KR20080030038A

KR20080030038A - 발광 장치 및 그 설계 방법

Info

Publication number: KR20080030038A
Application number: KR1020087001747A
Authority: KR
Inventors: 요하네스 피. 엠. 안셈스; 크리스토프 지. 에이. 호에렌; 링리 왕
Original assignee: 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2005-06-23
Filing date: 2006-06-01
Publication date: 2008-04-03
Also published as: CN101203965A; US20100271828A1; TW200705722A; WO2006136965A3; CN101203965B; JP2008547168A; EP1897150A2; WO2006136965A2

Abstract

광원의 칩 크기에 대해 바깥쪽 렌즈 면의 각 표면부의 경사를 주의 깊게 선택함으로써, 바깥쪽 경계 렌즈 면과 적어도 하나의 LED를 포함하는 소형의 밝은 발광 장치가 달성된다. 표면부의 경사는 렌즈가 크기와 광효율 간에 최적 가중치를 제공하도록 선택된다.

발광 다이오드(LED), 유효 지름, 유효 발광 면, 렌즈, 에지 광선, 내부 전반사, 임계각

Description

발광 장치 및 그 설계 방법{A LIGHT-EMITTING DEVICE AND METHOD FOR ITS DESIGN}

본 발명은 발광 다이오드용 광학 시스템에 관한 것으로, 특히, 발광 다이오드(LED)를 포함하는 발광 소자와 이 발광 소자에 광학적으로 접촉하여 이 발광 소자로부터 나오는 광을 수신하도록 배치된 렌즈를 포함하는 발광 장치에 관한 것이다. 또한 본 발명은 그와 같은 렌즈의 설계 방법에 관한 것이다.

발광 다이오드(LED)는 비교적 구식 기술(1970년대)로서 숫자 디스플레이와 표시등(indicator lights)에 사용하는 것에서부터 LCD 백 패널 조명, 안내판(information signs), 강조 조명등(accent lights), 교통 신호등, 옥외 조명등, 광섬유 데이터 전송을 포함하는 새로운 응용 분야에 사용하는 것에 이르기까지 발전해왔다.

LED는 소형이고, 램프 수명이 길고, 열이 적게 발생하고, 에너지 효율이 높고, 내구성도 좋다는 등의 장점을 갖고 있다. 또한 LED는 여러가지 LED를 조합하여 원하는 모양, 컬러, 크기 및 루멘 패키지(lumen package)로 만들므로써 컬러 변경, 디밍(dimming) 및 배치에 있어 설계가 유연하다.

LED는 통상적으로 액티브 층에 충분한 전압이 인가되면 소정의 파장을 가진 광을 방출한다. LED는 통상적으로 발광 소자에 포함되며, 발광 소자는 컬러 변환층과 같은 부가 성분을 포함할 수도 있다. 대부분의 응용에 있어 발광 소자는 밝고 광효율이 좋아야 하는 것이 중요하며, 통상적으로 광은 소정의 입체각 내에서 소정 방향으로 방출되는 것이 바람직하다. 바람직하게는 이러한 요건을 만족시키기 위해서 발광 면 상에 적당한 주 광학계(main optic), 즉 렌즈가 구비된다. 부가적으로 렌즈는 발광 다이오드 표면을 보호하고 LED를 더욱 견고하게 만든다.

첫 번째 경우에, LED의 주 광학계는 그다지 주의 깊게 설계되지는 않으며, 오히려, 예컨대 표면 장력과 같은 렌즈 재료의 본래 특성이 렌즈의 형상을 결정한다. 통상적으로 발광 면의 상부에는 유체 렌즈재료가 도포되어 경화된다.

두 번째 경우에, 렌즈는 예컨대 GB 1 586 188에 개시되어 있는 바와 같이 더 세심하게 설계된다. 이 영국 특허 명세서는 렌즈의 발광 면에 수직이고 이 발광 면에 중심을 둔 축을 따라 렌즈의 여러 부분에 대한 곡률 반경을 계산함으로써 렌즈를 설계하는 방법에 대해 설명하고 있다.

본 발명의 목적은 발광 다이오드 장치와, 광학계의 광효율을 높이고 주 광학계의 열-기계적 스트레스를 최소화하는 최적화 렌즈 설계를 제공하는 것이다.

본 발명은 주 광학계의 새로운 설계를 이용하여 광 추출 효율이 높은 소형의 밝은 발광 다이오드 장치를 달성하는 것이 가능하다는 통찰에 바탕을 두고 있다. 상기 주 광학계는 발광 면으로부터 방출된 광을 수신하도록 배치되며, 상기 설계는 발광 면의 크기와 주 광학계의 재료와 상기 주 광학계 밖의 매질 간의 굴절률 차에 관련된다.

본 발명의 제1 양상에 따라서, 본 발명은 유효 지름(D_E)을 가진 유효 발광 면을 갖는 발광 소자, 및 상기 유효 발광 면과 광학적으로 접촉하며 상기 발광 소자로부터 나오는 광을 수신하도록 배치된 렌즈를 포함하고, 상기 바깥쪽 경계면 상의 임의의 위치에서 상기 유효 발광 면으로부터의 적어도 하나의 에지 광선이 θ_C-χ2π(1-cosθ_C)보다 크거나 같은 각으로 입사하도록 상기 렌즈의 바깥쪽 경계면이 굽어 있고, θ_C는 주어진 매질에서 상기 렌즈의 내부 전반사의 임계각이고, χ≤9°/sr인 발광 장치를 제공한다.

