KR102374247B1 - 고효율 uv-c 발광 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고효율 UV-C 발광 장치에 관한 것으로, 일정 파장을 갖는 기본 광을 발생시키는 광원, 기본 광의 일부를 고조파로 변환하여 심자외선 광을 발생시키는 비선형 물질 부재, 및 심자외선 광의 진행 경로를 변환하는 광학 필터를 포함하여 고효율의 UV-C 발광 장치를 제공할 수 있다.

Description

고효율 UV-C 발광 장치{HIGH EFFICIENCY UV-C LIGHT EMITTING APPARATUS}
본 발명은 고효율 UV-C 발광 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비선형 물질을 이용하여 기본 광을 심자외선 광으로 변환시키고, 광학 필터를 이용하여 후면 방향으로 진행하는 심자외선 광을 전면 방향으로 반사시킴으로써 고효율로 구현 가능한 UV-C 발광 장치에 관한 것이다.
단파장 광원, 특히 심자외선(UV-C) 파장을 이용하는 응용 분야는 단백질, 바이오, DNA 센싱 또는 처리와 같은 환경 분야, 질소나 유기 화합물 센싱과 같은 수질 관리 분야. 산화질소, 이산화황, 암모니아, 오존, 휘발성 유기 화합물 등의 가스를 센싱하는 가스 센서 등 다양한 분야에서 수요가 급격히 증가하고 있다.
이와 같이 심자외선 광원의 응용 분야 및 수요는 점점 증가하고 있고, 높은 신뢰성과 효율 및 소형화가 요구되고 있다. 기존에는 심자외선 광원으로 수은 램프, 엑시머(excimer) 램프, 중수소(deuterium) 램프 등이 이용되었으나, 이러한 램프들은 모두 전력 소모와 발열이 심하고, 수명이 짧으며, 내부에 충진되는 유독가스로 인해 환경이 오염될 수 있는 문제가 있다. 이에, 반도체를 이용한 심자외선 광원들이 각광을 받고 있다.
그런데, 반도체를 이용한 심자외선 광원은 도 1에 도시된 바와 같이, 광 변환 효율이 매우 낮아 현실적으로 응용 가능한 분야가 제한되고, 광 변환 효율을 높이기 위해서는 높은 구동 전원이 필요하므로 전력 소비가 증가한다. 그리고, 구동 전원을 승압하기 위한 추가적인 모듈이 필요하므로 시스템의 부피가 증가하여 소형화에 한계가 있다.
한국등록특허 제10-2092517(2020.03.17)호 한국 출원번호 제10-2021-0005539(2021.01.14)호
본 발명의 일 실시예는 비선형 물질을 이용하여 기본 광을 심자외선 광으로 변환시키고, 광학 필터를 이용하여 후면 방향으로 진행하는 심자외선 광을 전면 방향으로 반사시킴으로써 고효율로 구현 가능한 UV-C 발광 장치를 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, UV-C 발광 장치는 일정 파장을 갖는 기본 광을 발생시키는 광원; 상기 기본 광의 일부를 고조파로 변환하여 심자외선 광을 발생시키는 비선형 물질 부재; 및 상기 심자외선 광의 진행 경로를 변환하는 광학 필터를 포함하고, 상기 광원은 성장 방향에 대한 최소 단위 두께의 정수배로 양자화된 두께로 형성된 발광층을 포함하며, 상기 발광층이 단일 원소로 구성된 경우 상기 최소 단위 두께는 상기 발광층에 포함된 원소의 결정 구조를 형성하는 원자들 중 상기 성장 방향으로 제1 기준 성장면에 가장 인접한 원자와 상기 제1 기준 성장면 사이의 거리에 대응하는 두께이고, 상기 발광층이 두 가지 종류 이상의 원소로 구성된 경우 상기 최소 단위 두께는 상기 발광층에 포함된 원소의 결정 구조를 형성하는 원자들 중 상기 성장 방향으로 제2 기준 성장면에 가장 인접한 제1 원자와 가장 인접한 제2 원자가 형성하는 단위 성장면과 상기 제2 기준 성장면 사이의 거리에 대응한다.
여기에서, 상기 광원은 Ⅲ족, Ⅳ족, Ⅴ족, Ⅵ족 원소 및 이들의 화합물 중 어느 하나를 포함하는 발광 다이오드 또는 레이저 소자이다.
여기에서, 상기 비선형 물질 부재는 상기 기본 광의 일부를 2차 또는 3차 고조파로 변환한다.
여기에서, 상기 비선형 물질 부재는 LiNbO3, LiTaO3, KDP(KH2PO4), DKDP(KD2PO4), KNbO3, KTP(KTiOPO4), LBO(LiB3O5), CLBO(CsLiB6O10), BBO(β-BaB2O4), CBO(CSB3O5), YCOB, YAB(YAl3(BO3)4), SBBO(Sr2Be2B2O7) 및 KAB(K2Al2B2O7) 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
여기에서, 상기 비선형 물질 부재는 분극 방향이 서로 반대로 형성된 분극 반전층이 주기적으로 배열된 구조를 갖는다.
여기에서, 상기 비선형 물질 부재는 전기장에 의해 상기 기본 광과 상기 심자외선 광의 굴절률이 정합되도록 제어된다.
여기에서, 상기 광학 필터는 상기 광원과 상기 비선형 물질 부재 사이에 위치하고, 상기 비선형 물질 부재의 후방 방향으로 진행하는 상기 심자외선 광을 전방 방향으로 변환한다.
여기에서, 상기 광학 필터는 상기 기본 광은 투과시키고, 상기 심자외선 광은 반사시키는 로우 패스 필터 및 밴드 패스 필터 중 어느 하나를 포함한다.
여기에서, 상기 광원, 상기 비선형 물질 부재 및 상기 광학 필터는 서로 이격되어 배치된다.
여기에서, 상기 광원, 상기 비선형 물질 부재 및 상기 광학 필터 중 적어도 어느 하나는 서로 접한다.
여기에서, 상기 광원, 상기 비선형 물질 부재 및 상기 광학 필터 중 적어도 어느 하나는 직접 본딩 방법, 에피텍셜 성장 방법 및 증착 방법 중 어느 하나에 의해 서로 접하도록 형성된다.
