KR102462354B1 - Led들로부터의 광 방출을 시준하기 위한 나노구조의 메타물질들 및 메타표면들 - Google Patents
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Abstract
발광 다이오드(LED)의 출력을 시준하기 위한 시스템, 방법 및 디바이스가 개시된다. 시스템, 방법 및 디바이스는 광이 방출되는 상부 표면을 포함하는 LED 기판, 및 방출된 광 경로 내에 배치되고, 디바이스로부터 시준된 광 출력을 제공하기 위해 LED 방출된 광의 산란의 방향들을 선택하도록 구성되는 서브파장 산란 안테나들의 어레이를 포함한다. 어레이는 LED로부터 방출된 광의 전파의 평면에 수직으로 정렬될 수 있고, 상부 표면에 인접하여 배치될 수 있다. 어레이는 LED 기판 내에 적어도 부분적으로, 또는 완전히 배치될 수 있다. 어레이는 상부 표면으로부터 일정 거리 이격될 수 있고, 간격은 상부 표면에 인접한 유전체 스페이서를 사용하여 달성될 수 있다. 어레이는 유전체 스페이서 내에 배치될 수 있다.
Description
관련 출원과의 상호 참조
본원은 "Nanostructured Meta-Materials and Meta-Surfaces To Collimate Light Emission from LEDS"이라고 하는 2017년 10월 17일자 출원된 미국 가 출원 번호 62/573,372호 및 2018년 10월 16일자 출원된 가 출원이 아닌 미국 출원 번호 16/161,875호, 및 2018년 2월 23일자 출원된 유럽 특허 출원 번호 18158381.6호를 우선권 주장하고, 이들 출원 모두는 본원에 완전히 기술된 것처럼 참조로 포함된다.
본 발명은 광원들로부터의 광 방출들을 시준하기 위한 방법들 및 시스템들에 관한 것이고, 보다 구체적으로는, 발광 다이오드들(LED들)로부터의 광 방출을 시준하기 위한 나노구조의 메타물질들 및 메타표면들에 관한 것이다.
표준 발광 다이오드(LED) 다이는 전형적으로 방출 파장과 관계없이 램버시안 각도 방출 패턴을 갖는다. 소정의 LED 응용들의 경우, LED들에 의해 방출된 광을 실질적으로 시준하는 이점 또는 필요가 있을 수 있다. 예를 들어, 홍채 스캐닝을 위해 사용되는 적외선(IR) LED들로부터 방출된 광은 시준될 필요가 있다. 시준된 광 방출을 제공하기 위해 사용되는 시스템들은 원거리 필드(far-field) 내에 빔을 시준하기 위해 LED들에 결합된 렌즈들을 사용한다. 전형적인 LED가 방출된 광의 램버시안 각도 분포를 갖기 때문에 렌즈들이 사용되고, 렌즈들은 LED로부터 출력된 광을 시준한다. 이러한 렌즈 또는 다른 유형의 광학 어셈블리는 일반적으로 LED 다이와 상이한 컴포넌트 및/또는 부품이다. 이 추가적인 부품은 LED를 제위치에 유지하는 패키지 내로의 통합을 요구한다. 보통, 렌즈는 몰드된 플라스틱 부품이지만, 시준 광학계들은 또한 반사 표면 또는 반사기들과 렌즈들 둘 다의 조합일 수 있다. 외부 렌즈 어셈블리의 사용은 발광 어셈블리의 크기를 증가시킨다. 예를 들어, 전형적인 IR LED의 경우, 반사기 및/또는 플라스틱 렌즈와 함께 LED가 되는 패키지는 높이가 전형적으로 약 3㎜이다. 기판을 포함하는 LED 다이는 일반적으로 단지 수 100미크론 두께이다. LED 다이 두께에 대한 패키지 두께의 비는 기존의 상용 IR LED들에 대해 약 10이다. IR LED들이 홍채 인식 모듈들과 같은, 모듈의 부분으로서 스마트폰들에서 갈수록 더 사용되고, 스마트폰들이 증가하는 컴포넌트 밀도로 계속 더 얇아짐에 따라, IR LED들의 두께를 감소시키는 것은 중요하다. 그러므로 더 얇은 프로필을 갖는 시준된 광을 방출하는 LED들이 가능하게 하고, 광을 시준하기 위해 외부 렌즈들의 필요성을 감소시키고, LED들에 의해 방출된 복사선 프로필(radiation profile)을 좁게 하고, 광을 외부 광학계들에 결합하는 데 있어서의 효율을 증가시키는 기술의 필요성이 존재한다.
발광 다이오드(LED)의 출력을 시준하기 위한 시스템, 방법 및 디바이스가 개시된다. 시스템, 방법 및 디바이스는 광이 방출되는 상부 표면을 포함하는 LED 기판, 및 방출된 광 경로 내에 배치되고, 디바이스로부터 시준된 광 출력을 제공하기 위해 LED 방출된 광의 산란의 위상 및 진폭을 변경하도록 구성된 서브파장 산란 안테나들의 어레이를 포함한다. 어레이는 LED로부터 방출된 광의 전파(propagation)의 평면에 수직으로 정렬될 수 있고 상부 표면에 인접하여 배치될 수 있다. 시스템, 방법 및 디바이스는 또한 어레이가 그 안에 배치되는 매립 매체를 포함할 수 있다. 어레이는 LED 기판 내에 적어도 부분적으로, 또는 완전히 배치될 수 있다. 어레이는 상부 표면으로부터 일정 거리 이격될 수 있고, 간격(spacing)은 상부 표면에 인접한 유전체 스페이서를 사용하여 달성될 수 있다. 어레이는 유전체 스페이서 내에 배치될 수 있다. 대안적으로, 어레이는 별개의 요소일 수 있다.
시스템, 방법 및 디바이스는 방출된 광 경로 내에 배치되고, 디바이스로부터 시준된 광 출력을 제공하기 위해 LED 방출된 광의 산란의 방향들을 선택하도록 구성되는 서브파장 산란 안테나들의 제2 어레이를 포함한다. 어레이와 제2 어레이는 일정 거리 이격될 수 있다. 어레이와 제2 어레이는 동일한 또는 상이한 어레이들일 수 있다.
첨부 도면들과 함께 예로서 주어진, 다음의 상세한 설명으로부터 보다 상세한 이해가 될 수 있다.