본 명세서에서, "광학적으로 접촉"이라는 표현은 사이에 공기 간극없이 관련된 재료들의 직접적 접촉을 의미한다. 렌즈는 LED의 주 광학계일 수 있으나, 대안으로서 LED와 주 광학계 사이에 배치된 부가적인 광학체일 수 있다.

렌즈 설계를 위해서는 광 방향을 결정하는 발광 소자의 최대 또는 최외측면이 관련됨에 유의한다. "유효 발광 면"은 LED 자체의 표면, 또는 광을 반사시킨다면 LED의 상부에 배치된 산란체나 파장 변환체와 같은 부가층의 표면일 수 있다. LED 칩 표면으로부터 광은 모든 방향으로 방출되며, 그러므로 발광 면으로 간주될 수 있다. 그러나 산란층이 부가되면, 이 산란체는 광을 다시 임의의 방향으로 향하게 하고, 그러므로 발광 면으로 간주되어야 한다. 이것은 특히 강한 산란체에 대해서는 산란체에 입사된 광선의 방향과 산란된 광선 간에는 더 이상의 상관이 없기 때문이다. 이것은 유효 발광 면적이 증가되었고, 그러므로 렌즈 치수도 동일한 추출 혀율을 얻기 위하여 증가하여야 함을 의미한다.

본 발명에서, "발광 면의 유효 지름"이라는 말은 발광 면이 원형상을 갖고 있는 경우에 발광 소자 또는 다이의 지름을 말한다. 발광 면이 다른 형상을 갖고 있는 경우, 예컨대 정사각형인 경우에는 발광 면의 유효 지름은 상기 다이와 동일한 표면적을 갖는 원의 지름을 말한다. 다이가 여러 개인 경우에는 다이의 총 표면적과 중간에 개재된 필요한 공간이 표면적으로 된다.

"에지 광선"이란 광원 영역과 동일한 표면적과 동일한 중점을 갖고 있는 원형 영역의 경계로부터 방출된 직선적인 비굴절 비산란 광선을 말한다. 더욱이, 각은 탄젠트에 직교한 방향으로부터의 편차로서 산출된다. 즉, 상기 바깥쪽 경계면에 직교하는 방향을 따라 입사한 광선은 0도의 입사각을 갖는다. 결과적으로 상기 바깥쪽 경계면과 거의 평행한 방향을 따라 입사하는 광선은 거의 90도의 입사각을 갖는다.

바람직하게는, 상기 렌즈를 상기 특정된 바와 같이 설계함으로써 광 추출 효율이 높을 뿐만 아니라 소형의 발광 장치를 제공하게 된다. 소형화는 지금의 소형화 응용에 있어 유리하다. 바깥쪽 경계면의 설계는 상기 에지 광선에 대한 입사각을 제한하므로 높은 광 효율을 달성할 수 있다. 입사각이 너무 크면, 광선은 큰 프레넬 반사, 심지어는 내부 전반사를 일으킬 것이다. 그러므로, 광 효율이 감소할 것이다. 발광 면으로부터 나오는 임의의 비굴절 비반사 광선은 바깥쪽 경계 렌즈 면에 의해 반사될 것인지를 판단하기 위하여 대개 에지 광선을 고려하는 것으로 충분하다.

바람직하게는, 상기 바깥쪽 경계면 상의 임의의 위치에서 상기 유효 발광 면으로부터의 임의의 에지 광선이 θ_C+δ보다 작거나 같은 각으로 입사하도록 상기 바깥쪽 경계면이 더 굽어 있고, δ≤12°이다.

이런 조건에 의해서 렌즈 크기와 광 효율 간에 적당한 타협이 이루어질 수 있다.

바람직하게는, 상기 발광 면은 D_E와 동일한 유효 지름을 갖는다. 더욱이, 상기 바깥쪽 경계면의 높이(H_L)는 다음의 구간,

[D_E/(2*tan(θ_S+δ)), D_E/(2*tan(θ_C-χ2π(1-cosθ_C))]

내에 있고, 여기서, δ≤12°, χ≤9°/sr이고, 상기 발광 소자를 포함하는 평면에서 상기 렌즈의 반경(R_L)은 다음의 범위,

[D_E/2, 1.2*D_E]

내에 있다.

렌즈의 광축을 포함하는 평면에서 렌즈의 종단면은 바람직하게는 다음의 수학식,

으로 표현되는 타원 내에 있고, 여기서,

x는 상기 발광 소자의 표면에 평행한 좌표이고,

y는 상기 발광 소자(1)의 표면에 직교하는 좌표이고,

y₀는 [-0.1, 0.25]의 구간 내의 상수이고,

y는 y₀보다 크거나 같다.

본 발명에서, "주어진 타원보다 작은 종단면"이라는 표현은 종단면의 기본 반경과 높이가 각각 타원의 기본 반경과 높이보다 작은 상황을 말한다. 더욱이, 발광 면과 타원의 종단면이 동축으로 배치된 경우에는 그 종단면은 타원 내에 포함된다.

상기 렌즈는 상기 렌즈와 상기 렌즈를 에워싸는 외측 매질 간의 굴절률 차가 0.2 내지 0.85, 바람직하게는 0.2 내지 0.6, 더 바람직하게는 0.2 내지 0.4가 되도록 하는 굴절률을 갖고 있다. 이 경우, 예컨대 외측 매질이 공기인 경우에 상기 렌즈의 굴절률은 1.45 내지 1.85이고, 상기 렌즈의 높이(H_L)는 0.45*D_E 내지 1.2*D_E 이고, 상기 렌즈의 반경(R_L)은 0.55*D_E 내지 1.2*D_E이고, 종횡비(H_L/R_L)는 [0.6; 1.2] 범위 내에 있을 수 있다.

