KR20130036220A - 원격 형광체 및 디퓨저 구성을 갖는 발광 다이오드 램프 - Google Patents

원격 형광체 및 디퓨저 구성을 갖는 발광 다이오드 램프 Download PDF

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KR20130036220A
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번드 켈러
에릭 타사
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테오도르 로웨스
니콜라스 더블유 메던도프
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Abstract

광원, 히트 싱크 구조 및 광학 캐비티를 포함하는 LED 램프 또는 전구를 개시한다. 광학 캐비티는 변환 재료를 갖고 캐비티에 대한 개구부 상에 배치된 형광체 캐리어를 포함한다. 형광체 캐리어는 열도전성 투명 재료를 포함하며, 히트 싱크 구조에 열 접속된다. LED 기반 광원은 형광체 캐리어로부터 떨어져 광학 캐비티에 탑재되며, 광원으로부터의 광이 형광체 캐리어를 통과한다. 광학 캐비티 위에 탑재되는 디퓨저 돔 또한 포함되며, 광학 캐비티로부터의 광이 디퓨저 돔을 통과한다. 디퓨저 돔은 디퓨저 돔을 통과하는 광을 무지향성과 같은 원하는 발광 패턴으로 분배할 수 있다. 일실시예에서, 광원은 청색 발광 LED일 수 있고, 형광체 캐리어는 황색 형광체를 포함할 수 있으며, LED 램프 또는 전구는 LED 광과 형광체광의 백색광 조합을 방출한다.

Description

원격 형광체 및 디퓨저 구성을 갖는 발광 다이오드 램프{LED LAMP WITH REMOTE PHOSPHOR AND DIFFUSER CONFIGURATION}
본 출원은 2010년 3월 3일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/339,516호와, 2010년 3월 3일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/339,515호와, 2010년 9월 24일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/386,437호와, 2010년 12월 19일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/424,665호와, 2010년 12월 19일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/424,670호와, 2011년 1월 19일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/434,355호와, 2011년 1월 23일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/435,326호와, 2011년 1월 24일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/435,759호의 이점을 주장한다. 본 출원은 또한 2010년 8월 2일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 12/848,825호와, 2010년 9월 24일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 12/889,719호와, 2010년 12월 22일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 12/975,820호의 일부 계속 출원이며, 이들 특허 출원의 이점을 주장한다.
본 발명은 전반적으로 솔리드 스테이트 램프 및 전구에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 무지향성 발광 패턴(omnidirectional emission pattern)을 발생할 수 있는 효율적이고 신뢰할 수 있는 발광 다이오드(LED) 기반의 램프 및 전구에 관한 것이다.
주택용 및 상업용 설비를 위한 광원으로서 백열등 또는 필라멘트 기반 램프 또는 전구가 흔히 이용된다. 그러나, 이러한 램프는 입력 에너지의 95% 정도가 손실되는 주로 열 또는 적외선 에너지 형태의 매우 비효율적인 광원이다. 백열 램프에 대한 한 가지 일반적인 대안인 소위 소형 형광 램프(CFL)는 전기를 광으로 변환하는 것에는 보다 효율적이지만, 독성 물질의 사용을 요구하며, 이 독성 물질은 그 각종 화합물과 함께 만성 중독 및 극심한 중독을 초래하고, 환경 오염을 야기할 수 있다. 램프 또는 전구의 효율을 향상시키기 위한 한 가지 해법은 광을 발생하기 위해 금속 필라멘트보다는 발광 다이오드(LED 또는 LEDs)와 같은 솔리드 스테이트 장치를 이용하는 것이다.
발광 다이오드는 일반적으로 반대로 도핑된 층들 사이에 개재된 반도체 재료로 이루어진 하나 이상의 활성층을 포함한다. 도핑층 양단에 바이어스를 인가하면, 활성층에 정공 및 전자가 주입되고, 이 활성층에서 정공과 전자가 재결합하여 광을 발생한다. 이 광은 활성층 및 LED의 다양한 표면으로부터 방출된다.
회로 또는 기타 유사 장치에서 LED 칩을 사용하기 위해, LED 칩을 패키지에 밀봉하여 환경적 및/또는 기계적 보호, 컬러 선택, 광 포커싱 등을 제공하는 것이 알려져 있다. LED 패키지는 또한 LED 패키지를 외부 회로에 전기적으로 접속시키기 위한 전기 리드, 컨택, 또는 트레이스를 포함할 수 있다. 도 1에 예시된 대표적인 LED 패키지(10)에서, 하나의 LED 칩(12)이 솔더 본드 또는 도전성 에폭시를 통해 반사성 컵(reflective cup)(13) 상에 탑재된다. 하나 이상의 와이어 본드(11)가 LED 칩(12)의 오믹 컨택을 반사성 컵(13)에 부착되거나 일체화될 수 있는 리드(15A 및/또는 15B)에 접속시킨다. 반사성 컵은 형광체(phosphor)와 같은 파장 변환 재료를 포함할 수도 있는 인캡슐런트 재료(16)로 채워질 수 있다. LED에 의해 제1 파장으로 방출된 광은 형광체에 의해 흡수될 수 있고, 이 형광체가 그에 응답하여 제2 파장의 광을 방출할 수 있다. 전체 어셈블리는 그 후 LED 칩(12)으로부터 방출된 광을 시준하기 위해 렌즈 형상으로 몰딩될 수 있는 투명한 보호 수지(14)로 인캡슐레이션된다. 반사성 컵(13)이 광을 상방향으로 지향시킬 수 있지만, 광이 반사될 때에는 광손실이 발생할 수도 있다(즉, 일부 광은 실제 반사기 표면의 100% 미만의 반사율로 인해 반사성 컵에 의해 흡수될 수 있다). 또한, 도 1에 도시된 패키지(10)에 대해서는 리드(15A, 15B)를 통해 열을 추출하는 것이 곤란할 수도 있기 때문에 열 보유가 문제가 될 수도 있다.
도 2에 예시된 종래의 LED 패키지(20)는 더 많은 열을 발생할 수도 있는 고파워 작동에 더욱 적합할 수도 있다. LED 패키지(20)에서는 하나 이상의 LED 칩(22)이 인쇄 회로 기판(PCB) 캐리어, 기판 또는 서브마운트(23) 등의 캐리어 상에 탑재된다. 서브마운트(23) 상에 탑재된 금속 반사기(24)가 LED 칩(22)을 둘러싸고, LED 칩(22)에 의해 방출된 광을 패키지(20)로부터 멀어지도록 반사한다. 반사기(24)는 또한 LED 칩(22)에 대한 기계적 보호를 제공한다. 하나 이상의 와이어 본드 접속부(27)가 LED 칩(22) 상의 오믹 컨택과 서브마운트(23) 상의 전기 트레이스(25A, 25B) 사이에 형성된다. 그 후, 탑재된 LED 칩(22)은 칩에 대한 환경적 및 기계적 보호를 제공하면서 또한 렌즈로서도 작용하는 인캡슐런트(26)로 덮여진다. 금속 반사기(24)는 통상적으로 솔더 또는 에폭시 본드를 통해 캐리어에 부착된다.
도 2의 LED 패키지(20)에서 볼 수 있는 바와 같은 LED 칩은 LED 광의 적어도 일부를 흡수하는 하나 이상의 형광체를 포함하는 변환 재료에 의해 코팅될 수 있다. LED 칩은 LED와 형광체로부터의 광의 조합을 방출하도록 상이한 파장의 광을 방출할 수 있다. LED 칩은 다수의 상이한 방법을 이용하여 형광체로 코팅될 수 있으며, 한 가지 적합한 방법이 미국 특허 출원 번호 11/656,759 및 11/899,790에 개시되어 있으며, 이들 특허 출원 모두는 Chitnis 등에 의해 "Wafer Level Phosphor Coating Method and Devices Fabricated Utilizing Method"를 발명의 명칭으로 하여 출원되었다. 이와 달리, LED는 전기영동 증착(EPD)과 같은 다른 방법을 이용하여 코팅될 수 있으며, 적합한 EPD 방법은 "Close Loop Electrophoretic Deposition of Semiconductor Devices"를 발명의 명칭으로 하여 Tarsa 등에 의해 출원된 미국 특허 출원 번호 11/473,089에 개시되어 있다.
변환 재료를 밀착 상태로 또는 직접 코팅의 형태로 갖는 LED 칩이 다양한 상이한 패키지에 이용되고 있지만 디바이스의 구조를 기반으로 하는 일부 제한을 받고 있다. 형광체 재료가 LED 에피택셜층 상에 있거나 이 에피택셜층에 밀착하여 있을 때(그리고 일부 경우에는 LED 위의 컨포멀 코트(conformal coat)를 포함하고 있을 때), 형광체는 칩에 의해 발생된 열을 직접 받게 될 수 있으며, 이것은 형광체 재료의 온도를 증가시킬 수 있다. 또한, 이러한 경우에, 형광체는 LED로부터의 매우 높은 농도 또는 광속의 입사광을 받게 될 수 있다. 변환 프로세스가 일반적으로 100% 효율은 아니므로, 입사 광속에 비례하여 형광체층에서 과도한 열이 발생된다. LED 칩에 근접한 소형 형광체층에서, 이것은 작은 면적에서 대량의 열이 발생될 때에는 형광체층에서의 상당한 온도 증가를 초래할 수 있다. 이 온도 증가는 형광체 입자 내에서 발생된 열을 위한 효과적인 방열 경로를 제공하지 못하는 실리콘과 같은 낮은 열전도율 재료에 형광체 입자가 임베드(embed)될 때에 확대될 수 있다. 이러한 상승된 작동 온도는 형광체 변환 효율의 감소 및 변환 컬러의 시프트뿐만 아니라 시간이 지남에 따라 형광체 및 그 주변 재료의 열화를 초래할 수 있다.
또한, LED 등의 솔리드 스테이트 광원을 LED로부터 이격되어 있거나 LED에 대해 원격으로 위치되어 있는 변환 재료와 함께 이용하는 램프가 개발되었다. 이러한 장치는 Tarsa 등에게 허여된 "High Output Radial Dispersing Lamp Using a Solid State Light Source"를 명칭으로 하는 미국 특허 제6,350,041호에 개시되어 있다. 이 특허에 개시된 램프는, 분리기(separator)를 통해 형광체를 갖는 디스퍼서(disperser)에 광을 전파하는 솔리드 스테이트 광원을 포함할 수 있다. 디스퍼서는 광을 원하는 패턴으로 분산하거나 및/또는 형광체 또는 다른 변환 재료를 통해 광의 적어도 일부분을 상이한 파장으로 변환함으로써 광의 컬러를 변경할 수 있다. 일부 실시예에서, 분리기는 광원을 디스퍼서와 충분한 간격으로 유지되도록 하여, 광원이 실내 조명에 필요한 상승된 전류를 운반하고 있을 때에, 광원으로부터의 열이 디스퍼서에 전달되지 않도록 할 것이다. 추가의 원격 형광체(remote phosphor) 기술이 Negley 등에게 허여된 "Lighting Device"를 명칭으로 하는 미국 특허 제7,614,759호에 개시되어 있다.
원격 형광체를 통합하는 램프의 한 가지 잠재적인 단점은 이들 램프가 바람직하지 않은 시각적 또는 미적 특성을 가질 수 있다는 것이다. 램프가 광을 발생하지 않을 때, 램프는 표준 에디슨(Edison) 전구의 전형적인 백색 또는 투명한 외관과는 상이한 표면 컬러를 가질 수 있다. 일부 경우에, 램프는 형광체 변환 재료에 의해 주로 발생하는 황색 또는 오랜지색 외관을 가질 수 있다. 이 외관은 광이 조사되지 않을 때에 주변 건축 요소와의 미적인 문제를 야기할 수 있는 다수의 어플리케이션에 대해서는 바람직하지 않은 것으로 간주될 수 있다. 이것은 이러한 타입의 램프의 전체적인 소비자 수용성(consumer acceptance)에 대해 부정적인 영향을 가질 수 있다.
또한, 변환 과정 동안에 형광체층에서 발생된 열이 인접한 칩 또는 기판 표면을 통해 전도되거나 방열될 수 있는 컨포멀(conformal) 형광체 구성 또는 인접 형광체 구성에 비하여, 원격 형광체 구성은 열도전성의 방열 경로가 부적절하게 될 수 있다. 효과적인 방열 통로가 없다면, 열적으로 고립된 원격 형광체는 일부 경우에는 이에 필적하는 컨포멀 코팅된 층에서의 온도보다 훨씬 높을 수 있는 상승된 작동 온도의 문제를 겪을 수도 있다. 이것은 형광체를 칩에 대하여 원격으로 배치함으로써 달성되는 이점의 일부 또는 전부를 상쇄할 수 있다. 달리 말하면, LED 칩에 대한 원격 형광체 배치가 작동 동안 LED 칩 내에서 발생된 열로 인한 형광체층의 직접적인 가열을 감소시키거나 제거할 수 있지만, 그 결과의 형광체 온도 감소는 광변환 과정 동안 형광체층 자체에서 발생된 열과 이러한 발생된 열을 방열하기 위한 적합한 열 경로의 존재하지 않음으로 인하여 부분적으로 또는 전체적으로 상쇄될 수도 있다.
솔리드 스테이트 광원을 이용하는 램프의 구현 및 수용에 영향을 주는 또 다른 문제는, 광원 자체에 의해 발광되는 광의 성질에 관련된다. LED 광원(및 관련 변환층)을 기반으로 하는 효율적인 램프 또는 전구를 제조하기 위해서는, 통상적으로 LED 칩 또는 패키지를 공통 평면 배열로 위치시키는 것이 바람직하다. 이것은 종래의 생산 장비 및 프로세스를 이용할 수 있도록 함으로써 제조를 용이하게 하고 제조 비용을 절감할 수 있다. 그러나, LED 칩의 공통 평면 배열은 통상적으로 전방 지향 광 세기 프로파일(예컨대, 램버시안(Lambertian) 프로파일)을 발생한다. 이러한 빔 프로파일은 훨씬 더 무지향성의 빔 패턴을 갖는 종래의 백열 전구와 같은 종래의 램프를 대체하기 위해 솔리드 스테이트 램프 또는 전구가 이용되는 어플리케이션에서는 일반적으로 바람직하지 않다. LED 광원 또는 패키지를 3차원 배열로 탑재하는 것이 가능하지만, 이러한 배열은 전반적으로 제조가 곤란하고 비용이 많이 소요된다.
본 발명은, 전반적으로, 광원과, 광원에 대하여 이격되어 위치되거나 또는 원격으로 위치되는 하나 이상의 파장 변환 재료, 파장 변환 영역 또는 파장 변환층과, 별도의 확산층의 상이한 조합 및 배치를 포함하는 램프 및 전구를 제공한다. 이러한 배치는, 효율적이고 신뢰할 수 있으며 비용면에서 효과적이며 또한 광원이 LED의 공통 평면 배열로 구성되는 경우에도 필수적으로 무지향성 발광 패턴을 제공할 수 있는 램프 및 전구의 제조를 가능하게 한다. 또한, 이러한 배치는 램프가 빛을 내지 않고 있을 때에 변환 영역 또는 변환층의 외관을 미적으로 마스킹하거나 가릴 수 있게 한다. 본 발명의 각종 실시예는 통상의 백열 전구의 직접적인 교체에 적합한 램프 또는 전구의 제조에 있어서 LED와 같은 효율적인 솔리드 스테이트 광원을 이용하는 것과 관련된 곤란한 점들의 다수를 해소하기 위해 이용될 수 있다. 본 발명의 실시예는 백열 전구와 같은 흔히 사용되는 램프에 속하는 것과 같은 널리 알려진 표준 크기 프로파일에 끼우도록 구성될 수 있으며, 이에 의해 이러한 전구의 직접적인 교체를 용이하게 한다. 본 발명의 실시예는 또한 램프 광원에 대해 원격 위치된 변환 재료를 갖는 다양한 배치를 포함할 수 있으며, 디퓨저가 변환 재료 및 광원 위에 제공되어, 램프의 광원 및/또는 변환 재료로부터의 광을 시야각의 범위에 걸쳐 거의 균일한 컬러 및/또는 세기와 같은 원하는 패턴으로 분산할 수 있다.
광원에 대하여 원격으로 위치되는 변환 재료 및 디퓨저를 가짐으로써, 상승된 전기 신호가 광원에 인가될 수 있으며, 이것은 광출력을 증가시킬 수 있지만, 또한 광원이 더 높은 온도로 작동하게 할 수 있다. 광원과 변환 재료 간의 간격은 광원 내에서 발생된 열이 형광체 또는 변환층에 전달되는 것을 감소시킨다. 이것은 높은 변환 효율 및 신뢰성을 유지하면서 칩의 개수가 적어지게 하여 제조 비용의 감소를 야기한다. 일부 실시예는 또한 변환에 관련된 열이 원격 형광체 재료로부터 먼 쪽으로 효과적으로 전도되게 하는 특징부를 포함할 수 있다. 디퓨저 및 변환 재료는 상이한 형상을 가질 수 있으며, 일부 실시예에서 디퓨저의 지오메트리와 변환 재료의 지오메트리의 조합에 의하여 원하는 램프 발광 패턴 또는 균일성을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 조명 장치의 일실시예는, 솔리드 스테이트 광원 및 솔리드 스테이트 광원으로부터 이격되어 있는 디퓨저를 포함한다. 형광체가 상기 솔리드 스테이트 광원과 상기 디퓨저 사이에 배치되고, 상기 솔리드 스테이트 광원과 상기 디퓨저로부터 이격되어 있으며, 상기 솔리드 스테이트 광원에 의해 방출된 광을 수광하도록 위치된다.
