KR101256919B1

KR101256919B1 - 고체-상태 에미터 및 하향-변환 재료를 이용한 고효율 광소스

Info

Publication number: KR101256919B1
Application number: KR1020067025619A
Authority: KR
Inventors: 나다라자 나렌드란; 위민 구; 진 폴 프레이시니어
Original assignee: 렌슬러 폴리테크닉 인스티튜트
Priority date: 2004-05-05
Filing date: 2005-05-05
Publication date: 2013-04-25
Also published as: CA2565339C; US7819549B2; CN101852337A; AU2005240186B2; BRPI0510707B1; EP2803898B1; EP1769193A2; WO2005107420A3; CN1981157A; KR20070012732A; US20080030993A1; CA2565339A1; EP1769193B1; JP5301153B2; AU2010257325A1; AU2010257325B2; BRPI0510707A; KR20130018369A; EP1769193A4; KR101295561B1

Abstract

발광 장치는 광 소스(17); 방출된 광을 수신하고 방출된 광을 투과된 광 및 후방 투과된 광으로 변환하는 하향 변환 재료(12); 및 후방 투과된 광을 수신하고 후방 투과된 광을 광학 장치의 외부로 전달하도록 구성된 광학 장치(14a,14b)를 포함한다. 광 소스(17)는 반도체 발광 다이오드, 레이저 다이오드 또는 공진 공동 발광 다이오드이다. 하향 변환 재료는 하나의 스펙트럼 영역에서 광을 흡수하고 또 다른 스펙트럼 영역에서 광을 방출하기 위한 포스포 또는 다른 재료를 포함한다. 상기 광학 장치 또는 렌즈는 광 투과 재료를 포함한다.

Description

고체-상태 에미터 및 하향-변환 재료를 이용한 고효율 광 소스{HIGH EFFICIENCY LIGHT SOURCE USING SOLID-STATE EMITTER AND DOWN-CONVERSION MATERIAL}

본 출원은 2004년 5월 5일자로 출원된 미국 가출원 제60/568,373호 및 2004년 12월 15일자 출원된 미국 가출원 제60/636,123호를 우선권으로 청구한다.

발광 다이오드(LED) 및 공진 캐버티 LED(RCLED)를 갖는 고체 상태 램프를 포함하는, 고체 상태 발광 소자는 종래 백열 및 형광램프에 비해 제조 비용이 낮고 내구성이 오래간다는 장점으로 인해 매우 유용하다. 고체 상태 발광 소자들은 종래 램프에 보다 초기 비용이 크지만 오랜 동작 (버닝(burn)) 시간과 낮은 전력 소모로 인해, 종종 작동 비용상의 장점을 제공한다. 대규모의 반도체 제조 기술이 사용되기 때문에, 많은 고체 상태 램프는 매우 낮은 비용으로 제조될 수 있다.

가정용 및 소비자용 지시기 라이트(indicator light), 시청각 장비, 원거리통신 장치 및 자동차 계기표시기와 같은 분야에 추가하여, LED는 내부 및 외부 정보 디스플레이의 분야에서 많이 사용된다.

청색광 또는 자외선(UV) 광을 방출하는 효율적인 LED를 개발하면, LED의 주된 방출 중 일부분을 긴 파장으로 바꾸는 포스포 변환(phosphor conversion)을 통해 백색광을 생성하는 LED를 제조하기 쉽다. LED의 주된 방출을 긴 파장으로 변환하는 것은 주된 방출을 하향-변환(down-conversion)으로 부른다. 주된 방출의 변환되지 않은 부분은 긴 파장의 광과 결합하여 백색광을 만든다.

LED의 주된 방출 중 일부분의 포스포 변환은 LED 램프 내의 LED를 하우징하는 반사기 컵을 채우는데 사용된 에폭시 내에 포스포층을 배치시킴으로써 이루어진다. 포스포는 에폭시를 경화시키기 이전에 에폭시와 혼합되는 분말 형태이다. 다음에 포스포 분말을 포함하는 경화되지 않은 에폭시 슬러리는 LED 위에 증착되고 그 후에 경화된다.

경화된 에폭시 내의 포스포 입자들은 대체로 에폭시 내에서 임의의 방향으로 배치되고 산재한다. LED에 의해 방출된 주된 광의 일부는 포스포 입자들에 충돌하지 않고 에폭시를 통과하며, LED에 의해 방출된 주된 광의 또 다른 일부분은 포스포 입자에 충돌하여, 포스포 입자들이 보조 광을 방출하게 한다. 주된 청색광과 포스포-방출광의 결합은 백색광을 만든다.

현재 LED 기술의 수준으로는 가시 스펙트럼에 충분치 않다. 단일 LED의 광 출력은 가시 스펙트럼에서 약 10 퍼센트의 효율을 갖는 공지된 백열 램프보다 낮다. 상당한 광 출력 전력 밀도를 갖는 LED 소자는 더 큰 LED 또는 다수의 LED를 갖는 구조를 필요로 한다. 더구나, 소정 형태의 직접 에너지 흡수 냉각이 LED 소자 내의 온도 상승을 다루는데 포함되어야 한다. 특히, LED 소자는 100℃ 이상의 온도까지 가열될 때 덜 효율적이되며, 이는 가시 스펙트럼의 감쇠 반송(declining return)을 만든다. 일부 포스포에 있어서, 고유 포스포 변환 효율은 온도가 임계치인 약 90℃ 이상으로 증가하면 현저하게 떨어진다.

워즈나로프스키(Wojnarowski) 등에게 부여된 미국특허 제6,452,217호는 발광 제품 및 발광 제품의 열 제거 소스에 사용하기 위한 고전력 LED 램프 또는 다수의 LED 램프 구조를 다루고 있다. 이는 다차원 어레이 내에 배열된 LED 다이를 갖는다. 각각의 LED 다이는 백색광 형성을 위한 반도체 층과 포스포 재료를 갖는다. 반사기는 고전력 LED 램프를 근사화하기 위해 각각의 다이로부터 광을 수집하고 포커싱한다. 상기 특허의 도12는 경사진 광 추적 경로에서 광을 방출시키는 다중-측면 어레이를 도시한다. 상기 특허의 도19는 경사진 LED 램프 헤드를 도시한다.

바레츠(Baretz) 등에게 부여된 미국특허 제6,600,175호와 바레츠 등의 미국특허출원공보 제2004/0016938호는 백색광을 만드는 고체 상태 발광 소자에 대해 다르다. 상기 '938 특허출원 공보는 '175 특허의 연속출원이다. 고체 상태 발광 소자는 백색광을 만들기 위해 하향 변환을 위한 루미노포릭(luminophoric) 매체로 투과되는 짧은 파장 복사를 생성한다. 상기 특허의 도 2와 6에서 LED와 루미노포릭 매체 사이에는 이격된 관계가 존재한다. 도 6에서, 예컨대 광은 짧은 파장 복사, 바람직하게는 청색부터 자외선의 파장 범위의 고체 상태 소자(82)로부터 방출된다. 루미노포릭 매체(90)는 짧은 파장 복사와 충돌할 때, 백색으로 인지되는 광을 만들기 위해 소정의 파장 범위의 가시광 스펙트럼의 파장을 갖는 광을 응답하여 방출하도록 여기된다.

뮬러-마치(Mueller-Mach) 등에게 부여된 미국특허 제6,630,691호는 LED의 발광 구조물에 의해 방출된 주된 광의 일부가 백색광을 형성하기 위해 변환되지 않은 주된 광과 결합하는 하나 이상의 광 파장으로 변환시키는 포스포-변환 기판을 포함하는 LED 소자를 다룬다. 상기 특허의 도 1에 도시된 것처럼, 포스포인 LED(2)는 기판(10) 상에 배치된다. 상기 특허의 도 2에 도시된 것처럼, 반사성 전극(21)은 상기 LED의 표면 상에 배치된다. LED에 의해 방출된 일부 주된 광은 반사성 전극(21) 상에 충돌하며, 상기 전극은 주된 광을 반사시켜 다시 LED 및 기판으로 통과시킨다. 기판으로 진행하는 주된 광의 일부는 황색광으로 변환되고 일부는 변환되지 않는다. 두 개 타입의 광이 기판에 의해 방출될 때, 이들은 결합하여 백색광을 만든다. 반사성 전극을 이용하는 것은 기판으로 진입하는 주된 광의 양이 최대가 되게 함으로써 LED 소자의 효율을 높인다.