실시예들 중에서, UV-C 발광 장치는 일정 파장을 갖는 기본 광을 발생시키는 광원; 상기 기본 광의 일부를 고조파로 변환하여 심자외선 광을 발생시키는 비선형 물질 부재; 상기 심자외선 광의 진행 경로를 변환하는 제1 광학 필터; 및 상기 기본 광의 진행 경로를 변환하는 제2 광학 필터를 포함하고, 상기 광원은 성장 방향에 대한 최소 단위 두께의 정수배로 양자화된 두께로 형성된 발광층을 포함하며, 상기 발광층이 단일 원소로 구성된 경우 상기 최소 단위 두께는 상기 발광층에 포함된 원소의 결정 구조를 형성하는 원자들 중 상기 성장 방향으로 제1 기준 성장면에 가장 인접한 원자와 상기 제1 기준 성장면 사이의 거리에 대응하는 두께이고, 상기 발광층이 두 가지 종류 이상의 원소로 구성된 경우 상기 최소 단위 두께는 상기 발광층에 포함된 원소의 결정 구조를 형성하는 원자들 중 상기 성장 방향으로 제2 기준 성장면에 가장 인접한 제1 원자와 가장 인접한 제2 원자가 형성하는 단위 성장면과 상기 제2 기준 성장면 사이의 거리에 대응한다.
여기에서, 상기 광원은 Ⅲ족, Ⅳ족, Ⅴ족, Ⅵ족 원소 및 이들의 화합물 중 어느 하나를 포함하는 발광 다이오드 또는 레이저 소자이다.
여기에서, 상기 비선형 물질 부재는 상기 기본 광의 일부를 2차 또는 3차 고조파로 변환한다.
여기에서, 상기 비선형 물질 부재는 LiNbO3, LiTaO3, KDP(KH2PO4), DKDP(KD2PO4), KNbO3, KTP(KTiOPO4), LBO(LiB3O5), CLBO(CsLiB6O10), BBO(β-BaB2O4), CBO(CSB3O5), YCOB, YAB(YAl3(BO3)4), SBBO(Sr2Be2B2O7) 및 KAB(K2Al2B2O7) 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
여기에서, 상기 비선형 물질 부재는 분극 방향이 서로 반대로 형성된 분극 반전층이 주기적으로 배열된 구조를 갖는다.
여기에서, 상기 비선형 물질 부재는 전기장에 의해 상기 기본 광과 상기 심자외선 광의 굴절률이 정합되도록 제어된다.
여기에서, 제1 광학 필터는 상기 광원과 상기 비선형 물질 부재 사이에 위치하고, 상기 비선형 물질 부재의 후방 방향으로 진행하는 상기 심자외선 광을 전방 방향으로 변환한다.
여기에서, 상기 제1 광학 필터는 상기 기본 광은 투과시키고, 상기 심자외선 광은 반사시키는 로우 패스 필터 및 밴드 패스 필터 중 어느 하나를 포함한다.
여기에서, 제2 광학 필터는 상기 비선형 물질 부재의 전방 방향에 위치하고, 상기 비선형 물질 부재를 투과하여 진행하는 상기 기본 광을 상기 후방 방향으로 변환한다.
여기에서, 상기 제2 광학 필터는 상기 심자외선 광은 투과시키고, 상기 기본 광은 반사시키는 하이 패스 필터 및 밴드 패스 필터 중 어느 하나를 포함한다.
여기에서, 상기 광원, 상기 비선형 물질 부재, 제1 및 제2 상기 광학 필터는 서로 이격되어 배치된다.
여기에서, 상기 광원, 상기 비선형 물질 부재, 제1 및 제2 상기 광학 필터 중 적어도 어느 하나는 서로 접한다.
여기에서, 상기 광원, 상기 비선형 물질 부재, 제1 및 제2 상기 광학 필터 중 적어도 어느 하나는 직접 본딩 방법, 에피텍셜 성장 방법 및 증착 방법 중 어느 하나에 의해 서로 접하도록 형성된다.
여기에서, 상기 광원은 상기 증착 방법으로 형성된다.
삭제
여기에서, 상기 제1 기준 성장면은 상기 성장 방향의 원점 위치에 대응하는 원자가 상기 성장 방향과 수직하게 형성하는 평면이다.
삭제
여기에서, 상기 제2 기준 성장면은 상기 성장 방향의 원점 위치에 대응하는 원자가 상기 성장 방향과 수직하게 형성하는 평면이고, 상기 단위 성장면은 상기 제2 원자가 상기 성장 방향과 수직하게 형성하는 평면이다.
여기에서, 상기 비선형 물질 부재는 상기 에피텍셜 성장 방법으로 형성되고, 상기 비선형 물질 부재는 표면에 양자점을 포함하는 방사 패턴이 형성된다.
여기에서, 상기 제1 및 제2 광학 필터 각각은 분포 브래그 반사기로 형성된다.
여기에서, 상기 제1 및 제2 광학 필터 각각은 상기 증착 방법에 의해 형성되고, 상기 제1 및 제2 광학 필터 각각은 성장 방향에 대한 최소 단위 두께의 정수배로 양자화된 두께로 각각 형성되고, 서로 굴절률이 다른 적어도 2개의 층이 교대로 반복 적층된 구조를 갖는다.
여기에서, 상기 광원, 상기 비선형 물질 부재 및 상기 광학 필터를 덮는 봉지제; 상기 광원, 상기 비선형 물질 부재 및 상기 광학 필터의 측면에 위치하고, 상기 심자외선 광을 상부 방향으로 반사시키는 반사 미러; 상기 심자외선 광의 세기를 감지하는 광 센서; 상기 감지된 심자외선 광의 세기에 따라 상기 광원을 제어하는 구동부; 및 배터리로부터 공급된 전원 전압을 제어하여 상기 광원에 공급하는 전압 안정기를 더 포함한다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 UV-C 발광 장치는 비선형 물질을 이용하여 기본 광을 심자외선 광으로 변환시키고, 광학 필터를 이용하여 후면 방향으로 진행하는 심자외선 광을 전면 방향으로 반사시킴으로써 고효율로 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 UV-C 발광 장치는 광학 필터를 이용하여 비선형 물질을 투과한 기본 광을 반사시켜 비선형 물질에 집속시킴으로써 광 출력을 향상시킬 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 UV-C 발광 장치는 기본 광을 방출하는 광원, 비선형 물질 및 광학 필터를 서로 접하도록 형성하고, 나노 스케일의 양자화된 두께로 형성함으로써 별도의 정렬이 필요없고, 경박 단소하게 구현할 수 있다.
도 1은 심자외선 LED의 광 변환 효율을 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 UV-C 발광 장치를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 심자외선 발광 모듈을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4a 내지 4c는 도 3에 도시된 광학 필터를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 광원을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 6은 결정 구조의 유형을 도시한 도면이다.
도 7 및 도 8은 최소 단위 두께를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 9는 공정 시간을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 10은 도 3에 도시된 비선형 물질 부재를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 심자외선 발광 모듈을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 12는 도 11에 도시된 제2 광학 필터를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심자외선 발광 모듈을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심자외선 발광 모듈을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 15는 도 14에 도시된 비선형 물질 부재를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심자외선 발광 모듈을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심자외선 발광 모듈을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 18은 도 2에 도시된 구동 모듈을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 UV-C 발광 장치의 효율을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
명세서 및 청구범위에서 용어 "포함하는"과 함께 사용될 때 단수 단어의 사용은 "하나"의 의미일 수도 있고, 또는 "하나 이상", "적어도 하나", 및 "하나 또는 하나보다 많은"의 의미일 수도 있다.
