KR20100098696A - 콜리메이팅 광학을 포함하는 조명 장치 - Google Patents
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Abstract
콜리메이팅된 광빔을 제공하기 위한 구조는, 광원으로부터 빠져나가는 광 중 적어도 일부는 광원의 상면에 실질적으로 수직인 방향으로 유도하고 다른 부분은 반사하도록 구성되는 구조의 그룹과 조합되는, 제1 피크 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성되는 광원을 포함한다. 일부 실시예에서, 파장 변환 소자는 광원으로부터 방출되는 광의 경로에 배치되고, 제1 피크 파장을 갖는 광 중 적어도 일부를 흡수하며 제2 피크 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성된다. 구조의 그룹은 파장 변환 소자 위쪽에 형성될 수 있고, 그 결과, 파장 변환 소자는 구조의 그룹과 광원 사이에 배치된다.
Description
본 발명은 조명 장치에 관한 것이며, 특히, 장치를 빠져나가는 광 중 적어도 일부를 반도체 구조의 상면에 실질적으로 수직인 방향을 향하게 하도록 구성되는 광학을 포함하는 반도체 발광 장치에 관한 것이다.
LEDs(light emitting diodes), RCLEDs(resonant cavity light emitting diodes), VCSELs(vertical cavity laser diodes), 및 에지 발광 레이저(edge emitting lasers)를 포함하는 반도체 발광 장치가 현재 이용 가능한 광원 중에서 가장 효율적인 광원이다. 가시 스펙트럼에 걸쳐 동작할 수 있는 고휘도(high-brightness) 발광 장치의 제조에서 현재 관심 대상인 재료 시스템은 III-V족 반도체, 특히, III-질화물 재료라고도 하는, 갈륨, 알루미늄, 인듐, 및 질소의 2원, 3원, 및 4원 합금을 포함한다. 통상적으로, 반도체 LED는 기판에 상이한 조성 및 도펀트 농도의 반도체 층들의 스택을 에피택셜 성장시킴으로써 제조된다. 스택은 기판 위에 형성되는 하나 이상의 n-형 층, n-형 층 또는 층들 위에 형성되는 활성 영역(active region) 내의 하나 이상의 발광 층, 및 활성 영역 위에 형성되는 하나 이상의 p-형 층을 주로 포함한다. n-형 영역 및 p-형 영역 상에는 전기적 컨택이 형성된다.
현재 상업적으로 이용가능한 III-질화물 장치에 의해 방출되는 광은 일반적으로 가시 스펙트럼의 단파장 끝에 위치하고; 따라서, III-질화물 장치에 의해 생성되는 광은 장파장의 광을 발생시키도록 쉽게 변환될 수 있다. 제1 피크 파장을 갖는 광("일차 광")은 발광/형광(luminescence/fluorescence)으로 알려진 프로세스를 이용하여 하나 이상의 긴 피크 파장들을 갖는 광("이차 광")으로 변환될 수 있다는 것이 업계에 널리 공지되어 있다. 형광 프로세스는 형광체와 같은 파장-변환 재료에 의해 일차 광을 흡수하는 단계 및 형광체 재료의 발광 중심을 여기하여 이차 광을 방출하는 단계를 포함한다. 이차 광의 피크 파장은 형광체 재료에 의존할 것이다. 형광체 재료의 유형은 특정 피크 파장을 갖는 이차 광을 산출하도록 선택될 수 있다. LED는 일차 방출의 형광체 변환을 이용하여 백색광을 생성할 수 있다. 형광체는 적색, 녹색, 및 황색 등 채도가 강화된 색상을 생성하는데도 사용될 수 있다.
일부 조명 애플리케이션은, 광원이 콜리메이팅된 광빔을 방출하는 경우에 보다 효율적으로 동작한다.
<요약>
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 피크 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성되는 광원이, 광원을 빠져나가는 광 중 적어도 일부를 광원의 상면에 실질적으로 수직인 방향을 향하도록 구성되는 구조의 그룹과 결합된다. 일부 실시예에서, 파장 변환 소자는 광원으로부터 방출되는 광의 경로에 배치되어, 제1 피크 파장을 갖는 광 중 적어도 일부를 흡수하고 제2 피크 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성된다. 구조의 그룹은 파장 변환 소자의 위에 형성될 수 있기 때문에, 파장 변환 소자는 구조의 그룹과 광원 사이에 배치된다.
일부 실시예에서, 파장 변환 소자는 열싱크(heat sink)에 의해 지지되기 때문에, 파장 변환 소자는 광원과 직접적으로 접촉하지 않는다. 예를 들어, 열싱크는 파장 변환 소자의 적어도 한 측면에 의해 파장 변환 소자를 유지하기 때문에, 광원으로부터 방출되는 광을 수광하는 파장 변환 소자의 입력 영역은 열싱크에 의해 지지되지 않으며, 또한 파장 변환 소자에 의해 제2 파장 범위를 갖는 광이 방출되는 파장 변환 소자의 출력 영역 역시 열싱크에 의해 지지되지 않는다.
도 1은 조명 장치를 나타내는 도면.
도 2는 발광 세라믹의 준비를 개략적으로 나타내는 흐름도.
도 3은 바람직한 일 실시예에 따른 다이크로익 필터(dichroic filter) 코팅의 투과 특성을 서로 다른 입사각에 대한 파장의 함수로서 나타낸 도면.
도 4는 바람직한 일 실시예에 따른 청색 펌프 광(pump light)의 투과와 관련된 다이크로익 필터 코팅의 성능을 램버시안 소스(Lambertian source)에 대한 파장의 함수로서 나타낸 도면.
도 5는 바람직한 일 실시예에 따른 제2 다이크로익 필터 코팅의 투과 특성을 서로 다른 입사각의 평균에 대한 파장의 함수로서 나타낸 도면.
도 6은 거친 표면을 갖는 파장 변환 소자의 일 실시예를 나타낸 도면.
도 7은 파장 변환 소자 상에 형성되는 콜리메이팅 광학을 나타내는 단면도.
도 8은 콜리메이팅 광학이 파장 변환 소자에 부착하는 평면에서의 라운드(round) 콜리메이팅 광학을 나타내는 도면.
