KR101214135B1 - 광 엔진 - Google Patents

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KR101214135B1
KR101214135B1 KR1020077005239A KR20077005239A KR101214135B1 KR 101214135 B1 KR101214135 B1 KR 101214135B1 KR 1020077005239 A KR1020077005239 A KR 1020077005239A KR 20077005239 A KR20077005239 A KR 20077005239A KR 101214135 B1 KR101214135 B1 KR 101214135B1
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요한 마라
슈프랑 한스 반
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 어퍼쳐(7)를 구비한 챔버(6)와 이 챔버 내측에 위치된 다수의 LED 소자(13)를 포함하는 광 엔진(1, 2, 3, 4, 5)이며, 여기서 챔버(6)의 사실상 모든 내부 표면은 요구되는 파장 영역 내의 광에 대하여 본질적으로 비흡수성인 고반사 표면(20)으로 실현되는 광 엔진을 개시한다.
광 엔진, 챔버, 어퍼쳐, 시준 소자, 투명 덮개판

Description

광 엔진 {LIGHT ENGINE}
본 발명은 적어도 하나의 개구를 구비한 챔버와 상기 챔버 내부에 위치된 다수의 LED 소자를 포함하는 광 엔진에 관한 것이다.
예컨대, 광원을 하나 또는 복수개의 광 섬유 내로 결합하고, 이로 인해 광이 단일 광원으로부터 다수의 자동차용 전조등/미등 등과 같은 몇몇 원격 위치로 전송될 수 있게 하도록, 또는 예컨대, 실외로, 또는 소정의 희망하는 규격에 따라서 방출된 광을 형상화 및/또는 시준하기 위한 목적으로 소정 실시예의 도광부 또는 시준 소자 내로, 응집된 매우 밝은 광 빔을 직접 방출하도록 하는 것을 목적으로 하는 고강도 및 고휘도의 집중형 광원에 대한 일반적인 요구가 존재한다. 일례로서, 예컨대 HID 램프와 같은 강한 단일 광원을 포함하는 광 엔진이 있다. 통상적으로 적어도 포물선형 미러 및 시준 렌즈를 포함하는 2차 광학계로써, 광원으로부터의 광은 광 섬유 배열체 상으로 투사되어 초점 정합되며, 이는 광 전송을 가능하게 한다. 후자의 예로서는 디스플레이 백라이트 및 자동차용 전조등이 포함된다. 최근, 종래의 광원과 비교할 때 LED 광원의 몇몇 잘 알려진 장점으로 인해서, 종래의 광원을 대신하여 LED 광원의 사용에 대한 관심이 크게 증가되었다.
지난 10년간, LED, 특히 고상 무기 LED의 설계 및 제조에 관한 기술은 이제 무기 백색광 방출 LED가 40 lm/와트 이상의 효율에서 제조될 수 있는 수준까지 급속하게 발전하였다. 이는 종래의 백색 백열 램프(최대 16 lm/와트) 및 대부분의 할로겐 램프(최대 30 내지 35 lm/와트)를 명백하게 능가하는 것이다. 단일 LED 다이로부터의 루멘 출력은 현재 100 lm을 훨씬 초과하는 정도까지 증가되었고, 수년내에 LED 다이 당 2.7 와트의 입력 전력에서 75 루멘/와트의 효율을 달성하여, 200 루멘/LED를 생산하는 것이 가능하게 될 것으로 예상된다. 한편, 여전히 LED 다이 당 제한된 휘도 출력은 가까운 미래의 조명용 LED의 일반적인 응용을 위해서 극복해야할 장애물로 존재한다. 일반적인 광원은 주거용으로 500 내지 1000 루멘, 및 작업용으로 1000 내지 3000 루멘, 즉, 보통의 백열 및 형광 광원의 현행 출력의 범위 내의 광속을 발생시켜야 한다. 이는 수십개에 이르는 LED 다이로부터 출력되는 광이 단일 고정구 내부에서 결합되어, 소위 광 엔진을 제공할 때 비로소 LED에 의해 달성될 수 있다. 이는 그 자체로는 문제가 되지 않지만, 예컨대, 결합된 모든 LED로부터 방출된 광이 작은 크기의 소형 시준 소자의 도움으로 시준되어야 하기 때문에 고광도의 광원이 필요할 때, 이는 문제가 되기 시작한다. 후자의 잘 알려진 예로는 자동차용 헤드 램프가 있다. 여기서, 통상 대략 1500 루멘을 방출하는 H7 할로겐 램프(입력 전력 55 W)를 사용한다. 이러한 루멘은 대략 30 Mcd/m2의 광도로 방출된다. 크세논 HID 램프를 사용하는 경우에, 달성된 광도는 대략 80 Mcd/m2까지 증가한다. 반면에, 단일 1 mm2 LED 다이가 현재 가능한 기술로서 달성될 수 있는 대략 최대치인 50 루멘의 백색광을 방출하도록 제조될 때, 단일 다이의 광도는 할로겐 램프 보다 몇 배 낮으며 통상의 HID 램프의 광도 보다 낮은 차수의 크기인 단지 8 Mcd/m2이다. 다중 LED 다이가 필요할 때, 인접 다이 사이에 공간이 필요하기 때문에, 상황은 현저하게 악화된다.
방출 광의 단일 집중된(concentrated)(시준된, collimated) 빔을 달성하기 위해 다양한 LED 다이로부터 출력된 광을 함께 결합할 수 있는 LED 광 엔진["광 발생기(light generator)"라고도 함]의 일례가 미국 특허 제6,402,347호에 개시된다. 여기서 개별적인 LED 소자가 후방판 상에 장착되고, 이들 각각에는 시준 돔이 구비된다. 인접하게 정렬된 프레넬 렌즈는 예컨대 광학 도광부와 같은 단일 출력 소자 상으로 개별적인 LED 광 빔의 투사를 허용한다. 이 시스템의 주요 문제점은 큰 광 손실이며, 이는 다양한 광학적인 경계부로부터의 반사로 인해 대략 60 %에 이르는 양이 될 수 있다. 이 광 엔진의 다른 불이익은 그 부피이며, 2차 광학계의 바람직한 정밀도의 정렬은 이러한 광 엔진의 비용을 상승시킨다. 지금까지는 이러한 LED 광 엔진의 크기 및 비용은 보통의 고강도 광원의 것을 크게 초과한다.
그러므로, 본 발명의 목적은 생산하기에 용이하고 저렴하며, 소형 치수를 가지고, 알려진 LED 기반 광 엔진보다 양호한 성능을 보이는 LED 기반 광 엔진을 제공하는 것이다.
이 목적을 위하여, 본 발명은 적어도 하나의 어퍼쳐(aperture)를 구비한 챔버와 이 챔버 내측에 위치된 다수의 LED 소자를 포함하며, 여기서 챔버의 사실상 모든 내측 표면은 바람직한 파장 영역 특히 가시 영역, UV 영역 및/또는 적외선 영역 내의 광에 대하여 본질적으로 비흡수성인 고반사, 양호하게는 확산 반사["백색 반사(white-reflective)"라고도 함] 표면으로 실현되는 광 엔진을 제공한다. "고반사(high-reflective)"라는 용어는 100 %에 접근하는, 양호하게는 95 % 이상, 보다 양호하게는 98 % 이상의 반사도로서 이해되어야 한다.