발광 장치는 상기 렌즈와 광학적으로 접촉하는 실질적으로 투명한 제2 유전체를 더 포함할 수 있다. 그와 같은 유전체는 상기에 따라 하나 또는 수 개의 발광 장치를 커버할 수 있음에 유의한다. 바람직하게는, 상기 유전체의 굴절률은 1.3 내지 1.6이고, 상기 렌즈와 상기 유전체 간의 굴절률 차는 0.2 내지 0.4이고, 상기 렌즈의 높이(H_L)는 0.2*D_E 내지 0.85*D_E이고,상기 렌즈의 반경(R_L)은 0.5*D_E 내지 0.85*D_E이다.

바람직하게는, 상기 발광 소자는 여러 가지 컬러의 효율적 발생이 용이하도록 컬러 변환 소자를 포함한다. 이 컬러 변환 소자는 인광 물질층일 수 있으며, 바람직하게는 LED의 표면에 또는 렌즈의 내부 표면에 코팅된다. 후자의 경우에 컬러 변환 소자는 다른 투명 또는 반투명 매질을 통해 LED 다이의 표면과 광학적으로 접촉한다.

바람직하게는, 상기 발광 소자는 상이한 파장 범위 내에서 광을 방출하는 적어도 두 개의 부분을 더 포함한다. 이에 따라 두 개의 발생한 컬러를 혼합함으로써 소정의 원하는 컬러를 용이하게 생성할 수 있다. 대안으로서, 발광 소자의 모든 부분은 동일한 컬러를 갖는 광을 방출하나, 유효 발광 면의 여러 부분으로부터 상이한 컬러가 나오도록 그 다른 부분이 여러 가지 컬러 변환체와 광학적으로 접촉하여 배치된다. 예컨대, LED로부터 청색 광이 방출되고, 유효 발광 면의 두 개 부 분 각각에는, 예컨대 적색과 녹색이 발생하도록 상이한 형광 물질이 도포되고, 한 부분은 코팅되지 않은 상태로 남겨둔다. 그러므로, 렌즈는 적색, 청색 및 녹색은 물론 이들 컬러의 혼합을 방출할 수 있다.

바람직하게는, 상기 발광 다이오드 장치는 상기 바깥쪽 경계면 밖에 배치된 확산층을 더 포함한다. 이것은 발광 소자로부터 방출된 광의 혼합을 용이하게 한다. 바람직하게는, 상기 확산층은 광선의 내부 전반사를 일으키지 않도록 하기 위해 상기 바깥쪽 경계면으로부터 광학적으로 분리되도록 배치된다. 상기 발광 면이 상이한 컬러를 방출하는 두 부분을 포함하면, 상기 확산층은 상기 컬러의 혼합을 더욱 용이하게 한다.

바람직하게는, 상기 바깥쪽 렌즈면에는 χ2π(1-cosθ_C)°로 제한된 각 이상으로 입사광을 확산시키는 발광 면 텍스쳐가 구비된다.

바람직하게는, 상기 발광 다이오드 장치는 상기 발광 다이오드 면으로부터 방출된 광을 원하는 입체각과 방향에서 용이하게 모을 수 있게 하는 적당히 설계된 반사체와 조합하여 사용할 수 있다. 렌즈의 주 광학계는 종래의 렌즈보다 작으므로 소형의 반사체를 용이하게 설계하여 사용할 수 있다.

바람직하게는, 상기 바깥쪽 경계면에 인접하고 상기 렌즈를 에워싸는 매질은 공기이며, 렌즈 재료의 굴절률은 1.4 내지 1.9이다. 대안으로서, 주위 매질은 1과 상기 렌즈의 굴절률 사이의 굴절률을 가진 제2 광학체이다.

본 발명의 제2 양상에 따라서, 본 발명은, 렌즈 외측면의 종단면 형상을 설 계하는 방법에 있어서, 발광 면에 직교하는 방향을 따라 거리 D_e/(2*tanθ_S)만큼 발광 소자의 면으로부터 분리된 제1 지점을 제공하는 단계; 상기 발광 면에 평행하며 상기 제1 지점과 교차하는 제1 라인을 제공하는 단계; 상기 제1 지점에서 제1 각(α)으로 상기 제1 라인과 교차하는 제2 라인을 제공하는 단계; 상기 발광 면으로부터의 적어도 하나의 에지 광선이 제2 지점에서 θ_S와 같은 각으로 상기 제2 라인과 교차하도록, 그리고 상기 발광 면으로부터의 다른 에지 광선은 상기 제2 지점에서 θ_S보다 큰 각으로 교차하지 않도록 상기 제2 라인 상에서 제2 지점을 결정하는 단계; 상기 제2 라인과 상기 제2 지점에서 제2 각(β)으로 교차하는 제3 라인을 제공하는 단계; 상기 발광 면으로부터의 적어도 하나의 에지 광선이 제3 지점에서 θ_S와 같은 각으로 상기 제3 라인과 교차하도록, 그리고 상기 발광 면으로부터의 다른 에지 광선은 상기 제3 지점에서 θ_S보다 큰 각으로 교차하지 않도록 상기 제3 라인 상에서 제3 지점을 결정하는 단계; 및 상기 제1, 제2 및 제3 지점과 교차하며 상기 바깥쪽 경계 렌즈 면의 종단면을 나타내는 완만한 곡선을 제공하는 단계를 포함하며, θ_S는 θ_C-χ2π(1-cosθ_C)와 θ_C+δ 사이에 있고, 여기서 χ는 9°/sr이고 δ≤12°인 렌즈 외측면의 종단면 형상 설계 방법을 제공한다. 본 발명의 요지는 렌즈가 광원의 소정 칩 크기나 유효 지름에 대해 크기와 광 효율 간에 최적 가중치를 제공하도록 렌즈의 각 표면 부의 경사를 주의 깊게 선택하는 독창적인 렌즈 설계를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 발광 다이오드 장치의 개략적 종단면도이다.

