KR102307214B1 - 균일한 인광체 조명을 갖는 ｌｅｄ 모듈 - Google Patents

균일한 인광체 조명을 갖는 ｌｅｄ 모듈 Download PDF

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바우터 안톤 소에르
헨드릭 요하네스 부데베인 자그트
올렉산드르 발렌티노비치 브도빈
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루미리즈 홀딩 비.브이.
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Abstract

일반적인 램버시안 LED 다이 방출은, 수직 축을 따른 광 방출은 감소시키고 수직 축에 대한 소정 각도에서의 광 방출은 증대시켜 특정 광 방출 프로파일을 생성하는 LED 다이 위에 형성된 광학 구조체에 의해 수정된다. 인광체 층이 예컨대 반사성 광-믹싱 챔버에서 광학 구조체 위에 놓이도록 제공된다. 광 방출 프로파일은 인광체의 표면에 걸쳐 충돌하는 LED 다이로부터의 더 균일한 플럭스를 초래한다. LED 광의 일부는 인광체를 통과하며, 이러한 광의 일부는 상이한 파장의 광으로 변환된다. 광 방출 프로파일은 인광체에 걸쳐 더 균일한 컬러 및 온도를 초래한다. 광 방출 프로파일은 렌즈, LED 다이 위의 패터닝된 층, LED 다이 위의 반-반사성 층, 광학 시트 또는 다른 기법에 의해 생성될 수 있다.

Description

균일한 인광체 조명을 갖는 ＬＥＤ 모듈{LED MODULE WITH UNIFORM PHOSPHOR ILLUMINATION}
본 발명은 발광 다이오드(LED) 및 인광체를 이용하는 조명 디바이스에 관한 것이며, 구체적으로는 LED 위에 놓이는 인광체 층(또는 다른 변환 재료)에 걸쳐 컬러 및 플럭스의 균일성을 개선하기 위한 기법에 관한 것이다.
도 1은 통상의 LED 다이(12)를 예시하고, 이 다이는, LED 다이(12) 위에 놓이며 LED 다이로부터 분리되지만 LED 다이(12)에 근접한 인광체(14)의 층을 갖는다. LED 다이(12)는 n형 층(15), 광을 방출하는 활성 층(16) 및 p형 층(17)을 포함한다. 광은 LED 다이(12)의 상부 표면 및 측부 표면을 통해 출사한다. LED 다이(12)는 청색 광을 방출할 수 있으며, 인광체(14)는 황색-녹색 광을 방출하는 YAG 인광체일 수 있다. 인광체 방출과 인광체(14)를 통해 누설되는 청색 광의 조합은 백색 광을 생성한다. 인광체(14)는 LED 다이(12)에 매우 근접한 투명 지지 표면에 의해 지지될 수 있다.
도 2는 베어 LED 다이(12)의 일반적인 램버시안(Lambertian) 광 방출 패턴(18)을 예시한다. 광이 LED 다이(12) 위의 인광체(14)의 평탄한 층에 충돌할 때, 인광체(14)에 충돌하는 플럭스는 LED 다이(12)의 중심 바로 위에서 수직 축을 따라 최대이다. 플럭스는 LED 다이(12) 위에서 중심점으로부터의 거리에 따라 줄어든다. 다시 말하면, 광선들의 각도가 법선으로부터 벗어남에 따라, 인광체(14)에 충돌하는 플럭스는 적어지게 된다. 결과적으로, 인광체(14)의 표면에서 출사하는 광은 LED 다이(12)의 중심으로부터 더 멀리 떨어지는 광에 비해 LED 다이(12) 바로 위에서 더 청색일 것이다.
추가적으로, 동일한 이유로, 인광체(14)의 온도는 LED 다이(12) 바로 위에서 더 높은 플럭스로 인해 더 높을 것이다. 일부 인광체들 및 양자 점들은 온도에 매우 민감하고, 온도에 따라 그들의 광학 특성들을 변경한다. 그러므로, 인광체(14)에 걸친 온도 기울기(temperature gradient)는 컬러 불균일성에 기여할 것이다. 또한, 더 높은 온도 위치들에서는, 장기 재료 안정성뿐만 아니라 인광체의 양자 효율이 감소된다.
추가적으로, LED 다이(12) 바로 위에 있는 인광체는 높은 플럭스로부터 다른 악영향들을 받고, 이는 LED 다이(12) 바로 위의 컬러에 영향을 미친다.
따라서, 컬러는 인광체(14)의 표면에 걸쳐 균일하지 않을 것이다. 일부 애플리케이션들에서, 예컨대 인광체-변환 LED 다이(12)의 이미지가 스폿 애플리케이션을 위해 프로젝터, 헤드라이트 또는 다른 이차 광학계에서 포물면 미러에 의해 확대될 때, 컬러 불균일성이 특히 현저하다.
