색상 제어를 갖는 조명 장치 및 조명 방법 document_id A220623109311

매년 미국에서 생산되는 전기의 많은 비율(몇몇 추정치는 25％ 정도임)이 조명에 사용된다. 따라서, 에너지 효율이 보다 높은 조명을 제공할 필요가 계속 존재한다. 백열등은 에너지 효율이 매우 낮은 광원이며, 소비하는 전기의 약 90％가 빛이 아닌 열로서 방출된다는 것은 잘 알려져 있다. 형광등은 백열등보다 (약 10배만큼) 더 효율적이지만, 발광 다이오드와 같은 고상 발광기에 비해 여전히 효율이 낮다. 또한, 고상 발광기, 예를 들어 발광 다이오드의 정상 수명에 비해, 백열등은 일반적으로 약 750 내지 1,000 시간의 상대적으로 짧은 수명을 갖는다. 이에 비해, 예를 들어 발광 다이오드는 일반적으로 50,000 내지 70,000 시간의 수명을 갖는다. 형광등은 백열등보다 긴 수명(예를 들어, 10,000 내지 20,000 시간)을 갖지만, 덜 양호한 색재현을 제공한다. 색재현은 일반적으로 연색지수(CRI: Color Rendering Index)를 사용하여 측정된다. CRI Ra는 8개의 기준 색상들로 조명할 때 기준 방사기의 연색성(color rendition)에 비해 조명 시스템의 연색성이 어떠한가에 대한 상대적인 측정값들의 수정된 평균값이며, 즉 특정한 램프에 의해 조명될 때 대상물의 표면 색상에서의 편이(shift)의 상대적인 측정이다. 조명 시스템에 의해 조명되는 시험 색상 세트의 색좌표(color coordinate)가 기준 복사체에 의해 조사되는 동일한 시험 색상의 색좌표와 동일하다면, CRI Ra는 100과 동일하다. 주광(daylight)은 높은 CRI(Ra가 약 100임)를 가지며, 백열등도 비교적 근접하며(Ra가 95보다 큼), 형광등은 덜 정확하다(일반적으로 Ra가 70 내지 80임). 특정 타입의 특수 조명은 매우 낮은 CRI Ra를 갖는다(예를 들어, 수은 증기 또는 나트륨 램프는 약 40 또는 그보다 더 낮은 Ra를 가짐). 나트륨 조명은 예를 들어 고속도로를 조명하는데 사용되지만, 낮은 CRI Ra 값으로 인해 운전자 응답 시간이 현저히 감소한다(어떠한 주어진 밝기에 대해서도, CRI가 낮아지면 가독성이 감소함). 통상의 조명 설비에 있어서의 다른 문제는 조명 장치(예를 들어, 전구 등)를 주기적으로 교체해야 하는 필요성이다. 그러한 문제는 접근이 어려운 경우(예를 들어, 둥근 천장, 교각, 고층 빌딩, 교통 터널) 및/또는 교체 비용이 극히 비싼 경우에 특히 두드러진다. 통상적인 설비의 일반적인 수명은 약 20년이며, 이는 적어도 약 44,000시간의 조명 장치 사용에 대응한다(20년 동안 하루 6시간의 사용에 기초함). 조명 장치 수명은 일반적으로 훨씬 더 짧으며, 따라서 주기적인 교체의 필요성을 낳는다. 따라서, 이상의 이유 및 다른 이유에서, 고상 발광기가 다양한 응용예에서 백열등, 형광등 및 다른 조명 장치 대신에 사용될 수 있도록 하는 방법을 개발하고자 하는 노력이 계속되었다. 또한, 발광 다이오드(또는 고상 발광기)가 이미 사용되고 있는 곳에서는, 예를 들어 에너지 효율, 연색지수(CRI Ra), 콘트라스트(contrast), 저비용, 광효율(efficacy)(lm/W) 및/또는 사용 시간에 대하여 개선된 발광 다이오드(또는 다른 고상 발광기)를 제공하려는 노력이 이루어지고 있다. 