KR101817590B1 - 산란 광자 추출 기반 조명 기구 - Google Patents

산란 광자 추출 기반 조명 기구 Download PDF

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Abstract

산란 광자 추출 조명 기구는 제 1 표면을 갖는 광학 소자; 광학 소자의 제 1 표면에 반대편에, 직각으로, 또는 접선으로 배치되는, 단파장 방사선을 방출하기 위한 광원; 광원에 의해 방출되는 단파장 방사선의 적어도 일부를 수신하고 하향 변환하고 수신되고 하향 변환된 방사선을 뒤로 전달하기 위하여, 광학 소자의 제 1 표면에 배치되는 파장 변환 물질; 및 파장 변환 물질 반대편에 배치되는 하나 혹은 그 이상의 반사체;를 포함한다. 산란 광자 추출 조명 시스템은 복수의 발광 기구를 포함한다. 본 발명의 일 실시 예에서 하나 혹은 그 이상의 파장 변환 물질은 광원으로부터 멀리 떨어져 배치되고, 하나의 스펙트럼 영역 내에서 방사선을 흡수하고 또 다른 스펙트럼 영역 내에서 방사선을 방출하도록 사용된다. 단파장 및 하향 변환된 방사선을 포획함으로써 광 효율이 향상된다.

Description

산란 광자 추출 기반 조명 기구{SCATTERED-PHOTON EXTRACTION-BASED LIGHT FIXTURES}
관련 특허의 교차 참조
본 출원서는 2004년 5월 5일에 출원된 미국가출원 제 60/568,373 및 2004년 12월 15일에 출원된 미국가출원 제 60/636,123의 우선권을 주장하는, 2005년 5월 5일에 출원된 국제출원특허 제 PCT/US2005/015736의 371 국내 진입단계인, "고체형 방사체 및 하향 변환 물질을 사용하는 고효율 광원"이라는 발명의 명칭으로 2007년 4월 23일 출원된 미국특허 제 10/583,105의 부분 연속특허인, 2006년 12월 20일 출원된 미국특허 제 11/642,099의 연속출원인, 2010년 11월 17일에 출원된 미국특허 제 12/947,899의 연속출원이다. 본 출원서는 또한 2010년 3월 11월에 출원된 미국가출원 제 61/339,948의 우선권을 주장한다. 이러한 모든 명세서는 여기에 완전히 참조로써 포함된다.
본 발명은 일반적으로 고체형 조명(solid-state lighting)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 고체형 광원, 광학 소자, 히트 싱크(heat sink), 및 원격 파장 변환 물질을 사용하는 고효율의 조명 기구에 관한 것이다.
발광 다이오드들(LEDs)을 갖는 고체형 조명 장치를 포함하는, 고체형 발광 장치들이 상당히 유용한데, 그 이유는 백열등 및 형광등을 사용하는 것과 같은, 종래의 조명 기구를 넘어 잠재적으로 낮은 제조 비용 및 장기간의 내구성을 제공하기 때문이다. 오랜 작동 시간 및 낮은 전력 소비 때문에, 초기 비용이 종래의 램프에 비해 더 들더라도, 고체형 발광 장치들은 빈번히 기능적 비용 편익을 제공한다. 대규모 반도체 제조 기술이 사용될 수 있기 때문에, 많은 고체형 조명 장치들이 매우 낮은 비용으로 생산될 수 있다.
가정용 및 가전 제품, 시청각 장비, 통신 장치 및 자동차 계기 상의 표시등에서와 같은 적용에 더하여, 발광 다이오드들은 실내 및 실외 정보 디스플레이에 서의 응용 분야에 상당히 알려져 있다. 예를 들면, 발광 다이오드들은 지상 또는 벽에 장착되는 조명 기구로 통합될 수 있으며, 심미적 매력을 위하여 디자인될 수 있다.
청색 또는 자외선 광을 방출하는 효율적인 발광 다이오드들의 개발과 함께, 발광 다이오드의 1차 방출의 일부의 파장 변환을 통하여 백색 광을 더 긴 파장으로 발생시키는 발광 다이오드들을 생산하는 것이 실현가능해졌다. 발광 다이오드의 1차 방출의 더 긴 파장으로의 변환은 일반적으로 1차 방출의 하향 변환(down-conversion)으로서 언급된다. 1차 방출의 변환되지 않은 부(portion)와 더 긴 파장의 광과의 결합에 의해 백색 광을 생산하기 위한 이러한 시스템은 종래에 잘 알려져 있다. 발광 다이오드를 갖는 백색 광을 생성하기 위한 다른 선택들은 서로 다른 비율로 두 개 혹은 그 이상의 색 발광 다이오드의 혼합을 포함한다. 예를 들면, 적색, 녹색, 및 청색 발광 다이오드의 혼합이 백색을 생산한다는 것은 종래에 잘 알려져 있다. 유사하게, 백색 광을 생산하기 위하여 적색, 녹색, 청색, 및 황색 발광 다이오드의 혼합, 또는 적색, 녹색, 청색, 및 백색 발광 다이오드의 혼합이 알려져 있다.
최근의 연구들은 발광 다이오드로부터 발생되는 열이 전체 발광 및 전구 수명을 감소시키는 것으로 알려졌다. 더 구체적으로는, 발광 다이오드 장치는 100℃ 이상의 온도로 가열될 때 덜 효율적이 되는데, 이는 가시 스펙트럼에서의 복귀의 감소를 야기한다. 연장된 작동, 및 이 결과로 초래되는 고열에의 노출 또한 발광 다이오드들의 효율적인 수명을 감소시킨다. 부가적으로, 일부 하향 변환 인광체(phosphor)를 위한 고유의 파장 변환 효율은 또한 온도가 약 90℃ 임계값 위로 증가함에 따라 급격하게 떨어진다.
특정 환경 내로 향하는 발광의 양은 반사 표면들의 사용에 의해 증가될 것인데, 이는 또한 종래 기술에 잘 알려져 있다. 반사 표면들은 발광 다이오드로부터의 광을 파장 변환 물질(wavelength-conversion material)로 향하게 하거나 및/또는 파장 변환 물질로부터 발생되는 하향 변환된 광을 반사하도록 사용되어 왔다. 이러한 개량에도 불구하고, 현재의 발광 다이오드 기술은 가시 스펙트럼에서 비효율적이다. 단일 발광 다이오드에 대한 광 출력은 백열등을 사용하는 것과 같은 종래의 조명 기구의 광 출력 이하인데, 이는 가시 스펙트럼에서 약 10%의 효율이다. 백열등을 사용하는 현재의 조명 기구 기술에 대하여 상당한 광 출력 전력 밀도를 달성하기 위하여, 발광 다이오드 장치는 종종 더 큰 발광 다이오드 또는 다수의 발광 다이오드를 갖는 디자인을 필요로 한다. 그러나, 더 큰 발광 다이오드 또는 다수의 발광 다이오드를 통합하는 디자인은 열 발생 및 에너지 사용과 같은, 힘겨운 도전으로 알려져 왔다.
이러한 필요성 및 다른 필요성을 충적시키고, 이러한 목적 때문에, 본 발명은 제 1 표면 및 상기 제 1 표면으로부터 확장하는 적어도 하나의 실질적으로 투명한 측벽을 갖는 광학 소자; 광학 소자의 제 1 표면에 반대되는 적어도 하나의 실질적으로 투명한 측벽의 일 단에 배치되는, 단파장 방사선을 방출하기 위한 광원; 광원에 의해 방출되는 단파장 방사선의 적어도 일부를 수신하고 하향 변환하며 상기 수신되고 하향 변환된 방사선의 일부를 뒤로 전달하기 위하여, 광학 소자의 제 1 표면에 배치되는 파장 변환 물질; 및 광학 소자로부터 적어도 하나의 실질적으로 투명한 측벽을 통하여 추출된 방사선의 적어도 일부를 반사시키기 위하여, 광원이 파장 변환 물질 및 반사체 사이에 위치되는 것과 같이, 상기 파장 변환 물질 반대편에 배치되는 하나 혹은 그 이상의 반사체;를 포함하는 산란 광자 추출 조명 기구를 제공하는데, 상기 적어도 하나의 실질적으로 투명한 측벽은 일 단에서 파장 변환 물질을 포함하는 제 1 표면에 연결되고 다른 단에서 광원에 연결되며, 실질적으로 투명한 측벽은 파장 변환 물질로부터 뒤로 전달된 방사선을 조명 기구의 외부를 통과하도록 구성된다.
