KR101716131B1 - 발광모듈 - Google Patents

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엘지전자 주식회사
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Abstract

실시예에 따른 발광모듈은 입사되는 광을 일 공간으로 집광하는 집광렌즈, 상기 집광렌즈의 후방에 배치되어 상기 집광렌즈를 통과하는 제1광을 제공하는 광원, 상기 집광렌즈의 전방면에 배치되고, 상기 제1광을 반사하여 상기 집광렌즈를 통과하는 제1반사광을 제공하는 제1 광경로 변환부재, 상기 집광렌즈의 후방에 배치되고, 상기 제1반사광을 상기 집광렌즈를 통과하는 제2반사광으로 제공하는 제2 광경로 변환부재 및 상기 제2반사광을 제공받아 상기 제2반사광과 다른 파장의 광을 방출하는 파장변환유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

발광모듈{LIGHTING DEVICE MODULE}
실시예는 발광모듈 및 이를 포함하는 차량용 램프장치에 관한 것이다.
일반적으로 차량에는 주행 중 주위의 조도가 낮을 경우에 운전자의 시계를 안정적으로 확보하거나 차량의 주행 상태를 다른 차량에게 알리기 위한 램프 장치가 구비되어 있다.
차량용 램프 장치는 차량의 전방에 설치되는 헤드램프와 차량의 후방에 설치되는 리어램프를 포함한다. 헤드램프는 전방을 조명하여 야간 운행 중에 전방을 비추는 램프이다. 리어 램프는 운전자가 브레이크를 조작할 때에 점등되는 브레이크 등과 차량의 진행방향을 알리는 방향지시등 등을 포함한다.
차량용 램프 장치에서 에너지 효율이 좋은 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드가 사용되는 추세이다.
특히, 직진성이 우수하여서, 조사 가능한 거리가 길고, 마주 오는 차량의 시야를 방해하지 않는 레이저 다이오드가 각광 받고 있다.
그러나, 레이저 다이오드는 화이트 색을 구현하기 위해서는 형광체 및 렌즈 조립체를 사용하여야 한다. 그러나, 이러한 구조는 차량용 램프 장치의 구조를 복잡하게 하여서, 효율을 저하시키고, 차량용 램프 장치의 부피를 증가시키는 문제가 존재한다. 이하, 종래 기술에 따른 레이저 다이오드를 채용한 차량용 램프 장치에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 14은 종래기술에 따른 발광모듈의 개념도이다. 도 14을 참고하면, 종래기술에 따른 발광모듈은 레이저 다이오드에서 생성된 블루(Blue) 광이 프리즘(3)과 렌즈(4)를 투과하면서 포커싱되고, 포커싱된 광은 제1반사부(5)를 통해 반사되어 투과형 형광체(6)를 투과하며 화이트 광으로 변환되고, 화이트 광으로 변환된 광은 제2반사부(7)를 통해 전방으로 방출된다.
종래기술에 따르면, 발광모듈이 자동차의 헤드램프에 내장될 때, 발광모듈이 광축을 따라 길게 형성되면, 이에 대응하여 헤드램프의 길이가 길어지는 문제점이 존재한다.
또한, 작은 스팟으로 포커싱하기 위해 다수의 부품을 사용하여, 비용이 증가되고, 신뢰성에 문제가 존재한다. 또한 광이 투과하여 색상을 변경시키는 투과형 형광체를 사용하므로 효율이 감소되는 문제점이 존재한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 발광모듈의 크기를 줄이고, 하나의 렌즈를 다용도로 활용하여 발광모듈의 부품 수를 줄이는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 레이저 다이오드의 광 직진성이 향상되고, 광 효율 및 휘도가 뛰어난 발광모듈을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 레이저 다이오드의 광원에서 입사된 광을 파장변환 시에 열 집중을 완화하여 파장변환의 효율을 향상시키는 것이다.
실시예에 따른 발광모듈은 입사되는 광을 일 공간으로 집광하는 집광렌즈, 상기 집광렌즈의 후방에 배치되어 상기 집광렌즈를 통과하는 제1광을 제공하는 광원, 상기 집광렌즈의 전방면에 배치되고, 상기 제1광을 반사하여 상기 집광렌즈를 통과하는 제1반사광을 제공하는 제1 광경로 변환부재, 상기 집광렌즈의 후방에 배치되고, 상기 제1반사광을 상기 집광렌즈를 통과하는 제2반사광으로 제공하는 제2 광경로 변환부재 및 상기 제2반사광을 제공받아 상기 제2반사광과 다른 파장의 광을 방출하는 파장변환유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 따르면, 집광렌즈의 후방의 상부에 광원을 배치하고, 후방의 중앙에 제2 광경로 변환부재를 배치하여서, 발광모듈의 길이를 줄이고, 공간의 활용을 극대화 하여 하우징에 쉽게 내장될 수 있는 이점이 존재한다.
또한, 실시예는 보조 집광렌즈가 집광렌즈의 전방의 하부에 배치되고, 제1 광경로 변환부재가 집광렌즈의 전방의 상부에 배치되어서, 발광모듈의 길이를 줄이고, 공간의 활용을 극대화 하여 하우징에 쉽게 내장되는 이점이 존재한다.
또한, 실시예는 집광렌즈의 상하영역을 분할하여 사용하므로, 부품 수가 줄어들고 제조비용이 감소되는 이점이 존재한다.
또한, 실시예는 광원으로부터 방출되는 광을 집중시키기 위한 다단계의 구조를 대신하여 집광을 시킬 수 있는 간단한 렌즈구조를 사용하여 광 집중성 및 직진성이 우수한 광을 제공하는 이점이 존재한다.
또한, 실시예는 비축수차를 보정하는 이점이 존재한다.
또한, 실시예는 제1 광경로 변환부재를 집광렌즈의 전방면에 배치하여서, 발광모듈의 크기를 줄이고, 집광렌즈에서 방출된 광이 공기를 통과하지 않으므로, 광 손실이 줄어들고, 제1 광경로 변환부재의 고정구조가 필요 없는 이점이 존재한다.
또한, 실시예는 수용홈과 코팅층으로 인해, 제1 광경로 변환부재가 집광렌즈에서 박리되는 것이 방지되는 이점이 존재한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광모듈을 서로 다른 방향에서 바라본 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광모듈의 광 경로를 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광모듈의 위치를 설명하기 위한 참고도이다.
도 4a는 도 1a의 집광렌즈를 Ⅰ - Ⅰ선을 취한 단면도이다.
도 4b는 도 1b의 집광렌즈를 Ⅱ - Ⅱ 선을 취한 단면도이다.
도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 다른 집광렌즈와 제1 광경로 변환부재의 단면도이다.
도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 다른 집광렌즈와 제1 광경로 변환부재의 단면도이다.
도 5c는 본 발명의 다른 실시예에 다른 집광렌즈와 제1 광경로 변환부재의 단면도이다.
도 5d는 본 발명의 다른 실시예에 다른 집광렌즈와 제1 광경로 변환부재의 단면도이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 집광렌즈를 수직방향으로 절단한 단면도이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 집광렌즈를 수평방향으로 절단한 단면도이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장변환유닛의 사시도이다.
도 7b는 도 7a에 도시된 파장변환유닛의 Ⅲ - Ⅲ 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장변환유닛을 광축 전방에서 바라본 평면도이다.
도 8a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광모듈의 개념도이다.
도 8b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광모듈의 개념도이다.
도 8c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광모듈의 개념도이다.
도 8d는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광모듈의 개념도이다.
도 9a는 종래기술에 따른 발광모듈의 광경로를 도시한 도면이다.
도 9b는 종래기술에 따른 발광모듈의 프로젝션 이미지를 도시한 도면이다.
도 10a 는 본 발명에 따른 발광모듈의 광경로를 도시한 도면이다. 도 10b는 본 발명에 따른 발광모듈의 프로젝션 이미지를 도시한 도면이다.
도 11a는 비교예에 따른 발광모듈의 프로젝션 이미지를 도시한 도면이다.
도 11b는 본 발명에 따른 발광모듈의 프로젝션 이미지를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 발광모듈을 포함하는 자동차를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 발광모듈을 포함하는 자동차용 램프 장치를 도시한 단면도이다.