도 1은 LED에 의해 방출된 광을 원거리 필드 내에 시준하도록 기능하는 LED 다이의 상부 상에 배치된 서브파장 산란 안테나들의 배열을 도시하고;
도 2는 어레이가 LED 상부 표면의 상부 상에 배치된 도 2a, 어레이가 LED 상부 표면 내에/상에 잠기고/잠기거나 부분적으로 잠긴 도 2b, 및 어레이가 어레이와 LED 상부 표면 사이에 배치된 유전체 스페이서를 사용하여 LED 상부 표면으로부터 오프셋된 도 2c를 포함하는 서브파장 산란 안테나들의 어레이들의 예시적인 배열들을 일반적으로 도시하고;
도 3은 어레이가 LED 상부 표면의 상부 상에 배치된 도 3a, 어레이가 개별적인 산란 안테나들 사이에 z 오프셋들을 갖는 LED의 상부 표면 상에 배치된 도 3b, 다수의 어레이가 층들 각각 사이에 갭들이 없이 산란 안테나들의 상이한 배열을 갖는 각각의 어레이로 LED 표면 상에 배치된 도 3c, 및 다수의 어레이가 설계된 두께들의 층들 사이에 유전체 스페이서들을 갖는 산란 안테나들의 상이한 배열을 갖는 각각의 어레이로 LED 표면 상에 배치된 도 3d를 포함하는 서브파장 산란 요소의 어레이들의 예시적인 배열들을 일반적으로 도시하고;
도 4는 LED 기판으로부터의 광 출력을 시준하는 방법을 도시하고;
도 5a는 LED로부터의 광을 시준하기 위한 산란 안테나들의 응용의 예를 도시하고;
도 5b는 벌크 반사 재료가 있고 인광체 층들이 없는 LED로서 설계된 디바이스를 도시하고;
도 5c는 측면 반사 코팅이 있고 인광체가 없는 LED를 도시하고;
도 5d는 벌크 반사 재료 및 인광체 층이 있는 LED를 도시하고;
도 5e는 측면 반사 코팅 및 인광체 층이 있는 LED를 도시하고;
도 6은 1㎜×1㎜의 LED 크기에 걸친 산란 안테나들의 위상 분포 φ(x,y)의 플롯을 도시하고;
도 7은 (도 6에 도시한 것과 같은 전형적으로 측면 당 1-2㎜인 LED의 치수들과 비교할 때 더 작은) 25㎛×25㎛의 더 작은 영역에 걸친 산란 안테나들의 위상 분포 φ(x,y)의 플롯을 도시하고;
도 8은 산란 안테나들의 위상 함수의 플롯을 도시하고;
도 9는 도 7의 위상 분포 플롯에 대응하는 사파이어 기판 상의 10㎛×10㎛의 더 작은 영역에 걸친 산란 안테나들의 배열의 상면도를 도시하고;
도 10은 산란 안테나들의 줌-인된(zoomed-in) 영상을 도시하고;
도 11은 산란 안테나들의 더 줌-인된 영상을 도시한다.
도 1은 LED에 의해 방출된 광을 원거리 필드 내에 시준하도록 기능하는 LED 다이의 상부 상에 배치된 서브파장 산란 안테나들의 배열을 도시하고;
도 2는 어레이가 LED 상부 표면의 상부 상에 배치된 도 2a, 어레이가 LED 상부 표면 내에/상에 잠기고/잠기거나 부분적으로 잠긴 도 2b, 및 어레이가 어레이와 LED 상부 표면 사이에 배치된 유전체 스페이서를 사용하여 LED 상부 표면으로부터 오프셋된 도 2c를 포함하는 서브파장 산란 안테나들의 어레이들의 예시적인 배열들을 일반적으로 도시하고;
도 3은 어레이가 LED 상부 표면의 상부 상에 배치된 도 3a, 어레이가 개별적인 산란 안테나들 사이에 z 오프셋들을 갖는 LED의 상부 표면 상에 배치된 도 3b, 다수의 어레이가 층들 각각 사이에 갭들이 없이 산란 안테나들의 상이한 배열을 갖는 각각의 어레이로 LED 표면 상에 배치된 도 3c, 및 다수의 어레이가 설계된 두께들의 층들 사이에 유전체 스페이서들을 갖는 산란 안테나들의 상이한 배열을 갖는 각각의 어레이로 LED 표면 상에 배치된 도 3d를 포함하는 서브파장 산란 요소의 어레이들의 예시적인 배열들을 일반적으로 도시하고;
도 4는 LED 기판으로부터의 광 출력을 시준하는 방법을 도시하고;
도 5a는 LED로부터의 광을 시준하기 위한 산란 안테나들의 응용의 예를 도시하고;
도 5b는 벌크 반사 재료가 있고 인광체 층들이 없는 LED로서 설계된 디바이스를 도시하고;
도 5c는 측면 반사 코팅이 있고 인광체가 없는 LED를 도시하고;
도 5d는 벌크 반사 재료 및 인광체 층이 있는 LED를 도시하고;
도 5e는 측면 반사 코팅 및 인광체 층이 있는 LED를 도시하고;
도 6은 1㎜×1㎜의 LED 크기에 걸친 산란 안테나들의 위상 분포 φ(x,y)의 플롯을 도시하고;
도 7은 (도 6에 도시한 것과 같은 전형적으로 측면 당 1-2㎜인 LED의 치수들과 비교할 때 더 작은) 25㎛×25㎛의 더 작은 영역에 걸친 산란 안테나들의 위상 분포 φ(x,y)의 플롯을 도시하고;
도 8은 산란 안테나들의 위상 함수의 플롯을 도시하고;
도 9는 도 7의 위상 분포 플롯에 대응하는 사파이어 기판 상의 10㎛×10㎛의 더 작은 영역에 걸친 산란 안테나들의 배열의 상면도를 도시하고;
도 10은 산란 안테나들의 줌-인된(zoomed-in) 영상을 도시하고;
도 11은 산란 안테나들의 더 줌-인된 영상을 도시한다.
다음의 설명에서, 본 실시예들의 철저한 이해를 제공하기 위해, 특정한 구조들, 컴포넌트들, 재료들, 치수들, 처리 단계들, 및 기술들과 같은 수많은 특정한 상세들이 제시된다. 그러나, 실시예들이 이들 특정한 상세 없이 실시될 수 있다는 것을 본 기술 분야의 통상의 기술자는 알 것이다. 다른 예들에서, 널리 공지된 일부 구조들 또는 처리 단계들이 실시예들을 불명하게 하는 것을 피하기 위해 상세히 설명되지 않았다. 층, 영역, 또는 기판과 같은 요소가 또 하나의 요소 "상에" 또는 "위에" 있다고 할 때, 그것은 다른 요소 바로 위에 있을 수 있거나 중간 요소들이 또한 존재할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 대조적으로, 요소가 또 하나의 요소 "바로 위에" 또는 "직접" 위에 있다고 할 때, 중간 요소들은 존재하지 않는다. 요소가 또 하나의 요소 "밑에" 또는 "아래에", 또는 "하측에" 있다고 할 때, 그것은 다른 요소 바로 밑에 또는 아래에 있을 수 있거나 중간 요소들이 또한 존재할 수 있다는 것을 또한 이해할 것이다. 대조적으로, 요소가 또 하나의 요소 "바로 밑에" 또는 "바로 아래에" 있다고 할 때, 중간 요소들은 존재하지 않는다.
다음의 상세한 설명에서 실시예들의 제시를 불명하게 하지 않는 것을 도모하기 위해, 본 기술 분야에 공지된 일부 구조들, 컴포넌트들, 재료들, 치수들, 처리 단계들, 및 기술들이 제시를 위해 그리고 예시 목적들을 위해 함께 조합될 수 있고 일부 예들에서 상세히 설명되지 않을 수도 있다. 다른 예들에서, 본 기술 분야에 공지된 일부 구조들, 컴포넌트들, 재료들, 치수들, 처리 단계들, 및 기술들은 전혀 설명되지 않을 수 있다. 다음의 설명은 여기에 설명된 다양한 실시예들의 구별되는 특징들 또는 요소들에 오히려 집중된다는 것을 이해하여야 한다.
나노-스케일 구조적 및 화학적 특성들의 공간적 변화를 갖는 인공적으로 구성된, 서브파장, 나노구조의 광학 메타물질들, 메타표면들 및 포토닉 결정들은 반사기 및/또는 렌즈 어셈블리를 사용하지 않고 시준된 광을 원거리 필드 내로 방출할 수 있는 평탄한 초박형, 소형 LED들을 제공하기 위해 발광 다이오드들(LED들)과 같은 플래너 발광 디바이스들로부터 방출된 광을 시준한다. 카메라 폰들 및 소형화된 개인 전자 디바이스들과 같은 소정의 응용들에서, 반사기들 및 렌즈들을 갖는 LED들의 두께는 중요한 제한일 수 있다. 본 시준 광학계들은 별도의 광학 어셈블리를 요구하는 것 대신에 LED 칩 자체 상에 만들어질 수 있다.
