· ¡ ¤ @ / < Æ § Ó ü t o < Æõ , @ /½ ¨ 702-701

(1)

8 ýz » Ó Þ w ºy ¢ ® o° Ë Ñ T ~ ¾© A o© T ²

T

q 0 ï F · ® £* å ¦

â

· ¡ ¤ @ / < Æ § Ó ü t o < Æõ , @ /½ ¨ 702-701

+ ä

< g Y @

â

· ¡ ¤ @ / < Æ § Ó ü t o §¹ ¢ ¤ < Æõ , @ /½ ¨ 702-701

û Bg ` @ · T 4 ` 9

ô

Ç² D GF g l Õ ü t" é ¶, F g Å Ò 500-779

(2010¸ 11 Z 4 8{ 9 ~ Ã Î6 £ §, 2010¸ 12 Z 4 7{ 9 Ã º& ñ : r ~ Ã Î6 £ §, 2011¸ 1 Z 4 17{ 9 > F S X & ñ )

_

« Ñ6 x ¦ ¸ ¸ K × ¼ s à Ô > hµ 1 Ï` ¦ 0 AK ¦6 f ¸ µ 1 Ï F g s ¸× ¼\ ¦ 6 x % i . ¦6 f ¸ µ 1 Ï F g s ¸

×

¼ H ¦ ¸ ¸, | Ã º" î , & h É r ª _ & h ü @ , C ' o \ _ ô Ç ½ ¨1 l x 1 p x _ # Q t © & h ` ¦ ] j/ B N ô Ç . _ « Ñ 6

x ¦ ¸ ¸ K × ¼ s à Ô > hµ 1 Ï` ¦ 0 AK 3 W light-emitting diode(LED)\ ¦ 6 x % i ¦, F g < Æ n É r Z }

É

r \ -t 5 Å x õ Z } É r ¸ ¸ ² ú $ í ` ¦ 0 AK 2> h_ E $ Ý ¼\ ¦ 6 x % i . LED K × ¼ s à Ô H 300 mm b

#

Q 0 Au \ " f Û ¼; © f â s 80 mm, ¸ ¸ 42,000 lux s . q §\ ¦ 0 AK 5 W LED ¸ ¦ ¸ ¸ K × ¼

s à Ô > hµ 1 Ï\ 6 x % i . Õ ª Q 5 W LED H H µ 1 Ïí ß y õ H Û ¼; © f â Ü ¼ Ð K ¸ ¸ 31,000 lux Ð ] jô Ç÷ & 9, ~ ½ Ó\ P ¸ ë H ] j ÷ &% 3 . 3 W LED K × ¼ s à Ô_ : r ¸ H 55

^◦

C s # " f _ « Ñ6 x © q

Ð & h ½ + Ë .

Ù þ

d # Q: µ 1 Ï F g s ¸× ¼, K × ¼ s à Ô, ¸" î

High-illuminance Light-emitting Diode Headlamps for Medical Applications

Ui-Hyung Lee · Young-Gu Ju ^∗

Department of Physics, Kyungpook National University, Daegu 702-701

Jae-hun Jung

Department of Physics Education, Kyungpook National University, Daegu 702-701

Seung-Hyun Park · Gye-Seon Lee

Korea Photonics Technology Institute, Gwangju 500-779

(Received 8 November 2010 : revised 7 December 2010 : accepted 17 January 2011)

High-brightness light-emitting diodes have been used to develop high-illuminance headlamps for medical applications. There headlamps provide various advantages, such as high illuminance, long lifetime, reduced infrared light, extended operation time with a battery and light weight. A 3-W light-emitting diode (LED) was employed to achieve the high-performance medical headlamps. The optical design included two lenses for high energy transmission and high illuminance. The LED headlamp show 42,000 lux with a spot diameter of 80 mm at a distance of 300 mm. For comparison,

-139-

(2)

a 5-W LED was also used to obtain a high-illuminance headlamp. However, the large divergence angle and the large spot size of the 5-W LED limit the illuminance to 31,000 lux with increased heat dissipation. Thermal images of the heat sinks indicated that the temperature of the headlamp using the 3-W LED was below 50

^◦

C, which is suitable for medical applications.

PACS numbers: 42.15.E, 85.60.J, 87.62

Keywords: Light-emitting diode, Headlamps, Illumination

I. " e Â ] Ø

{ 9

ì ø Í& h Ü ¼ Ð ½ + É Ð p1 p x s ] j 7 H1 p x` ¦ 6 x H Ã ºÕ ü t6 x

¸" î É r & h 6 x ~ ½ Ód \ ¸ ¸ 20,000 ∼ 200,000 lux

)

a . Õ ª Q K × ¼ s à Ô ? /r â _ â Ä º F g " é ¶ Ü ¼ Ð 6

x ÷ & H Ï þ á Ô_ ß ¼l -Á º & " f s 1 l x$ í \ ] jô Ç` ¦ ~ Ã Î H

. F g$ 3 Ä »_ s 6 x É r Û ¼; © ß ¼l \ ¦ > H כ s 0 p x

t ë ß , s H Ã ºÕ ü t 1 l x î ß _ « Ñ _ ' 1 l x` ¦ ] jô Ç ¦, Õ ª[ þ t

\

> ´ ú § É r x Ðy ` ¦ ï r . > y n Cs F g$ 3 Ä »\ ¦ : x õ

H 1 l x î ß < Hz ´s Ò q t , F g ´ òÖ ¦ s © { © y $ ) a . Õ ª ü @

\

¸ & ³F _ Ï þ á Ô H Ø æ s 1 l x \ y 9, s H Ã º Õ

ü

t 1 l x î ß ¸" î _ 1 l x` ¦ l ô Ç . Ä »t ÐÃ º_ â Ä º, & ³F Ï þ

á Ô_ Â ú ª É r Ã º" î s F g " é ¶ _ ¸ ú É r §^ ü < Õ ª Ð ô Ç Ä »t

ÐÃ ºq _ 7 £ x \ ¦ µ 1 ÏÒ q tr . ¸" î _ ' a& h \ " f Ð & ³ F

Ï þ á Ô H Z } É r Ò o$ í ` ¦ ] j/ B N t ë ß , Ã ºÕ ü t 1 l x î ß ½ + É Ð p Ï þ

á Ô_ & h ü @ s _ « Ñ õ ¨ 8 Å Ò0 A_ : r ¸\ ¦ © 5 p x r

. y n C\ _ ô Ç : r ¸ © 5 p x É r | Ã ºÕ ü t r ç ß 1 l x î ß _ « Ñ s

Ã Ð` ¦ f Ë o > # [ jç H y % i _ 0 A+ « >` ¦ Z } s ¦, ¨ 8 _

[ j í ¸f _ : r ¸\ ¦ © 5 p x, õ H 1 p x _ ë H ] j\ ¦ 7 £ x

r .

