KR20100077199A - 형광체 파장 변환을 가지는 발광 장치 - Google Patents

형광체 파장 변환을 가지는 발광 장치 Download PDF

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Abstract

발광 장치는, 제1 파장 범위(λ1)의 여기광을 발생시키도록 동작 가능한 여기 소스(20), 하나 또는 그 이상의 발광 다이오드(들)과 상기 여기광의 적어도 일부분을 흡수하여 제2 파장 범위(λ2)의 광을 방출하는 형광체 물질(26)을 가지는 광 방출 표면(14)을 포함하며, 여기서 상기 장치에 의해 방출되는 광(32)은 상기 광 방출 표면에 의해 방출되는 제1 및 제2 파장 범위들의 결합된 광을 포함한다. 상기 장치는 형광체 물질을 포함하지 않고 상기 제1 및 제2 파장들의 광에 실질적으로 투명한 하나 또는 그 이상의 윈도우 구역들(28)을 가지는 광 방출 표면을 특징으로 한다. 상기 광 방출 표면은, 상기 광 방출 표면 위에 균일하게 분포되는 하나 또는 그 이상의 윈도우 구역들과 함께 그 표면 상에 형광체 물질의 패턴을 가지는 투명 기판(14)을 포함할 수 있다.

Description

형광체 파장 변환을 가지는 발광 장치{LIGHT EMITTING DEVICE WITH PHOSPHOR WAVELENGTH CONVERSION}
본 발명은 형광체 파장 변환을 가지는 발광 장치에 관한 것이다. 더욱이, 본 발명의 실시예들은 바람직한 색 및/또는 색 온도의 광을 발생시키기 위한 형광체, 광 발광성, 파장 변환을 가진 발광 다이오드 기반 조명 시스템들에 관한 것이다.
고체 상태 반도체 장치들, 특히 발광 다이오드들(LEDs)의 개발은 새로운 세대의 에너지 효율의 조명 시스템들에 대한 가능성을 열었다. 전자기 스펙트럼의 블루/자외선 부분의 광을 방출하는 LEDs가 개발되고 나서야 LEDs("백색 LEDs")에 기반된 백색 광원들을 개발하는 것이 실용화되었다.
예를 들어 US 5,998,925에 개시되어 있듯이(taught), 백색 LEDs("백색 LEDs")는 하나 또는 그 이상의 형광체 물질들을 포함하고, 그 형광체 물질들은 상기 LED 칩에 의해 방출되는 방사선의 일부분을 흡수하여 상이한 색(파장)의 광을 재 방출하는 광 발광성 물질들이다. 일반적으로, LED 칩 또는 다이(die)는 블루 광을 발생시키고 상기 형광체(들)은 블루 광의 일부(percentage)를 흡수하여 옐로우 광 또는 그린 및 레드 광, 그린 및 옐로우 광 또는 옐로우 및 레드 광의 조합을 재 방출한다. 상기 형광체에 의해 흡수되지 않은 상기 LED에 의해 발생되는 블루 광의 일부분(즉 상기 형광체에 의해 투과되는 부분)은, 상기 형광체에 의해 방출되는 광과 결합되고, 인간의 눈에 거의 백색으로 보이는 광을 제공한다. 형광체 층들은, 예를 들어 그들이 여기 에너지를 얻는 상기 LED 다이/칩의 광 방출 표면에 인접하여 또는 상당히 가까이에 일반적으로 위치된다. 주로, 상기 형광체 층은 바람직한 강도 및 색의 조명 프러덕트(illumination product)를 얻기 위하여 상기 LED 다이의 바로 위에 코팅된다.
공지된 바와 같이, 백색 광원의 상관 색온도(CCT)는 이론적으로 가열된 흑체 복사와 그의 색조를 비교함으로써 결정된다. CCT는 캘빈(K)으로 명시되며 상기 광원과 동일한 색조의 백색 광을 방사하는 흑체 복사의 온도에 대응된다. 백색 LED의 CCT는 일반적으로 상기 형광체 조성 및 상기 LED에 포함된 형광체의 양에 의해 결정된다.
오늘날, 대부분의 LEDs를 사용한 조명 장치 디자인들(lighting fixture designs)은, LED(바람직한 강도의 발생광을 얻기 위하여 더욱 일반적으로는 LED 어레이(array)) 가 백열 전구들, 수은 증기 및 컴팩(compact) 형광 램프들과 같은 일반적인 시스템 부품들(components)을 대체하는 시스템들을 포함한다. 백색 광 조명 프러덕트를 발생시키기 위하여 의도된 조명 시스템들의 경우에, LEDs는 레드, 그린 및 블루 직접(direct) 광 발생 LEDs(즉 파장 변환 형광체 물질을 포함하지 않은 LEDs) 의 어레이 또는 더욱 최근에 백색 LEDs의 어레이를 포함할 수 있다.
US 6,350,041, WO 2004/100226 및 본 출원인의 계류 중인 US 특허 출원들 11/827,890 및 11/714,464에 개시되어 있듯이, 형광체 물질은 그의 연관된 여기 소스로부터 멀리 제공될 수 있다.
US 6,350,041은 방 조명 및 다른 적용들을 위해 방사상으로 분산되는 광을 방출하는 LED에 기반된 고체 상태 램프를 개시한다. 상기 램프는, 분리기(separator)를 통해, 광을 바람직한 패턴으로 광을 분산 및/또는 광의 색을 변화시키는 분산기(disperser)로 전달하는 LED 또는 레이저와 같은 고체 상태 광원을 포함한다. 한 실시예에서, 상기 광원은 블루 광 방출 LED를 포함하고, 상기 분리기는 광 파이프(pipe) 또는 광 섬유(fiber optic) 장치이고, 상기 분산기는 상기 광을 방사상으로 분산시키며 백색 광 조명 프러덕트를 생산하기 위하여 상기 블루광의 일부를 옐로우로 변환한다. 상기 분리기는, 상기 LED가 방 조명을 위해 필요한 것과 같은 높은 전류로 동작될 때 상기 LED로부터의 열이 상기 분산기로 전달되지 않도록 상기 분산기로부터 충분한 거리로 상기 LED를 이격시킨다. 이와 같은 램프는 많은 패턴들로 광을 분산시킬 수 있지만, 방 조명을 위한 방사상 분산의 백색 광에 특히 적용 가능하며 상기 램프가 현존하는 조명기구들(luminaires) 및 조명 장치들에서 대안적인 광원으로써 사용될 수 있도록 한다.
본 출원인의 계류 중인 US 특허 출원, 2007.07.13.자에 출원된 일련 번호 11/827,890는 형광체 물질이 그의 연관된 여기 소스(LED)로부터 멀리 위치되는 LED 광(lighting)/조명 시스템들/장치들(fixtures) 또는 조명 기구들(luminaires)을 개시한다. 상기 LED에 의해 발생되는 광은 도파 매체(waveguiding medium)를 통해 형광체 물질로 이동되고 상기 형광체(들) 및/또는 형광체 층(들)에 여기 방사선을 제공하며, 광 발광성을 유도한다(causing). 상기 형광체(들)로부터의 광은 최종 조명 프러덕트(illumination product)를 포함하거나 여기 소스로부터 방출되는 여느 가시광선(visible light)(예를 들어, 여기 소스로서 블루 LED의 경우에 발생될 수 있음)과 결합될 수 있다. 상기 최종 조명 프러덕트는 백색 광이거나 여느 색을 띠는 광 일수도 있다. 상기 도파관(waveguide)은 걸이용 조명 장치(hanging lighting fixture), 책상 조명 장치(desk lighting fixture), 바닥 스탠딩 조명 장치(floor lighting fixture), 책상 램프, 트랙 조명(track lighting), 스팟 조명(spot lighting), 강조용 조명(accent lighting) 또는 서스팬디드 실링(suspended ceiling)에 결합을 위한 조명 패널과 같은 조명 시스템의 모양으로 형성될 수 있다. 상기 조명 패널 형태에서, 상기 도파관은 실질적으로 평면 형상이고 상기 도파관의 전체 광 방출 면에 걸쳐 제공되는 형광체를 가진다. 복수개의 LEDs에 의해 발생되는 여기 방사선은 실질적으로 상기 도파관의 전체에 걸쳐 전파시키기 위하여 상기 도파관의 하나 또는 그 이상의 가장자리들에 커플링되며(coupled), 이어 적어도 일부분의 여기 방사선이 제 2 파장의 광을 방출시키는 형광체를 여기시키는 광 방출 면을 통해 방출된다. 상기 패널의 후면을 통해 광이 손실되는 것을 방지하기 위하여 반사층이 상기 도파관의 후면, 즉 광 방출면의 반대 면에 제공된다.