본 발명에 따른 조명 장치의 다른 실시예는, 솔리드 스테이트 광원 및 형광체층을 포함한다. 형광체층은 상기 솔리드 스테이트 광원으로부터 이격되고, 실질적으로 원뿔-구형 형상을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 조명 장치의 또 다른 실시예는, 원격 형광체, 솔리드 스테이트 광원, 및 원격 디퓨저를 포함한다. 상기 디퓨저로부터 방출된 광이 원격 형광체로부터 방출된 광에 비하여 각도 범위에 걸쳐 공간적 발광 세기 프로파일에서의 감소된 변동을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 솔리드 스테이트 램프의 일실시예는, 램프의 방사상 축에 실질적으로 직각을 이루는 평면을 규정하는 하나 이상의 솔리드 스테이트 광 에미터와, 램프에 의해 방출된 광의 적어도 5%를 상기 하나 이상의 솔리드 스테이트 광 에미터에 의해 규정된 평면 아래에 있는 방향으로 분배하는 광학 시스템을 포함한다.
본 발명에 따른 솔리드 스테이트 램프의 또 다른 실시예는, 발광 다이오드(LED) 기반의 광원과, 상기 LED 광원으로부터 이격된 원격 형광체를 포함한다. 또한, 상기 원격 형광체로부터 로부터 떨어져 있고, 상기 LED 광원 및 원격 형광체로부터의 광을 실질적으로 무지향성의 발광 패턴으로 분산하기 위한 형상 및 광 산란 특성을 갖는 디퓨저를 포함한다.
본 발명에 따른 솔리드 스테이트 램프의 또 다른 실시예는, 발광 다이오드(LED) 기반의 광원과, 상기 LED 광원으로부터 이격되어 있는 원격 형광체와, 상기 원격 형광체로부터 떨어져 있고, 상기 솔리드 스테이트 램프가 작동하지 않을 때에 상기 원격 형광체를 마스킹하거나 또는 적어도 부분적으로 가려주는 디퓨저를 포함한다.
본 발명의 이러한 특징 및 기타 특징은 본 발명의 특징부를 예로서 예시하는 첨부 도면 및 이하의 상세한 설명으로부터 명확하게 될 것이다.
도 1은 종래 기술의 LED 램프의 일실시예의 단면도이다.
도 2는 종래 기술의 LED 램프의 또 다른 실시예의 단면도이다.
도 3은 A19 교체 전구에 대한 크기 사양을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 램프의 일실시예의 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 램프의 일실시예의 측면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 램프의 또 다른 실시예의 측면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 램프의 또 다른 실시예의 측면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 일실시예의 발광 특성을 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 디퓨저의 측면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 또 다른 디퓨저의 측면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 디퓨저의 측면도이다.
도 12는 본 발명에 따른 또 다른 디퓨저의 측면도이다.
도 13 내지 도 16은 도 9에 도시된 디퓨저 및 도 30에 개략적으로 도시된 평탄한 원격 형광체 디스크를 갖는 램프의 발광 특성을 보여주는 그래프이다.
도 17 내지 도 20은 도 10에 도시된 디퓨저 및 도 30에 개략적으로 도시된 평탄한 원격 형광체 디스크를 갖는 램프의 발광 특성을 보여주는 그래프이다.
도 21 내지 도 24는 도 11에 도시된 디퓨저 및 도 30에 개략적으로 도시된 평탄한 원격 형광체 디스크를 갖는 램프의 발광 특성을 보여주는 그래프이다.
도 25 내지 도 28은 도 12에 도시된 디퓨저 및 도 30에 개략적으로 도시된 평탄한 원격 형광체 디스크를 갖는 램프의 발광 특성을 보여주는 그래프이다.
도 29는 디퓨저 돔을 갖는 본 발명에 따른 램프의 또 다른 실시예의 단면도이다.
도 30은 본 발명에 따른 램프의 또 다른 실시예의 단면도이다.
도 31은 디퓨저 돔을 갖는 본 발명에 따른 램프의 또 다른 실시예의 단면도이다.
도 32는 상이한 형상을 갖는 디퓨저 돔을 갖는 본 발명에 따른 램프의 또 다른 실시예의 사시도이다.
도 33은 도 32에 도시된 램프의 단면도이다.
도 34는 도 32에 도시된 램프의 분해도이다.
도 35는 본 발명에 따른 3차원 형광체 캐리어의 일실시예의 단면도이다.
도 36은 본 발명에 따른 3차원 형광체 캐리어의 또 다른 실시예의 단면도이다.
도 37은 본 발명에 따른 3차원 형광체 캐리어의 또 다른 실시예의 단면도이다.
도 38은 본 발명에 따른 3차원 형광체 캐리어의 또 다른 실시예의 단면도이다.
도 39는 3차원 형광체 캐리어를 갖는 본 발명에 따른 램프의 또 다른 실시예의 사시도이다.
도 40은 도 39에 도시된 램프의 단면도이다.
도 41은 도 39에 도시된 램프의 분해도이다.
도 42는 히트 싱크 및 광원을 포함하는 본 발명에 따른 램프의 일실시예의 사시도이다.
도 43은 돔 형상 형광체 캐리어를 갖는 도 42의 램프의 사시도이다.
도 44는 본 발명에 따른 돔 형상 디퓨저의 일실시예의 측면도이다.
도 45는 치수가 나타내어져 있는 돔 형상 디퓨저의 실시예의 단면도이다.
도 46 내지 도 49는 도 43의 구체 형상 형광체 캐리어(globe shaped phosphor carrier) 및 도 44 및 도 45에 도시된 돔 형상 디퓨저를 갖는 램프의 발광 특성을 보여주는 그래프이다.
도 50 내지 도 53은 도 10에 도시된 디퓨저 및 도 43에 도시된 형광체 구체를 갖는 램프의 발광 특성을 보여주는 그래프이다.
도 54 내지 도 57은 도 11에 도시된 디퓨저 및 도 43에 도시된 형광체 구체를 갖는 램프의 발광 특성을 보여주는 그래프이다.
도 58 내지 도 61은 도 12에 도시된 디퓨저 및 도 43에 도시된 형광체 구체를 갖는 램프의 발광 특성을 보여주는 그래프이다.
도 62는 본 발명에 따른 램프의 시야각 특성에 대한 컬러 분포를 보여주는 CIE 색도 다이아그램이다.
도 63은 본 발명에 따른 디퓨저의 또 다른 실시예의 단면도이다.
도 64는 3차원 형광체 캐리어를 갖는 본 발명에 따른 램프의 또 다른 실시예의 사시도이다.
도 65는 도 64에 도시된 램프의 단면도이다.
도 66은 도 64에 도시된 램프의 분해도이다.
도 67은 본 발명에 따른 램프의 또 다른 실시예의 단면도이다.
도 68은 본 발명에 따른 카라 캐비티(collar cavity)의 일실시예의 단면도이다.
도 69는 본 발명에 따른 램프의 일실시예의 상이한 특징부의 점유공간(footprint)을 보여주는 개략도이다.
도 70은 본 발명에 따른 램프의 또 다른 실시예의 단면도이다.
도 71은 본 발명에 따른 램프의 또 다른 실시예의 단면도이다.
도 72는 본 발명에 따른 램프의 또 다른 실시예의 단면도이다.
도 73은 본 발명에 따른 램프의 또 다른 실시예의 단면도이다.
도 74는 본 발명에 따른 램프의 또 다른 실시예의 평면도이다.
도 75는 본 발명에 따른 램프의 투광기 타입(flood light type) 실시예의 단면도이다.
도 76은 본 발명에 따른 투광기 타입 램프의 또 다른 실시예의 단면도이다.
도 77은 본 발명에 따른 투광기 타입 램프의 또 다른 실시예의 단면도이다.
도 78은 본 발명에 따른 램프의 2차원 패널 실시예의 단면도이다.
도 79는 본 발명에 따른 램프의 또 다른 2차원 패널 실시예의 단면도이다.
도 80은 본 발명에 따른 램프의 또 다른 2차원 패널 실시예의 단면도이다.
도 81은 본 발명에 따른 램프의 튜브 형상 실시예의 단면도이다.
도 82는 본 발명에 따른 램프의 또 다른 튜브 형상 실시예의 단면도이다.
도 83은 본 발명에 따른 램프의 또 다른 튜브 형상 실시예의 단면도이다.
도 84는 본 발명에 따른 램프의 발광 패널 실시예 단면도이다.
도 85는 본 발명에 따른 램프의 또 다른 투광기 실시예의 단면도이다.
도 86은 본 발명에 따른 램프의 또 다른 실시예의 측면도이다.
도 87은 도 86의 램프의 발광 특성을 보여주는 그래프이다.
도 88은 본 발명에 따른 램프의 또 다른 실시예의 측면도이다.
도 89는 도 86의 램프의 발광 특성을 보여주는 그래프이다.
본 발명은 효율적이고 신뢰적이며 비용면에서 효과적인 램프 또는 전구 구조의 상이한 실시예에 관한 것이며, 일부 실시예에서는 전방 발광 광원과 같은 지향성 발광 광원으로부터 기본적으로 무지향성의 발광 패턴을 제공할 수 있다. 본 발명은 또한 원격 변환 재료(또는 형광체) 및 원격 확산 요소 또는 디퓨저를 갖는 솔리드 스테이트 에미터를 이용하는 램프 구조에 관한 것이다. 일부 실시예에서, 디퓨저는 램프 사용자에 의한 시야(view)로부터 형광체를 마스킹하도록 작용할 뿐만 아니라, 원격 형광체 및/또는 램프의 광원으로부터의 광을 원하는 발광 패턴으로 분산 또는 재분배할 수 있다. 일부 실시예에서, 디퓨저 돔은 전방 지향 발광 패턴을 일반적인 조명 어플리케이션에 유용한 보다 무지향성의 패턴으로 분산시키도록 배치될 수 있다. 디퓨저는 2차원뿐만 아니라 3차원 형상의 원격 변환 재료를 갖는 실시예에 이용될 수 있으며, 이들 특징의 조합이 LED 광원으로부터의 전방 지향 발광을 표준 백열 전구에 필적하는 빔 프로파일로 변환할 수 있다.
본 발명은 여기에서는 변환 재료, 파장 변환 재료, 원격 형광체, 형광체, 형광체층, 및 관련 용어를 참조하여 설명되어 있다. 이들 용어의 사용은 제한적인 의미로서 해석되지 않아야 한다. 원격 형광체, 형광체, 또는 형광체층이라는 용어의 사용은 모든 파장 변환 재료를 포괄하고 이들 모두에게 동등하게 적용될 수 있다는 것을 의미한다.
램프의 일부 실시예는, 광원 위에서 광원으로부터 떨어져 이격되는 돔 형상의(또는 원뿔-구형(frusto-spherical) 형상의) 3차원 변환 재료와, 변환 재료로부터 떨어져 변환 재료 위에 이격되어 있는 돔 형상 디퓨저를 가질 수 있으며, 이로써 램프가 이중-돔 구조를 나타내게 된다. 각종 구조물 사이의 공간은 램프 발광의 분산 및 램프 발광의 색균일성(color uniformity)을 촉진할 수 있는 광 혼합 챔버를 구성할 수 있다. 광원과 변환 재료 사이의 공간은, 변환 재료 사이의 공간과 마찬가지로, 광 혼합 챔버로서 작용할 수 있다. 다른 실시예는 추가의 혼합 챔버를 형성할 수 있는 추가의 변환 재료 또는 디퓨저를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서는 변환 재료 내부에 디퓨저를 가질 수 있도록, 돔 변환 재료와 돔 형상 디퓨저의 순서가 상이하게 될 수 있으며, 그 사이의 공간이 광 혼합 챔버를 형성할 수도 있다. 이들은 본 발명에 따른 변환 재료와 디퓨저의 다수의 상이한 배치의 소수의 예에 불과하다.
본 발명에 따른 일부 램프 실시예는 에미터가 평탄 표면 또는 평면형 표면 상에 탑재되는 하나 이상의 LED 칩 또는 LED 패키지의 공통 평면 배치를 갖는 광원을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, LED 칩은 받침대(pedestal) 또는 다른 3차원 구조 상에 있는 것과 같이 공통 평면으로 되지 않을 수도 있다. 공통 평면 광원은 에미터 배치의 복잡도를 감소시켜, 이들을 더 용이하고 더 저렴하게 제조하도록 할 수 있다. 그러나, 공통 평면 광원은 램버시안 발광 패턴에서와 같은 주로 전방 방향으로 발광하는 경향이 있다. 상이한 실시예에서, 상이한 발광 각도에서 거의 균일한 발광 세기 및 색균일성을 제공할 수 있는 종래의 백열광 전구의 발광 패턴을 모사(mimicking)하는 발광 패턴을 방출하는 것이 바람직할 수 있다. 본 발명의 상이한 실시예는 발광 패턴을 시야각의 범위 내에서 불균일한 것에서 실질적으로 균일한 것으로 변환할 수 있는 특징부를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 변환층 또는 변환 영역은, 광원으로부터의 광에 대해 적어도 부분적으로 투명한 열도전성 재료를 포함할 수 있는 형광체 캐리어와, 각각 광원으로부터의 광을 흡수하고 상이한 파장의 광을 방출하는 하나 이상의 형광체 재료를 구비할 수 있다. 디퓨저는 산란막/산란 입자와 유리 인클로저와 같은 관련 캐리어를 포함할 수 있으며, 원하는 빔 프로파일을 제공하기 위해 광원 및/또는 형광체 캐리어에 의해 방출된 광의 적어도 일부를 산란시키거나 방향을 변경하도록 작용할 수 있다. 일부 실시예에서, 본 발명에 따른 램프는 표준 백열 전구에 필적하는 빔 프로파일을 방출할 수 있다.
광원 및 형광체 캐리어 내에서 발생된 열을 주변 분위기에 방열하기 위하여 광원 및 형광체 캐리어와 열접촉할 수 있는 히트 싱크 구조가 포함될 수 있다. 광원 및 디밍(dimming) 등과 같은 기타 기능부에 전기 전력을 제공하기 위해 전자 회로가 포함될 수 있으며, 이 회로들은 전력을 에디슨 소켓 등과 같은 램프에 인가하기 위한 수단을 포함할 수 있다.
램프의 상이한 실시예는 다수의 상이한 형상 및 크기를 가질 수 있으며, 일부 실시예는 도 3에 도시된 바와 같이 A19 크기 인벨로프(30)와 같은 표준 크기 인벨로프에 끼우기 위한 치수를 갖는다. 이것은 램프를 종래의 백열 및 형광 램프 또는 전구의 대체품으로서 특히 유용하게 하며, 본 발명에 따른 램프가 이들 램프의 솔리드 스테이트 광원으로부터 제공되는 감소된 에너지 소비 및 긴 수명을 갖게 된다. 본 발명에 따른 램프는 A21 및 A23 등을 포함한 다른 유형의 표준 크기 프로파일에 끼울 수도 있다.
일부 실시예에서, 광원은 상이한 타입의 LED, LED 칩 또는 LED 패키지와 같은 솔리드 스테이트 광원을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서는 단일의 LED 칩 또는 패키지가 이용될 수 있는 한편, 다른 실시예에서는 복수의 LED 칩 또는 패키지가 상이한 타입의 어레이로 배열되어 이용될 수도 있다. 형광체가 LED 칩으로부터 열적으로 고립되고 우수한 방열을 가짐으로써, LED 칩은 형광체의 변환 효율 및 형광체의 장기간 신뢰도에 나쁜 영향을 초래하지 않고서도 더 높은 전류 레벨에 의해 구동될 수 있다. 이것은 원하는 광속(luminous flux)을 발생하기 위해 요구되는 LED의 개수를 낮추기 위해 LED 칩을 오버드라이브(overdrive)하는 유연성을 가능하게 할 수 있다. 그 결과, 이것은 램프의 복잡도에 따른 비용을 감소시킬 수 있다. 이들 LED 패키지는 상승된 광속을 견뎌낼 수 있는 재료로 인캡슐레이션된 LED를 포함할 수도 있고, 또는 인캡슐레이션되지 않은 LED를 포함할 수도 있다.
일부 실시예에서, 광원은 하나 이상의 청색 발광 LED를 포함할 수 있고, 형광체 캐리어 내의 형광체층은 청색광의 일부분을 흡수하고 하나 이상의 상이한 파장의 광을 방출하여 램프가 청색 LED와 변환 재료로부터의 백색광 조합을 방출하도록 하는 하나 이상의 재료를 포함할 수 있다. 변환 재료는 청색 LED 광을 흡수하고, 황색 및 녹색(이러한 컬러로 한정되지 않음)을 포함하는 상이한 컬러의 광을 방출할 수 있다. 광원은 또한 램프가 색온도 및 연색성과 같은 요구된 특성을 갖는 광을 방출하도록 상이한 컬러의 광을 방출하는 상이한 LED 및 변환 재료를 포함할 수도 있다.
적색 및 청색 LED 양자를 포함하고 있는 종래의 램프는 상이한 작동 온도 및 디밍으로 색불안정성(color instability)에 놓일 수 있다. 이것은 상이한 온도 및 작동 전력(전류/전압)에서의 적색 및 청색 LED의 상이한 동작과 시간이 지남에 따른 상이한 작동 특성에 기인할 수 있다. 이 작용은 전체 램프의 비용을 추가시키고 복잡성을 증가시킬 수 있는 액티브 제어 시스템의 구현을 통해 다소 경감될 수 있다. 본 발명에 따른 상이한 실시예는 본 명세서에 개시된 방열 관리를 통해 비교적 냉각 상태로 유지되는 복수층의 형광체를 포함할 수 있는 원격 형광체 캐리어와 조합하여 동일한 타입의 에미터를 갖는 광원을 가짐으로써 이 문제를 해소할 수 있다. 일부 실시예에서, 원격 형광체 캐리어는, 형광체 캐리어의 작동 온도의 감소에 따른 효율 및 신뢰성을 체감하면서, 에미터로부터 광을 흡수하고 상이한 컬러의 광을 재방출할 수 있다.