¦Ø ¦§ 4 µ 1 Ï F g s ¸× ¼(Light-emitting Diode: LED) H ß

¼l ¦ ! 9Ä º " f ¸ Z } É r \ -t ´ òÖ ¦` ¦ ° ú H F g

"

é

¶ Ü ¼ Ð 0 A\ " f / å L ô Ç ë H ] j\ ¦ K ½ + É Ã º e H © & h s e

. Z } É r ´ òÖ ¦ _ LED H | Ã ºÕ ü t r ç ß 1 l x î ß C ' o ½ ¨1 l x s

0 p x 9, ß ¼l ¦ ! 90 >" f Ã ºÕ ü t6 x K × ¼ s à Ô F

g " é ¶ Ü ¼ Ð & h ½ + Ë . C ' o Ð ½ ¨1 l x 0 p x ô Ç LEDK × ¼ s

à Ô H & ³F ¸" î _ ¸ ¸ü < ° ú É r ¸ ¸\ ¦ t 9, F g$ 3 Ä »

¸ 9 כ ¹ t · ú § . LED F g " é ¶ _ Æ Ò& h © & h É r 50,000 r

ç ß _ | Ã º" î õ & h É r & h ü @ , ü @ ª 1 p x s . × ¦ # Q

H & h ü @ É r [ j í ¸f _ : r ¸ © 5 p x` ¦ & h > # & h ü @

\

_ ô Ç [ j í õ \ ¦ \ V~ ½ Óô Ç .

s

7 Hë H \ " f Ä ºo H r Ó ý t Y Us ` ¦ s 6 x # ¦Ø ¦§ 4 LED K × ¼ s à Ô\ ¦ [ O > , ] j % i . F g < Æ n É r \

-t 5 Å x ´ òÖ ¦` ¦ F G @ / o ¦ Û ¼; © ß ¼l \ ¦ > l 0 A K

8^ ¦ E $ Ý ¼ r Û ¼% 7 ` ¦ 6 x % i . õ \ H É r Û ¼; © ß

¼l ü < Z } É r ¸ ¸, \ P & h ë H ] j ¸ í < Ê÷ &# Q e .

∗

E-mail: [email protected]

Table 1. Data sheet of 5W LED [1].

Parameters Value Unit

Luminous Flux (I

F

= 1,400 mA) 400 Lm

Forward voltage 3.3 V

Correlated Color Temperature(CCT) 6300 K Color Rendering Index(CRI) 70 -

View Angle 120 deg.

Thermal resistance 3

^◦

C/W

II. ° Ë Ñ] K ¡ כ r Ç4

_

« Ñ6 x LED K × ¼ s à Ô_ ª É r & ³F _ K × ¼ s à Ô

ª ` ¦ ½ ¨ ¦, # î " é ¶ \ " f { 9 H _ « Ñ _ [ O ë H ¸

\

¦ Ð # & ñ % i . LED K × ¼ s à Ô_ 3 l q ³ ð ª

É

r 6 £ § õ ° ú . K × ¼ s à Ô\ " f 300 mm b # Q t & h

\

" f Û ¼; © t â s 100 mm s # ô Ç . þ j@ / ¸ ¸ H 30,000 lux s © ÷ &# Q ô Ç . Ò o$ í (Color Rendering Index: CRI) H 70 s © s 9, Ä ºf ç : r ¸ H 60

^◦

C s

\

¦ כ ¹½ ¨ ¦ e .

Ð: x LED K × ¼ s à Ô H LED, E $ Ý ¼, ì ø Í â , Ä º f ç

1 p x Ü ¼ Ð ½ ¨$ í ) a . 80 mm f â _ " é ¶+ þ A\ " f כ ¹½ ¨÷ & H 30,000 lux _ ¸ ¸\ ¦ ² ú $ í l 0 AK , þ j è 150 lm s כ ¹

½

¨ ) a . Õ ª Q , ¸" î F g < Æ É r \ -t < Hz ´s e l M :ë H \ LED _ F g | ¾ Ó É r 150 lm Ð s ` & ô Ç . \ V\ ¦ [ þ t # Q, F

g < Æ> _ \ -t 5 Å x ´ òÖ ¦ s 50 % LED_ F g

|

¾ Ó É r 300 lm Ð & ô Ç . ¢ ¸ô Ç, èq § 4 É r ¸ ¸\ ¦ Z

} s l 0 AK Á º & ñ 7 £ x r ~ ´ Ã º \ O . = èq

§ 4 _ 7 £ x H \ P < Hz ´_ 7 £ x Ð s # Q4 R $ í 0 p x õ Ã º" î ` ¦

or v l M :ë H s . s ½ ¨\ " f H r × æ \ " f ½ ¨½ + É Ã º e

H ¦Ø ¦§ 4 , ¦´ òÖ ¦ LED × æ \ " f 5 W ü < 3 W LED\ ¦

× þ % i . Z } É r ¸ ¸\ ¦ % 3 l 0 AK 5 W LED\ ¦ 6 x l

Ð & ñ ¦, F g5 Å q õ ¸ ¸ q Y V H t · ú l 0 AK q

§ @ / © Ü ¼ Ð 3 W LED ¸ 6 x l Ð % i . s 7 Hë H _

5 W ü < 3 W LED H y y " fÖ ¦ ì ø Í ¸^ _ P7õ p ² D G

Cree _ XR-E Q5s . s LED_ X <s ' r à Ô H Table

1 õ Table 2\ " f ^ ¦ Ã º e . X <s ' r à Ô\ Ø Ô , ¿ º

LED ¸¿ º µ 1 Ï F g ´ òÖ ¦ s 75 lm/W s .

