KR20080091240A - 발광 장치 - Google Patents

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KR20080091240A
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볼프강 버셀트
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

발광 장치는, 고상 광원(3), 적어도 하나의 변환 엘리먼트(4) 및 광 산란 엘리먼트(6)를 포함하며, 여기서 고상 광원(3)은, 광 산란 엘리먼트(6)에 진입하기 위한 1차 방사선의 제1 부분(511)과, 적어도 하나의 2차 방사선(521, 522)으로의 적어도 부분적인 변환을 위해 변환 엘리먼트(4)에 진입하기 위한 1차 방사선의 제2 부분(512)을 방출하도록 제공되며, 광 산란 엘리먼트(6)는, 1차 방사선의 제1 부분(511), 2차 방사선(521, 522), 및 변환 엘리먼트(4)에서 변환되지 않은 1차 방사선의 제2 부분(512)의 일부로부터 람베르트 광 분포 패턴을 갖는 혼합된 방사선(5)을 생성하도록 제공되며, 1차 방사선의 제1 부분(511)은 변환 엘리먼트(4)를 통과하지 않고 발광 장치로부터 떠난다.
발광 장치, 고상 광원, 변환 엘리먼트, 광 산란 엘리먼트, 람베르트 광 분포

Description

발광 장치{LIGHT-EMITTING DEVICE}
본 발명은 높은 효율성 및 코사인파(cosinusoidal) 광 분포를 가지며 고상(solid-state) 광원 및 광 변환을 위한 엘리먼트를 포함하는 발광 장치에 관한 것이다.
전계 발광 광원(LED) 및 광 변환 인광체 층, 일반적으로는 인광체-파우더(phosphor-power) 층 또는 다결정-인광체 층을 포함하는 인광체-변환된 전계 발광 장치(phosphor-converted electroluminescent device : pcLED)가 공지되어 있다. 이러한 pcLED에서, LED는 1차 방사선(primary radiation)을 방출하는데, 이 1차 방사선 중 적어도 일부는 이 LED 상에 배치되어 있는 인광체 층(변환 엘리먼트)에 의해 흡수되어 더 긴 파(wave)를 갖는 2차 방사선(secondary radiation)으로서 재방출된다. 이 방법을 또한 컬러 또는 광 변환이라 한다. 응용에 따라, 1차 방사선은 2차 방사선으로 완전히 변환되거나, 혹은 부분적으로 변환되어 다른 컬러 광으로 되는데, 예를 들면 1차 및 2차 방사선을 혼합함으로써 백색 광이 생성될 수 있다. 2차 방사선은 활성 물질에 무지향성으로 조사되어, 파우더 층의 경우에 변환 엘리먼트로부터 코사인파 각 분포(cosinusoidal angular distribution)를 본질적으로 가지지만, 변환되지 않은 1차 방사선은 고상 광원의 층 구조에 의해 규정되 는 평균 방사 방향을 가지며 일반적으로 발광 층의 것으로부터 상당히 벗어난다. 따라서, 1차 방사선 및 2차 방사선을 겹쳐서 생성되는 혼합된 광은, 시야각(viewing angle)에 코사인적으로(cosinusoidally) 의존하는 강도 분포(람베르트(Lambertian) 광 분포)를 가지지 않으며, 생성된 혼합된 컬러는 방사 각의 함수로서 상당히 변동된다. 사용자가 원하는 광 분포는, 강도가 포워드 방향에서 최대라는 점을 특징으로 하는 람베르트 분포 패턴이다.
미국 특허 제6,653,765호에서는, 예를 들어 LED와 같은, 청색 또는 자외선 스펙트럼 범위(1차 방사선)에서 발광하는 컴포넌트를 갖는 광원과, 1차 방사선을 2차 방사선으로 적어도 부분적으로 변환하기 위한 인광체 물질 층, 및 광원에 대한 람베르트 광 분포 패턴을 생성하기 위한 광 산란 물질 층을 개시하고 있다. 광 산란 입자들은 광 산란 물질로서 기능하며, 이 입자들은 발광 컴포넌트들과 인광체 물질 사이에 배치되는 것이 바람직한데, 이는, 그 후 최적으로 산란되는 입자 크기가 1차 방사선의 파장에 대해서만 적응되어야 하기 때문이다. 광 산란 입자들의 입자 크기는 파장의 1/10 내지 파장의 10배까지이어야 한다. 파장과 동일한 입자 사이즈, 예를 들면 자외선 1차 방사선의 경우 0.3㎛의 입자 사이즈를 이용하여 최적의 산란 거동이 얻어진다.
