KR20080080327A - 조명 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 투명한 캐리어(carrier) 평판(11) 및 상기 평판 상에 배치된 복수의 LED(3, 5)를 포함하는, 매트릭스 조명 시스템의 형태로 된 조명 장치에 관한 것이다. LED는 행 및 열 패턴으로 배열될 수 있으며, 각각의 LED는 TIR에 의해 각각의 발광 다이오드가 생성한 광을 콜리메이팅하는 광 투명 바디의 형태로 된 콜리메이팅 광학 컴포넌트(13, 15)에 선택적으로 접속될 수 있다. 시스템 뒤의 개체가 이 시스템을 관통하여 보일 수 있도록, 전체 시스템을 투명하게 하기 위해, 개개의 LED의 광학 소자들 사이의 공간에 공기의 굴절률보다 더 높은 굴절률을 가지는 필링 재료(29)로 채워진다. TRI 렌즈 특성을 유지하기 위하여 필링 재료와 광 성분의 표면들 간에 간극이 유지된다.
조명 장치, 굴절률, LED

Description

조명 장치{LIGHTING DEVICE}
본 발명은 기판, 및 상기 기판 상에 배열되며 각각이 콜리메이팅 광학 컴포넌트(collimating optical component)에 광학적으로 접속된 복수의 발광 다이오드를 포함하는 조명 장치에 관한 것이다.
이러한 장치는 예를 들면, 발광 다이오드 각각에, 조명되는 개체로부터의 소정 거리에서 보다 정밀한 조명을 제공하도록 콜리메이팅 컴포넌트가 제공되는 US 6554451호에 개시되어 있다.
이 장치에서의 한가지 단점은 투명하지 않다는 점이며, 투명하다는 것은 보다 바람직했을 특성이다.
그러므로 본 발명의 목적은 서두에서 언급한 종류의 조명 장치를 투명한 것으로 제공하여, 개체가 조명 방향과 다른 각도에서 장치를 통해 보일 수 있도록 하는 것이다.
이 목적은 청구항 제1항에 정의된 조명 장치에 의해 달성된다.
보다 구체적으로는, 본 발명은 기판 및 상기 기판 상에 배열된 복수의 발광 다이오드를 포함하는 조명 장치에 관한 것이며, 각각의 발광 다이오드는 TIR(total internal reflection)에 의해 각각의 발광 다이오드가 생성한 공기의 굴절률(1.0)보다 더 높은 굴절률을 가지는 광을 콜리메이팅하는, 광학적으로 투명한 바디(body) 형태로 된 콜리메이팅 광학 컴포넌트에 광학적으로 접속되고, 인접하는 광학 컴포넌트들 간의 공간의 적어도 일부가, 공기의 굴절률보다 더 높은 굴절률을 가지는 필링(filling) 재료로 채워져 있고, 각 콜리메이팅 광학 컴포넌트와 필링 재료 사이에는 간극(gap)이 제공된다. 필링 재료는 기판 표면에 대하여 비스듬한, 즉, 직교하지 않은 방향으로 장치를 통과하여 지나가는 광선이 더 작은 정도로(to a lesser extent) 자신의 전달 방향을 변경하는 것을 보장한다. 이에 따라서 투명도가 개선된다.
간극 폭은 광학 콜리메이팅 컴포넌트 표면에 걸쳐 일정할 수 있는데, 이 간극 폭은 적어도 2㎛인 것이 바람직하다.
콜리메이팅 광학 컴포넌트의 굴절률과 필링 재료의 굴절률은 동일할 수 있으며, 이들 상호간의 차이(their mutual difference)는 0.3보다 작은 것이 바람직하다.
콜리메이팅 광학 컴포넌트는 복합 포물선형 집광기(compound parabolic concentrator; CPC)일 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 양태는 이하 기술될 실시예로부터 알 수 있고 이 실시예를 참조하여 명백해질 것이다.
도 1은 매트릭스 조명 시스템의 이용을 개략적으로 도시하는 도면.
도 2는 통상적인 매트릭스 조명 시스템의 단면도.
도 3 내지 도 5는 광 콜리메이팅 컴포넌트들의 서로 다른 형상의 단면도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 매트릭스 조명 시스템의 단면도.
도 1은 매트릭스(matrix) 조명 시스템의 이용을 개략적으로 도시한다. 시스템은 캐리어 상에 복수의 발광 다이오드(LED)(3, 5, 등)가 어떤 패턴으로 배열된 평판 형태의 캐리어(carrier) 장치(1)를 포함한다. LED는 도 1에 도시된 행 및 열로 배열될 수 있지만, 다른 구성도 생각해볼 수 있다. LED는, 예를 들면, 서로 오프셋을 두어(offset) 열들로 배치될 수 있거나, 동심 원으로 배치될 수 있거나, 또는 캐리어 상에 임의로 또는 무작위로 배치질 수 있다. 이하 설명될 바와 같이, 각 LED는 콜리메이팅 광학 소자 또는 컴포넌트에 광학적으로 접속되어, LED와 콜리메이팅 광학 소자의 각각의 조합이 콜리메이팅된 광 빔(7)을 방출한다. 캐리어 상의 LED들은 표면(9)을 조명하는 데에 이용될 수 있고, 각 LED는 개별적으로 제어될 수 있기 때문에, 많은 서로 다른 방식으로 이 표면 상의 조명이 변할 수 있다.
