KR102507965B1 - 광원 - Google Patents

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KR102507965B1
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마크 안드레 드 잠버
휴고 요한 코르넬리센
플로리스 마리아 헤르만스 크롬푸츠
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코닌클리케 필립스 엔.브이.
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Abstract

각각이 광을 발생하도록 구성된 반도체 다이오드 구조; 및 반도체 다이오드 구조로부터 광을 출력하도록 구성된 반도체 다이오드 구조 위의 광 출력부를 갖는 복수의 LED 광원 - 광 출력부의 면적은 반도체 다이오드 구조의 면적보다 적음 -; 및 복수의 LED 광원의 광 출력부들로부터 광을 수신하도록 복수의 LED 광원의 광 출력부에 중첩하고 수신된 광을 출력하도록 구성된 광 출사부를 갖는 광학적 투과성 구조를 포함하는 광원이 제안된다. 광학적 투과성 구조의 광 출사부의 면적은 복수의 LED 광원의 풋프린트 면적보다 적다.

Description

광원
본 발명은 광원에 관한 것으로, 특히 복수의 반도체 광원을 포함하는 광원에 관한 것이다.
발광 다이오드들(LED들), 고 전력 LED들, 유기 LED들(OLED들) 및 레이저 다이오드들과 같은 반도체 광원들은 작고/낮은 에탕듀(etendue)(즉, 방출 면적과 광이 방출되는 입체 각도의 곱)를 갖는 에너지 효율적이고 소형인 광원들로 공지되어 있다. 이것은 이들 반도체 광원이 비교적 작은 영역으로부터 제한된 각도 범위 내로 광을 방출한다는 것을 의미한다.
이러한 반도체 광원들은 그러므로 밝은 광원을 필요로 하는 응용들에 이점이 있을 수 있다. 전형적인 예시적 응용들은 프로젝션 시스템들(projection systems), 자동차 조명, 카메라 플래시라이트들, 및 스폿 라이트들(spot lights)을 포함한다. 이들 예를 위해, 개선된 소형화가 종종 바람직하다. 그러나, 반도체 광원의 크기를 단지 줄이면 발생되는 광속(light flux)이 감소된다.
광이 빠져나갈 수 있는 작은 어퍼처(광 출력부)를 갖는 믹스 박스에 의해 반도체 광원으로부터 증가된 휘도를 획득하는 것이 공지되어 있다. 도 1a 및 1b는 이 개념을 이용하는 공지된 LED 기반 광원(10)을 도시하고, 여기서 (다이 기판(14) 상의) LED(12)에 의해 발생된 광은 그것이 작은 어퍼처(18)를 통해 빠져나갈 때까지 (높은 반사율을 갖는 재료(16)로부터 형성된) 믹스 박스에서 재순환/반사된다. 어퍼처(18)가 "작다는 것"은 간단히 어퍼처 면적 AA(즉, 폭 WA×LA)가 LED(12)의 LED 면적 ALED(즉, 폭 WLED×LLED)보다 작도록 LED(12)보다 작다는 것을 의미한다.
루미너스 세라믹 재료 또는 다른 형광 재료로부터 어퍼처(18)를 형성하는 것이 또한 공지되어 있다.
본 발명은 청구범위에 의해 정의된다.
본 발명의 한 양태에 따르면, 각각이 광을 발생하도록 구성된 반도체 다이오드 구조; 및 반도체 다이오드 구조로부터 광을 출력하도록 구성된 반도체 다이오드 구조 위의 광 출력부를 갖는, 2차원 어레이로 배열된 복수의 LED 광원 - 광 출력부의 면적은 반도체 다이오드 구조의 면적보다 적음 -; 및 복수의 LED 광원의 광 출력부들로부터 광을 수신하도록 복수의 LED 광원의 광 출력부에 중첩하고 수신된 광을 출력하도록 구성된 광 출사부를 갖는 광학적 투과성 구조를 포함하고, 광학적 투과성 구조의 광 출사부의 면적이 복수의 LED 광원의 풋프린트 면적보다 적은 광원이 제공된다.
작은 광 출력부를 갖는 믹스 박스를 갖는 반도체 광원들로부터 증가된 휘도의 광을 획득하고 다음에 광학 구조의 보조 발광/출사 표면을 통해 광을 재방출하는 개념이 제안된다. 광학 구조는 반도체 광원들로부터 출력된 광을 한정하고 반도체 광원들에 의해 차지된 면적에 비해 보다 집중된(예를 들어, 보다 작은) 영역을 통해 광을 방출하기 위해 사용될 수 있다.
실시예들은 그러므로 LED 광원들을 가깝게 팩/분리할 필요성을 피함으로써, 가깝게 팩킹된(closely packed) LED 광원들의 열 관리에 관련된 문제들을 줄일 수 있다. 또한, (광원의 작은 발광 표면을 유지하면서) LED 광원들을 이격되게 하면 도전성 어드레싱 트랙들 내의 전류 밀도에 관련된 어드레싱 제한들을 완화시키는 데 도움을 줄 수 있다.
그러므로, 광원들의 광 발생 부분들보다 적은 면적의 광 출력부들을 갖는 고휘도 LED 광원들을 이용하는 개념이 제안된다. LED 광원들로부터 광을 수집하여 한정하고 나서 보조 발광 표면을 통해 광을 재방출하도록 광학 구조를 배열함으로써, 픽셀화된 광원이 실현될 수 있는데 여기서 발광 표면은 그들이 발광 표면의 면적보다 큰 풋프린트 면적을 차지하도록 이격된(예를 들어, 덜 가깝게 팩킹된) 각각의 LED 광원들로부터 광을 출력하는 가깝게 팩킹된 픽셀들을 포함한다. 고휘도 특성들 및 발광 픽셀들 사이에 작은 간격을 갖는 픽셀화된 광원은 그러므로 그들 사이에 거의 제로에 가까운 간격을 두고 가깝게 팩킹되어야 하는 제한으로부터 완화된 LED 광원들을 사용하여 실현될 수 있다. LED 광원들은 대신에 개별적으로 어드레스가능하고 열 관리 문제들을 최소화하도록 이격된 높은 루멘 출력을 갖는 전력 LED들을 포함할 수 있다.