미국 특허 제6,653,765호에서는, 단색의(homogeneous) 컬러 포인트를 생성하기 위한 총 1차 방사선(100%)이 인광체 층에 부딪치게 되는 방식으로, 인광체 물질이 광원에 배치된다. 일 실시예에서, LED는 인광체 층에 의해 완전하게 둘러싸이게 되며, 다른 실시예에서는 1차 방사선의 인광체 물질로의 완전한 편향을 위해 반 사체들이 이용된다. 인광체 층들은, 서스펜션(suspension)으로부터 통상적인 습식 화학적 방법들에 의해 제조되거나, 혹은 지지(supporting) 매트릭스 물질을 갖는 파우더 층으로서 제조된다. 이들 층들은 고도의 본질적인(intrinsic) 산란 파우더를 갖는다. 이 개시된 광원의 효율성(시감 효능(luminous efficacy))은, 인광체 물질에서의 후방 산란 효과 및 비복사(radiationless) (재) 흡수 처리에 의해 부정적인 영향을 받는다.
따라서, 본 발명의 목적은, 개선된 시간 효능을 특징으로 하는, 람베르트 광 분포를 갖는 발광 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 고상 광원(solid-state light source), 적어도 하나의 변환 엘리먼트 및 광 산란 엘리먼트를 포함하는 발광 장치에 의해 달성되는데, 여기서, 고상 광원은, 광 산란 엘리먼트에 진입하기 위한 1차 방사선의 제1 부분과, 적어도 하나의 2차 방사선으로의 적어도 부분적인 변환을 위해 변환 엘리먼트에 진입하기 위한 1차 방사선의 제2 부분을 방출하도록 제공되며, 광 산란 엘리먼트, 1차 방사선의 제1 부분, 2차 방사선, 및 변환 엘리먼트에서 변환되지 않은 1차 방사선의 제2 부분의 일부로부터 람베르트(Lambertian) 광 분포를 갖는 혼합된 방사선을 생성하도록 제공되며, 1차 방사선의 제1 부분은 변환 엘리먼트를 통과하지 않고 발광 장치로부터 떠난다. 이에 따라, 적어도 1차 방사선의 제1 부분에 대해, 변환 엘리먼트에서의 비복사 흡수로 인한 광 손실이 방지되는데, 이는 광 산란 엘리먼트에 진입하기 전과 광 산란 엘리먼트로부터 빠져나온 후에 변환 엘리먼트를 통과하지 않기 때문이다. 본 발명에 따르면, 이에 따라 발광 장치는 종래 기술에 비해 동일한 컬러 포인트에서 증가된 효율성을 갖는다. 하나 또는 여러 개의 무기 및/또는 유기 LED 또는 레이저 다이오드가 고상 광원으로서 이용될 수 있다. 독립 청구항에서는 또한, 1차 방사선의 제2 부분이 2차 방사선으로 완전하게 변환되는 발광 장치의 실시예를 명확하게 포함한다.
일 실시예에서, 변환 엘리먼트는, 크리스털 연결의 이론상의 고상 밀도의 97%보다 큰 밀도를 갖는 세라믹 물질을 포함한다. 본질적인 작은 산란 효과로 인해, 이러한 변환 엘리먼트는 1차 방사선의 제2 부분의 평균 방사 방향에 대해 수직으로 2차 방사선의 더 높은 부분을 방출한다. 이로 인해 2차 방사선과의 1차 방사선의 제1 부분의 더 나은 혼화성(miscibility)이 도출되게 된다. 또한, 작은 산란 효과로 인해, 변환 엘리먼트로의 1차 및 2차 방사선의 광 경로의 평균 길이가 감소된다. 이에 따라, 변환 엘리먼트에서의 비복사 재흡수의 부분이 추가적으로 감소되며 이에 따라 발광 장치의 효율성이 더욱 증가한다.
또 다른 실시예에서, 변환 엘리먼트는 1차 방사선의 제2 부분의 평균 방사 방향으로 적어도 30㎛의 두께를 갖는다. 이러한 두꺼운 변환 엘리먼트를 이용하여, 혼합된 광의 원하는 컬러 포인트를 조정하기 위해 충분하게 큰 흡수 강도의 변동이 얻어질 수 있다.
또 다른 실시예에서, 혼합된 광의 방사 방향으로부터 관찰할 때 고상 광원은, 고상 광원과 면해 있는, 변환 엘리먼트의 표면보다 크거나 이와 동일한 발광 표면을 갖는다. 이러한 방식으로, 1차 방사선의 제1 부분이 전체 1차 방사선에 대해 증가될 수 있다. 이 실시예에서, 고상 광원으로부터 측면으로부터 빠져나오는 적어도 전체 1차 방사선은 변환 엘리먼트를 통과하지 않는다. 여기서, "측면으로 빠져나가는" 것으로 나타낸 광은, 1차 방사선의 평균 방사 방향에 수직으로 본질적으로 배열되는 표면을 통해 고상 광원을 떠나간다. 전체 1차 방사선에 대한 1차 방사선의 제1 부분이 클수록, 비복사 재흡수를 통한 1차 방사선이 손실이 적어지며 이에 따라 발광 구성물이 더욱 효율적으로 된다.
