KR20130025394A - 광전자 장치 - Google Patents

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KR20130025394A
KR20130025394A KR1020127028606A KR20127028606A KR20130025394A KR 20130025394 A KR20130025394 A KR 20130025394A KR 1020127028606 A KR1020127028606 A KR 1020127028606A KR 20127028606 A KR20127028606 A KR 20127028606A KR 20130025394 A KR20130025394 A KR 20130025394A
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semiconductor light
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temperature
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KR1020127028606A
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랄프 비르트
호스트 바르가
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오스람 옵토 세미컨덕터스 게엠베하
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Abstract

본 발명은 혼색 광을 방출하기 위한 광전자 장치와 관련이 있으며, 상기 광전자 장치는
- 작동 중에 제 1 세기를 갖는 제 1 파장 범위에서 광을 방출하는 제 1 발광 다이오드(11)를 구비한 제 1 반도체 광원(1)을 포함하며, 이 경우 상기 제 1 파장 범위 및/또는 상기 제 1 세기는 제 1 온도 의존성(temperature dependence)을 가지며,
- 작동 중에 제 2 세기를 갖는 제 2 파장 범위에서 광을 방출하는 제 2 발광 다이오드(21, 22)를 구비한 제 2 반도체 광원(2)을 포함하며, 이 경우 상기 제 1 및 제 2 파장 범위는 서로 상이하며, 그리고 이 경우 상기 제 2 파장 범위 및/또는 상기 제 2 세기는 제 1 온도 의존성과 상이한 제 2 온도 의존성을 가지며,
- 작동 중에 제 3 세기를 갖는 제 3 파장 범위에서 광을 방출하는 제 3 발광 다이오드(31)를 구비한 제 3 반도체 광원(3)을 포함하며,
- 온도 의존적인 전기 저항을 갖는 저항 소자(4)를 포함하며, 그리고
- 상기 제 3 반도체 광원(3)의 세기를 제어하기 위한 반도체 광원 제어 소자(9)를 포함하며,
- 이 경우에는 병렬 회로의 제 1 분기(101) 안에 있는 제 1 반도체 광원(1) 및 저항 소자(4)를 구비하는 제 1 직렬 회로, 병렬 회로의 제 2 분기(102) 안에 있는 제 2 반도체 광원(2) 그리고 병렬 회로의 제 3 분기(103) 안에 있는 반도체 광원 제어 소자(9) 및 제 3 반도체 광원(3)을 구비하는 제 2 직렬 회로가 하나의 병렬 회로 안에 접속되어 있다.

Description

광전자 장치 {OPTOELECTRONIC DEVICE}
본 발명은 혼색 광을 방출하기 위한 광전자 장치에 관한 것이다.
본 특허 출원은 독일 특허 출원서 제 10 2010 013 493.7호의 우선권을 청구하며, 상기 독일 특허 출원서의 공개 내용은 인용의 형태로 본 출원서에 수용된다.
혼색 광, 다시 말해 단색이 아닌 광 그리고 본 경우에는 예를 들어 백색의 광을 발생하기 위하여, 발광 다이오드(LED)를 사용할 때에는 통상적으로 다양한 컬러를 방출하는 LED 및/또는 다수의 형광 물질이 사용될 수 있다. 예를 들어 백색의 광을 발생하기 위해서는, 상이한 LED에 의해서 방출되는 황-녹색 파장 범위의 스펙트럼 성분 및 적색 파장 범위의 스펙트럼 성분이 방출될 수 있다.
말하자면 다양한 LED-칩에 의해서 방출되는 광의 혼합과 같은 광학적인 규정들을 충족시키는 것 이외에 말하자면 백색점의 백색의 광에서 온도에 대하여 색 위치를 안정화시키는 것도 요구된다. 이와 같은 요구의 출발점은 예를 들어 관련 칩-기술들의 다양한 온도 의존성이다. 사전에 공개되지 않은 DE-출원서 10 2008 057 347.7호에서는 안정화 소자가 기술된다.
색 위치 안정화 이외에, 예를 들어 따뜻한 백색의 광과 차가운 백색의 광 사이에서 변화가 이루어지도록 하기 위하여 상기와 같은 광원의 컬러 온도(CCT)를 제어할 수 있는 가능성도 중요하다. 컬러 온도를 제어할 수 있는 광원의 전형적인 구현 예들은 광학적인 그리고/또는 열적인 센서, 마이크로 컨트롤러 및 LED를 제어하기 위한 다수의 LED-드라이버를 구비한다. 열적인 효과를 보상하기 위해서 전형적인 LED-특징들이 마이크로 컨트롤러 안에 저장되어 있다.
본 발명의 과제는 구조가 단순하고, 컬러 온도를 제어할 수 있으며, 그리고 색 위치가 안정화된 광원을 제공하는 것이다.
상기 과제는 특허 청구항 1의 특징들을 갖는 광전자 장치에 의해서 해결되며, 상기 광전자 장치는
- 작동 중에 제 1 세기를 갖는 제 1 파장 범위에서 광을 방출하는 제 1 발광 다이오드를 구비한 제 1 반도체 광원을 포함하며, 이 경우 상기 제 1 파장 범위 및/또는 상기 제 1 세기는 제 1 온도 의존성(temperature dependence)을 가지며,
- 작동 중에 제 2 세기를 갖는 제 2 파장 범위에서 광을 방출하는 제 2 발광 다이오드를 구비한 제 2 반도체 광원을 포함하며, 이 경우 상기 제 1 및 제 2 파장 범위는 서로 상이하며, 그리고 이 경우 상기 제 2 파장 범위 및/또는 상기 제 2 세기는 제 1 온도 의존성과 상이한 제 2 온도 의존성을 가지며,
- 작동 중에 제 3 세기를 갖는 제 3 파장 범위에서 광을 방출하는 제 3 발광 다이오드를 구비한 제 3 반도체 광원을 포함하며,
- 온도 의존적인 전기 저항을 갖는 저항 소자를 포함하며, 그리고
- 상기 제 3 반도체 광원의 세기를 제어하기 위한 반도체 광원 제어 소자를 포함하며,
- 이 경우에는 병렬 회로의 제 1 분기 안에 있는 제 1 반도체 광원 및 저항 소자를 구비하는 제 1 직렬 회로, 병렬 회로의 제 2 분기 안에 있는 제 2 반도체 광원 그리고 병렬 회로의 제 3 분기 안에 있는 반도체 광원 제어 소자 및 제 3 반도체 광원을 구비하는 제 2 직렬 회로가 하나의 병렬 회로 안에 접속되어 있다.
