KR20100089113A

KR20100089113A - 하이브리드 상부 반사기를 갖는 측면 방출 장치

Info

Publication number: KR20100089113A
Application number: KR1020107015267A
Authority: KR
Inventors: 헨드릭 제이. 비. 자그트
Original assignee: 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2007-12-11
Filing date: 2008-12-08
Publication date: 2010-08-11
Also published as: CN101897039A; WO2009074944A1; EP2223353B1; TWI476945B; CN101897039B; KR101587573B1; EP2223353A1; JP5480158B2; EP2223353B8; TW200941770A; JP2011507256A

Abstract

기판(102)으로부터 거리를 두고 배치되고 상기 기판의 연장을 따라 연장하는 산란 반사기(103)에 대향하여 상기 기판(102) 상에 배열된 적어도 하나의 발광 다이오드(101)를 포함하는 측면 방출 발광 장치(100)가 제공된다. 상기 반사기는 상기 기판에 대향하는 산란 층(108) 및 상기 산란 층 상에 배열된 반사 층(109)을 포함하고, 상기 산란 층은 상기 기판에 대향하는 거칠게 된 표면(111) 및 고체 투과성 재료(106, 115)의 굴절률과 다른 굴절률을 나타낸다. 반사기(103)의 산란 작용은 장치에서 각도 재분포를 일으키고, 이것은 광이 반사기와 기판 사이의 측면 구멍들을 통하여 장치에서 나가는 가능성을 증가시키고, 한편 불투명성은 광이 상부 표면을 통하여 방출되는 것을 막는다.

Description

하이브리드 상부 반사기를 갖는 측면 방출 장치{SIDE EMITTING DEVICE WITH HYBRID TOP REFLECTOR}

본 발명은 기판으로부터 거리를 두고 배치되고 상기 기판의 연장을 따라 연장하는 산란 반사기에 대향하여 상기 기판 상에 배열된 적어도 하나의 발광 다이오드를 포함하는 측면 방출 발광 장치에 관한 것이다.

인광 변환된 고출력 LED뿐만 아니라 컬러 LED는 효율적인 고휘도 광원으로서 대형 백라이트 패널에서 이용하기에 매력적이다. 그러나, 휴대폰, PDA 등과 같은, 핸드헬드 디스플레이 장치를 위한 얇은 백라이트와 같은, 어떤 응용들에서는, 광원으로서 얇은 측면 방출 발광 장치(side emitting light emitting device)를 이용하는 것이 바람직하다.

측면 방출 발광 장치는, 발광 다이오드로부터의 광이 전반사(total internal reflection)에 의하여 장치의 측면들을 향하여 반사되도록 설계되어 있는 반사성 표면의 아래에 기판 상에 배열된 발광 다이오드를 기술하고 있는, Kim 등의, US 2006/0208269 A1에 기술되어 있다. LED로부터 반대 측의, 반사성 표면의 배후에는, 반사성 표면을 통과한 광, 즉, 반사성 표면에서 전반사를 겪지 않은 광을 산란시키고 반사성 표면을 통하여 도로 반사시키기 위하여 산란 재료가 배열되어 있다.

그러나, 상기 장치가 적당하게 동작하기 위해서는, 상기 반사성 표면은 밑으로부터 오는 광이 전반사에 의하여 측면들로 반사되도록 기울어져 있어야 한다. 따라서, 기판으로부터 반사 표면까지의 거리는 측면들을 향하여 점차 증가해야 한다. 이것은 장치의 총 두께를 증가시킨다. 또한, 광이 상부 표면을 통하여 산란 재료로부터 떠나는 것을 막기 위해서는, 산란 재료는 상당한 두께를 가질 필요가 있고, 이것도 장치의 총 두께를 증가시킬 수 있다.

따라서, 이 기술 분야에서는 상부 표면을 통하여 광을 방출하지 않는 측면 방출 발광 장치가 요구되고 있다.

[발명의 개요]

본 발명의 목적은 이 문제를 적어도 부분적으로 극복하고, 상부 표면을 통하여 광을 방출하지 않으면서, 낮은 두께를 갖고 용이하게 제조될 수 있는 측면 방출 장치를 제공하는 것이다.

