KR20170027906A - Led 구동 장치 및 그를 포함하는 조명 장치 - Google Patents

Led 구동 장치 및 그를 포함하는 조명 장치 Download PDF

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KR20170027906A
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Abstract

본 발명의 실시 형태에 따른 LED 구동 장치는, 서로 다른 색온도를 갖는 빛을 출력하는 복수의 LED 그룹에 구동 전원을 공급하는 전원 공급 회로; 복수의 LED 그룹 각각에 흐르는 전류의 크기를 제어하는 전류 제어 회로; 및 복수의 LED 그룹 각각에 포함된 LED의 온/오프 동작을 제어하는 컨트롤러 IC; 를 포함하고, 컨트롤러 IC는 복수의 LED 그룹 각각에 포함된 LED 중 적어도 하나의 온/오프 동작을, 다른 LED 그룹에 포함되는 LED의 온/오프 동작과 함께 제어할 수 있다.

Description

LED 구동 장치 및 그를 포함하는 조명 장치{LED DRIVING APPARATUS AND LIGHT APPARATUS INCLUDING THE SAME}
본 발명은 LED 구동 장치 및 그를 포함하는 조명 장치에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 반도체 발광소자로서, 형광등 및 백열등과 같은 기존의 광원에 비해 낮은 소모 전력, 긴 수명, 다양한 색의 빛 구현 등에 있어서 장점을 갖는다. 이와 같은 장점에 기반하여, LED는 다양한 조명 기기, 디스플레이 장치의 백 라이트 유닛, 자동차용 헤드 램프 등으로 그 적용분야가 확대되고 있다.
일반적으로 상기 발광 다이오드를 구동하는 장치는 발광 다이오드에 대해 온-오프를 제어할 뿐만 아니라 색온도, 광속 등과 같이 다양한 발광특성을 제어할 수도 있다. 그러나, 종래의 발광 다이오드 구동 장치는 상기 다양한 제어를 위해 복잡한 구성을 가질 필요가 있다. 예를 들어, 종래의 발광 다이오드 구동 장치가 발광 다이오드의 일부 발광특성을 제어할 때, 발광 다이오드의 온-오프 제어에 영향을 줄 수 있다. 이러한 제어의 상호 영향을 줄이기 위해 종래의 발광 다이오드 구동 장치는 복잡한 제어를 수행할 필요가 있어 복잡한 구성을 가진다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 발광 다이오드에 대한 제어모듈을 간소화시킬 수 있는 LED 구동 장치 및 이를 포함하는 조명 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 LED 구동 장치는, 서로 다른 색온도를 갖는 빛을 출력하는 복수의 LED 그룹에 구동 전원을 공급하는 전원 공급 회로; 복수의 LED 그룹 각각에 흐르는 전류의 크기를 제어하는 전류 제어 회로; 및 복수의 LED 그룹 각각에 포함된 LED의 온/오프 동작을 제어하는 컨트롤러 IC; 를 포함하고, 컨트롤러 IC는 복수의 LED 그룹 각각에 포함된 LED 중 적어도 하나의 온/오프 동작을, 다른 LED 그룹에 포함되는 LED의 온/오프 동작과 함께 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 조명 장치는, 서로 다른 색온도를 갖는 빛을 출력하고 순차적으로 직렬 연결되는 제1 내지 제n LED 어레이를 포함하는 광원; 교류 전원을 정류하여 상기 제1 내지 제n LED 어레이에 구동 전원을 공급하는 전원 공급 회로; 상기 제1 내지 제n LED 어레이 각각에 흐르는 전류의 크기를 제어하는 전류 제어 회로; 및 상기 제1 내지 제n LED 어레이 각각의 온/오프 동작을 제어하는 컨트롤러 IC; 를 포함하고, 상기 컨트롤러 IC는 상기 제1 내지 제n LED 어레이 각각에 포함된 LED 중 적어도 하나의 온/오프 동작을, 다른 LED 어레이에 포함되는 LED의 온/오프 동작과 함께 제어할 수 있다.
일 실시예로 상기 제1 내지 제n LED 어레이는, 각각 최대색온도, 중간색온도 및 최소색온도 중 하나로 발광하는 제1 LED 어레이; 및 상기 제1 LED 어레이와 다른 색온도로 발광하는 제2 LED 어레이; 를 포함할 수 있다.
일 실시예로 상기 전류 제어 회로는, 상기 제1 내지 제n LED 어레이 각각에서 흐르는 전류를 감지하는 전류 감지 회로; 상기 전류 감지 회로에서 감지된 전류에 기초한 제어 신호를 생성하는 제어 신호 생성 회로; 및 상기 제어 신호를 인가 받아 상기 제1 내지 제n LED 어레이 각각에 대해 흐르는 전류를 조절하는 전류 조절 회로; 를 포함할 수 있다.
일 실시예로 상기 컨트롤러 IC는, 상기 제1 내지 제n LED 어레이 각각에 포함된 하나의 LED에 대해 함께 온-오프를 제어하는 적어도 하나의 공통 제어 스위치를 포함하고, 광속 제어 신호를 인가 받아 상기 제1 내지 제n LED 어레이의 광속을 함께 제어할 수 있다.
일 실시예로 상기 조명 장치는, 상기 제1 내지 제n LED 어레이와 상기 컨트롤러 IC 사이에 연결되어 상기 제1 내지 제n 어레이 각각에 흐르는 전류가 다른 LED 어레이로 유입되는 것을 차단하는 복수의 다이오드를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 발광 다이오드의 제어가 직교적(orthogonal)으로 수행되어, 발광 다이오드에 대한 제어모듈은 간소화될 수 있다. 또한, 발광 다이오드의 공간적 제약에 따라 제어모듈이 받는 부정적 영향이 줄어들 수 있다. 더 나아가, 조명 장치 내에서 발광 다이오드의 배치가 자유로워짐에 따라, 조명 장치는 색온도 및/또는 광속을 효율적으로 제어할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치를 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시한 전류 제어 회로를 설명하기 위해 제공되는 블록도이다.
도 3은 도 1에 도시한 전류 제어 회로를 설명하기 위해 제공되는 회로도이다.
도 4는 도 1에 도시한 컨트롤러 IC를 설명하기 위해 제공되는 블록도이다.
도 5는 도 1에 도시한 컨트롤러 IC를 설명하기 위해 제공되는 회로도이다.
도 6은 도 1에 도시한 광원을 설명하기 위해 제공되는 블록도이다.
도 7은 도 1에 도시된 광원을 설명하기 위해 제공되는 회로도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치를 설명하기 위해 제공되는 회로도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치의 광원에 흐르는 전류와 전원 전류를 나타낸 그래프이다.
도 10 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치에 적용될 수 있는 반도체 발광소자를 나타낸 도이다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치에 적용될 수 있는 백색 광원 모듈을 간단하게 나타내는 도이다.
도 15는 도 14a 및 도 14b에 도시한 백색 광원 모듈의 동작을 설명하기 위해 제공되는 CIE 1931 좌표계이다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치를 포함하는 백라이트 유닛을 설명하기 위해 제공되는 도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치를 포함하는 백라이트 유닛이 채용된 디스플레이 장치의 개략적인 분해사시도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치를 나타낸 도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다.
명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 웨이퍼(기판) 등과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에", "연결되어", 또는 "커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 상술한 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에", "연결되어", 또는 "커플링되어" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에", "직접 연결되어", 또는 "직접 커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 제1, 제2등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상술한 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 구성 요소가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 이하 실시예들은 하나 또는 복수개를 조합하여 구성할 수도 있다.