도 2는 발광 면의 유효 지름에 대한 정의를 개략적으로 설명하는 도이다.

도 3은 정사각형 발광 면으로 정규화된 렌즈 지름의 여러 가지 값에 대한 발광 다이오드 장치의 광효율을 개략적으로 설명하는 도이다.

도 4는 본 발명에 따른 발광 다이오드 설계 방법을 개략적으로 설명하는 도이다.

도 5a 및 5b는 LED의 주 광학계가 작을수록 특정의 빔 폭을 얻는데 더 작은 반사기를 이용할 수 있음을 개략적으로 설명하는 도이다.

이제, 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면을 참조로 본 발명의 상기 및 다른 양상에 대해서 더 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광학 발광 장치의 설계 방법을 개략적으로 나타낸다. 특히 발광 면으로부터 광을 수신하도록 배치된 렌즈의 바깥쪽 경계면에 대한 설계가 나타나 있다. 간단하게 하기 위해 설명을 상기 바깥쪽 경계면의 종단면에 대한 설계로 한정한다.

도시된 시초선(41)은 발광 소자의 유효 발광 면의 유효 지름(DE)을 나타내며, 이 유효 지름에 대해서 바깥쪽 경계 렌즈 면이 설계된다. 즉, 바깥쪽 경계면의 곡률이 생성되고 이 곡률은 발광 소자의 유효 지름으로 조정된다.

상기 발광 면으로부터의 임의의 직선 비굴절 비산란 광선에 대해 바깥쪽 경 계면 상의 최대 입사각을 결정하는 각(θ_S)이 선택된다. 이 각은 예컨대 광효율과 크기와 같은 렌즈의 여러 가지 파라미터들 간의 가중치로서 주의 깊게 선택된다. 통상적으로 θ_S의 값이 클수록 렌즈의 크기는 작고 광효율은 감소한다. 각(θ_S)은 바람직하게는 θ_C-χ2π(1-cosθ_C)와 θ_C+δ 사이에 있다. θ_C는 주어진 매질에서 레네즈의 내부 전반사의 임계각이고, χ≤9°/sr, 그리고δ≤12°이다.

제1 라인(42)은 상기 시초선(41)과 나란하며 상기 시초선(41)으로부터 D_E/2*tan(θ_S) 거리에 배치된다. 따라서 렌즈의 높이(H_L)는 D_E/2*tan(θ_S)이다. 상기 제1 라인(42)과 제1 지점(A)에서 제1 각(α), 예컨대 0.01°로 교차하는 제2 라인(43)이 제공된다. 상기 제1 각은 바람직하게는 0.005°내지 0.1°이다. 그 다음, 제2 지점(B)이 결정되며, 여기서는 에지 광선(14 또는 13) 중 어느 하나는 θ_S와 같은 입사각을 갖고 있으며, 다른 에지 광선은 θ_S보다 작거나 같은 입사각을 갖고 있다. 더욱이, 상기 제2 라인과 상기 제2 지점(B)에서 제2 각(β)으로 교차하는 제2 라인(44)이 제공된다. β는 바람직하게는 0.005°내지 0.1°이며, 더 바람직하게는 상기 제1 각과 같다. 이 각들(α, β)은 충분한 산출 섬도(calculation fineness)를 달성하도록 선택된다.

그 후, 제3 지점(미도시)이 결정되고, 여기서는 에지 광선들 중 하나는 상기 제3 라인과 θ_S와 같은 입사각으로 교차하고, 다른 에지 광선은 θ_S보다 작거나 같은 입사각을 갖고 있다. 이것은 상기 종단면 렌즈 면을 나타내며 결정된 지점 들(A, B)과 교차하는 완만한 곡선(45)이 충분한 정밀도로 제공될 수 있도록 충분히 많은 지점들이 결정될 때까지 반복된다.

바람직하게는, 제공된 라인이 시초선(41)에 거의 직교할 때에(예컨대, 시초선에 수직인 라인으로부터 약 3-5°기울어질 때에), 이미 결정된 지점들보다 시초선(41)에 더 가까이 배치되는 지점들은 더 이상 설정되지 않는다. 대신에, 렌즈(46)의 이 바닥부, 또는 발광 면에 가장 가까운 렌즈의 부분(46)에 대해서는 곡선(45)의 기울기는 이처럼 렌즈 제조를 용이하게 하기 위하여, 예컨대 렌즈 몰딩을 더 쉽게 하기 위하여 약 3°(0과 5°사이)로 된다. 즉, 바람직하게는 렌즈(45)는 상기 시초선에 수직인 방향에 대해 약 3°의 경사를 갖고 있는 바닥부(46)와 상부(47) 모두를 포함한다. 전술한 바와 같이, 발광 면으로부터의 에지 광선들은 곡선(45)의 상기 상부(47)에서 제한된 입사각을 갖고 있다. 렌즈의 바깥쪽 경계면의 종단면(45)을 설계하는 이 방법은 본 발명에 관련된 것이며, 때로는 특정 각 렌즈 설계라고 하며, 이 설계는 소정 각(θ_S)과 발광 면의 종단면 유효 지름(D_E)에 대응한다.

