KR20070108549A - 광 도파관 - Google Patents

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KR20070108549A
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스테판 그뢰쉬
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오스람 옵토 세미컨덕터스 게엠베하
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Abstract

본 발명은 광 도파관(10)에 관한 것이다. 상기 광 도파관(10)은 평탄하지 않은 광 입사면(6) 그리고 평탄한 측면(4)을 가지며, 상기 평탄한 측면은 상기 광 입사면(6) 바로 다음에 배치되어 있다. 본 발명은 또한 상기와 같은 광 도파관(10)을 구비한 광전자 부품에 관한 것이다.

Description

광 도파관 {LIGHT WAVEGUIDE}
본 발명은 광 도파관에 관한 것이다. 본 발명은 또한 광전자 부품에 관한 것이다.
간행물 US 4,765,718호는 광 도파관을 기술한다.
해결해야 할 과제는, 전자기 방사선을 특히 손실 없이 가이드 할 수 있는 광 도파관을 제공하는 것이다. 해결해야 할 추가의 과제는, 상기와 같은 광 도파관을 구비한 광전자 부품을 제공하는 것이다.
본 발명은 광 도파관에 관한 것이다. 광 도파관이란 전자기 방사선을 한 장소로부터 다른 한 장소로 가이드 하기에 적합한 광학 소자를 의미한다. 본 발명에서 전자기 방사선의 가이드는 바람직하게 광 도파관을 제한하는 측면에서의 반사에 의하여 이루어진다.
광 도파관의 적어도 한 실시예에 따르면, 광 도파관은 평탄하지 않은 광 유입면을 갖는다. 이 경우 광 유입면이란 전자기 방사선을 광 도파관에 결합시키기 위하여 제공된 광 도파관의 표면 부분을 의미한다. 예를 들어 광 유입면 근처에는 전자기 방사선을 형성하기에 적합한 방사선원이 배치될 수 있다. 상기 방사선원에 의해서 방출되는 전자기 방사선의 적어도 한 부분은 광 유입면을 통과하여 광 도파관 내부로 유입되고, 광 도파관에 의해서 상기 광 유입면으로부터 멀어지는 방향으로 가이드 된다. 광 유입면은 평탄하지 않은 것이 바람직하다. 이 경우 상기 광 유입면의 비평탄성은 거시적 비평탄성과 관련이 있다. 특히, 광 유입면은 평탄한 면으로 형성되지 않고, 오히려 예를 들면 적어도 하나의 거시적인 함몰부 및/또는 거시적인 융기부를 갖는다.
광 유입면의 비평탄성은 바람직하게 광 도파관 내부로의 광 유입이 상기 비평탄성으로 인하여 개선되도록 선택되었다. 예컨대 이와 같은 내용이 의미하는 바는, 방사선원에 의해서 발생되는 전자기 방사선은 광 유입면이 평탄한 경우보다 더 큰 부분이 광 도파관 내부로 유입될 수 있다는 것이다. 상기와 같은 내용의 또 다른 의미는, 광 도파관 내부로 유입되는 전자기 방사선의 방향이 상기 광 유입면의 비평탄성으로 인하여 적어도 부분적으로 변동될 수 있다는 것이다. 그럼으로써, 예를 들어 유입된 방사선은 광 도파관 내부에 더 오랫동안 머무르게 되고, 광 유입면 바로 근처에서는 재차 상기 광 도파관으로부터 벗어나지 않게 된다. 이 경우 광 도파관은 바람직하게 단 하나의 광 유입면을 갖는다.
광 도파관의 적어도 한 실시예에 따르면, 광 도파관은 측면을 갖는다. 이 경우 측면이란 광 도파관을 측면에서 제한하는 광 도파관의 표면 부분으로 이해할 수 있다. 광 도파관 내부에 유입되어 한 측면에 입사되는 전자기 방사선의 큰 부분은 바람직하게 상기 측면에 의하여 반사된다. 상기 반사는 예를 들어 측면에서의 전반사(total reflectance)에 의해서 이루어질 수 있다. 측면에 떨어지는 방사선이 전반사를 위한 조건을 충족시키지 않으면, 광 도파관으로부터 방출되는 전자기 방사선은 측면에서 - 굴절율이 상대적으로 더 크고 - 광학적으로 더 조밀한 매체로부터 굴절율이 상대적으로 더 작고 광학적으로 더 얇은 매체 내부로 유입된다. 하지만, 측면이 반사 작용하는 코팅에 의해서 반사 작용하도록 상기 측면을 형성할 수도 있다.
측면은 바람직하게 적어도 국부적으로 평탄하다. 다시 말해서, 측면은 거시적인 함몰부, 융기부 또는 만곡부를 갖지 않고, 오히려 평탄한 표면으로서 형성되었다. 즉, 측면은 거시적으로 매끈하게 형성되었다.
평탄한 측면은 바람직하게 광 유입면 바로 다음에 배치되어 있다. 좀 더 상세하게 말하자면, 평탄한 측면은 광 유입면을 갖는 광 도파관의 표면 부분에 직접 연결된다. 이 경우 측면은 광 유입면을 측면에서 둘러싼다. 측면이 광 유입면에 직접 인접하는 것도 가능하다.
