KR20060113981A - 복수의 ｌｅｄ를 사용하는 광원과, 그 조립 방법 - Google Patents

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KR20060113981A
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제임스 이. 왓슨
앤소니 제이. 니콜
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

본 발명은 복수의 발광 다이오드(LED; 102, 206, 306, 626)를 사용하여 형성되는 광원에 관한 것이다. LED에 의해 방사된 광에 투명한 재료의 제1 층(220, 320)은 복수의 LED 위에 위치된다. 광은 제1 층의 재료를 통해 LED로부터 제1 층의 타 측부 상에 배치된 인광체 층(218, 318)으로 지나간다. 재료의 제1 층(220, 320)은 변환 광의 파장에서 반사될 수 있어서, LED(106, 206, 306, 626)를 향해 다시 전파되는 변환 광이 전방으로 반사된다. 인광체 재료는 제1 층(220, 320) 상에 패치로서 형성될 수 있다. 반사 커플러 등의 커플러(210, 310, 604) 어레이는 각각의 LED(106, 206, 306, 626)에 의해 생성된 파장 변환 광을 개별 광섬유(106)로 커플링하는데 사용될 수 있다
광원, LED, 조립 방법, 반투과, 인광체, 커플러, 파장 변환

Description

복수의 ＬＥＤ를 사용하는 광원과, 그 조립 방법 {LIGHT SOURCE USING A PLURALITY OF LEDS, AND METHOD OF ASSEMBLING THE SAME}
본 발명은 광학 시스템에 관한 것으로, 특히 다중 광원의 사용을 기초로 한 조명 시스템에 적용 가능하다.
조명 시스템은 많은 상이한 적용예에 사용된다. 가정, 의료, 치과 및 산업 적용예는 종종 이용 가능한 광을 요구한다. 유사하게, 항공기, 선박 및 차량 적용예는 고강도 조명 비임을 요구한다. 전통적인 점등(lighting) 시스템은 전기식 필라멘트 또는 아크 램프를 사용하여 왔고, 때때로 생성된 조명을 비임으로 유도하도록 초점맞춤 렌즈 및/또는 반사 표면을 포함한다. 그러나, 수영장 점등과 같은 특정 적용예에서, 최종 광 출력은 전기 접촉이 바람직하지 않은 환경에 위치되는 것을 요구할 수 있다. 자동차 헤드라이트와 같은 다른 적용예에서, 노출되고 손상되기 쉬운 위치로부터 더욱 안전한 위치로 광원을 이동시키는 것이 요구된다. 또한, 또 다른 적용예에서, 물리적인 공간, 접근성의 한계 또는 설계 고려 사항은 최종 조명이 요구되는 위치와는 다른 위치에 광원이 위치되는 것을 요구할 수 있다.
이들 요구 중 몇몇에 응답하여, 광원으로부터의 광을 요구되는 조명 지점으로 안내하도록 도파관을 사용하는 조명 시스템이 개발되고 있다. 이러한 현재의 접근법은 단일 조명원을 형성하도록 근접하여 함께 그룹화된 광원의 클러스터 또는 밝은 단일 광원을 사용하는 것이다. 이러한 광원에 의해 방사된 광은 집광 광학계에 의해 광원/광원들로부터 먼 위치로 광을 투과하는 대형 코어 플라스틱 섬유 등의 단일 도파관 내로 유도된다. 또 다른 접근법에서, 단일 섬유는 개별 광섬유 묶음으로 교체될 수 있다.
본 방법은 몇몇 경우에서 대략 70%의 광 손실이 발생하여 매우 비효율적이다. 다중 섬유 시스템에서, 이들 손실은 묶음 내의 섬유들 사이의 어두운 격자 공간과, 광이 섬유 묶음 내로 유도되는 비효율성 때문이다. 단일 섬유 시스템에서, 밝은 점등 적용예에 필요한 광량을 캡쳐하기에 충분히 큰 직경을 갖는 단일 섬유는 너무 두꺼워지며 경로를 정하고 작은 반경으로 절곡되는 유연성을 상실한다.
어떤 광 생성 시스템은 광원으로 레이저를 사용하여 간섭 광 출력의 장점을 취한다. 레이저는 전형적으로 단일 출력 컬러를 생성하지만, 조명 시스템은 전형적으로 더욱 넓은 대역의 화이트 광원을 요구한다. 또한, 레이저 다이오드가 통상 비대칭 비임 형상을 갖는 광을 생성하기 때문에, 광학 비임 형상화 요소를 광범위하게 사용하면 광섬유 내로의 효율적인 커플링을 달성하는 것이 요구된다. 또한, 어떤 레이저 다이오드는 엄격한 온도 조절이 필요하기 때문에(예컨대, 전열 냉각기 등의 사용이 필요) 이용하기에 비싸다.
광을 효율적이고 값싸게 생성하며 원격 조명에 사용될 수 있는 광원에 대한 지속적인 요구가 남아 있다.
