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KR20220094290A - 백색 발광장치 및 조명 장치 - Google Patents

백색 발광장치 및 조명 장치 Download PDF

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KR20220094290A
KR20220094290A KR1020200185082A KR20200185082A KR20220094290A KR 20220094290 A KR20220094290 A KR 20220094290A KR 1020200185082 A KR1020200185082 A KR 1020200185082A KR 20200185082 A KR20200185082 A KR 20200185082A KR 20220094290 A KR20220094290 A KR 20220094290A
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KR
South Korea
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light
white light
range
light emitting
emitting device
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KR1020200185082A
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김성민
김초희
윤정은
이슬기
최성우
오정록
윤철수
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삼성전자주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 440㎚∼455㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 청색 광을 방출하는 청색 발광 다이오드; 상기 청색 광에 의해 여기되어 535㎚∼550㎚의 피크 파장과 60㎚ 이하의 반치폭을 갖는 제1 광을 방출하는 제1 파장변환 물질; 및 상기 청색 광에 의해 여기되어 620㎚∼660㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 제2 광을 방출하는 제2 파장변환 물질을 포함하는 백색 발광장치이고, 상기 백색 광의 멜라노픽 포토닉 비(melanopic photopic ratio)은 0.65 이하이며, 상기 백색 광의 연색지수(CRI)는 80 이상인 백색 발광장치를 제공한다.

Description

백색 발광장치 및 조명 장치{WHITE LIGHT EMITTING DEVICE AND LIGHTING APPARATUS}
본 발명은 백색 발광장치 및 이를 구비한 LED 조명 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 형광체와 같은 파장 변환 물질은 다양한 광원으로부터 방출되는 특정 파장의 광을 원하는 파장의 광으로 변환시키는 물질로 사용되고 있다. 특히, 이러한 파장 변환 물질은 우수한 광효율을 갖는 반도체 발광 다이오드와 결합되어 LCD 백라이트 등의 디스플레이뿐만 아니라, 다양한 조명장치를 위한 백색 발광장치로 널리 사용되고 있다.
일반적으로, 백색 발광장치는 자외선 또는 청색 LED 칩에 형광체와 같은 복수의 파장변환 물질(예, 녹색 및 적색 또는 청색, 황색 및 적색)을 적용함으로써 구현되고 있다. 최근에는, 백색 조명(white lighting) 분야에서는, 인간 중심적인(Human Centric) LED 조명 장치와 이에 사용될 수 있는 백색 발광장치가 요구되고 있다.
본 발명의 일 실시예에서 해결하고자 하는 과제는, 인간 중심적인 조명을 위한 백색 발광장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에서 해결하고자 하는 과제는, 인간 중심적인 조명을 위한 LED 조명 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예는, 440㎚∼455㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 청색 광을 방출하는 청색 발광 다이오드; 상기 청색 광에 의해 여기되어 535㎚∼550㎚의 피크 파장과 60㎚ 이하의 반치폭을 갖는 제1 광을 방출하는 제1 파장변환 물질; 및 상기 청색 광에 의해 여기되어 610㎚∼660㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 제2 광을 방출하는 제2 파장변환 물질을 포함하는 백색 발광장치이고, 상기 백색 밸광장치로부터 방출되는 백색 광의 멜라노픽 포토픽 비(melanopic photopic ratio, M/P 비)는 0.65 이하이며, 상기 백색 광의 연색지수(CRI)는 80 이상인 백색 발광장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는, 440㎚∼455㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 청색 광을 방출하는 청색 발광 다이오드; 및 상기 청색 광의 일부를 변환하고, 그 변환된 광과 변환되지 않은 다른 일부와 결합하여 백색 광을 제공하는 파장 변환부를 포함하며, 상기 파장 변환부는, 상기 청색 광에 의해 여기되어 535㎚∼545㎚의 피크 파장을 갖는 제1 광을 방출하는 제1 파장변환 물질과, 상기 청색 광에 의해 여기되어 610㎚∼660㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 제2 광을 방출하는 제2 파장변환 물질을 포함하고, 상기 제1 광의 스펙트럼에서, 480㎚에서의 강도는 상기 제1 광의 피크 파장의 강도의 2% 이하이고, 상기 백색 발광장치로부터 방출되는 백색 광의 멜라노픽 포토닉 비는 0.65 이하이며, 상기 백색 광의 연색지수(CRI)는 80 이상인 백색 발광장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는, 440㎚∼455㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 청색 광을 방출하는 청색 발광 다이오드; 상기 청색 광에 의해 여기되어 535㎚∼550㎚의 피크 파장과 60㎚ 이하의 반치폭을 갖는 제1 광을 방출하는 제1 파장변환 물질; 및 상기 청색 광에 의해 여기되어 610㎚∼660㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 제2 광을 방출하는 제2 파장변환 물질을 포함하는 백색 발광장치이고, 상기 백색 발광장치로부터 방출되는 백색 광의 멜라노픽 포토닉 비는 0.65 이하이고, 상기 백색 광의 스펙트럼에서, 440㎚∼460㎚의 적분 광량은 380㎚∼500㎚의 적분 광량의 50%∼65% 범위이고, 480㎚∼500㎚의 적분 광량은 540㎚∼560㎚의 적분 광량의 26% 이하 범위인 백색 발광장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는, 제1 멜라노픽 포토닉 비를 갖는 제1 백색 광을 방출하도록 구성된 제1 LED 광원; 상기 제1 멜라노픽 포토닉 비보다 높은 제2 멜라노픽 포토닉 비를 갖는 제2 백색 광을 방출하도록 구성된 제2 LED 광원; 및 상기 제1 LED 광원 및 제2 LED 광원에 각각 인가되는 전류를 제어하는 구동 제어부;를 포함하고, 상기 제1 LED 광원은, 440㎚∼455㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 청색 광을 방출하는 청색 발광 다이오드와, 상기 청색 광에 의해 여기되어 535㎚∼550㎚의 피크 파장과 60㎚ 이하의 반치폭을 갖는 제1 광을 방출하는 제1 파장변환 물질과, 상기 청색 광에 의해 여기되어 610㎚∼660㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 제2 광을 방출하는 제2 파장변환 물질을 포함하는 LED 조명 장치를 제공한다.
일주기 리듬을 최적화 하기 위하여, 465㎚∼495㎚ 영역의 스펙트럼을 조절하여 인간의 생체리듬에 관여하는 멜라토닌 호르몬 분비를 조절하는 인간 중심적인 백색 발광장치 및 조명 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광장치를 나타내는 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광장치로부터 방출되는 백색 광의 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광장치에 채용가능한 제1 및 제2 파장변환 물질의 방출 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광장치를 나타내는 개략 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광장치에 채용된 발광 다이오드 칩을 나타내는 개략 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 백색 발광장치의 색온도에 따른 멜라노픽 포토닉 비를 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 백색 발광장치의 백색 광의 발광 스펙트럼이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 백색 발광장치의 백색 광의 제1 및 제2 스펙트럼 조건을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 장치의 블럭도이다.
도 11은 도 10의 LED 조명 장치의 제2 광원으로 채용가능한 백색 발광장치를 나타내는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 장치의 제1 및 제2 백색 발광장치로부터 각각 방출되는 제1 및 제2 백색 광의 발광 스펙트럼이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 장치의 제1 및 제2 백색 광의 선택적인 제어를 설명하기 위한 그래프이다.
도 14 및 도 15는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 발광 모듈의 사시도 및 측단면도이다.