더욱이, 유효 발광 면이 대칭적이면, 즉 상기 발광 영역의 중심을 통한 모든 종단면이 동일한 지름을 갖고 있다면, 상기 곡선(45)을 발광 면과 직교하고 발광 면에 중심을 둔 축을 중심으로 회전시킴으로써 대칭적인 바깥쪽 렌즈 면이 회전 면으로서 제공될 수 있다.

발광 면이 비대칭이면, 상기 바깥쪽 경계 렌즈 면의 종단면은 상기 비대칭 발광 면의 소정의 종단면 수로 결정될 수 있다. 그 후, 상기 바깥쪽 경계 렌즈 면의 상기 결정된 종단면과 교차하는 바람직하게는 완만한 면이 결정된다. 또한 상기 바깥쪽 경계면은 상기 결정된 종단면과 비슷할 수 있다. 대안으로서, 발광 면의 유효 지름을 이용하여 비대칭 발광 면에 대한 회전 대칭 렌즈의 바깥쪽 경계 렌즈 면을 결정한다.

도 2a 내지 2c는 발광 면의 유효 지름을 결정하는 방법을 개략적으로 설명한다. 기본적으로, 유효 지름은 하나 또는 몇 개의 LED 다이(dice)의 외측 윤곽과 동일한 면을 에워싸는 원의 지름과 같다. 발광 면이 도 2c에 도시된 바와 같이 서로 떨어져 있는 수 개의 발광 부분을 포함하는 경우에는, 유효 지름은 발광 부분과 동일한 표면적에 발광 부분들 간의 공간의 면적을 합한 면적을 갖는 원의 지름과 같다.

상술한 방법에 따라 높이(H_L)와 기본 반경(R_L)을 갖는 대칭 렌즈 면이 생성된 후에, 이 렌즈 면은 바람직하게는 예컨대 광의 집합에 대해 원하는 광학적 성능이 달성되도록 약간 변경된다. 렌즈 면이 예컨대 광 효율에 대해 원하는 광학적 특성을 제공하는 것을 보장하기 위하여, 그 변경 후에도 두 개의 타원 면이 계산된다. 제1 타원 면은 수학식 (3)으로 표현되며, 제2 타원 면은 수학식 (4)로 표현된다. 그러므로, 대칭 렌즈 면은 상기 제1 타원 면보다는 크고, 상기 제2 타원 면보다는 작다. 변경 후에도 렌즈 면이 상기 제1 타원 면보다는 크고 상기 제2 타원 면보다는 작다면 통상적으로 이 렌즈의 성능이 확보된다. y₀>0인 실시예들에서 렌 즈의 바깥쪽 경계면이 바람직하게는 거의 수직 탄젠트, 즉 y축에 대해 약 2-5°기울어진 탄젠트로 주어진다.

대안으로서, 상술한 방법에 따라서 제1 렌즈면은 θ_S=θ_C에 대해서 생성된다. 그 후 렌즈의 원하는 크기 또는 원하는 아웃 커플링(out coupling) 효율이 달성되도록 예컨대 렌즈 높이(H_L)와 기본 반경(R_L)에 대해 일정한 비율을 유지하면서 렌즈면이 스케일된다(scaled).

도 3은 선택된 각(θ_S), 렌즈 크기 및 렌즈의 아웃 커플링 효율 간의 관계를 개략적으로 나타낸다. 아웃 커플링(광추출) 효율은 광선 추적 시뮬레이션을 이용하여 산출되었다(이 도에서는 정규화된 아웃 커플링 효율이 주어진다). 시뮬레이션 동안에 상술한 특정 각 설계에 따라서 설계된 렌즈면이 이용되었다. 렌즈 재료와 외측 또는 주변 매질 간의 굴절률(Δn)의 상이한 차들, 따라서 θ_C에 대해 상이한 값들을 나타내는 3개의 상이한 곡선이 도시되어 있다. 상기 LED 칩을 둘러싸는 면에 대해서는 물론이고 발광 면에 대해서 반사율이 75%인 것으로 가정했다. 그러므로, 렌즈의 경계면에서 LED 칩(들)을 가진 평면 쪽으로 다시 반사된 광선은 LED 칩 또는 그 주변에 의해 다시 부분적으로 반사되고, 최종적으로 렌즈 밖으로 투과된다. y축을 따른 값은 발광 면으로부터 방출된 광량에 대해 상기 렌즈면을 통해 투과된 광량을 나타낸다. 발광 면은 정사각형 다이(die)이며, x축을 따른 값은 렌즈 지름(D_L=2*R_L)과 발광 면의 유효 지름 간의 비율을 나타낸다. 3개의 곡선은 Δ n=0.2, Δn=0.5 및 Δn=0.8을 나타내며, 아웃 커플링 효율은 곡선(31)에서는 θ_C+10°, θ_C+8°, θ_C+6°, θ_C+4°, θ_C, θ_C-4°, θ_C-8°, θ_C-12°, θ_C-16°및 θ_C-20°, 곡선(32)에서는 θ_C+12°, θ_C+8°, θ_C+4°, θ_C, θ_C-4°, θ_C-8°, θ_C-12°, 및 θ_C-15°, 곡선(33)에서는 θ_C+6°, θ_C+4°, θ_C+2°, θ_C, θ_C-4°, θ_C-8°및 θ_C-12°와 같은 각(θ_S)에 대해 산출되었다.

