KR20080095239A - 발광 소자, 및 발광 소자를 동작시키는 방법 - Google Patents

Abstract

원하는 칼라 포인트를 갖는 광을 방출하는 발광 소자로서, 적어도 하나의 고체 광원(1), 적어도 하나의 광 변환 요소(5), 광 안내 배열(2) 및 스위치 제어 유닛(4)을 포함하고, 상기 고체 광원(1)은 1차 복사선(20)의 방출을 위해 제공되고, 상기 고체 광원(1)과 상기 광 변환 요소(5) 사이에 배열되는 상기 광 안내 배열(2)은 상기 1차 복사선(20)을 제1 부분(21) 및 제2 부분(22)으로 제어 가능하게 분할하기 위한 적어도 하나의 전기 광학 스위치(31)를 구비하고, 상기 스위치 제어 유닛(4)은 상기 1차 복사선(20)의 제1 부분(21)과 제2 부분(22) 간의 비율을 가변적으로 조정하도록 상기 전기 광학 스위치 또는 스위치들(31)을 제어하기 위해 제공되며, 상기 광 변환 요소(5)는 상기 1차 복사선(20)의 적어도 제1 부분(21)의 부분적 또는 완전한 흡수를 위해, 그리고 2차 복사선의 재방출을 위해 제공되는 발광 소자가 개시된다.

발광 소자, 칼라 포인트, 고체 광원, 광 변환 요소, 스위치 제어 유닛

Description

발광 소자, 및 발광 소자를 동작시키는 방법{LIGHT-EMITTING DEVICE}

본 발명은 고체 광원(a solid-state light source), 광 변환 요소(an element for light conversion) 및 광 안내 배열(a light guiding arrangement)을 포함하는, 칼라 또는 백색 광을 방출하는 발광 소자(a light-emitting device)에 관한 것이다.

LED 또는 레이저 다이오드와 같은 고체 광원들은 통상의 광원들에 비해 양호한 전력 및 비용 효율의 이익을 가지며, 또한 이들은 긴 수명 및 소형 구조를 갖는다. 백색 광을 생성하기 위해, 추가 칼라 혼합(additive color mixing)을 통해 백색 광을 생성하는 광을 방출하는 가지각색의 LED들이 사용될 수 있다. 이러한 배열의 단점은 동작 시간을 통한 LED들의 상이한 노화(aging) 거동(동일 동작 조건하에서 방출된 광의 강도 변화)으로 인해 혼합 광의 칼라 포인트의 변동이 가능하다는 것이다. 이러한 소자에서 칼라 포인트 변동을 방지하기 위해서는, LED당 방출 광량이 정교하게 측정되어야 하며, LED들의 동작 조건들이 제어 소자를 통해 정교하게 재조정되어야 한다. 이러한 LED 소자들은 임의의 원하는 칼라의 광을 방출하는 데 사용될 수 있지만, 이러한 소자의 명도는 칼라의 함수이며, 예를 들어 적색, 녹색 및 청색 LED들이 있어도 적색 LED만이 적색 칼라를 생성하는 데 사용된다. 이와 달리, 백색 광은 확실히 더 높은 명도를 갖는데, 이는 백색 광의 경우에 3개의 LED가 광을 방출하기 때문이다.

대안으로, 백색 광은 형광체 변환 LED(pcLED)들이라고 하는 것에 의해 생성될 수도 있다. 여기서, 개별 LED는 예를 들어 청색의 1차 복사선을 방출하며, 이는 형광체 층에 의해 부분적으로 흡수되고, 예를 들어 황색, 적색 또는 녹색 스펙트럼 영역의 보다 긴 파장을 갖는 2차 복사선으로서 재방출된다(광 변환). 백색 광은 1차 및 2차 복사선의 추가 칼라 혼합을 통해 생성된다. 여기서, 백색 혼합 광의 칼라 포인트는 형광체 층의 조성과, 1차 및 2차 복사선의 상대적 기여에 의해 결정된다. 이 배열은 단일 광원을 사용함으로써 간단하게 구성될 수 있다. 칼라 광을 생성하는 복수의 광원의 적합한 제어를 위한 센서 배열이 필요 없게 된다. LED의 1차 복사선 파장의 노화 관련 변동의 경우에, 2차 복사선의 기여는 형광체 층의 변환 메커니즘의 파장 의존성으로 인해 변하며, 따라서 광의 칼라 포인트도 변한다. 이러한 시스템에서, 칼라 포인트의 재조정은 가능하지 않다. 또한, 동일 명도를 갖는 형광체 변환 배열들에서는, 1차 파장 및 형광체 재료의 조성은 물론, 그의 기하 구조가 일정하므로, 광의 칼라가 가변적으로 조정될 수 없다.

광원으로서의 레이저 다이오드들은 실질적으로 단색인 복사선을 방출하는데, 이는 동작 기간을 통해 최대 강도의 사소한 변동만을 나타내며, 따라서 1차 복사선 파장의 노화 관련 변동으로 인한 칼라 포인트의 가능한 변화가 무시될 수 있다. 문서 US 20040263074는 광원인 레이저 다이오드 및 레이저 다이오드 상에 직접 배열되는, 백색 광을 방출하기 위한 광 변환 형광체 층을 구비하는 발광 소자를 개시 하고 있다. 이와 관련하여, 광 변환 형광체 층의 조성은 물론, 1차 및 2차 복사선의 부분들은 백색 광의 칼라 포인트를 결정한다. 그러나, 여기서는 또한, 광의 칼라만의 후속 가변 설정이 가능하지 않다. 또한, (pcLED들에서와 같이) 레이저 다이오드의 동작 온도는 형광체 층의 가열을 유발할 수 있고, 이는 또한 동작 기간을 통해 형광체 층의 변환 특성의 열적 저하, 따라서 백색 광의 보상 불가한 칼라 포인트 변동을 유발할 수 있다. 또한, 이 경우에는 칼라 포인트의 재조정이 가능하지 않다.

