KR20090045924A - 유사한 열 및 광 전파 방향들을 갖는 조명 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 열 추출 소자에 열 결합되는 하나 이상의 발광 소자를 포함하는 조명 모듈을 제공한다. 하나 이상의 열 추출 소자는 열을 실질적으로 제1 방향으로 전달하도록 구성된다. 하나 이상의 광학 소자가 조명 모듈 내에 더 통합되며, 이 하나 이상의 광학 소자는 하나 이상의 발광 소자와 광 결합되고, 하나 이상의 발광 소자에 의해 방출되는 광을 실질적으로 제1 방향으로 재지향하도록 구성된다.
조명 모듈, 발광 소자, 열 추출 소자, 광학 소자, 광학 시스템

Description

유사한 열 및 광 전파 방향들을 갖는 조명 모듈{ILLUMINATION MODULE WITH SIMILAR HEAT AND LIGHT PROPAGATION DIRECTIONS}
본 발명은 조명 장치의 열 관리 및 빔 정형에 관한 것으로서, 구체적으로는 하나 이상의 광원의 열 관리를 위한 열 추출 소자를 구비하는 조명 장치에 관한 것이다.
고휘도 조명 모듈들은 주위 조명, 강조 조명, 벽면 조명, 도로 표지, 광고, 장식 및 전시 조명, 퍼사드 조명, 커스텀 조명 등과 같은 다수의 조명 응용에 사용된다. 통상적으로, 이러한 조명 모듈들은 조명 응용의 휘도 요건에 따라 광원들의 강도를 제공하고 제어하기 위한 전력 관리 시스템에 결합되는 백열 전구, 형광 튜브, 네온 또는 고상(solid-state) 발광 다이오드(LED)와 같은 복수의 광원을 포함한다.
동작 동안, 대부분의 고휘도 조명 모듈들은 과다한 양의 열 에너지를 생성한다. 백열 전구들의 경우, 열 에너지는 광을 생성하기 위해 필라멘트를 고온으로 가열하는 데 사용된다. 그러나, LED들을 구비하는 고상 조명 장치들(solid-state luminaires)에서, LED들로부터의 열 에너지는 기판으로 전달되어, 온도를 상승시키고, LED들이 최적으로 기능하지 못하게 하여, 출력 광의 광속을 저하시킨다. 결과 적으로, LED들의 출력 광을 필요한 레벨로 유지하기 위해서는 더 많은 구동 전류가 요구된다. 그러나, 구동 전류의 증가는 기판의 온도를 더 상승시켜, 고상 조명 모듈의 성능에 대한 열 에너지의 부정적인 영향을 증가시킨다.
고상 조명 장치들의 또 하나의 특징은 조명 장치 내의 개별 발광 다이오드들로부터 방출되는 상이한 파장들의 가능한 한 많은 혼합을 제공하기 위해 비교적 큰 광학계를 필요로 한다는 점이다. 큰 광학계의 또 하나의 잠재적 이익은 출력 빔 시준의 보다 큰 유효성이다. 종종, 조명 장치 내의 열 관리 시스템의 크기 및 배치는 빔 정형 광학계에 대해 이용 가능한 공간을 제한하는데, 이는 칼라 광 혼합 및 빔 시준의 품질을 저하시킬 수 있다.
따라서, 광학 시스템의 성능을 크게 저하시키지 않고, 고상 조명 모듈들의 성능에 대한 과잉 열의 바람직하지 못한 영향을 극복하기 위한 열 관리 시스템을 개발하는 것이 바람직하다. 그러한 열 관리 시스템의 일례는 열 파이프이다. 열 파이프는 물과 같은 소량의 작업 유체를 그 내부에 포함하는 열전도 파이프이다. 일반적으로, 열 파이프의 한 단부는 열 소스에 근접 배치되어, 열 소스, 예를 들어 LED와의 열 접촉을 유지한다. 열 소스의 온도가 상승함에 따라, 열 소스에 의해 생성되는 열 에너지는 열 파이프 내의 액체를 증발시킨다. 결과적으로, 열 소스로부터의 열은 증발하는 액체에 의해 흡수되어, 열 소스로부터 열이 제거된다. 증발된 액체는 열 소스로부터 벗어나서 파이프를 통해, 통상적으로 응축단으로서 지칭되는, 파이프의 냉각단으로 이동한다. 열 파이프의 응축단에서, 증기는 그의 원래 액체 형태로 응축되고, 방열 사이클이 완료된다. 통상적으로, 열 파이프의 응축단 은 향상된 방열을 위해 히트 싱크에 열 접속된다.
다수의 열 파이프 열 관리 시스템이 제안되어 왔다. Livesay 등의 미국 특허 출원 공개 번호 2006/0092639는 광 재순환 공동을 형성하도록 배열된 다수의 열 파이프를 구비하는 광원을 설명하고 있다. 열 파이프들 상에 장착된 LED들의 어레이들로부터 광이 포획되고, 광 재순환 공동으로부터 반사된다. 이러한 구성에서, 열은 소스로부터 벗어나, 소스에 의해 방출된 광에 수직으로, 또는 소스에 의해 방출된 광의 방향과 반대 방향으로 이동하게 되는데, 이러한 구성들은 모두 부피가 큰 배열로 이어질 수 있다.
Huang의 미국 특허 출원 공개 번호 2005/0092469는 LED 조명 장치를 냉각하기 위한 루프 열 파이프를 교시한다. 루프 열 파이프의 증발단은 LED들과 열 전달 상태에 있으며, 열 파이프의 응축단은 조명 장치의 커버와 연결된다. Huang의 루프 열 파이프와 관련된 단점은 커버가 부피가 커지며, 루프 열 파이프의 형상을 수용해야 한다는 점이다. 이러한 루프 열 파이프의 사용은 조명 장치의 설계를 제한하고 비용을 증가시킬 수 있는 복잡한 배열을 필요로 할 수 있다.
Wang 등의 미국 특허 출원 공개 번호 2005/0169006은 반사기를 갖는 히트 싱크, LED 모듈, 및 한 단부가 LED 모듈에 열 결합되고, 다른 단부가 히트 싱크에 열 결합되는 대체로 U자 형상인 열 파이프를 구비하는 LED 램프를 설명하고 있다. 이러한 LED 램프에서, 열 파이프는 일반적으로 광원의 발광측에 대향 배치되며, 이는 LED 램프의 길게 연장된 구성으로 이어질 수 있다.
Hamilton 등의 미국 특허 제5,852,339호는 무전극 전구 어셈블리의 구동기 회로로부터 열을 방산하기 위한 히트 싱크를 교시하고 있다. Hamilton 등의 히트 싱크는 히트 싱크의 길이를 따라 길이 방향으로 배열된 다수의 열 파이프를 포함한다. Hamilton 등에 의해 개시된 히트 싱크는 무전극 전구가 아니라 구동 회로로부터 열을 제거하도록 설계되어 있다.
Arik 등의 미국 특허 출원 공개 번호 2005/0258438은 오목 밀봉 볼륨에 결합되는 칩 서포트 상에 장착된 LED 칩들을 구비하는 조명 장치를 개시하고 있다. 이러한 밀봉 볼륨은 열 전달 유체를 포함하며, LED 칩들을 냉각하기 위한 수동형 열 파이프를 정의한다. 효과적으로 동작하기 위해, 밀봉 볼륨은 소정의 최소 크기를 갖도록 구성된다. 결과적으로, 이러한 조명 장치의 배열은 보다 많은 LED 칩들이 사용될 때 보다 큰 볼륨의 필요로 인해 실질적이지 못할 수 있으며, 부피가 큰 조명 장치로 이어질 수 있다.
