조명 장치 및 조명 방법

매해 미국에서 발전되는 전기의 큰 부분(어떤 추정치는 25% 정도로 높음)이 조명에 쓰인다. 따라서, 더 에너지-효율적인 조명을 제공할 필요성이 여전히 있다. 백열 전구는 매우 에너지-비효율적인 광원이며-이들이 소비하는 전기의 약 90%가 광보다 오히려 열로서 방출된다는 것이 주지되어 있다. 형광 전구는 (약 10배만큼) 백열 전구보다 효율적이지만 발광 다이오드 등의 고상 발광기보다 훨씬 덜 효율적이다. 추가로, 고상 발광기 예컨대 발광 다이오드의 정상 수명에 비해, 백열 전구는 비교적 짧은 수명 즉 전형적으로 약 750 내지 1000 시간의 수명을 갖는다. 비교해 보면, 발광 다이오드는 예컨대 50,000 내지 70,000 시간의 수명을 갖는다. 형광 전구는 백열 전구보다 긴 수명(예컨대, 10,000 내지 20,000 시간)을 갖지만, 덜 적절한 색상 재현성을 제공한다. 색상 재현성은 전형적으로 연색 지수(CRI: Color Rendering Index)를 사용하여 측정된다. CRI Ra는 조명 시스템의 연색성이 8개의 기준 색상을 조명할 때의 기준 복사부(reference radiator)의 연색성과 비교되는 상대 측정치의 수정 평균치이며, 즉 이것은 특정 램프에 의해 조명될 때의 물체의 표면 색상 면에서의 편이(shift)의 상대 측정치이다. 조명 시스템에 의해 조명되는 한 세트의 시험 색상의 색상 좌표가 기준 복사부에 의해 조사되는 동일한 시험 색상의 좌표와 동일하면 CRI Ra는 100이다. 주광(daylight)은 높은 CRI(대략 100의 Ra)를 갖고, 한편 백열 전구 또한 비교적 근접하고(95 초과의 Ra), 형광 조명은 덜 정확하다(전형적으로, 70 내지 80의 Ra). 어떤 종류의 특수 조명은 매우 낮은 CRI를 갖는다(예컨대, 수은 증기 또는 나트륨 램프는 약 40 이하 정도로 낮은 Ra를 가짐). 나트륨 램프는 예컨대 도로 조명(light highways)에 사용되지만, 더 낮은 CRI Ra 수치에 따라 운전자 반응 시간이 상당히 감소한다(임의의 주어진 밝기에 대해, 더 낮은 CRI Ra에 따라 가독성이 감소함). 종래의 조명 고정물에 의해 직면되는 또 다른 문제점은 조명 장치(예컨대, 전구 등)를 주기적으로 교체하여야 하는 필요성이다. 이러한 문제점은 접근이 어려운 경우에(예컨대, 아치형 천장, 교량, 고층 빌딩, 교통 터널) 및/또는 교체 비용이 극히 높은 경우에 특히 현저하다. 종래의 조명 고정물의 전형적인 수명은 (20 년 동안 일당 6 시간의 사용을 기초로 하여) 적어도 약 44,000 시간의 광-생성 장치 사용에 대응하여 약 20 년이다. 광-생성 장치 수명은 전형적으로 훨씬 짧으며, 그에 의해 주기적인 교체에 대한 필요성을 생성시킨다. 따라서, 이들 및 다른 이유 때문에, 고상 발광기가 광범위한 분야에서 백열 조명, 형광 조명 및 다른 광-생성 장치를 대신하여 사용될 수 있는 방법을 개발하려는 노력이 진행 중이다. 추가로, 발광 다이오드(또는 다른 고상 발광기)가 이미 사용 중인 경우에, 예컨대 에너지 효율, 연색 지수(CRI Ra), 명암 대비(contrast), 효율(efficacy)(lm/W) 및/또는 서비스의 지속 기간에 대해 개선되는 발광 다이오드(또는 다른 고상 발광기)를 제공하려는 노력이 진행 중이다. 다양한 고상 발광기가 주지되어 있다. 예컨대, 1개의 종류의 고상 발광기가 발광 다이오드이다. 발광 다이오드는 광으로 전류를 변환시키는 반도체 소자이다. 