도 2는 매트릭스 조명 시스템의 단면을 도시한다. 상술한 바와 같이, 이 시스템은 투명한 재료, 예를 들면, 투명한 PMMA(Polymethylmethacrylate)로 이루어질 수 있는 바람직하게는 평면 캐리어 기판(11) 상에 배열되는 복수의 LED(3, 5, 등)를 포함한다. 투명한 기판이 이용된다면, LED는 ITO(Indium Tin Oxide) 도체 등의 (도시되지 않은) 투명한 도체에 의해 피딩(feed)되는 것이 바람직할 수 있다. 도시된 시스템에서, 각각의 LED에는 콜리메이팅 광학 컴포넌트(13, 15, 등)가 제공되 는데, 이 콜리메이팅 광학 컴포넌트(13, 15, 등)는 도시된 경우에, TIR(total internal reflection)에 의해 각각의 발광 다이오드가 생성한 공기의 굴절률보다 더 높은 굴절률을 갖는 광을 콜리메이팅하는 광학적 투명한 바디의 형태의 CPC(compound parabolic concentrator)이다.
도 3 내지 도 5는 콜리메이팅 광학 컴포넌트들의 서로 다른 예들의 단면을 도시한다. 도 3은 포물선형 정반사기(specular reflector)와 비슷한 복합 포물선형 집광기(CPC)(종종 복합 포물선형 콜리메이터(Compound Parabolic Collimator)라고도 칭함)의 제1 예를 도시한다. 그러나, CPC는, 예를 들면, 1.5와 같이 공기보다 더 높은 굴절률를 가지는 투명한 재료의 단단한 바디를 포함한다. 횡(lateral) 방향으로 LED에 의해 방출되는 광의 대부분은 주변 공기와 CPC 바디 간의 경계면(interface)에서 TIR(total internal reflection)에 의해 반사된다. 그 다음 이 광은 콜리메이팅된 빔(7)으로서 앞면(19)에서 이 표면과 직교하여 CPC를 빠져나간다. 포물선형(parabolic)이라는 단어는 통상적으로 원뿔형 부분(cone section)으로서 형성된 단면을 의미하고 있지만, CPC의 단면은 어느 정도까지는 이러한 형상으로부터 벗어날 수 있다. LED(3)는 콜리메이팅 광학 컴포넌트(13)와 통합될 수 있다.
도 4는 콜리메이팅 광학 컴포넌트의 앞면에 추가적인 렌즈(21)가 통합된 다소 평평한(flatter) 제2의 예를 도시한다. 도 5는 콜리메이팅 광학 소자가 전면(front surface) 렌즈 이외에도 도 3의 것과 유사한 콜리메이팅 기능을 허용하지만 광 소자 깊이가 훨씬 더 작은 원을 그리는 집광 프리즘(23, 25 등)을 포함하는 제3의 예를 도시한다.
다시 도 2를 참조해 보면, 투명한 재료 캐리어(11) 뿐만 아니라 투명한 재료 CPC(13, 15)가 이용되고, LED(3, 5)가 (도시되지 않은) 투명한 도체에 의해 피딩된다면, 전체 시스템은 반투명하여(translucent), 광이, LED에 의해 점유되는 작은 영역은 제외하고(save) 이 시스템을 통과할 수 있게 할 것이다. 그러나, 시스템을 통해 비스듬하게 전달되는 광선은 예시적인 광선(27)에 의해 도시된 바와 같이 굴절될 것이다. 즉, 광선은 시스템과 마주 보고 있는 자신의 각을 다른 각 θ로 변경할 것이다. 따라서, 시스템을 통한 뷰(view)는 시스템이 입사광을 산란시키는 렌즈 기능을 갖고 있기 때문에, 열화될 것이다. 따라서 시스템 뒤에 있는 개체가 시스템을 관통하여 명확하게 보여진다는 점에서 시스템은 투과성을 갖지 않을 것이다.
도 6은 이 문제를 극복하는 본 발명의 일 실시예에 따른 매트릭스 조명 시스템의 단면도를 도시한다. 이 시스템에서 인접하는 콜리메이팅 광학 컴포넌트들 사이의 공간은 투명한 재료로 이루어진, 예를 들면, 주입 몰딩된 폴리머 평판(injection molded polymer plate) 형태로 된 필링 재료(29)로 채워진다.
