KR101679063B1 - 사전정의된 각-색 좌표 분포를 갖는 발광 소자 - Google Patents

사전정의된 각-색 좌표 분포를 갖는 발광 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 사전정의된 각-색 좌표 분포를 갖는 광을 방출하도록 구성된 발광 소자, 발광 소자를 비디오 플래시 응용, 자동차 헤드라이트 응용 및/또는 자동차 램프 응용에 사용하는 방법, 그리고 사전정의된 각-색 좌표 분포를 갖는 광을 생성하도록 구성된 방법에 관련된 것이다. 상기 발광 소자는 출력부를 통하여 사전정의된 각-색 좌표 분포를 갖는 광을 방출하도록 구성되었고, 인광 물질(2)과 펌프원(1)을 포함하며, 상기 펌프원(1)은 상기 인광 물질(2)의 최소한 일부분에라도 펌프광을 방출하도록 구성되고, 상기 인광 물질(2)은 흡수한 인광의 광변환을 통하여 인광을 방출하도록 구성되어 있으며, 적어도 일부분이 상기 인광 물질(2)과 상기 발광 소자의 상기 출력부 사이에 배치되고, 상기 발광 소자의 상기 출력부를 향하여 상기 인광 물질(2)을 통과하는 상기 전송되는 펌프광의 조도에 대한, 상기 발광 소자의 상기 출력부를 향하여 상기 인광 물질(2)에 의해서 방출되는 인광의 조도의 비율을 조정하도록 구성된 정합 소자(4)가 제공된다. 이러한 방법으로, 어떠한 원하는 조도 분포라도 가질 수 있으면서 동시에 사전정의된 각-색 좌표 분포를 갖는 다용도의 발광 소자가 저렴한 가격에 제공된다.

Description

사전정의된 각-색 좌표 분포를 갖는 발광 소자{LIGHT EMITTER WITH PREDEFINED ANGULAR COLOR POINT DISTRIBUTION}
본 발명은 출력부를 통하여 사전정의된(predefined) 각-색 좌표 분포(angular color point distribution)를 갖도록 구성된 발광 소자(light emitter), 비디오 플래시(video flash) 응용, 자동차 헤드라이트 응용 및/또는 자동차 조명 응용 등에 발광 소자가 사용되는 방법, 그리고 사전정의된 각-색 좌표 분포를 갖는 광을 생성하는 방법에 관한 것이다.
미국 특허 US 7,488,088 B2는 발광 다이오드(light emitting diode) 조명 장치, 줄여서 LED 조명 장치라고 불리는 장치와, 주변 환경에는 심각한 열을 가하지 않고 작게 패키지된 크기로 근거리 또는 원거리에 공간적으로 균일하게 높은 조도(intensity)의 백색광을 생성해내기 위하여 적어도 하나의 LED와 함께 인광층을 사용하여 백색광을 생산하는 방법에 대해서 개시하고 있다.
예를 들면 카메라 플래시나 여타 일반적인 조명 응용과 같은 서로 다른 인광 변환된(phosphor converted) LED 응용에 있어서, 각도에 따른 함수로서 상수인 색좌표(color point)가 바람직하다. LED와 같은, 시준도(collimation)가 높지 않은 인광 변환 광원(phosphor converted light source)은 그 색좌표가 각도에 크게 좌우된다. 이는 인광 물질의 펌프광(pump light)의 광로 길이(path length)가 일반적으로 입사각에 좌우되기 때문이며, 인광 물질로부터 광이 방출될 때는 보통 램버시안 분포(Lambertian distribution)를 따른다. 예를 들면, 도 1에 보이는 LED(1)에서는 청색 LED 광과 같은 펌프광이 각기 세라믹이나 인광 물질(2)로 입사된다. d가 인광 물질(2)의 두께를 나타내고 Θ가 청색 펌프광선의 입사각을 나타낼 때, 각도가 크면 펌프광의 방정식 d/cos(Θ)로 표시되는 광로 길이는 더 길어진다. 도 1에는 이러한 상황이 도시되어 있다.
이러한 효과로 인해 도 2에 도시한 바와 같이 청색광과 황색광의 각도 분포가 서로 다른 특징을 나타낸다(도 2 참조). 도 2에서 인광 물질(2)로부터의 황색광(6) 방출은 램버시안 각도 분포를 보임을 알 수 있는 반면, 청색 펌프광(7)의 초기 램버시안 분포는 변화하여 인광 물질(2)를 통과한 후에 각도 분포가 더 좁아진다.
손실을 줄이기 위해, 서로 다른 해결책들이 종래 기술로서 제시되어 있다. 그러나 이러한 제안들은 거의 상수인 색좌표를 성취하기 위한 가능성을 제공하는 반면 시스템의 효율성을 떨어뜨리는 결과를 낳는다. 예를 들어, 인광 물질(2)이 높은 산란도를 갖도록 만들어지면 도 3a에서 볼 수 있듯이 LED에 의해서 펌프되는 인광 변환 광원 시스템 내에서 대량의 광이 역으로 산란(scatter)되어 손실되는 결과로 이어진다. 또 다른 해결책은 청색 반사기(3)를 인광 물질(2)의 상단에 놓는 방법이다. 그러나 이 해결책의 단점은 도 3b에서 보는 바와 같이 청색 반사기(3)의 후방 반사의 결과로 인광 변환 광원 시스템 내에서 광손실이 있다는 것이다.
나아가, 자동차의 조명과 같이, 쾌적함과 안전을 위하여 더욱 복잡한 각-색 좌표 분포를 필요로 하는 응용들이 있다. 이는 LED를 사용하는 단순한 방법으로는 얻기 어렵다.
