KR100891008B1 - 평판형 조명 장치 - Google Patents

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KR100891008B1
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Abstract

평판형 조명 장치가 개시된다. 청색광을 출사하는 주 광원과, 청색광의 출사 경로에 위치하여 상기 청색광을 백색광으로 변환하는 광 여기 시트와, 상기 백색광과 혼합되도록 광을 출사하되, 휘도 조절이 가능한 보조 광원을 포함하는 평판형 조명 장치는 보조 광원을 주 광원에서 변환된 백색광과 혼합함으로써 연색성이 우수한 광을 구현할 수 있게 된다.
주 광원, 도광판, 광 여기 시트, 반사시트, 보호 필름

Description

평판형 조명 장치{Lighting apparatus of flat panel type}
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 평판형 조명 장치의 사시도.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 프레임을 제외한 평판형 조명 장치의 단면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예로서 보조 광원으로 적색 LED를 사용한 평판형 조명 장치의 색좌표.
도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 평판형 조명 장치의 광 스펙트럼 그래프.
도 5는 본 발명의 바람직한 제2 실시예로서 보조 광원으로 주황색 LED를 사용한 색좌표.
도 6은 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 광 여기 시트의 단면도.
도 7은 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 광 여기 시트의 단면도.
도 8은 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따라 소형 볼을 부착한 광 여기 시트의 사진.
도 9는 본 발명의 바람직한 제5 실시예에 따른 광 여기 시트의 단면도.
도 10은 본 발명의 바람직한 제6 실시예에 따른 프레임을 제외한 평판형 조명 장치의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
21: 도광판 22: 광 여기 시트
23: 반사시트 24: 주 광원
25: 보조 광원 26: 확산판
27: 프레임
야간 또는 실내에서 광을 제공하거나 물체를 조명하기 위해 다양한 종류의 조명등이 이용되고 있다. 이와 같은 조명등은 전원을 공급받아 전기 에너지를 광에너지로 변화시켜 광을 제공하거나 물체를 조사하는 것으로서, 대체로 백열전구 또는 형광등을 사용하는 것이 일반적이다. 그러나 백열전구나 형광등은 소비전력이 크고 발열 특성이 있으며, 수명이 약 6개월 정도로 짧아서 자주 교체하여야 하는 단점을 가지고 있다. 뿐만 아니라 형광등은 발암 물질인 수은을 사용하고 있어 규제의 대상이 되고, 직접조명으로 광원의 깜빡거림으로 시력저하의 요인으로 작용되고 있으며, 넓은 설치공간이 필요한 단점을 가지고 있다.
한편, 목적에 맞는 실내 인테리어를 위하여 하나의 광원으로 다양한 색온도를 구현하여야 한다. 기존의 형광등과 같은 방전 원리를 이용한 조명용 광원들은 연속적인 색온도 조절이 어렵다. 반면, 백열등, 할로겐 등과 같이 필라멘트를 가열 하여 흑체 복사 원리를 이용한 광원들은 광원들은 연색성은 우수하지만 3,500K 이상의 색온도 구현이 안되며 광원에서 높은 온도가 발생하여 수명이 짧고 전력효율이 낮은 단점이 있다.
본 발명은 주 광원를 이용하여 백색광으로 구현하고, 여기에 보조 광원을 추가적으로 결합하여, 색온도를 조절할 수 있는 평판형 조명 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 청색광을 출사하는 주 광원과, 청색광의 출사 경로에 위치하여 상기 청색광을 백색광으로 변환하는 광 여기 시트와, 상기 백색광과 혼합되도록 광을 출사하되, 휘도 조절이 가능한 보조 광원을 포함하는 평판형 조명 장치가 제공된다. 보조 광원을 주 광원에서 변환된 백색광과 혼합함으로써 연색성이 우수한 광을 구현할 수 있게 된다.
주 광원은 휘도 조절이 가능하며, 청색 LED를 사용하는 것이 바람직하다. 보조 광원은 적색 LED를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 광여기 시트는 매트릭스 수지층과, 매트릭스 수지층 내부에 포함된 형광체와, 매트릭스 수지층 상하면에 적층된 보호 필름을 포함하는 것이 바람직하다. 광 여기 시트는 주 광원을 백색광으로 변환시킨다.
상기 보호 필름에는 조도(Roughness)가 형성되거나, 얼룩방지용 소형 볼이 부착되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 평판형 조명 장치의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 평판형 조명 장치의 사시도이며, 도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 프레임을 제외한 평판형 조명 장치의 단면도이다. 도 1과 도 2를 참조하면, 평판형 조명 장치(20), 도광판(21), 광 여기 시트(22), 반사시트(23), 주 광원(24), 보조 광원(25), 확산판(26), 프레임(27)이 도시되어 있다.