광학 구조는 광원의 광 출사/방출 표면의 풋프린트 크기의 절약/감소를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 그것은 LED 광원들의 풋프린트의 크기의 증가를 가능하게 하여, 보다 강력한 LED들 및 LED들 간의 더 큰 간격의 사용을 가능하게 하기 위해 사용될 수 있다.
바꾸어 말하면, 실시예들은 광을 한정하고 다음에 그것을 LED 광원들의 풋프린트 면적보다 작은 면적의 광 출사/방출 표면을 통해 출력하는 광학 요소 내로 광을 출력하는 복수의 고휘도 LED 광원을 포함하는 고휘도 광원을 제공할 수 있다. 광학 요소는 광 출력 방향/배향 및/또는 위치가 다수의 광 출사/방출 표면들의 에지들이 가깝게 정렬될 수 있도록 타일링이 가능하게 변경 또는 설계되도록 LED 광원들로부터의 광을 재지향하도록 구성될 수 있다.
"풋프린트" 또는 "풋프린트 면적"이라고 하는 것은 차지된 영역의 형상 및 크기라고 이해된다. 예를 들어, 복수의 LED 광원의 풋프린트는 복수의 LED 광원에 의해 차지된 전체 표면/평탄한 공간 또는 영역이라고 이해된다. 그러므로, LED 광원들이 서로 이격되면, LED 광원들의 풋프린트는 LED 광원들을 둘러싸는 전체 영역 및 그 사이의 공간들을 포함할 것이다.
풋프린트를 감소시키는 것 외에, 광학적 투과성 구조의 추가 장점은 원래의 광 분포를 재형상화하는 것을 가능하게 한다는 것이다. 예를 들어, 4×4 LED 어레이는 발광 표면들의 2×8 어레이(또는 기타 임의의 형상)로 변환될 수 있다.
본 개시내용의 LED 광원들은 플립 칩 유형(박막 플립 칩), 패터닝된 사파이어 기판(Patterned Sapphire Substrate), 상부 접속/상부 방출(top connected/top emission), 상부-하부 접속된 것(top-bottom connected)과 같은 임의 유형의 LED일 수 있다. 또한, 광원은 네이키드 다이, 또는 패키지된 것으로서 사용될 수 있다.
LED 광원의 광 출력부(또는 발광 영역)는 LED로부터의 광이 그를 향해 또는 그를 통해 출력(또는 방출)되는 영역을 말한다. LED 광원의 캐비티 또는 캐비티들은 그러므로 광 출력부를 향해 연장할 수 있다. 광 출력부는 예를 들어 사파이어와 같은 성장 기판의 영역일 수 있다. 또한, 광 출력 방향은 그를 따라 광이 광 출력부로부터 출력되는 단일 방향(예를 들어, 도면들에서 수직)이도록 일반화된다. 그러나, 광 출력부로부터 출력된 모든 광이 정확하게 출력 방향을 따라 출력되지 않을 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그러므로, 광 출력 방향은 광이 예를 들어 광 출력부의 표면으로부터 멀리 연장하는, 광 출력부로부터 출력되는 일반적인 방향을 참조하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서, 광학적 투과성 구조는 내부 전반사에 의해 수신된 광을 한정하여 수신된 광을 광 출사부를 향해 반사시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광학적 투과성 구조는 하나 이상의 광학 시준기를 포함할 수 있다.
또 하나의 실시예에서, 광학적 투과성 구조는 복수의 LED 광원의 광 출력부들의 상부 위에 배치된 복수의 광 섬유를 포함할 수 있다. 예를 들어, LED 광원들의 광 출력부들 상에 배치된 광 섬유들의 어레이를 이용함으로써, LED 광원들로부터의 광은 광 섬유들을 따라 전송되고 원하는 광 출사 평면 및/또는 위치에 더 가까운 광 섬유들로부터 출력될 수 있다.
광 출력부들은 광 출력부들의 인접한 에지들 사이에 실질적으로 제로 간격이 있도록 배열될 수 있다. 그러나, 실제로, 제로의 수평 간격을 갖도록 인접한 에지들을 완벽하게 정렬하는 것은 어려울 수 있다. 그러므로, 실시예들에서, 광 출력부들은 무시할 수 있는 또는 작은 양만큼 수평으로 분리될 수 있다. 예를 들어, 2개의 LED 광원들의 광 출력부들의 인접한 에지들 사이에 수평 간격이 있을 수 있고, 이 수평 간격은 광 출력부들의 수평 폭의 10% 미만일 수 있다. 실시예들에서, 이러한 간격을 최소 값(예를 들어, 광 출력부들의 수평 폭의 5% 미만, 훨씬 더 바람직하게는 광 출력부들의 수평 폭의 1% 미만)으로 줄이는 것이 바람직할 수 있다.
실시예에서, LED 광원은 반도체 다이오드 구조의 측 표면들을 적어도 부분적으로 봉입하고 반도체 다이오드 구조로부터의 광을 광 출력부를 향해 반사시키도록 구성된 광 반사 구조를 더 포함할 수 있다. 또한, 광 반사 구조를 갖는 LED 광원의 광 출력부는 광 반사 구조 내에 형성된 어퍼처를 포함할 수 있다. 또한, 광 반사 구조 내에 형성된 어퍼처를 갖는 LED 광원의 반도체 다이오드 구조는 광학 향상 재료를 포함할 수 있다.