만일 본 발명에 따라, LED 소자들 사이의 표면 영역을 포함하여 LED 소자에 의해 점유되지 않은 모든 내측 표면이 고반사성을 가진다면, 본질적으로 LED 소자에 의해 방출된 모든 광은 아마도 다중의, 될 수 있는 한 무수한 반사 이후에 개구를 통해 챔버를 떠날 것이다. 이러한 챔버 내측의 광의 다중 반사 현상은 "내부 광 재순환(internal light recycling)"이라고 알려져 있다. 이러한 구조에서, 모든 내부 챔버 표면은 LED 소자의 표면인 경우처럼 그 자체에서 광을 방출하든지, 광을 반사하든지 간에, 사실상 방출 표면이다. 본 발명에 따른 광 엔진은 종래 기술의 광 엔진의 내부 2차 광학계를 포함하지 않으며, 따라서 제조에 보다 경제적이다. 필요하다면, 본 발명에 따른 광 엔진에는 광 엔진으로부터의 방출 광 빔을 형상화 및/또는 시준하기 위해 광 엔진 개구 근방에 제공되는 것이 양호한 외부 2차 광학계가 제공될 수 있다.
"적분구(intergrating sphere)" 또는 소위 "울브리히트 구(Ulbricht sphere)"와 같이 구조화된, 이 방식으로 설계된 챔버에서, 챔버 내부의 LED에 의해 방출된 광의 월등히 많은 부분은 실제로 개구를 통해 챔버를 빠져나갈 것이다. 명백하게, 전체 광 엔진의 효율은 최종적으로 챔버의 내측 표면의 달성된 반사도에 의존한다. 내측 표면의 반사도가 정확하게 100 %에 도달할 가능성은 없더라도, 이 한계는 매우 근접하게 잘 도달될 수 있다. 본 발명에 따른 광 엔진에 의해 매우 양호한 성능이 얻어질 수 있다는 것이, 이하에서 설명되며, 이로 인해 최종적으로 얻어진 수치는 챔버 내부의 LED 패킹 밀도, LED의 반사도, 및 광에 노출되는 광 엔진의 전체 내부 표면 면적에 대한 어퍼쳐 개구의 크기 등과 같은 광 엔진의 정확한 구성 파라미터에 항상 의존한다. 그러므로, 정확한 구성 파라미터는 목적하는 응용 분야에 적합하게 선택될 수 있다.
이하에서, LED는 고상 무기 LED 다이라고 가정되는데, 이는 이들이 현재 충분한 휘도 강도로써 사용가능하기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 충분한 성능을 전달할 수 있는 한, 예컨대, 레이저 다이오드, 다른 유형의 다른 소정의 전자 발광 소자 또는 유기 LED가 사용될 수 있다. 그러므로, 이하에서 "LED"라는 용어는 적절한 소정 유형의 전자 발광 소자에 대한 동의어로서 간주되어야 한다.
종속항 및 후속 설명에서는 본 발명의 특징 및 특히 유익한 실시예를 개시한다.
내측 표면의 반사도는 기본적으로 어떤 방식으로도 달성될 수 있다. 단지 중요한 것은 반사도가 충분히 높아야 한다는 것이며 98% 이상이 양호하다. 고반사 표면은 챔버 벽의 내측 표면 위로 확산 반사 재료를 분포시킴으로써 실현되는 것이 양호하다. 예컨대, 내측 표면은 충분한 두께의 입자/바인더 코팅의 형태의 적절한 재료로써 코팅될 수 있다.
본 발명의 특히 양호한 실시예에서, 확산-반사 재료는 챔버 벽의 내측 표면과, 적어도 요구되는 파장 영역에 대해서는 투명한, 덮개 판의 사이에 수납된다. 따라서, 확산 반사 재료는 챔버 벽의 내측 표면과 투명 덮개 판 사이에 개재된다. 이러한 구성은 반사성 건조 분말, 양호하게는 자유-유동 분말과 같은 확산 반사성 재료의 사용을 가능하게 한다. 적합한 반사성 백색 분말에는 Al2O3, YBO3, BaSO4, TiO2, Ca-피로인산염, MgO, 또는 이들 입자의 혼합물을 포함될 수 있다. 소정의 유기 바인더 재료의 부재(不在)는 분말 입자의 반사도를 증가시키고 시간 경과에 따른 점진적인 변색을 방지한다. 5 내지 15 ㎛의 평균 입자 직경에서의 Ca-피로인산염의 사용은, 그 저렴함 및 용이한 사용성, 화학적 순도, 고온(1000℃ 이상)에 대한 내열성, 챔버의 내측 표면과 덮개 판 사이의 상대적으로 협소한 공간에 건조 분말 입자로 용이하게 충진할 수 있게 하기에 유용한 대략 1% w/w 알론-C 나노입자(즉, Al2O3 나노입자, 데구사 게엠바하, 독일)와 혼합될 때 자유 유동 입자로서의 거동 능력, 및 900℃에서의 어닐링 후에 가시광에 대한 검증된 비흡수 특성으로 인해, 특히 권장된다. Ca-피로인산염으로써, 반사성 분말층은 적어도 98% 내지 99%의 반사도를 달성하기 위해 적어도 2mm의 두께를 가지는 것이 양호하다.
입력 전력을 광으로 변환하는 것과 관련하여 최대 가능 효율을 얻기 위해서, LED 소자 내에서 생성된 광의 가능한 많은 부분이 실제적으로 LED를 빠져나와 챔버 내부로 진행하는 것이 필요하다. LED 다이 표면과 주변부 사이의 경계층에서 일어나는 내부 반사로 인하여, 여기에 문제점이 없는 것이 아니다. 그러므로, 본 발명의 양호한 실시예에서, 광 엔진은 챔버 내의 LED 소자에 의해 방출되는 광의 아웃커플링(outcoupling)을 증진시키기 위한 아웃커플링 수단을 포함한다.
아웃커플링 수단은 예컨대, 실리콘 수지 및/또는 소정의 유기 중합체 재료로 만들어진 투명 돔을 포함할 수 있으며, 이들 각각은 관련 LED 소자의 광 방출 표면에 광학적으로 연결된다. LED 소자 및/또는 LED 장치 본체가 장착되는 챔버 벽을 덮기 위해, 그리고 확산 반사 백색 재료를 덮거나 개재하기 위해 덮개 판이 사용될 때, 돔이 덮개 판 내의 구멍을 통해서 돌출되는 것이 양호하다. LED 소자 둘레의 이러한 투명 돔의 존재는 LED 다이로부터의 광 아웃커플링을 향상시킨다. 한편, 이들의 존재는 광 엔진 챔버 내측에서 재순환하는 내부 광이 실현될 수 있는 효율에 역효과를 줄 수 있다. LED 특성 및 관련된 파장에 따라서, 광 흡수는 돔 내측의 바닥부에서 또는 관련 LED 소자에 직접적으로 인접해서 발생할 수 있다. 또한, 광 엔진의 내측 상의 고반사 코팅은 돔들 사이에 위치된 내측 벽 표면 영역 상에만 존재하고, 돔은 관련 LED 다이 자체의 단면 보다 현저하게 큰 단면을 가진다.