2007년 5월 3일에 출원된 US 특허 출원 일련 번호 11/714,464는, 형광체가 여기 소스(LED)로부터 멀리 위치한 쉐이드(shade) 상에 제공되는 조명 장치들 및 시스템들을 개시한다. 상기 쉐이드(광학 인클로저(optical enclosure))는, 여기 방사선이 자유공간(즉, 광학 매체에 의해 가이드되지 않음) 내에서 상기 여기 소스로부터 상기 쉐이드까지 적어도 1센티미터의 거리를 이동하고 전파하도록 상기 LED 주변의 적어도 일부분에 형성된다. 상기 형광체는 상기 쉐이드의 내부 표면 또는 외부 표면 상에 제공될 수 있고 또는 상기 쉐이드 물질 내에 포함될 수 있다. 한 실시예에서 조명 시스템은 하나 또는 그 이상의 LEDs를 가진 하우징(housing)을 포함하는 벌크해드(bulkhead) 광을 포함하고, 쉐이드는 상기 하우징 개구(opening)를 덮는 프론트 윈도우(front window)를 포함한다. 불투명 물질로 만들어진 상기 하우징은 상기 쉐이드 쪽으로 광을 반사하기 위한 반사 내부 표면들을 포함한다
WO 2004/100226은 복수개의 UV 방출 LEDs를 수용하는(housing) 인클로저(enclosure) 및 하나 또는 그 이상의 UV 여기 가능한 형광체 물질들을 가지는 제거 가능한 프론트 광 방출 패널을 포함하는 LED 패널 램프를 개시한다. 형광체 물질은 모든 방향들로 동일하게(등방성으로) 방사하는 광을 발생하기 때문에, 상기 형광체 발생 광의 일부는 뒤쪽의 인클로저 쪽으로 향할 것이다. 이와 같이 광이 인클로저로 들어가서 손실되는 것을 방지하기 위해서, 상기 프론트 패널은, LED의 파장들에 대해서는 투과되지만 형광체(들)에 의해 생산되는 파장들에 대해서는 반사되는, 그 내부 표면 상에 코팅을 포함한다. 더욱이, 비 변환(non-converted) UV 광의 누출(bleed through)을 방지하기 위하여, 상기 프론트 패널은 UV 광에 대해 반사하고 상기 형광체(들)에 의해 발생되는 광에 대해 투과하는 그 외부 표면 상에 제 2 코팅을 포함할 수 있다. 상기 문서는 또한 하나 또는 그 이상의 형광체 물질들이 전구 엔벨로프(envelope)의 내부 표면에 포함되는 표준 백열 광 전구를 닮은 조명 시스템을 개시한다.
이와 같은 조명 시스템 디자인들이 일부 고객들에게 받아들여질 수 있는 특성들-예를 들어 강도, 색 온도 및 색 지각(color perception)과 같은 특성들-을 증명했을 수도 있지만, 심지어 더 높은 효율의 고체 상태 부품들에 기반된 조명 시스템에 대한 필요가 존재한다.
본 발명은, 공지된 장치들의 한계점들을 적어도 부분적으로 극복하는 형광체 파장 변환을 가진 발광 장치를 제공하려는 노력에서 발생하였다.
본 발명의 실시예들은, 예를 들어 LED 또는 레이저 다이오드일 수 있는 여기 소스 및 하나 또는 그 이상의 형광체, 광 발광성, 물질들을 포함하는 광 방출 표면을 포함하는 발광 장치들에 관한 것이다. 상기 여기 소스로부터의 광은 상기 형광체(들)에 여기 방사선을 제공하며 광 발광성을 유도한다(causing). 상기 여기 소스로부터의 광과 결합되는 상기 형광체에 의해 발생되는 광은 상기 장치의 조명 프러덕트(illumination product)를 포함한다. 상기 공지된 장치들과는 대조적으로, 상기 광 방출 면적은 형광체 물질을 포함하지 않고 상기 형광체 및 여기 소스에 의해 발생되는 모든 광에 실질적으로 투명한 하나 또는 그 이상의 면적들(윈도우(들) (window(s)))을 더 포함한다. 이와 같은 윈도우들은 상기 장치에 의해 방출되는 광을 최대화시킴으로써 상기 장치의 효율을 개선한다.
본 발명에 따르면, 발광 장치는, 제1 파장 범위의 여기 광을 발생시키도록 동작 가능한 하나 또는 그 이상의 블루 광 방출 다이오드들과 같은 적어도 하나의 여기 소스와 상기 여기광의 적어도 일부분을 흡수하고 제2 파장 범위의 광을 방출하는 적어도 하나의 형광체 물질을 가지는 광 방출 표면을 포함하며, 여기서 상기 장치에 의해 방출되는 광은 상기 광 방출 표면에 의해 방출되는 상기 제1 및 제2 파장 범위들의 결합된 광을 포함하고, 상기 광 방출 표면은 적어도 하나의 형광체 물질을 포함하지 않는 적어도 하나의 윈도우 구역(window area)을 가지며, 상기 윈도우 구역은 상기 제1 및 제2 파장들의 광에 실질적으로 투명한 것을 특징으로 한다.
상기 광 방출 표면은, 상기 제1 및 제 2 파장들의 광에 실질적으로 투명하고 그 표면에 적어도 하나의 형광체 물질을 가지는, 아크릴(acrylic), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에틸렌(polythene), 또는 유리 물질과 같은 투명 기판을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 형광체 물질은 형광체 영역들(아일랜드들(islands))의 어레이(array)(패턴)을 포함할 수 있고, 형광체 영역들(phosphor regions) 사이의 갭들이 적어도 하나의 윈도우 구역을 정의한다(defines). 균일한 색 및/또는 색온도의 방출광을 보장하기 위하여, 형광체 영역들의 패턴은 상기 광 방출 표면의 실질적으로 전체 면적에 걸쳐 실질적으로 균일하게 분포되는 것이 바람직하다. 이와 같은 한 배열에서, 형광체 영역들의 어레이는 규칙적인 정사각형 형광체 영역들의 어레이를 포함하고, 상기 윈도우 구역은 격자 같은(grid-like) 형태일 것이고 상기 광 방출 표면에 걸쳐 분포된다. 상기 형광체 영역들은, 예를 들어 실질적으로 다각형, 정사각형, 원형, 타원형, 삼각형 또는 직사각형 모양일 수 있다. 반대로, 상기 형광체 물질은 상기 전체 광 방출 표면을 덮을 수 있고, 윈도우 구역들의 어레이를 포함할 수 있다. 균일한 색 및/또는 색온도의 방출광을 보장하기 위하여, 윈도우 구역들 영역들의 패턴은 상기 광 방출 표면의 실질적으로 전체 면적에 걸쳐 실질적으로 균일하게 분포되는 것이 바람직하다. 상기 형광체 영역들과 마찬가지로, 상기 윈도우 구역들은, 예를 들어 실질적으로 다각형, 정사각형, 원형, 타원형, 삼각형 또는 직사각형 모양일 수 있다. 형광체 영역들 및/또는 윈도우 구역들의 어레이는 규칙적 또는 불규칙적 패턴일 수 있다.
상기 기판은 상기 여기광 및 형광체 발생 광이 통과하는 광학 부품(optical component)으로 형성될 수 있다. 대안적으로, 상기 기판은 도파(waveguiding)(광-가이딩(light-guiding)) 매체로 형성될 수 있고, 상기 여기 소스는 상기 기판에 여기광을 커플링시키도록(couple) 형성될 수 있다. 이와 같은 한 배열에서, 상기 기판은 실질적으로 평면 형상이고, 상기 여기광은 상기 기판의 한 가장자리의 적어도 일부분으로 커플링된다. 바람직하게는, 상기 장치는, 실질적으로 모든 광이 상기 광 방출 표면으로부터 방출되도록 돕기위하여 상기 광 방출 표면과 마주하는 상기 기판의 표면의 적어도 일부분 상에 반사기(reflector)를 더 포함할 수 있다. 상기 광 방출 표면으로부터 광의 방출을 촉진시키기(promote) 위하여, 상기 기판의 광 방출 표면은, 표면 패터닝(surface patterning)과 같은 포면 토폴로지(surface topology)를 포함할 수 있다. 상기 표면 토폴로지는, 상기 기판 표면을 레이저 또는 기계적 스크라이빙(mechanical scribing)함으로써 정의될 수 있고, 상기 기판 토폴로지를 포함하기 위하여 상기 기판을 몰딩(molding)하거나 상기 기판을 러프닝(roughening)함으로써 정의될 수 있다. 상기 기판은, 실질적으로 평평한 면 또는 굴곡진 표면의 도파관(waveguide) 인 상기 광 방출 표면과 함께 긴 형태 또는 실린더 형태와 같은 다른 도파관 형태들을 포함할 수 있다.
