KR20130063527A - Led 기반 발광 시스템 및 디바이스 - Google Patents

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KR20130063527A
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Abstract

발광 디바이스는, 패키지; 상기 패키지에 수용되고 적색 광을 방출하도록 동작가능한 적어도 하나의 적색 LED; 상기 패키지에 수용되고 청색 광을 방출하여, 상기 디바이스의 방출 생성물이 적색 및 청색 LED에 의해 방출된 광의 조합을 포함하도록 동작가능한 적어도 하나의 청색 LED; 및 상기 LED들을 캡슐화하는 광 투과성 물질을 포함한다. 바람직하게는, 상기 패키지는 청색 및 적색 LED의 구동 전류가 독립적으로 제어될 수 있도록 구성된 전기 접촉부를 더 포함한다. 디바이스 및/또는 발광 시스템은 방출 생성물에서 청색 대 적색 광의 비를 실질적으로 일정하게 유지하기 위하여 LED의 측정된 방출 강도에 응답하여 적색 및/또는 청색 LED의 구동 전류를 제어하도록 동작가능한 드라이버를 더 포함한다.

Description

LED 기반 발광 시스템 및 디바이스{LED-BASED LIGHT EMITTING SYSTEMS AND DEVICES}
우선권 주장
본 출원은, 그 전체 내용이 본 명세서에 참조 문헌으로 병합된, 미국 가특허 출원 제61/358,349호(발명의 명칭: "LED-BASED LIGHT EMITTING SYSTEMS AND DEVICES", 발명자: Li 등, 출원일: 2010년 6월 24일) 및 미국 특허 출원 제13/164,535호(발명의 명칭: "LED-BASED LIGHT EMITTING SYSTEMS AND DEVICES", 발명자: Li 등 출원일: 2011년 6월 20일)의 우선권의 이익을 주장한다.
발명의 기술분야
본 발명은 LED(Light Emitting Diode) 기반 발광 시스템 및 LED 기반 발광 디바이스에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 배타적인 것은 아니지만, 본 발명은 백색광을 생성하는 발광 시스템 및 디바이스에 관한 것이다.
백색 광을 방출하는 LED("백색 LED")는 이 기술 분야에 알려져 있고, 비교적 최근의 혁신이다. LED에 기초한 백색 광원을 개발하는 것은 전자기 스펙트럼에서 청색/자외선 부분에서 발광하는 LED가 개발되고서야 실용화되었다. 예를 들어, 미국 특허 제5,998,925호에 개시된 바와 같이, 백색 LED는 LED에 의해 방출된 복사선의 일부를 흡수하고 상이한 색상(파장)의 복사선을 재방출하는 광발광 물질(photo-luminescent materials)인 하나 이상의 포스퍼(phosphor) 물질을 포함한다. 일반적으로, LED 칩 또는 다이는 청색 광을 생성하고 포스퍼(들)는 이 청색 광의 일정 퍼센트를 흡수하고 황색 광 또는 녹색과 적색 광의 조합, 녹색과 황색 광의 조합, 또는 주황색이나 황색과 적색 광의 조합을 재방출한다. 포스퍼에 의해 방출된 광과 결합된 포스퍼에 의해 흡수되지 않은 LED에 의해 생성된 청색 광의 부분은 사람의 눈에 색상이 거의 백색인 것으로 보이는 광을 제공한다.
긴 예상 동작 수명(>50,000시간)과 높은 휘도 효율(와트당 70루멘 이상)로 인해, 높은 휘도 백색 LED는 종래의 형광 광원, 컴팩트한 형광 광원 및 백열 광원을 대체하기 위해 점점 사용되고 있다. 오늘날, 백색 LED를 사용하는 대부분의 조명 고정물 설계는 백색 LED(보다 일반적으로 백색 LED의 어레이)가 종래의 광원 부품을 대체하는 시스템을 포함한다. 나아가, 종래의 광원에 비해 그 컴팩트한 사이즈로 인해, 백색 LED는 신규한 및 컴팩트한 조명 고정물을 구성하는 잠재성을 제공한다.
물체의 색상을 렌더링하는(render) 광원의 능력은 광원이 물체의 색상을 사람 눈에 어떻게 보이게 하는지 및 색상 음영의 민감한 변동이 얼마나 잘 드러나는지의 척도를 제공하는 색상 렌더링 지수(CRI: Color Rendering Index)를 사용하여 측정된다. CRI는 흑체 복사체에 비해 색상을 렌더링하는 광원의 능력의 상대적 측정값이다. 예를 들어 소매점 조명, 박물관 조명 및 예술작품 조명과 같은 정밀한 색상 렌더링이 요구되는 응용에서, 높은 CRI(일반적으로 적어도 90)가 매우 요구된다.
백색 LED의 단점은 CRI > 95인 백열 광원에 비해 상대적으로 낮은, 일반적으로 < 75인 CRI일 수 있다. 낮은 CRI는 스펙트럼의 적색(>600nm) 부분의 광이 없는 것으로 인한 것이다. 백색 LED의 CRI를 개선시키기 위하여 적색광을 방출하는 LED(적색 LED)를 포함하는 것이 알려져 있다. 미국 특허 제6,513,949호 및 제6,692,136호는 하나 이상의 이산 LED(적색 또는 녹색)와, 청색 LED 다이와 이 청색 LED 다이의 발광면과 직접 접촉하는 포스퍼(녹색 또는 호박색(amber))로 구성된 이산 포스퍼-LED의 조합을 포함하는 하이브리드 백색 LED 조명 시스템을 개시한다.
Shimuizu 등에 허여된 미국 특허 제6,577,073호는 청색 및 적색 LED와 포스퍼를 포함하는 LED 램프를 개시한다. 청색 LED는 청색 파장 범위에 있는 방출광을 생성한다. 적색 LED는 적색 파장 범위에 있는 방출광을 생성한다. 포스퍼는 청색 LED의 방출광에 의해 광 여기되어 청색 및 적색 파장 범위 사이의 중간 파장 범위에 방출광 스펙트럼을 지니는 광발광을 나타낸다. 포스퍼는 청색 LED 다이의 발광면과 직접 접촉한다.
Sakai Toyohiro 등에 허여된 일본 특허 공개 제JP2008-085026호는 적색 LED와 광 방출면에 포스퍼를 구비하는 청색 LED를 구비하며 청색 및 적색 LED는 독립적으로 구동될 수 있는 패키지를 포함하는 발광 디바이스를 개시한다.
Van De Ven 등에 허여된 미국 특허 제7,213,940호는 430㎚ 내지 480㎚(청색) 및 600㎚ 내지 630㎚(적색) 범위에서 주 파장을 지니는 광을 방출하는 제1 및 제2그룹의 고체 상태 광 방출기(LED)와, 555㎚ 내지 585㎚(황색) 범위에서 주 파장을 지니는 광을 방출하는 포스퍼 물질을 포함하는 백색 발광 디바이스를 개시한다.
적색 발광 LED를 사용하는 것은 휘도 효율과 CRI를 모두 개선시킬 수 있으나, 본 발명자는 이러한 디바이스가 한계를 가지고 있다는 것을 인식하였다. 가장 특히 이러한 디바이스에 의해 생성된 광의 CCT(Correlated Color Temperature)와 CRI는 동작 온도와 시간에 따라 상당히 변할 수 있다. 알려진 바와 같이 백색 광원의 CCT는 이론적인 가열된 흑체 복사체와 그 색상(hue)을 비교하는 것에 의해 결정된다. CCT는 켈빈(K) 단위로 표시되고 광원으로 백색 광과 동일한 색상을 복사하는 흑체 복사체의 온도에 대응한다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 동작 온도와 시간에 따라 청색 및 적색 광을 방출하는 LED의 방출 강도의 변화는 다르다. 일반적으로, 적색 LED의 방출 강도는 증가하는 동작 온도와 시간에 따라 청색 LED보다 상당히 더 빨리 감소한다. 예를 들어, 25℃ 내지 75℃의 동작 온도 범위에 걸쳐 GaN계 청색 LED의 방출 강도는 약 5%만큼 감소할 수 있는 반면, AlGaInP계 적색 LED의 방출 강도는 약 40%만큼 감소할 수 있다. 청색 및 적색 LED에 기반한 백색광 디바이스에서, 이들 다른 방출광/온도 특성은 도 1b에 도시된 바와 같이 방출 생성물의 스펙트럼 조성의 변화를 초래하고 그리하여 증가하는 동작 온도에 따라 CCT의 증가를 초래한다. 나아가, 도 1b에 도시된 바와 같이 증가하는 동작 온도와 시간에 따라 방출 생성물에서 적색 광의 상대적 비율의 감소는 CRI의 감소를 초래할 수 있다.
색상 조절가능한 백색광 방출 디바이스가 알려져 있으며 일반적으로 적색, 녹색 및 청색 발광 LED의 조합을 포함한다. 디바이스에 의해 방출된 광의 색상은 방출 생성물에 존재하는 적색, 녹색 및 청색 광의 비율을 제어하는 것에 의해 제어될 수 있다. 이러한 디바이스가 사실상 광의 임의의 색상을 생성하는 잠재성을 제공하지만, 이들 디바이스를 동작시키는데 요구되는 드라이버 회로의 복잡성이 많은 응용에서 이들 디바이스를 매우 비싸게 한다.
Li 등에 허여된 미국 특허 제7,703,943호는 제1색상의 광을 방출하도록 동작가능한 제1 LED 배열과, 제2색상의 광을 방출하도록 동작가능한 제2 LED 배열을 포함하며 조합된 광 출력은 디바이스의 출력을 포함하는 색상 조절가능한 발광 디바이스를 개시한다. 하나 또는 두 개의 LED 배열은 선택된 파장 범위의 여기 에너지를 생성하고 포스퍼에 조사하고 이 포스퍼는 다른 색상의 광을 방출하여, LED 배열에 의해 방출된 광이 LED로부터 나오는 광과 포스퍼로부터 방출되는 광의 조합을 포함하도록 동작가능한 연관된 LED에 대해서 원격에 제공되는 포스퍼 물질을 포함한다. 이 디바이스는 두 개의 LED 배열의 상대적 광 출력을 제어하는 것에 의해 방출된 광의 색상을 제어하도록 동작가능한 제어 수단을 더 포함한다. 이 색상은 LED의 구동 전류의 상대적 크기를 제어하는 것에 의해 또는 펄스 폭 변조(PWM: pulse width modulated) 구동 전류의 듀티 사이클을 제어하는 것에 의해 조절될 수 있다.
본 발명의 목적은 적어도 부분적으로 알려진 디바이스의 한계를 극복하고 구체적으로 LED의 차등적인 에이징으로부터 발생하는 방출 생성물의 변화 및/또는 동작 온도로 인한 LED 방출 특성의 변화를 보상하는 발광 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예는 청색 광을 생성하도록 동작가능한 하나 이상의 청색 LED와, 적색 광을 생성하도록 동작가능한 하나 이상의 적색 LED를 구비하는 LED 기반 시스템 및 디바이스에 관한 것이다. 청색 및 적색 LED는 바람직하게는 단일 패키지에서 패키지되고 청색 및 적색 LED가 각 구동 전류로부터 동작하여 청색 및 적색 LED를 독립적으로 제어할 수 있도록 구성된다. 하나의 배열에서 패키지는 청색 및 적색 LED의 구동 전류가 독립적으로 제어될 수 있도록 구성된 전기 접촉부를 포함한다.
디바이스 또는 시스템은 디바이스의 방출 생성물에서 청색 및 적색 광의 측정된 기여도에 응답하여 청색 및 적색 LED에 의해 방출된 광의 강도를 제어하기 위한 드라이버를 더 포함할 수 있다. 드라이버는 방출 생성물에서 청색 및 적색 광의 기여도가 실질적으로 일정하게 유지되도록 LED를 제어하도록 구성된다. 이러한 제어 시스템은 적어도 부분적으로 청색 및 적색 LED의 차등적인 에이징으로 인한 디바이스의 방출 생성물의 색상의 변화 및/또는 동작 온도로 인한 LED의 방출 특성의 변화를 감소시킬 수 있다. 바람직하게는 이 디바이스 또는 시스템은 방출 생성물에서 청색 및/또는 적색 광 성분의 크기를 측정하도록 구성된 광다이오드와 같은 하나 이상의 광다이오드와, 방출 생성물에서 청색 및 적색 광의 상대적 기여도가 선택된 값에서 유지되도록 청색 및/또는 적색 LED의 구동 전류를 제어하기 위한 피드백 배열을 더 포함한다.