또 다른 실시예에서, 변환 엘리먼트는 적어도 하나의 개구를 포함하며, 이 개구를 통하여 1차 방사선이 변환 엘리먼트를 통과하지 않고 통과할 수 있다. 전체 1차 방사선에 대한 1차 방사선의 제1 부분에서 요구되는 증가는 또한 발광 장치의 효율성을 증가시킨다. 개구를 통과하는 1차 방사선의 부분의 평균 방사 방향은 2차 방사선의 평균 방사 방향과 적어도 거의 유사하며, 람베르트 광 분포 패턴을 생성하기 위한 더욱 저가의 광 산란 엘리먼트를 가능하게 해준다. 여기서, 개구는 변환 엘리먼트의 일부로서 이해되어서는 않된다.
또 다른 실시예에서, 변환 엘리먼트는, 경계 면에서의 후면 반사를 감소시키 위해 고상 광원에 광학적으로 결합된다.
또 다른 실시예에서, 광 산란 엘리먼트는 고상 광원 및 변환 엘리먼트를 둘러싼다. 이에 따라 람베르트 광 분포 패턴을 생성하는 것이 용이하게 된다.
또 다른 실시예에서, 발광 장치는, 고상 광원, 변환 엘리먼트 및 광 산란 엘리먼트를 둘러싸는 렌즈를 더 포함한다. 이 렌즈는 혼합된 광의 원하는 편향 또는 포커싱을 가능하게 해준다.
또 다른 실시예에서, 혼합된 광의 컬러 포인트는, 광 산란 엘리먼트의 산란 속성에 의해 조정가능한, 변환되지 않은 1차 방사선의 일부를 통해 조정되며, 1차 방사선은 2차 방사선으로의 변환을 위해 변환 엘리먼트로 도로 산란된다. 컬러 포인트는 적절하게 채택된 산란 속성으로 인해, 예를 들면 변환 엘리먼트의 생성 의존적인 약간 변화하는 흡수 속성 또는 1차 방사선의 약간 변화하는 파장에 대한 반응으로서 미세하게 조정될 수 있다. 이와 다르게는, 발광 장치는 이에 따라, 동일한 고상 광원 및 변환 엘리먼트를 이용하면서 서로 다른 요건에 적응되는 컬러 포인트를 갖도록 제조될 수 있다.
일 실시예에서, 광 산란 엘리먼트의 적응은, 광 산란 엘리먼트가 동일하거나 서로 다른 사이즈를 갖는 물질의 반사성 및/또는 굴절성의 입자들을 포함하며 람베르트 광 분포를 갖는 혼합된 방사선을 생성하기 위한 농도를 갖는다는 점에서 얻어질 수 있다.
또 다른 실시예에서, 입자들은 1차 및/또는 2차 방사선을 흡수하기 위한 피그먼트(pigment) 그룹으로부터의 물질들을 포함한다. 피그먼트들은 1차 및 2차 방사선만을 흡수할 수 있으며, 혹은 다른 실시예에서는 흡수후 후속하여 이들을 다른 파장으로 재방출할 수 있다. 이들 피그먼트들을 이용하여, 발광 장치의 상관된 컬러 온도가 보다 의도적으로 적응될 수 있다.
본 발명의 이들 및 그 밖의 양태들은 이하에 설명되는 실시예들로부터 명확하며 이들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 발광 장치의 일 실시예를 측면도로 나타낸 도면.
도 2는 광 산란 엘리먼트가 없는, 일반적인 치수를 갖는 도 1에 따른 발광 장치를 교차점 A-B의 평면에서 나타낸 도면.
도 3은 광 산란 엘리먼트가 없는 도 2의 발광 장치를 교차점 A-B의 평면에서 나타낸 평면도.
도 4는 도 3의 발광 장치의 백색 혼합된 광의 상관된 컬러 온도를 서로 다른 관찰 방향에 대한 시야 각의 함수로서 나타낸 도면.
도 5는 도 1에 도시된, 본 발명에 따른 발광 장치의 실시예의 광 분포 패턴을 나타낸 도면.
도 6은 렌즈를 갖는, 본 발명에 따른 발광 장치의 다른 실시예를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 발광 장치의 다른 실시예를 나타낸 도면.
도 1은, 캐리어(1), 기판(2), 및 기판(2) 상에 제공되어 1차 방사선(511, 512)을 조사하기 위한 고상 광원(3), 1차 방사선의 광선 경로 내에 배치되어 1차 방사선의 제2 부분(512)의 적어도 부분적 흡수와 2차 방사선(521, 522)의 방사를 행하기 위한 변환 엘리먼트(4)를 포함하는, 본 발명에 따른 발광 장치의 일 실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 고상 광원(3) 및 변환 엘리먼트(4)는, 람베르트 분포 패턴을 갖는 혼합된 광(5)을 생성하기 위한 광 산란 엘리먼트(6)에 의해 둘러싸여진다. 혼합된 광(5)은, 1차 및 2차 방사선에 따라 달라지는 상관된 컬러 온도를 갖는다. "컬러 온도"라는 용어는 흑체 복사체에만 엄밀히 적용가능하다. 상관된 컬러 온도란 그 흑체 방사체의 온도를 나타내는 것으로, 그 흑체 방사체의 인식되는 컬러는 혼합된 광(5)의 스펙트럼과 매우 닮아있다.
