KR102049852B1 - 발광 다이오드 조명 장치 및 그 발광 다이오드 패키지 - Google Patents

발광 다이오드 조명 장치 및 그 발광 다이오드 패키지 Download PDF

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Abstract

조명 장치를 제공한다. 조명 장치는 청색계의 광을 발광하는 제1 발광 다이오드, 상기 제1 발광 다이오드에서 발광되는 청색계의 광의 파장대보다 긴 파장대의 청색계의 광을 발광하는 제2 발광 다이오드, 적색계의 광을 발광하는 제3 발광 다이오드, 상기 제1 발광 다이오드 또는 상기 제2 발광 다이오드에 의해 여기되어 녹색계의 광을 발광하는 제1 형광체 및 상기 제1 발광 다이오드 또는 상기 제2 발광 다이오드에 의해 여기되어 적색계의 광을 발광하는 제2 형광체를 포함하고, 상기 제2 발광 다이오드와 상기 제3 발광 다이오드는 직렬 연결된다. 따라서, 상기 제1 발광 다이오드에 인가되는 전류 및 상기 제2 발광 다이오드와 상기 제3 발광 다이오드에 인가되는 전류 중 적어도 어느 하나 이상을 가변시켜, 외부로 방출되는 상기 발광 다이오드 및 상기 형광체에 의한 혼합광이 2000K 내지 6500K의 상관색온도를 갖도록 변환될 수 있다.

Description

발광 다이오드 조명 장치 및 그 발광 다이오드 패키지{Light emitting diode lighting apparatus and light emitting diode package}
본 발명은 조명 장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 발광 다이오드 조명 장치 및 그 발광 다이오드 패키지에 관한 것이다.
일반적으로, 조명 산업은 인류 문명과 함께 발전했을 정도로 그 역사가 길며, 인류와 아주 밀접한 관계에 있다.
조명 기기에 대한 광원, 발광 방식, 구동 방식 등에 대한 연구들이 진행되고 있으며, 최근에는 효율, 색 다양성, 디자인의 자율성 등에 장점이 있는 발광 다이오드(light emitting diode; LED)가 조명의 광원으로 주목받고 있다.
발광 다이오드는 반도체 활성(발광)층의 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band) 사이의 밴드 갭을 가로질러 전자를 여기시킴으로써 광을 발생시킨다. 전자 전이는 밴드 갭에 따라 변하는 파장의 광을 발생시킨다. 따라서, 발광 다이오드에 의해 방출되는 광의 색상(파장)은 발광 다이오드의 활성층의 반도체 재료에 따라 달라진다.
한편, 색재현은 일반적으로 연색지수(CRI Ra: Color Rendering Index)를 사용하여 측정된다. CRI Ra는 8개의 기준 색상들로 조명할 때 기준 복사체(reference radiator)의 연색성(color rendition)에 비해 조명 시스템의 연색성이 어떠한가에 대한 상대적인 측정값들의 수정된 평균값이다. 즉, 특정한 램프에 의해 조명될 때 대상물의 표면 색상에서의 변동(shift)의 상대적인 측정이다. 조명 시스템에 의해 조명되는 시험 색상 세트의 색상 좌표(color coordinate)가 기준 복사체에 의해 조명되는 동일한 시험 색상의 색상 좌표와 동일하다면, CRI Ra는 100과 동일하다.
백색으로 지각되는 광은 기본적으로 2개 이상의 색상(또는 파장)들의 혼합이므로, 백색광을 발생시키는 단일 발광 다이오드 접합체는 개발되어 있지 않다.
예를 들어, 백색 발광 다이오드 조명장치는 각각 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드로 형성된 발광 다이오드 픽셀(pixel)/클러스터(cluster)를 구비하여 적색광, 녹색광 및 청색광이 혼합될 때 백색광으로 지각되는 광을 발생시킨다.
다른 예로, 백색 발광 다이오드 조명장치는 청색광을 발생시키는 발광 다이오드와, 발광 다이오드에 의해 방출된 광에 의해 여기(excitation)되어 황색 광을 방출하는 발광 재료 예를 들어, 형광체를 포함함으로써, 청색광과 황색광이 혼합될 때 백색광으로 지각되는 광을 발생시킨다.
일반적으로, 1931 CIE 색도도(Chromaticity Diagram)(1931년에 수립된 국제 원색 표준) 및 1976 CIE 색도도(1931 색도도와 유사하지만, 색도도 상의 유사한 거리가 유사하게 지각되는 색상의 차이를 나타내도록 수정됨)는 색상들의 가중치 합으로서 색상을 형성하는데 유용한 기준을 제공한다.
CIE 색도도는 두 개의 CIE 파라미터 x, y(1931 도표의 경우) 또는 u', v'(1976 도표의 경우)의 측면에서 인간의 색 지각을 설계한다. 사람의 눈에 의해 지각되는 모든 색조(hue)를 포함하는 개략 도시된(outlined) 공간의 에지 주위에 스펙트럼 색상이 분포된다. 경계선은 스펙트럼 색상에 대한 최대 포화 상태를 나타낸다.
1976 도표 상의 유사한 거리가 유사한 지각되는 색차를 나타내기 때문에, 1976 도표 상의 한 점(point)으로부터의 편차(deviation)는 좌표 u', v' 좌표로 표현될 수 있는 바, 예를 들어 점으로부터의 거리는 (Δu'2+Δv'2)1/2이며, 특정 색조로부터 공통 거리에 각각 위치하는 점들의 궤적에 의해 형성되는 색조는, 그 각각이 특정 색조로부터 공통적인 정도로 다른 것으로 인지될 색조들로 구성된다.
