KR20090019766A

KR20090019766A - 원하는 광색을 발생하는 광원 및 방법

Info

Publication number: KR20090019766A
Application number: KR1020087022067A
Authority: KR
Inventors: 퀑 맨; 이안 애쉬다운
Original assignee: 티아이알 테크놀로지 엘피
Priority date: 2006-02-10
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2009-02-25
Also published as: CN101379889A; CA2641782A1; WO2007090283A1; JP2009526385A; EP1994802A4; US20100259182A1; EP1994802A1

Abstract

광원은 제1 파장 범위를 갖는 광을 발생하는 하나 이상의 제1 발광 소자 및 제2 파장 범위를 갖는 광을 발생하는 하나 이상의 제2 발광 소자를 포함한다. 제1 발광 소자 및 제2 발광 소자는 그에 제공되는 개별적인 제어 신호에 응답한다. 제어 시스템은 하나 이상의 감지 장치로부터 동작 온도를 나타내는 신호를 수신하고 원하는 광색 및 동작 온도에 기초하여 제1 및 제2 제어 신호를 결정한다. 수신된 제1 및 제2 제어 신호의 결과로서 제1 및 제2 발광 소자에 의해 방출된 광이 원하는 광색을 실질적으로 획득하기 위해 혼합된다. 따라서, 발생된 원하는 광색은 발광 소자의 동작 특성의 접합 온도 유도 변화(junction temperature induced change)에 실질적으로 무관할 수 있다.

광원 세기 제어, 발광 소자, 감지 장치, 방사 세기 모델

Description

원하는 광색을 발생하는 광원 및 방법{LIGHT SOURCE INTENSITY CONTROL SYSTEM AND METHOD}

본 발명은 조명 분야에 관한 것으로서, 특히 광원의 세기 제어 시스템에 관한 것이다.

반도체 발광 다이오드(LED) 및 유기 발광 다이오드(OLED)의 발전에서의 최근의 진보에 의해 이들 장치가, 예를 들어, 건축, 연예, 및 도로 조명을 비롯한 일반 조명 응용에 사용하기 적합하게 되었다. 그 자체로서, 이들 장치는 백열등, 형광등 및 고휘도 방전등 등의 광원에 대해 점점 경쟁력있게 되어 가고 있다.

그의 자연 조명 특성으로 인해, 백색광이 통상적으로 선호되는 조명이다. 주변 조명에 사용되는 LED-기반 발광체 및 액정 디스플레이(LCD)의 LED-기반 백라이팅에 대한 중요한 고려사항은 자연 백색광을 생성할 필요성이다. 백색광은 서로 다른 컬러 LED로부터 방출되는 광을 혼합함으로써 발생될 수 있다.

광의 스펙트럼 내용(spectral content of light)을 특성화하는 다양한 표준이 제안되었다. 테스트 광원에 의해 방출된 광을 특성화하는 한가지 방식은 그 광을 흑체(black body)에 의해 방사되는 광과 비교하고 흑체의 인지된 색이 테스트 광원의 인지된 색과 가장 잘 일치하는 흑체의 온도를 알아내는 것이다. 그 온도가 상관색 온도(correlated colour temperature, CCT)라고 하며 보통 켈빈(Kelvin, K)으로 측정된다. CCT가 높을수록, 더 푸르거나, 광이 더 차갑게 보인다. CCT가 낮을수록, 더 붉거나, 광이 더 따뜻하게 보인다. 백열 전구는 약 2857K의 CCT를 가지며, 형광등은 약 3200K 내지 6500K 범위의 CCT를 가질 수 있다.

게다가, 광의 속성들이 광속(luminous flux) 및 색도(chromaticity)로 특성화될 수 있다. 광속은 광의 측정가능한 양(amount)을 정의하는 데 사용되고, 색도는, 광의 인지된 밝기에 상관없이, 광의 인지된 색인상(colour impression)을 정의하는 데 사용된다. 색도 및 광속은 CIE(Commission Internationale de l'Eclairage)의 표준에 따른 단위로 측정된다. CIE 색도 표준은 색도도(chromaticity diagram)에서의 위치를 규정하는 색도 좌표(chromaticity coordinate)에 기초하여 광의 색조(hue) 및 채도(saturation)를 정의한다. 광의 색도 좌표는 3자극치(tristimulus value)로부터 도출되고 3자극치의 이들의 합에 대한 비로서 표현되는데, 즉 x=X/(X+Y+Z), y=Y/(X+Y+Z), z=Z/(X+Y+Z)[단, x, y 및 z는 색도 좌표이고, X, Y 및 Z는 3자극치임]이다. x+y+z=l이기 때문에, 예를 들어, x 및 y 등의 2개의 색도 좌표만 지정하면 된다. CCT 값은 대응하는 색도 좌표로 변환될 수 있다.

그의 성공에도 불구하고, LED-기반 광원은 다수의 파라미터에 의해 복잡한 방식으로 영향을 받을 수 있다. LED의 색도 및 광속 출력은, CCT, 보다 일반적으로는 방출된 광의 색도에 바람직하지 않은 영향을 줄 수 있는 접합 온도에 크게 의존할 수 있다.

온도 의존성을 무시하는 경우, LED에 의해 방출된 광의 양은 그의 순간 순방향 전류(instantaneous forward current)에 비례한다. LED가 약 60Hz보다 큰 속도로 펄스로 구동되는 경우, 사람의 시각 시스템은 개개의 펄스가 아니라 시간-평균된 광의 양을 인지한다. 그 결과, 광원 밝기 조절(light source dimming)은, 펄스폭 변조(PWM) 또는 펄스 코드 변조(PCM) 등의 기술을 사용하여, 시간-평균된 순방향 전류의 양을 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 그렇지만, 평균 순방향 전류의 변화는 LED의 접합 온도에 영향을 줄 수 있으며, 이에 의해 스펙트럼 전력 분포, 따라서 LED에 의해 방출된 광의 CCT 또는 색도 및 광속이 변경될 수 있다. 원하는 색도의 혼합광을 발생하기 위해 다양한 컬러 LED가 사용될 때, 이 효과의 보상이 복잡하게 될 수 있다. M. Dyble의 "Impact of Dimming White LEDs: Chromaticity Shifts Due to Different Dimming Methods(백색 LED의 밝기 조절의 영향: 서로 다른 밝기 조절 방법으로 인한 색도 천이)," Fifth International Conference on Solid State Lighting, Bellingham, WA; SPIE Vol. 5941, 2005에서 언급된 바와 같이, 결과 혼합광의 색 표출(colour appearance)이 용납하기 어려울 정도로 변할 수 있는데, 그 이유는 개개의 LED의 스펙트럼 전력 분포가 변할 수 있기 때문이다.

LED 접합 온도 변동은 또한 결과 출력광의 스펙트럼 전력 분포에 원하지 않는 효과를 야기할 수 있다. 접합 온도의 변동은 광속 출력(luminous flux output)을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 혼합광의 CCT에 바람직하지 않은 변동을 야기할 수도 있다. 게다가, LED의 과열은 또한 LED의 수명을 감소시킬 수 있다.

이들 제약을 극복하기 위해, 자연 백색광을 발생하는 다양한 방법들이 제안 되었다. Nishimura의 미국 특허 제6,448,550호는 서로 다른 컬러의 복수의 LED를 가지며 광 피드백(optical feedback)을 사용하는 고상 조명 장치(solid-state illumination device)를 개시하고 있다. LED로부터의 광은 LED에 아주 근접하여 설치된 감광 센서에 의해 측정되고 이전에 측정된 스펙트럼 전력 분포에 대한 일련의 참조 응답과 비교된다. LED로부터의 광에 대한 센서 응답과 이전에 측정된 스펙트럼 전력 분포에 대한 센서 응답 간의 변동의 양은 LED로부터의 광이 사전 결정된 스펙트럼 전력 분포에 가능한 한 가깝도록 유지하기 위해 LED로의 전류를 조절하는 기초로서 사용된다. Nishimura 참조 문헌이 원하는 색특성을 갖는 출력광의 스펙트럼 전력 분포의 제어를 달성하는 방법을 제공하지만, 이는 복잡한 광 피드백 시스템을 사용한다.