일반적인 고상 광원(3)은 기판(2)에 부착되는 전계 발광 층 구조체를 포함하는데, 이 전계 발광 층 구조체는, 두 개의 전극 사이에 배치되는 적어도 하나의 유기 또는 무기 전계 발광 층을 갖는다. 여기서, 1차 방사선은 투명 전극을 통해 기판으로부터 떨어져서 대향하는 측으로 방출되며(상부 방사체), 기판(2)에 면해 있는 전극들 및/또는 기판(2)은 반사성을 갖는다. 발광 장치는 또한, 동일 및/또는 다른 1차 방사선을 방출하기 위한 몇몇 전계 발광 광원들, 예를 들면 LED의 2차원적 구성물을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서는, 도광(light-guiding) 및/또는 광 분배 엘리먼트들에 결합되어 있을 수도 있는 하나 또는 여러 개의 레이저 다이오드들도 또한 고상 광원들로서 이용될 수 있다.
고상 광원(3)에 의해 방출되는 1차 방사선은 고상 광원(3) 내의 발광 층에 대해 주로 수직으로 퍼져나가며, 여기서 이는 1차 방사선의 제2 부분(512)으로 표시된다(도 1 참조). 고상 광원 내의 층들의 서로 다른 굴절율과, 경계면에서의 전반사의 부대 효과(attendant effects)로 인해, 1차 방사선의 제2 부분(512)에 추가되는, 1차 방사선의 제1 부분(511)은, 변환 엘리먼트(4)에 부딪치지 않고 방사선(5)의 평균 방향에 대해 큰 각도로 고상 광원(3)으로부터 측면으로 빠져나간다. 광 산란 엘리먼트(6) 및 생성된 혼합된 광의 람베르트 분포로 인해, 큰 시야각(관찰 방향과 방사선(5)의 평균 방향 간의 각도)으로 측면으로 빠져나가는 1차 방사선 은, 혼합되는 광 내에 1차 방사선의 부분을 증가시키지 않는다. 고상 광원을 둘러싸는 변환 엘리먼트를 이용하여 유사한 효과를 또한 얻을 수 있다. 그러나, 여기서는 전체 1차 방사선(또한, 변환되지 않은 방사선)은 변환 엘리먼트를 통과해야 한다. 변환 엘리먼트에서의 1차 방사선의 일부의 비복사(radiationless) 흡수 손실은 이러한 광원의 효율을 감소시킨다. 본 발명에 따른 발광 장치는, 원하는 컬러 온도를 조정하는 데에 필요한 부분의 적어도 일부(제1 부분(511))에 대한 흡수 손실이 없기 때문에, 이러한 pcLED에 비해 더 높은 효율성을 갖는다. 혼합된 광의 1차 방사선의 특정 원하는 부분에 대해, 발광 장치의 효율성은, 변환되지 않은 전체 1차 방사선에 대한, 1차 방사선의 제1 부분(511)을 이용하여 증가된다(변환 엘리먼트의 구조에 따라, 1차 방사선의 제2 부분(512)에 대한 그 흡수 강도는 100% 미만일 수 있으며, 이에 따라 변환되지 않은 1차 방사선도 또한 변환 엘리먼트를 통과한다).
변환 엘리먼트(4)는, 1차 방사선의 제2 부분(512)의 광선 경로 내의 1차 방사선의 제2 부분(512)의 적어도 부분적 흡수를 위해 배치되어, 흡수된 1차 방사선을 2차 방사선(521, 522)으로 변환한다. 변환 엘리먼트 내의 활성 물질의 선택은 2차 방사선의 스펙트럼을 결정한다. 다르게 컬러화된 광, 예를 들면 청색 1차 방사선 및 황색 2차 방사선으로부터의 백색 광은, 적절한 1차 방사선 및 2차 방사선을 이용하여 생성될 수 있다. 다른 실시예에서, 또한 자외선 1차 방사선은, 적절한 변환 물질, 및 다르게 컬러화된 2차 방사선, 예를 들면 청색, 황색, 녹색 및/또는 적색 2차 방사선에 의해 변환될 수 있다. 다른 응용의 경우, 1차 방사선과 2차 방사선의 다른 조합이 또한 얻어질 수 있다.
