KR20110008195A - 신호등 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
개선된 신호등 및 개선된 신호등을 제조하기 위한 방법이 개시된다. 예컨대, 개선된 신호등은 하우징과, 적어도 하나의 외부 렌즈와, 하우징에 배치된, 적어도 하나 이상의 제 2 타입의 발광 다이오드(LED)를 구비한다. 적어도 하나 이상의 제 2 타입의 LED는 펌프와, 인광물질(phosphor)과, 540나노미터(nm) 이하의 컷오프점을 갖는 필터를 구비한다. 또한 적어도 하나 이상의 제 2 타입의 LED는, 피크 파장이 430nm 이하인 펌프와, 피크 파장이 575nm보다 큰 인광물질을 갖는다.
Description
본 출원은 발명의 명칭이 "METHOD AND APPARATUS FOR PROVIDING A LIGHT SOURCE THAT COMPINES DIFFERENT COLOR LEDS"인 2006년 12월 29일에 제출되어 계류중인 미국 특허 출원 제11/618,512호의 부분 계속 출원(Continuation-in-part)이며, 이것은 미국특허법 35 U.S.C §119(e) 하에서 2005년 12월 30일에 제출된 가 특허 출원 제60/755,704호의 우선권을 주장하고, 그 전체 내용을 참조에 의해 여기에 포함시킨다.
본 발명은 일반적으로 광원에 관한 것으로, 더 상세하게는, 발광 다이오드(LED) 기반 신호등에 관한 것이다. 본 발명은 더 효율적인 신호등을 만드는 방법을 제공한다.
황색 교통 신호등 또는 철도 신호등 등의 신호등은, 예컨대, 시각적 표시를 제공한다. 이전의 황색 LED 광은 일반적으로 높거나 낮은 극단적인 온도에서 광 출력이 많이 저하되기 때문에 비교적 낮은 에너지 효율을 나타낸다. 예컨대, 교통 신호등두(traffic signal head)의 온도는 태양광 공급으로 인해 섭씨 74도(℃)를 초과할 수 있다. 신호등의 각 색 모듈의 내부 가열도 온도 상승의 원인이 된다.
그 결과, 낮은 에너지 효율은 재료 비용, 에너지 비용을 증가시키고, 전자 부품의 내부 가열로 인해 신호등의 수명을 단축시킬 수 있다. 또한 감소된 효율은 신호의 광 강도를 제한하고 안전성 위험(safety risk)을 생성할 수 있다. 예컨대, 시원한 날뿐만 아니라 많은 태양광 공급에 의해 더운 날에 적당한 강도 레벨이 요구된다.
따라서, 신호등, 예컨대, 교통 신호등, 철도 신호등 등의 분야에 대해 개선의 필요성이 있다.
일 실시예에서, 본 발명은 개선된 교통 신호등을 생성하는 방법을 제공한다. 개선된 교통 신호등은 고온에서의 효율성이 향상된 LED를 이용할 수 있다. 효율성이 향상된 LED는 홀로 사용되거나 LED의 하나 이상의 다른 형태가 조합될 수 있다. 예컨대, 신호등은 하우징과, 적어도 하나의 외부 렌즈와, 하우징에 배치된 적어도 하나 이상의 제 2 타입의 발광 다이오드(LED)를 포함한다. 적어도 하나 이상의 제 2 타입의 LED는 펌프, 인광물질(phosphor), 540나노미터(nm) 이하의 컷오프점을 갖는 필터를 포함한다. 적어도 하나 이상의 제 2 타입의 LED는 또한 최대 파장이 430nm 이하인 펌프와, 최대 파장이 575nm보다 큰 인광물질을 갖는다.
신호등을 만드는 예시적인 방법은 하우징을 마련하고, 적어도 하나의 외부 렌즈를 마련하며, 하우징에 배치된 적어도 하나 이상의 제 2 타입의 발광 다이오드(LED)를 마련한다. 적어도 하나 이상의 제 2 타입의 LED는 펌프, 인광물질 및 540나노미터(nm) 이하의 컷오프점을 갖는 필터를 포함한다. 또한 적어도 하나 이상의 제 2 타입의 LED는 최대 파장이 430nm 이하인 펌프를 갖고, 최대 파장이 575nm보다 큰 인광물질을 갖는다.
본 발명에 의하면 효율성 높은 교통 신호등을 제공할 수 있다.
본 발명의 교시는 첨부 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 고려하여 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적 교통 신호등의 분해 조립도를 나타내는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 예시적 교통 신호등의 분해 조립도를 나타내는 도면,
도 3은 다양한 LED의 예시적 광 저하의 그래프를 나타내는 도면,
도 4는 필터링 전과 후의 예시적 흰색 LED의 스펙트럼을 나타내는 도면,
도 5는 필터링된 흰색 LED 및 필터링되지 않은 흰색 LED의 예시적 좌표를 나타내는 도면,
도 6은 다양한 LED의 예시적 좌표를 나타내는 도면,
도 7은 여기서 설명되는 개선된 교통 신호등을 생성하는 예시적 방법의 흐름도를 나타내는 도면,
도 8은 현재 황색 교통 신호등과 함께 사용되는 예시적 필터의 스펙트럼 투과율을 나타내는 도면,
도 9는 인광물질에 의해 변환된 LED 광의 예시적 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
이해를 돕기 위해, 가능한 한 도면에서 공통되는 동일한 구성요소를 표시하기 위해 동일한 참조부호가 사용된다.