광 도파관의 적어도 한 실시예에 따르면, 광 도파관은 평탄하지 않은 광 유입면 그리고 상기 광 유입면 바로 다음에 배치된 평탄한 측면을 갖는다. 이 경우 광 도파관은, 광 도파관 내부로 유입되는 방사선이 광 유입면의 비평탄성으로 인하여 규정된 방식으로 절단된다는 아이디어를 이용한다. 그 경우에 광 유입면을 통과하여 광 도파관 내부로 유입된 방사선의 한 부분은 평탄한 측면들 중에서 한 측면에 입사되며, 상기 평탄한 한 측면은 광 유입면 바로 다음에 배치되어 있고, 상기 광 유입면에 의하여 적어도 대부분이 광 도파관 내부로 반사된다. 이와 같은 방식에 의해서는, 방사선원에 의해 방출되는 방사선의 특히 큰 부분이 광 도파관 내부로 유입되어, 상기 방사선이 광 방출을 목적으로 제공된 상기 광 도파관의 광 배출면에 도달할 때까지 광 도파관 내부에 유지될 수 있다.
광 도파관의 적어도 한 실시예에 따르면, 광 도파관의 횡단면은 광 유입면으로부터 간격을 두고 증가한다. 광 유입면까지의 간격이 주어진 경우의 횡단면은 광 유입면까지 상기와 같은 간격을 두고 있는 한 평면과 상기 광 도파관의 측면의 교차선에 의해서 형성되었다. 이 경우 상기 횡단면은, 광 유입면으로부터 소정의 간격을 두고 광 도파관을 제한하는 측면과 교차하는 최소로 가능한 표면이다.
광 유입면으로부터 간격을 두고 있는 광 도파관의 횡단면의 확장은 예를 들어 상기 광 도파관이 절두 원뿔 형태의 형상 또는 절두 피라미드 형태의 형상을 가짐으로써 성취될 수 있다. 이 경우에 광 유입면은 상기 절두부의 바닥으로부터 떨어져서 마주한 상기 광 도파관 측에 배치되어 있다.
광 도파관의 적어도 한 실시예에 따르면, 광 도파관의 횡단면은 상기 광 도파관의 제 1 섹션에서는 상기 광 도파관의 제 2 섹션에서보다 더 심하게 증가한다. "심하게 증가한다"는 표현이 의미하는 바는, 예를 들어 길이가 동일한 광 도파관의 두 개의 부분 섹션들을 비교할 때, 방사 방향으로의 횡단면 면적이 제 2 섹션에 놓여 있는 부분 섹션의 경우보다 제 1 섹션에 놓여 있는 부분 섹션에서 퍼센트 상으로 더 많이 확대된다는 것이다. 상기 표현은 또한, 광 유입면의 소정의 제 1 간격까지의 횡단면이 상기 제 1 간격으로부터 광 유입면의 제 2 간격까지의 횡단면보다 더 심하게 증가한다는 것을 의미할 수도 있다. 그 경우 광 도파관은 두 개 이상의 섹션들로 분할된다: 광 유입면으로부터 상기 광 유입면의 예정된 간격까지 이르는 제 1 섹션에서의 횡단면은 상기 제 1 섹션 다음에 배치된 제 2 섹션에서의 횡단면보다 더 심하게 증가한다.
광 도파관의 적어도 한 실시예에 따르면, 제 1 섹션은 광 도파관의 광 유입면 바로 다음에 배치되어 있다. 다시 말해서, 적어도 상기 제 1 섹션에서는 광 도파관의 측면이 평탄하게 형성될 수 있다.
광 도파관의 적어도 한 실시예에 따르면, 광 도파관의 제 1 섹션에서 광 유입면으로부터 간격을 두고 이루어지는 횡단면의 증가는, 광 도파관의 측면들이 각각 광 도파관의 횡단면과 제 1의 각을 형성함으로써 실현된다. 이 경우 상기 제 1의 각은 90°보다 크다. 상기 제 1의 각은 예를 들어 각각의 측면에 대하여 동일한 크기로 선택될 수 있다.
광 도파관의 적어도 한 실시예에 따르면, 광 도파관의 제 2 섹션에 있는 측면은 상기 광 도파관의 횡단면과 제 2의 각을 형성한다.
광 도파관의 적어도 한 실시예에 따르면, 상기 제 1의 각은 상기 제 2의 각보다 크다. 그럼으로써, 제 1 섹션에서의 광 도파관의 횡단면은 제 2 섹션에서의 광 도파관의 횡단면보다 더 심하게 증가한다. 따라서, 광 도파관은 예를 들어 제 1 절두 피라미드가 광 도파관의 제 1 섹션을 형성하도록 구성될 수 있다. 상기 제 1 절두 피라미드에는 예컨대 제 2 절두 피라미드가 연결된다. 그 경우 광 도파관은 전체적으로 볼 때 두 개의 절두 피라미드가 서로 열을 지어 배치된 형상으로 구현된다. 이때 상기 제 1 절두 피라미드의 측면들이 횡단면과 형성하는 각은 상기 제 2 절두 피라미드의 측면들이 횡단면과 형성하는 것보다 더 크다.
하지만 더 나아가서는 광 도파관의 제 1 섹션 및 제 2 섹션을 위한 다른 형상들도 가능하다. 따라서, 광 도파관은 예컨대 두 개의 절두 원뿔이 연속으로 배치된 형상으로도 형성될 수 있다.
또한 광 도파관은 두 개 이상의 섹션들을 가질 수도 있다. 예를 들어, 광 유입면으로부터 떨어져서 마주한 상기 제 2 섹션의 면에는 제 3 섹션이 연결될 수 있다. 상기 제 3 섹션에서는 측면들이 횡단면과 제 3의 각을 형성할 수 있으며, 이 각은 예를 들어 상기 제 2의 각보다 더 작다.
