KR20210148681A - 자외선-c led 광원과 근자외선 vled 광원을 포함하는 살균용 2광원 xled 모듈 및 이를 이용한 조명기구 - Google Patents

자외선-c led 광원과 근자외선 vled 광원을 포함하는 살균용 2광원 xled 모듈 및 이를 이용한 조명기구 Download PDF

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Abstract

본 발명은 의료용 조명기술로서 바이러스를 포함한 유해 세균을 멸균시키는 기술이다. 이를 위해 살균조명과 의료조명을 선택하는 제어조명 기술이다. 살균조명 광원과 의료조명 광원이 동일한 근자외선 LED칩으로부터 제조된다. 각각의 기능을 부여한 2광원 XLED 기반의 살균조명 패키지가 본 조명기술에 적용된다. 필요에 따라 교대조명이 작동할 수 있으며, 이를 교차 작동시키는 기술인 제어조명 기술이 포함된다.

Description

자외선-C LED 광원과 근자외선 VLED 광원을 포함하는 살균용 2광원 XLED 모듈 및 이를 이용한 조명기구{Two-light source XLED module for sterilization, including UV-C LED light source and near-ultraviolet VLED light source, and lighting fixture using the same}
본 발명은 자외선-C LED 광원과 근자외선 VLED 광원을 포함하는 살균용 2광원 XLED 모듈 및 이를 이용한 조명기구으로서, 보다 구체적으로는 자외선-C가 살균을 결정하며 VLED 광원은 살균조명의 광효율을 증가시키는 살균용 자외선-C와 보라색 에너지의 2광원 XLED를 이용한 조명기구에 관한 것이다.
의료용 광원으로 심 자외선 (Far-UV)이나 자외선-C (UV-C)의 빛은 효과적으로 바이러스나 박테리아 또는 세균을 박멸할 수 있다. 그러므로, 이러한 큰 에너지의 심자외선이나 자외선-C를 활용하면 현재 인류가 고통을 받고있는 유해한 바이러스 균을 박멸할 수 있으므로 매우 유용한 광원이 된다. 이러한 이유로서 자외선-C 광원이 의료용 제품으로 널리 사용되고 있으며, 신종 바이러스 창궐에 따라 의료용 광원 수요가 급증하고 있다. 그러나 현재 상용화된 자외선-C 광원은 저압-수은등으로서 고전압 방전이 필요하고, 유해한 수은이 포함되어 있을 뿐 아니라, 석영유리관으로 마감된 진공관 제품이어서 사용상 많은 제약이 따른다. 이에 따라 저압-수은등의 한계를 극복할 대체광원을 찾고 있다.
대체광원으로서 자외선 LED 광원이 주목받고 있다. 그러나 자외선 LED 광원의 효율이 일반조명 LED 광원의 5~10% 수준에 불과한 실정이다. 이러한 자외선 LED 광원 기술의 한계 때문에 현재의 자외선 LED 광원 기술 수준은 연구 및 개발 단계에 머물러 있다. 이를 타개하고자 자외선과 유사한 살균력을 확보한 보라색 LED 광원 개발에 세계적인 기업들이 눈을 돌리고 있다. 즉, 인체에는 무해하지만 살균력을 확보한 400~420nm 영역의 보라색 발광 LED에서 그 해답을 찾고 있는 실정이다.
한편 에너지가 큰 자외선이 의료용으로 적용될 때 바이러스나 세균을 박멸할 뿐 아니라 동시에 인간과 주변의 생명체에 피해를 줄 수 있다. 그러므로 인체에는 무해하고 동시에 바이러스나 세균을 선택적으로 파괴할 수 있는 새로운 의료용 조명기술의 개발이 시급한 현실이다.
현재 다양한 근자외선을 활용한 고연색 일반조명이 알려져 있으나, 이 경우 405nm의 근자외선이 광원이 아닌 415nm의 진청색 광원이 활용되고 있으며, 살균작용이 미미한 실정이다. 현재 405nm 근자외선 발광 LED패키지를 살균용 2광원 모듈로 적용한 살균조명기구 개발은 알려진 바 없다. 다만 근자외선 영역의 405nm 또는 415nm의 LED광원을 활용한 고연색 패키지 기술은 알려져 있을 뿐이다.
PCT 등록특허공보 WO2015030276A1 PCT 등록특허공보 WO2015072599A1 유럽연합 등록특허공보 EP3035395A1
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여, 근자외선 영역의 빛을 방출하는 VLED 패키지를 적용하고, 2광원 XLED 모듈과 SLED 간의 제어조명 기술에 활용하여 살균 광효율을 최대한 확보하고자 하는 것이다.
본 발명은 자외선-C LED 광원과 근자외선 VLED 광원을 포함하는 살균용 2광원 XLED 모듈을 제공한다.
또한 바람직하게, 상기 근자외선 VLED 광원은 자외선-A VLED 광원 또는 자외선-B VLED 광원일 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 자외선-C LED 광원과 상기 근자외선 VLED 광원의 비는 10:10 내지 10:1 일 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 근자외선 VLED 광원은 405nm 파장대를 가지며, 반치폭은 30nm 이하일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 살균용 2광원 XLED 모듈과 일반조명용 SLED 모듈을 포함하는 조명기구를 제공할 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 SLED 모듈은 연색지수가 99를 상회할 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 XLED 모듈과 SLED 모듈이 동작센서에 의해 상호 전환되어 교대될 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 조명기구는 그룹-제어조명 또는 존-제어조명 방식으로 살균될 수 있다.