실시예에서, 제1 및 제2 LED 광원들 중 적어도 하나의 LED 광원의 광 출력부는 광학 향상 재료를 포함할 수 있다. 광학 향상 재료는 루미너스 세라믹 재료 또는 인광 재료와 같은, '색 변환 필(colour conversion fill)'일 수 있다. 이것은 수평 방출 영역의 에탕듀를 유지하는 데 더 도움을 줄 수 있다.
실시예에서, 광원은 광학적 투과성 구조의 광 출사부를 적어도 부분적으로 덮는 광학 향상 재료의 층을 더 포함할 수 있다.
광학적 투과성 구조는 복수의 LED 광원의 광 출력부들에 적어도 부분적으로 중첩하는 프레넬 구조를 더 포함할 수 있다.
또한, 실시예가 복수의 캐비티를 포함하면, 캐비티 중 일부 또는 전부는 상이한 재료들을 포함할 수 있다(예를 들어 그것들로 채워질 수 있다). 한 예로서, 소정의 캐비티들은 제1 유형의 인광체(예를 들어, 청색으로부터 백색으로 변환)로 채워질 수 있고 다른 캐비티들은 또 하나의 유형의 인광체(예를 들어, 청색으로부터 적색으로 변환)로 채워질 수 있다.
실시예들은 자동차 조명의 분야 및 고휘도 조명이 요구되는 다른 분야들/응용들에서 이용될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 한 양태에 따르면, 실시예에 따른 광원을 포함하는 자동차 조명이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 하나의 양태에 따르면, 실시예에 따른 광원을 포함하는 프로젝터 조명이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 2차원 어레이로 배열된 복수의 LED 광원을 포함하는 광원을 제조하는 방법으로서, 복수의 LED 광원 각각은 광을 발생하도록 구성된 반도체 다이오드 구조; 및 반도체 다이오드 구조로부터 광을 출력하도록 구성된 반도체 다이오드 구조 위의 광 출력부를 갖는 복수의 LED 광원을 갖고, 광 출력부의 면적은 반도체 다이오드 구조의 면적보다 적고, 상기 방법은 복수의 LED 광원의 광 출력부들로부터 광을 수신하도록 복수의 LED 광원의 광 출력부에 중첩하고, 수신된 광을 출력하도록 구성된 광 출사부를 갖는 광학적 투과성 구조를 제공하는 단계를 포함하고, 광학적 투과성 구조의 광 출사부의 면적은 복수의 LED 광원의 풋프린트 면적보다 적은 방법이 제공된다.
광학적 투과성 구조는 내부 전반사에 의해 수신된 광을 한정하여 수신된 광을 광 출사부를 향해 반사시키도록 구성될 수 있다.
광학적 투과성 구조를 제공하는 단계는 복수의 LED 광원의 광 출력부들의 상부 위에 복수의 광 섬유를 배치하는 단계를 포함한다.
본 발명의 예들이 이제 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
도 1a는 공지된 LED 광원의 단면도이고;
도 1b는 도 1a의 공지된 LED 광원의 평면도이고;
도 2a는 실시예에 따른 광원의 2개의 LED 기반 광원들의 측면도이고, 여기서 LED 기반 광원들은 이격된 배열로 배열된다.
도 2b는 위에서 본(즉, 평면도로) 도 2a의 LED 광원들의 배열을 도시하고;
도 2c는 도 2a의 광학적 투과성 구조의 광 출사부들을 도시하고, 여기서 광학적 투과성 구조는 복수의 광 섬유를 포함하고, 여기서 광 섬유들의 광 출사부들은 가깝게 팩킹되고;
도 3a는 또 하나의 실시예에 따른 광원의 4개의 LED 기반 광원들의 측면도이고, 여기서 LED 기반 광원들은 이격된 배열로 배열되고;
도 3b는 위에서 본(즉, 평면도로) 도 3a의 LED 광원들의 배열을 도시하고;
도 3c는 도 3a의 광학적 투과성 구조의 광 출사부들을 도시하고, 여기서 광학적 투과성 구조는 복수의 광학 시준기를 포함하고, 광학 시준기들의 광 출사부들은 함께 가깝게 팩킹되고;
도 4a는 또 하나의 실시예에 따른 광원의 4개의 LED 기반 광원들의 측면도이고, 여기서 LED 기반 광원들은 이격된 배열로 배열되고;
도 4b는 위에서 본(즉, 평면도로) 도 4a의 LED 광원들의 배열을 도시하고;
도 4c는 도 4a의 광학적 투과성 구조의 광 출사부를 도시하고, 광학적 투과성 구조는 사다리꼴 형상의 광 가이드를 포함하고;
도 5는 실시예에 따른 광원의 광학적 투과성 구조의 배열을 도시하고;
도 6은 또 하나의 실시예에 따른 광원의 광학적 투과성 구조의 배열을 도시한다.
본 발명은 복수의 LED 광원을 포함하는 광원 및 이를 제조하는 방법을 제공한다. 실시예들은 비교적 소형 및/또는 효율적인 광원으로부터 높은 또는 증가된 휘도의 광을 요구하는 응용들에 특히 관련할 수 있다.
실시예들은 작은 광 출력부를 갖는 믹스 박스를 갖는 반도체 광원들로부터 증가된 휘도의 광을 획득하고 다음에 광학 구조의 보조 발광/출사 표면을 통해 광을 재방출하는 개념을 이용한다. 광학 구조를 반도체 광원들에 의해 차지된 면적에 비해 보다 집중된(예를 들어, 보다 작은) 영역을 통해 광을 방출하도록 구성시킴으로써, 실시예들은 반도체 광원들을 가깝게 팩킹/분리할 필요성을 피할 수 있다. 또한, (광원의 작은 발광 표면을 유지하면서) 반도체 광원들을 이격되게 하면 도전성 어드레싱 트랙들 내의 전류 밀도에 관련된 어드레싱 제한들을 완화시키는 데 도움을 줄 수 있다.