<발명의 요약>

따라서, 본 발명의 목적은, 고체 광원을 포함하는 효율적인 발광 소자로서, 상기 고체 광원을 통해, 수명 동안 그리고 1차 복사선의 전력과 무관하게 안정적인 칼라 포인트가 간단하게 설정될 수 있는 발광 소자를 제공하는 데 있다.

이러한 목적은 원하는 칼라 포인트를 갖는 광을 방출하는 발광 소자로서, 적어도 하나의 고체 광원, 적어도 하나의 광 변환 요소, 광 안내 배열 및 스위치 제어 유닛을 포함하고, 상기 고체 광원은 1차 복사선의 방출을 위해 제공되고, 상기 고체 광원과 상기 광 변환 요소 사이에 배열되는 상기 광 안내 배열은 상기 1차 복사선을 제1 부분 및 제2 부분으로 제어 가능하게 분할하기 위한 적어도 하나의 전기 광학 스위치를 구비하고, 상기 스위치 제어 유닛은 상기 1차 복사선의 제1 부분과 제2 부분 간의 비율을 가변적으로 조정하도록 상기 전기 광학 스위치 또는 스위치들을 제어하기 위해 제공되며, 상기 광 변환 요소는 상기 1차 복사선의 적어도 제1 부분의 부분적 또는 완전한 흡수를 위해, 그리고 2차 복사선의 재방출을 위해 제공되는 발광 소자에 의해 달성된다.

여기서, 전기 광학 스위치라는 용어는 전기적 구동의 결과로서 변경 가능한 광학 효과를 발생시키는 요소들을 나타낸다. "분할"이라는 용어는 또한, 1차 복사선이 전기 광학 스위치에 들어가기 전의 1차 복사선의 전파 방향과 다른 전파 방향으로의 분할된 1차 복사선의 굴절을 포함한다. 여기서, 명백히, 1차 복사선을 각각 방출하는 복수의 고체 광원을 구비하는 소자들도 포함되며, 개별 레이저 다이오드들의 1차 복사선은 동일하거나 상이할 수 있다. 이와 관련하여, 고체 광원의 1차 복사선은 적용 분야에 따라 상이한 스펙트럼 영역들에서 최대 강도를 가질 수 있다. 백색 광을 생성하기 위해, 1차 복사선의 최대 강도는 청색 또는 자외선 스펙트럼 영역에 위치해야 하는데, 이는 1차 복사선이 보다 긴 파장의 2차 복사선으로 변환되고, 백색 광이 청색 광의 일부를 가져야 하기 때문이다.

전기 광학 스위치에 의해 2개의 부분으로 분할된 1차 복사선은 1차 복사선의 적어도 일부의 후속 광 변환을 통해 원하는 칼라 포인트를 갖는 광의 생성을 가능하게 한다. 고체 광원과 광 변환 요소 사이에 전기 광학 광 안내 배열들을 배열함으로써, 고체 광원 및 광 변환 요소는 공간적으로 분리되며, 이는 고체 광원의 동작 온도에 의해 발생하는 광 변환 재료의 변환 특성의 열적 저하를 방지하며, 이와 관련하여 칼라 포인트의 안정된 설정을 가능하게 한다. 게다가, 전기 광학 광 안내 배열은 기계적으로 이동하는 어떠한 부품도 포함하지 않는다.

본 발명에 따르면, 전기 광학 스위치는 1차 복사선을 일정한 비율로 제1 및 제2 부분으로 분할하는 빔 분할기의 기능을 채용할 뿐만 아니라, 이러한 비율의 시 간적 제어(변조기 동작)를 위한 가변 요소이다. 전기 광학 스위치를 통과한 후에 분할된 1차 복사선의 양 부분 간의 가변 비율에 의해 칼라 포인트가 사용자의 요망에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 제1 부분은 황색 광을 생성하는 데 사용되고, 제2 부분은 청색 광을 생성하는 데 사용되며, 이는 적절히 혼합될 때 백색 광을 생성하게 된다. 스위치 제어가 예를 들어 제2 부분이 증가하게 비율을 변경하는 경우, 혼합 광 내의 청색 부분이 증가하며, 반대의 경우에는 황색 부분이 증가할 것이다. 이것은 다른 제1 및 제2 스펙트럼 영역들의 방출 광에 동일하게 적용된다. 전기 광학 광 안내 배열들이 빠르게 스위칭될 수 있을 때, 이러한 변화가 매우 빠르게 발생할 수 있다. 전기 광학 스위치 및 제어 전압의 실시예에 따라, 이것은 충분히 ns 이하의 범위에 있을 수 있다. 광 변환 요소에 의해 방출되는 광의 혼합은 광 방출 방향에서 볼 때 광 변환 요소의 위에 위치하는 영역에서 발생하며, 상기 영역의 크기는 광 변환 요소의 복사(radiation) 특성 및 그의 치수에 의존한다. 광 변환 요소들이 보다 많거나 적은 광 산란의 재료들, 예를 들어 형광체 파우더 층들 또는 형광체 세라믹들로 구성될 때, 적절한 거리 이상에서 적어도 거의 균일한 칼라 효과(color impression)를 갖는 혼합 광이 얻어진다.

