KR102364943B1 - Led 조명 유닛 - Google Patents

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프리츠 헬무트 찬
올렉산드르 발렌티노비치 브도빈
야코부스 요하네스 프란시스쿠스 게라르두스 호이츠
마리아 요하나 헬레나 산더-요헴
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Abstract

LED 조명 유닛은 지지 구조체(14), 지지 구조체 내에 장착된 LED-기반 발광 구조체(10) 및 지지 구조체의 상부 위의 광학 빔 성형 배열체(50, 52)를 포함한다. 광학 빔 성형 배열체는 광학적으로 투명하고 열적으로 안정한 재료를 포함하고, 지지 구조체는 LED-기반 발광 구조체 위에서 작은 높이로 마이크로구조화 층을 지지한다. 이 높이는 예를 들어 0.5㎜ 미만일 수 있다. 광학 빔 성형 배열체는 소형이고 낮은 높이의 조명 유닛이 광학 빔 성형 소자에 손상을 주지 않고 리플로우 납땜에 의해 캐리어 상에 장착될 수 있게 한다.

Description

LED 조명 유닛{LED LIGHTING UNIT}
본 발명은 예를 들어, 이동 전화기들 또는 태블릿들 및 랩톱 컴퓨터들과 같은 다른 휴대용 이동 디바이스를 위한 플래시 유닛들과 같이, 카메라 또는 비디오 플래시 응용들에 사용하기 위한 LED 조명 유닛들에 관한 것이다.
LED 조명 유닛들은 소형화하는 경향이 있다. 소형 LED 조명 유닛은 예를 들어 3㎜ 미만의 패키지 높이 및 100㎟ 미만의 면적을 갖는 출력 애퍼처를 갖는 조명 유닛으로 고려될 수 있다. 이런 유형의 소형 조명 유닛은 이동 전화기와 같은 휴대용 디바이스 내로 통합될 수 있다.
플래시 LED 패키지들과 같은 소형 LED 조명 유닛들은 전형적으로 LED 패키지와의 통합을 통해 직접 또는 렌즈들 및 LED 패키지를 위한 별도의 하우징으로 프레넬 광학 렌즈들과 조합된, 약 5000-6500K의 색 온도에서 일반적으로, 백색 광을 발생하기 위한 고 출력 LED들로 이루어진다.
이들 패키지는 전형적으로 백색 포인트를 생성하기 위해 방사의 부분을 녹색-적색 스펙트럼 범위로 변환하는 인광체 층으로 덮인 고 출력 청색 LED를 사용한다. 청색 LED는 전형적으로 1㎟ 크기를 갖고 세라믹 지지 기판 상에 장착된다. LED 기판의 총 외부 치수들은 예를 들어 전형적으로 1.6×2.0㎜이다. 일부 패키지들은 인광체 층으로 인해 매우 황색으로 나타나고; 다른 패키지들은 LED 인광체의 상부 및 주위에 백색의 산란 재료를 몰딩함으로써 훨씬 더 백색으로 나타나게 된다. 고객들은 프레넬 렌즈에 의해 확대될 때 황색으로 나타나는 것을 싫어하는 경향이 있으므로 오프-상태-백색(off-state-white)(OSW)으로 나타나는 패키지가 때때로 추가되는 백색 산란 층들에 의해 효율이 감소되더라도 선호된다.
이런 유형의 플래시 LED들은 예를 들어 이동 전화 응용들에서 플래시 유닛들로서 적용된다. 카메라에 의해 캡처된 4:3 또는 16:9 장면 상에 광을 집중시키기 위해, 세기의 램버시안 각도 분포를 초기에 갖는, 플래시 LED의 광은 프레넬 렌즈에 의해 시준된다. 이것은 LED 패키지 및 별도의 프레넬 렌즈를, 예를 들어 약 3㎜의 전형적인 높이를 갖는 패키지 어셈블리 내로 클램프함으로써 달성될 수 있다. 위에 언급된 바와 같이, 프레넬 렌즈가 대신에 하나의 통합된 보다 소형의 유닛으로서 얇은 PCB 상으로 LED 패키지와 조합될 수 있다.
도 1은 상부 표면 상에 프레넬 렌즈 광학 구조체를 갖는 LED 조명 유닛(1)을 도시한다. 렌즈는 얇은 PCB 상의 LED 패키지 주위에 몰딩되고 이것은 예를 들어 2.2㎜의 감소된 빌드 높이를 달성할 수 있다.
프레넬 렌즈의 한 예는 LED에 의해 방출된 광을 시준하기 위해 렌즈의 중심에서 광을 굴절시키고 렌즈의 주변부에서 광을 상향으로 반사하는 패싯들의 형태로 된 광학 요소들을 포함한다. 모두-굴절하는 렌즈들도 또한 가능하다.
프레넬 렌즈는 렌즈로서 적절히 동작하기 위해 LED로부터 소정의 최소 거리에 위치될 필요가 있고 프레넬 렌즈의 광학 중심과의 LED의 위치의 세심한 정렬이 필요하다.
프레넬 렌즈를 갖는 플래시 LED의 빌드 높이는 이동 전화기 제조자들에게는 매우 중요한데 왜냐하면 이동 전화기들을 더욱더 얇게 하고 특히 깊이 방향에서, 전화기 내부의 소자들을 위해 더욱더 적은 공간을 사용하게 하는 것이 차별되는 추세이기 때문이다. 전화기에서의 소자들의 빌드 높이들의 타개책들이 그러므로 매우 중요하다.
물리적 치수 제한들에 부가하여, 플래시 LED 패키지에 의해 방출된 빔 프로필에 대한 특정한 요건들이 있다. 이들 요건은 카메라에 의해 캡처된 장면의 조명에 관한 것이고 예를 들어 스크린 상에 광을 투사함으로써 측정될 수 있다.
공지된 프레넬 렌즈 설계를 사용하는 플래시 유닛은 몇 가지 제한들을 갖는다. 위에 지적된 바와 같이 프레넬 렌즈와 LED 소스 사이에 요구되는 기본 거리가 있다. 패키지를 더 얇게 하기 위해, 렌즈 및 LED 패키지의 측방향 치수들은 스케일 다운될 필요가 있다. 이것은 발생될 수 있는 광의 양에 제한들을 주는, 더 작은 LED를 의미한다. 예를 들어, 1×1㎟의 전형적인 LED 다이를 위해 프레넬 렌즈들을 갖는 빌드 높이는 약 2㎜로 제한된다.
이러한 작은 빌드 높이들을 갖는 문제는 광학 소자(프레넬 렌즈 또는 다른 시준 광학계)가 유닛이 하부 회로 보드 상에 장착되는 위치에 매우 가깝다는 것이다. 리플로우 납땜이 회로 보드 상에 LED 유닛을 장착하기 위해 사용되면, 광학 소자들은 광학 소자 설계에 의해 쉽사리 용인되지 않을 수 있는 높은 온도들에 노출된다.
본 발명은 청구범위에 의해 정의된다.
본 발명에 따르면,
지지 구조체;
지지 구조체 내에 장착된 LED-기반 발광 구조체; 및
지지 구조체의 상부 위의 광학 빔 성형 배열체를 포함하고,
광학 빔 성형 배열체는 광학적으로 투명하고 열적으로 안정한 재료를 포함하는 마이크로구조화 층을 포함하고, 지지 구조체는 LED-기반 발광 구조체 위에서 LED-기반 발광 구조체의 발광 면적의 제곱근 미만의 높이로 빔 성형 배열체의 마이크로구조화 층을 지지하고,
마이크로구조화 층은 상부 정점에서 만나는 하나 이상의 측면을 각각 갖는 마이크로-요소들의 적어도 하나의 어레이를 포함하고 측면 또는 측면들은 그들의 베이스로부터 상부 정점까지 직선인 LED 조명 유닛이 제공된다.
이 설계는 바람직하게는 리플로우 납땜 동안 조우되는 짧은 지속기간 고온들에 견딜 수 있어서, 작은 유닛 높이를 갖는 경우에도, 그것은 예를 들어, 하부 인쇄 회로 보드에 납땜될 수 있다. 이 리플로우 납땜 동안에, 마이크로구조화 층은 주름 또는 돌출 없이, 그리고 추가적으로 황색화 없이 치수적으로 안정하게(크기 손실이 없게) 남아야 한다. 이것은 폴리카보네이트 베이스 층 상의 아크릴 수지와 같은 일부 통상적인 재료에서는 가능하지 않을 수 있다.
용어 "마이크로구조화(microstructured)"는 ㎜ 규모 이하의 개개의 구조체 치수들을 갖는 작게 형성된 요소들을 나타내는 데 사용된다.
빔 성형 배열체는 입사 광의 부분을 투과하고 시준하는 마이크로-시준 구조체로서 기능할 수 있다. 리지 설계는 광학 시준 기능을 유지하면서 높이가 감소되게 한다. 리지들은 광 재순환 요소들로서 기능한다.
설계는 (주어진 전체 측방향 치수에 대한) LED 방출기의 더 큰 출력 영역의 사용을 가능하게 하므로 보다 많은 광을 발생할 수 있다. 대안적으로 광학 출력의 주어진 크기에 대해, 전체 디바이스는 동일한 광학 출력을 달성하면서 측방향 치수들에 있어서 더 작게 될 수 있다.
마이크로-요소들은 1차원 반복을 제공하는 라인으로 연장하는 리지들(또는 밸리들)일 수 있고, 또는 그들은 2차원 반복을 형성하는 피라미드들일 수 있다. 그들은 또한 베이스로부터 상부 정점까지 연장하는 콘들(그러므로 단지 단일 측면을 가짐)일 수 있다. 모든 경우들에서, 측면 또는 측면들은 베이스로부터 정점까지 직선으로 연장하고, 만곡된 렌징 표면(curved lensing surface)은 없다. 그러므로, 정점들을 통과하는 층에 수직인 평면을 통하는 단면에서, 측면들은 직선이다. 그러나 마이크로구조체가 연장하는 (즉, 층의 평면 내의) 라인들은 직선 또는 만곡될 수 있다.
높이 제한은 LED-기반 발광 구조체의 표면 위의 높이이다. 직접 방출 LED의 경우에, 이 표면은 LED 다이의 표면이다. 백색 인광체-변환 LED가 사용되는 경우에, 높이 제한은 인광체의 상부 표면 위의 높이이다. 사전 패터닝된 사파이어 기판 LED에 대해, 높이는 에피택셜 층 위로 고려된다. 높이는 빔 성형 배열체의 마이크로구조화 층의 하부로 취해진다.
용어 LED는 일반적으로 고상 방출기들, 즉 무기 LED들, 유기 LED들 또는 레이저 다이오드들을 포함하는 발광 다이오드들을 말한다.
예를 들어, 발광 면적이 1㎟이면, 마이크로구조화 층의 높이는 LED-기반 발광 구조체 위의 1㎜ 미만이다.
일반적으로, 높이는 극히 소형의 디바이스를 가능하게 하기 위해 0.5㎜ 미만일 수 있다.
지지 구조체는 LED-기반 발광 구조체와 광학 빔 성형 배열체 사이에 연장하는 반사 측벽들을 포함할 수 있다. 조명 유닛은 다음에 원하는 빔 프로필을 획득하기 위해 광학 빔 성형 배열체를 통해 투과되지 않은 LED 광의 부분을 재순환시키도록 기능한다.
마이크로구조화 층은 실리콘 또는 하이브리드 실리콘 또는 실리케이트(특히 이온 구조체(ionic structure)보다는 T-브랜치된 또는 Q-브랜치된 재료) 또는 하이브리드 실리케이트 또는 졸 겔 재료를 포함할 수 있다. 본원에서 용어 "T 브랜치된"은 3개의 (폴리)실록산 사슬들에 부착된 적어도 하나의 실리콘 원자가 있다는 것을 의미한다. 바람직하게는 이 실리콘 원자는 (폴리)실록산 사슬들 각각의 산소와 화학 결합된다. 본원에서 용어 "Q 브랜치된"은 4개의 (폴리)실록산 사슬들에 부착된 적어도 하나의 실리콘 원자가 있다는 것을 의미한다. 바람직하게는 이 실리콘 원자는 (폴리)실록산 사슬들 각각의 산소와 화학 결합된다. 이들 T-브랜치된 및 Q-브랜치된 구조체는 자체로 공지되어 있고, 예를 들어 EP2599835에 개시된 것과 같다.
T-브랜치된 실리케이트는 실세스퀴옥산이라고 할 수 있다. 이것은 낮은 비용 공정을 사용하여 제조하는 것을 가능하게 하고 그것은 높은 열적 및 광학 안정성을 가능하게 한다. 유리(예를 들어, 주입 몰딩에 의함) 또는 패터닝된 사파이어 플레이트들과 같은 다른 재료들이 대신에 사용될 수 있다.
광학 빔 성형 배열체는 선택적으로 베이스 층 및 베이스 층 위의 마이크로구조화 층을 포함할 수 있다. 베이스 층은 마이크로구조화 층 단독으로 요구된 강성을 갖지 않는 경우에 구조적 강성을 제공한다.
접착 촉진 층은 베이스 층과 마이크로구조화 층 사이에 제공될 수 있다. 접착 촉진 층은 실란, 티타네이트 또는 지르코네이트 함유 재료를 포함할 수 있다. 이들 재료는 순수 형태 또는 실리콘과 같은 또 하나의 안정한 재료와 혼합될 수 있다.