Board 등의 미국 특허 출원 공개 번호 2006/0196651은 투명 또는 반투명 열 파이프에 결합되는 발광 반도체 장치를 포함하는 광전 장치를 개시하고 있다. 발광 반도체 장치에 의해 방출되는 광은 열 파이프를 통해 그리고 그 길이를 따라 전송된다. 이러한 광전 장치의 구성에서는, 열 파이프가 광 전송을 위해서도 사용되므로, 이러한 장치의 광 효율은, 광이 통과해야 하고, 따라서 열 파이프가 열 전달 및 광 전송 양자를 제공하는 다수의 계면에 더하여 작업 유체의 상 변화에 의해 방해될 것이다. 따라서, 이러한 광전 장치의 구성은 그로부터의 광속 출력의 저하로 이어질 것이다. 또한, 이러한 구성의 광전 장치의 설계의 유연성은 열 파이프의 필요한 구성에 의해 제한된다.
Ono 등의 미국 특허 제7,011,431호는 발광부 및 방열부를 갖는 조명 장치를 제공하는데, 여기서는 열이 열 파이프를 이용하여 발광부에서 방열부로 전달된다. 따라서, Ono 등에 의해 개시된 바와 같은 열 파이프는 열 에너지의 전달을 위한 도관으로서만 기능하며, 조명 장치로부터 열을 방산하기 위해 여전히 방열부가 필요하다. 또한, Ono 등에 의해 제안된 바와 같은 조명 장치는 복잡하고, 복수의 기계 부품들을 포함할 수 있으며, 이는 또한 부피가 큰 조명 장치로 이어질 수 있다.
Martin 등의 미국 특허 제7,048,412는 LED 소스들로부터 열을 제거하기 위해 측면 열 파이프에 결합되는 축방향 열 파이프를 구비한 램프 포스트를 교시하고 있다. 램프 포스트는 LED 소스들이 장착되는 포스트 면들을 포함한다. LED 소스들로부터의 광을 안내하기 위하여 분할된 반사기가 제공된다. 측면 열 파이프에 결합되는 축방향 열 파이프는 방열을 위해 제공된다. Martin 등에 의해 정의되는 바와 같은 램프 포스트는 광 및 열이 반대 방향으로 이동하도록 구성되며, 따라서 공간의 비효율적인 사용으로 이어진다.
따라서, 조명 모듈의 전체 크기를 줄일 수 있으면서, 광원들의 적절한 열 관리 및 광원들로부터의 광 추출을 제공할 수 있는 새로운 조명 모듈이 필요하다.
이러한 배경 정보는 출원인에 의해 본 발명에 대한 가능한 관련성을 갖는 것으로 믿어지는 정보를 개시하기 위해 제공된다. 임의의 전술한 정보가 본 발명에 대한 종래 기술을 구성한다는 것을 시인할 의도가 반드시 있는 것도 아니고, 그렇게 해석되어서도 안 된다.
<발명의 요약>
본 발명의 목적은 유사한 열 및 광 전파 방향들을 갖는 조명 모듈을 제공하는 데 있다. 본 발명의 일 양태에 따르면, 광을 생성하기 위한 하나 이상의 발광 소자의 하나 이상의 어레이; 하나 이상의 어레이와 열 전달 상태에 있고, 실질적으로 제1 방향으로 열을 전달하는 하나 이상의 열 추출 소자; 및 어레이에 광학적으로 결합되고, 발광 소자들로부터의 광을 실질적으로 제1 방향으로 지향하도록 구성되는 광학 시스템을 포함하는 조명 모듈이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 모듈의 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 모듈의 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2a의 조명 모듈과 유사한 조명 모듈의 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 모듈의 단면도이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3a의 조명 모듈과 유사한 조명 모듈의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 모듈의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 모듈의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 모듈의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 모듈의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 모듈의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 모듈의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른, 반사기들로서 추가적으로 작용하도록 구성되는 열 파이프들을 포함하는 조명 모듈의 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 10의 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 10의 단면도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 모듈의 단면도이다.
정의
"발광 소자"(LEE)라는 용어는, 예를 들어 양단에 전위차를 인가하거나 전류를 통과시킴으로써 동작될 때, 전자기 스펙트럼의 한 영역 또는 영역들의 조합, 예를 들어 가시 영역, 적외선 및/또는 자외선 영역의 방사선을 방출하는 장치를 정의하는 데 사용된다. 따라서, 발광 소자는 단색, 준 단색, 다색 또는 광대역 스펙트럼 방출 특성을 가질 수 있다. 발광 소자들의 예는 반도체, 유기 또는 폴리머/폴리머 발광 다이오드, 청색 및 자외선 펌핑된 인광체 코팅 발광 다이오드, 광학 펌핑된 나노 결정 발광 다이오드 또는 이 분야의 기술자가 쉽게 이해하는 바와 같은 다른 유사한 장치들을 포함한다. 또한, 발광 소자라는 용어는 방사선을 방출하는 특정 장치, 예를 들어 LED 다이를 정의하는 데 사용되며, 방사선을 방출하는 특정 장치와, 특정 장치 또는 장치들이 내부에 배치되는 하우징 또는 패키지의 결합을 정의하는 데에도 동일하게 사용될 수 있다.
"발광 다이오드"(LED)라는 용어는 공진 공동 LED(RCLED), 수퍼 발광 LED(SLLED), 유기 LED(OLED), 플렉시블 OLED(FOLED), 플립칩 LED(FCLED), 또는 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL), 고휘도 LED 또는 이 분야의 기술자가 쉽게 이해하는 바와 같은 다른 조명 장치와 같은 조명 장치를 정의하는 데 사용된다.
"광학 센서"라는 용어는 광속 출력과 같은 입사광의 특성에 응답하는 측정 가능 센서 파라미터를 갖는 광학 장치를 정의하는 데 사용된다.
"광학 소자"라는 용어는 전자기 방사선, 예를 들어 광의 특성들을 조절하도록 구성되는 광학 장치를 정의하는 데 사용된다. 광학 소자의 예는 광학 렌즈, 반사기, 굴절 소자, 회절 소자, 확산 소자, 홀로그래픽 소자 또는 이 분야의 기술자가 쉽게 이해하는 바와 같은 다른 광학 능동 컴포넌트를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
"출력 광"이라는 용어는 전자기 스펙트럼의 한 영역, 예를 들어 가시, 적외선 및 자외선 영역들, 또는 전자기 스펙트럼 영역들의 조합 내의 특정 주파수 또는 주파수들의 범위의 전자기 방사선을 정의하는 데 사용되며, 출력 광은 하나 이상의 발광 소자에 의해 생성된다.
본 명세서에서 사용될 때, "약"이라는 용어는 공칭 값으로부터 +/-10%의 변동을 지칭한다. 이러한 변동은 그것이 구체적으로 지칭되는지의 여부에 관계없이 여기에 제공되는 임의의 주어진 값 내에 항상 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
달리 정의되지 않는 한, 여기서 사용되는 모든 기술 및 과학 용어들은 본 발명이 속하는 분야의 통상의 기술자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다.