본 발명의 목적은 서로 다른 바람직한 각-조도(angular light intensity) 분포와 함께 사전정의된 각-색 좌표 분포를 갖는 다용도의 발광 소자를 저렴한 가격으로 제공하는 가능성을 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 명세서의 독립항이 청구하는 요지에 의해 달성된다. 선호되는 실시예는 종속항에 정의되어 있다.
본 발명의 첫번째 측면에 따르면, 상기 목적은, 출력부를 통하여 사전정의된 각-색 좌표 분포를 갖는 광을 방출하도록 구성되고, 인광 물질과 펌프원(pump source)을 포함하며, 펌프원은 인광 물질의 적어도 일부분에 펌프광을 방출하도록 구성되고, 인광 물질은 흡수된 펌프광을 광변환(light conversion)하여 인광(phosphor light)을 방출하도록 구성되고, 발광 소자의 출력부와 인광 물질 사이에 적어도 일부분이 배열되어 제공되고, 발광 소자의 출력부를 향하여 인광 물질을 통과하도록 전송되는 펌프광의 조도에 대한, 발광 소자의 출력부를 향하여 인광 물질에 의해 방출되는 인광의 조도의 비율을 맞추도록 구성된 정합 소자(matching element)를 포함하는 발광 소자에 의해 달성된다.
상기 문구 "발광 소자의 출력부와 인광 물질 사이에 적어도 일부분의 정합 소자가 배열되어 제공된다"는 의미는 정합 소자가 출력부와 인광 물질 사이에 적어도 부분적으로 제공되고, 정합 소자는 적어도 부분적으로라도 인광 물질의 상부에 배치될 수 있으며 여기서 "상부에"의 의미는 그 위에 있을 수 있다는 의미로 반드시 정합 소자가 인광 물질과 접하고 있어야 할 것을 요구하지는 않는다. 나아가, "발광 소자의 출력부를 향하여 인광 물질을 통과하도록 전송되는 펌프광"은 인광 물질을 통과하여 전송되었으나 인광 물질에 흡수되지는 않은 일부의 펌프광에 대한 언급임을 유의하여야 한다. 종종 인광의 조도의 각도 분포가 거의 바뀌지 않도록, 인광은 정합 소자에 의한 영향을 더 적게 받거나 또는 아예 받지 않을 수 있다. 인광의 조도의 각도 분포가 정합 소자에 의해서 영향을 받는 경우라도, 정합 소자의 설계는 정합 소자에 의해 조정된 펌프광의 조도의 각도 분포가, 바람직한 색좌표 분포를 갖도록 인광의 조도의 변경된 각도 분포와 정합(match)하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 선호되는 실시예에 따르면, 정합 소자는 전송되는 펌프광의 각-조도 분포가 방출되는 인광의 각-조도 분포와 적어도 부분적으로 정합할 수 있도록 펌프광의 각-조도 분포를 조정하기 위해 구성된다. "적어도 부분적으로 정합한다"는 문구는 전송되는 펌프광 및 인광의 각-조도 분포가 각기 발광 소자로부터의 광이 방출되는 입체각의 사전정의된 영역과 일부라도 정합하여야 한다는 의미이다.
본 발명의 또 다른 선호되는 실시예에 따르면, 정합 소자는 비대칭 각-색 좌표 분포가 달성되게 전송되는 펌프광의 각-조도 분포를 조정하도록 구성된다. 임의의 비대칭 각-색 좌표 분포가 가능하지만, 각-색 좌표 분포는 제1 사전설정(predetermined) 범위와 제2 사전설정 범위가 각기 다른 특성을 보이는 광분포에 대응함이 바람직한데, 예를 들어 광분포가 백색광은 -40도에서 40도의 각도 범위, 황색광은 -40도에서 -90도 사이의 각도 범위, 청색광은 40도에서 90도 사이의 각도 범위인 것이 자동차의 조명 응용을 위해 선호된다. 이러한 응용에서 광은 전방으로는 좋은 시야를 얻기 위한 백색광이, 좌측으로는 운전자의 눈부심을 방지하기 위해서 조금 더 황색이, 그리고 우측으로는 도로의 표시를 잘 보이게 하기 위해 조금 더 청색이 된다.
본 발명의 선호되는 실시예에 따르면, 정합 소자는 인광 물질과의 접촉부 및/또는 정합 소자와 인광 물질 사이에 배치되는 빈 공간을 포함한다.
본 발명의 선호되는 실시예에 따르면, 정합 소자는 인광 물질의 재료에 대응하는(corresponding) 재료를 포함한다. 다시 말하여, 정합 소자의 구조는 바람직하게는 인광 물질로 만들어진다.
본 발명의 선호되는 실시예에 따르면, 인광 물질은 전송되는 펌프광을 적어도 일부분은 인광 물질에 의해 변환되지 않은 채 정합 소자로 유도하도록 구성된 개구부(opening)를 포함한다. 바람직하게는 개구부는 인광 물질의 하단면에서부터 상단면까지 도달하는데, 이는 즉 정합 소자 및/또는 발광 소자의 출력부로 향하는 방향이다. 그러나, 광이 정합 소자 및/또는 발광 소자의 출력부로 향하기만 한다면, 인광 물질의 측면으로부터 정합 소자의 표면으로 향하는 방향의 개구부도 가능하다.
본 발명의 선호되는 실시예에 따르면, 정합 소자는 굴절 광학 소자(refractive optical element) 및/또는 회절 광학 소자(diffractive optical element)에 대응한다. 정합 소자는 바람직하게는 홀로그램 소자(holographic element) 및/또는 광 결정(photonic crystal)을 포함한다. 홀로그램 소자나 광 결정은 예를 들면 레이저와 같은 펌프광의 조도의 각도 분포에는 큰 영향을 미치면서도 예를 들면 인광의 조도의 램버시안 각도 분포에는 거의 영향을 끼치지 않도록 설계되기가 쉬울 수 있다.