상기 저항 소자는 온도 안정화 작용을 하는데, 그 이유는 상기 저항 소자가 온도에 의존하는 색 위치 이동을 야기하는 제 1 및 제 2 반도체 광원의 상이한 온도 의존성을 저지하기 때문이다. 상기 반도체 광원 제어 소자에 의해서는 제 3 반도체 광원의 세기가 제어될 수 있으며, 이와 같은 사실은 혼색 광의 컬러 온도 변경을 야기한다. 온도 변경시에 상기 혼색 광의 설정된 컬러 온도는 저항 소자에 의한 온도 보상이 없는 경우보다 약간 더 적게 변경된다. 예를 들어 정상 작동의 경우 상기 장치가 스위치-온 후에 자체 작동 온도로 가열되면 온도 상승이 나타난다.
상기 광전자 장치는 적합하게 선택된 온도 의존적인 저항 소자에 의해서 반도체 광원의 물리적인 특성들의 보상을 가능하게 한다. 상기 회로 어레이는 종래의 회로 어레이에 비해 더 단순한 구조를 갖는데, 그 이유는 다수의 발광 다이오드 드라이버 또는 반도체 광원 제어 소자 대신에 단 하나의 발광 다이오드 드라이버 또는 반도체 광원 제어 소자만 제공될 수 있기 때문이다. 마이크로 컨트롤러는 생략될 수 있다.
"광"은 특히 자외선 내지 적외선 스펙트럼 범위의 하나 또는 다수의 파장 또는 파장 범위를 갖는 전자기 방사선을 언급할 수 있다. 특히 광은 가시 광선일 수 있고, 대략 350 nm 내지 대략 800 nm의 가시 광선 스펙트럼 범위의 파장 또는 파장 범위를 포함할 수 있다. 상기 가시 광선은 당업자에게 공지된 소위 CIE-1931-색 위치 표 또는 CIE-표준 색 표에 따른 x- 및 y-색 위치 좌표를 갖는 자체 색 위치에 의해서 특징 지워질 수 있다.
백색의 광 또는 백색의 발광 효과 또는 색 효과를 갖는 광으로서는 플랑크(Planck) 블랙 바디 방사체의 색 위치에 상응하는 광 또는 x- 및/또는 y-색 위치 좌표에서 플랑크 블랙 바디 방사체의 색 위치로부터 0.1 미만만큼 그리고 바람직하게는 0.05 미만만큼 벗어나는 색 위치를 갖는 광이 언급될 수 있다. 또한, 여기에서 그리고 이하에서 백색의 발광 효과로서 언급되는 발광 효과는 당업자에게 공지된 90보다 크거나 같은, 바람직하게는 70보다 크거나 같은 그리고 특히 바람직하게는 80보다 크거나 같은 연색 평가 지수(color rendering index; CRI)를 갖는 광에 의해서 야기될 수 있다.
또한, "따뜻한 백색"으로서는 5,500 K보다 작거나 같은 색 온도를 갖는 발광 효과가 언급될 수 있다. "차가운 백색"으로서는 5,500 K보다 큰 온도를 갖는 백색의 발광 효과가 언급될 수 있다. 대략 5,500 K의 범위는 중성(neutral) 백색으로서 언급될 수 있다. "색 온도"라는 용어는 플랑크 블랙 바디 방사체의 색 온도를 언급할 수 있거나, 또는 플랑크 블랙 바디 방사체의 색 위치 좌표로부터 벗어나는 색 위치 좌표에 의해서 특징 지워질 수 있는 전술된 의미의 백색 발광 효과의 경우에는 소위 상관 색 온도(correlated color temperature; CCT)를 언급할 수도 있다.
상이하게 느껴질 수 있는 색 위치들의 광에 의해서 발생하는 다양한 발광 효과는 특히 서로 상이한 제 1 및 제 2 파장 범위에 의해서 야기될 수 있다. 제 1 및 제 2 파장 범위는 말하자면 상기 제 1 파장 범위가 상기 제 2 파장 범위 안에 포함되어 있지 않은 적어도 하나의 스펙트럼 성분을 구비하는 경우에 상이한 것으로 언급될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 파장 범위는 CIE-표준 색 표에서 상이한 x-좌표 및/또는 상이한 y-좌표를 갖는 각각의 발광 효과 및 색 효과를 야기한다.
상기 저항 소자는 상기 제 1 및/또는 제 2 및/또는 제 3 반도체 광원과 그리고 그로 인해 제 1 및/또는 제 2 및/또는 제 3 발광 다이오드(LED)와 열적으로 접촉될 수 있다. 이와 같은 사실은 반도체 광원의 온도 변경시에 상기 저항 소자의 온도가 상기 반도체 광원의 온도 변경과 동일한 크기만큼 변경된다는 것을 의미할 수 있으며, 그 역도 동일하게 적용될 수 있다.
제 1 및 제 2 세기 및/또는 제 1 및 제 2 파장 범위의 상이한 제 1 및 제 2 온도 의존성으로 인하여, 반도체 광원의 발광 효과들은 주변 온도 및 작동 온도에 따라서 서로 상이하게 변경될 수 있다. 반도체 광원들의 광이 조절되지 않은 상태로 중첩되는 경우에는 그로 인해 중첩 부분의 발광 효과, 다시 말해 혼색 광의 발광 효과도 마찬가지로 변경될 수 있다. 본 발명에 따른 광전자 장치에서 상기 저항 소자에 의해서는 자체 색 위치와 관련하여 가급적 적은 온도 의존성을 갖는 혼색 광을 발생시킬 수 있다.