흑체를 따라서 놓이는 색도 좌표 즉, 색 점(color points)은 플랑크(Planck's) 방정식 E(λ)=Aλ-5/(e(B/T)-1)를 따르며, 여기에서 E는 발광 강도이고, λ는 방출 파장이며, T는 흑체의 온도이고, A, B는 상수이다. 1976 CIE 도표는 흑체 궤적을 따르는 온도 리스트를 포함한다.
한편, 조명 제품에서 백열등 또는 형광등과 같은 제품에서 LED 조명으로 변화되면서 기존 조명에서 구현할 수 없는 기능들이 구현되고 있다. 그 기능들 중 상관색온도 변환(Correlated Color Temperature Conversion, CCT 변환)에 대한 연구가 활발하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 2000K 내지 6500K의 상관색온도를 갖는 빛을 구현할 수 있는 조명장치를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 하나의 발광 다이오드 패키지에서 2000K 내지 6500K 범위의 다양한 빛을 구현하는데 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 조명장치를 제공한다. 상기 조명장치는 청색계의 광을 발광하는 제1 발광 다이오드, 상기 제1 발광 다이오드에서 발광되는 청색계의 광의 파장대보다 긴 파장대의 청색계의 광을 발광하는 제2 발광 다이오드, 적색계의 광을 발광하는 제3 발광 다이오드, 상기 제1 발광 다이오드 또는 상기 제2 발광 다이오드에 의해 여기되어 녹색계의 광을 발광하는 제1 형광체 및 상기 제1 발광 다이오드 또는 상기 제2 발광 다이오드에 의해 여기되어 적색계의 광을 발광하는 제2 형광체를 포함하고, 상기 제2 발광 다이오드와 상기 제3 발광 다이오드는 직렬 연결되고, 상기 제1 발광 다이오드에 인가되는 전류 및 상기 제2 발광 다이오드와 상기 제3 발광 다이오드에 인가되는 전류 중 적어도 어느 하나 이상을 가변시켜, 외부로 방출되는 상기 발광 다이오드 및 상기 형광체에 의한 혼합광이 2000K 내지 6500K의 상관색온도를 갖도록 변환되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 발광 다이오드에서 발광되는 광은 445nm 내지 455nm의 주 파장을 갖고, 상기 제2 발광 다이오드에서 발광되는 광은 455nm 내지 465nm의 주 파장을 갖고, 상기 제3 발광 다이오드에서 발광되는 광은 580nm 내지 630nm의 주 파장을 갖을 수 있다.
상기 제1 형광체에서 여기되어 발광되는 광은 535nm 내지 555nm의 주 파장을 갖고, 상기 제2 형광체에서 여기되어 발광되는 광은 620nm 내지 640nm의 주 파장을 갖을 수 있다.
상기 제1 발광 다이오드를 점등상태에서 상기 제2 발광 다이오드와 제3 발광 다이오드에 인가되는 전류를 가변시켜, 외부로 방출되는 상기 발광 다이오드 및 상기 형광체에 의한 혼합광이 2000K 내지 6500K의 상관색온도를 갖도록 변환되는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 가변은 펄스 폭 변조(PWM) 제어에 의해 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 445nm 내지 455nm의 주 파장의 광을 발광하는 제1 발광 다이오드, 455nm 내지 465nm의 주 파장의 광을 발광하는 제2 발광 다이오드, 580nm 내지 630nm의 주 파장의 광을 발광하는 제3 발광 다이오드, 상기 제1 발광 다이오드 또는 상기 제2 발광 다이오드에 의해 여기되어 녹색계의 광을 발광하는 제1 형광체 및 상기 제1 발광 다이오드 또는 상기 제2 발광 다이오드에 의해 여기되어 적색계의 광을 발광하는 제2 형광체를 포함하고, 상기 제1 발광 다이오드, 제2 발광 다이오드 및 제3 발광 다이오드에 인가되는 전류 중 적어도 어느 하나 이상을 가변시켜, 외부로 방출되는 상기 발광 다이오드 및 상기 형광체에 의한 혼합광이 2000K 내지 6500K의 상관색온도를 갖도록 변환되는 것을 특징으로 하는 조명장치를 제공한다.
상기 제1 발광 다이오드, 상기 제2 발광 다이오드 및 상기 제3 발광 다이오드는 하나의 패키지로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 또 다른 측면은 패키지 본체, 상기 패키지 본체 상에 위치하는 복수의 발광 다이오드, 상기 발광 다이오드와 외부 회로와의 전기적 연결을 위한 리드 및 상기 발광 다이오드를 매립하고, 적어도 하나 이상의 형광체가 포함된 수지부를 포함하고, 상기 발광 다이오드는 445nm 내지 455nm의 주 파장의 광을 발광하는 제1 발광 다이오드, 455nm 내지 465nm의 주 파장의 광을 발광하는 제2 발광 다이오드 및 580nm 내지 630nm의 주 파장의 광을 발광하는 제3 발광 다이오드를 포함하고, 상기 형광체는 상기 제1 발광 다이오드 또는 상기 제2 발광 다이오드에 의해 여기되어 녹색계의 광을 발광하는 제1 형광체 및 적색계의 광을 발광하는 제2 형광체를 포함하고, 외부로 방출되는 상기 발광 다이오드 및 상기 형광체에 의한 혼합광이 2000K 내지 6500K의 상관색온도를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 패키지를 제공한다.
