KR102513351B1 - 반도체 발광 소자를 이용한 차량용 램프 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 램프에 관한 것으로 특히, 반도체 발광 소자를 이용한 차량용 램프에 관한 것이다. 본 발명에 따른 차량용 램프는 광원부를 구비하며, 상기 광원부는, 기판, 기판 상에 배치되고, 빛을 발광하는 복수의 반도체 발광소자들, 상기 반도체 발광소자들 위에 배치되고, 상기 반도체 발광소자들로부터 발광된 빛의 일부를 흡수하여 흡수한 빛과 다른 소정 색상의 빛을 발광하도록 이루어지는 형광체층 및 상기 형광체층을 덮도록 배치되고, 소정 파장대의 빛을 선택적으로 반사시키는 컬러 필터를 포함하고, 상기 소정 파장대의 빛은 상기 소정 색상의 빛과 다른 색상의 빛인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 차량용 램프는, 기존 LED 광원보다 순도가 높은 적색 빛을 발광할 수 있고, 이와 동시에 높은 광 효율을 가질 수 있다.

Description

반도체 발광 소자를 이용한 차량용 램프{CAR LAMP USING SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 차량용 램프에 관한 것으로 특히, 반도체 발광 소자를 이용한 차량용 램프에 관한 것이다.
차량은 조명 기능이나 신호 기능을 가지는 다양한 차량용 램프를 구비하고 있다. 일반적으로, 할로겐 램프나 가스 방전식 램프가 주로 사용되어 왔으나, 최근에는 발광다이오드(LED; Light Emitting Diode)가 차량용 램프의 광원으로 주목 받고 있다.
발광다이오드의 경우 사이즈를 최소화함으로써 램프의 디자인 자유도를 높여줄 뿐만 아니라 반영구적인 수명으로 인해 경제성도 갖추고 있으나, 현재 대부분 패키지 형태로 생산되고 있다. 패키지가 아닌 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED) 자체는 전류를 빛으로 변환시키는 반도체 발광 소자로서, 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 개발 중이다.
한편, 종래 LED광원은 청색 빛을 발광하는 LED와 형광 물질로 구성되어 있다. LED에서 발광된 청색 빛은 형광 물질을 통해 다른 색으로 변환되는데, 이러한 과정에서 컬러의 품질이 떨어진다. 한편, LED광원의 컬러 품질을 향상시키기 위해 컬러 필터가 사용되는데, 상기 컬러 필터로 인하여 광원의 광효율이 떨어지는 문제가 있다.
이에, 높은 컬러 품질 및 높은 광 효율을 가지는 LED 광원에 대한 요구가 증가하고 있다.
본 발명의 일 목적은 높은 컬러 품질 및 높은 광 효율을 가지는 차량용 램프를 구현하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은, 적색 빛을 발광하는 차량용 램프에 있어서, 적색 빛의 컬러 품질을 높이는 구조를 구현하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은, 적색 빛을 발광하는 차량용 램프에 있어서, 적색 빛의 광 효율을 높이는 구조를 구현하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 차량용 램프는 광원부를 구비하며, 상기 광원부는, 기판, 기판 상에 배치되고, 빛을 발광하는 복수의 반도체 발광소자들, 상기 반도체 발광소자들 위에 배치되고, 상기 반도체 발광소자들로부터 발광된 빛의 일부를 흡수하여 흡수한 빛과 다른 소정 색상의 빛을 발광하도록 이루어지는 형광체층 및 상기 형광체층을 덮도록 배치되고, 소정 파장대의 빛을 선택적으로 반사시키는 컬러 필터를 포함하고, 상기 소정 파장대의 빛은 상기 소정 색상의 빛과 다른 색상의 빛인 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 컬러 필터는 상기 형광체층으로부터 발광된 빛을 선택적으로 투과시킬 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 컬러 필터로부터 반사된 빛을 반사하도록, 상기 기판 상에 배치되는 반사층을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 형광체층은, 상기 반도체 발광소자들로부터 발광된 빛의 일부를 흡수하여 상기 소정 색상의 빛을 발광하는 제1 형광물질을 구비하고, 상기 반도체 발광소자들로부터 발광된 빛의 일부를 흡수하여 상기 소정 색상과 다른 색상의 빛을 발광하는 제2형광물질을 구비하고, 상기 제1형광물질이 상기 제2형광물질로부터 발광된 빛을 흡수하여 상기 소정 색상의 빛을 발광하도록, 상기 제1 및 제2형광물질은 하나의 층에 혼합되어 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 소정 색상의 빛은 적색 빛인 것을 특징으로 하고, 상기 소정 색상과 다른 색상의 빛은 녹색 빛일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1형광물질은 상기 반도체 발광소자로부터 발광된 빛 및 상기 제2형광물질로부터 발광된 빛을 흡수하도록, 상기 제2형광물질보다 넓은 파장대의 빛을 흡수할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 형광체층은 빛을 산란시키도록 이루어지는 광 산란 물질을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 형광체층 및 상기 반도체 발광소자들 사이에 에어 갭을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 에어 갭이 형성되도록 상기 기판 및 상기 형광체층 사이에 배치되는 지지부재를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 형광체층 및 상기 반도체 발광소자들 사이에 배치되고, 광투과성 물질로 이루어지며, 복수의 돌출들을 포함하는 광학갭층을 더 포함하고, 상기 돌출들은 상기 광학갭층 및 상기 반도체 발광소자들 사이에 에어갭이 형성되도록, 상기 기판과 접할 수 있다.