마이크로구조화 층은 제1 굴절률의 제1 재료와 접촉하고 또는 중간 본딩 층을 통해 제1 굴절률의 제1 재료에 본딩될 수 있고, 마이크로구조화 층의 재료는 제1 굴절률보다 큰 0.3 내지 0.65의 굴절률을 갖는다. 이것은 빔 성형 특성들을 제공하기 위해 굴절 또는 반사 모드에서 동작하기 위해 빔 성형 배열체에 대해 필요한 굴절률 차이를 제공한다. 마이크로구조화 층은 대신에 제1 굴절률의 제1 재료의 본딩 부분들 및 부분들을 갖는 부분 본딩 층을 사용하여 LED-기반 발광 구조체에 본딩될 수 있다.
제1 재료는 1.0의 굴절률을 갖는 공기, 또는 1.3 미만의 굴절률을 갖는 낮은 굴절률 층, 또는 1.3 내지 1.6의 굴절률을 갖는 글루 또는 평탄화 층을 포함할 수 있다. 글루 층은 다중의 베이스 층과 마이크로구조화 층 쌍들을 함께 본딩하는 데 사용될 수 있고 평탄화 층은 구조체를 보호하는 데 사용될 수 있다.
또 하나의 배열에서, 마이크로구조화 층은 LED-기반 발광 배열체에 본딩된다.
이 본딩은 LED-기반 발광 배열체의 인광체 층에 될 수 있다. 이것은 최소 높이 패키지가 달성되게 한다. LED 자체는 전형적으로 딱딱하고 들러붙지 않지만, 인광체 층은 자체로 본딩 층으로서 작용할 수 있다. 그러므로, 별도의 본딩 층이 존재하지 않을 때 가장 얇은 패키지가 가능하다. 이 직접 접촉은 빔 성형 기능을 제한하지만 보다 많은 광을 추출하는데 도움을 줄 것이다. 마이크로구조화 층의 굴절률이 본딩 재료의 굴절률보다 높일 때, 빔 성형 기능은 이 굴절률 차이를 증가시킴으로써 더 강해질 것이다.
LED-기반 발광 구조체는
LED 및 LED 바로 위의 인광체; 또는
LED 및 지지 구조체를 채우는 인광체; 또는
LED 및 제1 마이크로구조화 층 아래에 있고 LED와 이격된 인광체 층을 포함할 수 있다.
이들 예 중 일부에서, 인광체 층은 그러므로 LED의 광 출력 면적보다 면적이 더 클 수 있어서, 그 위의 광학 층 또는 층들에 보다 균일한 조명을 제공한다.
유닛은 스택으로 복수의 빔 성형 배열체를 포함할 수 있고, 빔 성형 배열체들 사이에 공기 갭들 또는 빔 성형 배열체들 사이에 접착제를 포함한다.
유닛은 카메라 플래시 유닛을 포함할 수 있고, 본 발명은 또한 카메라 광학 센서 및 본 발명의 플래시 유닛을 포함하는 이동 휴대용 디바이스를 제공한다.
본 발명의 예들이 이제 다음 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명된다:
도 1은 패키지의 상부 표면 상의 통합된 프레넬 렌즈를 갖는 공지된 LED 플래시를 도시하고;
도 2는 고 출력 다이-온-세라믹("DoC") LED 패키지들을 사용하는 LED 플래시의 다양한 예들을 도시하고;
도 3은 다이-온-세라믹 패키지들 및 소위 PSS-기반(사전 패터닝된 사파이어 기판) 기술 패키지들을 사용하는 다른 더 작은 패키지들을 사용하는 LED 플래시의 일부 다른 예들 도시하고;
도 4는 하나의 마이크로구조화 층의 가능한 구조체를 도시하고;
도 5는 보다 분명히 도시한 빔 성형 시준기 설계의 한 예를 갖는 LED 플래시 구조체를 도시하고;
도 6은 점 광원으로부터의 광선 방향들에 대해 하나의 마이크로구조화 층의 영향을 주는 시뮬레이션을 도시하고;
도 7은 PSS 방출기 상의 다양한 패키지 구성들로 실현된 매우 낮은 빌드 높이를 갖는 LED 플래시 소자의 다양한 예들을 도시하고;
도 8은 하나의 패키지 내의 멀티-LED 방출기 플래시 소자의 예를 도시하고;
도 9는 구현될 수 있는 일부 광학 빔 성형 기능들을 도시하고;
도 10은 빔 성형 배열체의 마이크로구조화 층을 위한 2개의 가능한 배향을 도시하고;
도 11은 빔 성형 배열체의 마이크로구조화 층을 위한 2개의 다른 가능한 설계를 도시하고;
도 12는 빔 성형 배열체의 마이크로구조화 층을 위한 2개의 다른 가능한 설계를 도시하고;
도 13은 리플로우 납땜 오븐 온도 프로필의 예를 도시하고;
도 14는 플래시로서 LED 유닛을 사용하는 카메라의 예를 도시하고;
도 15는 광학 층의 2개의 상이한 설계를 사시도로 도시하고;
도 16은 광학 층이 어떻게 광학 재순환 기능을 수행하는지를 도시한다.
본 발명은 지지 구조체; LED-기반 발광 구조체; 및 지지 구조체의 상부 위의 광학 빔 성형 배열체를 포함하는 LED-기반 조명 유닛을 제공한다. 광학 빔 성형 배열체는 열적으로 안정한 마이크로구조화 층을 포함하고, 빔 성형 배열체의 (하부 측)은 LED-기반 발광 구조체 위에 작은 높이로 있다. 이 높이는 LED-기반 발광 구조체(10)의 발광 면적의 제곱근 미만이다. 예를 들어, 1㎟의 발광 면적에 대해, 높이는 1㎜ 미만, 예를 들어 0.5㎜ 미만이다.
광학 빔 성형 배열체는 광학계를 손상시키지 않고서 조명 유닛이 리플로우 납땜에 의해 캐리어 상에 장착되게 하도록 설계된다.
본 발명의 시스템에서 사용된 광학 빔 성형 배열체는 빔 성형 기능을 수행한다. 이 기능은 예를 들어 광이 원하는 시야를 조명하기 위해, 제어된 범위의 출사 각도들로 출사한다는 의미에서, 적어도 부분적인 시준 기능에 근사화할 수 있다. 아래의 예들에서, 광학 기능은 설명의 용이성을 위해 "시준"으로서 아래에 참조되지만, 이것은 제한하는 것으로 고려되지 않아야 한다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어 다양한 빔 성형 기능들은 대칭 또는 비대칭 프리즘형 그루브들과 같은 포일 구조체들, 소스에 향하거나 소스로부터 멀리 향하는 프리즘형/콘형/피라미드형 구조체들의 상이한 유형들로 달성될 수 있다. 이들 빔 성형 기능은 예를 들어 빔 재지향, 또는 배트윙 조명 패턴들을 포함할 수 있다.
본 발명은 예로서 간단히, 출원인에 의해 제안된 것과 같은 일부 LED 유닛 설계들을 참조하여 설명될 것이다. 본 발명은 구체적으로 빔 처리 기능을 수행하는 광학 층의 설계에 관한 것이다. 제공된 예들은 2개의 이러한 광학 층을 포함하지만, 본 발명은 단지 하나의 광학 층을 요구하는 구조체들에 동등하게 적용될 수 있다.
도 2는 광학 빔 성형 배열체(12)로서 기능하는 이중 층 광학 층을 결합시키는 '클릭-온' 캡으로 고 출력 다이-온-세라믹("DoC") LED 패키지(10)를 사용하는 다양한 예들을 도시한다. 이 이중 층 구조체 기능들은 시준 기능과 같은, 빔 성형 기능을 제공한다. 각각의 층은 광원으로부터 멀리 향하는 가늘고 긴 평행 리지들의 규칙적인 어레이의 형태로 된 구조화 층을 포함한다. LED(10)는 반사 믹스 박스 구성을 형성하는 하우징(14)의 베이스에 장착된다.
하우징은 주로 LED(10) 위의 광학 빔 성형 소자들의 장착을 위한 지지 구조체로서 기능하지만, 그것은 선택적으로 또한 LED에 의해 방출된 광을 빔 성형 소자에 지향시키는 데 도움을 준다. 이 목적을 위해, 하우징은 지지를 제공하는 측벽들 및 베이스를 가질 수 있다. 베이스는 다음에 LED를 지지하기 위한 것일 수 있다. 그러나, LED 다이는 자체로 하우징이 다음에 단지 측벽 배열체를 포함하도록 베이스를 정할 수 있다. 이 측벽은 LED 광의 효율적인 전달을 위해 반사성이다.
LED는 예를 들어 세라믹 서브마운트(16)에 부착된 다이인 청색 InGaN 기반 다이오드이다. LED는 후면에 전기적 접점들이 있는 플립-칩 다이일 수 있다. 전기적 접점들이 또한 납땜 패드들을 사용하여 후면에서 전체 어셈블리가 납땜가능하게 하기 위해 세라믹 서브마운트(16)의 후면에 또한 존재하도록 전형적으로 AlN 또는 Al2O3인 세라믹 서브마운트(16) 내에 전기적 비아들이 있다.
이 납땜은 고온에 구조체를 노출시킨다. 예를 들어 리플로우 온도 처리는 폴리카보네이트 및 PET와 같은 많은 재료들의 변형 또는 수축을 야기할 수 있다.
패키지 크기는 1.5㎜ 미만, 예를 들어 1.3㎜ 미만, 및 범위 3 내지 5㎜의 전형적인 폭으로 될 수 있다.
도 2는 인광체 층이 구현되는 방식이 상이한 5개의 예를 도시한다. 인광체 층의 기능은 LED 소스로부터의 청색 방사의 부분을 백색 광 출력을 생성하는 청색 LED 방출기와 조합하여, 녹색/황색 스펙트럼 범위로 변환하는 것이다.
도 2의 (a)는 근접 인광체(18)를 도시한다. 이것은 프레넬 렌즈 기반 플래시 패키지들에서 사용된 통상적인 인광체 기술이다. 인광체는 청색 LED 칩을 직접적으로 덮는다. 이것은 모든 발광 영역들(칩 출력 및 인광체)이 최소 크기를 갖는다는 것을 의미한다. 이것은 방출기를 확대된 광학 빔 성형 구조체가 플래시 동작을 위한 방출된 광을 시준하도록 정렬된 작은 준-점 광원으로 만든다.
도 2의 (b)는 공기 대신에 하우징 내에 오버몰드(overmold)(19)가 있는 동일한 구조체를 도시하고, 그것은 하우징이 반드시 원-피스 구조체(one-piece structure)로 될 필요가 없다는 것을 보여 준다.
도 2의 (c)는 하우징을 채우는 인광체(20)(때때로 구프(goop)로서 공지됨)의 사용을 도시한다. 그것은 점성의 액체로서 디스펜스되고 고체 상태로 경화된다. 인광체는 여전히 LED 칩을 덮지만, 측방향으로 연장하고 전형적으로 더 두꺼운 층으로 도포된다. 소스 영역은 향상되는데 왜냐하면 청색 LED 방출기가 작은 경우에도, 인광체 층의 방출은 더 큰 영역을 덮기 때문이다. 이것은 LED 다이 및/또는 LED 다이가 배치되는 패키지만을 덮는 정규의 근접 인광체보다 더 효율적인 인광체 시스템일 수 있다.
도 2의 (d)는 근방 인광체(22)를 도시한다. 이것은 원칙적으로 가장 효율적인 인광체 구성이지만, 이러한 패키지들에서는 통상적이지 않다. 인광체는 청색 LED 바로 위에 직접 배치되지 않고 전형적으로 패키지의 출사 윈도우 내에서, 짧은 거리에 위치한다. 이러한 구성에서, 인광체 층을 위한 양호한 냉각 경로가 요망되는데, 이는 인광체 층과 LED 베이스 사이에 있는 재료들의 선택에 의해 영향받을 수 있다. 도 2의 (e)는 유리 또는 반투명 알루미나(다결정알루미나, PCA) 층(24)의 추가를 도시한다.
도 2의 (a) 내지 도 2의 (e) 각각에서, 전체 디바이스는 LED 조명 유닛(1)이다. 하우징(14)은 반사 베이스(15) 및 개방된 상부(도 5의 참조 번호(51))를 갖는 반사 하우징으로서 기능한다.
2개의 구조화 층은 위로 향하는 리지된 마이크로구조체들(ridged microstructures)을 갖는다. 리지들은 평행하므로 프리즘형 리지/그루브 구조체들을 형성한다. 다른 가능한 광학 구조체들은 예를 들어, 피라미드들, 콘들, 구형 렌즈들 또는 원통형 렌즈들이다.
층들은 전형적으로 (베이스 기판 및 리지 높이를 포함하여) 30 내지 150미크론 범위의 두께를 갖는다. 각각의 리지는 범위 10 내지 50미크론의 전형적인 폭을 갖는다.
LED 패키지는 바람직하게는 마이크로구조화 층들이 재순환될 입사 광의 상당한 부분을 다시 반사함에 따라 높은 반사성(예를 들어 >95%)이다.