상기 제1 형광체에서 여기되어 발광되는 광은 535nm 내지 555nm의 주 파장을 갖고, 상기 제2 형광체에서 여기되어 발광되는 광은 620nm 내지 640nm의 주 파장을 갖을 수 있다.
상기 제2 발광 다이오드와 상기 제3 발광 다이오드는 직렬 연결된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 2000K 내지 6500K의 상관색온도의 빛을 구현할 수 있는 조명장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 조명장치에서 방출되는 혼합광은 CIE 색도도 상의 흑체 궤적을 따르면서 상관색온도가 변환될 수 있다.
또한, 하나의 발광 다이오드 패키지를 이용하여 상관색온도 변환을 구현함으로써, 발광 다이오드의 사용 개수를 줄일 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지의 상면도이다.
도 2는 도 1의 발광 다이오드 패키지를 A-A'로 절단한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지의 구동 회로를 나타낸 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지의 다른 구동 회로를 나타낸 회로도이다.
도 5는 C.I.E 1931 색도도에서 흑체 궤적을 나타낸 도표이다.
도 6은 C.I.E 색도도에서 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지에서 외부로 방출되는 혼합광의 상관색온도 가변 경로를 나타낸 도표이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명장치의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명장치의 분리 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지에 대하여 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지의 단면도이고, 도 2는 도 1의 발광 다이오드 패키지를 A-A'로 절단한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 발광 다이오드 패키지(10)는 패키지 본체(11), 복수개의 발광 다이오드(12), 리드(13) 및 수지부(14)를 포함한다.
패키지 본체(11)는 발광 다이오드(12)를 실장시키기 위한 캐비티(cavity)를 구비할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고 캐비티가 없는 패키지 본체도 가능하다.
복수개의 발광 다이오드(12)는 패키지 본체(11) 상에 실장될 수 있다. 예를 들어, 패키지 본체(11)의 캐비티 상에 복수개의 발광 다이오드(12)가 실장될 수 있다. 이 때, 패키지 본체(11) 중 적어도 캐비티의 측벽들 상에는 광반사 물질(미도시)이 위치할 수 있다. 이 경우에, 광반사 물질은 발광 다이오드(12)에서 방출된 광을 반사시켜 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
이 때의 발광 다이오드(12)는 제1 클래드층, 제2 클래드층 및 이들 사이에 개재된 발광층(활성층)을 구비하는 발광 다이오드일 수 있다. 제1 클래드층은 제1형 불순물 예를 들어, n형 불순물이 주입된 반도체층일 수 있다. 이러한 n형 불순물은 Si, N, B 또는 P 등일 수 있다. 또한, 제2 클래드층은 제2형 불순물 즉, p형 불순물이 주입된 반도체층일 수 있다. 이러한 p형 불순물은 Mg, N, P, As, Zn, Li, Na, K 또는 Cu 등일 수 있다. 또한, 활성층은 양자점 구조 또는 다중양자우물 구조(Multi Quantum Well Structure)를 가질 수 있다.
발광 다이오드(12)는 청색계의 광을 발광하는 제1 발광 다이오드(12a), 제1 발광 다이오드(12a)에서 발광되는 청색계의 광의 파장대보다 긴 파장대의 청색계의 광을 발광하는 제2 발광 다이오드(12b) 및 적색계의 광을 발광하는 제3 발광 다이오드(12c)를 포함할 수 있다.
청색계의 광을 발광하는 발광층은 GaN계 물질일 수 있다. 또한, 적색계의 광을 발광하는 발광층은 GaP:ZnO, GaAsP계 또는 GaAlAs계 물질일 수 있다.
제1 발광 다이오드(12a)에서 발광되는 광은 청색계의 파장을 방출하는데 예컨대, 445nm 내지 455nm의 주 파장을 갖을 수 있다.
또한, 제2 발광 다이오드(12b)에서 발광되는 광은 제1 발광 다이오드(12a)에서 발광되는 광의 파장보다 긴 청색계의 파장을 방출하는데 예컨대, 455nm 내지 465nm의 주 파장을 갖을 수 있다.
한편, 제3 발광 다이오드(12c)에서 발광되는 광은 적색계의 파장을 방출하는데, 예컨대, 580nm 내지 630nm의 주 파장을 갖을 수 있다.
본 발명에서는 445nm 내지 455nm의 주 파장을 갖는 발광 다이오드를 단파장 블루 LED라 정의하고, 455nm 내지 465nm의 주 파장을 갖는 발광 다이오드를 장파장 블루 LED라 정의하고, 580nm 내지 630nm의 주 파장을 갖는 발광 다이오드를 레드 LED라 정의한다.
리드(13)는 발광 다이오드(12)가 외부 회로와 전기적으로 연결시키도록 구비된다. 이러한 리드(13)는 한 쌍으로 이루어질 수 있다. 이 때의 리드(13)는 적어도 하나 이상의 한쌍의 리드(13)가 구비될 수 있다. 예를 들어, 리드(13)는 패키지 본체에 실장되는 발광 다이오드(12)의 수에 대응하여 구비될 수 있다. 예컨대, 3개의 발광 다이오드(12a, 12b, 12c)에 대응하여 3개의 리드(13a, 13b, 13c)가 구비될 수 있다.