그러므로, 대체 실시예에서, LED 돔은 단순 생략된다. 그리고, 백색 반사 코팅은 LED 다이 소자 사이에 인가될 수 있고 돔이 사용되는 상황과 비교해서 내측 벽 표면 영역의 실질적으로 보다 큰 분율(fraction)을 덮을 것이다. 맨 LED 다이로부터의 광 아웃커플링이 본래 덜 효과적이기 때문에, 노출된 LED 다이 표면은 다이와 광학적 접촉상태에 있는 투명 확산 코팅 층으로 덮히는 것이 양호하며, 또는 마이크로 구조체가 LED 다이 표면에 직접 인가된다. 후자의 조치는 LED 다이로부터의 광 아웃커플링을 향상시킨다.
대부분의 양호한 실시예에서, 반사 재료를 덮는 투명 덮개 판은 또한 LED 소자를 덮으며, 아웃커플링 수단은 다수의 투명 아웃커플링 요소를 포함하고, 이들 각각은 관련 LED 소자의 광 방출 표면으로부터 투명 덮개 판까지 연장한다. 이로 인해, 광 투명 아웃커플링 소자가 그 자체로 덮개 판의 일부를 형성할 수 있다.
투명 아웃커플링 요소는 아웃커플링 요소와 투명 덮개 판 사이의 경계부에서 아웃커플링 요소와 관련 LED 소자사이의 경계부에서 보다 넓은 단면을 가지는 것이 양호하다. 예컨대, 투명 아웃커플링 요소는 관련 LED 소자로부터 멀어지는 방향으로 넓어지는 단면을 특징으로 하는 원뿔형, 포물선형, 또는 피라미드 형상을 가질 수 있다. 이러한 형상은 투명 아웃커플링 요소가 LED 다이 내에서 생성된 광을 아웃커플링하여 광 도체처럼 투명 덮개 판을 통해 챔버의 내부로 광을 전도하는 것을 보조할 뿐만 아니라, LED의 방출 각도를 제한하는 LED용 시준기로서 작용하는 것을 보조하는 것을 보장한다.
본질적으로, 예컨대, 광 변환 물질(통상적으로 형광성 또는 "인광성" 코팅이라고 함)로 코팅되는 LED 다이 같은 소정의 LED 소자가 사용될 수 있다. 이러한 LED의 인광성 코팅은 소정 파장에서 LED에 의해 방출된 광의 적어도 일부는 상이한 파장으로 변환되어서, 전체 광이 요구되는 파장 특성, 즉, 소정 색상으로 방찰되는 것을 보장한다. 광 간섭층은 LED 다이 내에서 생성된 광의 인광층 내로의 전송을 향상시키고 인광층으로부터 LED 다이 내로 인광-변환된 광의 전송을 감소시키기 위해 기능하는 LED 다이 표면 상의 인광 코팅과 LED 다이 사이에 배열될 수 있다.
인광성 변환 LED가 사용되는 경우에, 인광성 입자와 같은 광 변환 물질은 챔버 벽의 내측 표면 위의 입자/바인더 코팅으로서 분포되거나 챔버 벽의 내측 표면과 투명 덮개 판 사이의 바인더 없는 건조 분말층으로서 협지되는 예컨대 백색 반사 분말의 반사 재료 위 또는 내부 중 하나에 분포될 수 있다. 이는 처리/패킹의 관점으로부터 용이하고 저렴할 뿐만 아니라, 인광 포화 현상을 방해하고 다이로부터의 루멘 출력을 상승시키는 것을 보조해야 하는 전략을 제공한다. 예컨대, 건조 분말의 단순 혼합을 통해 인광물을 확산 반사 백색 분말 내에 통합하는 것은, 인광체의 보다 많은 양은 상대적으로 넓은 표면 영역을 가로질러 살포될 수 있기 때문에, LED 소자의 제조를 단순화하고, 높은 광 강도에서 인광 포화를 회피한다. 확산 반사 백색 분말층 또는 확산 반사 입자/바인더 코팅 내의 인광물의 양 및 위치설정은 적합한 색상 포인트가 얻어지도록 최적화될 수 있다. 이 경우, 인광물 없는 LED 소자가 또한 사용될 수 있다.
추가적으로 또는 선택적으로, 예컨대, 적색, 녹색, 청색의 파장 특성을 변경시키는 LED 소자가 사용되어서 광 엔진 내부에 필요에 따라 위치설정될 수 있다. 적합한 색상 혼합의 논점은 개별적인 LED 다이가 외부로부터 직접 관찰될 수 없고 내부적인 색상 혼합은 내부 광 재순환 처리에 의해 처리되기 때문에, 본 발명에 따른 광 엔진이 사용될 때 자동적으로 해결된다.
어퍼쳐는 챔버 벽 내에 기본적으로 단순 개구를 구성할 수 있다. 광 엔진의 성능에 관한 어퍼쳐 파라미터의 효과는 이후에 상세하게 논의될 것이다. 광 도체 소자는 광 엔진 내에서 생성된 광이 내부에 포획되는 예컨대 광 섬유 또는 유사물과 같은 어퍼쳐 근방, 내부 또는 그 위에 배열될 수 있다. 본 발명의 양호한 실시예에서, 빔 형성 소자는 어퍼쳐 내부 또는 근방에 배열된다. 예컨대 렌즈, 원뿔형 요소, 피라미드형 요소, 또는 포물선형 요소의 형태의 광 시준 소자가 특히 양호하다. 어퍼쳐를 통해 빠져나가는 광은 한정된 방출 각 내로 시준되고, 또는 이러한 시준 소자에 의해 한정된 공간/각도 광 강도 분포 패턴 내로 형상화된다.
광 엔진 내부에 존재하는 다양한 광학적 경계부, 예컨대 챔버 내부와 투명 덮개 판 사이 및/또는 챔버 내부와 아웃커플링 수단 사이 및/또는 챔버 내부와 광 엔진 어퍼쳐에 배치된 시준 소자 사이, 및/또는 챔버 내부와 LED 다이 표면 사이의 경계부에서의 내부 반사를 통한 광 손실을 최소화하기 위해, 챔버는 투명 덮개 판 및/또는 아웃커플링 수단 및/또는 시준 소자 및/또는 LED 소자의 굴절 지수에 접근하거나 보다 양호하게는 일치하는 굴절 지수를 가짐으로써 가시광 및/또는 LED 내에서 생성되어 방출되는 광에 대한 다양한 광학적 경계부의 "광학적인 가시성"을 감소하거나 심지어 제거하는 재료로 충진되는 것이 양호하다.
이 재료는 바람직한 (일치하는) 굴절 지수를 가지며 양호하게 실질적으로 가시광에 대하여 및/또는 LED 다이 내에서 생성되어 방출되는 광에 대하여 비흡수성을 가지는, 투명 액체, 특히 오일 또는 고체 수지, 특히 실리콘 수지와 같은 유기 매체일 수 있다. 이 방법은 또한 공동 내의 충진 재료가 상기 광학 소자와 광학적 접촉 상태에 있을 때 광 엔진의 어퍼쳐에 위치된 광학 소자로부터 프레넬 반사를 최소화한다. 양호한 실시예는 이 재료가 LED 소자의 전방 단부 냉각을 위해 사용되기도 하는 액체 재료일 때 얻어진다. 양호하게, 유체의 냉각 효과를 증가시키기 위해 액체 재료는 이후 광 엔진 공동과 소정의 추가적인 외부 냉각 장치 사이에서 유체로서 그 주변에 펌핑된다.