다양한 고상 발광기가 공지되어 있다. 예를 들어, 고상 발광기의 한 형태는 발광 다이오드이다. 발광 다이오드는 전류를 광으로 전환하는 반도체 장치이다. 다양한 발광 다이오드가 광범위한 목적으로 매우 다양한 분야에 사용되고 있다. 더 구체적으로, 발광 다이오드는 p-n 접합 구조물을 가로질러 전위차가 인가될 때 광(자외선, 가시광선 또는 적외선)을 발산하는 반도체 장치이다. 발광 다이오드 및 여러 관련 구조물을 만드는 수많은 공지의 방법이 존재하며, 본 발명은 그러한 장치 중 어느 것도 채용할 수 있다. 예를 들어, 지(Sze)의 "반도체 장치의 물리학(Physics of Semiconductor Devices)"[1981년 제2판(2d Ed. 1981)]의 제12장 내지 제14장과, 지(Sze)의 "현대 반도체 장치 물리학(Modern Semiconductor Device Physics)"(1998년)의 제7장은 발광 다이오드를 포함한 다양한 광자 장치를 설명한다. "발광 다이오드"라는 표현은 기본적인 반도체 다이오드 구조물(즉, 칩)을 지칭하도록 본 명세서에 사용된다. (예를 들어) 전자제품 상점에서 판매되는 통상적으로 인지되고 상업적으로 구입 가능한 "LED"는 일반적으로 다수의 부품으로 이루어진 "패키징된(packaged)" 장치를 나타낸다. 이들 패키징된 장치는 일반적으로 미국 특허 제4,918,487호, 제5,631,190호 및 제5,912,477호에 설명된 것들과 같은 반도체 기반 발광 다이오드와, 다양한 와이어 커넥터들과, 발광 다이오드를 둘러싸는 패키지를 포함한다. 공지된 바와 같이, 발광 다이오드는 반도체 활성(발광) 층의 전도대와 가전자대(valence band) 사이의 밴드 갭을 가로질러 전자를 여기시킴으로써 빛을 발생시킨다. 전자 전이는 밴드 갭에 따라 변하는 파장의 광을 발생시킨다. 따라서, 발광 다이오드에 의해 발산되는 광의 색상(파장)은 발광 다이오드의 활성층의 반도체 재료에 따라 달라진다. 발광 다이오드의 개발은 여러 면에서 조명 산업을 급변시켰지만, 발광 다이오드의 몇몇 특성은 해결해야할 문제가 있으며, 그중 몇몇은 아직 해결되지 않았다. 백색으로 지각되는 광은 기본적으로 둘 이상의 색상(또는 파장)의 혼합이므로, 백색광을 발생시키는 단일 발광 다이오드 접합체는 개발되어 있지 않다. 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드로 형성된 발광 다이오드 픽셀을 갖는 "백색" LED 램프가 생산되고 있다. (1) 청색광을 발생시키는 발광 다이오드, (2) 발광 다이오드에 의해 발산된 광에 의한 여기에 응답하여 황색 광을 발산하는 발광 재료(예를 들어, 인광체)를 포함함으로써, 청색광과 황색광이 혼합될 때 백색광으로 지각되는 광을 발생시키는 또 다른 "백색" LED 램프가 생산되고 있다. 또한, 원색이 아닌 색상들의 조합을 생성하기 위해 원색들을 혼합하는 것은 이 기술 및 다른 기술에서 대체로 잘 이해된다. 