실시 예 및 재료 선택에 따라서 상기 제 1 온도 의존성은 제 2 온도 의존성보다 더 작을 수 있다. 이와 같은 사실은 온도에 상승함에 따라 예를 들어 제 1 반도체 광원의 제 1 세기가 제 2 반도체 광원의 제 2 세기보다 덜 변경된다는 것을 의미한다. 이 경우에 저항 소자는 양(+)의 온도 계수를 갖는 저항 소자이며, 이와 같은 사실은 상기 저항 소자의 전기 저항이 온도 상승에 따라 증가한다는 것 그리고 상기 저항 소자가 포지스터(posistor)로서 또는 PTC(positive temperature coefficient; 양의 온도 계수)-저항 소자로서 구현되었다는 것을 의미한다. 예를 들어 주변 온도의 상승에 의해서 제 1 및 제 2 반도체 광원의 온도가 상승하면, 본 경우에는 제 2 세기가 제 1 세기보다 더 강하게 감소하게 된다. 이와 같은 사실은 혼색 광의 색 위치가 제 1 반도체 광원의 색 위치 쪽으로 이동하게 될 것이라는 것을 의미한다. 그러나 PTC-소자로서 구현된 저항 소자에서는 온도 및 그와 더불어 전기 저항도 동시에 상승함으로써, 결과적으로 제 1 직렬 회로 및 그와 더불어 제 1 반도체 광원을 통해서 흐르는 전류는 제 2 반도체 광원을 통해서 흐르는 전류에 비해 감소하게 되며, 그 결과 순전히 온도에 의해서만 야기되는 제 1 및 제 2 세기의 변경이 저지될 수 있게 된다.
그 대안으로서 제 1 온도 의존성은 제 2 온도 의존성보다 더 클 수 있다. 이 경우에 저항 소자는 음(-)의 온도 계수를 갖는 저항 소자이며, 이와 같은 사실은 상기 저항 소자의 전기 저항이 온도 상승에 따라 감소한다는 것 그리고 상기 저항 소자가 서미스터(thermistor)로서 또는 NTC(negative temperature coefficient; 음의 온도 계수)-저항 소자로서 구현되었다는 것을 의미한다. 그로 인해, 직렬 회로 및 그와 더불어 제 1 반도체 광원을 통해서 흐르는 전류가 제 2 반도체 광원을 통해서 흐르는 전류에 비해 증가하게 됨으로써, 이전의 경우에서와 마찬가지로 순전히 온도에 의해서만 야기되는 제 1 및 제 2 세기의 변경이 저지될 수 있다.
특히 상기 저항 소자는 제 1 또는 제 2 반도체 광원의 제 1 및 제 2 온도 의존성에 맞추어 적응된 온도에 의존하는 전기 저항을 가질 수 있다. 이와 같은 사실은 특히 상기 저항 소자가 스위칭 특성을 구비하지 않는다는 것 그리고 상기 전기 저항이 -40 ℃ 내지 125 ℃의 온도 범위 안에서 급격하게 변경되지 않는다는 것을 의미할 수 있다. 바람직하게 상기 저항 소자의 전기 저항은 -40 ℃보다 크거나 같고 125 ℃보다 작거나 같은 온도 범위 안에서 연속으로 변경되며, 이와 같은 사실은 저항 소자가 실제로 동일한 온도 의존성을 갖는 포지스터로 구현되었는지 아니면 서미스터로 구현되었는지에 따라서 전기 저항이 상승하기도 하고 강하하기도 한다는 것을 의미한다. 바람직하게 상기 저항 소자는 선형의 또는 거의 선형의 저항-온도-의존 관계를 갖는다.
한 가지 실시 예에서는 상기 반도체 광원 제어 소자가 제 1 상태에서는 제 3 분기를 통과하는 전류 흐름을 실제로 차단하고, 제 2 상태에서는 제 3 분기를 통과하는 전류 흐름을 실제로 개방한다. 다른 말로 표현하자면: 제 1 상태에서는 제 3 반도체 광원으로의 전류 공급이 중단되거나 또는 적어도 상기 제 3 반도체 광원이 광을 방출하지 않을 정도로 줄어들며; 제 2 상태에서는 상기 제 3 반도체 광원이 광을 방출한다. 상기 제 3 반도체 광원의 스위치-온 또는 스위치-오프에 의해서 혼색 광의 색 온도가 변경된다.
한 가지 실시 예에서는 상기 제 1 상태와 제 2 상태 사이에서 불연속적으로 전환이 이루어질 수 있다. 본 실시 예에서 상기 반도체 광원 제어 소자는 제 3 반도체 광원을 혼색 광의 두 가지 색 온도 사이에서 전환하기 위하여 상기 제 3 반도체 광원을 스위치-온 및 스위치-오프시키는 스위치로서 이용된다.
한 가지 대안적인 실시 예에서 제 3 분기를 통과하는 전류 흐름은 제 1 상태와 제 2 상태 사이에서 연속적으로 변경될 수 있다. 이와 같은 변경 가능성은 색 온도의 연속적인 변경을 가능하게 한다.
바람직하게 상기 반도체 광원 제어 소자는 제어 전압이 인가될 수 있는 트랜지스터를 포함한다. 상기 트랜지스터는 인가되는 제어 전압에 따라서 제 3 분기를 통과하는 전류 흐름을 제어하고, 그와 더불어 상기 제 3 반도체 광원에 의해서 방출되는 광의 세기도 제어한다.
상기 트랜지스터는 N-채널-MOSFET 또는 P-채널-MOSFET로서 형성될 수 있으며, 이와 같은 형성 가능성은 회로 형성시의 자유도(degree of freedom)를 나타낸다.
제어 전압을 연속적으로 변경하기 위하여, 상기 제어 전압을 조절하기 위하여 전위차계(potentiometer)가 제공될 수 있다.
바람직하게는 제어 전압을 조절하기 위하여 분압기(voltage divider)가 제공되었다. 상기 분압기의 저항을 통해서 상기 트랜지스터에 인가되는 제어 전압이 강하할 수 있다. 분압기가 전위차계를 구비하는 경우에는 상기 전위차계의 저항 변경에 의해서 상기 분압기의 저항들에서 강하하는 전압이 변경될 수 있고, 그에 따라 제어 전압도 변경될 수 있다.