본 발명에 따른 광 엔진은 소정의 LED 조명 응용분야에 대해 사용될 수 있고, 조명은 조정가능한 광도 및 색상의 광 출력 빔을 구비한 제한된 영역의 광 출력 어퍼쳐를 가지는 것을 특징으로 하며, 여기서부터 광이 소정의 원격 위치, 특히 자동차용 헤드램프와 같은 자동차용 광 시스템으로 전송될 수 있다. 방출된 광 출력 빔의 광도는 광 엔진 내부의 개별적인 LED 소자에 전달되는 전력을 변경함으로써 편리하게 조정될 수 있다. 방출된 광 출력 빔의 색상은 또한 파장 특성을 변경한 LED 소자, 예컨대 적색, 녹색, 청색 LED 소자가 광 엔진 내에 존재하는 환경하에서 개별적인 LED 소자로 전달되는 전력을 변경함으로써 조정될 수 있다.
본 발명의 다른 목적 및 특징은 첨부된 도면과 연관하여 고려된 이하의 상세한 설명으로부터 명확해 질 것이다. 그렇지만, 도면은 단지 예시를 위한 것일 뿐 발명의 한계를 한정하려는 것이 아니다. 도면 전체에서 유사한 도면 부호는 동일한 요소를 지시한다.
도1은 본 발명에 따른 광 엔진의 제1 실시예를 도시한 도면이다.
도2는 도1에 따른 광 엔진의 챔버의 벽의 일부를 도시한 확대도이다.
도3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 엔진의 챔버의 벽을 도시한 확대도이다.
도4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광 엔진의 챔버의 벽을 도시한 확대도이다.
도5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 광 엔진의 챔버의 벽을 도시한 확대도이 다.
도6은 본 발명에 따른 광 엔진의 제5 실시예를 도시한 도면이다.
도7은 본 발명에 따른 광 엔진의 제6 실시예를 도시한 도면이다.
도8은 본 발명에 따른 광 엔진의 제7 실시예를 도시한 도면이다.
도9는 본 발명에 따른 광 엔진의 제8 실시예를 도시한 도면이다.
도10은 본 발명의 제9 실시예에 따른 광 엔진용 챔버의 형상을 도시한 단순화된 개략도이다.
도11은 광 엔진으로부터 방출되는(전송되는) 내부적인 발생 광의 분율(T)과, 개별적인 LED 소자의 광도에 대한 표준화된 광 엔진의 어퍼쳐로부터의 방출 광 빔의 광도를 지시하는 광도비(B)와, 품질 파라미터(Q)에 대한 어퍼쳐 분율(f)의 영항을 도시한 도면이다.
도12는 내측 반사 벽 표면 및 LED 표면의 다양한 반사도에 대한 어퍼쳐 분율(f)에 대한 품질 파라미터(Q)의 의존도를 도시한 도면이다.
도13은 광 엔진의 내측 벽 상의 LED 소자의 소정 패킹 밀도(θLED)에 대한 어퍼쳐 분율(f)에 대한 품질 파라미터(Q)의 의존도를 도시한 도면이다.
도14는 다양한 어퍼쳐 분율(f)에 대한 시준 각(θC)에 대한 광 집중도 인자(L)의 의존도를 도시한 도면이다.
도15는 특정 제1 어퍼쳐 분율(f)에 대한 다양한 LED 패킹 밀도(θLED)에 대한 시준 각(θC)에 대한 광 집중도 인자(L)의 의존도를 도시한 도면이다.
도16은 특정 제2 어퍼쳐 분율(f)에 대한 다양한 LED 패킹 밀도(θLED)에 대한 시준 각(θC)에 대한 광 집중도 인자(L)의 의존도를 도시한 도면이다.
도면 내의 물체의 치수는 명확성을 위해서 선택된 것이며, 실제 상대 치수를 반영한 것은 아니다.
도1 및 도2는 본 발명에 따른 광 엔진의 특히 양호한 실시예를 도시하며, 여기서, 도1은 전체 광 엔진의 단면을 도시하고, 도2는 챔버 벽의 확대 단면을 도시한다.
광 엔진(1)은 예컨대, 장방형 또는 원통형식으로 구성된 챔버(6)를 포함한다. 표면 영역(Aexit)의 개구 또는 어퍼쳐(7)가 챔버(6)의 상단부에 위치되고 시준 소자(8)에 연결된다. LED 소자(13)는 서로로부터 소정 거리로, 즉, 특정 격자형상으로 외벽을 따라서 어퍼쳐(7)에 대향하는 내측 표면 상에 챔버(6)의 내측 벽(10) 상에 위치된다. 이들 LED 소자(13)는 아웃커플링 요소(15)를 경유하여 투명 덮개판(11)에 연결된다. 　
투명 덮개판(11)은 챔버(6)의 내측 벽과 소정 거리를 두고 챔버(6) 내에 위치된다. 어퍼쳐(7)를 구비한 상단측을 포함하는 챔버(6)의 모든 벽(10)은 투명 덮개판(11)으로 덮인다. 투명 덮개판(11)과 챔버(6)의 벽(10)의 내측 표면 사이의 간극은 확산 반사 백색 분말로 충진된다. 반사 백색 분말에 적합한 후보는 Al2O3, TiO2, YBO3, BaSO4, Ca-피로인산염, Ca-할로인산염, 또는 MgO이다. 투명 덮개판(11)에 적합한 재료는 PMMA(폴리메틸-메타크릴레이트), PC(폴리카보네이트), 수지성 실리콘 화합물 및 유리를 포함한다. 이러한 구조는 LED 다이에 의해 점유되지 않은 챔버(6)의 모든 내측 표면(20)이 높은 반사도를 가지도록 보장한다.
벽의 구성은 도2에서 상세하게 볼 수 있다. 여기서, 개별적인 LED 다이(13)는, 또한 양호하게 LED 다이 주변의 반사성 상단 표면을 특징짓는 장착 슬러그(14) 상에 장착된다. 투명 절단 역전형 피라미드 또는 원뿔 형상은 투명 덮개판(11)에 광학적으로 결합되는 아웃커플링 요소(15)로서 기능한다. 또한, 이들 아웃커플링 요소(15)는 수지 또는 소정의 다른 적합한 접착식 재료에 의해 LED 다이(13)에 광학적으로 결합된다. 아웃커플링 요소(15)를 수지 또는 유사한 재료로써 투명 덮개판(11)에 광학적으로 결합하는 대신에, 이들은 또한 양호하게 투명 덮개판(11)의 일부로서 직접 형성될 수도 있다. 아웃커플링 요소(15)는 방출 광을 광 엔진(1)의 내부(9)를 향해 안내한다. 원통형 아웃커플링 요소(15)의 단면은 관련 LED 다이(13)로부터 멀어지는 방향으로 넓어진다. 양호하게 아웃커플링 요소는 수직방향에 대해 5°와 65° 사이의 경사각을 특징으로 하며, 20°와 50° 사이의 경사각을 특징으로 하는 것이 보다 양호하고, 수직방향에 대해 약 45°의 경사각을 특징으로 하는 것이 가장 양호하다.
