KR20090082378A - 광 모듈 패키지 - Google Patents

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KR20090082378A
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optical module
optical sensor
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KR1020097009098A
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베른드 애커만
한스-헬무트 벡텔
아킴 힐거스
마티아스 웬디트
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은, 적어도 하나의 발광 다이오드(20)를 실장하고 전기적으로 접촉하기 위한 실장 기판(10), 발광 다이오드(20)에 의해 방출되는 광의 경로에 배치되는 세라믹층(40) - 세라믹층(40)은 파장 변환 재료를 포함함 -, 세라믹층(40)과 실장 기판(10) 사이에 배치되는 발광 다이오드(20), 및 광 모듈(1)을 벗어나는 광의 휘도 및/또는 색을 제어하기 위하여, 발광 다이오드(20)의 루미너스 출력을 검출하는, 실장 기판(10)에 배치된 광 센서(30)를 포함하는 광 모듈 패키지에 관한 것으로서, 여기서 세라믹층(40)은 주변광에 대하여 광 센서(30)를 차폐시키기 위하여 부분적으로만 반투명하다.
광 센서, 광 가이드광 모듈 패키지, 발광 다이오드, 세라믹층, 반사층

Description

광 모듈 패키지{A LIGHT MODULE PACKAGE}
본 발명은, 기판에 실장(mounting)된 발광 다이오드, 및 발광 다이오드의 방출된 광을 변환하는 층을 갖는 광 모듈 패키지에 관한 것으로서, 광 모듈 패키지를 벗어나는 광의 휘도(brightness) 및/또는 색이 제어된다.
발광 다이오드(LED)에서 온도를 감지(sense)하거나 또는 LED에서의 광 출력을 감지하는 것, 및 감지된 온도 또는 감지된 광 출력을 전원에 대한 피드백으로서 이용하는 것은 알려져 있다. 대개 이들 광 모듈 패키지에서는 LED를 적어도 "턴온" 및 "턴오프"하기 위하여 제어기가 사용된다. 또한, LED의 광 출력 및/또는 색이 제어기에 의해 조정가능하게 제어될 수 있다. 이는, 광 장치의 루멘 출력(lumen output) 및/또는 색(파장)을 감지하고 이 정보를 제어기에 제공하기 위하여, 광 또는 광학 센서의 사용을 필요로 한다. 이러한 광 모듈 패키지에서, LED의 루미너스 출력(luminous output)을 감지하는 것은 LED에서의 온도를 감지하는 것에 비해 이점을 제공할 수 있다. 구체적으로, LED의 루미너스 출력을 감지하는 것은 LED에 의한 루미너스 출력의 온도에 의해 유발된(temperature-induced) 열화 및 노화에 의해 유발된(age-induced) 열화 모두에 대한 보상을 허용한다. 이러한 종류의 광 장치가 US 6,617,795 B2에 개시되어 있다. 광 모듈 패키지는 2 이상의 LED, 정량적인 스펙트럼 정보를 패키지 외부의 제어기에 보고하기 위한 적어도 하나의 피드백 센서, 및 제어기에 의한 디지털 처리를 위하여 하나 이상의 센서에 의해 발생되는 신호를 준비하기 위한 신호 처리 회로를 실장하는 지지 부재를 포함한다. 수동 광학 소자들(passive optics)은 패키지에 의해 생성되는 광을 광학적으로 조작하기 위하여 지지 부재(12) 상의, LED, 센서 및 신호 처리 회로 위에 실장된다. 불리하게도, LED의 루미너스 출력을 측정하는 것은 광 센서에 대하여 빛을 발하는(shining) 주변광(ambient light)에 의해 방해된다. LED의 루미너스 출력을 검출하기 위해서는, 모든 다른 외부에 산재된 광원들, 즉 태양광이 무시되어야 한다.
