조명 기기 및 조명 방법 document_id A220623108968

매년 미국 내에서 발생되는 전기의 상당 부분(몇몇은 25퍼센트까지 추정)이 조명에 쓰인다. 따라서, 보다 에너지 효율적인 조명을 제공하는 것이 지속적으로 필요하다. 백열등 전구는 백열등 전구가 소비하는 전기의 약 90퍼센트가 빛이 아닌 열로서 방출되는 매우 에너지 비효율적인 광원이라는 것이 주지되어 있다. 형광등 전구는 백열등 전구보다 (약 10배) 더 효율적이지만 발광 다이오드(light emitting diodes)와 같은 고체 상태 발광 소자에 비해서는 여전히 덜 효율적이다. 또한, 고체 상태 발광 소자의 정상적인 수명과 비교하면, 백열등 전구는 상대적으로 짧은 수명, 즉, 대개 약 750시간 내지 1,000시간의 수명을 갖는다. 비교해보면, 예컨대, 발광 다이오드는 50,000시간 내지 70,000시간의 수명을 갖는다. 형광 전구는 백열등보다 긴 수명(즉, 10,000시간 내지 20,000시간)을 갖지만, 덜 선호되는 색 재현성(color reproduction)을 제공한다. 색 재현성은 대개 연색지수(Color Rendering Index:CRI Ra)를 사용하여 측정된다. CRI Ra는 여덟 가지의 기준 색상을 조명하였을 때 조명 시스템의 연색성을 기준 발광체(radiator)의 것과 비교하는 방법에 대한 상대적인 측정값의 수정된 평균이며, 즉, 특정한 램프(lamp)에 의해 비춰질 때 물체의 표면 색상의 변화에 대한 상대적인 측정값이다. 조명 시스템에 의해 조명되는 한 세트의 테스트 색상의 색 좌표(color coordinate)가 기준 발광체에 의해 조사되는(irradiated) 동일한 테스트 색상의 좌표와 동일한 경우에 CRI Ra는 100이다. 일광(daylight)은 높은 CRI(대략 100의 Ra)를 갖고, 백열 전구 또한 비교적 이에 근접하며(대략 95 이상의 Ra), 형광등은 덜 정확하다(대개 70 내지 80의 Ra). 일정한 형태의 특수한 조명은 매우 낮은 CRI를 갖는다(예컨대, 수은 증기 또는 나트륨 램프는 약 40의 낮은 또는 훨씬 더 낮은 Ra를 가짐). 나트륨등은 예컨대, 고속도로를 조명하기 위해 사용되지만, 그러나 낮은 CRI 값의 경우에 운전자 응답 시간(driver response time)이 현저하게 감소된다(임의의 주어진 휘도에 대하여 낮은 CRI의 경우에, 가독성이 감소한다). 종래의 조명 장치(lighting fixture)들이 직면하는 또 다른 문제는 조명 장치들(예컨대, 조명 전구 등)의 주기적인 교체의 필요성이다. 그러한 문제들은 접근이 어려운 곳(예컨대, 둥근 모양의 천장, 교량, 고층 빌딩, 도로 터널) 및/또는 교체 비용이 매우 높은 곳에 특히 두드러진다. (20년간 일일 6시간 사용을 기준으로) 적어도 약 44,000시간의 광 발생 기기(light-producing device)의 사용량에 대응하여 종래의 장치의 전형적인 수명은 약 20년이다. 광 발생 장치의 수명은 대개 훨씬 짧으므로, 따라서 주기적인 교체의 필요성이 야기된다. 따라서, 이를 비롯한 다른 이유들 때문에, 백열등, 형광등 및 다른 광 발생 장치를 대신하여 고체 상태 발광 소자가 폭넓고 다양한 용도로 사용될 수 있는 방법을 개발하기 위한 노력이 계속되고 있다. 또한, 고체 상태 발광 소자가 이미 사용되고 있는 경우에는, 예컨대, 에너지 효율성, 연색지수(CRI Ra), 명암, 효능(lm/W), 및/또는 사용 지속 시간에 관하여 개선된 고체 상태 발광 소자를 제공하기 위한 노력이 계속되고 있다. 