KR101518302B1 - 고전력 백색 led 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
발광 장치는 단파장 광을 방출하기 위한 광원을 갖는다. 다운 컨버팅 재료는 상기 광원에 의해 방출된 단파장 광 중 적어도 일부를 수신하여 다운 컨버팅하고, 다시 수신되어 다운 컨버팅된 광의 일부를 스캐터링한다. 상기 다운 컨버팅 재료 근처의 광학 소자는 상기 광원을 적어도 부분적으로 둘러싼다. 상기 광학 소자는 상기 다시 스캐터링된 광 중 적어도 일부를 추출하도록 구성된다. 실런트가 상기 광원과 상기 광학 소자 사이의 공간을 실질적으로 실링한다.
Description
본 출원은 미국 가출원 번호 60/859,633, 출원일 2006년 11월 17일의 우선권을 향유하고, 상기 출원은 본 명세서에 일체화된다.
발광 다이오드 및 공진 공동 발광 다이오드를 갖는 고체 램프를 포함하는 고체 발광 소자는 매우 유용한데, 그 이유는 이들은 잠재적으로 제조 비용이 낮고, 종래 백열등 및 형광등에 비해 오랜 지속시간을 갖기 때문이다. 오랜 동작(연소) 시간 및 낮은 전력 소모 때문에, 종래 램프 보다 초기 비용이 비싸더라도 고체 발광 소자는 종종 기능적 비용 장점을 제공한다. 대형 반도체 제조 기술들이 사용될 수 있기 때문에, 많은 고체 램프들은 매우 저가로 생산될 수 있다.
가정의 표시등, 전자 제품, 오디오 비주얼 장비, 통신 장치 및 자동 계기 마킹(automotive instrument marking)과 같은 응용분야 외에도, LED는 실내 및 옥외 정보 디스플레이에서 상당한 응용분야를 갖는다.
단파장(예컨대, 블루 또는 자외선(UV)) 방사(radiation)를 방출하는 효율적인 LED의 개발과 함께, LED의 주 방사관의 일부를 더 긴 파장으로 다운 컨버젼(즉, 형광물질 변환(phosphor conversion))함으로써 백색광을 생성하는 LED를 생산하는 것이 가능하게 되었다. LED의 주 방사를 더 긴 파장으로 변환하는 것을 통상적으로 주 방사의 다운 컨버젼이라 한다. 주 방사의 다운 커버젼되지 않은 부분은 더 긴 파장의 광과 결합되어 백색광을 생성한다.
LED의 주 방사의 일부의 형광물질 변환은 형광 레이어를 LED를 LED 램프에 하우징하는 리플렉터 컵을 채우는데 사용되는 에폭시에 둠으로써 수행된다. 형광물질은 에폭시를 경화시키기 전에 에폭시에 혼합되는 파우더 형태이다. 형광물질 파우더를 포함하는 경화되지 않은 에폭시 슬러리는 LED 상에 증착되고, 그리고 나서 경화된다.
경화된 에폭시 내의 형광물질 파티클은 일반적으로 무작위 방향성을 갖고, 에폭시 전체에 대해 산재된다. LED가 발광한 주광의 일부는 형광물질 파티클에 충돌하지 않고 에폭시를 관통하고, LED 칩이 발광한 주광의 다른 일부는 형광물질 파티클에 충돌하여 형광물질 파티클이 더 긴 파장의 방사를 방출하도록 한다. 주 단파장 방사와 형광물질에 의해 방사된 방사는 백색광을 생성한다.
현재 기술의 형광물질 변환된 LED (pc-LED : phosphor-converted LED) 기술은 가시스펙트럼에서 비효율적이다. 단일 pc-백색 LED에 대한 광 출력은 가시 스펙트럼에서 대략 10 퍼센트의 효율을 갖는 통상적인 가정용 형광 램프보다 낮다. 통상적인 형광 램프의 파워 농도에 상당한 광 출력을 갖는 LED 소자는 더 큰 LED 칩 또는 다수의 LED 칩을 갖는 설계 구조를 필요로 한다. 또한, LED 소자 내에서 발생하는 온도 문제를 해결하기 위해서는 직접 에너지 흡수 쿨링 방식이 필요하다. 보다 구체적으로, LED 소자는 100℃ 이상의 온도까지 가열되면 효율이 떨어지게 되어, 가시 스펙트럼이 감소하게 된다. 일부 형광물질에 대해서는, 온도가 약 90℃ 임계값 이상으로 증가하면 고유 형광물질 변환 효율이 급격히 떨어진다.
통상적인 LED 칩은 돔 또는 에폭시 돔이라 불리는 에폭시로 인캡슐레이션된다. 인캡슐레이션된 LED로부터의 광은 돔의 인캡슐레이션 물질을 관통한 다음 공기와 같은 전송매질을 통과하게 된다. 돔의 인캡슐레이션 물질은 적어도 두가지 기능을 수행한다. 첫째, 빔 제어를 가능케 하는데 즉, LED 칩에서 목적으로 향하는 광선의 방향을 제어하는데 도움이 된다. 둘째, LED와 공기 사이의 광 전송의 효율을 증가시킨다. 인캡슐레이션 매질의 굴절률 값이 LED 칩의 굴절률과 공기의 굴절률 중간이기 때문에, 돔의 인캡슐레이션 물질은 이러한 두가지 기능들을 적어도 부분적으로는 수행한다. 통상적인 LED 칩에 있어서, 돔의 높이는 2 mm 내지 10 mm 사이의 범위일 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 단파장 방사를 방출하는 방사 소스를 갖는 발광 장치이다. 다운 컨버젼 재료는 상기 방사 소스에 의해 방출된 단파장 방사 중 적어도 일부를 수신하여 다운 컨버팅하고, 수신되어 다운 컨버팅된 방사의 일부를 후방으로 전달한다. 다운 컨버젼 재료 근처의 광학 소자는 방사 소스를 적어도 부분적으로 둘러싼다. 광학 소자는 후방으로 전달된 방사의 적어도 일부를 추출하도록 구성된다. 실런트는 방사 소스와 광학 소자 사이의 공간을 실질적으로 실링한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 단파장 방사를 방출하는 복수의 방사 소스를 갖는 발광 장치이다. 다운 컨버젼 재료는 복수의 방사 소스 중 적어도 하나로부터의 단파장 방사 중 적어도 일부를 수신하여 다운 컨버팅하고, 수신하여 다운 컨버팅된 방사의 일부를 후방으로 전달한다. 다운 컨버젼 재료 근처의 광학 소자는 복수의 방사 소스를 적어도 부분적으로 둘러싸고, 다운 컨버젼 재료로부터 후방으로 전달된 방사의 적어도 일부를 추출하도록 구성된다. 실런트가 상기 복수의 방사 소스와 상기 광학 소자 사이의 공간을 실질적으로 실링한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 단파장 방사를 방출하는 복수의 방사 소스를 갖는 발광 장치이다. 복수의 다운 컨버젼 재료층은 각각 상기 방사 소스들 각각에 의해 방출된 단파장 방사 중 적어도 일부를 수신하여 다운 컨버팅하고, 수신 및 다운 컨버팅된 방사의 각 부분들을 후방으로 전달한다. 복수 개의 광학 소자가 있다. 각 광학 소자는 각 다운 컨버젼 재료층 근처에 있다. 광학 소자들 각각은 방사 소스 각각을 적어도 부분적으로 둘러싼다. 각 광학 소자들은 각 다운 컨버젼 재료층으로부터 후방으로 전달된 방사 또는 각 방사 소스로부터의 방사 중 적어도 일부를 추출하도록 구성된다. 복수의 실런트들이 각 방사 소스와 각 광학 소자 사이의 각 공간들을 실질적으로 실링한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 발광 장치를 제조하는 방법이다. 다운 컨버젼 재료가 상기 다운 컨버젼 재료로부터 후방으로 전달된 방사 또는 단파장 방사 소스로부터 방출된 방사 중 적어도 하나를 추출하도록 구성된 광학 소자의 제1 부분 상에 배치된다. 광학 소자의 제2 부분에 개구부가 형성된다. 실런트가 상기 광학 소자의 제2 부분의 표면 상에 배치된다. 방사 소스는 개구부 내에 삽입되고, 방사 소스의 적어도 일면은 상기 실런트와 접촉된다. 광학 소자는 지지부 상에 배치된다.
본 발명의 또 다른 실시예는 발광 장치를 제조하는 또 다른 방법이다. 다운 컨버젼 재료가 다운 컨버젼 재료로부터 후방으로 전달된 방사 또는 단파장 방사 소스로부터 방출된 방사 중 저겅도 하나를 추출하도록 구성된 광학 소자 상에 배치된다. 광학 소자의 제2 부분에 개구부가 형성된다. 상기 개구부 내의 광학 소자의 제2 부분의 표면 상에 실런트가 배치된다. 방사 소스는 지지부 상에 배치된다. 광학 소자는 방사 소스를 적어도 부분적으로 둘러싸도록 지지부 상과 방사 소스 위에 배치된다.
본 발명의 또 다른 실시예는 단파장 방사를 방출하는 방사 소스를 갖는 발광 장치이다. 다운 컨버젼 재료가 상기 방사 소스에 의해 방출된 단파장 방사의 적어도 일부를 수신하여 다운 컨버팅하고, 상기 수신 및 다운 컨버팅된 방사의 일부를 후방으로 전달한다. 상기 다운 컨버젼 재료와 방사 소스 근처의 광학 소자는 상기 광학 소자로부터, 후방으로 전달된 방사 또는 방사 소스로부터의 방사 중 적어도 하나를 추출하도록 구성된다. 광학 소자로부터 추출된 광의 적어도 일부를 반사시키는 제1 반사면이 광학 소자를 적어도 부분적으로 둘러싼다. 상기 방사 소스에 의해 방출된 방사 중 적어도 일부를 반사시키는 제2 반사면이 상기 방사 소스를 적어도 부분적으로 둘러싼다.
본 발명의 또 다른 실시예는 단파장 방사를 방출하는 복수의 방사 소스들을 갖는 발광 장치이다. 다운 컨버젼 재료는 상기 복수의 방사 소스들 중 적어도 하나로부터의 단파장 방사 소스를 수신하여 다운 컨버팅하고, 수신 및 다운 컨버팅된 방사의 일부를 후방으로 전달한다. 상기 다운 컨버젼 재료 근처의 광학 소자는 상기 복수의 방사 소스들을 부분적으로 둘러싸고, 상기 다운 컨버젼 재료로부터 후방으로 전달된 방사의 적어도 일부를 추출하도록 구성된다. 실런트가 상기 복수의 방사 소스와 상기 광학 소자 사이의 공간을 실질적으로 실링한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 제1 반사컵과 제2 반사컵을 갖는 발광 장치를 제조하는 또 다른 방법이다. 다운 컨버젼 재료가 다운 컨버젼 재료로부터 후방으로 전달된 방사와 단파장 방사 소스로부터 방출된 방사 중 하나를 추출하도로 구성된 광학 소자의 제1 부분에 상에 배치된다. 상기 방사 소스의 제1면은 사익 제2 반사컵에 의해 형성된 우물의 제1면 상에 배치된다. 상기 방사 소스의 적어도 제2면과 상기 우물의 제2면 사이에 제1 실런트가 배치된다. 상기 방사 소스의 적어도 제3면에는 제2 실런트가 배치된다. 상기 광학 소자는 상기 제1 반사컵 내에 배치되어 제2 실런트와 접촉된다.