본 발명은 열 파이프들을 구비한 통상의 조명 모듈들로부터의 광이 열 파이프가 조명 모듈의 광원들로부터의 열을 전달하는 방향과 다른 방향으로 조명 모듈에서 출사된다는 깨달음으로부터 이루어진다. 열 파이프는 광원들로부터의 충분한 열 추출을 제공하기 위한 최소 길이 이상이어야 하므로, 통상의 조명 모듈들은 열 파이프의 설계 제한들에 적합해야 한다. 또한, 광학계는 광원들로부터의 충분한 광 혼합 및 빔 시준을 제공하기 위한 최소 길이 이상이어야 하므로, 통상의 조명 모듈들은 광학계의 설계 제한들에 적합해야 한다. 결과적으로, 통상의 조명 모듈들은 열 파이프의 최소 길이에 의해 부과되는 설계 제한들로 인해, 원하는 레벨의 광 혼합 및 시준 및 열 추출을 제공하면서, 가능한 한 소형으로 제조될 수가 없다. 본 발명은 열 추출 소자와 열 전달 상태에 있는 복수의 발광 소자를 갖는 조명 모듈을 제공함으로써 이러한 결함들을 완화하려고 시도하며, 조명 모듈은 조명 모듈에 의해 제공되는 광 출력의 방향 및 열 전달의 방향이 실질적으로 동일 방향이 되도록 구성된다.
본 발명에 따른 조명 모듈은 하나 이상의 열 추출 소자에 열 결합되는 하나 이상의 발광 소자를 포함한다. 하나 이상의 열 추출 소자는 실질적으로 제1 방향으로 열을 전달하도록 구성된다. 광학 시스템이 조명 모듈 내에 더 통합되며, 이 광학 시스템은 하나 이상의 발광 소자에 광 결합되고, 하나 이상의 발광 소자에 의해 방출되는 광을 실질적으로 제1 방향으로 재지향하도록 구성된다. 여기서, 하나 이상의 열 추출 소자 및 광학 시스템은 조명 모듈이 원하는 동작 파라미터들 내에서 동작할 수 있도록 구성된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 모듈을 나타낸다. 조명 모듈(100)은 하나 이상의 열 파이프(112)를 포함하며, 열 파이프(112)의 증발단(118)에는 하나 이상의 발광 소자(120)가 열 결합된다. 동작 동안, 하나 이상의 발광 소자(120)는 열 파이프(112)에 의해 증발단(118)에서 응축기로 전달되는 열을 생성하며, 응축기는 열 파이프의 나머지 및 그의 대향단(116)을 포함한다. 열 파이프(112)로부터 방열을 가능하게 하는 환경으로의 열 전달을 제공할 수 있는 히트 싱크(115)가 열 파이프(112)에 열 접속되며, 여기서 열 파이프(112)에 의한 열 전달은 실질적으로 제1 방향으로 제공된다. 조명은 하나 이상의 발광 소자에 의해 방출되는 광을 조절하고 이 광을 실질적으로 제1 방향으로 지향하여 열 전달 및 광 전파가 실질적으로 동일 방향이 되게 하도록 구성되는 광학 시스템을 더 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 광학 시스템은 광학 반사기들(124)을 포함하며, 이 반사기들은 발광 소자들(120)로부터의 출력 광이 광학 반사기들(124)의 내벽들에 대해 반사되어 조명 모듈(100)의 광학 공동의 외부로 지향되도록 배치된다. 광학 반사기들(124)은 도시된 바와 같이 속이 빈 것이거나, 속이 비지 않은 투명 광 가이드일 수 있으며, 여기서 반사는 내부 전반사로 인해 발생하게 된다. 또한, 광학 반사기들이 속이 빈 것일 때, 이들은 부분적으로 또는 완전히 보호제로 채워질 수 있으며, 하나 이상의 발광 소자의 수용을 위한 하나 이상의 리세스를 광학적으로 포함할 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 광학 시스템은 조명 모듈의 상부에 광 출사 개구를 갖는 광학 소자(128)를 또한 포함할 수 있으며, 이 광학 소자는 필요한 경우에 광 혼합 및 시준을 제공할 수 있다. 따라서, 조명 모듈은 조명 장치의 길이의 대부분에 대해 실질적으로 동일한 방향으로의 열 전달 및 광 전파를 행할 수 있으면서, 원하는 동작 파라미터들을 달성할 수 있는데, 예를 들어 원하는 광속 출력을 달성하고, 원하는 색도를 갖는 광을 생성할 수 있다.
열 추출 소자
조명 모듈은 하나 이상의 발광 소자와 열 전달 상태에 있고 하나 이상의 발광 소자로부터의 열을 제거하도록 구성되는 하나 이상의 열 추출 소자를 포함한다. 열 추출 소자는 열 파이프, 흡열관, 또는 하나의 위치에서 다른 위치로 열을 전달할 수 있는 다른 수동 또는 능동 열 추출 소자일 수 있다.
예를 들어, 열 파이프는 한 지점에서 다른 지점으로 열을 빠르게 전달할 수 있는 장치이다. 통상적인 열 파이프는 열전도 재료, 예를 들어 알루미늄 또는 구리로 통상 제조되는 밀봉 공동 튜브로부터 형성된다. 열 파이프는 그 안에 작업 유체를 포함하며, 액상 작업 유체가 열 파이프의 증발단으로 복귀하기 위한 수단을 제공하는 내부 심지(wick) 구조를 포함한다. 구체적으로, 심지는 모세관 구동력이 열 파이프의 응축단에 형성된 응축액을 열 파이프의 증발단으로 복귀시키는 것을 가능하게 한다. 심지의 품질 및 타입은 통상적으로 열 파이프의 배향 종속 성능을 결정한다. 열 파이프가 사용되는 응용에 따라 소결(sintered), 홈(grooved), 메쉬(mesh) 타입 구조들 등을 포함하는 상이한 타입의 심지들이 사용된다. 작업 유체들은 극저온 응용을 위한 액체 헬륨에서 고온 조건을 위한 수은에 이르는 범위에 걸칠 수 있다. 작업 유체는 또한 예를 들어 물 또는 암모니아, 또는 이 분야의 기술자가 쉽게 이해하는 바와 같은 다른 형태의 작업 유체일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 모듈을 나타낸다. 조명 모듈(100)은 복수의 열 파이프(112)를 포함하며, 이들 각각은 응축단(116)에 인접하는 중간 벌크 부분(114)의 대부분을 포함하는 응축기를 구비하고, 열 파이프의 대향단에 증발단(118)을 구비한다. 각각의 열 파이프의 벌크 부분(114)은 암모니아 또는 물과 같은 다량의 상 변화 매체 또는 작업 유체를 포함하는 실질적으로 튜브 형인 공동체이다. 증발단(118)의 영역 내의 열이 증가함에 따라, 증발단(118)에 인접한 상 변화 매체가 증발하여 응축단(116)을 향해 이동한다. 증기들은 중간 벌크 부분(114)을 따라 그리고/또는 응축단(116)에서 응축된다. 응축단(116)으로부터의 과잉 열은 응축단(116)으로부터 대류, 전도 및 방사를 통해, 예를 들어 주위 환경으로 직접 방산된다.