이하에서 설명하는 본 발명의 내용은 다양한 구성을 가질 수 있고 여기서는 필요한 구성만을 예시적으로 제시하며, 본 발명 내용이 이에 한정되는 것은 아님을 밝혀둔다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치를 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치(100)는, LED 구동 장치(110), 광원(120), 및 전원(130)을 포함할 수 있다.
전원(130)은 교류 전원을 공급하는 상용 전원일 수 있으며, 예를 들어, 220V-60Hz의 교류 전원을 출력할 수 있다.
광원(120)은 서로 직렬 및/또는 병렬로 연결되는 복수의 LED를 포함할 수 있다. 여기서, 광원(120)은 복수의 LED에서 분할된 복수의 그룹을 포함할 수 있다. 일 실시예로 복수의 그룹은 각각 LED 개수 기준으로 균등하게 분할된 그룹일 수 있다. 하나의 그룹에 포함된 모든 LED가 직렬 연결될 경우, 상기 하나의 그룹은 하나의 LED 어레이를 이룰 수 있다. 광원(120)은 복수의 그룹을 포함하므로, 둘 이상의 LED 어레이를 포함할 수 있다. 이에 대한 구체적인 사항은 도 7 내지 도 8을 참조하여 설명하기로 한다.
LED 구동 장치(110)는 전원 공급 회로(111), 컨트롤러 IC(112), 및 전류 제어 회로(113)를 포함할 수 있다.
전원 공급 회로(111)는 전원(130)이 출력하는 교류 전원을 전파 정류하는 정류 회로와, 정류 회로의 출력을 일부 시구간에서 보상하는 보상 회로 등을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 정류 회로는 다이오드 브릿지 회로를 포함할 수 있으며, 보상 회로는 밸리-필(valley-fill) 회로를 포함할 수 있다.
컨트롤러 IC(112)는 전원 공급 회로(111)가 출력하는 구동 전원에 의해 광원(120)에 포함되는 둘 이상의 LED 어레이가 동작할 수 있도록 제어하며, 집적 회로 칩(Integrated Circuit, IC)으로 구현될 수 있다. 컨트롤러 IC(112)는 복수의 내부 스위치를 포함할 수 있으며, 복수의 내부 스위치 각각은 광원(120)에 포함되는 복수의 LED의 출력단에 연결될 수 있다.
여기서, 컨트롤러 IC(112)는 둘 이상의 LED 어레이 각각에 포함된 LED 각각에 대해 흐르는 전류를 함께 제어할 수 있다. 이에 대한 구체적인 사항은 도 5 내지 도 6을 참조하여 설명하기로 한다.
전류 제어 회로(113)는 컨트롤러 IC(112)와 별개로 구비되는 회로로서, 적어도 하나의 스위치 소자와 저항 등의 회로 소자를 포함할 수 있다. 전류 제어 회로(113)가 동작하는 동안, 광원(120)에 포함되는 LED 어레이에 흐르는 전류는 컨트롤러 IC(112) 및 전류 제어 회로(113)로 분산될 수 있으며, 컨트롤러 IC(112)가 받는 스트레스를 줄일 수 있다. 따라서, 전류 스트레스로 인한 회로 파손을 방지하고 LED 구동 장치(110)에서 발생하는 발열을 줄일 수 있다.
여기서, 전류 제어 회로(113)는 복수의 LED에서 분할된 복수의 그룹 각각에 대해 흐르는 전류의 크기를 제어할 수 있다. 이에 대한 구체적인 사항은 도 3 내지 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 도 1에 도시한 전류 제어 회로를 설명하기 위해 제공되는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 전류 제어 회로(213)는, 전류 감지 회로(213a), 제어 신호 생성 회로(213b) 및 전류 조절 회로(213c)를 포함할 수 있다.
전류 감지 회로(213a)는 광원(220)으로 흐르는 전류를 감지할 수 있다. 일 실시예로 전류 감지 회로(213a)는 둘 이상의 LED 어레이 각각에 흐르는 전류를 감지할 수 있다.
제어 신호 생성 회로(213b)는 전류 감지 회로(213a)에서 감지된 전류에 기초한 제어 신호를 생성할 수 있다. 일 실시예로 제어 신호 생성 회로(213b)는 하나의 LED 어레이에 흐르는 전류가 기 설정된 전류보다 클 경우에 보통의 전압 레벨보다 낮은 전압 레벨의 제어 신호를 생성할 수 있다. 일 실시예로 제어 신호 생성 회로(213b)는 하나의 LED 어레이에 흐르는 전류가 다른 LED 어레이에 흐르는 전류보다 작을 경우에 보통의 전압 레벨보다 높은 전압 레벨의 제어 신호를 생성할 수 있다.
전류 조절 회로(213c)는 제어 신호를 인가 받아 둘 이상의 LED 어레이 각각에 흐르는 전류를 조절할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시한 전류 제어 회로를 설명하기 위해 제공되는 회로도이다.
도 3을 참조하면, 전류 제어 회로(213)는, 복수의 저항 소자(R1, R2), 복수의 트랜지스터(Q1, Q2) 및 제어 신호 생성 회로(213b)를 포함할 수 있다.
복수의 저항 소자(R1, R2)는 둘 이상의 LED 어레이 각각에 연결되어 기 설정된 저항값을 가질 수 있다. 복수의 저항 소자(R1, R2)에 걸리는 전압에서 기 설정된 저항값을 나눈 값은 복수의 저항 소자(R1, R2)에서 흐르는 전류이다.
복수의 트랜지스터(Q1, Q2)는 둘 이상의 LED 어레이 각각에 연결되어 제어 단자를 통해 제어 신호를 인가 받아 드레인 단자와 소스 단자를 통해 흐르는 전류를 조절할 수 있다. 여기서, 복수의 트랜지스터(Q1, Q2)는 포화 모드(saturation mode)로 동작할 수 있다. 포화 모드에서 드레인 단자와 소스 단자 사이의 전압이 일정할 경우, 드레인 단자와 소스 단자를 통해 흐르는 전류는 제어 단자의 전압의 레벨이 높을수록 커질 수 있다. 따라서, 복수의 트랜지스터(Q1, Q2)의 제어 단자에 입력되는 신호의 전압 레벨이 조절됨으로써, 복수의 트랜지스터(Q1, Q2)를 흐르는 전류의 크기가 조절될 수 있다.
한편, 복수의 트랜지스터(Q1, Q2)는 가변 저항으로 대체될 수 있다. 가변 저항에 걸리는 전압이 일정할 경우, 가변 저항의 저항값이 커질수록 가변 저항에 흐르는 전류는 작아질 수 있다. 따라서, 가변 저항의 저항값 조절에 의해서도 가변 저항에 흐르는 전류가 조절될 수도 있다.
제어 신호 생성 회로(213b)는 색온도 제어 신호를 인가 받아 광원(220)의 발광 색이 변환되도록 색온도 제어를 수행할 수 있다. 일 실시예로 색온도 제어 신호는 LED 구동 장치의 외부의 광원(220)의 발광 색을 결정하는 제어 회로에서 생성되어 인가 받을 수 있다. 색온도(color temperature)는 빛의 색이 절대온도에 대응되는 점을 이용하여 숫자로 설정될 수 있다. 일 실시예로 푸른색 계통의 색의 색온도가 높으므로, 푸른색 계통의 색은 높은 숫자로 설정될 수 있다. 이에 대한 구체적인 사항은 도 19을 참조하여 설명하기로 한다.