조명 기구는 하나 혹은 그 이상의 측벽과 같이, 광학 소자의 적어도 하나 또는 그 이상의 다른 벽 상에 배치되는 파장 변환 물질을 더 포함할 수 있다. 유사하게, 조명 기구는 광원에 부착되거나 또는 인접한 히트 싱크를 더 포함할 수 있다. 몇몇 실시 예들에서, 히트 싱크는 적어도 하나의 실질적으로 투명한 측벽에 대하여 일 면 상에 그리고 하나 혹은 그 이상의 반사체에 대하여 또 다른 면 상에 부착될 수 있다. 본 발명의 조명 기구는 예를 들면 압출식(extruded) 또는 회전식(revolved) 발광 기구일 수 있다. 조명 기구는 또한 예를 들면, 벽에 장착된 조명 기구에서와 같이 벽에, 또는 매달려 있는 조명 기구에서와 같이 천장에 설치하기 위하여 하나 혹은 그 이상의 서스펜션 메커니즘(suspension mechanism)을 포함할 수 있다. 광원은 발광 다이오드, 레이저 다이오드, 또는 공진 공동(resonant cavity) 발광 다이오드와 같은, 적어도 하나의 반도체 발광 다이오드일 수 있다. 부가적으로 또는 대안으로서, 광원은 발광 다이오드의 어레이(array)와 같은, 하나 이상의 광 방사체(light emitter)의 어레이일 수 있다. 서로 다른 형태의 발광 다이오드의 수가 광원으로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 광원으로서 어레이가 사용될 때, 어레이는 하나 혹은 그 이상의 동일하거나 서로 다른 형태의 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 광원은 에너지 효율을 향상시키고, 방출된 광의 색 품질을 제어하거나, 또는 다른 다수의 이유들로 선택될 수 있다. 파장 변환 물질은 인광체, 양자 점, 양자 점 결정(quantum dot crystal), 양자 점 나노 결정, 및 그것들의 조합과 같은, 하나 혹은 그 이상의 물질을 포함할 수 있다.
또 다른 실시 예에서, 본 발명은 하나 혹은 그 이상의 광 방사체를 포함하며, 단 파장 방사선을 방출하기 위한 광원; 적어도 하나의 실질적으로 투명한 표면을 갖는 길쭉한 튜브 광학 소자; 광원에 의해 방출되는 단파장 방사선의 적어도 일부를 수신하고 하향 변환하며 상기 수신되고 하향 변환된 방사선의 적어도 일부를 뒤로 전달하기 위하여, 상기 광학 소자의 적어도 하나의 표면상에 배치되거나 통합되며 광원으로 멀리 떨어진 파장 변환 물질; 및 상기 수신되고 하향 변환된 뒤로 전달된 부의 적어도 일부를 반사시키기 위하여, 광원이 파장 변환 물질 및 반사체 사이에 위치되는 것과 같이, 파장 변환 물질 반대편에 배치되는 하나 혹은 그 이상의 반사체;를 포함하는 압출식 산란 광자 추출 조명 기구를 제공하는데, 상기 조명 기구는 일부 방사선이 변환되지 않은 광 방사선으로서 광원을 향하여 뒤로 반사될 수 있으며, 일부 광이 변환되지 않고 상기 파장 변환 물질을 통하여 전달될 수 있으며, 일부 방사선은 변환되고 전방으로 전달되거나 또는 파장 변환 물질에 의해 뒤로 전달될 수 있는 것과 같이 구성되며; 상기 조명 기구는 상기 광원, 광학 소자, 및 반사체의 배치에 의해 실질적으로 전방으로 전달되고 뒤로 전달되는 모든 변환된 광을 포획하도록 구성된다.
또 다른 실시 예에서, 본 발명은 제 1 광학 소자에 부착되는, 하나 혹은 그 이상의 광 방사체를 포함하는, 단파장 방사선을 방출하기 위한 광원; 광원에 의해 방출되는 단파장 방사선의 적어도 일부를 수신하고 하향 변환하며 상기 수신되고 하향 변환된 방사선의 일부를 뒤로 전달하기 위하여, 제 2 광학 소자 상에 배치되거나 통합되는 파장 변환 물질; 및 상기 수신되고 하향 변환된 방사선의 뒤로 전달된 부의 적어도 일부를 반사시키기 위하여, 그 안에 제 2 광학 소자 및 파장 변환 물질을 포함하는 반사식 인클로져(enclosure)를 형성하도록 제 1 광학 소자에 대하여 일 면에 부착되는 반사 표면;을 포함하는 산란 광자 추출 조명 기구를 제공하는데, 상기 제 2 광학 소자 및 파장 변환 물질은 반사체 표면 내에 침전되며 광원으로부터 멀리 떨어져 위치된다.
또 다른 실시 예에서, 본 발명은 복수의 발광 기구를 포함하는 산란 광자 추출 조명 시스템을 제공한다. 복수의 발광 기구 각각은 제 1 표면 및 제 1 표면으로부터 확장하는 적어도 하나의 실질적으로 투명한 측벽을 갖는 광학 소자; 광학 소자의 제 1 표면에 반대되는 적어도 하나의 실질적으로 투명한 측벽의 일 단에 배치되는, 단파장 방사선을 방출하기 위한 광원; 광원에 의해 방출되는 단파장 방사선의 적어도 일부를 수신하고 변환하며 상기 수신되고 하향 변환된 방사선의 일부를 뒤로 전달하기 위하여, 광학 소자의 제 1 표면에 배치되는 파장 변환 물질; 및 광학 소자로부터 적어도 하나의 실질적으로 투명한 측벽을 통하여 추출된 방사선의 적어도 일부를 반사시키기 위하여, 광원이 파장 변환 물질 및 반사체 사이에 위치되는 것과 같이, 파장 변환 물질 반대편에 배치되는 하나 혹은 그 이상의 반사체;를 각각 포함하는데, 상기 적어도 하나의 실질적으로 투명한 측벽은 일 단에서 파장 변환 물질을 포함하는 제 1 표면에 연결되고 다른 단에서 광원에 연결되며, 실질적으로 투명한 측벽은 파장 변환 물질로부터 뒤로 전달된 방사선을 발광 기구의 외부를 통과하도록 구성된다.
또 다른 실시 예에서, 본 발명은 두 개의 반대되는 모서리를 갖는 제 1 표면 및 상기 제 1 표면의 각각의 모서리에 접선으로(tangentially) 또는 직각으로 연결되는, 하나 혹은 그 이상의 제 2 표면을 갖는 광학 소자; 광학 소자의 하나 혹은 그 이상의 제 2 표면 상에 배치되는, 단파장 방사선을 방출하기 위한 하나 혹은 그 이상의 광 방사체; 방사체에 의해 방출되는 단파장 방사선의 적어도 일부를 수신하고 하향 변환하며 상기 수신되고 하향 변환된 방사선의 전방으로 전달하기 위하여, 광학 소자의 제 1 표면에 배치되는 파장 변환 물질; 및 광학 소자를 통하여 전방으로 전달된 방사선의 적어도 일부를 반사시키기 위하여, 파장 변환 물질이 상기 하나 혹은 그 이상의 방사체 및 반사체 사이에 위치되는 것과 같이, 하나 혹은 그 이상의 광 방사체 반대편에 위치되는 하나 혹은 그 이상의 반사체;를 포함하는 산란 광자 추출 조명 기구를 제공하는데, 상기 적어도 하나의 제 2 표면은 각각 파장 변환 물질을 포함하는 제 1 표면에 대하여 일단에 그리고 하나 혹은 그 이상의 반사체에 대하여 다른 단에 연결되며, 상기 하나 혹은 그 이상의 제 2 표면은 상기 파장 변환 물질로부터 뒤로 전달된 방사선을 상기 발광 기구 외부로 통과하도록 구성된다.
본 발명의 실시 예들에서, 파장 변환 물질은 떨어져, 즉 광원으로부터 멀리 배치된다. 하나 혹은 그 이상의 파장 변환 물질이 하나의 스펙트럼 영역에서 방사선을 흡수하고 또 다른 스펙트럼 영역에서 방사선을 방출하도록 사용되며, 파장 변환 물질은 하향 변한 물질 또는 상향 변환 물질일 수 있다. 다수의 파장 변환 물질이 광원으로부터 방출된 파장을 동일하거나 또는 서로 다른 스펙트럼 영역으로 변환할 수 있다. 파장 변환 물질은 서로 혼합될 수 있거나 또는 개별 층으로서 사용될 수 있다. 하향 변환 광의 전방으로 전달된 부 및 뒤로 전달된 부 모두를 포획함으로써, 시스템 효율이 향상될 수 있다. 유사하게, 하나 혹은 그 이상의 반사체가 사용될 때, 하향 변환 물질 및 반사체의 위치는 광원으로부터의 광이 균일한 백색 광을 생산하도록 하향 변환 물질에 균일하게 영향을 주고 더 많은 광이 장치를 나가도록 허용하는 것을 보장하기 위하여 조절될 수 있다. 광원에서의 열을 감소시키고 재분산시키기 위하여 히트 싱크가 사용될 수 있다. 동시에, 하향 변환 물질을 광원으로부터 멀리 떨어져 위치시키는 것은 광이 광원 내로 뒤로 피드백하는 것을 방지한다. 그 결과, 광원에서의 열은 더 최소화되고 향상된 광 출력 및 수명을 야기한다. 이러한 구조적 파라미터 및 특징 모두는 종래 기술과 비교하여 증가된 광 생산, 증대된 조명 효율, 및 향상된 에너지 효율을 가능하게 한다.