본 발명의 일 실시예에서, 하나 이상의 열 추출 소자는 히트 싱크 또는 강제 통풍 장치와 같은 다른 방열 메커니즘에 열 결합된다. 히트 싱크는 개별 컴포넌트로서 구성된 후에 열 추출 소자에 열 결합되거나, 열 추출 소자와 일체로 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 각각의 열 파이프(112)의 벌크 부분(114)은 히트 싱크(115)에 결합되어, 열 파이프로부터의 열을 방산하며, 증발된 상 변화 매체의 응축을 더욱 개선한다. 히트 싱크(115)는 열 파이프들(112)이 삽입되는 구멍들을 가진 주형(cast) 구조일 수 있다. 본 발명의 히트 싱크들(115)은 지느러미(fin) 형상이지만, 다른 형상 또는 구조의 히트 싱크들을 대신 또는 또한 사용하여 벌크 부분(114)에 포함된 증발 액체의 응축을 가속화함으로써 조명 모듈로부터의 방열을 가능하게 할 수 있다는 것을 이 분야의 기술자들은 알 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 하나 이상의 열 추출 소자는 조명 모듈로부터 열을 제거할 수 있는 능동 냉각 장치에 열 접속된다. 능동 냉각 장치는 열 교환기, 냉각기, 팬, 또는 이 분야의 기술자가 쉽게 이해하는 바와 같은 다른 능동 냉각 장치들로서 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 열 추출 소자는 하나 이상의 발광 소자에 전력 또는 제어 신호들을 제공하기 위한 경로를 제공하는 트레이스들 또는 전기 회로를 포함한다. 예를 들어, 열 추출 소자는 전기 전도 트레이스들을 갖도록 표면 패터닝될 수 있다. 열 추출 소자에는 예를 들어 전기 트레이스들을 분리하는 데 사용될 수 있는 유전체 재료의 층들이 부착될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 열 추출 소자는 열 전도 및 전기 수동 소자로서 사용된다.
일 실시예에서, 열 추출 소자는 알루미늄, 은, 구리 등과 같은 열 및 전기 전도 재료로 제조된다. 열 추출 소자는 하나 이상의 발광 소자에 전기를 제공하거나, 발광 소자의 애노드 또는 캐소드에 대한 전기 접촉으로서 작용하도록 사용될 수 있다. 따라서, 전기 능동 열 추출 소자는 하나 이상의 발광 소자에 전력 또는 제어 신호들을 제공하기 위한 전기 전도 경로를 제공할 수 있다.
발광 소자
조명 모듈은 하나 이상의 열 추출 소자에 열 결합되는 하나 이상의 발광 소자를 포함한다. 하나 이상의 발광 소자는 단색, 준 단색, 다색 또는 광대역 스펙트럼 방출 특성들을 갖는 전자기 방사선을 방출할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 복수의 발광 소자가 어레이들로 구성될 수 있으며, 하나의 어레이는 실질적으로 단일 칼라 또는 실질적으로 혼합 칼라들의 광을 방출한다.
일 실시예에서, 발광 소자들은 백색 광이 생성될 수 있도록 선택된다. 예를 들어, 조명 모듈은 하나 이상의 백색 발광 소자를 포함하거나, 그 혼합이 백색 광을 생성할 수 있는 적색, 녹색 및 청색 파장 범위들의 광을 방출하는 복수의 발광 소자를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 추가적인 칼라들, 예를 들어 황색, 청록 색 등의 발광 소자들이 조명 모듈에 통합될 수 있으며, 발광 소자의 형태의 선택은 원하는 생성 광의 색도에 기초하여 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 발광 소자들 또는 그 어레이들은 제거 또는 대체 가능할 수 있다. 발광 소자들은 LED들의 어레이 또는 복수의 개별 LED를 갖는 모놀리식 다이일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 발광 소자들은 주 광학계를 더 포함하는 패키지 내의 LED 칩들의 쿼드 팩(quad pack)으로서 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 하나 이상의 발광 소자는 하나 이상의 열 추출 소자에 열 결합되는 열 전도성 기판 상에 장착된다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(122)은 열 파이프(112)의 증발단(118)과 열 접촉하여, 발열 발광 소자들(120)로부터의 과잉 열을 방산을 위해 열 파이프(112)로 전달한다. 중간 벌크 부분(114), 응축단(116) 및 증발단(118)은 함께 증발단(118)과 열 전달 상태에 있는 발광 소자들(120)로부터의 열을 제거하기 위한 열 전도 경로를 형성한다.
본 발명의 일 실시예에서는, 발광 소자들에서 열 추출 소자로의 열 전달을 개선하기 위해, 기판은 예를 들어 세라믹, AlN, Al203, BeO, 금속 코어 인쇄 회로 보드(MCPCB), 직접 본드 구리(DBC), CVD 다이아몬드, 또는 이 분야의 기술자에게 공지된 바와 같은 다른 적절한 열 전도 재료와 같이 높은 열 전도 특성들을 갖는 재료로부터 선택된다. 일 실시예에서, 기판은 금속, 예를 들어 Olin 194, Cu, CuW 또는 다른 열 전도 금속 또는 합금으로부터 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 기판은 하나 이상의 발광 소자 및/또는 전기적 접촉들의 전기적 절연을 위해 유전체 재료로 코팅될 수 있다. 일 실시예에서, 전기적 접속을 허가하기 위해 유전체 코팅 기판 상에 전기 트레이스들이 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 기판은 다수의 소켓 구조물을 포함하며, 각각의 소켓 구조물은 그 내부에 발광 소자를 수납하도록 적응된다. 소켓 구조물들은 하나 이상의 발광 소자의 기하 형상에 대응하도록 정형될 수 있다. 이러한 소켓 구조물들은 발광 소자들을 감쌈으로써 하나 이상의 발광 소자와 기판 사이의 접촉면을 실질적으로 최대화할 수 있다. LED들이 발광 소자들로서 사용되는 경우, LED들은 인듐 또는 주석, 납/주석, 금/주석 등과 같은 솔더, 접착제, 열 에폭시에 의해 대응 소켓 구조물들에 본딩되거나, 소켓 구조물들 내에 일렉트롤리식하게(electrolithically) 배치될 수 있으며, 본딩 재료는 원하는 열 전도 레벨을 제공하도록 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 하나 이상의 발광 소자에서 열 파이프의 증발단으로의 열 전달을 더욱 향상시키기 위해, 발광 소자들은 증발단에 가능한 한 가깝게 배치되어, 열 파이프로의 열 전달을 실질적으로 최대화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 하나 이상의 발광 소자는 중간 기판 없이 열 추출 소자에 직접 본딩되며, 열 추출 소자는 하나 이상의 발광 소자에 대한 전기적 접속을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 복수의 단차형 웰(step-like well)이 그에 동작적으로 결합되는 하나 이상의 발광 소자들 사이에서 기판 상에 형성된다. 단차형 웰들은 발광 소자의 측벽들로부터 방출되는 광을 인접 발광 소자로부터 떨어지게 반사하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 발광 소자들에 의해 방출되는 광을 더 많이 조명 모듈 밖으로 향하게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 이온 빔 스퍼터링 또는 이 분야의 기술자에게 공지된 바와 같은 다른 기술들에 의해 하나 이상의 발광 소자의 발광 면 상에 반사 방지 코팅이 배치될 수 있다. 일 실시예에서는, 발광 소자들의 발광 면들 중 하나 이상에 표면 패터닝이 적용될 수 있다.
광학 시스템
조명 모듈은 하나 이상의 발광 소자에 의해 방출되는 광을 하나 이상의 열 추출 소자에 의한 열 전달의 방향과 실질적으로 동일한 방향으로 재지향하도록 구성되는 광학 시스템을 더 포함한다. 예를 들어, 조명 모듈에 의해 정의되는 엔빌로프(envelope) 내에서 그리고 조명 모듈의 길이의 대부분에 대해, 열 및 광 양자가 실질적으로 동일 방향으로 이동한다. 발광 소자들로부터의 출력 광은 출력 광의 추출, 수집, 혼합 및 재지향 중 하나 이상을 제공하도록 구성되는 하나 이상의 광학 소자를 포함할 수 있는 광학 시스템을 통해 조명 모듈 밖으로 재지향된다.
