KR20160107251A - Led 조명 디바이스들을 테스트하고 특징을 규정하는 시스템 및 방법들 - Google Patents

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Abstract

솔리드 스테이트 조명 디바이스들의 특징을 규정하는 시스템들 및 방법들이 제공된다. 특정 예들에서, 발광 다이오드들 (LEDs)의 다양한 파라미터들을 측정하고, 측정된 파라미터들을 기초로 하여 각 LED의 특징을 규정하며 그리고 그 특징이 규정된 LED들 중 하나 또는 그 이상을 선택하여, 선택된 LED들 각각으로부터의 방사된 광이 다른 선택된 LED들로부터의 광과 혼합되어, 소망되는 전체적인 광 출력을 생성하도록 하는 시스템들 및 방법들이 설명된다.

Description

LED 조명 디바이스들을 테스트하고 특징을 규정하는 시스템 및 방법들 {Systems and methods for testing and characterizing LED lighting devices}
본원은 2014년 2월 8일에 출원된 미국 임시 출원 일련 번호 61/925,138를 기초로 하며, 상기 출원에 개시된 것은 그 전체가 본원에 참조로 편입되며 상기 출원에 대한 우선권이 주장된다.
기술분야
다양한 예시의 실시예들은 솔리드 스테이트 조명 디바이스들의 특징을 규정하기 위한 방법들 및 디바이스들에 일반적으로 관련된다. 더욱 상세하게는, 특정의 실시예들에서, 본원은 발광 다이오드들 (LED들)의 다양한 파라미터들을 측정하기 위한 방법 및 디바이스에 관한 것이며, 상기 측정된 파라미터들을 기초로 각 LED의 특징을 규정하며 그리고 상기 특징이 규정된 LED들 중 하나 이상을 선택하여, 선택된 LED들 각각으로부터 방사된 광이 다른 선택된 LED들로부터의 광과 혼합되도록 하여 원하는 전체적인 광 출력을 생성하도록 한다.
근래의 기술적인 진보적인 제품 생산 프로세스들 및 본래의 저-비용 및 에너지-효율적인 속성으로 인해서, LED들은 조명 목적들을 위한, 최고는 아니더라도 가장 인기있는 광원들 중 하나가 빠르게 되어가고 있다. 추가로, LED들이 반도체 디바이스들이기 때문에, LED들은 현재 인기있는 백열광 전구들 및 형광등보다 아주 더 탄력성이 있으며 손상에 대한 내성이 있다.
LED들의 이런 유리한 속성들을 고려하여, 많은 조명 장비 제조자들은 백열광 또는 컴팩트한 형광 광원들 대신에 LED 광원들을 통합하는 조명 디바이스들, 예를 들면, 조명 기구 등을 제공하는데 자신들의 노력을 집중하고 있다.
LED는 LED를 통해서 전류가 특별한 방향으로 흐를 때에 광을 생성하는 반도체 디바이스이다. 상기 광은 특별한 LED를 제조하기 위해 사용된 특정 반도체 물질 내에서 발생하는 에너지의 변환으로 인해서 생성된다. 지난 수십년에 걸쳐서 수행된 연구는 기본적인 적색, 청색 및 녹색 사이의 무수한 색상들은 물론이며, 이 기본적인 적색, 청색 및 녹색을 포함하는 단색광의 색상의 넒은 스펙트럼을 방사하는 LED들을 생산할 수 있는 능력의 결과를 가져왔다.
LED를 이용하여 작업하는 것에는 많은 주요한 이점들이 존재한다: 에너지 보존이 가장 널리 알려진 것들 중 하나이다. LED들을 백열등 및 형광등처럼 널리 보급된 다른 조명 기술들과 직접적으로 비교하면 실현될 수 있는 에너지 절약을 나타낸다. 특히, 백열 광원들은 대부분의 에너지를 사용하며, 백열 광원들은 두 번째의 대부분을 사용하며, 그리고 LED들은 가장 적은 양의 에너지를 사용하며, 그래서 상기 셋 중에서 가장 에너지-효율적이다.
언급된 것처럼, 백열 광원 및 형광 광원과는 다르게, LED들은 많은 단색상의 광을 방사할 수 있으며 백색 광 또는 백색의 다양한 음영들로 제한되지 않는다. 즉, 여러 다른 팩터들은 물론이며, 사용된 제조 프로세스, 특별한 패키징 및 다른 것들을 포함하여, 사용된 특별한 반도체 물질에 따라서, LED들은 좁은 대역의 색상들, 즉, 좁은 대역의 파장들로 광을 방사하는 것이 일반적이다. 예를 들면, 아래의 표 1은 무지개의 일곱 개의 식별되는 색상들과 연관된 파장들의 대역을 제공한다.
가시광 스펙트럼
색상 파장 (nm)
빨간색 625 - 740
주황색 (orange) 590 - 625
노란색 565 - 590
초록색 520 - 565
파란색 (cyan) 500 - 520
남색 (blue) 435 - 500
보라색 380 - 435
"백색 LED들"은 블루 스펙트럼을 가시 백색광으로 다운-컨버트하기 위해 블루 "펌프" LED 및 형광체들로 종종 만들어진다. 현재의 제조 기술들에 기반하여, 불변 대역의 파장들, 즉, 특정 색상 온도의 파장들을 방사하는, 또는 시간이 흘러도 동일한 광 방사 특성들을 유지하는 LED들을 생산하는 것은 어렵다. 이것은 둘 또는 그 이상의 개별적인 LED들로부터의 광을 혼합하며, 그래서 결과인 파장들의 대역이 원하는 상관된 색상 온도 (correlated color temperature (CCT))에서 원하는 파장에서 또는 가까운 곳에서 우세 파장, 또는 피크를 구비할 수 있도록 하는 것을 종종 필요로 하는 원인들 중 하나이다.
조명을 위해서 일반적으로 사용되는 백색광 및/또는 백색광의 다양한 음영들에 관련하여, LED 소스에 의해 방사된 파장들, 스펙트럼, 또는 방사 대역은 상당히 넓다. 이것은 혼합되어 백색광을 산출하는 상이한 순도들, 입자 크기들, 및 레이어 두께들을 가진 형광체를 포함하는 것으로 인한 것이다.