도면들은 스케일링되지 않은 상태이고, 일부 특징부들의 상대적인 크기는 설명을 위해 과장될 수 있음이 이해될 것이다.
도 1은 LED 칩과 같은 단파장 방사 소스로부터의 예시적인 방사선이 다운 컨버젼 물질의 층에 충돌할 때 발생할 수 있는 예시적인 방사선을 나타내는 다이어그램이다.
도 2는 단파장 방사 소스로부터 멀리 떨어진 다운 컨버젼 물질을 이용하는 광학 소자의 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 방출 장치의 부분 단면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 개구부를 갖는 도 3에 도시된 광학 소자의 부분 단면도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 개구부를 갖는 도 3에 도시된 광학 소자의 부분 단면도이다.
도 6은 다운 컨버젼 물질 근처의 일 실시예에 따른 렌즈를 갖는 본 발명의 일 실시예의 부분 단면도이다.
도 7은 다운 컨버젼 물질 근처의 렌즈를 갖지 않는 본 발명의 다른 실시예의 부분 단면도이다.
도 8은 다운 컨버젼 물질 근처의 다른 실시예에 따른 렌즈를 갖는 본 발명의 일 실시예의 부분 단면도이다.
도 9는 다운 컨버젼 물질 근처의 또 다른 실시예에 따른 렌즈를 갖는 본 발명의 일 실시예의 부분 단면도이다.
도 10은 다수의 단파장 방사 소스가 사용된 본 발명의 다른 실시예이다.
도 11은 다수의 단파장 방사 소스가 사용된 본 발명의 다른 실시예이다.
도 12는 다수의 단파장 방사 소스가 사용된 본 발명의 또 다른 실시예이다.
도 13은 방사 소스 및 광학 소자 근처에 다수의 반사 표면을 갖는 본 발명의 또 다른 실시예이다.
도 14는 도 3 내지 도 12에 설명된 본 발명의 실시예 중 하나를 제조하는데 사용될 수 있는 방법의 일 실시예이다.
도 15는 도 3 내지 도 12에 설명된 본 발명의 실시예 중 하나를 제조하는데 사용될 수 있는 방법의 다른 실시예이다.
도 16은 도 13에 설명된 본 발명의 실시예를 제조하는데 사용될 수 있는 방법의 일 실시예이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 소자의 부분 단면도이다.
도 18은 도 17에 도시된 실시예의 또 다른 부분 단면도이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예의 부분 단면도이다.
도 20은 도 19에 도시된 실시예의 또 다른 부분 단면도이다.
도 21은 도 17 내지 20에 도시된 실시예들 중 하나의 제조 방법의 실시예이다.
도 22는 도 17 내지 20에 도시된 실시예들 중 하나의 제조 방법의 다른 실시예이다.
도 1은 LED 칩과 같은 단파장 방사 소스로부터의 예시적인 방사선이 다운 컨버젼 물질의 층에 충돌할 때 발생할 수 있는 예시적인 방사선을 나타내는 다이어그램이다.
도 2는 단파장 방사 소스로부터 멀리 떨어진 다운 컨버젼 물질을 이용하는 광학 소자의 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 방출 장치의 부분 단면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 개구부를 갖는 도 3에 도시된 광학 소자의 부분 단면도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 개구부를 갖는 도 3에 도시된 광학 소자의 부분 단면도이다.
도 6은 다운 컨버젼 물질 근처의 일 실시예에 따른 렌즈를 갖는 본 발명의 일 실시예의 부분 단면도이다.
도 7은 다운 컨버젼 물질 근처의 렌즈를 갖지 않는 본 발명의 다른 실시예의 부분 단면도이다.
도 8은 다운 컨버젼 물질 근처의 다른 실시예에 따른 렌즈를 갖는 본 발명의 일 실시예의 부분 단면도이다.
도 9는 다운 컨버젼 물질 근처의 또 다른 실시예에 따른 렌즈를 갖는 본 발명의 일 실시예의 부분 단면도이다.
도 10은 다수의 단파장 방사 소스가 사용된 본 발명의 다른 실시예이다.
도 11은 다수의 단파장 방사 소스가 사용된 본 발명의 다른 실시예이다.
도 12는 다수의 단파장 방사 소스가 사용된 본 발명의 또 다른 실시예이다.
도 13은 방사 소스 및 광학 소자 근처에 다수의 반사 표면을 갖는 본 발명의 또 다른 실시예이다.
도 14는 도 3 내지 도 12에 설명된 본 발명의 실시예 중 하나를 제조하는데 사용될 수 있는 방법의 일 실시예이다.
도 15는 도 3 내지 도 12에 설명된 본 발명의 실시예 중 하나를 제조하는데 사용될 수 있는 방법의 다른 실시예이다.
도 16은 도 13에 설명된 본 발명의 실시예를 제조하는데 사용될 수 있는 방법의 일 실시예이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 소자의 부분 단면도이다.
도 18은 도 17에 도시된 실시예의 또 다른 부분 단면도이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예의 부분 단면도이다.
도 20은 도 19에 도시된 실시예의 또 다른 부분 단면도이다.
도 21은 도 17 내지 20에 도시된 실시예들 중 하나의 제조 방법의 실시예이다.
도 22는 도 17 내지 20에 도시된 실시예들 중 하나의 제조 방법의 다른 실시예이다.
도 1은 LED 칩(2002)와 같은 단파장 방사 소스에서 방사된 예시적인 방사 광선(2000)이 다운 컨버젼 물질(2004)의 층에 충돌할 때 발생할 수 있는 예시적인 방사 광선을 나타내는 다이어그램이다. LED 칩(2002)과 같은 단파장 광원에서 다운 컨버젼 물질 층(2004)으로의 단파장 방사선(2000)의 충돌은 다음 네가지 컴포넌트를 갖는 방사를 생성한다. 다운 컨버젼 물질층(2004)에서 반사되어 후방으로 전달된 단파장 방사(2006), 다운 컨버젼 물질층(2004)을 통해 전달된 전방으로 전달된 단파장 방사(2008), 다운 컨버젼 물질(2004)을 통과한 전방으로 전달된 다운 컨버젼된 방사(2010), 및 다운 컨버젼 물질(2004)로부터 반사되어 역방향으로 전달된 다운 컨버젼된 방사(2012). 이들 네가지 컴포넌트는 결합되어 백색광을 생성할 수 있다.
4가지 컴포넌트 중 2개(2010, 2012)는 각각 2개의 서브 컴포넌트로 구성될 수 있다. 전방으로 전달된 다운 컨버팅된 방사의 서브 컴포넌트 중 하나는 방출된 방사(2014), 즉 다운 컨버젼 재료층(2004)에 충돌한 단파장 방사관보다 더 긴 파장을 갖는 다운 컨버팅된 방사일 수 있다. 상기 전방으로 전달된 다운 컨버팅된 방사의 방출된 방사 서브 컴포넌트(2014)는 다운 컨버젼 재료(2004)를 통해 전송될 때, 다운 컨버젼 재료(2004)의 파티클 상에 충돌하는 단파장 방사(200)에 의해 생성될 수 있다. 전방으로 전달된 다운 컨버팅된 방사의 제2 서브 컴포넌트는 전방으로 스캐터링된 방출된 방사(2016), 즉 상기 다운 컨버젼 재료층(2004)에 충돌한 단파장 방사(200) 보다 긴 파장을 갖는 다른 다운 컨버팅된 방사가다. 전방으로 전달되어 다운 컨버팅된 방사(2010)의 전방으로 스캐터링된 방출된 방사 서브 컴포넌트(2016)는 다운 컨버젼 재료(2004)의 파티클에 충돌하는 단파장 방사(200)에 의해 생성될 수 있으며, 이것은 또한 다운 컨버젼 재료(2004)의 파티클에서 앞뒤로 반사된 다음, 다운 컨버젼 재료(2004)를 통해 전송된다.
후방으로 전달된 다운 컨버팅된 방사(2012)의 서브 컴포넌트 중 하나는 방출된 방사(2020), 즉 다운 컨버젼 재료층(2004)에 충돌하는 단파장 방사(2000) 보다 긴 파장을 갖는 다운 컨버팅된 방사일 수 있다. 후방으로 전달된 다운 컨버팅된 방사(2012)의 방출된 방사 서브 컴포넌트(2018)는 다운 컨버젼 재료(2004)로부터 반사될 때 다운 컨버젼 재료(2004)의 파티클에 충돌하는 단파장 방사(2000)에 의해 생성될 수 있다. 후방으로 전달된 다운 컨버팅된 방사(2012)의 제2 컴포넌트는 후방으로 스캐터링된 방출된 방사(2020), 즉 다운 컨버젼 재료층(2004)에 충돌한 단파장 방사(200) 보다 긴 파장을 갖는 다운 컨버팅된 방사일 수 있다. 후방으로 전달된 다운 컨버팅된 방사(2012)의 후방으로 스캐터링된 방출된 방사 서브 컴포넌트(2020)는 다운 컨버젼 재료(2004)의 파티클에 충돌하는 단파장 방사(200)에 의해 생성될 수 있고, 이것은 또한 다운 컨버젼 재료(2004)의 파티클에서 앞뒤로 반사된 다음, 다운 컨버젼 재료(2004)로부터 반사된다.
백색광은 전술한 다양한 컴포넌트들의 조합에 의해 생성될 수 있다. 전방 전달 방향(즉, 다운 컨버젼 재료층을 통해 전송된 방사(2008,2014,2016,2010)에서), 백색광은 전방으로 전달된 단파장 방사(2008)과 전방으로 전달될 다운 컨버팅된 방사(2010)의 서브 컴포넌트(2014,2016) 중 하나 또는 둘다의 조합에 의해 생성될 수 있다. 즉, 백색광은 전방 전달 방향에서, 전방으로 전달된 단파장 광(2008)과, 전송된 방출된 방사(2014) 및/또는 전송된 전방으로 스캐터링된 방출된 방사(2016)의 조합에 의해 생성될 수 있다.