Muthu의 미국 특허 제6,507,159호는 복수의 적색, 녹색 및 청색광 LED를 갖는 LED-기반 조명 장치(luminaire)가 색혼합에 의해 원하는 광을 발생하는 제어 방법 및 시스템을 개시하고 있다. Muthe의 특허는 필터를 갖는 광 다이오드(filtered photodiode)를 포함하는 피드백 시스템을 갖는 제어 시스템, LED의 3자극값을 결정하는 수학적 변환, 및 LED의 순방향 전류를 조절하기 위해 피드백 3자극값과 원하는 참조 3자극값 간의 차이를 해소하여 3자극값의 차이가 0으로 감소되도록 하는 참조-추적 제어기를 제공함으로써 원하는 광의 광속 출력 및 CCT의 원하지 않는 변동을 경감시키려고 하고 있다. 그렇지만, 수학적 변환을 위해 Muthu에서 필요로 하는 계산으로 인해, 예를 들어, 밝기 조절 동작 동안에 시각적 플리커(visual flicker)를 피하기에 충분히 빠른 응답 시간을 갖는 광 피드백 시스템을 구현하는 일이 어렵게 될 수 있다.

Muthu 등의 미국 특허 제6,576,881호는 적색, 녹색 및 청색 LED에 의해 발생된 출력광을 제어하는 방법 및 시스템을 개시하고 있다. LED에 근접하여 배치된 센서는 출력광의 제1 일련의 대략적인 3자극값을 검출한다. 제1 일련의 3자극값이 제어기로 전달되고, 이 제어기는 이들 값을, 표준 비색 시스템을 나타내는 제2 일련의 3자극값으로 변환한다. 제2 일련의 3자극값과 일련의 사용자-지정된 3자극값 간의 차이에 기초하여 LED의 상대 광속 출력이 조절된다. 이 구성에 기초하면, 일부의 이전에 알려져 있는 종래 기술에서와 같이, 수학적 변환을 위해 필요한 계산으로 인해, 예를 들어, 밝기 조절 동작 동안에 시각적 플리커를 피하기에 충분히 빠른 응답 시간을 갖는 광 피드백 제어 시스템을 구현하는 것에 어렵게 될 수 있다.

Schuurmans의 미국 특허 제6,630,801호는 RGB색의 복수의 LED로부터의 색광(coloured light)을 혼합함으로써 생성되는 결과광의 색점(colour point)을 감지하는 방법 및 시스템을 제공한다. 이 시스템은 LED로부터의 광에 반응하는 필터를 갖는 광 다이오드(filtered photodiode) 및 필터를 갖지 않는 광 다이오드(unfiltered photodiode)로부터 획득된 값에 기초하여 결과광의 색도에 대응하는 피드백 값을 발생하는 피드백 유닛을 포함하고 있다. 이 시스템은 또한 피드백 값과 원하는 결과광의 색도를 나타내는 값 간의 차이에 기초하여 결과광을 조절하는 제어기를 포함하고 있다. Schuurmans 참조 문헌이 원하는 색특성을 갖는 출력광의 스펙트럼 전력 분포의 제어를 달성하는 방법을 제공하지만, 이도 역시 복잡한 광 피드백 시스템을 사용한다.

Muthu 등의 미국 특허 공개 제2003/0230991호는 전자 디스플레이의 LED-기반 백색광 백라이팅 시스템을 개시하고 있다. Muthu 등의 백라이팅 시스템은 광색(light colour)의 결합이 백색광을 생성하도록 배열된 서로 다른 광색의 복수의 LED를 포함한다. 이 시스템은 또한 백색광의 광속(luminous flux), 방사속(radiant flux) 또는 3자극 레벨을 모니터링하고 피드백 제어에 의해 백색광의 광속 및 색도를 제어하는 마이크로프로세서를 포함하고 있다. Muthu 등의 백라이팅 시스템은 LED의 대략적인 3자극값을 결정하기 위해 필터를 갖는 광 다이오드를 사용하고 백색광의 광속 및 색도를 조절한다. Muthu 등의 참조 문헌이 원하는 색특성을 갖는 출력광의 스펙트럼 전력 분포의 제어를 달성하는 방법을 제공하지만, 이는 복잡한 광 피드백 시스템을 사용한다.

역시 Muthu의 미국 특허 제6,441,558호도 여러 색온도의 광을 발생하는 다중색 LED-기반 조명 장치(luminaire)를 개시하고 있다. 각각의 컬러 LED 어레이에 대한 원하는 광속 출력(luminous flux output)이 원하는 광의 색도 및 LED의 접합 온도에 기초하여 LED에 공급되는 전류를 조절하는 제어기 시스템을 사용하여 달성된다. Muthu 등의 LED-기반 조명 장치와 연관된 단점들 중 하나는, LED 어레이의 광속을 측정하기 위해, 폴링 시퀀스(polling sequence)에 의해 제어기로 전달되는 LED로부터의 광속을 구하는 데 광 피드백 센서가 사용된다는 것이다. Muthu 등에 따르면, 측정 시퀀스는 동작 중인 모든 LED 어레이의 광속 출력을 측정하는 것으로 시작한다. 각각의 LED 어레이는 교대로 짧게 "OFF" 절환되고, 추가의 측정이 행해 진다. 초기 측정과 그 다음 측정 간의 차이는 OFF로 된 LED 어레이로부터의 광출력을 제공한다. 나머지 LED 어레이에 대해 광출력의 측정이 반복된다. 다시 말하면, Muthu 등의 참조 문헌이 원하는 색특성을 갖는 출력광의 스펙트럼 전력 분포의 제어를 달성하는 방법을 제공하지만, 이는 복잡한 광 피드백 시스템을 사용한다. 그에 부가하여, Muthu 등에 의해 개시된 이 절차의 단점은 광 피드백 시스템에 요구되는 저주파수에서의 ON 및 OFF 사이클 동안에 LED에 가해지는 과도한 양의 열응력이다.

따라서, 광원에 의해 방출되는 광에 대한 장치 접합 온도 효과를 고려할 수 있는 비교적 간단한 광원 세기 제어 시스템 및 방법이 필요하다.

이러한 배경 정보는 출원인이 본 발명에 관련이 있을 것으로 생각하는 정보를 나타내기 위해 제공된다. 이상의 정보가 본 발명에 대한 종래 기술을 구성하는 것으로 인정하기 위한 것이 아니며 그렇게 해석되어서도 안된다.

<발명의 요약>

본 발명의 목적은 광원 세기 제어 시스템 및 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 일 양태에 따르면, 원하는 광색(colour of light)을 발생하는 광원이 제공되고, 상기 광원은, 제1 제어 신호에 응답하여, 제1 파장 범위를 갖는 제1 광을 발생하는 하나 이상의 제1 발광 소자, 제2 제어 신호에 응답하여, 제2 파장 범위를 갖는 제2 광을 발생하는 하나 이상의 제2 발광 소자, 상기 하나 이상의 제1 발광 소자 및 상기 하나 이상의 제2 발광 소자의 동작 온도를 나타내는 하나 이상의 신호를 발생하는 하나 이상의 감지 장치, 및 상기 하나 이상의 신호를 수신하도록 구 성되어 있고 상기 동작 온도 및 상기 원하는 광색에 기초하여 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호를 결정하도록 구성되어 있는, 상기 하나 이상의 제1 발광 소자, 상기 하나 이상의 제2 발광 소자 및 상기 하나 이상의 감지 장치에 연결되어 동작하는 제어 시스템을 포함하며, 상기 원하는 광색을 생성하기 위해 상기 제1 광 및 상기 제2 광이 혼합된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 원하는 광색을 발생하는 방법이 제공되며, 이 방법은, 제1 스펙트럼을 갖는 제1 광을 제공하는 하나 이상의 제1 발광 소자의 제1 동작 온도를 결정하는 단계, 제2 스펙트럼을 갖는 제2 광을 제공하는 하나 이상의 제2 발광 소자의 제2 동작 온도를 결정하는 단계, 상기 제1 동작 온도의 상기 제1 스펙트럼에 대한 효과를 나타내는 제1 스펙트럼 방사 세기 모델을 제공하는 단계, 상기 제2 동작 온도의 상기 제2 스펙트럼에 대한 효과를 나타내는 제2 스펙트럼 방사 세기 모델을 제공하는 단계, 상기 제1 스펙트럼 방사 세기 모델, 상기 제2 스펙트럼 방사 세기 모델, 상기 원하는 광색, 상기 제1 동작 온도 및 상기 제2 동작 온도에 기초하여 제1 제어 신호 및 제2 제어 신호를 결정하는 단계, 상기 하나 이상의 제1 발광 소자에 상기 제1 제어 신호를 제공하는 단계, 상기 하나 이상의 제2 발광 소자에 상기 제2 제어 신호를 제공하는 단계, 및 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 상기 원하는 광색을 갖는 혼합광(mixed light)으로 혼합(blend)하는 단계를 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광원을 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 청색 발광 다이오드의 측정된 스펙트럼 방사 세기(measured spectral radiant intensity) 및 이중 가우시안 모델링된 스펙트럼 방사 세기(double Gaussian modelled spectral radiant intensity) 둘다를 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 적색 발광 다이오드의 스펙트럼 방사 세기의 이중 가우시안 모델에 대한 파라미터의 온도 의존적 변동을 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 황색 발광 다이오드의 스펙트럼 방사 세기의 이중 가우시안 모델에 대한 파라미터의 온도 의존적 변동을 나타낸 도면이다.

