KR20100085944A - 1차 복사원 및 발광 변환 소자를 포함한 반도체 광원 - Google Patents

1차 복사원 및 발광 변환 소자를 포함한 반도체 광원 Download PDF

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Abstract

1차 복사원(1) 및 파장 변환 모듈(2)을 포함한 반도체 광원이 기재되며, 상기 1차 복사원은 상기 반도체 광원의 동작 시 전자기 1차 복사(5)를 제1파장 영역에서 방출하고, 상기 1차 복사원(1)으로부터 방출된 1차 복사(5)는 상기 발광 변환 모듈에 커플링된다. 상기 발광 변환 모듈(2)은 발광 물질을 이용하여 제 1 파장 영역의 1차 복사(5)를 흡수하고, 제 2 파장 영역의 전자기 2차 복사(15)를 방출하는 발광 변환 소자(6)를 포함한다. 상기 발광 변환 소자(6)는 상기 1차 복사원(1)으로부터 이격되어 냉각체(3)에 배치된다. 상기 발광 변환 소자는 상기 발광 변환 소자로부터 흡수되지 않고 상기 발광 변환 소자(6)를 투과하는 1차 복사(5)를 발광 변환 소자(6)로 재귀 반사하거나 및/또는 2차 복사(15)를 상기 발광 변환 소자(6)의 광 디커플링 면(601)의 방향으로 반사하는 반사면(7, 71, 72)을 포함한다.

Description

1차 복사원 및 발광 변환 소자를 포함한 반도체 광원{SEMICONDUCTOR LIGHT SOURCE HAVING A PRIMARY RADIATION SOURCE AND A LUMINESCENCE COVERSION ELEMENT}
본원은 독일 특허 출원 10 2007 046608.2 및 10 2008 012316.1를 기초로 우선권을 주장하며, 그 개시 내용은 참조로 포함된다.
본원은 1차 복사원 및 발광 변환 소자를 포함한 반도체 광원에 관한 것이다.
1차 복사원 및 발광 변환 소자를 포함한 반도체 광원은 예컨대 문헌 US 6,066,861에 공지되어 있다. 상기와 같은 반도체 광원은 종종 발광 변환 소자로부터의 열 발산이 만족할만한 정도가 아닌 경우가 있다. 그러한 반도체 광원의 경우, 발광 변환 소자는 고 에너지 밀도의 1차 복사원에 의해 조사되어, 발광 변환 소자에 상대적으로 심한 온도 상승을 유발하여, 발광 변환 소자의 파장 변환 효율이 저하되는 것이 일반적이다.
문헌 EP 1 734 302 A1에는 반도체 광원이 개시되어 있으며, 발광 변환 소자에 열전도 부재가 구비된다.
본원은 1차 복사원 및 발광 변환 모듈을 포함한 반도체 광원을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제는 본원의 제 1항에 따른 반도체 광원을 통해 해결된다. 본원의 종속항은 상기 반도체 광원의 우수한 구현 및 개선 사항에 대해 기술한다. 특허 청구 범위의 개시 내용은 명백하게 참조로 상세한 설명에 포함된다.
반도체 광원이 기재되며, 상기 반도체 광원은 상기 반도체 광원의 동작 시 1차 전자기 복사를 방출하는 1차 복사원을 포함한다. 특히, 1차 복사원은 1차 복사의 방출을 위해 제공된 광전 반도체칩을 포함한다. 일 실시예에서, 광전 반도체칩은 광전 반도체 소자에 포함된다. 예컨대, 상기 광전 반도체칩은 반도체 소자의 하우징에 배치된다. 적합한 실시예에서, 상기 광전 반도체칩 또는 반도체 소자는 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드를 가리킨다. 일 실시예에서, 1차 복사원은 동작 시 청색 스펙트럼 영역 및/또는 자외 스펙트럼 영역에서 1차 복사를 방출하는 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드를 포함한다. 예컨대, 1차 복사원은 UV 발광 다이오드를 포함한다.
반도체 광원은 발광 변환 모듈을 더 포함하고, 상기 발광 변환 모듈에는 1차 복사원으로부터 방출된 1차 복사의 적어도 일부가 커플링(coupling)된다. 바람직하게, 1차 복사원으로부터 방출된 1차 복사의 대부분, 특히 실질적으로 복사 전체가 발광 변환 모듈에 커플링된다.
발광 변환 모듈은 적어도 하나의 발광 물질, 예컨대 무기 발광 물질을 이용하여 1차 복사를 2차 전자기 복사로 파장 변환하는 발광 변환 소자를 포함한다. 특히, 발광 변환 소자는 1차 복사를 흡수하고, 가령 형광 또는 인광을 이용하여 2차 복사의 방출을 수행하기 위해 여기된다.
예컨대, 1차 복사는 제 1 파장 영역의 전자기 복사를 포함하고, 2차 복사는 상기 제 1 파장 영역과 다른 제 2 파장 영역의 전자기 복사를 포함한다. 바꾸어 말하면, 제 1 및 제 2 파장 영역은 전혀 중복되지 않거나, 부분적으로만 중복된다.
발광 변환 모듈은 1차 복사원으로부터 이격되고, 냉각체에 배치된다. 적합하게, 발광 변환 소자는 냉각체와 열 전도적으로 결합된다. 일 실시예에서, 냉각체는 발광 변환 모듈을 위한 캐리어를 나타낸다.
바람직하게, 냉각체는 1차 복사로부터 2차 복사로의 변환 시 생성된 손실열을 위한 히트 싱크를 형성한다. 예컨대, 상기 냉각체는 발광 변환 모듈이 고정되거나 형성되어 있는 금속 냉각체를 가리킨다. 예컨대, 냉각체는 금속판을 포함한다.
바람직하게, 발광 변환 모듈이 1차 복사원으로부터 이격되어 냉각체에 배치됨으로써, 1차 복사에 의한 조사 시, 발광 변환 소자에 포함된 발광 물질의 온도 상승은 매우 낮다. 일반적으로, 발광 물질 온도 상승은 1차 복사를 2차 복사로 파장 변환하는 발광 물질의 효율을 감소시킨다. 반도체 광원은 유리하게도 매우 높은 효율을 가진다.
일 실시예에서, 냉각체에 돌출부가 구비되며, 특히 발광 변환 모듈과 반대 방향인 측에 구비된다. 다른 실시예에서, 냉각체는 활성 냉각 장치를 포함한다. 예컨대, 냉각체는 마이크로채널쿨러 및/또는 펠티어 소자(peltier element)를 포함한다. 이러한 방식으로, 발광 변환 소자의 방열이 유리하게도 더욱 개선된다.
반도체 광원의 실시예에서, 1차 복사원은 별도의 냉각체를 구비한다. 이러한 방식으로, 발광 변환 모듈의 냉각은 1차 복사원의 냉각과 무관하다.
다른 실시예에서, 1차 복사원 및 발광 변환 모듈은 동일한 냉각체에 배치되며, 특히 냉각체에 기계적으로 고정되고 상기 냉각체와 열 전도적으로 결합된다. 1차 복사원 및 발광 변환 모듈을 위한 전체 냉각체를 이용하면, 유리하게도 반도체 광원이 매우 콤팩트한 구조를 얻게 된다.
바람직한 실시예에서, 발광 변환 모듈은 반사면을 포함하고, 상기 반사면은 예컨대 발광 변환 소자에 의해 흡수되지 않고 상기 발광 변환 소자를 투과하는 1차 복사를 상기 발광 변환 소자에 재귀 반사한다. 바람직하게, 1차 복사의 매우 많은 부분이 발광 변환 모듈에서 2차 복사로 파장 변환된다.
대안적 또는 부가적으로, 반사면은, 발광 변환 모듈의 광 디커플링면의 방향으로 2차 복사를 반사하도록 제공될 수 있다. 이러한 방식으로, 유리하게도 매우 높은 휘도가 얻어진다. 이러한 방식으로, 발광 변환 모듈은 매우 높은 효율을 가진다.
유리한 실시예에서, 반사면 또는 상기 반사면의 적어도 제 1 부분 영역을 포함하는 반사층은 냉각체를 향한 발광 변환 소자의 면상에 또는 발광 변환 소자를 향한 냉각체의 면상에 배치된다. 바람직하게, 반사층의 두께는 1 ㎛이하, 바람직하게는 500 nm이하, 더욱 바람직하게는 100 nm이하이다. 그러한 반사층을 이용하면, 유리하게도 발광 변환 소자 및 냉각체간의 양호한 열 전도적 결합이 얻어진다.