도 9는 콜리메이팅 광학을 나타내는 단면도.
도 10은 콜리메이팅 광학이 표면에 부착하는 평면에서의 6각형 콜리메이팅 광학을 나타내는 도면.
도 11은 광이 콜리메이팅 광학을 빠져나가는 평면에서의 6각형 콜리메이팅 광학을 나타내는 도면.
도 2는 발광 세라믹의 준비를 개략적으로 나타내는 흐름도.
도 3은 바람직한 일 실시예에 따른 다이크로익 필터(dichroic filter) 코팅의 투과 특성을 서로 다른 입사각에 대한 파장의 함수로서 나타낸 도면.
도 4는 바람직한 일 실시예에 따른 청색 펌프 광(pump light)의 투과와 관련된 다이크로익 필터 코팅의 성능을 램버시안 소스(Lambertian source)에 대한 파장의 함수로서 나타낸 도면.
도 5는 바람직한 일 실시예에 따른 제2 다이크로익 필터 코팅의 투과 특성을 서로 다른 입사각의 평균에 대한 파장의 함수로서 나타낸 도면.
도 6은 거친 표면을 갖는 파장 변환 소자의 일 실시예를 나타낸 도면.
도 7은 파장 변환 소자 상에 형성되는 콜리메이팅 광학을 나타내는 단면도.
도 8은 콜리메이팅 광학이 파장 변환 소자에 부착하는 평면에서의 라운드(round) 콜리메이팅 광학을 나타내는 도면.
도 9는 콜리메이팅 광학을 나타내는 단면도.
도 10은 콜리메이팅 광학이 표면에 부착하는 평면에서의 6각형 콜리메이팅 광학을 나타내는 도면.
도 11은 광이 콜리메이팅 광학을 빠져나가는 평면에서의 6각형 콜리메이팅 광학을 나타내는 도면.
도 1은, 2006년 8월 9일에 "Illumination Device with Wavelength Converting Element Side Holding Heat Sink"라는 명칭으로 출원되었으며, 본 명세서에 참고 문헌으로서 포함되는 출원번호 제11/463,443호의 공보에 보다 상세하게 설명되어 있는 조명 장치(100)를 나타낸다. 도 1은, 예컨대, LED나 LED의 어레이(104) 등의 반도체 발광 장치, 또는 크세논 램프나 수은 램프 등의 단파장의 광을 발생시키는 것이 가능한 다른 유형의 광원일 수 있는 광원(102)을 포함한다. 일례로서, LED(104)는 청색 또는 UV(ultraviolet) LED이거나, 2003년 8월 29일에 "Package for a Semiconductor Light Emitting Device"라는 명칭으로 출원되었으며, 본 명세서에 참고 문헌으로서 포함되는 출원번호 제10/652,348호, 공개번호 제2005/0045901호에 설명된, 또는 2007년 8월 23일에 "Light Emitting Diode Array"라는 명칭으로 출원되었으며, 이 역시 본 명세서에 참고 문헌으로서 포함되는 출원번호 제11/844,279호에 설명된 유형과 같은 고 레디언스(high radiance) 장치일 수 있다. LED(104)의 각 방출 패턴(angular emission pattern)은 램버시안일 수 있거나 또는 광결정(photonic crystal) 등의 구조를 이용하여 제어될 수 있다. 발광 다이오드(104)는 열싱크(106)에 장착된 것으로 도시되어 있다. 일부 실시예에서, 발광 다이오드(104)는 마운트(105)에 장착될 수도 있는데, 이는 열싱크(106)에 장착되어 있다.
조명 장치(100)는 (일반적으로 화살표(103)에 의해 도시된) 광 경로를 따라 광원(102)으로부터 물리적으로 분리되어 있는 파장 변환 소자(110)를 포함한다. 본 예에서, 파장 변환 소자(110)의 입력측(111)은 광원(102)과 직접적으로 접촉해 있지 않다. 광원(102) 및 파장 변환 소자(110)는 공기, 가스, 실리콘, 또는 진공 등의 매질(114)에 의해 분리될 수 있다. 따라서, 광원(102)에 의해 방출되는 광은 파장 변환 소자(110)의 입력측(111)에서 광이 수광되기 전에 매질(114)을 통과해야 한다. 광원(102)과 파장 변환 소자(110) 사이의 물리적 이격의 길이는 변할 수 있지만, 일 실시예에서는 50㎛ - 250㎛의 범위에 있다. 일 실시예에서, 광원(102)과 파장 변환 소자(110) 사이의 물리적 이격은 광원(102)에 의한 파장 변환 소자(110)의 실질적인 도전 가열(conductive heating)을 방지하기에 충분하다. 다른 실시예에서, 파장 변환 소자(110)로부터 광원(102)을 이격시키는 데에 필터 또는 접착 재료가 사용될 수도 있다.
파장 변환 소자(110)는, 본 명세서에서 "발광 세라믹"으로서 가끔식 언급되는, 세라믹 슬라브(ceramic slab)로부터 형성될 수 있다. 세라믹 슬라브는 일반적으로 자기 지지(self-supporting) 층이고, 특정 파장에 대해 반투명이거나 투명일 수 있는데, 이는 등각층(conformal layers) 등의 불투명한 파장 변환 층과 연관된 산란 손실을 감소시킬 수 있다. 발광 세라믹 층은 박막 또는 등각 형광체 층보다 보다 견고할 수 있다. 일부 실시예에서는, 바인더 재료에서의 형광체와 같은 발광 세라믹 이외의 재료가 파장 변환 소자(110)로서 사용될 수 있다.