후방 전달 방향(즉, 다운 컨버젼 재료층에 의해 반사된 방사(2006,2018,2020,2012))에서, 백새광은 후방으로 전달된 단파장 방사(2006)와, 후방으로 전달된 다운 컨버팅된 방사(2012)의 서브 컴포넌트(2018,2020) 중 하나 또는 둘다의 조합에 의해 생성될 수 있다. 즉, 백색광은 후방 전달 방향에서, 후방으로 전달된 단파장 광(2006)과, 반사된 방출된 방사(2018) 및/또는 반사된 후방으로 스캐터링된 방출된 방사(2020)의 조합에 의해 생성될 수 있다.
전방으로 전달된 단파장 방사(2008)의 파장은 LED 칩(2002)와 같은 방사 소스에 의해 방출된 방사(2000)의 파장과 거의 동일할 수 있다. 후방으로 전달된 단파장 방사(2006)의 파장은 방사 소스(200)에 의해 방출된 방사(2000)의 파장과 거의 동일할 수 있다. 전방으로 전달된 단파장 방사(2008)의 파장은 후방으로 전달된 단파장 방사(2006)의 파장과 거의 동일할 수 있다. 일 실시예에서, 방사 소스(2002)는 550nm이하, 보다 구체적으로는 약 200nm 내지 550nm 이하 범위의 파장을 나타내는 방사를 방출할 수 있다. 따라서, 전방으로 전달된 단파장 방사(2008)의 파장과, 후방으로 전달된 단파장 방사(2006)의 파장은 550nm 이하, 보다 구체적으로는 약 200nm 내지 550nm 이하 범위일 수 있다.
전방으로 전달된 다운 컨버팅된 방사(2010)(그 서브 컴포넌트(2014,2016) 포함)의 파장 및 후방으로 전달된 다운 컨버팅된 방사(2012)(그 서브 컴포넌트(2018,2020) 포함)의 파장은 다운 컨버젼 재료(2004)의 여기 스펙트럼 보다 긴 임의의 파장일 수 있다. 일 실시예에서, 다운 컨버젼 재료(2004)의 여기 스펙트럼은 약 300nm 내지 550nm의 범위일 수 있다. 선택적인 실시예에서, 약 300nm 내지 550nm의 범위 이외의 여기 스펙트럼을 갖는 다른 다운 컨버젼 재료가 사용될 수 있다. 다운 컨버젼 재료(2004)의 여기 스펙트럼은 단파장 방출 방사 소스(2002)에 의해 생성된 방사의 파장보다 긴 파장을 갖는 방사를 생성하여야 한다. 일 실시예에서, 다운 컨버젼 재료(2004)는 약 490nm 내지 약 750nm 범위의 방사를 생성할 수 있다.
본 출원의 발명자는 다운 컨버젼 형광물질을 LED 다이에 가까이 놓으면, 형광물질 변환된 LED의 성능은 부정적인 영향을 받는다는 사실을 발견하였다. 나쁜 성능은 주로 다이를 둘러싸는 형광물질 매질이 등방성 방출물질과 같이 동작한다는 사실과, 다이를 향해 후방으로 전달된 방사의 일부가 형광층, 다이 및 반사기 컵 사이에서 순환한다는 사실 때문이다. 결과적으로, 후방으로 전달된 방사는 접합부 온도를 상승시키고, 이것은 시스템 효율을 감소시키며, 인캡슐런트의 황화(yellowing)를 증가시킨다. 이 모든 팩터들은 시간에 따른 광 출력을 감소시킨다.
공지된 문헌에 따르면, 형광층에 충돌하는 빛의 60 퍼센트는 후방으로 전달되어, 전술한 효과들에 기여한다(Yamada et al. 2003). 8개의 YAG:Ce 형광 플레이트의 실험실 측정치는 방사 에너지의 거의 60 퍼센트가 청색 LED 소스 방향의 후방으로 전달된다는 사실을 증명했다. 반사되는 방사 에너지의 절대값은 여러 팩터들 중에서도, 형광 코팅의 농도에 따라 달라진다.
그러한 효과들은 RCLED의 경우에는 그 광 출력이 훨씬 더 콜리메이트되므로, RCLED에서 더 큰 값을 가질 것으로 기대된다. 결과적으로, 패키징은 전송되고, 방출되고, 반사된 컴포넌트들을 포획하여 시스템 효율을 개선하고자 한다. 또한, 본 출원의 발명자들은 형광층이 다이에서 제거되어, LED 및 RCLED로의 방사 피드백을 방지할 수 있는 패키징을 만들어 냈다. 결과적으로, 패키징은 형광층에 의해 반사되고, 방출된 방사 출 더 많은 부분이 장치를 빠져나갈 수 있도록 함으로써 장치의 효율을 증가시킨다. 동시에, RCLED로부터의 방사는 형광층에 일정하게 충돌하여 일정한 백색광원을 획득한다. 또한, LED 및 RCLED의 수명이 개선된다.
통상적인 형광물질 변환된 백색 LED에서는, 형광체가 다이에 근접하게 배치되고, 형광체에 의해 생성된 광 중 65 퍼센트 이상이 후방으로 스캐터링되어 LED 패키지 내에서 소실된다. 이러한 발견을 기반으로, SPETM(Scatter Photon ExtractionTM)이라는 기술이 개발되었다. 상기 기술의 일 실시예는 출원중인 국제 출원 번호 PCT/US2005/015736, 출원일 2005년 5월 5일, 공개번호 WO2005/1047420, 공개일 2005년 11월 17일에 개시되어 있다.
형광물질 변환된 백색 LED(pc-LED)로부터의 광 출력을 증가시키고, 더 높은 광 효율을 달성하기 위해, 다운 컨버젼 재료(예컨대, 형광체 또는 양자점(quantum dots))가 먼 위치로 제거되고, 적절하기 제조된 광학 소자가 LED 칩과 다운 컨버젼 재료층 사이에 배치된다. 그리고 나서, 후방으로 전달된 광은 추출되어 전체 광 출력 및 효율을 증가시킬 수 있다. 이 기술은 형광체에서 방출되고, 후방으로 스캐터링된 반사된 방사와, 종전에는 소실되었을 반사된 단파장 방사를 추출함으로써 pc-백색 LED의 전체 광 출력 및 광 효율을 상당히 증가시킨다. 본 명세서에 기재된 발명은 예컨대 LED 칩 어레이를 사용하여 150 lm/W에서 1500lumen 패키지를 달성한다. 일 실시예에서, 상기 LED 칩 어레이는 질화물 기반이다. 선택적인 실시예에서, 상기 LED 칩 어레이는 AlInN 기반이거나 또는 임의의 다른 단파장 방출물질 기반일 수 있다.
도 2는 SPETM 기술을 사용한 소자를 나타낸다. 도 2는 하나 이상의 고체 방출물질 및 다운 컨버젼 재료를 사용할 수 있는 고효율 광원을 나타낸다. 도 2는 단파장 방사 소스에서 멀리 떨어진 다운 컨버젼 재료를 이용한 광학 소자를 나타낸다. 다운 컨버젼 재료는 형광체 또는 양자점일 수 있다. 도시된 바와 같이, 상기 소자는 단파장 방사를 방출하는 방사 소스(202)를 포함할 수 있다. 방사 소스(202)는 실질적으로 광 투과성일 수 있는 실질적으로 투명한 매질로 구성될 수 있는 광학 소자(250)에 의해 형광층(204)으로부터 분리된다. 실질적으로 투명한 매질은 예컨대, 공기, 유리 또는 아크릴일 수 있다. 광학 소자(250) 및 본 명세서에 개시된 모든 실시예들은 형태가 원통형이거나 또 다른 곡선형 또는 선형일 수 있다. 설명을 위해, 광학 소자(250)는 벽(252,254)을 갖는 것으로 도시되어 있으며, 상기 벽(252,254)은 실질적으로 투명하고 실질적으로 광 투과성의 벽일 수 있다. 형광체 층(204)은 광학 소자(250)의 근처 또는 일부분(206)에 배치될 수 있다.
형광체 또는 양자점층(204)은 서로 다른 파장의 혼합광을 개선하기 위해 추가적인 스캐터링 파티클(예를 들어, 마이크로 구면체)을 더 포함할 수 있다. 또한, 형광체 또는 양자점층(204)은 수개의 서로 다른 스펙트럼 영역에 존재할 수 있는 서로 다른 색체의 다운 컨버팅된 방사를 생성하기 위해, 단일 형광체(또는 양자점) 또는 복수의 형광체(또는 양자점들)일 수 있다. 선택적으로, 스캐터링 파티클을 갖는 층은 색체 혼합을 개선하기 위해 다운 컨버젼 재료층(204)의 위, 또는 아래 또는 위와 아래에만 배치될 수 있다.
형광층(204)이 증착된 광학 소자(205)의 일부(206)는 광학 소자(250)의 끝단일 수 있다. 방사 소스(202)는 광학 소자(250)의 또 다른 부분에 위치할 수 있다. 예를 들어, 방사 소스(202)는 광학 소자(250)의 또 다른 끝단(208)에 위치할 수 있다. 광학 소자(250)는 베이스(256) 상에 위치할 수도 있다.
단파장 방사 소스(202)는 벽들(252,254) 사이에 위치할 수 있다. 단파장 방사 소스(202) 및 광학 소자 모두는 베이스(256) 상에 배치될 수 있다.
예시적인 방사선(214)은 형광체층(204)을 통해 전송된 방사를 포함할 수 있으며, 상기 전송된 방사는, 형광체층(204)을 통해 전송된 전방으로 전달된 단파장 방사와 형광체층(204)을 통해 전송된 전방으로 다운 컨버팅된 방사를 포함할 수 있다.
예시적인 방사선(215)은 형광체층(204)에 의해 방출되거나 및/또는 후방으로 스캐터링될 수 있는 후방으로 전달된 단파장 방사와 후방으로 전달된 다운 컨버팅된 반사된 방사를 포함할 수 있다. 예시적인 방사선(216)은 형광체층(204)에 의해 후방으로 스캐터링된 방사를 포함할 수 있다. 예시적인 방사선(216)은 실질적으로 투명한, 실질적으로 광 투과성인 벽들(252,254)을 통해 전송될 수 있는 방사선(215)을 포함할 수 있다. 예시적인 화살표(215)가 후방으로 전달된 방사가 측면 벽들(252,254)의 중간 부위를 돌아 전달되는 것으로 나타내었으나, 후방으로 전달된 방사는 측면 벽들(252,254)를 따라 다수의 위치들에서 측면 벽들(252,254)을 통과하여 전달될 수 있음이 이해될 것이다. 광학 소자(250)의 외부로의 방사의 전달은 광의 추출이라 할 수 있다. 따라서, 방사선(215) 및 방사선(216) 모두는 형광체층(204)으로부터 반사된 단파장 방사와, 형광체층(204)로부터 방출 및/또는 스캐터링될 수 있는 다운 컨버팅된 방사를 포함할 수 있다. 방사선(215,216)의 일부 또는 전부는 가시광선으로 보일 수 있다.
