KR101210366B1

KR101210366B1 - 영사장치

Info

Publication number: KR101210366B1
Application number: KR1020077029068A
Authority: KR
Inventors: 저하드 쿠흔; 조세프 허트너; 마리오 와닌저; 조지 보그너; 모리츠 엔글; 페트릭 크로모티스; 스테판 그로츠
Original assignee: 오스람 옵토 세미컨덕터스 게엠베하
Priority date: 2005-05-13
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2012-12-10
Anticipated expiration: 2026-04-21
Also published as: US20080192153A1; US8189123B2; TWI322322B; DE102005031336A1; JP2008545997A; WO2006119723A1; JP4944875B2; DE102005031336B4; KR20080012964A; TW200702881A

Abstract

본 발명은 A_M의 크기를 갖는 조사 단면적 및 입사광을 위한 최대 수용각을 포함하는 광 모듈레이터와, 적어도 하나의 광원을 포함하는 영사장치에 관한 것으로서, 상기 광원을 이용하여 상기 영사장치의 구동중에 상기 광 수신 영역의 단면적에 조사하기 위한 광원뿔이 발생되고, 상기 광원은 최대 복사각 β을 갖는 N개의 발광 다이오드 칩을 포함하고, 상기 발광 다이오드 칩 중 적어도 하나는 복사 출력 영역(radiation output area) A_D를 포함한다. 이에 대한 관계식은 0.7*(A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²)≤N≤1.3*(A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²) 이며, 이때 n은 1 또는 발광 다이오드 칩이 구비한 결합 매질의 굴절률과 동일하다.

영사장치, 발광 다이오드 칩, 형광체, 광학 부재, 결합 매질, 집광기, 발광 변환 소자, 광원, 광 가이드, 광원뿔, 원추각, 입사각, 복사각, 복사 출력

Description

영사장치{Projection device}

본 발명은 영사장치에 관한 것으로, 특히 광 모듈레이터(light modulator)를 구비하고, 발광 다이오드 칩(luminescence diode chip)을 포함한 적어도 하나의 광원을 구비하는 영사장치에 관한 것이다.

본 특허출원은 독일특허출원 10 2005 022 357.5 및 10 2005 031 336.1의 우선권을 주장하며, 상기 출원의 개시 내용 각각은 참고로 제공된다.

영사장치를 위해서는 영사되는 스크린의 밝기가 특히 중요하다. 가능한 한 밝기를 높이기 위해서는 상기 언급한 방식의 영사장치를 위한 광원은 이제까지 일반적으로 가능한 한 많은 수의 발광 다이오드 칩을 포함한다.

본 발명의 과제는 종래의 영사장치보다 광도 발생 측면에서 더 높은 효율성을 갖는 영사장치를 제공하는 것이다.

상기 과제는 본 발명의 청구항 1항 및 2항에 따른 영사장치로 해결된다. 상기 장치의 바람직한 실시예는 종속 청구항에 기재된다.

발광 다이오드 칩의 개수 N은 광 모듈레이터의 특성에 따라 결정된다. 고 휘도 발생 측면에서, 종래의 영사장치보다 상대적으로 적은 수의 발광 다이오드 칩을 포함한 영사장치가 이상적인 효율성을 가진다는 사실이 놀랍게도 확인되었다.

발광 다이오드 칩의 적합한 개수 N을 산출할 때, 특히 광 모듈레이터의 광 수신 영역의 조사 단면적(cross-sectional area to be illuminated)의 크기 A_M 및 입사광에 대한 광 수신 영역의 최대 수용각(maximum acceptance angle) α가 고려된다. 광 수신 영역의 최대 수용각 α는 광 모듈레이터에 입사된 광을 위해 구비된 최대 입사각이다.

이 외에도, 발광 다이오드 칩의 개수 N을 결정할 때, 발광 다이오드 칩의 복사 출력 영역(radiation output area) A_D 및 상기 칩의 최대 복사각 β가 고려된다. 대안적으로 또한 가능한 것은, 발광 다이오드 칩 중 하나의 복사 출력 영역 A_D와 최대 복사각 β를 적용하는 것으로서, 즉 적어도 하나의 발광 다이오드 칩은 하나의 복사 출력 영역 A_D를 포함한다. 발광 다이오드 칩의 복사 출력 영역은 외부면이고, 상기 외부면을 통하여 전자기 복사는 발광 다이오드 칩으로부터 출력된다. 최대 복사각 β는, 발광 다이오드 칩의 주 복사 방향에 대해 측정되고, 전자기 복사의 강한 강도가 발광 다이오드 칩으로부터 출력되는 각도이다.

본 발명의 영사장치에서는 발광 다이오드 칩과 광 모듈레이터 사이의 광로(light way)에 적어도 하나의 광학 부재(optical element)가 배치된다.

발광 다이오드 칩의 개수 N은 하기와 같은 식으로 주어진다.

0.7*(A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(ß)*n²)≤N≤1.3*(A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(ß)*n²)

이때 값 n은, 발광 다이오드 칩의 복사 출력(radiation output)이 부가적인 수단에 의해 얼마나 영향을 받느냐에 따라 달라진다. 다시 말해, 발광 다이오드 칩의 개수 N으로서 가능한 값은 (A_M*sin²(α))와 (A_D*sin²(ß)*n²)의 몫에 따라 결정되며, 상기 몫을 기준으로 최대 30% 정도에서 초과하거나 미달할 수 있다. 제1 실시예에 따라 n=1이다. 대안적으로 n은 결합 매질(coupling medium)이 되는 물질의 굴절률과 같으며, 상기 결합 매질과 함께 발광 다이오드 칩의 복사 출력 영역이 구비되는데, 이에 대해서는 이하에서 상세히 설명된다.

실시예에 따라, 발광 다이오드 칩과 광학 부재 사이의 광로에 갭(gap)이 존재하며, 상기 갭은 기체로 채워진다. 또한 발광 다이오드 칩의 복사 출력 영역 A_D는 결합 매질로부터 분리되어 있다. 이러한 경우 n=1이다.

본 발명에 따른 결합 매질은 단순한 발광 다이오드 칩과 비교했을 때, 발광 다이오드 칩의 복사 출력에 현저한 영향을 미칠 수 있는 매질이어야 한다. 이는 특히 다음의 경우, 발광 다이오드 칩의 복사 출력 영역 A_D가 예컨대 포팅 화합물(potting compound)같은 캡슐 물질로부터 분리된 경우이다. 캡슐 물질이란 그 자체에 일반적인 방식으로 발광 다이오드 칩을 봉인하거나 포장(wrapping)하여 외부의 영향으로부터 보호받도록 하는 데 적합한 물질을 의미한다.

또한 복사 출력 영역 A_D가 상기와 같은 캡슐 물질로 구비되어 있을 때, 발광 다이오드 칩은 결합 매질로부터 분리되는데, 상기 결합 매질은 캡슐 물질로 인하여, 발광 다이오드 칩의 복사 출력에 무시해도 좋을 정도로만 영향을 미칠 뿐이다. 이는 특히, 복사 출력 영역 A_D 상의 캡슐 물질의 두께가 발광 다이오드 칩의 각각 마주 놓인 칩 모서리 간의 최대 간격 값의 0.2배 이하일 때 그러하다. 발광 다이오드 칩이 정사각형일 때 최대 측 방향 간격은 칩의 모서리 길이와 같다. 발광 다이오드 칩이 직사각형일 때는 긴 칩의 모서리 길이가 모서리 간의 최대 길이와 같아진다. 전체적으로, 본 발명 장치의 최대 측 방향 간격은 마주 놓인 각 칩 모서리의 최대 간격에 대응한다. 특히, 실제적으로는 평면층으로 적층되고 1보다 큰 굴절률을 가지는 캡슐 물질은, 상술한 전제 조건에 따라 본 발명을 고려할 시 결합 매질로서는 의미가 없다. 마찬가지로 공기는 기본적으로 결합 매질이 될 수 없다.

또 다른 실시예에 따르면 발광 다이오드 칩의 복사 출력 영역 A_D는 결합 매질을 구비한다. 이러한 실시예에 따른 영사장치에서 n은 결합 물질(coupling material)의 굴절률과 같다.

이는 특히 다음의 경우, 결합 물질로 인하여 발광 다이오드 칩이 광학 부재에 광학적으로 결합되거나, 또는 복사 출력 영역 A_D가 결합 물질을 구비하여 발광 다이오드 칩의 복사 출력에 현저한 영향을 미쳐, 출력성을 높여주도록 하는 경우이다.

본 발명에 따르면, 발광 다이오드 칩의 복사 출력 영역 A_D가 결합 물질을 구비하고, 상기 결합 물질이 서로 마주 놓인 칩의 모서리간 최대 간격의 0.2배보다 큰 두께를 가질 때, 복사 출력에 현저하게 영향을 준다는 사실이 도출되었다. 상기 결합 물질은 또한 예컨대 캡슐 물질일 수도 있다.

발광 다이오드 칩은 바람직하게는, 전자기 복사를 방출하는 활성 영역을 가진 박막층을 포함하고, 상기 박막층은 성장 기판으로부터 분리되어 있으며, 주 복사면의 반대 측면에 리플렉터(reflector)를 구비한다. 이러한 것은 특히 우선적으로 영사장치에 포함되는 소위 박막-발광 다이오드 칩의 중요한 특징들이다.

박막-발광 다이오드 칩은 특히나 다음의 특징들에 의해 설명된다:

- 에피택셜 층들(epitaxial-series of deposits)에서 광선을 발생시키며, 지지 부재(supporting element)를 향해 있는 제 1 주요 영역에 반사층이 적층되어 있거나 형성되어 있고, 상기 반사층은 적어도 에피택셜 층들에서 발생하는 전자기 복사의 일부를 에피택셜 층에 다시 반사하며,

- 상기 에피택셜 층들은 두께가 20 ㎛ 이하의 범위에 속하고, 바람직하게 10 ㎛ 이하의 범위에 속하고,

- 상기 에피택셜 층들은 혼합구조의 평면을 가지는, 적어도 하나의 반도체층을 포함하는데, 상기 혼합구조는 이상적인 경우 에피택셜 층들에서 광이 거의 에르고드적으로(ergodic) 배분되도록 한다. 즉 상기 에피택셜 층들은 가능한 한 에르고득적인 확률적 분산처리(stochastic distribution)를 포함한다.