그러므로, 광원들의 광 발생 부분들보다 적은 면적의 광 출력부들을 갖는 고휘도 LED 광원들을 위한 응용이 제안된다. 고휘도 LED 광원들로부터 광을 수집하여 한정하고 나서 보조 발광 표면을 통해 광을 재방출하도록 광학적 투과성 구조("광학 구조"라고도 함)를 배열함으로써, 픽셀화된 광원이 실현될 수 있는데 여기서 발광 표면은 각각의 LED 광원들로부터 광을 출력하는 가깝게 팩킹된 픽셀들을 포함한다. LED 광원들이 보조 발광 표면의 면적보다 큰 풋프린트 면적을 차지하도록 LED 광원들을 이격시킴으로써(예를 들어, 덜 가깝게 팩킹함으로써), 고휘도 특성들 및 발광 픽셀들 사이에 작은 간격을 갖는 픽셀화된 광원이 그들 사이에 거의 제로에 가까운 간격을 두고 가깝게 팩킹되어야 하는 제한으로부터 완화되는 LED 광원들로 실현될 수 있다.
여기서 사용된 것과 같이, 용어 수직은 실질적으로 기판의 표면에 직교하는 것을 의미한다. 여기서 사용된 것과 같이, 용어 수평은 실질적으로 기판의 표면에 평행한 것을 의미한다. 또한, (위에, 아래에, 상부, 하부 등과 같은) 배치 또는 위치를 설명하는 용어들은 도면들에 도시된 구조들의 배향과 함께 해석되어야 한다.
도면들은 순수하게 개략적이고 그러므로 특징들의 치수들은 축척에 맞게 도시되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 층들 중 어느 것의 도시된 두께는 제한하는 것으로 취해지지 않아야 한다. 예를 들어, 제2 층보다 두꺼운 것으로 그려진 제1 층은 실제로 제2 층보다 얇을 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광원을 도시한다. 보다 구체적으로, 도 2a는 광원의 2개의 LED 기반 광원들의 측면도이고, 여기서 LED 기반 광원들은 이격된 배열로 배열된다. 도 2b는 위에서(즉, 평면도로) 봤을 때 LED 광원들의 배열을 도시한다. 도 2c는 광학적 투과성 구조의 광 출사부들을 도시하고, 여기서 광학적 투과성 구조는 복수의 광 섬유를 포함하고, 광 섬유들의 광 출사부들은 가깝게 팩킹된다.
LED 기반 광원들은 그들이 LED(12)보다 더 작은 면적의 어퍼처(18)(또는 광 출력부(18))를 갖는 믹스 박스(16) 내에 (다이 기판(14) 상에) LED(12)를 각각 포함한다는 점에서 도 1a 및 1b에 도시한 것과 유사하다. 위의 배경 설명에서 이미 상세하게 설명된 바와 같이, 이러한 LED 기반 광원들은 증가된 휘도를 나타내고 그래서 "고휘도 LED 광원들"이라고 할 수 있다.
도 2a에 도시한 바와 같이, 각각의 LED 광원은 그것의 광 출력부(18)를 덮도록 배치된 광 섬유(20)의 한 단부를 갖는다. 이 방식으로, 각각의 LED로부터의 광은 그것의 각각의 광 출력부(18)로부터 출력되고 관련된 광 섬유 내로 입력된다. 입력된 광은 광 섬유(20)를 따라 전송되고 광 섬유(20)의 다른 단부(22)(즉, 광 출사부(22))로부터 출력된다.
그러므로, 각각의 광 섬유(20)는 각각의 LED 광원으로부터 출력된 광을 수집하고 광이 광 섬유(22)의 다른 단부에서 광 출사부(22)를 향해 반사되도록 내부 전반사에 의해 광을 한정한다는 것을 이해할 것이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 광 섬유들(20)은 광 출사부들(22)이 광 출력부(18)와 상이한 방향으로 배향되게 하도록 하는 형상으로 될 수 있거나 가요성일 수 있다. LED 광원들로부터의 광은 그러므로 광 섬유(20)를 따라 전송되고 (예를 들어, 원하는 광 출사 평면 및/또는 위치에 더 가까울 수 있는) 상이한 위치 및/또는 방향에서 광 섬유들(20)로부터 출력될 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, LED 기반 광원들(10)은 그들이 미리 결정된 분리 거리 SLED만큼 서로 이격되도록 2차원 어레이로 배열된다. 결과적으로, LED 기반 광원들(10)에 의해 차지된 전체 표면 공간 또는 면적 ALEDS, 즉 LED 기반 광원들(10)의 풋프린트 면적 ALEDS는 LED 광원들(10)을 둘러싸는 전체 면적 및 그 사이의 공간들을 포함한다. 다르게 말하면, LED 기반 광원들(10)의 풋프린트 면적 ALEDS는 LED 기반 광원들(및 그 사이의 공간들)에 의해 차지된 전체 폭 WLEDS 곱하기 LED 기반 광원들(및 그 사이의 공간들)에 의해 차지된 전체 길이 LLEDS와 동일하고, 이는 식 ALEDS = WLEDS×LLEDS로 표현될 수 있다.
반대로, 도 2c에 도시된 바와 같이, 광 섬유들(20)의 광 출사부들(22)은 인접한 광 출사부들(22) 사이에 간격이 거의 없거나 없도록 함께 가깝게 팩킹된다. 결과적으로, 광 출사부들(22)에 의해 차지된 전체 공간 또는 면적 AOUT, 즉 광 출사부들(22)의 풋프린트 면적 AOUT는 LED 기반 광원들(10)의 풋프린트 면적 ALEDS보다 적다. 다르게 말하면, 광 출사부들(22)의 전체 면적 AOUT는 광 출사부들(22)(및 그 사이의 어떤 공간들)에 의해 차지된 전체 폭 WOUT 곱하기 광 출사부들(22)(및 그 사이의 어떤 공간들)에 의해 차지된 전체 길이 LOUT와 동일하고, 이는 식 AOUT=WOUT×LOUT, 및 AOUT<ALEDS로 표현될 수 있다.