광 도파관은 다른 무엇보다도 두 개 이상의 광학 집중기들을 연속으로 배치하려는 아이디어를 이용한다. 이 경우에는 집중기들이 방사선을 투과시킴으로써, 광 유입 개구는 상기 집중기들의 고유한 광 배출 개구가 된다. 다시 말해, 광학 집중기들은 각각 반대 방향으로 방사선을 투과시킨다. 그럼으로써, 집중기를 통과하는 방사선 번들(bundle)의 편심율이 줄어들 수 있다. 또한 집중기들은 각각 상기 집중기들을 통과하는 전자기 방사선을 혼합하기에 적합하다. 예를 들어 서로 다른 컬러의 광을 발생시키기에 적합한 다수의 광원들이 광 도파관 뒤에 배치되면, 광학 집중기는 컬러 혼합을 목적으로 이용될 수 있다. 그 경우에는 예를 들어 녹색, 청색 및 적색 발광 다이오드 칩 또는 발광 다이오드의 광이 특히 균일한 백색 광으로 혼합될 수 있다.
바람직하게 - 광 도파관의 제 1 섹션에 있는 - 제 1 집중기는, 상기 집중기가 특히 기준으로부터 벗어난 방사선을 흡수할 수 있음으로써, 재차 제 2 집중기가 보다 적은 편심율의 상기 방사선을 흡수할 수 있을 정도로 그 편심율이 줄어들도록 형성되었다. 그 경우 제 2 집중기는 바람직하게 방사선 번들의 편심율을 더욱 줄이기에 적합하다. 동일한 방식으로 제 2 집중기에는 추가의 집중기들이 연결될 수 있다.
광 도파관의 적어도 한 실시예에 따르면, 제 2 섹션의 측면들은 평탄하게 형성되었다. 다시 말해, 상기 제 2 섹션의 측면들은 제 1 섹션의 측면들과 유사하게 거시적인 함몰부, 융기부 또는 만곡부를 갖지 않고, 오히려 거시적으로 평탄하게 형성되었다.
적어도 한 실시예에 따르면, 제 2 섹션의 측면들은 만곡부를 갖는다. 이 경우 제 2 섹션은 다음과 같은 유형의 광학 집중기들로서 형성될 수 있다: 포물선 형태의 복합 집중기(CPC-Compound Parabolic Concentrator), 타원형의 복합 집중기(CEC-Compound Elliptic Concentrator), 쌍곡선 형태의 복합 집중기(CHC-Compound Hyperbolic Concentrator).
광 도파관의 적어도 한 실시예에 따르면, 제 1 각은 100 내지 180 °, 바람직하게는 125 내지 140 °이다.
광 도파관의 적어도 한 실시예에 따르면, 제 2 각은 90 내지 140 °, 바람직하게는 95 내지 135 °이다.
광 도파관의 적어도 한 실시예에 따르면, 광 도파관의 제 1 섹션의 길이는 광 도파관의 전체 길이의 최대 20 %이다. 바람직하게 상기 제 1 섹션의 길이는 전체 길이의 최대 10 %이다. 이 경우 상기 제 1 섹션의 길이는 광 유입면을 갖는 광 도파관의 측면으로부터 측정되었다. 그 경우 광 도파관의 길이는 상기 광 도파관의 광 배출면까지 이르는 광 유입면의 간격으로서 나타난다.
광 도파관의 적어도 한 실시예에 따르면, 광 유입면은 오목하게 형성되었다. 다시 말해, 광 유입면은 광 도파관 내부로 연장되는 함몰부를 제한한다. 이 경우 함몰부는 상기 함몰부가 존재하는 광 도파관의 전체 표면을 포함할 수 있다. 하지만 상기 함몰부가 상기 표면의 단 한 부분만을 포함할 수도 있다. 그 경우 상기 표면의 다른 부분들은 예컨대 평탄하게 형성되었다.
광 유입면은 바람직하게 오목한 만곡부를 갖는다. 다시 말해, 광 유입면은 광 도파관 내부로 오목하게 구부러진 영역을 형성한다.
적어도 한 실시예에 따르면, 광 유입면은 구면으로 구부러져 있다. 즉, 광 유입면은 적어도 부분적으로는 볼 표면의 한 부분에 의해서 형성되었다.
적어도 한 실시예에 따르면, 광 유입면은 타원형의 만곡부를 갖는다. 그 경우 광 유입면은 적어도 부분적으로는 타원체 표면의 한 부분에 의해서 형성되었다.
적어도 한 실시예에 따르면, 광 유입면은 비구면의 만곡부를 갖는다. 즉, 광 유입면은 적어도 부분적으로는 회전 비구면체 표면의 한 부분에 의해서 형성되었다. 이 경우 적어도 부분적으로 비구면체 형태로 구부러진 광 유입면은, 회전 비구면체의 형상 파라미터들을 선택함으로써, 광 도파관 내부로 유입되는 방사선이 광 유입면을 통과할 때에 특히 규정된 바대로 굴절될 수 있도록 해준다.
적어도 한 실시예에 따르면, 광 유입면은 이중 원뿔 형태로 형성되었다. 이 경우 광 유입면은 구면으로 그리고/또는 비구면으로 구부러질 수 있다.
광 유입면이 구부러짐으로써, 한편으로는 방사선원에 의해서 방출되는, 즉 유입되는 전자기 방사선의 비율이 최대로 될 수 있다. 다른 한편으로, 방사선이 광 도파관 내부에 가급적 오랫동안 유지될 수 있도록 상기 방사선은 굴절될 수 있다. 예컨대, 유입되는 방사선은 측면에서의 전반사 조건을 충족시키는 각을 형성하면서 광 도파관의 측면 쪽으로 굴절된다. 이와 같은 방식에 의해, 측면을 통해서가 아니라 광 배출을 목적으로 제공된 광 배출면을 통해서 광 도파관을 벗어나는 유입된 방사선의 비율은 최적으로 될 수 있다. 또한, 구부러진 광 유입면에 의해서는, 방사선이 광 도파관 내부로 유입될 때에 이미 방사선 번들의 편심율이 줄어들 수 있다.