도 14은 종래기술에 따른 발광모듈의 개념도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광모듈을 서로 다른 방향에서 바라본 개념도, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광모듈의 광 경로를 도시한 개념도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광모듈(10)은 입사되는 광을 일 공간으로 집광하는 집광렌즈(30), 집광렌즈(30)에서 일 측방향으로 이격되어 배치되는 광원(20), 집광렌즈(30)의 타측면에 배치되는 제1 광경로 변환부재(40), 집광렌즈(30)에서 일 측 방향으로 이격되어 배치되고, 광원(20)과 이격되는 제2 광경로 변환부재(50) 및 제2 광경로 변환부재(50)에서 입사된 광의 파장을 변환하여 방출하는 파장변환유닛(70)를 포함한다.
구체적으로, 발광모듈(10)은 후방에서 입사되는 광을 전방의 일 공간으로 집광하는 집광렌즈(30), 집광렌즈(30)의 후방에 배치되어 집광렌즈(30)를 통과하는 제1광(21)을 제공하는 광원(20), 집광렌즈(30)의 전방면(31)에 배치되고, 제1광(21)을 반사하여 집광렌즈(30)를 통과하는 제1반사광(22)을 제공하는 제1 광경로 변환부재(40), 집광렌즈(30)의 후방에 배치되고, 입사된 제1반사광(22)을 집광렌즈(30)를 통과하는 제2반사광(23)으로 제공하는 제2 광경로 변환부재(50)와, 제2반사광(23)을 제공받아 제2반사광(23)과 다른 파장으로 변경하여 방출하는 파장변환유닛(70)을 포함한다. 또한, 발광모듈(10)은 집광렌즈(30)의 전방에 배치되어, 집광렌즈(30)를 통과한 제2반사광(23)을 전방방향으로 집광하는 보조 집광렌즈(60)를 더 포함한다.
여기서, 방향을 지칭하는 전방은 도 1을 기준으로, 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)(-Ax1)(또는, 광축이라 함)에서 상대적으로 우측(Ax1 방향)을 의미하는 것이다. 후방은 도 1을 기준으로, 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)에서 상대적으로 좌측(-Ax1 방향)을 의미하는 것이다. 수직방향은 도 1a에서 광축과 수직인 상하방향(Z축 방향)을 의미하고, 수평방향은 광축 및 수직방향과 수직인 Y축 방향을 의미한다.
또한, 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)은 집광렌즈(30)의 전방면(31)의 초점과, 집광렌즈(30)의 중심을 연결한 가상의 선이다.
집광렌즈(30)는 광축의 후방에서 입사되는 광을 광축 전방의 일 공간으로 집광한다. 집광렌즈(30)는 집광렌즈(30)의 형상과 집광렌즈(30)와 외부 사이의 굴절률 차이로 입사되는 광을 굴절시킨다. 집광렌즈(30)의 굴절율은 1 보다 크고, 바람직하게는 1.5 내지 1.6일 수 있다.
예를 들면, 집광렌즈(30)는 구면렌즈 또는 비구면 렌즈를 포함한다. 바람직하게는, 집광렌즈(30)는 비구면 렌즈로 구현될 수 있다.
집광렌즈(30)는 광축(Ax)의 전방으로 볼록한 형상을 가질 수 있다. 다른 예로, 집광렌즈(30)는 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)과 수직인 후방면(32)과, 집광렌즈(30)의 전방으로 볼록한 전방면(31)을 가질 수 있다. 물론, 후방면(32)은 광축 전방으로 오목한 형상을 가질 수도 있다.
특히, 집광렌즈(30)의 전방면(31)은 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)을 정점으로 하는 곡선을 가진다. 상세하게는, 집광렌즈(30)의 전방면(31)은 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1) 상에 초점을 가지고, 복수 개의 곡률반경을 가지는 곡선을 이룰 수 있다.
이러한, 집광렌즈(30)는 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)과 평행하게 입사되는 광을 굴절시켜서 광축 전방의 임의의 위치로 집중하게 된다. 집광렌즈(30)는 광을 투과하는 다양한 재질로 이루어진다.
광원(20)은 전기 에너지를 공급받아 광 에너지로 변환시키고, 이를 통하여 광을 생성한다. 이러한 예로서, 광원(20)은 초고압 수은 램프(UHV Lamp), 발광다이오드(light emitting diode, LED), 레이저 다이오드(laser diode, LD) 등이 될 수 있다. 바람직하게는, 광원(20)은 직진성 및 집중성이 우수한 레이저 다이오드로 구현될 수 있다.
물론, 이러한 광원(20)은 다양한 전원장치에 의해 전원이 공급될 수 있고, 바람직하게는, 인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board), 메탈 코아(Metal Core) PCB, 연성(Flexible) PCB, 세라믹 PCB 등에 의해 전원이 공급될 수 있다.
여기서, 레이저 다이오드는 레이저 동작을 시키기 위한 전극을 2개 가지고 있는 반도체 레이저를 말한다. 구체적으로, 레이저 다이오드는 GaAs, Alx Ga1-xAs계 더블 헤테로 접합 구조일 수 있다.
광원(20)은 다양한 색상의 광을 생성할 수 있다. 바람직하게는, 광원(20)은 효율이 우수한 블루(Blue)계열의 광을 생성한다.
광원(20)은 집광렌즈(30)의 후방에 배치되어 집광렌즈(30)를 통과하는 제1광(21)을 제공한다. 제1광(21)은 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)(광축)에 평행하게 입사된다. 여기서, 평행은 수학적 의미의 평행을 의미하는 것은 아니고, 오차를 포함하는 범위에서의 평행을 의미한다.
제1광(21)은 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)에 편심되는 후방면(32)에 입사된다.
더욱 상세하게는, 집광렌즈(30)는 중심축을 관통하는 절단면에서 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)을 기준으로 제1영역과 제2영역으로 구획될 수 있다.
예를 들면, 도 1에서 도시된 바와 같이, 제1영역은 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)을 기준으로 상부영역(Z축 방향 영역)이다. 제2영역은 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)을 기준으로 하부영역(-Z축 방향 영역)이다. 이때, 제1광(21)은 집광렌즈(30)의 제1영역으로 입사된다.
이를 위해, 광원(20)은 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)에 편심되게 위치된다. 구체적으로, 광원(20)은 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)에서 수직방향(Z축, -Z축 방향)으로 편심되게 위치된다. 물론, 광원(20)은 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)에서 수평방향(Y축, -Y축 방향)으로 편심되게 위치되거나, 수직방향에서 보아, 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)과 중첩되게 위치될 수 있다.
광원(20)은 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)에서 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)과 수직한 제1방향(Z축 방향)으로 이격되어 배치된다.
광원(20)에서 생성된 제1광(21)은 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)에서 편심된 위치로 입사되어서, 집광렌즈(30)의 전방면(31)을 통해 제1 광경로 변환부재(40)로 입사된다.
제1 광경로 변환부재(40)는 집광렌즈(30)의 전방면(31)에 배치되어서, 집광렌즈(30)를 통과한 제1광(21)을 반사하여 집광렌즈(30)를 통과하는 제1반사광(22)을 제공한다.
구체적으로, 제1 광경로 변환부재(40)는 제1반사광(22)이 집광렌즈(30)의 전방면(31)으로 입사되어 집광렌즈(30)의 후방면(32)으로 방출되게 한다. 더욱 구체적으로, 제1 광경로 변환부재(40)는 제1반사광(22)이 집광렌즈(30)의 전방면(31)의 제1영역으로 입사되어 집광렌즈(30)의 후방면(32)의 제1영역으로 방출되게 한다.
또한, 제1 광경로 변환부재(40)는 평면 또는 곡면을 포함할 수 있다. 특히, 광원(20)의 개수에 따라 제1 광경로 변환부재(40)는 다수 개가 계단처럼 배치되는 것도 가능하다. 그리고, 제1 광경로 변환부재(40)는 제1반사광(22)을 각을 조절할 수 있도록, 회전 가능하게도 구현될 수 있다.
한편, 제1반사광(22)이 집광렌즈(30)의 후방면(32)으로 방출되는 출사스팟(S)은 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)을 기준으로 제1방향으로 이격된다. 제1 광경로 변환부재(40)가 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1) 상에 배치되게 되면, 제1 광경로 변환부재(40)와 광원 사이의 거리가 증가되어, 발광모듈(10) 자체의 길이가 길어지는 단점이 존재하게 된다.