다른 응용 분야들 외에도, 본 발명에 따른 발광 소자는 예를 들어 가정용 조명, 디스플레이용의 백라이트 시스템으로서, 주변 조명으로서 지칭되는 것과 같은 비지니스 조명, 또는 자동차 분야에서 사용될 수 있다.

다른 실시예에서, 고체 광원은 레이저 다이오드이다. 레이저 다이오드들은 높은 전력 밀도를 가지며, 레이저 다이오드의 1차 복사선의 최대 강도는 동작 기간 동안 매우 안정적이다. 거의 단색인 스펙트럼으로 인해, 레이저 다이오드의 광은, 2차 복사선의 한정된 여기와는 별도로, 광 안내 배열에 의한 정밀한 굴절을 가능하게 하는 데 특히 적합하며, 이는 또한 발광 소자의 고효율에 기여한다. 이와 관련하여, 이것은 레이저 다이오드가 1차 복사선의 전기 광학 스위치로의 효율적인 인커플링(incoupling)을 위해 도파관을 통해 전기 광학 스위치에 접속되는 경우에 유리하다. 1차 복사선의 적어도 2개 부분으로의 효과적인 분할을 위한 광학 인커플링 면들은 매우 작아서, 통상적으로 10 mm² 이하의 범위이며, 따라서 적절한 도파관들을 통한 광 인커플링은 광 손실을 감소시킨다.

다른 실시예에서, 광 변환 요소는 적어도, 제1 스펙트럼 영역의 광을 생성하기 위해 1차 복사선의 제1 부분을 인커플링하기 위한 제1 영역, 및 제2 스펙트럼 영역의 광을 생성하기 위해 1차 복사선의 제2 부분을 인커플링하기 위한 제2 영역을 포함한다. 가시 광의 어느 스펙트럼 영역들을 제1 및 제2 스펙트럼 영역으로 나타낼 것인지는 사용되는 광 변환 요소 및 1차 복사선의 실시예에 의존한다. 백색 광은 1차 복사선의 적어도 부분적인 변환에 의해 생성된 예를 들어 청색 및 황색 광 또는 청색, 녹색 및 적색 광을 혼합함으로써 얻어질 수 있다. 여기서, 청색 광은 예를 들어 광 변환 요소에서의 보다 짧은 파장의 1차 복사선의 변환에 의해 생성될 수 있거나, 청색 1차 복사선이 광 변환 요소를 통과하여 적어도 부분적으로 변환된다.

다른 실시예에서, 광 안내 배열은 1차 복사선의 제어 가능한 제1 분할을 위 한 제1 전기 광학 스위치, 및 제1 전기 광학 스위치를 통과한 1차 복사선의 제어 가능한 제2 분할을 위한 하나 또는 2개의 제2 전기 광학 스위치를 포함한다. 1차 복사선을 둘보다 많은 부분으로 더 분할함으로써, 광은 국지적으로 매우 상이한 방식으로 광 변환 요소에 인커플링될 수 있으며, 이는 예를 들어 변환된 광의 명도의 변조를 가능하게 한다. 이러한 효과는 광 안내 배열이 적어도 제2 스위치들 중 하나를 통과한 1차 복사선의 제3의 제어 가능한 굴절을 위한 추가 전기 광학 스위치들을 포함하는 경우에 증가할 수 있다. 따라서, 1차 복사선은 전기 광학 스위치들의 캐스케이드에 의해 복수(n>2)의 분기로 분할될 수 있다.

바람직한 배열에서, 1차 복사선의 부분들은 추가 분할을 위해 도파관을 통해 2개의 전기 광학 스위치 사이에서 안내되며, 제2 또는 추가 전기 광학 스위치들 내로 인커플링된다. 따라서, 여러 전기 광학 스위치의 캐스케이드의 경우에 광 손실이 방지될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 광 변환 요소는 적어도 제2 전기 광학 스위치에 의해 생성된 1차 복사선의 추가 부분들을 인커플링하기 위한 하나 또는 복수의 추가 영역을 포함한다. 다중 분할된 1차 복사선은 많은 수의 상이한 스펙트럼 영역들이 광 변환 요소에서의 1차 복사선의 적절한 변환에 의해 생성되는 것을 가능하게 한다. 예를 들어 청색, 녹색 및 적색 광을 방출하는 3개의 재료 영역들에서, 또는 청색, 녹색, 황색 및 적색 광을 방출하는 보다 양호한 4개의 영역에서, 높은 칼라 렌더링 인덱스를 갖는 혼합 광이 얻어질 수 있다. 상이한 가시 스펙트럼 영역들을 생성하는 데 적합한 재료들은 이 분야의 전문가들에게 공지되어 있다.

이와 관련하여, 스위치 제어 유닛은 1차 복사선의 제1 및 제2 전파 방향에서의 동시 굴절을 위한 아날로그 모드로 또는 1차 복사선의 제1 또는 제2 전파 방향에서의 교대 굴절을 위한 디지털 모드로 전기 광학 스위치를 동작시킬 수 있다. 복수의 전기 광학 스위치를 갖는 실시예들에서, 제어 유닛은 또한 복수의 전기 광학 스위치를 아날로그 모드 및/또는 디지털 모드로 동작시킬 수 있다.

다른 실시예에서, 혼합 광을 방출하기 위한 소자는 조정 가능한 펄스 지속 기간을 갖는 펄스 1차 복사선을 생성하기 위한 고체 광원에 대한 제어 유닛을 더 포함한다. 이와 같이, 칼라 포인트가 전기 광학 스위치들의 동작에 의해 고정된 경우, 명도는 연장 또는 단축된 펄스 지속 기간을 통해 증가하거나 감소할 수 있다.