투명 덮개판(11)과 챔버(6)의 불투명 외부 벽(10)의 내측 표면 사이의 거리, 즉 확산 반사 분말층(12)의 두께는 대략 2 내지 3mm인 것이 양호하다. 분말층(12)은 챔버(6)의 고반사 표면을 제공하고, 이는 내부 광 재순환을 가능하게 한다. 시준 소자(8)는 어퍼쳐(7) 상에 배열되고, 예컨대, 투명 플라스틱 재료로 만들어지며, 광 엔진(1)의 어퍼쳐(7)로부터 방출되는 광을 수용한다. 시준 소자(8)의 형상은 실질적으로 시준 소자(8)의 출구 표면으로부터 방출 광 빔의 전파 방향에 대해 측정된 시준 반각(θC)보다 큰 각으로 아무 광도 방출되지 않도록 선택된다.
투명 덮개판(11)으로부터 챔버(6)의 내측 내로 광 아웃커플링을 개선하고, 챔버(6)로부터 시준 소자(8)내로의 광의 결합을 단순화하기 위해, 전체 챔버(6)의 내부(9)는 투명 덮개판(11)의 굴절 지수와 시준 소자(8)의 굴절 지수가 접근하거나, 양호하게는 가능하면 일치하는 굴절 지수를 가지는 고체 또는 액체 매체(22)로 충진된다. 이로 인해, 덮개판(11)과 매체(22) 사이의 경계부 및 시준 소자(8)와 매체(22) 사이의 경계부에서 반사를 유발하는 원치않는 광 손실이 회피되거나 적어도 감소된다. 매체(22)가 액체 매체인 경우, 액체는 예컨대, 챔버(9)와 외부 냉각 장치 사이의 액체 매체(22)를 펌핑함으로써 전방 단부 LED 냉각 목적을 위해 사용될 수도 있다.
도3은 챔버(6)의 벽(10)의 내측 표면의 다소 수정된 구성을 도시한다. 여기서, LED 다이(13)는 챔버 벽(10)의 내측 표면 상에 직접 장착된다. 광학 접촉층(16)은 각각의 LED 다이(13) 상에 위치된다. 이 접촉층(16)은 LED 다이(13)로부터의 광 아웃커플링을 향상시키기 위해 확산 입자를 내포한다. 투명 덮개판(11)은 연장부 또는 브릿지부로서 작동하고, 접촉층(16)과의 광학적 접촉부를 제공하기 위해, 투명 덮개판(11)으로부터 LED 다이(13)를 향해 돌출하는 블록형 아웃커플링 소자(15')를 특징으로 한다. 투명 덮개판(11)과 벽(10)의 내측 표면 사이의 공간은 여기서도 반사 건조 백색 분말(12)로 충진된다.
도4는 다른 가능한 구성을 도시한다. 도3과 마찬가지로, LED 다이(13)는 내측 벽(10) 상에 위치된다. LED 다이 표면을 통해 LED 다이(13)에 의해 방출된 광의 아웃커플링을 용이하게 하기 위해, LED 다이(13)는 LED 다이 표면과 광학적으로 접촉하고 있는 투명 확산층(17)에 의해 둘러싸이는 것이 양호하며, 이로 인해, LED 다이(13)로부터의 챔버(6) 내부로 광 아웃커플링을 향상시킨다. 고 확산-반사 백색 입자/바인더 층(18)은 개별적인 LED(13) 사이에 위치된 내측 벽(10)의 표면을 덮는다.
도5에서, 다른 가능한 구성이 도시되며, 여기서 각각이 LED 다이 소자(도면에 도시안됨)를 구비한 LED 장치 본체(23)는 외부벽(10)의 내측 표면 상에 장착된다. LED 다이 소자 자체는 LED 돔(19) 내에 수납되고, 이는 LED 다이로부터 방출된 광의 양호한 아웃커플링을 보장한다. LED 돔(19)이 통과해 돌출하는 격자 패턴 내의 적절한 개구를 구비한 덮개판(21)은 LED 장치 본체(23)를 덮는다. LED 돔(19) 사이의 덮개 판(21)의 표면은 고반사 코팅층(18)을 제공하는 충분한 두께를 가지는 백색 확산 반사 입자/바인더 코팅(18)으로 덮인다.
광 엔진(2)의 다른 예시적인 구성이 도6에 도시된다. 도1에 도시된 예와의 기본적인 차이점은 챔버(6)가 도1의 광 엔진(1)의 것과 상이하게 구성된다는 것이다. 여기서, 챔버(6)는 개별적인 LED가 도1에 도시된 예와 같이 장착되는 플로어 벽(10)을 특징으로 한다. 그렇지만, 측벽(10')은 이제 플로어 벽(10)으로부터 어퍼쳐(7)를 향해 원통형으로 연장한다. 이들 측벽(10') 상에는 LED가 위치되지 않는다. 요구되는 고반사 내측 표면(20)을 제공하기 위해서, 플로어 벽(10)으로서 투명 덮개판(11)이 측벽(10')의 내측으로부터 대략 2 내지 3mm의 거리를 두고 배열되고, LED 장착 소자(14), 다이(13) 및 아웃커플링 요소(15) 사이에서의 플로어 벽(10)과 덮개판(11) 사이의 공간과 마찬가지로, 덮개판(11)과 측벽(10') 사이의 공간은 고반사 백색 분말(12)로써 충진된다. 다시, 시준 소자(8)는 어퍼쳐(7)에 배열된다. 광 엔진(1)에 비해 광 엔진(2)의 이점은 감소된 체적, 특히 그 감소된 높이에 있다. 한편, 측벽(10')이 LED 소자에 의해 점유되지 않기 때문에, 챔버의 내측 벽의 전체 영역에 비해 LED 소자의 수는 적어진다.
본 발명에 따른 광 엔진(3)의 다른 실시예가 도7에 도시된다. 광 엔진(3)의 하우징(6)은 광 엔진(2)의 하우징과 동일한 기하학적 형상을 가지는 것을 특징으로 한다. 그렇지만, LED 소자는 도5에 도시된 것과 동일한 방식으로 기부(10) 상에 장착되는데, 즉, LED 장치 본체(23), LED 다이(도면에 도시안됨)가 내부에 수납되는 지지 LED 돔(19)이 기부(10)를 점유한다. 측벽과 마찬가지로 LED를 위에 장착하는 기부 벽(10)의 표면과 LED 장치 본체(23)의 상단부는 모두 돌출 돔(19)만 도포되지 않은 상태로 남기고 백색 확산 반사 코팅(18)으로 도포된다. LED 돔(19)이 통과해 돌출하는 격자 패턴의 적절한 개구를 구비한 투명 덮개판(11')은 LED 장치 본체(23)를 덮는다. 상기 투명 덮개판(11')과 외부 벽(10)의 내측 표면 사이의 공간은 반사 백색 건조 분말(12)로 충진된다. 측벽(10')의 내측 표면과 투명 덮개판(11) 사이에 반사 재료(12)가 배치된 상태로 어퍼쳐(7)를 협소하게 하는 원뿔형 측벽(10')은 도6의 광 엔진(2)과 동일한 방식으로 구성된다.