청구항들에서의 용어 "또는"의 사용은 본 개시 내용이 단지 선택가능한 것들 및 "및/또는"을 나타내는 정의를 지지하더라도, 선택가능한 것은 상호 배타적이거나 단지 선택가능한 것들을 나타내는 것으로 명백하게 표시되지 않는 한 "및/또는"을 의미하기 위해 사용된다.
본 발명의 특징 및 이점은 다음 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위 내 다양한 변경들 및 변형들이 본 상세한 설명으로부터 해당 기술분야의 통상의 기술자들에게 분명해질 것이기 때문에, 상세한 설명 및 구체적인 예들은 본 발명의 구체적인 실시예들을 나타내지만, 단지 예로서 주어진다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명의 다양한 예시적인 실시예들은 본 발명의 예시적인 실시예들이 도시되는, 첨부 도면들에 대하여 아래에서 상세하게 논의된다. 구체적인 구현예들이 논의되지만, 이는 단지 예시 목적들을 위해 행해진다. 관련 기술분야에서의 통상의 기술자는 다른 구성요소들 및 구성들이 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 같은 번호들은 전체에 걸쳐 같은 요소들을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 UV-C 발광 장치를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 UV-C 발광 장치(100)는 심자외선 발광 모듈(110) 및 구동 모듈(120)을 포함할 수 있다. 심자외선 발광 모듈(110)은 일정 파장을 갖는 기본 광을 이용하여 심자외선 광을 생성하고, 기본 광 및 심자외선 광 중 어느 하나의 진행 경로를 선택적으로 변환하여 살균 대상체(1)에 출력한다. 여기에서, 심자외선 발광 모듈(110)은 기본 광의 파장을 단파장으로 변환하여 심자외선 광을 생성할 수 있다. 그리고, 살균 대상체(1)는 심자외선 광의 파장 대역, 즉 180~280nm에서 살균이 가능한 대상체일 수 있다.
구동 모듈(120)은 심자외선 발광 모듈(110)과 전기적으로 연결되어 심자외선 발광 모듈(110)을 구동한다. 구동 모듈(120)은 휴대가 가능한 형태로 구현될 수 있다. 구동 모듈(120)은 살균 대상체(1)에 존재하는 세포의 DNA와 RNA를 손상시켜 세균을 사멸시킬 수 있는 최적의 광 세기로 심자외선 광이 출력되도록 심자외선 발광 모듈(110)을 구동할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 심자외선 발광 모듈을 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 4a 내지 4c는 도 3에 도시된 광학 필터를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 심자외선 발광 모듈(110)은 광원(111), 비선형 물질 부재(113) 및 광학 필터(115)를 포함할 수 있다. 광원(111)은 일정 파장을 갖는 기본 광(L1)을 비선형 물질 부재(113)에 제공한다. 여기에서, 광원(111)은 심자외선 광의 2배 이상 긴 파장을 갖는 기본 광(L1)을 출력할 수 있다. 예를 들어, 광원(111)은 약 290~440nm의 파장 대역을 갖는 청색 광이나 약 620~660nm의 파장 대역을 갖는 적색 광을 기본 광(L1)으로 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광원(111)은 고체 발광 소자, 예를 들어 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED), 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode; OLED), 레이저 다이오드(Laser Diode; LD) 및 레이저(Laser) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 여기에서, 레이저는 양자 폭포 레이저(QCL; quantum cascade laser), 수직 캐비티 표면 광방출 레이저(VCSEL; Vertical-cavity surface-emitting laser) 등을 포함할 수 있다.
비선형 물질 부재(113)는 광학 필터(115)와 일정 간격 이격되어 위치하고, 광원(111)으로부터 출력되는 기본 광(L1)의 적어도 일부를 고조파로 변환하여 심자외선 광(L2)을 출력한다. 비선형 물질 부재(113)는 기본 광이 통과할 때 2차 이상의 고조파를 발생(Harmonic Generation; HG)시키는 비선형 효과에 의해 기본 광을 2배 이상의 정수배의 주파수의 광, 즉 파장이 2배 이상 짧은 광으로 변환시킨다. 여기에서, 기본 광의 주파수를 2배로 제2 고조파 발생(Second Harmonic Generation; SHG)이라 하고, 3배로 만드는 것을 제3 고조파 발생(Third Harmonic Generation; THG)이라 한다.
비선형 물질 부재(113)는 LiNbO3, LiTaO3, KDP(KH2PO4), DKDP(KD2PO4), KNbO3, KTP(KTiOPO4), LBO(LiB3O5), CLBO(CsLiB6O10), BBO(β-BaB2O4), CBO(CSB3O5), YCOB, YAB(YAl3(BO3)4), SBBO(Sr2Be2B2O7) 및 KAB(K2Al2B2O7) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 여기에서, KTP 계열 물질은 KTA(KTiOAsO4), RTP(RbTiOPO4) 및 RTA(RbTiAsPO4)을 포함할 수 있다.
비선형 물질 부재(113)의 결정 구조가 반전 대칭성이 있으면 3차 고조파 성분이 크게 존재하고, 반전 대칭성이 없으면 2차 고조파 성분이 존재할 수 있다. 즉, 비선형 물질 부재(113)가 반전 대칭성이 없고 2차 비선형 계수를 갖는 비선형 물질, 즉 2차 비선형 물질을 포함하는 경우 비선형 물질 부재(113)는 2차 고조파를 발생시켜 기본 광의 2배의 주파수를 갖는 광, 즉 파장이 절반으로 짧아진 광으로 변환할 수 있다.
마찬가지로, 비선형 물질 부재(113)가 반전 대칭성이 있고, 3차 비선형 계수를 갖는 비선형 물질, 즉 3차 비선형 물질을 포함하는 경우 비선형 물질 부재(113)는 3차 고조파를 발생시켜 기본 광의 3배의 주파수를 갖는 광, 즉 파장이 1/3(0.33배)만큼 짧아진 광으로 변환할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 물질 부재(113)는 2차 비선형 물질을 포함하여 2차 고조파를 발생시키는 경우를 예를 들어 설명하나, 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 비선형 물질 부재(113)가 3차, 4차 또는 5차 고조파를 발생시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 물질 부재(113)는 2차원으로 복수의 층이 적층되어 형성될 수 있다. 비선형 물질 부재(113)는 두께가 얇을수록 심자외선 광(L2)의 발생 효율이 증가하므로, 본 발명의 일 실시예는 비선형 물질 부재(113)를 나노 단위 두께로 형성할 수 있다.