제안된 방법은 서브파장 나노구조들을 LED 아키텍처 내로 통합시킴으로써 (IR LED들로 제한되지 않고 또한 가시 LED들에 적용가능한) LED들의 두께를 감소시킨다. 서브파장 나노구조들은 측방향 크기(x,y)에서의 광의 자유 공간 파장보다 작은 크기일 수 있고, 전파의 방향을 따르는 z-높이는 서브파장이거나 아닐 수 있다. 공진 구현들의 경우, z는 또한 서브파장일 수 있다. 비공진 구현들의 경우, z는 서브파장일 수 있거나 크기에 있어서 거의 하나의 파장일 수 있다. 서브파장은 특정된 설계 파장에서와 같은 기준 파장을 말한다. 이들 서브파장 나노구조는 그들을 조명하는 광의 진폭 및 위상에 영향을 주고 나노구조들의 어레이 또는 어레이들에 의해 투과되거나 산란된 광으로 하여금 LED의 원거리 필드에 내에 시준되게 한다. 이들 서브파장 나노입자는 총체적으로 광학 시준 요소로서 또는 LED로부터의 광 출력을 시준하기 위해 사용되는 얇고 평탄한 광학 렌즈로서 거동한다. 이것은 외부 반사기와 렌즈 조합의 필요성을 제거함으로써, LED 패키지의 두께를 극적으로 감소시킨다. 서브파장 나노구조들은 본원에서 산란 요소들 및/또는 산란 안테나들로서 지칭될 수 있다.
도 1은 LED에 의해 방출된 광을 원거리 필드 내에 시준하도록 기능하는 LED 다이(110)의 상부 상에 배치된 서브파장 산란 안테나들 또는 나노구조들의 배열(100)을 도시한다. 서브파장 산란 안테나들의 배열(100)은 서브파장 산란 안테나들(120)의 어레이를 형성할 수 있다. LED 다이(110)는 램버시안 각도 방출 패턴을 갖는 광을 발생한다. 도 1이 LED 다이(110)를 구체적으로 도시하지만, 본 기술 분야의 통상의 기술자들이 이해하는 것과 같이, 본원의 설명은 어레이(120)가 LED 다이(110) 위에 배치된 인광체를 포함한다.
매립 매체(130)는 LED 다이(110)에 결합될 수 있다. 이 매립 매체(130)는 폴리디메틸실록산(PDMS)과 같은 실리콘, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)와 같은 유리 또는 아크릴, 및 실리콘 이산화물을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는 유전체의 형태를 취할 수 있다. 매립 매체(130)는 다수의 층을 사용할 때 각각의 층에 대한 호스트 매체를 제공하도록 설계된다. 매립 매체(130)의 일반적인 목적은 나노구조들을 기계적으로 유지하는 것이다. 예를 들어 나노구조들이 리소그래피 기술들에 의해 제조되지 않은 나노입자들로서 구현되면, 매립 매체(130)가 호스트 매체로서 기능한다. 매립 매체(130)는 나노구조들의 광학 산란 특성들을 조정하기 위해, 액정들과 같은 조정가능한 특성들을 갖는 매체, 또는 온도에 의해 산란 특성들의 조정을 가능하게 하기 위해 열적 가변 굴절률을 갖는 매체일 수 있다.
서브파장 산란 안테나들(120)은 매립 매체(130) 내에 설계될 수 있다. 이들 서브파장 산란 안테나(120)는 LED 방출 영역의 근거리 필드(near-field) 또는 원거리 필드 내에 배치될 수 있고 광원에 의해 방출된 광과 상호작용하도록 구체적으로 설계된다. 근거리 필드 및 원거리 필드는 LED 방출 영역 주위의 전자계의 영역들이다. 방출의 비복사 '근거리 필드' 거동들은 LED 방출 영역에 가깝게 우세하지만, 전자기 복사 '원거리 필드' 거동들은 더 큰 거리들에서 우세하다. 서브파장 산란 안테나들(120)은 또한 인공 전자기 또는 광학 재료들로서 지칭될 수 있다. 이들 재료는 산란 안테나들(120)의 구조적 및 화학적 파라미터들을 조작함으로써 특정한 방식들로 광과 상호작용하도록 독특하게 설계될 수 있다. 상호작용은 광-매터(light-matter) 상호작용, 및 구체적으로는 광과 각각의 나노구조의 상호작용으로 지칭된다. 입사 전계들은 입사 광을 잘 특성화된 방향들로 산란하는 나노구조들 내에 다이폴들(전기 또는/및 자기) 및 멀티폴들(전기 또는/및 자기)를 유도할 수 있다. 산란 안테나들(120)의 구조적 파라미터들은 예를 들어, 1개 또는 2개의 축들에서 발생할 수 있는, 형상, 크기, 및 주기성을 포함할 수 있다.
이들 서브파장 산란 안테나(120)는 x-y 평면에서 일반적으로 확장하는 어레이 내에 형성될 수 있다. 산란 안테나들(120)은 나노구조들을 포함할 수 있거나, 나노구조들일 수 있다. 산란 안테나들(120)의 어레이는 광을 상이한 방향들로 이동하는 여러 개의 빔들로 분할하고 회절하는 주기적 구조와 광학적으로 작용할 수 있다. 산란 안테나들(120)은 LED 방출된 광의 진폭 및/또는 위상에 대해 작용할 수 있다. 출력 광의 방향(들)은 산란 안테나들의 간격, 형상 및 크기, 및 LED에 의해 방출된 광의 파장에 의존한다. 본 시스템의 다양한 예시들이 투과 시에 사용되는 산란 안테나들(120)의 사용을 포함하지만, 이러한 산란 안테나들(120)은 반사 시에도 또한 사용될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다.
산란 안테나들(120)에 의해 차지된, 평면 상의 영역 A는 크고 가능한 한 LED에 의해 방출된 많은 광을 교차하도록 설계된다. 그러나, 영역 A는 예를 들어, LED의 크기에 의해 제한될 수 있다. 시준 층의 동작 원리는 다음과 같다: 서브파장 산란 안테나들(120)은 산란 안테나들(120)의 구조적 속성들의 일부가 영역 A에 따라 또는 영역 A의 부분들에 의해 공간적으로 변화하도록 표면의 어레이로서 배열된다. 구조적 속성들은 임의의 차원에서의 크기들, 임의의 차원에서의 형상들 및 이웃하는 서브파장 산란 안테나들(120) 사이의 간격, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
형상은 직사각형들, 정사각형들, 피라미드들, 삼각형들, 직육면체들, 원통들 및 정사각형, 직사각형, 원형, 타원형, 육각형 등을 포함하는 2D 단면들을 갖는 다른 형상들을 포함할 수 있다. 형상들은 산란 안테나들(120)이 예를 들어, 도시한 것과 같이 LED 다이의 중심으로부터 바깥으로 나아감에 따라 변화하는 크기를 포함할 수 있다. 형상은 구조적 파라미터, 예를 들어 (x,y)의 함수로서 측면 또는 반경에 따라 변화할 수 있다. 단지 비제한적인 예로서, 중심에 있는 산란 요소는 양축들 내에서 하나가 그에 바로 인접한 소정의 형상이고, x 및 y 축들 내의 동일한 풋프린트를 갖는 z-축 내의 크기의 110%가 되도록 선택될 수 있다. 이 패턴은 LED 다이(110)의 에지까지 계속될 수 있다.