따라서, 제1 광경로 변환부재(40)는 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)에서 수직방향(Z축, -Z축 방향)으로 편심되게 위치된다. 물론, 제1 광경로 변환부재(40)는 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)에서 수평방향(Y축, -Y축 방향)으로 편심되게 위치되거나, 수직방향에서 보아 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)과 중첩되게 위치될 수 있다. 바람직하게는, 제1 광경로 변환부재(40)와 광원(20)은 집광렌즈(30)의 전방에서 보아 적어도 일부가 서로 중첩되게 배치된다.
제1 광경로 변환부재(40)는 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)에서 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)과 수직한 제1방향(Z축 방향)으로 이격되어 배치되는 것이 바람직하다.
제1 광경로 변환부재(40)는 집광렌즈(30)의 전방면(31)에 설치된다. 구체적으로, 제1 광경로 변환부재(40)는 집광렌즈(30)의 전방면(31)과 접촉되게 배치된다.
제1 광경로 변환부재(40)는 집광렌즈(30)의 전방면(31)의 일부 영역을 커버한다. 구체적으로, 제1 광경로 변환부재(40)는 집광렌즈(30)의 전방면(31)의 제1영역의 일부를 커버한다. 제1 광경로 변환부재(40)의 면적은 광원(20)에서 방출되는 제1광(21)의 단면적 보다 크고, 집광렌즈(30)의 전방면(31)의 면적 대비 10% 보다 작은 것이 바람직하다.
종래에는 제1 광경로 변환부재(40)가 집광렌즈(30)의 전방에 이격되어 배치되어서, 집광렌즈(30)에서 방출된 광이 빛을 통과하는 과정에서 광 손실이 발생되는 문제점이 존재한다. 또한, 개선 전 출원인의 발명은 제1 광경로 변환부재(40)를 고정하는 구조가 필요하고, 제1 광경로 변환부재(40)를 고정하는 구조에 의해 광이 차단되어 광 손실이 발생되는 문제점이 존재한다.
따라서, 본 발명은 제1 광경로 변환부재(40)를 집광렌즈(30)의 전방면(31)에 배치하여서, 발광모듈의 크기를 줄이고, 집광렌즈(30)에서 방출된 광이 공기를 통과하지 않으므로, 광 손실이 줄어들고, 제1 광경로 변환부재(40)의 고정 구조가 필요 없는 이점이 존재한다.
제1 광경로 변환부재(40)는 집광렌즈(30)의 전방면(31)에 접촉된다. 예를 들면, 제1 광경로 변환부재(40)는 집광렌즈(30)의 전방면(31)에 코팅되거나, 집광렌즈(30)의 전방면(31)에 형성된 홈에 삽입되는 구조를 가질 수 있다. 이에 대해서는 후술하도록 한다.
예를 들면, 제1 광경로 변환부재(40)는 광축에 평행한 임의의 선과 교차되는 반사면을 가진다. 여기서, 제1 광경로 변환부재(40)는 반사특성이 우수한 물질, 예를 들어 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 및 이들의 선택적인 조합으로 구성된 물질 중에서 형성될 수 있다.
제2 광경로 변환부재(50)는 집광렌즈(30)의 후방에 배치되고, 제1반사광(22)을 반사하여 집광렌즈(30)를 통과하는 제2반사광(23)을 제공한다.
제2 광경로 변환부재(50)는 집광렌즈(30)의 후방에 배치되어 집광렌즈(30)를 통과하는 제2반사광(23)을 제공한다.
제1 광경로 변환부재(40)에서 집광렌즈(30)의 전방면(31)으로 입사되는 제1반사광(22)은 집광렌즈(30)의 계면에서 굴절되어 집광렌즈(30)의 제1영역의 후방면(32)으로 방출된다. 집광렌즈(30)를 통과한 제1반사광(22)은 제2 광경로 변환부재(50)에 입사되고, 제2반사광(23)으로 방출된다. 제2반사광(23)은 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)과 일치되는 후방면(32)에 입사된다. 집광렌즈(30)로 입사된 제2반사광(23)은 집광렌즈(30)의 계면에서 굴절되어 집광렌즈(30)의 전방면(31)을 통해 전방으로 방출된다.
광원(20)에서 출사되는 광은 집광렌즈(30)의 상반부, 제1 광경로 변환부재(40), 집광렌즈(30)의 상반부, 제2 광경로 변환부재(50), 집광렌즈(30)의 중앙부를 순차적으로 경유하며 포커싱된다. 여기서, 집광렌즈(30)의 상반부는 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)을 기준으로 상부영역을 의미한다. 집광렌즈(30)의 상반부는 집광렌즈(30)의 제1영역이다. 집광렌즈(30)의 하반부는 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)을 기준으로 하부영역을 의미한다. 집광렌즈(30)의 하반부는 집광렌즈(30)의 제2영역이다. 집광렌즈(30)의 중앙부는 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)을 중심으로 하는 일정한 영역을 의미한다. 한편, 광의 반사특성에 대해 설명하면 다음과 같다.
광은 리플렉터(reflector)의 표면 특성에 따라서, 정반사(specular reflection)와 난반사(diffuse reflection)될 수 있다.
그리고, 난반사는 가우시안 반사(guassian reflection), 램버시안 반사(lambertian reflection), 및 혼합 반사(mixed reflection)를 포함할 수 있다.
일반적으로, 정반사는 광이 리플렉터의 어느 한 지점(point)에 입사할 때, 해당 지점을 지나는 법선과 입사광의 광축 사이의 각도와 법선과 반사광의 광축 사이의 각도가 동일한 반사를 의미한다.
그리고, 가우시안 반사는 리플렉터 표면의 각에 따른 반사광의 세기가 법선과 반사광의 방향 사이의 각이 가우시안 함수 값으로 변하는 반사를 의미한다.
이어, 램버시안 반사는 리플렉터 표면의 각에 따른 반사광의 세기가 법선과 반사광의 방향 사이의 각이 코사인 함수 값으로 변하는 반사를 의미한다.
다음, 혼합 반사는 정반사, 가우시안 반사, 및 램버시안 반사 중 적어도 하나 이상이 혼합된 반사를 의미한다.
실시예에서는, 제1 광경로 변환부재(40)는 광의 포커싱을 위해 광을 정반사한다. 제2 광경로 변환부재(50)는 광을 정반사한다.
제2 광경로 변환부재(50)의 반사면은 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)에 평행한 임의의 선과 교차되게 배치된다. 구체적으로, 제2 광경로 변환부재(50)는 제2 광경로 변환부재(50)에서 제공되는 제2반사광(23)이 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)과 일치되게 배치된다. 즉, 제2반사광(23)은 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)을 통과한다. 이 때, 제2 광경로 변환부재(50)는 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1) 상에 배치된다. 다만, 다른 실시예에서는 제2 광경로 변환부재(50)는 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)에서 편심되게 위치될 수 있다.
파장변환유닛(70)은 제2반사광(23)을 제공받아 제2반사광(23)과 다른 파장으로 광으로 변경하여 방출한다. 예를 들면, 파장변환유닛(70)은 광원(20)에서 생성된 블루 계열의 빛을 파장을 변환하여 화이트 계열의 빛으로 변경할 수 있다.
파장변환유닛(70)은 광의 파장을 변경하는 공지의 형광체가 사용될 수 있다. 파장변환유닛(70)의 자세한 구성은 후술하도록 한다.
제2반사광(23)은 파장변환유닛(70)을 통과한 후, 집광렌즈(30) 또는/및 보조 집광렌즈(60)로 입사된다. 예를 들면, 도 1에서 도시하는 바와 같이, 파장변환유닛(70)은 집광렌즈(30)와 제2 광경로 변환부재(50) 사이에 위치된다. 파장변환유닛(70)은 제2 광경로 변환부재(50)에서 방출된 제2반사광(23)을 입사 받아 집광렌즈(30)의 중앙부로 입사시킨다.
구체적으로, 파장변환유닛(70)은 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1) 상에 위치된다. 파장변환유닛(70)에서 방출되는 제2반사광(23)은 광축(Ax) 전방을 향해 방사되는 형태를 가지게 된다. 즉, 파장변환유닛(70)에서 방출되는 제2반사광(23)은 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)을 기준으로 상하 방향으로 소정의 각도를 가지는 부채꼴 형태의 광이 된다. 다시 설명하면, 파장변환유닛(70)에서 방출되는 광은 집광렌즈(30)의 후방 및 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1) 상의 일점에서 집광렌즈(30)를 향해 입사되는 광을 형태를 가진다.
