KR20060110341A - 고체 조명 장치 - Google Patents

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KR20060110341A
KR20060110341A KR1020067013161A KR20067013161A KR20060110341A KR 20060110341 A KR20060110341 A KR 20060110341A KR 1020067013161 A KR1020067013161 A KR 1020067013161A KR 20067013161 A KR20067013161 A KR 20067013161A KR 20060110341 A KR20060110341 A KR 20060110341A
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light
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led
led dies
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KR1020067013161A
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고돈 디. 헨슨
알브레이트 본니 바이스콥프
도날드 케이. 라르손
존 제이. 심발
마이클 에이. 메이스
마이클 이. 그리핀
부루스 알. 브로이레스
Original Assignee
쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

광자 방출 장치(100)는 광선을 발생시키기 위한 복수의 고체 광선 공급원(104)을 포함한다. 고체 광선 공급원은 어레이 패턴으로 배치될 수 있다. 대응하는 어레이 패턴으로 배열된 집광기(120)가 대응하는 고체 광선 공급원으로부터 광선을 수신한다. 집광된 광선은 대응하는 어레이 패턴으로 배열된 복수의 광학 도파관(130)에 의해 수신된다. 각각의 광학 도파관은 광선을 수신하기 위한 제1 단부(132), 및 광선을 출력하기 위한 제2 단부(133)를 포함한다. 지지 구조물(150)이 복수의 광학 도파관을 제1 및 제2 단부들 사이에 안정화하도록 제공된다. 광자 방출 장치는 도로 조명, 스포트라이팅, 배경 조명, 영상 투사, 및 광선 활성화 경화를 포함하는 다양한 용도에서 방전 램프 장치에 대한 대체를 제공할 수 있다.
광원, 집광기, 도파관, 광섬유, LED 다이, 밴딩

Description

고체 조명 장치 {Solid State Light Device}
본 발명은 조사 또는 조명 장치 및 시스템에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 현재의 고강도 유도식 광원을 대체할 수 있는 고체 조명 장치 및 시스템에 관한 것이다.
조사 시스템은 다양한 용도로 사용된다. 가정, 의료, 치과, 및 산업 분야는 종종 이용 가능한 광을 요구한다. 유사하게, 항공기, 선박, 및 자동차 분야는 종종 고강도 조사 광선을 요구한다.
전통적인 조명 시스템은 생성된 광을 광선으로 지향시키기 위해 포커싱 렌즈 및/또는 반사 표면을 때때로 포함하는, 전력식 필라멘트 또는 아크 램프를 사용했다. 백열등 또는 방전등과 같은, 전력식 필라멘트 또는 아크 램프에 기초한 종래의 광원은 열과 빛을 360°로 방출한다. 따라서, 차량용 전조등 용도에 대해, 종래의 전조등 내에 사용되는 반사/포커싱/집광 광학 장치들은 고강도(및 고열) 방전등에 의해 야기되는 일정한 가열 효과를 견디도록 설계되고 그리고/또는 특별히 처리되어야 한다. 또한, 이러한 종래의 전조등은 업계 요구에 기초한 조사 출력 패턴을 제공하기 위해 정교한 반사 광학 장치를 요구한다.
몇몇의 현재의 대안은 광원으로서 고강도 LED의 패키지를 사용한다. 그러한 광원에 의해 방출되는 광은 포커싱 광학 장치의 도움으로 광을 광원/광원들로부터 떨어진 위치로 전송하는 대형 코어 플라스틱 광섬유와 같은 단일 광학 도파관 내로 지향된다. 또 다른 접근에서, 단일 섬유는 개별 광섬유들의 다발에 의해 대체될 수 있다. 이러한 현재의 시스템들은 비효율적이며, 몇몇의 경우에 발생된 광의 대략 70%의 손실이 있다. 다중 섬유 시스템에서, 이러한 손실은 다발 내의 섬유들 사이의 어두운 사이 공간 및 광을 섬유 다발 내로 지향시키는 효율에 기인할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따르면, 광자 방출 장치는 광선을 발생시키기 위한 복수의 고체 광선 공급원을 포함한다. 고체 광선 공급원들은 어레이 패턴으로 배치될 수 있다. 대응하는 어레이 패턴으로 배열된 집광기들이 대응하는 고체 광선 공급원으로부터 광선을 수신한다. 집광된 광선은 대응하는 어레이 패턴으로 배열된 복수의 광학 도파관에 의해 수신된다. 각각의 광학 도파관은 광선을 수신하기 위한 제1 단부 및 광선을 출력하기 위한 제2 단부를 포함한다. 지지 구조물이 제1 및 제2 단부들 사이에서 복수의 광학 도파관을 안정화하도록 제공된다.
예시적인 실시예에서, 광선 공급원은 개별 LED 다이 또는 칩, 또는 레이저 다이오드이다. 도파관은 중합체 피복 실리카 섬유와 같은 광섬유를 포함할 수 있다. 복수의 광학 도파관의 제1 단부들은 광선 공급원으로부터 방출된 광선을 수신한다. 복수의 광학 도파관의 제2 단부들은 결속될 수 있거나, 조사될 때 단일 광선 조사를 형성하도록 배열될 수 있다.
집광기는 광선 공급원으로부터 방출된 광을 커플링 및 집광하여 대응하는 광학 도파관을 통해 안내되는 사용 가능한 방출을 제공하는 반사식 커플러와 같은 비촬상 집광기일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 각각의 집광기는 대응하는 LED 다이 및 대응하는 광학 도파관의 제1 단부와 광학 연통하며 그들 사이에 개재된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 광자 방출 시스템은 광선을 발생시키기 위한 복수의 고체 광선 공급원을 포함하는 고체 광원을 포함한다. 고체 광선 공급원들은 어레이 패턴으로 배치될 수 있다. 대응하는 어레이 패턴으로 배열된 집광기가 대응하는 고체 광선 공급원으로부터 광선을 수신한다. 집광된 광선은 대응하는 어레이 패턴으로 배열된 복수의 광학 도파관에 의해 수신된다. 각각의 광학 도파관은 광선을 수신하기 위한 제1 단부 및 광선을 출력하기 위한 제2 단부를 포함한다. 시스템은 고체 광원에 결합되어 하나 이상의 개별 LED 다이 및/또는 복수의 LED 다이들의 그룹을 선택적으로 활성화하기 위한 제어기를 더 포함한다.
본 발명의 상기 설명은 본 발명의 각각의 도시된 실시예 또는 모든 실시예를 설명하도록 의도되지 않았다. 다음의 도면 및 상세한 설명은 이러한 실시예들을 더욱 구체적으로 예시한다.
도1a 및 도1b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광자 방출 장치의 사시도 및 분해도를 도시한다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상호 연결 회로 상에 배치된 예시적인 LED 다이 어레이의 평면도를 도시한다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광자 방출 장치의 측면도를 도시한다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비촬상 집광기에 의해 광섬유에 결합된 개별 LED 다이의 확대도를 도시한다.
도5a 내지 도5f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다른 섬유 출력 패턴을 도시한다.
도6a는 조향 가능한 출력을 위한 다른 섬유 출력 패턴을 도시하고, 도6b 및 도6c는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 조향 가능한 출력을 위한 예시적인 밴딩 및 지지 구조물 실시예를 도시한다.
도7은 섬유들의 출력 단부의 일부가 본 발명의 다른 실시예에 따른 각진 연마 출력 면을 갖는, 조향 가능한 출력을 위한 또 다른 출력 패턴을 도시한다.
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 어레이 커넥터에 대한 다른 구성을 도시한다.
도9a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 화소화를 위한 광자 방출 시스템을 도시한다.
도9b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 화소화를 위한 예시적인 제어기 회로를 도시한다.
도10은 "저온" 전조등으로서 이용되는 광자 방출 장치의 예시적인 실시예를 도시한다.
도11은 치과용 경화 장치의 일부로서 이용되는 고체 조명 장치의 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도12는 광선 경화 장치의 일부로서 이용되는 고체 조명 장치의 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도13은 조향 가능한 출력 방출을 위한 다른 실시예를 도시한다.