추가적으로 청색 및 적색 LED의 광 방출은 디바이스 패키지에 포함된 써미스터와 같은 온도 센서를 사용하여 측정될 수 있는 LED의 동작 온도에 응답하여 제어될 수 있다.
청색 및 적색 LED의 출력은 LED의 개별적인 구동 전류를 제어하는 것에 의해 또는 LED의 상대적 출력을 제어하도록 단일 구동 전류를 제어하는 것에 의해 제어될 수 있다. 구동 전류는 D.C. 또는 PWM(Pulse Width Modulated) 및 구동 전류를 제어하도록 변화된 듀티 사이클일 수 있다.
백색 광을 생성하기 위해 시스템 및/또는 디바이스는 청색 광의 일정 비율을 흡수하고 디바이스의 조합된 광 출력이 백색으로 보이도록 상이한 색상의 광, 일반적으로 녹색, 녹색/황색 또는 황색의 광을 방출하도록 동작가능한 적어도 하나의 청색 광 여기가능 포스퍼 물질(blue light excitable phosphor material)을 더 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 포스퍼 물질은 시스템으로 하여금 동일한 디바이스를 사용하여 광의 상이한 색상 및/또는 상관된 색상 온도를 생성하게 하는 디바이스와는 별개의 성분의 일부로 제공된다. 본 특허 명세서에서 "별개의" 수단이라는 것은 이 디바이스에 포함되지 않은 것을 의미하고 성분 및 포스퍼 물질이 변경가능하다는 것을 나타낸다. 하나의 배열에서, 포스퍼 물질은 디바이스에 대해서 원격에 위치된 광 투과성 윈도우에 포함된다. 포스퍼 물질은 성분의 볼륨을 통해 균일하게 분배될 수 있거나 또는 대안적으로 하나 이상의 층으로 광 투과성 윈도우의 면에 도포될 수 있다. 포스퍼 물질은 디바이스 패키지에 포함될 수 있고 예를 들어 적어도 청색 LED(들)에 도포될 수 있다. 대안적으로, 청색 및 적색 LED가 예를 들어 단일 공동 내에 함께 패키지되는 경우에 포스퍼 물질은 두 LED에 도포될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따라 발광 디바이스는 패키지; 이 패키지에 수용되고 적색 광을 방출하도록 동작가능한 적어도 하나의 적색 LED; 상기 패키지에 수용되고 청색 광을 방출하여 디바이스의 방출 생성물이 적색 및 청색 LED에 의해 방출된 광의 조합을 포함하도록 동작가능한 적어도 하나의 청색 LED; 및 상기 LED와 직접 접촉하고 이 LED를 커버하는 실리콘 또는 에폭시와 같은 광 투과성 물질을 포함한다. 일반적으로, 광 투과성 물질의 캡슐부(encapsulation)는 적어도 0.3㎜, 적어도 0.5㎜ 또는 적어도 1㎜의 두께이다. 알려진 LED 기반 발광 디바이스와는 대조적으로 광 투과성 물질은 임의의 포스퍼 물질을 포함하지 않는다.
패키지는 바람직하게는 청색 및 적색 LED를 수용하는 적어도 하나의 리세스(recess)를 구비한다. 하나의 배열에서 패키지는 청색 및 적색 LED를 수용할 만큼 큰 단일 리세스를 구비한다. 대안적으로 패키지는 청색 및 적색 LED 각각을 위한 각 리세스를 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 패키지는 각 리세스가 각 청색 또는 적색 LED를 수용하는 리세스의 정사각형 어레이를 포함한다. 패키지는 바람직하게는 저온 동시 소성 세라믹(LTCC: low temperature co-fired ceramic)과 같은 세라믹 물질을 포함한다.
바람직한 배열에서, 패키지는 청색 및 적색 LED의 구동 전류가 독립적으로 제어될 수 있도록 구성된 전기 접촉부를 더 포함한다. 하나의 배열에서, 각 전기 접촉부는 청색 및 적색 LED의 애노드에 제공된다. 대안적으로, 및/또는 추가적으로 전기 접촉부는 청색 및 적색 LED의 캐소드를 위한 각 전기 접촉부를 포함할 수 있다.
백색광을 생성하는 것이 요구되는 경우 디바이스는 청색 LED에 의해 방출된 청색 광의 적어도 일정 부분을 흡수하고 이에 응답하여 다른 색상의 광을 방출하여 디바이스의 방출 생성물이 적색 및 청색 LED에 의해 생성된 광과 적어도 하나의 포스퍼 물질에 의해 생성된 광의 조합을 포함하도록 동작가능한 적어도 하나의 청색 광 여기가능 포스퍼 물질을 더 포함한다. 적어도 하나의 포스퍼 물질은 적어도 청색 LED(들)를 캡슐화하는 광 투과성 물질과 접촉하는 층으로 제공될 수 있다. 대안적으로, 적어도 하나의 포스퍼 물질은 디바이스에서 적어도 1㎜, 적어도 5㎜, 적어도 10㎜, 또는 적어도 20㎜ 거리에 디바이스에 대해서 원격에 제공된다. 본 특허 명세서에서 "원격" 이라는 것은 "직접 접촉하지 않는 것" 또는 "∼에서 분리된 것"을 의미한다. 일반적으로 포스퍼 물질은 공기 갭만큼 디바이스로부터 분리되지만 이것은 공기와는 다른 광 투과성 매체에 의해 분리될 수 있다. 포스퍼 물질을 디바이스에 대해서 원격에 제공하는 것, 보다 구체적으로 LED 다이에 대해서 원격으로 제공하는 것은 포스퍼 물질의 열적 열화를 감소시키고 방출된 광의 보다 일관된 색상을 생성할 수 있는데 그 이유는 포스퍼가 일반적으로 LED 다이의 발광 면에 직접 포스퍼를 제공하는 것에 비해 훨씬 더 넓은 면적에 걸쳐 제공되기 때문이다.
일반적으로, 디바이스는 적어도 하나의 포스퍼 물질과 적어도 하나의 청색 LED에 의해 생성된 광의 조합이 C.I.E. 색도도(chromaticity diagram)의 흑체 복사선 곡선 위에 있는 C.I.E. 색도값을 지니도록 구성된다. 하나의 배열에서 디바이스는 적어도 하나의 청색 LED와 적어도 하나의 포스퍼 물질에 의해 생성된 광의 조합이 C.I.E.값(0.08, 0.75), (0.43, 0.47), (0.22, 0.26) 및 (0.09, 0.23)의 점들을 연결하는 직선 라인에 의해 한정된 C.I.E. 색도도의 영역 내에 있는, 보다 바람직하게는 C.I.E.값(0.15, 0.58), (0.42, 0.44), (0.29, 0.32), (0.09, 0.31) 및 (0.09, 0.45)의 점들을 연결하는 직선 라인에 의해 한정된 C.I.E. 색도도의 영역 내에 있는 C.I.E. 색도값을 지니도록 구성된다.
조명 응용을 위해 디바이스는 방출 생성물이 백색으로 보이도록 구성되고, 바람직하게는 C.I.E. 색도도의 흑체 복사선 곡선에 실질적으로 놓여 있는 색도값을 지니록 구성될 수 있다.
본 발명의 디바이스를 포함하는 발광 시스템에서, 시스템은 방출 생성물에서 청색 대 적색 광의 비를 실질적으로 일정하게 유지하기 위해 LED의 측정된 방출 강도에 응답하여 적색 및/또는 청색 LED의 구동 전류를 제어하도록 동작가능한 드라이버를 더 포함할 수 있다. 편리하게는 드라이버는 디바이스 패키지에 포함되거나 또는 시스템을 동작시키는데 사용되는 전력 공급원에 포함될 수 있다.
본 발명의 디바이스 또는 시스템에서 적어도 하나의 청색 LED는 C.I.E.값(0.08, 0.13) 및 (0.16, 0.01)을 지니는 C.I.E. 색도도에 있는 점들을 연결하는 직선 라인과, 이 점들을 연결하는 C.I.E. 색도도의 경계에 의해 한정된 영역 내에 있는 C.I.E. 색도값을 지니는 청색 광을 생성하도록 동작가능한 한편, 적어도 하나의 적색 LED는 C.I.E.값들(0.66, 0.34) 및 (0.72, 0.28)을 지니는 C.I.E. 색도도에 있는 점들을 연결하는 직선 라인에 있는 C.I.E 색도값을 지니는 적색 광을 생성하도록 동작가능하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 발광 디바이스는, 패키지; 이 패키지에 수용되고 610㎚ 내지 670㎚ 범위에서 피크 파장을 지니는 적색 광을 방출하도록 동작가능한 적어도 하나의 적색 LED; 및 상기 패키지에 수용되고 440㎚ 내지 480㎚ 범위에서 피크 파장을 지니는 청색 광을 방출하도록 동작가능한 적어도 하나의 청색 LED를 포함하며, 디바이스의 방출 생성물은 적색 및 청색 LED에 의해 방출된 광의 조합을 포함하고, 상기 패키지는 청색 및 적색 LED의 구동 전류가 독립적으로 제어될 수 있도록 구성된 전기 접촉부를 구비한다.
청색 및 적색 LED의 구동 전류를 독립적으로 제어하기 위해, 전기 접촉부는 청색 및 적색 LED의 애노드를 위한 각 전기 접촉부를 포함할 수 있다. 대안적으로 및/또는 추가적으로 패키지는 청색 및 적색 LED의 캐소드를 위한 각 전기 접촉부를 포함할 수 있다. 다른 배열에서, 디바이스는 청색 및 적색 LED의 애노드와 캐소드를 위한 각 전기 접촉부를 포함한다.
디바이스는 청색 LED에 의해 방출된 청색 광의 적어도 일부를 흡수하고 이에 응답하여 상이한 색상의 광을 방출하여 디바이스의 방출 생성물이 적색 및 청색 LED에 의해 생성된 광과 적어도 하나의 포스퍼 물질에 의해 생성된 광의 조합을 포함하도록 동작가능한 적어도 하나의 청색 광 여기가능 포스퍼 물질을 더 포함할 수 있다. 포스퍼 물질은 적어도 청색 LED(들)와 접촉하여 제공될 수 있고 예를 들어 청색 LED(들)를 캡슐화하는 광 투과성 물질에 포함될 수 있다.
대안적으로, 본 발명의 디바이스를 포함하는 발광 시스템에서, 시스템은 청색 LED에 의해 방출된 청색 광의 적어도 일부를 흡수하고 이에 응답하여 상이한 색상의 광을 방출하여 시스템의 방출 생성물이 적색 및 청색 LED에 의해 생성된 광과 적어도 하나의 포스퍼 물질에 의해 생성된 광의 조합을 포함하도록 동작가능한 적어도 하나의 청색 광 여기가능 포스퍼 물질을 더 포함할 수 있으며, 여기서 상기 적어도 하나의 포스퍼 물질은 적어도 1㎜, 바람직하게는 적어도 5㎜, 보다 바람직하게는 적어도 10㎜ 또는 적어도 20㎜의 거리에서 디바이스에 대해서 원격으로 제공된다.
디바이스 또는 시스템은 유리하게는 적어도 하나의 청색 LED와 적어도 하나의 포스퍼 물질에 의해 생성된 광의 조합이 C.I.E. 색도도의 흑체 복사선 곡선 위에 있는 C.I.E. 색도값을 지니도록 구성된다. 바람직하게는 색도값은 C.I.E.값(0.08, 0.75), (0.43, 0.47), (0.22, 0.26) 및 (0.09, 0.23)의 점들을 연결하는 직선 라인에 의해 한정된 C.I.E. 색도도의 영역 내에 놓여 있는, 보다 바람직하게는 C.I.E.값(0.15, 0.58), (0.42, 0.44), (0.29, 0.32), (0.09, 0.31) 및 (0.09, 0.45)의 점들을 연결하는 직선 라인에 의해 한정된 C.I.E. 색도도의 영역 내에 놓여 있다.