다른 실시예에서, 혼합 광을 방출하기 위한 소자는 광의 전파 방향에서 볼 때 광 변환 요소 뒤에 배치되는 광 혼합을 위한 광 혼합 광학계를 더 포함한다. 이와 관련하여, 광 혼합 광학계는 예를 들어 확산기 판, 마이크로 렌즈들의 배열 또는 광의 산란 또는 굴절을 위한 다른 배열들일 수 있다. 이러한 광 혼합 광학계를 통해, 방출 광의 균일한 칼라 효과가 광 변환 요소에 대한 짧은 거리에서 바로 얻어진다. 이러한 광 혼합 소자가 없는 경우, 균일 칼라 효과가 얻어지는 거리는 한편으로는 방출 광의 각도 분포에 의존하고, 다른 한편으로는 광 변환 요소의 측면 치수에 의존한다. 여기서, 측면 치수는 광의 평균 전파 방향에 수직인 치수로서 이해되어야 한다. 따라서, 광 혼합 광학계와 함께, 발광 소자는, 요소들이 더 가깝게 배치될 때, 더 많은 요소를 수용할 수 있다.

또한, 본 발명은 발광 소자를 동작시키는 방법으로서,

고체 광원에 의해 1차 복사선을 방출하는 단계;

적어도 하나의 전기 광학 스위치를 통해 상기 1차 복사선을 상기 1차 복사선의 적어도 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하는 단계;

광 변환 요소에 의해 상기 1차 복사선의 적어도 제1 부분을 부분적으로 또는 완전히 흡수하고, 2차 복사선을 재방출하는 단계; 및

원하는 칼라 포인트를 갖는 광을 방출하기 위해 상기 전기 광학 스위치를 제어하는 스위치 제어 유닛을 통해 상기 1차 복사선의 제1 부분과 제2 부분 사이의 비율을 가변적으로 조정하는 단계

를 포함하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 이들 및 다른 양태들은 이하에 설명되는 실시예들로부터 명확하며, 이들을 참조하여 설명될 것이지만, 본 발명은 이들로 한정되는 것으로 간주하지 않아야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 발광 소자의 개략도.

도 2는 복수의 전기 광학 스위치를 갖는 본 발명에 따른 발광 소자의 개략도.

도 3은 고체 광원에 대한 제어 유닛을 갖는 본 발명에 따른 발광 소자의 개략도.

도 4는 광 혼합 광학계를 갖는 본 발명에 따른 발광 소자의 개략도.

도 1은 고체 광원(1), 하나 이상의 상이한 광 변환 재료(형광체 재료라고 함)의 광 변환 요소(5), 광 안내 배열(2) 및 스위치 제어 유닛(4)을 포함하는, 원하는 칼라 포인트를 갖는 광을 방출하기 위한 발광 소자를 나타낸다. 원하는 광 변환에 적합한 재료들은 응용 분야 및 사용되는 1차 복사선(20)에 따라 다르다. 특정 1차 복사선들에 적합한 재료들은 이 분야의 전문가들에게 공지되어 있다.

고체 광원(1)은 발광 소자의 실시예에 따라 상이한 스펙트럼 영역들에서 그의 최대 강도를 가질 수 있는 1차 복사선(20)을 방출한다. 고체 광원(1)은 아날로그 또는 펄스 모드로 동작할 수 있다. 백색 광을 방출해야 하는 소자들에 대해, 1차 복사선의 최대 강도는 청색 또는 더 짧은 파장 스펙트럼 영역에 있으며, 따라서 적절한 형광체 재료를 통한 광 변환에 의해 모든 범위의 가시 스펙트럼의 광이 생성될 수 있다. 예를 들어, 통상적인 유기 LED(OLED), 비 유기 LED 또는 레이저 다이오드가 고체 광원으로서 사용될 수 있다. 고체 광원(1)은 전기 광학 스위치(31)와 공간적으로 분리되거나, 전기 광학 스위치(31)와 직접 접촉하도록 그 위에 배열될 수 있다.

고체 광원(1)이 전기 광학 스위치(31)와 공간적으로 분리되는 경우(도 1에 도시됨), 고체 광원에 의해 방출되는 광은 광 손실을 방지하기 위해 고체 광원(1)과 전기 광학 스위치(31) 사이에 배열되는 적절한 광학계를 통해 전기 광학 스위치 내로 인커플링되어야 한다. 이러한 적절한 광학계는 예를 들어 렌즈 시스템 또는 도파관들의 배열을 포함할 수 있다. 특히 레이저 다이오드와 관련해서는, 지향성 협대역 광 방출로 인해, 광의 전기 광학 스위치로의 인커플링을 위하여 도파관이 적합하다. 예를 들어, 450nm±10nm의 방출 파장을 갖는 레이저 다이오드가 사용될 수 있다. 거의 단색인 스펙트럼으로 인해, 레이저 다이오드의 광은 광 안내 배열에 의한 정확한 분할에 특히 적합하다. 또한, 이러한 협대역 방출의 안정성 때문에, 발광 배열의 동작 기간 동안의 1차 복사선의 스펙트럼 변동으로 인한 형광체 재료들의 흡수 거동의 변화가 발생하지 않는다. 따라서, 스위치 제어 유닛에 의한 조정 없이도 방출 광의 칼라 포인트가 매우 일정하게 유지될 수 있다.