한 가지 실시 예에서 혼색 광은 상기 두 가지 상태 중에 한 가지 상태에서는 따뜻한 백색이고, 다른 한 가지 상태에서는 차가운 백색이다. 다른 말로 표현하자면: 본 발명에 따른 광전자 장치에 의해서 방출되는 광은 조명을 적응시키기 위하여 차가운 백색과 따뜻한 백색 사이에서 전환될 수 있다.
따라서, 백색의 광을 방출하고 차가운 백색의 제 1 반도체 광원 및 적색의 광을 방출하는 제 2 반도체 광원을 구비하는 장치에서는 청색의 광을 방출하기에 적합한 제 3 반도체 광원이 제공될 수 있다. 상기 제 3 반도체 광원이 광을 방출하지 않으면, 혼색 광은 따뜻한 백색이다. 상기 제 3 반도체 광원이 광을 방출하면, 혼색 광의 자체 색 온도는 상대적으로 더 차갑다.
한 가지 실시 예에서는 본 발명에 따른 광전자 장치가 모듈로서 형성됨으로써, 결과적으로 상기 장치의 소자들은 하나의 하우징 안에 배치되어 있다. 한 가지 실시 예에서는 공급 전압을 인가하기 위하여 두 개의 단자가 제공되었다. 상기 모듈의 한 가지 다른 실시 예에서는 공급 전압을 인가하기 위한 단자들 이외에 반도체 광원 제어 소자를 트리거링 하기 위한 전위를 인가하기 위하여 적어도 하나의 단자가 더 제공되었다.
본 발명은 실시 예들과 연관된 도면을 참조하여 아래에서 상세하게 설명된다.
도 1은 혼색 광을 방출하기 위한 광전자 장치의 회로도이고,
도 2는 하나의 선을 갖춘 CIE-표준 색 표의 한 절단 섹션으로서, 상기 선을 따라 상기 광전자 장치가 트리거링 될 수 있으며,
도 3은 안정화된 장치에 의해서 그리고 안정화되지 않은 비교 장치에 의해서 방출되는 광의 색 위치들을 갖는 CIE-표준 색 표의 한 절단 섹션이고,
도 4는 P-채널-MOSFET의 결선 상태를 보여주는 한 절단 섹션이며, 그리고
도 5는 N-채널-MOSFET의 결선 상태를 보여주는 한 절단 섹션이다.
도 1은 혼색 광을 방출하기 위한 광전자 장치, 다시 말해 제 1 반도체 광원(1), 제 2 반도체 광원(2) 및 제 3 반도체 광원(3)을 구비하는 광원의 한 가지 실시 예에 대한 회로도 또는 회로 어레이를 보여주고 있다.
상기 제 1 반도체 광원(1)은 차가운 백색의 제 1 파장 범위에서 광을 방출하는 제 1 LED(11)를 포함한다. 황-녹색 범위에서의 광 방출도 생각할 수 있다. 상기 제 2 반도체 광원(2)은 하나의 제 2 파장 범위에서 적색의 광을 방출하는 두 개의 제 2 LED(21, 22)로 구성된 하나의 직렬 회로를 포함한다. 상기 제 3 반도체 광원(3)은 제 3 파장 범위에서 청색의 광을 방출하는 제 3 LED를 포함한다.
더 나아가 제 1 파장 범위에서 광을 방출하는 추가의 LED(7, 8)도 제공되었다. 상기 추가 LED(7, 8)의 제공은 선택적이다. 상기 추가 LED는 전혀 제공되지 않을 수도 있고, 하나 또는 두 개 이상 제공될 수도 있다. 상기 추가 LED의 발광 효과는 백색에 한정되어 있지 않다.
또한, 제 1, 제 2 및 제 3 저항 소자(4, 5, 6)도 제공되었다. 상기 제 1 저항 소자(4)가 온도 의존적이고, 양(+)의 온도 계수를 가짐으로써, 결과적으로 상기 제 1 저항 소자의 저항은 온도가 증가함에 따라 상승한다. 다른 말로 표현하자면: 상기 제 1 저항 소자(4)는 PTC-저항 소자이다. 제 2 저항 소자(5)는 가변적인 저항을 갖는다. 상기 저항 소자는 전위차계로서 형성되었다. 상기 제 3 저항 소자(6)의 저항은 고정적이다.
상기 회로 어레이는 또한 게이트-단자(91), 소스-단자(92) 및 드레인-단자(93)를 구비하여 반도체 광원 제어 소자(9)로서 이용되는 MOSFET도 포함한다.
상기 제 1, 제 2 및 제 3 반도체 광원(1, 2, 3), 저항 소자(4, 5, 6) 및 MOSFET로서 형성된 반도체 광원 제어 소자(9)는 아래와 같이 회로 설계되었다: 제 1 분기(101) 안에서는 상기 제 1 반도체 광원(1)이 제 1 저항 소자(4)에 직렬로 접속되어 있다. 제 2 분기(102) 안에는 두 개의 LED(21, 22)를 구비하는 제 2 반도체 광원(2)이 배치되어 있으며, 그리고 제 3 분기(103) 안에서는 MOSFET로서 형성된 상기 반도체 광원 제어 소자(9)가 제 3 반도체 광원(3)에 직렬로 접속되어 있으며, 이 경우 상기 드레인-단자(93)는 제 3 LED(31)에 연결되어 있다. 상기 제 1, 제 2 및 제 3 분기(101, 102, 103)는 병렬로 접속되어 있다.
상기 병렬 회로에 대하여 직렬로 두 개의 추가 LED(7, 8)가 접속되어 있다. 상기 추가 LED(7, 8) 및 병렬 회로를 구비하는 상기 직렬 회로에 대하여 병렬로 제 2 및 제 3 저항 소자(5, 6)를 구비하는 직렬 회로가 접속되어 있다. 상기 제 2 및 제 3 저항 소자(5, 6)는 분압기로서 이용된다. 상기 제 2 저항 소자(5)와 제 3 저항 소자(6) 사이에서는 제어 전압이 인출되며, 상기 제어 전압은 MOSFET로서 형성된 반도체 광원 제어 소자(9)의 게이트-단자(91)에 인가된다.