그러므로 복수의 광 섬유(20)는 LED 광원들(10)에 의해 차지된 공간/면적과 비교하여 광원의 광 출사/방출 표면의 크기에 있어서 감소를 제공한다는 것을 이해할 것이다. 또한, LED 광원들(10)에 의해 요구된 공간이 광 출사/방출 표면(즉, 광 출사부들(22))에 의해 요구되는 것보다 크게 할 수 있다는 것은 보다 강력한 LED 광원들 및/또는 LED 광원들 사이의 보다 큰 간격의 사용을 가능하게 할 수 있다.
도 2에 도시된 실시예는 그러므로 광을 한정하고 다음에 그것을 LED 광원들(10)의 풋프린트 면적보다 작은 면적의 광 출사/방출 표면을 통해 출력하는 (복수의 광 섬유(20)로부터 형성된) 광학적 투과성 구조 상으로 광을 출력하는 복수의 고휘도 LED 광원(10)을 포함하는 고휘도 광원을 제공한다. 또한, 광학 요소의 광 섬유들(20)은 광 출력 방향/배향 및/또는 위치가 다른 광원들과 타일링이 가능하게 변경 또는 설계되도록 LED 광원들(10)로부터의 광을 재지향하도록 구성될 수 있다.
이제 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광원이 도시된다. 보다 구체적으로, 도 3a는 광원의 4개의 LED 기반 광원의 측면도이고, 여기서 LED 기반 광원들은 이격된 배열로 배열된다. 도 3b는 위에서 본(즉, 평면도로) LED 광원들의 배열을 도시한다. 도 3c는 광학적 투과성 구조의 광 출사부들을 도시하고, 여기서 광학적 투과성 구조는 복수의 광학 시준기를 포함하고, 광학 시준기들의 광 출사부들은 함께 가깝게 팩킹된다.
LED 기반 광원들은 그들이 LED(12)보다 더 작은 면적의 어퍼처(18)(또는 광 출력부(18))를 갖는 믹스 박스(16) 내에 (다이 기판(14) 상에) LED(12)를 각각 포함한다는 점에서 도 1a 및 1b에 도시한 것과 유사하다. 그러나, 본 실시예에서, 각각의 LED 기반 광원의 광 출력부(18)는 광학 향상 재료를 포함한다. 보다 구체적으로, 광학 향상 재료(18)는 루미너스 세라믹 재료 또는 인광 재료와 같은, '색 변환 필'을 포함한다. 이것은 수평 방출 영역의 에탕듀를 유지하는 데 더 도움을 줄 수 있다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 각각의 LED 광원은 그것의 광 출력부(18)를 덮도록 배치된 각각의 광학 시준기(30)의 한 단부를 갖는다. 이 방식으로, 각각의 LED로부터의 광은 그것의 각각의 광 출력부(18)로부터 출력되고 관련된 광학 시준기(30) 내로 입력된다. 입력된 광은 광학 시준기(30)를 따라 전송되고 광학 시준기(30)의 다른 단부(32)(즉, 광 출사부(32))로부터 출력된다.
그러므로, 각각의 광학 시준기(30)는 각각의 LED 광원으로부터 출력된 광을 수집하고 광이 광학 시준기(30)의 다른 단부에서 광 출사부(32)를 향해 반사되도록 내부 전반사에 의해 광을 한정한다는 것을 이해할 것이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 광학 시준기들(30)은 광학 시준기들(30)의 광 출사부들(32)이 광 출력부들(18)로부터 수평으로 오프셋되게 하도록 (예를 들어, 그들의 전체 길이를 따라 비선형으로) 만곡된다. LED 광원들로부터의 광은 그러므로 광학 시준기들(30)을 따라 전송되고 (예를 들어, 원하는 광 출사 평면 및/또는 위치에 더 가까울 수 있는) 상이한 수평 위치 및/또는 방향에서 광 출사부들(32)로부터 출력될 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, LED들(12)은 그들이 미리 결정된 분리 거리 SLED만큼 서로 이격되도록 2차원 어레이로 배열된다. 결과적으로, LED들(12)에 의해 차지된 전체 표면 공간 또는 면적 ALEDS, 즉 LED들(12)의 풋프린트 면적 ALEDS는 LED들(12)을 둘러싸는 전체 면적 및 그 사이의 공간들을 포함한다. 다르게 말하면, LED들(12)의 풋프린트 면적 ALEDS는 LED들(및 그 사이의 공간들)에 의해 차지된 전체 폭 WLEDS 곱하기 LED들(및 그 사이의 공간들)에 의해 차지된 전체 길이 LLEDS와 동일하고, 이는 식 ALEDS = WLEDS×LLEDS로 표현될 수 있다.
반대로, 도 3c에 도시된 바와 같이, 광학 시준기들(30)의 광 출사부들(32)은 인접한 광 출사부들(32) 사이에 작은 분리 거리 SOUT만이 있도록 함께 가깝게 팩킹된다. 결과적으로, 광 출사부들(32)에 의해 차지된 전체 공간 또는 면적 AOUT, 즉 광 출사부들(32)의 풋프린트 면적 AOUT는 LED들(10)의 풋프린트 면적 ALEDS보다 적다. 다르게 말하면, 광 출사부들(32)의 전체 면적 AOUT는 광 출사부들(32)(및 그 사이의 공간들)에 의해 차지된 전체 폭 WOUT 곱하기 광 출사부들(32)(및 그 사이의 공간들)에 의해 차지된 전체 길이 LOUT와 동일하고, 이는 식 AOUT=WOUT×LOUT, 및 AOUT<ALEDS로 표현될 수 있다.