광학 시스템은 광이 광학 시스템을 통해 전송될 때 반사되는 횟수를 최소화하고, 균일 색도 및 휘도를 제공하기 위한 광의 혼합 또는 무작위화를 여전히 제공하도록 설계될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 광학 시스템은 다음 광학 컴포넌트들 중 하나 이상을 포함한다. 제1 광학 컴포넌트는 발광 소자들로부터 방출된 광을 재지향하고 혼합하기 위한 광학 소자이고, 제2 광학 컴포넌트는 광을 정형하고 혼합하기 위한 광학 소자이며, 제3 광학 컴포넌트는 광을 정형하고 혼합하기 위한 광학 출력 소자이다.
본 발명의 실시예들에서, 광학 시스템은 하나 이상의 반사 또는 굴절 광학 소자, 예를 들어 광의 전송을 위한 속이 비거나 비지 않은 광 파이프 또는 광 가이드를 포함한다. 광학 소자들은 소정의 축 방향 또는 수직 단면들을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 광학 시스템은 하나 이상의 굴절 소자, 예를 들어 하나 이상의 렌즈, 프레넬 렌즈, 렌즈 어레이, 탠덤 렌즈 어레이, 회절 및 홀로그래픽 소자를 포함한다.
본 발명의 실시예들에서, 광학 시스템은 빔 분포 및 시준을 제어하기 위하여 다양한 초점 길이를 갖는 확산기 소자들 또는 유체 렌즈들을 포함한다.
일 실시예에서, 광학 시스템은 속이 비거나 비지 않은 광 파이프를 포함한다. 예를 들어 축 대칭인 광 파이프의 단면 형상은 빔의 시준 특성들을 결정할 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, 광 파이프의 길이 및 플레어 각도는 조명 장치의 효율을 최적화할 수 있다. 일반적으로, 반사 벽의 형상, 예를 들어 축 대칭 반사 벽의 축 방향 프로파일이 광학 시스템의 효과를 결정할 수 있다. 예를 들어, 프로파일은 그의 입구 크기, 출구 크기, 길이 및 곡률에 의해 특성화될 수 있다. 본 발명의 실시예들에서, 프로파일의 곡률은 포물선, 타원 또는 쌍곡선일 수 있다. 대안으로, 프로파일 또는 광학 능동 표면은 개별적인 직선 또는 곡선의 연속 원추형 세그먼트들을 포함할 수 있다.
광학 시스템, 예를 들어 광 파이프 또는 광 가이드의 전반적인 광 전파에 수직인 원형, 삼각형, 정사각형, 육각형 및 다른 다각형 단면을 포함하는, 본 발명의 실시예들에 따른 광학 시스템들의 다양한 단면 형상이 가능하다.
본 발명의 실시예들에서, 광학 시스템은 입구와 출구 사이에 연장하는 소정의 수직 및 축 방향 단면 프로파일의 반사 벽면을 포함한다. 벽면은 빔 정형 및 칼라 혼합을 지원할 수 있다. 벽면의 단면은 축 대칭 형상을 갖거나, 임의의 다른 원하는 형상을 가질 수 있는 것으로 이해된다. 벽면은 출구를 향해 벌어지거나(flare) 좁아질(taper) 수 있다. 예를 들어, 정사각, 육각 또는 팔각 수직 단면들을 갖는 축 대칭 시스템들은 원형 또는 삼각형 벽 구조들보다 효과적으로 광을 혼합하고 무작위화할 수 있다. 결과적으로, 이러한 형태의 보조 광학 시스템은 보다 양호한 무작위화를 제공할 수 있으며, 보다 작은 치수들을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 광학 시스템은 출구에 인접하는 굴절 소자, 예를 들어 돔 렌즈, 프레넬 렌즈 또는 마이크로 렌즈 어레이를 포함할 수 있다. 이러한 소자는 예를 들어 전술한 광 파이프 또는 광 가이드들 중 하나의 일체부일 수 있다. 광학 시스템은 또한 출구에 인접하는 회절, 홀로그래픽, 반사 또는 확산 소자를 포함할 수 있는 것으로 이해된다. 또한, 임의의 굴절 소자는 제어 가능 가변 초점 길이 유체 렌즈일 수도 있다.
예를 들어, 도 l에 도시된 바와 같이, 광학 시스템은 발광 소자들(120)로부터의 출력 광이 광학 반사기들(124)의 내벽들에 대해 반사되어 조명 모듈(100)의 광학 공동 밖으로 지향되도록 배치되는 광학 반사기들(124)로서 구성되는 하나 이상의 광학 소자를 포함한다. 광학 반사기들(124)은 발광 소자들(120)로부터의 출력 광을 원하는 방향으로 지향하도록 상대적으로 배치되는 미러들일 수 있다. 광학 반사기들은 평면, 곡면 또는 각면 또는 이들의 조합을 가질 수 있다. 광학 반사기들(124)은 속이 비거나 비지 않을 수 있다. 예를 들어, 광학 반사기들이 속이 비지 않도록 구성될 때에는 통상적으로 내부 전반사가 발생한다.
본 발명의 일 실시예에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 광학 시스템이 출력 광의 경로를 따라 제공되는 광학 확산기(126)를 포함하며, 이 광학 확산기는 조명 장치 내의 출력 광의 광학 경로를 따라 임의의 위치에 배치될 수 있다. 광학 확산기(126)는 발광 소자들로부터의 광을 더 혼합하는 기능을 할 수 있으며, 불투명 유리, 반투명 플라스틱, 홀로그래픽 확산기 또는 이 분야의 기술자에게 공지된 바와 같은 다른 타입의 확산기로부터 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 광학 시스템은 하나 이상의 발광 소자에 의해 방출된 광을 시준 및/또는 혼합하도록 구성되는 하나 이상의 광학 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 l에 도시된 바와 같이, 광학 시스템은 상부에 광 출구 및 하부에 보다 작은 광 입구를 갖는 테이퍼형 광 파이프 형태의 광학 소자(128)를 포함한다. 광학 소자(128)는 내부 반사 측벽부를 더 포함한다. 일 실시예에서, 광학 소자는 폴리머이고, 반사 코팅될 수 있거나, 반사 코팅된 열 가소성 폴리머, 알루미늄, 주조 알루미늄, 구리, 은, 마그네숨 또는 이들의 조합과 같은 열 전도 재료로부터 제조될 수 있으며, 이러한 형태의 광학 소자는 하나 이상의 열 추출 소자로의 열 전달을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 조명 모듈의 광학 시스템의 광학 소자는 내부 전반사 집광기(TIRC) 또는 절두 원추형 유전체 내부 전반사 집광기(DTIRC)일 수 있다. 발명의 일 실시예에서, 광학 소자는 복합 포물면 집광기(CPC), 타원 집광기(EC), 복합 타원 집광기(CEC), 내부 전반사 반사기, 칼라 혼합 내부 전반사 반사기, 복합 쌍곡면 집광기(CHQ) 또는 이 분야의 기술자가 쉽게 이해하는 바와 같은 다른 광학 소자와 같은 반사기일 수 있다. 또한, 광학 소자는 정형된 속이 비거나 비지 않은 소자일 수 있다. 사용되는 광학 소자와 관계없이, 광학 소자는 평면 또는 곡선 출구들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 광학 소자의 측벽부의 내면들은 측벽부로 지향되는 출력 광을 출구를 향해 반사하기 위해 은, 보호 은(protected silver), 알루미늄, 강화 알루미늄, 유전체 또는 미국의 Zeon Chemicals 사에 의해 제조된 Zeonex E48R과 같은 금속제 고반사 코팅으로 코팅될 수 있다. 이러한 타입의 광학 소자는 사출 성형 기술들 또는 이 분야의 기술자들에게 공지된 다른 유사한 방법들을 이용하여 저융점 유리 또는 플라스틱으로부터 제조될 수 있다.