광 도파관의 적어도 한 실시예에 따르면, 광 도파관은 광 배출면을 갖는다. 광 유입면을 통과하여 광 도파관 내부로 유입된 방사선의 큰 부분이 상기 광 배출면을 통해 광 도파관으로부터 배출된다. 바람직하게 상기 광 배출면은 광 유입면에 마주 놓인 상기 광 도파관 측에 배치되어 있다. 방사선의 큰 부분이란, 예를 들어 특히 기준으로부터 벗어난 방사선이 광 배출면에 도달하기 전에 상기 방사선이 측면들 중에서 하나의 측면을 통해 배출될 수 있다는 것을 의미한다. 하지만 광 도파관 내부로 유입되는 방사선의 주요 부분은 광 배출면을 통해서 상기 광 도파관을 벗어난다.
광 도파관의 적어도 한 실시예에 따르면, 광 배출면은 평탄하게 형성되었다. 다시 말해, 상기 광 배출면은 거시적인 함몰부, 융기부 또는 만곡부를 갖지 않는다.
적어도 한 실시예에 따르면, 광 배출면이 만곡부를 갖는다. 다시 말해, 광 도파관으로부터 전자기 방사선을 방출시킬 목적으로 제공된 광 도파관 표면의 적어도 한 부분은 구부러져 있다. 이 경우 상기 만곡부는 오목하게, 즉 광 도파관 내부로 오목하게 형성될 수 있거나 또는 볼록하게, 다시 말해서 광 도파관으로부터 볼록하게 형성될 수 있다.
적어도 한 실시예에 따르면, 광 배출면은 다음과 같은 형태의 만곡부들 중에서 하나의 만곡부를 갖는다: 구면, 타원형, 비구면, 이중 원뿔형, 이중 원뿔 구면, 이중 원뿔 비구면. 광 배출면을 예컨대 보다 높은 차수의 만곡부를 가질 수 있는 자유 형상 표면으로 형성하는 것도 또한 가능하다.
광 배출면의 만곡에 의해서는, 광 도파관으로부터 배출되는 방사선의 편심율이 더욱 줄어들 수 있다. 또한, 광 배출면의 만곡에 의해서는, 방사선이 광 도파관으로부터 배출될 때에 상기 방사선이 특히 균일하게 분배될 수 있다. 그럼으로써, 광 도파관으로부터 배출되는 전자기 방사선에 의해서 조명되는 표면이 특히 균일하게 조명될 수 있다.
광 도파관의 적어도 한 실시예에 따르면, 광 도파관은 완전 바디(full bodies)로서 형성되었다. 이와 같은 내용은 예를 들어 광 도파관의 일부분이 통일된 재료로부터 형성되었다는 것을 의미할 수 있다. 광 도파관은 바람직하게 유전성 재료, 즉 광 도파관 내부로 유입되는 전자기 방사선을 적어도 부분적으로 투과시킬 수 있는 재료를 함유한다. '완전 바디로서 형성되었다'는 표현은 광 유입면, 측면 그리고 광 배출면에 의해서 형성된 광 도파관이 한 가지 재료로 채워졌다는 것을 의미할 수도 있다. 이 경우 상기 충전 재료는 측면 재료 및/또는 광 유입면 및 광 배출면을 형성하는 재료와 상이할 수 있다.
적어도 한 실시예에 따르면, 상기 재료는 1.0 이상의 굴절율을 갖는다. 그 경우 광 도파관의 측면에서의 방사선 반사는 바람직하게 전반사로 인해 일어난다. 상기 재료는 바람직하게는 1.3 이상의 굴절율, 특히 바람직하게는 1.4 내지 1.7의 굴절율을 갖는다.
적어도 한 실시예에 따르면, 상기 재료는 플라스틱에 의해서 제공된다. 상기 재료는 바람직하게 다음과 같은 플라스틱들 중에서 하나의 플라스틱을 포함한다: PMMA(폴리메틸메타크릴산염), 폴리탄산염, PMMI(폴리-N-메틸 메타크릴이미드), COC(씨클로올레핀 코폴리머).
또한 광전자 부품도 제공된다. 적어도 한 실시예에 따르면, 상기 광전자 부품은 방사선원 및 광 도파관을 갖는다. 방사선원으로서는 전자기 방사선을 형성하기에 적합한 소자가 사용된다. 상기 방사선원으로서는 예를 들어 하나 혹은 다수의 발광 다이오드 칩 또는 하나 혹은 다수의 발광 다이오드가 사용된다.
광 도파관으로서는, 전자기 방사선을 광 유입면으로부터 광 배출면으로 가이드하기에 적합한 광학 소자가 사용된다. 이 경우 전자기 방사선의 가이드는 바람직하게 광 도파관의 측면에서 반사로 인하여 - 예를 들어 전반사로 인하여 - 이루어진다. 상기 측면은 광 유입면을 광 배출면에 연결한다. 특히 광 도파관을 렌즈로 이해해서는 안 된다. 광 도파관으로서는 예를 들어 전술된 실시예들 중 적어도 한 실시예에 기술된 바와 같은 광 도파관이 사용될 수 있다.