EP 1 067 824 A2에는, LED 광을 변조시키고 변조 패턴과 센서 신호를 적절하게 상호연관시킴으로써, 광 센서 신호에 대한 주변광 및 LED의 임팩트(impact)가 분리될 수 있음이 개시되어 있다. 그러나, 이는 복잡한 구동 및 제어 구성을 포함한다. 하나의 LED(스트링)로부터의 광이 주변광, 및 인접한 LED들 또는 LED 스트링들로부터의 광으로부터 분리되어야 하기 때문에, 그 휘도가 제어되어야 하는 LED들 또는 LED 스트링들의 수를 증가시키는 것과 함께 당면되는 복잡화도 증가된다. US 2005/133686 A1에서, 단일의 LED들의 휘도를 개별적으로 측정하는 것이 제안되어 있다. 그러나, 각각의 단일의 LED의 광을 그 연관된 광 센서로 가이드하기 위해서는 복잡한 구성이 사용된다.
본 발명은 상술한 광 모듈 패키지를 개선시키는 것을 그 목적으로 한다. 특히, 본 발명의 목적은 간단한 장치(setup)를 광 모듈 패키지에 제공하는 것으로서, 방출된 광의 휘도 및/또는 색 및/또는 그 공간 분포를 제어하는 안정된 플럭스(flux)가 적용될 수 있다.
본 목적은 본 발명의 청구항 제1항에 의해 교시된 바와 같은 광 모듈 패키지에 의해 실현된다. 본 발명의 패키지의 유리한 실시예들은 종속항들에서 규정된다.
따라서, 광 모듈 패키지에는, 적어도 하나의 발광 다이오드를 실장하고 전기적으로 접촉하기 위한 실장 기판, 발광 다이오드에 의해 방출되는 광의 경로에 배치되는 세라믹층 - 세라믹층은 파장 변환 재료를 포함함 -, 세라믹층과 실장 기판 사이에 배치되는 발광 다이오드, 및 광 모듈을 벗어나는 광의 휘도 및/또는 색을 제어하기 위하여, 실장 기판에 배치된되어 발광 다이오드의 루미너스 출력을 검출하는 광 센서가 제공되고, 여기서 세라믹층은 주변광에 대하여 광 센서를 차폐(shielding)시키기 위하여 부분적으로만 반투명(translucent)하다.
본 발명의 본질적인 사상들 중 하나는, LED에 의해 방출된 1차 광(primary light)을 광 모듈 패키지를 벗어나는 2차 광으로 변환하는 세라믹층이 광 모듈 패키지에 배치되어 있다는 사실에 기초한다. 유리하게는, 세라믹층은 인광 물질(phosphor)과 같은 파장 변환 재료로 이루어지거나 또는 이를 포함한다. 본 발명에 따른 발광성 세라믹층은 종래 기술의 인광 물질층보다 더욱 견고하고 온도에 덜 민감하다. LED의 루미너스 출력을 정확하게 검출하기 위하여, 주변광에 대하여 광 센서를 차폐하는 세라믹층은 부분적으로만 반투명하다. 광 모듈 패키지의 구동 동안, 발광성 세라믹층은 광이 광 모듈 패키지를 벗어나고 있는 "능동(active) 광원"으로서 동작한다. 세라믹층이 LED의 방출된 광을 상이한 파장의 2차 광으로 변환하는 동안, 주변광은 광 센서의 측정에 본질적으로 영향을 미치지 못한다. 바람직하게는, 광 모듈 패키지의 생성된 광의 휘도의 제조 스프레드의 임팩트는 교정(calibration)에 의해 보상될 수 있고, 노화 및 온도 변동에 따른 휘도의 변동은 루미너스 출력을 검출하는 것에 의한 피드백 제어를 사용함으로써 보상된다. 광 센서는 LED에 제공되는 전류를 전원이 제어할 수 있도록 전원에 피드백 신호를 제공한다. 유리하게는, 광 센서는 광 모듈 패키지에 통합되며, 이러한 방식으로 최적화된 폼 팩터(form factor)를 갖는 얇고 평평한 패키지가 실현될 수 있다.