한편, 발광 다이오드(12)와 리드(13) 사이에는 와이어(W)를 통하여 전기적으로 연결될 수 있다.
수지부(14)는 발광 다이오드(12)를 매립하여 형성된다. 즉, 수지부(14)는 발광 다이오드(12)를 보호하고 밀봉하는 역할을 한다. 이러한 수지부(14)는 투광성 수지층일 수 있다. 또한, 이러한 수지부(14)는 에폭시 계열 또는 실리콘 계열 재질로 이루어질 수 있다.
한편, 수지부(14)에는 적어도 하나 이상의 형광체(15)가 포함될 수 있다. 이러한 형광체(15)는 수지부(14) 내에 혼합되어 분포될 수도 있고, 수지부(14) 내 또는 수지부(14) 상에 별도의 형광체층으로 존재할 수도 있다.
이러한 형광체(15)는 제1 발광 다이오드(12a) 또는 제2 발광 다이오드(12b)에 의해 여기되어 녹색계의 광을 발광하는 제1 형광체(15a) 및 제1 발광 다이오드(12a) 또는 제2 발광 다이오드(12b)에 의해 여기되어 적색계의 광을 발광하는 제2 형광체(15b)를 포함할 수 있다.
이 때의 제1 형광체(15a)에서 발광 다이오드에 의해 여기되어 발광되는 광은 535nm 내지 555nm의 주 파장을 갖고, 제2 형광체(15b)에서 발광 다이오드에 의해 여기되어 발광되는 광은 620nm 내지 640nm의 주 파장을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 제1 형광체(15a) 및 제2 형광체(15b)의 중량비는 8 내지 9 : 1 내지 2일 수 있다.
한편, 이러한 형광체(15)는 실리케이트계 형광체, 황화물계 형광체, 질화물계 형광체 또는 이들의 혼합물질일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 발광 다이오드에 의해 여기되어 발광되는 광이 상술한 주 파장을 갖는 물질이면 어느 것이나 가능할 것이다.
예를 들어, 녹색계의 광을 발광하는 형광체는 Ba2SiO4:Eu2 +, Sr2SiO4:Eu2 +, SrAl2O4:Eu2+, Sr4Al14O25:Eu2 +, SrGa2S4:Eu2 +, CaGa2S4:Eu2 +, SrSi2AlO2-N3:Eu2 +, (Ca,Sr,Ba)Si2N2O2:Eu2+, YSiO2N:Tb3 +, Y2Si3O3N4:Tb3 +, Gd2Si3O3N4:Tb3 + 또는 이들의 혼합물질일 수 있다.
예를 들어, 적색계의 광을 발광하는 형광체는 Sr3SiO5:Eu2 +, SrS:Eu2 +, CaS:Eu2+, Sr2Si5N8:Eu2 +, Ca2Si5N8:Eu2 +, CaAlSiN3, (Ca,Sr,Ba)2Si5N8:Eu2 +, LaSi3N5:Eu2 + , Sr-α-SiAlON 또는 이들의 혼합물질일 수 있다.
이러한 발광 다이오드 패키지(10)는 제1 발광 다이오드(12a), 제2 발광 다이오드(12b) 및 제3 발광 다이오드(13c)에 인가되는 전류 중 적어도 어느 하나 이상을 가변시켜 외부로 방출되는 발광 다이오드(12) 및 형광체(15)에 의한 혼합광이 2000K 내지 6500K의 상관색온도를 갖도록 구현할 수 있다.
이러한 전류 가변은 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 제어에 의해 수행될 수 있다.
예를 들어, 제1 발광 다이오드(12a)에만 전류를 인가한 경우, 외부로 방출되는 제1 발광 다이오드(12a)와 제1 내지 제2 형광체(15a, 15b)에 의한 혼합광은 쿨 화이트(cool white)의 상관색온도를 구현할 수 있다.
다른 예를 들어, 제1 발광 다이오드(12a)에 전류를 인가한 상태에서, 제2 발광 다이오드(12b) 및 제3 발광 다이오드(12c)에 전류를 인가하는 경우, 제1 내지 제3 발광 다이오드(12a, 12b, 12c)와 제1 내지 제2 형광체(15a, 15b)에 의한 혼합광은 웜 화이트(warm white)의 상관색온도를 구현할 수 있다.
이 때, 쿨 화이트의 상관색온도는 5000K 내지 6500K이고, 웜 화이트의 상관색온도는 2000K 내지 3700K일 수 있다.
따라서, 단일 발광 다이오드 패키지(10)에 구비된 각 발광 다이오드(12)의 전류를 가변시킴으로써, 다양한 상관색온도를 갖는 혼합광을 방출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 하나의 단일 발광 다이오드 패키지를 이용한 조명장치를 제조할 경우, 각 발광 다이오드(12)의 전류를 가변시킴으로써 CCT 변환이 가능한 조명장치를 제공할 수 있다.
이러한 CCT 변환의 일 예로, 제1 발광 다이오드(12a)를 점등상태에서 제2 발광 다이오드(12b) 및 제3 발광 다이오드(12c)에 인가되는 전류를 가변시킬 경우, 외부로 방출되는 발광 다이오드(12) 및 형광체(15)에 의한 혼합광의 상관색온도는 쿨 화이트에서 웜 화이트로 CCT 변환될 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 제1 발광 다이오드(12a)에만 일정량의 전류를 인가하는 경우 쿨 화이트의 혼합광이 방출될 수 있다. 그 다음에, 제1 발광 다이오드(12a)에 인가된 전류를 감소시키면서, 제2 발광 다이오드(12b) 및 제3 발광 다이오드(12c)에 일정량의 전류를 인가시키는 경우, 웜 화이트의 혼합광이 방출될 수 있다.
