WO2013024910A1 - 색온도 조절이 가능한 ｌｅｄ 장치 - Google Patents

색온도 조절이 가능한 ｌｅｄ 장치 Download PDF

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WO2013024910A1
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led
white
light source
source unit
color temperature
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PCT/KR2011/005991
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문경미
이영진
채정혜
김형근
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삼성전자주식회사
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V23/00—Arrangement of electric circuit elements in or on lighting devices
    • F21V23/04—Arrangement of electric circuit elements in or on lighting devices the elements being switches
    • F21V23/0442—Arrangement of electric circuit elements in or on lighting devices the elements being switches activated by means of a sensor, e.g. motion or photodetectors
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/20—Controlling the colour of the light
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2113/00—Combination of light sources
    • F21Y2113/10—Combination of light sources of different colours
    • F21Y2113/13—Combination of light sources of different colours comprising an assembly of point-like light sources
    • F21Y2113/17—Combination of light sources of different colours comprising an assembly of point-like light sources forming a single encapsulated light source

Definitions

  • the present invention relates to an LED device, and more particularly, to a white LED device capable of color temperature adjustment, and an LED device capable of realizing white or full color having high color rendering and various color temperatures while maintaining the luminous flux.
  • LED Light Emitting Diode
  • white LED is advantageous in terms of performance improvement such as color reproducibility, environment and power consumption. It is attracting attention as a light source.
  • the white LED has a short wavelength LED chip and a phosphor that absorbs the light from the chip and converts the light into a long wavelength.
  • the white LED is mixed with the light emitted from the LED chip to realize white color.
  • This type of white LED can realize a change in color temperature, in particular, a correlated color temperature (also referred to simply as CCT), depending on the level of injection current applied to the LED chip, but the range of the color temperature is very narrow. .
  • CCT correlated color temperature
  • there is a change in the amount of light depending on the current level applied to the LED chip it is actually impossible to perform a wide range of color tuning (light reduction) with a single LED chip.
  • white, red, blue, and green LEDs can be combined.
  • Red, blue, and green LEDs exhibit a spectrum generated by light emission due to a transition in a band gap of a semiconductor layer, unlike a fluorescence spectrum generated by a phosphor, and thus a monochromatic light source having a very narrow half width of 20 nm or less. to be. Therefore, although various color coordinates can be realized through the combination thereof, it is difficult to secure natural white color with high color rendering (hight CRI).
  • an LED device that implements white light by separately providing one white LED and LEDs for each wavelength of red, blue, and green and controlling them separately is proposed.
  • the LED device may also implement various color coordinates, but there is a limit in implementing high color rendering in a wide color temperature range from cold white to warm white as long as a monochromatic light source having a narrow half-width of red, green, and red is used.
  • One object of the present invention is to provide a LED device capable of adjusting the color temperature, but can implement a high color rendering natural white in a wide color temperature range.
  • Another object of the present invention is to provide a LED device that can implement a full color including a high color rendering of natural color in a wide color temperature range while maintaining the luminous flux while controlling the color temperature.
  • an LED device including: a first LED light source unit including at least one first white LED and emitting white light having a first color temperature; A second LED light source unit having at least one second white LED and emitting white light having a second color temperature different from the first color temperature; And a variable resistor connected to at least one of the first and second LED light source parts to adjust a current supplied to at least one of the first and second LED light source parts.
  • the first LED light source unit and the second LED light source unit may be connected in parallel.
  • the first LED light source unit may include a plurality of first white LEDs, but the plurality of first white LEDs may be connected in series.
  • the second LED light source unit may include a plurality of second white LEDs, and the plurality of second white LEDs may be connected in series.
  • At least one of the first white LED and the second white LED may include a blue LED chip and a yellow phosphor. At least one of the first white LED and the second white LED may include a combination of a blue LED chip, a yellow phosphor, a green phosphor, and a red phosphor. At least one of the first white LED and the second white LED may include a combination of an ultraviolet (UV) LED chip and a red phosphor, a green phosphor, and a blue phosphor.
  • UV ultraviolet
  • the first and second LED light source parts may be disposed on a substrate, and the LED device may further include a resin encapsulation part covering the entire first and second LED light source parts on the substrate.
  • the first color temperature may be 5000 to 10000K
  • the second color temperature may be 2500 to 4000K.
  • the LED device may further include a red LED, a green LED, and a blue LED driven separately from the first and second LED light source units.
  • the LED device may implement full color including white light by adjusting the first and second LED light source units and the current injected into the red, green, and blue LEDs.
  • the first and second LED light source units and the red LED, green LED, and blue LED are disposed on a substrate, and the LED device is on the substrate, and the first and second LED light source units and the red LED, green LED, and blue LED It may further include a resin encapsulation portion covering the whole.
  • the present invention not only the color temperature of the white light output from the LED device can be adjusted, but also high color rendering property can be secured to the white light of various color temperatures.
  • high color rendering property can be secured to the white light of various color temperatures.
  • the LED device according to the embodiment of the present invention can be effectively applied to high quality emotional lighting by implementing various color temperatures and maintaining high color rendering.