뮬러-마치 등에게 미국특허 제6,686,703호로 부여된 뮬러-마치가 출원한 미국특허출원 공보 제2002/0030444호는 박막 포스포-변환 LED 구조물을 다룬다. 상기 출원의 도 2는 LED 구조물(2)과 LED(2)의 표면 상의 포스포 박막(21)을 도시한다. LED는 포스포 막(21)에 충돌하는 청색광을 만든다. 일부 광은 포스포(21)를 통과하고 일부는 흡수되고 황색광으로 변환되어 포스포(21)로부터 방출된다. 청색 및 황색광은 결합하여 백색광을 형성한다. 상기 출원의 도3에서, 반사성 패드(25)가 LED(2)의 표면 상에 위치한다. LED(2)의 광은 반사성 패드(25)에 의해 반사되어 다시 LED(2)를 통과하여 포스포(21)로 향한다. 다음에 광은 상기 특허의 도 2에 도시된 것처럼 결합된다. 상기 특허의 도 4는 기판(13)에 의해 LED(2)루부터 분리된 두 개의 포스포 막(31)을 사용한다. 막(31)은 적색광을 방출한다. 막(33)은 녹색광을 방출한다. LED(2)에 의해 방출된 청색광은 막(31,33)을 통과하고, 적색 및 녹색광과 결합하여 백색광을 만든다. 상기 출원의 도 5의 실시예에서, LED 소자(50)는 다수의 포스포 박막(37 및 38)을 포함한다. 유전체 미러(36)는 박막(37)과 기판(13) 사이에 배치된다. 유전체 미러(36)는 발광 구조물(2)의 주된 방출에 완전히 투과성이지만, 포스포 박막(37 및 38)의 방출 파장에서 높은 반사성을 갖는다.

오카자키(Okazaki)가 출원한 미국특허출원 공보 제2002/0030060호는 자외선발광 부재 및 포스포가 제공된 백색 반도체 발광 소자를 다룬다. 포스포층은 혼합되어 확산된 청색 발광 포스포과 황색 발광 포스포를 포함한다. 발광 소자(3)는 반사성 케이스(5) 내부에 있다. 상기 출원의 도 2,4,8에서, 포스포층(6)은 발광 부재(3)로부터 멀어지게 형성된다. 상기 출원의 도 2에서 반투명 수지로 형성된 밀봉 부재(7) 내부에 형성된 포스포층(6)을 도시한다. 상기 출원의 도 4와 8에서, 포스포층은 밀봉 부재(7)의 표면 상에 형성된다.

부루킬라치오(Brukilacchio)가 출원한 미국특허출원 공보 제2002/0218880호는 LED 백색광 광학 시스템을 다룬다. 상기 출원의 도 1에 도시된 것처럼, 광학 시스템(100)은 LED 광학 소스(110), 광학 필터(120), 반사기(130), 포스포층(135), 집선기(concentrator)(140), 제 1 조명 영역(150), 제 2 조명 영역(170), 및 열 발산기(thermal dissipater)(190)를 포함한다. 광학 필터(120)는 반사된 CCT 범위와 투과된 CCT 범위를 갖는다. 반사된 CCT 범위 내에 있는 광학 에너지는 광학 필터(120)를 통과하는 것(예컨대 반사)이 방지된다. 광학 필터(120)의 반사된 범위 내에 있는 포스포층 후면(137)으로부터 광학 필터 전면(121)으로 진입하는 광학 에너지는 포스포층(135)으로 다시 반사된다. 광학 필터(120)의 투과된 CCT 범위 내에 있는 광학 에너지는 필터(120)를 통해 투과되고 반사기(130)와 상호작용한다.

반사기(130)는 LED 광학 소스 후면(112)으로부터 LED 광학 소스(110)까지 다시 방출된 광학 에너지를 반사하도록 위치한 반사성 광학 부재이다. 광학 에너지는 광학 재료와 상호작용하고 광학 에너지의 일부분은 LED 전면(111)에서 배출되고 광학 필터(120)와 상호작용한다. 다음에 광학 에너지는 포스포층으로 계속 진행하고, 이로써 포스포층 후면(137)으로부터 방출된 광학 에너지를 위해 반복하는 텔레스코핑(telescoping) 원형 프로세스를 제공한다. 이러한 반복하는 프로세스는 손실되는 광학 에너지를 포획한다. 집선기(140)는 포스포층 전면(136) 외부에서 방출되는 광학 에너지를 포획한다.

뮬러-마치 등에게 부여된 미국특허 제6,501,102호의 뮬러-마치 등이 출원한 미국특허출원 제2002/003233호는 백색광을 생성하기 위해 LED 소자의 발광 구조물에 의해 방출된 주된 복사의 실질적인 모드에 대한 포스포 변환을 수행하는 LED 소자를 다룬다. LED 소자는 발광 구조물에 의해 방출된 주된 광의 실질적인 모두를 수신하고 흡수하도록 위치한 적어도 하나의 포스포-변환 부재를 포함한다. 포스포-변환 부재는 결합하여 백색광을 생성하는 제 2 및 제 3 파장에서 2차 광을 방출한다. 일부 실시예들은 발광 구조물의 표면 상에 반사성 전극을 사용하지만 일부 실시예는 그렇지 않다. 반사성 전극(21)을 사용하는 실시예(사용예의 도 2,3,6,7)에서, 기판은 포스포층으로부터 발광 구조물을 분리한다. 즉, 발광 구조물은 기판의 일 측부 상에 있고 포스포층은 기판의 다른 측부 상에 있다. 반사성 전극을 사용하지 않는 실시예(사용예의 도 4,5)에서, 포스포층은 발광 구조물의 표면 상에 배치된다.

뮬러 등에게 부여된 미국특허 제6,686,691호는 백색광 제조를 위한 3색 램프를 다룬다. 이러한 램프는 백색광을 만들기 위해 청색 LED 및 적색 및 녹색 포스포의 혼합을 사용한다. 도 3에 도시된 것처럼, 램프(20)는 반사기 컵(28)에 위치한 LED(22)를 포함한다. LED(22)는 라인(26)에 의해 지시된 패턴 내에 광을 방출하고 포스포 혼합물(24)은 패턴 내에 위치한다. LED(22)에 의해 방출된 일부 흡수되지 않은 광은 반사기 컵(28)의 벽으로부터 다시 포스포 혼합물(24)로 반사된다. 반사기 컵(28)은 만약 광이 초기 광 패턴에 의해 이미 덮이지 않은 공간으로 반사되는 경우 광 패턴(26)을 수정할 수 있다. 반사기 컵의 벽은 포물형일 수 있다.

소울레스(Soules) 등에게 부여된 미국특허 제6,252,254호 및 제6,580,097호는 포스포으로 코팅된 LED 또는 레이저 다이오드를 다룬다. '097 특허는 '254 특허의 분할 출원이다. 특히, 상기 특허들은 포스포-함유 커버링에 의해 덮인 청색-발광 LED를 개시한다. 포스포-포함 커버링은 녹색 발광 포스포과 적색-발광 포스포를 포함한다. 녹색 및 적색 포스포는 청색-발광 LED에 의해 여기가능하다.