한편, 제1, 제2 및 제3 발광 다이오드들(12a, 12b, 12c)을 각각 병렬로 연결하고, 각각의 발광 다이오드들(12a, 12b, 12c)에 인가되는 전류를 개별 제어할 수 있다.
또 한편, 제2 발광 다이오드(12b)와 제3 발광 다이오드(12c)를 직렬로 연결시킬 수 있다. 이 경우, 제2 발광 다이오드(12b) 및 제3 발광 다이오드(12c)를 직렬로 연결시킴으로써, 3개의 발광 다이오드에 인가되는 전류를 각각 제어하는 것보다 구동회로가 단순해질 수 있고, 구동회로에 사용되는 부품을 줄일 수 있어 경제성이 향상될 수 있다.
이 때, 발광 다이오드 패키지에서 외부로 방출되는 혼합광은 CIE 색도도 상의 흑체 궤적을 따르면서 상관색온도가 변환되는 효과가 있다.
예를 들어, 본 발명의 발광 다이오드 패키지에서 외부로 방출되는 혼합광은 CIE 색도도 상의 흑체 궤적 상의 적어도 한 점에 대한 델타 u'v'가 0.01 이하가 되는 x, y 색 좌표를 갖을 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 하나의 발광 다이오드 패키지를 이용하여 상관색온도 변환을 구현함으로써, 발광 다이오드의 사용 개수를 줄일 수 있는 장점이 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 발광 다이오드 패키지의 구동 회로에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지의 구동 회로를 나타낸 회로도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지(CCT PKG)를 이용하여 구동 회로를 구성하였다.
제1 발광 다이오드(12a)를 하나의 스트링에 연결하고, 제2 발광 다이오드(12b)와 제3 발광 다이오드(12c)를 직렬로 연결하여 다른 하나의 스트링에 연결하였다.
발광 다이오드 패키지의 입력단에는 스트링 별로 각각 정전류 회로를 연결하고, 발광 다이오드 패키지의 출력단에는 스트링 별로 제어부에 의해 온, 오프 동작이 제어되는 스위칭부를 각각 연결하였다.
이 때의 스위칭부는 트랜지스터, 예컨대 MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)일 수 있다.
이 때의 제어부는 스위칭부의 동작을 제어하는 제어회로일 수 있다. 또한, 제어회로는 제어IC일 수 있다. 예를 들어, 제어부는 PWM 제어회로일 수 있다. 따라서, 제어부는 스위칭부에 PWM 신호를 출력하여 스위칭부의 동작을 제어할 수 있다.
따라서, 이러한 제어부는 제1 발광 다이오드(12a)에 인가되는 제1 전류 및 제2 발광 다이오드(12b) 및 제3 발광 다이오드(12c)에 인가되는 제2 전류 중 적어도 어느 하나 이상을 가변시킬 수 있고, 이를 통해 CCT 변환이 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지에 상술한 구동 회로를 구성하고, 각각의 발광 다이오드에 인가되는 전류를 가변하여 상관색온도 가변을 진행하였다.
이 때의 제1 발광 다이오드(12a)는 450nm 파장이 주 파장인 단파장 블루 LED이고, 제2 발광 다이오드(12b)는 458nm 파장이 주 파장인 장파장 블루 LED이고, 제3 발광 다이오드(12c)는 630nm 파장이 주 파장인 레드 LED이다.
또한, 이 때의 제1 형광체(15a)는 여기되는 광의 주 파장이 545nm인 형광체이고, 제2 형광체(15b)는 여기되는 광의 주 파장이 630nm인 형광체이다. 또한, 이러한 제1 형광체와 제2 형광체를 약 8:2의 중량비로 혼합하여 사용하였다.
하기 표 1은 상술한 바에 따라 발광 다이오드 패키지의 구동 회로에서 각 발광 다이오드에 인가되는 전류를 가변하여 상관색온도 가변을 진행한 결과표이다.
단파장 블루 LED(mA) 장파장 블루 LED
+ 레드 LED(mA)		 Current
(mA)		 Voltage
(V)		 Photometric/lm CCT(K) Ra
60 0 0 1.0 1.51 E+01 5012 81
50 3 3 2.3 1.32 E+01 4650 90
40 10 10 3.9 1.13 E+01 4120 92
30 19 19 4.7 1.10 E+01 3640 92
20 26 26 4.8 1.07 E+01 3314 93
10 33 33 5.0 1.02 E+01 2940 93
표 1을 참조하면, 단파장 블루 LED에 인가된 제1 전류는 60mA이고, 장파장 블루 LED과 레드 LED에는 전류를 인가하지 않은 경우, 발광 다이오드 패키지의 외부로 방출되는 혼합광의 상관색온도는 5012K이고, 연색지수는 81이다. 따라서, 본 발명의 발광 다이오드 패키지를 이용하여 쿨 화이트의 상관색온도를 갖는 혼합광을 구현할 수 있음을 알 수 있다.
그 다음에, 단파장 블루 LED에 인가되는 전류를 감소시키면서, 장파장 블루 LED과 레드 LED에 인가되는 전류를 증가시켰다.