(3)

Table 2. Data sheet of 3W LED [2].

Parameters Value Unit

Luminous Flux (I

F

= 1,000 mA) 225 lm

Forward voltage 3.7 V

Correlated Color Temperature(CCT) 5,000 ∼ 10,000 K Color Rendering Index(CRI) 75 -

View Angle 90 deg.

Thermal resistance 8

^◦

C/W

ì

ø Í â _ â Ä º, Ð: x F g " é ¶ s ½ ¨ â Ä º\ K × ¼ s à

Ô n \ Å Ò 6 x ) a . ½ ¨ H y n C` ¦ ¸ H ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð µ

1 Ïí ß l M :ë H \ ì ø Í â s s y n C` ¦ ¸Ü ¼ H X < ´ òõ & h s

. Õ ª Q LED H cos θ \ _ > r$ í ` ¦ t m H Lambertian F

g " é ¶ s . s H LED _ y n Cs ½ ¨\ q # ì ø Í â \ 8

&

h > ì ø Í ô Ç H כ ` ¦ _ p ô Ç . H y ¸ M :ë H \ © @ /& h Ü

¼ Ð y n C \ -t _ ª É r 8 > ÷ &# Q ì ø Í â s ´ òõ & h Ü ¼

Ð l 0 p x t · ú § H כ s . > ü @Â Ò ì ø Í â É r Ð: x J v

t ß ¼l Ð H X <, s Ð K Ò q tl H ì ø Í â _ H )

© É r F g " é ¶ ß ¼l \ ¦ 8 ß ¼> ë ß × ¼ H " é ¶ s ) a . q 2 ¤ ì ø Í

â s F g " é ¶ _ µ 1 Ïí ß y ` ¦ × ¦ s H % i ½ + É` ¦ t ë ß , & )

© M :ë H \ Û ¼ß ¼ 2 ;\ " f Û ¼; © ß ¼l \ ¦ × ¦ s H כ É r # Q 90 >

t

H כ s . Õ ª QÙ ¼ Ð F g < Æ n \ " f ì ø Í â ` ¦ 6 x

t · ú §l Ð % i . ² D G LED K × ¼ s à Ô_ n É r

¦Ø ¦§ 4 LEDü < ¿ º > h_ E $ Ý ¼ Ð ½ ¨$ í ÷ &% 3 .

s

× æ E $ Ý ¼ r Û ¼% 7 \ " f ' Í P : E $ Ý ¼ H ¢ - a# 4 > r ï

r(collimation) H % i ½ + É Ð H µ 1 Ïí ß y ` ¦ × ¦ s H % i ½ + É

Ð 6 x ÷ &% 3 . & h F g " é ¶ _ â Ä º, É r í& h o É r c

f â ` ¦ ë ß [ þ t # Q ² D G ¨ î \ 8 É r Û ¼; ©` ¦ ë ß H .

Õ

ª Q LED H Ä »ô Çô Ç ß ¼l _ ¨ î F g " é ¶ s . Õ ª QÙ ¼ Ð ' Í

P : E $ Ý ¼_ í& h \ e H LED _ 0 Au H µ 1 Ïí ß y _

ß ¼l @ /| Ä Ì F g " é ¶ ß ¼l \ ¦ í& h o Ð è H ° ú כõ ° ú

>

ô Ç . í& h o _ 7 £ x H µ 1 Ïí ß y ` ¦ × ¦ s t ë ß , \ -t

5 Å xÒ ¦` ¦ Z } s l 0 AK ' Í P : E $ Ý ¼_ f â ` ¦ ß ¼> K

) a . Õ ª QÙ ¼ Ð ' Í P : E $ Ý ¼ H & h { © y µ 1 Ïí ß y ` ¦ × ¦ s

" f ¸ Z } É r > h½ ¨Ã º(numerical aperture)\ ¦ t ¦ e

#

Q ô Ç . > ' Í P : E $ Ý ¼ H | 9 5 Å q ´ òõ (condensing effect)\ ¦ BÒ q t ¦ ~ Ã Î6 £ § y (acceptance angle)` ¦ 7 £ x r v l

0 AK LEDü < · ¡ # Q e # Q ô Ç .

z

´] j LED J v t _ f â É r 5 ∼ 8 mm s . E $ Ý ¼_ þ

j è f â É r 8 mm Ð & ô Ç . ë ß E $ Ý ¼_ ß ¼l

LED _ ß ¼l Ð , E $ Ý ¼ ü @y \ " f LED y n C` ¦ ¸ Ü

¼t 3 l w # µ 1 ßl b # Qt > ) a . r Ó ý t Y Us ` ¦ , double-convex E $ Ý ¼ Ð plano-convex E $ Ý ¼\ ¦ 6 x ¦, E $

Ý ¼_ ¨ î ¨ î ô Ç Â Òì r` ¦ LEDA á ¤ Ü ¼ Ð # 6 xÙ þ ¡` ¦ M : 8

´ ú

§ É r y n Cs ¸ H כ ` ¦ · ú Ã º e . þ j7 á x n \ " f

Fig. 1. An arrangement of LED, lens and screen used in the simulation.

H f â 9 mm, í& h o 9 mm plano-convex E $ Ý ¼\ ¦

× þ % i . q 2 ¤ ' Í P : E $ Ý ¼ Ð µ 1 Ïí ß y ` ¦ × ¦ s H X < $ í /

B NÙ þ ¡t ë ß , LEDü < E $ Ý ¼ s _ o í& h o ü < q § K

ú < ¸ Â ú ªl M :ë H \ s כ Ü ¼ Ð LED y n Cs ¢ - a y r ï r

÷

&t H · ú § ¤ . Æ Ò& h Ü ¼ Ð µ 1 Ïí ß y ` ¦ × ¦ s l 0 AK ¿ º P

: E $ Ý ¼\ ¦ 6 x K Ù þ ¡ . ¿ º P : E $ Ý ¼ H É r Û ¼; © õ Z

} É r \ -t 5 Å x` ¦ ² ú $ í l 0 AK 6 x ÷ &% 3 . ¿ º P : E $

Ý ¼_ f â õ í& h o H y y 25 mmü < 30 mm s .