따라서, 제1 양태에서 본 발명은 기판으로부터 거리를 두고 상기 기판의 연장을 따라 연장하는 본질적으로 불투명한 반사기에 대향하여 상기 기판 상에 배열된 적어도 하나의 발광 다이오드를 포함하는 측면 방출 발광 장치를 제공한다. 상기 반사기는, 임의의 입사 각도로부터 그것에 입사하는 광이 반사되어 산란되도록, 본질적으로 불투명한 정반사성 컴포넌트(specular component) 및 산란 컴포넌트(scattering component)를 포함한다.

상기 LED에 의해 방출된 광은 상기 반사기에 입사하고, 입사 각도에 관계없이 그것은 산란되고 반사될 것이다. 상기 반사기, 즉 상기 정반사성 컴포넌트는 본질적으로 불투명하기 때문에, 어떤 상당한 양의 광도 상기 반사기를 통하여 상기 장치에서 나가지 않을 것이고 따라서, 상기 장치에서 나가는 모든 광은 상기 기판과 상기 반사기 사이의 구멍(opening)에서 나가야 한다. 또한, 상기 반사기는 본질적으로 불투명하기 때문에, 상기 반사기의 상기 산란 컴포넌트는 소망의 산란 작용을 달성하기에 족할 만큼 두껍게 만들어질 수 있다. 산란 작용은 상기 장치에서 각도 재분포(angular redistribution)를 일으키고, 이것은 어쨌든 광이 장치에서 나가는 가능성을 증가시킨다. 따라서, 산란 반사기는 정반사성 반사기 상의 광 추출을 증가시킬 것이다.

상기 산란 반사기는 상기 기판에 대향하는 산란 층 및 상기 산란 층 상에 배열된 반사 층을 포함하고, 상기 산란 층은 상기 기판에 대향하는 거칠게 된 표면을 나타내고, 고체 투과성 재료(solid transmissive material)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는다. 상기 산란 층은, 이 실시예에서, 투명한 재료일 수 있다. 상기 기판과 상기 반사기 사이의 고체 투과성 재료는 높은 굴절률의 LED 재료로부터 예를 들면 공기로보다 더 높은 굴절률의 고체 층으로 더 적은 광이 반사되기 때문에 LED로부터 더 효율적으로 광이 추출되게 한다. 또한, LED의 계면에서의 전반사의 임계 각도는 고체 바디에 의해 증가되어, LED로부터의 광 추출을 증가시킨다.

상기 거칠게 된 표면의 거칠기 Ra는 전형적으로 1 nm 내지 1000 nm의 범위에 있다.

상기 반사 층이 상기 산란 층의 위에 배열될 때, 상기 반사기와 마주치는 광은 상기 산란 층을 2번 통과할 것이다. 이것에 의해, 상기 산란 층의 두께는 동일한 정도의 산란을 획득하는 데 있어서 그 위에 반사기가 없는 산란 층에 비하여 대폭적으로 감소된다. 이것은 상기 장치의 총 두께를 감소시키는 데 도움이 된다.

거칠게 된 표면은 일반적으로 예를 들면 상기 고체의 투과성 바디를 소망의 두께로 연마하는 것으로부터 이미 존재한다. 이후에, 상기 정반사성 컴포넌트는 단지 상기 산란 층 위에 접착제로 접착되어야 하고, 상기 접착제는 상기 산란 층으로서 기능한다.

바람직한 실시예들에서, 상기 산란 층은 상기 고체 투과성 재료의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는다.

특정한 각도 분포를 갖는 광이 높은 굴절률로부터 낮은 굴절률로 계면을 통과할 때, 상기 각도 분포는 상기 낮은 굴절률 재료에서 증가된다. 따라서, 이 통과에 따라 양호한 산란 작용이 수행된다. 반사된 광이 도로 상기 높은 굴절률 재료로 되돌아갈 때, 그것은 상당히 더 확산하게 되었다.