필링 재료는 공기의 굴절률보다 더 높은 굴절률을 가진다. 바람직하게는 CPC의 굴절률과 필링 재료의 굴절률은 동일하다. 그러나, 굴절률들 간의 어느 정도의 차이가 있는 경우라도, 이러한 상황은 여전히 대부분의 경우에 어떠한 필링 재료도 이용되지 않은 경우보다 개선될 것이다. 차이는 0.3보다 작은 것이 바람직하다. 이러한 필링 재료는 도 4 및 도 5에 도시된 콜리메이팅 광학 컴포넌트의 유 형들에 쉽게 적응될 수 있다. 필링 재료(29)는 또한 기판(11)에 통합된 부분일 수 있다, 즉, 이 기판 상의 구조화된 표면에 포함될 수 있다.
콜리메이팅 광학 컴포넌트의 기능을 유지하기 위하여, 각 광학 성분(13, 15)과 필링 재료(29) 사이에는 간극이 유지되어, LED로부터 방출되는 광의 TIR(total internal reflection)이 일어날 수 있다. 이 간극은 광학 성분의 표면 전반에 걸쳐 일정할 수 있다. 이 간극은 크로마틱 효과(chromatic effect)를 피하기 위하여 가장 긴 파장의 적어도 몇 배는 길어야 한다. 적어도 2㎛의 간극 폭이 유용하다고 고려된다. 그러나, 너무 큰 간극은 필링 재료의 긍정적인 효과를 감소시킬 수 있다. 이 간극은 공기 또는 다른 기체로 채워질 수 있다. 바람직하게는 이 간극의 오염을 방지하기 위해 콜리메이팅 광학 컴포넌트의 앞에 투명한 덮음 판을 배치할 수 있다.
경사진 광선(33)에 대한 필링 재료의 효과는 도 6에서 명확하게 알 수 있다. 물론 광선은 각 계면에서 굴절될 것이지만, 출사 광선(outgoing lighting)의 각 특성은 광이 캐리어 평판(11)에 들어갔던 때와 본질적으로 동일할 것이다.
이는 시스템에 대하여 기울어진 각도에서 시스템을 관통하여 볼 때 적용됨을 유의한다. 시스템을 직교하는 방향에서 볼 때, 사용자는 LED가 발광하는지 발광하지 않는지를 볼 수 있다.
요약하자면, 본 발명은 복수의 LED가 배열된 투명한 캐리어 평판을 포함하는 매트릭스 조명 시스템의 형태로 된 조명 장치에 관한 것이다. LED는 행 및 열의 패턴으로 배열될 수 있으며 각각의 LED는 TIR에 의해 각각의 발광 다이오드가 생성 한 공기의 굴절률보다 더 높은 굴절률을 가지는 광을 콜리메이팅하는 광 투명 바디의 형태로 된 콜리메이팅 광학 컴포넌트에 광학적으로 접속될 수 있다. 시스템 뒤의 개체가 이 시스템을 관통하여 보일 수 있도록, 전체 시스템을 투명하게 하기 위해, 개개의 LED의 광 소자들 사이의 공간이 공기의 굴절률보다 더 높은 굴절률을 가지는 필링 재료로 채워진다. TIR 콜리메이팅 특성을 유지하기 위하여 필링 재료와 광학 성분의 표면들 간에 간극이 유지된다.
본 발명은 상술한 실시예로 제한되지 않는다. 본 발명은 첨부된 청구 범위의 범주 내에서 다양한 방식으로 변형될 수 있다.

Claims (6)

  1. 기판(11), 및 상기 기판 상에 배열된 복수의 발광 다이오드(3, 5)를 포함하는 조명 장치로서,
    각각의 발광 다이오드는 TIR(total internal reflection)에 의해 각각의 발광 다이오드가 생성한 공기의 굴절률보다 더 높은 굴절률을 가지는 광을 콜리메이팅하는 광학적으로 투명한 바디 형태로 된 콜리메이팅 광학 컴포넌트(collimating optical component)(13, 15)에 광학적으로 접속되고,
    인접하는 콜리메이팅 광학 컴포넌트들 간의 공간의 적어도 일부가, 공기의 굴절률보다 더 높은 굴절률을 가지는 필링 재료(filling material)(29)로 채워지고
    각 콜리메이팅 광학 컴포넌트와 상기 필링 재료 사이에는 간극(gap)(31)이 제공되는 조명 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 간극(31) 폭은 상기 콜리메이팅 광학 컴포넌트의 표면 전체에 걸쳐 일정한 조명 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 콜리메이팅 광학 컴포넌트의 굴절률과 상기 필링 재료의 굴절률 간의 차이는 0.3보다 작은 조명 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 콜리메이팅 광학 컴포넌트의 굴절률과 상기 필링 재료의 굴절률은 동일한 조명 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 간극(31) 폭은 적어도 2㎛인 조명 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 콜리메이팅 광학 컴포넌트는 CPC(compound parabolic concentrator)인 조명 장치.
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