KR20080074186A - 발광 모듈, 조명 장치, 및 적층 시트 요소 제조 방법 - Google Patents
발광 모듈, 조명 장치, 및 적층 시트 요소 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
광을 방출할 수 있는 적어도 하나의 반도체 광원(20a-20c), 및 상기 광방출 방향에서 상기 적어도 하나의 반도체 광원(20a-20c)에 인접 배치된 광 변경 부재(21)를 포함하는 발광 모듈(19). 상기 광 변경 부재(21)는 제1 및 제2 적층 시트를 포함하는 전체 적층 시트 구조로부터 분할된 적층 시트 요소(21)로 구성되고, 상기 적층 시트 요소(21)는 상기 제1 및 제2 적층 시트의 제1 및 제2 시트부를 포함하고, 적어도 상기 제1 시트부는 상기 방출된 광을 변경하도록 구성된다. 광 변경 부재를 전체 적층 시트 구조로부터 분할된 적층 시트 요소로 제공함으로써 광 변경 부재 및/또는 발광 모듈의 일괄 제조가 가능하며, 따라서 전체 적층 시트 구조를 제조하는데 수작업이나 고가의 장비를 필요로 하는 제조 단계들을 수행할 수 있다. 그러면 이들 제조 단계들에 드는 비용은 많은 성분들로 분산될 수 있어 제조 비용을 줄일 수 있다.
발광 모듈, 반도체 광원, 광 변경 부재, 적층 시트
Description
본 발명은 광을 방출할 수 있는 적어도 하나의 반도체 광원과 그 광방출 방향에서 이 적어도 하나의 반도체 광원에 인접 배치된 광 변경(light-modifying) 부재를 포함하는 발광 모듈과, 그와 같은 발광 모듈을 포함하는 조명 장치에 관한 것이다.
또한 본 발명은 광 변경 부재나 발광 모듈과 같은 적층 시트 소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근 컴팩트한 고강도 램프를 적용한 응용 기기들이 널리 확산되고 다양화되어 왔다. 그와 같은 응용기기들로는 예컨대 오버헤드 프로젝터와 같은 전통적인 프리젠테이션 도구를 빠르게 대체하고 있는 컴퓨터 및/또는 텔레비젼 연결 프로젝터가 있다.
그와 같은 프로젝터에서 핵심 구성은 램프이다. 램프는 고강도 광을 확실하게 발생할 수 있어야 하며, 동시에 프로젝터나 기타 다른 응용기기들이 대량 판매 요건을 충족하기 위하여 크기가 작고, 값도 비교적 싸고, 에너지 효율도 좋아야 한다.
성능면에서 보면, LED나 각종 레이저 다이오드와 같은 반도체 광원에 기초한 램프는 예컨대 내구성이 좋고 수명도 길기 때문에 다른 종래의 광원보다 대체로 우수하다고 할 수 있다.
미국 특허출원 제2005/0041000호에는 다이오드 레이저를 이용하여 광을 발생하는 투사형 디스플레이 장치가 개시되어 있다. 이 디스플레이 장치에서 각 다이오드 레이저는 광 파이버를 통해 빔성형 및 아웃커플링(outcoupling) 광학 장치에 연결된다.
이 특허 문서에 개시된 램프 조립체는 공간을 많이 차지하고, 복잡할 뿐만 아니라 대량 생산에도 적합하지 않다. 더욱이 수작업으로 조립해야 할 일이 많기 때문에 제품 단가가 올라간다.
따라서 그와 같은 종래 기술상의 문제점을 해결하기 위하여는 반도체 광원에 기초한 비용 효율이 높은 조명 장치가 필요하다. 특히 대량 생산에 적합한 반도체 기반 발광 모듈이 필요하다.
종래 기술상의 상기 결점과 기타 다른 결점을 고려하여 본 발명의 목적은 개선된 반도체 기반 발광 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 그와 같은 발광 모듈의 대량 생산을 가능하게 하는 것이다.
본 발명의 제1 양상에 따라서, 이들 목적 및 기타 다른 목적은, 광을 방출할 수 있는 적어도 하나의 반도체 광원, 및 상기 광방출 방향에서 상기 적어도 하나의 반도체 광원에 인접 배치된 광 변경 부재를 포함하고, 상기 광 변경 부재는 제1 및 제2 적층 시트를 포함하는 전체 적층 시트 구조로부터 분할된 적층 시트 요소로 구성되고, 상기 적층 시트 요소는 상기 제1 및 제2 적층 시트의 제1 및 제2 시트부를 포함하고, 적어도 상기 제1 시트부는 상기 방출된 광을 변경하도록 구성된 발광 모듈에 의해 달성된다.
본 출원의 내용에서 "반도체 광원"은 광의 생성 및/또는 방출에 적어도 하나지 반도체 재료가 관련된 광원으로 이해되어야 한다. 그와 같은 광원은 예컨대 각종 발광 다이오드(LED)와, 소위 에지 발광 또는 표면 발광 레이저와 같은 반도체 레이저를 포함한다.
용어 "광 변경 부재"는 어떤 방식으로든지 광을 변경할 수 있는 부재로 이해되어야 한다. 결과적으로 그와 같은 광 변경 부재에 의해서 파장, 파장 분포, 및 편광과 같은 기본적인 광 특성과, 빔 방향, 빔 폭, 빔 형태, 빔 발산 또는 수렴 등과 같은 광 빔 관련 특성을 포함하는 임의의 특성에 대해 광이 변경될 수 있다. 더욱이, 광 변경 부재는 광을 부분적으로 또는 완전히 차단할 수 있다.