본 발명의 선호되는 실시예에 따르면, 굴절 광학 소자 및/또는 회절 광학 소자에 대응하는 정합 소자는 사전정의된 형상을 포함한다. 이러한 구성의 이득은 자동차 조명 응용과 같이 다양한 응용에 있어서 복잡한 광 분포가 필요하기 때문이다. 예를 들어, 도로 상에서 광선(beam)은 특정한 모양을 가져야 한다. 개구(aperture)를 사용하는 것과 비교해 보았을 때 더 적은 양의 광이 차단되고 바람직하게는 인광에 의해 생성되는 광의 전부가 사용될 수 있다. 이는 장식용 조명 응용에 있어서 유익하다. 다른 말로는, 정합 소자에 포함되는 사전정의된 모양은 특정한 표면 구조를 갖는 정합 소자의 방출면에 의해서 구현될 수 있다.
본 발명의 선호되는 실시예에 따르면, 인광 물질은 사전정의된 광산란도, 보다 바람직하게는 낮은 산란도를 포함한다. 정합 소자는 바람직하게는 복수의 영역을 포함하고/하거나 또는 기계적으로(mechanically) 움직일 수 있다. 바람직하게는, 정합 소자는 전기적으로 전환 가능한(electrically switchable) 광학적 특징을 포함한다.
본 발명의 선호되는 실시예에 따르면, 정합 소자는 높은 광안정성(photo stability)을 보여주는, 예를 들면 졸-겔(sol-gel) 재료 및/또는 실록산(siloxane)과 같은 재료를 포함한다.
본 발명의 선호되는 실시예에 따르면, 발광 소자는 펌프원 및/또는 발광 소자의 출력부에 배치된 광학 방향 소자(optical direction unit)를 더 포함하며, 광학 방향 소자는 사전정의된 방향으로 광을 향하게 하도록 구성되어 있다. "광을 향하게 한다"는 용어는 광의 적어도 일부분을 사전정의된 방향으로 반사(reflecting)하고/하거나 적어도 일부분을 시준(collimating)하고/하거나 또는 광을 사전정의된 방향으로 집속(focusing)시키는 것을 의미한다. 바람직하게는, 광학 방향 소자는 광을 반사시키도록 구성된 반사기 및/또는 광을 집속하고/하거나 시준시키도록 구성된 집속 소자(focusing unit)을 포함한다.
본 발명의 두번째 측면에 따르면, 앞서 언급한 목적은 예를 들면 휴대전화나 카메라를 위한 비디오 플래시 응용에서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 소자를 사용하는 방법에 의해 달성될 수 있다. 상기 응용은 또한 사무실 조명, 가정 조명, 매장 조명, 액센트(accent) 조명, 극장 조명, 장식 조명 등에도 사용될 수 있다.
본 발명의 세번째 측면에 따르면, 앞서 언급한 목적은 자동차의 헤드라이트 응용 및/또는 자동차 조명 응용에서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 소자를 사용하는 방법에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 네번째 측면에 따르면, 앞서 언급한 목적은 사전정의된 각-색 좌표 분포를 따르는 광을 생성하는 방법으로, a) 흡수된 펌프광의 광변환에 의한 인광을 얻기 위해 최소한 일부분의 인광 물질에 펌프광을 비추는 단계; b) 발광 소자의 출력부를 향하여 인광 물질에 의해 방출되는 인광의 조도의, 발광 소자의 출력부를 향하여 인광 물질을 통과하도록 전송되는 펌프광의 조도에 대한 비율을 조정하여 사전정의된 각-색 좌표 분포를 갖는 광을 생성하는 단계를 포함하는 광생성 방법에 의해서 달성될 수 있다.
본 발명의 선호되는 실시예에 따르면, 상기 방법은 전송되는 펌프광의 각-조도 분포가 방출되는 인광의 각-조도 분포와 적어도 일부분은 정합하도록, 전송되는 펌프광의 각-조도 분포를 조정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 선호되는 실시예에 따르면, 상기 방법은 비대칭 각도 색좌표 분포를 달성하기 위해서, 전송되는 펌프광의 각-조도 분포를 조정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 선호되는 실시예에 따르면, 상기 방법은 적어도 일부분은 인광에 의해서 변환되지 않도록 전송되는 펌프광을 정합 소자로 유도하는 단계를 포함한다.
인광 물질은 바람직하게는 낮은 광산란도를 보여준다. 바람직하게는, 낮은 광산란도의 인광 물질은 인광 물질을 통과하는 광선이 기본적으로 작은 각도의 산란, 바람직하게는 10도보다 작은 각도의 산란을 보여줄 수 있도록 사전정의된 특징을 포함한다. 인광 물질이 보다 큰 각도의 산란을 보여주는 경우, 직진하는 광선, 즉 산란되지 않은 광선 부분의 조도 전체의, 광선의 산란된 부분에 대한 비율이 바람직하게는 1보다 크게 된다.