본 발명은 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명에서 최상으로 이해된다. 관행에 따라, 도면의 다양한 특징부들은 크기가 정확하지 않은 것이 강조된다. 그와 반대로, 다양한 특징부들의 크기는 명확성을 위하여 임의로 확대되거나 감소된다. 도면은 다음을 포함한다:
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 고체형 발광 다이오드 및 파장 변환 물질을 사용하여 가시 광선을 생산하는 방법을 도시한다;
도 2a는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 고체형 광원 조명 기구를 도시한다;
도 2b는 도 2a에 도시된 고체형 광원 조명 기구의 단면도이다;
도 3c는 히트 싱크 및 고체형 발광 다이오드를 도시한 도 2b의 확대도이다;
도 3은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시 예에 따른 고체형 광원 조명 기구를 도시한다;
도 4a 내지 4f는 하나 혹은 그 이상의 광원, 파장 변환 물질, 히트 싱크, 및 광학 소자를 포함하는 본 발명의 또 다른 실시 예의 단면도이다;
도 5a 내지 5d는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른, 하나 혹은 그 이상의 광원, 파장 변환 물질, 히트 싱크, 및 광학 소자의 단면도이다;
도 6a 내지 6c는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라, 반사체와 결합될 때, 하나 혹은 그 이상의 광원, 파장 변환 물질, 히트 싱크, 및 광학 소자의 단면도이다;
도 7a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 벽에 장착된 조명 기구의 단면도이다;
도 7b는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라, 천장으로부터의 서스펜션으로서 구성되는 도 7a의 조명 기구를 도시한다;
도 7c는 도 7a 및 7b에 도시된 조명 기구의 단면도이다;
도 7d는 히트 싱크, 광학 소자, 및 고체형 발광 다이오드를 도시한 도 7c의 확대도이다;
도 8a는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 조명 기구를 도시한다;
도 8b는 본 발명의 일 실시 예에 따라, 도 8a에 도시된 조명 기구의 단면도이다;
도 8c는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라, 복합 반사체를 사용하는 도 8a 및 8b에 도시된 조명 장치의 변형을 도시한다;
도 9a 내지 9b는 다수의 조명 기구를 사용하는, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 조명 시스템을 도시한다;
도 10a는 도 2a에 도시된 것과 유사하나 반사체가 없는 조명 기구를 도시한다;
도 10b는 도 10a에 도시된 조명 기구의 광 출력을 도시한 광선 추적 컴퓨터 시뮬레이션을 도시한다.
비록 본 발명이 특정 실시 예들을 참조하여 도시되고 설명되나, 본 발명은 도시된 상세한 설명에 한정하는 것이 다. 오히려, 다양한 변형들이 만들어질 수 있다. 본 발명을 벗어나지 않고 청구항의 범위 내에서 세부 사항들이 만들어질 수 있다.
미국특허 제 7,750,359에서, 본 발명의 발명자들은 이미 바람직한 색도 값 및 발광 효율을 가지며 반면에 연색 평가 지수(color rendering index)를 증가시키고 출력 광의 상관 색 온도(correlated color temperature)를 낮추며, 장치의 효율을 증가시키는 광대역폭 광을 생산하기 위하여 파장 변환 물질들을 발견하였다. 국제특허 WO 2010/144572에서, 본 발명의 발명자들은 파장 변환 물질을 멀리, 즉, 광원으로부터 멀리 떨어져 이동시킴으로써 획득되는 장점들을 발견하고 발표하였다. 파장 변환 물질을 광원으로부터 멀리 이동시킴으로써, 더 많은 변환된 광들이 추출될 수 있으며 조명 장치의 효율이 향상될 수 있다. 광원에 인접하거나 및/또는 통합되는 히트 싱크를 사용하여 부가적인 장점들이 발견되었다. 광을 생산하는 이러한 방법은 산란 광자 추출 기술로서 설명되었다. 산란 광자 추출 기술은 광 생산을 증가시키고, 열 방산을 향상시키며, 조명 장치의 내구성 및 수명의 연장을 야기한다. 백열등의 대체 전구로서 고체형 광 기반 램프 전구에서 산란 광자 추출 기술을 사용한 이러한 참조문헌들은 여기에 전체로서 통합된다.
본 발명은 이제 고효율의 조명 기구 및 조명 장치를 생산하기 위하여 산란 장자 추출 기술이 사용될 수 있다는 것을 발견하였다. 일반적인 조명 적용을 위하여 발광 다이오드 칩을 사용하는 현존하는 기구들은 종래의 광원과 비교할 때 낮은 야광 출력을 갖는다는 것이 알려져 왔다. 이러한 단점을 극복하기 위하여, 현존하는 발광 다이오드 기반 기구들은 필요로 하는 광 레벨을 달성하기 위하여 타겟 표면 상의 발광 다이오드들의 어레이들을 사용하여 왔다. 따라서 현존하는 방법들은 다른 단점들 중에서도 비용의 증가, 높은 에너지 소비, 및 추가적인 열 관리 손실을 야기한다. 산란 광자 추출 기술 및 선택적으로 구조화된 광학 소자를 사용하는, 본 발명의 조명 기구는 더 적은 발광 다이오들 및 전기 에너지를 사용하여 증가된 발광을 생산할 수 있다. 본 발명의 조명 기구는 또한 잠재적으로 제조 및 작동 비용을 감소시킨다.
본 발명은 파장 변환 물질로부터 멀리 떨어진 지점에 광원을 위치시키는, 산란 광자 추출 기반을 사용함으로써 이러한 문제점들을 다룬다. 광원 및 파장 변환 물질 사이에 광학 소자들이 위치될 수 있다. 부가적으로, 히트 싱크 및 반사체들이 다양한 구성으로 사용될 수 있다. 광원은 발광 다이오드, 레이저 다이오드, 또는 공진 공동 발광 다이오드와 같은, 적어도 하나의 반도체 발광 다이오드일 수 있다. 본 발명의 실시 예들은 광원으로서 단일 발광 다이오드와 같은, 단일 고체형 광원을 사용할 수 있거나, 또는 다수의 고체형 광원(예를 들면, 어레이 내의 복수의 발광 다이오드)을 사용할 수 있다. 종래에 알려진 것과 같이, 서로 다른 형태의 다수의 발광 다이오드들이 광원으로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 광원으로서 어레이가 사용될 때, 어레이는 동일하거나 서로 다른 형태의 하나 혹은 그 이상의 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 광원은 에너지 효율을 향상시키고, 방출 광의 색 품질을 제어하거나, 또는 미학과 같은 다른 여러 가지 이유로 선택될 수 있다. 광원은 열의 소멸을 촉진하기 위한 환경에 개방된 히트 싱크의 적어도 일부분과 결합될 수 있다. 히트 싱크는 광원을 위한 열 소멸 소자로서 기능을 하는데, 열을 광원으로부터 멀리 떼어놓을 수 있다. 히트 싱크는 또한 광원에 기계적 지지체를 제공할 수 있다. 예를 들면, 히트 싱크는 실질적으로 광학 소자에 부착되고 광학 소자 내에 위치하는 광원과 결합될 수 있다. 이러한 결합은 광학 소자 내의 광원을 효율적으로 유지한다. 히트 싱크가 부가적으로 실질적으로 하나 혹은 그 이상의 반사체에 부착될 수 있다. 본 발명의 이러한 구조적 특징은 고체형 조명 기반 조명 기구가 매우 높은 발광 효율 값을 갖고 형광 또는 백열 조명 기구와 같은 종래의 조명 기구와 유사하거나, 또는 더 큰 광 레벨을 생산할 수 있도록 한다. 본 발명의 구성, 및 산란 광자 추출 기술의 사용은 또한 고체형 조명 기반 광원의 수명 내구성을 연장시킨다.
파장 변환 물질의 사용은 백열 램프를 사용하는 것과 같이, 종래의 조명 기구에 의해 생산되는 것과 미학적으로 유사한 광의 생산에 도움을 준다. 위에서 설명된 것과 같이, 본 발명의 파장 변환 물질은 하나의 스펙트럼 영역 내에서 방사선을 흡수하고 또 다른 스펙트럼 영역 내에서 방사선을 방출하도록 적용된 하나 혹은 그 이상의 물질로 구성될 수 있으며, 상기 물질들은 하향 변환하거나 또는 상향 변환하는 물질들이다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예들은 하향 변환하거나, 상향 변환하거나, 또는 두 가지 모두의 파장 변환 물질을 포함할 수 있다. 용어 "하향 변환", "하양 변환하는", 및 "하향 변환된"은 하나의 스펙트럼 영역 내에서 방사선을 흡수하고 또 다른 스펙트럼 영역 내에서 방사선을 방출하도록 적용된 물질로서 언급된다는 것으로 인식될 것이다. 따라서, 용어 "하향 변환 물질"은 조성을 통하여, 하나의 스펙트럼 영역 내에서 방사선을 흡수하고 또 다른 스펙트럼 영역 내에서 그것을 방출할 수 있는 물질로서 정의된다.