"전체 적층 시트 구조"는 적어도 두 개의 시트를 적층 접합하여 형성된 구조로 이해되어야 한다.
시트의 적층과 이들을 분할하여 개별화하는 것은 잘 알려져 있다. 그러나 발광 모듈에 대해서는 이러한 방식은 이전에 제시되어 있지 않다. 특히 조명 분야의 발광 모듈에 관해서는 본 발명의 방식은 본 기술 분야의 당업자가 생각지 못한 완전히 새로운 사고 방식이다.
특히 각 시트 또는 시트부가 발광 모듈의 적절한 동작에 필요한 하나 또는 그 이상의 특정 기능을 가질 수 있다는 것이 장점이다.
전체 적층 시트 구조로부터 분할된 적층 시트 요소로 구성된 광 변경 부재는 미리 분할된 시트부와 적층 접합함으로 제조된 부품과 구별될 수 있음을 알아야 한다. 그와 같은 구별은 예컨대 광 변경 부재의 측면 에지를 검토함으로써 결정될 수 있다. 이 측면 에지는 본 발명의 발광 모듈의 경우에는 적층 시트 요소가 분할된 전체 적층 시트 구조에 대해 수행된 단 하나의 분할 프로세스로부터 생긴 단면 표면을 가진다. 이 측면 에지는 광학 현미경, 전자 현미경, 기계적 표면 측정 장치 및 재료 분석 장비와 같은 여러 가지 도구를 이용하여 검토 분석될 수 있다. 전체 적층 시트 구조를 분할하는데 이용된 분할 방법에 따라서는 여러 가지 구별 특성들이 결정될 수 있다. 예컨대 기계적 절단의 경우에는 몇 개 시트의 단면 표면에 걸쳐 있는 연속한 절단 패턴이 결정될 수 있다. 더욱이 어떤 층으로부터의 잔류물은 인접 층의 단면 표면을 따라 끌어져 여기에 퇴적될 수 있다. 레이저 절단이나 분사수 절단과 같은 다른 분할 방법이 이용되는 경우에는 다른 구별 특성이 결정될 수 있다. 레이저 절단의 경우에 그와 같은 특성의 일례는 레이저 어블레이션(ablation) 프로세스로부터 생긴 미량의 탄소가 단면 표면에서 검출될 수 있다는 것이다. 더욱이 전체 적층 시트 구조로부터 분할된 적층 시트 요소에 내재한 완전한 시트부 정렬은 광학 현미경으로도 쉽고 빠르게 조사할 수 있는 것이므로 그와 같은 복잡한 분석은 대부분의 경우에 할 필요가 없는 것임을 알아야 한다.
광 변경 부재를 전체 적층 시트 구조로부터 분할된 적층 시트 요소로 제공함으로써 광 변경 부재 및/또는 발광 모듈의 일괄 제조가 가능하며, 따라서 전체 적층 시트 구조를 제조하는데 수작업이나 고가의 장비를 필요로 하는 제조 단계들을 수행할 수 있다. 그러면 이들 제조 단계들에 드는 비용은 많은 성분들로 분산될 수 있어 제조 비용을 줄일 수 있다.
더욱이 많은 발광 모듈이 광 변경 부재를 형성하는 적층 시트 구조가 분할되는 전체 적층 시트 구조의 제1 및 제2 시트를 정렬하는 것과 같은 특정 제조 단계에 의해 기본적으로 동일한 방식으로 영향을 받기 때문에 발광 모듈의 품질과 일관성은 종래 기술에 비해 향상될 수 있다.
또한 시트를 가지고 작업하게 되면 개별 부품에 대해 가능하지 않은 생산 방법도 이용할 수 있다. 그와 같은 생산 방법으로는 스크린 프린팅, 자동 부품 배치, 자동 와이어 본딩, 드릴링, 밀링, 몰딩 등이 있다. 그러므로 품질 향상과 비용 절감 이외에도 더욱 컴팩트한 발광 모듈을 달성할 수 있다.
또한 제2 시트부를 반도체 광원으로부터 방출된 광을 변경하도록 구성함으로써 방출광의 더욱 복잡한 변경도 달성될 수 있다.
바람직하게는 상기 시트부들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 광학 소자를 포함한다.
더욱이 바람직하게는 상기 광 변경 부재는 상기 적어도 하나의 광학 소자가 상기 적어도 하나의 반도체 광원과 정렬되도록 배치될 수 있다.
더욱이 발광 모듈은 복수의 반도체 광원과, 상기 적어도 하나의 시트부에 포함된 복수의 제1 대응 광학 소자를 포함할 수 있다.
광 변경 부재에 포함된 하나 또는 그 이상의 시트부에는 광학 소자가 포함될 수 있다. 예컨대 제1 시트부에는 복수의 제1 광학 소자가 포함될 수 있고, 제2 시트부에는 복수의 제2 광학 소자가 포함될 수 있다. 바람직하게는 제1 광학 소자 각각은 제2 광학 소자 중 대응하는 것과 정렬될 수 있다. 이것은 바람직하게는 전체 적층 시트 구조에 포함된 제1 및 제2 시트와의 정렬을 통해 달성될 수 있다.