또한, 제어 신호 생성 회로(213b)는 복수의 저항 소자(R1, R2) 각각에 흐르는 전류와 색온도 제어 신호에 대응되는 전류를 비교하여 제어 신호의 전압 레벨을 결정할 수 있다. 일 실시예로 색온도 제어 신호가 광원(220)이 높은 색온도로 발광하도록 제어할 경우, 색온도 제어 신호에 대응되는 전류 중 제1 LED 어레이에 해당되는 전류는 크고, 제2 LED 어레이에 해당되는 전류는 작을 수 있다. 이에 따라, 제1 LED 어레이에 연결된 트랜지스터(Q1)에 인가되는 제어 전압의 레벨은 높아질 수 있고, 제2 LED 어레이에 연결된 트랜지스터(Q2)에 인가되는 제어 전압의 레벨은 낮아질 수 있다.
일 실시예로, 광원(220)은 최대색온도로 발광하는 제1 LED 어레이, 최소색온도로 발광하는 제2 LED 어레이를 포함할 수 있고, 중간색온도로 발광하는 제3 LED 어레이를 더 포함할 수 있다. 전류 제어 회로(213)가 둘 이상의 LED 어레이에 흐르는 전류를 각각 제어함으로써, 광원(220)의 색온도가 제어될 수 있다.
도 4는 도 1에 도시한 컨트롤러 IC를 설명하기 위해 제공되는 블록도이다.
도 4를 참조하면, 컨트롤러 IC(212)는, 광속 제어 신호를 인가 받아 광원(220)에 포함된 LED 각각에 대해 온-오프를 제어할 수 있다. 여기서, 광속 제어 신호는 LED 구동 장치의 외부의 광원(220)의 광속을 결정하는 제어 회로에서 생성되어 인가 받을 수 있다. 설계에 따라, 상기 제어 회로는 색온도 제어 신호와 광속 제어 신호를 총괄적으로 생성하여 LED 구동 장치에 인가할 수 있다.
광속(luminous flux)은 단위시간 동안 단위면적의 면을 통과하는 빛의 양을 의미한다. 따라서, 광속은 광원(220)에 포함된 복수의 LED에 전체적으로 흐르는 전류가 많을수록 강해질 수 있다. 일 실시예로 컨트롤러 IC(212)는 광속 제어 신호의 전압 레벨과 복수의 LED에 전체적으로 흐르는 전류의 크기가 비례하도록 광원(220)의 전류를 제어할 수 있다.
컨트롤러 IC(212)는 둘 이상의 LED 어레이에 대해 함께 제어할 수 있다. 일 실시예로 컨트롤러 IC(212)는 제1 LED(G1)과 제5 LED(G5)의 온-오프를 함께 제어할 수 있고, 제2 LED(G2)과 제6 LED(G6)의 온-오프를 함께 제어할 수 있고, 제3 LED(G3)과 제7 LED(G7)의 온-오프를 함께 제어할 수 있고, 제4 LED(G4)과 제8 LED(G8)의 온-오프를 함께 제어할 수 있다. 여기서, 제1 LED(G1), 제2 LED(G2), 제3 LED(G3) 및 제4 LED(G4)는 최대색온도, 중간색온도 및 최소색온도 중 하나로 발광하는 제1 LED 어레이를 이룰 수 있다. 여기서, 제5 LED(G5), 제6 LED(G6), 제7 LED(G7) 및 제8 LED(G8)는 제1 LED 어레이와 다른 색온도로 발광하는 제2 LED 어레이를 이룰 수 있다.
컨트롤러 IC(212)가 어레이 함께 제어함으로써, 광원(220)의 온-오프 또는 광속은 광원(220)의 색온도에 영향을 거의 주지 않으면서 제어될 수 있다. 마찬가지로, 전류 제어 회로(213)는 광속에 영향을 거의 주지 않으면서 광원(220)의 색온도를 제어할 수 있다. 즉, 광원(220)의 온-오프 또는 광속과 광원(220)의 색온도는 서로 직교적(orthogonal)으로 제어될 수 있다.
도 5는 도 1에 도시한 컨트롤러 IC를 설명하기 위해 제공되는 회로도이다.
도 5를 참조하면, 컨트롤러 IC(212)는, 광원(220)에 포함된 LED 각각에 포함된 하나의 LED에 대해 함께 온-오프를 제어하는 공통 제어 스위치(SW1, SW2, SW3)를 포함할 수 있다.
일 실시예로 제1 공통 제어 스위치(SW1)의 소스 또는 드레인 단자는 제1 LED(G1) 및 제5 LED(G5)의 출력단에 접속되고, 제어 단자는 광속 제어 신호를 인가 받을 수 있다.
일 실시예로 제2 공통 제어 스위치(SW2)의 소스 또는 드레인 단자는 제2 LED(G2) 및 제6 LED(G6)의 출력단에 접속되고, 제어 단자는 광속 제어 신호를 인가 받을 수 있다.
일 실시예로 제3 공통 제어 스위치(SW3)의 소스 또는 드레인 단자는 제3 LED(G3) 및 제7 LED(G7)의 출력단에 접속되고, 제어 단자는 광속 제어 신호를 인가 받을 수 있다.
공통 제어 스위치(SW1, SW2, SW3) 중 온 상태인 공통 제어 스위치의 개수는 광원(220)에 포함된 복수의 LED 중 온 상태인 LED의 개수에 비례할 수 있다. 따라서, 공통 제어 스위치(SW1, SW2, SW3)의 온 상태가 제어됨으로써, 온 상태인 LED의 개수가 제어될 수 있다.
일 실시예로 공통 제어 스위치(SW1, SW2, SW3) 각각이 온 상태가 되기 위한 최소 전압 레벨은 서로 다르게 설정될 수 있다. 예를 들어, 제1 공통 제어 스위치(SW1)의 소스 단자에 높은 전압 레벨이 걸리고, 제3 공통 제어 스위치(SW3)의 소스 단자에 낮은 전압 레벨이 걸릴 수 있다. 여기서, 광속 제어 신호의 전압 레벨과 각각의 공통 제어 스위치의 소스 단자의 전압 레벨의 차이 전압 레벨에 따라 각각의 공통 제어 스위치의 온 상태 여부가 결정될 수 있다. 따라서, 광속 제어 신호의 전압 레벨이 높아짐에 따라, 제3 공통 제어 스위치(SW3), 제2 공통 제어 스위치(SW2), 제1 공통 제어 스위치(SW1)는 순차적으로 온 상태가 될 수 있다. 한편, 각각의 공통 제어 스위치의 문턱 전압이 다르게 설정됨으로써, 각각의 공통 제어 스위치는 순차적으로 온 상태가 될 수 있다.
도 5를 참조하면, 컨트롤러 IC(212)와 광원(220)의 사이에는 둘 이상의 LED 어레이 중 하나에서 흐르는 전류가 둘 이상의 LED 어레이 중 나머지에 대해 흐르지 않도록, 둘 이상의 LED 어레이 중 적어도 둘과 상기 컨트롤러 IC의 사이에 연결되는 복수의 다이오드(214)를 포함할 수 있다.
일 실시예로 제1 다이오드(D1A)는 제1 LED(G1)의 출력단과 제1 공통 제어 스위치(SW1)의 사이에 연결되고, 제2 다이오드(D2A)는 제2 LED(G2)의 출력단과 제1 공통 제어 스위치(SW2)의 사이에 연결되고, 제3 다이오드(D3A)는 제3 LED(G3)의 출력단과 제3 공통 제어 스위치(SW3)의 사이에 연결되고, 제4 다이오드(D1B)는 제5 LED(G1)의 출력단과 제1 공통 제어 스위치(SW1)의 사이에 연결되고, 제5 다이오드(D2B)는 제6 LED(G6)의 출력단과 제2 공통 제어 스위치(SW2)의 사이에 연결되고, 제6 다이오드(D3B)는 제7 LED(G7)의 출력단과 제3 공통 제어 스위치(SW3)의 사이에 연결될 수 있다.