본 발명의 실시예들에서, 상기 투과성 재료는 파장 변환 재료를 포함할 수 있다.

상기 기판과 상기 반사기 사이에 파장 변환 재료가 배열될 때, 상기 LED에 의해 방출된 광은 파장 변환을 겪을 것이고, 장치의 사이즈를 증가시키거나 장치에 외부 엘리먼트들을 추가하지 않고, 광 출력의 색이 사용자에 요구에 맞추어질 수 있다. 또한, 상기 파장 변환 재료는 광에 대해 산란 효과를 나타내어, 장치에서의 산란의 이점들을 증가시킬 수 있다.

본 발명의 실시예들에서, 상기 반사기는 본질적으로 상기 기판에 평행으로 배열될 수 있다. 상기 산란 반사기의 산란 효과들로 인해, 상기 반사기는 상기 기판에 평행으로 배열되어, 방출되는 광의 많은 부분이 상기 기판과 상기 반사기 사이의 구멍을 통하여 장치에서 나가게 하면서 얇은 장치를 제공할 수 있다.

이제 본 발명의 이러한 양태들 및 다른 양태들이 본 발명의 현재 바람직한 실시예들을 나타내는 첨부 도면들에 관련하여 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 장치의 하나의 실시예를 단면도로 개략적으로 도시한다.

본 발명의 측면 방출 발광 장치(side emitting light emitting device)(100)의 제1 실시예가 도 1에 개략적으로 도시되어 있고 여기에서 "LED"(101)로 나타내어지기도 하는 발광 다이오드 및 그 LED(101)가 위에 배열되어 있는 기판(102)을 포함한다. 이 도면에 도시되어 있지는 않지만, 이 기술에 전통적인 것으로서 장치 내에는 LED를 위한 구동 회로도 존재한다. LED(101)가 배열되어 있는 기판(102)의 표면 위쪽에 반사기(103)가 배열되어 있다. 따라서, LED(101)는 반사기(103)에 대향한다.

이 실시예에서, 기판(102) 및 반사기(103)는 본질적으로 평행인 것으로 도시되어 있지만, 아래 설명으로부터 뒤따르는 바와 같이, 이것은 본 발명의 모든 실시예에 대하여 필요한 것은 아니다.

기판(102) 및 반사기(103)는, 그들 사이에 배치된 광 전파 영역(115)에 대하여, 각각, 하부 및 상부 한계를 형성한다. 광 전파 영역(115)은 LED에 의해 방출된 광이 그 안에서 전파하도록 비어 있거나(진공), 기체, 액체, 겔(gel)로 채워지거나, 또는 고체 투과성 재료(106)로 채워질 수 있다.

장치는 광 전파 영역(115)의 적어도 하나의 측면 에지에, 및 기판과 반사기 사이에 적어도 하나의 측면 구멍(lateral opening)(114)을 갖고, 그 구멍(들)을 통하여 LED(101)에 의해 방출되어 광 전파 영역(115)에서 전파하는 광이 장치(100)에서 나갈 수 있다.

발광 다이오드(101)는 기판(102) 상에 배열된다. LED(101)로부터의 광은 통상적으로 반구 패턴(half sphere pattern)의 방출 또는 하부 퍼짐(lower spread)과 같은, 상당한 각도 퍼짐(angular spread)을 갖고, 통상적으로 기판의 표면으로부터 수직인 광 방출의 주요 방향을 갖고, 소위 상부 방출(top emissive) LED이다. 그러나, 다른 유형의 LED들도 본 발명의 장치에서 이용될 수 있다.

이 출원에서 사용될 때, 여기에서 "LED"로 단축된 용어 "발광 다이오드"는 무기 기반 LED, 작은 유기 분자 기반 LED(smOLED) 및 중합체 기반 LED(polyLED)를 포함하지만, 이들에 제한되지 않는, 이 기술의 숙련자들에게 알려진 임의의 유형의 발광 다이오드 또는 레이저 방출 다이오드를 나타낸다. 또한, 보다 좁은 튜닝 가능한 광 원뿔(light cone)로 광을 방출하는, 광자 밴드갭 LED도 이용될 수 있다. 본 발명에서 이용하기에 적합한 LED에 의해 방출되는 광은 통상적으로 UV 광으로부터 가시 광까지의 파장 범위 내에 있다. 가시 광의 경우, 방출은 보라색으로부터 빨간색까지 임의의 색일 수 있다. 통상적으로, 청색광 방출 LED들이 본 발명의 장치들에서 이용된다.