반사층은 예컨대 적어도 하나의 금속층 및/또는 적어도 하나의 유전체층을 포함한다. 예컨대, 반사층은 이러한 적어도 2개의 층들로 구성된 층 시퀀스, 특히 금속층 및 유전체층을 구비한 층 시퀀스를 포함한다. 일 실시예에서, 반사층은 발광 변환 소자상에서 평탄화층으로 배치된 유전체층 및 상기 유전체층상에 배치된 거울 기능의 금속층을 포함한다.
발광 변환 소자에 반사층이 구비된 다른 실시예에서, 발광 변환 소자는 땜납층을 이용하여 냉각체에 고정된다. 예컨대, 반사층은 냉각체와 납땜된다. 따라서, 발광 변환 소자의 방열이 매우 효율적으로 이루어진다.
반도체 광원의 실시예에서, 발광 변환 모듈에 커플링된 1차 복사는 반사면에서 다중 반사된다. 바람직하게, 이러한 방식으로 발광 변환 소자에 매우 많은 부분의 1차 복사가 흡수된다. 특히, 이러한 방식으로, 1차 복사는 발광 변환 소자의 매우 큰 영역 상에 분포한다. 그러므로, 발광 변환 모듈로부터 상기 발광 변환 모듈의 광 디커플링면을 통해 방출된 2차 복사의 휘도 분포는 유리하게도 매우 균일하다.
일 실시예에서, 발광 변환 소자의 발광 물질은 발광 변환 입자 분말의 형태로 발광 변환 소자에 포함된다. 상기 발광 물질은 복수 개의 발광 물질들의 혼합물을 가리킬 수 있다. 예컨대, 발광 물질은 전기 영동적으로 반사면상에 증착된다. 또는, 발광 물질은 인쇄 공정, 예컨대 잉크젯-, 실크스크린- 또는 패드 인쇄 공정을 이용하여 증착될 수 있다. 이러한 방식으로, 발광 변환 소자는 유리하게도 간단히 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 분말 형태의 발광 물질을 포함한 발광 변환 소자 상에 예컨대 산화규소층과 같은 고정층이 배치되며, 상기 고정층은 발광 변환 소자를 유리하게도 기계적 하중으로부터 보호한다.
다른 실시예에서, 발광 변환 소자는 단결정 형태의 발광 물질 또는 다결정 세라믹 물질 형태의 발광 물질을 포함한다. 세라믹 물질을 함유한 발광 변환 소자용 발광 물질은 예컨대 발광 변환 소자의 제조 시 원하는 형태로 형성되는데, 가령 압축 공정을 이용하고, 그 이후의 소결에 의해 세라믹으로 변환된다.
실리콘 수지 또는 에폭시 수지와 같은 매트릭스 물질에 분산된 발광 물질을 포함하는 발광 변환 소자는 불충분한 열 전도도를 가지는 경우가 종종 있어, 본 반도체 광원을 위해서는 제한적으로만 적합하다. 발광 변환 소자의 열 전도도는 분말형 발광 물질, 단결정 및/또는 세라믹 물질 형태의 발광 물질을 이용하면 매우 높아서, 상기 실시예에서 발광 변환 소자로부터의 손실열의 발산이 매우 효율적으로 이루어진다.
단결정 또는 세라믹 물질 형태의 발광 물질은 열전도도가 매우 높다.
일 실시예에서, 발광 변환 소자는 실질적으로 평평한 층의 형태 또는 판의 형태, 바람직하게는 평행 평면판의 형태이다. 예컨대, 층 또는 판의 표면은 제 1 주요면을 포함하고, 상기 제 1 주요면이 광 디커플링면을 나타낸다. 상기 표면은 제 2 주요면도 포함하며, 상기 제 2 주요면은 제 1 주요면에 대향되고, 바람직하게는 제 1 주요면에 대해 평행하다. 또한, 층 또는 판의 표면은 적어도 하나의 측면도 포함한다. 측면 또는 측면들은 특히 제 1 및 제 2 주요면을 연결한다.
상기와 관련하여, 평평한 층 또는 평행 평면판이란, 표면에 있을 수 있는 거칠기 및/또는 구조화를 제외하고 직선으로 연장된 층 또는 판을 의미한다. 바꾸어 말하면, 평편한 층 또는 평행 평면판은 굴곡부나 꺾임부를 포함하지 않으며, 특히 하나의 면에 대해 실질적으로 평행하다. 바꾸어 말하면, 평평한 층 또는 평행 평면판은 주 연장면을 포함하고, 상기 주 연장면에 대해 제 1 및/또는 제 2 주요면이 실질적으로 평행하다. 층 또는 판의 표면은, 상기 표면이 예기치 않게 거칠게되고, 거칠게되거나 구조화된 경우에도, 일반적으로 수학적인 의미에서 평편하거나 평면이 아니며, 오히려, 예컨대 다수의 입자로 구성되어, 가능한 거칠기 및/또는 구조화를 제외하고, 평균적으로만 제 1 및 제 2 주요면이 실질적으로 평평하거나 평면 평행으로 연장된다.
일 실시예에서, 반사면 또는 반사면의 제 2 부분 영역은 적어도 하나의 측면을 국부적으로 또는 완전히 덮는다.
다른 실시예에서, 제 2 주요면은 냉각체를 향해 배치된다. 제 2 주요면은 예컨대 적어도 국부적으로 반사면 또는 반사면의 제 1 부분 영역에 의해 덮인다. 특히, 반사면 또는 반사면의 제 1 부분 영역은 발광 변환 소자의 제 2 주요면 및 냉각체 사이에 배치된다.
일 실시예에서, 1차 복사원의 1차 복사는 제 1 주요면을 통과하여 발광 변환 소자로 커플링된다. 상기 실시예에서, 발광 변환 소자의 광 디커플링면은 1차 복사를 위한 광 커플링면으로서도 역할한다.
상기 실시예에서, 제 1 주요면은 거칠기 및/또는 구조화를 포함하며, 예컨대 길고 가느다란 홈-, 돌기- 및/또는 피라미드형의 돌출부 및/또는 만입부를 포함한다. 예컨대, 발광 변환 소자의 제 1 주요면과 평각으로 만나는 1차 복사를 위한 커플링이 개선된다.
일 실시예에서, 반도체 광원은, 1차 복사원으로부터 방출된 1차 복사 및 발광 변환 소자로부터 방출된 2차 복사를 포함하거나 그것으로 구성된 혼합 복사를 방출하도록 제공된다. 상기 실시예에서, 거칠어지고, 거칠어지거나 구조화된 제 1 주요면을 이용하면, 반도체 광원으로부터 방출된 1차 복사 및 2차 복사의 혼합이 양호해진다.
다른 실시예에서, 1차 복사원의 1차 복사는 측면 또는 측면들 중 적어도 하나의 측면을 통해 발광 변환 소자로 커플링된다. 상기 실시예에서, 특히, 1차 복사원은 발광 변환 모듈의 옆에 배치된다. 일 실시예에서, 측면 또는 측면들은 1차 복사가 발광 변환 소자로 커플링될 때 통과하는 커플링 영역에 이르기까지 반사면에 의해 완전히 덮인다.
상기 실시예에서, 광 디커플링면을 통해 방출된 전자기 복사가 1차 복사원 및/또는 광학 부재에 의해 차광될 위험이 매우 낮다. 상기 광학 부재를 이용하여 1차 복사가 발광 변환 소자로 커플링된다. 상기 실시예에서, 반사면에서의 다중 반사는 매우 간단히 이루어진다.
커플링 영역은 예컨대 제 1 주요면의 평면도 상에서 발광 변환 소자의 테두리 영역, 바람직하게 모서리 영역에 포함된다. 바람직하게, 발광 모듈에 커플링된 1차 복사의 일부는 반사면에서의 다중 반사를 이용하여 발광 변환 소자의 상기 테두리 영역에 대향된 다른 테두리 영역, 예컨대 모서리 영역에 대각선으로 대향된 다른 모서리 영역과 같은 다른 모서리 영역으로 안내된다. 이러한 방식으로, 유리하게도 발광 변환 소자의 테두리 영역, 다른 테두리 영역 및 상기 테두리 영역들 사이에 배치된 중앙 영역이 조사된다.