도광판(21)은 일정한 두께를 가지는 평판형 투명층으로, 점광원인 주 광원(24)의 광을 면광원으로 전환하는 기능을 한다. 이러한 도광판(21)의 크기는 설정되는 평판형 조명 장치(20)의 넓이에 맞추어 제작할 수 있다.
도광판(21)의 측면에는 주 광원(24)이 위치한다. 주 광원(24)은 도광판(21) 내로 광을 출사할 수 있도록 도광판(21) 측면에 접하도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 주 광원(24)은 청색 LED를 사용하는 것이 바람직하다. 이는 출사되는 파장이 단파장으로 다양한 형광체를 통과 후 장파장으로 변환할 수 있기 때문이며, 가격면에서 저렴하기 때문이다. 따라서, 동일한 목적이라면 다른 종류의 LED를 사 용할 수 있다. 한편, 주 광원(24)은 인쇄회로기판에 부착되어 외부 전원으로부터 전력을 공급 받게 되며, 전류를 통제함으로써 휘도 조절이 가능하다.
조명 장치의 휘도를 높이기 위해서는 주 광원(24)의 개수를 증가시킬 수도 있다. 뿐만 아니라 도광판(21)의 일측면에만 부착하는 것이 아니라 다른 측면에도 주 광원(24)를 부착할 수 있다. 이로서 고휘도의 조명 장치를 구현할 수 있게 된다.
도광판(21) 하면에는 반사시트(23)가 위치하고 있다. 반사시트(23)는 도광판(21)에 부착하는 것이 바람직하다. 도광판(21)에 반사시트(23)가 부착됨으로써 일종의 거울과 같은 역할을 하게 된다. 반사시트(23)는 반사효율을 높이기 위하여 은으로 된 재질을 사용할 수 있다. 한편, 반사시트(23)가 도광판(21)에 부착됨으로서 측면에서 출사된 주 광원(24)의 청색광이 광 여기 시트(22)를 통과하여 백색광으로 변환되어 도광판(21) 전면으로 출사된다. 반사효율을 높이기 위한 패턴을 반사시트(23)에 형성할 수 있으며, 또한, 도광판(21)을 일정하게 경사를 지게하고 그 면에 반사시트(23)를 부착할 수 있다. 이 경우 주 광원(24)에서 변환된 백색광은 경사면을 따라 도광판(21) 전면으로 출사되게 된다.
도광판(21)과 주 광원(24) 사이에 위치하는 광 여기 시트(22)는 청색광을 백색광으로 변환시키는 역할을 한다. 또한, 주 광원을 다양한 색온도의 백색광으로 변환시킨다. 이러한 광 여기 시트(22)의 구조는 이후 상세히 설명하도록 한다. 한편, 주 광원(24)을 청색광을 사용하지 않고 백색광을 사용할 수 있다. 이 경우 도 2의 광 여기 시트(22)는 필요하지 않는다. 이때 백색광원으로 백색 LED를 사용할 수 있으며, 이때 색온도가 5,000K 이상인 것이 좋다.
한편, 주 광원(24)에 인접하여 보조 광원(25)이 결합한다. 보조 광원(25)은 적색 LED를 사용하는 것이 바람직하다. 보조 광원(25)은 전류를 통제함으로써 휘도 조절이 가능하다. 따라서, 주 광원(24)로부터 변환된 백색광과 보조 광원(25)으로 출사된 광은 혼합되어 연색성이 높은 혼합광이 된다. 보조 광원으로는 본 실시예에서는 적색 LED를 사용하였다. 그러나, 청색 LED(미도시)로 출사된 청색광을 적색 형광체를 사용한 광 여기 시트(미도시)를 사용하여 적색광으로 변환시킬 수도 있고, 백색 LED(미도시)로부터 출사된 백색광을 적색 형광체를 사용한 광 여기 시트(미도시)를 사용하여 적색광으로 변환시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 평판형 조명 장치의 색좌표로서, 챙색 LED(24)로부터 변환된 백색광은 A2에 위치하고, 적색 LED로부터 출사된 광은 B에 위치한다. 이들의 혼합광은 C1, C2, C3로 변화 된다. 보조 광원(25)인 적색 LED의 휘도를 높일 경우 혼합광은 C1에서 C3방향으로 색좌표가 이동하게 되며, 색온도도 6700K(A2)에서 점점 줄어 들게 된다. 태양광의 색온도가 5000K 정도이므로 보조 광원(25)만을 통제하여 태양광의 색온도에 가깝도록 혼합광의 색좌표를 이동시킬 수 있다. 한편, 주 광원(24)이 변환된 백색광의 색좌표를 5000K(A3)로 하고, 이를 보조 광원(25)의 광과 혼합할 경우 또 다른 혼합광을 구현할 수 있다.