도 5는 CIE 1931 x,y 색도도에 의해 정의되는 3색 발광 소자에 대한 색역(colour gamut)을 나타낸 도면이다.

정의

용어 "발광 소자(light-emitting element, LEE)"는, 예를 들어, 그 양단에 전위차를 인가하거나 그를 통해 전류를 통과시킴으로써 활성화될 때, 전자기 스펙트럼, 예를 들어, 가시 영역, 적외선 및/또는 자외선 영역 중 임의의 영역 또는 영역들의 임의의 조합에서 방사를 방출하는 장치를 정의하는 데 사용된다. 따라서, 발광 소자는 단색(monochromatic) 또는 준단색(quasi-monochromatic) 스펙트럼 방출 특성을 가질 수 있다. 당업자라면 잘 알 수 있는 바와 같이, 발광 소자의 예로는 반도체, 유기, 또는 중합체/중합 발광 다이오드, 청색 또는 UV 펌핑 인 코팅(blue or UV pumped phosphor coated) 발광 다이오드, 광 펌핑 나노결정(optically pumped nanocrystal) 발광 다이오드, 또는 임의의 다른 유사한 장치가 있다. 게다가, 용어 '발광 소자'는 방사를 방출하는 특정의 장치, 예를 들어, LED 다이를 정의하는 데 사용되고, 이 특정의 장치 또는 장치들이 배치되어 있는 하우징 또는 패키지와 함께 방사를 방출하는 특정의 장치의 조합을 정의하는 데 똑같이 사용될 수 있다.

용어 "광속(luminous flux)"은 CIE(Commission Internationale de l'Eclairage)의 표준에 따라 광원에 의해 방출되는 광의 양을 정의하는 데 사용된다. 관심의 파장 영역이 적외선 및/또는 자외선 파장을 포함하는 경우, 용어 "광속"은 CIE 표준에 의해 정의된 방사속(radiant flux)을 포함하도록 사용된다.

용어 "색도(chromaticity)"는 CIE 표준에 따른 광의 인지된 색인상(colour impression)을 정의하는 데 사용된다.

용어 "세기(intensity)"는 CIE(Commission Internationale de l'Eclairage)의 표준에 따른 광원의 측정된 측광 휘도(photometric brightness)를 정의하는 데 사용된다.

용어 "스펙트럼 방사 세기(spectral radiant intensity)"는 CIE의 표준에 따른 광원에 의해 방출되는 주어진 파장에서의 광의 방사 세기를 정의하는 데 사용된다.

용어 "방출 스펙트럼(emission spectrum)"은 가시광의 모든 파장의 스펙트럼 방사 세기의 분포를 정의하는 데 사용된다.

용어 "제어기(controller)"는 제어기에 연결되어 동작하는 주변 장치들로부터의 파라미터를 모니터링하기 위해 중앙 처리 장치(CPU) 및 주변 입/출력 장치(A/D 또는 D/A 변환기)를 갖는 컴퓨팅 장치 또는 마이크로컨트롤러를 정의하는 데 사용된다. 이들 입/출력 장치는 또한 CPU가 제어기에 연결되어 동작하는 주변 장치들과 통신을 하고 그 주변 장치들을 제어할 수 있게 해준다. 제어기는 선택적으로 본 명세서에서 "메모리"라고 총칭하는 하나 이상의 저장 매체를 포함할 수 있다. 메모리는 RAM, PROM, EPROM 및 EEPROM, 플로피 디스크, 컴팩트 디스크, 광 디스크, 자기 테이프 등의 휘발성 및 비휘발성 컴퓨터 메모리일 수 있으며, 여기서 제어기에 연결된 장치를 모니터링 또는 제어하는 제어 프로그램(소프트웨어, 마이크로코드 또는 펌웨어 등)이 저장되어 CPU에 의해 실행된다. 선택적으로, 제어기는 또한 사용자-지정 동작 조건을 제어기에 연결된 주변 장치를 제어하는 제어 신호로 변환하는 수단도 제공한다. 제어기는 사용자 인터페이스, 예를 들어, 키보드, 터치패드, 터치 스크린, 콘솔, 시각·음향 입력 장치, 또는 당업자에게 공지된 기타 장치를 통해 사용자-지정 명령을 수신할 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "약"은 공칭값으로부터의 +/-10% 변동을 말한다. 이러한 변동이, 구체적으로 언급되어 있든지 그렇지 않든지 간에, 본 명세서에 제공된 임의의 주어진 값에 항상 포함되어 있다는 것을 잘 알 것이다.

달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 통상 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다.

본 발명은 원하는 광색을 발생하는 광원을 제공한다. 광원은 제1 파장 범위를 갖는 광을 발생하는 하나 이상의 제1 발광 소자 및 제2 파장 범위를 갖는 광을 발생하는 하나 이상의 제2 발광 소자를 포함한다. 제1 발광 소자 및 제2 발광 소자는 그에 제공되는 개별적인 제어 신호에 응답한다. 광원은 또한 제1 및 제2 발광 소자의 동작 온도 또는 온도들을 감지하는 감지 장치를 포함한다. 제어 시스템은 감지 장치로부터 동작 온도(들)를 나타내는 신호를 수신하고 원하는 광색 및 동작 온도에 기초하여 제1 및 제2 제어 신호를 결정한다. 수신된 제1 및 제2 제어 신호의 결과로서 제1 및 제2 발광 소자에 의해 방출된 광이 원하는 광색을 실질적으로 획득하기 위해 혼합될 수 있다. 이와 같이, 광원에 의해 발생된 원하는 광색은 발광 소자의 동작 특성의 접합 온도 유도 변화(junction temperature induced change)에 실질적으로 무관할 수 있다.

다른 실시예에서, 당업자라면 잘 알 수 있는 바와 같이, 광원은 제3 파장 범위를 갖는 광을 발생하는 하나 이상의 제3 발광 소자, 제4 파장을 갖는 광을 발생하는 하나 이상의 제4 발광 소자 등을 더 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 감지 장치는 하나 이상의 제3 발광 소자, 하나 이상의 제4 발광 소자 등의 동작 온도를 감지하도록 구성될 수 있으며, 이들 동작 온도는 제어 시스템에 의해 수신되어 이들 제3 및 제4 발광 소자에 대한 제어 신호의 차후의 결정을 가능하게 해준다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 광원의 블록도를 나타낸 것이다. 광원은 어레이(20, 30, 40)를 포함하며, 각각의 어레이는 하나 이상의 열 싱크(heat sink) 또는 열 추출 메카니즘(heat extraction mechanism)(도시 생략)과 열 접촉하고 있는 하나 이상의 발광 소자를 갖는다. 적색 발광 소자(22), 녹색 발광 소자(32) 및 청색 발광 소자(42) 각각에 의해 발생되는 색광의 결합은 특정 색도의 광, 예를 들어, 백색광을 발생할 수 있다. 일 실시예에서, 광원은 적색 발광 소자(22), 녹색 발광 소자(32) 및 청색 발광 소자(42)로부터의 광을 혼합함으로써 발생되는 출력광을 공간적으로 균질화하는 혼합 광학계(mixing optics)(도시 생략)를 포함한다.

