KR20210141246A - 의료용 2광원 이원조명 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 의료용 조명에 관한 기술로서, 보다 구체적으로는 근자외선 LED패키지를 포함하는 2광원 이원조명 기술이다. 멸균용 근자외선 LED패키지와 고연색 LED패키지 기술이 동시에 구현되는 의료용 조명기술이다. 동일한 근자외선 LED패키지를 사용함으로써 불필요한 광배합 과정 없이 추가 멸균 자외선 효과가 기대된다. 그리고 2광원 LED패키지 조합으로 강화된 멸균 효과를 극대화 시키는 방법과 이를 활용한 의료용으로 적용 가능한 일반 조명소자에 관한 기술이다.

Description

의료용 2광원 이원조명 제조방법 {Method for manufacture of binary lighting based two different light emitting diode packages for medical application and devices prepared therefrom}

본 발명은 바이러스를 포함한 유해 세균을 멸균시키는 기술로서, 보다 구체적으로는 근자외선 LED패키지를 활용하여 살균 작용 뿐 아니라 일반조명으로 사용할 수 있는 이원조명 기술을 포함한다. 즉, 근자외선 LED패키지를 공통으로 사용하여 살균시키는 기능과 일반조명 기능을 조합시킨 ‘이원조명 (Binary lighting)’ 시스템 개발이다. 근자외선은 인체에 무해한 광원으로 일반조명 패키지로 사용될 수 있다. 본 기술은 살균 목적으로 근자외선 분율을 극대화 시키고 동시에 고연색과 고신뢰성 조명기술을 구현하는 패키지 조합기술이다.

자외선은 400nm의 파장을 기준으로 가시광선과 구분되며, 400nm 이하의 파장을 갖는 빛을 통상적으로 자외선이라 일컫는다. 자외선은 에너지가 가시광선보다 크기 때문에 동식물의 생장과 사멸에 많은 영향을 미친다. 자연계의 태양광도 자외선에 해당하는 파장의 빛을 방출한다. 일반적으로 자외선은 에너지가 큰 순서로 빛의 종류를 나열하면, 심자외선 (Far-UV, 100~200nm), 자외선 C (UVC, 200~280nm), 자외선 B (UVB, 280~315nm), 자외선 A (UVA, 315~400nm)로 분류된다. 에너지가 큰 자외선일수록 살아있는 세포에 이 빛을 조사할 경우에 큰 피해를 입힌다. 예로서 심자외선 이나 자외선 C의 빛은 에너지가 크기 때문에 수 초 시간동안 만 빛을 쪼여도 많은 질병을 일으키는 바이러스나 박테리아를 박멸할 수 있다. 그러므로, 이러한 큰 에너지의 심자외선이나 자외선 C를 활용하면 현재 인류가 고통을 받고있는 유해 바이러스 균을 박멸할 수 있으므로 매우 유용한 광원이 된다. 이에 따라 현재 중압 수은등이 주로 자외선 C 빛인 250nm을 발생시키므로 이 등이 의료용으로 널리 적용되고 있다.

그러나 에너지가 큰 자외선이 의료용으로 적용될 때 바이러스나 세균을 박멸할 뿐 아니라 동시에 인간과 동물에 피해를 줄 수 있다. 그러므로 인체에는 무해하지만 바이러스 및 세균을 선택적으로 파괴할 수 있는 새로운 광원의 개발이 시급한 현실이다. 400~450nm는 근자외선 영역이므로 통상적인 400nm 이하의 파장 범위인 자외선의 영역에 포함되지 않는다. 근자외선은 심자외선, 자외선 C, 자외선 B, 자외선 A 와 비교할 때 에너지가 낮음에도 불구하고 바이러스를 포함한 유해 세균 제거에 효과가 있음이 최근 과학자들로부터 보고되고 있다.