광원으로부터 방출된 광이 파장 변환 물질에 도달함에 따라, 파장 변환 물질은 파장 광을 흡수하고 변환된 광을 방출한다. 예를 들면, 파장 변환 물질이 하향 변환 물질을 포함하면, 하향 변환 물질은 단파장 광을 흡수하고 하향 변환된 광을 방출한다. 방출된 하향 변환된 광은 모든 방향(람베르시안 방사체로 알려진)으로 이동할 수 있으며, 따라서, 하향 변환된 광의 일부는 위쪽으로 이동하고 반면에 또 다른 부는 아래쪽으로 이동한다. 하향 변환 물질로부터 위쪽으로(또는 외부로) 이동하는 광은 전방으로 전달된 광의 부이고 광원을 향하여 아래쪽으로 오는 광은 후방으로 전달된 부이다. 이는 도 1을 참조하여 아래에 더 설명된다.
본 발명의 기구는 산란 광자 추출 기술과 관련된 원격 파장 변환 개념을 구현한다. 원격 하향 변환 물질을 사용하는 시스템에서, 광원으로부터의 단파장 복사 에너지는 광원으로부터 멀리 떨어져 위치하는 하향 변환 물질을 향하여 방출된다. 하향 변환 물질을 치는 복사 에너지의 적어도 일부는 더 긴 파장 방사선으로 하향 변환되고, 두 방사선이 혼합될 때, 종래의 조명 장치에 의해 생산된 광과 유사한 백색의 광을 야기한다. 파장 변환 물질은 하나의 스펙트럼 영역 내에서 방사선을 흡수하고 또 다른 스펙트럼 영역 내에서 방사선을 방출하도록 적용되거나 또는 그 이상의 하향 변환 물질을 포함할 수 있다. 파장 변환 물질들은 서로 혼합되거나 또는 개별적인 층으로서 사용될 수 있다. 다수의 파장 변환 물질은 광원으로부터 방출된 파장을 동일하거나 서로 다른 스펙트럼 영역으로 변환할 수 있다. 따라서, 파장 변환 물질은 하나 혹은 그 이상의 하향 변환 물질, 상향 변환 물질, 또는 둘 모두를 포함할 수 있는데, 이때 바람직한 광 출력 및 연색 평가 특성을 생산하기 위하여 선택될 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따라, 고체형 발광 다이오드(102) 및 파장 변환 물질(104)을 사용하여 가시 광선을 생산하는 방법을 도시한다. 도시된 것과 같이, 발광 다이오드(102)로부터 방출된 광 방사선(100)은 파장 변환 물질(104)을 친다. 발광 다이오드(102)로부터 방출된 광 방사선(100)의 일부는 후방으로 전달된 변환되지 않은 방사선(106)으로서 파장 변환 물질(104)에 의해 반사된다. 발광 다이오드(102)로부터 방출된 광 방사선(100)의 또 다른 부는 파장 변환 물질(104)에 의해 변환되고 후방으로 전달된 변환된 방사선(118)으로서 후방으로 방출된다. 발광 다이오드(102)로부터 방출된 광 방사선(100)의 일부는 전방으로 전달된 변환되지 않은 방사선(108)으로서 파장 변환 물질(104)을 통과되고, 반면에 일부는 전방으로 전달된 변환된 방사선(114)으로서 통과된다. 게다가, 파장 변환 물질(104)은 전방으로 산란 변환된 방사선(116) 및 후방으로 산란 변환된 방사선(120)을 방출할 수 있다. 후방으로 산란 변환된 방사선(120) 및 후방으로 전달된 변환된 방사선(118)은 선택적으로 고려된 후방으로 전달된 파장 변환된 물질(112)이며, 반면에 전방으로 산란 변환된 방사선(116) 및 전방으로 전달된 변환된 방사선(114)은 선택적으로 고려된 전방으로 전달된 파장 변환된 물질(110)이다. 광원을 파장 변환 물질로부터 떨어져 위치시키는, 산란 광자 추출 기술의 사용은 반사된 변환되지 않은(106) 광자와 전달된 변환되지 않은(108) 광자, 반사된 변환된(118) 광자와 전달된 변환된(114) 광자, 및 파장 변환 물질(104)에 의해 전방으로 산란 변환된(116) 방사선 및 후방으로 산란 변환된(120) 방사선의 개량된 추출을 가능하게 한다.
발광 다이오드 및 파장 변환 물질을 분리하는 공간에 광학 소자가 사용될 수 있다. 몇몇 실시 예들에서, 광학 소자는 발광 다이오드 광원의 일 단 및 파장 변환 물질의 또 다른 단에 부착될 수 있다. 광학 소자는 예를 들면, 구형, 포물선, 원뿔형, 및 타원형과 같은, 모든 형태의 3차원적 기하학 형태를 취할 수 있다. 광학 소자는 또한 그 중에서도 원형, 삼각형, 육각형, 사다리꼴, 반원형, 및 타원형으로 이루어진 그룹으로부터의 단면 형태를 갖는 것과 같이 설명될 수 있다. 광학 소자는 예를 들면, 공기, 유리, 또는 아크릴과 같은, 실질적으로 투명하고 광 전도성 매체일 수 있다. 광원에 의해 방출되고 하향 변환 물질에 의해 하향 변환된 광(즉, 전달된 광)을 받아들이고 반사시키기 위하여 하나 혹은 그 이상의 반사체가 사용될 수 있다. 반사체는 예를 들면, 구형, 포물선, 원뿔형, 및 타원형과 같은, 모든 형태의 기하학적 형태를 취할 수 있으며, 종래에 알려진 다양한 형태의 반사 표면을 포함할 수 있다. 부가적으로, 반사체들은 단일 유닛 또는 각각 고유의 기하학적 형태, 전도성, 및 물질 조성을 갖는 다수의 반사 표면을 포함하는 복합 유닛들일 수 있다. 예를 들면, 반사체들은 알루미늄, 진공 알루미늄 반사 층을 갖는 플라스틱, 또는 다른 종류의 반사 표면일 수 있다. 반사체는 하향 변환된 광을 반사하도록 위치될 수 있으며 하향 변환 물질로부터 분리되거나 또는 인접할 수 있다. 몇몇 실시 예들에서, 하나 이상의 반사체가 별도로 또는 다수의 기하학적 구조를 갖는 복합 반사체의 일부로서 사용될 수 있다
본 발명의 일부 실시 예들에서, 반사체는 광학 소자에 반사 특성을 주도록 처리된 유리와 같은, 광학 소자일 수 있다. 예를 들면, 반사체는 위에 박막이 침전되거나 그렇지 않으면 적용된 광학 소자일 수 있다. 그러한 반사체들은 종래에 이색성(dichroic) 필터, 박막 필터, 또는 간섭 필터로 알려져 있으며, 작은 범위 색의 광을 선택적으로 통과하도록 사용되고 반면에 다른 색을 반사한다. 그에 비해, 이색성 미러(mirror)들은 그것들이 통과하는 색보다는 오히려 반사하는 광의 색에 의해 특징을 갖는 경향이 있다. 단순성을 위하여, 이러한 방법으로 처리된 반사체들은 여기서 선택적으로 "이색성 반사체"로서 언급되는데, 그 이유는 그것들이 다른 광을 반사하는 동안에 선택적으로, 또는 동시에 일부 광이 통과하는 것을 허용할 수 있기 때문이다. 그러한 이색성 반사체들은 예를 들면, 특정 파장, 열, 광을 위하여, 또는 종래에 알려진 것과 같이, 광원에 의해 방출되는 방사선의 특성을 위하여 선택적일 수 있다. 본 발명의 반사체 및 광학 소자는 다양한 정도의 전도성을 가질 수 있는데, 즉, 그것들은 모든 범위의 방사선을 허용하거나 반사하도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 광학 소자는 완전히 반투명이며 모든 광 방사선을 통과하는 것을 허용할 수 있다. 그러나, 통상의 지식을 가진 자들에 알려진 것과 같이, 완전히 반투명한 광학 소자도 광학 소자의 본질로 생각되는 일부 최소한의 반사 특성(예를 들면, 맑은 유리도 약 4%의 광 방사선을 반사하는 것으로 알려져 있음)을 가질 수 있다. 부가적으로, 광학 소자는 완전히 반사서이며 어떠한 광 방사선도 통과하는 것을 허용하지 않는다. 부가적으로, 본 발명의 광학 소자 및 반사체는 그것들이 특정 양의 전도성을 갖는 일부 부 및 서로 다른 양의 광 방사선을 허용하거나 반사하는 다른 부를 갖는 것과 같이 준비될 수 있다. 따라서, 각각의 광학 소자 또는 반사체는 내내 동일한 레벨의 전도성을 소유할 수 있거나 또는 다양한 레벨의 전도성을 갖는 서로 다른 부를 가질 수 있다. 광학 소자의 모든 전도 범위는 종래에 알려진 다수의 방법에 의해 가능해질 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 실시 예에서, 파장 변환 물질은 종래에 알려진 변환 기술을 사용하여 광학 소자 또는 반사체에 적용되거나 포함될 수 있다. 또 다른 실시 예에서, 하향 변환 물질과 같은, 파장 변환 물질은 광학 소자 또는 반사체 내에 통합될 수 있다. 예를 들면, 아크릴 제조 과정 동안에 인광체와 같은 하향 변환 물질을 통합하는 아크릴 광학 소자가 제조될 수 있는데, 이로써 통합된 하향 변환 광학 소자를 생산할 수 있다.