박막-발광 다이오드 칩의 기본원칙은 예컨대 I. Schnitzer et.al., Appl.Phys.Letter.63(16), 18. Oktober 1993, 2174-2176 에 기술되어 있으며, 그 개시 내용은 본원에서 참조로서 병합된다.

박막-발광 다이오드 칩은 근사적으로 말해서 람베르트 단위의 표면 이미터(surfaces emitter)이며, 따라서 영사장치를 위한 광원의 적용에 적합하다. 본 발명과 관련한 박막-발광 다이오드 칩에 있어서 기본적으로 최대 복사각 β는 90°로 간주된다. 박막-발광 다이오드 칩일 때 박막층의 측면을 통하여 발광되는 복사의 부분은 종종 무시해도 좋을 만큼 작은데, 예를 들면 총 방출량의 1%보다 작다. 따라서, 이러한 측면으로 간주되는 복사 출력 영역 A_D는 박막-발광 다이오드 칩에서 무시될 수 있다.

본 발명의 영사장치의 적합한 실시예에 따라, 발광 다이오드 칩은 x-행과 y-열로 구성된 매트릭스 구조로 배치되며, 이때 x 값으로 가능한 수는 (l_M* sin(α))와 (l_D*sin(ß)*n)으로부터의 몫에 따라, y 값으로 가능한 수는 (b_M*sin(α))와 (b_D*sin(β)*n)으로부터의 몫에 따라 결정되는데, 이러한 값들은 그에 대응하는 몫을 기준으로 대략 최대 30%를 초과하거나 미달한다. 여기서 l_M은 광 모듈레이터의 광 수신 영역의 단면적 A_M의 길이를 의미하고, b_M은 광 모듈레이터의 광 수신 영역의 단면적 A_M의 폭을 의미하고, l_D 및 b_D는 단일 또는 다수의 발광 다이오드 칩의 박막층의 주 복사면의 길이 및 폭을 각각 의미한다.

매트릭스의 행과 열을 위한 값이 상기와 같이 산출되므로, 발광 다이오드 칩은 광 수신 영역의 형태로 배치되게 구성되고, 이를 통하여 발광 다이오드 칩으로부터 생성된 광은 더 효과적으로 사용될 수 있다.

수 N 그리고, x 또는 y를 위해 가능한 값은 특히 바람직하게, 근사치 정수로 올림하거나 내림한 몫의 해당 값과 같다. 이를 통해 발광 다이오드 칩을 통해 생성된 광은 가능한 한 효과적으로 사용된다.

대안으로, 본 발명에 따른 장치의 값 N을 산출하기 위해서, 발광 다이오드 칩에 대한 특정수 N을 미리 정의하고, 발광 다이오드 칩의 크기 및 복사 출력 영역 A_D, 또는 발광 다이오드 칩의 길이 및 폭을 상기 식에 따라 산출된 값으로 조정하는 것은 언제나 가능하다. 예컨대 복사 출력 영역은 다음 식에 의해 설정된다.

0,7*(A_M*sin²(α))/(N*sin²(β)*n²)≤A_D≤1,3*(A_M*sin²(α))/(N*sin²(β)*n²)

상기 식에서 다른 모든 변수는 물론 특정 잔여 변수가 미리 정의된 경우에 대응되어 산출될 수 있다.

상기 발명 장치의 또 다른 실시예에서, 수 N 값 및 x 또는 y를 위해 가능한 값은 근사치 짝수로 올림하거나 내림한 각각의 몫과 같다. N이 짝수일 때는, 바람직하게는, 발광 다이오드 칩은 짝수로 그룹지어 배치된다. 상기와 같은 경우, 각 그룹의 발광 다이오드 칩 뒤쪽에는 칩 자신의 광학 부재가 배치되는 것이 바람직하다.

특히 더 적합한 실시예에서, 발광 다이오드 칩의 주 복사면은 직사각형 형태를 포함한다. 이를 통해 발광 다이오드 칩 및/또는 발광 다이오드 칩의 복사 출력 영역 A_D의 형태는 광 모듈레이터의 광 수신 영역의 윤곽(contour) 및 형태에 더욱 적합하게 된다. 또한 이는 광원으로부터 방출되는 광의 이용을 더 효과적으로 하는데 기여한다.

바람직하게는, 복수의 발광 다이오드 칩 집합체는 단일 광학 부재와 결합된다. 이는, 예컨대, 각 발광 다이오드 칩이 칩 자신의 광학 부재와 결합되는 경우에 비해 조립을 더 간단하게 할 수 있다는 장점이 있다. 추가로 또는 대안으로, 발광 다이오드 칩을 적어도 2 그룹으로 나누고, 상기 그룹 각각은 개별적인 광학 부재와 결합된다.

바람직하게는, 발광 다이오드 칩의 적어도 일부 뒤쪽에는 발광 변환 소자가 배치되고, 발광 변환 소자에 의하여, 발광 다이오드 칩으로부터 방출되는 전자기 복사는 변화된 파장을 갖는 전자기 복사로 적어도 부분적으로 전환된다. 특히, 예컨대, 청색으로 발광되는 발광 다이오드 칩이 황색으로 방출되는 형광체(phosphor)와 조합되었을 때, 상기 발광 변환 소자로 인하여 백색광이 생성될 수 있다.

대안적으로, 서로 다른 발광 다이오드 칩 뒤쪽에는, 서로 다른 색의 광을 바람직하게 방출하거나 서로 다른 파장 영역의 광을 방출하는 서로 다른 발광 변환 물질이 배치되는 것이 바람직하다.

더 바람직하게는, 상기 발광 변환 물질이 각각 단일의 형광체를 포함하는 것이다. 복수의 형광체가 서로 혼합되는 발광 변환 물질에 비해, 단일 발광 변환 물질을 사용한다면, 전자기 복사의 변환시 더 높은 효율성을 달성할 수 있다. 이는 복수의 형광체가 사용되면, 광은 제1 형광체로부터 방출되고, 제2 형광체에 재흡수될 수 있기 때문이다. 반면, 유색 광을 형성하는 형광체를 사용한다면, 일반적으로 발광 다이오드 칩만을 이용하는 경우보다 더 넓은 방출 스펙트럼을 달성할 수 있다. 종합적으로, 이러한 접근법으로, 색 재현성이 개선되는 광은 얻어질 수 있다.

광학 부재는 비상 광학 집광기(non-imaging optical concentrator)로 구성되고, 상기 비상 광학 집광기는 종래의 집광기의 복사 방향과는 반대 방향으로 광의 복사를 투과시킨다. 적어도 하나의 광학 부재를 사용하면, 광원으로부터 발광된 광의 산란(divergence)은 효과적으로 감소될 수 있다.

특히, 이 경우에, 바람직하게는, 광학 집광기의 광선 입구는 발광 다이오드 칩에 가능한 한 인접하여 배치된다. 더 바람직하게는, 광이 광학 부재로부터 발광된 입체각(solid angle)은, 광학 부재를 발광 다이오드 칩에 가능한 한 인접하게 배치시키는 것에 따라 효과적으로 감소되며, 이때, 광원뿔(light cone)의 단면적도 작아진다. 이는, 극도로 높은 복사 강도가 극도로 작은 영역 상에 영사되어야 할 시에, 특히나 필수적이고, 즉, 영사장치의 경우에는 필수적이다.

기하 광학의 중요한 보존범위(conservation dimension)가 바로 에텐듀(etendue)인데, 즉 광 처리량(light throughput)을 의미한다. 이는 광원의 평면적과 복사하는 입체각의 곱이다. 상기 에텐듀는 임의적으로 집광된 광원뿔의 범위를 나타낸다. 상기 에텐듀의 유지는 특히 확산 복사원으로부터 나온 광, 예를 들면, 발광 다이오드 칩으로부터 나온 광을 더 이상 집광할 수 없게 된다. 즉, 손실이 없이는 광을 작은 크기의 영역 상으로 더 이상 전향할 수 없게 된다. 이러한 이유로, 가능한 한 작은 단면적을 포함한 광선(light beam)이 광학 부재로 진입하는 것이 바람직하다.

또 하나의 바람직한 실시예에서, 광은 광학 부재에 의해 강하게 시준되고, 즉, 광의 산란은 크게 감소되는데, 이는, 광 모듈레이터의 광 수신 영역의 최대 수용각 α이하인 원추각(cone angle)을 갖는 광원뿔로 광학 부재로부터 발광되기 때문이다.

바람직한 실시예에서, 광원뿔의 원추각은 25°이하이고, 바람직하게는 , 20°이하이고, 특히 더 바람직하게는 15°이하이다.

상기 광학 집광기는 바람직하게는 CPC, CEC 또는 CHC 방식의 집광기를 말하며, 본문에서 의미하는 집광기는, 상기 집광기가 반사하는 측벽이 적어도 부분적으로 및/또는 적어도 광범위하게 일종의 복합 파라볼릭 집광기(Compound Parabolic Concentrator, CPC)의 형태를, 복합 타원형 집광기(Compound Elliptic Concentrator, CEC)의 형태를, 및/또는 복합 쌍곡선형 집광기(Compound Hyperbolic Concentrator, CHC)의 형태를 포함한다.

특히 바람직하게는, 필요한 복사 특성을 최적으로 조절하기 위해서, 광학 부재의 반사 표면은 자유 곡면(free-form surfaces)으로 부분적으로 형성되거나, 전체적으로 형성된다. 상기 광학 부재의 기본형은 CPC, CEC 또는 CHC와 유사한 것이 바람직하다.

대안적으로, 집광기는 측벽을 포함하고, 상기 측벽은 광선 입구와 광선 출구를 연결시키며, 상기 측벽 상에 연장되는 직결선(direct connecting lines)이 광선 입구와 광선 출구 간에서 직선으로 진행되도록 구성된다.

이 경우, 광학 부재는 바람직하게 본체를 포함하고, 상기 본체는 캐비티(cavity)를 형성하고, 상기 캐비티의 내벽은 광원으로부터 발광되는, 스펙트럼 소구역(spectral sub-region)의 광을 적어도 반사시킨다.

대안적으로, 상기 광학 부재는 유전체 집광기(dielectric concentrator)로 형성되고, 굴절률을 갖는 유전체 물질을 포함한 고형 몸체(solid body)의 형태를 한 본체를 포함함으로써, 광학 부재로 입사된 광은 전반사에 의해 고형 몸체의 측 방향 경계면으로부터 주변 매질로 반사된다. 상기 전반사로 인하여 광의 반사시 광의 흡수는 거의 제거된다.