즉, 복수의 다이오드(214)는 둘 이상의 LED 어레이 각각의 서로에 대한 간섭을 줄일 수 있다. 따라서, 복수의 다이오드(214)는 컨트롤러 IC(212)가 함께 제어함으로써 발생될 수 있는 간섭을 줄일 수 있다.
도 6은 도 1에 도시한 광원을 설명하기 위해 제공되는 블록도이다.
도 6을 참조하면, 광원(220)은 제1 LED 어레이(221), 제2 LED 어레이(222) 및 제3 LED 어레이(223)를 포함할 수 있다. 설명의 편의상 도 6을 통해 3개의 LED 어레이에 대해 설명하나, 광원(220)은 n개(n은 자연수)의 LED 어레이를 포함할 수 있다. 또한 설명의 편의상 도 6을 통해 LED 어레이 당 최대 4개의 LED가 직렬 연결되는 것으로 설명하나, 각각의 LED 어레이는 최대 k개(k는 자연수)의 LED를 포함할 수 있다.
일 실시예로 제1, 제2 및 제3 LED 어레이(221, 222, 223)에 포함된 각각의 LED는 순번이 부여될 수 있다. 예를 들어, 제1 LED 어레이(221)에 포함된 제1 LED(G1), 제2 LED 어레이(222)에 포함된 제5 LED(G5) 및 제3 LED 어레이(223)에 포함된 제9 LED(G9)는 순번1이 부여될 수 있다. 예를 들어, 제1 LED 어레이(221)에 포함된 제2 LED(G2) 및 제3 LED 어레이(223)에 포함된 제10 LED(G10)는 순번2가 부여될 수 있다. 예를 들어, 제2 LED 어레이(222)에 포함된 제7 LED(G7) 및 제3 LED 어레이(223)에 포함된 제11 LED(G11)는 순번3이 부여될 수 있다. 예를 들어, 제3 LED 어레이(223)에 포함된 제12 LED(G12)는 순번4가 부여될 수 있다.
여기서, 순번은 컨트롤러 IC에 의한 광속 제어에 따른 LED의 온-오프 순서일 수 있다. 예를 들어, 광속 제어 신호의 전압 레벨이 최대 전압 레벨에서 1단계 낮아질 경우, 순번1에 해당되는 LED는 오프될 수 있다. 예를 들어, 광속 제어 신호의 전압 레벨이 최대 전압 레벨에서 2단계 낮아질 경우, 순번2에 해당되는 LED는 오프될 수 있다. 예를 들어, 광속 제어 신호의 전압 레벨이 최대 전압 레벨에서 3단계 낮아질 경우, 순번3에 해당되는 LED는 오프될 수 있다. 예를 들어, 광속 제어 신호의 전압 레벨이 최대 전압 레벨에서 4단계 낮아질 경우, 순번4에 해당되는 LED는 오프될 수 있다.
도 7은 도 1에 도시된 광원을 설명하기 위해 제공되는 회로도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치는 제1, 제2 및 제3 LED 어레이(221, 222, 223)가 실장되는 기판(240)을 더 포함할 수 있다.
일 실시예로 제1, 제2 및 제3 LED 어레이(221, 222, 223)는 서로 교차하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 LED 어레이(221)에 포함된 제1 LED(G1) 및 제4 LED(G4), 제3 LED 어레이(223)에 포함된 제10 LED(G10) 및 제2 LED 어레이(222)에 포함된 제7 LED(G7)는 좌측열에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 LED 어레이(222)에 포함된 제5 LED(G5) 및 제8 LED(G8), 제1 LED 어레이(221)에 포함된 제2 LED(G2) 및 제3 LED 어레이(223)에 포함된 제11 LED(G11)는 중앙열에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제3 LED 어레이(223)에 포함된 제9 LED(G9) 및 제12 LED(G12), 제2 LED 어레이(222)에 포함된 제6 LED(G6) 및 제1 LED 어레이(221)에 포함된 제3 LED(G3)는 우측열에 배치될 수 있다.
일반적으로 광원(220)에 포함된 복수의 LED에서 발광되는 빛은 산란될 수 있다. 일 실시예로 광원(220)에서 색온도를 기준으로 분리된 제1, 제2 및 제3 LED 어레이(221, 222, 223)가 서로 교차되고 복수의 LED에서 발광되는 빛이 산란됨으로써, 광원(220)의 인간을 포함하는 생명체가 자연스럽다고 느낄 수 있는 색온도로 발광할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치를 설명하기 위해 제공되는 회로도이다.
도 8을 참조하면, 전원 공급 회로(311)을 통해 공급되는 전원(VDC+, VDC-)은 컨트롤러 IC(312) 및 전류 제어 회로(313)로 공급될 수 있다. 전류 제어 회로(313)는 복수의 저항 소자(R1, R2)를 포함하는 전류 감지 회로(313a)를 통해 전류를 감지하여, 제어 신호 생성 회로(313b)를 통해 제어 신호를 생성하여, 복수의 트랜지스터(Q1, Q2)를 포함하는 전류 조절 회로(313c)를 통해 전류를 조절할 수 있다. 컨트롤러 IC(312)는 광원(320) 각각에 포함된 복수의 LED(G1, G2, G3, G4, G5, G6, G7, G8) 각각에 대해 전류를 제어하고, 제1 LED 어레이에 포함된 LED(G1, G2, G3, G4)와 제2 LED 어레이에 포함된 LED(G5, G6, G7, G8)에 대해 함께 제어할 수 있다. 또한, 컨트롤러 IC(312)와 광원(320)의 사이에는 복수의 다이오드(D1A, D1B, D2A, D2B, D3A, D3B)가 연결될 수 있다.
제어 신호 생성 회로(313b)는 색온도 제어 신호 및 광속 제어 신호를 모두 인가 받을 수도 있다. 제어 신호 생성 회로(313b)는 색온도 제어 신호 및 광속 제어 신호 중 하나를 처리하여 컨트롤러 IC(312)를 제어하는 IC 제어 신호를 생성하여 출력할 수 있다. 즉, LED 구동 장치의 외부에서 인가되는 신호들은 하나의 경로를 통해 인가될 수 있다. 일 실시예로 인가된 신호는 외부에서 인가된 신호를 처리하는데 특화된 회로를 통해 처리될 수 있다. 여기서, 처리된 신호 중 일부는 컨트롤러 IC(312)와 같이 LED 각각을 제어하는 회로로 인가될 수 있고, 나머지는 전류 조절 회로(313c)와 같이 LED 어레이의 전류를 제어하는 회로로 인가될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치의 광원에 흐르는 전류와 전원 전류를 나타낸 그래프이다.
도 9(a)는 광속 제어 신호에 의해 광원이 강한 광속으로 빛을 출력하도록 제어될 때의 광원에 흐르는 전류(Istep)와 전원 전류(Irect)를 나타내고, 도 9(b)는 광속 제어 신호에 의해 광원이 약한 광속으로 빛을 출력하도록 제어될 때의 광원에 흐르는 전류(Istep)와 전원 전류(Irect)를 나타낸다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치는 전원 전류(Irect)에 기초하여 LED의 온-오프를 순차적으로 제어함으로써 광원에 흐르는 전류(Istep)의 파형을 결정할 수 있고, 광속 제어 신호에 기초하여 광원에 흐르는 전류(Istep)의 전체적인 레벨을 결정할 수 있다.
도 10 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치의 광원에 적용될 수 있는 발광소자를 나타낸 도이다.
우선 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자(10)는 기판(11), 제1 도전형 반도체층(12), 활성층(13) 및 제2 도전형 반도체층(14)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 도전형 반도체층(12) 상에는 제1 전극(15)이 형성될 수 있으며, 제2 도전형 반도체층(14) 상에는 제2 전극(16)이 형성될 수 있다. 제2 전극(16)과 제2 도전형 반도체층(14) 사이에는 선택적으로 오믹 컨택층이 더 마련될 수도 있다.