본 발명이 다양한 변형 및 다른 형태로 보정될 수 있지만, 그의 세부 사항은 도면에 예시적으로 도시되었고 상세하게 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 본 발명을 설명되는 특정 실시예로 제한하지 않는다는 것을 이해해야 한다. 대조적으로, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 범주 내에 드는 모든 변형, 등가물, 및 변경을 포함하는 것이다.
도1a는 예시적인 구성의 고체 조명 장치(100; 본 명세서에서, 조사 장치 또는 광자 방출 장치로도 불림)를 도시한다. 조명 장치(100)는 도1b에서 분해도로 도시되어 있다. "광"은 전자기 스펙트럼의 자외선, 가시광선, 및/또는 적외선 부분 내의 파장을 갖는 전자기 광선을 의미한다. 후술하는 구성에서, 조명 장치(100)는 종래의 고강도 방전(HID)등과 비교하여 전체적으로 소형의 크기를 가질 수 있고, 따라서 도로 조명, 스포트라이팅, 배경 조명, 영상 투사, 및 광선 활성화 경화를 포함한 다양한 용도에서 방전 램프 장치를 대체한다.
조명 장치(100)는 광선을 발생시키기 위한 고체 광선 공급원(104)의 어레이를 포함한다. 광선은 대응하는 집광기(120) 어레이에 의해 수집되어 집광된다. 집광된 광선은 그 다음 지지 구조물(150)에 의해 지지되는 대응하는 도파관(130) 어레이 내로 진출된다. 이러한 각각의 특징이 이제 더욱 상세하게 설명될 것이다.
예시적인 실시예에서, 고체 광선 공급원(104)은 어레이 패턴으로 배치된 복수의 분리된 LED 다이 또는 칩을 포함한다. 분리된 LED 다이(104)는 개별적으로 장착되고, (모든 LED들이 그들의 공통 반도체 기판에 의해 서로 연결되는 LED 어레이보다는) 작동 제어를 위한 독립된 전기 연결부를 갖는다. LED 다이는 대칭 광선 패턴을 생성할 수 있고, 전기 에너지를 광으로 변환하는데 있어서 효율적이다. 많은 LED 다이들이 온도에 과도하게 민감하지 않으므로, LED 다이는 많은 유형의 레이저 다이오드에 비해 적당한 방열 장치만으로도 적절하게 작동할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 각각의 LED 다이는 그의 가장 근접한 이웃으로부터 적어도 LED 다이 폭보다 큰 거리만큼 이격된다. 다른 예시적인 실시예에서, 각각의 LED 다이는 그의 가장 근접한 이웃으로부터 적어도 6개의 LED 다이 폭보다 큰 거리만큼 이격된다. 이러한 예시적인 실시예들은 더욱 상세하게 후술되는 바와 같이, 적합한 열 관리를 제공한다.
또한, LED 다이(104)는 -40℃ 내지 125℃의 온도에서 작동될 수 있고, 대략 10,000시간의 최장 레이저 다이오드 수명 또는 500 내지 1000시간의 자동차용 할로겐 전조등 수명에 비해, 100,000시간 범위의 작동 수명을 가질 수 있다. 예시적인 실시예에서, LED 다이는 각각 약 50 루멘 이상의 출력 강도를 가질 수 있다. 분리된 고출력 LED 다이는 (크리(Cree)의 InGaN계 XBright™ 제품과 같은) 크리 및 오스람(Osram)과 같은 회사로부터 구입 가능한 GaN계 LED 다이일 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 약 300 ㎛ x 300 ㎛의 방출 영역을 각각 갖는 (크리에 의해 제조되는) LED 다이의 어레이는 집광(소면적, 고출력) 광원을 제공하는데 사용될 수 있다. 사각형 또는 다른 다각형 형상과 같은 다른 발광 표면 형상도 이용될 수 있다. 또한, 다른 실시예에서, 이용되는 LED 다이의 방출 층은 상부 또는 하부 표면 상에 위치될 수 있다.
몇몇 예시적인 실시예에서, 복수의 순청색 또는 자외선(UV) LED 다이가 이용될 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 하나 이상의 LED 다이가 YAG:Ce 인과 같은 (도시되지 않은) 인 층으로 양호하게는 발광 표면 상에서 코팅될 수 있다. 인 층은 LED 다이의 출력을 "백색" 광으로 변환하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 청색 LED 다이는 YAG:Ce 인 (등)으로 코팅될 수 있다. 이러한 예에서, LED 다이로부터의 청색광의 일부는 인-변환 황색광과 혼합되어 효율적으로 "백색"광을 발생시킨다. 다른 예에서, RGB(적색, 녹색, 청색) 인들의 혼합물은 UV 다이 출력을 "백색"광으로 변환하는데 사용될 수 있다. 인 층 배치 및 구성은 공동 소유의 현재 출원 중인 발명의 명칭이 "복수의 광원을 사용하는 조사 시스템"인 출원(미국 특허 출원 제10/726,222호 및 미국 특허 출원 공개 제2004-0149998-A1호)에 상세하게 설명되어 있다.
다른 실시예에서, 수집된 적색, 청색, 및 녹색 LED 다이들은 어레이 내에 선택적으로 위치될 수 있다. 결과적인 방출은 섬유들의 출력 단부로부터 방출된 광이 동시에 서로 혼합되었을 때 관찰자에 의해 유색광 또는 "백색"광으로 보이도록 섬유(130)의 어레이에 의해 수집된다.
다른 실시예에서, LED 다이 어레이는 일반적으로 "백색"광을 포함하는 가시광 영역 내의 출력을 제공할 수 있는 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL) 어레이로 대체될 수 있다.
도1b에 도시된 바와 같이, LED 다이(104)로부터의 방출은 대응하는 어레이 패턴으로 배치된 복수의 집광기(120)에 의해 수신된다. 예시적인 실시예에서, 각각의 집광기는 LED 다이(104)들 중 대응하는 하나로부터 광선을 수신한다. 예시적인 실시예에서, 집광기(120)는 어레이로 배치된 비촬상 집광기(반사식 광 커플러로도 불림)를 포함한다. 집광기(120)의 반사 표면의 형상은 출력 밀도를 보존하기 위해 각각의 공급원(104)에 의해 방출되는 광선의 대부분을 포착하도록 설계된다.
또한, 집광된 출력은 수광 도파관의 수용각 기준에 대체로 부합하는 방식으로 설계될 수 있어서, 광선의 대부분은 도파관(130)에 의해 사용 가능하게 포착되어 그를 통해 안내된다. 예시적인 실시예에서, 비촬상 집광기(120)들의 어레이의 각각의 비촬상 집광기는 2차원(2-D) 표면에 일치하는 내부 반사 표면을 갖고, 적어도 내부 반사 표면의 제2 부분은 3차원(3-D) 표면에 일치한다. 이러한 그리고 다른 반사 표면 설계는 공동 소유이며 공동 계류되어 현재 출원 중인 발명의 명칭이 "반사식 광 커플러"인 출원(미국 특허 출원 제10/726,244호)에 상세하게 설명되어 있다.
어레이(120) 내의 각각의 집광기는, 예를 들어 사출 성형, 전사 성형, 미세 성형, 스탬핑, 천공 또는 열성형에 의해 형성될 수 있다. 집광기(120)들이 (개별적으로 또는 집광기 어레이의 일부로서) 형성될 수 있는 기판 또는 시트는 금속, 플라스틱, 열가소성 재료, 또는 (미네소타주 세인트 폴 소재의 3M 컴퍼니(3M Company)로부터 구입 가능한 인핸스트 스페큘라 리플렉터(ESR; Enhanced Specular Reflector) 필름과 같은) 다층 광학 필름(MOF)과 같은 다양한 재료를 포함할 수 있다. 집광기(120)를 형성하는데 사용되는 기판 재료는 반사율을 증가시키기 위해, 은, 알루미늄, 또는 무기 박막의 반사식 다층 적층체와 같은 반사 코팅으로 코팅될 수 있거나 단순히 연마될 수 있다.
