CSP-COB 기반 조정 가능 LED 모듈
추상적인: 연구에 따르면 광원의 색상과 인간의 일주기 주기 사이의 상관 관계가 밝혀졌습니다. 고품질 조명 응용 분야에서는 환경 요구 사항에 따른 색상 조정이 점점 더 중요해지고 있습니다. 완벽한 빛 스펙트럼은 높은 CRI로 햇빛에 가장 가까운 특성을 나타내야 하지만 이상적으로는 인간의 감수성에 맞춰져 있다.인간중심의 조명(HCL)은 다중이용시설, 교실, 헬스케어 등 변화하는 환경에 맞춰 설계되어 분위기와 미학을 창조해야 합니다.Tunable LED 모듈은 CSP(칩 스케일 패키지)와 COB(칩 온 보드) 기술을 결합하여 개발되었습니다.CSP는 COB 보드에 통합되어 높은 전력 밀도와 색상 균일성을 달성하는 동시에 색상 조정 가능성의 새로운 기능을 추가합니다. 결과 광원은 낮에는 밝고 시원한 색상의 조명에서 저녁에는 더 어둡고 따뜻한 조명으로 지속적으로 조정될 수 있습니다. 이 문서에서는 LED 모듈의 설계, 프로세스, 성능과 웜디밍 LED 다운라이트 및 펜던트 조명에 적용하는 방법에 대해 자세히 설명합니다.
핵심 단어:HCL, 일주기 리듬, 조정 가능한 LED, 듀얼 CCT, 웜 디밍, CRI
소개
우리가 알고 있는 LED의 역사는 50년이 넘었습니다.최근 백색 LED의 개발로 인해 다른 백색 광원을 대체할 것으로 대중의 이목이 집중되고 있습니다. 기존 광원에 비해 LED는 에너지 절약과 긴 수명이라는 장점을 제공할 뿐만 아니라 디지털화 및 색상 조정을 위한 새로운 설계 유연성. 고강도 백색광을 생성하는 백색 발광 다이오드(WLED)를 생산하는 두 가지 주요 방법이 있습니다. 하나는 빨간색, 녹색, 파란색의 세 가지 기본 색상을 방출하는 개별 LED를 사용하는 것입니다. —그런 다음 세 가지 색상을 혼합하여 백색광을 형성합니다. 다른 하나는 형광등 전구가 작동하는 것과 거의 같은 방식으로 형광체 재료를 사용하여 단색의 파란색 또는 보라색 LED 조명을 넓은 스펙트럼의 백색광으로 변환하는 것입니다. 주의하는 것이 중요합니다. 생성된 빛의 '백색도'는 본질적으로 인간의 눈에 맞게 설계되었으며 상황에 따라 이를 백색광으로 생각하는 것이 항상 적절하지 않을 수도 있습니다.
스마트 조명은 오늘날 스마트 빌딩과 스마트 시티의 핵심 영역입니다. 점점 더 많은 제조업체가 신축 건물의 스마트 조명 설계 및 설치에 참여하고 있습니다. 그 결과 다양한 브랜드의 제품에 엄청난 양의 커뮤니케이션 패턴이 구현됩니다. ，예: KNx ) BACnetP',DALI，ZigBee-ZHAZBA'，PLC-Lonworks 등. 이들 모든 제품의 한 가지 중요한 문제는 서로 상호 운용할 수 없다는 것입니다(즉, 낮은 호환성 및 확장성).
다양한 빛 색상을 전달하는 기능을 갖춘 LED 등기구는 고체 조명(SSL) 초창기부터 건축 조명 시장에 등장해 왔습니다. 그러나 색상 조정 가능 조명은 여전히 진행 중인 작업으로, 상당한 양의 숙제가 필요합니다. 설치가 성공할지 여부를 지정합니다.LED 조명 기구에는 백색 튜닝, 희미한 색상, 풀 컬러 튜닝의 세 가지 기본 색상 조정 유형이 있습니다. 세 가지 범주 모두 Zigbee, Wi-Fi, Bluetooth 또는 무선 송신기를 사용하는 무선 송신기로 제어할 수 있습니다. 다른 프로토콜은 전력 구축에 직접 연결되어 있습니다. 이러한 옵션으로 인해 LED는 인간의 일주기 리듬에 맞게 색상이나 CCT를 변경할 수 있는 솔루션을 제공합니다.
활동 일주기
식물과 동물은 연속적인 날에 걸쳐 반복되는 약 24시간 주기에 걸쳐 행동 및 생리학적 변화 패턴을 나타냅니다. 이것이 일주기 리듬입니다. 일주기 리듬은 외생적 및 내생적 리듬의 영향을 받습니다.
일주기리듬은 뇌에서 생산되는 주요 호르몬 중 하나인 멜라토닌에 의해 조절됩니다.그리고 이는 졸음을 유발하기도 합니다. 멜라놉신 수용체는 멜라토닌 생성을 차단하여 깨어날 때 청색광으로 일주기 단계를 설정합니다. 저녁에 동일한 청색 파장의 빛에 노출되면 수면을 방해하고 일주기 리듬을 방해합니다. 일주기 비동기화는 신체가 이는 인체의 중요한 회복 시간인 수면의 다양한 단계에 완전히 진입합니다. 더욱이 일주기 혼란의 영향은 낮의 마음챙김과 밤의 수면을 넘어 확장됩니다.