이들 문제점은, LED 다이들의 어레이가 공통 기판 상에 장착되고 인광체의 층으로 커버되는 LED 모듈에서도 존재한다. 각각의 LED 다이의 위에는 광학적 및 열적 핫스폿이 있는데, 여기서 (청색 LED 다이들이 이용된다고 가정하면) 광이 더 청색이며, 인광체가 온도 및 다른 인자들에 의해 악영향을 받는다. 결과적으로, 컬러 및 온도는 인광체에 걸쳐 균일하지 않다.
하나 이상의 LED 다이들로부터의 광에 의해 여기되는 인광체 표면에 걸쳐 광의 컬러 균일성을 개선하기 위한 기법이 필요하다.
LED 다이의 수직 축을 따라 방출되는 광은 감소시키고 수직 축을 벗어나 방출되는 광은 증대시키는 다양한 기법들이 설명되는데, 결과적인 광은 LED 다이에 매우 근접한 양자 점들 또는 인광체의 층을 여기시키는데 이용된다. LED 다이 방사 프로파일을 램버시안 타입으로부터 오프-법선 피크 세기(off-normal peak intensity)를 갖는 방사 프로파일로 변경함으로써, LED 다이로부터의 수정된 광 방출은 위에 놓인 인광체 층의 더 균일한 조사를 제공할 것이며, 이는 인광체 표면 위에서의 방출된 광의 더 균일한 컬러 분포 및 인광체에 걸친 더 균일한 플럭스 밀도 및 온도를 초래한다.
일 실시예에서, 원하는 세기 분포 프로파일을 생성하도록 LED 다이 위에 렌즈가 부착되거나 몰딩된다. 다른 실시예에서, 중앙 영역에서보다 에지들 부근에서 더 많은 광이 탈출하는 것을 허용하는 부분적 반사기 층이 LED 다이의 상부 표면 위에 형성된다. 다른 실시예에서, 원하는 방출 패턴을 생성하도록 광을 반사시키고 굴절시키는 패터닝된 투명 층이 LED 다이 상부 표면 위에 형성된다. 다른 실시예에서, 원하는 방출 패턴을 생성하도록 광학 층이 LED 다이로부터 떨어져 이격된다.
다음에, 인광체 층(또는 양자 점 층)이 LED 다이 또는 LED 다이들의 어레이 위에 제공된다. 인광체 층은 광-믹싱 박스에서 LED 다이들의 어레이 위에 있는 투명 플레이트에 의해 지지될 수 있거나 자체-지지형(self-supporting)일 수 있다. LED 다이들의 최적 세기 분포 프로파일은 LED 다이들의 피치, 및 LED 다이들과 인광체 층 사이의 거리를 포함하는 인자들에 종속한다.
다른 실시예들이 설명된다.
도 1은 LED 다이 위에 놓이는 인광체 층을 갖는 종래 기술의 LED 다이의 단면도이다.
도 2는 도 1의 LED 다이의 일반적인 램버시안 방출 패턴, 및 상이한 컬러 온도를 나타내는 인광체의 표면에 걸친 결과적인 인광체-변환 방출을 예시한다.
도 3은 LED 다이들을 포함하는 반사성 광-믹싱 박스의 단면도이며, 여기서 인광체 층이 LED 다이들 위에 제공되고, LED 다이들은 그것의 수직 축을 따른 각각의 다이의 플럭스는 감소시키고 소정의 각도에서의 플럭스는 증대시키기 위한 광학 구조체를 포함한다.
도 4는 수직 축을 따른 플럭스는 감소시키고 소정의 각도에서의 플럭스는 증대시키는 LED 다이 위에 장착된 렌즈의 단면도이다.
도 5는 전형적인 치수를 나타내는 도 4의 렌즈의 단면도이다.
도 6은 전형적인 치수를 나타내는 도 4의 렌즈의 하향도(top down view)이다.
도 7은 LED 다이의 수직 축으로부터 대략 70도에서 방출 피크를 갖는 도 4의 구조체에서 출사하는 광의 각도 세기 분포 프로파일(방사 프로파일)을 예시한다.
도 8은 수직 축을 따른 다이의 플럭스는 감소시키고 소정의 각도에서의 플럭스는 증대시키는 중앙 원추형 오목부(central conical indentation)를 가진 상부 굴절성 층을 갖는 LED 다이의 단면도이다.
도 9는 수직 축을 따른 다이의 플럭스는 감소시키고 소정의 각도에서의 플럭스는 증대시키는 상부 반-반사성 층(top semi-reflective layer)을 갖는 LED 다이의 단면도이다.
도 10은 도 3과 유사하지만, 인광체가 광-믹싱 박스에서의 LED 다이를 캡슐화한다.
도 11은 측부 방출을 증가시키는 상부 반사성 층을 갖는 LED 다이의 단면도이다.
도 12는 증가된 광 추출을 위해 투명 돔으로 캡슐화되는 도 11의 LED 다이를 예시한다.
도 13a, 도 13b 및 도 13c는 투명 기판의 상이한 두께들 및 반사기 층의 상이한 반사율들에 대하여 도 11의 측부-방출 LED에 대한 시뮬레이션된 세기 분포 프로파일들이다.