하나 또는 복수의 전기 광학 스위치(31)를 포함하는 광 안내 배열(2)은 고체 광원(1)과 광 변환 요소(5) 사이에 배열되어, 한편으로 고체 광원(1)과 광 변환 요소(5)를 공간적으로 분리함으로써, 고체 광원(1)의 동작 온도로 인한 광 변환 재료의 열적 저하가 확실히 줄거나 제거되게 한다. 다른 한편으로는, 1차 복사선(20)의 제1 부분(21) 및 제2 부분(22)으로의 제어 가능한 분할이 적어도 하나의 전기 광학 스위치(31)에 의해 가능해진다. 이와 관련하여, "분할"이라는 용어는 굴절을 포함하며, 따라서 1차 복사선의 제1, 제2 및 존재할 경우 추가 부분들은 제1 전기 광학 스위치에 의해 분할되기 전의 1차 복사선의 전파 방향과 다른 전파 방향으로 전파할 수 있다. 따라서, 광 변환 요소(5)의 상이한 영역들(51, 52)은 동일 파장의 1차 복사선을 갖는 하나의 그리고 동일한 고체 광원(1)에 의해 조사될 수 있다. 상이한 영역들(51, 52) 상에 입사되는 1차 복사선(20)의 부분들(21, 22)은 스위치 제어 유닛(4)을 통해 가변적으로 조정될 수 있다. 스위치 제어 유닛(4)에 의해 전기 광학 스위치들에 적용되는 동작 파라미터들은 1차 복사선(20)의 제1 부분(21)과 제2 부분(22) 사이의 비율을 결정한다. 1차 복사선의 부분들(21, 22)은 상이한 영역들(51, 52)에서 광 변환 요소(5) 내로 인커플링되며, 각각의 영역의 조성에 의존하는 2차 복사선으로 적어도 부분적으로 변환된다. 주어진 1차 복사선(21, 22)에서, 영역들(51, 52)은 각각 광(61, 62)을 방출하는데, 이들의 스펙트럼 영역들은 각각의 영역(51, 52) 내의 광 변환 재료의 조성 및 흡수 용량에 의해 결정된다. 적절한 스펙트럼 영역들(61, 62)의 광(61, 62)은 광 변환 재료들의 다소간의 강한 광 산란 특성들로 인해 혼합된다. 예를 들어 1차 복사선의 제2 부분(22)이 변환되지 않는 방식으로 광 변환 요소의 영역(52)을 통과해야 하는 특수 실시예에서(예를 들어, 영역(52)은 형광체 재료를 포함하지 않는다), 산란, 비흡수 입자들은 광 변환 요소의 광 산란을 제공할 수 있다. 이 경우, 제2 스펙트럼 영역(62)은 1차 복사선(예를 들어, 청색 광)의 스펙트럼 영역과 동일할 것이다. 예를 들어, 적외선 1차 복사선의 경우, 제2 영역(52)은 1차 광을 변환되지 않는 방식으로 통과시키는 것이 아니라, 적절한 재료들을 통해 이를 가시광, 예를 들어 청색 광으로 변환할 것이다. 스펙트럼 영역들(61, 62)의 광을 포함하는 혼합 광의 칼라 포인트는 1차 복사선(20)의 제1 부분(21)과 제2 부분(22) 사이의 비율 변경에 의해 변할 수 있다. 예를 들어, 영역(51)이 황색 스펙트럼 영역에서 방출하고, 영역(52)이 청색 스펙트럼 영역에서 방출하는 경우, 먼 관측자에 대해 백색 혼합 광이 발생한다. 1차 복사선의 제1 부분이 상대적으로 증가하면, 백색 광의 황색 부분이 증가한다. 역으로, 청색 부분이 강해질 수 있다. 응용 분야에 따라, 다른 광 변환 재료들을 이용하여, 다른 칼라 포인트를 갖는 다른 혼합 광도 생성될 수 있다.

서로에 대한 부분들의 변화는 예를 들어 전기 광학 스위치(31)에 상이한 전압을 인가함으로써 얻어질 수 있다. 결과적으로, 비율은 인가 전압에 따라 코사인 방식으로 변동한다. 전기 광학 스위치(31)에 인가되는 동작 전압 V 및 최대 전압 V_max에서, 제1 부분(21)(A1)과 제2 부분(22)(A2) 사이에는 다음과 같은 비율이 얻어진다.

예를 들어 최대 전압의 50%의 동작 전압이 전기 광학 스위치에 인가되는 경우, 1차 복사선의 동일 크기의 제1 및 제2 부분들(A1, A2)이 얻어지며, 이들은 스위치를 통과한 후에 제1 및 제2 전파 방향으로 더 전파한다.