발광 세라믹은, 형광체 입자들의 표면이 함께 소결하기 시작하여 입자들의 단단한 덩어리를 형성할 때까지 고압에서 분말 형광체를 가열함으로써 형성될 수 있다. 광학적 불연속성이 없는 하나의 큰 형광체 입자로서 광학적으로 거동하는 박막과는 달리, 발광 세라믹은 치밀하게 패킹된 개별 형광체 입자로서 거동하기 때문에, 서로 다른 형광체 입자들의 계면에는 소규모의 광학적 불연속성이 존재한다. 따라서, 발광 세라믹은 광학적으로 거의 균질하며, 발광 세라믹을 형성하는 형광체 재료와 동일한 굴절율을 갖는다. 수지와 같은 투명 재료에 배치되는 등각 형광체 층 또는 형광체 층과는 달리, 발광 세라믹은 일반적으로 형광체 자체가 아닌 (유기 수지 또는 에폭시 등의) 바인더 재료를 필요로 하지 않기 때문에, 개별 형광체 입자들 사이에 서로 다른 굴절율의 공간 또는 재료가 거의 없다. 그 결과, 발광 세라믹은, 등각 형광체 층과는 달리 투명 또는 반투명이다. 본 발명에 사용될 수 있는 발광 세라믹은 2004년 6월 3일에 "Luminescent Ceramic for a Light Emitting Device"라는 명칭으로 출원되었으며, 본 명세서에 참고 문헌으로써 포함되는 출원번호 제10/861,172호, 공개번호 제2005/0269582호에 보다 상세히 설명되어 있다.
발광 세라믹 층으로 형성될 수 있는 형광체의 일례로는 황색-녹색 범위에서 광을 방출하는, Lu3Al5O12:Ce3 + 및 Y3Al5O12:Ce3 + 등의 (Lu1 -x-y-a- bYxGdy)3(Al1 -zGaz)5O12:CeaPrb(여기에서 0<x<1, 0<y<1, 0<z≤0.1, 0<a≤0.2 및 0<b≤0.1); 및 적색 범위에서 광을 방출하는, Sr2Si5N8:Eu2 +와 같은,(Sr1 -x- yBaxCay)2- zSi5 - aAlaN8 - a0a:Euz 2 +(여기에서 0≤a<5, 0<x≤1, 0≤y≤1, 및 0<z≤1)의 일반식을 갖는 알루미늄 가넷 형광체를 포함한다. Charlotte, N.C의 Baikowski International Corporation으로부터 적절한 Y3Al5O12:Ce3 + 세라믹 슬라브를 구입할 수도 있다. 예를 들어, SrSi2N2O2:Eu2+를 포함하는(Sr1 -a- bCabBac)SixNyOz:Eua 2 +(a=0.002-0.2, b=0.0-0.25, c=0.0-0.25, x=1.5-2.5, y=1.5-2.5, z=1.5-2.5); 예를 들어, SrGa2S4:Eu2 +를 포함하는(Sr1 -u-v-xMguCavBax)(Ga2-y-zAlyInzS4):Eu2+; Sr1 - xBaxSiO4:Eu2 +; 및, 예를 들어, CaS:Eu2 + 및 SrS:Eu2+를 포함하는 (Ca1 - xSrx)S:Eu2 +(여기에서, 0<x≤1)을 포함하는 그 외 녹색, 황색, 및 적색 방출 형광체도 적합할 수 있다.
일 실시예에서, 발광 세라믹은 eCAS인데, 이는 5.436g Ca3N2(> 98% 순도), 4.099g AlN(99%), 4.732g Si3N4(> 98% 순도) 및 0.176g Eu2O3(99.99% 순도)로부터 합성되는 Ca0 .99AlSiN3:Eu0 .01이다. 분말(powder)은 유성 볼밀링(planetary ball milling)에 의해 혼합되고, H2/N2(5/95%) 분위기 하의 1500℃에서 4시간 동안 소성된다. 과립 분말은 5kN에서 펠렛(pellets)으로 등축(uniaxially) 가압되고 3200bar에서 CIP(cold isostatically pressed) 처리가 행해진다. 펠렛은 1600℃ H2/N2(5/95%) 분위기에서 4시간 동안 소결된다. 결과적인 펠렛은 밀폐 기공성(closed porosity)을 나타내고, 후속적으로 2000bar 및 1700℃에서 평형 상태로 고온 가압되어 이론 밀도가 98%보다 높은 고밀도 세라믹을 얻는다.
일 실시예에서, 발광 세라믹은 Ba2 -x- zMxSi5 - yAlyN8 - y0y:Euz(M = Sr, Ca; 0≤x≤1, 0≤y≤4, 0.0005≤z≤0.05)인 BSSNE이다. 도 2에 도시된 흐름도는 Ba2 -x- zMxSi5 -yAlyN8-y0y:Euz(M = Sr, Ca; 0≤x≤1, 0≤y≤4, 0.0005≤z≤0.05) 세라믹이 준비되는 방법을 개략적으로 나타낸다. 먼저, Ba2 -x- zMxSi5 - yAlyN8 - y0y:Euz(M = Sr, Ca; 0≤x≤1, 0≤y≤4, 0.0005≤z≤0.05)가 분말 형태로 준비된다. 이 목적을 위해 몇가지 방법이 적용될 수 있다. 도 2는, 2-프로판올을 분산제(dispersing agent)로서 이용한 유성 볼밀링에 의해 60g BaCO3, 11.221g SrCO3 및 1.672g Eu2O3(모두 99.99% 순도)를 혼합하는 단계(블록 182)를 포함하는 열탄소 환원(carbothermal reduction)에 의한 준비의 일례를 도시한다. 건조하는 단계 이후에, 혼합물은 1000℃ 포밍 가스(forming gas) 분위기에서 4시간 동안 소성되고(블록 184), 이렇게 하여 획득된 10g의 Ba0 .8Sr0 .2O:Eu(2%)이 5.846g Si3N4(>98% 순도), 0.056g AlN(99% 순도) 및 1.060g 그라파이트(미세 결정 등급)와 혼합된다(블록 186). 분말은 20분간 유성볼밀링에 의해 완전히 혼합되고 4시간 동안 1450℃ 포밍 가스 분위기에서 소성되어(블록 188) Ba2 -x- zMxSi5 - yAlyN8 - y0y:Euz(M = Sr, Ca; 0≤x≤1, 0≤y≤4, 0.0005≤z≤0.05)의 전구체 분말을 얻는다(블록 190). 분말은 HCl로 세척되고 다시 밀링된다(블록 192). 그 다음, 획득된 전구체 분말은 1550℃ 및 80MPa에서 고온 가압되어 고밀도 세라믹 바디(bodies)를 산출한다(블록 194). 이들은 슬라이싱되고, 폴리싱되고, 다이싱되어 원하는 형태 및 광학 표면 특성이 획득된다(블록 196). 필요하다면, 결함을 제거하기 위해 1300℃ 질소에서 어닐링이 적용될 수 있다(블록 198).