본 발명에서 광 도파관의 광 유입면은 바람직하게 평탄하지 않게 형성되었다. 상기 광 유입면의 비평탄성은 특히 거시적 비평탄성과 관련이 있다. 다시 말해, 광 유입면은 평탄한 면으로서 형성되지 않고, 오히려 예를 들어 적어도 하나의 거시적인 함몰부 및/또는 거시적인 융기부를 갖는다. 이 경우 광 유입면의 비평탄성은 바람직하게 광 도파관 내부로의 광 유입이 상기 비평탄성으로 인해 개선되도록 선택된다. 광 도파관은 바람직하게 단 하나의 광 유입면을 갖는다.
광전자 부품의 적어도 한 실시예에 따르면, 방사선원에 의해서 방출되는 전자기 방사선은 광 유입면을 통과할 때에 굴절된다. 다시 말해, 광 유입면에서는 광 도파관 내부로 유입되는 방사선의 굴절이 발생한다. 광 도파관 내부로 유입되는 방사선의 큰 부분은 바람직하게 광 유입면에서 굴절된다. 광 유입면에서의 방사선 굴절에 의해서는, 광 도파관 내부로 유입되는 전자기 방사선이 전반사 조건을 충족하는 각도로 광 도파관 측면으로 방향 전환된다. 이와 같은 방식으로 방사선은 광 도파관 내부에 유지될 수 있고, 측면을 통해 투과되지 않는다. 광 도파관의 광 유입면과 방사선원의 광 배출면 사이에는 바람직하게 갭이 존재한다. 상기 갭은 예를 들어 공기로 채워질 수 있다.
광 전자 부품의 적어도 한 실시예에 따르면, 광 유입면은 오목하게 형성되었다. 이와 같은 형성예는 상기 광 유입면이 광 도파관 내부로 연장되는 함몰부를 제한한다는 내용도 의미한다. 예컨대 광 유입면은 다음과 같은 오목한 만곡부들 중에서 하나의 만곡부를 가질 수 있다: 구면, 타원형, 비구면, 이중 원뿔형, 이중 원뿔 구면, 이중 원뿔 비구면.
광전자 부품의 적어도 한 실시예에 따르면, 광 유입면은 적어도 부분적으로 방사선원 위에 걸쳐있다. 광 유입면은 바람직하게 방사선원을 전체적으로 둘러싼다. 다시 말해, 광 유입면에 의해서 제한된 광 도파관의 오목한 영역은 커버의 형태로 방사선원 위에 올려져 있다. 더욱 상세하게 말하자면, 이 경우 방사선원은 광 유입면에 의해서 둘러싸여 있다. 이와 같은 방식으로, 방사선원에 의해서 방출되는 전체 방사선이 광 도파관의 광 유입면에 입사될 수 있다. 이 경우 광 도파관은 바람직하게 전술된 바와 같이 완전 바디로서 형성되었다.
광전자 부품의 적어도 한 실시예에 따르면, 방사선원은 다음과 같은 광전자 소자들 중에서 하나의 소자에 의해서 제공된다: 발광 다이오드, 발광 다이오드 칩, VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; 수직 공진 표면 방출 레이저).
아래에서는 전술된 광 도파관 그리고 전술된 광 전자 부품이 실시예들 및 상기 실시예들에 속하는 도면들을 참조하여 상세하게 설명된다.
실시예들 및 도면들에서 동일한 부품들 혹은 동일한 작용을 하는 부품들은 각각 동일한 도면 부호를 갖는다. 도시된 소자들은 척도에 맞게 도시되지 않았으며, 오히려 개별 소자들은 이해를 돕기 위하여 과도하게 크게 도시될 수 있다.
도 1A는 전술된 부품의 제 1 실시예의 개략적인 단면도며,
도 1B는 전술된 광 도파관의 제 1 실시예의 개략적인 사시도고,
도 2A는 전술된 광 도파관의 제 1 실시예의 개략적인 단면도며,
도 2B는 전술된 광 도파관의 제 1 실시예의 개략적인 사시도고,
도 3은 전술된 광 도파관의 제 2 실시예의 개략적인 단면도며,
도 4는 전술된 광전자 부품의 제 2 실시예의 개략적인 단면도다.
도 1A는 전술된 광 전자 부품의 제 1 실시예의 개략적인 단면도를 보여준다.
상기 부품은 방사선원(1)을 갖는다. 방사선원(1)으로서는 예를 들어 하나 혹은 다수의 발광 다이오드 또는 하나 혹은 다수의 발광 다이오드 칩이 사용된다. 방사선원(1)은 바람직하게 각각 두 개의 칩에 대하여 두 개의 열로 배치된 네 개의 발광 다이오드 칩을 갖는다.
방사선원(1)의 발광 다이오드 칩은 바람직하게 광 배출면을 가지며, 발광 다이오드 칩에 의해서 방출되는 전자기 방사선의 큰 부분이 상기 광 배출면을 통해 방출된다. 광 배출면은 예를 들어 발광 다이오드 칩 표면의 한 부분에 의해서 제공된다. 상기 광 배출면은 바람직하게는, 예를 들어 발광 다이오드 칩의 에피택시-연속층과 평행하게 배치되어 있고 전자기 방사선을 형성하기에 적합한 상기 발광 다이오드 칩의 주표면에 의해서 제공된다.
상기 목적을 위하여 에피택시-연속층은 예를 들어 pn-접합부, 이중 헤테로 구조물, 단일 양자 웰 또는 특히 바람직하게는 다중 양자 웰 구조물을 가질 수 있다. 본 출원서의 틀 안에서 볼 때 양자 웰 구조물이라는 명칭은, 구속("Confinement")에 의하여 전하 캐리어의 에너지 상태가 양자화되는 모든 구조물을 포함한다. 특히 양자 웰 구조물이라는 명칭은 양자화의 차원에 대한 표현은 전혀 포함하지 않는다. 따라서, 상기 양자 웰 구조물이라는 명칭은 다른 무엇보다도 양자 웰, 양자 와이어 및 양자 포인트 그리고 상기 구조물들의 각각의 조합을 포함 한다.