전류 구동기(28, 38, 48)는 각각 어레이(20, 30, 40)에 연결되고, 어레이(20, 30, 40) 내의 적색 발광 소자(22), 녹색 발광 소자(32) 및 청색 발광 소자(42)에 전류를 공급하도록 구성되어 있다. 전류 구동기(28, 38, 48)는 적색 발광 소자(22), 녹색 발광 소자(32), 및 청색 발광 소자(42)를 통한 전류의 흐름을 조절함으로써 적색 발광 소자(22), 녹색 발광 소자(32), 및 청색 발광 소자(42)의 광속 출력을 제어한다. 전류 구동기(28, 38, 48)는 이후에 기술되는 바와 같이 결합광의 색도를 제어하기 위해 상호의존적으로 어레이(20, 30, 40)로의 전류의 공급을 조절하도록 구성되어 있다.

제어기(50)는 전류 구동기(28, 38, 48)에 연결되어 있다. 제어기(50)는 전류 구동기(28, 38, 48)의 듀티비를 조정함으로써 평균 순방향 전류의 양을 상호의존적으로 조정하여 적색 발광 소자(22), 녹색 발광 소자(32), 및 청색 발광 소자(42)의 광속 출력의 제어를 제공하도록 구성되어 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 온도 센서(26, 36 또는 46)는 제어기(50)에 연결된 모든 어레이(20, 30, 40)와 열 접촉하고 있음으로써, 어레이(20, 30, 40)의 동작 온도를 측정하는 수단을 제공한다. 어레이(20, 30, 40)의 동작 온도는 적색 발광 소자(22), 녹색 발광 소자(32), 및 청색 발광 소자(42)의 접합 온도에 상관되어 있을 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 어레이(20, 30, 40)는 각각의 어레이의 개별 동작 온도를 측정하기 위해 개별적인 온도 센서(26, 36, 46)를 각각 가지고 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 다른 대안으로서 또는 하나 이상의 온도 센서와 결합하여, 전압 센서(27, 37, 47)는 전류 구동기(28, 38, 48)의 출력에 연결되어 있고 발광 소자 어레이(20, 30, 40)의 순간 순방향 전압을 측정한다. 제어기(50)는 전압 센서(27, 37, 47)에 연결되어 있고 발광 소자 어레이(20, 30, 40)의 순간 순방향 전압을 모니터링하도록 구성되어 있다. 어레이(20, 30, 40)의 순방향 전압은 적색 발광 소자(22), 녹색 발광 소자(32), 및 청색 발광 소자(42)의 접합 온도에 상관되어 있을 수 있다. 예를 들어, 접합 온도와 LED 피크 파장, 스펙트럼 폭 또는 출력 전력 간의 실험적으로 도출된 상관 관계가 Chhajed, S. 등의 2005, "Influence of Junction Temperature on Chromaticity and Colour-Rendering Properties of Trichormatic White-Light Sources Based on Light-Emitting Diodes(발광 다이오드에 기초한 3색 백색 광원의 색도 및 컬러-렌더링 특성에 대한 접합 온도의 영향)", Journal of Applied Physics 97, 054506에 개시되어 있으며, 이는 참조로 본 명세서에 포함된다.

제어기(50)는, 검출된 온도 및/또는 검출된 순방향 전압에 기초하여, 적색 발광 소자(22), 녹색 발광 소자(32), 및 청색 발광 소자(42) 각각의 접합 온도를 결정할 수 있고, 생성될 원하는 광색과 함께, 적색 발광 소자(22), 녹색 발광 소자(32), 및 청색 발광 소자(42) 각각의 스펙트럼 출력에 대한 미리 정해진 온도 의존성 모델에 기초하여, 제어기는 원하는 광색이 광원에 의해 발생되도록 적색 발광 소자(22), 녹색 발광 소자(32), 및 청색 발광 소자(42)의 동작의 제어를 위한 제어 신호를 결정할 수 있다.

발광 소자

발광 소자는 미리 정해진 광색을 제공하도록 선택될 수 있다. 광원 내의 발광 소자의 수, 유형 및 색은 높은 발광 효율(luminous efficiency), 높은 CRI(Colour Rendering Index), 및 큰 색역(colour gamut)을 달성하는 수단을 제공할 수 있다. 당업자라면 잘 알 수 있는 바와 같이, 발광 소자는 유기 물질, 예를 들어, OLED 또는 PLED나 무기 물질, 예를 들어, 반도체 LED 또는 기타 장치 구성을 사용하여 제조될 수 있다. 발광 소자는 청색, 녹색, 적색을 비롯한 색을 방출할 수 있거나 다른 색 또는 색들을 방출할 수 있는 1차 발광 소자(primary light-emitting element)일 수 있다. 발광 소자는 선택적으로 1차 광원의 방출을 하나 이상의 단색 파장 또는 준단색 파장으로 변환하는 2차 발광 소자일 수 있다. 그에 부가하여, 1차 및/또는 2차 발광 소자의 조합이 이용될 수 있다. 당업자라면 잘 알 수 있는 바와 같이, 하나 이상의 발광 소자가, 예를 들어, 배선(trace) 및 연결 패드(connection pad)를 가지고 있는 PCB(printed circuit board), MCPCB(metal core PCB), 금속 배선된 세라믹 기판(metallized ceramic substrate) 또는 유전체 코팅된 금속 기판(dielectrically coated metal substrate) 등의 상에 장착될 수 있다. 발광 소자는 다이 형태(die format) 등의 비패키징된 형태로 되어 있을 수 있거나 LED 패키지 등의 패키징된 부품일 수 있거나, 예를 들어, 구동 회로, 광학계 및 제어 회로를 비롯한 다른 구성요소에 패키징되어 있을 수 있다.

일 실시예에서, 예를 들어, 적색, 녹색 및 청색에 대응하는 파장에 중심을 둔 스펙트럼 출력을 갖는 발광 소자의 어레이가 선택될 수 있다. 당업자라면 잘 알 수 있는 바와 같이, 선택적으로, 다른 스펙트럼 출력의 발광 소자가 그에 부가하여 광원 내에 포함될 수 있거나, 예를 들어, 적색, 녹색, 청색 및 황색 파장 영역에서 방사하는 발광 소자가 어레이로서 구성될 수 있거나, 선택적으로 시안 파장 영역 또는 기타 파장 영역에서 방사하는 하나 이상의 발광 소자를 포함할 수 있다. 발광 소자의 선택은 조명 모듈에 의해 생성될 원하는 색역 및/또는 원하는 최대 광속 및 CRI(colour rendering index)에 직접 관련되어 있을 수 있다.

일 실시예에서, 다수의 발광 소자가 복수의 구성으로 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 발광 소자는 직렬 또는 병렬 구성으로 또는 이 둘의 조합으로 연결될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 2개 이상의 발광 소자가 줄(string)처럼 직렬로 연결되어 있으며, 여기서 줄은 동일한 컬러 빈(colour bin)의 발광 소자를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 발광 소자는 개별적인 발광 소자 각각이 개별적으로 제어될 수 있도록 전기적으로 연결되어 있다. 예를 들어, 서로 독립적으로 각각의 발광 소자의 개별적인 제어를 가능하게 해주기 위해 소정의 발광 소자가 부분적으로 또는 전체적으로 바이패스될 수 있도록 일련의 발광 소자가 배선될 수 있다.

감지 장치

본 발명의 일 실시예에서, 온도 센서는 어레이 내의 발광 소자의 접합 온도를 측정하도록 구성되어 있으며, 여기서 단일의 온도 센서가 발광 소자의 모든 색의 동작 온도를 검출하도록 전략적으로 배치되어 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 발광 소자는 온도 센서가 장착되어 있는 통상의 열 전도성 기판 상에 장착될 수 있다.

대안적인 실시예에서, 개별적인 온도 센서는 발광 소자의 각각의 색의 온도를 개별적으로 측정하도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 발광 소자의 각각의 색의 접합 온도의 보다 정확한 측정치가 구해질 수 있다. 이 실시예에서, 온도 센서는 발광 소자의 해당 색에 근접하여 배치될 수 있다. 발광 소자의 다른 색들은 서로로부터 열적으로 분리될 수 있거나 공통의 기판 또는 열 싱크 상에 장착될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 당업자라면 잘 알 수 있는 바와 같이, 온도 센서는 원하는 발광 소자(들)의 온도를 측정하도록 구성되어 있는 써미스터(thermistor), 써모파일(thermopile), 써모커플(thermocouple), 집적 온도 감지 회로, 실리콘 기반 센서 또는 기타 온도 감지 장치일 수 있다.

