 색 품질 척도(CQS)의 적어도 하나의 색 샘플은 다음의 파라미터
VS4에 대해 -3 내지 6;
VS5에 대해 -3 내지 15;
내에 있고,
상기 색 품질 척도(CQS)의 적어도 두 개의 색 샘플은 다음의 파라미터
VS6에 대해 0 내지 22;
VS7에 대해 0 내지 25;
VS8에 대해 -1 내지 15;
내에 있고,
상기 색 품질 척도(CQS)의 적어도 두 개의 색 샘플은 다음의 파라미터
VS9에 대해 -5 내지 7;
VS10에 대해 -5 내지 6;
VS11에 대해 -4 내지 6;
내에 있고,
상기 색 품질 척도(CQS)의 적어도 하나의 색 샘플은 다음의 파라미터
VS12에 대해 -3 내지 8;
VS13에 대해 -1 내지 16;
내에 있고,
상기 색 품질 척도(CQS)의 적어도 하나의 색 샘플은 다음의 파라미터
VS14에 대해 -3 내지 24;
VS15에 대해 -4 내지 15;
내에 있고,
모든 델타 채도 값은 CIE LAB 색공간에서 측정되는
조명 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 유기 전계 발광소자를 지지하기 위한 기판을 더 포함하는
조명 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 기판은 상기 조명 시스템으로부터 열을 방출시킬 수 있는 방열 소자를 포함하는
조명 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 콘트롤러는 상기 하나 이상의 유기 전계 발광소자의 전체 광 방출과 온도 중 하나 이상에 반응하는 센서와 통신하는
조명 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 하나 이상의 유기 전계 발광소자로의 전류를 제어하는
조명 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 조명 시스템은 상기 하나 이상의 유기 전계 발광소자로부터 방출된 광에 대해 적어도 하나의 광에 영향을 미치는 동작을 수행하도록 구성된 광학 설비를 더 포함하며, 상기 동작은 혼합, 산란, 감쇠, 안내, 추출, 제어, 반사, 굴절, 회절, 편광, 및 빔 성형으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는
조명 시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 광학 설비는 광을 혼합하기 위해 산란 소자 또는 광 확산기(optical diffuser)를 포함하는
조명 시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 산란 소자 또는 광 확산기는 필름, 입자, 확산기, 프리즘, 및 혼합 플레이트 중 적어도 하나로부터 선택되는
조명 시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 광학 설비는 렌즈, 필터, 홍채, 및 시준기로부터 선택된 광 안내 소자 또는 광 성형 소자를 포함하는
조명 시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 광학 설비는 광을 산란 또는 확산시키도록 구성되는, 상기 하나 이상의 유기 전계 발광소자를 위한 캡슐부를 포함하는
조명 시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 광학 설비는 반사기 또는 굴절 또는 내부 전반사(total-internal-reflective) 광 가이드를 포함하는
조명 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 유기 전계 발광소자는 전계 발광 유기 분자 또는 전계 발광 중합체를 포함하는
조명 시스템.
제 12 항에 있어서,
상기 하나 이상의 유기 전계 발광소자는 전극 사이에 끼인 활성층을 포함하는 장치에 배치되는
조명 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 유기 전계 발광소자의 복수의 활성층을 포함하되, 상기 복수의 활성층은 적층 또는 겹침 구조로 배치되는
조명 시스템.
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