  • additional red, green, and blue LEDs it is possible to realize not only high color white lighting but also full color lighting in one module.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing an LED device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of the LED device 100 according to the embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a graph showing various spectra obtained from an LED device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating various color coordinates of white light obtained in the example of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a perspective view schematically showing an LED device according to another embodiment of the present invention.
  • 6A and 6B show spectra obtained from an LED device according to a comparative example and spectra obtained from an LED device according to an embodiment of the present invention.
  • the LED device includes a first LED light source unit 120 and a second LED light source unit 130 that emit white light having different color temperatures.
  • the white light emitted from the first LED light source unit 120 and the white light emitted from the second LED light source unit 130 are mixed to produce the output white light of the LED device.
  • the first LED light source unit 120 includes at least one first white LED 121 and 122 to emit white light having a first color temperature
  • the second LED light source unit 130 may include at least one first light source.
  • Two white LEDs 131 and 132 are provided to emit white light of a second color temperature.
  • the first LED light source unit 120 includes two white LEDs 121 and 122
  • the second LED light source unit 130 includes two white LEDs 131 and 132. It is not limited to this.
  • each light source unit 120 and 130 may include one or three or more white LEDs.
  • the first LED light source unit 120 and the second LED light source unit 130 that emit white light having different color temperatures may be connected in parallel with each other.
  • the first LED light source unit 120 emitting white light of cool white (cool white) may be connected in parallel with the second LED light source unit 130 emitting white light of warm white (warm white).
  • the cold white refers to white having a relatively high color temperature (CCT)
  • the warm white refers to white having a relatively low color temperature.
  • the two first white LEDs 121 and 122 in the first LED light source unit 120 may be connected in series to each other to inject the same amount of current.
  • two second white LEDs 131 and 132 in the second LED light source unit 130 may be connected in series to each other to inject the same amount of current.
  • variable resistor 150 is attached to at least one of the first and second LED light source parts 120 and 130 in series so that the amount of current entering the first LED light source part 120 and the second LED light source part 130 can be adjusted.
  • the device is configured.
  • the ratio (current ratio) of the amount of current supplied to the first LED light source unit 120 and the amount of current supplied to the second LED light source unit 130 can be easily adjusted.
  • the amount of white light eg, cold white
  • the amount of white light for example, warm white
  • the current of the second LED light source (120, 130) by the variable resistor 150 it is possible to control the color temperature of the LED device as needed, which can be applied to the illumination to implement white light illumination of various color coordinates.
  • the LED device of the above-described embodiment can be applied to emotional lighting for producing an ambient environment or a desired atmosphere.
  • full white can maintain a luminous flux in the entire adjustable color temperature range and can display a natural white region ranging from cool white to warm white.
  • the light source can be implemented.
  • a cold white LED having a color temperature of 5000 to 10000K is used as the first white LEDs 121 and 122, and a warm white LED having a color temperature of 2500 to 4000K is used as the second white LEDs 131 and 132.
  • the variable resistor 150 By adjusting the variable resistor 150 it is possible to implement an LED device having an output light of various color temperature. In addition, it is possible to maintain a sufficiently high color rendering index (CRI) in a wide color temperature range as described below without deterioration of color rendering properties.
  • CRI color rendering index
  • variable resistor 150 is connected to the second LED light source unit 130, but the present invention is not limited thereto, and the variable resistor 150 may be applied to the first LED light source unit 120 instead of the second LED light source unit 130.
  • the variable resistors may be connected to the first LED light source unit 120 and the second LED light source unit 130, respectively. In this case, the color temperature of the entire output light can be controlled while maintaining a sufficient luminous flux and high color rendering property by controlling the current ratio of the two light source units by adjusting the variable resistor.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of the LED device 100 according to the embodiment of the present invention.
  • two first white LEDs 121 and 122 that emit a cold white color and two second white LEDs 131 that emit a warm white color are provided on a substrate (eg, a circuit board) 101 having wiring.
  • 132 is disposed.
  • the two first white LEDs 121 and 122 constitute a first LED light source unit (see 120 in FIG. 1), and the two second white LEDs 131 and 132 represent a second LED light source unit (130 in FIG. 1).
  • the electrical connection relationship between the white LEDs 121, 122, 131, and 132 is as shown in FIG. 1, and wiring for such a connection may be formed on the substrate.
  • variable resistor 150 of FIG. 1 is connected to at least one of the white LEDs 121, 122, 131, and 132.
  • the specific wiring form and the variable resistor on the substrate for implementing the connection relationship shown in FIG. 1 are not shown in FIG. 2, those skilled in the art can fully understand from FIG. 1 and the description of the present specification.
  • White LEDs having different color temperatures are preferably arranged so as to be spatially mixed with each other, in terms of easy uniform mixing of different white light.
  • Each of the white LEDs 121, 122, 131, and 132 may be implemented by a combination of an LED chip and a phosphor.
  • at least one of the first white LEDs 121 and 122 and the second white LEDs 131 and 132 may include a blue LED chip and a yellow phosphor.
  • at least one of the white LEDs 121, 122, 131, and 132 may include a blue LED chip and a combination of a yellow phosphor, a green phosphor, and a red phosphor to emit white light.