혼색 광의 다른 색 효과 및 발광 효과를 원한다면, 백색을 방출하는 제 1 반도체 광원(1), 적색을 방출하는 제 2 반도체 광원(2) 및 청색을 방출하는 제 3 반도체 광원(3)과의 조합 형태로 구성되었고 본 출원서에 단지 예로서만 기술된 실시 예의 대안으로서, 다른 파장 범위의 방출 스펙트럼을 갖는 반도체 광원들의 각각의 다른 조합도 사용될 수 있다.
특히 상기 제 3 반도체 광원(3)의 색은 청색에 한정되지 않았다.
제 3 반도체 광원(3)이 관여하지 않은 상태에서 상기 제 1 및 제 2 반도체 광원(1, 2)의 혼색 광은 따뜻한 백색이다. 청색의 광을 방출하는 제 3 LED(3)의 세기가 증가함에 따라, 상기 혼색 광의 색 온도는 점점 더 차가워진다.
적색 LED, 청색 LED 및 백색 (예를 들어 인광 변환된 청색) LED를 사용함으로써, 백색 곡선을 따라 색 온도를 제어할 수 있는 효율적인 방식 및 방법으로 하나의 광원을 구성하는 것이 가능해지며, 이와 같은 가능성은 SSL(Solid-State-Lighting)-적용을 위해서 매우 중요하다. 이와 같은 적용 예들은 컬러로 제어될 수 있는 광원들을 위해서 LED의 전위를 이용할 수 있다.
백색 및 적색 LED(11, 21)의 색 위치를 안정화하는 것이 바람직한데, 그 이유는 온도 상승시에는 상기 적색 LED(21)의 방출된 광이 더 긴 파장 범위로 더욱 강하게 이동하게 되고, 그와 동시에 적색 LED의 효율 또는 세기도 백색 LED(11, 7, 8) 및 청색 LED(31)보다 더욱 강하게 줄어들기 때문이다. 백색 LED는 온도가 상승함에 따라 인광 효율이 떨어지기 때문에 자신의 색 위치를 변경한다. 온도에 의존하는 제 1 저항 소자(3)에 의해서 상기와 같은 색 위치 이동을 줄여주는 조절이 이루어진다.
프레임(100)은 본 발명에 따른 광전자 장치의 회로 어레이의 백색점을 안정화시키는 부재를 특징 지워주며, 상기 안정화 부재는 제 1 및 제 2 반도체 광원(1, 2) 그리고 PTC-저항 소자(4)를 포함한다. 상기 안정화 부재의 기능 방식은 아래에서 설명될 것이다.
주변 온도 및 작동 온도가 낮은 경우에 PTC-저항 소자(4)를 통해서는 더 많은 전류가 흐르고, 제 2 반도체 광원(2)을 통해서는 더 적은 전류가 흐른다; 온도가 높은 경우에는 전체 전류 흐름이 일정한 상태에서 또는 전압이 일정한 상태에서 전류 밸런스가 제 2 반도체 광원(2) 쪽으로 이동하게 되는데, 그 이유는 상기 PTC-저항 소자(4)의 전기 저항이 온도에 의해 증가함으로써 더 많은 전류가 상기 제 2 반도체 광원(2)을 통해 흐르기 때문이다.
하지만, 상기 제 2 반도체 광원(2)이 단지 PTC-저항 소자(4)와만 병렬 접속된 경우에는 제 2 반도체 광원(2)에서 강하하는 전체 전압은 저항 소자(4)에서도 강하하게 될 것이며, 이와 같은 상황은 PTC-저항 소자(4)에서 높은 저항 손실을 야기하게 될 것이고, 그와 더불어 비효과적인 장치를 유발하게 될 것이다. 상기 저항 소자(4)가 제 1 반도체 광원(1)과 추가로 직렬 접속됨으로써 PTC-저항 소자(4)에서의 전력 손실이 줄어들 수 있으며, 이로써 본 발명에 따른 광전자 장치의 효율도 현저히 상승하게 된다. 제 2 반도체 광원(2)에서의 전류 상승과 동시에, 주변 온도가 상승할 때에는 상기 PTC-저항 소자(4)에 의해서 상기 제 1 반도체 광원(1)을 통해 흐르는 전류가 감소함으로써, 결과적으로 제 1 반도체 광원(1)을 위한 일정한 작동 전류와 비교할 때 제 1 반도체 광원(1)과 제 2 반도체 광원(2) 간의 전류 밸런스는 제 2 반도체 광원(2)에서의 비교적 적은 전류 상승에 의하여 달성될 수 있다. 이와 같은 상황에 의해서는 재차 제 2 반도체 광원(2)에서 전류에 의해 야기되는 자체 가열 효과가 비교적 더 낮게 유지될 수 있으며, 그로 인해 제 2 LED(21, 22)에 의해서 방출되는 광은 제 2 반도체 광원(2)의 작동 전류만을 단독으로 조절할 때에 가능한 것보다 더 적은 파장 이동을 나타내게 된다.
도면에 도시되어 있고 이하에서 설명되는 실시 예들의 대안으로서, 제 1 세기의 제 1 온도 의존성이 제 2 세기의 제 2 온도 의존성보다 더 크도록 제 1 및 제 2 반도체 광원(1, 2)이 구현되면, PTC-저항 소자(4)는 NTC-소자로서도 형성될 수 있다.
전류 경로 안에 PTC-저항 소자(또는 NTC-저항 소자)를 삽입함으로써 백색점 안정화에 도달하게 된다. 제 3 경로 안에 있는 제어 가능한 반도체 광원(3)은 상기와 같은 원리를 확장시키고, 차가운 백색과 따뜻한 백색 사이에서 제어 가능한 광원을 안정화시킬 수 있다.