일 실시예에서, 발광 세라믹은 80.36g SrCO3(99.99% 순도), 20.0g SiN4 /3(> 98% 순도) 및 2.28g Eu2O3(99.99% 순도)를 혼합하고 1200℃ N2/H2(93/7) 분위기에서 4시간 동안 소성하는 것에 의해 제조되는 SSONE이다. 세척하는 단계 이후에, 전구체 분말은 10kN에서 등축 가압된 다음 3200bar에서 CIP(cold isostatically pressed)된다. 소결은 통상적으로 H2/N2(5/95) 또는 순수한 질소 분위기 하에서 1550℃와 1580℃ 사이에서 수행된다.
다시 도 1을 참조하면, 일 실시예에서, 파장 변환 소자(110)의 입력측(111)은 색 분리 소자(116)에 의해 직접적으로 커버된다. 색 분리 소자(116)는 청색 펌프 광은 투과하고 파장 변환 소자(110)에 의해 변환되는 광 범위의 파장은 반사한다. 색 분리 소자(116)는 광원(102)에 대향하는, 파장 변환 소자(110)의 입력측(111)에 직접적으로 적용되는 높은 각 허용도의 코팅(high angular acceptance coating)일 수 있다. 즉, 색 분리 소자(116)는 광원(102)과 파장 변환 소자(110) 사이에 위치한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 색 분리 소자(116)와 파장 변환 소자(110)는 모두 광원(102)으로부터 물리적으로 이격된다.
색 분리 소자(116)는, 예컨대 높은 각 허용도를 갖는 직접 도포형 다이크로익 코팅일 수 있다. 원하는 경우, 특히 광결정을 포함하는 LED 등으로부터 광원(102)의 각 방출(angular emission)이 감소되는 경우라면, 콜레스테릭(cholesteric) 필름, 회절 또는 홀로그래픽 필터 등 그 외의 색 분리 재료가 이용될 수도 있다. 도 3은 바람직한 일 실시예에 따라 색 분리 소자(116)로서 사용될 수 있는 직접 도포형 다이크로익 코팅의 투과 특성을 서로 다른 입사각에 대한 파장의 함수로서 도시되어 있다. 본 목적을 위해 높은 각 허용도를 갖는 필터가 특별히 설계될 수 있다. 예를 들어, 고 굴절율 재료 및 저 굴절율 재료의 복수 층의 스택을 이용하여 파장 변환 소자(110) 상에 다이크로익 코팅을 형성할 수 있다. 통상적으로, 고 굴절율과 최적화된 두께를 갖는 서로 다른 코팅 재료를 적절하게 선택함으로써 높은 각 허용도를 갖는 필터가 요망된다. 그러한 필터의 설계 및 제작은 당업자에게 널리 주지되어 있다. 색 분리 소자(116)를 위한 높은 각 허용도의 다이크로익 코팅의 이용은, 색 분리 소자(116) 앞의 광을 콜리메이팅하기 위한 추가적인 광학 소자에 대한 필요성을 제거함으로써, 장치의 비용 및 치수를 감소시킬 수 있다는 점에서 바람직하다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 색 분리 소자(116)는, 예를 들어, 415nm에서부터 465nm까지 청색 펌프 파장의 높은 투과도를 갖는다. 따라서, 광원(102)에 의해 방출되는 광은 색 분리 소자(116)를 통해 파장 변환 소자(110)로 투과될 것이다. 파장 변환 소자(110)는 내부적으로 광을 등방적으로 방출한다. 전방 방출 광, 즉, 파장 변환 소자(110)의 출력측(112)을 향해 방출되는 광은 직접적으로 탈출할 기회를 갖는다. 그러나, 파장 변환 소자(110)에 의해 방출되는 광의 대부분은 후방, 즉 입력측(111)의 방향으로 방출되거나, 또는 전방으로 방출되지만, 파장 변환 소자(110)의 굴절율, 예컨대 n=1.7-2.6과 광이 방출되는 매질의 굴절율, 예컨대 공기의 경우, n=1.0 간의 굴절율의 큰 차이로부터 수반되는 TIR(total internal reflection)로 인해, 파장 변환 소자(110)의 출력측(112)에서 후방으로 반사될 것이다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 색 분리 소자(116)는 변환된 광의 파장, 예컨대 500nm 보다 큰 파장에서 낮은 투과도, 즉, 높은 반사도를 갖는다. 따라서, 색 분리 소자(116)는 후방으로 방출되거나 또는 후방으로 반사되는 광이 파장 변환 소자(110)로부터 광원(102)을 향해 탈출하는 것을 방지한다.
앞서 논의된 바와 같이, 조명 장치(100)의 성능을 위한 2가지 중요한 기준은 청색 펌프 파장, 예컨대 415nm에서 465nm까지의 임의의 파장의 투과 및 파장 변환 광, 예컨대 오렌지색, 녹색, 또는 적색 변환 광의 반사를 포함한다. 도 4는 바람직한 일 실시예에 따른 청색 펌프 광의 투과에 관한 색 분리 소자(116)의 성능을 램버시안 소스에 대한 파장의 함수로서 도시되어 있다. 참고적으로, 도 4는 60°램버시안 및 완전한 반구(±90°) 램버시안 양자 모두에 대한 투과 곡선(152 및 154)을 각각 나타낸다. 비교를 위해, 베어 발광 세라믹(bare luminescent ceramic)의 투과는 곡선(156)으로 도시되어 있으며, 청색 펌프 광의 스펙트럼은 곡선(158)으로 도시되어 있다. 예컨대, 보다 작은 원뿔 각도에서 광 격자 구조가 보다 많은 광을 방출하는, 60°보다 작은 원뿔이 흥미로울 수 있지만, 도 4는 ±90°에서도, 높은 굴절율로 코팅되지 않은 발광 세라믹보다도 투과 성능이 여전히 매우 우수할 수 있다는 것을 나타내고 있다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 색 분리 소자(116)를 통해 효율적으로 투과되는 파장은 청색 펌프 파장의 범위가 수용될 수 있도록 넓은 범위를 커버해야 하는데, 이는, 특히 파장 변환 소자(110)의 흡수 스펙트럼이 마찬가지로 광범위한 경우에 발광 다이오드(104)를 파장에 따라 정렬하거나 분류해야 할 필요성을 감소시킨다.