  • At least one of the white LEDs 121, 122, 131, and 132 may include a combination of an ultraviolet (UV) LED chip and a red phosphor, a green phosphor, and a red phosphor to emit white light.
  • UV ultraviolet
  • the phosphor combined with the LED chip may be applied directly to the light emitting surface of the LED chip or may be disposed at a position spaced apart from the LED chip.
  • the phosphor may be mixed with a suitable transparent resin and provided in the form of a photoconversion resin layer containing phosphors (in which phosphors are dispersed).
  • a transparent resin encapsulation part 140 covering both the cold white white LEDs 121 and 122 and the warm white white LEDs 131 and 132 is disposed on the substrate 101.
  • the resin encapsulation unit 140 may serve to mix white light having different color temperatures emitted from the first white LEDs 121 and 122 and the second white LEDs 131 and 132.
  • the resin encapsulation part 140 may serve as a kind of lens by having a convex shape or a hemispherical shape.
  • FIG. 3 shows various spectra obtained from the LED device according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows various color coordinates (black dots) of the white light obtained in the embodiment of FIG. 3.
  • the variable resistor see reference numeral 150 in FIG. 1
  • this current ratio (cold: warm)
  • the output light of the LED device shows various spectra as shown in Fig. 3, and shows white light of various color coordinates and color temperature as shown in Fig. 4.
  • the color coordinates (x, y), luminous flux, color temperature (CCT) and color rendering index according to the current ratio (cold: warm) of the LED device according to the embodiments of FIGS. 3 and 4 are as shown in Table 1 below.
  • the LED device 200 not only has a cold white LED 220 of a first color temperature and a warm white LED 230 of a second color temperature on the substrate 101, but also additionally green, blue and red colors. Monochromatic LEDs 250, 260, 270. As described with reference to FIG. 1, the cold white LED 220 (corresponding to the first LED light source unit 120 of FIG. 1) and the warm white LED 230 (corresponding to the second LED light source unit 130 of FIG. 1). ) Are connected in parallel to each other, a variable resistor is connected to at least one of them (220, 230). In FIG. 5, one cold white LED 220 and one warm white LED 230 are shown. However, as illustrated in FIGS. 1 and 2, two or more cold white LEDs or warm white LEDs may be provided. Can be connected in series with each other.
  • the green, blue, and red LEDs 250, 260, and 270 that are additionally provided are provided on the substrate 101 to be driven separately from the white LEDs 220 and 230.
  • the green, blue and red LEDs 250, 260 and 270 may be driven separately from each other or the current or current ratio supplied to each of the monochrome LEDs may be controlled.
  • Each of the monochromatic LEDs 250, 260, and 270 may be made of an LED chip and a transparent resin encapsulating the LED chip, or may be made of a package in which an LED chip or an LED chip is mounted without a separate transparent resin.
  • the variable resistor connected to at least one of the cold white LED 220 and the warm white LED 230 not only can easily output white light of various color temperature, red green blue is additionally provided
  • the monochromatic LEDs 250, 260, and 270 may further increase the color rendering of the output light of the LED device 200.
  • by controlling the current supplied to the white LEDs (220, 230) and the current supplied to the monochrome LEDs (250, 260, 270) to output light of a different color to implement a full-color light including white light It may be.
  • a white LED device 200 By applying such a white LED device 200 to the illumination, it becomes possible to provide a very wide range of color temperature and color adjustable emotional light from bluish color light to cold white and warm white light red color.
  • the resin encapsulation part 240 includes all of the cold white LED 220, the warm white LED 230, the green LED 250, the blue LED 260, and the red LED 270 on the substrate. Can be covered
  • the resin encapsulation part 240 may be made in an appropriate shape to serve as a lens, and may serve to better mix the light emitted from each LED.
  • FIG. 6 shows a spectrum obtained from an LED device according to a comparative example (FIG. 6A) and a spectrum obtained from an LED device according to an embodiment of the present invention (FIG. 6B).
  • the LED device of the comparative example showing the spectrum of FIG. 6A is implemented by a combination of a cold white LED at a temperature lower than 4500 K and a red phosphor, a green phosphor, and a blue phosphor.
  • the LED device of the embodiment showing the spectrum of FIG. 6B is implemented by a combination of a cold white LED, a warm white LED, a red phosphor, a green phosphor, and a blue phosphor as shown in FIG. 5.
  • the LED devices of the comparative example and the example were driven to emit white light of almost the same color coordinate and color temperature (neutral white of ⁇ 4500 K).
  • 6A and 6B show spectra at almost the same color coordinates and color temperature.
  • the color coordinate (x, y) and color temperature (CCT) diagrams and the color rendering index (CRI) according to the spectra of the comparative examples and examples shown in FIGS. 6A and 6B are as described in Table 2 below.
  • FIG. 6 (a) 0.36303 0.37699 4504 72.55 Example, FIG. 6 (b) 0.36274 0.37437 4499 94.38
  • Comparative Examples and Examples show the same color coordinates and color temperature.