도 3으로부터 θ_S의 값이 작을수록 렌즈의 아웃 커플링 효율이 높고, 그 반대도 성립하는 것이 명백하다. 더욱이, 발광 면의 주어진 유효 지름과 특정 각 렌즈 설계에 따른 렌즈 구성에 대해 렌즈 지름이 클수록 렌즈의 아웃 커플링 효율이 높다.

공기로 둘러싸인 굴절률 1.5의 유리에 대해서는 임계각(θ_C)은 대략 42°이다. 공기로 둘러싸인 굴절률 1.5의 세라믹, 예컨대 사파이어로 만들어진 렌즈는 대략 34°의 임계각을 갖는다. 렌즈-공기 계면에 광선이 입사하면, 렌즈의 굴절률은 1.5이고, 입사각은 θ_C(내부 전반사(TIR)가 일어나는, 즉 광이 100% 반사되는 입사각)로부터 θ_C-3.6°의 각으로 감소하고, 프레넬 반사는 약 15%로 감소한다. 더욱이, 똑 같은 상황에서, 렌즈의 굴절률이 1.8인 점을 제외하고는, 입사각이 θ_C에서 θ_C-4.1°의 각으로 감소하면 프레넬 반사는 100%에서 15%로 감소한다. 이것은 발광 면으로부터 방출되어 렌즈의 바깥쪽 경계면 상에 입사된 광의 평균 입사각은 바람직하게는 임계각보다 작다는 것을 의미한다. 특정 각(θ_S)에 기초한 렌즈 설계 기준은 이 양상과 관련된다. θ_C-χ*2π(1-cosθ_C)와 θ_C+δ (여기서, χ와 δ는 주의 깊게 선택된 상수이다) 사이의 θ_S를 선택함으로써 효율적인 시스템에 설계될 수 있다. θ_C-χ*2π(1-cosθ_C)는 일반식이며, 여기서 χ의 소정 값은 렌즈 재료와 주위 매질의 대부분의 조합에 대해 거의 동일한 아웃 커플링 효율을 준다.

즉, θ_S가 주의 깊게 선택된다. θ_S가 클수록 프레넬 반사로 인해 손실되는 광이 많다, 즉 광손실이 증가한다. 프레넬 반사로 인한(즉, 내부 전반사가 없을 때에) 광손실을 더 감소시키기 위해서는 임계값 이하의 값이 선택될 수 있다. θ_S=θ_C+δ=θ_C+12°에 해당하는 약 20%까지의 광손실은 용인될 수 있다. 바람직하게는, θ_S는 약 10%의 광손실에 해당하는 θ_C+3°보다는 작다. δ의 값은 적어도 15°보다 작은 δ에 대해서는 기본적으로 렌즈 재료와 주위 매질의 선택된 조합과 무관함을 알았다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 장치(10)의 개략적인 종단면도이다. 상기 장치는 유효 발광 면을 가진 발광 소자(1)를 포함한다. 상기 발광 면의 유효 지름은 D_E이다. 발광 소자의 전면에는 렌즈가 발광 소자의 발광 면과 광학적으로 접촉하여 배치된다. 이 실시예에서, 렌즈는 굴절률이 1.5인 유리로 만들어진다. 발광 면(1)을 둘러싸는 렌즈의 바깥쪽 경계면(2)은 본 발명의 설계를 나타낸다. 렌즈(2)는 상기 발광 소자(1)로부터 광을 수신하도록 배치된다. 도 1을 참조한 설명에 따라서 상기 발광 면으로부터 방출된 비굴절 광이 렌즈(2)의 바깥쪽 면에 대한 탄젠트와 교차하는 입사각 θ₁, θ₂, θ₃, 및 θ₄를 고려하여 상기 렌즈의 바깥쪽 면이 설계된다. 도 4로부터 쉽게 알 수 있듯이, 상기 발광 면으로부터의 모든 비굴절 광선에 대해 특정 지점(A; B)에서의 렌즈면의 종단면 상으로의 최대 입사각을 알기 위해서는 발광 면의 한 쌍의 에지 광선(11, 12; 13, 14)의 입사각을 고려하면 충분하다.

렌즈(2)의 바깥쪽 경계면 상의 임의 지점(B)에는 입사각이 상기 제1 구간 내에 있는 적어도 하나의 에지 광선(4)이 있고, 입사각이 θ_S보다 큰 유효 소스 영역으로부터의 에지 광선은 없다.

본 발명에 따라서, 렌즈가 공기로 둘러싸여 있고 굴절률이 1.5이면, 렌즈의 높이(H_L)는 θ_S=θ_C인 특정 각 설계에 대해 0.56*D_E/2이어야 한다. 부가적으로, 렌즈의 기본 반경(R_L)은 임계각에서의 설계에 대해 0.65*D_E/2이어야 한다. 더욱이, 이 설계에 따라 성형된 렌즈는 약 93%의 광 추출 효율, 즉 아웃 커플링 효율에 부합된다. 더욱이, 렌즈가 공기로 둘러싸여 있고 굴절률이 1.78이고 θ_S=θ_C인 특정 각 설계에 대해 렌즈의 높이(H_L)는 0.74*D_E/2이어야 하고, 렌즈의 기본 반경(R_L)은 0.77*D_E/2이어야 한다. 이 설계에 따른 렌즈는 91%의 광 추출 효율에 해당한다.