상기 시트부 중 적어도 하나에 포함된 상기 적어도 하나의 광학 소자는 상기 시트부 내의 대응 공동(cavity)에 내장될 수 있다.
광 변경 부재가 분할되는 전체 적층 시트 구조에 포함된 시트 중 적어도 하나에서의 적당한 장소에 공동을 형성함으로써 광학 소자가 정확하게 배치될 수 있다. 더욱이 광학 소자의 자동 배치가 용이하므로 발광 모듈의 대량 생산성을 향상시킬 수 있다.
동공은 예컨대 드릴링, 밀링, 몰딩, 펀칭, 코이닝(coining), 머시닝 또는 레이저 어블레이션과 같은 것을 통해 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 발광 모듈에 포함된 상기 광 변경 부재는 상기 전체 적층 시트 구조에 포함된 제3 적층 시트의 제3 시트부를 더 포함할 수 있다.
제3 시트부를 포함함으로써 광 변경 부재에 의해 제3 기능이 달성될 수 있다. 그와 같은 제3 기능은 반도체 광원에 의해 방출된 광의 변경, 여러 가지 층에 포함된 광학 소자의 보호, 여러 가지 시트부 및/또는 반도체 광원을 전기적으로 서로 접속시키는 것 및 여러 가지 전기적 및/또는 기계적 성분을 지지하는 것을 포함할 수 있다.
더욱이 광 변경 부재에 포함된 상기 시트부 중 적어도 하나는 발광 모듈을 제어할 수 있는 회로를 포함할 수 있다.
이 회로는 수동형 및/또는 능동형 성분을 포함할 수 있다. 이 회로에 의해 달성되는 기능의 예는 적어도 하나의 반도체 광원의 디커플링, 광학 소자의 가열 및/또는 제어, 적어도 하나의 반도체 광원에 의해 방출된 광의 감지, 반도체 광원의 제어, 및 적어도 하나의 반도체 광원에 의해 방출된 광의 변조의 제어를 포함할 수 있다.
이에 따라 컴팩하고 어느 정도 독립적인 발광 모듈을 실현할 수 있다. 이 회로는 예컨대 납땜이나 기타 다른 연결 방법을 통해 시트에 부착된 전자 성분으로서 제공될 수 있다. 시트 적층을 가능하게 하기 위해서는 이 전자 성분은 인접 층에 형성된 대응 리세스에 수용될 수 있다. 또는 이와 같은 전자 성분은 전체 적층 시트 구조의 상부와 하부에 위치하는 시트 중 어느 하나나 모두에 부착될 수 있으며, 이 성분은 시트로부터 돌출할 수 있다.
바람직하게는 광 변경 부재는 발광 모듈을 외부 제어 회로에 연결하는 연결 수단을 포함할 수 있다.
이와 같은 연결 수단은 예컨대 납땜, 프레싱, 용접 또는 아교(glueing)와 같은 여러 가지 연결 방법에 적합한 핀이나 패드일 수 있다.
광 변경 부재 상에 연결 수단을 제공함으로써 이 부재에 의해 부가적인 기능이 달성될 수 있다. 광 변경 부재는 적어도 하나의 반도체 광원에 의해 방출된 광을 변경하는 것 이외에도 발광 모듈에 연결되어 이를 외부적으로 제어할 수 있다.
이 연결 수단은 바람직하게는 광 변경 부재를 전체 적층 시트 구조에서 분할할 때에 덮여 있지 않은 단면 표면에 구비될 수 있다. 이것은 예컨대 전체 시트 구조에서 시트들 중 적어도 하나에 복수의 금속화 구멍을 구비함으로써 달성될 수 있다. 그러면 연결 수단은, 금속화 구멍을 통해 예컨대 절단을 통해 분할 또는 다이싱할 때에 형성될 수 있다. 더욱이 연결 수단은 최상 시트의 상부 또는 최저 시트의 하부에 형성될 수 있다.
본 발명의 제1 양상의 일 실시예에 따라서, 발광 모듈은 제1 파장 분포를 가진 광을 방출할 수 있는 제1 반도체 광원, 및 제2 파장 분포를 가진 광을 방출할 수 있는 제2 반도체 광원을 포함하고, 상기 발광 모듈은 적어도 상기 제1 및 제2 반도체 광원에 의해 방출된 광을 결합시켜 이루어진 제3 파장 분포를 가진 광을 방출할 수 있다.
여러 가지 주 파장에서 광을 방출할 수 있는 적어도 2개의 반도체 광원을 발광 모듈에 포함시킴으로써 발광 모듈은 다른 파장의 광을 방출할 수 있다. 반도체 광원과 주파수 변환 소자와 같은 다른 광학 소자, 예컨대 주파수 증배기와 업 또는 다운 변환 재료를 적당히 선택하면, 발광 모듈은 백색과 같이 원하는 색의 광을 방출할 수 있다.
본 발명의 제1 양상의 다른 실시예에 따라서, 발광 모듈은 제1 파장 분포를 가진 광을 방출할 수 있는 제1 반도체 광원, 제2 파장 분포를 가진 광을 방출할 수 있는 제2 반도체 광원, 제3 파장 분포를 가진 광을 방출할 수 있는 제3 반도체 광원, 및 광 변경 부재를 포함하고, 상기 광 변경 부재는 각각 광학 소자를 포함하는 적어도 3개의 공동을 가진 제1 시트부, 및 상기 제1 시트부의 상기 공동을 덮어 상기 광학 소자를 보호하도록 구성된 제2 시트부를 포함하고, 상기 반도체 광원 각각은 상기 광원이 대응 광학 소자에 정렬되는 위치에 배치되고, 상기 위치에서 상기 광 변경 부재와 접합된다.