그러나, 첨부 도면은 본 발명의 예시적인 실시예를 도시할 뿐이며, 따라서 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니고, 본 발명은 다른 동등한 효과의 실시예에도 허용될 수 있는 것을 유의해야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 예시적 교통 신호등의 분해 조립도를 나타내는 도면,
도 3은 다양한 LED의 예시적 광 저하의 그래프를 나타내는 도면,
도 4는 필터링 전과 후의 예시적 흰색 LED의 스펙트럼을 나타내는 도면,
도 5는 필터링된 흰색 LED 및 필터링되지 않은 흰색 LED의 예시적 좌표를 나타내는 도면,
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도 7은 여기서 설명되는 개선된 교통 신호등을 생성하는 예시적 방법의 흐름도를 나타내는 도면,
도 8은 현재 황색 교통 신호등과 함께 사용되는 예시적 필터의 스펙트럼 투과율을 나타내는 도면,
도 9는 인광물질에 의해 변환된 LED 광의 예시적 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
이해를 돕기 위해, 가능한 한 도면에서 공통되는 동일한 구성요소를 표시하기 위해 동일한 참조부호가 사용된다.
그러나, 첨부 도면은 본 발명의 예시적인 실시예를 도시할 뿐이며, 따라서 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니고, 본 발명은 다른 동등한 효과의 실시예에도 허용될 수 있는 것을 유의해야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적 교통 신호등(100)의 분해 조립도를 도시한다. 교통 신호등(100)은 외부 렌즈(102), 예컨대, 프레넬 렌즈 등의 혼합 렌즈(104) 및 발광 다이오드(LED)(108)의 어레이를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 예시적 실시예에서, LED(108)는 예컨대, Hi-Flux LED 등의 고성능 LED일 수 있다. LED(108)는 또한 도 2에 도시되고 이하에 설명되는 바와 같이 5밀리미터(mm)의 별개의 LED일 수 있다.
이하에 설명하는 바와 같이, 외부 렌즈(102)가 필터(도시하지 않음) 및/또는 혼합 렌즈(104)로서 동시에 기능하는지에 따라, 외부 렌즈(102)는 매끄러울 수 있고 또는 산재된 표면을 가질 수 있다. 또한 외부 렌즈(102)는 회절광이 바람직한 각도 방향을 향하게 하는 광 특성을 포함한다.
LED(108)는 반사기(106)에 배치될 수 있다. 반사기(106)는 LED(108)의 각각에 대해 개별적인 반사컵을 구비할 수 있다. LED(108)는 하나 이상의 제 1 타입의 LED와 하나 이상의 제 2 타입의 LED를 구비할 수 있다. 하나 이상의 제 1 타입의 LED는 제 1 도미넌트(dominant) 파장 피크, 예컨대, 주황색이 가미된 황색을 갖는 대략 595nm의 도미넌트 파장 피크를 갖는 광 에너지를 방출할 수 있다. 하나 이상의 제 2 타입의 LED는 제 2 도미넌트 파장 피크, 예컨대, 황색 인광물질이 코팅된 청색 LED의 사용에 의해 감지된 흰색을 갖는 대략 450nm의 도미넌트 파장 피크를 갖는 광 에너지를 방출할 수 있다. 이하, "흰색 LED"는, 상술한 바와 같이, 황색 인광물질로 코팅된 청색 LED의 사용에 의해 인지된 흰색을 가리킨다.
인광 물질은 LED의 색과 효율성에 중요한 영향을 미칠 수 있다. 인광 물질의 어떤 예는 YAG(yttrium aluminum garnet), TAG(terbium aluminum garnet), 규산이 도핑된 유로퓸(europium doped silicates)을 포함한다. 또한, 인광물질은 세라믹판에 인광 물질을 결합하고 LED 다이 위에 그 판을 장착하는 것에 의해 만들어질 수 있다. 이것은 색의 일관성을 더 좋게 할 수 있고 따라서 본 발명에 유익할 것이다. 주황색이 가미된 황색 및 흰색의 LED는 본 발명의 예시적 실시예에서 사용되지만, 임의의 색의 LED의 조합(예컨대, 단일 색의 LED 또는 상이한 색의 LED)이 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있는 것이 당업자에게 이해될 것이다.