더욱이, 광 변환을 용이하게 하기 위하여 발광 다이오드 면에는 파장 변환 체, 예컨대 형광성 인광물질을 포함하는 층이 구비될 수 있다. 예컨대, 유기 또는 무기, 투명 또는 반투명의 유전체 재료 내에 인 입자들이 매립될 수 있다. 대안으로서, 인은 완전 세라믹체 형태로 도포될 수 있다.

LED 다이로부터의 광을 커플 아웃하기 위해서는 광학체(예컨대, 렌즈나 콜리메이터, 예컨대, 다이 위에 몰딩된 에폭시, 또는 다이와 광학체 사이의 광학적 밀봉재를 통해)와의 광학적 접촉이 요구된다. 적어도 두 개의 상이한 파장을 방출하는 복수의 다이를 서로 가까이 설치함으로써 컬러 가변 광원이 구성될 수 있어, 광원 내에서 많은 컬러 혼합이 이미 발생한 소형 광원이 달성될 수 있다. 특정 광 빔, 예컨대 10도 스폿 광 빔 형상 또는 30도 플러드(flood) 광 빔 형상을 만들어내는데 필요한 광학계의 최소화를 위해서는 작은 발광 면적이 요구된다. 대략 동일한 파장의 광을 방출하는 복수의 다이는 더 높은 출력의 광원을 만들기 위해 서로 가까이 설치될 수 있다. 이들 다이를 가능한 조밀하게 설치하면 발광 영역이 원형에 가까워진다. 열 기계적 스트레스를 최소화하고, 광 빔을 성형하는데 필요한 광학계의 크기를 최소화하기 위해서는 다이의 상부 또는 그 위에 설치된 광학 돔(dome)의 치수가 최소화되어야 한다.

도 5a 및 5b는 LED의 주 광학계가 작을수록 반사체도 작아질 수 있음을 개략적으로 보여준다. 도 5a에서 1 mm의 유효 길이를 가진 칩(1)에는 지름이 5.6 mm이고 굴절률이 1.5인 구형 렌즈(2)가 구비된다. 더욱이, 발광 면과 렌즈를 포함하는 이 광학계는 광학계가 2*20° 에텐듀(etendue) 제한 시스템이 되도록 반사체(3)에 배치된다. 반사체의 높이는 26.7 mm이며 그 지름은 18.3 mm이다.

도 5b는 본 발명에 따른 발광 장치가 구비된 다른 2*20° 에텐듀 제한 시스템을 개략적으로 보여준다. 칩(1)은 유효 길이가 1 mm이며, 렌즈(2)는 지름이 1.5 mm, 굴절률이 1.5이다. 반사체는 도 3b에 도시된 것보다 상당히 작으며, 그 높이는 12.5 mm이고 그 지름은 7.46 mm이다.

당업자라면 상술한 상태가 주어지면 적당한 광원, 컬러 변환체, 및 렌즈 재료를 선택할 수 있을 것이다. 또한 당업자라면 본 발명이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 않음을 잘 알 것이다. 오히려 첨부된 청구범위 내에서 많은 변경이나 변형이 가능하다. 예컨대, 실리콘 겔(gel) 내의 사파이어 돔과 같이 렌즈 재료와 그 주위의 매질의 다른 조합도 이용될 수 있다.

Claims

발광 다이오드(LED)를 포함하며, 유효 지름(D_E)을 가진 유효 발광 면(1)을 갖는 발광 소자, 및

상기 유효 발광 면과 광학적으로 접촉하며 상기 발광 소자로부터 나오는 광을 수신하도록 배치된 렌즈(2)

를 포함하고,

상기 렌즈의 바깥쪽 경계면 상의 임의의 위치에서 상기 유효 발광 면으로부터의 적어도 하나의 에지 광선(11-14)이 θ_C-χ2π(1-cosθ_C)보다 크거나 같은 각(θ₁-θ₄)으로 입사하도록 상기 렌즈의 바깥쪽 경계면이 굽어 있고, θ_C는 주어진 매질에서 상기 렌즈의 내부 전반사의 임계각이고, χ≤9°/sr인 발광 장치.
제1항에 있어서,

상기 바깥쪽 경계면 상의 임의의 위치에서 상기 유효 발광 면(1)으로부터의 임의의 에지 광선(11-14)이 θ_C+δ보다 작거나 같은 각으로 입사하도록 상기 렌즈(2)의 바깥쪽 경계면이 더 굽어 있고, δ≤12°인 발광 장치.
제2항에 있어서,

상기 렌즈의 높이(H_L)는 [D_E/(2*tan(θ_S+δ)), D_E/(2*tan(θ_C-χ2π(1-cosθ_C))]의 범위 내에 있고, 여기서, δ≤12°, χ≤9°/sr이고, 상기 발광 소자를 포함하는 평면에서 상기 렌즈의 반경(R_L)은 [D_E/2, 1.2*D_E]의 범위 내에 있는 발광 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