본 발명의 제1 양상에 따른 발광 모듈은 바람직하게는 조명 장치에 포함될 수 있으며, 상기 발광 모듈을 제어하도록 구성된 제어 회로, 및 상기 발광 모듈에 전력을 공급하도록 구성된 전원 장치를 더 포함한다.
본 발명의 제2 양상에 따라서, 상기 목적 및 기타 다른 목적은, 적층 시트 요소를 제조하는 방법에 있어서, 반도체 광원으로부터 방출된 광을 변경하도록 구성된 제1 시트를 제공하는 단계, 제2 시트를 제공하는 단계, 상기 제1 및 제2 시트를 적층 정렬하는 단계, 상기 제1 및 제2 시트를 접합하여 전체 적층 시트 구조를 형성하는 단계, 및 상기 전체 적층 시트 구조를 분할하여, 각각이 제1 시트부 및 제2 시트부를 포함하는 복수의 적층 시트 요소를 형성하는 단계를 포함하는 적층 시트 요소 제조 방법에 의해 달성된다.
상기 제1 시트는 광을 어느 정도 균질적으로 변경하도록 구성될 수 있으며, 또는 제1 시트는 복수의 광학 소자를 포함할 수 있다. 그와 같은 광학 소자는 제어가능 공간 광변조기와 같은 가변 소자나 고정 렌즈나 미러와 같은 고정 소자를 포함할 수 있다.
시트에 적당한 재료는 각자가 의도하는 기능에 따라 달라진다. 시트들 중 적어도 하나에 대해서는 바람직하게는 FR-4와 같은 종래의 회로 기판 재료가 선택될 수 있다.
시트들은 여러 가지 방법들 중 하나를 이용하여 접합될 수 있다. 예컨대 시트들은 아교, 용접, 납땜, 스프링이나 나사를 통한 기계적 고정, 또는 이들 접합 방법의 조합을 통해 접합될 수 있다.
전체 적층 시트 구조는 예컨대 절단, 밀링, 분출수, 레이저 커팅 등과 같은 것을 통한 임의의 적당한 방법을 이용하여 분할될 수 있다.
바람직하게는 상기 제1 시트 제공 단계는 각각이 제1 광학 소자를 수용하도록 구성되는 적어도 복수의 제1 공동을 가진 제1 시트를 제공하는 단계, 및 제1 광학 소자들을 대응하는 공동에 배치하는 단계(105)를 포함할 수 있다.
이들 공동은 드릴링, 밀링, 몰딩, 펀칭, 코이닝, 머시닝 또는 레이저 어블레이션 등과 같은 여러 가지 방식으로 형성될 수 있다.
바람직한 실시예에 따라서, 제1 적층 시트 구조로부터 분할된 제1 스트립 형상 적층 시트 요소들과 제2 적층 시트 구조로부터 분할된 제2 스트립 형상 적층 시트 요소들을 나란히 정렬 접합하여, 제1 및 제2 적층 시트 요소를 포함하는 복합 전체 적층 시트 구조를 형성한다. 그 다음, 이 복합 구조는 각각이 상기 제1 및 제2 적층 시트 요소 양자의 부분을 포함하는 복수의 복합 적층 시트 요소로 분할된다. 물론 이 방법은 3개 또는 그 이상의 서로 다른 스트립으로 쉽게 확장될 수 잇다.
본 발명에 따른 방법의 이 실시예는 혼색광이 방출되어야 하는 응용에서 적층 시트 요소를 제조하는데 특히 유용하다. 그러면 많은 적층 시트 스트립은 여러 가지 색에 적합한 여러 가지 전체 적층 시트 구조로부터 분할될 수 있다. 예컨대 적색, 녹색 및 청색과 같은 3가지 색이 조합될 수 있다.
몇 가지 시트 스트립을 정렬 접합함으로써 이들 제1 및 제2 색의 혼합에 적합한 새로운 복합 적층 시트 구조가 형성된다. 이어서 이 복합 적층 시트 구조는 그렇게 형성된 복합 적층 시트 요소 각각이 사용된 적층 시트 스트립 각각으로부터 적어도 하나의 부분을 포함하도록 분할될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 상기 적층 시트 요소 각각에 적어도 하나의 반도체 광원을 제공하여 복수의 발광 모듈을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에 따라서, 상기 적층 시트 요소에 반도체 광원을 제공하는 단계는 적어도 하나의 반도체 광원이 상기 적층 시트 요소 각각에 구비되도록 상기 전체 적층 시트 구조에 복수의 반도체 광원을 부착하는 단계를 포함할 수 있다.
이 실시예에 따라서, 상기 복수의 발광 모듈은 먼저 복수의 반도체 광원을 전체 적층 시트 구조에 부착하고 이어서 전체 적층 시트 구조를 분할함으로써 형성된다.
본 발명에 따른 방법의 다른 실시예에 따라서, 상기 적층 시트 요소에 반도체 광원을 제공하는 단계는 분할 후에 상기 적층 시트 요소 각각에 적어도 하나의 반도체 광원을 부착하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 이 제2 양상을 통해 얻어진 추가적인 효과는 본 발명의 제1 양상과 관련하여 전술한 것과 거의 유사하다.