일 실시예에서, 도 1에 광학 소자(128)로서 정의된 것과 같은 광학 소자는 반사 금속 또는 유전체 코팅 스택 또는 이들의 조합이 후속 코팅되는 사출 성형 폴리머를 사용하여 2 조각(two-piece) 표면 반사기로서 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 그리고 도 1을 더 참조하면, 조명 모듈에 사용되는 광학 시스템의 광학 소자(128)에 있어서, 소자들이 속이 빈 것일 때, 그 내면의 측벽부와 예를 들어 124로서 식별되는 바와 같은 중심부의 표면은 불연속, 피트(pit), 지그재그 포인트(jagged points) 또는 다른 표면 결함들이 거의 없는 평탄면을 갖는 특징이 있다. 따라서, 표면은 금속제 반사 코팅으로 코팅될 수 있으며, 이는 광학 소자 및 중심부의 향상된 반사력을 제공할 수 있다. 소자들(124, 128)이 속이 비지 않은 것일 때, 반사는 내부 전반사를 통해 발생하며, 통상적으로 코팅은 필요하지 않다.
일 실시예에서, 소자들(124)의 내부 반사면들, 즉 역 V자형으로 도시된 단면은 발광 소자들로부터 방출되는 광의 일부가 광학 센서(141)로 누설되는 것을 허가하기 위해 부분 투과적일 수 있다. 광학 센서는 색도 또는 광속 출력에 관한 피드백 정보를 제어 시스템에 제공할 수 있다. 예를 들어, 센서 또는 센서들은 광 센서, 광 다이오드 또는 이 분야의 기술자에 의해 공지된 바와 같은 다른 광학 감지 센서일 수 있다.
일 실시예에서, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이, 광학 시스템은 광학 소자(128)의 출구에 인접 배치된 광학 렌즈(130)를 더 포함한다. 광학 렌즈(130)는 발광 소자들(120)로부터의 출력 광의 추가적인 빔 정형을 제공할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 광학 시스템은 확산기를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 광학 시스템은 파장 변환기들, 예를 들어 인광체들 또는 이 분야의 기술자에게 공지된 바와 같은 다른 컴포넌트들을 포함하는 컴포넌트들을 포함한다. 이러한 파장 변환기들의 구성에 따라, 이들은 광학 소자의 표면 상에 코팅되거나, 광학 소자 내에 포함되거나, 둘 다일 수 있다.
조명 모듈은 하나 이상의 발광 소자의 동작을 제어하기 위한 전력 관리 시스템에 결합되며, 옵션으로서 광학 반사기들 아래에 제거 가능하고 교체 가능하게 배치될 수 있다. 전력 관리 시스템은 옵션으로서 조명 모듈의 동작 특성을 모니터링하기 위한 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 조명 모듈은 출력 광의 특성, 예를 들어 출력 광의 광속 출력 및/또는 색도를 지시하는 정보를 수집하도록 구성되는 하나 이상의 광학 센서를 포함할 수 있다. 조명 모듈은 하나 이상의 발광 소자의 동작 온도를 지시하는 정보를 수집하도록 구성되는 하나 이상의 온도 센서를 포함할 수 있다. 조명 모듈은 이 분야의 기술자가 쉽게 이해하는 바와 같은 조명 모듈의 동작 특성들을 지시하는 다른 정보를 수집하도록 구성되는 하나 이상의 전압 센서, 전류 센서 또는 다른 센서를 포함할 수 있다. 하나 이상의 센서에 의해 수집되는 조명 모듈의 동작 특성들을 지시하는 정보는 원하는 조명 모듈 동작을 달성하기 위해 하나 이상의 발광 소자에 대한 제어 파라미터들, 예를 들어 광속 출력 및 출력 광 색도를 결정하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 전력 관리 시스템(132)은 도 1에 도시된 바와 같은 조명 모듈에 직접 결합된다. 일 실시예에서, 전력 관리 시스템은 소켓 접속을 통해 조명 모듈에 결합된다.
본 발명의 일 실시예에서, 전력 관리 시스템은 케이블링 또는 와이어링 시스템을 통해 조명 모듈에 결합될 수 있다.
본 발명은 이제 추가적인 특정 예들을 참조하여 설명된다. 아래의 예들은 본 발명의 실시예들을 설명하는 것을 의도하며, 어떠한 방식으로도 본 발명을 한정하고자 하는 의도는 없다.
예
예 l
이제, 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 모듈을 나타내는 도 2a를 참조한다. 조명 모듈(202)은 복수의 발광 소자(220)를 냉각하기 위한 열 파이프들(212)을 포함한다. 열 파이프들(212) 각각은 중간 벌크 부분(214), 그 인접 부분을 포함하는 벌크 부분(214)의 한 단부(216)의 응축기 영역 및 벌크 부분(214)의 대향단의 증발기 영역(218)을 포함한다. 열 파이프(212)의 벌크 부분(214)들은 반사 측벽부들을 갖는다. 벌크 부분들(214)의 반사 측벽부들은 또한 발광 소자들(220)로부터의 출력 광의 빔 정형을 위한 광학 소자를 형성하기 위해 포물선 단면들을 갖는다. 벌크 부분들의 측벽부들의 형상은 조명 모듈(200)의 빔 정형 요건에 따라 오목, 타원, 원형 또는 다른 형상일 수 있다는 것을 이 분야의 기술자들은 알 것이다.
열 파이프들은 옵션으로서 능동 또는 수동 히트 싱크들(215)을 포함한다. 히트 싱크들(215)은 도 2a에 도시된 바와 같이 벌크 부분들(214)의 측벽부들의 외형들을 따르도록 정형될 수 있다. 일 실시예에서, 히트 싱크(215)는 열 파이프들(212)이 배치되는 슬롯들을 갖는 주형 구조일 수 있다. 도 2b에 도시된 바와 같은 실시예에서, 조명 모듈(204)은 조명 모듈(204)의 하우징 엔클로저(enclosure)를 형성하는 히트 싱크들(215)을 포함한다. 하우징은 육각, 팔각, 테이퍼, 포물면, 각면(faceted), 복합 또는 기술자들이 고려하는 다른 형상들일 수 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 전력 관리 시스템(232)은 유지 보수 또는 교체의 편의를 위해 하우징 아래에 제거 가능하고 교체 가능하게 배치된다. 옵션으로서, 조명 모듈(204)의 내부 컴포넌트들을 보호하기 위해 윈도우(219)가 제공될 수 있다. 조명 모듈에 의해 정의되는 엔빌로프 내에서, 그리고 조명 모듈의 길이의 대부분에 대해, 발광 소자들로부터의 열 및 광 양자는 실질적으로 동일한 방향으로 이동한다. 또한, 광 재지향 소자들(210)은 속이 빈 소자들 또는 속이 비지 않은 소자들로서 구성될 수 있다.