광범위한 발광 다이오드가 지속적으로-확장하는 범위의 목적을 위해 점점 더 다양한 분야에서 사용된다. 더 구체적으로, 발광 다이오드는 전위차가 p-n 접합 구조를 횡단하여 인가될 때에 광(자외선 광, 가시 광 또는 적외선 광)을 방출하는 반도체 소자이다. 발광 다이오드 그리고 많은 관련된 구조를 제작하는 다수개의 주지된 방식이 있고, 본 발명은 임의의 이러한 장치를 채용할 수 있다. 예컨대, 스제, 반도체 소자의 물리학, (2nd Ed. 1981)의 12장 내지 14장 그리고 스제, 현대 반도체 소자 물리학 (1998)의 7장이 발광 다이오드를 포함한 다양한 광자 소자를 기재하고 있다. 표현 "발광 다이오드"는 기본 반도체 다이오드 구조(즉, 칩)를 지칭하기 위해 여기에서 사용된다. (예컨대) 전자 제품 상점에서 판매되는 공통적으로 인식되고 상업적으로 입수 가능한 "LED"는 전형적으로 다수개의 부품으로 구성되는 "패키지형" 장치를 나타낸다. 이들 패키지형 장치는 전형적으로 미국 특허 제4,918,487호; 제5,631,190호; 및 제5,912,477호에 기재된 것들 등의 (이들에 제한되지 않는) 반도체 기반 발광 다이오드; 다양한 와이어 연결부; 그리고 발광 다이오드를 캡슐로 밀봉한 패키지를 포함한다. 주지된 것과 같이, 발광 다이오드는 반도체 활성(발광) 층의 전도 밴드와 가전자 밴드 사이의 밴드 갭을 횡단하여 전자를 여기시킴으로써 광을 생성시킨다. 전자 전이는 밴드 갭에 의존하는 파장에서의 광을 발생시킨다. 이와 같이, 발광 다이오드에 의해 방출된 광의 색상(파장)은 발광 다이오드의 활성 층의 반도체 재료에 의존한다. 발광 다이오드의 개발은 조명 산업에서 많은 방식으로 혁명을 일으켰지만, 발광 다이오드의 특성들 중 일부는 도전 과제를 제시하였으며, 그 중 일부는 아직도 완전히 충족되지 못했다. 예컨대, 임의의 특정 발광 다이오드의 방출 스펙트럼은 전형적으로 (발광 다이오드의 조성 및 구조에 의해 지시되는 것과 같이) 단일 파장 주위에서 집중되며, 이것은 일부의 분야에 대해 바람직하지만, 다른 분야에 대해 바람직하지 않다(예컨대, 조명을 제공하기 위해, 이러한 방출 스펙트럼은 매우 낮은 CRI Ra를 제공함). 백색으로서 지각되는 광은 반드시 2개 이상의 색상(또는 파장)의 광의 혼합물이기 때문에, 백색 광을 생성시킬 수 있는 어떠한 단일의 발광 다이오드 접합도 개발되지 못했다. 각각의 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드로 형성되는 발광 다이오드 픽셀/클러스터를 갖는 "백색" 발광 다이오드 램프가 생성되었다. 생성된 또 다른 "백색" LED 램프는 (1) 청색 광을 발생시키는 발광 다이오드 그리고 (2) 발광 다이오드에 의해 방출되는 광에 의한 여기에 따라 황색 광을 방출하는 발광성 재료(예컨대, 인)를 포함하며, 그에 의해 청색 광 및 황색 광이 혼합될 때, 백색 광으로서 지각되는 광을 생성시킨다. 추가로, 비-원색의 조합을 생성시키기 위한 원색의 혼합은 일반적으로 이 분야 및 다른 분야에서 양호하게 이해된다. 일반적으로, 1931 CIE 색도도(1931년에 설립된 원색을 위한 국제 표준) 및 (1931 색도도와 유사하지만 색도도 상에서의 유사한 거리가 색상 면에서의 유사한 지각 차이를 나타내도록 수정된) 1976 CIE 색도도가 원색의 가중 합계로서 색상을 정의하는 유용한 기준을 제공한다. 효율적인 백색 LED 램프의 CRI Ra는 일반적으로 백열 광원(대략 100의 CRI Ra)에 비해 (65 내지 75의 범위 정도로) 낮다. 