도 16은 도 14의 LED 조명 장치에 채용 가능한 백색 발광장치의 일 예를 나타내는 측단면도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 조명장치를 간략하게 나타내는 사시도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 벌브형 조명장치를 나타내는 분해사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 다양한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광장치를 나타내는 개략 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 백색 발광장치(100)는 패키지 기판(101)과, 상기 패키지 기판(101) 상에 배치된 청색 발광다이오드(LED)(130)와, 파장 변환부(150)를 포함할 수 있다. 상기 백색 발광장치(100)는 청색 LED(130)와 전기적으로 연결되는 한 쌍의 리드 프레임(111,112)과, 컵 형상을 가지는 측벽 반사부(120)와, 청색 LED(130)와 리드 프레임(111,112)을 연결하는 도전성 와이어(W)를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 패키지 기판(101)은 불투명 수지 또는 반사율이 큰 수지로 성형될 수 있으며, 사출공정이 용이하며 고반사성 분말을 함유한 폴리머 수지를 포함할 수도 있다. 또한, 패키지 기판(101)은 세라믹으로 이루어질 수 있으며, 이 경우 열방출이 용이할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 패키지 기판(101)은 리드프레임(111,112)을 대체하는 배선 패턴이 형성된 인쇄회로기판일 수 있다.
측벽 반사부(120)는 패키지 기판(101) 및 리드 프레임(111,112) 상에 배치되며 청색 LED(130)를 수용하는 캐비티(cavity)를 형성할 수 있다. 측벽 반사부(120)는 빛의 반사 효율이 향상되도록 컵 형상을 가질 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 일부 실시예에서, 측벽 반사부(120)는 패키지 기판(101)과 일체로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 측벽 반사부(120)와 패키지 기판(101)은 동일한 공정(예, 사출성형)을 통해 동일한 물질(예, 고반사성 백색 분말을 함유한 수지)로 형성될 수 있다.
상기 청색 LED(130)는 청색 광이 방출되도록 구성된 에피택셜 반도체층을 포함할 수 있다. 청색 LED(130)는 440㎚∼455㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 청색 광을 방출하도록 구성될 수 있다.
상기 파장 변환부(150A)는 상기 청색 LED(130)의 광 경로 상에 배치되며, 투명 수지(152)에 분산된 복수의 파장변환 물질(154,156)을 포함할 수 있다. 복수의 파장변환 물질(154,156)은 상기 청색 LED(130)로부터 생성된 청색 광에 의해 여기되어 변환된 다른 파장의 광들과 변환되지 않은 청색 광 부분과 결합하여 최종적으로 원하는 백색 광이 방출되도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 투명 수지(152)는 에폭시, 실리콘(silicone), 변형 실리콘, 우레탄 수지, 옥세탄 수지, 아크릴, 폴리카보네이트, 폴리이미드 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 일부 실시예에서, 파장변환 물질들(154,156)을 투명 수지(152)에 분산시키는 대신에, 직접 청색 LED(130)의 표면에 적용하는 형태(도 16 참조)로 제공될 수 있다.
본 실시예에 따른 백색 발광장치(100)는 일주기 리듬을 최적화하기 위해서 멜라노픽 민감 대역(melanopic sensitivity bandwith)에서 강도를 낮추어 인간중심적 조명 광(예, 야간 조명 광)을 제공할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 백색 발광장치(100)로부터 방출되는 백색 광은 멜라노픽 민감 대역(MS)을 조절된 스펙트럼(A)을 가질 수 있다. 백색 광 스펙트럼(A)에서는 멜라노픽 민감 대역(MS), 특히 465㎚∼495㎚ 대역을 낮추어 백색 광의 멜라노픽 포토닉 비(melanopic photopic ratio)은 0.37로 낮게 조절할 수 있다.
이와 같이, 백색 광 스펙트럼에서 멜라노픽 민감 대역(MS), 특히 465㎚∼495㎚을 포함하는 대역을 조절하여 인간의 생체리듬에 관련된 멜라토닌 호르몬 분비를 조절할 수 있으며, 이러한 조절을 통해서 일주기 리듬을 최적화할 수 있는 백색 광을 제공할 수 있다. 반면에, "C"는 다른 백색 광의 스펙트럼을 나타낸다. "C"로 표시된 스펙트럼은 "A"로 표시된 스펙트럼의 백색 광의 색온도(예, 2700K)와 동일한 색온도를 가지면서, 멜라노픽 민감 대역(MS)은 "A"의 동일 대역보다 상대적으로 높은 광량을 가질 수 있다. 즉, "C"로 표시된 백색 광 스펙트럼은 "A"로 표시된 스펙트럼의 멜로노픽 비율보다 0.46으로 상대적으로 높게 나타날 수 있다.
본 실시예에 따른 백색 광은 상대적으로 낮은 멜로토닉 비율을 가질 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 백색 광은 0.65 이하의 M/P 비를 가질 수 있다.
이러한 멜라노픽 포토닉 비는 일반적으로 색온도가 높을수록 높아지는 경향을 가질 수 있다. 본 실시예에 따른 백색 광은 1800K∼4000K 범위에서 상대적으로 낮은 멜로토닉 비율을 갖도록 구현될 수 있으며, 예를 들어, 1800K∼4000K 범위에서 0.1∼0.65 범위의 멜로토닉 비율을 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 이러한 특정 파장 대역(도 2의 "MS")의 선택적인 조절에도 불구하고, 백색 발광장치(100)의 백색광은 80 이상의 높은 연색 지수(CRI)를 가질 수 있다. 일부 실시에에서, 백색 발광장치(100)의 백색광의 연색 지수는 80 이상일 수 있다.
이러한 조건의 백색 광을 구현하기 위해서, 본 실시예에 채용된 파장 변환물질들(154,156)은, 535㎚∼550㎚의 피크 파장의 제1 광을 방출하는 제1 파장변환 물질(154)과, 620㎚∼660㎚의 피크 파장의 제2 광을 방출하는 제2 파장변환 물질(156)을 포함할 수 있다.
제1 파장변환 물질(154)은 최종 백색 광의 스펙트럼에서 465㎚∼495㎚ 영역을 낮출 수 있도록 통상의 녹색 파장변환 물질보다는 다소 높은 피크 파장을 갖는 녹색 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 도 3은, 제1 파장변환 물질(154)의 예로서, β-Si6-zAlzOzN8-z:Eu2+ z(0.01≤z≤5.99) (이하, "β-SiAlON" 형광체라고도 함)이 448㎚ 피크 파장의 여기광에 의한 방출 스펙트럼(G1)은 나타낸다.
도 3을 참조하면, β-SiAlON 형광체는 다른 녹색 형광체(예, 실리케이트 형광체)의 피크파장(예, 약 532㎚)보다 상대적으로 높은 피크파장(예, 약 540㎚)을 갖는다. 또한, β-SiAlON 형광체에 의한 스펙트럼(G1)은 다른 녹색 형광체(예, 실리케이트 형광체)에 의한 스펙트럼(G2)의 반치폭(예, 약 115㎚)보다 상대적으로 좁은 반치폭(예, 약 56㎚)을 갖는다.
이와 같이, 본 실시예에서는 백색 광 스펙트럼에서 465㎚∼495㎚ 영역을 충분히 낮출 수 있도록, 535㎚∼550㎚ 범위의 피크파장과 60㎚ 이하의 반치폭을 갖는 제1 파장변환 물질(154)이 사용될 수 있다.
한편, β-SiAlON 형광체에 의한 스펙트럼(G1)은 480㎚에서 상대적으로 매우 낮은 강도(예, 0.37%)를 갖는다. 예를 들어, 제1 파장변환 물질(154)은 480㎚에서의 강도가 피크 강도(예, 약 532㎚의 강도)에 대비하여 2% 이하의 강도, 나아가 1% 이하의 낮은 강도를 갖는 방출 스펙트럼을 가질 수 있다. 이와 같이, 본 명세서에서 480㎚에서의 강도는 최종 백색 광의 스펙트럼이 아니라, 제1 파장 변환 물질(154)로부터 방출되는 광(G1)의 단독 스펙트럼(도 3의 G1)에 의해 정의된다.