본 발명에 따른 차량용 램프는, 기존 LED 광원보다 순도가 높은 적색 빛을 발광할 수 있고, 이와 동시에 높은 광 효율을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 차량용 램프의 일 실시예를 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1의 A부분의 부분 확대도이고, 도 3은 단면도이다.
도 4는 도 3의 수직형 반도체 발광소자를 나타내는 개념도이다.
도 5는 광원부의 각 구성요소를 통과한 빛의 파장 별 세기를 나타내는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 서로 다른 종류의 형광물질을 구비하는 형광체층을 포함하는 광원부의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 산란물질을 포함하는 형광체층을 구비하는 광원부의 단면도이다.
도 8a는 소정 파장대의 빛을 선택적으로 흡수하는 컬러 필터를 포함하는 광원부의 단면도이다.
도 8b는 소정 파장대의 빛을 선택적으로 반사하는 컬러 필터를 포함하는 광원부의 단면도이다.
도 9a는 광원부 표면에서 전반사가 일어나는 모습을 나타내는 개념도이다.
도 9b 및 9c는 광원부 표면에서의 전반사를 방지하기 위한 광원부의 단면도이다.
도 10은 기존 LED광원과 본 발명의 일 실시 예에 따른 광원부의 효과를 비교하기 위한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
또한, 층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 명세서에서 설명되는 차량용 램프에는 전조등(헤드 램프), 미등, 차폭등, 안개등, 방향지시등, 제동등, 비상등, 후진등(테일 램프) 등이 포함될 수 있다. 그러나, 본 명세서에 기재된 실시 예에 따른 구성은 추후 개발되는 새로운 제품형태이라도, 디스플레이가 가능한 장치에는 적용될 수도 있음을 본 기술분야의 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 차량용 램프의 일 실시예를 나타내는 개념도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 램프(10)는 차체에 고정되는 프레임(11)과, 프레임(11)에 설치되는 광원부(100)를 포함하여 이루어진다.
프레임(11)에는 광원부(100)에 전원을 공급하기 위한 배선라인이 연결되어 있으며, 상기 프레임(11)은 차체에 직접 체결 고정되거나 브라켓을 매개로 고정될 수 있다. 도시에 의하면, 광원부(100)가 발광하는 빛을 보다 확산하고 선명하게 하기 위하여 렌즈부가 구비될 수 있다.
상기 광원부(100)는 외력에 의하여 휘어질 수 있는, 구부러질 수 있는, 비틀어질 수 있는, 접힐 수 있는, 말려질 수 있는 플렉서블 광원부가 될 수 있다.
상기 광원부(100)가 휘어지지 않는 상태(예를 들어, 무한대의 곡률반경을 가지는 상태, 이하 제1상태라 한다)에서는 상기 광원부(100)는 평면이 된다. 상기 제1상태에서 외력에 의하여 휘어진 상태(예를 들어, 유한의 곡률반경을 가지는 상태, 이하, 제2상태라 한다)에서는 상기 플렉서블 광원부는 적어도 일부가 휘어지거나 굽어진 곡면이 될 수 있다.
상기 광원부(100)의 화소는 반도체 발광 소자에 의하여 구현될 수 있다. 본 발명에서는 전류를 빛으로 변환시키는 반도체 발광 소자의 일 종류로서 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)를 예시한다. 상기 발광 다이오드는 작은 크기로 형성되며, 이를 통하여 상기 제2상태에서도 화소의 역할을 할 수 있게 된다.
이하, 상기 발광 다이오드를 이용하여 구현된 상기 광원부에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 2는 도 1의 A부분의 부분 확대도이고, 도 3은 단면도이며, 도 4는 도 3의 수직형 반도체 발광소자를 나타내는 개념도이다.
도 2, 도 3 및 도 4의 도시에 의하면, 반도체 발광 소자를 이용한 광원부(100)로서 패시브 매트릭스(Passive Matrix, PM) 방식의 반도체 발광 소자를 이용한 경우를 예시한다. 다만, 이하 설명되는 예시는 액티브 매트릭스(Active Matrix, AM) 방식의 반도체 발광 소자에도 적용 가능하다.
상기 광원부(100)는 베이스 기판(110), 제1전극(120), 접착층(130), 제2전극(140) 및 복수의 반도체 발광 소자(150)를 포함한다.
