KR102155540B1 - 자동차 헤드램프용 광 모듈 - Google Patents

자동차 헤드램프용 광 모듈 Download PDF

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피터 하트만
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제트카베 그룹 게엠베하
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Abstract

본 발명은 자동차 헤드램프용 광 모듈에 관한 것이며, 상기 광 모듈은 변환 수단(100) 및 조명 수단(200)을 포함하며, 상기 변환 수단(100)은 캐리어 층(110) 상에 배치되는 발광체(120)를 포함하되, 발광체(120)는, 이 발광체(120) 내의 함몰부(130)들을 통해 형성되는 복수의 변환 세그먼트(125)를 포함하며, 조명 수단(200)은 파장 변환이 이루어지는 광 방출을 위해 변환 세그먼트(125)들을 여기하도록 구성되며, 함몰부(130)들은 응집 구조로서 형성되고 충전재(300)로 충전된다.

Description

자동차 헤드램프용 광 모듈{LIGHT MODULE FOR A MOTOR CAR HEADLAMP}
본 발명은 자동차 헤드램프용 광 모듈에 관한 것이며, 상기 광 모듈은 변환 수단(conversion means) 및 조명 수단(illumination means)을 포함하며, 상기 변환 수단은 캐리어 층(carrier layer) 상에 배치되는 발광체(luminant)를 포함하며, 발광체는, 이 발광체 내의 함몰부들을 통해 형성되는 복수의 변환 세그먼트(conversion segment)를 포함하며, 조명 수단은, 파장 변환이 이루어지는 광 방출을 위해 변환 세그먼트들을 여기(excitation)하도록 구성된다.
또한, 본 발명은 적어도 하나의 본 발명에 따른 광 모듈을 포함하는 자동차 헤드램프에도 관한 것이다.
예컨대 레이저 장치들은 일반적으로 가간섭성 단색광(coherent monochromatic light) 또는 협폭 파장 범위의 광을 방출하기는 하지만, 자동차 헤드램프의 경우 일반적으로 방출되는 광에 대해 백색 혼합광이 선호되고 법적으로 규정되어 있기 때문에, 레이저 장치의 방사 방향으로, 실질적으로 단색인 단색광을 백색광 또는 다색광으로 변환하기 위한 소위 변환 수단(conversion means)이 배치되되, "백색광"은 사람에게 "백색"의 색 인상을 야기하는 스펙트럼 조성의 광을 의미한다. 상기 변환 수단은 예컨대 하나 또는 복수의 광발광 변환기(photoluminescence converter), 또는 하나의 발광체의 형태로 형성되며, 레이저 장치의 입사 레이저빔들은 일반적으로 발광체를 포함하는 변환 수단에 부딪쳐서 광발광을 위해 상기 발광체 또는 광발광 염료(photoluminescence dye)를 여기하며, 그리고 이와 동시에 조사(irradiation)하는 레이저 장치의 광과 다른 파장 또는 파장 범위의 광이 방출된다. 이 경우, 변환 수단의 광 방출은 실질적으로 람베르트 방출기(Lambert emitter)의 특성들을 나타낸다.
광 변환 요소의 경우 반사성 변환 수단과 투과성 변환 수단으로 구분된다.
이런 경우, "반사성(reflective)"과 "투과성(transmissive)" 용어들은 변환된 백색광의 청색 비율에 관계한다. 투과성 구성의 경우, 청색광 성분의 주 전파 방향은 변환 체적부 또는 변환 수단의 통과 후에 초기 레이저빔의 전파 방향에 대해 실질적으로 평행하게 정렬된다. 반사성 구성의 경우, 레이저빔은 변환 수단에 기인하는 경계면에서 반사되고 방향 전환되며, 그럼으로써 청색광 성분은 일반적으로 청색 레이저빔으로서 구현되는 레이저빔과 다른 전파 방향을 보유하게 된다.
종래 기술로부터는, 예컨대 Ce-도핑된 이트륨 알루미늄 석류석(garnet)(Ce:YAG)처럼 석류석 구조를 갖는 도핑된 화합물들의 류(class)로 이루어진 변환 재료들 또는 발광체들이 공지되어 있으며, 크기와 관련하여 상이한 특색을 나타내는 다양한 입자들은, 높은 열 전도도를 갖는, 예컨대 사파이어로 이루어진 캐리어 상에 고정되는 결합 매트릭스(binding matrix)로 형성되어 있다. 예컨대 스캐닝식 자동차 헤드램프들의 경우처럼 집중적인 집속 레이저빔의 변환 동안, 열 관리(thermal management);뿐만 아니라, 달성 가능한 분해능; 또는 변환된 조명 도트(illuminated dot)의 명암비;와 관련한 제한 사항들이 발생하는데, 그 이유는, 그 결과로, 변환 입자들(converting particle)의 수 배의 산란을 통해, 유입되는 미세 집속 레이저빔의 확장이 일어나기 때문이다.
