KR20110016383A - 발광 장치 및 그 제조 방법, 조명 기구 및 조명 시스템 - Google Patents

발광 장치 및 그 제조 방법, 조명 기구 및 조명 시스템 Download PDF

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하리슨 도시바 라이팅 가부시키가이샤
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Abstract

발광 장치로서, 발광 소자; 제 1 방향을 따라 연장되는 그루브형 광가이드를 포함하는 기판으로서, 발광 소자로부터 방출되어 광가이드에 도입되는 방출광은, 제 1 방향을 따라 확산되면서 광가이드의 내벽면에 의해 반사되어, 기판 위의 위쪽으로 향한 상향광으로 변경되는 것인, 기판; 및 상기 광가이드 위에 제공되며, 상기 상향광을 집광하고 상기 제 1 방향에 대체로 수직인 평면에서의 광 분포 특성을 제어하도록 구성되는 렌즈를 포함한다.

Description

발광 장치 및 그 제조 방법, 조명 기구 및 조명 시스템{LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME, LIGHTING FIXTURE, AND LIGHTING SYSTEM}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2009년 8월 10일자로 출원된 일본 특허 공개 공보 제2009-186068호로부터의 우선건에 기초하고, 그 이익을 주장하며, 그 전체 내용은 참고로 여기에 통합된다.
본 발명의 실시형태들은 일반적으로 조명 장치 및 그 제조 방법, 조명 기구 및 조명 시스템에 관한 것이다.
발광 장치 및 조명 기구에서 반도체 발광 소자를 이용하여, 에너지 절감, 수명 연장, 소형화 및 중량 감소를 용이하게 할 수 있다. 또한, 수은 등을 사용하지 않기 때문에 환경에 대하여 바람직하다.
따라서, 전조등, 다른 조명 장치 및 액정 디스플레이 장치의 백라이트와 같은 애플리케이션들에 소형화, 로우 프로파일 및 경량화에 대한 요구가 증가되고 있다.
일본 공개 특허 공보 제2006-106212호는 전력 소비의 감소 및 휘도의 향상을 충족시키는 백라이트 유닛에 대한 기술예를 개시한다. 이 예에 개시된 백라이트 유닛은, 각각 적색광, 청색광 및 녹색광을 방출하기 위한 광원, 상기 광원으로부터의 광을 개구를 향하여 반사시키는 제 1 반사기 및 상기 광원으로부터의 광을 하우징의 다른 단부로 반사시키는 제 2 반사기를 포함한다.
일반적으로, 면발광 소자와 같은 LED 칩은 그 표면 위의 위쪽으로 와이드광 분포 각도로 광을 방출한다. 와이드광 분포 각도로 면발광 소자로부터 출력된 광의 휘도를 더 높게 획득하기 위하여, 큰 렌즈 등을 이용하여 광을 집광 및 시준할 필요가 있다. 또한, 상기 소자에 인가되는 전류 밀도는 더 높은 휘도 동작을 위하여 감소되어야 하기 때문에, 더 큰 사이즈의 소자를 이용할 필요가 있다.
이 예에서, 3색(RGB) 면발광 소스의 전체 발광 사이즈는 더욱 더 커진다. 따라서, 집광 및 시준 렌즈도 또한 더욱 더 커진다. 따라서, 이 예는 고휘도 및 광학 시스템 소형화의 요구를 동시에 충분히 충족시키지 못한다.
본 발명의 양태에 따르면, 발광 장치가 제공되는데, 상기 발광 장치는, 발광 소자; 제 1 방향을 따라 연장되는 그루브형 광가이드를 포함하는 기판으로서, 상기 발광 소자로부터 방출되어 상기 광가이드에 도입되는 방출광은, 상기 제 1 방향을 따라 확산되면서 상기 광가이드의 내벽면에 의해 반사되어, 상기 기판 위의 위쪽으로 향한 상향광으로 변경되는 것인, 기판; 및 상기 광가이드 위에 제공되며, 상기 상향광을 집광하고 상기 제 1 방향에 대체로 수직인 평면에서의 광 분포 특성을 제어하도록 구성되는 렌즈를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 조명 기구가 제공되는데, 상기 조명 기구는, 발광 장치를 포함하며, 상기 발광 장치는, 발광 소자; 제 1 방향을 따라 연장되는 그루브형 광가이드를 포함하는 기판으로서, 상기 발광 소자로부터 방출되어 상기 광가이드로 도입되는 방출광은, 상기 제 1 방향을 따라 확산되면서 상기 광가이드의 내벽면에 의해 반사되어, 상기 기판 위의 위쪽으로 향하는 상향광으로 변경되는 것인 기판; 상기 광가이드 위에 제공되며, 상기 방출광을 흡수하고 파장 변환된 광을 방출할 수 있는 형광체 혼합층; 상기 형광체 혼합층 위에 제공되어, 상기 상향광 및 상기 파장 변환된 광을 집광하고, 상기 제 1 방향에 대체로 수직인 평면에서 상기 상향광 및 상기 파장 변환된 광과의 혼합광의 광 분포 특성을 제어하도록 구성되는 렌즈; 일 측면으로부터 도입된 상기 혼합광을 가이드하도록 구성되는 광가이드 플레이트; 및 상기 광가이드 플레이트의 상면으로부터 방출된 상기 혼합광을 확산 및 방출할 수 있는 광학막 스택을 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 조명 기구가 제공되는데, 상기 조명 기구는, 발광 장치를 포함하며, 상기 발광 장치는, 발광 소자; 제 1 방향을 따라 연장되는 그루브형 광가이드를 포함하는 기판으로서, 상기 발광 소자로부터 방출되어 상기 광가이드에 도입되는 방출광은, 상기 제 1 방향을 따라 확산되면서 상기 광가이드의 내벽면에 의해 반사되어, 상기 기판 위의 위쪽으로 향하는 상향광으로 변경되는 것인 기판; 상기 광가이드 위에 제공되어, 상기 상향광을 집광하고 상기 제 1 방향에 대체로 수직인 평면에서의 광 분포 특성을 제어하도록 구성되는 