  • the comparative example without the warm white LED shows a color rendering index of 72.55
  • the embodiment in which the warm white LED is added to the cold white LED has a high color rendering property of 94.38.

Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 LED 장치는, 적어도 하나의 제1 백색 LED를 구비하고 제1 색온도의 백색광을 방출하는 제1 LED 광원부; 적어도 하나의 제2 백색 LED를 구비하고 상기 제1 색온도와 다른 제2 색온도의 백색광을 방출하는 제2 LED 광원부; 및 상기 제1 LED 광원부와 제2 LED 광원부 중 적어도 하나에 연결되어 상기 제1 LED 광원부와 제2 LED 광원부 중 적어도 하나에 공급되는 전류를 조절하는 가변저항을 포함한다.

Description

색온도 조절이 가능한 ＬＥＤ 장치
본 발명은 LED 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 색온도 조절이 가능한 백색 LED 장치와, 이를 구비하여 광속을 유지하면서 높은 연색성과 다양한 색온도의 백색 또는 풀컬러를 구현할 수 있는 LED 장치에 관한 것이다.
최근에 조명 또는 백라이트의 광원으로서 LED(Light Emitting Diode)가 주목받고 있으며, 특히 백색 LED는 색재현성 등의 성능 향상, 환경 및 소비전력의 측면에서 유리하여 기존의 형광등을 대체할 수 있는 유력한 백색 조명 광원으로 각광받고 있다. 백색 LED는 단파장의 LED 칩과, 이 칩에서 나온 빛을 흡수하여 장파장으로 변환시켜주는 형광체를 구비하며, LED 칩에서 나온 빛과 형광체에 의해 나온 빛을 혼합하여 백색을 구현한다. 이러한 형태의 백색 LED는 LED 칩에 인가되는 주입 전류의 수준에 따라 색온도, 특히 상관 색온도(correlated color temperature, 간단히 CCT 라고도 함)의 변화를 어느 정도 구현할 수 있으나, 그 구현되는 색온도의 범위가 매우 좁다. 또한, LED 칩에 인가되는 전류 수준에 따라 광량의 변화가 있어, 실제로 넓은 범위의 컬러 튜닝(color tuning)을 하나의 LED 칩으로 광량 감소 없이 수행하는 것은 불가능하다.
다양한 백색광을 구현하기 위해 여러 종류의 단색 LED 칩을 이용하는 방안이 있다. 예를 들어, 적색, 청색 및 녹색의 LED들을 조합하여 백색을 구현할 수 있다. 적색, 청색 및 녹색 LED들은, 형광체에 의해 발생되는 형광 스펙트럼과 달리 반도체층의 밴드갭에서의 전이(transition)에 의한 발광으로 발생된 스펙트럼을 나타내기 때문에, 그 반치폭이 20nm 이하로 매우 좁은 단색 광원이다. 따라서, 이들의 조합을 통해 다양한 색좌표를 구현할 수는 있으나 고연색성(hight CRI)의 자연백색을 확보하기가 어렵다.
보다 향상된 방안으로, 1개의 백색 LED와 적색, 청색 및 녹색의 각 파장별 LED를 별도로 구비하여 이들을 각각 별도로 제어함으로써 백색광을 구현하는 LED 장치가 제안되었다. 그러나, 이러한 LED 장치 또한 다양한 색좌표를 구현할 수는 있으나, 적색, 녹색 및 적색의 반치폭이 좁은 단색 광원을 사용하는 한, 냉백색에서 온백색에 이르는 넓은 색온도 범위에서 고연색성을 구현하는 데에는 한계가 있다.
본 발명의 일 과제는 색온도의 조절이 가능하면서도 넓은 색온도 범위에서 고연색성의 자연백색을 구현할 수 있는 LED 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 과제는 색온도의 조절이 가능하면서도 광속을 유지하면서 넓은 색온도 범위에서 고연색성의 자연백색을 포함한 풀컬러를 구현할 수 있는 LED 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 LED 장치는, 적어도 하나의 제1 백색 LED를 구비하고 제1 색온도의 백색광을 방출하는 제1 LED 광원부; 적어도 하나의 제2 백색 LED를 구비하고 상기 제1 색온도와 다른 제2 색온도의 백색광을 방출하는 제2 LED 광원부; 및 상기 제1 LED 광원부와 제2 LED 광원부 중 적어도 하나에 연결되어 상기 제1 LED 광원부와 제2 LED 광원부 중 적어도 하나에 공급되는 전류를 조절하는 가변저항을 포함한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 제1 LED 광원부와 제2 LED 광원부는 병렬로 연결될 수 있다. 상기 제1 LED 광원부는 복수의 제1 백색 LED를 구비하되 상기 복수의 제1 백색 LED는 직렬로 연결될 수 있다. 상기 제2 LED 광원부는 복수의 제2 백색 LED를 구비하되, 상기 복수의 제2 백색 LED는 직렬로 연결될 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 제1 백색 LED 및 제2 백색 LED 중 적어도 하나는 청색 LED 칩과 황색 형광체를 포함할 수 있다. 상기 제1 백색 LED 및 제2 백색 LED 중 적어도 하나는 청색 LED 칩과, 황색 형광체, 녹색 형광체 및 적색 형광체의 조합을 포함할 수 있다. 상기 제1 백색 LED 및 제2 백색 LED 중 적어도 하나는 자외선(UV) LED 칩과 적색 형광체, 녹색 형광체 및 청색 형광체의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 제1 및 제2 LED 광원부는 기판 상에 배치되고, 상기 LED 장치는 상기 기판 상에서 상기 제1 및 제2 LED 광원부 전체를 덮는 수지 봉지부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 제1 색온도는 5000 내지 10000K이고, 상기 제2 색온도는 2500 내지 4000K일 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 LED 장치는 상기 제1 및 제2 LED 광원부와 별도로 구동되는 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED를 더 포함할 수 있다. 상기 LED 장치는 상기 제1 및 제2 LED 광원부와, 상기 적색, 녹색 및 청색 LED에 주입되는 전류를 조절함으로써 백색광을 포함한 풀컬러를 구현할 수 있다.