LED 광원을 이용하여 백색광을 생성하기 위한 다른 알려진 방법은 셋 또는 그 이상의 개별 LED 소스들, 예를 들면, 적색, 녹색 및 청색 (RGB), 또는 적색, 녹색, 청색 및 백색 (RGBW)으로부터의 각 광을 혼합하는 것이다. 방사된 광 파장(들)에서의 차이들을 조절하기 위해서, LED들은 조명 산업의 필요성을 가지고 상기 물질 및 제조 프로세스의 변이들의 균형을 맞추기 위해 "바이닝 (binning)되고" 그리고 패키징된다. 조명-클래스 LED들은 색상 일관성 및 색상 및 루멘 유지를 포함하는 응용 요구사항들 및 산업 표준들에 의해 구동된다. 전통적인 백열 및 가스 튜브 램프들이 (예를 들면, 와트에 의해 표시된 것과 같은) 휘도 및 색상 (따뜻한 또는 찬 백색)에 의해 판매된 방식과 유사하게, LED들은 휘도 (광속) 및 색상 파라미터들 (색도)를 위해 바이닝된다.
LED 조명 애플리케이션들을 위한 여러 성능 요구사항들 및 표준들은 미국 및 다른 곳에서 확립되었다. 이 표준들의 첫 번째는 LED 램프 요구사항들을 위한 조명 기술을 요구하는 2007년 산업적인 정책이었다. 이것은 "ENERGY STAR® "솔리드 스테이트 조명 기구들을 위한 프로그램 요구사항들" 이었다. 여러 추갖거인 정책들/표준들이 계속해서 릴리즈되었고 그리고 이 문서들 각각은 ENERGY-STAR-승인 LED 조명 제품들을 위한 CCT, 색상 렌더링 인덱스 (color rendering index (CRI)), 루멘 및 색상 유지보수에 대한 요구사항들을 포함한다.
CCT 측정에서의 "온도"는 흑체 복사 (black-body radiation), 즉, 백열광의 포인트에 대해 가열된 금속과 같은 고체에 의해 방사된 광을 언급하는 것이다. CCT 측정을 위한 유닛은 절대 온도의 표준 측정인 온도 (Kelvin)로 표현된다. 특히, 흑체가 뜨거워질수록, 그 흑체가 방사하는 광은, 예를 들면, 적색으로부터 주황색으로 노란색으로 백색으로부터 청색으로의 색상들의 시퀀스를 통한 진행들을 방사한다. 색상들의 상기 시퀀스는 색상 공간 내 커브를 정의한다. 도 1은 평균적인 뷰어 (viewer)에게 보이는 전체 색상 범위를 정의하기 위해 국제 CIE (Commission on Illumination (CIE))에 의해 생성된 CIE 1931 색상 공간을 보여주며, 그 위에 중첩된 플랑키안 궤적 (Planckian locus)으로 또한 언급된 흑체 커브를 동반한다.
백열 램프는 도 1에서 보이는 것과 같이, 스케일의 주황색 또는 적색의 말단을 향하는 대략적으로 2700 K의 색상을 가진 광을 방사한다. 어떤 온도에 도달할 때에 광을 방사하는 필라멘트의 가열에 의해 백열 전구가 작동하기 때문에, 그 팔라멘트의 온도는 또한 상기 광의 색상 온도이다.
광의 스펙트럼 성분(들)을 측정하는 전문적인 테스팅 장비로 인해서, 형광 튜브들 및 LED들과 같은 비-백열 백색 광원들을 위해 색상 온도들을 정의하는 것이 불가능하다. 그러나, LED들이 반도체 디바이스들이며 그리고 금속 필라멘트를 가열함으로써 작동하지 않기 때문에, LED 소스의 실제의 온도는 광의 동일한 색상 온도를 방사하는 백열 벌브보다 아주 더 낮다. 예를 들면, 2700 K인 것으로 측정되는 광을 방사하는 LED는 약 80°C까지 실제로 가열될 뿐이다.
ANSI (American National Standards Institute)는 LED 광원들로부터 방사된 광 파형의 색상을 위한 표준을 발행했다. 특히, 2008년에 발행된 색도 표준 C78.377A 는 2700K ("따뜻한" 광)부터 6500K ("일광 (daylight)")까지의 범위인 여덟 개의 공칭 (nominal) CCT들을 정의한다.
도 2를 참조하면, 여덟 개의 공칭 CCT들 각각은 사변형 (quadrilateral)에 의해 표현되며, 이 사변형의 내부는 플랑키안 궤적, 또는 흑체 커브를 따르면서도 수직인 허용 가능한 변이들을 한정한다. 각 공칭 CCT에 대응하는 각자의 허용 가능한 변이들은 ANSI 표준 (즉, ANSI C78.377A)에서 규정된다 .
도 2에서 상기 사변형들을 보고 그리고 도 1을 또한 참조하여 볼 수 있는 것처럼, 흑체 커브를 따라 놓여있는 변이들은 X 색도 (chromaticity) 값이 증가하면, 즉, 변화가 흑체 커브의 오른쪽으로 향할 때에 광원을 더욱 적색으로 보이게 만들며, 또는 X가 감소하면, 즉, 변화가 흑체 커브의 왼쪽으로 향할 때에 더욱 청색으로 보이게 만든다. 상기 흑체 위 그리고 아래의 변이들은 Y 값이 증가하면 더욱 녹색으로 보이게, 또는 Y 값이 감소하면 더욱 핑크로 보이도록 만든다.
흑체 커브를 따른 변이들은 K 도로 측정되며, 상기 흑체에 수직인 몸체들은 Duv로 기록된다. Duv 범위들은 1931 색상 공간보다는 CIR 1976 색상 공간 상에 정의되며, 이는 (CIELUV 색상 공간으로 또한 알려진) 1976 색상 공간이 광원들의 색상 차이들을 평가하기에 더욱 적합하기 때문이며, 이는 1976 색상 공간이 색상 공간 상의 어느 곳에서나 측정된 거리가 색상에 있어서의 차이의 동일한 정도를 나타내는 균일한 스케일을 사용하기 때문이다.