다시 도 1을 참조하면, 파장 변환 소자(110)에서의 파장 변환 재료의 두께 및 농도에 따라, 모든 청색 펌프 광이 변환되는 것은 아니라는 점을 이해해야 한다. 변환되지 않은 청색 펌프 광은 파장 변환 소자(110)의 출력측(112)을 통해 탈출할 것이 허용될 수 있다. 그러나, 일 실시예에서는, 변환되지 않은 청색 펌프 광을 다시 파장 변환 소자측으로 반사시키기 위해 제2 색 분리 소자(118)가 이용된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 파장 변환 소자(110)의 출력측(112)은 제2 색 분리 소자(118)로서 기능하도록 다이크로익 필터에 의해 직접 코팅되어 있다. 도 5는 바람직한 일 실시예에 따라 제2 색 분리 소자(118)로서 기능하는 다이크로익 코팅의 투과 특성을 서로 다른 입사각의 평균치에 대한 파장 함수로서 도시되어 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 색 분리 소자(118)는, 본 예에서, 청색 광의 대부분은 반사하고 오렌지색/적색 변환 광은 투과하도록 구성되어 있다. 앞서 논의된 바와 같이, 원하는 투과 특성을 생성하는 적절한 색 분리 소자(118)의 제조는 당업자에게 널리 주지되어 있다. 그러나, 원하는 경우에는 제2 색 분리 소자(118)가 이용될 필요가 없다는 것을 이해해야 한다.
또한, 필요에 따라, 파장 변환 소자(110)의 측면(120)은, 추출 효율(extraction efficiency)을 위해 측면(120)과 충돌하는 임의의 광을 파장 변환 소자(110)측으로 역반사시키도록 은이나 알루미늄 등의 반사 보호 코팅(122), 또는 TiO2 입자를 갖는 졸-겔이나 실리콘 용액으로 코팅될 수 있다. 측면(120)은 반사된 광을 산란시키도록 거칠어질 수도 있다. 다른 실시예에서, 파장 변환 소자(110) 내의 광은, 파장 변환 소자(110) 내에서 MIE 산란을 발생시키는 파장 변환 소자(110) 내의 의도적인 홀 또는 미세-공동 등의 내부 산란 영역에 의해 산란될 수 있다. 일부 실시예에서, 파장 변환 소자(110)의 측면(120)은, 파장 변환 소자의 입력측(111) 및 출력측(112)이 서로 다른 면적을 갖도록 기울어질(angled) 수 있다. 예를 들어, 측면은, 파장 변환 소자(110)의 입력측이 출력측보다 작은 면적을 갖도록 외측을 향해 기울어질 수 있다. 반대로, 측면은, 파장 변환 소자(110)의 입력측(111)이 출력측(112)보다 큰 면적을 갖도록 내측을 향해 기울어질 수도 있다. 방출 표면적을 증가 또는 감소시켜 광원의 휘도를 증가 또는 감소시킬 수 있으므로, 측면(내측 또는 외측)의 최적 각도는 애플리케이션에 의존한다.
다른 실시예에서, 파장 변환 소자(110)의 출력측(112)은 파장 변환 소자의 출력측에서의 광 추출을 향상시키기 위해 거친 표면을 가질 수 있다. 일례로서, 도 6은 파장 변환 소자(110')의 입력측(111) 상에 색 분리 소자(116)을 갖는 파장 변환 소자(110') 및 출력측(112)이 거친 표면을 갖는 일 실시예를 도시하고 있다. 습식 화학 에칭, 건식 화학 에칭 등의 주지의 처리 방법 및 관련 기술을 이용하여 파장 변환 소자(110')의 출력측(112)의 표면을 거칠게 하는 것을 수행할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 파장 변환 소자(110)는 하나 이상의 측면(120)에 의해 열싱크(130)에 열적으로 결합되고 또한 그에 의해 유지됨으로써, 컴팩트하고 저비용의 냉각을 제공할 수 있다. 예를 들어, 안정성을 위해 파장 변환 소자(110)의 출력측(112)이나 입력측(111)(또는 양자)의 일부, 즉, 약 30% 미만이 열싱크(130)와 접촉할 수도 있다. 따라서, 파장 변환 소자(110)의 입력 영역, 즉, 광원(102)으로부터 광을 수광하는 입력측(111)의 영역, 및 파장 변환 소자(110)의 출력 영역, 즉, 파장 변환 소자(110)로부터 광이 외부로 방출되는 출력측(112)의 영역은 열싱크(130)에 지지되지 않는다. 일부 실시예에서는, 열싱크(130)에 의해 커버되는 출력측(112)(또는 입력측(111))의 부분 상에는 리사이클링을 돕기 위해 반사 코팅(122)이 증착될 수도 있다. 대안으로, 반사 코팅(122)은 열싱크(130) 상에 증착될 수 있거나, 또는 예컨대, 열싱크(130)가 반사 재료로부터 제조되는 경우라면, 열싱크(130) 자체의 일부일 수도 있다. 파장 변환 소자(110)의 출력측(112) 상의 열싱크(130) 및/또는 반사 코팅(122)은 출력 면적 및 그에 따른 시스템 에텐듀(etendue)를 제어하는 데 사용될 수 있다. 파장 변환 소자(110)로서 기능할 수 있는 발광 세라믹 슬라브는 측면(120)에 의해 쉽게 지지될 수 있다. 또한, 발광 세라믹은, 대략 10W/(mK)보다 큰 우수한 열 전도율을 갖는다. 파장 변환 소자(110)를 적어도 일 측면(120)(또한, 출력측(112) 및/또는 입력측(111)의 가능한 작은 부분)에 의해서만 지지하는 열싱크(130)의 이용은, 그것이 전체 출력 또는 입력측에 대해 파장 변환 소자를 지지하는 기존 열싱크에 의해 야기되는 광 손실을 감소시키기 때문에 바람직하다. 또한, 파장 변환 소자와 함께 사용되는 기존의 열싱크는 사파이어 또는 그 외 유사한 재료로 제조되기 때문에, 열싱크(130)에 의한 비용이 감소된다.