상기 제1 및 제2 LED 광원부와 상기 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED는 기판 상에 배치되고, 상기 LED 장치는 상기 기판 상에서 상기 제1 및 제2 LED 광원부와 상기 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED 전체를 덮는 수지 봉지부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, LED 장치에서 출력되는 백색광의 색온도를 조절할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 색온도의 백색광에 대해 고연색성을 확보할 수 있다. 특히, 실시형태에 따르면, 냉백색의 LED 광원과 온백색의 LED 광원에 인가되는 구동 전류의 비율을 조절함으로써 그 비율에 따른 프랑키안 로커스(plankian locus) 상의 자연백색을 고연색으로 구현할 수 있다. 또한, 다양한 색좌표의 자연백색에 대해 광속을 유지하면서 고연색성을 확보할 수 있다. 본 발명의 실시형태에 따른 LED 장치는 다양한 색온도를 구현함과 동시에 높은 연색성을 유지함으로써 고품질의 감성 조명에 효과적으로 적용될 수 있다. 또한, 부가적인 적, 녹, 청색 LED들을 구비함으로써, 하나의 모듈로 고연색의 백색 조명뿐만 아니라 풀컬러의 조명을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 LED 장치를 나타낸 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 LED 장치(100)의 개략적인 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 LED 장치로부터 얻은 다양한 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 3의 실시예에서 얻은 백색광의 다양한 색좌표를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 LED 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 6a 및 6b는 비교예에 따른 LED 장치로부터 얻은 스펙트럼과, 본 발명의 실시예에 따른 LED 장치로부터 얻은 스펙트럼을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 LED 장치를 나타낸 회로도이다. 도 1을 참조하면, LED 장치는 서로 다른 색온도의 백색광을 방출하는 제1 LED 광원부(120)와 제2 LED 광원부(130)를 포함한다. 제1 LED 광원부(120)에서 나오는 백색광과 제2 LED 광원부(130)에서 나오는 백색광이 혼합되어 LED 장치의 출력 백색광이 나오게 된다.
도 1을 참조하면, 제1 LED 광원부(120)는 적어도 하나의 제1 백색 LED(121, 122)를 구비하여 제1 색온도의 백색광을 방출하고, 제2 LED 광원부(130)는 적어도 하나의 제2 백색 LED(131, 132)를 구비하여 제2 색온도의 백색광을 방출한다. 본 실시형태에서는 제1 LED 광원부(120)가 2개의 백색 LED(121, 122)를 구비하고, 제2 LED 광원부(130)가 2개의 백색 LED(131, 132)를 구비하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 각 광원부(120, 130)는 1개 또는 3개 이상의 백색 LED를 구비할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 서로 다른 색온도의 백색광을 방출하는 제1 LED 광원부(120)와 제2 LED 광원부(130)는 서로 병렬로 연결될 수 있다. 예를 들어, 냉백색(차가운 백색, cool white)의 백색광을 발하는 제1 LED 광원부(120)는 온백색(따뜻한 백색, warm white)의 백색광을 발하는 제2 LED 광원부(130)와 병렬로 연결될 수 있다. 여기서, 냉백색은 상대적으로 색온도(CCT)가 높은 백색을 말하고, 온백색은 상대적으로 색온도가 낮은 백색을 말한다. 제1 LED 광원부(120)내의 2개의 제1 백색 LED(121, 122)는 서로 직렬로 연결되어 동일한 양의 전류가 주입될 수 있다. 마찬가지로, 제2 LED 광원부(130)내의 2개의 제2 백색 LED(131, 132)는 서로 직렬로 연결되어 동일한 양의 전류가 주입될 수 있다.
또한, 제1 및 제2 LED 광원부(120, 130) 중 적어도 하나에 가변 저항(150)을 직렬로 달아 제1 LED 광원부(120)와 제2 LED 광원부(130)에 들어가는 전류량을 조절할 수 있도록 LED 장치가 구성되어 있다. 가변 저항(130)의 저항값을 조절함으로써, 제1 LED 광원부(120)에 공급되는 전류량과 제2 LED 광원부(130)에 공급되는 전류량의 비(전류비)를 효과적으로 용이하게 조절할 수 있다. 따라서, 가변 저항에 의한 전류비 조절에 의해, 제1 LED 광원부(120)가 내는 제1 색온도의 백색광(예컨대, 냉백색)의 광량과, 제2 LED 광원부(130)가 내는 제2 색온도의 백색광(예컨대, 온백색)의 광량의 비를 다르게 함으로써, LED 장치 전체의 출력 백색광의 색온도를 조절할 수 있게 된다.