LED로부터의 형광체 요소의 이격은 컬러 비닝(color binning)이 더욱 용이하고 더욱 일정하다는 추가의 장점을 제공할 수 있다. 이것은 다수의 방식으로 달성될 수 있다. 상이한 램프에서 사용될 수 있는 실질적으로 파장이 균일한 여기 소스를 달성하기 위해 다양한 빈(bin)으로부터의 LED(예컨대, 다양한 빈으로부터의 청색 LED)가 함께 조립될 수 있다. 또한, 다수의 상이한 형광체가 제조될 수 있으며, 이들 형광체 캐리어의 상이한 변환 특성에 따라 사전 비닝(pre-binning)될 수 있다. 상이한 형광체 캐리어가 타겟 컬러 빈 내에서 광을 방출하는 램프를 제공하기 위해 상이한 특성을 방출하는 광원과 조합될 수 있다.
본 발명에 따른 일부 램프는 광원을 반사성 표면으로 둘러쌈으로써 향상된 발광 효율을 제공할 수 있다. 이것은 변환 재료로부터 재방출된 광의 대부분을 다시 광원 쪽으로 반사함으로써 향상된 포톤 재활용(photon recycling)을 발생한다. 효율을 추가로 향상시키고 요구된 발광 프로파일을 제공하기 위해, 형광체층, 캐리어층 또는 디퓨저의 표면은 매끄럽게 되거나 또는 산란성으로 될 수 있다. 일부 실시예에서, 캐리어층 및 디퓨저의 내면은 형광체층으로부터 후방으로 향하는 광(다운 컨버트된 광 또는 산란된 광 중의 하나)의 양을 감소시키는 내부 전반사 동작을 촉진하기 위해 광학적으로 매끄럽게 될 수 있다. 이것은 램프의 LED 칩, 관련 기판, 또는 램프 내부에 있는 다른 비이상적인(non-ideal) 반사 표면에 의해 흡수될 수 있는 후방 방출 광의 양을 감소시킨다.
본 발명은 특정 실시예를 참조하여 설명되지만, 본 발명은 다수의 상이한 형태로 실시될 수 있으며, 여기서 설명된 실시예로 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 구체적으로, 본 발명은 상이한 구성의 하나 또는 복수의 LED, LED 칩 또는 LED 패키지를 갖는 램프에 관하여 아래에 설명되지만, 본 발명은 다수의 상이한 구성을 갖는 다수의 기타 램프에 대해서도 이용될 수 있다. 본 발명에 따라 상이한 방식으로 배열된 상이한 램프의 예는 아래에 개시되어 있으며, 또한 "Solid state lamp"를 발명의 명칭으로 하여 Le 등에 의해 2011년 1월 24일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/435,759호에도 개시되어 있다. 이 특허 출원은 그 내용이 본 명세서에 원용되어 있다.
아래의 실시예는 LED를 참조하여 설명되지만, 이 LED는 LED 칩과 LED 패키지를 포괄하는 의미로 사용되었다는 것을 이해할 것이다. 이들 부품은 도시된 것과는 상이한 형상 및 크기를 가질 수 있으며, 상이한 개수의 LED가 포함될 수 있다. 아래에 설명된 실시예는 공통 평면 광원을 활용하지만, 공통 평면이 아닌 광원 또한 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 램프의 LED 광원은 하나 또는 복수의 LED로 구성될 수 있으며, 하나보다 많은 LED를 갖는 실시예에서, LED는 상이한 발광 파장을 가질 수 있다. 유사하게, 일부 LED는 인접하거나 접촉하는 형광체층 또는 형광체 영역을 가질 수 있는 한편, 다른 LED는 상이한 조성의 인접한 형광체층을 가질 수도 있고 또는 형광체층을 전혀 갖지 않을 수도 있다.
본 발명은 여기에서는 서로 원격으로 위치되어 있는 변환 재료, 형광체층, 및 형광체 캐리어와 디퓨저를 참조하여 설명된다. 이 문맥에서의 원격이라는 표현은 직접적인 열접촉으로부터 떨어져 있거나 및/또는 직접적인 열접촉으로 되지 않거나 직접적인 열접촉으로 되어 있지 않은 것을 의미한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 요소 "상에" 있는 것으로 지칭될 때에는, 다른 요소 바로 위에 있을 수도 있고 또는 그 사이에 매개 요소가 존재할 수도 있다. 또한, 하나의 층 또는 또 다른 영역의 관계를 기술하기 위해 "내측", "외측", "상위", "위에", "하위", "밑" 및 "아래"와 같은 상대적인 표현과 그 유사 표현이 본 명세서에서 이용될 수 있다. 이들 표현은 도면에 묘사된 방위 외에 디바이스의 상이한 방위를 포함하는 것으로 이해하여야 한다.
각종 요소, 성분, 영역, 층 및/또는 부분을 설명하기 위해 본 명세서에서는 제1, 제2 등의 표현이 이용될 수도 있지만, 이들 요소, 성분, 영역, 층 및/또는 부분은 이들 표현에 의해 한정되지 않아야 한다. 이들 표현은 단지 하나의 요소, 성분, 영역, 층 또는 부분을 또 다른 영역, 층 또는 부분과 구분하기 위해 이용된 것이다. 그러므로, 이하에서 설명되는 제1 요소, 성분, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 교시에서 벗어나지 않고서도 제2 요소, 성분, 영역, 층 또는 부분으로 지칭될 수 있다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 실시예의 개략적인 예시도인 횡단면 예시도를 참조하여 설명된다. 이로써, 층의 실제 두께는 상이할 수 있으며, 그러므로, 예컨대 제조 기술 및/또는 허용 오차의 결과로 예시도의 형상으로부터의 변형예를 예상할 수 있다. 본 발명의 실시예는 본 명세서에 예시된 영역의 특정 형상으로 한정되는 것으로 해석되지 않고, 예컨대 제조에 따른 형상의 편차를 포함한다. 예컨대 정사각형 또는 직사각형으로 예시되거나 설명된 영역은 통상적으로 보편적인 제조 허용 오차에 의해 라운드되거나 곡선화된 외형적 특징을 가질 것이다. 그러므로, 도면에 예시된 영역은 본질적으로 개략적인 것이며, 이들의 형상은 디바이스의 영역의 정밀한 형상을 예시하는 것이 아니고, 또한 본 발명의 범위를 한정하기 위한 것도 아니다.
도 4는 광원(58)을 유지하기 위한 플랫폼(56)을 갖는 광학 캐비티(54)를 포함하는 히트 싱크 구조(52)를 구비하는 본 발명에 따른 램프(50)의 일실시예를 도시하고 있다. 이 실시예 및 아래의 일부 실시예가 광학 캐비티를 참조하여 설명되지만, 광학 캐비티 없이도 다수의 다른 실시예가 제공될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이들은 램프 구조의 평면형 표면 상에 또는 받침대 상에 있는 광원을 포함하며, 이러한 것으로 한정되지는 않는다. 실시예가 LED를 포함하는 것으로 도시되어 있다면, 광원(58)은 다수의 상이한 에미터를 포함할 수 있다. 미국 노스 캐롤라이나의 더램에 소재하는 Cree, Inc.로부터 상업적으로 이용 가능한 LED 칩 또는 LED 패키지 등을 포함한 다수의 상이한 상업적으로 이용 가능한 LED 칩 또는 LED 패키지가 이용될 수 있다. 램프 실시예는 광학 캐비티 없이도 제공될 수 있으며, 이러한 다른 실시예에서는 LED가 상이한 방식으로 탑재된다는 것을 이해할 것이다. 일례로서, 광원은 램프 내의 평면형 표면에 탑재될 수 있거나, LED를 유지하기 위해 받침대가 제공될 수 있다.
광원(58)은 광원(58)으로부터 광이 캐비티(54)의 상단 개구부 밖으로 방출되는 다수의 상이한 공지의 탑재 방법을 이용하여 플랫폼(56)에 탑재될 수 있다. 일부 실시예에서, 광원(58)은 플랫폼(56)에 직접 탑재될 수 있는 한편, 다른 실시예에서 광원은 서브마운트 또는 인쇄 회로 기판(PCB) 상에 포함된 후에 플랫폼(56)에 탑재될 수 있다. 플랫폼(56) 및 히트 싱크 구조(52)는 광원(58)에 전기 신호를 인가하기 위한 전기 도전성 경로를 포함할 수 있으며, 이 도전성 경로의 일부가 도선성 트레이스 또는 도전성 와이어이다. 플랫폼(56)의 일부분은 또한 열도전성 재료로 구성될 수 있으며, 일부 실시예에서는 작동 동안 발생된 열이 플랫폼에 확산되고, 그 후 히트 싱크 구조까지 확산될 수 있다.
히트 싱크 구조(52)는 적어도 부분적으로는 열도전성 재료를 포함하며, 구리 또는 알루미늄 등의 상이한 금속 또는 금속 합금을 포함한 다수의 상이한 열도전성 재료가 이용될 수 있다. 구리는 최대 400 W/m-k의 열전도율을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 히트 싱크는 대략 210 W/m-k의 실온에서의 열전도율을 가질 수 있는 고순도 알루미늄을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 히트 싱크 구조는 대략 200 W/m-k의 열전도율을 갖는 다이 캐스트 알루미늄을 포함할 수 있다. 히트 싱크 구조(52)는 또한 주변으로의 더욱 효과적인 방열을 용이하게 하기 위해 히트 싱크의 표면적을 증가시키는 히트 핀(60)과 같은 다른 방열 특징부를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 히트 핀(60)은 히트 싱크의 나머지보다 높은 열전도율을 갖는 재료로 구성될 수 있다. 도시된 실시예에서, 핀(60)은 전반적으로 수평 배향으로 도시되어 있지만, 다른 실시예에서 핀은 수직 방향 또는 각을 이루는 배향을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 히트 싱크는 램프 내의 대류 열저항(convective thermal resistance)을 낮추기 위해 팬과 같은 능동 냉각 요소를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 형광체 캐리어로부터의 방열은 히트 싱크 구조(52)를 통한 대류 방열 및 전도의 조합을 통해 달성된다. 상이한 방열 배치 및 구조가 "LED Lamp Incorporating Remote Phosphor with Heat Dissipation Features and Diffuser Element"를 발명의 명칭으로 하여 Tong 등에 의해 출원된 미국 특허 출원 번호 61/339,516호에 개시되어 있으며, 이 특허 출원 또한 Cree, Inc.에 양도되어 있고, 본 명세서에 그 내용이 원용되어 있다.
반사성층(53) 또한 광학 캐비티(54)의 표면 위에 같은 히트 싱크 구조(52) 상에 포함될 수 있다. 광학 캐비티를 갖지 않는 실시예에서, 반사성층은 광원 주위에 포함될 수 있다. 일부 실시예에서, 표면은 광원(58) 및/또는 파장 변환 재료에 의해 방출된 램프 가시 파장의 광("램프 광")에 대해 대략 75% 이상의 반사율을 갖는 재료로 코팅될 수 있는 한편, 다른 실시예에서 재료는 램프 광에 대해 대략 85% 이상의 반사율을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 재료는 램프 광에 대해 대략 95% 이상의 반사율을 가질 수 있다.
히트 싱크 구조(52)는 또한 상이한 전기 리셉터클과 같은 전기의 소스에 연결하기 위한 특징부를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 히트 싱크 구조는 종래의 전기 리셉터클에 끼우기 위한 타입의 특징부를 포함할 수 있다. 예컨대, 히트 싱크 구조는 표준 에디슨 소켓에 탑재하기 위한 특징부를 포함할 수 있으며, 이 특징부는 에디슨 소켓 내로 나사 체결될 수 있는 나사산 형성부를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 이 특징부는 표준 플러그를 포함할 수 있으며, 전기 리셉터클은 표준 아울렛이 되거나 또는 GU24 베이스 유닛을 포함할 수 있다. 또는, 이 특징부는 클립이 될 수 있으며, 전기 리셉터클은 클립을 수용 및 유지하는 리셉터클이 될 수 있다(예컨대, 다수의 형광등에서 이용되는 바와 같이). 이들은 히트 싱크 구조 및 리셉터클에 대한 옵션의 일부에 불과하며, 리셉터클로부터의 전기를 램프(50)에 안전하게 전달할 수 있는 다른 장치도 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 램프는 전구가 AC 라인 전압/전류로부터 동작할 수 있도록 하고 또한 광원 디밍 성능을 제공하는 드라이버를 포함할 수 있는 전원 공급 장치 또는 전력 변환 유닛을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전원 공급 장치는 고립되지 않은 준공진형 플라이백 토폴로지(non-isolated quasi-resonant flyback topology)를 이용하는 오프라인 정전류 LED 드라이버를 포함할 수 있다. LED 드라이버는 램프 내에 끼워질 수 있으며, 일부 실시예에서는 25㎤ 미만의 체적을 가질 수 있는 한편, 다른 실시예에서는 대략 20㎤의 체적을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 전원 공급 장치는 디밍되지 않을 수 있고, 이것은 비용이 저렴하게 된다. 사용된 전원 공급 장치는 상이한 토폴로지 또는 지오메트리를 가질 수 있으며, 마찬가지로 디밍될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
형광체 캐리어(62)는 캐비티(54)의 상면 개구부 위에 포함되며, 돔 형상 디퓨저(76)가 형광체 캐리어(62) 위에 포함된다. 도시된 실시예에서, 형광체 캐리어는 전체 개구부를 덮고, 캐비티 개구부는 원형으로서 도시되어 있고, 형광체 캐리어(62)가 원형의 디스크로 되어 있다. 캐비티 개구부 및 형광체 캐리어가 다수의 상이한 형상 및 크기로 될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 형광체 캐리어(62)가 전체 캐비티 개구부보다 적게 덮을 수 있다는 것을 이해할 것이다. 아래에 추가로 설명되는 바와 같이, 디퓨저(76)는 형광체 캐리어 및/또는 LED로부터의 광을 원하는 램프 발광 패턴으로 분산시키도록 배치되며, LED로부터 수광되는 광 및 원하는 램프 발광 패턴에 좌우되어 다수의 상이한 형상 및 크기를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 형광체 캐리어의 실시예는 변환 재료 및 열도전성 광 투과 재료를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있지만, 열적으로 도전성을 나타내지 않는 형광체 캐리어 또한 제공될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 광 투과 재료는 광원(54)으로부터 방출된 광에 대해 투명하게 될 수 있으며, 변환 재료는 광원으로부터의 광의 파장을 흡수하여 상이한 파장의 광을 재방출하는 타입의 것으로 되어야 한다. 도시된 실시예에서, 열도전성 광 투과 재료는 캐리어층(64)을 포함하며, 변환 재료는 형광체 캐리어 상의 형광체층(66)을 포함한다. 아래에 추가로 설명된 바와 같이, 상이한 실시예는 열도전성 광 투과 재료 및 변환 재료의 다수의 상이한 배치를 포함할 수 있다.
광원(58)으로부터의 광이 형광체층(66)에 있는 형광체에 의해 흡수될 때, 이 광은 대략 50%의 전방 방출 광 및 캐비티 내로의 50% 후방 방출 광으로 등방성 방향으로 재방출된다. 컨포멀 형광체층을 갖는 종래의 LED에서, 후방으로 방출된 광의 상단 부분은 LED 내로 역반사되고, 이 광의 탈출 가능성은 LED 구조의 추출 효율에 의해 제한된다. 일부 LED에 대해, 추출 효율은 대략 70%로 될 수 있으므로, 변환 재료로부터 LED 내로 역반사되는 광의 백분율이 손실될 수 있다. 캐비티(54)의 바닥부에 있는 플랫폼(56) 상의 LED를 갖는 원격 형광체 구성을 갖는 본 발명에 따른 램프에서, 더 높은 백분율의 후방 형광체 광이 LED 대신 캐비티의 표면을 때리게 된다. 이들 표면을 반사성층(53)으로 코팅하는 것은 형광체층(66) 내로 역반사되어 램프로부터 방출될 수 있는 광의 백분율을 증가시킨다. 이들 반사성층(53)은 광학 캐비티가 포톤(photon)을 효과적으로 재사용할 수 있도록 하며, 램프의 발광 효율을 증가시킨다. 반사성층은 반사성 금속 또는 분산 브래그 반사기(distributed Bragg reflector)와 같은 복수의 층형 반사성 구조를 포함한 다수의 상이한 재료 및 구조를 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 반사성층은 또한 광학 캐비티를 갖지 않는 이들 실시예에서의 LED 주위에 포함될 수 있다.
캐리어층(64)은 석영, 탄화규소(SiC)(열전도율 ~120 W/m-k), 유리(1.0~1.4 W/m-k의 열전도율) 또는 사파이어(~40 W/m-k의 열전도율)와 같은 0.5 W/m-k 또는 그 이상의 열전도율을 갖는 다수의 상이한 재료로 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 캐리어층(64)은 1.0 W/m-k보다 큰 열전도율을 가질 수 있는 한편, 다른 실시예에서는 5.0 W/m-k보다 큰 열전도율을 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 캐리어층은 10 W/m-k보다 큰 열전도율을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 캐리어층은 1.4 내지 10 W/m-k 범위의 열전도율을 가질 수 있다. 형광체 캐리어는 또한 사용되는 재료에 따라서 상이한 두께를 가질 수 있으며, 그 적합한 범위의 두께는 0.1mm 내지 10mm 또는 그 이상이다. 캐리어층용의 재료의 특성에 따라서는 다른 두께가 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 재료는 특정 작동 조건에 대해 충분한 측면 열 확산을 제공하기에 충분한 두께로 되어야 한다. 일반적으로, 재료의 열전도율이 높아지면, 여전히 필요한 방열을 제공하면서도 재료를 더 얇게 할 수 있다. 어느 캐리어층 재료가 이용될지에 대해서는 비용 및 광원의 광에 대한 투명성을 포함한 상이한 요인이 영향을 줄 수 있으며, 이러한 요인은 전술한 것으로 한정되지 않는다. 유리 또는 석영과 같은 일부 재료는 더 큰 직경에 대해 더욱 적합한 것이 될 수 있다. 이들은 대형 직경 캐리어층 상의 형광체층의 형성 및 그 후의 소형 캐리어층으로의 싱귤레이션(singulation)에 의해 제조 비용의 감소를 제공할 수 있다.