크기는 산란 안테나들(120)의 양태들의 다양한 치수들을 포함할 수 있고 특정한 방식들로 LED 다이(110)로부터의 광과 상호작용하도록 설계될 수 있다. 크기는 구조적 파라미터들, 예를 들어 (x,y)의 함수로서의 측면 또는 반경에 따라 변화할 수 있다. 단지 예로서, 산란 안테나들(120)의 중심 구조는 x 및 y 축 풋프린트에서 최대일 수 있고, 그 다음에 그로부터 밖으로 나아가는 각각의 구조는 LED 다이(110)의 에지가 도달될 때까지 90%의 x/y 풋프린트를 가질 수 있다.
산란 안테나들(120)의 주기성도 또한 변화될 수 있다. 변화는 추가적인 간격을 생성하거나 LED 다이(110)의 에지로 밖으로 방사하는 점진적인 산란 안테나들(120)의 간격을 줄이는 소정의 팩터에 의해 산란 안테나들(120)의 주기성을 변화시키는 것을 포함할 수 있다. 산란 안테나들(120)은 x,y 공간적 치수들 내의 적합하게 설계된 주기성들로 어레이될 수 있다. 산란 요소는 예를 들어, 하이퍼볼릭 메타물질들과 같은, z-방향에서의 소정의 주기성을 갖는 나노구조들을 포함할 수 있다.
산란 안테나들(120)의 화학적 파라미터들은 사용된 재료들을 포함할 수 있다. 본 기술 분야의 통상의 기술자들이 이해하는 것과 같이, 산란 안테나들(120) 내의 화학적 변화는 산란기에 대한 굴절률 및 손실의 선택을 가능하게 함으로써 산란된 광 진폭 및 위상을 변화시킨다. 이러한 변화는 LED 다이(110)로부터 방출된 광에 적절한 효과를 발생하기 위해 서브파장 산란 안테나들(120)의 설계에 사용될 수 있다.
이들 서브파장 산란 안테나(120)를 사용하는 디바이스들의 예들은 메타물질들, 포토닉 결정들 및 메타표면들을 포함한다. 재료들의 선택은 (금, 은, 구리, 알루미늄을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는) 금속들 및 (실리콘, 실리콘 이산화물, 티타늄 이산화물, 갈륨 비소화물, 알루미늄 갈륨 비소화물을 포함하지만 이들로 제한되지 않는) 유전체들 및 가시 파장 범위 내에서 저손실 플라즈모닉스(plasmonics)를 달성하기 위해 사용되는 혼성 금속-유전체 재료 조합들을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지 않는다. 이들 서브파장 산란 안테나들(120)은 총체적으로 광학 시준 요소로서 거동한다. 이것은 외부 반사기와 렌즈들 조합의 필요성을 제거함으로써 LED 패키지의 두께를 극적으로 감소시킨다.
어레이 내의 각각의 요소의 형상, 크기 및 재료 특성들뿐만 아니라, 서브파장 산란 안테나들(120)의 배열의 구현은 LED 상부 표면의 위치에 대한 어레이의 위치 및 원하는 출력 시준 프로필, 동작 파장들의 범위 및 또한 임의의 제조 고려들 및 제한들에 의존할 수 있다. (평면의 x,y,z 위치의 함수로서의 임의의 평면에서의 필드 분포로), LED의 방출기 영역으로부터 멀리 떨어진 광학 필드 분포에서의 변화로 인해, 그에 입사하는 광자들과의 어레이의 상호작용은 변화하고 산란 안테나들(120)의 z 위치의 함수일 것이다. 그러므로, 특정한 설계가 LED 상부 표면으로부터의 반사들을 고려하면서 LED 방출기 영역으로부터의 산란 요소 어레이의 거리에 의존하여 그것의 구조적 및 물질적 특성들을 변화시킴으로써 광을 시준하도록 적응될 수 있다.
각각의 서브파장 산란 요소(120)는 나노스케일 안테나로서 거동하고 입사 각도들의 소정의 범위로부터, 알려진 진폭들 및 위상들을 갖는 소정의 방향들까지, 입사 광을 산란시킨다. 그룹으로서의 산란 안테나들은 산란의 방향들을 선택하거나, 그렇지 않으면 산란의 방향들로 하여금 시준된 광 출력을 제공하게 하도록 설계될 수 있다. z-축 내의 LED의 표면 상에 또는 그에 가깝게 많은 수의 이러한 산란 안테나들을 적절히 배열함으로써, 서브파장 산란 안테나들(120)의 어레이에 입사하는 광은 원거리 필드에 시준될 수 있다. 공간적으로 변화하는 파라미터들을 갖는 서브파장 산란 안테나들(120)의 설계는 산란 요소 어레이에 입사하는 광의 필드 분포들을 아는 것에 의존한다. 서브파장 산란 안테나들 어레이(120)는 LED에 의해 방출된 광을 시준하기 위해 사용되는 나노스케일 시준 박막 렌즈로서 광학적으로 거동한다.
도 2는 어레이(220)가 LED(210) 상부 표면의 상부 상에 배치된 도 2a, 어레이(260)가 LED(250) 상부 표면 내에 또는 상에 잠기고/잠기거나 부분적으로 잠긴 도 2b, 및 어레이(290)가 어레이(290)와 LED(280) 상부 표면 사이에 배치된 유전체 스페이서(285)를 사용하여 LED(280) 상부 표면으로부터 오프셋된 도 2c를 포함하는 서브파장 산란 안테나들의 어레이들의 몇 개의 예시적인 배열들을 도시한다.
도 2a에서, 서브파장 산란 안테나들(220)의 어레이는 LED(210) 상부 표면에 결합된다. 즉, 어레이(220)는 z-축에서 매립 매체(230) 내의 LED(210)의 표면에 인접하여 배치된다. LED(210)의 상부 표면에 인접한 어레이(220)의 공간적 배치는 산란의 방향들을 선택하거나, 그렇지 않으면 산란의 방향들로 하여금 시준된 광 출력을 제공하게 하기 위해 그룹으로서 사용될 수 있다. 부가적으로, 이 공간적 배치는 다른 빔형성 구성들을 포함하는 추가의 이점들을 제공할 수 있다.
도 2b에서, 서브파장 산란 안테나들(260)의 어레이는 LED(250) 상부 표면 내에 또는 상에, 완전히 또는 부분적으로 잠긴다. 즉, 어레이(260)는 매립 매체(270)에 의해 덮히거나 또는 부분적으로 덮힌 z-축 방향에서 LED(250) 상부 표면 내에 또는 LED(250) 내에 부분적으로 배치된다. LED(250) 내의 적어도 부분적으로, 또는 완전히 이루어진 어레이(260)의 이 공간적 배치는 산란의 방향들을 선택하거나, 그렇지 않으면 산란의 방향들로 하여금 시준된 광 출력을 제공하게 하기 위해 사용될 수 있다. 특히, LED(250) 내에 또는 LED(250) 내에 부분적으로 어레이(260)을 배치하는 것은 LED(250) 상부 표면으로부터, 스퓨리어스 산란, 및 시준 설계 내로의 다른 입력들을 제거하거나 그것에 대해 적어도 제어할 수 있다.
도 2c에서, 서브파장 산란 안테나들(290)의 어레이는 LED(280) 상부 표면으로부터 오프셋된다. 이 오프셋은 z-축 방향에 있을 수 있다. 오프셋은 매립 매체(295) 내의 z-축에서의 어레이(290)와 LED(280) 상부 표면 사이에 유전체 스페이서(285)를 배치함으로써 발생할 수 있다. 유전체 스페이서(285)의 h라고 표시된 z-축에서의 두께는 어레이(290)의 z-축에서의 배치를 결정할 수 있다. LED(280) 기판으로부터 이격된 어레이(290)의 이 공간적 배치는 산란의 방향들을 선택하거나, 그렇지 않으면 산란의 방향들로 하여금 시준된 광 출력을 제공하게 하기 위해 사용될 수 있다. 특히, 어레이(290)를 유전체 스페이서(285)를 사용하여 LED(280) 상부 표면으로부터 이격시키는 것(spacing)은 LED(280) 상부 표면으로부터의 반사들의 입력이 제어될 수 있고 또 하나의 팩터가 유전체 스페이서(285)의 선택에 의한 공정 내로 들어가게 될 수 있다. 스페이서(285)는 예를 들어 렌즈가 인광체의 상부 상에 제조되는 구성에서, 어셈블리의 제조에 도움을 주기 위해 이용될 수 있다.