단파장 블루 LED에 인가된 전류는 10mA이고, 장파장 블루 LED과 레드 LED에 인가된 제2 전류는 33mA인 경우, 발광 다이오드 패키지의 외부로 방출되는 혼합광의 상관색온도는 2940K이고, 연색지수는 93이다. 따라서, 본 발명의 발광 다이오드 패키지를 이용하여 웜 화이트의 상관색온도를 갖는 혼합광을 구현할 수 있음을 알 수 있다.
결국, 제1 발광 다이오드(12a)를 점등상태에서 제2 발광 다이오드(12b) 및 제3 발광 다이오드(12c)에 인가되는 전류를 가변시킬 경우, 외부로 방출되는 혼합광의 상관색온도를 쿨 화이트에서 웜 화이트로 변환시킬 수 있음을 알 수 있다. 이 때, 제1 발광 다이오드(12a)에 인가되는 전류는 일정량 감소시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지의 구동 회로를 나타낸 회로도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지(CCT PKG)를 이용하여 구동 회로를 구성하였다.
도 4의 구동 회로에 의하면, 제1 발광 다이오드(12a), 제2 발광 다이오드(12b) 및 제3 발광 다이오드(12c)를 병렬로 연결하고, 각각 스위칭부를 연결하고, 각각의 스위칭부는 제어부에 의해 동작 제어된다.
따라서, 이러한 구동 회로에 의해 각 발광 다이오드에 인가되는 전류를 개별 제어할 수 있음을 알 수 있다.
한편, 상술한 표 1에 의해 상관색온도 변환된 혼합광을 C.I.E 색도도에 좌표로 표시하였다.
도 5는 C.I.E 1931 색도도에서 흑체 궤적을 나타낸 도표이고, 도 6은 C.I.E 색도도에서 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지에서 외부로 방출되는 혼합광의 상관색온도 가변 경로를 나타낸 도표이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 발광 다이오드 패키지의 구동 회로에서 각 발광 다이오드에 인가되는 전류를 가변하여 상관색온도 가변을 진행한 결과, 이러한 전류 가변에 따라 구현된 혼합광의 좌표는 흑체 궤적을 따름을 알 수 있다.
또한, 이러한 혼합광은 2000K 내지 6500K의 상관색온도를 구현함을 알 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 조명장치에 대하여 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명장치의 사시도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명장치의 분리 사시도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 조명장치는 히트싱크(100), 렌즈 유닛(200), 발광 유닛(300), 전장부(미도시), 케이스(500) 및 전원 소켓(600)을 포함한다.
히트싱크(Heat sink, H, 100)는 외관을 형성하며 중공부(111)를 갖는 외측 하우징(110) 및 이러한 중공부(111)에 배치되며, 길이방향으로 연장된 내측 하우징(120)을 포함할 수 있다.
외측 하우징(110)은 조명장치가 작동 시, 발광 유닛(300)에서 발생하는 열을 외부로 발산하기 위하여 무게가 가볍고 열 전도성이 높은 재질로 형성될 수 있고, 바람직하게 수지 재질로 형성될 수 있다.
중공부(111)는 외측 하우징(110)의 길이방향을 따라 관통하여 형성되어 있고, 예컨대, 중공부(111)는 실린더 형상을 가질 수 있다. 이러한 중공부(111)에는 내측 하우징(120), 전장부, 케이스(500) 등이 삽입될 수 있다.
내측 하우징(120)은 외측 하우징(110)의 중공부에 마련된다. 내측 하우징(120)에는 외측 하우징(110)을 향하여 돌출된 복수의 핀을 마련할 수 있다. 이러한 핀들은 내측 하우징의 표면적을 증가시키고, 내측 하우징과 외측 하우징의 접촉 면적을 증가시켜 방열 효율을 향상킬 수 있다.
따라서, 발광 유닛(300)에서 발생한 열은 내측 하우징(120)으로 전달되고, 내측 하우징(120)으로 전달된 열은 외측 하우징(110)을 통해 외부로 발산되며, 조명장치의 방열이 이루어진다.
렌즈 유닛(200)은 외측 하우징(110)에 장착된다. 렌즈 유닛(200)은 외측 하우징(110)에 장착된 발광 유닛(300)에서 방출되는 빛을 외부로 안내하는 기능을 수행하고, 적어도 하나 이상의 집광렌즈를 포함할 수 있다.
이러한 렌즈 유닛(200)은 발광 유닛(300)에서 방출되는 빛을 확산시켜 발광 효율을 향상시킬 수 있도록, 폴리카보네이트 또는 아크릴 등의 수지로 이루어진 확산판을 벌브(bulb) 형태로 성형하는 것으로 제조될 수 있다.
발광 유닛(300)은 기판(310)과 기판(310)에 실장된 발광 다이오드 패키지(10)를 포함한다. 예를 들어, 발광 다이오드 패키지(10)는 인쇄회로기판 상에 표면실장기술(SMT) 방식으로 부착될 수 있다.