특별한 색 및/또는 CCT의 광을 발생시키도록 요구되는 곳에, 상기 광 방출 표면은 적어도 두 가지 상이한 형광체 물질들의 패턴을 포함하는 것이 바람직하다.형광체 조성들(compositions), 형광체 물질의 밀도와 형광체 물질들 및 윈도우 구역(들)의 상대적인 전체 면적들은 상기 방출광의 색 및/또는 CCT를 제어하기 위하여 사용될 수 있다.
높은 CRI(연색지수(color rendering index))를 가지는 백색 광을 발생시키도록 의도되는 발광 장치에 있어서, 상기 장치는, 상기 광 방출 표면에서 상기 장치에 의해 방출되는 광에 기여하는 제3 파장 범위의 광을 발생시키도록 동작 가능한 하나 또는 그 이상의 LEDs를 더 포함할 수 있다. 한 배열에서, 블루 LEDs는 그린 방출 형광체 물질을 여기 시키기 위하여 사용되며, 오렌지 또는 레드 LEDs는 최종 방출 프러덕트(final emission product)의 오렌지 또는 레드 광 요소들을 발생시키기 위하여 사용된다. 이와 같은 배열에서, 상기 방출 프러덕트(emission product)는 레드(R), 그린(G), 및 블루(B) 색 요소들을 포함한다는 것이 인식될 것이다. 바람직하게는, 오렌지 또는 레드 LED 칩들에 대한 블루 LEDs의 비율은, 그린 광 기여가 요구되는 CRI를 얻기 위하여 충분하도록 하기 위하여 실질적으로 2 대 1이다. 이와 같은 배열에서, 상기 오렌지 또는 레드 LEDs에 의해 발생되는 광은 형광체를 여기시키기 않고, 이와 같은 광은 상기 광 방출 형광체 표면에서 하나 또는 그 이상의 윈도우 구역들을 통해 방출됨이 인식될 것이다. 대안적인 배열에서, 블루 LEDs는 오렌지 또는 레드 방출 형광체를 여기시키기 위하여 사용될 수 있고, 하나 또는 그 이상의 그린 방출 LED 칩들이 상기 방출 프러덕트에 그린 광을 기여하기 위하여 사용될 수 있다.
상기 형광체 물질은 다음을 포함할 수 있다: 실리케이트계(silicate-based) 형광체; 알루미네이트계(aluminate--based) 형광체; 나이트라이드계(nitride-based) 형광체 물질; 설파이트계(sulfate-based) 형광체 물질 옥시-나이트라이트계(oxy-nitride-based) 형광체; 옥시-설파이트계(oxy-sulfate-based) 형광체; 가멧(garnet) 물질; Si는 실리콘, O는 산소, A는 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 또는 칼슘(Ca)을 포함하고, D는 염소(Cl), 불소(F), 질소(N) 또는 황(S)을 포함하는 일반적인 조성 A3Si(OD)5 의 실리케이트계 형광체; A는 Sr, Ba, Mg 또는 Ca를 포함하고 D는 Cl, F, N 또는 S를 포함하며, 또는 공식 M1 - xEuxAlyO[1+3y/2] 의 알루미네이트계 형광체에서 M은 Ba, Sr, Ca, Mg, Mn, Zn, Cu, Cd, Sm 및 톨륨(Tm)을 포함하는 2가의 금속 중 적어도 하나인 일반적인 조성 A2Si(OD)4 의 실리케이트계 형광체.
본 발명의 또 다른 면에 따르면, 발광 장치는, 반사 내부 표면을 가지는 인클로저; 상기 인클로저 내에 수용되고 제1 파장 범위의 여기광을 발생시키도록 동작 가능한 적어도 하나의 여기 소스; 및 상기 인클로저의 개구를 덮으며 상기 여기광의 적어도 일부분을 흡수하여 제2 파장 범위의 광을 방출하는 적어도 하나의 형광체 물질을 가지는 광 방출 표면을 포함하며, 여기서 상기 장치에 의해 방출되는 광은 상기 광 방출 표면에 의해 방출되는 제1 및 제2 파장 범위들의 결합된 광을 포함하고, 상기 광 방출 표면은 적어도 하나의 형광체 물질을 포함하지 않는 적어도 하나의 구역을 가지며, 상기 구역은 상기 제1 및 제2 파장들의 광에 실질적으로 투명하여 여기광의 일부분 및 반사된 형광체 발생 광이 상기 광 방출 표면을 통과하도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명이 잘 이해되도록 하기 위하여, 본 발명의 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 예시의 방식으로 기술될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 백라이팅되는 조명 패널(backlit lighting panel)에 대한 부분적으로 분해된 개략적인 사시도이고,
도 2는 면 AA를 통한 도 1의 백라이팅되는 조명 패널의 개략적인 단면도이며,
도 3은 도 1 및 2의 조명 패널에서 사용을 위한 본 발명에 따른 광 방출 형광체 패널이며,
도 4a 및 4b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 방출 형광체 패널들이며,
도 5는 본 발명에 따른 가장자리 라이팅되는(edge-lit) 조명 패널의 부분적으로 분해된 개략적인 사시도며,
도 6a는 도 5의 가장 자리 라이팅되는 조명 패널의 개략적인 단면도이며,
도 6b는 본 발명의 또 다른 면에 따른 가장 자리 라이팅되는 조명 패널의 개략적인 단면도이며,
도 7은 본 발명에 따른 반사 램프의 부분적인 절개(cut-away) 사시도며,
도 8은 본 발명에 따른 광 전구의 부분적인 절개 사시도이며,
도 9는 본 발명에 따른 튜브형 램프의 부분적인 절개 사시도이다.
도 1 및 2는 각각 본 발명에 따른 백색 광 방출 조명 패널(10)의 개략적인 사시도 및 단면도이다. 상기 조명 패널(10)은 사무실들 및 상업적 부지들(premises)에서 일반적으로 사용되는 종류의 서스팬디드(드랍) 실링(suspended (drop) ceiling)에서의 사용으로 의도되며, 격자의 지지부재들(support members)(T 바들(T bars))이 케이블들에 의해 천장에 메달리며, 천장 타일들(ceiling tiles)/조명 패널들이 상기 격자의 지지부재들에 의해 지지된다. 일반적으로 상기 천장 타일들은 정사각형(2피트X 2피트, 60cm x 60cm) 또는 직사각형(4피트X 2피트, 120cm x 60cm) 모양이고, 본 발명의 조명 패널은 이와 같은 개구(aperture)에 맞도록 형성된다.
조명 패널(10)은 백라이팅 유닛(backlighting unit)(12) 및 광 방출 형광체 패널(14)을 포함한다. 상기 백라이팅 유닛(12)은, 예를 들어 시트(sheet) 금속으로 제조되거나 플라스틱 물질로 몰드되거나(molded) 여느 다른 적절한 물질로 구성된(constructed) 광 박스(light box)(16)를 포함한다. 상기 조명 패널로부터 광 방출을 최대화하기 위하여, 상기 광 박스(16)의 내부 표면들은 상기 광 방출 패널(14) 쪽으로 광을 반사시키는 광 반사 표면들을 포함하는 것이 바람직하다. 발광 다이오드들(LEDs)(20)의 어레이가 상기 광 박스(16) 내에 제공된다. 각각의 LED(20)는 파장 λ1의 광(22)을 발생시키도록 동작 가능하며, 각각은 파장 400 내지 480nm의 블루광을 발생시키는 InGaN/GaN(인듐 갈륨 나이트라이드/ 갈륨 나이트라이드) 계 LED 칩을 포함하는 것이 바람직하다. 9개의 LED 칩들(20)의 정사각형 어레이가 도시되지만, LEDs의 수 및 레이아웃은 요구되는 적용에 적당하도록 변형될 수 있음이 인식될 것이다. 후술되는 바와 같이, 상기 LEDs(20)에 의해 발생되는 광(22)은 두 가지 기능들을 제공한다; 첫째 그것은 최종 조명 프러덕트(32)의 일부분을 포함하고, 둘째 그것은 상기 형광체 패널(14)의 형광체 물질을 여기시키기 위한 여기 방사선을 제공한다. 후자 기능의 관점에서 상기 광(22)은 이하 여기 광으로서 언급될 것이다.