멸균용 조명개발에 가장 큰 걸림돌은 두 가지로 구분된다. 첫째 자외선 C 또는 심적외선이 멸균에 가장 효과적이므로, 이 빛을 발생시키는 ‘중압 수은등’(Medium pressure mercury lamp)이 유일한 광원 (파장 250nm)으로 개발되어 의료용으로 상품화되어 있다. 그러나 이 용도의 수은등은 RoHS (Restriction of Hazardous Substances Directive, 유해물질 제한지침) 규정상 향후 제조가 어려울 전망이며, 에너지가 큰 ‘플라즈마’ 상태에서 점등시키므로 다양한 용도로 개발하기에는 사용자의 에너지 경제적 측면이나 제품에 적용 시 편리성에 큰 제약이 있다. 이를 대체하기 위한 고체조명인 LED는 현재까지 이 파장 범위에서 매우 낮은 발광효율을 보인다. 예를 들어 자외선 C를 방출하는 LED칩은 AlInGaN 으로부터 제조된다. 그러나, 현재 알려진 InGaN에 Al을 도핑한 칩-스케일 생산이 경제성을 확보하고 있지 못한 실정이다. 둘째 저압-수은등은 의료용으로 현재 사용되며, 멸균실 또는 무균실이 필요한 연구용 또는 환자치료용 목적으로 사용되고 있다. 그러나 이 수은등 사용에는 철저한 안전 수칙이 요구된다. 관리자의 감독하에 무인 조건에서 점등과 소등이 진행된다. 가장 인체에 해독이 큰 이 빛이 직접적으로 인체에 노출될 때에는 각별한 주의가 요구된다. 노출 부위에 따라 다양한 피해 사례가 직접적인 보고되었다. 자외선이 피부에 집중될 때 피부변성이 진행되며 보호장구 없이 자외선을 관측할 경우 눈의 각막이 손상된다. 이러한 이유로 세균 박멸기능이 추가된 광원을 개발하기가 매우 어려운 현실이다. 즉, 인체에 무해하고 동시에 경제성이 확보된 멸균용 LED광원이 개발되어 있지 못한 현실이다.

405nm 근자외선 파장의 빛을 주된 광원으로 바이러스 및 세균을 박멸시키고 동시에 고효율, 고연색의 차세대 의료용 복합기능의 조명 기술개발이 본 특허의 핵심이다. 최근에는 인체에 노출되어도 유해한 영향을 주지 않는 가시광선 영역(400~700nm)을 이용한 살균에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있는데, 그 중 405nm-LED를 사용한 경우 살균이 특히 효과가 있다고 알려져 있다. 405nm-LED와 520nm-LED를 이용한 살균 효과를 비교한 결과 405nm-LED가 훨씬 우수한 살균 성능을 나타낸다고 보고되었고, 405nm-LED를 이용하여 병원에서나 일상에서 자주 발생하는 세균에 대하여 ‘그람-양성균’과 ‘그람-음성균’ 모두에 살균 효과가 있다고 보고되었다. 405nm-LED는 세균뿐만 아니라 ‘Aspergillus niger’와 같은 진균에서도 살균 효과가 명확하게 드러나고, 자외선을 이용한 살균보다는 효과가 약 하지만 가시광선 LED의 장점들은 상품적으로 잠재력이 있기에 다양한 분야에서 응용될 수 있음이 강조되고 있다.

그러나 현재까지 진행된 연구들은 초기연구에 그치고 있는 수준이므로, 대체로 가시광선 파장의 단순적용에 국한되어 있다. 가시광선 영역의 405nm-LED 광원과 이에 대비한 적, 녹, 청색 파장의 LED 광원의 상대적인 비교 수치가 필요한 상황이다. 그러나, 현실은 405nm-LED 광원의 효율이 낮아 가시광선을 활용한 멸균 광원 개발에 어려움이 있다. 또한 전술한 이유로 405nm의 광원만으로는 일반조명 개발이 불가능하다. 현재 다양한 근자외선을 활용한 고연색 일반조명이 알려져 있다. 이 경우 405nm의 근자외선이 광원이 아닌 415nm의 진청색 광원이 활용되고 있다. 이 경우에는 본 기술이 강조하는 멸균작용이 미미한 실정이다.

본 기술에서는 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 405nm의 근자외선 LED패키지를 주광원으로 사용한다. 이 LED패키지가 적용될 경우 멸균력 확보에 충분한 에너지 밀도의 광속을 확보할 수 있으며, 동시에 동일 패키지를 활용하여 적, 녹, 청색으로 에너지 이동을 극대화 시킬 수 있다. 즉, 2종류의 패키지를 광원으로 이용하는 ‘이원 근자외선 LED패키지’ 기술이 본 기술의 다양한 일반조명으로 적용을 가능하게 한다. 현재 405nm 근자외선 발광 LED패키지를 이원 패키지로 활용한 일반 조명기구 개발은 알려진 바 없다. 다만 근자외선 영역의 405nm 또는 415nm의 LED광원을 활용한 고연색 패키지 기술은 알려져 있을 뿐이다. (특허문헌 1~3)