가변저항(150)에 의해 제2 LED 광원부(120, 130)의 전류를 조절함으로써, LED 장치의 색온도를 필요에 따라 제어할 수 있게 되는데, 이는 조명에 적용되어 다양한 색좌표의 백색광 조명을 구현할 수 있다. 상술한 실시형태의 LED 장치는 주위 환경이나 원하는 분위기 연출을 위한 감성 조명에 적용될 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이 조절 가능한 전체 색온도 범위에서 전체 광속(luminous flux)를유지할 수 있고 냉백색(cool white)에서 온백색(warm white)에 이르는 자연백색 영역을 모두 나타낼 수 있는 풀 화이트(full white) 광원을 구현할 수 있다. 예를 들어, 제1 백색 LED(121, 122)로서 5000 내지 10000K의 색온도를 갖는 냉백색 LED를 사용하고, 제2 백색 LED(131, 132)로서 2500 내지 4000K의 색온도를 갖는 온백색 LED를 사용하여 가변 저항(150)의 조절을 통해 다양한 색온도의 출력광을 갖는 LED 장치를 구현할 수 있다. 뿐만 아니라 후술하는 바와 같이 넓은 색온도 범위에서 연색성의 저하 없이 충분히 높은 연색지수(CRI)를 유지할 수 있다.
상술한 실시예에서는 가변 저항(150)이 제2 LED 광원부(130)에 연결되어 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 제2 LED 광원부(130) 대신에 제1 LED 광원부(120)에 가변 저항이 연결될 수도 있고, 제1 LED 광원부(120)와 제2 LED 광원부(130)에 가변 저항이 각각 연결될 수도 있다. 이 경우에도 가변저항의 조절에 의해 두 광원부의 전류비를 조절하여 충분한 광속과 높은 연색성를 유지하면서 전체 출력광의 색온도를 제어할 수 있음은 물론이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 LED 장치(100)의 개략적인 사시도이다. 도 2를 참조하면, 배선이 구비된 기판(예컨대, 회로기판)(101) 상에 냉백색을 내는 2개의 제1 백색 LED(121, 122)와 온백색을 내는 2개의 제2 백색 LED(131, 132)이 배치되어 있다. 2개의 제1 백색 LED(121, 122)는 제1 LED 광원부(도 1의 도면부호 120 참조)를 이루고 2개의 제2 백색 LED(131, 132)는 제2 LED 광원부(도 1의 도면부호 130 참조)를 이룬다. 백색 LED들(121, 122, 131, 132) 간의 전기적 연결 관계는 도 1에 도시된 바와 같으며 이러한 연결을 위한 배선이 기판에 형성될 수 있다. 또한, 이 백색 LED들(121, 122, 131, 132) 중 적어도 하나에는 가변 저항(도 1의 도면부호 150 참조)이 연결되어 있다. 도 1에 도시된 연결관계를 구현하기 위한 기판 상의 구체적인 배선 형태와 가변 저항은 도 2에 도시되어 있지 않지만 도 1 및 본 명세서의 기재로부터 당업자가 충분히 이해할 수 있다. 서로 다른 색온도를 갖는 백색 LED 들은 서로 공간적으로 섞이도록 배치되는 것이, 서로 다른 백색광의 균일한 혼합이 용이하다는 측면에서 바람직하다.