전기 광학 스위치들은 광 신호 전송 분야에서 변조기, 예를 들어 Mach-Zehnder 간섭계 변조기로서 공지되어 있다. 이러한 변조기들은 작고, 강하고, 빠르게 동작하며, 관성(inertia)을 갖지 않는다. 전기 광학 스위치들은 광을 변조하기 위해 전기 광학 효과를 이용한다. 사용되는 재료는 예를 들어 리튬 니오베이트와 같은 강유전체 크리스탈들을 포함한다. 이러한 전기 광학 스위치들의 스위칭 시간들은 통상적으로 나노초 범위 내이다. Mach-Zehnder 간섭계 변조기와 달리, 본 발명에 따른 발광 배열에서는 광이 변조되는 것이 아니라, 2개의 개별 부분으로 분할된다. 스위치 안으로 들어가는 광은 그 후 광 경로 분할을 통해 2개의 본질적 으로 평행한 도파관 내로 분할된다. 도파관 재료 및 도파관 주위의 재료의 광학 특성들(예를 들어, 굴절률 등)은 2개의 도파관 각각에서 안내되는 광파들이 다른 도파관으로 확장하는 교차 전파 범위를 갖도록 선택된다. 따라서, 외부 인가 전계를 통해, 광파는 하나의 도파관에서 평행한 다른 도파관으로 이동될 수 있다. 광파들이 전계의 영역을 통과한 후, 도파관들은 광파들의 교차 전파가 (예를 들어, 도파관들의 서로에 대한 거리 증가 또는 도파관 재료와 주변 재료 간의 보다 큰 굴절률 차이에 의해) 더 이상 다른 도파관 내에 도달하지 않도록 구성될 수 있다. 본 발명에 따른 발광 소자 내의 전기 광학 스위치의 출력에서, 이제 2개의 도파관에서 나타나는 분할 광은 2개의 공간적으로 분리된 장소에서 스위치로부터 나간다. 주어진 광학 특성들에서, 부분들(21, 22)은 전기 광학 스위치의 동작 파라미터들에 의존한다. 전기 광학 스위치의 대안 실시예들에서, 둘보다 많은 부분들로의 분할은 또한 둘보다 많은 평행한 도파관으로의 분리에 의해 가능할 것이다. 인가 전압에서, 1차 복사선에 대한 광학 효과는 전기 광학 스위치의 길이에 따라 증가한다. 이와 관련하여, 1차 복사선의 특정 분할을 얻기 위해 인가되는 전압은 전기 광학 스위치의 길이의 함수이다. 예를 들어, 5 mm의 길이를 갖는 전기 광학 스위치들은 0%에서 100%까지 1차 복사선의 제1 또는 제2 부분을 변화시키기 위해 최대 30V의 전압으로 동작되어야 한다. 따라서, 3 cm의 전기 광학 스위치의 길이에서는 최대 5V의 전압만이 필요하다. 전기 광학 스위치의 길이는 상이한 실시예들에서 다를 수 있다. 보다 짧은 스위치들은 매우 소형인 발광 소자들에 대해 사용된다. 구조적 길이 보다 적게 제한되는 경우, 보다 긴 스위치들도 사용될 수 있다. 대안으 로, 음향 광학 스위치들도 사용될 수 있다.

다른 대안적인 해결책들, 예를 들어 자기 광학 스위치들 또는 액정에 기초하는 스위치들의 사용은 상기 전기 광학 또는 음향 광학 스위치들에서와 같은 1차 복사선의 적절한 분할을 가능하게 하지만, 이들은 상이하게 편광된 광 및 상이한 부분들을 조정하기 위한 편광자들과 함께 기능한다. 따라서, 이러한 해결책들은 발광 소자의 경우에 상당한 광 손실을 유발한다.

한편, 전기 광학 스위치(31)는 스위치 제어 유닛(4)에 의해 아날로그 모드로 동작될 수 있는데, 이 경우에는 전기 광학 스위치 또는 전기 광학 스위치들(31)에 의해 제공되는 모든 전파 방향으로의 1차 복사선(20)의 동시 굴절을 통한 광 변환 요소(5)의 동시 방사(irradiation)에 의해 적절한 부분들(21, 22)을 갖도록 칼라 포인트가 생성된다. 안정된 칼라 포인트를 갖는 광을 매우 정확히 설정하기 위해, 여기서는 칼라 포인트가 스위치의 제어 파라미터들의 함수로서 결정되는 초기 교정 방법이 필요하다. 이 경우, 스위치를 제어하기 위한 이후의 노력은 매우 적다.

다른 한편, 전기 광학 스위치(31)는 또한, 디지털 모드로 동작될 수 있는데, 이 경우에는 1차 복사선이 스위치에서 전파 방향 21 또는 전파 방향 22로 나간다. 디지털 모드의 결과로서, 광 변환 요소(5)의 한 영역만이 임의의 시점에서 방출한다. 여기서는, 아날로그 모드와 달리, 스위치의 굴절 거동의 초기 교정은 수행될 필요가 없다.

도 1에 도시된 배열은 도 2에 도시된 바와 같은 제2 레벨의 전기 광학 스위치들(제2 스위치들)로 확장될 수 있다. 여기서, 먼저 1차 복사선(20)이 제1 스위 치(31)에 의해 2개의 부분(21, 22)으로 분할된다. 부분들은 도면들에 도시된 바와 같이 1차 복사선(20)의 최초 전파 방향으로부터 다양한 각도로 굴절될 수 있다. 이러한 제1 전기 광학 스위치(31)의 효과는 이하 제1 분할로서 참조된다. 도 2에 도시된 바와 같은 일 실시예에서, 부분들(21, 22)은 제2 전기 광학 스위치로서 참조되는 추가 전기 광학 스위치(32) 상에 각각 입사된다. 2개의 전기 광학 스위치들(32) 각각은 부분들(21, 22)을 상이한 제1 및 제2 전파 방향을 각각 갖는 2개의 추가 부분들(23, 24 및 25, 26)로 분할한다. 제2 스위치들의 효과는 제2 분할이라고도 한다. 도 2에 도시된 실시예에서, 1차 복사선은 제1 스위치 및 2개의 추가 스위치에 의해, 서로에 대한 비율들이 전기 광학 스위치들에 의해 조정될 수 있는 4개의 부분으로 분할될 수 있으며, 이들 부분은 실시예에 따라 상이한 조성 및/또는 두께를 갖는 하나 또는 복수의 영역을 포함할 수 있는 광 변환 요소(5) 상에 입사된다. 영역들(51 내지 54)이 조성 및 흡수 거동에 관해 동일한 경우, 스위치들(31, 32)을 통한 1차 복사선의 부분들(23 내지 26)로의 가변 분할은 명도 변조를 위해 이용될 수 있다. 영역들(51 내지 54)의 조성 및/또는 흡수 거동이 상이한 경우, 영역들(51 내지 54)은 예를 들어 청색, 녹색, 황색 및 적색의 스펙트럼 영역들에서 적절한 양의 광을 방출할 수 있으며, 이는 충분한 혼합 후에 거의 100까지의 높은 칼라 렌더링 인덱스를 갖는 백색 광을 생성할 수 있다. 다른 실시예에서, 영역들(51 내지 54)은 칼라 포인트가 국지적으로 변할 수 있는 황색 및 청색 광의 시퀀스를 방출할 수 있다.