예컨대, 발광 변환 소자는 상기 발광 변환 소자의 제 1 주요면의 평면도 상에서 직사각형 형태이고, 커플링 영역에서 1차 복사의 확산 방향은 제 1 주요면의 평면도 상에서 상기 직사각형의 변에 대해 각(β)으로 연장되며, 상기 각은 0＜β＜90°, 바람직하게는 1°≤β≤45°, 예컨대 5°≤β≤25°이다.
1차 복사에서 평행 빔 다발이 아닌 빔 다발의 경우, "확산 방향(propagation direction)"이란 개념은, 특히 1차 복사가 발광 변환 소자에 진입하기 전에 커플링 영역에서 확산되는 복사 원뿔(cone of radiation)의 중앙축을 의미한다.
바람직하게는, 상기 각은, 발광 변환 소자에 커플링되며 산란되지 않은 1차 복사가 반사층에서의 제 1 거울 반사 이후 커플링 영역으로 재귀 반사되지 않도록 선택된다.
상기 실시예의 실시예에서, 1차 복사는 파장 선택적 커플링 거울을 통과하여 발광 변환 모듈에 커플링된다. 파장 선택적 커플링 거울은 1차 복사에 대해 투과 계수가 크고, 특히 상기 거울은 제 1 파장 영역에서 투과 계수가 크다. 또한, 커플링 거울은 2차 복사에 대한 반사 계수가 크고, 특히 제 2 파장 영역에서 반사 계수가 크다.
커플링 거울은 예컨대 반사면에 포함되지 않은 측면 커플링 영역을 덮는다. 바람직하게, 파장 선택적 커플링 거울은 측면 커플링 영역의 방향으로 방출된 2차 복사 부분을 방향 전환시켜, 상기 2차 복사 부분이 적어도 부분적으로 광 디커플링면을 통해 방출된다.
반도체 광원의 다른 실시예에서, 2차 복사는 파장 선택적 디커플링 거울을 통과하여 발광 변환 모듈로부터 디커플링된다. 파장 선택적 디커플링 거울은 1차 복사 또는 1차 복사의 스펙트럼 부분에 대해 반사 계수가 크고, 예컨대 상기 거울은 제 1 파장 영역에서 반사 계수가 크다. 또한, 2차 복사, 특히 제 2 파장 영역에서 투과 계수가 크다.
바람직하게, 파장 선택적 디커플링 거울은 발광 변환 소자의 광 디커플링면에 인접하고, 특히 제 2 주요면과 반대 방향인 측에서 그러하다. 바꾸어 말하면, 디커플링 거울은 발광 변환 모듈의 방출 방향으로 광 디커플링면 다음에 배치된다. 바람직하게, 디커플링 거울은 변환되지 않은 1차 복사의 부분을 발광 변환 소자로 재귀 반사함으로써, 유리하게도 변환 효율이 매우 높다.
1차 복사가 반도체 광원으로부터 디커플링될 필요가 없는 경우, 예컨대 제1파장 영역이 자외 복사를 포함하는 경우, 이는 디커플링 거울을 이용하여 감소하거나, 완전히 억제될 수 있다. 일 실시예에서, 파장 선택적 디커플링 거울은 1차 복사에서 원하지 않는 스펙트럼 부분만을 억제하며, 예컨대 단파 부분만을 억제하고, 원하는 1차 복사의 스펙트럼 부분, 예컨대 장파 부분은 투과시킨다.
다른 실시예에서, 발광 변환 모듈은 예컨대 냉각립(cooling rib)과 같은 적어도 하나의 냉각 부재를 포함하고, 상기 냉각 부재는 발광 변환 소자안으로 돌출되거나, 발광 변환 소자를 관통하여 돌출되고, 냉각체와 열 전도적으로 결합된다. 예컨대, 냉각 부재는 제 1 주요면을 가로질러 또는 그에 대해 수직으로, 적어도 발광 변환 소자의 일부를 관통 연장된다. 특히, 냉각 부재는 제 2 주요면으로부터 제 1 주요면의 방향으로 연장된다. 바람직하게, 제 2 주요면으로부터 제 1 주요면까지 또는 제 1 주요면을 넘어 연장된다. 적어도 하나의 냉각 부재를 이용하면, 발광 변환 소자로부터의 방열이 더욱 개선된다.
예컨대, 냉각 부재는 냉각체를 향한 발광 변환 모듈의 측에서 반사면에 접한다. 일 실시예에서, 냉각 부재는 대안적 또는 부가적으로 반사면의 영역, 즉 발광 변환 소자의 측면 또는 측면들을 덮는 영역에 접한다.
일 실시예에서, 발광 변환 모듈은 복수 개의 냉각립들을 포함하고, 상기 냉각립은 특히 빗형으로 배치된다. 예컨대, 냉각립은 제 1 주요면의 평면도 상에서 서로 평행하다.
일 실시예에서, 발광 변환 소자는 제 1 주요면의 평면도 상에서 직사각형 형태를 가진다. 발광 변환 모듈은 예컨대 복수 개의 냉각 부재들을 포함하고, 상기 냉각 부재는 상기 직사각형의 2개의 대향된 변에 대해 평행하다. 각 냉각립은 직사각형의 나머지 두 개의 변 중 하나에 접하고, 나머지 2개의 변 중 제 2 변과 간격을 두며 종결된다. 바람직하게, 냉각 부재의 배치는, 발광 변환 소자에서 산란되지 않은 1차 복사의 빔 경로에 냉각 부재가 포함되지 않도록 선택된다.
또는, 적어도 하나의 냉각 부재는 1차 복사 및/또는 2차 복사의 거울 반사 또는 확산 반사를 위해 제공될 수 있다. 이를 위해, 일 실시예에서, 냉각 부재는 적어도 부분적으로 반사 기능을 하는 표면을 포함한다.
다른 실시예에서, 1차 복사는 광학 부재를 이용하여 발광 변환 모듈에 커플링된다. 예컨대, 광학 부재는 가령 평면 거울, 오목 거울 또는 볼록 거울과 같은 거울, 집광 렌즈(collecting lens), 분산 렌즈, 도광 로드(light guiding rod) 또는 유리 섬유를 가리킨다. 이러한 복수 개의 광학 부재들의 광학적 배열은 발광 변환 소자로의 1차 복사 커플링을 위해 제공될 수 있다.
상기 실시예에서, 1차 복사 또는 1차 복사의 스펙트럼 부분에 대한 반사 계수가 크고, 2차 복사에 대한 투과 계수가 큰 파장 선택적 디커플링 거울은 그와 동시에 광학 부재를 나타내기도 한다. 상기 실시예에서, 파장 선택적 디커플링 거울은 특히 굴곡지고, 굴곡지거나 광 디커플링면에 대해 경사 배치된다. 바람직하게, 상기 거울은 1차 복사원에 의해 조사된다.
1차 복사원 및 발광 변환 모듈의 기하학적 배치, 그리고 디커플링 거울 및 광 디커플링면 사이의 굴곡 및/또는 각은, 특히, 1차 복사원으로부터 방출된 1차 복사가 파장 선택적 디커플링 거울을 이용하여 광 디커플링면을 통과하여 발광 변환 소자쪽으로 향하고, 특히 방향 전환되도록 선택된다. 바람직하게, 2차 복사의 편향은 실질적으로 시작되지 않는다.
예컨대, 1차 복사의 확산 방향 및 광 디커플링면은 대략 평행하다. 파장 선택적 디커플링 거울은 광 디커플링면에 대해 예컨대 30°내지 60°의 각, 바람직하게는 약 45°의 각을 이루며 배치된다.
다른 실시예에서, 1차 복사원은 발산성(divergent) 복사 다발로 1차 복사를 방출하며, 광 디커플링 거울은 상기 발산성 복사 다발을 적어도 거의 평행화하도록 굴곡진다. 상기 실시예에서, 파장 선택적 디커플링 거울은 특히 오목 거울의 형태를 가진다. 바람직하게, 상기 거울은, 평행화된 복사 다발이 적어도 거의 광 디커플링 면과 수직으로 만나도록 설계된다.