본 실시예에 채용 가능한 제1 파장변환 물질은 β-SiAlON 형광체 외에도, 상술된 피크 파장 및 반치폭(및/또는 480㎚의 상대적 피크)의 조건들을 만족하는 세라믹 형광체 및/또는 양자점이 사용될 수 있다. 예를 들어, 양자점은, InP/ZnS, InP/ZnSe, CdSe/CdS, CdSe/ZnS, PbS/ZnS, InP/ZnSe/ZnS, InP/GaP/ZnS, 및 그 조합을 포함할 수 있다.
제2 파장변환 물질(156)은 최종 백색 광이 멜라노픽 포토닉 비(M/P 비)의 조건에 따른 제1 파장변환 물질(154)과 함께 충분한 연색 지수(예, 80 이상)의 백색 광이 제공되도록 선택될 수 있다.
도 4를 참조하면, 5개의 샘플(적색 형광체)의 방출광 스펙트럼(R0,Ra,Rb,Rc,Rd)이 예시되어 있다.
아래 표1에 나타난 바와 같이, 제1 샘플의 스펙트럼(R0)은 612㎚의 피크 파장과 68㎚의 반치폭을 가지며, 제2 샘플의 스펙트럼(Ra)은 620㎚의 피크 파장과 71㎚의 반치폭을 가지고, 제3 샘플의 스펙트럼(Rb)은 628㎚의 피크 파장과 93㎚의 반치폭을 갖는다. 또한, 제4 샘플의 스펙트럼(Rc)은 639㎚의 피크 파장과 86㎚의 반치폭을 가지고, 제5 샘플의 스펙트럼(Rd)은 655㎚의 피크 파장과 83㎚의 반치폭을 갖는다.
구분 샘플1(R0) 샘플2(Ra) 샘플3(Rb) 샘플4(Rc) 샘플5(Rd)
피크 파장 612㎚ 620㎚ 628㎚ 639㎚ 655㎚
반치폭(FWHM) 68㎚ 71㎚ 93㎚ 86㎚ 83㎚
적색 형광체로서 아래 표 2에 표시한 바와 같이, 제1 내지 제5 샘플(R0,Ra,Rb,Rc,Rd) 단독 또는 그 조합과, 녹색 형광체로서는 도 3을 참조하여 설명된 β-SiAlON 형광체를 여기광원으로서 448㎚ 피크 파장의 청색 LED와 결합하여 백색 발광장치를 제조하고, 각각의 백색 발광장치로부터 방출되는 백색 광보다 연색지수를 측정하였다.
적색 형광체 샘플1(R0)
단독		 샘플2(Ra)
단독		 샘플3(Rb)
단독		 샘플2(Ra)+샘플4(Rc)의 조합 샘플2(Ra)+샘플5(Rd)의 조합
연색지수 76 82 86 86 87
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 제1 샘플(R0)의 적색 형광체 단독으로는 충분한 연색지수(예, 80 이상)을 얻기 어려우며, 제2 샘플(Ra) 및 제3 샘플(Rb)과 그조합에 따른 적색 형광체를 사용할 경우에, 80 이상(예, 86 또는 87)의 높은 연색 지수를 갖는 백색 광을 방출하도록 백색 발광장치를 구성할 수 있었다.
이와 같이, 연색지수를 고려하여, 본 실시예에 채용가능한 제2 파장변환 물질(156)은 620㎚∼660㎚의 피크 파장의 광을 방출할 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 파장변환 물질(156)은 70㎚ 이상의 반치폭을 가질 수 있다. 특정 실시예에서는, 제2 파장변환 물질(156)은 서로 다른 파장을 갖는 2 이상의 적색 형광체를 조합하여 사용할 수도 있다.
제2 파장변환 물질(156)로는 이러한 파장 조건을 만족하는 적색 형광체 또는 양자점이 사용될 수 있다. 예를 들어, 제2 파장변환 물질(156)은 (Sr,Ca)AlSiN3:Eu, CaAlSiN3:Eu, KxSiFy:Mn4+(2≤x≤3, 4≤y≤7)(이하, "KSF 형광체"라고도 함)및 그 조합을 포함할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 파장변환 물질(154,156)의 배합비를 조절함으로써 원하는 색온도를 구현할 수 있다. 예를 들어, 제2 파장변환 물질(156)의 양이 증가할수록 색온도는 낮아지며(웜화이트), 제2 파장변환 물질(156)의 양이 감소시킴으로써 색온도는 높아질 수 있다(쿨화이트).
이와 같이, 본 실시예에 따르면, 멜로노픽 민감 대역(예, 465㎚∼495㎚)에서의 강도를 낮추어 인간의 생체리듬에 관여하는 멜라토닌 호르몬 분비를 조절하는 동시에 연색 지수를 만족하는 인간 중심적인 조명용 백색 발광장치를 제공할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광장치를 나타내는 개략 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 백색 발광 장치(100A)는, 적어도 일부의 파장변환 물질을 필름형태로 제공되는 점을 제외하고 도 1에 도시된 백색 발광장치(100)와 유사한 것으로 이해할 수 있다. 또한, 본 실시형태의 구성요소는 특별히 반대되는 설명이 없는 한, 도 1에 도시된 백색 발광장치(100)의 동일하거나 유사한 구성요소에 대한 설명을 참조하여 이해될 수 있다.
본 실시예에 채용된 파장 변환부(150A)는 인캡슐레이션 형태와 필름형의 조합으로 구현될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 인캡슐레이션 형태는 앞선 실시예의 파장 변환부(150)와 유사하게, 투명 수지(152)에 제2 파장변환 물질(156)이 혼합된 구조일 수 있다. 또한, 필름형은 제1 파장변환 물질(154b')이 함유된 파장 변환 필름(154')으로 제조되어 방출면 상에 적층될 수 있다. 예를 들어, 상기 파장 변환 필름(154')은 투명 수지(154a')가 바인더로 혼합된 구조이거나 형광체 자체로 이루어진 세라믹 필름일 수 있다. 이 외에도 본 발명에 따른 백색 발광장치는 다양한 구조를 가질 수 있다 일부 실시예에서, 이러한 파장 변환 필름은 LED 칩의 표면에 직접 적용될 수 있다(도 16 참조).
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광장치에 채용된 발광 다이오드 칩을 나타내는 개략 단면도이다.
도 6a를 참조하면, 본 실시예에 채용된 LED 칩(30A)은, 기판(31)과, 상기 기판(31) 상에 배치된 반도체 적층체(S)를 포함한다. 상기 반도체 적층체(S)는 상기 기판(31) 상에 순차적으로 배치된 제1 도전형 반도체층(34), 활성층(35) 및 제2 도전형 반도체층(36)을 포함할 수 있다. 상기 기판(31)과 상기 제1 도전형 반도체층(34) 사이에 버퍼층(32)이 추가적으로 배치될 수 있다.
상기 기판(31)은 사파이어와 같은 절연성 기판일 수 있다. 하지만, 이에 한정되지 않으며, 상기 기판(31)은 절연성 외에도 도전성 또는 반도체 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(31)은 사파이어 외에도 SiC, Si, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN일 수 있다. 상기 기판(31)의 상면에는 요철(P)이 형성될 수 있다. 상기 요철(P)은 광추출 효율을 개선하면서 성장되는 단결정의 품질을 향상시킬 수 있다.
상기 버퍼층(32)은 언도프 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 버퍼층(32)는 GaN, AlN, AlGaN, InGaN일 수 있다. 필요에 따라, 복수의 층을 조합하거나, 조성을 점진적으로 변화시켜 사용할 수도 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(34)은 n형 InxAlyGa1-x-yN (0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1)을 만족하는 질화물 반도체일 수 있으며, n형 불순물은 Si일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(34)은 n형 GaN을 포함할 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(36)은 p형 InxAlyGa1-x-yN (0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1)을 만족하는 질화물 반도체층일 수 있으며, p형 불순물은 Mg일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 반도체층(36)은 단층 구조로 구현될 수도 있으나, 본 예와 같이, 서로 다른 조성을 갖는 다층 구조를 가질 수 있다.