바람직한 소자(개략도들에 도시되지 않음)에서, 2개의 전기 광학 스위치 사 이의 1차 복사선의 부분들, 예를 들어 도 2의 스위치들(31, 32) 사이의 부분(21)은 추가 분할을 위해 도파관을 통해 안내되어, 제2 또는 추가 전기 광학 스위치들 내로 인커플링된다. 따라서, 전기 광학 스위치들의 캐스케이드의 경우에 광 손실이 방지될 수 있다. 또한, 최종 스위치를 통과한 후에, 1차 복사선의 부분들은 또한 도파관을 통해 광 변환 요소(5)의 상이한 영역들(51 내지 54)로 안내될 수 있다. 도파관들의 고체 광원으로, 전기 광학 스위치로 그리고/또는 광 변환 요소로의 광학 커플링을 위해, 또는 고체 광원의 전기 광학 스위치로의 직접적인 광학 커플링을 위해, 예를 들어 가교 결합 가능한 2성분 실리콘 수지 고무 또는 다른 재료와 같은 적절한 굴절률을 갖는 단단하거나 유연한 재료들의 접착 층들이 사용될 수 있다.

여기에 개시되는 실시예들로부터, 다른 광 효과들을 얻기 위한 명시적으로 설명되지 않은 추가 실시예들이 이 분야의 전문가들에게 자명할 것이다. 또한, 사용되는 전기 광학 스위치들의 수는 응용 분야에 따라 증가할 수 있으며, 따라서 다른 실시예들에서는 광 안내 배열 내에 배열된 제3 또는 추가 전기 광학 스위치들에 의한 제3 또는 추가 굴절들도 얻어질 수 있다. 예를 들어, 제1 전기 광학 스위치(31) 외에 하나의 추가적인 제2 전기 광학 스위치(32)만이 이용 가능한 실시예들이 가능하다. 이들은 또한 추가 스위치 레벨들에 적용될 수 있다. 또한, 다른 실시예들에서, 1차 복사선 또는 복수의 상이한 1차 복사선을 생성하기 위해 복수의 고체 광원이 사용될 수 있다.

도 3에 도시된 실시예는 고체 광원(1)에 접속되는 고체 광원용 추가 제어 유 닛(7)을 포함한다는 점에서 도 1과 다르다. 고체 광원용 제어 유닛(7)은 고체 광원(1)을 조정 가능한 펄스 지속 기간을 갖는 펄스 모드로 동작시키기 위해 제공된다. 이 실시예에서 펄스화되는 1차 복사선(20)은 전술한 바와 같은 광 안내 배열(2)에 의해 분할된다. 방출 광(6)의 칼라 포인트가 광 안내 배열(2), 스위치 제어 유닛(4) 및 광 변환 요소(5)에 의해 조정되는 경우, 변경되지 않은 칼라 포인트의 경우에, 발광 소자의 명도는 펄스 지속 기간을 통해 조정될 수 있다. 충분히 높은 펄스 주파수에서, 관측자는 연속 발광하는 배열만을 인식한다. 이제, 펄스 지속 기간이 증가하는 경우, 단위 시간당 보다 많은 광자들이 방출되며, 광의 칼라 포인트에 관계없이 발광 소자의 명도가 증가한다. 명도 레벨을 설정하기 위해, 펄스 지속 기간의 특별히 복잡한 제어는 필요하지 않으며, 이는 펄스 지속 기간을 제어하기 위한 회로의 구축 비용을 줄인다.

도 4에 도시된 바와 같이, 광의 전파 방향(6)에서 볼 때, 광 변환 요소(5) 뒤에, 광 변환 요소(5)에 의해 방출되는 광(61, 62)을 혼합하기 위한 광 혼합 광학계(8)를 배열함으로써, 균일한 칼라 효과를 갖는 보다 소형인 실시예가 얻어질 수 있다. 광 혼합 광학계(8)는 응용 분야에 따라 매우 상이하게 설계될 수 있다. 광 혼합 광학계(8)로서, 예를 들어 광의 확산 산란 및 결과적인 철저한 광 혼합을 위해 확산기 판들이 사용되거나, 향상된 광 분포를 얻기 위해 미니 렌즈들의 배열들이 이용될 수 있다. 대안 실시예들에서, 다른 광 혼합 광학계도 이용 가능하다.

도면들 및 상세한 설명을 통해 설명된 실시예들은 원하는 칼라 포인트를 갖는 광을 방출하기 위한 본 발명에 따른 발광 소자의 예들일 뿐이며, 특허 청구범위 를 이들 예로 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 이 분야의 전문가들에게는 대안 실시예들도 가능하며, 이들 실시예 또한 특허 청구범위의 보호 범위 내에 포함한다. 종속 청구항들의 넘버링은 청구항들의 다른 조합들이 본 발명의 유리한 실시예들을 나타내지 않는다는 것을 의미하지 않아야 한다. 또한, 설명 및 청구범위에서, "하나" 등의 단수 표현은 복수의 배열, 유닛 또는 요소를 배제하지 않는다.