광학 필터(115)는 광원(111)과 비선형 물질 부재(113) 사이에 위치하고, 기본 광(L1)과 심자외선 광(L2) 각각을 파장에 따라 선택적으로 투과 또는 반사시켜 진행 경로를 변환한다. 비선형 물질 부재(113)를 통해 변환된 심자외선 광(L2)은 전방 방향(FD)과 후방 방향(BD)으로 진행한다. 여기에서, 전방 방향(FD)은 살균 대상체(1)에 대응하는 방향이고, 후방 방향(BD)은 전방 방향(FD)의 반대 방향, 즉 광원(111)의 방향일 수 있다. 즉, 심자외선 광(L2)의 약 50%만 전방 방향(FD)으로 출력되어 효율이 저하될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 필터(115)는 비선형 물질 부재(113)로부터 후방 방향(BD)으로 진행하는 심자외선 광(L2)을 전방 방향(FD)으로 반사시켜 효율을 증가시킬 수 있다.
여기에서, 광학 필터(115)는 도 4a에 도시된 바와 같이, 기본 광(L1)의 파장 대역 이상을 투과시키고, 나머지 파장 대역은 반사시키는 로우 패스 필터(Low Pass Filter)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 광학 필터(115)가 도 4b에 도시된 바와 같이, 기본 광(L1)의 파장 대역만 투과시키고, 나머지 파장 대역은 반사시키는 밴드 패스 필터(Band Pass Filter)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 필터(115)는 도 4c에 도시된 바와 같이, 분포 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector; DBR)로 형성될 수 있다. 여기에서, 분포 브래그 반사기는 굴절률이 서로 다른 층들을 교대로 반복 적층함으로써 형성되며, 예를 들어, AlAs층(115a) 및 AlGaAs층(115b)을 교대로 적층하여 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 심자외선 발광 모듈(110)은 광원(111), 비선형 물질 부재(113) 및 광학 필터(115)가 서로 이격되어 배치되는 경우를 예를 들어 설명하였으나, 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 광원(111), 비선형 물질 부재(113) 및 광학 필터(115) 중 적어도 어느 하나는 서로 접하도록 형성될 수 있다. 이 경우 광원(111), 비선형 물질 부재(113) 및 광학 필터(115)는 직접 본딩(direct bonding) 방법, 에피텍셜(epitaxial) 성장 방법, 증착(evaporation) 방법 중 적어도 어느 하나에 의해 형성될 수 있다.
도 5는 도 2에 도시된 광원을 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 6은 결정 구조의 유형을 도시한 도면이고, 도 7 및 도 8은 최소 단위 두께를 설명하기 위해 도시한 도면이며, 도 9는 공정 시간을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 광원(111)은 기판(111a) 및 발광층(111b)을 포함할 수 있다. 기판(111a)은 사파이어, GaAs, SiC, InP, Si, Ge, AlN, GaN, InSb 기판 등으로 형성될 수 있다. 기판(111a)은 화합물 반도체층들을 성장시키기 적합한 성장 기판일 수 있다. 또한, 기판(111a)은 패터닝된 사파이어 기판(PSS)과 같이 상부면에 일정 패턴이 형성될 수 있다.
발광층(111b)은 기판(111a) 상에 적층되고, 요구되는 파장의 광을 방출하도록 조성 원소 및 조성비가 결정될 수 있다. 발광층(111b)은 Ⅲ족, Ⅳ족, Ⅴ족, Ⅵ족 원소 및 이들의 화합물 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 발광층(111b)은 단일 양자 우물 또는 다중 양자 우물 구조로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 발광층(111b)은 본 발명자의 선출원 특허인 제10-2021-0005539(2021.01.14)호의 나노 스케일 박막 구조 및 이의 구현 방법에 개시된 박막층과 같이 나노 스케일의 양자화(quantization)된 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어 발광층(111b)은 최대 두께가 약 100nm일 수 있다.
여기에서, 발광층(111b)은 성장 방향에 대한 최소 단위 두께로 양자화된다. 즉, 발광층(111b)은 최소 단위 두께의 정수배에 대응하는 두께로 형성될 수 있다. 여기에서, 정수 값은 1부터 600 이하의 범위를 포함할 수 있다.
여기에서, 최소 단위 두께는 발광층(111b)을 구성하는 원소의 개수 및 결정 구조에 따라 설정될 수 있다. 결정 구조는 도 6에 도시된 바와 같이, 14가지로 구분될 수 있다. 발광층(111b)이 단일 원소로 구성된 경우 최소 단위 두께는 성장 방향으로 기준 성장면에 가장 인접한 원자와 기준 성장면 사이의 거리에 대응한다. 여기에서, 기준 성장면은 성장 방향의 원점 위치에 대응하는 원자가 성장 방향과 수직하게 형성하는 평면에 해당한다.
예를 들어, 발광층(111b)이 단일 원소로 구성되고, 원소의 결정 구조가 입방체 구조이며, 성장 방향이 [001] 방향인 경우 도 7에 도시된 바와 같이, 최소 단위 두께는 기준 성장면(P) 및 성장 방향으로 기준 성장면(P)에 가장 인접한 원자(A) 사이의 거리 L, 즉 c에 대응할 수 있다.
발광층(111b)이 두 가지 종류 이상의 원소로 구성된 경우 최소 단위 두께는 기준 성장면과 단위 성장면 사이의 거리에 대응한다. 이때, 단위 성장면은 성장 방향으로 기준 성장면에 가장 인접한 제1 원자와 가장 인접한 제2 원자가 성장 방향과 수직하게 형성하는 평면에 해당한다. 예를 들어, 발광층(111b)이 2가지 종류의 원소로 구성되고, 원소의 결정 구조가 입방체 구조이며, 성장 방향이 [001] 방향인 경우 도 8에 도시된 바와 같이, 최소 단위 두께는 성장 방향(화살표 표시)으로 기준 성장면(P1)과 단위 성장면(P2) 사이의 거리 L인 c/2일 수 있다. 여기에서, 기준 성장면(P1)은 성장 방향의 원점 위치에 대응하는 제1 원자(A1)가 성장 방향과 수직하게 형성하는 평면이고, 단위 성장면(P2)은 기준 성장면(P1)으로부터 성장 방향으로 가장 인접한 제2 원자(A2)와 가장 인접한 제3 원자(A3)가 성장 방향과 수직하게 형성하는 평면에 해당한다.