도8은 본 발명에 따른 광 엔진(4)의 다른 실시예를 도시하며, 외부 하우징(6)에 관해서는 도7에 도시된 예와 동일한 방식으로 구성된다. 그렇지만, 도7의 예와는 달리 투명 덮개판(11')이나 반사 백색 분말(12)은 여기서 사용되지 않는다. 대신, 원통형 챔버 벽(10')은 고반사 표면(20)을 제공하기 위해 여기서도 백색 확산 반사 입자/바인더 층(18)으로써 그 내측면이 덮여진다. 추가적으로, 백색 확산 반사 입자/바인더 층(18)은 챔버 벽(10)의 내측면 및 투명 돔(19)들 사이에 위치된 LED 장치 본체(23)의 표면 상에 존재한다.
도9는 본 발명에 따른 광 엔진(5)의 다른 실시예를 도시하며, 이는 본질적으로 도1 및 도6의 예와 단지 챔버(6)의 외부 형상만 상이하다. 챔버의 하부는 소정의 격자 패턴으로 배열된 LED 소자(13)에 의해 각각 점유된 기부 벽(10) 및 측벽(10)을 구비한 원통형 또는 장방형상이다. 챔버(6)의 상부는 도6의 광 엔진(2)의 원뿔형상 측벽(10')과 동일한 방식으로 어퍼쳐(7)를 향해 원통형으로 좁아진다. 챔버(6)의 상부의 원뿔형 벽(10')은 내측이 LED 소자(13)에 의해 점유되지 않으며, 단지 고반사 표면(20)만을 가진다. 이 고반사 표면(20)은 다시 벽(10, 10')으로부터 거리를 두고 배열된 투명 덮개판(11)에 의해 형성되며, 백색 반사 분말(12)이 벽(10, 10')의 내측 표면과 덮개판(11) 사이의 공간을 채운다.
도6 내지 도9에 도시된 모든 경우에서, 챔버(6)의 내부(9)는 도1의 광 엔진(1)과 연관해서 설명된 바와 같이 적절한 반사 지수를 가지는 고체 또는 액체 매체(22)로써 채워지는 것이 양호하다.
다른 예는 챔버(6)가 기본적으로 소정 종류의 기하학적 외부 형상을 가질 수 있다는 것을 보여준다. 또한, 어퍼쳐(7)는 반드시 측벽 내의 원형 개구이어야 할 필요는 없으며, 반드시 광학 소자(8)가 제공될 필요는 없다는 것이 강조되어야 한다. 소정의 측벽은, 양호하게는 상대적으로 작은 치수를 가지는 측벽은 어퍼쳐(7)를 제공하며 단순히 구성에서 제외될 수 있다. 이는 도10에 개략적으로 단순화된 원통형 챔버(6)에 의해 도시된다. 기본적으로 이러한 챔버(6)는 소정 기본 기하학적 표면, 예컨대, 대향 측 상의 개구를 가질 수 있다. 예컨대, 양측 모두의 작은 면이 외부를 향해 개방되어 있는 긴 광 엔진 큐브를 또한 상상할 수 있다. 이는 광 엔진의 의도된 기능 및 광 엔진이 작동될 공간적인 제약에 의존한다.
챔버 기하학적 형상, 챔버 내의 LED 소자의 수, 어퍼쳐의 크기 등과 같은 정확한 구성 파라미터는 광 엔진의 최대 크기와 같은 제약 및 요구되는 출력 파라미터에 의존한다. 따라서, 이하에서는 얻을 수 있는 출력 파라미터가 광 엔진의 구성 파라미터에 어떻게 의존하는지 설명한다.
표면적(Aexit)의 단일 어퍼쳐 또는 출구 포트(7) 및 출구 포트 면적(Aexit)을 포함하는 전체 내부 표면적(Aengine)을 가지는 도1에 도시된 광 엔진 박스를 가정한다. 각각 (돌출된) 평평한 상단 면적(ALED)을 가지는 개별적인 LED 다이 소자(13)의 전체 NLED 개가 광 엔진(1)의 벽(10)의 내부 표면 상에 장착되었다고 가정한다. 각 LED 소자(13)는 반사도(RLED)를 가지며 그 다이 면적(ALED)으로부터 루멘 광속(φ LED)을 방출한다고 가정된다. 반사도(Rwall)의 백색 확산 반사벽(20)이 LED 소자(13)의 둘레로 측방향으로 존재한다.
어퍼쳐 출구 포트(7)를 경유하여 외부로 빠져나가는 내부 발생광의 전송 분율(T)은 이하의 급수를 따른다.
Figure 112007018102913-pct00001
이는 어퍼쳐 분율이 아래와 같을 때,
Figure 112007018102913-pct00002
식(1)과 등가이다.
Figure 112007018102913-pct00003
이로 인해, Rav는 광 엔진의 내부 벽 표면의 비출구 부분의 평균 내부 반사도(Rav)를 지시하며, 이하의 식을 따른다.
Figure 112007018102913-pct00004
여기서 아래 식은 LED 소자(13)로 덮인 내부 광 엔진 표면적(Aengine-Aexit)의 분율을 지시한다.
Figure 112007018102913-pct00005
상기 등식은 내부 광 엔진 벽의 어떤 특정 형상도 가정하지 않는다. 한편, 식(1)에서 급수의 확장은 작은 어퍼쳐 분율(f)에 한한다. 단일 평평형 광 방출 표면을 포함하는 광 엔진의 극단적인 경우에, 어떤 반사 표면도 방출 광원 방식이 아니기 때문에, T=1의 정의에 의해 최대 f=0.5를 가진다. 이 경우, 식(1)은 T<1으로 잘못 예측하지만, 이 오류는 용이하게 달성될 수 있는 Rav>0.90에 한하지 않는다.
실제적인 광 엔진에 대해서, 상한 f≒0.3 내지 0.4은 유지되는 것이 양호하지만, 본 발명에 따른 광 엔진의 개념은 명백하게 보다 작은 값의 f에 대해 더 관심이 있다. 예컨대, 6개 면중 단 하나가 개벙되는 정육면체 큐브로서 구현되는 광 엔진은 어퍼쳐 분율 f=0.17을 가진다. 2개의 작은 면 중 단 하나를 개방 상태로 유지하면서 큐브를 보다 장방형으로 만듬으로써 보다 작은 값의 어퍼쳐 분율(f)이 용이하게 얻어질 수 있다. 본 발명의 양호한 실시예에서, 어퍼쳐 분율(f)은 0.15 이하가 되어야 하고, 보다 양호하게는 0.1 이하가 되어야 한다. 예컨대, 2cm의 직경, 3cm의 챔버 길이 및 1cm의 어퍼쳐 직경을 가지는 도1에 따른 광 엔진(1)은 어퍼쳐 분율 f=0.03을 가진다.
RLED=Rwall=Rav=1인 경우, 광 손실이 존재하지 않으며, 임의의 작은 어퍼쳐 분율(f)에 대해 식(1)에 따라서 T=1을 얻는다. 이는 f→0일 때, 이론적으로 극히 높 은 광도 수준의 생성을 가능하게 할 것이다. 그렇지만, 현실적으로 광 손실은 절대 완전히 회피될 수 없기 때문에 이는 불가능하다.