마샬 등에게 부여된 미국특허 제6,513,949호, 마샬 등에게 부여된 미국특허 제6,692,136호, 및 마샬등이 출원한 미국특허출원 제2002/0067773호는 LED/포스포/LED 하이브리드 발광 시스템을 다룬다. '136 특허는 '949 특허의 연속 출원이다. '773 특허 출원은 '136 특허로 부여되었다. 도 1A에서 도시된 바와 같이, LED(10)는 투명 에폭시(13)로 채워진 반사성 금속 디시(dish) 또는 반사기(12)에 장착된 LED 칩을 포함한다. 도 1B는 반사기(16)를 채우는 에폭시(18)가 균질하게 혼합된 발광 포스포 재료의 하나 이상의 타입의 입자(19)를 포함하는 것을 제외하면 도 1A의 LED의 구성과 실질적으로 동일하다. 포스포 입자(19)는 LED 칩(15)에 의해 방출된 광의 일부분을 상이한 스펙트럼 파장의 광으로 변환시킨다. 상기 시스템은 LED의 색과 수 및/또는 포스포-LED의 포스포를 바꿈으로써 중요하게 여겨지는 것처럼 상이한 발광 시스템 성능 파라미터가 제어되고 최적화되게 한다.

뮬러-마치 등에게 부여된 미국특허 제6,603,258호는 포스포-변환된 붉은갈색의 광과 주된 청-녹색의 광을 결합함으로써 백색광을 만드는 발광 다이오드 소자를 다룬다. LED는 포스포-변환 수지로 채워진 반사기 컵 내에 장착된다. LED에 의해 방출된 주된 복사는 포스포-변환 수지에 충돌한다. 수지에 충돌하는 주된 복사의 일부는 붉은갈색 광으로 변환된다. 주된 복사의 변환되지 않은 부분은 상기 수지를 통과하고 백색광을 만들기 위해 붉은갈색 광과 결합한다

스리바스타바 등에게 부여된 미국특허 제6,616,862는 유러퓸 및 망간 이온으로 함께-활성화된 할로포스페이트(halophosphate) 발광 재료를 다룬다. 상기 특허의 도 3은 LED에 인접한 반사 표면(140)을 갖는 컵(120) 내에 장착된 LED를 개시한다. 상기 실시예는 포스포 입자(200)가 분산된 투명 케이스(160)를 포함한다. 선택적으로, 결합제와 혼합된 포스포는 LED 표면 위에 코팅부로서 적용될 수 있다. 포스포에 의해 흡수되지 않은 LED에 의해 방출된 청색 광의 일부와 포스포에 의해 방출된 넓은-스펙트럼 광은 결합되어 백색광 소스를 제공한다.

시마즈 등에게 부여된 미국특허 제6,069,440호, 제6,614,179호 및 제6,608,335호는 발광 부품에 의해 방출된 광의 파장을 변환하고 광을 방출하는 포스포를 포함하는 발광 소자를 다룬다. 상기 특허들은 또한 매트릭스 내에 배열된 다수의 발광 소자를 이용한 디스플레이 소자를 개시한다. 이러한 특허들은 동일한 특허출원으로부터 분할된 것이기 때문에 서로 관련이 있다.

이시이 등에게 부여된 미국특허 제6,580,224는 칼라 액정 디스플레이 소자용 후면발광, 칼라 액정 디스플레이 소자, 및 칼라 액정 디스플레이 소자의 후면발광을 위한 전기발광 소자를 다룬다.

슐러레스 등이 출원하고 미국특허 제6,734,467호로 부여된, 미국특허출원 공보 제2002/0167014호는 투명 재료로 제조된 캡슐로 적어도 부분적으로 둘러싸인 GaN 또는 InGaN에 기반한 반도체 LED를 갖는 LED 백색광 소스를 다룬다. 투명 재료는 LED에 의해 방출된 광의 적어도 부분적인 파장 변환을 위한 변환기 물질을 포함한다. LED는 비교적 넓은대역의 발광 스펙트럼이 변환기 물질의 방출 스펙트럼 이상에서 에너지가 채워져 발생하는 다수의 발광 구역을 갖는다.

광 시각 환경 저널 27(2): 70-74(2003)에 공개된 야마다 케이., 와이. 이마이, 및 케이 이시이의 "청색 LED 및 YAG 포스포으로 구성된 광소스 장치의 광학 시뮬레이션"이란 제목의 문헌은 LED 및 포스포으로 구성된 광 소스로부터 고출력을 얻는 유효한 방식으로서 포스포으로부터 반사된 광을 이용하는 것을 개시한다.

상기 목적과 기타 목적들을 달성하기 위해서, 본 발명은 발광용 광 소스; 방출된 광을 수신하고 방출된 광을 투과된 광(또는 순방향 투과된 광) 및 반사된 광(역방향 투과된 광)으로 변환하기 위한 하향 변환 재료; 및 (a) 방출된 광을 수집하고 하향 변환 재료로 전달하며 (b) 반사된 광을 수신하고 광학 소자의 외부에서 반사된 광을 전달하도록 구성된 광학 소자를 포함하는 발광 장치를 제공한다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 광 소스는 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD), 또는 공진공동 발광 다이오드(RCLED) 중 하나를 포함하는 반도체 발광 다이오드이다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 하향 변환 재료는 하나의 스펙트럼 영역에서 광을 흡수하고 또 다른 스펙트럼 영역에서 광을 방출하기 위한 포스포 또는 다른 재료 중 하나를 포함한다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 광학 장치는 광학 투과 특성을 갖는 렌즈 또는 광 가이드 중 적어도 하나를 포함한다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 광 소스는 광학 장치의 제 1 단부에 인접하여 배치된다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 하향 변환 재료는 광학 장치의 제 2 단부에 인접하여 배치되고, 제 2 단부는 제 1 단부에 마주한다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 광 소스는 다수의 반도체 광 에미터를 포함한다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 수집 장치는 광학 장치 외부로 전달되는 반사된 광을 수집하기 위해 포함될 수 있다. 수집 장치는 반사기일 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예는 광 투과 재료; 원주형 광학기 내에 배치된 광 복사 소스; 및 광 복사 소스에 의해 전송된 투과 또는 반사 광 중 적어도 하나를 위해 원주형 광학기 내에 그리고 중간 부분에 배치된 하향 변환 재료를 포함하는 원주형 광학기를 갖는 또 다른 발광 장치를 포함한다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 광 복사 소스는 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD), 또는 공진공동 발광 다이오드(RCLED) 중 하나를 포함하는 반도체 광 에미터이다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 광 복사 소스는 원주형 광학기의 측방 단부에 인접하여 배치된다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 광 복사 소스는 서로 이격되고 모두 원주형 광학기의 일 측방 단부에 배치될 수 있는 제 1 및 제 2 복사 소스를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 하향 변환 재료는 원주형 광학기의 종축에 실질적으로 평행하게 배치된다.

본 발명은 첨부된 도면과 함께 하기 상세한 설명으로부터 쉽게 이해될 수 있다. 일반적인 실시에 따르면, 도면의 다양한 특징부들은 축적대로 도시되지 않았다. 반대로, 다양한 특징부들의 치수는 간략화를 위해 임의로 확대하고 축소하였다. 하기 도면들은 도면에 포함된다.

도 1은 한가지 타입의 포스포에 대한 반사되고 투과된 스펙트럼 분포를 도시하는 상대 출력대 파장 그래프이다

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고체 상태 에미터(들)과 하향 변환 재료를 이용하는 고효율 광 소스이다.

도 3은 도 2에 도시된 고효율 광 소스의 하부에 대한 단면도이다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 다수의 고체 상태 에미터와 하향 변환 재료를 이용하는 또 다른 고효율 광 소스를 도시한다.

도 5A는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 고체 상태 에미터(들)과 하향 변환 재료를 이용하는 고효율 광 소스의 또 다른 예이다.

도 5B는 도 5A에 도시된 고효율 광 소스의 단면도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 고체 상태 에미터(들)과 하향 변환 재료를 이용하는 또 다른 고효율 광 소스를 예시한다.