발광층(111b)은 물리 기상 증착법(PVD; Physical Vapor Deposition) 및 화학 기상 증착법(CVD; Chemical Vaper Deposition) 중 어느 하나의 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 발광층(111b)을 형성하기 위한 총 공정 시간은 무성장 시간과 최소 단위 두께에 대응하는 단위 공정 시간의 정수배에 해당하는 시간의 합으로 설정될 수 있다. 여기에서, 무성장 시간은 공정 시작 초기에 활성층의 성장이 이루어지지 않는 시간으로서, 약 0.01~10초의 시간일 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광층(111b)의 총 공정 시간은 도 9에 도시된 바와 같이, 무성장 시간(t1)에 단위 공정 시간(t2)의 정수배만큼의 시간을 추가한 시간으로 설정될 수 있다. 이 경우 발광층(111b)은 무성장 시간(t1) 이후에 단위 공정 시간(t2) 마다 최소 단위 두께만큼 성장하여 성장률이 일정하게 유지될 수 있다.
상기에서는 발광층(111b)은 성장 방향에 대한 최소 단위 두께의 정수배로 양자화된 두께로 형성되는 경우를 예를 들어 설명하였으나, 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 광학 필터(115)가 분포 브래그 반사기로 형성되는 경우 광학 필터(115)를 구성하는 층들도 발광층(111b)과 같이 최소 단위 두께의 정수배로 양자화된 두께로 형성될 수 있다. 즉, 발광층(111b) 및 광학 필터(115)가 나노 두께로 형성 가능함으로써 심자외선 발광 모듈(110)을 경박 단소화하게 형성할 수 있다.
도 10은 도 3에 도시된 비선형 물질 부재를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 물질 부재(113)는 기본 광(L1)과 심자외선 광(L2) 간의 위상 정합(Phase Matching)을 위해 주기적인 분극 반전 구조로 형성될 수 있다. 위상 정합은 비선형 물질 부재(113) 내에서 진행하는 기본 광(L1)과 심자외선 광(L2) 간의 위상 속도를 일치시키는 것으로서, 위상 정합이 이루어지지 않으면 심자외선 광(L2)이 비선형 물질 부재(113) 내부를 진행하면서 소멸 간섭을 일으켜 그 세기가 증가하지 않는다.
따라서, 심자외선 광(L2)이 소멸 간섭을 일으키는 부분마다 비선형 물질 부재(113)의 분극을 반대로 하여 보강 간섭을 일으키면 위상 정합이 일어난 것과 같이 심자외선 광(L2)의 세기를 증가시킬 수 있다. 이를 준 위상 정합(Quasi- Phase Matching)이라 한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예는 분극 방향이 서로 반대로 형성된 복수의 분극 반전층(113a)이 주기적으로 배열된 구조로 비선형 물질 부재(113)를 형성하여 기본 광(L1)과 심자외선 광(L2) 간의 위상 정합을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 비선형 물질 부재(113)에 전기장(또는 자기장)을 인가하여 기본 광(L1)과 심자외선 광(L2) 간의 위상 정합을 구현할 수 있다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 심자외선 발광 모듈(110)은 전기장(또는 자기장) 인가 장치(미도시)를 더 포함하여 비선형 물질 부재(113)에 전기장(또는 자기장)을 인가할 수 있다.
비선형 물질 부재(113)는 충분한 광출력에 도달하기까지 일정 시간이 소요되므로 실시간으로 광 출력이 이루어지지 않을 수 있다. 또한, 비선형 물질 부재(113)는 전기장(또는 자기장)에 따른 복굴절성이 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예는 비선형 물질 부재(113)에 전기장(또는 자기장)을 인가하여 커 효과(Kerr effect)를 유도함으로써 기본 광(L1)의 굴절률과 심자외선 광(L2)의 굴절률을 정합시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 비선형 물질 부재(113)의 온도를 조절하는 온도 조절 장치(미도시)를 더 포함하여 온도에 의한 복굴절성을 제어할 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 심자외선 발광 모듈을 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 12는 도 11에 도시된 제2 광학 필터를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 심자외선 발광 모듈(210)은 광원(211), 비선형 물질 부재(213), 제1 및 제2 광학 필터(215, 217)를 포함할 수 있다. 여기에서, 광원(211) 및 비선형 물질 부재(213)는 도 3에 도시된 광원(111) 및 비선형 물질 부재(113)와 동일한 구성이므로, 설명상의 편의를 위해 자세한 설명은 생략한다.
제1 광학 필터(215)는 광원(211)과 비선형 물질 부재(213) 사이에 위치하고, 기본 광(L1)과 심자외선 광(L2) 각각을 파장에 따라 선택적으로 투과 또는 반사시켜 진행 경로를 변환한다. 제1 광학 필터(215)는 비선형 물질 부재(213)와 일정 간격 이격되어 배치되고, 비선형 물질 부재(213)로부터 후방 방향(BD)으로 출력되는 심자외선 광(L2)을 전방 방향(FD)으로 반사시킬 수 있다.
여기에서, 제1 광학 필터(215)는 기본 광(L1)의 파장 대역 이상을 투과시키고, 나머지 파장 대역은 반사시키는 로우 패스 필터(Low Pass Filter)를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예는 이에 한정되지 않고, 제1 광학 필터(215)가 기본 광(L1)의 파장 대역만 투과시키고, 나머지 파장 대역은 반사시키는 밴드 패스 필터(Band Pass Filter)를 포함할 수 있다. 제1 광학 필터(215)는 분포 브래그 반사기로 구현될 수도 있다.
제2 광학 필터(217)는 비선형 물질 부재(213)를 기준으로 제1 광학 필터(215)와 반대 방향에 위치하여 심자외선 광(L2)은 투과시키고, 기본 광(L1)을 반사시킨다. 제2 광학 필터(217)는 비선형 물질 부재(213)와 일정 간격 이격되어 배치되고, 도 12의 (a)에 도시된 바와 같이, 심자외선 광(L2)의 파장 대역 이하를 투과시키고, 나머지 파장 대역은 반사시키는 하이 패스 필터(High Pass Filter)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 도 12의 (b)에 도시된 바와 같이, 제2 광학 필터(217)가 심자외선 광(L2)의 파장 대역만 투과시키고, 나머지 파장 대역은 반사시키는 밴드 패스 필터(Band Pass Filter)를 포함할 수 있다. 제2 광학 필터(217)는 분포 브래그 반사기로 구현될 수도 있다.
즉, 제2 광학 필터(217)는 비선형 물질 부재(213)를 투과한 기본 광(L1)의 나머지를 비선형 물질 부재(213)에 재입사시킨다. 따라서, 비선형 물질 부재(213)를 통해 변환되지 않은 기본 광(L1)이 다시 비선형 물질 부재(213)에 입사하여 심자외선 광(L2)으로 변환되게 함으로써 효율을 향상시킬 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심자외선 발광 모듈을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심자외선 발광 모듈(310)은 광원(311), 비선형 물질 부재(313), 제1 및 제2 광학 필터(315, 317)를 포함할 수 있다. 여기에서, 광원(311), 비선형 물질 부재(313) 및 제2 광학 필터(317)는 도 11에 도시된 광원(211), 비선형 물질 부재(213) 및 제2 광학 필터(217)와 동일한 구성이므로, 설명상의 편의를 위해 자세한 설명은 생략한다.