광학 소자(250)가 실질적으로 투명하고, 실질적으로 투과성의 벽들(252,254)로 구성 및 설계되어 광학 소자(250)의 내부에서 광학 소자(250)의 외부로 방사를 추출하기 때문에, 측면 벽들(252,254)을 통한 방사의 전달(추출)이 발생할 수 있다. 또한, 광학 소자(250)으로부터 필요한 양의 방사를 추출하기 위해, 광학 소자(250)의 다양한 폭들은 변형될 수 있다. 변형될 수 있는 폭들은 끝단(206)에서의 폭과 끝단(208)에서의 폭이다. 마찬가지로, 끝단들(206,208) 사이의 폭들도 변형될 수 있다. 끝단들(206,208) 사이의 폭에 따라 벽들(252,254)은 실질적으로 직선이 될 수도, 곡선이 될 수도 있으며, 직선 부분과 곡선 부분을 모두 가질 수도 있다.
전술한 광학 소자(250)의 특징부들의 치수는 광학 소자(250)가 사용될 수 있는 응용 분야에 따라 변형될 수 있다. 광학 소자(250)의 특징부들의 치수는 변형될 수 있으며, 광선 추적의 원리와 내부 전반사(TIR:total internal reflection)의 원리를 사용하여 설정될 수 있다. TIR의 원리가 적용되면, 벽들(252,254) 중 하나 또는 둘다의 방사의 반사도는 99.9%를 초과할 수 있다. TIR의 원리는 본 명세서에 기재된 모든 실시예들에 적용될 수 있다.
광학 소자(250)의 치수는 광학 소자가 사용될 수 있는 사용예에 따라 설정될 수 있다. 예를 들어, 광학 소자의 치수는 광학 소자(250)에 들어가는 방사 소스(202)로부터의 방사량을 최대화하도록 설정될 수 있다. 선택적으로, 광학 소자(250)의 치수는 다운 컨버젼 재료(2004)에 충돌하는 방사 소스(202)로부터의 방사량을 최대화하도록 설정될 수 있다. 또한, 선택적으로, 광학 소자(250)의 치수는 다운 컨버젼 재료(2004)로부터 후방으로 전달되는 방사량을 최대화하도록 설정될 수도 있다. 또한, 선택적으로, 광학 소자(250)의 치수는 벽들(252,254)를 통해 추출되는 방사량을 최대화하도록 설정될 수도 있다. 또한, 선택적으로, 광학 소자(250)의 치수는 가능한 범위까지, 전술한 방사 특징들 각각을, 즉 광학 소자(250)으로 들어가는 방사량, 다운 컨버젼 재료(2004)에 충돌하는 방사량, 다운 컨버젼 재료(2004)로부터 후방으로 전달되는 방사량, 및 벽들(252,254)을 통해 추출된 방사량을 동시에 최대화하는 장치를 제공하도록 설정될 수 있다. 또한, 광학 소자(250)의 치수는 전술한 특징들 중 일부 또는 모두가 최대화되지 않도록 설정될 수도 있다. 이러한 실시예들을 구현하기 위해 광선 추적의 원리 및 TIR의 원리가 사용될 수 있다.
변형될 수 있는 치수들 중 일부는 광학 소자 끝단(206)의 직경, 광학 소자 끝단(208)의 직경, 끝단(208)에 대한 벽들(252 및/또는 254)의 각, 벽들(252 및/또는 254)의 형태이다. 예를 들어, 벽들(252 및/또는 254)은 직선, 곡선 또는 직선과 곡선의 조합일 수 있다. 광학 소자(250)의 높이(260)는 30mm 이하일 수 있다.
광학 소자(250)의 굴절률은 약 1.4 내지 약 1.7의 범위일 수 있다. 방사 소스(202)는 약 1.7 내지 약 2.6 범위의 굴절률을 가질 수 있다. 방사 소스(202)는 방사 투과성 에폭시(220)와 같은 재료에 의해 인캡슐레이트될 수 있다. 인캡슐레이션 재료는 돔(220)이라 할 수 있다. 돔(22)의 높이는 약 2mm 내지 약 10mm일 수 있다. 돔(220)은 예를 들어, 방사 소스(202)가 LED인 경우에, 빔 콘트롤과 방사 소스의 효율을 개선하는데 사용될 수 있다. 이러한 효과들을 제공하기 위해, 돔(220)의 굴절률은 약 1.4 내지 약 1.7의 범위일 수 있다. 돔(220)의 굴절률은 방사 소스(202)의 굴절률과 광학 소자(250)의 굴절률 사이가 되도록 선택될 수 있으며, 그에 따라 돔(220)은 방사 소스(202) 및 광학 소자(250)의 출력 사이의 방사에 대한 변이를 제공할 수 있다.
광학 소자(250)의 끝단(208)에는 개구부가 제공된다. 개구부는 인캡슐레이트된 방사 소스(202)를 따라 돔(220)을 수용할 수 있는 크기 및 형태를 가질 수 있다. 따라서, 돔(220)을 완전히 수용하기 위한 개구부의 높이는 약 2mm 내지 15mm일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 방출 장치의 부분 단면도이다. 도 3은 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD) 또는 공진 공동 발광 다이오드(RCLED)일 수 있는 단파장 방사 소스(302)를 나타낸다. 방사 소스(302)는 돔으로 인캡슐레이트되지 않는다. 방사 소스(302)는 통상적인 돔 없이 제조될 수도 있고, 돔을 갖도록 제조될 수도 있으며, 필요에 따라 제거될 수도 있다. 방사 소스(302)는 단파장 방사를 방출할 수 있다. 방사 소스(302)의 일 측면은 방열판(304) 상에 배치될 수 있으며, 방열판(304)은 방사 소스(302)에서 열을 제거할 수 있다. 방열판(304)의 내면(306)은 반사면으로 구성되어 반사컵을 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 반사면(306)의 형태는 설명을 위해 포물선일 수 있으나, 볼록형상, 타원형 또는 평면형과 같은 임의의 기하학적 구조를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 방열판(304)의 길이(370)는 약 5mm일 수 있다. 반사면(306)은 광학 소자로부터 추출된 광의 일부를 다운 컨버젼 재료(310)로 향하게 할 수도 있고, 추출된 광의 일부를 다운 컨버젼 재료(310)에 충돌하지 않고 렌즈(340)로 향하게 할 수도 있다.
광학 소자(308)는 방열판(304) 상에 그리고 방사 소스(302) 위에 위치할 수 있다. 광학 소자(308)로는 방사 소스(302)로부터 멀리 떨어진 광학 소자의 일부(316) 상에 위치한 다운 컨버젼 재료(310)를 이용할 수 있다. 다운 컨버젼 재료(310)는 형광체 또는 양자점일 수 있다. 방사 소스(302)는 광학 소자(308)에 의해 형광체층(310)으로부터 분리되며, 상기 형광체층(310)은 실질적으로 광투과성인 실질적으로 투명한 매질로 구성될 수 있다. 상기 실질적으로 투명한 매질은 예를 들어, 공기, 유리 또는 아크릴일 수 있다. 광학 소자(308)는 실질적으로 투명하고 실질적으로 광 투광성인 벽들(312,314)을 가질 수 있다.
형광체 또는 양자점 층(310)은 서로 다른 파장의 혼합 광을 개선하기 위해 추가적인 스캐터링 파티클(예를 들어 마이크로 구면체)을 더 포함할 수 있다. 또한, 형광체 또는 양자점층(310)은 수개의 서로 다른 스펙트럼 영역에 존재하는 서로 다른 색체의 다운 컨버팅된 방사를 생성하기 위해 단일 형광체(또는 양자점) 또는 복수의 형광체(또는 양자점들)로 구성될 수 있다. 선택적으로, 스캐터링 파티클을 갖는 층은 색체 혼합을 위해 다운 컨버젼 재료(310)의 위, 또는 아래 또는 위 및 아래에만 배치될 수 있다.
형광체층(310)이 증착될 수 있는 광학 소자(308)의 부분(316)은 광학 소자(308)의 끝단일 수 있다. 방사 소스(302)는 광학 소자(308)의 또 다른 부분에 배치될 수 있다. 예를 들어, 방사 소스(302)는 광학 소자(308)의 또 다른 끝단(318)에 배치될 수 있다. 표시된 바와 같이, 광학 소자(308)는 방열판(304)인 베이스 위에 배치될 수도 있다.
단파장 방사 소스(302)는 광학 소자(308)의 벽들(312,314) 사이에 배치될 수 있다. 단파장 방사 소스(302) 및 광학 소자(308) 모두는 방열판(304) 상에 배치될 수 있다.
방사 소스(302),광학 소자(308) 및 다운 컨버젼 재료(310)의 동작 및 그 상호관계는 도 1 및 도 2를 참조하여 앞서 설명한 실시예의 해당 엘리먼트들 간의 동작 및 상호관계와 동일할 수 있다. 방사 소스(310)에 의해 방출된 단파장 방사는 형광체층(310)을 통해 전송되는 전방으로 전달된 단파장 방사, 및 형광체층(310)을 통해 전송되는 전방으로 다운 컨버팅된 방사; 및 후방으로 전달된 단파장 방사, 및 형광체층(310)에 의해 후방으로 방출 및/또는 스캐터링될 수 있는, 후방으로 전달된 다운 컨버팅된 반사된 방사를 포함하는 형광체층(310)을 통해 전송되는 방사가 될 수 있다. 후방으로 전달된 방사가 측면 벽들(312,314)을 따라 복수의 위치들에서 측면 벽들(312,314)를 통해 전달될 수 있음이 이해될 것이다. 광학 소자(308) 외부로의 방사의 전달은 광의 추출이라 할 수 있다. 따라서, 광학 소자(308)로부터 추출될 수 있는 방사선은 형광체층(310)으로부터 반사된 단파장 방사와 형광체층(310)으로부터 방출 및/또는 스캐터링될 수 있는 다운 컨버팅된 반사된 방사를 포함할 수 있다. 방사 소스(302)의 상부 및 측면으로부터 방출된 일부 단파장 방사는 다운 컨버젼 재료(310)에 충돌하지 않고 광학 소자(308)를 떠날 수 있다. 추출된 단파장 반사된 방사 및 추출된 다운 컨버팅된 반사된 방사의 일부 또는 전부는 가시광선으로 보일 수 있다.
광학 소자(308)가 실질적으로 투명하고, 실질적으로 투과성의 벽들(312,314)로 구성 및 설계되어, 광학 소자(308)의 내부에서 광학 소자(308)의 외부로 방사를 추출하기 때문에, 측면 벽들(312,314)을 통한 방사의 전달(추출)이 발생할 수 있다. 또한, 광학 소자(308)의 다양한 폭들은 광학 소자(308)의 외부로 필요한 양의 방사를 추출하기 위해 변형될 수 있다. 변형될 수 있는 폭들은 끝단(316)에서의 폭 및 끝단(318)에서의 폭이다. 마찬가지로, 끝단들(316,318) 사이의 폭들도 변형될 수 있다. 끝단들(316,318) 사이의 벽들(312,314)의 폭의 변형은 벽들(312,314)의 형태를 변형함으로써 발생할 수 있다. 벽들(312,314)은 실질적으로 직선, 곡선이거나 또는 직선 부분 및 곡선 부분을 모두 가질 수도 있다.