베이스 기판(110)은 전체 공정을 통해 구조가 형성되는 기본층(base layer)이며, 제1전극(120)이 배치되는 배선기판이 될 수 있다. 상기 베이스 기판(110)은 플렉서블(flexible) 광원부를 구현하기 위하여 유리나 폴리이미드(PI)를 포함할 수 있다. 또한, 베이스 기판(110)은 박형 금속이 될 수 있다. 이외에도 절연성이 있고, 유연성 있는 재질이면 예를 들어 PEN(Polyethylene Naphthalate), PET(Polyethylene Terephthalate) 등 어느 것이라도 사용될 수 있다. 또한, 상기 기판(110)은 투명한 재질 또는 불투명한 재질 어느 것이나 될 수 있다.
한편, 상기 베이스 기판(110)에는 방열 시트나 히트 싱크 등이 장착되어, 방열 기능이 구현될 수 있다. 이 경우에, 상기 제1전극(120)이 배치되는 면의 반대면에 상기 방열 시트나 히트 싱크 등이 장착될 수 있다.
제1전극(120)은 베이스 기판(110) 상에 복수 개 배치되며, 데이터 전극의 역할을 하도록 이루어질 수 있다.
접착층(130)은 제1전극(120)이 위치하는 베이스 기판(110)상에 형성된다.
상기 접착층(130)은 접착성과 전도성을 가지는 층이 될 수 있으며, 이를 위하여 상기 접착층(130)에서는 전도성을 가지는 물질과 접착성을 가지는 물질이 혼합될 수 있다. 따라서, 상기 접착층은 전도성 접착층으로 지칭될 수 있다. 또한 접착층(130)은 연성을 가지며, 이를 통하여 광원부에서 플렉서블 기능을 가능하게 한다.
이러한 예로서, 접착층(130)은 이방성 전도성 필름(anistropy conductive film, ACF), 이방성 전도 페이스트(paste), 전도성 입자를 함유한 솔루션(solution) 등이 될 수 있다. 상기 접착층(130)은 두께를 관통하는 Z 방향으로는 전기적 상호 연결을 허용하나, 수평적인 X-Y 방향으로는 전기절연성을 가지는 레이어로서 구성될 수 있다. 따라서 상기 접착층(130)은 Z축 전도층으로 명명될 수 있다.
상기 이방성 전도성 필름은 이방성 전도매질(anisotropic conductive medium)이 절연성 베이스부재에 혼합된 형태의 필름으로서, 열 및 압력이 가해지면 특정 부분만 이방성 전도매질에 의하여 전도성을 가지게 된다. 이하, 상기 이방성 전도성 필름에는 열 및 압력이 가해지는 것으로 설명하나, 상기 이방성 전도성 필름이 부분적으로 전도성을 가지기 위하여 다른 방법도 가능하다. 이러한 방법은, 예를 들어 상기 열 및 압력 중 어느 하나만이 가해지거나 UV 경화 등이 될 수 있다.
또한, 상기 이방성 전도매질은 예를 들어, 도전볼이나 전도성 입자가 될 수 있다. 도시에 의하면, 본 예시에서 상기 이방성 전도성 필름은 도전볼이 절연성 베이스 부재에 혼합된 형태의 필름으로서, 열 및 압력이 가해지면 특정부분만 도전볼에 의하여 전도성을 가지게 된다. 이방성 전도성 필름은 전도성 물질의 코어가 폴리머 재질의 절연막에 의하여 피복된 복수의 입자가 함유된 상태가 될 수 있으며, 이 경우에 열 및 압력이 가해진 부분이 절연막이 파괴되면서 코어에 의하여 도전성을 가지게 된다. 이때, 코어의 형태는 변형되어 필름의 두께방향으로 서로 접촉하는 층을 이룰 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 열 및 압력은 이방성 전도성 필름에 전체적으로 가해지며, 이방성 전도성 필름에 의하여 접착되는 상대물의 높이차에 의하여 Z축 방향의 전기적 연결이 부분적으로 형성된다.
다른 예로서, 이방성 전도성 필름은 절연 코어에 전도성 물질이 피복된 복수의 입자가 함유된 상태가 될 수 있다. 이 경우에는 열 및 압력이 가해진 부분이 전도성 물질이 변형되어(눌러 붙어서) 필름의 두께방향으로 전도성을 가지게 된다. 또 다른 예로서, 전도성 물질이 Z축 방향으로 절연성 베이스 부재를 관통하여 필름의 두께방향으로 전도성을 가지는 형태도 가능하다. 이 경우에, 전도성 물질은 뽀족한 단부를 가질 수 있다.
도시에 의하면, 상기 이방성 전도성 필름은 도전볼이 절연성 베이스 부재의 일면에 삽입된 형태로 구성되는 고정배열 이방성 전도성 필름(fixed array ACF)가 될 수 있다. 보다 구체적으로, 절연성 베이스부재는 접착성을 가지는 물질로 형성되며, 도전볼은 상기 절연성 베이스부재의 바닥부분에 집중적으로 배치되며, 상기 베이스부재에서 열 및 압력이 가해지면 상기 도전볼과 함께 변형됨에 따라 수직방향으로 전도성을 가지게 된다.