CIE 1976 색상 공간의 축들은 x 및 y 대신에 u' 및 v'를 사용한다. Duv는 흑체 커브로부터의 거리를 측정하며, 그러므로, 색상 변화의 정도를 측정한다. 양의 Duv 값들은 상기 커브의 위에 있는 것이며, 반면에 음의 Duv 값들은 상기 커브의 아래에 있는 것이다.
아래의 표 2는 ANSI C78.377A에 따른, 여덟 개의 공칭 (nominal) CCT 값들 각각에 대한 CCT 값, 즉, 상기 흑체 커브를 따른 값에서의 허용 가능한 변이들, 그리고 Duv 값, 즉, 상기 흑체 커브에 수직인 값에서의 허용 가능한 변이들을 제공한다. 예를 들면, 보이는 것처럼, 4500 K 사변형은 흑체 커브를 따른 4260 K 부터 4746 K 까지의 범위인 CCT 값들, 또는 온도들을 커버한다. 추가로, 상기 4500 K 사변형은 상기 커브 위로 0.007 까지 그리고 상기 커브 아래로 0.005 까지 확장한다.
Figure pct00001
LED 조명, 특히, LED 소스들을 이용한 조명에 관련한 특정 이슈들을 고려하여, 특정의 원하는 광 출력 효과를 획득하기 위해서 개별 LED 소스들의 정확하며 비용-효울적인 그룹화를 제공하는 방법 및 연관된 디바이스를 제공하는 것이 소망된다. 예를 들면, 아래에서 더욱 상세하게 설명되는 것처럼, 현재 이용 가능한 개별 LED 디바이스들 모두가 조명 응용 분야들에서 이상적인 균일한 백색광을 방사하는 것은 아니며, 그래서 둘 또는 그 이상의 LED 소스들이 광 방출의 원하는 색상을 얻기 위해서 보통은 혼합되기 때문에, 그 색상을 가장 근접하게 얻기 위해 혼합될 개별 LED들을 정확하게 선택하는 방법이 소망된다.
또한, 색상에서의 상대적으로 넓은 변이들 (즉, CCT 값)이 존재하고 그리고 때로는 한 LED로부터 다음 LED까지의, 심지어는 동일한 반도체 웨이퍼로부터 생산된 LED들 사이에서 광속 (luminous flux)에서의 현저한 변이들이 존재하기 때문에, LED 제조자들은, 테스트되어 "빈 (bin)들"로 그룹화되어, 주어진 빈 내 모든 LED들이 특별한 범위 내의 색상 값 및 특별한 범위 내의 플럭스를 가진다고 알려지도록 하는 LED들의 그룹화를 요청하기 위해 할증 가격을 지불한다. 이런 파라미터들에서의 범위가 더 작으면 LED 제조자에 의해 지불된 할증 가격은 대응하여 더 높아지는 결과가 된다. 따라서, LED 제조자들로부터 LED들을 구입하는 조명 디바이스 설계자 또는 제조가가 엄격하게 규정된 LED들을 위해 부과된 할증 가격을 피하게 하거나 최소화하는 것을 가능하게 하는 방법 및 디바이스를 제공하는 것이 또한 소망된다.
다양한 조명 디바이스들 내에 통합될 LED 디바이스들을 측정하고 특징을 규정하는 현재의 방법들과 연관된 상기 문제점들 및 소망들을 고려하여, 위에서 설명된 문제점들 및 소망들을 포함하지만 그것들로 한정되지는 않는, 광의 원하는 색상 및 휘도를 제공하기 위해 정의된 방식으로 특징이 규정된 여러 디바이스들을 함께 그룹화하고 그리고 개별 LED들을 측정하고 특징을 규정하기 위한 디바이스 및 방법이 제안된다.
본원의 한 모습에 따라, 하나 또는 그 이상의 예시적인 실시예들에 따른 디바이스 및 방법은, LED 디바이스, 예를 들면, LED들이 LED 제조자에 의해 정의된 소위 "빈 (bin)"에 속하는가 아닌가의 여부에 관계없이, 여러 LED 디바이스들의 묶음 (batch)으로부터 선택된 LED의 하나 또는 그 이상의 관련된 여러 파라미터들 중 하나 또는 그 이상을 측정하는 단계, 그리고 각 LED에 대응하는 상기 측정된 데이터를, LED 디바이스들을 수집한 것으로부터 하나 또는 그 이상의 개별 LED 디바이스들을 빠르게 선택하는 것을 용이하게 하는 방식으로 저장하는 단계를 포함한다.
본원의 하나 또는 그 이상의 예시적인 실시예들에 따라, 둘 또는 그 이상의 개별 LED 디바이스들이 자신들의 저장된 데이터를 기초로 하여 함께 그룹화되어, 예를 들면, 색상 및 광속 (luminous flux)에 관하여 특정된 램프가 활성화될 때에, 그 특정된 램프로부터의 소망되는 전체적인 광 출력을 제공한다. 하나 또는 그 이상의 예시적인 실시예에 따라, 램프로 통합될 개별 LED들의 개수, 구동 조건들 하에서의 LED 디바이스의 온도, LED의 구동 전류 및 상기 램프의 피치 중 하나 이상을 통합하는 알고리즘이 사용된다.
본원의 하나 또는 그 이상의 예시적인 실시예들의 세 번째 모습에 따라, 조명 디바이스들로 통합될 LED들은 플랑키안 궤적, 또는 흑체, 커브로부터 실질적으로 벗어난 "빈 (bin)들"로부터 선택되거나 또는 전혀 바이닝되지 않았던 복수의 LED들로부터 선택된다. 예를 들면, 주어진 램프에서 사용될 LED 디바이스들을 플랑키안 궤적으로부터의 일- 또는 이-단계 MacAdam 타원 내에 존재하는 빈들로부터 선택하는 것이, 대부분의 관련된-기술 LED 특성 시스템들에 관련한 관습인데, 이렇게 LED 디바이스들을 선택하는 것 대신에, 이상적인 흑체 커브로부터 삼, 사, 또는 그 이상의 단계들인 빈들로부터 LED들이 선택된다.