그러므로 복수의 광학 시준기(30)의 배열은 LED들에 의해 차지된 공간/면적과 비교할 때 광원의 광 출사/방출 표면의 크기에 있어서 감소를 제공한다는 것을 이해할 것이다. LED들에 의해 요구된 공간이 광 출사/방출 표면(즉, 광 출사부들(32))에 의해 요구되는 것보다 크게 할 수 있다는 것은 보다 강력한 LED 광원들 및/또는 LED 광원들 사이의 보다 큰 간격의 사용을 가능하게 할 수 있다.
도 3에 도시된 실시예는 그러므로 광을 한정하고 다음에 그것을 LED 광원들(10)의 풋프린트 면적보다 작은 면적의 광 출사/방출 표면을 통해 출력하는 (복수의 광학 시준기(30)로부터 형성된) 광학적 투과성 구조 상으로 광을 출력하는 복수의 고휘도 LED 광원(10)을 포함하는 고휘도 광원을 제공한다. 또한, 광학적 투과성 구조의 광학 시준기들(30)은 광 출력 위치가 다른 광원들과 타일링이 가능하게 변경 또는 설계되도록 LED 광원들(10)로부터의 광을 재지향한다.
이제 도 4를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광원이 도시된다. 보다 구체적으로, 도 4a는 광원의 4개의 LED 기반 광원들의 측면도이고, 여기서 LED 기반 광원들은 이격된 배열로 배열된다. 도 4b는 위에서 본(즉, 평면도로) LED 광원들의 배열을 도시한다. 도 4c는 광학적 투과성 구조의 광 출사부를 도시하고, 여기서 광학적 투과성 구조는 사다리꼴 형상의 광 가이드를 포함한다.
광원은 도 3의 것과 유사하다. 그러나, (ⅰ) 프레넬 구조(40)가 각각의 LED 광원들(10)의 광 출력부(18)를 덮고/중첩하도록 구성되고; (ⅱ) 광학적 투과성 구조가 단일의 사다리꼴 형상의 광 가이드(50)를 포함한다는 2개의 주목할만한 수정들이 있다.
보다 상세히, 광 가이드(50)의 평행한 측면들의 제1 측면(55)은 아래로 향하고 LED 광원들(10)의 광 출력부들(18)을 덮도록 배열된다. 이 방식으로, 각각의 LED로부터의 광은 그것의 각각의 광 출력부(18)로부터 출력되고 광 가이드(50)의 제1의 아래로 향하는 측면(55)을 통해 광 가이드 내로 입력된다. 입력된 광은 광 가이드(50)를 통해 전송되고 광 가이드(50)의 대향하는 위로 향하는 측면(60)을 통해 출력된다. 그러므로, 광 가이드(50)의 위로 향하는 측면(60)은 광 가이드(50)의 광 출사 표면(60)이라고 할 수 있다.
그러므로, 광 가이드(50)는 그것이 덮고 있는 LED 광원들로부터 출력된 광을 수집하고 광이 광 가이드(50)의 대향 측면에서 광 출사 표면(60)을 향해 반사되도록 내부 전반사에 의해 광을 한정한다는 것을 이해할 것이다.
도 4b에 도시된 바와 같이, LED들(12)은 그들이 미리 결정된 분리 거리 SLED만큼 서로 이격되도록 2차원 어레이로 배열된다. 그러므로, LED들(12)에 의해 차지된 전체 표면 면적 ALEDS, 즉 LED들(12)의 풋프린트 면적 ALEDS는 LED들(12)을 둘러싸는 전체 면적 및 그 사이의 공간들을 포함한다. 다르게 말하면, LED들(12)의 풋프린트 면적 ALEDS는 LED들(및 그 사이의 공간들)에 의해 차지된 전체 폭 WLEDS 곱하기 LED들(및 그 사이의 공간들)에 의해 차지된 전체 길이 LLEDS와 동일하고, 이는 식 ALEDS = WLEDS×LLEDS로 표현될 수 있다.
반대로, 도 4c에 도시된 바와 같이, 광 가이드(50)의 광 출사 표면(60)은 LED들의 풋프린트 면적 ALEDS보다 적은 전체 면적을 갖는다. 다르게 말하면, 광 출사 표면(60)의 전체 면적 AOUT는 광 출사 표면(60)의 전체 폭 WOUT 곱하기 광 출사 표면(60)의 전체 길이 LOUT와 동일하고, 이는 식 AOUT=WOUT×LOUT, 및 AOUT<ALEDS로 표현될 수 있다.
그러므로 광 가이드(50)는 LED들에 의해 차지된 공간/면적과 비교하여 광원의 광 출사/방출 표면의 크기에 있어서 감소를 제공한다는 것을 이해할 것이다.
도 4에 도시된 실시예는 그러므로 광을 한정하고 다음에 그것을 LED 광원들의 풋프린트 면적보다 작은 면적의 광 출사/방출 표면을 통해 출력하는 광학 요소 상 내로 광을 출력하는 복수의 고휘도 LED 광원(10)을 포함하는 고휘도 광원을 제공한다.
또한, 이상적으로 가능한 한 적은 광학 손실로, 광 가이드(50)의 광 출사 표면(60)을 향해 광을 재지향하는 LED들의 상부 위에 마이크로 광학계를 포함하도록 도 4의 실시예를 배열하는 것이 바람직하다는 것을 알 것이다. 광이 재지향되지 않으면 일부 광은 사다리꼴 형상의 광 가이드(50)의 에지들에서 빠져나갈 수 있다(여기서 내부 전반사가 소정의 입사각들에 대해 일어나지 않는다). 이러한 마이크로 광학계는 광을 법선으로부터 또 하나의 각도로 멀리 지향시킬 수 있는 (통상적인 플래시용과 같은) 비대칭 프리즘 포일들일 수 있다.