LED ü < E $ Ý ¼\ ¦ × þ ô Ç Ê ê, C \ P 0 Au \ ¦ þ j& h o l 0

AK r Ó ý t Y Us ` ¦ Ã º' % i . r Ó ý t Y Us É r Light- Tools\ ¦ s 6 x # Ã º' ÷ &% 3 . LED, E $ Ý ¼, Û ¼ß ¼ 2 ;_ C u

H Fig. 1 \ " f ^ ¦ Ã º e . Fig. 1\ " f Ð ¢ , aA á ¤ \ " f Â

Ò' ' Í P : H F g " é ¶ LED, 6 £ § É r 1 E $ Ý ¼, 2 E $ Ý

¼, t } É r Û ¼ß ¼ 2 ;s . & ñ S X ô Ç > í ß ` ¦ 0 AK " f E $ Ý ¼\

'

a ô Ç X <s ' \ ¦ èá Ôà ÔJ ?# Q î ß _ s Ú Ô Qo \ " f Ô ¦ Qü <

6 x % i . LED ¸4 S qa A ¸ % 6 £ § \ H q 5 p w ô Ç ~ ½ ÓZ O ` ¦ 6

x % i . LED r [ þ t É r y ] j¾ ¡ § _ ray data` ¦ ] j/ B N 9, ray tracing èá Ôà ÔJ ?# Q ¢ ¸ô Ç á Ô ÐÕ ªÏ þ î ß Ü ¼ Ð Ô ¦ Q` ¦ Ã º e

H ray data { 9 ` ¦ ] j/ B N ¦ e . Õ ª Q ray data { 9

\ _ ô Ç LED ¸4 S qa A É r z ´+ « >& h X <s ' ü < ¸ ú { 9 u t

· ú

§ H . s Qô Ç ë H ] j\ ¦ > h l 0 AK " f 8 £ ¤& ñ \ _ K S X

Ð ) a Ð & ñ S X ô Ç ray data 9 כ ¹Ù þ ¡ . s \ ¦ 0 AK LED

?

/Â Ò ½ ¨ ¸_ ß ¼l \ ¦ 8 £ ¤& ñ # ¸4 S qa A % i .

5 W ü < 3 W LED\ ¦ LED Â Ò¾ ¡ § © I \ ¦ · ú l 0 AK ì r K

% i . s X O > # S X Ð ) a X <s ' \ ¦ Ð@ / Ð ray trac- ing èá Ôà ÔJ ?# Q î ß \ " f LED\ ¦ F ½ ¨» ¡ ¤ % i . Õ ª õ , r

Ó ý t Y Us î ß \ " f_ LED_ µ 1 Ïí ß y s Õ ª µ 1 Ú_ F g < Æ

&

h

: £ ¤$ í s 8 £ ¤& ñ ` ¦ : x K ' a ¹ 1 Ï ) a : £ ¤$ í õ { 9 u % i . 5 W LED _ â Ä º, 1 l u(dome) E $ Ý ¼ -Á º & " f LEDü < ' Í P

: E $ Ý ¼ s _ o & t ¦, © _ ç H{ 9 ¸ ¸ b # Q& .

s

ë H ] j\ ¦ K l 0 AK 1 l u E $ Ý ¼\ ¦ = å Q \ " fÂ Ò' 2.5 mm

¸ ú

Í Ç x . LEDü < Û ¼ß ¼ 2 ;_ o H ª \ ü <e H

(4)

Fig. 2. The configurations of the two types of LED head- lamps using (a) 5W LED and (b) 3W LED

Fig. 3. The calculated illumination distribution using (a) 5W LED and (b) 3W LED

ü

< ° ú s 300 mm Ð ¦& ñ % i . LEDü < ¿ º P : E $ Ý ¼_

o H r Ó ý t Y Us ` ¦ : x K " f & ñ K Ù þ ¡ . r Ó ý t Y Us

Ê ê, r Ó ý t Y Us ` ¦ : x K " f > í ß ) a 0 Au ´ ú H t S X

l 0 AK F g < Æ _ Û ¼à Ô\ ¦ Ã º' % i .

r

Ó ý t Y Us õ F g < Æ _ Û ¼à Ô\ ¦ : x K , 5 W LED_ â Ä º,

¿

º P : E $ Ý ¼ LED\ " fÂ Ò' 31 mm b # Q o \ e

`

¦ M : ¸ ¸ Z } ¦ ç H{ 9 ¸ ¸ a % ~ H כ ` ¦ · ú Ã º e % 3 .

8 £ ¤& ñ ) a ¸ ¸ H 42,000 lux s 9, LED\ " f 300 mm b # Q

o _ Û ¼; © f â É r 80 mm s . LEDü < ¿ º P : E $ Ý

¼_ o , LED } 9 ^ _ s p t è ß .

} 9

s 2 × 2 C \ P _ Ð É r } 9 4> h Ð ½ ¨$ í ÷ &# Q e l M : ë

H \ Û ¼; © _ ç H{ 9 ¸ & . > 5 W LED } 9 s 3 W LED } 9 Ð H X <, F g " é ¶ ß ¼l ß ¼ 9 þ t Ã º2 ¤ Û ¼ß ¼

2 ;\ H Û ¼; © ß ¼l ¸ 8¹ ¡ ¤ & t > ) a .

3 W LED _ â Ä º, LEDü < ¿ º P : E $ Ý ¼_ o 22 mm { 9 M :, ¸ ¸ 80,000 lux ÷ & 9, LED\ " f 300 mm b

# Q 0 Au \ " f_ Û ¼; © _ f â É r 40 mm ) a . Table 2 \ e H X <s ' \ ¦ Ð 3 W LED_ µ 1 Ïí ß y s 90

^◦

X <

Fig. 4. Photograph of the assembled LED headlamps

s

כ É r 5 W LED _ µ 1 Ïí ß y Ð É r כ s . 3 W LED

H 8 É r µ 1 Ïí ß y ` ¦ % 3 l 0 AK " f : £ ¤Z > ô Ç ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð J v

t ÷ &# Q e . Õ ª Q s ~ ½ ÓZ O s " é ¶ s ÷ &# Q, ¸ ¸

Z }` ¦ M : s p t _ ç H{ 9 ¸ $ ) a . LEDü < ¿ º P

t LED\ ¦ s 6 x ô Ç r Ó ý t Y Us > í ß õ H Fig.3 \

e .

