KR20070003855A - 발광체 - Google Patents

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Abstract

발광체, 특히 일반 조명용 또는 디스플레이의 배경 조명용 평면 조명 장치 형태의 발광체가 개시되는데, 이 발광체는 하우징(10), 특히 광 도파로 플레이트(1) 내에 배치된 복수의 광원(2), 예컨대 LED 소자를 포함한다. 광 도파로 플레이트(1)는 제1 광 산란력을 가지는 제1 광 매체(1)를 형성하며, 광원(2)으로부터의 빛이 제1 광 매체(1)로 커플링된다. 또한, 제2 광 산란력을 가지는 적어도 하나의 제2 광 매체(5)가 제공되어, 제2 광 매체(5) 내에서 전파하는 빛이 제1 광 매체(1)로부터 적어도 실질적으로 커플링되도록 하고, 매체들 중 적어도 하나의 산란력은 하우징 내의 빛의 흐름에 영향을 미칠 목적으로 선택되어, 발광면(4) 상의 빛의 소정의 밝기 분포가 얻어지도록 한다.
발광체, 평면 조명 장치, 광 가이드, 커플링

Description

발광체 {LUMINOUS BODY}
본 발명은 발광체(luminous body), 특히 일반 조명용 또는 디스플레이의 배경 조명(backlighting)용 평면 조명 장치 형태의 발광체에 관한 것으로서, 이 발광체는 하우징, 특히 광 도파로 플레이트(optical waveguide plate) 내에 배치된 복수의 광원, 예컨대 LED 소자를 포함한다.
바람직하게는 발광체는 평면에서 연장되는 평면 조명 장치를 구현하기 위하여 표면 중 적어도 하나 위로 연장하는 발광면{커플링 아웃 층(coupling-out layer)}과 함께 사용된다. 이후 발광체 내 선형 광원 및 점 형상의 광원에 의해 빛이 생성될 수 있다. 특히, LED 소자와 형광등이 사용될 수 있다.
이러한 발광체를 특정 치수로 만드는(dimensioning) 목적은 가능한 한 높은 효율, 즉 발광체 내에서의 가능한 한 낮은 반사 손실을 달성하고자 하는 것 뿐만 아니라, 발광면에 걸쳐 가능한 한 균등한 광도(luminous intensity)의 분포를 달성하고자 하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 발광체의 다양한 실시예와, 특히 하우징 내 또는 광 도파로 플레이트에서의 광원의 다양한 배치가 공지되어 있다.
따라서, 예컨대 광원을 광 도파로 플레이트의 측벽을 따라 배치{측면 발광 배치(side-lit arrangement)}하여 빛이 플레이트로 커플링되어 들어가고 광 도파로 플레이트에 수직인 측면 및 주요면(main surface)에 대하여 전반사하여 플레이트 내에서 전파되도록 하는 것이 공지되어 있다. 주요면 중 하나에서의 커플링 아웃 층은 빛이 외부로 방사되게 한다.
또한, 광 도파로 플레이트 내에, 각각이 광원을 포함하는 복수의 공동(cavity)을 제공하는 것이 공지되어 있다. 공동 각각은 측벽과 광 도파로 플레이트의 발광면을 향하는 상측면을 가진다. 각각의 공동의 상측면은 반사층으로 덮여, 공동 내 존재하는 광원에 의해 발생된 빛이 공동의 측벽을 통해 배타적으로 광 도파로 플레이트로 커플링된다{공동 발광 배치(cavity-lit arrangement)}. 대안적으로, 광 도파로 플레이트의 발광면에 평행한 방향으로 배타적으로 빛을 방사하는 광원이 사용될 수 있다. 이러한 배치로, 발광체의 발광면 상에서 각각의 개별 광원의 빛의 비교적 균질한 혼합 및 분포가 달성될 수 있으며, 따라서 균등한 조명이 얻어질 수 있다.