바람직하게는, 광 센서의 감광 영역(sensitive area)은 세라믹층과 직접적으로 마주보고 있다. 따라서, 광 센서는 세라믹층의 변환된 광을 검출한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 세라믹층 및 광 센서는 매우 얇다. 광 센서는 실장 기판과 세라믹층 사이에 배치될 수 있다. 다르게는, 광 센서는 실장 기판에 통합될 수 있다.
다른 실시예에서, 세라믹층은 광 센서로 향해 있는 광 가이드를 포함할 수도 있다. 이 경우, 광 가이드는 원하는 양의 루미너스 출력을 세라믹층으로부터 예를 들어, 기판에 임베드(embed)되어 있는 광 센서로 수송한다. 상기 광 가이드는 세라믹층의 일부일 수 있다. 유리하게는, 광 가이드는 코 형태(nose-shaped)이며, 광 가이드의 끝부분은 광 센서와 거리를 두고 배치된다. 다르게는, 광 가이드는 광 센서로 연장되며, 광 가이드의 끝부분은 광 센서의 상면과 접촉한다.
다른 바람직한 실시예에서, 광 가이드는 세라믹층과는 상이한 재료로 이루어질 수 있으며, 상기 광 가이드는 세라믹층과 광 센서 사이에 배치된다.
원한다면, 광 센서에 의해 검출되는 루미너스 출력이 일반적으로 외부 광원에 의해 영향받지 않는 것을 보장하기 위하여, 주변광에 대하여 추가적인 차폐를 제공하는 반사층이 세라믹층에 추가적으로 배치될 수 있다.
피드백 센서로서 동작하는 광 센서는 하나 이상의 광학 센서, 하나 이상의 온도(열) 센서, 및 바람직하게는 적어도 하나의 광학 센서와 적어도 하나의 온도(열) 센서의 조합을 포함할 수 있다. 광학 센서는 포토 다이오드와 같은 통상적인 포토 센서를 포함할 수 있다. 광학 센서는 LED의 루미너스 출력을 정량적(광 강도)이고/이거나 스펙트럼(파장)적인 측면에서 외부 제어기에게 보고한다.
또한, LED 및/또는 광 센서의 온도를 측정하는 온도 센서가 실장 기판에 배치된다. 온도 센서는 반도체 다이오드 접합, 밴드 갭 레퍼런스(band gap reference) 회로 또는 통합 회로 기술에서 사용되는 임의의 다른 열 감지 소자를 포함할 수 있다. 열 센서는 실장 기판의 온도(이는 차례로 LED의 동작 온도와 상호연관될 수 있음)를 측정함으로써 LED의 정량적인 스펙트럼 출력을 외부 제어기에게 보고한다. 온도 센서 및 광 센서는 안정된 플럭스, 미리 정해진 휘도 및/또는 색을 갖는 개별적인 LED 모듈을 구동할 수 있는 피드백 신호를 전원에게 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 광 센서는 세라믹층에 인접하게 배치된다. 이러한 방식에서는, 세라믹층에서 발생되는 광에 대하여 광학적으로 커플링된 센서의 수광각(light acceptance angle)이 크기 때문에, 광 센서의 신호 콘트라스트가 외부 광에 비해 강화된다. 또한, 인접한 LED로부터의 광이 효율적으로 차폐될 수 있다. 따라서, 광 센서는 이 LED의 루미너스 출력을 검출하며, 광 센서의 측정이 인접한 LED들의 출력에 의해 영향받지 않게 된다. 유리하게는, LED는 AC 또는 DC 구동 회로와 접속된다.
발광성 세라믹 층은 예를 들어, 웨이버 본딩(waver bonding), 소결(sintering), 에폭시 또는 실리콘과 같은 알려진 유기 접착제의 박층을 이용한 글루잉(gluing), 고 지수(high index)의 무기 접착제를 이용한 글루잉, 및 졸-겔-유리를 이용한 글루잉에 의해 LED, 광 센서, 실장 기판에 부착될 수 있다. 발광성 세라믹층의 이점은 세라믹층을 예를 들어, 증가된 광 추출에 바람직한 형태로 주형(mold), 그라인딩(grind), 기계화(machine) 또는 핫 스탬프(hot stamp) 또는 연마(polish)할 수 있는 능력이다.