낮은 굴절률 층이 LED 패키지와 빔 성형 구조체 사이에, 및 다수의 층이 사용되는 경우에 개개의 마이크로구조화 층들 사이에 또한 제공된다. 전형적으로 낮은 굴절률 층은 공기 인터페이스이다. 소자들 사이의 중간 층(들)의 이 굴절률은 LED 패키지의 굴절률들 및 마이크로구조화 층들의 굴절률에 비해 낮다. 1의 굴절률은 공기 층에 대한 것이고, LED 패키지는 GaN LED 다이에 대한 2.4의 굴절률을 가질 수 있고, 인광체 실리콘은 1.4-1.53의 굴절률을 가질 수 있다.
공기 인터페이스들이 마이크로구조화 층들의 구조체 표면들에 대해 사용될 때, 마이크로구조화 층들의 구조화 층에 대한 굴절률은 예를 들어 메틸실록산 시트에 대한 것인 1.41일 수 있다.
도 3은 2개의 상이한 고 출력 LED들이 중간-출력 LED들과 비교되는 다른 예들을 도시한다. 또한, 각각의 디바이스는 LED 조명 유닛(1)을 포함한다. 각각의 디바이스는 높이(3)를 갖고, 가능한 높이 값들의 예들이 도 3에 도시된다. 도 2의 다이-온-세라믹(DoC) 패키지들은 와이어-본드 접속들을 갖는 중간-출력 LED들(31) 뿐만 아니라 소위 PSS(사전-구조화된 사파이어) 칩 스케일 패키지 LED들(30)과 비교된다.
칩 스케일 패키지 PSS 기술에 의한 LED는 세라믹 서브마운트를 갖지 않지만 InGaN LED 층이 퇴적되는 상부 위에 사파이어 성장 기판을 유지한다. 후면은 소자 후면을 납땜가능하게 하기 위해 전기적 접속들로 도금된다. PSS 패키지(30)는 전형적으로 0.6㎜ 세라믹 서브마운트를 사용하는 DoC 패키지에 비해 훨씬 더 얇은 약 0.2-0.3㎜ 높이일 수 있다.
얇은 플래시를 위해, PSS 구조체(30)는 더 얇은 플래시 높이를 가능하게 한다.
중간-출력 LED들은 전형적으로 방출기가 또한 사파이어와 같은 성장 기판 상에 배치되고, 사파이어 기판이 일반적으로 다이 부착 접착 재료로 패키지 내로 아래로 글루되어, 하향으로 장착된 LED들이다. 전기적 접속들은 패키지 내의 전기적 접점들을 LED 다이의 상부에 접속하는 와이어 본드들로 실현된다. 요구된 양의 광 출력을 실현하기 위해 다수의 LED가 패키지에서 사용될 수 있다.
다양한 중간-출력 LED들이 직렬 또는 병렬 구성으로 될 수 있는 스트링들에서 접속된다. 이들 중간-출력 LED 칩은 전형적으로 또한 매우 얇고, 전형적으로 0.2-0.3㎜ 높이 정도라서, 얇은 전체 플래시 패키지를 가능하게 한다.
도 3은 다양한 인광체 유형들과 다양한 LED 유형들을 조합시킨다. 인광체 층은 LED 칩 바로 위에 퇴적될 수 있고, 이를 근접 인광체라고 한다. 이러한 인광체 층은 칩의 상부만, 또는 세라믹 서브마운트를 포함하는 패키지의 상부를 덮을 수 있고, 또는 투명 사파이어 기판의 측면들을 또한 덮는 방출기 주위에 감싸질 수 있다. 더구나, 인광체는 LED가 배치되는 패키지를 채울 수 있다. 이것은 보통 구프 인광체(goop phosphor)라고 하는데, 여기서 인광체는 전형적으로 백색의 몰딩된 리드프레임 패키지와 같은, 패키지 내에 디스펜스된 실리콘 수지 내에 매립된 무기 인광체 입자들로 이루어진다. 이러한 구성은 전형적으로 방출기 다이를 단지 덮는 인광체보다 더 효율적이다. 게다가, 인광체는 LED 방출기를 모두 덮지는 않지만, 작은 거리로 분리되고, 전형적으로 투명 재료, 예를 들어 실리콘 또는 유리 또는 세라믹의 층에 의해 전형적으로 분리될 수 있다. 인광체 층은 다음에 패키지의 상부 근방에 배치되어, 패키지로부터 청색 광 누설을 방지하기 위해 측방향으로 패키지를 덮는다. 이러한 근방 인광체는 전형적으로 LED 패키지가 상당히 반사성인 경우에, 다른 위에 언급된 인광체 유형들보다 더 효율적이다.
도 3의 (a)는 도 3의 (a)에서와 같이 근접 인광체를 사용하는 DoC 구조체를 도시한다.
도 3의 (b)는 근접 인광체를 사용하는 PSS 구조체(30)를 도시하고 패키지 높이가 1㎜로 감소된 것을 보여 준다. PSS LED는 백색 실리콘 몰딩된 리드프레임 패키지와 같은, 캐비티 하우징 내로 납땜된다. 근접 인광체는 PSS 칩 주위에 등각으로 퇴적될 수 있다. 캐비티 하우징은 전형적으로 플래시 LED의 PCB와의 다른 어셈블리를 가능하게 하기 위해 후면 접점들을 갖는다. 얇은 하우징, 얇은 PSS, 및 얇은 빔 성형 배열체는 전체적인 얇은 패키지를 약 0.6 내지 1.2㎜의 높이 범위로 하게 한다. 빔 성형 배열체(12)의 마이크로구조화 층들은 예를 들어, 접착제 글루로 또는 접착제 테이프로, 하우징의 상부에 부착될 수 있다.
도 3의 (c)는 LED 칩 및 하우징 측벽들이 장착된 얇은 반사 PCB(32) 위에 1.2㎜ 패키지 높이로 다시 하우징을 채우는 인광체를 사용하는 PSS LED 패키지(30)를 도시한다. 하우징은 PCB 상으로 몰딩되고 또는 접착제로 부착된 몰딩된 백색 실리콘 프레임일 수 있다. 하우징 및 PCB에 의해 형성된 캐비티의 내부는 바람직하게는 구프 인광체로 또는 인광체 층이 방출기의 상부에 한정(confine)될 때, 실리콘과 같은 투명 캡슐화 재료로 채워진다. 얇은 PCB는 전기적 접속을 위해 후면과의 상호접속을 가질 수 있지만, 또한 하우징 영역 외부의 PCB의 상부 상의 LED에 접속된 공급 접점들에 접촉 와이어들을 납땜할 수 있도록 측방향으로 연장할 수 있다.
도 3의 (d)는 1㎜ 패키지 높이로 다시 하우징을 채우지만 하우징 베이스가 LED 칩 주위에 몰딩된 인광체를 사용하는 PSS 구조체(30)를 도시한다.
도 3의 (e)는 도 3의 (d)에서와 같이 근방 인광체를 사용하는 DoC 구조체를 도시하고 도 3의 (f)는 와이어-본드 접속들로 하우징의 베이스에서 전기적 접점들에 부착된 칩을 갖는, 도 3의 (c)에 도시한 것과 같이 구프 인광체를 사용하는 다수의 중간-출력 LED 칩(31)을 도시한다. 2개의 중간-출력 칩들이 도시되지만 3개 이상의 칩이 또한 충분한 양의 플래시 광을 발생하기 위해 사용될 수 있다. 다수의 중간-출력 LED를 사용하는 보다 높은 면적을 수용하기 위해, 패키지의 측방향 치수들이 증가될 수 있다.
언급된 LED 유형들 외에, 또한 수직 박막(VTF) LED들이 주어진 예에서 사용될 수 있는데, 여기서 LED는 와이어-본드와 접속된 방출기의 상부에 있는 하나의 전기적 접점 및 패키지 또는 PCB와의 납땜 부착을 위해 칩의 후면을 향한 하나의 전기적 접점을 갖는다.
그러므로, PSS 칩은 PSS 소자 주위에 몰딩된 반사 하우징 내에 장착될 수 있고, 또는 칩은 얇은 PCB와 같은 고 반사율 기판 또는 플라스틱 리드된 칩 캐리어(PLCC) 패키지와 같은 사전 제작된 광 혼합 패키지 또는 유사한 리드프레임 소자, 예를 들어 QFN 패키지에 직접 납땜될 수 있다. 후자의 사전 몰딩된 패키지들은 패키지들을 PSS 칩 주위에 직접 몰딩하는 것보다 쉽게 실현된다.
위에 언급된 바와 같이, 본 발명은 특히 LED-기반 발광 구조체 위에 광학 처리 및 그것의 서스팬션을 수행하는 하나 이상의 마이크로구조화 층의 설계에 관한 것이다(그것은 광 변환을 위해 사용될 때 베어 LED 다이와 임의의 인광체 층의 조합을 의미한다).
마이크로구조화 층은 광학적으로 투명하고 열적으로 안정한 재료를 포함하고, 지지 구조체는 LED-기반 발광기 위에 0.5㎜ 이하의 높이로 마이크로구조화 층(또는 하나가 필요한 경우에 베이스 층)을 지지한다. 본 발명은 특히 근접 인광체들이 사용될 때, 도 3에 도시한 높이 치수들이 감소되게 할 수 있다.
마이크로구조체는 폴리이미드 재료로 형성될 수 있다. 마이크로구조화 층들은 대신에 주입 몰딩으로, 또는 패터닝된 사파이어(또는 다른 세라믹) 플레이트들을 사용하여 유리로 형성될 수 있다.
일부 양호한 실시예들에서, 마이크로구조화 층은 (높은 굴절률 실리콘과 같은) 실리콘 또는 메틸실록산, 메틸페닐 실록산, 페닐실록산, 에폭시 기능화된 실록산 또는 높은 굴절률 실리콘 또는 그의 혼합물들과 같은 하이브리드 실리콘을 포함할 수 있다. 정규(즉, 하이브리드가 아닌) 실리콘은 2개의 주요 유형; 메틸 치환형 및 메틸페닐 치환형으로 나누어지고, 제3 유형은 페닐 치환형이다. 하이브리드 실리콘들은 추가적인 기능성 및 전형적으로 더 높은 유기 함량을 갖는 다른 기들을 갖는다.
실리콘은 실록산 중합체 사슬 내로 접속된 실록산기들로 주로 이루어진 재료이다. 실록산기는 산소 원자들에 의해 중합체 사슬 내로 접속된 n개의 실리콘 원자들의 반복적인 접속인 (-O-Si(R1R2)-)n으로 이루어진다.
사슬은 R1 및 R2 측기들(side groups)로 나타낸, 실리콘 원자 상의 측기들을 가질 수 있다. 예를 들어, 메틸실리콘은 측기들로서 메틸기들을 갖고, 여기서 R1 및 R2는 동일하고 -CH3 메틸기들로 이루어진다.
메틸페닐실리콘은 메틸기들로 이루어진 하나의 기 R1 및 페닐기들로 이루어진 하나의 기 R2를 갖고, 또는 R1 및 R2 위치들 상에 치환된 메틸기들이 있는 실록산기들 및 R1 및 R2 위치들 상에 치환된 페닐기들이 있는 실록산기들의 반복적인 유닛들 또는 블록들로 이루어진다.
다른 측기 예들은 에틸, 프로필, 부틸 또는 비닐이다. 동일한 실록산 사슬 내의 다양한 측-기들의 혼합물들이 사용될 수 있다. 실리콘 재료는 일반적으로 낮은 양들로 존재하는 다른 화학적 성질의 기들을 사용하여 여러 위치에서 가교된다. 예를 들어, 실록산 사슬은 사슬의 끝에 존재하는 비닐기와 함께, 비닐 말단 실록산 사슬들과 같은 탄소-탄소 이중 결합을 갖는 비닐기들을 포함할 수 있다. 비닐기는 망을 형성하도록 인접한 실록산 사슬들을 함께 링크하기 위해, 과산화물과 같은 활성제를 사용하여 또 하나의 실록산 사슬 상의 메틸 측기와 반응할 수 있다. 비닐기들은 또한 R1 또는 R2 위치들 중 일부 상에 또는 사슬 끝들에 존재하는 것과 같은, 인접한 실록산 사슬 상에 존재하는 수소화물(-H)기와 반응할 수 있다. 이러한 가교 반응은 백금(Pt) 촉매에 의해 촉진될 수 있다. 2개의 실록산 사슬들은 다음에 비닐기들로부터 비롯되는 -CH2-CH2- 브리징기들(bridging groups)을 통해 실리콘 Si 원자들에서 상호접속된다.
하이브리드 실리콘은 유기 내용물이 증가된 실리콘 재료이다. 이것은 탄화수소 세그먼트들 또는 블록들을 실록산 사슬 내로, 및/또는 실록산 사슬 상의 측-기들 내로 도입함으로써 실현될 수 있다. 탄화수소 부분은 재료 특정 특성들을 주는 다른 기능기들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 탄화수소기는 에폭시 기능성, 예를 들어 사이클로알리패틱 에폭시드기(cycloaliphatic epoxide group)를 포함하는 측기일 수 있다. 이러한 기는 적합한 UV-기폭제를 사용하여 하이브리드 실리콘 망을 가교하기 위해 UV-경화할 수 있다.