발광 다이오드는 전류를 빛으로 전환하는 주지된 반도체 기기이다. 폭넓고 다양한 발광 다이오드는 전보다 더 광범위한 목적으로 점점 다양한 분야에 사용되고 있다. 보다 구체적으로, 발광 다이오드는 전위차(potential difference)가 p-n 정션(p-n junction) 구조 양단에 인가될 때 빛(자외선, 가시광선 또는 적외선)을 방출하는 반도성 기기이다. 발광 다이오드 및 많은 부속 구조들을 제조하는 복수의 주지된 방법들이 있으며, 본 발명은 그러한 임의의 기기들을 채용할 수 있다. 예로서, Sze의 반도체 기기 물리학(Physics of Semiconductor Devices)(2판, 1981)의 제12장 내지 제14장(Chapters 12-14) 및 Sze의 현대 반도체 기기 물리학(Modern Semiconductor Device Physics)(1998)의 제7장(Chapter 7)은 발광 다이오드를 포함한 다양한 광자 기기(photonic devices)들을 기술한다. 통상적으로 인정되며 상업적으로 이용 가능한, (예컨대) 전자제품 매장에서 판매되는 발광 다이오드("LED")는 대개 복수의 부품들로 구성된 "패키징된" 기기를 나타낸다. 이러한 패키징된 기기들은 대개 미국 특허 제 4,918,487호, 제 5,631,190호 및 제 5,912,477호에 기술된 것들과 같은, 그러나 그에 제한되지 않는 반도체 기반 발광 다이오드, 다양한 도선 연결, 및 발광 다이오드를 캡슐화하는 패키지를 포함한다. 주지된 바와 같이, 발광 다이오드는 반도체 활성(발광)층의 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band) 사이의 밴드 갭(band gap)을 가로질러 전자를 여기시킴으로써 빛을 발생시킨다. 전자 전이(electron transition)는 밴드 갭에 따른 파장에 빛을 발생시킨다. 따라서, 발광 다이오드에 의해 방출되는 빛(파장)의 색상은 발광 다이오드의 활성층의 반도체 물질에 의존한다. 발광 다이오드의 개발이 여러가지 면에서 조명 산업에 급격한 변화를 가져왔을지라도, 발광 다이오드의 몇몇 특성은 문제를 나타내며, 그들 중 일부는 아직도 완전히 만족되지 못한다. 예컨대, 임의의 특정 발광 다이오드의 발광 스펙트럼(emission spectrum)은 (발광 다이오드의 조성 및 구조에 의해 규정되는 대로) 단일 파장 주위에 대개 집중되며, 이는 몇몇 용도에는 바람직하지만, 다른 용도에는 바람직하지 못하다(예컨대, 조명을 제공하는 경우에 이러한 발광 스펙트럼은 매우 낮은 CRI를 제공한다). 백색으로 인지되는 빛은 반드시 둘 이상의 색상(또는 파장)의 빛의 혼합이기 때문에, 백색광을 발생시킬 수 있는 단일 발광 다이오드 정션은 개발되지 않았다. 각각 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드들로 형성된 발광 다이오드 픽셀을 갖는 "백색" 발광 다이오드 램프가 제조되었다. (1) 청색광을 발생시키는 발광 다이오드와 (2) 발광 다이오드에 의해 방출되는 빛에 의한 여기(excitation)에 응답하여 황색광을 방출하는 발광 물질(예컨대, 인광체)을 포함하는 다른 "백색" 발광 다이오드가 제조되었고, 이에 따라, 청색광과 황색광은 혼합될 때 백색광으로 인지되는 빛을 발생시킨다. 