우선, 기판(11)은 다양한 실시예에 따라 절연성, 도전성 또는 반도체 기판 중 적어도 하나가 선택될 수 있다. 기판(11)은, 예를 들어, 사파이어, SiC, Si, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN일 수 있다. GaN 물질의 에피성장을 위해서 동종 기판인 GaN 기판을 기판(11)으로 선택할 수 있으며, 이종 기판으로는 사파이어, 실리콘 카바이드(SiC) 기판 등이 주로 사용될 수 있다. 이종 기판을 사용할 때는 기판 물질과 박막 물질 사이의 격자상수의 차이로 인해 전위(dislocation) 등 결함이 증가할 수 있으며, 기판 물질과 박막 물질 사이의 열팽창계수의 차이로 인해 온도 변화시 휨이 발생하고, 휨은 박막의 균열(crack)의 원인이 될 수 있다. 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 기판(11)과 GaN계인 제1 도전형 반도체층(12) 사이에 버퍼층(11a)을 배치할 수 있다.
이종 기판상에 GaN을 포함하는 제1 도전형 반도체층(12)을 성장시킬 때, 기판 물질과 박막 물질 사이의 격자 상수의 불일치로 인해 전위(dislocation) 밀도가 증가하고, 열팽창 계수 차이로 인해 균열(crack) 및 휨이 발생할 수 있다. 상기와 같은 전위 및 균열을 방지하기 위한 목적으로 기판(11)과 제1 도전형 반도체층(12) 사이에 버퍼층(11a)을 배치할 수 있다. 버퍼층(11a)은 활성층 성장시 기판의 휘는 정도를 조절해 웨이퍼의 파장 산포를 줄일 수도 있다.
버퍼층(11a)은 AlxInyGa1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1), 특히 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, 또는 InGaNAlN를 사용할 수 있으며, 필요에 따라 ZrB2, HfB2, ZrN, HfN, TiN 등의 물질도 사용할 수 있다. 또한, 복수의 층을 조합하거나, 조성을 점진적으로 변화시켜 사용할 수도 있다.
Si 기판은 GaN와 열팽창 계수 차이가 크기 때문에, 실리콘 기판에 GaN계 박막 성장시, 고온에서 GaN 박막을 성장시킨 후, 상온으로 냉각시 기판과 박막 간의 열팽창 계수의 차이에 의해 GaN 박막에 인장응력이 가해져 균열이 발생하기 쉽다. 균열을 막기 위한 방법으로 성장 중에 박막에 압축 응력이 걸리도록 성장하는 방법을 이용해 인장응력을 보상할 수 있다. 또한, 실리콘(Si)은 GaN과의 격자 상수 차이로 인해, 결함 발생 가능성도 크다. Si 기판을 사용하는 경우는 결함 제어뿐만 아니라 휨을 억제하기 위한 응력 제어를 동시에 해줘야 하기 때문에 복합 구조의 버퍼층(11a)을 사용할 수 있다.
버퍼층(11a)을 형성하기 위해 먼저 기판(11) 상에 AlN 층을 형성할 수 있다. Si와 Ga 반응을 막기 위해 Ga을 포함하지 않은 물질을 사용할 수 있으며, AlN 뿐만 아니라 SiC 등의 물질도 사용할 수 있다. AlN층은 Al 소스와 N 소스를 이용하여 400 내지 1300 사이의 온도에서 성장할 수 있으며, 필요에 따라, 복수의 AlN 층 사이에 GaN 중간에 응력을 제어하기 위한 AlGaN 중간층을 삽입할 수 있다.
제1 및 제2 도전형 반도체층(12, 14)은 각각 n형 및 p형 불순물이 도핑된 반도체로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니고 반대로 각각 p형 및 n형 반도체층이 될 수도 있을 것이다. 예를 들어, 제1 및 제2 도전형 반도체층(12, 14)은 3족 질화물 반도체, 예컨대, AlxInyGa1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 물론, 이에 한정되지 않으며, AlGaInP계열 반도체나 AlGaAs계열 반도체와 같은 물질도 이용될 수 있을 것이다.
한편, 제1 및 제2 도전형 반도체층(12, 14)은 단층 구조로 이루어질 수 있지만, 이와 달리, 필요에 따라 서로 다른 조성이나 두께 등을 갖는 다층 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 도전형 반도체층(12, 14)은 각각 전자 및 정공의 주입 효율을 개선할 수 있는 캐리어 주입층을 구비할 수 있으며, 또한, 다양한 형태의 초격자 구조를 구비할 수도 있다.
제1 도전형 반도체층(12)은 활성층(13)과 인접한 부분에 전류 확산층을 더 포함할 수도 있다. 상기 전류 확산층은 서로 다른 조성을 갖거나, 서로 다른 불순물 함량을 갖는 복수의 InxAlyGa(1-x-y)N층이 반복해서 적층되는 구조 또는 절연 물질 층이 부분적으로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(14)은 활성층(13)과 인접한 부분에 전자 차단층을 더 포함할 수 있다. 상기 전자 차단층은 복수의 서로 다른 조성의 InxAlyGa(1-x-y)N를 적층한 구조 또는 AlyGa(1-y)N로 구성된 1층 이상의 층을 가질 수 있으며, 활성층(13)보다 밴드갭이 커서 제2 도전형 반도체층(14)으로 전자가 넘어가는 것을 방지한다.
일 실시예에서, 제1, 제2 도전형 반도체층(12, 14)과 활성층(13)은 MOCVD 장치를 사용하여 제조될 수 있다. 제1, 제2 도전형 반도체층(12, 14)과 활성층(13)을 제조하기 위해, 성장 기판(11)을 설치한 반응 용기 내에 반응 가스로 유기 금속 화합물 가스(예, 트리메틸 갈륨(TMG), 트리메틸 알루미늄(TMA) 등)와 질소 함유 가스(암모니아(NH3) 등)을 공급하고, 기판의 온도를 900 내지 1100의 고온으로 유지하고, 기판상에 질화 갈륨계 화합물 반도체를 성장하면서, 필요에 따라 불순물 가스를 공급해, 질화 갈륨계 화합물 반도체를 언도프, n형, 또는 p형으로 적층할 수 있다. n형 불순물로는 Si이 잘 알려져 있고, p형 불순물으로서는 Zn, Cd, Be, Mg, Ca, Ba 등이 있으며, 주로 Mg, Zn가 사용될 수 있다.
또한, 제1 및 제2 도전형 반도체층(12, 14) 사이에 배치된 활성층(13)은 양자우물층과 양자장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(MQW) 구조, 예컨대, 질화물 반도체일 경우, GaN/InGaN 구조가 사용될 수 있으며, 다만, 단일 양자우물(SQW) 구조를 사용할 수도 있을 것이다. 제1 또는 제2 전극(15, 16)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 등의 물질을 포함할 수 있다. 발광소자(10)는 에피 업(Epi-Up) 구조를 가지며, 따라서 발광소자 패키지 내에서 회로 기판에 포함되는 회로 패턴과 와이어 등을 통해 연결될 수 있다.
다음으로 도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자(30)가 도시되어 있다. 도 11에 도시한 실시예에 따른 발광소자(30)는, 제1 도전형 반도체층(32), 활성층(33) 및 제2 도전형 반도체층(34), 제1 도전형 반도체층(32)에 부착되는 제1 전극(35) 및 제2 도전형 반도체층(34)에 부착되는 제2 전극(36) 등을 포함할 수 있다. 제2 전극(36)의 하면에는 도전성 기판(31)이 배치될 수 있으며, 도전성 기판(31)은 발광소자 패키지를 구성하기 위한 회로 기판 등에 직접 실장될 수 있다. 발광소자 패키지 내에서 도전성 기판(31)은 회로 기판에 직접 실장되고, 제1 전극(35)은 와이어 등을 통해 회로 기판의 회로 패턴과 전기적으로 연결될 수 있다.