상기 광 방출 형광체 패널(14)은, 예를 들어 아크릴 시트(acrylic sheet)와 같은 투명 기판(24)을 포함하고, 하부 면, 즉 상기 LEDs와 마주하는 상기 기판 표면 상에 제공되는 형광체 물질(광 발광성 물질) 층(26)을 가진다. 다른 배열들에서, 상기 투명 기판(24)은, 예를 들어 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에틸렌(polythene), 또는 유리와 같은 다른 투명 물질들을 포함할 수 있다. 상기 형광체 물질(26)은, 예를 들어 실리케이트(silicate), 오쏘-실리케이트(ortho-silicate), 나이트라이드(nitride), 옥시-나이트라이드(oxy-nitride), 설파이트(sulfate), 옥시-설파이트(oxy-sulfate), 가멧(garnet) 또는 알루미네이트계 형광체 물질들과 같이 상기 여기 광(22)에 의해 여기될 수 있는 여느 광 발광성 물질도 포함할 수 있다. 바람직한 실시예들에서 상기 형광체 물질은 일반적인 조성 A3Si(OD)5 또는 A2Si(OD)4 의 실리케이트계 형광체이고, 여기서 Si는 실리콘, O는 산소, A는 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 또는 칼슘(Ca)을 포함하고, D는 염소(Cl), 불소(F), 질소(N) 또는 황(S)을 포함한다. 실리케이트계 형광체들의 예들은 본 출원인의 계류 중인 30개 특허 출원들 US2006/0145123, US2006/028122, US2006/261309 및 US2007029526 및 2007년 4월 9일에 출원된 11/786,044에 개시되어 있고, 상기 출원들 각각의 내용은 이에 대한 참조로서 본 명세서에 포함된다.
US2006/0145123에 개시된 것 처럼, 유로퓸(Eu2 +) 활성화된 실리케이트계 그린 형광체는 일반식 (Sr,A1)x(Si,A2)(O,A3)2+x:Eu2 +를 가지는데, 여기서 A1는 2+양이온, 예를 들어 Mg, Ca, Ba, 아연(Zn), 나트륨(Na), 리튬(Li), 비스무트(Bi), 이트륨(Y) 또는 세륨(Ce)과 같은1+ 및 3+ 양이온의 조합 중에서 적어도 하나이다; A2 는 예를 들어 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 탄소(C), 게르마늄(Ge), N 또는 인(P)과 같은3+, 4+ 또는 5+ 양이온이다; 그리고 A3 는 예를 들어 F, Cl, 브롬(Br), N 또는 S와 같은 1-, 2- 또는 3-음이온이다. 상기 공식은 A1양이온은 Sr을 치환하고, A2양이온은 Si를 치환하며, A3음이온은 O를 치환하는 것을 나타내도록 쓰여진다. x의 값은 2.5와 3.5 사이의 정수 또는 비 정수(non-integer)이다.
US2006/028122는 공식 A2SiO4:Eu2 +D를 가지는 실리케이트계 옐로우-그린 형광체를 개시하는데, 여기서 A는 Sr, Ca, Ba, Mg, Zn 또는 카드뮴(Cd)을 포함하는 2가의 금속 중 적어도 하나이다; 그리고 D는 F, Cl, Br, 요오드(I), P, S 및 N을 포함하는 도펀트(dopant)이다. 상기 도펀트 D는 대략 0.01내지 20 몰 퍼센트 범위를 가지는 양으로 상기 형광체 내에 존재할 수 있다. 상기 형광체는 (Sr1 -x-yBaxMy)SiO4:Eu2+F 을 포함할 수 있고, 여기서 M은 Ca, Mg, Zn 또는 Cd를 포함한다.
US2006/261309는, (M1)2SiO4의 결정 구조와 실질적으로 동일한 결정 구조를 가지는 제 1 상(phase); 및 (M2)3SiO5 의 결정 구조와 실질적으로 동일한 결정 구조를 가지는 제 2 상(phase)을 가지는 두 가지 상의 실리케이트계 형광체를 개시하며, 여기서M1 및 M2는 각각 Sr, Ba, Mg, Ca 또는 Zn를 포함한다. 적어도 하나의 상은 2가의 유로퓸(Eu2 +)으로 활성화되고, 적어도 하나의 상은 F, Cl, Br, S 또는 N 를 포함하는 도펀트 D를 가진다. 상기 도펀트 원자들의 적어도 몇몇은 상기 호스트(host) 실리케이트 결정의 산소 원자 격자 싸이트(sites)에 위치한다고 생각된다.
US2007/029526는 공식 (Sr1 - xMx)yEuzSiO5 을 가지는 실리케이트계 오렌지 형광체를 개시하는데, (Sr1 - xMx)yEuzSiO5 에서 M은 Ba, Mg, Ca 또는 Zn를 포함하는 2가의 금속 중 적어도 하나이고; 0<x<0.5; 2.6<y<3.3; 및 0.001<z<0.5이다. 상기 형광체는 대략 565nm보다 큰 피크 방출 파장을 가지는 가시광선을 방출하기 위해서 형성된다.
11/786,044는 오렌지-레드 형광체의 일반식 (A1A2)3(SiB1)(OC1)5 을 개시하며, 여기서 A1 및 A2는 각각 Sr, Ba, Mg, Ca, Zn, Y, 란타늄(La), 프라세오디뮴(Pr), 사마륨(Sm) 또는 Bi 을 포함하고, B1은 Al, B, P 또는 Ge를 포함하며, C1은 F, Cl, Br, S 또는 N를 포함한다.
상기 형광체는 또한 본 출원인의 계류중인 특허 출원들 US2006/0158090 and US2006/0027786 에 개시된 것처럼 알루미네이트계 물질을 포함하고, 상기 출원들 각각의 내용은 이에 대한 참조로서 본 명세서에 포함된다.
US2006/0158090는 공식 M1 - xEuxAlyO[1+3y/2] 의 알루미네이트계 그린 형광체를 개시하는데, M1 - xEuxAlyO[1+3y/2] 에서 M은 Ba, Sr, Ca, Mg, Mn, Zn, Cu, Cd, Sm 및 톨륨(Tm)을 포함하는 2가의 금속 중 적어도 하나이고, 거기서 0.1<x<0.9 이고 0.5= y= 12이다.
US2006/0027786는 공식 (M1 - xEux)2- zMgzAlyO[1+3y/2] 을 가지는 알루미네이트계 형광체를 개시하는데, (M1 - xEux)2- zMgzAlyO[1+3y/2]에서 M은 Ba 또는 Sr의 2가의 금속 중 적어도 어느 하나이다. 한가지 조성에서, 상기 형광체는 대략 280nm내지 420nm 영역의 파장에서 방사선을 흡수하고, 대략 420nm 내지 560nm 영역의 파장을 가지는 가시광선을 방출하기 위하여 형성되며, 0.05<x<0.5 또는 0.2<x<0.5; 3= y= 12 및 0.8= z= 12이다. 상기 형광체는 Cl, Br 또는 I과 같이 할로겐 도펀트(H)로 더 도핑될 수 있고, (M1 - xEux)2- zMg2AlyO[1+3y/2]:H의 일반식으로 표현될 수 있다.
상기 형광체는 본 명세서에 기술되는 예들에 한정되지 않고, 예를 들어 나이트라이드 및 설파이트 형광체 물질들, 옥시-나이트라이드(oxy-nitrides) 및 옥시-설파이트(oxy-sulfate) 형광체들 또는 가넷(garnet) 물질들을 포함하는 여느 무기 형광체 물질도 포함할 수 있음이 인식될 것이다.