제1 광학 필터(315)는 광원(311) 상에 형성된다. 제1 광학 필터(315)는 도 11에 도시된 제1 광학 필터(215)와 기능은 동일하나, 광원(311) 상에 형성되는 점이 차이가 있다. 여기에서, 제1 광학 필터(315)는 직접 본딩(direct bonding) 방법, 에피텍셜(epitaxial) 성장 방법, 증착(evaporation) 방법 중 적어도 어느 하나에 의해 광원(311) 상에 형성될 수 있다.
따라서, 심자외선 발광 모듈(310)은 도 11에 도시된 심자외선 발광 모듈(210)에 비해 두께를 얇게 형성할 수 있다. 또한, 제1 광학 필터(315)를 분포 브래그 반사기로 형성할 경우 도 5에 도시된 발광층(111b)과 같이, 나노 스케일의 두께로 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 광학 필터(315)를 화학 기상 증착법으로 형성할 경우 성장 방향에 대한 최소 단위 두께로 양자화되어 광원(311) 상에 증착될 수 있다. 따라서, 심자외선 발광 모듈(310)을 더욱 경박 단소화할 수 있다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심자외선 발광 모듈을 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 15는 도 14에 도시된 비선형 물질 부재를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심자외선 발광 모듈(410)은 광원(411), 비선형 물질 부재(413), 제1 및 제2 광학 필터(415, 417)를 포함할 수 있다. 여기에서, 광원(411), 제1 및 제2 광학 필터(415, 417)은 도 13에 도시된 광원(311), 제1 및 제2 광학 필터(315, 317)와 동일한 구성이므로, 설명상의 편의를 위해 자세한 설명은 생략한다.
비선형 물질 부재(413)는 제1 광학 필터(415) 상에 형성된다. 비선형 물질 부재(413)는 도 13에 도시된 비선형 물질 부재(313)와 기능은 동일하나, 제1 광학 필터(415) 상에 형성되는 점이 차이가 있다. 여기에서, 비선형 물질 부재(413)는 직접 본딩(direct bonding) 방법, 에피텍셜(epitaxial) 성장 방법, 증착(evaporation) 방법 중 적어도 어느 하나에 의해 제1 광학 필터(315) 상에 형성될 수 있다. 따라서, 심자외선 발광 모듈(410)은 도 13에 도시된 심자외선 발광 모듈(310)에 비해 두께를 얇게 형성할 수 있다.
비선형 물질 부재(413)가 에피텍셜 성장 방법으로 형성되는 경우 도 15에 도시된 바와 같이, 표면에 방사 패턴(413a)을 포함할 수 있다. 여기에서, 방사 패턴(413a)은 비선형 물질 부재(413)의 표면에 양자점을 성장시켜 형성하거나, 비선형 물질 부재(413)의 표면을 패터닝하여 형성할 수 있다.
방사 패턴(413a)은 구형, 막대형, 원반형 등의 다양한 형태로 형성될 수 있고, 비선형 물질 부재(413)의 표면 상에 규칙적 또는 불규직한 패턴을 갖도록 형성될 수 있다. 방사 패턴(413a)에 의해 비선형 물질 부재(413)의 표면적이 증가하여 심자외선 광(L2)의 방사 효율이 증가할 수 있다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심자외선 발광 모듈을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심자외선 발광 모듈(510)은 광원(511), 비선형 물질 부재(513), 제1 및 제2 광학 필터(515, 517)를 포함할 수 있다. 여기에서, 광원(511), 비선형 물질 부재(513) 및 제1 광학 필터(515)는 도 14에 도시된 광원(411), 비선형 물질 부재(413) 및 제1 광학 필터(415)와 동일한 구성이므로, 설명상의 편의를 위해 자세한 설명은 생략한다.
제2 광학 필터(517)는 비선형 물질 부재(513) 상에 형성된다. 제2 광학 필터(517)는 도 14에 도시된 제2 광학 필터(417)와 기능은 동일하나, 비선형 물질 부재(513) 상에 형성되는 점이 차이가 있다. 여기에서, 제2 광학 필터(517)는 직접 본딩(direct bonding) 방법, 에피텍셜(epitaxial) 성장 방법, 증착(evaporation) 방법 중 적어도 어느 하나에 의해 비선형 물질 부재(513) 상에 형성될 수 있다.
따라서, 심자외선 발광 모듈(510)은 도 14에 도시된 심자외선 발광 모듈(410)에 비해 두께를 얇게 형성할 수 있다. 또한, 제2 광학 필터(517)를 분포 브래그 반사기로 형성할 경우 도 5에 도시된 발광층(111b)과 같이, 나노 스케일의 두께로 형성할 수 있다. 예를 들어, 제2 광학 필터(517)를 화학 기상 증착법으로 형성할 경우 성장 방향에 대한 최소 단위 두께로 양자화되어 비선형 물질 부재(513) 상에 증착될 수 있다. 즉, 심자외선 발광 모듈(510)은 광원(511) 부터 제2 광학 필터(517)까지 반도체 증착 방법으로 구현됨으로써 광학계를 별도로 정렬(alignment)시킬 필요가 없이 자체 정렬 가능하고, 더욱 경박 단소화될 수 있다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심자외선 발광 모듈을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심자외선 발광 모듈(610)은 광원(611), 비선형 물질 부재(613), 제1 광학 필터(615), 제2 광학 필터(617), 봉지제(619) 및 반사 미러(621)를 포함할 수 있다. 여기에서, 광원(611), 비선형 물질 부재(613), 제1 광학 필터(615) 및 제2 광학 필터(617)는 도 16에 도시된 광원(511), 비선형 물질 부재(513), 제1 광학 필터(515) 및 제2 광학 필터(517)와 동일한 구성이므로, 설명상의 편의를 위해 자세한 설명은 생략한다.
봉지제(619)는 광원(611), 비선형 물질 부재(613), 제1 광학 필터(615) 및 제2 광학 필터(617)를 둘러싸도록 형성된다. 봉지제(619)는 투광성 물질로 형성될 수 있고, 형광체 등을 포함할 수도 있다.
반사 미러(621)는 광원(611), 비선형 물질 부재(613), 제1 광학 필터(615) 및 제2 광학 필터(617)의 측면에 배치되고, 심자외선 광(L2)을 상부 방향으로 반사시킬 수 있다. 여기에서, 반사 미러(621)는 선택적으로 구성할 수 있다.
도 18은 도 2에 도시된 구동 모듈을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 18을 참조하면, 구동 모듈(120)은 구동부(121), 광 센서(123), 전압 안정기(regulator)(125), 배터리(127) 및 제어부(129)를 포함할 수 있다. 구동부(121)는 광원(111)의 구동 전압 또는 구동 전류를 제어할 수 있다. 바람직하게, 구동부(121)는 안정적인 광 출력을 위해 광원(111)을 정전류 방식으로 구동할 수 있다.