마지막으로, 소위 직접 발광 배치(direct-lit arrangement)가 공지되어 있는데, 여기서 개별 광원은 공통의 하우징에 삽입되며, 하우징의 측벽은 고도의 반사성 물질로 제조되거나 그러한 물질로 코팅되는 한편, 하우징의 상측면은 산광층(diffuser layer)으로 코팅되어, 광원으로부터의 빛이 비교적 균질하게 발광체의 산광층(발광면)을 떠나도록 한다.
이러한 배치들은 각각 다양한 장점 및 단점을 지닌다.
따라서, 전술한 측면 발광 배치에서 빛은 광 도파로 플레이트 내에서 교 란(disturbance) 없이 균등하게 전파되어, 발광면 상에서 빛을 비교적 균질하게 분포시킬 수 있으나, 제한된 수의 광원만이 광 도파로 플레이트의 가장자리를 따라 수용될 수 있기 때문에 달성 가능한 발광체의 밝기는 제한된다. 반면에, 공동 발광 배치와 직접 발광 배치에서는, 발광체의 표면적에 대하여 실질적으로 더 많은 수의 광원이 사용될 수 있으나, 달성된 광도가 발광면 상에서 충분히 높은 균질성, 또는 원하는 균질성을 수반함을 확실히 하기 위한 특별한 수단이 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은, 발광면의 특히 균질한 조명이 비교적 높은 광도와 함께 달성될 수 있는, 서두 단락에서 언급된 종류의 발광체를 제공하는 것이다.
또한, 발광면의 매우 균질한 조명이 작은 구조적 깊이(constructional depth)로도 달성될 수 있는, 서두 단락에서 언급된 종류의 발광체가 제공될 것이다.
마지막으로, 특히 발광체가 작은 구조적 깊이를 가지는 경우, 발광체의 발광면에서 개별 광원이 인식될 수 없거나, 또는 개별 광원이 매우 낮은 정도로 인식될 수 있는, 서두 단락에서 언급된 종류의 발광체가 제공될 것이다.
청구항 1에 따르면, 이러한 목적은 발광면을 가지는 하우징 및 하우징 내에 배치된 복수의 광원을 포함하는 발광체에 의해 달성되는데, 상기 하우징은 제1 광 산란력(optical scattering power)을 가지는, 광원의 빛이 커플링되어 들어가는 제1 광 매체(optical medium), 및 제2 광 산란력을 가지는 제2 광 매체를 포함하고, 제2 광 매체에서 전파하는 빛은 제1 광 매체로부터 제2 광 매체로 적어도 실질적으로 커플링되어 들어가며, 매체 중 적어도 하나의 산란력은 발광면 상에서 빛의 밝기 분포를 미리 정할 수 있도록 하우징에서의 빛의 흐름에 영향을 미칠 목적으로 선택된다.
이러한 해결책의 이점은, 광 산란 매체가 광원(또는 광원을 수용하기 위한 광 도파로 플레이트 내에 제공된 공동)에 의해 야기된 하우징 내 빛의 전파에서의 교란(보통 그늘진 광원 위의 발광면 상의 어두운 영역에 이르게 할 것임)을 실질적으로 완전히 보상할 수 있어, 실질적으로 균질한 광도 분포를 가지는 빛이 발광면에 도달하게 된다는 점이다.
따라서, 이러한 해결책의 원리는 공지기술에서처럼 광원으로부터 직접 나오는 빛이 균질하다는 점이 아니라, 광원(또는 공동) 영역 내 광 도파로 플레이트 내의 교란되거나 감소된 빛의 흐름이 관련 영역으로부터의 빛의 강화된 커플링 아웃에 의해 보상될 수 있다는 점이다.
이는 특히 작은 구조적 깊이의 발광체에서 이점이 있는데, 이러한 경우 광원으로부터 직접 나온 빛을 균질하게 하는 것이 특히 어렵기 때문이다.
또한, 광 산란 특성에 관하여 발광면 또는 커플링 아웃 층에 부과된 요구조건들이 그에 의해 실질적으로 감소될 수 있다.
따라서, 발광면 또는 커플링 아웃 층은 (예컨대, 밝고 어두운 영역으로) 실질적으로 배타적으로 원하는 광도의 분포 또는 변조를 생성하기 위해 작용할 수 있다.