제 3 LED(31)를 구비한 제 3 분기(103)가 MOSFET로서 형성된 반도체 광원 제어 소자(9)에 의해 제 1 상태에서 실제로 차단될 수 있음으로써, 결과적으로 상기 제 3 LED(31)는 광을 방출하지 않게 된다. 이 경우에 상기 광원의 혼색 광은 따뜻한 백색이다. 제 2 상태에서는 상기 제 3 분기(103)가 MOSFET로서 형성된 반도체 광원 제어 소자(9)에 의해 자유롭게 접속됨으로써, 결과적으로 상기 제 3 LED(31)는 광을 방출하게 된다. 상기 제 3 분기(103)의 차단/개방 과정은 MOSFET로서 형성된 반도체 광원 제어 소자(9)에 인가되는 제어 전압(Us)에 의해서 이루어진다. 릴리스 과정은 부분적으로 이루어질 수도 있고, 다른 분기(101, 102)에 부하를 가하면서 이루어지는데, 그 이유는 이때부터 전류가 세 개의 분기(101, 102, 102)를 통해서 흐르기 때문이다. 릴리스 때에는 혼색 광이 더 차가워진다.
제 2 및 제 3 저항 소자(5, 6)를 구비한 분압기에 의해서는 MOSFET로서 형성된 반도체 광원 제어 소자(9)를 위한 제어 전압(Us)이 조절된다. 전위차계로서 형성된 제 2 저항 소자(5)는 제어 전압의 변경을 가능하게 하는데, 그 이유는 상기 저항 소자(5, 6)를 통해 인가되는 전압과 그와 더불어 제어 전압(Us) 간의 전압 비율이 상기 전위차계(5)의 저항 변경에 의해서 변경되기 때문이다.
상기 회로 어레이는 PTC-저항 소자(4)를 이용하여 차가운 백색과 따뜻한 백색 사이에서 제어될 수 있는 광원을 안정화시킬 수 있다. 한 가지 대안적인 실시 예에서는 상기 목적을 위하여 NTC-저항 소자(도면에는 도시되어 있지 않음)가 제공될 수 있다. 이를 위해서는 단 하나의 LED-드라이버, 즉 본 경우에 MOSFET로서 형성된 반도체 광원 제어 소자(9)는 필요하지만, 마이크로 컨트롤러 및 추가의 센서는 모두 필요치 않다. 색 온도는 오로지 제어 전압(Us)을 통해서만 조절될 수 있다.
저항 소자(4)가 온도에 따라 변경되는 경우에는 제 1 및 제 2 분기(101, 102) 안에 있는 전류뿐만 아니라, 자유롭게 접속된 경우에는 제 3 분기(103) 안에 있는 전류도 변경된다. 하지만, 보상은 온도 의존성에 있어서 다른 LED(11, 31, 8, 7)와 강하게 구별되는 제 2 LED(21, 22)에 집중된다.
상기 회로 어레이는 LED-광원의 작동 전류로부터 직접 제어 전압(Us)을 얻는다. 예를 들어 탁상용 전기 스탠드에 사용하는 한 가지 적용 예 또는 그와 유사한 적용 예들을 위해서는, 도 1에 도시된 바와 같이 단순한 하나의 전위차계를 이용해서 상기와 같은 방식으로 조절을 구현하는 것이 바람직할 수 있다.
한 가지 대안적인 실시 예에서 게이트-단자(91)는 LED-소자들의 추가 핀(Pin)으로서 접속되지 않은 상태로 유지될 수 있으며, 그리고 제어 전압은 예컨대 디지털 전위차계에 의해 제어된 상태에서 외부로부터 DMX- 또는 Dali-인터페이스를 통해 제공될 수 있다.
상기와 같은 한 가지 실시 예에서는, 전압원(U) 및 분압기(5, 6)를 제외한 도 1에 도시된 소자들이 프레임(200)에 의해 지시된 바와 같이 모듈로서 형성되어 하나의 하우징 안에 배치될 수 있으며, 상기 하우징은 공급 전압(U)을 위한 단자들 이외에 제어 전위를 인가하기 위한 또 하나의 추가 단자를 구비한다. 제어 전압(Us)을 인가하기 위해 두 개의 추가 단자를 제공하는 것도 물론 생각할 수 있다.
도 2는 0.28과 0.48 사이의 색 위치 좌표 x의 범위 안에 있는 그리고 0.24와 0.44 사이의 색 위치 좌표 y의 범위 안에 있는 CIE-표준 색 표의 한 절단 섹션을 보여주고 있다. 선(900)은 온도가 상이한 경우에 소위 플랑크 블랙 바디 방사체의 백색 곡선을 특징 지워준다. 상기 온도들은 색 온도로도 언급된다. 영역(910, 920, 930, 940, 950, 960, 970, 980)은 백색의 색 온도들을 여러 부류로 분류하는 소위 ANSI-Binning-시스템의 색 온도 영역들이다. 상기 영역(910)은 6,500 K에 상응하며, 이것은 차가운 백색의 광이다. 상기 영역(920)은 5,700 K에 상응하며, 이것도 역시 차가운 백색의 광으로서 간주 될 수 있다. 상기 영역(930)은 5,000 K에 상응하며, 이것은 중립 백색의 광으로서 간주 될 수 있다. 상기 영역(940)은 4,500 K에 상응한다. 상기 영역(950)은 4,000 K에 상응한다. 상기 영역(960)은 3,500 K에 상응한다. 상기 영역(970)은 3,000 K에 상응한다. 상기 영역(980)은 2,700 K에 상응한다. 상기 영역(940, 950, 960, 970, 980)은 따뜻한 백색의 광으로서 간주 될 수 있다.
광원에 대한 전형적인 LED-특성들을 가정하여 모의적으로(simulatively) 결정된 선(990)은 75 ℃의 작동 온도에서 제어 전압(Us)이 변경될 때에 통과된다. Cx-Cy-공간 안에서 통과된 곡선이 상기 ANSI-Binning-시스템의 영역(910, 920, 930, 940, 950, 960, 970, 980) 안에 완전히 놓여 있다는 것을 도면을 통해 확인할 수 있다. 색 온도는 7,000 K 내지 2,700 K의 범위 안에서 변경된다. 연색 평가 지수(CRI)는 항상 80을 초과(CRI > 80)하며, 더 따뜻한 영역에서는 심지어 90을 초과(CRI > 90)한다.