도 14는 LED 다이들을 포함하는 광-믹싱 박스의 단면도이며, 여기서 LED 다이들과 인광체 층 사이에 배치된 광학 시트는, 수직 축을 따른 다이의 플럭스는 감소시키고 소정의 각도에서의 플럭스는 증대시키는 피처들을 갖는다.
동일하거나 유사한 요소들은 동일한 번호로 라벨링된다.
도 3은 광-믹싱 박스(36)의 반사성 베이스(34) 상에 장착되는 LED 다이들(30A, 30B 및 30C)(집합적으로 LED 다이들(30))을 예시한다. 광-믹싱 박스(36)의 형상은 직사각형, 원형 또는 임의의 다른 형상일 수 있다. 광-믹싱 박스(36)의 측벽들(38)은 또한 반사성이며, 확산 반사성 또는 경면 반사성(예를 들어, 미러 층으로 코팅됨)일 수 있거나 또는 부분적 확산 및 경면 반사율의 특성들을 가질 수 있다. 베이스(34)도 또한 확산 반사성일 수 있다. 확산 반사성의 경우, 벽들(38) 및 베이스(34)는 높은 다공성을 갖는 알루미나 세라믹 재료로 형성될 수 있거나, 금속 산화물 입자들(예를 들어, 티타늄 이산화물, 지르코늄 산화물 또는 알루미늄 산화물)과 같은 산란 입자들을 포함하는 층으로 코팅될 수 있다.
다른 실시예에서, 측벽들(38)은 반사성이 아니라, 투과성 또는 확산 투과성이다. 인광체는 광이 벽들(38) 및 박스(36)의 상부를 통해 출사하도록 벽들(38)을 형상추종적으로(conformally) 커버할 수 있다.
베이스(34) 상에 형성된 금속 패드들(도시되지 않음)은 LED 다이들(30)을 에너자이징(energizing)하기 위해 LED 다이들(30)의 각각의 애노드 및 캐소드 전극들에 전기적으로 접속된다. LED 다이들(30)은 직렬로, 병렬로, 또는 직병렬 또는 네트워크의 임의의 적합한 조합으로 접속될 수 있다. 광-믹싱 박스(36)는 요구된 밝기에 필요한 LED 다이들의 개수에 종속하여 임의의 크기일 수 있다. 광-믹싱 박스(36)의 면적(풋프린트)은 애플리케이션에 종속하여 5㎟ 내지 1㎡ 또는 그 이상일 수 있다. 박스(36)의 높이는 LED 다이들(30)의 상부와 출사 윈도우 사이의 갭을 제어하기 위해 조정될 수 있다. 이 갭(39)은 0.1㎜ 정도로 작을 수 있고, 원하는 광 믹싱을 달성하기 위해 선택될 수 있다. 예시적인 가이드라인은 갭(39) 또는 측부(38)의 높이를 LED 다이의 최대 치수에 비례하게 배열하는 것이다. 높이 또는 갭(39)에 대한 하나의 예시적인 비율은 LED 다이의 최대 측부 치수의 0.1배 내지 LED 다이의 최대 측부 치수의 5배의 범위일 수 있다. 높이 또는 갭(39)은 또한 LED 다이들(30)의 피치에 종속할 수 있다. 타겟 컬러 균일성을 달성하기 위한 최적의 높이들 또는 갭들은 시뮬레이션 또는 실험에 의해 결정될 수 있다. 광-믹싱 박스에 단일의 LED 다이가 존재하거나, 선형, 2차원 또는 원형 어레이로 배열된 복수의 LED 다이(30)가 존재할 수 있다.
LED 다이들(30) 바로 위에는, LED 다이들(30) 중 하나 이상에 의해 방출되는 광의 파장에 대해 투명하거나 반투명한 지지 플레이트(40)가 있다. 지지 플레이트(40)는 인광체(42)의 층을 지지할 수 있다. 지지 플레이트(40)는 유리 또는 세라믹 재료, 예컨대 반투명 알루미나 또는 사파이어를 포함할 수 있다. 지지 플레이트(40)는 실질적으로 평탄하거나 만곡형, 예컨대 볼록형일 수 있으며, 바람직하게는 일정한 두께를 갖는다. 다른 실시예에서, 인광체(42) 층은 지지 플레이트(40) 없이 자체-지지되도록 충분한 기계적 강도를 가질 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 지지 플레이트(40)는 제거될 수 있다. 일 실시예에서, 인광체(42)는, 특정 애플리케이션을 위해 광 출사 윈도우에 걸쳐 요구된 컬러 균일성 및 다른 인자들에 종속하여, LED 다이들(30) 위의 0.1㎜ 내지 LED 다이들(30) 위의 1㎝에서의 아무데나 서스펜딩된다(suspended). LED 다이들(30)과 플레이트(40) 사이의 갭은 에어(또는 다른 가스)를 포함할 수 있거나, 투명 재료, 예컨대 양호한 열 전도성을 갖는 실리콘 또는 다른 투명 재료로 채워질 수 있다.