다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 이방성 전도성 필름은 절연성 베이스부재에 도전볼이 랜덤하게 혼입된 형태나, 복수의 층으로 구성되며 어느 한 층에 도전볼이 배치되는 형태(double-ACF) 등이 모두 가능하다.
이방성 전도 페이스트는 페이스트와 도전볼의 결합형태로서, 절연성 및 접착성의 베이스 물질에 도전볼이 혼합된 페이스트가 될 수 있다. 또한, 전도성 입자를 함유한 솔루션은 전도성 particle 혹은 nano 입자를 함유한 형태의 솔루션이 될 수 있다.
베이스 기판(110) 상에 제1전극(120)이 위치하는 상태에서, 예를 들어 이방성 전도성 필름을 위치시킨 후에, 반도체 발광 소자(150)를 열 및 압력을 가하여 접속시키면, 상기 반도체 발광 소자(150)가 제1전극(120)과 전기적으로 연결된다. 이 때, 상기 반도체 발광 소자(150)는 제1전극(120) 상에 위치되도록 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 이방성 전도성 필름은 접착 성분을 함유하기 때문에, 접착층(130)은 반도체 발광 소자(150)와 제1전극(120) 사이에서 전기적 연결뿐만 아니라 기계적 결합까지 구현한다.
또 다른 예로서, 상기 접착층은 Eutectic bonding을 위한 주석계열 alloy, Au, Al 또는 Pb 등을 구비하며, 상기 기판과 상기 반도체 발광소자는 Eutectic bonding에 의하여 결합될 수 있다.
반도체 발광 소자(150)는 휘도가 우수하므로, 작은 크기로도 개별 단위 픽셀을 구성할 수 있다. 이와 같은 개별 반도체 발광 소자(150)의 크기는 한 변의 길이가 80㎛ 이하일 수 있고, 직사각형 또는 정사각형 소자일 수 있다. 이 경우에, 단일 반도체 발광소자의 면적은 10-10~10-5m2 의 범위를 가지며, 발광소자 간 간격은 100um~10mm 의 범위를 가질 수 있다.
상기 반도체 발광 소자(150)는 수직형 구조가 될 수 있다.
수직형 반도체 발광 소자들의 사이에는 복수의 제2전극(140)이 위치하며, 상기 복수의 제2전극(140)은 상기 반도체 발광 소자(150)와 전기적으로 연결된다.
도 4를 참조하면, 이러한 수직형 반도체 발광 소자는 p형 전극(156), p형 전극(156) 상에 형성된 p형 반도체층(155), p형 반도체층(155) 상에 형성된 활성층(154), 활성층(154)상에 형성된 n형 반도체층(153) 및 n형 반도체층(153) 상에 형성된 n형 전극(152)을 포함한다. 이 경우, 하부에 위치한 p형 전극(156)은 제1전극(120)과 접착층(130)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있고, 상부에 위치한 n형 전극(152)은 후술하는 제2전극(140)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 수직형 반도체 발광 소자(150)는 전극을 상/하로 배치할 수 있으므로, 칩 사이즈를 줄일 수 있다는 큰 강점을 가지고 있다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 또한, 복수의 반도체 발광 소자(150)는 발광 소자 어레이(array)를 구성하며, 복수의 반도체 발광 소자(150)의 사이에는 절연층(160)이 형성된다. 예를 들어, 상기 접착층(130)의 일면에 절연층(160)이 형성되어 상기 반도체 발광 소자(150)의 사이 공간을 채우게 된다.
다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 절연층(160)이 없이 상기 접착층(130)이 상기 반도체 발광소자의 사이를 모두 채우는 구조도 가능하다.
상기 절연층(160)은 실리콘 옥사이드(SiOx) 등을 포함하는 투명 절연층이 될 수 있다. 다른 예로서, 상기 절연층(160)에는 전극간의 short를 방지하기 위한 구조로 절연특성이 우수하고 광흡수가 적은 에폭시 혹은 methyl, phenyl 계열 실리콘 등의 고분자 물질 혹은, SiN, Al2O3 등의 무기 물질이 사용될 수 있다.
도시에 의하면, 상기 발광 소자 어레이에는 형광체층(180)이 형성된다.
상기 형광체층(180)은 상기 반도체 발광 소자(150)의 일면에 형성될 수 있다. 예를 들어, 반도체 발광 소자(150)는 청색(B) 광을 발광하는 청색 반도체 발광 소자(151)이고, 이러한 청색(B) 광을 다른 색상으로 변환시키기 위한 형광체층(180)이 구비될 수 있다. 이 경우에, 형광체층(180)은 청색 광을 적색(R) 광으로 변환시킬 수 있는 적색 형광체, 청색 광을 녹색(G) 광으로 변환시킬 수 있는 녹색 형광체 또는 청색 광을 백색(W) 광으로 변환시킬 수 있는 황색 형광체를 구비할 수 있다.