특허문헌 1: PCT 등록특허공보 WO2015030276A1 특허문헌 2: PCT 등록특허공보 WO2015072599A1 특허문헌 3: 유럽연합 등록특허공보 EP3035395A1

본 발명은 405nm 중심 파장의 근자외선 LED패키지와 이를 여기 광원으로 활용하여 적, 녹, 청색의 가시광선을 발생시키는 이원 LED패기지 기반 신광원 개발에 관한 기술이다. 고연색 광원으로서 연색지수 99를 상회하는 LED패키지를 멸균 광원의 보조 광원으로 활용하는 기술이다. 자외선의 유해성과 멸균등으로의 수은 사용 제약을 감안한 최적의 근자외선을 활용한 차세대 일반 보급형 의료용 조명기술이다. 가시광선의 광배합에 따른 살균 효과를 극대화 시킨 광원기술이다. 2종류의 LED광원 패키지를 이용하여 광특성 제어를 통한 스펙트럼 아키텍쳐가 이루어졌다.

405nm 중심 파장의 근자외선 LED패키지 개발 과제는 보조 고연색 LED패키지 조합에 따라 멸균 파장의 강도를 증감할 수 있도록 설계할 수 있다. 기본 멸균 중심 기능은, 405nm 중심 파장의 근자외선 LED패키지에서 기인되며, 일반 조명용 적용을 위한 보조 광원은 연색지수가 99를 상회하는 고연색 LED패키지이며, 상기 405nm 중심 파장의 근자외선 LED패키지에서 발생된 자외선을 감응하여 적, 녹, 청색의 빛을 효과적으로 발광시키도록 구성된 하나 또는 둘 이상의 이원 LED패키지를 조명 등기구에 포함시킬 수 있다. 스펙트럼 아키텍쳐를 수행하기 위해서 패키지 기반 스펙트럼 설계가 진행되었으며 이를 통해 근자외선 LED칩이 선정되었다. 이후 스펙트럼 합성기술이 진행되었으며 이는 2종류의 광원 패키지 합성과정을 거쳐 각각 연색지수 99와 405nm 빛을 발생시키는 패키지를 개발하였다. 최종적으로 광특성이 최적화되었으며 이는 2종류의 모듈간 조합을 통해 2광원 조명기술로 확립되었다.

본 발명의 405nm 중심 파장의 근자외선 LED패키지 개발 과제는 보조 고연색 LED패키지 조합에 따라 멸균 파장의 강도를 증감할 수 있도록 설계할 수 있다. 그러므로 멸균 특성과 동시에 일반조명으로의 효용성이 극대화된다. 일반조명의 적용을 위하여 비교 대상으로 0.3W급 5630 LED패키지를 활용하여 고연색을 달성하였다. 이때 색온도는 6000K이며 연색지수는 99를 상회한다. 조합되는 멸균용 405nm 중심 파장의 근자외선 LED패키지 증감으로 멸균력과 일반등의 효율과 연색성을 가변적으로 조절할 수 있다.

도 1은 2광원 조명기술에 대한 모식도이다.
도 2는 연색지수가 99를 상회하는 고연색 LED패키지 (A)와 405nm 중심 파장의 근자외선 LED패키지 (B)를 스펙트럼 아키텍쳐를 통한 최적의 비로 광원을 조합하는 2광원 조명기술을 나타내는 그림이다.
도 3은 스펙트럼 아키텍쳐 전 공정을 나타내는 단계도이다.
도 4는 근자외선 0.3W-5630 패키지를 기반 광원으로 사용하여, 스펙트럼 아키텍쳐를 2광원 조명 등기구로서 진행하였을 때, 이를 평가한 자료이다.

본 발명은 근자외선 LED패키지의 멸균 적용상 공정 이점 그리고 이후 경제성 확보에 본 특허의 목표가 설정되었다. 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시를 우선 목표로 삼고 있을 뿐이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범위를 분명하게 알려 본 기술이 기존의 통상개념의 근자외선 LED패키지 적용기술이 아님을 명확히 한다. 즉, 특별히 제조된 근적외선 이원 LED패키지 조합에 의해서만 멸균과 동시에 일반조명으로 고연색성 성능이 성공적으로 보장된다. 스펙트럼 아키텍쳐를 통한 칩 설정 기술, 패키지 합성 기술, 그리고 최종적인 광특성을 구현하기 위한 모듈 조합기술이 망라되어 있다. 그 결과 2광원 조명기술이 의료용 일반조명으로 사용될 수 있는 이원조명이 완성된다. 이에 포함된 기술이 본 특허에 실시된다.