일 실시예에서, 청색 광으로 조명되거나 "펌핑"될 때에 황색 광을 방출하는 인광체(42) 및 청색 LED들(30)을 이용하는 것에 의해 백색이 발생된다. 일부 청색 광은 인광체 층(42)을 통해 "누설"되어, 황색 광과 결합하여 백색 광을 생성한다. 다른 실시예들에서, 인광체(42)는 청색 광에 의해 "펌핑"될 때에 적색 광을 방출하는 적색 인광체들을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 인광체(42)는 LED들(30)로부터의 청색 광과 결합되는 적색 및 녹색 광을 방출할 수 있다.
다른 실시예에서, 인광체(42)는 지지 플레이트(40)의 하부 표면 상에 있으며, 지지 플레이트(40)는 인광체(42)를 보호하는 역할을 한다. 이 구성에서, 지지 플레이트(40)는 LED들(30) 중 하나 이상에 의해 방출되는 광 및/또는 인광체(42)로부터 방출되는 광의 파장에 대해 투명하거나 반투명하다.
각각의 LED 다이(30)에 대한 (극 좌표에서의) 각도 세기 분포 프로파일(44)에 의해 도시된 바와 같이, 각각의 LED 다이(30)는, LED 다이의 수직 축 방향의 LED 다이의 방출(플럭스)은 감소시키고 오프-수직 축 방출은 증대시키는 광학 구조체(다른 도면들에 도시됨)를 포함한다. 광학 구조체가 없는 경우, 각각의 LED(30A 내지 30C)에 대한 세기 분포 프로파일은 도 2의 것과 닮을 것이다. 세기 분포 프로파일은, 인광체(42) 상에 충돌하는 LED 다이들(30)로부터의 광이 인광체(42)의 넓은 영역에 걸쳐 대략 균일한 조도를 초래하도록 특정 애플리케이션에 대해 선택된다. 인접한 LED 다이들(30)로부터의 광과 광-믹싱 박스(36)의 표면들로부터 반사된 광의 조합은 인광체(42)에 충돌하는 결합된 광을 인광체(42)의 전체 표면에 걸쳐 실질적으로 균일하게 한다.
따라서, 도 3의 설계를 이용함으로써, 인광체(42)에서 출사하는 광은 인광체(42)에 걸쳐 컬러 및 밝기를 실질적으로 균일하게 할 것이고, 인광체(42)에 걸친 온도는 실질적으로 균일할 것이다. 추가적으로, 광-믹싱 박스(36)에서의 광의 믹싱은 컬러, 밝기 및 온도 균일성을 더 개선한다.
이에 반해, LED 다이들(30) 상에 광학 구조체가 없는 경우, 인광체(42)의 상부 표면에서 출사하는 광은 (청색 LED와 YAG 인광체를 가정하면) 각각의 LED 다이(30)의 수직 축을 따라 더 청색일 것이며, 각각의 LED 다이(30)의 수직 축을 따른 인광체(42)의 온도는 다른 영역들에서보다 더 뜨거울 것이다. 이들 국소화된 더 뜨거운 영역들은 핫스폿들이라고 지칭된다.
광 믹싱의 양을 증가시키기 위해 광-믹싱 박스의 높이를 증가시키는 것에 의해 (램버시안 방출 패턴들을 가진) 정규 LED 다이들을 갖는 광-믹싱 박스의 출사 윈도우에 걸쳐 조도 분포의 균일성을 증가시키는 것도 가능하다. 그 접근법의 단점은, 광-믹싱 박스의 부피가 너무 커지게 될 것이고 다수의 반사가 광 출력을 감소시킬 것이라는 점이다. 본 발명을 이용하는 것에 의해, 광-믹싱 박스(36)는 컬러 균일성에서의 어떠한 감소 없이 더 얕게 제조될 수 있다. 시뮬레이션에서, 본 출원인은, 본 발명을 이용하는 것에 의해, 16개의 LED 다이를 포함하는 3mm 높이의 원형 광-믹싱 박스 방출에 대한 컬러 균일성이 종래 기술의 기법을 이용하는 5mm 높이의 광-믹싱 박스에 의해 달성되는 컬러 균일성과 동등했다고 결정하였다.