이 경우에, Nitride 기반 반도체 발광소자에서 형성되는 광의 파장은 390~550nm 의 범위를 가지며, 형광체가 삽입된 필름을 통해 450~670nm 로 변환시킬 수 있다. 또한, 적색 형광체 및 녹색 형광체를 전부 구비하여, 여러 파장의 광을 혼합하여, 백색 광을 구현할 수 있다. 또한, 적색계열의 광이 필요할 때, GaAs 계열의 적색 반도체 발광소자를 사용할 경우 형광체가 아닌 광 확산 필름을 사용할 수 있다. 또한, 광추출 효율을 향상시키기 위해 패턴된 시트가 삽입될 수 있다.
이 경우에, 상기 반도체 발광소자(150)와 상기 형광체층(180)의 사이에는 광학갭층(171)이 존재할 수 있다. 상기 광학갭층(171)은 광흡수가 적고 bending 특성이 우수한 에폭시, 아크릴, 혹은 methyl, phenyl 계열 실리콘 등의 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 광효율 최적화를 위해 패턴된 시트가 삽입되거나, 굴절율이 다른 입자가 혼합될 수 있다.
한편, 이 때에 컬러 필터(172)가 상기 형광체층(180)에 적층되어 변환된 광의 색순도를 향상시키는 것도 가능하다. 또한, 수분, 산소 및 외부충격으로부터 광원부를 보호하기 위하여 상기 컬러 필터(172)를 보호층(173)이 덮도록 형성될 수 있다. 이 때에, 상기 보호층(173)은 필름 접함 또는 레진 코팅을 통하여 구현될 수 있다.
이하에서는 도 5을 참조하여, 상기 복수의 발광소자들로부터 발광된 청색 빛이 변환되는 과정을 설명한다. 도 5의 좌측에 도시된 그래프들은 상기 광원부를 통과하는 빛의 파장 별 세기를 나타낸다.
복수의 반도체 발광소자(150)들로부터 발광된 빛은 광학갭층(171), 형광체층(180), 컬러 필터(172)를 지나서 광원부(100) 외부로 진행한다.
도 5에 도시된 세 개의 그래프 각각은 복수의 반도체 발광소자(150)들로부터 발광된 빛이 광학갭층(171), 형광체층(180), 컬러 필터(172)를 통과했을 때, 파장 별 세기를 나타낸다.
먼저, 도 5를 참조하면, 반도체 발광소자들로부터 발광된 빛은 중심 파장이 약 450nm이며 청색을 띤다. 광원부(100) 외부로 향하는 상기 청색 빛은 광학갭층(171)을 통과한다. 광학갭층(171)은 광투과성 물질로 이루어져 있기 때문에 반도체 발광소자들로부터 발광된 빛에 영향을 주지 않는다.
이후, 형광체층(180)에 도달한 청색 빛은 형광체층(180)에 흡수되어 적색 빛으로 변환된다. 도 5의 좌측 중단 그래프를 참조하면, 대부분의 청색 빛이 적색 빛으로 변환되었음을 확인할 수 있으며, 소량의 청색 빛이 남아있는 것을 확인할 수 있다. 즉, 형광체층(180)을 통과하여 광원부(100) 외부로 향하는 빛은 청색과 적색이 혼합된 색을 띤다. 상술한 잔여 청색 빛은 광원부(100)의 컬러 품질을 저하시키는 요인이 된다.
한편, 형광체층(180)을 통과한 빛에서 잔여 청색 빛을 제거하기 위해 컬러 필터(172)가 활용될 수 있다. 컬러 필터(172)는 청색 파장대의 빛을 선택적으로 흡수하여, 광원부(100) 외부로 방출되는 빛이 순수한 적색을 띠도록 한다.
도 5의 좌측 상단 및 중단 그래프를 비교하면, 컬러 필터(172)는 청색 파장대의 빛을 선택적으로 흡수함을 확인할 수 있다. 또한, 컬러 필터(172)를 통과하는 과정에서 적색 빛의 일부가 손실되었음을 확인할 수 있다. 상술한 컬러 필터(172)에서의 적색 빛 손실은 광원부(100)의 광 효율을 저하시키는 요인이 된다.
이하에서는, 광원부의 컬러 품질 및 광 효율을 향상시킬 수 있는, 구조에 대하여 설명한다. 이하에서 설명하는 도면에 도시된 '화살표'는 빛의 진행방향을 설명하기 위한 수단일 뿐, 물체의 구조를 한정하지 않는다.
상술한 바와 같이, 반도체 발광소자에서 발광된 빛은 형광체층에서 적색 빛으로 변환된다. 이때, 반도체 발광소자에서 발광된 빛이 모두 적색 빛으로 변환되기 위해서는 형광체층에 포함된 형광물질이 고농도로 함유되어야 한다. 하지만, 실질적으로 고농도의 형광물질이 함유된 형광체층을 구현하는 것은 기술적으로 어려움이 있다. 이에 따라, 반도체 발광소자에서 발광된 빛의 일부는 형광체층을 그대로 통과하게 된다.