또한, 집광기 기판은 집광기의 어레이가 LED 다이 아래, 둘레, 또는 위에 배향될 수 있도록 배치될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 집광기 기판은 어레이(120)의 각각의 집광기가 각각의 LED 다이(104) 위에서 활주하도록 형성될 수 있도록 LED 어레이 상에 또는 그에 근접하게 배치되어, 집광기의 하부 개방부(123; 도4 참조)가 LED 다이(104)의 주연부 둘레에서의 억지 끼워 맞춤을 제공한다. 다른 집광기 설계는 LED 다이가 지지되는 기판 상에서의 반사 코팅의 추가적인 사용을 포함한다.
도1b에 도시된 실시예의 태양은 각각의 광선 공급원, 대응하는 집광기, 및 대응하는 도파관 사이의 일대일 대응이다. 각각의 집광기 표면은 몇몇 실시예에서 인-코팅 LED 다이를 포함하는 대응하는 LED 다이로부터의 등방성 방출을 대응하는 수광 도파관의 수용각 기준을 만족시키는 비임으로 변환하도록 설계된다. 전술한 바와 같이, 이러한 집광기 표면 설계는 LED 다이로부터 방출되는 광의 출력 밀도를 보존하는 것을 돕는다.
다시 도1b를 참조하면, 집광된 출력 광선은 도1b에서 광섬유의 어레이로서 도시된 복수의 광학 도파관(130)에 의해 수신되고, 각각의 도파관은 입력 단부(132) 및 출력 단부(133)를 갖는다. 본 예시적인 실시예는 (미네소타주 세인트 폴 소재의 3M 컴퍼니로부터 TECS™의 상표로 시판되는 것과 같은) 대형 코어(예를 들어, 400 ㎛ 내지 1000 ㎛) 중합체 피복 실리카 섬유의 어레이(130)를 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 각각의 광섬유(130)는 약 600 ㎛ 내지 650 ㎛의 코어 직경을 갖는 중합체 피복 실리카 섬유를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 섬유의 종방향 길이는 약 1 내지 5 인치(2.5 cm 내지 12.5 cm)의 길이일 수 있다. 예시적인 섬유들이 매우 가요성이므로, 이러한 짧은 거리는 여전히 섬유들을 출력 단부에서 단단하고 패턴화된 다발로 위치시키는 능력을 제공한다. 또한, 짧은 길이는 종래의 HID 램프의 크기에 비교할 만한 크기를 갖는 소형 장치를 제공한다. 당연히, 섬유 길이는 다른 용도에서 작동에 있어서 해로운 영향을 끼치지 않고서 증가될 수 있다.
일반적인 또는 특수한 유리 섬유와 같은 다른 유형의 광섬유도, 예를 들어 LED 다이 광원의 출력 파장(들)과 같은 파라미터에 의존하여, 본 발명의 실시예에 따라 이용될 수 있다. 예를 들어, 플라스틱 섬유는 진청색 또는 UV 광원을 포함하는 용도에서 반전(solarization) 및/또는 탈색(bleaching)이 가능할 수 있다.
대안적으로, 본 설명이 주어지면 당업자에게 명백한 바와 같이, 평탄 도파관, 중합체 도파관, 가요성 중합체 도파관 등과 같은 다른 도파관 유형도 본 개시 내용에 따라 이용될 수 있다.
LED 다이에 의해 방출된 광이 집광기에 의해 수광 섬유 내로 수집되어 재지향되면, 섬유(들)는 광을 내부 전반사에 의해 낮은 광학 손실로 특정 위치로 전달하는데 사용될 수 있다. 그러나, 수광 섬유는 조밀 충진 섬유 다발과 같이, 섬유 들을 출력 개구에서 LED 다이 어레이의 더 넓은 간격으로부터 더 조밀한 간격 또는 간격들로 병진 이동시킴으로써 단지 광을 전달하도록 역할하는 것은 아니며, (상대적으로) 확산된 LED 어레이로부터의 광은 매우 작은 영역 내로 효과적으로 집광될 수 있다. 또한, 예시적인 수광 섬유 코어 및 클래딩의 광학 설계는 입력 단부 및 출력 단부에서의 섬유의 개구수(NA)에 의해 결속된 단부들로부터 방출되는 광선의 형상화를 제공한다. 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 수광 섬유는 광 전달은 물론 집광 및 비임 형상화를 수행한다.
광섬유(132)는 광섬유들의 출력 단부(133)들 중 하나 이상에서 섬유 렌즈를 더 포함할 수 있다. 유사하게, 광섬유(130)의 수광 단부(132)는 각각 섬유 렌즈를 더 포함할 수 있다. 섬유 렌즈 제조 및 실시예는 공동 소유되어 공동 계류 중인 미국 특허 출원 공개 제2004/0112877-A1호 및 미국 특허 출원 제10/670,630호에 설명되어 있다.
섬유 어레이 커넥터(134)가 어레이(130)의 각각의 광섬유의 제1 단부를 지지하는데 이용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 섬유 어레이 커넥터(134)는 집광기(120)의 패턴에 대응하는 패턴을 갖는 복수의 개구를 구비한, 성형 플라스틱 재료와 같은 강성 재료를 포함한다. 각각의 개구는 어레이(130)의 광섬유의 입력 단부(132)를 수납하고, 그에 대한 직접적인 결합을 제공할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 강성 또는 가요성의 상호 연결 회로 층이 LED 다이(104)에 대한 열관리 및 전기적 연결을 제공하는데 이용될 수 있다. 도1b에 도시된 바와 같이, 상호 연결 회로 층은 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M 컴퍼니로부 터 구입 가능한 3M™ 플렉시블(Flexible)(또는 플렉스(Flex)) 회로와 같은 다층 구조물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 다층 상호 연결 층은, 예를 들어 구리 또는 다른 열 전도성 재료로 제조된 금속 장착 기판(112)과, 절연 유전 층(114)과, 패턴화된 전도성 층(113)을 포함할 수 있고, LED 다이는 전도성 층(113)의 (도시되지 않은) 결합 패드에 작동식으로 연결된다. 절연 유전 층(114)은, 예를 들어 폴리이미드, 폴리에스테르, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트, 폴리설폰, 또는 FR4 에폭시 복합재를 포함한 다양한 적합한 재료로 구성될 수 있다. 전기 및 열 전도 층(113)은, 예를 들어 구리, 니켈, 금, 알루미늄, 주석, 납, 및 이들의 조합을 포함한 다양한 적합한 재료로 구성될 수 있다.
예시적인 실시예에서 그리고 더욱 상세하게 후술되는 바와 같이, 하나 이상의 LED 다이(104) 그룹들이 서로 상호 연결되지만, 다른 LED 다이 그룹으로부터 분리되어, 화소화된 광선 출력을 제공한다. (도시되지 않은) 관통부가 유전 층(114)을 통해 연장되도록 사용될 수 있다. 금속 장착 기판(112)은 방열 장치 또는 발열 조립체(140) 상에 장착될 수 있다. 기판(112)은 전기적으로 단절되고 열적으로 전도성인 재료의 층(116)에 의해 방열 장치(140)로부터 분리될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 방열 장치(140)는 작동 중에 LED 다이 어레이로부터 열을 더욱 흡인하기 위해 일련의 열 전도체 핀(pin)을 더 포함할 수 있다.
하나의 예시적인 실시예에서, 각각의 LED 다이(104)는 금속/회로 층(113) 상에 직접, 유전 표면(114)의 리세스 부분 내에 존재할 수 있다. 상호 연결 회로의 예시적인 실시예는 현재 계류 중이며 공동 소유의 발명이 명칭이 "조사 조립체"인 출원(미국 특허 출원 제10/727,220호)에 설명되어 있다.
다른 실시예에서, 더욱 강성인 RF4 에폭시계 인쇄 배선 보드 구조물이 전기적 상호 연결을 위해 이용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 저비용 회로가 LED 다이 어레이를 연결시키도록 요구되는 바와 같이 적합한 기판 상으로 전도성 에폭시 또는 전도성 잉크를 패턴화함으로써 준비될 수 있다.