이제 도 5 및 6을 참조하면, 각각, 광학적 투과성 구조의 제1 및 제2의 가능한 배열들이 도시된다.
도 5에서, 광학적 투과성 구조는 각각이 한 단부에서 각각의 LED 광원(110)의 광 출력부를 덮는 4개의 웨이브가이드들(100)을 포함한다. 4개의 LED 광원은 2×2 어레이로 배열된다. 웨이브가이드들(100)은 그들의 다른 단부들(즉, 그들의 광 출사 단부들)이 이격되고 1×4 어레이로, 즉, 단일의 라인 또는 행으로 배열되도록 형상화된다(예를 들어, 만곡된다).
LED 광원들(110)에 의해 차지된 전체 표면 면적 ALEDS, 즉 LED 광원들(110)의 풋프린트 면적 ALEDS는 LED 광원들(110)에 의해 차지된 전체 폭 WLEDS 곱하기 LED 광원들(110)에 의해 차지된 전체 길이 LLEDS와 동일하고, 이는 식 ALEDS = WLEDS×LLEDS로 표현될 수 있다.
웨이브가이드들(100)의 배열의 결과로서, 광 출사 단부들에 의해 차지된 전체 공간 또는 면적 AOUT, 즉 광 출사 단부들의 풋프린트 면적 AOUT는 LED 광원들(110)의 풋프린트 면적 ALEDS보다 적다. 다르게 말하면, 광 출사 단부들의 전체 면적 AOUT는 광 출사 단부들(및 그 사이의 공간들)에 의해 차지된 전체 폭 WOUT 곱하기 광 출사 단부들(및 그 사이의 공간들)에 의해 차지된 전체 길이 LOUT와 동일하고, 이는 식 AOUT=WOUT×LOUT, 및 AOUT<ALEDS로 표현될 수 있다.
유사하게, 도 6에서, 광학적 투과성 구조는 각각이 한 단부에서 각각의 LED 광원(110)의 광 출력부를 덮는 4개의 웨이브가이드들(100)을 또한 포함한다. 4개의 LED 광원들은 2×2 어레이로 배열되고, 웨이브가이드들(100)은 그들의 다른 단부들(즉, 그들의 광 출사 단부들)이 4×1 어레이로, 즉, 단일의 라인 또는 행으로 함께 가깝게 팩킹되도록 형상화된다(예를 들어, 만곡된다). 이 방식으로, 웨이브가이드들(100)의 인접한 광 출사 단부들 사이에 간격이 거의 내지 전혀 없다.
LED 광원들(110)에 의해 차지된 전체 표면 면적 ALEDS, 즉 LED 광원들(110)의 풋프린트 면적 ALEDS는 LED 광원들(110)에 의해 차지된 전체 폭 WLEDS 곱하기 LED 광원들(110)에 의해 차지된 전체 길이 LLEDS와 동일하고, 이는 식 ALEDS = WLEDS×LLEDS로 표현될 수 있다.
그러나, 도 6에 도시된 바와 같이, 광 출사 단부들에 의해 차지된 전체 공간 또는 면적 AOUT, 즉 광 출사 단부들의 풋프린트 면적 AOUT는 LED 광원들(110)의 풋프린트 면적 ALEDS와 동일하거나 그보다 적다. 다르게 말하면, 광 출사 단부들의 전체 면적 AOUT는 광 출사 단부들(및 그 사이의 공간들)에 의해 차지된 전체 폭 WOUT 곱하기 광 출사 단부들(및 그 사이의 공간들)에 의해 차지된 전체 길이 LOUT와 동일하고, 이는 식 AOUT=WOUT×LOUT, 및 AOUT≤ALEDS로 표현될 수 있다.
도 5 및 6의 배열들은 원래의 광원 배열의 재형상화를 가능하게 한다. 또한, 도 6에 도시된 것과 같은 4개의 LED들은 실제로 하나인 더 큰 LED일 수 있다는 점에 주목한다. 그리고 그러므로 도 6의 배열은 단일의 광원의 재형상화를 가능하게 한다.
다른 재형상화 배열이 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 4×4 LED 어레이는 발광 표면들의 2×8 어레이(또는 기타 임의의 형상)으로 변환될 수 있다.
본 기술 분야의 통상의 기술자들은 개시된 실시예들에 대한 다른 변형들이 이해되고 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다.
예를 들어, 본 개시내용의 LED 광원들은 플립 칩 유형(박막 플립 칩), 패터닝된 사파이어 기판, 상부 접속/상부 방출, 상부-하부 접속된 것과 같은 임의 유형의 LED일 수 있다. 또한, 광원은 네이키드 다이, 또는 패키지된 것으로서 사용될 수 있다.
LED 광원의 광 출력부(또는 발광 영역)는 LED로부터의 광이 그를 향해 또는 그를 통해 출력(또는 방출)되는 영역을 말한다. LED 광원의 캐비티 또는 캐비티들은 그러므로 광 출력부를 향해 연장할 수 있다. 광 출력부는 예를 들어 사파이어와 같은 성장 기판의 영역일 수 있다. 또한, 광 출력 방향은 그를 따라 광이 광 출력부로부터 출력되는 단일 방향(예를 들어, 도면들에서 수직)이도록 일반화된다. 그러나, 광 출력부로부터 출력된 모든 광이 정확하게 출력 방향을 따라 출력되지 않을 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그러므로, 광 출력 방향은 광이 예를 들어 광 출력부의 표면으로부터 멀리 연장하는, 광 출력부로부터 출력되는 일반적인 방향을 참조하는 것으로 이해되어야 한다.
광원은 광학적 투과성 구조의 광 출력/출사부(들)를 적어도 부분적으로 덮는 광학 향상 재료의 층을 더 포함할 수 있다.