예 2
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 모듈(302)을 나타낸다. 조명 모듈(302)은 대응하는 측면 장착 발광 소자들(320)과 열 전달 상태에 있는 접촉면들(318)을 갖는 복수의 열 파이프(312)를 포함한다. 발광 소자들의 측면 장착의 가능한 이익은 광 추출을 위해 보다 적은 반사들이 필요하다는 점이다. 발광 소자들(320)로부터 방출되는 출력 광을 조명 모듈(302)의 장축을 따르는 방향으로 휘게 하기 위해 광학 반사기들(324) 또는 광 가이드들이 발광 소자들(320)로부터의 출력 광의 경로를 따라 배치된다. 조명 모듈에 의해 정의되는 엔빌로프 내에서, 그리고 조명 모듈의 길이의 대부분에 대해, 발광 소자들로부터의 열 및 광 양자는 실질적으로 동일한 방향으로 이동한다.
도 3b는 도 3a에 도시된 것과 유사한 본 발명의 일 실시예를 나타내는데, 이 조명 모듈(304)은 확산기(321)로부터 초점 거리에 위치하는 집광 렌즈(319)를 더 포함한다. 집광 렌즈(319)는 조명 모듈(304)의 출구에 배치되며, 출력 광을 시준한다. 확산기(321)는 두 가지 이상 타입의 광학 소자를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 확산기는 반사면(324)에 인접하게, 표면(324) 상에, 렌즈(319) 상에 또는 광학 경로를 따라 다른 위치에 배치된다. 조명 모듈에 의해 정의되는 엔빌로프 내에서, 그리고 조명 모듈의 길이의 대부분에 대해, 발광 소자들로부터의 열 및 광 양자는 실질적으로 동일한 방향으로 이동한다.
예 3
본 발명의 일 실시예가 도 4에 도시되어 있다. 조명 모듈(400)은 열 파이프들(412) 및 어레이들로 그룹화된 복수의 발광 소자(420)를 포함한다. 발광 소자들(420)의 각각의 어레이는 각각의 열 파이프(412)의 증발단에 부착되며, 발광 소자들(420)로부터의 열을 열 파이프들(412)로 전달하기 위해 각각의 열 파이프(412)에 열 접속된다. 조명 모듈(400)은 또한 출력 광의 광학 특성들을 조절하기 위해 조명 모듈(400)의 입구 및 개구 단부들에 배치되는 탠덤 렌즈 어레이(430, 431)를 포함한다.
예 4
본 발명의 일 실시예가 도 5에 도시되어 있다. 도 5에는 동작 동안 발광 소자들(520)의 냉각을 위해 열 파이프들(512)의 증발단들에 열 결합되는 복수의 발광 소자(520)를 갖는 조명 모듈(500)이 도시되어 있다. 렌즈들(527)은 광학 확산기(526)의 평면에 모든 발광 소자의 중첩 이미지들을 생성할 수 있다. 렌즈(528)는 확산기(526)의 평면으로부터 초점 거리에 조명 모듈의 출구면 내에 배치되어, 확산기의 평면을 거의 무한대로 이미징한다. 확산기는 렌즈(528)에 인접하거나 조명 모듈 내의 임의의 다른 평면 내에 배치될 수도 있다. 조명 모듈에 의해 정의되는 엔빌로프 내에서, 그리고 조명 모듈의 길이의 대부분에 대해, 발광 소자들로부터의 열 및 광 양자는 실질적으로 동일한 방향으로 이동한다.
예 5
본 발명의 일 실시예에 따르면, 그리고 도 6을 참조하면, 조명 모듈(600)은 절두 원추형 단일 열 파이프(612)를 포함한다. 조명 모듈(600)은 열 추출 및 방산을 위해 열 파이프(612)와 열 전달 상태에 있는 복수의 발광 소자(620)를 더 포함한다. 발광 소자들(620)로부터의 출력 광의 경로를 따라 배치되는 광학 반사기들 또는 광 가이드(624)는 출력 광을 조명 모듈(600)의 장축에 대체로 평행인 경로를 따라 그 출구를 향해 지향시킨다. 열 파이프(612)는 또한 열 파이프(612)의 향상된 냉각 동작을 위해 열 파이프(612)와 일체화되는 히트 싱크 구조(615)를 포함한다. 조명 모듈에 의해 정의되는 엔빌로프 내에서, 그리고 조명 모듈의 길이의 대부분에 대해, 발광 소자들로부터의 열 및 광 양자는 실질적으로 동일한 방향으로 이동한다. 본 발명의 일 실시예에서, 내면은 시준 및/또는 광 혼합과 같은 광학 효과들을 달성하도록 설계된다.
예 6
도 7에는 본 발명의 일 실시예가 도시되어 있으며, 조명 모듈(700)은 하우징(도시되지 않음) 내의 U자형 열 파이프(712) 및 열 파이프(712)의 중앙 접촉면(718)과 열 접속되는 복수의 발광 소자(720)를 구비한다. 발광 소자들(720)로부터의 열은 열 파이프(712)에 의해 흡수되어 둘 이상의 응축단을 향해 전달된다.
일 실시예에서, 열 파이프는 알루미늄, 은 또는 유전체와 같은 광학 반사 재료로 코팅될 수 있거나, 반사기 재료(723), 예를 들어 3M의 Vikuiyt ESR 호일로 라이닝될 수 있다. 조명 모듈에 의해 정의되는 엔빌로프 내에서, 그리고 조명 모듈의 길이의 대부분에 대해, 발광 소자들로부터의 열 및 광 양자는 실질적으로 동일한 방향으로 이동한다.
예 7
도 8은 본 발명의 일 실시예를 나타낸다. 도 8은 냉각을 위해 복수의 발광 소자(820)와 열 결합되는 열 파이프(812)를 갖는 조명 모듈(800)을 도시하고 있다. 발광 소자들에 의해 방출되는 광은 조명 모듈의 하부 공동(825) 내에서 반복 반사들을 거치며, 결과적으로 개구(826)를 통해 조명 모듈의 상부 공동(827)에 전달되기 전에 효과적으로 혼합된다. 본 발명의 일 실시예에서, 개구(826)는 상부 공동(827)의 전체 입구 영역을 커버하도록 연장될 수 있다. 조명 모듈에 의해 정의되는 엔빌로프 내에서, 그리고 조명 모듈의 길이의 대부분에 대해, 발광 소자들로부터의 열 및 광 양자는 실질적으로 동일한 방향으로 이동한다.
예 8
이제, 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 모듈(900)을 나타내는 도 9를 참조한다. 조명 모듈(900)은 반사면(924)을 갖는 대체로 컵 형상의 히트 싱크(915)를 포함한다. 또한, 히트 싱크(915)에 열 결합되는 응축단(916)은 물론, 복수의 발광 소자(920)와 열 전달 상태에 있는 증발단(918)을 각각 갖는 열 파이프들(912)이 제공된다. 발광 소자들(920)로부터의 열은 열 파이프들(912) 내의 상 변화 매체에 의해 흡수되어, 방산을 위해 히트 싱크(915)로 전달된다. 본 발명의 일 실시예에서, 도 9는 대체로 길이 방향으로 연장된 U자형의 선형 조명 모듈의 단면도를 나타낼 수 있다. 조명 모듈에 의해 정의되는 엔빌로프 내에서, 그리고 조명 모듈의 길이의 대부분에 대해, 발광 소자들로부터의 열 및 광 양자는 실질적으로 동일한 방향으로 이동한다.