본 발명이 특히 백색광 방출 램프에 채용되면, 형광체층(66)에 다수의 상이한 형광체가 이용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 일부 실시예에서, 광원(58)은 LED 기반으로 될 수 있으며, 청색 파장 스펙트럼으로 광을 방출할 수 있다. 형광체층은 청색광의 일부를 흡수하고 황색을 재방출할 수 있다. 이것은 램프가 청색광과 황색광의 백색광 조합을 방출하도록 한다. 일부 실시예에서, 청색 LED 광은 상업적으로 이용 가능한 YAG:Ce 형광체를 이용하는 황색 변환 재료에 의해 변환될 수 있지만, Y3Al5O12:Ce(YAG)와 같은 (Gd,Y)3(Al,Ga)5O12:Ce 계를 기반으로 하는 형광체로 구성된 변환 입자를 이용하여 전체 대역의 넓은 황색 스펙트럼 방출이 가능하다. 청색 발광 LED 기반 에미터와 함께 이용될 때에 백색광을 생성하기 위해 이용될 수 있는 다른 황색 형광체는 다음의 것을 포함하며, 이들로 한정되지는 않는다:
Tb3 - xRExO12:Ce(TAG); RE=Y, Gd, La, Lu; 또는
Sr2 -x- yBaxCaySiO4:Eu
형광체층은 또한 형광체층(66)과 혼합되거나 또는 캐리어층(64) 상의 제2 형광체층으로서의 하나보다 많은 형광체로 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 2개의 형광체의 각각은 LED 광을 흡수할 수 있고, 상이한 컬러의 광을 재방출할 수 있다. 이들 실시예에서, 2개의 형광체층으로부터의 컬러는 상이한 백색 색조(white hue)(따뜻한 백색)의 더 높은 CRI 백색을 위해 조합될 수 있다. 이것은 적색 형광체로부터의 광과 조합될 수 있는 그 위의 황색 형광체로부터의 광을 포함할 수 있다. 다음의 것을 포함한 상이한 적색 형광체가 이용될 수 있다:
SrxCa1 - xS:Eu, Y; Y=할라이드(halide);
CaSiAlN3:Eu; 또는
Sr2 - yCaySiO4:Eu
실질적으로 모든 광을 특정 컬러로 변환함으로써 컬러 발광을 생성하기 위해 다른 형광체가 이용될 수 있다. 예컨대, 녹색광을 발생하기 위해 이하의 형광체가 이용될 수 있다:
SrGa2S4:Eu;
Sr2 - yBaySiO4:Eu; 또는
SrSi2O2N2:Eu.
아래에는 종래의 입자 형광체층(66)으로서 이용된 몇몇 추가의 적합한 형광체가 나열되어 있지만, 다른 형광체가 이용될 수도 있다. 각각의 형광체는 청색 및/또는 UV 발광 스펙트럼에서의 여기(excitation)를 나타내고, 바람직한 피크 발광을 제공하며, 효율적인 광 변환을 갖고, 수용 가능한 스토크 시프트(acceptable Stokes shift)를 갖는다:
황색/녹색
(Sr,Ca,Ba)(Al,Ga)2S4:Eu2 +
Ba2(Mg,Zn)Si2O7:Eu2 +
Gd0 .46Sr0 .31Al1 .23OxF1 .38:Eu2 + 0.06
(Ba1 -x- ySrxCay)SiO4:Eu
Ba2SiO4:Eu2 +
적색
Lu2O3:Eu3 +
(Sr2 - xLax)(Ce1 - xEux)O4
Sr2Ce1 - xEuxO4
Sr2 - xEuxCeO4
SrTiO3:Pr3 +,Ga3 +
CaAlSiN3:Eu2 +
Sr2Si5N8:Eu2 +
10nm 내지 30㎛의 범위 또는 그 이상의 입자를 포함한 상이한 크기의 형광체 입자가 이용될 수 있으며, 이러한 크기로 한정되지는 않는다. 더 작은 입자 크기는 통상적으로 더 큰 크기의 입자보다 우수하게 컬러를 산란 및 혼합하여 더욱 균일한 광을 제공한다. 더 큰 입자는 통상적으로 더 작은 입자에 비하여 광을 변환함에 있어서 더욱 효과적이지만, 균일성이 보다 떨어지는 광을 방출한다. 일부 실시예에서, 형광체는 고착제(binder) 내의 형광체층(66)에 제공될 수 있으며, 형광체는 또한 고착제 내의 형광체 재료의 농도 또는 로딩이 상이할 수도 있다. 대표적인 농도는 30 내지 70 중량%의 범위이다. 일실시예에서, 형광체 농도는 대략 65 중량%이며, 원격 형광체 전반에 걸쳐 균일하게 분포되는 것이 바람직하다. 형광체층(66)은 또한 변환 재료가 다르고 또한 변환 재료의 농도가 다른 상이한 영역을 가질 수 있다.
고착제에 대하여 상이한 재료가 이용될 수 있으며, 이러한 재료로는 경화 후에 견고하게 되고 가시 파장 스펙트럼에서 실질적으로 투과성을 나타내는 것이 바람직하다. 적합한 재료는 실리콘, 에폭시, 글래스, 무기 글래스, 유전체, BCB, 폴리마이드, 폴리머 및 이들의 혼성체를 포함하며, 그 중에서 바람직한 재료는 실리콘이고, 그 이유는 고파워 LED에서의 실리콘의 높은 투과성 및 신뢰성 때문이다. 적합한 페닐-계 및 메틸-계 실리콘이 Dow® Chemical로부터 상업적으로 이용 가능하다. 고착제는 사용되는 고착제의 타입과 같은 상이한 요인에 따라 다수의 상이한 경화 방법을 이용하여 경화될 수 있다. 다른 경화 방법으로는 열 경화, 자외선(UV) 경화, 적외선(IR) 경화 또는 공기 경화 등이 있으며, 이들로 한정되지는 않는다.
형광체층(66)은 다른 것 중에서도 스핀 코팅, 스퍼터링, 프린팅, 분말 코팅, 전기영동 증착(EPD), 정전 증착을 포함한 상이한 프로세스를 이용하여 도포될 수 있으며, 이들로만 한정되지 않는다. 전술한 바와 같이, 형광체층(66)은 고착제 재료와 함께 도포될 수 있지만, 고착제가 요구되지 않을 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 또 다른 실시예에서, 형광체층(66)은 별도로 제조된 후에 캐리어층(64)에 탑재될 수 있다.
일실시예에서, 형광체-고착제 혼합물을 캐리어층(64) 위에 스프레이하거나 분산하고나서, 고착제를 경화시켜 형광체층(66)을 형성할 수 있다. 이들 실시예의 일부에서, 형광체-고착제 혼합물은 가열된 캐리어층(64) 상에 스프레이되거나, 포어링(pouring)되거나, 또는 분산될 수 있으며, 이로써 형광체-고착제 혼합물이 캐리어층(64)을 접촉할 때, 캐리어층(64)으로부터의 열이 고착제로 확산하여 고착제를 경화시킬 수 있다. 이들 프로세스는 또한 혼합물을 액화시켜 혼합물의 점성을 떨어뜨려서 고착제가 스프레잉에 더 적합하게 되도록 하는 솔벤트를 형광체-고착제 혼합물에 포함할 수 있다. 톨루엔, 벤젠, 자일렌, 또는 Dow Corning®으로부터 상업적으로 이용 가능한 OS-20을 포함한 다수의 상이한 솔베트가 이용될 수 있지만, 이들로 한정되지는 않으며, 상이한 농도의 솔베트가 이용될 수 있다. 솔벤트-형광체-고착제 혼합물이 가열된 캐리어층(64) 상에 스프레이되거나 분산될 때, 캐리어층(64)으로부터의 열이 솔벤트를 기화시키며, 솔벤트가 얼마나 빨리 기화하는지는 캐리러층의 온도에 영향을 받는다. 캐리어층(64)으로부터의 열은 또한 혼합물 내의 고착제를 경화시켜 캐리어층 상에 고정된 형광체층을 잔류시킬 수 있다. 캐리어층(64)은 사용되는 재료와 요구된 솔벤트 기화 및 고착제 경화 속도에 따라 다수의 상이한 온도까지 가열될 수 있다. 적합한 온도 범위는 90℃ 내지 150℃이지만, 다른 온도 또한 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다양한 증착 방법 및 시스템이 "Systems and Methods for Application of Optical Materials to Optical Elements"를 발명의 명칭으로 하여 Donofrio 등에 의해 출원된 미국 특허 공개 번호 2010/0155763호에 개시되어 있으며, 이 공개 특허 또한 Cree, Inc.에 양도되어 있고, 원용에 의해 본 명세서에 포함되어 있다.
형광체층(66)은 적어도 부분적으로는 형광체 재료의 농도 및 형광체층(66)에 의해 변환될 광의 요구된 양에 좌우되어 다수의 상이한 두께를 가질 수 있다. 본 발명에 따른 형광체층은 30%보다 높은 농도 레벨(형광체 로딩)로 적용될 수 있다. 다른 실시예는 50%보다 높은 농도 레벨을 가질 수 있는 한편, 또 다른 실시예에서는 농도 레벨이 60%보다 높을 수 있다. 일부 실시예에서, 형광체층은 10~100㎛ 범위의 두께를 가질 수 있는 한편, 다른 실시예에서는 40~50㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다.
전술한 방법은 상이한 형광체 재료들 중의 동일한 형광체 재료의 복수의 층에 적용하도록 이용될 수 있으며, 상이한 형광체 재료가 공지의 마스킹 프로세스를 이용하여 캐리어층의 상이한 영역에 가해질 수 있다. 전술한 방법은 형광체층(66)에 대한 어느 정도의 두께 제어를 제공하며, 더 우수한 두께 제어가 없다면, 형광체층은 형광체층(66)의 두께를 감소시키고 또한 전체 층에 걸친 두께를 고르게 하기 위해 공지의 방법을 이용하여 그라인딩될 수 있다. 이 그라인딩 특징은 CIE 색도 그래프 상의 단일 빈(bin) 내에서 발광하는 램프를 발생할 수 있는 추가의 장점을 제공한다. 비닝(binning)은 당해 기술 분야에 전반적으로 알려져 있으며, 최종 소비자에게 제공된 LED 또는 램프가 수용 가능한 컬러 범위 내에서 광을 방출하도록 하기 위한 것이다. LED 또는 램프는 검사되어 컬러 또는 밝기에 의해 상이한 빈으로 분류될 수 있으며, 이것은 일반적으로 본 기술 분야에서 비닝으로 지칭된다. 각각의 빈은 통상적으로 하나의 컬러 및 밝기 그룹으로부터의 LED 또는 램프를 포함하며, 통상적으로 빈 코드(bin code)에 의해 식별된다. 백색 발광 LED 또는 램프는 색도(컬러) 및 광속(밝기)에 의해 분류될 수 있다. 형광체층의 두께 제어는 형광체층에 의해 변환된 광원의 광의 양을 제어함으로써 타겟 빈 내에서 광을 방출하는 램프를 생산함에 있어서 더 우수한 제어를 제공한다. 동일한 두께의 형광체층(66)을 갖는 복수의 형광체 캐리어(62)가 제공될 수 있다. 실질적으로 동일한 발광 특성을 갖는 광원(58)을 이용함으로써, 일부 경우에는 단일 빈(single bin) 내에 들어갈 수 있는 거의 동일한 발광 특성을 갖는 램프를 제조할 수 있다. 일부 실시예에서, 램프 발광은 CIE 다이아그램 상의 포인트로부터의 표준 편차 범위 내에 있게 되며, 일부 실시예에서 표준 편차는 10-스텝 미만의 맥아담 편차 타원(MacAdams ellipse)을 포함한다. 일부 실시예에서, 램프의 발광은 CIExy(0.313, 0.323)에 중심을 둔 4-스텝 맥아담 편차 타원 범위 내에 있게 된다.
형광체 캐리어(62)는 상이한 공지의 방법 또는 열도전성 본딩 재료 또는 더멀 그리스와 같은 재료를 이용하여 캐비티(54) 내의 개구부 위에 탑재되어 본딩될 수 있다. 종래의 열도전성 그리스는 베릴륨 옥사이드 및 알루미늄 니트라이드와 같은 세라믹 재료 또는 콜로이드 실버(colloidal silver)와 같은 금속 입자를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 형광체 캐리어는 열전도율을 최대화하도록 형광체 캐리어(62)를 히트 싱크 구조에 타이트하게 유지하기 위해 클램핑 기구와 같은 열도전성 장치, 스크류, 또는 열접착제를 이용하여 개구부 위에 탑재될 수 있다. 일실시예에서, 대략 100㎛의 두께 및 k=0.2W/m-k의 열전도율을 갖는 더멀 그리스층이 이용된다. 이 구성은 형광체층(66)으로부터의 열을 방열시키기 위한 효과적인 열도전성 경로를 제공한다. 전술한 바와 같이, 상이한 램프 실시예는 캐비티 없이 제공될 수 있으며, 형광체 캐리어가 캐비티에 대한 개구부 위에 이 개구부를 지나도록 다수의 상이한 방식으로 탑재될 수 있다.
램프(50)의 작동 동안, 형광체 변환 발열은 LED 광의 대부분이 형광체 캐리어(62)를 때리고 통과하는 곳인 형광체층(66)의 중앙과 같은 형광체(66)의 일부분에 집중된다. 캐리어층(64)의 열도전성 성질은 이 열을 제1 열 흐름(70)에 의해 나타낸 바와 같이 형광체 캐리어(62)의 가장자리를 향해 측방으로 확산시킨다. 여기에서, 열이 더멀 그리스층을 통과하여 제2 열 흐름(72)에 의해 나타낸 바와 같이 히트 싱크 구조(52)로 전달되며, 이곳에서 열을 주변으로 효과적으로 발산할 수 있다.
전술한 바와 같이, 램프(50)에서, 플랫폼(56)과 히트 싱크 구조(52)는 열적으로 연결되거나 결합될 수 있다. 이러한 결합 구성은 형광체 캐리어(62)와 광원(58)이 방열을 위해 적어도 부분적으로 열도전성 경로를 공유하게 한다. 제3 열 흐름(74)에 의해 도시된 바와 같이 광원(58)으로부터 플랫폼(56)을 통과하는 열은 또한 히트 싱크 구조(52)에 확산될 수 있다. 히트 싱크 구조(52) 내로 흐르는 형광체 캐리어(62)로부터의 열은 또한 플랫폼(56) 내로 흐를 수 있다. 아래에 추가로 설명되는 바와 같이, 다른 실시예에서, 형광체 캐리어(62)와 광원(54)은 방열을 위한 별도의 열도전성 경로를 가질 수 있으며, 이러한 별도의 경로는 "연결되지 않은" 것으로서 지칭된다.
형광체 캐리어는 도 4에 도시된 실시예와는 상이한 다수의 방식으로 배치될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 형광체층은 캐리어층의 임의의 표면 상에 있거나 또는 캐리어층과 혼합될 수도 있다. 형광체 캐리어는 또한 형광체층 또는 캐리어층 상에 포함되거나 또는 이들과 혼합될 수 있는 산란층을 포함할 수 있다. 형광체층 및 산란층은 캐리어층의 표면의 일부를 덮을 수 있으며, 일부 실시예에서 변환층과 산란층은 상이한 영역에서 상이한 농도를 가질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 형광체 캐리어는 형광체 캐리어를 통한 발광을 향상시키기 위해 상이한 거친 표면 또는 상이한 형상의 표면을 가질 수 있다는 것을 이해할 것이다.
전술한 바와 같이, 디퓨저는 형광체 캐리어 및 LED로부터의 광을 원하는 램프 발광 패턴으로 분산하도록 배치되며, 다수의 상이한 형상 및 크기를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 디퓨저는 또한 램프가 발광하고 있지 않을 때에 형광체 캐리어를 마스크하기 위해 형광체 캐리어 위에 배치될 수 있다. 디퓨저는 램프가 발광하고 있지 않을 때에 전구가 백색으로 보이도록 실질적으로 백색 외관을 주기 위한 재료를 가질 수 있다.
램프(50)에 대한 출력 빔 특성을 제어하기 위해 이용될 수 있는 디퓨저의 적어도 4가지의 속성 또는 특성이 있다. 그 첫 번째는 형광체층 지오메트리와는 관계없는 디퓨저 지오메트리이다. 두 번째는 형광체층 지오메트리에 관련한 디퓨저 지오메트리이다. 세 번째는 산란층의 성질과 디퓨저 표면의 평활도/거칠기를 포함한 디퓨저 산란 특성이다. 네 번째는 의도적인 산란 불균일성과 같은 표면에 걸친 디퓨저 분포이다. 이들 속성은 예컨대 "측방(sideways)" 방출된 광(~90°)과 "높은 각도"로 방출된 광(＞~130°)에 대한 축방향 방출 광의 비율을 제어할 수 있다. 이들 속성은 형광체 캐리어 및 광원에 의해 방출된 광의 패턴 및 지오메트리 에 좌우되어 상이하게 적용될 수도 있다.
도 4에 도시된 바와 같은 2차원 형광체 캐리어 및/또는 광원의 경우, 방출되는 광은 전반적으로 전방으로 향하게 된다(예컨대, 램버시안). 이들 실시예에 대해, 위에 나열한 속성은 전방 지향 발광 패턴을 넓은 빔 세기 프로파일로 분산하는 것을 제공할 수 있다. 두 번째 속성 및 네 번째 속성의 변동은 전방 지향 발광 프로파일로부터 넓은 빔 무지향성 발광을 달성하는데 특히 적용될 수 있다.