유전체 스페이서(285) 크기 및 재료의 이런 선택은 발생된 광의 원거리 필드 내의 시준을 제공하거나 향상시키도록 조정될 수 있는 추가적인 변수들을 제공한다. 유전체 재료의 선택은 또한 매립 매체(295)로 더 양호한 전이를 가능하게 할 수 있어서, 매립 매체(230)와 LED(210)가 실질적으로 접촉하고 광이 그를 통해 전파하는 인터페이스를 발생하는 도 2a에서의 상황 대신에 LED(280) 기판으로부터 매립 매체(295)로의 전이로서 동작한다. 이해되는 것과 같이, 이러한 간격은 패키지 내의 추가적인 공간을 소비할 수 있다. 부가적으로, 이 공간적 배치는 LED로부터의 광의 추출 효율의 개선을 포함하는 추가의 이점들을 제공할 수 있다.
부가적으로, 산란 안테나들은 광 산란의 선택에 도움을 주도록 설계된 층들 간의 유전체 스페이서들의 가능성으로 다중 층(도시 안됨) 내에 배열될 수 있다. 추가적인 층들은 일부 파라미터들을 각각의 층 내로 분할함으로써 넓은 파라미터 범위들에 걸친 동작을 제공하기 위해 사용될 수 있고 여기서 파라미터는 파장 및/또는 편광, 예를 들어, 임의의 수차 에러들의 정정, 및 시준 구조에의 임의의 다기능의 추가일 수 있다.
산란 안테나들의 연속 층들 중 일부 또는 모두는 또한 다른 층들에 바로 인접하여 배치될 수 있다. 개별적인 산란 안테나들은 다른 산란 안테나들과 z-축에서 오프셋들을 가질 수 있지만, 일반적으로, 산란 안테나들은 LED 상부 표면에 평행한 평면 상에 놓인다. 도 3은 어레이(320)가 LED(310) 상부 표면의 상부 상에 배치된 도 3a, 어레이(340)가 개별적인 산란 안테나들 사이에 z 오프셋들을 갖는 LED(330)의 상부 표면 상에 배치된 도 3b, 다수의 어레이(360, 370)가 층들 각각 사이에 갭들이 없이 산란 안테나들의 상이한 배열을 갖는 각각의 어레이로 LED(350) 표면 상에 배치된 도 3c, 및 다수의 어레이(390, 395)가 설계된 두께들의 층들 사이에 유전체 스페이서들(385)을 갖는 산란 안테나들의 상이한 배열을 갖는 각각의 어레이로 LED 표면(380) 상에 배치된 도 3d를 포함하는 서브파장 산란 요소의 어레이들의 몇 개의 예시적인 배열들을 도시한다.
도 3a는 LED(310) 기판의 상부 표면에 인접하여 배치된 산란 안테나들(320)의 단일 어레이를 도시한다. 이것은 도 3의 추가적인 예들이 상이한 어레이들 사이의 갭들이 제로이거나 또는 제로보다 클 수 있을 때 도출되는 기본 예를 제공한다.
도 3b는 어레이 내의 산란 안테나들 중 몇 개가 LED로부터의 광 출력 내의 (z-축 오프셋들을 포함하는) 상이한 위치들로 변위되는 산란 안테나들(340)의 단일 어레이를 도시한다. 도 3b에 도시한 것과 같이, 산란 안테나들(340) 중 몇 개는 LED(330) 기판 내에 부분적으로 잠긴다. 이해되는 것과 같이, 도시하지 않았지만, 요소들 중 몇 개는 LED(330) 기판 내에 완전히 잠길 수 있다. 산란 안테나들(340) 중 몇 개는 도 3a 내의 각각의 배치와 유사하게, LED(330) 기판에 인접하여 배치된다. 산란 안테나들(340) 중 몇 개는 또한 LED(330) 기판의 상부 표면으로부터 일정거리를 두고 z-축에서 변위된다. 산란 안테나들(340) 중 다른 것들은 LED(330) 기판의 상부 표면으로부터 상이한 거리로 z-축에서 변위된다.
도 3c는 각각의 어레이가 산란 안테나들의 상이한 배열을 갖는 LED(350) 상부 표면 상에 배치된 산란 안테나들(360, 370)의 다수의 어레이(2개의 어레이들이 도시됨)를 도시하지만, 어레이들 사이에 갭들이 없이, 동일한 배열이 사용될 수 있다. 일반적으로, 제1 어레이(360)는 도 3a에 도시된 것과 동일하게 배치될 수 있다. 제2 어레이(370)는 제1 어레이(360)에 인접하여 배치될 수 있다.
도 3d는 산란 안테나들(390, 395)의 다수의 어레이(또한 2개의 어레이들이 도시됨)를 도시한다. 각각의 어레이(390, 395)는 산란 안테나들의 상이한 배열을 가질 수 있지만, 동일한 배열이 사용될 수 있다. 일반적으로, 제1 어레이(390)는 도 3a에 도시된 것과 동일하게 배치될 수 있다. 제2 어레이(395)는 거리 h1로 z-축 내의 제1 어레이(390)로부터 오프셋되어 배치될 수 있다. 더 많은 어레이들이 사용된다면, 어레이들 간의 간격은 동일할 수 있거나, 또는 예를 들어, 제2와 제3 어레이 간의 거리 h2를 포함시킴으로써 변화할 수 있다.
도 4는 LED 기판으로부터의 광 출력을 시준하는 방법(400)을 도시한다. 방법은 단계 410에서 LED 출력 및 LED 기판 상부 표면을 식별하는 단계들을 포함한다. 방법은 단계 420에서 LED에 의한 광 출력과 상호작용하기 위해 서브파장 산란 안테나들의 어레이를 제공하는 것을 추가로 포함한다. 방법은 단계 430에서 시준된 광을 원거리 필드 내에 발생하도록 광과의 적절한 상호작용을 제공하기 위해 z-축 내에 산란 안테나들을 배열하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 단계 440에서 산란 안테나들이 매립되는 매체를 LED 기판, 매립 매체 및 유전체 스페이서의 선택, 및 이 기판 내에 부분적 매립을 포함하는 것으로부터 변화시키는 것을 포함할 수 있다. 방법은 또한 단계 450에서 출력 광의 원하는 효과를 제공하기 위해 산란 안테나들의 크기 및/또는 형상을 변화시키는 것을 포함할 수 있다. 방법은 또한 단계 460에서 출력 광의 원하는 효과를 제공하기 위해 산란 안테나들의 재료를 변화시키는 것을 포함할 수 있다.
산란 안테나들은 LED의 원거리 필드에서의 광이 산란 안테나들이 없는 LED와 비교할 때 (실질적으로) 시준되도록 설계된다. 각각의 요소는 산란으로 하여금 광에 소정의 진폭 및 위상을 부여하게 하도록 선택될 수 있다. 그러므로, 산란 안테나들은 많은 상이한 설계들을 사용하여 구현될 수 있다.