도 3은 PTC-저항 소자(4)를 구비한 회로 어레이의 안정화 작용을 도시한다. 도 3은 0.28과 0.48 사이의 색 위치 좌표 x의 범위 안에 있는 그리고 0.24와 0.44 사이의 색 위치 좌표 y의 범위 안에 있는 CIE-표준 색 표의 한 절단 섹션을 보여주고 있다. 선(900)은 백색 곡선을 특징 지워준다. 또한, ANSI-Binning-시스템의 영역(910, 920, 930, 940, 950, 960, 970, 980)도 도시되어 있다.
속이 완전히 채워지지 않은 마크(911, 921, 931, 941, 951)는 25 ℃의 온도에서 색이 안정화되지 않은, 다시 말해 PTC-저항 소자가 없는 비교 회로 어레이의 색 위치들이며, 이와 같은 상황은 광원이 스위치-온 된 직후의 상태에 상응한다. 이때 상기 상이한 마크(911, 921, 931, 941, 951)는 회로 어레이에 의해서 방출되는 혼색 광의 색 온도가 변경될 때의 다양한 색 위치들에 상응한다.
해칭 선으로 표시된 마크(912, 922, 932, 942, 952)는 25 ℃의 온도에서 PTC-저항 소자(4)에 의해 색 위치가 안정화된 회로 어레이에서의 혼색 광의 색 위치들을 보여주며, 이와 같은 상황은 광원이 스위치-온 된 직후의 상태에 상응한다. 이때 상기 상이한 마크(912, 922, 932, 942, 952)는 회로 어레이에 의해서 방출되는 혼색 광의 색 온도가 제어 전압(Us)의 변경에 의해 변경될 때의 다양한 색 위치들에 상응한다.
속이 완전히 채워진 마크(913, 923, 933, 943, 953)는 색 위치가 안정화되지 않은 상태에서뿐만 아니라 색 위치가 안정화된 상태에서도 75 ℃의 온도에서 PTC-저항 소자(4)에 의해 안정화된 회로 어레이를 위한 색 위치들을 보여준다.
상기 마크(911, 912, 913) 그룹은 75 ℃에서 동일한 색 위치(913)를 갖는 광을 방출하도록 설정된 그리고 PTC-저항 소자(4)를 구비하거나 또는 구비하지 않는 두 가지 회로 어레이를 위한 색 위치들을 보여준다. 하지만, PTC-저항 소자(4)가 없는 회로 어레이의 경우에 25 ℃에서 나타나는 색 위치(911)와 색 위치(913) 간의 편차는 PTC-저항 소자(4)를 구비한 회로 어레이의 경우에 25 ℃에서 나타나는 색 위치(911)와 색 위치(912) 간의 편차보다 훨씬 더 크다. 다른 말로 표현하자면: PTC-저항 소자(4)를 구비한 회로 어레이의 경우에 온도 변경시에는 색 위치가 상대적으로 더 작은 크기만큼 이동한다.
상기 효과는 다른 그룹의 마크들에서도 볼 수 있다. 상기 마크(921, 922, 923) 그룹은 다른 마크(931, 932, 933) 그룹 또는 마크 그룹(941, 942, 943)에서와 마찬가지로 상기와 같은 효과를 나타낸다. 마크(951, 952, 953) 그룹은 따뜻한 백색의 광에서 상기 효과를 나타낸다.
스위치-온 후에, 즉 25 ℃에서 안정화된 회로 어레이의 색 위치(912, 922, 932, 942, 952)와 작동 온도에 도달된 후의, 즉 75 ℃에서의 색 위치(913, 923, 933, 943, 953) 간의 편차는 적다. 특별히 따뜻한 백색의 영역 및 중립 백색의 영역에서는 색 위치 좌표들과 관련된 색 온도의 편차들이 0.01 미만의 범위 안에서 유지된다. 이와 같이 적은 편차는 PTC-저항 소자(4)에 의해서 야기된다.
도 4 및 도 5는 다시 한 번 제 3 분기에서 P-채널-MOSFET 또는 N-채널-MOSFET에 의해 제어 전압(Us)을 통해서 이루어지는 제 3 LED(31)의 제어 상태를 도시한다.
도 4는 반도체 광원 제어 소자(9)로서 형성된 P-채널-MOSFET를 보여주고 있으며, 상기 MOSFET의 드레인-단자(93)는 제 3 다이오드(31)에 연결되어 있다. 소스-단자(92)와 제 3 다이오드(31) 사이에는 공급 전압(U)이 놓여 있다. 소스-단자(92)와 게이트-단자(91) 사이에는 제어 전압(Us)이 인가된다. 분기를 자유롭게 접속하기에 충분한 제어 전압이 인가되면, 예를 들어 공급 전압 U = 20 V인 경우에 Us = 10 V가 인가되면, 상기 제 3 다이오드(31)가 광을 방출한다. 제어 전압(Us)이 소멸 되면, 예를 들어 U = 20 V인 경우에 Us = 0 V이면, 반도체 광원 제어 소자(9)로서 형성된 상기 P-채널-MOSFET, 다시 말해 상기 MOSFET의 저항은 무한대가 된다. 상기 제어 전압(Us)은 0 V와 10 V 사이의 범위에서 변경될 수 있다.
반도체 광원 제어 소자(9)로서 형성된 상기 P-채널-MOSFET는 제어 전위를 인가하기 위하여 단 하나의 추가 단자 또는 핀(Pin)을 구비한 하나의 모듈에 사용하기에 매우 우수하게 적합하다. 공급 전압은 핀(41, 42)을 위해서 인가될 수 있으며, 상기 핀(42)에는 기준 전위가 인가된다. 상기 핀(41)을 통해서 사전에 미리 상기 P-채널-MOSFET(9)의 소스-단자(92)에 공급 전위가 인가되기 때문에, 게이트-소스-전압을 조절하기 위해서는 게이트-단자(91)에 연결된 단 하나의 추가 핀(43)만이 필요하게 된다. 이와 같이 우수하게 작용이 이루어지도록 하기 위해서는, 외부의 제어 전압들을 피하기 위하여 상기 모듈이 게이트-소스-전압에 필적할 만큼 높은 공급 전압을 가져야만 한다. 외부 제어 전압이 필요한 경우에는, 상기 MOSFET의 게이트-단자(91)가 접속되지 않은 상태로 구현됨으로써도 상기와 같은 우수한 작용이 이루어질 수 있다.