상기 광학 부재는, 렌즈 모양의 아치형 경계면을 가진 광선 출구를 포함하는 것이 바람직하다. 이를 통해 광의 산란이 지속적으로 감소한다.

상기 광학 집광기의 대안으로, 상기 광학 부재는, 일정한 단면적 또는 광선 출구를 향하여 증가하는 단면적을 가지며 광을 혼합하도록 구성되는 광 가이드(light guide)로 형성된다. 광학 부재의 단면적은 짝수의 다각형 형태를 포함한다. 상기 광학 부재의 외면은 바람직하게는 직선으로 형성되고, 평평한 부분면을 포함하고 있어, 상기 부분면을 통해 광의 양호한 혼합이 보장될 수 있다. 상기 광학 부재의 이러한 구성은 서로 다른 색을 지닌 광이 광학 부재에 입사되고, 그 광이 백색광이 되도록 혼합되어야 하는 경우에 특히 바람직하다.

대안적으로, 광을 혼합하는 상기와 같은 적어도 하나의 광 가이드는 영사장치의 광학 부재 뒤의 광 경로(path of rays)에 배치된다.

더 바람직하게는, 인접한 발광 다이오드 칩의 일부 또는 전체는 서로 가능한 한 좁은 간격으로 배치된다. 상기 간격은 바람직하게 300 ㎛ 이하이고, 특히 바람직하게, 100 ㎛ 이하이고, 0 ㎛ 이상이다. 이러한 치수는 영사 장치에 있어서 가능한 한 최대의 광 밀도를 달성한다.

광학 부재는, 광선 출구를 포함하는 측면 상에 직사각형 단면을 포함하는 것이 바람직하다. 이를 통하여, 광원뿔의 단면은 광 모듈레이터의 광 수신 영역의 단면으로 적어도 부분적으로 구성되도록 광학 부재에서 형성될 수 있다.

추가적으로 또는 대안적으로, 광학 부재는 제1 면(plane)을 따라 제1 최대 복사각을, 제2 면을 따라 제2 최대 복사각을 포함하고, 상기 제2 최대 복사각과 상기 제1 최대 복사각은 서로 다르다. 다시 말해, 광학 부재는 광선 입구를 통하여 진입하는 광이 제1 면을 따라 제1 최대 복사각으로 발광하고, 제2 면을 따라 제2 최대 복사각으로 발광하도록 구성된다. 제1 면과 제2 면은 특히 광학 부재의 주 복사 방향에 대해 평행하여 연장된다. 바람직하게는 제1 면과 제2 면은 바람직하게 서로 수직 방향으로 배치된다. 또한 이러한 처리 방식은 광 모듈레이터에 광원뿔을 바람직하게 맞출 수 있다.

제1 최대 복사각은 바람직하게는 10°내지 13°이고, 제2 최대 복사각은 13°내지 18°이다.

상기 장치의 또 다른 실시예 및, 더 많은 장점 및 그 구성요소는 다음에 이어지는 도면 1부터 도면 40까지 설명되는 상세한 예시들로부터 도출된다. 첨부된 도면에서:

도 1은 하나의 대표적인 실시예에 따른 영사장치의 개략적인 구조를 그린 단면도이며,

도 2는 광 모듈레이터의 광 수신 영역의 평면도로서, 도 1에 도시된 영사장치의 광 모듈레이터를 도시한 평면도이며,

도 3은 발광 다이오드 칩의 개략적인 단면도이며,

도 4는 제1 실시예에 따른, 광학 부재의 일부와 광원의 개략적인 단면도이며,

도 5는 제2 실시예에 따른, 광학 부재의 일부와 광원의 개략적인 단면도이며,

도 6은 제3 실시예에 따른, 광학 부재의 일부와 광원의 개략적인 단면도이며,

도 7은 제4 실시예에 따른, 광학 부재의 일부와 광원의 개략적인 단면도이며,

도 8은 제5 실시예에 따른, 광학 부재의 일부와 광원의 개략적인 단면도이며,

도 9는 제1 실시예에 따른, 광원의 발광 다이오드 칩 배치의 개략적인 평면도이며,

도 10은 제2 실시예에 따른, 광원의 개략적인 단면도이며,

도 11은 제3 실시예에 따른, 광원의 개략적인 단면도이며,

도 12는 제4 실시예에 따른 광원과 제1 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 사시도이며,

도 13은 제2 실시예에 따른, 광학 부재의 개략적인 사시도이며,

도 14는 제5 실시예에 따른 광원과 제3 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 사시도이며,

도 15는 제6 실시예에 따른 광원과 제4 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 사시도이며,

도 16은 제7 실시예에 따른 광원과 제5 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 사시도이며,

도 17은 제6 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 사시도이며,

도 18은 제8 실시예에 따른 광원의 개략적인 사시도이며,

도 19는 제9 실시예에 따른 광원의 개략적인 사시도이며,

도 20은 제10 실시예에 따른 광원의 개략적인 사시도이며,

도 21은 제11 실시예에 따른 광원의 개략적인 사시도이며,

도 22a는 제12 실시예에 따른 광원의 개략적인 사시도이며,

도 22b는 도 22a에 도시된 광원의 평면도이며,

도 23은 제13 실시예에 따른 광원과 제7 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 사시도이며,

도 24는 제14 실시예에 따른 광원의 개략적인 사시도이며,

도 25는 제15 실시예에 따른 광원의 개략적인 사시도이며,

도 26은 제16 실시예에 따른 광원의 개략적인 사시도이며,

도 27은 제17 실시예에 따른 광원의 개략적인 사시도이며,

도 28은 제18 실시예에 따른 광원과 제8 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 사시도이며,

도 29는 제1 실시예에 따른 광원을 위한 패키지의 개략적인 사시도이며,

도 30은 제2 실시예에 따른 광원을 위한 패키지의 개략적인 사시도이며,

도 31은 제3 실시예에 따른 광원을 위한 패키지의 개략적인 사시도이며,

도 32는 제4 실시예에 따른 광원을 위한 패키지의 개략적인 사시도이며,

도 33a는 제9 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 사시도이며,

도 33b는 제10 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 사시도이며,

도 33c는 제19 실시예에 따른 광원과 제11 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 사시도이며,

도 34a는 제12 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 사시도이며,

도 34b는 제13 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 사시도이며,

도 34c는 제14 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 사시도이며,

도 34d는 제15 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 사시도이며,

도 35는 제20 실시예에 따른 광원과 제16 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 사시도이며,

도 36은 제21 실시예에 따른 광원과 제17 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 사시도이며,

도 37은 제18 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 사시도이며,

도 38은 제19 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 사시도이며,

도 39는 제20 실시예에 따른 광학 부재의 개략적인 사시도이며,

도 40은 도 39에 도시된 광학 부재의 뒤에 위치하고, 도 37에 도시된 광학 부재의 뒤에 위치한 광 경로에서 측정된 광 강도와 광축까지 간격과의 관계를 표시한 함수의 그래프이다.

본 발명의 실시예 및 도면에서 동일하거나 동일하게 작용하는 구성요소는 각각 동일한 참조번호로 표시한다. 도면에 도시된 부재들은 기준으로서 필수적인 것이 아니라, 부분적으로 과장되어 크게 도시되었다고 이해하는 것이 바람직하다.

도 1에 도시된 영사장치는 광원(2), 광학 부재(1) 및 광 모듈레이터(3)를 포함한다. 상기 영사장치(4)는 자체적으로 더 많은 다양한 부재들을 포함하나, 이러한 부재들은 상기 영사장치의 실시예에서 명료한 표현을 위해 생략되었다.

광원(2), 광학 부재(1) 및 광 모듈레이터(3)는 영사장치(4)의 광의 경로를 따라 배치되며, 이때 상기 광의 경로는 직선으로 진행할 필요는 없다. 예컨대 필요에 따라 전환 부재로 인하여 방향을 전환하거나, 및/또는 빔 스플리터(beam splitter)로 인하여 한번 이상으로 분산될 수도 있다.

광원(2)은 다수의 발광 다이오드 칩(21)을 포함하는데, 이때, 단일의 발광 다이오드 칩(21)을 사용하는 것도 대안적으로 가능하다. 단, 단일의 발광 다이오드 칩은 복수의 발광 다이오드 칩 수에 대응하는 동일한 크기의 복사 출력 영역을 포함한다. 복수의 발광 다이오드 칩은 최대 복사각 β를 포함하고, 상기 최대 복사각은 바람직하게는, 발광 다이오드 칩(21)에 의해 주 복사 방향으로 방출되는 복사 출력의 적어도 0.5%로 방출되는 각도이다. 발광 다이오드 칩이 예컨대 박막 발광 다이오드 칩일 경우 근사적으로 최대 복사각 β은 90°를 포함한다.

도 3은 박막-발광 다이오드 칩의 개략적인 단면도이다. 상기 칩이 포함하는 박막층(211)의 두께는 예컨대, 20 ㎛ 이하이고, 예를 들면 9 ㎛이다.

주 평면 상에서, 박막층(211)은 상기 박막층의 전면에 걸쳐 리플렉터(216)가 구비된다. 상기 박막층(211)은 지지 부재(supporting element)(215) 상에 구비되되, 리플렉터(216)가 지지 부재(215)를 향하여, 예컨대 지지 부재(215)에 인접하여 위치하도록 구비된다. 상기 지지 부재(215)는 예컨대 지지 기판(supporting substrat)이다. 대안적으로, 가능한 바와 같이, 상기 지지 부재(215)는 발광 다이오드 칩(21)의 부분이 아니라, 칩 실장 표면, 예를 들면, 칩 패키지 또는 또 다른 칩 지지대에 직접 리플렉터(216)가 배치된 측면에 의해 구비된 박막층(211)일 수도 있다.

상기 박막층은 반도체 층 시퀀스를 포함하는데, 예컨대 n 타입 전도성으로 도핑된 영역(212), 전자기 복사를 방출하는 활성 영역(213), 및 p 타입 전도성으로 도핑된 영역(214)을 포함한다.

박막-발광 다이오드 칩을 이용한 경우, 90°보다 큰 복사각으로 방출된 복사 강도는 기본적으로 무시해도 좋을 정도로 적은 양이다.