또한, 렌즈, 섬유 등과 같은 광학 소자는 광 모듈 패키지 상에 배치될 수 있다. 바람직하게는, 세라믹층의 표면이 렌즈, 돔 렌즈(dome lens), 프레넬 렌즈(Fresnel lens)를 포함하거나, 또는 세라믹층의 표면이 직조된다(textured). 2 이상의 광 모듈 패키지를 사용하는 LED 장치는 광원의 휘도 변동으로 인한 방출된 광의 원치않는 휘도 변동을 나타낼 수 있다. 안정된 플럭스를 갖는 LED 모듈은 방출된 광의 이와 같은 휘도 변동을 억제하는 데에 사용될 수 있다. 초기 교정에서, 개별적인 광원들의 (상대적인) 휘도 값은 방출된 광을 최상의 가능한 균질의 휘도 분포로 되게 하도록 결정된다. 이어서, 안정된 플럭스를 갖는 각각의 광 모듈 패키지는 그 휘도를 심지어 노화 및 온도로 인한 변동에 대해서도 원하는 값으로 제어한다. 유사한 방식으로, 안정된 플럭스 및 상이한 1차 색들을 갖는 광 모듈 패키지를 포함하는 LED 소스의 색 및 휘도는, 단지 각각의 광 모듈 패키지가 발생시켜야 하는 초기 교정 절차에서 결정되었던 휘도(플럭스)를 그 각각의 광 모듈 패키지에게 명령함으로써 간단한 피드 포워드(feed forward) 방식으로 제어될 수 있다. 또한, 한가지 색의 광원을 만들기 위하여 예를 들어, 다수의 LED를 사용하는 좀더 큰 색 가변 LED 장치에 있어서, 완전한 LED 장치에 의해 방출되는 광의 휘도/색 변동은 안정된 플럭스를 갖는 광 모듈 패키지를 사용하고 개별적인 광 모듈 패키지를 미리 정해진 휘도/플럭스 조건으로 구동함으로써 억제될 수 있다.
안정된 플럭스를 갖는 본 발명의 광 모듈 패키지는, 방출된 광의 휘도 및 색 및/또는 그들의 공간 분포가 제어되어야 하는 LED 조명 응용에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 광 모듈 패키지는 다양한 시스템들에서 사용될 수 있으며, 그 시스템들에는, 가정용 응용 시스템, LCD 백라이트 시스템, 프로젝션 시스템(LED 비머(beamer)), 자동차 조명(예를 들어, 헤드 램프), 상점 조명 시스템, 가정용 조명 시스템, 강조 조명 시스템, 집중 조명 시스템, 섬유-광학 응용 시스템, 프로젝션 시스템, 자기 조명(self-lit) 디스플레이 시스템, 세그먼트된 디스플레이 시스템, 경고 사인 시스템, 의학 조명 응용 시스템, 이동전화 디스플레이 시스템, 인디케이터(indicator) 사인 시스템, 장식 조명 시스템 또는 직물 및 다른 의복과 같은 플렉서블한 환경에서의 전자 시스템이 있다.
상술한 컴포넌트들뿐 아니라 청구되는 컴포넌트들 및 기술되는 실시예에서 본 발명에 따라 사용될 컴포넌트들에는 그들의 크기, 형태, 재료 선택 및 기술적 개념에 대하여 임의의 특별한 예외가 있지 않으므로, 관련 분야에서 알려진 선택 기준이 제한 없이 적용될 수 있게 된다.