디바이스 또는 시스템은 방출 생성물이 백색으로 보이도록 구성되고, 바람직하게는 C.I.E. 색도도의 흑체 복사선 곡선에 실질적으로 놓여있는 색도값을 지니도록 구성될 수 있다.
디바이스 또는 시스템은 방출 생성물에서 청색 대 적색 광의 비를 실질적으로 일정하게 유지하기 위하여 LED의 측정된 방출 강도 및/또는 온도에 응답하여 적색 및/또는 청색 LED의 구동 전류를 제어하도록 동작가능한 드라이버를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 발광 디바이스는, 패키지; 이 패키지에 수용되고 610㎚ 내지 670㎚ 범위에서 피크 파장을 지니는 적색 광을 방출하도록 동작가능한 적어도 하나의 적색 LED; 상기 패키지에 수용되고 440㎚ 내지 480㎚ 범위에서 피크 파장을 지니는 청색 광을 방출하도록 동작가능한 적어도 하나의 청색 LED; 및 청색 LED에 의해 방출된 청색 광의 적어도 일부를 흡수하고 이에 응답하여 상이한 색상의 광을 방출하여 디바이스의 방출 생성물이 적색 및 청색 LED에 의해 생성된 광과 적어도 하나의 포스퍼 물질에 의해 생성된 광의 조합을 포함하도록 동작가능한 적어도 하나의 청색 광 여기가능 포스퍼 물질을 포함하며, 여기서 상기 패키지는 청색 및 적색 LED의 구동 전류가 독립적으로 제어될 수 있도록 구성된 전기 접촉부를 포함한다. 하나의 배열에서, 패키지는 청색 및 적색 LED의 애노드를 위한 각 전기 접촉부를 포함한다. 대안적으로 및/또는 추가적으로 전기 접촉부는 청색 및 적색 LED의 캐소드를 위한 각 전기 접촉부를 포함한다. 다른 배열에서 패키지는 청색 및 적색 LED의 애노드와 캐소드를 위한 각 전기 접촉부를 포함한다.
디바이스는 방출 생성물에서 청색 대 적색 광의 비를 실질적으로 일정하게 유지하기 위하여 LED의 측정된 방출 강도 및/또는 온도에 응답하여 적색 및/또는 청색 LED의 구동 전류를 제어하도록 동작가능한 드라이버를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 발광 디바이스를 포함하는 발광 시스템에서, 적어도 하나의 포스퍼 물질이 적어도 1㎜, 바람직하게는 적어도 5㎜, 보다 바람직하게는 적어도 10㎜, 또는 적어도 20㎜의 거리에 디바이스에 대해서 원격에 제공된다.
디바이스 또는 시스템은 바람직하게는 적어도 하나의 청색 LED와 적어도 하나의 포스퍼 물질에 의해 생성된 광의 조합이 C.I.E. 색도도의 흑체 복사선 곡선 위에 있는 C.I.E. 색도값을 지니도록 구성된다. 바람직하게는 이 색도값은 C.I.E.값(0.08, 0.75), (0.43, 0.47), (0.22, 0.26) 및 (0.09, 0.23)의 점들을 연결하는 직선 라인에 의해 한정된 C.I.E. 색도도의 영역 내에 놓여 있고, 보다 바람직하게는 C.I.E.값(0.15, 0.58), (0.42, 0.44), (0.29, 0.32), (0.09, 0.31) 및 (0.09, 0.45)의 점들을 연결하는 직선 라인에 의해 한정된 C.I.E. 색도도의 영역 내에 놓여 있다. 바람직하게는 디바이스 또는 시스템은 방출 생성물이 백색으로 보이도록 구성되고, 바람직하게는 방출 생성물이 C.I.E. 색도도의 흑체 복사선 곡선 위에 실질적으로 놓여 있는 색도값을 지니도록 구성된다.
시스템은 유리하게는 방출 생성물에서 예를 들어 청색 대 적색 광의 비를 실질적으로 일정하게 유지하기 위해 LED의 측정된 방출 강도에 응답하여 적색 및/또는 청색 LED의 구동 전류를 제어하도록 동작가능한 드라이버를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라, 발광 시스템은, 패키지; 이 패키지에 수용되고 610㎚ 내지 670㎚ 범위에서 피크 파장을 지니는 적색 광을 방출하도록 동작가능한 적어도 하나의 적색 LED; 상기 패키지에 수용되고 440㎚ 내지 480㎚ 범위에서 피크 파장을 지니는 청색 광을 방출하도록 동작가능한 적어도 하나의 청색 LED; 및 청색 LED에 의해 방출된 청색 광의 적어도 일부를 흡수하고 이에 응답하여 상이한 색상의 광을 방출하여 디바이스의 방출 생성물이 적색 및 청색 LED에 의해 생성된 광과 적어도 하나의 포스퍼 물질에 의해 생성된 광의 조합을 포함하도록 동작가능한 적어도 하나의 청색 광 여기가능 포스퍼 물질을 포함하는 발광 디바이스를 포함하며, 적어도 하나의 포스퍼 물질은 적어도 1㎜, 적어도 5㎜, 적어도 10㎜, 또는 적어도 20㎜의 거리에 디바이스에 대해서 원격에 제공된다.
바람직하게는 패키지는 청색 및 적색 LED의 구동 전류가 독립적으로 제어될 수 있도록 구성된 전기 접촉부를 포함한다. 패키지 전기 접촉부는 청색 및 적색 LED의 애노드를 위한 각 전기 접촉부를 포함할 수 있다. 대안적으로 및/또는 추가적으로 전기 접촉부는 청색 및 적색 LED의 캐소드를 위한 각 전기 접촉부를 포함한다.
시스템은 방출 생성물에서 예를 들어 청색 대 적색 광의 비를 실질적으로 일정하게 유지하기 위해 LED의 측정된 방출 강도에 응답하여 적색 및/또는 청색 LED의 구동 전류를 제어하도록 동작가능한 드라이버를 더 포함할 수 있다.
시스템은 방출 생성물이 백색으로 보이도록 구성되고, 바람직하게는 C.I.E. 색도도의 흑체 복사선 곡선 상에 실질적으로 놓여있는 색도값을 지니도록 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 발광 시스템은 610㎚ 내지 670㎚ 범위에서 피크 파장을 지니는 적색 광을 방출하도록 동작가능한 적어도 하나의 적색 LED; 440㎚ 내지 480㎚ 범위에서 피크 파장을 지니는 청색 광을 방출하도록 동작가능한 적어도 하나의 청색 LED; 청색 LED에 의해 방출된 청색 광의 적어도 일부를 흡수하고 이에 응답하여 상이한 색상의 광을 방출하여 디바이스의 방출 생성물이 적색 및 청색 LED에 의해 생성된 광과 적어도 하나의 포스퍼 물질에 의해 생성된 광의 조합을 포함하도록 동작가능한 적어도 하나의 청색 광 여기가능 포스퍼 물질; 및 방출 생성물에서 예를 들어 청색 대 적색 광의 비를 실질적으로 일정하게 유지하기 위해 LED의 측정된 방출 강도에 응답하여 적색 및/또는 청색 LED의 구동 전류를 제어하도록 동작가능한 드라이버를 포함하며, 여기서 적어도 하나의 포스퍼 물질은 적어도 1㎜, 적어도 5㎜, 적어도 10㎜, 또는 적어도 20㎜의 거리에 제공된다.
시스템은 청색 및 적색 LED를 수용하는 패키지를 더 포함할 수 있다. 패키지는 바람직하게는 청색 및 적색 LED의 애노드를 위한 각 전기 접촉부를 더 포함한다. 대안적으로 및/또는 추가적으로 패키지는 청색 및 적색 LED의 캐소드를 위한 각 전기 접촉부를 포함한다.
바람직하게는 시스템은 적어도 하나의 청색 LED와 적어도 하나의 포스퍼 물질에 의해 생성된 광의 조합이 C.I.E. 색도도의 흑체 복사선 곡선 위에 놓여 있는 C.I.E. 색도값을 지니도록 구성된다. 바람직하게는 시스템은 적어도 하나의 청색 LED와 적어도 하나의 포스퍼 물질에 의해 생성된 광의 조합이 C.I.E.값(0.08, 0.75), (0.43, 0.47), (0.22, 0.26) 및 (0.09, 0.23)의 점들을 연결하는 직선 라인에 의해 한정된 C.I.E. 색도도의 영역 내에 놓여있는, 보다 바람직하게는 C.I.E.값(0.15, 0.58), (0.42, 0.44), (0.29, 0.32), (0.09, 0.31) 및 (0.09, 0.45)의 점들을 연결하는 직선 라인에 의해 한정된 C.I.E. 색도도의 영역 내에 놓여있는 C.I.E. 색도값을 지니도록 구성된다.
바람직하게는 시스템은 방출 생성물이 백색으로 보이도록 구성되고, 바람직하게는 C.I.E. 색도도의 흑체 복사선 곡선 상에 실질적으로 놓여 있는 색도값을 지니도록 구성된다.
시스템은 바람직하게는 방출 생성물에서 예를 들어 청색 대 적색 광의 비를 실질적으로 일정하게 유지하기 위해 LED의 측정된 방출 강도에 응답하여 적색 및/또는 청색 LED의 구동 전류를 제어하도록 동작가능한 드라이버를 더 포함한다.
본 발명이 더 잘 이해되기 위하여 본 발명에 따른 LED 기반 발광 시스템 및 디바이스가 이제 첨부 도면을 참조하여 예로써 기술된다.
도 1a는 전술된 바와 같은 청색 및 적색 LED에 대해 방출된 광 강도 대 동작 온도의 그래프;
도 1b는 전술된 바와 같은 청색 및 적색 LED를 포함하는 알려진 백색 발광 디바이스에 대해 방출된 광 대 동작 온도의 CCT 및 CRI 그래프;
도 2는 백색 LED의 동작 원리를 예시하는 C.I.E.(Commission Internationale de l'eclairage) 1931 색도도를 도시한 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 기반 발광 디바이스의 평면도 및 A-A를 통한 단면도;
도 4는 도 3에 따른 발광 디바이스를 포함하는 발광 시스템의 개략도;
도 5는 본 발명에 따른 LED 기반 발광 시스템, LED 다운라이트의 분해 사시도;
도 6은 도 5의 LED 다운라이트의 B-B를 통한 단부도 및 단면도;
도 7 내지 도 12는 도 4의 발광 시스템의 동작을 예시하는 C.I.E. 1931 색도도를 도시한 도면;
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 색상 조절가능한 LED 기반 발광 디바이스의 평면도 및 A-A를 통한 단면도;
도 14는 도 14의 발광 디바이스를 포함하는 색상 온도 조절가능한 백색 발광 시스템의 개략도;
도 15 및 도 16은 도 14의 발광 시스템의 동작을 예시하는 C.I.E. 1931 색도도를 도시한 도면.
본 발명의 실시예는 청색 광을 생성하도록 동작가능한 적어도 하나의 청색 LED와, 적색 광을 생성하도록 동작가능한 적어도 하나의 적색 LED를 포함하는 LED 기반 발광 시스템 및 디바이스에 관한 것이다. 시스템 또는 디바이스는 방출 생성물에서 청색 및 적색 광의 측정된 기여도에 응답하여 청색 및 적색 LED에 의해 방출된 광의 강도를 제어하는 드라이버(제어기)를 더 포함할 수 있다. 드라이버는 방출 생성물에서 청색 및 적색 광의 기여도가 실질적으로 일정하게 유지되어 방출된 광의 선택된 색상을 유지하도록 하기 위해 LED를 제어하도록 구성된다. 드라이버는 하나 또는 두 개의 LED의 방출 강도를 제어하도록 동작가능할 수 있다. 백색광을 생성하기 위하여 시스템 또는 디바이스는 청색 광의 일정 비율을 흡수하고 상이한 색상의 광, 일반적으로 녹색, 녹색/황색 또는 황색 광을 방출하여 디바이스의 조합된 광 출력이 백색으로 보이도록 동작가능한 적어도 하나의 청색 광 여기가능 포스퍼 물질을 더 포함한다. 이 디바이스에서 방출 생성물의 CCT는 청색 및 적색 LED의 방출 강도를 제어하는 것에 의해 유지될 수 있다. 이 제어는 청색 및 적색 LED의 차등적인 에이징으로부터 발생하는 방출 생성물의 변화, 온도 변화로 인한 LED의 방출 특성의 변화 및/또는 포스퍼 물질의 방출 특성의 변화를 적어도 부분적으로 보상하는데 사용될 수 있다.