산란 안테나들은 공진 산란기 또는 비공진 산란기로서 동작의 모드에 기초하여 폭넓게 분류될 수 있다. 공진 산란기는 구조적, 물질적 파라미터들의 주어진 세트 및 주어진 파장에 대한 전자기 공진을 지원한다. 예를 들어, 산란 안테나들은 전기 및 자기 다이폴 및 쿼드라폴 공진들을 포함하는 Mie 공진들을 지원할 수 있다. 예로서, 이러한 산란 안테나들은 전기와 자기 다이폴 둘 다를 지원하는 실리콘 나노필러들을 포함할 수 있다.
대안적으로, 산란 안테나들은 비공진 산란기일 수 있다. 이 산란 요소는 상이한 수단 등에 의해, 예를 들어, 파장 모드들의 사용에 의해 산란된 광의 진폭 및 위상에 영향을 줄 수 있다. 이 경우에, 각각의 산란 요소는 그것이 산란 안테나들을 통해 전파함에 따라 입사 파에 상이한 위상 시프트를 제공할 수 있다. 산란 안테나들은 전체로서 그것이 어레이를 통해 전파함에 따라 입사 파의 진폭 및 위상을 조정한다. 양자의 경우에, 산란된 필드의 진폭 및 위상 변화들은 예를 들어, 소정의 패턴 또는 프로필에 기초하여 산란 안테나들의 치수들을 변화시킴으로써 획득될 수 있다.
LED로부터의 광을 시준하기 위한 산란 안테나들의 응용의 일련의 예들이 도 5에 도시되고 총체적으로 참조된다. 도 5a에서, LED 아키텍처는 갈륨 질화물(GaN) 및 사파이어 기판(504)과 같은, 반도체 층(502)을 포함할 수 있다. 도 5a에 도시하지 않았지만, 인광체 층이 또한 사파이어 기판(504)과 산란 안테나(506) 사이에 포함될 수 있다. 최종 디바이스에서, 방출된 광은 반도체 층(502)으로부터 사파이어 기판(504) 및 마지막으로 주변 매체로 나간다. 도 5a에 도시한 것과 같이, 산란 안테나들(506)은 사파이어 기판(504)의 상부 상에 배치될 수 있다. 도 5a에서, 사파이어 기판(504)은 반도체 층(502)의 크기보다 클 수 있다.
산란 안테나들(506)은 예를 들어, 티타늄 이산화물, 갈륨 질화물, 실리콘 질화물, 근 IR 파장들에서의 비정질 또는 결정질 실리콘과 같은, 높은 유전 상수(또는 높은 굴절률) 및 낮은 손실 재료를 포함할 수 있다. 재료들의 낮은 손실 특성들은 디바이스에 높은 투과 효율을 제공한다. 티타늄 이산화물은 비공진 산란 안테나들(506)을 구현하기 위한 재료로서 사용될 수 있다. 산란 안테나들(506)을 구현하기 위한 재료의 굴절률은 1×10-3 미만의 손실로 적어도 2.5의 굴절률을 가질 수 있다.
구체적으로, 산란 안테나들(506)은 1×10-3 미만의 손실로 약 2.5의 굴절률을 갖는 450㎚ 및 620㎚의 파장들에서 사용하기 위한 티타늄 이산화물을 포함할 수 있다. 대안적으로, 실리콘은 약 3.66(3.6 내지 3.7의 범위 내)의 굴절률 및 3×10-3 미만의 손실을 갖는 (예를 들어, 안면 인식 및 홍채 인식과 같은) 이동 디바이스들에서의 근 적외선(NIR) 응용들을 위한 산란 안테나들(506)로서 이용될 수 있다.
산란 요소 패턴은 직사각형 또는 육각형 격자들로 배열될 수 있다. 도 5a의 예에서, 패턴은 직사각형 격자로 배열될 수 있다. 격자 주기는 400㎚보다 작을 수 있다. 도 5a의 예에서, 격자 주기는 250㎚일 수 있다. 산란 안테나들 내의 로드들의 반경은 40㎚로부터 110㎚로 변화할 수 있다. 사용된 반경의 상한선 및 하한선은 제조 공차들에 의해 좌우될 수 있고 설계는 제조 공차들을 수용하도록 변화될 수 있다. 비공진 디바이스 설계에서, 산란 안테나들(506)의 높이는 수 100㎚일 수 있고 실제 수단을 통해 달성될 수 있는 로드 종횡비에 의해 제한된다. 한 특정한 설계에서, 나노구조들의 높이는 700㎚ 미만일 수 있다. 이 특정한 설계는 620㎚에 중심을 둔 파장을 가질 수 있다. 설계 개념들은 협대역과 광대역(백색 광) 동작 둘 다를 위한 가시 광을 포함하는 다른 파장들로 확장될 수 있다. 예에서, 사파이어 기판(504)의 두께는 100㎛이도록 선택될 수 있지만, 본 설명으로부터 이해되는 것과 같이, 두께는 제조 및 처리 절차들에 의해 변화되고 제한될 수 있다. 상이한 재료들 및 제조 공정의 선택은 기판(502)을 위한 더 얇은 재료들의 사용을 가능하게 할 수 있다. 한 예에서, 시준 나노구조 어레이(506)의 초점 길이는 100㎛이도록 정해질 수 있다. 초점 길이는 LED 칩의 활성 광 영역들의 영상들을 구성하도록 설계될 수 있다.
도 5의 예들에서, 로드들의 반경은 사파이어 기판을 따르는 위치(x,y)의 함수로서 변화될 수 있다. 로드 반경은 원거리 필드 내의 결과적인 광이 시준되도록 (x,y)의 함수로서 변화될 수 있다. 대안적으로, (x,y)로서 반경을 변화시키는 것 대신에, 반경은 일정하게 유지될 수 있고 높이가 (x,y)의 함수로서 변화될 수 있다. 이 설계는 시준 렌즈로서 기능하는 산란 안테나들(506)의 어레이를 가져다 준다. 티타늄 산란 안테나들(506)의 반경들은 시준 렌즈의 것과 닮은 구조의 전체적인 위상 분포 φ(x,y)를 제공하도록 선택될 수 있다. 이 영향은 로드에 의해 산란된 광의 진폭 및 위상을 제어하기 위해 산란 안테나들(506)의 어레이 내의 각각의 로드의 반경을 변화시키기를 선택함으로써 달성될 수 있다.
단지 예로서, 비공진 산란 안테나들(506)의 설계들은 단위 셀 당 하나의 안테나를 갖는 직사각형과 육각형 격자 둘 다를 포함할 수 있다. 구조는 공기의 주변 매체를 갖고 사파이어 기판(504)의 상부 상에 제조될 수 있다. 초점 길이는 LED 칩의 활성 발광 영역들로부터 영상들을 구성하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 공간적으로 25㎚로부터 110㎚로 변화하는 반경들을 갖고 높이 600㎚의 티타늄 이산화물 비산란 안테나들(506)을 사용하여 250㎚의 주기성을 갖는 450㎚로 설계된 디바이스(500)가 있을 수 있다. 620㎚에서의 또 하나의 설계는 인광체를 사용하지 않고 적색을 방출하는 적색 발광 LED들용으로 사용될 수 있다. 이러한 디바이스(500)는 공간적으로 25㎚로부터 130㎚로 변화하는 반경들을 갖고 높이 700㎚의 티타늄 이산화물 비산란 안테나들(506)을 갖는 300㎚의 주기성을 포함할 수 있다.
추가적인 예들로서, 공진 산란 안테나들(506)의 설계들은 단위 셀 당 하나의 안테나를 갖는 직사각형과 육각형 격자 둘 다를 포함할 수 있다. 동작 파장은 공간적으로 25㎚로부터 180㎚로 변화하는 반경들을 갖고 높이 150㎚의 로드들을 사용하는 400㎚의 주기성을 갖는 850㎚일 수 있다. 유리 기판이 사용될 수 있다.