바람직한 발광 다이오드 칩으로서는, 성장 기판이 적어도 부분적으로 제거되고, 원래의 성장 기판으로부터 떨어져 마주한 상기 성장 기판의 표면에 캐리어 소자가 제공된 반도체 발광 다이오드 칩이 사용된다.
상기 캐리어 소자는 성장 기판에 비해 상대적으로 자유롭게 선택될 수 있다. 바람직하게는, 온도 팽창 계수 측면에서 방사선 형성 에피택시-연속층에 매우 우수하게 적응된 캐리어 소자가 선택된다. 또한 상기 캐리어 소자는 열 전도성이 특히 우수한 재료를 함유할 수 있다. 이와 같은 방식으로, 작동 중에 발광 다이오드 칩에 의해서 발생되는 열은 열 전도 소자로 매우 효과적으로 방출된다.
성장 기판을 제거함으로써 만들어지는 상기와 같은 발광 다이오드 칩은 종종 박막 발광 다이오드 칩으로 불리고, 바람직하게는 다음과 같은 특징들을 갖는다:
- 캐리어 소자 쪽을 향하고 있는 상기 방사선 형성 에피택시-연속층의 제 1 주표면에는 반사층 또는 연속층이 적층되거나 또는 형성되며, 상기 층들은 에피택시-연속층 내에서 형성된 전자기 방사선의 적어도 한 부분을 상기 에피택시-연속층 내부로 역반사한다.
- 상기 에피택시-연속층은 바람직하게는 최대 20 ㎛, 특히 바람직하게는 최대 10 ㎛의 두께를 갖는다.
- 또한 상기 에피택시-연속층은 바람직하게 혼합 구조물을 갖는 적어도 하나의 면을 갖춘 적어도 하나의 반도체 층을 포함한다. 이상적인 경우 상기 혼합 구조물은 광을 상기 에피택시-연속층 내부에 거의 에르고드 방식으로 분포시키는데, 다시 말하자면 상기 혼합 구조물은 가급적 에르고드 방식의 확률론적인 분산 특성을 갖는다.
박막 발광 다이오드 칩의 기본 원리는 예를 들어 간행물 Schnitzer I. 등, "30 % external quantum efficiency from surface textured LEDs", Applied Physics Letters, 1993년 10월, 63권, 2174-2176 페이지에 기술되어 있으며, 박막 발광 다이오드 칩의 기본 원리와 관련된 상기 간행물의 공개 내용은 인용의 형태로 본 명세서에 수용된다.
방사선원(1)에 의해서 방출되는 전자기 방사선(2)의 큰 부분은 바람직하게 단 하나의 광 유입면(6)을 통해 광 도파관(10) 내부로 유입된다. 이 경우, 특히 기준에서 벗어난 방사선(3a)의 작은 부분은 방사선원(1)과 광 도파관(10) 사이에 있는 갭(12) 안에서 측면으로 누출될 수 있다. 상기 갭(12)은 예를 들어 공기로 채워질 수 있다.
광 도파관(10)은 예를 들어 완전 바디로서 구현되었다. 이 목적을 위하여 상기 광 도파관은 유전성 재료, 바람직하게는 PMMA, 폴리탄산염, COC, PMMI와 같은 플라스틱을 포함한다. 상기 광 도파관은 방사선원(1)에 의해서 방출되는 전자기 방사선(2)을 투과시킨다.
방사선(2)은 바람직하게 가시 주파수 범위 안에 있는 광이다. 상기 유전성 재료의 굴절율은 바람직하게는 적어도 1.3, 특히 바람직하게는 1.4 내지 1.7이다.
도시된 실시예에서 광 유입면(6)은 오목하게 만곡된 표면으로서 형성되었다. 예를 들어 적어도 광 유입면(6)의 부분들은 오목한 구면 만곡부, 타원형의 만곡부 또는 비구면 만곡부를 갖는다. 다시 말해, 적어도 광 유입면(6)의 부분들은 상기와 같은 방식으로 구부러져 있다. 광 유입면(6)은 또한 이중 원뿔 형태로, 이중 원뿔 구면으로 또는 이중 원뿔 비구면으로 형성될 수도 있다. 상기 광 유입면의 곡률은, 광 유입면(6)을 통해 유입되는 방사선(2)의 큰 부분이 굴절되고, 상기 굴절된 방사선이 측면(4, 5)에서의 전반사 조건을 충족시키는 각도로 광 도파관의 측면(4, 5)에 입사되도록 선택된다.
광 도파관(10)은 두 개의 섹션으로 분할된다. 제 1 섹션은 광 도파관의 측면(4)에 의해서 형성된다. 제 2 섹션은 광 도파관의 측면(5)에 의해서 형성된다.
예를 들어 도 3이 명확하게 보여주는 바와 같이, 측면(4)은 광 도파관(10)의 횡단면(11)과 제 1의 각(φ1)을 형성한다. 광 도파관의 제 2 섹션에 있는 측면(5)은 광 도파관의 횡단면(11)과 제 2의 각(φ2)을 형성한다. 제 1 섹션의 측면(4)뿐만 아니라 제 2 섹션의 측면(5)도 도시된 실시예에서는 평탄하게 형성되었다. 하지만, 상기 제 1 및 제 2 측면은 만곡부를 가질 수도 있다. 그 경우 제 1 및 제 2 측면은 다음과 같은 광학 소자들 중에서 한 광학 소자의 유형을 따라 형성될 수 있다: CPC, CHC, CEC.