앞서 설명한 다른 반도체 발광소자(10, 20)들과 마찬가지로, 제1 도전형 반도체층(32)과 제2 도전형 반도체층(34)은 각각 n형 질화물 반도체 및 p형 질화물 반도체를 포함할 수 있다. 한편, 제1, 제2 도전형 반도체층(32, 34) 사이에 배치되는 활성층(33)은, 서로 다른 조성의 질화물 반도체층이 교대로 적층되는 다중 양자 우물(MQW) 구조를 가질 수 있으며, 선택적으로 단일 양자 우물(SQW) 구조를 가질 수도 있다.
제1 전극(35)은 제1 도전형 반도체층(32)의 상면에 배치되며, 제2 전극(36)은 제2 도전형 반도체층(34)의 하면에 배치될 수 있다. 도 10에 도시한 발광소자(30)의 활성층(33)에서 전자-정공 재결합에 의해 생성되는 빛은 제1 전극(35)이 배치되는 제1 도전형 반도체층(32)의 상면으로 방출될 수 있다. 따라서, 활성층(33)에서 생성되는 빛을 제1 도전형 반도체층(32)의 상면 방향으로 반사시킬 수 있도록, 제2 전극(36)은 높은 반사율을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 제2 전극(36)은 Ag, Al, Ni, Cr, Cu, Au, Pd, Pt, Sn, Ti, W, Rh, Ir, Ru, Mg, Zn 또는 이들을 포함하는 합금물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다음으로 도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자(50)가 개시되어 있다. 발광소자(50)는 기판(51)의 일면 상에 순차적으로 적층되는 제1 도전형 반도체층(52), 활성층(53), 제2 도전형 반도체층(54)과, 제1 및 제2 전극(55, 56)을 포함할 수 있다. 또한, 발광소자(50)는 절연부(57)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 전극(55, 56)은 각각 컨택 전극(55a, 56a)과 연결 전극(55b, 56b)을 포함할 수 있으며, 절연부(57)에 의해 노출되는 컨택 전극(55a, 56a)의 일부 영역이 연결 전극(55b, 56b)과 연결될 수 있다.
제1 컨택 전극(55a)은 제2 도전형 반도체층(54) 및 활성층(53)을 관통하여 제1 도전형 반도체층(52)과 접속된 도전성 비아로 제공될 수 있다. 제2 컨택 전극(56a)은 제2 도전형 반도체층(54)과 접속될 수 있다. 도전성 비아는 하나의 발광소자 영역에 복수 개 형성될 수 있다.
제1 및 제2 도전형 반도체층(52, 54) 상에 도전성 오믹 물질을 증착하여 제1 및 제2 컨택 전극(55a, 56a)을 형성할 수 있다. 제1 및 제2 컨택 전극(55a, 56a)은 Ag, Al, Ni, Cr, Cu, Au, Pd, Pt, Sn, Ti, W, Rh, Ir, Ru, Mg, Zn 또는 이들을 포함하는 합금물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 제2 컨택 전극(56a)은 활성층(53)에서 생성되어 발광소자(50)의 하부로 방출되는 빛을 반사시키는 역할을 할 수 있다.
절연부(57)는 제1 및 제2 컨택 전극(55a, 56a)의 적어도 일부를 노출시키는 오픈 영역을 구비하며, 제1 및 제2 연결 전극(55b, 56b)은 제1 및 제2 컨택 전극(55a, 56a)과 각각 연결될 수 있다. 절연부(57)는 SiO2 및/또는 SiN CVD 공정을 통해 500 이하에서 0.01㎛ ~ 3㎛ 두께로 증착될 수 있다. 제1 및 제2 전극(55, 56)은 발광소자 패키지에 플립칩 형태로 실장될 수 있다.
제1, 제2 전극(55, 56)은 절연부(57)에 의하여 서로 전기적으로 분리될 수 있다. 절연부(57)는 전기적으로 절연 특성을 갖는 물질이면 어느 것이나 사용할 수 있지만, 발광소자(50)의 광 추출 효율 저하를 방지하기 위해 광흡수율이 낮은 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, SiO2, SiOxNy, SixNy 등의 실리콘 산화물, 실리콘 질화물을 이용할 수 있을 것이다. 필요에 따라, 광투과성 물질 내에 광 반사성 필러를 분산시켜 광반사 구조를 형성할 수 있다.
기판(51)은 서로 대향하는 제1 및 제2 면을 가질 수 있으며, 제1 및 제2 면 중 적어도 하나에는 요철 구조가 형성될 수도 있다. 기판(51)의 일면에 형성될 수 있는 요철 구조는 기판(51)의 일부가 식각되어 기판(51)과 동일한 물질로 이루어지거나, 기판(51)과 다른 이종 물질로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 기판(51)과 제1 도전형 반도체층(52)의 계면에 요철 구조를 형성함으로써, 활성층(53)으로부터 방출된 광의 경로가 다양해 질 수 있으므로, 빛이 반도체층 내부에서 흡수되는 비율이 감소하고 광 산란 비율이 증가하여 광 추출 효율이 증대될 수 있다. 또한, 기판(51)과 제1 도전형 반도체층(52) 사이에는 버퍼층이 마련될 수도 있다.
다음으로 도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자(60)는 나노 발광구조물을 갖는 발광소자(60)일 수 있다. 발광소자(60)는 제1 도전형 반도체 물질을 포함하는 베이스층(62`), 베이스층(62`) 상에 마련되어 복수의 개구부를 제공하는 마스크층(67), 마스크층(67)이 제공하는 개구부에 형성되는 나노 코어(62)를 포함할 수 있다. 나노 코어(62) 상에는 활성층(63) 및 제2 도전형 반도체층(64)이 마련될 수 있다. 나노 코어(62), 활성층(63), 및 제2 도전형 반도체층(64)은 나노 발광구조물을 제공할 수 있다.
제2 도전형 반도체층(64) 상에는 제2 컨택 전극(66a)이 마련될 수 있으며, 제2 컨택 전극(66a)의 일면에는 제2 연결 전극(66b)이 마련될 수 있다. 제2 컨택 전극(66a)과 제2 연결 전극(66b)은 제2 전극(66)으로 제공될 수 있다. 제2 전극(66)의 일면에는 지지 기판(61)이 부착될 수 있으며, 지지 기판(61)은 전도성 또는 절연성 기판일 수 있다. 지지 기판(61)이 전도성을 갖는 경우, 지지 기판(61)은 발광소자 패키지의 회로 기판에 직접 실장될 수 있다. 제1 도전형 반도체 물질을 포함하는 베이스층(62`) 상에는 제1 전극(65)이 마련될 수 있다. 제1 전극(65)은 발광소자 패키지의 회로 기판에 포함되는 회로 패턴과 와이어 등으로 연결될 수 있다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치에 적용될 수 있는 백색 광원 모듈을 간단하게 나타내는 도이다. 한편, 도 15는 도 14a 및 도 14b에 도시한 백색 광원 모듈의 동작을 설명하기 위해 제공되는 CIE 1931 좌표계이다.
도 14a 및 도 14b에 도시된 백색 광원 모듈은 각각 회로 기판 상에 탑재된 복수의 발광 소자 패키지를 포함할 수 있다. 하나의 백색 광원 모듈에 탑재된 복수의 발광소자 패키지는 동일한 파장의 빛을 발생시키는 동종(同種)의 패키지로도 구성될 수 있으나, 본 실시예와 같이, 서로 상이한 파장의 빛을 발생시키는 이종(異種)의 패키지로 구성될 수도 있다.