이제 본 발명의 이들 및 기타 다른 양상을 본 발명의 바람직한 실시예를 보여주는 첨부 도면을 참조로 예시적으로 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 조명 장치의 개략도.
도 2a는 본 발명에 따른 발광 모듈의 바람직한 실시예의 사시도.
도 2b는 도 2a의 발광 모듈의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 제조 방법을 나타낸 플로우 차트.
도 4a는 도 3의 제조 방법의 제1 실시예를 나타낸 플로우 차트.
도 4b는 도 3의 제조 방법의 제2 실시예를 나타낸 플로우 차트.
도 4c는 도 3의 제조 방법의 제3 실시예를 나타낸 플로우 차트.
도 4d는 도 3의 제조 방법의 제1 실시예를 나타낸 플로우 차트.
도 5는 도 4d의 제조 방법에 따른 예시적인 생산 흐름의 개략도.
하기 설명에서 본 발명은 백색광 발광을 위한 수직 공동 표면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser: VCSEL) 기반 발광 모듈을 가지고 설명한다. 그러나 이것은 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 본 발명은 각종 LED 와, 에지 발광 레이저와 같은 여러 가지 종류의 반도체 레이저와 같은 여러 가지 다른 반도체 광원에 기반한 발광 모듈에도 똑같이 적용될 수 있다. 더욱이 반도체 광원의 응용과 종류에 따라서는 이 설명에서 설명된 것과는 다른 형태의 광 변경도 바람직할 수 있다. 또한 본 발광 모듈은 반드시 백색광만을 방출하도록 구 성될 필요는 없고 실제로는 임의의 색 또는 가변 색의 광을 방출하도록 구성되어도 된다. 더욱이 하기에서 설명되는 반도체 레이저는 원하는 파장의 대략 두 배 파장을 가진 광을 방출하지만, 하나 또는 그 이상의 원하는 색이 반도체 광원으로부터 바로 발생할 수도 있다. 이 경우에 광 변경 부재에 포함된 광학 소자들은 기본적으로 방출 빔을 둥근 빔 형태로 변경하는 비점수차 렌즈 또는 광 콜리메이팅 렌즈이다. 따라서 적층 시트 소자에 포함된 하나의 시트부에 의해 빔 성형 기능이 달성된다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 조명 장치의 개략도이다.
도 1에는 컴퓨터(2)에 연결되는 프로젝터(1) 형태의 조명 장치가 도시되어 있다. 이 프로젝터(1)에는 레이저 방식 발광 모듈(4)과 제1 빔 변경 광학 소자(5)를 가진 램프(3) 구비되어 있다. 발광 모듈(4)로부터의 광은 제1 빔 변경 광학 소자(5), SLM 모듈(공간 광변조기)(6), 및 제2 빔 변경 광학 소자(7)를 차례로 통과한 후에 SLM 모듈(6)에 의해 결정된 영상을 투사한다. 램프(3)와 SLM 모듈(6)은 통신 인터페이스(9)를 통해 컴퓨터(2)로부터 명령을 받도록 구성된 내부 컨트롤러(8)에 의해 제어된다. 램프(3)와 컨트롤러(8)는 전력 코드(11)를 통해 AC 전력을 받는 내부 전원 장치(10)를 통해 전력을 공급받는다.
도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 발광 모듈(19)의 바람직한 실시예를 보여준다.
도 2a 및 2b에는 VCSEL(20a-20c) 형태로 된 3개의 반도체 광원 모듈은 VCSEL(20a-20c)에 대해서 VCSEL(20a-20c)에 의한 발광 방향에 위치한 광 변경 부 재(21)에 결합하는 것으로 도시되어 있다. VCSEL(20a-20c)은 각각 통상적으로 1220-1300nm(610-650nm), 1020-1080nm(510-540nm), 및 840-960nm(420-480nm) 범위의 주 파장을 가진 광을 방출할 수 있으며, 여기서 주파수 증배 후에 얻어진 이 파장 범위는 괄호 내에 주어진다(이러한 파장 범위들은 그와 같은 광을 직접 방출할 수 있는 반도체 광원을 가진 전술한 다른 실시예에서도 바람직한 파장 범위이다). 각 VCSEL(20a-20c)는 각자의 실리콘 서브 마운트(sub-mount)(22a-22c)에 다이 결합되고, 각자의 서브 마운트(22a-22c)에 부착된 각자의 리드 프레임(23a-23c)에 와이어 결합된다. 서브 마운트(22a-22c)의 반대 측에는 냉각핀을 구비한 금속 슬라브(24) 형태의 히트 싱크가 배치되어 있다.