상술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광원부는 형광체층에 복수의 형광물질을 구비할 수 있다.
도 6은 본 발명의 서로 다른 종류의 형광물질을 포함하는 형광체층을 포함하는 광원부의 단면도이다.
구체적으로, 형광체층(180)은 반도체 발광소자(150)들로부터 발광된 빛의 일부를 흡수하여 흡수한 빛과 다른 소정 색상의 빛을 발광하는 제1 형광물질 및 반도체 발광소자(150)들로부터 발광된 빛의 일부를 흡수하여 상기 소정 색상과 다른 색상의 빛을 발광하는 제2형광물질을 포함한다.
도 6을 참조하면, 형광체층(180)에는 제1형광물질(180a) 및 제2형광물질(180b)을 포함할 수 있다. 도 6에 도시된 제1 및 제2형광물질은 설명의 편의를 위하여 입자형태로 도시되었지만, 실제로 상기 제1 및 제2형광물질은, 제1형광물질이 상기 제2형광물질로부터 발광된 빛을 흡수하여 상기 소정 색상의 빛을 발광하도록, 하나의 층에 혼합되어 이루어진다.
여기서, 상기 소정 색상의 빛은 적색 빛일 수 있다. 즉, 제1형광물질은 반도체 발광소자로부터 발광된 빛을 흡수하여, 적색 빛을 발광한다.
한편, 상기 소정 색상과 다른 색상의 빛은 녹색 빛일 수 있다. 즉, 제2형광물질은 반도체 발광소자로부터 발광된 빛을 흡수하여, 녹색 빛을 발광한다.
한편, 제1형광물질은 반도체 발광소자로부터 발광된 빛을 흡수할 뿐 아니라, 제2형광물질로부터 발생된 녹색 빛을 흡수하도록 이루어질 수 있다. 즉, 제1형광물질은 반도체 발광소자로부터 발광된 빛 및 제2형광물질로부터 발광된 빛을 흡수하도록, 제2형광물질보다 넓은 파장대의 빛을 흡수한다. 예를 들어, 제1형광물질은 청색 및 녹색 빛을 흡수할 수 있고, 제2형광물질은 청색 빛 만을 흡수한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 형광체층(180)을 포함하는 광원부(100)는 반도체 발광소자로부터 발광된 빛의 일부는 제1형광물질을 통해 바로 적색 빛을 변환 시키고, 상기 일부를 제외한 나머지는 제2형광물질 및 제1형광물질을 거쳐 단계적으로 적색 빛으로 변환된다.
상술한 바와 같이, 제2형광물질은 형광체층(180)으로 입사한 빛 중 제1형광물질이 흡수하지 못한 빛을 흡수하여, 단계적으로 광 변환이 일어날 수 있도록 한다. 이를 통해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 형광체층(180)은, 단일 형광물질로 구성된 형광체층보다 낮은 농도의 형광체를 함유하더라도, 잔여 청색 빛의 양을 최소화 할 수 있게 된다.
한편, 도 7를 참조하면, 본 발명에 따른 형광체층(180)은 빛을 산란시키도록 이루어지는 광 산란 물질을 더 포함할 수 있다. 상기 광산란 물질은 광투과성을 가지는 고분자 또는 콜로이드 입자일 수 있다. 한편, 형광체층(180)은 액상일 수 있으며, 액상에 부유하는 고분자 또는 콜로이드 입자들은 액상으로 입사되는 빛을 산란시킨다.
광 산란물질은 형광체층(180)으로 입사된 빛을 산란시켜 형광물질에 의한 형광 변환 확률을 증가시킨다. 이를 통해, 형광체층(180)을 통과하는 잔여 청색 빛의 양을 최소화 할 수 있게 된다.
도 8a는 소정 파장대의 빛을 선택적으로 흡수하는 컬러 필터를 포함하는 광원부의 단면도이고, 도 8b는 소정 파장대의 빛을 선택적으로 반사하는 컬러 필터를 포함하는 광원부의 단면도이다.
도 5에서 설명한 바와 같이, 컬러 필터는 청색 빛을 선택적으로 흡수하며, 일부 적색 빛이 컬러 필터에 흡수되는 문제가 있다. 구체적으로, 도 8a를 참조하면, 반도체 발광소자에서 발광된 빛(410)은 형광체층(180)을 통과하여, 컬러 필터(172)로 입사된다. 이때, 컬러 필터(172)로 입사된 빛은 적색 빛(420a) 및 상술한 잔여 청색 빛(420b)이다. 도 8a에 도시된 컬러 필터는 청색 빛(420b)을 선택적으로 흡수하지만, 일부 적색 빛(420b)도 함께 흡수한다.