본 발명의 일 특정 실시예는 LED 광을 방사할 수 있는 발광 다이오드(LED)와, 개별 LED 다이로부터 광을 커플링하는 광학 커플러를 포함하는 광원에 관한 것이다. 인광체 패치는 광학 커플러로부터 전파되는 LED 광의 적어도 일부를 개별 LED 다이로부터 변환하도록 LED 다이와 광학 커플러 사이에 배치된다. 중간 층은 LED 다이와 인광체 패치 사이에 배치된다. 중간 층은 LED 광을 투과하고 인광체 패치 내에서 변환된 광을 반사한다. 중간 층은 LED 다이에 대면한 제1 측부와, 커플러에 대면한 제2 측부를 갖는다. 인광체 패치는 중간 층의 제2 측부 상에 배치된다. LED 광은 블루 또는 자외선일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 LED 광을 생성하는 2개 이상의 발광 다이오드(LED)와, LED 다이로부터 광을 커플링하는 2개 이상의 개별 커플러를 포함하는 광원에 관한 것이다. 중간 층은 LED 다이와 커플러 사이에 배치된다. 중간 층은 LED 광에 대해 사실상 투명하다. 인광체 층은 LED 광의 적어도 일부를 파장 변환 광으로 변환하기 위해 중간 층과 커플러 사이에 중간 층 상에 배치된다.
본 발명의 다른 실시예는 LED 광을 방사할 수 있는 복수의 발광 다이오드(LED)와, LED 다이 위에 배치된 제1 층을 포함하는 광원에 관한 것이다. 제1 층은 LED 광에 대해 사실상 투명하다. LED 광은 제1 층을 통해 제1 층의 제1 측부로부터 제1 층의 제2 측부로 전파된다. 인광체 층은 제1 층의 제2 측부 상에 배치된다.
본 발명의 다른 실시예는 광원의 조립 방법에 관한 것이다. 방법은 LED 광을 방사할 수 있는 복수의 발광 다이오드(LED)를 제공하는 단계를 포함한다. 인광체 층은 제1 층이 LED 광에 대해 사실상 투명한 제1 층 상에 배치된다. 제1 층과 인광체 층은 LED 광이 제1 층을 통해 LED 다이로부터 인광체 층으로 통해 지나가도록 LED 다이 위에 위치 결정된다.
본 발명의 상기 요약은 본 발명의 도시된 실시예 각각 또는 모든 구현예를 설명하는 것은 아니다. 이하의 도면과 상세한 설명은 이들 실시예를 더욱 특별히 예시한다.
본 발명은 첨부 도면과 연계한 본 발명의 다양한 실시예의 이하의 상세한 설명을 고려하여 더욱 완전히 이해될 것이다.
도1은 본 발명의 원리에 따른 다중 광원을 사용하는 조명 시스템의 일 실시예의 개략도이다.
도2는 본 발명의 원리에 따른 도1에 도시된 조립된 조명 시스템을 통한 개략 단면도이다.
도3은 본 발명의 원리에 따른 다른 조명 시스템의 일 실시예를 통한 개략 단면도이다.
도4a 및 도4b는 본 발명의 원리에 따른 반사기/인광체 스택 내에서 광의 파장 변환의 개략도이다.
도5는 파장 변환 광에 대해 반사기를 사용하고 사용하지 않는 파장 변환 광과 LED의 스펙트럼의 그래프이다.
도6은 본 발명의 원리에 따른 다중 LED를 사용하는 광원의 개략 분해도이다.
도7a 및 도7b는 본 발명의 원리에 따른 도6의 광원 내에 사용된 커플러 시트의 일 실시예의 개략 확대도이다.
도8은 본 발명의 원리에 따른 도6의 광원에 사용된 중간 층의 일 실시예의 개략 확대도이다.
도9는 본 발명의 원리에 따른 부분 조립된 광원의 일 실시예의 개략도이다.
도10은 본 발명의 원리에 따른 조립된 광원의 일 실시예의 개략도이다.
본 발명이 다양한 변형예 및 변경예로 수정될 수 있더라도, 그 구체적인 사항은 도면에 예로서 도시되고 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 설명된 특정 실시예로 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 반대로, 본 발명은 첨부된 청구의 범위에 정의된 바와 같이 본 발명의 기술사상 및 범위 내에 있는 모든 변형예, 균등물 및 변경예를 포함하는 것이다.
본 발명은 광학 시스템에 적용 가능하며, 특히 하나 이상의 발광 다이오드(LED)의 사용을 기초로 한 조명 시스템과, 이러한 시스템의 제조 방법에 적용 가능하다.
고출력의 LED는 더욱 용이하게 입수 가능해지고 있으며, 이는 화이트 광으로 LED를 조명하는 신규 적용예를 시작한다. 고출력의 LED에 관한 몇몇 적용예는 투사 및 표시 시스템 내의 광원과, 머신 비전(machine vision) 시스템 및 카메라/비디오 적용예의 조명원으로서, 그리고 카 헤드라이트 등의 거리 조명 시스템에서의 사용도 포함한다. LED를 사용하여 화이트 광을 생성하는 상이한 접근법이 사용될 수 있다. 하나의 접근법은 상이한 파장에서 광을 방사하는 LED들의 조합을 이용하는 것이다. 다른 접근법은 예컨대 스펙트럼의 블루 또는 근자외선(UV) 부분의 단파장에서 광을 생성하는 LED를 사용하고, 단파장의 광을 가시 스펙트럼 내의 다른 파장으로 변환하는 것이다. 생성된 광은 가시 스펙트럼의 상당 부분을 포함하며, 여기서는 광대역 광이라 한다. 스펙트럼의 블루 또는 UV 부분에서 광을 방사하는 LED는 질화 갈륨, 탄화 실리콘, 또는 블루 또는 UV 광의 생성에 적절한 대역 간극을 갖는 반도체 재료를 기초로 할 수 있다.