제2반사광(23)은 집광렌즈(30)의 후방면(32)의 중앙부로 입사되어 집광렌즈(30)의 계면에서 굴절되어 방출된다. 집광렌즈(30)를 통과한 제2반사광(23)은 집광렌즈(30)에 입사되는 제2반사광(23) 보다 그 방사각이 줄어든 형태가 된다.
따라서, 집광렌즈(30)를 통과한 제2반사광(23)은 어느 정도 직진성을 가지며 확산되는 광이 된다. 이러한 제2반사광(23)은 차량용 램프 장치의 근거리를 비추는 로우 빔(Low beam)으로 사용될 수 있다.
또한, 다른 실시예는 제2반사광(23)이 대략 광축에 수평한 평행광선으로 전환되어, 원거리를 비추는 하이 빔으로 사용될 수 있다. 따라서, 다른 실시예는 집광렌즈(30)를 통과한 제2반사광(23)을 전방방향으로 집광하는 보조 집광렌즈(60)를 더 포함할 수 있다.
보조 집광렌즈(60)는 광축의 후방에서 입사되는 광을 광축 전방의 일 공간으로 집광한다. 보조 집광렌즈(60)는 보조 집광렌즈(60)의 형상과 보조 집광렌즈(60)와 외부 사이의 굴절률 차이로 입사되는 광을 굴절시킨다. 보조 집광렌즈(60)의 굴절율은 1 보다 크고, 바람직하게는 1.5 내지 1.6일 수 있다.
보조 집광렌즈(60)의 중심축은 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)과 중첩된다. 구체적으로, 보조 집광렌즈(60)는 전방에서 보아 집광렌즈(30)과 중첩되게 위치된다.
보조 집광렌즈(60)의 중심축(Ax2)과 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)은 평행하게 배치된다.
이러한, 보조 집광렌즈(60)는 보조 집광렌즈(60)의 후방에서 입사되는 광을 보조 집광렌즈(60)의 계면에서 굴절시켜 광축과 평행한 광으로 변환하여 방출한다.
제2 광경로 변환부재(50)에서 파장변환 및 반사된 빛은 집광렌즈(30)의 중심축을 기준으로 방사형으로 퍼진 형태로 집광렌즈(30)의 후방면(32)에 입사되어 집광렌즈(30)의 전방면(31)으로 방출된다. 이 과정에서 집광렌즈(30)의 전방면(31)으로 방출된 광은 집광렌즈(30)의 후방면(32)에 입사된 광 보다 그 방사각이 줄어들게 된다. 집광렌즈(30)의 전방면(31)으로 방출된 광은 보조 집광렌즈(60)에 입사되어서, 효율적으로 광축과 평행한 광으로 변환되게 된다. 보조 집광렌즈(60)의 재질은 집광렌즈(30)의 재질과 동일한 재질을 가질 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광모듈의 위치를 설명하기 위한 참고도이다.
빛의 굴절에 관한 스넬의 법칙은 아래와 같다.
Figure 112015112129736-pat00001
스넬의 법칙을 하기 경로를 이용해 변환하면 굴절식이 도출된다.
Figure 112015112129736-pat00002
여기서, n은 굴절 전 매질의 굴절률,
n＇은 굴절 후 매질의 굴절률,
i 는 광선이 입사되는 면과 수직면이 이루는 각도,
i＇은 출사광과 수직면이 이루는 각도를 의미한다.
상술한 굴절식을 이용해 하기와 같이 각 구성들의 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)에서의 이격거리 h가 산출될 수 있다.
Figure 112015112129736-pat00003
여기서, r은 렌즈의 곡률반경을 의미한다.
실시예의 집광렌즈(30)는 중앙부의 곡률반경이 테두리부의 곡률반경 보다 작은 비구면 렌즈이다.
먼저, 광원(20), 제1 광경로 변환부재(40), 제2 광경로 변환부재(50) 및 파장변환유닛(70)은 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)의 전방에서 보아 집광렌즈(30)와 중첩되게 위치된다. 따라서, 발광모듈(10)이 내장되는 하우징의 크기가 집광렌즈(30)의 크기로 축소될 수 있다.
구체적으로, 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)과 광원(20) 사이의 제1거리(h1)는 집광렌즈(30)의 반지름(L) 보다 작다. 여기서, 제1거리(h1)는 상술한 이격거리 산출공식에 의해 산출된다.
또한, 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)에서 제2 광경로 변환부재(50) 사이의 제2거리는 0 이다. 또한, 제2 광경로 변환부재(50)는 집광렌즈(30)의 후방면(32)에서 집광렌즈(30)의 후방으로 이격하여 위치된다.
한편, 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)에서 제1 광경로 변환부재(40) 사이의 제3거리(h3)는 집광렌즈(30)의 반지름(L) 보다 작고 0 보다 크다. 물론, 제3거리(h3)는 상술한 이격거리 산출공식에 의해 산출된다. 바람직하게는, 제1거리(h1)와 제3거리(h3) 사이의 비는 1: 0.9 내지 1 : 1.1 일 수 있다. 더 더욱 바람직하게는, 제1거리(h1)와 제3거리(h3)는 동일할 수 있다.
집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)과 제1반사광(22)의 출사스팟(S) 사이의 제4거리(h4)는 제1거리(h1) 또는 제2거리(h2) 보다 작을 수 있다. 바람직하게는, 광원(20)의 제1거리(h1)와 출사스팟(S)의 제4거리(h4)의 비는 1: 0.1 내지 1: 0.6 일 수 있다. .
이러한, 발광모듈(10)은 조립의 편의성을 위해 육면체 형태의 하우징에 내장되는 것이 일반적이다. 따라서, 집광렌즈(30)의 후방의 상부에 광원(20)을 배치하고, 후방의 중앙에 제2 광경로 변환부재(50)를 배치하여서, 발광모듈(10)의 길이를 줄이고, 공간의 활용을 극대화 하여 하우징에 쉽게 내장될 수 있다.
또한, 보조 집광렌즈(60)가 집광렌즈(30)의 전방에 배치되고, 제1 광경로 변환부재(40)가 집광렌즈(30)의 전방의 상부에 배치되어서, 발광모듈(10)의 길이를 줄이고, 공간의 활용을 극대화 하여 하우징에 쉽게 내장될 수 있다.
또한, 제2 광경로 변환부재(50)와 파장변환유닛(70)이 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1) 상에 배치되어서, 파장변환유닛(70)에서 집광렌즈(30)로 입사되는 광이 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)에서 공급되므로, 광 효율이 향상되는 이점이 존재한다.
이하, 제1 광경로 변환부재(40)의 구성에 대해 상술하도록 한다.
도 4a는 도 1a의 집광렌즈를 Ⅰ- Ⅰ 선을 취한 단면도, 도 4b는 도 1b의 집광렌즈를 Ⅱ - Ⅱ 선을 취한 단면도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 제1 광경로 변환부재(40)는 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)에 평행한 임의의 선과 교차되는 반사면(41)을 가진다. 제1 광경로 변환부재(40)의 반사면(41)은 집광렌즈(30)의 전방면(31)과 면 접촉된다.
제1 광경로 변환부재(40)의 반사면(41)은 제1 광경로 변환부재(40)의 반사면(41)에 반사된 제1반사광(22)이 집광렌즈(30)를 통과하여 제2 광경로 변환부재(50)의 중심부로 입사되게 배치된다. 구체적으로, 제1 광경로 변환부재(40)의 반사면(41)은 제2 광경로 변환부재(50)에 광을 집광시키기 위한 구면형상 또는 평면형상을 가진다.
일 예로, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 광경로 변환부재(40)의 반사면(41)은 집광렌즈(30)의 전방면(31)에 접촉되는 형상을 가진다. 구체적으로, 제1 광경로 변환부재(40)의 반사면(41)은 집광렌즈(30)의 전방면(31)에 대응되는 곡률반경을 가진다.
다른 예로, 제1 광경로 변환부재(40)의 반사면(41)은 집광렌즈(30)의 전방면(31)의 곡률과 동일한 곡률 또는 상이한 곡률을 가지거나, 평면 형상을 가질 수 있다. 이는 후술하도록 한다.