본 발명의 효과는 본 명세서의 해당되는 부분들에 개별적으로 명시되어 있다.
개시된 본 발명의 예시적인 실시예가 첨부된 도면들을 참조하여 예로서 아래에서 상세하게 설명된다.
도 1은 플랑키안 궤적이 그 위에 충첩된 알려진 CIE 1931 색도 도면을 전재한 것이다.
도 2는 알려진 여덟 개의 공칭 CCT들 및 ANSI C78.377A 표준에 의해 정의된 상기 CCT들 각자의 범위들을 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2에 제공된 상기 여덟 개의 공칭 CCT들 각각에게 각 공칭 CCT를 위해 제공된 대응하는 7-단계 MacAdam 타원들이 제공된 것을 보여주는 도면이다.
도 4a는 본 출원의 예시적인 실시예에 따라 소망된 색상 범위를 식별하는 흑체 커브 상에 충접된 사변형을 구비한 도 1에서 제공된 색도 도면의 교정된 버전이다.
도 4b는 본 출원의 예시적인 실시예에 따라 16개의 서브-사변형들로 쪼개진 도 4a에서 보이는 사변형을 가깝게 본 모습이다.
본 출원과 일치하는 디바이스들 및 방법들의 예시적인 실시예들은 아래에서 상세하게 설명된 하나 또는 그 이상의 신규한 모습들을 포함한다. 예를 들면, 개시된 본원의 하나 또는 그 이상의 실시예들은 개별 LDE들이 실제적인 동작 조건들 하에서 테스트되고 각 테스트된 LED들과 연관된 다양한 기술적인 파라미터들이, 예를 들면, 컴퓨터 메모리 디바이스 내에 저장된 방법 및 디바이스들을 포함한다. 더욱이, 대안으로, 하나 또는 그 이상의 LED들 각각은 하나보다 많은 실제적인 동작 시나리오 하에서 테스트되며, 결과인 특성 데이터가 각각에 대해 저장된다. 예를 들면, 생산 설비는 10개의 상이한 조명 기구들을 제조할 수 있을 것이다. 그런 경우에, 상기 LED들은 하나보다 많은 상이한 조명 기구들과 연관된 실제적인 동작 파라미터들을 이용하여 테스트될 수 있을 것이다.
대안으로, 상기 LED들은 각 프로파일이 하나 또는 그 이상의 조명 기구들과 함께 사용하기에 적합한 적어도 두 개의 상이한 실제적인 동작 시나리오 프로파일들을 이용하여 테스트될 수 있을 것이다. 또 다른 대안에서, LED 테스트 시스템은 테스트 데이터와 연관된 유일하게 식별된 저장 위치 내에 상기 LED를 물리적으로 저장함으로써 LED 테스트 데이터를 "물리적으로" 저장할 수 있다. 어떤 예시적인 실시예들에서, 본원에서 설명된 시스템들 및 방법들은, 텍사스의 Dell, Inc.로부터 입수 가능한 DELL POWEREDGE 서버들과 같은 컴퓨터들을 포함하는 연관된 컴퓨터 및 재료 취급 디바이스들과 함께, 캘리포니아의 Chroma ATE로부터 입수 가능한 모델 58267, 독일의 뮌헨의 Instrument Systems으로부터 입수 가능한 LED 테스터, 및/또는 중국의 Hopu Optics Technology Co.로부터 입수 가능한 HP6000 또는 HP8000과 같은 현존하는 상업적 LED 테스트 시스템들을 수정함으로써 실현될 수 있을 것이다.
다른 예시적인 실시예에 따라, LED들의 수집물로부터 선택된 각 개별 LED는 어떤 미리 정의된 조건들 하에서 상기 LED와 연관된 다양한 전기적인 또는 다른 조명 관련 파라미터들을 측정하도록 구성된 장치 상에서 테스트된다. 예를 들면, 하나 또는 그 이상의 미리 정의된 빈 (bin)들로부터의 LED들의 수집은 LED 제조자로부터 조달된다. 각 빈은 그 빈을 위해 규정된 LED들의 색상, 광속 및 순방향 전압과 같은 파라미터들 또는 파라미터 범위들을 기초로 하여 제조자에 의해 정의된다. 각 LED에는 유일 식별 데이터, 예를 들면, 유일 파트 또는 일련 번호가 할당되거나 또는 이미 포함된다. 예시적인 실시예에 따라, 각 LED는 하나 또는 그 이상의 특정 동작 또는 구동 조건들 하에서 테스트되며 그리고 하나 또는 그 이상의 파라미터들이 측정된다. 그 측정된 파라미터들은, LED의 특정 색상, 광속, 파장, 스펙트럼 전력 분포, 및 순방향 전압 중 하나 또는 그 이상을 포함하며, 그것들 각각은 테스트된 LED에 대해 측정되고 저장된다.
조달된 LED들이 테스트된 상기 특정 동작 조건들은, LED가 설치될 특정 조명 기구, 그 조명 기구 내에 설치된 LED들의 전체 개수, 부하 조건들 하에서 LED들의 구동 온도, 예를 들면, 일반적으로 60°C 및 100°C 사이의 값, 상기 조명 기구 내에서 동작할 때에 특정 LED가 경험할 구동 전류로, 예를 들면, 보통은 LED 당 25 mA 및 2000 mA 사이의 값, 상기 특정 조명 기구에 대해 상기 LED들과 연관된 피치로, 예를 들면, 인접한 LED들 사이의 거리, 그리고 LED의 방사된 광 또는 수명에 영향을 미치는 것으로 알려진 다른 관련된 파라미터들 중 하나 또는 그 이상에 의해 정의된다.
일련 번호와 같은 그 특정 LED를 위한 식별자, 방사된 색상, 광속, 순방향 전압 및 LED가 테스트되었던 동작 조건들을 포함하는 관련 데이터가 컴퓨터 메모리와 같은 메모리 디바이스 내에 저장되며, 그리고 미래의 액세스를 위해 이용 가능하도록 만들어진다. 아래에서 상세하게 설명되는 것처럼, 저장된 데이터에 기초하여, 미리 정의된 조명 결과를 달성하기 위해 상기 테스트된 LED들로부터 여러 특정 LED들이 나중에 선택된다.