렌즈; 상기 기판의 경사 각도를 변경시키도록 구성되는 작동기; 및 상기 작동기를 구동시키도록 구성되는 작동기 구동 회로를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 조명 시스템이 제공되는데, 상기 조명 시스템은, 조명 기구를 포함하며, 상기 조명 기구는, 발광 장치를 포함하며, 상기 발광 장치는, 발광 소자; 제 1 방향을 따라 연장되는 그루브형 광가이드를 포함하는 기판으로서, 상기 발광 소자로부터 방출되어 상기 광가이드에 도입되는 방출광은, 상기 제 1 방향을 따라 확산되면서 상기 광가이드의 내벽면에 의해 반사되어, 상기 기판 위의 위쪽으로 향하는 상향광으로 변경되는 것인 기판; 상기 광가이드 위에 제공되어, 상기 상향광을 집광하고 상기 제 1 방향에 대체로 수직인 평면에서의 광 분포 특성을 제어하도록 구성되는 렌즈; 상기 기판의 경사 각도를 변경시키도록 구성되는 작동기; 상기 작동기를 구동시키도록 구성되는 작동기 구동 회로; 상기 렌즈로부터 출력되는 광으로 조사되는 피사체의 화상을 검출할 수 있는 센서; 상기 발광 소자에 전류를 공급하도록 구성되는 발광 소자 전원 회로; 및 검출된 화상을 이용하여, 상기 발광 소자 전원 회로에 전류를 제어하는 발광 소자 제어 신호를 출력하고, 상기 작동기 구동 회로에 출력 광의 조명 방향을 제어하는 작동기 제어 신호를 출력하도록 구성되는 제어 회로를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 조명 시스템이 제공되는데, 조명 기구를 포함하며, 상기 조명 기구는, 발광 장치를 포함하며, 상기 발광 장치는, 발광 소자; 제 1 방향을 따라 연장되는 그루브형 광가이드를 포함하는 기판으로서, 상기 발광 소자로부터 방출되어 상기 광가이드에 도입되는 방출광은, 상기 제 1 방향을 따라 확산되면서 상기 광가이드의 내벽면에 의해 반사되어, 상기 기판 위의 위쪽으로 향하는 상향광으로 변경되는 것인 기판; 상기 광가이드 위에 제공되어, 상기 방출광을 흡수하고 파장 변환된 광을 방출할 수 있는 형광체 혼합층; 및 상기 형광체 혼합층 위에 제공되어, 상기 상향광을 집광하고 상기 제 1 방향에 대체로 수직인 평면에서의 상기 상향광과 상기 파장 변환된 광과의 혼합광의 광 분포 특성을 제어하도록 구성되는 렌즈; 상기 기판의 경사 각도를 변경하도록 구성되는 작동기; 상기 작동기를 구동시키도록 구성되는 작동기 구동 회로; 상기 렌즈로부터 출력되는 광으로 조사되는 피사체의 화상을 검출할 수 있는 센서; 상기 발광 소자에 전류를 공급하도록 구성되는 발광 소자 전원 회로; 및 검출된 화상을 이용하여, 상기 발광 소자 전원 회로에 전류를 제어하는 발광 소자 제어 신호를 출력하고 상기 작동기 구동 회로에 출력 광의 조명 방향을 제어하는 작동기 제어 신호를 출력하도록 구성되는 제어 회로를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 발광 장치의 제조 방법이 제공되는데, 이 방법은, 웨이퍼형 기판 상에 전극 패턴, 그루브형 광 가이드 및 분리 그루브를 형성하는 단계; 발광 소자의 전극과 상기 전극 패턴을 전기적으로 연결하도록 상기 발광 소자를 상기 기판에 탑재하는 단계로서, 상기 발광 소자의 방출광은 상기 광 가이드에 도입될 수 있는 것인, 발광 소자의 탑재 단계; 투명 기판의 제 1 주요면 상에 형광체 혼합층을 형성하고, 제 1 주요면에 반대되는 상기 투명 기판의 제 2 주요면측 상에 렌즈를 제공하는 단계; 상기 투명 기판의 제 1 주요면측에 상기 웨이퍼형 기판을 적층하여, 상기 형광체 혼합층에 대향되는 상기 광가이드를 제작하는 단계; 및 상기 분리 그루브에 따라서 상기 웨이퍼형 기판 및 상기 투명 기판을 절단 및 분리하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 고휘도 및 광학 시스템 소형화를 동시에 만족시키는 발광 장치 및 그 제조 방법, 조명 기구 및 조명 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 제 1 실시형태에 따른 발광 장치의 개략적인 사시도이다.
도 2는 발광 소자를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 광 가이드와 렌즈의 단면에서의 광 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 비교예에 따른 발광 장치의 개략도이다.
도 5a 내지 도 5c는 발광 장치의 제조 방법을 예시하는 개략적인 사시도이다.
도 6은 렌즈의 변형예를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 7a 및 도 7b는 제 1 실시형태의 변형예에 대한 개략적인 사시도이다.
도 8은 제 2 실시형태에 따른 발광 장치의 개략적인 사시도이다.
도 9는 제 2 실시형태의 변형에 대한 개략적인 사시도이다.
도 10은 제 3 실시형태에 따른 조명 기구의 개략적인 횡단면도이다.
도 11a 및 도 11b는 제 4 실시형태에 따른 조명 기구의 개략적인 사시도이다.
도 12는 제 5 실시형태에 따른 조명 시스템의 개략적인 사시도이다.
이제 본 발명의 실시형태들을 도면들을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 발광 장치의 개략적인 사시도이다.
발광 장치(5)는 제 1 방향(12)에 따른 그루브 모양으로 제공되는 광 가이드(10)를 포함하는 기판(20), 발광 소자(101) 및 광 가이드(10) 위에 제공되는 렌즈(50)를 포함한다.