일반적으로, 1931 CIE 색도도(Chromaticity Diagram)(1931년에 수립된 국제 원색 표준) 및 1976 CIE 색도도(1931 색도도와 유사하지만, 색도도 상의 유사한 거리가 유사하게 지각되는 색상의 차이를 나타내도록 수정됨)는 원색들의 가중치합으로서 색상을 형성하는데 유용한 기준을 제공한다. 효율적인 백색 LED 램프의 CRI Ra는 백열원(100의 Ra)에 비해 통상 낮다(65-75 범위내). 부가적으로, LED에 대한 색온도는 백열 전구 또는 CCFL 전구의 색온도(~2,700K)보다 통상 "더 차갑고"(~5,550K) 덜 바람직하다. LED에서의 이들 모두의 단점은 다른 LED 또는 선택된 포화된 색상의 루미퍼(lumiphor)를 추가함으로써 개선될 수 있다. 위에서 지적한 바와 같이, 본 발명에 따른 광원은 특정한 (x, y) 색도도 좌표들의 광원들의 특정한 색상 "혼합(blending)"을 이용할 수 있다["조명 장치 및 조명 방법(Lighting Device and Lighting Method)(발명자: 안토니 폴 반 데 벤 및 게랄드 에이치. 네글레이)"라는 제목으로 2005년 12월 21일자로 출원되고, 그 전체 내용이 본 명세서에 의해 참조된, 미국 특허출원 제60/752,555호 참조). 예를 들어, 부가적인 선택된 포화 소스로부터의 광은 임의의 변색 영역 없이 균일한 조명을 제공하도록 불포화된 광역 스펙트럼 소스와 혼합될 수 있고, 원한다면, 미관적인 이유로, 조명 소스 또는 개구가 직접 가시될 때 불연속 장치 또는 불연속 색상 영역으로서 관찰되지 않도록 개별적인 발광기들이 제작될 수 있다. 따라서 발광 다이오드는 개별적으로 또는 임의의 조합으로 사용될 수 있고, 선택에 따라서는 임의의 원하는 지각 색상(백색 포함)의 광을 발생시키기 위해 하나 이상의 발광 재료[예를 들어, 인광체 또는 신틸레이터(scintillator)] 및/또는 필터와 함께 사용될 수 있다. 따라서, 예를 들어 에너지 효율, 연색지수(CRI), 광효율(lm/W), 및/또는 사용 시간을 향상시키기 위해 기존의 광원을 발광 다이오드 광원으로 교체하려는 노력이 진행되는 영역은 광의 특정 색상 또는 색상 혼합에 한정되지 않는다. (예를 들어, 본원에 전체 내용이 참조된 미국 특허 제6,600,175호에 개시된 바와 같이 루미퍼 또는 루미퍼 매체로도 알려진) 다양한 발광 재료가 공지되어 있으며, 당업자가 상용으로 구입하는 것이 가능하다. 예를 들어, 인광체는 여기 방사선원에 의해 여기될 때 반응 방사선(예를 들어, 가시광)을 발산하는 발광 재료이다. 많은 예에서, 반응 방사선은 여기 방사선의 파장과는 상이한 파장을 갖는다. 발광 재료의 다른 예는 신틸레이터, 데이 글로우(day glow) 테이프, 및 자외선의 조사시에 가시광선 스펙트럼으로 빛을 내는 잉크를 포함한다. 발광 재료는 하향 변환, 즉 광자를 더 낮은 에너지 레벨(더 긴 파장)로 변환하는 재료 또는 상향 변환, 즉 광자를 더 높은 에너지 레벨(더 짧은 파장)로 변환하는 재료로서 분류될 수 있다. LED 장치에 발광 재료를 포함시키는 것은 예를 들어 혼합 또는 코팅 공정에 의해, 상술한 바와 같이 맑거나 또는 대체로 투명한 캡슐 재료(예를 들어, 에폭시계, 실리콘계, 유리계 또는 금속 산화물계 재료)에 발광 재료를 첨가함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 