고체 조명 장치(100)는 지지 구조물을 더 포함한다. 도1b의 예시적인 실시예에서, 지지 구조물은 입력 개구(152) 및 출력 개구(154)를 갖는 하우징(150)으로서 구성된다. 하우징(150)은, 예를 들어 성형 공정에 의해 형성될 수 있다. 하우징(150)은 도파관(130)의 어레이에 대해 입력 및 출력 단부들 사이에서 변형률 완화를 제공하고, 외부 원인으로부터의 도파관(130)에 대한 손상을 방지할 수 있다. 또한, 하우징(150)은 더욱 상세하게 후술되는 바와 같은 차량 용도에 대해 양호한 강성 지지를 제공할 수 있다. 선택적으로, 지지 구조물은 도파관(130)들의 제2 단부들의 주연부와 접촉하여 배치되는 밴딩(156; banding)을 더 포함할 수 있다. 밴딩(156)은 더욱 상세하게 후술하는 바와 같이, 도파관(130)들의 출력 단부(134)들을 선택된 출력 패턴으로 분배하는 것을 도울 수 있다.
또한, 섬유 어레이 커넥터(134)는 하우징(150)의 입력 개구(152)를 수납하기 위한 리지 또는 만입부를 포함할 수 있다. 하우징(150)이 섬유 어레이 커넥터(134)에 결합되거나 달리 부착될 수 있지만, 예시적인 실시예에서 하우징(150)은 섬유 어레이 커넥터(134) 상에 스냅 결합된다.
예시적인 구성 방법에서, 섬유들은 먼저 섬유 어레이 커넥터 내로 장입되어 커넥터에 결합된다. (도시되지 않은) 고정구가 섬유들을 순서대로 그룹화하기 위해 줄지어 그룹화하는데 이용될 수 있다. 고정구는 각각의 섬유를 입력 단부로부터 출력 단부로 반복적으로 위치시키는 다중 구획을 포함할 수 있다. 또한, 고정구는 섬유들이 서로 교차하지 않고 출력 단부에 대해 예측 가능한 위치를 갖도록 설계될 수 있다. 출력 단부를 고정시키기 위해, 강성 또는 가요성 밴딩, 예를 들어 세라믹 또는 중합체 재료가 섬유들의 위치를 원하는 출력 패턴 내에 고정시키는데 이용될 수 있다.
더욱이, 예시적인 실시예에서, 지지 구조물은 섬유 및 밴딩 위에서 활주될 수 있으며 섬유 어레이 커넥터에 고정될 수 있는 하우징을 포함할 수 있다. 밴딩은 일반적인 접착제 또는 결합 요소의 사용을 통해 하우징의 출력 개구 내에 고정될 수 있다. 대안적으로, 지지 구조물은 섬유 다발(들) 둘레에서 전체적으로 형성된 캡슐화 재료를 포함할 수 있다.
대안적으로, 지지 구조물(150)은 도파관(130)들의 일부에 도포될 수 있는 결합용 에폭시와 같은 접착 재료를 포함할 수 있어서, 접착제가 응고되면, 도파관들이 원하는 패턴으로 고정된다. 도파관이 광섬유인 예시적인 실시예에서, 결합용 에폭시는 또한 연마를 위해 섬유의 출력 단부에 대한 지지를 제공하는데 있어서 유용하다. 결합용 에폭시 또는 접착제는 일시적으로 또는 영구적으로 응고될 수 있다.
전체적인 정렬은 섬유 어레이 커넥터(134), 집광기 어레이(120), 상호 연결 회로 층(110), 및 방열 장치(140)를 상호 정렬시키는데 사용될 수 있는 하나 이상 의 정렬 핀(160)에 의해 제공될 수 있다. 도2에 도시된 정렬 구멍(162)과 같은 일련의 정렬 구멍들이 정렬 핀(160)을 수납하도록 장치(100)의 각각의 전술한 부품들 내에 형성될 수 있다. 상호 연결 회로 층에 대한 집광기 어레이(120)의 정렬은 (도시되지 않은) 기준의 사용을 통해 달성될 수 있다.
도2는 고체 조명 장치(100)의 풋프린트를 도시한다. 이러한 예시적인 구성에서, 60개의 LED 다이(104)의 어레이가 대체로 사각형 어레이 패턴으로, 방열 장치(140)에 열적으로 결합된 상호 연결 회로 층(110) 상에 제공될 수 있다. 당연히, 본 발명에 따르면, LED 다이의 어레이는 대체로 더 많거나 더 적은 개수의 LED 다이(104)를 포함할 수 있다. 그러나, 각각의 LED 다이가 약 300 ㎛의 폭을 가지며 각각의 LED 다이(104)가 그의 가장 근접한 이웃으로부터 LED 다이 폭보다 크게 이격될 수 있으므로, 본 발명의 고체 조명 장치는 높은 총출력 밀도, 소형 풋프린트 면적(약 1 in2 내지 4 in2, 또는 6.5 cm2 내지 26 cm2), 및 적절한 열 제어를 제공할 수 있다. 출력 단부들의 풋프린트는 입력 단부들의 풋프린트보다 작거나, 동일하거나, 클 수 있다. 예를 들어, 섬유들의 출력 단부(133; 도1b)의 풋프린트는 예시적인 실시예에서 약 0.1 in2 내지 1 in2(0.65 cm2 내지 6.5 cm2) 정도로 훨씬 더 소형일 수 있다.
고체 조명 장치(100)의 측면도가 도3에 도시되어 있다. 이러한 예시적인 실시예에서, (LED 다이가 그 위에 장착된) 상호 연결 회로 층(110)은 출력 개구(154)로부터의 반대 방향으로 연장되는 발열 핀(142)을 더 포함하는 방열 장치(140) 상 에 배치된다. 또한, 전술한 바와 같이, 하우징(150)은 섬유 어레이 커넥터(134) 상으로의 스냅 결합을 허용하기 위한 돌출부(153)를 포함할 수 있다. 집광기(120)의 어레이는 섬유 어레이 커넥터(134)와 상호 연결 층(110) 사이에 배치된다. 이러한 실시예에서, 섬유(130)들은 섬유 어레이 커넥터(134)와 하우징(150)의 출력 개구(154) 내에 배치된 밴딩(156)에 의해 지지된다.
도4에 더욱 상세하게 도시된 바와 같이, 고체 조명 장치의 예시적인 구성은 섬유 어레이의 개별 광섬유(131)와 집광기 어레이의 개별 광섬유 집광기(121) 사이의 오정렬을 감소시키는 섬유-집광기 정렬 메커니즘을 포함한다. 특히, 섬유 어레이 커넥터(134)는 집광기 어레이 기판의 만입부(125) 내에 결합되는 돌출부(135)를 더 포함할 수 있다. 따라서, 섬유(131)는 섬유 어레이 커넥터(134)의 개구 내에 수납된다. 섬유 어레이 커넥터는 그 다음 돌출부(135)가 만입부(125)에 의해 수납되도록 집광기 기판 상에 배치된다. 이러한 방식으로, 집광기(121)의 출력 개구(126)는 섬유(131)의 입력 단부와 대체로 동일 평면일 수 있다. 또한, 이러한 예시적인 설계에서, 섬유들의 다중 입력 단부들은 섬유 단부들이 집광기에 대해 충분한 광 커플링을 위해 위치되도록 동시에 연마될 수 있다. 또한, 도4의 예시적인 구성에서, 집광기(121)의 수신 개구(123)는 대응하는 LED 다이(104)의 방출 표면의 주연부에 근접하여 또는 그를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 도시되지 않았지만, 집광기 기판과 상호 연결 회로 층 사이에 위치된 스페이서가 이러한 2개의 구성요소들 사이의 적절한 간격을 설정할 수 있다. 집광기 기판은 그 다음 종래의 기술을 사용하여 스페이서에 고정되거나 그렇지 않으면 상호 연결 회로 층에 결합될 수 있 다.