도 7은 광 소스(들)로부터 방출된 광을 다시 지향시키기 위한 도 6에 도시된 고효율 광 소스를 둘러싸는 반사기를 도시한다.

도 8A 내지 8E는 본 발명의 상이한 실시예들에 따른, 예시적인 발광 소스 바로 위에 배치된 광학 부재 또는 광학 렌즈를 위한 다양한 기하학적 형상을 도시한다.

도 9A는 본 발명의 일 실시예에 따른, 광 소스로부터 광선을 다시 지향시키기 위한 광파이프에 배치된 하향 변환 재료 및 고체 상태 에미터(들)을 이용하는 다수의 고효율 광 소스를 갖는 장치를 도시한다.

도 9B는 도 9A에 도시된 장치의 단면도이다.

도 10A는 본 발명의 실시예에 따른, 광 소스로부터 광선을 다시 지향시키기 위한 광파이프의 에지 둘레에 배치된 하향 변환 재료 및 고체 상태 에미터(들)을 이용하는 다수의 고효율 광 소스를 갖는 또 다른 장치의 예이다.

도 10B는 도 10A에 도시된 장치의 단면도이다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른, 반사기 및 고효율 마이크로렌즈 확산기에 의해 둘러싸이도록 배치된 또 다른 고효율 광 소스의 예이다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른, 종래 광 변환 재료가 고효율 광 소스와 반사기 사이에 배치된, 광 변환 재료와 반사기를 향해 광을 지향시키는 또 다른 고효율 광 소스의 예이다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학 부재를 이용하여 광 변환 재료를 향해 광을 복사시키는 고전력 광 에미터를 도시하는 개략도이다.

비록 본 발명은 특정 실시예들을 참조하여 설명하지만, 본 발명은 도시된 사항들로 제한되지는 않는다. 오히려 다양한 수정예들이 본 발명에서 벗어나지 않고 청구항과 동일한 범위에서 이루어질 수 있다

본 발명자는 포스포 변환된 LED의 성능이 LED 다이에 인접하게 하향-변환 포스포를 배치시킬 때 나쁜 영향을 미친다는 것을 발견하였다. 이러한 나쁜 성능은 다이를 둘러싸는 포스포 매체가 주로 등방성 에미터와 같이 작용하고 다이를 향해 다시 반사된 광의 일부가 포스포층, 다이, 및 반사기 컵 사이를 순환하기 때문이다. 그 결과, 상기 장치에 다시 결합된 광은 접합 온도를 증가시키고, 이로써 시스템 효율을 감소시키고 캡슐의 황화(yellowing)를 증가시킨다. 이러한 모든 요소들은 시간이 흐르면 광 출력을 감소시킨다.

상기 문헌은 포스포층에 충돌하는 광의 60 퍼센트가 다시 반사되고, 설명한 효과에 기여한다(야마다, 등 2003). 8 개의 YAG:Ce 포스포 플레이트의 실험실 측정값은 본사 에너지의 거의 60%가 청색 LED 소스의 방향으로 다시 반사된다는 것을 입증하였다. 반사된 복사 에너지의 절대 크기는 다른 요소들 중에서 포스포 코팅의 밀도에 의존한다. 도 1은 YAG:Ce 포스포 플레이트를 갖는 청색 LED의 측정된 반사 스펙트럼 전력 분포(2)를 도시한다. 도 1은 또한 동일한 배치의 측정된 투과 스펙트럼 전력 분포(4)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 대부분의 광은 다시 반사되고 순방향으로 투과되지 않는다.

"투과 및 반사된 광"이라는 용어는 본 출원 전체에서 사용된다. 그러나, 엄밀하게 "순방향(forward) 투과된 및 후방(backward) 투과된 광"을 의미한다. 포스포 입자들이 단파장 광을 흡수하고 하향 변환된 광을 방출할 때, 방출된 광은 모든 방향(램버시안 에미터)으로 진행하고, 따라서 광의 일부는 상향으로 진행하고 광의 또 다른 일부는 하향으로 진행한다. 상향으로(또는 외부로) 진행하는 광은 광의 투과된 부분이고 LED 다이를 향해 하향으로 진행하는 광은 반사된 부분이다.

이러한 효과는 광 출력이 매우 크게 시준되기 때문에 RCLED에서 높은 크기를 갖는 것으로 기대된다. 따라서, 시스템 효율을 개선하기 위해 투과된 및 반사된 성분 모두를 포착하기 위한 패키징이 시도된다. 게다가, 본 발명자들은 포스포층이 다이로부터 멀리 이동하게 하는 패키징을 생성하고, 광이 LED 및 RCLED로 피드백되는 것을 방지한다. 그 결과, LED 및 RCLED의 수명이 개선된다. 동시에, RCLED로부터의 광은 포스포층에 균일하게 충돌하여 균일한 백색광 소스를 얻는다. 게다가, 패키징은 보다 많은 광이 포스포층으로부터 반사되어 소자로부터 배출되게 함으로써 소자의 효율을 증가시킨다.

도 2는 원주형 형상을 가지며, 분산 광학기인 광 투과적인 인클로져(enclosure) 광학기(10)를 갖는 본 발명의 제 1 실시예이다. 도시된 것처럼, 인클로져 광학기(10)는 분산 광학기의 중간 부분에 내장된 포스포층(12)을 포함한다. 이러한 구성은 분산 광학기를 실질적으로 2개의 조각 또는 부분들로 유효하게 나눈다. 즉, 포스포층은 원주형 광학기(10)의 종축에 실질적으로 평행한 스트립일 수 있다.

일 실시예에서, 포스포층(12)은 YAG:Ce 포스포층일 수 있다. 선택적인 실시예에서, 포스포층은 다른 포스포, 양자점(quantum dot), 양자점 결정, 양자점 나노결정 또는 기타 하향 변환 재료를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예는 포스포층(12)과 유사한 포스포층을 포함할 수 있다. 하지만, 도 2에 도시된, 내장된 포스포층과 달리 다른 실시예들은 내장되지 않은 포스포층을 가질 수 있다. 또한, 포스포층은 균일한 두께로 만들어질 필요는 없으며, 오히려 보다 균일한 색상의 출력을 만들기 위해 상이한 두께 또는 상이한 포스포 혼합으로 만들어질 수 있다.

하나 이상의 LED 또는 RCLED는 14로 지칭된 하부에서 원주형 광학기 내부에 위치할 수 있다. 선택적 실시예에서, 하나 이상의 LED/RCLED는 원주형 광학기의 하부에서 보다는 소정의 위치에 배치될 수 있다.

단파장 광(16)은 LED/RCLED로부터 방출된다. 단파장 광은 250 mm 내지 500 mm 의 범위에 있다. 포스포층(12)은 실질적으로 원주형 광학기의 중간에 있기 때문에, LED/RCLED로부터의 단파장 광은 단파장 광이 원주형 광학기의 일 측부로부터 포스포층(12)으로 충돌하게 한다. 포스포층으로의 단파장 광의 충돌은 4개의 성분: 포스포층으로부터 반사된 단파장 광(18); 상기 포스포층을 통해 투과된 단파장 광(20); 상기 포스포층으로부터 반사된 하향-변환 광(22); 및 상기 포스포층을 통해 투과된 하향-변환된 광(24)을 갖는 광을 만든다. 포스포층의 양 측부에서 만들어진 상기 4개의 성분은 결합되어 백색광(26)을 만든다. 이러한 프로세스는 포스포층의 양측부로부터 발생하기 때문에, 전체 광 추출은 증가한다.

(만약 포스포층이 원주형 광학기, 또는 다이에 내장되지 않았다면) 원주형 광학기로 다시 반사된 광(단파장 및 하향-변환된 광)은 원주형 광학기의 투과 특성을 통해 원주형 광학기의 외부 및 외측으로 투과된다.