도 4는 도 3에서의 세기 분포 프로파일(44)과 같은 적합한 세기 분포 프로파일을 생성할 수 있는 하나의 타입의 몰딩된 렌즈(48)를 예시한다. 도 5는 렌즈(48)의 일부 예시적인 치수들을 밀리미터 단위로 식별한다. LED 다이의 치수들에 대한 이들 치수의 스케일러블 버전은 유사한 결과를 생성할 것이다. 도 6은 렌즈(48)의 다양한 에지들(50, 51, 52 및 53) 및 밀리미터 단위의 다양한 예시적인 치수들을 도시하는 렌즈(48)의 하향도이다. 에지(50)는 둥근 외측 에지이다. 에지(51)는 렌즈 베이스의 원형 에지이다. 에지(52)는 렌즈의 원형 상부 에지이다. 그리고 에지(53)는 렌즈의 내측 공동(55)의 에지이다. 렌즈(48)는 실리콘 몰딩에 의해 제조될 수 있다. 렌즈(48)는 LED 다이(30) 위에 부착된다. 렌즈(48)의 하부 표면은 광 박스(36)의 반사성 베이스(34)에 부착될 수 있거나, LED 다이(30)가 장착되는 서브마운트 표면에 부착될 수 있다.
렌즈(48)의 다양한 계면들에서의 굴절률들의 차이는 광의 굴절을 야기시킨다. 도 7은 법선으로부터 대략 70도에서 방출 피크를 갖는 도 4의 구조체의 2개의 샘플에서 출사하는 광의 세기 분포 프로파일을 예시한다. 피크 세기의 최적 각도는 LED 다이 피치 및 렌즈(48)의 상부로부터의 인광체(42)의 거리에 종속한다. 최적 각도는 시뮬레이션 또는 실험에 의해 결정될 수 있다.
일부 애플리케이션들에서, (LED 다이의 크기에 종속하여, 6㎜를 초과할 수 있는 높이를 갖는) 렌즈(48)를 이용하면, 너무 깊거나 너무 큰 광-믹싱 박스가 요구될 수 있다. 더 얕은 광-믹싱 박스의 이용을 가능하게 하는 일부 다른 광학 기법이 아래에 설명된다.
도 8은 LED 반도체 층(60)으로부터 원하는 세기 분포 프로파일을 생성하는 다른 타입의 광학 구조체를 예시한다. 도 8에서, LED 다이(56)는 플립 칩이다. 투명 성장 기판(58)(예를 들어, 사파이어)은 LED 반도체 층(60) 상에 남겨지며, 애노드 전극(62) 및 캐소드 전극(64)은 서브마운트 또는 반사성 베이스(34) 상의 대응 금속 패드들에 본딩된다. 세기 분포 프로파일(44)에 의해 도시된 바와 같이, 수직 축을 따라 방출되는 광은 감소시키고 소정의 각도로 방출되는 광은 증대시키는 원추 형상 오목부(68)를 갖는 투명 층(66)이 기판(58)의 상부 표면 상에 제공된다. 층(66)은 몰딩된 실리콘 또는 다른 재료일 수 있다. 층(66)은 실리콘 접착제에 의해 기판(58)의 상부에 부착될 수 있거나, 기판(58) 바로 위에 몰딩될 수 있다. 대안적으로, 오목부(68)는, 추가적인 층(66)이 요구되지 않도록 기판(58) 내로 직접 통합될 수 있다.
다른 실시예에서, 기판(58)은 LED 반도체 층(60)에 부착되는 유리 층 또는 다른 투명 층에 의해 대체된다. 기판(58) 또는 유리 층은, 바람직하게는 LED 반도체 층(60)으로 다시 반사되는 것을 최소화하기 위해 LED 반도체 층(60)의 최대 선형 치수의 길이 정도의 두께를 가져야 한다.
도 9는 LED 다이(70)의 상부 표면 상에 형성된 반-반사성 층(72)을 갖는 LED 다이(70)를 예시한다. 층(72)은 LED 반도체 층들 위의 기판 층에 부착될 수 있다. 층(72)은 작은 도트들의 패턴 또는 바둑판형 패턴으로 퇴적된 불투명한 반사성 재료로 형성될 수 있는데, 여기서 중심 영역에서의 LED 다이(70)로 더 많은 광을 다시 반사시키기 위해 중심 영역에서 반사성 도트들의 더 높은 밀도가 존재한다. LED 다이(70)로 다시 반사되는 광은 궁극적으로 리사이클링되어, 다른 방향들로 LED 다이(70)로부터 반사된다. 결과적인 세기 분포 프로파일(44)이 도시된다. 층(72)은 또한 이색성 필터 층일 수 있거나, 많은 얇은 유전체 층으로 형성되는 브래그 반사기일 수 있는데, 여기서 경사진 광에 대한 것보다 LED 다이 표면에 수직으로 방출되는 광에 대해 더 높은 반사가 존재한다. 이는 세기 분포 프로파일(44)을 초래할 것이다.
다른 실시예에서, 층(72)은, 상부 표면으로부터 방출되는 광의 양은 감소시키고 구조체의 측부 표면들로부터 방출되는 광의 양은 증가시키기 위해 입사 광의 일부를 역방향 그리고 측방향으로 산란시키는 체적 산란 층(volume scattering layer)과 같은 확산성 층일 수 있다.
도 8 및 도 9에서, LED 다이의 상부에서의 광학 구조체는 수직 축을 따른 광의 양을 더 감소시키기 위해 LED 반도체 층들의 에지들에 걸쳐 연장될 수 있다.