상술한 문제를 해결하기 위해, 상기 컬러 필터(172)는 형광체층(180)을 덮도록 배치되고, 소정 파장대의 빛을 선택적으로 반사시키도록 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 소정 파장대의 빛은 상기 소정 색상의 빛과 다른 색상의 빛일 수 있다. 예를 들어, 상기 소정 파장대의 빛은 반도체 발광소자(150)로부터 발광된 빛 및 상기 제2형광물질로부터 발광된 빛을 포함할 수 있다.
도 8b를 참조하면, 컬러 필터(172)로 입사된 빛은 적색 빛(420a) 및 잔여 청색 빛(420b) 중 청색 빛(420b)은 반사되어 형광체층(180)으로 향하도록 한다. 이를 통해, 잔여 청색 빛이 형광체층(180)에 흡수되도록 할 수 있다.
도 8b에서 설명한 컬러 필터(172)는 PET, PMMA, PC 등으로 이루어지는 광투과성 필름일 수 있으며, 필름 표면에 광학 코팅이 이루어질 수 있다. 여기서, 광학 코팅을 위해 마그네슘 플로라이드(MgF), 칼슘 플로라이드(CaF) 또는 메탈 옥사이드가 사용될 수 있다.
한편, 도 8b에서 설명한 컬러 필터(172)는 적색 빛(420a)을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 하지만, 일부 적색 빛(420a)은 컬러 필터(172)에 의하여 반사될 수 있다. 이러한 경우, 도 8a에서 설명한 컬러 필터와 마찬가지로 적색 광의 손실이 발생한다. 이러한 문제를 해결 하기 위해, 도시되지 않았지만, 기판 상에 빛을 반사하도록 이루어지는 반사층을 더 포함할 수 있다.
상기 반사층은 컬러 필터(172)에서 반사되어 기판 쪽으로 향하는 모든 빛을 반사시켜, 광원부 외부로 진행하도록 한다. 이때, 반사층에 의하여 반사된 빛 중 청색 빛은 형광체층(180)에 흡수 되고, 적색 빛은 광원부(100) 외부로 방출된다.
상술한 바와 같이, 반도체 발광소자에서 발광된 빛은 컬러 필터 및 반사층에서 반복적으로 반사됨에 따라, 적색 빛으로 변환되어 광원부 외부로 방출될 수 있다. 이를 통해, 잔여 청색 빛을 제거하고, 잔여 청색 빛을 제거하는 과정에서 손실되는 적색 빛의 광량을 최소화할 수 있게 된다.
한편, 광원부(100)를 통해 외부로 향하는 빛의 일부는 광원부(100) 및 외부와의 굴절률 차이로 인하여 전반사될 수 있다.
도 9a는 광원부 표면에서 전반사가 일어나는 모습을 나타내는 개념도이고, 도 9b 및 9c는 광원부 표면에서의 전반사를 방지하기 위한 광원부의 단면도이다.
도 9a를 참조하면, 광원부(100) 외부로 진행하는 빛(220)은 광원부(100) 표면에서 전반사 될 수 있다. 구체적으로, 컬러 필터를 통과하여 광원부(100) 외부로 향하는 빛의 일부는 외부와 접하는 컬러 필터 표면에서 전반사 될 수 있다.
한편, 도 9a에서는 설명의 편의를 위하여, 광원부(100) 최외각에 컬러 필터(172)가 배치된 일 실시 예를 도시하였지만, 광원부(100) 최외각에는 보호층(173)이 배치될 수 있다. 이러한 경우, 보호층(173)을 통과하는 빛의 일부는 외부와 접하는 보호층 표면에서 전반사 될 수 있다.
상술한 바와 같이, 광원부(100) 표면에서 빛이 전반사 될 경우, 광원부(100)의 밝기가 감소한다. 즉, 광원부(100) 표면에서의 전반사는 광원부(100)의 광효율을 감소시키는 요인이 된다.
광원부(100) 표면에서의 전반사 문제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 광원부(100)는 형광체층(180) 및 반도체 발광소자(150)들 사이에 에어 갭을 더 포함할 수 있다.
도 9b를 참조하면, 광원부(100)는 형광체층(180) 및 반도체 발광소자(150)들 사이에 배치되는 광학갭층(171)을 더 포함할 수 있으며, 광학객층(171)과 반도체 발광소자 사이에는 에어갭이 형성될 수 있다. 상기 에어갭을 통과한 빛(310)은 광원부(100) 외부로 진행할 때 전반사가 일어나지 않는다. 이는, 에어갭과 광원부(100) 외부의 매질이 동일하기 때문이다.
한편, 상기 형광체층(180)에서 발광되는 빛은 모든 방향으로 진행하기 때문에, 형광체층(180)에서 발광된 빛의 일부는 상기 에어갭의 영향을 받지 않고, 광원부(100) 표면에서 반사될 수 있다. 상기 문제를 해결하기 위해, 기판 위에 별도의 반사층을 배치할 수 있다. 기판 위에 배치된 반사층은, 광원부(100) 표면에서 전반사된 빛을 반사시켜, 광원부(100) 외부로 향하게 한다. 반사층에 의하여 반사된 빛은 에어갭을 통과하고, 이에 따라, 광원부(100) 표면에서 전반사가 일어나지 않는다.