상기 활성층(35)은 양자우물층과 양자장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(MQW) 구조일 수 있다. 예를 들어, 상기 양자우물층과 양자장벽층은 서로 다른 조성을 갖는 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)일 수 있다. 특정 예에서, 상기 양자우물층은 InxGa1-xN (0<x≤1)이며, 상기 양자장벽층은 GaN 또는 AlGaN일 수 있다. 양자우물층과 양자장벽층의 두께는 각각 1㎚∼50㎚ 범위일 수 있다. 상기 활성층(35)은 다중양자우물구조에 한정되지 않으며, 단일양자우물 구조일 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극(39a,39b)은, 동일한 면(제1 면)에 위치하도록, 상기 제1 도전형 반도체층(34)의 메사 에칭된 영역과 상기 제2 도전형 반도체층(36)에 각각 배치될 수 있다. 상기 제1 전극(39a)은 이에 한정되지 않지만, Ag, Ni, Al, Cr, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 등의 물질을 포함할 수 있으며, 단일층 또는 2층 이상의 구조로 채용될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 제2 전극(39b)은 투명 전도성 산화물 또는 투명 전도성 질화물과 같은 투명 전극이거나, 그래핀(graphene)을 포함할 수도 있다. 상기 제2 전극(39b)은 Al, Au, Cr, Ni, Ti, Sn 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 6b를 참조하면, 본 실시예에 따른 LED 칩(30B)은, 전극 구조와 그 관련된 구조를 제외하고, 도 5에 도시된 LED 칩(30A)과 유사한 것으로 이해할 수 있다. 본 실시예의 구성요소에 대한 설명은 특별히 반대되는 설명이 없는 한, 도 6a에 도시된 LED 칩(30A)과 동일하거나 유사한 구성요소에 대한 설명을 참조할 수 있다.
상기 LED 칩(30B)은 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(34,36)에 각각 접속된 제1 및 제2 전극(42,44)을 포함한다. 상기 제1 전극(42)은 제2 도전형 반도체층(36) 및 활성층(35)을 관통하여 제1 도전형 반도체층(34)과 접속된 연결 전극부(42a)과, 연결 전극부(42a)에 연결된 제1 전극 패드(42b)를 포함할 수 있다. 연결 전극부(42a)은 도전성 비아와 같은 구조일 수 있다. 연결 전극부(42a)는 절연부(41)에 의하여 둘러싸여 활성층(35) 및 제2 도전형 반도체층(36)과 전기적으로 분리될 수 있다. 연결 전극부(42a)는 반도체 적층체(S)이 식각된 영역에 배치될 수 있다. 연결 전극부(42a)는 접촉 저항이 낮아지도록 개수, 형상, 피치 또는 제1 도전형 반도체층(34)과의 접촉 면적 등을 적절히 설계할 수 있다. 또한, 연결 전극부(42a)는 반도체 적층체(S) 상에 행과 열을 이루도록 배열됨으로써 전류 흐름을 개선시킬 수 있다. 상기 제2 전극(44)은 제2 도전형 반도체층(36) 상의 오믹 콘택층(44a) 및 제2 전극 패드(44b)를 포함할 수 있다.
상기 연결 전극부(42a) 및 상기 오믹 콘택층(44a)은 각각 제1 및 제2 도전형 반도체층(34,13)과 오믹 특성을 갖는 도전성 물질이 1층 또는 다층 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, Ag, Al, Ni, Cr와 같은 금속 및 ITO와 같은 투명 도전성 산화물(TCO) 중 하나 이상을 증착하거나 스퍼터링하는 등의 공정으로 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 패드(42b,44b)는 각각 상기 연결 전극부(42a) 및 상기 오믹 콘택층(44a)에 각각 접속되어 상기 LED 칩(30B)의 외부 단자로 기능할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 전극 패드(42b,44b)는 Au, Ag, Al, Ti, W, Cu, Sn, Ni, Pt, Cr, NiSn, TiW, AuSn 또는 이들의 공융 금속일 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극(42,44)은 서로 동일한 방향으로 배치될 수 있으며, 리드 프레임 등에 소위, 플립칩 형태로 실장될 수 있다. 한편, 2개의 전극(42,44)는 절연부(21)에 의하여 서로 전기적으로 분리될 수 있다. 절연부(41)는 전기적으로 절연 특성을 갖는 물질이면 어느 것이나 사용할 수 있으며, 전기 절연성을 갖는 물체라면 어느 것이나 채용 가능하지만, 광 흡수율이 낮은 물질을 사용할 수 있다. 예를 들어, 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 이용할 수 있을 것이다. 필요에 따라, 광투과성 물질 내에 광 반사성 분말을 분산시켜 광반사 구조를 형성할 수 있다. 이와 달리, 상기 절연부(121)는 서로 다른 굴절률을 갖는 복수의 절연막들이 교대로 적층된 다층 반사구조일 수 있다. 예를 들어, 이러한 다층 반사구조는 제1 굴절률을 갖는 제1 절연막과 제2 굴절률을 갖는 제2 절연막이 교대로 적층된 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다.
상기 다층 반사 구조는 상기 굴절률이 서로 다른 복수의 절연막들이 2회 내지 100회 반복하여 적층될 수 있다. 예를 들어, 3회 내지 70회 반복하여 적층 될 수 있으며, 나아가 4회 내지 50회 반복하여 적층될 수 있다. 상기 다층 반사 구조의 복수의 절연막은 각각 SiO2, SiN, SiOxNy, TiO2, Si3N4, Al2O3, TiN, AlN, ZrO2, TiAlN, TiSiN 등의 산화물 또는 질화물 및 그 조합일 수 있다. 상기 제1 절연막 및 제2 절연막의 굴절률은 약 1.4 내지 약 2.5 범위에서 결정될 수 있으며, 상기 제1 도전형 반도체층(34)의 굴절률 및 기판(31)의 굴절률보다 작은 값일 수 있으나, 상기 제1 도전형 반도체층(34)의 굴절률보다는 작지만, 기판(31)의 굴절률보다는 큰 값을 가질 수도 있다. 상술된 형태의 LED 칩(30A,30B)은 백색 발광장치(100,100A)의 청색 발광 다이오드(130)로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 백색 발광장치의 멜라노픽 포토닉 비(M/P 비)과 색온도의 관계를 확인하기 위해서 각 색온도별로 다수의 백색 발광장치를 제조하였다.
구체적으로, 448㎚ 파장의 청색 광을 방출하는 청색 LED과 함께, 제1 파장변환 물질(β-SiAlON) 및 제2 파장변환 물질((Sr,Ca)AlSiN3:Eu)을 결합하여 각 색온도 별로 M/P 비를 저감시킨 다수의 백색 발광장치들을 마련하였다. 여기서, 백색 광의 색온도는 제1 및 제2 파장변환 물질의 배합비를 조절하여 다르게 설계되었다. 이렇게 제조된 백색 발광장치들로부터 방출되는 백색 광은 80 이상(일부 실시예에서는 85 이상)의 연색 지수를 가질 수 있다.
각 색온도에 따른 백색 발광장치들의 백색 광의 M/P 비 분포는 도 7의 그래프로 나타내었다.
도 7을 참조하면, 백색 발광장치들은 0.65 이하의 낮은 M/P 비를 가지며, 예를 들어, 본 실시예에 따른 백색 발광장치의 백색 광은 1800K∼4200K 범위에서, 멜라노픽 포토닉 비는 0.1∼0.65 범위일 수 있다. 백색 광의 M/P 비는 색온도는 낮을수록 더 낮아지는 경향을 갖는다.