상기와 동일한 효과는, 일반적으로 개별 결정질들(crystallite) 또는 미세조직 입자들(microstructural grain), 또는 기공들(pore)이 산란 중심들로서 작용하는 것인, 소결된 무-매트릭스(matrixless) 세라믹 변환 수단들의 경우에서도 발생한다.
"미세조직" 용어는, 각각의 부분 체적이 소재 내에 배치되고 고정되는 축 교차점(intersection of axis)과 관련한 자신의 구성요소들의 공간상 배치 및 자신의 조성의 관점에서 일차 근사(first-order approximation)로 균질한 것인 부분 체적들 전체의 특성을 특징짓는다.
미세조직은 미세조직 구성요소들의 유형, 형태, 크기, 분포 및 배향을 통해 특징지워진다.
또한, 다상(multiphase)으로 형성되는 세라믹들, 예컨대 Ce:YAG의 구조들 역시도 코런덤(corundum)과 함께 산란 중심들로서 기능할 수 있다.
그러나 측면 조명 도트 확장(lateral illuminated-dot expansion)의 제한을 위한 추가 조치들이 없으면, 래스터 매핑(raster-mapping)형 시스템들 또는 자동차 헤드램프들의 이용은 불가능하다.
특히 반사성 시스템들에서 측면 조명 도트 확장의 감소를 위한 유망한 조치는, 원래 조밀한 베이스 세라믹에서 출발하여 발광체를 개별 세그먼트들로 목표한 바대로 분할하는 것에 있다.
(추가의 과정에서 변환 세그먼트들로 지칭되는) 상기 세그먼트들은 발광체 내에 구성되는 함몰부들을 통해 생성된다.
그러나 이런 구조화의 단점은, 기계적 강도 및 전체 무결성이 예컨대 개별 세그먼트들 내의 미세 균열 또는 파열을 통해 약화된다는 점에 있다.
또한, 종래 기술에서 확실한 레이저 사용의 관점에서, 개별 세그먼트들의 증가된 고장 위험에도 불구하고, 변환 수단의 기능성의 고유 모니터링(intrinsic monitoring)을 위한 접근법은 제공되어 있지 않다.
본 발명의 과제는 광 모듈의 변환 수단의 형태 안정성을 개선하는 것에 있다.
상기 과제는, 함몰부들(depression)이 응집 구조(coherent structure)로서 형성되어 충전재(filler)로 충전되어 있는 것을 통해 해결된다.
그 결과, 한편으로, 변환 수단 또는 발광체의 대비성(contrast feature)뿐만 아니라 기계적 안정성 역시도 증가된다.
함몰부들 내에 배치되는 충전재의 상이한 충전 높이를 통해, 대비 특성들은 국소적으로 매칭될 수 있다.
함몰부들을 충전재로 채우는 것을 통해, 개별 변환 세그먼트들의 크기를 축소시킬 수 있고 그 결과 분해능을 높일 수 있는데, 그 이유는 충전재를 통해 변환 수단 또는 발광체의 전체 안정성이 증가되기 때문이다.
또한, 함몰부들 내의 충전재를 통해, 인접한 변환 세그먼트 상으로 광빔들의 가능한 누화(crosstalk)도 방지되는데, 이는 마찬가지로 대비를 증가시킨다.
또한, 충전재를 이용한 함몰부들의 충전 과정의 진행 중에, 구조화 공정을 통해 발생하는 세라믹 내의 미세 균열들은 다시 채워지고 밀봉될 수 있으며, 이는 전체 구조의 안정성에 추가로 기여한다.
충전 재료로서는 예컨대 세라믹 재료가 제공될 수 있다.
충전 재료로서는, 서로 혼합될 수도 있고 다소 현저하게 결정 구조(crystalline)로, 또는 화학량론적으로 정확히 뚜렷하게 나타내어질 수 있는 알루미나/실리카/멀라이트(Mullite)/지르코니아/루틸(Rutile) 증착의 달성을 위한 알콕시드 졸/겔 공정들(Alkoxide Sol/Gel process)의 이용하에 절연/세라믹 층들이 적층될 수 있으며, 부분적으로 사전 제조된 졸/겔[Boehmit AlO(OH); Sasol Disperal®, Akzo Levasil®, 등]이 이용될 수도 있다. 일반적인 반응 매개변수들, 표면 응력 및/또는 건조 또는 가열 특성의 매칭을 통해, 열 전도도, 기계적 강도 또는 열 팽창 계수와 관련한 재료 고유의 특성들을 매칭시키기 위해, 특히 다공성(porosity)이 제어될 수 있다.