5 W LED ü < 3 W LED\ ¦ 6 x ô Ç r Ó ý t Y Us _ ¸ ¸

H 42,000 lux, 50,000 lux s . s õ H LED _

: r ¸ { 9 & ñ # µ 1 Ïí ß ÷ & H F g s × ¦ t · ú § H H ¸| \

"

> ÷ & µ 1 Ïí ß ÷ & H F g _ { 9 Â Ò \ P \ -t Ð ¨ 8 ÷ &# Q

p

x ô Ç : r ¸ r µ 1 Ïí ß ÷ & H F g | ¾ Ó` ¦ × ¦ s H " é ¶ s ) a .

" f K × ¼ s à Ô ] j r ~ ½ Ó\ P ½ ¨ ¸\ ¦ ¦ 9 # [ O >

¦, ] j ) a K × ¼ s à Ô_ \ P : £ ¤$ í ` ¦ ì r$ 3 # LED_

$ í

0 p x $ { 9 # Q H t S X ½ + É 9 כ ¹ e . ë ß K × ¼

s à Ô_ : r ¸ -Á º Z } ~ ½ Ó\ P [ O > \ ¦ r K F g

< Æ [ O > \ " f 3 l q ³ ð Ð H Z } É r ¸ ¸\ ¦ ½ ¨ & ³½ + É Ã º e .

III. + s ÇÊ Ý

Æ

Ò& h r Ó ý t Y Us õ F g < Æ _ Û ¼à Ô Ê ê, Fig. 4\ " f ^ ¦ Ã

º e H LED K × ¼ s à Ô Ò re ¦` ¦ ] j % i . ] j ) a Ò r e

¦ É r ô Ç² D GF g l Õ ü t" é ¶ \ " f F g < Æ x 9 \ P : £ ¤$ í ` ¦ 8 £ ¤& ñ % i .

¦, ¸ ¸ H 31,850 lux s . CRI H 70.85 s 9, Ò o : r

â

s 80 mm s ¦, ¸ ¸ H 42,500 lux s . CRI H 81.39 s

8 £ ¤& ñ ° ú כ É r ¸ ¸\ ¦ ] jü @ô Ç Qt X <s ' r Ó ý t Y Us õ { 9

u < Ê` ¦ · ú Ã º e . ¸ ¸ r Ó ý t Y Us õ É r כ É r 7 £ x

ô Ç LED_ : r ¸ F g < Æ $ í 0 p x` ¦ or ( l M :ë H Ü ¼ Ð Ò q

ty ) a . 3 W LEDü < 5 W LED K × ¼ s à Ô_ õ \ ¦

(5)

Fig. 5. The spot size and the illuminance of the head- lamps made of 5 W LED.

Fig. 6. The spot size and the illuminance of the head- lamps made of 3 W LED.

Ð LED_ F g5 Å q õ ¸ ¸ q Y V t · ú § H H כ ` ¦ · ú Ã

º e . Õ ª Ð H LED J v t _ : £ ¤$ í s ¸ ¸ 7 £ x \

´ ú

§ É r % ò ¾ Ó` ¦ ï r H כ ` ¦ · ú Ã º e . l > r ó ø ÍB ÷ & ¦ e

H LED K × ¼ s à Ô_ â Ä º, K × ¼ s à Ô\ " f 300 mm b

#

ß ¸ ¸\ " f H 8 a % ~ É r õ \ ¦ S \ 1 p q % i . Fig.7 É r Ä

ºf ç : r ¸\ ¦ 20ì r 1 l x î ß 1ì r 8 £ ¤& ñ ô Ç õ \ ¦ Ðs ¦ e

. 5 W LEDK × ¼ s à Ô_ : r ¸ H 53.2

^◦

C \ ¸² ú

%

i ¦, 3 W LEDK × ¼ s à Ô_ : r ¸ H 50.1

^◦

C t ` ¦ y

\

-t \ ¦ èq H 5 W LED \ " f M ® o . " f, 5 W LED _ & ñ : r ¸(junction temperature) H 3 W LED _

&

Ð z ´] j F g ´ òÖ ¦ s X <s ' r à Ô_ F g ´ òÖ ¦ \ ¸² ú t 3 l w ô

Ç כ Ü ¼ Ð Ò q ty ) a . ë ß \ P ë H ] j\ ¦ 8 Å Ò_ # ' a o ô

Ç , 8 a % ~ É r õ \ ¦ % 3 ` ¦ Ã º e ` ¦ כ s .

IV. + s Ç Â ] Ø

Fig. 7. Housing temperature as a function of time

ü < ¿ º P : E $ Ý ¼_ o 22 mm { 9 M :, 3 W LEDK × ¼

s à Ô_ ¸ ¸ H 80,000 lux s ¦, LED\ " f 300 mm b

#

Õ

x ) a 5 W LED _ µ 1 Ïí ß y s 120

^◦

s ¦, 3 W LED H 90

^◦

s

. q 2 ¤ 5 W LED _ F g | ¾ Ós 3 W LED_ F g | ¾ Ó Ð ´ ú §t ë

ß , 3 W LED H µ 1 Ïí ß y s l M :ë H \ s × æ E $ Ý ¼ F g < Æ>

\

" f ¸" î \ 6 x ½ + É Ã º e H Ä »´ ò F g Ø ¦§ 4 s 5 W LED F

g Ø ¦§ 4 Ð ß ¼ . 3 W LED\ ¦ s 6 x ô Ç K × ¼ s à Ô_ : r

¸ H 55

^◦

C s s . 3 W LED H 8 ´ ú § É r \ -t \ ¦ è q

H 5 W LED \ q # 8 ± ú É r Ä ºf ç : r ¸\ ¦

· p . 8 ± ú É r Ä ºf ç : r ¸ H F g < Æ $ í 0 p x õ Ã º" î ` ¦ 8 ¸ A

Ä »t r .