본 발명의 사상은 발광 소자 또는 광원을 제공하는 것으로, 각각에 대해서 바람직하게는 높은 조도의 '맞춤식' 다차원 색좌표 분포를 갖는 광원을 제공하는 것이다. 자동차 조명 응용에서는 쾌적함과 안전을 위하여 복잡한 광분포가 요구된다. 본 발명은 바람직하게는 인광 물질을 통과하는 레이저와 같이 높은 조도를 갖는 시준된 광원을 사용하고, 여기서 예를 들면 바람직하게는 청색광의 일부분이 변환되고/되거나 바람직하게는 전송되는 레이저 광선이 굴절 및/또는 회절소자를 통과하여 레이저광을 위해 요구되는 광분포를 생성하는 다용도의 광원을 제공한다. 바람직하게는 레이저 광선의 변환된 광분포상으로의 레이저 광선의 부분적인 변환에 의해서 생성되는 광 합성(superimposition)은, 요구되는 임의의 색좌표 분포를 제공함에 유의해야 한다. 이러한 방식으로, 각도의 함수로서 완벽한 또는 거의 상수에 가까운 백색광이 얻어질 수 있다.
요약하자면, 본 발명은 바람직하게는 발광 소자의 출력부로 향하는 레이저 광의 램버시안 분포를 유도하는 굴절 및/또는 회절 광학 소자를 포함하는 투명한 인광 물질 세라믹과 조합된 레이저와 같은 시준된 점 광원(collimated point light source)을 제공한다. 상기 용어 '유도'는 각각의 소자 즉 레이저와 굴절 및/또는 회절 광학 소자의 각-조도 분포가 거의 완벽한 각도-독립적인 색좌표 광원을 얻도록 정합할 수 있다는 의미이다. 이러한 발광 소자는 이동전화 및/또는 카메라에서와 같은 비디오 플래시에 선호된다. 임의의 요청되는 색좌표 패턴은 바람직하게는 레이저와 같은 높은 조도의 펌프원을, 바람직하게는 인광 물질과 같은 광변환 재료와 조합하여 사용함으로써 얻어질 수 있다. 또한 인광 물질 상의 광의 시준을 조정함으로써, 인광 물질로부터 나오는 광의 시준에 영향을 미치는 것도 가능하다. 이러한 목적으로 투명한 세라믹 인광 물질을 사용하는 것이 필요하다.
본 발명의 또 다른 측면에서는, 본 발명의 상기 목적은, 출력부를 통해 사전정의된 각-색 좌표 분포를 갖는 광을 방출하기 위해 구성되고, 인광 물질과 펌프원을 포함하고, 펌프원은 인광 물질의 적어도 일부에 펌프광을 방출하도록 구성되고, 인광 물질은 흡수한 펌프광으로 광변환에 의한 인광을 방출하도록 구성되며, 출력부를 통과한 결과적인 광패턴의 모양을 표면상에 투영하기 위해 인광 물질이 형상화된, 발광 소자에 의해서 달성될 수 있다. 인광 물질의 형상은 기본적인 기하학적 형상, 숫자 패턴, 글자와 단어 등 어떠한 요구되는 형태 또는 패턴이라도 가질 수 있다. 바람직하게는, 인광 물질의 형상은 자동차 헤드라이트의 광선의 요구되는 형상을 반영한다. 나아가, 상기 형상을 갖춘 인광 물질은 바람직하게는 정합 소자의 일부분 또는 그 자체인 반사형 표지(reflecting matrix) 내에 위치할 수 있다. 인광 물질이 광을 내는 바닥면은 고체 조명 장치의 상부에 위치할 수 있다. 레이저가 바닥면의 인광 물질에 광을 내도록 하기 위해 사용되는 경우, 반사기(reflector)가 사용될 수 있다. 반사기는 선택적으로 레이저 파장을 통과시키며 인광 물질로부터 나온 광을 반사한다.
선택적으로 또는 부가적으로, 인광 물질상으로의 광의 시준을 조정함으로써 인광 물질로부터 나오는 광의 시준에 영향을 끼치는 것도 가능하다. 이러한 목적으로는 투명 세라믹 인광 물질을 사용할 필요가 있고, 처음에 평행했던 레이저 광선을 보다 발산(divergent)하는 레이저 광선으로 재형성(reshape)시키기 위해 전환 소자(diverting element)를 레이저와 인광 물질 사이에 배치할 필요가 있다. 이렇게 되면, 전환 소자를 사용하지 않고 얻어진 인광 방출을 위한 평평한 상부 조도 패턴은 더욱 램버시안 분포를 잘 따르도록 바람직하게 재형성된다.
특정한 조도 분포, 예를 들면 열점(hot spot) 분포가 생성될 필요가 있는 경우, 본 목적을 위해서도 레이저 광선은 인광 물질의 발광에 있어 요구되는 조도 분포를 보이기 위해 형성될 수 있다. 결과적으로 투영된 광의 특별한 조도 프로필을 달성할 수 있다.
선호되는 실시예에 따르면 인광 물질은 반사형 표지 내에 위치하여 오직 하나의 형상화된 표면이 발광을 위해 개방된다. 인광 물질이 광을 방출하는 바닥면은 펌프광 방출 소자의 바로 상부에 위치할 수 있다. 인광 물질이 광을 내도록 하기 위해 레이저가 사용되는 경우, 바닥면에는 선택적으로 레이저 파장은 전송하면서 인광 물질로부터의 광은 반사하는 반사기가 사용될 수 있다. 선택적으로 또는 부가적으로, 인광 물질이 광을 내는 곳이 측면이 되도록 하는 기하학적 구조를 사용하는 것도 가능하다.