백색 광의 M/P 비는 색온도는 낮을수록 더 낮아지는 경향을 갖는다. 구체적으로, 1800K의 백색 발광장치들은 0.15∼0.23 범위의 M/P 비를 가지며, 2200K의 백색 발광장치들은 0.15∼0.23 범위의 M/P 비를 갖는다. 또한, 2700K 및 3000K의 백색 발광장치들은 각각 0.34∼0.40 범위와 0.43∼0.50 범위의 M/P비를 가지며, 3500K 및 4000K의 백색 발광장치들은 각각 0.50∼0.58 범위와 0.58∼0.65 범위의 M/P비를 갖는다.
M/P 비 분포를 색온도 구간으로 구분하면, 상기 백색 광의 색온도가 1800K∼2500K 범위인 경우에, 그 백색 광의 M/P 비는 0.15∼0.35 범위일 수 있다. 상기 백색 광의 색온도는 2500K∼3200K 범위인 경우에, 상기 백색 광의 M/P 비는 0.3∼0.5 범위일 수 있다. 또한, 상기 백색 광의 색온도는 3200K∼4200K 범위인 경우에, 상기 백색 광의 M/P 비는 0.45∼0.65 범위일 수 있다.
본 실시예에 따른 백색 발광장치는 백색 광의 스펙트럼의 프로파일에 기초한 조건(아래의 스펙트럼 조건 1 및 2 참조)을 이용하여 정의될 수 있다. 이러한 2개의 스펙트럼 조건은 도 8을 참조하여 설명될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 백색 발광장치의 백색 광의 방출 스펙트럼이다.
도 8을 참조하면, 상술된 실시예들 중 각 색온도별 하나의 샘플을 선택하여 각 샘플에 대한 백색 광의 스펙트럼을 나타내었다. 아래의 표 3은 각 샘플의 M/P 비를 나타낸다.
항목 A1 A2 A3 A4 A5 A6
색온도(K) 1800 2200 2700 3000 3500 4000
M/P 비 0.20 0.28 0.37 0.48 0.56 0.64
우선, 제1 스펙트럼 조건은 최종 백색 광의 스펙트럼에서 전체 청색 파장 대역의 광(②) 중 청색 LED로부터 방출되는 광(즉, 변환되지 않은 청색 LED 의 방출광(①)의 비율로 정의할 수 있다. 여기서, ①의 적분 광량은 440㎚∼460㎚ 대역에 해당되는 스펙트럼의 적분량으로 표현되며, ②의 적분 광량은 380㎚∼500㎚ 대역에 해당되는 스펙트럼의 적분량으로 표현될 수 있다. ①의 적분 광량은 ②의 적분 광량과 비례하여 일정한 크기의 비율을 갖지만, ②의 적분 광량은 종래 방식에 따른 백색 광에 비해 멜라토닌과 관련된 대역에서 광량이 감소되므로, 상대적으로 작은 값을 가질 수 있다.
아래의 표 4에 나타난 바와 같이, 제1 스펙트럼 조건에 따른 비율(①/②)은 50% 내지 65% 범위일 수 있다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 백색 광의 스펙트럼에서, 440㎚∼460㎚의 적분 광량(①)은 380㎚∼500㎚ 대역의 적분 광량(②)의 50%∼65% 범위일 수 있다.
항목 A1 A2 A3 A4 A5 A6
색온도(K) 1800 2200 2700 3000 3500 4000
스펙트럼 조건1
(①/②)		 55% 58% 63% 57% 58% 56%
스펙트럼 조건2
(ⓐ/ⓑ)		 4.1% 5.1% 5.3% 14% 16% 25%
제2 스펙트럼 조건은 최종 백색 광의 스펙트럼에서 녹색 대역의 광(ⓑ)에 대한 시안(cyan) 대역의 광(ⓐ)의 비율로 정의할 수 있다. 여기서, ⓐ의 적분 광량은 480㎚∼500㎚ 대역에 해당되는 스펙트럼의 적분량으로 표현되며, ⓑ의 적분 광량은 540㎚∼550㎚ 대역에 해당되는 스펙트럼의 적분량으로 표현될 수 있다. ⓐ의 적분 광량은 M/P 비와 관련된 광량으로서, 멜라노픽 포토닉 비가 낮아질수록 상대적으로 작은 값을 가질 수 있다.
상기 표 4에 나타난 바와 같이, 제2 스펙트럼 조건에 따른 비율(ⓐ/ⓑ)은 30% 이하, 바람직하게 26% 이하일 수 있다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 백색 광의 스펙트럼에서, 480㎚∼500㎚의 적분 광량은 540㎚∼560㎚ 대역의 적분 광량의 26% 이하 범위일 수 있다.
도 9a 및 도 9b에는 도 7에서 사용된 모든 샘플들에 대한 각 색온도별 제1 및 제2 스펙트럼 조건을 나타낸다.
본 실시예에 따른 백색 발광장치로부터 방출되는 백색 광은, 440㎚∼460㎚의 적분 광량은 380㎚∼500㎚의 적분 광량의 50%∼65% 범위이고, 480㎚∼500㎚의 적분 광량은 540㎚∼560㎚의 적분 광량의 26% 이하 범위인 스펙트럼을 가질 수 있다.
여기서, 제2 스펙트럼 조건은 멜라노픽 포토닉 비(M/P 비)과 관련된 값으로서 색온도에 따라 추가적으로 분류될 수 있다. 예를 들어, 도 9b를 참조하면, 상기 백색 광의 색온도은 1800K∼2800K 범위인 경우에, 480㎚∼500㎚의 적분 광량은 540㎚∼560㎚의 적분 광량의 10% 이하 범위일 수 있으며, 백색 광의 색온도는 2800K∼4200K 범위인 경우에, 480㎚∼500㎚의 적분 광량은 540㎚∼560㎚의 적분 광량의 10%∼26% 범위일 수 있다.
본 실시예에 따른 백색 발광장치는 인간의 생체리듬에 관여하는 멜라토닌 호르몬 분비를 조절할 수 있는 LED 조명장치에 채용될 수 있다. 이러한 LED 조명장치는 인간 친화적인 야간 조명 장치로 유익하게 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 상술된 실시예들에 따른 백색 발광장치를 제1 LED 광원부로 채용하고, 청색 대역(예, 465㎚∼495㎚)의 강도를 증가시켜 멜라토닌을 억제하여 집중력을 향상시키도록 구성된 백색 발광 장치를 제2 LED 광원부를 채용하여 특정 환경에서 원하는 조명 광을 선택적으로 제공할 수 있는 LED 조명 장치를 제공할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 장치의 블럭도이다.
도 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 LED 조명 장치는 구동 제어부(20), 광원 유닛(30) 및 전원 공급부(40)를 포함할 수 있다. 광원 유닛(30) 또는 구동 제어부(20)과 광원 유닛은 하나의 모듈로 구성될 수 있다.
전원 공급부(40)는 AC 또는 DC 파워를 구동 제어부(20)의 광원 구동부(25)에 공급할 수 있다. 구동 제어부(20)는 광원 구동부(25) 및 광원 구동부(25)를 제어하기 위한 구동신호를 제공하는 구동신호 제어부(21)를 포함할 수 있다. 광원 구동부(25)는 전원 공급부(10)에 연결되어 파워를 공급받으며, 구동신호 제어부(21)의 구동신호에 의해 제어된 전류(I1,I2)을 제1 및 제2 LED 광원(30A,30B)에 공급할 수 있다. 본 실시예에서, 광원 구동부(25)은 제1 및 제2 LED 광원(30A,30B)에 서로 동일한 전류(I1,I2)가 인가되도록 제어될 수 있다.