이러한 발광 다이오드 패키지(10)는 445nm 내지 455nm의 주 파장의 광을 발광하는 제1 발광 다이오드, 455nm 내지 465nm의 주 파장의 광을 발광하는 제2 발광 다이오드 및 580nm 내지 630nm의 주 파장의 광을 발광하는 제3 발광 다이오드, 제1 발광 다이오드 또는 제2 발광 다이오드에 의해 여기되어 녹색계의 광을 발광하는 제1 형광체 및 적색계의 광을 발광하는 제2 형광체를 포함한다. 이러한 발광 다이오드 패키지(10)는 외부로 방출되는 발광 다이오드 및 형광체에 의한 혼합광이 2000K 내지 6500K의 상관색온도를 갖는 것을 특징으로 한다.
이러한 제1 형광체에서 여기되어 발광되는 광은 535nm 내지 555nm의 주 파장을 갖고, 제2 형광체에서 여기되어 발광되는 광은 620nm 내지 640nm의 주 파장을 갖을 수 있다.
이러한 발광 다이오드 패키지(10)의 자세한 내용은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 내용과 동일한 바, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
한편, 발광 유닛(300)은 내측 하우징(120)에 장착될 수 있다. 즉, 발광 유닛(300)의 기판(310)은 내측 하우징(120)에 체결될 수 있다. 이를 위하여 조명 장치는 발광 유닛(300)의 기판(310)을 관통하여 내측 하우징(120)에 고정되는 체결수단(미도시)을 추가로 포함할 수 있다.
이러한 체결수단은 스크류일 수 있으며, 기판(310)에는 발광 다이오드 발광 다이오드 패키지(10)가 실장된 일면과 그 배면을 관통하는 제1 체결홀(311)이 마련되고, 내측 하우징(120)에는 제1 체결홀(311)과 대응되는 위치에 제2 체결홀(121)이 마련될 수 있다.
한편, 조명 장치는 발광 유닛(300)과 내측 하우징(120) 사이에 배치되는 열전도 패드(400)를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 열전도 패드(400)가 발광 유닛(300)과 내측 하우징(120) 사이에 배치되는 경우 열전도 패드(400)에는 기판(310)의 제1 체결홀(311) 및 내측 하우징(120)의 제2 체결홀(121)과 대응되는 위치에 제3 체결홀(401)이 마련될 수 있다. 따라서, 이러한 구조에서 상술한 체결수단에 의하여 발광 유닛(300)과 열전도 패드(400)가 내측 하우징(120)에 고정될 수 있다.
따라서, 열전도 패드(400)는 발광 유닛(300)과 내측 하우징(120) 사이의 열 전달 성능을 높이고, 발광 유닛(300)과 내측 하우징(120)의 접촉면적을 증가시켜 방열 효율을 향상시킬 수 있다.
전장부(미도시)는 외측 하우징(110)의 중공부(111)에 배치되며, 발광 유닛(300)과 전기적으로 연결된다. 이러한 전장부는 발광 유닛(300)에 전원을 공급하며, 발광 유닛과 전기적으로 연결되는 회로부 및 이러한 회로부를 절연시키기 위하여 회로부와 케이스 사이 공간에 충진되는 절연부를 포함할 수 있다. 이러한 회로부는 상술한 각 발광 다이오드에 인가되는 전류를 가변시킬 수 있는 제어부를 포함하는 구동회로를 포함할 수 있다. 예컨대, 이러한 전류 가변은 PWM 제어에 의해 수행될 수 있다.
예를 들어, 이 때의 제어부는 발광 다이오드 패키지의 제1 발광 다이오드, 제2 발광 다이오드 및 제3 발광 다이오드에 인가되는 전류 중 적어도 어느 하나 이상을 가변시켜, 조명장치의 외부로 방출되는 발광 다이오드 및 형광체에 의한 혼합광이 2000K 내지 6500K의 상관색온도를 갖도록 변환시킬 수 있다.
또 다른 예로서, 제2 발광 다이오드와 제3 발광다이오드를 직렬로 연결한 경우, 제어부는 제1 발광 다이오드에 인가되는 전류 및 제2 발광 다이오드와 제3 발광 다이오드에 인가되는 전류 중 적어도 어느 하나 이상을 가변시켜, 외부로 방출되는 발광 다이오드 및 형광체에 의한 혼합광이 2000K 내지 6500K의 상관색온도를 갖도록 변환시킬 수 있다.
또 다른 예로서, 이 때의 제어부는 제1 발광 다이오드를 점등상태에서 제2 발광 다이오드 및 제3 발광 다이오드에 인가되는 전류를 가변시켜, 조명장치의 외부로 방출되는 발광 다이오드 및 형광체에 의한 혼합광의 상관색온도를 쿨 화이트(cool white)에서 웜 화이트(warm white)로 CCT 변환시킬 수 있다.
한편, 회로부와 케이스 사이 공간에 충진되는 절연부는 실리콘으로 형성될 수 있다.
케이스(500)는 전장부를 둘러싸며 외측 하우징(110)의 중공부(111)에 삽입된다. 예를 들어, 케이스(500)는 일부 영역이 내측 하우징(120) 내부에 배치되도록 외측 하우징(110)의 중공부(111)에 삽입될 수 있다.
또한, 케이스(500) 및 외측 하우징(110)의 중공부(111)에는 케이스(500)의 용이한 삽입을 위한 구조가 각각 마련될 수 있다. 일 예로서, 케이스(500)의 외주면에는 가이드 돌기(미도시)가 마련될 수 있고, 외측 하우징(110)의 중공부(111)의 내주면에는 삽입과정에서 케이스(500)의 가이드 돌기가 안내되는 가이드 홈부(미도시)가 마련될 수 있다.