일 실시예에서, 광학 부재이면서 동시에 파장 선택적 디커플링 거울은 복수 개의 1차 복사원으로부터 조사될 수 있다. 예컨대, 상기 거울은 복수 개의 세그먼트들을 포함하고, 상기 세그먼트들은 각각 적어도 하나의 1차 복사원으로부터 조사된다. 예컨대, 파장 선택적 디커플링 거울은 V형 단면을 가진다. 또는, 상기 거울은 피라미드형 또는 각뿔대형일 수 있다. 특히, "V" 또는 피라미드의 뾰족한 끝은 광 디커플링면을 향해 있다. 이와 관련하여 각뿔대형인 경우, "피라미드의 뾰족한 끝"은 각뿔대를 완성하는 피라미드의 뾰족한 끝을 의미한다. "V" 또는 피라미드/각뿔대의 중앙축은 예컨대 광 디커플링면에 대해 수직이거나 실질적으로 수직이다.
다시 다른 반도체 광원의 실시예에서, 냉각체는 발광 변환 소자를 포함한다. 예컨대, 냉각체의 일부는 발광 변환 소자의 측면을 향한다. 예컨대, 발광 변환 소자를 수용하기 위해 L형, V형 또는 U형 냉각체 구조, 예컨대 리세스가 고려된다. 바람직하게, 발광 변환 소자는 적어도 부분적으로 냉각체의 함몰부에 형성되거나 배치된다.
예컨대, 반사면 또는 반사면의 적어도 일부는 구조나 함몰부의 표면 또는 구조나 함몰부의 표면의 일부 영역에 의해 형성된다. 일 실시예에서, 1차 복사원은 냉각체의 다른 함몰부 또는 다른 L형, V형 또는 U형 구조에 배치된다. 바람직하게, 상기 실시예에서, 발광 변환 소자의 방열이 매우 양호하다. 또한, 반도체 광원이 매우 콤팩트한 구조를 가진다.
본 발명에 따르면 발광 변환 소자에 의한 파장 변환이 효율적으로 수행되며, 특히, 1차 복사원으로부터 방출된 1차 복사의 에너지 밀도가 높을 때 매우 효율적이다.
이하, 반도체 광원의 다른 장점 및 유리한 실시예는 도 1 내지 도 7과 관련하여 기술된 실시예로부터 도출된다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 반도체 광원의 개략적 단면도이다.
도 2는 제 2 실시예에 따른 반도체 광원의 개략적 단면도이다.
도 3A는 제 3 실시예에 따른 반도체 광원의 개략적 단면도이다.
도 3B는 도 3A의 실시예에 따른 반도체 광원의 개략적 평면도이다.
도 3C는 제 3 실시예를 변형한 반도체 광원의 개략적 평면도이다.
도 4는 제 4 실시예에 따른 반도체 광원의 개략적 평면도이다.
도 5는 제 5 실시예에 따른 반도체 광원의 개략적 평면도이다.
도 6A는 제 6 실시예에 따른 반도체 광원의 개략적 단면도이다.
도 6B는 도 6A의 실시예에 따른 반도체 광원의 개략적 평면도이다.
도 7은 제 7 실시예에 따른 반도체 광원의 개략적 단면도이다.
도 8은 제 8 실시예에 따른 반도체 광원의 개략적 단면도이다.
도 9는 제 9 실시예에 따른 반도체 광원의 개략적 단면도이다.
실시예 및 도면에서 동일하거나 동일한 기능의 구성 요소는 동일한 참조 번호를 가진다. 도면 및 도면에 도시된 요소들 간의 크기비는 기본적으로 축척에 맞는 것으로 볼 수 없다. 예컨대, 가령 층들과 같은 개별 요소는 더 나은 표현 및/또는 더 나은 이해를 위해 과장되어 크고, 크거나 두껍게 도시되어 있을 수 있다.
도 1은 반도체 광원의 제 1 실시예를 개략적 단면도로 도시한다. 반도체 광원은 1차 복사원(1) 및 발광 변환 모듈(2)을 포함한다. 발광 변환 모듈(2)은 냉각체(3)에 배치된다. 제 1 실시예에서, 1차 복사원(1)은 다른 냉각체(4)에 배치된다.
1차 복사원(1)이란 예컨대 레이저 다이오드칩, 즉 예컨대 1차 복사(5)를 제 1 파장 영역, 가령 청색 스펙트럼 영역 또는 자외 스펙트럼 영역에서 방출하는 레이저 다이오드칩을 가리킨다. 레이저 다이오드칩으로부터 방출된 복사 파워는 예컨대 1 W이상이다.
발광 변환 모듈(2)은 무기 발광 물질을 함유한 발광 변환 소자(6)를 포함한다. 발광 물질을 이용하여, 발광 변환 소자(6)는 제 1 파장 영역의 1차 복사를 제 2 파장 영역의 전자기 2차 복사로 변환하고, 상기 제 2 파장 영역은 제 1 파장 영역과 다르다. 발광 물질은 1차 복사(5)에 의해 특히 형광 및/또는 인광으로 여기된다.
발광 물질은 예컨대, 가닛 발광 물질(garnet phosphors)을 포함한 군의 적어도 하나의 성분으로부터 선택되며, 상기 가닛 발광 물질은 희토류 물질로 도핑된 이트륨-알루미늄 가닛(YAG, Yttrium aluminum garnet) - 예컨대 YAG:Ce -, 알루미네이트(aluminate)-발광 물질, 오르토실리케이트(Orthosilicate)-발광 물질, 질화물 발광 물질계 - 가령 니트리도실리케이트(Nitridosilicate), 옥시니트리드(Oxinitride) -, 알칼리토설파이드(alkaline-earth sulfide)-발광 물질, 티오갈레이트(Thiogallate) 발광 물질이 있다.
근자외 복사를 포함하는 제 1 파장 영역을 위해, 예컨대 산화물계 발광 물질이 적합하며, 예컨대 유로퓸(europium)으로 도핑된 바륨-마그네슘-알루미네이트, 가령 BaMgAl10O17:Eu2 +이 있다. 대안적 또는 부가적으로, 예컨대 SrMgAl10O17:Eu2 +와 같이 마찬가지로 유로퓸으로 도핑된 스트론튬-마그네슘-알루미네이트, 및 스트론튬, 바륨 또는 칼슘을 포함한 (Sr, Ba, Ca)5(PO4)3Cl:Eu2 +식의 클로린 아파타이트(chlorine apatite)가 적합하다. 또한, 예컨대 Ba3Al28O45:Eu2 +와 같은 바륨알루미네이트도 사용될 수 있다. 모든 열거한 화합물은 상기 화합물이 근자외에서 펌핑되는 경우에 청색 파장 영역에서 광을 방출한다. 녹색으로 방출하는 발광 물질은 예컨대 SrAl2O4:Eu2 +이다. 녹색 내지 녹황색으로 방출하는 발광 물질은 예컨대 유로퓸 또는 망간으로 도핑된 클로로실리케이트(Chloro silicate), 가령 Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Eu2+ 또는 Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Mn2 +식의 클로로실리케이트, 그리고 일반식 AGa2S4:Eu2 + 또는 AGa2S4:Ce2 +의 티오갈레이트가 있으며, 이 때 A는 특히 칼슘, 스트론튬, 바륨, 아연 및 마그네슘이란 군으로부터 선택된다. 또한, 적색으로 방출하는 발광 물질 및 변환 물질로서, 예컨대 알칼리토(alkaline-earth)로 치환된 일반식 (A, Sr)S:Eu2 +인 스트론튬 설파이드일 수 있으며, 이 때 A는 알칼리토금속이온이다.
예컨대 적색 스펙트럼 영역에서 방출하는 발광 물질로서 질화물 발광 물질계가 적합하다. 예컨대, 질화물 발광 물질계란 니트리도실리케이트(Nitridosilicate), 가령 Ba, Ca 또는 Sr과 같은 알칼리토 금속(M)을 포함한 M2Si5N8:Eu2+를 가리킨다. 대안적 또는 부가적으로, 희토류 물질로 도핑된 알루미늄실리콘나이트라이드-발광 물질이 사용될 수 있으며, 가령 MAlSiN3:SE가 있고, 이 때 M은 특히 Ba, Sr, Ca와 같은 알칼리토금속을, SE는 희토류를 나타낸다. 특히, 녹색 스펙트럼 영역을 위해 예컨대 MSi2O2N2:Eu2 +와 같은 옥시나이트라이드(Oxinitride)가 적합하며, 이 때 M은 예컨대 Ba, Ca, Sr과 같은 알칼리토 금속을 나타낸다.