전술한 광학 소자(308)의 특징부들의 치수는 광학 소자(308)가 사용될 수 있는 응용분야에 따라 변형될 수 있다. 광학 소자(308)의 특징부들의 치수는 변형될 수 있고, 광선 추적의 원리 및 내부 전반사(TIR:total internal reflection)의 원리를 사용하여 설정될 수 있다. TIR 원리가 적용되면, 벽들(312,314) 중 하나 또는 둘다의 방사의 반사도는 99.9%를 초과할 수 있다. TIR의 원리는 본 출원에 기재된 모든 실시예들에 적용될 수 있다.
다운 컨버젼 재료(310)의 특징부들을 따라 광학 소자(308)의 치수는 광학 소자의 사용예에 따라 설정 또는 조절될 수 있다. 예를 들어, 광학 소자의 치수는 광학 소자(308)로 들어가는 방사 소스(302)로부터의 방사 양을 최대화하도록 설정될 수 있다. 선택적으로, 광학 소자(308)의 치수는 다운 컨버젼 재료(310)에 충돌하는 방사 소스(302)로부터의 방사의 양을 최대화하도록 설정될 수 있다. 또한, 선택적으로, 광학 소자(302)의 치수는 다운 컨버젼 재료(310)로부터 후방으로 전달된 방사의 양을 최대화하도록 설정될 수 있다. 또한, 선택적으로, 광학 소자(308)의 치수는 벽들(312,314)을 통해 추출되는 방사의 양을 최대화하도록 설정될 수 있다.
광학 소자의 다른 실시예들의 치수 및 다운 컨버젼 재료(310)의 특징들은 최대화되지 않은 방사 특징을 생성하기 위해 설정 또는 조절될 수 있음이 이해될 것이다. 이런 다른 실시예들에서, 광학 소자(308)에 들어가는 방사;다운 컨버젼 재료(310)에 충돌하는 방사;다운 컨버젼 재료(310)에서 후방으로 전달되는 방사; 및 벽들(312,314)을 통해 추출된 방사 중 하나 이상의 방사의 양은 광학 소자가 사용되는 실시예에 따라 각각의 최대 레벨보다 작을 수 있는 하나 이상의 다양한 레벨들로 조절될 수 있다. 광학 소자(308)의 치수는 또한, 광학 소자의 특정 사용예에 대해 상대적인 비용 대 광 추출의 필요한 효율에 따라 변형될 수 있다.
이러한 실시예들 중 하나를 구현하기 위해 광선 추적의 원리 및 TIR의 원리가 사용될 수 있다.
변형될 수 있는 치수들 중 일부는 광학 소자의 끝단(316)의 직경;광학 소자의 끝단(318)의 직경;끝단(318)에 상대적인 벽들(312 및/또는 314)의 각도일 수 있다. 예를 들어, 벽들(312 및/또는 314)은 직선, 곡선, 또는 직선 및 곡선의 조합일 수 있다. 일 실시예에서, 광학 소자(308)의 높이(360)는 약 3mm일 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 개구부를 갖는 도 3에 도시된 광학 소자의 부분 단면도이다. 보다 구체적으로, 도 4는 일 실시예에 따른 개구부(320)를 갖는 광학 소자(308)의 부분 단면도이다. 도 4는 광학 소자(308) 및 광학 소자(308)의 끝단(316) 상의 다운 컨버젼 재료(310)를 나타낸다. 도 4는 광학 소자(308)의 끝단(318)의 개구부(320)를 나타낸다. 방사 소스(302)의 실질적인 양이 개구부(320) 이내이기 때문에, 개구부(320)는 방사 소스(302)를 수용하여 광학 소자(308)가 적어도 부분적으로 방사 소스(302)를 둘러싸도록 크기 및 형태가 구성될 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 실시예에 도시된 바와 같이, 방사 소스(302)가 개구부(320) 내에 있는 경우에, 실질적으로 방사 소스(302)의 전부는 광학 소자(308)에 둘러싸일 수 있다. 광학 소자(308)에 의해 둘러싸이지 않는 방사 소스(302)의 유일한 부분은 방열판(304) 상의 부분이다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 방사 소스(302)가 광학 소자(308)의 개구부(320) 내에 위치하면, 방사 소스(302)는 광학 소자(308) 내에 완전히 잠겨있다고 말할 수 있다. 일 실시예에서, 방사 소스(302)의 치수는 약 1mm X 약 1mm X 약 0.3mm일 수 있고, 개구부(320)의 직경은 약 2mm일 수 있다. 돔이 없는 방사 소스를 사용함으로써, 광학 소자(308)의 높이(360)는 예를 들어 도 2에 도시된 광학 소자(250)의 높이(260) 보다 작을 수 있다.
광학 소자의 개구부가 다양한 형태를 가질 수 있음이 이해될 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 개구부(320)는 곡선 형태를 가질 수 있다. 도 5는 개구부의 선택적인 실시예를 갖는 도 3에 도시된 광학 소자의 부분 단면도이다. 도 5에 도시된 선택적인 실시예에서, 개구부(322)는 방사 소스(3020)의 형태와 거의 유사한 형태일 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 광학 소자(302)의 개구부(322)의 형태는 사다리꼴일 수 있다. 일 실시예에서, 개구부(322)의 치수는 방사 소스(302)의 직경과 동일하거나, 약간 더 클 수 있다. 도 5의 화살표(50)로 표시되는 바와 같이, 사다리꼴 형태의 개구부(322)를 갖는 광학 소자(308)는 방사 소스(302)의 상부에 높이며 실질적으로 방사 소스(302)를 둘러쌀 수 있다. 개구부(322)와 같은 개구부가 사용되고, 광학 소자(308)가 방사 소스(302)의 상부에 배치되면, 도 3은 광학 소자(308)의 개구부(322) 내의 방사 소스(302)를 나타낼 수 있다. 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 광학 소자(308)의 개구부는 방사 소스(302)의 형태와 거의 일치하는 형태를 가질 수 있다. 어떤 형태의 개구부가 사용되는지에 관계없이, 방사 소스(302)는 광학 소자(308) 내에 완전히 잠길 수 있고, 방열판(304) 상에 또는 선택적인 실시예에서 방열판이 사용되지 않는 경우에는 다른 지지 베이스 상에 놓일 수 있는 방사 소스(302)의 측면을 제외하고는 광학 소자(308)에 의해 실질적으로 둘러싸일 수 있다.
광학 소자(308)의 굴절률은 약 1.4 내지 약 1.7의 범위일 수 있다. 방사 소스(302)는 약 1.7 내지 약 2.6 범위의 굴절률을 가질 수 있다. 도 4를 참조하면,방사 소스(302)와 광학 소자(308) 내부 사이에 공간들(324,326,328)과 같은 에어 공간이 있다. 도 4를 참조하면, 방사 소스(302)의 코너(330) 및 개구부(320) 내의 광학 소자(308)의 근접 포인트의 코너(302) 사이와, 방사 소스(302)의 코너(332) 및 개구부(320) 내의 광학 소자(308)의 근접 포인트 사이에도 에어 공간(미도시)이 존재할 수 있다. 도 3 및 5를 참조하면, 방사 소스(302)의 내부와 개구부(322) 내의 광학 소자(308)의 내부 사이에도 에어 공간이 존재할 수 있다. 방사 소스(302)와 개구의 형태와 관계없이, 방사 소스(302)와 개구부 내의 광학 소자(308)의 내부 사이에도 에어 공간이 존재할 수 있다. 방사 소스(302)에서 광학 소자(308)로 통과하는 방사를 위한 전이(transition)를 제공하기 위해, 방사 소스(302)와 광학 소자(308) 사이의 공간을 채우기 위한 실런트가 배치될 수 있다. 따라서, 실런트는 광학 소자 내에 임의의 형태의 방사 소스(302)와 임의의 형태의 개구부에 대한 공간에 위치할 수 있다. 실런트는 각 방사 소스에서 광학 소자로 통과하는 방사에 대한 전이를 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 실런트는 방사 소스(302)에서 광학 소자(308)로 방사 전달의 최대 효율을 획득하기 위해 각 공간들을 가능한한 많이 채울 수 있다. 각 공간들이 완전히 채워지지 않으면, 방사 소스(302)에서 광학 소자(308)로 방사를 전달하는 효율은 감소할 수 있다. 실런트는 광학 소자(308)를 방사 소스(302)에 접착하는 접착 물질로 사용될 수 있다. 광학 소자(308) 및 방사 소스(302) 간의 접착이 양호할수록 방사 소스(302)에서 광학 소자(308)로의 방사 전달의 효율은 더 개선될 수 있다.
일 실시예에서, 실런트 재료는 실리콘 젤, 에폭시, 폴리머 또는 광투과성이고 필요한 굴절률을 가지며, 공간을 실질적으로 실링할 수 있을 정도로 충분히 유연한 임의의 다른 실런트일 수 있다. 실런트 재료는 방사 소스(302)와 광학 소자(308) 사이의 굴절률을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 실런트의 굴절률은 방사 소스(302)와 광학 소자(308) 사이의 굴절률 범위에 있을 수 있다. 예를 들어, 실런트의 굴절률은 약 1.5 내지 약 2.3의 범위일 수 있다. 일 실시예에서, 공간(320,324,326)을 포함하는 모든 공간을 실질적으로 채울 수 있는 충분한 실런트가 사용되어야 한다. 돔이 없는 방사 소스를 사용하고, 방사 소스와 광학 소자 사이의 인터페이스로서 젤과 같은 실런트를 사용함으로써 돔으로 인캡슐레이트된 방사 소스를 사용하는 광학 소자 보다 실질적으로 더 짧은 광학 소자를 설계할 수 있다. 예를 들어, 도 2를 참조하면, 장치(200)의 높이(260)는 약 20mm일 수 있다. 반면에, 도 3을 참조하면 장치(300)의 높이(360)는 약 3mm일 수 있다. 따라서 돔 대신에 실런트를 사용함으로써 사용자는 SPETM 기술의 특징을 갖는 발광 장치의 설계 및 제조에 있어서 훨씬 많은 유연성을 가질 수 있다. 예를 들어, 다소간의 실런트를 사용함으로써, 약 2mm 내지 약 10mm 범위의 높이를 갖는 발광 장치를 제조할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 렌즈(340)는 광학 소자(308) 및 다운 컨버젼 재료(310)의 상부 및 위에 배치될 수 있다. 렌즈(340)는 다운 컨버젼 재료(310)로부터 전방으로 전달된 빛과 반사기(306)에서 반사된 빛을 포커싱하는데 사용될 수 있다. 렌즈(340)는 또한 렌즈(340)가 광학 소자(308)와 다운 컨버젼 재료(310) 상에 배치될 때 형성되는 공간(342)에 포함되는 공기의 굴절률을 보상할 수 있는 굴절률을 가질 수 있다. 렌즈(340)는 구형 렌즈이거나 또는 필요한 대로 빛의 방향을 좌우할 수 있는 임의의 다른 형태일 수 있다. 렌즈(340)는 접착 재료를 사용하여 다운 컨버젼 재료에 부착될 수 있다. 선택적인 실시예에서, 렌즈(340)는 방열판(304)에 부착될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 렌즈(340)는 다운 컨버젼 재료(310) 및 반사컵(306) 모두에 부착될 수 있다.