제1 광경로 변환부재(40)의 반사면(41)의 곡률반경의 중심은 제1 광경로 변환부재(40)의 후방에 위치되는 것이 바람직하다. 따라서, 제1 광경로 변환부재(40)의 반사면(41)은 전방으로 오목한 구면 형태가 된다. 제1 광경로 변환부재(40)의 반사면(41)이 오목한 구면 형태가 되면, 제1 광경로 변환부재(40)에서 제2 광경로 변환부재(50)로 제공된 광이 한 점에 포커싱되는 이점이 존재한다.
도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 다른 집광렌즈와 제1 광경로 변환부재의 단면도이다.
도 5a를 참조하면, 다른 실시예에 따른 발광모듈은 도 4a의 실시예와 비교하면, 수용홈(31a)을 더 포함한다.
다른 실시예의 집광렌즈(30)는 제1 광경로 변환부재(40)가 수용되는 수용홈(31a)이 형성된다.
수용홈(31a)은 제1 광경로 변환부재(40)에 대응되는 형상과 깊이를 가진다. 수용홈(31a)은 집광렌즈(30)의 전방면(31)이 후방으로 함몰되어 형성된다. 바람직하게는, 수용홈(31a)의 깊이는 제1 광경로 변환부재(40)의 두께와 대응된다.
이 때, 수용홈(31a)은 바닥면은 평면이고, 제1 광경로 변환부재(40)의 반사면(41)은 수용홈(31a)의 바닥면과 접촉된다. 물론, 다른 예로, 수용홈(31a)의 바닥면은 곡률을 가질 수 있다. 수용홈(31a)의 바닥면은 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)에 평행한 임의의 선에 교차된다.
다른 실시예는 집광렌즈(30)의 수용홈(31a)이 형성되어서, 제1 광경로 변환부재(40)의 이탈이 방지된다. 특히, 제1 광경로 변환부재(40)가 금속으로 형성되는 경우, 광원(20)에서 입사되는 광에 의해 제1 광경로 변환부재(40)가 가열되면, 제1 광경로 변환부재(40)가 집광렌즈(30)에서 박리되는 문제를 해결할 수 있다.
도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 다른 집광렌즈와 제1 광경로 변환부재의 단면도이다.
도 5b를 참조하면, 다른 실시예에 따른 발광모듈은 도 5a의 실시예와 비교하면, 코팅층(70)을 더 포함한다.
코팅층(70)은 집광렌즈(30)와 외기 사이의 굴절율 차이로 발생하는 집광렌즈(30) 계면에서의 전반사를 방지하여 광 효율을 향상시키고, 제1 광경로 변환부재(40)의 박리를 방지한다.
코팅층(70)은 집광렌즈(30)의 전방면(31)과 제1 광경로 변환부재(40)를 커버한다. 구체적으로, 코팅층(70)은 제1 광경로 변환부재(40)와 집광렌즈(30)의 전방면(31)에 코팅된다.
코팅층(70)은 접착력과 투광성을 존재하는 재질을 포함한다. 예를 들면, 코팅층(70)은 집광렌즈(30)와 외기의 굴절율 차이를 줄여서 외기와의 경계면에서 발생되는 전반사를 감소시킨다.
코팅층(70)의 굴절율은 집광렌즈(30)의 굴절율 보다 작고, 1 보다 크게 형성된다. 구체적으로, 코팅층(70)의 굴절율은 1.1 내지 1.6을 가진다.
코팅층(70)은 단층 또는 다층 구조를 가진다. 실시예에서 코팅층(70)은 다층구조를 가진다. 구체적으로, 코팅층(70)은 다수의 굴절층(71, 72)을 가지고, 다수의 굴절층(71, 72)의 굴절율은 집광렌즈(30)의 전방면(31)에서 멀어질수록 순차적으로 작게 형성된다.
예를 들면, 코팅층(70)은 실리콘을 포함한다.
도 5c는 본 발명의 다른 실시예에 다른 집광렌즈와 제1 광경로 변환부재의 단면도이다.
도 5c를 참조하면, 다른 실시예에 따른 발광모듈은 도 4a의 실시예와 비교하면, 코팅층(70)을 더 포함한다.
제1 광경로 변환부재(40)는 집광렌즈(30)의 전방면(31)에서 돌출되게 배치되고, 코팅층(70)은 집광렌즈(30)의 전방면(31)과 제1 광경로 변환부재(40)를 함께 덮는 구조를 가진다.
코팅층(70)은 도 5b에서 상술한 바와 같다.
도 5d는 본 발명의 다른 실시예에 다른 집광렌즈와 제1 광경로 변환부재의 단면도이다.
도 5d를 참조하면, 다른 실시예에 따른 발광모듈은 도 4a의 실시예와 비교하면, 제1 광경로 변환부재(40)의 구조에 차이를 가진다.
제1 광경로 변환부재(40)가 반사율이 우수한 금속물질인 경우, 수지물인 집광렌즈(30)에 부착력이 약해 열에 의해 박리될 수 있다.
따라서, 다른 실시예의 제1 광경로 변환부재(40)는 유전체를 사용하여 입사된 광의 경로를 변환하는 구조를 가진다.
예를 들면, 제1 광경로 변환부재(40)는 서로 다른 굴절율을 가지는 복수 개의 유전체층(40a, 40b)을 포함한다.
예를 들면, 제1 광경로 변환부재(40)는 적어도 제1굴절율을 가지는 제1유전체층(40a)과, 제1굴절율과 상이한 제2굴절율을 가지는 제2유전체층(40b)을 포함할 수 있다.
즉, 제1 광경로 변환부재(40)는 굴절율이 서로 다른 층들(221, 223)이 교번적으로 반복 적층된 구조를 이룰 수 있다.
일 예로, 제1유전체층(40a)은 저굴절율층일 수 있으며, 제2유전체층(40b)은 고굴절율층일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
그리고, 제1 광경로 변환부재(40)는 2층 내지 30층이 적층될 수 있다. 이때, 제1유전체층(40a)과 제2유전체층(40b)은 각각 2층 내지 10층이 적층될 수 있다. 이는, 제1 광경로 변환부재(40)가 2층 보다 적게 형성되면, 전반사에 의한 충분한 반사율을 얻을 수 없고, 제1 광경로 변환부재(40)가 30층을 초과하는 경우, 제조비용이 상승되게 때문이다. 따라서, 제1 광경로 변환부재(40)의 두께는 50 nm 내지 5㎛ 일 수 있다.
한편, λ가 광원(20)에서 발생한 광의 파장이고 n이 매질의 굴절율이고, m을 홀수라 할 때, 제1 광경로 변환부재(40)는, mλ/4n의 두께로 저굴절율을 가지는 제1유전체층(40a)과 고굴절율을 가지는 제2유전체층(40b)을 교대로 반복 적층하여 특정 파장대(λ)의 광에서 95% 이상의 반사율을 얻을 수 있다.
따라서, 저굴절율을 가지는 제1유전체층(40a)과 고굴절율을 가지는 제2유전체층(40b)은 기준 파장의 λ/4배의 두께를 가질 수 있으며, 이때 각 층(221, 223)의 두께는 2Å내지 10um로 형성할 수 있다.
또한, 제1 광경로 변환부재(40)을 형성하는 각 층은 유전체를 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 광경로 변환부재(40)는 MxOy (M : Metal, O : Oxide, X, Y : 상수)로 구성될 수 있다.
제1 광경로 변환부재(40)는 산화규소(SiO2), 산화티타늄(TiO2) 및 산화탄탈륨(Ta2O5) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 예로, 저굴절율을 가지는 제1유전체층(40a)은 굴절율 1.4의 산화규소(SiO2) 가 이용될 수 있으며, 고굴절율을 가지는 제2유전체층(40b)은 굴절율 2.7인 산화티타늄(TiO2) 또는 산화탄탈륨(Ta2O5) 등을 이용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
특히, 제1유전체층(40a)과 제2유전체층(40b)은 600nm 내지 870nm 파장대역의 빛을 적어도 95% 이상 전반사하여서, 금속 반사층에서 반사율이 저하되는 구간의 반사율을 향상시킬 수 있다.