상기 실시예에 따른 반도체 광원 및 다른 실시예에 따른 반도체 광원을 위해, 예컨대 일반식 M2SiO4:SE, - 이 때 M은 예컨대 Mg, Ca, Sr, Ba와 같은 알칼리토금속을, SE는 유로퓸(Eu2 +)과 같은 희토류를 나타냄 - 을 가진 오르토실리케이트 발광 물질이 매우 양호하게 적합하다. 일반적으로, 오르토실리케이트 발광 물질은 효율이 매우 높다. 오르토실리케이트 발광 물질의 경우, 발광 물질의 방출 거동이 온도 편차, 특히 온도 상승에 의해 저하될 위험이 크다. 그러나, 유리하게도, 본 출원에 따른 반도체 광원의 경우, 이러한 위험은 감소되거나 제거된다. 오르토실리케이트 발광 물질은 예컨대 전자기 복사를 녹색, 황색 및/또는 황색/주황색 스펙트럼 영역으로 변환한다.
일 실시예에서, 발광 변환 소자(6)에는 예컨대 스트론튬-클로린 아파타이트, 스트론튬-알루미네이트, 니트리도실리케이트를 함유한 발광 물질 혼합물이 포함되어 있다. 예컨대, 상기 혼합물은 47%wt의 스트론튬-클로라파타이트, 48%wt의 스트론튬-알루미네이트 및 5%wt의 니트리도실리케이트(Nitridosilicate)를 함유한다. 적합한 실시예에서, 그러한 발광 물질 혼합물은, 특히 405 nm의 제 1 파장의 1차 복사(5)가 여기될 때, 백색광을 방출하도록 제공된다. 백색광은 예컨대 CIE 표준 색상 차트에서 x=0.354, y=0.386이란 색도 좌표를 가진다.
발광 변환 소자(6)는 세라믹 물질이 되도록 소결된 발광 물질로 구성된 판으로 형성된다. 상기 판은 평면도 상에서 직사각형 또는 정사각형의 형태이다. 또는, 상기 판은 평면도 상에서 다면체, 동심원면, 타원형면 또는 동심원면이나 타원형면의 세그먼트의 형태를 가질 수 있다.
발광 변환 모듈은 2개의 부분 영역들(71, 72)로 구성된 반사층(7)을 더 포함한다. 반사층(7)의 제 1 부분 영역(71)은 발광 변환 소자(6) 및 냉각체(3) 사이에 배치된다. 상기 부분 영역은 발광 변환 소자(6)의 제 2 주요면(602)을 완전히 덮는다. 반사층(7)의 제 2 부분 영역(72)은 발광 변환 소자(6)의 측면(603)을 완전히 덮는다. 반사층(7)에 의해 덮이지 않은 발광 변환 소자(6)의 제 1 주요면(601)은 상기 부재의 광 디커플링면을 나타낸다. 상기 광 디커플링면은 냉각체(3)를 향해 있는 제 2 주요면(602)에 대향된다. 적어도 발광 변환 소자(6)를 향한 반사층의 내부면은 반사 기능, 특히 거울 기능을 하도록 형성된다.
본 명세서에서, 반사층(7)이란 유전체층 및 금속층으로 구성된 층 시퀀스를 가리킨다. 발광 변환 소자(6)의 세라믹 물질은 적어도 측면들(603) 및 제 2 주요면(602)에서 가령 산화규소층, 특히 이산화규소층과 같은 유전체층을 평탄화층으로서 구비하고, 금속층은 상기 유전체 평탄화층상에 증발증착된다. 반사층의 층 두께는 50 nm 이하이다. 발광 변환 소자(6) 및 반사층(7)의 결합물은 예컨대 접착제층 또는 바람직하게 땜납층을 이용하여 냉각체(3)에 고정된다.
또는, 반사층(7) 또는 적어도 반사층(7)의 제 1 부분 영역(71)은 냉각체(3)에 형성될 수 있고, 예컨대 반사층(7)의 제 1 부분 영역(71)은 냉각체(3) 상에 증발증착된다. 이는, 특히 발광 변환 모듈(2)의 실시예에서 발광 변환 소자(6)가 예컨대 전기 영동적으로 또는 압축 공정을 이용하여 제 1 부분 영역(71) 상에 증착되는 경우에 유리하다.
다른 실시예에서, 반사층(7)의 제 2 부분 영역은 적어도 하나의 반사판 또는 적어도 하나의 반사 밴드를 포함하고, 상기 반사판/반사 밴드는 특히 금속을 포함하고, 포함하거나 거울 기능을 하도록 코팅된다. 반사판 및/또는 반사 밴드는 예컨대 적어도 하나의 측면(603)과 접착되며, 가령 실리콘 수지를 이용한다.
1차 복사원(1)으로부터 방출된 1차 복사(5)는 제 1 주요면(601)에 대해 각(α)을 이루며 발광 변환 소자(6)에 커플링된다. 여기서 상기 복사는 발광 물질에 의해 적어도 부분적으로 흡수되어, 발광 변환 소자(6)가 2차 복사를 방출하고, 상기 2차 복사는 제 1 주요면(601)을 통해 디커플링된다.
발광 변환 소자로부터 제 1 주요면(601)의 방향이 아닌 반사층(7)의 방향으로 방출된 2차 복사는 적어도 부분적으로 상기 반사층(7)에 의해 제 1 주요면(601)의 방향으로 반사된다. 또한, 반사층(7)은 발광 변환 소자(6)에 커플링되고 상기 제 1 주요면(601)으로부터 제 2 주요면(602)으로 진행하는 경로에서 발광 변환 물질에 흡수되지 않은 1차 복사를 반사층(7)의 제 1 부분 영역(71) 및/또는 제 2 부분 영역(72)에서 발광 변환 소자(6)로 재귀 반사하도록 제공된다.
제 1 주요면(601) 다음에 파장 선택적 디커플링 거울(8)이 배치된다. 디커플링 거울(8)은 제 1 주요면(601)으로부터 이격되어, 1차 복사(5)는 제 1 주요면(601) 및 디커플링 거울(8) 사이의 영역을 통해 발광 변환 소자(6)로 커플링되도록 안내된다.
광 디커플링 거울(8)은 발광 변환 소자(6)로부터 방출된 2차 복사에 대해 투과 계수가 크고, 1차 복사(5)에 대한 반사 계수가 크다. 이러한 방식으로, 예컨대 제 1 주요면(601)에서 반사된 1차 복사(5)는 다시 발광 변환 소자(6)의 방향으로 재귀 반사된다. 파장 선택적 광 디커플링 거울(8)은, 변환되지 않은 1차 복사(5)가 예컨대 UV 광을 포함한 제 1 파장 영역에 있어서 반도체 광원으로부터 출사될 필요가 없는 경우에 유리하다.
도 2는 제 2 실시예에 따른 반도체 광원의 개략적 단면도이다. 제 1 실시예와 달리, 제 2 실시예에서 1차 복사원(1)의 1차 복사는 광학 부재(10)를 이용하여 발광 변환 소자(6)로 커플링된다. 광학 부재(10)란 유리섬유와 같은 도광부를 가리킨다. 유리 섬유(10)를 이용하여, 1차 복사원(1)의 위치가 커플링각(α)과 실질적으로 무관하게 선택될 수 있다.
제 1 실시예와 또 다른 차이점은, 제 2 실시예의 제 1 주요면(601)이 거칠게 되어 있다는 것이다. 예컨대, 거친 제 1 주요면(601)에서 1차 복사(5)의 일부는 발광 변환 소자(6)로 커플링되고, 1차 복사(5)의 다른 부분은 발광 변환 소자로부터 멀어지는 방향으로 산란된다. 이후, 반도체 광원은 1차 복사원(1)의 변환되지 않은 1차 복사 및 발광 변환 모듈(2)의 변환된 2차 복사를 포함한 전자기 복사를 방출한다.
1차 복사(5)의 디커플링이 필요하지 않은 경우에, 이러한 혼합 복사, 또는 적어도 2차 복사는 빔 형성 부재(9), 가령 집광 렌즈, 렌즈계, 거울 및/또는 도광부를 통과하여 디커플링된다.