다른 실시예에서, 발광 소자의 접합 온도는 발광 소자 양단에서의 검출된 순방향 전압 강하에 기초하여 계산된다. 발광 소자 양단에서의 순방향 전압 강하는 온도에 거의 선형적으로 변한다. 일련의 발광 소자 양단의 순방향 강하가 이와 같이 측정될 수 있고, 순방향 전압 강하의 변동이 발광 소자(들)의 순간 접합 온도를 대략적으로 구하는 데 이용될 수 있다.

다른 실시예에서, 발광 소자의 접합 온도는 발광 소자 양단에서 평가된 전압 강하 및 하나 이상의 온도 센서에 의해 검출된 온도 둘다를 사용하여 구해질 수 있다.

일 실시예에서, 온도 센서 및/또는 전압 센서에 의해 검출된 데이터의 샘플링은 미리 정해진 간격으로, 미리 정해진 동작 시간 후에, 계속적으로 또는 랜덤하게 수행될 수 있다.

일 실시예에서, 광원의 동작 동안에 샘플링 레이트가 조정될 수 있다. 샘플링의 조정은, 예를 들어, 발광 소자의 동작의 듀티비, 발광 소자의 특정 색, 또는 광원 내의 발광 소자의 전부 또는 일부에 대한 평가된 평균 듀티비에 의존할 수 있다.

제어 시스템

제어 시스템은 감지 장치에 따른 형식으로 감지 장치로부터 온도 데이터를 수신한다. 제어 시스템은 이어서 이 온도 데이터를 처리하여 발광 소자의 접합 온도를 평가한다. 그 후에, 제어 시스템은 각각의 발광 소자의 방출 스펙트럼 또는 발광 소자의 색을 온도의 함수로서 모델링하도록 구성되어 있다. 이와 같이, 발광 소자의 온도 수정된 스펙트럼 출력 특성이 결정될 수 있다.

제어기는 또한 발광 소자로 전송하기 위한 제어 신호를 평가하도록 구성되어 있다. 이들 제어 신호는 광원에 의해 발생될 원하는 광색 및 광원 내의 발광 소자의 온도 수정된 스펙트럼 출력 특성에 기초하여 결정된다.

본 발명의 일 실시예에서, 발광 소자, 예를 들어, 반도체 발광 다이오드의 스펙트럼 방사 세기

는 다음과 같이 이중 가우시안 근사를 사용하여 모델링될 수 있다.

여기서,

및

는 피크 스펙트럼 방사 세기이고,

및

는 피크 스펙트럼 방사 세기 파장이며,

및

는 FWHM(spectral full width half maximum) 대역폭이고,

는 파장이다.

당업자라면, 명시적으로 언급되어 있지 않더라도, 수학식 1의 우변의 파라미터 중 하나 이상이, 본 발명의 일 실시예의 응용의 실제 목적을 위해, 예를 들어, 동작 온도(T) 또는 발광 소자의 연한을 비롯한 추가의 동작 파라미터에 의존할 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 따라서, 이러한 의존성이 실제 목적을 위해 관련되어 있는 경우, 예를 들어,

및

가 추가적인 파라미터 의존성, 예를 들어, 명시적으로

로 표현될 수 있는 온도 의존성을 항상 포함할 수 있는 축약형에 불과하다는 것을 잘 알 것이다.

게다가, 당업자라면 아마도 다른 파라미터를 갖는, 수학식 1에 기술된 것과 다른 함수가, 그 자신의 정확도로, 발광 소자의 동작 온도에 대한 발광 소자의 스펙트럼 방사 세기

를 근사화하는 데 사용될 수 있다는 것을 잘 알 것이다.

본 발명의 일 실시예에서, 청색 발광 다이오드의 스펙트럼 방사 세기의 이중 가우시안 근사의 일례가 도 2에 나타나 있다. 이 예에서, 모델링된 근사(100)는 테스트 중인 청색 발광 다이오드의 관찰된 스펙트럼 방사 세기(110)와 거의 같다. 이 실시예에서, 모델링된 근사(100)는 제1 가우시안 함수(130)와 제2 가우시안 함수(120)의 합이다. 2개의 가우시안 함수 각각은 상대 피크 스펙트럼 방사 세기, 피크 스펙트럼 방사 세기 파장, 및 스펙트럼 FWHM 대역폭(이들은 가우시안 함수의 높이, 중심 위치 및 폭에 각각 대응함)에 관련된 파라미터로 정의될 수 있다.

일 실시예에서, 각각의 가우시안 함수의 파라미터는 그의 온도 의존성에 대해 실험적으로 평가될 수 있으며, 그에 의해 발광 소자의 모델링된 온도-수정된 스펙트럼 방사 세기를 결정하는 수단을 제공한다. 도 3 및 도 4는 각각 특정의 적색 발광 다이오드 및 특정의 황색 발광 다이오드의 스펙트럼 방사 세기에 대한 온도-수정된 모델을 발생하는 데 사용되는 각각의 가우시안 함수에 대한 파라미터의 온도 의존성을 나타낸 것이다. 제1 가우시안 함수 및 제2 가우시안 함수에 대한 피크 스펙트럼 방사 세기의 온도 의존성이 각각 도 3의 (A), 도 4의 (A) 및 도 3의 (B), 도 4의 (B)에 나타나 있다. 제1 가우시안 함수 및 제2 가우시안 함수에 대한 피크 스펙트럼 방사 세기 파장의 온도 의존성이 각각 도 3의 (C), 도 4의 (C) 및 도 3의 (D), 도 4의 (D)에 나타나 있다. 마지막으로, 제1 가우시안 함수 및 제2 가우시안 함수에 대한 스펙트럼 FWHM 대역폭의 시간 의존성이 각각 도 3의 (E), 도 4의 (E) 및 도 3의 (F), 도 4의 (F)에 나타나 있다. 일 실시예에서, 이들 파라미터는 발광 소자의 접합 온도에 선형적으로 의존하거나 지수적으로 의존하는 것으로 정의될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 정의된 참조 발광 소자 동작 온도, 예를 들어, 25℃ 접합 온도를 갖는 소정의 설정에서 발광 소자의 방출 스펙트럼이 측정된다. 이중 가우시안 근사는, 예를 들어, 최소 제곱 또는 최소 거리 오차 함수를 풀기 위한 공지의 안정된 최소화 알고리즘을 사용하여 방출 스펙트럼에 곡선-근사될 수 있으며, 그에 의해

로 기술된 T=25℃에서 피크 스펙트럼 방사 세기, T=25℃에서의 피크 스펙트럼 방사 세기 파장

, 및 T=25℃에서의 스펙트럼 FWHM 대역폭

(단,

임)를 구할 수 있다. 선형 근사가 실제로 효과가 있는 일 실시예에서, 온도 T에서의 각각의 피크 세기

(단,

임)가 다음과 같이 정의될 수 있는 T에서의 1차 근사로서 정의될 수 있다.

여기서, 파라미터 a_n 및 b_n은 일정 범위의 여러 동작 온도에 걸쳐 방출 스펙트럼을 측정하는 것으로부터 얻어진 실험 데이터를 곡선 근사함으로써 실험적으로 구해질 수 있다. 예를 들어, 도 3에 나타낸 바와 같이, 소정의 적색 AlInGaP 발광 다이오드의 스펙트럼은, 예를 들어, 수학식 2에 정의된

의 선형 근사를 사용하여 만족스럽게 근사화될 수 있다.

선형 근사가 실제로 효과가 없는 일 실시예에서, 지수적 온도 의존성이 사용될 수 있고 다음과 같이 정의될 수 있다.

여기서, 파라미터 c_n 및 d_n은 일정 범위의 여러 동작 온도에 걸쳐 방출 스펙트럼을 측정하는 것으로부터 얻어진 실험 데이터를 곡선 근사함으로써 실험적으로 구해질 수 있다. 예를 들어, 도 4에 나타낸 바와 같이, 수학식 3에 정의된 지수적 근사는 소정의 AlInGaP 발광 다이오드에 대한

를 기술하는 데 유용할 수 있다.