일예로, 제1유전체층(40a)이 산화규소(SiO2)인 경우, 600nm 내지 870nm 파장대역의 빛을 전반사시키기 위해서, 107nm 내지 155nm의 두께를 가지고, 제1유전체층(40a)이 산화티타늄(TiO2)인 경우, 600nm 내지 870nm 파장대역의 빛을 전반사시키기 위해서, 55.5nm 내지 80.6nm의 두께를 가지는 것이 바람직하다.
제1 광경로 변환부재(40)가 서로 다른 굴절율을 가지는 유전체층으로 구성되는 경우, 집광렌즈(30)의 전방면(31)과 제1 광경로 변환부재(40)의 접착력이 향상된다. 또한, 제1 광경로 변환부재(40)가 집광렌즈(30)의 전방면(31)에서 열에 의해 쉽게 박리되는 것이 방지된다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 집광렌즈를 수직방향으로 절단한 단면도, 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 집광렌즈를 수평방향으로 절단한 단면도이다. 바람직하게는, 보조 집광렌즈의 수직 절단면과, 수평 절단면은 모두 보조 집광렌즈(60)의 중심축(Ax2)을 관통한다.
도 1 및 도 6를 참조하면, 보조 집광렌즈(60)는 비축 수차를 개선하고, 전방으로 광을 집광하기 위해 제1굴절면(62a)(62b)과 제2굴절면(61)을 가진다.
제1굴절면(62a)(62b)은 집광렌즈(30) 방향으로 노출되는 보조 집광렌즈(60)의 일면이다. 제1굴절면(62a)(62b)은 보조 집광렌즈(60)의 후방면을 형성한다. 제1굴절면(62a)(62b)은 제2굴절면(61)과 대향되게 배치된다.
제1굴절면(62a)(62b)과 제2굴절면(61)의 형상은 상이하다.
제1굴절면(62a)(62b)은 보조 집광렌즈(60)의 외부와의 경계면으로 제2반사광(23)이 입사되는 면이다. 제1굴절면(62a)(62b)에서 제2반사광(23)은 굴절된다. 제1굴절면(62a)(62b)은 비축 수차를 보정하기 위한 형상을 가진다.
서로 교차되는 절단면 상에서 제1굴절면(62a)(62b)의 형상들은 서로 상이하다. 구체적으로, 제1굴절면(62a)(62b)은 서로 다른 방향에서 수직굴절단면(62a)과, 수평굴절단면(62b)을 가진다. 수직굴절단면(62a)은 도 6a에서 도시된 바와 같이, 보조 집광렌즈를 수직 방향으로 절단한 수직 절단면 상에서 제1굴절면(62a)(62b)의 단면 형상이다. 수평굴절단면(62b)은 도 6b에서 도시된 바와 같이, 보조 집광렌즈를 수평 방향으로 절단한 수평 절단면 상에서 제1굴절면(62a)(62b)의 단면 형상이다.
비축 수차를 보정하기 위해, 수직굴절단면(62a)과 수평굴절단면(62b)의 형상은 서로 상이할 수 있다. 일 예로, 수직굴절단면(62a)은 곡률을 가지고, 수평굴절단면(62b)은 평면이다.
구체적으로, 수평굴절단면(62b)은 실질적으로 평면이거나, 곡률반경이 매우 큰 곡선일 수 있다. 수직굴절단면(62a)은 보조 집광렌즈(60)의 후방으로 볼록한 형상이다. 수직굴절단면(62a)은 보조 집광렌즈(60)의 전방방향에 그 곡률중심을 가진다.
다른 예로, 수직굴절단면(62a)은 곡률을 가지고, 수평굴절단면(62b)은 수직굴절단면(62a)과 다른 곡률을 가진다. 구체적으로, 수직굴절단면(62a)의 곡률반경은 수평굴절단면(62b)의 곡률반경 보다 작다. 더욱 구체적으로, 수평굴절단면(62b)의 곡률반경은 수직굴절단면(62a)의 곡률반경의 5배 이상이다.
수평굴절단면(62b)과 수직굴절단면(62a)의 곡률중심은 보조 집광렌즈(60)의 전방에 위치된다. 바람직하게는, 수평굴절단면(62b)과 수직굴절단면(62a)의 곡률중심은 보조 집광렌즈(60)의 전방의 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1) 상에 위치된다.
다시 설명하면, 전체적으로 제1굴절면(62a)(62b)은 수평방향과 일치되는 중심축을 가지는 원통의 일부(Toroid)를 형성한다. 즉, 보조 집광렌즈(60)의 제1굴절면(62a)(62b)이 수직방향으로 곡률을 가져서, 수직방향에서 생기는 비축 수차를 보정할 수 있다.
바람직하게는, 수직굴절단면(62a)의 곡률반경은 보조 집광렌즈(60)의 반경(Ra)의 8배 내지 15배이다. 수직굴절단면(62a)은 보조 집광렌즈(60)의 중심축(Ax2)을 정점으로 하는 곡선일 수 있다.
제2굴절면(61)은 보조 집광렌즈(60)의 전방으로 노출되는 보조 집광렌즈(60)의 일면이다. 제2굴절면(61)은 보조 집광렌즈(60)의 전방면을 형성한다. 제2굴절면(61)은 제1굴절면(62a)(62b)과 대향되게 배치된다.
제2굴절면(61)은 보조 집광렌즈(60)의 외부와의 경계면으로 제2반사광(23)이 방출되는 면이다. 제2굴절면(61)에서 제2반사광(23)은 굴절된다. 제2굴절면(61)은 집광을 위한 형상을 가진다.
예를 들면, 보조 집광렌즈(60)의 제2굴절면(61)은 구면 또는 비구면 형상을 가진다. 구체적으로, 제2굴절면(61)은 수평방향 및 수직방향에서 대칭되는 형상을 가진다.
구체적으로, 제2굴절면(61)은 전방으로 볼록한 형상을 가질 수 있다. 특히, 제2굴절면(61)은 보조 집광렌즈(60)의 중심축(Ax2)을 정점으로 하는 곡선을 가진다. 상세하게는, 제2굴절면(61)은 보조 집광렌즈(60)의 후방에 곡률중심을 가지고, 복수 개의 곡률반경을 가지는 곡선의 조합으로 이루어 질 수 있다. 제2굴절면(61)의 중심의 곡률반경은 제2굴절면(61)의 주변의 곡률반경 보다 작을 수 있다.
또한, 실시예는 보조 집광렌즈(60)의 테두리의 일부 영역을 감싸는 파장변환 코팅층(69)을 더 포함할 수 있다.파장변환 코팅층(69)은 보조 집광렌즈(60)의 수직단면에서 상부면을 커버하게 배치된다. 파장변환 코팅층(69)은 형광체를 포함하여서, 제2 광경로 변환부재(50)에 변환되지 못한 블루 광이 방출되는 것을 제한한다.
형광체는 광원(20)에서 방출되는 광의 파장에 따라 종류가 선택되어 파장변환 코팅층(69)에서 방출되는 광이 백색광을 구현하도록 할 수 있다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장변환유닛의 사시도, 도 7b는 도 7a에 도시된 파장변환유닛의 Ⅲ - Ⅲ 선을 따라 절단한 단면도, 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장변환유닛을 광축 전방에서 바라본 평면도이다.
도 5a 내지 도 5c 를 참고하면, 파장변환유닛(70)은 투명한 실리콘 등의 기재층에 형광체(미도시)가 분산된 구조를 가질 수 있다. 형광체는 광원(20)에서 방출되는 광의 파장에 따라 종류가 선택되어 발광모듈(10)이 백색광을 구현하도록 할 수 있다.
형광체는 광원(20)에서 방출되는 광의 파장에 따라 청색 발광 형광체, 청록색 발광 형광체, 녹색 발광 형광체, 황녹색 발광 형광체, 황색 발광 형광체, 황적색 발광 형광체, 오렌지색 발광 형광체, 및 적색 발광 형광체중 하나가 적용될 수 있다.
상세하게는. 광원(20)이 청색 레이저 다이오드이고 형광체(미도시)가 황색 형광체인 경우, 황색 형광체는 청색 빛에 의해 여기되어 황색 빛을 방출할 수 있다. 청색 레이저 다이오드에서 발생한 청색 빛 및 청색 빛에 의해 여기 되어 발생한 황색 빛이 혼색됨에 따라 발광모듈(10)은 백색 빛을 제공할 수 있다.