또한, 실시예가 복수의 캐비티를 포함하면, 캐비티 중 일부 또는 전부는 상이한 재료들을 포함할 수 있다(예를 들어 그것들로 채워질 수 있다). 한 예로서, 소정의 캐비티들은 제1 유형의 인광체(예를 들어, 청색으로부터 백색으로 변환)로 채워질 수 있고 다른 캐비티들은 또 하나의 유형의 인광체(예를 들어, 청색으로부터 적색으로 변환)로 채워질 수 있다.
실시예들은 자동차 조명의 분야 및 고휘도 조명이 요구되는 다른 분야들/응용들에서 이용될 수 있다.
청구범위에서, 단어 "포함하는"은 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않고, 단수 표현은 복수를 배제하지 않는다. 소정의 수단들이 상호 상이한 종속 청구항에서 나열된다는 사실만으로 이들 수단의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다. 청구범위 내의 임의의 참조 부호들은 그 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.

Claims (12)

  1. 광원으로서,
    각각이 광을 발생하도록 구성된 반도체 다이오드 구조; 및 상기 반도체 다이오드 구조로부터 광을 출력하도록 구성된 상기 반도체 다이오드 구조 위의 광 출력부를 갖는, 2차원 어레이로 배열된 복수의 LED 광원;
    상기 반도체 다이오드 구조의 측 표면들을 적어도 부분적으로 봉입(enclosing)하고 상기 반도체 다이오드 구조로부터의 광을 상기 광 출력부를 향해 반사시키도록 구성된 광 반사 구조를 더 포함하는 상기 복수의 LED 광원 중 적어도 하나의 LED 광원;
    상기 광 출력부 위에 형성된 어퍼처(aperture)를 갖는 광 반사 구조를 갖는 상기 복수의 LED 광원 중 적어도 하나의 LED 광원; 및
    상기 복수의 LED 광원의 상기 광 출력부들로부터 광을 수신하도록 상기 복수의 LED 광원의 상기 광 출력부들에 중첩하고 상기 수신된 광을 출력하도록 구성된 광 출사부를 갖는 광학적 투과성 구조(optically transmissive structure)
    를 포함하고, 상기 광학적 투과성 구조의 상기 광 출사부의 면적은 상기 복수의 LED 광원의 풋프린트 면적보다 적고, 상기 광학적 투과성 구조는 하나 이상의 광학 시준기(optical collimator)를 포함하고,
    상기 어퍼처의 면적은 상기 반도체 다이오드 구조의 면적보다 적고,
    상기 시준기는 상기 어퍼처가 형성된 상기 광 출력부의 일부를 덮는, 광원.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광학적 투과성 구조는 내부 전반사에 의해 수신된 광을 한정(confine)하여 수신된 광을 상기 광 출사부를 향해 반사시키도록 구성되는 광원.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광학적 투과성 구조는 상기 복수의 LED 광원의 상기 광 출력부들의 상부 위에 배치된 복수의 광 섬유를 포함하는 광원.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광 반사 구조 내에 형성된 상기 어퍼처는 광학 향상 재료(optical enhancement material)를 포함하는 광원.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 LED 광원 중 적어도 하나의 LED 광원의 상기 광 출력부는 광학 향상 재료를 포함하는 광원.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학적 투과성 구조의 상기 광 출사부를 적어도 부분적으로 덮는 광학 향상 재료의 층을 더 포함하는 광원.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학적 투과성 구조는 상기 복수의 LED 광원의 상기 광 출력부들에 적어도 부분적으로 중첩하는 프레넬 구조(Fresnel structure)를 더 포함하는 광원.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 광원을 포함하는 자동차 조명.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 광원을 포함하는 프로젝터 조명.
  10. 2차원 어레이로 배열된 복수의 LED 광원을 포함하는 광원을 제조하는 방법으로서, 상기 복수의 LED 광원 각각은 광을 발생하도록 구성된 반도체 다이오드 구조; 및 상기 반도체 다이오드 구조로부터 광을 출력하도록 구성된 상기 반도체 다이오드 구조 위의 광 출력부를 갖고, 상기 방법은
    상기 반도체 다이오드 구조의 측 표면들을 적어도 부분적으로 봉입하고 상기 반도체 다이오드 구조로부터의 광을 상기 광 출력부를 향해 반사시키도록 구성된 광 반사 구조를 갖는 상기 복수의 LED 광원 중 적어도 하나의 LED 광원을 제공하는 단계;
    상기 광 출력부 위에 형성된 어퍼처를 상기 복수의 LED 광원 중 적어도 하나의 LED 광원의 상기 광 반사 구조 내에 제공하는 단계;
    상기 복수의 LED 광원의 상기 광 출력부들로부터 광을 수신하도록 상기 복수의 LED 광원의 상기 광 출력부들에 중첩하고, 상기 수신된 광을 출력하도록 구성된 광 출사부를 갖는 광학적 투과성 구조를 제공하는 단계
    를 포함하고,
    상기 광학적 투과성 구조의 상기 광 출사부의 면적은 상기 복수의 LED 광원의 풋프린트 면적보다 적고,
    상기 광 출력부의 면적은 상기 반도체 다이오드 구조의 면적보다 적고,
    상기 광학적 투과성 구조는 하나 이상의 광학 시준기를 포함하고,
    상기 시준기는 상기 어퍼처가 형성된 상기 광 출력부의 일부를 덮는, 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 광학적 투과성 구조는 내부 전반사에 의해 수신된 광을 한정하여 수신된 광을 상기 광 출사부를 향해 반사시키도록 구성되는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 광학적 투과성 구조를 제공하는 단계는 상기 복수의 LED 광원의 상기 광 출력부들의 상부 위에 복수의 광 섬유를 배치하는 단계를 포함하는 방법.
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