도 3에서 보이는 것처럼, MacAdam 타원으로 불리는 타원이 여덟 개의 공칭 CCT들 각각에 대해, 색도 도면 상의 허용 가능한 색상들, 또는 Y, Y 좌표들의 대부분을 둘러싼다. 특정 X, Y 색상 포인트에 대한 "일-단계 (one-step)" MacAdam 타원은 "표준 관찰자 (standard observer)"의 한 표준 변이를 포함하도록 정의된다. 즉, 대략 65%의 사람은 주어진 색상, 즉, 그 색상의 X, Y 좌표들에 의해 정의된 색상을, 그 X, Y 좌표들 상에 중심을 둔 일-단계 MacAdam 타원 내의 어떤 포인트로서 감지한다. 더 큰 타원이 둘, 셋 또는 그 이상의 표준 변이들을 둘러싸도록 정의되어, 95% 내지 99%의 더 높은 퍼센트의 관찰자들이 동일한 색상을 상기 타원 내 어딘가에 있는 포인트로서 감지하는 것을 허용한다.
다른 말로 하면, 어떤 특정 색상, 또는 CCT 좌표에 대한 MacAdam 타원의 크기는 "단계들"로 불리는 표준의 변이를 기초로 한다. 언급되었듯이, 일-단계 MacAdam 타원은 그 타원의 원주 또는 외부 경계의 모든 포인트가 그 타원의 중심 포인트로부터의 정확하게 하나의 표준 변이인 타원이다. 유사하게, 사-단계 MacAdam 타원에서, 그 타원의 원주 상의 각 포인트는 중심으로부터의 정확하게 네 개의 표준 변이들이다.
도 3에서 보이는 MacAdam 타원들은 7-단계 타원들이며, 이것은 미국 에너지국이 원래 컴팩트 형광 (CFL) 벌브들을 위한 표준으로서 세팅한 것이다. 상기 ANSI 색도 규격은 현존하는 형광 램프 표준들과 가능한 일치하도록, 그리고 솔리드-스테이트 조명 (SSL) 기술 및 색상 바이닝 (binning) 기능들의 현재의 그리고 미래의 상태를 반영하기 위해서 개발되었다. ANSI는 램프 제조자들이 자신들의 램프들이 주어진 특정 색상, 즉, CCT에 대해 사-단계 타원 내에 존재하게 설계하도록 권고한다.
도 4a는 위에서 설명된 1931 색도 도면의 수정된 사본이다. 보이는 것처럼, 본 출원의 실시예에 따른 특정 조명 애플리케이션을 위해 소망되는 색상이 존재하는 플랑키안 궤적 상에서 특별한 사변형 (U0)이 식별된다. 이 간략화된 예에서, 상기 소망되는 색상을 얻기 위해 여덟 (8)개의 LED들의 특별한 로트 (lot)로부터 두 개의 LED들을 혼합하는 것이 필요하다.
도 4b는 도 4a에서 식별된 사변형을 가깝게 본 것이다. 이 예에서, 도 4a로부터의 사변형 U0는 16개의 더 작은 사변형들, 즉, 플랑키안 궤적 아래의 U1-U8 그리고 플랑키안 궤적 위의 U9-UG로 더 분할된다. 도 4a에서 보이는 더 큰 사변형을 더 작은 섹션들, 또는 빈들로 분할하는 것은 "바이닝 (binning)"으로 언급되는 기술이며 그리고 LED 제조자로부터 LED들을 구비할 때에 더 엄격한 공차들을 규정함으로써 소망되는 색상을 보장하기 위해 수행된다.
특히, LED는 텅스텐 또는 할로겐과 같은 다른 광원들보다 더 큰 가변성을 나타낸다. 그래서, LED 제조자들은 자신들이 제안한 LED들을 불변의 특성을 제공하기 위해 바이닝 기술들을 개발하거나 또는 채택하는 것이 일반적이다. 즉, 비록 LED들, 특히 백색 LED들이 컴포넌트 패키징 및 구동 회로를 통한 반도체 웨이퍼 생산을 포함하는 프로세스의 모든 단계에서 매우 엄격한 공차들을 고수하여 제조되지만, 광도계적인 응답을 지시하는 재료 및 공정들에서의 자연적인 변이들이 존재한다. 예를 들면, 재료 특징들은 웨이퍼의 표면에 걸쳐서 변화하며 그리고 이 변화들은 개별 LED 다이로 전해진다. 바이닝 기술들은 제조 프로세스들의 출력의 특징을 규정하고 그리고 램프 설계자들 및/또는 제조자들과 같은 고객들이 이 출력과 함께 작동하기 위한 전략들을 개발하고 균일한 조명 소스들을 획득하는 것을 가능하게 한다. 더 엄격한 공차들을 고수하는 LED들을 구매하는 것은 그러나 상당한 비용을 들이게 한다. 특히, LED 제조자들은 엄격하게 정의된 공차들의 세트로 바이닝된 LED들을 위한 할증 가격을 변함없이 부과한다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 도 4b를 참조하면, 주어진 소망된 색상, 즉, 3465 K ± 245 K의 색상을 위한 플랑키안 궤적을 따른 어떤 포인트에서, 상기 플랑키안 궤적 위에 여덟 개의 서브-사변형들이 그리고 상기 플랑키안 궤적 아래에 여덟 개의 서브-사변형들이 존재한다. 그래서, LED로부터 방사된 광의 추가적인 속성으로 인해서, 가능한 상기 플랑키안 궤적에 가까운 궁극적인 Y, Y 좌표를 얻기 위해서, 그리고, 추가로, 상기 소망된 색상을 위해 상기 플랑키안 궤적 상에 직접적으로 존재하는 X, Y 좌표를 가진 광을 어떤 알려진 단일의 LED도 방사하지 않는다고 가정하면, 이상적으로는 상기 궤적 위에 특정된 하나 또는 그 이상의 LED들 그리고 상기 플랑키안 궤적 아래에 특정된 하나 또는 그 이상의 LDE들이, 상기 궤적 라인 상에서 직접적으로 색상을 달성하기 위해서 혼합되어야만 한다는 것을 본 발명이 속한 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자는 알 것이다.