파장변환유닛(70)은 입사면(70a), 방출면(70b) 및 측면(70c)을 포함한다. 파장변환유닛(70)의 입사면(70a)은 제2반사광(23)이 입사되는 면이다. 파장변환유닛(70)의 방출면(70b)은 입사면(70a)과 마주보게 배치되고, 입사면(70a)을 통해 입사된 제2반사광(23)이 방출되는 면이다. 측면(70c)은 입사면(70a)과 방출면(70b)을 연결하는 면으로, 입사면(70a) 및 방출면(70b) 보다 작은 면적을 가진다.
파장변환유닛(70)의 입사면(70a)과 방출면(70b)은 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)과 평행한 임의의 선과 교차되게 배치된다. 즉, 파장변환유닛(70)의 입사면(70a)과 방출면(70b)의 연장선은 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)과 교차되게 배치된다. 파장변환유닛(70)의 입사면(70a)과 방출면(70b은 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1) 상에 위치된다.
또한, 실시예는 파장변환유닛(70)을 방열하기 위한 히트싱크(72)를 더 포함한다. 히트싱크(72)는 파장변환유닛(70)을 투과하는 빛을 방해하지 않도록 파장변환유닛(70)의 측면(70c)들에 접촉되게 배치된다. 히트싱크(72)는 내부에 파장변환유닛(70)이 위치되는 공간을 가지고, 파장변환유닛(70)을 감싸게 배치된다.
도 8a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광모듈의 개념도이다.
도 8a를 참조하면, 다른 실시예에 따른 발광모듈(10)은 도 1에 도시한 실시예와 비교하면, 제2 광경로 변환부재(50)의 배치에 차이점이 존재한다. 이하, 도 1의 실시예와 차이점 위주로 서술하고, 특별한 설명이 없는 구성은 도 1의 실시예와 동일하다.
다른 실시예의 제2 광경로 변환부재(50)는 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)에서 편심되어 위치된다. 구체적으로, 제2 광경로 변환부재(50)는 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)에서 제1방향(Z축 방향)으로 이격되어 배치된다. 이 때, 제2 광경로 변환부재(50)의 반사면은 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)과 평행한 임의선에 수직하게 배치된다.
제2 광경로 변환부재(50)에서 방출되는 제2반사광은 파장변환유닛(70)으로 입사된다. 다른 실시예의 경우, 제2 광경로 변환부재(50)로 입사되는 광과 파장변환유닛(70)에서 방출되는 광의 중첩을 줄일 수 있다.
도 8b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광모듈의 개념도이다.
도 8b를 참조하면, 다른 실시예에 따른 발광모듈(10)은 도 1에 도시한 실시예와 비교하면, 파장변환유닛(70)의 배치에 차이점이 존재한다.
다른 실시예의 파장변환유닛(70)은 집광렌즈(30)의 일면에 위치된다. 구체적으로, 파장변환유닛(70)은 집광렌즈(30)의 후방면(32)에 위치된다. 파장변환유닛(70)은 집광렌즈(30)의 후방면(32)에 부착 또는 코팅될 수 있다.
이 때, 파장변환유닛(70)은 집광렌즈(30)의 후방면(32)의 중심부에 위치된다.
도 8c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광모듈의 개념도이다.
도 8c를 참조하면, 다른 실시예에 따른 발광모듈(10)은 도 1에 도시한 실시예와 비교하면, 파장변환유닛(70)의 배치에 차이점이 존재한다.
다른 실시예의 파장변환유닛(70)은 집광렌즈(30)의 일면에 위치된다. 구체적으로, 파장변환유닛(70)은 집광렌즈(30)의 전방면(31)에 위치된다. 파장변환유닛(70)은 집광렌즈(30)의 전방면(31)에 부착 또는 코팅될 수 있다. 파장변환유닛(70)은 집광렌즈(30)의 전방면(31)의 중심부에 위치된다.
이 때, 제2 광경로 변환부재(50)에서 방출된 제2반사광(23)은 집광렌즈(30)의 중심을 통과하며 집광되어 집광렌즈(30)의 전방면(31)에 배치된 파장변환유닛(70)에 제공된다. 파장변환유닛(70)에서 파장변환된 광은 보조 집광렌즈(60)로 제공된다.
도 8d는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광모듈의 개념도이다.
도 8d를 참조하면, 다른 실시예에 따른 발광모듈(10)은 도 1에 도시한 실시예와 비교하면, 파장변환유닛(70)의 배치에 차이점이 존재한다.
다른 실시예의 파장변환유닛(70)은 집광렌즈(30)와 보조 집광렌즈(60)의 사이에 위치된다. 구체적으로, 파장변환유닛(70)은 집광렌즈(30)와 보조 집광렌즈(60) 사이의 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1) 상에 위치된다.
이 때, 제2 광경로 변환부재(50)에서 방출된 제2반사광(23)은 집광렌즈(30)의 중심을 통과하며 집광되어 집광렌즈(30)의 전방에 배치된 파장변환유닛(70)에 제공된다. 파장변환유닛(70)에서 파장변환된 광은 보조 집광렌즈(60)로 제공된다.
도 9a는 종래기술에 따른 발광모듈의 광경로를 도시한 도면이다. 도 9b는 종래기술에 따른 발광모듈의 프로젝션 이미지를 도시한 도면이다.
도 9a 를 참고하면, 종래기술은 광축에 배치되는 광원에서 광이 입사되어 집광렌즈를 통과하여 방출된다. 집광렌즈를 통해 집광된 광은 광축 상에 배치된 반사부에 의해 굴절되어 투광형 형광체를 거치며 파장이 변환된다.
반사부에서 투광형 형광체로 입사되는 되는 1점으로 집중되지만, 투광성 형광체에서 방출되는 빛은 방사형으로 퍼지는 형태를 가진다. 물론, 투과형 형광체를 투과하는 과정에서 광의 효율은 크게 저하되게 된다.
투과형 형광체에서 방출되는 광은 구면 미러에 의해 광축 전방으로 출력되게 된다.
구면 미러에서 방출되는 광의 일부는 광축과 평행한 평행광으로 전환되지만, 광의 다른 일부는 광축과 평행하지 않는 방향으로 방출되게 되어서, 광의 손실이 발생되게 된다.
특히, 도 9b는 광원의 20미터 전방에서 프로젝션 이미지를 도시하고 있는 데, 일부 광은 집중되고 있지만, 다른 일부 광은 상방으로 손실되는 것을 알 수 있다.
도 10a 는 본 발명에 따른 발광모듈의 광경로를 도시한 도면이다. 도 10b는 본 발명에 따른 발광모듈의 프로젝션 이미지를 도시한 도면이다.
도 10a 를 참고하면, 실시예의 광원(20)에서 생성된 제1광(21)은 집광렌즈(30)의 상부영역(제1영역)을 통해 입사되고, 굴절되어 방출된다. 집광렌즈(30)에서 방출된 제1광(21)은 제1 광경로 변환부재(40)로 입사된다.
제1 광경로 변환부재(40)에서 입사된 제1광(21)은 반사되어 제1반사광(22)으로 방출된다. 제1반사광(22)은 집광렌즈(30)의 상부영역(제2영역)으로 입사된다. 제1반사광(22)은 집광렌즈(30)의 상부영역을 통해 후방으로 방출된다.
집광렌즈(30)에서 방출된 제1반사광(22)은 제2 광경로 변환부재(50)로 입사된다. 입사된 제1반사광(22)은 제2 광경로 변환부재(50)에서 반사되어 파장변환유닛(70)에 제공된다. 이 때, 제2 광경로 변환부재(50)에서 방출된 제2반사광(23)은 집광렌즈(30)의 중심축(Ax1)과 일치되게 방출된다.
파장변환유닛(70)에 입사된 광은 백색 광으로 파장이 변환되어 집광렌즈(30)의 중심부로 입사된다.
이 때, 파장변환유닛(70)에 방출되는 제2반사광(23)은 램버시안 반사 형태를 가지므로, 광축과 평행한 임의의 선을 기준으로 일정한 방사각을 가지는 부채꼴 형태로 방출된다.
제2반사광(23)은 집광렌즈(30)의 중심으로 입사되고, 굴절되어 집광렌즈(30)의 전방으로 방출된다.