도 1과 관련하여 상세히 설명된 것과 같이, 파장 변환 물질은 광 방사선을 전도하거나, 변환하거나, 또는 반사할 수 있다. 일부 광 방사선은 변환되지 않은 광 방사선으로서 광원을 향하여 후방으로 반사될 수 있다. 변환된 광은 전방으로 전달되거나 후방으로 전달될 수 있다. 부가적으로, 일부 광이 변환 없이(즉, 변환되지 않은 전달된 방사선) 파장 변환 물질을 통하여 전달될 수 있다. 하향 변환된 광의 전방으로 전달된 부 및 후방으로 전달된 부 모두를 포획함으로써, 시스템 효율이 향상된다. 유사하게, 하나 혹은 그 이상의 반사체가 사용될 때, 하향 변환 물질 및 반사체의 위치는 광원으로부터의 광이 균일한 백색 광을 생산하기 위하여 하향 변환 물질을 균일하게 영향을 주는 것을 보장하도록 조절될 수 있다. 동시에, 하향 변환 물질을 광원으로부터 멀리 위치시키는 것은 광원 내로 뒤로 피드백되는 것을 방지한다. 그 결과, 광원에서의 열은 더 최소화되고 향상된 광 출력 및 수명을 야기한다. 모든 이러한 구조적 파라미터 및 특징들은 종래의 기술들과 비교하여 증가된 광 생산, 증대된 조명 효율, 및 향상된 에너지 효율을 가능하게 한다.
본 발명의 고체형 발광 장치는 종래에 알려진 다른 구성요소들을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 고체형 조명 장치는 전자 드라이버를 더 포함할 수 있다. 대부분의 고체형 광원은 저전압 직류원이다. 따라서 고체형 광 기반 조명 기구에서의 사용을 위한 전압 및 전류를 유지하기 위하여 전자 드라이버가 필요하다. 대안으로서, 대한민국 서울의 서울반도체주식회사의 "Acriche"라는 제품명으로 판매되는 교류-발광 다이오드들과 같은, 몇몇 교류 고체형 광원들이 존재한다. 따라서, 본 발명의 실시 예들은 선택적으로 전자 드라이버를 포함할 수 있는데, 고체형 광 기반 조명 기구에 사용되는 고체형 광원에 따라, 적어도 일부는 조명 기구의 베이스 내부에 위치한다. 본 발명은 연결 와이어와 같은, 적어도 하나의 전기 전도체를 더 포함할 수 있다. 전자 전도체는 조명 기구 베이스 및 광원 사이의 전기 전류를 결합하기 위하여 광학 소자 내에 배치될 수 있다.
본 발명의 조명 기구는 모든 배치에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 적어도 하나의 실시 예는 매달리거나 또는 높이 세운(overhead) 조명 기구이다. 그러한 실시 예에서, 조명 기구는 서스펜션 로드, 케이블, 또는 플랜지와 같은 하나 이상의 서스펜션 메커니즘을 가질 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시 예에서, 조명 기구는 잘 장착된 조명 기구이다. 그러한 실시 예에서, 조명 기구는 수평으로, 수직으로, 또는 바람직한 미학 및 광 출력을 달성하는데 필요한 다른 방식으로 장착될 수 있다. 그러한 시스템에서, 광 시스템은 다수의 유사한 조명 기구 또는 서로 다른 조명 기구를 포함할 수 있다. 본 발명의 하나 이상의 실시 예는 매달리거나, 벽에 장착되거나, 또는 두 가지 모두로 구성될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 일부 실시 예는 높이 세워져 매달린 조명 기구 또는 벽에 장착된 조명 기구로서 작동하도록 구성될 수 있는데, 이때 서스펜션 메커니즘 및 다른 구성요소들이 수용될 수 있다. 부가적으로, 시각적 심미학과 같이, 광 영역에서 원하는 조명의 양 또는 다른 요소에 따라, 본 발명의 실시 예들은 광 영역을 향하거나, 또는 멀리 떨어져 위치하는 광학 소자 또는 반사체와 함께 설치될 수 있다. 이러한 실시 예들은 아래에 설명되는 도면으로 더 잘 이해될 수 있다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 매달리거나 또는 높이 세운 고체형 광원 조명 장치를 도시한다. 도 2a에 도시된 매달린 조명 기구는 압출 조명 기구 구성으로 간주되는데, 그 이유는 조명 기구의 단면 프로파일이 실질적으로 그 수평 축을 따라 균일하기 때문이다. 용어 "압출"은 본 발명의 이러한 실시 예를 압출 과정과 같은 특정 제조 과정, 또는 그 결과에 한정하도록 하기 위한 것은 아니다. 대신에, 본 발명의 압출 산란 광자 추출 조명 기구 및 각각의 구성요소는 알려진 방법들에 의해 제조될 수 있다. 용어 "압출"은 여기서 대신에 부착된 단면 프로파일이지만 연장된 측면을 갖는 산란 광자 추출 조명 장치의 구조를 언급하도록 사용된다. 물론, 다른 실시 예들은 수평 축을 따라 단면 프로파일에서의 변형을 나타낼 수 있다. 도시된 것과 같이, 조명 기구의 광원은 발광 다이오드 어레이(212) 내에 복수의 방사체를 포함한다. 발광 다이오드 어레이(212)는 광원으로 멀리 떨어져 오목한 표면을 갖는 삼각형 단면 광학 소자(206) 내에 위치된다. 발광 다이오드 어레이는 위로 파장 변환 물질이 놓이는, 광학 소자의 오목한 표면을 향하여 광 방사선을 아래쪽으로 방출한다. 조명 기구는 광학 소자(206) 및 발광 다이오드 어레이(212) 위에 위치되는, 두 개의 포물선형 반사체(208)를 더 포함한다. 반사체들은 발광 다이오드 어레이에 의해 방출된 광을 반사하고 하향 변환되며 뒤로 원하는 환경, 즉, 광 영역으로 반사체를 향하여 이동된다. 본 실시 예는 도 2a에 도시된 고체형 광원 조명 기구의 단면을 도시한 도 2b에서 더 상세히 설명된다. 도시된 것과 같이, 발광 다이오드 어레이(본 도면에서는 하나의 발광 다이오드 방사체(202)로 도시)는 하향 변환 물질을 포함하는 파장 변환 물질(204)을 향하여 광 방사선을 아래쪽으로 방출한다. 파장 변환 물질(204)은 삼각형 단면 광학 소자(206)의 오목한 표면상에 놓일 수 있다. 만일 특정 조명 기구, 광 효율, 및 출력에 필요하면, 파장 변환 물질 층이 또한 광학 소자(206)의 다른 벽 상에 코팅될 수 있다. 방출된 광 방사선(214) 일부는 하향 변환되고 전방으로 이동된 광(220)과 같이, 광학 소자(206)의 오목한 표면을 통하여 전방으로 이동한다. 방출된 광 방사선(214) 일부는 하향 변환되고 후방으로 이동된 광(222)과 같이, 광학 소자(206)의 측 벽을 통하여 변환된 광 방사선이 반사되는, 반사체(208)를 향하여 후방으로 이동한다. 도시된 실시 예에서, 참조 번호 214, 220, 및 222는 물리적 소자가 아닌, 광선(light beam)을 나타내며, 본 발명의 청구항의 구성요소는 아니다.
반사체에 영장을 주는 광원의 방향은 바람직하게는 하향 변환 층을 통하여 전달된 광선과 같은 방향이다. 따라서, 조명 기구의 전체 광 출력은 하향 변환 물질을 통하여 전달된 광 및 뒤로 전달된 광선의 조합일 수 있다. 그러나, 반사체 크기, 기하학적 형태, 및 광학 소자로부터의 거리에 따라, 파장 변환 물질로부터 뒤로 전달된 광선 일부는 반사체를 치지 않고 천장 혹은 벽에 영향을 줄 수 있다. 그러한 위쪽으로의 광선은 간접/직접 형태의 저명 기구에 유용한데, 이는 실내 상부 공간의 증가된 조명을 야기할 것이다.