인간의 생물학적 리듬은 일반적으로 수면/각성 주기, 심부 체온, 멜라토닌 농도, 코티솔 농도 및 알파 아밀라제 농도 등 여러 가지 방법으로 측정할 수 있습니다. 그러나 빛은 일주기 리듬을 지구상의 국소 위치에 맞추는 주요 동기화 장치입니다. 빛의 강도, 스펙트럼 분포, 타이밍 및 지속 시간은 인간의 일주기 시스템에 영향을 미칠 수 있습니다. 이는 일일 내부 시계에도 영향을 미칩니다.빛에 노출되는 시간은 내부 시계를 앞당기거나 지연시킬 수 있습니다. 일주기 리듬은 인간의 성능과 편안함 등에 영향을 미칩니다. 인간의 일주기 시스템은 460nm(가시 스펙트럼의 파란색 영역)의 빛에 가장 민감한 반면, 시각 시스템은 가장 민감합니다. 따라서 조정 가능한 CCT와 강도를 사용하여 삶의 질을 향상시키는 방법이 점점 더 중요해지고 있습니다.감지 및 제어 시스템이 통합된 색상 조정 가능 LED는 이러한 고성능의 건강한 조명 요구 사항을 충족하도록 개발될 수 있습니다. .
그림 1 빛은 24시간 멜라토닌 프로필, 급성 효과 및 위상 전환 효과에 이중 효과를 갖습니다.
패키지 디자인
기존 할로겐의 밝기를 조정하는 경우
램프의 색상이 변경됩니다.그러나 기존 LED는 밝기를 변경하면서 색온도를 조정할 수 없으며 일부 기존 조명과 동일한 변경을 모방합니다.초기에는 많은 전구가 PCB 보드에 결합된 다양한 CCT LED가 있는 LED를 사용했습니다.
구동 전류를 변경하여 조명 색상을 변경합니다.CCT를 제어하려면 복잡한 회로 조명 모듈 설계가 필요하며 이는 조명기구 제조업체에게는 쉽지 않은 작업입니다. 조명 설계가 발전함에 따라 스포트라이트 및 다운라이트와 같은 소형 조명기구는 소형, 고밀도 LED 모듈을 요구합니다. 색상 조정 및 소형 광원 요구 사항을 모두 충족하면 조정 가능한 색상 COB가 시장에 출시됩니다.
색상 조정 유형에는 세 가지 기본 구조가 있습니다. 첫 번째는 그림 2와 같이 PCB 보드에 직접 따뜻한 CCT CSP와 차가운 CCT CsP 본딩을 사용합니다. 두 번째 유형은 서로 다른 CCT 인광체의 여러 스트라이프로 채워진 LES가 있는 조정 가능한 COB입니다. 그림에 표시된 실리콘 사
3. 이 작업에서 세 번째 접근 방식은 따뜻한 CCT CSP LED를 파란색 플립 칩과 혼합하고 기판에 밀접하게 부착된 납땜을 사용하는 것입니다. 그런 다음 흰색 반사 실리콘 댐이 분배되어 따뜻한 흰색 CSP와 파란색 플립 칩을 둘러쌉니다. , 인광체 함유 실리콘으로 채워져 그림 4와 같이 이중 색상 COB 모듈을 완성합니다.
그림4. 난색 CSP와 청색 플립칩 COB (구조 3 - ShineOn 개발)
구조 3과 비교하여 구조 1에는 세 가지 단점이 있습니다.
(a) CSP 광원의 칩에 의해 발생하는 인광체 실리콘의 분리로 인해 서로 다른 CCT의 서로 다른 CSP 광원 간의 색상 혼합이 균일하지 않습니다.
(b) CSP 광원은 물리적 접촉에 의해 쉽게 손상됩니다.
(c) 각 CSP 광원의 간격은 먼지를 잡아 COB 루멘 감소를 유발하기 쉽습니다.
Structure2에는 단점도 있습니다.
(a) 제조공정 관리 및 CIE 관리의 어려움
(b) 특히 근거리장 패턴의 경우 서로 다른 CCT 섹션 간의 색상 혼합이 균일하지 않습니다.
그림 5는 구조 3(왼쪽)과 구조 1(오른쪽)의 광원으로 제작된 MR 16 램프를 비교합니다.사진에서 구조 1의 경우 발광 영역 중앙에 밝은 음영이 있는 반면 구조 3의 광도 분포는 더 균일합니다.