발광 소자(101)로부터 방출된 광(118)은 광 가이드(10)의 하나의 말단부로 도입된다. 제 1 방향(12)에 따른 확산 동안에, 도입되는 방출 광(118)은, 광 가이드(10)의 내벽면(측면 및/또는 바닥면)에 의해 반사되고, 기판(20) 위의 위쪽으로 향하는 상향광(118a)으로 된다. 렌즈(50)는 광가이드(10) 위에 제공되고, 상향광(118a)을 집광함으로써 제 1 방향(12)에 대체로 수직인 평면에서의 광 분포 특성을 제어할 수 있다. 발광 소자(101) 이외의 발광 장치(5)의 구조를 이하에서는 광학부(35)로 지칭한다는 점에 주목한다.
기판(20)은 일례로 Si로 이루어지며, 광 가이드(10)의 폭(WG)은 500㎛ 이하이다. 그루브형 광가이드(10)의 내벽면에 Al 또는 Ag와 같은 고반사기(high reflector)(15)가 제공되는 경우, 이는 광 가이드에 입사되는 방출광을 효율적으로 반사한다.
도 2는 발광 소자를 나타내는 개략적인 사시도이다.
발광 소자(101)는 LED(발광 다이오드) 또는 LD(레이저 다이오드)일 수 있다. 도 2에서, 발광 소자(101)는 그 방출광(118)의 광 분포 각도를 줄일 수 있는 LD(101)인 것으로 가정한다. 상기 LD(101)는 n형 클래딩(cladding) 층(114), 활성층(112), p형 클래딩층(113), 기판 등을 포함한다.
양 측의 절연막(116)들 사이에 개재되며, 수 미크론의 폭을 가지는 줄무늬 형상 공진기(117)는 p형 클래딩층(113) 위에 제공된다. 이는 인덱스 가이드 구조를 만들며, 이러한 구조는, 일반적으로 5㎛2과 같이 작은 광 방출 영역을 가지며, 고 광방출 효율을 달성할 수 있다. 이 구조에 의해 절단된 작은 평면(facet)(정면)(115a)으로부터의 방출광(118)의 FFP(far field pattern)를 제어 및 안정화시킬 수 있다. 빔 확산 각도는 광 세기가 그 최대값의 절반이 되는 각도에 의해 표현된다. 예를 들어, 활성층(12)에 대한 수직빔 확산 각도(Fv)는 일반적으로 30°일수 이고, 수평빔 확산 각도(Fh)는 일반적으로 10°일 수 있다. 여기서, 절단된 작은 평면(facet)(이면)(115b)의 반사율을 증가시키는 것은 절단된 작은 평면(정면)(115a)으로부터의 광 출력을 증가시키는 것을 촉진시킬 수 있다.
일반적으로, 광 가이드(10)로부터 렌즈(50)에 입사되는 광의 밀도는, 광 가이드(10)의 폭 및 깊이와 LD(101)의 FFP를 최적화함으로써 제 1 방향(12)에 따라 일반적으로 균일하게 될 수 있다. 여기서, 발광 소자는, 면 발광 소자 또는 좁은 광 분포 각도를 가지는 고체 상태의 발광 소자일 수도 있다.
렌즈(50)의 교차부에서 적절한 볼록 렌즈면을 이용하면, 광 가이드(10)에서 고반사기(15)에 의해 반사되는 상향광(118a)을 집광하는 것 및 제 1 방향(12)에 대체로 수직인 평면에서의 광 분포 특성을 제어하는 것을 용이하게 할 수 있다.
다음으로, 이 실시형태에서의 광 분포 특성들을 제어하는 것을 더 상세히 설명한다.
도 3a는 광 가이드 및 렌즈의 단면의 광학 경로를 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 3b는 광의 확산 각도를 나타내는 그래프이다.
발광 소자의 발광부의 폭은 W로 표시되며, 발광부와 렌즈 상부 사이의 거리는 D로 표시된다. 발광부의 중심은 렌즈 상부 바로 아래에 위치된다. 발광부로부터의 광은 항상 렌즈 표면의 접선에 수직하게 입사되지 않는다. 따라서, 광은 렌즈를 벗어난 이후에 확산된다. 발광부의 에지로부터 수직으로 방출되는 광선의 최소 확산 각도는 Δθ로 표시된다. 즉, 발광부가 한정된 폭 W를 가지기 때문에, 이론적으로는 Δθ보다 작은 광 확산 각도를 획득하기는 어렵다.
도 3b에서, 수직축은 확산 각도 Δθ(도)를 나타내며, 수평축은 D/W를 나타낸다. 작은 Δθ는 큰 D/W를 요구한다는 것을 도 3b로부터 알 수 있다. 예를 들어, Δθ가 10°에 이르도록 작게 하기 위하여, D/W는 일반적으로 9와 동일하게 되어야 하는데 즉, 렌즈 사이즈가 증가되어야 한다. 이 경우, 발광부의 폭 W이 더 작게 됨에 따라, 거리 D가 증가될 수 있으므로, 렌즈를 소형화시킬 수 있다. 따라서, 발광면으로부터의 방출광은 통상 더 넓은 각도의 광선을 포함하므로, D/W는 바람직하기로는 9 보다 훨씬 더 크다.
한 방향의 광 분포 각도를 작게하는 경우에, 발광부의 폭이 작아지면 렌즈를 소형화시킬 수 있다. 이 렌즈로서 마이크로렌즈를 사용하는 경우에, 대략 5㎜의 폭 보다 작은 폭은 종래의 렌즈의 사이즈(이는 통상 1cm 보다 넓음)보다 더 작게 보인다. 즉, 바람직하기로는, 발광부는 대략 0.5㎜ 보다 작은 폭을 가진다.
도 4a는 비교예에 따른 발광 장치의 개략적인 횡단면도이며, 도 4b는 상기 발광 장치에 기초한 조명 기구의 개략적인 사시도이며, 도 4c는 발광 소자칩의 광 분포 특성을 나타낸다.