3차원 형광체 캐리어(아래에 보다 상세하게 설명됨) 및 3차원 광원의 경우, 방출되는 광은 이러한 발광이 히트 싱크와 같은 다른 램프 표면에 의해 차단되지 않는다면 90°보다 큰 각도에서 이미 상당한 발광 세기를 가질 수 있다. 그 결과, 위에 나열한 디퓨저 속성은 요구된 출력 빔 세기, 색균일성, 컬러 포인트 등에 매우 근접하게 부합하도록 형광체 캐리어 및 광원으로부터의 빔 프로파일에 대한 추가의 조정 또는 미세 조정(fine-tuning)을 제공하도록 활용될 수 있다. 일부 실시예에서, 빔 프로파일은 종래의 백열 전구로부터의 출력과 실질적으로 부합하도록 조정될 수 있다.
형광체 지오메트리와는 관계없는 디퓨저 지오메트리에 관한 상기한 첫 번째 속성에 관해서는, 디퓨저 표면으로부터 광이 균일하게 방출되는 실시예에서, 측방(~90°)과 "높은 각도"(＞~130°)에 대한 "전방"(축방향으로 또는 ~0°)으로 향하는 광의 양은 그 각도에서 볼 때의 디퓨저의 횡단면 면적에 크게 좌우될 수 있다. 도 5는 소형의 2차원 형광체 캐리어(81)를 갖는 본 발명에 따른 높이가 높고 폭이 좁은 디퓨저(80)의 일실시예를 도시하고 있다. 이 디퓨저는 제1 시야각(82)을 따라 축방향으로 볼 때에는 원형 영역을 갖고 제2 시야각(84)을 따라 측면에서 볼 때에는 더 큰 영역을 갖는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 이러한 디퓨저는 "측방" 발광에 관련하여 낮은 축방향 발광을 가질 것이다. 디퓨저의 베이스에 히트 싱크 또는 기타 광 차단 특징부가 존재하면, 디퓨저의 높이를 증가시키는 것은 후방 발광 또는 높은 각도 발광의 양을 증가시킬 수 있다.
도 6은 특히 공통 평면 광원 및/또는 형광체 캐리어(91)의 발광 패턴에 좌우되는 균일한 무지향성 발광에 적용할 수 있는 본 발명에 따른 디퓨저(90)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 디퓨저(90)는 모든 각도에서 볼 때에 거의 일정한 횡단면 면적을 제공하는 거의 균일한 구형의 지오메트리를 갖는다. 이것은 균일한 또는 거의 무지향성의 발광 세기를 촉진한다.
형광체 캐리어 지오메트리에 관련한 디퓨저 지오메트리에 관한 전술한 두 번째 속성에 관하여, 도 7은 통상적으로 전방 방향 또는 램버시안 발광 패턴을 제공하는 2차원 형광체 캐리어 및 공통 평면 LED 광원에 특히 적용할 수 있도록 배열되는 디퓨저(100)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 디퓨저(100)는 장타원형이며, 좁은 목부(102)를 갖는다. 광원 및/또는 형광체 캐리어를 디퓨저(100)의 베이스에 위치시킴으로써, 그렇지 않을 경우에는 광원으로부터 전방 각도로 향하게 될 광이 "인터셉트되고", 디퓨저 표면의 산란 성질에 의해 더 높은 각도 또는 측방(~90°)으로 향하게 될 것이다. 이 작용은 또한 3차원 광원 및 형광체로도 발생할 수 있지만, 효과가 작을 수도 있다. 이들 3차원 실시예의 일부 실시예에서, 디퓨저는 목부를 필요로 하지 않고, 더욱 구체 형상(globe shape)을 취할 수도 있다.
도 8은 2차원 형광체 캐리어 및 공통 평면 LED 광원으로부터의 전방 지향 또는 램버시안 발광 패턴(112)의 일실시예를 보여주는 그래프(110)이다. 발광 패턴(114)은 라인 112에 의해 나타낸 발광 패턴이 도 7에 도시된 바와 같은 디퓨저를 통과한 후의 램프 발광 패턴을 나타낸다. 발광 패턴(114)은 축방향으로는(~0°) 감소된 발광 세기를 나타내지만 측방으로는(~90°) 매우 높은 발광을 보여주고 있다. 이것은 전방 지향 발광 패턴(112)에 비하여 더욱 균일한 발광 패턴을 나타낸다.
디퓨저 산란 특성에 관한 전술한 세 번째 속성에 관해서, 디퓨저의 상이한 실시예는 글래스 또는 플라스틱과 같은 상이한 재료로 구성된 캐리어 및 하나 이상의 산란막, 산란층 또는 산란 영역을 포함할 수 있다. 산란층은 형광체층의 침적과 관련하여 전술한 방법을 이용하여 침적될 수 있으며, 입자의 조밀한 패킹을 포함할 수 있다. 산란 입자는 또한 형광체층과 함께 이용되는 고착제를 참조하여 위에서 설명한 것과 동일할 수 있는 고착제 재료에 포함될 수 있다. 산란 입자층은 응용 기기 및 이용되는 재료에 따라서는 산란 입자의 상이한 농도를 가질 수 있다. 산란 입자 농도에 대한 적합한 범위는 0.01% 내지 0.2%이지만, 이 농도는 더 높아지거나 더 낮아질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 실시예에서, 농도는 0.001%만큼 낮을 수도 있다. 또한, 산란 입자층은 상이한 영역에서 상이한 농도의 산란 입자를 가질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 산란 입자에 대해서는, 더 높은 농도에 해당하는 흡수로 인한 손실의 증가가 발생할 수 있다. 그러므로, 수용 가능한 손실 수치를 유지하는 동시에 원하는 발광 패턴을 제공하도록 광을 분산시키기 위해 산란 입자의 농도가 선택될 수 있다.
산란 입자는 아래의 것을 포함한 다수의 상이한 재료를 포함하지만, 이들로만 한정되지는 않는다:
실리카;
카오린(kaolin)
산화아연(ZnO);
산화이트륨(Y2O3);
이산화티타늄(TiO2);
바륨 설페이트(BaSO4);
알루미나(Al2O3);
용융 실리카(SiO2);
퓸드 실리카(fumed silica, SiO2);
질화알루미늄;
글래스 비드;
이산화지르코늄(ZrO2);
탄화규소(SiC);
탄탈 산화물(TaO5);
질화규소(Si3N4);
산화니오븀(Nb2O5);
질화붕소(BN); 또는
형광체 입자(예컨대, YAG:Ce, BOSE)
특정 산란 효과를 달성하기 위해 이들 재료의 각종 조성물 또는 동일한 재료의 상이한 형태의 조성물 중의 하나보다 많은 산란 재료가 이용될 수 있다.
산란층은 디퓨저의 내측면 또는 외측면에 위치될 수도 있고, 또는 캐리어와 혼합될 수도 있다. 산란층의 캐리어의 표면은 광학적으로 매끄럽게 될 수도 있고 또는 거칠게 될 수도 있다. 산란층은 막으로 구성될 수도 있고, 또는 입자 사이에 공기를 두고 캐리어의 표면에 고착된 실리카 또는 카오린 입자와 같은 입자로 구성될 수도 있다. 산란층은 또한 실리카, 알루미늄 등의 막과 같은 고착제 매트릭스층(binder matrix layer)에 입자를 포함하거나 실리콘에 입자를 포함할 수도 있다. 산란층은 캐리어의 내측면 또는 외측면 상에 스프레이 코팅될 수 있거나, 캐리어 자체가 산란 입자를 포함할 수 있다. 디퓨저의 형상 내에 몰딩될 수 있는 산란막의 일례로는 FusionOptix, Inc.로부터 상업적으로 이용 가능한 막이 있다.
일반적으로, 산란 재료 또는 산란 입자는 입자에 입사하는 광이 그 광의 원래 진로로부터 방향이 변경되는 정도를 특징으로 할 수 있다. 개별 입자의 경우, 큰 쪽의 입자는 미 산란기(Mie scatter)의 경향을 보여, 광의 방향에서 비교적 작은 변화를 야기할 것이다. 작은 쪽의 입자는 레일리 산란기(Reyleigh scatter)의 경향을 보여, 입자와의 상호작용 후의 광의 방향 및 기본적으로 균일하거나 등방성의 분배에 있어서 커다란 변경을 초래한다. 입자로 구성된 막은 유사한 방식으로 동작할 수 있다. 매우 다양한 표면 특징부 및/또는 산란 입자가 이용될 수 있으며, 그 유효성은 흡수율(낮을수록 우수함) 및 주변 매트릭스/분위기와의 굴절률차(굴절률차가 클수록 더 효과적인 산란을 발생함)에 의해 결정된다.
디퓨저 표면의 평활도는 내부 전반사(TIR)로 인해 형광체 캐리어의 광원 쪽으로 반대로 향하게 되는 광의 양에 영향을 줄 수 있다. 매끄러운 내부면은 내부 전반사를 야기하고, 광원 쪽으로 향하게 될 광을 방향을 변경시킬 수 있다. 반대로, 거친 내부면은 이 작용을 나타내지 않는다. 다른 내부 램프 표면의 소스 쪽으로 반대로 방향이 변경되는 광은 흡수될 수 있어서, 램프 효율의 감소를 초래한다. 형광체층 쪽으로 반대로 산란된 광은 증가된 양의 다운컨버젼 및 그에 따라 디퓨저로 인한 램프의 색온도 또는 컬러 포인트의 시프트를 초래할 수 있다. 그러나, 높은 정도의 후방 산란은 또한 광이 디퓨저 내에서 내부적으로 산란되는 "라이트박스(lightbox)" 효과를 생성함으로써 균일성을 향상시킬 수 있어서, 디퓨저 표면에 걸친 더욱 균일한 분포, 및 램프 발광 빔 프로파일의 더욱 균일한 컬러 포인트 및 세기 분포를 야기한다.
표면에 걸친 디퓨저 산란 분포에 관한 네 번째 속성에 대해서는, 특정 영역에서의 표면으로부터 방출된 광의 양 및 그에 따라 그 결과의 빔 프로파일을 제어하기 위해, 디퓨저 표면에 걸친 산란 특성의 균일성이 이용될 수 있다. 이것은 디스퍼서에 목부를 갖는 도 7에 도시된 것과 같은 두 번째 속성 등의 다른 특성과 조합될 때에 특히 유용할 수 있다. 좁은 목부 영역을 갖는 장타원형 디퓨저와, 2차원 형광체 캐리어 및 공통 평면 LED 광원으로 발광하는 램프에서의 산란성이 큰(레일리 산란 또는 등방성 산란) 내부의 거친 표면 막을 이용함으로써, 광의 상당한 부분이 도 8에 도시된 바와 같이 측방으로 향하게 될 수 있다. 이 효과는 디퓨저의 목부 영역에서의 산란막을 통해 투과되는 광의 양을 증가시킴으로써 확대될 수 있다. 형광체 캐리어 및 광원에 의해 방출된 광의 상당한 부분이 산란층과 상호작용하면, 광은 디퓨저의 몸체 내에서 여기저기로 튀게(bounce)될 것이며, 이것은 균일한 발광을 향상시킬 수 있다. 산란막을 어떠한 영역에서 더 얇게 하거나 더 매끄럽게 하는 것 등에 의해 산란막이 더욱 투명하게 되는 이러한 영역을 생성함으로써, 그 표면을 떠나는 광의 상대 세기를 증가시키는 것이 가능하다. 도 7에 도시된 실시예에서, 목부 영역을 떠나 측방 빔 방향으로 가는 광의 양은 그 영역에서의 산란층을 더 얇게 하거나 더 매끄럽게 함으로써 증가될 수 있다.
이들은 원하는 발광 패턴을 제공하기 위해 이들 속성을 상이한 방식으로 조합할 수 있는 방법 중의 일부에 불과하다. 이러한 조합은 무지향성 발광 패턴 이외의 다수의 상이한 램프 발광 패턴을 제공할 수 있는 다수의 상이한 형상을 발생할 수 있다. 도 9 내지 도 12는 본 발명에 따른 램프에서의 2차원 캐리어 형광체(및 아래에 설명되는 바와 같은 3차원 형광체)와 함께 이용될 수 있는 추가의 디퓨저 형상 및 크기의 몇몇을 도시하고 있다. 도 9는 도 7에 도시된 실시예와 유사하고 더 짧고 좁은 목부를 갖는 전반적으로 구체 형상으로 되는 디퓨저(130)를 도시하고 있다. 디퓨저(130)의 일실시예의 치수가 도 9에 도시되어 있으며, 도 10 내지 도 12에도 디퓨저에 대한 치수가 도시되어 있다. 도 10은 더 짧은 목부를 갖고 그 구체 형상의 대부분을 유지하고 있는 디퓨저(140)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 도 11은 목부 영역을 갖지 않지만 구체 형상의 대부분을 유지하고 있는 디퓨저(150)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 도 12는 디퓨저가 반구형보다 조금 더 큰 형상을 포함하는 디퓨저(160)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 이들 형상은 아래에 설명되고 첨부 도면에 도시된 바와 같이 상이한 패턴 및 상이한 레벨의 효율을 갖는 에미터를 제공한다. 디퓨저는 셀 수 없을 정도로 많은 기타 형상을 취할 수 있으며, 일부의 추가 형상으로는 버섯 형상, 불릿(bullet) 형상, 원통 형상, 계란 형상, 장타원 형상 등이 있다. 다른 실시예에서, 디퓨저는, 베이스에서의 폭이 더 넓고 적어도 베이스로부터 먼 쪽으로 이동하는 일부분을 통해 폭이 좁아지는 형상을 취할 수 있다. 이들 실시예는 상면보다 바닥에서의 폭이 더 넓어지게 되는 형상을 취할 수 있다.
도 13 내지 도 16은 형광체 캐리어로부터의 광이 디퓨저를 통과하도록 형광체 위에 디퓨저(130)가 배치된 2차원 형광체 캐리어를 갖는 본 발명에 따른 램프의 발광 특성을 보여주는 그래프이다. 도 13 및 도 14는 램프의 발광 특성을 디퓨저 없는 램프 및 표준 제너럴 일렉트릭 60W 엑스트라 소프트 라이트 벌브(standard General Electric 60W Extra Soft Light Bulb)에 비교하여 보여주고 있다. 도 15 및 도 16은 0 내지 180°의 시야각으로부터의 발광 세기의 변동을 보여주고 있다.
도 17 내지 도 20은 도 13 내지 도 16의 그래프와 유사하고, 디퓨저(140)가 형광체 캐리어 위에 배치된 2차원 형광체 캐리어를 갖는 본 발명에 따른 램프의 발광 특성을 보여주고 있다. 도 21 내지 도 24는 도 13 내지 도 16에 도시된 그래프와 유사하고, 디퓨저(150)가 형광체 캐리어 위에 배치된 2차원 형광체 캐리어를 갖는 본 발명에 따른 또 다른 램프의 발광 특성을 보여주고 있다. 마찬가지로, 도 25 내지 도 28은 도 13 내지 도 16에 도시된 그래프와 유사하고, 디퓨저(160)가 형광체 캐리어 위에 배치된 2차원 형광체 캐리어를 갖는 본 발명에 따른 또 다른 램프의 발광 특성을 보여주고 있다.
본 발명에 따른 램프는 전술한 것 이외의 다수의 상이한 특징을 포함할 수 있다. 다시 도 4를 참조하면, 이들 램프에서, 캐비티(54)를 갖는 실시예는 램프의 방열을 추가로 향상시키기 위해 투명한 열도전성 재료로 채워질 수 있다. 캐비티의 도전성 재료는 광원(58)으로부터의 열을 방열시키기 위한 2차 경로를 제공할 수 있다. 광원으로부터의 열은 여전히 플랫폼(56)을 통해 전도될 것이지만, 또한 캐비티 재료를 통해 히트 싱크 구조(52)로 통과할 수 있다. 이것은 광원(58)에 대한 더 낮은 작동 온도를 가능하게 할 것이지만, 형광체 캐리어(62)에 대해서는 상승된 작동 온도의 위험을 제공한다. 이 구성은 다수의 상이한 실시예에서 이용될 수 있지만, 특히 형광체 캐리어의 작동 온도에 비하여 광원 작동 온도가 높은 램프에 적용할 수 있다. 이 구성은 형광체 캐리어층의 추가의 발열이 허용될 수 있는 어플리케이션에서 열이 광원으로부터 더욱 효과적으로 확산되도록 할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 상이한 램프 실시예는 다수의 상이한 타입의 광원이 배치될 수 있다. 도 29는 위에서 설명되고 도 4에 도시된 램프(50)와 유사한 램프(210)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 램프(210)는 광원(218)을 유지하도록 배치된 플랫폼(216)과 함께 캐비티(214)를 갖는 히트 싱크 구조(212)를 포함한다. 캐비티(214) 위에서 캐비티에 대한 개구부를 적어도 부분적으로 덮는 형광체 캐리어(220)가 포함될 수 있다. 이 실시예에서, 광원(218)은 별도의 LED 패키지로 배열되거나 단일의 복수 LED 패키지에 어레이로 배열된 복수의 LED를 포함할 수 있다. 별도의 LED 패키지를 포함하는 실시예의 경우, 각각의 LED는 자기 자신의 1차 광학장치 또는 렌즈(222)를 포함할 수 있다. 단일의 복수 LED 패키지를 갖는 실시예에서, 단일의 1차 광학장치 또는 렌즈(224)가 LED 모두를 덮을 수 있다. 또한, LED 및 LED 어레이는 2차 광학장치를 갖거나 또는 1차 광학장치와 2차 광학장치의 조합이 제공될 수 있다는 것을 이해할 것이다. LED는 렌즈 없이 제공될 수 있으며, 어레이 실시예에서 각각의 LED는 자기 자신의 렌즈를 가질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 램프(50)와 마찬가지로, 히트 싱크 구조 및 플랫폼은 광원(218)에 전기 신호를 제공하기 위한 필수적인 전기 트레이트 또는 배선이 배치될 수 있다. 각각의 실시예에서, 에미터는 상이한 직렬 및 병렬 배치로 연결될 수 있다. 일실시예에서, 2개의 배선으로 직렬로 회로 기판에 연결되는 8개의 LED가 이용될 수 있다. 배선은 그 후 전술한 전원 공급 장치 유닛에 연결될 수 있다. 다른 실시예에서는 8개보다 많거나 적은 LED가 이용될 수 있으며, 전술한 바와 같이, 8개의 XLamp® XP-E LED 또는 4개의 XLamp® XP-G LED를 포함한 Cree, Inc.로부터 상업적으로 이용 가능한 LED가 이용될 수 있다. 상이한 단일 스트링 LED 회로가 "Color Control of Single String Light Emitting Devices Having Single String Color Control"을 발명의 명칭으로 하여 van de Ven 등에 의해 출원된 미국 특허 출원 번호 12/566,195호와, "Solid State Lighting Apparatus with Compensation Bypass Circuits and Methods of Operation Thereof"를 발명의 명칭으로 하여 van de Ven 등에 의해 출원된 미국 특허 출원 번호 12/704,730에 개시되어 있으며, 이들 특허 출원 또한 그 내용이 원용에 의하여 본 명세서에 참조되어 있다.