도4는 또한 LED 다이(104)를 상호 연결 층(110)에 결합시키기 위한 전도성 에폭시(115)를 포함하는, 예시적인 다층 상호 연결부(110)의 단면을 도시한다. (예를 들어, 니켈 및 금, 또는 다른 전도성 재료를 포함할 수 있는) 제1 및 제2 전기 전도성 층(113, 111)들이 어레이 내의 각각의 LED 다이에 전기 트레이스를 제공하고, 유전 층(114; 예를 들어, 폴리이미드)이 절연을 제공하도록 배치된다. 기판(112; 예를 들어, 구리)이 전도성 및 절연 층들을 지지하고, 아울러 열을 방출 방향으로부터 멀리 전도시키기 위해 방열 장치(140)에 대한 열 전도를 제공하도록 제공된다.
본 명세서에서 설명된 원리에 따르면, 고체 조명 장치는 고도로 지향적이며 그리고/또는 형상화된 출력 방출을 하나 이상의 방향으로 동시에 제공할 수 있다. 도1a 및 도1b에 도시된 바와 같이, 섬유 어레이(130)의 출력 단부(133)들은 사각형 또는 정사각형 출력을 제공하도록 패턴화될 수 있다. 도5a 내지 도5f는 특정 용도에 대해 요구되는 조사의 유형에 따라 채용될 수 있는 섬유 어레이에 대한 다른 재구성 가능한 출력 단부 패턴을 도시한다.
예를 들어, 도5a는 육각형 출력 섬유 패턴(133A)을 도시하고, 도5b는 원형 출력 섬유 패턴(133b)을 도시하며, 도5c는 링형 출력 섬유 패턴(133C)을 도시하고, 도5d는 삼각형 출력 섬유 패턴(133D)을 도시하며, 도5e는 선형 출력 섬유 패턴(133E)을 도시한다. 또한, 도5f에 도시된 바와 같이, 다른 예시적인 실시예에서, 세그먼트형 출력 패턴(133F)이 제공될 수 있고, 다중의 분리된 섬유 출력 그룹 들이 특정 목표 조사를 위해 이용될 수 있다. 섬유들의 출력 단부들을 고정시키는 밴딩이 납, 주석, 및 아연계 재료 및 합금 (등)과 같은 가요성을 갖는 재료로부터 형성될 수 있으므로, 몇몇 용도에서, 섬유 출력 패턴은 재구성 가능할 수 있다.
도6a 내지 도6c에 도시된 바와 같이, 고체 조명 장치의 출력은 조향 가능하여, 하나 이상의 상이한 방향들이 동시에 또는 교대로 조사될 수 있다. 도6a는 예들 들어 3개의 상이한 그룹(233A, 233B, 233C)으로 배열된 섬유 출력 단부(233)들을 도시한다. 예를 들어, 차량용 전조등으로 이용될 때, 고체 조명 장치는 정상 작동 하에서 출력 단부(233A)를 통해 전방 방향으로의 출력 조사를 제공할 수 있다. 차량이 측면으로 회전하는 경우에, 출력 섬유(233B)들에 대응하는 LED 다이들이 (예를 들어, 회전 신호 표시기와 같은 개시 신호에 의해 또는 조향 휠을 소정량으로 회전시킴으로써) 활성화될 수 있어서, 추가의 조사가 출력 섬유(233B)들을 통해 그러한 측면 방향으로 제공될 수 있다. 유사하게, 다른 측면으로 회전할 때, 출력 섬유(233C)들에 대응하는 LED 다이들이 활성화될 수 있어서, 추가의 조사가 그러한 다른 측면 방향으로 제공될 수 있다.
대안적으로, 조향 가능한 조사 시스템이 도5e에 도시된 바와 같이 섬유의 측방향으로 연장되는 출력 배열을 이용하여 제공될 수 있고, 이에 의해 후술되는 화소화 제어 회로(예를 들어, 도9a 및 도9b 참조)가, 예를 들어 회전 또는 다른 경우 중에 일 측면으로부터 타 측면으로의 조사되는 섬유들의 블록을 활성화할 수 있다. 이러한 방식으로, 출력 조사는 용도에 따라 회전 방향을 향해 (또는 그로부터 멀리) 지향될 수 있다.
이러한 방식으로, 비기계적인 접근이 고체 조명 장치로부터 조향 가능한 출력 조사를 제공하도록 사용될 수 있다. 대안적으로, 본 설명이 주어지면 당업자에게 명백한 바와 같이, 더 많거나 더 적은 섬유 그룹이 이용될 수 있다. 또한, 그룹들은 동일한 고체 광원으로부터의 상향 비임 - 하향 비임과 같이, 상이한 상대 배향을 가질 수 있다.
도6b에서, 상이한 섬유 그룹들을 안정화하고 지지하도록 이용될 수 있는 구성이 도시되어 있다. 예를 들어, 밴딩(256)이 광섬유들의 출력 단부에 제공된다. 밴딩(256)은 제1 개구(254), 제2 개구(254A), 및 제3 개구(254B)를 제공할 수 있고, 개구(254A, 254B) 내에 배치된 섬유들은 개구(254) 내에 배치된 섬유와 다른 방향으로 광을 출력한다. 또한, 도6c에 도시된 바와 같이, 밴딩(256)은 고체 조명 장치용 지지 구조물의 일부로서, 하우징(250)에 연결되거나 그와 일체일 수 있다.
대안적으로, 도7에 도시된 바와 같이, 고체 조명 장치는 섬유 출력 단부들의 단일 다발로부터 조향 가능한 광을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 섬유 출력 단부(133)들은 도6b로부터의 출력 개구(254)와 같이, 동일한 위치에 제공될 수 있다. 이러한 예시적인 실시예에서, 섬유 출력 단부(129)로 식별된 이러한 출력 단부들 중 일부는 나머지 섬유 출력 단부(133)들과 다른 각도, 또는 실질적으로 다른 각도(예를 들어, 섬유축에 대해 10 내지 50°)로 경사지게 연마된다. 생성된 방출은 섬유 단부(133)들의 출력과 다른 방향으로 지향될 것이다. 따라서, 도6a 내지 도6c에 대해 전술한 용도와 유사하게, 차량용 전조등으로서 이용될 때, 고체 조명 장치는 (출력 단부(133)를 통한) 전방 방향 및 (출력 섬유(129)를 통한) 측면 방향으 로의 출력 조사를 제공할 수 있다.
도13에 도시된 조향 가능한 조사를 제공하기 위한 다른 실시예에서, 섬유 어레이 커넥터(734)로부터 연장되는 섬유들은 다중 오프셋 섬유 다발인, 중심 다발(730A) 및 측면 다발(730B, 730C)로 결속될 수 있다. 섬유 다발의 출력 단부에 의해 방출되는 광은 비구면 렌즈와 같은 다초점 렌즈(750)에 의해 수신되고, 이는 오프셋 다발로부터의 출력을 원하는 다른 조사 영역(751A, 751B, 751C) 내로 지향시킨다. 조향 가능한 조사는 자동으로 그리고/또는 작업자 제어를 통해 수행될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에서, 고체 조명 장치는 차량용 전조등 용도와 같은 광원으로서 이용될 수 있다. 예를 들어, 기존의 전조등 리셉터클에 대한 부착은 도8에 도시된 플랜지(139)의 사용을 통해 달성될 수 있다. 플랜지(139)는, 예를 들어 섬유 어레이 커넥터(134)의 주연부 상에 배치될 수 있다. 플랜지는 그러한 리셉터클의 로킹 슬롯 내에 결합되도록 설계될 수 있다. 대안적으로, 플랜지는 하우징 또는 집광기 기판과 같은 고체 조명 장치의 다른 구성요소 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도9a에 도시된 바와 같이, 개구 형상화 및/또는 동적 비임 이동을 위해 사용될 수 있는 화소화된 광 제어를 허용하는 조사 시스템(300)이 제공된다. 시스템(300)은 전술한 고체 광원(100)과 유사한 방식으로 구성된 고체 광원(301)을 포함한다. 제어기(304)가 상호 연결 회로 층에 연결될 수 있는 배선(302) 및 커넥터(310)를 거쳐 고체 광원(301)에 결합된다. 전 원(306)이 제어기(304)에 결합되어, 고체 광원(301)으로 전력/전류를 제공한다.