예컨대, 옵토 기술에서 만든 높은-플럭스 청색(470nm) 조명기 LED(샤크 계열) 에미터가 사용된다. 포스포층(12)의 밀도는 4-8 mg/cm2의 범위에 있을 수 있고(다른 밀도도 고려됨), 원주형 광학기(10)의 길이는 2 내지 4 인치의 범위에 있을 수 있고, 원주형 광학기의 직경은 약 0.5 인치이다. 또 다른 예로서, 상이한 패키지 효율과 균일성은 원주형 광학기의 포스포-층 밀도, 길이와 직경을 바꿈으로써 달성될 수 있다. 보다 우수한 효율과 원주형 광학기의 원주를 따른 광의 균일성은 원주형 광학기가 2.25 인치의 길이일 때 달성될 수 있다.

도 2에 도시된 실시예는 완전히 둥근 아크릴 막대로부터 절단되고 연마된 반원형 아크릴 막대 세그먼트로부터 형성될 수 있다. 포스포는 광학적으로 깨끗한 에폭시와 혼합되고 각각의 막대 세그먼트의 평면에 균일하게 퍼진다. 다음에 막대 세그먼트는 함께 부착되고 에폭시를 경화시키기 위해 오븐 위에 놓인다.

2.25 인치 광학 부재(원주형 광학기)의 전체 방출 손실은 대략 16%이다. 손실은 LED로 다시 반사된 광이 6%, 프레스넬 손실이 7%, 장착 하드웨어로 인한 회복되지 않는 손실 3%를 포함한다.

대략적으로 손실의 절반은 프레스넬 손실에 기여하며, 이는 상이한 반사율을 갖는 매체 사이의 경계에서 발생한다. 프레스넬 손실은 LED/RCLED와 원주형 광학기 사이의 결합 메커니즘을 이용하여 감소될 수 있다. 게다가, 손실은 LED/RCLED로 광이 다시 반사되지 않게 LED/RCLED 상에 비반사 코팅부를 이용하여 회복될 수 있다.

도 3은 14로 지칭된 하부에서 원추형 광학기의 단면도이다. 도시된 것처럼, 원주형 광학기(10)는 두 개의 반원형 아크릴 막대 세그먼트(14a 및 14b)를 포함한다. 포스포층(12)은 아크릴 막대 세그먼트(14a)와 아크릴 막대 세그먼트(14b) 사이에 끼워지다. 각각의 아크릴 막대 세그먼트는 발광 소스(17 및 19)를 포함한다. 발광 소스(17 및 19)는 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD), 또는 공진공동 LED(RCLED)와 같은 반도체 발광 다이오드이다. 2개 이상의 발광 소스는 하부(14)에 포함된다. 이처럼, 아크릴 막대 세그먼트(14a) 내에 배치된 다수의 광 에미터의 어레이와 아크릴 막대 세그먼트(14b) 내에 배치된 다수의 광 에미터의 또 다른 어레이가 존재할 수 있다. 이들 어레이는 도 3의 포스포층(12) 둘레에서 대칭적으로 배치된 것으로 도시된 광 소스(17 및 19)와 유사한 방식으로 서로에 대해 대칭적으로 배치될 수 있다.

도 4는 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 이러한 실시예는 대체로 주변광이 필요한 실내에 사용될 수 있다. 도시된 것처럼, 소자는 포스포 플레이트(50)(예컨대 YAG:Ce 또는 이미 나열한 다른 포스포)를 포함한다. 또한 소자는 LED/RCLED 어레이(52)와 같은 어레이를 형성하는 다수의 반도체 발광 다이오드(56)를 포함한다. 어레이(52)는 알루미늄 재료로 제조될 수 있는 기판(54) 상에 장착된다. 일 실시예에서, 기판(54)은 원형이다. 도 4에 예시된 구성에서, LED/RCLED는 서로에 대해 이격된 관계로 배열되고 원형 기판 주위에 배치된다.

발광 다이오드의 어레이는 다이오드의 발광 표면이 포스포층 플레이트(50)를 향해 면하도록 배치된다. 이러한 방식으로, 다이오드(56)는 포스포층 플레이트(50)를 향해 단파장 광을 방출한다. 단파장 광이 포스포층 플레이트 상에 충돌할 때, 광의 4개 성분: 단파장 광 및 하향-변환된 광(60) 및 투과된 단파장 광 및 투과된 하향 변환된 광(64)이 만들어진다. 단파장 광과 하향 변환된 광(60)은 도시된 것처럼 소자 내에서 반사되어 백색광(62)을 만든다. 투과된 단파장 광과 하향-변환된 광(64)은 소자의 외부로 투과되어 백색광(66)을 만든다.

도 5A와 5B는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다. 도시된 것처럼, 소자(500)는 컵(502), 및 컵(502)의 베이스에서 컵(502) 내에 배치된 하나 이상의 광 에미터(501)를 포함한다. 또한 포스포층(503과 504)이 포함된다. 포스포층(503)은 광 에미터(501)의 베이스로부터 마주하는 단부와 컵(502)의 벽으로부터 실질적인 중앙에 배치된다. 포스포층(503)은 컵(502)의 벽의 내부에 증착된다. 도 5A와 5B에 도시된 실시예는 대체로 주변광이 필요한 실내에 사용될 수 있다.

소자(500)는 어레이 내에 배열된 하나의 LED/RCLED 또는 다수의 LED/RCLED를 갖는 투명한 컵인 컵(502)을 포함한다. 컵은 컵(502)의 투명한 벽 내부에 접착된 하나의 포스포층(503)을 포함한다. 다른 포스포층은 컵의 중앙 영역에서만 접착된다. 따라서 대부분의 반사된 단파장 광과 하향-변환된 광은 전면의 투명한 부분으로부터 직접 배출될 수 있다. LED/RCLED로부터 방출된 광의 좁은 빔은 포스포층에 충돌하지 않고 전면의 투명한 부분을 직접 배출하는 LED/RCLED로부터의 단파장 광을 최소화하기 위해 본 실시예에서 선호된다. 컵은 유리 또는 아크릴로 제조된다.

컵(502)의 내부는 유리 또는 아크릴 물질로 채워지며, 이로써 컵(502)과 컵(502) 내에 포함된 내부 사이에 포스포층(503)이 끼워진다. 포스포층(504)은 유리 또는 아크릴 물질의 외부면 위로 접착된다. 선택적인 실시예에서, 포스포층(504)은 도 2와 3에 도시한 2 개의 반원 아크릴 막대 사이에 끼워진 포스포층에 대해 설명한 것과 유사한 방식으로 유리 또는 아크릴 물질 내에 배치될 수 있다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예를 예시한다. 도시된 것처럼, 소자(600)는 투명 매체로 제조될 수 있는 광학기(606)에 의해 포스포층(604)로부터 분리된 광 에미터(602)를 포함한다. 일 실시예에서 투명 매체는 공기일 수 있다. 선택적 실시예에서, 투명 매체는 유리 또는 아크릴일 수 있다. 포스포층(604)은 투명한 벽(610 및 612)을 갖는 광학기(606) 상에 장착 또는 증착된다. (벽(610 및 612)은 광학기(606)가 원형 단면을 가질 경우 연속하는 벽일 수 있다.)

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다. 도시된 것처럼, 소자(7000는 반사기(702) 내에 배치된 소자(600)를 포함한다. 반사기(702)는 포물형의 기하학적 형상을 갖는다. 본 발명은 반사기(702)가 원뿔, 구, 쌍곡선, 타원, 피라미드와 같은 기타 기하학적 형상 또는 예컨대 박스형상을 가질 수 있다. 소자(700)의 장점은 우수한 빔 출력 분포의 제어 및 우수한 색상의 균일한 출력을 포함한다.

기판(603)은 도 6과 7에 도시된 것처럼 발광 소스(602), 광학기(606)의 일 단부, 및 반사기(702)의 일 단부를 장착하는데 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예들과 유사하게, 발광 소스(602)는 LED, LD 또는 RCLED와 같은 하나 또는 다수의 반도체 발광 다이오드일 수 있다. 발광 다이오드는 도 4의 어레이(52)처럼 도시된 광 소스의 어레이와 유사한 다이오드의 어레이에 장착될 수 있다. 게다가, 포스포층(604)은 도 4에 도시된 포스포층(50)과 유사할 수 있다.