따라서, 전체적으로, 본 발명에 따른 해결책은, 각각의 실질적인 단점들을 수용할 필요 없이, 발광면 상의 빛 분포의 균질성에 관하여 위에서 언급한 측면 발광 배치의 장점을 달성 가능한 높은 광도에 관한 공동 발광 배치 및 직접 발광 배치의 장점과 조합한다.
사용되는 광원은, 특히 LED 및/또는 형광등과 같은, 실질적으로 점 형상의 광원 및 선형 광원이거나, 두 종류의 광원의 혼합일 수 있다.
전술한 장점들은 특히 유색 광원(예컨대 유색 LED)이 사용될 때 충분히 발휘되는데, 이는 원하는 색 또는 혼합된 색이 매우 균질하고 균일하게 생성될 수 있기 때문이다.
종속항들은 본 발명의 바람직한 다른 실시예들에 관한 것이다.
청구항 2의 실시예는, 빛이 광원 중 하나로부터가 아니라 제1 광 매체로부터만 배타적으로 제2 광 매체로 커플링되어 들어갈 것이라는 특히 높은 수준의 확실성을 제공한다. 그에 의해, 특히 발광면 상에서 조금 더 밝은 영역의 형태로도 광원이 인식될 수 없게 된다.
또한, 청구항 3, 5 및 7의 실시예들에 의하면, 발광체의 효율을 높이는 것이 가능하다.
또한, 청구항 4, 6 및 7의 실시예들은 발광면 상의 빛 분포를 개선시킨다.
청구항 8 내지 10의 제2 광 매체의 실시예들은 발광면 상의 균질한, 또는 대안적으로 원하는, 아마도 비균질한 빛 분포에 관한 산란력의 최적화를 가능하게 한다.
본 발명의 다른 상세한 내용, 특징 및 장점들은 도면을 참조하여 주어지는 바람직한 실시예들의 이하의 설명으로부터 명확하게 될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 발광체의 도식적인 단면도.
도 2는 도 1의 발광체의 도식적인 평면도.
도 1은 실질적으로 평평한 또는 평면의 광원 형태를 가지는, 본 발명에 따른 발광체의 도식적인 단면도이다.
발광체는 하우징(10)을 포함하며, 하우징(10)의 벽은 바람직하게는 고도의 난반사성 물질(diffusely highly reflective material)로 코팅된다.
하우징(10) 내부에는 제1 광 산란력을 가지는 제1 광 매체를 형성하는 광 도파로 플레이트(1)가 존재한다. 광 도파로 플레이트(1)는, 예컨대 플렉시 유리(plexiglas)로 만들어지고, 예컨대 약 10 내지 15㎜의 깊이(두께)와 발광체의 원하는 치수에 대응하는 길이 및 폭을 가진다. 광 도파로 플레이트(1) 대신에, 제1 광 매체는 대안적으로 공기 또는 기타 기체일 수 있다.
빛은 발광면(4)에서 나오며, 발광면(4)은 산란 커플링 아웃 층을 가지고 하우징(10)을 상측면에서 마감한다.
바람직하게는 에어 갭(air gap)이 상측면에 대응하는 광 도파로 플레이트(1)의 하측면{후벽(rear wall; 7)}과 하우징(10)의 바닥 사이에 존재하여 빛이 그 안에서 전반사되도록 한다.
복수의 광원(2)은 후벽(7)으로 오목하게 들어간다(recessed). 광원(2)은 후 벽(7)에 고정되고, 통상의 방식으로 접촉된다. 광원(2)은 모든 방향으로 빛을 방사하거나, 실질적으로 측방향(lateral direction)으로만, 즉 광 도파로 플레이트(1) 또는 발광면(4)과 평행하게 빛을 방사하도록 구성된다.
광원(2)은 실질적으로 점 형상이며, 바람직하게는 발광 다이오드(LED)를 형성하는데, 예컨대 전력 등급이 1 및 5W이고 색이 청색, 녹색, 적색 및 백색인 LED가 공지되어 있으며 사용될 수 있다. 대안적으로, 또는 이에 더하여 선형 광원도 사용될 수 있다.