도 3은 광 방출 형광체 패널(14)의 평면도이다. 도시된 실시예에서 상기 형광체 층(26)은 상기 패널의 전체 표면에 걸쳐 균일한 층의 형광체 물질을 포함하고 형광체 물질을 포함하지 않는 규칙적인 어레이(패턴)의 원형 구역들(28)을 가진다. 상기 원형 구역들(28)은 상기 광 방출 형광체 패널(14) 내에 어레이 또는 패턴의 윈도우들 또는 개구들(apertures)을 구성한다. 상기 광 방출 형광체 패널(14)은 NAZDAR's 클리어(clear) 스크린 잉크 9700과 같은 형광체 물질 및 바인더(binder)의 혼합물을 상기 투명 기판(24)의 표면 상에 스크린 프린팅(screen printing) 함으로써 제조될 수 있다. 형광체 패턴은 스프레잉(spraying), 잉크 젯 프린팅(ink jet printing) 등과 같은 다른 디포지션(deposition) 방법들에 의해 만들어 질 수 있음이 인식될 것이다. 상기 형광체 패턴(26)을 보호하기 위하여, 상기 패널(14)은 상기 LEDs(20)와 마주하는 형광체 패턴(26)과 함께 상기 백라이팅 유닛(12)에 장착될 수 있다. 다른 배열들에서, 상기 광 방출 형광체 패널은 상기 형광체 층 위에 투명 보호층 또는 보호 필름(미도시)을 더 포함할 수 있다.
도 1 및 2의 조명 패널(10)은 ≒7000K의 상관 색 온도(CCT)를 가지는 냉백색(cool white)(CW) 광을 발생하도록 형성되고, 상기 형광체 물질(26)은, 예를 들어 파장 λ2 ≒ 500 내지 540 nm의 광을 발생하는 실리케이트계 그린 광 방출 형광체 물질, 파장 λ2 ≒ 540 내지 580 nm 의 광을 발생하는 가멧(garnet) 또는 실리케이트계 옐로우 광 방출 형광체, 실리케이트계 그린 및 오렌지 광 방출 형광체들의 혼합물 또는 실리케이트계 그린 및 나이트라이드계 레드 광 방출 형광체들의 혼합물을 포함할 수 있다. 동작에 있어서, 상기 LEDs(20)에 의해 방출되는 여기 광(22)은 상기 광 방출 형광체 패널(14)을 조사한다(irradiates). 상기 형광체 물질(26)은 상기 여기 광(22)의 일부를 흡수하고, 파장λ2의 그린 광(30)을 재방출하는 형광체의 여기를 유도한다. 상기 패널의 상면(광 방출 표면)(34)으로부터 방출되는 광 32는, 최종 조명 프러덕트를 포함하고, 상기 형광체에 의해 발생되는 그린 광(λ2) 및 상기 형광체에 의해 흡수되지 않은 블루 여기 광(λ1)의 조합이며, 이것은 인간 눈에 백색으로 보일 것이다. 상기 형광체에 의해 흡수되지 않은 블루 여기광(22)의 비율은 단위 면적당 형광체 물질의 밀도 및 상기 형광체 층(26)의 두께에 의존할 것이다. 형광체 발광성의 등방성 본질에 기인하여, 이것은 상기 형광체가 상기 광 패널쪽 뒤쪽방향으로 그 방사선의 50% 정도를 방출할 것임을 의미한다. 이와 같은 광은 상기 패널의 광 방출 표면(34) 뒤 쪽의 상기 광 박스의 반사 내부 표면(18)에 의해 반사될 것이다. 윈도우들(28)이 상기 LEDs에 의해 방출되는 광(λ1) 및 상기 형광체에 의해 발생되는 광(λ2)에 투명하기 때문에, 상기 윈도우들은 블루 및 그린 광 둘 다가 상기 조명 패널로부터 방출되도록 한다. 본 발명의 상기 발광 장치의 장점은 광 출력을 강화시키고, 그리하여 공지된 배열들보다 효율이 개선된다는 것이다. 본 발명의 또 다른 장점은, 상기 형광체 물질이 형광체를 포함하는 LED에 비해 상대적으로 큰 면적에 걸쳐 제공되기 때문에, 상기 형광체 물질의 열적 열화를 막을 수 있다는 것이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 광 방출 형광체 패널들(14)이다. 이들 실시예들에서 상기 형광체는 두 가지 상이한 형광체 물질들의 패턴을 포함한다. 선택된 CCT의 백색광을 발생시키는 조명 패널을 위하여, 상기 형광체 물질은, 예를 들어 실리케이트계 그린(≒500 내지 540 nm) 및 오렌지(≒575 내지 610 nm) 방출 형광체들을 포함할 수 있다. 바람직한 배열에서, 상기 형광체 패널은 그린 및 레드 광 방출 형광체들의 패턴을 포함한다.
도 4a에서 상기 형광체 패턴은, 완전 정사각형들(solid squares)로 표시되는 그린 형광체 영역들(40) 및 크로스 해치된(cross hatched) 정사각형들로 표시되는 오렌지 형광체 영역(42)들을 가지는, 교차하는 형광체 물질들의 간격 있는 정사각형 영역들의 규칙적인(정사각형) 어레이를 포함한다. 형광체 물질의 정사각형 아일랜드들(islands) 사이의 모든 구역, 즉 형광체 물질을 포함하지 않은 구역은 격자 같은(grid-like) 형태인 윈도우(28)을 포함하고, 상기 패널의 전체 표면 면적에 걸쳐 골고루 분포된다. 상기 형광체 패턴은 파우더로된 형광체 물질들을 클리어 스크린 잉크 또는 클리어 페인트와 혼합함으로써 스크린 프린트 될 수 있다. 일반적으로 디포짓된(deposited) 물질에서 형광체의 로딩(loading) 중량은, 상기 바람직한 조명 프러덕트에 의존하여 1과 99% 사이의 범위일 수 있지만, 10과 30% 사이이다. 단위 면적당 형광체 물질의 충분한 밀도, 예를 들어 ≒ 0.02-0.04 g/cm2를 디포짓하기 위하여, 상기 프린팅 스크린의 메쉬(mesh) 사이즈에 의존하여 복수의(multiple) 프린트 패스들(passes), 패스들의 수를 만들 필요가 있을 수 있다. 도 4a의 형광체 패턴의 장점은, 상기 형광체 영역들이 간격을 두고 떨어져 있기 때문에,상기 패널을 제조하는 동안 상이한 형광체 물질 사이의 여느 가능한 상호 영향을 막을 수 있다는 것이다. 개선된 연색지수(color rendering index)(CRI)를 가지는 광을 발생시키도록 의도된 대안적인 실시예에서, 상기 오렌지 광 방출 형광체는 레드 광 방출 형광체로 대체된다. 그러나, 레드 형광체들의 저 효율에 기인하여, 상기 패널에 의해 방출되는 광의 휘도(brightness)의 관점에서 트레이드 오프(trade off)가 있을 수 있다.
도 4b에서 상기 형광체 패턴은, 체커된(checkered)(체크 보드(checkerboard)) 패턴의 규칙적인 어레이의 정사각형 영역들을 포함하는데, 두 형광체 물질 중 그린 형광체 영역들(40)은 완전 정사각형들로 표시되고, 오렌지 형광체 영역들(42)은 크로스 해치된 정사각형들로 표시되며, 투명 윈도우 영역들(28)(즉, 형광체 물질을 포함하지 않는 영역들)은 아웃라인된(outlined) 정사각형들로 표시된다. 도 4a의 실시예와는 대조적으로 상기 형광체 영역들의 코너들(corners)은 서로서로 인접한다. 도시된 바와 같이, 윈도우 영역들 보다 대략 두배 정도 많은 그린 및 오렌지 형광체 영역들이 있다. 여느 적절한 디포지션 기술이 사용될 수 있음이 인식될 것이지만, 편리하게, 상기 형광체 패턴은 투명 기판 상에 스크린 프린트된다. 다른 형광체 패턴들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 명백할 것이고, 바람직한 조명 프러덕트에 의존할 것이며, 예를 들어 윈도우 영역들 및/또는 다각형, 삼각형, 직사각형, 육각형, 또는 불규칙한 형태인 형광체 영역들을 포함할 수 있다. 더욱이 상기 윈도우 영역들 및/또는 형광체 영역들은 규칙적인 또는 불규칙적인 패턴들을 포함할 수 있다. 상기 잉크 또는 페인트 내에 형광체의 농도, 상이한 형광체 영역들의 두께 및 상대적인 면적들 그리고 상기 윈도우 영역(들)의 면적 및 기하학적 구조는 바람직한 색의 방출광에 대한 최고의 광 출력 효율을 달성하기 위하여 최적화 될 수 있다. 예를 들어, 다른 실시예들에서 각각의 형광체 영역은 상기 여기 광의 100%를 흡수하도록 형성될 수 있다. 게다가 실질적으로 균일한 조명 프러덕트를 발생시키기 위하여, 윈도우 및 형광체 영역들은 상기 패널의 광 방출 표면 전체에 걸쳐 실질적으로 균일하게 분포되어야만 함이 인식될 것이다.