도 14a를 참조하면, 백색 광원 모듈은 색온도 4000K 와 3000K인 백색 발광 소자 패키지('40','30')와 적색 발광 소자 패키지(赤)를 조합하여 구성될 수 있다. 상기 백색 광원 모듈은 색온도 3300K ~ 4000K 범위로 조절 가능하고 연색성 Ra도 95 ~ 100 범위인 백색광을 제공할 수 있다.
다른 실시예에서, 백색 광원 모듈은, 백색 발광소자 패키지만으로 구성되되, 일부 패키지는 다른 색온도의 백색광을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 14b에 도시된 바와 같이, 색온도 2400K인 백색 발광 소자 패키지('27')와 색온도 5000K인 백색 발광 소자 패키지('50')를 조합하여 색온도 2400K ~ 5000K 범위로 조절 가능하고 연색성 Ra가 85 ~ 99인 백색광을 제공할 수 있다. 여기서, 각 색온도의 발광 소자 패키지 수는 주로 기본 색온도 설정 값에 따라 개수를 달리할 수 있다. 예를 들어, 기본 설정 값이 색온도 4000K 부근의 조명장치라면 4000K에 해당하는 패키지의 개수가 색온도 3300K 또는 적색 발광 소자 패키지 개수보다 많도록 할 수 있다.
이와 같이, 이종의 발광 소자 패키지는 청색 발광 소자에 황색, 녹색, 적색 또는 오렌지색의 형광체를 조합하여 백색광을 발하는 발광 소자와 보라색, 청색, 녹색, 적색 또는 적외선 발광 소자 중 적어도 하나를 포함하도록 구성하여 백색광의 색온도 및 연색성(Color Rendering Index: CRI)을 조절하도록 할 수 있다. 상술한 백색 광원 모듈은 다양한 형태의 조명 장치에 광원으로서 채용될 수 있다.
단일 발광소자 패키지에서는, 발광소자인 LED 칩의 파장과 형광체의 종류 및 배합비에 따라, 원하는 색의 광을 결정하고, 백색광일 경우에는 색온도와 연색성을 조절할 수 있다.
예를 들어, LED 칩이 청색광을 발광하는 경우, 황색, 녹색, 적색 형광체 중 적어도 하나를 포함한 발광 소자 패키지는 형광체의 배합비에 따라 다양한 색온도의 백색광을 발광하도록 할 수 있다. 이와 달리, 청색 LED 칩에 녹색 또는 적색 형광체를 적용한 발광 소자 패키지는 녹색 또는 적색광을 발광하도록 할 수 있다. 이와 같이, 백색광을 내는 발광 소자 패키지와 녹색 또는 적색광을 내는 패키지를 조합하여 백색광의 색온도 및 연색성을 조절하도록 할 수 있다. 또한, 보라색, 청색, 녹색, 적색 또는 적외선을 발광하는 발광 소자 중 적어도 하나를 포함하도록 구성할 수도 있다.
이 경우, 조명 장치는 연색성을 나트륨(Na)등에서 태양광 수준으로 조절할 수 있으며, 또한 색온도를 1500K에서 20000K 수준으로 다양한 백색광을 발생시킬 수 있으며, 필요에 따라서는 보라색, 청색, 녹색, 적색, 오렌지색의 가시광 또는 적외선을 발생시켜 주위 분위기 또는 기분에 맞게 조명 색을 조절할 수 있다. 또한, 식물 성장을 촉진할 수 있는 특수 파장의 광을 발생시킬 수도 있다.
청색 발광 소자에 황색, 녹색, 적색 형광체 및/또는 녹색, 적색 발광 소자의 조합으로 만들어지는 백색광은 2개 이상의 피크 파장을 가지며, 도 14에 도시된 바와 같이, CIE 1931 좌표계의 (x, y) 좌표가 (0.4476, 0.4074), (0.3484, 0.3516), (0.3101, 0.3162), (0.3128, 0.3292), (0.3333, 0.3333)을 잇는 선분 영역 내에 위치할 수 있다. 또는, 선분과 흑체 복사 스펙트럼으로 둘러싸인 영역에 위치할 수 있다. 백색광의 색온도는 1500K ~ 20000K 사이에 해당한다. 도 14에서 상기 흑체 복사 스펙트럼 하부에 있는 점E(0.3333, 0.3333) 부근의 백색광은 상대적으로 황색계열 성분의 광이 약해진 상태로 사람이 육안으로 느끼기에는 보다 선명한 느낌 또는 신선한 느낌을 가질 수 있는 영역의 조명 광원으로 사용 될 수 있다. 따라서 상기 흑체 복사 스펙트럼 하부에 있는 점E(0.3333, 0.3333) 부근의 백색광을 이용한 조명 제품은 식료품, 의류 등을 판매하는 상가용 조명으로 효과가 좋다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치를 포함하는 백라이트 유닛을 설명하기 위해 제공되는 도이다.
도 16을 참조하면, 백라이트 유닛(1000)은 도광판(1040) 및 도광판(1040) 양측면에 제공되는 광원모듈(1010)을 포함할 수 있다. 또한, 백라이트 유닛(1000)은 도광판(1040)의 하부에 배치되는 반사판(1020)을 더 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 백라이트 유닛(1000)은 에지형 백라이트 유닛일 수 있다.
실시예에 따라, 광원모듈(1010)은 도광판(1040)의 일 측면에만 제공되거나, 다른 측면에 추가적으로 제공될 수도 있다. 광원모듈(1010)은 인쇄회로기판(1001) 및 인쇄회로기판(1001) 상면에 실장된 복수의 광원(1005)을 포함할 수 있다. 복수의 광원(1005)은 도 1 내지 도 9를 참조하여 설명한 바와 같은 LED 구동 장치(110, 210, 310)에 의해 구동될 수 있다.
도 17의 백라이트 유닛들(1500)은 파장변환부(1550)가 광원(1505)에 배치되지 않고, 광원(1505)의 외부에서 백라이트 유닛들(1500) 내에 배치되어 빛을 변환시킬 수 있다.
도 17을 참조하면, 백라이트 유닛(1500)은 직하형 백라이트 유닛으로, 파장변환부(1550), 파장변환부(1550)의 하부에 배열된 광원모듈(1510) 및 광원모듈(1510)을 수용하는 바텀케이스(1560)를 포함할 수 있다. 또한, 광원모듈(1510)은 인쇄회로기판(1501) 및 인쇄회로기판(1501) 상면에 실장된 복수의 광원(1505)을 포함할 수 있다.
본 실시예의 백라이트 유닛(1500)에서는, 바텀케이스(1560) 상부에 파장변환부(1550)가 배치될 수 있다. 따라서, 광원모듈(1510)로부터 방출되는 빛의 적어도 일부가 파장변환부(1550)에 의해 파장 변환될 수 있다. 파장변환부(1550)는 별도의 필름으로 제조되어 적용될 수 있으나, 도시되지 않은 광 확산판과 일체로 결합된 형태로 제공될 수 있다.
도 17에서의 파장변환부(1550)에는 통상적인 형광체가 포함될 수 있다. 특히, 광원으로부터의 열 또는 수분에 취약한 양자점의 특성을 보완하기 위하여 양자점 형광체를 사용하는 경우, 도 17에 개시된 파장변환부(1550) 구조를 백라이트 유닛(1500)에 활용할 수 있다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 디스플레이 장치의 개략적인 분해사시도이다.
도 18을 참조하면, 디스플레이 장치(2000)는, 백라이트 유닛(2100), 광학시트(2200) 및 액정 패널과 같은 화상 표시 패널(2300)을 포함할 수 있다.