마찬가지로, 본 발명의 일 실시예에서, 온도 T에서의 각각의

에 대한 피크 파장은 다음과 같이 정의될 수 있다.

여기서, 파라미터 e_n 및 f_n은 일정 범위의 온도에 걸쳐 방출 스펙트럼을 측 정하고 곡선 근사함으로써 실험적으로 구해질 수 있다. 예를 들어, 도 3에 나타낸 적색 AlInGaP 발광 다이오드의 경우,

는 수학식 4를 사용하여 근사화될 수 있다. 다른 실시예들에서, 피크 파장의 온도 의존성을 효과적으로 기술하기 위해 지수적 또는 다른 비선형적 근사화가 이용될 수 있다.

마찬가지로, 본 발명의 일 실시예에서, 온도 T에서의 각각의

에 대한 스펙트럼 FWHM은 다음과 같이 정의될 수 있다.

여기서, 파라미터 g_n 및 h_n은 일정 범위의 온도에 걸쳐 방출 스펙트럼을 측정하고 곡선 근사함으로써 실험적으로 구해질 수 있다. 예를 들어, 도 3에 나타낸 적색 AlInGaP 발광 다이오드의 경우,

는 수학식 5를 사용하여 근사화될 수 있다. 다른 실시예들에서, 스펙트럼 FWHM의 온도 의존성을 효과적으로 기술하기 위해 지수적 또는 다른 비선형적 근사화가 이용될 수 있다.

선형 근사를 위한 T=25℃ 참조 온도에서의 본 발명의 일 실시예 및 수학식 2 및 수학식 3은 물론 수학식 4 및 수학식 5에 따른 예시적인 경험적으로 도출된 열 모델 파라미터가 표 1(세기는 임의의 단위임)에 제공되어 있다. 유의할 점은

에 대한 f_n 및 h_n이 표 1에 규정되어 있지 않다는 것이다.

[표 1]

[LED 열 모델 계수]

파라미터	적색	황색	녹색	청색
a₁[임의 단위/℃] 또는 d₁[1/℃]	-0.0052	0.0155	-0.0034	-0.0048
a₂[임의 단위/℃] 또는 d₂[1/℃]	-0.0058	0.0190	-0.0048	-0.0035
b₁ 또는 c₁[임의 단위]	1.1295	1.4747	1.0856	1.1191
b₂ 또는 c₂[임의 단위]	1.1462	1.6066	1.1207	1.0881
e₁[nm/℃]	0.1107	0.1120	0.0000	0.0226
e₂[nm/℃]	0.1526	0.1387	0.0445	0.0504
g₁[nm/℃]	0.0831	0.0428	0.1051	0.1081
g₂[nm/℃]	0.0327	0.0209	0.0562	0.0903

본 발명의 일 실시예에서, 제어 시스템은 발광 소자 클러스터 내의 발광 소자들 간의 열 결합(thermal coupling), 예를 들어, 열 전달(thermal transfer)을 적절히 표현할 수 있는 모델로 구성될 수 있다. 이러한 모델은, 발광 소자가, 예를 들어, 공통 기판 상에 장착될 때, 상호 발열 효과(mutual heating effect)를 피드-포워드 방식으로 구하는 데 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 발광 소자에 의해 소산되는 열 Q는 다음과 같이 정의될 수 있는 그의 전력 소모와 대략 같다.

여기서, V_F는 발광 소자 순방향 전압이고, I는 구동 전류이며, D는 PWM 듀티비이다. 발광 소자 패키지 슬러그의 온도와 발광 소자 접합의 온도 간의 차이

는 다음과 같이 정의될 수 있다.

여기서,

는 특정의 패키징 및 장착 구성에 대한 발광 소자의 열 저항이다. 발광 소자 접합 온도(T)는 다음과 같이 정의될 수 있다.

여기서 T_s는 측정된 참조 온도, 예를 들어, 발광 소자 슬러그 온도이다.

본 발명의 일 실시예에서, 발광 소자의 특성을 적절히 모델링하는 데 요구되는 열 저항의 값은 교정 프로세스에서 결정될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예는 N개의 PWM 구동 LED 및 온도 센서[이들 모두는 인쇄 회로 기판(PCB)와 열 접촉되어 있음]를 포함할 수 있다. 온도 센서에 의해 제공되는 PCB 온도(T_b) 및 LED 슬러그(n)의 온도(T_sn)는 다음과 같이 정의될 수 있다.

여기서,

은 PCB 기판과 n번째 LED 슬러그 간의 온도차이고, D_n은 n번째 LED PWM 구동 신호의 듀티비이며, k_n은 n번째 LED에 대한 부하 비율(load ratio)이 다. 예시를 위해, 본 발명의 특정의 실시예와 관련하여 획득된 실험 데이터의 곡선-근사를 통해 얻어진

및 k_n의 예시적인 값이 표 2에 제공되어 있다.

[표 2]

[시스템 열 모델 계수]

파라미터	적색	황색	녹색	청색
	6.60	9.80	11.20	13.30
k_n	0.45	0.35	0.35	0.35

본 발명의 일 실시예에서, 일부 PWM-구동 발광 소자의 경우, 방출광의 세기는 PWM 듀티비에 선형적으로 의존할 수 있다. 이 관계는, 제어 시스템이 발광 소자를 구동하는 데 필요한 듀티비를 결정할 수 있게 해주기 위해, 스펙트럼 방사 세기, 접합 온도, 및 원하는 경우, 하나 이상의 원하는 3자극 좌표 변환과 관련하여 사용될 수 있다.

다른 실시예에서, 소정의 발광 소자의 경우, 듀티비 및 방출광의 세기가 비선형적으로 상관될 수 있다. 비선형성은, 예를 들어, 듀티비 내에서의 일시적인 세기 변동 또는 열 부하 변동 및 PWM 듀티비의 ON 및 OFF 부분 간의 천이 동안의 발광 소자의 접합의 지수적 냉각 및 가열 중 하나 이상을 포함할 수 있는 다양한 이유로 인할 수 있다. 비선형성이 일부 유형의 발광 소자에서 높은 듀티비 조건에 대해 덜 두드러질 수 있고 낮은 듀티비 조건 동안에 더 두드러질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 비선형성은 다음과 같이 정의될 수 있는 세기-듀티비 관계에 대한 2차 방정식을 사용하여 모델링될 수 있다.

여기에서, I는 세기이고, D는 PWM 구동 듀티비이다. 특정의 실시예에서 상수

및

에 대한 예시적인 값이 표 3에서 임의의 단위로 제공되어 있다.

[표 3]

[LED 세기 PWM 듀티비 상수]

파라미터	적색	황색	녹색	청색
	-0.04	-0.13	-0.01	0.02
	1.04	1.13	1.01	0.98

본 발명의 일 실시예에서, 발광 소자의 각각의 색에 대한 상기 정의된 온도-수정된 스펙트럼 방사 세기는 광 피드백을 필요로 하지 않고 피드 포워드 방식으로 듀티비 등의 제어 파라미터를 결정하기 위해 온도 피드백을 이용할 수 있는 발광 소자 제어 시스템의 컴포넌트로서 펌웨어로 구현될 수 있다. 제어 시스템은, 방출광을 모니터링하거나 광 센서 데이터를 획득할 필요 없이 또한 광 피드백 또는 3자극 데이터의 결정 또는 측정 없이, 일정 범위의 원하는 동작 온도에 걸쳐 밝기 조절 동안에 원하는 범위 및 정확도 내에 원하는 색도를 유지하도록 구성될 수 있다.

이상의 모델들이 3자극 또는 다른 적당한 색 및 세기 좌표와 관련하여 스펙트럼 방사 세기, 접합 온도 및 듀티비 간의 파라미터 관계를 기술하고, 이들 모델로부터 얻어지는 일련의 방정식을 풀도록 구성될 수 있는 제어 시스템의 임의의 실시예에서, LEE의 동작 조건의 피드백 정보만을 필요로 하면서 하나 이상의 LEE 또는 일군의 LEE 각각에 대한 듀티비를, 예를 들어, 원하는 세기 및 색도 좌표의 함 수로서 구하는 데 사용될 수 있다는 것을 잘 알 것이다.