본 기술은 근자외선 영역인 400~450nm 범위의 빛을 발생시키는 광원을 대상으로 삼는다. 본 기술은 상기 의료용 조명 개발의 한계를 극복한 근자외선 LED패키지를 활용한 조명 기술개발이다. 수은등의 불편함을 LED로써 극복하고 인체에 무해한 파장의 광원을 주광원으로 삼는 일반조명 등기구 개발이다. 즉, 이 기술 개발을 위해서는 근자외선 영역의 빛을 발생시키는 패키지의 개발이 필수적이다. 또한 살균 기능이 가미된 일반조명 개발을 위해서는 근자외선 빛을 방출 뿐 아니라, 일반조명으로 적용될 때 고효율과 고연색에 대한 추가적인 기능이 마련되어야 한다. 현재 전 세계적으로 창궐하는 인류에 치명적인 바이러스를 근원적으로 차단하기 위한 광원개발은 큰 의의가 있다. 그러므로 근자외선 광원이 선택적으로 일반조명으로 적용될 경우 이 기술의 파급 효과가 매우 클 것이다.

본 기술은 근자외선 LED패키지와 이를 기반으로 일반조명 등기구 제조에 관한 기술이다. 이 기술의 구성은 근자외선 칩과 이를 기반으로 적, 녹, 청색의 무기 광변환 소재를 활용한 고연색 LED패키지 제조기술로 구성된다. 근자외선 기반 고연색 LED패키지를 활용하여 멸균작용의 근자외선 영역에서부터 고연색의 적, 녹, 청색의 빛을 고르게 발생시키는 기술이다. 본 기술에 적용될 LED패키지가 멸균에 가장 유효한 중심 피크 405nm의 근자외선을 가장 효과적으로 발생시키는 중심이 된다. 본 기술은 멸균용 조명 측면에서 볼 때 크게 4가지 장점이 있다. 첫째, 405nm 파장의 근자외선을 효과적으로 발생시키는 LED패키지를 적용하는 기술이며, 둘째 근자외선 감응 적, 녹, 청색 광변환 무기소재를 통한 고연색 LED패키지를 활용하여 405nm 파장의 근자외선 LED패키지와 파장 조합 및 증감에 따른 최적의 이원 LED패키지 기반 의료용 조명구조의 최적화를 기대할 수 있다. 셋째, 사용되는 이원 LED패키지가 동일한 근자외선 LED패키지를 기반으로 제작되므로 조명기구 제작 시 발광효율과 연색성의 저하가 없다. 넷째, 사용되는 근자외선은 405nm의 중심 발광의 광원이므로 일반 조명적용에 안전하게 적용된다.

도 1을 참고하면, 2광원 조명기술은 스펙트럼 아키텍쳐를 통해 구현되며 3단계의 과정을 거친다. 스펙트럼 설계, 합성, 및 광 특성 구현 단계를 통해 칩이 선정되고, 이에 따른 패키지가 합성되며, 최종적으로 모듈 조합으로 달성된다.

도 2를 참고로 하여 본 발명에 따른 근자외선 LED패키지 적용에 대해 자세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 한 실시 예에 따른 조명용 적용을 위한 보조 광원은 연색지수가 99를 상회하는 고연색 LED패키지 패키지 (A)와 405nm 중심 파장의 근자외선 LED패키지 (B)와의 광 배합에 의한 이원 LED 패키지를 적용한 일반조명 패키지 성능을 나타낸다. 멸균 효과는 대략 405nm 중심의 발광스펙트럼으로 추정할 수 있다. 다만, 반드시 405nm 중심의 발광스펙트럼에 제한되는 것은 아니고, 후술할 추가 고연색 가시광선 LED패키지 조합에 따라 이원 LED패키지에서 근자외선 분율을 증대할 수 있는 것이라면 공지의 이원 LED패키지에서 선택적으로 채용될 수 있음은 물론이다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서, 도 3을 참고하여 스펙트럼 아키텍쳐의 구체적인 실험 예를 설명한다.