전원 소켓(600)은 케이스(500)에 장착될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 조명장치는 2000K 내지 6500K의 상관색온도의 빛을 구현할 수 있다. 나아가, 이러한 조명장치에서 방출되는 혼합광은 CIE 색도도 상의 흑체 궤적을 따르면서 상관색온도가 변환될 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10: 발광 다이오드 패키지 11: 패키지 본체
12: 발광 다이오드 12a: 제1 발광 다이오드
12b: 제2 발광 다이오드 12c: 제3 발광 다이오드
13, 13a, 13b, 13c: 리드 14: 수지부
15: 형광체 15a: 제1 형광체
15b: 제2 형광체 100: 히트싱크
110: 외측 하우징 111: 중공부
120: 내측 하우징 200: 렌즈 유닛
300: 발광 유닛 310: 기판
400: 열전도 패드 500: 케이스
600: 전원 소켓

Claims (10)

  1. 청색계의 광을 발광하는 제1 발광 다이오드;
    상기 제1 발광 다이오드에서 발광되는 청색계의 광의 파장대보다 긴 파장대의 청색계의 광을 발광하는 제2 발광 다이오드;
    상기 제2 발광 다이오드와 직렬로 연결되어 동시에 구동되며 적색계의 광을 발광하는 제3 발광 다이오드;
    상기 제1 발광 다이오드 또는 상기 제2 발광 다이오드에 의해 여기되어 녹색계의 광을 발광하는 제1 형광체; 및
    상기 제1 발광 다이오드 또는 상기 제2 발광 다이오드에 의해 여기되어 적색계의 광을 발광하는 제2 형광체를 포함하고,
    상기 제1 형광체와 상기 제2 형광체의 중량비는 8 내지 9 : 1 내지 2이고,
    상기 제1 형광체 및 상기 제2 형광체는 상기 제1 발광 다이오드 및 제2 발광 다이오드의 광을 흡수하여 변환되고,
    상기 제1 발광 다이오드에 인가되는 전류 및 상기 제2 발광 다이오드와 상기 제3 발광 다이오드에 인가되는 전류 중 적어도 어느 하나 이상을 가변시켜, 외부로 방출되는 상기 발광 다이오드 및 상기 형광체에 의한 혼합광이 2000K 내지 6500K의 상관색온도를 갖도록 변환되고,
    상기 제1 발광 다이오드만 전류를 인가하여 제1 색상을 발광하거나, 상기 제1 내지 제3 발광 다이오드에 전류를 인가하여 제2 색상을 발광하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 발광 다이오드에서 발광되는 광은 445nm 내지 455nm의 주 파장을 갖고,
    상기 제2 발광 다이오드에서 발광되는 광은 455nm 내지 465nm의 주 파장을 갖고,
    상기 제3 발광 다이오드에서 발광되는 광은 580nm 내지 630nm의 주 파장을 갖는 조명장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 형광체에서 여기되어 발광되는 광은 535nm 내지 555nm의 주 파장을 갖고,
    상기 제2 형광체에서 여기되어 발광되는 광은 620nm 내지 640nm의 주 파장을 갖는 조명장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 발광 다이오드를 점등상태에서 상기 제2 발광 다이오드와 제3 발광 다이오드에 인가되는 전류를 가변시켜, 외부로 방출되는 상기 발광 다이오드 및 상기 형광체에 의한 혼합광이 2000K 내지 6500K의 상관색온도를 갖도록 변환되는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  5. 제1항에 있어서,
    전류 가변은 펄스 폭 변조(PWM) 제어에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 발광 다이오드, 상기 제2 발광 다이오드 및 상기 제3 발광 다이오드는 하나의 패키지로 구성된 것을 특징으로 하는 조명장치.
  8. 패키지 본체;
    상기 패키지 본체 상에 위치하는 복수의 발광 다이오드;
    상기 발광 다이오드와 외부 회로와의 전기적 연결을 위한 리드; 및
    상기 발광 다이오드를 매립하고, 적어도 하나 이상의 형광체가 포함된 수지부를 포함하고,
    상기 발광 다이오드는 445nm 내지 455nm의 주 파장의 광을 발광하는 제1 발광 다이오드, 455nm 내지 465nm의 주 파장의 광을 발광하는 제2 발광 다이오드 및 580nm 내지 630nm의 주 파장의 광을 발광하는 제3 발광 다이오드를 포함하고,
    상기 제2 발광 다이오드와 상기 제3 발광 다이오드는 직렬 연결되어 동시에 구동되고,
    상기 형광체는 상기 제1 발광 다이오드 또는 상기 제2 발광 다이오드에 의해 여기되어 녹색계의 광을 발광하는 제1 형광체 및 적색계의 광을 발광하는 제2 형광체를 포함하고, 상기 제1 형광체와 제2 형광체의 중량비는 8 내지 9 : 1 내지 2이고,
    상기 제1 형광체 및 상기 제2 형광체는 상기 제1 발광 다이오드 및 제2 발광 다이오드의 광을 흡수하여 변환되고,
    외부로 방출되는 상기 발광 다이오드 및 상기 형광체에 의한 혼합광이 2000K 내지 6500K의 상관색온도를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 패키지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 형광체에서 여기되어 발광되는 광은 535nm 내지 555nm의 주 파장을 갖고,
    상기 제2 형광체에서 여기되어 발광되는 광은 620nm 내지 640nm의 주 파장을 갖는 발광 다이오드 패키지.
  10. 삭제
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