일 실시예에서, 하나 이상의 제 2 타입의 LED는 전부는 아니더라도 청색의 대부분을 황색으로 변환하기 위해 황색 인광물질을 이용하는 청색 LED일 수 있다. 또 다른 예에서, 자외선(UV) LED는 황색 등의 새로운 색을 만들기 위해 인광물질과 사용된다. 또한 청색 또는 UV 색은 인광물질을 자극하기 위해 사용될 때 "펌프"라고 알려져 있다. 또 다른 실시예에서 펌프는 녹색을 만들기 위해 사용된다. 이하, "PC 신규"는 인광 물질로 코팅된 펌프 LED의 이용에 의해 새로운 색으로 변환된 감지 인광물질을 가리킨다. 일부 예에서 PC 신규 LED는 인광물질 변환을 이용하지 않고 직접 색을 생성한 LED보다 더 효율적일 수 있다. 이 경우 제 1 및 제 2 LED를 혼합할 필요는 없을 것이다. 그 결과, 아래에 설명하는 바와 같이, 교통 신호등(100)에는 하나 이상의 제 2 타입의 LED만이 필요할 것이다. 즉, 하나 이상의 제 1 타입의 LED는 필요없을 것이다.
본 발명의 예시적 실시예에서, 하나 이상의 제 1 타입의 LED 및 하나 이상의 제 2 타입의 LED는 교대로 반사기(106)에 인접하여 배치될 수 있다. 이 경우, 반사기(106)는 LED 광 분포를 변경하도록 기능할 수 있다. 일 실시예에서, 반사기는 광을 렌즈에 집중시킬 수 있다. 또한 이것은 하나 이상의 제 1 타입의 LED의 광을 하나 이상의 제 2 타입의 LED의 광에 중첩시킴으로써 광을 혼합시킬 수도 있다. 또 다른 예시적 실시예에서, 교통 신호등(100)은 하나 이상의 제 2 타입의 LED만으로 구성될 수 있다. 어떤 경우에, 펌프와 인광물질은 정확하게 동일한 각도의 광 강도 분포를 갖지 않을 수도 있다. 이것은 렌즈의 색의 다양성을 초래할 수 있다. 이 경우에 반사기는 펌프의 광과 인광물질의 광의 각도 분포를 변경함으로써 광의 혼합을 더 용이하게 할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예는 임의의 특정 배치에 한정되지 않고, LED(108)는 반사기(106)에 임의의 방식으로 배치될 수 있다.
반사기(106)는 복수의 배선(112)을 통해 회로 기판(110)에 연결될 수 있다. 회로 기판(110)은 반사기(106) 위의 LED(108)를 제어하는 프로세서를 포함할 수 있다. 반사기(106), 회로 기판(110) 및 복수의 배선(112)은 하우징(114)에 수용될 수 있다.
또한 교통 신호등(100)은 필터(도시하지 않음)를 포함할 수도 있다. 필터는 외부 렌즈(102)에 포함될 수 있고, LED(108)와 외부 렌즈(102) 사이의 임의의 위치에 배치된 별개의 렌즈일 수도 있으며 또는 각 LED(108)의 바로 위에 배치될 수도 있다. 색이 거의 없는 무색(non-tinted) 외부 렌즈를 이용하는 것이 바람직한 경우에는 LED 바로 위에 필터를 배치하는 것이 바람직할 것이다. 필터는 유색 필터 또는 이색성(dichroic) 필터일 수 있다. 필터링은 교통 신호등 필터링 분야에서 공지된 임의의 방법으로 실행될 수 있다.
예시적 실시예에서, 필터는 제 2 도미넌트 파장 피크를 갖는 광 에너지를 방출하는 하나 이상의 제 2 타입의 LED를 필터링하여 제 3 도미넌트 파장 피크만이 하나 이상의 제 2 타입의 LED를 통과할 수 있다. 예컨대, 제 2 타입의 LED가 흰색 LED이면, 필터링되지 않은 흰색 LED는 대략 450nm의 도미넌트 파장 피크를 가질 수 있다. 그러나, 필터링되면, 흰색 LED는 대략 580nm의 도미넌트 파장 피크를 가질 수 있다. 그러한 실시예에서, 필터는 450nm 도미넌트 파장의 대부분을 차단하지만 새로운 도미넌트 파장으로 코팅된 인광물질로부터 유래하여 방출된 인광물질의 일부를 통과시키기 때문에, 580nm 도미넌트 파장이 발생한다. 이것이 도 4에 도시된다.
도 6에 의해 도시된 일례에서, 그 결과의 580nm 도미넌트 파장(602)은 바람직한 색도 좌표를 나타낼 수 있는 예시적인 미리 정해진 범위(608) 내에 있지 않다. 컷오프점은 필터의 특성을 설명하기 위해 사용될 수 있다. 컷오프점은 퍼센트 투과율(percent transmittance)이 최대 투과율와 최소 투과율 사이에서 중간에 있는 가시적 스펙트럼에서의 위치로 정의된다. 예컨대, 도 8은 현재 황색 신호등에 사용되는 필터의 예의 스펙트럼 투과율을 도시한다. 최대 투과율과 최소 투과율은 각각 대략 84%와 2%이다. 최대 투과율과 최소 투과율 사이의 중간에 있는 퍼센트 투과율은 43%이며 따라서 컷오프점은 대략 545nm에 위치한다.