본 출원의 예에 따라서, UA 및 U7의 사변형들로부터의 LED들이 특정되었으며, 그래서 여덟 개의 LED들 - 이 여덟 개의 LED들로부터 상기 두 LED들이 선택되었을 것이다 - 은 사변형 UA 또는 사변형 U7 중 어느 하나 내에 X, Y 좌표들을 가진다. 상기 여덟 개의 LED들 각각은 실제적인 구동 조건들 하에서 테스트되었으며 그리고 그것들 각자의 X, Y 좌표들 및 방사된 플럭스는 상기 특정 구동 조건들, 예를 들면, 램프로 통합될 개별 LED들의 개수, 구동 조건들 하에서 LED 디바이스의 온도, LED의 구동 전류 및 램프의 피치와 함께 저장되었다. 램프로 통합되는 LED들의 개수는 조명 기구 내에서 사용된 LED들의 전체 개수 또는 램프를 형성하는 각 그룹과 함께 LED들의 여러 그룹들을 포함하는, 조명 기구 내에서 사용된 LED들의 그룹에서 사용된 LED들의 전체 개수를 포함할 수 있다.
다른 대안에서, 조명 기구는 LED 피치 또는 간격으로 또한 특정된다. 이 예에서, 제1 조명 기구는 1인치 피치를 가지며 색상 혼합은 더 빨리 발생할 것이다. 다른 조명 기구에서, LED PCB 보드는 3인치의 피치 또는 LED 간격을 가지며 그리고 혼합은 더 긴 거리에 걸친다. 이 대안에서, 또는 적절한 다른 것들 중 어느 것에서, LED들의 묶음 (batch)을 위한 다중의 혼합 시나리오들이 계산된다. 여기에서, 색상에서 더 가까운 LED들이 가장 큰 피치를 가진 조명 기구들을 위해 사용되며, 이는 색상 혼합이 더 긴 거리에 걸치기 때문이다. 유사하게, 색상에 있어서 더 멀리 떨어진 LED들이 가장 작은 피치를 가진 조명 기구에서 함께 사용된다. 또 다른 대안에서, 조명 기구가 PCB 보드 상에 원 주위의 8개 LED들과 같은 공간적인 구역들을 가지는 특징이 있으며 그리고 혼합하는 것은 대향하는 쌍들의 4개 세트에서의 서브-혼합으로 수행된다.
아래의 표 3은 UA 도는 U7 중 어느 하나로부터 선택되었던, LD1 내지 LD8의 여덟 개의 상이한 LED들의 로트의 각각에 대한 특정된 값들을 제공한다.
Figure pct00002
표 3에서 "X" 컬럼은 주어진 LED에 대한 X 좌표를 규정하며, "Y" 컬럼은 Y CCT 좌표를 규정하며 그리고 "Flux" 컬럼은 주어진 여덟 개 LED들 각각에 대한 측정된 광속 (luminous flux)을 규정한다. 그러므로, 이 예에 따른 목적은 LD1 내지 LD8로부터 두 개의 LED들을 선택하여, 결과인 광 (light)이 가능한 3465 K에 가깝도록 하는 것이다.
본 발명이 속한 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자는 LED들의 혼합에 대한 결과인 X, Y CCT 좌표들을 계산하기 위한 여러 방법들이 존재하며 그리고 여기에서 사용된 간략화된 방법과는 상이한 방법을 활용하는 것이 개시된 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않을 것이라는 것을 알 것이다. 예를 들면, 상기 X, Y 좌표들은 3자극 (tristimulus) 방법을 이용하여 계산될 수 있다. 간략화된 방법은 설명을 용이하게 하기 위해서 본우너에서 선택되었다. 예를 들면, 프로그램된 계산 디바이스들을 이용하여 상기 결과인 X, Y 색도 좌표들을 계산하기 위한 더욱 정밀하고 복잡한 방법들은 본 발명자들이 완전하게 예측하였으며 그리고 가장 실제적인 상황들에서 사용될 것이다.
둘 또는 그 이상의 LED들로부터의 혼합된 광은 아래의 수학식 1에 따라서 본원의 실시예에에 따라 계산된다.
Figure pct00003
여기에서, X i 및 Y i 는 X 및 Y 색도 좌표들을 나타내며 그리고 W i 는 대응하는 플럭스를 나타낸다.
아래의 표 4는 여덟 개의 LED들 LD1 - LD8 각각이 다른 일곱 개의 LED들 각각과 결합될 때의 결과인 계산된 X, Y CCT 좌표들을 제공한다. 예를 들면, 위의 수학식 1을 사용하여, LD1으로부터의 광이 LD2로부터 방사된 광과 결합되거나, 또는 혼합될 때에, 그 결과인 X, Y 색도 좌표들은 각각 0.4045, 0.3899 이다.
Figure pct00004
계산된 X, Y 좌표들을 표 4로부터 대응하는 대략적인 CCT 값으로 변환하기 위해서, MeCamy의 공식으로 알려진 아래의 수학식 2의 식이 사용된다.
Figure pct00005
여기에서 n = (x - 0.3320) / (0.1858 - y)
MeCamy의 공식은 이 예에 따라서, 즉, 타겟 CCT가 3465 K인 경우에 사용되며, 이는 그 공식이 2,856 부터 6,500 K 까지의 범위인 색상 온도들에 대해 2도 Kelvin 보다 더 작은 최대의 절대 오류를 제공하는 것으로 알려져 있기 때문이다. 더욱 정확한 솔루션이 필요하다면, 본 발명이 속한 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자는 사용될 수 있는 대안의 변환 방법들을 알 것이다.
아래의 표 5는 n의 대응 값들 그리고 위의 수학식 2에 의해 계산된 대략적인 CCT를 제공한다.
Figure pct00006
아래의 표 6은 두 개의 결합된 LED들에 대해 타겟 CCT, 즉, 3465 K 그리고 상기 계산된 대략적인 CCT 사이의 차이를 제공한다.