대안적인 실시예들에서 투명 기판(24)의 표면 토폴로지(topology)는 상기 형광체 패턴을 정의하기 위하여 사용될 수 있다. 한가지 배열에서 상기 표면 토폴로지는 하나 또는 그 이상의 형광체 물질들을 수용하기 위한 리세스들(recesses)의 어레이를 정의한다. 이와 같은 배열에서 상기 투명 기판은 정밀 몰딩(precision molding)에 의해 제조되고, 미리 선택된 용량의 형광체/바인더 혼합물이, 예를 들어 Asymtek가 만든 나노 리터 사이즈 플런저(plunger) 타입 디스펜서(dispenser) 헤드를 사용하여 각각의 리세스에 디스펜스된다. 더욱이, 상기 광 방출 패널의 상기 광 방출 표면(34)은, 렌즈들의 어레이 또는 렌즈 구조(lens structure)와 같은 하나 또는 그 이상의 광학 부품들을 정의하는 표면 토폴로지를 추가적으로 포함할 수 있다. 이와 같은 구조는 상기 투명 기판의 정밀 몰딩에 의해 제조될 수 있다.
도 5 및 6a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가장자리-라이팅되는 백색광 방출 조명 패널(510)에 대한 각각 사시도 및 단면도이다. 본 명세서에서 주어진 실시예에 대응하는 첫 번째 도면 번호에 의해 선행되는 유사한 참조번호들은 유사한 부분들을 표시하기 위하여 사용된다. 예를 들어 도 1의 상기 광 방출 형광체 패널(14)은 도 5 및 도 6a에서 514로 표시된다.
본 실시예에서 광 방출 형광체 패널(514)은 도파(waveguiding)(광 가이딩) 매체로서의 역할을 하고 가장자리-조명(edge-lighting) 유닛들(512)의 LEDs(520)로부터의 여기 광(522)을 가이드한다. 상기 광 방출 형광체 패널(514)은, 상기 패널의 주변 가장자리 둘레에 가장자리-조명 유닛들(512)을 포함하는 상기 광 패널이 표준 서스팬디드 실링의 타일 개구에 맞도록 치수된(dimensioned) 아크릴(acrylic) 물질과 같은 투명 물질의 평면 시트(524)를 포함한다. 각각의 가장자리-조명 유닛(512)은, 조명 바(536)의 길이를 따라 장착되는 블루 방출 LED 칩들(520)의 선형 어레이를 포함한다. 상기 조명 바(536)는 상기 LED 칩들(520)에 전기적 연결을 제공하고, 상기 조명 패널로부터의 열의 방사를 돕기 위하여 일련의 열 방사 핀들(fins)(미도시)을 포함할 수 있는 상기 조명 바의 외부 표면에 열을 전도함으로써 상기 칩들의 열적 관리를 제공한다. 상기 조명 바(536)의 내부 표면, 즉 상기 투명 도파관(524)의 가장자리와 마주하는 표면은 상기 평면 도파관(524)의 가장자리로부터 새어 나가는(escaping) 광을 막기 위하여 반사 표면(538)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 도파관(524)의 가장자리들은 상기 가장자리들로부터의 광의 새어나감을 최소화하기 위하여 반사 표면을 포함할 수 있다. 도시된 예에서, 가장자리-조명 유닛들(512)은 두개의 직각 가장자리들을 따라 제공되지만, 다른 실시예들에서는 상기 평면 도파관 시트(524)의 하나, 둘, 셋 또는 모든 가장자리들을 따라 제공될 수 있다. 상기 도파관(524)의 광 방출 표면(534)(즉, 도시된 것처럼 상부면) 상에 윈도우 구역들(528)의 어레이를 가지는 형광체 물질 층(526)이 있다. 상기 도파관(524)의 하부면, 즉 지지 천장(supporting ceiling) 쪽으로 향하는 면 상에는, 실질적으로 모든 광이 상기 광 방출 형광체 패널(514)의 광 방출 면(534)로부터 방출되도록 하기 위하여 반사율이 높은 물질의 층(540)이 있다.
동작에 있어서, 상기 LED 칩들(520)에 의해 발생되고 제1 파장 범위(λ1)인 여기 광 (522)은 상기 평면 도파관(524)으로 커플링되고 상기 도파관(524)의 전체 표면에 걸쳐 가이드된다. 상기 상부면(광 방출 표면)을 통해 방출되는 광은, 상기 형광체 패턴의 윈도우(528)를 통해 지나가거나 제2의, 더 긴 파장 범위 (λ2)의 광(530)을 재방출하는 형광체 물질의 여기를 야기한다. 최종 조명 프러덕트를 포함하는, 상기 광 방출 형광체 패널(514)의 상부면으로부터 방출되는 광(532)은 상기 여기광(522) 및 상기 형광체에 의해 방출되는 광 (530)의 조합이다. 일반적으로, 상기 조명 프러덕트는 백색광 일 것이고, 상기 형광체 층은 그린(500 내지 540nm) 또는 오렌지(580 내지 620 nm) 방출 형광체들 또는 상기 블루 여기광에 의해 활성화되는 형광체 물질들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 패널(510)에 의해 만들어지는 광의 상관 색온도(CCT)는, 형광체 면적들 및 양, 형광체 물질(들)의 두께 및 조성에 대한 윈도우 구역들을 포함하는 광 방출 패널의 표면 면적의 비율에 의해 선택될 수 있다. 다른 배열들에서 상기 패널은 상기 형광체 물질, 두께 및 패턴을 적절히 선택함으로써 색을 띈 광을 만들기 위하여 형성될 수 있다.
상기 도파관(524)의 광 방출 표면(534)은, 상기 광 방출 표면으로부터 광 방출 및/또는 방출 각을 강화(촉진)시키기 위하여 렌즈들의 어레이 또는 렌즈 구조와 같이 하나 또는 그 이상의 광학 부품들을 정의하는 표면 토폴로지를 추가적으로 포함할 수 있다. 한 배열에서 상기 도파관(524)의 표면은, 상기 형광체 패턴이 디포짓되기 전에 보상(complimentary) 패턴을 가지고 레이저 스크라이브(scribed)될 수 있다. 대안적인 배열에서, 상기 도파관은 상기 도파관의 방출 면으로부터 광의 방출을 돕기 위하여(encourage) 렌즈들의 어레이 또는 다른 광학 피처들(features)을 포함하도록 정밀 몰딩될 수 있다. 대안적으로, 상기 도파관의 표면은 표면의 러프닝(roughening) 또는 표면의 규칙적인 패터닝을 포함할 수 있다.
다른 배열들에서, 도 6b에 도시된 바와 같이, 도파관 표면 토폴로지는 상기 도파관의 광 방출 표면으로부터 광의 방출을 촉진할 뿐만 아니라 형광체/윈도우 패턴을 정의하기 위해 사용될 수 있다. 도시된 배열에서, 상기 평면 도파관(524)의 광방출 표면(534)은 형광체 물질(526)을 수용하기 위한 얕은 리세스들(recesses)(542)의 어레이를 포함한다. 광 방출 형광체 패널(514)은 투명 기판(524)을 정밀 몰딩하고 이어, 예를 들어 Asymtek에 의해 만들어진 나노 리터 사이즈 플런저 타입 디스펜서 해드를 사용하여 각 리세스에 미리 선택된 용량의 형광체/바인터 혼합물을 디스펜싱함으로써 제조될 수 있다. 대안적으로, 형광체/바인더 혼합물은 상기 도파관의 전체 광 방출 표면에 걸쳐 씻겨질 수(washed) 있고 이어 상기 표면은, 형광체 물질이 상기 리세스들에만 남도록 과잉의 형광체 물질을 닦아내기(wipe away) 위하여 유연한(flexible) 블레이드(blade) 또는 롤러(고무롤러(squeegee))로 닦여질 수 있다. 추가적으로, 상기 광 방출 형광체 패널(514)은 조명 패널의 광 방출(532)을 집중시키거나(focus) 아니면 안내시키기(direct) 위하여 렌즈들의 어레이(544) 또는 다른 광학 부품들을 포함할 수 있다.