구동부(121)는 광 센서(123)로부터 심자외선 광(L2)의 세기를 피드백 받아 심자외선 광(L2)의 세기가 일정하게 유지되도록 광원(111)의 출력을 제어할 수 있다. 구동부(121)는 미리 설정된 광 세기로 심자외선 광(L2)이 출력되도록 광원(111)의 출력을 제어할 수 있다. 예를 들어, 구동부(121)는 세포의 DNA와 RNA를 손상시켜 세균을 사멸시킬 수 있는 최적의 광 세기로 심자외선 광(L2)이 출력되도록 광원(111)을 제어할 수 있다. 또한, 구동부(121)는 비선형 물질 부재(113)에서 원하는 비선형 효과가 발생할 수 있는 광 세기로 기본 광(L1)이 출력되도록 광원(111)을 제어할 수 있다.
광 센서(123)는 심자외선 광(L2)을 감지한다. 광 센서(123)는 심자외선 광(L2)의 파장 대역을 감지하고, 구동부(121)에 감지 결과를 제공할 수 있다.
전압 안정기(125)는 배터리(127)로부터 공급된 전원 전압을 조절하여 광원(111)에 공급한다. 전압 안정기(125)는 배터리(127)로부터 공급된 전원 전압을 일정 듀티비를 갖는 펄스 신호로 변환하여 광원(111)에 공급할 수 있다.
배터리(127)는 일정 크기의 전원 전압을 공급한다. 배터리(127)는 충전 및 방전이 가능한 2차 전지로 구성될 수 있다. 배터리(127)는 USB(Universal Serial Bus) 단자 등과 전기적으로 연결되어 충전될 수 있다.
제어부(129)는 구동 모듈(200)의 전체적인 동작을 제어하고, 구동부(121), 광 센서(123), 전압 안정기(125) 및 배터리(127) 간의 제어 흐름 또는 데이터 흐름을 관리할 수 있다. 제어부(129)는 MCU(Micro Control Unit)로 구현되어 디지털 방식으로 구동 모듈(120)을 제어할 수 있다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 UV-C 발광 장치의 효율을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 19에서, 광원(111)이 질화물(Nitride) 기반의 LED 소자인 경우 400nm 파장에서 외부 양자 효율(External Quantum Efficiency; EQE)은 약 80%인 것을 볼 수 있다.
비선형 물질 부재(113)를 KDP 결정으로 형성하고, 비선형 물질 부재(113)를 통해 광원(111)으로부터 출력되는 기본 광(L1)을 2차 고조파로 변환하여 200nm 파장의 광을 출력하는 경우 에너지 보존 법칙에 의해 파장이 짧아진 것을 고려하여 0.5배, 비선형 물질 부재(113)로부터 출력되는 심자외선 광(L2)의 양방향 전파를 고려하여 0.5배를 적용하면 외부 양자 효율은 80%/2*80%/2=16%로 산출될 수 있다. 여기에서, 광학 필터(115)의 반사도를 95%로 가정하면, 16%*0.95=15.2%가 추가되므로 최대 31.2%의 외부 양자 효율을 얻을 수 있다.
한편, 광원(111)이 인화물(phosphide) 기반 LED 소자인 경우 650nm 파장에서 외부 양자 효율은 약 70%이고, 비선형 물질 부재(113)를 통해 기본 광(L1)을 3차 고조파로 변환하여 200nm 파장의 광을 출력하는 경우 최대 18.2%의 외부 양자 효율을 얻을 수 있다. 즉, 기존의 심자외선 LED의 0.1% 미만의 외부 양자 효율에 비해 약 300배 이상 향상된 것을 알 수 있다.
100: UV-C 발광 장치
110: 심자외선 발광 모듈
120: 구동 모듈

Claims (33)

  1. 일정 파장을 갖는 기본 광을 발생시키는 광원;
    상기 기본 광의 일부를 고조파로 변환하여 심자외선 광을 발생시키는 비선형 물질 부재; 및
    상기 심자외선 광의 진행 경로를 변환하는 광학 필터를 포함하고,
    상기 광원은 성장 방향에 대한 최소 단위 두께의 정수배로 양자화된 두께로 형성된 발광층을 포함하며,
    상기 발광층이 단일 원소로 구성된 경우 상기 최소 단위 두께는 상기 발광층에 포함된 원소의 결정 구조를 형성하는 원자들 중 상기 성장 방향으로 제1 기준 성장면에 가장 인접한 원자와 상기 제1 기준 성장면 사이의 거리에 대응하는 두께이고,
    상기 발광층이 두 가지 종류 이상의 원소로 구성된 경우 상기 최소 단위 두께는 상기 발광층에 포함된 원소의 결정 구조를 형성하는 원자들 중 상기 성장 방향으로 제2 기준 성장면에 가장 인접한 제1 원자와 가장 인접한 제2 원자가 형성하는 단위 성장면과 상기 제2 기준 성장면 사이의 거리에 대응하는 UV-C 발광 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광원은
    Ⅲ족, Ⅳ족, Ⅴ족, Ⅵ족 원소 및 이들의 화합물 중 어느 하나를 포함하는 발광 다이오드 또는 레이저 소자인 UV-C 발광 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 비선형 물질 부재는
    상기 기본 광의 일부를 2차 또는 3차 고조파로 변환하는 UV-C 발광 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 비선형 물질 부재는
    LiNbO3, LiTaO3, KDP(KH2PO4), DKDP(KD2PO4), KNbO3, KTP(KTiOPO4), LBO(LiB3O5), CLBO(CsLiB6O10), BBO(β-BaB2O4), CBO(CSB3O5), YCOB, YAB(YAl3(BO3)4), SBBO(Sr2Be2B2O7) 및 KAB(K2Al2B2O7) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 UV-C 발광 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 비선형 물질 부재는
    분극 방향이 서로 반대로 형성된 분극 반전층이 주기적으로 배열된 구조를 갖는 UV-C 발광 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 비선형 물질 부재는
    전기장에 의해 상기 기본 광과 상기 심자외선 광의 굴절률이 정합되도록 제어되는 UV-C 발광 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 광학 필터는
    상기 광원과 상기 비선형 물질 부재 사이에 위치하고, 상기 비선형 물질 부재의 후방 방향으로 진행하는 상기 심자외선 광을 전방 방향으로 변환하는 UV-C 발광 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 광학 필터는
    상기 기본 광은 투과시키고, 상기 심자외선 광은 반사시키는 로우 패스 필터 및 밴드 패스 필터 중 어느 하나를 포함하는 UV-C 발광 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광원, 상기 비선형 물질 부재 및 상기 광학 필터는 서로 이격되어 배치되는 UV-C 발광 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광원, 상기 비선형 물질 부재 및 상기 광학 필터 중 적어도 어느 하나는 서로 접하는 UV-C 발광 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 광원, 상기 비선형 물질 부재 및 상기 광학 필터 중 적어도 어느 하나는 직접 본딩 방법, 에피텍셜 성장 방법 및 증착 방법 중 어느 하나에 의해 서로 접하도록 형성된 UV-C 발광 장치.