도 4는 예시적 인광물질의 스펙트럼 피크가 550nm 주위에 위치하는 것을 도시한다. 더 긴 파장에 위치하는 피크를 갖는 인광물질이 사용되면 더 효율적인 신호등이 실현될 수 있다. 이 경우, 더 긴 도미넌트 파장이 바람직한 경우에는 더 적은 필터링이 요구될 것이다. 도 9는 상술한 바와 같은 펌프 LED 광의 대부분이 인광물질에 의해 변환되는 예시적 스펙트럼의 예를 도시한다. 펌프 색은 도 4에 도시된 LED보다 짧은 파장이다. 더 짧은 펌프 파장은 LED의 효율성 관점에서 더 이로울 수 있고 사람의 눈에는 덜 보일 수 있다. 인광물질은 대략 600nm의 피크 파장과 대략 590nm의 도미넌트 파장을 갖는다. 더 긴 피크 파장은 더 많은 주황색이 가미된 황색이 바람직한 일부 애플리케이션에서 더 적은 필터링을 필요로 할 수 있다.
필터에 대한 컷오프점은 효율성(lumens/watt)을 희생시키지 않고 도미넌트 파장 피크가 바람직한 것을 판정함으로써 산출될 수 있다. 예컨대, 필터링된 흰색 LED는 현재 교통 신호등에 사용되는 황색 AlInGaP LED보다 더 나은 효율성을 제공하지 않을 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해, 필터의 컷오프점은 초래되는 도미넌트 파장을 변경시키기 위해 증가 또는 감소될 수 있다. 일 실시예에서, 컷오프점은 대략 550nm +/-40nm로 설정되어 더 많은 광이 투과될 수 있고 효율성이이 향상될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 하나 이상의 제 1 타입의 LED와 하나 이상의 제 2 타입의 LED를 혼합할 필요는 없을 것이다. 하나 이상의 제 2 타입의 LED가 효율성이 높은 PC 신규 LED이면, 하나 이상의 제 2 타입의 LED만이 사용될 수 있다. 이 경우에는, 최종 도미넌트 파장이 바람직한 경계 내의 색도 좌표를 갖게 하는 방식으로, 펌프 LED 광 부분을 차단하고 인광 물질 방출로부터 생성된 인광물질 광의 부분을 통과시키기 위해 컷오프점이 중요할 수 있고 선택될 수 있다. 앞서 기술한 바와 같이, 세라믹판에 결합되고 LED 다이에 부착된 인광물질을 이용함으로써 더 나은 색 일관성이 달성될 수 있다. 일 실시예에서, 더 나은 색 일관성을 달성하기 위해 인광 물질 LED가 결합된 세라믹판과 함께 컷오프점을 갖는 필터가 사용된다. 일 실시예에서, 펌프 피크 파장은 하나 이상의 제 2 타입의 LED, 예컨대, PC 신규 LED에 대해 430nm 이하이다. 일 실시예에서, 인광물질 피크 파장은 하나 이상의 제 2 타입의 LED, 예컨대, PC 신규 LED에 대해 575nm보다 크다. 일 실시예에서, 컷오프점은 540nm 이하이다. 이것은 인광물질 LED와 사용될 때 황색을 제공할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 컷오프점은 550nm 이하이며, 인광물질 LED와 사용될 때 주황색이 가미된 황색을 더 많이 제공할 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 컷오프점은 520nm 이하이며, 인광물질 LED와 사용될 때 연두색을 더 많이 제공할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 컷오프점은 590nm 이상이며, 인광물질 LED와 사용될 때 주황색 또는 적색을 더 많이 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 필터는 대략 600nm에서 적어도 70%의 광을 통과시킨다. 일 실시예에서, 필터는 대략 425nm에서 30%보다 많지 않은 광을 통과시킨다. 당업자는 바람직한 도미넌트 파장 피크 또는 색도 좌표를 달성하기 위해 컷오프점이 증가 및 감소되거나 또는 수정될 수 있음을 알 것이다. 일 실시예에서, 필터링되지 않은 PC 신규 LED의 도미넌트 파장은 580nm와 595nm 사이에 있다. 일 실시예에서, 신호에서 나가는 광 에너지에 대한 색도 좌표의 범위는 아래의 표 3과 같이 도시될 수 있다.
그러나, 2개의 상이한 LED(예컨대, 하나 이상의 제 1 타입의 LED와 하나 이상의 제 2 타입의 LED)를 사용하는 경우, 필터링된 흰색 LED는 대략 580nm의 도미넌트 파장 피크를 갖고 그 결과 연두색으로 된다. 이 문제를 해결하기 위해, 이하에 설명하는 바와 같이, 바람직한 도미넌트 파장 피크를 갖는 광 에너지를 달성하기 위해, 혼합 렌즈(104)가 상이한 도미넌트 파장 피크를 갖는 두 개의 광 에너지를 혼합하는 데 사용될 수 있다.
혼합 렌즈(104)에 대해 말하자면, 예시적 실시예에서, 혼합 렌즈(104)는 상술한 바와 같이 필터로서도 기능하는 외부 렌즈(102)에 통합될 수 있다. 그러한 예시적 실시예에서, 외부 렌즈(102)는 제 1 및 제 2 타입의 LED의 광 에너지를 혼합하기 위해 산재된(scattered) 표면을 포함할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 혼합 렌즈(104)는 예컨대, 프레넬 렌즈 등의 개별 렌즈일 수 있다.