이들 안테나 층은 외부 광학계에 광을 결합하는 데 있어서의 증가된 효율을 제공하기 위해 LED에 의해 방출된 복사선 프로필을 좁게 하기 위해 사용되는, 광을 시준하는 외부 렌즈의 필요성을 감소시킴으로써 전체적인 시스템 효율을 개선시킨다. 이 기술은 LED의 측면 상에 벌크 반사 재료 또는 얇은 반사 층들을 사용하는 기존의 LED 구조들을 위한 응용들에 적용될 수 있다.
도 5b 내지 도 5e는 산란 안테나들을 포함하는 디바이스들의 추가적인 예들을 제공한다. 도 5b에서, 벌크 반사 재료가 있고 인광체 층들이 없는 LED로서 설계된 디바이스(520)가 있다. 디바이스(520)는 디바이스(520)의 코어의 단부들에 배치된 벌크 반사 재료(522)를 포함한다. 디바이스(520)의 코어는 LED 칩(526)과 산란 안테나들(나노구조 층)(528) 사이에 위치한 사파이어 기판(524)을 포함한다. LED(520)는 청색, 녹색을 방출하는 InGaN LED들과 같이, 소정의 색들/파장들에서의 광을 방출한다.
도 5c는 측면 반사 코팅(542)이 있고 인광체가 없는 LED(540)를 도시한다. 디바이스(540)는 디바이스(540)의 코어의 단부들에 배치된 측면 반사기(542)를 포함한다. 측면 반사기(542)는 예를 들어, 브래그 격자, 유전체 미러들, 금속성 미러들을 포함할 수 있다. 디바이스(540)의 코어는 LED 칩(546)과 산란 안테나들(나노구조 층)(548) 사이에 위치한 사파이어 기판(544)을 포함한다. LED(540)는 청색, 녹색을 방출하는 InGaN LED들과 같이, 소정의 색들/파장들에서의 광을 방출한다.
나노구조 층들(548)은 인광체(550)로부터 방출된 광을 시준하기 위해 인광체(550)의 상부에 도포될 수 있다. 인광체(550)는 (백색 LED의 경우에서와 같이 - 백색은 청색+황색임) 광대역 황색 광을 방출하거나 파장들(예를 들어 호박색, 진한 적색을 방출하는 LED들)의 협대역에서 방출하기 위해 LED 칩(546)으로부터의 모든 청색 광을 완전히 변환하도록 선택될 수 있다. 나노구조 층(548)은 백색 광(황색+청색) 또는 소정의 특정한 색들/파장들을 시준하도록 설계될 수 있다.
도 5d는 벌크 반사 재료(562) 및 인광체 층(570)이 있는 LED(560)를 도시한다. 디바이스(560)는 디바이스(560)의 코어의 단부들에 배치된 벌크 반사 재료(562)를 포함한다. 디바이스(560)의 코어는 LED 칩(566)과 인광체 층(570) 사이에 위치한 사파이어 기판(564)을 포함하고 산란 안테나들(나노구조 층)(568)은 사파이어 기판(564)의 말단인 인광체 층(570)에 인접할 수 있다. 추가적인 실리콘 날개들(572)이 사파이어 기판(564) 및 LED 칩(566)을 지나 연장하는 인광체 층(570) 아래에서 이용될 수 있다.
나노구조 층들(568)은 인광체(570)로부터 방출된 광을 시준하기 위해 인광체(570)의 상부에 도포될 수 있다. 인광체(570)는 (백색 LED의 경우에서와 같이 - 백색은 청색+황색임) 광대역 황색 광을 방출하거나 파장들(예를 들어 호박색, 진한 적색을 방출하는 LED들)의 협대역에서 방출하기 위해 LED 칩(566)으로부터의 모든 청색 광을 완전히 변환하도록 선택될 수 있다. 나노구조 층(568)은 백색 광(황색+청색) 또는 소정의 특정한 색들/파장들을 시준하도록 설계될 수 있다.
도 5e는 측면 반사 코팅(582) 및 인광체 층(590)이 있는 LED(580)를 도시한다. 디바이스(580)는 디바이스(580)의 코어의 단부들에 배치된 측면 반사 코팅(582)을 포함한다. 측면 반사기(582)는 예를 들어, 브래그 격자, 유전체 미러들, 금속성 미러들을 포함할 수 있다. 디바이스(580)의 코어는 LED 칩(586)과 인광체 층(590) 사이에 위치한 사파이어 기판(584)을 포함하고, 산란 안테나들(나노구조 층)(588)은 사파이어 기판(584)의 말단인 인광체 층(590)에 인접할 수 있다.
도 6은 1㎜×1㎜의 LED 크기에 걸친 산란 안테나들의 위상 분포 φ(x,y)의 플롯(600)을 도시한다. 도 7은 (도 6에 도시한 것과 같은 전형적으로 측면 당 1-2㎜인 LED의 치수들과 비교할 때 더 작은) 25㎛×25㎛의 더 작은 영역에 걸친 산란 안테나들의 위상 분포 φ(x,y)의 플롯(700)을 도시한다. 도 6 및 도 7은 파가 상이한 위치(x,y)에서 어떻게 지연되는지를 총체적으로 도시하고 시준된 빔이 있거나 그렇지 않으면 빔 형성을 나타낼 수 있다는 것을 추가로 입증한다.
도 8은 산란 안테나들의 위상 함수의 플롯(800)을 도시한다. 도 9는 도 8의 위상 분포 플롯(800)에 대응하는 사파이어 기판 상의 10㎛×10㎛의 더 작은 영역에 걸친 산란 안테나들의 배열의 상면도(800)를 도시한다. 로드 직경들 및 배열이 100㎛의 초점 길이를 갖는 시준 렌즈의 거동을 제공하도록 선택되었다. 도 9는 위에 설명된 위상 분포 함수를 근사적으로 구현하는 로드들의 어레이를 도시한다. 즉, 도시된 로드 어레이는 위상 분포 함수에 의해 주어진 것과 같은 입사 광에 위상 지연들을 근사적으로 부여한다. 이 예시에서, 로드들의 반경은 사파이어와 같은 기판을 따르는 위치(x,y)의 함수로서 변화될 수 있다. 로드 반경은 원거리 필드 내의 결과적인 광이 시준되도록 (x,y)의 함수로서 변화된다. 나노구조들의 결과적인 어레이는 시준 렌즈와 같이 거동한다. 티타니아 나노로드들의 반경들은 구조의 전체적인 위상 분포 φ(x,y)가 시준 렌즈의 것과 닮도록 선택된다. 이것은 로드에 의해 산란된 광의 진폭 및 위상을 제어하기 위해 어레이 내의 각각의 로드의 반경을 변화시킴으로써 달성될 수 있다.
도 10은 산란 안테나들의 줌-인된 영상(1000)을 도시한다. 도 9는 도 8의 위상 함수를 도시하고 위상 함수가 산란 안테나들의 구조 내로 어떻게 이동하는지를 표시한다. 2개의 도면들을 비교함으로써, 관계를 쉽게 결정한다.
도 11은 산란 안테나들의 더 줌-인된 영상(1100)을 도시한다. 주기적 방식으로 배열된 일련의 로드들이 도시된다. 도 11은 동일한 일정한 높이를 갖고 공간적으로 변화하는 치수들을 갖는 로드들의 주기적 배열을 도시한다.