도 6 내지 도 9는 도 3-5에 도시된 장치의 선택적인 실시예들을 나타낸다. 각 실시예에서, 광학 소자(308), 다운 컨버젼 재료(310), 방사 소스(302) 및 개구부(도 6-9에는 미도시)는 도 3-5를 참조하여 설명된 것과 동일할 수 있다. 도 6은 광학 소자(308)와 다운 컨버젼 재료(310)의 상부에 마이크로렌즈 어레이(342)를 포함하는 박막을 갖는 장치를 나타낸다. 이 실시예에서, 렌즈 어레이(342)는 다운 컨버젼 재료(310)에만 부착될 수도 있고, 방열판(304)에만 부착될 수도 있으며, 다운 컨버젼 재료(310)와 방열판(304) 모두에 부착될 수도 있다. 도 7은 광학 소자(308)와 다운 컨버젼층(310) 상에 아무런 렌즈도 없는 장치를 나타낸다. 도 8은 다운 컨버젼층(310)에만 장착될 수 있는 렌즈(344)를 나타낸다. 이 실시예의 렌즈(344)는 도 3-5 및 7을 참조하여 설명된 임의의 렌즈일 수 있다. 도 9는 본 출원에서 설명된 임의의 렌즈일 수 있는 렌즈(346)와 반사면(350,352)을 갖는 방열판(348)을 나타낸다. 방열판(348)의 반사면은 포물선 또는 타원형상을 갖지 않을 수도 있다. 대신, 반사면(350,352) 중 하나 또는 둘다는 선형일 수 있다.
도 10은 본 발명의 또다른 실시예를 나타낸다. 이 실시예는 복수의 단파장 방사 소스들을 나타낸다. 도 10은 도 5에 도시된 바와 같은 다운 컨버젼 재료(310)와 개구부(322)를 갖는 광학 소자(308)를 나타낸다. 이 엘리먼트들은 도 5에 도시된 해당 엘리먼트들과 동일한 사이즈를 가질 수 있다. 그러나, 도 5에 도시된 단일 단파장 방사 소스(302) 대신에, 도 10의 실시예는 방열판(304) 상의 3개의 단파장 방사 소스(400,402,404)를 가질 수 있다. 이들 단파장 방사 소스(400,402,404) 중 아무것도 돔으로 인캡슐레이트되지 않을 수 있다. 도 10의 개구부의 크기가 도 5의 개구부의 크기와 동일하기 때문에, 방사 소스(400,402,404) 중 하나 이상의 크기는 도 5에 도시된 방사 소스(302)의 크기보다 작을 수 있다. 일 실시예에서, 방사 소스(400,402,404) 중 하나 이상의 크기는 약 0.3mm X 약 0.3mm X 약 0.3mm일 수 있다. 도 10은 방열판(304)에 배치된 3개의 방사 소스를 나타내고 있지만, 2개의 방사 소스가 사용될 수도 있고, 개구부(322) 내에 맞기만 하면 3개 이상의 방사 소스도 사용될 수 있다. 방사 소스들 중 적어도 하나와 개구부(322) 내의 표면 사이에는 실런트가 사용될 수 있다. 이 실시예 및 모든 실시예에 대한 실런트는 도 3-5를 참조하여 설명된 것과 동일한 실런트일 수 있다.
도 11은 복수의 단파장 방사 소스를 갖는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸다. 도 11에서, 단파장 방사 소스(302A,302B,302C)는 각각 도 5에 도시된 단파장 방사 소스(302)와 동일한 크기일 수 있다. 방사 소스(302A,302B,302C)는 돔으로 인캡슐레이트되지 않을 수도 있다. 이러한 3개의 방사 소스를 수용하기 위해서, 광학 소자(408)의 끝단일 수 있는 부분(416) 상에 다운 컨버젼 재료(410)를 갖는 광학 소자(408)는 도 3,5 및 10에 도시된 광학 소자(308)의 더 큰 버전일 수 있다. 일 실시예에서, 도 11에 도시된 개구부(422)의 크기는 약 6mm일 수 있다. 또한, 방열판(412)의 크기는 도 3,5 및 10에 도시된 것의 더 큰 버전일 수 있다. 일 실시예에서, 방열판(412)의 길이(470)는 약 10mm일 수 있다. 도 11이 방열판(412) 상에 배치된 3개의 단파장 방사 소스(302A,302B,302C)를 나타내고 이지만, 2개의 단파장 방사 소스가 사용될 수도 있고, 또한 3개 이상의 단파장 방사 소스가 사용될 수도 있다. 방사 소스의 수가 도 11의 실시예와 다르면, 개구부(422) 크기 및 방열판(412)의 크기는 그것을 수용하기 위해 변경될 수 있다. 본 출원의 다른 실시예와 마찬가지로, 광학 소자(302A,302B,302C) 각각과 개구부(422) 내의 광학 소자(408)의 표면 사이의 모든 공간(미도시)를 실링하기 위해 실런트가 사용될 수 있다.
도 12는 복수의 단파장 방사 소스를 갖는 본 발명의 또다른 실시예를 나타낸다. 도 12에서, 3개의 별개의 방열판 섹션(502,504,506)을 갖는 방열판(500)이 도시되어 있다. 방열판 섹션들 각각은 반사컵들(508,510,512) 및 단파장 방사 소스(514,516,520)로 식별되는 각각의 단파장 방사 소스를 형성하는 반사면을 가질 수 있다. 이 실시예에서, 각각의 다운 컨버젼 재료(528,530,532) 및 각각의 개구부(534,536,538)를 갖는 각각의 광학 소자(522,524,526)가 사용될 수 있다. 본 명세서의 다른 모든 실시예들과 마찬가지로, 방사 소스(514,516,520)는 돔을 갖지 않을 수 있다. 대신, 각각의 방사 소스와 광학 소자(522,524,526)의 각 개구부(534,536,538)의 각 내부 표면 사이의 공간들(미도시)에는 실런트가 사용될 수 있다. 도 12는 3개의 방사 소스와 다른 해당 엘리먼트들을 나타내고 있지만, 2개의 방사 소스가 사용될 수도 있고, 3개 이상의 방사 소스가 사용될 수도 있음이 이해될 것이다. 방사 소스의 수가 도 12에 도시된 실시예와 다르면, 방사 소스들의 수와 맞추기 위해 광학 소자의 수도 달라질 수 있다.
또한, 본 명세서의 모든 실시예들에 대해서 다양한 구성의 렌즈들 및 그 ㅎ렌즈의 부착물들은 도 6-9를 참조하여 설명된 실시예들에 대한 설명과 동일할 수 있다.
도 14는 도 3-12를 참조하여 설명된 본 발명의 실시예 중 임의의 하나를 제조하는데 사용될 수 있는 방법의 실시예를 나타낸다. 이 방법은 단파장 방사를 방출하기 위한 방사 소스, 상기 방사 소스에 의해 방출된 단파장 방사 중 적어도 일부를 수신하는 다운 컨버젼 재료 및 다운 컨버젼 재료로부터 후방으로 전달된 방사 및/또는 단파장 방사 소스로부터 방출된 방사를 추출하도록 구성된 광학 소자를 갖는 발광 장치를 제조하는데 사용될 수 있다. 블록(700)에 나타낸 바와 같이, 다운 컨버젼 재료는 광학 소자의 제1 부분에 배치된다. 전술한 바와 같이 광학 소자의 제1 부분은 광학 소자의 제1 끝단일 수 있다. 블록(720)에 나타낸 바와 같이, 광학 소자의 제2 부분에는 개구부가 형성된다. 광학 소자의 제2 부분은 광학 소자의 제2 끝단일 수 있다. 블록(702)에 나타낸 개구부를 형성하는 단계는 블록(700)에 나타낸 다운 컨버젼 재료를 배치하는 단계 전에 수행될 수 있음이 이해될 것이다. 블록(704)은 광학 소자의 제2 부분의 표면에 실런트가 배치된 경우를 나타내고, 이 때 상기 표면은 개구부 내부이다. 실런트가 개구부의 내면에 배치된 후에, 블록(706)은 방사 소스가 개구부 내부에 배치될 수 있음을 나타낸다. 방사 소스가 개구부 내부에 배치되면, 방사 소스의 적어도 한 표면은 실런트와 접촉할 수 있다.
블록(708 및 710)에 나타낸 바와 같이, 방사 소스가 개구부 내부에 배치된 후에, 광학 소자 및 방사 소스 사이의 적어도 제1 및 제2 공간들은 실링될 수 있다. 방사 소스와 개구부의 내부 사이의 공간들이 실링된 후에, 개구부 내부에 방사 소스를 갖는 광학 소자는 블록(712)에 표시된 바와 같이 지지부 상에 배치될 수 있다. 지지부는 방열판일 수 있다. 블록(708 및 710)에 도시된 단계들은 블록(712)에 도시된 단계 후에 수행될 수 있다. 방사 소스와 개구부의 내부 사이의 공간이 실링되고, 상기 소자가 지지부 상에 배치된 후에, 블록(714)에 표시된 바와 같이 렌즈는 다운 컨버젼 재료 근처에 배치될 수 있다.
도 15는 도 3-12를 참조하여 설명된 본 발명의 실시예 중 하나를 제조하는 또 다른 방법을 나타낸다. 이 방법에서, 블록(800,802,804)에 나타낸 단계들은 블록들(700,702,704)에 나타낸 단계들과 동일하다. 실런트가 개구부의 내면에 놓이게 되면, 방사 소스는 지지부 상에 놓일 수 있으며, 지지부는 블록(806)에 나타낸 바와 같이 방열판일 수 있다. 블록(806)에 나타낸 바와 같이 방사 소스를 지지부 상에 배치하는 단계는 블록(800,802,804)에 도시된 단계들 전에 수행될 수 있음은 이해될 것이다. 블록(808)에 나타낸 바와 같이, 방사 소스가 지지부 상에 배치된 후에, 개구부 내면에 실런트를 갖는 광학 소자는 지지부 및 방사 소스 위에 배치된다. 이 단계가 완료되면, 블록(808)에 도시된 바와 같이, 광학 소자는 방사 소스를 실질적으로 둘러쌀 수 있다. 여기서, 광학 소자와 방사 소스 사이의 다수의 공간은 블록(810)에 나타낸 바와 같이 실링될 수 있다. 그리고 나서, 블록(812)에 나타낸 바와 같이, 렌즈가 다운 컨버젼 재료 근처에 배치될 수 있다. 블록(812)에 나타낸 단계와 블록(714)에 나타낸 단계는 예를 들어, 렌즈가 사용되지 않는 도 7에 도시된 실시예를 제조하는 경우에는 수행되지 않을 수 있다.