또한, 비원색(non-primary color)의 조합을 생성하기 위한 원색(primary color)의 혼합은 본 기술 분야를 비롯한 다른 기술 분야에 대체로 잘 이해된다. 일반적으로, 1931 CIE 색도도(the 1931 CIE Chromaticity Diagram)(1931년에 제정된 원색의 국제 표준)와 (1931 색도도와 유사하지만 색도도 상의 유사한 거리는 색상이 유사하게 인지되는 차이를 나타내도록 수정된) 1976 CIE 색도도는 원색의 가중치 합으로서 색상을 정의하기 위한 유용한 기준을 제공한다. 따라서 (백색을 포함한) 임의의 소정의 인지된 색상의 빛을 발생시키기 위하여 발광 다이오드들이 개별적으로 또는 임의의 조합으로 사용될 수 있고, 선택적으로는 하나 이상의 발광 물질[예컨대 인광체 또는 섬광체(scintillators)] 및/또는 필터들과 함께 사용될 수 있다. 따라서, 예컨대 에너지 효율, 연색지수(CRI), 효능(lm/W) 및/또는 사용 지속 시간을 개선하기 위하여 기존의 광원을 발광 다이오드 광원으로 교체하도록 노력이 이루어지고 있는 영역은 빛의 임의의 특정한 색상 또는 색상 혼합에 제한되지 않는다. [또한 예컨대, 미국 특허 제 6,600,175호에 개시되고, 그 전체가 참고로 본 명세서에 통합된 바와 같이 루미포어(lumiphors) 또는 루미노포릭(luminophoric) 매질로서 공지되는] 폭넓고 다양한 발광 물질들이 주지되어 있으며, 당업자들에게 이용 가능하다. 예컨대, 인광체는 여기 방사원(source of exciting radiation)에 의해 여기될 때 반응성 방사선을 방출하는 발광 물질이다. 많은 경우에, 반응성 방사선은 여기 방사선의 파장과는 다른 파장을 갖는다. 발광 물질의 다른 예는 섬광체, 주광 테이프(day glow tapes) 및 자외선 광을 조명함에 따라 가시광선 스펙트럼에서 빛나는(glow) 잉크(ink)를 포함한다. 발광 물질들은 다운-컨버팅(down-converting), 즉, 광자를 더 낮은 에너지 준위(더 긴 파장)로 변환시키는 물질과 업-컨버팅(up-converting), 즉, 광자를 더 높은 에너지 준위(더 짧은 파장)로 변환시키는 물질로 분류될 수 있다. LED 기기 내에 발광 물질을 포함시키는 것은 전술된 바와 같이 예컨대 혼합 공정 또는 코팅 공정에 의해 맑은(clear) 또는 투명한(transparent) 캡슐화 물질[예컨대, 에폭시(epoxy) 기반 물질, 실리콘(silicone) 기반 물질 또는 유리 기반 물질]에 발광 물질을 추가함으로써 성취되어 왔다. 예컨대, 미국 특허 제 6,963,166호(Yano '166)는 종래의 발광 다이오드 램프는 발광 다이오드 칩, 발광 다이오드 칩을 커버링하기 위한 총알 모양의(bullet-shaped) 투명한 하우징, 발광 다이오드 칩에 전류를 공급하기 위한 리드(leads), 그리고 발광 다이오드 칩의 방출을 균일한 방향으로 반사시키기 위한 컵 반사경(cup reflector)을 포함하며, 발광 다이오드 칩은 제1 수지부로 캡슐화되고, 제1 수지부는 제2 수지부로 추가로 캡슐화된다는 것을 개시한다. Yano '166에 따르면, 제1 수지부는 발광 다이오드 칩이 컵 반사경의 바닥 위에 장착된 다음에 도선에 의해 리드에 전기적으로 연결된 캐소드(cathode) 전극과 애노드(anode) 전극을 가진 후에 컵 반사경을 수지 재료로 채우고 수지 재료를 경화시킴으로써 얻어진다. Yano '166에 따르면, 인광체는 발광 다이오드 칩으로부터 방출된 빛(A)을 이용하여 여기되도록 제1 수지부 내에 분산되고, 여기된 인광체는 빛(A)보다 긴 파장을 갖는 형광["빛(B)"]을 발생시키며, 빛(A)의 일부는 인광체를 포함하는 제1 수지부를 통해 투과되어 결과적으로 빛(A)와 빛(B)의 혼합물로서의 빛(C)가 조명으로 사용된다. 