그러므로, 시스템 파라미터의 함수로서 광 엔진(1)의 어퍼쳐 출구 포트(7)에서의 얻을 수 있는 광도에 대한 식을 유도한다. 개별적인 LED 다이 소자(13)의 광도 수준(BLED)에 대한 표준화된 [시준 소자(8)가 없는 것으로 가정해서] 어퍼쳐 출구 포트(7)에서의 광도(Bexit)로 정의하는 광도비(B)는 이하의 식으로부터 얻어지며, 이는 LED 다이(13)와 어퍼쳐 출구 포트(7)가 모두 시준되지 않은 광(즉, θc=90°인 람베르트 광)을 방출할 때 유효하다.
Figure 112007018102913-pct00006
또한, 소위 "광도 집중 인자"라고 하는 2차 광도비 L(θc)에 대한 관계식을 이하와 같이 유도하는 것이 유익하며, 이는 [시준 소자(8)의 돌출된 광 방출 출구 표면(Acol)일 수 있는] 광 방출 출구 표면의 광도[Bexit(θc)] 대 LED 소자(13)가 패 킹 밀도(θLED)로 장착되는 가상 평평 스크린의 표면적(Ascreen = Aengine - Aexit)의 스크린 평균 광도[Bscreen(θc)]의 비를 지시한다.
Figure 112007018102913-pct00007
여기서, 광은 빔의 전파 방향에 대해 시준 반각(θc) 내로 각도적으로 제한되는 시준된 빔으로서 방출되는 것으로 가정된다. 시준되지 않은 광에 대해서, θc = 90°이다.
광 집중도 인자[L(θc)]의 인지는 NLED개의 다이가 동일한 표면 패킹 밀도로 평평 광 방출 스크린 상에 단순히 장착되는 보다 단순한 상황과 비교해서, 표면 패킹 밀도(θLED)로 광 엔진(1) 내측에 함께 NLED개의 다이를 패킹함으로써 순수 광 집중도가 달성되었는지 여부를 지시한다. L(θc)>1인 값은 상대 광(광도) 집중을 지시하고, L(θc)<1인 값은 상대 광(광도) 희석을 지시한다. 명백하게, 가능한 큰 L(θc)의 값이 실제적으로 가능하며, 1보다 큰 소정값이 일반적으로 요구된다.
도1에 도시된 바와 같이 광 엔진(1)이 2D적으로 시준된 광을 방출하도록 만들어진 경우에, 관련된 출구 포트 표면적은 광 엔진(1)의 출구 포트(7) 상에 장착된 시준 소자(8)의 돌출된 출력 표면(Acol)의 것이 된다. 이하의 에텐듀 법칙(etendue law)에서, 주어진 시준 반각(θc)에 대해, 시준 소자(8)의 최소 요구되 는 출력 표면적(Acol)은 식(5)에 따른 도1의 광 엔진(1)의 어퍼쳐(7)의 출력 면적(Aexit)에 관련되고, 따라서 θc가 감소할 때 방출 표면(Acol)의 필연적인 확대를 지시한다.
Figure 112007018102913-pct00008
스크린 평균 광도 수준[Bscreen(θc)]은 식(6)에 따라 BLED(θc)와 관계된다.
Figure 112007018102913-pct00009
도1에 따른 광 엔진(1)의 실시예에서, 개별적인 LED 소자에는 피라미드형 아웃커플링 소자(15)의 형태의 시준 소자가 제공된다. 그러므로, 개별적인 LED의 외관상의 광 방출 표면적은 또한 증가하지만, 이는 평평 장착 스크린상의 LED 패킹 밀도 한정 식(7)이 만족되는 한, 스크린의 확대없이 장착 스크린[식(4)의 유도를 위해 상기 정의된 표면적 Ascreen의 가상 평평 스크린] 상에 직접 수용될 수 있다.
Figure 112007018102913-pct00010
이후, 스크린 표면적(Ascreen)은 θc와 독립적으로 취해질 수 있다.
전술된 바로 부터, 식(4)의 Bexit는 θc<90°일 때, 광 엔진(1)의 어퍼쳐 개구(7) 상에 장착된 시준 소자(8)의 광 출력 표면에서의 광도(Bcol)를 지시하는 것이며, 이는 식(8)로부터 얻을 수 있는 L(θc)를 수반한다는 것을 명심해야한다.
Figure 112007018102913-pct00011
Figure 112007018102913-pct00012
θc=90°(람베르트 광)인 특별한 경우에 대해, 도11은 실제적인 조건에 상응하는 패킹 밀도 θLED=0.05 및 반사도 Rwall=0.98 및 RLED=0.50에서의 어퍼쳐 분율(f)의 함수로서 전송(T) 및 광도비(B)에 대한 연산된 값을 도시한다.
도11로부터, 어퍼쳐 분율(f)의 감소시에 출구 포트에서의 얻을 수 있는 광도비(B)는 증가하고, 그렇지만, 루멘 출력은 현저하게 감소하는데, 이는 광 엔진을 떠나는 내부 발생 광의 전송 분율(T)에 비례한다. 루멘 광속 및 광도는 어퍼쳐 분율(f)과의 관계에서 반대 성향을 보이기 때문에, 품질 파라미터(Q)를 식(9)에 따라 정의할 수 있다.
Figure 112007018102913-pct00013
도11에서 품질 파라미터(Q)는 또한 어퍼쳐 분율(f)의 함수로서 도시된다. 이 그래프로부터 Q는 최적 어퍼쳐 분율(fopt)에서 최대가 된다는 것이 명백하다. 식(2)에 의해 주어진 Rav로써, fopt에 대한 값은 식(10)으로부터 얻어진다.
Figure 112007018102913-pct00014
그렇지만, Q는 f=fopt 근방의 어퍼쳐 분율(f)에는 강하게 의존하지 않는다. (예컨대, 일반적인 광 응용분야가 관련된) 높은 T가 높은 B보다 중요한 경우, f>fopt인 값을 선택하는 것이 바람직하다. 높은 B가 높은 T보다 중요할 때는 그 역도 참이다.
도12는 패킹 밀도 θLED=0.05 및 θc=90°에서 다양한 값의 RLED 및 Rwall에 대한 어퍼쳐 분율의 함수로서 품질 파라미터(Q) 인자의 연산을 도시한다. (Ⅰ:Rwall=0.98 및 RLED=0.7, Ⅱ:Rwall=0.98 및 RLED=0.5, Ⅲ:Rwall=0.96 및 RLED=0.5). fopt 근방의 어퍼쳐 분율에 대해서, 품질 파라미터(Q)는 현저하게 강하하고, 즉, 반사도(RLED 및 Rwall)가 감소하면, 곡선이 평탄해진다.
또한, 도13은 상수 Rwall=0.98, RLED=0.5 및 θc=90°에서의 다양한 값의 θLED에 대한 어퍼쳐 분율(f)의 함수로서 품질 파라미터(Q)의 연산을 도시한다. 도시된 바와 같이, 품질 파라미터(Q)는 패킹 밀도(θLED)의 증가에 따라 전체 범위의 f에 걸쳐서 증가한다.