한편, 도 9b를 참조하면, 본 발명에 따른 광원부는 광학갭층(171) 및 반도체 발광소자(151)들 사이에 에어갭이 형성되도록 하는 지지부재(191)를 더 포함할 수 있다. 상기 지지부재는 광투과성 물질로 이루어지며, 고분자물질일 수 있다.
한편, 도 9c를 참조하면, 광합갭층(171)은 복수의 돌출들을 포함할 수 있으며, 상기 돌출들은 상기 광학갭층 및 상기 반도체 발광소자들 사이에 에어갭이 형성되도록, 상기 기판과 접할 수 있다. 이를 통해, 광합갭층(171) 및 반도체 발광소자(150) 사이에 별도의 지지부재를 배치하지 않고도, 에어갭을 형성할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 형광체층(180) 및 반도체 발광소자(150) 사이에 형성되는 에어갭은 광원부(100) 표면에서 일어날 수 있는 전반사를 방지한다. 이를 통해, 광원부의 광 효율을 증가시킬 수 있다.
도 10은 기존 LED광원과 본 발명의 일 실시 예에 따른 광원부의 효과를 비교하기 위한 그래프이다.
도 10은 형광체층(180)에 3.77ⅹ1018개의 광자가 입사한 후, 형광체층에서 출력되는 광자의 파장 및 개수를 나타낸다. 도 10을 참조하면, 기존 LED 광원과 본 발명의 일 실시 예에 따른 광원부의 컬러 품질 및 광 효율을 비교할 수 있다.
먼저, 기존 LED 광원의 그래프(520)를 참조하면, 광원에서 출력된 광자들 에는 청색에 해당하는 광자들이 포함되어 있으며, 외부양자효율(External Quantum Efficiency, EQE)는 56%이었다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광원부에서는 청색에 해당하는 광자들이 출력되지 않았으며, EQE는 58%이었다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광원부는 기존 LED광원보다 순수한 적색에 가까운 빛을 발광하였고, 높은 광 효율을 가짐을 알 수 있다.
이상에서 설명한 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (10)

  1. 빛을 발광하는 광원부를 구비하는 차량용 램프에 있어서,
    상기 광원부는,
    기판;
    기판 상에 배치되고, 빛을 발광하는 복수의 반도체 발광소자들;
    상기 반도체 발광소자들 위에 배치되고, 상기 반도체 발광소자들로부터 발광된 빛의 일부를 흡수하여 흡수한 빛과 다른 소정 색상의 빛을 발광하도록 이루어지는 형광체층;
    상기 형광체층을 덮도록 배치되고, 소정 파장대의 빛을 선택적으로 반사시키는 컬러 필터를 포함하고,
    상기 소정 파장대의 빛은 상기 소정 색상의 빛과 다른 색상의 빛이고,
    상기 형광체층 및 상기 반도체 발광소자들 사이에 에어 갭을 더 포함하고,
    상기 형광체층 및 상기 반도체 발광소자들 사이에 배치되고, 광투과성 물질로 이루어지며, 복수의 돌출들을 포함하는 광학갭층을 더 포함하고,
    상기 돌출들은 상기 광학갭층 및 상기 반도체 발광소자들 사이에 에어갭이 형성되도록, 상기 기판과 접하는 것을 특징으로 하는 차량용 램프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컬러 필터는 상기 소정 색상의 빛을 선택적으로 투과시키는 것을 특징으로 하는 차량용 램프.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 컬러 필터로부터 반사된 빛을 반사하도록, 상기 기판 상에 배치되는 반사층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 램프.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 형광체층은,
    상기 반도체 발광소자들로부터 발광된 빛의 일부를 흡수하여 상기 소정 색상의 빛을 발광하는 제1 형광물질을 구비하고, 상기 반도체 발광소자들로부터 발광된 빛의 일부를 흡수하여 상기 소정 색상과 다른 색상의 빛을 발광하는 제2형광물질을 구비하는 것을 특징으로 하고,
    상기 제1형광물질이 상기 제2형광물질로부터 발광된 빛을 흡수하여 상기 소정 색상의 빛을 발광하도록, 상기 제1 및 제2형광물질은 하나의 층에 혼합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 램프.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 소정 색상의 빛은 적색 빛인 것을 특징으로 하고,
    상기 제2형광물질로부터 발광되는 빛은 녹색 빛인 것을 특징으로 하는 차량용 램프.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1형광물질은 상기 반도체 발광소자로부터 발광된 빛 및 상기 제2형광물질로부터 발광된 빛을 흡수하도록, 상기 제2형광물질보다 넓은 파장대의 빛을 흡수하는 것을 특징으로 하는 차량용 램프.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 형광체층은 빛을 산란시키도록 이루어지는 광 산란 물질을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 램프.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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