도 3A 및 3B에는 반도체 광원의 제 3 실시예가 개략적 단면도(도 3A) 및 개략적 평면도(도 3B)로 도시되어 있다. 선행한 실시예와 달리, 제 3 실시예에서, 1차 복사원(1)은 별도의 냉각체(4) 상에 배치되지 않고, 발광 변환 모듈(2)과 동일한 냉각체(3) 상에 배치된다.
또한, 1차 복사(5)는 발광 변환 소자의 광 디커플링면(601)을 통해 발광 변환 소자(6)로 커플링되지 않는다. 오히려, 측면(603)을 통해 커플링 영역(21)으로 커플링이 이루어진다. 반사층(7)의 제 2 부분 영역(72)은 발광 변환 소자(6)의 측면(603)을 상기 커플링 영역(21)에 이르기까지 완전히 덮는다. 커플링 영역(21)은 광 디커플링면(601)의 평면도상에서 발광 변환 소자(6)의 테두리 영역에 배치된다.
발광 변환 소자(6)는 상기 발광 변환 소자의 제 1 주요면(601)의 평면도 상에서 직사각형 형태를 가진다. 1차 복사의 확산 방향은 제 1 주요면(601)의 평면도 상에서 직사각형의 변에 대해 각(β)을 이루며, 이 때 0°＜β＜90°,바람직하게 1°≤β≤45°, 예컨대 5°≤β≤25°가 해당한다.
1차 복사 다발이 평행화된 빔 다발이 아닌 경우에, "확산 방향(propagation direction)"이란 개념은 1차 복사(5)가 확산되는 복사 원뿔의 중앙축을 의미한다. 1차 복사(5)가 발광 변환 모듈(2)에 커플링되기 전에 광학 부재(10)를 통과한다면, 커플링 영역(21)에서의 확산 방향이 중요하다.
바람직하게는, 각(β)은, 커플링 영역(21)에 커플링된 후 발광 변환 소자(6)를 통과하는 산란되지 않은 1차 복사(5)가 반사층(7)의 제 2 부분 영역(72)에서 제 1 거울 반사된 이후 커플링 영역(21)으로 재귀 반사되지 않도록 선택된다.
L이 커플링 영역(21)에 속한 변에 대해 수직인 직사각형 변의 길이이고, BE는 거울 코팅되지 않은 커플링 영역(21)의 폭이며, nA는 발광 변환 소자(6) 밖의 커플링 영역(21)에서의 굴절률이고, nI가 발광 변환 소자(6)에서의 굴절률이라면, 각(β)에 대해 β≥arcsin[(nIBE)/(2nAL)]이 성립하는 것이 바람직하다.
이러한 방식으로, 산란되지 않은 1차 복사(5)는 반사층(7)의 제 2 부분 영역(72)에서의 다중 반사를 이용하여 지그재그 방식으로 발광 변환 소자(6)의 중앙 영역을 지나, 일 테두리 영역에 대향된 다른 테두리 영역으로 안내되며, 이는 도 3B에서 화살표로 표시된다. 매 발광 변환 소자(6)를 통과할 때마다, 1차 복사(5)의 일부가 흡수되고, 2차 복사로 파장 변환된다.
다중 반사를 이용하면, 발광 물질이 매우 효율적으로 활용될 수 있다. 특히, 예컨대 1차 복사가 1회만 통과하는 발광 변환 소자에 비해 변환에 필요한 발광 물질량이 감소한다. 이러한 방식으로, 반도체 광원이 매우 비용 효과적으로 제조될 수 있다. 그와 동시에, 다중 반사를 이용하여 2차 복사가 공간적으로 매우 양호한 균일도를 가질 수 있다.
제 3 실시예에서, 1차 광원(1)은 베이스(11) 상에 배치된다. 베이스(11)를 이용하면, 1차 광원(1)이 냉각체(3)와 가지는 간격은, 1차 복사(5)의 확산 방향이 대략적으로 발광 변환 소자(6)의 중앙면에 위치하도록 맞춰진다. 중앙면은, 특히 제 1 및 제 2 주요면(601, 602)에 대해 평행하며, 상기 주요면 각각으로부터 동일한 간격을 가진다.
도 3C에 도시된 제 3 실시예의 변형에서, 커플링 영역(21)은 파장 선택적 커플링 거울(12)을 포함한다. 커플링 거울(12)은 제 1 파장 영역, 즉 1차 복사(5)에 대해 투과 계수가 크고, 제 2 파장 영역, 즉 발광 변환 소자(6)의 2차 복사에 대해 반사 계수가 크다. 커플링 거울(12)을 이용하면, 발광 변환 소자(6)의 휘도가 매우 균일하게 얻어진다.
제 3 실시예에서, 발광 변환 소자의 제 1 주요면(601)의 평면도 상에서 발광 변환 소자(6)의 치수(L)가 1 mm이상, 예컨대 1 내지 50 mm, 특히 2 내지 30 mm인 반면, 도 3C에 다른 제 3 실시예의 변형에서 발광 변환 소자(6)의 횡방향 치수는 0.5 mm이하, 바람직하게는 100 ㎛이하, 예컨대 10 ㎛이하이다.
상기 실시예에서, 반도체 광원은 거의 점광원에 가까우며, 상기 점광원은 매우 간단하게 광학적으로 상을 맺을 수 있다. 반사층(7) 및 냉각체(3)의 조합을 이용하여, 발광 변환 소자(6)로부터 손실열이 매우 양호하게 발산됨으로써, 발광 변환 모듈(2)은 고에너지 밀도의 1차 복사가 커플링되기에 적합하고, 반도체 광원의 휘도는 매우 높다.
특히, 1차 복사원(1)은 상기 실시예 또는 다른 실시예에 따른 반도체 광원에 양호하게 적합하며, 상기 1차 복사원은 예컨대 0.5 W 이상의 복사 파워로 1차 복사(5)를 방출하고, 일 실시예에서 1 W 이상의 복사 파워로 1차 복사(5)를 방출한다. 특히, 예컨대 100 ㎛이하, 특히 10 ㎛이하의 작은 횡방향 치수를 가진 발광 변환 소자인 경우, 낮은 복사 파워, 예컨대 0.2 W 이상 또는 0.1 W 이상을 가진 1차 복사원(1)도 반도체 광원의 고휘도를 달성하기에 양호하게 적합하다.
도 4는 반도체 광원의 제 4 실시예를 도시한다. 제 3 실시예에 따른 반도체 광원과 달리, 제 4 실시예에 따른 반도체 광원의 발광 변환 모듈(2)은 파장 선택적 커플링 거울(12)을 포함하고, 예컨대 분포된 브래그 반사체(DBR, distributed bragg reflector)를 포함한다. 도 3C에 따른 제 3 실시예의 변형과 같이, 파장 선택적 커플링 거울(12)은 커플링 영역(21)에 배치된다.
또한, 발광 변환 모듈(2)은 복수 개의 냉각립(13)을 포함한다. 냉각립(13)은 제 2 주요면(602)으로부터 제 1 주요면(601)까지 발광 변환 소자(6)의 총 두께에 걸쳐 연장된다. 냉각립은 반사층(7)의 제 1 부분 영역(71)과 열 전도적으로 결합된다.
복수 개의 제 1 냉각립(13)은 커플링 영역(21)을 포함한 측에서 반사층(7)의 제 2 부분 영역(72)에 인접한다. 나머지 냉각립(13)은 대향된 측에서 제 2 부분 영역(72)에 인접한다. 냉각립(13)은 평면도 상 직사각형인 발광 변환 소자(6)의 나머지 양측에 대해 평행하다. 냉각립의 길이는 예컨대 상기 측의 길이의 1/2 이하이다.
복수 개의 제 1 냉각립(13) 및 나머지 냉각립(13)은 서로 반대 방향으로 오프셋되어, 개방된 지퍼 형태로 서로 대향된다. 냉각립(13)은, 확산 방향에서 발광 변환 소자(6)로 커플링된 1차 복사가 반사층(7)의 측면 부분 영역(72)에서 거울 반사될 때, 그리고 발광 변환 소자(6)에서의 산란 및 흡수를 제외하고 빔 경로에 상기 냉각립(13)이 포함되지 않도록 배치된다.