후자의 경우에는 도 5에 도시된 바와 같은 N-MOSFET가 적합한데, 그 이유는 제어 전압(Us)이 공급 전압(U)에 의존하지 않기 때문이다.
도 5는 반도체 광원 제어 소자(9)의 실시 예로서 N-채널-MOSFET를 보여주고 있으며, 상기 MOSFET의 드레인-단자(93)는 제 3 다이오드(31)에 연결되어 있다. 소스-단자(92)와 제 3 다이오드(31) 사이에는 공급 전압(U)이 놓여 있다. 소스-단자(92)와 게이트-단자(91) 사이에는 제어 전압(Us)이 인가된다. 분기를 자유롭게 접속하기에 충분한 제어 전압이 인가되면, 예를 들어 공급 전압 U = 20 V인 경우에 Us = 10 V가 인가되면, 상기 제 3 다이오드(31)가 광을 방출한다. 제어 전압(Us)이 소멸 되면, 예를 들어 U = 20 V인 경우에 Us = 0 V이면, 상기 MOSFET, 다시 말해 상기 MOSFET의 저항은 무한대가 된다.

Claims (14)

  1. 혼색 광을 방출하기 위한 광전자 장치로서,
    상기 광전자 장치는
    작동 중에 제 1 세기를 갖는 제 1 파장 범위에서 광을 방출하는 제 1 발광 다이오드(11)를 구비한 제 1 반도체 광원(1)을 포함하며, 이 경우 상기 제 1 파장 범위 및/또는 상기 제 1 세기는 제 1 온도 의존성(temperature dependence)을 가지며,
    작동 중에 제 2 세기를 갖는 제 2 파장 범위에서 광을 방출하는 제 2 발광 다이오드(21, 22)를 구비한 제 2 반도체 광원(2)을 포함하며, 이 경우 상기 제 1 및 제 2 파장 범위는 서로 상이하며, 그리고 이 경우 상기 제 2 파장 범위 및/또는 상기 제 2 세기는 제 1 온도 의존성과 상이한 제 2 온도 의존성을 가지며,
    작동 중에 제 3 세기를 갖는 제 3 파장 범위에서 광을 방출하는 제 3 발광 다이오드(31)를 구비한 제 3 반도체 광원(3)을 포함하며,
    온도 의존적인 전기 저항을 갖는 저항 소자(4)를 포함하며, 그리고
    상기 제 3 반도체 광원(3)의 세기를 제어하기 위한 반도체 광원 제어 소자(9)를 포함하며,
    이 경우에는 병렬 회로의 제 1 분기(101) 안에 있는 제 1 반도체 광원(1) 및 저항 소자(4)를 구비하는 제 1 직렬 회로, 병렬 회로의 제 2 분기(102) 안에 있는 제 2 반도체 광원(2) 그리고 병렬 회로의 제 3 분기(103) 안에 있는 반도체 광원 제어 소자(9) 및 제 3 반도체 광원(3)을 구비하는 제 2 직렬 회로가 하나의 병렬 회로 안에 접속되어 있는,
    혼색 광을 방출하기 위한 광전자 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 온도 의존성은 상기 제 2 온도 의존성보다 더 작으며, 그리고
    상기 저항 소자(4)는 양(+)의 온도 계수를 갖는 저항 소자인,
    혼색 광을 방출하기 위한 광전자 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 온도 의존성은 상기 제 2 온도 의존성보다 더 크며, 그리고
    상기 저항 소자(4)는 음(-)의 온도 계수를 갖는 저항 소자인,
    혼색 광을 방출하기 위한 광전자 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 광원 제어 소자(9)가 제 1 상태에서는 제 3 분기(103)를 통과하는 전류 흐름을 차단하고, 제 2 상태에서는 제 3 분기(103)를 통과하는 전류 흐름을 개방하는,
    혼색 광을 방출하기 위한 광전자 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 상태와 제 2 상태 사이에서 불연속적으로 전환이 이루어질 수 있는,
    혼색 광을 방출하기 위한 광전자 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 3 분기(103)를 통과하는 전류 흐름이 연속적으로 변경될 수 있는,
    혼색 광을 방출하기 위한 광전자 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 광원 제어 소자(9)가 트랜지스터(9)를 포함하고, 상기 트랜지스터에 제어 전압(Us)이 인가될 수 있는,
    혼색 광을 방출하기 위한 광전자 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 트랜지스터가 N-채널-MOSFET(9) 또는 P-채널-MOSFET(9)로서 형성된,
    혼색 광을 방출하기 위한 광전자 장치.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 제어 전압(Us)을 조절하기 위하여 전위차계(5)(potentiometer)가 제공된,
    혼색 광을 방출하기 위한 광전자 장치.
  10. 제 7 항, 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 제어 전압(Us)을 조절하기 위하여 분압기(5, 6)(voltage divider)가 제공된,
    혼색 광을 방출하기 위한 광전자 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼색 광이 상기 두 가지 상태 중에 한 가지 상태에서는 따뜻한 백색이고, 다른 한 가지 상태에서는 차가운 백색인,
    혼색 광을 방출하기 위한 광전자 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 반도체 광원(3)이 청색의 광을 방출하기에 적합한,
    혼색 광을 방출하기 위한 광전자 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    공급 전압(U)을 인가하기 위한 단자들을 구비한 모듈로서 형성된,
    혼색 광을 방출하기 위한 광전자 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 반도체 광원 제어 소자(9)를 트리거링 하기 위한 전위를 인가하기 위하여 하나의 단자가 제공된,
    혼색 광을 방출하기 위한 광전자 장치.
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