광 모듈레이터(3)는 광 수신 영역(31)을 포함하는데 이에 대해서 도 2를 참조한다. 상기 광 모듈레이터는 다수의 마이크로 미러(micro mirror)를 포함한 마이크로 미러 칩(micro mirror chip)이고, 상기 마이크로 미러는 적어도 하나의 축을 중심으로 서로 독립적으로 기울어질 수 있고(tilting), 그 결과, 영사되는 이미지의 개별적인 픽셀은 예를 들면, 미러의 기울림 작용으로 인해, 밝거나 어둡게 전환될 수 있다. 광 수신 영역은 마이크로 미러를 통하여 결정된다. 즉, 마이크로 미러의 외부 경계면은 마이크로 미러 칩 상에 배치된 마이크로 미러의 외부 테두리를 따라 연장된다.

마이크로 미러 칩의 대안으로서, 광 모듈레이터(3)는 예컨대 마이크로 액정 디스플레이(Micro-LCD-Display)가 될 수도 있는데, 이때 광은 작은 미러의 기울림 작용 대신에, 필터의 턴-온 및 턴-오프 작용으로 조정된다. 또 다른 가능성으로는 소위 광 모듈레이터를 위해 LCOS(Liquid Crystal on Silicon) 장치를 사용하는 것이다.

광 수신 영역(31)은 예컨대 직사각형의 복사 단면적을 포함하나, 상기 단면적은 정사각형 또는 또 다른 모양으로 형성될 수 있다. 광 수신 영역(31)의 직사각형 단면적은 예컨대 크기가 0.5 인치 또는 0.8 인치의 대각선(32)을 가지고, 이때 1 인치는 25.4 mm이다. 복사 단면적의 폭 대 길이의 비는 3:4 또는 9:16의 비율을 갖는다.

광 모듈레이터(3)의 광 수신 영역(31)은 최대 수용각 α를 포함하며, 이에 대해서는 도 1을 참조한다. 마이크로 미러 칩일 때, 상기 최대 수용각은 평평한 위치로부터 최대한 기울어질 수 있는 각도이다. 상기 최대 수용각은 예컨대 +/- 12° 또는 +/- 14.5°또는 +/- 15°이다. 상기 최대 수용각으로 가능한 값은 예컨대 10°내지 20°이다.

최대 수용각 α보다 큰 각도로 광 수신 영역(31)에 입사하는 광은 조정될 수 없거나 또는 언급한 방식으로는 조정될 수 없다. 따라서 중요한 점은, 광원(2)에서 방출되는 광원뿔(22)의 산란이 광학 부재로 인하여 최대한 많이 감소된다는 점이며, 그 결과, 적어도 대부분의 광은 최대 수용각 α보다 작은 각도로 광 모듈레이터(3)의 광 수신 영역(31)에 입사한다. 광원뿔(22)은 예컨대 20°이하인 최대각 γ로 광학 부재(1)로부터 떨어지게 된다. 각 γ는 예컨대 12°이다.

상기 발광 다이오드 칩(21)의 개수 N은 다음의 수식으로 주어진다:

0.7*(A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²)≤N≤1.3*(A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²).

광원(2)을 위해 특정 크기의 발광 다이오드 칩(21)을 적용할 경우, 이러한 관계식에 따라 발광 다이오드 칩의 개수 N의 값이 산출되는데, 상기 발광 다이오드 칩의 개수는 발광 다이오드 칩으로부터 방출되는 광선을 가능한 한 효과적으로 사용할 수 있게 하는 값이다. 또한 대안적으로, 발광 다이오드 칩(21)의 수 N을 고정 값으로 하고, 상기의 관계식에 따라 발광 다이오드 칩(21)에 대한 가능한 치수 값또는 발광 다이오드 칩(21)의 복사 출력 영역에 대한 가능한 크기 값을 산출하는 것이 가능하다.

상기의 관계식에서 n을 위해 어떤 값이 대입될 것인가는, 발광 다이오드 칩 으로부터의 복사 출력이 상응하는 수단으로 인하여 얼마나 영향받는지에 따라 다르다.

발광 다이오드 칩과 광학 부재 사이의 광로에 갭이 존재하고, 발광 다이오드 칩의 복사 출력 영역 A_D가 결합 매질로부터 분리되어 있다면, n=1이다. 이에 대한 한가지 예가 도 4에 도시되어 있는데, 발광 다이오드 칩(21), 특히 상기 칩의 복사 출력 영역이 실제적으로 캡슐 물질 또는 결합 물질로부터 분리되어 있다.

캡슐 물질 또는 결합 물질은 유전체 물질로서, 발광 다이오드 칩(21)으로부터 방출되는 복사에 대해 투과성이 있으며, 발광 다이오드 칩(21)의 반도체 물질의 굴절률과 일치하는 굴절률을 가진다. 이로써, 반도체 물질과 주변 매질 사이의 경계면에서, 프레넬(fresnel)의 손실 및 전반사가 감소한다.

프레넬 손실은 경계면에서의 반사로 인한 손실이며, 상기 경계면에는 굴절률 균열(refractive index crack)이 존재한다. 가장 전형적인 예로는 공기와 유전체 물질 사이의 굴절 균열이며, 예컨대 이는 전자기 복사가 광학 부재로 진입하거나 광학 부재로부터 방출될 때 발생한다.

상기 발광 다이오드 칩(21)과 광학 부재(1) 사이에 갭(gab)(5), 예컨대 공기갭이 존재한다.

상기 갭(5)은 대안적으로 다른 기체로 채워질 수 있으며, 마찬가지로 상기 갭은 진공상태일 수도 있다.

도 5에 도시된 설계도에서 광학 부재(1)와 발광 다이오드 칩(21) 사이에 공기 갭(5)이 존재한다. 도 4에 도시된 발광 다이오드 칩(21)과 다르게, 도 5에 도시된 발광 다이오드 칩은 캡슐 물질(24)을 구비하고 있으며, 특히 상기 캡슐 물질(24)로 완전히 봉인되어, 습기 같은 외부의 영향으로부터 보호받는다. 그러나, 상기 캡슐 물질(24)은, 상기 캡슐 물질이 발광 다이오드 칩(21)의 주 복사면에 걸친 두께(241)를 가지는 한, 즉 발광 다이오드 칩의 최대 측 방향 범위의 0.2배 이하인 두께(241)를 가지는 한, 본 발명에서 결합 매질로 구성될 수 없다.

직사각형의 발광 다이오드 칩일 때, 양쪽 칩 모서리 길이 중 수평으로 더 긴 길이가 발광 다이오드 칩의 측 방향 범위에 대응한다. 일반적으로, 각각 마주보며 놓여 있고 발광 다이오드 칩의 수평으로 연장된 모서리들 간의 최대 간격은 상기 칩의 최대 측 방향 범위로 선택될 수 있다.

예컨대 1 mm의 수평의 칩 모서리 길이(edge length)를 포함한 정사각형의 발광 다이오드 칩일 때, 캡슐 물질(24)이 발광 다이오드 칩을, 특히 상기 칩의 복사 출력 영역을 실제적으로 평면으로 덮고 있는 한, 상기 캡슐 물질(24)은 본 출원에서 결합 매질로 볼 수 없다. 특히, 캡슐 물질(24)이 가능한 한 얇게 완성되는 경우 더욱 그러하며, 예컨대 그 두께(241)가 200 ㎛이하인 경우에 그러하다. 이러한 조건일 경우, 상기 캡슐 물질(24)은 본 출원에서 결합 매질이 될 수 없다.

이에 반해, 두께가 200 ㎛보다 클 경우, 캡슐 물질(24)은 결합 매질이 될 수 있으며, 그 결과, n 값은 상기 캡슐 물질의 굴절률과 동일하게 결정된다.

도 6부터 도 8까지는 결합 매질의 다양한 실시예를 제시한다. 도 6에 도시된 실시예에서 결합 매질은 예컨대 발광 다이오드 칩을 광학 부재(1)의 유전체 몸체에 광학적으로 결합시켜주는 결합 물질로 구성되어 있다. 상기 결합 물질은 예컨대 복사 투과성의 겔(gel)로서, 상기 겔의 굴절률은 광학 부재(1)의 유전체 몸체의 굴절률 또는 발광 다이오드 칩(21)의 반도체 물질의 굴절률과 일치하거나, 상기 두 물질의 굴절률 간의 값을 가진다. 상기 겔 대신에, 예컨대 에폭시 수지 또는 래커(lacquer) 물질 등을 적용해도 된다.

결합 매질(6)의 굴절률은, 바람직하게는, 광학 부재(1)의 유전체 몸체의 굴절률과 발광 다이오드 칩(21)의 반도체 물질의 굴절률 간에 존재하는 값으로서, 중요한 점은, 1보다 현저하게 큰 값이라는 점이다. 예컨대, 결합 매질용 결합 물질을 사용할 때, 상기 결합 물질의 굴절률은 1.3보다 크며, 더 바람직하게는 1.4보다 크다. 이를 위해 예컨대 실리콘이 고려될 수 있다. 하지만 다른 재질, 예컨대 액체도 결합 매질로서 가능하다. 예컨대, 물은 약 1.3보다 큰 굴절률을 가지므로, 기본적으로는 결합 매질로서 적합하다.

도 7에 도시된 실시예에서 결합 매질(6)을 구성하는 결합 물질은 발광 다이오드 칩(21) 상에 형성된다. 예컨대 렌즈형 소자들은 발광 다이오드 칩(21)의 주 복사면 상에 배치되는데, 예컨대 상기 소자들이 에폭시 수지 또는 실리콘 포함 물질로 형성되었다면, 상기 소자는 발광 다이오드 칩(21)으로부터의 복사 출력 및 광학 부재(1) 내로의 전자파 복사의 입사를 증가시키는 기능을 한다.

도 6에 도시된 렌즈형 소자는, 도 6에 도시된 결합 물질과 유사하게, 발광 다이오드 칩으로부터 방출되는 광원뿔의 에텐듀에 영향을 미친다. 상기 렌즈형 소자는 발광 다이오드 칩(21)의 에텐듀를 증가시켜주기 위해, 비-평면이거나, 또는 비-평면 커버부(uneven covering)로 형성될 수 있다. 상기 에텐듀의 증가된 값은 대략 렌즈형 소자의 굴절률의 제곱에 해당한다. 이와 관련하여 렌즈형 소자의 영향력은 도 6에 기술된 결합 물질의 영향력에 견줄만하다. 차이가 있다면, 비-평면 커버를 적용하면, 상기 커버부로부터 복사가 방출할 때와 상기 복사가 광학 부재로 진입할 때, 예컨대 도 7에 도시된 것처럼 추가적인 프레넬 손실이 발생한다는 점이다.