기판(102)은 LED(101)를 위한 지지물이고 다층 구조일 수 있다. 통상적으로, 기판(102)은 LED에 의해 방출되는 광에 대해 반사하는 층을 포함한다. 그 반사 층은 LED(101)의 반사 백플레인(reflective backplane)일 수 있고, 그것은 전극 기능과 반사 기능을 조합하거나, 또는 개별 층일 수 있다. 반사 층은 통상적으로 Ag 또는 Al과 같은 금속을 포함한다. 본 발명의 일반적인 범위에 따르면, 반사기(103)는 본질적으로 불투명하다. 또한, 그것은 반사기에 입사하는 광을, 그 광이 반사기에 대해 갖는 입사 각도가 무엇이든, 반사시키고 산란시킨다.

LED(101)에 의해 방출되는 광은 반사기(103) 쪽으로 향하는 광의 성분을 적어도 갖고 방출되고, 반사기와 마주치면, 그 광은 광 전파 영역으로 도로 반사되지만, 이 반사 후에는 산란되고, 즉 상당히 더 높은 각도 퍼짐을 갖고, 입사 광 방향으로부터 광 전파의 상당한 편향(deviation)을 갖는다. 통상적으로 반사기(103)에서의 반사 후의 각도 퍼짐은 반구 퍼짐에 가깝다. 이 높은 퍼짐으로 인해, 광이 결국 측면 구멍들(114)을 통하여 장치에서 나갈 양호한 가능성이 존재한다. 도파 층(waveguiding layer)에서도, 예를 들면 그 안에 어떤 산란 입자들을 갖는 것에 의해 산란 재분포가 일어날 수 있다.

반사에서의 반사의 정도는 통상적으로 R > 약 80%, 예를 들면 R > 약 90%의 범위에 있다.

반사기의 이러한 고도의 반사 및 산란 특성을 획득하기 위하여, 그것은 본질적으로 불투명한 정반사성 컴포넌트 및 하나의 산란 컴포넌트를 포함한다. 반사기에의 임의의 입사 각도로부터의 광은 그 광이 반사되기 전에 또는 반사될 때 동시에 산란되는 것으로 인해 산란되고 반사된다. 반사 컴포넌트는 불투명하기 때문에, 본질적으로 어떤 광도 상부 표면을 통하여 장치로부터 새나가지 않는다. 또한, 반사 컴포넌트는 불투명하기 때문에, 산란 컴포넌트는 최소한도로 유지될 수 있고, 소망의 산란을 제공할 만큼만 그것을 가질 수 있다. 산란 컴포넌트는 또한 후방 산란(backscattering)에 의해 반사에 기여할 수 있다. 반사기는 반사기의 제조에 이용되는 기판들을 포함하는 몇 개의 층들을 포함할 수 있다.

도 1의 실시예의 반사기(103)가 아래에서 더 상세히 설명될 것이다.

LED(101)는 기판(102)과 반사기(103) 사이의 영역으로 광을 방출한다. 이 영역은 여기에서 광 전파 영역(115)으로서 나타내어진다. 이 광 전파 영역(115)의 목적은 LED(101)로부터의 광을 측면 구멍들(114)로 인도하는 것이다. 이 광 전파 영역에서, 광은 반사 표면들 사이에서 이리저리 반사되고 결국 측면 구멍들(114)을 통하여 장치에서 나갈 것이다.

광 전파 영역은 바람직하게는, 예를 들면 감지할 수 있을 정도로 광을 흡수하지 않도록, 장치의 LED(들)에 의해 방출되는 파장들의 광에 본질적으로 투명하다.