또한, 열싱크(130)는 파장 변환 소자(110)를 광원(102) 가까이에 기계적으로 위치시키면서 파장 변환 소자(110)의 온도를 제어하여 파장 변환 소자(110)의 효율을 개선시키는 능력을 제공한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 열싱크(130)는 광원(102)의 열싱크(106)에 결합될 수 있다. 대안으로, 열싱크(130) 및 열싱크(106)는 단일 열싱크일 수 있다. 대안으로, 열싱크(130)는 열싱크(106)로부터 분리될 수 있다. 추가적으로, 열싱크(130)는 핀(fin)(131) 등의 냉각 소자를 포함할 수 있다. 필요에 따라, 열 파이프 등의 다른 냉각 또는 열 전달 소자가 이용될 수도 있다.
열싱크(130)는, 예컨대 구리 또는 알루미늄이나 그라파이트 등의 다른 도전 재료를 이용하여 제조될 수 있다. 일례로서, 구리는 약 390W/(mK)의 높은 열전도율을 갖는다. 기저면(basal plane)에서의 그라파이트 열전도율(>1000 W/(mK))은 기저면을 가로지르는 그라파이트 열전도율(<100 W/(mK))보다 훨씬 높다. 따라서, 그라파이트로 제조되는 열싱크(130)는 기저면이 파장 변환 소자(110)로부터 멀어지는 방향으로 배향되어야 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 조명 장치(100)는 광을 콜리메이팅 및/또는 리사이클링하는 데 사용될 수 있는 반사 광학(140)을 포함할 수도 있다. 반사 광학(140)은, 본 명세서와 동일한 양수인을 가지며 그 전체가 여기에 참고문헌으로써 통합되어 있는, 2005년 4월 11일에 Gerard Harbers 등에 의해 "Illuminators Using Reflective Optics With Recycling and Color Mixing"이라는 명칭으로 출원된 미국특허 제7,234,820호에서 설명된 것과 유사하다. 반사 광학(140)은, 예를 들어, 반사 광학(140)의 출입구를 통해 광원(102)에 의해 방출되는 광을 콜리메이팅하기 위한 포물선 반사기(parabolic reflector)를 형성하는 측면부(142)을 포함하는데, 이는 파장 변환 소자(110)의 출력측(112)에 광학적으로 결합된다. 측면부(142)는, 필요에 따라 포물선이 아닌 다른 형상을 가질 수도 있다. 반사기는 통상적으로 원형 또는 사각형 단면을 갖는다. 포물선 반사기의 측면부(142)는 알루미늄, 은, 또는 3M ESR 반사막 등의 반사 재료나 그 외 적절한 반사 재료로 제조되거나 코팅된다. 대안으로, 반사 광학(140)은 물질과 공기의 굴절율 차이에 의해 야기되는 TIR(total internal reflection)을 이용하여 광을 반사하고 콜리메이팅하는, 플라스틱 또는 유리 등의 투명한 고체 재료일 수 있다.
또한, 반사 광학(140)은 개구(146)의 형태로 출구를 정의하는 반사 디스크(144)로부터 형성되는 반사 간극을 포함할 수 있다. 반사 디스크(144)는 반사 광학(140)에 통합될 수 있거나 또는 반사 광학(140)에 결합되는 별개의 부품일 수 있다. 개구(146)는 원형, 정사각형, 또는 원하는 임의의 다른 형상일 수 있다. 개구(146)를 통해 디렉션되지 않는 모든 광은 반사 광학(140)측으로 역반사된다. 그 다음, 반사된 광은 궁극적으로 개구(146)를 향해 재반사되어 콜리메이팅된 집중 광빔(concentrated collimated light beam)을 생성한다. 개구(146)는 (도시되지 않은) 편광 미러를 포함하기 때문에, 소정의 편광 상태를 갖는 광만이 투과되면서 다른 편광 상태를 갖는 광은 반사 광학(140)측으로 역반사된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 콜리메이팅 광학은 광원의 위에 또한 광원에 가깝게 형성된다. 예를 들어, 일부 실시예에서는, 콜리메이팅 광학은 이하 설명되는 바와 같이, 도 1에 도시된 파장 변환 소자의 위에 형성된다. 다른 실시예에서, 콜리메이팅 광학은, 비파장 변환 세라믹(non-wavelength-converting ceramic) 등의 비파장 변환 구조 또는 유리나 사파이어 플레이트 상에 형성될 수 있다. 콜리메이팅 광학이 비파장 변환 구조에 형성되는 경우의 실시예에서는, 비파장 변환 구조 내의 홀 등의 산란 영역이 원하는 곳에 추가되어 광의 리사이클링 및 랜덤화에 영향을 미칠 수 있다. 콜리메이팅 광학이 장착되는 구조체는 일반적으로 콜리메이팅 광학을 광원(즉, 발광 다이오드)의 표면으로부터 50 내지 500㎛ 이격시킨다. 그 공간은 텅 빈 공간일 수 있거나, 또는 예컨대 파장 변환 층 또는 비-변환 소자에 의해 채워질 수 있다. 콜리메이팅 광학과 광원 표면 사이의 거리는 500㎛보다 클 수 있지만, 광이 충분히 혼합될 수 있도록 하기 위해 적어도 50㎛의 이격이 바람직하다. 콜리메이팅 광학이 탑재되는 구조체의 측면은, 측면으로부터의 광 손실을 방지하기 위해 반사형일 수 있다.
일부 실시예에서, 파장 변환 소자는, 도 1에 도시된 또한 첨부 텍스트에 설명된 바와 같이 열싱크가 아닌 광원에 부착된다. 본 실시예에서, 도 1의 색 분리 소자(116)는 일반적으로 생략되며, 그 결과, 일부 광은 광원(102)측으로 역반사될 수 있지만, 고 반사형 LED 또는 다른 광원 반사에 의해, 이것 역시 휘도 향상을 위해 효율적인 리사이클링 공동측으로 유도될 수 있다.