도 5는 제 5 실시예에 따른 반도체 광원의 개략적 평면도이다. 상기 실시예에서, 발광 변환 소자(6)는 상기 발광 변환 소자의 제 1 주요면(601)의 평면도 상에서 타원형 세그먼트의 형태를 가지며, 특히 주축들 중 하나를 따라 반으로 나뉜 타원형면의 형태를 가진다.
1차 복사원(1)은 복수 개의 레이저 다이오드(110)를 포함하고, 예컨대 레이저 다이오드바를 포함한다. 레이저 다이오드(110)는, 집광 렌즈(10)에 의해 집속되고 발광 변환 소자(6)의 커플링 영역으로 지향된 발산성 복사 다발로 1차 복사(5)를 방출한다. 1차 복사의 확산 방향, 즉 복사 다발의 중앙축은 도 5에서 점선으로 표시되어 있다.
제 3 및 제 4 실시예와 달리, 커플링 영역(21)의 폭(BE)은 측면(603)의 1/2길이 이상이며, 상기 측면에서 1차 복사(5)가 발광 변환 소자(6)로의 커플링이 이루어진다. 상대적으로 큰 커플링 영역(21)은 1차 복사원(1)의 복수 개의 레이저 다이오드(110)를 이용하여 유리하게도 매우 균일하게 조사된다.
도 6A 및 6B에 개략적 단면도(도 6A) 및 평면도(도 6B)로 도시된 반도체 광원의 제 6 실시예에서, 냉각체(3)는 함몰부(31)를 포함하고, 상기 함몰부의 내부면이 반사면(7)을 형성한다. 함몰부(31)의 바닥면은 반사면(7)의 제 1 부분 영역(71)을 나타내며, 함몰부(31)의 측벽은 반사면(7)의 제 2 부분 영역(72)을 나타낸다. 발광 변환 소자(6)는 부분적으로 또는 완전히 함몰부(31)에 배치된다. 바람직하게는, 발광 변환 소자는 함몰부(31)의 테두리보다 돌출되지 않는다.
1차 복사원(1)은 냉각체(3)의 다른 함몰부(32)에 배치된다. 이러한 방식으로, 1차 복사원(1)은 발광 변환 소자(6)를 관통하는 평면에서 1차 복사(5)를 방출한다.
함몰부(31, 32)는 1차 복사원(1)으로부터 발광 변환 모듈(2)로 1차 복사(5)가 안내될 때 통과하는 채널(33)을 통해 냉각체(3)에서 서로 결합된다. 채널(33)에는 예컨대 광학 부재, 본 도면에는 도광 로드(10)가 배치될 수 있다. 도광 로드를 이용하면, 1차 복사(5)는 특히 손실없이 발광 변환 소자(6)로 안내된다.
도 7은 제 7 실시예에 따른 반도체 광원의 개략적 단면도를 도시한다. 제 7 실시예에서, 1차 복사원(1)은 하우징(120)에서 발광 다이오드(110)를 포함한다. 발광 다이오드 소자의 하우징(120)은 발광 변환 모듈(2)과 동일한 냉각체(3) 상에 실장된다.
제 6 실시예의 경우와 같이, 1차 복사(5)가 도광 로드(10)를 이용하여 발광 변환 모듈(2)로 안내된다. 그러나, 제 3 내지 제 6 실시예와 달리, 1차 복사(5)의 확산 방향은 발광 변환 소자(6)를 통과하지 않는다. 그 대신, 상기 실시예에서, 1차 복사(5)는 발광 변환 모듈(2)의 도광판(10A)으로 커플링된다. 도광판(10A)은 발광 변환 소자(6)의 제 1 주요면(601) 및 파장 선택적 디커플링 거울(8) 사이에 배치된다. 파장 선택적 디커플링 거울(8)은 예컨대 1차 복사의 단파 부분, 가령 자외 부분을 반사하며, 가시 스펙트럼 영역에서 투과 계수가 높다. 특히, 디커플링 거울(8)은 1차 복사(5)의 장파 부분을 투과시킨다.
반사층(7)의 제 2 부분 영역(72)은 발광 변환 소자(6)의 측면뿐만 아니라 도광판(10A)의 측면에 걸쳐 연장된다. 이러한 방식으로, 1차 복사(5)는 전체 도광판(10A) 또는 적어도 도광판(10A)의 많은 영역에 걸쳐 분포한다.
1차 복사(5)는 도광판(10A)에서 산란된다. 이러한 목적을 위해, 예컨대, 도광판(10A)은 확산 입자를 함유한다.
1차 복사(5)의 일부는 발광 변환 소자(6)의 방향으로 산란되고, 상기 발광 변환 소자의 제 1 주요면(601)을 지나 발광 변환 소자(6)로 커플링되며, 발광 물질에 의해 제 2 파장 영역의 2차 복사로 파장 변환된다. 1차 복사(5)의 다른 부분은 디커플링 거울(8)의 방향으로 산란된다. 반도체 광원은, 1차 복사(5) 및 2차 복사로 구성된 혼합광을 방출한다. 예컨대, 광 디커플링 거울(8)로부터 투과된 1차 복사(5) 부분, 및 2차 복사는 서로 보완적 파장 영역에 위치하여, 반도체 광원은 백색 색감을 발생시키는 광을 방출한다.
도 8은 제 8 실시예에 따른 반도체 광원의 개략적 단면도이다.
반도체 광원은 예컨대 제 1 실시예와 유사한 실시예에서 냉각체(3) 상의 발광 변환 모듈(2)을 포함한다.
제 1 실시예와 달리, 파장 선택적 디커플링 거울(8)은 광 디커플링면(601)에 대해 평행하지 않다. 오히려, 파장 선택적 디커플링 거울(8)은 광 디커플링면(601)에 대해 경사 배치된다. 이러한 방식으로, 상기 거울은 1차 복사원으로부터 방출된 1차 복사(5)를 방향전환시켜, 상기 복사가 적어도 부분적으로 광 디커플링면(601)에 입사되고, 상기 광 디커플링면을 통과하여 발광 변환 소자(6)로 커플링된다. 파장 선택적 디커플링 거울(8)은 동시에 광학 부재(10)를 나타내기도 하며, 상기 광학 부재를 이용하여 1차 복사(5)가 발광 변환 모듈(2)로 커플링된다.
상기 실시예에서, 광학 부재(10)는 파장 선택적 오목 거울로 실시된다. 오목 거울(10)의 굴곡 및 정렬은 1차 복사원(1)으로부터 방출된 발산성 1차 복사-다발(5)이 상기 오목 거울(10)에 의해 광 디커플링면(601)에 대해 거의 수직으로 입사되는 평행 복사 다발로 변환되도록 선택된다. 발광 변환 소자(6)로부터 방출된 2차 복사(15)는 오목 거울에 의해 반사되지 않는 것이 바람직하다.
제 8 실시예에서, 1차 복사원(1)은 자외 스펙트럼 영역에서 1차 복사(5)를 방출하는 적어도 하나의 발광 다이오드칩을 포함한다.
도 9에는 제 9 실시예에 따른 반도체 광원이 개략적 단면도로 도시되어 있다.
제 6 실시예(도 6A 및 6B 참조)와 같이 상기 실시예에서, 발광 변환 소자(6)는 냉각체(3)의 함몰부(31)에 배치된다. 제 6 실시예와 달리, 발광 변환 소자는 함몰부(31)의 측벽(72)에 의해 측면에서 완전히 둘러싸인다.
반도체 광원은 복수 개의 1차 복사원(1)을 포함하고, 예컨대 2개의 1차 복사원(1)을 포함한다. 상기 복사원은 예컨대 제 8 실시예의 경우와 같이 각각 적어도 하나의 발광 다이오드칩(110)을 포함하고, 상기 발광 다이오드칩은 예컨대 자외 스펙트럼 영역에서 방출이 최대이다. 발광 다이오드칩(110)은 각각 소자 하우징에 포함되며, 상기 하우징은 빔 형성을 위해 반사체 및 렌즈의 광학적 배열을 포함한다. 1차 복사원(1)은 예컨대 냉각체(3)에서 함몰부(31)를 포함한 면에 고정되며, 상기 함몰부에 발광 변환 소자(6)가 포함된다.