전술한 램프(50, 210)에서, 광원과 형광체 캐리어는 방열을 위한 열 경로를 공유하며, 이것은 열적으로 결합되는 것으로 지칭된다. 일부 실시예에서, 형광체 캐리어와 광원을 위한 열 경로가 열적으로 연결되지 않은 경우에는, 형광체 캐리어의 방열이 향상될 수 있으며, 이것은 열적으로 연결 해제된 것으로 지칭된다.
도 30은 히트 싱크 구조(305) 내에 광학 캐비티(302)를 포함하는 본 발명에 따른 램프(300)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 위의 실시예들과 마찬가지로, 램프(300)는 램프 캐비티 없이 제공될 수도 있으며, 이때 LED는 히트 싱크의 표면 상에 탑재되거나 또는 상이한 형상을 갖는 3차원 또는 받침대 구조 상에 탑재된다. 평면형 LED 기반 광원(304)이 플랫폼(306)에 탑재되며, 전술한 특징 중의 임의의 특징을 갖는 형광체 캐리어(308)가 캐비티(302)의 상단 개구부에 탑재된다. 도시된 실시예에서, 형광체 캐리어(308)는 평평한 디스크 형상으로 될 수 있으며, 열전도성 투명 재료 및 형광체층을 포함한다. 형광체 캐리어는 전술한 바와 같은 열전도성 재료 또는 장치에 의해 캐비티에 탑재될 수 있다. 캐비티(302)는 전술한 바와 같이 발광 효율을 향상시키기 위해 반사성 표면을 가질 수 있다.
광원(304)으로부터의 광은 형광체 캐리어(308)를 통과하며, 이 형광체 캐리어에서 광의 일부분이 형광체 캐리어(308) 내의 형광체에 의해 상이한 파장의 광으로 변환된다. 일실시예에서, 광원(304)은 청색 발광 LED를 포함할 수 있으며, 형광체 캐리어(308)는 청색광의 일부분을 흡수하여 황색광을 재방출하는 전술한 바와 같은 황색 형광체를 포함할 수 있다. 램프(300)는 LED 광과 황색 형광체 광의 백색광 조합을 방출한다. 위에서와 같이, 광원(304)은 또한 상이한 컬러의 광을 방출하는 다수의 상이한 LED를 포함할 수 있고, 형광체 캐리어는 원하는 색온도 및 연색성을 갖는 광을 발생하기 위해 다른 형광체를 포함할 수 있다.
램프(300)는 또한 위에 나열한 바와 같은 확산 또는 산란 입자를 포함하는 캐비티(302) 위에 탑재된 성형된 디퓨저 돔(310)을 포함한다. 산란 입자는 일반적인 돔 형상으로 형성되는 경화 가능한 고착제에 제공될 수 있다. 도시된 실시예에서, 돔(310)은 히트 싱크 구조(305)에 탑재되며, 히트 싱크 구조(305)의 반대쪽 단부에 확장부를 갖는다. 실리콘, 에폭시, 글래스, 무기 글래스, 유전체, BCB, 폴리마이드, 폴리머 및 이들의 혼성체와 같은 상이한 고착제 재료가 전술한 바와 같이 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 백색 산란 입자는 광학 캐비티 내의 형광체 캐리어(308) 내의 형광체의 컬러를 가리는(hide) 백색을 갖는 돔과 함께 이용될 수 있다. 이것은 전체적인 램프(300)가 일반적으로 소비자에게 형광체의 컬러보다 더 시각적으로 받아들이기 쉽거나 주목을 끌 수 있는 백색 외관이 되도록 한다. 일실시예에서, 디퓨저는 디퓨저 돔(310)이 전체적으로 백색 외관을 갖도록 할 수 있는 백색 이산화티타늄 입자를 포함할 수 있다.
디퓨저 돔(310)은 광학 캐비티로부터 방출되는 광을 더욱 균일한 패턴으로 분배하는 추가의 장점을 제공할 수 있다. 전술한 바와 같이, 광학 캐비티 내의 광원으로부터의 광은 전반적으로 램버시안 패턴으로 방출될 수 있으며, 돔(310)의 형상은 산란 입자의 산란 특성과 함께 광이 더욱 무지향성 발광 패턴으로 돔으로부터 방출되도록 한다. 공학적으로 설계된 돔은 산란 입자를 상이한 영역에서 상이한 농도로 가질 수 있거나, 또는 특정 발광 패턴에 맞는 형상으로 될 수 있다. 일부 실시예에서, 돔은 램프로부터의 발광 패턴이 무지향성 분포 기준을 정의하는 미국 에너지국(DOE)의 Energy Star를 준수하도록 공학적으로 설계될 수 있다. 램프(300)에 의해 충족되는 이 표준의 한 가지 조건은, 발광 균일성이 0 내지 135°시야(viewing)로부터의 평균값의 20% 이내이어야 하고, 135~180°발광 영역에서 램프로부터 총광속의 5%보다 많은 양이 방출되어야 한다는 것이며, 이 측정은 0, 45, 90°방위각에서 이루어진다. 전술한 바와 같이, 여기에서 설명된 상이한 램프 실시예는 또한 DOE Energy Star 표준을 충족하는 A-타입 리트로피트(retrofit) LED 전구를 포함할 수 있다. 본 발명은 효율적이고, 신뢰할 수 있으며, 비용면에서 효과적인 램프를 제공한다. 일부 실시예에서, 전체 램프는 신속하고 용이하게 조립될 수 있는 5개의 부품을 포함할 수 있다.
위의 실시예들과 마찬가지로, 램프(300)는, 종래의 전기 리셉터클에 끼워맞추기 위한 타입의 장착 기구를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 램프(300)는 표준 에디슨 소켓에 장착하기 위한 나사산 형성부(312)를 포함한다. 위의 실시예들과 마찬가지로, 램프(300)는 표준 플러그를 포함할 수 있으며, 전기 리셉터클은 표준 아울렛이 될 수 있거나 또는 GU24 베이스 유닛을 포함할 수 있다. 또는, 플러그가 클립으로 될 수 있고, 전기 리셉터클이 이 클립을 수용하여 유지할 수 있는(예컨대, 다수의 형광등에서 이용되는 바와 같이) 리셉터클이 될 수 있다.
전술한 바와 같이, 램프(300)의 특징부들 중의 몇몇 특징부 사이의 공간은 혼합 챔버로서 고려될 수 있으며, 광원(306)과 형광체 캐리어(308) 사이의 공간은 제1 광혼합 챔버를 구성한다. 형광체 캐리어(308)와 디퓨저(310) 사이의 공간은 제2 광혼합 챔버를 구성할 수 있으며, 이 혼합 챔버는 상기 램프의 균일한 컬러 및 세기의 발광을 촉진한다. 이것은 상이한 형상의 형광체 캐리어 및 디퓨저를 갖는 아래의 실시예에 적용할 수 있다. 다른 실시예에서, 추가의 디퓨저 및/또는 형광체 캐리어가 포함되어 추가의 혼합 챔버를 형성할 수 있으며, 디퓨저 및/또는 형광체 캐리어가 상이한 순서로 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 상이한 램프 실시예는 다수의 상이한 형상 및 크기를 가질 수 있다. 도 31은 램프(300)와 유사한 본 발명에 따른 램프(320)의 또 다른 실시예를 도시하고 있으며, 마찬가지로 히트 싱크 구조(325)에 광학 캐비티(322)를 포함하고 있고, 이 광학 캐비티(322) 내의 플랫폼(326)에 광원(324)이 탑재되어 있다. 위와 마찬가지로, 히트 싱크 구조는 광학 캐비티를 가질 필요가 없으며, 광원은 히트 싱크 구조를 지나 다른 구조물 상에 제공될 수 있다. 이들은 광원을 갖는 받침대 또는 평면형 표면을 포함할 수 있다. 형광체 캐리어(328)는 열접속(thermal connection)으로 캐비티 개구부 위에 탑재된다. 램프(320)는 또한 광학 캐비티 위에서 히트 싱크 구조(325)에 탑재된 디퓨저 돔(330)을 포함한다. 디퓨저 돔(330)은 위에서 설명되고 도 15에 도시된 디퓨저 돔(310)과 동일한 재료로 구성될 수 있지만, 이 실시예에서, 돔(300)은 형광체 캐리어(328) 내의 형광체로부터 컬러를 마스킹하면서 상이한 램프 발광 패턴을 제공하기 위해 타원형 또는 계란 형상으로 된다. 히트 싱크 구조(325) 및 플랫폼(326)은 열적으로 연결 해제된다는 것에 유의하여야 한다. 즉, 플랫폼(326)과 히트 싱크 구조(325)는 방열을 위한 열 경로를 공유하지 않도록 이들 사이에 공간이 존재한다. 전술한 바와 같이, 이것은 연결 해제된 열 경로를 갖지 않은 램프에 비하여 형광체 캐리어로부터 향상된 방열을 제공할 수 있다. 램프(300)는 또한 에디슨 소켓에 장착하기 위한 나사산 형성부(332)를 포함할 수 있다.
도 32 내지 도 34는 도 31에 도시된 램프(320)와 유사한 본 발명에 따른 램프(340)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 이 램프는 플랫폼(346) 상의 광원(344)과 함께 광학 캐비티(342)를 갖는 히트 싱크 구조(345) 및 광학 캐비티 위의 형광체 캐리어(348)를 포함한다. 또한 이 램프는 나사산 형성부(352)를 포함한다. 이 램프는 또한 디퓨저 돔(350)을 포함하지만, 이 실시예에서 디퓨저 돔은 여전히 형광체의 컬러를 마스킹하면서 원하는 발광 패턴을 제공하도록 상면이 평탄하게 되어 있다.
램프(340)는 또한 광원(344)과 히트 싱크 구조(345) 사이에 인터페이스층(354)을 포함한다. 일부 실시예에서, 인터페이스층은 열 절연 재료를 포함할 수 있으며, 광원(344)은 에미터로부터 광원의 기판의 에지로의 방열을 촉진하는 특징부를 가질 수 있는다. 이것은 히트 싱크 구조의 외측 에지로의 방열을 촉진할 수 있으며, 이 외측 에지에서 히트 핀을 통해 열을 방열할 수 있다. 다른 실시예에서, 인터페이스층(354)은 히트 싱크 구조(345)를 광원(344)과 전기적으로 절연하기 위해 전기 절연성으로 될 수 있다. 그러므로, 전기 접속은 광원의 상면에 이루어질 수 있다.
위의 실시예들에서, 형광체 캐리어는 광원의 LED가 공통 평면을 이루는 2차원(또는 평탄형/평면형)으로 이루어진다. 그러나, 다른 램프 실시예에서, 형광체 캐리어는 상이한 3차원 형상을 포함한 다수의 상이한 형상을 취할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 3차원이라는 표현은 위의 실시예들에서 나타낸 바와 같은 평면형이 아닌 임의의 형상을 의미하는 것이다. 도 35 내지 도 38은 본 발명에 따른 3차원 형광체 캐리어의 상이한 실시예들을 도시하지만, 이들은 또한 다수의 다른 형상을 가질 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 전술한 바와 같이, 형광체가 광을 흡수하고 재방출할 때, 3차원 형광체 캐리어가 광원으로부터의 광을 변환하고 분산하도록, 이 광은 등방성 양상으로 재방출된다. 전술한 디퓨저와 마찬가지로, 상이한 형상의 3차원 형광체층이 부분적으로는 광원의 발광 패턴에 좌우되는 상이한 특성을 갖는 발광 패턴으로 광을 방출할 수 있다. 그러므로, 디퓨저는 형광체 캐리어의 발광과 부합하여 원하는 램프 발광 패턴을 제공할 수 있다.
도 35는 반구상 캐리어(355) 및 형광체층(356)을 포함하는 반구 형상 형광체 캐리어(354)를 도시하고 있다. 반구상 캐리어(355)는 전술한 캐리어층과 동일한 재료로 구성될 수 있으며, 형광체층은 전술한 형광체층과 동일한 재료로 구성될 수 있으며, 산란 입자는 전술한 바와 같이 캐리어 및 형광체층에 포함될 수 있다.
이 실시예에서, 형광체층(356)이 캐리어(355)의 외측면 상에 도시되어 있지만, 형광체층은 캐리어의 내측면에 있거나, 캐리어와 혼합되거나, 또는 이들의 임의의 조합으로 존재할 수 있다. 일부 실시예에서, 형광체층을 외측면에 갖는 것은 발광 손실을 최소화할 것이다. 에미터 광이 형광체층(356)에 의해 흡수될 때, 이 광은 무지향성으로 방출되며, 광의 일부가 후방으로 방출되어 LED와 같은 램프 요소에 의해 흡수될 수 있다. 형광체층(356)은 또한 형광체층으로부터 전방으로 방출되는 광이 캐리어(355)의 내측면으로부터 역반사될 수 있도록 반구상 캐리어(355)와는 상이한 굴절률을 가질 수 있다. 이 광은 또한 램프 요소에 의한 흡수로 인해 손실될 수 있다. 캐리어(355)의 외측면 상의 형광체층(356)으로, 전방으로 방출되는 광은 캐리어(355)를 통과할 필요가 없으며, 반사로 손실되지 않을 것이다. 후방으로 방출되는 광은 캐리어의 상단과 마주칠 것이며, 이곳에서 그 광의 적어도 일부가 역반사될 것이다. 이 구성은 캐리어 내로 반대로 방출되어 이곳에서 흡수되는 형광체층(356)으로부터의 광의 감소를 발생한다.
형광체층(356)은 전술한 것과 동일한 다수의 방법을 이용하여 침적될 수 있다. 일부 예에서, 캐리어(355)의 3차원 형상은 필요한 커버리지를 제공하기 위해 추가의 단계 또는 기타 프로세스를 요구할 수도 있다. 솔벤트-형광체-고착제 혼합물이 스프레이되고, 캐리어가 전술한 바와 같이 가열될 수 있는 실시예에서, 대략 균일한 커버리지와 같은 캐리어에 걸친 요구된 커버리지를 제공하기 위해 복수의 스프레이 노즐이 요구될 수도 있다. 다른 실시예에서, 요구된 커버리지를 제공하기 위해 캐리어를 회전시키는 동안에는 더 적은 수의 스프레이 노즐이 이용될 수 있다. 위와 마찬가지로, 캐리어(355)로부터의 열은 솔벤트를 기화시킬 수 있고, 고착제를 경화시키는데 도움을 줄 수 있다.
또 다른 실시예에서, 형광체층은, 형광체층을 캐리어(355)의 내측면 또는 외측면 상에 형성할 수 있지만 특히 내측면에 형성하는데 적용할 수 있는 이머전 프로세스(emersion process)를 통해 형성될 수 있다. 캐리어(355)는 적어도 부분적으로는 캐리어의 표면에 고착되는 형광체 혼합물로 채워지거나 또는 이 형광체 혼합물과 접촉하게 될 수 있다. 그리고나서, 혼합물이 캐리어로부터 드레인(drain)되어 표면 상에 형광체 혼합물의 층이 잔류하게 되며, 이 층이 그 후에 경화될 수 있다. 일실시예에서, 혼합물은 폴리에틸렌 산화물(PEO) 및 형광체를 포함할 수 있다. 캐리어는 PEO-형광체 혼합물로 채워지고나서 드레인되어, PEO-형광체 혼합물의 층이 잔류하게 되며, 이 층이 그 후에 경화될 수 있다. PEO는 열에 의해 기화되거나 빼내지게 되어 형광체층이 잔류하게 된다. 일부 실시예에서는 형광체층을 추가로 고정시키기 위해 고착제가 가해질 수 있는 한편, 다른 실시예에서는 고착제 없이 형광체를 유지할 수 있다.
평면형 캐리어층을 코팅하기 위해 이용된 프로세스와 마찬가지로, 이들 프로세스는 동일하거나 상이한 형광체 재료를 가질 수 있는 복수의 형광체층에 도포하기 위한 3차원 캐리어에 활용될 수 있다. 형광체층은 또한 캐리어의 내측 및 외측 양자에 도포될 수 있으며, 캐리어의 상이한 영역에서 상이한 두께를 갖는 상이한 타입을 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 캐리어에 대해 열에 의해 형성될 수 있는 형광체 재료의 시트로 캐리어를 코팅하는 것과 같은 상이한 프로세스가 이용될 수 있다.