다른 예로서, 에폭시 기능성은 에폭시프로프록시프로필 말단 폴리디메틸실록산에서와 같은 사슬의 말단기들 내에 존재할 수 있다.
실리콘 또는 하이브리드 실리콘 수지가 또한 예를 들어 실리카 입자들로 수지를 채움으로써, 기계적 특성들에 영향을 주기 위해서와 같이, 채워질 수 있다. 충진재로서 실리카를 사용하면 약간의 헤이즈(haze)/산란이 일어날 수 있더라도, 광학적 투명성이 유지될 것이고, 얇은 층의 광학적 기능에서 허용될 수 있다.
다른 예에서, 마이크로구조화 층은 실리케이트 또는 하이브리드 또는 졸겔 재료, 특히 이온 구조체보다는 T-브랜치된 또는 Q-브랜치된 재료를 포함할 수 있다. 실록산들과 대조적으로, 이 유형의 실리케이트 또는 하이브리드 실리케이트 내의 실리콘 원자는 산소 원자들을 통해 2개보다 많은 본딩 위치 상에서 인접한 실리콘 원자들에 접속된다. 예를 들어, SiO2와 같은 순수한 실리케이트는 산소 원자들을 통해 4개의 위치 상에서 석영이라고 하는 규칙적 결정 방식으로 또는 실리케이트 유리와 같은 불규칙적 비정질 방식으로 망 내의 이웃하는 Si 원자들에 접속된다. 실리케이트는 또한 Si 원자 상의 3개의 본딩 위치 상에서 산소 원자들을 통해 이웃하는 Si 원자들에 접속되는 재료들이라고 할 수 있다. Si 원자 상의 제4 본딩 위치는 일반적으로 R이라고 하는 다양한 기들을 포함할 수 있다.
이와 같이 이런 유형의 실리케이트는 화학적으로 (-(R)SiO1 .5-)n이라고 할 수 있는데, 여기서 n은 구조체의 반복 접속을 나타내는 정수이다. 실리콘 원자에 접속된 R 기는 실록산 내에 존재하는 실리콘 원자 당 2개의 R 기들과 유사한 다양한 화학 기들로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 적합하고 상당히 열적으로 안정한 실리케이트는 메틸실리케이트, (CH3SiO1.5-)n이다. 다른 화학적 측기들은 일반적으로 에틸, 프로필, 부틸 또는 페닐기들과 같은 알킬기들일 수 있다. 측기는 또한 비닐, 아크릴 또는 에폭시기를 포함할 수 있다. 이들 후자의 예들이 반응성일 때 그들은 예를 들어 적합한 광 기폭제를 사용하는 UV 광에 의해, 이들 기를 통해 층이 경화되게 하는 기들로서 기능할 수 있다. 유기 탄소 함유 기들의 더 높은 함량을 갖는 이들 실리케이트는 하이브리드 실리케이트들이라고 할 수 있다. 다양한 측기들이 동일한 층 내에서 조합될 수 있다.
층은 크랙 형성 없이 더 두꺼운 층을 실현할 수 있기 위한 것과 같이, 작은 입자들로 보강, 또는 채워질 수 있다. 추가된 입자들은 전형적으로 이들 입자들이 예를 들어 직경이 100nm보다 작은 것으로 충분히 작고 층 내부에서 잘 분산되는 경우에 층이 투명성을 유지하게 하는 나노-입자들이다. 한 예는 예를 들어 10 내지 20vol%만큼 실리카 나노-입자들로 채워진 메틸실리케이트의 층이다. 구조체의 미세한 마이크로-크기는 비교적 얇은 마이크로구조화 층들 내에 임프린트된 구조체를 가능하게 하기 위해, 실리콘들보다 더 부서지기 쉬운 이들 재료들에서 선호될 수 있다. 실리콘들 또는 하이브리드 실리콘들에 대해 층들의 탄성은 보통 100미크론 두께와 같은 두꺼운 코팅 층들의 실현을 보다 쉽게 가능하게 하므로, 또한 비교적 거칠게 피치된 마이크로구조체들의 임프린트를 가능하게 한다.
실리케이트 층은 실리콘들과 유사한 베이스 캐리어 층 상에 퇴적될 수 있다. 이것은 바람직하게는 적합한 전구체 재료들의 액체 코팅 공정을 통해 이루어진다. 이러한 공정을 전형적으로 전구체 재료가 적합한 용제에서 일반적으로 용해되고 베이스 층 상에 코팅된 액체인 졸-겔 공정이라고 할 수 있다. 층을 건조할 때 졸 또는 용액은 반응할 것이고 중간 겔화 단계를 통해 고체 실리케이트와 반응할 것이고, 이는 온도를 증가시킴으로써 가속되고 보통 첨가된 산 또는 첨가된 염기에 의해 촉진된다. 졸-겔 공정 동안에 층은 층을 액체 또는 겔 상태에서 적합한 스탬프로 임프레스함으로써 패터닝될 수 있다. 용제 유형 및 양에 따라 스탬프는 층으로부터 용제를 테이크 업(take up) 및 제거할 수 있다. 마스터 스탬프는 예를 들어 확산을 통해 용제의 테이크-업 및 제거를 허용하는 실리콘 스탬프일 수 있다. 적합한 전구체 재료들로 일반적으로 대표되는 것은 금속 알콕사이드들(metal alkoxides)일 수 있다. 예를 들어, 졸-겔 공정을 통해 메틸실리케이트의 고체 층을 획득하기 위해서 실리콘 알콕사이드인 메틸트리메톡시실란의 용액이 산성 수 내에서 용해된다. 산은 예를 들어 말레산 또는 아세트산일 수 있다. 알콕사이드는 가수분해되어, 완전한 가수분해 시에 메틸트리히드록시실란 및 메탄올의 형성을 초래한다. 코팅 및 건조한 후에 수산기들은 실리케이트 망을 형성하기 위해 응축하고 및 물이 이 반응의 부산물로서 형성된다.
금속 알콕사이드 전구체들로부터 유도된 실리콘 알콕사이드 외에, 다른 졸-겔 재료들이 또한 사용될 수 있는데, 예를 들어, 알루미늄 알콕사이드들 또는 지르코늄 알콕사이드들 또는 티타늄 알콕사이드들 또는 이들의 혼합물이다.
졸-겔 재료들의 상업적 예는 졸-겔 공정을 통해 액체 상태로부터 퇴적된 재료들의 군으로 이루어진 상표명 Ormocer 하에서 판매되고 있는 재료들이다. 다양한 재료 유형들이 위에 설명된 것과 같은 금속 알콕사이드 전구체들을 전형적으로 사용하여, 존재한다. 재료들은 아크릴 또는 에폭시기들과 같은 UV-반응기들로 기능화될 수 있어서, UV-중합 또는 UV-패터닝을 가능하게 한다.
메틸트리메톡시실란 단량체들로부터 유도된 메틸실리케이트의 층의 위의 예와 같은, 졸-겔 유도된 재료들은 본질적으로 실리콘들보다 안정적이다. 이것은 기들을 브리지하는 산소를 통해 3개의 접혀진 망 형성에 기인한다. 이들 재료는 실리콘 상의 2개의 산소를 통해 접속된 정규 실리콘들이 실패하게 되는, 300℃ 이상까지의 연장된 노출에 견딜 수 있다.
마이크로구조화 층은 자기 지지일 수 있다. 그렇지 않으면, 그것은 베이스 층 위에 제공될 수 있다. 베이스 층은 또한 열적으로 안정할 필요가 있고, 예를 들어 폴리이미드 또는 열 안정화된 PEN을 포함할 수 있다.
마이크로구조화 층 또는 층들은 예를 들어, 레이저 패터닝을 통해 폴리카보네이트 시트 내에 마스터 스탬프를 생성함으로써 제조될 수 있다. 마스터 스탬프는 다음에 마스터의 네거티브를 형성하기 위해 실리콘 내에서 복제될 수 있다. 이 제2 마스터는 다음에 고체 층으로 경화되고 실리콘 마스터 스탬프로부터 방출되는 얇은 베이스 포일로 코팅된 액체 실리콘 전구체 층 내로 임프린트된다. 이러한 마스터는 또한 원래 것의 금속 복제 마스터를 획득하기 위해 니켈과 같은 금속으로 도금되고 덮일 수 있다. 대안적으로, 마스터는 금속 마스터를 제조하기 위해 금속 부분의 정밀한 절단/가공에 의해 제조될 수 있다.
금속 마스터 플레이트는 실리콘 액체와 같은 액체 전구체 재료의 층을 베이스 포일 캐리어 지지체 상에 코팅함으로써 복제될 수 있다.
실리콘은 열적으로 경화되고 마스터로부터 방출될 수 있다. 대안적으로, 코팅 액체는 실리콘 공급자들로부터 상용화된 것과 같은 UV-경화가능 실리콘 재료일 수 있다. UV 광 노출에 의해 층은 그것이 고정된 마이크로구조화 형상을 갖는 마스터로부터 방출될 수 있는 그러한 정도까지 경화된다. 후속하여 층은 마이크로구조화 층의 완전한 경화를 실현하기 위해 오븐 내에서 열적으로 더 경화될 수 있다.
이들 일괄방식 공정 외에, 액정 디스플레이들에서 사용된 휘도 향상 막들과 같은, 광학 막들의 제조에서 통상적인 것과 같이, 롤-투-롤 코팅 장비 상에서 포일들을 제조하는 것이 또한 가능하다. 이러한 셋업에서, 베이스 포일의 롤은 롤러 시스템을 통해 당겨지고 예를 들어 슬롯-다이 코팅을 사용하여 코팅 전구체의 얇은 액체 층으로 코팅된다. 롤은 다음에 마스터 구조체, 예를 들어 니켈 마스터를 포함하는 회전 드럼과 접촉된다. UV 광으로 플래시함으로써 전구체는 고체의 마이크로구조화 층을 형성하기 위해 드럼과의 임프린트 접촉 시에 경화된다. 표준 UV-경화 아크릴레이트들이 사용될 수 있다. 그러나, 높은 열적 안정성을 획득하기 위해 UV 경화가능 실리콘 또는 하이브리드 실리콘 재료와 같은 실리콘이 사용될 수 있고, 예를 들어 실리콘-에폭시 재료이다.
(사용될 때) 베이스 포일은 PET 또는 PEN과 같은 폴리에스테르일 수 있다. 열 안정화된 PEN은 열 사이클들에 대해 더 양호한 내성을 나타낸다. Mitsubishi Gas Chemical Company(상표)의 Neopulim(상표)과 같은 투명한 폴리이미드 포일은 그러나 이것이 빔 성형 광학계에 의해 형성된 캡이 그것이 약 260도의 높은 납땜 온도들에의 단기간 노출에 견딤에 따라 패키지의 리플로우 납땜 동안 높은 온도들에 더 잘 견디게 하기 때문에 선호된다. 베이스 포일에 대한 대안들은 가요성 유리들, 예를 들어 Corning(상표) Willow Glass, 또는 얇은 가요성 사파이어이다. 얇은 알루미나, 또는 YAG 또는 LuAG 또는 스피넬과 같은 다른 투명한 세라믹들이 또한 가능하다.
베이스 포일과 마이크로구조체가 복제되거나 엠보스되는 구조화 층 사이의 적절한 접착성을 획득하기 위해, 접착 촉진 중간 층이 도포될 수 있다. 전형적으로 이 접착 촉진제는 베이스 포일 상으로 박막으로서 코팅된다. 접착 촉진제는 예를 들어 베이스 포일의 UV-오존 처리 또는 산소 플라즈마 또는 코로나 처리를 사용함으로써 베이스 포일 또는 사전 활성화된 베이스 포일과 반응할 수 있는 반응성 화학 기들을 포함할 수 있다. 또한 접착 촉진제 층은 수소화물기들 또는 탄소-탄소 이중 결합들과 같은, 실리콘 또는 하이브리드 실리콘 코팅 층과 반응할 수 있는 반응기들을 포함할 수 있다.
접착 촉진 층은 양 층들 사이의 충분한 접착성을 획득하기 위해 마이크로구조화 층과 베이스 층을 인터페이스하는 층이다. 이 층은 전형적으로 수 미크론 내지 수십 미크론 두께의 얇은 층일 수 있고, 또는 서브-미크론 두께, 예를 들어 수백 나노미터 두께와 같이 매우 얇을 수 있다. 원칙적으로, 접착 촉진 층은 또한 접착 촉진 재료의 단분자층 두께만큼 얇을 수 있다.
접착 촉진 층은 순수한 접착 촉진 재료 자체, 접착 촉진 재료들의 혼합물, 또는 실리콘 또는 실록산 재료와 같은, 바인더 층 내에서 용해 또는 혼합된 접착 촉진 층의 혼합물로 이루어질 수 있다. 적합한 접착 촉진 재료의 일반적인 예는 R1-(R2)-Si-X3과 같은 실란 커플링제이다. 이 일반 식에서, R1 기는 유기 기능기를 나타내고, R2 기는 링커 기를 나타내고, Si는 실란의 실리콘 원자를 나타내고, X 기는 가수분해기를 나타낸다.