청색광을 방출할 수 있는 발광 소자칩(202)은 탑재 부재(250)에 부착되며, 형광체 혼합 수지층(302)은 그 위에 제공된다. 반값의 최대 각도가 일반적으로 120°× 120°와 같이 넓게 되는 상태에서, 발광 소자칩(202)의 광 각도 분포 특성은 도 4c에 도시된 바와 같이 램버시안(lambertian)으로 된다. 200㎃ 이상의 동작 전류를 가진 고휘도를 달성하기 위하여, 칩 사이즈는 예시적으로 1㎜ × 1㎜이다. 이는 적용된 전류 밀도가 효율적인 방출을 위하여 감소되어야 하기 때문이다. 도 4b는 발광 장치(402)들로부터의 방출광의 6개의 빔을 집광하여 방출하기 위하여 반사기(600) 및 렌즈(700)를 이용하는 조명 기구를 나타낸다. 6개의 발광 장치로 이루어지는 조명 기구의 발광부는 큰 사이즈를 가진다.
반값의 최대 각도에 대한 광 분포 각도에 대하여, 반값의 최대 각도가 도 3a 및 도 3b에서 Δθ로서 간주되면, D/W는 일반적으로 5.5이다. 요컨대, 방출광은 더 넓은 각도 성분을 포함하므로, D/W는 일반적으로 10 이상으로 설정된다. 따라서, 1㎜ × 1㎜의 사이즈를 가진 발광 소자에 대하여, 광학 시스템은 대략 1㎝ × 1㎝의 크기에 대하여, 일반적으로 10 배인 것이 바람직하다. 6 개의 칩에 대하여, 더 큰 사이즈를 가진 광학 시스템이 요구된다. 예를 들어, 광 분포 각도는 거대 반사기(600) 및 거대 렌즈(700)를 이용하여 작게되어야 한다. 즉, 반사기(600) 및 렌즈(700)의 사이즈는 증가된다. 이는 발광 장치의 사이즈를 증가시키고, 또한 발광 장치의 중량을 증가시킨다. 따라서, 광 분포 특성을 제어하기 위하여 소형이며 저전력 소모의 작동기 등에 의해 발광 장치를 이동시키는 것은 어렵다.
이와 반대로, 발광부의 폭이 용이하게 작게 되는 이 실시형태에서, 광학부(35)는 용이하게 소형화되고, 슬림화된다. 후술되는 바와 같이, 이는 작동기 등을 추가적으로 포함함으로써 광학부(35)의 광 분포 특성을 제어하는 것을 용이하게 한다.
이 실시형태에서, 발광 소자(101)가 InGaAlp계 재료, GaAlAs계 재료 또는 다른 재료로 이루어지는 경우, 상기 발광 소자는 예를 들어 500 ㎚ 내지 750 ㎚의 범위의 발광 파장에서 가시광을 방출할 수 있다. 이 명세서에서,“InGaAlp계”재료는 합성식 Inx(GayAl1-y)1-xP(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1)에 의해 표현되는 재료를 지칭하며, 또한 p형 또는 n형 불순물로 도핑된 재료를 포함한다. 또한, “GaAlAs계”재료는 합성식 GaxAl1-xAs (0≤x≤1)로 표현되는 재료를 지칭하며, 또한 p형 또는 n형 불순물로 도핑되는 재료를 포함한다.
다른 방법으로, 발광 소자(101)가 InGaAlN계 재료로 이루어지는 경우, 예를 들어 350 ㎚ 내지 540 ㎚의 광 방출 파장에서 자외광 내지 녹색광을 방출할 수 있다. 이 명세서에서, “InGaAlN계”재료는 합성식 BxInyGazxAl1-x-y-zN(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z≤1)에 의해 표현되는 재료를 지칭하며, 또한 p형 불순물 또는 n형 불순물로 도핑된 재료를 포함한다.
이 실시형태에서, 발광 장치(5)는 광 가이드(10)와 렌즈(50) 사이에 형광체 혼합층(30)을 더 포함할 수 있다. 보다 상세하게는, 발광 소자(101)는 InGaAlN계 재료로 이루어져, 자색 내지 청색 방출광(118)을 생성한다. 예시적으로 노란색 형광체 입자들을 포함하는 형광체 혼합층(30)은 발광 소자(101)의 방출광(118)을 흡수하고 파장변환의 결과로서의 노란색광(119)을 방출한다. 방출광과 파장 변환된 광과의 혼합은 백색, 백열전구색 등을 가지도록 제어될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상향광(118a)은 렌즈(50)에 의해 집광되고, 제 1 방향(12)에 대체로 수직인 방향으로 높은 휘도를 가진 출력광(G1)으로서 방출된다. 여기서, 다른 방법으로, 형광체는 YAG 등으로 이루어진 재료일 수 있다. 그 후, 백색 또는 백열전구색은 또한 적색, 녹색 또는 청색이 혼합된 색(발광 소자의 방출광)으로서 획득될 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 이 실시형태에 따른 발광 장치의 제조 방법을 나타내는 개략적인 사시도이다.
예시적으로 Si로 이루어진 기판(20)의 제 1 주요면(20a) 측에, 그루브와 같은 광 가이드(10), 발광 소자(101)를 탑재 및 와이어 본딩하기 위한 오목부(20c) 및 기판(20)을 분리하기 위한 그루브(25)가 건식 에칭 방법 또는 습식 에칭 방법에 의해 형성된다. 따라서, 제 1 주요면(20a)은 레벨에 있어서 차이를 가진다.
오목부(20c)의 바닥면에서, 발광 소자(101)를 탑재하기 위한 패턴(21a) 및 와이어 본드 패드(21b)가 형성된다. 전극 패턴(21)은 스루홀(미도시) 등에 의해 기판(20)의 제 2 주요면(20b)에 연결된다. 다음으로, 500㎛ 이하, 더 바람직하기로는 100㎛ 이하의 폭을 가진 단면 형상을 가지는 그루브형 광 가이드(10)는 에칭 공정에 의해 형성된다. 광 가이드(10)의 내벽면상에, Al, Ag 등은 고반사기(15)를 제공하기 위하여 증발될 수도 있다. 고반사기(15)가 제공되는 광 가이드(10)는 제 1 방향(12)에 따라 발광 소자(101)로부터의 방출광을 가이드할 수 있다.