도 8A 내지 8E는 광학 부재의 상이한 기하학적 형상을 도시한다. 광학 부재(801)는 원뿔형 형상이다. 광학 부재(802)는 구 형상이다. 광학 부재(803)는 쌍곡선 형상이다. 광학 부재(804)는 피라미드 형상이다. 광학 부재(805)는 박스 형상이다. 다른 기하학적 형상은 포물선 또는 타원 형상을 포함할 수 있다. 게다가, 각각의 광기 부재의 넓은 면은 편평하거나, 또 다른 기하학적 형상을 가질 수 있다.

다른 실시예와 유사하게 광학 부재(801 내지 805)는 투명한 물질로 제조되고, 이로써 (도 6의 광학기(606)와 유사한) 광학 렌즈처럼 기능하거나, (도 6의 벽(610 및 612)과 유사한) 투명한 물질로 만들어진 벽으로 형성된 중공 공동일 수 있다.

도시되지 않았지만, (도 7의 반사기(702)와 유사한) 반사기는 각각의 광학 부재(801 내지 805)를 둘러싸도록 위치할 수 있다. 또한, 각각의 광학 부재(801 내지 805)는 (도 6에 도시된 포스포층(604)과 유사한) 포스포층을 포함할 수 있다. 이러한 포스포층(미도시)은 각각의 발광 소스에 마주하는 각각의 광학 부재의 넓은 평면의 상부에 증착될 수 있다. 선택적으로, 포스포층(미도시)은 각각의 광학 부재의 넓은 평면 부근과 각각의 발광 소스에 마주하는 각각의 광학 부재 내에 끼워질 수 있다.

도 9A 및 9B를 참조하면, 900으로 지칭된 렌즈의 2차원 어레이가 되어 있다. 도 9A에 도시된 것처럼, N×M 고효율 광 소스 장치의 어레이가 광파이프(912)의 상부에 배치된다. 3개의 광소스는 910,920,930으로 지시된다. N×M 어레이의 남은 광소스 장치는 광소스 장치(910,920,930) 중 하나와 동일하다. 다음에 이들 광 소스 소자는 도 7의 소자(700)와 유사하다.

도 9B에 잘 도시된 것처럼, 각각의 광소스 장치(910,920,930)는 광 에미터(902), 렌즈(904) 및 도 6의 포스포층(604)과 유사할 수 있는 포스포층(미도시)을 포함한다. 또한 장방형 광파이프(912)를 향한 광 에미터(902)로부터 투과되고 반사된 광을 다시 지향시키는 반사기(906)가 포함된다.

도시된 것처럼 광파이프(912)는 광소스 장치(910,920,930)와 인접하는 측부(914)와 광소스 장치로부터 더 멀리 있는 또 다른 마주하는 측부(916)를 포함한다. 마주하는 측부(916) 상에, 포스포의 증착된 층(918)과 마이크로렌즈층이 존재한다. 마이크로렌즈층은 증착된 포스포층에 접착될 수 있다.

도 10A와 10B는 (도 7의 광소스 장치(700)와 유사한) 광소스 장치가 광파이 프의 에지 주변에서 이격되는, 대체로 1030으로 지칭된 고효율 광소스의 또 다른 실시예를 도시한다. 도 10A에 도시된 것처럼, 광소스 장치(1020,1022,1024,1026 등)와 같은 여러 광소스 장치가 광파이프(1000)의 에지 둘레에 위치한다.

고효율 광소스(1030의 단면은 도 10B에 도시된다. 도시된 것처럼, 광소스 장치(1018)는 광파이프(1000) 안으로 광이 지향되게 구성된다. 광소스 장치(1018)는 광 에미터(1020), 광학 렌즈(1022) 및 광 에미터(1020)에 마주하는 관계에 있는 포스포층(미도시)을 포함한다. 또한 광 에미터(1020)로부터 광파이프(1000)의 에지를 향해 그 안으로 투과되고 반사된 광을 다시 지향시키는 반사기(1024)가 포함된다.

광파이프(1000)는 에지(1004), 상부 측부(1006) 및 하부 측부(1008)를 포함한다. 상부 측부(1006)에서, 마이크로렌즈 확산기(1012)의 층과 포스포층(1010)의 증착물이 존재한다. 유사하게, 하부 측부(1008)에, 포스포층(1014)과 마이크로렌즈 확산기의 층(1016)의 증착물이 존재한다. 마이크로렌즈 층은 각각의 포스포층에 각각 접착될 수 있다.

도 11은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다. 도시된 것처럼, 장치(1110)는 광소스(1100), 렌즈(1102), 및 포스포층(1104)을 포함한다. 포스포층은 렌즈(1102)의 상부에 증착되어 도 6에 도시된 것과 유사한 방식으로 포스포층이 LED로부터 멀어진다. 광소스/렌즈/포스포 구성은 높은 반사율의 반사기(1106)에 의해 둘러싸인다. 일 실시예에서 측정된 반사율은 90% 내지 97%의 범위에 있다. 게다가, 고효율의 마이크로렌즈 확산기(1108)가 반사기(1106)의 상부에 위치한다. 일 실시예에서, 마이크로 확산기는 95% 효율 이상을 나타낸다.

도 12는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다. 도시된 것처럼, 장치(1210)는 포스포층(1202)에 면하는 광소스(1200) 및 반사기(1206)를 포함한다. 투명 매체(1204)가 광소스(1200)와 포스포층(1202) 사이의 공간에 채워질 수 있다. 일 실시예에서, 포스포층(1202)은 포물선 형상, 또는 이미 나열한 기하학적 형상 중 하나와 유사한 기타 굴곡된 형상을 가질 수 있다. 반사기(1206)는 포스포층과 광소스로부터 떨어져 이격된다. 투명 매체1208)는 포스포층과 반사기 사이의 공간을 채우는데 사용될 수 있다. 도시된 것처럼, 포스포층(1202)은 광소스(1200)와 반사기(1206) 사이에 배치된다.

백색 발광 다이오드(LED)에 사용된 포스포는 방출된 광의 절반 이상이 산란되지만, 이러한 광이 백색광 소스의 전체 효율을 증가시키기 위해 광자로서 회복될 수 있는 것으로 보았던 사람은 아무도 없다. 본 발명자들은 백색광 소스의 전체 효율을 현저히 증가시키는, 본 발명의 다양한 실시예를 제공함으로써 산란된 광자 추출(SPE) 방법을 실험적으로 증명하였다. 낮은 전류에서, SPE 패키지는 흑체 위치에 매우 근사한 색도값을 갖는 80 lm/W 백색이 보여진다.

백색광을 생성하기 위해 이용할 수 있는 상이한 방법 중에서, 포스포-변환된 방출 방법이 가장 일반적이다. 제 1 포스포-변환된 백색 LED는 갈륨 나이트라이드(GaN) 기반 청색 LED와 결합된 세륨 도핑된 이트리움 알루미늄 가넷(YAG:Ce) 포스포를 사용한다. 통상적인 백색 LED 패키지에서, 포스포는 LED 다이를 둘러싸는 에폭시 수지 내부에 내장된다. GaN LED에 의해 방출된 단파장 복사의 일부는 포스포에 의해 하향-변환되고, 결합된 광은 사람 눈에 흰색으로 인지된다. 비록 이러한 제품은 백색 LED 개념으로 검증되고 특정 조명 분야에 사용되지만, 이들은 낮은 전체 광 출력과 낮은 효율로 인해 일반적인 발광 분야에 적합하지 않다.