전술된 바와 같이, "백색 LED 조명"(즉, 백색 또는 거의 백색으로 인지되는 조명)은 백색 백열 램프의 잠재적인 대체품으로서 연구되어 왔다. 백색 LED 램프의 대표적인 예는 인듐 갈륨 니트라이드[indium gallium nitride(InGaN)] 또는 갈륨 니트라이드(GaN)로 만들어지고 YAG와 같은 인광체로 코팅된 청색 발광 다이오드 칩의 패키지를 포함한다. 그러한 LED 램프에서, 청색 발광 다이오드 칩은 약 450nm인 파장의 방출을 발생시키고, 그 방출을 수용하자마자 인광체는 약 550nm인 피크(peak) 파장의 황색 형광을 발생시킨다. 예컨대, 몇몇 디자인에서, 백색 발광 다이오드는 청색 발광 반도체 발광 다이오드의 출력 표면 상에 세라믹 인광체 층을 형성함으로써 제조된다. 발광 다이오드 칩으로부터 방출되는 청색 광선(blue ray)의 일부는 인광체를 통과하지만, 발광 다이오드 칩으로부터 방출되는 청색 광선의 일부는 인광체에 의해 흡수되고 여기되어 황색 광선을 방출한다. 인광체를 투과하여 발광 다이오드에 의해 방출되는 청색광의 일부는 인광체에 의해 방출되는 황색광과 혼합된다. 관찰자는 청색광과 황색광의 혼합물을 백색광으로 인식한다. 또한 전술된 바와 같이, 다른 형태의 LED 램프에서, 자외선을 방출하는 발광 다이오드 칩은 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 광선을 발생시키는 인광 물질과 결합한다. 그러한 "RGB LED 램프"에서, 발광 다이오드 칩으로부터 방사된 자외선은 인광체를 여기시키고, 혼합될 때 사람 눈에 의해 백색광으로 인지되는 적색, 녹색 및 청색 광선을 인광체가 방출하게 한다. 따라서, 백색광은 또한 이 광선들의 혼합으로 얻어질 수도 있다. 기존의 LED 부품 패키지 및 다른 전자 부품들이 장치 내에 조립되는 디자인이 제공된다. 그러한 디자인에서, 패키징된 LED는 회로 기판에 또는 직접적으로 열 싱크(heat sink)에 장착되고, 회로 기판은 열 싱크에 장착되며, 그리고 열 싱크는 소정의 구동 전자 부품들과 함께 장치 하우징에 장착된다. 많은 경우에, 또한 (패키지 부품에 부차적인) 추가적인 광학계도 필요하다. 다른 광원들, 예컨대 백열 전구 대신에 발광 다이오드를 사용하는 경우에, 패키징된 LED는 종래의 조명 장치, 예컨대, 중공 렌즈(hollow lens) 및 렌즈에 부착된 기부판(base plate)을 포함하는 장치와 함께 사용되어 왔으며, 기부판은 전원에 전기적으로 커플링된 하나 이상의 접점을 구비한 통상적인 소켓 하우징을 갖는다. 예컨대, 전기 회로 기판, 회로 기판에 장착되는 복수의 패키징된 LED, 그리고 회로 기판에 부착되고 조명 장치의 소켓 하우징에 연결되도록 구성된 연결 지주(connection post)를 포함하는 LED 조명 전구가 구성됨으로써, 복수의 LED는 전원에 의해 조명될 수 있다. 보다 우수한 에너지 효율, 개선된 연색지수(CRI), 개선된 효능(lm/W), 저비용, 및/또는 보다 긴 사용 지속 시간을 구비한 보다 폭넓고 다양한 용도의 백색광을 제공하기 위하여 고체 상태 발광 소자, 예컨대, 발광 다이오드를 사용하는 방법이 지속적으로 필요하다.