이용되는 발광체는 예컨대 다결정으로 소결되거나 성장되고 용융물에서 인출될 수 있다. 또한, 부분 무정형 미세조직; 또는 추후 구성되는 구조들 또는 불순물들을 포함하는 단결정 디스크들; 역시도 산란 중심들로서 가능하다.
함몰부들의 응집 구조는 기계적 방법에 의해 달성되며, 예컨대 다이싱(dicing), 레이저 제거(laser ablation) 또는 집속 이온 빔(focused ion beam)을 통해 달성된다. 이렇게 획득되는 (픽셀로도 지칭되는) 변환 세그먼트들은 약 50㎛의 폭과 약 10㎛의 상호 간 이격 간격을 보유할 수 있다. 이런 경우, 함몰부들은 약 100㎛까지의 깊이를 보유할 수 있다.
또한, 본 발명에 따라서, 함몰부들은 적어도 일부 영역에서 적어도 하나의 전기 전도 및/또는 광학 반사 층을 포함할 수 있으며, 다시 말하면 충전재와 함몰부들 사이에 적어도 일부 영역에서 적어도 하나의 전기 전도 및/또는 광학 반사 층이 배치될 수 있다.
적어도 하나의 전기 전도 및/또는 광학 반사 층은 예컨대 함몰부들의 표면 상에 배치된다. 이런 경우, "표면"이란 함몰부들의 벽부들 또는 바닥부를 의미할 뿐, 변환 세그먼트들의 표면을 형성하는 표면을 의미하는 것인 아니다.
상기 층은 바람직하게는 금속염들의 용액들에서 무전류 상태에서 증착될 수 있다. 함몰부들 내에서 층 증착을 위해, 용액들은 표면 응력, 점도, 농도 및 반응 건조 조건들과 관련하여 매칭될 수 있으며, 그럼으로써 용액들은 한편으로 바람직하게는 모세관력을 통해 촉진되면서 함몰부들 내에 도달하게 되고 그곳에서 벽부들을 시드 존(seed zone)으로서 이용하게 되며, 그리고 다른 한편으로는 우수한 미러(mirror)가 형성되고, 후행 가공 단계들에서 제거되어야 할 수도 있는 개별 변환 세그먼트들의 광 방출 상면(light-emitting upside) 상에는 최대한 증착이 일어나지 않게 된다.
함몰부들 내에서 상기 전기 전도 층은 변환 수단의 기능성의 점검을 위해 이용될 수 있으며, 발광체 또는 변환 세그먼트들의 파손 시 전기 전도 층 역시도 파괴되며, 그럼으로써 예컨대 전기 저항이 변동되게 된다.
바람직하게는, 광 모듈은, 적어도 하나의 전기 전도 층의 저항을 측정하도록 구성되어 있는 적어도 하나의 측정 장치를 추가로 포함할 수 있되, 적어도 하나의 전기 전도 층의 파손 시 저항은 변동된다. 따라서 상기 저항 측정을 통해, 발광체의 파손이 그 자체에서, 또는 변환 세그먼트들에서 발생했는지 그 여부가 확인될 수 있다.
적어도 하나의 전기 전도 층, 또는 적어도 하나의 전기 전도 층의 저항 측정을 통해, 변환 수단의 기능성의 고유 모니터링이 제공된다.
함몰부들 내에서 광 반사 층은, 결과적으로 대비를 향상하도록, 각각의 변환 세그먼트들 간의 광학 누화(optical crosstalk)를 방지하기 위해 이용될 수 있다.
바람직한 방식으로, 변환 요소와 캐리어 층 사이에 추가로 반사 중간 층이 배치될 수 있다.
바람직하게는, 발광체를 위한 재료는 YAG:Gd, YAG-Ce, Y2O3-La2O3, MgAl2O4, Ca2Si5N8, Sr2Si5N8 또는 Ba2Si5N8의 군에서 선택될 수 있다.
또한, 적어도 하나의 층은 금속으로, 바람직하게는 Ag, Cu, Pt, Pd, Ni 또는 Al로 형성될 수 있다.