각 백색 LED(121, 122, 131, 132)는 LED 칩과 형광체의 조합에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 제1 백색 LED(121, 122)와 제2 백색 LED(131, 132) 중 적어도 하나는 청색 LED 칩과 황색 형광체를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 백색 LED(121, 122, 131, 132) 중 적어도 하나는 청색 LED 칩과 황색 형광체, 녹색 형광체 및 적색 형광체의 조합을 구비하여 백색광을 낼 수 있다. 또 다른 예로서, 백색 LED(121, 122, 131, 132) 중 적어도 하나는 자외선(UV) LED 칩과 적색 형광체, 녹색 형광체 및 적색 형광체의 조합을 구비하여 백색광을 낼 수 있다. 각 백색 LED 칩의 파장과 형광체 재료의 선택에 의해 다른 색온도를 구현할 수 있다. LED 칩과 조합되는 형광체는 LED 칩의 발광면에 직접 도포될 수도 있고 LED 칩과 이격된 위치에 배치될 수도 있다. 또한 형광체는 적절한 투명 수지와 혼합되어 형광체를 함유한(형광체가 분산된) 광변환 수지층의 형태로 제공될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 기판(101) 상에는, 냉백색을 내는 백색 LED(121, 122)와 온백색을 내는 백색 LED(131, 132)를 모두 한꺼번에 덮는 투명한 수지 봉지부(140)가 배치될 수 있다. 수지 봉지부(140)는 제1 백색 LED(121, 122)와 제2 백색 LED(131, 132)로부터 나오는 서로 다른 색온도의 백색광을 혼합하는 역할을 할 수 있다. 또한 수지 봉지부(140)는 위로 볼록한 형상 혹은 반구 형상을 가짐으로써 일종의 렌즈 역할을 할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 LED 장치로부터 얻은 다양한 스펙트럼을 나타내고, 도 4는 도 3의 실시예에서 얻은 백색광의 다양한 색좌표(검은 점들)를 나타낸다. 도 3 및 4에 도시된 스펙트럼 및 색좌표 데이터는, 도 1 및 2을 참조하여 설명한 바와 같은 구성을 갖는 LED 장치로부터 얻은 것이다. 보다 구체적으로는, 제1 색온도를 갖는 제1 백색 LED(121, 122)로서, 청색 LED 칩과 황색 형광체, 녹색 형광체 및 적색 형광체의 조합으로 만든 5625 K의 색온도를 갖는 냉백색 LED(CRI=78.6)가 사용되었다. 또한, 제2 색온도를 갖는 제2 백색 LED(131, 132)로서, 자외선 LED 칩과 적색 형광체, 녹색 형광체 및 적색 형광체의 조합으로 만든 3000 K의 색온도를 갖는 온백색 LED(CRI=88.7)가 사용되었다. 가변 저항(도 1의 도면부호 150 참조)의 조절에 의해 냉백색(cool white) LED에 공급되는 전류와 온백색(warm white) LED에 공급되는 전류의 전류비(냉:온)을 제어할 수 있다. 이 전류비(냉:온)에 따라, LED 장치의 출력광은 도 3에 도시된 바와 같이 다양한 스펙트럼을 나타내고, 도 4에 도시된 바와 같이 다양한 색좌표 및 색온도의 백색광을 나타낸다.
도 3 및 4의 실시예에 따른 LED 장치의 전류비(냉:온)에 따른 색좌표(x, y)와 광속, 색온도(CCT) 및 연색지수는 아래의 표 1에 기재된 바와 같다.
표 1
x y 냉:온 광속(lm) CCT CRI
0.444 0.418 0:1 71.3 3002 88.7
0.4300 0.4070 0.1:0.9 71.32 3155 87.9
0.4160 0.3970 0.2:0.8 71.33 3325 87.1
0.4040 0.3880 0.3:0.7 71.35 3513 86.3
0.3920 0.3790 0.4:0.6 71.36 3724 85.5
0.3800 0.3700 0.5:0.5 71.37 3959 84.6
0.3690 0.3620 0.6:0.4 71.39 4222 83.6
0.3590 0.3540 0.7:0.3 71.4 4516 82.5
0.3490 0.3460 0.8:0.2 71.41 4845 81.3
0.3390 0.3390 0.9:0.1 71.43 5213 79.8
0.3300 0.3320 1:0 71.44 5625 78.6
표 1에 기재된 바와 같이, 다양한 조합의 자연백색이 구현될 수 있으며, 다양한 자연백색 대하여 광속이 유지되고 고연색의 CRI를 확보할 수 있음을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 LED 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 5의 실시형태에서는, LED 장치(200)는 기판(101) 상에 제1 색온도의 냉백색 LED(220)와 제2 색온도의 온백색 LED(230)을 구비할 뿐만 아니라 추가적으로 녹색, 청색 및 적색의 단색 LED들(250, 260, 270)을 구비한다. 도 1을 참조하여 설명한 바와 마찬가지로, 냉백색 LED(220)(도 1의 제1 LED 광원부(120)에 대응됨)와 온백색 LED(230)(도 1의 제2 LED 광원부(130)에 대응됨)는 서로 병렬로 연결되고, 이들(220, 230) 중 적어도 하나에는 가변 저항이 연결되어 있다. 도 5에서는 냉백색 LED(220)와 온백색 LED(230)가 각각 1개씩 도시되어 있으나, 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 냉백색 LED 또는 온백색 LED는 2개 이상일 수도 있고, 동일 색온도의 LED들이 서로 직렬로 연결될 수 있다.
추가적으로 구비되는 녹색, 청색 및 적색 LED(250, 260, 270)는 백색 LED들(220, 230)과는 별도로 구동되도록 기판(101) 상에 배선이 구비된다. 녹색, 청색 및 적색 LED(250, 260, 270)가 서로 별도로 구동되거나 각 단색 LED에 공급되는 전류 혹은 전류비가 제어될 수도 있다. 각각의 단색 LED(250, 260, 270)는 LED칩과 이를 봉지하는 투명 수지로 만들어질 수도 있고, 별도의 투명 수지 없이 LED 칩 또는 LED 칩이 실장된 패키지 형태로 만들어질 수도 있다.