도 8에 도시된 실시예에서, 결합 매질(6)은 얇은 층의 접착 소재로 구성되는데, 상기 접착 소재를 이용하여 발광 다이오드 칩(21)은 광학 부재(1)의 광선 입구에 직접 배치되어, 광학적으로 광학 부재(1)에 결합되고, 이는 도 6에 설명된 실시예와 유사하다.

0.7*(A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²)≤N≤1.3*(A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²)

다음에 제시될 표에서는 수 N, x 및 y의 산출을 위한 예시가 제시된다. 상기 광 수신 영역은 각각 12°의 최대 수용각 α를 가진다. 박막-발광 다이오드 칩은 90°의 최대 방출각 β을 가지며, 1 ㎜의 칩 모서리 길이를 가진 정사각형 형태를 포함한다. 상기 발광 다이오드 칩은 결합 매질로부터는 분리되어 있으며, 발광 다이오드 칩과 광학 부재 사이에 공기 갭이 존재한다. 그렇다면 n=1이다.

박막층은 두께가 10 ㎛이며, 상기 박막층의 측면은 한 평면당 0.04 ㎟으로 주어진다. 그러나, 상기 측면에서는 발광 다이오드 칩의 총 복사량의 1%보다도 적게 방출되므로, 상기 측면은 특히 실시예에서 무시해도 좋다. 이로써, 복사 출력 영역 A_D는 이러한 실시예에서 1.0 ㎟이 된다. 대안적으로, 박막층의 측면을 고려했을 때, 상기 복사 출력 영역 A_D는 이러한 실시예에서 1.04 ㎟가 된다. 하지만 측면을 무시하는 것이 바람직하다.

"Qu. N"은 (A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²)의 몫이며, "Qu. x"는 (l_M*sin(α))/(l_D*sin(β)*n)의 몫이며, "Qu. y"는 (b_M*sin(α))/(b_D*sin(β)*n)의 몫이다.

	l_M[㎜]	b_M[㎜]	Qu. N	Qu. x	Qu. y	N	x	y
1.	10.16	7.62	3.35	1.58	2.11	4	2	2
2.	11.10	6.23	2.98	1.29	2.3	3	1	3
3.	16.26	12.19	8.57	2.53	3.38	9	3	3
4.	16.26	12.19	8.57	2.53	3.38	6	2	3
5.	17.71	9.96	7.63	2.07	3.68	6	2	3
6.	17.71	9.96	7.63	2.07	3.68	8	2	4

예시 1과 예시 2에서는 0.5 인치의 광 모듈레이터를 다룬다. 즉 상기 광 수신 영역의 단면적이 대각선으로 0.5 인치이다. 이때, 1 인치는 25.4 ㎜와 동일하다. 예시 1에서 광 수신 영역의 단면적의 폭과 길이는 3:4의 비율이며, 예시 2에서는 9:16의 비율을 갖는다. 획기적으로, 예시 1에서 발광 다이오드 칩의 수 N은 3.22 +/- 30%의 수치가 가능한데, 길이와 폭을 고려했을 때 수 N은 4가 합리적인 수치이며, x 및 y는 바람직하게 각각 2로 선택된다. 즉 발광 다이오드 칩의 2*2 매트릭스 구조는 예시적으로 본 발명에서 효과적일 수 있다.

예시 2에서 N은 2.86 +/- 30% 범위의 값을 갖는데, 상기 값의 영역은 더 작을 수도 있다.

예컨대 여기서 발광 다이오드 칩의 1*3 매트릭스 구조가 적용될 수 있다.

예시 3부터 예시 6까지는 각각 0.8 인치의 광 모듈레이터를 다루는데, 이때광 수신 영역의 단면적의 폭과 길이는 예시 3과 예시 4에서는 3:4의 비율을, 예시 5와 예시 6에서는 9:16의 비율을 갖는다.

특히 바람직하게 적합한 시스템을 달성하려면, 수 N을 정하고, 발광 다이오드 칩의 크기가 상부 관계식에 따라 산출되는 것이다. 예컨대 0.5 인치의 광 모듈레이터는 3:4 비율의 폭과 길이, 12°의 최대 수용각을 포함하며, 1.06 ㎜의 칩 모서리 길이와 0.8 ㎜의 칩 모서리 폭을 가진 칩 4 개를 포함할 수 있다. 즉 상기 칩은 직사각형이다. 발광 다이오드 칩의 수 N을 6으로 하고, 최대 수용각이 15°라 가정하면, 상기 경우의 광 모듈레이터인 경우, 칩 모서리 길이는 1.0 ㎜이며, 칩 모서리 폭은 0.875 ㎜이다.

이러한 실시예들 각각에서 n=1이다. 즉 발광 다이오드 칩은 결합 매질로부터 분리되어 있다는 말이다. 발광 다이오드 칩이 결합 매질을 구비하고, 굴절률 n=2 인 물질을 포함한다면, 위에 산출된 칩의 길이와 폭은 절반 정도의 크기만을 갖는다. 이러한 경우는 확실히 더 적은 발광 다이오드 칩을 적용하는 데 있어 더 효과적이다.

이에 따라 그러한 경우를 상기 표에 적용하면, 박막층의 측면은 무시될 수 없다. 즉 A_D는 1.04 ㎟이 된다. "Qu. N"은 다만 약간의 차이가 발생되며, 그 결과가, 이러한 실시예에서, 수 N을 위해 선택된 가능성에 영향을 주지는 않는다.

	l_M[㎜]	b_M[㎜]	Qu. N	Qu. x	Qu. y	N	x	y
1.	10.16	7.62	3.22	1.58	2.11	4	2	2
2.	11.10	6.23	2.86	1.29	2.3	3	1	3
3.	16.26	12.19	8.24	2.53	3.38	9	3	3
4.	16.26	12.19	8.24	2.53	3.38	6	2	3
5.	17.71	9.96	7.33	2.07	3.68	6	2	3
6.	17.71	9.96	7.33	2.07	3.68	8	2	4

도 10에 도시된 광원은 적어도 하나의 발광 다이오드 칩(21)을 포함하며, 상기 발광 다이오드 칩은 지지대(23) 상에 배치된다. 광원의 지지대(23)는 칩 지지대(232)를 포함하며, 상기 칩 지지대(232) 상에, 예컨대 납땜(soldering)을 이용하여, 발광 다이오드 칩(21)이 실장된다. 칩 지지대는 예컨대 전기적으로 절연된 물질로 구성되는데, 상기 물질은 바람직하게는 높은 열전도성을 가진다. 상기 물질은 예컨대 규소, 알루미늄 질소 화합물, 규소 탄소 화합물, 붕소 질소 화합물, 표면이 산화한 규소, 다이아몬드, 플라스틱-탄소섬유 화합물, 유리-탄소섬유 화합물 및/또는 유리-다이아몬드 부분 화합물을 포함한다.

칩 지지대(232)는 열전도성 기판(231) 상에 배치된다. 상기 열전도성 기판은 예컨대 전도성 물질을 포함하거나 또는 전도성 물질로 구성될 수 있다. 가능한 물질로는 예컨대, 구리, 알루미늄, 마그네슘 및/또는 CMC(구리-몰리브덴-구리-층위)가 될 수 있다. 상기 열전도성 기판(231)은 상기 발광 다이오드 칩(21)의 구동 중에 상기 칩으로부터 생성되는 열을 위한 히트 싱크(heat sink)로서 기능한다. 상기 칩 지지대(232)는 열전도성이 양호한 물질로 구성되며, 바람직하게는 열전도성 기판(231)에 직접 결합된다.

예컨대, 상기 칩 지지대(232) 상에 금속배선(metallization)이 형성될 수 있는데, 상기 금속배선을 이용하여 예컨대 칩 접촉(contact)면 및/또는 도전로(conductive path)가 발광 다이오드 칩(21)의 접촉(contact)을 위해 형성된다. 발광 다이오드 칩(21)의 전기적 연결면은 열전도성 전선(231)과 전도성으로 결합하여, 이는 추가적으로 전극으로서 기능한다.

대안적으로, 열 전도성 기판은 전기적으로 절연된 층(239)을 구비하고, 그 다음에 상기 절연된 층 상에 전도성 물질의 얇은 층이 적층될 수 있다. 상기 전도성 물질은 예컨대 에칭(etching)을 이용하여 도전로로 구성될 수 있으며, 이에 대해서는 도 19, 도 20 및 도 21을 참조한다. 바람직하게는, 전기적으로 절연된 층과 얇은 전도성 층은, 발광 다이오드 칩(21) 및 칩 지지대가 열전도성 기판 상에 직접 실장된 영역으로부터 분리되어 있다. 이를 통해, 발광 다이오드 칩의 열 방출 및 광선 방출은 현저히 증가한다. 칩 지지대가 절연 층 상에 배치되는 경우와 비교할 때, 방출되는 복사 강도가 35%로 증가하는 것은 달성된다. 이와 같은 방식의 구조를 포함한 광원은 예컨대 도 19부터 도 21까지 각각 도시되어 있다.

도 11에 도시된 실시예에서는 광원이 DCB(Direct Copper Bonding) 지지대를 포함한다. 상기 실시예는 전도성의 외피(234)를 구비한 지지 중심부(233)를 포함한다. 상기 외피(234)는 예컨대 구리를 포함하거나 구리로 구성되어 있다. 상기 지지 중심부(233)는 바람직하게는 전기 절연 물질로 구성되며, 따라서 전도성 외피가 형성되고, 이로써 광원(2) 및 발광 다이오드 칩(21)을 위한 도전로로 구성된다.

예컨대, 지지 중심부(233)는 AlN, Al₂O₃, SiC, BN, 다이아몬드, 유리 섬유(glass fiber) 화합물, 플라스틱 섬유화합물, 탄소섬유 화합물, 유리-다이아몬드 화합물 중의 한가지 물질을 포함하거나 그러한 물질들중 하나로 구성된다. 특히 바람직하게는 상기 지지 중심부(233)를 위한 물질로 알루미늄 질소 화합물 및/또는 산화알루미늄이 있다.

도 12에 도시된 설계도에서 광원(2)은 광원 모듈로서 형성되는데, 플러그(25)를 포함하고 있다. 상기 광원(2)은 대응하는 플러그를 이용하여 간단하게 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 광원의 지지대(23)는 예컨대 도 11에 도시된 대로 형성되어 있다. 외피 물질(234)은 도전로(26)를 형성한다. 상기 도전로를 이용하여 발광 다이오드 칩은 플러그(25)와 전도성으로 결합한다.