예시적인 실시예에서, 제어기(304)는 고체 광원(301) 내에 포함된 개별 LED 다이 또는 LED 다이의 그룹을 선택적으로 활성화하도록 구성된다. 또한, 수광 도파관이 LED 다이와 일대일 대응으로 제공되므로, 조사 시스템(300)은 화소화된 출력을 제공할 수 있다. 이러한 유형의 화소화된 제어는 상이한 색깔(예를 들어, RGB 출력을 위한 적색, 녹색, 및 청색) 또는 유사한 색깔(예를 들어, 백색) LED 다이의 제어를 허용한다.
도9b는 고체 광원 내에 포함된 LED 다이의 어레이에 화소화를 제공할 수 있는 예시적인 제어 회로(305)를 도시한다. 이러한 예에서, 60개의 LED 다이(LD1 - LD60)가 LED 다이 어레이 내에 제공되고, 이는 각각 20개의 LED 다이의 3개의 대그룹(314A - 314C)으로 그룹화되고, 이는 각각 5개의 LED 다이의 더 작은 하위 그룹 또는 채널(예를 들어, LD1 - LD5)로 더욱 분할된다. 전체적으로, 각각 5개의 LED 다이의 12개의 채널이 이러한 예시적인 실시예에서 분리되어 제어될 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, RGB 출력 용도에서, LED 다이의 제1 그룹은 적색 방출 LED 다이를 포함할 수 있고, LED 다이의 제2 그룹은 청색 방출 LED 다이를 포함할 수 있고, LED 다이의 제3 그룹은 녹색 방출 LED 다이를 포함할 수 있다. 대안적으로, 다른 예시적인 실시예에서, LED 다이의 제1, 제2, 및 제3 그룹은 "백색" 방출 LED 다이를 포함할 수 있다.
더욱이, 상호 연결 회로 층은 또한 상이한 LED 다이 그룹에 대한 분리된 상호 연결을 제공하도록 설계된다. 상이한 유형의 LED 다이 그룹들, 및 더 많거나 더 적은 개수의 LED 다이가 본 명세서에서 설명된 원리에 따라 이용될 수도 있다. 이러한 구성에서, 분리된 RGB LED 다이 채널들은 "백색" 또는 다른 유색 출력을 제공하도록 구동될 수 있다. 또한, 특정 다이오드 채널이 LED 다이 열화로 인해 고장나거나 감광되면, 인접한 채널들이 출력 조사가 변하지 않은 채로 유지되게 보이도록, 더 높은 전류로 구동될 수 있다. (상대적으로) 넓은 LED 다이 간격 및/또는 상호 연결 층의 열 관리 능력 때문에, LED 다이 채널들 중 일부에 대한 더 큰 구동 전류는 전체 성능에 악영향을 주지 않는다.
또한, (도시되지 않은) 온도 센서가 상이한 LED 다이 채널들에서의 또는 그 근방에서의 온도 변화를 감지하기 위해 상호 연결 회로 층 (또는 다른 적합한 위치) 상에 배치될 수 있다. 이러한 방식으로, 제어 회로(305)는 특정 채널의 전류의 양을 변화시켜서 상승된 온도로 인한 그러한 채널 내의 광 출력의 전반적인 감소를 보상하도록 사용될 수 있다.
더욱 상세하게는, 회로(305)는 전원(306)을 통해 전압을 수신한다. 전압은 승압 변환기 칩(312A - 312C) 및 (도시되지 않은) 그의 관련 전자 장치에 의해 조절된 출력 전류/전압 공급으로 변환된다. 이러한 방식으로, 전원(306)으로부터의 전압 변동이 완화될 수 있고, LED 다이로 공급되는 전류/전압은 조절된 수준으로 유지된다. 칩(312A - 312C)은, 예를 들어 내셔널 세미컨덕터(National Semiconductor)로부터 구입 가능한 LM2733 칩을 포함할 수 있다. 이러한 예시적인 실시예에서, 구동 전압/전류 파라미터는 80 - 100 mA에서 약 20 V일 수 있어서, 전체 LED 다이 어레이에 대해 총 약 1.0 내지 1.2 A를 제공한다. 구동 전류/전압은 그 다음 어레이 내의 상이한 LED 다이 채널들로 공급된다. 이러한 예에서, 각각의 LED 다이는 보통 약 20 mA 바이어스 전류를 요구하고, 전류가 증가함에 따라 증가하는 바이어스 역치는 예시적인 GaN계 LED 다이 어레이에 대해 약 4.0V에 접근한다. 당연히, 상이한 LED 다이 효율 또는 구성은 상이한 바이어스 및 구동 수준을 요구할 수 있다.
또한, 저항/써미스터 체인(316)이 각각의 LED 다이 채널에 대한 전체 최대 전류를 설정하기 위해 회로(305) 내에 포함될 수 있다. 더욱이, 대응하는 개수의 LED 다이 채널 전자 스위치를 포함하는 스위치 세트(318)가 제공될 수 있고, 이에 의해 각각의 LED 다이 채널은 각각의 특정 LED 다이 채널을 활성화하기 위해 접지부 (또는 LED 다이 채널에 대한 스위치 세트 배열에 따라, 전력부)에 결합/분리된다. 스위치 세트(318)는 특정 용도에 대해 요구되는 조사 파라미터에 기초하여, (도시되지 않은) 마이크로 제어기 또는 원격 스위치(예를 들어, 전환 신호)에 의해 자동으로 제어될 수 있다. 당연히, 이러한 회로 구조는 본 설명이 주어지면 당업자에게 명백한 바와 같이, 많은 실시 및 변경을 허용한다. 예를 들어, 제어 회로(305)는 모든 LED 다이를 동일한 전류로 구동하도록 실시될 수 있거나, 또는 주어진 LED 다이 채널이 자동으로 또는 명령에 따라 온/오프될 수 있다. 스위치 세트의 스위치 레그에 고정 또는 가변 저항을 추가함으로써, 상이한 전류가 각각의 채널에 인가될 수 있다.
도10은 "저온" 전조등 용도에서 이용되는 예시적인 고체 조명 장치(401)의 개략도를 도시한다. 예를 들어, 전술한 실시예에 따라 구성될 수 있는 고체 조명 장치(401)는 (도시되지 않은) 자동차 또는 다른 차량의 전조등 구획(402) 내에 배치된다. 조명 장치(401)는 리셉터클의 슬롯(438) 내에서 활주하여 로킹되도록 구성된 활주식으로 결합되는 플랜지(439)의 사용을 통해 구획(402) 내에 고정될 수 있다. 따라서, 열을 광 출력의 방향으로부터 멀리 흡인하는 방열 장치(440)는 자동차 또는 다른 차량의 내부 엔진 구획과 같은 분리된 구획(404) 내에 위치된다. 비임형 출력 조사는 광학 소자(415)에 의해 요구에 기초한 조사 패턴으로 수집/포커싱될 수 있다. 광학 소자(415)는 현재의 안전 기구(예를 들어, NHTSA) 표준에 부합하는 선택된 출력 패턴을 제공하도록 설계될 수 있다. 예시적인 광학 소자는 구면/비구면 광학 소자, 및/또는 비연속 및/또는 비분석(스플라인) 광학 소자를 포함할 수 있다.
이러한 접근에서, 전조등 구획(402) 내에 배치된 복잡한 반사 광학 장치의 사용이 회피될 수 있다. 또한, 열이 구획(402)으로부터 멀리 흡인되므로, 구획(402) 내의 모든 나머지 광학 소자를 특별히 열처리할 필요가 없고, 따라서 연속적인 고강도 열에 대한 노출에 의해 야기되는 잠재적인 성능 열화를 회피한다. 더욱이, 고체 조명 장치(401)가 위에서 도6a 내지 6c에 도시된 바와 같은 출력 섬유 및 출력 개구 구조를 구비하면, 조향 가능한 출력 조사가 종래의 HID 램프로부터의 출력을 조향할 때 현재 채용되어야 하는 이동 거울, 전구, 및/또는 렌즈 메커니즘을 이용할 필요가 없이 달성될 수 있다.