광 전파 영역(115)은 예를 들면 공기와 같은 임의의 기체로 채워진 열린 공간(open void)이거나, 다르게는 진공이거나, 또는 액체, 겔 또는 고체 재료로 이루어질 수 있다. 고체 바디 광 전파 영역(115)에서 사용하기에 적합한 고체 재료들의 예들은 알루미나, 유리, 용융 실리카(fused silica), 사파이어, 및 YAG와 같은, 고체 무기 재료들, 및 실리콘, 불소 중합체, 폴리올레핀 또는 다른 중합체들을 포함하지만, 이들에 제한되지 않는다. 고체 바디 광 전파 영역(115)은 그 영역에서 균질의 광 분포를 획득하기 위해 추가적인 양의 산란 재료를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들에서, 고체 바디 광 전파 영역(115)은 광 전파 영역(115)에 분포되는 것과 같이, 배열된 파장 변환 재료(107)을 포함할 수 있고, 또는 파장 변환 재료로부터 형성될 수 있지만, 반드시 그러한 것은 아니다. 따라서, 광 전파 영역(115)에서 나가는 광의 상당한 부분이 파장 변환 재료(107)의 영향을 받았을 것이다.

파장 변환 재료(107)는 특정한 파장 또는 파장 범위의 광을 흡수할 때, 상이한 변환된 파장 또는 파장 범위의 광을 방출하는 재료이다. 통상적으로, 변환된 파장들은 보다 긴 파장 쪽으로 이동된다. 전통적으로, 그러한 재료들은 통상적으로 형광성이거나 인광성이다. 많은 그러한 파장 변환 재료들이 이 기술의 숙련자들에게 알려져 있고, 하나의 일반적으로 이용되는 화합물의 그룹은 "인광체"(phosphors)라는 이름으로 통용된다.

파장 변환 재료는 예를 들면 세라믹, 고체 재료일 수 있고 또는 캐리어 폴리머(carrier polymer)와 같은 바인더 재료에 임베드(embed)될 수 있다.

파장 변환 재료(107)는 LED에 의해 방출되는 광의 적어도 일부를 흡수하도록 LED(101)에 매칭된다. 따라서, 파장 변환 재료의 선택은 LED의 선택에 의존한다. 예를 들면, 파장 변환 재료는 부분적으로 청색 광을 녹색/황색 광으로 변환할 수 있고, 그것은 백색 광으로 혼합된다. 그러나, 예를 들면 청색을 녹색, 황색 또는 적색으로 완전히 변환하거나, 또는 UV 광을 가시 광으로 변환하는, 다른 파장 변환 재료들이 이용될 수도 있다.

이 실시예에서, 광 전파 영역(115)은 위에 설명되어 있는 바와 같이, 고체 재료를 포함하고, 옵션으로 파장 변환 재료를 포함한다.

반사기(103)는 광 전파 영역(115)에 대향하는 산란 층(108) 및 산란 층 상에 배열된 반사 표면(109)을 포함한다. 이 실시예에서, 산란 층(108)은 광 전파 영역에 대향하는 거칠게 된 표면(111)을 갖고 산란 층(108)의 굴절률은 광 전파 영역(115)의 굴절률보다 낮다. 그러한 낮은 굴절률 재료들의 예들은 크세로겔(xerogel), 에어로겔(aerogel), 불소 중합체, 실리콘, 규산염, 나노 다공성 규산염(nano-porous silicate) 및 낮은 굴절률 졸겔(solgel) 재료들을 포함한다. 낮은 굴절률 재료는 반사기를 광 전파 영역에 접합하는 접착제로서 기능할 수 있다. 통상적으로, 고체 광 전파 영역은 1.8 내지 2.1 또는 그 이상의 굴절률을 갖고, 따라서 약 1.5보다 낮은 굴절률을 갖는 낮은 굴절률 재료가 선호된다. 대안 실시예에서, 산란 층의 굴절률은 광 전파 영역의 굴절률보다 더 높다.