본 발명의 목적의 추가적인 상세, 특징 및 이점은 종속항들에 개시되어 있으며, 각각의 도면들의 이하의 설명(예시적인 형태임)은 본 발명에 따른 광 모듈 패키지의 바람직한 실시예를 도시한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 모듈 패키지의 매우 개략적인 도면.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 모듈 패키지의 매우 개략적인 도면.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광 모듈 패키지의 매우 개략적인 도면.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 광 모듈 패키지의 매우 개략적인 도면.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 광 모듈 패키지의 매우 개략적인 도면.
도 1은 실장 기판(10) 및 발광성 세라믹층(40)을 갖는 광 모듈 패키지(1)를 도시하는데, 여기서 LED(20)는 상기 층들 사이에 배치된다. LED(20)에 인접하면서 실장 기판(10)과 세라믹층(40) 사이에는, 발광 다이오드(20)의 루미너스 출력을 검출하기 위하여 광 센서(30)가 배치된다. 세라믹층(40)은 주변광에 대하여 광 센서(30)를 차폐시키기 위하여 부분적으로만 반투명하다. 본 발명의 도시된 실시예에서, 세라믹층(40)은 인광 물질 입자들의 단단한 덩어리(rigid agglomerate)를 포함한다. 광 모듈 패키지(1)의 구동 동안에, LED(20)는 세라믹층(40)으로 지향되는 1차 광을 방출한다. 세라믹층(40)에서, 1차 광은 광 모듈 패키지(1)를 벗어나는 상이한 파장을 갖는 2차 광으로 변환된다. 광 센서(30)의 감광 영역은 발광 다이 오드(20)의 루미너스 출력을 측정하기 위하여 세라믹층(40)과 직접적으로 마주보고 있다. 광 센서(30)는 LED(20)에 의해 방출되는 광의 일부를 주로 직접적으로 수광할 수도 있고, 또는 발광성 세라믹층(40)에 의해 변환된 광을 주로 수광할 수도 있고, 또는 그 둘의 조합을 수광할 수도 있다. 이는 발광성 세라믹층(40)을 향하는 그 계면에서 광 센서(30)의 상부에 적절한 필터층을 형성함으로써 제어될 수 있다. 광 센서(30)는 안정된 플럭스 및 미리 정해진 휘도 및/또는 색을 갖는 LED(20)를 구동할 수 있는 피드백 신호를 도시되어 있지 않은 전원에 제공한다.
또한, 광 모듈 패키지(10)는 온도 센서(50)를 포함할 수 있는데, 발광 다이오드(20)의 온도를 측정하는 이 온도 센서(50)는 세라믹층(40)과 실장 기판(10) 사이에서 LED(20)에 인접하게 배치된다. 광 센서(30)처럼, 온도 센서(50)는 LED(20)의 구동을 제어하기 위하여 피드백 신호를 전원에 제공한다. 또한, 온도 센서(50)는 광 센서(30)의 온도를 측정할 수 있다. 이 경우, 온도 센서(50)는 광 센서(30)와 LED(20) 사이에 배치될 수 있는데, 이는 명확하게 도시되어 있지는 않다.
적어도 2개의 단일의 세라믹층이 서로에게 부착되어 있는 다층 구조를 포함할 수 있는 세라믹층(40)은 상면(42)과 저면(43)으로 형성되며, 여기서 저면(43)은 실장 기판(10)을 향한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는데, 여기서 광 센서(30)는 실장 기판(10)에 통합된다. 세라믹층(40)은 코 형태의 광 가이드(41)를 포함하는데, 광 가이드(41)의 끝부분은 광 센서(30)와 거리를 두고 배치된다. 광 가이드(41)는 세라믹층(40)에 의해 변환된 원하는 양의 광을 광 센서(30)로 수송하는 것을 지원한 다. 이 실시예에서, 세라믹층(40) 및 광 가이드(41)는 하나의 균일한 단편(uniform piece)이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 광 가이드(41)는 세라믹층(40)과는 상이한 재료로 이루어질 수 있으며, 이는 도 3에 도시되어 있다. 광 가이드(41)는 광 센서(30)로 연장되어, 광 센서(30)의 감광 영역과 접촉한다.