백라이트 유닛(2100)은 바텀케이스(2110), 반사판(2120), 도광판(2140) 및 도광판(2140)의 적어도 일 측면에 제공되는 광원모듈(2130)을 포함할 수 있다. 광원모듈(2130)은 인쇄회로기판(2131) 및 광원(2132)을 포함할 수 있다. 특히, 광원(2105)은 도 1 내지 도 9를 참조하여 설명한 바와 같은 LED 구동 장치(110, 210, 310)에 의해 구동될 수 있다.
광학시트(2200)는 도광판(2140)과 화상 표시 패널(2300)의 사이에 배치될 수 있으며, 확산시트, 프리즘시트 또는 보호시트와 같은 여러 종류의 시트를 포함할 수 있다.
화상 표시 패널(2300)은 광학시트(2200)를 출사한 빛을 이용하여 영상을 표시할 수 있다. 화상 표시 패널(2300)은 어레이 기판(2320), 액정층(2330) 및 컬러 필터 기판(2340)을 포함할 수 있다. 어레이 기판(2320)은 매트릭스 형태로 배치된 화소 전극들, 상기 화소 전극에 구동 전압을 인가하는 박막 트랜지스터들 및 상기 박막 트랜지스터들을 작동시키기 위한 신호 라인들을 포함할 수 있다. 컬러 필터 기판(2340)은 투명기판, 컬러 필터 및 공통 전극을 포함할 수 있다. 상기 컬러 필터는 백라이트 유닛(2100)으로부터 방출되는 백색광 중 특정 파장의 빛을 선택적으로 통과시키기 위한 필터들을 포함할 수 있다. 액정층(2330)은 상기 화소 전극 및 상기 공통 전극 사이에 형성된 전기장에 의해 재배열되어 광투과율을 조절할 수 있다. 광투과율이 조절된 빛은 컬러 필터 기판(2340)의 컬러 필터를 통과함으로써 영상을 표시할 수 있다. 화상 표시 패널(2300)은 영상 신호를 처리하는 구동회로 유닛 등을 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 디스플레이 장치(2000)에 따르면, 상대적으로 작은 반치폭을 가지는 청색광, 녹색광 및 적색광을 방출하는 광원(2132)을 사용하므로, 방출된 빛이 컬러 필터 기판(2340)을 통과한 후 높은 색순도의 청색, 녹색 및 적색을 구현할 수 있다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치로서 통신 모듈을 포함하는 램프를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 조명 장치(4300)는, 도 19에 도시한 실시예에 따른 조명 장치(4200)와 달리 광원 모듈(4240)의 상부에 반사판(4310)이 포함되어 있으며, 반사판(4310)은 광원으로부터의 빛을 측면 및 후방으로 고르게 퍼지게 하여 눈부심을 줄일 수 있다.
반사판(4310)의 상부에는 통신 모듈(4320)이 장착될 수 있으며 상기 통신 모듈(4320)을 통하여 홈-네트워크(home-network) 통신을 구현할 수 있다. 예를 들어, 통신 모듈(4320)은 지그비(Zigbee), 와이파이(WiFi) 또는 라이파이(LiFi)를 이용한 무선 통신 모듈일 수 있으며, 스마트폰 또는 무선 컨트롤러를 통하여 조명 장치의 온(on)/오프(off), 밝기 조절 등과 같은 가정 내외에 설치되어 있는 조명을 컨트롤 할 수 있다. 또한 가정 내외에 설치되어 있는 조명 장치의 가시광 파장을 이용한 라이파이 통신 모듈을 이용하여 TV, 냉장고, 에어컨, 도어락, 자동차 등 가정 내외에 있는 전자 제품 및 자동차 시스템의 컨트롤을 할 수 있다.
반사판(4310)과 통신 모듈(4320)은 커버부(4330)에 의해 커버될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100: 조명 장치
110: LED 구동 장치
111: 전원 공급 회로
112: 컨트롤러 IC
113: 전류 제어 회로
120: 광원
130: 전원

Claims (10)

  1. 서로 다른 색온도를 갖는 빛을 출력하는 복수의 LED 그룹에 구동 전원을 공급하는 전원 공급 회로;
    상기 복수의 LED 그룹 각각에 흐르는 전류의 크기를 제어하는 전류 제어 회로; 및
    상기 복수의 LED 그룹 각각에 포함된 LED의 온/오프 동작을 제어하는 컨트롤러 IC; 를 포함하고,
    상기 컨트롤러 IC는 상기 복수의 LED 그룹 각각에 포함된 LED 중 적어도 하나의 온/오프 동작을, 다른 LED 그룹에 포함되는 LED의 온/오프 동작과 함께 제어하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류 제어 회로는,
    상기 복수의 LED 그룹 각각에 연결되는 복수의 저항 소자; 및
    상기 복수의 LED 그룹 각각에 연결되고, 제어 단자로 입력되는 제어 신호에 따라 상기 복수의 저항 소자에 흐르는 전류를 조절하는 복수의 트랜지스터; 를 포함하고,
    상기 복수의 저항 소자 각각에 흐르는 전류와 상기 색온도 제어 신호에 대응하는 전류를 비교하여 상기 제어 신호의 크기를 결정하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전류 제어 회로는,
    상기 복수의 LED 그룹 각각에 흐르는 전류를 감지하는 전류 감지 회로;
    상기 전류 감지 회로가 감지한 전류에 기초하여 제어신호를 생성하는 제어 신호 생성 회로; 및
    상기 제어 신호를 인가 받아 상기 복수의 그룹 각각에 대해 흐르는 전류를 조절하는 전류 조절 회로; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러 IC는, 광속 제어 신호를 수신하여 상기 복수의 LED 그룹 각각의 광속을 제어하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러 IC는, 상기 복수의 LED 그룹 각각에 포함된 LED 중 적어도 일부의 온/오프 동작을 동시에 변경하는 적어도 하나의 공통 제어 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 LED 그룹 중 적어도 일부와 상기 컨트롤러 IC 사이에 연결되어 상기 복수의 LED 그룹 각각에 흐르는 전류가 다른 LED 그룹으로 유입되는 것을 차단하는 복수의 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러 IC는, 상기 복수의 LED 그룹 각각에 포함된 적어도 일부의 LED에 대해 순번을 부여하여 상기 순번에 따라 순차적으로 상기 적어도 일부의 LED의 온/오프 동작을 제어하고, 상기 복수의 LED 그룹에서 서로 같은 순번을 갖는 LED의 온/오프 동작을 함께 제어하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 LED 그룹 각각에 포함되는 LED의 개수는 서로 동일하며,
    상기 컨트롤러 IC는, 상기 복수의 LED 그룹 각각에 포함된 LED의 온/오프 동작을, 다른 LED 그룹에 포함되는 LED의 온/오프 동작과 함께 제어하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  9. 서로 다른 색온도를 갖는 빛을 출력하고 순차적으로 직렬 연결되는 제1 내지 제n LED 어레이를 포함하는 광원;
    교류 전원을 정류하여 상기 제1 내지 제n LED 어레이에 구동 전원을 공급하는 전원 공급 회로;
    상기 제1 내지 제n LED 어레이 각각에 흐르는 전류의 크기를 제어하는 전류 제어 회로; 및
    상기 제1 내지 제n LED 어레이 각각의 온/오프 동작을 제어하는 컨트롤러 IC; 를 포함하고,
    상기 컨트롤러 IC는 상기 제1 내지 제n LED 어레이 각각에 포함된 LED 중 적어도 하나의 온/오프 동작을, 다른 LED 어레이에 포함되는 LED의 온/오프 동작과 함께 제어하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 내지 제n LED 어레이가 실장되는 기판을 더 포함하고,
    상기 제1 내지 제n LED 어레이는 서로 교차하여 배치되는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
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