P

c p 8 ý ò k >

s

7 Hë H É r & ñ Â Ò\ _ K [ O w n ) a National Research Foundation of Korea Grant _ t " é ¶` ¦ ~ Ã Î ½ ¨÷ &% 3 6

£ §(2009-0071253). s 7 Hë H É r ô Ç² D G t d â ] jÂ Ò_ the Re- gional Innovation Center Program (ADMRC) _ t " é ¶` ¦

~ Ã

Î ½ ¨÷ &% 3 6 £ §.

(6)

Y

c p w Ã U Ø ô

[1] http://www.acriche.com/kr/product/prd/zpower LEDp7.asp

[2] http://www.cree.com/products/xlamp7090 xre.asp

· ¡ ¤ @ / < Æ § Ó ü t o  < Æõ , @ /½ ¨ 702-701

8 ýz » Ó Þ w   ºy ¢ ®  o° Ë Ñ T ~ ¾©  A o©  T ² 

T

q 0 ï F · ® £* å ¦ 

 â

· ¡ ¤ @ / < Æ § Ó ü t o  < Æõ , @ /½ ¨ 702-701

+ ä

< g Y @

 â

· ¡ ¤ @ / < Æ § Ó ü t o  §¹ ¢ ¤  < Æõ , @ /½ ¨ 702-701





 û Bg ` @ · T 4 ` 9

ô

 Ç² D GF g l Õ ü t" é ¶, F g Å Ò 500-779

(2010¸  11 Z 4 8{ 9  ~ Ã Î6 £ §, 2010¸  12 Z 4 7{ 9  Ã º& ñ  : r ~ Ã Î6 £ §, 2011¸  1 Z 4 17{ 9  > F  S X & ñ )

_

« Ñ6 x  ¦ ¸ ¸ K × ¼ s à Ô > hµ 1 Ï`  ¦ 0 AK   ¦6 f ¸ µ 1 Ï F g s  ¸× ¼\  ¦  6 x % i  .  ¦6 f ¸ µ 1 Ï F g s  ¸

×

¼  H  ¦ ¸ ¸, |  Ã º" î , & h  É r  ª _  & h ü @  , C ' o \  _ ô  Ç ½ ¨1 l x 1 p x _  #  Q t   © & h `  ¦ ] j/ B N ô  Ç . _ « Ñ 6

x  ¦ ¸ ¸ K × ¼ s à Ô > hµ 1 Ï`  ¦ 0 AK  3 W light-emitting diode(LED)\  ¦  6 x % i  ¦, F g  < Æ n     É r Z  }

 É

r \  -t    5 Å x õ  Z  } É r  ¸ ¸ ² ú $ í `  ¦ 0 AK 2> h_  E $ Ý ¼\  ¦  6 x % i  . LED K × ¼ s à Ô  H 300 mm b  

#

Q  0 Au \ " f Û ¼;  © f   â s  80 mm,  ¸ ¸ 42,000 lux s  . q  §\  ¦ 0 AK  5 W LED  ¸  ¦ ¸ ¸ K × ¼

s à Ô > hµ 1 Ï\   6 x % i  . Õ ª Q  5 W LED   H  H µ 1 Ïí ß y  õ   H Û ¼;  © f   â Ü ¼ Ð   K   ¸ ¸ 31,000 lux  Ð ] jô  Ç÷ & 9, ~ ½ Ó\ P  ¸ ë  H ] j ÷ &% 3  . 3 W LED K × ¼ s à Ô_   : r  ¸  H 55

C s  # " f _ « Ñ6 x  ©  q

 Ð & h ½ + Ë  .

Ù þ

d  # Q: µ 1 Ï F g s  ¸× ¼, K × ¼ s à Ô,  ¸" î

High-illuminance Light-emitting Diode Headlamps for Medical Applications

Ui-Hyung Lee · Young-Gu Ju ∗

Department of Physics, Kyungpook National University, Daegu 702-701

Jae-hun Jung

Department of Physics Education, Kyungpook National University, Daegu 702-701

Seung-Hyun Park · Gye-Seon Lee

Korea Photonics Technology Institute, Gwangju 500-779

(Received 8 November 2010 : revised 7 December 2010 : accepted 17 January 2011)

-139-

C, which is suitable for medical applications.

PACS numbers: 42.15.E, 85.60.J, 87.62

Keywords: Light-emitting diode, Headlamps, Illumination

I. " e Â ] Ø

{ 9

ì ø Í& h Ü ¼ Ð ½ + É Ð  p1 p x s   ] j 7 H1 p x`  ¦  6 x   H Ã ºÕ ü t6 x



¸" î  É r & h 6 x ~ ½ Ód  \      ¸ ¸ 20,000 ∼ 200,000 lux 

 )

a . Õ ª Q  K × ¼ s à Ô  ? /r  â _   â Ä º F g " é ¶ Ü ¼ Ð   6

x ÷ &  H Ï þ á Ô_  ß ¼l   -Á º & " f s 1 l x$ í \  ] jô  Ç`  ¦ ~ Ã Î  H

. F g$ 3 Ä »_  s 6 x É r Û ¼;  © ß ¼l \  ¦   >    H  כ s  0 p x

t ë ß , s   H Ã ºÕ ü t 1 l x î ß  _ « Ñ  _  '  1 l x`  ¦ ] jô  Ç  ¦, Õ ª[ þ t

\

>  ´ ú § É r x  Ðy  `  ¦ ï  r . >   y n Cs  F g$ 3 Ä »\  ¦ :  x õ  



 H 1 l x î ß   < Hz ´s  Ò q t , F g ´ òÖ  ¦ s   © { © y  $    ) a . Õ ª ü @

\

 ¸  & ³F _  Ï þ á Ô  H Ø  æ  s     1 l x \    y    9, s   H Ã º Õ

ü

t 1 l x î ß   ¸" î _    1 l x`  ¦  l ô  Ç . Ä »t  ÐÃ º_   â Ä º,  & ³F  Ï þ

á Ô_  Â ú ª É r Ã º" î s  F g " é ¶ _  ¸ ú  É r  §^ ü < Õ ª Ð   ô  Ç Ä »t 



ÐÃ ºq _  7 £ x \  ¦ µ 1 ÏÒ q tr   .  ¸" î _   ' a& h \ " f  Ð   & ³ F

 Ï þ á Ô  H Z  } É r   Ò  o$ í `  ¦ ] j/ B N t ë ß , Ã ºÕ ü t 1 l x î ß  ½ + É Ð  p Ï þ

á Ô_  & h ü @  s  _ « Ñ  õ  ¨ 8    Å Ò0 A_   : r  ¸\  ¦  © 5 p x r 

 

. y n C\  _ ô  Ç  : r  ¸  © 5 p x É r |  Ã ºÕ ü t r ç ß  1 l x î ß  _ « Ñ  s

  Ã Ð`  ¦ f  Ë o >  #  [ jç  H y  % i _  0 A+ « >`  ¦ Z  } s  ¦, ¨ 8    _

 [ j í  ¸f  _   : r  ¸\  ¦  © 5 p x, õ   H 1 p x _  ë  H ] j\  ¦ 7 £ x

r   .