이와 달리, 하나 이상의 제 1 및 제 2 타입의 LED로부터 방출된 광 에너지의 혼합은 혼합 렌즈(104) 등의 물리적 장치 없이 일어날 수도 있다. 예컨대, 하나 이상의 제 1 및 제 2 타입의 LED로부터 방출된 광 에너지의 혼합은 하나 이상의 제 1 및 제 2 타입의 LED를 적절히 배치하는 것에 의해 행해질 수 있다. 그와 같이, 하나 이상의 제 1 및 제 2 타입의 LED로부터 방출된 광 에너지를 중첩 또는 혼합하는 임의의 메커니즘은, 예컨대, 하나 이상의 제 1 및 제 2 타입의 LED의 물리적 장치 또는 구조를 이용하거나 이들을 적절히 배치하는 등 하여 사용될 수 있다.
혼합 렌즈(104)는 제 1 타입의 LED로부터 방출된 제 1 도미넌트 파장 피크를 갖는 광 에너지와 필터링된 제 2 타입의 LED로부터 방출된 제 3 도미넌트 파장 피크를 갖는 광 에너지를 조합하여, 바람직한 제 4 도미넌트 파장 피크를 갖는 광 에너지를 생성할 수 있다. 예컨대, 이하에 설명하는 바와 같이, 제 4 도미넌트 파장 피크는 미리 정해진 범위 내에 포함되기 때문에 바람직할 수 있다. 이와 달리, 제 4 도미넌트 파장이 하나 이상의 제 2 타입의 LED만을 이용하여 달성될 수 있으면, 하나 이상의 제 2 타입의 LED만 사용될 수 있다. 그 결과, 혼합 렌즈(104)는 하나 이상의 제 2 타입의 LED로부터의 스펙트럼 광만을 혼합하도록 기능할 수 있다.
예시적 실시예에서, 제 1 타입의 LED는 알루미늄 인듐 인화갈륨(AlInGaP)으로 이루어질 수 있고, 제 2 타입의 LED는 인듐 질화갈륨(InGaN)으로 이루어질 수 있다. 또한, 하나 이상의 제 2 타입의 LED만 사용되는 실시예에서는, 하나 이상의 제 2 타입의 InGaN LED가 상술한 PC 신규 LED일 수 있다. 그러나 LED(108)는 LED를 구성하는 데 일반적으로 사용되는 임의의 형태의 물질로 이루어진 LED의 임의의 조합일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 또 다른 예시적 신호등, 예컨대 교통 신호등(200)의 분해 조립도를 도시한다. 교통 신호등(200)은 5mm의 별개의 LED(204)를이용하는 교통 신호등일 수 있다. 교통 신호등(200)은 외부 렌즈(202), LED(204)를 유지하기 위한 반사기(206)를 구비할 수 있다. 또한, 반사기(206)는 복수의 배선(210)을 통해 회로 기판(208)에 접속될 수 있다. 상술한 회로 기판(110)과 마찬가지로, 회로 기판(208)은 LED(204)를 제어하는 프로세서도 포함할 수 있다. 반사기(206), 회로 기판(208) 및 복수의 배선(210)은 하우징(212)에 수용될 수 있다.
상술한 교통 신호등(100)의 LED(108)와 마찬가지로, 교통 신호등(200)의 LED(204)는 하나 이상의 제 1 타입의 LED와 하나 이상의 제 2 타입의 LED를 포함할 수도 있다. 이와 달리, 교통 신호등(200)은 하나 이상의 제 2 타입의 LED만을 포함할 수 있다. 하나 이상의 제 1 타입의 LED는 제 1 도미넌트 파장 피크를 갖는 광 에너지를 방출할 수 있고, 하나 이상의 제 2 타입의 LED는 제 2 도미넌트 파장 피크를 갖는 광 에너지를 방출할 수 있다. 본 발명의 예시적 실시예에서, 하나 이상의 제 1 타입의 LED와 하나 이상의 제 2 타입의 LED는 교대로 인접하여 반사기(206)에 배치될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예는 그러한 배치에 한정되는 것이 아니며 LED(204)는 임의 방식으로 반사기(206)에 배치될 수 있다.
또한, 당업자는 교통 신호등(200)이, 사용되는 LED, 예컨대, Hi-Flux LED 또는 5mm 개별 LED의 타입을 제외하면 교통 신호등(100)과 모든 면에서 유사할 수 있음을 이해할 것이다. 예컨대, 도 2는 혼합 렌즈(104)를 도시하지 않고 있지만, 당업자는 교통 신호등(100)과 마찬가지로 교통 신호등(200)에 혼합 렌즈(104)를 부가하여 상술한 바와 같은 임의의 구성으로 할 수 있음을 이해할 것이다. 마찬가지로, 필터는 교통 신호등(200)에 포함되어, 상술한 바와 같이, 교통 신호등(100)과 마찬가지의 임의의 구성으로 될 수 있다.