추가로, LED에 대한 색상 온도는 일반적으로 백열 또는 CCFL 전구의 색상 온도(∼2700K) 보다 "차갑고" (∼5500K), 덜 바람직하다. LED에서의 이들 단점의 양쪽 모두는 선택된 포화 색상의 다른 LED 또는 루미퍼(lumiphor)의 추가에 의해 개선될 수 있다. 위에서 지적된 것과 같이, 본 발명에 따른 광원은 특정 (x, y) 색상 색도 좌표의 광원의 특정 색상 "혼합"을 이용할 수 있다[그 전체가 참조로 여기에 포함되어 있는 2005년 12월 21일자로 출원되고 발명의 명칭이 "조명 장치 및 조명 방법"인 미국 특허 출원 제60/752,555호를 참조(발명자: 안토니 폴 밴 드 벤 및 제랄드 에이치. 네글리)]. 예컨대, 추가의 선택된 포화형 광원으로부터의 광이 어떠한 영역의 변색도 없이 균일한 조명을 제공하도록 불포화형의 넓은 스펙트럼 광원(들)과 혼합될 수 있고; 요망된다면, 외관상의 이유 때문에, 개별의 발광기는 조명 광원 또는 개구(aperture)가 직접적으로 관찰될 때에 불연속 소자 또는 불연속 색상 영역으로서 관찰되지 않도록 제작될 수 있다. 이와 같이, (백색을 포함한) 임의의 요망된 지각 색상의 광을 발생시키기 위해 발광 다이오드들이 개별적으로 또는 임의의 조합으로 그리고 선택적으로는 1개 이상의 발광성 재료[예컨대, 인 또는 신틸레이터(scintillator)] 및/또는 필터와 함께 사용될 수 있다. 따라서, 예컨대 에너지 효율, 연색 지수(CRI Ra), 효율(lm/W) 및/또는 서비스의 지속 기간을 개선시키기 위해 발광 다이오드 광원으로써 기존의 광원을 교체하려는 노력이 행해지고 있는 영역은 광의 임의의 특정 색상 또는 색상 혼합에 제한되지 않는다. 본 발명과 관련된 태양은 1931 CIE(Commission International de I'Eclairage) 색도도 또는 1976 CIE 색도도 상에 나타낼 수 있다. 도1은 1931 CIE 색도도를 도시하고 있다. 도2는 1976 색도도를 도시하고 있다. 도3은 더 상세하게 흑체 궤적을 보여주기 위해 1976 색도도의 확대 부분을 도시하고 있다. 당업자라면 이들 색도도와 친숙하고, 이들 색도도는 [예컨대, 인터넷 상에서 "CIE 색도도"를 검색함으로써] 용이하게 입수 가능하다. CIE 색도도는 2개의 CIE 파라미터 (1931 색도도의 경우에) x 및 y 또는 (1976 색도도의 경우에) u' 및 v'의 관점에서 인간의 색상 지각을 맵으로 표시한다. CIE 색도도의 기술적인 설명을 위해, 예컨대 "물리 과학 및 기술 백과 사전", vol. 7, 230 내지 231 (로버트 에이 메이어즈 ed., 1987)을 참조하기 바란다. 분광학적 색상은 인간의 눈에 의해 지각되는 모든 색조를 포함하는 간략화된 공간의 모서리 주위에 분포된다. 경계선은 분광학적 색상에 대한 최대 포화를 나타낸다. 위에서 언급된 것과 같이, 1976 CIE 색도도는 색도도 상에서의 유사한 거리가 색상 면에서의 유사한 지각 차이를 나타내도록 수정되었다는 점을 제외하면 1931 색도도와 유사하다. 1931 색도도에서, 색도도 상의 어떤 지점으로부터의 이탈도는 좌표의 관점에서 또는 대체예에서 색상 면에서의 지각 차이의 크기에 대해 지시하기 위해 맥아담 타원(MacAdam ellipse)의 관점에서 중 어느 하나의 관점에서 표현될 수 있다. 