Figure pct00007
표 6에서 보이듯이, 본 예에 따라, 3465 K에 가까운 CCT 값을 얻기 위해서, 원래의 여덟 개의 LED들 LD1-LD8로부터 선택된 두 LED들의 최선의 결합은 LD4 및 LD6의 결합이다. 표시된 것처럼, 이 결합은 3462.5 K라는 대략적인 CCT 값을 제공하며, 이 값은 상기 타겟으로부터 2.5 도 K보다 더 작다.
위에서 개시된 예, 즉, 플랑키안 궤적에 가까운 빈들로부터의 여덟 개의 테스트된 LED들로부터 두 LED들을 선택하는 것은 간략화된 예이며 그리고 예시의 목적들만을 위해서 제공된 것이다. 여기에서 개시된 예시적인 실시예에 따라, 이전에 테스트되었던 LED들의 큰 수집, 예를 들면, 빈들이 - 이 빈들로부터 LED들이 제조자로부터 얻어졌다 - 큰 색상 변이들에 걸쳐서 분산되며 그리고/또는 상기 플랑키안 궤적 위 및 아래의 연속적인 거리에 존재하는 경우인 수많은 LED들로부터 개별 LED들이 선택될 때에 극적인 이득이 달성된다. 다른 말로 하면, LED들 - 상기 선택된 LED들이 상기 LED들로부터 선택되었다 - 은 상대적으로 높은 숫자, 예를 들면, 궁극적으로 소망된 색상에 관한 4-, 5-, 6-, 또는 더 높은 단계의 MacAdam 타원 내에서 특정된다
LED 제조자로터 구입한 각각의 그리고 모든 LED에 대한 대응 데이터를 테스트하고 저장함에 의해, 본원의 방법에 따라서, 조명 디바이스 제조자는 LED들에 대한 더 저렴한 가격의 유리함을 취할 수 있다. 즉, 위에서 요약된 예와 일치하는 둘 또는 그 이상의 LED들, 또는 그것의 변이들, 그리고 색상 및 플럭스 값들의 더 넓은 변이를 가진 아주 더 많은 LED들로부터의 잠재적인 변이들을 혼합함으로써, 조명 제조자는 이전에 가능했던 것보다 상기 플랑키안 궤적으로부터 아주 더 멀리에 있는 빈들로부터의 LED들을 사용할 수 있다. 각 LED에 대응하는 특정 데이터, 예를 들면, CCT X, Y 좌표들, 플럭스, 순방향 전압, CRI, 분광 분포 등이 사용될 특정 구동 조건들, 예를 들면, 전류, 전압, 온도, 듀티 사이클 (파형) 등과 함께 저장되기 때문에, 상기 조명 제조자는 3-단계, 4-단계 및 5-단계, 그리고 아마도 그 이상의 MacAdam 타원들 내에 존재하는 빈들로부터의 LED들을 더 엄격한 표준을 달성하는 것이 이전에 가능했던 것보다 더욱 정확하고 그리고 더욱 비용-효율적으로 혼합함으로써 특정의 방사된 색상 값을 더욱 정확하게 획득할 수 있다. 추가로, 조명 기구의 결과인 소망되는 특성들이 알려진 경우, LED들의 그룹을 위해 저장된 데이터는 얼마나 많은 조명 기구들이 그 그룹으로부터 만들어질 수 있는가를 판별하기위해 사용될 수 있다. 상기 방법은 그러므로 LED들의 그룹을 분석하고 그리고 여러 조명 기구들을 건너 LED들을 분배하기 위한 최선의 방식을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, LED들의 그룹은 측정될 수 있으며 그리고 결과인 데이터를 기초로 하여 제1의 소망되는 광 출력을 가진 제1 조명 기기들의 세트 또는 LED들의 그룹, 또는 다른 비용에 대한 고려들, 예를 들면, 소망되는 출력을 생성하기 위해 필요한 LED들의 전체 개수를 이용하여 생성될 수 있는 조명 기기들의 최대 개수를 기초로 하여 제2의 소망되는 광 출력을 가진 제2 조명 기기들의 세트에서 사용될 수 있다.
특정의 예시적인 실시예들의 전술한 상세한 설명이 본 발명 및 그 발명의 실제적인 애플리케이션의 원칙들을 설명할 목적으로 제공되었으며, 그럼으로써 본 발명이 속한 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자들이 다양한 실시예들에 대해 본 발명을 이해하고 그리고 기대되는 특별한 사용에 적합한 다양한 수정들을 구비하는 것을 가능하게 한다. 이 설명은 본 발명을 남김없이 모두 망라하거나 또는 본 발명을 개시된 상기 예시적인 실시예로 한정하도록 반드시 의도된 것은 아니다. 여기에서 개시된 실시예들 및/또는 구성요소들 중 어느 것도 다른 것과 결합되어, 특별하게 개시되지 않은 다양한 추가적인 실시예를 형성할 수 있을 것이다. 따라서, 추가적인 실시예들이 가능하며 그리고 그 추가의 실시예들은 본 명세서 내에 그리고 첨부된 청구항들의 범위 내에 포함되도록 의도된 것이다. 본 명세서는 다른 방식으로 달성될 수 있을 더욱 일반적인 목표를 달성하기 위해 특정 예들을 기술한다.
이 출원에서 사용되듯이, "전면", "후면", "상단", "하단", "위로", "밑으로", 그리고 다른 지향성 서술자들은 본 발명의 예시적인 실시예들에 대한 설명을 용이하게 하도록 의도된 것이며, 그리고 본 발명의 예시적인 실시예들의 구조를 어떤 특별한 위치 또는 방위로 제한하도록 의도된 것이 아니다. "실질적으로" 또는 "대략적으로"와 같은 정도의 용어들은 본 발명이 속한 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자들에 의해, 주어진 값 외부의 타당한 범위들, 예를 들면, 설명된 실시예들의 제조, 어셈블리, 및 사용에 연관된 일반적인 공차들을 언급하는 것으로 이해된다.