응용
구조 3을 사용한 접근 방식에는 조명 색상과 밝기 조정을 위한 두 가지 서로 다른 회로 설계가 있습니다.간단한 드라이버 요구 사항이 있는 단일 채널 회로에서는 흰색 CSP 스트링과 파란색 플립 칩 스트링이 병렬로 연결됩니다. CSP 스트링에는 고정 저항기가 있습니다.저항을 사용하면 구동 전류가 CSP와 블루 칩으로 분배되어 색상과 밝기가 변경됩니다. 자세한 튜닝 결과는 표 1과 그림 6에 나와 있습니다. 단일 채널 회로의 색상 튜닝 곡선은 그림 7에 나와 있습니다.CCT는 구동 전류에 따라 증가합니다.우리는 하나는 기존 할로겐 전구를 에뮬레이션하고 다른 하나는 보다 선형적인 튜닝을 에뮬레이트하여 두 가지 튜닝 동작을 실현했습니다.조정 가능한 CCT 범위는 1800K~3000K입니다.
1 번 테이블.ShineOn 단일 채널 COB 모델 12SA의 구동 전류에 따른 Flux 및 CCT 변화
그림 7. 단일 채널 회로 제어 COB(7a) 및 두 개의 구동 전류에 따른 흑체 곡선에 따른 CCT 튜닝
할로겐 램프(7b)를 기준으로 상대 휘도에 따른 튜닝 동작
다른 설계는 CCT 조정 가능 배열이 단일 채널 회로보다 넓은 이중 채널 회로를 사용합니다. CSP 스트링과 파란색 플립칩 스트링은 기판에서 전기적으로 분리되어 있으므로 특수 전원 공급 장치가 필요합니다. 색상과 밝기는 다음으로 조정됩니다. 원하는 전류 레벨과 비율로 두 회로를 구동합니다.ShineOn 듀얼 채널 COB 모델 20DA의 그림 8에 표시된 대로 3000k에서 5700K까지 조정할 수 있습니다. 표 2에는 아침부터 저녁까지 일광 변화를 면밀히 시뮬레이션할 수 있는 세부 튜닝 결과가 나열되어 있습니다. 점유 센서와 제어를 결합하여 회로, 이 조정 가능한 광원은 낮에는 청색광에 대한 노출을 늘리고 밤에는 청색광에 대한 노출을 줄여 사람들의 웰빙과 인간의 성능뿐만 아니라 스마트 조명 기능을 촉진합니다.
요약
조정 가능한 LED 모듈은 다음을 결합하여 개발되었습니다.
CSP(칩 스케일 패키지) 및 COB(칩 온 보드) 기술.CSP와 블루 플립 칩은 COB 보드에 통합되어 높은 전력 밀도와 색상 균일성을 달성하고 듀얼 채널 구조는 상업용 조명과 같은 애플리케이션에서 더 넓은 CCT 튜닝을 달성하는 데 사용됩니다.단일 채널 구조는 가정 및 호텔과 같은 응용 분야에서 할로겐 램프를 에뮬레이션하는 조도 조절 기능을 구현하는 데 사용됩니다.
978-1-5386-4851-3/17/$31.00 02017 IEEE
승인
저자는 국가 핵심 연구 개발(National Key Research and Development)의 자금 지원을 인정하고 싶습니다.
중국 프로그램(No. 2016YFB0403900).추가적으로 ShineOn(Beijing) 동료들의 지원을 받았습니다.
(주)테크놀러지에도 감사의 말씀을 드립니다.
참고자료
[1] 한, N., 우, Y.-H.and Tang, Y, "KNX 장치 연구
버스 인터페이스 모듈 기반 노드 및 개발", 제29회 중국 제어 컨퍼런스(CCC), 2010, 4346 -4350.
[2] 박태형, 홍상수, “BACnet을 위한 네트워크 관리 시스템의 새로운 제안과 참조모델”, 제8차 IEEE 산업정보학 국제회의(INDIN), 2010, 28-33.
[3]Wohlers I, Andonov R. 및 Klau GW, "DALIX: 최적의 DALI 단백질 구조 정렬", 전산 생물학 및 생물정보학에 대한 IEEE/ACM 거래, 10, 26-36.
[4]Dominguez, F, Touhafi, A., Tiete, J. 및 Steen haut, K.,
"홈 자동화 ZigBee 제품을 위한 WiFi와의 공존", 베네룩스 통신 및 차량 기술에 관한 IEEE 19차 심포지엄(SCVT), 2012, 1-6.
[5] Lin, WJ, Wu, QX 및 Huang, YW, "LonWorks의 전력선 통신 기반 자동 검침 시스템", 기술 및 혁신에 관한 국제 회의(ITIC 2009), 2009,1-5.
[6] Ellis, EV, Gonzalez, EW 등, "LED를 사용한 일광 자동 조정: 건강과 웰빙을 위한 지속 가능한 조명", 2013 ARCC 춘계 연구 회의 간행물, 2013년 3월
[7] 조명 과학 그룹 백서, "조명: 건강 및 생산성을 향한 길", 2016년 4월 25일.
[8] Figueiro, MG, Bullough, JD 등, "밤에 일주기 시스템의 스펙트럼 민감도 변화에 대한 예비 증거", Journal of Circadian Rhythms 3:14.2005년 2월.
[9]Inanici, M,Brennan,M, Clark, E,"스펙트럼 일광
시뮬레이션: 일주기 빛 컴퓨팅", 국제 건축 성능 시뮬레이션 협회 제14차 회의, 인도 하이데라바드, 2015년 12월.