  12. 일정 파장을 갖는 기본 광을 발생시키는 광원;
    상기 기본 광의 일부를 고조파로 변환하여 심자외선 광을 발생시키는 비선형 물질 부재;
    상기 심자외선 광의 진행 경로를 변환하는 제1 광학 필터; 및
    상기 기본 광의 진행 경로를 변환하는 제2 광학 필터를 포함하고,
    상기 광원은 성장 방향에 대한 최소 단위 두께의 정수배로 양자화된 두께로 형성된 발광층을 포함하며,
    상기 발광층이 단일 원소로 구성된 경우 상기 최소 단위 두께는 상기 발광층에 포함된 원소의 결정 구조를 형성하는 원자들 중 상기 성장 방향으로 제1 기준 성장면에 가장 인접한 원자와 상기 제1 기준 성장면 사이의 거리에 대응하는 두께이고,
    상기 발광층이 두 가지 종류 이상의 원소로 구성된 경우 상기 최소 단위 두께는 상기 발광층에 포함된 원소의 결정 구조를 형성하는 원자들 중 상기 성장 방향으로 제2 기준 성장면에 가장 인접한 제1 원자와 가장 인접한 제2 원자가 형성하는 단위 성장면과 상기 제2 기준 성장면 사이의 거리에 대응하는 UV-C 발광 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 광원은
    Ⅲ족, Ⅳ족, Ⅴ족, Ⅵ족 원소 및 이들의 화합물 중 어느 하나를 포함하는 발광 다이오드 또는 레이저 소자인 UV-C 발광 장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 비선형 물질 부재는
    상기 기본 광의 일부를 2차 또는 3차 고조파로 변환하는 UV-C 발광 장치.
  15. 제12항에 있어서, 상기 비선형 물질 부재는
    LiNbO3, LiTaO3, KDP(KH2PO4), DKDP(KD2PO4), KNbO3, KTP(KTiOPO4), LBO(LiB3O5), CLBO(CsLiB6O10), BBO(β-BaB2O4), CBO(CSB3O5), YCOB, YAB(YAl3(BO3)4), SBBO(Sr2Be2B2O7) 및 KAB(K2Al2B2O7) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 UV-C 발광 장치.
  16. 제12항에 있어서, 상기 비선형 물질 부재는
    분극 방향이 서로 반대로 형성된 분극 반전층이 주기적으로 배열된 구조를 갖는 UV-C 발광 장치.
  17. 제12항에 있어서, 상기 비선형 물질 부재는
    전기장에 의해 상기 기본 광과 상기 심자외선 광의 굴절률이 정합되도록 제어되는 UV-C 발광 장치.
  18. 제12항에 있어서, 제1 광학 필터는
    상기 광원과 상기 비선형 물질 부재 사이에 위치하고, 상기 비선형 물질 부재의 후방 방향으로 진행하는 상기 심자외선 광을 전방 방향으로 변환하는 UV-C 발광 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제1 광학 필터는
    상기 기본 광은 투과시키고, 상기 심자외선 광은 반사시키는 로우 패스 필터 및 밴드 패스 필터 중 어느 하나를 포함하는 UV-C 발광 장치.
  20. 제12항에 있어서, 제2 광학 필터는
    상기 비선형 물질 부재의 전방 방향에 위치하고, 상기 비선형 물질 부재를 투과하여 진행하는 상기 기본 광을 후방 방향으로 변환하는 UV-C 발광 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제2 광학 필터는
    상기 심자외선 광은 투과시키고, 상기 기본 광은 반사시키는 하이 패스 필터 및 밴드 패스 필터 중 어느 하나를 포함하는 UV-C 발광 장치.
  22. 제12항에 있어서,
    상기 광원, 상기 비선형 물질 부재, 제1 및 제2 상기 광학 필터는 서로 이격되어 배치되는 UV-C 발광 장치.
  23. 제12항에 있어서,
    상기 광원, 상기 비선형 물질 부재, 제1 및 제2 상기 광학 필터 중 적어도 어느 하나는 서로 접하는 UV-C 발광 장치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 광원, 상기 비선형 물질 부재, 제1 및 제2 상기 광학 필터 중 적어도 어느 하나는 직접 본딩 방법, 에피텍셜 성장 방법 및 증착 방법 중 어느 하나에 의해 서로 접하도록 형성된 UV-C 발광 장치.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 광원은 상기 증착 방법으로 형성되는 UV-C 발광 장치.
  26. 삭제
  27. 제12항에 있어서,
    상기 제1 기준 성장면은 상기 성장 방향의 원점 위치에 대응하는 원자가 상기 성장 방향과 수직하게 형성하는 평면인 UV-C 발광 장치.
  28. 삭제
  29. 제12항에 있어서,
    상기 제2 기준 성장면은 상기 성장 방향의 원점 위치에 대응하는 원자가 상기 성장 방향과 수직하게 형성하는 평면이고, 상기 단위 성장면은 상기 제2 원자가 상기 성장 방향과 수직하게 형성하는 평면인 UV-C 발광 장치.
  30. 제24항에 있어서,
    상기 비선형 물질 부재는 상기 에피텍셜 성장 방법으로 형성되고,
    상기 비선형 물질 부재는 표면에 양자점을 포함하는 방사 패턴이 형성된 UV-C 발광 장치.
  31. 제24항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광학 필터 각각은
    분포 브래그 반사기로 형성된 UV-C 발광 장치.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광학 필터 각각은 상기 증착 방법에 의해 형성되고,
    상기 제1 및 제2 광학 필터 각각은 성장 방향에 대한 최소 단위 두께의 정수배로 양자화된 두께로 각각 형성되고, 서로 굴절률이 다른 적어도 2개의 층이 교대로 반복 적층된 구조를 갖는 UV-C 발광 장치.
  33. 제12항에 있어서,
    상기 광원, 상기 비선형 물질 부재 및 상기 광학 필터를 덮는 봉지제;
    상기 광원, 상기 비선형 물질 부재 및 상기 광학 필터의 측면에 위치하고, 상기 심자외선 광을 상부 방향으로 반사시키는 반사 미러;
    상기 심자외선 광의 세기를 감지하는 광 센서;
    상기 감지된 심자외선 광의 세기에 따라 상기 광원을 제어하는 구동부; 및
    배터리로부터 공급된 전원 전압을 제어하여 상기 광원에 공급하는 전압 안정기를 더 포함하는 UV-C 발광 장치.
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