발광 소자(101)는 AuSn 공융 땜납 또는 도전성 접착제를 이용하여 기판(20)의 오목부(20c)의 바닥면에 제공되는 패턴(21a)에 탑재되며, 발광 소자(101)의 전극은 본딩 와이어(119) 등에 의해 패턴(21b)에 연결된다. 따라서, 도 5a의 구조를 획득할 수 있다.
한편, 형광체 혼합층(30)은 예시적으로 유리 또는 수지로 이루어지는 투명 기판(40)의 제 1면(40a)에 제공되는 그루브에 형성된다. 형광체 혼합층(30)은 예시적으로 형광체 입자들로 혼합된 반투명(translucent) 수지를 그루브에 도포한 후 이를 경화시킴으로서 형성될 수 있다. 투명 기판(40)의 사이즈가 기판(20)의 사이즈와 정합되면, 재료를 효율적으로 사용할 수 있고, 생산성도 또한 증가된다.
렌즈(50)는, 그 중심 라인이 위에서 볼 때 형광체 혼합층(30)의 중심 라인과 대체로 정렬되도록 투명 기판(40)의 제 2면(40b) 상에 제공되어, 도 5b의 구조를 가진다. 여기서, 렌즈(50)는 에칭 공정 등에 의해 투명 기판(40)의 제 2 표면(40b) 측에 형성될 수 있다. 다른 방법으로, 렌즈(50)는 사이즈가 투명 기판(40)의 사이즈와 정합되는 렌즈 재료를 이용하여 에칭 공정 또는 몰딩 공정에 의해 형성될 수 있다.
이후에, 기판(20) 상에 제공된 금속 패턴(미도시)은 투명 기판(40) 상에 제공되는 금속 패턴(미도시)과 결합되어 렌즈(50)의 중심축은 광 가이드(10)의 중심축과 일치하며, 열 또는 압력을 인가함으로써, 도 5c의 구조를 획득한다. 다이싱법 또는 스크라이빙법에 의해 분리 그루부(25)에 따라 기판(20)을 절단함으로써, 도 1에 도시된 개별 발광 장치를 완성한다.
도 6은 렌즈의 변형예를 나타내는 개략적인 사시도이다.
렌즈(51)는 예시적으로 투명 기판(40) 상에 주름진 단면을 가지는 미소패턴화된 렌즈막 또는 프리즘막을 적층시킴으로써 광 가이드(10) 위에 제공될 수 있다.
이 실시형태의 제조 방법은 기판 레벨에서 발광 장치를 제조하는 것이며, WLP(웨이퍼 레벨 패킹)으로서 지칭될 수 있다. 따라서, 작은 발광 장치는 높은 체적(volume) 생산성으로 제조될 수 있다.
도 7a는 제 1 실시형태의 제 1 변형예를 나타내며, 도 7b는 제 1 실시형태의 제 2 변형예를 나타낸다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 고굴절률을 가지는 유리 재료(42)는 그루브형 광 가이드(10)에 패킹될 수도 있다. 다른 방법으로, 도 7b에 도시된 바와 같이, 측면 처리에 의해 처리된 광섬유(43)는 내부에 패킹될 수도 있다. 또한, 더 높은 광학 기능을 2 개 이상의 투명 기판을 이용함으로써 달성할 수 있다.
도 8은 제 2 실시형태에 따른 발광 장치의 개략적인 사시도이다.
이 실시형태는, 광 도파관 결합기와 같은 광 결합기(70) 및 2 개 이상의 발광 소자를 포함한다. 도 8에서, 3 개의 발광 소자(101, 102, 및 103)가 제공된다. 상기 발광 소자로부터의 방출광은 광 결합기(70)에 결합된 후, 광 가이드(10)에 도입된다. 3 개의 발광 소자(101, 102 및 103)가 대체로 동일한 파장을 가지는 경우, 광 출력이 증가될 수 있고, 더 높은 휘도가 달성될 수 있다.
도 9는 제 2 실시형태의 변형예를 나타낸다.
발광 소자(81, 82, 83)는 외부 탑재 부재들에 각각 탑재된다. 이들의 출력은 광섬유(91, 92, 93) 등을 통하여 각각 광 결합기(70)에 도입된다. 예를 들어, 3 개의 발광 소자(81, 82, 83)가 적색광, 녹색광 및 청색광을 각각 방출하면, 그 후, 혼합색이 광 가이드(10)에 생성되므로, 형광체 혼합층을 생략할 수 있다.
도 10은 제 3 실시형태에 따른 조명 기구의 개략적인 횡단면도이다.
발광 장치(5)로부터의 출력광(G1)은 광가이드 플레이트(513)의 측면(513a)으로부터 도입된다. 광학막 스택(800)은 광가이드 플레이트(513)의 상면(513c)에 제공된다. 입사광은 광가이드 플레이트(513)의 하면(513b)에서 반사된 후, 상기 입사광의 일부는 광학막 스택(800)으로 도입 및 확산된 후, 위쪽으로 방출된다. 나머지 광의 일부는 반사되고 광가이드 플레이드(513)의 다른 측면을 향하여 더 이동한다. 이와 같이 반사를 반복함으로써, 광학막 스택(800)의 전체 표면은 대체로 균일하게 조사될 수 있다. 예를 들어, 발광부의 폭 WG가 100㎛ 이하이면, 광 분포 각도는 렌즈를 소형화시킴에도 불구하고 작아질 수 있고, 이는 광가이드 플레이트(513)로부터의 광 추출 효율을 향상시키는 것을 용이하게 한다. 또한, 조명 기구는 용이하게 슬림화된다. 이러한 조명 기구는 예시적으로 액정 디스플레이 장치의 백라이트 소스로서 사용될 수 있다.