일 실시예에서, 변환 엘리먼트(4)는, 본질적인 광 변환 인광체 물질 또는 치수적으로 안정된 매트릭스 물질, 예를 들면 PMMA, 또는 입자들로 도핑될 수 있으며 삽입된 광 변환 입자들을 갖는 기타 물질들의 프레스된(pressed) 세라믹 물질을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 변환 엘리먼트(4)는 이론상의 고상 밀도의 97% 초과의 밀도를 갖는 세라믹 물질을 포함한다. 본질적인 작은 산란 효과로 인해, 이러한 변환 엘리먼트(4)는, 1차 방사선의 제2 부분(512)의 평균 방사 방향에 대해 수직으로 더 큰 2차 방사선 부분(521)을 방출한다. 이로 인해, 측면으로 빠져나가는 2차 방사선(521)과의 1차 방사선의 제1 부분(511)의 더 나은 혼화성(miscibility)이 도출된다. 또한, 작은 산란 효과로 인해, 변환 엘리먼트(4)에서의 1차 방사선의 제2 부분(521)에 대한 광 경로의 평균 길이를 변환 엘리먼트로부터의 출구까지 감소시키게 된다. 이에 따라, 변환 엘리먼트에서의 1차 방사선의 제2 부분(512)의 비복사 재흡수의 부분이 감소되고 이에 따라 발광 장치의 효율성이 더욱 증가된다. 이 산란 효과는 특수 신터링(sintering) 방법에 의해 얻어지는데, 예를 들면 1700℃ 내지 1750℃에서 2시간 내지 8시간 동안 감소 조건에서 세라믹 물질을 신터링하고(이 신터링의 결과, 구멍이 없으며 이론상 밀도의 96%보다 높은 밀도를 갖는 물질이 생성됨), 이어서 잔여 구멍들을 제거하기 위해 이 물질을 아르곤 가스 압력(0.500kbar 내지 2kbar)하에서 1750℃에서 10시간 동안 신터링함으로써 얻어진다. 이러한 광 변환을 위한 세라믹에서, 2차 방사선은, 프레스된 인광체 파우더의 세라믹에 비해, 변환 엘리먼트로부터 측면으로 빠져나가는(이에 따 라 층 법선이 본질적으로 1차 방사선의 제2 부분(512)의 방사 방향에 대해 직각이 되는, 변환 엘리먼트의 표면으로부터 빠져나가는) 2차 방사선(521)의 확실하게 더 높은 부분을 포함한다.
도 1에 도시된 실시예에서, 광 산란 엘리먼트(6)는 고상 광원(3) 및 변환 엘리먼트(4)를 둘러싼다. 다른 실시예에서, 혼합된 광(5)의 방사 방향으로부터 관찰할 때 광 산란 엘리먼트(6)는, 발광 장치의 적절한 반사기 구성물이, 전체 1차 방사선(511, 512) 및 2차 방사선(521, 522)이 광 산란 엘리먼트를 통과하여 혼합된 광(5)의 람베르트 광 분포 패턴을 생성하게 되는 경우, 예를 들어 평면 형태로 광 변환 엘리먼트(4) 위에 또한 배치될 수 있다.
도 2 및 도 3은, 여기서 더욱 명확하게 하기 위해, 광 산란 엘리먼트(6)를 도시하지 않고 교점 A-B의 평면에서의 측면도(도 2) 및 평면도(도 3)로 도 1의 발광 장치의 치수를 나타낸다. 고상 광원(3)은, 평면도에서는 변환 엘리먼트(4)의 아래에 배치되어 있어서 평면도에서 바로 관찰될 수 없지만, 1mm×1mm의 표면을 가지며 표현을 명확하게 하기 위해 해칭되어 있다. 변환 엘리먼트(4)는, X1 및 X3 방향 각각으로 0.08mm만큼, 그리고 X2 및 X4 방향으로 각각 0.15mm만큼 광(5)의 평균 방사 방향에 대해 수직으로 고상 광원(3) 위를 투사한다.
이러한 투사에도 불구하고, 고상 광원(3)은 눈에 띄는 1차 방사선의 제1 부분(511)을 방출하는데, 이는, 작은 시야각과 큰 시야각 간에 상관된 컬러 온도를 시프팅함으로써 광 산란 엘리먼트를 이용하지 않고 상관된 컬러 온도의 시야각 의존 측정에서 도 4에 도시된 바와 같이 수천 켈빈(Kelvin)으로 인식될 수 있다. 도 4의 곡선은, 도 3의 X1 내지 X4로 나타낸 네 개의 방향의 각도 의존성 측정을 나타낸다. 여기서, 0°의 시야각은 발광 장치의 수직면 시야에 대응한다. 청색 또는 황색 스펙트럼 범위의 방사는 1차 방사선 및 2차 방사선으로서 이용되었다. 상기 수직면 시야에서, 4700 켈빈의 범위의 컬러 온도를 갖는 백색 혼합된 광이 생성되었으며, 백색 광의 컬러 온도는 큰 시야각에서 8000 켈빈까지이며 이에 따라 높은 청색 1차 방사선 부분을 포함하게 된다.
지정된 물질의 조성으로, 변환 엘리먼트(4)의 두께는 1차 방사선과 2차 방사선 간에 원하는 비율로 채택될 것이다. 여기서, 변환 엘리먼트(4)가 방사선(5)의 방향으로 봤을 때 적어도 30㎛의 두께를 가지는 것이 이롭다.