본 특허 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 부분을 나타내는데 사용된다.
백색 LED
본 발명에 따라 LED 기반 발광 시스템 및 디바이스를 기술하기 전에, 백색 LED의 동작 원리는 C.I.E. 1931 색도도인 도 2를 참조하여 기술된다.
알려진 바와 같이 백색 LED는 일반적으로 색도도에서 점(2)에서 지시된 바와 같이 청색 광을 생성하도록 동작가능한 청색 LED를 포함한다. 나아가, 백색 LED 는 청색 광에 의해 여기가능하고 상이한 색상의 광, 일반적으로 황색-녹색의 광을 방출하는 하나 이상의 포스퍼 물질을 더 포함한다. 도 2에서 점(4)은 포스퍼 물질(들)의 조성에 따라 포스퍼 물질(들)에 의해 생성된 광의 색상을 나타낸다. 점(2)과 점(4)을 연결하는 거의 직선인 라인(6)은 포스퍼 물질(들)의 품질에 따라 방출 생성물(8)의 정확한 색상을 지니는 백색 LED로부터 가능한 광 방출을 나타낸다. 포스퍼 물질이 없는 경우인 점(2)에서 방출된 광은 청색이다. LED에 의해 방출된 청색 광 전부를 흡수하기 위해 포스퍼 물질(들)이 충분한 양만큼 있는 경우인 점(4)에서는, 방출된 광의 색상은 포스퍼 물질(들)에 의해 생성된 광의 색상에 대응한다. 점(2)과 점(4) 사이 중간에 있는 라인(6)을 따른 점에서 방출된 광은 포스퍼 물질(들)에 의해 방출된 광과 포스퍼 물질(들)에 의해 흡수되지 않은 LED로부터의 청색 광의 조합이다. 포스퍼 물질(들)의 양을 적절히 선택하는 것에 의해 백색 LED는 라인(6)이 흑체 곡선(Plankian locus)(10)을 차단하는 점(8)에서 선택된 CCT의 백색광을 생성하도록 구성될 수 있다. 백색 LED에 의해 생성된 광의 CCT는 고정되어 있고 포스퍼 물질(들)의 조성과 포스퍼 물질(들)의 양에 의해 결정된다.
기존의 백색 LED에 따른 문제는 LED가 생성하는 광의 색상이 예를 들어 물의 흡수에 의해 시간에 따라 포스퍼 물질(들)의 광발광 특성이 변하는 것으로 인해 시간에 따라 변할 수 있다(일반적으로 포스퍼 물질에 의해 방출되는 광의 강도는 시간에 따라 감소된다)는 것이다. 백색 LED에 의해 방출되는 광의 색상이 고정되어 있으므로 선택된 색상 및/또는 CCT에 방출 생성물을 유지하도록 방출 색상을 제어하는 메커니즘이 존재하지 않는다.
LED 기반 발광 디바이스
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 LED 기반 발광 디바이스(20)는 디바이스의 평면도 및 A-A를 통한 단면도를 도시한 도 3을 참조하여 이제 기술된다. 디바이스(20)는 정사각형 어레이(5행×5열)로 구성된 25개의 원형 리세스(공동)(24)의 어레이를 구비하는 저온 동시 소성 세라믹(LTCC: low temperature co-fired ceramic)과 같은 세라믹 패키지(22)를 포함한다. 각 리세스(24)는 청색(B) LED 칩(26) 또는 적색(R) LED 칩(28) 중 각각을 수용하도록 구성된다. 도시된 바와 같이, 디바이스(20)는 16개의 청색 LED 칩(26)과 9개의 적색 LED 칩(28)을 포함하며 여기서 각 적색 LED 칩(28)은 중심 공동(center cavity), 각 코너 공동 및 각 측면을 따라 중간에 있는 공동 각각에 수용된다. 청색 및 적색 LED 칩의 수와 구성은 단지 예시를 위한 것이며 다른 구성도 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이라는 것이 이해될 수 있을 것이다.
바람직하게는 청색 LED 칩(26)은 440㎚ 내지 480㎚(일반적으로 465㎚) 파장 범위에서 피크 파장을 지니는 청색 광(30)을 생성하도록 동작가능한 GaN계(갈륨 질화물계) LED를 포함한다. 적색 LED 칩(28)은 610㎚ 내지 670㎚ 파장 범위에서 피크 파장을 지니는 적색 광(32)을 생성하도록 동작가능한 AlGaAs(aluminum gallium arsenic), GaAsP(gallium arsenic phosphide), AlGalnP(aluminum gallium indium phosphide) 또는 GaP(gallium phosphide) LED를 유리하게 포함한다.
각 리세스(24)의 벽은 경사질 수 있고 이 벽은 각 리세스(24)가 디바이스로부터 광의 방출을 증가시키기 위해 반사체 컵을 구비하도록 은(silver) 또는 알루미늄의 금속화 층과 같은 광 반사면을 구비할 수 있다. 패키지(22)는 다층으로 구성된 구조이고 원하는 구성(예를 들어, 각 LED 칩의 직렬 연결된 스트링)으로 LED 칩(26, 28)을 상호 연결하도록 구성된 전기적으로 전도성 트랙의 패턴을 포함한다. 전도성 트랙은 그 일부분이 각 LED 칩(26, 28)에 전기적 연결을 하기 위해 리세스의 층에 전기 패드(33)의 쌍을 제공하기 위해 리세스(24) 안으로 연장하도록 구성된다. 패키지(22)의 하부면에는 솔더 패드(34, 36)가 제공되고 청색 및 적색 LED 칩에 전기 전력을 제공한다. 본 발명의 일 측면에 따라 각 솔더 패드(34, 36)는 청색 및 적색 LED 칩(26, 28)의 순방향 구동 전류(iB, iR)가 독립적으로 제어될 수 있도록 구성된 청색 및 적색 LED 칩에 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 디바이스는 청색 및 적색 LED 칩의 애노드와 캐소드에 각각 대응하는 4개의 솔더 패드(34(+청색), 34(-청색), 36(+적색), 36(-적색))를 포함할 수 있다. 대안적으로, 패키지는 청색 및 적색 LED 칩의 하나의 전극(애노드 또는 캐소드)에 공통인 단일 솔더 패드와 청색 및 적색 LED 칩의 다른 전극에 대해 각 솔더 패드를 포함할 수 있다. 솔더 패드(34, 36)는 열 전도성 비아(미도시)에 의해 전도성 트랙에 연결될 수 있다. 각 LED 칩(26, 28)은 솔더링에 의하여 또는 은 도포된 에폭시와 같은 열 전도성 접착제를 사용하여 리세스의 층과 열 전달가능하게 장착된다. LED 칩(26, 28)에서 전극은 리세스(24)의 층에 있는 각 전극 패드(33)에 접합 와이어(37)에 의해 연결된다. 각 리세스(24)는 실리콘 또는 에폭시 물질과 같은 광 투과성(투명한) 폴리머 물질(38)로 완전히 충진(삽입)되고 LED 칩과 접합 와이어(37)의 보호를 제공한다. 광 투과성 실리콘 물질의 예는 Shin-Etsu MicroSi, Inc사의 플렉시블 실리콘(flexible silicone) KJR-9022 및 GE사의 실리콘 RTV615를 포함할 수 있다. LED 칩의 발광 면으로부터 측정된 광 투과성 캡슐부(38)의 두께 "t"(도 3)는 일반적으로 적어도 0.3㎜ 내지 0.5㎜이다. 도시된 바와 같이, 캡슐부(38)는 캡슐부의 외부면이 일반적으로 편평하도록 리세스를 완전히 충진할 수 있다. 다른 실시예에서, 도 3에서 대시 라인으로 지시된 바와 같이, 각 리세스(24)는 캡슐부가 돔 형상(일반적으로 반구형)이고 렌즈를 형성하도록 과 충진(over filled)될 수 있다. 이 구성은 캡슐부 내에 내부 반사 가능성을 감소시키는 것에 의해 총 방출된 광을 증가시킬 수 있다. 일반적으로 이러한 배열에서 캡슐부의 두께 "t"는 적어도 1㎜이고 적어도 5㎜일 수 있고 주로 리세스의 사이즈에 종속한다.
LED 기반 발광 시스템
도 4는 본 발명의 발광 디바이스(20)를 포함하는 백색 발광 시스템(40)의 개략도이다. 도 4에 도시된 바와 같이 백색 광을 생성하는 것이 요구되는 경우 발광 시스템(40)은 동작 시 발광 디바이스(20)가 청색 광(30)으로 포스퍼 물질(42)을 조사하도록 구성된 적어도 하나의 청색 광 여기가능 포스퍼 물질(42)을 포함한다. 포스퍼 물질(42)은 청색 광(30)의 일부를 흡수하고 이에 응답하여 상이한 색상의 광, 일반적으로 황색-녹색의 광(44)을 방출한다. 시스템(40)의 방출 생성물(46)은 포스퍼 물질(42)에 의해 생성된 광(44)과 LED(26, 28)에 의해 방출된 광(30, 32)의 조합을 포함한다.
더 기술되는 바와 같이, 시스템(40)은 LED 및/또는 포스퍼 물질의 방출 특성의 색상의 변화를 보상하기 위해 청색 및 적색 LED의 순방향 구동 전류(iFB, iFR)를 제어하도록 동작가능한 드라이버(48)를 더 포함할 수 있다. 드라이버(48)는 방출 생성물(46)에서 청색 및 적색 광 기여도의 측정된 강도(IB, IR)에 응답하여 동작할 수 있다. 피드백 배열에 의하여 드라이버(48)는 LED 및/또는 포스퍼 물질의 방출 특성의 색상에서 발생하는 변화를 보상하도록 청색 및/또는 적색 LED의 순방향 구동 전류(iB, iR)를 조절하도록 측정된 강도(IB, IR)를 사용한다. 드라이버는 대안적으로 및/또는 추가적으로 LED의 동작 온도(T)에 응답하여 하나 및/또는 두 개의 LED 구동 전류를 제어하도록 동작할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광 시스템의 일례는 도 5 및 도 6을 참조하여 이제 기술되며, 여기서 도 5는 본 발명에 따른 LED 다운라이트(50)의 분해 사시도이고, 도 6은 다운라이트의 단부도 및 B-B를 통한 다운라이트의 단면도이다. 다운라이트(50)는
Figure pct00001
3100K의 CCT(Correlated Color Temperature), 650 내지 700루멘의 방출 강도 및 60°의 공칭 빔 확산(광폭 범람)을 지니는 백색 광을 생성하도록 구성된다. 이것은 종래의 6인치 백열 다운라이트에 대한 에너지 효율적인 대체물로 사용되도록 의도된다.
다운라이트(50)는 예를 들어 다이 캐스트 알루미늄으로 제조된 중공인 일반적으로 원통형인 열전도성 바디(52)를 포함한다. 바디(52)는 히트 싱크로서 기능하며 LED에 의해 생성된 열을 발산한다. 다운라이트(50)로부터 열 복사선을 증가시켜 발광 디바이스(20)의 냉각을 증가시키기 위하여 바디(52)는 바디의 베이스 쪽에 위치된 일련의 위도적으로 나선형으로(latitudinal spirally) 연장하는 열 복사 핀(54)을 포함할 수 있다. 열 복사선을 더 증가시키기 위하여 바디의 외부면은 복사율(emissivity)을 증가시키도록 처리될 수 있으며 예를 들어 블랙 페인팅(painted black)되거나 양극 처리(anodized)될 수 있다. 바디(52)는 바디의 길이의 약 2/3의 깊이만큼 바디의 전방으로부터 연장하는 일반적으로 원뿔대형(즉, 그 정점이 그 베이스에 평행한 평면에 의해 절단된 원추) 축방향 챔버(56)를 더 포함한다. 바디(52)의 형상 요소(form factor)는 미국에서 일반적으로 사용되는 표준 6인치 다운라이트 고정물(can)에 다운라이트가 직접 개장(retrofitted)될 수 있도록 구성된다.