대안적인 실시예에서, 바람직한 세기 분포 프로파일(44)은 수직 축으로부터 대략 25도 내지 45도의 피크 세기를 갖는데, 여기서 피크 세기의 최적 각도는 LED 다이들의 피치, 및 LED 다이들의 상부 표면으로부터의 인광체의 거리에 종속한다. 이러한 피크 세기의 각도들은, 예컨대 LED 다이들의 상부 위로 2㎜ 내지 5㎜의 높이에 있는 얕은 광-믹싱 박스(36)에 대해 적절할 수 있다.
도 10은 (세기 분포 프로파일(44)을 생성하는) 본 명세서에 설명된 광학 구조체들 중 임의의 광학 구조체를 갖는 광 박스(36)에서의 도 3의 LED 다이들(30A, 30B 및 30C)를 예시하지만, (빗금으로 도시된) 인광체(76)는 LED 다이들(30) 중 하나 이상을 캡슐화한다. 인광체(76)는, 원하는 방출 컬러, 투명 바인더에서의 인광체 입자 밀도 및 다른 인자들에 종속하여, 임의의 레벨에 이르기까지 광-믹싱 박스(36)를 채울 수 있다. 도 4의 실리콘 렌즈(48)가 이용되는 경우, 이 렌즈가 광을 바람직한 방향으로 굴절시키는 것을 가능하게 하도록 인광체 바인더 재료의 굴절률(전형적으로 약 1.4)은 실리콘 렌즈의 굴절률(전형적으로 1.53)보다 낮은 것이 바람직하다. LED 다이들 중 수개는 인광체 층을 통해 적색 광 스펙트럼의 좁은 부분을 방출하기 위한 적색 LED 방출기일 수 있는 한편, 다른 LED 다이들은 인광체 층을 여기시키는 청색 또는 UV-방출형일 수 있다. 다른 대안에서, 위에서 설명된 바와 같이, 인광체는 청색 광에 의해 조명될 때에 적색 광을 방출할 수 있다.
LED 다이(30)는 본 명세서에 설명된 광학 구조체들 중 임의의 광학 구조체를 포함한다. 광-믹싱 박스(36)로부터의 광 방출은 광-믹싱 박스(36)의 광 출사 영역에 걸쳐 실질적으로 균일할 것이다.
다른 실시예에서, 광-믹싱 박스(36)에 장착된 LED 다이들(30A, 30B 및 30C) 중 하나 이상으로부터의 광은 인광체-변환되지 않고, 일반적인 램버시안 방출을 갖는다. 예를 들어, LED 다이(30A)는 일반적인 램버시안 방출을 갖는 통상의 적색-방출 LED 다이일 수 있고, LED 다이(30B)는 녹색 인광체가 위에 놓이는 청색-방출 다이일 수 있으며, LED 다이(30C)는 어떠한 인광체도 위에 놓이지 않는 통상의 청색-방출 다이일 수 있다. 적색 광, 녹색 광 및 청색 광의 조합은 백색 광을 생성한다. 광-믹싱 박스(36)는 광을 믹싱한다. 다음에, 광-믹싱 박스(36)를 채우는 인광체(76)는 제거될 수 있으며, 확산기는 박스(36)의 광 출사 윈도우 위에 위치될 수 있다.
다른 실시예에서, LED 다이(30A)는 일반적인 램버시안 방출을 갖는 통상의 적색-방출 LED 다이일 수 있고, LED 다이(30B)는 YAG 인광체가 위에 놓이는 청색-방출 다이일 수 있으며, LED 다이(30C)는 YAG 인광체가 위에 놓이는 다른 청색-방출 다이일 수 있다. 인광체(76)는 제거될 수 있다. 적색 광은 컬러 렌더링이 개선되는 "더 따뜻한(warmer)" 백색 광을 생성한다.
도 11은 LED 반도체 층들(60), 투명 성장 기판(58), 및 은 층과 같은 반사기 층(80)을 포함하는 LED 다이(78)를 예시한다. 반사기 층(80)은 반도체 층들(60)에 의해 방출되는 광을 반사시키거나 부분적으로 반사시킨다. 기판(58)을 더 두껍게 함으로써, 세기 분포 프로파일(81)이 도 3에서의 세기 분포 프로파일(44)에 접근하도록 측방향 방출의 각도들의 범위를 변화시키는 것이 가능하다. 분포 프로파일(81)은, 하부 LED 전극들 및 베이스(34)가 광의 일부를 반사시키므로 일반적으로 상방 및 측부로 향한다. 기판(58)(또는 다른 투명 층)의 두께는 원하는 세기 분포 프로파일을 달성하기 위해 0.1 내지 2㎜ 또는 그 이상일 수 있다. 일 실시예에서, 기판(58)의 상부 표면은 방출 각도들의 범위를 증가시키도록 광을 더 확산시키기 위해 에천트(또는 다른 조면화 기법)를 이용하여 패터닝된다. 반사기 층(80)이 충분히 얇게 제조되는 경우, 광의 일부 부분은 세기 분포 프로파일(44)에 더 가깝게 접근하도록 반사기 층(80)을 통과할 것이다.