본 발명의 일 실시예에서, 원하는 광색은 도 5에 나타낸 바와 같이 CIE 1931 x,y 색도도에 좌표로 표현될 수 있다. 도 5는 또한 CIE 1931 x,y 색도도에 의해 표현되는 바와 같이 3개의 컬러 발광 소자에 대한 색역(200)을 나타내고 있다.

발광 소자의 각각의 색에 대한 특정의 온도-수정된 스펙트럼 방사 세기 및 원하는 광색에 기초하여, 제어기는 원하는 광색을 얻기 위해 발광 소자의 각각의 색에 대한 원하는 광속 출력을 결정할 수 있다. 발광 소자의 각각의 색에 대한 이 평가된 광속 출력에 기초하여, 적절한 제어 신호가 결정되고 적절한 발광 소자의 광속 출력을 제어하기 위해 그 발광 소자(들)로 전송될 수 있다. 발광 소자에 의해 생성된 광색을 혼합할 시에, 원하는 광색이 발생될 수 있다.

예를 들어, 유사한 광색을 생성할 수 있는 다른 물질 조성에 기초한 다른 발광 소자 형식이 다른 온도 의존성을 가질 수 있고 그에 따라 온도 보상을 필요로 한다는 것을 잘 알 것이다.

일 실시예에서, 제어기가 특정의 발광 소자 세트와만 연관되어 있을 수 있다. 이와 같이, 그 세트의 발광 소자 각각에 대한 온도-수정된 스펙트럼 방사 세기를 모델링하기 위해 평가되는 파라미터가 제어기 내에, 예를 들어, 펌웨어에 통합될 수 있다.

다른 실시예에서, 발광 소자의 다양한 색의 스펙트럼 방사 세기의 온도 감도를 모델링하는 대안적인 수단이 본 발명에 통합될 수 있다. 예를 들어, 선형 및 지수 함수의 조합을 사용하여 각각의 유형의 발광 소자에 대한 온도-수정된 스펙트 럼 방사 세기 표현을 발생하는 모델은 제어 시스템이 광원의 하나 이상의 발광 소자 각각으로 전송하기 위한 제어 신호를 결정하는 계산 시간을 감소시키는 수단을 제공할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 일련의 발광 소자의 상기 정의된 근사 및 연관된 온도 의존성은, 미국 특허 제7,140,752호 및 I. Ashdown, Proceedings of Solid State Lighting III, SPIE Vol. 5187, pp. 215-226, 2003)(이들은 참조로 본 명세서에 포함됨)에 개시된 바와 같이, LED 세기 및 색도 제어를 위해 저가의 마이크로컨트롤러로 구현되는 신경망-기반 발광 소자 제어기에 대한 훈련 데이터 세트를 합성하는 데 사용된다.

본 발명의 일 실시예에서, 하나 이상의 전류 구동기는 발광 소자의 광속 출력을 제어하기 위해 펄스폭 변조(PWM) 기법에 기초한 제어 신호를 사용할 수 있다. 발광 소자에의 평균 출력 전류가 PWM 제어 신호의 듀티비에 비례하기 때문에, 하나 이상의 발광 소자 어레이에 대한 듀티비를 조정함으로써 발광 소자에 의해 발생된 출력광을 밝기 조절하는 것이 가능하다. 발광 소자에 대한 PWM 제어 신호의 주파수는 사람의 눈이 광출력을 일련의 광 펄스, 예를 들어, 약 60Hz보다 높은 주파수가 아니라 일정한 것으로 인지하도록 선택될 수 있다. 다른 실시예에서, 전류 구동기는 펄스 코드 변조(PCM) 또는 공지된 임의의 다른 디지털 형식에 기초한 제어 신호를 사용할 수 있다.

이제부터 본 발명의 기능에 대해 특정의 테스트 예를 참조하여 기술한다. 이하의 테스트 예가 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 것이지 본 발명을 제한하기 위한 것이 아님을 잘 알 것이다.

예

광원의 기능을 평가하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 광원이 테스트되었다. 광원의 이 실시예는 정의된 LED 클러스터, 감지 장치, 및 각각의 LED 색에 대한 온도-수정된 스펙트럼 방사 세기 모델을 포함한 제어 시스템을 포함하였다. 이 광원은 그 각자의 전체 세기에서 열적으로 안정화될 수 있었고, 방출광의 CCT는 LED 구동 전류를 조정함으로써 3000 Kelvin으로 설정되었다. 그 후에, LED 클러스터는 전원이 차단되고 PCB 및 부착된 열 싱크를 -10℃로 냉각시키기 위해 환경 시험기(environmental chamber)에 배치되었다. LED 클러서터는 이어서 전원이 공급되고, 열 싱크의 온도가 안정되었을 때 색도 측정이 수행되었다. 각각의 온도에서의 각자의 CCT 및 CCT 편차가 표 4에 나타나 있다. 이 표에서, "CCT Δuv" 값은 흑체 궤적(측정된 CCT에 대응함)을 따라갈 때 3000K로부터의 편차를 나타내는 반면, "3000K Δuv" 값은 흑체 궤적을 따라갈 때 또한 그로부터 벗어나 있을 때의 편차를 나타낸다.

[표 4]

[공칭 3000K에서의 예시적인 LED 클러스터 세트의 색도 변동]

다른 테스트에서, 동일한 광원이 전체 세기 및 6500 Kelvin CCT로 설정되어, 열적으로 안정화되고 그 후에 전원이 차단되어 -10℃로 냉각될 수 있었다. 또다시, LED 클러스터는 전원이 공급되고 열 싱크의 온도가 안정화되었을 때 색도 측정이 수행되었다. 각각의 온도에서의 각자의 CCT 및 CCT 편차가 표 5에 나타나 있다.

[표 5]

[공칭 6500K에서의 예시적인 LED 클러스터 세트의 색도 변동]

표 4 및 표 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 광원의 테스트된 실시예는 약 15℃ 내지 60℃ 동작 온도 범위에 걸쳐 LED 클러스터 백색 색도를 약

내로 유지하였다. 이것은

의 백색 램프에 대한 ANSI 및 IEC 색도 한계 내에 있다(ANSLG, ANSI C78.376-2001, American National Standards Lighting Group, National Electrical Manufacturers Association, Rosslyn, VA, 2001).

이상에 정의된 대로 구성된 광원의 성능의 다른 예에서, LED 클러스터의 광속 출력이 CCT가 3000 Kelvin으로 설정된 상태에서 전체 세기에서의 열적 안정화 후에 10 퍼센트 세기로 어두워졌다. 이 테스트의 결과가 표 6에 나타나 있다.

[표 6]

[열 피드백을 사용한 3000K에서의 밝기 조절에 대한 LED 클러스터의 색도]

표 6에 나타낸 바와 같이, 제어기는 약 10:1의 밝기 조절 범위에 걸쳐 LED 클러스터 백색 색도를 약

내로 유지하였다. 이것이 백색광 램프에 대한 ANSI 및 IEC 색도 한계를 초과할 수 있지만, 유의할 점은 이들 한계가 전체 전력 및 25℃ 섭씨 주변 온도에서 동작하는 램프에 적용된다는 것이다. 당업자라면 잘 알 수 있는 바와 같이, 그의 동작 온도 범위에 걸쳐 밝기 조절 동안에, 형광 램프 색도는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원의 상기 테스트에서 알아낸 것보다 더 크게 변한다. 형광 램프의 기지의 동작 특성 변동은, 예를 들어, IESNA, The IESNA Lighting Handbook: Reference & Application, Ninth Edition, Illuminating Engineering Society of North America, New York, YK, 2000의, 예를 들어, 그림 6-45에서 찾아볼 수 있다.

본 명세서에서 언급된 공개 특허 출원을 포함한 모든 특허, 간행물 및 데이터베이스 엔트리에 대한 설명은, 각각의 이러한 개개의 특허, 간행물 및 데이터베이스 엔트리가 인용에 의해 포함되도록 구체적이고 개별적으로 나타낸 것처럼, 그 전체 내용이 참조로 본 명세서에 포함된다.

본 발명의 이상의 실시예들이 예시적이고 다양하게 변화될 수 있다는 것은 명백하다. 이러한 현재의 또는 장래의 변화가 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나는 것으로 생각되지 않으며, 당업자에게는 명백할 모든 이러한 수정은 이하의 청구항의 범위 내에 포함되는 것으로 보아야 한다.