화이트 광은 사람 눈의 레드, 그린 및 블루 센서를 자극하여 보통의 관찰자가 "화이트"라 여길 수 있는 외양을 형성한다. 이러한 화이트 광은 레드로 편의(통상 따뜻한 화이트 광이라 함)되거나 또는 블루로 편의(통상 차가운 화이트 광이라 함)될 수 있다. 이러한 광은 100에 이르는 컬러 표현 지수(color rendition index)를 가질 수 있다.
단파장 광을 장파장 광으로 변환시키는데 사용되는 재료는 본 명세서에서 인광체라 한다. 인광체는 예컨대 형광 또는 인광의 장파장을 생성하기 위한 상이한 매커니즘을 사용할 수 있다. 인광체는 무기계, 유기계 또는 이들의 조합일 수 있다. 무기계 인광체의 예는 가닛, 실리케이트 및 다른 세라믹이다. 가닛 인광체의 구체적인 예는 가돌리늄 도핑 세륨 활성 이트륨 알루미늄 가닛(Ce:YAG)이다. 다른 형광 종은 예컨대 사마륨, 프라세오디뮴 등의 희토류 도핑제를 사용할 수 있다. 유기계 인광체의 예는 유기 염료, 안료 등의 유기 형광 재료를 포함한다.
인광체 재료는 전형적으로 약 300 nm 내지 약 450 nm 범위의 여기 파장과, 가시 파장 범위 내의 방사 파장을 갖는다. 좁은 방사 파장 범위를 갖는 인광체 재료의 경우, 예컨대 뷰어에게 인지되는 레드, 그린 및 블루 방사 인광체의 혼합물의 요구되는 컬러 밸런스를 달성하도록 인광체 재료들의 혼합물이 제조될 수 있다. 넓은 방사 대역을 갖는 인광체 재료는 높은 컬러 표현 지수를 갖는 인광체 혼합물에 유용하다. 바람직하게는, 인광체는 빠른 방사선 붕괴 속도를 가져야 한다.
인광체 혼합물은 예컨대 에폭시, 접착제 또는 폴리머 매트릭스 등의 교결제 내에 분산되어 요구되는 표면에 도포될 수 있는 약 1 미크론 내지 약 25 미크론 범위의 크기를 갖는 인광체 입자를 포함한다. 약 300 nm 내지 약 450 nm 범위의 광을 장파장으로 변환하는 인광체는 예컨대 영국 에섹스 소재의 포스포어 테크놀로지 엘티디.(Phosphor Technology Ltd.)에서 입수 가능하다. 300 내지 470 nm 이하의 방사선에서 높은 안정성을 갖는 재료, 특히 무기계 인광체가 바람직하다.
인광체가 블루 광을 그린, 옐로우 및/또는 레드 광으로 변환하는데 사용되어, 인광체 내에서 생성된 광에 블루 광을 추가함으로써 블루 LED가 광대역 광 또는 "화이트" 광을 생성하는데 사용될 수 있다는 것을 알 것이다. 또한, UV LED는 인광체가 블루, 그린, 옐로우 및/또는 레드 광으로 변환하는 광을 생성하여, UV LED가 광대역 광을 생성하는데 사용될 수 있다.
LED는 전형적으로 넓은 각에 걸쳐 광을 방사하기 때문에, LED로부터 방사되는 광이 가능한 효율적으로 수집되고 장파장으로 변환되는 것을 보장하는 것이 광학 시스템의 설계자에 대한 도전 중의 하나이다. 몇몇 적용예에서, 광대역 광이 광섬유 등의 도파관으로 유도되어, 광대역 광이 원격 조명에 사용될 수 있다. 설 계자에 대한 다른 도전은 생성된 광대역 광이 타깃, 예컨대 광섬유의 입력 표면에 효율적으로 유도되는 것을 보장하는 것이다.
다중 LED를 갖는 광원을 사용하는 광 조명 시스템(100)의 일 예는 도1에 분해도로 개략 도시된다. 시스템(100)은 정합 어레이 내의 개별 반사 커플러(104)를 통해 개별 광섬유(106)에 광학식으로 커플링된 어레이 내에 다수의 LED(102)를 포함한다. 광섬유(106)는 하나 이상의 묶음(108)으로 함께 모아져서 광을 하나 이상의 조명 유닛(110)으로 운반할 수 있다. 섬유(106)는 다중모드 광섬유일 수 있다. LED(102)와 반사 커플러(104)는 하우징(112) 내에 수납될 수 있고, 섬유(106)는 섬유 장착 판(114)을 사용하여 개별 커플러(104)와 LED(102)에 근접하여 공간 어레이로 보유될 수 있다. 시스템(100)은 전력을 LED(102)에 제공하도록 커플링된 전원(116)을 포함할 수 있다.
다중 LED 광원(200)의 섹션의 일 실시예를 통한 단면이 도2에 개략적으로 도시된다. 광원(200)은 히트싱크로서 사용될 수 있는 기부(202)를 포함할 수 있다. 열 전도 층(204)은 LED(206)의 어레이와 기부(202) 사이의 열적 커플링을 제공하는데 사용될 수 있다. LED(206)는 칩으로서 제공될 수 있고, 다이라고도 한다. 커플러 시트(208)는 LED(206)로부터의 광(212)을 개별 광섬유(214) 어레이에 커플링시키는 예컨대 반사 커플러인 커플러(210)의 어레이를 포함한다. LED(206)는 개별 커플러(210)를 통해 개별 섬유(214)에 광학식으로 커플링된다.