광원(2)의 전기 회로가 포함하는 구성요소(27)는 발광 다이오드 칩의 정전기 방전(Electro Static Discharge)을 보호하기 위해 제공된다(ESD-보호). 상기 구성요소(27)는 예컨대 배리스터(varistor), 콘덴서(condensers) 또는 다이오드일 수 있다. 이들은 예컨대 발광 다이오드 칩과 평행하게 또는 비-평행하게(이는 다이오드 같은 구성요소의 예기치 못한 투과 방향에 관련된다) 연결된다. 상기 광원(2)의 지지대(23)는 실장용 홀(mounting holes)(28)을 포함하며, 상기 실장용 홀을 이용하여 광원 모듈이 기술적으로 간단하게 기계적으로 조립될 수 있고, 예시적으로 다울 핀(dowel pin) 및 대응하는 고정 부재가 적용될 수 있다.

광원(2)의 발광 다이오드 칩 상에 다수의 광학 부재(1)가 배치되는데, 상기 광학 부재는 예컨대 일체형으로 형성된다. 상기 광학 부재(1)는 CPC 방식으로 형성되고, 본체(11)는 각각의 광학 부재(1)를 위하여 별도의 캐비티를 구성하고, 상기 캐비티의 내벽은 광원으로부터 방출되는 복사에 대해 반사작용을 한다.

광원(2)의 각 발광 다이오드 칩은 예컨대 단일의 광학 부재(1)와 결합될 수 있다. 발광 다이오드 칩을 향한 광학 부재의 광선 입구는 광선 진입 개구부를 포함하고, 상기 개구부의 측면은 발광 다이오드 칩의 해당 수평 모서리 길이의 1.5 배 이하이고, 바람직하게는 1.25 배 이하이다. 상기와 같이, 작은 광선 입구가 발광 다이오드 칩에 최대한 인접하여 배치한다면, 발광 다이오드 칩으로부터 방출되는 광선의 산란은 효과적으로 감소하며, 높은 휘도를 가진 광원뿔이 생성된다.

각각의 발광 다이오드 칩에 칩 자신의 개별적인 광학 부재(1)가 결합되는 대신에, 광학 부재(1)는 다수의 발광 다이오드 칩(21)에 구비될 수 있으며, 이는 도 13에 도시되어 있다. 광학 부재는 또한 CPC 방식으로 형성되고, 본체(11)는 반사 내벽을 포함한 캐비티를 구성한다. 광학 부재(1)는 예컨대 6 개의 발광 다이오드 칩(21)을 위해 구비될 수 있다.

가능한 한 효율성을 높이기 위해서, 상기 발광 다이오드 칩(21)이 최대한 서로 인접하여 배치되어야 한다. 인접한 발광 다이오드 칩들(21) 간의 간격은 예컨대 50 ㎛ 이하이다. 특히 더 바람직하게는 인접한 발광 다이오드 칩이 실제적으로 간격이 없는 것이다.

광학 부재(1)의 광선 입구와 광선 출구는 예컨대 각각 직사각형 형태를 포함할 수 있다. 광선 입구는 대안적으로 또한 실제적으로 정사각형의 단면적을 포함할 수도 있다. 복수의 발광 다이오드 칩을 위해 구비된 단일의 광학 부재를 가진 경우에 각각의 발광 다이오드 칩에 복수의 광학 부재가 구비된 경우와 동일하게 광의 산란을 감소시키려면, 상기 광학 부재는 복수의 광학 부재보다 현저하게 더 긴 길이를 가져야 한다.

광학 부재(1)로부터 방출되는 광원뿔이 최대 원추각 θ를 포함한다면, 집광기 방식으로 형성된 광학 부재의 고정된 최소 길이 값이 언제나 필수적으로 요구되며, 상기 최소 길이는 광선 입구의 해당 면적(a)과 연관된다. 이상적으로 적합한 파라볼릭 집광기라면 다음의 수식이 해당된다.

1= α/2(1+Sin θ)*cos(θ)/sin²(θ)

이때, 1은 광학 부재(1)의 최소 길이를 의미한다. 최대 원추각이 15°라면 광학 부재(1)의 길이는 광선 입구의 길이보다 대략 9배 정도 길어야 한다. 최대 원추각이 9°라면, 상기 광학 부재의 길이는 약 23배의 길이가 필요하며, 원추각이 20°라면 5.5배의 길이가 필요해진다. 집광기의 실시예가 정확할수록 최소 길이 1은 대안적으로 또한 최적 길이로서 구비될 수 있으며, 이때 특히 10% 까지 또는 20% 까지 그 길이가 초과할 수도 있다.

광학 부재(1)의 광선 입구가 작을수록, 광학 부재의 광축을 따른 광학 부재의 길이는 작아진다. 이는 방출되는 광원뿔을 위한 특정 최대 복사각에 도달하기 위함이다. 이에 반해, 광학 부재가 복수의 발광 다이오드 칩을 위해 구비될 경우, 즉 더 길어진 광선 입구를 가질 경우, 상기 광학 부재의 실장은 다수의 칩에 비해 비교적 어렵지 않다. 특히 바람직하게는, 복수의 발광 다이오드 칩과 각각 결합된 적어도 2 개의 광학 부재는 광원마다 구비될 수 있다

광학 부재는 바람직하게 광선 출구를 포함한 측면 상의 직사각형 단면을 가진다. 이러한 방식으로, 광원뿔의 단면은 광 모듈레이터의 광 수신 영역의 단면과 적어도 부분적으로 일치하도록 광학 부재에 형성될 수 있다.

또 다른 실시예에 따르면, 광학 부재는 정사각형의 단면을 가진 광선 입구를 포함한다. 정사각형의 단면은 발광 다이오드 칩(23)의 정사각형 배열을 위해 구비되며, 예컨대 도 24부터 도 27까지 2*2 구조의 발광 다이오드 칩으로 도시되어 있다. 광선 입구의 단면은 대안적으로 또한 직사각형일 수 있다.

추가적으로 또는 대안적으로, 광학 부재는 제1 면을 따라 예컨대 11.5°의 최대 복사각을, 제2 면을 따라 예컨대 15.5°의 최대 복사각을 갖는다. 여기서 상기 광선 입구 측면의 정사각형 단면적은 광선 출구로의 진행에 따라 직사각형의 단면적으로 바뀌게 되는데, 이때 상기 직사각형 단면은 약 10*7.5 mm의 크기를 갖는다. 특히, 광학 부재의 서로 마주 놓인 반사 면들의 제1 쌍은 이 경우에 서로 마주 놓인 반사 면들의 제2 쌍보다 경사가 더 심하다. 예시적으로 도 16에 또는 도 33b에 도시된 광학 부재(1)는 이러한 방식으로 구성된다.

CPC 방식의 집광기의 대안으로서, 광학 부재(1)는 예컨대 광선 입구로부터 광선 출구까지 직선으로 연장되는 측벽을 포함할 수 있다. 예컨대 상기와 같은 광학 부재(1)는 도 15, 28, 33c 및 34d에 도시되어 있다.

이는 원뿔대 형식의 기본형을 포함한 유전체 집광기 또는 상응하는 캐비티로 구성된 본체(11)를 포함하는 집광기에 대한 것이다. 이러한 방식의 집광기를 사용할 때, 광선 출구는, 바람직하게는, 구면 렌즈(spherical lens) 또는 비구면 렌즈(asphrical lens)를 구비하고, 상기와 같은 렌즈의 방식에 따라 외부를 향하여 아치형으로 형성된다.

구면 아치형과 비교했을 때 비구면 아치형의 장점은, 비구면 아치형이 예컨대 광학 부재(1)의 광축으로부터 증가된 거리를 감소시킨다는 점이다. 이에 의하여, 광원뿔의 광의 산란은 광학 부재(1)로 인하여 감소될 수 있으며, 상기 광원뿔은 점성 광 복사원(punctiform light radiation source)이 아니라, 주어진 범위를 포함한 복사원이라는 점이 고려된다.

광학 부재는, CPC 방식의 광학 부재와 비교했을 때, 광원뿔의 광의 산란이 비슷하게 감소되면서, 동시에 광학 부재의 구조 높이가 현저히 감소한다는 장점이 있다. 광학 부재의 또 다른 장점은, 광학 부재의 직선형 측면이 예컨대, 사출성형 또는 전환성형(transfer molding) 같은 성형법을 이용하여 더 간단하게 제조될 수 있다는 점이다. 반면 CPC-방식의 집광기와 같은 종류의 아치형 측면을 형성하는 것은 상대적으로 어려울 수 있다.

광학 부재(1)가 본체(11)를 포함한 캐비티 리플렉터(cavity reflector)로서 형성되는 경우에, 상기 본체(11)는 광원(2)에 고정되거나 광원(2)에 관련되어 위치되기 위해 사용될 수 있다.

광학 부재가 캐비티 리플렉터로서 형성된 실시예는 도 12, 도 13, 도 33b, 도 34b 및 도 34c에 도시되어 있다.

이에 반해, 광학 부재(1)가 유전체 집광기 방식으로 형성된 경우에는, 추가적인 고정 장치는 일반적으로 광원(2) 상에, 또는 상기 광원에 관련되어 광학 부재(1)를 위치시킬 필요가 있다. 유전체 집광기 방식으로 형성된 상기 광학 부재의 예시는 도 14 내지 도 17, 23, 28, 33a, 33c, 34a, 및 34d에 도시되어 있다.

도 23, 28, 및 도 14 내지 도 16에 도시된 광학 부재는 고정 부재(12)를 포함하고, 상기 고정 부재는 광학 부재 또는 광학 부재들(1)의 광선 출구에 근접하여 유전체 몸체(13)로부터 연장되고, 상기 몸체(13)로부터 측 방향으로 돌출하고, 상기 본체(13)와 간격을 두고, 광선 입구를 향하여 진행한다.

고정 부재(12)는 예컨대 기둥 모양의 부재를 포함하며, 상기 고정 부재 위에 광학 부재가 배치되고 이로써 광원(2)과 관련되어 배치될 수 있다. 이에 대해서는 도 15 및 도 16에 도시되어 있다. 고정 부재(12)의 대안으로, 벽(wall) 모양의 버팀목을 포함할 수도 있고, 상기 버팀목은 광학 부재를 적어도 부분적으로 측 방향으로 둘러싸며, 이에 대해서는 도 14 및 도 23에 도시되어 있다.

고정 부재(12)에 대한 또 다른 대안으로, 광학 부재(1)는 별도의 고정 장치를 이용해서 실장되어 배치될 수 있다. 예컨대, 광학 부재는 별도의 프레임에 삽입된다.