바람직하게는, 광을 내는 인광 물질 재료는 고도로 낮은 산란성을 갖는 세라믹 인광 물질이다. 본 발명의 다른 선호하는 실시예에 따르면, 광을 내는 재료는 바람직하게는 각각 3가 세륨(trivalent cerium) 또는 2가 유로퓸(divalent europium)으로 도핑된 석류석(garnet)과 질화물(nitrides)로부터 선택된다. 석류석의 실시예들은 A3B5O12 석류석을 포함하는데, 여기서 A는 이트륨 및/또는 루테튬을 포함하고, B는 알루미늄을 포함한다. 이러한 석류석은 바람직하게는 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr) 또는 세륨과 프라세오디뮴의 조합으로, 특히 세륨으로 도핑된다. B는 바람직하게는 알루미늄(Al)을 포함한다. 본 발명의 선호되는 또 다른 실시예에 따르면, B는 갈륨(Ga) 및/또는 스칸듐(Sc) 및/또는 인듐(In)을 포함하며, 바람직하게는 최대 Al의 약 20%까지, 보다 바람직하게는 최대 Al의 약 10%까지, 즉 상기 B 이온은 90% 또는 그보다 많은 몰 %의 Al과 10% 또는 그보다 적은 몰%의 Ga, Sc 및 In 중 하나 또는 그 이상을 포함한다.
B는 바람직하게는 약 10%까지의 갈륨을 포함한다. 바람직하게는, B와 O는 적어도 일부분이 Si와 N에 의해 대체된다. 상기 원소 A는 이트륨(Y), 가돌리늄(Gd), 테르븀(Tb), 루테튬(Lu)으로 구성된 그룹 중에서 선택된다. 나아가, Gd 및/또는 Tb는 바람직하게는 A의 약 20% 정도의 양까지 존재한다. 바람직하게는, 석류석 발광 재료는 (Y1 - xLux)3B5O12:Ce를 포함하고, 여기서 x는 0 이상 1 이하이다. 용어 ':Ce'는 발광 재료 내의 금속 이온의 적어도 일부분(예를 들어 석류석의 경우는 "A"이온의 일부분)이 바람직하게는 Ce에 의해서 대체됨을 의미한다. 예를 들면 (Y1 - xLux)3Al5O12:Ce에서 Y의 및/또는 Lu의 일부분이 Ce에 의해서 대체되는 것이다. 이러한 표기법은 당업자에게는 이미 잘 알려져 있다. Ce는 일반적으로 A를 10%가 넘어서지 않도록 대체하는데, 일반적으로 Ce의 농도는 (A에 대해서) 0.1%에서 4% 사이의 범위, 특히 0.1% 에서 2% 사이의 범위에 존재한다. 1%의 Ce와 10%의 Y를 가정한다면, 완전한 화학식은 (Y0 .1Lu0 .89Ce0 .01)3Al5O12가 된다. 석류석 내의 Ce는 당업자에게 자명한 대로 3가 상태인 것이 바람직하다.
적색 발광 재료는 바람직하게는 (Ba, Sr, Ca)S:Eu, (Ba, Sr, Ca)AlSiN3:Eu 및 (Ba, Sr, Ca)2Si5N3:Eu 를 포함하는 그룹 중 선택된 재료를 포함한다. 이러한 화합물에서, 유로퓸(Eu)은 바람직하게는 2가이고, 하나 또는 그 이상의 상기 지시된 2가 양이온을 대체한다. 일반적으로는 Eu는 양이온의 10%를 넘어서지는 않으며, 바람직하게는 약 0.5에서 10%, 보다 바람직하게는 그것이 대체하는 양이온에 비교했을 때 약 0.5에서 5%사이의 범위에 존재한다. 용어 ':Eu'는 금속이온의 일부분이 Eu(Eu2 + 같은)에 의해 대체됨을 의미한다. 예를 들어, CaAlSiN3:Eu에서 2%의 Eu를 가정하면, 올바른 화학식은 (Ca0 .98Eu0 .02)AlSiN3이 된다. 2가 유로퓸은 앞서 나온 2가 알칼리 토금속 양이온, 바람직하게는 Ca, Sr 및 Ba와 같은 2가 양이온들을 바람직하게는 대체한다.
상기 재료(Ba,Sr,Ca)S:Eu는 또한 MS:Eu라고 표시되기도 하며 여기서 M은 바륨(Ba), 스트론튬(Sr) 및 칼슘(Ca)을 포함하는 그룹에서 선택된 원소이다. 바람직하게는, M은 칼슘이나 스트론튬, 또는 칼슘과 스트론튬을 포함하나 더욱 바람직하게는 칼슘을 포함한다. 여기서 Eu가 들어가고 바람직하게는 M(즉 Ba, Sr 및 Ca 중 적어도 하나)의 적어도 일부분을 대체한다. 나아가, 상기 재료 (Ba,Sr,Ca)2Si5N8:Eu는 또한 M2Si5N8:Eu라고도 표현될 수 있으며, 여기서 M은 바륨(Ba), 스트론튬(Sr) 및 칼슘(Ca)을 포함하는 그룹에서 선택된 원소를 포함한다. 바람직하게는, M은 이 화합물에서 Sr 및/또는 Ba를 포함한다. 다른 선호되는 실시예에 따르면, M은 Sr 및/또는 Ba 화합물을 포함하는데 (Eu의 존재는 무시하고), 더욱 바람직하게는 50%에서 100%사이의, 더욱 바람직하게는 50에서 90%의 Ba와, 50%에서 0% 사이의, 가장 바람직하게는 50%에서 10%의 Sr을 포함하여, Ba1.5Sr0.5Si5N8:Eu (즉 75%의 Ba와 25%의 Sr이 포함된다)를 포함한다. 여기서, Eu가 들어가면 바람직하게는 M의 최소한 일부분, 즉 Ba, Sr 및 Ca중 적어도 하나를 대체한다.