도 13은 복수의 반사면들이 방사 소스 및 광학 소자 근처에 있는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸다. 발광 장치(600)는 도 13에 도시된다. 발광 장치(600)는 광학 소자(608)의 끝단일 수 있는 광학 소자(608)의 일부 상에 다운 컨버젼 재료(610)를 갖는 광학 소자(608)를 포함한다. 장치(600)는 또한 방열판(640) 상에 배치된 단파장 방사 소스(602)를 가질 수도 있다. 본 출원의 다른 모든 실시예와 마찬가지로, 단파장 방사 소스(602)는 돔으로 인캡슐레이트되지 않을 수 있다. 방열판(604)은 반사면(612,614)을 갖는 2개의 반사컵을 형성할 수 있다. 제1 반사컵 및 제1 반사면(612)은 제2 반사컵 및 제2 반사면(614)의 근처일 수 있다. 반사면(612)의 반경은 반사면(614)의 반지름과 동일할 수도 있고 다를 수도 있다. 또한, 반사면(612)은 서로 다른 반지름을 갖는 다수의 면들로 구성될 수 있다. 반사면(612)을 포함하는 반지름의 수는 광학 소자(608)의 높이에 따라 달라질 수 있다.
제1 반사면(612)은 광학 소자 및 다운 컨버젼 재료(610)를 부분적으로 둘러쌀 수 있다. 본 발명의 다른 실시예들에 대해 설명한 바와 같이, 반사면(612)은 광학 소자(608)로부터 추출된 광을 다운 컨버젼 재료(610) 방향과 렌즈(640) 방향으로 향하게 할 수 있다.
방사 소스(602)는 방열판(604)의 하부에 배치되어 방사 소스(602)가 반사면(614)에 의해 부분적으로 둘러싸이도록 할 수 있다. 제1 반사면(612)은 포인트(613,615)로 표시된 포인트에서 제2 반사면(614)에 연결될 수 있다. 방열판(614)의 하부(605)에서 포인트(613,615)까지의 거리는 방사 소스(602)의 높이와 동일하거나 그보다 클 수 있다. 광학 소자(608)의 끝단 부분(618)의 직경은 포인트(613)와 포인트(615) 간의 거리와 실질적으로 동일할 수 있다.
실제에 있어서, 방사 소스(602)는 방열판(604)의 하부(605)와 반사면(614)에 의해 형성된 반사컵에 의해 형성된 우물(well)에 배치될 수 있다. 반사면은 방사 소스(602)의 측면에서 방출된 방사를 광학 소자(608)로 향하게 할 수 있다. 반사면(614)에 의해 반사된 방사 중 일부는 광학 소자(608)에 전송되어 다운 컨버젼 재료(610)에 충돌할 수 있다. 반사면(614)에 의해 반사된 방사의 일부는 광학 소자(608)로 전송되어 다운 컨버젼 재료(610)에 충돌하지 않고, 벽들(620,622)을 통해 광학 소자(608)를 떠날 수 있다. 반사면(614)에 의해 반사된 방사 중 일부는 다운 컨버젼 재료(610)에 충돌하지 않고 렌즈(64)로 향할 수 있다.
이 실시예에서, 광학 소자(608)는 그 끝단(618)에 개구부를 갖지 않는다. 광학 소자(608)의 끝단(618)은 방사 소스(602)의 상부면(603) 상에 배치될 수 있다. 방사 소스(602)와 반사면(614) 사이의 공간(642,644)과 방사 소스(602)와 광학 소자(608)의 끝단(618) 사이의 공간(614)에는 실런트(미도시)가 배치될 수 있다. 실런트는 본 발명의 다른 실시예에서 설명된 특징들과 동일한 특징을 갖고, 동일한 용도로 사용될 수 있다.
이하에서는 도 13에 도시된 장치를 제조하는 방법을 설명한다. 도 16은 도 13을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예를 제조하는데 사용될 수 있는 방법의 일 실시예를 나타낸다.
발광 장치를 제조하는 본 방법에 대해서, 단파장 방사를 방출하는 방사 소스, 방사 소스에 의해 방출된 단파장 방사의 적어도 일부를 수신하는 다운 컨버젼 재료, 다운 컨버젼 재료로부터 후방으로 전달된 방사 및/또는 단파장 방사 소스로부터 방출된 방사를 추출하도록 구성된 광학 소자가 있다. 또한, 제1 반사컵 및 제2 반사컵이 있다. 제2 반사컵은 제1 반사컵의 근처에 존재하고, 우물(well)을 형성한다.
블록(900)에 나타낸 바와 같이, 다운 컨버젼 재료는 광학 소자의 제1 부분에 배치된다. 블록(902)에 나타낸 바와 같이, 방사 소스의 제1 표면은 우물의 제1 표면에 배치된다. 이 단계가 완료된 후에, 방사 소스는 우물을 형성하는 반사컵에 의해 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 그리고 나서, 블록(904)에 나타낸 바와 같이, 제1 실런트가 방사 소스의 적어도 제2 표면과 우물의 제2 표면 사이에 배치될 수 있다. 그리고 나서, 블록(906)에 나타낸 바와 같이, 제2 시런트가 방사 소스의 적어도 제3 표면 상에 배치될 수 있다. 제1 및 제2 실런트에 대해 각각 동일한 재료가 사용될 수도 있고, 다른 재료가 사용될 수도 있다. 그리고 나서, 블록(908)에 나타낸 바와 같이, 광학 소자는 광학 소자가 제1 반사컵에 의해 부분적으로 둘러싸이고, 제2 실런트와 접촉하도록 제1 반사컵 내에 배치될 수 있다. 그리고 나서, 블록(910)에 나타낸 바와 같이, 다운 컨버젼 재료 근처에 렌즈가 배치될 수 있다.
본 발명의 또다른 실시예가 도 17 및 18에 도시되어 있다. 도 17은 방사 소스 위와 반사기 상에 실장될 수 있는 광학 소자의 선택적인 실시예의 부분 단면도이다. 도 17은 광학 소자(1008)의 끝단(1016) 상의 광학 소자(1008) 및 다운 컨버젼 재료를 나타낸다. 도 17은 광학 소자(1008)의 끝단의 개구부(1020)를 나타낸다. 개구부(1020)가 컵 형태를 갖는 것으로 도시되어 있으나, 개구부(1020)는 방사 소스의 형태와 더 유사한 다른 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 개구부(1020)는 사다리꼴 형태를 가질 수 있다. 도 17은 또한 반사컵을 형성하는 반사면(1036)을 갖는 방열판(1034) 상에 실장된 반사면(1032)을 나타낸다. 광학 소자(1008), 개구부(1020), 다운 컨버젼 재료(1010), 방사 소스(1032), 방열판(1034) 및 반사면(1036)의 치수 및 특징들은 본 발명의 다른 실시예들에 대한 설명에서의 치수 및 특징들과 동일할 수 있다. 방사 소스(1032)는 높이(1033)를 갖는다. 광학 소자는 본 발명의 다른 실시예들을 참조하여 설명한 바와 동일한 방식으로 방사 소스(1032) 위와 방열판 상에 실장될 수 있다. 도 18은 광학 소자(1008)가 방사 소스(1032) 위와 방열판(1034) 상에 실장된 후의 광학 소자(1008)를 나타낸다.
도 17 및 18을 참조하면, 광학 소자(1008)는 끝단(1016 및 1018) 사이의 측면 벽들(1040 및 1042)을 가질 수 있다. 측면 벽들(1040,1042)의 제1 부분은 실질적으로 광 투과성일 수 있고, 측면 벽들(1040,1042)의 제2 부분은 실질적으로 광 투과성이 아닐 수 있다. 반사 재료(1046A)는 벽(1040)의 일부에 적용될 수 있고, 반사 재료(1046B)는 벽(1042)의 일부에 적용될 수 있다. 반사 재료(1046A 및 1046B)는 고 반사성 페인트일 수 있다. 일 실시예에서, 페인트는 황산바륨 기반의 페인트일 수 있고, 약 97%의 반사도를 나타낼 수 있다. 선택적인 실시예에서, 페인트 대신에 증기화된 알루미늄 코팅, 또는 파장 선택적 코팅이 사용될 수 있다.
도 18에 도시된 바와 같이, 단파장 방사는 방사 소스(1032)의 상부로부터 뿐만 아니라, 방사 소스(1032)의 측면(1052,1054)으로부터도 방출될 수 있다. 화살표(1056,1058)는 단파장 방사 소스(1032)의 측면들(1052,1054) 각각으로부터 방사되는 예시적인 단파장 방사선을 나타낸다. 예시적인 방사선(1056,1058)에 추가로 단파장 방사선이 측면(1052,1054)으로부터 방출될 수 있음이 이해될 것이다. 반사 재료(1046A,1046B)가 없는 경우에는, 측면(1052,1054)으로부터의 방사선은 광학 소자(1008)의 벽들(1040,1042)을 통해 추출되어, 반사면(1036)에서 반사될 수 있다. 반사면들(1036)로부터 반사된 방사의 일부는 다운 컨버젼 재료(1010)에 충돌하는 방향을 향할 수 있다. 반사면(1036)으로부터 반사된 다른 방사는 방향이 결정되지 않을 수 있다. 대신에, 예를 들어, 반사된 방사의 일부는 다운 컨버젼 재료(1010)와 반사면(1036) 사이의 공간들(1060,1062)을 향하고, 그들을 통과하는 방향을 향할 수 있다. 반사되어 공간들(1060,1062)을 향하고, 그것을 통과하는 임의의 방사는 다운 컨버젼 재료(1010)에 의해 백색광으로 변환되지 않을 것이다.
반사 재료(1046)가 광학 소자(1008)의 하부에 배치되면, 방사 소스(1032)의 측면들(1052,1054)에서 방출된 방사는 반사 재료(1046)에 의해 다운 컨버젼 재료로 향하여 충돌할 수 있다. 도 18은 예시적인 방사선(1056,1058)이 반사 재료(1046A,1046B)에 충돌할 때 반사 재료(1046A,1046B)에 의해 반사될 수 있는 예시적인 방사선들(1070,1072)을 나타낸다. 예시적인 반사된 방사선(1070,1072)에 추가로, 다른 단파장 방사선이 측면들(1052,1054)로부터 방출되어, 반사 재료(1046A,1046B)에 의해 다운 컨버젼 재료(1010) 쪽으로 반사될 수 있다.