캐리어(355)를 이용하는 램프에서, 에미터는 에미터로부터의 광이 위로 방출되어 캐리어(355)를 통과하도록 캐리어의 베이스에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 에미터는 전반적으로 램버시안 패턴으로 광을 방출할 수 있으며, 캐리어는 더욱 균일한 패턴으로 광을 분산하는데 도움을 줄 수 있다.
도 36은 불릿(bullet) 형상의 캐리어(358) 및 캐리어의 외측면 상의 형광체층(359)을 포함하는 본 발명에 따른 3차원 형광체 캐리어(357)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 캐리어(358) 및 형광체층(359)은 전술한 것과 동일한 방법을 이용하여 동일한 재료로 형성될 수 있다. 상이한 형상의 형광체 캐리어가 전체적인 요구된 램프 발광 패턴을 제공하기 위해 상이한 에미터와 함께 이용될 수 있다. 도 37은 구체 형상의 캐리어(361) 및 캐리어의 외측면 상의 형광체층(362)을 포함하는 본 발명에 따른 3차원 형광체 캐리어(360)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 캐리어(361) 및 형광체층(362)은 전술한 것과 동일한 방법을 이용하여 동일한 재료로 구성될 수 있다.
도 38은 좁은 목부(365)를 갖는 전반적으로 구체 형상의 캐리어(364)를 갖는 본 발명에 따른 형광체 캐리어(363)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 위의 실시예들과 마찬가지로, 형광체 캐리어(363)는 전술한 것과 동일한 방법을 이용하여 형성되고 동일한 재료로 구성되는 캐리어(364)의 외측면 상의 형광체층(366)을 포함한다. 일부 실시예에서, 캐리어(364)와 유사한 형상을 갖는 형광체 캐리어는 에미터 광을 변환하고, 광원으로부터 램버시안 패턴의 광을 더욱 균일한 발광 패턴으로 재방출하는데 더욱 효과적일 수 있다.
받침대와 같이 LED를 유지하는 3차원 구조를 갖는 실시예는 3차원 형광체로부터 훨씬 더 분산된 광 패턴을 제공할 수 있다. 이들 실시예에서, LED는 평면형 LED 광원보다 덜 램버시안으로 되는 발광 패턴을 제공하도록 상이한 각도로 형광체 캐리어 안쪽에 위치할 수 있다. 이 발광 패턴은 그 후 3차원 형광체 캐리어에 의해 추가로 분산될 수 있으며, 디스퍼서가 램프의 발광 패턴을 미세 조정(fine-tuning)한다.
도 39 내지 도 41은 히트 싱크 구조(372), 광학 캐비티(374), 광원(376), 디퓨저 돔(378), 및 나사산 형성부(380)를 갖는 본 발명에 따른 램프(370)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예는 또한 열전도성 투명 재료 및 하나의 형광체층을 포함하는 3차원 형광체 캐리어(382)를 포함한다. 이 형광체 캐리어는 열 접속으로 히트 싱크 구조(372) 상에 장착된다. 그러나, 이 실시예에서, 형광체 캐리어(382)는 반구 형상으로 되며, 에미터는 광원으로부터의 광이 그 광의 적어도 일부분을 변환하는 형광체 캐리어(382)를 통과하도록 배치된다.
형광체 캐리어(382)의 3차원 형상은 형광체 캐리어와 광원(376) 간의 자연적인 분리를 제공한다. 이에 따라, 광원(376)은 광학 캐비티를 형성하는 히트 싱크 내의 리세스에 탑재되지 않는다. 그 대신, 광원(376)은 히트 싱크 구조(372)의 상면 상에 탑재되며, 광학 캐비티(374)가 형광체 캐리어(382)와 히트 싱크 구조(372)의 상면 사이의 공간에 의해 형성된다. 이 배치는 측방 발광(sideways emission)을 차단하고 방향을 바꾸기 위한 광학 캐비티 측면이 없기 때문에 광학 캐비티(374)로부터 더 적은 램버시안 발광을 가능하게 할 수 있다.
램프(370)가 광원(376)으로서의 청색 발광 LED 및 황색 형광체를 이용하는 실시예에서, 형광체 캐리어(382)가 황색으로 보이도록 할 수 있으며, 디퓨저 돔(378)이 이 컬러를 마스킹하면서 램프 광을 원하는 발광 패턴으로 분산한다. 램프(370)에서, 플랫폼을 위한 도전성 경로와 히트 싱크 구조를 위한 도전성 경로가 연결되지만, 다른 실시예에서는 이들은 연결되지 않을 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 42는 전술한 바와 같이 히트 싱크(394) 상에 탑재된 8개의 LED 광원(392)을 포함하는 본 발명에 따른 램프(390)의 일실시예를 도시하고 있다. 에미터는 다수의 상이한 방식으로 함께 연결될 수 있고, 도시된 실시예에서는 직렬로 접속되어 있다. 그러나, 에미터는 다수의 상이한 직렬과 병렬 상호접속 조합으로 함께 연결될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이 실시예에서, 에미터는 광학 캐비티에 탑재되지 않고, 히트 싱크(394)의 상단 평면 상에 탑재된다. 도 43은 돔 형상의 형광체 캐리어(396)가 광원(392) 위에 탑재되는 도 42에 도시된 램프(390)를 도시하고 있다. 도 43에 도시된 램프(390)는 램프 분산 광 방출을 형성하기 위해 도 44 및 도 45에 도시된 바와 같이 디퓨저(398)와 조합될 수 있다.
도 46 내지 도 49는 형광체 캐리어로부터의 광이 디퓨저를 통과하도록 형광체 위에 디퓨저(398)가 배치되는 돔 형상의 3차원 형광체 캐리어를 갖는 본 발명에 따른 램프(390)의 발광 특성을 보여주는 그래프이다. 도 46 및 도 47은 램프의 발광 특성을 디퓨저 없는 램프와 비교하고 또한 표준 제너럴 일렉트릭 60W 엑스트라 소프트 라이트 벌브와 비교하여 나타내고 있다. 도 48 및 도 49는 0 내지 180°의 시야각에서의 발광 세기의 변동을 보여주고 있다.
도 50 내지 도 53은 도 46 내지 도 49에서의 그래프와 유사하고, 도 10에 도시된 바와 같은 디퓨저(140)가 형광체 캐리어 위에 배치된 돔 형상의 3차원 형광체 캐리어를 갖는 본 발명에 따른 램프의 발광 특성을 보여주는 그래프이다. 도 54 내지 도 57은 도 46 내지 도 49에서의 그래프와 유사하고, 도 11에 도시된 바와 같은 디퓨저(150)가 형광체 캐리어 위에 배치된 돔 형상의 3차원 형광체 캐리어를 갖는 본 발명에 따른 또 다른 램프의 발광 특성을 보여주는 그래프이다. 마찬가지로, 도 58 내지 도 61은 도 46 내지 도 49에서의 그래프와 유사하고, 도 12에 도시된 바와 같은 디퓨저(160)가 형광체 캐리어 위에 배치된 돔 형상의 3차원 형광체 캐리어를 갖는 본 발명에 따른 또 다른 램프의 발광 특성을 보여주는 그래프이다.
도 62는 위에서 설명하고 도 42 내지 도 61에 도시된 상이한 램프 실시예에 대한 시야각에 걸친 색변동을 보여주는 CIE 다이아그램을 포함하여 도시하고 있다. 전술한 바와 같이, 디퓨저는 원하는 발광 패턴 및 램프 구성요소의 배치에 좌우되어 다수의 상이한 형상 및 크기를 취할 수 있다. 일례로서, 도 63은 히트 싱크의 에지를 통해서와 같이 형광체 캐리어 광의 누출을 경험하는 이들 실시예에서 이용될 수 있는 디퓨저(400)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 디퓨저(400)의 베이스(402)는 이들 에지에 의해 통과하는 광을 확산할 수 있다.
도 64 내지 도 66은 본 발명에 따른 램프(410)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 이 램프는 도 39 내지 도 41에 도시된 램프(370)와 동일한 특징부의 다수를 포함한다. 그러나, 이 실시예에서는, 형광체 캐리어(412)가 불릿 형상으로 되고, 대부분이 전술한 형광체 캐리어의 다른 실시예와 동일한 방식으로 기능한다. 이들은 단지 형광체 캐리어가 본 발명의 상이한 실시예에서 취할 수 있는 상이한 형상을 결합한 것이라는 것을 이해할 것이다.
도 67은 광원(426)을 갖는 광학 캐비티(424) 및 형광체 캐리어(428)와 함께 히트 싱크(422)를 포함하는 본 발명에 따른 램프(420)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 램프(420)는 또한 디퓨저 돔(430) 및 나사산 형성부(432)를 포함한다. 그러나, 이 실시예에서, 광학 캐비티(424)는 히트 싱크(422)로부터 제거 가능한 도 68에 도시된 바와 같은 별도의 카라 구조(434)를 포함할 수 있다. 이것은 반사성 재료에 의해 전체 히트 싱크보다 더 용이하게 코팅될 수 있는 분리 부분(separate piece)을 제공한다. 카라 구조(434)는 히트 싱크 구조(422)의 나사산(thread)과 짝을 이루도록 나사산이 형성될 수 있다. 카라 구조(434)는 인쇄 회로 기판을 히트 싱크에 기계적으로 클램핑하는 추가의 장점을 제공할 수 있다. 다른 실시예에서, 카라 구조(434)는 더욱 용이한 제조를 위해 나사산 대신 기계적 스냅-온(snap-on) 장치를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 3차원 형광체 캐리어의 형상 및 지오메트리는 에미터의 발광 패턴을 또 다른 더욱 바람직한 발광 패턴으로 변환하는데 도움을 줄 수 있다. 일실시예에서, 이것은 램버시안 발광 패턴을 상이한 각도에서 더욱 균일한 발광 패턴으로 변경하는데 도움을 줄 수 있다. 그 후, 디스퍼서가 형광체 캐리어로부터의 광을 최종의 요구된 발광 패턴으로 추가로 변환하면서 이와 동시에 광이 오프 상태인 때에 형광체의 황색 외관을 마스킹할 수 있다. 원하는 발광 패턴을 발생하기 위한 에미터, 형광체 캐리어, 및 디스퍼서의 조합의 성능에 다른 요인도 기여할 수 있다. 도 69는 본 발명에 따른 일실시예의 램프에 대한 에미터 점유공간(440), 형광체 캐리어 점유공간(442), 및 디스퍼서 점유공간(444)의 일실시예를 도시하고 있다. 형광체 캐리어 점유공간(442) 및 디스퍼서 점유공간(444)은 에미터(440) 주위의 이들 특징부의 하부 에지를 나타내고 있다. 이들 특징부의 실제 형상 외에, 이들 특징부의 에지 간의 거리 D1 및 D2가, 원하는 발광 패턴을 제공하는 형광체 캐리어 및 디스퍼서의 성능에 영향을 줄 수 있다. 에지 간의 거리와 함께 이들 특징부의 형상은, 원하는 램프 발광 패턴을 획득하기 위해, 에미터의 발광 패턴에 기초하여 최적화될 수 있다.
다른 실시예에서는 전체 광학 캐비티와 같은 램프의 상이한 부분이 제거될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 카라 구조(414)를 제거할 수 있도록 하는 이들 특징부는 반사성층으로 광학 캐비티를 코팅하는 것을 더욱 용이하게 할 수 있으며, 또한 고장의 경우에 광학 캐비티의 제거 및 교체를 가능하게 할 수 있다.
본 발명에 따른 램프는 다수의 상이한 개수의 LED를 포함하는 광원을 가질 수 있으며, 이 LED의 개수는 일부 실시예에서는 30개 미만이고, 다른 실시예에서는 20개 미만이다. 또 다른 실시예는 10개 미만의 LED를 가질 수 있으며, 더 적은 LED 칩을 갖게 되면 램프 광원의 비용 및 복잡도가 전반적으로 낮아지게 된다. 일부 실시예에서 복수의 칩 광원에 의해 덮여진 면적은 30㎟ 미만, 다른 실시예에서는 20㎟ 미만으로 될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 이 면적은 10㎟ 미만으로 될 수 있다. 본 발명에 따른 램프의 일부 실시예는 또한 400 루멘보다 큰 정상 상태 루멘 출력을 제공할 수 있고, 다른 실시예에서는 600 루멘보다 큰 출력을 제공할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 램프는 800 루멘보다 큰 정상 상태 루멘 출력을 제공할 수 있다. 일부 램프 실시예는 이 램프 출력을 비교적 냉각 상태의 램프 터치 온도로 유지할 수 있도록 하는 램프의 열관리 특징부로 제공할 수 있다. 일실시예에서는 램프가 60℃ 미만의 램프 터치 온도로 유지되고, 다른 실시예에서는 50℃ 미만의 램프 터치 온도로 유지된다. 또 다른 실시예에서는 램프가 40℃ 미만의 램프 터치 온도로 유지된다.
본 발명에 따른 램프의 일부 실시예는 또한 와트당 40 루멘(lm/w)보다 큰 효율로 작동할 수 있으며, 다른 실시예에서는 와트당 50 루멘보다 큰 효율로 작동할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 램프는 와트당 55 루멘보다 큰 효율로 작동할 수 있다. 본 발명에 따른 램프의 일부 실시예는 70보다 큰 연색 지수(CRI)로 광을 발생할 수 있고, 다른 실시예에서는 80보다 큰 연색 지수로 광을 발생할 수 있다. 또 다른 실시예에서 램프는 90보다 큰 연색 지수로 광을 작동할 수 있다. 본 발명에 따른 램프의 일실시예는 3000K 상관 색온도(CCT : correlated color temperature)에서 320 루멘/옵티컬 와트보다 큰 방사 등가 루멘(LER : lumen equivalent of radiation) 및 80보다 큰 CRI를 갖는 램프 발광을 제공하는 형광체를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 램프는 0 내지 135°시야각에서 평균값의 40% 내에 있는 분포로 광을 방출할 수 있으며, 다른 실시예에서 이 분포는 동일한 시야각에서 평균값의 30% 내에 있을 수 있다. 또 다른 실시예는 Energy Star 사양에 준수하여 동일한 시야각에서 평균값의 20%의 분포를 가질 수 있다. 실시예들은 또한 135 내지 180°시야각에서 총광속의 5%보다 큰 광을 방출할 수 있다.
본 발명에 따른 램프 또는 전구는 전술한 실시예 외의 다수의 상이한 방식으로 배치될 수 있다. 상기한 실시예들은 원격 형광체를 참조하여 설명되었지만, 다른 실시예는 컨포멀 형광체층과 함께 적어도 몇몇의 LED를 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이것은 특히 상이한 타입의 에미터로부터 상이한 컬러의 광을 방출하는 광원을 갖는 램프에 적용될 수 있다. 이들 실시예는 전술한 특징부들 중의 일부 또는 전부를 가질 수 있다.
도 70 내지 도 85는 본 발명에 따라 배치된 추가의 램프 또는 전구 실시예를 도시하고 있다. 도 70은 히트 싱크(452)의 상면 상의 공통 평면 LED(454)의 어레이를 갖는 히트 싱크(452) 또는 평면형 서브마운트를 포함하는 램프(450)의 일실시예를 도시하고 있다. 3차원 또는 비평면형 형광체 캐리어(456)가 LED(454)와 형광체 캐리어(456) 사이의 공간을 두고 LED(454) 위에서 히트 싱크(452)에 탑재된다. 디퓨저(458)는 디퓨저와 형광체 캐리어(456) 사이에 공간을 두고 형광체 캐리어(456) 위에 포함된다. 램프(450)의 요소 및 도 71 내지 도 85에 도시되어 아래에 설명되는 실시예의 요소는 동일한 특성을 가질 수 있으며, 위의 실시예들에서 설명된 램프의 대응하는 요소와 동일한 방식으로 제조될 수 있다. 이 실시예에서, 형광체 캐리어(456) 및 디퓨저(458)는 기본적으로 구형이며, 디퓨저(458)가 형광체 캐리어(456)를 마스킹한다.
도 71은 공통 평면의 LED(464)가 히트 싱크(462)에 탑재되고 형광체 캐리어(466)가 LED(464) 위에 이격되어 탑재되는 서브마운트 또는 히트 싱크(462)를 갖는 본 발명에 따른 램프(460)의 또 다른 실시예이다. 디퓨저(468)가 형광체 캐리어(466) 위에 이격되어 탑재되며, 이 둘은 역시 기본적으로 구형으로 되어 있다. 이 실시예에서, 히트 싱크(462)는 더 큰 깊이를 가지며, 일실시예에서는 입방체 형상을 가질 수 있다. 디퓨저(468)가 히트 싱크(462)의 측면에 탑재되며, 형광체 캐리어(466)가 히트 싱크(462)의 상면에 탑재된다. 도 72는 도 71의 램프(460)에 도시된 것들과 같이 유사한 히트 싱크(472), 공통 평면 LED(474) 및 디퓨저(478)를 갖는 본 발명에 따른 램프(470)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 이 램프는 또한 히트 싱크(472)의 측면에 탑재되는 형광체 캐리어(476)를 포함한다.