도14 내지 도16은 (일정 패킹 밀도 θLED=0.05인 도14에서의) 다양한 값의 어퍼쳐 분율(f) 및 (일정 어퍼쳐 분율 f=0.05인 도15 및 일정 어퍼쳐 분율 f=0.1인 도16에서의) 다양한 값의 θLED에 대한 실제 반사도 Rwall=0.98 및 RLED=0.5에서의 광 집중 인자[L(θc)]에 대한 연산을 도시한다. 모든 도면에서 라인은 식(7)에 따라 제한된다.
적어도 θc=60°(일반적인 광 응용분야)에 대해서, 본 발명에 따른 광 엔진의 사용은 80% 루멘 출력(즉, T=0.8)에서 현저한 광 집중도가 인자 5에 이르는 수치로서 달성될 수 있게 한다는 것이 명백하다. 또한, 보다 높은 광 집중도 인자(L)가 어퍼쳐 분율(f)을 감소시킴으로써 달성될 수 있지만, 루멘 효율은 감소된다.
Rwall 및 RLED가 항상 실질적으로 가능한 한 높게 선택되는 것이 당연하기 때문에, 어퍼쳐 분율(f)의 함수로서의 성능에 영향을 주는 내부 벽 상의 LED 소자의 패킹 밀도(θLED)가 중요하다. 한편으로는 광도와 다른 한편으로는 루멘 효율 사이의 타협을 항상 고려해야 될 것이다. 또한 전체 요구되는 루멘 출력이 고려되야하고, 이로 인해 광 엔진의 치수는 전체 루멘 출력에 정비례한다.
높은 루멘 효율이 가장 중요한 경우에는, 낮은 θLED ≒ 0.01에서 어퍼쳐 분율 f≒0.10 내지 0.12를 선택하는 것이 바람직하다. 이는 T≒0.8 및 B≒0.07을 허용하고, θc=90°에서, 이는 장착 벽의 스크린 평균 광도 보다 몇배 더 밝다. 광도 집중도 인자[L(θc)]는 θc가 감소할 때 감소하지만, 실질적으로 θc=40°까지 감소를 유지한다.
높은 광도가 가장 중요한 경우에는, 만일 더 실용가능하다면, 보다 높은 LED 패킹 밀도 θLED≒0.05를 선택하는 것이 바람직하다. 최대 얻을 수 있는 LED 패킹 밀도를 향상시키기 위해서, 예컨대, 상기 제안된 바와 같은 정합 굴절 지수 냉각 액체에 의한 LED 소자의 냉각이 제공되어야 한다. f≒0.1에서, 보다 작은 T=0.65를 얻지만, 보다 높은 광도비 B=0.3을 얻으며, 이는 θc=90°에서 장착 벽의 스크린 평균 광도 B=θLED보다 6배 밝은 것이다. 광도는 예컨대, f=0.05로 어퍼쳐 분율(f)을 감소시킴으로써 더 증가될 수 있다. f≒0.1에서, 품질 파라미터(Q)는 θLED의 증가시 현저하게 개선된다. 본 발명에 따른 광 엔진으로부터 최상의 유익을 얻기 위해서, 그러므로 θLED를 θLED=0.10의 수준이상으로 증가시키는 것이 가장 중요하다.
본 발명은 양호한 실시예 및 그 변형의 형대로 개시되어 있지만, 본 발명의 기술 사상의 범위를 벗어나지 않고 많은 추가적인 수정 및 변형이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 보다 명확하게 하기 위해서, 본 출원 전체를 통해 "하나의" 또는 "일"이라고 한 것은 복수의 개념을 배제하는 것이 아니며, "포함하다"는 다른 단계 또는 요소를 배제하는 것이 아니라는 것이 이해되어야 한다.

Claims (16)

  1. 적어도 하나의 어퍼쳐(7)를 구비한 챔버(6)와 이 챔버 내측에 위치된 다수의 LED 소자(13)를 포함하는 광 엔진(1, 2, 3, 4, 5)이며,
    챔버(6)는 95% 이상의 반사도를 갖는 내부 표면(20)을 가지고,
    내부 표면(20)은 챔버 벽(10, 10')의 내측 표면 위로 분포된 확산 반사 재료(12, 18)에 의해 덮여지고,
    확산 반사 재료(12)는 투명 덮개판(11, 11')과 챔버 벽(10, 10')의 내측 표면 사이에 수용되는 광 엔진.
  2. 제1항에 있어서, LED 소자에 의해 챔버(6) 내부로 방출된 빛의 아웃커플링을 향상시키는 아웃커플링 수단(15, 15', 16, 17, 19)을 포함하는 광 엔진.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 확산 반사 재료(12)는 반사성 건조 분말(12)을 포함하는 광 엔진.
  6. 제2항에 있어서, 투명 덮개판(11)은 LED 소자(13)를 덮으며, 아웃커플링 요소(15, 15')는 관련된 LED 소자(13)의 광 방출 표면으로부터 투명 덮개판(11)까지 각각 연장하는 다수의 투명 아웃커플링 요소(15, 15')를 포함하는 광 엔진.
  7. 제6항에 있어서, 투명 아웃커플링 요소(15)는 아웃커플링 요소(15)와 관련 LED 소자(13) 사이의 경계부에서 보다 아웃커플링 요소(15)와 투명 덮개판(11) 사이의 경계부에서 더 넓은 단면을 가지는 광 엔진.
  8. 제2항에 있어서, 아웃커플링 수단(19)은 각각이 관련 LED 소자의 광 방출 표면에 광학적으로 연결되는 투명 돔(19)을 포함하는 광 엔진.
  9. 제8항에 있어서, 돔(19)은 LED 소자를 위에 장착하는 챔버 벽(10)을 덮는 덮개판(11', 21) 내의 구멍(22)을 통해 돌출하는 광 엔진.
  10. 제1항에 있어서, 챔버 벽(10, 10')의 내측 표면 위로 분포되는 반사성 재료(12)는 광 변환 물질을 포함하는 광 엔진.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상이한 파장 특성의 LED 소자가 챔버의 내측에 위치되는 광 엔진.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 챔버(6)의 어퍼쳐(7)에 위치된 광 시준 소자(8)를 포함하는 광 엔진.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 챔버(6)는 투명 덮개판(11, 11'), 아웃커플링 수단(15, 15', 19), 시준 소자(8) 및 LED 소자(13) 중 어느 하나 또는 그 이상에 대한 굴절 지수와 일치하는 굴절 지수를 갖는 재료(22)로 충진되는 광 엔진.
  14. 제13항에 있어서, 재료(22)는 LED 소자(13)의 전방 단부 냉각을 위해 사용되기도 하는 액체 재료인 광 엔진.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서, 어퍼쳐(7)의 표면적(Aexit) 대 어퍼쳐(7)의 표면적(Aexit)을 포함하는 광 엔진(1, 2, 3, 4, 5)의 전체 내부 표면적(Aengine)의 비로써 한정되는 어퍼쳐 분율(f)은 0.15 이하인 광 엔진.
  16. 제1항 또는 제2항에 따른 광 엔진(1, 2, 3, 4, 5)을 포함하는 자동차용 조명 시스템.
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