설명을 위해 반사 재료(1046A,1046B)의 두께는 과장될 수 있다. 일 실시예에서, 반사 재료(1046A,1046B)의 두께는 도 17 및 18에 도시된 다른 엘리먼트들에 비해 훨씬 얇을 수 있다. 일 실시예에서, 도 17 및 18에 도시된 바와 같이, 반사 재료(1046A,1046B)는 각각 벽들(1040,1042)의 외부를 따라 배치될 수 있다. 선택적인 실시예에서, 반사 재료(1046A,1046B)는 각각 벽들(1040,1042) 내에 내장될 수 있다. 또 다른 선택적인 실시예에서, 반사 재료(1046A,1046B)는 각각 벽들(1040,1042)의 내면을 따라 배치될 수 있다.
도 17 및 18을 참조하면, 반사 재료(1046A,1046B)의 길이(1047)는 각각 벽들(1040,1042)의 길이의 90%까지일 수 있다. 도 18에 도시된 바와 같이, 반사 재료(1046A,1046B)의 일 실시예는 방사 소스(1032)의 하부(1051) 근처 포인트에서, 방사 소스(1032)의 상부(1050) 너머와, 광학 소자(1008)의 끝단(1016) 아래에 있는 반사 재료(1046A,1046B)의 각 엔드 포인트들(1049A,1049B)로 확장될 수 있다. 선택적인 실시예에서, 반사 재료(1046)의 길이(1047)는 반사 재료(1046A,1046B) 중 하나 또는 둘다의 엔드 포인트(1049A,1049B)가 방사 소스(1032)의 높이(1033)와 동일하거나, 그 이상이거나, 또는 그 이하가 되어, 측면들(1052,1054)로부터 방출된 서로 다른 양의 방사가 길이(1047)에 따라 다운 컨버젼 재료(1010)에 충돌하게 된다. 즉, 반사 재료(1046A,1046B)의 길이는 동일할 수도 있고, 서로 다를 수도 있으며, 반사 재료(1046A,1046B)의 각 길이는 대칭일 수도 있고, 비대칭일 수도 있다.
본 실시예에서, 반사 재료(1046A,1046B)의 엔드 포인트(1049A,1049B)와 광학 장치(1008)의 끝단(1016) 사이의 벽들(1040,1042)의 제1 부분은 실질적으로 광 투과성일 수 있다. 반사 재료(1046A,1046B)의 존재 때문에, 방사 소스(1032)의 하부(1051)와 엔드 포인트(1049A,1049B) 사이의 벽들(1040,1042)의 제2 부분은 실질적으로 광 투과성이 아닐 수 있다. 대신, 벽들(1040,1042)의 제2 부분은 실질적으로 반사성일 수 있다.
반사 재료(1046A,1046B)를 사용하는 경우의 또다른 효과는 광학 소자(1008)와 같은 광학 소자를 제조하는데 소요되는 비용을 감소시킬 수 있다. 광학 소자(1008)의 벽들(1040,1042)이 전체 길이에 대해 실질적으로 광 투과성인 경우에, 벽들(1040,1042)는 TIR의 원리를 사용하기 위해 전체 길이를 따라 고도로 연마되어야(polished)할 수 있다. 반사 재료(1046A,1046B)가 광학 소자의 하부에 적용되면, 전체 길이를 따라 반사 벽들(1040,1042)을 고도로 연마할 필요가 없기 때문에, 광학 소자의 제조 비용은 감소될 수 있다. 대신, 반사 재료(1046A,1046B)를 갖는 반사 벽들(1040,1042)의 부분들만 고도로 연마할 필요가 있을 수 있다. 도 18을 참조하면, 반사 재료(1046A,1046B)가 반사벽들(1040,1042) 상에 또는 내에 배치되면, 반사 재료(1046A,1046B)의 엔드 포인트(1049A,1049B)에서 광학 소자(1008)의 끝단(1016)까지만 벽들(1040,1042)을 고도로 연마할 필요가 있을 수 있다. 반사 재료(1046A,1046B)의 길이(1047)와 일치하는 벽들(1040,1042)의 나머지는 엔드 포인트(1049A,1049B)와 광학 소자(1008)의 엔드(1016) 사이의 면보다 더 거친 면들을 가질 수 있다. 광학 소자(1008) 상에서 수행될 수 있는 연마의 양을 감소시킴으로써 광학 소자(1008)의 제조 비용을 실질적으로 감소시킬 수 있다.
도 19 및 도 20에는 본 발명의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 19는 본 발명의 실시예의 부분 단면도이다. 도 20은 상기 실시예의 다른 엘레먼트들에 연결된 광학 소자를 나타내는 본 실시예의 또 다른 부분 단면도이다. 도 19 및 20에 도시된 실시예는 도 17 및 18에 도시된 실시예와 실질적으로 동일하다.
도 19 및 20은 방열판(1034)의 선택적인 실시예를 가질 수 있다. 도 19 및 20에서, 개구부(1022)의 선택적인 형태가 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 개구부의 선택적인 형태가 사용될 수 있다. 본 실시예에서, 방열판(1034)은 올려진 부분(1035)을 갖는다. 올려진 부분(1035)의 높이(1085)는 방열판(1034)의 높이(1087)의 50% 까지일 수 있다. 방사 소스(1032)는 올려진 부분(1035)의 상부에 배치될 수 있다. 도 20은 방사 소스(1032)의 측면에서 방출되어 반사 재료(1046A,1046B)에 의해 예시적인 반사광선(1070,1072)과 같이, 다운 컨버젼 재료(1010)로 반사되는 예시적인 방사선(1056,1058)의 예를 나타낸다. 전술한 바와 같이, 방사 소스(1032)의 측면으로부터 더 많은 또는 더 적은 광선들이 방출되어 반사 재료(1046A,1046B)에 다운 컨버젼 재료(1010)로 반사될 수 있다.
도 20에 도시된 실시예에서, 개구부는 방사 소스(1032) 및 방열판(1034)의 올려진 부분(1035)의 실질적으로 전부를 커버할 수 있다. 또한, 올려진 부분(1035)의 측면들(1080,1082)은 반사면을 가질 수 있다. 개구부는 또한 표면(1080,1082)을 커버할 수 있다. 즉, 방사 소스(1032)는 개구부 내에 완전히 잠길 수 있고, 올려진 부분(1035)은 적어도 부분적으로 개구부에 잠길 수 있다.
도 20에 도시된 실시예의 효과는 방사 소스(1034)의 측면과 반사 재료(1046A,1046B) 사이에 더 큰 공간이 있기 때문에 반사광원(1034)으로 후방으로 반사될 수 있는 방사의 양을 감소시킬 수 있다는 것이다.
도 21 및 22는 도 17-20에 도시된 실시예를 제조하는데 사용될 수 있는 방법의 선택적인 실시예를 나타낸다. 도 21에 도시된 방법은 도 14에 도시된 방법에 블록(701)에 나타낸 추가적인 단계를 포함시킨 것이다. 블록(701)에 나타낸 단계는 광학 소자의 하나 이상의 벽들을 따라, 또는 내장된 반사 재료를 배치하는 것을 포함한다. 도시된 바와 같이, 블록(701)의 단계는 블록(700)에 나타낸 단계 이후 및 블록(702)에 나타낸 단계 이전에 수행될 수 있다. 그러나, 블록(700,701,702)에 도시된 단계들은 임의의 순서로 수행될 수 있음이 이해될 것이다.
도 22에 도시된 방법은 도 15에 도시된 방법에 블록(801)에 나타낸 추가적인 단계를 포함시킨 것이다. 블록(801)에 나타낸 단계는 광학 소자의 하나 이상의 벽들을 따라 또는 내장된 반사 재료를 배치하는 것을 포함한다. 도시된 바와 같이, 블록(801)의 단계는 블록(800)에 나타낸 단계 이후, 및 블록(802)에 나타낸 단계 이전에 수행될 수 있다. 그러나, 블록들(800,801,802)에 도시된 단계들은 임의의 순서로 수행될 수 있음이 이해될 것이다.
본 명세서에 기재된 모든 제조 방법에서, 다양한 제조 과정 각각에 사용된 단파장 방사 소스는 돔을 갖지 않음이 이해될 수 있다. 돔이 없는 단파장 방사 소스를 획득하기 위해, 사용자는 돔이 없는 것을 구매할 수도 있고, 돔이 있는 것을 구매하여, 제조 과정에서 추가적인 단계에서 그 돔을 제거할 수도 있다.
이상에서 본 발명을 구체적인 실시예들을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 설명된 실시예로 한정되지 않는다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 설명된 실시예들에 다양한 변형이 가능하다.
Claims (10)
- 발광 장치로서
방사 소스;
20mm보다 더 작은 높이를 갖는 광학 소자 ― 상기 광학 소자는 상기 방사 소스로부터 떨어져 있는 상부 표면, 상기 상부 표면보다 상기 방사 소스에 더 인접한 하부 표면, 및 상기 상부 표면과 상기 하부 표면 사이에서 연장하는 측벽을 포함함 ―;
렌즈; 및
상기 렌즈와 상기 방사 소스 사이의 다운 컨버젼 물질
을 포함하고,
상기 광학 소자의 측벽은 광-투과성으로 구성되는 제1 부분 및 광-비-투과성으로 구성되는 제2 부분을 갖고,
반사 재료들이 상기 제2 부분에 도포되는,
발광 장치. - 제1항에 있어서,
상기 다운 컨버젼 물질은 단일 형광체 또는 다수의 형광체들을 포함하는,
발광 장치. - 제1항에 있어서,
상기 광학 소자와 상기 방사 소스 사이에 젤(gel)을 더 포함하는,
발광 장치. - 제3항에 있어서,
상기 젤은 1.5 내지 2.3의 굴절률을 갖는,
발광 장치. - 제1항에 있어서,
상기 광학 소자는 1.4 내지 1.7의 굴절률을 갖는,
발광 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 측벽은 직선형 부분, 곡선형 부분, 또는 이들 모두를 포함하는,
발광 장치. - 발광 장치로서,
복수의 방사 소스들;
상기 복수의 방사 소스들을 둘러싸고, 20mm보다 더 작은 높이를 갖는 광학 소자;
렌즈; 및
상기 렌즈와 상기 복수의 방사 소스들 사이의 다운 컨버젼 물질
을 포함하고,
상기 광학 소자는 광-투과성으로 구성되는 제1 부분 및 광-비-투과성으로 구성되는 제2 부분을 갖고,
반사 재료들이 상기 제2 부분에 도포되는,
발광 장치. - 삭제
- 발광 장치로서,
방사 소스;
제1 거칠기를 갖는 제1 부분 및 상기 제1 거칠기와 상이한 제2 거칠기를 갖는 제2 부분을 포함하는 광학 소자;
렌즈; 및
상기 렌즈와 상기 방사 소스 사이의 다운 컨버젼 물질
을 포함하는,
발광 장치.
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