상기 제 1 각(φ1)이 제 2 각(φ2)보다 더 큰 것이 바람직하다. 다시 말해, 광 도파관(10)의 횡단면은 광 도파관(10)의 제 2 섹션에서보다는 광 유입면(6) 바로 다음에 배치된 제 1 섹션에서 상기 광 유입면(6)으로부터 간격을 두고 더 심하게 증가한다.
상기 제 1 각(φ1)은 125 내지 140°인 것이 바람직하다.
광 도파관(10)이 측면(5)에 의해서 형성된 제 2 섹션에서는 상기 광 도파관(10)의 횡단면이 덜 심하게 증가한다. 제 2 각(φ2)은 95 ° 내지 135 °인 것이 바람직하다.
광 도파관의 제 1 섹션에서 횡단면(11)이 더 심하게 증가함으로써, 광 유입면(6)을 통해 광 도파관(10) 내부로 유입되는, 기준에서 벗어난 방사선도 측벽(4)에서의 전반사 조건을 충족시키게 된다. 이 경우 기준에서 벗어난 방사선이란, 광 도파관의 횡단면(11)과 90 °의 각으로부터 심하게 벗어나는 각을 형성하는 방사선을 지칭한다. 광 도파관(10) 내부로 유입된 방사선(2)의 단지 적은 부분(3b)만이 측벽(4)에서의 전반사 조건을 충족시켜 광 도파관(10)으로부터 방출된다.
광 도파관(10) 내부로 유입된 전자기 방사선(2)은, 상기 방사선이 광 배출면(7)을 통해 광 도파관을 떠나기 전에, 상기 광 도파관(10)의 측벽(4, 5)에서 부분적으로 여러 번 반사된다.
단지 광 도파관(10) 내부로 유입된 전자기 방사선의 적은 부분(3c)만이 기준에서 벗어나며, 상기 전자기 방사선의 적은 부분(3c)은 제 2 섹션의 측면(5)에서의 전반사 조건을 충족시킬 수 없기 때문에 광 배출면(7)에 도달하기 전에 광 도파관(10)으로부터 방출된다.
측면(4)에 의해서 형성된 광 도파관(10)의 제 1 섹션은 바람직하게는 광 도파관(10)의 전체 길이(L)의 최대 20 %, 특히 바람직하게는 상기 전체 길이(L)의 최 대 10 %에 달하는 길이(l)를 갖는다.
광 도파관(10) 내부로 유입된 방사선(2)의 주요 부분은 광 배출면(7)을 통해 상기 광 도파관으로부터 방출된다. 도시된 실시예에서 광 배출면(7)은 평탄하게 형성되었다. 하지만, 상기 광 배출면이 예를 들어 구면 만곡부, 타원형의 만곡부 또는 비구면 만곡부를 가질 수도 있다. 이 경우 상기 광 배출면의 만곡부는 바람직하게 볼록하다. 광 배출면(7)의 곡률은 예컨대 상기 광 배출면(7)을 통과하는 방사선의 편심율을 더욱 줄일 수 있다.
광 도파관은 바람직하게 일체형으로 형성되었다. 다시 말해, 광 도파관(10)의 제 1 및 제 2 섹션은 통합적으로 제조되었다.
도 1B는 광 도파관(10)의 개략적인 사시도를 보여준다. 광 도파관(10)의 전체 길이(L)는 바람직하게는 5 내지 50 mm, 특히 바람직하게는 15 내지 30 mm이다. 광 도파관(10)의 제 1 섹션(1)의 길이는 바람직하게는 전체 길이(L)의 2 내지 30 %, 특히 바람직하게는 전체 길이(L)의 10 내지 20 %이다. 도 1B의 실시예에서 L은 20 mm이고, l은 5 mm이다.
광 유입면(6)은 2.4 mm의 에지 길이(a)를 갖는 정방형 면 안에 배치되어 있다. 광 도파관의 제 1 섹션으로부터 제 2 섹션으로 변환되는 영역에서의 횡단면(11)은 3.2 mm x 3.2 mmm이다. 다시 말해, 그곳에서의 에지 길이(b)는 3.2 mm이다. 본 실시예에서 광 배출면(7)은 직사각형이다. 제 1의 에지 길이(c)는 6.8 mm이다. 제 2의 에지 길이(d)는 7.8 mm이다.
도 2A 및 2B는 전술된 광 도파관의 개략적인 단면도 및 그에 속하는 원리적 인 사시도를 보여준다. 상기 도면들에서 알 수 있는 바와 같이, 측면(4 또는 5)에 의해서 형성된 광 도파관(10)의 두 개의 섹션들은 각각 직사각형 또는 정방형의 바닥면을 갖는 절두 피라미드로 구현되었다. 두 개의 섹션들은 서로 반대 방향으로 투과시키는 광학 집중기를 각각 하나씩 형성된다. 제 1 섹션의 측면(4)은 특히 기준에서 벗어난 방사선의 전반사에 적합하다. 상기 측면(4)에 의해서는, 특히 기준에서 벗어난 방사선이 측면(5)에 의해 형성된 제 2 섹션으로 반사된다.
도 4는 전술된 광전자 소자의 제 2 실시예의 개략적인 단면도를 보여준다. 본 도면에서 광 유입면(6)은 완전히 방사선원(1) 위에 걸쳐있다. 광 유입면(6)은 광 배출면(7)으로부터 떨어져서 마주한 광 도파관(10)의 표면에서는 함몰부로서 구현되었다. 방사선원(1)과 광 유입면(6) 사이에는 예를 들어 공기로 채워질 수 있는 갭(12)이 존재한다. 하지만, 광 도파관(10)을 형성하는 재료의 굴절율보다 작은 굴절율을 갖는 투명한 캐스팅 재료로 상기 갭(12)을 채우는 것도 가능하다.