도 7은 도 1로부터의 파장 변환 부재(110)의 일부를 도시한다. 광이 파장 변환 부재를 빠져나가는 파장 변환 부재의 측면 상에는 선택적 색 분리 소자(118)가 형성된다. 파장 변환 부재의 위에는 콜리메이팅 광학(300)의 어레이가 형성된다. 만약 존재한다면, 선택적 색 분리 소자는 파장 변환 부재와 콜리메이팅 광학(300) 사이에 배치된다. 색 분리 소자(118)는 일반적으로 박층이므로, 콜리메이팅 광학(300)은 일반적으로 파장 변환 부재의 상면의 0.4 내지 100㎛ 이내에 위치한다.
콜리메이팅 광학(300)은 광을, 예컨대 콜리메이팅 광학(300)이 형성되는 표면에 수직인 것으로부터 20°와 60°사이의 원뿔로 콜리메이팅할 수 있다. 적절한 콜리메이팅 광학(300)의 예로는 할로우 반사기(hollow reflectors) 및, 예컨대 유리 또는 플라스틱으로 형성되는 몰딩된 고체 콜리메이터(solid molded collimator)를 포함한다. TIR(total internal reflection)에 의해 광을 유도하는 유전체 콜리메이터는 단일 재료로 형성될 수 있다. 도 7에 도시된 콜리메이팅 광학(300)은 파장 변환 부재를 빠져나가는 광을 콜리메이팅하도록 곡선으로 된 측벽(304)을 갖는다. 콜리메이팅 광학(300)의 어레이는 파장 변환 부재의 위에, 예컨대 콜리메이팅 광학을 접착제로 부착함으로써 형성되거나 또는 파장 변환 부재의 위에 배치되는 별개의 구조체로서 형성될 수 있다.
도 8은 광이 콜리메이팅 광학에 진입하는, 즉, 콜리메이팅 광학이 파장 변환 부재에 결합하는 평면의 일부에 대한 도면이다. 콜리메이팅 광학은 파장 변환 부재(110)의 위에 배치되는, 선택적인 색 분리 소자(118)에 인접하여 형성된다. 개구(303)는 광이 콜리메이팅 광학으로 탈출할 수 있게 한다. 나머지 영역(302)은 광을 파장 변환 부재(110)로 역반사시킨다. 각각의 콜리메이팅 광학은, 도 8에 도시된 바와 같이, 라운드형일 수 있지만 다른 형상일 수도 있다. 도 10 및 도 11에는 육각형 콜리메이팅 광학이 도시되어 있다. 도 10은 광이 육각형 콜레메이팅 광학에 진입하는 평면에 대한 도면이다. 도 11은 광이 육각형 콜리메이팅 광학을 빠져나가는 평면에 대한 도면이다. 콜리메이팅 광학(300)은, 예컨대 도 8에 도시된 삼각 격자를 포함하는, 임의의 적절한 배열로 구성될 수 있다.
일부 실시예에서는, 콜리메이팅 광학(300)의 하면(bottom surface)이 반사형이다. 일부 실시예에서는, 도 7에 도시된 선택적 반사 재료(302)가 각각의 콜리메이팅 광학(300)과 파장 변환 부재 사이에 위치한다. 적절한 반사 재료의 예로는 알루미늄, 은, 다이크로익 코팅, 알루미늄의 반사율을 향상시키기 위해 다이크로익 코팅과 조합된 알루미늄, 및 예컨대, 졸-겔 실리콘 용액에 부유되는 티타늄 산화물 및 알루미늄 산화물 등의 재료를 포함한다. 선택적 반사 재료(302) 각각은, 도 7에 도시된 바와 같이, 콜리메이팅 광학(300)의 바닥과 동일한 크기 및 형상일 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 일부 실시예에서, 반사 재료(302)는 콜리메이팅 광학(300)의 바닥보다 작다.
콜리메이팅 광학의 성능은 광학적 형상과, CPC(compound parabolic concentrator) 형상과 같이, 에텐듀-보존(etendue-conserving)과 비교적 근사한 기하학(geometry)에 대한 능력의 함수이다. 그러한 경우, 광학의 성능은, 도 9에 도시된 바와 같이, 광이 콜리메이터로 진입하는 평면에서의 콜리메이터 폭 din, 광이 콜리메이터를 빠져나가는 평면에서의 콜리메이터 폭 dout, 및 콜리메이터 높이 L의 함수이기도 하다. 콜리메이팅 광학(300)의 높이, 폭, 및 간격은 콜리메이션 각도와 콜리메이터 재료의 굴절율 n의 함수이다. 반사 측벽을 갖춘 공기 공동(air cavity)에 대한 굴절율 n은 n=1인 한편, 유전체 집광기(dielectric concentrator)에 대한 굴절율(n)은, 예를 들어, n=1.5일 수 있다. 목표로 하는 최대 1/2 원뿔 각도(target maximum half cone angle) Anglemax 에 대한 공기 타입 콜리메이터의 폭 dout 및 din 사이의 관계는 dOut/din=1/sin(Anglemax))로 주어지는 1차(first order)의 관계이다. 콜리메이팅 광학의 높이 L은 L=(dout+din)/(2*tan(Anglemax))로 주어진다. 비-에텐듀 보존의 광학 형상은 본 명세서에서 수학식에 의해 기술되는 것보다 큰 콜리메이션 각도, 광학 높이, 및 면적비를 가질 수 있다.