본 발명에 따른 4개의 백색 발광 디바이스(20)는 원형 형상의 MCPCB(Metal Core Printed Circuit Board)(58)에 정사각형 어레이로 장착된다. 알려진 바와 같이 MCPCB는 일반적으로 알루미늄인 금속 코어 베이스, 열 전도성/전기 절연성 유전층 및 원하는 회로 구성으로 전기 부품을 전기적으로 연결하기 위한 구리 회로 층으로 구성된 층상 구조물을 포함한다. 예를 들어 베릴륨 산화물 또는 알루미늄 질화물을 포함하는 표준 히트 싱크 화합물과 같은 열 전도성 화합물의 도움으로, MCPCB(58)의 금속 코어 베이스는 챔버(56)의 층(60)을 통해 바디와 열 전도성으로 장착된다. 도 5에 도시된 바와 같이, MCPCB(58)는 하나 이상의 나사, 볼트 또는 다른 기계적 패스너(62)에 의해 바디 층(60)에 기계적으로 고정될 수 있다.
다운라이트(50)는 발광 디바이스(20)의 어레이를 둘러싸는 중공인 일반적으로 원통형인 광 반사성 챔버 벽 마스크(64)를 더 포함한다. 챔버 벽 마스크(64)는 플라스틱 물질로 만들어질 수 있고 바람직하게는 백색 또는 다른 광 반사성 마감재를 구비한다. 광 투과성 윈도우(66)는 바디(52) 내 대응하는 개구와 맞물리는 탄성적으로 변형가능한 미늘(barb)(70)을 구비하는 환형 스틸 클립(68)을 사용하여 챔버 벽 마스크(64)의 전방 위에 놓이게 장착된다.
광 투과성 윈도우(66)는 윈도우의 볼륨 전체에 걸쳐 균일하게 분배되거나 윈도우의 한 면이나 두 면에 균일한 두께의 하나의 층이나 층들의 형태일 수 있는 하나 이상의 포스퍼 물질(40)을 포함한다. 포스퍼 물질이 윈도우의 면 위에 하나 이상의 균일한 두께 층의 형태인 배열에서 일반적으로 분만 형태인 포스퍼 물질은 예를 들어 폴리머 물질, 예를 들어, 열 또는 UV로 경화가능한 아크릴, 실리콘 또는 에폭시 물질, 적절한 용매 또는 Nazdar 9700 스크린 잉크와 같은 투명 잉크와 같은 광 투과성(투명한) 바인더 물질을 구비하는 미리 선택된 비율로 완전히 혼합된다. 광 투과성 실리콘 물질의 예는 Shin-Etsu MicroSi, Inc사의 플렉시블 실리콘 KJR-9022 및 GE사의 실리콘 RTV615를 포함할 수 있다. 포스퍼 대 폴리머 바인더의 중량 비 도포는 일반적으로 디바이스의 방출 생성물의 요구되는 CCT에 따라 정확한 도포로 100부당 35 내지 95부 범위이다. 포스퍼/폴리머는 윈도우의 전체 면 위에 실질적으로 균일한 두께 층을 형성하기 위하여 윈도우(66)의 면 위에 적층된다. 바인더 물질에 따라 포스퍼/폴리머 혼합물은 스크린 프린팅, 스핀 코팅, 닥터 브레이딩(즉, 스퀴지 또는 플렉시블 베이드의 사용), 테이프 캐스팅, 스프레이, 잉크젯 프린팅에 의해 또는 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 종속적인 다른 증착 기술에 의해 윈도우에 도포될 수 있다. 포스퍼/폴리머 층(40)은 일반적으로 약 10μm 내지 약 500μm 범위, 바람직하게는 약 10μm 내지 약 100μm 범위의 두께이다. 포스퍼 대 폴리머의 중량 도포의 경우에서와 같이 포스퍼/폴리머 층의 두께는 시스템에 의해 생성된 광의 타깃 CCT에 종속한다.
대안적으로, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 포스퍼 물질(들)이 광 투과성 윈도우(66)에 포함될 수 있다. 이 배열에서, 포스퍼 물질은 그 볼륨 전체에 걸쳐 포스퍼의 균일한 분배를 지니는 균일한 두께 "x"(도 6)의 균일한 포스퍼/폴리머 시트를 형성하도록 압출된 예를 들어, 폴리카보네이트, 아크릴, 실리콘 또는 에폭시 및 혼합물과 같은 광 투과성(투명한) 폴리머 물질과 미리 선택된 비율로 완전히 혼합된다. 포스퍼 대 폴리머의 중량 비 도포와 포스퍼/폴리머 시트의 두께 "x"는 시스템에 의해 생성된 광의 타깃 CCT에 종속한다.
이 예시적인 실시예에서, 포스퍼 물질은 포스퍼 물질(들)을 여기하는데 사용되는 발광 디바이스(20)(보다 구체적으로 청색 LED)에 대해서 원격에 제공되는 것으로 이해된다. 본 특허 명세서에서 "원격"이라는 것은 직접 접촉하지 않는 것 또는 일반적으로 예를 들어 공기 갭에 의해 분리된 것을 의미한다. 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이 포스퍼 물질(40)은 공기 갭에 의해 디바이스로부터 분리되고 발광 디바이스로부터 거리 "d"에 위치되며 여기서 d는 일반적으로 적어도 20㎜(2㎝)이다. 다른 실시예에서, 포스퍼 물질은 적어도 1㎜, 적어도 5㎜ 또는 적어도 10㎜의 거리에 청색 LED에 대해서 원격에 위치될 수 있다. 이것은 포스퍼 물질이 LED의 발광면과 직접 접촉하는 알려진 백색 발광 디바이스(백색 LED)와는 대조되는 것이다. LED 다이에 대해서 원격에 포스퍼를 제공하는 이점은 포스퍼가 일반적으로 LED 다이의 발광면에 직접 포스퍼를 제공하는 것에 비해 훨씬 더 많은 영역 위에 제공되므로 포스퍼의 감소된 열적 열화 및 방출된 광의 보다 일관적인 색상 및/또는 CCT를 포함한다. 일반적으로, 포스퍼 물질은 공기 갭에 의해 청색 LED로부터 분리되지만 다른 실시예에서 포스퍼 물질은 다른 광 투과성 매체에 의해 청색 LED로부터 분리되는 것이 고려된다. 예를 들어, 포스퍼 물질은 광 투과성 캡슐부(38)와 접촉하는 층으로 제공될 수 있다.
포스퍼 물질(들)은 예를 들어 일반적인 조성물 A3Si(O,D)5 또는 A2Si(O,D)4의 실리케이트계 포스퍼와 같은 무기 또는 유기 포스퍼를 포함할 수 있으며, 여기서 Si는 실리콘이고 O는 산소이며, A는 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 또는 칼슘(Ca)을 포함하고 D는 염소(Cl), 불소(F), 질소(N) 또는 황(S)을 포함한다. 일반적으로 분말 형태인 포스퍼 물질은 폴리머 물질(예를 들어 열적으로 또는 UV로 경화가능한 실리콘 또는 에폭시 물질)과 같은 투명한 바인더 물질과 혼합되고, 폴리머/포스퍼 혼합물은 균일한 두께의 하나 이상의 층 형태로 광 가이드(32)의 광 방출면에 도포된다. 스폿라이트의 방출 생성물의 색상 및/또는 CCT는 포스퍼 물질의 조성과 포스퍼 물질의 품질에 의해 결정된다. 백색 광의 원하는 색상 또는 CCT를 생성하는데 필요한 포스퍼 물질(들)은 분말 형태의 임의의 포스퍼 물질(들)을 포함할 수 있으며, 예를 들어 일반적인 조성물 A3Si(O,D)5 또는 A2Si(O,D)4의 실리케이트계 포스퍼와 같은 무기 또는 유기 포스퍼를 포함할 수 있으며, 여기서 Si는 실리콘이고 O는 산소이며, A는 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 또는 칼슘(Ca)을 포함하고 D는 염소(Cl), 불소(F), 질소(N) 또는 황(S)을 포함한다. 실리케이트계 포스퍼의 예는 미국 특허 제7,575,697호(발명의 명칭: "Europium activated silicate-based green phosphor")(Intematix Corporation사에 양도), 미국 특허 제7,601,276호(발명의 명칭: "Two phase silicate-based yellow phosphor")(Intematix Corporation사에 양도), 미국 특허 제7,655,156호(발명의 명칭: "Silicate-based orange phosphor")(Intematix Corporation사에 양도) 및 미국 특허 제7,311,858호("Silicate-based yellow-green phosphor")(Intematix Corporation사에 양도)에 개시되어 있다. 이 포스퍼는 또한 미국 특허 제7,541,728호(발명의 명칭: "Aluminate-based green phosphor")(Intematix Corporation사에 양도) 및 미국 특허 제7,390,437호(발명의 명칭: "Aluminate-based blue phosphor")(Intematix Corporation사에 양도)에 개시된 바와 같은 알루미네이트계 물질, 미국 특허 제7,648,650호(발명의 명칭: "Aluminum-silicate orange-red phosphor")(Intematix Corporation사에 양도)에 개시된 바와 같은 알루미늄 실리케이트 포스퍼 또는 2009년 12월 7일에 출원된 공동 계류 중인 미국 특허 출원 제12/632,550호(공개 제US2010/0308712호)에 개시된 바와 같은 질화물계 적색 포스퍼 물질을 더 포함할 수 있다. 포스퍼 물질은 본 명세서에 개시된 예로 제한되는 것은 아니며 질화물 및/또는 황화물 포스퍼 물질, 옥시 질화물 및 옥시 황화물 포스퍼 또는 가넷(garnet) 물질(YAG)을 구비하는 임의의 포스퍼 물질을 포함할 수 있는 것으로 이해된다.
다운라이트(50)는 다운라이트(즉, 이 예에서 50°)의 선택된 방출 각도(빔 확산)를 한정하도록 구성된 광 반사성 후드(hood)(72)를 더 포함한다. 후드(72)는 3개의 인접한(잇닿은) 내부 광 반사성 원뿔대면을 구비하는 일반적으로 원통형인 쉘을 포함한다. 후드(72)는 바람직하게는 금속화 층을 구비하는 ABS(Acrylonitrile butadiene styrene)로 만들어진다. 마지막으로 다운라이트(50)는 또한 ABS로 제조될 수 있는 환형 트림(trim)(사면(bezel))(74)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 백색 발광 시스템(40)과 다운라이트(50)의 동작 원리가 이제 청색 LED(26), 적색 LED(28) 및 포스퍼 물질(42)에 의해 생성된 광의 색상을 각각 나타내는 점들(30, 32, 44)을 지니는 C.I.E. 1931 색도도인 도 7을 참조하여 설명된다. 도 7은 캘리포니아주의 프리몬트시에 소재한 Intematix Corporation사에 의해 제조된 것과 같은 포스퍼 물질의 범위를 위한 방출된 광(44)의 색상을 또한 나타낸다.
점(30)과 점(44)을 연결하는 거의 직선 라인(80)은 포스퍼 물질의 품질에 따라 정확한 색상을 가지는 청색 LED(26)와 포스퍼 물질(42)로부터 나오는 조합된 광(82)에 대해 가능한 광 방출을 나타낸다. 포스퍼 물질이 없는 경우인 점(30)에서 조합된 광(82)은 청색이다. 청색 LED에 의해 방출된 청색 광을 전부 흡수할 만큼 충분한 양의 포스퍼 물질이 있는 경우인 점(44)에서 조합된 광(82)의 색상은 포스퍼 물질에 의해 생성된 광의 색상에 대응한다. 점(30)과 점(44) 사이의 중간에 있는 라인(80)을 따른 점(82)에서 광은 포스퍼 물질에 의해 방출된 광과 포스퍼 물질에 의해 흡수되지 않은 청색 광의 조합이다. 점(82)에서 광의 색상은 고정되어 있고 포스퍼 물질의 조성과 포스퍼 물질의 양에 의해 결정된다. 포스퍼 물질의 조성과 포스퍼 물질의 양은 청색 LED(26)와 포스퍼 물질(42)에 의해 방출된 조합된 광(82)이 흑체 복사선 곡선(10) 위에 있도록 구성된다.