제6,963,166호[야노(Yano) '166]에서 개시되는 바와 같이, 통상적인 발광 다이오드 램프는 발광 다이오드 칩과, 발광 다이오드 칩을 피복하기 위한 총탄형 투명 하우징과, 발광 다이오드 칩에 전류를 공급하기 위한 리드와, 균일한 방향으로 발광 다이오드 칩의 발산을 반사하기 위한 컵 반사기를 포함하고, 발광 다이오드 칩은 제1 수지 부분으로 둘러싸이고, 제1 수지 부분은 제2 수지 부분으로 추가로 둘러싸인다. 야노 '166에 따르면, 컵 반사기를 수지 재료로 충전시키고, 그리고 컵 반사기의 하부에 발광 다이오드 칩이 장착되고 음극 및 양극이 와이어에 의해 리드에 전기적으로 접속된 후에 컵 반사기를 경화시킴으로써 제1 수지 부분이 얻어진다. 야노 '166에 따르면, 인광체가 발광 다이오드 칩으로부터 발산된 광(A)에 의해 여기되도록, 제1 수지 부분에 산재되며, 여기된 인광체는 광(A)보다 긴 파장을 가진 형광["광(B)]을 발생시키고, 광(A)의 일부가 인광체를 포함하는 제1 수지 부분을 투과하며, 그 결과 광(A)과 광(B)이 혼합된 광(C)이 조명으로서 사용된다. 다양한 형태의 고상 발광기가 시간이 지남에 따라 열화된다. 예를 들어, 발광 다이오드가 시간이 지남에 따라 열화된다는 것은 공지되어 있다. 이것은 시간이 지남에 따라 발광 다이오드는 밝기에서 감소하며 예를 들어 약 50,000 시간 이후에 절반의 밝기로 감소한다는 것을 의미한다. 다른 형태(색상)의 발광 다이오드는 다른 형태의 열화 메카니즘 및 다른 열화율을 갖는다. 다른 비율로 열화하는 다른 형태의 발광 다이오드로부터 발광 장치가 제조되면, 발광 다이오드가 열화됨에 따라, 조명 장치에 의해 발산된 광의 색상은 다른 형태 또는 색상의 발광 다이오드 각각의 비율이 변화함에 따라 변화한다. 또한, 주변 온도가 하나 이상의 고상 발광기를 포함하는 조명 장치로부터 발산된 광이 색상에서의 변화를 초래할 수 있다. 예를 들어, 일반적으로, 주변 온도가 증가할 때, 발광 다이오드에 의해 발산된 광의 양은 감소한다. 이것은 AlInGaP 재료 시스템을 포함하는 적색광 발광 다이오드에 대해 특히 중요하다. 휘도 감소는 섭씨 1도의 온도 증가마다 0.5%일 수 있다. 또한, 몇몇 고상 조명 장치는 캡슐화 브라우닝으로 인한 열화를 겪는다. 예를 들어, 시간이 지남에 따라 많은 LED들이 대체로 투명성을 잃어가는 캡슐화로 인해 열화된다. 조명 장치에 의해 발산된 광을 모니터링하고 광의 색상 및 휘도를 측정하며, 이어서 색상 배경을 백색(또는 특정한 색상 온도의 백색 광을 포함하는 임의의 다른 특정 색상)으로 "균형을 맞추도록(balance)" 다른 색상 광원의 상대적인 강도를 조정하고 요구된 양의 휘도를 유지시키기 위해 센서들을 이용하는 것이 알려져 있다. 예를 들어, 이러한 배치장치는 발광기로서 발광 다이오드를 이용하여 LED 비디오 디스플레이 및 LCD 디스플레이에서 사용되었다. 따라서, 하나 이상의 다른 형태의 고상 발광기가 시간이 지남에 따라 휘도에서 열화될 때에도 하나 이상의 고상 발광기를 포함하는 조명 장치로부터 발산된 광의 색상(예를 들어, 백색 광의 색상 온도)이 유지되거나 혹은 조정될 수 있는 장치 및 방법이 필요하다.