a) 1단계에서 스펙트럼 설계가 진행되며 본 기술에 적용될 근자외선 칩이 405nm 중심의 발광 광원이 포함된다. 이때 반치폭은 30nm 범위가 이 기술에 포함된다.

b) 2단계에서 실제 패키지를 대상으로 스펙트럼 합성이 진행되며 본 기술에 적용될 연색지수가 99를 상회하는 LED패키지 A와 405nm-LED 패키지 B가 생산된다.

c) 3단계에서 이원조명에 적용될 광특성을 체계화시키는 단계이다. 연색지수가 99를 상회하는 LED패키지 A와 405nm-LED 패키지 B로서 2광원으로 활용한다. 이 2광원 A와 B의 LED패키지를 이용하여 비교 평가된 등기구 시제품을 생산한다.

d) 최종적으로 2광원-이원조명의 최적화가 연색지수가 99를 상회하는 LED패키지 A와 405nm-LED 패키지 B의 조성 비율이 ‘3A + 1B’이다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서, 도 4를 참고하여 실시 비교 예를 설명한다. 4개의 시제품용 샘플이 제작되었으며, 각각 CRI~99- (A)와 405nm- (B) LED패키지가 사용되었으며, LED패키지 구성 비율들이 각각, (1) 샘플 1 : 60A, (2) 샘플 2 : 45A + 15B, (3) 샘플 3 : 30A + 30B, (4) 샘플 4 : 60B 였다.

근자외선 0.3W-5630 LED패키지 기반 광원 스펙트럼의 아키텍쳐된 상기 시제품의 2광원-이원 등기구 성능을 평가하였다. 스펙트럼 아키텍쳐에 의한 등기구의 구체적인 성능 수치를 설명한다.

e) 일반조명의 적용을 위하여 비교대상으로 0.3W급 5630 근자외선 LED패키지 (A)를 활용하여 고연색을 달성하였다. 이때 색온도는 6000K이며 연색지수는 99를 상회한다.

f) 조합되는 멸균용 405nm 중심 파장의 0.3W급 5630 근자외선 LED패키지 (B) 증감으로 멸균력과 일반등의 효율과 연색성을 가변적으로 조절할 수 있다.

g) 15W급 광원으로 샘플 1이 제작되었으며 이때 사용한 패키지 A와 B의 비율은 60 : 0 이며, 색온도는 6,052 K, 연색지수는 99, 광속은 1234 lm, 그리고 405nm 분율이 15% 였다.

h) 15W급 광원으로 샘플 2가 제작되었으며 이때 사용한 패키지 A와 B의 비율은 45 : 15 이며, 색온도는 7,166 K, 연색지수는 93, 광속은 940 lm, 그리고 405nm 분율이 30% 였다.

i) 15W급 광원으로 샘플 3이 제작되었으며 이때 사용한 패키지 A와 B의 비율은 30 : 30 이며, 색온도는 11,900 K, 연색지수는 80, 광속은 625 lm, 그리고 405nm 분율이 60% 였다.

j) 15W급 광원으로 샘플 4가 제작되었으며 이때 사용한 패키지 A와 B의 비율은 0 : 60 이며, 색온도는 100,000 K, 연색지수는 8, 광속은 7 lm, 그리고 405nm 분율이 100% 였다.

Claims (6)

1. 의료용과 동시에 일반조명으로 적용시키기 위하여 연색지수가 99이상인 LED 패키지 A; 및 중심발광 피크가 405nm인 LED 패키지 B;의 조합으로 이루어지는 2광원-이원조명.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 LED 패키지 A와 상기 LED 패키지 B의 조성비는 3:1인 2광원-이원조명.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 LED 패키지 B의 증감으로 멸균력과 연색성을 가변적으로 조절할 수 있는 2광원-이원조명.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 LED 패키지 B의 반치폭은 30nm인 2광원-이원조명.
   
5. 중심발광 피크가 405nm인 LED 패키지 B를 결정하는 스펙트럼 설계단계;
   상기 LED 패키지 B와 연색지수가 99이상인 LED 패키지 A를 조합하는 스펙트럼 합성단계;
   상기 LED 패키지 A와 LED 패키지 B의 조성비 조절을 통하여 멸균력과 연색성을 가변적으로 조절하는 광 특성 구현단계;를 포함하는 2광원-이원조명의 제조방법.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 LED 패키지 A와 상기 LED 패키지 B의 조성비는 3:1인 2광원-이원조명의 제조방법.

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