본 발명에 따른 2광원 XLED 조명기술은 ‘점등-소등’이 가능한 일반조명 SLED와 결합된 복합조명이므로 무인 조건에서 살균이 진행되며, 살균 대상이 매우 광범위하다. 또한, 고성능 살균용 2광원 XLED 기반의 살균제어 조명이 동작센서에 의해 XLED와 SLED 간의 전환이 이루어지므로 자외선 살균 시 안전하게 작동시킬 수 있다.
도 1은 초고속 살균을 위한 2광원 UV-C와 VLED로 구성된 XLED와 SLED 교대조명 기술에 대한 모식도이다.
도 2는 초고연색 SLED와 초고속 살균을 위한 2광원 XLED 간 교대조명의 패키지를 나타내는 도면이다.
도 3은 제어조명 기술에 적용된 초고연색 SLED 시제품 등기구를 나타내는 도면이다.
도 4는 제어조명 기술에 적용된 초고속 살균조명 구성인 2광원 XLED 시제품 등기구를 나타내는 도면이다.
도 5는 제어조명 기술에 적용된 3종류 (SLED, VLED, UV-C)의 LED패키지와 2광원 XLED 모듈의 발광특성, 살균력 및 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 6은 2광원 XLED 살균조명 작동 시 1개의 다운라이트 등이 처리할 수 있는 범위를 나타내는 도면이다.
본 발명은 초고속 살균용 2광원 XLED와 초고연색 SLED간 교대조명 기술 적용상 공정 이점 그리고 이후 경제성 확보에 본 특허의 목표가 설정되었다. 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시를 우선 목표로 삼고 있을 뿐이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범위를 분명하게 알려 본 기술이 기존의 통상개념의 LED패키지 적용기술이 아님을 명확히 한다. 즉, 특별히 제조된 XLED-SLED 교대조명 기술에 의해서만 멸균과 동시에 생체리듬이 개선된 건강등으로서의 성능이 성공적으로 보장된다. 살균과 건강증진 기능을 구현하기 위한 모듈 조절기술이 망라되어 있다. 그 결과 XLED-SLED 교대조명 기술이 의료용 조명으로 사용될 수 있다. 이에 포함된 기술이 본 특허에서 실시된다.
도 1은 초고속 살균을 위한 2광원 UV-C와 VLED로 구성된 XLED와 SLED 교대조명 기술에 대한 모식도이다. 도 1을 참조하면, 살균조명 광원과 고효율 광원으로 구성된 2광원은 자외선-C 와 보라색 LED칩으로부터 제조된다. 280 nm의 자외선-C가 살균을 결정하며, 405 nm의 보라색 광원은 살균조명의 광효율을 증가시킨다. 고효율 살균조명을 위해서는 반드시 이들 2광원이 필수적이다. 이를 XLED (Exchange LED)라고 일컫는다. 즉, XLED 모듈은 자외선-C의 광효율을 확보한 2광원 하이브리드 패키지가 기본이 된다. 비살균 모드로서 일반조명이 작동할 수 있으며, 이를 교차 작동시키는 기술인 제어조명 기술이 포함된다.
이 제어조명 기술을 최대한 활용하고, 2광원 XLED 조명에서 살균 용도로 사용되는 405nm 광원인 VLED 효율이 낮다고 판단될 경우 VLED 대신, 심자외선 (200 nm)이나 자외선-C LED를 추가로 사용할 수 있다.
살균 광효율은 405nm 중심 파장의 근자외선 VLED패키지에서 기인되며, 동시에 이 패키지가 생체리듬을 맞추기 위한 조명으로는 연색지수가 99를 상회하는 고연색 SLED패키지 제조에도 사용된다. 초고속 살균을 위해서는 심자외선과 고효율 자외선-C 영역의 빛을 방출하는 LED패키지를 2광원 XLED 모듈을 활용한다. 고성능 살균용 2광원 XLED 기반의 살균제어 조명이 동작센서에 의해 XLED-SLED 전환이 이루어지므로 자외선 살균 시 안전하게 작동시킬 수 있다.
본 발명은 자외선-C LED의 광효율을 높이기 위한 기술이며 보라색 LED를 활용한다. 즉, 280 nm와 405 nm의 2광원을 조합하여 살균조명 효율을 높인다. 자외선-C LED의 한계를 고효율 보라색 LED 광원으로 보상해서 살균력을 높이는 하이브리드 광원기술이다. 비살균 모드는 일반조명 기능이 가능한 추가광원이 담당하는, 살균조명과 일반조명이 교대로 작동하는 가변 제어기술이 기본이 된다.
본 발명은 자외선-C와 자외선 영역인 400~450nm 범위의 빛을 발생시키는 2광원을 대상으로 삼는다. 즉, 이 기술개발을 위해서는 근자외선 영역의 빛을 고효율로 발생시키는 LED패키지의 개발이 필수적이다. 즉, XLED는 UV-C LED 와 VLED (Violet LED)로 구성되며, VLED의 광효율 증가로 말미암아 2광원이 살균력을 증진시킨다.
상기 XLED의 자외선-C LED와 VLED 는 광원의 비가 10:10 내지 10:1 일 수 있으며, 상기 범위 내에서 살균 총광량 및 살균 성능이 효과적이다.