백색 LED를 이용하여 보다 높은 조명 효율을 달성하기 위해, 여러 단계: 내부 양자 효율, 추출 효율, 및 포스포-변환 효율에서 개선이 필요하다. 일부 연구자들은 내부 양자 효율을 개선하기 위해 반도체의 재료 및 성장 특성을 연구하였다. 다른 연구자들은 칩 형상화, 광자 결정, 마이크론단위 크기의 LED를 연구하고 광 추출 효율을 개선하기 위한 새로운 방법을 연구한다. 아직 이들 연구자들은 더 큰 하향-변환 효율과 우수한 공학 특성을 갖는 새로운 포스포를 연구하고 있다.

비록 과거 문헌은 광의 현저한 부분이 포스포에 의해 후방산란되고 흡수에 의해 LED 내에서 손실되는 것으로 공지되었지만, 본 발명자들은, 산란된 광자를 복구함으로써 포스포-변환된 백색 LED의 전체 광 출력과 조명 효율을 현저히 증가시키는, 본 발명의 실시예들이 제공된 산란된 광자 추출(SPE) 방법을 이용하여 이러한 후방산란된 광자를 추출함으로써 성능을 개선하였다.

주된 단파장 광과 포스포 사이의 상호작용을 보다 잘 이해하고 전방 및 후방 산란된 광의 양을 정량화하기 위해, 본 발명자는 직경이 5 cm인 여러개의 원형 유리 플레이트를 2 mg/cm² 내지 8 mg/cm² 사이의 범위에 있는 상이한 밀도의 YAG:Ce로 코팅하였다. 이러한 포스포 플레이트는 가벼운 구와 면하는 포스포 코팅부를 갖는 2 개의 나란한 통합 구 사이에 위치한다. 포스포 재료는 유리 플레이트로부터 2.5 cm 가벼운 구 내에 위치한 5 mm 청색 LED로부터의 복사에 의해 여기된다. 스펙트럼 계측기는 측정 포트를 통해 각각의 구로부터의 광 출력을 측정한다. 좌측 및 우측 구로부터 측정된 광 출력은 포스포층을 통과하고 반사된 광의 양을 각각 지시한다. 스펙트럼 계측기 데이터는 LED에 의해 방출된 복사 에너지 및 YAG:Ce 포스포으로부터의 변환된 에너지에 대응하는, 청색 및 황색 영역의 플럭스 양을 결정하기 위해 분석된다. 실험 결과는 투과되고 반사된 복사의 스펙트럼 전력 분포가 상이하다는, 특히 청색대황색 비율의 양이 다르다는 것을 보여준다. 투과되고 반사된 복사의 양은 포스포 밀도에 의존하며, 밀도가 낮을수록 투과된 복사의 퍼센티지가 높아진다. 통상적으로, 포스포 밀도는 투과된 청색 및 황색 광이 적절한 색수차의 백색광을 만들기 위해 올바른 비율로 있게 제어되며, 통상적으로 흑체 위치에 또는 가까운 위치에 있다. 수집된 데이터로부터, 광의 약 40%는 균형된 백색광을 생성할 때 투과되고 나머지 605는 반사되는 것으로 평가되었다. 야마다 등은 케이. 야마다, 와이. 이마이, 케이. 이시이, 제이. 라이트& 비스. 인브. 27(2), 70 (2003)에 유사한 결과를 보고하였다. 종래 백색 LED에서, 이러한 반사된 광의 현저한 부분은 다이를 둘러싸는 성분에 의해 흡수되며, 그 이유 중 하나는 낮은 조명 효율이다.

대부분의 반사된 광이 복구될 수 있는 방법은 도 13에 도시되어 있으며, 도 13은 산란된 광자 추출(PE)이 구형되는 LED 패키지를 개략적으로 도시한다. 포스포가 다이 주위에 퍼지는 통상적인 종래 백색 LED 패키지와 달리, 본 발명의 SPE 패키지에서, 포스포층은 다이로부터 멀리 이동하고, 다이와 포스포 사이에 투명한 매체를 남겨 놓는다. 패키지를 위한 유효한 기하학적 형상은 광 추적 분석을 통해 결정될 수 있다. 패키지의 형상은 중요한 기능을 하고, 도 13에 도시된 형상은 포스포층에 GaN 다이를 배출하는 광을 유효하게 투과하며 포스포층으로부터의 후반산란 광 대부분이 광학기를 벗어나게 한다. 통상적인 종래 패키지와 비교하면, 보다 많은 광자들이 SPE 패키지에 의해 복구된다. 즉 포스포 밀도는 최종 백색광의 색수차를 결정한다.

SPE 패키지는 종래 백색 LED 패키지와 유사한 색수차 좌표를 갖는 백색광을 만들기 위해 상이한 포스포 밀도를 필요로 한다. 이러한 차이는 유사하지 않은 스펙트럼을 갖는 투과된 광과 다시-반사된 광을 혼합하는 SPE 패키지의 결과이며, 종래 패키지는 투과된 광을 우세하게 사용하였다.

도 13에 도시된 SPE 패키지는 높은 광 출력과 조명 효율을 제공한다는 것을 검증하기 위하여, 12개의 종래 높은-플럭스 LED, 6개의 3 W 청색 및 6개의 3 W 백색을 이용하여 실험이 수행되었으며, 이들은 동일한 제조자로부터 얻었다. SPE 패키지의 프로파일 조건을 충족하는 상업적 광학기를 찾고, 여러 개가 LED를 이용한 실험에 사용되었다. 비록 이러한 광학 부재는 후방산란된 광 대부분을 추출하기 위해 도 13에 도시된 원한느 형상을 갖지 않지만, 추론을 검증하기에 충분하였다. 실험의 2차 광학기의 상부 평탄부는 미리 결정된 양의 YAG:Ce 포스포가 코팅되었다. 요구된 포스포 밀도는 포스포 밀도의 양을 대칭적으로 바꾸고, 결과 색수차를 분석하고, 실험에 사용된 상업적 백색 LED의 것과 가까운 색수차를 만드는 밀도를 선택함으로써 독립된 실험에서 결정되었다. 두 개의 패키징 개념의 성능을 비교하기 위해, 백색 LED는 코팅되지 않은 2차 광학기에 장착된다. 상업용 백색 LED의 광출력과 스펙트럼은 통합된 구에서 측정되고 LED에 전력을 공급하는데 필요한 전류와 전압 역시 측정되었다. 동일한 측정이 SPE 패키지에 대해 반복되고, 이는 도 13에 도시된 것처럼 포스포-코팅 2차 광학기에 장착된 청색 LED를 포함한다.

SPE LED 패키지에 대한 평균 조명 플럭스와 해당하는 평균 효율은 각각 90.7 lm 및 36.3 lm/W 이다. 통상적인 백색 LED 패키지에 대한 평균 조명 플럭스와 해당하는 평균 효율은 각각 56.5 lm 및 22.6 lm 이다. 따라서, 평균에 대한 SPE LED 패키지는 61% 이상의 광출력과 61% 이상의 높은 조명 효율을 갖는다. 유사한 LED들 간의 조명 플럭스의 변화와 해당하는 효율은 작으며, 표준 편차는 4% 미만이다. SPE 패키지는 통상적인 종래 백색 LED 패키지에 비해 보다 높은 루멘 출력과 높은 효율을 갖는다.

광 출력과 효율에 대한 전류의 충격이 2개의 LED 패키지에 대해 측정되었으며, 하나는 통상적인 백색 LED이고 다른 하나는 SPE 패키지이다. 이들 2개의 LED는 동일한 광 출력 측정 과정을 겪지만, 이들의 입력 전류는 여러 단계에서 700 mA 내지 50 mA까지 감소되며, 해당하는 광자측정 및 전기적 데이터가 수집된다. 매우 낮은 전류에서, SPE 패키지는 종래 패키지에서 54 lm/W에 비해 80 lm/W 를 초과한다.