본 발명의 가장자리-라이팅되는 조명 패널의 장점은 컴팩트한 본질, 특히 광 방출 형광체 패널(514)의 두께(즉, ≒ 5-10mm)와 같을 수 있는 패널의 전체적인 두께이다.
상기 조명 패널(510)이 서스펜디드 실링 용으로 기술되어 있지만, 그것은 또한 벽, 천장을 가진 플러쉬(flush)에도 사용될 수 있으며, 바닥의 일 부분 또는 주방 조리대(counter top)와 같은 여느 수평 표면 또는 계단의 발판(treads)이나 수직판(risers)과 같은 다른 평면 표면으로 사용될 수도 있다. 더욱이, 상기 패널은 건물의 구조적인 부품(structural component)의 일부분이나 가구의 부분(piece)으로 사용될 수도 있다. 계단의 발판이나 수직판의 경우에, 상기 도파관은, 형광체 패턴이 끼워지는 얇은 판들(intervening laminations)의 하나에 형광체 패턴이 결합되는 얇은 판으로 된 유리 구조물을 포함하는 것이 바람직하다. 평평한 패널 조명(flat panel lighting) 이외에, 상기 광 방출 패널은 굴곡을 가진 표면이나 바람직한 다른 형태로 제조될 수 있음이 인식될 것이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반사 램프(710)의 부분적인 절개(cut-away) 사시도고, 일반적인MR16형 할로겐 반사 램프에 대한 직접적인 대체물로 의도된다. 상기 램프(710)는 GU10 베이스(base)(752)를 가진 반구형의 반사기(750)을 포함하고 메인스(mains) 동작 110-240V AC을 위해 의도된다. 예를 들어 GU4, GU5.3, GX5.3, GY4 및 GZ4 반사기 램프 베이스들과 같은 다른 반사기 형태들 및/또는 베이스들이 사용될 수 있음이 인식될 것이다. 본 발명의 반사기 램프(710)에서, 할로겐 전구가 히트 싱크(heat sink)(754) 상에 장착되는 블루 방출 LED 칩들(720)의 어레이로 대체된다. 구동 회로(756)는 상기 LED 칩들이 메인스 공급으로부터 직접적으로 동작될 수 있도록 상기 베이스 내에 수용된다.
상기 반사 램프(710)은 상기 반사기(750)의 개구(opening)를 덮는 프론트 커버(front cover)(758)를 더 포함한다. 상기 램프의 광 방출 표면(734)를 구성하는 상기 프론트 커버(758)는, 예를 들어 아크릴 시트와 같은 투명 시트를 포함하며, 그 내부면, 즉 상기 LED 칩들과 마주하는 면에 형광체 물질 층(726)을 가진다. 상기 형광체 층(패턴)(726)은 어떤 형광체 물질도 포함하지 않는 규칙적인 윈도우들(728)의 어레이(패턴)을 포함한다. 형광체 발광성의 등방성 본질에 기인하여, 상기 램프에 의해 방출되는 광(732)은 반사기(750)의 존재에도 불구하고 정확하게 정의되는 빔 패턴을 가지지 않는다. 상기 방출광을 바람직한 방향으로 시준(collimate) 및/또는 안내(direct)하기 위하여, 상기 프론트 커버(758)는 그 외부 표면 상에 렌즈로 형성 및/또는 렌즈 구조를 포함할 수 있다. 한 배열에서 Fresnel 렌즈는, 예를 들어 상기 프론트 커버를 정밀 몰딩 함으로써 상기 커버의 외부 표면 상에 한정된다. 다른 실시예들에서와 마찬가지로, 상기 프론트 커버(756)의 표면(바람직하게는 내부 표면)의 포면 토폴로지는 형광체 및/또는 윈도우 패턴을 한정하기 위하여 사용될 수 있다.
도 8은 일반적인 백열 광 전구에 대한 직접적인 대체물로 의도된 본 발명에 따른 얼라이트(alight) 전구의 부분적인 절개 사시도이다. 메인스 동작 110-240V AC을 위해 의도된 상기 전구(810)는 투명 엔벨로프(envelope)(850) 및 E26 표준 베이스(스크류 커넥터)(860)를 포함한다. 예를 들어 베이오넷(bayonet) 커넥터와 같은 다른 엔벨로프 모양들 및/또는 커넥터들이 사용될 수 있음이 인식될 것이다. 본 발명의 전구(810)에서, 텅스텐 필라멘트 배열이 히트 싱크(854) 상에 장착되는 블루 방출 LED 칩들(820)의 어레이에 의해 대체된다. 구동 회로(미도시)는 상기 LED 칩들이 메인스 공급으로부터 직접적으로 동작될 수 있도록 상기 스크류 커넥터(860) 내에 수용된다.
상기 전구의 광 방출 표면(834)을 구성하는 상기 엔벨로프(858)는, 아크릴과 같은 투명 플라스틱 물질을 포함하는 것이 바람직하며, 그 전체 표면 상에 형광체 물질 층(826)을 가진다. 상기 형광체 층(826)은 어떤 형광체 물질도 포함하지 않는 윈도우들(828)의 패턴(어레이)를 포함한다. 상기 형광체 층은 상기 엔벨로프의 내부 또는 외부 표면들 상에 제공될 수 있지만, 전자가 제조의 용이성을 위해 바람직하다. 상기 형광체 물질은 상기 엔벨로프의 외부 표면 상에 더 쉽게 제공될 수 있기 때문에, 상기 전구는 상기 형광체 층을 덮는 투명 외부 보호층(미도시)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 튜브형 램프(910)의 부분적인 절개 사시도이다. 상기 램프(910)는 일반적인 튜브형 백열 전구를 대체하기 위하여 사용될 수 있고, 또는 형광 튜브에 대안으로 사용될 수 있으며, 메인스 동작 110-240V AC을 위해 의도된다. 본 실시예에서 상기 램프(910)는 길게 연장된 형태이고, 블루 LED 칩들(920)의 선형 어레이를 포함하는 조명 바(964) 를 수용하는 긴 인클로저(962)를 포함한다. 상기 LED 칩들9920)은 상기 인클로저 내에서 실질적으로 균일한 조명을 제공하기 위하여 상기 조명 바(964)의 길이를 따라 동일한 간격을 가진다. 상기 조명 바(964) 및 인클로저(962)는 열적 도전 물질(금속 또는 금속 첨가 에폭시/실리콘)으로 만들어 질 수 있고, 상기 램프의 뒤쪽으로부터 상기 LED 칩들(920)에 의해 발생되는 열을 전도하기 위하여 서로서로 열적 통신하는 것이 바람직하다. 상기 인클로저의 뒤쪽은 열의 효율적인 소산(dissipation)을 돕기 위해서 일련의 열 방사 핀들(fins)(미도시)을 더 포함할 수 있다. 구동 회로(미도시)는, 상기 LED 칩들이 연결 리드들(connecting leads)(966)을 통해 메인스 공급으로부터 직접적으로 동작될 수 있도록 상기 인클로저 내에 수용된다.
상기 램프(910)의 광 방출 표면(934)은 그 길이를 따라 개구(opening) 를 가지는 일반적으로 튜브형의 투명 커버(968)를 포함하고, 아크릴과 같은 투명 플라스틱 물질로 만들어진다. 상기 커버는 그 전체 표면 위에 형광체 물질의 층(926)을 가지고 어떤 형광체 물질도 포함하지 않는 윈도우들(928)의 패턴을 포함한다. 상기 커버(968)의 개방 가장자리들은 상기 인클로저(962)에 장착되며, 불투명 단부 캡들(caps)(970)은 상기 램프의 단부들로부터 광이 누설되는 것을 방지하기 위하여 상기 커버의 개방 단부들을 덮는다.
본 발명은 기술된 특정 실시예들에 한정되지 않으며 다양한 변형들이 본 발명의 범위 내에서 만들어 질 수 있음이 인식될 것이다. 본 발명의 실시예들은 하나 또는 그 이상의 형광체 물질들과 여기 광 및 형광체 발생 광의 방출을 허락하는 하나 도는 그 이상의 윈도우 구역들을 포함하는 광 방출 표면을 가지는 발광 장치들 및 조명 시스템들에 관한 것이다.