상기 실시예와 유사한 방법으로, 청색 LED, 적색 LED, 녹색 LED를 모두 사용하고, 이들에 공급되는 전류를 통제하여, 백색광을 구현하거나 원하는 색좌표에 해당하는 혼합광을 구현할 수 있으나, 기본적으로 고가의 LED를 많이 사용하는 것은 제조 비용면에서 바람직하지 않으며, 상기 LED들은 스펙트럼의 폭이 좁기 때문에 조명 적용시 청색, 적색, 녹색의 원색이 지나치게 강조되어 편안한 조명을 구현할 수 없다. 또한, 이들을 각각 제어하는 것도 어려움이 따른다. 더욱이, 시간이 경과함에 따라 각각의 LED의 수명이 달라서 색좌표가 이동하는 문제가 있다. 따라서, 본 실시예와 같이 주 광원(24)와 보조 광원(25) 만을 이용하여 다양한 색좌표의 혼합광을 구현하는 것은 상당한 기술적 의미가 있다 하겠다.
한편, 이러한 보조 광원(25)을 사용하는 것은 연색성 측면에서 상당한 의미가 있다. 도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 평판형 조명 장치의 광 스펙트럼 그래프이다. 도 4의 그래프에 도시된 G1그래프는 주 광원(24)에서 출사된 광이 광 여기 시트 (22)를 거쳐 변환된 백색광의 스펙트럼이며, G2그래프는 G1그래프에 보조 광원(25)인 적색 LED로부터 출사된 광이 합쳐져서 구현된 혼합광이다. 그래프에서 보는 바와 같이 G2는 가시광선 영역 전체에 고르게 파장이 분포한다. 따라서, 태양광에 가까운 연색성을 보여준다.
상기 제1 실시예는 보조 광원(25)과 주 광원(24)을 도광판 측면에 결합하였으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며 다양한 방법으로 그 구조를 변화시킬 수 있다. 주 광원(24)을 도광판을 이용하지 않고 직접 광 여기 시트(22)로 출사되도록 광 여기 시트(22) 하면에 위치할 수 있으며, 보조 광원(25)을 주 광원(24)과 이격된 위치에 결합할 수도 있다.
한편, 보조 광원(24)을 주황색 LED를 사용할 수 있다. 도 5는 본 발명의 바람직한 제2 실시예로서 주황색 LED를 사용할 경우의 색좌표이다. 도 5의 D는 주황 색 LED로부터 출사된 광의 색좌표로서, 청색 LED에서 변환된 백색광의 좌표(A2)를 연결하는 직선상에 혼합광(C1,C2,C3)이 존재한다.
상기 광 여기 시트는 청색 LED에서 출사된 청색광을 백색광으로 변환하는 역할을 하는 것으로, 본 발명에서 중요한 역할을 한다. 이하 그 구조를 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 광 여기 시트의 단면도이다. 도 6을 참조하면, 황색 형광체(41a), 적색 형광체(41b), 녹색 형광체(41c), 형광체(41), 매트릭스 수지층(42), 확산제(43), 보호 필름(44), 광 여기 시트(40)가 도시되어 있다.
도 6에 도시된 광 여기 시트(40)는 400nm~500nm 파장의 주 광원의 광을 백색 광으로 전환하는 기능을 가진다. 기본적으로 박막의 매트릭스 수지층(42) 내부에 형광체(41)가 고르게 분산된 형태이다.
도 6에는 도시되지 않았으나 매트릭스 수지층(42) 내부에는 경화제와 첨가제가 포함될 수 있다. 경화제는 액상의 열경화성 수지를 경화하는 용도로 사용되며, 첨가제는 형광체(41)를 액상의 열경화성 수지 내부에 고르게 분산하기 위하여 사용된다. 확산제(43)는 광원의 굴절을 촉진시켜 형광체(41)의 여기율을 높여주는 역할 및 균일화 역할을 한다.