제 7 실시예의 경우와 같이, 1차 복사(5)의 확산 방향은 우선 발광 변환 소자(6)의 방향으로 진행하지 않고, 상기 발광 변환 소자의 방향에 대해 오프셋된다. 그러나, 각 1차 복사원(1)에 파장 선택적 디커플링 거울(8)의 세그먼트(81 또는 82)가 부속하고, 상기 세그먼트는 선행한 실시예의 경우와 유사하게 동시에 광학 부재(10)를 나타내며, 상기 광학 부재는 1차 복사(5)를 발광 변환 소자(6)의 광 디커플링면(601)으로 방향전환한다. 디커플링 거울(8)의 세그먼트(81, 82)는 적어도 부분적으로 투광성인, 바람직하게 투명한 위치 설정 부재(10B)에 매립된다. 또는, 상기 세그먼트는 위치 설정 부재(10B)의 외부면에 형성되거나, 그에 맞추어 형성되거나 또는 고정될 수 있다. 위치 설정 부재(10B)를 이용하면, 파장 선택적 디커플링 거울(8)은 간단한 방식으로 발광 변환 소자(6)쪽으로 정렬된다. 위치 설정 부재(10B)는 광 디커플링면(601)을 위한 기계적 보호 기능도 한다.
디커플링 거울(8)의 두 세그먼트(81, 82)는 공통의 변에서 만나서, 디커플링 거울(8)이 V형 단면을 가진다. "V"의 뾰족한 끝 및 세그먼트(81, 82)의 공통변은 광 디커플링면(601)을 향한다. 제 9 실시예에서, 광학 부재(10)의 세그먼트(81, 82)는 평편한 표면이며, 광 디커플링면(601)과 각(γ)을 이루고, 상기 각은 45°이다.
파장 선택적 디커플링 거울(8)을 포함한 광학 부재(10)상에 예컨대 빔 형성 부재(9)가 배치되며, 상기 빔 형성 부재는 디커플링 거울(8)의 세그먼트(81, 82)를 통과하는 2차 복사(15)의 형성을 위해 제공된다. 일 실시예에서, 빔 형성 부재는 광학 부재와 조합되어 형성될 수 있다.
상기 실시예의 변형예에서, 디커플링 거울(8)은 4 개의 세그먼트(81, 82)를 포함하고, 상기 세그먼트는 예컨대 정사각형 또는 직사각형 기본면을 가진 피라미드의 측면을 나타낸다. 바람직하게는, 피라미드의 뾰족한 끝(81, 82)은 광 디커플링면(601)을 향해있고, 상기 피라미드의 중앙축은 바람직하게는 광 디커플링면(601)에 수직이다. 상기 변형예에서, 반도체 광원은 예컨대 4 개의 1차 복사원(1)을 포함하며, 상기 1차 복사원은 각각 상기 세그먼트들 중 하나를 조사한다.
본 발명은 상술한 실시예에 대한 설명에 의하여 상기 설명에 한정되지 않는다. 오히려, 본 발명은 각각의 새로운 특징 및 특징들의 각 조합을 포함하고, 비록 이러한 특징 또는 이러한 조합이 그 자체로 명백하게 특허 청구 범위 및/또는 실시예에 제공되지 않더라도, 특히 특허 청구 범위 및 실시예에서 특징들의 각 조합을 포함한다.
1: 1차 복사원
2: 파장 변환 모듈
3: 냉각체
6: 발광 변환 소자
601: 광 디커플링 면
7, 71, 72: 반사면

Claims (15)

1차 복사원(1) 및 발광 변환 모듈(2)을 포함하는 반도체 광원에 있어서,
상기 1차 복사원은 상기 반도체 광원의 동작 시 전자기 1차 복사(5)를 방출하고, 상기 1차 복사(5) 중 적어도 일부는 상기 발광 변환 모듈에 커플링되며,
상기 발광 변환 모듈(2)은 적어도 하나의 발광 물질을 이용하여 상기 커플링된 1차 복사(5) 중 적어도 일부를 2차 복사(15)로 파장 변환하는 발광 변환 소자(6)를 포함하고,
상기 발광 변환 소자(6)는 상기 1차 복사원(1)으로부터 이격되어 냉각체(3)에 배치되고,
상기 발광 변환 소자(6)는 반사면(7, 71, 72)을 포함하고, 상기 반사면은 상기 발광 변환 소자에 의해 흡수되지 않고 상기 발광 변환 소자(6)를 통과하는 1차 복사(5)를 상기 발광 변환 소자(6)로 재귀 반사하고, 재귀 반사하거나 상기 2차 복사(15)를 상기 발광 변환 모듈(2)의 광 디커플링 면(light decoupling surface)(601)의 방향으로 반사하는 반도체 광원.
제 1항에 있어서,
상기 발광 변환 모듈(2)에 커플링된 1차 복사(5)는 상기 반사면(7, 71, 72)에서 다중 반사되는 반도체 광원.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 발광 변환 소자(6)는 단결정의 형태를 가진 발광 물질을 포함하거나, 단결정 발광 물질로 구성되거나, 또는 상기 발광 변환 소자(6)는 세라믹 물질의 형태의 발광 물질을 포함하거나 상기 세라믹 물질 형태의 발광 물질로 구성되는 반도체 광원.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 1차 복사원(1)은 상기 발광 변환 모둘(2)과 동일한 냉각체(3)에 배치되는 반도체 광원.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발광 변환 소자(6)는 실질적으로 평평한 층 또는 판의 형태를 가지며, 그 표면은 광 디커플링 면을 나타내는 제 1 주요면(601), 상기 제 1 주요면에 대향하며 냉각체를 향하는 제 2 주요면(602) 및 적어도 하나의 측면(603)을 포함하는 반도체 광원.
제 5항에 있어서,
상기 반사면(7, 71, 72)은 상기 적어도 하나의 측면(603)을 국부적으로 또는 완전히 덮는 반도체 광원.
제 5항 또는 제 6항에 있어서,
상기 반사면(7, 71, 72)은 제 2 주요면(602)을 적어도 국부적으로 덮는 반도체 광원.
제 5항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 1차 복사원(1)의 1차 복사(5)는 상기 제 1 주요면(601) 또는 측면(603)을 통해 상기 발광 변환 소자(6)로 커플링되는 반도체 광원.
제 5항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 1차 복사원(1)의 1차 복사(5)는 측면(603)을 통해 발광 변환 소자(6)로 커플링되고, 상기 커플링은 파장 선택적 커플링 거울(12)을 통해 이루어지며, 상기 파장 선택적 커플링 거울은 상기 1차 복사(5)에 대한 투과 계수가 크고, 상기 2차 복사(15)에 대한 반사 계수가 큰 반도체 광원.
제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 2차 복사(15)는 파장 선택적 디커플링 거울(8)을 통과하여 상기 발광 변환 모듈(2)로부터 디커플링되고, 상기 파장 선택적 디커플링 거울은 상기 1차 복사(5)의 적어도 일부에 대해 반사 계수가 크고, 상기 2차 복사(15)에 대해 투과 계수가 큰 반도체 광원.
제 5항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발광 변환 모듈(2)은 적어도 하나의 냉각 부재(13)를 포함하고, 상기 냉각 부재는 상기 발광 변환 소자(6) 안으로 돌출되거나 상기 발광 변환 소자(6)를 관통하여 돌출되며, 상기 냉각체(3)와 열 전도적으로 결합하는 반도체 광원.
제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 1차 복사(5)는 광학 부재(10)를 이용하여 상기 발광 변환 모듈(2)로 커플링되는 반도체 광원.
제 12항에 있어서,
상기 광학 부재(10)는 파장 선택적 디커플링 거울(8)을 포함하고, 상기 파장 선택적 디커플링 거울은 상기 1차 복사(5)의 적어도 일부에 대해 반사 계수가 크고, 상기 2차 복사(15)에 대해 투과 계수가 크며, 상기 2차 복사(15)는 상기 파장 선택적 디커플링 거울(8)을 통과하여 상기 발광 변환 모듈(2)로부터 디커플링되는 반도체 광원.
제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 냉각체(3)는 상기 파장 변환 부재(6)를 포함하는 반도체 광원.
제 14항에 있어서,
상기 발광 변환 소자(6)는 적어도 부분적으로 상기 냉각체(3)의 함몰부(31)에 배치되고, 적어도 상기 함몰부(31)의 표면의 일부 영역은 반사면(7, 71, 72) 또는 상기 반사면의 일부를 형성하는 반도체 광원.
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