주지할 사항은, 발광체 및 적어도 하나의 전기 전도 및/또는 광학 반사 층의 재료를 위한 조합들은 모두 가능하다는 점이다.
바람직한 실시형태에서, 조명 수단은 레이저 장치로서, 바람직하게는 레이저 다이오드로서 형성될 수 있다.
바람직한 방식으로, 조명 수단에 의해 방출되는 광빔들은 편향 수단, 예컨대 이동식 미러를 통해, 변환 세그먼트들로 편향될 수 있다.
조명 수단, 바람직하게는 적어도 하나의 레이저 다이오드에 의해 방출되는 광빔들은, 변환 수단의 상이한 영역들을 조명하기 위해, 편향 수단, 바람직하게는 마이크로 기계식 미러를 통해 편향될 수 있다.
본 발명에 따라서, 캐리어 층은 열 전도성 재료로, 예컨대 사파이어로 형성될 수 있다.
하기에서, 본 발명은 예시의 도면들에 따라서 더 상세하게 설명된다.
도 1a는 함몰부들을 통해 형성되는 복수의 변환 세그먼트를 포함하는 변환 수단; 및 레이저 장치로서 형성되는 조명 수단;을 포함하는 예시의 광 모듈을 도시한 사시도이다.
도 1b는 함몰부들 내에 충전재가 확인되는 상태에서 도 1a에서의 광 모듈을 도시한 상면도이다.
도 2는 변환 수단을 도시한 정면도이다.
도 3은 충전재와 함몰부들 사이에 전기 전도 층이 배치되어 있는 상태에서 예시의 변환 수단을 절단하여 도시한 상세 단면도이다.
도 4는 전기 전도 층의 저항 측정을 위한 2개의 측정 장치를 포함하는 예시의 측정 어셈블리를 도시한 도면이다.
도 1a 및 도 1b에는, 자동차 헤드램프를 위한 광 모듈이 도시되어 있으며, 상기 광 모듈은 변환 수단(100)과; 레이저 장치, 바람직하게는 레이저 다이오드로서 형성되는 조명 수단(200)을; 포함한다. 변환 수단(100)은 캐리어 층(110) 상에 배치되는 발광체(120)를 포함하며, 이 발광체는 이 발광체(120) 내의 함몰부(130)들을 통해 형성되는 복수의 변환 세그먼트(125)를 포함하며, 레이저 장치(200)는 파장 변환이 이루어지는 광 방출을 위해 변환 세그먼트(125)들을 여기하도록 구성된다.
이런 경우, 레이저 장치의 입사 레이저빔들은 발광체(120)를 포함하는 변환 수단(100)에 부딪치면서 광발광을 위해 발광체를 여기한다. 이 경우, 광은, 조사하는 레이저 장치(200)의 광과 다른 파장 또는 파장 범위로 방출된다. 이 경우, 변환 수단(100) 또는 변환 세그먼트(125)들의 광 방출은 실질적으로 람베르트 방출기의 특성들을 나타낸다. 이를 위해, 도 1에는, 예시의 광빔들이 표시되어 있다.
발광체(120)를 위한 재료는 YAG:Gd, YAG-Ce, Y2O3-La2O3, MgAl2O4, Ca2Si5N8, Sr2Si5N8 또는 Ba2Si5N8의 군에서 선택될 수 있다.
함몰부(130)들은 응집 구조로서, 예컨대 래스터로 형성되며, 그리고 도 3에서 더 분명하게 확인되는 충전재(300)로 충전된다. 충전 재료로서는 예컨대 세라믹 재료가 제공될 수 있다.
함몰부(130)들 내의 충전재(300)를 통해, 인접한 변환 세그먼트(125)들 상으로 광빔들의 가능한 누화는 방지되며, 이는 마찬가지로 전체 구조의 대비 및 이와 동시에 기계적 안정성을 증가시킨다.
도 2에는, 도 1a 및 도 1b에서의 예시의 변환 수단의 정면도가 도시되어 있다.
도 3에는, 앞의 도면들에서의 변환 수단을 절단하여 도시한 상세 단면도가 확인되며, 캐리어 층(110)과 발광체(120) 사이에는 반사 중간 층(500)이 배치되어 있다.
또한, 충전재(300)와 함몰부(130)들, 또는 이 함몰부(130)들의 벽부들 사이에는 일부 영역에서 전기 전도 및 광학 반사 층(400)이 배치된다. 여기서 "일부 영역에서"란, 전기 전도 층(400)이, 예컨대 도 3에 도시된 것처럼, 함몰부(130)들, 또는 이 함몰부(130)들의 벽부들을 완전히 덮지 않아야 한다는 점을 의미한다.