발광 다이오드 칩은 예컨대 칩 패키지(235)에 실장되는데, 이는 도 29 내지 도 32에 예시되어 있다. 칩 패키지(235)는 예컨대 지지대(23)와 광원(2) 위에 실장되거나, 또는 칩 패키지 그 자체가 광원(2)을 형성한다. 상기 광원(2)은 전기 전도적으로 접촉될 수 있고, 구동 중에 전자기 복사를 방출한다. 지지대(23) 상에 단일의 또는 다수의 칩 패키지(235)가 실장되어 있는 광원(2)의 경우는 도 18 내지 도 28에 도시되어 있다.

칩 패키지(235)는 칩 지지대(232) 및 패키지 프레임(236)을 포함한다. 칩 지지대(232)는 적어도 단일의, 바람직하게는, 다수의 칩 연결 영역(237) 및 도전로(238)를 형성하는 금속 배선을 포함한다. 2 개의 마주 놓인 측면 상에서 칩 지지대(232)는 패키지 프레임 물질로부터 분리되어 있으며, 따라서 도전로(238)는 이 지점에 접촉할 수 있고, 전기 전도적으로 접촉할 수도 있다.

칩 패키지(235)는 모놀리식으로(monolithically) 형성될 수 있는데, 따라서 패키지 프레임(236) 및 칩 지지대(232)는 일체형으로 형성된다. 이는 예컨대 칩 패키지를 위한 물질로 세라믹(ceramic)을 적용할 때 가능하며, 이때 세라믹 물질이 소성되어 경화되기 전에, 패키지 프레임(236)은 칩 지지대(232) 상에 배치된다. 소성 공정이 적합하면, 패키지 프레임(236)과 칩 지지대(232)는 하나로 결합된다. 이는 비 소성 상태에서 두 부분을 함께 압착해줌으로써, 처리될 수 있다.

대안적으로, 칩 지지대(232)와 패키지 프레임(236)은 각각 별도로 형성된다. 상기 패키지 프레임(236)은 이러한 경우 칩 지지대(232) 상에 접착된다.

상기 칩 지지대(232) 및/또는 상기 패키지 프레임(236)은 예컨대 알루미늄 질소 화합물, 산화 알루미늄, 유리 세라믹, 유리 및/또는 금속을 포함한다. 상기 프레임은 플라스틱으로 구성되거나 또는 플라스틱 소재를 포함한다. 상기 플라스틱 소재는 칩 지지대(232)와 비슷한 열 팽창 계수를 가지고, 바람직하게는 양호한 반사 작용을 하는 물질로 코팅되어 있다. 실제로, 패키지 프레임은 바람직하게는 하얀색으로 채색되거나, 또는 하얀색 또는 그 밖의 반사 작용하는 물질로 코팅된다.

칩 접촉 영역(237) 및 도전로(238)는 예컨대 도금 코팅 같은, 금속 코팅으로 형성된다. 이는 도 29 및 도 32에 도시된 칩 패키지의 경우에 그러하다.

도 30에 도시된 칩 패키지(235)는 칩 접촉 영역(237)을 포함하는데, 칩 접촉 영역(237)은 납땜(soldering)으로 형성된다. 예컨대 칩 접촉 영역 각각은 복수의 작은 솔더링 범프(soldering bump)로 구성된다.

도전로(238)는 예컨대 알루미늄을 포함하거나 또는 알루미늄으로 구성된다. 이는 알루미늄이 칩 접촉 영역의 납땜을 위한 중지점(stopping point)으로 기능한다는 장점이 있다.

도 31에 도시된 칩 패키지(235)는 도전로(238)를 포함하는데, 상기 도전로(238)는 서로 다른 물질로 형성된 섹션을 포함한다. 첫번째 섹션(2381)은 예컨대 납땜의 중지점으로 기능할 수 있는 알루미늄을 포함하고, 두번째 섹션(2382)은 또 다른 금속, 예컨대 금을 포함한다. 첫번째 섹션(2381)을 통하여 예컨대 합선의 위험이 감소될 수 있다. 그 외에도 납땜의 중지점은 발광 다이오드 칩의 실장을 위해 구비된 땜납이 도전로를 젖게 하여, 금 접촉에 손실을 끼치거나, 용해시키는 것을 방지한다.

패키지 프레임은 칩 패키지(235)에 실장된 발광 다이오드 칩이 포팅 화합물(potting compound)을 구비하는 데 적합하다. 이때, 예컨대, 칩 프레임의 내부 영역은 적어도 부분적으로 포팅 화합물로 채워져 있다. 포팅 화합물은, 한편으로는, 발광 다이오드 칩(21)을 봉인하여, 외부의 영향으로부터 보호받도록 하는데 기여한다. 그러나, 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 화합물은 단일의 또는 다수의 형광체(phosphor)를 위한 매트릭스 물질로 기능할 수도 있으며, 따라서 상기 포팅 화합물은 발광 변환 소자를 형성한다. 대안적으로 발광 변환 소자는 발광 다이오드 칩의 복사 출력 영역 상에 얇은 층으로서 직접 적층된다.

바람직하게는, 광원의 다양한 발광 다이오드 칩이 서로 다른 발광 변환 소자를 구비한다. 즉, 발광 변환 소자는 서로 다른 형광체 또는 형광체 혼합물을 포함한다. 예컨대 4개의 발광 다이오드 칩(21) 중에서, 청색으로 방출되는 형광체 1개, 적색으로 방출되는 형광체 1개, 녹색으로 방출되는 형광체 2개가 구비될 수 있고, 이때 상기 녹색으로 방출되는 형광체 2개는 동일한 것이다.

청색으로 방출되는 형광체 대신에, 발광 변환 소자가 구비되지 않은, 청색으로 방출되는 발광 다이오드도 가능하다.

발광 물질의 적용시, 전자기 복사를 방출하는 발광 다이오드 칩이 적용될 수 있는데, 광선의 파장은 적어도 부분적으로는 가시적 스펙트럼의 외부에 존재한다. 예컨대 발광 다이오드 칩은 AlInGaN으로 구성되고, 구동 중에 자외선 영역으로부터 전자기 복사를 방출한다.

발광 변환 소자를 위해서는 LED의 적용시 알려진 모든 컨버터(converter)가 적합하다. 컨버터로서 적합한 형광체와 형광체 혼합물의 예시는 다음과 같다:

- 예컨대 독일출원 DE 10036940 및 그것의 종래 기술에 개시되어 있는 염소규산염,

- 예컨대 국제공개번호 WO 2000/33390 및 그것의 종래 기술에 개시되어 있는 오르토 규산염(ortho silicates), 황화물, 티오산 금속, 바나륨산염(vanadate),

- 예컨대 미국특허출원번호 US 6616862 및 그것의 종래기술에 개시되어 있는, 알루민산염, 산화물, 할로 인산염(halo-phosphate),

- 예컨대 독일출원 DE 10147040 및 그것의 종래기술에 개시되어 있는 질산염, 질산화물, 실리콘 알루미늄 산화물(silicon aluminium oxynitride),

- 예컨대 미국특허공개번호 US 2004-062699 및 그것의 종래기술에 개시되어 있는 야그(YAG): 세륨(Ce) 같은 희토류 또는 알칼리토류 요소의 석류석.

도 22a 내지 도 23에 도시된 광원(2)은 예컨대 위에 상술한 방식으로 성형된 발광 다이오드 칩(21)을 포함한다. 상기 도면에 도시된 칩 패키지(235)의 패키지 프레임은 발광 다이오드 칩(21) 상의 광학 부재(1)를 조정하기 위한 조정 보조제로서 기능하도록 형성된 오목부를 포함한다.

칩 프레임의 형태는 정사각형 또는 직사각형의 기본형을 포함하는데, 이때 정사각형 또는 직사각형의 모서리는 둥근, 예컨대 원형의 형태로 적층되며, 따라서 광학 부재(1)의 모서리가 기술적으로 간단하게 패키지 프레임으로 진입될 수 있으며, 이때 오목부는 둥글게 확장되어 처리된다.

대안적으로 또한, 광학 부재(1)는 도 38에 도시된 바와 같은 일정한 단면적, 또는 도 37에 도시된 바와 같은 광선 출구로 증가되는 단면적을 포함한 광 가이드로 형성될 수 있다. 상기 광 가이드는 광원(2)의 광 혼합에 기여하고, 균일하게 조사하는 광원뿔을 향하여 진행하는데, 특히 상기 광원이 서로 다른 색의 광을 방출하는 발광 다이오드 칩(21) 및/또는 서로 다른 색의 광을 방출하는 발광 변환 소자를 포함할 때 그러하다.

특히 바람직하게는, 광 가이드의 광선 출구가 예컨대 영사 렌즈를 이용하여 형성되었을 때, 광원뿔은 이 지점에서 광 가이드로 인하여 다량으로 혼합된다. 그에 반해, 광원뿔로부터의 간격이 증가하면서 광원뿔의 분해가 증가하는 것이 관찰될 수 있다.

광 가이드는 예컨대 짝수의 다각형 형태를 가진 단면적을 포함하며, 특히 광선 입구로부터 광선 출구까지 이어져 직선으로 진행하는 부분면을 포함한다. 또한 광 가이드는 고정 부재(12)를 구비할 수 있는데, 상기 고정 부재는 광선 출구의 측면에서, 본체로부터 측 방향으로 연장되고, 본체와 간격을 두고 급경사를 형성하며, 광선 입구 방향으로 진행한다. 상기 본체와 고정 부재(12)는 바람직하게 동일한 물질로 구성되며, 특히 바람직하게는 일체형으로 형성된다.

도 40에서는 고정 부재(12)가 광 가이드로부터의 복사 방출에 어떤 영향을 미치는지를 명백히 보여준다. 도 40은 광 가이드의 광축과의 간격에 의존하는 광도 분포를 나타내는데, 이때 실선은 도 37에 도시된 바와 같이, 고정 부재를 포함하지 않은 광 가이드 뒤에서, 광 경로의 복사 강도의 측정 수치이고, 점선은 도 39에 도시된 바와 같이 고정 부재를 포함한 광 가이드를 적용했을 시의 휘도 측정 수치를 나타낸다. 커브 곡선은, 혼합을 위해 사용된 광 가이드로부터의 복사 출력에 대하여 고정 부재(12)의 영향이 거의 없다는 것을 보여준다.