보호 필름(44)은 매트릭스 수지층(42)을 보호하는 역할을 한다. 일반적으로 주 광원의 수명은 청색 LED를 사용할 경우 수만시간에 이른다. 이러한 장시간의 주 광원의 수명에 상응하도록 광 여기 시트(40)의 내열성 및 내습성을 보장하기 위해서는 형광체(41)을 보호해주는 보호 필름(44)는 필수적이다.
본 발명의 보호 필름(44)으로 사용가능한 수지로는 광 투과도가 우수한 것으로서 무색 투명한 합성 수지를 사용하는데, 특별히 한정되는 것은 아니나 예를 들면, 폴리에틸렌 테레프탈레이트( Polyethylene terephthalate : PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene naphthalate), 아크릴 수지, 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리스틸렌(Polystyrene) 등이 있다. 이중에 폴리에틸렌 테레프탈레이트( Polyethylene terephthalate : PET)필름은 투명성이 우수하고, 강도 및 휨성이 뛰어나다. 또한 내열성, 내화학성이 필요한 경우에는 보호 필름(44)을 폴리카보네이트(Polycarbonate)로 하는 것이 바람직하다. 보호 필름(44)의 두께는 5 ~ 50μm 이내의 필름을 사용하는 것이 바람직하다. 10μm 이하의 필름은 취급이 난해하고, 50μm 이상의 필름은 광 투과도가 떨어지기 때문이다.
형광체(41)는 무기 형광체를 이용한다. 대표적인 광 여기 무기 형광체는 가넷계(Gd) 물질인 Y3Al5O12 (YAG)에 세륨(cerium)을 도핑(doping)한 형광체로 구성되어진다. 예를 들면, 광 여기 무기 형광체는 (Y1-x-yGdxCey)3Al5O12 (YAG:Gd,Ce), (Y1-xCex)3Al5O12 (YAG:Ce), (Y1-xCex)3(Al1-yGay)5O12(YAG:Ga,Ce), (Y1-x-yGdxCey)3(Al5-zGaz)5O12(YAG:Gd,Ga,Ce), (Gd1-xCex)SC2Al3O12 (GSAG)등이 될 수 있다.
일반적으로 YAG계 형광체는 (Y1-x-yGdxCey)3(Al1-zGaz)O12 (단, x+y≤1; 0≤x ≤1; 0≤y≤1; 0≤z≤1) 로 표시된다. 형광체(41)에서 발광하는 주 파장은 상기에서 기술한 물질에 따라 다르다. 가넷계(garnet composition)에 의존하는 Ce3+ 발광은 광 효율의 감소없이 녹색 (~ 540 nm; YAG:Ga,Ce)에서 적색 (~ 600 nm; YAG:Gd,Ce)까지 다양하게 발광 시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 대주전자의 (Y, Gd, Ce)3(Al, Ga)5O12와 Phosphor Technology사의 Y3Al5O12:Ce 을 사용하였다. 또한, 심적색을 발광시키기 위한 대표적인 무기 형광체는 SrB4O7:Sm2+ 이다. SM2+는 주로 적색의 파장을 나타내는데 기여한다. 특히 상기와 같은 심적색 무기 형광체는 600 nm 이하의 가시광 영역 전체를 흡수하여 심적색 즉, 650 nm 이상의 파장을 갖고 발광을 한다. 휘도 향상을 위해 Phosphor Technology사의 SrS:Eu계열의 620nm 파장대의 형광체를 사용한다. 또한, 녹색을 발광시키기 위한 대표적인 무기 형광체는 SrGa2S4:Eu2+ 이다. 상기와 같은 녹색 무기 형광체는 500 nm 이하의 광을 흡수하여 535 nm의 주 파장을 방출한다. 또한 청색을 발광시키기 위한 대표적인 무기 형광체는 BaMg2Al16O27:Eu2+ 이다. 상기와 같은 청색 무기 형광체는 430 nm 이하의 광을 흡수하여 450 nm의 주 파장을 방출한다.
황색 형광체는 YAG계열 뿐만 아니라 TAG계(Tb3Al5O12)와 Silicate계(Sr2SiO4:Eu)중 하나를 사용하는 것도 가능하다. 또한, 적색 형광체도 CaS:Eu와 SrS:Eu와 SrB4O7:Sm 중 하나를 사용할 수도 있으며, 녹색형광체를 SrGa2S4:Eu로 사용 할 수도 있다.
도 7는 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 광 여기 시트의 단면도이며, 도 8은 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따라 소형 볼을 부착한 광 여기 시트의 사진이다. 도 7을 참조하면, 형광체(51), 매트릭스 수지층(52), 확산제(53), 보호 필름(54), 소형 볼(55), 접착층(56), 광 여기 시트(50)가 도시되어 있다.