다른 실시예에서, 반사성 층(80)은, 상부 표면으로부터 방출되는 광의 양을 감소시키고 기판(58)의 측부 표면들로부터 방출되는 광의 양을 증가시키기 위해서 입사 광의 일부를 역방향으로 그리고 측방향으로 산란시키는 체적 산란 층과 같은 확산성 층일 수 있다.
도 12는 증가된 광 추출을 위해 투명 돔(82)에 캡슐화되는 도 11의 LED 구조체를 예시한다. 인광체 층에 걸쳐 더 균일한 컬러 방출을 달성하기 위해서 위에 놓인 인광체 층을 갖는 도 12의 복수의 LED 구조체가 본 명세서에 설명된 광-믹싱 박스들(36)에 장착될 수 있다.
도 13a, 도 13b 및 도 13c는 투명 기판(58)의 상이한 두께들 및 반사기 층(80)의 상이한 반사율들에 대하여 도 11의 측부-방출 LED(78)에 대한 시뮬레이션된 세기 분포들이다. 알 수 있는 바와 같이, 반사율을 감소시키는 것(도 13b) 및 더 많은 광이 반사기 층(80)을 통과하는 것을 허용하는 것은 수직 축을 따른 세기를 증가시킨다. 또한, 기판(58)의 두께를 감소시키는 것(도 13c)도 또한 수직 축을 따른 상대 세기를 증가시킨다.
도 14는 광 추출을 개선하기 위해 돔(86)에 각각 캡슐화되는 통상의 LED 다이들(84A, 84B 및 84C)을 예시하며, 여기서 원하는 세기 분포 프로파일(44)을 생성하기 위한 광학 구조체는 정규 램버시안 방출을 세기 분포 프로파일(44)로 변환하는 패턴을 갖는 광학 구조체(90)를 갖는 이격된 광학 시트(88)이다. 패턴은, 시트(88)에서 리세싱되거나 돌출한, 프리즘, 피라미드, 원추, 프레넬 렌즈 또는 V-홈들을 하나 이상의 방향으로 포함할 수 있다. 패턴에서의 피처들은 광을 측방향으로 휘게 하기 위해서 전형적으로 하방을 향한다. LED 다이의 방출은 광-믹싱 박스의 반사성 표면들에 의해 추가적으로 믹싱된다. 투명 지지 플레이트(94) 상에 지지된 인광체(92)는 믹싱된 LED 다이의 방출의 일부를 다른 스펙트럼 범위로 파장 변환한다. 결과는, 인광체(92)의 상부 표면에 걸쳐 실질적으로 균일한 조도 및 컬러 분포이다. 특히 홈 구조체들이 이용될 때, 광학 시트(88) 대신에 이용되는 광학 층들의 스택도 또한 존재할 수 있다. 예를 들어, 제1 광학 층은 제1 방향으로 연장되는 홈들을 갖고, 제2 광학 층은 제1 방향에 수직인 방향과 같은 제2 방향으로 연장되는 홈들을 갖는다. 에어 갭과 같이 바람직하게는 양 광학 시트 사이에 낮은 굴절률 재료가 존재한다.
다양한 실시예들에서, 원하는 컬러를 달성하기 위해 다수의 인광체 층이 이용될 수 있다. 예를 들어, 하나의 인광체는 LED 다이들 위에 코팅될 수 있는 한편, 상이한 인광체는 LED 다이들로부터 떨어져 이격될 수 있다. 또는, 도 3의 경우, 하나의 인광체는 지지 플레이트(40)의 일 측 상에 형성될 수 있고, 다른 인광체는 지지 플레이트(40)의 다른 측 상에 형성될 수 있다. 상이한 인광체들은 또한 위에 놓인 층들로서 형성될 수 있다.
LED 다이들이 레이저 LED 다이들인 경우, 그들의 수직 축의 방출 방향성은 통상의 LED 다이들의 것보다 훨씬 더 크다. 세기 분포 프로파일(44)을 생성하기 위해 레이저의 상부 표면 위에 (회절을 위한) 표면 격자, 브래그 격자, 홀로그램 및 홀로그램 확산기와 같은 광학 구조체들을 제공함으로써, 인광체 "인근의" 오버헤드의 조명이 더 균일할 것이며, 위에 설명된 이득들이 동등하게 적용된다.
본 명세서에 제시된 모든 인광체 층들은 파장 변환을 위해 양자 점 층, 유기 또는 무기 인광체, 또는 이들의 조합들로 대체되거나 증대될 수 있다.
이격된 파장 변환 층과 조합하여 광학 구조체를 이용한 결과로서, 이 층 상의 "핫스폿들" 감소로 인해 컬러 및 플럭스 균일성이 개선될 뿐만 아니라, 더 높은 양자 효율이 달성되고, 이는 변환 층의 더 낮은 국소 및 전체 온도를 초래한다. 또한, 국소적인 플럭스 밀도의 감소된 피크 값들로 인한 변환 층의 열화가 더 적으며, 이는 증대된 루멘 출력 및 루멘 유지보수(안정성 및 신뢰성)를 초래한다.