도 11a는 제 4 실시형태에 따른 조명 기구의 개략적인 사시도이며, 도 11b는 제 4 실시형태에 따른 조명 기구의 변형예의 개략적인 사시도이다.
이 실시형태는 베이스(37) 및 이 베이스(37)에 부착되는 광학부(35)를 더 포함한다. 베이스(37)로부터 분리되는 발광 소자(81, 82, 및 83)로부터의 방출광은 광섬유 등을 통하여 광가이드(10)에 도입된다. 발광부의 좁은 폭으로 인하여, 베이스(37) 및 램프 커버(39)는 소형화되고, 슬림화될 수 있다. 여기서, 광을 반사할 수 있는 반사기 기능이, 발광부가 부착되는 베이스(37)의 표면에 부여되면, 휘도를 더 높일 수 있다. 이러한 조명 기구는 차 전조등 등으로서 사용될 수 있다. 광 가이드(10)가 제 1 방향(12)으로 연장되면, 선형광 소스로부터 감소된 휘도를 가진 출력광(G1)을 획득할 수 있다.
도 11b의 변형예에서, 3 개의 광학부(35)는 베이스(37)에 배치되고, 광학부 당 휘도는 약해진다. 따라서, 섬광(glare)을 억제하면서 매우 높은 휘도를 가진 출력광(G2)을 획득할 수 있다.
도 12는 제 5 실시형태에 따른 광학 시스템의 개략적인 사시도이다.
이 광학 시스템은 조명 기구, 작동기(901, 902 및 903) 및 작동기 구동 회로(954)를 포함한다. 조명 기구는 도 11b에 도시된 제 4 실시형태에 따른 조명 기구이다. 3 개의 광학부(35a, 35b 및 35c)의 기판(20)의 제 2 주요면(20b)측은 각각 작동기(901, 902 및 903) 상에 탑재된다. 작동기(901, 902 및 903)는 작동기 구동 회로(954)에 연결된다.
베이스(37)에 탑재된 작동기(901, 902 및 903)는, 유압 장치, 소형 모터, 솔레노이드 코일, 형상 기억 합금, MEMS(microelectromechanical system) 등으로 이루어진다. 작동기(901, 902 및 903) 상에 탑재된 광학부(35a, 35b 및 35c)는 작동기 구동 회로(954)에 의해 각각 구동되어 기판(20)의 경사 각도를 변경시킨다. 따라서, 출력광(G2)의 조명 방향 및 결합된 광 분포 특성을 제어할 수 있다. 발광 소자를 작동기 상에 탑재할 수 있더라도, 작동기는 그 후 사이즈가 커지고, 그 구동 특성의 저하 및 구동 전력의 증가를 야기한다. 도 12에 도시된 바와 같이, 광학부(35a, 35b 및 35c)로부터 발광 소자(81, 82 및 83)를 분리하면, 각각 광학부들(35)를 구동시키는 것을 용이하게 할 수 있다. 여기서, 조명 기구는 도 10에 도시된 제 3 실시형태에 따른 조명 기구일 수도 있다.
이 조명 시스템은 제어 회로(952) 및 센서(950)를 더 포함할 수 있다. 센서(950)는 예시적으로 CCD 또는 다른 촬영 소자를 포함하며, 조명 기구로부터 출력광(G2)으로 조사되는 피사체의 화상을 검출한다. 센서(950)의 화상 신호(S1)는 MPU(마이크로프로세싱 유닛) 등으로 이루어지는 제어 회로(952)에 입력되어, 분석된다.
작동기 구동 회로(954)로부터 출력되는 구동 신호(SD)에 따르면, 작동기(901, 902 및 903)은 각각 광학부(35a, 35b 및 35c)로부터의 출력광(G2)의 조명 방향을 제어할 수 있다.
화상 분석 결과에 기초한 제어 회로(952)로부터의 발광 소자 제어 신호(S2)는 발광 소자 전원 회로(956)에 입력되어, 이 신호에 의해 발광 소자(81, 82 및 83)의 각각에 전류(IL)를 제어가능하게 공급할 수 있다.
차 전조등에 대하여 이러한 조명 기구를 이용하는 경우에, 제어 신호(952)는 화상을 분석할 수 있고, 발광 소자 전원 회로(956)에, 접근하는 차 또는 보행자에 대한 출력광(G2)의 휘도를 변화시키기 위한 발광 소자 제어 신호(S2)를 출력할 수 있다. 예를 들어, 휘도가 너무 높다고 판단되는 경우에, 발광 소자로의 전류(IL)는 감소될 수 있다.
또한, 제어 신호(952)는 출력광(G2)의 조명 방향을 변화시키는 작동기 제어 신호(S3)를 작동기 구동 회로(954)에 출력한다. 예를 들어, 접근하는 차 또는 보행자에 대한 직접 조명을 회피하도록 판단되는 경우에, 조명 방향이 변경된다. 이는 접근하는 차 또는 보행자에 섬광을 억제하는 것을 용이하게 한다.
또한, 2개의 작동기를 사용함으로써, 제 1 광 분포 특성 및 제 2 광 분포 특성을 결합시킬 수 있고, 전체 광 분포 특성을 제어할 수 있다. 따라서, 조명의 제어 방향은 수직 방향으로 제한되지 않지만, 수평 방향일 수도 있다.
이 실시형태는 AFS(adaptive front-lighting system)과 같은 복잡한 시스템을 구현하는 것을 용이하게 한다. 예를 들어, 광 분포 특성은, 스티어링 및 턴 신호와 동기하여 제어될 수 있다. 또한, 코너에서, 접근하는 차로의 섬광이 예상되는 경우에, 광은 일시적으로 오프된 후, 자동 제어에 의해 다시 온된다. 또한, 구동 속도에 따라서, 휘도 및 광 분포 특성을 자동적으로 제어할 수 있다.
제 1 및 제 2 실시형태 및 이와 연관된 변형예들은, 광학 시스템을 작게 유지하면서 고휘도를 용이하게 달성할 수 있는 발광 장치 및 그 제조 방법을 제공한다.