도 4의 실시예에서 광 도파관(10)은 자체 광학 특성들을 갖는 이외에 방사선원(11)을 기계적으로도 보호한다.
본 발명은 상기 실시예들을 참조한 상세한 설명에 한정되지 않는다. 오히려 본 발명은, 각각의 새로운 특징 그리고 특히 특허 청구범위에 포함되어 있는 상기 특징들의 각각의 조합이 특허 청구범위 또는 실시예들에 명시적으로 언급되어 있지 않더라도 상기 특징 또는 특징 조합을 포함하고 있는 것으로 간주된다.
본 특허 출원서는 독일 특허 출원 제 10 2005 09028.1호 및 제 10 2005 018336.0-51호를 우선권으로 주장하며, 상기 출원서들의 공개 내용은 본 출원서에 인용의 방식으로 수용된다.

Claims (33)

  1. 평탄하지 않은 광 유입면(6) 그리고
    상기 광 유입면(6) 바로 다음에 배치된 평탄한 측면(4)을 포함하는, 광 도파관.
  2. 제 1 항에 있어서,
    광 도파관(10)의 횡단면(11)이 상기 광 유입면(6)으로부터 간격을 두고 증가하는, 광 도파관.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광 도파관(10)의 횡단면(11)이 상기 광 도파관(10)의 제 2 섹션에서보다는 제 1 섹션에서 더 심하게 증가하는, 광 도파관.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 섹션이 상기 광 유입면(6) 바로 다음에 배치된, 광 도파관.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 섹션에 있는 광 도파관(10)의 측면(4)이 상기 광 도파관(10)의 횡 단면(11)과 제 1의 각(φ1)을 형성하는, 광 도파관.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 섹션의 측면(5)이 상기 광 도파관의 횡단면과 제 2의 각(φ2)을 형성하는, 광 도파관.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 각(φ1)이 상기 제 2 각(φ1)보다 더 큰, 광 도파관.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 각(φ1)이 125 ° 내지 140 °인, 광 도파관.
  9. 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 각(φ2)이 95 ° 내지 135 °인, 광 도파관.
  10. 제 3 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 섹션의 길이(l)가 광 도파관(10)의 전체 길이(L)의 최대 20 %인, 광 도파관.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 섹션의 길이(l)가 광 도파관(10)의 전체 길이(L)의 최대 10 %인, 광 도파관.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 유입면(6)이 오목하게 형성된, 광 도파관.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 유입면(6)이 구면, 타원형, 비구면, 이중 원뿔형, 이중 원뿔 비구면, 이중 원뿔 구면으로 형성된 만곡부들 중에서 하나의 만곡부를 갖는, 광 도파관.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    광 배출면(7)을 포함하며, 광 유입면(6)을 통해 광 도파관(10) 내부로 유입되는 전자기 방사선(2, 8)의 큰 부분이 상기 광 배출면(7)을 통하여 광 도파관(10)으로부터 방출되는, 광 도파관.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 광 배출면(7)이 만곡부를 갖는, 광 도파관.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 광 배출면(7)이 볼록한 만곡부를 갖는, 광 도파관.
  17. 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 배출면(7)이 구면, 타원형, 비구면, 이중 원뿔형, 이중 원뿔 비구면, 이중 원뿔 구면으로 형성된 만곡부들 중에서 하나의 만곡부를 갖는, 광 도파관.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 광 배출면(7)이 자유 형상 표면으로 형성된, 광 도파관.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 광 배출면(7)이 평탄한, 광 도파관.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 섹션의 측면(5)이 평탄한, 광 도파관.
  21. 제 3 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 섹션의 측면(5)이 만곡부를 갖는, 광 도파관.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제 2 섹션의 측면(5)이 적어도 부분적으로는 CPC, CEC, CHC와 같은 광학 소자들 중에서 한 광학 소자의 유형에 따라 형성된, 광 도파관.
  23. 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 도파관(10)이 완전 바디로서 형성된, 광 도파관.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 광 도파관(10)이 투명한 재료를 함유하는, 광 도파관.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 재료가 1 이상의 굴절율을 갖는, 광 도파관.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 재료가 1.3 이상의 굴절율을 갖는, 광 도파관.
  27. 제 23 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료가 PMMA, 폴리탄산염, PMMI, COC와 같은 재료들 중에서 적어도 한가지 재료를 포함하는, 광 도파관.
  28. 제 1 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 도파관(10)을 통과할 때에는 방사선 번들의 편심율이 줄어드는, 광 도파관.
  29. 방사선원(1) 그리고 평탄하지 않은 광 유입면(6)을 갖는 광 도파관(10)을 포함하며, 상기 방사선원(1)에 의해서 방출되는 전자기 방사선(2)의 큰 부분이 상기 광 도파관(10) 내부로 유입될 때에 굴절되는, 광전자 부품.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 광 유입면(6)이 오목하게 형성된, 광전자 부품.
  31. 제 28 항 또는 제 29 항에 있어서,
    상기 광 유입면(6)이 구면, 타원형, 비구면, 이중 원뿔형, 이중 원뿔 비구면, 이중 원뿔 구면으로 형성된 만곡부들 중에서 하나의 만곡부를 갖는, 광전자 부품.
  32. 제 29 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 유입면(6)이 상기 방사선원(1)을 완전히 둘러싸는, 광전자 부품.
  33. 제 29 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사선원(1)이 발광 다이오드, 발광 다이오드 칩, VCSEL과 같은 광전자 소자들 중 하나의 광전자 소자에 의해서 형성된, 광전자 부품.
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