Claims (20)

  1. LED 데이터를 측정하고 저장하는 방법으로:
    각 LED를 식별하는 데이터를 구비한 복수의 LED들 각각을 미리 정의된 구동 조건으로 구동하는 단계;
    상기 LED가 상기 구동 조건으로 구동될 때에 각 LED의 하나 이상의 선택된 파라미터들을 측정하는 단계; 그리고
    상기 하나 이상의 측정된 파라미터들 및 각 LED를 식별하는 상기 데이터에 대응하는 구동 조건을 저장하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 측정된 파라미터들 중 적어도 하나는 CCT (correlated color temperature), Duv, 광속 (luminous flux), 분광 분포 (spectral power distribution), 및 순방향 전압으로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구동 조건은 LED 온도, 구동 전류, 순방향 전압, 또는 듀티 사이클 및 사용된 LED들의 전체 개수 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 저장된 측정된 파라미터들 중 하나 이상을 기초로 하여 상기 복수의 LED들 중 둘 이상의 혼합된 출력을 계산하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 구동 조건은 조명 기구를 대표하며 그리고 상기 복수의 LED들 중 적어도 일부는 상기 계산된 혼합된 출력을 기초로 하여 상기 조명 기구 내에 위치하여 상기 조명 기구의 소망되는 광 출력을 달성하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 LED들 각각을 미리 정의된 제2 구동 조건으로 구동하는 단계;
    각 LED가 상기 제2 구동 조건으로 구동될 때에 그 LED의 하나 이상의 선택된 파라미터들을 측정하는 단계; 그리고
    상기 하나 이상의 측정된 파라미터들 및 각 LED를 식별하는 데이터와 함께 상기 제2 구동 조건을 저장하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  7. LED들의 그룹으로부터 둘 이상의 LED들을 선택하는 방법으로:
    복수의 LED들의 하나 이상의 측정된 파라미터들을 포함하는 데이터에 액세스하는 단계;
    상기 저장된 측정된 파라미터들 중 하나 이상에 기초하여 상기 복수의 LED들 중 둘 이상의 혼합된 출력을 계산하는 단계; 그리고
    상기 혼합된 출력에 기초하여 상기 복수의 LED들로부터 둘 이상의 LED들을 선택하는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 하나 이상의 측정된 파라미터들 중 적어도 하나는 CCT, Duv, 광속, 분광 분포, 및 순방향 전압으로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 선택된 둘 이상의 LED들을 조명 기구 내에 배치하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 데이터는 LED 온도, 전류, 순방향 전압, 듀티 사이클 및 조명 기구 내에 사용된 LED들의 전체 개수 중 하나 이상을 포함하는 구동 조건을 포함하는, 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 데이터는 제1 광 출력을 가진 제1 조명 기구를 나타내는 제1 구동 조건 및 제2 광 출력을 가진 제2 조명 기구를 나타내는 제2 구동 조건을 포함하며, 그리고 상기 혼합된 출력이 상기 제1 광 출력 또는 제2 광 출력에 얼마나 가까운가를 기초로 하여 상기 제1 조명 기구 및 제2 조명 기구 중 하나와 함께 사용하기 위해 둘 이상의 LED들이 선택되는, 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 혼합된 출력은 식
    Figure pct00008
    ,
    Figure pct00009
    를 이용하여 계산되는, 방법.
  13. 제7항에 있어서,
    복수의 LED들 각각을 구동 조건으로 구동하는 단계;
    각 LED가 상기 구동 조건으로 구동될 때에 그 LED의 하나 이상의 파라미터들을 측정하는 단계; 그리고
    상기 하나 이상의 측정된 파라미터들 및 상기 구동 조건을 저장하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 LED들은 각 LED를 식별하는 데이터를 구비하며,
    이 데이터는 상기 하나 이상의 측정 파라미터들 및 상기 구동 조건과 함께 저장된 것인, 방법.
  15. 조명 제품을 위해 둘 이상의 LED들의 방사 광을 혼합하는 방법으로:
    복수의 LED들 각각을 미리 정의된 구동 조건으로 구동하는 단계;
    LED가 상기 구동 조건으로 구동될 때에 상기 LED들 각각의 하나 이상의 선택된 파라미터들을 측정하는 단계;
    상기 측정된 파라미터들 및 상기 구동 조건을 저장하는 단계;
    상기 저장된 측정된 파라미터들 및 상기 저장된 구동 조건을 기초로 하여 상기 복수의 LED들로부터 상기 둘 이상의 LED들을 선택하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 선택된 파라미터들은 색상 값 및 플럭스 (flux) 값을 포함하며 그리고
    상기 구동 조건은 구동 온도, 구동 전류 및 상기 조명 제품에서 사용된 LED들의 개수 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 저장된 측정된 파라미터들 중 하나 이상을 기초로 하여 상기 복수의 LED들 중 둘 이상의 혼합된 출력을 계산하는 단계를 더 포함하고
    그리고 둘 이상의 LED들을 선택하는 것은 상기 혼합된 출력을 기초로 하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 구동 조건은 알려진 조명 기구용의 전형적인 구동 설비에 대응하며 그리고 상기 복수의 LED들 중 적어도 일부는 상기 계산된 혼합된 출력을 기초로 하여 상기 알려진 조명 기구 내에 배치되어 상기 조명 기구의 소망되는 광 출력을 달성하는, 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 LED들은 각 개별 LED를 식별하는 데이터를 구비하며 그리고 상기 데이터는 상기 하나 이상의 측정된 파라미터들 및 상기 구동 조건과 함께 저장되며, 그리고 상기 혼합된 출력은 가중 평균 수학식
    Figure pct00010
    ,
    Figure pct00011
    를 이용하여 계산되는, 방법.
  20. 제17항에 있어서,
    x, y 색도 좌표들 및 플럭스 (
    Figure pct00012
    )은 다음의 3자극 (tristimulus) 방법 수학식들
    Figure pct00013

    을 이용하여 계산되며,
    여기에서,
    Xmix = X1 + X2 + X3 ,.,
    xmix = Xmix /(Xmix + Ymix + Zmix)
    Ymix = Yl + Y2 = Y3 ... , 그리고
    ymix = Ymix /(Xmix + Ymix + Zmix)
    Zmix = Z1 + Z2 + Z3 ... ,
    Figure pct00014
    = Yl + Y2 + Y3 ... 인, 방법.
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