제 3 실시형태는 소형의 고휘도 백라이트 소스 등에 적용가능한 조명 기구를 제공하며, 상기 조명 기구에서는 광 분포 특성을 용이하게 제어한다.
제 4 실시형태는 소형의 고휘도 전조등 등에 적용가능한 조명 기구를 제공하며, 상기 조명 기구에서는 광 분포 특성을 용이하게 제어한다.
또한, 제 5 실시형태는 AFS 등에 적용가능한 조명 시스템을 제공하며, 상기 조명 시스템에서는 조명 방향 및 광 분포 특성을 용이하게 제어한다.
이 실시형태의 발광 장치의 제조 방법은 Si 기판 등을 이용함으로써 WLP 타입이 될 수 있으므로, 높은 체적 생산성을 달성할 수 있다. 따라서, 이는 비용 감소를 용이하게 한다.
이상과 같이, 본 발명의 실시형태들을 도면들을 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이 실시형태들로 제한되지 않는다. 당업자는 상기 실시형태들을 구성하는 발광 소자, 기판, 도파관, 형광체 혼합층, 투명 기판, 렌즈, 광가이드 플레이트, 광학막 스택, 작동기, 센서 등의 재료, 형상, 사이즈, 레이아웃 등을 여러 가지로 변경할 수 있으며, 이러한 변경은 또한 본 발명의 범위 내에 포함된다.
5 : 발광 장치 10 : 광 가이드
20 : 기판 50 : 렌즈

Claims (20)

  1. 발광 장치로서,
    발광 소자;
    제 1 방향을 따라 연장되는 그루브형 광가이드를 포함하는 기판으로서, 상기 발광 소자로부터 방출되어 상기 광가이드에 도입되는 방출광은, 상기 제 1 방향을 따라 확산되면서 상기 광가이드의 내벽면에 의해 반사되어, 상기 기판 위의 위쪽으로 향한 상향광으로 변경되는 것인, 기판; 및
    상기 광가이드 위에 제공되며, 상기 상향광을 집광하고 상기 제 1 방향에 대체로 수직인 평면에서의 광 분포 특성을 제어하도록 구성되는 렌즈를 포함하는 발광 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 상기 광가이드의 내벽면 상에 고반사기(high reflector)를 가지는 것인 발광 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 발광 소자는 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드인 것인 발광 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 렌즈는 주름진 단면을 가지는 것인 발광 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 광 결합기를 더 포함하며,
    상기 발광 소자는,
    제 1 발광 파장을 가지는 제 1 발광 소자; 및
    상기 제 1 발광 파장과는 다른 제 2 발광 파장을 가지는 제 2 발광 소자를 포함하며,
    상기 제 1 발광 소자로부터의 방출광 및 상기 제 2 발광 소자로부터의 방출광은 상기 광 결합기에 의해 혼합광으로 조합되며,
    상기 혼합광은 상기 광가이드에 도입되는 것인 발광 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 기판과 상기 렌즈 사이에 제공되어, 상기 방출광을 흡수하고 파장 변환된 광을 방출할 수 있는 형광체 혼합층을 더 포함하며,
    상기 렌즈는 추가적으로 상기 파장 변환된 광을 집광하고, 상기 제 1 방향에 대체로 수직인 평면에서의 상기 상향광과 상기 파장 변환된 광과의 혼합광의 광 분포 특성을 제어하는 것인 발광 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 기판과 상기 렌즈 사이에 제공되어, 상기 광가이드에 반대되는 그루브를 가지는 투명 기판을 더 구비하며,
    상기 형광체 혼합층은 상기 투명 기판의 그루브에 제공되는 것인 발광 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 기판의 상기 광가이드에 제공된 광섬유를 더 포함하며,
    상기 발광 소자로부터의 방출광은 상기 광섬유를 통하여 상기 광가이드에 도입되는 것인 발광 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 광 가이드는 500㎛ 이하의 폭을 가지는 것인 발광 장치.
  10. 조명 기구로서,
    발광 장치를 포함하며,
    상기 발광 장치는, 발광 소자;
    제 1 방향을 따라 연장되는 그루브형 광가이드를 포함하는 기판으로서, 상기 발광 소자로부터 방출되어 상기 광가이드로 도입되는 방출광은, 상기 제 1 방향을 따라 확산되면서 상기 광가이드의 내벽면에 의해 반사되어, 상기 기판 위의 위쪽으로 향하는 상향광으로 변경되는 것인 기판;
    상기 광가이드 위에 제공되며, 상기 방출광을 흡수하고 파장 변환된 광을 방출할 수 있는 형광체 혼합층;
    상기 형광체 혼합층 위에 제공되어, 상기 상향광 및 상기 파장 변환된 광을 집광하고, 상기 제 1 방향에 대체로 수직인 평면에서 상기 상향광 및 상기 파장 변환된 광과의 혼합광의 광 분포 특성을 제어하도록 구성되는 렌즈;
    일 측면으로부터 도입된 상기 혼합광을 가이드하도록 구성되는 광가이드 플레이트; 및
    상기 광가이드 플레이트의 상면으로부터 방출된 상기 혼합광을 확산 및 방출할 수 있는 광학막 스택을 포함하는 조명 기구.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 기판의 경사 각도를 변경시키도록 구성되는 작동기; 및
    상기 작동기를 구동시키도록 구성된 작동기 구동 회로를 더 포함하는 조명 기구.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 작동기는 유압(hydraulic) 장치, 소형 모터, 솔레노이드 코일, 형상 기억 합금 및 마이크로 전자 기계 시스템 중 하나인 것인 조명 기구.