이 경우, 변환 엘리먼트(4)는 고상 광원(3) 상에 직접 부착되거나 혹은 투명 재료에 의해 고상 광원(3)에 광학적으로 결합될 수 있다. 고상 광원(3)으로의 변환 엘리먼트(4)의 광학적 결합을 위해, 예를 들면 1차 방사선에 대해 1.4 내지 3.0의 굴절율을 갖는 유연하거나 혹은 단단한 물질의 접착층이 변환 엘리먼트(4)와 고상 광원(3) 사이에 이용될 수 있는데, 이러한 접착층의 예로서는, 백금 교차 결합되는 교차 결합가능한 두 개의 컴포넌트 실리콘 고무, 또는 고온에서 고상 광원(3)과 변환 엘리먼트(4)에 결합되는 글래스 물질을 들 수 있다. 또한, 변환 엘리먼트(4)가 고상 광원(3)과 가깝게 접촉하게 될 경우 특히 이롭다.
도 5에서, 도 1에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 발광 장치의 광 분포 패턴은, 470nm의 파장으로 1차 방사선에 대한 방출 각의 함수로서 도 2 및 도 3에 도시된 치수로 도시되어 있다. 여기서, 광 산란 엘리먼트(6)는 고상 광원(3)과 변환 엘리먼트(4)를 600㎛의 평균 두께로 둘러싼다. 이 두께 상세 사항은, 1차 및 2차 방사선에 대한 광 경로를 따른 두께로서 여기에서 이해될 것이다. 도 5에서 "L"로 표시된 실선으로 된 곡선은 이상적인 람베르트 광 분포를 나타낸다. 광 산란 엘리먼트는 실리콘 매트릭스 물질(굴절율 n=1.45)을 포함하는데, 여기서 0.2㎛의 평균 직경과 0.05%의 부피 농도(volume concentration)를 산란 입자들이 삽입된다. 굴절율(n=1.6 내지 2.6)만이 서로 다른 대응하는 입자들에 대해 측정 곡선이 산출되었다. 도 5에서 측정된 광 분포 패턴들은 굴절율에 거의 독립적이며, 이에 따라 모든 측정 포인트들이 동일한 심볼들에 의해 표현되었다. 광 산란 엘리먼트(4)를 통과한 후의 1차 방사선의 광 분포 상의 광 산란 엘리먼트(6)의 영향이 고려될 경우, 서로 다른 입자 크기들에서의 큰 차이가 발견된다. 대략 500nm 미만의 직경을 갖는 입자들이, 람베르트 분포와 유사한 모든 각도를 통해 전송 광을 분배하는 반면에, 더 큰 입자들은, 광학적으로 매우 두꺼운 층(작은 전송 전력을 가짐)이 이용될 때에만 실질적으로 전송 광의 각 분포를 변경시킨다. 예를 들면, 광 분포는, 삽입된 입자들이 도 4에 도시된 것과 동일한 농도에서 1.0㎛의 평균 직경을 갖는 경우, 람베르트 분포와는, 470nm의 파장을 갖는 1차 방사선에서 확실하게 다르다. 이 결과는 입자들의 굴절율에 대해 본질적으로 독립적이다. 0.2㎛와 0.5㎛ 사이의 평균 입자 직경들의 경우, 이상적인 람베르트 분포에 매우 가까운 광 분포 패턴들이 얻어진다. 1.8 내지 2.0의 입자들의 굴절율에 대한 최선의 결과는 0.2㎛의 평균 입자 직경에서 얻어진다. 2.1 이상의 입자의 굴절율에 대한 최선의 결과는 0.3㎛ 내지 0.4㎛의 평균 입자 직경에서 얻어진다. 1.9 내지 2.3의 입자의 굴절율에 대한 최선의 결과는 0.5㎛의 평균 입자 직경에서 얻어진다. 이 광 분포 패턴은 0.05㎛ 이하의 평균 입자 직경에서 람베르트 분포로부터 확실하게 벗어난다. 굴절율에 대한 도면은, n=1.45의 실리콘의 표시된 예의 매트릭스 물질을 이용한 굴절율 차이의 면에서 이해될 것이다. 다른 매트릭스 물질에 대해, 입자들의 이로운 굴절율들은 이에 따라 채택된다. 또한, 광 산란 엘리먼트(6)의 퍼센트로 나타낸 입자 농도 VT와 마이크로미터로 나타낸 두께 D가 고려될 경우, 광 산란 엘리먼트(6)의 입자 농도와 두께의 곱 VT * D는 0.1과 3 사이에 있는 것이 이로우며, 0.2와 1 사이에 있는 것이 보다 이롭다. 예를 들어 ZrO2 또는 TiO2가 광 산란 입자들로서 이용될 수 있다. 그러나, 다른 물질들의 광 산란 입자도 또한 당업자에게 공지되어 있다. 동일한 평균 입자 직경에서, 광 산란 엘리먼트(6)에 대한 파장의 함수로서의 광 산란 속성은 입자 직경들의 변동에 영향을 받을 수 있다. 이 분포는 통상적으로 분포의 폭 σ를 갖는 대수 노멀 분포에 대응한다. 예를 들면, 0.06 내지 0.3의 입자 직경의 분포 폭 σ를 갖는 실리콘의 0.05%의 부피 농도의 ZrO2 입자(n=2.2)의 경우, 파장에만 약간 의존하는 입자들의 반사 행위(산란 행위)가 얻어지지만, 이 반사 행위는 입자 사이즈에 의해 추가적으로 여전히 영향받는다.