본 발명의 제4 실시예는 광 여기 시트(10)의 표면에 소형 볼(55)을 부착하는 것을 특징으로 한다. 소형 볼(55)이 광 여기 시트(10)의 표면에 고르게 분산되어 부착될 경우, 다른 종류의 시트가 상하면에 위치하더라도 표면의 밀착에 의한 얼룩현상은 일어나지 않는다.
이러한 소형 볼(55)도 수지로 이루어지는 것이 바람직하며, 휘도를 떨어뜨리지 않도록 투명한 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 소형 볼(55)은 직접 광 여기 시트(50) 표면에 부착될 수 있으나, 접착층(56)을 상면에 도포하는 것이 소형 볼(55)이 이탈되지 않고 안정되게 부착되도록 한다.
도 9는 본 발명의 바람직한 제5 실시예에 따른 광 여기 시트의 단면도이다.
도 9를 참조하면, 형광체(71), 매트릭스 수지층(72), 확산제(73), 보호 필름(74), 접착층(76), 광 여기 시트(70)가 도시되어 있다.
제5 실시예의 경우 보호 필름(74)에 조도(roughness)를 형성하였다. 이는 광을 효과적으로 분산하기 위한 것이다. 즉, 매트릭스 수지층(72)을 입사하는 광은 두 번 보호 필름(74)을 거치게 되고, 보호 필름(74)의 조도에 의해 광의 경로는 다 양하게 분산된다. 따라서, 이러한 광 여기 시트(70)에는 분산재(73)를 사용하지 않을 수 있다. 또한 보호 필름(74)의 거친 표면은 다른 종류의 시트가 상면에 위치할 경우 표면의 밀착에 의한 얼룩 현상을 방지하는 기능도 동시에 가지게 된다.
도 10은 본 발명의 바람직한 제6 실시예에 따른 프레임을 제외한 평판형 조명 장치의 단면도이다. 도 10을 참조하면, 평판형 조명 장치(90), 도광판(91), 광 여기 시트(92), 반사시트(93), 주 광원(94), 보조 광원(95), 확산판(96) 이 도시되어 있다.
본 실시예는 전반적으로 도 2의 제1 실시예와 동일한 구성이다. 차이점을 설명하면, 광 여기 시트(92)가 주 광원(94)과 도광판(91) 사이에 개재되어 있다. 광 여기 시트(92)에는 파장을 변환할 수 있는 형광체가 포함되어 있다. 따라서, 주 광원(94)인 청색 LED의 파장을 백색으로 변환한다. 주 광원(94)과 인접하여 보조 광원(95) 적색 파장을 출사하는 적색 LED이다.
본 실시예의 나머지 구성은 도 2의 제1 실시예를 따른다. 또한, 광 여기 시트(92)는 상기 도 6, 7, 8, 9의 실시예를 적용할 수 있다.
본 발명의 기술 사상이 상술한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상술한 실시예는 그 설명을 위한 것이지 그 제한을 위한 것이 아니며, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상기와 같은 구성을 갖는 실시예에 의하면, 하나의 주 광원으로 백색광을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 보조 광원을 이용하여 연색성이 우수한 혼합광을 구현할 수 있어, 용도에 맞는 평판형 조명 장치를 제공할 수 있다.

Claims (8)

  1. 휘도 조절이 가능하며, 청색광을 출사하는 주 광원과;
    상기 청색광의 출사 경로에 위치하여 상기 청색광을 복수개의 색온도를 갖는 백색광으로 변환하는 광 여기 시트와;
    휘도를 조절함으로써, 상기 백색광과 혼합되어 연색성이 향상된 혼합광이 출사되도록 하는 광을 출사하는 보조 광원을 포함하는 평판형 조명 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주 광원은 휘도 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 평판형 조명 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 주 광원은 청색 LED인 것을 특징으로 하는 평판형 조명 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보조 광원은 적색 LED인 것을 특징으로 하는 평판형 조명 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보조 광원은 녹색 LED인 것을 특징으로 하는 평판형 조명 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광여기 시트는 매트릭스 수지층과;
    상기 매트릭스 수지층 내부에 포함된 형광체와;
    상기 매트릭스 수지층 상하면에 적층된 보호 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 평판형 조명 장치.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 보호 필름의 표면에는 얼룩방지용 소형 볼이 부착된 것을 특징으로 하는 광 여기 시트.
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