예 9
도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 모듈의 측벽들을 형성하는 4개의 평면 열 파이프(1120)를 포함하는 조명 모듈(1100)을 나타낸다. 도 11은 도 10의 단면도이다. 열 파이프들의 내면들(1101)은 반사적이거나, 반사 코팅되거나, 반사 호일로 라이닝될 수 있다. 발광 소자들은 조명 모듈의 하부 내측 단부에 반사면들 상에 배치된다. 발광 소자들로부터의 광은 혼합 광(1103)으로서 조명 모듈로부터 출사되기 전에 조명 모듈의 내면들로부터 반복 반사를 거친다. 발광 소자들로부터의 광은 열 파이프들(1102)의 증발단들(1118)의 근처로부터 열 파이프들을 통해 조명 모듈의 출구단에 위치하는 열 파이프들의 응축단들(1116)을 향해 이동한다. 조명 모듈에 의해 정의되는 엔빌로프 내에서, 그리고 조명 모듈의 길이의 대부분에 대해, 발광 소자들로부터의 열 및 광 양자는 실질적으로 동일한 방향으로 이동한다.
도 12는 도 11의 조명 모듈과 많은 점에서 유사한 조명 모듈(1200)을 나타내는데, 이들의 주요 차이는 발광 소자들(1220)이 조명 모듈(1200)의 주 내부 반사면과 다른 표면에 열 접속된다는 점이다. 조명 모듈(1200)에 의해 정의되는 엔빌로프 내에서, 그리고 조명 모듈의 길이의 대부분에 대해, 발광 소자들(1220)로부터의 열 및 광 양자는 실질적으로 동일한 방향으로 이동한다.
예 10
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 모듈을 나타낸다. 조명 모듈(1300)은 하나 이상의 열 파이프, 특히 제1 열 파이프 부분(1312)의 증발단(1318)에 열 결합되는 복수의 발광 소자(1320)를 포함한다. 열 파이프는 발광 소자들(1320)의 방열을 가능하게 하는 히트 싱크들(1315) 및 제1 열 파이프 부분과 열 전달 상태에 있는 제2 열 파이프 부분(1327)을 포함한다. 조명 모듈(1300)은 히트 싱크들(1315) 또는 열 파이프의 제2 열 파이프 부분(1327)과 열 결합될 때 히트 싱크로서 기능할 수 있는 하우징(1325)을 더 포함한다. 따라서, 하우징(1325)의 내벽에 배치되는 광학 반사기(1324), 예를 들어 포물면 반사기의 초점 평면 내에 배치될 수 있는 발광 소자들(1320)로부터의 출력 광은 조명 모듈(1300)의 출구를 향해 조명 모듈(1300)의 장축을 따라 실질적으로 시준되는 방향으로 반사된다. 열 파이프 및 하우징(1325)은 제2 열 파이프 부분이 하우징의 출구면의 테두리 주위의 슬롯들에 삽입될 수 있도록 구성된다. 조명 모듈에 의해 정의되는 엔빌로프 내에서, 그리고 조명 모듈의 길이의 대부분에 대해, 발광 소자들로부터의 열 및 광 양자는 실질적으로 동일한 방향으로 이동한다.
본 발명의 전술한 실시예들은 예들이며, 다양한 방식으로 변경될 수 있는 것으로 이해된다. 그러한 현재 또는 미래의 변경들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나는 것으로 간주하지 않아야 하며, 이 분야의 기술자가 쉽게 이해하는 바와 같은 그러한 모든 변경들은 아래의 청구항들의 범위 내에 포함되는 것을 의도한다.

Claims (21)

  1. a) 광을 생성하기 위한 하나 이상의 발광 소자의 하나 이상의 어레이;
    b) 하나 이상의 어레이와 열 전달하는 하나 이상의 열 추출 소자 - 상기 하나 이상의 열 추출 소자는 실질적으로 제1 방향으로 열을 전달함 - ;
    c) 상기 어레이에 광 결합되고, 상기 발광 소자들로부터의 광을 실질적으로 제1 방향으로 지향시키도록 구성되는 광학 시스템
    을 포함하는 조명 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광학 시스템은 상기 조명 모듈에 의해 정의되는 광학 공동 밖으로 광을 반사하도록 구성되는 광학 반사기를 포함하는 조명 모듈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광학 시스템은 상기 하나 이상의 어레이로부터 방출되는 광을 재지향시키도록 구성되는 광 가이드를 포함하는 조명 모듈.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 시스템은 상기 하나 이상의 발광 소자에 의해 방출되는 광이 상기 조명 모듈로부터 출사되기 전에 상기 광을 시준하도록 구성되는 광학 소자를 포함하는 조명 모듈.
  5. 제4항에 있어서, 상기 광학 소자는 상기 하나 이상의 발광 소자에 의해 방출 되는 광을 혼합하도록 더 구성되는 조명 모듈.
  6. 제4항에 있어서, 상기 광학 소자는 내부 전반사 집광기, 복합 포물면 집광기, 타원 집광기, 복합 타원 집광기, 내부 전반사 반사기 및 복합 쌍곡면 집광기를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 조명 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 열 추출 소자 각각은 열 파이프 또는 흡열관인 조명 모듈.
  8. 제4항에 있어서, 측벽부를 각각 갖는 복수의 열 추출 소자를 포함하고, 상기 측벽부들은 상기 하나 이상의 발광 소자에 의해 방출되는 광을 시준하도록 구성되는 광학 소자를 정의하는 조명 모듈.
  9. 제8항에 있어서, 상기 복수의 열 추출 소자는 포물면 형상을 갖도록 구성되는 조명 모듈.
  10. 제l항에 있어서, 상기 광학 시스템은 광학 확산기를 더 포함하는 조명 모듈.
  11. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 열 추출 소자는 히트 싱크에 열 결합되는 조명 모듈.
  12. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 열 추출 소자는 능동 냉각 장치에 열 결합되는 조명 모듈.
  13. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 열 추출 소자는 그 상부에 상기 하나 이상의 발광 소자에 대한 전기적 접속을 제공하도록 구성되는 회로 트레이스들을 포함하는 조명 모듈.
  14. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 열 추출 소자는 전기적으로 수동인 조명 모듈.
  15. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 열 추출 소자는 전기적으로 전도성이며, 상기 하나 이상의 발광 소자에 대한 전기적 접속을 제공하도록 구성되는 조명 모듈.
  16. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 발광 소자는 상기 하나 이상의 열 추출 소자 상에 직접 장착되는 조명 모듈.
  17. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 발광 소자는 상기 하나 이상의 열 추출 소자에 열 결합되는 열 전도성 기판 상에 장착되는 조명 모듈.
  18. 제1항에 있어서, 상기 광은 상기 제1 방향과 실질적으로 동일한 평균 방향으로 상기 모듈로부터 출사되는 조명 모듈.
  19. 제11항에 있어서, 상기 히트 싱크는 내면을 갖고, 상기 내면은 상기 광을 시준하도록 구성되는 조명 모듈.
  20. 제11항에 있어서, 상기 히트 싱크는 내면을 갖고, 상기 내면은 광학 반사면으로서 구성되는 조명 모듈.
  21. 제1항에 있어서, 상기 광학 시스템은 상기 광을 재지향 및 혼합하도록 구성되는 하나 이상의 광학 소자, 상기 광을 빔 정형 및 혼합하도록 구성되는 하나 이상의 광학 소자, 및 빔을 정형하도록 구성되는 하나 이상의 최종 광학 소자를 포함하는 조명 모듈.
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