교대조명의 대상은 VLED기반의 고연색 일반조명이다. 즉, 교대시켜 일반조명으로 작동될 때 고연색 LED패키지를 생산하는 LED 기저 패키지가 VLED이다. 동일한 400~450nm LED칩으로부터 살균용 405nm LED패키지인 VLED와 고연색 LED패키지인 SLED (Sunlight LED)를 생산하는 기술이 적용되어 살균용과 일반조명으로 각각의 용도에 맞는 조명광원으로 사용된다. 즉, XLED의 2광원 살균조명과 SLED 광원으로 구성된 일반조명 간의 교대조명을 구성한다. 일상적인 경우에는 점등 (Switch-ON) 모드로 초고연색 빛을 조명으로 재현하여 생체리듬을 맞추는 SLED 조명이 작동한다. 살균 시 사람이 없는 조건으로 소등 (Switch-Off) 모드로 전환되어 XLED 모듈의 2광원 살균조명이 작동된다.
일반조명 구성은 VLED 칩과 이를 기반으로 적, 녹, 청색의 무기 광변환 소재를 활용한 고연색 SLED패키지 제조기술로 구성된다. VLED 기반 고연색 SLED패키지를 활용하여 근자외선 영역에서부터 고연색의 적, 녹, 청색의 빛을 고르게 발생시키는 기술이다. 본 기술에 적용될 VLED 패키지가 살균에 유효한 중심 피크 405nm의 근자외선을 고효율 발광시키는 중심이 된다. 본 발명은 살균조명 측면에서 볼 때 자외선-C 파장의 매우 낮은 발광특성을 근자외선을 효과적으로 발생시키는 VLED패키지를 적용하여 보완시킨다.
근자외선-감응 적, 녹, 청색 광변환 무기소재를 통한 고연색 SLED패키지를 활용하여 ‘점등-소등’하여 XLED 모듈기반 살균 제어조명의 최고 성능을 기대할 수 있다.
본 발명은 405nm의 VLED패키지를 주광원으로 사용한다. 이 VLED패키지가 적용될 경우 살균에 충분한 에너지 밀도의 광속을 확보할 수 있으며, 동시에 동일 VLED패키지를 활용하여 적, 녹, 청색으로 에너지 이동을 극대화 시켜 고연색 SLED패키지를 생산할 수 있다. 즉, 2광원 XLED 모듈을 이용하는 제어조명 기술이 의료용으로 적용될 수 있다.
도 2를 참고로 하여 본 발명에 따른 SLED-, XLED-, VLED-패키지 적용에 대해 자세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 적용을 위한 연색지수가 99를 상회하는 고연색 SLED패키지와 280nm, 405nm 중심 파장의 패키지가 적용된 XLED 모듈 간 선택적인 ‘점등-소등’ 제어에 의한 교대조명 기술의 기작을 나타낸다. 살균 효과는 대략 405nm 중심의 발광스펙트럼이나, 반드시 405nm 중심의 발광스펙트럼에 제한되는 것은 아니고, 후술할 추가 살균력이 증가될 UV-C LED패키지 조합에 따라 2광원 XLED 모듈에서 자외선 분율을 증대시킬 수 있는 것이라면 공지의 2광원 XLED 교대조명 기술에서 선택적으로 채용될 수 있음은 물론이다.
또한, 초고연색 SLED와 초고속 살균을 위한 2광원 XLED 간 교대조명의 패키지로 구성되며, 이 패키지를 활용하여 교대조명이 가능한 의료용 조명이 완성된다. SLED는 VLED를 기반으로 CRI가 99에 육박하는 초고연색 일반조명이며, 2광원 XLED 모듈은 살균용 280 nm 자외선-C 광원과 405 nm의 근자외선 광원으로 구성된다.
도 3은 제어조명 기술에 적용된 초고연색 SLED 시제품 등기구, 도 4는 제어조명 기술에 적용된 초고속 살균조명 구성인 2광원 XLED 시제품 등기구를 나타내는 도면이다.
도 3 및 4를 참조하면, 각 시제품 등기구는 다운라이트로 제작되었으며, 특히 LED 모듈은 살균용 280 nm 자외선-C 광원과 405 nm의 근자외선 광원으로 구성된다. 이때, XLED Optical Power = 21mW x 8 + 34mW x 8, 살균거리 = 2.5 m, 살균시간 = 8시간 (28,800초) 이었다.
이하, 본 발명의 2광원 XLED-SLED 교대조명의 구체적인 실험예를 설명한다.
a) 먼저 초고연색 일반조명 SLED 설계가 진행되며 본 기술에 적용될 근자외선 칩이 405nm 중심의 발광 광원이 VLED패키지에 포함된다. 이때 반치폭은 30nm 범위가 이 기술에 포함된다.
b) 이어서 본 발명에 적용될 연색지수가 99를 상회하는 SLED패키지가 생산된다.
c) 다음으로, XLED 살균조명에 적용될 광특성을 체계화시킨다. 이는 살균 시 사람이 없는 조건으로 소등 (Switch-Off) 모드로 전환되어 VLED 조명이 작동되고 2광원 XLED 살균을 구현할 LED 모듈이 구동된다. 이 2광원 UV-C와 VLED패키지를 이용하여 비교 평가된 등기구 시제품을 생산한다.
d) 최종적으로 초고속 살균용 2광원 XLED 모듈기반의 살균제어 조명이 동작센서에 의해 XLED와 SLED 간의 전환이 이루어지므로 자외선 살균 시 안전하게 작동시킬 수 있도록 설계되었다. 특별히 세균에 의한 피해가 광범위한 경우 개별 제어조명 기술보다 그룹-제어조명 또는 그보다 상위 개념인 포괄적인 존-제어조명 기술이 적용되었다.
도 5는 제어조명 기술에 적용된 3종류 (SLED, VLED, UV-C)의 LED패키지와 2광원 XLED 모듈의 발광특성, 살균력 및 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, SLED, VLED 및 UV-C LED를 적용한 2광원 XLED의 CCT, 살균력 등의 효과가 뛰어남을 확인할 수 있다.
도 6은 2광원 XLED 살균조명 작동 시 1개의 다운라이트 등이 처리할 수 있는 범위를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 2광원 XLED 살균조명 작동 시 1개의 다운라이트 등이 처리할 수 있는 범위는 대략 73.96 m2 정도의 면적이다. 대략 코로나바이러스의 경우 15~20 mJ/cm2의 에너지 범위의 에너지가 조사될 경우 살균된다.