결과적으로, 도 1 및 도 2에 도시된 신호등의 예시적 실시예는 당업계에서 현재 사용되는 교통 신호등보다 더 효율적일 수 있다. 예컨대, 교통 신호등은 적색 신호, 황색 신호 및 녹색 신호를 포함할 수 있다. 현재, 황색 신호등은 AlInGaP로 이루어진 전체 황색 LED로 구성될 수 있다. 그러나, 도 3에 도시된 바와 같이 AlInGaP로 이루어진 전통적인 황색 LED는 상승된 온도에서 광 저하가 일어난다.
이와 달리, 황색 LED가 InGaN 기술로 만들어진다면, 황색 신호용 교통 신호등에 사용될 때 크게 향상된 성능을 제공할 수 있을 것이다. 그 결과, 황색 InGaN LED는 하나 이상의 제 2 타입의 LED만이 교통 신호등(100, 200)에 사용되는 상기한 실시예에 대해 사용될 수 있다. 바람직한 황색을 달성할 수 있는 그러한 InGaN LED의 예는 상술한 PC 신규 LED이다.
도 3은 다양한 LED의 예시적인 광 저하의 그래프(300)를 도시한다. 상기한 바와 같이, 신호등은 태양광 공급으로 인해 높은 온도에 노출될 수 있다. AlInGaP로 이루어진 전통적인 황색 LED는, 그래프(300)의 라인(304)으로 도시된 바와 같이, 온도 증가에 따라 급속한 광 저하를 겪는다. 상기한 바와 같이, 신호등의 맨 윗부분의 온도는 태양광 공급, 내부의 열 및 다른 요인으로 인해 74℃를 초과할 수 있다. 그래프(300)에 의해 도시된 바와 같이, 74℃에서 AlInGaP로 이루어진 황색 LED는 그 광 출력의 대략 50% 정도를 손실할 수 있다. 즉, 74℃에서 황색 신호용 신호등의 맨 윗부분은 통상적으로 실온에서 요구될 수 있는 LED보다 두 배의 수를 필요로 할 수 있다.
그러나, 온도가 상승할 때, InGaN으로 이루어진 LED는 AlInGaP로 이루어진 LED보다 효율성이 높다. 즉, 예컨대 흰색 LED 등의 InGaN으로 이루어진 LED는, 그래프(300)의 라인(302)으로 도시된 바와 같이, 온도가 상승하여도 광 저하가 적다. 그래프(300)에 의해 도시된 바와 같이, 74℃에서 InGaN으로 이루어진 흰색 LED는 그 광 출력의 대략 10% 정도만을 손실할 수 있다.
그러나 본 발명의 예시적 실시예에서, InGaN으로 이루어진 흰색 LED를 사용하기 위해, 흰색 LED는 황색 광만을 통과시키도록 필터링될 것이다. 그러나, 필터링된 흰색 LED로부터 방출된 황색 광은 여전히 미리 정해진 범위 바깥쪽에 있을 수 있다. 예컨대, 미리 정해진 범위는 담당 관청에 의해 또는 특정 도시에 의해 정의되는 신호등에 대한 파장 요건일 수 있다. 예컨대, 어떤 도시는 황색 신호등이 대략 590nm의 도미넌트 파장 피크를 가질 것을 요구할 수 있다. 그러나, 필터링된 흰색 LED로부터 방출된 황색 광은 대략 580nm의 도미넌트 파장 피크를 가질 수 있다.
도 4는 필터링의 전과 후에 예시적인 흰색 LED의 스펙트럼을 나타내는 그래프(400)를 도시한다. 예컨대, 필터링되지 않은 흰색 LED는, 그래프(400)의 라인(402)에 의해 도시된 바와 같이, 대략 450nm의 도미넌트 파장 피크를 가질 수 있다. 필터링된 흰색 LED는, 그래프(400)의 라인(404)에 의해 도시된 바와 같이, 대략 580nm의 도미넌트 파장 피크를 가질 수 있다.
또한 필터링되지 않은 LED 및 필터링된 LED로부터 방출된 광 에너지의 색은, 예컨대, 도 5에 도시된 바와 같이 색도 다이어그램의 좌표 관점에서 설명될 수 있다. 도 5는 필터링된 및 필터링되지 않은 흰색 LED의 예시적 좌표를 나타내는 그래프(500)를 도시한다. 좌표는 1931 CIE 색도 다이어그램으로 맵핑된다. 그래프(500)의 마크(504)는 필터링되지 않은 흰색 LED의 근사적인 좌표를 도시한다. 그래프(500)의 마크(502)는 필터링된 흰색 LED의 근사적인 좌표를 도시한다.
그러나, 상기한 바와 같이, InGaN으로 이루어진 필터링된 흰색 LED를 이용하는 것은 여전히 미리 정해진 범위 밖에 있는 도미넌트 파장 피크를 갖는 광을 방출할 수 있다. 상기한 바와 같이, 바람직한 도미넌트 파장 피크를 갖는 광 에너지를 생성하기 위해 필터링된 흰색 LED의 광 에너지는 다른 LED의 광 에너지와 혼합될 수 있다. 예컨대, 다른 LED는 대략 595nm의 도미넌트 파장 피크를 갖는 주황색이 가미된 황색 LED일 수 있다. 본 발명의 예시적 실시예에서 주황색이 가미된 황색 LED와 흰색 LED가 사용되지만, 유색 LED의 임의의 조합이 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있음이 당업자에게 이해될 것이다. LED의 색 조합은 원하는 최종 색에 의해 결정될 수 있다. 예컨대, LED의 상이한 색의 조합은 적색 광을 이루기 위해 사용될 수 있다.