시스템(40)의 방출 생성물(46)은 청색 및 적색 LED(26, 28)의 순방향 구동 전류(iB, iR)에 따라 정확한 점을 구비하는 점(82)과 점(32)을 연결하는 직선 라인(84)에 놓여있다. LED의 순방향 구동 전류의 적절한 선택에 의해 도 7에 도시된 바와 같이 시스템은 라인(84)이 흑체 복사선 곡선(10)을 절단(교차, 차단)하는 점에 대응하는 선택된 CCT의 백색 광을 생성하도록 구성될 수 있다. 시스템에 의해 생성된 광(46)의 CCT는 고정되어 있고 포스퍼 물질의 조성과 포스퍼 물질(42)의 양에 의해 결정된다. 도 7에서 실선 화살표로 도시된 바와 같이 방출 생성물(46)의 색상은 순방향 구동 전류(iR: iB)의 비를 변경시키는 것에 의해 변경될 수 있다. 청색 LED의 순방향 구동 전류(iB)에 대해 적색 LED의 순방향 구동 전류(iR)를 감소(↓)시키는 것(↓iR: iB)은 방출 생성물(46)의 색상이 흑체 곡선(10)으로부터 멀어져 라인(84)을 따라 점(82) 쪽으로 이동하게 한다. 역으로, 청색 LED의 순방향 구동 전류(iB)에 대해 적색 LED의 순방향 구동 전류(iR)를 증가(↑)시키는 것(↓iR: iB)은 방출 생성물(46)의 색상이 흑체 곡선(10)으로부터 멀어져 라인(84)을 따라 반대 방향으로 점(32) 쪽으로 이동하게 한다.
도 8은 청색 LED(26)와 적색 LED(28)에 의해 방출된 광의 바람직한 색상의 색도값을 나타내는 색도도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 청색 LED는 바람직하게는 점들(30a, 30b)(C.I.E. (0.08, 0.13) 및 C.I.E. (0.16, 0.01))을 연결하는 직선 라인과 상기 점들을 연결하는 색도도의 경계에 의해 한정된 영역 내에 있는 색도값을 지니는 청색 광을 생성한다. 적색 LED는 바람직하게는 점들(32a, 32b)(C.I.E. (0.66, 0.34) 및 C.I.E. (0.72, 0.28))을 연결하는 라인에 놓여있는 색도값을 지니는 광을 생성한다.
백색 LED와 마찬가지로 백색 발광 시스템(40)의 방출 생성물(46)의 CCT는 고정되어 있고 포스퍼 물질의 조성과 양에 의해 결정된다. 그러나, 백색 LED와는 대조적으로, 청색 및 적색 LED의 구동 전류를 제어하는 것에 의해 본 발명의 시스템은 적색 및 청색 LED의 광 방출의 차등적인 변화로 인한 방출 생성물에 대한 영향 및/또는 에이징으로 인한 포스퍼 물질의 방출 특성의 변화를 감소시키도록 구성될 수 있다.
도 9는 드라이버(46)가 에이징 및/또는 동작 온도로 인해 적색 및 청색 LED의 상대적인 방출 특성의 변화를 보상하도록 청색 및 적색 LED의 구동 전류(iB, iR)를 제어하는 방법을 나타내는 C.I.E. 1931 색도도이다. 도 9에서 시스템(40)은
Figure pct00002
2600K의 CCT를 지니는 백색 광(46)을 생성하도록 구성되고, 방출 파장 λB=480㎚를 지니는 청색 광(30)을 생성하는 청색 LED(26)와, 방출 파장(λR=610㎚)을 지니는 적색 광(32)을 생성하는 적색 LED(28)에 기초한다. 포스퍼 물질의 조성과 양은 점(32)과 점(82)을 연결하는 라인(84)이 CCT
Figure pct00003
2600K에서 흑체 곡선(10)을 절단하도록 선택된다. 전술된 바와 같이, 적색 LED의 방출 강도는 일반적으로 에이징 및/또는 동작 온도에 따라 청색 LED보다 더 신속하게 저하한다(도 1a). 도 9에 도시된 바와 같이 청색 및 적색 LED의 방출 특성이 차등적으로 변화하는 것의 영향은 흑체 복사선 곡선(10)으로부터 멀어져 라인(84)을 따라 점(82) 쪽 방향으로 시스템의 방출 생성물(46)에 색상 이동(86)을 야기한다. 이러한 색상 이동(86)을 보상하지 않으면 시스템은 점(88)에 의해 지시된 바와 같이 백색 광을 더 이상 방출하지 않고 청록색 광을 방출한다. 본 발명에 따라 색상 이동(86)의 영향은 하나 또는 두 개의 구동 전류(iR, iB)를 제어하는 것에 의해 청색 및 적색 LED(26, 28)의 상대적 방출을 변경시키는 것에 의해 감소되거나 또는 심지어 제거될 수 있다. 비 iR: iB를 증가(90)시키면(즉, 청색 LED의 것에 대해 적색 LED의 광 출력을 증가시키면) 시스템(40)은
Figure pct00004
2600K의 CCT를 지니는 백색 광(46)을 다시 방출하도록 구성될 수 있다.
청색 및 적색 LED의 방출 특성의 차등적인 변화에 추가하여 본 발명의 시스템은 예를 들어 수분의 흡수 또는 동작 온도의 증가로 인한 포스퍼 물질의 방출 특성의 변화의 방출 생성물에 대한 영향을 감소시킬 수 있다(일반적으로 포스퍼 물질에 의해 방출된 광의 강도는 에이징에 따라 감소하는데, 즉 양자 효율이 감소한다). 이러한 변화는 포스퍼 물질의 양의 감소와 동등한 것으로 고려될 수 있고 도 10에 지시된 바와 같이 포스퍼 물질과 청색 LED에 의해 방출된 조합된 광(82a)이 라인(80)을 따라 점(30) 쪽 방향으로 변화(92)되게 한다. 포스퍼 물질과 청색 LED에 의해 방출되는 조합된 광의 새로운 색상은 점(82b)에 의해 지시된다. 포스퍼 방출과 LED 방출의 변화의 순 결과는 화살표(94)(도 10)에 의해 지시된 바와 같이 순 색상 변화를 초래하며 시스템은 더 이상 점(96)에 의해 지시된 바와 같은 백색 광을 방출하지 않는다. 본 발명에 따라, 이들 색상 변화의 영향은 하나 또는 두 개의 구동 전류(iR, iB)를 제어하는 것에 의해 청색 및 적색 LED(26, 28)의 상대적 방출을 변화시키는 것에 의해 감소될 수 있다. 청색 LED의 것에 비해 적색 LED의 광 출력을 증가시키면 시스템은 점(98)에 의해 지시된 바와 같이 백색 광을 다시 방출하도록 구성될 수 있으나 이는 점(32)과 점(82b)을 연결하는 라인(84)이 흑체 복사선 곡선(10)과 교차하는 다른 CCT에서이다. 백색 광의 CCT는 동일하지 않지만(일반적으로 이것은 포스퍼 물질의 방출 강도의 감소로 인해 더 높다) 사람의 눈은 광의 실제 색상의 변화에 보다는 CCT의 변화에 덜 민감하다.
드라이버(48)는 청색 및 적색 LED(IB, IR)의 방출 강도에 응답하여 청색 및 적색 LED의 구동 전류(iFB, iFR)를 조절하도록 구성될 수 있다. 하나의 배열에서 청색 및 적색 LED의 방출 강도는 발광 디바이스에 포함되는 광다이오드 또는 광 트랜지스터와 같은 각 광검출기를 사용하여 측정된다. 대안적으로, 방출 생성물(46)에서 청색 및 적색 광 기여도의 강도는 적색 또는 청색 광에 대응하는 스펙트럼 응답을 지니는 파장 필터를 포함하는 각 광검출기를 사용하여 측정될 수 있다. 이러한 배열에서 광검출기는 바람직하게는 검출기의 성능에 대한 차등적인 온도의 영향을 감소시키기 위해 매칭된 쌍이다. 디바이스가 청색 및 적색 방출 강도의 크기에 응답하여 제어될 수 있으나, 본 발명자는 강도의 비(IB:IR) 또는 강도들 사이의 차(IB-IR)를 사용하여 적절한 제어가 달성될 수 있다는 것을 발견하였다. 이러한 제어 배열은 제어기 회로의 복잡성을 감소시킨다. 본 발명의 디바이스의 특정 이점은 이 디바이스가 적색 및 청색 LED에만 기초하므로 이것은 드라이버의 복잡성을 감소시키고 디바이스의 방출 생성물의 실제 색상을 측정할 필요성을 제거한다는 것이다.
추가적으로, 드라이버(48)는 청색 및 적색 LED(T)의 동작 온도에 응답하여 청색 및 적색 LED의 구동 전류(iB, iR)를 조절하도록 동작할 수 있다. LED의 동작 온도는 디바이스에 포함된 써미스터를 사용하여 측정될 수 있다. 일반적으로 LED는 열전도성 기판에 장착될 수 있고 LED의 온도는 LED의 동작 온도와 대략 동일한 기판(T)의 온도를 측정하는 것에 의해 측정될 수 있다.
동작 시, 드라이버(48)는 측정된 강도(IB, IR) 및/또는 온도(T)에 응답하여 비(IB:IR)의 변화를 최소화시키기 위하여 청색 및/또는 적색 LED의 전류를 조절한다. 드라이버(48)는 (i) 청색 LED의 순방향 구동 전류(iB)를 일정하게 유지하면서 적색 LED의 순방향 구동 전류(iR)를 증가시키거나, (ii) 적색 LED의 순방향 구동 전류(iR)를 일정하게 유지하면서 청색 LED의 순방향 구동 전류(iB)를 감소시키는 것에 의해 적색 LED의 광 출력을 증가시키도록 구성될 수 있다. 제1제어 구성은 디바이스의 방출 생성물의 강도가 그만큼 저하하지 않는다는 이점을 지닌다. 또한 드라이버(48)는 방출 강도(IR, IB)의 절대값의 변화를 최소화하기 위하여 순방향 구동 전류(iR, iB)를 조절하도록 동작할 수 있는 것으로 고려된다. 이러한 제어 구성은 방출 생성물의 색상의 변화를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 디바이스의 전체 방출 강도의 변화를 추가적으로 감소시킬 수 있다.
드라이버는 LED가 DC 전류로 구동되는 것을 의미하는 구동 전류의 크기를 제어하는 것으로 기술되어 있으나, 이 구동 전류는 또한 PWM(Pulse Width Modulated) 구동 전류와 같이 동적으로 스위칭될 수 있는 것으로 고려된다. 이러한 배열에서 구동은 전류의 듀티 사이클을 제어하는 것에 의해 구동 전류의 크기를 제어할 수 있다. 바람직하게는 드라이버(48)는 발광 디바이스와는 별개이고 편의상 외부 전력 공급원에 포함되지만 발광 디바이스 패키지에 포함될 수 있다.
도 11은
Figure pct00005
2500K 내지
Figure pct00006
6500K 범위에서 CCT를 지니는 백색 광을 생성하도록 구성된 발광 시스템 및/또는 디바이스에 대해 포스퍼 물질과 청색 LED에 의해 방출된 조합된 광(82)의 바람직한 색상을 예시하는 C.I.E. 1931 색도도이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 청색 LED와 포스퍼 물질에 의해 생성된 조합된 광의 색상은 각 색도값 C.I.E. (0.15, 0.58), C.I.E. (0.42, 0.44), C.I.E. (0.29,0.32), C.I.E. (0.09, 0.31) 및 C.I.E. (0.09, 0.45)을 지니는 점(82a) 내지 점(82e)을 연결하는 직선 라인에 의해 한정된 C.I.E. 다이어그램의 영역(100) 내에 놓이도록 구성된다. 색상의 선택은 청색 및 적색 LED의 파장과 선택된 CCT에 종속한다.