예컨대, 1931 색도도 상에서의 특정 세트의 좌표에 의해 한정되는 특정 색조로부터의 10개의 맥아담 타원인 것으로서 한정되는 지점들의 궤적은 (맥아담 타원의 다른 양에 의해 특정 색조로부터 이격되는 것으로서 한정되는 지점들의 궤적에 대해 유사하게) 각각이 공통 크기에 대한 특정 색조와의 차이로서 지각되는 색조로 구성된다. 1976 색도도 상에서의 유사한 거리가 색상 면에서의 유사한 지각 차이를 나타내므로, 1976 색도도 상에서의 어떤 지점으로부터의 이탈도는 좌표 u' 및 v' 예컨대 그 지점으로부터의 거리=(Δu'2 + Δv'2)1/2의 관점에서 표현될 수 있고, 각각이 특정 색조로부터의 공통 거리인 지점들의 궤적에 의해 한정되는 색조는 각각이 공통 크기에 대한 각각의 특정 색조와의 차이로서 지각되는 색조로 구성된다. 도1 내지 도3에 도시된 색도 좌표 및 CIE 색도도는 양쪽 모두가 참조로 여기에 포함되어 있는 케이. 에이치. 버틀러, "형광 램프 인" (펜실베이니아 주립 대학교 출판부 1980)의 페이지 98 내지 107 그리고 지. 블라쎄 등, "발광성 재료" (스프링거-베어라그 1994)의 페이지 109 내지 110 등의 다수의 서적 및 다른 공개 문헌에 상세하게 설명되어 있다. 흑체 궤적을 따라 놓인 색도 좌표(즉, 색상 지점)는 플랑크의 방정식: E(λ)=Aλ-5/(e(B/T)-1)을 따르며, 여기에서 E는 방출 강도이고, λ는 방출 파장이고, T는 흑체의 색 온도이고, A 및 B는 상수이다. 흑체 궤적 상에 또는 흑체 궤적 부근에 놓인 색상 좌표가 인간 관찰자에게 유쾌한 백색 광을 생성시킨다. 1976 CIE 색도도는 흑체 궤적을 따른 온도 목록을 포함한다. 이들 온도 목록은 이러한 온도까지 증가하게 되는 흑체 복사부의 색상 경로를 보여준다. 가열된 물체가 백열됨에 따라, 물체가 우선 적색 기미의 색상, 그 다음에 황색 기미의 색상, 그 다음에 백색 그리고 마지막으로 청색 기미의 색상을 방출한다. 이것은 흑체 복사부의 피크 복사선과 관련된 파장이 빈 변위 법칙(Wien Displacement Law)에 따라 온도 증가에 따라 점차로 짧아지기 때문에 일어난다. 이와 같이, 흑체 궤적 상에 또는 흑체 궤적 부근에 있는 광을 생성시키는 광원은 이들의 색 온도의 관점에서 설명될 수 있다. 1976 CIE 색도도 상에는 기호 A, B, C, D 및 E가 또한 도시되어 있으며, 이들 기호는 각각 광원 A, B, C, D 및 E로서 대응하여 식별되는 여러 개의 표준형 광원에 의해 생성되는 광을 말한다. [예컨대 그 전체가 참조로 여기에 포함되어 있는 미국 특허 제6,600,175호에 개시된 것과 같은 루미퍼 또는 인광성 매체(luminophoric media)로서 또한 공지되어 있는] 광범위한 발광성 재료가 당업자에게 주지되어 있고 입수 가능하다. 예컨대, 인은 여기 복사선의 광원에 의해 여기될 때에 반응성 복사선(예컨대, 가시 광)을 방출하는 발광성 재료이다. 많은 경우에, 반응성 복사선은 여기 복사선의 파장과 상이한 파장을 갖는다. 발광성 재료의 다른 예는 신틸레이터, 대기광 테이프(day glow tape) 그리고 자외선 광으로써의 조명 시에 가시 스펙트럼 내에서 발광하는 잉크를 포함한다. 발광성 재료는 하향-변환형 즉 더 낮은 에너지 수준(더 긴 파장)으로 광자를 변환시키는 재료 그리고 상향-변환형 즉 더 높은 에너지 수준(더 짧은 파장)으로 광자를 변환시키는 재료로서 분류될 수 있다. LED 소자 내에서의 발광성 재료의 포함은 예컨대 혼합 또는 코팅 공정에 의해 위에서 논의된 것과 같이 투명한 또는 실질적으로 투명한 재료(예컨대, 에폭시-계열, 실리콘-계열, 유리 계열 또는 금속 산화물-계열 재료)에 발광성 재료를 추가함으로써 성취되었다. 