가수분해가능한 부분이 X3으로 나타내질 때 이것은 가수분해기들과 같은 3이 실리콘 원자들에 링크된다는 것을 의미한다. 그러나, X2에 의해 나타내지는 단지 2개의 이러한 기들이 존재하거나, X에 의해 나타내지는 단지 하나의 가수분해기가 존재하는 것이 또한 가능하다. 후자의 경우들에서, Si 원자와의 부족한 결합들은 다른 기들에 의해, 예를 들어, Si 원자에 결합된 메틸(-CH3)기들에 의해 보상된다. 가수분해기 X는 예를 들어, 메톡시, 에톡시, 프로폭시 또는 부톡시기들과 같은 알콕시기들로; 또는 아실옥시기들로; 또는 Cl과 같은 할로겐 원자들로, 또는 아민기들로 이루어진다. 이들 기는 물과 반응할 수 있으므로, 가수분해되어, 접착 촉진 재료 상에 실라놀 -Si-OH기들을 형성한다. 이것은 예를 들어 재료의 처리 동안에 발생할 수 있는데, 여기서 물 픽업은 주위 수분, 코팅된 표면 상의 수분의 존재로부터 또는 추가된 수분에 의해 나올 수 있다.
실라놀기들은 광범위하게 다양한 산화물 또는 산화된 표면들과, 예를 들어 베이스 층의 표면 상에 존재하는 다른 실라놀기들 또는 베이스 층의 산화물 또는 산화된 표면들과 또는 베이스 층 상에 발생된 수산-OH기들과 반응할 수 있다.
실란은 또한 디포달 실란이라고 하는 것 대신에 2개의 Si 원자를 포함할 수 있다. 이 실란이 Si 원자 당 3개의 가수분해기를 가질 때, 이것은 산화물 또는 극성 표면들과의 향상된 앵커링을 위한 가수분해 후에 분자 당 총 6개의 앵커링 실라놀기가 있다는 것을 의미한다.
R1 기는 향상된 물리적 상호작용에 의해 접착성을 개선하기 위해 실록산 사슬과 닮은 공유 결합 또는 기들을 형성하기 위해 실록산 사슬과 반응할 수 있는 기능기들을 포함할 수 있다. 예를 들어, R1은 수소화물기, 비닐기, 아민기 또는 에폭시기, 또는 실록산기를 포함할 수 있다. 한 양호한 예는 화학적 결합을 형성하기 위해 2-성분 실리콘들 내에 존재하고 공통인 수소화물 기능성들과 반응하는 메틸비닐디에톡시실란 또는 비닐디메틸클로로실란과 같은 비닐실란이다.
링커 기 R2는 광범위하게 다양한 기들로 이루어질 수 있다. 전형적으로 스페이서 기의 이 링커는 -(CH2)n-으로 나타내지는 탄화수소 사슬이고, 여기서 n은 정수이다. 예를 들어 메틸(-CH2-) 또는 프로필 스페이서 기(-(CH2)3-)와 같은 짧은 링커 또는 데실기(-(CH2)10-)와 같은 긴 탄화수소 스페이서 사슬. 보다 긴 링커 기는 분자 내에 보다 많은 가요성/이동성을 제공할 것이다. 링커 기가 존재하는 것은 필수적이지 않고, 비닐실란들의 위에 언급된 예들에서와 같이 또한 존재하지 않을 수 있다. 마이크로구조체를 포함하는 실리콘 또는 하이브리드 실리콘 층은 보통 R1 기 상에서 또는 X 기 상에서, 접착 촉진제와 상호작용할 수 있는 반응기들과 같은, 기능화된 기들을 갖는 실록산 사슬들로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 실록산 사슬은 2-성분 추가 경화 실리콘들 내에 공통인 것과 같은 비닐기들 또는 수소화물기들, 또는 1-파트 실리콘 응축 경화 재료들 내에서 공통인, 실라놀 말단 폴리디메틸실록산들과 같은 실라놀기들, 또는 아미노기들, 예를 들어 아미노프로필 말단 폴리디메틸실록산들을 포함할 수 있다.
다른 기능성들은 아민 기능적 실록산들 또는 에폭시 기능적 실록산들을 포함할 수 있다. 또 다른 기능기들은 알콕시기들, 또는 아세톡시기들을 포함할 수 있다. 다양한 기능성들의 조합들이 또한 사용될 수 있다.
이들 반응기는 전형적으로, 예를 들어 베이스 층 상의 실리콘 재료의 코팅 또는 캐스팅에 의해 실리콘 재료를 도포하는 동안, 실리콘 재료의 전구체 또는 액체 상태에서 존재한다. 실리콘 전구체를 경화함으로써, 고체 실리콘 층이 형성된다. 동시에, 접착 촉진 층과의 본딩은 호환되는 기능기들을 위해 발생할 것이다.
실란들 이외의 다른 접착 촉진 재료들은 티타네이트들 또는 지르코네이트들을 포함할 수 있다. 이들은 전형적으로 실란 기능성보다 더 반응적이다. 예를 들어, 알콕시티타네이트들이 사용될 수 있고 또는 티타늄아세틸아세토네이트들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 테트라에틸 티타네이트는 적합한 접착 촉진제일 수 있다. 이들은 실록산 바인더들 내로 통합되거나 혼합되고 접착 촉진 층으로서 퇴적될 수 있다. 또한 접착 촉진제들은 향상된 성능을 위해 혼합될 수 있는데, 예를 들어 티타네이트가 비닐실란과 같은 실란과 혼합될 수 있다.
접착 촉진 재료들은 층의 퇴적을 용이하게 하기 위해 적합한 용제와 혼합될 수 있다.
저 농도의 접착 촉진제 분자들이 또한 마이크로구조화 층을 형성하는 실리콘 또는 하이브리드 실리콘 수지에 첨가될 수 있다. 이것은 별도의 인퍼페이스 층이 일반적으로 더 효과적일지라도, 별도의 접착 촉진 층을 필요로 하지 않고, 베이스 층과의 개선된 접착성을 가능하게 하기에 충분할 수 있다.
반응할 접착 촉진제를 위한 베이스 층 상에 앵커링 기들을 생성하기 위해서, 본 기술 분야의 통상의 기술자들에게 공지된 표면 처리는 코로나 처리, UV-오존 처리, 산소 플라즈마 처리 또는 플레임 처리(flame treatment)와 같은 것이 요구될 가능성이 있다. 예를 들어, 베이스 층이 폴리이미드일 때, 이러한 표면 처리는 접착 촉진 층의 향상된 앵커링을 위해 산화에 의해 표면을 활성화하도록 요구된다.
도 4는 위에 설명된 것과 같은 형태들의 베이스 층(40) 및 마이크로구조화 층(42)의 형태로 된 하나의 마이크로구조의 층의 설계를 도시한다. 선택적인 접착 촉진 층이 43으로서 도시된다.
이 예는 시준 기능을 수행하는 평행한 리지들(41)의 세트의 형태로 된 구조체를 갖는다. 각각의 리지는 피크(41a)를 갖는다. 도 4는 예를 들어 90도 또는 100도, 또는 실제로 예를 들어 70 내지 130도 범위 내의 다른 각도들일 수 있는, 리지들의 정점 또는 피크(41a)에서의 상부 정점 각도 θ를 도시한다. 앙호한 실시예들에서, 리지 측면들은 도시한 바와 같이 대칭이다.
리지들은 만곡된 렌징 표면들보다는, 평탄한 측면들을 갖고, 이것은 광원과 마이크로구조화 층 사이의 거리가 광학 기능에 중요하지 않다는 것을 의미한다.
도시한 예에서 리지들(41)은 선형이고 그럼으로써 1차원 반복 구조체를 형성한다. 대신에 2차원 반복 구조체가 있을 수 있고, 그럼으로써 프리즘형 구조체들의 2차원 어레이들을 형성한다. 프리즘형 구조체들은 직선들 내에 배열되지 않을 수 있고, 대신에 만곡된 경로들을 따라 배열될 수 있다.
리지들은 모두 동일한 설계, 즉 동일한 상부 정점 각도, 동일한 폭(즉, 도 4에서 좌-우 방향에서) 및 동일한 높이(피크로부터 밸리까지)로 될 수 있다. 각각의 리지 마이크로-요소는 광의 완전한 각도 소스 분산으로 조명될 수 있고 각각의 요소는 다음에 원하는 빔 패턴을 제공할 것이다. 동일한 상부 정점 각도를 갖는 구조체들의 반복은 그러므로 원하는 빔 성형을 제공하는 광학 출력 윈도우를 가능하게 하기 위해 전체 소스 영역을 덮을 수 있다. 구조체의 반복 피치 및 높이는 원칙적으로 동일한 상부 정점 각도에 대해 변화할 수 있고 유사한 빔 프로필을 생성한다.
적합한 열적 특성들을 갖는 재료들의 사용과 조합하여, 이 시준기 설계는 전체적인 패키지의 높이의 원하는 감소를 가능하게 하면서, 패키지의 리플로우 납땜을 수행하는 능력을 유지하는 것뿐만 아니라 광학 시준 기능을 효과적이게 한다.
위에 주어진 예들의 범위로부터의 한 예로서, 낮은 굴절률 실리콘(예를 들어, 메틸실록산과 같은 메틸 실리콘 유형)이 굴절률 n=1.41을 갖는 구조화 층(42)으로서 사용될 수 있다. 실리콘 재료들은 LED 응용들을 위한 우수한 광학-열적 안정성을 제공한다.
위에 주어진 예들의 범위로부터의 대안은 1.51-1.53의 굴절률을 갖는 메틸페닐실록산 유형이다. 일반적으로 마이크로구조화 층은 공기 갭들을 사용하는 구현들을 위해 1.3 내지 1.65의 굴절률을 전형적으로 가질 수 있다. 또한, 훨씬 더 높은 굴절률 실리콘들, 예를 들어 1.61의 굴절률을 갖는 높은 굴절률 실리콘이 사용될 수 있다. 이러한 높은 굴절률 실리콘들은 예를 들어 실리콘에 높은 굴절률 나노-입자들을 첨가함으로써 또는 굴절률을 증가시키는 실록산 사슬 내에 특정한 원자들을 도입함으로써 전형적으로 특별히 개발된다.
베이스 층(40)은 주로 원하는 구조적 특성들 및 열적 안정성을 충족시키도록 선택된다. 베이스 층의 굴절률은 덜 중요한데 왜냐하면 베이스 층과의 인터페이스들은 서로 평행하고 결국 광선 방향에 영향을 주기 않기 때문이다. 그러나 공기 인터페이스들에서의 프레넬 반사들이 최소화되도록 낮은 굴절률이 선호된다.
위에 주어진 예들의 범위로부터의 한 양호한 예로서, 베이스 층은 폴리이미드 층일 수 있다.
이 예에서 마이크로구조화 광학 요소들의 형상은 그러므로 단면의 깊이 방향으로 연장하는 프리즘형 그루브 구조체이다.
유닛의 외부 형상은 예를 들어, 발광 표면에서 로고 또는 다른 심볼이 가시적이게 하는 임의의 적합한 형태를 취할 수 있다. 대신에 전체 하우징은 원하는 미학적 형상으로 설계될 수 있다. 물론 주변부는 간단히 정사각형 또는 직사각형, 삼각형, 가늘고 긴 스트립, 링 형상 또는 빔 패턴을 변화시키지 않는 기타 형상일 수 있다.
도 5는 보다 분명히 도시한 빔 성형 광학계의 한 예시적인 설계를 갖는 LED 플래시 유닛을 도시한다. 빔 성형 광학계는 지지 구조체(즉, 하우징(14))의 개방 상부(51) 위의 제1 마이크로구조화 층(50), 및 제1 마이크로구조화 층 위의 제2 마이크로구조화 층(52)을 갖는다. 그들 각각은 광원으로부터 멀리 향하는 가늘고 긴 평행한 리지들의 규칙적인 어레이를 제공하는 구조화 층을 갖는다. 좌측 영상은 프리즘 배향들의 평면도이고, 상부 프리즘형 구조체(52)는 실선들로 그리고 하부 프리즘형 구조체(50)는 점선들로(숨겨진 것으로) 나타내고, 이것은 리지들이 교차 각도(53)로 교차되는 것을 보여 준다. 우측 영상은 수직 평면, 즉 기판에 수직인 평면을 통한 단면을 도시한다. 도 5는 또한 지지 구조체(즉, 하우징)에 의해 정해진 측벽들(57)을 도시하고, 이들은 또한 반사성이다.
2개의 층들(50, 52)은 도 4를 참조하여 위에 설명된 것과 같은 동일한 설계 특징들을 갖는다. 그러므로, 리지들은 만곡된 렌징 표면들보다는, 평탄한 측면들을 갖는다. 각각의 층 내에서, 리지들은 모두 동일한 설계, 즉 동일한 상부 정점 각도, 동일한 폭(즉, 도 4에서 좌-우 방향에서) 및 동일한 높이(피크로부터 밸리까지)로 될 수 있다. 2개의 층들은 또한 서로 동일한 설계를 가질 수 있다.
도 5의 예는 LED 다이 위에 인광체(18)가 있는 청색 LED(10)의 형태로 된 LED-기반 발광 구조체에 대한 것이다. 본 발명에 의해 가능하게 된 0.5㎜ 높이 제한은 이 경우에 도시한 바와 같이 인광체 층(18)의 상부와 빔 성형 광학 배열체(50, 52)의 제1 마이크로구조화 층의 하부 사이의 거리이다.