섬유(214)는 섬유 판(216)에 의해 개별 커플러(210) 어레이에 대해 제 위치에 보유될 수 있다. 섬유(214)의 출력 단부가 모아져서 조명용 광원으로 사용될 수 있다. 커플러 시트(208)는 구멍을 갖도록 성형되어 이를 통해 반사 커플러(210)를 형성할 수 있다. 반사 커플러의 반사 표면은 다른 접근법을 사용하여, 예컨대 금속화 또는 유전성 박막 필름 코팅에 의해 형성될 수 있다. LED로부터의 광을 광섬유로 커플링시키기 위한 반사 커플러의 사용은 발명의 명칭이 "반사 광 커플러"인 미국 출원 제10/726,244호, 발명의 명칭이 "복수의 광원을 사용하는 조명 시스템"인 미국 출원 제10/726,222호(미국 공개공보 제2004/0149998-A1호), 및 2002년 12월 2일 출원된 미국 가출원 제60/430,230호에 상세히 논의되어 있다.
LED(206)에 의해 생성된 광(212) 중 적어도 몇 개의 컬러는 하나 이상의 상이한 컬러로 변환되어, 넓은 범위의 가시 스펙트럼을 포함할 수 있다. 예컨대, LED(206)가 블루 또는 UV 광을 생성하면, 인광체는 스펙트럼의 가시 구역 내의 다른 컬러 대역 내의 광, 예컨대 그린, 옐로우 및/또는 레드를 생성하는데 사용될 수 있다. 인광체는 LED(206)의 상부에 포함될 수 있거나, 섬유에 대한 입구부에 제공될 수 있거나, 또는 다른 위치에 제공될 수 있다. 도시된 실시예에서, 인광체의 패치(218)는 LED(206)와 커플러 시트(208) 사이에 놓인 중간 층(220) 상에 배치된다. 몇몇 실시예에서, 중간 층(220)은 커플러 시트(208)의 입력측에 대해 돌출되어 인광체 패치(218)가 개별 커플러(210)의 구멍 내에 끼워질 수 있다.
반사 커플러(210)는 공기로 채워질 수 있거나 또는 광 에폭시 등의 공기보다 큰 굴절율을 갖는 투명 재료를 포함할 수 있다. 투명 재료의 사용은 인광체 패치(218)의 표면에서의 프레넬 반사를 감소시킬 수 있어, 더 많은 파장 변환 광이 인광체 패치(218)로부터 섬유(214)로 커플링되게 할 수 있다.
인광체 패치에 커플링된 LED의 확대도가 도3에 개략적으로 도시된다. LED(306)는 예컨대 폴리머 코팅인 캡슐제(330) 내에 매립된 다이일 수 있다. 반사기(332)는 반사 커플러(310)를 향해 광을 반사하도록 LED(306)의 적어도 일부의 둘레에 배치될 수 있다. 반사기(322)는 예컨대 금속 반사기, 다중층 유전성 반사기 또는 다중층 광학 폴리머 필름 반사기일 수 있다. 전기 도전체(334)는 LED 다이(306)에 전류를 인가하기 위해 LED 다이(306)의 상부에 접촉될 수 있다. 전형적으로, 전류 경로는 LED 다이의 바닥면을 통해 다른 도전체로 지나간다.
LED 다이(306)로부터의 광(312)은 중간 층(320)을 통해 인광체 패치(318)로 지나간다. 인광체 패치(318)는 입사 광(312)의 일부를 입사광(312)보다 긴 파장의 광으로 변환한다. 여기와 이하의 도면에서, LED에 의해 직접 방사된 광(312)은 실선을 사용하여 도시되고, 입사광(312)으로부터 인광체(318) 내에 생성된 파장 변환 광(313)은 점선을 사용하여 도시된다.
인광체 패치(318)에 의한 파장 변환 효율을 향상시키도록 하나 이상의 상이한 반사 층이 사용될 수 있다. 예컨대, 중간 층(320)은 LED 다이(306)에 의해 방사된 광(312)을 투과시키지만, 인광체 패치(318) 내에서 생성된 장파장의 광(313)은 반사시킬 수 있다. 이러한 중간 층은 본 명세서에서 반투과 중간 층(320)이라 한다. 반투과 중간 층(320)의 사용은 인광체/반사기 스택(410)이 반투과 중간 층(320) 위에 인광체(318) 층을 포함하는 도4a를 참조하여 설명된다. 반투과 중간 층(320)은 LED에 의해 방사된 광을 투과시키지만, 장파장의 광은 반사시킨다. LED에 의한 광(412a)의 일부는 파장이 변환되지 않고 인광체 층(318)을 통해 투과될 수 있다. LED로부터의 광(412b)의 일부는 인광체 층(318)으로부터 투과된 파장 변환 광(413b)을 생성하도록 인광체 층(318) 내에서 파장이 변환된다. LED로부터의 광(412c)의 일부는 초기에 LED를 향해 일반적으로 후방으로 전파되는 파장 변환 광(413c)을 생성하도록 인광체 층(318) 내에서 파장이 변환된다. 반투과 중간 층(320)이 파장 변환 광(413c)을 반사시키기 때문에, 파장 변환 광(413c)은 전방으로 반사된다. 따라서, 파장 변환 광을 반사시키는 반투과 중간 층(320)은 요구되는 전방으로 전파되는 파장 변환 광의 생성 효율을 증가시키는데 사용될 수 있다.