광원(2)을 수용하기 위해 복수의 공동(8)이 광 도파로 플레이트(1)에 제공된다.
도 1로부터 명백한 바와 같이, 바람직하게는 제1 광 매체(1)의 제1 산란력보다 높은 제2 광 산란력을 가지는 제2 광 매체(5)가 각각의 공동(8)과 발광면(4) 사이의 공간에 존재한다.
제2 광 매체(5)는 입사광을 난반사시키는 물질로 만들어진다. 제2 광 매체의 산란력 때문에 제2 광 매체(5)가 배치된 각각의 공동(8)에 의해 야기된 광 도파로 플레이트(1) 내 빛의 흐름의 감소를 보상하도록 제2 광 매체의 물질이 배치되고 그 치수가 선택된다. 즉, 제2 광 매체(5)는 각각의 공동(8) 위의 영역에서 발광면(4) 상의 빛의 입사를 증가시켜, 빛의 이러한 입사가 발광면(4) 상의 균질 또는 균일한 밝기 분포가 이루어지는 다른 영역에서의 빛의 입사에 대응하도록 한다.
따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 비교적 작은 크기의 비교적 강하게 산란하는 제2 광 매체(5) 또는 비교적 큰 크기의 (여전히 제1 광 매체(1)보다는 강하게 산란하지만) 비교적 약하게 산란하는 제2 광 매체(5)가 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제2 광 매체(5)는 바람직하게는 발광면(4)을 향하는 각각의 공동(8)의 전체 표면 위로 연장된다.
제2 광 매체(5)의 광 산란 특성은, 예컨대 굴절률이 매체(5)의 나머지 물질의 굴절률과 다른 속이 빈 구체(hollow globule)와 같은 산란 입자의 분산(dispersion)을 포함한다는 점에서 달성될 수 있다.
제2 광 매체(5)의 산란 특성은 광 도파로 플레이트와 공동을, 제조되는 물질과 입자의 크기, 즉 제2 광 매체(5) 내 그것들의 밀도 또는 수 및 굴절률의 적절한 선택을 통해 비교적 단순한 방식으로 주어진 치수로 만드는 것으로 최적화될 수 있어, 발광면(4) 상의 광도의 원하는 분포(균질하거나, 또는 균질하지 않거나)가 얻어진다.
또한, 광 산란 제2 광 매체(5)는 레이저 조판(laser engraving)을 통해서 생성될 수도 있는데, 여기서 적어도 하나의 레이저 광선의 초점은 소정의 방식으로 특정 위치에서 제2 매체(5)의 물질을 변화시켜, 원하는 방식으로 산란 특성이 생성되게 한다.
전술한 바와 같이, 제2 광 매체(5)에 의하여 광원(2)을 수용하는 공동(8)으로부터의 빛의 커플링 아웃이 실질적으로 증가되어, 공동(8)을 통한 빛의 흐름의 감소가 보상될 수 있다.
이상의 논의에 따라 제2 광 매체(5)를 적절히 선택하면, 보통 광 분포의 균질화를 위해 작용하는 커플링 아웃 층 또는 발광면(4)의 변조가 상당히 감소되거나 심지어 제거될 수 있으며, 이는 발광체의 제조 비용을 감소시킬 수도 있다.
반면에, 커플링 아웃 층 또는 발광면(4)의 변조를 통해 실질적으로 단순한 방식으로 소정의 (비균질의) 광 분포가 생성될 수 있다.
마찬가지로, 공동(8)의(즉, 광원(2)의) 영역이 주변보다 발광면(4)에서 밝게 보이는 제2 광 매체(5)의 광 산란 특성을 적절히 선택함으로써 소정의 광 분포가 달성될 수 있다. 대안적으로, 이러한 영역은, 예컨대 제2 광 매체(5)의 산란력이 제1 광 매체(1)의 산란력보다 낮은 경우, 더 어둡게 보이도록 만들어질 수도 있다.