콜리메이션 각도 Anglemax 에 대해, 이는 에텐듀 보존 광학의 경우, 콜리메이터의 입력 면적 Ain(폭 din에서 콜리메이팅 광학의 개구의 면적) 대 콜리메이터의 출력 면적 Aout(폭 dout에서 콜리메이팅 광학의 개구의 면적)이 Ain=Aout*(sin(Anglemax))2에 의해 계산될 수 있는 관계를 초래한다. 목표로 하는 콜리메이션 각도가 45°인 실시예에서, 콜리메이터의 입력 면적은 대략 출력 면적의 50%이다. 파장 변환 소자의 표면 중 나머지 50%(콜리메이팅 광학과 파장 변환 소자 사이에 별개의 반사 소자(302)를 갖는 장치에서, 도 8에서의 면적(302) 및 별개의 반사 소자(302)를 갖지 않는 장치에서, 도 10에서의 면적(300))는 콜리메이팅 광학에 의해 차단된다. 이 면적에서 콜리메이팅 광학에 입사하는 광은, 콜리메이션을 위해 개구측으로 탈출할 복수의 기회를 갖는 파장 변환 소자쪽으로 역반사된다. 콜리메이팅 광학의 출력측은 반사 표면 및 콜리메이팅 광학에서의 개구의 총 면적과 대략적으로 동일한 면적을 갖는다.
할로우(hollow)와 광학적으로 부착된 고체 콜리메이터 사이의 선택은 주로 유전체 재료로부터의 추출 이득과 광학적 공동의 리사이클링 효율성 사이의 선택인데, 소정 콜리메이션 각도를 위해, 굴절율 n의 콜리메이터를 사용하는 것은 텅 빈 공기 콜리메이터에 비해 n2 적은 콜리메이터 입력 표면적을 초래하기 때문이다. 고체 콜리메이터도 그것이 탑재되는 표면과 접촉하지 않을 수 있는데; 다시 말해, 콜리메이터와 그것이 탑재되는 표면 사이에 공기 공간이 존재할 수 있고, 이 경우, n2 팩터는 적용되지 않는다.
앞서 설명된 바와 같이, 일부 실시예에서, 목표로 하는 최대 1/2 원뿔 각도 Anglemax는 20°와 60°사이이다. 광이 광학을 빠져나가는 각각의 콜리메이팅 광학의 폭은 0.1과 3mm 사이일 수 있다. 각 콜리메이팅 광학의 높이 L은 3mm보다 작을 수 있다.
일부 실시예에서, 반사 영역(302)은 파장 변환 부재로부터의 열을 분산하기 위한 열싱크로서 구성될 수 있다. 반사 영역(302)에 의해 제공되는 추가적인 열싱킹(heat sinking)은, 광원에 의해 방출되는 광의 상당 부분이 파장 변환 소자에서 흡수되는 하이 파워 시스템에서 특히 유용하다. 결과적으로, 열이 파장 변환 소자에 구축될 수 있다. 광을 흡수하는 기존 열싱크와 달리, 반사 영역(302)은 리사이클링을 위해 광을 광원측으로 역반사한다. 일부 실시예에서는, 열 전도성 바(thermally conductive bars)가 개개 반사 영역(302)에 접속되어 열 제거를 위해 파장 변환 소자 너머로 확장할 수 있다.
본 발명을 상세히 설명하였으므로, 당업자라면, 본 명세서가 주어지면, 여기에서 설명된 발명 개념의 정신을 벗어나지 않으면서, 본 발명에 대한 변경이 이루어질 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위가, 예시되고 설명된 특정 실시예로 제한되지 않는다.
Claims (14)
- 구조체로서,
제1 피크 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성되는 광원(102); 및
상기 광원으로부터 방출되는 광의 경로에서 상기 광원의 위에 위치하는 복수의 부재(300)
를 포함하며,
상기 복수의 부재 각각은 상기 광원으로부터 빠져나가는 광 중 적어도 일부를 상기 광원의 상면에 실질적으로 수직인 방향을 향하게 하도록 구성되는 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 부재(300)는 상기 광원의 상면의 50 내지 500㎛ 사이에 배치되는 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 광원(102)은 적어도 하나의 III족-질화물 발광 다이오드(104)를 포함하는 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 부재(300)와 상기 광원(102) 사이에 배치되는 플레이트(110)를 더 포함하는 구조체. - 제4항에 있어서,
상기 복수의 부재(300)는 상기 플레이트(110) 상에 배치되며, 상기 플레이트와 상기 복수의 부재 사이의 계면에서, 상기 계면의 제1 영역(303)은 투명(transparent)하고, 상기 계면의 제2 영역(302)은 반사적(reflective)인 구조체. - 제4항에 있어서,
상기 플레이트(110)는 유리, 세라믹, 및 Al2O3 중 하나인 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 부재(300)와 상기 광원(102) 사이에 배치되는 파장 변환 소자(110)를 더 포함하며, 상기 파장 변환 소자는, 상기 제1 피크 파장을 갖는 광 중 적어도 일부는 흡수하고, 제2 피크 파장을 갖는 광은 방출하도록 구성되는 구조체. - 제7항에 있어서,
상기 복수의 부재(300)는 상기 파장 변환 소자(110)에 부착되는 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 부재(300) 각각은 곡선형 측벽을 갖는 구조체. - 제1항에 있어서,
각각의 부재의 일부와 상기 광원 사이에 배치되는 반사 재료를 더 포함하는 구조체. - 제10항에 있어서,
상기 반사 재료의 영역들은 열싱크(heat sink)를 형성하도록 연결되어 있는 구조체. - 제7항에 있어서,
상기 파장 변환 소자가 상기 광원(102)과 직접적으로 접촉하지 않도록 상기 파장 변환 소자(110)를 열적으로 유지하는 열싱크(106)를 더 포함하며,
상기 열싱크는 상기 파장 변환 소자의 적어도 일 측면에 의해 상기 파장 변환 소자를 유지하여, 상기 광원으로부터 방출되는 광을 수광하는 상기 파장 변환 소자의 입력 영역이 상기 열싱크에 의해 지지되지 않으며, 또한 상기 파장 변환 소자에 의해 제2 파장 범위를 갖는 광이 방출되는 상기 파장 변환 소자의 출력 영역 역시 상기 열싱크에 의해 지지되지 않게 하는 구조체. - 제12항에 있어서,
상기 복수의 부재(300)와 상기 파장 변환 소자(110) 사이에 배치되는 색 분리 소자(118)를 더 포함하는 구조체. - 제12항에 있어서,
상기 파장 변환 소자(110)와 상기 광원(102) 사이에 배치되는 색 분리 소자(116)를 더 포함하는 구조체.
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