본 실시 예에서 광학 소자의 오목한 표면상에 놓이는 파장 변환 물질은 시간이 흐르면서 조명 기구의 전체 광 출력을 감소시킬 수 있는 해로운 먼지 축적을 방지하기 위하여 광학 소자에 의해 밀봉될 수 있다. 위에서 설명된 것과 같이, 파장 변환 물질은 하나의 스펙트럼 영역에서 방사선을 흡수하고 또 다른 스펙트럼 영역에서 방사선을 방출하는 물질이다. 바람직한 일 실시 예에서, 파장 변환 물질은 단일 파장 변환 물질을 포함할 수 있다. 대안의 일 실시 예에서, 파장 변환 물질은 하나 이상의 파장 변환 물질을 포함할 수 있다. 다수의 파장 변환 물질은 방사체로부터 방출된 파장을 동일하거나 서로 다른 영역으로 변환할 수 있다. 바람직하거나 또는 대안의 실시 예들에서, 파장 변환 물질은 그 중에서도 세륨이 섞인 이트륨 알루미늄 가닛(YAG;Ce), 유로퓸이 섞인 스트론튬 황화물(SrS;Eu), 유로퓸이 섞인 YAG;Ce 인광체; YAG;Ce 인광체 + 셀렌화 카드뮴(CdSe) 또는 납 및 실리콘을 포함하는 다른 물질로부터 생성된 다른 형태의 양자 점과 같은 하나 이상의 인광체를 포함할 수 있다. 대안의 실시 예에서, 인광체 층은 다른 인광체, 양자 점, 양자 점 결정, 양자 점 나노 결정, 또는 다른 하향 변환 물질을 포함할 수 있다. 파장 변환 물질은 결합 매체와 혼합된 분말 물질 대신에 하향 변환 결정일 수 있다. 파장 변환 물질 층은 서로 다른 파장의 광의 혼합을 향상시키기 위하여 미소구체(microsphere)와 같은 부가적인 산란 입자들을 포함할 수 있다. 대안의 실시 예에서, 파장 변환 물질은 각각 서로 다른 파장 변환 물질을 포함하는, 다수의 연속 또는 불연속 부계층(sublayer)을 포함할 수 있다. 파장 변환 물질은 예를 들면, 장착, 코팅, 침전, 스텐실, 스크린 프린팅, 및 다른 모든 적절한 기술에 의해 형성될 수 있다. 파장 변환 물질은 부분적으로 광학 소자의 하나의 벽 상에 형성될 수 있다. 본 명세서에 개시된 모든 실시 예들은 여기에 설명된 인광체 중에서 어떠한 것도 사용될 수 있다.
히트 싱크의 사용을 통하여 부가적인 장점들이 달성될 수 있다. 도 2a 내지 2c에 도시된 실시 예는 하나 이상의 서스펜션 메커니즘에 의해 부착된, 매달리거나 또는 높이 세운 조명 기구이다. 예를 들면, 서스펜션 와이어 또는 로드(중공형 또는 고체형)는 조명 기구를 달도록 사용될 수 있다. 서스펜션 메커니즘은 또한 전원 코드, 제어 와이어, 또는 조명 기구에 필수적으로 포함되는 다른 양상들을 포함할 수 있다. 조명 기구용 전력 및 제어 와이어는 서스펜션 와이와 함께 연결되거나 또는 로드 내부에 연결될 수 있다.
도 2c는 히트 싱크(210) 및 발광 다이오드 방사체(202)를 도시한 도 2b의 확대도이다. 히트 싱크(210)는 발광 다이오드 방사체(202)의 바닥(bottom)에 부착되는 것으로 도시되는데, 본 실시 예는 매달리거나 또는 높이 세운 조명 기구로서 도시되기 때문에, 이는 실제로 히트 싱크(210)가 발광 다이오드 방사체(202) 주위 또는 위에 존재하는 것을 의미한다. 히트 싱크(210)의 적어도 일부는 광학 소자(206)에 의해 생성되는 인클로져 외부에 존재한다. 히트 싱크는 일련의 핀(fin)을 포함할 수 있다. 히트 싱크는 부가적으로 또는 대안으로서, 히트 싱크로부터 확장하고 발광 다이오드 방사체(202) 및 광학 소자의 오목한 표면 사이의 광학 소자(206)의 외부 표면의 적어도 일부를 둘러싸는 메시(meah)를 포함할 수 있다. 히트 싱크(210)는 알루미늄, 구리, 및 탄소 필터와 같은, 종래에 알려진 다양한 열 소멸 물질로 제조될 수 있다. 히트 싱크는 물질의 열 소멸 능력을 향상시키거나 변경하기 위하여 색, 예를 들면, 백색으로 칠해질 수 있다. 히트 싱크(210)의 적어도 일부는 광학 소자(206) 외부에 존재하나, 히트 싱크(210)는 내부 발광 다이오드 방사체(202)에 결합된다. 이는 예를 들면, 실질적으로 광학 소자의 오목한 표면의 반대되는 일 단에서 광학 소자 내의 돌파구(break-through)에서 달성될 수 있다. 이러한 결합은 발광 다이오드 방사체(202)를 실질적으로 광학 소자(206) 내에 효율적으로 유지하며 반면에 또한 광학 소자(206)가 닫히도록 밀봉한다. 일단 조립되면, 광학 소자(206)의 내부는 고체, 진공일 수 있거나, 혹은 공기 또는 불활성 기체로 채워질 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른, 고체형 광원 조명 기구를 도시한다. 그러한 조명 기구는 단지 하나의 서스펜션 메커니즘에 의해 매달려지는 것과 같은, 펜던트(pendant) 조명 기구로 간주될 수 있다. 도 3에 도시된 펜던트 조명 기구는 또한 회전 조명 기구 구성으로 간주될 수 있는데, 그 이유는 조명 기구의 단면 프로파일이 수직 축 주위를 원주방향으로 회전하는 것과 같이 실질적으로 균일하기 때문이다. 물론, 다른 실시 예들은 조명 기구가 수직 축 주위를 회전하는 것과 같은 단면 프로파일에서의 변경을 나타낼 수 있다. 도 3에 도시된 실시 예에서, 발광 다이오드 어레이(302)는 광 방사선을 원뿔 형태의 전도 광학 소자(306) 상에 침전되는 원격 파장 변환 물질을 향하여 아래쪽으로 방출하도록 위치된다. 원뿔 형태의 반사체(308)는 완전한 조명 기구(300)에 모래시계 형태를 제공하기 위하여 반대로 발광 다이오드 어레이(312) 및 광학 소자(306) 맨 위에 부착된다. 히트 싱크(310)는 반사체(308) 및 광학 소자(306) 사이의 발광 다이오드 어레이(312)에 인접하거나 부착된다. 본 실시 예에서, 펜던트 형태의 조명 기구(300)는 단일 서스펜션 메커니즘(330)에 의해 조명 위치에 매달린다. 히트 싱크(310)는 본 실시 예에서 방사선 방출 광원, 발광 다이오드 어레이(312)를 기계적으로 지원하기 위하여 사용될 수 있으며, 열 소멸 목적을 위하여 사용될 수 있다.
도 4a 내지 4f는 본 발명의 다른 실시 예에 따른, 하나 혹은 그 상의 광원, 파장 변환 물질, 히트 싱크, 광학 소자, 및 반사체를 특징으로 하는 다양한 조명 기구 구성의 단면을 도시한다. 도시된 것과 같이, 광원은 반사체 및 광학 소자 사이에 위치되는 하나의 광 반사체일 수 있다. 도 4a는 삼각형 형태의 광학 소자 상에 배치되거나 또는 통합되는 파장 변환 물질을 향하여 광을 향하도록 하기 위하여 하나의 광 방사체가 사용되는 일 실시 예를 도시한다. 도 4a 및 4f는 파장 변환 물질이 광학 소자의 하나 혹은 그 이상의 표면 상에 배치되거나 또는 통합될 수 있는 본 발명의 실시 예들을 도시한다. 위에서 설명되고 도 4a-4f에 도시된 것과 같이, 광학 소자는 다수의 다른 형태를 취할 수 있다. 도 4a-4f에 도시된 각각의 조명 기구 실시 예들에서, 광원에 의해 방출된 광 방사선 일부는 변환되지 않은 광 방사선으로서 광원을 향하여 뒤로 반사될 수 있다. 변환된 광은 전방으로 전달되거나 또는 뒤로 전달된다. 부가적으로 일부 광은 변환 없이(즉, 변환되지 않은 채로 전달된 방사선) 파장 변환 물질을 통하여 전달될 수 있다. 하향 변환된 광의 전방으로 전달된 부 및 후방으로 전달된 부 모두를 포획함으로써, 시스템 효율이 향상될 수 있다. 유사하게, 하나 혹은 그 이상의 반사체가 사용될 때, 하향 변환 물질 및 반사체의 위치는 광원으로부터의 광이 균일한 백색 광을 생산하도록 하향 변환 물질에 균일하게 영향을 주고 더 많은 광이 장치를 나가도록 허용하는 것을 보장하도록 조절될 수 있다. 동시에, 하향 변환 물질을 광원으로부터 멀리 떨어져 위치시키는 것은 광이 뒤로 광원 내로 피드백하는 것을 방지한다. 그 결과, 광원에서의 열이 또한 최소화되며 향상된 광 출력 및 수명을 야기한다. 종래의 기술과 비교하여 증가된 광 생산, 증대된 조명 효율, 및 향상된 에너지 사용을 달성하기 위하여 광 반사체의 위치 및 수뿐만 아니라, 광학 소자 및 반사체의 형태는 어떤 방법으로도 구성될 수 있다.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 다른 실시 예에 따른, 하나 혹은 그 상의 광원, 파장 변환 물질, 히트 싱크, 광학 소자, 및 반사체를 특징으로 하는 다양한 조명 기구 구성의 단면을 도시한다. 도시된 것과 같이, 다수의 광원이 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 5a 내지 5c는 각각 다수의 광 방사체(502)를 갖는 실시 예들을 도시한는데, 도 5a는 오각형 형태의 광학 소자 상에 배치되거나 또는 통합되는 파장 변환 물질을 향하여 광을 향하도록 하기 위하여 두 개의 광 방사체(502)가 사용되는 실시 예를 도시한다. 광 방사체(502)는 히트 싱크(510)에 부착된다. 광 방사체(502)는 실질적으로 그 위에 파장 변환 물질이(504) 놓여 있는 광학 소자의 표면의 반대편에 존재하는 광학 소자(506)의 하나 혹은 그 이상의 표면상에 위치된다. 이러한 구성에서, 광 방사체(502)는 파장 변환 물질(504) 및 반사체(508) 사이에 위치된다. 광 방사체(502)는 파장 변환 물질(504)을 향하여 광 방사선을 방출하는데, 이때 광 방사선의 적어도 일부가 변환되고 광 방사체의 방향으로 뒤로 전달된다. 반사체(508)는 뒤로 전달된 변환된 광 방사선의 적어도 일부를 원하는 환경, 즉, 광 영역으로 반사시키도록 위치된다. 도 5a에 도시된 구성에서, 반사체에 의해 반사되고 전방으로 전달된 변환된 광 방사선에 더하여, 원하는 영역으로 비추도록 사용되는 것은 뒤로 전달된 변환된 광 방사선이다.