거칠게 된 표면(111)은 이 표면을 통과하는 광이 상당한 정도까지 산란되는 거칠기를 나타낸다. 산란된 광은 그 후 반사 표면(109)에서 반사될 것이고 그 후 측면 출구 구멍들(114) 쪽으로 전송하기 위해 광 전파 영역(115)에 들어가기 전에 다시 한 번 산란 층을 통과할 것이다.

본 발명의 장치에서, 통상적인 LED 다이 사이즈는 약 1x1 mm이지만, 더 작은 또는 더 큰 치수들이 이용될 수도 있다. 광 전파 영역의 통상적인 두께는 약 10 ㎛ 내지 몇 mm, 예를 들면 10 ㎛ 내지 2 mm의 범위에 있고, 예를 들면, 50 내지 500 ㎛의 범위에 있고, 통상적으로 약 300 ㎛이다.

이 기술의 숙련자는 본 발명은 결코 위에 설명된 바람직한 실시예들에 제한되지 않는다는 것을 이해한다. 도리어, 첨부된 청구항들의 범위 내에서 많은 수정들 및 변경들이 가능하다. 예를 들면, 도면들에서, 기판 및 반사기는 광 전파 영역의 측면 에지들과 일치하는 그들의 측면 에지들을 갖는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 기판 및 반사기 중 적어도 하나의 측면 에지들이 광 전파 영역의 밖에 있는 것도 가능하다. 요약하면, 기판으로부터 거리를 두고 배치되고 상기 기판의 연장을 따라 연장하는 산란 반사기에 대향하여 상기 기판 상에 배열된 적어도 하나의 발광 다이오드를 포함하는 측면 방출 발광 장치가 제공된다. 상기 반사기는 상기 기판에 대향하는 산란 층 및 상기 산란 층 상에 배열된 반사 층을 포함하고, 상기 산란 층은 상기 기판에 대향하는 거칠게 된 표면 및 상기 고체 투과성 재료의 굴절률과 다른 굴절률을 나타낸다.

반사기의 산란 작용은 장치에서 각도 재분포를 일으키고, 이것은 광이 반사기와 기판 사이의 측면 구멍들을 통하여 장치에서 나가는 가능성을 증가시키고, 한편 불투명성은 광이 상부 표면을 통하여 방출되는 것을 막는다. 본 발명의 발광 장치는 예를 들면 LED 조명의 영역들 내에서, 예를 들면 디스플레이 장치에서의 백 라이트 응용을 위해, 평판 도광 조명(flat light guide luminaries), LED 시준기 구성들을 포함하는, 도광 응용들(light guide applications)에서 이용될 수 있고, 예를 들면 자동차 헤드 라이팅 또는 일반 LED 스포트 라이팅을 위해 이용될 수 있다. 그러나 이용의 영역들은 상기한 것에 제한되지 않는다.

Claims

측면 방출 발광 장치(side-emitting light emitting device)(100)로서,
기판(102)으로부터 거리를 두고 상기 기판의 연장(extension)을 따라 연장하는 산란 반사기(scattering reflector)(103)에 대향하여 상기 기판(102) 상에 배열된 적어도 하나의 발광 다이오드(101), 및 상기 기판(102)과 상기 반사기(103)의 사이에 배열된 고체 투과성 재료(solid transmissive material)(106)를 포함하고,
상기 반사기(103)는 상기 기판에 대향하는 산란 층(108) 및 상기 산란 층(108) 상에 배열된 반사 층(109)을 포함하고, 상기 산란 층(108)은 상기 기판(102)에 대향하는 거칠게 된 표면(111)을 나타내고 상기 고체 투과성 재료(106)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 측면 방출 발광 장치.
제1항에 있어서, 상기 산란 층(108)은 상기 고체 투과성 재료(106)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 측면 방출 발광 장치.
제1항에 있어서, 상기 산란 층(108)은 상기 고체 투과성 재료(106)의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 측면 방출 발광 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고체 투과성 재료(106)는 파장 변환 재료(107)를 포함하는 측면 방출 발광 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사 층(109)은 상기 산란 층에 대향하는 정반사성 표면(specular surface)을 포함하는 측면 방출 발광 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사기(103)는 상기 기판(102)에 평행으로 배열되는 측면 방출 발광 장치.