반투과 중간 층(320)은 파장 변환 광을 반사시키도록 상이한 유형의 반사기를 사용할 수 있다. 예컨대, 층(320)은 투명 기판과 유전성 반사기 스택을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 층(320)은 교번식으로 굴절율이 다른 폴리머 층의 스택으로 형성된 다중층 광학 폴리머 필름(MOF)을 포함할 수 있다. 이러한 반사기는 예컨대 미국 특허 제5,882,774호 및 제5,808,794호와, 각각이 2003년 1월 27일 출원된 미국 가출원 제60/443,235호, 제60/442,274호 및 제60/443,232호와, 2003년 12월 2일 출원된 발명의 명칭이 "폴리머 롱 패스 반사기를 갖는 인광계 광원"인 미국 출원 제10/726,997호(미국 공개공보 제2004/0145913-A1호)와, 발명의 명칭이 "비평면 롱 패스 반사기를 갖는 인광계 광원"인 미국 출원 제10/727,072호(미국 공개공보 제2004/0144987-A1호)에 더 설명되어 있다.
도5는 반투과 중간 층으로서 MOF 반사기를 갖는 인광체(곡선 502)와 비반사 중간 층을 갖는 동일한 인광체(곡선 504)를 조명하는 LED에 의해 생성된 광의 스펙트럼을 비교하는 그래프를 도시한다. LED는 약 450 nm에서 피크를 갖는 블루 광을 방사한다. 인광체는 미국 조지아주 리티아 스프링스 소재의 포스포어테크 코프.(PhosphorTech Corp.)로부터 입수 가능한 A 유형 인광 재료이며 약 525 nm 내지 약 625 nm의 범위에 걸쳐 광대역의 광을 생성한다. MOF 반투과 중간 층의 사용은 500 nm보다 큰 파장을 갖는 변환 광의 양을 상당히 증가시킨다.
제2 반사기 층(322)은 선택적으로 인광체 패치(318) 위에 배치되어 파장 변환 효율을 더욱 증가시킬 수 있다. 제2 반사기(322) 층은 일반적으로 LED 파장의 광을 반사시키고 변환 파장의 광을 투과시키며, 이는 도4b를 참조하여 설명된다. 반사기/인광체 스택(420)은 반투과 중간 층(320)과 제2 반사기(322) 사이에 배치된 인광체 층(318)을 포함한다. LED로부터 입사하는 광(422a)의 일부는 반사기/인광체 스택(420)을 통해 투과될 수 있다. LED로부터의 다른 광(422b)은 인광체 층(318) 내에서 전방으로 제2 반사기(322)를 통해 지나가는 변환 광(423b)으로 변환된다. LED로부터의 광(422c)의 일부는 인광체 층(318)을 통해 지나가고 제2 반사기 층(322)에 의해 인광체 층(318)으로 다시 반사된다. 반사된 광(422c)은 전방으로 제2 반사기 층(322)을 통해 지나가는 변환 광(423c)으로 변환된다.
광의 일부는 반사 층(320, 322) 모두를 사용한다. 예컨대, LED로부터의 광(422d)은 반투과 중간 층(320)과 인광체 층(318)을 통해 지나가서, 제2 반사기(322)에 의해 인광체 층(318)으로 다시 반사된다. 반사된 광(422d)은 인광체 층(318) 내에서 변환 광(423d)을 생성한다. 변환 광은 반투과 중간 층(320)으로부터 반사되고 제2 반사기(322)를 통해 전방으로 유도된다. 따라서, 인광체 층(318) 위아래의 파장 선택 반사기는 광대역 광이 LED로부터 생성되는 효율을 증가시키는 데 사용될 수 있다.
스택(410, 420)의 상이한 특징, 예컨대 중간 층과 제2 반사기의 반사율 및 인광체 밀도와 두께는 전방에서 투과된 광의 컬러에서 요구되는 밸런스를 생성하도록 조절될 수 있다. 예컨대, 블루 광이 스택(410) 상에 입사한다면, 스택을 직접 통과하는 블루 광의 양은 블루 광이 인광체 층(318) 내에서 장파장으로 변환되는 양에 부분적으로 의존한다. 따라서, 이는 인광체 밀도와 인광체 층(318)의 두께에 의존한다. 또한, 전방에서 투과되는 변환 광의 양은 인광체 층(318) 내에서 생성되는 변환 광의 양과 반투과 중간 층(320)에 의해 반사된 변환 광의 양에 의존한다. 따라서, 스택 내에 존재하는 인광체의 양 및/또는 반투과 중간 층의 반사율을 조절하면 설계자는 변환 광과 블루 광의 상대량을 조절하여 요구되는 컬러 밸런스를 달성할 수 있다. 제2 반사기 층(322)을 사용하면 스택(420)을 통해 투과되는 블루 광의 양과 인광체 변환에 의해 생성되는 광의 양을 조절하도록 선택될 수 있는 추가 파라미터를 제공한다.