Claims (8)

  1. 자외선-C LED 광원과 근자외선 VLED 광원을 포함하는 살균용 2광원 XLED 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 근자외선 VLED 광원은 자외선-A VLED 광원 또는 자외선-B VLED 광원인 것을 특징으로 하는 살균용 2광원 XLED 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자외선-C LED 광원과 상기 근자외선 VLED 광원의 비가 10:10 내지 10:1 인 것을 특징으로 하는 살균용 2광원 XLED 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 근자외선 VLED 광원은 405nm 파장대를 가지며, 반치폭은 30nm 이하인 것을 특징으로 하는 살균용 2광원 XLED 모듈.
  5. 제1항의 살균용 2광원 XLED 모듈과 일반조명용 SLED 모듈을 포함하는 조명기구.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 SLED 모듈은 연색지수가 99를 상회하는 것을 특징으로 하는 조명기구.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 XLED 모듈과 SLED 모듈이 동작센서에 의해 상호 전환되어 교대되는 것을 특징으로 하는 조명기구.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 조명기구는 그룹-제어조명 또는 존-제어조명 방식으로 살균되는 것을 특징으로 하는 조명기구.
KR1020200065831A 2020-06-01 2020-06-01 자외선-c led 광원과 근자외선 vled 광원을 포함하는 살균용 2광원 xled 모듈 및 이를 이용한 조명기구 KR102404462B1 (ko)

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