도 4에 의하면, 발광성 세라믹층(40)의 상면 상에는 반사층(60)이 부분적으로 덮혀 있다. 반사층(60)은 세라믹층(40) 상에서 금속화되어 있는 금속층이다. 광 센서(30) 위에 배치되는 반사층(60)은 주변광에 대하여 추가적인 차폐를 제공한다.
도 5는 본 발명의 광 모듈 패키지(1)의 다른 가능성을 도시하는데, 여기서 광 센서(30)는 세라믹층(40)에 인접하게 배치된다. 이 경우, 광 센서(30)의 감광 영역은 그 우측에서 세라믹층(40)을 향한다. 광 센서(30)는 광 모듈 패키지(1)에 인접하게 배치될 수 있는 LED에 대한 추가적인 차폐로서 기능하며, LED는 본 실시예에서 도시되어 있지 않다.
참조부호 리스트
1 광 모듈 패키지
10 실장 기판
20 발광 다이오드
30 광 센서
40 세라믹층
41 광 가이드
42 세라믹층의 상면
43 세라믹층의 저면
50 온도 센서
60 반사층

Claims (12)

  1. 광 모듈 패키지(1)로서,
    적어도 하나의 발광 다이오드(20)를 실장(mounting)하고 전기적으로 접촉하기 위한 실장 기판(10),
    상기 발광 다이오드(20)에 의해 방출되는 광의 경로에 배치되는 세라믹층(40) - 상기 세라믹층(40)은 파장 변환 재료를 포함함 -,
    상기 세라믹층(40)과 상기 실장 기판(10) 사이에 배치되는 발광 다이오드(20), 및
    광 모듈(1)을 벗어나는 광의 휘도(brightness) 및/또는 색을 제어하기 위하여, 상기 실장 기판(10)에 배치되어 상기 발광 다이오드(20)의 루미너스 출력(luminous output)을 검출하는 광 센서(30)
    를 포함하고,
    상기 세라믹층(40)은 주변광(ambient light)에 대하여 상기 광 센서(30)를 차폐(shielding)시키기 위하여 부분적으로만 반투명한(translucent), 광 모듈 패키지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 센서(30)는 상기 실장 기판(10)에 통합되는 것을 특징으로 하는, 광 모듈 패키지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 세라믹층(40)은, 상기 광 센서(30)를 향해 있는 광 가이드(41)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광 모듈 패키지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광 가이드(41)는 코 형태(nose-shaped)이고,
    상기 광 가이드(41)의 끝부분은 상기 광 센서(30)와 거리를 두고 배치되는 것을 특징으로 하는, 광 모듈 패키지.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 광 가이드(41)는 상기 광 센서(30)까지 연장되는 것을 특징으로 하는, 광 모듈 패키지.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹층에는, 주변광에 대하여 추가적인 차폐를 제공하는 반사층(60)이 배치되는 것을 특징으로 하는, 광 모듈 패키지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 세라믹층(40)은 상면(42) 및 저면(43)으로 형성되고,
    상기 저면(43)은 상기 실장 기판(10)을 향해 있고,
    상기 상면(42) 상에는 상기 반사층(60)이 배치되는 것을 특징으로 하는, 광 모듈 패키지.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실장 기판(10)에는, 상기 발광 다이오드(20) 및/또는 상기 광 센서(30)의 온도를 측정하는 온도 센서(50)가 배치되는 것을 특징으로 하는, 광 모듈 패키지.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹층(40)은 인광 물질(phosphor) 입자들의 단단한 덩어리(rigid agglomerate)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광 모듈 패키지.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹층(40)은, 서로에 대해 부착되어 있는 적어도 2개의 단일 세라믹층들을 포함하는 다층 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광 모듈 패키지.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 센서(30)의 감광 영역(sensitive area)은 상기 세라믹층(40)과 직접적으로 마주보고 있는 것을 특징으로 하는, 광 모듈 패키지.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 센서(30)는 상기 세라믹층(40)에 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는, 광 모듈 패키지.
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