¦Ø  ¦§ 4 µ 1 Ï F g s  ¸× ¼(Light-emitting Diode: LED)  H ß

¼l     ¦ ! 9Ä º  " f ¸ Z  } É r \  -t  ´ òÖ  ¦`  ¦ ° ú   H F g

"

é

¶ Ü ¼ Ð 0 A\ " f   / å L ô  Ç ë  H ] j\  ¦ K   ½ + É Ã º e    H  © & h s  e  

. Z  } É r ´ òÖ  ¦ _  LED   H |  Ã ºÕ ü t r ç ß  1 l x î ß  C ' o  ½ ¨1 l x s

 0 p x  9, ß ¼l     ¦ ! 90 >" f Ã ºÕ ü t6 x K × ¼ s à Ô F

g " é ¶ Ü ¼ Ð & h ½ + Ë  . C ' o  Ð ½ ¨1 l x 0 p x ô  Ç LEDK × ¼  s

à Ô  H  & ³F   ¸" î _   ¸ ¸ü < ° ú  É r  ¸ ¸\  ¦ t  9, F g$ 3 Ä »

· ¡ ¤ @ / < Æ § Ó ü t o < Æõ , @ /½ ¨ 702-701

8 ýz » Ó Þ w ºy ¢ ® o° Ë Ñ T ~ ¾© A o© T ²

q 0 ï F · ® £* å ¦

â

· ¡ ¤ @ / < Æ § Ó ü t o < Æõ , @ /½ ¨ 702-701

< g Y @

â

· ¡ ¤ @ / < Æ § Ó ü t o §¹ ¢ ¤ < Æõ , @ /½ ¨ 702-701

û Bg ` @ · T 4 ` 9

Ç² D GF g l Õ ü t" é ¶, F g Å Ò 500-779

(2010¸ 11 Z 4 8{ 9 ~ Ã Î6 £ §, 2010¸ 12 Z 4 7{ 9 Ã º& ñ : r ~ Ã Î6 £ §, 2011¸ 1 Z 4 17{ 9 > F S X & ñ )

« Ñ6 x ¦ ¸ ¸ K × ¼ s à Ô > hµ 1 Ï` ¦ 0 AK ¦6 f ¸ µ 1 Ï F g s ¸× ¼\ ¦ 6 x % i . ¦6 f ¸ µ 1 Ï F g s ¸

¼ H ¦ ¸ ¸, | Ã º" î , & h É r ª _ & h ü @ , C ' o \ _ ô Ç ½ ¨1 l x 1 p x _ # Q t © & h ` ¦ ] j/ B N ô Ç . _ « Ñ 6

x ¦ ¸ ¸ K × ¼ s à Ô > hµ 1 Ï` ¦ 0 AK 3 W light-emitting diode(LED)\ ¦ 6 x % i ¦, F g < Æ n É r Z }

É

r \ -t 5 Å x õ Z } É r ¸ ¸ ² ú $ í ` ¦ 0 AK 2> h_ E $ Ý ¼\ ¦ 6 x % i . LED K × ¼ s à Ô H 300 mm b

Q 0 Au \ " f Û ¼; © f â s 80 mm, ¸ ¸ 42,000 lux s . q §\ ¦ 0 AK 5 W LED ¸ ¦ ¸ ¸ K × ¼

s à Ô > hµ 1 Ï\ 6 x % i . Õ ª Q 5 W LED H H µ 1 Ïí ß y õ H Û ¼; © f â Ü ¼ Ð K ¸ ¸ 31,000 lux Ð ] jô Ç÷ & 9, ~ ½ Ó\ P ¸ ë H ] j ÷ &% 3 . 3 W LED K × ¼ s à Ô_ : r ¸ H 55

C s # " f _ « Ñ6 x © q

Ð & h ½ + Ë .

d # Q: µ 1 Ï F g s ¸× ¼, K × ¼ s à Ô, ¸" î

Ui-Hyung Lee · Young-Gu Ju ^∗

ì ø Í& h Ü ¼ Ð ½ + É Ð p1 p x s ] j 7 H1 p x` ¦ 6 x H Ã ºÕ ü t6 x

¸" î É r & h 6 x ~ ½ Ód \ ¸ ¸ 20,000 ∼ 200,000 lux

)