  13. 조명 기구로서,
    발광 장치를 포함하며,
    상기 발광 장치는, 발광 소자;
    제 1 방향을 따라 연장되는 그루브형 광가이드를 포함하는 기판으로서, 상기 발광 소자로부터 방출되어 상기 광가이드에 도입되는 방출광은, 상기 제 1 방향을 따라 확산되면서 상기 광가이드의 내벽면에 의해 반사되어, 상기 기판 위의 위쪽으로 향하는 상향광으로 변경되는 것인 기판;
    상기 광가이드 위에 제공되어, 상기 상향광을 집광하고 상기 제 1 방향에 대체로 수직인 평면에서의 광 분포 특성을 제어하도록 구성되는 렌즈;
    상기 기판의 경사 각도를 변경시키도록 구성되는 작동기; 및
    상기 작동기를 구동시키도록 구성되는 작동기 구동 회로를 포함하는 조명 기구.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 작동기는 유압 장치, 소형 모터, 솔레노이드 코일, 형상 기억 합금 및 마이크로 전자 기계 시스템 중 하나인 것인 조명 기구.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 발광 장치는, 상기 기판과 상기 렌즈 사이에 제공되어, 상기 방출광을 흡수하고 파장 변환된 광을 방출할 수 있는 형광체 혼합층을 더 포함하고,
    상기 렌즈는, 추가적으로 상기 파장 변환된 광을 집광하고, 상기 제 1 방향에 대체로 수직인 평면에서의 상기 상향광과 상기 파장 변환된 광과의 혼합광의 광 분포 특성을 제어하는 것인 조명 기구.
  16. 조명 시스템으로서,
    조명 기구를 포함하며,
    상기 조명 기구는, 발광 장치를 포함하며,
    상기 발광 장치는, 발광 소자;
    제 1 방향을 따라 연장되는 그루브형 광가이드를 포함하는 기판으로서, 상기 발광 소자로부터 방출되어 상기 광가이드에 도입되는 방출광은, 상기 제 1 방향을 따라 확산되면서 상기 광가이드의 내벽면에 의해 반사되어, 상기 기판 위의 위쪽으로 향하는 상향광으로 변경되는 것인 기판;
    상기 광가이드 위에 제공되어, 상기 상향광을 집광하고 상기 제 1 방향에 대체로 수직인 평면에서의 광 분포 특성을 제어하도록 구성되는 렌즈;
    상기 기판의 경사 각도를 변경시키도록 구성되는 작동기;
    상기 작동기를 구동시키도록 구성되는 작동기 구동 회로;
    상기 렌즈로부터 출력되는 광으로 조사되는 피사체의 화상을 검출할 수 있는 센서;
    상기 발광 소자에 전류를 공급하도록 구성되는 발광 소자 전원 회로; 및
    검출된 화상을 이용하여, 상기 발광 소자 전원 회로에 전류를 제어하는 발광 소자 제어 신호를 출력하고, 상기 작동기 구동 회로에 출력 광의 조명 방향을 제어하는 작동기 제어 신호를 출력하도록 구성되는 제어 회로를 포함하는 조명 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 작동기는 제 1 작동기 및 제 2 작동기를 포함하며,
    상기 제 1 작동기에 기초한 제 1 광분포 및 상기 제 2 작동기에 기초한 제 2 광분포는 조합되는 것인 조명 시스템.
  18. 조명 시스템으로서,
    조명 기구를 포함하며,
    상기 조명 기구는, 발광 장치를 포함하며,
    상기 발광 장치는, 발광 소자;
    제 1 방향을 따라 연장되는 그루브형 광가이드를 포함하는 기판으로서, 상기 발광 소자로부터 방출되어 상기 광가이드에 도입되는 방출광은, 상기 제 1 방향을 따라 확산되면서 상기 광가이드의 내벽면에 의해 반사되어, 상기 기판 위의 위쪽으로 향하는 상향광으로 변경되는 것인 기판;
    상기 광가이드 위에 제공되어, 상기 방출광을 흡수하고 파장 변환된 광을 방출할 수 있는 형광체 혼합층; 및
    상기 형광체 혼합층 위에 제공되어, 상기 상향광을 집광하고 상기 제 1 방향에 대체로 수직인 평면에서의 상기 상향광과 상기 파장 변환된 광과의 혼합광의 광 분포 특성을 제어하도록 구성되는 렌즈;
    상기 기판의 경사 각도를 변경하도록 구성되는 작동기;
    상기 작동기를 구동시키도록 구성되는 작동기 구동 회로;
    상기 렌즈로부터 출력되는 광으로 조사되는 피사체의 화상을 검출할 수 있는 센서;
    상기 발광 소자에 전류를 공급하도록 구성되는 발광 소자 전원 회로; 및
    검출된 화상을 이용하여, 상기 발광 소자 전원 회로에 전류를 제어하는 발광 소자 제어 신호를 출력하고 상기 작동기 구동 회로에 출력 광의 조명 방향을 제어하는 작동기 제어 신호를 출력하도록 구성되는 제어 회로를 포함하는 조명 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 작동기는 제 1 작동기 및 제 2 작동기를 포함하며,
    상기 제 1 작동기에 기초한 제 1 광분포 및 상기 제 2 작동기에 기초한 제 2 광분포는 조합되는 것인 조명 시스템.
  20. 발광 장치의 제조 방법에 있어서,
    웨이퍼형 기판 상에 전극 패턴, 그루브형 광 가이드 및 분리 그루브를 형성하는 단계;
    발광 소자의 전극과 상기 전극 패턴을 전기적으로 연결하도록 상기 발광 소자를 상기 기판에 탑재하는 단계로서, 상기 발광 소자의 방출광은 상기 광 가이드에 도입될 수 있는 것인, 발광 소자의 탑재 단계;
    투명 기판의 제 1 주요면 상에 형광체 혼합층을 형성하고, 제 1 주요면에 반대되는 상기 투명 기판의 제 2 주요면측 상에 렌즈를 제공하는 단계;
    상기 투명 기판의 제 1 주요면측에 상기 웨이퍼형 기판을 적층하여, 상기 형광체 혼합층에 대향되는 상기 광가이드를 제작하는 단계; 및
    상기 분리 그루브에 따라서 상기 웨이퍼형 기판 및 상기 투명 기판을 절단 및 분리하는 단계를 포함하는 발광 장치의 제조 방법.
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