집광렌즈(30)에서 방출된 제2반사광(23)은 보조 집광렌즈(60)에서 집광되어 제2광(24)으로 방출된다.
특히, 제2반사광(23)의 대부분은 보조 집광렌즈(60)로 입사되어 평행광선으로 굴절되게 된다.
특히, 도 10b는 광원(20)의 20미터 전방에서 프로젝션 이미지를 도시하고 있는 데, 대부분의 광이 작은 영역에 집중되고 있는 것을 알 수 있다.
도 11a는 비교예에 따른 발광모듈의 프로젝션 이미지를 도시한 도면, 도 11b는 본 발명에 따른 발광모듈의 프로젝션 이미지를 도시한 도면이다.
도 11a는 실시예에서 보조 집광렌즈(60)의 제1굴절면(62a)(62b)에 비축수차를 개선하기 위한 형상이 적용되는 않은 것이다.
도 11a를 참조하면, 비교예의 발광모듈은 보조 집광렌즈(60)에서 방출되는 광은 광원(20)이 집광렌즈(30)의 중심축에서 편심(decentering)되어 위치되고, 집광렌즈(30)의 중심축에서 편심되어 광이 입사되므로, 수직방향으로 비축 수차가 발생된다.
구체적으로, 비교예의 보조 집광렌즈(60)에서 방출되는 광의 형상이 완벽한 원이 되지 못하고, 상하로 퍼진 타원형이 되어서, 원하는 지점에 정확한 스팟을 형성할 수 없는 단점이 존재한다. 또한, 비교예의 보조 집광렌즈(60)에서 방출되는 광의 색은 백색이 되지 못하고, 상하 부분이 다른 색이 되는 문제점이 존재한다.
도 11b를 참조하면, 실시예의 보조 집광렌즈(60)를 사용하면, 수직방향에 발생된 비축수차가 개선된 것을 볼 수 있다.
구체적으로, 실시예의 보조 집광렌즈(60)에서 방출되는 광은 비축수차가 개선되어서, 형상면에서 원형에 가깝고, 색상 면에서 백색이 된다.
도 12는 본 발명의 발광모듈(10)을 포함하는 자동차를 도시한 도면, 도 13은 본 발명의 발광모듈(10)을 포함하는 자동차용 램프 장치를 도시한 단면도이다.
도 12을 참조하면, 실시예에 따른 발광모듈(10)은 차량(1)의 전방에 장착된다. 또한, 발광모듈(10)은 차량용 램프 장치(100)에 내장되고, 차량용 램프 장치(100)는 차량의 전방에 구비될 수 있다. 따라서 본 실시예에서 차량용 램프 장치(100)는 운전자의 전방 야간시야를 확보해주는 헤드램프, 안개등, 턴시크럴 램프 등을 포함한다.
다만, 다른 실시예에서 차량용 램프장치는 차량(1)의 후방에 장착되어 후미등 등의 역할을 할 수도 있다.
도 13를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 램프 장치(100)는 램프 하우징(110)과 램프 하우징(110)의 내부에 위치되는 발광모듈(10)을 포함한다.
또한, 실시예에 따라서는 차량용 램프 장치(100)는 광원유닛(400)을 더 포함할 수 있다.
램프 하우징(110)은 내부에 발광모듈(10) 또는/및 광원유닛(400)이 위치되는 공간을 제공한다.
광원유닛(400)은 자동차의 주행에 필요한 광을 출력한다.
여기서, 발광모듈(10)과 광원유닛(400) 서로 동일한 빛을 방출할 수 있다. 바람직하게는 발광모듈(10)과 광원유닛(400)에서 생성되는 광은 서로 다른 색을 가지거나, 하나는 면광이고, 하나는 점광일 수 있다.
광원유닛(400)에서 생성되는 광은 확산성이 우수한 근접거리를 조사하고, 발광모듈(10)에서 생성되는 광은 직진성이 우수하여서, 원 거리의 좁은 영역을 조사할 수 있다.
또한, 발광모듈(10)은 레이저 다이오드가 사용되고, 광원유닛(400)은 제논램프가 사용될 수 있다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 발광모듈
20: 광원
30: 집광렌즈
40: 제1 광경로 변환부재
50: 제2 광경로 변환부재
60: 보조 집광렌즈

Claims (16)

  1. 입사되는 광을 일 공간으로 집광하는 집광렌즈;
    상기 집광렌즈의 후방에 배치되어 상기 집광렌즈를 통과하는 제1광을 제공하는 광원;
    상기 집광렌즈의 전방면에 배치되고, 상기 제1광을 반사하여 상기 집광렌즈를 통과하는 제1반사광을 제공하는 제1 광경로 변환부재;
    상기 집광렌즈의 후방에 배치되고, 상기 제1반사광을 상기 집광렌즈를 통과하는 제2반사광으로 제공하는 제2 광경로 변환부재;
    상기 제2반사광을 제공받아 상기 제2반사광과 다른 파장의 광을 방출하는 파장변환유닛; 및
    상기 집광렌즈를 통과한 상기 제2반사광을 전방방향으로 집광하는 보조 집광렌즈를 포함하고,
    상기 파장변환유닛은 상기 제2 광경로 변환부재와 상기 집광렌즈 사이에 위치되는 발광모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 파장변환유닛은 상기 집광렌즈와 상기 보조 집광렌즈 사이에 위치되는 발광모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 파장변환유닛은 상기 집광렌즈의 일면에 위치되는 발광모듈.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 파장변환유닛은 상기 집광렌즈의 중심축 상에 위치되는 발광모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 파장변환유닛은 상기 제2반사광이 입사되는 입사면과,
    입사된 제2반사광이 방출되고, 상기 입사면과 마주보는 방출면과,
    상기 입사면 및 방출면 보다 작은 면적을 가지는 측면들을 포함하는 발광모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 파장변환유닛의 입사면과 방출면은 상기 집광렌즈의 중심축과 평행한 임의의 선과 교차되게 배치되는 발광모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 상기 집광렌즈의 중심축에 편심되게 위치되는 발광모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1광경로 변환부재는 상기 집광렌즈의 중심축에 편심되게 위치되는 발광모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광원과 상기 제1광경로 변환부재는 상기 집광렌즈의 중심축에서 상기 집광렌즈의 중심축과 수직한 제1방향으로 이격되어 배치되는 발광모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2광경로 변환부재는 상기 집광렌즈의 중심축 상에 위치되는 발광모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2광경로 변환부재에서 방출되는 제2반사광은 상기 집광렌즈의 중심축을 통과하는 발광모듈.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 보조 집광렌즈의 중심축은 상기 집광렌즈의 중심축과 일치되는 발광모듈.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제1반사광은 상기 집광렌즈의 전방면으로 입사되어 상기 집광렌즈의 후방면으로 방출되고,
    상기 집광렌즈의 후방면으로 방출되는 광의 출사스팟은 상기 집광렌즈의 중심축을 기준으로 상기 제1방향으로 이격되는 발광모듈.
  16. 입사되는 광을 일 공간으로 집광하는 집광렌즈;
    상기 집광렌즈의 후방에 배치되어 상기 집광렌즈를 통과하는 제1광을 제공하는 광원;
    상기 집광렌즈의 전방면에 배치되고, 상기 제1광을 반사하여 상기 집광렌즈를 통과하는 제1반사광을 제공하는 제1 광경로 변환부재;
    상기 집광렌즈의 후방에 배치되고, 상기 제1반사광을 상기 집광렌즈를 통과하는 제2반사광으로 제공하는 제2 광경로 변환부재; 및
    상기 제2반사광을 제공받아 상기 제2반사광과 다른 파장의 광을 방출하는 파장변환유닛을 포함하고,
    상기 집광렌즈는 상기 집광렌즈의 중심축을 관통하는 절단면에서 상기 집광렌즈의 중심축을 기준으로 제1영역과 제2영역으로 구획되며,
    상기 제1광은 상기 집광렌즈의 제1영역으로 입사되고, 상기 제1반사광은 상기 집광렌즈의 제1영역의 전방면으로 입사되어 상기 집광렌즈의 제1영역의 후방면으로 방출되는 발광모듈.








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EP3267093B1 (en) * 2016-07-04 2022-04-20 LG Electronics Inc. Lighting apparatus for vehicle

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