또 다른 대안은 개별 또는 전체 제2 광 매체(5)의 광 산란 특성이 전기적으로 제어되어, 이러한 방식으로 특정 조명 효과가 얻어질 수 있다는 것이다. 예를 들어, 사용자가 밝은 점선 또는 원을 포함하는 약한 발광면과 균질한 발광면 사이에서 이러한 방식으로 바꿀 수 있다.
발광면(4)(맞은 편)을 향하는 공동(8)의 표면은, 광원(2)으로부터 나온 빛이 제2 광 매체(5)를 직접 비출 수 없으나, 층(3)으로부터 공동(8)으로, 그리고 제1 광 매체(1)(광 도파로 플레이트)로 반사되며, 부분적으로 제2 광 매체(5)로 들어가도록 치수가 정해진 반사층(3)을 각각 가진다.
층(3)은 바람직하게는 광원(2)을 향하는 쪽에서 뿐만 아니라 다른 쪽에서도 반사하여 빛의 흐름을 더 개선한다. 또한, 층(3)은 제2 광 매체(5) 상에 직접 제공될 수도 있다.
발광체의 발광면(4)은, 예컨대 반투명한, 확산 산란 플레이트(diffusely scattering plate){산광 플레이트(diffuser plate)}에 의해 형성되며, 플레이트의 투과율은 바람직하게는 50% 미만이나, 발생된 빛의 소정의 밝기 분포를 얻기 위해 국부적으로 가변적일 수도 있다.
도 2는 광원(이 경우에는 제2 광 매체(5))의 배치가 보이도록 커플링 아웃 층 또는 발광면(4)이 제거된 발광체의 평면도이다.
이 도면으로부터 명백한 바와 같이, 광원은 후벽(7)에 규칙적으로 배치되고, 그 간격은, 전술한 LED가 사용되는 경우 바람직하게는 약 1 내지 5㎝ 사이이다.
이 배치에 의해, 예컨대 10 내지 15㎜의 작은 구조적 깊이(즉, 후벽(7)과 발광면(4) 사이의 거리)와, 예컨대 1 내지 5㎝의 비교적 큰 개별 광원(2) 사이의 거리의 경우에도 발광면(4) 상에서 매우 균일한 광 분포를 가지는 평면 방사체를 구현할 수 있다. 실험에 따르면, 10%보다 훨씬 낮은 발광면(4) 상의 빛의 평균 광도 편차가 아무 문제 없이 획득될 수 있다. 특히, 개별 LED 사이의 거리는 발광체의 구조적 깊이의 약 2.5 내지 5배가 될 수 있다.
공동(8)으로부터의 빛의 측방향 방사는, 제1 광 매체로 기체가 사용되는 경우, 즉 언제나 큰 입사각을 가지는 경우, 방사된 빛이 주로 후벽(7)의 상측면과 발광면(4)의 하측면에서 반사되어, 특히 낮은 반사 손실이 발생하게 하며, 이러한 경우 제2 광 매체(5)에 의해 발광면(4)에서의 높은 균질성 및 발광체의 높은 효율이 얻어진다.
실험에 따르면, 상업적으로 이용 가능한 LED로 20,000㏅/㎡에 이르는 발광체의 휘도 값(luminance value)을 획득할 수 있다. 1W 전력의 공지된 백색 LED가 사용되는 경우, 이 휘도 값은 약 4,000㏅/㎡이다.
이는 약 800 내지 3,000㏅/㎡ 사이의 내부 조명을 위한 발광 타일(light tile)의 통상의 요구 조건을 아무 문제 없이 만족시킬 수 있다. 이는 통상적으로 5,000 내지 15,000㏅/㎡이 요구되는 LCD 스크린의 배경 조명이나, 광선치료법(phototherapy)에도 응용될 수 있다.
본 발명에 따른 발광체는 실질적으로 원하는 대로 치수가 정해질 수 있다. 즉, 실질적으로 임의의 크기의 발광면이 구현될 수 있다. 개별 광원 사이의 광도 차이는 양호한 측방향 광 분포에 의해 평균화될 수 있다. 예컨대 적색, 녹색, 청색 또는 백색광을 가지는, 상이한 색의 광원의 규칙적인 배열에 의해, 제어 가능한 색 혼합이 획득될 수 있다.