리드 프레임 패드(25a-25b)(여기서는 도시를 간단하게 하기 위해 두 개의 패드만이 도시되어 있음)는 광 변경 부재(21)에 포함된 최저(여기서는 제1이라 함) 시트부(27)의 바닥에 있는 대응 패드(26a-26b)에 연결된다. VCSEL 모듈(20a-20c)을 광 변경 부재(21)에 연결한 다음에는, VCSEL(20a-20c)과 본드 와이어를 외부로부터 보호하기 위해 VCSEL을 투명 언더필(underfill)로 밀봉한다. 전체 적층 시트 구조로부터 분리하면 광 변경 부재(21)는 6개의 시트부로 구성되며, 각 시트부는 자신의 기능으로 광 변경 부재(21)에 기여한다. 기능에 따라서 시트(결과적으로 시트부)의 재료를 달리할 수 있다. 즉 사용되는 재료들은 열팽창 특성이 서로 다른 것이 바람직하다. 또한 열팽창 특성이 같지않은 재료들 사이에 응력 흡수 전이층이 구비될 수 있다. 전기적 접속 경로를 제공하고 그리고/또는 전기적 성분을 지지하는 시트를 위해서는 FR-4와 같은 종래의 회로 기판 재료가 바밤직하다. 이 들 시트는 물론 광학 소자를 지지하고 배치하는 추가 기능을 수행할 수 있다. 광학 소자를 지지하는 시트의 경우에는 그 광학 소자에 의해서 시트 두께가 결정될 수 있다. 경우에 따라서는 시트 두께는 수 밀리미터일 수 있다. 시트들은 바람직하게는 유리나 기타 어느 정도 균질인 재료로 만들어진다. 제1 시트부(27)에는 발광 모듈(19)로부터 나온 IR광을 반사시키고 편광 방향을 선택하기 위한 경사진 이색성 거울(28a-28c) 형태의 제1 광학 소자가 내장된다. 제2 시트부(29)에는 이것에 형성된 공동에 주파수 증배 수정(30a-30c)(도 2b) 형태의 제2 광학 소자가 내장된다. 제2 시트부(29)는 발광 모듈(19)을 제어할 수 있는 회로를 더 포함하며, 이 회로는 주파수 증배 수정(30a-30c)을 가열하는 히터(31a-31c)(도 2b) 형태로 제공된다. 제3 시트부(32)는 하부의 주파수 증배 수정을 보호하거나 이 주파수 증배기를 주위로부터 열적으로 차단하기 위한 투명 커버이다. 이와 같은 열적 차단은 예컨대 제1(27) 및 제2(29) 시트부 사이에 추가적인 적층 시트부 형태로 제공될 수도 있다. 제4 시트부(33)로서는 (좁은) 파장 선택 미러 또는 브래그 회절 격자가 제공된다. 브래그 회절 격자(33)의 목적은 광 변경 부재(21)에 의해 형성된 확장 공동에 엔드(end) 미러를 형성하는 것이다. 각각 VCSEL(20a-20c)로부터 처음 나온 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 광은 브래그 회절 격자(33)를 통해 제5 시트부(34)로 들어간다. 제5 시트부(34)에는 백색광 빔(36)이 발광 모듈(19)로부터 방출될 수 있도록 광을 유도하여 혼합하는 반투명 아웃커플링 미러(35a-35c)가 내장되어 있다. 마지막으로 제6 시트부(37)는 아웃커플링 미러(35a-35c)를 보호한다.
제4(34) 및 제6(37) 시트부로 구성된 아웃커플링 모듈은 응용에 따라 선택적 인 것이다. 도 1에 나타난 응용에서는 발광 모듈은 이 아웃커플링 모듈은 있어도 되고 없어도 된다.
반도체 광원과 광 변경 부재 간의 전술한 접속은 바람직하게는 납땜, 용접 또는 다른 실시예에 따라서 이루어질 수 있으며, 최저 시트부는 예컨대 슬라이딩을 통해 반도체 광원 모듈을 수용하도록 구성될 수 있으며, 그러면 이러한 접속은 반도체 광원 모듈과 최저 시트부에 구비된 대응하는 접촉 패드를 누름으로써 이루어질 수 있다.
다음에 본 발명에 따른 제조 방법을 도 3과 도 4a-4d를 참조로 설명한다. 도 4a-4d는 도 3에서의 방법의 여러 가지 실시예들을 도시한 것이다.
이제 도 3을 참조로 설명하면, 제1 단계(100)에서 제1 시트가 구비된다. 다음 단계(101)에서는 제2 시트가 구비된다. 그 후 단계(102)에서 제1 시트와 제2 시트는 적층 정렬된다. 적층 정렬된 시트는 다음 단계(103)에서 서로 접합된다. 접합 또는 적층에 이어서 단계(104)에서 전체 적층 시트 구조는 개별적인 적층 시트 요소로 분할 또는 개별화된다.
본 발명의 제조 방법의 제1 실시예에 따라서, 도 4a에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 도 3의 단계들(100, 101) 사이에 제1 시트에 구비된 공동에 광학 소자를 배치하는 추가 단계(105)가 삽입될 수 있다.
본 발명의 제조 방법의 제2 실시예에 따라서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 도 3의 단계들(103, 104) 사이에 반도체 광원을 전체 적층 시트 구조에 부착하는 추가 단계(106)가 삽입될 수 있다.
본 발명의 제조 방법의 제3 실시예에 따라서, 도 4c에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 도 3의 단계(104)에 이어서 반도체 광원을 개별화된 적층 시트 요소에 부착하는 추가 단계(107)가 삽입될 수 있다. 예컨대 반도체 광원을 히트 싱크 및/또는 기타 다른 캐리어에 미리 고정하고, 이 미리 고정된 반도체 광원에 적층 시트 요소를 부착할 수 있다.