함몰부(130)들 내에서 상기 전기 전도 층(400)은 변환 수단(100)의 기능성의 점검을 위해 이용될 수 있되, 발광체(120) 또는 변환 세그먼트(125)들의 파손 시 전기 전도 층(400) 역시도 파괴되며, 그럼으로써 예컨대 전기 저항은 변동되게 된다.
전기 전도 층(400)은 예컨대 금속으로, 바람직하게는 Ag, Cu, Pt, Pd, Ni, Al 또는 이들의 혼합물들로 형성될 수 있다.
함몰부(130)들 내에서 상기 전기 전도 층(400)은 변환 수단(100)의 기능성의 점검을 위해 이용될 수 있되, 발광체(120) 또는 변환 세그먼트(125)들의 파손 시 전기 전도 층(400) 역시도 파괴되며, 그럼으로써 예컨대 전기 저항은 변동되게 된다.
이에 대해, 도 4에는, 적어도 하나의 전기 전도 층(400)의 저항을 측정하도록 구성되는 2개의 측정 장치(600)로 이루어진 예시의 측정 어셈블리가 도시되어 있다. 이런 저항 측정을 통해, 발광체(120)의 파손이 그 자체에서, 또는 변환 세그먼트(125)들에서 발생했는지 그 여부가 확인될 수 있다.
또한, 저항 측정 대신, 횡방향 유도 전압(transverse induced voltage)이 측정될 수도 있다. 이를 위해, 대개 2개의 대향하는 전극에 전압을 인가하되, 이전의 전극들에 대해 90°만큼 회전된 2개의 전극에서 횡 전압(transverse voltage)이 측정되며, 그리고 이런 횡 전압은 절대 대칭(absolute symmetry) 조건에서 영(0)이다. 이런 대칭이 예컨대 표면 상의 긁힘 또는 유사한 손상들을 통해 간섭을 받는다면, 대개 영(0)과 다른 횡 전압이 측정된다.
100: 변환 수단 110: 캐리어 층
120: 발광체 125: 변환 세그먼트
130: 함몰부 200: 조명 수단
300: 충전재 400: 층
500: 중간 층

Claims (10)

  1. 자동차 헤드램프용 광 모듈로서, 상기 광 모듈은 변환 수단(100) 및 조명 수단(200)을 포함하며, 상기 변환 수단(100)은 캐리어 층(110) 상에 배치되는 발광체(120)를 포함하되, 발광체(120)는, 이 발광체(120) 내의 함몰부(130)들을 통해 형성되는 복수의 변환 세그먼트(125)를 포함하며, 조명 수단(200)은, 파장 변환이 이루어지는 광 방출을 위해, 조명 수단(200)에 의해 방출 가능한 광빔들을 이용하여 변환 세그먼트(125)들을 여기하도록 구성되어 있는 것인, 상기 자동차 헤드램프용 광 모듈에 있어서,
    상기 함몰부(130)들은 응집 구조로서 형성되고 충전재(300)로 충전되고,
    상기 함몰부(130)들은 적어도 일부 영역에서 적어도 하나의 전기 전도 및/또는 광학 반사 층(400)을 포함하고,
    상기 광 모듈은, 상기 적어도 하나의 전기 전도 층(400)의 저항을 측정하도록 구성되는 적어도 하나의 측정 장치(600)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 헤드램프용 광 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발광체(120)와 상기 캐리어 층(110) 사이에 금속으로 이루어진 광 반사 및/또는 전기 전도 중간 층(500)이 배치되는 것을 특징으로 하는 자동차 헤드램프용 광 모듈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 발광체(120)를 위한 재료는 YAG:Gd, YAG-Ce, Y2O3-La2O3, MgAl2O4, Ca2Si5N8, Sr2Si5N8 또는 Ba2Si5N8의 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 자동차 헤드램프용 광 모듈.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전기 전도 및/또는 광학 반사 층(400)은 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차 헤드램프용 광 모듈.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 조명 수단(200)은 레이저 장치로서 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차 헤드램프용 광 모듈.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 캐리어 층(110)은 열 전도성 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차 헤드램프용 광 모듈.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 충전재(300)는 세라믹 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차 헤드램프용 광 모듈.
  8. 제1항 또는 제2항에 따르는 자동차 헤드램프용 광 모듈을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 헤드램프.
  9. 삭제
  10. 삭제
KR1020190030501A 2018-03-20 2019-03-18 자동차 헤드램프용 광 모듈 KR102155540B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

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