(도 3의 (c), (d) 및 (f)에 도시한 것과 같은) 구프 인광체의 경우에, 높이 요건은 구프 인광체의 상부와 빔 성형 광학 배열체의 제1 마이크로구조화 층 사이의 간격에 관련한다. 이러한 경우에, LED-기반 발광 구조체는 LED 및 구프 인광체를 포함한다. 중요한 양태는 광학 빔 성형 기능이 결합된 유닛이 리플로우 납땜되게 하는 것이지만, 얇은 인광체 구프의 사용은 또한 유닛의 전체 두께가 감소되게 한다. 그러나, 두께를 최소로 감소시키기 위해, 근접 인광체가 도 2의 (a) 및 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이 선호된다.
(도시한 것과 같은) 2개의 직교하여 정렬된 층들은 양 방향들로 시준을 달성하기 위해 사용될 수 있다. 그러나 도시한 직교 배향은 필수적인 것은 아니다. 2개의 층들의 리지들은 예를 들어 30 내지 150도, 더 바람직하게는 50 내지 130도, 더 바람직하게는 70 내지 110도의 각도로 교차할 수 있다.
0.5㎜ 미만으로의 감소된 간격이 도시된다. 제한에서, 빔 성형 광학계가 LED에 직접 도포되고(인광체가 사용되지 않는 경우) 또는 LED 다이 위의 인광체 층에 도포될 수 있다. 그러므로, 간격은 0.4㎜ 미만, 또는 0.3㎜보다 훨씬 적을 수 있다.
층들은 공기 갭일 수 있는 층(55)에 의해 분리되지만, 이 층(55)은 (글루와 같은) 상이한 재료일 수 있으나 또한 구조화 층들보다 실질적으로 낮은 굴절률로 이루어진다. 이것은 공기 갭들이 사용될 때보다 더 높은 굴절률의 구조화 층들을 요구한다. 상부(제2) 층은 또한 층(55), 예를 들어 공기와 동일할 수 있는 재료 층(56), 또는 상부 위에 평탄화 보호 층을 본딩하는 데 사용되는 글루에 의해 덮인다.
본질적으로, 구조체들은 기능할 광학 콘트라스트들을 필요로 한다. 층들이 함께 글루되면 구조화 층들의 굴절률은 증가될 필요가 있을 것이고 광학 본드의 굴절률은 낮을 필요가 있다. 제1 근사화에서 공기 굴절률 1의 1.4의 글루 굴절률로의 증가는 광학 구조화 층들의 굴절률을 역시 0.4만큼 증가시키는 것을 필요로 하고 그 범위가 1.70 내지 2.05 내가 되도록, 굴절률 1.4의 글루가 발견될 수 있다. 이것은 굴절률 차이를 범위 0.3 내지 0.65 내에 유지한다.
전형적으로 글루는 범위 1.3 내지 1.6 내의 굴절률을 가질 것이다.
광은 마이크로구조화 층들을 향해 상부에서 하우징으로부터 빠져 나간다. 굴절률들 및 마이크로구조화 층들의 마이크로 광학 구조체에 따라, 광의 일부는 시준될 수 있고 일부는 내부 전반사에 의해 상당한 반사성의 하우징을 향해 역반사될 수 있고, 여기서 광은 재순환된다. 재순환된 광은 다시 동일한 메커니즘에 의해 빠져나갈 수 있다. 효율은 하우징의 반사율, 상이한 매체 간의 인터페이스들에서의 프레넬 손실 및 매체 내의 흡수에 의존한다.
도 6은 점 광원으로부터의 광학 출력에 단일 마이크로구조화 층의 영향을 주는 시뮬레이션을 도시한다.
입사 각도, 굴절률(차이) 및 리지들(프리즘들)의 상부 정점 각도에 따라 일부 광선들은 내부 전반사로 인해 되 반사될 것이고 다른 광선들은 상부 표면에서 빠져 나갈 수 있다. 마이크로구조화 층의 매끄러운 표면은 광원을 향해 지향된다. 입사 각도는 광원 크기, 그것의 위치 및 빔 성형 광학계로부터의 거리에 의해 결정된다. 보통 떨어진 인광체 아키텍처들(도 2의 (c) 내지 (e))에 대해 방출 프로필은 램버시안에 가까운 반면, 근접 인광체를 갖는 LED들에 대해, 마이크로구조화 층에 충돌하는 광선들의 각도 분포는 약간 더 방향성일 수 있지만, 모든 실제 경우들에서 램버시안 분포에서 상당히 벗어나지 않을 것이다. 변화될 수 있는 시스템의 파라미터들은 그러므로 프리즘들의 상부(정점) 각도 및 재료의 굴절률이다.
(LED가 위치하는) 하우징 베이스와 마이크로구조화 층(50)(또는 스택의 하부 마이크로구조화 층) 사이의 공기 갭의 크기는 전체 모듈을 가능한 한 얇게 하기 위해 가능한 한 작게 유지된다.
특히, 공기 갭은 0.5㎜ 미만, 및 더 바람직하게는 약 0.1㎜ 또는 미만과 같은, 0.2㎜ 미만이다.
얇은 공기 갭을 보장하고 하부 마이크로구조화 층의 하우징에의 고착을 방지하기 위해, 작은 스페이서 구조체들이 큰 영역들 위에서 2개의 소자가 서로 터치하는 것을 방지하기 위해 작은 구형 또는 막대형 입자들 또는 지지 폴들과 같이, 저 밀도에서 선택적으로 적용될 수 있다. 유사하게, 이러한 간격 구조체들은 하부 층(50)의 구조화 층과 상부 층(52)의 후면 사이의 광학 접촉의 가능성을 감소시키기 위해 마이크로구조화 층들 상에 설계될 수 있다. 예를 들어, 광학 리지들에 중첩되게 저 밀도의 폴들이 광학 리지들의 높이의 상부 위에, 높이가 10 내지 25미크론과 같이, 약간 눈에 띄도록 설계될 수 있다. 이것은 상부 층(52)의 평탄한 측면이 마이크로구조체들의 상부에 터치하는 것을 방지한다. 이러한 간격은 또한, 예를 들어 하부 마이크로구조화 층(50)의 리지들에 거의 평행하게 정렬된 스트라이프 형상의 스페이서 구조체들의 형태로, 상부 층(52)의 후면에 적용될 수 있다.
디바이스의 상부 위의 마이크로-광학 표면 구조체를 취급 및 사용 시에 스크래치들 및 손상으로부터 보호하기 위해, 선택적인 보호 시트가 구조체의 상부 위에 부가될 수 있는데, 전형적으로 투명 시트, 예를 들어 투명한 폴리이미드 시트이다.
하우징은 구동 신호들이 LED에 제공되게 하기 위해 회로 보드에 납땜된다. 상기 예들은 광의 효율적인 재순환을 제공하기 위해 반사 베이스 및 측벽들을 갖는 하우징을 도시한다. 그러나, 이것은 필수적이 아니다.
도 7은 다양한 대안적인 패키지들을 도시한다.
도 7의 (a)는 측벽들이 없고 PCB가 없는 패키지를 도시한다. 청색 LED 칩(10)은 후면 접점들이 있는 사파이어와 같은 캐리어 기판 상의 에피택셜 층으로 이루어지는데, 예를 들어 플립-칩 아키텍처이다. LED 칩(10)은 하우징을 형성하여 지지 구조체인 백색 실리콘 몰딩과 같은 반사 층(60)에 의해 둘러싸인다. 인광체 코팅(61)은 이 패키지를 덮고 광학 구조체 층들(50, 52)은 접착제로, 주변부에서 이 패키지에 부착된다.
도 7의 모든 예들에서 인광체는 61로서 도시되지만, 상이한 인광체 유형들이 도시된다는 점에 주목한다.
접착제는 도 5에서 층(55)을 형성하고 2개의 마이크로구조화 층들(50, 52)을 서로 부착시킬 뿐만 아니라 이 어셈블리를 패키지에 부착하기 위해 사용된다. 이 접착제는 액체 상태로부터 고체 상태로 경화되는 글루일 수 있고, 또는 접착 테이프 조각(a piece of adhesive tape)일 수 있다. 접착 테이프는 열적으로 경화되는 테이프일 수 있고 또는 부분들의 접속 후에 UV-경화되는 테이프일 수 있다.
도 7의 (b)는 인광체 층(61)이 방출기 영역으로 제한되거나 방출기 영역보다 단지 약간 큰 대안적인 패키지를 도시한다.
도 7의 (c)에서, 인광체(61)는 칩보다는 크지만 패키지의 외부 치수들보다 작고, 근방 인광체를 정하기 위해, 방출기와 인광체 층 사이에 거리가 있다. 이 갭은 전형적으로 투명 실리콘으로 채워진다.
도 7의 (d) 및 (e)에서, 림(64)이 패키지 상으로 몰딩되므로, 측벽이 있는 캐비티를 형성한다. 도 7의 (d)에서, 이 캐비티는 비어있고 또는 대안적으로 실리콘과 같은 투명 재료로 채워진다. 도 7의 (e)에서, 캐비티는 적어도 단일 인광체 재료, 예를 들어 실리콘 재료 내에 매립된 분말 인광체 재료를 포함하는 적어도 단일 인광체 층으로 채워진다.
도 7의 (f)는 프레임(66) 상의 광학 포일 어셈블리에 의해 캡되고/덮인 인광체(61)를 포함하는 평탄한 LED 패키지(10)를 도시한다. 프레임(66)은 갭을 두고 패키지 주위에 배치되고, 또는 프레임은 예를 들어, 패키지(10)와 프레임(66) 사이의 갭을 투명 실리콘으로 또는 반사 실리콘으로 채움으로써, LED 패키지 주위에 본딩된다.
도 7의 패키지는 후면 접점들이 고객에 의해 이들 패키지들을 PCB에 납땜할 수 있게 할 수 있다. 대안적으로 이들 패키지는 이미 얇은 PCB 후면에 사전 부착될 수 있다. 이 후면 PCB는 LED 패키지 영역을 넘어 연장할 수 있다. PCB 상에서 일시적 전압 억제기와 같은 ESD 보호 다이오드가, 또한 플래시 LED 모듈이라고 하는 플래시 LED 어셈블리가 정전 방전에 의해 손상되는 것을 방지하기 위해 부착될 수 있다. 대안적으로, 이 보호 다이오드는 반사 벽 또는 반사 주변부 내부 또는, 적어도 양호하게는 캐비티 내부와 같이, LED 패키지 내부에 통합될 수 있다.
또 하나의 예로서, 다수의 LED 방출기가 동일한 패키지 내부에서 사용될 수 있고 도 8에 도시한 바와 같이, 소형의 멀티-LED 방출기 내로 동일한 광학 빔 성형 구조체들에 의해 덮일 수 있다. 플래시의 방출 색은 2개의 LED들 사이의 전류 비를 상이한 백색 온도들로 제어함으로써 제어될 수 있다.
도 8은 공유된 기판(72) 상에 상이한 색 온도들을 갖는 2개의 LED 패키지들(10a, 10b)을 도시한다. 각각의 LED 패키지는 그 자신의 인광체 층(61)을 갖고 단일의 전체 구조체를 형성하기 위해 투명 충진재(70)가 있다.
LED 유닛은 다음에 원하는 영상 인식에 따라 다수의 색을 방출하도록 제어가능하게 될 수 있다. 예를 들어, 제1 LED는 예를 들어 6000K의 차가운 백색을 방출할 수 있는 반면, 제2 LED는 예를 들어 2700K의 따뜻한 백색을 방출할 수 있다. 결과적으로, 카메라로 찍힌 영상이 사진사의 의도에 따라 차갑거나 따뜻한 장면 설정으로 저장될 수 있다. 두 LED가 동일한 패키지 내에 놓일 수 있으므로, 이 이중 채널 플래시는, 각각 프레넬 렌즈를 갖는 2개의 별도의 플래시 LED 유닛을 요구하는 대신에, 하나의 패키지의 비용만으로 매우 콤팩트해질 수 있고, 2개의 렌즈의 공간 및 높은 비용을 절약한다.
공유된 패키지의 상부 위의 빔 성형 광학계가 또한 광 혼합 능력을 가짐에 따라, 채널들 간의 제어가능한 전류 비들을 갖는 양 LED들의 공동 동작은 패키지에의 작은 거리들에 불구하고, 방출된 광 분포의 매우 양호한 광 혼합을 여전히 가능하게 한다. 제어된 전류 비들은 개개의 LED들의 극도의 색 온도들 사이의 정밀한 조정을 가능하게 한다.
유사하게, 제3 채널은 색 조정가능한 색 공간을 걸치도록, 예를 들어 흑체 라인 위의 중간 색 온도를 갖는 제3 패키지와 같은, 흑체 방사기로부터 색점을 편이시키도록 추가될 수 있다. 유사하게, 제4 채널이 추가될 수 있고, 또는 일반적으로 다채널 패키지가 동일한 패키지에서 실현될 수 있다.