형광체 영역들 및/또는 윈도우 구역들의 배열과 상대적인 비율은 바람직한 색 및/또는 색 온도의 방출광을 얻기 위하여 선택될 수 있다. 광 방출 표면의 전체 면적에 걸쳐 실질적으로 균일한 색 조명 프러덕트를 생성하기 위하여, 윈도우 구역들 및/또는 형광체 영역들은 상기 광 방출 표면 상에 실질적으로 균일하게 분포되어야 한다. 상기 광 방출 표면은 광 투과 또는 도파 광학 배열로서 형성될 수 있다. 한 배열에서 상기 광 방출 표면은 형광체 물질의 패턴이 디포짓되는(deposited) 투명 필름을 포함한다. 이와 같은 필름은 현존하는 광학 부품들의 광 방출 표면에 적용될 수 있다.
방출광의 색 균일성을 더욱 향상시키기 위하여, 상기 장치는, 예를 들어 실리콘 이산화물(dioxide)과 같은 광 스케터링(scattering) 입자들을 가지는(carrying) 투명 물질을 포함하는 광 확산층을 더 포함할 수 있다.
더욱이, 기술된 상기 예들에서 단일 색 LED(바람직하게는 블루)가 형광체 여기 소스로 사용되며 방출 프러덕트에 광을 기여하기 위해 사용되었지만, 다른 실시예들에서는 요구되는 광 방출 프러덕트를 발생시키기 위하여 둘 또는 그 이상의 상이한 색 LEDs 및 하나 또는 그 이상의 형광체들의 조합을 사용하는 것이 기대된다. 예를 들어, 높은 CRI(연색지수)를 가진 백색광을 발생시키기 위하여 의도되는 한 배열에서, 블루 LED칩들이 그린 형광체 물질을 여기시키기 위하여 사용되고, 오렌지 또는 레드 LED 칩들이 최종 방출 프러덕트의 오렌지 또는 레드 광 요소들을 발생시키기 위하여 사용된다. 이와 같은 배열에서, 상기 방출 프러덕트는 레드(R), 그린(G) 및 블루(B) 색 요소들을 포함한다. 바람직하게는, 오렌지 및/또는 레드 LED 칩들에 대한 블루 LEDs의 비율은 그린 광 기여가 요구되는 CRI를 얻기 위하여 충분하도록 하기 위하여 실질적으로 2 대 1이다. 이와 같은 배열에서 상기 오렌지 및/또는 레드 LEDs에 의해 발생되는 광은 형광체를 여기시키기 않고, 이와 같은 광은 광 방출 형광체 표면에서 하나 또는 그 이상의 윈도우들을 통해 방출된다는 것이 인식될 것이다. 대안적인 배열에서, 블루 LEDs는 오렌지 또는 레드 방출 형광체를 여기시키기 위하여 사용될 수 있고, 하나 또는 그 이상의 그린 방출 LED 칩들은 방출 프러덕트에 그린 광을 기여시키기 위하여 사용될 수 있다.

Claims (21)

  1. 발광 장치에 있어서,
    제1 파장 범위의 여기 광을 발생시키도록 동작 가능한 적어도 하나의 여기 소스와 상기 여기 광의 적어도 일부분을 흡수하고 제2 파장 범위의 광을 방출하는 적어도 하나의 형광체 물질을 가지는 광 방출 표면을 포함하며, 여기서 상기 장치에 의해 방출되는 광은 상기 광 방출 표면에 의해 방출되는 상기 제1 및 제2 파장 범위들의 결합된 광을 포함하고, 상기 광 방출 표면은 적어도 하나의 형광체 물질을 포함하지 않는 적어도 하나의 윈도우 구역을 가지며, 상기 윈도우 구역은 상기 제1 및 제2 파장들의 광에 실질적으로 투명한 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 방출 표면은, 상기 제1 및 제2 파장들의 광에 실질적으로 투명하고 그 표면 상에 적어도 하나의 형광체 물질을 가지는 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 형광체 물질은, 형광체 영역들 사이의 갭들(gaps)이 상기 적어도 하나의 윈도우 구역을 정의하는 형광체 영역들의 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 형광체 영역들은 상기 광 방출 표면의 실질적으로 전체 표면에 걸쳐 분포되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 형광체 영역들은 상기 광 방출 표면에 걸쳐 실질적으로 균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 형광체 영역들의 모양은 실질적으로 다각형, 정사각형, 원형, 타원형, 삼각형, 및 직사각형인 것으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 형광체 물질은 실질적으로 상기 광 방출 표면을 덮으며, 윈도우 구역들의 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 윈도우 구역들은 실질적으로 상기 광 방출 표면의 전체 표면에 걸쳐 분포되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 윈도우 구역들은 상기 광 방출 표면에 걸쳐 실질적으로 균일하게 분표되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 윈도우 구역들의 모양은 실질적으로 다각형, 정사각형, 원형, 타원형, 삼각형, 및 직사각형인 것으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 기판은 도파 매체를 포함하고, 상기 여기 소스는 상기 여기 광을 상기 기판으로 커플링시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 기판은 실질적으로 평면 형상이고, 상기 여기 광은 상기 기판의 가장자리의 적어도 일부분으로 커플링되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 광 방출 표면과 마주하는 상기 기판의 표면의 적어도 일부분 상에 반사기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 기판의 광 방출 표면은 상기 광 방출 표면 기판으로부터 광의 방출을 촉진시키기 위한 표면 토폴로지를 가지는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  15. 제2항에 있어서,
    적어도 두개의 상이한 형광체 물질들의 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  16. 제2항에 있어서,
    상기 기판은 아크릴, 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에틸렌(polythene), 및 유리로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 여기 소스는 블루 광 방출 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 광 방출 표면에서 상기 장치에 의해 방출되는 광에 기여하는 제3 파장 범위의 광을 발생시키도록 동작 가능한 적어도 하나의 발광 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 발광 다이오드는 오렌지 광, 레드 광, 및 그린 광으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 제3 파장 범위의 광을 발생시키도록 동작 가능한 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 형광체 물질은: 실리케이트계(silicate-based) 형광체; 알루미네이트계(aluminate--based) 형광체; 나이트라이드계(nitride-based) 형광체 물질; 설파이트계(sulfate-based) 형광체 물질; 옥시-나이트라이트계(oxy-nitride-based) 형광체; 옥시-설파이트계(oxy-sulfate-based) 형광체; 가멧(garnet) 물질; Si는 실리콘, O는 산소, A는 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 또는 칼슘(Ca)을 포함하고, D는 염소(Cl), 불소(F), 질소(N) 또는 황(S)을 포함하는 일반적인 조성 A3Si(OD)5 의 실리케이트계 형광체; A는 Sr, Ba, Mg 또는 Ca를 포함하고 D는 Cl, F, N 또는 S를 포함하는 일반적인 조성 A2Si(OD)4 의 실리케이트계 형광체; 및 M은 Ba, Sr, Ca, Mg, Mn, Zn, Cu, Cd, Sm 및 톨륨(Tm)을 포함하는 2가의 금속 중 적어도 하나인 공식 M1 - xEuxAlyO[1+3y/2] 의 알루미네이트계 형광체로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  21. 발광 장치에 있어서,
    반사 내부 표면을 가지는 인클로저;
    상기 인클로저 내에 수용되고 제1 파장 범위의 여기광을 발생시키도록 동작 가능한 적어도 하나의 여기 소스; 및
    상기 인클로저의 개구를 덮으며 상기 여기광의 적어도 일부분을 흡수하여 제2 파장 범위의 광을 방출하는 적어도 하나의 형광체 물질을 가지는 광 방출 표면을 포함하며,
    여기서 상기 장치에 의해 방출되는 광은 상기 광 방출 표면에 의해 방출되는 제1 및 제2 파장 범위들의 결합된 광을 포함하고, 상기 광 방출 표면은 적어도 하나의 형광체 물질을 포함하지 않는 적어도 하나의 구역을 포함하며 상기 구역은 상기 제1 및 제2 파장들의 광에 실질적으로 투명하여 여기광의 일부분 및 반사된 형광체 발생 광이 상기 광 방출 표면을 통과하도록 하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.

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