본 발명의 특정 실시예들이 제시되고 설명되었지만, 본 발명의 더 넓은 양태들에 있어서 본 발명으로부터 벗어나지 않으면서 변경들 및 수정들이 이루어질 수 있으며, 따라서 첨부 청구항들은 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 그러한 모든 변경들 및 수정들을 포함하는 것이라는 점이 점이 본 기술분야의 통상의 기술자에게 자명할 것이다.

Claims (20)

  1. 발광 디바이스로서,
    제1 발광 다이오드(LED) 반도체 층들을 포함하는 적어도 하나의 플립 칩 LED 다이 - 상기 제1 LED 반도체 층들은 상부 발광 표면을 가지며, 상기 제1 LED 반도체 층들은 제1 피크 파장을 갖는 광을 발생시킴 -;
    상기 제1 LED 반도체 층들의 상부 발광 표면 위에 놓이며, 상기 상부 발광 표면으로부터 떨어져 이격되는 제1 파장 변환 층;
    상기 제1 LED 반도체 층들과 상기 파장 변환 층 사이에 있으며, 상기 파장 변환 층으로부터 제1 갭만큼 이격되는 제1 광학 구조체 - 상기 제1 광학 구조체는 상기 상부 발광 표면에 대한 수직 축(normal axis)을 따른 상기 제1 LED 반도체 층들의 광 방출은 감소시키며 상기 수직 축에 대한 소정 각도에서의 광 방출은 증대시켜, 제1 광 방출 프로파일을 생성함 -; 및
    상기 제1 LED 반도체 층들, 상기 제1 광학 구조체, 및 상기 제1 파장 변환 층을 포함하는 반사성 광-믹싱 챔버 - 상기 광-믹싱 챔버는 반사성 베이스 및 적어도 하나의 반사성 측벽을 포함함 -
    를 포함하고,
    상기 제1 LED 반도체 층들과 상기 제1 광학 구조체의 조합에 의해 발생되는, 상기 제1 광 방출 프로파일을 갖는 광이 상기 제1 파장 변환 층 상에 충돌하고,
    상기 광의 일부는 상기 제1 파장 변환 층을 통과하고, 상기 광의 일부는 상기 제1 피크 파장과는 상이한 파장의 광으로 변환되고,
    상기 제1 광학 구조체는 상기 제1 LED 반도체 층들 위에 형성된 투명 층을 포함하고, 상기 투명 층은 상기 제1 LED 반도체 층들의 중심 부분 위의 원추형 오목부(conical indentation)를 갖는 것을 특징으로 하고,
    상기 발광 디바이스는, 상기 제1 LED 반도체 층들에 부착되고 상기 제1 LED 반도체 층들과 상기 제1 광학 구조체 사이에 제공되는, 고체 투명 층을 더 포함하고, 상기 고체 투명 층의 두께는 상기 제1 LED 반도체 층들의 최대 선형 치수의 길이와 동일한 것을 특징으로 하는, 발광 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 파장 변환 층은 평탄한 층인 발광 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 파장 변환 층은 인광체 층을 포함하는 발광 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    적어도 제2 LED 반도체 층들;
    상기 제2 LED 반도체 층들 위에 놓이는 제2 광학 구조체; 및
    상기 제1 LED 반도체 층들, 상기 제1 광학 구조체, 상기 제1 파장 변환 층, 상기 제2 LED 반도체 층들 및 상기 제2 광학 구조체를 포함하고, 상기 제1 LED 반도체 층들 및 상기 제2 LED 반도체 층들로부터의 광을 믹싱하기 위한 반사성 광-믹싱 챔버 - 상기 제2 광학 구조체는 상기 제1 파장 변환 층에 걸쳐 충돌하는 광의 균일성을 개선함 -
    를 더 포함하는 발광 디바이스.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 파장 변환 층은 상기 제1 LED 반도체 층들과 상기 제2 LED 반도체 층들 양쪽 모두의 위에 놓이는 발광 디바이스.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2 LED 반도체 층들은 상기 제1 피크 파장과는 상이한 제2 피크 파장을 갖는 광을 발생시키는 발광 디바이스.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1 광학 구조체와 상기 제2 광학 구조체는 단일 시트의 부분들인 발광 디바이스.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제2 광학 구조체는, 상기 제2 LED 반도체 층들이 상기 제2 광학 구조체와 조합하여 상기 제1 광 방출 프로파일과 동일한 제2 광 방출 프로파일을 생성하도록 상기 제1 광학 구조체와 동일하고, 상기 제1 광 방출 프로파일을 갖는 광과 상기 제2 광 방출 프로파일을 갖는 광은 상기 챔버에서 믹싱되는 발광 디바이스.
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