필터링된 흰색 LED 광 에너지를 주황색이 가미된 황색 LED의 광 에너지와 혼합함으로써, 광 에너지는 미리 정의된 범위, 예컨대, 대략 590nm의 범위 내의 바람직한 도미넌트 파장 피크를 갖도록 생성될 수 있다. 그 일례가 도 6에 도시된다. 이와 달리, 상술한 바와 같이, 하나 이상의 제 2 타입의 LED가 PC 신규 LED이면, 하나 이상의 제 2 타입의 LED만 필요할 수 있다. 이 경우에는, PC 신규 LED의 스펙트럼 에너지만이 혼합된다.
도 6은 색도 다이어그램에서의 다양한 LED의 예시적 좌표를 도시하는 그래프(600)를 나타낸다. 예컨대, 그래프(600)는 필터링된 흰색 LED의 광 에너지, 주황색이 가미된 황색 LED의 광 에너지, 필터링된 흰색 LED의 광 에너지와 주황색이 가미된 황색 LED의 광 에너지를 혼합하여 생성된 광 에너지의 예시적 좌표를 도시한다. 예시적 좌표가 그래프(600)의 라인(610)에 의해 표시된 1931 CIE 색도 다이어그램을 클로즈업(close up)하여 도시된다. 부가하여, 예시적인 미리 정해진 범위는, 예컨대, 황색 신호에 대해 요구되는 범위는 점선(608)으로 표시된다.
상기한 바와 같이, 필터링된 흰색 LED의 광 에너지는 마크(602)에 의해 표시된, 대략 580nm의 도미넌트 파장 피크를 가질 수 있다. 필터링된 흰색 LED에 대한 색도 좌표의 예시적 범위는 아래의 표 1과 같이 될 수 있다.
필터링된 흰색 LED에 대한 색도 좌표의 예시적 범위
필터링된 흰색 LED가 황색을 포함할 수 있지만, 필터링된 흰색 LED의 황색은 여전히 미리 정해진 범위 바깥쪽에 있을 수 있다. 예컨대, 마크(602)는 미리 정해진 범위를 나타내는 점선(608)의 바깥쪽에 있다. 그러나, 또 다른 LED로부터의 광 에너지, 예컨대, 주황색이 가미된 황색 LED로부터의 광 에너지는 필터링된 흰색 LED로부터의 광 에너지와 혼합될 수 있다. 예컨대, 주황색이 가미된 황색 LED로부터의 광 에너지는 마크(604)로 표시된 바와 같이, 대략 595nm의 도미넌트 파장 피크를 가질 수 있다. 주황색이 가미된 황색 LED에 대한 색도 좌표의 예시적 범위를 아래의 표 2와 같이 나타낼 수 있다.
주황색이 가미된 황색 LED에 대한 색도 좌표의 예시적 범위
주황색이 가미된 황색 LED로부터의 광 에너지를 필터링된 흰색 LED로부터의 광 에너지와 혼합하는 것은, 마크(606)로 도시된 바와 같이, 대략 590nm의 도미넌트 파장 피크를 갖는 새로운 광 에너지를 생성할 수 있다. 이와 달리, 상기한 바와 같이, 마크(606)로 도시된, 대략 590nm의 도미넌트 파장 피크는 하나 이상의 제 2 타입의 LED, 예컨대 여기에 설명한 PC 신규 LED만을 이용하여 달성될 수 있다. 새로운 광 에너지는 미리 정해진 범위 내에 포함되는 도미넌트 파장 피크를 가질 수 있다. 이것은 미리 정해진 범위를 나타내는 점선(608) 내의 마크(606)로 도시된다. 이 범위가 표 3a에 도시된다. 새로운 광 에너지에 대한 색도 좌표의 예시적 범위는 아래의 표 3b에 도시된 바와 같이 될 수 있다.
주황색이 가미된 황색 LED에 대한 색도 좌표의 예시적 범위
그 결과, 도 1 및 도 2에 도시된 신호등의 예시적 실시예는 이 분야에서 현재 사용되는 교통 신호등보다 더 효율적일 수 있다. 예컨대, 도 1 및 도 2에 도시된 교통 신호등은 InGaN으로 이루어진 LED의 사용으로 인해 광 저하가 더 적고 수명이 더 길 수 있다. 또한, AlInGaP LED 및 InGaN LED를 결합하여 사용하는 것은 여전히 미리 정해진 범위, 예컨대, 황색 신호등에 필요한 범위 내의 도미넌트 파장 피크를 갖는 광 에너지를 생성하도록 결합될 수 있다.
도 7은 여기서 설명한 개선된 교통 신호등을 생성하는 예시적 방법(700)의 흐름도를 도시한다. 방법(700)은 하우징이 마련되는 단계(702)에서 시작된다.
단계(704)에서, 방법(700)은 적어도 하나의 외부 렌즈를 마련할 수 있다.