이와 유사하게, 상기 재료 (Ba,Sr,Ca)AlSiN3:Eu는 MAlSiN3:Eu로 표시될 수 있으며 여기서 M은 바륨(Ba), 스트론튬(Sr) 및 칼슘(Ca)로 구성된 그룹에서 선택된 원소를 포함한다. 본 화합물에서 M은 바람직하게는 칼슘 또는 스트론튬, 또는 칼슘과 스트론튬을 포함하고 더욱 바람직하게는 칼슘을 포함한다. 여기서 Eu가 들어가면, 바람직하게는 M(즉 Ba, Sr 및 Ca 중 최소한 어느 하나)의 최소한 일부분을 대체한다. BaMgAl10O17:Eu2+ (BAM)가 청색광을 발산하기 위해 적절한 재료를 포함한다.
입방 결정 구조(cubic crystal structure)를 갖는 무기 인광 물질이 다결정 상태에서도 높은 투명도를 갖기 때문에 가장 선호된다. 바람직하게는, 이플루오로보레인다슨족(difluoro-boraindacene family: BODIPY), 플로레세인 염색약(fluorescein dyes), 플로린 파생물(fluerene derivative), 쿠마린 염색약(coumarin dyes), 크산틴 염색약(xanthene dyes), 파이로메틴-BF2 (P-BF2) 복합체, 스틸빈 파생물(stillbene derivative), 로다민 염색약(rodamine dyes), 페릴린 염색약(perylene dyes)와 같은 유기발광소분자와 란탄(III) b-디케톤화 복합체와 같은 발광유기금속복합체를 도핑한 폴리메틸메타아크릴레이트(poly methyl methacrylate)처럼 높은 투명도를 갖는 중합체(polymer)가 사용된다. 또한 폴리페닐린비닐린(polyphenylenevinylenes: PPV) 파생물, 폴리페닐, 폴리플로린 및 그 혼성중합체와 혼합물도 사용가능하다.
본 발명의 선호되는 실시예는 또한 종속항과 그에 연관된 독립항의 어떤 조합에 의해서도 가능함이 이해되어야 한다.
본 발명의 하기 제시된 그리고 여타의 측면은, 이하 묘사된 실시예를 참고하였을 때 명확하고 명료해질 것이다. 그러나, 첨부된 도면은 오로지 예시를 목적으로 그려진 것일 뿐 발명의 한계를 정의하기 위함이 아님이 이해되어야 한다.
도 1은 청색 LED 펌프광이 인광 물질에 큰 각도로 입사되는 효과를 도시한 도면.
도 2는 도 1과 관련하여 청색광과 황색광이 서로 다른 각도 분포를 나타냄을 도시하는 도면.
도 3a와 3b는 상수 색좌표 분포를 얻기 위한 두 가지 가능성을 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 첫번째 선호되는 실시예에 따른 각-색 좌표 분포를 갖는 발광 소자를 도시하는 도면.
도 5a와 5b는 본 발명의 두번째 선호되는 실시예에 따른 각-색 좌표 분포를 갖는 발광 소자를 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 두번째 선호되는 실시예에 따른 상수 색좌표에 의한 각-조도 분포를 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 세번째 선호되는 실시예에 따른 자동차 조명 응용의 광 분포를 개략적으로 도시하는 도면.
도 8은 본 발명의 네번째 선호되는 실시예에 따른 각-색 좌표 분포를 갖는 발광 소자를 도시하는 도면.
도 9는 본 발명의 다섯번째 선호되는 실시예에 따른 각-색 좌표 분포를 갖는 발광 소자를 도시하는 도면.
도 10은 본 발명의 여섯번째 선호되는 실시예에 따른 각-색 좌표 분포를 갖는 발광 소자를 도시하는 도면.
도 11은 본 발명의 일곱번째 선호되는 실시예에 따른 각-색 좌표 분포를 갖는 발광 소자를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 첫번째 선호되는 실시예에 따른 사전정의된 각-색 좌표 분포를 갖는 발광 소자를 보여준다. 펌프원(1)으로는 레이저와 같은 높은 조도의 펌프 광원이 사용된다. 레이저광과 같이 고도로 시준된 펌프 광선이 낮은 광산란성을 보여주는 인광 물질(2)을 통과하면 레이저광의 적어도 일부의 각-조도 분포는 변동되지 않는다. 따라서, 펌프 레이저는 세라믹 인광 물질(2)와 조합된다. 펌프원(1)은 인광 물질(2)의 적어도 일부에 광복사를 방출하도록 구성된다. 굴절 및/또는 회절 광학 소자가 정합 소자(4)로서 인광 물질(2)의 상부에 적어도 일부분이 배치된다. 본 발명의 첫번째 선호되는 실시예에 따르면 정합 소자(4)는 홀로그램 소자이다. 정합 소자(4)는 도 4에서 개략적으로 보이는 바와 같이 레이저광으로부터 거의 모든 원하는 광분포를 얻기 위해서 인광 물질(2)의 위에 배치된다.
도 5는 본 발명의 두번째 선호되는 실시예에 따르는 각-색 좌표 분포를 갖는 발광 소자를 보여준다. 굴절 및/또는 회절 광학 소자와 같은 정합 소자(4)는 정합 소자(4)를 통과하는 레이저의 조도 패턴의 각 의존성(angular dependence)이 인광 물질(2)로부터의 방출광의 각-조도 분포와 적어도 일부 정합하도록 구성된다. 도 5a는 인광 물질(2)의 일부분에 바로 펌프광을 비추는 펌프원(1)을 보여준다. 도 5b는 정합 소자(4)가 인광 물질(2)의 상부에 배치된 모습을 보여준다. 본 발명의 두번째 선호되는 실시예에 따르면, 정합 소자(4)와 인광 물질(2) 사이에는 도 5b에서 보는 바와 같이 공기층이 배치될 수 있다. 이러한 방식으로, 카메라 플래시나 일반적인 조명 응용과 같은 특정 응용에서 요구되는 각도 독립적 색좌표(angular dependent color point)를 갖는 백색광원이 제공된다.