본 발명의 제조 방법의 제4 실시예에 따라서, 도 4d에 도시된 바와 같이, 도 3의 단계(104) 이전에 전체 적층 시트 구조를 제1 적층 시트 스트립으로 분할하고, 이 제1 적층 시트 스트립과, 다른 적층 시트 구조로부터 생긴 제2 적층 시트 스트립을 나란히 정렬하여 접합하여 복합 적층 시트 구조를 형성하는 추가 단계들(108, 109)을 수행한다. 물론 상기 제2 및 제3 실시예 각각은 상기 제1 실시예와 조합하는 것이 바람직할 수 있다. 더욱이 상기 제4 실시예는 상기 제1, 제2 및 제3 실시예들 어느 것과 조합하는 것이 바람직할 수 있다.
이제 도 5를 참조로 상기 제4 실시예에 대해서 더 자세히 설명한다. 도 5는 본 발명에 따른 제조 방법의 제4 실시예에 따른 예시적인 생산 흐름의 일부를 개략적으로 나타낸다.
도 5에서, 각각 R(적색), G(녹색) 및 B(청색)으로 나타낸 대응 색에 대한 적층 시트 구조(40, 41, 42)가 구비된다. 적층 시트 구조(40, 41, 42) 각각은 전술한 바와 같이 적층 시트 스트립(40a-40b, 41a-41b, 42a-42b)(도시 편의를 위해 각각에 대해 두 개만 도시함)으로 분할된다. 이어서 이들 적층 시트 스트립(40a-40b, 41a-41b, 42a-42b)을 나란히 정렬 접합하여 복합 적층 시트 구조(43)를 형성 한다. 이 예에 따라서 적층 시트 스트립은 RGB 구조를 구성하기 위하여 40a, 41a, 42a, 40b, 41b, 42b, ... 의 순서로 정렬 접합된다. 이 정렬 접합 후 복합 적층 시트 구조(43)는 RGB 동작에 적합한 적층 시트 요소(43a-43c)(도시 편의를 위해 3개만 도시함)로 분할된다. 이들 적층 시트 요소는 RGB형 발광 모듈 또는 이 발광 모듈에서 적합하게 사용되는 광 변경 부재일 수 있다.
당업자라면 본 발명은 전술한 바람직한 실시예들에 한정되는 것은 아님을 잘 알 것이다. 본 발명은 첨부된 청구범위의 범위 내에서 여러 가지로 변형되거나 변경될 수 있다. 예컨대 상기 서브 마운트는 구리나 다이아몬드와 같은 다른 양호한 열전도체로 만들어질 수 있다. 더욱이 반도체 광원은 서브 마운트 상에 직접 형성된 도체 패턴과 같은 임의의 수단을 통헤 광 변경 부재에 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서 설명된 와이어 본딩도 플립 칩과 같은 종래의 다른 본딩 기술로 대체될 수 있다. 또한 여기서 보여진 히트 싱크는 수동형이거나 능동형일 수 있다. 능동형 히트 싱크는 예컨대 팬이나 펠티어 소자를 활용할 수 있다. 여기서 설명된 단일 VCSEL은 물론 각 주 파장에서 광을 방출하는 VCSEL 어레이로 대체되는 것이 바람직할 수 있다. 더욱이 설명된 예시적인 조명 장치에서 공간 광변조기는 발광 모듈의 시트부에서 구현된 대응 변조기로 대체될 수 있다. 여기서 설명된 실시예에서 발광 모듈은 백색 발광을 달성하기 위하여 3개의 반도체 광원을 갖는다. 이를 위해 전술한 것보다 더 많은 수의 다른 색의 광원이 이용될 수 있다. 특히 범용 조명 기기를 위해서 연색 지수(color rendering index)를 향상시키는 호박색이나 시안과 같은 제4나 제5의 색을 추가하는 것도 유용할 수 있다.
Claims (21)
- 광을 방출할 수 있는 적어도 하나의 반도체 광원(20a-20c); 및상기 광방출 방향에서 상기 적어도 하나의 반도체 광원(20a-20c)에 인접 배치된 광 변경(light-modifying) 부재(21)를 포함하고,상기 광 변경 부재(21)는 제1 및 제2 적층 시트를 포함하는 전체 적층 시트 구조로부터 분할된 적층 시트 요소(21)로 구성되고, 상기 적층 시트 요소(21)는 상기 제1 및 제2 적층 시트의 제1 및 제2 시트부를 포함하고,적어도 상기 제1 시트부는 상기 방출된 광을 변경하도록 구성된 발광 모듈(19).
- 제1항에 있어서,상기 제2 시트부는 상기 방출된 광을 변경하도록 구성된 발광 모듈(19).
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 시트부들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 광학 소자(28a-28c, 30a-30c, 35a-35c)를 포함하는 발광 모듈(19).
- 제3항에 있어서,상기 광 변경 부재(21)는 상기 적어도 하나의 광학 소자(28a-28c, 30a-30c, 35a-35c)가 상기 적어도 하나의 반도체 광원(20a-20c)과 정렬되도록 배치된 발광 모듈(19).
- 제3항 또는 제4항에 있어서,복수의 반도체 광원(20a-20c)과, 상기 적어도 하나의 시트부(27; 29; 34)에 포함된 복수의 제1 대응 광학 소자(28a-28c; 30a-30c; 35a-35c)를 포함하는 발광 모듈(19).
- 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,상기 적어도 하나의 광학 소자(28a-28c, 30a-30c, 35a-35c)는 상기 시트부(27; 29; 34) 내의 대응 공동에 내장된 발광 모듈(19).