실시예:
도 1에 따라 선택된 발광 장치의 기하학적 구조에서, 450nm에서 최대 방출을 갖는 청색의 발광 LED, 및 고상 광원에 부착된 YAG:Ce 세라믹 물질이, 이론상의 고상 밀도의 98%의 밀도를 갖는 세라믹 물질로부터 황색 2차 방사선을 생성하기 위한 고상 광원으로서 이용되었다. 세라믹 디스크는 250㎛의 두께를 가졌다. 세라믹 디스크의 원료는, 1.5kg의 Al203 그라인딩 볼(grinding balls)에 의해, 그리고 CO 환경에서 1300℃에서 원하는 파우더의 후속 버닝에 의해 이소프로판올의 40g의 Y2O3, 32g의 Al2O3 및 3.44g의 CeO2의 12시간 동안의 그라인딩에 의헤 제조되었다. 얻어진 YAG:Ce 파우더는 아게이트 그라인딩 컵(agate-grinding cups)을 갖는 플래닛 볼 밀(planet ball mill)에 의해 에틸 알코올에서 디아그로머레이트(deagglomerate)되었으며, 후속하여 세라믹 녹색 본체(직경 100mm, 높이 2mm)가 석고틀(plaster molds)에서의 슬립 캐스팅에 의해 제조되었다. 건조 후, 녹색 본체는 두 시간 동안 1700℃에서 CO 환경에서 흑연 디스크 상에서 버닝되었다. 후속하여, YAG 세라믹 물질이 290㎛로 톱질되고 표면 그라인딩되고 연마되었다. 세라믹 물질의 밀도는 이론상 밀도의 98%이다. 그 후 필요한 세라믹 디스크들이 레이저에 의해 절단되어 세정된다. 세라믹 물질의 투과는 600nm의 파장에서 80%이었다. 세라믹 디스크를 고상 광원에 광학적으로 결합시키기 위해 Gelest Inc 회사의 PP2-D200 Gelest gel D200의 10㎛ 미만의 두께를 갖는 실리콘 겔로 된 얇은 층이 세라믹 디스크와 LED 간에 존재하였다. 이어서, 구형의 렌즈가 피팅(fitting)되었으며, 이 렌즈의 갭(6)이, 삽입된 광 산란 입자들을 포함하는 실리콘 겔로 채워졌다. 본 실시예에서, 이 채워진 갭(6)은 광 산란 엘리먼트(6)를 나타낸다. 실리콘 겔에 삽입된 입자들은, 0.25㎛의 평균 입자 직경을 갖는 ZrO2를 포함하였다. 광 분포는 이상적인 람베르트 분포 패턴을 갖는 92%의 일치를 나타내었으므로, 람베르트 분포에 매우 잘 대응하는 것이다.
다른 실시예에서, 컬러화된 피그먼트가 또한, 상관된 컬러 온도를 또한 변경하기 위한 산란 입자들로서 이용될 수 있다. 무기 물질이, 굴절율이 여기서 원하는 범위 내에 있는 물질로서 특히 적합하다. 이러한 물질은 예를 들면, 청색 방출 피그먼트에 대해서는 CoO-Al2O3 및 울트라머린(ultramarine)이며 녹색 방출 피그먼트에 대해서는 CoO-NiO-ZrO2, CeO-Cr2O3-TiO2-Al2O3, TiO2-ZnO-CoO-NiO이며 적색 방출 피그먼트에 대해서는 Fe203, CdS-CdSe, TaON이다.
광 산란 엘리먼트(6)에서의 산란 동안 변환 엘리먼트 상에 도로 반사되는, 지금까지 변환되지 않은 1차 방사선의 부분이, 혼합된 광(5)의 상관된 컬러 온도를 더욱 적응시키기 위하여 다른 실시예들에서 이용될 수 있다.
도 6에 도시된 또 다른 실시예에서, 혼합된 광(5)의 방사 방향으로부터 관찰했을 때 고상 광원(3)은, 고상 광원(3)에 면해 있는, 변환 엘리먼트(4)의 표면(41)보다 크거나 이와 동일한 발광 표면(31)을 갖는다. 이러한 방식으로, 전체 1차 방사선에 대한 1차 방사선의 제1 부분(511)이 증가될 수 있다. 이 실시예에서, 고상 광원(3)으로부터 측면으로 빠져나가는 적어도 전체 1차 방사선은 변환 엘리먼트(4)를 통과하지 않는다. 변환 엘리먼트(4)의 표면(41)이 도 6에 도시된 바와 같이 발광 표면(31)보다 작을 경우, 측면으로 빠져나가는 1차 방사선(511) 외에도 또한 방사선(5)의 평균 방향에 평행하게 빠져나가는 1차 방사선의 일부가 변환 엘리먼트(4)를 통과하지 않는다. 이에 따라, 변환 엘리먼트를 통과하지 않는 1차 방사선 의 부분이 더욱 증가된다.