일부 실시예들에서, 구동 제어부(20)는 LED 조명 장치의 내부 또는 외부에 측정된 색온도와 같은 색특성의 데이터를 송수신하는 통신 모듈을 더 포함할 수 있다. 구동 제어부(20)는 조도센서, 모션센서, 이미지센서 중 적어도 하나의 센서 데이터를 가공하여 발광 장치(10)의 내부 또는 외부로 송수신하는 신호 처리부를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 제1 LED 광원(30A)은 앞선 실시예에 따른 백색 발광장치들(100,100A)과 유사하게, 청색 대역(예, 465㎚∼495㎚)의 강도를 감소시켜 멜라토닌을 잘 분비될 수 있도록 구성된 제1 백색 발광장치들을 포함하며, 제2 LED 광원부(30B)는 청색 대역(예, 465㎚∼495㎚)의 강도를 증가시켜 멜라토닌을 억제하여 집중력을 향상시키도록 구성된 제2 백색 발광장치를 포함할 수 있다. 이러한 제2 LED 광원부(30B)에 사용가능한 제2 백색 발광장치(200)는 도 11에 예시되어 있다.
도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 백색 발광장치(200)는, 캐비티를 가지며 제1 및 제2 리드프레임(211,212)를 갖는 패키지 기판(210)과, 상기 패키지 기판(210)의 캐비티에 배치된 제1 및 제2 발광다이오드(230,240)와, 패키지 기판(210) 및 리드 프레임(211,212) 상에 배치되며 제1 및 제2 LED(230,240)를 수용하는 캐비티를 갖는 측벽 반사부(220)와 상기 제1 및 제2 LED(230,240)를 덮도록 상기 캐비티에 배치된 파장 변환부(250)를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 LED(230,240)는 상기 캐비티에서 상기 제1 및 제2 리드 프레임(211,212)에 각각 연결될 수 있다. 본 실시예에서는 와이어(W)에 의해 연결되나 이에 한정되지 않고 플립칩 방식으로 연결될 수도 있다. 상기 제1 LED(230)는 430㎚∼455㎚ 피크 파장의 제1 청색 광을 방출하도록 구성되며, 상기 제2 LED(240)는 465㎚∼495㎚ 피크 파장의 제2 청색 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 상기 파장 변환부(250)는 파장변환 물질들(254,256)이 함유된 투광성 수지(252)를 포함할 수 있다. 상기 파장 변환물질들(254,256)은, 520㎚∼560㎚의 피크 파장의 제1 광을 방출하는 제1 파장변환 물질(254)과, 590㎚∼655㎚의 피크 파장의 제2 광을 방출하는 제2 파장변환 물질(256)을 포함한다. 예를 들어, 상기 제1 파장변환 물질(254)은, Ga-Y3Al5O12(이하, YAG라고도 함)　Al5Lu3O12, Y3Al5O12·Al5Lu3O12 및 그 조합으로부터 선택된 적어도 하나의 형광체를 포함할 수 있다. 상기 제2 파장변환 물질(256)은 (Sr,Ca)AlSiN3:Eu, CaAlSiN3:Eu, KxSiFy:Mn4+(2≤x≤3, 4≤y≤7), 및 그 조합을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 파장변환 물질 중 적어도 하는 2 종 이상의 형광체를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 파장변환 물질(254,256) 중 적어도 하나는 상기 제1 청색 광에 의한 여기효율이 상기 제2 청색 광에 의한 여기효율보다 높을 수 있다.
이와 같이, 제2 백색 발광장치(200)는 제1 청색 광과 함께 상대적으로 소프트한(soft) 제2 청색 광을 채용함으로써 BLH(blue light hazard)를 감소시킬 수 있다. 또한, 제1 및 제2 청색 광의 세기 비율을 조절함으로써 BLH 감소뿐만 아니라 제1 및 제2 파장변환 물질(254,256)의 조합을 통해서 연색지수를 높일 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 제2 백색 발광장치(200)의 백색 광의 스펙트럼(B)에서, 상기 제2 청색 광의 피크 세기는 상기 제1 청색 광의 피크 세기 대비 50% 이상일 수 있다. 이러한 두 청색 광의 피크 세기 비율을 BLH 저감 효과를 위해서 70% 이상, 나아가 상기 제2 청색 광의 피크 세기를 상기 제1 청색 광의 피크 세기보다 크게 선택할 수 있다. 제2 청색 광의 파장 및 세기 비율은 연색지수(CRI)가 80 이상, 바람직하게 85 이상으로 유지되는 범위에서 조절될 수 있다. 또한, 연색성 관점에서, 520㎚∼560㎚ 대역에서의 최대 세기는 상기 제2 청색 광의 피크 세기의 40%∼160% 범위일 수 있다.
이와 같이, 430㎚∼455㎚ 피크 파장의 제1 청색 광과 465㎚∼495㎚ 피크 파장의 제2 청색 광과 함께 520㎚∼560㎚의 피크 파장의 제1 광(예, 시안(cyan),녹색 또는 황색)과 590㎚∼655㎚의 피크 파장의 제2 광을 결합함으로써, 인간 친화적인 조명을 위한 백색 광(특히, 주간)을 제공할 수 있다. 이러한 백색 광의 연색지수(CRI)는 80 이상, 바람직하게 85 이상으로 유지될 수 있다.
도 12를 참조하면, 제2 백색 발광장치(200)의 백색 광의 스펙트럼(B)과 함께, 상술된 실시예들(100,100A)에 따른 제1 백색 발광장치의 백색 광의 스펙트럼(A)이 도시되어 있다. 제1 백색 발광장치의 백색 광(B)은, 청색 대역의 강도를 감소시켜 멜라토닌 호르몬이 잘 분비될 수 있도록 인간 친화적인 백색 광(특히, 야간)을 제공할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 제1 백색 광(A)의 멜라노픽 포토닉(M/P) 비는 0.65 이하이고, 상기 제2 백색 광(B)의 멜라노픽 포토닉(M/P) 비는 0.5 이상일 수 있다.
본 실시예에서는, 광원 구동부(25)는 구동신호 제어부(21)의 구동신호에 의해 제1 및 제2 LED 광원(30A,30B)에 공급되는 전류를 독립적으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 야간에는 제1 LED 광원(30A)을 구동시켜 야간에 적합한 조명 광을 제공할 수 있으며, 주간에는 제2 LED 광원(30B)을 구동시켜 주간에 적합한 조명 광을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서는, 광원 유닛(30)은 제1 및 제2 LED 광원부(30A,30B)로부터 발생한 백색 광을 혼합하여 중간 특성의 백색광을 방출하도록 구동 제어부(20)에 의해 제조될 수 있다. 이 경우에, 혼합된 백색 광의 광속은 일정한 범위로 유지될 수 있다.
이에 한정되지는 않으나, 제1 LED 광원(30A)의 제1 백색 광은 대체로 제2 LED 광원(30B)의 제2 백색 광보다 낮은 색온도 범위에서 구현될 수 있다.
예를 들어, 도 13에 도시된 바와 같이, 제1 LED 광원(30A)의 제1 백색 광(A)은 800K∼4000K 범위의 색온도를 가질 수 있으며, 제2 LED 광원(30B)의 제2 백색 광(B)은 3000K 이상의 색온도를 가질 수 있다.
제1 및 제2 백색 광의 선택적 제어는 구현가능한 색온도 범위를 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어, "Ⅱ"로 표시된 바와 같이, 상기 제1 백색 광(A)는 제1 색온도(예, 2700K)를 가지며, 상기 제2 백색 광(B)은 상기 제1 색온도보다 높은 제2 색온도(예, 5000K)를 갖도록 LED 조명 장치의 광원부(30)가 구성될 수 있으며, 이 경우에, 원하는 환경에 따라 다른 색온도의 제1 및 제2 백색 광(A,B) 중 하나가 방출되도록 구동할 수 있다.