본 발명은 다중 LED를 사용하는 광원에 관한 것이다. LED는 규칙적인 어레이로 제공될 수 있다. 2 x 2 어레이가 이하의 논의에서 설명되지만, 본 발명은 다른 수의 LED와 다른 크기의 어레이를 포함하는 것으로 의도된다는 것을 이해할 것이다. 도6은 다중 LED 광원(600)의 분해도를 도시하는 개략도이다. 도7a 및 도7b에 상세히 도시된 반사 커플러 시트(602)는 시트(602)를 통해 구멍 내에 형성된 반사 커플러(604)의 어레이를 포함한다. 하부 표면(606) 상의 반사 커플러(604)에 대한 입력부는 LED의 외형과 인광체 패치에 정합하는 형상일 수 있는 한편, 상부 표면(608) 상의 반사 커플러(604)로부터의 출력부는 광섬유에 대한 입력부에 정합하는 형상일 수 있다. 반사 커플러 시트(602)는 반사 커플러가 형성되는 구멍을 갖는 단일편으로 성형될 수 있다. 그 다음, 구멍의 측벽에는 반사 커플러(604)를 형성하도록 예컨대 알루미늄 코팅인 반사 코팅이 제공될 수 있다.
중간 층(612)을 포함하는 중간 부품이 도8에 상세히 도시된다. 중간 층(612)에는 일측에 다수의 인광체 패치(614)가 제공된다. 인광체 패치(614)는 요구되는 형상 및 두께를 갖는 중간 층(612) 상에 배열될 수 있고, 반사 커플러 시트 상에 반사 커플러(604)의 패턴과 유사한 패턴을 형성할 수 있다. 중간 층(612)은 반투과성이거나 또는 반투과성이 아닐 수 있다.
인광체 패치(614)는 다른 방식으로 구성될 수 있다. 예컨대, 패치(614)는 중간 층(612)의 표면 상에 설정되거나 또는 경화된 교결제 내에 배치된 인광체 입자를 포함할 수 있다. 인광체 입자는 예컨대 전술된 바와 같이 무기계 또는 유기계 인광체인 임의의 적절한 유형의 인광체 재료로 형성될 수 있다. 적절한 교결제 재료는 NOA81[미국 뉴저지주 소재의 놀란드 프로덕츠 인크.(Norland Products Inc.)] 등의 투명 광학 접착제를 포함할 수 있다.
인광체 패치(614)는 다른 방법을 사용하여 중간 층(612) 상에 배치될 수 있다. 예컨대, 인광체 패치(614)는 실크 스크린 방법 등의 스크린 인쇄 방법을 사용하여 중간 층(612) 상에 인쇄될 수 있다. 중간 층(612) 상에 인광체 패치(614)를 배치하기 위해 사용될 수 있는 다른 접근법은 리소그래피 공정, 주조, 용사(spraying) 등을 포함한다. 리소그래피 공정의 일 예는 포토리소그래피 공정이 다. 주조 공정의 일 예는 패치의 위치에 대응하는 리세스를 갖는 플래튼을 갖는 것이다. 리세스는 인광체 포함 재료로 채워진 다음, 플래튼이 중간 층의 표면에 대해 압박된다. 용사 공정의 일 예는 잉크젯 인쇄이다. 인광체 패치(614)는 필요한 경우 인쇄 후에 중간 층(612) 상에 경화될 수 있다.
LED 부조립체(622)는 표면에 장착된 LED(626)로 그리고 이로부터 전류를 제공하는 전기 도전체를 운반하도록 가요성 회로를 사용하여 형성된 기판(624)을 포함할 수 있다. 예컨대, 가요성 회로는 2003년 12월 2일 출원된 발명의 명칭이 "조명 조립체"인 미국 출원 제10/727,220호 또는 미국 특허 제5,227,008호에 더욱 설명될 수 있다.
LED(626)는 원래의 다이로서 제공될 수 있거나 또는 다이는 캡슐화될 수 있다. 또한, LED 부조립체(622)는 기판(624)과 중간 층(612) 사이에 LED(626)에 대한 공간을 제공하도록 격리부(628)를 가질 수 있다. 격리부는 적어도 LED(626)의 높이이며, LED(626)보다 높을 수 있다. LED(626)가 상부 와이어 본드를 갖는 경우, 격리부도 LED(626)의 상부에 와이어 본드를 위한 공간을 제공할 수 있다. 와이어 본드는 기판(624)의 상부 표면 상에서 도전체에 연결될 수 있다. 다른 형상과 구성의 격리부가 사용될 수 있다. 예컨대, 격리부(628)는 도시된 바와 같이 테이퍼질 수 있거나 평행한 측부를 가질 수 있다. 격리부(628)는 원형 단면을 갖거나 다른 형상을 취할 수 있다. 또한, 격리부(628)는 도시된 것과 다른 패턴으로 기판(624) 상에 위치될 수 있다. 격리부는 선택적으로 인광체 패치(614)에 대향된 측부 상에서 필름(612) 상에 위치될 수 있다. 격리부는 인광체 패치 및/또는 커플 러에 대한 LED의 횡방향 정렬을 보조하도록 대향 표면 상의 리세스에 맞물릴 수 있다.
다중 LED 광원의 제조 방법은 다음과 같다. 반사 커플러 시트(602)가 완성되고 중간 층(612)에 인광체 패치(614)가 제공되면, 시트(602)와 중간 층(612)이 함께 접합된다. 인광체 패치(614)는 개별 반사 커플러(604)의 구멍에 정합되고, 예컨대 도2 및 도3에 도시된 바와 같이 개별 커플러(604)의 구멍 내로 사실상 연장될 수 있다. 중간 층(612)과 커플러 시트(602)는 임의의 적절한 기술을 사용하여 접합될 수 있다. 예컨대, 중간 층(612)과 커플러 시트(602)는 에폭시를 사용하여 함께 접합될 수 있다. 도9에 도시된 바와 같이 반사 커플러 시트(602)와 중간 층(612)을 포함하는 접합된 부조립체(902)는 비교적 강성일 수 있으며, 이는 후속 조립 단계에서 부조립체(902)의 취급을 용이하게 한다.