a . Õ ª Q K × ¼ s à Ô ? /r â _ â Ä º F g " é ¶ Ü ¼ Ð 6

x ÷ & H Ï þ á Ô_ ß ¼l -Á º & " f s 1 l x$ í \ ] jô Ç` ¦ ~ Ã Î H

. F g$ 3 Ä »_ s 6 x É r Û ¼; © ß ¼l \ ¦ > H כ s 0 p x

t ë ß , s H Ã ºÕ ü t 1 l x î ß _ « Ñ _ ' 1 l x` ¦ ] jô Ç ¦, Õ ª[ þ t

> ´ ú § É r x Ðy ` ¦ ï r . > y n Cs F g$ 3 Ä »\ ¦ : x õ

H 1 l x î ß < Hz ´s Ò q t , F g ´ òÖ ¦ s © { © y $ ) a . Õ ª ü @

¸ & ³F _ Ï þ á Ô H Ø æ s 1 l x \ y 9, s H Ã º Õ

t 1 l x î ß ¸" î _ 1 l x` ¦ l ô Ç . Ä »t ÐÃ º_ â Ä º, & ³F Ï þ

á Ô_ Â ú ª É r Ã º" î s F g " é ¶ _ ¸ ú É r §^ ü < Õ ª Ð ô Ç Ä »t

ÐÃ ºq _ 7 £ x \ ¦ µ 1 ÏÒ q tr . ¸" î _ ' a& h \ " f Ð & ³ F

Ï þ á Ô H Z } É r Ò o$ í ` ¦ ] j/ B N t ë ß , Ã ºÕ ü t 1 l x î ß ½ + É Ð p Ï þ

á Ô_ & h ü @ s _ « Ñ õ ¨ 8 Å Ò0 A_ : r ¸\ ¦ © 5 p x r

. y n C\ _ ô Ç : r ¸ © 5 p x É r | Ã ºÕ ü t r ç ß 1 l x î ß _ « Ñ s

Ã Ð` ¦ f Ë o > # [ jç H y % i _ 0 A+ « >` ¦ Z } s ¦, ¨ 8 _

[ j í ¸f _ : r ¸\ ¦ © 5 p x, õ H 1 p x _ ë H ] j\ ¦ 7 £ x

r .

¦Ø ¦§ 4 µ 1 Ï F g s ¸× ¼(Light-emitting Diode: LED) H ß

¼l ¦ ! 9Ä º " f ¸ Z } É r \ -t ´ òÖ ¦` ¦ ° ú H F g

¶ Ü ¼ Ð 0 A\ " f / å L ô Ç ë H ] j\ ¦ K ½ + É Ã º e H © & h s e

. Z } É r ´ òÖ ¦ _ LED H | Ã ºÕ ü t r ç ß 1 l x î ß C ' o ½ ¨1 l x s

0 p x 9, ß ¼l ¦ ! 90 >" f Ã ºÕ ü t6 x K × ¼ s à Ô F

g " é ¶ Ü ¼ Ð & h ½ + Ë . C ' o Ð ½ ¨1 l x 0 p x ô Ç LEDK × ¼ s

à Ô H & ³F ¸" î _ ¸ ¸ü < ° ú É r ¸ ¸\ ¦ t 9, F g$ 3 Ä »

¸ 9 כ ¹ t · ú § . LED F g " é ¶ _ Æ Ò& h © & h É r 50,000 r

ç ß _ | Ã º" î õ & h É r & h ü @ , ü @ ª 1 p x s . × ¦ # Q

H & h ü @ É r [ j í ¸f _ : r ¸ © 5 p x` ¦ & h > # & h ü @

_ ô Ç [ j í õ \ ¦ \ V~ ½ Óô Ç .

7 Hë H \ " f Ä ºo H r Ó ý t Y Us ` ¦ s 6 x # ¦Ø ¦§ 4 LED K × ¼ s à Ô\ ¦ [ O > , ] j % i . F g < Æ n É r \

-t 5 Å x ´ òÖ ¦` ¦ F G @ / o ¦ Û ¼; © ß ¼l \ ¦ > l 0 A K

8^ ¦ E $ Ý ¼ r Û ¼% 7 ` ¦ 6 x % i . õ \ H É r Û ¼; © ß

¼l ü < Z } É r ¸ ¸, \ P & h ë H ] j ¸ í < Ê÷ &# Q e .

II. ° Ë Ñ] K ¡ כ r Ç4

« Ñ6 x LED K × ¼ s à Ô_ ª É r & ³F _ K × ¼ s à Ô

ª ` ¦ ½ ¨ ¦, # î " é ¶ \ " f { 9 H _ « Ñ _ [ O ë H ¸

¦ Ð # & ñ % i . LED K × ¼ s à Ô_ 3 l q ³ ð ª

É

r 6 £ § õ ° ú . K × ¼ s à Ô\ " f 300 mm b # Q t & h

" f Û ¼; © t â s 100 mm s # ô Ç . þ j@ / ¸ ¸ H 30,000 lux s © ÷ &# Q ô Ç . Ò o$ í (Color Rendering Index: CRI) H 70 s © s 9, Ä ºf ç : r ¸ H 60

C s

¦ כ ¹½ ¨ ¦ e .

Ð: x LED K × ¼ s à Ô H LED, E $ Ý ¼, ì ø Í â , Ä º f ç

1 p x Ü ¼ Ð ½ ¨$ í ) a . 80 mm f â _ " é ¶+ þ A\ " f כ ¹½ ¨÷ & H 30,000 lux _ ¸ ¸\ ¦ ² ú $ í l 0 AK , þ j è 150 lm s כ ¹

¨ ) a . Õ ª Q , ¸" î F g < Æ É r \ -t < Hz ´s e l M :ë H \ LED _ F g | ¾ Ó É r 150 lm Ð s ` & ô Ç . \ V\ ¦ [ þ t # Q, F

g < Æ> _ \ -t 5 Å x ´ òÖ ¦ s 50 % LED_ F g

¾ Ó É r 300 lm Ð & ô Ç . ¢ ¸ô Ç, èq § 4 É r ¸ ¸\ ¦ Z

} s l 0 AK Á º & ñ 7 £ x r ~ ´ Ã º \ O . = èq

§ 4 _ 7 £ x H \ P < Hz ´_ 7 £ x Ð s # Q4 R $ í 0 p x õ Ã º" î ` ¦

or v l M :ë H s . s ½ ¨\ " f H r × æ \ " f ½ ¨½ + É Ã º e

H ¦Ø ¦§ 4 , ¦´ òÖ ¦ LED × æ \ " f 5 W ü < 3 W LED\ ¦

× þ % i . Z } É r ¸ ¸\ ¦ % 3 l 0 AK 5 W LED\ ¦ 6 x l

Ð & ñ ¦, F g5 Å q õ ¸ ¸ q Y V H t · ú l 0 AK q

§ @ / © Ü ¼ Ð 3 W LED ¸ 6 x l Ð % i . s 7 Hë H _

5 W ü < 3 W LED H y y " fÖ ¦ ì ø Í ¸^ _ P7õ p ² D G

Cree _ XR-E Q5s . s LED_ X <s ' r à Ô H Table

1 õ Table 2\ " f ^ ¦ Ã º e . X <s ' r à Ô\ Ø Ô , ¿ º