도 6은 본 발명의 두번째 선호되는 실시예에 따르는 발광 소자의 상수 색좌표를 갖게 하는 정합 소자를 광선이 통과한 이후의 거의 동일한 각-조도 분포를 보여준다. 인광 물질로부터 나오는 조도 분포와 정합 소자를 통과한 이후의 레이저로부터 나오는 조도 분포가 도 6에 참조번호 6과 7로 각각 표시되어 있다.
자동차 조명 응용에 있어서는 쾌적함과 안전을 위하여 보다 복잡한 각-광색 분포(angular light color distribution)가 요구될 수 있다. 예를 들어, 전방으로 광은 좋은 시야를 얻기 위해서 백색광이, 좌측으로는 운전자의 눈부심을 방지하기 위해서 조금 더 황색이, 그리고 우측으로는 도로의 표시를 잘 보이게 하기 위해 조금 더 청색이 된다. 여기에서도 도 5b에 보이는 것과 같은 발광 소자가 사용된다. 이러한 발광 소자는 레이저광이 상기 요구사항을 만족시키기 위한 광분포 패턴을 갖도록 설계될 수 있다. 도 7은 본 발명의 세번째 선호되는 실시예를 보여주는데, 앞서 기술된 조건을 만족시키기 위해 레이저에 요구되는 조도 분포를 개략적으로 도시한 것이다. 레이저와 인광 물질의 광 패턴들이 조합되면, 백색광은 -40도에서 40도의 각도 범위 내에서 얻어지고, 청색광은 우측으로 40도에서 90도 사이의 각도 범위 내에서 얻어지며 황색광은 -40도에서 -90도 사이의 각도 범위에서 얻어진다.
앞서 설명된 발광 소자는, 바닥 및/또는 도로 등의 요구되는 표면상에 광패턴을 영사(image)하기 위해 구성된, 반사기나 렌즈와 같은 집속 소자 및/또는 이러한 요소들의 조합을 포함하는 광학 방향 소자와 같은 광학 요소와 조합될 수 있다. 도 8은 본 발명의 네번째 선호되는 실시예에 따르는 사전정의된 각-색 좌표 분포를 갖는 발광 소자를 보여준다. 도 8은 광학 방향 소자(optical direction unit; 5)가 광의 방향을 바꾸고/바꾸거나 바닥과 연관된 표면상에 광을 영사하기 위해 구성된 모습이다. 도 8의 왼쪽에서는 펌프원(1)의 출력부에 광학 방향 소자(5)가 배치되어 있다. 광학 방향 소자(5)는 거울과 같은 반사기를 포함한다. 도 8의 오른쪽에서는 광학 방향 소자(5)가 발광 소자의 출력부 앞에 배치되어 있는데, 여기서 광학 방향 소자(5)는 본 발명의 네번째 선호되는 실시예에 따라 렌즈와 같은 집속장치를 포함하는 모습을 보여준다.
앞서 설명된 정합 소자는 인광 물질(2) 표면의 전체 또는 일부분을 덮을 수 있다. 레이저광선과 회절 및/또는 굴절 광학 소자는 서로 다른 방법으로 조합될 수 있다. 본 발명의 다섯번째 선호되는 실시예를 도시한 도 9에서 보는 바와 같이, 레이저광은 부분적으로만 인광 물질(2)에 의해서 변환될 수도 있다. 본 발명의 다섯번째 선호되는 실시예에 따르면 인광 물질(2)은 펌프원(1)에 의해 방출되는 광복사를, 적어도 부분적으로는 인광 물질(2)에 의해 변환되지 않고 바로 정합 소자(4)로 향하게 유도하도록 구성된 "구멍(hole)"과 같은 개구부를 포함할 수 있다. 이러한 상황은 도 9의 위쪽 및 왼쪽 그림에 도시되어 있다. 본 발명의 다른 선호되는 실시예에 따르면, "구멍"은 인광 물질(2) 또는 인광층의 가장자리에 연관된다. 본 발명의 다섯번째 선호되는 실시예에 따르면, 표면의 일부분만이 회절 및/또는 굴절 광학 소자에 의해서 덮인다.
도 10은 본 발명의 여섯번째 선호되는 실시예를 보여주며, 여기서는 정합 소자(4)의 전면이 인광 물질(2)에 의해 덮여 있다. 정합 소자(4)를 포함하는 회절 및/또는 굴절 광학 소자는, 본 발명의 다른 선호되는 실시예에 따라 인광 물질의 상단에서 패턴화(patterned)된다. 도 10은 집속 소자(5)와 같은 추가적인 소자를 사용할 수 있음을 보여준다. 본 발명의 여섯번째 선호되는 실시예에 따르면 집속 소자(5)는 렌즈에 해당하고 펌프원(1)의 출력부 바로 앞에 배치된다.
도 11은 본 발명의 일곱번째 선호되는 실시예에 따른 각-색 좌표 분포를 갖는 발광 소자를 도시한 것이다. 도 4에서 보인 바와 같이, 배치된 굴절 및/또는 회절 광학 소자와 같은 정합 소자(4)는, 정합 소자(4)가 사전정의된 형상을 포함하도록 설계되었다. 예를 들어, 정합 소자(4)는 사전정의된 형상의 구조를 포함하는 발광면을 가질 수 있다. 상기 구조는 예를 들면 도 11에 나타난 것과 같은 오각형같은 기하학적 형상을 가질 수 있다. 그러나, 정합 소자(4)는 또한, 예를 들면 자동차 조명에서 요구하는 복잡한 형상을 가질 수도 있다. 나아가, 인광 물질(2) 또한 이러한 구성으로 형상화될 수 있다. 부가적으로, 복수개의 정합 소자가 서로의 위에 쌓일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 정합 소자는 복수의 영역을 포함한다. 정합 소자의 기계적인 움직임에 따라, 정합 소자의 서로 다른 부분이 바람직하게는 매번 펌프광쪽으로 움직인다. 이러한 방식으로, 광원으로부터의 색좌표 분포가 제어될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 전기적으로 광학적 특성을 조정 가능한 정합 소자의 사용이 가능하며, 여기에는 액정, 부유입자(suspended particles), 전기습윤(electro-wetting), 전기영동(electrophoresis) 등을 기반으로 한 소자가 있다. 이러한 방식으로 광원으로부터의 색좌표 분포가 제어될 수 있다.