이와 달리, 일부 실시예에서는, "Ι"로 표시된 바와 같이, 제1 및 제2 백색 광(A,B)은 동일하거나 유사한 색온도를 가지며, 원하는 환경에 따라 동일하거나 유사한 색온도의 제 및 제2 백색 광(A,B) 중 하나가 방출되도록 구동될 수 있다. 이 경우에, 상기 제1 백색 광(A) 및 상기 제2 백색 광(B)은 3000K∼4000K 범위의 색온도를 가질 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 장치를 위한 발광 모듈를 개략적으로 나타내는 사시도이며, 도 15는 도 14의 발광 모듈를 I-I'에 따라 절단된 단면도이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광원 모듈(1000)은, 회로 기판(1100)과, 회로 기판(1100) 상에 실장되는 제1 및 제2 LED 광원들(100',200')과, 제1 및 제2 LED 광원들(100',200')을 둘러싸는 댐(1200)과, 제1 및 제2 LED 광원들(100',200')을 덮는 봉지부(1300)과, 구동 제어 칩(1400)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 LED 광원들(100',200')은 각각 앞선 실시예에 설명된 제1 및 제2 백색 발광장치를 복수개로 포함하여 구성될 수 있으다. 또한, 도 10에서 설명된 구동 제어부(20)는 구동 제어 칩(1400)으로 구현될 수 있다.
회로 기판(1100)은 도전성 및 절연성 물질을 포함할 수 있으며, 상부면에는 제1 및 제2 LED 광원들(100',200')과 연결되는 금속 패턴(1155) 및 금속 패턴(1155)과 연결되는 단자부(1150)가 배치될 수 있다.
회로 기판(1100)은 예를 들어, FR4 타입의 인쇄회로기판(PCB)일 수 있고, 에폭시, 트리아진, 실리콘, 및 폴리이미드 등을 함유하는 유기 수지, 또는 SiN, AlN, Al2O3 등의 세라믹, 또는 금속 및 금속화합물을 포함할 수 있다. 회로 기판(1100)은 PCB, MCPCB, MPCB, FPCB, CCL, MCCL 등을 포함할 수도 있다.
금속 패턴(1155)은 제1 및 제2 LED 광원들(100',200')과 전기적으로 연결되며, 단자부(1150)를 통해 외부 전원과 전기적으로 연결되어, 제1 및 제2 LED 광원들(100',200')에 전기적 신호를 인가할 수 있다. 금속 패턴(1155) 및 단자부(1150)는 도전성 박막의 형태를 가질 수 있으며, 예를 들어, 동박으로 이루어질 수 있다.
제1 및 제2 LED 광원들(100',200')은 각각 복수개가 기판(1100) 상에 배치될 수 있다. 제1 및 제2 LED 광원들(100',200')은 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층과 이들 사이에 배치된 활성층을 갖는 LED 칩(도 16의 110)을 포함할 수 있다. 제1 LED 광원들(100')은 상술된 실시예에서 설명된 제1 백색 발광장치를 포함하며, 제2 LED 광원들(200')은 상술된 실시예에서 설명된 제2 백색 발광장치를 포함할 수 있다.
댐(1200)은 회로 기판(1100) 상에서 제1 및 제2 광원들(100A, 100B)을 둘러싸도록 배치되어 내부의 발광 영역을 정의할 수 있다. 댐(1200)은 기판(1100)의 상면 위로 돌출되어 배치되며, 링 형상을 가질 수 있다. 다만, 본 실시예에서의 기판(1100) 및 댑(1200)의 형상은 각각 사각형과 원형에 한정되지 않으며, 이에 따라, 제1 및 제2 광원들(100A, 100B)의 배치도 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 댐(1200)은 생략될 수도 있다.
봉지부(1300)는 댐(1200)에 의해 구획된 공간 내부를 채우며, 제1 및 제2 LED 광원들(100',200')을 덮을 수 있다. 봉지부(1300)는 외부로 방출되는 광의 지향각 조절을 위해 상부로 볼록한 돔 형상으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 봉지부(1300)는 제1 및 제2 LED 광원들(100',200')로부터 발생된 광이 외부로 방출될 수 있도록 광 투과성 물질로 이루어질 수 있다. 상기 광 투과성 물질로는, 예를 들어, 실리콘(silicone) 또는 에폭시 등의 수지가 사용될 수 있다. 봉지부(1300)는 회로 기판(1100) 상에 수지를 주입하고, 가열, 광 조사, 시간 경과 등의 방식으로 경화시켜 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 봉지부(1300)는 외부로 방출되는 광의 확산을 위해 광반사 물질을 포함할 수도 있다. 상기 광반사 물질로는, 예를 들어 SiO2, TiO2, Al2O3와 같은 백색 분말이 사용될 수 있다. 다만, 일부 실시예들에서, 봉지부(1300)는 생략될 수도 있으며, 각각의 제1 및 제2 LED 광원들(100',200')이 렌즈를 포함할 수도 있다.
본 실시예에 채용된 제1 LED 광원들(100')은, 앞선 실시예에 따른 통상적인 패키지 구조(100,100A)로 구현될 수 있으나, 도 16에 도시된 바와 같이, 칩 스케일 패키지 형태로 구현될 수도 있다.
도 16을 참조하면, 본 실시예에 따른 제1 LED 광원들(100')은 청색 광을 방출하는 청색 LED 칩(30)과, 청색 LED 칩(30)의 하면에 배치되는 제1 및 제2 전극들(50a,50b), 청색 LED 칩(30)의 측면을 둘러싸는 반사층(60)과, 청색 LED 칩(30)의 상면에 배치되는 파장 변환부(70)를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 전극들(50a,50b)은 도전성 물질로 이루어지며, 각각 제1 및 제2 범프들(Sa, Sb)을 통해 회로 기판(1100)의 제1 및 제2 전극 패턴들(1120a, 1120b)과 전기적으로 연결될 수 있다. 반사층(60)은 청색 LED 칩(30)으로부터 측면으로 방출되는 광을 반사시켜 상부로 향하도록 할 수 있다. 반사층(60)은 광반사 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, SiO2, TiO2, 또는 Al2O3와 같은 백색 분말을 포함할 수 있다.
파장 변환부(70)은 앞선 실시예들의 파장 변환부(150,150A)와 유사하게 청색 LED 칩(30)으로부터 방출된 청색광의 일부를 다른 파장을 변환하는 제1 및 제2 파장변환 물질을 포함할 수 있다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 조명장치를 간략하게 나타내는 사시도이다.
도 17을 참조하면, 평판 조명 장치(4100)는 광원모듈(4110), 전원공급장치(4120) 및 하우징(4130)을 포함할 수 있다. 전원공급장치(4120)는 구동 제어부를 포함할 수 있다.
광원 모듈(4110)은 광원 어레이를 포함할 수 있고, 전체적으로 평면 현상을 이루도록 형성될 수 있다. 광원 모듈(4110)을 구성하는 광원은 도 1 및 도 5에 도시된 백색 발광장치(100,100A)를 포함하도록 구성되거나, 광원 모듈(4110)은 도 14에 도시된 LED 모듈(1000)로 구현될 수 있다.
전원공급장치(4120)는 광원 모듈(4110)에 전원을 공급하도록 구성될 수 있다. 하우징(4130)은 광원 모듈(4110) 및 전원공급장치(4120)가 내부에 수용되도록 수용 공간이 형성될 수 있고, 일측면에 개방된 육면체 형상으로 형성되나 이에 한정되는 것은 아니다. 광원 모듈(4110)은 하우징(4130)의 개방된 일측면으로 빛을 발광하도록 배치될 수 있다. 본 실시예와 달리, 백색 발광장치에 채용된 파장변환물질 중 적어도 일부의 형광체가 백색 발광장치 외의 조명 장치(4100)의 다른 구성요소(예, 도광판, 확산판, 렌즈)에 배치될 수 있다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 벌브형 조명장치를 나타내는 분해 사시도이다.