그 다음, 부조립체(902)는 LED 부조립체(622)에 접합된다. 이는 다양한 다른 방법을 사용하여 수행될 수 있다. 예컨대, 에폭시의 구역은 격리부(628)에, 에폭시에 장착된 부조립체는 격리부 상에 적용될 수 있다. 다른 접근법에서, 에폭시 등의 여분의 캡슐제가 LED(626)의 상부에 추가될 수도 있다.
인광체 패치(614)와 반사 커플러(604)에 대한 LED(626)의 횡방향 정렬을 달성하도록 다른 기술이 사용될 수 있다. 하나의 접근법은 LED(626)를 조명하고 커플러 시트(602)를 통해 투과되는 광을 모니터링하는 것이다. LED(626)와 부조립체 사이의 바람직한 정렬은 커플러 시트(602)를 통해 투과된 광량이 최대화될 때 달성된다.
층(612, 622) 사이의 공간 내에 먼지, 오물 등이 진입하는 것을 방지하도록, 도10에 개략적으로 도시된 바와 같이 예컨대 에폭시의 비드인 밀봉부(1004)가 조립된 광원(1002)의 둘레에 제공될 수 있다. 밀봉부(1004)는 층(612, 622) 사이의 공간도 완전히 채울 수도 있다.
조립된 광원(1002)은 블루 또는 UV LED의 어레이를 사용하여 유도 화이트 광을 생성한다. 광섬유는 반사 커플러 시트(602) 상의 개별 개구에 커플링되어, 조명을 위해 요구되는 위치로 광이 안내될 수 있다.
광원(1002)은 단파장 LED로부터 효율적인 유도 화이트 또는 광대역 광원의 비용 효율적인 조립을 허용한다. 다중 LED를 덮도록 큰 시트 내의 중간 층을 사용하면 LED 자체에 인광체 재료를 직접 인쇄하는 복잡한 공정을 회피하며, 인광체 패치에 끼워지는 작은 구역으로 시트를 절단할 필요도 없다. 또한, 중간 층에는 파장 변환 효율을 증가시키기 위한 반사 특성이 제공될 수 있다. 또한, 인접 LED 사이의 중간 층의 여분의 재료 비용이 낮아서, 중간 층의 추가는 광원에 사용되는 재료비를 사실상 증가시키지 않는다. 따라서, 중간 층은 낮은 가격을 유지하며 광원의 조립을 간단하게 한다. 따라서, 접합 및 정렬 단계는 LED의 상부에 접합된 와이어 등의 관련 영역에 대한 상당한 스트레스 없이 강성이며 캡슐화된 조립체가 되게 한다.
본 발명은 상기 특정 예로 제한되는 것은 아니며, 첨부된 청구의 범위에 제시된 바와 같이 본 발명의 모든 태양을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 다양한 변형예, 균등 공정과, 본 발명이 적용 가능한 많은 구조물들은 본 명세서를 검토할 때 본 발명에 관한 본 분야의 당업자에게 명백할 것이다. 청구의 범위는 이러한 변형예와 장치를 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (39)

  1. LED 광을 방사할 수 있는 발광 다이오드(LED)와,
    개별 LED 다이로부터의 광을 커플링하기 위한 광학 커플러와,
    광학 커플러로 전파되는 LED 광의 적어도 일부를 개별 LED 다이로부터 변환하도록 LED 다이와 광학 커플러 사이에 배치된 인광체 패치와,
    LED 다이와 인광체 패치 사이에 배치되고, LED 광을 투과하고 인광체 패치 내에서 변환된 광을 반사하고, LED 다이에 대면하는 제1 측부와 커플러에 대면하는 제2 측부를 갖는 중간 층을 포함하며,
    인광체 패치는 중간 층의 제2 측부 상에 배치된 광원.
  2. 제1항에 있어서, LED 다이는 규칙적인 어레이로 배열되는 광원.
  3. 제1항에 있어서, LED 다이는 캡슐화된 광원.
  4. 제1항에 있어서, LED 다이는 기판 상에 배치된 광원.
  5. 제4항에 있어서, 중간 층과 기판 사이에 배치된 적어도 하나의 격리부를 더 포함하는 광원.
  6. 제1항에 있어서, 커플러는 커플러 시트를 통해 구멍에 의해 형성된 반사 커플러이고, 구멍은 반사 측벽을 갖는 광원.
  7. 제6항에 있어서, 인광체 패치는 개별 구멍에 정합되는 광원.
  8. 제6항에 있어서, 인광체 패치는 중간 층으로부터 구멍 내로 연장되는 광원.
  9. 제1항에 있어서, 인광체 층을 통과한 LED 광을 다시 인광체 층으로 반사하도록 배치된 반사 층을 더 포함하는 광원.
  10. 제1항에 있어서, 개별 커플러로부터 광을 수용하도록 배치된 일 세트의 광섬유를 더 포함하는 광원.
  11. 제1항에 있어서, 복수의 LED 다이에 전류를 제공하도록 연결된 전원을 더 포함하는 광원.