도 7에 도시된 또 다른 실시예에서, 변환 엘리먼트(4)는 적어도 하나의 개구(8)를 가지며, 이 개구를 통해 1차 방사선이 변환 엘리먼트(4)를 통과하지 않고 통과할 수 있다. 전체 1차 방사선에 대한 1차 방사선의 제1 부분(511)의 부분에 대한 요구되는 증가는 또한 발광 장치의 효율성을 증가시킨다. 개구(8)를 통과하는 1차 방사선(511)의 부분의 평균 방사 방향은 2차 방사선의 평균 방사 방향과 적어도 매우 유사하며, 람베르트 분포를 생성하기 위해 더욱 저가이며 정교한 광 산란 엘리먼트(6)가 가능하도록 해준다. 개구(8)는 본원에서는 변환 엘리먼트의 일부로서 이해되어서는 않된다. 개구는 가스, 예를 들면 공기, 또는 다른 투명하고 산란되지 않는 물질, 예를 들면 실리콘으로 채워질 수 있다.
도면들 및 상세한 설명을 참조하여 설명된 실시예들은 람베르트 분포를 갖는 혼합된 광의 효과적인 방출을 위한 본 발명에 따른 발광 장치의 예를 나타낼 뿐이며 이들 실시예들에 본 특허 청구범위를 제한시키는 것으로 해석해서는 않된다. 첨부된 특허청구범위의 보호 범위 내에 또한 있는 다른 실시예들도 또한 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 인식될 수 있다. 종속 청구항들의 넘버링은, 특허청구범위의 다른 조합들이 본 발명의 선호되는 실시예들을 나타내지 않음을 암시하는 것이 아니다. 또한, 상세한 설명 및 특허청구범위에서의 부정 관사 "a" 또는 "an"은 복수의 구성물, 유닛 또는 엘리먼트를 배제시키는 것이 아니다.

Claims (12)

  1. 고상 광원(solid-state light source)(3), 적어도 하나의 변환 엘리먼트(4) 및 광 산란 엘리먼트(6)를 포함하는 발광 장치로서,
    상기 고상 광원(3)은, 상기 광 산란 엘리먼트(6)에 진입하기 위한 1차 방사선(primary radiation)의 제1 부분(511)과, 적어도 하나의 2차 방사선(521, 522)으로의 적어도 부분적인 변환을 위해 상기 변환 엘리먼트(4)에 진입하기 위한 1차 방사선의 제2 부분(512)을 방출하도록 제공되며,
    상기 광 산란 엘리먼트(6)는, 상기 1차 방사선의 제1 부분(511), 상기 2차 방사선(521, 522), 및 상기 변환 엘리먼트(4)에서 변환되지 않은 상기 1차 방사선의 제2 부분(512)의 일부로부터 람베르트 광 분포(Lambertian light distribution)를 갖는 혼합된 방사선(5)을 생성하도록 제공되며,
    상기 1차 방사선의 제1 부분(511)은 상기 변환 엘리먼트(4)를 통과하지 않고 상기 발광 장치로부터 떠나는 발광 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변환 엘리먼트(4)는, 크리스털 연결(crystalline connection)의 이론상의 고상 밀도의 97%보다 큰 밀도를 갖는 세라믹 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 변환 엘리먼트(4)는 상기 1차 방사선의 제2 부분(512)의 평균 방사 방향으로 적어도 30㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합된 광(5)의 방사 방향으로부터 관찰할 때 상기 고상 광원(3)은, 상기 고상 광원(3)과 면해 있는, 상기 변환 엘리먼트(4)의 표면(41)보다 크거나 이와 동일한 발광 표면(31)을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변환 엘리먼트(4)는 적어도 하나의 개구(8)를 포함하며, 이 개구(8)를 통하여 상기 1차 방사선이 상기 변환 엘리먼트(4)를 통과하지 않고 통과할 수 있는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변환 엘리먼트(4)는 상기 고상 광원(3)에 광학적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 산란 엘리먼트(6)는 상기 고상 광원(3)과 상기 변환 엘리먼트(4)를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고상 광원(3), 상기 변환 엘리먼트(4) 및 상기 광 산란 엘리먼트(6)를 둘러싸는 렌즈(7)를 더 포함하는 발광 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합된 광(5)의 컬러 포인트는, 상기 광 산란 엘리먼트(6)의 산란 속성에 의해 조정가능한, 변환되지 않은 1차 방사선(511)의 일부를 통해 조정되며, 상기 1차 방사선은 2차 방사선(521, 522)으로의 변환을 위해 상기 변환 엘리먼트(4)로 도로 산란되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 산란 엘리먼트(6)는 동일하거나 서로 다른 사이즈를 갖는 물질의 반사성 및/또는 굴절성의 입자들을 포함하며 람베르트 광 분포를 갖는 혼합된 광(5)을 생성하기 위한 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 입자들은 1차 및/또는 2차 방사선을 흡수하기 위한 피그먼트(pigment) 그룹으로부터의 물질들을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 입자들은 1차 및/또는 2차 방사선을 흡수하고 다른 파장으로 후속하여 재방출하기 위한 피그먼트 그룹으로부터의 물질들을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
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