본 명세서에서 설명된 고체 조명 장치는 다른 용도로 이용될 수도 있다. 예를 들어, 도11은 (도1a 및 도1b에 도시된 구성 및/또는 본 발명의 다른 실시예와 유사한 구성을 갖는) 고체 조명 장치(501)가 치과용 경화 장치(500) 내에 포함된 개략적인 치과용 경화 장치를 도시한다. 고체 조명 장치(500)는 치과용 경화 장치(501)의 손잡이 부분(510) 내에 배치될 수 있다. 또한, LED 다이 또는 다른 고체 광원으로부터의 출력을 수신하여 안내하는데 사용되는 출력 섬유들은 경화 가능한 재료 위에 직접 위치될 수 있는 광 송출 아암(525)을 통해 연장될 수 있다. 이러한 용도에서, UV 및/또는 청색 광선 공급원이 조사를 받는 재료의 경화 양태에 따라 이용될 수 있다.
또 다른 용도에서, 도12는 웨브 경화 스테이션과 같은 개략적인 대량 재료 경화 장치를 도시한다. 예를 들어, 접착제, 테이프, 또는 웨브에 기초한 제조 시에, 접착제는 종종 상이한 재료 기판으로 경화되어야 하는 청색/UV 경화성 재료이다. 종래의 방법에서, 고강도 방전 및 아크 램프가 경화 공정을 수행하기 위해 종종 이용된다. 그러나, 이러한 종래의 방전 램프는 빛과 열을 360°로 방사하고, 따라서 복잡한 열교환 및/또는 냉각 메커니즘을 요구한다. 대안적으로, 기판 재료 및 UV 경화제는 몇몇의 종래의 접근에서 고강도의 열을 견디도록 되어야 한다.
도12는 경화 스테이션(600)이 고체 조명 장치의 발열 또는 방열 구성요소가 열교환 유닛(602) 내에 위치되는 (전술한 실시예와 유사하게 구성된) 고체 조명 장치(604)를 포함하는 종래의 경화 시스템에서 발견되는 가열 문제점에 대한 해결책을 제공한다. 전술한 바와 같이, 고체 조명 장치의 광원에 의해 발생되는 열은 적절한 LED 다이 간격, 열 전도성 상호 연결 회로, 및/또는 방열 장치에 의해 광 출력의 방향으로부터 멀리 흡인된다.
또한, 고체 조명 장치(604)는 광선-경화성 재료에 고도로 집광된 광선을 송출할 수 있고, 따라서 열악한 경화 깊이에 의해 야기되는 해로운 영향을 감소시킨다. LED 다이 또는 다른 광선 발생원의 집광된 출력은 변형률 완화 하우징(630) 내에 배치된 도파관 어레이에 의해 수집되고 안내되어, 기판(652) 상에 배치된 광선 경화성 재료(650)로 송출될 수 있다. 기판(652)은 다량의 재료의 연속된 경화를 제공하기 위해 이동 플랫폼 또는 컨베이어 벨트 상에 배치될 수 있다. 도5a 내지 도5f에 대해 전술한 바와 같이, 도파관, 예를 들어 광섬유의 출력 단부들은 복수의 상이한 재구성 가능한 패턴으로 배열될 수 있고, 다라서 고체 조명 장치를 매우 다양한 형상, 및/또는 경화 깊이 조건을 갖는 경화 재료에 대해 특히 적합하게 한다.
또 다른 용도에서, 본 명세서에서 설명된 고체 광원은 투사 시스템 내에서 이용될 수 있다. 화소화된 출력을 제공하는 능력 때문에, LED 다이 어레이는 RGB 출력을 위한 상이한 출력 컬러 LED 다이들을 포함할 수 있다. 또한, 출력은 적합한 투사 영상을 제공하도록 연속 주사를 위해 다중화될 수 있다. 더욱이, 전술한 실시예의 고체 조명 장치는 LCD 디스플레이 내의 배경 조명을 위한 광원으로서 이용될 수 있다. 특히, "백색" 방출을 위해 인 코팅 다이를 사용할 때, 화소화된 백색 LED 다이들은 LCD 디스플레이에 대해 증가된 명암비를 제공할 수 있다.
본 발명이 예시적인 양호한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 설명되고 도시된 실시예들은 단지 예시적이며 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 고려되지 않아야 한다는 것을 이해해야 한다. 다른 변경 및 변형이 본 발명의 범주에 따라 이루어질 수 있다.

Claims (47)

  1. 광자 방출 장치이며,
    광선을 발생시키기 위한 복수의 고체 광선 공급원과,
    상기 고체 광선 공급원들 중 대응하는 일 공급원으로부터 광선을 각각 수신하는 복수의 집광기와,
    제1 단부 및 제2 단부를 각각 포함하는 복수의 광학 도파관과,
    복수의 광학 도파관을 제1 및 제2 단부들 사이에서 안정화하기 위한 지지 구조물을 포함하며,
    각각의 제1 단부는 대응하는 집광기로부터 집광된 광선을 수신하는 광자 방출 장치.
  2. 제1항에 있어서, 복수의 고체 광선 공급원은 복수의 LED 다이를 포함하는 광자 방출 장치.
  3. 제2항에 있어서, LED 다이들이 그 위에 결합되는, 복수의 LED 다이에 대한 전기적 연결을 제공하기 위한 상호 연결 회로 층과,
    방열 장치와,
    상호 연결 회로 층을 방열 장치에 열적으로 결합시키기 위한 열 전도 접착제를 더 포함하는 광자 방출 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상호 연결 회로 층은 그 위에서 패턴화된 전기적 상호 연결 회로를 가지는 금속 층 및 유전 층을 포함하는 광자 방출 장치.
  5. 제1항에 있어서, 복수의 도파관은 복수의 중합체 도파관을 포함하는 광자 방출 장치.
  6. 제1항에 있어서, 복수의 도파관은 복수의 광섬유를 포함하며, 장치는 복수의 섬유들의 제1 단부들을 한정된 패턴으로 지지하기 위한 섬유 어레이 커넥터를 더 포함하는 광자 방출 장치.
  7. 제6항에 있어서, 지지 구조물은 하우징을 포함하며, 하우징은 섬유 어레이 커넥터의 주연부를 둘러싸기 위한 제1 개구와 섬유들의 제2 단부들 중 적어도 제1 부분을 둘러싸기 위한 제2 개구를 포함하는 광자 방출 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 하우징은 섬유들의 제2 단부들 중 제2 부분을 지지하기 위한 제3 개구를 더 포함하는 광자 방출 장치.
  9. 제7항에 있어서, 섬유들의 제2 단부들 중 적어도 제1 부분을 둘러싸서 고정시키기 위한 밴딩을 더 포함하는 광자 방출 장치.
  10. 제9항에 있어서, 밴딩은 복수의 섬유들의 제2 단부들 중 적어도 제1 부분을 선택된 패턴으로 고정시키는 중합체 재료를 포함하는 광자 방출 장치.
  11. 제9항에 있어서, 섬유 어레이 커넥터는 복수의 광섬유들의 제1 단부들을 패턴으로 그룹화하며, 밴딩은 복수의 광섬유들이 복수의 광섬유들의 길이를 따라 교차하지 않도록 복수의 광섬유들의 제2 단부들 중 제1 부분을 고정시키는 광자 방출 장치.
  12. 제8항에 있어서, 제1 부분의 제2 단부들은 제1 방향으로 출력 조사를 제공하며, 제2 부분의 제2 단부들은 제1 방향과 다른 제2 방향으로 출력 조사를 제공하는 광자 방출 장치.
  13. 제7항에 있어서, 하우징은 복수의 광섬유를 위한 변형률 완화를 제공하는 광자 방출 장치.
  14. 제7항에 있어서, 제2 개구는 제1 개구보다 작은 광자 방출 장치.
  15. 제6항에 있어서, 지지 구조물은 섬유들 중 적어도 일부 둘레에 그리고 그들 사이에 배치된 성형 에폭시를 포함하는 광자 방출 장치.
  16. 제8항에 있어서, 복수의 광섬유는 코어 및 클래딩을 갖는 중합체 코팅 피복 실리카 섬유를 포함하며, 상기 섬유는 약 250 ㎛ 내지 약 1000 ㎛의 코어 직경을 갖는 광자 방출 장치.