패키지가 원하는 미학적 외관을 제공하도록 성형될 수 있다는 것이 위에 언급되었다. 이 외관은 원하는 형상 밖의 광 차단에 의해 획득될 수 있다. 광을 차단하는 한가지 방식은 빔 성형 광학계의 상부 위의 스탬프 아웃된 형상으로, 백색 반사 포일 또는 정반사 미러 포일과 같은, 또 하나의 반사 소자를 추가하는 것이다. 이와 같이, 광학계의 외부 주변부는 성형되지 않을 수 있지만, 임의의 형상이 다음에 빔 성형 광학계를 덮는 부분적 차단 또는 반사 층을 사용함으로써 적용될 수 있다.
차단된 광은 바람직하게는 광학 층에 향하는 상당한 반사성 재료를 사용하여 재순환된다. 차단된/반사된 광은 빔 성형 광학계 및 패키지들과의 상호작용 후에 빠져나가는 다른 기회를 얻을 것이고 여기서 광은 형성된 개구(들)를 통해 투과될 위치에서 시프트된 광 차단/반사 층으로 다시 보내질 수 있다.
원하는 형상을 생성하는 다른 방식은 마이크로구조화 층들, 예를 들어 상부 층을 반사 재료로 덮는 것에 의한 것이다. 예를 들어, 상부 층은 백색 실리콘 층과 같은 백색 반사 재료를, 마이크로-광학 표면 구조체를 국부적으로 채우고/덮을 층 상에 디스펜스 또는 프린트함으로써 부분적으로 덮여질 수 있다. 별도의 층으로서 또는 마이크로구조화 층들 상에 퇴적된 층으로서, 차단 층은 빔 성형 광학계 상부 위에, 그 상부와 후면 사이 내에 배치될 수 있다. 차단 층이 마이크로구조화 층들 사이 내에 사용될 때, 그것은 또한 층들을 하나의 포일 어셈블리 내로 함께 본딩하는 기능을 가질 수 있고, 광이 원하는 빔 프로필로 투과되는 영역들에서 마이크로구조화 층들 사이에 갭을 유지한다.
이들 방식으로 임의의 원하는 형상이 방출기 위에 겹쳐 놓여질 수 있어서, 디바이스의 원하는 외관을 오프 상태에서 또는 디바이스의 흐리게 하는 동작으로, 관찰자를 어둡게 하지 않고 제공한다.
위에 언급된 바와 같이, 인광체의 황색으로 나타나는 것을 숨기기 위해 산란 층을 도포하는 것이 공지되어 있다. 이것은 상기 예들에, 특히 하우징의 공간을 채우는 구프 인광체를 사용하는 것들에 적용될 수 있다.
상기 예들은 각각의 마이크로구조화 층 상에 평행하고 직선인 리지들의 어레이들을 사용한다. 이들 리지는 표면의 영역을 가로질러 균일한 피치를 가질 수 있다. 그러나, 이것은 필수적이 아니고, 피치는 국부적으로 변화할 수 있다. 이 경우에, 피치는 불규칙적이다. 불규칙적 피치를 제공하는 한 잠재적 이점은 그것이 리지 높이 차이들을 초래할 수 있다는 것이다. 하부 구조화 층의 최고의 리지 상부들은 다음에 2개의 층 사이에 낮은 광학 접촉 영역을 가능하게 하면서 상부 구조화 층을 지지하는 스페이서들로서 기능하기 위해 사용될 수 있다.
리지들은 직선 또는 연속일 필요는 없다. 예를 들어 마이크로구조화 층들의 영역은 영역들로 나누어지고, 리지들은 예를 들어 체커보드 패턴을 형성하는, 그들 영역 내에 상이한 방향들로 연장한다. 각각의 국부적 영역 내에서, 2개의 층들의 리지들은 2개의 상이한 방향들에서 원하는 시준을 제공하기 위해 원하는 각도로 교차한다.
정점 각도는 전형적으로 각각의 구조화 층의 전체에 대해 일정하다. 그러나, 이것은 필수적이 아니고, 정점 각도는 층을 가로질러 변화할 수 있다. 이 변화는 전형적으로 단지 작을 것이고, 예를 들어 5도 미만이므로, 모든 정점 각도들은 주어진 범위(90 내지 110도) 내에 있다.
소형 조명 유닛은 전형적으로 8㎜ 미만의 직경을 갖는 애퍼처를 갖지만, 배열은 디바이스가 두께의 대응하는 증가 없이 크기가 증가되게 한다.
위에 논의된 바와 같이, 하우징은 반사성으로 될 수 있다. 특히, 그것은 LED 칩보다 더 반사성이다. 확산 반사 특성은 정반사보다 선호되어서, 광은 가능한 한 적은 내부 반사들을 갖고 하우징에서 빠져나간다. 백색 실리콘은 확산 반사 표면을 형성할 수 있다.
예들은 2개의 마이크로구조화 층들을 보여 준다. 그러나 다른 광학 층들이 예를 들어 색 제어를 위해, 제공될 수 있다. 더구나, 제3 마이크로구조화 층이 시준 기능의 일부로서 사용될 수 있다.
또한, 위에서 분명하게 된 바와 같이, 구조체는 단일 층에 적용될 수 있고, 광학 기능은 시준을 갖지 않는다. 렌즈 기능과 같은, 다른 빔 성형 기능들이 구현될 수 있다.
관심있는 한 영역은 이동 전화기들을 위한 플래시 LED 응용들이다. 플래시 LED 모듈은 또한 포토 카메라들 또는 비디오 카메라들 상의 사진 카메라 플래시용으로 또는 태블릿들과 같은, 다른 디바이스들 내에 통합된 플래시 소자의 일부로서 사용될 수 있다.
그러나, 예를 들어 스폿 램프들에서 고려될 수 있는 수많은 다른 소형 조명 응용들이 있다. 소자는 특정한 광 빔 세기 분포가 요구되는 응용들에서 일반적으로 사용될 수 있다. 현재 이 기능은 보조 광학 소자들에서 주로 실현된다. 본 발명은 리플로우 납땜 공정들에 견디게 하면서, 빔 성형 기능이 소자가 LED 바로 위에 있는, 주 광학계로 이동되게 한다.
가능한 응용들의 몇 가지 예들은
사전-시준되지만 넓은 빔 분포를 갖는, 예를 들어 사무실 조명을 위한 다운라이트들;
감소된 글레어를 제공하는 광 분포를 갖는 조명 응용들, 예를 들어 법선으로부터의 임계(예를 들어, 60°)보다 큰 각도들에서 방출된 광의 억제가 요구될 수 있는 오피스 조명;
배트윙 유형 분포를 제공하는 조명 응용들, 예를 들어, 오피스, 산업용 및 옥외 조명; 및
예를 들어 보행자 교차로 조명을 위한 다른 방향성/비대칭 광 분포들이다.
이들 응용 중 많은 것에서, 소자의 측방향 폭, 사용된 LED들의 양 및 출력 광의 총량은 이동 전화기들용으로 요구되는 것보다 많을 수 있다. 포토 카메라들을 위한 플래시 펄스들 외에 유닛은 또한 비디오 플래시를 위해 연속적으로 동작할 수 있다.
도 9는 법선에 대한 방출 각도의 함수로서의 세기를 나타내는, 몇 가지 가능한 원하는 광학 기능들을 도시한다.
도 9의 (a)는 감소된 글레어를 제공하는 세기 특성을 도시한다.
도 9의 (b)는 배트윙 분포를 제공하는 세기 특성을 도시한다.
도 9의 (a) 및 (b)는 회전 대칭일 수 있다. 그러나, 비회전 대칭 기능들이 회전 대칭이 또한 도시된 도 9의 (c) 및 (d)에서 도시한 것과 같이 또한 가능하다.
마이크로구조화 층은 LED(10)로부터 멀리 향할 수 있고 또는 그것은 LED(10)에 향할 수 있다. 이들 2가지 가능성이 도 10의 (a) 및 (b)에 도시되는데, 마이크로구조화 층은 80으로 도시되고, 그것은 단일의 자기 지지 층, 또는 조합된 베이스 층과 마이크로구조화 층, 또는 다수의 마이크로구조화 층 또는 다수의 마이크로구조화 층과 베이스 층 조합들을 포함할 수 있다. 도시한 바와 같이, 층(82)은 마이크로구조화 층의 구조체 표면 위에 제공되고 층(84)은 평탄한 표면 위에 제공된다. 위에 설명된 바와 같이 이들 층은 예를 들어 다수의 빔 성형 배열체를 함께 본딩하고, 또는 빔 성형 배열체를 LED-기반 발광 구조체에 본딩하고, 또는 평탄화 목적들을 위해, 또는 마이크로구조화 층들을 손상 및 오염들로부터 보호하고, 원하는 공기 갭들을 정하기 위한 접착 층들일 수 있다.
단일 층 구조체는 예를 들어 피라미드형 또는 콘형 구조체들을 가질 수 있다.
도 10은 공기 갭을 제공하는 것 대신에 본딩 층들(80)을 사용하는 단일-층 구조체의 2개의 설계를 도시한다. 빔 성형 층은 80으로서 도시된다. 도 10의 (a)에서, 보호 및 평탄화를 제공하는 상부 커버링 층(82)이 있다. 본딩 층(84)은 마이크로구조화 층(80)과 LED 사이에 있다. LED 층은 개략적으로 (도 10 및 11에서) 층(10')으로서 도시되고 - 이것은 완전한 LED를 나타내고 패키지 및 인광체를 둘러싼다.
도 10의 (b)에서, 마이크로구조화 층(80)은 아래로 향하는 리지들을 갖는다.
본딩은 보다 양호한 기계적 안정성을 제공할 수 있고 공기 갭을 유지하고 제어할 필요성을 제거함으로써 가능한 신뢰성 문제들을 제거할 수 있다. 또한 패키지 어셈블리에서의 장점이 있을 수 있다.
이러한 본딩 아키텍처들의 경우에, 마이크로구조체의 재료와 빔 성형 배열체를 둘러싸는 층 사이의 굴절률 대비를 여전히 유지할 필요가 있다. 이것은 도 10에 도시한 것들과 다른 여러가지 방식들로 실현될 수 있다.
도 11의 (a)는 에어로젤과 같은 낮은 굴절률 재료(85), 및 LED(10')와 마이크로구조화 층(80)의 매끄러운 측면 사이의 본딩 층(86)을 도시한다. 본딩 층은 낮은 굴절률을 가질 필요가 없고, 예를 들어, 그것은 n=1.4를 가질 수 있다. 이 방식으로, 빔 성형 배열체(80) 아래에 2개의 층들(85, 86)이 있다.
도 11의 (b)는 낮은 굴절률 재료(85), (낮은 굴절률 재료와 마이크로구조화 층(80) 사이의) 한 측 상의 본딩 층(86) 및 (낮은 굴절률 재료와 LED(10') 사이의) 반대 측 상의 제2 본딩 층(87)의 3층 구조체를 도시한다.
층들 사이의 본딩은 전체 영역을 가로질러 연장할 필요는 없다. 도 12는 2가지 예를 도시한다.
도 12의 (a)는 빔 성형 배열체(80, 82) 아래의 공기 갭의 형태로 낮은 굴절률 층을 갖는 부분 본딩 아키텍처를 도시한다. 부분 본딩은 패키지의 측면들 상에만 본딩을 갖는 정규의 굴절률 재료 본딩 층(88)(예를 들어 n=1.4)을 사용하여 구현된다. 인광체(20)(또는 LED(10')의 다른 상부 표면)와의 본딩 층(88)의 중첩은 없다.
도 12의 (b)는 하부 인광체(20)(또는 LED의 다른 상부 표면)와 접촉하여 이 때 다시 부분 본딩을 제공하는, 필러들의 세트를 형성하는 본딩 층(89)을 도시한다.
정규의 굴절률 재료들이 이 경우에 본딩 층을 위해 사용될 수 있다. 공기 갭은 본딩을 위해 단지 비교적 작은 양의 면적을 사용함으로써 예를 들어 도 12의 (b)의 예에서, 효과적으로 유지될 수 있다. 글루 닷들(glue dots)이 LED 구조체의 상부에 도포될 수 있고, 또는 대안적으로 지지 구조체가 베이스 층(80)의 후면 상에 제공될 수 있다.
상이한 설계 규칙들이 부분 본딩의 경우에 적용할 수 있다. 인광체와의 전체적인 중첩 영역이 가능한 한 작게 유지될 필요가 있다. 굴절률의 특정한 값들 및 빔 요건들에 따라, 가능한 영역을 설정하는 기준이 도출될 수 있다.
그러므로 LED와 빔 성형 배열체 사이에 다수의 층을 사용하는 다양한 설계들이 있고, 이들 층 중 하나는 낮은 굴절률이고, 이 낮은 굴절률 층은 기체(즉, 공기) 또는 고체(예를 들어, 에어로젤)일 수 있다.
위에 설명된 바와 같이, 소자는 리플로우 납땜에 견디도록 설계된다. 완전성을 위해, 시간에 대한 리플로우 오븐 온도 프로필의 예가 도 13에 도시된다.
2개의 극도 곡선들(90 및 92)이 도시된다. 예열 단계(94), 램프 업 단계 (96)(최대 경사 3도/초), 피크 단계(97) 및 램프 다운 단계(98)(최대 경사 6도/초)가 있다.
본 문서에서 설명된 다양한 재료들은 자체로 공지되어 있고, 그들의 열적 및 기계적 특성들이 또한 공지되어 있다는 점에 주목한다. 예를 들어, 적합한 실리콘 재료들이 그들의 높은 안정성의 결과로서 LED 패키지들을 위한 LED 산업에서 폭넓게 사용된다.