도 18을 참조하면, 벌브형 조명 장치(4300)는 소켓(4210), 전원부(4220), 방열부(4230), 광원 모듈(4240) 및 렌즈형 광학부(4330)를 포함할 수 있다.
소켓(4210)은 기존의 조명 장치와 대체 가능하도록 구성될 수 있다. 조명 장치(4200)에 공급되는 전력은 소켓(4210)을 통해서 인가될 수 있다. 도시된 바와 같이, 전원부(4220)는 제1 전원부(4221) 및 제2 전원부(4222)로 분리되어 조립될 수 있다. 방열부(4230)는 내부 방열부(4231) 및 외부 방열부(4232)를 포함할 수 있고, 내부 방열부(4231)는 광원 모듈(4240) 및/또는 전원부(4220)와 직접 연결될 수 있고, 이를 통해 외부 방열부(4232)로 열이 전달되게 할 수 있다. 렌즈형 광학부(4330)는 광원 모듈(4240)이 방출하는 빛을 고르게 분산시키도록 구성될 수 있다.
광원 모듈(4240)은 전원부(4220)로부터 전력을 공급받아 광학부(4330)로 빛을 방출할 수 있다. 광원 모듈(4240)은 하나 이상의 광원(4241), 회로 기판(4242) 및 컨트롤러(4243)를 포함할 수 있고, 컨트롤러(4243)는 상기 광원(4241)의 구동 정보를 저장할 수 있다. 각각의 광원(4241)은 도 1 및 도 5에 도시된 백색 발광장치(100,100A)를 포함하도록 구성되거나, 광원 모듈(4240)은 도 14에 도시된 LED 모듈(1000)로 구현될 수 있다.
본 실시예에 따른 조명 장치(4300)에서 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, 상기 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 상기 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. 상기 반사판(4310)과 통신 모듈(4320)은 렌즈형 광학부(4330)에 의해 커버될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예 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.

Claims (20)

  1. 440㎚∼455㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 청색 광을 방출하는 청색 발광 다이오드;
    상기 청색 광에 의해 여기되어 535㎚∼550㎚의 피크 파장과 60㎚ 이하의 반치폭을 갖는 제1 광을 방출하는 제1 파장변환 물질; 및
    상기 청색 광에 의해 여기되어 620㎚∼660㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 제2 광을 방출하는 제2 파장변환 물질을 포함하는 백색 발광장치이고,
    상기 백색 발광장치로부터 방출되는 백색 광의 멜라노픽 포토닉 비(melanopic photopic ratio)은 0.65 이하이며, 상기 백색 광의 연색지수(CRI)는 80 이상인 백색 발광장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광의 스펙트럼에서, 480㎚에서의 강도는 상기 제1 광의 피크 파장의 강도의 2% 이하인 백색 발광장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 파장변환 물질은 β-SiAlON 형광체를 포함하는 백색 발광장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 파장변환 물질은, (Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+, CaAlSiN3:Eu2+, 및 KxSiFy:Mn4+(2≤x≤3, 4≤y≤7)로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 적색 형광체를 포함하는 백색 발광장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 파장변환 물질로부터 방출되는 상기 제2 광은 70㎚ 이상의 반치폭을 갖는 백색 발광장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 백색 광의 색온도(Correlated Color Temperature, CCT)는 1800K∼4200K 범위인 백색 발광장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 백색 광의 멜라노픽 포토닉 비는 0.1∼0.65 범위인 백색 발광장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 백색 광의 스펙트럼에서, 440㎚∼460㎚의 적분 광량은 380㎚∼500㎚의 적분 광량의 50%∼65% 범위인 백색 발광장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 백색 광의 스펙트럼에서, 480㎚∼500㎚의 적분 광량은 540㎚∼560㎚의 적분 광량의 26% 이하 범위인 백색 발광장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 백색 광의 연색지수(CRI)는 85 이상인 백색 발광장치.
  11. 440㎚∼455㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 청색 광을 방출하는 청색 발광 다이오드; 및
    상기 청색 광의 일부를 변환하고, 그 변환된 광과 변환되지 않은 다른 일부와 결합하여 백색 광을 제공하는 파장 변환부를 포함하며,
    상기 파장 변환부는, 상기 청색 광에 의해 여기되어 535㎚∼550㎚의 피크 파장을 갖는 제1 광을 방출하는 제1 파장변환 물질과, 상기 청색 광에 의해 여기되어 620㎚∼660㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 제2 광을 방출하는 제2 파장변환 물질을 포함하고,
    상기 제1 광의 스펙트럼에서, 480㎚에서의 강도는 상기 제1 광의 피크 파장의 강도의 2% 이하이며,
    상기 백색 광의 멜라노픽 포토닉 비는 0.65 이하이며, 상기 백색 광의 연색지수(CRI)는 80 이상인 백색 발광장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 파장변환 물질은 β-SiAlON 형광체 및 양자점 중 적어도 하나를 포함하는 백색 발광장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 백색 광의 색온도는 1800K∼4200K 범위인 백색 발광장치.
  14. 440㎚∼455㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 청색 광을 방출하는 청색 발광 다이오드;
    상기 청색 광에 의해 여기되어 535㎚∼550㎚의 피크 파장과 60㎚ 이하의 반치폭을 갖는 제1 광을 방출하는 제1 파장변환 물질; 및
    상기 청색 광에 의해 여기되어 620㎚∼660㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 제2 광을 방출하는 제2 파장변환 물질을 포함하는 백색 발광장치이고,
    상기 백색 발광장치로부터 방출되는 백색 광의 멜라노픽 포토닉 비는 0.65 이하이고,
    상기 백색 광의 스펙트럼에서, 440㎚∼460㎚의 적분 광량은 380㎚∼500㎚의 적분 광량의 50%∼65% 범위이고, 480㎚∼500㎚의 적분 광량은 540㎚∼560㎚의 적분 광량의 26% 이하 범위인 백색 발광장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 백색 광의 색온도는 1800K∼4200K 범위인 백색 발광장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 백색 광의 색온도은 1800K∼2800K 범위이고,
    상기 백색 광의 스펙트럼에서, 480㎚∼500㎚의 적분 광량은 540㎚∼560㎚의 적분 광량의 10% 이하 범위인 백색 발광장치.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 백색 광의 색온도는 2800K∼4200K 범위이고,
    상기 백색 광의 스펙트럼에서, 480㎚∼500㎚의 적분 광량은 540㎚∼560㎚의 적분 광량의 10%∼26% 범위인 백색 발광장치.
  18. 제1 멜라노픽 포토닉 비를 갖는 제1 백색 광을 방출하도록 구성된 제1 LED 광원;
    상기 제1 멜라노픽 포토닉 비보다 높은 제2 멜라노픽 포토닉 비를 갖는 제2 백색 광을 방출하도록 구성된 제2 LED 광원; 및
    상기 제1 LED 광원 및 제2 LED 광원에 각각 인가되는 전류를 제어하는 구동 제어부;를 포함하고,
    상기 제1 LED 광원은, 440㎚∼455㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 청색 광을 방출하는 청색 발광 다이오드와, 상기 청색 광에 의해 여기되어 535㎚∼550㎚의 피크 파장과 60㎚ 이하의 반치폭을 갖는 제1 광을 방출하는 제1 파장변환 물질과, 상기 청색 광에 의해 여기되어 620㎚∼660㎚ 범위의 피크 파장을 갖는 제2 광을 방출하는 제2 파장변환 물질을 포함하는 LED 조명 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 백색 광의 연색지수는 각각 80 이상인 LED 조명 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제1 멜라노픽 포토닉 비는 0.65 이하이고, 상기 제2 멜라노픽 포토닉 비는 0.5 이상인 LED 조명 장치.
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