도 5a에 도시된 오각형 형태의 광학 소자가 도 5b에서 도치된다. 도 5c 및 5d는 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 따른 조명 기구의 또 다른 구성을 도시한다. 도 5c 및 5d에 도시된 광학 소자는 또한 오각형 형태의 광학 소자로 고려될 수 있으나, 외부로 뾰족한 삼각형 프로파일 대신에 내부로 오목한 삼각형 프로파일이다. 도 5a 내지 5d에 도시된 조명 기구 실시 예들 각각에 있어서, 다수의 광 방사체(502)가 사용되는데, 이들은 각각 히트 싱크(510)에 부착된다. 도 5b는 파장 변환 물질(504)이 광학 소자(506)의 하나의 표면상에 놓이거나 또는 통합되는 실시 예를 도시하고, 반면에 도 5c는 파장 변환 물질(504)이 광학 소자(506)의 다수의 표면상에 놓이거나 또는 통합되는 실시 예를 도시한다. 도 5d에 도시된 실시 예에서, 파장 변환 물질(504)은 광 방사체(502)를 갖는 표면에 직각인 광학 소자(506)의 단일 표면 상에 침전된다. 도 5a 내지 5d에 도시된 실시 예들에서, 광 방사체(502)에 의해 방출된 일부 광 방사선은 변환되지 않은 광 방사선으로서 광원을 향하여 뒤로 반사될 수 있다. 변환된 광은 전방으로 전달되거나 또는 뒤로 전달된다. 부가적으로, 일부 광은 변환되지 않고(즉, 변환되지 않은 전달된 방사선) 파장 변환 물질을 통하여 전달될 수 있다. 도 5b 및 5c에 도시된 실시 예들에서, 파장 변환 물질은 광원 및 반사체 사이에 존재하는 광학 소자의 하나 혹은 그 이상의 표면상에 침전된다. 그러한 실시 예들에서, 반사체들은 하향 변환된 광 방사선의 전방으로 전달된 부를 포획하고 반사시킨다. 하향 변환된 광 방사선의 후방으로 전달된 부는 광학 소자의 전도성 표면을 통과하도록 허용된다. 하향 변환된 광의 전방으로 전달된 부 및 뒤로 전달된 부 모두를 포획함으로써, 시스템 효율이 향상될 수 있다. 위에서와 같이, 광 방사체의 위치 및 수뿐만 아니라, 광학 소자 및 반사체의 형태는 종래의 기술과 비교하여 증가된 광 생산, 증대된 광 효율, 및 향상된 에너지 사용을 달성시키기 위하여 어떠한 방법으로도 구성될 수 있다.
본 발명의 조명 기구는 무수히 많은 형태 및 크기를 갖는 하나 혹은 그 이상의 반사체를 포함할 수 있다. 도 6a 내지 6c는 본 발명의 다른 실시 예들에 따라, 서로 다른 형태의 반사체들을 갖는 다양한 조명 기구의 단면을 도시한다. 그러한 반사체들은 도 2a와 도 6a-6c의 실시 예에 도시된 것과 같은, 압출식 조명 기구, 및 도 3에 도시된 것과 같은, 회전식 조명 기구 모두에 사용될 수 있다. 압출식 또는 회전식 조명 기구에 더하여, 본 발명의 산란 광자 추출 조명 기구의 광학 소지는 다수의 면들을 가질 수 있다. 예를 들면, 광학 소자는 다른 구조적 형태 중에서도, 정사각형, 직사각형, 사다리꼴, 오각형, 육각형, 또는 팔각형 형태를 가질 수 있다. 이러한 구조적 형태를 갖는 광학 소자들은 본 발명의 실시 예들에 포함될 수 있다.
도 7a 및 7b는 방사체(712)들의 어레이를 특징으로 하는 산란 광자 추출 기술을 사용하는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시 예들을 도시한다. 도 7a 및 7b는 각각 벽 스콘스(sconce) 및 침전식 펜던트 조명 기구로서 사용될 때의 실시 예를 도시한다. 여기서, 조명 기구가 장착되는 벽 또는 천장은 반사체로서 작용할 수 있다. 도 7c는 두 실시 예들의 단면을 도시한다. 도시된 것과 같이, 산란 광자 추출 조명 기구는 파장 변환 물질(704)의 층으로 침전된 광학 소자(706)를 포함한다. 반투명 커버와 같은, 많은 양의 전도성(즉, 낮은 반사 코팅)을 갖는 반사체(708)는 원하는 미학을 제공할 뿐만 아니라, 조명 기구의 출력 스펙트럼을 제어하도록 사용될 수 있다. 도 7d는 히트 싱크, 광학 소자, 및 고체형 발광 다이오드를 도시한 도 7c의 확대도이다. 발광 다이오드 또는 발광 다이오드 어레이는 히트 싱크 상에 장착될 수 있다. 히트 싱크를 지지하고 조명 기구를 벽 또는 천장에 부착하기 위하여 기계적 부품 또는 서스펜션 메커니즘이 사용될 수 있다.
도 8a는 산란 광자 추출 기술을 사용하는 본 발명이 또 다른 바람직한 실시 예를 도시한다. 이는 고체형 광 방사체 및 멀리 떨어진 파장 변환 물질을 사용하는 또 다른 고효율 조명 기구를 도시한다. 도 8b는 도 8a의 조명 기구의 단면도이다. 도시된 것과 같이, 조명 기구는 광 방사선 방사체(802)와 멀리 떨어져 위치하는 파장 변환 물질(804)을 포함한다. 방사체(802) 및 파장 변환 물질(804)은 광학 소자(806)에 부착되거나 또는 통합된다. 파장 변환 물질(804)은 인광체일 수 있다. 출력 빔 분포를 제어하고 빔의 색 균일성을 향상시키기 위하여 반사체(808)가 사용될 수 있다. 위에서 설명된 것과 같이, 방사체(802)를 장착하고 열 소멸을 위하여 히트 싱크(810)가 사용될 수 있다. 파장 변환 물질(804)을 광학 소자(806)에 의해 생성된 인클로져 내의 방사체(802) 위에 매달기 위하여 서스펜션 메커니즘(830)이 사용될 수 있다. 서스펜션 메커니즘(830)은 또한 산란 광자 추출 조명 기구를 벽 또는 천장에 장착하도록 사용될 수 있다. 여러 이유로 인하여, 다수의 반사체들이 복합 반사체 표면으로서 개별적으로 또는 함께 사용될 수 있다. 도 8c는 복합 반사체(808)를 포함하는 일 실시 예의 단면을 도시한다. 도 8a 내지 8c에 도시된 산란 광자 추출 조명 기구를 이한 일반적인 적용들은 함입된, 펜던트의, 트랙(track) 하향 조명 기구들이다.
도 9a 및 9b는 산란 광자 추출 조명 시스템 또는 어셈블리와 같은 다수의 산란 광자 추출 조명 기구를 포함하는 본 발명의 또 다른 실시 예를 도시한다. 산란 광자 추출 조명 시스템은 도 2 내지 도 8에 도시된 것과 같은, 하나 혹은 그 이상의 산란 광자 추출 조명 기구를 포함할 수 있다. 이러한 산란 광자 추출 조명 시스템을 갖는 산란 광자 추출 조명 기구는 동일하거나 서로 다를 수 있다. 각각의 산란 광자 추출 조명 기구는 광학 소자, 반사체, 히트 싱크, 서스펜션 메커니즘, 또는 통상의 지식을 가진 자들에 의해 인정될 수 있는, 다른 알려진 부품들을 거쳐 연결될 수 있다.