도 12는
Figure pct00007
2000K 내지
Figure pct00008
2000K 범위에서 CCT를 지니는 백색 광을 생성하도록 구성된 발광 시스템 및/또는 디바이스에 대해 포스퍼 물질과 청색 LED에 의해 방출된 조합된 광(82)의 바람직한 색상을 예시하는 C.I.E. 1931 색도도이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 청색 LED와 포스퍼 물질에 의해 생성된 조합된 광의 색상은 각 색도값 C.I.E. (0.08, 0.75), C.I.E. (0.43, 0.47), C.I.E. (0.22,0.26) 및 C.I.E. (0.09, 0.23)을 지니는 점(82a) 내지 점(82d)을 연결하는 직선 라인에 의해 한정된 C.I.E. 다이어그램의 영역(100) 내에 놓이도록 구성된다. 색상의 선택은 청색 및 적색 LED의 파장 및 선택된 CCT에 종속한다.
색상 조절가능한 LED 기반 발광 디바이스
본 발명의 일 실시예에 따라 색상 조절가능한 LED 기반 발광 디바이스(102)는 디바이스의 평면도 및 A-A를 통한 단면도인 도 13을 참조하여 이제 설명된다. 디바이스(102)는 도 3의 디바이스와 유사하며, 청색(B) LED 칩(26), 적색(R) LED 칩(28) 또는 주황색(O) LED 칩(104) 중 각각을 수용하도록 구성된 25개의 원형 리세스(공동)(24)의 어레이를 구비하는 세라믹 패키지(22)를 포함한다. 도시된 바와 같이 디바이스(102)는 16개의 청색 LED 칩(26), 5개의 적색 LED 칩(28), 및 4개의 주황색 LED 칩(104)을 포함할 수 있으며, 여기서 각 적색 LED 칩(28)은 중심 공동에 그리고 코너 공동 각각에 수용되고 각 주황색 LED 칩(104)은 각 측면을 따라 중간 공동 각각에 수용된다. 청색, 적색 및 주황색 LED 칩의 수 및 구성은 예시적인 것이며 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 다른 구성도 가능하다.
주황색 LED 칩(104)은 590㎚ 내지 610㎚ 파장 범위에서 피크 파장을 지니는 주황색 광(106)을 생성하도록 동작가능한 GaAsP(gallium arsenide phosphide)계, AlGalnP(aluminum gallium indium phosphide) 또는 GaP(gallium phosphide)계 LED를 포함할 수 있다. 패키지(22)의 하부면에는 솔더 패드(34, 36, 108)가 청색, 적색 및 주황색 LED 칩에 전기 전력을 제공하기 위해 제공된다. 본 발명에 따라, 각 솔더 패드(34, 36, 108)가 청색, 적색 및 주황색 LED 칩(26, 28, 104)의 구동 전류(iFB, iFR, iFO)를 독립적으로 제어하도록 구성된 청색, 적색 및 주황색 LED 칩에 제공된다. 예를 들어, 하나의 배열에서 6개의 전극 패드(34(-청색), 34(+청색), 36(-적색), 36(+적색), 108(- 주황색), 108(+주황색))가 청색, 적색 및 주황색 LED 칩의 캐소드 및 애노드에 대응하여 제공될 수 있다(도 13). 대안적으로 패키지는 LED 칩에 공통인 솔더 패드(캐소드 또는 애노드)와, 청색, 적색 및 주황색 LED 칩의 다른 전극을 위한 각 전극 패드를 포함할 수 있다.
색상 온도 조절가능한 LED 기반 발광 시스템
도 14는 도 13의 발광 디바이스(102)에 기초한 색상 온도 조절가능한 백색 발광 시스템(110)의 개략도이다. 발광 시스템(110)은 동작 시 발광 디바이스(102)가 청색 광(30)으로 포스퍼 물질(42)을 조사하도록 구성된 적어도 하나의 청색 광 여기가능 포스퍼 물질(42)을 포함한다. 포스퍼 물질(42)은 청색 광(30)의 일정 부분을 흡수하고 이에 응답하여 상이한 색상의 광, 일반적으로 황색-녹색의 광(44)을 방출한다. 시스템(110)의 방출 생성물(112)은 LED(26, 28, 102)에 의해 방출된 광(30, 32, 106)과 포스퍼 물질(42)에 의해 생성된 광(44)의 조합을 포함한다.
시스템(110)은 LED 및/또는 포스퍼 물질의 방출 특성의 색상의 변화를 보상하도록 청색, 적색 및 주황색 LED의 순방향 구동 전류(iB, iR, iO)를 제어하도록 동작가능한 드라이버(48)를 더 포함할 수 있다. 드라이버(48)는 방출 생성물(112)에서 청색, 적색, 주황색 광 기여도의 측정된 강도(IB, IR, IO)에 응답하여 동작할 수 있다. 피드백 배열에 의하여, 드라이버(48)는 LED 및/또는 포스퍼 물질의 방출 특성의 색상에서 발생하는 변화를 보상하기 위해 청색, 적색 및/또는 주황색 LED의 순방향 구동 전류(iB, iR, iO)를 조절하도록 측정된 강도(IB, IR, IO)를 사용한다. 드라이버는 대안적으로 및/또는 추가적으로 LED의 동작 온도(T)에 응답하여 하나 이상의 LED 구동 전류를 제어하도록 동작할 수 있다.
백색 발광 시스템(110)의 동작 원리는 청색(26), 적색(28) 및 주황색(104) LED에 의해 생성된 광의 색상을 각각 나타내는 점(30), 점(32), 점(106)을 구비하는 C.I.E. 1931 색도도인 도 15를 참조하여 이제 설명된다. 점(30)과 점(106)을 연결하는 굵은 실선(114)은 주황색 및 적색 LED의 순방향 구동 전류의 비 iO:iR(iO :R)에 따른 색상을 지니는 적색 및 주황색 LED로부터 조합된 광(116)에 대해 가능한 광 방출을 나타낸다. 시스템(110)의 방출 생성물(112)은 주황색/적색 대 청색 LED의 순방향 구동 전류의 비(iO :R):iB에 따라 정확한 점을 구비하는 점(82)과 점(116)을 연결하는 직선 라인(118)에 놓여있다. 비(iO :R):iB의 적절한 선택에 의하여 도 15에 도시된 바와 같이 시스템은 라인(118)이 흑체 복사선 곡선(10)을 절단(교차, 차단)하는 점에 대응하는 선택된 CCT의 백색 광을 생성하도록 구성될 수 있다. 주황색 LED를 포함하는 것에 의해 이것은 시스템에 의해 생성된 광(112)의 CCT가 조절될 수 있게 하고 주황색 대 적색 LED의 순방향 구동 전류의 비 iO :R에 종속한다. 도 4의 시스템과 마찬가지로, 청색 LED와 포스퍼 물질에 의해 생성된 조합된 광(82)의 색상은 고정되어 있고 포스퍼 물질의 조성과 포스퍼 물질의 양에 의해 결정된다. 그러나, 시스템의 방출 생성물(112)의 CCT는 적색 및 주황색 LED에 의해 생성된 조합된 광(116)의 색상에 따라 흑체 복사선 곡선과 라인(118)이 교차하는 점에 의해 결정된다. 적색 및 주황색 LED의 구동 전류가 독립적으로 제어될 수 있으므로, 이것은 라인(118)과 그리하여 CCT가 선택될 수 있게 한다. 예를 들어, 비 iO :R이 크면 클수록 방출 생성물의 CCT는 더 낮아진다. 광(116)의 특정 색상에 대해 도 15에 도시된 바와 같이 라인(118)은 2개의 상이한 CCT에서 흑체 복사선 곡선을 차단할 수 있다.
도 16은 드라이버(48)가 포스퍼 물질의 방출 특성의 변화뿐만 아니라 에이징 및/또는 동작 온도로 인한 LED의 상대적 방출 특성의 변화를 보상하기 위하여 청색, 적색 및 주황색 LED의 구동 전류(iB, iR, iO)를 어떻게 제어할 수 있는지를 나타내는 C.I.E. 1931 색도도이다. 시스템(110)은
Figure pct00009
5900K의 CCT를 지니는 백색 광(112)을 생성하도록 구성되고, 방출 파장 λB=480㎚를 지니는 청색 광(30)을 생성하는 청색 LED, 방출 파장 λR=700㎚를 지니는 적색 광(32)을 생성하는 적색 LED 및 방출 파장 λO=590㎚를 지니는 주황색 광(106)을 생성하는 주황색 LED에 기초한다. 주황색 대 적색 LED 순방향 구동 전류의 비(iO :R)는 주황색 및 적색 LED에 의해 방출된 조합된 광(116a)(630㎚)이 점(116a)과 점(82a)을 연결하는 라인(118a)이 CCT
Figure pct00010
5900K에서 흑체 복사선 곡선(10)과 교차하는 것을 보장하도록 선택된다. 적색/주황색 LED의 방출 강도는 일반적으로 에이징 및/또는 동작 온도를 지니는 청색 LED보다 더 신속히 저하한다. 주황색 및 적색 LED의 방출 강도의 저하는 유사하여 비(IO:IR)가 거의 일정하게 유지되는(즉, 점(116a)이 고정되게 유지되는} 것으로 가정된다. 도 16에 도시된 바와 같이 LED의 방출 특성이 차등적으로 변화하는 것의 영향은 시스템의 방출 생성물(46)의 색상 이동(86)이 흑체 복사선 곡선(10)으로부터 멀어져 라인(118a)을 따라 점(82a) 쪽 방향으로 일어나게 한다. 이 색상 이동(86)을 보상하지 않으면 시스템은 더 이상 백색광을 방출하지 않고 점(88)에 의해 지시된 바와 같이 청록색 광을 방출한다. 본 발명에 따라 색상 이동(86)의 영향은 구동 전류(iB, iR, iO)를 제어하는 것에 의해 청색 및 적색/주황색 LED의 상대적 방출을 변화시키는 것에 의해 감소되거나 심지어 제거될 수 있다. 비 (iO:iR):iB를 증가(↑)시키면(즉, iO:iR을 일정하게 유지하면서 청색 LED의 것에 비해 적색 및 주황색 LED의 광 출력을 증가시키면), 백색 발광 시스템(110)은
Figure pct00011
2900K의 CCT를 지니는 백색 광(112)을 다시 방출하도록 구성될 수 있다. 비 IO:IR에서의 임의의 변화가 비 iO:iR를 변화시키는 것에 의해 보상될 수 있는 것으로 고려된다.
청색, 적색 및 주황색 LED의 방출 특성의 변화를 보상할 수 있는 것에 더하여 본 발명의 시스템은 포스퍼 물질의 방출 특성의 변화의 방출 생성물에 대한 영향을 더 감소시킬 수 있다. 일반적으로 포스퍼 물질의 방출 특성이 변화하면 광발광 광이 덜 생성되고 이러한 변화는 포스퍼 물질의 양의 감소에 대응하는 것으로 고려될 수 있다. 도 16에 도시된 바와 같이 포스퍼의 방출 특성의 변화는 라인(80)을 따라 점(30) 쪽 방향으로 포스퍼 물질과 청색 LED에 의해 방출된 조합된 광(82a)의 변화(92)를 초래한다. 포스퍼 물질과 청색 LED에 의해 방출된 조합된 광의 새로운 컬러는 점(82b)에 의해 지시된다. 화살표(94)로 지시된 바와 같이, 포스퍼 방출과 LED 방출의 조합된 변화는 순 색상 변화를 초래하여 시스템이 더 이상 점(96)에 의해 지시된 백색 광을 방출하지 못하게 한다.