단계(706)에서, 방법(700)은 하우징에 배치된 하나 이상의 제 2 타입의 발광 다이오드(LED)를 마련하고, 적어도 하나 이상의 제 2 타입의 LED는 펌프, 인광물질 및 540nm 이하의 컷오프점을 갖는 필터를 구비한다. 적어도 하나 이상의 제 2 타입의 LED는 피크 파장이 430nm 이하인 펌프와, 피크 파장이 575nm보다 큰 인광물질을 갖는다.
일 실시예에서, 하나 이상의 제 2 타입의 LED는 인듐 질화갈륨(InGaN)으로 이루어질 수 있다. 또한, 다른 실시예에서 하나 이상의 제 2 타입의 InGaN LED는 상술한 PC 신규 LED일 수 있다. 방법(700)은 단계(706) 후에 종료한다.
이상 여러 가지 실시예를 설명하였지만, 그것은 한정하려는 것이 아니라 단지 예로서 나타낸 것임이 이해될 것이다. 따라서, 바람직한 실시예의 범위는 상술한 임의의 예시적 실시예에 한정되지 않을 것이며, 후속하는 청구범위 및 그 등가물에 따라서만 정의되어야 할 것이다.
100 : 교통 신호등 102 : 외부 렌즈
104 : 혼합 렌즈 106 : 반사기
108 : 발광 다이오드(LED) 110 : 회로 기판
112 : 배선 114 : 하우징
104 : 혼합 렌즈 106 : 반사기
108 : 발광 다이오드(LED) 110 : 회로 기판
112 : 배선 114 : 하우징
Claims (15)
- 하우징과, 적어도 하나의 외부 렌즈와, 상기 하우징에 배치된, 적어도 하나 이상의 제 2 타입의 발광 다이오드(LED)를 구비하는 신호등으로서,
상기 적어도 하나 이상의 제 2 타입의 LED는 펌프와, 인광물질(phosphor)과, 540나노미터(nm) 이하의 컷오프점을 갖는 필터를 구비하고,
상기 적어도 하나 이상의 제 2 타입의 LED는, 피크 파장이 430nm 이하인 펌프를 갖고, 또한, 피크 파장이 575nm보다 큰 인광물질을 갖는
신호등.
- 제 1 항에 있어서,
상기 필터는 대략 600nm에서 상기 하나 이상의 제 2 타입의 LED로부터 방출된 광의 적어도 70%를 통과시키는 신호등.
- 제 1 항에 있어서,
상기 신호를 내보내는 광은
의 경계 내에서 1931 CIE 색도 다이어그램에 따른 x 및 y 좌표를 갖는 신호등.
- 제 1 항에 있어서,
상기 신호를 내보내는 광은
의 경계 내에서 1931 CIE 색도 다이어그램에 따른 x 및 y 좌표를 갖는 신호등.
- 제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 제 2 타입의 LED는 인듐 질화갈륨(InGaN)으로 이루어지는 신호등.
- 제 1 항에 있어서,
상기 인광물질은 세라믹판에 끼워져 LED 다이 위에 장착되는 신호등.
- 제 1 항에 있어서,
상기 인광 물질은 YAG(yttrium aluminum garnet)를 포함하는 신호등.
- 제 1 항에 있어서,
상기 인광 물질은 TAG(terbium aluminum garnet)를 포함하는 신호등.
- 제 1 항에 있어서,
상기 인광 물질은 규산이 도핑된 유로퓸(europium doped silicates)을 포함하는 신호등.
- 제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 제 2 타입의 LED는 반사기에 배치되는 신호등. - 제 1 항에 있어서,
프레넬 렌즈(Fresnel lens)는 상기 하나 이상의 제 2 타입의 LED와 상기 하우징 사이에 배치되는 신호등.
- 제 1 항에 있어서,
제 2 도미넌트 파장을 갖는 광 에너지를 방출하는 하나 이상의 제 1 타입의 LED는 상기 하우징에 배치되는 신호등.
- 제 1 항에 있어서,
제 2 필터가 사용되며,
상기 제 2 필터는, 제 3 도미넌트 파장이 상기 하나 이상의 제 2 타입의 LED를 통과하도록, 상기 하나 이상의 제 2 타입의 LED의 광 에너지를 필터링하는
신호등.
- 제 1 항에 있어서,
유색 또는 이색성(dichroic) 필터를 구비하는 신호등. - 신호등을 제조하는 방법으로서,
하우징을 제공하는 단계와,
적어도 하나의 외부 렌즈를 제공하는 단계와,
상기 하우징에 배치된, 적어도 하나 이상의 제 2 타입의 발광 다이오드(LED)를 제공하는 단계를 포함하고,
상기 적어도 하나 이상의 제 2 타입의 LED는 펌프와, 인광물질(phosphor)과, 540나노미터(nm) 이하의 컷오프점을 갖는 필터를 구비하고,
상기 적어도 하나 이상의 제 2 타입의 LED는, 피크 파장이 430nm 이하인 펌프를 갖고, 또한, 피크 파장이 575nm보다 큰 인광물질을 갖는
신호등 제조 방법.
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| US12/055,544 | 2008-03-26 |
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Cited By (1)
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