청색광을 가지는 광원이 사용되는 경우, 발광면(4)에는 청색광을 부분적으로 더 긴 파장의 빛으로 변환하는 색 변환 인광체(color conversion phosphor)가 제공된다.
이러한 방식으로, 색 변환에 사용되는 인광체를 광원, 특히 LED로 도입하지 않고도 실질적으로 임의의 색의 광원이 구현될 수 있다. 따라서, 특히 고밀도 LED(highly loaded LED)에서, 수명 및 에피커시(efficacy) 문제가 회피될 수 있다.
또한, 발광면(4)의 단순한 교체를 통해 빛의 색이 변경될 수 있다.
발광체의 공간적 방사 특성은 발광면(4)의 형상 및 기울기(gradient)에 의해 실질적으로 정해지며, 보통 램버트 타입(Lambert-type) 특성을 가진다.
또한, 발광면(4)은 소정의 각도 영역에서만 빛을 투과시키고 다른 각도 영역에서는 빛을 반사시키는 광 박막(optical foil)으로 코팅되어, 상이한 방사 특성을 가지는 평면 광원이, 예컨대 특정 응용(책상 조명)을 위해 구현될 수 있다. 투과되지 않은 빛은 손실되지 않고 발광체로 다시 반사된다.
마지막으로, 예컨대 LCD TV 디스플레이에서 사용하기 위하여, LED의 개별 그룹 또는 스트립(strip)을 (순차적으로) 켜고 끔으로써 움직이는 배경 조명 효과(moving background lighting effect)가 실현될 수 있다.

Claims (10)

  1. 발광면(4)을 가지는 하우징(10) 및 상기 하우징(10) 내에 배열된 복수의 광원(2)을 포함하는 발광체로서,
    상기 하우징(10)은, 상기 광원(2)의 빛이 커플링되어 들어가는, 제1 광 산란력을 가지는 제1 광 매체(1)와 제2 광 산란력을 가지는 제2 광 매체(5)를 포함하여, 상기 제2 광 매체(5) 내에서 전파하는 빛은 상기 제1 광 매체(1)로부터 상기 제2 광 매체(5)로 적어도 실질적으로 커플링되어 들어가고,
    상기 매체들 중 적어도 하나의 산란력은 상기 하우징(10) 내에서의 빛의 흐름에 영향을 미칠 목적으로 선택되어, 상기 발광면(4) 상에서의 빛의 선정된 밝기 분포(predefinable brightness distribution)가 달성되도록 하는 발광체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 광 매체(5)가 광원(2)에서 나온 빛의 직접 입사에 대하여 적어도 실질적으로 차폐되는 적어도 하나의 층(3)을 구비하는 발광체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 층(3)은 양 면에서 반사하는 층인 발광체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 광 매체(5)는 적어도 하나의 광원(2)과 상기 발광면(4) 사이의 영역에 도입되는 발광체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광 매체는 광 도파로 플레이트(1)이고, 상기 광원(2)은 상기 광 도파로 플레이트(1)의 적어도 하나의 공동(8) 내에 배치되는 발광체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 광 매체(5)의 산란력은 상기 제1 광 매체(1)에 제공된 적어도 하나의 공동(8)에 의해 야기된 상기 제1 광 매체(1) 내 빛의 흐름의 감소를 적어도 실질적으로 보상하도록 선택되는 발광체.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 광 매체(5)는 적어도 하나의 공동(8)과 상기 발광면(4) 사이의 적어도 하나의 영역에 도입되는 발광체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 광 매체(5)는 광 산란 입자를 포함하는 발광체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광 산란 입자는 주변 물질의 광 굴절률과 다른 광 굴절률을 가지는 구체(globule)인 발광체.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 광 산란 입자는 적어도 하나의 레이저 광선의 작용에 의해 야기된 물질 변화에 의해 생성되는 영역인 발광체.
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