도 73은 도 71의 램프(450)와 유사하고 형광체 캐리어(486) 및 디퓨저(488)와 함께 서브마운트 또는 히트 싱크(482)를 포함하는 본 발명에 따른 램프(480)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 이 램프는 또한 LED(484)를 포함하며, 이 LED는 이 실시예에서는 LED(484)가 공통 평면으로 되어 있지 않고 상이한 방향으로 광을 방출할 수 있도록 경사 표면을 갖는 받침대(489) 상에 탑재된다. 도 74는 입방체 형상의 서브마운트 또는 히트 싱크(492), 형광체 캐리어(496) 및 디퓨저(498)를 갖는 본 발명에 따른 램프(490)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. LED(494) 또한 포함되어 있으며, 이 LED는 이 실시예에서는 LED(494)가 상이한 방향으로 발광하도록 히트 싱크(492)의 측면 상에 위치된다. LED(494)가 히트 싱크(492)의 다른 표면 상에 있을 수도 있고, 형광체(496) 및 디퓨저(498)가 구형 형상으로 되거나 또는 튜브 형상과 같은 다수의 다른 형상으로도 될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 75 내지 도 77은 투광기로서 배치될 수 있는 램프의 상이한 실시예를 도시하고 있다. 도 75는 램프광에 대해 불투명하게 될 수 있고 반사성을 나타낼 수 있는 측면(505)을 갖는 하우징(504)의 베이스에 탑재된 공통 평면 LED(502)를 갖는 램프(500)의 일실시예를 도시하고 있다. 형광체 캐리어(506)는 LED(502) 위에 이격 배치되는 상태로 하우징(504) 내에 탑재된다. 디퓨저(508)는 형광체 캐리어(506) 위에 이격 배치되는 상태로 하우징에 탑재된다. 도 76은 램프(500)와 유사하지만 이 실시예에서는 LED(512)가 공통 평면으로 되지 않도록 받침대(514) 상에 탑재되는 본 발명에 따른 램프(510)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 도 77은 램프(510)와 유사하지만 구형 형상의 형광체 캐리어(522)가 LED(524) 위에 탑재되는 본 발명에 따른 램프(520)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다.
상이한 실시예들은 다수의 상이한 배치 및 형상을 가질 수 있으며, 도 78은 2차원 램프 패널을 포함하는 램프(530)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. LED(532)는 불투명하고/반사성의 측면(535)을 갖는 하우징(534) 내에 탑재된다. 형광체 컨버터(536) 및 디퓨저(538)는 LED(532) 위에서 이격 위치되는 상태로 하우징(534)에 탑재된다. 도 79는 2차원의 2개의 측면 발광 패널/박스를 포함하는 램프(540)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예에서, LED(542)는 박스의 반대쪽 상에 탑재되어 서로를 향해 발광할 수 있다. 형광체 캐리어(544)는 LED(542)의 에지 상의 박스의 길이를 따라 연장할 수 있고, 디퓨저(546)는 형광체 캐리어(544)의 외측에서 이격 위치되는 상태로 박스의 길이를 따라 연장한다. 도 80은 램프(540)와 유사하지만 이 실시예에서는 2차원 측면 발광 패널/박스가 배면 반사기(552)를 갖는 본 발명에 따른 램프(550)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다.
도 81은 도 79에 도시된 램프(540)와 유사한 본 발명에 따른 램프(560)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 그러나, 이 실시예에서, 형광체 캐리어(562) 및 디퓨저(564)는 튜브 형상으로 되며, 적어도 부분적으로 LED(566)들 사이의 형광체 캐리어의 길이를 따라 도파관 또는 공기를 포함할 수 있다. 도 82는 램프(560)와 유사한 본 발명에 따른 램프(570)의 또 다른 실시예를 도시하며, 이 램프(570)는 튜브 형상의 형광체 캐리어(572) 및 디퓨저(574)를 갖는다. 실시예에서, 램프(570)는 또한 적어도 부분적으로 LED(578)들 사이의 형광체 캐리어(572)의 길이를 따라 연장하는 그레이디드형 추출 요소 도파관(graded extraction element waveguide)(576)을 더 포함한다. 도 83은 램프(560)와 유사하지만 이 실시예에서는 튜브 형상의 디퓨저의 일부분이 반사기(582)를 포함할 수 있는 본 발명에 따른 램프(580)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다.
도 84는 2차원의 균일한 발광 패널을 포함하는 본 발명에 따른 램프(590)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 공통 평면 LED(592)의 어레이가 캐비티 또는 기판(594)의 에지 상에 탑재된다. 형광체 캐리어(596)는 LED(592) 위에 이격 위치되는 상태로 탑재되며, 복수의 디퓨저층(598)이 형광체 캐리어 위에 이격 위치되는 상태로 탑재된다. 기판(594)의 바닥면은 반사성 표면을 포함할 수 있으며, 이 배치에서는 패널 광원이 적어도 일부를 기판(594)에 직각을 이루는 방향으로 방출한다.
도 85는 도 75 내지 도 77의 실시예와 유사한 투광기로서 배치될 수 있는 램프(600)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 램프(600)는 불투명하거나 반사성의 측면을 갖는 하우징(602)을 포함하며, LED(604)가 하우징(602)의 베이스에 탑재된다. 또한 디퓨저(606)가 하우징(602)에 탑재되고, LED(604)로부터 떨어져 이격되어 있다. 3차원 도파관(608)이 하우징(602) 내에서 LED(604)와 디퓨저 사이에 포함되며, LED(604)가 광을 도파관(608) 내로 방출한다. 도파관(608)의 표면 중의 적어도 일부가 형광체 또는 형광체 캐리어(610)에 의해 덮여지며, LED 광이 도파관을 통과하고, 형광체(608)와 상호작용하여 변환된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 디퓨저는 원하는 램프 발광 패턴을 획득하기 위해 램프 광원으로부터의 상이한 양의 광을 산란 및 투과시키는 상이한 영역을 가질 수 있다. 도 7 및 도 9에 도시된 디퓨저 형상을 다시 참조하면, 디퓨저의 상이한 영역이 무지향성 발광을 획득하기 위해 상이한 산란 및 투과 특성을 갖는 영역을 포함할 수 있다. 도 86은 디퓨저(621)의 베이스에 있는 하부(622)가 상부(624)와는 상이한 산란(반사) 및 투과 특성을 가질 수 있는 디퓨저(621)를 포함하는 본 발명에 따른 램프(620)의 일실시예를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 하부(622)는 이 하부를 통과하는 광의 대략 20%를 반사하고, 대략 80%를 투과시킨다. 상부(624)는 이 상부를 통과하는 광의 80%를 반사하고, 대략 20%를 투과시킨다. 도 87은 디퓨저(621), 공통 평면 광원, 및 평면형의 또는 2차원의 형광체 캐리어를 포함하는 램프에 의해 실현될 수 있는 향상된 램프 발광 특성을 보여주는 그래프(640)를 도시하고 있다. 목부 지오메트리의 투과는 축방향으로(~0°) 방출된 광에 비하여 측방으로(~90°) 향하는 광의 양을 증가시킬 수 있다.
도 88은 도 6에 도시된 디퓨저(90)와 유사한 형상을 갖는 디퓨저(652)를 포함하는 본 발명에 따른 램프(650)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 디퓨저의 베이스에 있는 하부(654)가 상부(656)와는 상이한 산란(반사) 및 투과 특성을 가질 수 있다. 이 실시예에서, 하부(654)는 이 하부를 통과하는 광의 대략 20%를 반사하고, 대략 80%를 투과시킨다. 상부(656)는 이 상부를 통과하는 광의 80%를 반사하고, 대략 20%를 투과시킨다. 도 89는 디퓨저(652), 공통 평면 광원, 및 평면형의 또는 2차원의 형광체 캐리어를 포함하는 램프에 의해 실현될 수 있는 향상된 램프 발광 특성을 보여주는 그래프(660)를 도시하고 있다. 디퓨저(652)의 하부를 통해 투과되는 광의 양을 증가시킴으로써, 평면형(램버시안) 광을 거의 구형의 디퓨저로 합성할 때에 거의 백열등과 같은 세기 분포를 달성하는 것이 가능하다. 이 분포는 예컨대 하부(654) 상에 침적된 산란층의 두께가 상부(656) 상에 침적되는 산란층의 두께보다 작도록 두께, 산란 입자 밀도, 입자 크기 또는 성질 등을 수정함으로써 생성될 수 있다.
본 발명을 특정의 바람직한 구성을 참조하여 상세하게 설명하였지만, 다른 구성도 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상 및 범위는 전술한 것으로 한정되지 않아야 한다.

Claims (57)

  1. 조명 장치에 있어서,
    광원;
    솔리드 스테이트 광원으로부터 이격되어 있는 디퓨저(diffuser); 및
    상기 솔리드 스테이트 광원과 상기 디퓨저 사이에 배치되고, 상기 솔리드 스테이트 광원과 상기 디퓨저로부터 이격되어 있으며, 상기 솔리드 스테이트 광원에 의해 방출된 광을 수광하도록 위치되는 파장 변환 재료
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 솔리드 스테이트 광원인, 조명 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 파장 변환 재료는 열도전성 재료를 갖는 형광체 캐리어를 포함하는, 조명 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 파장 변환 재료는 상기 솔리드 스테이트 광원으로부터의 광의 적어도 일부를 흡수하는, 조명 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 디퓨저는 상기 광원 및/또는 상기 파장 변환 재료로부터의 광을 분산하는, 조명 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    변환 열을 상기 파장 변환 재료로부터 멀어지도록 전도하기 위한 방열 요소를 더 포함하는, 조명 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 파장 변환 재료는 3차원의 것인, 조명 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 파장 변환 재료는 평면형의 것인, 조명 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 복수의 공통 평면 발광 다이오드(LED)를 포함하는, 조명 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 공통 평면을 이루지 않는 복수의 발광 다이오드(LED)를 포함하는, 조명 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 파장 변환 재료는 실질적으로 원뿔-구형(frusto-spherical) 형상인, 조명 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 디퓨저는 실질적으로 원뿔-구형 형상인, 조명 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 파장 변환 재료 및 상기 디퓨저는 상기 파장 변환 재료 형광체 및 상기 디퓨저가 이중-돔 구조를 제공하도록 실질적으로 원뿔-구형 형상인, 조명 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 광원과 상기 파장 변환 재료 사이의 공간 및 상기 디퓨저와 상기 형광체 사이의 공간이 광 혼합 챔버를 구성하는, 조명 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 디퓨저는 상기 조명 장치가 작동하지 않을 때에 상기 파장 변환 재료의 외관을 적어도 부분적으로 가려주는, 조명 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 디퓨저는 상기 조명 장치가 작동하지 않을 때에 백색 외관을 나타내는, 조명 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    800 루멘 이상의 정상 상태 루멘 출력을 제공하는, 조명 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    와트당 50 루멘보다 큰 발광 효율을 갖는, 조명 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 10개 이하의 발광 다이오드를 포함하는, 조명 장치.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 10㎟ 또는 그 미만의 발광 칩 면적을 갖는, 조명 장치.
  21. 제1항에 있어서,
    80보다 큰 연색 지수(CRI)로 광을 방출하는, 조명 장치.
  22. 제1항에 있어서,
    에너지 스타를 준수하는(Energy Star compliant) 발광 패턴으로 광을 방출하는, 조명 장치.
  23. 제1항에 있어서,
    A19 크기 프로파일에 끼우기 위한 크기로 되는, 조명 장치.
  24. 조명 장치에 있어서,
    솔리드 스테이트 광원; 및
    상기 솔리드 스테이트 광원으로부터 이격되고, 형광체가 실질적으로 원뿔-구형 형상을 갖는, 파장 변환 재료
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  25. 조명 장치에 있어서,
    원격 파장 변환 재료;
    광원; 및
    원격 디퓨저
    를 포함하며,
    상기 디퓨저로부터 방출된 광이 원격 형광체로부터 방출된 광에 비하여 각도 범위에 걸쳐 공간 발광 세기 프로파일에서의 감소된 변동을 갖는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 광원은 솔리드 스테이트 광원을 포함하는 조명 장치.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 디퓨저로부터 방출된 광은 시야각의 범위 내에서 평균값의 40% 이내에 있는 공간 균일성을 갖는, 조명 장치.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 시야각의 범위는 0°내지 135°인, 조명 장치.
  29. 제25항에 있어서,
    상기 디퓨저로부터 방출된 광은 시야각의 범위 내에서 평균값의 20% 이내에 있는 공간 균일성을 갖는, 조명 장치.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 시야각의 범위는 0°내지 135°인, 조명 장치.
  31. 제25항에 있어서,
    상기 디퓨저로부터 방출된 광은 시야각의 범위 내에서 CIE 다이아그램 상의 표준 편차 내에 있는 색균일성을 갖는, 조명 장치.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 표준 편차는 4-스텝 맥아담 편차 타원(4-step MacAdams ellipse)인, 조명 장치.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 시야각의 범위는 0°내지 135°인, 조명 장치.
  34. 제25항에 있어서,
    상기 원격 파장 변환 재료는 열도전성 재료를 갖는 형광체 캐리어를 포함하는, 조명 장치.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 열도전성 재료는 적어도 0.5 W/m-k의 열전도율을 갖는, 조명 장치.
  36. 제25항에 있어서,
    변환 열을 상기 원격 파장 변환 재료로부터 멀어지도록 전도하기 위한 방열 요소를 더 포함하는, 조명 장치.
  37. 제25항에 있어서,
    상기 파장 변환 재료는 3차원의 것인, 조명 장치.
  38. 제25항에 있어서,
    상기 파장 변환 재료는 2차원의 것인, 조명 장치.
  39. 제25항에 있어서,
    상기 광원은 복수의 공통 평면 발광 다이오드(LED)를 포함하는, 조명 장치.
  40. 제25항에 있어서,
    상기 광원은 공통 평면을 이루지 않는 복수의 발광 다이오드(LED)를 포함하는, 조명 장치.
  41. 제25항에 있어서,
    상기 원격 파장 변환 재료 및 상기 원격 형광체는 상기 형광체 및 디퓨저가 이중-돔 구조를 제공하도록 돔 형상으로 되는, 조명 장치.
  42. 제25항에 있어서,
    상기 광원과 상기 파장 변환 재료 사이의 제1 공간 및 상기 디퓨저와 상기 형광체 사이의 제2 공간을 포함하며, 상기 제1 공간과 상기 제2 공간이 광 혼합 챔버를 구성하는, 조명 장치.
  43. 제25항에 있어서,
    상기 디퓨저는 상기 조명 장치가 작동하지 않을 때에 상기 파장 변환 재료를 적어도 부분적으로 가려주는, 조명 장치.
  44. 솔리드 스테이트 램프에 있어서,
    램프의 방사상 축에 실질적으로 직각을 이루는 평면을 규정하는 하나 이상의 솔리드 스테이트 광 에미터; 및
    램프에 의해 방출된 광의 적어도 5%를 상기 하나 이상의 솔리드 스테이트 광 에미터에 의해 규정된 평면 아래에 있는 방향으로 분배하는 광학 시스템
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 솔리드 스테이트 램프.
  45. 제44항에 있어서,
    상기 광의 적어도 5%는 135° 내지 180°범위 내의 시야각에서 방출되는, 솔리드 스테이트 램프.
  46. 제25항에 있어서,
    에너지 스타를 준수하는(Energy Star compliant) 발광 패턴으로 광을 방출하는, 솔리드 스테이트 램프.
  47. 제25항에 있어서,
    A19 프로파일에 끼우기 위한 크기로 되는, 솔리드 스테이트 램프.
  48. 솔리드 스테이트 램프에 있어서,
    발광 다이오드(LED) 기반의 광원;
    상기 LED 광원으로부터 이격되어 있는 원격 파장 변환 재료; 및
    상기 원격 파장 변환 재료로부터 떨어져 있고, 상기 LED 광원 및 상기 파장 변환 재료로부터의 광을 실질적으로 무지향성의 발광 패턴으로 분산하기 위한 형상 및 광 산란 특성을 갖는 디퓨저
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 솔리드 스테이트 램프.
  49. 솔리드 스테이트 램프에 있어서,
    발광 다이오드(LED) 기반의 광원;
    상기 LED 광원으로부터 이격되어 있는 원격 형광체; 및
    상기 원격 형광체로부터 떨어져 있고, 상기 솔리드 스테이트 램프가 작동하지 않을 때에 상기 원격 형광체를 마스킹하는 디퓨저
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 솔리드 스테이트 램프.
  50. 제49항에 있어서,
    상기 디퓨저는 상기 솔리드 스테이트 램프가 작동하지 않을 때에 백색으로 보이는, 솔리드 스테이트 램프.
  51. 제49항에 있어서,
    에너지 스타를 준수하는(Energy Star compliant) 발광 패턴으로 광을 방출하는, 솔리드 스테이트 램프.
  52. 제49항에 있어서,
    A19 프로파일에 끼우기 위한 크기로 되는, 솔리드 스테이트 램프.
  53. 솔리드 스테이트 램프에 있어서,
    발광 다이오드(LED) 기반의 광원;
    상기 LED 광원으로부터 이격되어 있는 3차원 원격 형광체; 및
    상기 원격 형광체로부터 떨어져 있는 3차원 디퓨저
    를 포함하며,
    상기 디퓨저로부터 방출된 광은 상기 원격 형광체로부터 방출된 광에 비하여 각도 범위에 걸쳐 공간 발광 세기 프로파일에서 감소된 변동을 갖는 것을 특징으로 하는 솔리드 스테이트 램프.
  54. 솔리드 스테이트 램프에 있어서,
    발광 다이오드(LED) 기반의 광원;
    상기 LED 광원으로부터 이격되어 있는 돔 형상의 원격 형광체; 및
    상기 원격 형광체로부터 떨어져 있는 돔 형상의 디퓨저
    를 포함하며,
    상기 원격 형광체와 상기 디퓨저는 이중-돔 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 솔리드 스테이트 램프.
  55. 제54항에 있어서,
    상기 디퓨저로부터 방출된 광은 상기 원격 형광체로부터 방출된 광에 비하여 각도 범위에 걸쳐 공간 발광 세기 프로파일에서 감소된 변동을 갖는, 솔리드 스테이트 램프.
  56. 제54항에 있어서,
    에너지 스타를 준수하는(Energy Star compliant) 발광 패턴으로 광을 방출하는, 솔리드 스테이트 램프.
  57. 제54항에 있어서,
    A19 프로파일에 끼우기 위한 크기로 되는, 솔리드 스테이트 램프.
KR1020127025903A 2010-03-03 2011-03-02 원격 형광체 및 디퓨저 구성을 갖는 발광 다이오드 램프 KR20130036220A (ko)

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