상기 도면 및 실시예에서는 단일 레이저 광선이 인광 물질과 조합되어 사용되는 것만을 도시하였다. 그러나, 원하는 색 분포 효과를 얻기 위해서 색이나 광선의 형태 등이 서로 다른 방출 특성을 갖는 레이저 광선들과 같은 복수의 펌프광선을 사용하는 것도 가능하다.
앞서 말한 도면과 발명의 상세한 설명에서 본 발명이 도시되고 구체적으로 설명되었음에도, 이러한 도시나 설명은 단순한 예시를 들기 위함이며 발명을 제한하고자 함이 아니다. 본 발명은 상기 개시된 실시예에 한정되지 않는다.
청구항의 발명을 실시하는 당업자는 상기 도면, 상기 명세서와 이하 첨부된 청구항에 대한 학습을 통하여 상기 개시된 실시예의 다른 변형을 이해하고 그에 영향을 미칠 수 있을 것이다. 청구범위에서, '포함하는'이라는 단어는 다른 구성요소나 단계를 배제하는 것은 아니며, 개수를 명시하지 않았다고 하여 복수를 배제하는 것 또한 아니다. 서로 다른 독립항들 사이에서 특정 수단이 나열되었다는 사실이 그러한 수단을 조합하여 유리하게 사용할 수 없다는 것을 의미하지는 않는다. 청구항 내의 그 어떤 참조 표시도 발명의 범위를 제한하는 방식으로 이해되어서는 안 된다.

Claims (15)

  1. 출력부를 통해 광을 방출하도록 구성된 발광 소자로서,
    인광 물질(phosphor; 2)과 펌프원(pump source;1) - 상기 펌프원(1)은 상기 인광 물질(2)의 적어도 일부분에 펌프광을 방출하도록 구성되고, 상기 인광 물질(2)은 흡수한 펌프광의 광변환에 의한 인광(phosphor light)을 방출하도록 구성됨 -
    적어도 일부분이 상기 인광 물질(2)과 상기 발광 소자의 상기 출력부 사이에 배치되도록 제공되는 정합 소자(4) - 상기 정합 소자는 굴절 및/또는 회절 광학 소자를 포함하며, 전송되는 펌프광의 각-조도 분포(angular light intensity distribution)가 상기 방출되는 인광의 각-조도 분포와 적어도 부분적으로 정합하면서, 상기 인광의 상기 각-조도 분포에는 영향을 미치지 않게 상기 인광 물질에 의해 흡수되지 않은 상기 전송되는 펌프광의 각-조도 분포를 조정하도록 구성됨 -
    를 포함하고,
    상기 인광 물질(2)은, 일부 전송되는 펌프광을, 적어도 부분적으로 상기 인광 물질(2)을 통과하지 않고 상기 정합 소자(4)로 유도하도록 구성된 개구부를 포함하는, 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정합 소자(4)는 상기 전송되는 펌프광의 상기 각-조도 분포를 조정하여 비대칭 각-색 좌표 분포(asymmetric angular color point distribution)를 달성하도록 구성된, 발광 소자.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 정합 소자(4)는 전기적으로 전환가능한 광학적 특성들을 갖는, 발광 소자.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 펌프원(1)의 출력부 및/또는 상기 발광 소자의 출력부에 배치되는 광학 방향 유닛(5)을 더 포함하고, 상기 광학 방향 유닛은 광을 사전설정된 방향으로 유도하도록 구성되는, 발광 소자.
  6. 휴대전화 또는 카메라를 위한 비디오 플래시로서, 제1항 또는 제2항의 발광 소자를 포함하는 비디오 플래시.
  7. 자동차 램프로서, 제1항 또는 제2항의 발광 소자를 포함하는 자동차 램프.
  8. 발광 소자에서의 광 생성 방법으로서,
    a) 흡수된 펌프광의 광변환에 의한 인광을 얻기 위하여 인광 물질(2)의 적어도 일부분에 조사하는(pumping) 단계; 및
    b) 전송되는 펌프광의 각-조도 분포가 방출되는 인광의 각-조도 분포와 적어도 부분적으로 정합하면서 상기 인광의 각-조도 분포에는 영향을 끼치지 않도록, 회절 및/또는 굴절 광학 소자를 사용하는 정합 소자(4)에 의해, 상기 인광 물질에 흡수되지 않은 상기 전송되는 펌프광의 상기 각-조도 분포를 조정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 인광 물질(2)은, 일부 전송되는 펌프광을, 적어도 부분적으로 상기 인광 물질(2)을 통과하지 않고, 적어도 일부분이 상기 인광 물질(2)과 상기 발광 소자의 출력부 사이에 배치되는 상기 정합 소자(4)로 유도하도록 구성된 개구부를 포함하는, 광 생성 방법.
  9. 제8항에 있어서, 비대칭 각-색 좌표 분포를 달성하도록 상기 전송되는 펌프광의 상기 각-조도 분포를 조정하는 단계를 포함하는 광 생성 방법.
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