Claims

원하는 광색(colour of light)을 발생하는 광원으로서,

a) 제1 제어 신호에 응답하여, 제1 파장 범위를 갖는 제1 광을 발생하는 하나 이상의 제1 발광 소자,

b) 제2 제어 신호에 응답하여, 제2 파장 범위를 갖는 제2 광을 발생하는 하나 이상의 제2 발광 소자,

c) 상기 하나 이상의 제1 발광 소자 및 상기 하나 이상의 제2 발광 소자의 동작 온도를 나타내는 하나 이상의 신호를 발생하는 하나 이상의 감지 장치, 및

d) 상기 하나 이상의 신호를 수신하도록 구성되어 있고 상기 동작 온도 및 상기 원하는 광색에 기초하여 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호를 결정하도록 구성되어 있는, 상기 하나 이상의 제1 발광 소자, 상기 하나 이상의 제2 발광 소자 및 상기 하나 이상의 감지 장치에 연결되어 동작하는 제어 시스템

을 포함하며,

상기 원하는 광색을 생성하기 위해 상기 제1 광 및 상기 제2 광이 혼합되는, 원하는 광색을 발생하는 광원.
제1항에 있어서, 상기 제어 시스템은 동작 온도에 기초하여 광색을 예측하는 하나 이상의 스펙트럼 방사 세기 모델(spectral radiant intensity model)로 사전 구성되는, 원하는 광색을 발생하는 광원.
제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 스펙트럼 방사 세기 모델 중 적어도 하나는 하나 이상의 온도 의존적 파라미터(temperature dependent parameter)를 포함하는, 원하는 광색을 발생하는 광원.
제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 방사 세기 모델 중 적어도 하나는 하나 이상의 가우시안 근사(Gaussian approximation)를 포함하는, 원하는 광색을 발생하는 광원.
제3항에 있어서, 상기 온도 의존적 파라미터 중 적어도 하나는 온도에 선형적으로 의존하는, 원하는 광색을 발생하는 광원.
제3항에 있어서, 상기 온도 의존적 파라미터 중 적어도 하나는 온도에 지수적으로 의존하는, 원하는 광색을 발생하는 광원.
제3항에 있어서, 상기 하나 이상의 온도 의존적 파라미터는 교정 절차(calibration procedure)에서 결정될 수 있는, 원하는 광색을 발생하는 광원.
제1항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 제1 발광 소자 중 하나 이상 또는 상기 제2 발광 소자 중 하나 이상 또는 그 둘다의 동작 온도를 예측하는 열 모 델(thermal model)로 사전 구성되는, 원하는 광색을 발생하는 광원.
제8항에 있어서, 상기 열 모델은 적어도 상기 제1 제어 신호에 의존하는, 원하는 광색을 발생하는 광원.
제8항에 있어서, 상기 열 모델은 적어도 상기 제2 제어 신호에 의존하는, 원하는 광색을 발생하는 광원.
제8항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 제1 발광 소자 또는 상기 제2 발광 소자 또는 그 둘다의 슬러그 온도(slug temperature)를 예측하는 열 모델로 사전 구성되는, 원하는 광색을 발생하는 광원.
제8항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 하나 이상의 제1 발광 소자 또는 상기 하나 이상의 제2 발광 소자 또는 그 둘다의 접합 온도(junction temperature)를 예측하는 열 모델로 사전 구성되는, 원하는 광색을 발생하는 광원.
제1항에 있어서, 상기 제1 제어 신호는 제어가능한 제1 듀티비(duty factor)를 갖는 펄스-폭 변조된 신호(pulse width modulated signal)인, 원하는 광색을 발생하는 광원.
제1항에 있어서, 상기 제1 제어 신호는 제어가능한 제1 듀티비를 갖는 펄스-코드 변조된 신호(pulse code modulated signal)인, 원하는 광색을 발생하는 광원.
제1항에 있어서, 상기 제2 제어 신호는 제어가능한 제2 듀티비를 갖는 펄스-폭 변조된 신호인, 원하는 광색을 발생하는 광원.
제1항에 있어서, 상기 제2 제어 신호는 제어가능한 제2 듀티비를 갖는 펄스-코드 변조된 신호인, 원하는 광색을 발생하는 광원.
제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 제1 광의 제1 듀티비와 세기 사이의 비선형적 의존 관계를 보상하도록 사전 구성되는, 원하는 광색을 발생하는 광원.
제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 제2 광의 제2 듀티비와 세기 사이의 비선형적 의존 관계를 보상하도록 사전 구성되는, 원하는 광색을 발생하는 광원.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 감지 장치는 하나 이상의 온도 센서를 포함하는, 원하는 광색을 발생하는 광원.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 감지 장치는 상기 제1 발광 소자 중 하나 이상의 순방향 전압을 감지하는 하나 이상의 순방향 전압 센서(forward voltage sensor)를 포함하는, 원하는 광색을 발생하는 광원.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 감지 장치는 상기 제2 발광 소자 중 하나 이상의 순방향 전압을 감지하는 하나 이상의 순방향 전압 센서를 포함하는, 원하는 광색을 발생하는 광원.
원하는 광색을 발생하는 방법으로서,

a) 제1 스펙트럼을 갖는 제1 광을 제공하는 하나 이상의 제1 발광 소자의 제1 동작 온도를 결정하는 단계,

b) 제2 스펙트럼을 갖는 제2 광을 제공하는 하나 이상의 제2 발광 소자의 제2 동작 온도를 결정하는 단계,

c) 상기 제1 동작 온도의 상기 제1 스펙트럼에 대한 효과를 나타내는 제1 스펙트럼 방사 세기 모델을 제공하는 단계,

d) 상기 제2 동작 온도의 상기 제2 스펙트럼에 대한 효과를 나타내는 제2 스펙트럼 방사 세기 모델을 제공하는 단계,

e) 상기 제1 스펙트럼 방사 세기 모델, 상기 제2 스펙트럼 방사 세기 모델, 상기 원하는 광색, 상기 제1 동작 온도 및 상기 제2 동작 온도에 기초하여 제1 제어 신호 및 제2 제어 신호를 결정하는 단계,

f) 상기 하나 이상의 제1 발광 소자에 상기 제1 제어 신호를 제공하는 단계,

g) 상기 하나 이상의 제2 발광 소자에 상기 제2 제어 신호를 제공하는 단계, 및

h) 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 상기 원하는 광색을 갖는 혼합광(mixed light)으로 혼합(blend)하는 단계

를 포함하는, 원하는 광색을 발생하는 방법.
제20항에 있어서, 상기 제1 스펙트럼 방사 세기 모델 또는 상기 제2 스펙트럼 방사 세기 모델 또는 그 둘다는 하나 이상의 가우시안 근사를 포함하는, 원하는 광색을 발생하는 방법.
제20항에 있어서, 상기 제1 동작 온도 및 상기 제2 동작 온도는 슬러그 온도인, 원하는 광색을 발생하는 방법.
제20항에 있어서, 상기 제1 동작 온도 및 상기 제2 동작 온도는 접합 온도인, 원하는 광색을 발생하는 방법.
제20항에 있어서, 상기 제1 제어 신호는 제어가능한 제1 듀티비를 갖는 펄스-폭 변조된 신호인, 원하는 광색을 발생하는 방법.
제20항에 있어서, 상기 제1 제어 신호는 제어가능한 제1 듀티비를 갖는 펄스-코드 변조된 신호인, 원하는 광색을 발생하는 방법.
제20항에 있어서, 상기 제2 제어 신호는 제어가능한 제2 듀티비를 갖는 펄스-폭 변조된 신호인, 원하는 광색을 발생하는 방법.
제20항에 있어서, 상기 제2 제어 신호는 제어가능한 제2 듀티비를 갖는 펄스-코드 변조된 신호인, 원하는 광색을 발생하는 방법.
제20항에 있어서, 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호에 기초하여 상기 제1 동작 온도 및 상기 제2 동작 온도를 예측하는 열 모델을 제공하는 단계를 더 포함하는, 원하는 광색을 발생하는 방법.
제30항에 있어서, 상기 열 모델은 상기 제1 동작 온도 및 상기 제2 동작 온도와 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호 사이의 비선형적 의존 관계를 포함하는, 원하는 광색을 발생하는 방법.