SPE 패키지에서, 후방산란 광자는 이들이 LED 내의 부품에 의해 흡수되기 전에 추출된다. 포스포층은 다이로부터 보다 멀리 위치하고, 후방산란된 광자는 이들이 패키지 내에서 여러번 반사되기 전에 추출된다. 포스포를 다이로부터 멀리 이동시키는 것은 추가의 장점을 갖는다: 백색 LED의 수명이 개선되며, 이에 대해서는 초기 논문(Narendran, N., Y. Gu, J.P. Freyssinier, H. Yu, 및 L.Deng. 2004. Solid-state lighting: Failure analysis of white LEDS. Journal of Crystal Growth 268 (3-4): 449-456)에 개시되어 있다.

후방산란된 광의 일부를 복구하기 위한 본 발명의 선택적인 방법은 도 5A와 5B에 도시된 것처럼 2차 광학기의 측부들을 반사성 물질로 코팅하는 것이다. 비록 효율은 종래 LED 패키지에 비해 향상될 수 있지만, 후방산란된 광이 포스포층과 반사기 사이에서 전후로 경계하고 이러한 광의 상당한 부분이 흡수되고 열로 손실되기 때문에 이득은 그만큼 크지 않다. 이러한 방법의 단점은 둘러싸는 에폭시 물질을 통해 이동하는 단파장 광의 경로 길이를 증가시킴으로써 에폭시가 빠르게 저하되고 이로 인해 백색 LED의 유용한 수명이 짧아지는 것이다. 도 13에 도시된 SPE 패키지의 형상은 특정 형상으로 제한되지 않는다. 선택적 형상은 후방산란된 광자들을 보다 효율적으로 복구하는데 사용되지만, 색상 및 수명과 같은 다른 구조 사항에 영향을 준다. 일 예로서, 도 13의 구성에서, 발명자는 상부면 직경에 대한 바람직한 크기가 약 20 mm이고 높이에 대한 바람직한 크기가 약 11 mm인 것을 알아냈다.

요약하면, 본 발명은 포스포층으로부터 후방산란된 광을 복구하는 것이다. 게다가, 백색 LED의 전체 광 출력과 해당하는 조명 효율은 종래 백색 LED에 비해 현저히 증가한다. 낮은 전류에서, SPE 방법은 흑체 위치에 매우 가까운 색수차를 갖는 80 이상의 lm/W 백색 광을 갖는 것을 보여준다.

비록 본 발명이 실시예를 참조하여 설명되었지만, 이들에 제한되지 않는다. 오히려, 첨부된 청구항이 본 발명의 사상과 범위에서 벗어나지 않고 당업자가 구현할 수 있는 본 발명의 실시예들을 다양한 변형들을 포함하도록 구성되었다.

Claims

발광 장치로서,

광을 방출하기 위한 광 소스;

상기 방출된 광을 수신하고 상기 방출된 광을 순방향으로(forward) 투과된 광 및 역방향으로(backward) 투과된 광으로 변환하며 상기 광 소스로부터 떨어져서 배치된 하향 변환 재료;

광학 장치;

상기 광학 장치의 적어도 일부분을 둘러싸는 반사기; 및

상기 반사기의 적어도 일부분의 상부에 증착된 광 확산기를 포함하고,

상기 광학 장치는 상기 하향 변환 재료가 결여된 적어도 하나의 투명한 측벽을 가지며, 상기 역방향으로 투과된 광을 수신하고 상기 역방향으로 투과된 광을 상기 투명한 측벽 외부로 전달하도록 구성되며,

상기 하향 변환 재료는 상기 광 소스와 상기 반사기 사이에 배치되고, 상기 하향 변환 재료는 굴곡된 형상을 갖는,

발광 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 광 소스는 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD), 또는 공진 공동 발광 다이오드(RCLED) 중 하나를 포함하는 반도체 발광 다이오드인, 발광 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 하향 변환 재료는 하나의 스펙트럼 영역에서 광을 흡수하고 또 다른 스펙트럼 영역에서 광을 방출하기 위하여, 포스포(phosphor), 양자점(quantum dot), 양자점 결정, 또는 양자점 나노결정 중 하나를 포함하는, 발광 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 광학 장치는 광 투과 재료를 포함하는, 발광 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 광학 장치는 광 투과 특성을 갖는 렌즈 또는 광 가이드 중 적어도 하나를 포함하는, 발광 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 광학 장치는 상기 소스로부터 방출된 상기 광이 상기 하향 변환 재료를 향하도록 추가로 구성되는, 발광 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 광학 장치는 상기 소스로부터 방출된 실질적으로 모든 광이 상기 하향 변환 재료를 향하도록 렌즈 또는 광 가이드 중 하나를 포함하는, 발광 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 광 소스는 상기 광학 장치의 제 1 단부에 인접하여 배치되는, 발광 장치.
제 8 항에 있어서, 상기 하향 변환 재료는 상기 광학 장치의 제 2 단부에 인접하여 배치되고, 상기 제 2 단부는 상기 제 1 단부의 반대에 있는, 발광 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 광학 장치는 상기 광학 장치 외부로 상기 반사된 광을 투과시키도록 구성되는, 발광 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 광 소스는 다수의 반도체 광 에미터들을 포함하는, 발광 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 하향 변환 재료는 상기 광학 장치의 제 2 단부의 일부분 상에 증착되는, 발광 장치.
제 12 항에 있어서, 상기 하향 변환 재료는 상기 광학 장치의 제 2 단부를 실질적으로 덮도록 증착하는, 발광 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 광학 장치 외부로 투과되는 상기 반사된 광을 수집하기 위한 수집 장치를 포함하는, 발광 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 수집 장치는 상기 수집 장치로부터 멀어지게 상기 반사된 광을 지향시키기 위한 반사기를 포함하는, 발광 장치.
제 15 항에 있어서, (a) 상기 광 소스는 상기 광학 장치의 제 1 단부에 인접하여 배치되고, (b) 상기 하향 변환 재료는 상기 광학 장치의 제 2 단부에 인접하여 배치되며, (c) 상기 광학 장치의 제 1 단부는 상기 반사기의 제 1 단부에 인접하여 배치되는, 발광 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 광학 장치의 기하학적 형상은 원뿔, 구, 포물선, 타원, 피라미드 또는 박스 형상 중 하나를 포함하는, 발광 장치.
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발광 장치로서,

광 투과 재료를 포함하는 원주형 광학기;

상기 원주형 광학기 내에 배치된 광 복사 소스; 및

상기 광 복사 소스에 의해 투과된 투과 광 또는 반사 광 중 적어도 하나를 위한 상기 원주형 광학기의 중간 부분 및 내부에 배치된 하향 변환 재료

를 포함하는, 발광 장치.
제 20 항에 있어서, 상기 광 복사 소스는 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD), 또는 공진 공동 발광 다이오드(RCLED) 중 하나를 포함하는 반도체 광 에미터인, 발광 장치.
제 20 항에 있어서, 상기 광 복사 소스는 상기 원주형 광학기의 일 측방 단부에 인접하여 배치되는, 발광 장치.
제 20 항에 있어서, 상기 광 복사 소스는 상기 원주형 광학기의 일 측방 단부에 인접하여 배치되고 서로 이격된, 제 1 및 제 2 복사 소스들을 포함하는, 발광 장치.
제 20 항에 있어서, 상기 하향 변환 재료는 하나의 스펙트럼 영역에서 광을 흡수하고 또 다른 스펙트럼 영역에서 광을 방출하기 위한 포스포 또는 다른 재료 중 하나를 포함하는, 발광 장치.
제 20 항에 있어서, 상기 하향 변환 재료는 상기 원주형 광학기의 종축에 실질적으로 평행하게 배치되는, 발광 장치.
제 20 항에 있어서, 상기 광학 복사 소스는 상기 하향 변환 재료의 각각의 측부에서 적어도 하나의 광 소스를 포함하는, 발광 장치.
제 26 항에 있어서, 상기 광 소스들은 적어도 하나의 기판에 장착되는, 발광 장치.