본원에서의 적합한 재료들의 사용은 들러붙지 않고 리플로우 납땜가능한 포일의 구성을 가능하게 하고, 적합한 광학 마이크로구조체로, 예를 들어 특히 광학 광 시준을 가능하게 한다.
도 14는 이동 휴대 디바이스(100)의 부분인 카메라를 도시한다. 카메라는 카메라 광학 센서(102) 및 플래시로서 기능하는 본 발명의 LED 유닛(104)을 갖는다. 광학 센서는 또한 도시한 것과 같이 센서 요소들(107)의 직교 행들(105) 및 열들(106)을 포함한다.
위에 논의된 바와 같이, 마이크로-요소들은 상부 정점을 갖는 구조체들을 포함한다. 의미하는 것을 보다 분명히 도시하기 위해, 도 15는 사시도로 2개의 가능한 예들을 도시한다.
도 15의 (a)는 위에 상세히 설명된 것과 같은 평행한 리지 구조체를 도시하므로 사시도로 도 4의 구조체를 도시한다. 이 경우에, 1차원 반복을 제공하는 라인으로 연장하는 리지들(41)(또는 밸리들)이 있다. 리지들은 라인의 형태로 상부 정점(41a)을 갖는다. 리지 측면들은 그들이 어떤 렌징 기능을 갖지 않도록 평탄하다. 대신에, 층(42)의 영역을 가로지르는 반복 광학 기능이 있다.
리지들은 2차원 반복을 형성하는 피라미드들일 수 있다.
도 15의 (b)는 콘들(110)의 어레이를 도시한다. 이들은 단일 측면을 갖고 그들은 점의 형태로 상부 정점에 이르도록 테이퍼한다. 점들은 도시한 바와 같이 규칙적인 그리드를 형성할 수 있지만, 또한 콘들은 직선 또는 만곡된 라인들 내에 배열될 수 있다. 콘의 경우에, 측벽은 만곡되고 평탄하지 않다. 그러나, 측면은 베이스로부터 정점(110a)까지 직선으로 연장하고, 그래서 또한 만곡된 렌징 표면은 없다. 층(42)에 수직인 평면을 통하고 정점들(110a)을 통해 통과하는 단면에서, 측면들은 직선이다.
광학 층(42)의 이들 설계는 (프레넬 렌즈와 같은) 촬상 기능보다는 광 재순환 기능을 수행한다. 광학 구조체들의 패턴(콘들, 프리즘들, 피라미드들)이 반복하고 광학 윈도우를 덮는다.
동일한 정점 각도에 대해 상이한 프리즘 또는 리지 또는 콘 높이들이 사용될 수 있다는 점에 주목한다. 그러므로, 피치는 높이를 변경하면서 동일한 정점 각도에 대해 변화할 수 있다. 이것은 동일한 광학 효과를 제공한다. 대칭 피라미드들에 대해 단일 정점 각도가 있지만, 직사각형 베이스를 갖는 피라미드들에 대해 고려할 2개의 정점 각도들이 있다. 2개의 정점 각도들로 독립적으로 보다는 2개의 수직 방향들로 빔 시준을 제어하는 것이 가능하다.
광학 층의 광 재순환 기능이 도 16에 도시된다. 그것은 도 11의 (a)에 도시한 유형의 층(42)을 도시한다. 광원은 층(112)으로 나타내진다. 이것은 인광체 층이고, 그것은 그것의 영역을 가로질러 비교적 균일하게 광을 방출한다.
층(42)은 온-축 시준을 제공한다. 각각의 마이크로구조체는 광 수용 콘을 갖는다. 각각의 정점에 이르는 테이퍼된 측벽들은 수직으로 지향된 광의 통과를 가능하지 않게 한다. 이 광은 리지 측면들에서의 내부 전반사로 인해 화살표(114)로 도시한 바와 같이 재순환된다. 이것은 리지들, 피라미드들 및 콘들에 동등하게 적용한다. 그러므로, (산란하는) 광원에 역반사되는 포일의 법선에 가까운 광으로 수용 콘 외부로의 광의 재순환이 있고 여기서 광은 층(42)을 통해 통과하는 또 하나의 기회를 그것에 주는 다른 방향들로 무작위로 산란된다.
LED는 청색 광을 부분적으로 변환하는 인광체 층 아래 (또는 안에) 있다. 전체 효과는 백색 광이 인광체 층으로부터 방출된다는 것이다. 이 인광체 층은 바람직하게는 마이크로구조체들을 갖는 광학 층(42)과 거의 동일한 면적을 갖는다. LED는 또한 백색 반사성인 캐비티 내로 삽입될 수 있다. 결과는 휘도가 발광 영역 위에서 오히려 일정하여, 영역을 가로지르는 상이한 마이크로구조체들에의 입사 각도는 광원의 영역 위에서 꽤 균일하다는 것이다.
정점 각도(도 16에서 α) 및 재료가 어디에서나 유사하기 때문에, 각도 시준 분포 또한 각각의 마이크로-요소에 대해 유사하다. 비균일한 초기 광 출력에서도, 수직으로 방출된 광은 위에 설명된 바와 같이 재순환되고, 다음에 산란된다. 반사하는 하우징의 효과와 조합하여, 마이크로구조화 층(42)의 비교적 균일한 조명이 생성된다. 마이크로-요소들 각각은 구조체의 상이한 공간적 영역들이 동일한 방식으로 입사 광을 지향시키도록 원하는 빔 패턴을 형성한다.
프레넬 렌즈에서 굴절 렌즈 영역 및 반사 림 영역들과 같은 상이한 영역들이 요구된다. 입사 광은 다음에 렌즈가 적절히 작용하도록 특정한 각도 범위에서 들어올 필요가 있다. 본원에서 설명된 빔 성형 배열체에서, 광원 출력의 완전한 각도 분포는 모든 공간적 위치들에서 입사할 수 있다.
결국, 이것은 설계가 디바이스의 중심에서 LED의 배열체에 민감하지 않다는 것을 의미한다. LED는 유사한 효과를 위해 캐비티 내의 상이한 위치들에 배치된다. 또한, 다수의 LED가 예를 들어 동일한 분포에서의 보다 많은 출력량을 위해 캐비티 내에 제공될 수 있다.
프레넬 렌즈에 대해 방출기는 렌즈의 광학 축에 배치될 필요가 있고 그것은 렌즈와 비교하여 크기가 작아야 한다. 프레넬 렌즈는 또한 LED 방출기를 확대한다. 인광체 변환 LED에 대해 이것은 전형적으로 황색으로 나타나는 것을 증가시킨다. 집속 광학계 대신에 재순환 광학계를 사용함으로써, (LED로부터의 법선 광 각도들이 반사되기 때문에) 직접적인 LED 영상이 억제된다. 법선 외 각도들은 주로 투과되어, LED 바로 위에 있는 인광체와 비교하여 백색일 수 있고 낮은 농도/황색성의 인광체를 포함할 수 있는, 캐비티의 내부의 '영상'을 생성한다. 그러므로, 디바이스의 오프 상태에서 황색으로 나타나는 것은 감소될 수 있다.
플래시 모듈을 형상화된 (예를 들어 회사 로고로서 형상화된) 애퍼처로 덮는 것은 위에 설명된 분배된 광학 기능의 결과로서 빔 성형 기능에 영향을 주지 않는다. 효율은 물론 감소될 것이다. 부분적인 형상만이 투과되게 함으로써 프레넬 렌즈에 의해 빔 성형이 이루어질 것이다.
개시된 실시예들에 대한 다른 변형들이 도면, 개시내용, 및 첨부된 청구범위를 연구한다면, 청구된 발명을 실시하는 기술의 분야의 통상의 기술자에 의해 이해되고 이루어질 수 있다. 청구범위에서, 단어 "포함하는"은 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않고, 단수 표현은 복수를 배제하지 않는다. 소정의 수단들이 상호 상이한 종속 청구항들에 나열된다는 단순한 사실은 이들 수단의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내는 것은 아니다. 청구범위 내의 어떤 참조 부호들은 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.

Claims (15)

  1. LED 조명 유닛으로서,
    지지 구조체(14);
    상기 지지 구조체 내에 장착된 LED-기반 발광 구조체;
    상기 지지 구조체의 상부(51) 위에 있고 상기 지지 구조체에 의해 지지되는 광학 빔 성형 배열체(optical beam shaping arrangement); 및
    상기 LED-기반 발광 구조체와 상기 광학 빔 성형 배열체 사이에 제공되는 제1 재료를 포함하고, 상기 제1 재료는 제1 굴절률을 갖고,
    상기 광학 빔 성형 배열체는 상기 LED-기반 발광 구조체 위에서 상기 LED-기반 발광 구조체의 발광 면적의 제곱근 미만의 높이(3)에 배치되는 마이크로구조화 층(microstructured layer)(42)을 포함하고, 상기 마이크로구조화 층은,
    상기 제1 굴절률과 상이한 굴절률을 갖는 광학적으로 투명하고 열적으로 안정한 재료, 및
    마이크로-요소들(41; 110)의 적어도 하나의 어레이를 포함하고, 각각의 마이크로-요소는 상부 정점(41a; 110a)에서 만나는 하나 이상의 측면을 갖고, 상기 측면 또는 측면들은 그들의 베이스로부터 상기 상부 정점까지 직선인 LED 조명 유닛.
  2. 제1항에 있어서, 상기 지지 구조체(14)는 상기 LED-기반 발광 구조체 위에서 0.5 ㎜ 미만의 높이로 상기 광학 빔 성형 배열체의 상기 마이크로구조화 층(42)을 지지하는 LED 조명 유닛.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 지지 구조체(14)는 상기 LED-기반 발광 구조체와 상기 광학 빔 성형 배열체 사이에 연장하는 반사 측벽들을 포함하는 LED 조명 유닛.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 마이크로구조화 층(42)은 실리콘, 하이브리드 실리콘, 실리케이트, 하이브리드 실리케이트, 졸-겔 재료, 폴리이미드, 유리 또는 사파이어와 같은 투명 세라믹을 포함하는 LED 조명 유닛.
  5. 제4항에 있어서, 상기 마이크로구조화 층(42)은 메틸실록산, 메틸페닐 실록산, 페닐실록산, 에폭시 기능화된 실록산 또는 실리콘, 메틸실리케이트 또는 메틸페닐실리케이트 또는 페닐 실리케이트 또는 다른 알킬실리케이트, 또는 금속 알콕사이드 전구체들(metal alkoxide precursors)로부터 유도된 재료들 또는 이들의 혼합물들을 포함하는 LED 조명 유닛.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광학 빔 성형 배열체는 베이스 층(40) 및 상기 베이스 층 위의 상기 마이크로구조화 층(42)을 포함하고, 상기 베이스 층(40)은 폴리이미드 또는 열 안정화된 PEN(heat-stabilized PEN), 또는 실리콘들, 또는 유리 또는 사파이어와 같은 투명 세라믹을 포함하는 LED 조명 유닛.
  7. 제6항에 있어서, 상기 베이스 층(40)과 상기 마이크로구조화 층(42) 사이의 접착 촉진 층(adhesion promoting layer)(43)을 더 포함하는 LED 조명 유닛.
  8. 제7항에 있어서, 상기 접착 촉진 층은 실란, 티타네이트 또는 지르코네이트 함유 재료를 포함하는 LED 조명 유닛.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광학 빔 성형 배열체는
    제1 굴절률의 상기 제1 재료와 접촉하거나; 또는
    중간 본딩 층을 통해 제1 굴절률의 상기 제1 재료에 본딩되거나; 또는
    제1 굴절률의 상기 제1 재료의 부분들 및 본딩 부분들을 갖는 부분 본딩 층을 사용하여 상기 LED-기반 발광 구조체에 본딩되고,
    상기 마이크로구조화 층의 재료는 상기 제1 굴절률보다 큰 0.3 내지 0.65의 굴절률을 갖는 LED 조명 유닛.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 재료는
    1.0의 굴절률을 갖는 공기;
    에어로젤과 같이, 1.3 미만의 굴절률을 갖는 낮은 굴절률 층; 또는
    1.3 내지 1.6의 굴절률을 갖는 커버링 층을 포함하는 LED 조명 유닛.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광학 빔 성형 배열체는 상기 LED-기반 발광 구조체에 본딩되는 LED 조명 유닛.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 LED-기반 발광 구조체는
    LED; 또는
    LED 및 상기 LED 바로 위의 인광체; 또는
    LED 및 상기 지지 구조체를 채우는 인광체; 또는
    LED 및 상기 마이크로구조화 층(42) 아래에 있고 상기 LED와 이격된 인광체 층을 포함하는 LED 조명 유닛.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 스택으로 복수의 광학 빔 성형 배열체들을 포함하고, 공기 또는 접착제를 포함하는, 상기 광학 빔 성형 배열체들 사이의 층(55)을 포함하는 LED 조명 유닛.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 카메라 플래시 유닛(104)을 포함하는 LED 조명 유닛.
  15. 카메라 광학 센서(102) 및 제14항에서 청구된 LED 조명 유닛을 포함하는 이동 휴대용 디바이스(100).
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