  12. LED 광을 생성하는 2개 이상의 발광 다이오드(LED) 다이와,
    LED 다이로부터 광을 커플링하기 위한 2개 이상의 개별 커플러와,
    LED 다이와 커플러 사이에 배치되고 LED 광에 대해 사실상 투명한 중간 층과,
    LED 광의 적어도 일부를 파장 변환 광으로 변환하기 위해 중간 층과 커플러 사이에 중간 층 상에 배치된 인광체 층을 포함하는 광원.
  13. 제12항에 있어서, LED 다이는 규칙적인 어레이로 배열되는 광원.
  14. 제12항에 있어서, LED 다이는 캡슐화된 광원.
  15. 제12항에 있어서, LED 다이는 기판 상에 배치된 광원.
  16. 제15항에 있어서, 중간 층과 기판 사이에 배치된 적어도 하나의 격리부를 더 포함하는 광원.
  17. 제12항에 있어서, 커플러는 커플러 시트를 통해 구멍에 의해 형성된 반사 커플러이고, 구멍은 반사 측벽을 갖는 광원.
  18. 제12항에 있어서, 인광체 층은 중간 층 상에 분포된 인광체 포함 재료의 패치로서 제공되고, 패치는 LED 다이에 의해 조명되는 중간 층의 영역에 대응하는 위치에 위치되는 광원.
  19. 제18항에 있어서, 커플러는 구멍 시트를 통해 구멍 내에 형성되고, 패치는 구멍에 정합되는 광원.
  20. 제19항에 있어서, 인광체 포함 재료의 패치는 중간 층으로부터 구멍 내로 연장되는 광원.
  21. 제19항에 있어서, 중간 층은 파장 변환 광을 반사하는 광원.
  22. 제19항에 있어서, 인광체 층을 통과한 LED 광을 다시 인광체 층으로 반사하도록 배치된 반사 층을 더 포함하는 광원
  23. 제12항에 있어서, 중간 층은 변환 광을 반사하는 광원.
  24. 제12항에 있어서, 개별 광학 커플러로부터 광을 수용하도록 배치된 일 세트의 광섬유를 더 포함하는 광원.
  25. 제12항에 있어서, LED 다이에 전류를 제공하도록 연결된 전원을 더 포함하는 광원.
  26. LED 광을 방사할 수 있는 복수의 발광 다이오드(LED)와,
    LED 다이 위에 배치되고, 제1 층을 통해 제1 층의 제1 측부로부터 제1 층의 제2 측부로 전파되는 LED 광에 대해 사실상 투명한 제1 층과,
    제1 층의 제2 측부 상에 배치된 인광체 층을 포함하는 광원.
  27. 제26항에 있어서, LED 다이는 규칙적인 어레이로 배열되는 광원.
  28. 제26항에 있어서, 인광체 층은 제1 층 상에 분포된 인광체 포함 재료의 패치로서 제공되고, 패치는 LED 다이에 의해 조명되는 제1 층의 영역에 대응하는 위치에 위치되는 광원.
  29. 제26항에 있어서, 제1 층은 인광체 층에 의해 변환된 광을 LED 광의 파장보다 장파장으로 반사하는 광원.
  30. 제26항에 있어서, 인광체 층을 통과한 LED 광을 다시 인광체 층으로 반사하도록 배치된 반사 층을 더 포함하는 광원.
  31. 제26항에 있어서, LED 다이는 기판 상에 배열된 광원.
  32. 제31항에 있어서, 기판과 제1 층 사이에 적어도 하나의 격리부를 더 포함하는 광원.
  33. 광원의 조립 방법이며,
    LED 광을 방사할 수 있는 복수의 발광 다이오드(LED)를 제공하는 단계와,
    LED 광에 대해 사실상 투명한 제1 층 상에 인광체 층을 배치하는 단계와,
    LED 광이 제1 층을 통해 LED 다이로부터 인광체 층으로 지나가도록 LED 다이 위에 제1 층과 인광체 층을 위치 결정하는 단계를 포함하는 광원 조립 방법.
  34. 제33항에 있어서, 제1 층 상에 인광체 층을 배치하는 단계는 패치로서 인광체 층을 제1 층의 표면 상에 배치하는 것을 포함하고, 제1 층 상의 패치의 위치는 광이 LED 다이로부터 제1 층을 통해 지나가는 영역에 대응하는 광원 조립 방법.
  35. 제33항에 있어서, 복수의 LED 다이를 제공하는 단계는 규칙적인 어레이 패턴으로 LED 다이를 배열하는 것을 포함하는 광원 조립 방법.
  36. 제33항에 있어서, 복수의 LED 다이를 제공하는 단계는 LED 조립체 상에 복수의 LED 다이를 제공하는 것을 포함하고, 제1 층에 LED 부조립체를 부착하는 것을 더 포함하는 광원 조립 방법.
  37. 제36항에 있어서, LED 부조립체와 제1 층 중 하나는 복수의 격리부를 포함하고, 제1 층에 LED 부조립체를 부착하는 것은 LED 부조립체와 제1 층 중 다른 것에 격리부를 부착하는 것을 포함하는 광원 조립 방법.
  38. 제33항에 있어서, 중간 층을 제공하는 것은 LED 광을 투과하고 인광체 층 내에서 변환된 파장의 광을 반사하는 중간 층을 제공하는 것을 포함하는 광원 조립 방법.
  39. 제33항에 있어서, 인광체 층을 통과한 LED 광을 다시 인광체 층으로 반사하도록 반사기 층을 제공하는 것을 더 포함하는 광원 조립 방법.
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