조명 기구 내로 들어오는 발광 다이오드 광원 및 다른 필요한 전자 소자로부터의 열의 양은 신뢰할 수 있는 성능으로 사용될 수 있는 발광 다이오드의 전체 용량을 한정하며, 따라서, 생산되는 광의 양을 한정한다. 본 발명의 실시 예들은 발광 다이오드 광원 및 히트 싱크를 발광 다이오드에 의해 생산되는 열을 더 많이 소멸시키는 방법으로 환경 내에 위치시킨다. 이러한 배치는 더 많은 양이 광이 생산되는 것을 가능하게 하고 발광 다이오드 및 전자 소자를 위한 적절한 작동 온도가 유지되는 것을 보장한다. 이러한 배치는 완전히 폐쇄된 조명 기구에서 달성되는 장점들과 비교할 때, 산란 광자 추출 조명 기구가 개방된 조명 기구에서 사용되는 적용에서 더 유익할 수 있다.
이전에 설명된 것과 같이, 하향 변환 물질을 치는 복사 에너지는 더 높은 파장 방사선으로 변환될 것이며 혼합될 때 종래의 조명 기구에 의해 생산되는 광과 유사한 백색 광을 제공할 것이다. 최종 광 출력의 스펙트럼은 파장 변환 물질에 의존한다. 전체 광 추출은 파장 변환 층에 도달하는 광의 양, 파장 변환 층의 두께, 및 광학 소자와 반사체의 물질 및 디자인에 의존한다. 이러한 부품들은 산란 광자 추출 조명 기구의 성능 및 미학을 달성하기 위하여 고려되는 어떠한 방법으로도 형태 및 크기를 가질 수 있다. 아래의 실시 예 및 테이블은 본 발명이 조명 기구에 의해 가능한 효율 및 광 방사선 향상을 더 상세히 설명한다.
실시 예
본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 있어서, 산란 광자 추출 기술을 갖는 발광 다이오드 패키지가 구현된다. 하향 변환 광자가 광원 주위에 확산되는, 일반적인 종래의 백색 발광 다이오드 패키지와 달리, 본 발명의 산란 광자 추출 패키지에서는 인광체 층이 다이(die)로부터 멀리 떨어져 이동되며, 다이 및 인광체 사이에 투명한 매체를 남긴다. 그러한 패키지를 위한 효율적인 기하학 형태는 광선 추적 분석(ray tracing analysis)을 거쳐 결정될 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 산란 광자 추출 조명 기구를 사용하여 광 출력 향상을 결정하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션이 수행되었다. 도 10a에 도시된 조명 기구 모델이 광 추적 소프트웨어에서 설치되었다. 도 10a에 도시된 조명 기구는 하나 혹은 그 이상의 반사체가 없는, 도 2a에 도시된 것과 유사하다. 명확성을 위해, 분석된 조명 기구의 구성은 도 2a를 참조하여 상세히 설명될 것이다. 청색 발광 다이어드 어레이(212)는 광학 소자(206)에 의해 밀봉된다. 인광체 파장 변환 물질(204)이 투명한 광학 소자(206)의 바닥의 오목한 표면상에 부착되거나 또는 침전된다. 1931 CIE(국제조명위원회, Commission Internationale de l'Eclairage) 색도표의 흑체 궤적(black-body locus) 상에 6500 켈빈(kelvin) 상관 색 온도(correlated color temperature)를 달성하기 위하여 인광체 밀도가 선택된다.
도 10b는 모델의 몇몇 추적된 광선을 도시한다. 청색 발광 다이오드들을 동일한 수의 백색 발광 다이오드들로 변경함으로써 또 다른 조명 기구가 모델링된다. 인광체 층은 동일한 크기를 갖는 확산기(diffuser)로 변경된다. 백색 발광 다이오드들은 청색 발광 다이오드 다이 및 청색 발광 다이오드 주위에 확산되는 인광체를 포함한다. 복사 에너지 및 방출 빔 각은 백색 발광 다이오드 내의 청색 발광 다이오드 다이로부터 그리고 산란 광자 추출 조명 기구에서 사용되는 청색 발광 다이오드들로부터 동일하다. 상관 색 온도 값 및 색도 좌표는 백색 발광 다이오드 및 산란 광자 추출 조명 기구에서 동일하다. 아래의 테이블 1이 비교 분석의 결과이다.
테이블 1. 비교 분석의 결과.
Figure 112012079347210-pct00001

위의 테이블 1에 나타난 것과 같이, 산란 광자 추출 조명 기구가 상관 색 온도 및 색도 조정이 두 구성 모두에서 동일할 때 백색 발광 다이오드들을 사용하는 기구보다 약 30% 이상의 광을 더 갖는다는 것을 설명한다.
따라서 본 발명은 고체형 방사선 방사체(예를 들면, 발광 다이오드들), 파장 변환 물질(예를 들면, 인광체), 및 반사체를 포함하는 고효율적인 산란 광자 추출 기반 조명 기구에 관한 것이다. 파장 변환 물질은 발광 다이오드들로부터 멀리 떨어져 위치한다. 기구의 전체 효율을 증가시키기 위하여 파장 변환 물질로부터 후방으로 전달된 광자가 추출될 수 있다. 따라서, 장치는 더 적은 발광 다이오들 또는 더 작은 전기 에너지를 필요로 하며, 제조비용을 경감할 수 있다.
본 발명의 산란 광자 추출 조명 기구의 기하학적 구조는 도면에 도시되거나, 위에서 설명되거나, 또는 실시 예에서 나타낸 특정 형태에 한정되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 조명 색 및 광원 수명과 같은, 다른 디자인 개념을 다루는 동안, 대안의 형태들이 특정 성능 또는 미학을 달성하도록 사용될 수 있다. 비록 본 발명이 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명되었으나, 거기에 한정하지는 않는다. 게다가, 첨부된 청구항들은 본 발명의 진정한 정신 및 범위를 벗어나지 않고 통상의 지식을 가진 자들에 의해 만들어질 수 있는 본 발명의 다른 변형들 및 실시 예들을 포함하는 석으로 이해되어야 한다.
100 : 광 방사선
102 : 고체형 발광 다이오드
104 : 파장 변환 물질
106 : 후방으로 전달된 변환되지 않은 방사선
108 : 전방으로 전달된 변환되지 않은 방사선
114 : 전방으로 전달된 변환된 방사선
116 : 전방으로 산란 변환된 방사선
118 : 후방으로 전달된 변환된 방사선
120 : 후방으로 산란 변환된 방사선
202 : 발광 다이오드 방사체
204 : 파장 변환 물질
206 : 광학 소자
208 : 반사체
210 : 히트 싱커
212 : 발광 다이오드 어레이
214 : 방출된 광 방사선
300 : 조명 기구
302 : 발광 다이오드 어레이
306 : 광학 소자
308 : 반사체
310 : 히트 싱크
312 : 발광 다이오드 어레이
330 : 서스펜션 메커니즘
502 : 광 방사체
504 : 파장 변환 물질
506 : 광학 소자
508 : 반사체
510 : 히트 싱크
704 : 파장 변환 물질
706 : 광학 소자
708 : 반사체
712 : 방사체
802 : 방사체
804 : 파장 변환 물질
806 : 광학 소자
808 : 반사체
810 : 히트 싱크
830 : 서스펜션 메커니즘

Claims (31)

  1. 제 1 방사선을 방출하도록 구성되며 전방 표면과 후방 표면을 갖는 광원;
    상기 전방 표면의 아래쪽에 배치되고 제 1 방사선을 제 1 부분과 제 2 부분을 갖는 제 2 방사선으로 변환하도록 구성된 파장 변환 물질;
    상기 후방 표면 위쪽에 상기 제 1 부분이 도달하지 못하도록 배치되고 상기 제 2 부분을 상기 파장 변환 물질을 통과하지 않으면서 상기 광원으로부터 멀어지도록 반사하는 반사체; 및
    상기 광원에 결부되며 공기에 노출된 부분을 갖는 히트 싱크를 포함하여 구성되며,
    상기 반사체는, 상기 광원으로부터 떨어지고 상기 파장 변환 물질의 높이와 다른 높이에 배치되는 단부를 갖는,
    조명 기구.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 반사체는 상기 파장 변환 물질로부터 이격되는,
    조명 기구.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 방사선의 상기 제 2 부분은 상기 후방 표면 뒤쪽의 장소에 도달할 수 있는,
    조명 기구.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 광원에 연결된 히트 싱크를 추가로 포함하는,
    조명 기구.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 제 2 방사선의 상기 제 2 부분은 상기 히트 싱크 뒤쪽의 장소에 도달할 수 있는,
    조명 기구.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 광원과 상기 반사체 사이에 배치된 히트 싱크를 추가로 포함하는,
    조명 기구.
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서, 상기 반사체는 상기 광원의 상기 후방 표면에 직접적으로 연결되지 않는,
    조명 기구.
  9. 삭제
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  11. 삭제
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