특징들 및 요소들이 특정한 조합들로 위에 설명되었지만, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 각각의 특징 또는 요소는 단독으로 또는 다른 특징들 및 요소들과 임의로 조합하여 사용될 수 있다는 것을 알 것이다. 또한, 여기에 설명된 방법들은 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 실행하기 위한 컴퓨터 판독가능 매체 내에 통합된 컴퓨터 프로그램, 소프트웨어, 또는 펌웨어에서 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체들의 예들은 (유선 또는 무선 접속들을 통해 전송되는) 전자 신호들 및 컴퓨터 판독가능 저장 매체들을 포함한다. 컴퓨터 판독가능 저장 매체들의 예들은 리드 온리 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM), 레지스터, 캐시 메모리, 반도체 메모리 디바이스들, 내부 하드 디스크들 및 착탈가능한 디스크들과 같은 자기 매체들, 자기-광학 매체들, 및 CD-ROM 디스크들, 및 디지털 다기능 디스크들(DVD들)과 같은 광학 매체들을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다.
Claims (20)
- 발광 디바이스로서,
상기 발광 디바이스의 동작 동안 광이 방출되는 발광 표면을 갖는 발광 다이오드;
상기 발광 표면에 평행한 평면 내에 배열된 광 산란 요소들의 적어도 제1 어레이 - 각각의 광 산란 요소는 상기 발광 다이오드에 의해 방출된 광의 자유 공간 파장보다 작은 상기 제1 어레이의 평면 내의 치수들을 갖고, 상기 광 산란 요소들은, 상기 발광 표면을 통해 방출된 광을 시준하거나 부분적으로 시준하는 공간적 변화 방식으로, 상기 발광 표면을 통해 방출된 광의 진폭 및 위상에 총체적으로(collectively) 영향을 주도록 배열되는 구조적, 광학적, 또는 구조적 및 광학적 특성들을 가짐 -; 및
유전체 스페이서 - 상기 유전체 스페이서의 적어도 일부는 상기 발광 표면과 상기 제1 어레이 사이에 위치됨 -
를 포함하고,
상기 발광 디바이스는 상기 제1 어레이와 상기 발광 다이오드 사이에 인광체 층을 포함하는, 발광 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 유전체 스페이서는 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 고체이고 실질적으로 투명한 유전체 기판을 포함하고, 상기 기판의 상기 제1 표면은 상기 발광 표면을 향하는, 발광 디바이스. - 제2항에 있어서,
상기 발광 다이오드는 상기 기판의 상기 제1 표면에 대해 상기 발광 표면과 함께 위치되고, 상기 제1 어레이는 상기 기판 내에 또는 상기 기판의 상기 제2 표면에 위치되는, 발광 디바이스. - 제2항에 있어서,
상기 제1 어레이는 상기 기판 내에 또는 상기 기판의 상기 제1 표면이나 상기 제2 표면에 위치되는, 발광 디바이스. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 광 산란 요소들은, 상기 발광 표면을 통해 방출된 광을 시준하거나 부분적으로 시준하는 공간적 변화 방식으로, 상기 발광 표면을 통해 방출된 광의 진폭 및 위상에 총체적으로 영향을 주도록 상기 제1 어레이의 평면 내의 상기 광 산란 요소들의 공간적 위치에 따라 변화하는 구조적, 광학적, 또는 구조적 및 광학적 특성들을 갖는, 발광 디바이스. - 제6항에 있어서,
상기 광 산란 요소들 사이의 간격은 상기 제1 어레이의 평면 내의 상기 광 산란 요소들의 공간적 위치에 따라 변화하는, 발광 디바이스. - 제6항에 있어서,
상기 광 산란 요소들의 형상들 또는 크기들, 또는 형상들 및 크기들 모두는 상기 제1 어레이의 평면 내의 상기 광 산란 요소들의 공간적 위치에 따라 변화하는, 발광 디바이스. - 제6항에 있어서,
상기 광 산란 요소들의 굴절률들은 상기 제1 어레이의 평면 내의 상기 광 산란 요소들의 공간적 위치에 따라 변화하는, 발광 디바이스. - 제6항에 있어서,
상기 광 산란 요소들은 상기 광 산란 요소들의 상기 제1 어레이의 중심으로부터의 거리에 따라 변화하는 구조적, 광학적, 또는 구조적 및 광학적 특성들을 갖는, 발광 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 광 산란 요소들은 상기 발광 다이오드에 의해 방출된 광의 상기 자유 공간 파장보다 작은 상기 제1 어레이의 평면에 수직인 치수들을 갖는, 발광 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 광 산란 요소들의 상기 제1 어레이에 평행하게 배열되고 그로부터 이격되며, 상기 제1 어레이와 상기 발광 다이오드의 적어도 일부 사이의 광 산란 요소들의 제2 어레이를 추가로 포함하고,
상기 제2 어레이 내의 각각의 광 산란 요소는 상기 발광 다이오드에 의해 방출된 광의 상기 자유 공간 파장보다 작은 상기 제2 어레이의 평면 내의 치수들을 갖고,
상기 제2 어레이 내의 상기 광 산란 요소들은, 상기 발광 표면을 통해 방출된 광을 상기 광 산란 요소들의 상기 제1 어레이와 조합하여 시준하거나 부분적으로 시준하는 공간적 변화 방식으로, 상기 발광 표면을 통해 방출된 광의 진폭 및 위상에 총체적으로 영향을 주도록 배열되는 구조적, 광학적, 또는 구조적 및 광학적 특성들을 갖는 발광 디바이스. - 제12항에 있어서,
상기 제2 어레이의 상기 광 산란 요소들은 상기 발광 표면에 위치되고, 상기 발광 다이오드 외부에 또는 상기 발광 다이오드 내에 배치되는, 발광 디바이스. - 제12항에 있어서,
상기 제2 어레이의 상기 광 산란 요소들은 상기 발광 표면으로부터 이격된 상기 유전체 스페이서 내에 위치되는, 발광 디바이스. - 제12항에 있어서,
상기 제2 어레이의 상기 광 산란 요소들은, 상기 발광 표면을 통해 방출된 광을 상기 광 산란 요소들의 상기 제1 어레이와 조합하여 시준하거나 부분적으로 시준하는 공간적 변화 방식으로, 상기 발광 표면을 통해 방출된 광의 진폭 및 위상에 총체적으로 영향을 주도록 상기 제2 어레이의 평면 내의 상기 광 산란 요소들의 공간적 위치에 따라 변화하는 구조적, 광학적, 또는 구조적 및 광학적 특성들을 갖는, 발광 디바이스. - 제15항에 있어서,
상기 제2 어레이의 상기 광 산란 요소들 사이의 간격은 상기 제2 어레이의 평면 내의 상기 광 산란 요소들의 공간적 위치에 따라 변화하는, 발광 디바이스. - 제15항에 있어서,
상기 제2 어레이의 상기 광 산란 요소들의 형상들 또는 크기들, 또는 형상들 및 크기들 모두는 상기 제2 어레이의 평면 내의 상기 광 산란 요소들의 공간적 위치에 따라 변화하는, 발광 디바이스. - 제15항에 있어서,
상기 제2 어레이의 상기 광 산란 요소들의 굴절률들은 상기 제2 어레이의 평면 내의 상기 광 산란 요소들의 공간적 위치에 따라 변화하는, 발광 디바이스. - 제15항에 있어서,
상기 제2 어레이의 상기 광 산란 요소들은 상기 광 산란 요소들의 상기 제2 어레이의 중심으로부터의 거리에 따라 변화하는 구조적, 광학적, 또는 구조적 및 광학적 특성들을 갖는, 발광 디바이스. - 제12항에 있어서,
상기 제2 어레이의 상기 광 산란 요소들은 상기 발광 다이오드에 의해 방출된 광의 상기 자유 공간 파장보다 작은 상기 제2 어레이의 평면에 수직인 치수들을 갖는, 발광 디바이스.
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