고정 부재를 포함한 혼합기는 또한 도 36에 도시되어 있다. 도 35에 도시된 실시예에서 광 가이드(1)는 주사위 모양을 포함한다. 이러한 광학 부재일 때, 상기 고정 부재는 광선 입구에 인접하여, 광 가이드의 본체로부터 연장되고 있으며, 위에 논의된 예시들과는 차이가 있다.

도 14 내지 16, 18, 19, 28, 33c, 36에 도시된 광원(2)은 광원의 전기적 연결을 위한 플러그(25)를 포함하고, 반면, 도 20 및 21에 도시된 광원(2)은 다수의 전자 접촉 핀(29)을 포함하며, 상기 핀은 광원(2)이 단일 또는 다수의 대응하는 플러그와 전기적으로 연결되도록 구성된다.

또 다른 실시예는 도 22a, 도 23 및 35에 도시되어 있다. 상기 도면들에 도시된 광원(2)은 전기 접촉면(291) 상부에 전도성으로 연결된다. 이는 예컨대 납땜을 이용하여 가능하다.

상기 출원에서 기술된 다양한 특징들 및 부재들은 비록 특히 영사장치에서 시너지 효과를 얻을 수 있긴 하지만 영사장치의 적용에만 제한되는 것은 아니다. 상기 다양한 특징들과 부재들은 각각 그 자체가 고유한 발명으로 기술될 수 있으며, 서로 다른 영역에서 적용될 때에도 적합할 수 있다. 따라서 광원(2)은 예컨대 탐조등 출원 또는 공공 조명을 위해 적용될 수 있다. 광학 부재들은 이미 그러한 것들로서 하나의 고유한 발명이 될 수 있으며 다양한 목적을 위해 적용될 수 있다. 이는 발광 변환 소자의 배치와 적용 또는 광원을 위한 지지대의 구조, 칩 패키지, 상기 광원 내부의 발광 다이오드 칩의 배열 또는 상기 광학 부재의 배치에 있어서도 동일하다.

특징들의 가능한 조합은 또한 전술한 실시예에 제한되지 않고, 다양하게 변경 또는 변형될 수 있다. 본 발명은 각각의 새로운 특징 및 특징들의 각각의 조합을 포함하며, 특히 특징들의 각각의 조합에 대해서는 청구항에 포함되어 있다. 비록 이러한 특징들 또는 조합 그 자체가 청구항 또는 실시예에 명백하게 제시되어 있지 않다 하더라도 말이다.

Claims

조사 단면적 A_M, 및 입사광의 최대 수용각 α를 포함한 광 수신 영역을 가지는 광 모듈레이터; 및 적어도 하나의 광원을 포함하는 영사장치로서, 영사장치가 동작하는 동안 광 수신 영역의 단면적을 조사하기 위하여 광원을 사용하여 광원뿔을 생성시키고, 상기 광원이, 복사 출력 영역 A_D 및 최대 복사각 ß를 가진 N 개의 발광 다이오드 칩을 포함하는 영사장치에 있어서,

- 상기 발광 다이오드 칩과 상기 광 모듈레이터 사이의 광로에는 적어도 하나의 광학 부재가 배치되고,

- 상기 발광 다이오드 칩과 상기 광학 부재 사이의 광로에는 기체로 채워진 갭이 존재하고,

- 상기 발광 다이오드 칩의 복사 출력 영역 A_D는 결합 매질로부터 분리되어 있으며,

- 0.7*(A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²)≤N≤1.3*(A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²)일 때, n=1인 것을 특징으로 하는 영사장치.
조사 단면적 A_M,및 입사광의 최대 수용각 α를 포함한 광 수신 영역을 가지는 광 모듈레이터; 및 적어도 하나의 광원을 포함하는 영사장치로서, 영사장치가 동작하는 동안 광 수신 영역의 단면적을 조사하기 위하여 광원을 사용하여 광원뿔을 생성시키고, 상기 광원이, 복사 출력 영역 A_D 및 최대 복사각 β를 가진 N 개의 발광 다이오드 칩을 포함하는 영사장치에 있어서,

- 상기 발광 다이오드 칩과 상기 광 모듈레이터 사이의 광로에는 적어도 하나의 광학 부재가 배치되고,

- 상기 발광 다이오드 칩의 복사 출력 영역 A_D는 결합 매질을 구비하며,

- 0.7*(A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²)≤N≤1.3*(A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²)일 때, n은 결합 매질의 물질의 굴절률과 동일한 것을 특징으로 하는 영사장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 발광 다이오드 칩은, 전자기 복사를 방출하는 활성 영역을 가진 박막층을 포함하고,

상기 활성 영역은 성장 기판으로부터 분리되어 있으며, 주 복사면의 반대 측면에 리플렉터를 구비하는 것을 특징으로 하는 영사장치.
제3항에 있어서,

상기 광 모듈레이터의 광 수신 영역의 단면적 A_M은 길이 l_M 및 폭 b_M을 포함하고,

상기 박막층의 주 복사면은 길이 l_D 및 폭 b_D을 포함하며,

상기 발광 다이오드 칩이 x 행 및 y 열의 매트릭스 구조로 배치될 때,

0.7*(l_M*sin(α))/(l_D*sin(β)*n)≤x≤1.3*(l_M*sin(α))/(l_D*sin(β)*n), 및

0.7*(b_M*sin(α))/(b_D*sin(β)*n)≤y≤1.3*(b_M*sin(α))/(b_D*sin(β)*n)을 충족하는 것을 특징으로 하는 영사장치.
제4항에 있어서,

N 값은 (A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²)의 몫을 근사치 정수로 올림하거나 또는 내림한 값과 동일하고,

x 값은 (l_M*sin(α))/(l_D*sin(β)*n)의 몫을 근사치 정수로 올림하거나 또는 내림한 값과 동일하거나, 또는

y 값은 (b_M*sin(α))/(b_D*sin(β)*n)의 몫을 근사치 정수로 올림하거나 또는 내림한 값과 동일한 것을 특징으로 하는 영사장치.
제4항에 있어서,

N 값은 (A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²)의 몫을 근사치 짝수로 올림하거나 또는 내림한 값과 동일하고,

x 값은 (l_M*sin(α))/(l_D*sin(β)*n)의 몫을 근사치 짝수로 올림하거나 또는 내림한 값과 동일하거나, 또는

y 값은 (b_M*sin(α))/(b_D*sin(β)*n)의 몫을 근사치 짝수로 올림하거나 또는 내림한 값과 동일한 것을 특징으로 하는 영사장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 발광 다이오드 칩의 주 복사면은 직사각형 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 영사장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

복수의 발광 다이오드 칩 집합체는 단일의 광학 부재와 결합되는 것을 특징으로 하는 영사장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 발광 다이오드 칩을 적어도 2 그룹으로 나누고, 상기 그룹 각각은 개별적인 광학 부재와 결합되는 것을 특징으로 하는 영사장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 발광 다이오드 칩의 적어도 일부 뒤쪽에는 발광 변환 소자가 배치되는 것을 특징으로 하는 영사장치.
제10항에 있어서,

상기 광원의 서로 다른 발광 다이오드 칩의 뒤쪽에는 서로 다른 발광 변환 물질이 배치되는 것을 특징으로 하는 영사장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 광학 부재는 비상 광학 집광기(non-imaging optical concentrator)로 구성되고,

상기 비상 광학 집광기는 종래의 집광기의 복사 방향과는 반대 방향으로 광의 복사를 투과시키는 것을 특징으로 하는 영사장치.
제12항에 있어서,

상기 광학 부재는 CPC, CEC 또는 CHC 방식의 집광기인 것을 특징으로 하는 영사장치.
삭제
제12항에 있어서,

상기 광학 부재는 측벽을 포함하고,

상기 측벽은 광선 입구와 광선 출구를 연결시키며, 상기 측벽 상에 연장되는 직결선이 광선 입구와 광선 출구 간에서 직선으로 진행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 영사장치.
제12항에 있어서,

상기 광학 부재는 캐비티로 구성된 본체를 포함하며,

상기 캐비티의 내벽은 광원으로부터 발광되는, 스펙트럼 소구역의 광을 적어도 반사시키는 것을 특징으로 하는 영사장치.
제12항에 있어서,

상기 광학 부재는 유전체 집광기로 형성되고,

상기 유전체 집광기의 본체는 굴절률을 가진 유전체 물질을 포함하는 고형 몸체이고,

상기 광학 부재로 입사된 광은, 전반사에 의하여, 광선 입구와 광선 출구를 연결시키는 고형 몸체의 측 방향 경계면으로부터 주변 매질로 반사되는 것을 특징으로 하는 영사장치.
제12항에 있어서,

상기 광학 부재는, 렌즈 모양의 아치형 경계면을 가진 광선 출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 영사장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 광학 부재는, 일정한 단면적 또는 광선 출구를 향하여 증가하는 단면적을 가지며 광을 혼합하도록 구성되는 광 가이드로 형성되거나, 또는

일정한 단면적 또는 광선 출구를 향하여 증가하는 단면적을 가지며 광을 혼합하도록 구성되는 적어도 하나의 광 가이드는, 상기 광학 부재 뒤의 광 경로에 배치되는 것을 특징으로 하는 영사장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 광학 부재는, 광선 출구를 향하여 감소하는 단면적을 가지며 광을 혼합하도록 구성되는 광 가이드로 형성되거나, 또는

광선 출구를 향하여 감소되는 단면적을 가지며 광을 혼합하도록 구성되는 적어도 하나의 광 가이드는, 상기 광학 부재 뒤의 광 경로에 배치되는 것을 특징으로 하는 영사장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

서로 인접한 일부 발광 다이오드 칩 간의 간격, 또는 서로 인접한 모든 발광 다이오드 칩 간의 간격은 300 ㎛ 이하, 0 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 영사장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

서로 인접한 일부 발광 다이오드 칩 간의 간격, 또는 서로 인접한 모든 발광 다이오드 칩 간의 간격은 100 ㎛ 이하, 0 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 영사장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 광학 부재는, 광선 출구를 포함하는 측면 상에 직사각형 단면을 포함하는 것을 특징으로 하는 영사장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 광학 부재는 제1 면을 따라 제1 최대 복사각을, 제2 면을 따라 제2 최대 복사각을 포함하고,

상기 제2 최대 복사각과 상기 제1 최대 복사각은 서로 다른 것을 특징으로 하는 영사장치.
제24항에 있어서,

상기 제1 최대 복사각은 10°내지 13°이고,

상기 제2 최대 복사각은 13°내지 18°인 것을 특징으로 하는 영사장치.