예컨대, 미국 특허 제6,963,166호(야노 '166)는 종래의 발광 다이오드 램프를 개시하고 있으며, 이것은 발광 다이오드 칩, 발광 다이오드 칩을 덮는 총알형 투명 하우징, 발광 다이오드 칩에 전류를 공급하는 리드 그리고 균일한 방향으로 발광 다이오드 칩의 방출물을 반사하는 컵 반사부를 포함하며, 여기에서 발광 다이오드 칩에는 제1 수지 부분이 캡슐로 밀봉되고 제2 수지 부분이 추가로 캡슐로 밀봉된다. 야노 '166에 따르면, 제1 수지 부분은 컵 반사부에 수지 재료를 충전하고 발광 다이오드 칩이 컵 반사부의 저부 상으로 장착된 다음에 그 음극 및 양극 전극이 와이어를 통해 리드에 전기적으로 연결되게 한 후에 수지 재료를 경화시킴으로써 얻어진다. 야노 '166에 따르면, 인이 발광 다이오드 칩으로부터 방출된 광 A로써 여기되도록 제1 수지 부분 내에서 분산되고, 여기된 인은 광 A보다 긴 파장을 갖는 형광("광 B")을 생성시키고, 광 A의 일부가 인을 포함한 제1 수지 부분을 통해 전달되고, 결과적으로 광 A 및 광 B의 혼합물로서의 광 C가 조명으로서 사용된다. 위에서 언급된 것과 같이, "백색 LED 광"(즉, 백색 또는 준-백색으로서 지각되는 광)이 백색 백열 램프에 대한 잠재적 교체물로서 연구되었다. 백색 LED 램프의 대표 예는 YAG 등의 인이 코팅된 인듐 갈륨 질화물(InGaN) 또는 갈륨 질화물(GaN)로 제작된 청색 발광 다이오드 칩의 패키지를 포함한다. 이러한 LED 램프에서, 청색 광 발광 다이오드 칩은 약 450 ㎚의 피크 파장을 갖는 방출물을 생성시키고, 인은 그 방출물을 수용할 때에 약 550 ㎚의 피크 파장을 갖는 황색 형광을 생성시킨다. 예컨대, 일부 설계에서, 백색 발광 다이오드 램프는 청색 발광 반도체 발광 다이오드의 출력 표면 상에 세라믹 인 층을 형성함으로써 제작된다. 발광 다이오드 칩으로부터 방출된 청색 광의 일부가 인을 통과하고, 한편 발광 다이오드 칩으로부터 방출된 청색 광의 일부가 인에 의해 흡수되며, 이것은 여기되게 되고 황색 광을 방출한다. 인을 통해 전달되는 발광 다이오드에 의해 방출된 청색 광의 일부는 인에 의해 방출된 황색 광과 혼합된다. 관찰자는 백색 광으로서 청색 및 황색 광의 혼합물을 지각한다. 또 다른 종류는 적색 또는 오렌지색 그리고 녹색 또는 황색 기미의 녹색 광을 생성시키는 인 재료와 조합되는 청색 또는 자주색 발광 다이오드 칩을 사용한다. 이러한 램프에서, 발광 다이오드 칩에 의해 방출되는 청색 또는 자주색 광의 일부가 인을 여기시키며, 그에 의해 인이 적색 또는 오렌지색 그리고 황색 또는 녹색 광을 방출하게 한다. 청색 또는 자주색 광과 조합된 이들 광은 백색 광의 지각을 생성시킬 수 있다. 위에서 또한 언급된 것과 같이, 또 다른 종류의 LED 램프에서, 자외선 광을 방출하는 발광 다이오드 칩이 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 광을 생성시키는 인 재료와 조합된다. 이러한 LED 램프에서, 발광 다이오드 칩으로부터 방사된 자외선 광은 인을 여기시키며, 그에 의해 인이 백색 광으로서 인간의 눈에 의해, 혼합될 때, 지각되는 적색, 녹색 및 청색 광을 방출하게 한다. 결국, 백색 광이 이들 광의 혼합물로서 또한 얻어질 수 있다. 더 큰 에너지 효율로써, 개선된 연색 지수(CRI Ra)로써, 개선된 효율(lm/W)로써 및/또는 서비스의 더 긴 지속 시간으로써 더 광범위한 적용 분야에서 고상 발광기 예컨대 발광 다이오드를 사용하는 방법에 대한 필요성이 여전히 있다.