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,상기 광 변경 부재(21)는 상기 전체 적층 시트 구조에 포함된 제3 적층 시트의 제3 시트부를 더 포함하는 발광 모듈(19).
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,상기 시트부(29) 중 적어도 하나는 상기 발광 모듈(19)을 제어할 수 있는 회로(31a-31c)를 포함하는 발광 모듈(19).
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,상기 광 변경 부재(21)는 상기 발광 모듈(19)을 외부 제어 회로에 연결하는 연결 수단을 포함하는 발광 모듈(19).
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,제1 파장 분포를 가진 광을 방출할 수 있는 제1 반도체 광원; 및제2 파장 분포를 가진 광을 방출할 수 있는 제2 반도체 광원을 포함하고,상기 발광 모듈(19)은 적어도 상기 제1 및 제2 반도체 광원에 의해 방출된 광을 결합시켜 이루어진 제3 파장 분포를 가진 광을 방출할 수 있는 발광 모듈(19).
- 제1항에 있어서,제1 파장 분포를 가진 광을 방출할 수 있는 제1 반도체 광원(20a);제2 파장 분포를 가진 광을 방출할 수 있는 제2 반도체 광원(20b);제3 파장 분포를 가진 광을 방출할 수 있는 제3 반도체 광원(20c); 및광 변경 부재(21)를 포함하고,상기 광 변경 부재(21)는각각 광학 소자(30a-30c)를 포함하는 적어도 3개의 공동을 가진 제1 시트 부(29); 및상기 제1 시트부(29)의 상기 공동을 덮어 상기 광학 소자(30a-30c)를 보호하도록 구성된 제2 시트부(32)를 포함하고,상기 반도체 광원(20a-20c) 각각은 상기 광원이 대응 광학 소자(30a-30c)에 정렬되는 위치에 배치되고, 상기 위치에서 상기 광 변경 부재(21)와 접합되는 발광 모듈(19).
- 제10항 또는 제11항에 있어서,상기 반도체 광원(20a-20c) 중 적어도 하나는 레이저 다이오드 또는 LED 어레이인 발광 모듈(19).
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 발광 모듈(19);상기 발광 모듈(19)을 제어하도록 구성된 제어 회로(8); 및상기 발광 모듈(19)에 전력을 공급하도록 구성된 전원 장치(10)를 포함하는 조명 장치(1).
- 적층 시트 요소(19, 21)를 제조하는 방법에 있어서,반도체 광원으로부터 방출된 광을 변경하도록 구성된 제1 시트를 제공하는 단계(100);제2 시트를 제공하는 단계(101);상기 제1 및 제2 시트를 적층 정렬하는 단계(102);상기 제1 및 제2 시트를 접합하여 전체 적층 시트 구조를 형성하는 단계(103); 및상기 전체 적층 시트 구조를 분할하여, 각각이 제1 시트부 및 제2 시트부를 포함하는 복수의 적층 시트 요소(19, 21)를 형성하는 단계(104)를 포함하는 적층 시트 요소 제조 방법.
- 제14항에 있어서,상기 제1 시트 제공 단계(100)는각각이 제1 광학 소자를 수용하도록 구성되는 적어도 복수의 제1 공동을 가진 제1 시트를 제공하는 단계(100); 및제1 광학 소자들을 대응하는 공동에 배치하는 단계(105)를 포함하는 적층 시트 요소 제조 방법.
- 제14항 또는 제15항에 있어서,상기 적층 시트 요소는 스트립 형상을 가지며,제1 적층 시트 구조로부터 분할된 제1 스트립 형상 적층 시트 요소들과 제2 적층 시트 구조로부터 분할된 제2 스트립 형상 적층 시트 요소들을 나란히 정렬 접합하여, 제1 및 제2 적층 시트 요소를 포함하는 복합 전체 적층 시트 구조를 형성 하는 단계(109); 및상기 복합 전체 적층 시트 구조를 각각이 상기 제1 및 제2 적층 시트 요소 양자의 부분을 포함하는 복수의 복합 적층 시트 요소로 분할하는 단계를 더 포함하는 적층 시트 요소 제조 방법.
- 제16에 있어서,상기 복합 적층 시트는 상기 스트립 형상 요소의 길이방향을 따라 분할되는 적층 시트 요소 제조 방법.
- 제16항 또는 제17항에 있어서,상기 복합 적층 시트 구조는 3가지 서로 다른 적층 시트 구조로부터의 스트립 형상 적층 시트 요소를 포함하는 적층 시트 요소 제조 방법.
- 제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,상기 적층 시트 요소 각각에 또는 상기 복합 적층 시트 요소 각각에 적어도 하나의 반도체 광원을 제공하여 복수의 발광 모듈을 형성하는 단계를 더 포함하는 적층 시트 요소 제조 방법.
- 제19항에 있어서,상기 적층 시트 요소에 반도체 광원을 제공하는 단계는 적어도 하나의 반도 체 광원이 상기 적층 시트 요소 각각에 구비되도록 상기 전체 적층 시트 구조에 복수의 반도체 광원을 부착하는 단계(106)를 포함하는 적층 시트 요소 제조 방법.
- 제19항에 있어서,상기 적층 시트 요소에 반도체 광원을 제공하는 단계는 분할(104) 후에 상기 적층 시트 요소 각각에 적어도 하나의 반도체 광원을 부착하는 단계(107)를 포함하는 적층 시트 요소 제조 방법.
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