χ≤6°/sr인 발광 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

χ≤3°/sr인 발광 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

δ≤7.5°인 발광 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

δ≤3°인 발광 장치.
제7항에 있어서,

상기 렌즈의 광축을 포함하는 평면에서 상기 렌즈의 종단면은 하기의 수학식

으로 표현되는 타원보다 크고, 하기의 수학식

으로 표현되는 타원보다 작고, 여기서,

x는 상기 발광 소자(1)의 표면에 평행한 좌표이고,

y는 상기 발광 소자(1)의 표면에 직교하는 좌표이고,

y₀는 [-0.1, 0.25]의 구간 내의 상수이고,

y는 y₀보다 크거나 같은 발광 장치.
제3항에 있어서,

상기 렌즈의 종횡비(H_L/R_L)는 0.4 내지 1.2의 범위 내에 있는 발광 장치.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 발광 소자는 상기 LED의 적어도 일부로부터 광을 수신하여 상기 수신된 광의 적어도 일부의 파장을 변경하고 상기 수신되어 파장 변경된 광의 적어도 일부 를 상기 렌즈 쪽으로 향하게 하도록 배치된 컬러 변환 소자를 더 포함하는 발광 장치.
제10항에 있어서,

상기 컬러 변환 소자는 바람직하게는 상기 LED 상에 코팅된 인광물질 포함층인 발광 장치.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 렌즈(2)는 상기 렌즈와 상기 렌즈를 에워싸는 외측 매질 간의 굴절률 차가 0.2 내지 0.85, 바람직하게는 0.2 내지 0.6, 더 바람직하게는 0.2 내지 0.4가 되도록 하는 굴절률을 갖는 발광 장치.
제12항에 있어서,

상기 렌즈(2)의 굴절률은 1.45 내지 1.85이고, 상기 렌즈의 높이(H_L)는 0.45*D_E 내지 1.2*D_E이고, 상기 렌즈의 반경(R_L)은 0.55*D_E 내지 1.2*D_E이고, 상기 종횡비(H_L/R_L)는 [0.6; 1.2] 범위 내에 있는 발광 장치.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 렌즈와 광학적으로 접촉하는 실질적으로 투명한 제2 유전체를 더 포함 하고, 상기 유전체의 굴절률은 1.3 내지 1.6이고, 상기 렌즈와 상기 유전체 간의 굴절률 차는 0.2 내지 0.4이고, 상기 렌즈의 높이(H_L)는 0.2*D_E 내지 0.85*D_E이고,상기 렌즈의 반경(R_L)은 0.5*D_E 내지 0.85*D_E인 발광 장치.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 발광 소자는 상이한 파장 범위 내에서 광을 방출하는 적어도 두 개의 LED를 포함하는 발광 장치.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 바깥쪽 경계면 밖에 배치된 확산층을 더 포함하는 발광 장치.
제16항에 있어서,

상기 확산층은 상기 바깥쪽 경계면으로부터 광학적으로 분리된 발광 장치.
반사체와, 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 발광 장치를 포함하는 광학계.
제18항에 있어서,

상기 반사체는 내부 전반사에 기초하여 광을 반사하는 유전 콜리메이터인 광 학계.
유효 지름(DE)을 가진 면(41)을 갖는 발광 소자에서 렌즈의 외측면의 종단면 형상을 설계하는 방법에 있어서,

발광 면에 직교하는 방향을 따라 거리 D_e/(2*tanθ_S)만큼 상기 발광 소자의 면으로부터 분리된 제1 지점(A)을 제공하는 단계;

상기 발광 면에 평행하며 상기 제1 지점과 교차하는 제1 라인(42)을 제공하는 단계;

상기 제1 지점에서 제1 각(α)으로 상기 제1 라인과 교차하는 제2 라인(43)을 제공하는 단계;

상기 발광 면으로부터의 적어도 하나의 에지 광선(14)이 제2 지점에서 θ_S와 같은 각으로 상기 제2 라인과 교차하도록, 그리고 상기 발광 면으로부터의 다른 에지 광선은 상기 제2 지점에서 θ_S보다 큰 각으로 교차하지 않도록 상기 제2 라인 상에서 제2 지점(B)을 결정하는 단계;

상기 제2 라인과 상기 제2 지점에서 제2 각(β)으로 교차하는 제3 라인(44)을 제공하는 단계;

상기 발광 면으로부터의 적어도 하나의 에지 광선이 제3 지점에서 θ_S와 같은 각으로 상기 제3 라인과 교차하도록, 그리고 상기 발광 면으로부터의 다른 에지 광선은 상기 제3 지점에서 θ_S보다 큰 각으로 교차하지 않도록 상기 제3 라인 상에서 제3 지점을 결정하는 단계; 및

상기 제1, 제2 및 제3 지점과 교차하며 상기 바깥쪽 경계 렌즈 면의 종단면을 나타내는 완만한 곡선(45)을 제공하는 단계

를 포함하며,

θ_S는 θ_C-χ2π(1-cosθ_C)와 θ_C+δ 사이에 있고, 여기서 χ는 9°/sr이고 δ≤12°인 렌즈 외측면의 종단면 형상 설계 방법.
제20항에 있어서,

χ≤6°/sr이고 δ≤7.5°인 렌즈 외측면의 종단면 형상 설계 방법.
제20항에 있어서,

χ≤3°/sr이고 δ≤3°인 렌즈 외측면의 종단면 형상 설계 방법.
제15항 또는 제16항에 있어서,

추가 라인을 제공하고 추가 지점을 결정하는 상기 단계는 소정 횟수 반복되는 렌즈 외측면의 종단면 형상 설계 방법.
제20항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1 및 제2 각(α, β)는 0.005° 내지 0.1°범위 내에, 바람직하게는 0.01° 내지 0.05°범위 내에 있는 렌즈 외측면의 종단면 형상 설계 방법.
제20항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,

그 비율이 일정하게 유지되도록 상기 제공된 완만한 곡선을 스케일링하는 단계를 더 포함하는 렌즈 외측면의 종단면 형상 설계 방법.