도 5의 실시형태에 따르면, 냉백색 LED(220) 및 온백색 LED(230) 중 적어도 하나에 연결된 가변저항의 조절에 의해 다양한 색온도의 백색광을 용이하게 출력할 수 있을 뿐만 아니라, 추가적으로 구비되는 적녹청의 단색 LED들(250, 260, 270)에 의해 LED 장치(200)의 출력광의 연색성을 더 크게 높일 수 있다. 뿐만 아니라, 백색 LED들(220, 230)에 공급되는 전류와 단색 LED들(250, 260, 270)에 공급되는 전류를 제어함으로써 다른 색상의 빛을 출력하여, 백색광을 포함한 풀컬러의 빛을 구현할 수도 있다. 이러한 백색 LED 장치(200)를 조명에 적용함으로써, 푸르스름한 색상의 빛에서 냉백색과 온백색을 거쳐 붉으스름한 색상의 빛까지 매우 넓은 범위의 색온도와 색상 조절이 가능한 감성 조명이 가능하게 된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 수지 봉지부(240)는 기판 상에서 냉백색 LED(220), 온백색 LED(230), 녹색 LED(250), 청색 LED(260) 및 적색 LED(270) 모두를 한꺼번에 덮을 수 있다. 이 수지 봉지부(240)는 렌즈 역할을 할 수 있도록 적절한 형상으로 만들어질 수 있고, 각 LED들에서 나온는 빛을 더 잘 혼합하는 역할을 할 수 있다.
도 6은 비교예에 따른 LED 장치로부터 얻은 스펙트럼(도 6a)와, 본 발명의 실시예에 따른 LED 장치로부터 얻은 스펙트럼(도 6b)을 나타낸다. 도 6a의 스펙트럼을 나타내는 비교예의 LED 장치는, 4500 K보다 낮은 온도의 냉백색 LED와 적색 형광체, 녹색 형광체 및 청색 형광체의 조합으로 구현된 것이다. 도 6b의 스펙트럼을 나타내는 실시예의 LED 장치는, 도 5에 도시된 바와 같이 냉백색의 LED와 온백색 LED와 적색 형광체, 녹색 형광체 및 청색 형광체의 조합으로 구현된 것이다. 비교예와 실시예의 연색성을 비교하기 위해, 비교예와 실시예의 LED 장치를 거의 동일한 색좌표 및 색온도(~4500 K의 백색(neutral white))의 백색광을 내도록 구동시켰다. 도 6a와 6b의 스펙트럼은 거의 동일한 색좌표와 색온도에서의 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 6a 및 6b에 도시된 비교예와 실시예의 스펙트럼에 따른 색좌표(x, y)와 색온(CCT)도, 그리고 연색지수(CRI)은 아래 표 2에 기재된 바와 같다.
표 2
x y CCT CRI
비교예, 도 6(a) 0.36303 0.37699 4504 72.55
실시예, 도 6(b) 0.36274 0.37437 4499 94.38
도 6a, 6b 및 표 2에 나타난 바와 같이, 비교예와 실시예는 동일한 색좌표와 색온도를 나타낸다. 그러나, 연색지수(CRI)에 있어서는 온백색 LED가 없는 비교예가 72.55의 연색지수를 나타내는 반면에, 냉백색 LED에 온백색 LED가 추가된 실시예는 94.38의 고연색성을 갖는다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

Claims (12)

  1. 적어도 하나의 제1 백색 LED를 구비하고 제1 색온도의 백색광을 방출하는 제1 LED 광원부;
    적어도 하나의 제2 백색 LED를 구비하고 상기 제1 색온도와 다른 제2 색온도의 백색광을 방출하는 제2 LED 광원부; 및
    상기 제1 LED 광원부와 제2 LED 광원부 중 적어도 하나에 연결되어 상기 제1 LED 광원부와 제2 LED 광원부 중 적어도 하나에 공급되는 전류를 조절하는 가변저항을 포함하는 LED 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 LED 광원부와 제2 LED 광원부는 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 LED 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 LED 광원부는 복수의 제1 백색 LED를 구비하되 상기 복수의 제1 백색 LED는 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 LED 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 LED 광원부는 복수의 제2 백색 LED를 구비하되, 상기 복수의 제2 백색 LED는 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 LED 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 백색 LED 및 제2 백색 LED 중 적어도 하나는 청색 LED 칩과 황색 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 백색 LED 및 제2 백색 LED 중 적어도 하나는 청색 LED 칩과, 황색 형광체, 녹색 형광체 및 적색 형광체의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 백색 LED 및 제2 백색 LED 중 적어도 하나는 자외선(UV) LED 칩과 적색 형광체, 녹색 형광체 및 청색 형광체의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 LED 광원부는 기판 상에 배치되고,
    상기 기판 상에서 상기 제1 및 제2 LED 광원부 전체를 덮는 수지 봉지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 색온도는 5000 내지 10000K이고, 상기 제2 색온도는 2500 내지 4000K인 것을 특징으로 하는 LED 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 LED 광원부와 별도로 구동되는 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 LED 광원부와, 상기 적색, 녹색 및 청색 LED에 주입되는 전류를 조절함으로써 백색광을 포함한 풀컬러의 빛의 발광이 가능한 것을 특징으로 하는 LED 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 LED 광원부와 상기 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED는 기판 상에 배치되고,
    상기 기판 상에서 상기 제1 및 제2 LED 광원부와 상기 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED 전체를 덮는 수지 봉지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 장치.
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