  17. 제3항에 있어서, 복수의 도파관은 복수의 광섬유를 포함하며,
    복수의 광섬유들의 제1 단부들을 한정된 패턴으로 지지하기 위한 섬유 어레이 커넥터와,
    비촬상 반사식 커플러를 포함하는 집광기의 어레이를 지지하기 위한 시트를 더 포함하는 광자 방출 장치.
  18. 제17항에 있어서, 조사 장치의 길이를 따라 종방향으로 배치된 제1 정렬 핀을 더 포함하고,
    상호 연결 회로 층, 방열 장치, 섬유 어레이 커넥터 및 시트는 각각 제1 정렬 핀을 수납하기 위한 제1 정렬 구멍을 포함하는 광자 방출 장치.
  19. 제17항에 있어서, 섬유 어레이 커넥터의 제1 표면은 복수의 종방향으로 배치된 돌출부를 포함하고,
    시트의 제1 표면은 돌출부와 결합식으로 정합 가능한 복수의 대응하는 종방향으로 배치된 만입부를 포함하는 광자 방출 장치.
  20. 제6항에 있어서, 복수의 섬유들 중 일부는 형상화된 제2 단부들로부터 방출되는 광이 형상화되지 않은 제2 단부들을 통해 방출되는 광과 다른 광 경로를 따라 지향되도록 형상화된 제2 단부를 갖는 광자 방출 장치.
  21. 제8항에 있어서, 제2 단부들 중 제2 부분은 형상화된 제2 단부들로부터 방출되는 광이 형상화되지 않은 제2 단부들로부터 방출되는 광과 다른 광 경로를 따라 지향되도록 형상화된 제2 단부를 갖는 광자 방출 장치.
  22. 제1항에 있어서, 광학 도파관 제2 단부들로부터의 광선을 수집하여 선택된 광 분포 패턴으로 분배하기 위한 광학 장치를 더 포함하는 광자 방출 장치.
  23. 제2항에 있어서, 각각의 LED 다이는 그의 가장 근접한 이웃으로부터 LED 다이의 폭보다 큰 이격 길이만큼 이격되는 광자 방출 장치.
  24. 제2항에 있어서, 이격 길이는 6개의 LED 다이 폭 이상인 광자 방출 장치.
  25. 제2항에 있어서, 복수의 LED 다이에 대한 전기적 연결을 제공하기 위한 상호 연결 회로 층을 더 포함하며, 복수의 LED 다이는 제1 그룹 및 제2 그룹으로 배열되고, 제1 그룹의 LED 다이들은 상호 연결 회로 층의 제1 부분에 연결되며, 제2 그룹 의 LED 다이들은 상호 연결 회로 층의 제2 부분에 연결되는 광자 방출 장치.
  26. 제25항에 있어서, 복수의 LED 다이는 또한 제3 그룹의 LED 다이로 배열되고, 제3 그룹의 LED 다이들은 상호 연결 회로 층의 제3 부분에 연결되는 광자 방출 장치.
  27. 제25항에 있어서, 제1 그룹의 LED 다이들 중 적어도 하나의 LED 다이의 제1 출력 강도는 제2 그룹의 LED 다이들 중 적어도 하나의 LED 다이의 제2 출력 강도와 분리되어 제어 가능한 광자 방출 장치.
  28. 제27항에 있어서, 복수의 광학 도파관은 복수의 광섬유를 포함하고, 제1 그룹의 LED 다이로부터의 방출은 제1 그룹의 광섬유와 광학 연통하고, 제2 그룹의 LED 다이로부터의 방출은 제2 그룹의 광섬유와 광학 연통하는 광자 방출 장치.
  29. 제28항에 있어서, 제2 그룹의 광섬유들의 제2 단부들은 제1 그룹의 광섬유들의 제2 단부들에 의해 방출되는 광선의 제1 방향과 다른 제2 방향으로 광선을 방출하는 광자 방출 장치.
  30. 제26항에 있어서, 제1 그룹의 LED 다이는 적색 방출 LED 다이를 포함하며, 제2 그룹의 LED 다이는 청색 방출 LED 다이를 포함하고, 제3 그룹의 LED 다이는 녹 색 방출 LED 다이를 포함하는 광자 방출 장치.
  31. 제6항에 있어서, 섬유 어레이 커넥터는 리셉터클 내에 결합되도록 되어 있는 광자 방출 장치.
  32. 제2항에 있어서, 복수의 LED 다이들 중 적어도 일부는 자외선 방출 LED 다이를 포함하는 광자 방출 장치.
  33. 제2항에 있어서, 각각의 LED 다이는 각각의 LED 다이의 출력 방출을 상이한 유색광으로 변환시키기 위해 인 재료와 광학 연통하는 광자 방출 장치.
  34. 제1항에 따른 광자 방출 장치를 포함하는 차량용 전조등.
  35. 제1항의 광자 방출 장치를 포함하는 치과용 경화 장치.
  36. 제1항의 광자 방출 장치를 포함하는 투사 시스템.
  37. 제1항의 광자 방출 장치를 포함하는 LCD 디스플레이이며,
    광자 방출 장치는 배경 조명을 하기 위한 LCD 디스플레이.
  38. 광자 방출 시스템이며,
    고체 광원을 포함하고,
    고체 광원은,
    광선을 발생시키기 위한 복수의 LED 다이와,
    상기 LED 다이들 중 대응하는 일 다이로부터 조사를 각각 수신하는 복수의 집광기와,
    제1 단부 및 제2 단부를 각각 포함하는 복수의 광섬유와,
    고체 광원에 결합되어 복수의 LED 다이들 중 하나 이상의 그룹을 선택적으로 활성화하는 제어기를 포함하며,
    각각의 제1 단부는 대응하는 집광기로부터 집광된 조사를 수신하는 광자 방출 시스템.
  39. 제38항에 있어서, 복수의 LED 다이에 대한 전기적 연결을 제공하기 위해 제어기에 전기적으로 결합된 상호 연결 회로 층과,
    방열 장치와,
    상호 연결 회로 층을 방열 장치에 열적으로 결합시키기 위한 열 전도성 접착제를 더 포함하는 광자 방출 시스템.
  40. 제38항에 있어서, 고체 광원은,
    복수의 광섬유들의 제1 단부들을 한정된 패턴으로 지지하기 위한 섬유 어레 이 커넥터와,
    집광기의 어레이를 지지하기 위한 시트를 더 포함하는 광자 방출 시스템.
  41. 제40항에 있어서, 복수의 광학 도파관을 제1 및 제2 단부들 사이에서 안정화하기 위해, 섬유 어레이 커넥터의 주연부를 둘러싸기 위한 제1 개구와 제2 개구를 갖는 지지 구조물을 더 포함하는 광자 방출 시스템.
  42. 제38항에 있어서, LED 다이 어레이는 제1 그룹의 적색 방출 LED 다이와, 제2 그룹의 청색 방출 LED 다이와, 제3 그룹의 녹색 방출 LED 다이를 포함하는 광자 방출 시스템.
  43. 제38항에 있어서, 제어기는 개시 신호에 응답하여 제1 LED 다이 채널을 선택적으로 활성화하는 광자 방출 시스템.
  44. 제38항에 있어서, 제어기는 제2 LED 다이 채널로부터의 감소된 방출 출력을 보상하기 위해 제1 LED 다이 채널로 증가된 구동 전류를 보내는 광자 방출 시스템.
  45. 제38항에 있어서, 제어기는 상승된 온도에 응답하여 제1 LED 다이 채널로 증가된 구동 전류를 보내는 광자 방출 시스템.
  46. 선택된 조사 패턴을 발생시키기 위해 제2 차량 구획 내에 위치된 고체 광원을 포함하는 차량용 전조등 조사 시스템이며,
    고체 광원에 의해 발생되는 열은 제1 구획으로부터 이격된 위치로 분배되는 차량용 전조등 조사 시스템.
  47. 제46항에 있어서, 선택된 조사 패턴은 조향 가능한 차량용 전조등 조사 시스템.
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