본 발명에 따라, 이들 변화의 조합된 영향은 주황색 및 적색 LED에 의해 방출된 광의 비를 변경시키는 것에 의해 그리고 주황색/적색 대 청색 LED 방출의 비를 변경시키는 것에 의해 사실상 제거될 수 있다. 적색 LED에 비해 주황색 LED의 광 출력을 증가(↑)시키는 것에 의해(즉 ↑iO:iR), 주황색 및 적색 LED(점(116b
Figure pct00012
600㎚)에 의해 생성된 조합된 광은 점(82b)과 점(116b)을 연결하는 라인(118b)이 2900K의 CCT에서 흑체 복사선 곡선(10)과 다시 교차하도록 구성될 수 있다. 추가적으로 청색 LED의 것에 비해 주황색/적색 LED 출력의 비를 증가시키는 것에 의해(즉 ↑iO:R:iB), 시스템은 2900K의 CCT를 지니는 백색 광(112)을 다시 방출하도록 구성될 수 있다. 시스템의 적절한 구성에 의하여 시스템의 방출 생성물을 ±5, 보다 바람직하게는 ±2개의 선택된 색상 및/또는 CCT의 McAdams 타원 내에 유지하는 것이 가능한 것으로 고려된다.
본 발명에 따라 LED 기반 발광 시스템 및 디바이스는 전술된 예시적인 실시예로 제한되는 것은 아니고 본 발명의 범위 내에서 여러 변형이 이루어질 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, 청색 및 적색 LED는 다른 패키지 배열로 패키지될 수 있는 것으로 이해된다. 바람직하게는 패키지 배열은 적색 및 청색 LED의 구동 전류가 독립적으로 제어될 수 있는 전극 패드(34, 36)를 포함하며 일반적으로 적어도 3개의 전극 패드를 요구한다.

Claims (20)

  1. 발광 디바이스로서,
    패키지;
    상기 패키지에 수용되고 610㎚ 내지 670㎚ 범위에서 피크 파장을 지니는 적색 광을 방출하도록 동작가능한 적어도 하나의 적색 LED; 및
    상기 패키지에 수용되고 440㎚ 내지 480㎚ 범위에서 피크 파장을 지니는 청색 광을 방출하도록 동작가능한 적어도 하나의 청색 LED를 포함하되,
    상기 디바이스의 방출 생성물은 상기 적색 및 청색 LED에 의해 방출된 광의 조합을 포함하고,
    청색 광 여기가능 포스퍼(blue light excitable phosphor)가 상기 패키지에 수용되지 않는 것을 특징으로 하는 발광 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 패키지는 상기 청색 및 적색 LED의 구동 전류가 독립적으로 제어될 수 있도록 구성된 전기 접촉부를 더 포함하는 것인 발광 디바이스.
  3. 제2항에 있어서, 상기 패키지는 상기 청색 및 적색 LED의 애노드를 위한 각 전기 접촉부; 상기 청색 및 적색 LED의 캐소드를 위한 각 전기 접촉부; 상기 청색 및 적색 LED의 상기 애노드와 캐소드를 위한 각 전기 접촉부; 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 전기 접촉부를 포함하는 것인 발광 디바이스.
  4. 제1항의 발광 디바이스를 포함하는 발광 시스템으로서,
    상기 청색 LED에 의해 방출된 상기 청색 광의 적어도 일부분을 흡수하고 이에 응답하여 상이한 색상의 광을 방출하도록 동작가능한 적어도 하나의 청색 광 여기가능 포스퍼 물질을 더 포함하되, 상기 발광 시스템의 방출 생성물은 상기 적어도 하나의 포스퍼 물질에 의해 생성된 광과 상기 적색 및 청색 LED에 의해 생성된 광의 조합을 포함하며, 선택된 상기 포스퍼 물질은 상기 청색 LED에 의해 방출된 상기 청색 광의 적어도 일부분을 흡수하고 이에 응답하여 상이한 색상의 광을 방출하도록 동작가능하고, 상기 발광 시스템의 상기 방출 생성물은 상기 적어도 하나의 포스퍼 물질에 의해 생성된 광과 상기 적색 및 청색 LED에 의해 생성된 광의 조합을 포함하며, 상기 적어도 하나의 포스퍼 물질은 적어도 5㎜, 적어도 10㎜ 및 적어도 20㎜로 구성된 군으로부터 선택된 거리에 상기 디바이스에 대해서 원격에 제공되는 것인 발광 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 동작 시, 상기 적어도 하나의 청색 LED와 상기 적어도 하나의 포스퍼 물질에 의해 생성된 광의 조합은, C.I.E. 1931 색도도의 흑체 복사선 곡선 위에 놓여 있는; C.I.E.값 (0.08, 0.75), (0.43, 0.47), (0.22, 0.26) 및 (0.09, 0.23)의 점들을 연결하는 직선 라인에 의해 한정된 상기 C.I.E. 1931 색도도의 영역 내에 놓여 있는; 그리고 C.I.E.값 (0.15, 0.58), (0.42, 0.44), (0.29, 0.32), (0.09, 0.31) 및 (0.09, 0.45)의 점들을 연결하는 직선 라인에 의해 한정된 상기 C.I.E. 1931 색도도의 영역 내에 놓여 있는 것으로 구성된 군으로부터 선택된 색도값을 지니도록 구성된 것인 발광 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 상기 방출 생성물은 백색으로 보이고 상기 C.I.E. 1931 색도도의 상기 흑체 복사선 곡선의 2개의 MacAdam 타원 내에 놓여 있는 색도값을 지니도록 구성된 것인 발광 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 방출 생성물에서 상기 청색 대 적색 광의 비를 실질적으로 일정하게 유지하기 위하여 상기 LED의 측정된 방출 강도에 응답하여 상기 적색 및/또는 청색 LED의 구동 전류를 제어하도록 동작가능한 드라이버를 더 포함하는 발광 시스템.
  8. 제5항에 있어서, 상기 방출 생성물에서 상기 청색 대 적색 광의 비를 실질적으로 일정하게 유지하기 위하여 상기 적색 및/또는 청색 LED의 구동 전류를 제어하도록 동작가능한 드라이버를 더 포함하는 발광 시스템.
  9. 제1항의 발광 디바이스를 포함하는 발광 시스템으로서,
    선택된 색상의 5개의 MacAdam 타원 내에 시스템의 방출 생성물을 유지하기 위하여 상기 적색 및/또는 청색 LED의 구동 전류를 제어하도록 동작가능한 드라이버를 더 포함하는 발광 시스템.
  10. 발광 디바이스로서,
    패키지;
    상기 패키지에 수용되고 610㎚ 내지 670㎚ 범위에서 피크 파장을 지니는 적색 광을 방출하도록 동작가능한 적어도 하나의 적색 LED;
    상기 패키지에 수용되고 440㎚ 내지 480㎚ 범위에서 피크 파장을 지니는 청색 광을 방출하도록 동작가능한 적어도 하나의 청색 LED; 및
    상기 패키지에 수용되고 590㎚ 내지 630㎚ 범위에서 피크 파장을 지니는 주황색 광을 방출하도록 동작가능한 적어도 하나의 주황색 LED를 포함하되,
    상기 디바이스의 방출 생성물은 상기 적색 및 청색 LED에 의해 생성된 광의 조합을 포함하며, 상기 패키지는 상기 청색, 적색 및 주황색 LED의 구동 전류가 독립적으로 제어될 수 있도록 구성된 전기 접촉부를 포함하는 것인 발광 디바이스.
  11. 제10항에 있어서, 상기 패키지는, 상기 청색, 적색 및 주황색 LED의 애노드를 위한 각 전기 접촉부; 상기 청색, 적색 및 주황색 LED의 캐소드를 위한 각 전기 접촉부; 상기 청색, 적색 및 주황색 LED의 상기 애노드와 캐소드를 위한 각 전기 접촉부; 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 전기 접촉부를 포함하는 것인 발광 디바이스.
  12. 발광 디바이스로서,
    패키지;
    상기 패키지에 수용되고 610㎚ 내지 670㎚ 범위에서 피크 파장을 지니는 적색 광을 방출하도록 동작가능한 적어도 하나의 적색 LED;
    상기 패키지에 수용되고 440㎚ 내지 480㎚ 범위에서 피크 파장을 지니는 청색 광을 방출하여, 상기 디바이스의 방출 생성물이 상기 적색 및 청색 LED에 의해 방출된 광의 조합을 포함하도록 동작가능한 적어도 하나의 청색 LED; 및
    상기 LED와 직접 접촉하고 상기 LED를 커버하는 광 투과성 물질을 포함하되,
    청색 광 여기가능 포스퍼가 상기 패키지에 수용되지 않는 것인 발광 디바이스.
  13. 제12항에 있어서, 상기 패키지는 상기 청색 및 적색 LED를 수용하기 위한 적어도 하나의 리세스(recess), 상기 청색 및 적색 LED를 수용하기 위한 각 리세스, 및 각 리세스가 각 청색 또는 적색 LED를 수용하도록 구성된 리세스의 어레이를 포함하는 것으로 구성된 군으로부터 선택된 것인 발광 디바이스.
  14. 제12항에 있어서, 상기 패키지는 상기 청색 및 적색 LED의 구동 전류가 독립적으로 제어될 수 있도록 구성된 전기 접촉부를 더 포함하며, 상기 전기 접촉부는 상기 청색 및 적색 LED의 애노드를 위한 각 전기 접촉부; 상기 청색 및 적색 LED의 캐소드를 위한 각 전기 접촉부; 상기 청색 및 적색 LED의 상기 애노드와 캐소드를 위한 각 전기 접촉부; 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 것인 발광 디바이스.
  15. 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 청색 LED는 C.I.E.값 (0.08, 0.13) 및 (0.16, 0.01)을 지니는 C.I.E. 1931 색도도에 있는 점들을 연결하는 직선 라인과 상기 점들을 연결하는 상기 C.I.E. 색도도의 경계에 의해 한정된 영역 내에 있는 C.I.E. 색도값을 지니는 청색 광을 생성하도록 동작가능한 것인 발광 디바이스.
  16. 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 적색 LED는 C.I.E.값 (0.66, 0.34) 및 (0.72, 0.28)을 지니는 C.I.E. 1931 색도도에 있는 점들을 연결하는 직선 라인에 있는 C.I.E. 색도값을 지니는 적색 광을 생성하도록 동작가능한 것인 발광 디바이스.
  17. 제12항의 발광 디바이스를 포함하는 발광 시스템으로서,
    상기 청색 LED에 의해 방출된 상기 청색 광의 적어도 일부분을 흡수하고 이에 응답하여 상이한 색상의 광을 방출하도록 동작가능한 적어도 하나의 청색 광 여기가능 포스퍼 물질을 더 포함하되, 상기 시스템의 방출 생성물은 상기 적색 및 청색 LED에 의해 생성된 광과 상기 적어도 하나의 포스퍼 물질에 의해 생성된 광의 조합을 포함하며, 상기 포스퍼 물질은 적어도 5㎜, 적어도 10㎜ 및 적어도 20㎜의 거리에 디바이스에 대해서 원격에 제공되는 것으로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 발광 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 동작 시 상기 적어도 하나의 청색 LED와 상기 적어도 하나의 포스퍼 물질에 의해 생성된 광의 조합이 C.I.E. 1931 색도도의 흑체 복사선 곡선 위에 놓여 있는; C.I.E.값 (0.08, 0.75), (0.43, 0.47), (0.22, 0.26) 및 (0.09, 0.23)의 점들을 연결하는 직선 라인에 의해 한정된 상기 C.I.E. 1931 색도도의 영역 내에 놓여 있는; 및 C.I.E.값 (0.15, 0.58), (0.42, 0.44), (0.29, 0.32), (0.09, 0.31) 및 (0.09, 0.45)의 점들을 연결하는 직선 라인에 의해 한정된 상기 C.I.E. 1931 색도도의 영역 내에 놓여있는 것으로 구성된 군으로부터 선택된 C.I.E. 색도값을 지니도록 구성된 것인 발광 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 동작 시, 상기 방출 생성물은 상기 C.I.E. 1931 색도도의 상기 흑체 복사선 곡선의 5개의 MacAdam 타원 내에 놓여있는 색도값을 지니도록 구성된 것인 발광 시스템.
  20. 제17항에 있어서, 상기 방출 생성물에서 상기 청색 대 적색 광의 비를 실질적으로 일정하게 유지하기 위하여 상기 LED의 측정된 방출 강도에 응답하여 상기 적색 및/또는 청색 LED의 구동 전류를 제어하도록 동작가능한 드라이버를 더 포함하는 발광 시스템.
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