Claims (12)

1. 원하는 칼라 포인트(a desired color point)를 갖는 광을 방출하는 발광 소자(a light-emitting device)로서,

   적어도 하나의 고체 광원(solid-state light source)(1), 적어도 하나의 광 변환 요소(light-converting element)(5), 광 안내 배열(light guiding arrangement)(2) 및 스위치 제어 유닛(switch control unit)(4)을 포함하고,

   상기 고체 광원(1)은 1차 복사선(primary radiation)(20)의 방출을 위해 제공되고,

   상기 고체 광원(1)과 상기 광 변환 요소(5) 사이에 배열되는 상기 광 안내 배열(2)은 상기 1차 복사선(20)을 제1 부분(21) 및 제2 부분(22)으로 제어 가능하게 분할하기 위한 적어도 하나의 전기 광학 스위치(electro-optical switch)(31)를 구비하고,

   상기 스위치 제어 유닛(4)은 상기 1차 복사선(20)의 제1 부분(21)과 제2 부분(22) 간의 비율을 가변적으로 조정하도록 상기 전기 광학 스위치 또는 스위치들(31)을 제어하기 위해 제공되며,

   상기 광 변환 요소(5)는 상기 1차 복사선(20)의 적어도 제1 부분(21)의 부분적 또는 완전한 흡수를 위해, 그리고 2차 복사선의 재방출을 위해 제공되는 발광 소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 고체 광원(1)은 레이저 다이오드인 발광 소자.
3. 제2항에 있어서, 상기 레이저 다이오드(1)는 상기 1차 복사선(20)의 상기 전기 광학 스위치(31)로의 효율적인 인커플링(incoupling)을 위해 도파관을 통해 상기 전기 광학 스위치(31)에 접속되는 발광 소자.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 변환 요소(5)는 적어도, 상기 1차 복사선의 제1 부분을 인커플링하고 제1 스펙트럼 영역(61)의 광을 생성하기 위한 제1 영역(51), 및 상기 제1 복사선의 제2 부분을 인커플링하고 제2 스펙트럼 영역(62)의 광을 생성하기 위한 제2 영역(52)을 포함하는 발광 소자.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 안내 배열(2)은 상기 1차 복사선(20)의 제어 가능한 제1 분할(21, 22)을 위한 제1 전기 광학 스위치(31), 및 상기 제1 전기 광학 스위치(31)를 통과한 상기 1차 복사선의 제어 가능한 제2 분할(23, 24, 25, 26)을 위한 하나 또는 두 개의 제2 전기 광학 스위치(32)를 포함하는 발광 소자.
6. 제5항에 있어서, 상기 광 안내 배열(2)은 적어도 상기 제2 스위치들(31) 중 하나를 통과한 상기 1차 복사선(23, 24, 25, 26)의 제어 가능한 제3 분할을 위한 추가 전기 광학 스위치들을 포함하는 발광 소자.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 2개의 전기 광학 스위치 사이의 상기 1차 복사선의 부분들(21, 22, 23, 24, 25, 26)은 추가 분할을 위해 도파관을 통해 안내되며, 상기 제2 또는 추가 전기 광학 스위치들(32, 33) 내로 인커플링되는 발광 소자.
8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 변환 요소(5)는 적어도 하나의 제2 전기 광학 스위치에 의해 생성된 상기 1차 복사선의 추가 부분들을 인커플링하기 위한 하나 또는 복수의 추가 영역을 포함하는 발광 소자.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위치 제어 유닛(4)은 상기 전기 광학 스위치(31, 32)를, 상기 1차 복사선(20)의 제1 전파 방향(21) 및 제2 전파 방향(22)으로의 동시 굴절을 위한 아날로그 모드로, 또는 상기 1차 복사선(20)의 상기 제1 전파 방향(21) 또는 상기 제2 전파 방향(22)으로의 교대 굴절을 위한 디지털 모드로 동작시키는 발광 소자.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 조정 가능한 펄스 지속 기간(an adjustable pulse duration)을 갖는 펄스화된 1차 복사선(20)을 생성하기 위한 상기 고체 광원용의 제어 유닛(7)을 더 포함하는 발광 소자.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 광(6)의 전파 방향에서 볼 때, 상기 광 변환 요소(5)의 뒤에 배열되어, 상기 광 변환 요소(5)에 의해 방출되는 광을 혼합하는 광 혼합 광학계(a light-mixing optical system)(8)를 더 포함하는 발광 소자.
12. 제1항의 발광 소자를 동작시키는 방법으로서,

    고체 광원(1)에 의해 1차 복사선(20)을 방출하는 단계;

    적어도 하나의 전기 광학 스위치(31)를 통해 상기 1차 복사선(20)을 적어도 제1 부분(21) 및 제2 부분(22)으로 분할하는 단계;

    광 변환 요소(5)에 의해 상기 1차 복사선의 적어도 제1 부분(21)을 부분적으로 또는 완전히 흡수하고, 2차 복사선을 재방출하는 단계; 및

    원하는 칼라 포인트를 갖는 광을 방출하기 위해 상기 전기 광학 스위치(31)를 제어하는 스위치 제어 유닛(4)을 통해 상기 1차 복사선(20)의 제1 부분(21)과 제2 부분(22) 사이의 비율을 가변적으로 조정하는 단계

    를 포함하는 발광 소자를 동작시키는 방법.

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